KR20170018472A - 윤활 및 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

섬프(10)에서 또는 하우징의 공동(352)에서 냉매 압력을 줄이기 위한 장치가 개시되어 있다. 본 발명은 냉매를 사용하여 전기를 발생시키는 ORC 시스템에서 터빈과 발전기 장치에서 수 냉각기 작동이나 터빈 및 발전기 시스템에 대하여 유용한 히트펌프용 압축기((23))에서 압력을 줄이는데 특히 유용하고, 역으로 ORC 시스템은 필수적으로 히트펌프 응용 작동이 된다. 보조 압축기 ((509)), 보조 응축기(709) 또는 배수 펌프(609)가 냉매와 오일을 분리하기 위해서 섬프(10)에서 압력을 줄이도록 사용된다. 보조 압축기((509)), 보조 응축기(709) 또는 배수 펌프(609)는 압축기가 수 냉각기 응용에 대하여 그리고 ORC 응용에서 터빈과 발전기에 대하여 유용한 온도와 압력하에서 히트펌프 응용에서 압축기의 하우징에서 냉매의 압력을 줄이는데 사용될 것이다.

Description

윤활 및 냉각 장치{LUBRICATION AND COOLING SYSTEM}

본 발명은 냉동 시스템 히트펌프와 유기랭킨사이클(organic Rankine cycle; ORC) 시스템에서 사용되는 윤활장치의 윤활유에 있는 혼화성 냉매의 양을 줄이는 것에 관한 것이며, 특히 모터나 발전기의 냉각을 개선하기 위해서 냉매 회로에서 사용된 반-밀폐 또는 밀폐 모터나 발전기의 하우징에서 윤활유에 있는 냉매의 양을 줄이거나 또는 대안적으로 냉매 압력을 줄이는 것에 관한 것이다.

원심성 압축기는 공기조화 또는 프로세스 응용을 위해 사용되는 대용량의 수 냉각기용 매체를 대상으로 통상적으로 사용되고, 여기에서 냉각될 공간을 향해 냉각기를 떠나는 냉각수의 온도는 통상적으로 약 7℃(45℉)이다. 에너지 절감 및 재생 가능한 에너지로부터의 이점을 얻기 위하여, 히트펌프에 대한 수요가 증가하고 있다. 몇몇 응용에 있어서, 그러한 히트펌프의 "냉각원"은 예를 들어 히트펌프가 지열수의 온도를 증가시키도록 사용되는 경우에 비교적 높은 온도 유체가 될 수 있다. 다양한 가능성의 응용으로 인하여, 히트펌프의 증발기로부터 배출되는 떠나는 냉각수의 온도는 통상적으로 5 내지 60℃(41~140℉)의 매우 넓은 범위에 걸쳐서 변할 수 있다. 이 온도범위의 하한에 있어서, 증발기에서의 조건은 표준 수 냉각기의 조건과 유사하다. 그러므로, 그러한 응용을 위한 히트펌프의 디자인은 표준 수 냉각기의 디자인과 매우 유사하다. 증발기에서 떠나는 냉각수의 온도가 상승하므로, 떠나는 냉각수의 온도는 표준 수 냉각기 기술이 더 이상 사용될 수 없는 지점에 도달하게 된다.

압축기는 HVAC 시스템에서 핵심 부품이며, 압축기 작동조건들은 증발 및 응축 압력과 온도에 의해서 한정된다. 몇몇 압축기는 소위 밀폐 및 반-밀폐 압축기로 일컬어진다. 이러한 압축기 유닛은 압축기를 구비한 보통의 하우징 내부에 밀봉된 모터를 갖는다. 모터는 냉매의 분위기하에서 작동하고, 냉매는 모터 주위를 순환하면서 모터를 냉각시킨다. 반-밀폐 압축기와 밀폐 압축기의 단지 주요한 차이는 반- 밀폐 압축기용 하우징이 압축기나 모터를 서비스하기 위해서 분리될 수 있는 플랜지들을 포함하는 것이다. 밀폐 압축기는 가정용 냉장고나 창 에어컨의 압축기와 같이 매우 작은 크기를 갖는다. 이것들은 밀봉된 엔클로저(enclosure)에 완벽하게 보관되고, 분리될 수는 없다. 모터에 의해서 구동되는 반-밀폐나 밀폐가 아닌 압축기는 냉매 회로의 외부에 있고, 공기나 물과 같은 비-냉매 유체에 의해서 냉각된다. 이러한 압축기들은 개방 압축기로서 언급된다. 본 발명은 비록 개방 압축기에서 사용하는 것일지라도 반- 밀폐 압축기 및 밀폐 압축기에도 특별하게 적용될 수 있는 가능성을 찾고자 한다. 용어 반-밀폐, 밀폐, 반-밀폐 압축기 및 밀폐 압축기는 여기에서 교대해서 쓸 수 있다.

증발 및 응축 압력과 연관된 증발 및 응축 온도 차이는 통상적으로 델타(Δ) 50° C ((Δ) 90° F)이다. 히트펌프에 대한 온도의 상한에 있어서, 증발온도는 60℃(140℉) 또는 그 이상이 될 수 있다. 증발기에서 정상적인 핀치(pinch)를 고려하여, 증발온도는 통상적으로 증발기로부터 떠나는 냉각수의 온도보다 낮은 약 (Δ) 2° C ((Δ)3.6° F)이고, 증발온도가 60℃인 경우에 결과적으로 떠나는 냉각수의 온도는 약 62℃가 된다.

원심형 압축기를 사용하는 수 냉각기와 히트펌프는 탄화수소로부터 파생된 합성 냉매 유체를 보통 사용한다. 환경에 대한 관심 때문에, 합성 냉매의 몇몇 계열들이 사용되어 왔고 현재 사용되며, 또는 기술의 발전에 따라 CFC's, HCFC's, HFC's 또는 HFO's 계열에 속한다. 현재 작동중인 대부분의 원심형 냉각기들은 HFC-134a를 사용한다. 히트펌프의 높은 온도범위에 대하여, HFC-245fa와 같은 낮은 압력 냉매 유체를 사용하는 것이 대체적인 경향이다. 이러한 HFC's들은 차세대 하이드로플루오로-올레핀(HFO's)에 의해서 일정 범위 교체될 것이다.

통상적인 원심형 압축기의 윤활회로에 있어서, 오일은 오일 섬프의 낮은 부분으로부터 수집된다. 오일은 오일섬프에 의해서 순환되고 윤활을 필요로 하는 압축기에서 베어링과 다른 지점들, 예를 들어 기어-구동 압축기용 기어들, 그리고 축 밀봉으로 보내기 위해 가압된다. 윤활을 제공한 후에, 오일은 중력에 의해서 배수되어 오일섬프로 복귀한다. 이 장치는 윤활유를 압축기 내로 주입하기 전에 펌프 배출구에 통상적으로 위치한 오일 냉각기에 의해서 보충된다. 오일 냉각기는 압축기에서 예를 들어 윤활유가 흡수되는 베어링과 기어들에서 발생한 기계적 마찰에 의해서 발생된 열 제거효과를 갖는다. 기동시에 압축기를 적절히 윤활하도록 적당한 점성의 윤활유를 제공하기 위해서 압축기가 작동하지 않을 때 오일을 충분히 따뜻한 상태로 유지하기 위해서 오일섬프에 오일 히터가 또한 설치된다.

냉매 회로에서 사용된 윤활된 압축기에 있어서, 윤활유, 액체는 오일 섬프와 유활 오일회로의 다양한 부품들에서 기체 냉매의 존재하에 있다. 원심형 또는 왕복 압축기에 있어서, 오일섬프 내의 압력은 압축기의 흡입압력하에서 또는 근접한 압력하에서 평형화되거나 통기된다. 이 기능은 오일섬프의 상부로부터 배출되는 기체 냉매를 수집하는 기체-균압관에 의해서 수행된다. 수집된 기체 냉매는 증발기나 압축기 흡입과 같은 냉매 회로의 낮은 압력측으로 복귀한다. 이러한 통기의 이유는 윤활유와 대부분의 냉매 사이에 상호 혼화성에 관련되고, 오일점성에 대한 이러한 혼화성의 영향에 관련된다. 오일과 냉매 혼합물의 점성은 오일에 있는 냉매의 온도 뿐만 아니라 용해도에 의존한다. 이 용해도는 냉매와 오일의 온도와 냉매 가스의 압력에 의존한다. 일반적인 경향은 오일에 있는 용액의 냉매의 양은 온도가 감소함에 따라서 증가하고, 점성을 줄이기 위해서 냉매에 의한 용해도는 증가한다. 이러한 메카니즘으로 인하여, 냉매와 오일의 온도를 낮추면 오일 점성이 줄어들고, 이것은 온도가 증가함에 따라서 점성이 감소하는 경우 순수한 오일에 대한 보통의 경향과는 반대이다. 그러므로, 오일에서 용액의 냉매와 점성은 유체온도, 냉매 압력, 오일과 냉매의 상호 혼화성에 의존하는 복잡한 관계이다. 오일 점성을 줄이는 효과를 갖는 것 이외에, 오일에서 냉매에 의한 희석은 다른 부정적인 영향을 줄 수 있다. 중요한 것들 중 하나는 압력이 감소하거나 온도가 증가하는 경우에 회로의 몇몇 부품들에서 오일 발포이다. 이것은 오일 펌프의 바람직하지 않은 공동 현상, 또는 크게 감소한 윤활성, 잠재적으로 기계적인 실패를 야기할 수 있다.

윤활 회로에서 냉매는 2개의 공급원으로부터 제공된다. 냉매 가스의 첫번째 공급원은 순환하는 오일 그 자체이다. 윤활을 목적으로 압축기 내에서 오일의 경로는 오일이 냉매와 접촉하도록 설정된다. 몇몇 냉매는 기상이나 액상으로 오일 윤활회로 내로 들어갈 수 있다. 오일이 냉각 회로의 많은 부품들에서 기체 냉매의 존재하에 있으므로, 오일은 일부 냉매를 흡수하는 경향이 있다. 압축기에서 높은 압력의 위치로부터 나오는 기체 냉매는 낮은 압력하의 섬프로 이동한다. 통상적인 예는 래비린드 시일(labyrinth seals)로 부터 그리고 그 주위로로부터의 기체 누설이다. 마찬가지로, 왕복 압축기에서, 압축 냉매가스의 일부는 피스톤 링을 통해서 누설되어 섬프 내로 이동하게 될 것이다. 또한, 윤활과정은 오일 발포를 야기하는 오일의 높은 교반을 유도하게 된다. 예들은 왕복 압축기에서 크랭크케이스 회전으로부터 야기되는 오일의 튐 또는 고속 기어들의 윤활을 포함한다. 오일 복귀회로는 또한 상당한 양의 액체 냉매를 섬프내로 도입하고, 섬프로 들어가는 액체 냉매의 일부가 즉시 분출된다. 이러한 복잡한 메카니즘으로 인해, 일부 냉매는 압축기 오일섬프로부터 영구적으로 제거되어야 한다. 오일섬프의 한가지 목적은 오일을 제공하는 것이며, 윤활유 회로에서 재순환되기 전에 냉매 기체 기포들을 가라앉히고 방출시키는 기회를 제공하는 것이다. 이러한 기체 분리 후에, 일부 냉매는 섬프에 남았는 오일에 용해된 상태로 유지된다. 섬프에서 오일 위의 증기 공간은 증발기의 압력보다 단지 약간 낮은 압력하에 있는 압축기 흡입구 쪽으로 직접적으로 통기된다. 섬프에서 약간 높은 압력은 압축기 내로 재도입되도록 분리된 기체 냉매를 증기로서 그것의 흡입 지점으로 강제로 보낸다. 원심형 압축기의 경우에 있어서, 섬프로부터 제거될 필요가 있는 냉매의 전체 양은 압축기의 전체 유동의 1 내지 3%이다.

히트펌프 응용에 있어서, 증발 압력은 수 냉각기에서의 압력보다 상당히 높아지는 경향이 있고, 이것은 오일에 의해서 흡수되는 냉매의 양을 증가시켜서 오일 점성을 감소시키고 그것의 윤활성을 줄인다. 오일 온도는 오일 희석수준을 수용가능한 값으로 유지하고 오일 점성을 줄이기 위해서 높은 값으로 설정되어야 한다. 이 효과를 보완하기 위해서, 높은 점성의 오일등급이 사용될 수 있다. 점성에 대한 이러한 보상을 통해서 온도 증가는 다른 이슈들을 증가시킨다. 이것들 중에서 오일 온도가 너무 높은 경우에 축 밀봉과 베어링의 실패 위험이 존재한다. 왜 이 이슈가 어느 범위까지 해결될 수 없는지에 대한 기본적인 이유는 없고, 단지 시간이 소모되고 값비싼 유효성을 요구하게 되며 그 결과 표준에서 벗어나고 더욱 값비싼 솔루션을 필요로 하게 된다. 그러므로, 표준 냉각기들과 높은 온도의 히트펌프 조건 사이의 몇가지 차이를 보완하기 위한 시스템이 바람직하다. 이것은 표준 공기조화 압축기의 응용범위를 냉각기 응용을 넘어서 히트펌프 응용까지 확장시킬 수 있다.

지열시스템과 같은 시스템에서 사용된 히트펌프에 대한 가격을 낮게 유지하기 위해서, 그리고 기술자들이나 다른 서비스업자들에 대한 복잡성을 최소화하기 위해서, 높은 온도의 히트펌프로서 사용되는 냉각기들에 대한 장비 설계와 공통성을 표준 수냉각 시스템에서 사용되는 것과 가능한한 근접하도록 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 히트펌프 응용에서 사용되는 것과 같이 상당히 높은 증발온도를 이용하는 시스템은 여러 가지 의문점들, 특히 윤활장치 및 모터 냉각과 관련된 질문들 뿐만아니라 개방 압축기를 채용하는 디자인들에서 축 밀봉의 윤활과 관련된 질문들이 발생하게 된다. 오일에 의해서 흡수된 냉매의 양을 줄일 수 있어서 오일의 윤활성이 부정적인 영향을 받지 않는 시스템이 필요하다.

본 발명은 증가된 온도에서 작동하는 압축기에서 오일에 냉매가 흡수되거나 용해되는 문제점을 해결한다. 냉매장치는 압축기, 응축기, 및 증발기를 포함한다. 압축기는 저압 냉매 가스를 고압 냉매 가스로 압축한다. 고압 냉매 가스는 고압 액체로 응축된다. 응축기와 증발기 사이에 있는 팽창밸브는 고압 액체의 압력을 줄이고, 증발기로 보내지는 기체와 액체의 저압 혼합물을 생성한다. 증발기는 냉각을 제공하는 동안에 액체의 상태를 기체로 변화시키고, 저압 가스는 압축기로 다시 보내진다. 상기 장치는 압축기를 윤활하도록 사용되는 오일을 수집하는 섬프를 또한 포함한다. 섬프는 압축기 윤활유로부터 중력에 의해서 오일을 모으기 위해서 압축기의 낮은 지점이나 압축기 밑에 위치한다. 위에서 설명한 바와 같은 이러한 장치는 잘 알려져 있으며, 본 발명은 오일섬프와 냉매 장치의 저압측 사이에 위치한 압력 감소장치를 더 포함한다. 이 장치는 오일섬프에 있는 냉매 가스의 압력을 압축기 측에서 기체압력보다 상당히 낮은 압력으로 낮춘다.

오일섬프에서 냉매의 압력을 낮추는 것은 오일에 있는 냉매의 용해도를 줄이는 효과를 가지며, 다수의 유익한 효과들을 갖는다. 오일에 있는 냉매의 감소한 혼화성은 온도/압력으로 인한 오일 점도의 감소를 완화시켜서 높은 오일 점도를 초래한다. 종래기술에서 용해도의 감소는 오일의 온도를 증가시키는 것에 의해서 달성되고, 이것은 오일로부터 냉매의 방출을 초래하지만, 오일의 온도를 상승시키고 그것의 윤활성을 줄이는 결과를 야기한다. 섬프에 있는 냉매의 압력을 낮추는 것에 의해서 용해도의 감소를 달성하면, 이 오일 온도를 증가시킬 필요성이 줄어드는 효과를 갖게 된다. 이렇게 낮은 오일 온도는 오일의 점성의 양호한 조절을 가능하게 하여 윤활성을 좋게 한다. 좋은 윤활성은 축 밀봉 및 베어링과 같은 압축기의 어떤 부품들에서 질 저하의 위험을 줄이고, 오일의 실패 가능성을 줄여서 오일 수명을 연장시킨다.

본 발명은 높은 온도 히트펌프에서 사용되는 증기 압축장치에서 반- 밀폐 압축기의 모터를 냉각하기 위한 방법을 또한 제공한다. 본 발명은 모터 베어링들에 사용된 기술과 관계없이 사용될 것이다. 이 베어링들은 윤활을 필요로 하거나 또는 전자기 베어링들을 이용하는 무-오일 볼 베어링들 또는 장치들과 같이 무-오일일 것이다. 반-밀폐 압축기에 있어서, 냉매는 압축기 흡입측에서의 조건에 근접한 온도와 압력으로 모터와 베어링들을 냉각시키도록 사용된다. 종래의 장치에 있어서, 냉매가 모터로 보내질 때의 압력 및 연관된 포화온도는 냉매회로에서 증발압력보다 낮을 수 없다. 이것은 정상적인 공기조화온도하에서 작동하는 장치들을 만족시키지만, 높은 온도 히트펌프에서와 같이 높은 증발온도에서 작동하는 경우에 장치에게는 한계가 된다. 이러한 조건하에서는, 윤활된 기계장치의 오일섬프에서 압력을 줄이는 것이 바람직한 것과 마찬가지로 모터 하우징에서의 압력을 줄이는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 기계적인 장치가 될 압력 감소장치는 모터와 냉매장치의 저압측 사이에 위치한다. 압력 감소장치는 모터와 베어링들을 냉각시키기 위해서 사용된 냉매의 압력을 낮추도록 사용된다. 상기 장치는 모터를 냉각시키는 냉매의 압력을 낮추고, 상기 압력은 압축기 유입구에서의 기체 압력보다 상당히 낮다. 이 장치는 윤활된 압축기의 오일섬프에서의 압력을 낮추도록 사용된 것과 같을 수 있다.

냉매가 모터를 통과함에 따라서 모터 하우징에서 냉매 압력을 낮추기 위하여 장치를 사용하는 것은, 높은 히트펌프 온도로 인하여 증발기에서의 증발 온도와 압력이 증가할지라도, 모터를 냉각시키도록 사용된 냉매 유체를 낮은 온도에서 유지하는 유익한 효과를 갖는다. 모터에서 감소된 압력은 회전하는 부품들의 속도에 의해서 발생된 기체 마찰력의 감소를 제공하게 되고, 이것은 낮은 마찰손실을 초래하여 모터 가열을 줄이는데 도움을 주고 모터 냉각에 기여하게 된다. 모터를 냉각시키는 것에 추가하여, 냉매는 모터 하우징에 또한 위치한 베어링들을 냉각시키도록 바람직하게 사용될 수 있다. 이 베어링들은 윤활이 필요없지만 열을 발생시키는 전자기 베어링들, 또는 일반적으로 윤활이 필요한 기계적인 베어링들이 될 수 있고, 또한 기계적인 열을 발생시키지만 무-오일이 될 수 있다.

본 발명에서 발표한 장비는 냉각기 응용으로부터 높은 온도를 경험하는 히트펌프 응용으로 확장될 수 있고, 본 발명은 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC) 응용에서 터빈 및 발전기 구동라인들에 적용될 수 있다. 높은 온도를 경험하는 히트펌프 응용들에 대하여 모터 냉각을 제공하기 위한 본 발명의 능력은 냉각기 응용에서 현재 이용되는 장비를 히트펌프 응용에도 사용할 수 있도록 확장시킨다. 본 발명은 반-밀폐 터빈/발전기를 이용하는 유기 랭킨 사이클 응용에서 사용된 발전기로 냉각을 제공하도록 사용될 수 있다. ORC 응용에 있어서, ORC 터빈장치는 냉각 시스템에서 압축기와 실질적으로 동일한 방식으로 작동한다(리버스 모드는 제외). ORC 터빈 장치는 기계적인 동력을 전기로 변환시키고, 냉각 시스템이나 히트펌프 시스템에서, 전력은 압축기를 구동하고 기계적인 동력을 발생시키도록 이용된다. ORC 터빈은 앞서 설명한 히트펌프 시스템에 대하여 역으로 작동하고, 히트펌프 또는 냉매 응용에서 압축기의 등가물을 이용한다. 유기 유체는 히트펌프 응용에서 사용된 것과 동일한 계열의 유체이고, 이것은 HFC-245fa와 같은 냉매를 포함한다. 열원은 통상적으로 90~250℃(194~482℉)의 범위인 비교적 낮은 온도로 제공된 폐열이다.

도 16을 참조하면, ORC 시스템은 히트펌프 시스템의 역으로 작동하므로, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 ORC 사이클에서 보일러로서 언급된 증발기(27-ORC)가 고압하에서 유기 액체(냉매)를 고압 증기로 변환하기 위해서 가열하는 것을 알 수 있을 것이다. 터빈(23-ORC)은 전기발전기를 구동하는 동안에 고압 유기 증기를 저압 증기로 팽창시킨다. 전기발전기는 외부장치가 될 것이다. 이와는 달리, 도 16에 나타낸 바와 같이, 모터는 그러한 장치에서 이용된 영구자석 모터의 경우에서와 같이 발전기로서 가역적으로 작동하게 될 것이다. 터빈/압축기 모터는 반-밀폐 디자인이 되거나 또는 터빈은 윤활될 것이다. 유기 증기는 터빈(23-ORC)를 통과한 후에 저압하에서 주위 공기 또는 유용한 수원(강, 호수, 바다, 지하수, 냉각탑)와 같은 냉각원에 의존하는 열전달 메카니즘을 이용하여 응축기(25-ORC)에서의 저압 액체로 변환되는 상태 변화를 경험하게 된다. 저압 유기 액체는 고압 유기 액체로서 압축되고 액체 펌프(31-ORC)에 의해서 증발기나 보일러로 복귀하게 된다. 명백한 바와 같이, ORC 장치에 있어서, 회로의 고압측 및 저압측은 히트펌프 또는 냉각장치에서의 그것으로부터 역전되고, 고압은 히트펌프 또는 냉각장치에서 히트펌프의 응축기 측보다는 증발기 측에 있고, 저압은 히트펌프 또는 냉각장치에서 히트펌프의 증발기 측보다는 응축기 측에 있다. 액체 측에 있어서, ORC 장치는 저압 액체의 압력을 증가시키기 위해서 액체 펌프(31-ORC)를 이용하고, 히트펌프 또는 냉각장치에서 고압 액체의 압력을 줄이기 위해서 사용된 팽창밸브(31) 대신에 증발기로 그것을 복귀시킨다.

히트펌프용 "개방" 압축기 장치와 유사하게, 외부 모터가 별도의 윤활된 압축기를 구동시키는 경우, ORC 시스템용 터빈들은 도 16에 나타낸 바와 같은 발전기로부터 자주 분리된다. 고온 히트펌프 시스템에서 압축기를 윤활시키는 것과 관련하여 마주치게 되는 문제점들은 2개 시스템에서 동등한 온도, 유체 및 오일 혼화성으로 인하여 ORC 터빈의 문제점과 매우 유사하다. 그 문제점들은 같고, 본 발명은 실질적으로 동일한 결과들을 달성하기 위해서 ORC 시스템에서 작동이 가능하며, 유기 유체(냉매)가 오일에 여전히 혼화되어 있으므로, 압축기-등가물(터빈)을 윤활시키는데 사용되고, 오일과 냉매의 혼합물이 섬프(10)로 보내진다. 종래 장치의 상태에 있어서, 윤활된 터빈(23-ORC) 아래에 위치한 섬프(10)는 압축기 등가물(터빈)과 실질적으로 동일한 압력하에 있다. 본 발명에 따라서, 섬프(10)는 터빈의 압력인 저압으로 설정된다. 이 압력차는 유기 유체/냉매를 윤활유로부터 분리시키고, 윤활유는 윤활 듀티를 위해 재순환되는 감소한 냉매를 가지며, 분리 후에 유체/냉매를 상기 장치에서 저압 지점으로 운반하며, 히트펌프/냉매 장치에 있는 증발기 측보다는 응축기 측에서 터빈 배출구와 응축기(25-ORC) 사이에서 만약 냉매가 저압하의 액체상태이면 냉매는 응축되거나 터빈 배출구와 펌프(31-ORC) 사이에 있게 된다.

히트펌프가 반-밀폐 모터를 채용함에 따라서, ORC 드라이브라인은 그러한 장치에서 이용된 영구자석 모터들을 갖는 경우에서와 같이, 발전기로서 가역적으로 구동할 수 있는 모터 기술을 사용하여 반-밀폐가 될 수 있다. 그러면, 히트펌프 응용을 위한 냉매의 모터 냉각 능력을 확장시키기 위해서 모터 냉각에 이용된 압력 감소장치들은 동일한 방식으로 ORC 시스템에서 발전기 냉각을 위해 이용될 것이다. 즉, 냉매는 모터의 작동에 의해서 발생되 열로부터 모터와 모터 공동을 냉각시키기 위해서 이용된다. 도 10 내지 도 15에 도시된 히트펌프 응용에서 사용되는 것과 같이 압력 감소장치들 또는 스로틀링 장치들은 발전기 공동으로 공급된 냉매의 압력을 사전 설정 값, 바람직하게는 장치의 저압측보다는 낮게 유지하고 모터 공동으로 2개 위상의 유체로서 냉매를 제공하도록 제어된다. 스로틀링 장치에 제공된 냉매의 공급원은 저압 액체이거나 고압 액체가 될 것이다. ORC 장치에 있어서, 응축기는 장치의 저압 측에 있고, 그래서 냉매 가스는 하우징을 통해서 장치의 저압 영역으로 추출될 수 있다.

히트펌프 응용에서 작동하는 장치에서와 같이, ORC 장치에 대하여, 터빈 입구에서의 압력 아래의 사전 설정값으로, 예를 들어 주어진 냉매에 대하여 원하는 압력에 대응하는 20℃의 포화온도로 발전기 공동 내의 압력을 유지하는 것이 바람직하다. 도 16은 종래의 ORC 장치의 개략도로서, 여기에서 익스펜더/터빈은 히트펌프 응용에서 압축기의 등가물이 된다. ORC 장치는 냉매없이 상당히 높은 온도에서 작동하는 물을 이용하는 앞서 언급한 바와 같이 많은 발전소들(이 장치들은 폐쇄되지 않음)에서 이용되는 친숙한 터빈장치들과는 다르다. ORC 장치는 물/수증기 발전기 응용에서 사용되는 기계장치보다 훨씬 콤팩트한 기계장치를 이용한다.

*본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 본 발명의 원리들을 예로서 첨부도면들을 참조한 바람직한 실시 예의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

모터나 발전기의 냉각을 개선하기 위해서 냉매 회로에서 사용된 반-밀폐 또는 밀폐 모터나 발전기의 하우징에서 윤활유에 있는 냉매의 양을 줄이거나 또는 대안적으로 냉매 압력을 줄일 수 있다.

도 1은 통상적인 널리 알려진 냉각 시스템의 개략도로서, 오일섬프를 특별하게 나타낸 도면.
도 2는 연관된 섬프장치를 나타내는 종래의 압축기의 단면도.
도 3은 종래의 압축기 윤활회로를 단순하게 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 압축기 윤활회로를 단순하게 나타낸 개략도.
도 5는 보조 압축기를 이용하는 본 발명의 압축기 윤활회로의 실시 예를 단순하게 나타낸 개략도.
도 6은 배수펌프를 이용하는 본 발명의 압축기 윤활회로의 실시 예를 단순하게 나타낸 개략도.
도 7은 보조 응축기와 액체 펌프를 이용하는 본 발명의 압축기 윤활회로의 실시 예를 단순하게 나타낸 개략도.
도 8은 회전자 축의 각 단부에 부착된 원심형 압축기를 갖는 압축기 모터를 냉각하는데 이용되는 종래의 냉각 구조의 단면도.
도 9는 도 8에 나타낸 모터와 압축기를 단순하게 나타낸 개략도.
도 10은 모터 공동과 연통하고 냉각 시스템에서 낮은 압력지점에 개재하는 압력 감소장치를 갖는 모터 냉각 배열을 이용하는 본 발명의 실시 예를 도 8에 나타낸 모터에 대하여 단순하게 나타낸 개략도.
도 11은 배수펌프를 이용하는 본 발명의 모터 냉각 배열에 대하여 도 10의 실시 예를 단순하게 나타낸 개략도.
도 12는 보조 응축기를 이용하는 본 발명의 모터 냉각 배열에 대하여 도 10의 실시 예를 단순하게 나타낸 개략도.
도 13은 보조 응축기로부터 증발기로 유체를 복귀시키도록 주 응축기에 연결된 한쌍의 베셀(vessel)들을 이용하는 도 12의 모터 냉각 배열의 변형을 나타낸 도면.
도 14는 고정된 오리피스 대신에 열팽창 밸브와 연결하여 보조 압축기를 이용하는 도 10의 모터 냉각 배열의 변형을 나타낸 도면.
도 15는 도 10의 모터 냉각 배열의 다른 실시 예를 나타낸 도면.
도 16은 도 1에 나타낸 시스템에 대하여 역으로 작동하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 종래 개략도.

도 1은 응축기(25)(증발기(27)와 유체 연결됨)와 유체 연결되는 모터/압축기(23)를 나타낸 통상적인 냉각 시스템의 개략도이다. 냉매 가스는 압축기(23)에서 높은 압력으로 가압된다. 고압 냉매 가스는 응축기(25)로 유동한 후에 열교환(도시되지 않음)을 통해서 고압 액체로 응축된다. 그러면, 고압 냉매 액체는 증발기(27)로 보내진다. 팽창밸브(31)는 응축기(25)와 증발기(27) 사이에 개재하고, 고압 냉매 액체를 미스트로 팽창시키는데, 미스트는 낮은 온도하에서 기체와 액체의 혼합물이다. 증발기(27)에서 액체 냉매가 증발되는데, 액체 냉매 미스트가 액체로부터 기체로 상 변화를 함에 따라서 열교환 유체로부터 나오는 열을 흡수한다. 냉각된 열교환 유체는 필요할 때까지 냉각수를 저장하기 위한 냉각기와 같은 중간 매체로 간접적으로 또는 건물 환경에 직접적으로 보내질 것이다. 상 변화를 겪는 증발기(27)로부터 배출된 냉매 가스는 낮은 압력하에 있고, 압축기(23)를 위한 냉매 가스 공급원으로서 기능한다. 도 1에 또한 나타낸 섬프(10)는 압축기(23)의 작동으로부터 배출되는 오일을 수집하고, 압축기(23)의 적정 기능에 대하여 기초가 된다. 도시된 바와 같이 섬프(10)는 압축기 아래에 배치되고, 그래서 윤활유는 중력에 의해 섬프(10)로 유동한다.

도 2는 종래의 원심형 압축기 및 그와 연관된 섬프 장치의 단면도이다. 도 2는 압축기(23)와 섬프(10)를 나타낸다. 동력 실패의 경우 감속하는 동안에 일부 오일 공급을 유지하기 위해서 일부 윤활유가 보조 오일 저장소(32)에 보유된다. 압축기(23)는 낮은 압력원, 통상적으로 증발기(도 1에 도시됨)로부터 냉매 가스를 수용하는 유입구(34)를 포함한다. 냉매 가스는 블루우트(volute)(38)로 운반되기 전에 임펠러(36)에 의해서 압축된다. 축 밀봉(40), 메인 저어널과 스러스트 베어링(42), 스러스트 칼라(44), 이중 벨로우즈 축 밀봉(46), 저속 기어 후방 베어링(48), 피니언기어 축 베어링(50), 스러스트 칼라 베어링(52) 및 저속 기어(54)에 윤활유가 제공된다. 윤활유와 냉매는 임펠러(36)로부터 위에서 언급한 다양한 윤활되는 부품들 내로 변함없이 누설되는 적은 양의 가압된 냉매가스로서 서로 접촉한다. 압축기 부품들을 윤활한 후에, 윤활유/냉매 혼합물은 중력에 의해서 도관(56)을 통해서 섬프(10) 내로 배수된다. 재순환되기 전에 섬프(10)에서 머무는 동안에, 냉매가스는 섬프에서 압력 및 온도조건에 따라 과도한 정상상태 용해도로 혼합물로부터 방출된다. 비록 섬프(10)에 수집될 냉매의 정확한 양을 한번에 측정하는 것은 어려울지라도, 오일에 의해서 흡수되어 섬프(10)에서 분리되는 냉매는 압축기의 전체유동의 약 1 내지 3%이다. 압축기가 멈출 때 오일이 냉각됨에 따라서 원하지 않는 오일의 점도를 회피하기 위해서, 오일 히터(57)가 제공되는데, 이것은 윤활유를 소정의 온도범위로 가열하거나 유지하고 그래서 윤활유는 압축기(23)가 기동하자마자 적정한 점도를 갖는다. 유체는 수중에서 작동할 수 있는 펌프(60)에 의해서 섬프(10)로부터 펌핑되어 오일 냉각기(62)로 보내지는데, 오일 냉각기는 오일이 소정의 작동온도 이상이 될 때만 작동한다. 섬프에 있는 오일로부터 분리된 냉매 가스는 가스 도관(102)(도 3 참조)을 통해서 압축기 유입구(34)로 보내지는데, 이때 오일은 혼화성 냉매 가스를 포함하며 보조 오일 저장소(32)로 보내지고, 윤활 사이클이 반복된 후에 윤활목적을 위해서 압축기로 계량된다. 증발 압력과 온도가 수 냉각기에서보다 상당히 높아지는 히트펌프 시스템에 있어서, 오일 온도는 수용가능한 값으로 오일 용해도를 유지하기 위해서 높은 값으로 설정된다. 이렇게 높은 온도의 결과로서, 오일 점도는 만약 동일한 등급의 오일이 수 냉각기 시스템에서 사용된다면 감소하게 될 것이다. 높은 점도를 갖는 오일 등급은 히트펌프 시스템에서 경험하는 높은 온도를 보상하는데 사용될 수 있다. 점도에 대한 이러한 보상을 통해서, 그러한 히트펌프 시스템에서 오일의 온도 상승은 다른 이슈들을 발생시킨다. 이들 중에서 만약 오일온도가 너무 높아진다면 축 밀봉과 베어링의 실패의 위험이 있다. 본 발명은 오일 온도에 영향을 끼치는 작동의 온도차로 인하여 표준 냉각기의 작동과 높은 온도 히트펌프 사이의 차이들 중 일부를 보상하는 시스템을 제공한다. 본 발명은 중요하지 않고 저렴한 변형들을 통해서 냉각기 응용에서 사용된 현재 표준 압축기 시스템의 응용범위를 히트펌프 응용까지 확장시킨다.

도 3은 종래의 도 2의 단면도를 단순화한 버전으로, 단순화한 윤활 사이클을 (설명을 위해서) 개략적으로 나타내었고, 여기에서 윤활유와 혼화성 냉매는 압축기(23)로부터 도관(56)을 통해서 섬프(10)로 배수되고 그러면 섬프 압력하의 냉매 가스가 가스 도관(102)을 따라서 압축기 유입구로 복귀하고 윤활유와 혼화성 냉매는 도관(104)을 따라서 압축기(23)로 복귀한다.

비록 도 3 내지 도 7은 종래 기술 및 본 발명에 의해서 제공된 개선점을 나타내는 단순화한 개략도(설명의 목적을 위해서)일지라도, 도 2에 나타낸 윤활 회로의 작동에 필요한 특징들은 비록 여기에서 발표한 바와 같이 혁신적인 압력 감소 장치(409)가 추가되었을지라도 도 4 내지 도 7에서 나타낸 회로들에 또한 존재한다.

도 4는 단순화한 개략도를 다시 사용하여 본 발명의 단순화한 버전을 제공한다. 도 4에 있어서, 압력 감소장치(409)는 섬프에서 냉매 가스의 압력을 감소시키는 반면에 냉매 가스를 끌어당기도록 섬프(10)와 압축기 유입구(34) 사이에 위치한다. 비록 압력 감소장치(409)는 연결부(411)를 통해서 압축기(34)의 유입구(34)에 연결된 것으로 도시되어 있지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자가 이해할 수 있는 것처럼 그것으로 제한되지 않으며, 압력 감소장치(409)는 냉각회로의 어느 저압 지점에 연결될 수 있다. 이러한 저압 지점은 대부분의 경우 증발기(27)이지만, 증발기(27) 또는 증발기 유입구 및 압축기 유입구(34) 사이에서 상기 장치에 연결될 수 있다. 압력 감소장치(409)는 오일섬프에서 냉매가스의 압력(및 온도)를 낮출 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 섬프(10)에서 냉매 가스의 압력을 낮추는 것은 오일에서 냉매의 용해도를 줄이는 바람직한 효과를 가지며, 이에 의해서 축 밀봉과 베어링의 적정한 윤활을 제공하는 동안에 오일 점도의 감소를 완화시키게 된다. 오일섬프에서 냉매 압력을 낮추는 것은 여러 가지 잇점들을 결합하는 "선순환(virtuous cycle)"을 개시하는데, 그것들 중 하나는 히트펌프 조건에서 마주치게 되는 높은 증발온도와 압력하에서 냉각시스템(21)이 작동할 수 있는 능력이다. 그러한 히트펌프 조건하에서 작동하는 경우에, 압력감소를 위한 타겟은 수 냉각기로서 작동하는 경우에 동일한 압축기의 유용한 범위와 부합하는 값의 오일섬프 가스압력으로 설정된다. 그러므로, 만약 주어진 형태의 압축기가 예를 들어 주어진 냉매를 사용하고 20℃(68℉)의 증발온도에 대하여 유용하면, 상기 타겟은 냉각기들에 대하여 동일한 표준 값하에서 모든 윤활 매개변수들을 설정하기 위해서 히트펌프 작동에 있어서 20℃ 포화온도에 대응하는 섬프압력으로 설정될 것이다. 물론, 이것은 기계장치를 신뢰할만하게 충분히 보장하지는 못한다. 작용의 이러한 과정은 고온 히트펌프 응용에서 사용하기 위한 냉각기 응용을 위한 표준 압축기 변형에 있어서 모든 문제점들을 해결하지는 못하며, 설계압력, 축 동력, 베어링 부하 등과 같은 다른 매개변수들이 유용해야만 하고 유활과 연관된 문제점들이 해결되어야 한다. 도 2에 도시된 바와 같은 시스템의 상세내용 모두가 도 4의 단순화한 버전에는 도시되어 있지 않지만, 도 2에 도시된 시스템의 상세내용 모두는 새로운 압력 감소장치(409)가 섬프와 냉각 시스템(21)의 저압 지점 사이에 포함된 것을 제외하고는 도 4의 시스템을 단순화한 것으로 이해할 수 있을 것이다.

오일섬프에서 압력 감소는 다른 방식으로 달성될 수 있다. 도 5는 본 발명의 설명을 위해서 단순화한 개략도를 다시 사용하여 본 발명의 실시 예의 단순화한 버전을 나타낸다. 비록 도 2에 도시된 바와 같은 시스템의 상세내용 모두가 도 5의 단순화한 버전에는 도시되어 있지 않지만, 도 2에 도시된 시스템의 상세내용 모두는 압력 감소장치(509)가 섬프와 냉각 시스템(21)의 저압 지점 사이에 포함된 것을 제외하고는 도 5의 시스템을 단순화한 것으로 이해할 수 있을 것이다. 도 5에 있어서, 압력 감소장치는 섬프에서 냉매 가스의 압력을 줄이는 동안에 섬프(10)로부터 냉매가스를 뽑아내기 위하여 섬프(10)와 압축기 유입구(34) 사이에 위치한 작은 추가적인 "보조" 압축기(509)이다. 보조 압축기(509)는 섬프(10)의 기체 체적에 연결된 흡입측 및 예를 들어 주 압축기(23)의 압축기 유입구(34)에 연결된 배출측을 갖는다. 이러한 실행에 있어서, 보조 압축기(509)의 용량은 섬프(10)에서 냉매 압력을 상기한 바와 같은 소정의 값 하에서 (예를 들면, 상기한 예에서 20℃하에서 냉매 유체의 포화된 압력에 대응하여) 유지하는 방식으로 조절된다. 위에서 설명하고 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 인정되는 바와 같이, 보조 압축기(509)의 배출구는 냉각 시스템(21)에서 도 1에 도시된 바와 같이 증발기(27)나 증발기(27)와 압축기 유입구(34) 사이의 어느 지점과 같은 어느 저압 지점에 연결될 수 있다.

보조 압축기(509)의 사용은 개념상 간단하지만, 몇가지 결점을 갖고 있다. 그것의 추가적인 제조 및 작동 비용 이외에, 보조 압축기(509)는 가능한 신뢰성과 유지보수 이슈를 갖는 기계적인 부품이다. 또한, 그것의 작동비용, 특히 에너지 소비가 상당할 것이다. 또한, 가변 작동 조건의 상황에서, 그러한 보조 압축기(509)의 사용과 관련된 용량제어는 문제가 있다. 그러나, 냉각 시스템(21)에서 보조 압축기(509)의 사용은 섬프(10)에서 냉매를 감소시키기 위한 가변 옵션이다.

본 발명의 실시 예의 단순화한 개략도인 도 6에 나타낸 다른 실시 예에 있어서, 제트펌프로서 또한 언급되는 배수펌프(609)는 섬프(10)와 연관된 압력 감소장치로서 묘사된다. 다시, 도 2에 도시된 바와 같은 시스템의 상세내용 전부가 도 6의 단순화한 버전에는 도시되어 있지 않지만, 도 2에 도시된 시스템의 상세내용 모두는 배수펌프(609)가 섬프와 냉각 시스템의 저압 지점 사이에 포함된 것을 제외하고는 도 6의 시스템을 단순화한 것으로 이해할 수 있을 것이다. 도 6에 있어서, 응축기(25)와 유체 연결되는 도관(615)으로부터 배출되는 고압 가스는 팽창밸브(도시되지 않음)을 통과한 후에 필요한 경우 배수펌프(609)를 작동시키기 위해 에너지를 제공하도록 사용된다. 이젝터 배출구에서, 응축기(25)로부터 배출된 이러한 고압 냉매 유체와 섬프(10)로부터 펌핑된 저압 가스의 혼합물이 냉각 시스템에서 저압 지점, 바람직하게는 증발기로 보내진다. 비록 도 6에서는 도관(611)을 통해서 압축기 유입구(34)와 직접 유체 연결되는 것으로 도시되어 있지만(도 4 및 5와의 일관성을 위해), 저압 지점은 앞서 설명한 바와 같이 낮은 압력하에 있는 증발기(27)와 압축기(23) 사이의 중간위치에 놓이게 된다. 배수펌프를 사용하는 이 실시 예의 장점은 도 5의 보조 압축기(509)의 사용을 통해서 발견한 것과 같이 부품들을 이동시키는 것을 회피하는 것이다. 배수펌프(609)는 비교적 빈약한 효율을 가지고 있으며 따라서 냉각 시스템의 에너지 효율을 저하시키기 때문에 이 실시 예는 결점으로 인한 어려움을 겪지 않는다. 그럼에도 불구하고, 냉각 시스템(21)에서 배수펌프(609)의 사용은 섬프(10)에서 냉매를 줄이도록 실행가능한 옵션으로, 히트펌프 응용에서 발견한 것과 같이 고온 시스템에서 윤활장치의 작동을 가능하게 한다.

본 발명의 실시 예의 단순화한 개략도인 도 7에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 보조 응축기(709)는 섬프(10)와 연관된 압력 감소 장치로서 묘사된다. 다시, 도 2에 도시된 바와 같은 시스템의 상세내용 전부가 도 7의 단순화한 버전에는 도시되어 있지 않지만, 도 2에 도시된 시스템의 상세내용 모두는 보조 응축기(709)가 섬프(10)와 냉각 시스템의 저압 지점 사이에 포함된 것을 제외하고는 도 7의 시스템을 단순화한 것으로 이해할 수 있을 것이다. 도 7에 있어서, 섬프(10)로부터 배출된 냉매 가스는 도관(713)을 거쳐서 보조 응축기(709)와 유체 연결된다. 섬프(10)로부터 배출된 가스는 보조 응축기(709)로 들어가고 여기에서는 냉각 회로(715)를 통해서 유동하는 냉각유체와 열교환하게 된다. 냉각회로(715)에 있는 냉각유체는 냉매 가스를 냉각시키고, 그것을 기체로부터 액체로 응축하고, 액체 냉매는 도관(730)을 거쳐서 액체 저장공간(717)으로 보내진다.

보조 응축기(709)는 섬프(10)에서 원하는 냉매 압력과 같은 응축압력을 제공하도록 선택된다. 이것은 보조 응축기(709)에 있는 냉매 가스가 히트펌프의 냉각원보다 낮은 온도하에서 냉각유체에 의해 냉각되는 것을 필요로 한다. 예를 들면, 만약 보조 응축기(709)에서 원하는 응축압력이 20℃(68℉) 포화온도에 대응하면, 보조 응축기(709)는 약 12℃(약 54℉)의 들어가는 온도와 약 18℃(약 64℉)의 떠나는 온도를 갖는 물로 바람직하게 냉각된다. 냉각수는 원하는 온도범위 내에서 지하수 뿐만아니라 유용하게 냉각된 수원으로부터 제공된다. 보조 응축기(709)에서 응축압력은 섬프(10)에서 원하는 기체압력을 유지하기 위해서 보조 응축기(709)의 냉각회로(715)를 통해서 냉각유체의 유량 및/또는 온도를 변화시킴으로써 조절된다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 응축된 냉매를 위한 액체 저장공간(717)은 도시된 바와 같이 별도의 베셀이 되거나, 또는 보조 응축기(709)에 통합된 별도의 저장공간이 될 수 있다.

시스템의 원리에 따라, 액체 저장공간(717)은 주 냉매회로에서 압축기 유입구와 증발기보다 낮은 압력하에 있다. 액체 저장공간(717)에서 액체 냉매의 축적을 회피하기 위해서, 냉매는 액위센서(721)에 의해서 제어되는 액체 펌프(719)에 의해 액체 저장공간(717)으로부터 냉매 시스템(21)으로 펌핑되어야만 한다. 이 액체 펌프(719)는 유체 저장공간(717)에 연결된 흡입측 및 냉매 시스템(21)과 유체연결된 배출측을 갖는다. 펌프의 헤드 동력 및 흡수된 동력을 줄이기 위해서는, 주 냉매 회로(21)의 저 압력부분으로 펌프 배출을 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 저압력 영역은 압축기 유입구(34)가 될 것이지만, 도 3 내지 도 6을 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 비록 냉매는 팽창밸브(31)와 압축기 흡입측(34) 사이와 같은 편리한 지점에서 낮은 압력영역으로 보내질지라도, 도 7은 팽창밸브(31)와 증발기(27) 사이의 도관으로서 저압력 영역을 나타낸다. 압축기의 액체 범람을 회피하기 위해서 액체 저장공간(717)으로부터 압축기 흡입측(34)(흡입구) 내로 직접적으로 냉매 액체를 보내는 것을 회피하는 것이 바람직하다. 그러므로, 팽창밸브(31)와 증발기(27) 사이에서 도관을 따르는 위치는 증발기(27)의 액체 유입구와 같이 이 액체 냉매를 증발기(27)로 공급하는 바람직한 냉매입력이다. 특히, 만약 증발기(27)가 건식팽창 기술(쉘 및 튜브나 판 열교환기)을 채용하면, 액체 냉매를 증발기 유입구에 있는 주 액체라인 내로 배출하는 것이 바람직하다. 만약 증발기(27)가 만액식 타입, 액막 유하식 또는 하이브리드 액막 유하식인 경우, 압축기 유입구(34)로 액체가 운반되는 것을 회피하기 위해서 흡입관으로부터 떨어진 위치에서 증발기 쉘에 직접적으로 액체를 배출하는 것이 대안이 될 수 있다.

액체 펌프(719)의 작동을 제어하기 위해서 제공된 수단이 액위센서(721)로서 도 7에 나타나 있다. 원하는 배열은 보조 응축기(709)의 배출구에 위치한 유체 저장공간(717)을 갖는 것이며, 이에 의해서 액체 냉매가 보조 응축기(709)로부터 액체 저장공간(717) 내로 중력에 의해서 유동할 수 있게 한다. 이 체적은 보조 응축기(709) 또는 별도의 베셀과 동일한 쉘에 포함될 수 있다. 이 저장공간에서 액체수위는 제어 루프를 포함하는 액위센서에 의해서 감지되는데, 이것은 액위센서(721)로서 간단히 묘사된다. 액위센서(721)의 이러한 제어루프부분은 소정의 수용 가능한 한계 내에서 유체 저장공간(717)에서 액체 수위를 유지하기 위해서 액체 펌프(719)의 작동을 유지한다. 액체 펌프(719)는 액위센서(721)의 제어루프에 의해서 속도가 조절되는 가변속도 드라이브를 가질 수 있거나, 혹은 동일한 제어루프의 제어하에서 온/오프 작동시퀀스를 가질 수 있다.

다른 실시 예에 있어서, 종래의 기계적인 액체 펌프(719)는 순수하게 정적인 펌핑장치로 교체될 수 있다. 이 실시 예의 변형에 있어서, 정적인 펌핑 장치는 주 응축기(25)로부터 배출되는 고압가스에 의해서 동력을 받는 배수펌프(609)를 이용하게 된다. 유체 저장공간(717)으로부터 펌핑된 액체와 주 응축기(25)로부터 배출된 기체의 혼합물이 증발기(27)로 복귀한다. 이 실시 예에 대한 다른 변형에 있어서, 2개의 유체 저장 베셀들(717)이 보조 응축기(715) 아래에 위치하고, 각각은 응축된 냉매 액체를 수용하도록 보조 응축기(709)의 배출구에 연결된 유입구(A)와, 증발기 또는 주 응축기(25)로부터 기체를 수용하도록 연결된 유입구(B)와, 그리고 증발기(27)에 연결된 배출구(C)를 갖는다. 이러한 연결부들 각각은 개방되거나 폐쇄될 수 있는 자동밸브를 갖는다. 이 장치는 "일괄(batches)"로 작동하고, 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 알려진 원리들을 사용하는 제어회로에 의해서 활성화된다. 이 장치는 또한 반-밀폐 모터의 냉각과 연돤되어 도 13에 나타나 있다.

이 실시 예들 중 어느 실시 예는 윤활된 압축기에서 오일로부터 냉매를 제거할 수 있게 하고, 원심형 압축기를 사용하도록 제한되지 않는다. 본 발명은 왕복 압축기, 스크롤 압축기 및 ORC 시스템에서 사용되는 바와 같은 터빈와 함께 사용될 수도 있고, 각각은 윤활을 필요로 한다. 보조 압축기(509)나 배수펌프(609)는 앞서 설명한 바와 같이 이러한 유닛에서 오일로부터 냉매를 제거하도록 바람직하게 사용될 것이다. 이 부품들은 상당한 전력 소모를 필요로 하고 한편으로는 시스템 효율을 저하시킨다. 보조 응축기(709)는 원하는 온도의 물이 유용하므로 작동을 위해서 동력을 필요로 하지 않는 장점을 갖는다. 응축된 냉매 액체를 증발압력 또는 그 근처하에서 유지되는 냉매 시스템(21)으로 운반하기 위해서 액체 펌프(719)를 필요로 한다. 비록 이것은 적은 양의 전력을 필요로 할지라도, 이것은 보조 압축기(509)의 작동에 필요한 것보다 상당히 적으며, 배수펌프(609)의 작동과 같은 전체 시스템 효율에 대한 불이익이 없다.

윤활장치로부터 냉매를 분리하기 위하여 도 4 내지 도 7을 참조하여 위에서 언급한 기본적인 압력 감소장치는 반-밀폐 모터를 냉각시키기 위한 냉매 유체의 작동 한계를 연장하기 위해서 냉각회로에서 사용하기에 적합할 것이다. 이러한 압력 감소 장치(409)는 냉각장치보다 높은 온도하에서 통상적으로 작동하는 히트펌프 장치에서 바람직하게 이용될 수 있다. 이러한 냉매압력 감소장치(409)는 냉매의 모터 냉각 성능을 연장시키고, 히트펌프 응용을 위해 냉각장치 장비의 이용을 가능하게 한다. 이 장치들에 있어서, 냉매는 모터의 작동에 의해서 발생되는 열로부터 모터와 모터 공동을 냉각시키도록 이용된다. 그러한 압력 감소장치 없이 모터 고정자를 둘러싸는 오일과 모터 하우징에서의 압력은 증발기에서의 압력과 거의 같거나 약간 높다. 그러나, 압력 감소장치들은 모터 공동에서의 압력을 압축기 유입구의 압력보다 낮고 바람직하게는 증발기의 압력보다 낮은 소정의 값으로 유지하도록 제어되고, 그래서 냉매 가스는 하우징을 통해서 추출될 수 있다. 히트펌프 응용에서 장치 작동을 위해, 예를 들어 주어진 냉매에 대한 원하는 압력에 대응하는 20℃의 포화온도하에서 압축기 유입구에서의 압력보다 낮은 소정의 값으로 모터 공동 내의 압력을 유지하는 것이 바람직하다. 이 값들은 장치가 수 냉각기 장치로서 작동하는 경우에 압축기가 유용한 온도에 대응한다.

본 발명의 양수인에게 양도된 종래의 특허출원 WO 2012/08(25)92 A1에 발표한 바와 같이 압축기를 구동하는 반-밀폐 모터(350)를 냉각시키기 위해서 이용되는 종래의 냉각 구조를 나타낸다. 도 8의 모터의 단면도에 있어서, 원심형 압축기(376)는 바람직한 실시 예에서 모터 축(128)의 각 단부에 부착된 임펠러(91)를 구비한 것으로 나타나 있지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않으며, 모터 냉각 구조는 냉각회로에서 반-밀폐 모터에 의해 구동되는 소정 형식의 압축기와 함께 이용될 것이며 도 8에 도시된 바와 같이 축(128)의 양단부에 압축기 부착을 필요로 하지 않는다. 도 8에 있어서, 응축기로부터 배출되는 액체 냉매는 라인(78)을 거쳐서 팽창장치(80)로 제공되는데, 여기에서는 액체 냉매의 압력과 온도를 줄이고, 바람직하게는 그것을 앞서 정의한 바와 같이 냉매 액적들 및 기체의 혼합물인 미스트로 변환시킨다. 그러면, 냉매 혼합물은 모터 유입구(81)로 들어가서 모터 하우징(382) 내로 이동하는데, 이것은 그것의 경계를 가로질러서 가스(냉매)가 누설되는 것을 방지하도록 밀봉된다.

모터 고정자(88)와 모터 회전자(129)를 포함하는 모터(350)의 작동은 열을 발생시킨다. 모터 고정자(88), 모터 회전자(129) 및 축(128)은 모터 하우징(382) 내의 공동(352)에 위치한다. 회전자(129)는 축(128)에 부착되고, 모터 고정자(88)의 교류 전기장은 회전자(129)와 축(128)을 회전시킨다. 도 8에는 모터축(128)의 각 단부에 제공되는 베어링들(90)이 도시되어 있는데, 이들은 작동중에 회전자(129)를 지지한다. 도 8에 있어서, 이러한 베어링들(90)은 기계적인 베어링들로서 나타내었지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 이해되는 바와 같이, 자기 베어링이 될 수도 있다. 모터(350)와 마찬가지로, 자기 베어링들은 강자기장에 의해서 작동되고 또한 열을 발생시킨다. 그러므로, 열은 베어링(90)이 자기 베어링이나 기계적인 베어링인 모터 하우징(382) 내에서 발생한다. 모터 유입구(81)를 통해서 모터 하우징(382) 내로 도입된 냉매는 모터(350)와 베어링(90)으로부터 열을 제거하도록 사용된다.

이러한 특별한 실시 예에 있어서, 모터 유입구(81)를 통해서 모터 하우징(382)으로 들어간 후에, 냉매는 모터 고정자를 둘러사는 코일 내로 들어가서 모터 고정자(88)로부터 열을 제거한다. 그러면, 냉매는 냉매를 2차 공동(380)으로 운반하는 라인(378) 내로 들어간다. 2차 공동(380)으로 들어가는 냉매는 미스트, 즉 2개 위상의 냉매이다. 액상(384)은 중력에 의해서 2차 공동(380)의 바닥으로 분리되고, 라인(388)을 거쳐서 제 1 모터 하우징 배출구(386)를 통해서 증발기(27)로 보내진다. 라인(388)은 냉매 액체의 유동을 조절하기 위하여 고정된 오리피스나 제어밸브와 같은 제한수단(390)을 포함할 것이다. 제한수단(390)은 이러한 경로를 거쳐서 냉매가 액상으로 모터를 통과하는 것을 방지한다. 2차 공동(380)으로 들어가는 남아있는 냉매는 기체로서 틈새(108)를 통과하고 모터 공동(352)으로 다시 들어가며, 이때 도 8에서 화살표들로 나타낸 바와 같이 고정자(88)와 회전자/축(128)/(129)을 통과하면서 이 부품들로부터 열을 제거한다. 냉매의 일부는 베어링(90)을 통과하면서 열을 제거하여 베어링을 냉각시킨다. 냉매는 고정자(88)와 모터/회전자(129)/(128) 사이의 간격을 통과하고 이때 이들로부터 열을 제거한다. 그러면, 냉매 가스는 도관(392)을 거쳐서 제 2 모터 하우징 배출구(387)을 통해 증발기(27)로 직접적으로 또는 베어링들(90)을 통과해서 다시 복귀한다. 이것은 액체, 기체 또는 2개 위상의 냉매의 조합을 사용하여 모터의 다양한 부품들을 냉각시키도록 모터에서 냉매를 순환시키는 많은 방법들 중 하나이다. 다양한 구성이 가능하지만, 종래의 장치들은 모터 하우징에서의 압력이 냉각회로의 증발압력과 거의 같다는 것이 공통점이다.

종래의 냉각 배열에 있어서, 모터 공동(352)에서 그리고 고정자(88)를 둘러싸는 오일에서의 압력은 증발기(27)에서의 압력과 거의 같다. 모터에서 열의 한가지 발생원은 회전 부품들의 속도에 의해서 발생된 기체 마찰력이다. 이 동력은 기체 밀도에 따라 증가한다. 그러므로, 모터(350)에서의 높은 기체압력은 모터의 가열에 기여하는 높은 마찰손실을 발생시킨다. 모터 하우징에서 기체 온도는 모터 하우징 내에서 냉매의 포화온도 및 압력과 같거나 크다. 끝으로, 고정자를 둘러싸는 코일에서 냉매의 증발온도는 모터 하우징에서 포화된 압력과 적어도 같다. 그 결과는 온도와 압력이 증발기에서 증가하는 경우의 결과이고, 모터에서의 온도와 압력 모두 증가한다. 이러한 이유로, 비록 수 냉각기에 대하여 사용된 반- 밀폐 압축기 응용에서 유용할지라도, 이러한 온도와 압력 설정값들을 유지하는 것에 의해서 필요한 냉각이 제공될 수 없기 때문에, 종래의 냉각배열은 고온 히트펌프 응용에서는 사용되지 않는다.

냉매를 사용하는 냉각 배열은 모터 공동 내의 냉매의 압력이 압축기 유입구(34)에서의 압력이나 증발기(27)의 압력보다 낮은 경우에 성공될 수 있다. 모터 공동(352)에서 냉매의 압력을 낮추면, 기체 마찰손실을 줄이고 모터 냉각을 개선시킨다. 히트펌프 조건하에서 작동하는 경우, 압력 감소를 위한 이상적인 타겟은 모터 공동으로부터 배출된 냉매의 압력을 수 냉각기로서 작동하는 경우의 동일한 표준 기계장치의 유용한 범위에 부합하는 값으로 설정하는 것이다. 예를 들면, 만약 주어진 형식의 압축기 및 연관된 반-밀폐 모터가 주어진 냉매를 사용하여 20℃의 최대 증발온도에 대하여 냉각 응용에서 유용하다면, 타겟은 히트펌프 작동에서 20℃의 포화온도로 모터 공동을 설정하게 하는 것이 될 것이다. 물론, 모터 냉각이 받아들여질 수 있도록 충분히 보장하지는 못한다. 설계압력, 축 동력, 베어링 부하 등과 같은 많은 매개변수들이 체크 및 해결되어야만 하지만, 모터 냉각문제에 대한 해법은 제공된다.

모터 공동(352)에서 냉매의 압력감소는 다른 방식으로 달성될 것이다. 이 압력 감소는 상기한 바와 같이 섬프(10)에서의 압력 감소를 위해 이용된 동일한 장비를 사용하여 달성될 것이다.

도 9는 도 8의 단순화한 버전으로서 모터(350)를 통과하는 냉매 유체에 대한 모터 유입구(81)로부터의 회로를 나타낸다. 라인(388)에 있는 액체 냉매는 제한수단(390)을 통과하여 냉매를 증발기(27)로 안내하는 도관(392)으로 이동한다.

도 10은 단순화한 개략을 사용하여 본 발명의 실시 예를 나타낸다. 비록 도 8에 도시된 바와 같은 시스템의 모든 상세내용은 도 10의 단순한 버전에서는 나타내지 않았지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 모터(350)과 관련하여 도 8에 나타낸 시스템의 모든 상세내용은 도 10에 나타낸 본 발명의 실시 예에 포함될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이렇게 생략한 상세내용은 도 10에 나타낸 개선을 이해하는데는 필요하지 않다. 일반적으로, 도 10은 모터 공동(352)와 연통하는 냉매압력 감소장치(409)를 나타내는데, 냉매압력 감소장치(409)는 냉각 시스템과 모터 공동에서 저압 지점을 개재한다. 도 10에 있어서, 냉각 시스템(10)에서 이러한 저압 지점은 도시된 바와 같이 증발기(27)가 될 것이나, 이것은 또한 압축기 흡입측(즉, 유입구(34))이나 다른 저압 지점이 될 수도 있다. 도 14에 있어서, 냉매압력 감소장치(409)는 모터 공동(352)으로부터 냉매를 추출하기 위해 모터(350)와 증발기(27) 또는 압축기 유입구(34) 사이에 위치한 작은 추가적인 "보조" 압축기 (509)이다. 도 14에 도시된 배열에 있어서, 도 10의 배열이 오리피스(390)를 통해서 냉매압력 감소장치(409)의 유입구 내로 유동하는 몇몇 액체를 고려함에 따라서도 10에 따른 개략적인 다이어그램은 바람직하게 채택되지 않으며, 이 장치가 도 14에서 고려한 것과 같은 보조 압축기인 경우에 이것은 압축기 범람과 관련된 수용될 수 없는 것이다. 이것을 회피하기 위해서, 모터 유입구(81)에서 오리피스를 통하여 과도한 양의 액체를 보내는 것을 회피하기 위한 수단이 제공되어야 한다. 그러한 실행의 예가 도 14 및 도 15에 나타나 있다. 도 14 및 도 15는 팽창밸브(802)를 통해 모터 공동으로 들어가는 유체가 어떻게 조절되는지를 다르게 나타내었다. 도 14에 있어서, 도 10의 회로는 다음과 같이 변형된다: 도 10에 나타낸 모터 유입구(81)에 있는 고정된 오리피스는 고정자 코일에 대한 냉매 유동을 줄이기 위해서 사용되는 자동온도조절 팽창밸브(802)를 포함한다. 도 10에 나타낸 고정된 오리피스(390)는 고정자(88)에 대한 냉매 유동을 줄이기 위해서 사용된 자동온도조절 팽창밸브(802)에 의해서 교체된다. 팽창밸브(802)와 연관된 온도 센서가 될 센서(804)는 라인(378) 또는 모터 하우징의 편리한 위치에 놓일 것이다. 이 배열을 통해서, 단지 일부의 기체가 모터 하우징(382)으로부터 빠져나가서 라인(378)을 통해 공동(380)으로 들어간다. 도 14에 나타낸 바와 같이 2차 공동(350)에 있는 액체가 제거됨에 따라서 액상(384)이 제거되고, 액체 라인(388)이 제거될 것이다. 감소된 양의 냉매가 팽창밸브(802)를 통해서 들어가므로, 감소된 양이나 냉매 가스는 라인(392)을 통해서 모터 하우징(382)으로부터 빠져나가고, 필요한 경우에 보조 압축기의 흡입측에서 액적이 존재하지 않도록 보장한다.

이러한 실행에 있어서, 압력 감소장치(409)의 공동(도 15에서 보조 압축기(509))은 모터 공동(352) 내의 압력이 소정 값으로 유지되는 방식으로 조절된다. 이러한 고정의 값은 주어진 냉매에 대한 최대의 증발온도에 대응하며, 이 온도는 표준 압축기가 수 냉각기로서 작동하는 경우에 히트펌프 조건하에서 압축기 작동을 위한 동일한 온도가 될 것이다. 예를 들면, 압력은 20℃의 온도에 대응하도록 설정될 것이다. 상기한 바와 같이 그리고 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 인식되는 바와 같이, 보조 압축기(509)와 같은 냉매압력 감소장치(409)의 배출측은 도 1에 도시된 증발기(27)와 같이 냉각 시스템(21)에 있는 어느 저 압력지점에 연결될 수 있다. 도 15의 개략도에 있어서, 액체는 2차 공동(38)에서 풀(pool)이 되고, 그 수위는 수위 제어(805)에 의해서 모니터되고, 이것은 모터 하우징(382)로 들어가는 냉매를 제어하는 자동온도조절 팽창밸브(802)를 제어한다.

보조 압축기의 사용은 개념적으로 단순하지만, 몇가지 결점을 갖고 있다. 그것의 추가적인 제조비용과 작동비용 이외에도, 보조 압축기는 신뢰성과 유지보수 이슈들을 갖는 기계부품이다. 또한, 그것의 작동비용, 특히 에너지 소비는 상당하다. 또한, 가변적인 작동조건의 상황에서, 보조 압축기의 사용과 관련된 용량 제어는 문제가 될 것이다. 그러나, 냉각 시스템(21)에서 보조 압축기의 사용은 모터 공동(352)에서 냉매 압력을 줄이기 위한 실행가능한 옵션이다.

본 발명의 단순화한 개략도인 도 11에 도시된 다른 실시 예에 있어서, 제트 펌프로서 또한 언급되는 배수펌프(609)는 모터(350)와 연관된 압력 감소장치(409)로서 묘사된다. 다시, 도 8에 도시된 바와 같은 시스템의 상세내용 전부가 도 11의 단순화한 버전에는 도시되어 있지 않지만, 도 8에 도시된 시스템의 상세내용 모두는 배수펌프(609)가 모터(350)와 모터 공동(352) 그리고 냉각 시스템의 저압 지점 사이에 포함된 것을 제외하고는 도 11의 시스템을 단순화한 것으로 이해할 수 있을 것이다. 도 11에 있어서, 응축기(25)와 유체 연결되는 도관(615)으로부터 배출되는 고압 기체는 팽창밸브를 통과한 후에 만약 필요한 경우 배수펌프(609)를 작동시키기 위한 에너지를 제공하도록 사용된다. 배수펌프 배출구에서, 응축기(25)로부터 배출되는 이러한 고압 냉매 유체와 모터(350)로부터 펌핑되는 저압 냉매의 혼합물이 냉각 시스템의 저압 지점, 바람직하게는 증발기(27)로 보내진다. 냉매는 도 11에 도시된 바와 같이 도관(611)을 거쳐서 압축기 유입구(34)와 직접 유체 연결되거나, 또는 저압 지점이 증발기 유입구와 압축기 유입구(34) 사이의 중간 위치가 될 것이다. 이 실시 예의 장점은 위에서 언급한 바와 같은 보조 압축기(509)의 사용을 통해서 발견된 것과 같은 부품들의 이동을 회피하는 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같은 배수펌프(609)를 이용하는 이 실시 예는 배수펌프(609)가 비교적 빈약한 효율을 가지므로 냉각 시스템의 에너지 효율을 불리하게 만드는 결점을 경험하게 된다. 그럼에도 불구하고, 냉각 시스템(21)에서 배수펌프(609)의 사용은 히트펌프 응용에서 확인된 높은 온도 시스템으로 작동함에 따라서 냉매로 하여금 모터를 냉각시킬 수 있게 하면서 모터(350)에서 냉매 압력을 낮추고 냉매를 냉매회로로 복귀시키기 위한 실행가능한 옵션이다.

본 발명의 실시 예의 단순화한 개략도인 도 12에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 작은 보조 응축기(709)는 모터(350) 및 모터 공동(352)와 연관된 압력 감소장치로서 묘사된다. 다시, 도 8에 도시된 바와 같은 시스템의 상세내용 전부가 도 12의 단순화한 버전에는 도시되어 있지 않지만, 도 8에 도시된 시스템의 상세내용 모두는 보조 응축기(709)가 모터(350)와 냉각 시스템의 저압 지점 사이에 포함된 것을 제외하고는 도 12의 시스템을 단순화한 것으로 이해할 수 있을 것이다. 도 12에 있어서, 모터(350)로부터 배출되는 냉매는 도관(392)을 통해서 뿐만아니라 라인(388)과 제한수단(390)을 통해서 보조 응축기(709)와 유체연결되고, 모터(350)로부터 배출되는 냉매는 보조 응축기(709)로 들어가며, 여기에서 보조 응축기(709)의 냉각회로(715)를 통해서 유동하는 냉각유체와 열교환한다. 냉각회로(715)에 있는 냉각유체는 냉매 가스를 냉각시키고, 그것을 기체로부터 저장공간(717)으로 보내지는 액체로 응축한다.

보조 응축기(709)는 모터(350)의 공동에서 원하는 냉매 압력과 같은 응축 압력을 제공하도록 선택된다. 이것은 보조 응축기(709)에 있는 냉매 가스를 히트펌프의 냉각원보다 낮은 온도로 냉각유체에 의해 냉각되게 하는 것을 필요로 한다. 예를 들면, 만약 원하는 응축압력이 20℃(68℉) 포화온도에 대응하면, 보조 응축기(709)는 약 12℃(약 54℉)의 들어가는 온도와 약 18℃(약 64℉)의 떠나는 온도를 갖는 물로 바람직하게 냉각된다. 냉각수는 원하는 온도범위 내에서 지하수 뿐만아니라 유용하게 냉각된 수원으로부터 제공된다. 응축압력은 모터(350)에서 원하는 기체압력을 유지하기 위해서 보조 응축기(709)의 냉각회로(715)를 통해서 냉각유체의 유량 및/또는 온도를 변화시킴으로써 조절된다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 유체 저장공간(717)은 도시된 바와 같이 별도의 유닛이 되거나, 또는 보조 응축기(709)에 통합된 별도의 저장공간이 될 수 있다. 유체 저장공간(717)의 위치와 관계없이, 유체 저장공간에 있는 액체 냉매는 액위센서(721)에 의해서 활성화되는 액체 펌프(719)에 의해서 저장공간(717)으로부터 편리하게 펌핑된다.

일단 모터(350)의 공동으로부터 배출된 냉매가 응축되어 유체 저장공간(717)으로 보내지면, 펌프의 헤드 동력 및 흡수된 동력을 줄이기 위해서 유체 저장공간(717)에 연결된 흡입측 및 냉매 장치에서 저압 영역과 연통하는 배출측을 갖는 액체 펌프(719)에 의해서 냉매 장치(21)로 다시 펌핑된다. 앞서 도 10 및 11을 참조하여 설명한 바와 같이 이러한 저압 영역은 압축기 유입구가 되지만, 이것은 액체 냉매에 의해 압축기가 범람하므로 압축기로 액체를 보내는 것은 바람직하지 않다. 그러므로, 비록 냉매는 편리한 지점에서 저압 영역으로 보내질지라도,냉매 펌프는 팽창밸브(31)와 증발기(27)(도 1 참조) 사이의 도관 또는 증발기(27)의 액체 유입구와 같은 증발기(27)에 대한 시스템의 저압 영역을 위한 펌핑 사이클을 수행하게 된다. 앞서 주목한 바와 같이, 이것은 이 액체 냉매를 증발기(27)로 공급하므로, 펌프의 헤드 동력 및 흡수된 동력을 줄인다. 특히, 만약 증발기(27)가 건식팽창 기술(쉘 및 튜브나 판 열교환기)을 채용하면, 액체 냉매를 증발기 유입구에 있는 주 액체라인 내로 배출하는 것이 바람직하다. 만약 증발기(27)가 만액식 타입, 액막 유하식 또는 하이브리드 액막 유하식인 경우, 액체가 운반되는 것을 회피하기 위해서 흡입관으로부터 떨어진 위치에서 증발기 쉘에 직접적으로 액체를 배출하는 것이 대안이 될 수 있다.

액체 펌프(719)의 작동을 제어하기 위해서 제공된 수단이 액위센서(721)로서 도 12에 나타나 있다. 원하는 배열은 보조 응축기(709)의 배출구에 위치한 유체 저장공간(717)을 갖는 것이며, 이에 의해서 액체 냉매가 보조 응축기(709)로부터 액체 저장공간(717) 내로 중력에 의해서 유동할 수 있게 한다. 이 체적은 보조 응축기(709) 또는 도 12에 나타낸 바와 같은 별도의 베셀과 동일한 쉘에 포함될 수 있다. 유체 저장공간(717)에서 액체수위는 제어 루프를 포함하는 액위센서(721)에 의해서 감지되는데, 이것은 액위센서(721)로서 간단히 묘사된다. 액위센서(721)의 이러한 제어루프부분은 소정의 수용가능한 한계 내에서 유체 저장공간(717)에서 액체 수위를 유지하기 위해서 액체 펌프(719)의 작동을 유지한다. 액체 펌프(719)는 액위센서(721)의 제어루프에 의해서 속도가 조절되는 가변속도 드라이브를 가질 수 있거나, 혹은 동일한 제어루프의 제어하에서 온/오프 작동시퀀스를 가질 수 있다. 액체 펌프(719)는 냉매 액체를 다시 냉각 시스템(21)으로 복귀시킨다. 압축기 유입구(34)가 액체로 범람하지 못하게 하기 위하여, 냉매는 증발기(27)를 포함하여, 도 12에 도시된 바와 같이 팽창장치(31)와 증발기(27) 사이에서 냉각 시스템으로 복귀할 것이다. 도 12에 있어서, 원심형 압축기는 2단계 압축기이고, 그래서 저압 기체 냉매는 첫번째 단계 압축기 유입구 내로 입력되고, 고압 기체는 두번째 단계 압축기로부터 응축기(25)로 배출된다.

다른 실시 예에 있어서, 종래의 기계적인 펌프는 순수하게 정적인 폄핑 장치에 의해서 교체될 것이다. 이 실시 예에 대한 변형에 있어서, 정적인 펌핑장치는 주 응축기(25)로부터 배출된 고압 가스에 의해서 동력을 얻는 배수펌프를 이용할 것이다. 유체 저장공간(717)으로부터 펌핑된 냉매 액체와 주 응축기(25)로부터 배출된 고압 냉매 가스의 혼합물이 미스트로서 증발기(27)로 복귀한다. 이와는 달리, 이 냉매는 압축기 유입구(34)로 복귀할 수도 있다.

도 13에 도시된 바와 같이 이 실시 예의 다른 변형에 있어서, 2개의 베셀들이 보조 응축기(709) 아래에 위치하는데, 각각은 응축된 냉매 액체를 도관(730)을 통해서 수용하도록 보조 응축기(709)로부터 연장된 액체 배출구에 연결된 유입구, 도 13에 도시된 바와 같은 주 응축기(25)로부터 고압 가스를 수용하도록 연결된 고압 가스 유입구(723), 그리고 증발기(27)에 연결된 배출구(725)를 각각 갖는다. 응축기(25)는 도 13에서 고압 가스를 위한 편리한 공급원이지만, 다른 고압 가스 공급원이 이용될 수도 있다. 고압 가스 유입구(723)는 유체 저장 베셀이나 공간(717)을 비우고 유체 저장 베셀들(717)로부터 증발기로 액체를 강제로 보내도록 동력을 제공한다. 도 13에서 밸브들(17,18,19)로서 나타낸 밸브들은 각각의 유체 저장 베셀(717)을 번갈아서 비우고 채우는 기능을 수행하도록 활성화된다. 그들의 작동은 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게는 간단하며, 번갈아서 사용되는 2개의 리시버들로 액체 펌프를 교체하도록 몇몇 아이스 스케이팅 링크에서 사용되는데; 하나는 보조 응축기로부터 배수하는 액체로 채워지고, 그동안에 다른 하나는 응축기로부터 배출된 고압 가스에 의해서 비워지게 된다. 이러한 연결부들 각각은 개방되거나 폐쇄될 수 있는 자동 밸브를 갖는다. 이 장치는 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 알려진 원리들을 이용하는 제어회로에 의해서 활성화되는 "일괄"로 작동한다. 액체 펌프(719)는 이 배열에는 필요가 없다.

도 15는 도 14에 도시된 것의 대안적인 배열이다. 도 14 및 15는 보조 압축기인 압력 감소장치를 나타낸다. 도 15는 냉매 액체가 보조 압축기(509) 내로 도입되는 것을 피하기 위하여 모터(350) 내로 도입된 냉매를 조절하는 것에 의해서 모터 냉각을 위한 능동제어의 다른 모드를 제공한다. 도 14에 있어서, 팽창밸드(802)는 고정자(88)를 둘러싸는 코일 내외로의 냉매의 유동을 제어한다. 액체 냉매는 응축기(25)(또는 만일 이용된다면 부냉각기)로부터 라인이나 도관(378)(도 8 참조)에서 포화된 팽창밸브(802)를 통해서 고정자(88)를 둘러싸는 코일(들) 내로 도입된다. 팽창밸브(802)는 2차 공동(380)에서 액체 유체 컬럼의 높이를 모니터하는 레벨 센서(805)에 의해서 제어된다. 팽창밸브(802)를 통해서 유동하는 냉매는 그것의 압력이 낮추어지면서 팽창된다. 2차 공동(380)으로 들어갈 때, 2개의 위상 유동으로부터 나오는 액체는 중력에 의해서 2차 공동(380)의 바닥으로 낙하하게 될 것이다. 2차 공동(380)에서 액체 냉매의 양은 2차 공동(380)에서 유체 높이를 탐지하는 센서(805)에 의해서 결정된다. 일단 액체 높이가 센서(805)에 의해서 결정되는 바와 같이 소정의 높이를 달성하면, 팽창밸브(802)는 2차 공동 내로의 냉매 유체의 유동을 감소시키도록 활성화될 것이다. 2차 공동(380)과 냉매압력 감소장치(409) 사이에는 액체라인이 불필요하다. 단지 냉매 가스는 회전자(129)와 고정자(88) 사이를 유동하고 라인(392)을 통해서 냉매압력 감소장치(409)로 유동하게 된다. 2차 공동(380)에서 센서(805)에 의해서 탐지되는 바와 같은 액체 냉매 높이의 증가는 냉매 액체가 더이상 모터 내로 보내지지 않는다는 것을 나타내며, 팽창밸브(802)는 고정자(88)로부터 냉매의 유동을 줄이게 된다. 2차 공동(380)에서 액체 냉매 높이가 센서(805)에 의해서 탐지되는 바와 같이 소정의 수위 아래로 떨어지는 경우, 팽창밸브를 열고 도관(378)을 통해서 2차 공동(380)으로 냉매의 공급을 재개하도록 팽창밸브(802)로 신호가 전달될 것이다.

도 14 및 15에 있어서, 장치(409)는 앞서 설명한 장치들 중 어느 것이 될 것이다. 그러므로, 도 5에 나타낸 보조 압축기(509), 도 6에 나타낸 배수펌프(609), 도 7에 나타낸 보조 응축기 또는 응축기/펌핑 장치의 압축기/응축기 장치와 같이 이들의 조합이 될 수 있다.

실시 예들 중 어느 것은 냉매가 모터를 냉각시키도록 사용될 수 있게 하고 모터의 공동으로부터 냉매를 제거하며, 그 실시 예들은 도면들에 예시적으로 나타낸 원심형 압축기로 제한되지 않는다. 그러므로, 본 발명은 왕복 압축기 및 스크롤 압축기와 함께 사용될 수 있고, 특히 그러한 압축기가 히트펌프 장치에서 사용하기에 적합한 경우에 각각은 모터 냉각을 필요로 한다. 상기 장치는 자기 베어링들을 이용하는 장치들에서 베어링에 대한 냉각을 또한 제공한다. 보조 압축기 (509)나 배수펌프(609)의 사용은 모터 공동으로부터 냉각을 제거하도록 바람직하게 사용된다. 그러나, 이 부품들은 상당한 동력 소비를 필요로 하거나 또는 장치 효율을 불리하게 만든다. 보조 응축기(709)는 장치를 위해서 동력을 필요로 하지 않는 장점이 있고, 원하는 온도의 물이 열교환을 위해서 유용할 것이다. 보조 응축기를 이용하는 장치는 증발압력 또는 그 근처 압력하에서 응축된 액체를 냉매 장치(21)로 운반하기 위해서 액체 펌프(719)를 필요로 한다. 비록 이것은 작은 양의 동력을 필요로 할지라도, 보조 응축기(709)의 작동에 필요한 동력보다 상당히 적으며, 액체 펌프가 배수펌프(609)와 같은 것으로 교체되는 경우에 전체 장치효율을 불리하게 하지 않는다.

도 10 내지 도 13을 참조하여 위에서 설명한 기초적인 압력 감소장치들은 모터의 공동으로부터 냉매를 효과적으로 제거하고 상기 장치가 장비를 갖춘 경우에 자기 베어링들 뿐만아니라 모터 동작으로부터 냉매가 열을 제거할 수 있게 한다. 이러한 압력 감소장치들은 냉각장치보다 높은 온도하에서 통상적으로 작동하는 히트펌프 응용장치들에서 바람직하게 이용될 수 있다. 이러한 압력 감소장치들은 히트펌프 응용을 위해서 냉각장치의 이용을 허용하고 냉매가 모터 하우징을 통해서 순환할 수 있도록 냉매의 모터 냉각 능력을 확장시킨다.

위에서 제공된 본 발명의 설명은 히트펌프 장치나 냉각장치와 같은 압축기를 갖는 회로에 관련되는데, 이때 응축기는 냉각회로의 고압측에 있고 증발기는 모터로 냉각을 제공하는 냉각회로의 저압측에 있으며, 윤활유로부터 냉매를 분리하게 된다. 본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 히트펌프 장치에 대하여 역으로 작동하는 ORC 장치에 대하여 동등하게 작동시키며, 이때 증발기는 회로의 고압측에 있고 응축기는 회로의 저압측에 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 발전기로 냉각을 제공하고 윤활유로부터 냉매를 분리하는 기능을 제공하도록 기능한다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변화들이 이루어질 수 있고 등가물들이 그것의 요소들을 대체할 수 있음을 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어남이 없이 본 발명의 가르침에 따라 특별한 상황이나 재료를 채택하기 위해 많은 변형들이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해서 고려한 최선의 모드로서 발표한 특별한 실시 예로 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 영역 내에 있는 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

Claims (6)

1. 냉매를 사용하는 증기 압축 시스템에서 반-밀폐 압축기 모터를 냉각하기 위한 장치로, 상기 시스템은 냉각회로를 포함하고, 상기 냉각회로는, 냉매 가스의 압력을 증가시키는 압축기(23), 상기 압축기와 유체 연결되어 냉매 가스를 고압 액체로 응축하는 주 응축기(25), 상기 응축기와 유체 연결되고 고압의 액체를 기체에 비말동반된 액체의 미스트로 변환하는 팽창 밸브(31), 상기 팽창 밸브 및 상기 압축기와 유체 연결되고 액체 냉매의 상태를 냉매 기체로 변화시키는 증발기(27)를 구비하며, 상기 압축기(23)는 압축기 모터(350)를 더 포함하고, 상기 압축기 모터는 축(128) 및 상기 모터를 위한 하우징(382)을 가지며, 상기 하우징은 공동(352)을 가지며, 상기 모터(350)는 상기 하우징에 수용되고, 상기 모터는 전기장을 교류하는 고정자(88), 및 상기 축(128)에 부착된 회전자(129)를 가지며, 상기 회전자와 상기 축은 교호하는 전기장에 따라 회전하는, 장치에 있어서,
   상기 하우징(382)에 있는 냉매 유입구(81);
   상기 모터 하우징으로부터 연장된 냉매 배출구(387,392); 및
   상기 팽창 밸브(31)의 하류와 압축기 유입구(34) 사이에서 상기 시스템의 냉매 출구와 통하는 상기 모터 하우징 캐비티(352)과 유체 교환 가능하고, 상기 시스템의 낮은 압력 영역 및 모터 하우징의 중간에 위치하며,
   상기 냉매 기체를 하우징(382)으로부터 낮은 압력 영역까지 배출하는 상기 시스템의 낮은 압력 영역의 것보다 낮게 하우징으로부터의 냉매 기체 압력을 줄이고 이에 의해서 상기 하우징(382)에 있는 냉매가 상기 시스템의 상기 낮은 압력 영역으로 복귀하는 냉매압력 감소장치(409);를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 자기 베어링 장치는 상기 시스템이 작동할 때 상기 축(128)을 지지하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매압력 감소장치(409)는 보조 압축기(509)인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매압력 감소장치는 배수 펌프(609)인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 압력 감소 장치(409)는 상기 시스템의 상기 하우징(382) 및 상기 낮은 압력 영역과 연통하는 회로를 포함하고, 상기 회로는,
   상기 하우징(382)으로부터 나오는 냉매 가스를 냉각하고 응축시키기 위한 보조 응축기(709);
   냉매를 상기 보조 응축기(709)로 운반하기 위해서 상기 하우징(382)과 상기 보조 응축기(709) 사이에서 연장되는 도관(713);
   상기 보조 응축기(709)에서 냉각한 후에 응축된 냉매를 저장하기 위해서 상기 보조 응축기(709)와 유체 연결되는 유체 저장 공간(717);
   상기 유체 저장 공간(717)으로부터 상기 시스템의 상기 낮은 압력 영역으로 냉매를 펌핑하기 위한 액체 펌프(719); 및
   상기 유체 저장 공간(717)에서 액체의 양을 조절하는 액위 센서(721)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 압력 감소 장치(409)는 상기 시스템의 상기 하우징(382) 및 상기 낮은 압력 영역과 연통하는 회로를 포함하고, 상기 회로는,
   상기 하우징(382)으로부터 나오는 냉매 가스를 냉각하고 응축시키기 위한 보조 응축기(709);
   냉매 가스를 상기 보조 응축기(709)로 운반하기 위해서 상기 모터 하우징(382)과 상기 보조 응축기(709) 사이에서 연장되는 도관(392);
   상기 보조 응축기(709)에서 냉각한 후에 응축된 냉매를 저장하기 위해서 상기 보조 응축기(709)와 유체 연결되는 유체 저장 공간(717); 및
   상기 유체 저장 공간(717)으로부터 상기 시스템의 상기 낮은 압력 영역으로 배출되는 냉매의 유동을 조절하기 위한 밸브(17);를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
   
   

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