KR20100015374A

KR20100015374A - 열교환기

Info

Publication number: KR20100015374A
Application number: KR1020097020756A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 코프코; 호세 데 라 그루즈
Original assignee: 존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2010-02-12
Also published as: US9410709B2; CN101652611A; US20100162739A1; WO2008124637A2; WO2008124637A3; EP2132500A2; JP2010523933A; CN101652611B

Abstract

다중채널 열교환기와 유체 연결되는 냉각제-저장관(refrigerant-storage vessel)을 구비한 응축기를 포함하는 냉각기가 개시되어 있다. 냉각기는 냉각 회로와 연결된 압축기, 증발기 및 팽창장치를 더 포함한다. 냉각제-저장관은 펌프 다운(pump down) 작동을 위한 장치 체적을 제공한다.

열교환기, 냉각제, 저장관, 응축기, 냉각기, 압축기, 증발기, 펌프 다운, 체적

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2007년 4월 5일자로 출원된 미국 가출원 제 60/910,334 호(본 출원에서는 참조로서 통합됨)에 대하여 우선권을 주장한다.

본 출원은 일반적으로 가열, 통풍 및 공기조화(HVAC) 장치들에서 사용되는 다중채널 열교환기에 관한 것이다. 본 출원은 특히 응축기의 다중채널 열교환기 코일용 냉매-저장관(refrigerant-storage vessel) 구성에 관한 것이다.

유동을 튜브들로 분배하고 튜브들로부터 유동을 수집하는 매니폴드들 사이에서 다수의 유동 경로들을 포함하는 열교환기 튜브들 배열들을 언급하기 위하여, 본 명세서에서 용어 "다중채널" 튜브들 또는 "다중채널 열교환기"를 사용하고 있음을 주목하여야 한다. 얼마간의 다른 용어들이 유사한 배열들에 대한 해당 기술분야에서 사용될 것이다. 그러한 다른 용어들은 "마이크로채널(mirco channel)(마이크로미터 이하의 크기인 유체 통로들을 구비한 것을 함축하는 것으로서 종종 사용됨)" 및 "마이크로포트(microport)"를 포함할 것이다. 해당 기술분야에서 때때로 사용되는 다른 용어들은 "평행 유동"과 "납땜 알루미늄"을 포함한다. 그러나, 모든 그러한 배열들과 구조들은 용어 "다중채널"의 영역 내에 포함되도록 의도된 것이다. 일 반적으로, 그러한 "다중채널" 튜브들은 폭을 따라서 배치되거나 또는 다소 평평한 평면형 튜브의 평면에 배치된 유동 채널들을 포함할 것이며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에서 다시 명기하지 않는한 어느 특정한 기하학으로 제한하도록 의도된 것은 아니다.

통상적인 다중채널 열교환기 또는 다중채널 열교환기 코일에 있어서, 일련의 튜브 구간들은 상기 다중채널 열교환기를 통해서 순환되는 물이나 냉매과 같은 순환유체와 기류 사이에서 열을 전달하도록 상기 열교환기를 통해서 기류를 순환시킬 수 있게 구성된 핀들(fins)에 의해서 물리적으로 열적으로 연결된다. 다중채널 열교환기의 튜브 구간들은 수평으로 혹은 수직으로 연장되도록 지향되며, 각각의 튜브 구간은 유체를 순환시키는 몇몇 튜브들이나 채널들을 구비한다. 튜브구간의 외부는 타원형 혹은 대체로 직사각형 형상을 갖는 연속적인 표면이 될 것이다.

다중채널 코일들은 공냉식 응축기에서 사용되는 경우에 종래의 라운드-튜브 응축기(round-tube condenser)와 비교하여 상당한 비용 및 성능상의 장점을 제공할 수 있다. 그러나, 다중채널 응축기 코일들은 종래의 코일들에서 유용한 것보다는 훨씬 작은 내부 체적을 갖는다. ASHRAE 15-2004.9.11.4에서는 액체 수납기들(liquid receivers), 만일 사용되는 경우에는 펌프 다운(pump down) 작동과정 동안에 냉매 배출을 수용하도록 설계된 장치의 일부분이 펌프 다운 배출을 수용하기에 충분한 용량을 갖는 것으로 기재하고 있다.

액체는 냉각제의 온도가 9O℉ 또는 32℃인 경우에는 체적의 90% 이상을 차지하지는 않는다. 더욱 상세하게는, 펌프-다운(pump down)을 위한 냉매 변화를 유지 시키거나 이러한 요구조건을 충족시키도록 기능하기 위해서, 마이크로채널 코일들에서의 작은 내부 체적은 수납기 혹은 냉각제-저장관으로서 언급될 냉각제-저장관을 통합하는 응축기를 자주 필요로 한다. 수납기와 관련된 종래 기술의 예로서는 ASHRAE Handbooks을 참고하라.

이와같은 필요성들중 하나 또는 그 이상을 충족시키거나 혹은 다른 바람직한 특징들을 제공하는 장치 및/또는 방법이 필요하다. 다른 특징과 장점들은 본 명세서를 통해서 명백하게 밝혀질 것이다. 하기 실시 예들에 관하여 서술하는 내용들은 위에서 언급한 필요성들중 하나 또는 그 이상을 달성하는지의 여부에 관계없이 특허청구범위의 영역 내에 있다.

일 실시 예는 가열, 통풍 및 공기조화(HVAC) 장치들에서 사용되는 냉각 회로에 관한 것이다. 일 실시 예에 있어서, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기가 개시되어 있다. 냉각기는 압축기, 하나이상의 다중채널 열교환기를 포함하는 응축기 유닛, 팽창장치 및 증발기를 포함한다. HVAC 장치는 다중채널 열교환기 코일로부터 냉매를 수용하도록 구성된 냉각제-저장관을 더 포함한다.

다른 실시 예는 압축기, 하나이상의 다중채널 열교환기를 포함하는 응축기 유닛, 팽창장치, 증발기 및 에어 핸들링 유닛를 포함하는 HVAC장치에 관한 것이다. HVAC 장치는 다중채널 열교환기 코일의 복귀 헤더와 유체 연결되는 냉각제-저장관을 더 포함한다.

다른 실시 예는, 압축기, 다중채널 열교환기를 포함하는 응축기 유닛, 팽창장치 및 증발기를 포함하는 냉각회로의 작동방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다중채널 열교환기 코일과 유체 연결되는 냉각제-저장관을 제공하는 단계와, 정상 작동조건하에서 냉매 회로를 작동시키는 단계를 더 포함한다. 냉매-저장관은 정상적인 냉각회로 작동 조건 동안에 모든 냉각 증기를 실질적으로 보유하도록 구성된다.

여기에서 설명된 실시 예들의 몇몇 장점들은 개선된 액체 과냉각을 제공한다는 것이며, 이는 팽창 밸브의 신뢰성 있는 성능을 보장하며, 냉각제 충진의 추가나 절감을 통한 양호한 냉각 제어를 제공하고, 냉각 용량을 증가시키며, ASHRAE 90.1을 충족하는 개선된 효율을 제공하고, 감소된 냉각제 충진 요구조건들을 통해서 비용절감 효과를 제공할 수 있다.

다른 실시 예들은 다른 특징들에 관한 것이고, 특징들의 조합은 특허청구범위에서 일반적으로 다시 인용된다.

본 출원은 첨부도면을 참조하는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완벽하게 이해될 것이며, 여기에서 유사한 참조부호들은 유사한 요소들을 나타낸다, 첨부도면에서:

도 1은 본 발명에 따른 전형적인 HVAC 장치를 사용하는 대표적인 환경을 나타낸 도면이다.

도 2는 전형적인 냉각회로의 개략도이다.

도 3은 응축기의 전형적인 실시 예의 사시도;

도 4는 도 3의 응축기를 B방향에서 나타낸 단부도;

도 5는 도 3의 응축기를 C방향에서 나타낸 단부도;

도 6은 전형적인 투 패스(two pass) 열교환기 코일을 나타낸 도면이다.

도 7은 전형적인 열교환기의 일부 구간의 부분도.

도 8은 도 3의 응축기의 일부 구간을 코일(6)을 제거한 상태에서 D방향으로 나타낸 상부 사시도.

가능한한, 동일한 참조 부호들이 도면 전체에 걸쳐서 동일하거나 유사한 부분들을 언급하도록 사용될 것이다.

바람직한 실시 예들을 상세하게 설명하고 있는 도면을 참조하기 전에, 본 출원은 다음의 명세서에서 발표하거나 혹은 도면들에 기재한 상세한 내용이나 또는 방법론으로 한정되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 여기에서 채용된 어구(phraseology)나 용어(terminology)는 단지 설명을 목적으로 사용된 것이고 본 발명의 범위를 제한시키고자 한 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 HVAC 장치(10)를 사용하는 전형적인 환경이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, HVAC 장치(10)는 상업용 빌딩(12)에 냉각을 제공한다. 다른 실시 예들에 있어서, HVAC 장치(10)는 상업용, 경공업용, 산업용, 그리고 빌딩, 구조물 등과 같이 일정 영역에 냉각을 제공하기 위한 다른 적당한 응용분야에서 사용될 것이다. HVAC장치(10)는 공냉식 연관 냉각기(냉각기)(14) 및 하나이상의 에어 핸들링 유닛(22)을 포함한다. HVAC장치(10)는 냉각기(14) 및 하나이상의 에어 핸들링 유닛(22) 사이에서 연관된 공급 및 복귀 라인들(24)을 더 포함한다. 냉각기(14)는 냉각된 유체, 예를들어 물을 하나이상의 에어 핸들링 유닛(22)으로 제공하는데, 이것은 빌딩(12)에 냉각을 제공하기 위해서 해당 기술분야에 알려진 종래의 열교환 방법에 의해 다른 유체, 대부분은 빌딩 에어에 냉각을 제공하게 된다.

다른 실시 예들에 있어서, 냉각된 유체는 에어 핸들링 유닛(22)에 열교환을 제공할 소정 유체, 예를 들어 냉각제가 될것이다.

냉각기(14)는 빌딩(12) 위에 배치되는 것으로 제한되지 않고 빌딩(12)의 외부 소정 위치에도 배치될 수 있음을 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 다른 실시 예들에 있어서, 냉각기(14)의 몇몇 부품들은 빌딩(12) 내에 위치할 것이다. HVAC 장치(10)는 도 1에는 도시되지 않고 및/또는 도시된 연결 배관 및 전기적 특징들과 같은 많은 다른 특징들을 포함한다. 이러한 특징들은 설명의 편의를 위해 도면을 단순화하도록 의도적으로 생략하였다.

도 2는 전형적인 냉각회로(200)를 나타낸 것이다. 냉각회로(200)는 압축기(202), 응축기(204), 팽창장치 (206) 및 증발기(208)를 포함한다. 냉각 회로(200)를 통한 순환은 하기에서 냉각제의 예로서 설명하는 냉각회로(200)를 통한 냉각 사이클을 완결한다.

압축기(202)는 증기 냉각제를 압축하여 압축기 배출라인(203)을 통해서 응축기(204)로 운반한다. 압축기(202)는 적당한 형식의 압축기가 될 수 있다. 예를 들면, 압축기(202)는 스크루 압축기, 왕복 압축기, 원심형 압축기, 로터리 압축기, 스윙 링크 압축기, 스크롤 압축기, 터빈 압축기, 혹은 해당 기술분야에 알려진 바 와 같은 소정의 다른 적당한 압축기가 될 것이다. 냉각제는 해당 기술분야에 잘 알려진 바와 같은 소정의 적당한 냉각제가 될 것이다. 예를 들면, 냉각제는 R-410A, R-407, 또는 R- 134a와 같은 하이드로플루오로카본(hydrofluorocarbon; HFC) 기지 냉각제가될 것이다. 또한, 냉각제는 증기-압축 냉각 사이클에서 작동 유체로서 사용하기에 적합한 이산화탄소(R-744로서 또한 알려져있음), CO2, 암모니아 (R-717로서 또한 알려져 있음), NH₃, HFO1234yf (CF3CF=CH₃) 또는 다른 유사하거나 동등한 화합물 또는 화합물들의 혼합물이 될 것이다.

압축기(202)는 압축기(20)에 일체로 통합될 모터(도시되지 않음)에 의해서 구동된다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 잘 알 수 있는 바와 같이 모터는 가변속 드라이브(VSD)(도시되지 않음)에 의해서 전력을 공급받거나 또는 AC 또는 DC 전원(도시되지 않음)으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들면, 모터는 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터, 유도 전동기, 일렉트로니컬리 커뮤테이티드 퍼머넌트 마그네트 모터(ECM) 혹은 다른 적당한 모터 형식이 될 수 있다. VSD는 사용되는 경우 AC전력원으로부터 특별한 고정 라인전압과 고정 라인주파수를 갖는 AC전력을 수용하고, 그 AC전력을 가변 전압과 주파수를 갖는 모터로 제공한다. 다른 실시 예에 있어서, 스팀 혹은 가스 터빈 혹은 엔진과 같은 다른 장치 기구들이 압축기(202)를 구동시키도록 사용될 수 있다.

응축기(204)에서, 증기 냉각제는 유체, 즉 공기와 열교환을 하게 되고, 다음에는 유체와의 열교환의 결과로서 냉각제 액체로의 상변화를 겪게된다. 응축 기(204)로부터 배출되는 냉각제는 냉각제 액체 라인(205)에 의해서 팽창장치(206)로 공급되고, 팽창장치는 냉각제가 증발기 냉각제 유입 라인(207)을 경유하여 증발기(208)로 제공되기 전에 냉각제의 압력을 감소시킨다.

증발기(208)에서, 냉각제는 다른 유체, 즉 응축기(204)에 대하여 사용된 유체와 동일한 형식 또는 동일하지 않은 형식의 다른 유체와 열교환을 하게 되고, 다음에는 유체와의 열교환의 결과로서 증기 냉각제로의 상변화를 겪게된다. 예를 들면, 증발기(208)에서, 냉각제는 물과 열교환을 하게 된다. 냉각제는 냉각 사이클을 완결하도록 압축기 흡입 라인(209)에 의해서 증발기(206)로부터 압축기(202)로 제공된다. 냉각장치 및 여기에 설명한 회로의 견지에서 알수 있는 바와 같이, 회로 외부, 예를 들면 응축기(204)에서 2차 유체와의 효율적인 열교환은 냉각회로의 전체 효율 및 위에서 언급한 냉각장치의 전체효율에 있어서 중요하다. 또한, 액상이나 기상의 냉각제가 회로를 연속적으로 점유함을 알 수 있다. 그러므로, 회로로부터 냉각제를 제거함이 없이 압축기(202), 냉각제 액체라인(205) 또는 증발기(208)로부터 냉각제가 제거되거나 펌프 다운될 수 있게 하기 위하여, 펌프 다운된(pumped down) 냉각제를 일시적으로 보유하기 위한 장치가 회로에 추가되어야만 한다. 이러한 부품들의 용이한 서비스를 허용하기 위해서, 펌프 다운은 증발기(208)로 하여금 시동시에 액체 냉각제를 거의 혹은 전혀 보유하지 않는 것(이것은 시동하는 동안에 압축기(202)에 액체 손상과 관련한 잠재적 문제점들을 감소시킴)을 보장하도록 사용될 수 있다.

압축기(202)의 작동을 제어하기 위해서 제어장치(도시되지 않음)가 제공될 것이다. 제어장치는 아날로그 디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비휘발성 메모리, 및 인터페이스 보드를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제어장치는 압축기(202)의 작동을 제어하기 위해서 제어 알고리즘을 실행할 수 있다. 또한, 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 알려진 바와 같이, 제어장치는 냉각 회로(200)에 다른 제어 작동 및 모니터링 장치들을 제공할 것이다. 제어 알고리즘은 컴퓨터 프로그램에 내장되고 마이크로프로세서에 의해서 실행되는 것이 바람직하지만, 해당 기술분야의 당업자에 의해서 디지털 및/또는 아날로그 하드웨어를 사용하여 실행될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 만일 하드웨어가 제어 알고리즘을 실행하도록 사용되면, 제어장치의 대응하는 구성은 필요 부품들을 통합하고 더이상 필요없는 부품들은 제거하도록 변할 수 있다.

압축기(202), 응축기(204), 팽창장치(205) 및 증발기(208)는 냉각기(14)(도 1 참조)의 냉각회로의 주요 부품들을 형성한다. 냉각기(14)는 하나이상의 냉각 회로들을 포함하며, 각각의 회로는 주요 부품들을 포함하여 하나이상의 부품들을 공유할 것이다. 도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 냉각기(14)의 바람직한 실시 예를 나타낸다. 냉각기(14)는 하나이상의 압축기(302), 응축기(304), 하나이상의 팽창장치(305), 하나이상의 증발기(308) 및 제어장치(312)를 포함한다. 하나이상의 압축기(302)는 도시된 바와 같이 1 내지 4로 연속해서 번호가 매겨져있다. 압축기들(1a,2a)로 지정된 2개의 압축기들(302)은 제 1 냉각회로의 일부로서 연결되고, 2개의 다른 압축기들(4a,5a)은 제 2 냉각회로의 일부로서 연결된다. 스크롤 압축기들을 구비한 장치에 있어서, 용량 제어를 제공하고 단일 압축기에서 유용한 큰 장 치 용량을 달성하기 위해서 2개이상의 압축기들이 각각의 회로에서 보통 사용된다. 하나의 냉각회로에서 부품이 실패하는 경우에도 계속적인 냉각을 허용하기 위해서 둘이상의 냉각 회로들이 공냉식 냉각기와 함께 사용된다.

다중 냉각 회로들은 단일 회로에서 3개 이상의 스크롤 압축기들에 대한 냉각기 용량을 가능하게 할 수 있다. 냉각회로에서 3개 또는 4개의 스크롤 압축기들을 사용함으로써 단일 압축기와 함께 작동되는 경우에 흡입라인에서 낮은 증기 속도가 야기될 수 있다. 낮은 증기 속도는 증발기로부터의 빈약한 오일 복귀를 유발할 수 있고, 그래서 단일회로에서 3개 또는 4개를 넘어서도록 압축기들의 갯수를 증가시키는 대신에 다중 냉각 회로들을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 증발기(306)는 제 1 및 제 2 냉각회로에 대한 별도의 열교환 영역들(지정되지 않은)을 제공하기 위해서 위치한다.

그러나, 다른 실시 예들에 있어서, 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 알 수 있는 바와 같이 하나이상의 에어 핸들링 유닛(22)(도 1 참조)에 제공된 냉각 유체와 냉각제 사이의 열교환을 제공하기 위해서 하나이상의 증발기들(306)이 필요에 따라서 사용되고 구성될 수 있다. 펌프(316)는 증발기(308)와 하나이상의 에어 핸들링 유닛(22) 사이에서 냉각 유체의 유동을 위해 제공된 냉각기(14)와 함께 제공될 것이다. 다른 실시 예들에 있어서, 펌프(316)는 냉각기(14)와는 별도로 구성될 수 있다.

응축기(304)는 하나이상의 다중채널 열교환기 코일(코일들)(314), 하나이상의 냉각제-저장관(refrigerant-storage vessel)(315), 및 하나이상의 송풍기 유 닛(317)을 포함한다. 냉각제-저장관(315)은 수납기(receiver)로서 언급될 것이다. 코일들(314)은 코일들(314) 내에서 유동하는 냉각제와 코일들(314) 위 및/또는 내부를 통과하는 유체 사이에 열교환하도록 구성된 열교환기들이다. 예를 들면, 코일들(314)은 해당 기술분야에 알려진 바와 같이 마이크로채널 열교환기 코일들 또는 다른 유사한 열교환기 코일들이될 것이다.

이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 응축기(304)는 6개의 코일들(314)을 포함하는데, 이들은 도시된 바와 같이 1 내지 6으로 연속해서 번호가 매겨져있다. 또한, 이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 코일들(1,2,3)로 지정된 3개의 코일들(314)은 제 1 냉각회로의 일부로서 연결되고, 코일들(4,5,6)로 지정된 3개의 다른 코일들(314)은 제 2 냉각회로의 일부로서 연결된다. 다른 실시 예들에 있어서, 응축기(304)는 하나이상의 냉각회로에서 구성된 하나이상의 코일들(314)을 포함하며, 이때 코일들(314)의 갯수와 구성은 냉각기(12)의 냉각수요에 의존한다.

하나이상의 송풍기 유닛(317)은 에어를 응축기(304) 내로 뽑아내어 응축기(304)로부터 방향 A로 배출한다. 이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 냉각기(14)는 6개의 송풍기 유닛(317)을 포함한다. 그러나, 다른 실시 예들에 있어서, 가변 크기와 구성의 6개이상의 송풍기 유닛들(317)이 냉각기(14)의 냉각수요에 의해서 결정되는 바에 따라서 사용될 수 있다. 응축기(304)는 송풍기 유닛(317)에 의해서 응축기(304) 내로 추출된 냉각 에어의 모두를 실질적으로 코일들(314)을 통해서 채널링(channeling)하는 것을 지원하도록 단부 패널(320)과 바닥 패널(322)을 포함한다.

투 패스 유동 설계 코일(설계 코일)(614)이 도 6에 개략적으로 나타나 있다. 헤더 공급라인(616)은 설계 코일(614)의 상부 구간(620)을 가로지르는 경간의 튜브들(도시되지 않음)의 열들에 대한 분배를 위해서 헤더(618)에 냉각제 증기를 제공한다. 감온(de-superheat) 구간으로서 언급되는 상부구간(620)은 설계코일(614)을 가로질러서 냉각제의 퍼스트 패스(first pass)를 제공하도록 구성된다. 이러한 퍼스트 패스 동안에, 증기 냉각제는 물과 같은 냉각유체와 열교환을 하여 냉각된다. 냉각제는 상부구간(620)에서 또한 응축될 것이다. 냉각제가 퍼스트 패스를 완결한 후에, 상부구간(620)으로부터 냉각제를 수집하여 그 냉각제를 설계 코일(614)의 하부구간(630)에 있는 튜브들의 열들(도시되지 않음)로 분배하도록 구성된 복귀 헤더(622)에 냉각제가 수집된다. 과냉(sub-cooling) 구간으로서 언급되는 하부구간(630)은 냉각 유체와 열교환하기 위하여 튜브들의 다른 열들(도시되지 않음)을 통한 냉각제의 세컨드 패스를 제공하도록 구성된다. 헤더(618)는 세컨드 패스를 형성하는 튜브들(도시되지 않음)의 열들로부터 냉각제를 수집하고, 냉각제를 냉각제 액체 라인(634)으로 제공한다. 헤더(618)와 복귀 헤더(622)는 내부 격벽을 갖는 단일 튜브로서 형성되는데, 이때 내부 격벽은 냉각제 증기의 유입유동을 냉각제 액체의 배출유동과 분리시킨다. 이와는 달리, 헤더(618)와 복귀 헤더(622)는 냉각제의 분배와 수집을 제공하는 물리적으로 분리된 튜브들로 형성될 것이다. 상부구간(620)과 하부구간(630)의 상대적인 비율과 냉각제의 퍼스트 패스와 복귀 패스를 형성하는 대응하는 튜브들(도시되지 않음)이 응용에 따라서 변할 것이다.

또한, 이러한 전형적인 실시 예의 설계 코일(614)은 투 패스 유동을 제공하 도록 구성되고, 단일 패스 혹은 투 패스 이상의 구성이 응축기(614)에서 사용될 것이다.

도 7은 코일(도시되지 않음)을 가로질러서 냉각제를 운반하기 위한 튜브(720)와 헤더(718)의 전형적인 구성을 보여주는 부분 단면도이다. 헤더(718)는 공급, 복귀 혹은 배출 헤더가 될 것이다. 튜브들(720)은 튜브들(720)을 통해서 냉각제를 운반하는 통로(722)를 포함하며, 여기에서 냉각제는 튜브(720) 위로 통과하는 공기나 다른 냉각 유체와 열교환을 하게된다. 다른 실시 예들에 있어서, 다른 적당한 유체 분배장치나 구조물들이 냉각제를 튜브들(720)로 분배하도록 사용될 것이다.

튜브들(720)은 직사각형, 평행사변형, 사다리꼴, 타원(ellipse), 타원체(oval) 또는 다른 유사한 기학적 형상의 단면형상을 가질 수 있다. 튜브들(720)에 있는 통로(722)는 직사각형, 정사각형, 원, 타원(ellipse), 타원체(oval), 삼각형, 사다리꼴, 평행사변형 또는 다른 유사한 기학적 형상의 단면형상을 가질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 튜브들(720)에 있는 통로(730)는 약 0.5mm 내지 약 3mm의 크기, 예를 들면 폭이나 직경을 가질 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 튜브들(720)에 있는 통로(730)는 약 1mm의 크기, 예를 들면 폭이나 직경을 가질 수 있다.

둘이상의 핀들이나 핀 구간들(도시되지 않음)이 튜브들(720) 사이에서 연결될 것이다. 일 실시 예에 있어서, 핀들은 튜브 구간들에서 냉각제의 유동에 대하여 대체로 수직하게 연장되도록 배열될 수 있다. 그러나, 다른 실시 예에 있어서, 핀 들은 튜브 구간들에서 냉각제의 유동에 대하여 대체로 수직하게 연장되도록 배열될 수 있다. 핀들은 미늘살(louvered) 핀들, 주름진 핀들 혹은 다른 적당한 형식의 핀이될 수 있다.

튜브들(720)은 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, 일반적으로 직사각형, 정사각형, 원형, 타원형, 삼각형 또는 다른 적당한 기하학적 형상을 포함하는 적당한 크기와 형상으로 제조될 수 있다. 핀들, 판들 혹은 다른 유사한 열교환기 표면들(도시되지 않음)이 해당 기술분야에 알려진 바와 같이 튜브들(720)로부터 주변 환경으로의 열전달 효과를 증가시키기 위해서 튜브들(720) 사이에 배치되거나 혹은 튜브들(720)과 함께 연결하여 사용될 것이다.

도 4를 참조하면, 응축기(304)는 증기 공급라인들(416)에 의해서 유입구 헤더(418)로 냉각제 증기를 공급하는 압축기 배출라인(410)을 더 포함한다. 압축기 배출라인(410)은 하나이상의 압축기(302)로부터 냉각제 증기를 수용하도록 유체 연결되고 증기 공급라인(416)으로 냉각제를 운반하돌고 유체 연결된다. 증기 공급라인들(416)은 코일들(314)의 유입구 헤더들(418)로 냉각제 증기를 분배한다. 유입구 헤더들(418)은 코일들(314)의 튜브들(도시되지 않음)을 통한 퍼스트 패스에 대하여 코일들(314)의 상부(도시되지 않음)로 냉각제 증기를 제공하도록 구성된다. 냉각제가 퍼스트 패스를 만든 후, 냉각제는 복귀 헤더(522)(도 5 참조)에 의해서 수집되는데, 이는 유입구 헤더(418)로부터 코일들(314)의 반대쪽에 위치한다. 복귀 헤더들(522)은 코일들(314)의 다른 튜브들(도시되지 않음)을 가로지르는 세컨드 패스에 대하여 코일들(314)의 하부(도시되지 않음)로 냉각제를 분배한다. 냉각제가 세컨드 패스를 완수한 후, 냉각제는 액체 헤더들(420)에 의해서 수집되는데, 이는 하나이상의 팽창장치(305)(도 3 참조)로 냉각제를 제공하도록 구성된 액체 라인들(422)로 냉각제를 제공한다. 도 1 및 5에 도시된 바와 같이, 응축기(304)는 냉각제 라인(530)을 통해서 코일들(314)의 복귀 헤더들(522)과 유체 연결되는 냉각제-저장관(315)을 더 포함한다. 냉각제-저장관(315)은 고온 가스 라인들(532)을 통해서 압축기 배출라인(203)(도 2 참조)과 또한 유체 연결된다. 압축기 배출 라인(203)(도 2 참조)은 냉각제-저장관(315)으로 증기 냉각제를 제공한다. 다른 실시 예들에 있어서, 고온 가스 라인들(532)이 증기 냉각제를 함유하는 다른 냉각제 라인과 유체 연결될 것이다. 냉각제-저장관(315)은 냉각 회로의 다른 부품들로부터 냉각제 체적을 펌프 다운(pump down) 하기 위한 추가적인 냉각제 회로 체적을 제공한다.

고온 가스 라인들(532)로부터 냉각제-저장관(315)으로 냉각제를 도입하면 정상적인 작동과정 동안에 냉각제-저장관(315)에서 존재하는 소정의 액체 냉각제를 증발시키거나, 펌프 다운 작동과정 동안에 냉각제 회로로부터 액체 냉각제가 냉각제-저장관(315)으로 유동할 수 있게 한다.

고온 가스 라인들(532)의 기하학은 냉각제-저장관(315)에서 냉각제의 적당한 제어를 위해 중요하다. 예를 들면, 고온 가스 라인들(532)은 수 피트만큼 긴 구리 라인들에 대하여 약 1/4 내지 3/8 인치들의 최적 직경을 가질 것이다. 상당히 큰 직경의 고온 가스 라인들(532)은 과도한 양의 따뜻한 냉각제 증기를 냉각제-저장관(315)으로 도입할 수 있는데, 이는 과도한 양의 증기를 냉각제 라인들(530)을 통 해서 코일들(314) 내로 도입함으로써 응축기(304)의 성능에 부정적인 영향을 끼치게될 것이다. 큰 직경의 고온 가스 라인들(532)은 냉각제-저장관(315)의 벽들의 온도를 높은 온도까지 높이게 될 것이며, 이는 결과적으로 펌프 다운 과정동안에 액체 냉각제가 냉각제-저장관(315)으로 유동하는 것을 방해하게 된다. 작은 직경의 고온 가스 라인들(530)은 특별히 낮은 주위온도 조건 하에서 시동 또는 작동하는 동안에 과도한 양의 냉각제 액체가 냉각제-저장관(315) 내에 잔류할 수 있도록 허용할 것이다. 냉각제-저장관(315)의 위치는 바람직하게는 코일들(314)을 떠나는 공기 흐름에 놓인다. 이 위치는 응축기(304)에서 냉각제-저장관(315)을 냉각제 포화온도 근처의 온도로 유지하는 것을 돕는다. 다른 위치들은 장치의 수용가능한 작동을 가능하게 하고 이를 방해하지 않는다.

냉각제 라인들(530)은 냉각제-저장관(315)의 바닥과 복귀 헤더(522)의 하부 사이에 바람직하게 연결된다. 예를 들면, 약 3/8인치의 라인 직경은 냉각제-저장관(315)과 코일(314) 사이에서 냉각제의 적당한 유동을 허용하기에 충분하다. 다른 실시 예들에 있어서, 다중 냉각제 라인들(530)이 각각의 냉각제-저장관(315)에 대하여 사용될 것이다. 일반적으로, 냉각제-저장관(315)의 바닥은 증기 공급라인(416)과 액체 라인(422) 사이의 중간 위치에서 코일(314)에 연결될 것이다.

이러한 실시예들은 2개의 냉각제 통로들을 갖는 코일들(314)을 보여주고 있지만, 다른 코일 통로 구성들도 가능하다. 예를 들면, 2개 이상의 냉각제 통로들이 사용될 수 있다. 코일 기하학과 설계 조건들의 상세사항에 따라서 3개 이상의 통로들이 바람직할 것이다. 이러한 경우에 있어서, 코일(314)에 대한 냉각라인(530)에 대한 바람직한 연결위치는 2개 또는 그 이상의 통로에 대한 입구에서 헤더가 된다.

유입구 헤더(418)에 대한 연결은 2가지 중요한 요소들 때문에 바람직하지 않다. 첫째, 코일이 액체로 거의 채워질때까지는 액체 냉각제는 이 위치에 존재할 수 없는데, 이것은 펌프다운이 완결되기 전에 높은 배출압력에서 하나이상의 압축기(302)가 정지되는 결과를 초래할 수 있기 때문이다. 두번째 요소는 냉각제 증기의 유동을 이 위치에서 냉각제-저장관(315)으로 유도하도록 냉각제 압력저하가 거의 존재하지 않는 것인데, 왜냐하면 정상적인 냉각기 작동과정 동안에 냉각제-저장관에 액체 냉각제 축적을 야기할 수 있기 때문이다.

또한, 코일(314)의 배출구에서 냉각제 라인(530)의 연결은 바람직하지 않다. 문제점은 냉각제-저장관(315)을 떠나는 소정의 냉각제 증기가 액체 라인(530) 내로 직접적으로 들어가는 것이다. 이러한 구성은 과냉각의 감소 및 심지어 증기가 하나이상의 팽창장치(305)로 들어가는 결과를 초래하는데, 이는 냉각제 증기가 냉각제-저장관(315) 외부로 과도하게 유동하는 것을 방지하기 위해 밸브나 다른 능동 제어장치가 고온-가스 라인(532)에 포함되는한, 장치성능을 저하시킬 수 있고 심지어 신뢰성 문제를 야기할 수 있다.

이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 응축기(304)는 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 냉각제-저장관(315a) 및 제 2 냉각제-저장관(315b)으로서 지정된 2개의 냉각제-저장관(315)을 포함한다. 복귀 헤더들(522)이 코일들(314)의 하부 구간(도시되지 않음)으로 냉각제를 제공하고 정상적인 응축기 작동 동안에 복귀 헤더들(522)이 실질적으로 액체 냉각제를 함유하는 위치에 근접하여, 냉각제 라인들(530)이 복귀 헤더들(522)과 유체 연결된다.

냉각제 라인들(530)은 냉각제-저장관들(315a, 315b)에 존재하는 소정의 액체 냉각제와 유체연결되도록 하기 위해서 냉각제-저장관(315a, 315b)과 유체 연결된다.

제 1 냉각제-저장관(315a)는 제 1 냉각제 회로에 대하여 펌프 다운 체적을 제공하기 위해서 코일(1)과 유체 연결되고, 제 2 냉각제-저장관(315b)은 제 2 냉각제 회로에 대하여 펌프 다운 냉각제 체적을 제공하기 위해서 코일(6)과 유체 연결된다.

단지 하나의 복귀 헤더 위치에서 냉각제-저장관들(315a, 315b)을 코일들(1,6)에 각각 연결하면, 다른 복귀 헤더들(522)(도 5 참조) 사이의 압력차로 인하여 액체를 냉각제-저장관들(315a, 315b) 내로 끌어당길 가능성이 제거된다.

이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 냉각제 라인(530)은 코일들(1,6)에 연결되는데, 왜냐하면 이러한 응축기 구성에 있어서 코일들(1,6)은 코일들(2,3,4,5)에 비해서 송풍기 유닛(317) 유동에 의해서 추출된 냉각 에어에 대하여 개선된 접근성을 갖기 때문이다.

개선된 에어 유동 접근성은 코일들(1,6)에 대한 개선된 냉각 및 과냉각을 야기하는데, 이는 냉각제에서 코일들(1,6)의 복귀 헤더들(522)이 보다 쉽게 액체가 되는 결과를 낳는다. 다른 실시 예에 있어서, 냉각제-저장관(315)은 코일들(1 내지 6)에 연결되고, 하나 또는 둘 이상의 냉각제-저장관들(315)이 사용된다. 예를 들면, 이러한 전형적인 실시 예에 있어서, 이러한 전형적인 실시 예에서 보여진 바와 같이 냉각제-저장관(315a, 325b)의 구성은 상당한 양의 액체 냉각제가 냉각제-저장관들(315a, 315b)에 존재함이 없이 응축기(314)에서 약 15℉ 내지 약 20℉의 과냉각을 허용할 것이다. 다시 말해서, 정상적인 냉각 장치 작동 중에, 냉각제-저장관들(315a, 315b)은 실질적으로 모든 증기 냉각제를 함유한다.

도 8은 내부를 상세하게 나타내기 위해서 코일(6)을 제거하여 응축기(304)의 일부 구간을 나타낸 측면 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각제-저장관(315)은 대체로 원통형인 기하학적 형상을 갖는다. 냉각제-저장관(315)은 중공의 실린더이며, 바람직하게는 압력 용기에 대한 ASME 코드에 대하여 면제되도록 6인치 이하의 내부 직경을 갖는다. 냉각제-저장관(315)은 단열 외부층(805)을 구비할 것이지만, 바람직한 실시 예에서 냉각제-저장관은 단열 외부층(805)를 구비하지 않을 것이다. 냉각제-저장관(315)은 도 8에 도시된 바와 같이 단부벽(320)들 및 이들 사이에 배치된 내부벽(812)에 의해서 지지된다. 그러나, 다른 실시 예들에 있어서, 냉각제-저장관(315)은 소정의 유사한 구성의 벽들 및 지지부들에 의해서 지지될 수 있다.

하나이상의 냉각제-저장관들(315)은 냉각 회로의 부품이 펌프 다운되는 경우에 냉각 회로로부터 나오는 액체 냉각제를 보유하도록 구성된다. 펌프다운은 냉각 회로에서 하나이상의 압축기(302)의 작동중지 전에 즉시 개시된다. 펌프다운은 정상적으로는 응축기(304)와 하나이상의 팽창장치(305) 사이에서 냉각 회로에 위치된 액체-라인 솔레노이드 밸브(도시되지 않음)를 폐쇄하는 제어장치(312)에 의해서 정상적으로 시동된다. 액체 라인 솔레노이드 밸브의 폐쇄는 응축기(304)의 냉각제 액 체 배출의 유동을 중단시키는데, 이는 액체 냉각제로 하여금 응축기(304) 내로 역류하는 현상을 일으킨다. 하나이상의 압축기(302)는 계속적으로 작동하여 하나이상의 증발기(308)로부터 응축기(304)로 냉각제 증기를 펌핑한다. 액체 냉각제가 응축기(304)에서의 축적을 개시함에 따라서, 냉각제를 응축하는데 유용한 열전달 표면적이 감소하는데, 이는 응축기 냉각제 압력의 급속한 상승을 야기한다. 압축에서의 급속한 감소는 하나이상의 냉각제-저장관(315)에 연결되는 냉각제 라인(530)을 통해서 응축기(304)의 복귀 헤더(522)로부터 액체 냉각제가 유동하는 것을 야기하는데, 이는 액체 냉각제가 하나이상의 냉각제-저장관(315)에 축적될 수 있게 한다. 제어장치(312)와 조합하여 압축기 배출라인(203)(도 2 참조)에 설치된 압력 변환기(도시되지 않음)는 과도하게 높은 배출압력을 방지하기 위해서 펌프다운 공정 동안에 압축기 용량을 감소시킬 것이다. 제어장치(312)와 조합하여 흡입 압력 변환기(도시되지 않음)는 압축기 흡입압력이 소정의 최소 값 이하로 떨어지는 경우(이는 하나 이상의 증발기(308)에서 액체 냉각제가 거의 혹은 전혀 없는 조건에 대응함 )에 펌프다운 공정을 종결시킨다. 응축기(304)에서 하나이상의 냉각제-저장관(315)의 구성은 별도의 냉각제-저장관없이 냉각제 액체를 보유하도록 충분한 내부 체적을 갖는 통상적인 라운드 튜브 응축기 코일들과 매우 유사한 방식으로 제어장치(312)가 작동할 수 있게 한다.

서비스나 운반을 위한 냉각제의 저장을 위해서, 냉각제 액체 라인(205)(도 2 참조)에 위치한 서비스 밸브(도시되지 않음)를 수동을 폐쇄시킴으로써 펌프 다운이 개시될 것이다. 서비스 밸브는 응축기(304)와 액체-라인 솔레노이드 밸브(도시되지 않음) 사이에서 냉각제 액체 라인(205) 상에 위치한다. 서비스 밸브를 폐쇄하면, 공정동안에 액체 라인 솔레노이드 밸브가 개방된 상태를 유지하는 것을 제외하고, 상기한 바와 유사한 공정에서 응축기(304) 및 하나이상의 냉각제-저장관(315) 내로 액체 냉각제가 이동하게 할 것이다. 단지 흡입압력이 하나이상의 압축기(302)의 작동중지에 대응하는 특정 최소값 이하로 저하된 후에 제어장치들(312)이 액체 라인 솔레노이드 밸브를 정상적으로 폐쇄시킨다.

도면에 설명되고 여기에 기술한 전형적인 실시 예들이 바람직하지만, 이러한 실시 예들은 단지 예로서 제공된 것임을 이해하여야 한다. 따라서, 본 출원은 특정 실시 예로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위의 영역 내에서 다양한 변경으로 확장된다. 어떤 공정들이나 방법 단계들의 순서는 다른 실시 예에 따라서 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다.

비록 본 발명의 단지 몇몇 특징과 실시 예들이 도시되고 설명되었지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에서 재인용된 대상물의 장점들 및 새로운 기술들로부터 벗어남이 없이 많은 변경들 및 변화들(예를 들면, 여러가지 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 매개변수들의 값(예를 들면, 온도, 압력 등), 장착 배열들, 재료의 사용, 색상, 배향 등)이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 소정 공정들이나 방법 단계들의 순서는 다른 실시 예에 따라서 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 사상 및 영역 내에 있는 모든 그러한 변형예와 실시 예를 포괄하도록 의도된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 전형적인 실시 예들의 간략한 설명을 제공하기 위해서, 실제 실 행의 모든 특징들(예를 들면, 본 발명을 수행하기 위한 현재 최선의 모드에 관련없는 사항들, 또는 청구된 발명을 가능하게 하는데 관련이 없는 사항들)이 기술되지 않았음을 알 수 있을 것이다. 그러한 실제적인 실행의 개발에 있어서 엔지니어링 혹은 디자인 프로젝트에서와 같이 다수의 실행상의 특별한 결정들이 이루어졌음을 알 수 있을 것이다. 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 많이 소모되지만, 그럼에도 불구하고 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 실험을 거치지 않고서도 본 발명의 명세서를 통해서 설계, 조립 및 제조에 착수할 수 있을 것이다.

Claims

HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기로서,

압축기, 하나이상의 다중채널 열교환기를 포함하는 응축기 유닛, 팽창장치 및 증발기를 포함하며, 상기 다중채널 열교환기 코일로부터 냉매를 수용하도록 구성된 냉각제-저장관(refrigerant-storage vessel)을 더 포함하는,

HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관은 냉각제 라인을 통해서 다중채널 열교환기 코일과 유체 연결되는, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관은 압축기 배출라인과 유체 연결되는, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
제 2 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관 냉각제 라인은 상기 냉각제-저장관의 바닥에 연결되는, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
제 1 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 적어도 2개이상의 냉각제 패스들(passes)을 구비하는, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
제 1 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 마이크로채널 열교환기 코일인, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
제 1 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 공냉식인, HVAC장치에서 사용하기 위한 냉각기.
HVAC장치로서,

압축기, 하나이상의 다중채널 열교환기 코일을 포함하는 응축기 유닛, 팽창장치, 증발기 및 에어 핸들링 유닛을 포함하며, 상기 HVAC장치는 상기 다중채널 열교환기 코일의 복귀 헤더와 유체 연결되는 냉각제-저장관을 더 포함하는,

HVAC장치.
제 8 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관은 냉각제 라인을 통해서 다중채널 열교환기 코일의 복귀 헤더와 유체 연결되는, HVAC장치.
제 8 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관은 고온 가스 라인을 통해서 상기 증발기의 냉각제 증기 라인과 유체 연결되는, HVAC장치.
제 8 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 투 패스(two pass) 다중채널 열교환기 코일인, HVAC장치.
제 8 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 마이크로채널 열교환기 코일인, HVAC장치.
압축기, 다중채널 열교환기 코일을 포함하는 응축기 유닛, 팽창장치, 및 증발기를 포함하는 냉각회로의 작동방법으로서,

상기 다중채널 열교환기 코일과 유체 연결되는 냉각제-저장관을 제공하는 단계; 및

정상 작동조건하에서 냉각 회로를 작동시키는 단계;를 더 포함하며,

상기 냉각제-저장관은 정상적인 냉각 회로 작동과정 동안에 실질적으로 모든 냉각제 증기를 보유하도록 구성된,

냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관은 정상적인 작동과정 동안에 냉각제 증기를 보유하는 냉각제 라인과 유체 연결되는, 냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 펌프 다운 작동과정 동안에 상기 냉각회로를 작동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 냉각제-저장관은 상기 펌프 다운 작동과정 동안에 상기 다중채널 열교환기로부터 수용된 냉각제 액체를 수용하여 보유하는, 냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 상기 냉각제-저장관은 냉각제 라인을 통해서 상기 다중채널 열교환기 코일의 복귀 헤더와 유체 연결되는, 냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 투 패스 다중채널 열교환기 코일인, 냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 마이크로채널 열교환기 코일인, 냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 공냉식인, 냉각회로의 작동방법.
제 13 항에 있어서, 상기 다중채널 열교환기 코일은 HVAC 장치의 에어 핸들링 유닛에 제공된 유체에 대한 냉각을 제공하는, 냉각회로의 작동방법.