KR20240026139A - 압축기의 열 회수 방법 및 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기(1)에 관한 것으로서, 상기 압축기는 가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단(1.1 내지 1.3); 및 압축 가스를 냉각하기 위한 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2)를 포함한다. 상기 2개 이상의 열교환기(2) 각각은 적어도 상기 열교환기(2)를 통해 압축 가스를 이송하기 위한 1차부 및 상기 압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 상기 열교환기(2)를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함한다. 상기 압축기(1)는 압축기의 내부 구성요소의 냉각을 위한 1개 이상의 액체-액체 열교환기를 더 포함하며, 상기 액체-액체 열교환기는 적어도 열교환기(2)를 통해 냉각재를 이송하는 1차부, 및 상기 액체-액체 열교환기(2.4)를 통해서 냉각 물질을 이송하여 상기 내부 구성요소로부터 상기 냉각 물질로 열이 전달될 수 있도록 하는 1개 이상의 2차부를 포함한다. 상기 액체-액체 열교환기(2.4) 및 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2)를 통해 상기 냉각재의 유동을 전달하기 위해 냉각재 회로(5)가 구비되며, 상기 복수의 압축단(1.1-1.3) 및 상기 압축 가스 열교환기(2)를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로(6)가 구비된다. 상기 냉각재 회로(5)는 적어도 부분적으로 직렬로 결합되어 상기 액체-액체 열교환기(2.4)가 상기 직렬 연결 순서에서 제1 또는 제2 열교환기가 될 수 있도록 하며 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기 중 적어도 두 개는 직렬로 연결될 수 있도록 한다.

Description

압축기의 열 회수 방법 및 압축기

본 발명은 압축기의 열 회수 방법에 관한 것이다. 본 방법은 또한 가스를 압축하기 위한 복수의 압축단(compression stage); 압축 가스를 냉각하기 위한 3개 이상의 열교환기를 포함하는 압축기에 관한 것으로서, 상기 3개 이상의 열교환기 각각은 적어도 압축 가스가 냉각을 위해 진입하는 가스 입구 및 냉각된 가스를 배출하기 위한 가스 출구를 갖는 1차부, 그리고 냉각재가 진입하는 냉각재 입구와 냉각재를 배출하는 냉각재 출구를 갖는 2차부를 포함하며, 상기 압축기는 상기 3개 이상의 열교환기를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로 및 상기 복수의 압축단과 상기 열교환기를 통해 가스 유동을 직렬로 전달하기 위한 가스 유동 회로를 더 포함한다.

압축기는 일반적으로 상기 압축기의 하나 이상의 압축기단으로 압축된 가스의 온도를 낮추기 위한 하나 이상의 열교환기를 갖는다. 다단계 압축기는 일반적으로 각 압축단 후단에 열교환기를 구비하여 상기 압축단으로 압축된 가스를 냉각한다. 열교환기의 냉각재 입구는 일반적으로 병렬로 연결되어 물과 같은 냉각재가 각 열교환기에 병렬로 공급되도록 한다. 이는 열교환기의 각 입구에서 냉각재의 온도가 동일하다는 것을 뜻한다. 그러나 각 압축기단은 동일한 작동 매개변수를 갖지 않을 수 있으며, 이로 인해 열 회수 효율과 결과적으로 각 압축기단의 효율이 최적화되지 않을 수 있다.

압축기단의 입구 온도는 상기 압축기단의 효율에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 기본적으로 입구의 가스 온도가 높을수록 압축에 필요한 에너지도 증가하게 된다.

열교환기는 일반적으로 1차부와 2차부로 구성된다. 일부 열교환기에는 3차부가 있을 수 있다. 압축기 분야에서 1차부와 같은 구성부의 하나는 압축 가스를 열교환기를 통해 안내하기 위해 구비되고 2차부는 열교환기를 통해 냉각재를 안내하기 위해 구비된다. 따라서 압축 가스의 열의 적어도 일부는, 압축 가스의 온도가 냉각재의 온도보다 높을 때, 압축 가스에서 냉각재로 전달된다.

한 물질에서 다른 물질로 열을 전달하는 것을 한 물질에서 다른 물질로의 열 회수라고도 한다.

본 발명의 일부 실시예는 종래 기술의 방법 및 압축기에 비해 열 회수 효율 및 출구 냉각재 온도가 개선된 방법 및 다단계 압축기를 제공한다. 본 발명의 기본 사상 하나는 냉각재가 서로 다른 열교환기를 통해 유동하는 순서가 압축 매개변수에 따라 정적 또는 동적으로 선택될 수 있도록, 그리고 열 회수 순서가 압축 가스가 다양한 열교환기를 통해 유동하는 순서와 다르도록 냉각재 회로를 배열하는 것이다.

냉각 회로의 직렬 연결에서 하나의 열교환기의 출구에서 배출된 냉각재 또는 그 일부는 다른 열교환기의 입구로 전달된다.

본원에서 "압축단의 순서"라는 표현은 압축될 가스가 압축기의 압축단을 통과하는 순서를 의미하며, 제1 압축단은 압축기 외부에서 가스가 유입되는 압축단이고, 최종 압축기단은 추가 처리를 위해, 예를 들면, 제조 공장에서 사용하거나 후처리, 여과, 건조 등을 위해 압축 가스를 배출하는 것이다. 그러나 압축기에서 가스의 일부를 분기할 수 있는 중간 가스 출구가 압축기에 구비되는 것도 가능하다.

본 발명의 제1 양태는 압축기를 제공하며, 상기 압축기는:

가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단;

압축 가스를 냉각하기 위한 3개 이상의 열교환기로서, 상기 3개 이상의 열교환기 각각은 적어도:

압축 가스를 열교환기를 통해 이송하는 1차부; 및

압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 열교환기를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함하는 3개 이상의 열교환기;

상기 3개 이상의 열교환기를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로;

복수의 압축단과 열교환기를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로를 포함하되,

상기 압축기는:

상기 열교환기 중 임의의 교환기를 적어도 부분적으로 우회하기 위한 수단을 가짐으로써

- 냉각재 온도;

- 압축 효율 중 적어도 하나를 최적화하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따라 냉각재 회로는 적어도 부분적으로 직렬로 연결되어 액체-액체 열교환기가 상기 직렬 연결 순서에서 제1 또는 제2 교환기가 되고 2개 이상의 압축 가스 열교환기 중 적어도 2개가 직렬로 연결되되, 상기 액체-액체 열교환기는 압축 가스 열교환기와 직렬로 연결되거나 압축 가스 열교환기 중 적어도 하나와 병렬로 연결되도록 한다.

일 실시예에 따라 적어도 3개 이상의 열교환기로 구성된 냉각재 회로는 적어도 부분적으로 직렬로 연결되어, 상기 직렬 연결이 압축기단 간의 직렬 연결과 그리고 압축기단 간의 역순과 적어도 부분적으로 다르며, 냉각재 온도 또는 에너지 함량을 최적화하기 위해 선택되도록 한다.

일 실시예에 따라 적어도 하나의 열교환기는 각 압축단의 가스 출구와 연결된다.

일 실시예에 따라 적어도 하나의 열교환기는 각 압축단의 가스 출구와 연결된다.

일 실시예에 따라 열교환기의 수량은 압축단의 수량보다 적어도 하나 더 많다.

일 실시예에 따라 우회 수단은 1개 이상의 제어 가능한 밸브를 포함한다.

본 발명의 제2 양태는 압축기를 제공하며, 상기 압축기는:

가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단;

압축 가스를 냉각하기 위한 2개 이상의 압축 가스 열교환기로서, 상기 2개 이상의 열교환기 각각이 적어도:

열교환기를 통해 압축 가스를 이송하기 위한 1차부, 및

압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 열교환기를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함하는 2개 이상의 압축 가스 열교환기;

압축기의 내부 구성요소를 냉각하기 위한 1개 이상의 액체-액체 열교환기로서, 적어도:

열교환기를 통해 냉각재를 이송하는 1차부; 및

내부 구성요소로부터 냉각 물질로 열을 전달하기 위해 액체-액체 열교환기를 통과하도록 냉각 물질을 이송하기 위한 1개 이상의 2차부를 포함하는 1개 이상의 액체-액체 열교환기;

액체-액체 열교환기 및 2개 이상의 압축 가스 열교환기를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로;

복수의 압축단과 압축 가스 열교환기를 통해 직렬로 가스 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로를 포함하되,

냉각재 회로가 적어도 부분적으로 직렬 연결되어 액체-액체 열교환기가 상기 직렬 연결 순서에서 제1 또는 제2 열교환기가 되고 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기 중 적어도 2개가 직렬 연결되도록 하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따라 2개 이상의 압축단을 갖는 압축기를 제공하여 적어도 3개의 냉각단이 직렬로 연결되어 적어도 3개의 냉각단에 냉각재가 공급되는 순서가 하나 이상의 미리 결정된 기준에 기초하여 선택 가능하도록 한다.

일 실시예에 따라 2개 이상의 압축단을 갖는 압축기를 제공하여 적어도 3개의 냉각단이 직렬로 연결되어 적어도 3개의 냉각단에 냉각재가 공급되는 순서가 하나 이상의 미리 결정된 기준에 기초하여 선택 가능하도록 한다.

일 실시예에 따라 2개 이상의 압축단을 갖는 압축기를 제공하여 적어도 3개의 냉각단이 직렬로 연결되어 적어도 3개의 냉각단에 냉각재를 공급하는 순서가 압축기의 작동 중에 조정될 수 있도록 한다.

일 실시예에 따라 압축기 구성요소에서(즉, 압축 공기가 아닌) 발생하는 열을 전달하기 위한 제3 냉각 회로도 있을 수 있으며, 상기 냉각 회로는 압축 공기 냉각 회로 중 임의의 회로와 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있으며, 상기 회로는 압축기 작동 중에 조정이 가능하다.

일 실시예에 따라 압축기는 공기 압축기이다.

일 실시예에 따라 2개 이상의 압축단을 갖는 공기 압축기를 제공하여, 적어도 2개의 냉각단이 적어도 부분적으로 직렬 연결되어 배출되는 냉각재의 온도를 낮추게 된다.

일 실시예에 따라 압축단 사이에 1개 이상의 중간냉각기(intercooler) 그리고 가스 유동 하류의 마지막 압축단 후단에 하나의 후냉각기(aftercooler)를 갖는 공기 압축기를 제공하여, 상기 중간냉각기가 상기 후냉각기 전단에 직렬로 배치된다. 이렇게 하면 압축 과정에서 공기가 너무 뜨거워지는 것을 방지할 수 있다. 그러나 후냉각기는 1개 이상의 중간냉각기의 전단에도 위치할 수도 있다.

일 실시예에 따라 압축기 후단에서 압축 공기를 냉각시키기 위해 추가 후냉각기가 장착된 공기 압축기가 제공된다.

일 실시예에 따라 모든 열교환기가 직렬로 연결된 공기 압축기가 제공된다.

일 실시예에 따라 열교환기의 전부가 아닌 일부만이 직렬로 연결된 공기 압축기가 제공된다.

일 실시예에 따라 냉각재 유동 그리고 부분적으로 또는 완전히 직렬인 냉각단의 순서를 작동 특성에 따라 조정할 수 있다.

일 실시예에 따라 냉각재가 열교환기를 통해 유동하는 로직을 조정하여 냉각재 온도 및 압축 효율을 최적화할 수 있다.

일 실시예에 따라 3개의 분리된 냉각 회로를 갖는 공기 압축기를 제공하여 상기 냉각 회로 중 하나가 열교환기로 회수된 열을 활용하고 또 다른 냉각 회로가 열을 대기 중으로 방출하도록 할 수 있다.

일 실시예에 따라 수냉식인 추가 후냉각기를 포함하는 공기 압축기가 제공된다.

일 실시예에 따라 공냉식인 추가 후냉각기를 포함하는 공기 압축기가 제공된다.

일 실시예에 따라 공기 건조기를 갖는 공기 압축기가 제공되며, 상기 공기 건조기는 압축열(Heat of Compression) 유형 건조기일 수 있으며, 압축기 출구 온도는 건조기의 효율과 제조 공장의 열 이용을 최적화하도록 선택된다.

본 발명의 제3 양태에 따라 압축기가 제공되며, 상기 압축기는:

가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단;

압축 가스를 냉각하기 위한 3개 이상의 열교환기로서, 상기 3개 이상의 열교환기 각각은 적어도

압축 가스를 열교환기를 통해 이송하는 1차부; 및

압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 열교환기를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함하는 3개 이상의 열교환기;

상기 3개 이상의 열교환기를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로;

복수의 압축단과 열교환기를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로를 포함하되,

적어도 3개 이상의 열교환기로 구성된 냉각재 회로가 적어도 부분적으로 직렬로 연결되어 상기 직렬 연결이 압축기단 간의 직렬 연결과 그리고 압축기단의 역순과 적어도 부분적으로 다르며 냉각재 온도 또는 에너지 함량을 최적화하도록 선택되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따라 적어도 하나의 열교환기는 각 압축단의 가스 출구와 연결된다.

일 실시예에 따라 열교환기의 2차부가 냉각재 회로로 결합되는 순서가 하나 이상의 미리 결정된 기준에 따라 선택된다.

일 실시예에 따라 하나 이상의 미리 결정된 기준은 다음 중 하나 이상에 해당한다:

- 냉각재 순환에서 나오는 냉각재를 활용하는 공정에 필요한 열의 양;

- 압축기의 입구에서 허용되는 최대 공기량;

- 압축기 출구에서의 압축 가스 온도;

- 압축기에서 나오는 액체의 온도;

- 압축기의 효율;

- 순환 회로의 입구에서의 냉각재 온도; 및/또는

- 서로 다른 압축단 사이의 압력 비율.

일 실시예에 따라 적어도 하나의 열교환기는 각 압축단의 가스 출구와 연결된다.

일 실시예에 따라 열교환기의 수량은 압축단의 수량보다 적어도 하나 더 많다.

일 실시예에 따라 압축기는 냉각재 회로로 3개 이상의 열교환기 사이의 상호 연결을 조정하기 위한 수단을 포함한다.

일 실시예에 따라 상기 상호 연결을 조정하기 위한 수단은 제어 가능한 밸브를 포함한다.

일 실시예에 따라 상기 상호 연결을 조정하기 위한 수단은 3개 이상의 열교환기 사이의 연결을 압축기의 작동 특성이나 압축기가 작동하는 환경에 따라 조정하도록 구성된다.

일 실시예에 따라 상호 연결을 조정하기 위한 수단은 상호 연결을 조정하거나 3개의 열교환기 중 임의의 열교환기를 적어도 부분적으로 우회하여 냉각재 온도 및 압축 효율을 최적화하도록 구성된다.

일 실시예에 따라 압축기는 2개의 분리된 냉각 회로를 포함하여 냉각 회로 중 하나는 열교환기가 회수한 열을 활용하도록 구성되고 냉각 회로 중 다른 하나는 대기 중으로 열을 발산하도록 구성된다.

일 실시예에 따라 압축기는 2개의 분리된 냉각 회로를 조정하여 건조기의 효율과 제조 공장의 열 활용을 최적화하도록 구성된다.

일 실시예에 따라 열교환기는:

압축 가스가 냉각을 위해 진입하는 가스 입구와 냉각된 가스를 1차부로부터 배출하기 위한 가스 출구를 갖는 1차부; 및

냉각재가 진입하는 냉각재 입구와 냉각재를 2차부로부터 배출하기 위한 냉각재 출구를 갖는 2차부를 포함한다.

일 실시예에 따라 압축기는 수냉식인 후냉각기를 더 포함한다.

일 실시예에 따라 냉각재 회로는

외부 냉각재 공급원으로부터 냉각재 회로로 냉각재를 수용하기 위한 냉각재 입구; 그리고

냉각재 회로로부터 냉각재가 배출되는 냉각재 출구를 갖는다.

본 발명은 특히 다양한 열교환기의 직렬 연결을 조정할 수 있는 기능 덕분에 압축기의 열 회수 효율을 개선하여 압축기의 전반적인 효율성을 높이고/거나 폐 에너지를 적어도 부분적으로 활용할 수 있게 된다. 효율에 영향을 미칠 수 있는 한 가지 요소는 열교환기로 진입하는 냉각재의 온도이다. 일부 압축단에서 입구 가스 유동의 온도를 낮게 유지하는 것이 유리할 수 있는데,이는 냉각재를 전단의 열교환기에 가능한 한 차가운 상태로 투입함으로써 달성할 수 있으며, 반면에 일부 다른 압축단의 경우 압축기의 전반적인 효율을 고려해서 더 높은 입구 가스 유동 온도가 허용될 수 있다.

하기 설명에선 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일부 실시예를 더 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 압축기의 단순화된 공정 도표를 도시한다;
도 2a 내지 도 2i는 일부 실시예에 따른 압축기의 서로 다른 열교환기 사이의 연결에 대한 일부 예를 도시한다;
도 3은 다단계 압축기를 활용하는 공정의 일 예를 도시한다.

도 1은 몇 개의 열교환기(2)를 갖는 다단계 압축기(1)의 예를 단순화된 공정 도표로 도시한다. 이 예에서 압축기는 3개의 압축단(1.1, 1.2, 1.3)과 3개의 압축 가스 열교환기(2.1, 2.2, 2.3)를 갖지만 실제 구현에서 압축기(1)는 2개의 압축단만 또는 4개 이상의 압축단 및/또는 4개 이상의 열교환기를 가질 수 있다. 더욱이 압축단의 수량과 열교환기의 수량이 동일할 필요는 없다.

다음에서 압축 가스 열교환기(1.1 내지 1.3)는 열교환기(1.1 내지 1.3)로도 불릴 수 있는 한편, 내부 냉각(17)을 위한 열교환기는 액체-액체 열교환기(2.4)로 불린다.

각 압축단(1.1, 1.2, 1.3)은 가스 입구(1.1a, 1.2a, 1.3a)와 가스 출구(1.1b, 1.2b, 1.3b)를 갖는다. 각 교환기(2.1, 2.2, 2.3)는 가스를 냉각하기 위한 1차부와 냉각재를 위한 2차부를 갖는다. 상기 1차부에는 가스 입구(2.1a, 2.2a, 2.3a) 및 가스 출구(2.1b, 2.2b, 2.3b)가 있으며 상기 2차부에는 냉각재 입구(2.1c, 2.2c, 2.3c) 및 냉각재 출구(2.1d, 2.2d, 2.3d)가 있다.

압축기(1)는 1개 이상의 압축단(1.1, 1.2, 1.3)을 회전시키기 위한 적어도 1개의 모터(3)를 갖는다. 일부 실시예에선 단 1개의 모터(3.1)만 있어서, 각 압축단이 모터(3)의 한 축(3.1a)에 연결되지만, 도1의 예에선 모든 압축단(1.1, 1.2, 1.3)이 개별 모터(3.1, 3.2, 3.3)로 구성되어 제1 압축단(1.1)이 제1 모터(3.1)의 축(3.1a)에 연결되고, 제2 압축단(1.2)가 제2 모터(3.2)의 축(3.2a)에 연결되며, 제3 압축단(1.3)는 제3 모터(3.3)의 축(3.3a)에 연결된다. 또 다른 실시예에서 일부 압축단은 동일한 모터로 구동될 수 있으며 일부 다른 압축단 또는 단들은 다른 모터 또는 모터들로 구동될 수 있다. 각 모터(3)는 또한 모터 제어 회로(4)를 가질 수 있으며, 아니면 도 1의 예에 도시된 바와 같이 하나의 공통 모터 제어 회로가 있어서 각 모터(3.1, 3.2, 3.3)가 동일한 모터 제어 회로(4)로 제어될 수 있다.

압축기(1)는 또한 열교환기(2)의 2차부를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로(5) 그리고 압축단(1.1, 1.2, 1.3) 및 열교환기(2.1, 2.2, 2.3)를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로(6)를 갖는다.

압축기(1)는 또한 도 1에 도시되지 않은 밸브, 건조기 등과 같은 추가 구성요소를 가질 수도 있다는 점에 유의해야 한다.

도 1의 실시예에서 압축될 가스의 유동은 다음과 같다. 가스는 제1 압축단(1.1)의 가스 입구(1.1a)에 있는 가스 공급원(7)으로부터 공급된다. 예를 들어 가스는 외부 공기이거나 기타 가스 공급원에서 공급될 수 있다. 모터(3.1)는 모터의 축(3.1a)을 회전시키고 이는 다시 가스를 압축하기 위한 제1 압축단(1.1)을 회전시킨다. 압축 가스는 제1 압축단(1.1)의 가스 출구(1.1b)로 배출된다. 가스 유동 회로(6)는 제1 압축단(1.1)으로부터 제1 열교환기(2.1)의 1차부의 가스 입구(2.1a)로 압축 가스를 이송하여 압축 가스의 온도가 낮아질 수 있도록, 즉 압축 가스로부터 열이 회수되도록 한다. 제1 열교환기(2.1)의 1차부의 가스 출구(2.1b)는 제2 압축단(1.2)의 가스 입구(1,2a)와 유체 연결되어, 냉각된 압축 가스는 제2 압축단(1.2)으로 유동하여 더 압축될 수 있게 된다. 제2 압축단(1.2)으로 압축된 가스는 제2 압축단(1.2)의 가스 출구(1.2b)에서 배출된다. 가스 유동 회로(6)는 압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 제2 압축단(1.2)으로부터 제2 열교환기(2.2)의 1차부의 가스 입구(2.2a)로 압축 가스를 이송한다. 제2 열교환기(2.2)의 1차부의 가스 출구(2.2b)는 제3 압축단(1.3)의 가스 입구(1.3a)와 유체 연결되어 있되, 냉각된 압축 가스는 추가 압축을 위해 제3 압축단(1.3)으로 유동할 수 있다. 제3 압축단(1.3)으로 압축된 가스는 제3 압축단(1.3)의 가스 출구(1.3b)에서 배출되어 제3 열교환기(2.3)의 1차부의 가스 입구(2.3a)로 유동한다. 냉각된 가스는 추가 처리, 예를 들어 건조, 제조 공장, 발전소 등에서의 활용을 위해 제3 열교환기(2.3)의 1차부의 출구(2.2d)로부터 취할 수 있다. 압축기(1)로 압축된 가스의 활용은 기본적으로 본 발명의 설명 및 이해와 관련이 없으므로 여기서는 더 자세히 설명하지 않는다.

다음으로 도 1의 압축기(1) 내의 냉각재의 유동에 대해 보다 상세히 설명한다. 이 예에서는 열교환기의 2차부의 각각이 직렬로 그리고 압축기단(1.1, 1.2, 1.3)의 순서와 다른 순서로 배열되어 있다고 가정한다. 또한 그 순서는 제1 열교환기(2.1), 제3 열교환기(2.3) 및 제2 열교환기(2.2)인 것으로 가정한다. 따라서 냉각재 공급원(8)으로부터 공급된 냉각재는 제1 열교환기(2.1)의 2차부의 냉각재 입구(2.1c)로 유동한다. 일부 열은 제1 열교환기(2.1)에서 가스로부터 냉각재로 회수되며, 냉각재의 온도는 제1 열교환기(2.1)를 통해 유동하는 동안 상승한다. 그런 다음 가열된 냉각재는 냉각재 회로(5)를 통해서 제1 열교환기(2.1)의 2차부의 냉각재 출구(2.1d)으로부터 제3 열교환기(2.3)의 2차부의 냉각재 입구(2.3c)로 향하게 된다. 다시 한번, 일부 열은 제3 열교환기(2.3)에서 가스로부터 냉각재로 회수되며, 냉각재의 온도는 제3 열교환기(2.3)를 통해 유동하는 동안 상승한다. 그런 다음 가열된 냉각재는 냉각재 회로(5)를 통해서 제3 열교환기(2.3)의 2차부의 냉각재 출구(2.3d)으로부터 제2 열교환기(2.2)의 2차부의 냉각재 입구(2.2c)으로 향하여 열 회수가 더 이루어지게 된다. 가열된 냉각재는 그런 다음 냉각재 회로(5)를 통해서 제2 열교환기(2.2)의 2차부의 냉각재 출구(2.3d)으로부터 압축기(1)의 냉각재 출구로 향하게 된다. 가열된 냉각재 또는 그 일부는 예를 들어 제조 공장(16)에서 활용될 수 있다.

제3 열교환기(2.3), 제1 열교환기(2.1) 및 제2 열교환기(2.2)와 같이 열교환기의 2차부의 직렬 연결은 위와 다를 수 있다는 점에 유의해야 한다.

도 2a 내지 도 2i는 압축기(1)의 서로 다른 열교환기(2) 사이의 연결에 대한 일부 다른 예를 도시한다. 이들 도면은 주로 냉각재의 순환 경로를 나타낸다.

도 2a의 예에는 압축 공기를 생성하기 위해 3단 압축기(1)가 사용되는 시스템이 도시되어 있다. 열교환기에서 순환되는 냉각재의 순서는 제1 열교환기(2.1), 제3 열교환기(2.3), 제2 열교환기(2.2)이다. 제어부(4)의 내부 구성요소와 압축기의 모터(들)(3)의 온도를 제어하는 데 사용되는 냉각재를 냉각시키는 액체-액체 열교환기(2.4)도 있다. 이 예에서 제1 열교환기(2.1)와 액체-액체 열교환기(2.4)의 냉각재 유동은 병렬로 그리고 냉각재가 제2 열교환기(2.2)와 제3 열교환기(2.3)로 들어가기 전에 이루어지며, 냉각재의 온도는 제2 열교환기(2.2)와 제3 열교환기(2.3)에서보다 낮을 수 있다. 따라서 제어부 및 모터(들)의 냉각 효율은 액체-액체 열교환기(2.4)가 제2 열교환기(2.2) 또는 제3 열교환기(2.3)와 병렬로 있거나 심지어 제3 열교환기(2.3) 후단에 있는 경우보다 더 좋을 수 있다.

제어부(들)(4)의 내부 구성요소와 압축기(1)의 모터(들)(3)은 예를 들어 집적 회로 및 기타 반도체뿐만 아니라 기타 전기 구성요소 등을 포함할 수 있다. 따라서 적어도 반도체의 온도를 최대 작동 온도보다 훨씬 낮게 유지하는 것이 유리할 수 있다. 이는 냉각재 회로의 초기 단계에서 액체-액체 열교환기(2.4)에 냉각재를, 예를 들어 내부 부품을 냉각하기 위한 제1 열교환기 또는 제2 열교환기로 제공함으로써 달성될 수 있다.

일 실시예에 따라 압축기단의 열교환기를 통해 순환되는 동일한 냉각재는 내부 냉각(17)용 열교환기를 통해서도 순환된다. 따라서 내부 구성요소에서 발생하는 열의 적어도 일부는 상기 시스템에서도 활용되며 대기로 낭비되지 않다.

이 실시예에는 냉각재가 열교환기를 통해 재순환하기 전에 냉각재의 온도를 낮추기 위해 냉각재가 제1 열교환기(2.1), 제3 열교환기(2.3) 및 제2 열교환기(2.2)를 통해 순환한 후 냉각재로부터 열을 회수하기 위한 제5 열교환기(2.5)가 있을 수 있다. 냉각재는 필요에 따라 송풍기 등의 별도의 냉각기(14)로 더 냉각될 수도 있다. 추가 냉각기(14)는, 예를 들어, 모터(15)로 구동될 수 있다.

또한 압축공기의 활용 위치에서 압축공기의 온도를 낮추어야 하는 경우에는 압축기(1)에서 나오는 압축공기를 냉각시킬 수도 있다. 이를 위해 송풍기와 같은 추가 냉각기(11)와 상기 추가 냉각기(11)를 구동하기 위한 모터(12)가 구비될 수 있다. 일 실시예에 따라 추가 냉각기(11)는 액체-액체 열교환기와 같은 열교환기이다.

압축기(1)는 또한 냉각재 및/또는 가스의 유동을 제어하기 위한 밸브(13)를 가질 수 있다. 예를 들어 제1 밸브(13.1)는 냉각재 순환 회로(8)에 결합되어 제1 밸브(13.1)가 제1 열교환기(2.1)의 2차부를 통한 냉각재의 유동을 조절할 수 있고, 제2 밸브(13.2)가 액체-액체 열교환기(2.4)의 2차부를 통한 냉각재의 유동을 조절할 수 있다. 제1 밸브(13.1)는 냉각이 덜 필요할 때 제1 열교환기(2.1)의 2차부를 통한 냉각재의 유량을 감소시킬 수 있고, 더 많은 냉각이 필요할 때 제1 밸브(13.1)는 제1 열교환기(2.1)의 2차부를 통한 냉각재의 유량을 증가시킬 수 있다. 압축기(1) 내부 회로의 냉각 요건과 관련하여 유사한 운전이 제2 밸브(13.2)로 수행될 수 있다.

도 2a의 실시예에는 제3 열교환기(2.3)의 2차부와 병렬로 배열되는 제3 밸브(13.3)가 구비되어 있다. 제3 밸브(13.3)는 순환 냉각재의 일부 또는 전부가 제3 열교환기(2.3)를 우회하도록 할 수 있다.

순환 냉각재의 우회는 최종 열교환기에는 필요하지 않지만 다른 열교환기에 위치할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 또한 열교환기의 우회 수단이 2개 이상 존재하여 압축기(1)의 운전 상황에 따라 우회 수단이 하나도 작동되지 않거나, 하나 또는 둘 이상이 작동할 수도 있다.

이러한 우회의 목적 중 하나는 압축기(1)의 출구에서 냉각재의 온도를 가능한 한 일정하게 유지하여 냉각재가 압축기(1)에서 제조 공장(16)으로 향하는 배열에서도 냉각재가 활용될 수 있도록 하는 것인데, 이러한 배열에서 냉각재의 온도를 일정하게 유지하는 것이 필요하거나 적어도 권장된다. 또한 냉각재가 우회되는(또는 우회되지 않는) 방식을 조정하는 것은 냉각재의 온도에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 더 높은 온도가 필요한 경우 우회가 사용되지 않을 수 있다.

일부 열은 또한 최종 사용자의 공정에서 활용될 수 있도록 압축기(1)로부터 열을 회수하는 제5 열교환기(2.5)로 회수할 수 있다. 예를 들어 열은 깨끗한 물과 같은 액체로 회수되어 공정에 사용된다. 압축기(1) 내에서 순환하는 냉각재는 필요한 경우, 예를 들어 송풍기 및 추가 냉각기(14)의 구동을 위한 모터(15)를 포함하는 추가 냉각기(14)로 더 냉각될 수 있다.

도 2b의 예에는 도 2a의 시스템과 거의 유사한 시스템이 도시되어 있다. 단, 냉각재 순환 회로에 추가적인 제6 열교환기(2.6)가 구비되어 있다. 제6 열교환기(2.6)의 1차부는 제2 열교환기(2.2)의 1차부와 직렬로 배열된 제3 압축단(1.3)의 가스 출구와 연결되어, 제3 압축단(2.3)으로부터 배출된 압축 가스는 필요할 경우 2개의 열교환기로 냉각될 수 있다. 제3 열교환기(2.3) 및 제6 열교환기(2.6)의 2차부에서 냉각재의 유동 제어는 밸브(13.3, 13.4)로 각각 제어될 수 있다. 따라서 제3 밸브(13.3)는 순환 냉각재의 일부 또는 전부가 제3 열교환기(2.3)를 우회하도록 할 수 있다. 제6 열교환기(2.6) 대신에 제3 열교환기(2.3)는 제1 압축단(1.1) 후단에서 압축 가스로부터 열을 더 회수하기 위한 3차부를 가질 수 있다.

예를 들어 3차부(냉각 회로)는 압축기 구성요소(즉, 압축 공기가 아닌)로부터 열을 전달하는 데 사용될 수 있다. 3차부는 압축 공기 냉각 회로와 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 또한 3차부는 압축기 운전 중에 조정될 수 있다.

도 2c의 예는 도 2a의 예의 변형된 버전이다. 이 실시예에서 내부 회로(17)를 냉각하기 위한 액체-액체 열교환기(2.4)는 다른 열교환기(2.1, 2.2, 2.3)와 직렬로 배열된다. 도 2a에 도시된 밸브 중 일부는 제외되었으며, 제3 열교환기(2.3)의 2차부에 병렬로 배열된 밸브(13.3)만이 조건(예: 냉각재 및/또는 압축 가스의 온도)이 허용할 경우 제3 열교환기(2.3)를 우회할 수 있도록 유지되어 있다.

도 2d의 예에서 제1 열교환기(2.1)와 제2 열교환기(2.2)는 병렬로 배열되고 밸브(13.1, 13.2)로 제어되는 반면, 제3 열교환기(2.3)와 액체-액체 열교환기(2.4)는 서로에 대해서 그리고 병렬로 결합된 제1 열교환기(2.1) 및 제2 열교환기(2.2)와 직렬로 결합된다.

일 실시예에 따라 순환 냉각재의 일부 또는 전부는 열교환기(2.1 내지 2.4) 후단에서 압축기(1) 외부로 우회되어 대기로 향할 수 있다.

일 실시예에 따라 냉각재가 열교환기(2.1 내지 2.4)를 통해 유동하는 순서는 고정되지 않지만 하나 이상의 미리 결정된 기준에 따라 적어도 부분적으로 수정될 수 있다. 예를 들어 압축단(1.1 내지 1.3)에서 배출되는 가스의 온도를 측정할 수 있으며, 이를 기준으로 필요에 따라 순서를 변경할 수 있다. 또 다른 기준은 하나 이상의 압축단(1.1 내지 1.3)의 효율성일 수 있으며, 압축단(1.1 내지 1.3)의 효율성이 수정되어야 하는 경우 열교환기(2.1 내지 2.4)의 순서는 수정된 효율성에 더 잘 부합하도록 변경될 수 있다. 또 다른 기준은 냉각재의 온도일 수 있으며, 가스 온도가 다른 압축단보다 높은 압축단이 있을 경우 특정 압축단의 출구에 있는 열교환기가 냉각재 순환의 시작부, 예를 들면, 열교환기(2.1 내지 2.4) 연쇄의 시작점에 배치되도록 선택될 수 있다.

도 2e의 예에서 제1 열교환기(2.1) 및 제2 열교환기(2.2)를 통한 냉각재의 유동은 개폐 밸브(13.1 내지 13.6)로 변경될 수 있다. 예를 들어 제1 밸브(13.1), 제2 밸브(13.2), 제3 밸브(13.3) 및 제4 밸브(13.4)가 개방되고, 제5 밸브(13.5) 및 제6 밸브(13.6)가 폐쇄되면, 제1 열교환기(2.1) 및 제2 열교환기(2.2)가 병렬로 배열된다. 제1 밸브(13.1), 제4 밸브(13.4) 및 제5 밸브(13.5)가 개방되고 제2 밸브(13.2), 제3 밸브(13.3) 및 제6 밸브(13.6)가 폐쇄되면, 냉각재는 먼저 제1 열교환기(2.1)를 통과한 후 제2 열교환기(2.2) 통과하게 된다. 제1 밸브(13.1), 제4 밸브(13.4) 및 제5 밸브(13.5)가 폐쇄되고 제2 밸브(13.2), 제3 밸브(13.3) 및 제6 밸브(13.6)가 개방되면, 냉각재는 먼저 제2 열교환기(2.2)를 통해 유동한 다음 제1 열교환기(2.1)를 통해 유동한다.

일 실시예에 따라 냉각재는 순환되지 않는 대신 공급원(8)으로부터 공급되며, 냉각재 유동 경로의 최종 열교환기 후단에서 냉각재는 특정 주체가 활용할 수 있도록 제공된다. 그러한 배열의 예가 도 2f에 도시되어 있으며, 이는 도 2e의 예와 거의 유사하지만, 냉각재 회로가 개방되어 있어 냉각재는 냉각재 공급원(8)으로부터 냉각재 입구(18)을 통해 냉각재 회로(5)로 공급되고, 냉각재 회로(5)를 통해 유동한 후, 냉각재는 냉각재 출구(19)을 통해 냉각재 회로(5)에서 배출된다. 이 실시예에서는 냉각재가 냉각재 회로에서 배출된 후 냉각재를 냉각하기 위한 추가 냉각기(14)나 제5 열교환기(2.5)가 없지만, 일부 다른 실시예에서는 추가 냉각기(14) 및/또는 제5 열교환기(2.5)를 활용할 수 있다.

도 2g의 예에서 냉각재 회로의 제1 열교환기는 내부 냉각(17), 즉 내부 구성 요소(17)를 냉각하기 위해 사용되는 액체-액체 열교환기(2.4)이며, 여기서 냉각재의 온도는 압축기단으로 아직 상승되지 않은 상태이다. 그런 다음 냉각재는 제1 압축기단(1.1)을 냉각하기 위한 제1 열교환기(2.1), 제2 압축기단(1.2)을 냉각하기 위한 제2 열교환기(2.2) 및 제3 압축기단(1.3)을 냉각하기 위한 제3 열교환기(2.3)를 통해 순환된다. 또한 이 예에서 냉각재 회로는 개방되어 있어 냉각재는 냉각재 입구(18)를 통해 냉각재 공급원(8)으로부터 냉각재 회로(5)로 공급되고, 냉각재 회로(5)를 통해 유동한 후 냉각재는 냉각재 출구(19)을 통해 냉각재 회로(5)에서 배출되지만, 냉각재가 최종 사용자 공정의 다른 부분에서 사용되지 않는 경우 냉각재 회로(5)는 닫힌 상태로 있을 수도 있다. 폐쇄형 냉각재 회로에서도 냉각재의 온도는 추가 열교환기, 예를 들어, 도 2a에 도시된 제5 열교환기를 통해 냉각재를 순환시킴으로써 공정에 활용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.

도 2h의 예에서 제2 열교환기는 내부 냉각(17)에 사용되는 액체-액체 열교환기(2.4)이며, 여기서 냉각재의 온도는 제1 압축기단(1.1)에서 약간 상승한 상태이며, 이는 제1 열교환기(2.1)로 냉각된다. 그런 다음 냉각재는 제2 압축기단(1.2)을 냉각하기 위해 제2 열교환기(2.2)에 제공되고, 제3 압축기단(1.3)을 냉각하기 위해 제3 열교환기(2.3)에 제공된다. 또한 이 예에서 냉각재 회로가 개방되어 제7 열교환기(2.7)를 통해서 냉각재 공급원(8)으로부터 공급되고, 이를 통해서 압축 가스의 열의 적어도 일부가 냉각재로 전달되어 냉각재 입구(18)에서의 냉각재 온도가 너무 낮아지지 않도록 한다. 제7 열교환기(2.7)로부터 냉각재는 냉각재 회로(5)로 유동하고, 냉각재 회로(5)를 통과한 후, 냉각재는 냉각재 출구(19)을 통해 냉각재 회로(5)로부터 빠져나오지만, 냉각재가 최종 사용자 공정의 다른 부분에 사용되지 않을 경우 냉각재 회로(5)는 폐쇄될 수도 있다.

도 2i의 냉각재 회로는 도 2h의 냉각재 회로와 거의 유사한데, 단 여기에서 냉각재 회로가 닫혀 있고 제7 열교환기(2.7)가 제3 열교환기(2.3) 후단에 위치하여 압축기(1)의 출구에서 가스의 열의 적어도 일부가 냉각재가 냉각재 공급원(8)으로 복귀하기 전에 냉각재로 전달될 수 있다.

도 2a 내지 도 2i의 다양한 예를 조합하여 또 다른 예를 만들을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들면 도 2i의 배열을 변경하여 냉각재가 제7 열교환기(2.7)로부터 냉각재 공급원(8)으로 복귀하지 않고 제조 공장(16)의 추가 단계로 유동하여 활용되도록 할 수 있다.

도 2g, 2h 및 2i에 제시된 실시예에서도 냉각재가 압축기단을 통해 순환되는 순서는 가스가 압축기단(1.1 내지 1.3)으로 압축되는 순서와 다를 수 있다. 예를 들어 제1 열교환기(2.1)는 제3 압축기단(1.3)을 냉각하기 위해 배열될 수 있고, 제2 열교환기(2.2)는 제1 압축기단(1.1)을 냉각하기 위해 배열될 수 있으며, 제3 열교환기(2.3)는 제2 압축기단(1.2)을 냉각하기 위해 배열될 수 있다.

일부 실시예에서 압축기(1) 또는 복수의 압축기(1)가 위치하는 공간은 승온될 수 있고, 또한 공간은 예를 들어 히트펌프나 냉각기를 통해서 냉각될 수 있다.

두 압축단 사이에 있는 열교환기는 중간냉각기(intercooler)라고도 하며 최종 압축단 후단에 위치하는 열교환기 또는 열교환기들은 후냉각기(aftercooler)라고도 한다. 후냉각기 전단에 중간냉각기를 직렬로 연결하면 압축 과정에서 공기가 너무 뜨거워지는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예에서 냉각재 회로의 열교환기(2.1 내지 2.5) 중 일부의 후단으로, 예를 들면, 최종 열교환기 후단으로 냉각재의 일부 또는 전체가 우회될 수 있는 경우, 우회된 냉각재의 온도는 냉각재의 양을 조절함으로써 조절할 수 있다. 예를 들어 온도가 일정한 값으로 유지될 수 있다.

일 실시예에 따라 우회된 냉각재는 예를 들면 후냉각기로부터 일부 에너지를 압축기(1)로 되돌리는 데 사용할 수 있다.

일부 상황에서는 압축기(1)에 진입하기에 냉각재 온도가 너무 낮아 따뜻한 외부 공기를 사용하여 냉각재를 예열할 수 있다.

일 실시예에 따라 압축기는 2개의 분리된 냉각 회로를 갖고 있어 냉각 회로 중 하나는 열교환기로 회수된 열을 활용하고 다른 냉각 회로는 열을 대기로 방출하도록 할 수 있다.

일 실시예에 따라, 예를 들면, 압축열 건조기일 수 있는 공기 건조기를 갖는 공기 압축기가 구비된다. 압축기 출구 온도는 건조기의 효율성과 제조 공장의 열 활용을 최적화하도록 선택된다. 예를 들어 건조기의 열요구량이 높을수록 건조기를 통과하는 공기에 더 많은 열이 회수되고, 냉각재에 더 적은 열이 회수되며, 건조기의 열요구량이 적을수록 더 많은 열이 냉각재로 회수되고 더 적은 열이 건조기를 통과하는 공기로 회수된다.

일부 일 실시예에 따라 최종 압축단은 온도의 영향을 가장 적게 받으며, 해당 압축단에는 더 적은 냉각력이 제공될 수 있고 다른 압축단에는 더 많은 냉각력이 제공될 수 있다. 즉, 최종 압축단 후단의 열교환기는 냉각재 경로에 있는 모든 전단 열교환기로부터 냉각재를 받는, 즉 냉각재 하류의 최종 열교환기이다.

일 실시예에 따라 냉각재 유동과 부분적으로 또는 완전히 직렬로 배열된 열교환기(2)의 순서는 압축기(1)의 작동 특성 또는 압축기(1)가 작동되는 환경에 따라 조정할 수 있다.

일 실시예에 따라 냉각재가 열교환기(2)를 통해 유동하는 순서의 로직을 조정하여 냉각재 온도 및 압축 효율을 최적화할 수 있다.

일 실시예에 따라 냉각재가 열교환기(2)를 통해 유동하는 순서는 압축기(1)의 냉각재 출구(19)에서 냉각재 온도 및/또는 냉각재의 에너지 함량을 최적화하도록 선택된다.

다음은 열교환기(2.1 내지 2.4)를 통해 냉각재가 유동하는 순서에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 요소를 간략하게 제시한 것이다:

- 냉각재 순환에서 배출된 냉각재를 활용하는 공정에 필요한 열의 양;

- 압축기 입구에 허용되는 최대 공기량;

- 압축기 출구의 압축 가스 온도;

- 압축기에서 나오는 액체의 온도;

- 압축기의 효율;

- 순환 경로 입구의 냉각재 온도; 및/또는

- 서로 다른 압축단 사이의 압력비.

압축기(1) 내 냉각재의 경로를 결정할 때 고려될 수 있는 다른 요인들도 있을 수 있다는 점에 유의해야 한다.

냉각재, 유입 가스, 압축 가스 등의 온도를 확인하기 위해 일부 온도 센서를 압축기(1) 내의 적절한 위치에 설치할 수있다. 따라서 압축기(1) 내부의 압력을 판단하기 위해 압축기(1) 내의 적절한 위치에 일부 압력 센서를 설치할 수도 있다. 그러나 이러한 센서는 도면에 표시되지 않는다.

도 3은 다단계 압축기(1)가 활용될 수 있는 공정의 매우 단순화된 도표이다. 제조 공장(16)을 위한 압축 가스와 가열된 냉각재를 생성하는 하나 이상의 압축기(1)용 가스 공급원(7)과 냉각재 공급원(8)이 있다.

다음은 일 실시예에 따라 압축기(1)에서의 적응형 열 회수를 위한 방법을 도 2e의 도표를 참조하여 기술한다. 압축기(1)에는 3개의 압축단(1.1 내지 1.3)과 3개의 열교환기(2.1 내지 2.3)가 있는 것으로 가정되어 있지만, 압축기(1)가 정확히 3개의 압축단(2.1 내지 2.3)을 가질 필요는 없고 2개만 또는 4개 이상의 압축단(1.1 내지 1.3)을 그리고 적어도 동일한 수의 열교환기(2.1 내지 2.4)를 가질 수 있는 것은 자명하다. 또한 밸브(13.1 내지 13.6)는 냉각재가 먼저 제2 열교환기(2.2)를 통해 유동하고 그 다음에는 제1 열교환기(2.1)를 통해 유동할 수 있도록 그러한 위치에 구비된 것으로 가정되어 있다. 압축될 가스는 가스 공급원(7)으로부터 압축기(1)의 제1 압축단(1.1)으로 유동한다. 가스 공급원은 예를 들어 가스 용기 또는 대기일 수 있다. 제1 압축단(1.1)은 가스를 압축하며 여기에서 가스의 압력과 온도가 증가하게 된다. 압축 가스는 제1 열교환기(2.1)의 1차부로 향하게 된다. 제1 열교환기(2.1)의 2차부에는 냉각재가 유동하고 있다. 제1 열교환기(2.1)에서는 적어도 일부 열이 가스로부터 냉각재로 회수된다. 제1 열교환기(2.1)로부터 가스는 압축을 위해 제2 압축단(1.2)으로 유동하고, 나아가 제2 열교환기(2.2)로 유동한다. 제2 열교환기(2.2)로부터 가스는 제3 압축단(1.3)에서 더 압축되고, 이후 압축 가스는 제3 열교환기(2.3)로 냉각되어 활용을 위해 배출된다.

제어 회로(4)는 하나 이상의 온도 센서 및 하나 이상의 압력 센서(미도시)로부터 측정 신호를 수신하고 해당 측정 신호를 일부 미리 결정된 기준과 비교하여 냉각재 유동 경로가 변경되어야 하는지를 결정한다. 비교 결과 미리 결정된 기준 중 하나 이상이 충족되는 것으로 나타나면, 제어 회로(4)는 밸브(13.1 내지 13.6) 중 하나 이상의 상태를 변경하여 냉각재 유동 경로가 측정된 조건과 일치하도록 한다. 예를 들어,냉각재가 제1 열교환기(2.1)와 제2 열교환기(2.2)를 통해 흐르는 순서는 서로 바뀔 수 있거나 병렬 연결로 변경될 수 있다.

일 실시예에 따라 압축기(1)의 출구에서의 냉각재의 온도는 종래 기술의 압축기보다 훨씬 높을 수 있다.예를 들어 온도가 20℃보다 훨씬 낮은 차가운 수돗물을 냉각재로 사용하는 경우 압축기(1)의 출구의 냉각재 온도는, 본 발명을 활용할 경우, 80℃를 초과, 예를 들어 84℃일 수 있다.

여기서 주목해야 할 점은 동일한 냉각재가 압축기(1)의 냉각재 회로(5)에서 순환하도록 냉각재의 유로를 폐쇄할 필요는 없지만, 냉각재가 외부 공급원(예: 수돗물)으로부터 냉각재 회로(5)로 진입하여 냉각재 회로(5)를 유동하고 냉각재 회로(5)로부터 배출되도록 개방될 수도 있다는 것이다.

Claims (24)

1. 압축기(1)로서,
   가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단(1.1 내지 1.3);
   압축 가스를 냉각하기 위한 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2) ― 상기 2개 이상의 가스 열교환기(2) 각각은 적어도
   상기 압축 가스를 상기 가스 열교환기(2)를 통해 이송하는 1차부; 및
   상기 압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 상기 가스 열교환기(2)를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함함 ―;
   상기 압축기의 내부 구성요소의 냉각을 위한 1개 이상의 액체-액체 열교환기(2.4) ― 상기 액체-액체 열교환기는 적어도
   상기 액체-액체 열교환기(2)를 통해서 냉각재를 이송하는 1차부; 및
   냉각 물질을 상기 액체-액체 열교환기(2.4)를 통해 이송하여 상기 내부 구성요소의 열을 상기 냉각 물질로 전달하기 위한 1개 이상의 2차부를 포함함 ―;
   냉각재의 유동을 상기 액체-액체 열교환기(2.4) 및 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2)를 통해 전달하는 냉각재 회로(5); 및
   상기 복수의 압축단(1.1 내지 1.3) 및 상기 압축 가스 열교환기(2)를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로(6)를 포함하되,
   상기 압축기(1)는, 상기 열교환기(2) 중 임의의 열교환기를 적어도 부분적으로 우회하는 수단(13.3)을 더 포함하여,
   - 냉각재 온도와,
   - 압축 효율 중 적어도 하나를 최적화는 것을 특징으로 하는 압축기(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각재 회로(5)는 적어도 부분적으로 직렬 연결되어 상기 액체-액체 열교환기(2.4)가 상기 직렬 연결 순서에서 제1 또는 제2 열교환기가 되며, 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2) 중 적어도 2개가 직렬 연결되어, 상기 액체-액체 열교환기(2.4)가 상기 압축 가스 열교환기(2)와 직렬로 또는 상기 압축 가스 열교환기(2) 중 적어도 하나와 병렬로 연결되는 압축기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   적어도 3개 이상의 가스 열교환기(2)로 구성된 상기 냉각재 회로(5)가 적어도 부분적으로 직렬 연결되어, 상기 직렬 연결은 상기 압축기단(1.1 내지 1.3)들 간의 직렬 연결과 적어도 부분적으로 다르고 상기 압축기단(1.1 내지 1.3)들의 역순과 다르며, 냉각재 온도와 에너지 함량을 최적화할 수 있도록 선택되는 압축기(1).
4. 압축기(1)로서,
   가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단(1.1 내지 1.3);
   압축 가스를 냉각하기 위한 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2) ― 상기 2개 이상의 열교환기(2) 각각은 적어도
   상기 압축 가스를 상기 열교환기(2)를 통해 이송하는 1차부; 및
   상기 압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 상기 열교환기(2)를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함함 ―;
   상기 압축기의 내부 구성요소를 냉각하기 위한 1개 이상의 액체-액체 열교환기 ― 상기 액체-액체 열교환기는 적어도
   상기 열교환기(2)를 통해 냉각재를 이송하는 1차부; 및
   상기 액체-액체 열교환기(2.4)를 통해서 냉각 물질을 이송하여 상기 내부 구성요소로부터 상기 냉각 물질로 열을 전달하는 1개 이상의 2차부를 포함함 ―;
   상기 액체-액체 열교환기(2.4) 및 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기(2)를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로(5); 및
   상기 복수의 압축단(1.1 내지 1.3) 및 상기 압축 가스 열교환기(2)를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로(6)를 포함하되,
   상기 냉각재 회로(5)가 적어도 부분적으로 직렬 연결되어, 상기 액체-액체 열교환기(2.4)가 상기 직렬 연결의 순서에서 제1 또는 제2 열교환기가 되고, 상기 2개 이상의 압축 가스 열교환기 중 적어도 2개가 직렬 연결되며, 상기 액체-액체 열교환기(2.4)는 상기 압축 가스 열교환기(2)와 직렬로 또는 상기 압축 가스 열교환기(2) 중 적어도 하나와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 압축기(1).
5. 제4항에 있어서,
   적어도 하나의 열교환기(2)가 각 압축단(1.1 내지 1.3)의 가스 출구(1.1b 내지 1.3c)와 결합되는 압축기(1).
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 열교환기(2)의 상기 2차부가 상기 냉각재 회로(5)로 결합되는 순서가 하나 이상의 미리 결정된 기준에 따라 선택되는 압축기(1).
7. 제6항에 있어서,
   하나 이상의 미리 결정된 기준이
   - 냉각재 순환에서 나오는 상기 냉각재를 활용하는 공정에 필요한 열의 양;
   - 상기 압축기(1)의 입구에서 허용되는 최대 공기량;
   - 상기 압축기(1) 출구에서의 압축 가스의 온도;
   - 상기 압축기에서 나오는 액체의 온도;
   - 상기 압축기(1)의 효율;
   - 상기 순환 회로(5)의 입구에서의 냉각재 온도; 및/또는
   - 서로 다른 압축단(1.1 내지 1.3)들 사이의 압력비
   중 하나 이상인 압축기(1).
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 1개의 열교환기(2)가 각 압축단(1.1 내지 1.3)의 가스 출구(1.1b 내지 1.3c)와 결합되는 압축기(1).
9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   열교환기(2)의 수량이 상기 압축단(1.1 내지 1.3)의 수량보다 적어도 하나 더 많은 압축기(1).
10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(1)는 상기 냉각재 회로(5)에 의한 상기 3개 이상의 열교환기(2)들 사이의 상호 연결을 조정하기 위한 수단을 포함하는 압축기(1).
11. 제10항에 있어서,
    상호 연결을 조정하기 위한 상기 수단이 상기 압축기(1)의 작동 특성 또는 상기 압축기(1)의 작동 환경에 기초하여 상기 3개 이상의 열교환기(2)들 사이의 상호 연결을 조정하도록 구성되는 압축기(1).
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상호 연결을 조정하기 위한 상기 수단이 냉각재 온도 및 압축 효율을 최적화하기 위해 상기 상호 연결을 조정하거나 상기 3개의 열교환기 중 임의의 열교환기를 적어도 부분적으로 우회하도록 구성되는 압축기(1).
13. 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(2)는
    냉각을 위해 상기 압축 가스가 진입하는 가스 입구(2.1a 내지 2.4a)와 상기 냉각된 가스가 1차부로부터 배출되는 가스 출구(2.1b 내지 2.4b)를 갖는 1차부; 및
    상기 냉각재 진입을 위한 냉각재 입구(2.1c 내지 2.4c)와 상기 냉각재를 2차부로부터 배출하기 위한 냉각재 출구(2.1d 내지 2.4d)를 갖는 2차부
    를 포함하는 압축기(1).
14. 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    수냉식인 추가 후냉각기를 포함하는 압축기(1).
15. 압축기(1)로서,
    가스를 압축하기 위해 직렬로 연결된 복수의 압축단(1.1 내지 1.3);
    압축 가스를 냉각하기 위한 3개 이상의 열교환기(2) ― 상기 3개 이상의 열교환기(2) 각각은 적어도
    상기 압축 가스를 상기 열교환기(2)를 통해 이송하는 1차부; 및
    상기 압축 가스로부터 열을 회수하기 위해 상기 열교환기(2)를 통해 냉각재를 이송하는 1개 이상의 2차부를 포함함 ―;
    상기 3개 이상의 열교환기(2)를 통해 냉각재의 유동을 전달하기 위한 냉각재 회로(5); 및
    상기 복수의 압축단(1.1 내지 1.3) 및 상기 열교환기(2)를 통해 가스의 유동을 전달하기 위한 가스 유동 회로(6)를 포함하되,
    상기 적어도 3개 이상의 열교환기(2)로 구성된 상기 냉각재 회로(5)가 적어도 부분적으로 직렬 연결되어, 상기 직렬 연결이 적어도 부분적으로 상기 압축기단(1.1 내지 1.3)들 사이의 직렬 연결과 다르고 상기 압축기단(1.1 내지 1.3)의 역순과 다르며 냉각재 온도 또는 에너지 함량을 최적화하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 압축기(1).
16. 제15항에 있어서,
    상기 열교환기(2)의 상기 2차부가 상기 냉각재 회로(5)로 결합되는 순서가 하나 이상의 미리 결정된 기준에 따라 선택되는 압축기(1).
17. 제16항에 있어서,
    하나 이상의 미리 결정된 기준이
    - 냉각재 순환에서 나오는 냉각재를 활용하는 공정에 필요한 열의 양;
    - 상기 압축기(1)의 입구에서 허용되는 최대 공기량;
    - 상기 압축기(1)의 출구에서의 압축 가스의 온도;
    - 상기 압축기에서 나오는 액체의 온도;
    - 상기 압축기(1)의 효율;
    - 상기 순환 회로(5)의 입구에서의 냉각재 온도; 및/또는
    - 서로 다른 압축단(1.1 내지 1.3)들 사이의 압력비
    중 하나 이상인 압축기(1).
18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환기(2)의 수량이 상기 압축단(1.1 내지 1.3)의 수량보다 적어도 하나 더 많은 압축기(1).
19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(1)가 상기 냉각재 회로(5)에 의한 상기 3개 이상의 열교환기(2)들 사이의 상호 연결을 조정하기 위한 수단을 포함하는 압축기(1).
20. 제19항에 있어서,
    상호 연결을 조정하기 위한 상기 수단이 상기 압축기(1)의 작동 특성 또는 상기 압축기(1)의 작동 환경에 기초하여 상기 3개 이상의 열교환기(2)들 사이의 상기 상호 연결을 조정하도록 구성되는 압축기(1).
21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상호 연결을 조정하기 위한 상기 수단이 냉각재 온도 및 압축 효율을 최적화하기 위해 상기 상호 연결을 조정하거나 상기 3개의 열교환기 중 임의의 열교환기를 적어도 부분적으로 우회하도록 구성되는 압축기(1).
22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기(2)는
    냉각을 위해 상기 압축 가스가 진입하는 가스 입구(2.1a 내지 2.4a)와 상기 냉각된 가스가 1차부로부터 배출되는 가스 출구(2.1b 내지 2.4b)를 갖는 1차부; 및
    상기 냉각재 진입을 위한 냉각재 입구(2.1c 내지 2.4c)와 상기 냉각재를 2차부로부터 배출하기 위한 냉각재 출구(2.1d 내지 2.4d)를 갖는 2차부
    를 포함하는 압축기(1).
23. 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    수냉식인 추가 후냉각기를 포함하는 압축기(1).
24. 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각재 회로(5)는
    외부 냉각재 공급원(8)으로부터 상기 냉각재 회로(5)로 냉각재를 수용하기 위한 냉각재 입구(18); 및
    상기 냉각재 회로(5)로부터 상기 냉각재를 배출하기 위한 냉각재 출구(19)
    를 포함하는 압축기(1).