KR20040047804A - 냉각 및 가열 용도의 압축 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 압축 냉각 시스템은, 초임계 고압측 압력으로 작동될 수 있는 폐쇄 순환 회로에 연결된 압축기(1)와, 열 리젝터(2)와, 팽창 수단(3), 그리고 열 흡수기(4)를 포함한다.

상기 시스템의 냉매 충전 및 구성 요소의 설계는, 전체 시스템의 온도가 60 ℃로 동일해질 때의 냉매의 임계 압력의 1.26 배보다 낮은 시스템 내부의 정지 압력에 상응한다. 상기 시스템에서는 이산화탄소 또는 이산화탄소를 함유하는 냉매 혼합물이 냉매로서 적용될 수 있다.

Description

냉각 및 가열 용도의 압축 시스템{COMPRESSION SYSTEM FOR COOLING AND HEATING PURPOSES}

종래의 증기 압축 시스템은 소정 온도에서의 포화 압력에 의해 얻어지는 버금 임계 압력에서 냉매를 응축함으로써 열을 리젝트한다. 대부분의 경우에, 이러한 냉매는 시스템에서 발생되는 최대 압력이 상기 냉매의 임계 압력보다 충분히 낮도록 선택되며, 대개 소정의 한계, 예컨대 25 바아를 초과하지 않도록 선택된다.

임계 온도가 낮은 냉매, 예컨대 CO₂를 사용하는 경우에는, 시스템의 효율적인 작동을 확보하기 위하여, 히트 싱크의 온도가 높다면, 예컨대 냉매의 임계 온도보다 높다면 열이 리젝트될 때의 압력이 초임계값이어야 한다. 따라서, 작동 사이클은 예컨대 WO 90/07683호에 공지된 바와 같이 천이 임계(transcritical)이다.

WO 94/14016호와 WO 97/27437호 양자 모두에는 이와 같은 시스템을 구현하기위한 간단한 기술되어 있는데, 기본적으로 폐쇄 회로에 연결된 압축기와, 열 리젝터와, 팽창 수단, 그리고 증발기를 포함하고 있다. 2가지 특허 모두의 경우에서, 환경적 문제로 인해 CO₂가 바람직한 냉매이다.

WO 94/14016호와 WO 97/27437호 모두의 주요 단점은 주변 온도가 높은 곳에서는 정지 상태 동안에 시스템에 매우 높은 압력이 발생될 수 있다는 것이다. WO 97/27437호에 설명된 바와 같이, 압력은 대개 60 ℃에서 100 바아 이상이다. 이로써, 모든 구성 요소에 대하여 매우 높은 설계 압력이 필요하게 되어, 이들 구성 요소가 무거워지고 비용이 더 들게된다. 특히, 이러한 점은 밀폐형 압축기의 설계시에 단점이 되며, 이 때문에 쉘의 크기는 전기 모터의 크기에 의해 정해진다.

WO 94/14016호에서는 회로의 저압측에 연결된 별도의 압력 경감용 팽창 용기를 밸브를 통해 연결함으로써 상기 문제를 개선하는 방법을 기술하고 있다. 이 방법의 단점은 시스템의 비용 및 복잡성이 증대된다는 점이다.

WO 94/14016호와 WO 97/27437호의 다른 단점은, 시스템의 내부 용적에 대해 각각 0.55 내지 0.7 ㎏/ℓ와 0.25 내지 0.45 ㎏/ℓ에 이르는 충전 요건은, 예컨대 낮은 열 흡수 온도에서 작동하거나 및/또는 밀폐형 압축기를 사용하며 시스템의 저압측에 큰 가스 용적을 갖는 시스템에 대해 최적화되기에는 너무 높다는 것이다.

WO 94/14016호와 WO 97/27437호의 또 다른 단점은, 상기 시스템의 최적 충전이 윤활형 압축기를 구비하는 시스템의 경우에 윤활제에 대한 냉매의 용해성에 의하여 크게 영향을 받고 또한 시스템의 구성 요소에 의해서도 영향을 받는다는 것을고려하지 않았다는 점이다.

본 발명은 폐쇄 순환 회로에 연결된 압축기와, 열 리젝터와, 팽창 수단, 그리고 열 흡수기를 포함하는 압축 냉동 시스템으로서, 초임계 고압측 압력으로 작동될 수 있으며 시스템의 냉매로서 이산화탄소 또는 이산화탄소를 함유한 혼합물을 사용하는 압축 냉동 시스템에 관한 것이다.

도 1은 증기 압축 시스템용의 간단한 회로를 예시하고,

도 2는 정지 상태에서 온도가 변화할 때 압력이 어떻게 변화하는 가에 대하여 본 발명에 따라 설계된 경우의 예와 WO 97/27437호의 예를 비교하여 보여주며,

도 3은 본 발명에 따른 전형적인 시스템에 있어서 상이한 구성 요소의 용적 및 충전이 최적의 시스템 충전을 위한 시스템의 충전에 어떻게 기여하는 가에 대하여, 다이어그램에서 빗금친 영역으로 표시한 바와 같은 WO 94/14016호와 WO 97/27437호에 따른 용적 대 충전 범위와 비교하여 보여주고,

도 4는 최적의 시스템 충전에 의해 얻어지는 최대 성능 계수(COP)를 예시하고, 충전이 최적의 값보다 높거나 낮은 경우에 상기 성능 계수가 어떻게 감소하는 가를 예시하며,

도 5는 시스템의 작동을 개량하기 위하여 수정된 사이클의 예를 보여주고,

도 6은 가역 공조 시스템과 열 펌프 시스템의 예를 보여준다.

본 발명의 주 목적은 전술한 결점 및 단점을 회피하는 간단하고 효율적인 시스템을 제조하는 것이다.

이러한 본 발명은 첨부된 독립 청구항 1에 한정된 바와 같은 구성을 특징으로 한다.

본 발명의 장점은 첨부된 독립 청구항 2 내지 9에 더 한정되어 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 적어도 압축기와, 열 리젝터와, 팽창 수단, 그리고 열 흡수기를 포함하는 간단한 회로에 기초한다. 앞서 언급한 종래의 인용례의 경우는 냉매 충전이 큰 냉각 회로에 관한 것이라는 사실에 기초하여, 본원 발명자는 실험과 시뮬레이션을 통해 놀랍게도 시스템의 저압측에서 정상 작동 중에 냉매 증기/가스를 수용하는 구성 요소의 내부 용적을 수정함으로써, 시스템의 소정 내부 용적에 대해 충전을 작게 하여 최적 작동 조건을 확보할 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서, 시스템의 구성 요소에 대하여 가능한 최저 설계 압력을 확보할 수 있다.

이러한 방식에서는, 온도가 높은 곳에서 정지 상태 동안에 과잉 압력을 회피하기 위하여 별도의 압력 경감용 팽창 용기를 마련할 필요가 없고, 시스템의 저압측에 있는 모든 구성 요소 또는 그 일부가 저압용으로 설계될 수 있다. 계산과 실험 결과는 CO₂가 냉매인 경우에 60 ℃의 온도에서 최대 정지 압력이 80 바아 아래로쉽게 유지될 수 있다는 것을 보여준다. 본 발명은 시스템의 중량 및 비용을 현저히 감소시키고 그 설계를 간단화하는 데 사용될 수 있다.

본 발명은 단지 예로서 후술하는 내용과 첨부 도면에 보다 상세히 기술되어 있다.

도 1은 폐쇄 순환 시스템에 연결된 압축기(1)와, 열 리젝터(2)와, 팽창 수단(3), 그리고 열 흡수기(4)를 포함하는 통상적인 증기 압축 시스템을 예시한다.

예컨대, CO₂를 냉매로 사용하는 경우, 고압측 압력은 초임계 값일 수도 있지만, 이러한 시스템은 히트 싱크의 온도가 높은 곳에서 초임계 고압측 압력으로 작동하여야만 시스템의 최적 효율을 확보할 수 있다. 따라서, 공기가 히트 싱크로서 사용되는 경우 CO₂는 대개 110 바아 이상의 범위에 있으므로, 시스템의 고압측은 그에 상응하는 높은 작동 압력에 맞게 설계되어야 한다. 그러나, 시스템의 저압측은 예컨대 약 22 ℃의 증발 온도에 해당하는 60 바아 이상의 작동 압력을 거의 필요로 하지 않는다. 따라서, 시스템은 대개 60 ℃ 또는 그 이상에 이르는 정지 온도를 견뎌내야 하므로, 정지 압력은 대개 저압측의 설계 압력을 결정짓는다. 이러한 조건에서, 시스템이 전술한 종류의 온도에 노출된다면 압력 레벨은 대개 시스템의 고압측 최대 작동 압력만큼 높아질 수 있다.

구성 요소의 설계에 있어서 최대 압력의 중요성은 기존의 코드, 표준 및 통상적인 실시 중 일부에 의해 입증된다. 일반적으로, 최소 파열 압력으로서 상기 최대 압력의 5배가 필요하다. 따라서, 120 바아에 노출될 수 있는 구성 요소는 600 바아를 견뎌낼 필요가 있는 반면에, 70 바아에 노출될 수 있는 구송 요소는 단지 350 바아를 견녀낼 필요가 있다. 이는 제조 비용, 크기 및 중량의 현저한 차이로 이어질 수 있다. 이는 전기 모터의 치수로 정해지는 쉘의 크기가 상당히 큰 경우에 밀폐형(반밀폐형) 압축기와 같은 구성 요소들에 대해 특히 중요할 것이다.

본 발명에 따르면, 최대 정지 압력을 감소시키기 위하여 상이한 구성 요소의 용적 및 냉매 충전을 고려하여 시스템을 설계할 수 있다. 따라서, 시스템의 저압측에 필요한 설계 압력은 시스템의 작동 중에 최적의 고압측 압력으로부터 벗어나는 일없이 간단한 방식으로 감소될 수 있다. 이는 최적의 효율을 갖는 저비용 시스템에 기여한다.

본 발명이 의도하는 바는, 시스템의 저압측에서 정상 작동 중에 냉매 증기/가스를 수용하는 구성 요소의 내부 용적을 수정함으로써 얻어질 수 있고, 시스템의 소정 내부 용적에 대하여 충전을 작게 하여 최적의 작동 조건이 얻어질 수 있다. 따라서, 시스템의 구성 요소에 있어서 가능한 최저 설계 압력이 얻어질 수 있다. 밀폐형 압축기의 필수적인 쉘 설계 압력을 감소하기 위하여, 상기 내부 용적은, 예컨대 높은 압력 등급에서도 비교적 저렴한 큰 크기의 튜브로 수정될 수 있다.

도 2는 정지 상태의 온도로 등가화시킨 시스템의 경우에 온도에 따라 본 발명에 따른 시스템의 압력이 어떻게 변화하는 가를 보여준다(도면 부호 10으로 표시된 곡선 참조). 알 수 있는 바와 같이, 주변 온도가 매우 높은 곳에서도 시스템의 압력은 냉매의 임계 압력보다 낮다. 또한, 비교를 위해 WO 97/27437호에 따른 시스템의 일반적인 곡선(11)이 포함되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 차이가 현저하다.

도 3은 본 발명에 따른 시스템의 설계 관점에서 최적의 효율을 제공하도록 충전되어 있는 선택된 시스템의 상이한 부품들 마다 축적된 충전/용적 관계가 어떻게 변화하는 지를 보여준다. 명백히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템의 경우에 총 내부 용적당 최종 충전이 대략 0.14 ㎏/ℓ(도면 부호 20)까지 이르렀는데, 이는 도면 부호 21, 22로 각각 표시된 WO 94/14016호와 WO 97/27437호의한계값보다 상당히 낮은 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 시스템의 경우에 전술한 최적 충전(30)이 어떻게 최대 효율(COP)을 제공하는 가를 예시한다. COP는 냉각 시스템의 냉각 용량과 시스템에 대한 전력 입력과의 관계로서 정의된다. 충전이 더 크거나 작은 경우, COP는 최적 충전에 의해 얻어지는 값보다 현저히 낮은 값으로 급격히 낮아진다.

도 2 내지 도 4는 밀폐형 압축기, 내부 열 교환기, 증발기 및 가스 냉각기를 포함하는 본 발명에 따른 시스템의 상세한 시뮬레이션에 기초한다. 도 4는 + 40 ℃의 주변 온도에서 열을 리젝트하도록 작동되고 시스템의 충전 및 용량에 의존하는 증발 온도가 -7 내지 -2 ℃인 시스템에 있어서의 값에 해당한다. 고압측 작동 압력은 충전 및 주변 온도에 따라 70 내지 120 바아 사이에서 변동될 수 있다. 냉각 용량은 약 700 와트이었다.

최적 충전은 작동 조건, 시스템의 구성 요소 및 냉매의 윤활제에 대한 용해성 등과 같은 인자에 따라 결정되므로, 시스템의 내부 단위 용적당 소정 충전 요건은 실제로 그다지 관련이 없거나 유용하지 않다. 본 발명에 따르면, 충전은 정지 상태 동안 소정 온도에서 얻어지는 최대 압력과 관련이 있으며, 이는 시스템이 전체 시스템에서와 마찬가지로 등가화된 온도를 갖는다는 것을 의미한다. 본 발명에 따르면, 상기 압력은 시스템의 온도가 60 ℃에 이르는 온도로 등가화된 경우의 냉매의 임계 압력의 1.26 배보다 낮아야 한다. 전술한 온도, 또는 최대 정지 온도로서 정의되는 그 밖의 온도에서 얻어지는 압력은, 그 값이 저압측 최대 압력을 초과하지 않는다면 시스템의 저압측의 설계 압력을 정하는 데 중요하다. 순수한 CO₂의 경우에, 상기 압력 한계값은 소정 온도에서 약 93 바아의 압력에 해당한다.

보다 낮은 최종 압력에 의해 본 발명에서 의도하는 바가 충족되므로, 즉 설계 정지 압력이 낮아지므로, 본 발명의 경우에 저압 한계점은 지정되지 않는다. 그러나, 전술한 60 ℃에서 정지 압력은 임계 압력(순수한 CO₂의 경우 약 10 바아에 해당)의 0.14 배보다 낮을 수 있다.

시스템의 효율 또는 작동 조건은 가변 용량 압축기와 같은 상이한 타입의 구성 요소와, 팽창기, 상이한 교축 수단, 내부 열 교환기, 중간 압력으로의 교축, 또는 그 밖의 사이클 개량 등을 이용하는 것을 통해 부분적으로 개선될 수 있다. 또한, 본 발명의 청구항 1에 한정된 바와 같은 보호 범위 내에서, 시스템의 일부 부품의 설계 압력을 감소시켜 시스템 비용을 최소한도로 줄일 수 있다. 또한, WO 94/14016호에 기술된 바와 같이 팽창 용기의 기능을 하도록 되어 있는 별도의 용기로서가 아니라 시스템의 순환 루프의 일체형 부품으로서 리시버를 시스템에 포함시키는 것이 어떤 이유에서 바람직하다면, 시스템의 저압측에 리시버를 포함시키는 것도 효과적일 것이다.

도 5는 수정된 사이클을 갖는 한 가지 가능한 시스템 구성을 보여준다. 이 예의 시스템은 2단 압축기(41), 열 리젝터(42), 팽창 수단(43), 열 흡수기(44), 내부 열 교환기(45), 다른 팽창 수단(46) 및 내부 서브-쿨러(47)를 포함한다. 고압 냉매를 서브 냉각기(47)에서 교축되기 전에 서브 냉각하기 위하여, 그리고 2단 압축기(41)의 2개의 단 사이에서 또는 압축 동안에 중간 압력의 가스의 주입을 통하여 압축의 최종 온도를 낮추기 위하여, 중간 압력으로의 교축이 수행된다. 본 발명에 따르면, 중간 압력에서 구성 요소의 설계 압력도 또한 낮아질 수 있는데, 예컨대 이러한 구성 요소로는 중간 압력에 노출되는 압축기(41)의 부품과 열 교환기(47)의 중간 압력측이 있다.

예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이 시스템의 작동이 역전될 수 있다는 점을 특징으로 하는 시스템도 또한 본 발명의 이점이 적용될 수 있다. 상기 예는 압축기(51), 열 교환기(52), 팽창 수단(53), 열 교환기(54), 내부 열 교환기(55), 다른 팽창 수단(56), 4방향 밸브(57), 일방향 밸브(58) 및 다른 일방향 밸브(59)를 포함하는 가역 열 펌프 시스템을 보여준다. 압축기의 흡입측은 항상 시스템에서 저압측에 있으므로, 전술한 바와 같은 저압 설계의 이점이 적용될 수 있다. 냉각 모드시에 시스템의 저압측에서 증발기/열 흡수기가 되는 열 교환기(52)는, 가열 모드시에 시스템의 고압측에 있게 된다. 그러나, 가열 모드시 최대 고압은 대개 70 내지 80 바아 정도로 낮으므로, 본 발명에 따른 최대 정지 저압은 상기 구성 요소에도 유익하다.

본 발명에 따른 바람직한 냉매는 이산화탄소이지만, 본 발명은 냉매가 이산화탄소의 혼합물 및 소정 작동 조건 중에 천이 사이클로 작동되는 동일한 특징을 나타낼 수 있는 그 밖의 유체인 경우에도 이용될 수 있다.

본 발명의 용도는 상기 상세한 설명에 기술된 예와 도면에 한정되는 것이 아니라, 청구범위의 범위 내에서 본 발명은 본 발명이 의도하는 바가 이용될 수 있는모든 시스템에 적용될 수 있다는 것을 유의하라.

Claims (9)

1. 초임계 고압측 압력으로 작동될 수 있는 폐쇄 순환 회로에 연결된 압축기(1)와, 열 리젝터(2)와, 팽창 수단(3), 그리고 열 흡수기(4)를 포함하는 압축 냉각 시스템으로서,

   상기 시스템의 냉매 충전 및 구성 요소의 설계는, 전체 시스템의 온도가 60 ℃로 동일해질 때의 냉매의 임계 압력의 1.26 배보다 낮은 시스템 내부의 정지 압력에 상응한다는 것과; 상기 시스템에서는 이산화탄소 또는 이산화탄소를 함유하는 냉매 혼합물이 냉매로서 적용된다는 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서, 다단 압축기 또는 가변 용량 압축기를 사용하는 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압축기는 반밀폐형 또는 밀폐형 구조인 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 천이 임계 작동하도록 설계된 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 리시버 또는 추가의 구성 요소가 시스템에 추가적인 용적을 제공하는 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, CO₂를 냉매로서 사용하는 경우에 시스템의 충전은 시스템 전체 내부 단위 용적당 18 내지 250 g/ℓ인 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 효율 및 작동 조건을 개선하기 위하여, 중간 압력으로의 교축(이에 한정되는 것은 아님) 등의 사이클 수정이 수행되는 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템의 작동은 역전될 수 있는 것을 특징으로 하는 압축 냉각 시스템.