KR20150110015A - 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템 - Google Patents

프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템에 관한 것으로, 냉각부하로부터 순환수를 회수하는 순환수 회수관에 순환수의 유로를 양방향으로 선택적으로 전환할 수 있는 삼방밸브를 연결하고, 실외의 냉각탑에는 외기를 공급할 수 있는 외기공급팬과, 상기 외기공급팬에 의하여 공급된 외기에 의하여 순환수를 냉각하는 순환수-외기 열교환기를 마련하고, 냉각부하에 순환수를 공급하는 순환수 공급관에는 냉동사이클의 증발 코일이 내장된 순환수-냉매 열교환기를 연결하여, 프리쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클의 운전을 중단한 채 냉각부하에서 회수한 순환수를 삼방밸브에 의하여 냉각탑에 마련된 상기 순환수-외기 열교환기에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기에 회수하여 다시 냉각부하에 보내고, 혼합 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 상기 냉각부하에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브에 의하여 상기 냉각탑의 순환수-외기 열교환기에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기에 회수하고 상기 순환수-냉매 열교환기에서 냉동사이클에 의하여 재냉각한 후 상기 냉각부하에 보내고, 냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 냉각부하에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브에 의하여 상기 순환수-냉매 열교환기에 직접 보내 증발 코일에 의하여 냉각한 후 상기 냉각부하에 보낸다.

Description

프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템{ECONOMIC COOLING SYSTEM UTILZING FREE COOLING AND REFRIGERATING CYCLE}
본 발명은 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 외기 온도 변화에 따라 외기를 이용하는 프리쿨링과 압축 냉매를 이용하는 냉동사이클을 적절히 혼합 또는 변경해 가면서 방열 장비가 설치된 룸이나 방열 장비 자체를 최소의 전력 소모로 냉각 시켜 동작에 필요한 적정 온도로 유지시켜 줄 수 있는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템에 관한 것이다.
컴퓨터 장비, 반도체 등의 생산 장비, MRI 등의 의료장비 등은, 동작하는 과정에서 많을 열을 외부에 방출하는 방열 장비(이하, 이들을 냉각부하라고도 함)이다. 컴퓨터 장비가 설치된 데이터 센터, 반도체 등의 생산 장비가 설치된 크린룸, MRI 등 의료장비가 설치된 병원검사실 등은 별도의 냉각 장치를 구비하지 않으면 룸 온도가 고온으로 상승하고, 룸 온도가 장비의 동작 온도 범위를 벗어나면 이들 장비는 정상적으로 작동하지 않는다. 따라서, 이들 장비는 장비 자체의 발열부를 순환수나 냉각공기로 직접 냉각시키거나, 이들 장비가 설치된 룸을 순환수나 냉각공기로 냉각시켜 주어야 한다.
일본특허공개공보 특개평8-114347호, 일본특허공개공보 특개2004-132651호, 일본특허공개공보 특개2011-12904호 등에는 방열장비를 냉각하는 냉열원으로, 외기에 의한 프리쿨링(free cooling)과 압축기를 이용한 냉동사이클을 선택적으로 사용하는 냉열원 장치가 개시되어 있다. 그러나, 이들 공지 특허에서는 냉동사이클과 프리쿨링 장치가 서로 기능적으로 결합되지 못하고 독립적으로 구성되고 선택적으로만 운용됨으로써, 우선 시스템 전체 구성이 복잡하고, 특히 냉각부하가 클 경우, 봄 가을철에 적절한 수준의 냉열원을 제공하지 못하는 단점이 있다. 또한 이들 공지 특허에 의하면, 부하 변동이 심한 냉각부하에 냉열원을 공급할 경우, 냉각부하의 부하 변동에 실시간으로 즉시 대응하여 순환수(냉각수)의 온도를 변화시키기 어려운 단점도 있다.
본 발명은 상술한 프리쿨링 및 냉동사이클을 이용한 종래 냉각시스템의 단점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는, 외기 온도 변화에 따라 외기를 이용하는 프리쿨링과 압축 냉매를 이용하는 냉동사이클을 적절히 혼합 또는 변경해 가면서 방열 장비가 설치된 룸이나 방열 장비 자체를 최소의 전력 소모로 냉각 시켜 동작에 필요한 적정 온도로 유지시켜 줄 수 있는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2과제는, 외기 온도가 영상을 유지하는 봄 가을철에, 냉각부하가 큰 경우에도, 전력소비를 최소화하면서, 적절한 수준의 냉열원을 냉각부하에 공급할 수 있는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3과제는, 프리쿨링 시스템의 구성요소와 냉동사이클 시스템의 구성요소를 유기적으로 결합하여 최소한의 부품으로 콤팩트하게 구성할 수 있는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제4과제는, 냉각부하의 부하 변동이 매우 심한 경우에도, 냉각부하의 부하 변동에 실시간으로 즉시 대응하여 순환수의 온도를 적정 온도로 냉각시킬 수 있는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 제1과제 및 제2과제는, 냉각 시스템을, 냉각부하로부터 순환수를 회수하는 순환수 회수관에 순환수의 유로를 양방향으로 선택적으로 전환할 수 있는 삼방밸브를 연결하고, 실외의 냉각탑에는 외기를 공급할 수 있는 외기공급팬과, 상기 외기공급팬에 의하여 공급된 외기에 의하여 순환수를 냉각하는 순환수-외기 열교환기를 마련하고, 냉각부하에 순환수를 공급하는 순환수 공급관에는 냉동사이클의 증발 코일이 내장된 순환수-냉매 열교환기를 연결하여, 프리쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클의 운전을 중단한 채 냉각부하에서 회수한 순환수를 삼방밸브에 의하여 냉각탑에 마련된 상기 순환수-외기 열교환기에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기에 회수하여 다시 냉각부하에 보내고, 혼합 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 상기 냉각부하에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브에 의하여 상기 냉각탑의 순환수-외기 열교환기에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기에 회수하고 상기 순환수-냉매 열교환기에서 냉동사이클에 의하여 재냉각한 후 상기 냉각부하에 보내고, 냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 냉각부하에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브에 의하여 상기 순환수-냉매 열교환기에 직접 보내 증발 코일에 의하여 냉각한 후 상기 냉각부하에 보내도록 구성함으로써 해결할 수 있다.
상술한 본 발명의 제3과제는, 상기 냉각탑의 중심부에 송풍 공간을 확보하고, 상기 순환수-외기 열교환기는 상기 송풍 공간 둘레에 설치하고, 상기 순환수-외기 열교환기 외측에는 상기 냉동사이클의 냉매-외기 열교환기를 인접하여 설치하고, 상기 외기공급팬은 상기 송풍 공간 상부에 배치하여 외기가 상기 송풍 공간과 상기 순환수-외기 열교환기와 상기 냉매-외기 열교환기를 순차로 통과할 수 있게 하고, 상기 냉매-외기 열교환기의 상부에는 상기 냉매-외기 열교환기에 물을 살수할 수 있는 노즐을 배치하고, 상기 냉매-외기 열교환기의 하부에는 상기 노즐에서 분사되어 상기 냉매-외기 열교환기에 살수된 물 가운데 증발하지 않은 물을 회수하는 드레인 수조을 마련하여, 프리쿨링 모드에서는 상기 외기공급팬을 가동하여 순환수-외기 열교환기를 통과하는 순환수를 외기로 냉각하고, 혼합 쿨링 모드에서는 상기 외기공급팬을 가동하여 순환수-외기 열교환기를 통과하는 순환수를 외기로 냉각한 후 순환수-외기 열교환기를 통과한 외기가 다시 냉매-외기 열교환기를 통과하게 하여 냉매-외기 열교환기에 유입한 냉매를 응축시키게 하며, 냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 노즐에 의하여 상기 냉매-외기 열교환기에 물을 분사하면서 상기 외기공급팬을 가동하여 증발하는 물과 외기가 냉매-외기 열교환기에 유입된 냉매를 응축시키게 함으로써 해결할 수 있다.
상술한 본 발명의 제4과제는, 상기 외기공급팬으로 속도 가변형 팬을 사용하고, 상기 순환수-냉매 열교환기의 순환수 입수측에는 제1온도센서를 구비하여, 상기 각 쿨링 모드에서 상기 제1온도센서의 측정온도와 순환수의 적정 회수온도간의 온도차에 비례하여 상기 외기공급팬의 속도를 가변함으로써 해결할 수 있다.
본 발명에 의하면, 프리쿨링 시스템의 구성요소와 냉동사이클의 구성요소를 순환수-냉매 열교환기와 냉각탑에서 유기적으로 결합하여 프리쿨링 모드와, 냉동사이클 쿨링 모드와, 혼합 쿨링 모드에서 공통으로 사용할 수 있도록 함으로써, 전체 냉각 시스템이 매우 컴팩트하게 되고, 외기 온도 변화에 따라 외기를 이용하는 프리쿨링과 압축 냉매를 이용하는 냉동사이클을 선택적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 혼합하여 사용할 수 있으므로, 외기 온도가 영상을 유지하는 봄 가을철에, 냉각부하가 큰 경우에도, 전력소비를 최소화하면서, 적절한 수준의 냉열원을 냉각부하에 공급할 수 있으며, 각 쿨링 모드에서, 외기공급팬의 속도를 가변하여 부하 변동에 비례하는 외기를 순환수-외기 열교환기 및 냉매-외기 열교환기에 즉시 공급하므로, 냉각부하의 부하 변동이 매우 심한 경우에도, 냉각부하의 부하 변동에 실시간으로 즉시 대응하여 순환수의 온도를 적정 온도로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉각탑 주변에 대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 프리 쿨링 모드 운전시 순환수 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 혼합 쿨링 모드 운전시 순환수 및 냉매 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 냉동사이클 쿨링 모드 운전시 순환수 및 냉매 흐름도이다.
이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템의 구체적인 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 냉각부하(1)에 냉각된 순환수를 공급하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 순환수는 직접 냉각부하에 공급될 수도 있고, 순환수 탱크(도면에 미표시)에 저장하여 공급할 수도 있다. 냉각부하(1)에 공급된 순환수는 공기와 열교환하여 방열 장비에 공급되거나 직접 방열 장비에 공급된다.
본 발명은 외기에 의하여 순환수를 냉각하는 냉각탑(59)과 압축 냉매 순환에 의하여 순환수를 냉각하는 냉동사이클을 포함한다.
상기 냉각탑(59)에는 순환수와 외기가 열교환하는 순환수-외기 열교환기(17)가 설치된다.
상기 냉동사이클은 냉매를 고온 고압의 가스냉매로 압축하는 압축기(39)와, 고온고압의 가스냉매에 포함된 오일을 분리하는 오일분리기(45)와, 고온고압의 가스냉매를 외기와 열교환시켜 액냉매로 응축시키는 냉매-외기 열교환기(11)와, 냉매-외기 열교환기(11)에 응축된 냉매를 저장하는 수액기(47)와, 액냉매와 압축기에 흡입되는 저온저압 가스냉매간에 열교환이 이루어지게 하여 액냉매를 과냉시키고 저온저압 가스냉매를 과열시키는 액열기(49)와, 상기 액냉매에 포함된 수분과 이물질을 제거하는 필터드라이어(51)와 액냉매를 팽창시켜 압력이 낮은 상태로 증발코일(31)에 투입하는 팽창밸브(55)와 수탱크(33)를 통과하는 순환수와 증발코일(31)을 통과하는 냉매간의 열교환으로 순환수를 냉각하는 순환수-냉매 열교환기(35)를 냉매관(L1, L2, L3)으로 연결하여 구성할 수 있다. 상기 압축기의 흡입측과 토출측에는 각각 저압스위치(41)와 고압스위치(43)를 연결하여 압축기(39)의 흡입 압력이 일정치 이하로 떨어지거나 압축기 흡입 압력이 일정치 이상으로 상승하면 압축기(39)의 전원을 차단한다. 상기 압축기로는 압축기의 회전수를 제어할 수 있는 인버터형 가변속 압축기를 사용한다. 본 발명은 후술하는 혼합 쿨링 모드에서 순환수 냉각의 일부를 외기에 의한 프리쿨링으로 수행하므로, 이때 압축기의 회전수를 제어하여 압축기의 용량을 제어할 필요가 있기 때문에 인버터형 가변속 압축기를 사용하는 것이다. 후술하는 바와 같이, 인버터형 가변속 압축기는 냉각부하의 부하 변동에 대응하여 순환수를 적정 온도로 냉각하기 위해서도 사용할 수 있다.
상기 냉가부하(1)와 상기 순환수-냉매 열교환기는 순환수 공급관(P1)과 순환수 회수관(P2, P5)으로 연결한다. 상기 순환수 회수관(P2, P5)에는 순환수가 상기 순환수-외기 열교환기(17)를 우회할 수 있도록 수코일 투입관(P3)과 수코일 배출관(P4)을 연결한다. 수코일 배출관(P4)으로 배출된 순환수는 다시 순환수 회수관(P2)에 합류하여 상기 순환수-냉매 열교환기(35)의 수탱크(33)에 유입되게 수관을 연결한다. 상기 수코일 배출관(P4)에는 역류 방지용 체크밸브(25)를 마련한다. 상기 순환수 회수관(P2, P5) 또는 순환수 공급관(P1) 중의 적어도 1곳에는 제1펌프(3a)를 마련하여 순환수를 강제 순환시킬 수 있게 한다.
본 발명의 특징중 하나는, 냉각부하(1)로부터 순환수를 회수하는 상기 순환수 회수관(P2)에 순환수의 유로를 양방향으로 선택적으로 전환할 수 있는 삼방밸브(5)를 연결하고, 실외의 상기 냉각탑(59)에는 외기를 공급할 수 있는 외기공급팬(21)과, 상기 외기공급팬(21)에 의하여 공급된 외기에 의하여 순환수를 냉각하는 순환수-외기 열교환기(17)를 마련하고, 냉각부하(1)에 순환수를 공급하는 순환수 공급관(P1)에는 냉동사이클의 증발 코일(31)이 내장된 상기 순환수-냉매 열교환기(35)를 연결하여, 도 3에 도시된 바와 같이 프리쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클의 운전을 중단한 채 냉각부하(1)에서 회수한 순환수를 삼방밸브(5)에 의하여 냉각탑(59)에 마련된 상기 순환수-외기 열교환기(17)에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에 회수하여 다시 냉각부하(1)에 보내고, 도 4에 도시된 바와 같이 혼합 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 상기 냉각부하(1)에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브(5)에 의하여 상기 냉각탑(59)의 순환수-외기 열교환기(17)에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에 회수하고 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에서 냉동사이클에 의하여 재냉각한 후 상기 냉각부하(1)에 보내고, 도 5에 도시된 바와 같이 냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 냉각부하(1)에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브(5)에 의하여 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에 직접 보내 증발 코일(31)에 의하여 냉각한 후 상기 냉각부하(1)에 보내는 데 있다. 이때 혼합 쿨링 모드에서는 냉동사이클의 압축기 속도를 50%이상 감속하여 냉동사이클에서의 전력 소모를 대폭 줄인다.
프리쿨링 모드 운전은 주로 동절기에 외기의 온도가 제1온도(예를 들어 0℃) 이하일 때 행해지고, 혼합 쿨링 모드 운전은 주로 봄 또는 가을 철에 외기 온도가 제1온도 초과 제2온도(예를 들어 25℃) 이하일 때 행해지고, 냉동사이클 쿨링 모드 운전은 주로 하절기에 외기 온도가 제3온도(예를 들면 25℃)초과일 때 행해질 수 있다. 각 쿨링 모드의 운전 조건은 필요에 따라 적절히 변경할 수 있다. 예를 들어 제3온도는 방열 장비가 설치된 내부 온도로 정할 수도 있다.
본 발명의 다른 특징은 상기 냉각탑(59) 구조에 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉각탑(59)에는 중심부에 송풍 공간(19)을 확보하고, 상기 순환수-외기 열교환기(17)는 상기 송풍 공간(19) 둘레에 설치하고, 상기 순환수-외기 열교환기(17) 외측에는 상기 냉동사이클의 냉매-외기 열교환기(11)를 인접하여 설치하고, 상기 외기공급팬(21)은 상기 송풍 공간(19) 상부에 배치하여 외기가 상기 송풍 공간(19)과 상기 순환수-외기 열교환기(17)와 상기 냉매-외기 열교환기(11)를 순차로 통과할 수 있게 하고, 상기 냉매-외기 열교환기(11)의 상부에는 상기 냉매-외기 열교환기(11)에 물을 살수할 수 있는 노즐(23)을 배치하고, 상기 냉매-외기 열교환기(11)의 하부에는 상기 노즐(23)에서 분사되어 상기 냉매-외기 열교환기(11)에 살수된 물 가운데 증발하지 않은 물을 회수하는 드레인 수조(57)을 마련한다.
상기 순환수-외기 열교환기(17)와 냉매-외기 열교환기(11)는 송풍 공간(19)을 중심으로 2방향, 3방향 또는 4방향에 설치할 수 있다. 상기 순환수-외기 열교환기(17)는 순환수가 통과하는 수코일(13)과 수코일(13)이 관통하는 다수의 판형 금속 핀(fin)(15)으로 형성되고, 순환수의 열은 수코일과 핀 표면으로 이동한 후 외기에 전달된다. 상기 냉매-외기 열교환기(11)는 냉매가 통과하는 냉매코일(7)과 냉매코일이 관통하는 다수의 판형 금속 핀(fin)(9)으로 형성되고, 압축기에서 유입된 고온고압의 가스냉매는 냉매-외기 열교환기(11)를 통과하는 외기에 열을 방출하면서 액냉매로 응축된다.
상기 드레인 주조(57)에는 분사수 배출관(P6)이 연결되고 분사수 배출관(P6)에는 수동으로 개폐하는 코크(27)를 구비하여 프리쿨링 모드 운전시나 혼합 쿨링 모드 운전시 드레인 수조의 물을 외부에 배출한다. 상기 노즐(23)에는 분사수 공급관(P7)을 연결하고 분사수 공급관(P7)에는 수동으로 개폐하는 코크(27)와 전기의 투입 및 차단으로 개폐하는 전자밸브(29)를 설치한다. 냉동사이클 모드 운전 초기에 상기 분사수 공급관(P7)에 설치된 코크(27)를 열고 일정시간(드레인 수조의 수위가 일정 수위에 도달할 때까지) 외부에서 시수(市水)를 공급한다. 상기 분사수 배출관(P6)과 분사수 공급관(P7) 사이에는 상기 각 코크(27) 및 전자밸브(29) 상부에 분사수 순환관(P8)을 연결하고 분사수 순환관(P8)에는 제2펌프(3b)를 연결하여 냉동사이클 쿨링 모드 운전시 드레인 수조(57)의 분사수를 노즐(23)에 공급한다. 드레인 수조(57)의 수위가 일정 수위이하로 떨어진 경우나 상기 전자밸브(29) 폐쇄 후 일정시간이 도관된 후에는 주기적으로 상기 전자밸브(29)를 다시 열어 증발되어 줄어든 분사수를 보충하다.
이와 같은 구조의 냉각탑(59)에 의하여 본 발명은, 프리쿨링 모드에서는 상기 외기공급팬(21)을 가동하여 순환수-외기 열교환기(17)를 통과하는 순환수를 외기로 냉각하고, 혼합 쿨링 모드에서는 상기 외기공급팬(21)을 가동하여 순환수-외기 열교환기(17)를 통과하는 순환수를 외기로 냉각한 후 순환수-외기 열교환기(17)를 통과한 외기가 다시 냉매-외기 열교환기(11)를 통과하게 하여 냉매-외기 열교환기(11)에 유입한 냉매를 응축시키게 하며, 냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 노즐(23)에 의하여 상기 냉매-외기 열교환기(11)에 물을 분사하면서 상기 외기공급팬(21)을 가동하여 증발하는 물과 외기가 냉매-외기 열교환기(11)에 유입된 냉매를 응축시키게 한다.
본 발명의 다른 특징은 외기공급팬(21)을 온오프(on-off)제어하지 않고, 지속적으로 가동하면서 속도 제어하여 냉각부하의 변동에 대응할 수 있게 한 데 있다. 이를 위하여, 본 발명은 상기 외기공급팬(21)으로 속도 가변형 팬을 사용한다. 상기 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 입수측에는 제1온도센서(37a)를 구비하여, 상기 각 쿨링 모드에서 상기 제1온도센서(37a)의 측정온도와 순환수의 적정 회수온도간의 온도차에 비례하여 상기 외기공급팬(21)의 속도를 가변한다. 상기 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 출수측에 제2온도센서(37b)를 구비하여, 상기 각 쿨링 모드에서 상기 제2온도센서(37b)의 측정온도와 순환수의 적정 공급온도간의 온도차에 비례하여 상기 외기공급팬(21)의 속도를 가변할 수도 있다.
혼합 쿨링 모드에서 운전하거나 냉동사이클 쿨링 모드에서 운전할 경우, 상기 제1온도센서(37a)의 측정온도와 순환수의 적정 회수온도간의 온도차 또는 상기 제2온도센서(37b)의 측정온도와 순환수의 적정 공급온도간의 온도차에 의하여 상기 외기 공급팬(21)의 속도를 가변할 때는 상기 냉동사이클의 압축기 속도도 함께 가변하여 압축기 용량을 부하 변동에 맞게 변동시킬 수 있다.
혼합 쿨링 모드에서 운전할 때, 프리쿨링만으로 순환수가 충분히 냉각될 때는 순환수-냉매 열교환기(35)에서 냉매는 열을 충분히 흡수하지 못하고, 압축기(39) 흡입측의 압력은 크게 낮아 질 수 있다. 지나치게 낮은 압력의 가스 냉매가 압축기(39)에 흡입될 경우 압축비의 이상 상승으로 압축기 내부 온도가 이상 상승하여 오일이 타는 등의 이유로 압축기가 고장 날 수 있으므로, 압축기(39)의 토출측의 고압냉매관(L1)과 압축기(39)의 흡입측 저압냉매관(L3) 사이에는 압축기(39) 흡입측 압력이 설정 압력 이하로 떨어지면 열려 압축기(39) 토출측의 고압 가스냉매를 압측기 흡입측에 흐르게 하는 용량조절밸브(4)를 부착하여, 순환수 온도 변화를 미세한 범위 (±1℃ 이내)로 제한하고 압축기(39)를 보호하는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 프리 쿨링 모드 운전과, 혼합 쿨링 모드 운전과, 냉동사이클 모드 운전을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 절전형 냉각 시스템의 프리 쿨링 모드 운전 상태를 보여준다. 프리 쿨링 모드 운전은 외기 온도가 O℃ 이하인 동절기에 냉각부하의 냉각에 사용할 수 있다. 프리 쿨링 모드에서 제1펌프(3a)와 외기공급팬(21)은 가동하고, 제2펌프(3b)는 중지하며, 냉동사이클의 압축기(39)는 정지한다. 또한, 삼방밸브(5)는 a포트와 b포트를 연결하여 순환수가 순환수-외기 열교환기(11)를 거쳐서 순환수-냉매 열교환기(35)에 유입된 후 냉각부하(1)에 공급되게 한다. 냉각탑(59)의 외기공급팬(21)은 상술한 바와 같이 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 입수측 온도 또는 출수축 온도를 기준으로 속도가 가변되면서 외기를 순환수-외기 열교환기(11)에 공급하여 외기만으로 순환수를 냉각한다. 따라서, 낮은 소비 전력으로 냉각부하를 냉각하면서, 동시에 냉각부하의 부하 변동에 즉시 대응하여 순환수의 적정한 냉각 온도를 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 절전형 냉각 시스템의 혼합 쿨링 모드 운전 상태를 보여준다. 혼합 쿨링 모드 운전은 외기 온도가 0℃를 초과하고 25℃ 이하인 봄철이나 가을철에 냉각부하의 냉각에 사용할 수 있다. 혼합 쿨링 모드에서 제1펌프(3a)와, 외기공급팬(21)과, 냉동사이클의 압축기(39)는 가동하고, 제2펌프(3b)는 중지한다. 또한, 냉동사이클의 압축기(39)는 압축기 최대용량의 30% 내지 70% 범위 내를 유지하도록 속도를 가변하여 운전한다. 또한, 삼방밸브(5)는 a포트와 b포트를 연결하여 순환수가 순환수-외기 열교환기(11)를 거쳐서 순환수-냉매 열교환기(35)에 유입된 후 냉각부하(1)에 공급되게 한다. 냉각탑(59)의 외기공급팬(21)은 상술한 바와 같이 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 입수측 온도 또는 출수축 온도를 기준으로 속도가 가변되면서 외기를 순환수-외기 열교환기(11)에 공급하여 순환수를 1차 냉각하고, 냉동사이클은 순환수-냉매 열교환기(35)에서 냉매 증발에 의하여 순환수를 2차 냉각한다. 이때 냉동사이클의 압축기(39) 속도는 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 입수측 온도 또는 출수축 온도를 기준으로 가변한다. 외기공급팬(21)에서 공급된 외기는 송풍공간(19)과 순환수-외기 열교환기(17)와 냉매-외기 열교환기(11)를 순차로 지나면서 먼저 순환수를 냉각시키고, 다음 가스냉매를 액냉매로 응축시킨다. 따라서, 1개의 외기공급팬(21)으로 프리 쿨링 모드 운전과 냉동사이클 쿨링 모드 운전을 동시에 수행할 수 있다. 따라서, 압축기(39) 뿐만 아니라 외기공급팬(21)에서의 전력 소모를 최소화하면서 효과적으로 냉각부하에 적정한 수준의 냉각수를 공급할 수 있고, 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템의 구조를 매우 컴팩트하게 구성할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 절전형 냉각 시스템의 냉동사이클 쿨링 모드 운전 상태를 보여준다. 냉동사이클 쿨링 모드 운전은 외기 온도가 실내 온도(예를 들어 25℃)보다 더 높은 하절기에 사용할 수 있다. 외기 온도가 실내 온도보다 더 높은 경우에는 프리 쿨링에 의한 순환수 냉각이 어렵기 때문이다. 냉동사이클 쿨링 모드에서는 제1펌프(3a)와, 외기공급팬(21)과, 냉동사이클의 압축기(39)와, 제2펌프(3b)를 모두 가동한다. 또한, 외기공급팬(21)에서 공급한 외기는 냉동사이클의 냉매-외기 열교환기에서 가스냉매를 응축시키는데 모두 사용한다. 이를 위해, 삼방밸브(5)는 a포트와 c 포트를 연결하여 순환수가 순환수-외기 열교환기(11)를 거치지 않고 직접 순환수-냉매 열교환기(35)에 유입된 후 냉각부하(1)에 공급되게 한다. 냉동사이클의 냉매는 압축기(39)->오일분리기(45)->냉매-외기 열교환기(11)->수액기(47)->액열기(49)->필터드라이어(51)->사이트 그라스(53)->팽창밸브(55)->증발코일(31)->액열기(49)->압축기를 순차 순환하면서 순환수-냉매 열교환기에서 냉매 증발에 의하여 순환수를 냉각한다. 이과정에서 제2펌프(3b)는 분사수를 노즐(23)에 공급하여 냉매-외기열교환기(11) 표면에서 물이 증발하면서 냉매 응축을 원활하게 한다. 이과정에서도 이때 냉동사이클의 압축기(39) 속도와 외기공급팬(21)의 속도는 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 입수측 온도 또는 출수축 온도를 기준으로 가변하여 냉각부하의 부하 변동에 대응한다.
본 발명에 따른 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템은 독립적으로 설치되어 단독으로 운영될 수도 있지만, 네트워크에 연결하여 원격에서 펌프(3a, 3b), 외기공급팬(21), 압축기(39)의 운전 상태, 압축기(39)의 토출압력 및 흡입압력, 순환수 온도 등을 확인하고 제어할 수 있게 구성하는 것이 바람직하다.
1 : 냉각부하 3a, 3b : 펌프
5 : 삼방밸브(3-way valve) 7 : 냉매코일
9 : 핀(fin) 11 : 냉매-외기 열교환기
13 : 수(水)코일 15 : 핀(fin)
17 : 순환수-외기 열교환기 19 : 송풍공간
21 : 외기공급팬(fan) 23 : 노즐
25 : 체크밸브 27 : 크크(cock)
29 : 전자밸브(solenoid valve) 31 : 증발 코일
33 : 수(水)탱크 35 : 순환수-냉매 열교환기
37a, 37b : 온도센서 39 : 압축기
41 : 저압스위치 43 : 고압스위치
45 : 오일분리기 47 : 수액기
49 : 액열기 51 : 필터드라이어(filter drier)
53 : 사이트 그라스(sight glass) 55 : 팽창밸브
57 : 드레인 수조(drain pan) 59 : 냉각탑
L1 ~ L3 : 냉매관 P1 ~ P8 : 수관

Claims (3)

  1. 냉각부하(1)로부터 순환수를 회수하는 순환수 회수관(P2)에 순환수의 유로를 양방향으로 선택적으로 전환할 수 있는 삼방밸브(5)를 연결하고, 실외의 냉각탑(59)에는 외기를 공급할 수 있는 외기공급팬(21)과, 상기 외기공급팬(21)에 의하여 공급된 외기에 의하여 순환수를 냉각하는 순환수-외기 열교환기(17)를 마련하고, 냉각부하(1)에 순환수를 공급하는 순환수 공급관(P1)에는 냉동사이클의 증발 코일(31)이 내장된 순환수-냉매 열교환기(35)를 연결하여,
    프리쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클의 운전을 중단한 채 냉각부하(1)에서 회수한 순환수를 삼방밸브(5)에 의하여 냉각탑(59)에 마련된 상기 순환수-외기 열교환기(17)에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에 회수하여 다시 냉각부하(1)에 보내고,
    혼합 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 상기 냉각부하(1)에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브(5)에 의하여 상기 냉각탑(59)의 순환수-외기 열교환기(17)에 보내 외기에 의하여 순환수를 냉각한 후 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에 회수하고 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에서 냉동사이클에 의하여 재냉각한 후 상기 냉각부하(1)에 보내고,
    냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 냉동사이클을 가동하면서 냉각부하(1)에서 회수한 순환수를 상기 삼방밸브(5)에 의하여 상기 순환수-냉매 열교환기(35)에 직접 보내 증발 코일(31)에 의하여 냉각한 후 상기 냉각부하(1)에 보내는 것을 특징으로 하는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각탑(59)에는 중심부에 송풍 공간(19)을 확보하고, 상기 순환수-외기 열교환기(17)는 상기 송풍 공간(19) 둘레에 설치하고, 상기 순환수-외기 열교환기(17) 외측에는 상기 냉동사이클의 냉매-외기 열교환기(11)를 인접하여 설치하고, 상기 외기공급팬(21)은 상기 송풍 공간(19) 상부에 배치하여 외기가 상기 송풍 공간(19)과 상기 순환수-외기 열교환기(17)와 상기 냉매-외기 열교환기(11)를 순차로 통과할 수 있게 하고, 상기 냉매-외기 열교환기(11)의 상부에는 상기 냉매-외기 열교환기(11)에 물을 살수할 수 있는 노즐(23)을 배치하고, 상기 냉매-외기 열교환기(11)의 하부에는 상기 노즐(23)에서 분사되어 상기 냉매-외기 열교환기(11)에 살수된 물 가운데 증발하지 않은 물을 회수하는 드레인 수조(57)을 마련하여, 프리쿨링 모드에서는 상기 외기공급팬(21)을 가동하여 순환수-외기 열교환기(17)를 통과하는 순환수를 외기로 냉각하고, 혼합 쿨링 모드에서는 상기 외기공급팬(21)을 가동하여 순환수-외기 열교환기(17)를 통과하는 순환수를 외기로 냉각한 후 순환수-외기 열교환기(17)를 통과한 외기가 다시 냉매-외기 열교환기(11)를 통과하게 하여 냉매-외기 열교환기(11)에 유입한 냉매를 응축시키게 하며, 냉동사이클 쿨링 모드에서는 상기 노즐(23)에 의하여 상기 냉매-외기 열교환기(11)에 물을 분사하면서 상기 외기공급팬(21)을 가동하여 증발하는 물과 외기가 냉매-외기 열교환기(11)에 유입된 냉매를 응축시키게 한 것을 특징으로 하는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외기공급팬(21)으로 속도 가변형 팬을 사용하고, 상기 순환수-냉매 열교환기(35)의 순환수 입수측에는 제1온도센서(37a)를 구비하여, 상기 각 쿨링 모드에서 상기 제1온도센서(37a)의 측정온도와 순환수의 적정 회수온도간의 온도차에 비례하여 상기 외기공급팬(21)의 속도를 가변하는 것을 특징으로 하는 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템.
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