KR20100097148A - 증기 압축 및 팽창 공기 조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압축기 및 팽창기 기능들이 카느로 사이클에 의해 정상적으로 제공되기 위한 피스톤 장치를 포함하는 냉각 시스템을 생성하는 방법에 관한 것이다. 피스톤 작동의 펄스형 특성을 이용하기 위해 전체 시스템을 변화시키는 해결책이 제공된다.

Description

증기 압축 및 팽창 공기 조화기{VAPOR COMPRESSION AND EXPANSION AIR CONDITIONER}

본 발명은 냉각 및 공기 조화를 인클로져(enclosure)에 제공하기 위해 사용된 장치에 관한 것이다. 특히, 증발된 냉각제를 압축시키고 팽창시키는 수단은 저급열(low grade heat)을 유용한 에너지, 기계적인 작동 등으로 전환시키는 큰 피스톤 장치를 사용한다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2008년 11월 12일에 출원된 미국 가출원 제60/987,332호의 이익을 주장하고, 이의 내용은 본원에서 참조로 병합된다.

대부분 냉각제 공기 조화기들은 4 개의 표준 과정을 일반적으로 포함하는 '냉각 사이클'에 의존한다:

1) 냉각제는 전기 모터 구동 압축기 내부에서 낮은 압력으로 증기로서 시작한다. 압력이 증가되고, 냉각제 증기가 압축되고 응축기(condenser)를 향해 흐르면, 냉각제 증기의 온도가 증가된다.

2) 응축기 내부에서, 온도 구배(temperature gradient)로 인해 열은 높은 압력 냉각제로부터 외부 공기로 방출되어, 냉각제는 응축되고 고압, 고온 액체로 된다.

3) 다음으로, 냉각제가 압력 조절 밸브를 향해 흐르고, 냉각제의 단열 팽창은 일어나고, 상변화(phase change)는 증발되도록 일어나고, 냉각제의 온도는 냉각된 공간의 온도 아래로 떨어지고, 그 결과 냉각되고 압력 증기가 낮아진다.

4) 냉각된 냉각제 증기는, 실내 공기로부터 냉각제로 열을 흡수하는 증발기로 흐른다. 따듯한 증기는 다시 압축기로 흐르고, 상기 압축기에서는 사이클이 반복된다.

전형적으로, 응축기는 전기로 가동되고, 그리고 대부분의 상업성의 공기 조화기는, 공기 조화기에서 인출되는 동력(power)의 각 와트(watt)에 대해 얼마나 많은 열(시간당 BTU로 계측)이 제거되는지를 열거한 에너지 효율 등급(energy-efficiency rating)을 가진다. 이러한 효율은 보다 효율적인 압축기로 개선되고, 크고 효율이 좋은 열 교환기 표면으로 개선되고, 냉각제 흐름 및 다른 특징들을 개선시킨다.

본 발명은 다른 냉각 시스템들에 관한 이점을 제시하는데, 상기 시스템은 압축기 및 증발기와 공통으로 연관된 듀티(duties)를 실행하기 위해 피스톤을 사용하면서, 전기에 의해 행해진 중요한 작동 없이 냉각을 위해 저급 폐열 에너지로부터 에너지를 인출하는 기계적인 부분이다. 또한, 바람직한 실시예는 냉각 시스템을 가동시키기 위해 U-관 유형의 농축기에 의해 집중된 태양열 에너지로부터 직접 행해진다.

A/C 시스템의 개요

현재 냉각 시스템은 냉각제를 취하고, 상기 냉각제는 증기 형태로 시작되고, 가열 펌프 사이클(heat pump cycle) 동안 압축된다. 압력이 가해진 냉각제는 열 교환기를 포함하는 응축 유닛 내로 냉각 흡입 밸브를 통해 흐른다. 열 교환기는 냉각제로부터 열을 제거하여, 응축되게 한다. 그 후, 응축된 냉각제는 응축기 탱크 내에서 수집된다. 응축기 탱크는 압력 조절기를 통해 증발기 탱크와 연결된다. 상기 증발기 탱크는 열 교환기와 연결되기도 하고, 이때 상기 열 교환기는 빌딩(building) 등의 냉각되는 인클로져로부터 열을 수용하는 루프(loop)를 형성한다. 추가적으로, 예열기(pre-heater)는 열 전달에 도움이 되는 증발기 탱크와 응축기 탱크 사이에서 추가될 수 있다.

냉각되는 공간으로부터 열을 수용하는 루프는, 이 예에서, 파이프에 의해 형성되고, 냉각되는 인클로져 내부에 위치되고, 이때 상기 파이프는 열 교환기 유체를 가지고 증발기 탱크 열 교환기와 인클로져 열 교환기 사이에서 열 교환기 루프를 형성한다. 증발기 탱크 내부에서 응축된 냉각제의 냉각 저장부는 증발기 탱크 열 교환기를 냉각시킨다. 인클로져의 따듯한 공기는 인클로져 열 교환기를 통해 시스템 내로 전달된다.

압축 단계 및 팽창 단계는 U-관 농축기의 바람직한 실시예 내에서 하나의 소자를 사용하여 이룰 수 있다(액체 피스톤의 압축 행정 및 팽창 행정). 해당 기술 분양의 당업자라면, 펌프, 피스톤, 또는 본 발명으로부터 벗어나지 않은 액체 피스톤과 연결되지 않은 이와 유사한 수단을 사용함으로써, 한 위치에서 압축 및 팽창을 제공하는 다른 수단을 고안할 수 있다.

태양열 농축기로서의 U-관

3 가지 주요 기술은 현재 유용한 작동(파라볼릭 트로프(parabolic trough), 파워 타워(power tower) 및 스털링 디쉬(sterling dish))을 생성하기 위해 태양열 생성을 집중하기 위해 사용된다. 이러한 전원으로부터 전기를 생성하는 비용은 많이 든다. 3 가지 모두는 작동 온도를 높게 요구하고, 유지에 있어 문제점을 발생시키고, 밀봉하는데 실패율이 높다.

이러한 기술들을 이용하여, 태양 복사는 직접적인 태양광으로 실시간으로 집광되어, 작동 온도는 수집 지점에서 높아진다. 이러한 온도가 더 높을수록 열 손실은 일반적으로 더 높아진다. 게다가, 최소 열 손실에 대한 이러한 시스템의 높은 온도 요건은 수집기들 및 열 저장 유닛을 전형적으로 사용하는데 가격이 많이 든다. 이러한 제한은 이러한 해결책에 대해서 비용이 많이 든다.

본원에서 참조로서 포함된 미국 특허 출원 제11/387,405호 및 미국 특허 출원 제11/860,506호에 개시된 바와 같이, 저온 태양열 농축기들을 이용하여, 상 변화점(phase change point)에서 또는 상 변화점 부근에서 진행하는 열 기관 사이클의 열역학적 사이클과 연관된 포화 증기로부터의 응축을 최소화시키는 것이 바람직하다. 상기와 같은 개선점들은 효율을 증가시키고, 열 에너지의 낮은 등급의 사용을 가능케 한다.

바람직한 실시예는 이중 루프 U를 사용하거나, 또는 달리 적합하게 형성되고 열로 작동되는 액체 피스톤 가열 펌프를 사용하고, 이때 상기 피스톤 가열 펌프의 일 측 레그(leg)는 열 기관을 포함하고, 타측 레그는 가열 펌프를 포함한다. 해당 기술 분야의 당업자라면, 이러한 것이 증기의 응축 지점에서, 또는 증기의 응축 지점 부근에서 열역학적 사이클을 진행시키는 여러 방법 또는 장치에 폭 넓게 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

이러한 플로팅 피스톤들(floating pistons)은 보통 고체 재료로, 예를 들면, 알루미늄, 비부식성 강철 또는 다른 적합한 재료로 구성된다. 이들은 상기 시스템에서 나타난 온도 및 압력의 조건을 견디기 위해 설계되어야 한다.

열 기관 섹션은 태양열 에너지와 같은 자연적인 것 또는 폐열원으로부터 열역학적 사이클을 사용하여 동작되지만, 이에 한정되지는 않는다. 유체, 즉, 액체 또는 증기 형태의 전형적인 물은 열 기관 루프의 부분으로서의 열 기관과 태양열 수집기들(solar collectors) 사이에서 전달된다.

가열 펌프 루프는 냉각 시스템의 배기구 및 흡입구에 연결되고, 가열 펌프 팽창 챔버는 실질적으로 증기 형태로 된 전형적인 냉각제로 실질적으로 채워진다.

본 발명의 추가적인 이점은, 냉각이 가장 필요할 시에 상기 냉각이 높은 주변 열(ambient heat)에 따라 증가된다는 것이다. 출력에서의 이러한 증가는 여러 요인들로부터 발생되지만, 가장 중요한 것은 U-관 농축기에서 사용된 증기의 온도-압력 특성이다. 평평한 판넬 태양열 수집기들(flat panel solar collectors)이 사용될 시에, 이용가능한 증기 입력 온도는 주변 온도에 따라 증가되는데, 이는 주변 온도가 상승되면 주변에 있는 수집기는 손실이 감소되기 때문이다.

참고로, 170°F의 증기 입력 온도에서; 6 psig은 열 기관 피스톤의 하향 행정(down stroke)에 이용될 수 있다. 200°F의 증기 입력 온도에서; 11.5 psig은 이용될 수 있다. 열 기관으로부터 이용될 수 있는 동력이 증기 압력에 비례하기 때문에, 이는 동력에 있어 실질적인 증가를 제공한다.

또한, 대응되는 배기 압력은 비례적으로 상승되지 않는다. 증기 입력 증기 온도와 주변 출력 온도 사이에서 유용한 작동이 서로 다르게 기능하면, 출력 온도의 상승은 시스템 동력을 잃게 한다. 그러나, 거절 온도(rejection temperature)가 증가되면, 배기 압력은 매우 작게 증가되고, 그리고 입력에서의 이득과 비교하여 동력은 이와 대응되게 더 작게 감소된다. 예를 들면, 100°F의 배기 온도에서 배기 압력은 0.9 psi이다. 130°F의 배기 온도에 대해서는 배기 압력은 단지 2.2 psi만 증가된다.

본원 시스템이 이전 시스템들보다 매우 낮은 온도에서 동작될 수 있고, 온도가 상승되면 비율에 따라 정해질 수 있다(scaled)는 것을 주목해야 한다. 증가된 냉각에 대한 필요성을 나타내는 동일한 조건들, 강한 태양광 및 열은 시스템의 출력 성능을 개선시킨다. 추가적으로, 조건들이 완화되면, 출력은 요구에 따라 감소되지만, 그러나 시스템은 피크 시간 동안 수집된 열 저장부로부터 입력된 열로도 동작될 수 있다. 이 특징은 직접적인 태양 복사로 단지 작동할 수 있는 다른 시스템에 대해 중대한 이점을 제공한다.

바람직한 실시예의 열 기관 사이클(물)

전형적인 카느로 사이클(Carnot cycle)의 등엔트로피 압축 과정(isentropic compression process)은 증기상(steam phase)에서 물과 같은 작동 유체(working fluid) 상태로 시작되어 액체상(liquid phase) 상태로 종료된다. 현재 사이클은 습증기(wet steam) 상태로 시작되어, 포화 증기 상태로 종료된다. 개시된 과정은 상대적으로 비지각적(unintuitive)인데, 이는 증기로부터 액체까지의 응축이 압축 과정에 공통적으로 연관되었기 때문이다.

본원 사이클에서, 압축 과정은, 상기 과정에 의해 요구된 바와 같이, 일정한 엔트로피를 유지시키기 위해 포화 증기를 형성시키도록 억제된다.

본원 실시예에서, 단지 습증기 혼합의 약 12.5%만이 압축 과정의 시작에서 액체로 되어 있다. 상기 과정의 시작에서, 액체의 특정 엔트로피는 약 0.53 kJ/kg-°K이고, 증기의 특정 엔트로피는 약 8.32 kJ/kg-°K이다. 압축 과정의 종료에서, 액체의 특정 엔트로피는 약 1.31 kJ/kg-°K이고, 증기의 특정 엔트로피는 약 7.36 kJ/kg-°K이다.

양적으로, 압축 과정의 시작 및 종료에서 전체 엔트로피를, 상들 사이에서 변화되는 미지의 한 질량과 같게 표시하는 대수 계산은 사이클의 종료에서 증기의 결과물을 제공한다. 양적으로, 상기 과정의 시작에서 시스템의 액체의 상대적으로 낮은 퍼센트는 상기 과정이 증기가 생성되도록 한다. 주요 시스템이 초기에 높은 엔트로피 증기로 구성되어 있기 때문에, 모든 증기를 특정 엔트로피의 약 16%에서 액체로 전환시키는 것은 일정한 엔트로피 과정일 수 없다. 그러나, 상기 과정이 초기에 증기의 특정 엔트로피의 약 88%에서 증기를 생성하는 경우, 엔트로피는 일정하게 유지될 수 있고, 증기 엔트로피에 대한 액체에서의 약 13.9 배 증가는 초기 증기 질량의 특정 엔트로피에서 약 12%로 떨어져서 균형을 맞춘다.

액체의 높은 초기 퍼센트를 가지는 전형적인 카느로 사이클에서, 상기 과정은 차선책이다. 이 경우에서, 동일한 시작 및 종료 엔트로피 값들을 사용하여, 액체인 주요 질량의 특정 엔트로피는 최종 결과가 액체인 경우에 약 2.5의 팩터(factor)만큼 증가된다. 응축되는 증기 질량은 엔트로피에서 약 6.4의 팩터로 떨어져서, 액체의 엔트로피의 증가는 균형을 이루지 못한다. 초기 증기의 엔트로피에서의 작은 떨어짐(small drop)은 시스템에 의해 행해질 수 있는 유용한 작동을 감소시킨다.

그러므로, 해당 기술 분야의 당업자라면, 상기 과정의 종료에서 가능한 증기상의 작동 유체가 많이 유지될 수 있게 하는 자극이 있다는 것을 알 수 있다. 피스톤 헤드(piston head)를 포함하는 챔버 내의 표면들 수를 감소시킴으로써, 응축은 일어날 수 있고, 이 새로운 사이클은 상술된 바와 같이 더 큰 효율을 가능케 할 수 있다.

바람직한 실시예의 가열 펌프 사이클

냉각 시스템은 농축기의 가열 펌프 측면에 부착될 수 있고, 상기 농축기의 가열 펌프 측면은 열 기관 사이클에 의해 행해진 작동을 받아들인다. 해당 기술 분야의 당업자라면, 본 발명의 권리 범위를 유지시키면서, 상기 방법 및 장치가 공기 조화기 시스템을 동작시키는 유사한 유형의 작동을 발생시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본원에서 기술된 열 기관은 피스톤에 기반한 냉각 시스템을 가동시키기 위한 단지 하나의 잠재적인 작동원(source of potential work)이다.

U-관 농축기의 가열 펌프 측면은 가열 펌프 및 가열 펌프 챔버를 포함하고, 시스템의 가열 펌프 사이클을 나타낸다. 또한, U-관 농축기는 큰 부피 및 낮은 횟수로 동작되고, 압축 과정 및 증발 과정에 매우 적합하다.

가열 펌프 루프는 냉각 시스템의 배기구 및 흡입구에 연결되고, 가열 펌프 챔버는 냉각제로 채워져 있고, 이때 상기 냉각제는, 예를 들면, "냉각제-123" 또는 "R123"이라고도 알려진 HCFC-123이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 해당 기술 분야의 당업자는 본 발명의 권리 범위로부터 벗어남 없이 다른 냉각제 또는 작동 유체를 사용할 수 있다.

가열 펌프 피스톤은 가열 펌프 챔버 내에 있는 냉각제로부터, 전형적으로 물인 액체 연결 로드를 분리하는 역할을 한다. 상기 가열 펌프 피스톤은, 피스톤과 피스톤 벽 사이에서 밀봉(seal)이 형성되도록 설계되어야 한다. 대안적인 실시예의 U-관 농축기는, 상기 농축기가 터빈 또는 냉각 시스템을 동작시키도록 한다. 추가적인 흡입 및 배기 밸브는 가열 펌프 팽창 챔버 상에 설치될 수 있고, 상기 가열 펌프 팽창 챔버는 작동 유체가 터빈 부착물(turbine attachment) 내로 흘러가도록 제어한다. 상기 터빈은 개시된 바와 같이, 냉각 시스템으로서 동일한 에너지원을 사용하기 위해 설계될 수 있다. 터빈과 공기 조화기 사이에서 할당된 에너지는 제어가 가능할 수 있다.

증기 대신에 터빈에서 R-123을 사용하면, 터빈 설계 파라미터들로부터 추가적인 이점을 얻을 수 있다. 증기 터빈의 효율적인 설계 및 동작에 있어서, 최적의 블레이드 속도(blade speed)는 유체의 엔탈피 변화에 비례하고, 이 경우에서는 상기 단계를 통해 거쳐간다. 그 결과, 효율적인 터빈 설계는, 높은 블레이드 속도, 큰 질량 유량(large mass flow rates)(높은 동력), 엔탈피의 작은 변화의 조합 사이에서 트레이프오프(tradeoffs)가 필요하다. 이 조합으로, 종종, 큰 (l 내지 500 MW) 터빈들의 결과를 얻거나, 또는 작은 (30 내지 100 kW) 터빈들에 대해서는 매우 높은 속도(120,000 rpm)를 얻는다. 전형적인 농축기 출력 및 입력 압력에서 R-123의 엔탈피 변화는 동일한 압력에 대한 증기의 엔탈피 변화보다 낮은 자릿수(order of magnitude)이다. 이는, 더 적은 동력 레벨 및 더 낮은 속도의 선택을 가능케 하면서, 동일한 터빈을 효율적으로 유지시키고, 분산 전원(distributed generation)에 더 적합한 시스템을 구현시킨다.

터빈에서 R-123을 사용하는 또 다른 이점은, R-123을 이용하면, 전형적인 압력에 대한 유체 작동 온도가 증기보다 250°F 낮아질 수 있다는 것이다. 이는, 열 팽창 및 재료 선택의 영역에서, 특히, 밀봉부(seals) 및 베어링들(bearings)의 영역에서, 농축기 및 터빈 모두에 충분한 이점을 제공한다.

전형적으로 전기에 기반한 제어 시스템은, 농축기 및 냉각 시스템을 따라 다양한 센서들로부터 입력을 수신함으로써, 열 기관 사이클과 가열 펌프 사이클 사이의 작동 분배를 조절하기 위해 사용될 수 있고, 상기 시스템을 따른 지점들에서 밸브들, 펌프들 등을 제어할 수 있다. 이와 유사하거나 개별적인 제어 시스템은 대안적인 터빈 부착물과 냉각 시스템 사이에서 에너지를 할당하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 이점은, 전기 동력 없이도 인클로져를 냉각시키고, 이로써, 현존하는 전기 그리드 시스템들(electrical grid systems)을 파손되게 하지 않는다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 온실 가스에 대한 탄소 발자국(carbon foot print) 생성 없이 인클로져를 냉각시킬 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 하나의 장치를 이용하여 냉각 사이클의 팽창 및 압축 단계를 조합시킨다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 온도가 상승되면, 비율에 따라 냉각을 더 제공한다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 이전에 저장된 열 에너지를 사용하여 동력을 제공할 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 높은 주변 온도(100F 이상) 하에서 효율적으로 동작된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 주위 내에서 거절된(rejected) 폐열이 주변 공기 냉각(ambient air cooling)에 따른다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, 주위 내에서 거절된 폐열은 증발에 의한 냉각을 요구하지 않는다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은, U-관 농축기에 의해 가동된다는 것이다.

본 발명의 이점은, 본 발명이 터빈과 냉각 시스템 사이에서 동력을 공유할 수 있다는 것이다.

도 1은 종래 기술의 냉각 시스템의 대표적인 레이아웃이다.
도 2는 본 발명에 관련된 냉각 시스템의 하나의 실시예의 대표적인 레이아웃이다.
도 3은 본 발명에 관련된 냉각 시스템의 대안적인 실시예의 대표적인 레이아웃이다.
도 4는 본 발명에 관련된 냉각 시스템의 바람직한 실시예의 대표적인 레이아웃이다.
도 5는 가열 펌프 사이클의 실시예에 대한 대표적인 T-V 다이어그램을 도시한다.
도 6은 증기 기관 사이클의 실시예에 대한 대표적인 T-V 다이어그램을 도시한다.
도 7은 증기 기관 사이클의 실시예에 대한 대표적인 P-V 다이어그램을 도시한다.
도 8은 가열 펌프 사이클의 실시예에 대한 대표적인 P-V 다이어그램을 도시한다.
도 9는 증기 기관(HE) 압력 및 가열 펌프(HP) 압력 각각에 대해 피스톤 헤드 위치를 제시하는 피스톤 행정에 대한 대표적인 시간 도표(time plot)를 도시한다.

냉각 시스템 동작

도 1은 본 발명의 실시예를 포함하는 냉각 시스템의 대표적인 레이아웃이다. 냉각제(10)는, 포화되거나 과열될(superheated) 수 있는 증기로서, 배기 밸브(32) 및 파이핑(piping)(36)을 통하여, 응축 유닛(40)을 향해 전달될 수 있고, 이때 상기 파이핑은 구리 파이프 또는 다른 적합한 재료이고, 적절한 단계에 대한 크기를 가진다. 원한다면, 선택가능한 부스트 압축기(boost compressor)(38)는 냉매 시스템(30)에서 압력을 더 상승시키기 위해 첨가될 수 있다.

주로 증기로 된 냉각제(10)의 온도는, 응축을 진행시키기 위해, 주변 온도 또는 실외 온도보다 높은 것이 바람직하다. 응축 열 교환기(42)는 열을 폐열의 형태로 하여 냉각제로부터 주변으로 전달하고, 이로써, 냉각제(10)를 냉각시키고 응축시킨다. 수집기(40)는 수집기의 하부에서 고인(pool) 결과적인 액체를 수집한다. 바람직한 실시예에서, 수집기(40)는 응축기(42)에 의해 제공된 펄스형 흐름(pulsed flow) 및 저장부(40)로부터 냉각제의 일정한 흐름을 제공하기 위한 크기를 가져야 한다.

냉각제(10)는 압력 조절 밸브(47)를 통하여 증발기 탱크(50)로, 파이핑(44)을 따라서, 흐른다. 전형적으로, 압력 조절 밸브(47)의 수집기(40) 측에서는 약 40 psia의 압력이 유지되는 반면, 증발기 탱크(50) 측에서는 피스톤 장치(17)의 동작으로 인해 2 psia 밖에 안 되는 작은 압력이 이르게 될 수 있다. 이러한 이유로, 압력 조절 밸브(47)는 실질적으로 일정하게 흐르는 냉각제(10)를 제공하는데 충분한 흐름을 한정하기 위해 설계되는 것이 바람직하다.

예열기 영역(45)은 증발기 탱크(50)에 위치되는 것이 바람직할 수 있어서, 노출된 표면적은 증발기 탱크(50)의 상부 절반 내부에서 최대로 되고, 여전히 실질적으로 액상(liquid phase)으로 된 냉각제(10)를 증발기 탱크(50)의 하부 절반 내로 배수시킨다.

증발기 탱크(50)의 하나의 기능은, 증발기 탱크 열 교환기(52)를 이용하여 액체 전도성 열 전달을 용이하게 하기 위해, 냉각제 저장부(46)를 형성하여 냉각된 냉각제(10)를 수집하는 것이다. 예열기 영역(45)에 들어가는 냉각제(10)의 온도는 냉각제 저장부(46)보다 높고, 이로 인해 냉각제 저장부(46)에 들어가는 냉각제(10)는 냉각되고, 증발 통로(59)에 들어가는 냉각제(10)는 가열된다. 증발 통로는 전형적으로 구리 또는 알루미늄 파이핑, 또는 다른 적합한 재료로 구성되고, 증발기로부터 유출되는 증발을 최대화시키기에 충분한 크기를 가져야 한다.

증발기 탱크 열 교환기(52)는 빌딩(building) 또는 다른 공간과 같은 인클로져(60)로부터 열을 인출하는 냉각제 저장부(46)의 냉각된 냉각제(10)와 접촉된다. 열은 인클로져 열 교환기(62)를 통해, 그리고 열 교환기 루프(54)를 형성하는 파이프의 유체를 통해 인출된다. 팬(64)은 열 전달을 용이하게 하기 위해 인클로져 열 교환기(62)에서 동작될 수 있다.

해당 기술 분야의 당업자라면, 냉각제 저장부의 냉동을 막기 위한 주의가 있어야된다는 것을 인식할 것이다. 냉각제 저장부(46)는 가열 펌프 사이클 동안 증발로 인해 냉각된 상태로 되어 있다. 질량에 있어, 냉각제 저장부(46)의 냉각제(10)의 질량은 피스톤 장치(17)에 일정한 공급을 제공하기 위해서 충분해야 한다.

피스톤 및 밸브 동작

바람직한 실시예에서, 가열 펌프 사이클을 보상하는 압축 상태 및 증발 상태는 피스톤 및 밸브 시스템에 의해 제어된다. 냉각 시스템(30)은 피스톤 장치(17)와 통하는 배기 밸브(32) 및 흡입 밸브(34)를 가지고, 상기 피스톤 장치는 챔버(14), 피스톤(12), 및 열 기관(90)으로부터의 작동을 받아들이는 액체 연결 로드(16)를 포함하는 것이 바람직하다. 피스톤 장치(17)는 소정의 크기를 가지는 챔버를 포함하고, 다양한 사이클 단계 동안 냉각제(10)를 보유한다. 피스톤(12)은 챔버(14) 내부에서 이동된다. 피스톤(12)이 압축 단계에서 상사점(top dead center)(20)에 접근하면, 압축이 일어난다. 피스톤(12)이 팽창 단계에서 하사점(bottom dead center)(22)에 접근하면, 팽창이 일어난다.

피스톤(12)이 상사점(20)에 가까이 가면, 양 밸브들(32 및 34)은 닫힌다. 피스톤(12)이 내려가면, 챔버(14)는 진공화되기 시작하고, 상기 챔버는 부피가 증가한다. 강하하는 소정의 시점에서, 목표 압력이라고 전형적으로 판별하면, 흡입 밸브(34)는 열리고, 팽창 통로에서 냉각제(10)는 동반되고, 증발기 탱크(50)는 등엔트로피적으로(isentropically) 챔버(14) 내로 팽창되고, 증발기 탱크(50) 내의 온도 및 압력은 감소된다.

일정한 온도 및 압력은 증발기 탱크(50)의 증발된 냉각제(58)에 의해 유지된다. 실행되면, 증발된 냉각제(58)의 온도 및 압력은 팽창 단계 동안 약간 떨어질 것이고, 그 후에, 배기 밸브(34)가 닫히게 될 시에는 약간 증가될 것인데, 이 이유는 열이 증발기 탱크(50)에 연속적으로 추가되고, 증발이 간헐적으로 발생되기 때문이다. 변화량은 증발기 탱크(50)의 냉각제 저장부(46)의 질량에 의해 달라진다.

하사점(22) 정도에서, 흡입 밸브(34)는 닫히고, 피스톤(12)은 그의 상향 행정(upward stroke)을 시작한다. 냉각제(10)는 압축 행정 동안, 등엔트로피적으로 압축되고, 그의 온도 및 압력은 상승한다. 원하는 압력에 이를 시에, 배기 밸브(32)가 열리고, 증기상(vapor phase)의 냉각제(10)는 응축 열 교환기(42)를 향해 파이핑(36) 내로 배출된다. 상사점(20)에서, 배기 밸브(32)는 닫히고, 사이클은 다시 시작된다.

바람직한 실시예에서, 피스톤(12)은 U-관 농축기(80)의 부분이다. 전형적으로 물인 액체 연결 로드(16)는 피스톤(12) 및 열 기관 피스톤(82)을 연결시키기 위해 농축기(80) 내부에서 사용된다.

가열 펌프 실린더 벽(18) 및 피스톤(12)의 상부 피스톤 표면은 R-123의 포화점 상에서 유지되는 것이 바람직하여, 그 결과, R-123의 응축은 액체 연결 로드(16)를 포함한 농축기 챔버(17)의 내부에서 일어나지 않는다. 벽(18) 온도는 벽(18)의 높이에 따라 변화될 수 있다. 피스톤 밀봉부(19)는 챔버(14)의 R-123을 액체 연결 로드(16)로부터 분리시키기 위해 피스톤(12)의 상부에 위치되는 것이 바람직하다.

농축기 챔버(17) 내부에서 R-123의 응축을 막는 또 다른 방법은 그의 최고 지점에서 R-123의 포화 압력 이상의 온도로, 전체 피스톤(12), 실린더 벽(18) 및 물의 온도를 유지시키는 것이다. 예를 들면, 이 온도는 44 ℃로 설정될 수 있다. 응축 유닛으로부터 되돌아 가는 액체 R-123의 큰 양의 폐열은 이 온도를 유지시키기 위해 이용될 수 있다. R-123 포화 압력 이상의 접촉의 주요 지점을 유지시킴으로써, R-123이 응축될 수 있는 표면들은 없을 것이다.

물 온도는 농축기 챔버(17)에서 나타난 최저의 동작 압력을 위해 물 포화 압력 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 최저 동작 압력을 위한 물 포화 온도는 49 ℃이다. 이 예에서; 노출된 표면들이 바람직한 동작에 대해 유지될 수 있는 5 ℃ 윈도우가 있다.

시스템의 이용은 R-123 및 물로 사용되는 것에 한정되지 않는다. 다른 작동 유체가 사용될 수 있다는 것은 해당 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다.

터빈

시스템은 R-123 냉각제(10)에 관해 동작하는 터빈(70) 또는 발생기(76)로 구비될 수 있다. 이는 몇몇 이점을 제공한다. 우선, 동일한 농축기(80)는 냉각 시스템(30) 및 터빈(70)에 냉각제(10)를 제공할 수 있어서, 최종 사용자에게 유연성(flexibility)을 제공한다. 예를 들면, 터빈(70)은 터빈(70) 및 발생기(76)의 비용을 낮추는 높은 주변 온도에서 최고 시스템 출력보다 작게 측정될 수 있다. 그 후, 높은 온도 기간 동안 농축기(80)의 추가적인 출력 성능은 냉각 시스템(30)에 의해 이용될 수 있어서, 전형적으로 최대로 필요할 시점에서 추가적인 냉각 성능을 제공할 수 있다.

선택 가능한 부스트 압축기(38)는 챔버(14)로부터 방출된 후의 냉각제(10)의 압력을 증가시키기 위해 사용될 수 있고, 이로써, 필요하다면, 허용가능한 주변 방출 온도는 높게 제공될 수 있다. 부스트 압축기에 대한 동력은 냉각 시스템(30)을 가동시키기 위해 사용된 동일한 냉각제(10)로 구동된 터빈(70)에 의해 또는 보조 동력에 의해 제공될 수 있고, 그리고 냉각 시스템(30)에 대해 사용된 사이클 및 동일한 원리들에 의해 터빈 흡입 밸브(72) 및 배기 밸브(74)를 제어할 수 있다.

밸브들(32, 24, 72 및 74) 및 다른 동작 파라미터들의 타이밍에서 작은 변화가 본 발명의 본질을 변화시키지 않고 구현될 수 있다는 것은 해당 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들면, 챔버(14)에 냉각제가 추가되기에 앞서서, 만약 냉각제(10)에 추가된 과열량이 있는 경우에, 상기 과열량은 서로 다른 동작 온도를 이루기에 구현될 수 있다.

시스템 설계 : 열 기관과 가열 펌프 사이의 균형

도 2 내지 5는 열 기관 사이클 및 가열 펌프 사이클이 태양 열과 같은 열을 냉각으로 전환시키기 위해 어떻게 상호 작용될 수 있는지에 대한 실시예를 제시한다.

열 기관(90)에 의해 제공된 입력 작동이 가열 펌프(92) 및 시스템 손실에 의해 사용된 작동과 일치하도록 시스템을 설계하기 위한 주의가 있어야 한다. 사이클 당 작동 입력은 도 4에 도시된 PV 곡선에 의해 둘러싸인 영역으로 제시된다. 사이클 당 출력 작동은 도 5에 도시된 PV 곡선에 의해 둘러싸인 영역으로 제시된다.

열 기관(90) 팽창 행정에 의해 제공된 작동은, U-관(80)의 2 개의 측면들 사이에서 유압 헤드 오프셋(hydraulic head offset)에 의해 실행된 작동 및 PV 작동 모두로 구성된다. 시스템의 운동 에너지는 상사점(20) 및 하사점(22) 모두에서 제로로 접근하여, 상기 운동 에너지는 작동 균형 계산에 영향을 끼치지 않는다. 설계 동안에, 상기 헤드 오프셋은 작동 균형을 얻는데 도움을 주기 위해서 조정될 수 있으면서, 원하는 동작 압력 및 온도를 이룰 수 있다.

제조의 방법, 장치 및 부품의 특정 예가 본원에서 기술되었지만, 본원의 권리 범위는 이에 한정되지 않는다. 반대로, 본원은 축어적으로 또는 균등성의 원칙으로 첨부된 청구항의 권리 범위 내에 완전하게 내포된 제조의 모든 방법, 장치 및 부품을 포함한다.

Claims (21)

1. 냉각하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
   a) 냉각제를 공급하는 시스템을 제공하는 단계,
   b) 상기 냉각제로부터 엔탈피를 제거하는 응축기를 제공하여, 액체 냉각제를 형성하기 위해 상기 냉각제의 적어도 일부가 응축되게 하는 단계,
   c) 상기 액체 냉각제의 압력을 감소시키는 응축기와 연통된 증발기를 제공하여, 상기 액체 냉각제의 적어도 일부가 상기 냉각제로부터 열이 제거되도록 하는 증기를 형성하는 단계,
   d) 냉각제를 포함할 수 있고, 추가로 압축 단계 및 팽창 단계를 형성할 수 있는 피스톤 장치를 제공하는 단계,
   e) 상기 응축기 및 상기 증발기에 상기 피스톤 장치를 동작적으로(operatively) 연결시키는 단계
   를 포함하고,
   f) 상기 피스톤 장치의 압축 단계는 상기 응축기에 냉각제를 제공하고,
   g) 상기 피스톤 장치의 팽창 단계는 상기 증발기로부터 냉각제를 수용하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시스템부터 외부 환경으로 열을 이동시키는 열 교환기에 관련된 상기 응축기를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   인클로져로부터 상기 시스템 내로 열을 이동시키는 열 교환기에 관련된 상기 증발기를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각제에 열이 나게 하는 상기 압축 단계에 작동을 추가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 피스톤 장치에 연결되는 적어도 하나의 밸브를 더 포함하고;
   a) 상기 방법은, 상기 피스톤의 압축 단계 상태에서, 상기 응축기에 냉각제를 제공하기 위해 밸브를 개폐하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 팽창 단계 동안 상기 증발기에서 압력 인출을 낮게 생성시키고, 상기 액체 냉각제가 증발되어 상기 증발기에 냉각을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 증발기에서 액체 냉각제가 순간적으로 증발되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   발진(oscillation)을 생성시키는 단계를 더 포함하고,
   상기 피스톤 장치의 압축 단계 및 팽창 단계는 교호적인 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 피스톤 장치는 U-관 농축기와 일체형으로 되고,
   상기 U-관 농축기는 피스톤을 구비한 챔버를 포함하고, 액체 연결 로드에 의해 열 기관에 연결된 피스톤을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    공진 주파수에서 또는 상기 공진 주파수 부근에서, 상기 U-관 농축기에서의 발진을 생성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    태양열 수집기(solar collector)로부터 다량의 에너지를 수용하는 열 기관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 태양열 수집기로부터의 다량의 에너지를, 인클로져로부터 상기 시스템으로 이동된 다량의 열과 제어가능하게 일치시키는 단계(matching)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 11 항에 있어서,
    저급열 에너지(low grade thermal energy)를 저장하는 저장부 또는 탱크를 더 포함하고,
    상기 방법은, 상기 U-관 농축기를 가동시키기 위해 상기 저장부 또는 탱크로부터, 이전에 저장된 저급열 에너지를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 냉각 시스템의 응축기 및 증발기의 동작을 조절하는 방법으로서, 압축기 소자 및 증발기 소자로부터 흐르는 냉각제가 펄스화되는(pulsed) 방법에 있어서, 상기 방법은:
    a) 응축기를 통해 냉각제의 펄스형 흐름을 제공하는 단계,
    b) 상기 응축기에서 상기 냉각제를 액상(liquid phase)으로 응축시키는 단계,
    c) 상대적으로 높은 압력으로 수집기에서 냉각제의 풀(pool)을 형성하는 단계,
    d) 상기 수집기의 풀로부터 상기 냉각제를 인출하는 단계,
    e) 상기 냉각제를, 압력 조절 밸브를 통하여 흐르게 하는 단계(상기 밸브는 상기 압력 조절 밸브에 걸쳐서 실질적으로 일정한 흐름을 제공하도록 하는 크기를 가짐),
    f) 증발기를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 증발기는 열을 수용하는 열 교환기, 상기 열 교환기에 실질적으로 둘러싸인 냉각제 저장부를 포함하고, 상기 냉각제 저장부는 펄스형 증발 과정 동안 상기 열 교환기를 실질적으로 물에 잠기도록(submerge) 충분한 냉각제를 수용하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 냉각하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    a) 냉각제를 포함할 수 있는 챔버
    를 포함하고,
    b) 상기 챔버는 이동가능한 피스톤과 연결되고,
    c) 후방 행정 및 전방 행정(back and forth strokes)이 가능한 상기 피스톤은 상기 냉각제에 관한 압축 단계 및 팽창 단계를 포함하고,
    d) 상기 챔버는 응축기 및 증발기와 동작적으로 더 연결되어,
    e) 상기 피스톤의 후방 행정 및 전방 행정은 냉각 사이클을 생성하기 위해 상기 응축기 및 상기 증발기와 연동하여 작동되는 것을 특징으로 하는 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 냉각제는 클로로플루오로카본(chlorofluorocarbon)인 것을 특징으로 하는 하는 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 피스톤은 U-관 농축기와 일체형으로 되고, 상기 U-관 농축기는 열 기관 및 액체 연결 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 U-관 농축기는 태양열 수집기로부터의 출력의 형태로 열 에너지를 수용하는 것을 특징으로 하는 시스템.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 태양열 수집기의 출력 및 상기 냉각 사이클의 출력은 일치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
20. 제 17 항에 있어서,
    태양열 수집기는 저장 시스템에 관련되어 작동을 하고, 이로 인해, 가열된 물은 나중에 사용되기 위해 저장되는 것을 특징으로 하는 시스템.
21. a) 열의 형태로 에너지를 모으는 태양열 수집기,
    b) 압축 행정 및 팽창 행정을 포함하는 왕복 행정의 형태로 피스톤 장치에 작동을 제공하는 U-관 농축기,
    c) (상기 피스톤 장치는 피스톤, 상기 피스톤을 포함하는 챔버, 배기 밸브, 흡입 밸브를 더 포함함),
    d) 냉각제를 공급하는 수단
    을 포함하고;
    e) 상기 배기 밸브는 응축기와 연결되고, 상기 피스톤 장치의 압축 행정과 연동하여, 높은 압력 냉각제는 상기 응축기에 공급되고,
    f) 상기 응축기는 증기상으로부터 액상까지 냉각제의 상(phase)을 변화시키는 수단을 가지고,
    g) 상기 응축기는 추가로 압력을 감소시키는 압력 조절기와 동작적으로 연결되고,
    h) 상기 압력 조절기는 추가로 증발기와 연결되고,
    i) 상기 증발기는 열 교환기와 동작적으로 연결되는 냉각제 저장부를 포함하고,
    j) 상기 증발기는 상기 피스톤 장치의 흡입 밸브와 동작적으로 연결되고, 상기 피스톤 장치의 팽창 행정과 연동되고, 그 결과 상기 팽창 챔버에서의 압력은 감소되어 상기 저장부에서 냉각제 액체를 인출하고, 이로 인해, 상기 냉각제 액체의 적어도 일부는 증발되고,
    k) 상기 열 교환기는 흡열 수단 및 방열 수단을 더 포함하고, 상기 방열 수단은 상기 열 교환기로부터 엔탈피를 제거하기 위해 상기 저장부와 연통되고, 상기 흡열 수단은 인클로져와 연통되어, 상기 인클로져는 냉각되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.

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