KR20080096751A - 냉매의 흐름 제어 - Google Patents

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스베닝 에릭슨
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스베닝 에릭슨
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 압축기(1), 응축기(2), 팽창장치(7), 증발기(9) 및액 축적 공간(10)을 포함하는 냉각 또는 난방 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 기본적으로, 냉매 응축액내의 기포 발생을 탐지하기 위한 전자 기포 탐지장치(4)로 구성된 제어 시스템에 의해 특징지어진다. 상기 기포 탐지장치(4)는, 응축기(2)의 출구 또는 출구 라인에 근접하여 부착되며, 상기 기포 탐지장치(4)는 전기적으로 제어되는 팽창장치와 전기적으로 연결된다. 상기 기포 탐지장치(4)는 팽창장치(7)에 신호를 전달한다. 응축기 액체내의 가스 기포는 제어 시스템에 영향을 주는데, 상기 기포 탐지장치(4)에 의해 분석된 가스 기포의 양에 대한 신호가 응축기내의 존재 기포에 대해 설정된 신호치를 초과하면, 팽창장치의 전기제어로 신호가 보내져서, 냉매 통과유량을 차단하거나 또는 감소시킨다. 가스 기포 양이 없거나 미리 설정된 값보다 작은 경우에는, 상기 팽창장치(7)는, 상기 기포 탐지장치(4)로부터 팽창장치의 전기 제어유닛(7)으로 신호를 받아, 냉매의 통과유량을 증가시킨다.
압축기, 응축기, 증발기, 팽창장치, 전기 제어유닛, 전자 기포 탐지장치, 액 축적 공간, 이젝터 펌프장치, 검사경, 과냉각기

Description

냉매의 흐름 제어{FLOW CONTROL OF REFRIGERANT}
본 발명은 적어도 하나의 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기를 포함하는 냉각 또는 난방 시스템에 관한 것이다.
또한 본 발명은 냉각(cooling) 또는 난방(heating) 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
시장에서는 냉각 및 난방(가열) 조절 및 제어하기 위한 많은 상이한 시스템이 있다. 증발기 및 응축기에서의 열전달을 최적화하기 위해 많은 상이한 방법들이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 이용되고 있는 시스템들은 종종 복잡하며, 큰 체적을 가져서 쓸데없이 고가이다. 또한, 상기 시스템의 사이즈 및 복잡성 때문에 제어 속도 및 효율성이 기대한 것보다 떨어지기도 한다. 상기 언급된 단점을 다소간 지니는 이전에 공지된 기술이 하기에 간략하게 설명된다.
미국 특허 제 5333469호에는, 압축기 및 전기 제어유닛 과 연결된 기포 탐지센서(bubble detecting sensor)를 통해서 응축기 팬의 압력 제어밸브를 제어하는 시스템이 발표되어 있다. 여기서 흐름 조절 팽창밸브(flow regulating expansion valve)는 흐름 제어 밸브(flow control valve)이다.
미국 특허 제 5341649호에는, 압축기 및 전기 제어유닛 과 연결된 기포 탐지센서를 통해서 응축기 팬을 제어하는 시스템이 발표되어 있다. 여기서 흐름 조절 팽창밸브는 표준 열동식 밸브(standard thermostatic valve)이다.
이전 기술에 있어, 증폭 유닛(amplifier unit)과 연결된 기포 탐지센서에 의해서 테스트 기구를 통한 관찰(monitoring)이 가능한 다수의 시스템이 알려져 있다. 예컨대, 미국 특허 제 4138879호, 미국 특허 제 5072595호, 미국 특허 제 5974863호 및 미국 특허 제 3974681호를 참조하기 바란다.
미국 특허 공개번호 제 2004/0255613 A1에는 이젝터내에 있는 분사노즐이 압력센서에 의해 제어되는 이젝터 시스템이 압축기 뒤에 위치한 센서에 의해 제어되는 것이 제시되어 있다. 여기서 시스템 내에서의 흐름은 압력센서를 통해서 제어된다.
또한, 미국 특허 공개번호 제 2004/0211199 A1에는, 압력제어를 통한 이젝터의 제어가 제시되어 있다.
미국 특허 공개번호 제 2004/0040340 A1에는, 응축기 압력과 시스템의 증발 측 사이의 압력차이를 제어함에 의해, 이젝터내에 있는 파일럿 밸브(pilot valve)의 제어가 제시되어 있다. 이전 기술에서 상기 시스템이 지닌 문제점은, 응축기 및 증발기에서 효율적인 에너지 이용에 중요한 최적량의 냉매를 가질수 없다는 것이다.
따라서, 상기 언급된 시스템들을 단순하고 융통성 있는 방식으로 개선한 시 스템이 필요하다.
본 발명의 목적은, 응축액(condensate)대신, 응축액 내에서 발생된 가스가 팽창장치를 통한 경로에서 팽창하고 열을 흡수할 때, 불필요한 동력의 손실을 야기하는 문제를 해결하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 미응축된 가스가 팽창장치에 도달하지 않도록, 응축기 또는 열 교환기로부터의 액체 흐름을 제어하는 문제를 해결하는데 있다.
상기 목적들은, 냉매 가스 기포의 발생을 탐지하기 위한 전자 기포 탐지장치가 팽창장치 앞이면서, 응축기 뒤에 냉매 응축액 파이프상에 위치하거나 또는 응축기의 출구에 또는 출구에 근접하여 부착되고, 냉매 응축 액체내의 기포를 탐지하면 즉시 전자 기포 탐지장치로부터 신호가 팽창장치로 보내져, 냉매의 통과유량(flowthrough)을 감소시키거나 차단시키는 특징이 있는 냉각 및 난방 시스템을 통해서 달성된다. 그로 인해, 냉매 응축액이 팽창장치에 도달할 때, 가스 기포가 없거나 거의 없게 하기에 충분한 팽창장치의 개방이 이루어진다.
또한 본 발명은, 냉각 및 난방 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 팽창장치 앞이면서, 응축기 뒤에 냉매 응축액 파이프상에 위치하거나 또는 응축기의 출구에 또는 출구에 근접하여 냉매 가스 기포의 발생을 탐지하는 단계; 와 가스 기포를 탐지하면 즉시, 냉매 응축액이 팽창장치에 도달할 때 가스 기포가 없거나 거의 없게하기에 충분한 팽창장치의 개방이 이루어지도록, 냉매의 통과유량(flowthrough)을 감소시키거나 차단하기 위해, 팽창장치로 신호를 보내는 단계를 포함한다.
하기에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 설명될 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 두가지의 상이한 위치에 있어서의 제어 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 응축·증발 냉매를 지닌 냉/난방 시스템에 부착되며, 냉매 흐름을 위한 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치에 연결된 신호 케이블 및 전자 기포 탐지장치를 구비한 본 발명에 따른 제어 시스템을 도시한 것이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1. 압축기 2. 응축기
3. 시각 제어를 위한 검사경
4. 전자 기포 탐지장치
5. 액 과냉각 열 교환기
6. 시각 제어를 위한 검사경
7. 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치
8. 이젝터 펌프 장치
9. 증발기
10. 액 축적공간
도 3은 난방(heating), 냉각(cooling) 및 냉동(freezing) 시스템의 계통을 도시한 것이다. 상기 시스템은 배관, 냉매, 압축기(1,compressor), 응축기(2,condenser), 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치(7,expansion apparatus), 증발기(9,vaporiser), 액 축적 공간(10), 이젝터 펌프 장치(8), 액 과냉각기/이코노마이저(5,economiser), 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치(7)에 하나 이상의 케이블을 통해서 제어 신호를 주는 전자 기포 탐지장치(4,electronic bubble detecting device)로 구성된다. 본 설명의 실례로서, 검사경(3,6, inspection glass)은 제어 시스템의 제어작용 결과를 시각적으로 보여줄 수 있으며, 상기 전자 기포 탐지장치(4) 앞에 있는 검사경(3)은 냉매 응축액(condensate)에 있어 기포의 존재를 나타내며, 검사경(6)은 전자 기포 탐지장치(4) 및 과냉각기(5) 뒤의 냉매 응축액에 있어 가스 기포가 없는 맑은 액체를 나타낸다.
열 교환기(5,heat exchanger)는 전자 기포 탐지장치(4) 뒤에 또는 앞에 위치하여 응축액을 위한 과냉각기(supercooler)이며, 이 과냉각기는 응축액에서 나오는 열을 회수할 수 있으며, 냉각 계수(cooling factor)를 증가시킬 수 있다. 대안으로, 상기 액 축적 공간은 증발기내의 공간 또는 수집 배관(collection piping)으로 구성될 수 있다. 또한 상기 열 교환기(5)는 응축기 열 교환기내의 과냉각 회로로 대체될 수 있다.
전기 제어유닛을 지닌 팽창장치(7)가 개방될 때, 응축된 냉매는 이젝 터(8,ejector)를 통해서 매체(medium)가 팽창하는 시스템의 저압측으로 흐른다. 이젝터 펌프(8)의 흡입 연결부에는 액 축적 공간(10)으로부터 연결된 냉매 액을 위한 파이프가 있다.
고압의 냉매 응축액이 전자 제어유닛을 지닌 팽창장치(7)를 통과할 때, 압력의 감소와 관련하여 냉매액에서 어느정도의 가스화가 발생하며, 그 뒤에, 고속으로 장치(7)의 이젝터 노즐을 통과한 액체가스 혼합물(liquid gas mixture)은, 장치(8)상의 흡입 연결부를 통해서 액 축적 공간(10)으로부터의 유체와 혼합된다. 그에 따라, 상기 액체가스 혼합물 및 액 축적 공간(10)으로부터의 액체로 구성되는 상기 혼합물은 증발기(9)로 흐르게 되며, 여기서 냉각기, 냉동기 또는 선택적으로 난방 시스템에서의 냉매로 열이 빨려가게 된다. 증발기(9)내의 냉매로 추가되는 열은 대게 공기 또는 액체로부터 발생되며, 그에 의해 냉매 액체는 열을 흡수하여 증발(기화)된다. 그 후, 상기 가스/액체 혼합물은 가스로부터 액체를 주로 분리하는 액 축적 공간(10,space for liquid accumulation)으로 강제로 유입된다.
증발(기화)되지 않은 액체는 액 축적 공간(10)에서 이젝터 펌프(8)를 통해서 증발기로 다시 들어오게 된다.
액 축적 공간내의 유체(fluid)로부터 주로 분리된 기체는, 직접 또는 선택적으로 과냉각기(5)를 통해서 냉매 가스를 압축하는 압축기(1)내로 다시 들어오게 되며, 이후 압축된 가스는 냉매의 응축이 일어나는 응축기(2)내에서 냉각된다. 대안으로, 상기 기포 탐지장치(4)는 과냉각기(5) 뒤에 그러나 팽창장치(7) 보다는 앞에 위치할 수 있다.
응축기(2) 또는 열 교환기(5)를 통과하는 경로상에서 모든 가스가 응축되지 않으면, 모든 냉매의 완전한 응축이 일어나기 위한 열 방출이 충분하지 않은 상태이며, 이런 경우에는 열 교환기(5) 또는 응축기(2)뒤에 냉매 응축액내에 가스 기포가 남는다.
전자 기포 탐지장치(4)는 가스 기포의 발생을 탐지하여, 전기 제어유닛(electrical control unit)을 지닌 팽창장치(7)에 신호를 보내, 가스 기포의 양이 너무 많은 것의 통과유량(flowthrough)을 차단하거나 선택적으로 감소시키며, 그 후 맑은 액체 또는 감소된 가스 기포의 양이 탐지될 때, 장치(4)는 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치(7)가 개방되도록 신호를 보낸다.
도 1 및 도 2에서, 바람직한 실시 예에 따른 장치(4,7)가 도시된다.
가스 기포 탐지는, 예컨대, 상기 인용된 자료에서 설명된 센서의 이용과 같은, 냉매에서 가스 기포를 탐지하는 어떤 기술을 이용하여 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 효과적인 냉매 제어를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의해, 응축기(2) 또는 열 교환기(5)로부터 흐르는 냉매내의 가스 기포는 전자 기포 탐지장치(4)에 의해 탐지되며, 상기 탐지장치는 기포 탐지 신호를 분석하여, 제어 시스템의 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치(7)을 위해 필요한 제어 신호로 변환(transformation)을 일으키고, 이에 의해 원하는 통과유량이 얻어진다.
대안으로, 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치는, 개구부(opening)가 전기 가열기(electrical heater)에 의해 제어되는 열동식 팽창밸브(thermostatic expansion valve) 일 수 있으며, 또는 대안으로 전기 제어유닛이 제공된 이젝터 펌프 장치내의 노즐일 수 있다. 본 발명은, 본 발명의 목적을 변화시킴 없이, 7 과 8이 전기자(armature)를 포함하는 이젝터 펌프 기능과 결합 될 수 있다. 또한 본 발명은, 본 발명의 목적을 변화시킴 없이, 냉매 순환을 위한 전기 순환 펌프 및 이젝터 펌프장치의 또다른 부속물과 결합될 수 있다.
대안의 해결책에 따르면, 상기 시스템에는 타이머가 제공된다. 기포 탐지장치에 의해 기포가 탐지되면, 즉시 팽창장치의 개구부 사이즈가 축소 되도록 조정되며, 기포 탐지장치는 비활성화된다. 기포가 탐지된 이후 일정 시간이 경과된 후, 상기 개구부는 확대될 수 있으며, 기포 탐지기능은 재활성화 된다. 만약 가스 기포의 양이 여전히 많으면, 상기 팽창장치의 개구부는 다시 축소된다. 또한 타이머에 의해 설정되는 시간은, 기포 탐지장치에 의해 탐지된 가스 기포의 양에 좌우될 수 있다.
본 발명은 응축기의 응축력(condenser power)의 감소시키지 않고 과냉각 열 회수를 가능하게 한다.
본 발명에 의하면, 액체 흐름은 전자 팽창밸브와 같은 공지된 제어벨브 구조의 도움으로 조절될 수 있다. 냉각 시스템/열 펌프 시스템에 있어서의 액체 흐름은, 이젝터 펌프장치내에 통합된 전자 팽창밸브를 통해서 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 냉각 시스템/난방 시스템에 있어서 액체 흐름은, 전자 기포 탐지장치로부터의 제어 신호 및 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치를 통해서 제어될 수 있으며, 상기 장치는 전기 제어유닛을 지닌 팽창장치와 응축기 사이에 액체 라인에 부착되는 것이 바람직하다. 대안으로, 상기 기포 탐지장치는 응축기의 냉매 출구 전에 부착될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 액체 흐름은, 이젝터 펌프 기능 및 흐름 제어 목적의 전기 제어유닛을 지닌 팽창밸브에 대한 제어 신호를 발생하기 위한 장비가 제공된 전자 기포 탐지장치로 구성되는 제어 시스템을 통해서 제어될 수 있다.
본 발명은, 흐름 제어를 위해 흡입가스를 과열시킬 필요없이, 증발 표면에 냉매를 제공할 수 있다. 본 발명은, 작용 매체(working medium)로서 증발/응축 냉매를 지닌 냉각 및 난방 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명에 따르는 흐름 제어를 위한 시스템 제어는, 피스톤 압축기, 스크루 압축기, 스크롤 압축기, 원심 압축기, 회전 압축기 또는 다른 형태의 압축기 및, 증발/응축에 의한 열 교환을 위해 모든 형태의 냉매를 사용하는 에어-컨디셔닝, 히트 펌프, 냉동 시스템, 냉각 시스템 장치 및 처리과정과 같은 모든 형태의 냉각 시스템에 적용될 수 있다.
물론 본 발명은 첨부된 도면에 예시되고 상기 설명된 실시 예에 한정되지 않으며, 청구항에 의한 보호범위를 벗어나지 않으면서, 변경 및 수정이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 적어도 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기를 포함하는 냉각(cooling) 또는 난방(heating) 시스템에 있어서,
    냉매 가스 기포의 발생을 탐지하는 전자 기포 탐지장치(electronic bubble detecting device)를 포함하고,
    상기 기포 탐지장치는, 팽창장치의 앞이면서, 응축기 뒤의 냉매 응축 액체 파이프상에 위치하거나 또는 응축기의 출구에 또는 출구에 근접하여 부착되며,
    상기 기포 탐지장치는, 냉매 응축 액체내에서 기포를 탐지하면, 즉시 냉매의 통과유량을 감소시키거나 차단하도록 팽창장치로 신호를 발생시켜 냉매응축액이 상기 팽창장치에 도달할 때 기포가 없거나 거의 없게 하기에 충분한 상기 팽창장치의 개방이 이루어지도록 되어있는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전자 기포 탐지장치는, 냉매 응축 액체내에 기포가 없으면, 팽창장치가 개방되거나 또는 냉매의 흐름을 증가하도록, 상기 팽창장치로 신호를 발생시키도록 되어있는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 팽창장치에는 전기 제어가 제공되며,
    상기 전자 기포 탐지장치는, 기포를 탐지하고, 냉매의 통과유량을 위해 상기 팽창장치의 개방 정도를 효과적으로 조작하기 위해서 상기 팽창장치의 전기적 제어를 하려고 전기 신호를 생성하도록 되어있는 것을 특징으로 냉각 또는 난방 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 팽창장치의 전기적 제어는, 전자 기포 탐지장치로부터의 신호 수신 및 전기 공급(electricity supply)을 위한 전기 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 전자 기포 탐지장치는, 팽창장치의 전기 제어를 위한 필요한 신호 생성 및 전기 공급을 위한 전기 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  6. 제 3항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 기포 탐지장치는, 팽창장치의 전기 제어를 위한 신호의 제어에 적합한 구성을 허용하는 장비가 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  7. 제 3항 내지 제 5항중 어는 한 항에 있어서,
    전기 제어를 지닌 상기 팽창장치는, 이젝터 펌프에 연결된 흐름 제어 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  8. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템에는, 기포가 탐지되면, 팽창장치의 개구부 사이즈가 축소 되도록 조정되는 시간을 설정하는 타이머 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  9. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기포 탐지장치는, 팽창장치 앞이면서, 열 교환기 뒤에 있는 냉매 응축 액체 파이프상에 위치하거나 또는 열 교환기의 출구 또는 출구에 근접하여 부착되 는 것을 특징으로 하는 냉각 또는 난방 시스템.
  10. 응축기 및 팽창장치를 포함하는 냉각 또는 난방장치에서 냉매의 흐름을 제어하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 팽창장치 앞이면서, 응축기 뒤에 있는 냉매 응축 액체 파이프상이나 또는 응축기의 출구 또는 출구에 근접한 곳에서, 냉매 가스 기포의 발생을 탐지하는 단계; 및
    - 가스 기포를 탐지하면, 냉매 응축액이 팽창장치에 도달할 때 가스 기포가 없거나 거의 없게 하기에 충분한 상기 팽창장치의 개방이 이루어지도록, 냉매의 통과유량lowthrough)을 감소시키거나 차단하기 위해, 상기 팽창장치로 신호를 보내는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    -가스 기포가 탐지 안 되면, 팽창장치를 개방하거나 냉매 통과유량을 증가시키기 위해 상기 팽창장치로 신호를 보내는 단계;를 더 포함하는 방법.
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