KR101578888B1 - 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체를 냉각하고 건물에 공기 공급을 냉각하는 기화 냉각 시스템에 관한 것이다. 유체 펌프 및 열 교환 요소도 가지는 제1 기화 시스템에 있는 냉각탑에 대한 공기 공급은 제2 기화 냉각 시스템의 열 교환 요소에 의해 냉각된다. 그 결과, 제1 냉각탑의 흡입공기 습구 온도는 감소되고, 제1 냉각탑의 냉각 성능을 증가된다.
냉각 시스템, 기화, 열 교환, 냉각탑, 습구 온도

Description

냉각 시스템{COOLING SYSTEM}
본 발명은 유체를 냉각하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 특히 그렇게 냉각된 유체를 이용하여 주거용 건물 또는 상업용 건물에 대한 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다.
종래 냉각장치 유닛들은 건물에 공기 공급을 냉각하기 위해 일반적으로 사용된다. 압축식 종래 냉각장치에 있어서, 기화 냉매는 냉매가 뜨거워지도록 야기하는 압축기 안에서 압축된다. 뜨거운 기체는 냉매가 냉각되고 응축되는 응축기로 지향된다. 전형적으로 응축기는 물 또는 공기에 의해 냉각된다. 많은 그러한 냉각장치 시스템들은 냉각탑들을 이용하여 냉각된 물의 공급을 응축기로 제공해서 방열(rejected heat)을 흡수한다. 응축기로부터의 유체 냉매는 팽창 밸브를 통해 기화기 안으로 들어간다. 유체가 팽창 밸브를 관통하기 때문에, 냉매의 압력은 감소되어 액체의 기화를 야기하는데, 이것은 온도에 있어서 큰 감소를 초래한다. 기화기에 있는 차가운 냉매는 개별적인 순환수 시스템(또는 임의의 다른 적당한 유체)을 냉각하기 위해 사용된다.
냉각장치에 의해 냉각된 물은 그런 다음 냉각된 공기 공급의 흐름에 위치된 열 교관기로 펌프된다. 열 교환기를 통과한 공기는 냉각된 다음 냉각을 요구하는 건물 내부에서 다양한 공간들에 지향된다. 열 교환기를 빠져나온 온수는 냉각장치로 다시 지향되어 또다시 냉각된다. 종래 냉각장치 유닛들은 구조물의 내부를 빠르게 냉각할 수 있지만, 특히 주변 온도 및 습도가 높을 때, 그들은 많은 양의 전기를 소모한다.
또 다른 형태의 종래 일반적으로 사용되는 냉각장치 시스템은 흡수식 냉방 시스템을 채택한다. 이런 형태의 시스템은 상술된 냉각장치 시스템에 흔히 있는 압축기를 구동하기 위한 전기에 의존하기보다 열원을 이용하여 냉각 시스템을 구동하는데 요구되는 에너지를 제공한다. 흡수식 냉각기들은 전기가 신뢰할 수 없거나, 고가이거나 또는 이용할 수 없는 상황, 또는 압축기로부터의 소음이 문제되는 상황, 또는 잉여 열이 이미 이용할 수 있는 상황에서 인기있다. 광범위하게 사용되는 기체 흡수 냉각기 시스템은 수소 환경에서 액체 암모니아를 기화시킴으로써 냉각한다. 기체 암모니아는 물에 용해되고, 그런 다음 열원을 이용하여 물로부터 분리된다. 이것은 나중에 액체로 응축되는 용해된 암모니아 기체를 날려버린다. 액체 암모니아는 그런 다음 수소-충전된 기화기로 들어가서 순환을 반복한다. 다른 형태의 시스템들도 또한 사용된다.
종종 직접 팽창(Diret Expansion, DX) 시스템들이라고 언급되는, 종래 냉매 기반 냉각 시스템들은 건물들에 공기 공급을 냉각하기 위해 또한 채택된다. 기화기가 사용되어 공기 흐름을 직접 냉각(냉각수 루프가 없음)하는 것을 제외하면, 직접 팽창 시스템은 냉각장치와 동일하게 작동한다. 직접 팽창 시스템의 응축기는 또한 전형적으로 공랭식이다. 종래 냉각장치 유닛들과 마찬가지로, 직접 팽창 시스템은 구조물의 내부를 빠르게 냉각시킬 수 있지만, 특히 주변 온도 및 습도가 높을 때, 그들은 많은 양의 전기를 소모한다.
적당한 기후 조건들을 가지는 세계의 지역에서 기화 냉각기들은 종래 냉각장치들 또는 직접 팽창 시스템에 대한 대안으로서 사용되어 주거용 건물 및 상업용 건물에 공기 공급을 냉각시킨다. 기화 냉각기들의 사용은, 종래 냉각장치 유닛들 및 직접 팽창 시스템들과 비교하여 상대적으로 낮은 설치 비용, 상대적으로 낮은 유지 비용 및 상대적으로 낮은 작동 비용 때문에, 공기를 냉각하는 바람직한 방법이다. 기화 냉각기가 기화의 잠열을 이용하여 공정수를 냉각하기 때문에, 그러한 기화 시스템들은 몇 가지 작동상의 한계들 및 불리함들을 가진다. 특히, 기화 냉각기의 냉각 효율성은 주변의 습구 온도에 의존하고 그리고 주변 공기의 온도 또는 습도, 또는 이들 모두가 증가할 때 상당히 감소된다. 이것은 덥고 습기찬 조건들이 경험될 때 기화 냉각기들의 사용이 제한되고, 그리고 장기간의 덥고 습기찬 기후를 경험하는 지역에서 비실용적이라는 것을 의미한다. 기화 냉각 유닛들은 일반적으로 주변 공기의 습구 온도보다 더 낮은 온도로 유체를 냉각하지 못한다.
그러므로, 단독으로, 또는 종래 냉각장치 또는 직접 팽창 시스템에 대한 보조 방식으로 사용되어 현재의 기화 시스템들의 몇 가지 한계점들을 완화하는 기화 냉각 시스템에 대한 기술에 있어서 필요성이 있다. 새로운 기화 냉각 시스템이 습기찬 조건들 동안에 현재의 기화 냉각 시스템들보다 더 큰 냉각 용량을 가지는 것은 또한 바람직할 것이다.
본 발명은 유체를 냉각하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 특히 그렇게 냉각된 유체를 이용하여 주거용 건물 또는 상업용 건물에 대한 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 냉각탑의 냉각 성능을 증진하는 방법에 지향된다. 본 발명의 시스템들은 또한 산업적 환경에서 재질들을 냉각하도록 사용될 수도 있다.
본 발명의 일측면에 있어서, 본 발명은
(a) 제1 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 제1 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제1 열 교환 요소와, 제1 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제1 냉각탑을 포함하는 제1 기화 냉각 시스템;
(b) 제1 열 교환 요소에 대하여 일차 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단;
(c) 제2 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 제2 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제2 열 교환 요소와, 제2 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제2 냉각탑을 포함하는 제2 기화 냉각 시스템; 및
(d) 제1 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위해 제2 열 교환 요소에 대하여 제1 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단을 가지는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 제1 열 교환 요소에 대하여 일차 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단은 덕트 및 적어도 하나의 팬을 포함한다. 일시예에 있어서, 그러한 수단은 바이패스 루버를 더 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제1 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단 및 제2 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단은 적어도 하나의 유체 펌프를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 열 교환 요소들은 핀 냉각 코일들을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 시스템은 제1 열 교환 요소에 근접하고, 종래 냉각장치에 연결된 추가적인 열 교환 요소를 더 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 시스템은 제1 열 교환 요소에 근접하고, 직접 팽창 시스템에 연결된 추가적인 열 교환 요소를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서 시스템은
(ⅰ) 제3 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단;
(ⅱ) 제3 열 교환 요소와, 제3 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제3 냉각탑; 및
(ⅲ) 제2 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위해 제3 열 교환 요소에 대하여 제2 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단을 포함하는 제3 기화 냉각 시스템을 또한 가진다.
일 실시예에 있어서, 시스템은 각각의 냉각탑 및 유체를 순환시키기 위한 각각의 수단을 활성화하고 비활성화하는 수단을 더 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 활성화 및 비활성화 수단은 자동화되어 있고, 그리고 냉각 요구들의 변화, 주변 공기 온도, 또는 냉각 요구들 및 주변 공기 온도의 변화에 반응한다.
일 실시예에 있어서 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템은
(a) 제4 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 제4 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제4 열 교환 요소와, 제4 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제4 냉각탑을 포함하는 제4 기화 냉각 시스템; 및
(b) 제3 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위해 제4 열 교환 요소에 대하여 제3 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서 시스템은 제1 열 교환 요소에 근접하고, 종래의 냉각장치 또는 직접 팽창 시스템에 연결된 추가적인 열 교환 요소를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 본 발명은
(a) 여러 개의 기화 냉각 시스템들로서, 각각의 시스템은 (ⅰ) 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 열 교환 요소와, 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 냉각탑을 포함하는 여러 개의 기화 냉각 시스템;
(b) 열 교환 요소들 중 하나에 대하여 유체를 강제 인가하기 위한 수단을 포함하되,
여기에서 각각의 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위하여 하나를 제외한 모든 냉각탑들은 또 다른 시스템의 열 교환 요소에 대하여 강제 인가된 공기를 공급받는 것을 특징으로 하는 유체를 냉각하기 위한 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 제2 분리형 기화 냉각 시스템의 열 교환 요소로 냉각탑에 대한 공기 공급을 냉각함으로써 제1 기화 냉각 시스템에 있는 냉각탑의 냉각 성능을 증가하는 방법을 포함한다.
본 발명은 첨부한 단순화되고, 도식적이고, 축척에 맞지 아니한 도면들을 참조하여 예시적인 실시예를 설명하는 방식에 의해 이제 기술될 것이다.
도1은 종래 기술의 일실시예에 따른 개략도이다.
도2는 종래 냉각장치와 관련하여 사용을 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 개략도이다.
도3은 직접 팽창 시스템과 관련하여 사용을 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 개략도이다.
도4는 횡류(cross-flow) 디자인 냉각탑의 사용을 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 개략도이다.
도5는 역류(counter-flow) 디자인 냉각탑의 사용을 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 개략도이다.
도6은 여러 개의 기화 냉각 시스템들을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 개략도이다.
도7은 두 개의 분리 시스템의 사용을 도시한 본 발명의 일실시예에 따른 개략도이다.
본 발명은 유체를 냉각하기 위한 시스템에 대비하고 그리고 특히 그렇게 냉각된 유체를 이용하여 주거용 건물 또는 상업용 건물에 대한 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명을 설명할 때, 여기에서 정의되지 아니한 모든 용어들은 통상의 기술-인지 의미들을 가진다. 다음의 상세한 설명이 본 발명의 특정한 실시예 또는 특별한 사용이라는 점에서, 단지 예시적이고 청구된 발명을 제한하지 않음이 의도된다. 다음의 상세한 설명은, 첨부된 청구범위에서 한정한 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위에 포함되는 모든 대안들, 수정들 및 등가물들을 포함하도록 의도된다.
본 특허에서 다음의 단어들은 다음과 같은 의미를 가지도록 의도된다.
1. “종래 냉각장치”는 (전형적으로 압축기, 응축기 및 기화기를 가지는) 냉매의 증기 압축을 수행하거나 또는 흡수식 냉각 시스템을 수행하는 HVAC 시스템과 함께 일반적으로 사용되는 임의의 냉각장치 유닛을 의미한다.
2. “직접 팽창 시스템”은 냉매의 증기 압축을 수행하는 주거용 건물 및 소규모 상업용 건물에서 전형적으로 사용되고, 전형적으로 압축기, 응축기 및 냉각을 요구하는 공기 공급과 직접 접촉하는 기화기를 가지는 공기 조화 유닛을 의미한다.
3. “냉각탑”은, 불포화된 공기에 물을 노출시킴으로써 수류의 온도를 낮추고 기화를 촉진하는 냉각기로서, 기화성 냉각기를 합체하는 탑 또는 다른 구조물을 의미한다. 기화는 수류로부터 에너지를 소비하여, 물의 온도를 떨어뜨린다. 이렇게 냉각된 물은 직접적으로 사용될 수도 있고(개방 회로) 또는 개별적인 유체 흐름을 냉각하기 위해 내부 열 교환기로 통과될 수도 있다(폐쇄 회로). 여기에서 사용되는 바와 같이 용어 냉각탑은 횡류형 냉각탑 및 역류형 냉각탑 모두를 포함하도록 의도된다. 횡류 디자인에서, 기류는 수류에 수직하게 지향된다. 이와 대조적으로, 역류 디자인에서, 기류는 수류에 직접적으로 반대이다. 여기에서 사용된 바와 같이 용어 냉각탑은 또한 유도된 통풍, 강제 통풍 및 팬 지원 자연 통풍을 포함하는 기계 통풍 및 자연 통풍에 의해 생성된 기류를 가지는 냉각탑들을 포함한다.
4. “유체”는 물을 의미하지만 또한 기화 냉각 시스템들에서 일반적으로 사용되는 모든 다른 수용액들 또는 기체들을 포함한다. 용어 ‘유체’ 및 용어 ‘물’은 본 출원의 상세한 설명에서 호환성 있게 사용된다.
5. “습구 온도”는 수분이 증발되고 깨끗한 물 상태로 유지되는 무슬린 슬리브에 의해 구체가 감싸지고, 공기에 자유롭게 노출되고 방사가 없는 온도계에 의해 측정된 온도를 의미한다. 100%미만의 상대 습도에서, 주변 온도 미만으로 구체를 냉각하는 물은 구체로부터 증발한다. 상대 습도를 결정하기 위해, 주변 온도는, 건구 온도계로 알려진, 일반적인 온도계를 이용함으로써 측정된다. 임의의 주어진 주변 온도에서, 상대적으로 작은 습도는 건구 온도계와 습구 온도계 사이에서 더 큰 차이를 나타낸다. 정확한 상대 습도는 습공기 선도(psychrometric chart) 상에서 하나의 습구 온도 및 건구 온도를 확인함으로써 결정된다. 습구 온도는 건구 온도 및 상대 습도에 의존한다. (습도 비율이 일정한 상태에서) 건구 온도에 있어서 감소는 또한 습구 온도를 감소시키지만, 동일한 크기로 감소시키지는 않는다.
본 발명은 유체를 냉각하기 위한 시스템에 지향되고 특히 그렇게 냉각된 유체를 이용하여 주거용 건물 또는 상업용 건물에 공기 공급을 냉각하기 위한 기화 냉각 시스템에 지향된다.
도1은 종래의 기화 냉각 시스템을 도시한다. 시스템은 냉각탑(20)에 연결된 종래 냉각장치(30)를 포함한다. 냉각장치(30)에 연결된 냉각탑(20)의 목적은 냉각 수 소스를 종래 냉각장치(30)에 제공하여 그 안에서 사용되는 냉매 기체들의 냉각을 지원하고 냉각장치에 사용된 냉매 기체의 압축으로부터 획득되는 방열을 흡수하는 것이다. 냉각장치(30)는 냉각된 유체를 연결된 열 교환 요소(28)로 전달한다. 제2 열 교환 요소(32)는 기화 냉각 시스템(23)의 일부를 형성하고 냉각탑(22)에 연결된다. 열 교환 요소들(28, 32)은 일차 공기 공급(A)의 흐름에 배치된다. 팬(24)은 일차 공기 공급을 끌어들인다. 건물 및 외부 환경에 있어서 조건들이 공기 공급이 냉각을 요구하지 않는 것일 때, 냉각탑(20, 22) 및 종래 냉각장치(30)는 작동하지 않는다. 만약 냉각에 대한 요구가 있는 경우, 기화 시스템(23)에 있는 냉각탑(22)은 활성화되고 냉각 유체는 기화 냉각 시스템(23)을 통해 열 교환 요소(32)로 그리고 원래의 냉각탑(22)으로 순환된다. 기류(A)는 열 교환 요소(32)를 통과하여 냉각된다. 만약 냉각탑(22) 및 연관된 열 교환 요소(32)가 공기를 충분히 냉각할 수 없는 경우, 종래 냉각장치(30) 및 제1 냉각탑(20)은 활성화되고 냉각 유체도 연관된 열 교환 요소(28)을 통해 순환된다. 냉각 요구들이 감소되면, 종래 냉각장치(30)는 비활성화된다. 습구 온도가 소망되는 수준을 초과하는 날에 있어서, 종래 냉각장치가 혼자 작동되어 일차 공기 공급을 냉각하도록 제2 냉각탑(22)의 효율성은 손상될 수도 있다. 선택적인 종래 기술 실시예에 있어서, 냉각장치(30)에 연결된 냉각탑(20)은, 냉각 요구들이 기화 냉각 시스템들을 초과하여 그 결과 종래 냉각장치(30)를 활성화하고 제1 냉각탑으로부터 수류를 전환하여 종래 냉각장치(30)를 지원하는 동안에, 열 교환 요소(28)에 직접적으로 냉각수를 공급하는 종래 냉각장치(30)를 우회하는 수단을 가질 수도 있다. 이러한 종래 기화 냉각 시스템들이 냉각수를 열 교환 요소로 공급하는 냉각탑들(20, 22)의 성능에 대하여 제한된다는 것은 이해될 수 있다. 특정 일, 특히 높은 주변 습도가 있을 때, 습구 온도는 올라가고, 공기 공급을 충분히 냉각할 만큼 충분히 차가운 물을 공급하는 독립형 냉각탑의 능력을 상당히 감소시킨다. 그러한 환경에서, 대용량의 에너지 소모에 기인한 값비싼 종래 냉각장치는 상당히 의존되어야만 한다.
본 발명의 시스템(10)은, 심지어 습기찬 날에도, 열 교환 요소에 차가운 물의 안정된 공급을 제공할 수 있다. 따라서, 종래 냉각장치는 덜 요구되고 그리고 공기 공급을 냉각하기 위한 전력에 있어서 감소가 가능하다. 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명(10)은 종래 냉각장치(30)와 관련하여 사용될 수도 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명(10)은 직접 팽창 시스템(31)과 관련하여 또한 사용될 수도 있다. 하지만, 만약 대상 건물 위치의 주변 조건들이 적당한 경우, 종래 냉각장치 또는 직접 팽창 시스템 없이 단독으로 본 발명이 사용될 수도 있음은 이해되어야 할 것이다.
도2에서 보여지는 바와 같이, 본 발명은 제1 기화 냉각 시스템(50)을 가진다. 제1 기화 냉각 시스템(50)은 유체(56)를 순환시키기 위해 당업자에 의해 제한없이 선택될 수도 있는 원심 펌프를 포함하는 임의의 적당한 펌프를 포함할 수도 있는 수단을 가진다. 제1 기화 냉각 시스템(50)은 일차 공기 공급 흐름(A)에 위치된 제1 열 교환 요소(50)을 가진다. 여기에서 기술된 제1 열 교환 요소(58) 및 모든 열 교환 요소들은 핀 코일(finned coil) 배열을 가지는 임의의 적당한 열 교환기를 포함할 수도 있고 구리 및 알루미늄을 포함하는 임의의 적당한 재질들로 조립될 수도 있다. 일차 공기 공급은 외부 공기로 완전히 구성될 수도 있고, 리턴 공기로 완전히 구성될 수도 있고 이들 모두의 혼합으로 구성될 수도 있다. 제1 열 교환 요소(58)에 대하여 기류(A)를 강제 인가하기 위한 수단은 팬(24) 및 덕트(25)의 결합이고 선택적으로 바이패스 루버들(26)을 또한 포함할 수도 있다. 팬(24)은 변조된 속력을 가져 가변 냉각 요구들을 수용할 수 있다. 만약 채택된다면, 바이패스 루버들(26)은 제1 열 교환 요소(58)을 통해 기류(A)를 전환하도록 개방될 수도 있고 닫힐 수도 있다. 제1 기화 냉각 시스템(50)은 열 교환 요소(58)에 연결된 제1 냉각탑(54)을 가진다. 제1 냉각탑은 공기 공급(B)를 가진다. 제1 냉각탑(54)은 제1 교환 요소(58)로 흐르는 순환 유체를 냉각한다. 제1 냉각탑, 그리고 여기에서 참조된 모든 냉각탑들은 관련 산업에서 일반적으로 사용되는 임의의 적당한 냉각탑을 포함할 수도 있다.
시스템(10)은 사전 냉각 기화 공정과 함께 제1 냉각탑(54)을 통해 공기 순환에 의존한다. 따라서 시스템(10)은, 제1 기화 시스템(50)과 마찬가지로, 유체(64)를 순환시키기 위한 수단, 제2 냉각탑(62) 및 제2 열 교환 요소(66)를 가지는 제2 기화 냉각 시스템(60)을 포함한다. 장치는 제2 기화 냉각 시스템(60)의 제2 열 교환 요소(66)에 대하여 공기 공급(B)을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단을 가진다. 그러한 수단은 (미도시된) 덕트, 팬(63) 및 바이패스 루버들(52)의 결합일 수도 있다. 제2 폐쇄 순환 유체 시스템은 제1 냉각탑(B)에 공기 공급을 냉각하도록 디자인된다. 바이패스 루버들(52)이 열렸을 때, 기류(B)는 제2 열 교환 요소(66)를 우회한다. 바이패스 루버들(52)이 닫혔을 때, 기류(B)는 제2 열 교환 요소(66)를 통해 통과한다. 바이패스 루버들(52)이 닫혔을 때, 그리고 제2 냉각탑(62)이 활성화될 때, 제2 열 교환 요소(66)가 제1 냉각탑(54)에 공기 공급(B)을 사전 냉각한다는 것은 이해될 수 있다. 그 결과, 제1 냉각탑의 습구 온도는 감소될 것이고, 제1 냉각탑의 냉각 성능을 증진시킨다.
도4는 본 장치에 사용되는 횡류 냉각탑(80)을 도시한다. 횡류는 기류(AF)가 수류(WF)에 수직하게 지향되는 디자인이다. 기류(AF)는 충진재(82)와 만나도록 하기 위해 냉각탑(80)의 하나 이상의 수직면에 진입한다. (공기에 수직한) 물은 중력에 의해 충진재를 통해 흐른다. 공기는 충진재(82)를 통해서 그리고 그 결과 수류(WF)를 지나서 오픈 플레넘 영역으로 통과한다. 바닥에 (미도시된) 구멍들 또는 노즐들을 가진 딥팬(deep pan)으로 구성된 분배 또는 온수 수조(84)는 횡류에서 사용된다. 중력은 충진재(82)를 가로질러 노즐을 통해 균일하게 물을 분배한다.
도5는 본 발명에서 사용되는 역류 냉각탑(90)을 도시한다. 역류 디자인에서 기류(AF)는 사실상 수류(WF)의 반대 방향이다. 우선 기류는 충전 매질(92)의 밑에 있는 개방 영역으로 진입하고 그런 다음 수직하게 위쪽으로 끌어당겨진다. 물은 가압된 노즐들(94)을 통해 분사되고 충진 매질(92)을 통해, 기류(AF)에 반대 방향인, 아래로 흐른다.
비록 도4 또는 도5에 도시되지 않았지만, 만약 횡류형 또는 역류형 냉각탑, 또는 본 발명을 실행하기 위해 사용되는 임의의 다른 형태의 냉각탑이 하나 이상의 공기 흡입구를 가지는 경우, 그러한 냉각탑에 대한 공기 공급을 사전 냉각하는데 사용되는 열 교환 요소, 그리고 흡입 덕팅이 모든 그러한 흡입구들을 위해 공기 공 급을 사전 냉각하도록 구성된다는 것은 이해될 수 있다.
횡류 냉각탑 및 역류 냉각탑 모두에 있어서 기류와 수류의 상호작용은 물의 부분적인 균등화 및 기화를 허용하고 그리고 현재 수증기(DA)로 포화된, 공기 공급은 냉각탑으로부터 배출된다. 더욱이, 각각의 형태의 냉각탑에 있어서 섬프(sump) 또는 냉수 수조(86)는 기류와의 상호작용 후에 냉각된 물을 포함하도록 사용된다. 횡류 디자인 및 역류 디자인 모두는 자연 통풍 냉각탑 및 기계 통풍 냉각탑, 그리고 하이브리드 통풍 냉각탑에 사용될 수 있다. 개방 루프 냉각탑들에 대하여 섬프 물은 직접 사용된다. 폐쇄 루프 냉각탑은 냉각탑 내부에 추가적인 열 교환기가 존재하는 것을 제외하고 개방 루프 타워와 동일하게 작동한다. 폐쇄 루프 타워에 있어서 기화 냉각 유체는 열 교환기를 가로질러 흐르고 제2 유체 흐름을 냉각한다.
기준관행(standard practice)에 따라, 기화 냉각 시스템들은 수원(water source)에 연결되어 냉각탑에서 기화를 통해 손실된 물의 양을 보충하는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다. 몇 가지 형태의 수처리 시스템 및 여과 시스템이 기화 냉각 시스템들에 채택되어 수질을 유지하고 시스템 요소들의 오염 및 마모를 최소화하는 것은 당업자에 의해 또한 이해될 것이다.
냉각 시스템(10)의 일 실시예의 작동은 이제 도2를 참조로 기술될 것이다. 만약 일차 공기 공급(A)의 냉각이 요구되지 않는 경우, 바이패스 루버들(26)은 개방되고 냉각탑들(54, 62)은 움직이지 않는다. 냉각에 대한 요청이 발생하는 경우, 제1 냉각탑(54), 유체 펌프(56) 및 팬(63)은 작동된다. 제1 냉각탑(B)에 대한 공기 공급을 지향하는 바이패스 루버들(52)은 열린다. 바이패스 루버들(26)은 닫혀 제1 열 교환 요소(58)에 대하여 일차 기류(A)를 전환시킨다. 만약 제1 냉각탑(54)이 냉각 요구들을 만족시킬 수 없는 경우, 바이패스 루버들(52)은 닫히고, 제2 냉각탑(62) 및 유체 펌프(64)는 활성화된다. 이것은 제1 냉각탑(B)에 대한 공기 공급의 냉각을 초래하는데, 이는 제1 냉각탑의 습구 온도를 낮춰 제1 냉각탑(54)의 냉각 성능을 증진시킨다. 만약 제1 냉각탑 및 제2 냉각탑 조합이 냉각 요구들을 만족시킬 수 없는 경우, 종래 냉각장치(30)는 활성화될 것이고 관련한 바이패스 루버들(29)은 닫혀 열 교환 요소(28)에 대하여 일차 공기 공급 흐름(A)을 강제 인가한다. 제1 기화 냉각 시스템(50) 및 제2 기화 냉각 시스템은 냉각 요구들 및 시스템 출력에 반응하고 그리고 주변 온도에 반응하는 자동화된 활성 및 비활성 수단에 의해 제어될 수도 있다. 일반적인 용어로, 당업자에 의해 선택되는 임의의 적당한 전자 감지 피드백 시스템이 사용될 수도 있다. 그러한 활성 및 비활성 수단은 시스템 출력, 냉각 요구들 및 주변 조건들에 관한 감지 데이터를 수신하고 해석하도록 적응된 중앙 컴퓨터 프로세서에 의해 제어될 수도 있다.
도6에 도시된 바와 같이, 제3 냉각탑(72) 및 제3 유체 펌프(74) 그리고 제3 열 교환 요소(76)를 가지는 제3 기화 냉각 시스템은 제2 냉각탑(62)에 공기 공급(C)을 냉각하기 위해 장치(10)에 같은 방식으로 또한 추가될 수도 있다. 더욱이, 제4 기화 냉각 시스템 및 아마도 제5 기화 냉각 시스템이 선행하는 기화 냉각 시스템의 냉각탑에 공기 공급을 냉각하도록 디자인된 각각의 추가적인 시스템을 가지고서 또한 추가될 수도 있다는 것은 이해될 수 있다. 만약 여러 개의 단계적인 기화 냉각 시스템들이 사용되는 경우, 냉각 요구들이 증가할 때 그들이 순차적으로 활성 화될 수도 있다는 것은 이해될 수 있다.
도7에 도시된 바와 같이, 일차 기류에 위치된 기화 냉각 시스템들과 연결된 하나 이상의 열 교환 요소들이 있도록 하나 이상의 시스템은 채택되어 공기를 냉각시킬 수도 있다. 도7에 도시된 바와 같이, 기류(A)에 노출된 제1 열 교환 요소(58)가 있다. 제1 열 교환 요소(58)는, 또한 제1 냉각탑(54) 및 제1 유체 펌프(56)를 가지는, 제1 기화 냉각 시스템(50)의 일부이다. 제1 냉각탑은 제2 기화 냉각 시스템(60)에 의해 냉각된 공기 공급(B)를 가진다. 제2 기화 냉각 시스템(60)은 제2 냉각탑(62), 제2 유체 펌프(64) 및 제2 열 교환 요소(66)을 가진다. 기류(A)에 노출된 제3 열 교환 요소(102)가 있다. 제3 열 교환 요소(102)는 제3 냉각탑(104) 및 제3 유체 펌프(106)을 가지는 제3 기화 냉각 시스템(100)의 일부이다. 제3 냉각탑(E)에 대한 공기 공급은 제4 열 교환 요소(202), 제4 유체 펌프(204) 및 제4 냉각탑(206)을 가지는 제4 기화 냉각 시스템(200)에 의해 냉각된다. 상술된 바와 같이, 시스템들은 선택적으로 그리고 순차적으로 채택되어 가변적인 냉각 요구들을 만족시키고 그리고 가변적인 주변 조건들에 반응할 수도 있다. 더 이상의 열 교환 요소들이 기류(A) 경로에 채택될 때, 더 큰 팬을 사용하거나, 또는 더 많은 팬들을 사용하여 열 교환 요소들을 통해 공기를 물리적으로 강제 인가하는 것이 필요할 수도 있다.
본 발명의 시스템들은 또한 실시예에서 사용될 수도 있는데 여기에서 열 교환 요소는 유입 공기 공급에 배치되기 보다는 건물의 내부에 배치된다. 그러한 시스템에 있어서 열 교환 요소는 방열기, 냉각된 슬래브, 냉각된 천장 판넬 또는 냉 각된 빔을 포함하지만 이에 한정되지 아니하는, 냉각 기술 분야에서 당업자에 의해 이용되는, 임의의 적당한 형태를 포함할 수도 있다. 이러한 형태의 열 교환기들은 전도성, 대류 및 방사 냉각의 결합에 의해 건물 내부를 냉각한다. 그들은 사실상 임의의 형태의 팬 또는 통풍 시스템을 채택하지 않은 수동형일 수 있고, 또는 팬 또는 통풍 시스템을 합체하여 열 교환 요소의 표면을 가로질러 공기를 빨아들이고 이동시키는 능동형일 수 있다. 시스템은 하나의 열 교환 요소에 연결될 수도 있고, 또는 건물 내부에서 가변적인 장소에 배치된 여러 개의 열 교환 요소들에 연결될 수도 있다.
상술된 실시예들이 공기를 냉각하는데 지향되어 있기는 하지만, 시스템(10)의 열 교환 요소들이 열 교환 요소들과 물리적인 접촉상태에 있는 재질을 위치시킴으로써 냉각을 요구하는 임의의 적당한 재질을 냉각하도록 사용될 수 있음은 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명은 몇 가지 공정 재료의 냉각을 요구하는 산업 공정들에 동일한 응용을 가진다.
당업자에게 자명한 바와 같이, 이전의 특정 개시의 다양한 수정, 개조 및 변형은 여기에서 청구된 발명의 범위로부터 일탈됨 없이 가능하다.
본 발명에 의하면, 냉각된 유체를 이용하여 주거용 건물 또는 상업용 건물에 대한 공기 공급을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템에 있어서,
    (a) 제1 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 상기 제1 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제1 열 교환 요소와, 상기 제1 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제1 냉각탑을 포함하는 제1 기화 냉각 시스템;
    (b) 상기 제1 열 교환 요소에 대하여 일차 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단;
    (c) 제2 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 상기 제2 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제2 열 교환 요소와, 상기 제2 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제2 냉각탑을 포함하는 제2 기화 냉각 시스템; 및
    (d) 상기 제1 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위해 상기 제2 열 교환 요소에 대하여 상기 제1 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단을 포함하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 교환 요소에 대하여 일차 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단은 덕트 및 적어도 하나의 팬을 포함하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일차 열 교환 요소에 대하여 일차 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단은 적어도 하나의 바이패스 루버(bypass louver)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열 교환 요소에 대하여 제1 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단은 덕트 및 적어도 하나의 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단 및 상기 제2 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단은 적어도 하나의 유체 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열 교환 요소들은 핀 냉각 코일들(finned cooling coils)을 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 교환 요소에 근접하고, 종래 냉각장치에 연결된 추가적인 열 교환 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 교환 요소에 근접하고, 직접 팽창 시스템의 기화기를 포함하는 추가적인 열 교환 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    (a) 제3 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 상기 제3 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제3 열 교환 요소와, 상기 제3 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제3 냉각탑을 포함하는 제3 기화 냉각 시스템; 및
    (b) 상기 제2 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위해 상기 제3 열 교환 요소에 대하여 상기 제2 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 냉각탑 및 유체를 순환시키기 위한 수단을 활성화시키고 비활성화시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 활성화 및 비활성화 수단이 자동화되고,
    (a) 냉각 요구들의 변화
    (b) 주변 공기 온도; 또는
    (c) 냉각 요구들 및 주변 공기 온도의 변화에 반응하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    (a) 제3 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 상기 제3 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제3 열 교환 요소와, 상기 제3 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제3 냉각탑을 포함하는 제3 기화 냉각 시스템;
    (b) 상기 제3 열 교환 요소에 대하여 상기 일차 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단;
    (c) 제4 기화 냉각 시스템으로서, (ⅰ) 상기 제4 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 제4 열 교환 요소와, 상기 제4 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 제4 냉각탑을 포함하는 제4 기화 냉각 시스템; 및
    (d) 상기 제3 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위해 상기 제4 열 교환 요소에 대하여 상기 제3 냉각탑에 공기 공급을 선택적으로 강제 인가하기 위한 수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 열 교환 요소에 근접하고, 종래 냉각장치에 연결된 추가적인 열 교환 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 열 교환 요소에 근접하고, 직접 팽창 시스템의 기화기를 포함하는 추가적인 열 교환 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일차 공기 공급을 냉각하기 위한 시스템.
  15. 유체를 냉각하기 위한 시스템에 있어서,
    (a) 여러 개의 기화 냉각 시스템들로서, 각각의 시스템은 (ⅰ) 상기 시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 수단; (ⅱ) 열 교환 요소와, 상기 열 교환 요소에 작동적으로 연결되고 공기 공급을 가지는 냉각탑을 포함하는 여러 개의 기화 냉각 시스템;
    (b) 상기 열 교환 요소들 중 하나에 대하여 유체를 강제 인가하기 위한 수단을 포함하되,
    여기에서 각각의 냉각탑에 대한 공기 공급이 주변 공기보다 더 낮은 습구 온도를 가지도록 하기 위하여 하나를 제외한 모든 냉각탑들은 또 다른 시스템의 열 교환 요소에 대하여 강제 인가된 공기를 공급받는 것을 특징으로 하는 유체를 냉각하기 위한 시스템.
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