KR20070102621A - 보조냉각기를 이용한 ｈｖａｃ 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 HVAC 시스템은 메인회로(100)와 보조냉각기 회로(210)를 갖는다. 상기 메인회로는 메인회로용 증발기(140), 메인회로용 팽창장치(126), 메인회로용 응축기(118,120) 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기(110,112)를 포함한다. 상기 보조냉각기용 회로는 보조냉각기용 증발기(222), 보조냉각기용 팽창장치(256), 보조냉각기용 응축기(260) 및 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기용 압축기(250)를 포함한다. 상기 보조냉각기용 증발기는 메인회로용 증발기쪽으로 들어가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 상기 보조냉각기 회로의 냉매가 서로 열교환될 수 있게 배치된다. 상기 보조냉각기 회로의 작동은 미리 설정된 설계효율을 갖는 HVAC 시스템을 위한 메인회로용 응축기와 보조냉각기용 응축기를 통해 흐르는 냉각유체의 단위 질량흐름 당 증가된 냉각용량을 제공한다.
HVAC, 보조냉각기, 메인회로, 냉매, 열교환, 증발기, 응축기, 팽창장치, 압축기

Description

보조냉각기를 이용한 ＨＶＡＣ 시스템{HVAC SYSTEM WITH POWERED SUBCOOLER}
본 발명은 HVAC 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 보조냉각기를 이용한 냉동 시스템에 관한 것이다.
상업적인 에어 컨디셔너의 설계를 최적화시키기 위한 연구개발이 많은 시간동안 진행되어 왔다.
상업적인 에어 컨디셔너를 최적화시키기 위한 시도중 하나는 이코노마이저의 설치에 있다. 이코노마이저는 스크류 냉각기에 통상 사용되어 왔다. 전형적인 이코노마이져는 인터쿨러로부터 증발기와 응축기의 사이에 배치되는 압축기까지 소정의 압력으로 냉동 플래시 가스를 유도한다. 알맞은 압력의 냉매 가스의 유도는 제한된 압축기 효율에도 불구하고 열역학적 사이클의 효율을 향상시킨다. 상업적인 에어 컨디셔너를 최적화시키기 위한 시도중 다른 하나는 압축기로 리턴되는 냉매를 응축기에서 중간 정도의 압력으로 보일링하는 바, 이때 응축기에 잔여되는 냉매 액체를 냉각하는데 열교환기를 사용하는 점에 있다. 이러한 두 가지 타입의 시스템은 통상적으로 사용되고 있고, 에어-냉각형 냉각 조건을 위한 용량(약 10% 내지 약 15%) 개선에 미약한 점에 있다. 또 다른 한계는 중간 압력을 갖는 가스의 유도를 위해 특정의 포트가 필요하다는 점에 있다. 이러한 포트와 관련한 추가적인 압축기 손실로 인해 이코노마이저 사이클의 전체 이론적 이득을 얻을 수 없게 된다.
동력형 보조냉각기가 수퍼마켓용 냉장고 및 냉동고와 같은 낮은-온도의 냉동 시스템에 제한적으로 사용되어 왔다. 이 동력형 보조냉각기는 증발기에서의 냉매에 대한 낮은 온도를 얻기 위하여 메인 냉동시스템의 냉매 액체를 냉각시키고자 분리형 냉매회로를 사용한다. 이러한 시스템은 에어 컨디셔닝 시스템에 사용되지 않는다. 또한, 이러한 시스템은 냉매 액체를 약 32℉ 내지 50℉(0 내지 10℃)로 냉각하는 바, 이는 에어 컨디셔닝 시스템의 실질적인 성능 불량을 초래하게 된다. 또한, 종래 기술에 따르면 메인 회로 및 보조냉각기 회로를 위한 분리형 응축기의 사용에 따라 냉동 시스템의 공간 증가를 초래하는 점이 있다.
HCFC-22(클로로디플루오로메탄(chlorodifluoromethane))의 배제와 함께, 당 분야의 산업에서는 보다 높은-압력의 냉매 사용으로 전환되고 있다. 새로운 냉매는 디플루오로메탄(R32, CH2F2)과 펜타플루오로메탄(R125, CHF2CF2)의 혼합물, R-410A로서, ASHRAE에 의하여 선정되어 유망한 지원과 함께 HCFC-22보다 높은 압력을 갖는다. 이러한 냉매는 HVAC 냉동장치에 사용되어 왔다. 다른 고안 냉매는 카본 다이옥사이드(carbon dioxide), R32, 및 R125를 포함한다. 외부의 주위온도가 매우 높은(예를들어 약 95℉(35℃)보다 높은) 상태이면, 상기 응축기내의 냉매 온도는 그 임계 온도에 접근하기 시작한다. 예를 들어, R-410A는 약 160℉(71℃)의 임 계온도를 가지게 된다. 90℉(32.2℃)의 임계온도를 갖는 카본 다이옥사이드의 경우, 임계온도 이상 또는 근처에서 작용하는 점이 보다 큰 문제이다. 이에 상기 냉매가 임계 온도를 초과 또는 임계온도에 도달하면, 상기 응축기는 냉매에 대한 응축능력을 상실하고, 높은 외부 주위온도가 지속되는 동안 효율 및 용량 손실 그리고 시스템 오류 등이 따르게 되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 종래의 문제점 발생없이 냉각 용량 및 효율을 개선시킬 수 있는 HVAC 냉동시스템이 요구된다.
본 발명은 메인회로 및 보조냉각기 회로를 갖는 HVAC 시스템을 포함한다. 상기 메인회로는 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함한다. 상기 보조냉각기 회로는 보조냉각기용 증발기, 보조냉각기용 팽창장치, 보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기용 압축기를 포함한다. 상기 보조냉각기용 증발기는 메인회로의 증발기쪽으로 들어가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 상기 보조냉각기 회로의 냉매가 서로 열교환될 수 있게 배치된다. 상기 보조냉각기 회로의 작동은 미리 설정된 설계효율을 갖는 HVAC 시스템을 위한 메인회로용 응축기와 보조냉각기용 응축기를 통하는 냉각 유체의 단위 질량흐름 당 증가된 냉각용량을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 메인회로, 제1보조냉각기 회로 및 제2보조냉각기 회로를 갖는 냉동시스템을 제공한다. 상기 메인회로는 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함한다. 상기 제1보조냉각기 회로는 제1보조냉각기용 증발기, 제1보조냉각기용 팽창장치, 제1보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 제1보조냉각기용 압축기를 포함한다. 상기 제2보조냉각기 회로는 제2보조냉각기용 증발기, 제2보조냉각기용 팽창장치, 제2보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 제2보조냉각기용 압축기를 포함한다. 상기 제1 및 제2보조냉각기용 증발기 각각은 메인회로용 증발기쪽으로 들어가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 이와 대응하는 보조냉각기 회로에서의 냉매가 서로 열교환할 수 있게 배치된다.
본 발명의 또 다른 구현예는 메인회로 및 보조냉각기 회로를 갖는 HVAC 시스템을 포함한다. 상기 메인회로는 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함한다. 상기 메인회로는 80℃ 이하의 임계온도를 갖는 냉매를 순환시킨다. 상기 보조냉각기 회로는 보조냉각기용 증발기, 보조냉각기용 팽창장치, 보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기용 압축기를 포함한다. 상기 보조냉각기용 증발기는 냉동기용 증발기쪽으로 들어가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 상기 보조냉각기 회로의 냉매가 서로 열교환될 수 있게 배치된다. 상기 보조냉각기 회로의 작동은 미리 설정된 설계효율을 갖는 HVAC 시스템을 위한 메인회로용 응축기와 보조냉각기용 응축기를 통하여 흐르는 냉각유체의 질량흐름 당 냉각용량을 보다 크게 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 메인회로용 압축기가 폐냉동 루프로 연결된 메인회로 및, 보조냉각기용 증발기, 보조냉각기용 팽창장치, 보조냉각기용 응축기 및 보조냉각기용 압축기가 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기 회로를 제공하는 단계를 포함하는 HVAC 시스템을 보조냉각시키는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 방법은 미리 설정된 설계효율을 갖는 HVAC 시스템용 응축기를 경유하는 단위 공기흐름 당 증가된 냉각 용량을 제공할 수 있도록 상기 메인회로에서의 냉매가 냉동기용 증발기로 들어가기 전에, 상기 보조냉각기용 증발기로 메인회로에서의 냉매를 보조냉각시키는 단계를 포함한다. 이때 주위 공기온도 또는 냉매 온도중 하나를 검출한다. 이 검출된 조건에 반응하여 상기 메인회로 및 보조냉각기용 회로중 하나의 압축기는 활성 또는 비활성화된다. 또한 본 발명의 방법은 상기 검출된 조건에 반응하여 상기 메인회로용 응축기 및 보조냉각기용 응축기로 유체 흐름을 제공하는 하나 이상의 유체 이동 장치를 활성 또는 비활성화시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 장점은 냉동 시스템이 종래의 이코노마이져 사이클이 비하여 큰 용량을 가지고, 종래의 이코노마이져 사이클에 비하여 증가된 효율에서 작동하는 점에 있다.
본 발명의 다른 장점은 복잡한 장치 또는 와이어링없이 추가의 효율 및 용량을 제공할 수 있고, 낮은 비용으로 시스템을 구축할 수 있는 점에 있다. 본 발명의 보조냉각기 회로는 손쉽게 이용할 수 있는 장치 설계로 용이하게 제작할 수 있다. 또한 본 발명의 시스템은 향상된 냉각 용량을 갖는 바, 이러한 점은 추가적인 장치 비용의 일부를 상쇄시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 발명의 보조냉각기 시스템이 보다 작은 응축기 코일의 사용이 가능하면서도, 동시에 증가된 냉각 용량을 제공할 수 있는 점에 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 발명의 시스템이 95℉(35℃)를 초과하는 온도를 포함하는 고온의 주위 온도에서 작동 가능한 점에 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 본 발명의 시스템이 종래의 냉동 시스템에 비하여 동일한 용량에서 감소된 팬의 노이즈에서 작동하는 점에 있다. 상기 감소된 팬 노이즈는 응축기의 요구 사이즈 및 복수의 팬 용량이 보다 감소됨에 따라 발생되고, 이에 응축기에 의하여 발생된 팬 노이즈가 감소될 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 주위 조건이 변화할 때, 보조냉각기 용량의 추가적인 스텝 제어를 제공할 수 있다. 각각의 보조냉각기 회로는 미리 설정된 보조냉각량을 제공한다. 따라서, 개개의 보조냉각 회로는 시스템이 보다 낮은 에너지 비용으로 작동할 수 있도록 하는 보조냉각 조건에 반응하여 활성 또는 비활성화된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 하나의 실시예로서 하기에서 첨부도면을 참조로 설명하는 상세한 설명을 통해 명백하게 이해될 것이다.
도 1은 종래의 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉동시스템을 나타내는 개략도.
도면에서 사용된 도면부호는 동일한 구성에 대하여 동일한 부호를 지시한다.
도 1은 종래의 냉동 시스템으로서, 그 구성을 보면 제1압축기(110), 제2압축기(112), 팽창장치(126), 증발기(140), 및 응축기(190)를 갖는 메인회로(100)를 포함하고 있다. 상기 메인회로(100)는 통상 ASHRAE 선정 R-22로 언급되는 클로로디플루오로메탄(CHClF2) 또는 ASHRAE 선정 R-410A로 언급되는 디플루오로메탄(CH2F2) 및 펜타플로오로에탄(CHF2CF3)의 혼합물과 같은 고압 냉매를 사용한다. 바람직하게는, 상기 제1압축기(10) 및 제2압축기(112)는 스크롤(scroll) 압축기이다. 이 스크롤 압축기의 사용이 바람직하지만, 어떠한 종류의 압축기 사용도 가능하다. 예를들어 상기 압축기는 스크류 압축기, 왕복형 압축기, 로터리 압축기, 또는 원심형 압축기를 포함한다. 제1체크밸브(114) 및 제2체크밸브(116)가 압축기와 응축기 사 이에 배치되어, 작동되지 않는 압축기를 통해 냉매 증기가 역흐름되는 것을 차단하게 된다. 도 1은 2개의 압축기를 도시하고 있지만, 여러개의 압축기의 사용도 가능하다. 배출라인(132)이 압축된 냉매 증기를 응축기 코일(118,120)로 공급하는 경로를 이룬다. 액체라인(134)이 응축기 코일(118,120)로부터 팽창장치(126)로 응축된 냉매를 이송하는 경로를 이룬다. 상기 팽창장치는 제한되지 않지만, 팽창밸브, 캐필러리 튜브 배열기구를 사용할 수 있다. 액체와 증기의 혼합물이 팽창밸브(126)로부터 증발기 인렛(138) 및 증발기(140)로 흐른다. 과열된(superheated) 냉매 증기가 증발기를 출발하여 흡입라인(130)을 경유하여 제1 및 제2압축기(110,112)까지 흐르게 된다. 이때, 따뜻한 유체(142)가 통상 냉각기로 언급되는 증발기(140)로 유입되어, 냉각된 액체(144)가 되도록 냉매유체에 열적 에너지를 전달한다. 상기 증발기(140)를 통과한 따뜻한 유체(142) 및 냉각된 유체(144)는 물, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 또는 식염수(brine)와 같은 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 냉각된 유체(144)는 내부공간의 냉각을 위하여 사용된다. 상기 따뜻한 유체(142) 및 냉각된 유체(144)가 액체이지만, 공기 또는 기타 가스의 사용도 가능하다. 응축기(190)는 응축기 코일(118,120)을 통해 주위 공기(182)를 빼내고, 대기로 가열된 공기(184)를 배출하는 팬(180)을 포함한다. 그러나, 도 1에 도시된 시스템은 고온의 주위 온도에서 냉각 효율을 유지하지 못한다.
도 2는 동력형 보조냉각기를 갖는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 냉동 시스템을 나타낸다. 도 2의 냉동시스템은 도 1을 참조로 설명된 바와 같이 제1압축기(110), 제1체크밸브(114), 제2압축기(112), 제2체크밸브(116), 인렛 유체 스트 림(142) 및 아웃렛 유체 스트림(144)을 포함하는 증발기(140), 팬(180), 주위 공기(182) 및 가열된 공기(184)를 갖는 메인회로(100)를 포함한다.
그러나, 도 2에 도시된 본 발명의 구현예는 제1보조냉각기 회로(210) 및 제2냉각기 회로(215)를 더 포함한다. 상기 제1보조냉각기 회로(210)는 압축기(250), 응축기 코일(260), 팽창장치(256) 및 제1보조냉각기(222)를 포함한다. 상기 제2보조냉각기 회로(215)는 압축기(270), 응축기 코일(272), 팽창장치(274) 및 제2보조냉각기(224)를 포함한다. 상기 메인회로(100)에서와 같이, 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)에서의 팽창장치는 제한되지 않지만, 팽창밸브, 캐필러리 튜브 배열기구를 사용할 수 있다. 상기 제1 및 제2보조냉각기(222,224)는 메인회로(100)와 제1보조냉각기 회로(210)간의 열 전달, 그리고 메인회로(100)와 제2보조냉각기 회로(215)간의 열 전달을 위한 열교환기를 각각 포함한다. 상기 제1 및 제2보조냉각기(222,224)의 열교환기는 플레이트(plate) 열교환기이고, 그 외에 다른 열교환기의 사용도 가능하다. 이때 액체라인(239)가 응축기 코일(118,120)로부터 제2보조냉각기(224)로 응축된 냉매를 이송하는 경로를 이룬다. 액체 냉매는 상기 제2보조냉각기(224)의 출구를 출발하여 제1보조냉각기(222)로 흐르게 된다. 이어서 냉각된 냉매 액체는 상기 제1보조냉각기(222)로 출발하여 액체라인(236)을 경유하여 팽창장치(126) 및 증발기(140)로 흐르게 된다. 상기 메인회로(100)의 나머지 구성은 도 1을 참조로 설명된 바와 같이 동작하게 된다.
도 2는 단일 냉매회로를 갖는 메인회로(100)를 나타내고 있지만, 본 발명의 메인회로(100)는 다단 냉매회로를 갖는 시스템도 적용 가능하다. 예를들어, 통상 두 개의 회로를 포함하는 약 30톤 이상의 냉각용량을 갖는 스크롤 냉각기가 포함될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 대형 스크롤 또는 스크류 냉각기는 4개의 회로를 보유할 수 있다. 상기 증발기(140)(예를들어, 냉각기)는 냉매회로가 열교환기를 통과하는 전체 물과 접촉하도록 설계 배열된다.
상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)는 메인회로(100)에서의 응축기 코일(118,120)을 출발한 액체 냉매를 제1 및 제2보조냉각기(222,224)에서 열교환시켜 냉각시키게 된다. 이러한 열교환은 액체 냉매에 대한 과냉각을 제공하고, 높은 효율, 큰 용량 및 높은 주위 온도에서도 시스템이 작동하는 것을 허용하게 된다. 상기 보조냉각기 회로(210,215)는 통상 ASHRAE 선정 R-134a로 언급되는 테트라플루오로메탄과 같은 저압 냉매의 사용이 바람직하다. R-134a가 바람직하지만, R410A, R407C, R-152a, 프로판(propane), 디메틸에더(dimethylether), 암모니아 등이 상기 제1 및 제2 보조냉각기 회로(210,215)에 사용될 수 있다.
상기 제1보조냉각기 회로(210)는 전술한 바와 같이 압축기(250), 응축기 코일(260), 팽창장치(256), 및 제1보조냉각기(222)를 포함한다. 이러한 구성은 폐루프 냉동회로로 만들어지도록 파이프로 연결된다. 상기 압축기(250)는 배출라인(252)을 통해 압축된 냉매 증기를 응축기 코일(260)로 공급하고, 이 응축기 코일은 액체 라인(259)를 통해 팽창장치(256)로 흐르는 냉매 액체가 되도록 냉매를 냉각시키게 된다. 상기 액체 냉매는 팽창장치(256)를 통과하여 냉매를 증발시키는 제1보조냉각기로 흐르게 된다. 제1보조냉각기 회로(210)에서 증발된 냉매는 제1보조냉각기(222)에서 메인회로(100)의 냉매와 열교환하게 된다. 이때의 열교환으로 인하여 메인회로(100)의 냉매는 제1보조냉각기 회로(210)의 냉매가 흡입라인(258)을 통해 압축기(250)로 리턴되기 전의 낮은 온도까지 냉각된다.
상기 제2보조냉각기 회로(215)의 동작도 제1보조냉각기 회로의 동작과 유사하다. 압축기(270)가 배출라인(262)를 통해 응축기 코일(272)와 연결된다. 응축기 코일(272)로부터의 액체 냉매는 액체라인(269)를 통해 팽창장치(274)로 흐른 다음, 제2보조냉각기(224)로 흐른다. 다단 보조냉각기의 사용은 팽창장치(274)와 같이 단일 팽창장치의 사용을 가능하게 된다. 그러나, 다른 팽창장치의 사용도 가능하다. 본 발명의 일 구현예로서, 팽창장치(274)는 고정 오리피스이고, 상기 제1보조냉각기 회로(210)에서의 팽창장치(256)은 팽창밸브이다. 제1보조냉각기 회로(210)와 유사하게, 제2보조냉각기 회로(215)에서의 냉매는 증발되고 제2보조냉각기(224)에서 메인회로(100)의 냉매와 열교환된다. 상기 열교환으로 인하여, 메인회로의 냉매는 저온으로 냉각된다. 냉매 증기가 제2보조냉각기(224)로부터 흡입라인(226)을 통해 압축기(270)로 리턴된다.
도 2에 도시된 응축기(190)는 메인회로(100)의 냉매 증기를 응축시키기 위한 구성으로서, 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)의 냉매도 응축시키게 된다. 이때 팬(180)이 응축기 코일(118,120,260,272)을 통해 주위 공기(182)를 빼내고, 대기로 가열된 공기(184)를 배출한다. 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)용 응축기 코일(260,272)은 공기의 다운스트림이 메인회로(100)용 응축기 코일(118,120) 위를 지나도록 배치된다. 이러한 배열은 제1 및 제2보조냉각기용 회로(210,215)가 메인회로(100)의 응축온도를 상승시킴없이 메인 응축기 코일을 지나는 공기를 사용 할 수 있도록 한다. 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)용 응축기 코일(260,272)은 메인회로(100)의 응축기 코일(118,120)로부터 분리될 수 있고, 또는 그 일부일 수 있다. 바람직한 구현예로서, 상기 응축기 코일(260,272)은 응축기(190)의 상부에서 응축기(190)의 바닥쪽으로 냉매가 흐르도록 배열되는 바, 그 이유는 중력방향으로 흐르도록 함에 있다. 이러한 냉매 방향이 한쪽 방향으로 정해지지만, 본 구현예에서는 응축기(190)로부터 보다 용이하게 액체가 흐르는 배열로 제공할 수 있다.
상기 제1 및 제2보조냉각기(222,224)용 열교환기는 플레이트(plate) 열교환기가 바람직하다. 이 플레이트 열교환기는 비교적 적은 비용과 작은 크기로 제공될 수 있다. 비용 및 공간 절감을 위해 두 개의 플레이트 열교환기가 단일 유니트내에 연이어 조립 가능하다. 플레이트 열교환기가 바람직하지만, 다른 열교환기의 사용도 가능하며, 다른 열교환기로는 튜브-인-튜브(tube-in-tube) 및 셸-앤드-튜브(shell-and-tube) 열 교환기를 포함한다.
상기 제1 및 제2보조냉각기(222,224)는 상기 메인회로(100)에서 제1 및 제2보조냉각기(222,224)를 통과하는 시점의 냉매 액체에 작은 압력 강하를 제공할 수 있도록 배열되는 바, 이는 냉매가 제1 및 제2보조냉각기(222,224) 내측에서 증기 상태로 되는 플래싱(flashing) 현상의 위험을 제거 또는 감소시키기 위함이다. 바람직한 구현예로서, 상기 열교환기는 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)가 구동되지 않을 때, 열교환기 내측에 냉매가 증기 상태가 되는 플래싱(flashing) 현상을 방지하기 위한 압력 강하가 작게 일어나도록 배열된다.
도 3은 메인회로(100)의 배열 그리고 도 2에 도시된 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)를 동일하게 나타내고 있고, 특히 도 3의 냉동시스템은 제1바이패스 밸브(310) 및 제2바이패스 밸브(320)를 더 포함하고 있다. 제1바이패스 밸브(310)는 제1보조냉각기(222) 주위로 액체냉매의 흐름을 허용한다. 마찬가지로, 제2바이패스 밸브(320)는 제2보조냉각기(224) 주위로 액체 냉매의 흐름을 허용한다. 도 3에 도시된 본 발명의 구현예에서, 하나 또는 두 개의 보조냉각기 회로가 작동하지 않을 때, 열 교환기 주위로 액체 냉매의 자유 흐름을 가능하게 한다. 이러한 바이패스 작동은 냉매가 제1 및 제2보조냉각기(222,224)중 하나 또는 둘을 통해 통과하는 시점에 발생되는 압력 강하가 감소되는 것을 방지한다. 제1 및 제2바이패스 밸브(310,320)는 낮은 주위 온도에서 일어나는 것과 같이, 정해진 작동 조건동안 바람직하게 적용할 수 있다.
도 4는 도 2를 참조로 설명된 바와 같이, 메인회로(100) 및 제1보조냉각기 회로(210)를 포함하는 본 발명의 다른 구현예를 나타낸다. 이 구현예에서, 제1보조냉각기 회로(210)는 응축기 코일(118,120)로부터 흘러나온 냉매 액체에 대한 냉각을 제공하는데 단독으로 사용된다. 반면, 도 5에 도시된 바와 같이 제3보조 냉각기(282)를 포함하는 제3보조냉각기 회로(280)가 포함될 수 있다. 상기 제3보조냉각기 회로(280)는 실질적으로 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)의 동작과 같이 압축기(284)로부터, 응축기 코일(286)로, 팽창장치(288)로, 제3보조냉각기(282)로, 압축기(284)로 리턴되는 사이클 흐름을 갖는다. 상기 제3보조냉각기 회로(280)는 보조냉각기 회로의 증발 온도 및 메인회로(100)의 냉매 액체 온도를 동일하게 개선하게 된다. 제3보조냉각기 회로는 보조냉각기 회로에서 보다 높은 증발 온도가 이루어질 수 있도록 보다 큰 서브냉각(subcooling)부를 수용하여, 시스템의 효율 및 용량을 개선할 수 있다. 이러한 서브냉각 회로는 상기 보조냉각기 회로에서의 증발온도와 상기 메인회로(100)에서의 액체 냉매 온도간의 보다 나은 조합을 제공한다.
도 2는 두 개의 보조냉각기 회로를 도시하고 있지만, 도 4는 하나의 보조냉각기 회로를 도시하고, 도 5는 3개의 보조냉각기 회로를 도시하고 있는 바, 그 이상의 복수의 보조 냉각기 회로도 사용 가능하다. 두 개 또는 그 이상을 갖는 복수의 보조냉각기 회로는 상기 메인회로(100)에서의 액체 온도와, 보조 냉각기의 증발 온도간의 보다 나은 조합성을 제공하여, 사이클 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 구현예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 메인회로(100), 제1보조냉각기 회로(210) 및 제2보조냉각기 회로(215)를 포함한다. 특히, 도 6의 시스템은 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)용 단일 코일로부터 공기의 상류측 흐름 부분에 메인회로(100)용 3-열 코일을 갖는 응축기(190)를 포함한다. 이러한 배열은 공기가 보조냉각기 코일(260,272)을 통해 이동하기 전에 메인회로 코일(118,120)을 통해 흐르도록 한다. 이러한 또 다른 구현예는 단순하면서도 저렴한 제조비 효과를 제공하고, 메인회로(100)를 위한 기존의 응축기를 재구성할 필요가 없는 장점이 있다. 또한 메인회로(100)에 대한 최소 파이프 변경만이 필요하여, 현재의 시스템에 비교적 저렴한 비용으로 적용 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 구현예로서, 플래시 탱크 및 보조냉각기가 조합 사용된 것을 나타내고 있다. 이 구현예에서, 플래시 탱크(710)는 메인회로(100)에 배치되되, 응축기(190)로부터 팽창장치(720)를 지나 그 하부쪽에 위치된다. 상기 플래시 탱크(710)는 탱크의 바닥면에 남아 있는 냉매 액체(711)로부터 냉매증기(713)를 분리하는 작용을 한다. 상기 제1보조냉각기 회로(210)에서의 냉매는 팽창장치(256)를 통과한 후 증발된다. 상기 제1보조냉각기 회로(210)에서의 증발 냉매와 상기 플래시 탱크에서의 메인회로(100)의 냉매 증기간의 열전달로 인하여, 냉매 액체(711)가 되어 탱크의 바닥면에 낙하하는 액체 냉매(712)로 환원되도록 상기 메인회로(100)의 냉매증기가 응축되어진다. 이어서, 상기 액체 냉매(711)는 팽창장치(126) 및 증발기(140)로 냉매액체라인(236)을 통해 이송된다. 이러한 구현예는 열전달 효과를 개선하는 장점을 가지지만, 온도 차이의 감소 및 시스템의 복잡성을 초래할 수 있다.
도 8은 본 발명이 에어 컨디셔닝 기구에 메인회로(100)의 증발기(140)가 사용된 예를 나타낸다. 이러한 예에서, 물, 에틸렌 글리콜 또는 브린과 같은 냉각 액체가 냉각된 유체 스트림(144)을 따라 증발기(140)로부터 배출된다. 이어서, 상기 냉각 액체는 빌딩(820)내의 열교환장치(810)로 이송된다. 이 열교환장치(810)는 냉각을 제공하기 위하여 내부공간에 배열된 하나 이상의 열교환기를 포함한다. 상기 냉각 액체는 빌딩(820)내의 히팅 부하와 열교환된 후, 웜(wram) 유체 스트림(142)을 통하여 증발기(140)로 리턴된다. 상기 웜 액체는 이후 증발기에서 냉각되며, 이러한 사이클은 반복된다. 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)의 사용으로 인하여, 증발기가 보다 많은 유체를 냉각하는 것이 가능해지고, 이에 빌 딩(820)으로부터 제거될 열의 양이 증가하게 된다.
실시예
하기의 표 1은 본 발명의 구현예에 따른 에어-냉각형 냉동기를 위한 조건을 나타낸다. 이러한 구현예에서, 시스템은 두 개의 단계를 이용하여 약 105℉(41℃)에서 약 60℉(16℃)까지 메인회로(100)에서의 냉매 액체를 냉각시킨다. 상기 두 개의 단계는 각각 제1 및 제2보조냉각기(222,224)에서 발생되는 냉각 작동에 따른다. 상기 제2보조냉각기 회로(215)에서의 냉매는 제2보조냉각기(224)에서 증발된다. 이때 제2보조냉각기(224)에서의 증발 냉매는 메인회로(100)와 열교환된다. 이러한 열교환으로 인하여, 상기 제2보조냉각기(224)를 출발하는 액체 냉매의 온도는 약 78.5℉(26℃)가 된다. 또한, 제1보조냉각기(222)에서의 증발 냉매는 메인회로(100)와 열교환된다. 이러한 열교환으로 인하여, 상기 제1보조냉각기(222)를 출발하는 액체 냉매의 온도는 약 60℉(16℃)가 된다. 이어서, 약 60℉의 온도를 갖는 냉매는 인렛 유체(142)를 냉각시키기 위하여 팽창장치(126) 및 증발기(140)로 이송되어진다. 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)는 상기 메인회로(100)용 응축기의 공기의 다운스트림쪽에 배치된다. 상기 응축기 코일(260,272)의 위치 선정은 메인회로(100)용 응축 온도를 변경되면 거의 변경되지 않는다. 이러한 구현예에서, 상기 압축기 변위는 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215) 모두 동일하다.
Figure 112007065728807-PCT00001
하기의 표 2는 본 발명에 따른 시스템과 기존의 시스템에 대한 성능 비교를 나타낸다. 성능 데이터는 상업적으로 유용한 스크롤 압축기 및 열교환기의 성능 측정을 위한 압축기 성능 곡선을 비교한 컴퓨터 모델을 기반으로 한 결과의 데이터이다. 기존의 냉동 시스템과 같이 메인회로(100)가 실질적으로 동일한 증발 및 응축 온도에서 작동하는 것을 가능하게 하고, 또한 주위 온도 95℉에서 5% 이상의 효율 개선 및 약 25% 더 많은 냉각 용량을 제공하게 된다. 또한 본 시스템은 주위 온도 115℉에서 15% 이상의 효율 개선과 함께 35% 더 많은 냉각 용량을 제공하게 된다. 만일 대형 증발기(140)가 본래의 증발 온도를 유지시키기 위하여 메인회로(100)용으로 선택되면, 본 시스템은 보다 큰 성능 향상의 장점을 제공할 수 있다. 동일한 증발 온도를 유지하기 위하여, 상기 증발기의 열교환 표면적 냉각용량의 증가와 비례하여 증가된다. 대용량의 증발기 이외에 대용량의 압축기가 메인회로(100)용으로 선택되면, 본래의 시스템 효율을 유지하는 동시에 냉각기의 물리적 크기 증가없이 약 40%의 냉각용량 증대를 도모할 수 있다.
에어-냉각형 냉각기의 경우, 열교환기의 크기가 변하지 않는다면 압축기 용량의 2%증가는 냉각기 효율을의 약 1%감소를 초래한다. 이러한 접근은 보조냉각기에 의한 7% 효율 향상은 대형 압축기의 사용을 통해 14%의 냉각효율이 증대되는 것을 허용한다. 40%의 용량 또는 그 이상의 용량 증가치(1.14x1.27=1.45)는 응축기의 전체 에어 흐름율 증가없이 대형 압축기 및 증발기를 갖는 보조냉각기의 사용 조합으로 가능하다. 이에 상기 응축기 크기는 전체 유니트 크기를 결정하게 되므로, 용량 증가는 유니트의 물리적 크기에 영향을 받지 않고 동시에 냉각기 효율을 유지시키게 된다. 주어진 물리적 크기 및 팬 용량을 위한 시스템 용량 증대는 냉각용량의 단위당 전체 시스템 비용($/ton)을 감소시키게 된다.
Figure 112007065728807-PCT00002
비교예1로서, 도 1에 도시된 냉동시스템은 제1압축기(110), 제2압축기(112), 팽창장치(126), 증발기(140), 및 응축기(190)를 갖는 메인회로(100)를 포함한다. 상기 응축기(190)는 3-열 코일을 포함한다. 비교예1을 위한 작동 조건은 증발온도 약 39.7℉(4.2℃), 응축온도 약 120.3℉(49.1℃)로 적용하였다.
비교예2로서, 도 1에 도시된 냉동시스템에서, 응축기(190)는 비교예1에서의 응축기(190)보다 추가의 코일을 더 포함한다. 비교예2를 위한 작동 조건은 약 39.7℉(4.2℃)의 증발 온도로 적용되었다. 그러나, 응축온도는 약 118.7℉(48.2℃)로 감소 적용하였다. 추가된 4번째 열의 코일은 비교예1보다 단지 1%의 용량 증가를 제공할 수 있다. 마찬가지로 비교예1보다 효율은 단지 2.6% 향상된다.
비교예3으로서, 도 1에 도시된 냉동시스템에서, 이코노마이져가 응축기(190)의 출구와 증발기의 입구 사이에 적용되었다. 상기 이코노마이져는 증발기(140) 및 응축기(190) 사이의 압력하에서 인터쿨러로부터 압축기까지 냉매 플래시 가스를 유도한다. 중간 압력의 냉매가스의 유도는 보다 효율적으로 압축기가 작동하는 것을 가능하게 한다. 그러나 상기 이코노마이져는 비교예1에 비하여 단지 11.7%의 용량 증가를 제공한다. 마찬가지로 비교예1에 비하여 효율은 5.5% 증가된다. 이러한 성능은 이코노마이져있는 그리고 없는 공지된 스크류 냉동기를 위한 계산 비율을 근거로 한다.
실시예1은 본 발명의 구현예로서, 도 2에 도시된 바와 같다. 상기 제1 및 제2보조냉각기(222,224)는 상기 응축기(190)를 출발하는 메인회로(100)에서의 냉매에 보조냉각을 제공한다. 실시예1의 작동조건은 비교예1의 증발온도보다 낮은 약 38.7℉(3.7℃)의 증발 온도를 갖는다. 그러나, 응축온도는 약 120.3℉(49.0℃)이다. 메인회로(100)에서 응축기(190)를 출발하는 액체 냉매에 대한 보조냉각은 냉각용량 25.5%, 효율 5.5%의 향상을 가능하게 한다. 상기 냉각용량 및 효율의 증가는 동일한 냉각부하의 경우 보다 작은 증발기의 제조 및 보다 작은 응축기 유니트의 제조를 가능하게 한다.
실시예2는 본 발명의 구현예로서, 도 2에 도시된 바와 같이 실시예1와 달리 대형 증발기를 사용하였다. 상기 메인회로를 위한 증발기의 표면적은 냉각용량의 증가와 비례하여 크게 증가되며, 이는 동일한 증발 온도를 유지시키기 위함에 있다. 증발기의 표면적 증가 크기는 상기 메인회로(100)에서의 냉매를 보조냉각하여 달성되는 용량 증가와 일치한다. 실시예1을 위한 작동 조건은 증발온도 약 39.7℉(4.3℃)를 가진다. 반면에, 응축온도 약 120.7℉(49.3℃)로 적용하였다. 이에 대형 쿨러를 갖는 보조냉각기는 냉각효율 26.8% 증가, 효율 6.8% 증가를 가능하게 한다.
상기 표 2에 측정된 용량 및 효율은 표준 조건(잔여 물 온도 44℉, 주위 온도 95℉)에서 작동하는 물 냉각기를 기반으로 한다.
다른 구현예로서, 브린(brine)이 본 냉동기에 사용될 수 있다. 브린의 사용은 낮은 액체 온도를 유발시키고, 보조냉각기 시스템의 효율 및 용량 증가에 대한 잇점을 제공할 수 있다. 추가로, 보다 높은 주위 온도는 본 냉동 시스템의 보조냉각기로 부터 보다 높은 용량 및 효율을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 높은 주위 온도에서 향상된 효율 및 용량을 허용한다. 추가로 본 시스템은 낮은 임계 온도를 갖는 R-410A, R32, R125, 카본 다이옥사이드와 같은 냉매의 사용도 가능하다.
이러한 바람직한 냉매에 있어서, 카본 다이옥사이드는 응축기에서의 냉매 압력을 임계압력을 초과할 수 있다. 이 경우, 응축기는 상 변화없이 냉매로부터 열적 에너지를 제거할 수 있다. 응축기를 출발하는 유체는 2-상 혼합물을 초래하도록 저압까지 밸브를 통하여 팽창되도록 하는 액체인 카본 다이옥사이드와 유사한 특성을 갖는다. 마찬가지로, 응축기로 들어온 냉매는 2-상 혼합물로 플래시되지 않는 증기처럼 작용한다. 이러한 견지에서, 상기 응축기는 본질적으로 다른 낮은 압력의 냉매를 이용한 응축기와 같이 동일한 기능을 수행하며, 용어중 "액체"와 "증기"는 임계 이상의 압력에서 카본 다이옥사이드로 적용할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 보조냉각기를 이용한 냉동 시스템은 비교적 단순한 제어로 냉매 액체 온도를 양호하게 조절할 수 있는 장점을 갖는다. 예를들어, 낮은 주위 공기 온도는 응축기(190)를 출발하는 메인회로(100)에서의 낮은 냉매 액체 온도를 유발한다. 마찬가지로, 상기 제1보조냉각기(222)를 출발하여 증발기(140)까지 흐르는 메인회로(100)에서의 액체 온도도 보다 낮아진다. 상기 메인회로(100)에서의 냉매의 온도가 증발온도에 도달하면, 제1 및 제2보조냉각기(222,224)에서 발생하는 냉각량은 전체 시스템 효율에 대한 최적치 이상이 된다. 본 발명의 일 구현예에서, 컨트롤러는 제1보조냉각기(222)를 빠져나가는 메인회로(100)에서의 낮은 냉매 온도 또는 낮은 주위 온도를 감지하고, 시스템이 최적 효율에서 작동하도록 하는 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)중 하나 또는 모두를 비활성화시킨다.
시스템내의 효율을 유지시키는 것 이외에, 턴 오프된 보조냉각기는 용량 제어의 추가적인 단계를 제공하며, 이 단계는 냉동기에서의 유체 온도 제어 및 메인회로(100)에서의 감소된 압축기 사이클링 제어를 보다 바람직하게 적용된다. 예를들어, 상기 컨트롤러는 감소된 부하 조건이 감지되면, 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)중 하나 또는 모두를 비활성화시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2보조냉각기 회로에 존재하는 압축기(250,270)는 원하는 냉매 온도까지 상기 메인회로(100)에 존재하는 액체 냉매의 온도를 감소시키기 위하여 제1 및 제2보조냉각기(222,224)에 충분한 냉각용량을 제공할 수 있도록 배열된다. 상기 압축기(250,270)는 압축기 모터의 과부하없이 고-포화된 흡입온도를 조종할 수 있도록 배열된다. 본 발명의 일구현예에서, 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)의 압축기(250,270)는 각각 고압 냉매를 압축시킬 수 있도록 배열된다. 반면에, 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)는 보다 낮은 압력의 냉매로 충전된다. 예를들어, 압축기(250,270)는 R-22 또는 R-407C 냉매를 압축시킬 수 있도록 배열될 수 있고, 반면에 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)는 저압 냉매인 R-134a로 충전된다. 상기 고압 냉매를 위해 배열된 압축기에서 저압 냉매를 사용하는 것은 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)가 제1 및 제2보조냉각기(222,224)에서의 고온 및 고압 조건하에서 보다 효율적으로 작동하는 것을 가능하게 한다. 상기 저압 냉매의 사용은 종래의 에어-컨디셔닝 압축기의 사용을 허용할 수 있도록 작동 온도의 증가를 보상한다. 또한, R-134a 이외에, 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)에 존재하는 냉매는 R152a, 프로판, 디메틸에더, 암모니아, 또는 기타 적절한 냉매를 포함한다. 적절한 냉매는 저압 작동이 가능하면서 환경 및 안전성을 갖는 것을 기반으로 선택한다.
R410a와 같은 고압냉매가 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)에 사용되지만, 압축기가 고압 냉매와 관련된 고작동압으로 조정되게 배열되기 때문에 저압냉매가 바람직할 수 있다. 상기 보조냉각기 회로에서 저압냉매를 사용함에 따른 장점은 보다 높은 증발 및 응축 온도가 보조냉각기 회로에서 정상적으로 발생시킬 수 있는 압력을 상쇄시킬 수 있는 점에 있다. 따라서 상기 작동압력은 종래의 에어 컨디셔닝 듀티를 위하여 압축기에서 발생된 것과 유사한 압력을 갖는다. 이러한 특징은 압축기 모터 또는 베어링의 과부하, 또는 압축기의 기본적인 디자인 변경없는 압축기 셀의 과부하를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)는 동일한 크기의 압축기(250,270)를 포함한다. 이러한 구현예에서, 상기 업스트림 회로(즉, 제2보조냉각기 회로(215))는 두 회로가 보다 높은 증발온도로 구동되는 경우 대용량을 가지게 된다. 동일한 크기의 압축기는 동일한 시스템 성능을 갖는 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)중 어느 하나와 함께 작동 가능하다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 시스템은 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)에서 동일하지 않은 크기의 압축기 사용이 가능하다. 업스트림 보조냉각기 회로(즉, 제2보조냉각기 회로(215))는 보다 작은 압축기 변위를 갖는다. 이러한 구현예는 실질적으로 동일한 두 개의 보조냉각기를 통해 액체 온도 변화를 가능하게 한다. 실질적으로 동일한 액체 냉매 온도 변화 이외에, 동일하지 않은 압축기 크기는 용량 제어 단계를 더 만들어주는 장점을 갖는다.
최적의 시스템 효율을 위한 이상적인 열역학적 해석으로부터, 각 보조냉각기를 출발하는 액체의 최적 온도 변화는 다음과 같은 식으로 구해진다.
ΔTopt=(Tliq-ETP)/(Nsub+1)
여기서, ΔTopt는 보조냉각기당 최적 온도차와 동일하고, Tliq는 메인 응축기를 출발하는 냉매 액체 온도와 동일하며, ETP는 메인회로에서의 증발온도와 동일하고, Nsub는 직렬 연결된 보조냉각기의 수와 동일하다.
예를들어, 100℉(37.8℃)의 액체온도(Tliq) 및 40℉(4.4℃)의 증발온도(ETP) 경우, 전체 온도 변화는 60℉(15.6℃)이다. 두 개의 보조냉각기의 경우 메인회로에서의 액체를 위한 최적 온도 변화는 보조냉각기당 약 20℉(-6.7℃)가 된다. 이러한 계산은 적당한 압축기 크기 결정을 제공하는 각 보조냉각기를 위한 온도차를 얻을 수 있게 한다. 최적의 압축기 크기 결정은 유용한 압축기인지 주의깊은 고려와, 시스템 용량 목표치, 시스템 비용, 및 기타 요소를 고려해야 한다.
또 다른 구현예로서, 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)중 하나 또는 모두가 다단 압축기 또는 가변 용량 압축기를 포함할 수 있다. 상기 다단 압축기 및/또는 가변 용량 압축기의 사용은 추가적인 용량 제어를 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)를 위한 응축기 배열 구성은 메인회로(100)의 응축기 코일(118,120)의 다운스트림에 위치되는 응축기 코일(260,272)를 포함한다. 이러한 배열은 메인회로(100)의 응축온도에 영향을 미침없이, 응축기 코일(118,120)을 출발하는 가열된 공기(184)에 열이 차단되도록 상기 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)를 고려한 것이다. 즉, 냉매 온도와 공기온도간의 차이를 최소화시켜, 전체 시스템 효율을 향상시키도록 한 것이다. 상기 제1 및 제2응축기 코일(260,272)은 응축기 코일(118,120)로부터 공기의 다운스트림쪽에 인접 배열된다. 또한, 상기 보조냉각기 회로의 응축기 코일(260,272)은 도 2에 도시된 바와 같이, 응축기(190)를 통하는 공기의 흐름과 직각교차하는 방향으로 배열된다. 상기 응축기 코일(118,120)에 대한 상기 제1 및 제2응축기 코일(260,272)의 배열은 주어진 응축온도를 위하여 냉동시스템용 단위 공기흐름당 증대된 냉각 용량을 제공한다. 단위 공기흐름당 증가된 냉각 용량은 증발기(140)에서의 냉각이 보다 작은 크기 또는 보다 작은 수의 팬에 의하여 이루짐을 가능하게 하고, 시스템 비용을 절감시킨다.
본 발명의 다른 구현예로서, 상기 응축기(190)는 4열의 응축기 코일을 포함한다. 이러한 구현예에서, 다운 스트림 열(즉, 4개의 열)은 메인 응축기 코일(118,120)에서의 3열은 변화없이 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)용으로 제공된 것이다. 이러한 구현예는 제1 및 제2보조냉각기 회로(210,215)용 응축기 헤더(header)가 파이핑(piping)을 단순화시키기 위하여 응축기 코일(260,272)의 반대쪽 끝단에 위치되는 것을 가능하게 한다. 상기 응축기 코일(260,272)을 경유하는 냉매의 흐름은 파이핑을 통하여 일방향이 되고, 파이핑 및 효율을 고려하여 선택될 수 있다.
상기 응축기 코일(260,272)이 도 7에 도시된 바와 같이, 메인회로 응축기 코일(118,120)로부터 공기의 다운 스트림쪽에 배열되지만, 본 발명의 이러한 바람직한 배열에 국한되지 않는다. 또한 상기 보조냉각기 응축기 회로(260,272)는 메인회로 응축기 코일(118,120)로부터 공기의 업스트림쪽에 위치될 수 있다. 메인회로(100)의 공기흐름에서 업스트립쪽에 응축기 코일(260,272)가 위치됨은 응축기 코일(118,120)이 보조냉각기가 보다 차가운 주위 공기를 수용함을 가능하게 하고, 이때 보다 차가운 주위 공기는 상기 보조냉각기 회로의 응축기 코일(260,272)가 보다 효율적으로 냉매를 응축시킴을 가능하게 한다. 또한, 도 7에는 에어-냉각형 응축기가 도시되었지만, 물과 같은 다른 유체가 본 발명의 응축기에 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 구현예를 나타내는 바, 가열 및 냉각 모드에 모두 열 펌프를 사용할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다. 보조냉각기(340)는 열 펌프의 내부쪽에 위치된다. 상기 보조냉각기를 제외하고, 열펌프는 종래의 디자인이다. 그 외 구성으로 외부코일(312), 내부코일(322), 냉매 회로로 서로 연결된 어큐뮬레이터(326) 및 압축기를 포함한다. 4방향 밸브(324)의 위치는 시스템이 가열 또는 냉각모드인지를 결정한다.
냉각 모드에서, 냉매 증기는 압축기의 배출부로부터 외부코일(312)로 흐르며, 이 외부코일에서 액체로 응축된다(도 9의 305로 지시됨). 이에 액체 냉매는 제1팽창장치(314) 주위의 제1체크밸브(316)를 통해 흐르고, 액체라인(342)를 통하여 제2팽창장치(318)로 흐르며, 이후 증기를 형성하는 냉매의 상변화가 일어나는 내부코일(322)로 흐름다. 이에, 증기는 4방향 밸브(324) 및 어큐뮬레이터(326)를 통해 압축기(310)로 복귀된다. 이때 외부팬(332) 및 내부팬(308)이 외부코일(312) 및 내부코일(322)에 걸쳐 공기를 순환시킨다.
가열 모드에서, 상기 압축기(310)로부터의 배출가스가 내부코일(332)까지 4방향 밸브(324)를 통해 흐르도록 상기 4방향 밸브는 역전되며, 내부코일에서 액체가 되도록 응축된다(도 9에 307로 지시됨). 제2체크 밸브(320)는 액체가 제2팽창장치(318)를 바이패스하는 것을 허용하고, 이 액체는 액체라인(342)을 통하여 외부코일(312)에 인접 배치된 제1팽창장치(314)까지 흐르게 된다. 이후, 2상의 냉매는 제1팽창장치(314)로부터 외부코일(312)을 통하여 흐르게 되어 증기로 증발된다. 이때의 증기는 이후 4방향 밸브(324)를 경유하여 어큐뮬레이터(326)까지 흐른 다음 압축기(310)로 복귀된다.
상기 보조냉각기는 냉매를 팽창장치(304)를 경유하여 응축기(306)로부터 증발기(302)로, 다시 압축기(300)로 복귀되도록 펌핑하는 압축기(300)를 포함하는 독립적인 냉매회로이다. 상기 응축기(306)는 덕트(330)내의 내부코일(322)의 다운스트림에 위치된다. 상기 응축기(306)가 내부코일(322)의 다운스트림에 위치되지만, 상기 응축기(306)는 코일로부터 업스트림에 위치될 수 있다. 상기 증발기(302)는 메인회로에서의 액체 냉매를 냉각시키는 바, 액체 라인(342)상에 위치된다.
가열모드에서, 상기 보조냉각기는 보조냉각기(340)를 사용하지 않는 내부 및 외부보다 높은 효율과 추가적인 가열을 제공한다. 이때의 효율 증가는 내부코일(322)로부터의 액체 냉매를 냉각시키고, 동시에 가열된 공기가 내부코일(322)에서 빠져나가기 때문이다.
냉각모드에서, 상기 보조냉각기(340)는 향상된 제습효과를 제공한다. 상기 보조냉각기(340)의 작동은 습기 제거를 향상시키는 동시에 코일 온도를 감소시킬 수 있도록 내부코일(322)로 들어가는 액체의 온도를 감소시킨다. 액체가 내부코일(322)을 지나감에 따른 결과로서, 재가열을 공급할 수 있도록 열이 공기에 부가된다. 이에 공급 에어의 상대적인 습도에서 습기 제거 및 감소가 이루어지는 실질적인 개선을 제공하는 효과를 준다. 습도조절기 또는 이와 유사한 제어기는 보조냉각기(340)의 작동을 제어하여, 높은 습도 조건에서 작동되도록 하고, 에너지 사용의 최소화를 위하여 낮은 잠재적인 부하 주기 동안 작동되지 않도록 한다.
도 10은 본 발명의 일 구현예로서, 보조냉각기(340)에 사용된 증발기에서 카운터흐름을 보장하기 위한 체크밸브에 대한 배열을 포함하는 구현예를 나타낸다. 이러한 배열은 증발기(302)의 성능 향상을 제공하고 동시에 보조냉각기에서 압축기(300)에 충분한 수퍼히팅을 유지하게 한다. 또한, 이러한 배열은 가열 또는 냉각 모드에 상관없이 증발기(302)를 경유하여 냉매가 항상 동일한 방향으로 흐르는 것을 보장한다.
도 11은 물 냉각형 냉동기로 사용 가능한 구현예를 나타낸다.
압축기(400), 응축기(402), 팽창장치(406) 및 증발기(408)가 메인냉동회로를 구성하면서, 폐냉매루프로 연결된다. 액체(410)가 증발기(408)로 들어가 냉각된 액체(412)가 되어 배출된다. 보조냉각기용 압축기(432), 보조냉각기용 응축기(430), 보조냉각기용 팽창장치(434), 및 보조냉각기용 증발기(404)가 분리형 냉매회로로 형성된다. 상기 메인 냉동회로에서 상기 보조냉각기용 증발기(404)는 응축기(402) 및 팽창장치(406) 사이에 위치된다. 응축기의 물은 펌프(422) 또는 기타 적절한 유체이동수단에 의하여 냉각타워(420)로부터 응축기(402)로 흐른다. 응축기 물의 일부는 상기 보조냉각기용 응축기(430)로 흐른다. 상기 보조냉각기용 응축기(430)는 놋쇠로 만든 열교환기용 판이 바람직하다. 그러나 상기 보조냉각기용 응축기(430)는 응축기로서 작용할 수 있는 기타 다른 열교환기 사용도 가능하다. 이러한 배열은 추가적인 보조냉각을 제공하여 냉동기의 용량 및 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 구현예에서 보나 낮은 응축 압력은 메인회로에서와 보조냉각기 회로에서의 동일한 냉매 사용을 가능하게 하며, 이는 단순화된 냉매 충전과 같은 부가적인 장점이 된다.
다른 물 냉각형 응축기의 배열도 사용 가능하다. 예를들어, 상기 보조냉각기용 응축기(430)는 단일화된 응축기 셀로 집적될 수 있다. 셀-튜브 응축기로 간단화시킨 인 튜브(in-tube)의 경우, 상기 보조냉각기용 응축기(430)는 메인 응축기(402)로부터 분리될 수 있다. 이러한 분리는 응축기의 헤드에 배플을 사용하여 달성될 수 있다. 셀-사이드(shell-side) 단순화의 경우, 공지된 두 개의 회로로 된 응축기와 같이 보조냉각기용 분리형 응축기와 분리형 튜브 시트를 갖는 셀로 만들어준다.
본 발명의 많은 다른 변경이 가능하다. 예를 들어, 본 구현예는 단일 메인냉동회로를 나타냈지만, 다단 회로도 가능하고, 대형 냉동기에도 적용 가능하다. 이러한 메인회로는 종래기술과 같이 그 배열에서 통상의 냉각기를 공유한다. 또한 상기한 냉동 시스템 물 또는 브린과 같은 냉각 유체를 사용하고, 메인회로에서의 증발기는 공기 또는 다른 유체를 냉각시킬 수 있다. 보조냉각기를 포함하는 동일한 배열은 루프탑(rooftop) 에어 컨디셔너에 적용할 수 있고, 내부 공기의 직접 냉각을 제공하도록 메인 증발기에서의 냉매를 갖는 주거용 에어 컨디셔너에도 적용할 수 있다. 또한, 본 시스템은 상기 응축기는 내부 공기 또는 고온의 물을 가열하게 되고, 상기 증발기는 외부 공기, 그라운드 루프, 또는 기타 열원으로부터 열적 에너지를 끌어당기게 되는 경우와 같은 가열 시스템에 적용 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 따라 특별한 상황이나 재료에 적합하도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위한 최선의 모드로서 기재한 특정 실시 예로서 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 변형 가능한 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

Claims (29)

  1. 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함하는 메인회로;
    보조냉각기용 증발기, 보조냉각기용 팽창장치, 보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기용 압축기를 포함하는 보조냉각기 회로;
    로 구성하되,
    상기 보조냉각기용 증발기는 냉동기의 증발기쪽으로 들어가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 상기 보조냉각기 회로의 냉매가 서로 열교환될 수 있게 배치되고,
    상기 보조냉각기 회로의 작동으로, 미리 설정된 설계효율을 갖는 HVAC 시스템을 위한 메인회로용 응축기와 보조냉각기용 응축기의 단위 질량흐름 당 냉각용량을 증대시킬 수 있도록 한 것을 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 메인회로용 팽창장치 또는 보조냉각기용 팽창장치중 하나 또는 모두는 2-상(two-phase) 냉매를 배출하는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 보조냉각기용 응축기 및 메인회로용 응축기를 통하여 냉각유체를 이동시키는 유체 이동 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 메인회로용 응축기에서의 냉각유체중 일부는 상기 보조냉각기용 응축기를 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 시스템은 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는 주위 공기온도 또는 냉매 온도중 하나와 반응하여, 하나 이상의 응축기 팬을 활성 또는 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는 주위 공기온도, 메인회로에서의 압축기 작동 여부, 냉매 온도로 구성된 그룹으로부터 선택된 파라미터들에 반응하여, 상기 보조냉각기용 회로를 활성 또는 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나 이상의 추가 보조냉각기용 회로를 더 포함하고, 이 추가 보조냉각기용 회로는 추가 보조냉각기용 증발기, 추가 보조냉각기용 팽창장치, 추가 보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 추가 보조냉각기용 압축기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 보조냉각기용 증발기는 플래시 탱크인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 보조냉각기용 압축기는 고압 냉매를 압축시키기 위하여 배열되고, 상기 보조냉각기용 회로는 저압 작동 압력을 갖는 냉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 고압 냉매는 카본 다이옥사이드(carbon dioxide), R32, R125, R-22, 및 R-407C로 구성된 그룹으로부터 선택된 냉매인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 저압 작동 압력을 갖는 냉매는 R-134a, 프로판(propane), 디메틸 에더(dimethyl ether), 및 암모니아(ammonia)로 구성된 그룹으로부터 선택된 냉매인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  13. 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함하는 메인회로;
    제1보조냉각기용 증발기, 제1보조냉각기용 팽창장치, 제1보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 제1보조냉각기용 압축기를 포함하는 제1보조냉각기 회로;
    제2보조냉각기용 증발기, 제2보조냉각기용 팽창장치, 제2보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 제2보조냉각기용 압축기를 포함하는 제2보조냉각기 회로;
    로 구성하되,
    상기 제1 및 제2보조냉각기용 증발기 각각은 메인회로용 증발기쪽으로 들어 가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 대응하는 보조냉각기 회로에서의 냉매가 서로 열교환할 수 있게 배치되는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 및 제2보조냉각기는 직렬 흐름 구성으로 배열되고, 이 직렬 흐름 구성은 제1보조냉각기용 증발온도를 증가시키기 위하여 상기 메인회로에서의 냉매 흐름이 제1보조냉각기용 증발기를 경유한 다음, 제2보조냉각기용 증발기로 경유하도록 구성된 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 보조냉각기용 응축기 및 메인회로용 응축기를 통하여 냉각유체를 이동시키는 유체 이동 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 메인회로용 응축기에서의 냉각유체중 일부는 상기 보조냉각기용 응축기를 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  17. 청구항 13에 있어서, 상기 제1보조냉각기용 증발기 또는 제2보조냉각기용 증발기중 하나 또는 모두는 플래시 탱크인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  18. 청구항 13에 있어서, 상기 제1보조냉각기용 팽창장치 및 제2보조냉각기용 팽창장치는 서로 다른 장치인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 제1보조냉각기용 팽창장치는 고정형 오리피스이고, 상기 제2보조냉각기용 팽창장치는 팽창밸브인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  20. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 및 제2보조냉각기용 압축기는 서로 다른 압축 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  21. 청구항 13에 있어서, 상기 제1보조냉각기 회로에서의 냉매는 상기 제2보조냉각기 회로에서의 냉매는 서로 다른 냉매인 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  22. 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함하며, 80℃ 이하의 임계온도를 갖는 냉매가 순환하는 메인회로;
    보조냉각기용 증발기, 보조냉각기용 팽창장치, 보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기용 압축기를 포함하는 보조냉각기 회로;
    로 구성하되,
    상기 보조냉각기용 증발기는 메인회로용 증발기쪽으로 들어가기 전에 상기 메인회로에서의 액체냉매를 냉각시킬 수 있도록 상기 메인회로에서의 액체냉매와 상기 보조냉각기 회로의 냉매가 서로 열교환될 수 있게 배치되고,
    상기 보조냉각기 회로의 작동으로, 미리 설정된 설계효율을 갖는 HVAC 시스템을 위한 메인회로용 응축기와 보조냉각기용 응축기를 통하여 흐르는 냉각유체의 질량흐름 당 냉각용량을 보다 크게 제공할 수 있도록 한 것을 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 메인회로에서 순환되는 냉매는 R-125와 R-32의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 메인회로에서 순환되는 냉매는 R-410A로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  25. 청구항 22에 있어서, 상기 메인회로에서 순환되는 냉매는 카본 다이옥사이드(carbon dioxide)로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  26. 청구항 22에 있어서, 상기 메인회로에서 순환되는 냉매는 20℃ 이상의 응축 온도로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조냉각기를 이용한 HVAC 시스템.
  27. 메인회로용 증발기, 메인회로용 팽창장치, 메인회로용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 메인회로용 압축기를 포함하는 메인회로 및; 보조냉각기용 증발기, 보조냉각기용 팽창장치, 보조냉각기용 응축기 및 폐냉동 루프로 연결된 보조냉각기 용 압축기를 포함하는 보조냉각기 회로 제공 단계;
    미리 설정된 설계효율을 갖는 냉동 시스템을 위한 단위 공기흐름 당 증가된 냉각 용량을 제공할 수 있도록 상기 메인회로에서의 냉매가 냉동기용 증발기로 들어가기 전에, 상기 보조냉각기용 증발기로 메인회로에서의 냉매를 보조냉각시키는 단계;
    주위 공기온도 또는 냉매 온도중 하나를 검출하는 단계;
    검출된 조건에 반응하여 상기 메인회로 및 보조냉각기용 회로중 하나의 압축기를 활성 또는 비활성화시키는 단계;
    검출된 조건에 반응하여 상기 메인회로용 응축기 및 보조냉각기용 응축기로 유체 흐름을 제공하는 하나 이상의 유체 이동 장치를 활성 또는 비활성화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVAC 시스템을 보조냉각시키기 위한 방법.
  28. 청구항 27에 있어서, 상기 메인회로용 응축기로 들어오거나 빠져나가는 공기로 상기 보조냉각기용 회로에서의 냉매 일부를 응축시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVAC 시스템을 보조냉각시키기 위한 방법.
  29. 청구항 27에 있어서, 고압 냉매를 압축시키기 위한 보조냉각기용 압축기를 배열하는 단계와, 상기 보조냉각기용 회로에서의 저압냉매를 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 HVAC 시스템을 보조냉각시키기 위한 방법.
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