KR20190121382A - 기하학적 가변 형상의 확산기 링 - Google Patents

기하학적 가변 형상의 확산기 링 Download PDF

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KR20190121382A
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폴 더블유. 스넬
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존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
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Abstract

압축기는, 임펠러, 확산기 베인을 내부에 포함하는: 확산기 통로, 및 압축기를 통한 냉매의 유동에 대하여 임펠러와 확산기 베인 사이에 위치한 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 포함한다. 압축기는, 또한, 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 냉매의 유동을 차단하지 않는 완전히 수축된 링 위치 및 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 확산기 베인의 상류측으로 냉매의 유동의 각도를 조정하는 적어도 하나의 돌출된 링 위치를 포함하는 복수의 링 위치 간에 그리고 냉매의 유동을 횡단하는 방향으로 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이동시키도록 구성된 액추에이터를 포함한다.

Description

기하학적 가변 형상의 확산기 링
본원은, 일반적으로 공조 및 냉방 응용분야에 포함되는 증기 압축 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 압축기 내의 냉매의 유동 제어에 관한 것이다.
증기 압축 시스템은, 주거 환경, 상업 환경, 및 산업 환경에서 이용되어 각 환경의 거주자를 위해 온도 및 습도와 같은 환경 속성을 제어한다. 증기 압축 시스템은, 전형적으로 냉매라고 칭하는 동작 유체를 순환시키며, 이러한 냉매는, 증기 압축 시스템의 동작에 연관된 상이한 온도 및 압력에 노출되는 것에 응답하여 기체, 액체, 및 이들의 조합 간의 상을 변화시킨다. 예를 들어, 증기 압축 시스템은, 냉매와 열교환기를 통해 흐르는 다른 유체 간에 열을 전달할 수 있는 열교환기로 냉매를 순환시키도록 압축기를 이용한다. 기존의 압축기는, 최대 용량으로 동작할 때 가장 효율적으로 동작할 수 있지만, 다양한 동작 조건과 환경 조건에 따라 상이한 용량으로 동작하도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 소정의 동작 용량에서는, 기존의 압축기의 효율이 감소될 수 있다.
일 실시형태에서, 압축기는, 임펠러, 확산기 베인을 내부에 포함하는 확산기 통로, 및 압축기를 통한 냉매의 유동에 대하여 임펠러와 확산기 베인 사이에 위치한 기하학적 가변 형상의 확산기 링(variable geometry diffuser ring)을 포함한다. 압축기는, 또한, 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 냉매의 유동을 차단하지 않는 완전히 수축된 링 위치 및 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 확산기 베인의 상류측으로 냉매의 유동의 각도를 조정하는 적어도 하나의 돌출된 링 위치를 포함하는 복수의 링 위치 간에 그리고 냉매의 유동을 횡단하는 방향으로 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이동시키도록 구성된 액추에이터를 포함한다.
다른 일 실시형태에서, 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC&R) 시스템은 확산기 베인을 포함하고 냉매가 통과하는 유동에 대하여 확산기 베인의 상류측에 위치하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 갖는, 압축기를 포함한다. 시스템은 또한, 압축기의 동작 용량에 적어도 부분적으로 기초하고 확산기 베인의 선단의 경사각에 적어도 부분적으로 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다.
또 다른 일 실시형태에서, 압축기를 동작시키는 방법은 냉매의 온도를 검출하는 단계; 제어기를 통해, 냉매의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 압축기의 동작 용량을 결정하는 단계를 포함한다. 방법은, 또한, 압축기의 동작 용량에 적어도 부분적으로 기초하고 압축기의 확산기 베인의 선단의 경사각에 적어도 부분적으로 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 제어하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 개시물의 양태에 따른, 상업적 설비에서 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC&R) 시스템을 이용할 수 있는 건물의 실시형태의 사시도이고;
도 2는 본 개시물의 양태에 따른, 증기 압축 시스템의 사시도이고;
도 3은 본 개시물의 양태에 따른, 도 2의 증기 압축 시스템의 실시형태의 개략도이고;
도 4는 본 개시물의 양태에 따른, 도 2의 증기 압축 시스템의 실시형태의 개략도이고;
도 5는 본 개시물의 양태에 따라 도 1 내지 도 4의 시스템에 포함될 수 있는 압축기의 일부의 실시형태의 단면도이고;
도 6은 본 개시물의 양태에 따라 도 5의 라인 6-6을 따라 취한 도 5의 압축기의 일부의 단면도이고;
도 7은 본 개시물의 양태에 따라 도 5의 압축기에 사용하기 위한 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 일부의 실시형태의 단면도이고;
도 8은 본 개시물의 양태에 따라 도 5의 압축기에 사용하기 위한 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 일부의 실시형태의 단면도이고;
도 9는 본 개시물의 양태에 따라 도 5의 압축기에 사용하기 위한 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 일부의 실시형태의 단면도이고;
도 10은 본 개시물의 양태에 따라 도 5의 압축기의 일부에 위치하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 실시형태의 단면도이고;
도 11은 본 개시물의 양태에 따라 압축기를 동작시키는 방법의 실시형태를 도시하는 블록도이다.
이하에서는 하나 이상의 특정 실시형태를 설명한다. 이들 실시형태의 간결한 설명을 제공하기 위해, 실제 구현의 모든 특징들을 본 명세서에서 설명하는 것은 아니다. 엔지니어링 또는 디자인 프로젝트에서와 같이, 이러한 임의의 실제 구현예를 개발할 때, 구현예마다 다를 수 있는 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약들의 준수와 같은 개발자의 특정 목표를 달성하도록 수많은 구현별 결정을 내려야 한다는 점을 이해해야 한다. 또한, 이러한 개발 노력은, 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시물의 이점을 갖는 통상의 기술자를 위한 설계, 제조, 및 제작에 일상적인 일이라는 점을 이해해야 한다.
본 발명의 실시형태는, 냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 압축기(예를 들어, 원심 압축기)를 사용하는 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC&R) 시스템에 관한 것이다. 압축기는 냉매 유동의 운동 에너지를 압력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 그러나, 기존의 압축기는 소정량이 로딩될 때(예를 들어, 최대로 로딩되고 최대 용량으로 동작할 때) 주로 동작하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 압축기의 다양한 위치에서의 냉매의 유동 각도는 압축기의 동작 용량의 함수일 수 있고, 압축기(및 압축기의 소정의 구성요소)의 효율은 냉매의 유동 각도에 의존할 수 있다. 따라서, 기존의 압축기는, 일차 동작 모드(예를 들어, 최대 용량)로부터 벗어나는 용량으로 동작할 때 효율이 떨어질 수 있다.
본 실시형태에 따르면, HVAC&R 시스템의 압축기는 압축기의 회전가능 임펠러와 압축기의 확산기 베인 사이에 위치하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기는 유입구에서 냉매를 수용할 수 있고, 냉매를 임펠러로 전달할 수 있다. 임펠러는 냉매의 유동에 대해 경사진 블레이드를 포함한다. 회전가능 임펠러의 블레이드는 냉매를 임펠러의 회전 중심으로부터 외측으로 가속한다. 가속된 냉매는, 예를 들어, 냉매 유동의 속도를 점진적으로 감소시킴으로써 냉매 유동의 운동 에너지를 압력으로 변환하도록 설계된 확산기로 향할 수 있다. 확산기는, 전술한 바와 같이, 운동 에너지를 압력으로 변환하는 효율을 향상시키도록 경사진, 위치한, 또는 그 외에는 배향된 고정형 확산기 베인을 포함할 수 있다. 그러나, 확산기 베인은 고정되어 있으므로, 각 확산기 베인의 입사각도 고정된다. 또한, 전술한 바와 같이, 압축기의 로딩이 변함에 따라, 냉매의 유동 각도가 변할 수 있다. 확산기 베인(들)의 선단의 입사각은, 최대 용량과 같은 압축기의 특정 동작 용량에서 운동 에너지를 압력으로 가장 효율적으로 변환하게 할 수 있다. 따라서, 본 개시물에 그리고 후술하는 바와 같이, 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 확산기 베인의 입사각에 대응하게끔 냉매의 유동 각도를 조정하도록 이용될 수 있으며, 이는 확산기 베인과 압축기의 효율을 개선한다.
예를 들어, 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 임펠러와 확산기 베인(들) 사이에 위치할 수 있고, 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 냉매의 유동 각도가 확산기 베인의 입사각에 대응하게끔, 통과하는 냉매의 유동 각도를 조정하도록 구성될 수 있다. 도면을 참조하여 후술하는 바와 같이, HVAC&R 시스템의 제어 시스템은 압축기의 동작 부하/용량에 기초하여 (예를 들어, 기하학적 가변 형상의 확산기 링과 제어기 사이에 결합된 액추에이터를 통해) 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 조정할 수 있고, 이에 따라 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 확산기 베인을 통과하는 냉매의 유동 각도를 조정하게 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 다양한 동작 부하/용량에서 기존의 실시형태보다 압축기의 효율이 향상된다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 전형적인 상업적 설비의 건물(12)에서 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC&R) 시스템(10)을 위한 환경의 실시형태의 사시도이다. HVAC&R 시스템(10)은 건물(12)의 냉방에 사용될 수 있는 냉수(chilled liquid)를 공급하는 증기 압축 시스템(14)을 포함할 수 있다. HVAC&R 시스템(10)은 건물(12)을 난방하기 위해 온수(warm liquid)를 공급하는 보일러(16) 및 건물(12)을 통해 공기를 순환시키는 공기 분배 시스템을 또한 포함할 수 있다. 또한, 공기 분배 시스템은 공기 귀환 덕트(18), 공기 공급 덕트(20), 및/또는 공기 핸들러(handler)(22)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 공기 핸들러(22)는 도관(24)에 의해 보일러(16) 및 증기 압축 시스템(14)에 연결되는 열교환기를 포함할 수 있다. 공기 핸들러(22) 내의 열교환기는 HVAC&R 시스템(10)의 작동 모드에 따라, 보일러(16)로부터의 가온수를 또는 증기 압축 시스템(14)으로부터의 냉수를 수용할 수 있다. HVAC&R 시스템(10)은 건물(12)의 각 층에 별도의 공기 핸들러가 있는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시형태에 있어서는, HVAC&R 시스템(10)은 두 층 사이에 또는 여러 층 사이에 공유될 수 있는 공기 핸들러(22) 및/또는 기타 구성요소를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 HVAC&R 시스템(10)에서 사용될 수 있는 증기 압축 시스템(14)의 실시형태들이다. 증기 압축 시스템(14)은 압축기(32)로 시작하는 회로를 통해 냉매를 순환시킬 수 있다. 회로는 또한, 응축기(34), 팽창 밸브(들) 또는 장치(들)(36), 및 액체 칠러(chiller) 또는 증발기(38)를 포함할 수도 있다. 증기 압축 시스템(14)은 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46), 및/또는 인터페이스 보드(48)를 갖는 제어 패널(40)을 추가로 포함할 수 있다.
증기 압축 시스템(14)에서 냉매로서 사용될 수 있는 유체의 몇 가지 예시로서는, 예를 들어 R-410A, R-407, R-134a와 같은 하이드로플루오로카본(HFC)계 냉매, 하이드로플루오로올레핀(HFO)계 냉매, 암모니아(NH3), R-717, 이산화탄소(CO2), R-744와 같은 "자연(natural)" 냉매, 또는 하이드로카본계 냉매, 수증기, 또는 그 밖의 임의의 적절한 냉매가 있다. 일부 실시형태에 있어서, 증기 압축 시스템(14)은, R-134a와 같은 중간 압력 냉매에 비해, 저압 냉매라고도 인용되는, 1 기압의 압력에서 약 섭씨 19 도(화씨 66 도)의 기준 비등점(normal boiling point)을 갖는 냉매를 효율적으로 이용하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "기준 비등점"은 1 기압의 압력에서 측정한 비등점 온도를 의미할 수 있다.
일부 실시형태에 있어서, 증기 압축 시스템(14)은 변속 드라이브(VSDs)(52), 모터(50), 압축기(32), 응축기(34), 팽창 밸브 또는 장치(36), 및/또는 증발기(38) 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 모터(50)는 압축기(32)를 구동할 수 있으며 변속 드라이브(VSD)(52)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. VSD(52)는 교류(AC) 전원으로부터 특정한 고정 선로 전압 및 고정 선로 주파수를 갖는 AC 전력을 수신하고, 가변 전압 및 주파수를 갖는 전력을 모터(50)에 공급한다. 다른 실시형태에 있어서, 모터(50)는 AC 또는 직류(DC) 전원으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다. 모터(50)는 스위치드 릴럭턴스(switched reluctance) 모터, 인덕션(induction) 모터, 전자 정류식 영구 자석 모터, 또는 다른 적절한 모터와 같은, VSD에 의해 또는 AC 또는 DC 전원으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있는 임의의 타입의 전기 모터를 포함할 수 있다.
압축기(32)는 냉매 증기를 압축하고 해당 증기를 배출 통로를 통해 응축기(34)에 전달한다. 일부 실시형태에 있어서, 압축기(32)는 원심 압축기 또는 축류 원심 압축기일 수 있다. 압축기(32)에 의해 응축기(34)에 전달된 냉매 증기는 응축기(34) 내의 냉각 유체(예컨대, 물 또는 공기)에 열을 전달할 수 있다. 냉매 증기는 냉각 유체와의 열적 열전달의 결과로서 응축기(34) 내에서 냉매 액체로 응축될 수 있다. 응축기(34)로부터의 액체 냉매는 팽창 장치(36)를 통해 증발기(38)로 유동할 수 있다. 도 3의 예시적인 실시형태에 있어서, 응축기(34)는 수냉식 응축기이며, 냉각 유체를 응축기에 공급하는 냉각 타워(56)에 연결되는 튜브 다발(54)을 포함한다.
증발기(38)에 전달되는 액체 냉매는 응축기(34)에서 사용되는 냉각 유체와 동일한 것일 수도 또는 그렇지 않을 수도 있는 다른 냉각 유체로부터 열을 흡수할 수 있다. 증발기(38) 내의 액체 냉매는 액체 냉매로부터 냉매 증기로의 상변화를 겪을 수 있다. 도 3의 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 증발기(38)는 냉방 부하(62)에 연결되는 공급 선로(60S) 및 귀환 선로(60R)를 갖는 튜브 다발(58)을 포함할 수 있다. 증발기(38)의 냉각 유체(예컨대, 물, 에틸렌 글리콜, 염화칼슘 염수, 염화나트륨 염수, 또는 임의의 다른 적절한 유체)는 귀환 선로(60R)를 통해 증발기(38)에 유입되고 공급 선로(60S)를 통해 증발기(38)로부터 유출된다. 증발기(38)는 냉매와의 열적 열전달을 통해 튜브 다발(58) 내의 냉각 유체의 온도를 저하시킬 수 있다. 증발기(38) 내의 튜브 다발(58)은 복수의 튜브 및/또는 복수의 튜브 다발을 포함할 수 있다. 어쨌든, 증기 냉매는 증발기(38)에서 유출되고 흡입 선로에 의해 압축기(32)로 환류되어 사이클을 완성한다.
도 4는 중간 회로(64)가 응축기(34)와 팽창 장치(36) 사이에 통합되어 있는 증기 압축 시스템(14)의 개략도이다. 중간 회로(64)는 응축기(34)에 유체유동 가능하게 직접 연결되는 유입 선로(68)를 가질 수 있다. 다른 실시형태에 있어서는, 유입 선로(68)가 응축기(34)에 유체유동 가능하게 간접적으로 결합될 수 있다. 도 4의 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 유입 선로(68)는 중간 용기(70)의 상류에 위치되는 제1 팽창 장치(66)를 포함한다. 일부 실시형태에 있어서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크(flash tank)(예컨대, 플래시 인터쿨러)일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서는, 중간 용기(70)가 열교환기 또는 "표면 이코노마이저(surface economizer)"로서 구성될 수 있다. 도 4의 예시적인 실시형태에 있어서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크로서 사용되고, 제1 팽창 장치(66)는 응축기(34)로부터 공급받은 액체 냉매의 압력을 낮추도록(예컨대, 팽창시키도록) 구성된다. 팽창 과정 동안, 액체의 일부분이 증발할 수 있고, 그에 따라, 중간 용기(70)는 제1 팽창 장치(66)로부터 공급받은 액체에서 증기를 분리시키는 데 사용될 수 있다. 부가적으로, 중간 용기(70)는 액체 냉매가 중간 용기(70)에 유입될 때 겪게 되는 압력 강하(예컨대, 중간 용기(70)에 유입될 때 겪는 급격한 용적 증가에 기인함) 때문에 액체 냉매의 추가적인 팽창을 제공할 수 있다. 중간 용기(70) 내의 증기는 압축기(32)의 흡입 선로(74)를 통해 압축기(32)에 의해 흡인될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 중간 용기 내의 증기는 압축기(32)의 중간 스테이지(예컨대, 흡입 스테이지는 아님)로 흡인될 수 있다. 중간 용기(70) 내에 수집되는 액체는, 팽창 장치(66) 및/또는 중간 용기(70)에서의 팽창 때문에 응축기(34)에서 유출되는 액체 냉매보다 엔탈피가 낮을 수 있다. 이후, 중간 용기(70)로부터의 액체는 선로(72)에서 제2 팽창 장치(36)를 통해 증발기(38)로 유동할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, (도 1의 시스템에 포함될 수 있는) 도 2 내지 도 4에 도시된 압축기(32)는 압축기(32)의 효율을 향상시키도록 구성된 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 냉매의 유동 각도를 조정하도록 위치한다. 특히, 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 냉매의 유동 각도가 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 하류측에서 냉매를 수용하는 하나 이상의 확산기 베인의 선단의 입사각에 대응(예를 들어, 정렬, 일치, 대응, 적합)하도록 냉매의 유동 각도를 조정한다.
예를 들어, 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치는 압축기(32)의 동작 용량에 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 원하는 위치를 결정하는 제어 시스템에 의해 지시되거나 제어될 수 있다. 비제한적인 예로서, 제어 시스템은 일부 실시형태에서, 확산기 베인으로 향하는 냉매의 유동 경로가 기하학적 가변 형상의 확산기 링에 의해 차단되지 않게끔, 압축기(32)가 최대 용량에서 동작할 때 간섭 액추에이터를 통해 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 수축된 위치로 이동하도록 기하학적 가변 형상의 확산기 링에 지시할 수 있다. 제어 시스템은, 압축기(32)가 예를 들어 75% 용량에서 동작할 때 유동 경로를 부분적으로 차단하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 다른 위치로의 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 이동을 지시할 수 있다. 제어 시스템은, 압축기(32)가 예를 들어 50% 용량에서 동작할 때 유동 경로를 더 차단하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 또 다른 위치로의 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 이동을 지시/제어할 수 있다. 따라서, 압축기(32)의 동작 용량 또는 부하가 감소함에 따라, 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치에 의해 결정되는 유동 경로의 차단량이 증가한다. 이렇게 함으로써, 냉매의 유동 각도는 하나 이상의 확산기 베인의 선단의 입사각에 대응한다(예를 들어, 정렬된다). 이들 특징 및 다른 특징들을 이하 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 도 1 내지 도 4 중 임의의 것에 포함될 수 있는 압축기(32)의 일부의 실시형태의 단면도이다. 압축기(32)를 통한 냉매 유동(99)이 도시되어 있으며, 여기서, 냉매 유동(99)은, 내부에 배치된 하나 이상의 확산기 베인(104)을 갖는 확산기 통로(103)를 향하여 압축기(32)의 임펠러(100)의 블레이드(102)를 통해 수집기(106) 내로 연장된다. 도시된 냉매 유동(99)은 일반적인 유동 방향을 나타내지만, 압축기(32)의 임의의 특정 위치에서의 정확한 유동 각도를 나타내도록 취해서는 안 된다는 점에 주목해야 한다.
회전가능 임펠러(100)의 블레이드(102)는 냉매를 임펠러(100)의 회전 중심으로부터 외측으로 가속한다. 가속된 냉매는 도시된 냉매 경로(99)를 따라 확산기 통로(103)를 향해 이동할 수 있으며, 이러한 통로는, 예를 들어, 냉매 유동(99)의 속도를 점진적으로 감소시킴으로써 냉매 유동(99)의 운동 에너지를 압력으로 변환하도록 설계된다. 확산기 베인(104)은, 고정형일 수 있으며, 상술한 바와 같이 냉매 유동(99)의 운동 에너지의 압력으로의 변환을 향상시키도록 경사질 수 있고, 위치할 수 있고, 또는 그 외에는 배향될 수 있다. 일반적으로, 확산기 베인들(104) 각각은 확산기 통로(103)가 상세히 후술하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)에 의해 차단되지 않을 때 최대 용량과 같은 특정 동작 용량에서의 압축기(32)의 효율을 개선하도록 경사진 선단(105)을 포함할 수 있다. 압축기(32)의 수집기(106)는 하류측 칠러 구성요소로 분배하도록 가압된 냉매를 수용한다.
전술한 바와 같이, 압축기(32)는 확산기 통로(103)의 하부에 배치되거나 이러한 하부에 근접한(예를 들어, 임펠러(100)와 확산기 베인(104) 사이에) 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)을 포함할 수 있다. 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 확산기 베인(104)의 효율, 더욱 일반적으로는, 압축기(32)의 효율을 향상시키도록 구성된 적응가능 위치를 포함한다. 예를 들어, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 제어기(114)에 의한 지시에 따라 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)을 기동하거나 이전 위치로부터 원하는 위치로 이동시키는 액추에이터(112)에 결합될 수 있다. 제어기(114)는 상세히 후술하는 바와 같이 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)이 압축기(32)의 동작 용량에 대응하게끔 냉매 유동(99)의 유동 각도를 조정하도록 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 위치를 제어할 수 있다.
제어기(114)는 프로세서(116) 및 메모리(118)를 포함할 수 있으며, 메모리(118)는 프로세서(116)에 의해 실행될 때 제어기(114)가 소정의 동작을 수행하게 하는 명령어를 저장한다. 예를 들어, 제어기(114)는 소정의 동작 조건 및/또는 환경 조건(예를 들어, 냉매 온도)에 적어도 부분적으로 기초하여 압축기(32)의 동작 용량을 제어할 수 있다. 제어기(114)는 또한, 압축기(32)의 동작 용량에 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 원하는 위치를 나타내는, 메모리(118)에 저장된 데이터를 포함할 수 있다. 따라서, 제어기(114)가 압축기(32)의 동작 용량을 제어할 때, 제어기(114)는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 위치도 제어할 수 있으며, 이는 냉매 유동(99)의 유동 각도가 확산기 베인(들)(104)의 선단(105)의 입사각에 대응하게 할 수 있다. 일례로, 최대 동작 용량에서, 제어기(114)는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)이 냉매 유동(99)을 차단하지 않게끔 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 완전히 수축된 위치로 이동하도록(예를 들어, 압축기(32)의 확산기 통로(103)에 인접하는 측벽(109)의 캐비티 내로 수축되도록) 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)에 지시할 수 있다. 50% 동작 용량에서, 제어기(114)는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)을 (예를 들어, 확산기 통로(103)에서) 냉매 유동(99) 내로 돌출시키는 위치로의 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 이동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 6은, 부분적 차단 위치에 있는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)을 갖는 도 5의 압축기(32)의 일부의 단면도이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은, 일반적으로 방향(110)을 따라 이동하도록 구성되고, 도 6에 도시된 바와 같이, 확산기 통로(103)의 일부를 확산기 통로(103)의 차단되지 않은 일부의 전체 폭(115) 미만의 폭(114)으로 제한할 수 있다.
도 5와 도 6에서, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 직사각형 단면을 포함한다. 도 6에서, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 돌출면(116)은 직사각형 형상의 단변을 형성하고, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 슬라이딩면(118)은 직사각형 형상의 장변을 형성한다. 그러나, 다른 실시형태에서는, 슬라이딩면(118)이 직사각형 형상의 단변을 형성할 수 있고, 돌출면(116)이 직사각형 형상의 장변을 형성할 수 있다.
기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 도 5와 도 6에 도시된 직사각형 이외의 다른 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7, 도 8, 및 도 9는, 도 5의 압축기(32)에 사용하기 위한 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 일부의 실시형태의 단면도이다. 도 7은 도 5 및 도 6과 유사한 정사각형 또는 직사각형 단면을 포함한다. 도 8에서, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 뾰족한 돌출면(116)을 포함한다. 다시 말하면, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 삼각형이거나 삼각형 일부를 포함한다. 도 9에서, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 만곡된 돌출면(116)을 포함한다. 곡률은 반원, 반달걀, 반타원, 또는 다른 일부의 만곡면을 형성할 수 있다. 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 돌출면(116)의 형상은, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)이 배치되는 특정 압축기(32)의 기하학적 특징 또는 동작 특징에 기초하여 선택될 수 있다.
기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)은 L-자형을 추가로 또는 대안으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10은 도 5의 압축기(32)의 일부에 위치하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 실시형태의 단면도이다. 도시된 실시형태에서, 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 돌출면(116)과 슬라이딩면(119)은 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 베이스(122)로부터 연장되는 기하학적 가변 형상의 확산기 링(108)의 레그(120)의 일부를 형성한다. 레그(120)와 베이스(122)는 도시된 바와 같이 L-자형을 형성한다. L-자형의 베이스(122)는, (예를 들어, 레그(120)가 확산기 통로(103)의 내외로 돌출될 때) 베이스(122)를 수용하기에 그리고 캐비티(124) 내에서의 베이스(122)의 이동을 수용하기에 적합한 캐비티(124) 내에 배치될 수 있다.
도 11은 확산기 베인과 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 갖는 압축기를 동작시키는 방법(200)의 실시형태를 도시하는 블록도이다. 도시된 실시형태에서, 방법(200)은 냉매 온도를 검출하는 단계(블록 201)를 포함한다. 예를 들어, 전술한 제어기는 온도 센서와 통신가능하게 결합될 수 있으며, 온도 센서는 냉매 온도를 나타내는 데이터를 제어기에 제공한다. 전술한 바와 같이, 일부 실시형태에서, 냉매는 물일 수 있다.
방법(200)은, 또한, 압축기의 동작 용량 또는 부하를 결정하는 단계(블록 202)를 포함한다. 예를 들어, 전술한 냉매 온도 및/또는 다른 특징에 기초하여, 제어기는 압축기의 적절한 동작 용량을 결정할 수 있다. 이어서, 제어기는, 적절한 동작 용량을 층족시키도록 압축기의 로딩 또는 언로딩을 결정 및 제어할 수 있다.
방법(200)은, 또한, 압축기의 동작 용량에 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 제어하는 단계(블록 204)를 포함한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 액추에이터(예를 들어, 모터 구동형 액추에이터)는 기하학적 가변 형상의 확산기 링에 결합될 수 있고, 제어기에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 제어기는, 압축기의 동작 용량의 변화에 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 한 위치에서 다른 위치로 이동시키도록 액추에이터를 제어하거나 지시할 수 있다. 이어서, 액추에이터는, 이때, 후술하는 바와 같이, 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 확산기 베인의 선단의 입사각에 대응하도록 냉매의 유동 각도를 조정하게끔 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 적절한 위치로 이동시킬 수 있다(블록 206).
일반적으로, 최대 용량에서 동작할 때, 제어기는, 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 압축기의 측벽의 캐비티 내의 위치와 같은 완전히 수축된 위치로 이동시키도록 액추에이터에 지시할 수 있고, 이에 따라 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 압축기의 임펠러로부터 수용되는 냉매의 유동 각도를 조정하지 않는다. 최대 용량 미만에서 동작하는 경우, 제어기는 돌출된 위치로 이동하도록 기하학적 가변 형상의 확산기 링에 지시할 수 있으며, 이에 따라 기하학적 가변 형상의 확산기 링은, 확산기 베인의 입사각에 대응하게끔 냉매의 유동 각도를 조정하도록 냉매의 유동 경로(예를 들어, 임펠러와 확산기 베인 사이)에 위치하게 된다. 다시 말하면, 최대 용량 미만에서 동작할 때, 냉매의 유동 각도는, 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 없는 경우 냉매의 운동 에너지를 압력으로 변환하는 확산기 베인의 효율을 감소시키는 방식으로 확산기 베인의 선단의 입사각과 다를 수 있다. 압축기의 % 용량에 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 선택적으로 위치시킴으로써, 확산기 베인의 선단의 입사각에 대응하도록 냉매의 유동 각도가 보정된다.
상술한 바와 같이, 본 개시물은, HVAC&R 시스템의 압축기 효율을 개선하는 데 유용한, 더욱 구체적으로는, 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이용하여 압축기의 확산기 베인의 효율을 개선하는 데 유용한 하나 이상의 기술적 효과를 제공할 수 있다. 기하학적 가변 형상의 확산기 링은, 제어기의 지시에 기초하여, 확산기 베인의 선단의 입사각에 대응하게끔 냉매의 유동 각도를 조정하도록 위치한다. 일부 실시형태에서, 압축기가 최대 용량에서 동작할 때, 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 유동 각도를 조절하지 않는 완전히 수축된 위치에 있다. 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 선택적으로 위치시켜 확산기 베인에 근접한 냉매의 적절한 유동 각도를 보장함으로써, 확산기 베인(및 압축기)의 효율이 상이한 동작 용량들에 걸쳐 개선된다. 본 명세서의 기술적 효과와 기술적 문제점은 예시적이며 제한적인 것이 아니다. 본 명세서에 기술된 실시형태들은 다른 기술적 효과를 가질 수 있고 다른 기술적 문제점을 해결할 수 있다는 점에 주목해야 한다.
특정한 특징구성 및 실시형태만이 예시되고 설명되었지만, 당업자에게는, 청구범위에서 인용되는 청구 대상의 신규한 교시 및 장점으로부터 실질적으로 일탈함이 없이 다양한 수정 및 변경(예컨대, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 그리고 파라미터 값(예컨대, 온도, 압력 등), 장착 배치구조, 재료의 용도, 색상, 방위 등에 있어서의 변화)이 가능할 것이다. 임의의 공정 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시형태에 따라 변경 또는 재배열될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 개시물의 진정한 사상 안에 있는 것으로 그러한 모든 수정 및 변경을 포함하도록 의도된 것임을 이해해야 한다. 또한, 예시적인 실시형태들의 간결한 설명을 제공하려는 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징구성이 설명되지 않았을 수도 있다(즉, 본 개시물을 수행하기 위해 현재 고려되는 최선의 모드와 관련이 없는 것들, 또는 청구된 개시물을 가능하게 하는 것과 관련이 없는 것들). 임의의 공학적 프로젝트 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 임의의 이러한 실제 구현예의 개발에 있어서는, 다수의 구현예 특정 결정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 과도한 실험 없이, 본 개시물의 이점을 취하는 당업자에게는, 설계, 제작, 및 제조의 정례적인 작업일 것이다.

Claims (20)

  1. 압축기로서,
    임펠러;
    확산기 베인을 내부에 포함하는 확산기 통로;
    상기 압축기를 통한 냉매의 유동에 대하여 상기 임펠러와 상기 확산기 베인 사이에 위치한 기하학적 가변 형상의 확산기 링(variable geometry diffuser ring); 및
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 상기 냉매의 유동을 차단하지 않는 완전히 수축된 링 위치 및 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 상기 확산기 베인의 상류측으로 상기 냉매의 유동의 각도를 조정하는 적어도 하나의 돌출된 링 위치를 포함하는 복수의 링 위치들 간에 그리고 상기 냉매의 유동을 횡단하는 방향으로 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이동시키도록 구성된 액추에이터를 포함하는, 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터에 지시하여 상기 압축기의 동작 용량, 상기 냉매의 온도, 또는 상기 동작 용량과 상기 온도 모두에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 복수의 링 위치들 간에 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이동시키도록 구성된 제어기를 포함하는, 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터에 지시하여 상기 확산기 베인의 선단의 경사각에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 복수의 링 위치들 간에 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이동시키도록 구성된 제어기를 포함하는, 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 확산기 베인에 근접한 상기 냉매의 유동의 각도가 상기 확산기 베인의 상기 선단의 경사각에 대응하게끔 상기 액추에이터에 지시하여 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이동시키도록 구성된, 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 모터 구동형 액추에이터인, 압축기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 확산기 베인은 고정된, 압축기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 직각 단면 형상을 포함하는, 압축기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 적어도 삼각형 단면 형상, 곡선형 단면 형상, 또는 L-자형 단면 형상을 갖는 일부를 포함하는, 압축기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 확산기 통로로부터 하류측에 위치하고, 상기 냉매가 상기 확산기 베인에 의해 가압된 후에 상기 냉매를 수용하도록 구성된 수집기를 포함하는, 압축기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 상기 확산기 통로 내에 위치한, 압축기.
  11. 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC&R) 시스템으로서,
    확산기 베인을 포함하고, 냉매가 통과하는 유동에 대하여 상기 확산기 베인의 상류측에 위치하는 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 갖는, 압축기; 및
    상기 압축기의 동작 용량에 적어도 부분적으로 기초하고 상기 확산기 베인의 선단의 경사각에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는, HVAC&R 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 확산기 베인은 고정된, HVAC&R 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링에 결합된 액추에이터를 포함하고, 상기 제어기는 상기 액추에이터에 지시하여 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 상기 위치로 이동하게 함으로써 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 제어하도록 구성된, HVAC&R 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 액추에이터는 모터 구동형 액추에이터인, HVAC&R 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 최대 용량 미만에서 동작하는 상기 압축기에 대응하는 적어도 하나의 돌출 위치로 이동하게끔 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 제어하도록 구성되고,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 상기 적어도 하나의 돌출 위치에서 상기 확산기 통로에 배치되고,
    상기 제어기는 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 최대 용량에서 동작하는 상기 압축기에 대응하는 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 완전히 수축된 위치로 이동하게끔 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 제어하도록 구성되고,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 상기 완전히 수축된 위치에서 상기 확산기 통로에 배치되지 않은, HVAC&R 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링은 직사각형 단면 형상을 포함하는, HVAC&R 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 확산기 통로로부터 하류측에 위치하고, 상기 냉매가 상기 확산기 베인에 의해 가압된 후에 상기 냉매를 수용하도록 구성된 수집기를 포함하는, HVAC&R 시스템.
  18. 압축기를 동작시키는 방법으로서,
    냉매의 온도를 검출하는 단계;
    제어기를 통해, 상기 냉매의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 압축기의 동작 용량을 결정하는 단계; 및
    상기 압축기의 동작 용량에 적어도 부분적으로 기초하고 상기 압축기의 확산기 베인의 선단의 경사각에 적어도 부분적으로 기초하여 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 액추에이터를 통해, 상기 압축기의 동작 용량의 변화에 기초하여 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링을 이전 위치로부터 상기 위치로 기동하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 압축기의 동작 용량이 최대 용량이라고 결정하는 단계; 및
    상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링이 상기 냉매의 유동 경로로부터 완전히 수축되도록 상기 기하학적 가변 형상의 확산기 링의 위치를 지시하는 단계를 포함하는, 방법.
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