KR20050044928A - 액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기를 구비한 극저온냉동 시스템 - Google Patents

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케빈 플라인
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헬릭스 폴리콜드 시스템스 인크.
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Abstract

본 발명은 압축기로의 냉매 주입에 의해 냉매 배출 온도를 감소시키는, 혼합 냉매를 이용하는 스크롤형 압축기를 구비한 극저온 혹은 저온 냉동 시스템에 관한 것이다.

Description

액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기를 구비한 극저온 냉동 시스템{VERY LOW TEMPERATURE REFRIGERATION SYSTEM HAVING A SCROLL COMPRESSOR WITH LIQUID INJECTION}
본 발명은 압축기로의 냉매 주입에 의해 냉매 배출 온도를 감소시키는, 혼합 냉매를 이용하는 스크롤형 압축기를 구비한 극저온 혹은 저온 냉동 시스템에 관한 것이다.
냉동 시스템은 1900년대 초기부터 존재하여 왔으며, 그때 신뢰성 있게 밀봉된 냉동 시스템이 개발되었다. 이때부터, 냉동 기술에 있어서의 향상으로 인해 가정용 설비와 산업용 설비 양자에서 그 유용성이 입증되었다. 특히, 극저온 냉동 시스템은 바이오메디컬 응용, 저온 전자공학, 광학 코팅 작업, 산업 및 상업용 코팅 작업, 반도체 제조에서의 응용에 있어서 실질적인 효용을 제공한다. 냉동 시스템의 제조업자들은 또한 냉동 산업에 있어서 염화불화탄소(CFC) 대신 수소화염화불화탄소(HCFC) 사용을 의무적으로 하는, 보다 최근에는 HCFC의 사용을 금하는 유럽 연맹(EU) 규제법(2001년 1월 발효)으로 인해 수소불화탄소(HFC) 사용을 의무적으로 하는, 점점 더 엄격해진 환경 규제에 직면하게 되었다.
냉동 산업에 있어서 시스템의 바닥 점유 공간(floor space)을 또 다른 고려 대상으로 삼고 있다. 예컨대, 반도체 산업은 전체 시스템의 바닥 면적(footprint)을 줄이는 것을 매우 중요시 하고 있다. 그 결과, 냉동 시스템 제조업자들은 그 성능과 용량에 어떠한 영향을 주지 않고 콤팩트한 부품을 사용하는 냉동 시스템의 개발에 관심을 두고 있다.
수평의 바닥 점유 공간이 수직의 점유 공간보다 더 한정되어 있을 경우, 수직 공간을 최대한으로 이용하는 것이 유리하다. 일례로서, 왕복형 압축기 및 스크류형 압축기는 통상 수평적으로 설계되어 있다. 반밀폐(semi-hermetic) 왕복형 압축기들은 특히 대형이고, 냉동 시스템에서 필요로 하는 바닥 점유 공간을 증가시킨다. 이와는 대조적으로, 효율적이면서 높은 용량의 스크롤형 압축기는 수직적으로 설계되어 있으며, 이로 인해 수직 점유 공간을 활용하는 장점을 취하면서 시스템 전체의 바닥 면적의 크기를 줄일 수 있게 된다.
다른 응용 분야로는 생물학적 저장(biological storage), 제약학적 처리 및 화학적 처리가 있다. 극저온 혼합형 냉동 시스템은 생물학적 냉동기에 사용되어 왔으며, 프로세스 반응을 제어하거나 또는 그렇지 않으면 이러한 프로세스를 제어할 목적으로 약품과 화학물의 처리에 사용될 수 있다. 다른 용례는 제약 및 생물학적 작용제, 시약 및 기타 물질의 동결 건조(freez-drying)와, 식료품의 동결 건조를 포함한다.
스크롤형 압축기의 개념은 약 100년 전에 정립되었다. 그러나 그 구조를 상업적인 규모로 만들기 위해 요구되는 기계 가공 허용 오차를 획득하기 까지는 불과 최근 20-30년 전이었다. 1980년대 후반과 1990년대 초반부터 시작하여, 스크롤형 압축기는 대개 가정용과 상업용의 에어 컨디셔닝 응용 분야에서 상업화가 시작되었다. 1990년대 중반까지, 냉동 스크롤은 상업적인 냉동 응용(즉, 슈퍼마켓 냉동기)을 위해 사용되기 시작하였다.
이러한 현대적인 스크롤형 압축기는 모터 샤프트가 수직으로 되어 있는 수직 구조에 그 특징이 있으며, 상기 모터는 압축기 하우징의 하측 부분 내에서 압축기 오일 통(compressor oil sump)을 향해 아래로 연장한다. 스크롤들은 모터 위에 배치되어 있다. 궤도를 선회하는 스크롤은 모터 샤프트에 의해 이동되는 반면 고정 스크롤은 궤도를 선회하는 스크롤 위의 정위치에 유지된다.
극저온 냉동 시스템에서 통상적인 왕복형 압축기의 배출 온도는 110 내지 130℃ 범위이다. 130℃는 통상적으로 최대의 허용 가능한 배출 온도(압축기의 서비스 밸브에서 측정한 온도)이다. 정상 상태(steady state) 작동은 통상적으로 130℃ 미만의 온도로 한정될 것이다. 130℃를 초과하는 온도는 압축기 오일의 분해와 이에 따른 금속 마모를 초래하여 압축기의 고장 원인이 된다.
스크롤형 압축기는 더 높은 압축기 배출 온도를 갖는 경향이 있다. 대체 압축기와의 경쟁력을 유지하기 위해, 압축기 배출 온도의 조절과 냉동 성능을 향상시키도록 냉동 스크롤을 위한 액체 주입이 개발되었다.
통상적인 장치에서, 스크롤형 압축기의 배출 온도는 압축기의 작동 조건에 지대한 취약점을 유발시키고 또 시스템 전체의 효율을 감소시킨다. 몇몇 영향을 미치는 인자들은 혼합물 전체의 조성과 압축기 배출 압력 및 흡입 압력이 있다. 따라서 더 낮은 증발기의 온도에서 작동할 수 있거나 혹은 주어진 증발기 온도에서 더 높은 냉동 용량을 갖도록 주어진 냉동 시스템을 위한 배출 온도를 낮추는 수단을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
또 다른 방법을 말하자면, 더 높은 전체 효율을 얻기 위해 시스템 전체의 성능을 최적으로 유지하면서 상기 배출 온도를 안전 범위로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 참고로, 효율은 카르노(Carnot) 효율에 비유될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예컨대, "Advances in Cryogenic Engineering"에서 발행한 극저온 엔지니어링의 프로세싱 컨퍼런스 학회지, 제47권(2002년)에서의 포드체니브(Podtcherniaev), 보이아스키(Boiarski) 및 플림(Flynn) 저서의 제목 "110 내지 190K의 온도 범위에서 산업용으로 설계된 혼합된 냉매를 이용하여 작동하는 스로틀-사이클 냉각기 오프레팅의 성능"을 참조하기 바란다.
압축 가스를 냉각하기 위한 공지된 방법들 중 하나는 응축기에서 나온 액체 냉매를 주입 통로를 통해 압축기로 직접 주입하는 방법이 있다. 이 액체 냉매는 압축기의 흡입 가스 영역으로 주입될 수 있거나 또는 그 냉매는 스크롤 부재에 의해 한정된 중간의 밀폐 공간으로 주입될 수 있다(예컨대, 미국 특허 제5,640,854호, 제5,076,067호 참조).
냉매 사용의 진화는 냉동 시스템의 디자인과 기능을 변화시켰다. 전통적으로, CFC와 HCFC 시스템에는 알킬벤젠 압축기 오일 혹은 광물성 오일이 사용되었다. 그러나 HFC는 혼화성이 극히 작으며, 알킬벤젠 오일에서 혼합될 수 없는 것으로 간주되기 때문에, 폴리올에스테르(POE) 압축기 오일은 통상적으로 HFC 냉매와 혼합될 수 있도록 사용된다. 냉동 시스템 제조업자들은 반드시 냉매 선택을 규제하는 현재의 환경법에 순응해야 하고, 또한 압축기 등의 냉매와 관련된 부품과 압축기 오일에서 냉매 성분의 선택에 따른 나쁜 영향에 대처하는 방법을 제공해야만 한다.
코프랜드(Copeland) 등의 스크롤형 압축기의 현재 주요 제조업자들과 다른 제조업자들은 R134a, R404A 및 R507 등의 종래의 냉매에 필적할 수 있는 POE 오일을 선택, 시험 및 승인하였다. 이러한 오일은 -45℃(-49℉) 이상의 온도에서 전술한 냉매들과의 양호한 혼화성(miscibility) 특성을 나타낸다. 압축기로부터 배출 라인으로 분출된 오일은 냉매에 의해 실려 압축기로 되돌아가기 때문에 상업적인 냉동 시스템은 오일 분리기를 필요로 하지 않는다.
-45℃(-49℉) 이하의 냉매와 혼화되기 쉬운 임의의 POE 오일에 필적할 수 있는 압축기를 구비하는 냉동 시스템을 제공하는 것이 요구되고 있다.
현대적인 냉매에 필적할 수 있는 효율적이고 콤팩트한 냉동 시스템을 개발하기 위한 여러 시도들이 있었다.
2000. 8. 8일자 후지타(Fujita) 등의 명의의 "냉동 장치(Refrigeration apparauts)"라는 명칭의 미국 특허 제6,098,421호에는 작동 유체로서 염소를 함유하지 않는 수소불화탄소 냉매(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)를 이용하는 냉동 장치에 사용되는 동시에, 주입된 액체의 양이 압축기의 배출 온도에 따라 제어되는 그러한 액체 주입 형태의 스크롤형 압축기가 개시되어 있다. 더욱이, 에스테르 오일 및/또는 에테르 오일이 냉동기 오일로서 사용되고, 건조기는 냉각 사이클에 배치되어 있다. 이러한 배치를 이용하면, 냉각 사이클 작동은 종래의 냉동 장치의 구조를 항시 변화시킬 필요 없이 광범위하게 안정적으로 실현될 수 있다.
2000. 6. 13일자 스파우스츄스(Spauschus) 등의 명의의 "저압 이산화탄소계 냉동 시스템(Reduced pressure carbon dioxide-based refrigeration system)"라는 명칭의 미국 특허 제6,073,454호에는 신규한 냉동 장치와 그 냉동 방법이 개시되어 있다. 이러한 신규의 냉동 장치는 탈착기/증발기, 상기 탈착기/증발기에 작동 가능하게 연결된 스크롤형 압축기, 상기 압축기에 작동적으로 연결된 재흡수기/응축기, 상기 재흡수기/응축기와 상기 탈착기/증발기에 작동적으로 연결된 팽창 장치, 그리고 이산화탄소와 이 이산화탄소가 차별적으로 용해될 수 있는 액체 혼합-유체(liquid co-fluid)를 함유하는 순환하는 냉매를 포함한다. 상기 냉동 방법은 이산화탄소가 적어도 부분적으로 액체 혼합-유체에 분해되도록 스크롤형 압축기 내의 이산화탄소와 액체 공동 유체를 상승된 압력으로 압축하여 분해된 이산화탄소를 함유하는 액체 혼합-유체의 압력을 감소시켜 분해된 이산화탄소가 액체 혼합-유체와 함께 용액이 되도록 하는 단계와, 기체상의 이산화탄소와 액체 혼합-유체를 스크롤형 압축기로 재순환시키는 단계를 포함한다.
2000. 5. 2일자 토조(Tojo) 등의 명의의 "냉매 압축기와 냉동 장치(Refrigerant compressor and refrigerating appartus)"라는 명칭의 미국 특허 제6,055,827호에는 수소불화탄소계 냉매를 흡입 및 압축하는 압축 섹션을 갖는 스크롤형 압축기와 응축기 등을 포함하며, 상기 스크롤형 압축기의 압축 섹션을 구동하는 구동 샤프트를 활주 가능하게 지지하고 있는 평면 베어링이 납을 함유하는 물질로 구성되어 있고, 냉매 회로에 사용된 냉매와 혼화할 수 있는 에테르 오일이 상기 평면 베어링을 윤활시키는 윤활제로서 사용하는 냉동 장치가 개시되어 있다.
1999. 12. 28일자 토조(Tojo) 등의 명의의 "냉매 압축기와 냉동 장치(Refrigerant compressor and refrigerating appartus)"라는 명칭의 미국 특허 제6,006,542호에는 수소불화탄소계 냉매를 흡입 및 압축하는 압축 섹션을 갖는 스크롤형 압축기와 응축기 등을 포함하며, 상기 스크롤형 압축기의 압축 섹션을 구동하는 구동 샤프트를 활주 가능하게 지지하고 있는 평면 베어링이 납을 함유하는 물질로 구성되어 있고, 냉매 회로에 사용된 냉매와 혼화할 수 있는 에테르 오일이 상기 평탄한 베어링을 윤활시키는 윤활제로서 사용되는 냉동 장치가 개시되어 있다.
1999. 6. 8일자 후지타(Fujita) 등의 명의의 제목 "냉동 장치(Refrigerating apparatus)"라는 명칭의 미국 특허 제5,910,161호에는 작동 유체로서 염소를 함유하지 않는 수소불화탄소 냉매(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)를 이용하는 냉동 장치에 사용되는 동시에 주입된 액체의 양이 압축기의 배출 온도에 따라 제어되는 그러한 액체 주입 형태의 스크롤형 압축기가 개시되어 있다. 더욱이, 에스테르 오일 및/또는 에테르 오일이 냉동기 오일로서 사용되고, 건조기는 냉각 사이클에 배치되어 있다. 이러한 배치를 이용하면, 냉각 사이클 작동은 종래의 냉동 장치의 구조를 거의 변화시킬 필요 없이 광범위하게 안정적으로 실현될 수 있다.
1997. 11. 11일자 후지타(Fujita) 등의 명의의 제목 "냉동 장치(Refrigerating apparatus)"라는 명칭의 미국 특허 제5,685,163호에는 작동 유체로서 염소를 함유하지 않는 수소불화탄소 냉매(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)를 이용하는 냉동 장치에 사용되는 동시에 주입된 액체의 양이 압축기의 배출 온도에 따라 제어되는 그러한 액체 주입 형태의 스크롤형 압축기가 개시되어 있다. 더욱이, 에스테르 오일이 냉동기 오일로서 사용되고, 건조기는 냉각 사이클에 배치되어 있다. 이러한 배치를 이용하면, 냉각 사이클 작동은 종래의 냉동 장치의 구조를 거의 변화시킬 필요 없이 광범위하게 안정적으로 실현될 수 있다.
텔레마크 크리요제닉스(Telemark Cryogenics)(영국 노스앰턴 소재)사에서는 냉동 스크롤형 압축기를 이용하는 극저온 냉동 장치를 제조하고 있다. 이들 몇몇 시스템들은 액체 분출을 이용하도록 설비된 스크롤을 사용하지만, 이러한 특징적 구성은 비실용적이다. 불행하게도, 이러한 시스템으로부터 바람직한 고효율을 얻지 못한다.
오토-캐스케이드(auto-cascade) 냉동 시스템의 스크롤형 압축기를 설명하는 또 다른 참조 문헌의 예로는 로버트 디. 레만(Robert D. Lehman) 저서의 제목 "액체 질소 없이 -150℃에서 생물학적 기체상의 저장을 위한 기계적으로 냉동된 극저온 냉동기"의 아메리칸 레브러터리(American Laboratory)에서 1996년 10월에 발행한 문헌을 들 수 있다. 이 문헌은 액체 주입을 이용하지 않는 에어 컨디셔닝 스크롤형 압축기에 관한 것이다. 불행하게도, 이러한 시스템으로부터 바람직한 고효율을 얻지 못한다.
도 1은 종래 기술에 따른 극저온 냉동 시스템을 도시한 도면으로, 극저온 혼합형 냉동 프로세스가 도시되어 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 냉동 용례에 널리 사용되는 스크롤형 압축기의 2개의 주요 부품들 중 하나를 도시한 도면이다.
도 2b는 본 발명에 따른 냉동 용례에 널리 사용되는 스크롤형 압축기의 2개의 주요 부품들 중 다른 하나를 도시한 도면이다.
도 2c는 본 발명에 따른 냉동 용례에 널리 사용되는 스크롤형 압축기의 2개의 주요 부품들의 조합을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 극저온 냉동 시스템의 제2의 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 냉매 선택을 규정하고 있는 현재의 환경법을 순응하면서 효율이 향상되고 크기가 축소된 극저온 혹은 저온 냉동 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉동 시스템의 바닥 점유를 감소시킬 수 있는 동시에 고효율이면서, 높은 용량의 콤팩트한 압축기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉매 배출 온도를 조절하는 스크롤형 압축기를 구비한 냉동 시스템을 제공하는 데 있다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 -60℃ 내지 -208℃ 범위의 온도에서 냉동을 제공하고, 또 정상 비등점(예컨대, 하나의 표준 분위기에서의 순수 성분의 비등점)이 적어도 50℃만큼 차이가 나는 2개 이상의 냉매로 이루어진 혼합물을 사용하는 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에서, 극저온은 -60℃ 내지 -208℃ 범위의 온도를 일컫는다.
본 명세서에서는 냉매를 "R" 수로 표시하였다. 이러한 표시는 ASHRAE 표준 #34로 정의된 바와 같다. 여기서 ASHRAE는 가열, 냉동 및 에어 컨디셔닝 엔지니어의 미국 냉동 협회(American Refrigeration Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers)의 약자이다. 예컨대, 아르곤(Ar), 질소(N2) 및 에탄(C2H6) 등의 다른 냉매들은 그들의 일반적인 명칭으로 칭하기로 한다.
본 명세서에 따르면, 다양한 냉매들을 이들의 정상 비등점을 근거로 하여 분류하는 것이 중요하다. -15℃보다 더 따뜻한 비등점을 지닌 냉매를 따뜻한 비등점을 지닌 냉매로 칭하기로 한다. 이러한 부류는 한정하려는 의도는 아니지만 R-124, R-236fa, R-245fa, R-123 등의 냉매를 포함한다. -15℃ 내지 -60℃ 사이의 비등점을 지닌 냉매를 중간 비등점을 갖는 냉매로 칭하기로 한다. 이러한 부류는 한정하려는 의도는 아니지만 R-134a, R-125, R-22, R-32, R-410A, R-404A, 프로판 등의 보통의 상업적인 냉매를 포함한다. -60℃보다 더 낮은 비등점을 지닌 냉매를 저비등점을 지닌 냉매로 칭하기로 한다. 이러한 부류는 한정하려는 의도는 아니지만 R-23, R-14, 에탄, 메탄, 크세논, 크립톤, 아르곤, 헬륨, 네온, 질소, 산소, 수소 등의 냉매를 포함한다.
특히, 본 명세서에 개시된 실시예들은 적어도 하나의 따뜻한 비등점을 지닌 냉매와 하나의 저비등점을 지닌 냉매로 이루어진 혼합물과 함께 사용될 때 가장 유리한 것으로 간주된다.
본 발명은 종래의 시스템에 비해 효율 변화를 증대시켜 향상된 효율을 제공한다. 본 발명의 시스템과 종래의 시스템 사이의 주요한 차이점에 있어서, 본 발명의 시스템은 극저온 냉동 시스템에서 저비등점을 지닌 냉매의 함량이 높은 혼합 냉매를 사용하여 냉각을 위해 액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기를 사용하는 한다는 점이다. 상기 저비등점을 지닌 냉매는 냉매 혼합물의 약 15% 내지 50% 이상, 양호하게는 50% 미만, 가장 양호하게는 냉매 혼합물의 약 20 내지 약 45% 범위를 포함할 수 있다.
이러한 효과는 아래의 메카니즘에 의해 달성된다.
실온의 액체는 중간의 주입 온도까지 낮아질 때 스로틀링 효과(throttling effect)에 의해 냉각된 것이다. 압축기 내의 중간 압축 가스는 이 시점에서 실행된 압축 작업으로 인해 대기의 온도보다 더 높은 온도로 될 것이다. 중간 압력의 액체와 혼합할 때, 이 액체는 상기 가스를 증발 및 냉각시킬 것이다. 이러한 혼합 결과로서, 중간 단계의 가스 온도가 더 낮아졌기 때문에 배출 온도는 더 낮아지게 될 것이다.
중간 압력 가스에 비해 상이한 조성을 지닌 이러한 액체의 추가는 통상적으로 더 높은 분자량의 화합물을 지니고, 통상적으로 낮은 비율의 비열과 일치하게 된다. 그 결과, 전체 조성의 변화와 이들 2개의 혼합된 스트림의 비열 비율의 감소에 따라, 배출 온도는 낮아지게 될 것이다.
2개의 스크롤들이 흡입 압력에서 가스 포켓을 에워싼 이후 압축 프로세스에 냉매를 추가함으로써 냉매의 질량 유량(mass flow rate)을 더 높일 수 있다. 질량 유량의 증가는 냉동 효율의 증가를 초래하게 된다.
따뜻한 비등점을 지닌 액체 냉매가 부적절하게 혼합물로부터 분리되지 않게 하고 또 압축기 통에 축적되도록 그 냉매를 처리함으로써, 액체 주입 없이 스크롤형 압축기로 지원할 수 있는 것보다 냉매의 농도를 더 높일 수 있도록 해준다. 이것은 증가된 열 배제(heat rejection) 및/또는 높은 농도의 저비등점을 지닌 성분의 사용 능력, 혹은 높은 압축비로 작동하게 되는 능력 등의 여러 수단에 의해 전체의 냉동 효율을 향상시킨다.
본 명세서에 개시된 시스템은 저비등점을 지닌 냉매를 함유하면서 혼합 냉매의 배출 온도를 조절하는 높은 효율, 높은 용량, 콤팩트한 스크롤형 압축기를 포함한다. 이러한 시스템의 장점은 따뜻한 비등점을 지닌 냉매 성분의 순환이 압축기가 작동하는 동안 압축기 오일 통 내에 과도하게 축적되지 않도록 조절된다는 점이다. 이렇게 향상된 조절은 압축기 배출 온도를 더 낮추고 시스템 전체의 효율을 향상시키게 된다.
더욱이, 그것은 특정의 저온 POE 오일로 호환 가능한 압축기를 구비하는 냉동 시스템을 제공한다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 전체의 바닥 점유 공간의 감소를 필요로 하는 동시에 전술한 모든 장점을 지닌 냉동 시스템을 제공한다.
이러한 실시예들은 배출 온도를 낮추기 위해 액체를 주입하는 상업적으로 제작된 스크롤형 압축기를 이용하는 극저온 냉동 시스템을 제공함으로써 전술한 장점 및 다른 장점들을 가지게 되며, 상기 시스템은:
솔레노이드 밸브를 선택적으로 더 포함하는 액체 주입 포트를 구비한 스크롤형 압축기와;
특정의 유량 측정 장치(FMD)와;
크랭크케이스 혹은 밴드형 히터(선택적으로 포함)와;
배출 라인과;
응축기와;
액체 축적 탱크(선택적으로 포함)와;
액체 라인과;
냉동 프로세스와;
냉매 공급 라인과;
증발기 코일과;
냉매 복귀 라인과;
냉동 프로세스 내의 하나 이상의 유량 측정 장치와;
복수 개의 서비스 밸브(모두 선택적으로 포함)와;
복수 개의 솔레노이드 밸브(모두 선택적으로 포함)와;
압축기 흡입 라인과;
팽창 탱크(선택적으로 포함)와;
오일 복귀 라인을 구비한 오일 분리기(선택적으로 포함)와;
서리 제거 라인(선택적으로 포함)과;
액체 주입 라인을 포함한다.
여기서, 스크롤형 압축기는 배출 라인을 통해 응축기에 냉매를 공급한다. 응축기는 냉매로부터 열을 제거하며, 액체 라인을 경유하여 냉매 프로세스의 공급 입구에 냉매를 공급한다. 액체 라인은 고압의 냉매를 냉동 프로세스로 공급한다. 냉동 프로세스의 공급 출구는 냉매 공급 라인을 통해 고객이 설치한(customer installed) 증발기 코일에 냉매를 공급한다. 냉동 프로세스와 증발기 코일 사이의 냉매 공급 라인에는 제1의 솔레노이드 밸브에 냉매를 공급하는 제1의 유량 측정 장치(FMD)가 일렬(inline)로 설치되어 있다. 증발기 코일의 출구는 냉동 프로세스의 저압 측에 냉매를 공급하는 냉매 복귀 라인에 냉매를 공급한다. 냉동 프로세스의 복귀 출구는 압축기 흡입 라인을 통해 스크롤형 압축기로 되돌아가는 루프를 완결시킨다.
선택적인 팽창 탱크는 압축기 흡입 라인에 연결되어 있다. 제2의 선택적인 유량 측정 장치(FMD)는 상기 팽창 탱크의 입구와 압축기 흡입 라인 사이에 일렬로 설치되어 있다. 냉동 시스템 내의 서리 제거 공급 루프는 다음과 같이 형성되어 있다. 즉, 선택적인 오일 분리기의 입구에는 스크롤형 압축기와 응축기 사이의 마디점에서 배출 라인에 의해 냉매가 공급된다. 오일 분리기의 제1의 출구는 서리 제거 라인을 통해 제1의 솔레노이드 밸브와 증발기 코일 사이의 노드(node)에서 냉매 공급 라인에 냉매를 공급하는 선택적인 제2의 솔레노이드 밸브의 입구에 냉매를 공급한다. 따라서 냉동 프로세스 둘레를 우회하는 냉매는 고온의 배출 가스를 가온할 목적으로 증발기로 공급되는 것을 허용하도록 형성되어 있다. 이러한 서리 제거 프로세스를 또 다른 형태로 변형할 수 있다. 이들은 미국 특허 제6,574,978호에 기재되어 있으며, 본 명세서에는 그 내용을 참조하고 있다.
오일 분리기의 제2의 출구는 오일 복귀 라인을 경유하여 냉동 시스템과 스크롤형 압축기 사이의 노드에서 압축기 흡입 라인으로 다시 냉매를 공급한다. 응축기의 출구는 냉매 공급(액체) 라인 및 액체 주입 라인 양자에 냉매를 공급한다. 이 액체 주입 라인은 스크롤형 압축기에 다시 냉매를 공급한다. 액체 라인과 스크롤형 압축기 사이의 액체 주입 라인에는 액체 축적 탱크(선택 사항, 도시 생략), 선택적인 솔레노이드 밸브 및 제3의 유량 측정 장치(FMD)가 일렬로 설치되어 있다.
오일 통 히터(oil sump heater) 혹은 크랭크케이스 히터는 냉동 시스템에서 널리 쓰이는 부품이며, 시동 중에 냉매가 압축기에서 넘쳐흐르는 것을 방지하는 역할을 한다. 이러한 용례에 있어서, 크랭크케이스 히터는 선택 사항인 것으로 간주된다. 그러나 필요에 따라 그것은 두 가지 방법에 따라 사용될 수 있다. 첫 번째 방법은 압축기 통(compressor sump) 내의 냉매 액체를 최소화시킬 목적으로 압축기를 오프시킬 때에만 상기 히터에 에너지를 공급하는 것이다. 그러나 극저온 응용을 위한 혼합형 냉동 시스템에서, 이것은 통상 극히 비효율적인 것으로 되는데, 그 이유는 매우 낮은 증기압과 이와 일치하는 정상적인 따뜻한 비등점으로 인해 상기 히터에 의해 얻어진 통상의 온도가 전술한 액체 냉매의 온도를 효과적으로 줄이지 못하기 때문이다.
몇몇 경우, 충분한 에너지를 제공하여 오일 통 내의 액체 내용물을 제어하기 위해 압축기 오일 통의 외부에 부수적인 히터 덮개를 추가하는 것이 유리하다. 두 번째 방법은 압축기가 오일 통 내의 냉매 액체 내용물을 감소시키기 위해 작동 상태에 있을 때, 상기 히터에 에너지는 공급하는 방법이다. 그 대안의 구조에 있어서, 압축기가 작동 상태에 있을 때 외부의 히터를 사용하는 대신 오일 통 내의 오일을 가온하기 위해 고온의 배출 가스를 압축기 통과 열적으로 접촉 상태로 있게 한다.
양호한 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 배출 온도를 낮추기 위해 액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기와, 오일 통을 가온하는 선택적인 히터를 사용하는 극저온 냉동 시스템으로서, 이 시스템은 종래의 왕복형 압축기를 이용하는 냉동 시스템에 비해 시스템의 크기를 최소화시키면서 액체 주입이 없는 스크롤형 압축기에 비해 시스템 전체의 효율을 향상시킨다.
본 명세서에 개시된 극저온 냉동 시스템은 따뜻한 비등점을 지닌 성분 및 저비등점을 지닌 성분을 포함하는 혼합 냉매(MR) 혼합물과 함께 사용하기 적합할 수 있으며, 또한 특정의 저온 POE 오일, 다른 POE 오일 및 다른 통상적인 압축기 오일과 함께 사용하기 적합할 수 있다.
본 발명은 배출 온도를 낮추기 위해 액체 주입을 이용하는 상업적으로 제작된 스크롤형 압축기와, 오일 통을 가온하기 위한 선택적인 히터를 사용하는 극저온 냉동 시스템에 관한 것이다. 배출 온도의 조절은 따뜻한 비등점을 지닌 냉매의 순환을 조절하여 시스템 전체의 효율을 향상시킴으로써 달성된다. 스크롤형 압축기를 사용함으로써 종래의 반밀폐 왕복형 압축기들을 이용하는 냉동 시스템과 비교할 때 극저온 냉동 시스템의 크기를 소형화시킬 수 있게 해준다. 더욱이, 본 발명의 극저온 냉동 시스템은 상업적으로 제작된 스크롤형 압축기를 사용하며, 따뜻한 비등점을 지닌 성분 및 저비등점을 지닌 성분을 포함하는 혼합 냉매(MR) 혼합물과 함께 사용하기 적합하다.
본 발명의 시스템은 배출 온도를 낮추기 위해 액체 주입을 이용하는 상업적으로 제작된 스크롤형 압축기와, 오일 통을 가온하기 위한 선택적인 히터를 사용하며, 상기 시스템은:
솔레노이드 밸브를 더 포함하는 액체 주입 포트를 구비한 스크롤형 압축기와;
특정의 유량 측정 장치(FMD)와;
선택적인 크랭크케이스 혹은 밴드형 히터와;
배출 라인과;
응축기와;
액체 축적 탱크(선택 사항)와;
액체 라인과;
냉동 프로세스와;
냉매 공급 라인과;
증발기 코일과;
냉매 복귀 라인과;
하나 이상의 유량 측정 장치와;
복수 개의 서비스 밸브(모두 선택 사항)와;
복수 개의 솔레노이드 밸브(모두 선택 사항)와;
압축기 흡입 라인과;
선택적인 팽창 탱크와;
오일 복귀 라인을 구비한 오일 분리기와;
선택적인 서리 제거 라인과;
액체 주입 라인을 포함한다.
냉동 시스템의 다양한 실시예들이 도면을 참조하여 구체적으로 설명될 것이다.
도 1에는 종래 기술에 따른 극저온 냉동 시스템(100)이 도시되어 있다. 상기 냉동 시스템(100)은 서리 제거 기능을 갖는 효율적인 극저온 냉동 시스템이다. 상기 냉동 시스템(100)은 배출 라인(106)을 통해 응축기(104)에 냉매를 공급하는 압축기(102)를 포함한다. 응축기(104)는 액체 라인(110)을 경유하여 냉동 프로세스(108)의 공급 입구에 냉매를 공급한다. 냉동 프로세스(108)의 공급 출구는 냉매 공급 라인(114)을 통해 고객이 설치한 증발기 코일(112)의 입구에 냉매를 공급한다. 냉동 프로세스(108)와 증발기 코일(112) 사이의 냉매 공급 라인(114)에는 선택적인 솔레노이드 밸브(118)에 냉매를 공급하는 유량 측정 장치(FMD)(116)가 일렬로 설치되어 있다. 증발기 코일(112)의 출구는 냉매 복귀 라인(120)을 통해 냉동 프로세스(108)의 복귀 입구에 냉매를 공급한다. 냉동 프로세스(108)의 복귀 출구는 압축기 흡입 라인(122)을 통해 압축기(102)로 되돌아가는 루프를 완결시킨다. 통상적으로, 냉매 라인(114, 120)과 증발기(112)는 현장에서 설치하는 도중에 고객에 의해 직접 설치된다. 변형례의 구조에 따라면, 이들 요소들은 단일의 패키지 장치로 통합되어 있다.
냉동 시스템(100) 내에서 서리 제거 공급 루프는 아래와 같이 형성된다. 선택적인 오일 분리기(128)의 입구는 압축기(102)와 응축기(104) 사이의 노드에서 배출 라인(106)에 의해 냉매가 공급된다. 오일 분리기(128)의 제1의 출구는 솔레노이드 밸브(118)와 증발기 코일(112) 사이의 노드에서 서리 제거 라인(132)을 통해 냉매 공급 라인(114)에 냉매를 공급하는 선택적인 솔레노이드 밸브(130)의 입구에 냉매를 공급한다. 오일 분리기(128)의 제2의 출구는 냉동 프로세스(108)와 압축기(102) 사이의 노드에서 오일 복귀 라인(134)을 통해 압축기 흡입 라인(122)으로 다시 냉매를 공급한다. 오일 분리기(128)는 선택적인 것으로 그것의 필요성은 전체 시스템의 디자인에 의해 결정된다. 변형례의 구조에 따르면, 상기 오일 분리기는 압축기를 빠져나가는 전체의 흐름을 처리하기 위해 사용된다. 또 다른 변형례의 구조에 따르면, 이것은 전적으로 생략된다. 근본적인 관심은 냉동 시스템의 오일의 농도를 제한하여 그것을 액상의 냉매와 함께 용액 상태로 유지하는 데 있다.
냉동 시스템(100)은 압축기 흡입 라인(122)에 연결된 선택적인 팽창 탱크(124)를 더 포함한다. FMD(126)는 팽창 탱크(124)의 입구와 압축기 흡입 라인(122) 사이에 일렬로 설치되어 있다. 상기 팽창 탱크(124) 및 관련된 FMD(126)는 시스템 전체의 디자인에 따라 선택적으로 결정된다. 해당 분야의 종사자들은 본 시스템에 팽창 탱크를 설치하던지 그렇지 않고 그것의 생략 여부를 선택 사항으로 고려할 것이다.
냉동 프로세스(108)는 열교환기(136), 상 분리기(138), 열교환기(140), 열교환기(142) 및 FMD(144)를 포함한다.
냉동 프로세스(108)를 통과하는 공급 냉매 유동 경로는 다음과 같다. 즉, 열교환기(136)의 공급 입구에는 액체 라인(100)에 의해 냉매가 공급되고, 열교환기(136)의 공급 출구는 상 분리기(138)의 공급 입구에 냉매를 공급한다. 상 분리기(138)의 공급 출구는 열교환기(140)의 공급 입구에 냉매를 공급하며, 열교환기(140)의 공급 출구는 열교환기(142)의 공급 입구에 냉매를 공급한다. 열교환기(142)의 공급 출구는 냉매 공급 라인(114)에 냉매를 공급한다.
냉동 프로세스(108)를 통과하는 복귀 냉매 유동 경로는 다음과 같다. 즉, 열교환기(142)의 복귀 입구는 냉매 복귀 라인(120)에 의해 냉매가 공급되고, 열교환기(142)의 복귀 출구는 열교환기(140)의 복귀 입구에 냉매를 공급한다. 열교환기(140)의 복귀 출구는 열교환기(136)의 복귀 입구에 냉매를 공급한다. 열교환기(136)의 복귀 출구는 압축기 흡입 라인(122)에 냉매를 공급한다. 추가적으로, 상 분리기(138)의 제2의 출구는 FMD(144)로 냉매를 공급하고, FMD의 출구는 열교환기(140)와 열교환기(142) 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로에 냉매를 공급한다.
냉동 프로세스(108)를 위해 도시된 특정의 장치는 하나의 있음직한 장치이다. 변형된 장치들도 무수히 많다. 일례로서, 열교환기와 상 분리기의 수를 변형시키는 것과 이들의 상호 관계를 변형시키는 것이 가능하다. 몇몇 경우에 있어서, 상 분리기가 전혀 필요하지 않는 경우도 있다. 중요한 요구 조건은 냉동 프로세스가 극저온 범위에서 냉동 용량(증발기에서의 열 제거)의 생산량을 지지해야 하는 데 있다. 본 명세서에서 참조하고 있는 미국 특허 제6,502,410호에는 여러 장치들이 보다 상세하게 설명되어 있다.
또 다른 장치에 따르면, 냉동 프로세스(108)는 하나 또는 그 이상의 온도에서 열을 교환함으로써 가스 혹은 액체[즉, 질소, 공기 혹은 갈던(Galden) HT-70 등의 열교환 작용제] 등의 제2의 유체로부터 열을 제거하는 수단을 제공한다. 이용 가능한 온도의 범위가 넓기 때문에, 하나 또는 그 이상의 온도에서 열을 제2의 유체로부터 효율적으로 제거하는 것이 가능하다. 몇몇 장치에서, 제2의 유체 전체는 저압 냉매와 함께 가장 찬 온도에서 가장 따뜻한 온도로 열교환 상태로 있게 된다. 또 다른 장치에 따르면, 이러한 열 제거는 가스를 액화시키기 위해 사용할 수 있다. 더욱이, 냉각 및/또는 액화를 위해 제2의 유체로부터 열 제거는 증발기(112)와의 열교환에 의해 발생한다.
전술한 바와 같이 냉동 시스템(100)의 모든 구성 요소들의 상호 연결은 수력학적으로 달성된다.
도 1의 개략적인 도면에는 단일의 증발기와 관련이 있는 냉동 시스템(100)이 도시되어 있다. 일반적으로, 상기 냉동 시스템은 병렬 혹은 직렬로 배열된 복수 개의 증발기 혹은 병렬 및 직렬의 조합으로 배열된 증발기를 냉각시킬 수 있다.
도 1의 냉동 시스템에는 단일의 압축기가 설치되어 있다. 일반적으로, 하나 이상의 압축기를 사용할 수 있다. 이러한 압축기들은 압축 프로세스를 여러 단계들로 더 분할하도록 직렬로 배열될 수 있다. 직렬로 배열될 경우, 액체 주입은 적어도 하나 이상의 압축기에 사용된다. 그 대안으로, 압축기는 냉각을 위한 요구에 따라 압축 프로세스를 경제적으로 사용하기 위해 병렬로 배열될 수 있다. 병렬로 배열될 경우, 액체 주입은 적어도 하나 이상의 압축기에 사용된다.
또 다른 실시예에 따르면, 냉동 시스템은 상이한 온도에서 작동하는 적어도 2개의 냉동 시스템들로 이루어진 캐스케이드(cascade)식 배치로 배열되어 있으며, 여기서 따뜻한 온도의 냉동 프로세스는 저온 냉동 프로세스로부터 열을 받아들인다. 이러한 실시예는, 만약 냉매가 정상 비등점이 적어도 50℃ 만큼 다른 2개의 성분을 구성된 혼합물이고 또 조합된 냉동 스테이지들의 전체 효과가 극저온 범위에서 냉동 효과를 제공할 경우, 더 따뜻한 온도 스테이지를 위한 전술한 캐스케이드식 배치를 포괄한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 스크롤형 압축기는 도 1의 냉동 시스템(100)의 압축기(102)로서 적절하게 기능을 한다. 추가적으로, 도 2a, 도 2b, 도 2c에 도시된 스크롤형 압축기의 사용은 극저온 냉동 시스템(100)의 효과적인 작동과 콤팩트한 크기를 더욱 최적화시키고, 불연성, 염소 제거, 비독성, MR 혼합물과 함께 사용하기에 적합할 수 있다.
스크롤형 압축기는 왕복형 압축기 등과 같은 다른 압축기와 비교할 때, 주어진 유량, 흡입 압력 및 배출 압력에서 주어진 냉매를 압축하기 위해 더 많은 전류 나아가 더 많은 전력을 사용하게 되는 것으로 널리 알려져 있다. 스크롤의 장점은 반원 밀폐형 압축기에 비해 감소된 수평의 바닥 면적에 있다. 본 발명은 압축기의 배출 온도의 향상된 조절에 의해 스크롤형 압축기의 효율을 향상시켜 냉동 시스템 설계자들이 그 압축기의 배출 온도의 제한에 의해 결정되는 취약점을 최소화시킬 수 있도록 해주는 방법에 관한 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c에 도시된 스크롤형 압축기의 사용은 도 1의 냉동 시스템(100)에 약간의 변형을 필요로 하는 것에 주목해야 한다. 이러한 시스템의 변형은 이하에서 도 3을 참조하여 설명될 것이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c에는 냉동 용례에 널리 사용되는 본 발명에 따른 스크롤형 압축기의 2개의 주요 부품이 도시되어 있다. 스크롤형 압축기(200)는 코프랜드 코포레이션(Copeland Corporation, 오하이오주 시드니 소재)에서 제작한 코프랜드 글레이시어 냉동 스크롤(Copeland Glacier Refrigeration Scroll; 예컨대, 모두 ZF 시리즈) 등의 상업적으로 입수 가능한 액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기이다.
스크롤형 압축기(200)는 도 2a에 도시된 고정식 나선형 부재(스크롤)(210)와, 도 2b에 도시된 이동 혹은 궤도를 선회하는 스크롤(220)을 포함한다. 상기 스크롤(210)과 스크롤(220)은 동일한 모양으로 도시되어 있다. 스크롤(220)은 180도 회전하며 도 2c에 도시된 바와 같이 스크롤(210)과 맞물린다.
스크롤형 압축기(200)의 스크롤(210, 220)은 서로 맞물려 초승달 모양의 가스 포켓을 형성한다. 보다 구체적으로 말하면, 스크롤형 압축기(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 저압 포켓을 형성하는 영역(230)과, 중간 압력 포켓을 형성하는 영역(240)과, 고압 포켓을 형성하는 영역(250)과, 중앙의 배출 포켓을 형성하는 영역(260)을 더 포함한다. 상기 영역(230, 240, 250)들 각각은 한 쌍의 저압 포켓, 중간 압력 포켓 및 고압 포켓을 각각 형성하기 위한 부수적인 영역(표시 생략)을 구비한다. 도시된 이들 포켓들은 전형적인 예이다. 그러나 스크롤형 압축기는 연속 동작을 특징으로 하고 있기 때문에, 이들 포켓들은 스크롤 동작의 "스냅 샷(snap shot)"으로부터 유래한 것이다.
압축기의 기본 작동, 즉 저압, 저온의 냉매 가스를 취하고 그것을 고압, 고온 가스로 압축하는 기본 작동은 냉동 산업에서 널리 알려져 있다. 보다 구체적으로 말하면, 스크롤형 압축기(200)의 기본 작동은 널리 알려져 있지만 간략하게 설명하자면 아래와 같다.
작동에 있어서, 스크롤(210)은 고정된 채로 남아 있는 반면, 스크롤(220)은 스크롤(210)에 대해 궤도를 선회한다. 나선 운동을 계속함에 따라, 저압 가스는 주변(영역 230)으로 유입되고, 그리고 스크롤형 압축기(200)의 중심으로 이끌려 그곳을 향해 강제되며, 이로 인해 점차적으로 가스 압력이 높아져 그 가스가 고정된 스크롤(210)의 영역(260)의 포트로부터 배출된다. 다수의 냉매 가스 포켓들은 동시에 압축되어 스크롤형 압축기(200)의 중심을 향해(영역 250 및 260) 더 높은 압력을 생성하고, 스크롤 궤로의 전체를 걸쳐 매끄럽고 거의 연속한 사이클을 제공한다.
작동 중에 가스 체적은 감소하는데, 이는 스크롤형 압축기(200)가 내부 압축을 갖는다는 것을 의미한다. 주어진 스크롤 쌍에 대해, 압축 양은 배출 포트의 크기에 따라 결정된다. 왕복형 압축기와는 달리, 스크롤형 압축기(200)는 생성된 압축 정도에 있어서 한정된 제한을 지니며, 이것은 스크롤(210, 220)의 형상 및 크기에 관련이 있다.
도 1의 극저온 냉동 시스템(100)의 압축기(102)로서 종래의 왕복형 압축기(즉, 스크류형 혹은 피스톤형 압축기)를 사용하는 대신 스크롤형 압축기(200)를 사용함으로써 얻는 장점은:
필요한 바닥 점유 공간을 줄이도록 수직 방향으로 콤팩트한 구조를 지닌다는 점과;
오일을 완전히 없앨 수 있다는 점과;
낮은 진동과 매우 낮은 소음에 대해 조화를 이룰 수 있는 회전 운동을 사용한다는 점과;
밸브 혹은 다른 마모성 부품들을 사용하지 않도록 구성할 수 있다는 점과;
조용함 및 효율적인 작동을 손상시키지 않으면서 예컨대 10,000rpm에 이르는 고속으로 운전될 수 있다는 점과;
가격 경쟁력 있게 제조될 수 있다는 점과;
체적 효율을 높일 수 있다는 점과;
단지 2개의 주요한 가동 부품들을 사용하여 매우 높은 신뢰성을 얻을 수 있다는 점과;
낮은 마찰 속도로 인해 저소음과 저마모성을 얻을 수 있다는 점이다.
실제로 스크롤형 압축기의 또 다른 변형이 가능하다는 것에 주목해야 한다. 많은 냉동 프로세스에 있어서, 압축기는 오일로 윤활되며 배출 라인 내에 오일을 토출한다. 더욱이, 냉동 스크롤형 압축기는 통상적으로 배출 밸브를 구비하며, 이러한 밸브에 걸리는 힘은 왕복형 압축기 배출 밸브에 걸리는 힘보다 현저하게 작다.
본 발명의 제1의 실시예와 마찬가지로, 도 3에는 극저온 냉동 시스템(300)이 도시되어 있다. 냉동 시스템(300)은 압축기(102)가 스크롤형 압축기(200)로 대체되어 있는 것만 제외하고 도 1의 극저온 냉동 시스템(100)과 동일하다. 상기 냉동 시스템(300)은 액체 라인(110)(응축기(104)의 출력)으로부터 연결되는 동시에 스크롤형 압축기(200)[예컨대, 스크롤형 압축기(200)의 스크롤(210, 220)]로 다시 냉매를 공급하는 액체 주입 라인(310)을 더 포함한다. 액체 라인(110)과 스크롤형 압축기(200) 사이의 액체 주입 라인(310)에는 FMD(320)과 선택적인 솔레노이드 밸브(321) 혹은 다른 유동 제어 장치가 일렬로 설치되어 있다. FMD(320)는 모세관, 오리피스, 피드백을 이용하는 비례 밸브, 혹은 유동을 제어하는 임의의 제한 요소 등의 종래의 유동 측정 장치이다. 그러나 극저온 용례에 있어서, 그것은 냉각 영역에 최적의 가스-증기-액체 흐름을 제공하기 위해 다시 크기에 따라 배열되어야 한다. FMD(320)가 피드백을 이용하는 비례 밸브일 경우, 피드백 루프는 통상적으로 피드백의 주요 공급원으로서 배출 온도를 사용할 것이고, 상기 시스템은 주입된 액체가 중간 압축 가스와 혼합된 이후에 스크롤 내에 액체의 형성을 방지하기 위해 기계적으로나 혹은 추가의 피드백 루프를 통해 구속된다.
솔레노이드 밸브 혹은 다른 유동 제어 장치는 압축기가 넘쳐흐르는 것의 시작과 그것의 손상을 방지하기 위해 필요하게 된다. 솔레노이드는 압축기가 사이클 오프될 때 반드시 폐쇄되어야 한다. 솔레노이드 밸브를 설치하지 않으면 "오프"사이클 동안 액체 냉매가 스크롤을 완전히 채우는 결과를 초래한다. 만약 전원이 이러한 조건에서 다시 공급될 경우, 생성된 수력학 효과(hydraulic effect)는 압축기에 영구적인 손상을 야기하기에 충분히 높은 압력을 초래할 수 있다. 그러나 스크롤에서 액체가 넘쳐흐르는 것을 방지하기 위한 다른 수단도 있을 수 있다. 본 발명의 필수 구성은 액체 주입을 통한 압축기 배출 온도의 조절에 있다.
스크롤형 압축기(200)로 다시 냉매를 공급하는 액체 주입 라인(310)이 필요한 이유는 저비등점을 지닌 냉매를 포함하는 혼합된 냉매를 이용하는 극저온 냉동 시스템에서 액체 주입 없는 스크롤형 압축기의 배출 온도가 180 내지 200℃ 에 도달할 수 있기 때문이다. 그러나 스크롤형 압축기(200)의 안정한 작동을 위한 상한치는 통상적으로 단지 125 내지 135℃(서비스 밸브에서 측정한 온도)의 범위이기 때문에 과도한 냉각을 필요로 하게 된다. 다시 말해서, 배출 온도의 제한은 시스템 설계자로 하여금 저비등점을 지닌 냉매의 백분율을 줄이도록 냉매 혼합을 조절할 수 있도록 해준다. 저비등점을 지닌 냉매의 감소는 시스템의 효율 감소를 초래한다. 액체 주입을 통한 배출 온도의 조절이 향상됨에 따라 시스템 효율의 향상이 초래된다. 표준형 냉동 시스템은 유사한 목적을 위해 액체 주입을 사용한다. 그러나 종래 기술의 응용에서, 시스템을 제한하는 것은 상이하다. 종래 기술에 따른 시스템들은 단지 유량과 작동 조건에만 관심이 있다. 극저온 냉동의 경우, 냉매 혼합물의 조성은 새로운 차원이며, 액체 냉매의 조절은 더 따뜻한 비등점으로 인해 더욱 어렵게 된다. 종래의 기술의 시스템과 비교하면, 본 발명의 시스템의 효율은 액체 주입을 사용함으로써 향상될 수 있다.
더욱이, 액체가 스크롤형 압축기(200)를 더욱 효율적으로 냉각시킬 수 있기 때문에 기체상의 냉매보다 액체 냉매를 대개 주입하는 것이 중요하다. 액체 주입을 사용할 때, 주입된 액체의 양은, 주입된 액체를 부분적으로 압축된 가스와 혼합시킨 후 스크롤 내에 액체가 존재하지 않도록 보장하기 위해 반드시 제한되어야 한다.
극저온 혼합형 냉동 시스템에 있어서 액체 주입을 필요로 하는 것은 스크롤형 압축기를 사용하는 종래의 냉동 사이클에 있어서보다 더욱 중요하다.
이것은 단일의 냉매 혹은 R-410A 혹은 R-404A 등의 비교적 근사하게 떨어진 비등점을 지닌 냉매들의 혼합물을 이용하는 종래의 냉동 시스템과는 현저하게 다르다. 극저온 혼합 냉매계의 넓은 공간과 사용된 가장 따뜻한 비등점 성분들의 상대적으로 따뜻한 비등점으로 인해, 냉매 성분 분리가 일어날 수 있다. 그 이유는 극저온 혼합 냉동계는 통상적으로 -15℃ 혹은 그 보다 따뜻한 정상 비등점을 지닌 냉매를 사용하기 때문이다. 오일로 윤활되는 스크롤형 압축기에 사용될 때, 따뜻한 비등점을 지닌 냉매는 압축기 오일 통 내에 수집되는 경향이 있다. 스크롤의 수직 디자인과 압축기 통으로 복귀하는 흡입 냉매의 직접적인 접근은 따뜻한 비등점을 지닌 냉매가 압축기 오일 내에 축적되는 전술한 분리 효과에 기여한다. 추가적인 따뜻한 비등점을 지닌 냉매를 이러한 분리를 보상하기 위해 추가될 때조차도, 과다한 배출 온도 조건은 압축기가 작동 상태로 있을 때 지속된다. 이것은 종래의 냉동 시스템에 동일한 방법으로 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 이들의 순환하는 유체의 조성이 실질적으로 변하지 않은 채로 남아 있기 때문이다. 극저온 혼합 냉매계에 미치는 영향은 이러한 따뜻한 비등점을 지닌 냉매를 순환계로부터 제거하는 것이다. 이는 압축기 배출 온도를 증가시키고 냉동 효율을 감소시키는 효과를 갖는다.
따라서 특별하게 구성된 혼합 냉매와 함께 액체 주입은 극저온 혼합 냉매계를 위한 수직 스크롤형 압축기의 사용을 가능하게 해주며, 그리고 액체 주입 없이 가능한 것보다 냉동 효율을 더 향상시킬 수 있게 해준다.
종래의 기술을 통해 언급한 바와 같이 극저온 냉동 시스템에 액체 주입 없는 스크롤형 압축기를 적용하는 것이 가능하다. 그러나 액체 주입이 없으면 양호한 압축기의 신뢰성을 확보하는 동시에 사용 가능한 냉매의 조성 범위가 제한된다. 이것은 아르곤, 질소 및 R-14 등의 극저온 비등점을 지닌 성분의 최대 조성비에 영향을 미치거나 혹은 압축기의 흡입 압력 혹은 배출 압력, 관련된 압축비를 제한하고, 시스템 효율의 감소를 초래한다.
그 대안으로, 따뜻한 비등점을 지닌 냉매의 일부는 제한될 수 있고, 이것은 시스템에 의해 거부될 수 있는 열의 량에 있어서의 감소를 초래할 수 있다. 이것은 극저온에서 제거될 수 있는 열의 양에 있어서의 감소를 초래하며, 압축기가 작동할 수 있는 압력을 제한한다. 따라서 액체 주입의 사용은 극저온 혼합 냉매계에서 수직 스크롤형 압축기의 사용을 가능하게 해주며, 액체 주입이 없이 달성할 수 있는 것보다 냉동 시스템의 성능 수준을 더 향상시킬 수 있도록 지원한다.
대부분의 액체 냉매가 스크롤형 압축기(200)의 액체 라인으로 복귀하는 것을 보장하기 위해, 액체 라인(110)으로 액체 주입 라인(310)의 물리적인 연결이 중요하다. 오토-캐스케이드(auto-cascade) 냉동 시스템의 액체 라인(110) 내에 존재하는 냉매는 증기 및/또는 가스 및 액체의 혼합물이기 때문에, 액체 주입 라인(310)은 액체 라인(110)의 수평 섹션 밑에서 "T"자 모양으로 되어야 한다. 추가적으로, 액체를 축적하는 탱크는 주입 흐름에서 높은 액체 함량을 확보하기 위해 상기 "T"자 부분과 솔레노이드 밸브 사이에 설치될 수 있다. 이것은 액체와 증기 냉매가 비록 액체 라인(110)에서 함께 흐르지만 완전하게 균일한 흐름을 형성하지 않기 때문이다. 증력에 의해 액체는 액체 축적기로서의 역할을 하는 탱크의 바닥에 수집될 수 있다. 그 결과, 액체 함량이 매우 높은 냉매는 액체 주입 라인(310)을 통해 스크롤형 압축기(200)로 복귀한다.
작동에 있어서, FMD(320)는 액체 냉매 흐름의 소량 부분이 스크롤형 압축기(200)로 복귀할 수 있도록 허용한다. 상기 액체는 중간 압력에서 압축 챔버로 주입된다. 상기 방법은 흡입 압력의 증가/감소를 허용하여 흡입 질량 유량과 시스템 성능을 변화시키는 셀프 조절 시스템을 제공한다. FMD(320)는 또한 스크롤형 압축기(200)로 복귀한 액체 냉매의 압력을 줄이는 작용을 하기 때문에 양자 방법에 대해 확실한 주입 흐름이 보장된다. 액체 라인(110)으로부터 스크롤형 압축기(200)로 액체 냉매의 주입은 스크롤(210, 220)을 냉각시켜 이들 스크롤의 온도가 안정된 작동 한계 내에 속하도록 감소시킨다.
스크롤 부재들을 통한 액체 순환이 존재하지 않는다. 소량의 액체 냉매는 그것이 압축 챔버에 도달하여 주요한 고온 스트림과 혼합할 경우 신속하게 증발된다. 냉각 효과는 주로 "찬" 증기 대류와 주입 통로에서의 증발 열 제거에 의한 것이다. 이것은 중간 압력에서의 액체 주입의 경우에 특히 그렇게 되는데, 그 이유는 가스가 이미 이러한 한계점까지 압축 프로세스에 의해 부분적으로 데워져 있기 때문이다.
주변의 온도 조건에서, 몇몇 혼합된 냉매는 R22, R134a 혹은 R404a 등과 같이 종래의 냉매에 비해 더 높은 증발열과 더 따뜻한 비등점을 지닐 수 있다. 압축기가 오프될 때, 과도한 냉매 응축과 오일 통 내에서의 액체 형성을 방지하기 위해 더 많은 히터의 입력 전력량이 필요하게 될 것이다.
사용될 오일의 종류는 임의의 압축기 시스템의 성공적인 적용을 위해 중요하다. 특히, POE 오일은 알킬벤젠과 광물성 오일 등과 같이 이전에 사용된 오일에 비해 스크롤형 압축기를 포함하는 다양한 압축기 디자인에 성공적으로 적용하기가 더욱 곤란하였다. 액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기에 유용한 것으로 밝혀진 몇몇 오일들의 예로는 CPI 엔지니어링(미시간주 미드랜드 소재)의 BVA Solest LT 32(40℃에서 약 32 센티스토크스), BVA Solest 46(40℃에서 약 46 센티스토크스), BVA Solest 68(40℃에서 약 68 센티스토크스), BVA Solest 120(40℃에서 약 120 센티스토크스)을 들 수 있다. 이러한 제품군의 다른 종류와, 이와 유사한 점성 등급의 다른 제조사로부터 입수한 다른 POE가 또한 유리한 것으로 추정된다.
스크롤형 압축기와 함께 사용할 수 있는 알킬벤젠 오일의 예로는 세리브 케미컬(Shrieve Chemical, 텍사스 소재)의 Zero 150(40℃에서 약 28 센티스토크스)이 있다. 또한, Zerol 300(40℃에서 약 56 센티스토크스)도 유용한 것으로 추정된다. 마찬가지로, 유사한 점성 등급, 심지어 더 낮은 점성, 특히 POE 오일과 함께 사용될 때의 다른 알킬벤젠 오일은 유용한 것으로 추정된다. 극저온 냉동 시스템에 있어서 두 가지의 상충되는 요구 사항에 있어서, 압축기 오일은 현저한 마모가 일어나지 않도록 움직이는 압축기 부품들을 반드시 윤활시키야 하며, 또 상기 오일은 그것이 순환할 때 언제든지 액체 상태로 남게 되도록 사용된 냉매와 호환할 수 있어야 한다. 일반적으로, 높은 점성의 오일을 선택하는 것은 압축기의 마모 가능성을 줄이지만 저온에서 냉매로부터 오일 분리의 가능성과, 배관, 팽창 장치 혹은 제어 밸브가 막히게 될 가능성은 증가하게 된다.
당업자들은 특히 오일-압축기-냉매 조합을 사용하는 것에 대한 적절하게 신뢰성이 있는 평가의 필요성을 인식할 것이다. 마찬가지로, 당업자들은 냉동 시스템의 신뢰성 평가가 그 시스템에서 오일의 조절과 관련이 있을 때 적절한 평가가 필요하다는 것으로 이해할 것이다.
냉매와 압축기 오일의 가능한 많은 조합은 본 발명에 따라 가능할 수 있다. 이러한 냉매들의 예로는 IGC Polycold's(캘리포니아주 페타루마 소재)의 PFC-550 HC, PFC-552 HC, PFC-551 HC 등의 상업적으로 이용 가능한 종래 시스템에서 찾아 볼 수 있다. 추가적으로, 특정의 냉동 혼합물들과 이들의 취약점은 미국 특허 제6,502,410호와 제6,481,223호에 개시되어 있으며, 본 명세서에서는 그 내용을 참조하고 있다.
코프랜드(Copeland) 냉동 스크롤, 모델 ZF48K4E-TWD-551을 사용하여 행한 실험에 따르면, R-236fa, R-125, R-23, R-14 및 아르곤과 조합하여 Solest LT 32를 사용하면 양호한 신뢰성이 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나 R-236fa 대신 R-245fa로 대체하면 압축기의 고장으로 이어지며, 이에 따라 이러한 특정한 혼합물을 위한 높은 점성의 오일의 필요성을 나타낸다. 상기 Solest LT 32와 함께 낮은 농도를 지닌 R-245fa의 몇몇 조합들은 성공적이고 유용한 것으로 추정된다. 더 높은 점성 등급의 테스트에서는, R-245fa를 포함하는 혼합물과 함께 Solest 68을 사용하였다.
또 다른 오일 냉매의 조합이 가능하다. 예컨대, 알킬벤젠 오일은 HCFC를 제거한 냉매 혼합물과 함께 사용될 수 있다. 이 경우, 시스템 설계자는 냉동 시스템의 저온 스테이지에서 과도한 오일이 존재하는 것을 방지하기 위해 오일 조절에 더욱 주의해야 한다. 또한, 알킬벤젠 오일은 HCFC 냉매 혼합물과 함께 사용될 수 있다. 마찬가지로, POE 오일은 HCFC 냉매와 함께 사용될 수 있지만, HCFC는 POE에 대해 더 높은 친화력을 지니는 경향이 있고, 또 통상적으로 HFC보다 더욱 오일을 묽게 하는 결과를 초래한다.
시스템에 사용될 특정의 냉매 혼합물은 또한 해당 분야의 종사자들이 선택 할 사항이다. 고려 대상인 몇몇 인자들로는, 다른 시스템의 부품들과의 물질 양립성, 압축기 오일과의 용해도 및 혼화성, 저온에서의 결빙, 시스템 효율, 환경 규제, 독성, 인화성 등이 있다. 해당 분야의 종사들은 이러한 인자들의 균형에 대한 중요성을 이해할 것이다. 이것을 본 발명과 연관시켜 볼 때, 혼합물 내의 따뜻한 비등점을 지닌 냉매와 오일과의 상호 작용은 통상적으로 매우 중요하다. 통상, 이러한 냉매는 주변의 열 거절에 대한 높은 비율을 제공함으로써 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 실온에 가까운 따뜻한 비등점(-15 내지 +40℃)을 지니는 것이 바람직하다. 그러나 따뜻한 비등점을 지닌 냉매는 압축기 오일을 묽게 하는 경향이 있을 것이며, 압축기 오일에 의해 제공된 윤활을 저하시킨다.
특정의 냉매 혼합물 테스트를 기초로 하여(중량 퍼센트 기준), 아래의 조성 범위가 액체 주입에 유용한 것으로 추정된다.
20 내지 45%의 R-236fa
8 내지 15%의 R-125
12 내지 30%의 R-23
18 내지 34%의 R-14
6 내지 15%의 아르곤
액체 주입을 이용하는 스크롤형 압축기가 반밀폐 왕복형 압축기를 대신하여 사용되는 개량 모델인 Polycold PFC-662 시스템에서 Copeland ZF40K4E-TWS 압축기를 사용하여 혼합물의 테스트를 행하였다. 이 시스템에 의해 생성된 온도는 외부의 부하와 냉매 혼합물에 따라 -106℃ 내지 -160℃ 범위에 속한다. 얻어진 결과에 따르면, 압축기의 열적 과부화의 개시를 초래하는 과도한 배출 온도에 기인하여 전술한 동일 혼합물들은 액체 주입 없이 작동할 수 없는 것임에 반하여 액체 주입의 사용은 이들 시스템들로 하여금 작동할 수 있게 만드는 것을 보여 주었다. 이러한 결과는 본 명세서에 개시된 시스템과 종래의 시스템간의 구분을 강화한다. 따뜻한 비등점을 지닌 냉매의 순환을 조절함으로써 이들 혼합물들을 조절할 수 있게 만들어 시스템 전체의 효율을 향상시키게 된다.
냉동 시스템이 최적화되는 특정의 온도에 따라 또 다른 냉매의 조합들이 가능하다.
일례로서, 유용하다고 추정할 수 있는 혼합물을 함유하는 HCFC는 미국 특허 제6,481,223호에 개시된 바와 같이 R-123, R-124, R-125, R-218, R-23 및/또는 에탄, R-14 및 아르곤으로 구성된 혼합물이다.
또 다른 일례로서, 유용하다고 추정할 수 있는 HCFC을 제거한 혼합물은 미국 특허 제6,502,410호에 개시된 바와 같이 R-4112, R-245fa, R-236fa, E-347, R-134a, R-125, R-218, R-23 및/또는 에탄, R-14, 아르곤, 질소, 네온, 헬륨으로 구성된 혼합물이다. 추가적으로, 메탄, 산소, 수소, 크세논 및 크립톤 등의 다른 화합물들도 또한 포함될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 사용된 냉매 혼합물이 적어도 20%의 따뜻한 비등점을 지닌 냉매와 15%의 저비등점을 지닌 냉매로 구성되어 있는 극저온 혼합 냉매 시스템에 유용할 것이다. 각각의 냉매의 여러 조합들과 이들의 조성은 거의 무한정으로 될 수 있다. 일반적으로, 이들 실시예들의 장점은 따뜻한 비등점을 지닌 냉매 및/또는 저비등점을 지닌 냉매의 양이 증가할수록, 저비등점을 지닌 냉매의 비등점이 더 낮아질수록, 그리고 따뜻한 비등점을 지닌 냉매의 비등점이 증가할수록 더 커진다.
선택적인 히터(330)는 스크롤형 압축기(200)의 오일 통에 기계적으로 고착되어 있다. 이 히터(330)는 예컨대, 오메가 엔지니어링 컴패니(Omega Engineering Co.)에서 제작된 통상적인 크랭크케이스 혹은 밴드형 히터이다. 이 히터는 액체 냉매가 오일 통 내에 축적되는 것을 방지하기 위해 "오프" 사이클 동안 켜진다. "넘쳐흐름(flooded)" 조건에서 전력이 다시 공급될 경우, 생성된 수력학적 효과(hydraulic effect)는 압축기에 영구적인 손상을 입히기에 충분히 높은 압력을 초래할 수 있다.
상기 결과는 배출 온도를 낮추기 위해 액체 주입을 이용하는 상업적으로 제조된 스크롤형 압축기와, 오일 통을 가온하는 히터를 포함하는 본 발명의 극저온 냉동 시스템이 작동 효율에 있어서 최고인 것을 보여준다. 본 발명의 시스템은 종래의 왕복형 압축기를 이용하는 냉동 시스템과 비교하면 크기가 콤팩트하고, 따뜻한 비등점을 지닌 성분 및 저비등점을 지닌 성분을 포함하는 혼합 냉매(MR)와 함께 사용하기에 적합할 수 있다.
양호한 실시예에 따르면, 따뜻한 비등점을 지닌 냉매의 비등점은 -15℃ 내지 +45℃의 범위로 한정된다.
본 발명의 시스템의 또 다른 실시예에 있어서, 기체 주입 혹은 가스 및 액체 주입의 혼합물은 압축기를 중간 압력에서 냉각하기 위해 사용된다. 이것은 액체 증발이 없어지거나 감소함에 따라 열이 효과적인 제거되기 때문에 액체 주입보다 덜 효과적인 것으로 추정된다.
본 시스템의 또 다른 실시예에 있어서, 압축기의 냉각을 위한 액체 주입은 적어도 하나의 중간 비등점을 지닌 냉매와 하나의 저비등점을 지닌 냉매로 구성된 기체들의 혼합물과 함께 사용된다.
본 시스템의 또 다른 실시예에 따르면, 선택적인 히터(330)는 압축기 작동 동한 전원이 공급된다. 이 히터는 압축기 오일에 희석되어 있는 액체 냉매의 양을 제어하기 위해 그것을 사용하는 변형례에 따른 장치에도 사용될 수 있다. 대개의 경우, 액체 주입의 사용은 본질적으로 압축기 오일과 함께 혼합되어 있는 액체의 양을 제한할 것이다. 그러나 외부 히터의 사용은 통상적으로 바람직하지 못하지만 몇몇 응용에 있어서는 유리할 수 있다. 통상적으로, 압축기 작동 동안 열의 추가는 압축기 배출 온도를 증가시키는 경향이 있을 것이다. 그러나 이러한 장치에 의해 냉매 조성과 압축기의 몇몇 조합이 바람직할 수 있는 데, 그 이유는 압축기 통에 열의 추가는 상기 통 내에 액체 냉매의 축적을 방지하여 순환하는 혼합물의 비열의 감소된 비율로 인해 배출 온도를 감소시키기 때문이다.
다수의 가능한 냉매의 조성과, 극저온 혼합 냉매 시스템에서 나온 이용 가능한 온도를 적절하게 선택함으로써 상기 제1의 실시예에 대한 여러 유용한 변형례들이 존재할 수 있다.

Claims (17)

  1. 극저온 냉동 시스템으로서,
    a) 압축기는 스크롤형 압축기이며,
    b) 냉매는 액체 냉매 라인으로부터 중간 압력에서 상기 스크롤형 압축기로 주입되고,
    c) 상기 냉매는 적어도 50℃만큼 차이가 나는 비등점을 지닌 냉매 성분들로 이루어진 복합 성분의 냉매이며,
    d) 상기 냉매는 저비등점 냉매의 함량이 높은 것인 냉동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 스크롤형 압축기의 오일 통에 기계적으로 고착된 히터를 더 포함하는 것인 냉동 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 주입된 냉매는 기체 상태이거나 혹은 기체와 액체 냉매의 혼합물인 것인 냉동 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 주입된 냉매는 액체 냉매인 것인 냉동 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스크롤형 압축기의 스크롤 부재를 통해서는 액체가 순환하지 않는 것인 냉동 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 스크롤형 압축기로 주입된 액체 냉매는 극저온 혼합 냉매 시스템의 응축기로부터 액체 라인의 수평 섹션의 바닥에서 추출되는 것인 냉동 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 액체 냉매를 스크롤형 압축기로 복귀시키는 라인 내에 설치된 유량 제어 수단을 더 포함하는 것인 냉동 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 액체 라인의 접속부와 상기 유량 제어 수단 사이에 스크롤형 압축기로 복귀하는 액체 냉매 라인에 설치된 액체 축적 탱크를 더 포함하는 것인 냉동 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 복합 성분 냉매는 적어도 1종의 저비등점을 지닌 냉매, 적어도 1종의 중간 비등점을 지닌 냉매 및 적어도 1종의 따뜻한 비등점을 지닌 냉매를 포함하는 것인 냉동 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복합 성분 냉매는 저비등점을 지닌 냉매, 중간 비등점을 지닌 냉매 및 따뜻한 비등점을 지닌 냉매를 2종 이상 포함하는 것인 냉동 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 복합 성분 냉매는 저비등점을 지닌 냉매를 50%를 초과하게 포함하는 것인 냉동 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 복합 성분 냉매는 저비등점을 지닌 냉매를 약 20 내지 약 45% 포함하는 것인 냉동 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 복합 성분 냉매는 저비등점을 지닌 냉매를 적어도 15% 포함하는 것인 냉동 시스템.
  14. 제4항에 있어서, 상기 냉매는 R-123, R-124, R-125, R-218, R-23 및/또는 에탄 및 R-14로 구성된 혼합물인 것인 냉동 시스템.
  15. 제4항에 있어서, 상기 냉매는 R-236fa, R-125, R-23, R-14 및 아르곤으로 구성된 혼합물인 것인 냉동 시스템.
  16. 제16항에 있어서, 상기 냉매는
    20 내지 45%의 R-236fa
    8 내지 15%의 R-125
    12 내지 30%의 R-23
    18 내지 34%의 R-14
    6 내지 15%의 아르곤
    으로 구성된 혼합물인 것인 냉동 시스템.
  17. 극저온 냉동 시스템 내의 스크롤형 압축기에서 나오는 복합 성분 냉매의 온도를 감소시키기 위한 방법으로, 소정량의 복합 성분 냉매를 중간 압력에서 액체 라인으로부터 압축기의 압축 챔버로 주입하는 단계를 포함하는 것인 방법.
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