KR20160014033A - 환경 친화적인 냉매를 사용하기 위한 열 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열 펌프(heat pump)는 내부 열 교환기 및 압축기의 출구에서의 작업 유체의 온도가 동일한 압력에서 이슬점 위의 특정 가능한 최소 간격이 되도록 설계하는 조절 장치를 포함한다. 열 펌핑 공정(heat pumping process)에서 전술한 부가 간섭에 의해, 신규 냉매들이 열 펌프들에서 사용될 수 있고, 상기 냉매들은 온도-엔트로피 도표(temperature-entropy diagram)에서 1000 (kgK2)/kJ 미만의 낮은 이슬점 라인(dew line) 경사를 가지며 매우 우수한 안전성 및 환경적 속성들을 특징으로 한다.

Description

환경 친화적인 냉매를 사용하기 위한 열 펌프 {HEAT PUMP FOR USING ENVIRONMENTALLY COMPATIBLE COOLANTS}
본 발명은 열 펌프(heat pump)들 및 열 펌프들 안에서의 냉매(coolant)들의 용도에 관한 것이다.
열 펌프들에서 지금까지 사용된 냉매들은 환경에 대해 유독성이 있거나 유해성이 있는데, 즉 이 냉매들은 높은 지구 온난화 지수를 갖는다. 그 밖에 인화성이 있거나 적어도 문제가 되며, 적어도 건강에 해롭다. 무독성이고 환경 친화적인 냉매들로 작업하기 위해 지금까지 공지된 접근 방법들은 이러한 작업 매체들이 열 펌프의 적절한 전력을 제공할 수 없거나 종래의 열 펌프 구성들에서 사용될 수 없다는 점에서 지금까지 실패하였다.
열 펌프에서의 냉매의 사용은 온도 리프트(temperature lift)라고 칭하는 것에 의해 특징화된다. 온도 리프트는 응축 온도와 증발 온도 사이의 차이이다. 이에 따라 온도 리프트는 히트 싱크(heat sink)에서 사용되도록 열원의 온도가 얼마나 많이 상승되어야 하는지를 표시한다. 도 1은 이러한 문제점을 명확하게 하기 위하여, 심하게 돌출하는 이슬점 라인(strongly overhanging dew line)에 의해 특징화되는, 적절한 환경 친화적인 냉매의 상경계 라인(phase boundary line)을 도시한다. 또한 75℃ 증발 온도로부터 125℃ 응축 온도까지 50 켈빈(kelvin)의 온도 리프트에 대한 열 펌프 공정이 도시된다. 이러한 유형의 냉매를 사용하여 열 펌프를 작동시킬 수 있도록, 압축 종점(endpoint)이 여전히 기상 구역(gas phase region) 내에 놓이도록 이슬점 라인에 대해 최소 온도 차이를 유지하여야 한다. 온도 리프트가 예를 들면 단지 20 켈빈인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 응축 온도는 이때 단지 95℃이고 압축 종점은 상경계 라인 내에, 즉 혼합상(mixed phase) 구역 내에 있을 것이다. 이는 압축기 내에서 액체 스트라이크(liquid strike)들을 초래하고 열 펌프의 안정된 작동을 방해할 것이다.
지금까지, 열 펌프에 대해 비-정상 시동(non-stationary start-up) 절차를 목표로 하는, 이러한 특별한 열역학적 특성들을 갖는 이러한 신규 작업 유체들의 사용을 위한 단지 하나의 접근 방법이 공지된다. 독일 특허 출원 10 2013 203243.9호는 도 2에서 그래프로(graphically) 도시된 바와 같이, 상태 4로부터 상태 5까지 응축물을 과냉각함(subcooling)으로써 결과적인 열을 상태 7로 전달하고 이에 따라 압축기 상류의 흡입 가스를 과열시키는(superheat) 내부 열 교환기를 구비한 열 펌프를 설명한다. 상태 4와 상태 5 사이의 차이 및 상태 7과 상태 1 사이의 차이는 압력-엔탈피(pressure-enthalpy) 도표들 1 내지 4에서 알 수 있는 바와 같이 엔탈피의 차이가 동일하게 된다. 하지만 또한 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 내부 열 교환기를 이용한 접근 방법은 모든 온도 리프트에 대해 적합하지 않다. 예를 들면 20 켈빈의 온도 리프트의 경우, 흡입 가스(gas)를 과열시키기 위해 내부 열 교환기가 공급할 수 있는 열의 양(quantity)은 충분하지 않고 압축 종점은 상경계 라인 내부에서 다시 한번 문제가 된다.
예를 들면, R134a (1,1,1,2 테트라플루오로에탄)과 같은, 열 펌프들 및 냉동 기계들에서 지금까지 사용되어 왔던 유체들은 압축 종점이 2상 구역 내에 있고 이에 따라 종래 기술로부터 공지된 열 펌프들 및 냉동 기계들과 함께 사용될 수 있다는 점에서 문제점을 갖지 않는다.
따라서 본 발명은 환경 친화적인 작업 유체들의 사용을 허용하고 안정적이고 정상적인 작동을 보장하는 열 펌프 및 이 열 펌프를 작동시키기 위한 방법을 나타내는 목적을 갖는다.
상기 목적은 특허 청구항 1에 따른 열 펌프 및 특허 청구항 9에 따라 열 펌프를 작동시키기 위한 방법, 및 특허 청구항 8에 따른 신규 작업 유체들의 본 발명의 용도에 의해 달성된다. 본 발명의 실시예들은 종속항들의 요지를 형성한다.
본 발명에 따른 열 펌프는 압축기, 응축기, 내부 열 교환기, 팽창 밸브(expansion valve), 증발기 및 압축기의 출구에서 작업 유체의 온도를 이슬점 위의 미리 규정 가능한 최소 온도 차이로 되게 하도록 설계되는 제어 장치를 갖는다. 최소 온도 차이는 일정한 압력에서의 작업 유체에 관련되고 적어도 1 켈빈, 바람직하게는 적어도 5 켈빈이다. 이는 예를 들면 온도-엔트로피 도표(temperature-entropy diagram)에서 1000 (kg K2)/kJ 미만의 매우 낮은 이슬점 라인 구배와 같은 매우 특별한 열역학적 특성들에 의해 종종 특징화되는 환경 친화적이고, 무독성이며 안전한 작업 매체들을 사용하는 것을 가능하게 하고, 정상적이고 안정된 열 펌프 작동이 가능하게 된다는 장점을 갖는다.
본 발명의 유리한 일 실시예에서, 제어 장치는 압축기에 대한 입구에서 작업 유체의 온도를 상승시키도록 설계되는 온도 제어 장치이다. 예를 들면, 온도 제어 장치는 내부 열 교환기와 압축기 사이에 배열되는 파이프 가열 유닛(pipe heating unit)이어서 내부 열 교환기로부터 압축기로 유동하는 작업 유체가 파이프 가열 유닛에 의해 과열될 수 있다. 상기 맥락에서, 온도 제어 장치가 압축기 출구에서 작업 유체의 온도에 걸쳐 파이프 가열 유닛을 제어하도록 온도 제어 장치가 구성된다. 압축기 출구에서 온도 제어 장치에 의해 어떠한 온도가 측정되느냐에 따라, 파이프 가열 유닛은 스위치 온(switch on) 또는 스위치 오프(switch off)되거나, 온도가 변화된다. 상기 파이프 가열 유닛은 이에 따라 예를 들면 히트 싱크 온도 또는 변동하는 열원들의 경우 짧은 주기 동안 작동을 시작할 수 있거나 또한 긴 주기 동안 작동될 수 있다. 이는 과도하게 낮은 온도 리프트를 균등하게 하는 장점을 갖는다. 온도 리프트에 대한 한계 온도는 사용된 냉매, 또는 작업 유체에 의존한다. 온도 리프트는 열 펌프의 다양한 특성들 및 매개변수들에 의존한다.
열 펌프의 유리한 추가 예에서, 온도 제어 장치는 밸브를 구비한 우회 라인(bypass line)을 포함하며, 이 우회 라인은 압축기의 출구에서 고압 구역과 압축기에 대한 입구에서 저압 구역을 연결하여, 내부 열 교환기로부터 압축기로 유동하는 작업 유체가 우회 라인을 통해 재순환될 수 있는 고온 가스에 의해 과열될 수 있다. 상기 맥락에서, 온도 제어 장치는 특히 온도 제어 장치가 압축기 출구에서 작업 유체의 온도를 통해 우회 라인의 밸브를 통한 처리량을 제어하도록 구성된다. 열 펌프 공정에서 부가 간섭 없이 2상-구역의 압축 종점으로 종료되는 온도 리프트의 경우, 이러한 실시예는 또한 사용된 작업 유체를 사용하는 열 펌프가 정상 상태에서 안정적으로 작동될 수 있도록 제어하는 장점을 갖는다. 사용된 우회 밸브는 예를 들면 자동 온도 조절 장치에 의해(thermostatically) 또는 그리고 전자식으로(electronically) 제어되는 밸브일 수 있다.
열 펌프의 대안적이고 유리한 하나의 실시예에서, 제어 장치는 압축기에 대한 입구에서 작업 유체의 압력을 낮추도록 설계되는 압력 제어 장치이다. 이를 위해, 압력 제어 장치는 특히 내부 열 교환기와 증발기 사이의 열 펌프 회로에 있는 팽창 밸브로서 배열되는 자동 팽창 밸브를 포함한다. 자동 팽창 밸브는 증발기 전용(pure) 압력 제어 밸브이고 이 증발기 전용 압력 제어 밸브에 의해 증발 온도 및 이에 따른 증발 압력을 설정하는 것이 가능하다.
증발기 내의 압력을 낮춤으로써, 압축기 하류의 압력 측과 압축기 상류의 저압 측 사이에 더 높은 압력비(Pratio)를 생성하는 것이 가능하다.
압축기가 더 높은 압력비(Pratio)를 구현하여야 한다는 사실은 압축기 출구에서 더 높은 압축 가스 온도(T2)가 또한 생성되는 것을 의미한다. 압력비(Pratio)가 높을수록, 압축기 하류의 압축 가스의 온도(T2)가 더 높아진다.
Figure pct00001
여기서, K는 등엔트로피 지수(isentropic exponent)이고, T2 및 T1은 압축기의 하류 및 상류의 온도들이고 Pratio는 압축기의 하류 및 상류의 가스 압력들의 압력비이다. 온도(T1)를 상승시키는 것에 대한 대안예로서, 압축기 상류의 압력을 낮추는 것이 또한 가능하다. 부가 가열 전력(heating power) 대신에, 이 경우에 부가 압축기 전력(compressor power)이 증가된 압력비가 구현되는 것이 필요하다. 이러한 실시예는 팽창 밸브를 정상 작동을 위한 열 펌프에서 부가 구성요소들을 요구하지 않는 자동 팽창 밸브로 대체함으로써 부가 가열 요소들 및 온도 제어 장치들이 필요 없을 수 있다는 장점을 갖는다.
열 펌프에서 자동 팽창 밸브의 사용은 또한 온도 리프트가 제한 온도 아래에 있지 않고 실질적으로 제한 온도 위에 있는 적용 경우를 제어하기 위한 가능성을 제시하는 부가 장점을 갖는다. 실제로, 온도 리프트가 제한 온도 위로 매우 높은 경우, 압축기 하류의 압축 가스 온도(T2)가 또한 이슬점에 대해 관측되어야 하는 최소 온도 차이 위로 매우 높을 것이다. 이는 예를 들면 압축기가 상부 작동 온도 한계를 갖는 경우 추가 문제점을 초래할 수 있다. 압축기의 이 같은 상부 작동 온도 한계는 예를 들면 윤활유들의 열적 안정성에 의해 또는 압축기에서의 억지 끼워 맞춤을 위한 과도한 팽창들에 의해 부과될 수 있다. 그러나, 자동 팽창 밸브는 작업 유체가 단지 약간 과열되거나 심지어 단지 부분적으로 증발되는 지점까지 증발기 내의 압력을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이슬점 라인에 대한 최소 온도 차이를 위한 상기 지점에서 여전히 필요한 과열은 내부 열 교환기에 의해 제공될 수 있다. 한계 온도 위의 온도 리프트의 경우, 증발기에서의 온도 차이의 감소가 압력비를 낮추고 적은 압축기 전력이 요구되기 때문에 자동 팽창 밸브를 갖는 실시예는 압력 증가 때문에 열 펌프의 전체 효율을 상승시키는 부가 장점을 갖는다. 동시에, 유체의 밀도를 증가시키고 이에 따라 압축기 내의 전력 밀도를 증가시킨다. 또한, 낮은 압축 가스 온도는 압축기의 수명을 증가시킬 수 있다.
이를 위해, 열 펌프는 바람직하게는 온도-엔트로피 도표에서 1000 (kgK2)/kJ 미만의 이슬점 라인의 구배를 갖는 작업 유체를 포함한다. 이 같은 작업 유체를 사용하는 장점은 이의 우수한 환경적 및 안전 특성들에서 찾아질 것이다. 용도는 예를 들면 플루오로케톤들의 계(family)로부터 작업 유체의 이러한 목적을 위해 이루어질 수 있다. 특히 이들 중에서 유리한 것은 작업 유체 노벡(Novec)649(도데카플루오로-2-메틸펜탄-3-원(one)) 및 노벡524(데카플루오로-3-메틸부탄-2-원)이 있다. 노벡649는 601　(kgK2)/kJ의 이슬점 라인 구배를 가지며, 노벡524는 630　(kgK2)/kJ의 이슬점 라인 구배를 가지며, 추가의 적절한 예는 R245fa(1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판)이고, 이는 T-S 도표에서 1653 　(kgK2)/kJ의 구배를 가지며, 여기서 구배는 각각의 경우에 75℃의 포화 온도에 대해 표시된다.
본 발명에 따라, 열 펌프는 1000　(kgK2)/kJ 미만의 온도-엔트로피 도표에서 이슬점 라인 구배를 갖는 작업 유체를 사용한다.
열 펌프를 작동하기 위한 본 발명의 방법에서, 압축 후 작업 유체의 온도는 이슬점 위로 미리 규정 가능한 최소 온도 차이, 특히 1 켈빈이 되게 한다.
본 발명의 실시예들은 예로서 첨부된 도면의 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된다:
도 1은 신규 작업 매체 및 이러한 작업 매체를 사용하고 50 켈빈의 온도 리프트를 포함하여 수행된 열 펌프 공정의 대수의(logarithmic) 압력-엔탈피 도표를 도시하며;
도 2는 대수의 압력-엔탈피 도표에서 내부 열 교환기를 통한 열 전달을 도시하며;
도 3은 20 켈빈의 온도 리프트를 포함하는 열 펌프 공정과 함께, 도 1에서와 같이 작업 매체의 대수의 압력-엔탈피 도표를 도시하며;
도 4는 60 켈빈의 온도 리프트를 포함하는 열 펌프 공정과 함께, 도 1에서와 같이 작업 매체의 대수의 압력-엔탈피 도표를 도시하며;
도 5는 파이프 가열 유닛을 구비한 압력 펌프의 회로도를 도시하며;
도 6은 고온 가스 우회부를 구비한 열 펌프의 회로도를 도시하며;
도 7은 자동 팽창 밸브를 구비한 열 펌프의 회로도를 도시한다.
도 1 내지 도 4는 압력(pressure; P)이 대수 스케일(logarithmic scale)로 플로트(plot)되는 압력-엔탈피 도표들을 도시한다. 도표 1, 도표 3 및 도표 4에서, 등온선(isotherm; IT)들은 쇄선(dashed-dotted line)들로 도시되며 등엔트로피선(isentrope; IE)들은 점선(dotted line)들로 도시된다. 상기 맥락에서, 등온선(IT)들을 위한 온도들은 섭씨 온도(degrees Celsius)로 주어지고 등엔트로피선(IE)들에 대한 엔트로피 값들은 kJ/(kg·K)로 주어진다.
실선은 각각의 경우 신규 작업 매체, 예를 들면, 유체 노벡649의 상경계 라인(phase boundary line; PG)이다. 이는 169℃에서 임계점을 갖는다. 온도-엔트로피 도표에서, 이슬점 라인은 601　(kgK2)/kJ의 구배에 있다. 작업 매체에 대한 다른 적절한 예는 148℃에서 임계 지점을 갖는 노벡524이다.
도 1은 또한 파선(dashed line)들로 열 펌프 공정(heat pump process; WP)을 도시한다. 상태점(state point) 1에서 시작하여, 압축은 상태점 2 또는 상태점 3을 초래하며, 상태점 2 또는 상태점 3은 단순히 이론적으로 고려될 때, 단지 상태점 2와 일치되고 아래에서 단지 상태점 2로서만 지칭될 것이다. 응축은 상태점 4에서 초래된다. 상태점 4로부터, 과냉각은 상태점 5를 초래한다. 팽창 절차는 상태점 5과 상태점 6 사이에 있으며, 증발 절차는 상태점 6과 상태점 7 사이에 있다. 상태점 7로부터 다시 상태점 1로의 경로는 작업 매체의 과열이다. 도시된 열 펌프 공정(WP)은 75℃의 증발 온도 및 125℃의 응축 온도를 가지며, 즉 50 켈빈의 온도 리프트를 갖는다. 상태점 4 내지 상태점 5의 과냉각 및 상태점 7 내지 상태점 1의 과열은 도 2에 도시된 바와 같이, 내부 열 교환기(internal heat exchanger; IHX)를 통해 커플링(coupling)된다. 이는 과냉각으로부터 초래되는 열을 사용하고 이를 상태점 7로 전달한다. 각각의 경우 일정한 압력에서, 엔탈피는 과열 동안 상승되는 양과 동일한 양만큼 과냉각 동안에 감소된다. 상태점 2와 열 펌프 공정(WP)에서 이슬점 라인(dew line; TL) 사이의 거리, 즉 동일한 압력에서 상태점 2와 이의 이슬점 사이의 온도 차이는 10 켈빈이다. 이러한 최소 차이는 액체 스트라이크들의 압축기(11)에 대한 우려 없이 열 펌프(10)의 안정적인 작동을 보장하기에 충분하다. 압축 종점, 즉 상태 2를 신뢰가능하게 배치하도록, 혼합 상 구역(l+g) 외부에, 즉, 상경계 라인(PG) 외부에, 가능한 변동 매개변수들에 따라 열 펌프(10)와 작업 유체의 각각의 시스템(system)을 위해 설정되어야 하는 최소 차이를 관측하는 것이 필요하다. 특히, 그러나, 1 켈빈의 최소 차이, 유리하게는 5 켈빈의 최소 차이가 관측되어야 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 열 펌프 공정(WP)의 온도 리프트는 압축기(11) 상류의 흡입 가스(gas)를 과열시키기 위한 내부 열 교환기(IHX)를 통하여 열의 교환 양(QIHX)이 기상 구역(g)에 압축 종점(2)을 배치하기에 충분한지의 여부에 따라 변화한다.
예를 들면, 도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 작업 매체 노벡649를 구비하지만 단지 95℃의 응축 온도를 가지는 열 펌프 공정(WP)을 다시 한번 도시한다. 20 켈빈의 이러한 온도 리프트는 이에 따라 이러한 시스템에 대한 한계 값 아래에 있다. 내부 열 교환기(IHX)는 이러한 예에서 0.64 kW의 전력으로 작동할 것이다.
도 4에 도시된 열 펌프 공정(WP)은 135℃의 응축 온도까지 60 켈빈의 매우 높은 온도 리프트를 갖는다. 이러한 열 펌프 공정(WP)의 경우, 내부 열 교환기(IHX)는 예를 들면, 5.9 kW의 전력으로 작동한다. 이러한 경우, 압축 종점(2)은 이슬점 라인(TL)으로부터 매우 멀리 제거되어, 온도 리프트가 작업 매체 및 열 펌프(10)의 이러한 시스템에 대해 온도 리프트의 제한 값보다 훨씬 더 크다.
내부 열 교환기(IHX)를 통해 전달된 열 전력(heat power; QIHX)에 대한 예시적인 값은 10 kW의 응축기 전력에 관한 것이다. 따라서 이러한 예들에서, 20 켈빈의 작은 온도 리프트의 경우에서, 이러한 시스템에 대해 예를 들면 5 켈빈의 최소 차이를 유지하도록 충분한 열을 전달하는 것은 불가능하다. 그러나, 60 켈빈의 온도 리프트의 경우, 내부 열 교환기(IHX)의 전달된 열(QIHX)은 최소 차이에 대해 충분하다. 60 켈빈의 온도 리프트는 이에 따라 이러한 시스템에 대해 한계 온도 리프트 위에 있다. 여기서 예로서 설명된, 70℃의 증발 온도에서 응축기 전력의 10 kW 및 노벡649를 갖는 열 펌프(10)의 시스템에 대해, 한계 온도 리프트는 37 켈빈이다. 예를 들면, 노벡524가 다른 동일한 매개변수들을 갖는 작업 유체로서 사용되었다면, 한계 온도 리프트가 31 켈빈이 되었을 것이다.
따라서, 이에 따라 각각의 열 펌프-작동 유체 시스템에 대해 한계 온도 리프트를 결정하는 것이 가능하며, 상기 한계 온도 리프트 위에서 내부 열 교환기(IHX)는 압축 종점(2)과 이슬점 라인(TL) 사이의 최소 차이를 유지하기 위하여 유지하는 필요한 열에 상응한다. 온도 리프트가 한계 온도 리프트 아래인 경우, 압축 종점(2)이 이슬점 라인(TL)으로부터 최소 거리에 있는 것을 보장하도록 본 출원에서 설명된 바와 같은 시스템으로 작동하는 것이 필요하다. 단지 이에 따라 열 펌프(10)들에서 낮은 이슬점 라인 구배의 유체들을 이용하여 안정된 정상 작동이 발생하는 것이 가능하다.
도 5 내지 도 7은 신규 작업 매체의 사용을 위한 다양한 제어 가능성을 가진 열 펌프(10)들의 실시예를 도시한다. 이들은 열 펌프 공정(WP)들이 한계 온도 리프트 아래의 매우 낮은 온도 리프트로 여전히 안정되고 정상적인 방식으로 작동되는 것을 가능하게 한다. 시작점은 각각의 경우 100℃의 응축 온도 및 70℃의 증발 온도, 즉 30 켈빈의 온도 리프트이며, 이는 작업 유체 노벡649에 대한 그리고 노벡524에 대한 둘다의 예시적인 경우들에서, 한계 온도 리프트 아래에 있을 것이다. 응축기 전력은 예를 들면 10 kW이다. 도 5 및 도 6은 두 개의 대안적인 온도 제어들을 보여준다. 이러한 경우들에서, 열 펌프(10)는 예를 들면 자동 온도 조절 장치에 의해 또는 전자식으로 제어된 팽창 밸브(14)일 수 있는 종래의 팽창 밸브(14)로 작동된다. 이러한 팽창 밸브(14)는 작업 유체의 관류(throughflow) 및 증발기(15) 하류의 과열을 제어한다. 내부 열 교환기(13)와 압축기(11) 사이에서, 파이프 가열 유닛(20)은 이어서 내부 열 교환기(13)와 압축기(11) 사이에서 파이프 부분 둘레에 배열된다. 이러한 파이프 가열 유닛(20)은 그 안에서 유동하는 작업 매체를 가열하는 것을 가능하게 한다. 상태 1에서 작업 매체 상의 파이프 가열 유닛(20)에 의해 수행된 가열 량(amount of heating)은, 상태 2, 즉 압축기(11)의 출구에서 온도(T2)를 통해 제어된다. 이를 위해, 온도(T2)는 상태 2에서 측정되고 온도(T1)에 대한 최소 차이와의 비교를 통해, 가열은 스위치 온 또는 스위치 오프되거나 이의 가열 전력이 감소되거나 증가된다.
도 6에 도시된 온도 제어 장치(30)는 고온 가스 우회부(hot gas bypass; 31)를 포함하고, 이 우회부는 압축 가스를 압축기(11)의 압력 측(2)으로부터 압축기(11)의 흡입 측(1)으로 재순환하고 그리고 이에 따라 고온 압축 가스에 의해 흡입 가스를 추가로 가열한다. 흡입 가스의 온도(T1)에서의 증가는 우회 밸브(bypass valve; 31)에 의해 제한되고 우회 밸브는 이어서(in turn) 상태 2에서 온도(T2)를 통해 제어된다. 상기 밸브(31)는 자동 온도 조절 장치에 의해 또는 전자식으로 제어된 밸브(31)일 수 있다. 이러한 온도 제어부(30)를 위해 요구된 부가 전력은 예를 들면 0.58 kW이고, 이는 압력 및 온도에서의 등엔트로피 증가의 경우 부가 압축기 전력이 된다.
마지막으로, 도 7은 자동 팽창 밸브(40), 즉 증발기 전용 압력 제어 밸브를 사용함으로써 온도 제어부(30), 즉 흡입 가스 압력을 통한 제어부를 위한 대안적인 실시예를 도시하며, 증발 압력 및 이에 따라 증발 온도를 설정하는 것이 가능하다. 증발기(15)에서 압력을 낮추는 것은 압축기(11)가 구현하여야 할 압력비, 및 이에 따라 또한 상태 2에서 압축된 가스 온도(T2)를 증가시키는 것을 가능하게 한다. 70℃ 내지 100℃의 30 켈빈의 온도 리프트를 갖는 예에 대해, 압력은 1.96 바(bar)로부터 1.35 바까지 낮아져서 이에 따라 5 켈빈의 최소 차이를 유지한다. 이를 위해, 압력 및 온도에서의 등엔트로피 증가의 경우, 예를 들면 압축기(11)에 0.45 kW의 부가 압축기 전력을 제공하는 것이 필요하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 온도 리프트가 한계 온도 리프트 위로 매우 멀리 있을 때, 자동 팽창 밸브를 사용하는 제어 가능성에 의해, 또한 신규 작업 매체를 사용하여 발생할 수 있는 다른 문제점의 경우를 해결하는 것이 가능하다. 압축 종점(end point)(2)과 이슬점 라인(T2) 사이의 차이가 매우 큰 것이 이에 따라 문제가 될 수 있는데, 이는 압축기(11)가 작동 온도 상한을 가질 수 있기 때문이다. 그러나, 자동 팽창 밸브(40)는 증발기(15) 내의 압력을 유체가 단지 약간 과열되거나 증발 공정에서 심지어 단지 부분적으로 증발되는 지점까지 상승시키는 것을 가능하게 한다. 최소 온도 차이에 대한 상기 지점에서 여전히 필요할 수 있는 과열은 내부 열 교환기(13)에 의해 다시 한번 제공될 수 있다. 이에 따라 이러한 온도 제어에 의해 열 펌프(10)의 전체 효율을 상승시키는 압력 증가가 발생하는 것이 가능하며, 이는 상태점 1 또는 상태 점 2 각각에서 온도를 낮추는 것이 또한 압력비(Pratio)를 감소시키고 이에 따라 적은 압축기 전력이 요구되기 때문이며, 이와 동시에 압축기(11)에서 더 높은 전력 밀도를 발생시키는 유체의 밀도를 증가시킨다. 또한, 낮은 압축 가스 온도(T2)로 인해, 압축기(11)의 증가된 수명이 추정될 수 있다.

Claims (10)

  1. 압축기(11), 응축기(12), 내부 열 교환기(13), 팽창 밸브(expansion valve; 14), 증발기(15) 및 제어 장치(21, 30, 40')를 갖는 열 펌프(heat pump; 10)로서,
    상기 제어 장치(21, 30, 40')는 상기 압축기(11)의 출구에서 작업 유체의 온도를 이슬점(dew point) 위의 미리 규정 가능한 최소 온도 차이로 되게 하도록 설계되는,
    열 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 장치(21, 30, 40')는 상기 압축기(11)의 출구에서 작업 유체의 온도를 이슬점 위로 적어도 1 켈빈(kelvin)의 미리 규정 가능한 최소 온도 차이로 되도록 설계되는,
    열 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 압축기(11)에 대한 입구에서 상기 작업 유체의 온도를 상승시키도록 설계되는 온도 제어 장치(21, 30)인,
    열 펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치(21)는 상기 내부 열 교환기(13)와 상기 압축기(11) 사이에 배열되는 파이프 가열 유닛(pipe heating unit; 20)을 포함하여, 상기 열 교환기(13)로부터 상기 압축기(11)로 유동하는 상기 작업 유체가 상기 파이프 가열 유닛(20)에 의해 과열될 수 있는,
    열 펌프.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치(30)는 밸브(31)를 구비한 우회 라인(bypass line)을 포함하며, 상기 우회 라인은 상기 압축기(11)의 출구에 있는 고압 구역(2)과 상기 압축기(11)에 대한 입구에 있는 상기 저압 구역(1)을 연결하여, 상기 열 교환기(13)로부터 상기 압축기(11)까지 유동하는 작업 유체가 상기 우회 라인(31)에 의해 재순환될 수 있는 고온 가스(gas)에 의해 과열될 수 있는,
    열 펌프.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 상기 압축기(11)에 대한 입구에서 상기 작업 유체의 압력을 낮추도록 설계되는 압력 제어 장치(40')인,
    열 펌프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압력 제어 장치(40')는 상기 내부 열 교환기(13)와 상기 증발기(15) 사이의 상기 열 펌프 회로에서의 팽창 밸브로서 배열되는 자동 팽창 밸브(40)를 포함하는,
    열 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도-엔트로피 도표(temperature-entropy diagram)에서 1000　(kgK2)/kJ 미만의 이슬점 라인(dew line; TL)의 구배를 갖는 작업 유체를 가지는,
    열 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 열 펌프(10)에서의 작업 유체의 용도로서,
    상기 작업 유체는, 온도-엔트로피 도표(temperature-entropy diagram)에서, 1000 (kgK2)/kJ 미만의 이슬점 라인(TL)의 구배를 갖는,
    열 펌프에서의 작업 유체의 용도.
  10. 열 펌프(10)를 작동시키기 위한 방법으로서,
    압축 후 작업 유체의 온도가 이슬점 위의 미리 규정 가능한 최소 온도 차이, 특히 1 켈빈으로 되도록 하는,
    열 펌프를 작동시키기 위한 방법.
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