KR20200130841A - 증기 압축 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중간에 위치된 열 배터리가 충전을 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 증기 압축 장치를 설명한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 상 변화 물질(PCM)을 포함하는, 중간에 위치된 열 배터리가 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고 이에 의해 가정용 및 산업용; 차량, 열차, 항공 등에서 식품/재료의 수송 시에 공기 조화를 포함하는 다양한 냉장 및/또는 가열 시스템의 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 증기 압축 장치를 설명한다. 본 발명은 또한 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 증기 압축 장치로서, 중간에 위치된 열 배터리(heat battery)가 충전(charge)을 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 증기 압축 사이클에서 열원(heat source)의 온도 또는 히트 싱크(heat sink)의 온도를 제어할 수 있는 증기 압축 장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은, 증기 압축 장치로서, 열 배터리가 증발기와 응축기 사이에 위치되고, 상기 증기 압축 장치가, 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 가정용 및 산업용; 차량, 열차, 항공 등에서 식품/재료의 수송 시에 공기 조화(air conditioning)를 포함하는 다양한 냉장(refrigeration) 및/또는 가열 시스템의 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 상 변화 물질(phase change material: PCM)을 포함하는, 상기 증기 압축 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하는 방법에 관한 것이다.
이 기술 분야에서 가정용 및 산업용; 차량, 열차, 항공 등에서 식품/재료의 수송 시에 공기 조화를 포함하는 다양한 시스템에서 개선된 온도 제어를 제공하는 것이 요구된다.
이전의 종래 기술의 시스템은 열악하고 비효율적인 온도 제어 및 복잡한 시스템으로 어려움을 겪었으며, 이는 정기적인 고장으로 신뢰성 없는 것으로 밝혀졌다. 또한, 복잡한 디자인을 가진 종래의 시스템은 매우 무거워서 수송 시스템 동안 바람직하지 않으며 또한 설치를 더 어렵게 하는 것으로 밝혀졌다.
따라서 본 발명의 적어도 하나의 양태의 목적은 전술한 문제 중 하나 이상의 문제를 제거하거나 적어도 완화하는 것이다.
본 발명의 적어도 하나의 양태의 다른 목적은 개선된 증기 압축 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 증기 압축 장치로서,
냉매를 펌핑하는 데 사용되는 펌핑 디바이스;
상기 냉매를 응축할 수 있는 응축기;
상기 냉매를 증발시킬 수 있는 증발기,
상 변화 물질(PCM)을 포함하는 열 배터리;
상기 열 배터리에서 상 변화 물질(PCM)의 온도 및/또는 압력을 모니터링할 수 있는 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서를 포함하고;
상기 열 배터리는 상기 응축기 및/또는 증발기에 연결되어 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있으며, 이에 의해 상기 열 배터리는 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는, 상기 증기 압축 장치가 제공된다.
따라서 본 발명은 증발기와 열 응축기 사이의 중간에 위치된 열 배터리가 충전을 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 증기 압축 장치에 관한 것이다. 이것은 임의의 알려진 종래 기술의 시스템보다 개선된 매우 에너지 효율적인 시스템을 제공한다.
따라서 본 발명은 온도 및/또는 압력 제어 증기 압축 장치에 관한 것일 수 있다.
임의의 적절한 유형의 냉매가 사용될 수 있다. 냉매의 온도 및/또는 압력은 또한 냉매의 흐름 방향과 함께 측정 및/또는 모니터링될 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치는 최대 효율을 제공하도록 장치 주위로 냉매의 흐름을 제어할 수 있는 매우 효과적인 방식을 제공할 수 있다.
열 배터리의 물리적 상태 및/또는 조건은 예를 들어 상 변화 물질(PCM)에 대해 실시간으로 온도 및/또는 압력의 측정을 수행하는 것을 통해 면밀히 모니터링될 수 있다. 대안적으로, 온도 및/또는 압력의 측정은 일정하게 및/또는 지속적으로, 간헐적으로, 또는 주기적으로, 예를 들어, 매 30초 또는 매분 수행될 수 있다. 제어 관리 시스템이 이 역할을 수행할 수 있다.
펌핑 디바이스는 바람직한 실시예에서 임의의 적합한 유형의 압축기일 수 있다. 예를 들어, 알려진 냉장 압축기가 사용될 수 있다.
따라서 증기 압축 장치는 열 배터리에서 상 변화 물질(PCM)의 온도 및/또는 압력을 모니터링하고 제어할 수 있는 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서를 갖는다.
온도 및/또는 압력 센서는 임의의 부분에 위치되거나, 또는 열 배터리와 통합된 부분, 예를 들어, 열 배터리의 임의의 표면, 예를 들어, 배터리의 상부 표면에 위치될 수 있다.
적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서는 다양한 온도 및/또는 압력 측정을 제공하기 위해 상 변화 물질(PCM)에 침지될 수 있다. 이러한 측정을 사용하여 상 변화 물질(PCM)의 물리적 상태 및/또는 조건이 모니터링 및/또는 제어될 수 있다. 예를 들어, 전체 증기 압축 장치의 효율을 최대화하기 위해 일련의 온도 및/또는 압력 측정이 이루어질 수 있다.
온도 및/또는 압력 측정을 수행하고 온도 및/또는 압력을 감지함으로써 상 변화 물질(PCM)이 보유하는 충전량을 정확히 모니터할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이에 의해 본 발명에 따른 장치에서 완전히 실시간으로 제어될 수 있다.
따라서, 본 발명은 열 배터리가 보유하는 충전량을 포함하는 열 배터리의 상태 및 물리적 조건에 대해 실시간으로 정확한 측정을 제공할 수 있다.
온도 및/또는 압력의 측정은 이 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 온도 및 압력 측정 디바이스를 사용하여 수행될 수 있다. 이를 통해 열 배터리 내에 위치된 상 변화 물질(PCM)에 대해 실시간으로 온도 및/또는 압력의 측정을 수행하는 것이 가능하다. 이것은 열 배터리의 압력 및/또는 온도를 모니터링 및/또는 측정할 수 있다는 특정 기술적 장점을 갖는다. 이를 통해 전체 시스템이 매우 효율적인 방식으로 제어되고 시스템이 완전히 제어될 수 있다.
또한 냉매의 흐름을 전환하는 것이 수행될 수 있고, 온도 및/또는 압력 측정으로 매우 정확히 제어되어 매우 효율적인 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 증발기는 수직으로 응축기의 아래에 위치되거나 또는 실질적으로 수직으로 응축기의 아래에 위치될 수 있다.
열 배터리는 응축기와 증발기 사이 중간에 위치될 수 있다. 따라서 본 발명은 열원 및/또는 열 싱크와 온도 제어 환경 사이에 중간 스테이지(intermediary stage)를 제공한다. 따라서 상 변화 물질(PCM)을 포함하는 열 배터리는 장치에서 중간에 위치된 열 교환기로서 기능할 수 있다. 따라서, 열 배터리는 충전을 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 증기 압축 사이클 장치에서 열원의 온도 또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치는 열 교환의 제1 스테이지와 제2 스테이지 사이에 시간 독립적인 추가 기능을 가질 수 있다. 시간 독립성은 에너지가 언제든지 해제될 수 있으므로 상 변화 물질(PCM)을 사용하는 것에서 초래된다. 제1 스테이지는 사전 냉각(pre-cooling) 또는 사전 가열(pre-heating)이라고 지칭될 수 있고, 제2 스테이지는 냉각 방출(discharge cooling) 또는 가열 방출(discharge heating)이라고 지칭될 수 있다.
예를 들어, 팽창 밸브, 차단 밸브 등과 같은 밸브를 통해 제어되는 장치에서 펌핑 디바이스(예를 들어, 압축기), 응축기, 증발기, 열 배터리와 같은 상이한 구성 요소를 모두 연결하는 일련의 파이프 및/또는 파이프 네트워크가 있을 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 보다 자세히 설명된다.
상 변화 물질(PCM)은 예를 들어 냉매 열 교환기, 즉 증발기 및/또는 응축기로 열을 전달하는 매체로 기능할 수 있다.
장치는 실질적으로 수직 배향으로 위치될 수 있으며, 여기서 액체 수용 용기는 바람직하게는 압축기 위에 위치될 수 있다. 일반적으로, 액체 수용 용기는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 증발기와 응축기 사이에 위치될 수 있다.
액체 수용 용기는 응축기의 하류에 위치될 수 있으며 액체 냉매의 완충액을 수용할 수 있는 크기일 수 있다. 따라서 액체 수용 용기는 액체 냉매의 일부를 위한 저장조로 작용하는 수용부로 기능할 수 있다.
압축기는 장치 주위의 파이프 시스템 및/또는 파이프 네트워크 주위로 냉매 물질을 압축 및/또는 가압하는 데 사용될 수 있다.
장치가 사전 냉각 또는 사전 가열 방출을 위해 사용되는 상황에서 냉매는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 배향된 장치에서 상부로부터 하부로 흐르는 일이 발생한다. 이것은 본 발명에서 냉각/가열의 제1 스테이지로 고려될 수 있다.
장치가 사전 냉각 또는 가열 방출을 위해 사용되는 상황에서, 냉매는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 배향된 장치에서 하부로부터 상부로 흐르는 일이 발생한다.
장치에서 냉매의 흐름은 임의의 기능 손실 없이 역전될 수 있다.
이하의 물질의 조합 중 임의의 것을 포함하는 임의의 적합한 유형의 상 변화 물질(PCM)이 사용될 수 있다:
선택적으로 핵 생성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 25℃ 내지 35℃ 또는 약 -30℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 데칸(decane)과 같은 파라핀 물질;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 20℃ 내지 25℃ 또는 약 -22℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 염화나트륨 및 물과 같은 염수 공융제(salt-water eutectic);
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -10℃ 내지 0℃ 또는 약 -5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산마그네슘 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -5℃ 내지 +5℃ 또는 약 -1℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산나트륨 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 메틸 라우레이트(methyl laurate)와 같은 유기 에스테르;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 테트라히드라푸란(THF) 및 물과 같은 포접 수화물(clathrate hydrate);
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 15℃ 내지 25℃ 또는 약 18℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 디메틸 숙시네이트(demethyl succinate)와 같은 에스테르;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 15℃ 내지 25℃ 또는 약 22℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 도데칸올(dodecanol)과 같은 지방 알코올;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 25℃ 내지 35℃ 또는 약 32℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산나트륨 십수화물(sodium sulfate decahydrate)과 같은 염 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 아세트산나트륨 삼수화물(sodium acetate trihydrate)과 같은 염 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 70℃ 내지 95℃ 또는 약 81℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 트리메틸로에탄(trimethyloethane)과 같은 고체-고체 상 변화를 갖는 폴리올; 및
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 100℃ 내지 150℃ 또는 약 121℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 에리트리톨(erythritol)과 같은 폴리올.
상 변화 물질(PCM)은 (예를 들어, 최저 온도로) 냉각하는 데 필요한 온도 보다 약 1℃ 내지 20℃ 또는 바람직하게는 약 10℃ 내지 15℃ 더 높은 상 변화 온도를 갖거나 및/또는 필요한 증발 압력의 압력보다 1 내지 10 BarG 또는 바람직하게는 약 1 내지 5 BarG 더 높은 압력에서 냉매가 응축되도록 하는 상 변화 온도를 갖는 것으로 선택될 수 있다. 또한 상 변화 물질(PCM)은, 열 펌프가 열 에너지를 공급하는 주변 조건의 온도(예를 들어, 최소 온도)보다 약 1℃ 내지 20℃ 또는 바람직하게는 약 10℃ 내지 15℃ 더 높은 상 변화 온도를 갖거나 및/또는 예를 들어 주어진 설계 조건의 최소 주변 온도에서 냉매가 증발하는 압력보다 약 1 내지 10 BarG 또는 바람직하게는 약 1 내지 5 BarG 더 높은 압력에서 냉매가 증발되도록 하는 상 변화 온도를 갖는 것으로 선택될 수 있다.
냉매는 하이드로플루오로카본(hydrofluorocarbon)과 탄화수소 중 임의의 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
일반적인 냉매인 탄화수소는 이소부탄과 프로판 중 임의의 하나 이상을 포함한다.
다른 적절한 냉매는 이산화탄소와 암모니아를 포함한다.
본 발명에 적합한 냉매는 아래에 제시되고 이는 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다:
독성이 낮고 불연성인 냉매가 선호된다.
위에 나열된 냉매는 상이한 온도 범위에 대해 선택 및 선정될 수 있다.
열 배터리 내에는 일련의 튜브가 위치될 수 있다. 튜브는 핀(fin), 절연체 및 외부 케이스를 포함할 수 있다. 튜브의 임의의 적절한 유형과 배향은 상 변화 물질(PCM)로부터/로 에너지를 분배하는 데 도움이 되도록 사용될 수 있다.
열 배터리의 외부(예를 들어, 상부 표면)에는 예를 들어 온도 및/또는 압력 측정값을 제공하는 온도 및/또는 압력 센서가 선택적으로 위치될 수 있다. 온도 및/또는 압력 센서는 열 배터리의 상 변화 물질(PCM)에 침지될 수 있다.
본 발명에서 상 변화 물질(PCM)의 냉매 압력 및/또는 온도는 열 배터리의 상태 및 물리적 조건을 나타낼 수 있는 것으로 밝혀졌다는 것이 주목된다. 상 변화 물질(PCM)이 보유하는 충전량은 또한 온도 및/또는 압력 측정값을 사용하여 측정 및/또는 모니터링될 수 있다.
증발기는 팬 코일 증발기(fan coil evaporator)일 수 있다. 증발기는 응축기 아래에 또는 응축기에서 실질적으로 아래에 위치될 수 있다. 증발기는 냉각을 위해 사용되는 상황에서 냉각을 위해 지정된 공간을 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 증발기는 가열을 위해 지정된 공간으로부터 가열하는 데 사용될 수 있다.
증발기 위에는 예를 들어 팬 코일 응축기일 수 있는 응축기가 위치될 수 있다. 응축기는 열이 배출되는 주변 조건에서 사용될 수 있다. 대안적으로, 응축기는 가열을 위해 지정된 공간을 가열하는 데 사용될 수 있다. 이것은 냉매가 장치에서 상부로부터 하부로 흐르는 것을 제공한다. 그러나 흐름의 방향은 역전될 수 있다.
따라서 증발기와 응축기의 기능은 상이한 사이클 동안 서로 역전되어 교체될 수 있다.
더욱이, 증발기와 응축기는 이 기술 분야에 알려진 다른 열 교환기, 예를 들어, 판형 열 교환기로 교체될 수 있다. 따라서 본 발명의 장치는 상이한 상황에 고도로 적응될 수 있다.
장치는 냉매의 흐름을 역전시키기 위한 역전 밸브를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 4-포트 역전 밸브가 사용될 수 있다.
열 교환기의 충전 및/또는 방출과 고온 가스 해동(hot gas defrosting) 간을 전환하기 위해 역전 밸브 및 솔레노이드 밸브가 또한 장치에 통합될 수 있다.
이 전환은 수동으로 또는 전자적으로 발생할 수 있으며, 측정되는 온도 및/또는 압력, 그리고 전환이 필요한 시기에 의존한다. 예를 들어, 가열이 필요한 경우 냉매는 열 배터리로부터 흐를 수 있고, 냉각이 필요한 경우 냉매는 열 배터리로 흐를 수 있다. 필요에 따라 장치의 효율을 최대화하기 위해 흐름의 전환이 수행될 수 있다.
장치는 또한 작동 증발기로 기능할 때 증발기에 연결될 수 있는 팽창 밸브를 포함할 수 있다. 팽창 밸브는 전자 또는 자동 온도 조절 밸브일 수 있다.
차단 밸브로도 사용될 수 있는 추가 밸브가 있을 수 있다. 차단 밸브는 전자 또는 수동 차단 밸브일 수 있다. 차단 밸브는 역전 밸브와 열 배터리에 연결될 수 있다.
응축기에는, 예를 들어, 체크 밸브로 기능하는 추가 밸브가 연결될 수 있다. 체크 밸브는 또한 액체 수용 용기에 연결될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 액체 수용 용기는 압축기 위에 및 응축기 아래에 위치될 수 있다.
장치는 또한 바람직하게 수직으로 액체 수용 용기의 아래에 선택적으로 위치된 필터 건조기와 같은 건조기를 포함할 수 있다.
장치는 또한 선택적으로 투시창(sight glass)과 같은 관찰용 창을 포함할 수 있다.
장치는 또한 사전 냉각을 위해 사용될 수 있는 팽창 디바이스(예를 들어, 팽창 밸브)를 포함할 수 있다. 팽창 밸브가 전자식인 경우 추가 솔레노이드가 필요치 않다.
일반적으로, 장치는 또한 열 배터리와 역전 밸브 사이에 위치된 적어도 하나의 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 솔레노이드 밸브는 필요할 때 열 배터리를 격리하는 데 사용될 수 있다.
솔레노이드 밸브는 임의의 제어 가능한 구역 밸브(zone valve)와 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
장치는 또한 냉매를 팽창시키고 가스만이 압축기로 복귀하는 것을 보장하는 데 사용될 수 있는 흡입 라인 어큐뮬레이터를 포함할 수 있다.
장치는 또한 크랭크-케이스 압력 조절기를 포함할 수 있다. 크랭크-케이스 압력 조절기는 바람직하게는 R449A와 같은 냉매로 예를 들어 약 2 Bar에서 동작할 수 있다. 그러나 임의의 다른 적절한 유형의 냉매가 사용될 수 있다.
또한 열 배터리 및 액체 수용 용기에 연결된 추가 솔레노이드 밸브가 있을 수 있다.
추가적으로, 고온 가스 해동을 위해 사용될 수 있는 솔레노이드 밸브가 있을 수 있다.
대안적인 실시예에서, 장치는 또한 통합된 모세관 튜브를 포함할 수 있다.
추가 실시예에서, 장치는 또한 통합된 액체 수용기 및 모세관 튜브를 포함할 수 있다.
장치는 또한 냉매를 응축하고 열 배터리를 충전하는 데 사용되는 통합된 마이크로채널 열 교환기를 포함할 수 있다. 냉매 과열 가스(refrigerant superheated gas)는 입구 포트에서 마이크로채널 열 교환기로 들어가 채널을 따라 응축되고 나서 출구 포트에서 액체로 빠져나갈 수 있다.
본 발명의 특정 양태 및 장점은 동일한 장치가 가역적인 사이클로 가열 및 냉각에 모두 사용될 수 있다는 것이다. 이는 동일한 압축기 및 냉장을 사용하여 충전 및 냉각할 수 있는 장치가 제공될 수 있어서, 이에 의해 최종 사용자에게 이러한 시스템의 비용을 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
방출 사이클 시에 장치는 중간 열 교환기(즉, 열 배터리)와 온도 제어 환경 간에 열 에너지를 전달할 것을 요구받는다.
장치는 펌핑 디바이스(예를 들어, 압축기)에 걸친 압력차에 의해 구동되는 냉매의 흐름을 통해 동작한다. 장치에 걸쳐 열을 전달하는 것은 이 압력차이다. 이 압력차는, 냉매가 증발기의 증발기 코일에서 강제로 증발되는 온도와, 냉매가 응축기의 응축기 코일에서 강제로 응축되는 온도에 의존한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 증기 압축 장치로서,
냉매를 펌핑하는 데 사용되는 펌핑 디바이스;
상기 냉매를 응축할 수 있는 응축기;
상기 냉매를 증발시킬 수 있는 증발기;
상 변화 물질(PCM)을 포함하는 열 배터리를 포함하고;
상기 열 배터리는 상기 응축기 및/또는 증발기에 연결되어 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 상기 열 배터리가 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는, 상기 증기 압축 장치가 제공된다.
제2 양태에 따른 장치는 제1 양태에 정해진 임의의 특징 및 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 제1 양태와 제2 양태 중 임의의 양태에 따른 장치를 사용하여 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어하는 방법이 제공된다.
상기 방법은,
냉매를 펌핑하는 데 사용되는 펌핑 디바이스;
상기 냉매를 응축할 수 있는 응축기;
상기 냉매를 증발시킬 수 있는 증발기;
상 변화 물질(PCM)을 포함하는 열 배터리;
상기 열 배터리에서 상 변화 물질(PCM)의 온도 및/또는 압력을 모니터링할 수 있는 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서를 제공하는 단계를 포함할 수 있고;
상기 열 배터리는 상기 응축기 및/또는 증발기에 연결되어 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 상기 열 배터리는 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하기 위한 방법으로서,
- 압축기 입구 냉매 상태
- 압축기 출구 냉매 상태
- 응축기 출구 냉매 상태
- 증발기 입구 냉매 상태
를 계산하는 단계;
상기 방법을 사용하면, 임의의 적절한 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매가 이전 양태들 중 임의의 양태에서 본 명세서에 이전에 논의된 바와 같이 사용될 수 있다.
더욱이, 냉매의 열역학적 상태를 계산하는 동안 임의의 적절한 수의 지점이 분석될 수 있다.
본 발명은 이제 다음의 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 냉각 방출 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 압축 장치를 도시한다;
도 2는 사전 냉각 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 장치를 도시한다;
도 3은 중복 규약 국면(redundant convention phase)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1 및 도 2에 도시된 장치를 도시한다;
도 4는 고온 가스 해동 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 장치를 도시한다;
도 5는 냉각 방출 사이클 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1 내지 도 4에 도시된 장치를 도시한다;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5에 도시된 열 배터리의 확대도를 도시한다;
도 7은 통합된 모세관 튜브를 갖는 열 배터리가 있고 장치가 본 발명의 일 실시예에 따른 비가역 시스템에서 증발기로만 사용되는 대안적인 실시예를 도시한다;
도 8은 장치가 통합된 액체 수용기 및 모세관 튜브를 포함하는 것으로 도시되고 여기서 장치가 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 시스템 국면에서 사용되는 추가 실시예를 도시한다;
도 9는 장치가 본 발명의 일 실시예에 따라 냉매를 응축하고 열 배터리를 충전하는 데 사용되는 통합된 마이크로채널 열 교환기를 갖는 열 배터리를 포함하는 또 다른 실시예를 도시한다;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 상 변화 물질(PCM) 전이 온도를 갖는 상 변화 물질(PCM)을 냉각 충전하는 것을 도시한다;
도 11은 약 -5℃의 상 변화 물질(PCM) 전이 온도(TT)를 갖는 물질을 사용하는 열 배터리의 방출을 도시한다;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1 내지 도 9에 도시된 장치와 같은 특정 사용을 위해 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하는 방법을 도시한다.
도 1은 냉각 방출 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 압축 장치를 도시한다;
도 2는 사전 냉각 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 장치를 도시한다;
도 3은 중복 규약 국면(redundant convention phase)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1 및 도 2에 도시된 장치를 도시한다;
도 4는 고온 가스 해동 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 장치를 도시한다;
도 5는 냉각 방출 사이클 국면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1 내지 도 4에 도시된 장치를 도시한다;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5에 도시된 열 배터리의 확대도를 도시한다;
도 7은 통합된 모세관 튜브를 갖는 열 배터리가 있고 장치가 본 발명의 일 실시예에 따른 비가역 시스템에서 증발기로만 사용되는 대안적인 실시예를 도시한다;
도 8은 장치가 통합된 액체 수용기 및 모세관 튜브를 포함하는 것으로 도시되고 여기서 장치가 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 시스템 국면에서 사용되는 추가 실시예를 도시한다;
도 9는 장치가 본 발명의 일 실시예에 따라 냉매를 응축하고 열 배터리를 충전하는 데 사용되는 통합된 마이크로채널 열 교환기를 갖는 열 배터리를 포함하는 또 다른 실시예를 도시한다;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 상 변화 물질(PCM) 전이 온도를 갖는 상 변화 물질(PCM)을 냉각 충전하는 것을 도시한다;
도 11은 약 -5℃의 상 변화 물질(PCM) 전이 온도(TT)를 갖는 물질을 사용하는 열 배터리의 방출을 도시한다;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1 내지 도 9에 도시된 장치와 같은 특정 사용을 위해 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하는 방법을 도시한다.
본 발명은 중간에 위치된 열 배터리가 충전을 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 증기 압축 장치에 관한 것이다. 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서는 열 배터리에서 상 변화 물질(PCM)의 온도 및/또는 압력을 실시간으로 모니터링하여, 이에 의해 열 배터리를 제어하고 증기 압축 장치를 위한 고효율 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에서, 상 변화 물질(PCM)은 응축기와 증발기 사이에 위치된, 중간에 위치된 열 배터리에 사용된다. 상 변화 물질(PCM)은 예를 들어 냉매 열 교환기, 즉 증발기 및/또는 응축기로 열을 전달하는 매체 역할을 한다. 상 변화 물질(PCM)은 에너지 저장 매체 형태의 대안적인 열 교환 매체이다. 상 변화 물질(PCM)은 이하에서 설명된 바와 같이 열 배터리를 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 장치에서 중간에 위치된 열 배터리의 목적은 열원 및/또는 히트 싱크와, 온도 제어 환경 사이에 중간 스테이지를 제공하는 것이다. 사실상, 본 발명의 장치는 열 교환의 제1 스테이지와 제2 스테이지 사이에 시간 독립성이 있는 추가 기능을 갖는다. 시간 독립성은 에너지가 언제든지 해제될 수 있으므로 상 변화 물질(PCM)을 사용하는 것에서 초래된다. 제1 스테이지는 사전 냉각 또는 사전 가열이라고 지칭될 수 있고, 제2 스테이지는 냉각 방출 또는 가열 방출이라고 지칭될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 증기 압축 장치를 도시한다. 도 1에서 장치는 냉매 물질이 열 배터리(4)로부터 액체 수용 용기(13)로 그리고 아래에 있는 증발기(7)로 통과하는 것을 볼 수 있는 냉각 방출 국면에서 사용된다.
도 1에서 증기 압축 장치는 수직 또는 실질적으로 수직 배향으로 도시되어 있고, 여기서 액체 수용 용기(13)는 바람직하게는 압축기(1) 위에 위치된다. 또한 증발기(7)는 응축기(8) 아래에 위치된다.
액체 수용 용기(13)는 응축기(8)의 하류에 위치되고, 액체 냉매의 완충액을 수용하는 크기이다. 따라서, 액체 수용 용기(13)는 액체 냉매의 일부를 위한 저장조로 작용하는 수용부로 기능한다. 액체 수용 용기(13)로부터 팽창 밸브의 입구까지는 액체 라인이라고 지칭되고, 이는 액체 냉매의 적절한 공급을 장려하고, 그 결과 제어 가능한 냉매 질량 흐름을 촉진하도록 설계된다.
장치는 액체 또는 기체 상태의 냉매 밀도 차이로 인해 기체 냉매에 더 부력이 제공되는 경향이 있는 써모사이펀 효과를 최대한 활용할 수 있는 방식으로 배향된다. 이 효과는 구성 요소들 사이에 가장 효과적인 수직 또는 실질적으로 수직 흐름 경로를 만들거나 및/또는 도 1에 도시된 구성 요소에 흐름 경로를 만드는 것에 의해 최적화된다.
압축기의 방출 라인은 응축기(8) 또는 열 배터리(4)까지 약간 상승하며, 과열 냉매 가스를 운반한다. 이후, 액체 라인은 액체 수용 용기(13)를 향해 아래로 또는 실질적으로 아래로 흐르며, 과냉각된(subcooled) 응축된 액체 냉매를 운반한다.
액체 수용 용기(13)로부터 팽창 밸브(16 또는 17)로의 경로는 바람직하게는 아래로 또는 실질적으로 아래로 흐르며, 과냉각된 응축된 액체 냉매를 운반한다. 냉매는 팽창 밸브 오리피스에 걸쳐 압력 강하를 받고, 일반적인 흐름 경로는 증발기(7)의 출구까지 수직 상방으로 또는 실질적으로 상방으로 흐른다.
증발기(7)로부터 압축기(8)로 흐름 경로는 이 특정 응용을 위한 설계 선택 사항이다. 다음 두 가지 점이 고려된다:
1) 오일 액적을 운반하기 위해 냉매의 밀도가 낮아짐에 따라 압축기 오일 순환이 압축기(8)로 용이하게 복귀하도록 흐름 경로를 약간 아래로 배향한다.
2) 냉매의 밀도가 낮아짐에 따라 냉매가 상승하는 자연스러운 경향을 활용할 수 있도록 흐름 경로를 약간 상방으로 배향한다.
따라서 장치는 시스템 주위로 압축기 오일 순환을 가장 용이하게 하는 방식으로 배향된다(상기 점(1) 참조). 따라서 도 1에 도시된 장치를 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 배향하는 것이 가장 좋은 것으로 밝혀졌다.
장치의 파이프라인의 크기 및 흐름 경로는 장치 주위로 압축기 오일 순환을 용이하게 하는 방식으로 선택되었다. 파이프의 직경은 냉매 흐름의 속도를 최적화하고, 냉매 흐름이 경험하는 압력 강하를 최소화하도록 선택되었다. 예를 들어, 냉매는 약 1m/s 내지 5m/s 또는 바람직하게는 약 2.5m/s의 가스 속도로 흘러야 한다.
액체 수용 용기(13)로부터 팽창 밸브(16, 17)의 입구까지는 액체 라인이라고 지칭되고, 입구에 액체 냉매의 적절한 공급을 장려하고 그 결과 제어 가능한 냉매 질량 흐름을 촉진하도록 설계된다.
아래에서는 증기 압축 장치에 대해 보다 상세히 설명한다. 또한 도 1에서 서로 다른 구성 요소들 사이의 실선은 활성 흐름 경로를 나타내는 것임이 주목된다. 또한, 파선은 비활성 흐름 경로를 나타낸다. 냉매(즉, 에너지)의 흐름 방향은 화살표로 표시된다.
증기 압축 장치는 압축기(1)를 포함한다. 압축기(1)는 임의의 적합한 유형의 압축기 또는 대안적으로 임의의 유형의 펌핑 장치일 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 바람직한 실시예에서 액체 수용 용기(13)는 압축기(1) 위에 위치된다. 액체 수용 용기(13)를 압축기(1) 위에 위치시킴으로써 활성 흐름 경로의 효율이 더 커지는 장점을 제공한다.
장치가 사전 냉각 또는 사전 가열 방출을 위해 사용되는 상황에서 냉매는 도 1에 도시된 장치에서 화살표(2)로 도시된 바와 같이 상부로부터 하부로 흐른다. 이것은 본 발명에서 냉각/가열의 제1 스테이지로 고려될 수 있다.
장치가 사전 냉각 또는 가열 방출을 위해 사용되는 상황에서 냉매는 도 1에 도시된 장치에서 하부로부터 상부로 흐른다. 이것은 장치에서 화살표(3)로 도시된다.
화살표(2, 3)로 도시된 흐름은 장치의 기능 손실 없이 역전될 수 있다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같이 바람직한 방향은 화살표(2, 3)로 도시된다.
상 변화 물질(PCM)(5)을 수용하는 데 사용되는 열 배터리(4)가 있다. 이하의 물질과 같은 임의의 적절한 유형의 상 변화 물질(PCM)(5)이 선택될 수 있다:
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -25℃ 내지 -35℃ 또는 약 -30℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 데칸과 같은 파라핀 물질;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -20℃ 내지 -25℃ 또는 약 -22℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 염화나트륨 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -10℃ 내지 0℃ 또는 약 -5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산마그네슘 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -5℃ 내지 +5℃ 또는 약 -1℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산나트륨 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 메틸 라우레이트와 같은 유기 에스테르;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 테트라히드라푸란(THF) 및 물과 같은 포접 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 15℃ 내지 25℃ 또는 약 18℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 디메틸 숙시네이트와 같은 에스테르;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 15℃ 내지 25℃ 또는 약 22℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 도데칸올과 같은 지방 알코올;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 25℃ 내지 35℃ 또는 약 32℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산나트륨 십수화물과 같은 염 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 아세트산나트륨 삼수화물과 같은 염 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 70℃ 내지 95℃ 또는 약 81℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 트리메틸로에탄과 같은 고체-고체 상 변화를 갖는 폴리올; 및
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 100℃ 내지 150℃ 또는 약 121℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 에리트리톨과 같은 폴리올.
상 변화 물질(PCM)은 (예를 들어, 최저 온도로) 냉각하는 데 필요한 온도보다 약 1℃ 내지 20℃ 또는 바람직하게는 약 10℃ 내지 15℃ 더 높은 상 변화 온도를 갖고/갖거나, 필요한 증발 압력의 압력보다 1 내지 10 BarG 또는 바람직하게는 약 1 내지 5 BarG 더 높은 압력에서 냉매가 응축되도록 하는 상 변화 온도를 갖는 것으로 선택된다. 더욱이, 상 변화 물질(PCM)은 열 펌프가 열 에너지를 공급하는 주변 조건의 온도(예를 들어, 최소 온도)보다 약 1℃ 내지 20℃ 또는 바람직하게는 약 10℃ 내지 15℃ 더 높은 상 변화 온도를 갖고/갖거나, 주어진 설계 조건의 최소 주변 온도에서 냉매가 증발하는 압력보다 약 1 내지 10 BarG 또는 바람직하게는 약 1 내지 5 BarG 더 높은 압력에서 냉매가 증발되도록 하는 상 변화 온도를 갖는 것으로 선택된다.
따라서 상이한 사용 및 응용을 위해, 특정 상 변화 물질(PCM)은 알려진 상 변화 물질(PCM)의 라이브러리로부터 선택될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안된 시스템 및 장치는 다양한 조건, 및 다양한 기후 범위, 온도 및 습도가 발생할 수 있는 환경에 고도로 적응될 수 있다. 이는 단지 상 변화 물질(PCM)만을 현지 환경에 맞게 적응 및 변화시킨 상태로 동일한 장치를 전 세계에 판매할 수 있다는 장점을 제공한다. 따라서, 본 발명에서 제안된 장치는 증기 압축 장치의 제조 비용을 감소시키는 매우 상업적이고 매력적인 접근법이다.
열 배터리(4) 내에는 일련의 튜브(6)가 위치된다. 튜브는 핀, 절연체 및 외부 케이스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 튜브(6)의 임의의 적합한 유형 및 배향은 상 변화 물질(PCM)의 에너지를 분배하는 데 도움이 되도록 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열 배터리(4)의 상부 표면에는, 예를 들어, 온도 측정값(T1, T2 및 T3) 및 압력 측정값을 제공하는 온도 및/또는 압력 센서(23)가 선택적으로 위치될 수 있다. 온도 및/또는 압력 센서는 열 배터리(4)의 상 변화 물질(PCM)(5)에 침지될 수 있다.
본 발명에서 상 변화 물질(PCM)의 냉매 압력 및/또는 온도는 상 변화 물질(PCM)(5)이 보유하는 충전량을 포함하는 열 배터리(4)의 상태 및 물리적 조건을 나타낼 수 있는 것으로 밝혀졌다는 것이 주목된다. 예를 들어, 저온 상태에 있을 때, 이 기술 분야에 알려진 물질(R449A)을 사용하면, 예를 들어, -10℃의 온도의 경우 압력이 낮아지는 것으로 밝혀졌고, 이것은 3.6 Bar의 압력을 제공하고; 이 기술 분야에 알려진 물질(R449A)을 사용하면 +60℃의 온도의 경우 이것은 27.06 Bar의 압력을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
따라서, 상 변화 물질(PCM)(5)을 포함하는 열 배터리(4)는 장치에서 중간에 위치된 열 교환기로서 기능할 수 있다. 따라서 열 배터리(4)는 충전을 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 증기 압축 사이클 장치에서 열원의 온도 또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있다. 이러한 제어 디바이스는 종래 기술에는 존재하지 않았다.
도 1은 또한 증발기(7)(예를 들어, 팬 코일 증발기)가 있는 것을 도시한다. 증발기(7)는 응축기(8) 아래에 위치된다. 증발기(7)는 냉각을 위해 사용된 상황에서 냉각을 위해 지정된 공간을 냉각하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 증발기(7)는 가열을 위해 지정된 공간으로부터 가열하는 데 사용될 수 있다.
증발기(7) 위에는 응축기(8)(예를 들어, 팬 코일 응축기)가 위치된다. 응축기(8)는 열이 배출되는 주변 조건에서 사용될 수 있다. 대안적으로, 응축기(8)는 가열을 위해 지정된 공간을 가열하는 데 사용될 수 있다. 이것은 도 1에 도시된 장치에서 상부로부터 하부로 냉매의 흐름을 제공한다. 그러나 아래에서 논의된 바와 같이 흐름의 방향은 역전될 수 있다.
따라서 증발기(7)와 응축기(8)의 기능은 상이한 사이클 동안 서로 역전되고 교체될 수 있다.
더욱이, 증발기(7)와 응축기(8)는 예를 들어 이 기술 분야에 알려진 다른 열 교환기, 예를 들어, 판형 열 교환기로 교체될 수 있다. 따라서 본 발명의 장치는 상이한 상황에 고도로 적응할 수 있다.
또한 도 1에 도시된 실시예에서 역전 밸브인 밸브(9)가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 역전 밸브(9)는 예를 들어 4-포트 역전 밸브이다. 역전 밸브(9)는 방출 및/또는 고온 가스 해동 간을 전환하기 위해 필요할 때 흐름을 역전시키는 데 사용된다. 물론 본 발명의 범위 내에서 대안이 구상되고, 이는 역전 밸브를 사용하여 충전/방출을 변화시킬 수 있도록 재구성(즉, 재배관)될 수 있다. 전환은 수동 또는 전자적으로 발생할 수 있으며, 측정되는 온도 및/또는 압력에 의존한다. 따라서 냉매 흐름의 전환은 필요하거나 트리거될 때 수행될 수 있다. 예를 들어, 가열이 필요한 경우 냉매는 열 배터리(4)로부터 흐를 수 있고, 냉각이 필요한 경우 냉매 흐름은 열 배터리(4)로 흐르도록 전환될 수 있다.
장치는 응축기(8)에 연결된 차단 밸브(10)를 또한 포함한다. 차단 밸브(10)는 전자식 또는 수동 차단 밸브일 수 있다.
또한 차단 밸브로 사용될 수 있는 추가 밸브(11)가 있다. 차단 밸브(11)는 전자식 또는 수동 차단 밸브일 수 있다. 차단 밸브(11)는 역전 밸브(9) 및 열 배터리(4)에 연결된다.
응축기(8)에는 예를 들어 체크 밸브로 기능하는 추가 밸브(12)가 연결된다. 체크 밸브(12)는 또한 액체 포함 용기(13)에 연결된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 액체 수용 용기(13)는 압축기(1) 위에 및 응축기(8) 아래에 위치된다. 도 1에 도시된 장치는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 배향된 것으로 고려되어야 한다.
도 1은 또한 바람직하게는 액체 수용 용기(13) 아래에 위치된 필터 건조기와 같은 건조기(14)가 있는 것을 도시한다.
장치는 또한 선택적으로 투시창(15)과 같은 관찰용 창을 포함할 수 있다.
장치는 또한 사전 냉각을 위해 사용될 수 있는 팽창 디바이스(16)(예를 들어, 팽창 밸브)를 포함한다. 팽창 밸브가 전자식인 경우 도 1에 도시된 추가 솔레노이드(16A)가 필요치 않다.
밸브(17)는 또한 팽창 디바이스이고 팽창 밸브(16)와 유사하다. 그러나, 팽창 밸브(17)는 냉각 방출을 위해 사용된다. 팽창 밸브(17)가 전자식인 경우 추가 솔레노이드(17A)는 필요치 않다.
도 1에는 열 배터리(4)와 역전 밸브(9) 사이에 위치된 솔레노이드 밸브(18)가 더 도시되어 있다. 솔레노이드 밸브(18)는 필요할 때 열 배터리(4)를 격리시키는 데 사용된다.
상기 솔레노이드 밸브는 임의의 제어 가능한 구역 밸브와 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
또한 냉매를 팽창시키고 가스만이 압축기로 복귀하는 것을 보장하는 데 사용될 수 있는 흡입 용기 어큐뮬레이터(19)가 있다.
또한 크랭크-케이스 압력 조절기(20)가 있다. 크랭크-케이스 압력 조절기(20)는 바람직하게는 R449A와 같은 냉매로 예를 들어 약 2 Bar에서 동작할 수 있다.
열 배터리(4) 및 액체 수용 용기(13)에 연결된 추가 솔레노이드 밸브(21)가 있다.
추가적으로, 고온 가스 해동을 위해 사용될 수 있는 솔레노이드 밸브(22)가 있다.
참조 부호(24 및 25)로 식별된 위치 지점에서 일련의 온도 및/또는 압력 센서에 의해 온도 및/또는 압력 측정이 이루어질 수 있다. 온도 및/또는 압력의 측정은 이 기술 분야에 알려진 임의의 적합한 온도 및 압력 측정 디바이스, 예를 들어, 온도 및/또는 압력 측정 프로브(probe)를 사용하여 수행될 수 있다. 이에 의해 열 배터리(4) 내에 위치된 상 변화 물질(PCM)(5)의 온도 및/또는 압력 측정이 이루어질 수 있다. 이것은 열 배터리(4)의 압력 및/또는 온도를 모니터링하고 측정할 수 있다는 특정 기술적 장점을 갖는다. 이에 의해 냉매 질량 유량(refrigerant mass flowrate)을 조절하는 팽창 밸브에 피드백이 가능하고, 전체 시스템을 매우 효율적인 방식으로 제어하고 시스템을 완전히 제어할 수 있다. 따라서 냉매 흐름의 전환은 정확한 시간에 최대 에너지 효율을 위해 수행될 수 있다.
본 발명의 특정 양태 및 장점은 도 1에 형성된 것과 동일한 장치가 가역적인 사이클로 가열 및 냉각에 모두 사용될 수 있다는 것이다. 이는 충전 및 냉각을 위해 동일한 압축기 및 냉장을 사용할 수 있는 장치가 제공될 수 있고, 이에 의해 최종 사용자에게 이러한 시스템의 비용을 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 또한 더 작은 압축기를 사용하고 더 낮은 전력을 사용하여 이전에 알려진 디바이스보다 더 작도록 구성된 장치가 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 장치의 일부 작업량이 해안 전력으로 수행되는 때문이다. 이것은 본 발명의 특정 장점이다.
방출 사이클 시에 장치는 중간 열 교환기(즉, 열 배터리(5))와 온도 제어 환경 간에 열 에너지를 전달하는 것을 요구받는다.
도 1에 도시된 장치는 압축기(1)에 걸친 압력차에 의해 구동되는 냉매 흐름을 통해 동작한다. 장치에 걸쳐 열을 전달하는 것은 바로 이 압력차이다. 이 압력차는, 냉매가 증발기(7)의 증발기 코일에서 강제로 증발되는 온도와, 냉매가 응축기(8)의 응축 코일에서 강제로 응축되는 온도에 의존한다.
도 1에 도시된 장치의 동작의 일례는 냉각 및 충전 스테이지 동안 디바이스의 동작을 보여주는 아래 표 1에 제시된다.
상기 표 1은 상위 행에서 언급된 바와 같이 본 발명의 냉매 흐름 제어 밸브의 전기적 및/또는 기계적 제어를 구성하는 데 사용될 수 있다. 상위 행에 있는 참조 부호는 도 1 내지 도 5에 도시된 구성 요소를 나타낸다. 언급된 각 구성 요소에서 아래의 행은 이 시스템 동작 모드에 필요한 밸브 위치를 나타내는 이진 표시를 제공한다. 이 예에서, '1'은 열림을 의미하고, '0'은 닫힘을 의미한다.
도 2는 사전 냉각 국면에 있는 도 1에 도시된 장치를 도시한다. 따라서 도 2에서 사용된 참조 부호는 동일한 구성 요소를 갖는 도 1에 사용된 것과 동일하다.
도 2에서 시스템 흐름 경로는, 열 배터리(4)가 냉매의 증발에 의해 냉각되고, 흡수된 열이 응축기(8)에서 주변 공기로 배출될 수 있도록 조절되었다. 이것은 활성 흐름 경로와 각각의 화살표로 도시된다. 이 동작 모드는 시스템이 온도 제어 격실을 능동 냉각하는 것이 요구되기 전에 상 변화 물질(PCM)을 적절한 충전 온도로 냉각시키기 때문에 사전 냉각이라고 지칭된다.
도 3은 중복 규약 시스템 국면이라고 지칭되는 동작 모드에 있는 도 1 및 도 2에 도시된 장치를 도시한다. 따라서 도 3에서 사용된 참조 부호는 동일한 구성 요소를 갖는 도 1 및 도 2에 사용된 것과 동일하다.
도 3에서 시스템 흐름 경로는, 증발기(7)가 온도 제어 격실을 냉각시키고, 흡수된 열이 응축기(8)에서 주변 공기로 배출될 수 있도록 조절되었다. 이 동작 모드는, 열 배터리(4)가 고갈되는 경우, 오류 방지 동작 모드로 작용하기 때문에 중복 규약 시스템이라고 지칭된다.
도 4는 고온 가스 해동이라고 지칭되는 동작 모드에 있는 도 1 내지 도 3에 도시된 장치를 도시한다. 따라서 도 4에서 사용된 참조 부호는 동일한 구성 요소를 갖는 도 1 내지 도 3에서 사용된 것과 동일하다.
도 4에서 시스템 흐름 경로는 압축기(1)에서 방출되는 고온 가스에 의해 증발기(7)가 가열될 수 있도록 조절되었다. 이 동작 모드는 증발기(7)의 외부 핀 또는 케이싱 몸체에 축적된 얼음을 녹이려는 의도로 활성화되기 때문에 고온 가스 해동이라고 지칭된다.
도 5는 냉각 방출 사이클에 있는 도 1 내지 도 4에 도시된 장치를 도시한다. 따라서 도 5에서 사용된 참조 부호는 동일한 구성 요소를 갖는 도 1 내지 도 4에서 사용된 것과 동일하다. 또한, 도 5는 열 배터리(4) 내에 통합된 액체 수용 격실(26)이 위치된 것을 도시한다. 액체 수용 격실(26)은 열 배터리(4)의 하부에 또는 하부 쪽에 위치된다.
도 5는 비가역 시스템에서 응축기로만 사용되는 구성 요소 및 장치를 도시한다.
아래의 표 2는 응축기로만 사용될 때 도 5의 장치의 동작을 보여준다.
상기와 유사하게 시스템에 있는 여러 구성 요소를 참조할 때, '1'은 열림을 의미하고, '0'은 닫힘을 의미한다.
도 6은 장치가 비가역 시스템에서 응축기로만 사용되는 도 5에 도시된 열 배터리(4)의 확대도이다. 배터리 내에 위치된 상 변화 물질(PCM)(5), 일련의 튜브(6), 및 온도 및/또는 압력 센서(23)가 도시되어 있다. 열 배터리(4)는 또한 수직 또는 실질적으로 수직 위치로 배치된다.
도 7은 통합된 모세관 튜브(27)를 갖는 열 배터리(4)가 있는 대안적인 실시예를 도시한다. 도 7의 장치는 구성 요소가 비가역 시스템에서 증발기로만 사용되는 경우이다.
도 8은 장치가 통합된 액체 수용기(26)와 모세관 튜브(27)를 포함하는 것으로 도시된 일 실시예를 도시한다. 장치 및 구성 요소는 가역 시스템용으로 도시된 것이다. 필요한 냉매의 흐름을 수행하는 데 사용될 수 있는 밸브(28, 29, 30, 31)가 도시된다.
도 9는 냉매를 응축하고 열 배터리(4)를 충전하는 데 사용되는 통합된 마이크로채널 열 교환기(32)를 갖는 열 배터리(4)를 도시한다. 냉매 과열 가스는 포트(33)에서 마이크로채널 열 교환기로 들어가 채널을 따라 응축되고 나서 포트(34)에서 액체로 빠져나간다.
요구되는 제어 온도와 선택된 상 변화 물질(PCM) 사이의 온도 차이를 고려하는 것은 본 발명의 장치에서 설계 최적 사항이다. 적합한 상 변화 물질(PCM)을 선택함으로써 압축기에 걸친 압력차는 다음 사항을 모두 충족한다:
1) 장치의 회로에 걸쳐 냉매 흐름을 장려할 만큼 충분히 크다. 파이프 길이, 직경, 배향 및 라인 구성 요소의 기하 형상으로 인한 압력 강하에 전적으로 의존한다;
2) 압축기가 필요한 응축 압력으로 냉매를 압축하는 데 필요한 작업량을 최소화할 만큼 충분히 작다.
본 발명을 예시하기 위한 일례로서 다음 2개의 증기 압축 사이클을 참조한다:
1. 냉장 시스템
2. 가정용 열 펌프
냉장 시스템의 경우, 본 발명의 장치는 사전 냉각된 후, 방출 시 냉각을 제공하는 열 배터리를 이용한다. 사전 냉각의 경우, 이는 예를 들어 기계식 또는 열전식 냉장 수단, 자연적인 폐기 저온 소스에 의해 달성될 수 있다. 방출 시에 냉각 효과는 격실 냉각 및 산업 공정과 같은 사용에 사용될 수 있다.
냉장 사이클을 사용하여 사전 냉각하면 열 교환기가 상 변화 물질(PCM)에 침지되고, 사전 냉각 스테이지 동안 증발기 역할을 한다.
상 변화 물질(PCM)은 응고점을 약 10℃ 지난 점에서 현열 영역(sensible heat region)으로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 약 -5℃에서 동결되는 상 변화 물질(PCM)은 특정 동작 조건에 따라 적절한 사전 냉각 설정점으로 약 -15℃의 온도로 냉각될 수 있다.
예를 들어, 농작물을 보존하기 위해, 장치가 냉각 방출 스테이지에서 동작하는 경우, 열 교환기 냉매 코일이 응축기 역할을 한다. 응축기 역할을 하는 열 교환기는 냉매의 열을 상 변화 물질(PCM)로 배출한다.
본 발명에서 열 배터리의 저장 용량은 사용된 상 변화 물질(PCM)의 질량에 의존하고, 이에 히트 싱크는 질량의 온도가 상승할 때까지 냉장 사이클로부터 열을 계속 흡수할 수 있다.
상 변화 물질(PCM)이 녹아서 온도가 대략 주변 온도까지 상승하면 열 배터리가 고갈된다. 그러나 설계자는 표준 온도 프로브를 사용하여 사전 냉각 및 냉각 방출의 온도 경계를 제한하여 냉장 시스템의 시작 및 중지를 트리거하도록 특정 냉장 제어를 구성할 수 있다.
주변 공기를 히트 싱크로 사용하는 냉장 사이클과 관련된 제한 요인은 응축 압력이 기후에 의존한다는 것이다. 열대 기후의 최대 여름 기온이 약 30℃ 내지 40℃인 경우에 이것은 시스템이 약 35℃ 내지 45℃의 응축 온도에서 열을 배출할 만큼 충분히 높은 압력으로 냉매를 압축하는 것이 강제되기 때문에 냉장 시스템 성능에 큰 영향을 미친다.
열대 기후의 주변 조건은 다음과 같은 이유로 압축기의 구성 요소를 선택하는 면에서 설계자를 제한한다:
1. 압축기 방출 온도는 고온에서 손상을 주고, 일반적인 압축기는 약 120℃ 내지 130℃의 최대 허용치를 갖는다.
2. 압축기가 수행하는 작업량은 입구와 출구 사이의 압력 차에 비례한다. 압축기의 크기는 일반적으로 냉장실의 열 손실을 보충할 수 있는 능력에 기초하여 선택된다. 따라서 최소 요구 사항으로서 선택된 압축기는 시스템이 동작할 것으로 예상되는 주변 공기 조건 범위에 대해 냉각을 유지할 수 있어야 한다.
이러한 유형의 열대 기후에서 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 열 배터리를 중간 저장소로 사용하는 경우의 이점의 일부는 열 배터리의 사전 냉각이 주변 온도가 가장 낮은 밤에 수행될 수 있다는 것이다. 그런 다음 냉각이 요구되는 낮 동안 냉각 방출이 동작될 수 있다.
열 배터리를 사이클링하는 이 밤/낮 시간 접근법은 다양한 응용 분야에서 유리하다. 예를 들어, 전기 냉장 식품 트럭의 경우 트럭이 창고에 정차된 밤에 사전 냉각 사이클이 수행될 수 있다. 이것은 해안 전력을 이용하여 사전 냉각 사이클을 실행하고, 차량 견인 배터리를 이용하여 냉각 방출을 실행할 수 있다. 이 예에서는 차량 견인 배터리의 소모를 줄여서 차량을 구동하는 데에 더 많은 에너지를 이용할 수 있게 하는 이점이 있다.
상 변화 물질(PCM)을 선택하는 것은 적절한 설계 동작 조건을 달성하는 데 중요하다. 이 물질을 선택할 때 설계자는 저온실의 목표 온도, 이용 가능한 상 변화 물질(PCM)의 선택, 및 사용 시 냉매에 수반되는 압력을 포함한 상대적 포화도 표를 고려해야 한다.
가장 가까운 선행 기술은 공기측 열 교환기를 물 탱크로 대체하는 것이다. 실제로 물 탱크는 사전 냉각될 수 있으며, 냉장 사이클을 사용하여 냉각 방출을 제공할 수 있다.
도 10은 약 -5℃에서 상 변화 물질 전이 온도(PCM TT)를 갖는 상 변화 물질(PCM)을 냉각 충전하는 것을 도시한다. 상 전이는, 상 변화 물질(PCM)이 PCM TT보다 약 3℃ 내지 15℃ 더 낮거나 또는 약 5℃ 더 낮은 온도로 과냉각(supercooled)되는 점에서 시작되고 나서, 물질이 온도 프로브 주위에서 응고되기 전에 약 2℃ 내지 6℃ 또는 약 3℃ 내지 4℃의 온도 상승이 관찰되는 온도 피크점에서 종결되는 물질의 잠열 영역(latent heat region)에 의해 특성화된다.
이러한 온도 현상은 열 배터리 충전량을 나타내는 매우 신뢰성 있는 방법을 허용한다.
도 10에서 열 배터리 충전의 시작점은 0 kJ의 저장된 에너지에서 문자(A)로 표시된다. 실제로 5200 kJ에서 PCM 총 값의 저장된 에너지를 관찰함으로써 백분율로 표시된 과냉각 온도 표시는 지점(B 내지 F)에서 다음과 같이 결정될 수 있다:
B - 약 900 kJ에서 PCM이 과냉각되고 이에 따라 약 17.3%가 충전되고,
C - 약 2400 kJ에서 하부 프로브의 온도가 피크이고 이에 따라 약 46%가 충전되고,
D - 약 3500 kJ에서 하부 프로브의 온도가 피크이고 이에 따라 약 67%가 충전되고,
E - 약 4,400 kJ에서 하부 프로브의 온도가 피크이고 이에 따라 약 85%가 충전되고,
F - PCM 설정점 온도에 도달되고 이에 따라 약 100% 충전량으로 충전된다.
열 배터리 충전량을 모니터링하는 또 다른 방법은 증발 시 열 배터리 중 냉매의 압력을 측정하는 것에 의한다. 도 10에서 셀을 충전할 때 도달된 최종 압력은 예를 들어 약 1.5 BarG이다. 이 압력은 열 배터리(4) 출구에 압력 트랜스듀서를 설치하는 것에 의해 측정될 수 있다. 표준 복사량 측정 압력 트랜스듀서(0 내지 5 Vdc, 0 내지 34.5 BarA)가 사용될 수 있다.
도 11은 약 -5℃에서 상 변화 물질 전이 온도(PCM TT)를 갖는 물질을 사용하는 열 배터리의 방출을 도시한다.
냉매 응축 압력은 설계 상 예상대로 R449a에 대해 약 5 BarG인 반면, 대응하는 냉매 응축 온도는 약 0℃인 것으로 보인다.
이 테스트 동안 측정 T_PCM_저온_셀_상부(T_PCM_cold_cell_top)는 시간 2,500초에서 T_PCM_저온_셀_중간(T_PCM_cold_cell_mid)으로 수동으로 전환되었다.
방출 시 지시 압력은 사용자에게 다음 2개의 상태를 경고하는 데 유용할 수 있다:
실시예 1 - 냉각 특정 사례: 격실의 냉장
도 1에 도시된 장치를 사용하여 -5℃의 상 변화 온도를 넘어 상 변화 물질(예를 들어, 황산마그네슘)을 약 -20℃의 선택된 사전 냉각 종단 온도로 사전 냉각하도록 증기 압축 사이클이 개발되었다. 그런 다음 시스템이 역전되어 약 -20℃로 온도 제어 격실에 냉각 방출을 제공한다. 이 연구에서 응축 온도가 주변 온도에 도달하면 열 배터리가 고갈되었다.
알고리즘을 사용하여 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매의 선택
이제 특정 사용을 위해 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택할 수 있는 방법(즉, 알고리즘)을 도시하는 도 12를 참조한다. 방법은 도면 페이지(12/13 및 13/13)에서 두 페이지에 걸쳐 나뉘어져 있으며 함께 읽어야 한다.
도 12는 사용자가 도 1 내지 도 9에 도시된 것과 같은 증기 압축 장치에 사용될 최상의 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하기 위해 거쳐야 하는 선택과정을 도시한다.
도 12에서 도시된 바와 같이, 제1 단계는 법적으로 이용 가능한 냉매를 나열하고, 최저 지구 온난화 지수(GWP)에 따라 우선 순위를 매기는 것이다. 냉매의 안전 측면이 또한 고려되어야 한다.
그런 다음 사용자는 냉매 포화도 표를 사용하여 격실 목표 온도(CTT) 및 최소 주변 온도(Min_Ambient)에 대해 각 냉매의 증발 및 응축 온도를 나열한다.
그런 다음 사용자는 격실 목표 온도(CTT) 내지 최소 주변 온도(MIN_Ambient) 범위 및 전이 온도(TT)를 갖는 상 변화 물질(PCM)을 나열한다. 이 공정 동안 사용자는 또한 상 변화 물질(PCM)이 적절한 전이 온도를 갖는 응용 분야에 적합하다는 것을 보장할 수 있다. 안전 측면도 고려된다. 예를 들어, 사용자는 또한 가능한 한 응축 및 증발 온도와 녹는점 또는 바로 그 이하 온도에서 동작하는 전이 온도(TT)를 갖는 상 변화 물질(PCM)을 선택하는 것도 고려할 수 있다. 예로서, 고온수를 제공하기 위해 약 50℃ 바로 아래의 전이 온도(TT)를 갖는 상 변화 물질(PCM)이 선택될 수 있다.
도 1 내지 도 9에 도시된 장치를 사용하여 사용자는 증발 및/또는 응축을 위해 열 배터리(4) 내 상 변화 물질(PCM)에서 발생하는 냉매 압력 및 연관된 전이 온도(TT)를 평가한다. 이것은 냉장 포화도 표를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 열 배터리 내 냉매 압력은 전술한 바와 같이 압력 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 냉매 압력은 또한 필요에 따라 증기 압축 장치의 임의의 다른 부분에서 측정될 수 있다.
이 공정에서 그 다음 단계는 냉매가 열 배터리(4)의 상 변화 물질(PCM) 전이 온도(TT) 내지 응축기(8)의 최소 주변 온도(Min_Ambient) 및/또는 증발기(7)의 격실 목표 온도(CTT) 내지 열 배터리(4)의 상 변화 물질(PCM) 전이 온도에서 증발 및/또는 응축 간에 냉매의 흐름을 구동하기에 충분한 압력차를 갖는지 여부를 결정하는 것을 수반한다. 응답이 '아니오'인 경우 냉매는 적절한 선택 대상인 것으로 목록으로부터 제거된다. 응답이 '예'인 경우 도 12에 도시된 공정이 계속된다.
이 공정에서 그 다음 단계는 냉매 포화도 특성 표를 사용하고, 냉장 사이클 동안 상 변화 물질(PCM) 전이 온도(TT) 내지 최소 주변 온도(Min-Ambient) 및/또는 격실 목표 온도(CTT) 내지 상 변화 물질(PCM) 냉장 사이클에서 증발 및 응축을 위한 냉장 사이클의 지점에서 다음의 냉매 열역학적 상태, 즉
를 계산하는 것을 수반할 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 공정은 X 온도 내지 Y 온도, 예를 들어, 날씨 보상으로 선택된 약 30℃ 내지 60℃에서 가열 회로가 흐르고, 각각의 PCM과 냉매에 대해 초기 선택이 이루어지고 나서 하나 또는 다른 것을 변화시켜 반복 스테이지를 수행하는 루프 공정을 사용함으로써 X 내지 Y 범위 또는 X 미만에 있는 PCM을 선택하는, 가열 응용을 위한 상 변화 물질(PCM) 및 냉매를 선택하는 것을 수반한다. 또한 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)이 사용될 수 있다.
따라서 도 12에 도시된 루프 공정은 X 온도(예를 들어, 약 -10℃ 내지 -30℃ 또는 약 -20℃)의 저온실을 갖는 냉각 회로, 및 A 온도 내지 B 온도, 예를 들어, 약 10℃ 내지 45℃에서 변하는, 열이 배출되는 고온 주변부를 포함하는, 냉각 응용을 위한 상 변화 물질(PCM) 및 냉매를 선택하는 데 사용될 수 있다.
냉매는 냉매를 위한 공급 체인, 및 압축기, 팽창 밸브 등과 같은 관련 장비와 함께 이용 가능한 냉매이어야 한다.
냉매는 또한 F-가스 규정을 받는 시장에서 냉매의 지구 온난화 지수(GWP)를 낮추기 위해 법적 요건에 따라 적용된 향후 이용 가능성에 따라 우선 순위가 매겨진다.
냉매는 냉각 방출 동안 증발기(7)에서 격실 목표 온도(CTT)보다 약 2℃ 내지 10℃ 더 낮거나 또는 일반적으로 약 5℃ 더 낮은 온도에서 증발하도록 선택되고, 선택된 상 변화 물질(PCM') 전이 온도(TT)(고체/액체 PCM의 경우 이것은 녹는점/어는점이고; 고체/고체 PCM의 경우 이것은 고체 결정 상 전이 현상이 발생하는 온도임)보다 2℃ 내지 10℃ 더 높거나 또는 일반적으로 약 5℃ 더 높은 온도에서 열 배터리(4)에서 응축될 수 있다. 증발은 약 3 BarA 또는 약 1.5 BarA 초과 및 약 10 BarA 미만 또는 약 5 BarA 미만의 압력에서 일어나야 하는 데, 이는 냉매의 선택 대상을 제한한다. 이러한 선택 대상은 압축기에서 냉매가 모자라거나 또는 액체 냉매가 압축기에 들어가는 것을 방지한다.
사전 냉각 동안 냉매는 일반적으로 선택된 물질(PCM) 전이 온도(TT)보다 약 2℃ 내지 10℃ 더 낮거나 또는 일반적으로 약 5℃ 더 낮은 온도에서 열 배터리(4)에서 증발되고, 일반적으로 당시의 주변 온도보다 약 2℃ 내지 10℃ 더 높거나 또는 일반적으로 약 5℃ 더 높은 온도에서 주변 열 교환기(예를 들어, 팬 코일)에서 응축된다.
CTT의 범위는 약 2℃ 미만 내지 10℃ 또는 일반적으로 약 5℃ 미만 내지 Max_Ambient 온도 내지 약 2℃ 초과 내지 10℃ 또는 약 5℃ 초과이다. 이것은 단일 압축기 플러스(plus) 열 배터리 플러스 밸브 배열이 역전된 경우, 예를 들어, 이 경우 약 -25℃ 내지 +50℃에서 단일 냉매에 대해 실현 가능한 범위 내에 있어야 한다. 실현 가능성은 시스템의 최대 작동 압력, 및 이 압력으로 인한 열 교환기, 압축기, 비용, 제조 가능성 및 안전성의 선택에 의해 제한된다. 따라서 최대 작동 압력은 일반적으로 저비용 시스템의 경우 약 30 BarA를 초과하지 않으며 산업적으로 실행 가능한 시스템의 경우 약 200 BarA를 초과하지 않는다. 이것은 선택될 수 있는 냉매의 수를 엄격히 제한한다.
또 다른 요인은 상 변화 물질(PCM) 전이 온도(TT)가 일반적으로 이용 가능한 상 변화 물질(PCM)에 기초하여 선택되고, 허용 가능한 높은 잠열을 가지며, CTT와 Min_Ambient 사이에 있어야 한다는 것이다.
예를 들어, 약 2 내지 10 Bar 또는 약 5 Bar의 압력차 또는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 제시할 수 있는 다른 값의 압력차가 있어야 하는 것을 의미하는 최소 냉매 흐름이 있는 것을 보장하는 필요성에 기초하여 추가 제약이 적용된다.
도 12를 다시 참조하면, 이 공정에서 그 다음 단계는 이 냉장 사이클 동안 상대적 압축기 작업량(W)과 함께 도 1 내지 도 5에 도시된 증발기(7) 및/또는 열 배터리(4) 및 응축기(8)에 있는 응축기 및/또는 증발기(7) 및 열 배터리(4)에 걸쳐 열 부하(Q)를 계산하는 것이다. 이하 수식이 사용될 수 있다:
열 부하(Q)를 계산하는 공정을 설명하기 위해 이하를 참조한다.
증발기(7)의 상대적 격실 목표 온도(CTT) 및 열 배터리(4)의 상 변화 물질(PCM) 전이 온도(TT)에서 증발 및 응축될 때 냉각 부하(
) 및/또는 가열 부하(
)는 다음과 같이 계산된다:
- 압축기 입구 냉매 상태
- 압축기 출구 냉매 상태
- 응축기 출구 냉매 상태
- 증발기 입구 냉매 상태
를 계산한다.
- 압축기 입구 냉매 상태(h1)
- 압축기 출구 냉매 상태(h2)
- 응축기 출구 냉매 상태(h3)
- 증발기 입구 냉매 상태(h4)
에 대한 상대적 엔탈피 값을 찾는다.
따라서 증발기(7)의 냉각 부하는 이미 결정되어 있으므로 증발기(7)를 통한 냉매의 질량 유량은 다음과 같이 계산될 수 있다:
열 배터리(4)의 상대적 상 변화 전이 온도(PCM TT)와 응축기(8)의 Min_Ambient 온도에서 증발 및 응축될 때 냉각 부하(
) 및/또는 가열 부하(
)는 다음과 같이 계산된다:
- 압축기 입구 냉매 상태
- 압축기 출구 냉매 상태
- 응축기 출구 냉매 상태
- 증발기 입구 냉매 상태
를 계산한다.
- 압축기 입구 냉매 상태(h1)
- 압축기 출구 냉매 상태(h2)
- 응축기 출구 냉매 상태(h3)
- 증발기 입구 냉매 상태(h4)
에 대한 상대적 엔탈피 값을 찾는다.
따라서 열 배터리(4)의 냉각 부하는 이미 결정되어 있으므로 열 배터리(4)를 통한 냉매의 질량 유량은 다음과 같이 계산될 수 있다:
도 12를 다시 참조하면, 사용자는 상대적 응축기 및/또는 증발기의 열 부하를 압축기의 작업량으로 나눔으로써 가열 및/또는 냉각 성능 계수(COP)를 계산할 수 있다.
그런 다음 냉매 및 상 변화 물질(PCM) 데이터는 최종 검토 문서에 추가될 수 있다.
마지막으로, 냉매의 최저 지구 온난화 지수(GWP)의 우선 순위에 따라 나열된 적절한 상 변화 물질(PCM) 냉매 조합으로 실험을 수행할 수 있다.
매우 구체적인 예는 다음과 같다:
1. 최저 GWP와 법적으로 허용되는 냉매를 선택하고 후보를 선택한다
2. 후보의 압력 범위를 조사한다
3. CTT 및 Min_Ambient에 비해 후보가 증발 및 응축되는 온도
4. CTT 내지 Min_Ambient 범위 내에 전이 온도를 갖는 PCM의 목록에서 각각에 대해 전이 온도에서 발생하는 냉매 압력을 평가한다
5. PCM TT 내지 Min_Ambient 냉장 사이클 및/또는 CTT 내지 PCM 냉장 사이클에서 증발과 응축 간에 냉매의 흐름을 구동하기에 불충분한 압력 차를 갖는 모든 후보를 제거하도록 목록을 클립한다.
6. 냉매 포화도 특성 표를 사용하여, PCM TT 내지 Min_Ambient 냉장 사이클 및/또는 CTT 내지 PCM 냉장 사이클에서 증발 및 응축을 위한 냉장 사이클의 4개의 지점에서 다음의 냉매 열역학적 상태, 즉
- 압축기 입구 냉매 상태
- 압축기 출구 냉매 상태
- 응축기 출구 냉매 상태
- 증발기 입구 냉매 상태를 계산한다.
7. 상기 점(6)에서 정해진 각 냉장 사이클마다 증발기 및/또는 응축기에 걸친 열 부하(kW) 및 압축기의 작업량(kW)을 계산한다. 이 정보를 사용하여 냉매와 PCM의 각 쌍에 대해 가열 및/또는 냉각 성능 계수(COP)를 결정할 수 있다.
알고리즘은 먼저 공간 및/또는 고온수 및/또는 열 배터리의 가열을 제공하는 응축기의 가열 요구 사항을 고려함으로써 가열 특정 사례에 대한 PCM 및 냉매의 조합을 선택하는 데 사용될 수 있다. 가열 요구 사항은 시스템 또는 설계자의 선택 사항에 대해 설계 사양에 따라 설정되어야 한다. 예를 들어, 약 58℃의 PCM 온도에서, 예를 들어, 약 2kW의 율로 열 배터리를 충전하면 냉매 응축 온도는 약 63℃가 된다. 이 정보로부터 알고리즘의 후속 단계는 냉매 가열 사이클의 열역학적 상태와 이 사이클의 질량 유량을 찾는 데 사용될 수 있다. 그런 다음 이용 가능한 물질 및 냉매를 통해 반복함으로써 저온 열 배터리용 PCM을 선택하는 것을 결정할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 위에서 설명되었지만, 설명된 실시예를 벗어난 변형은 여전히 본 발명의 범위 내에 있을 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 상 변화 물질을 포함하는 임의의 적합한 유형의 압축기, 응축기, 증발기 및 열 배터리가 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 임의의 적절한 배관 유형 및 배관 네트워크가 디바이스들을 연결하는 데 사용될 수 있다. 또한, 임의의 적합한 유형의 상 변화 물질(PCM)이 사용될 수 있다.
Claims (49)
- 증기 압축 장치로서,
냉매를 펌핑하는 데 사용되는 펌핑 디바이스;
상기 냉매를 응축할 수 있는 응축기;
상기 냉매를 증발시킬 수 있는 증발기;
상 변화 물질(phase change material: PCM)을 포함하는 열 배터리; 및
상기 열 배터리에서 상 변화 물질(PCM)의 온도 및/또는 압력을 모니터링할 수 있는 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서를 포함하고;
상기 열 배터리는 상기 응축기 및/또는 증발기에 연결되어 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있고, 이에 의해 상기 열 배터리는 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항에 있어서,
상기 열 배터리의 물리적 상태 및 물리적 조건을 실시간으로 지시하고 상기 냉매의 흐름이 전환되어야 할 때를 지시하는 일련의 온도 및/또는 센서가 상기 상 변화 물질(PCM)에 침지되어 존재하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 온도 및/또는 압력의 측정은 일정하게 및/또는 지속적으로, 또는 매 30초 또는 매분과 같이 주기적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서는 상기 상 변화 물질(PCM)의 충전 레벨의 측정과 함께 상기 상 변화 물질(PCM)의 물리적 상태를 모니터링할 수 있게 하는 실시간 온도 및/또는 압력 측정을 제공하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상 변화 물질(PCM)을 포함하는 상기 열 배터리는 상기 응축기와 증발기 사이의 중간에 위치되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 배터리는 열원 및/또는 히트 싱크로 기능하는 상기 응축기와 증발기 사이에 중간 스테이지를 제공하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 스테이지 동안 상기 열 배터리는 사전 냉각(pre-cool) 또는 사전 가열(pre-heat)되고, 제2 스테이지 동안 상기 열 배터리는 냉각 방출(discharge cooling)되거나 가열 방출(discharge heating)되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 배터리는 중간에 위치된 열 교환기로서 기능하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 수직 또는 실질적으로 수직 배향이고, 냉매를 수용하는 액체 수용 용기는 상기 압축기 위에 또는 실질적으로 위에 위치되고, 상기 액체 수용 용기는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 상기 증발기와 상기 응축기 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펌핑 디바이스는 상기 장치 주위의 파이프 시스템 주위로 상기 냉매를 압축 및/또는 가압하는 데 사용되는 압축기인 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치가 사전 냉각 또는 사전 가열 방출을 위해 사용될 때 냉매는 실질적으로 수직으로 배향된 장치에서 상부로부터 하부로 흐르는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치가 사전 냉각 또는 가열 방출을 위해 사용될 때 냉매는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 배향된 장치에서 하부로부터 상부로 흐르는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치 내의 냉매의 흐름은 기능의 손실 없이 가역적인 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
사용된 상기 상 변화 물질(PCM)은,
선택적으로 핵 생성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 25℃ 내지 35℃ 또는 약 30℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 데칸(decane)과 같은 파라핀 물질;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 20℃ 내지 25℃ 또는 약 22℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 염화나트륨 및 물과 같은 염수 공융제(salt-water eutectic);
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -10℃ 내지 0℃ 또는 약 -5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산마그네슘 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 -5℃ 내지 +5℃ 또는 약 -1℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산나트륨 및 물과 같은 염수 공융제;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 메틸 라우레이트(methyl laurate)와 같은 유기 에스테르;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 테트라히드라푸란(tetrahydrafuran)(THF) 및 물과 같은 포접 수화물(clathrate hydrate);
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 15℃ 내지 25℃ 또는 약 18℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 디메틸 숙시네이트(dimethyl succinate)와 같은 에스테르;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 15℃ 내지 25℃ 또는 약 22℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 도데칸올(dodecanol)과 같은 지방 알코올;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 25℃ 내지 35℃ 또는 약 32℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 황산나트륨 십수화물(sodium sulfate decahydrate)과 같은 염 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 0℃ 내지 10℃ 또는 약 5℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 아세트산나트륨 삼수화물(sodium acetate trihydrate)과 같은 염 수화물;
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 70℃ 내지 95℃ 또는 약 81℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 트리메틸로에탄(trimethyloethane)과 같은 고체-고체 상 변화를 갖는 폴리올; 및
선택적으로 핵 형성, 결정화 속도 및/또는 순환성을 개선하기 위한 첨가제와 함께 약 100℃ 내지 150℃ 또는 약 121℃의 상 변화 전이 온도를 갖는 PCM을 형성하는 예를 들어 에리트리톨(erythritol)과 같은 폴리올
중 임의의 것 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상 변화 물질(PCM)은 사용자가 냉각하기를 원하는 만큼 낮지도 않고 사용자가 열을 배출하기를 원하는 만큼 높지도 않은 온도 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상 변화 물질(PCM)은 (예를 들어 최저 온도로) 냉각하는 데 필요한 온도보다 약 1℃ 내지 20℃ 또는 약 10℃ 내지 15℃ 더 높은 상 변화 온도를 갖거나 및/또는 필요한 증발 압력의 압력보다 1 내지 10 BarG 또는 바람직하게는 약 1 내지 5 BarG 더 높은 압력에서 냉매가 응축되도록 하는 상 변화 온도를 갖는 것으로 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상 변화 물질(PCM)은 열 펌프가 열 에너지를 공급하는 주변 조건의 온도(예를 들어, 최소 온도)보다 약 1℃ 내지 20℃ 또는 약 10℃ 내지 15℃ 더 높은 상 변화 온도를 갖거나 및/또는 주어진 설계 조건의 최소 주변 온도에서 냉매가 증발할 수 있는 압력보다 약 1 내지 10 BarG 또는 약 1 내지 5 BarG 더 높은 압력에서 냉매가 증발되도록 하는 상 변화 온도를 갖는 것으로 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 배터리 내에는 일련의 튜브가 위치되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발기는 팬 코일 증발기인 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발기는 상기 응축기 아래에 위치되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발기 위에는 팬 코일 응축기인 응축기가 위치되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축기는 열이 배출되는 주변 조건에서 사용되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축기는 상기 장치에서 상부로부터 하부로 냉매의 흐름을 제공하는 가열용으로 지정된 공간을 가열하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발기와 응축기의 기능은 상이한 사이클 동안 가역적인 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발기와 응축기는 다른 열 교환기, 예를 들어, 판형 열 교환기로 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 필요할 때 냉매의 흐름을 역전시키고 충전 및/또는 방출 사이에서 전환하는 역전 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제26항에 있어서,
상기 전환은 수동 또는 전자적으로 발생하고, 측정되는 온도 및/또는 압력, 및 전환이 필요한 시기에 의존하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제27항에 있어서,
가열이 필요할 때 냉매는 상기 열 배터리로부터 흐르고, 냉각이 필요할 때 냉매는 상기 열 배터리로 흐르는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 상기 응축기에 연결된 적어도 하나의 차단 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 상기 역전 밸브 및 상기 열 배터리에 연결된 적어도 하나의 차단 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응축기와 액체 수용 용기에는 체크 밸브로서 기능하는 추가 밸브가 연결되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 배향되고, 액체 수용 용기는 상기 펌핑 디바이스(예를 들어, 압축기) 위에 및 상기 응축기 아래에 위치되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 또한 선택적으로 수직으로 상기 액체 수용 용기의 아래에 위치된 필터 건조기와 같은 건조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 또한 관찰 창, 예를 들어, 투시창을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 또한 사전 냉각을 위해 사용되는 팽창 디바이스(예를 들어, 팽창 밸브)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 또한 필요할 때 상기 열 배터리를 격리시키는 데 사용되는 상기 역전 밸브와 상기 열 배터리 사이에 위치된 적어도 하나의 솔레노이드 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 냉매 흐름을 지시하는 데 사용되는 흡입 용기 어큐뮬레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 크랭크-케이스 압력 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 배터리 및 액체 수용 용기에 연결된 솔레노이드 밸브가 존재하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
고온 가스 해동에 사용되는 솔레노이드 밸브가 존재하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온도 및/또는 압력 제어 증기 압축 장치는 가역적인 사이클로 가열 및 냉각에 모두 사용되는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
방출 사이클 시에 상기 장치는 상기 열 배터리(즉, 중간 열 교환기)와 온도 제어 환경 간에 열 에너지를 전달할 것을 요구받는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 상기 압축기에 걸친 압력차에 의해 구동되는 냉매 흐름을 통해 동작하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 또한 통합된 모세관 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 또한 통합된 액체 수용기 및 모세관 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 제1항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는, 냉매를 응축하고 열 배터리를 충전하는 데 사용되는 통합된 마이크로채널 열 교환기를 또한 포함하고, 이에 의해 냉매 과열 가스가 입구 포트에서 상기 마이크로채널 열 교환기로 들어가 냉각 채널을 따라 응축되고 나서 출구 포트에서 액체로 빠져나가는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치. - 냉매를 펌핑하는 데 사용되는 펌핑 디바이스;
상기 냉매를 응축할 수 있는 응축기;
상기 냉매를 증발시킬 수 있는 증발기;
상 변화 물질(PCM)을 포함하는 열 배터리; 및
상기 열 배터리에서 상기 상 변화 물질(PCM)의 온도 및/또는 압력을 모니터링할 수 있는 적어도 하나의 또는 일련의 온도 및/또는 압력 센서
를 제공하는 제1 양태와 제2 양태 중 임의의 양태에 따른 장치를 사용하여 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어하는 방법으로서,
상기 열 배터리는 상기 응축기 및/또는 증발기에 연결되어 충전 에너지를 해제(즉, 방출)하고/하거나 충전될 수 있으며, 이에 의해 상기 열 배터리는 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 압축 사이클에서 열원의 온도 및/또는 히트 싱크의 온도를 제어하는 방법. - 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하는 방법으로서,
최저 지구 온난화 지수(GWP)와 법적으로 허용된 냉매를 선택하고 후보 냉매를 선택하는 단계;
선택된 후보 냉매의 냉매 압력 범위를 검토하는 단계;
격실 목표 온도(CTT) 및 최소 주변 온도(Min_Ambient)에 대해 상기 후보 냉매가 증발 및 응축되는 온도를 검토하는 단계;
상기 CTT 내지 Min_Ambient 범위 내에 전이 온도(TT)를 갖는 상 변화 물질(PCM)의 목록에서 각각에 대해 상기 전이 온도에서 발생하는 냉매 압력을 평가하는 단계;
상기 PCM TT 내지 Min_Ambient 냉장 사이클 및/또는 상기 CTT 내지 PCM 냉장 사이클에서 증발과 응축 간에 냉매 흐름을 구동하기에는 불충분한 압력차를 갖는 모든 후보를 제거하도록 상기 목록을 클립(clip)하는 단계;
냉매 포화도 특성 표(refrigerant saturation property table)를 사용하여, 상기 PCM TT 내지 Min_Ambient 냉장 사이클 및/또는 상기 CTT 내지 PCM 냉장 사이클에서 증발 및 응축을 위한 냉장 사이클의 복수의 지점(예를 들어, 2 내지 10개 또는 바람직하게는 4개의 지점)에서 다음의 냉매 열역학적 상태, 즉
- 압축기 입구 냉매 상태
- 압축기 출구 냉매 상태
- 응축기 출구 냉매 상태
- 증발기 입구 냉매 상태를 계산하는 단계;
각 냉장 사이클마다 상기 증발기 및/또는 응축기의 열 부하(kW) 및 압축기의 작업량(kW)을 계산하는 단계; 및
상기 정보를 사용하여 냉매와 PCM의 각 쌍에 대해 가열 및/또는 냉각 성능 계수(coefficient of performance: COP)를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질 및/또는 냉매를 선택하는 방법.
- 제48항에 따른 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질(PCM) 및/또는 냉매를 선택하는 방법으로서, 냉매 포화도 특성 표를 사용하여, 상기 PCM TT 내지 Min_Ambient 냉장 사이클 및/또는 상기 CTT 내지 PCM 냉장 사이클에서 증발 및 응축을 위한 냉장 사이클의 2 내지 10개 또는 4개의 지점에서 다음의 냉매 열역학적 상태, 즉
- 압축기 입구 냉매 상태
- 압축기 출구 냉매 상태
- 응축기 출구 냉매 상태
- 증발기 입구 냉매 상태
를 계산하는 것을 특징으로 하는 증기 압축 장치를 위한 상 변화 물질 및/또는 냉매를 선택하는 방법.
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