KR101624471B1

KR101624471B1 - 증발기의 동적 제어를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101624471B1
Application number: KR1020157000566A
Authority: KR
Inventors: 클라스 베르틸손; 안데르스 냔데르; 알바로 조르진
Original assignee: 알파 라발 코포레이트 에이비
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2016-05-25
Also published as: TW201405083A; US20150135747A1; KR20150032551A; TWI542845B; CN104350342B; SI2674697T1; WO2013186195A1; EP2674697B1; CN104350342A; EP2674697A1; US9903624B2; DK2674697T3; JP2015520355A; JP6138248B2; ES2700399T3; MY183567A

Abstract

발명은, 제1 및 제2 플레이트 간격(1)이 형성되는 방식으로 나란히 배열되고 서로에 대해서 결합되는 많은 수의 제1 및 제2 열 교환기 플레이트(A, B)를 포함하는, 플레이트 패키지(P)를 포함하는 플레이트 열 교환기에 관한 것이다. 적어도 2개의 주입기가 제공되고, 각각의 주입기는 적어도 하나의 플레이트 패키지(P) 내의 제1 플레이트 간격(1) 중 적어도 하나로 제1 유체를 공급하도록 배열되고, 적어도 하나의 밸브가 적어도 2개의 주입기로의 제1 유체의 공급을 제어하기 위해서 배열된다.

Description

증발기의 동적 제어를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DYNAMIC CONTROL OF AN EVAPORATOR}

본 발명은 일반적으로 증발기의 동작의 동적 제어를 위한 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 증발기의 동작의 동적 제어를 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 일반적으로 증발기를 포함하는 시스템에 관한 것이고 특히, 열 교환기 형태 증발기에 관한 것이다. 일반적으로, 증발기는 공조, 냉각 시스템, 열 펌프 시스템 등과 같은 여러 용도를 위한, 냉각제와 같은 유체의 증발을 위해서 설계된다. 그에 따라, 증발기는 기체 또는 증발된 형태뿐만 아니라 액체 형태의 유체를 취급하는 2-상(phase) 시스템에서 이용될 수 있을 것이다.

증발기가 플레이트(plate) 열 교환기인 경우에, 그러한 증발기는, 예를 들어, 많은 수의 제1 및 제2 열 교환기 플레이트를 포함하는 플레이트 패키지를 포함할 수 있을 것이다. 플레이트는, 제1 유체 통로를 형성하는 제1 플레이트 간격이 인접한 제1 열 교환기 플레이트와 제2 열 교환기 플레이트의 각각의 쌍 사이에 형성되도록, 그리고 제2 유체 통로를 형성하는 제2 플레이트 간격이 인접한 제2 열 교환기 플레이트와 제1 열 교환기 플레이트의 각각의 쌍 사이에 형성되도록 하는 방식으로, 서로 영구적으로 결합되고 나란히 배열된다. 제1 플레이트 간격 및 제2 플레이트 간격은 서로 분리되고 플레이트 패키지 내에서 교번적인 순서(alternating order)로 나란히 제공된다. 실질적으로, 각각의 열 교환기 플레이트는 적어도 하나의 제1 통공(porthole) 및 제2 통공을 가지며, 제1 통공은 제1 플레이트 간격에 대한 제1 유입구 채널을 형성하고 제2 통공은 제1 플레이트 간격으로부터의 제1 배출구 채널을 형성하고, 제1 플레이트 패키지는 상기 제1 플레이트 간격의 각각을 위한 분리된 공간을 포함하고, 그러한 공간은 제2 플레이트 간격에 대해서 폐쇄된다.

2-상 시스템에서 이용되는 이러한 일반적인 종래 기술의 플레이트 열 교환기에서, 냉각제와 같은 제1 유체가 액체 형태로 밸브 내로 도입되나, 밸브를 통해서 진행할 때, 압력 강하로 인해서 제1 유입구 채널 즉, 제1 통공의 하나의 단부에서 부분적으로 증발 유체로 팽창되어, 증발된 형태로 증발되면서 추가적으로 제1 유입구 채널을 따라서 그리고 추가적으로 개별적인 제1 플레이트 간격의 각각으로 분배된다. 공급된 유체의 에너지 함량이 너무 높을 수 있는 위험이 항상 존재하고, 그에 의해서 유입구 포트를 통해서 유입구 채널 내로 공급되는 유동의 일부가 유입구 채널의 후방 단부에서 만나게 될 것이고 그에 의해서 반대 방향으로 반사될 것이다. 그에 의해서, 유입구 채널 내의 유동이 매우 무질서하게 되고 예측 및 제어하기 어렵게 된다.

또한, 냉각제의 압력 강하가 유입구로부터 제1 유입구 채널까지의 거리에 따라 증가할 수 있을 것이고, 그에 의해서 개별적인 플레이트 간격들 사이의 제1 유체의 분배가 영향을 받을 것이다. 제1 유입구 채널로부터 개별적인 플레이트 간격으로 진입할 때 제1 유체의 액적(droplet)이 반드시 겪어야 하는 각도적인(angular) 유동 변화가 불균일한 분배에 기여한다는 것이 공지되어 있다. 영향을 미치는 또 다른 파라미터는, 각각의 제1 플레이트 간격이 그 특유의 효과를 가지도록 초래하는, 개별적인 제1 플레이트 간격들 사이의 치수적인(dimensional) 차이이다. 또한, 개별적인 제1 플레이트의 동작 및 성능이 플레이트 패키지 내의 그 위치에 의존한다는 것이 공지되어 있다. 플레이트 패키지의 각각의 측부(side) 상의 최외측의 제1 플레이트 간격이 플레이트 패키지의 중간의 제1 플레이트 간격과 상이하게 거동하는 경향이 있다.

이러한 것의 결과로서, 증발기의 동작 및 효율을 전체적으로 최적화하기 위해서, 증발기로 공급되는 모든 유체가 증발기의 배출구를 빠져나가기 전에 특히 증발기의 배출구의 하류에 배열되는 압축기의 유입구에 도달하기 전에 완전히(fully) 증발되도록 보장하는 것이 매우 어렵거나, 심지어 불가능하다. 사실상, 하나의 오작동하는 제1 플레이트 간격만으로도 증발기의 전체적으로 불충분한 증발이 발생될 수 있다. 예로서, 만약 하나의 단일의 제1 플레이트 간격이 범람된다면(flooded), 즉 공급된 유체의 전체량을 증발시킬 수 없다면, 액적이 증발기의 배출구 하류에서 발생할 것이다. 일반적으로, 완전히 증발된다는 것은, 증발된 유체가 과열 온도 차이(superheating temperature difference)에 도달하여야 하고 그에 의해서 증발된 유체가 건성의(dry) 증발된 유체만을 포함하여야 한다는 것, 즉 증발된 유체가 우세 압력(prevailing pressure)에서 포화 온도보다 더 높은 온도를 가져야 한다는 것을 의미한다.

동작 듀티(duty)가 어떠하든 간에 과열 설정점 온도에 가능한 한 근접하여 증발기를 동작시키기 위한 목적은 가능한 한 높은 이용률(utilization factor)을 획득하는데 있어서 중요하다. 그에 따라, 이는 경제적으로 중요하다. 또한, 이러한 것은 압축기와 같은 증발기와 협력하는 다른 구성요소에 대해서 영향을 미치는데, 이는 압축기가 일반적으로 액체 내용물에 민감하기 때문이다. 압축기의 유입구에 도달할 때 증발된 유체 내에 잔류하는 임의의 액적이 압축기를 손상시킬 수 있을 것이다. 또한, 유체가 과열 온도 차이에 일단 도달하면 유체가 완전히 건조되고 부가적으로 온도를 증가시키는데 실질적인 이득이 없기 때문에, 증발기를 과열 온도 차이에 가능한 한 근접하여 동작시키는 것에 대한 경제적인 관심이 존재한다. 상기의 과열 온도 설정점은, 액체를 압축기 내로 수용하는 위험에 대해서 특정의 희망하는 안전 여유분(margin)을 포함하도록 시스템 제조자에 의해서 결정된다. 전술한 문제점은, 증발기의 부하가 변경될 때, 더욱 두드러진다. 이러한 것은, 예를 들어, 공조 시스템의 동작 듀티를 하나의 온도로부터 다른 온도로 변경하는 경우가 될 수 있을 것이며, 그러한 온도 변경은 증발기로 공급되는 유체의 양이 변경된다는 것을 의미한다.

공보 EP2156112 B1 및 WO2008151639 A1은, 공기-가열형 증발기의 냉각 용량이 가능한 최대 범위까지 이용되는 방식으로 둘 이상의 증발기들 사이의 냉매 분배를 제어하는 방법을 제공한다. 이는 증발기의 공통 배출구에서 냉매의 과열을 모니터링하는 것에 의해서 이루어진다. 또한, 이는, 모든 증발기를 통한 냉매의 전체 질량 유동을 실질적으로 일정하게 유지하면서, 선택된 증발기를 통한 냉매의 질량 유동을 변경하는 것에 의해서 이루어진다. 유동은, 팽창 밸브인 단일 밸브에 의해서 제어된다. 그에 따라, 이러한 2개의 공보는 복수의 공기-가열형 증발기의 동작을 제어하기 위한 해결책을 제공하고, 그러한 방법에서 각각의 증발기는 완전한 유닛으로서 평가되고, 그리고 그러한 방법에서 각각의 유닛은 동일한 회로 내에 배열된 부가적인 증발기를 고려하여 제어된다.

복수 증발기 및/또는 복수 열 교환기를 포함하는 시스템을 개시하는 공보의 다른 예로서 US6415519 B1 및 EP0750166 A2가 있다. US6415519 B1에서, 복수의 증발기가 복수-구성요소 컴퓨터(multi-component computer) 시스템을 위해서 이용된다. EP0750166 A2에서, 복수의 실내 열-교환기가 개시되어 있다. 또한, 이러한 2개의 공보는 하나의 시스템 내의 복수의 열-교환기 및/또는 증발기의 동작을 제어하기 위한 해결책을 제공하며, 각각의 증발기/열-교환기가 완전한 유닛으로서 평가된다.

일반적으로, 부분적인 부하에서의 증발기의 그리고 특히 플레이트 열 교환기의 효율이 쟁점이 되고 있다. 단지 하나의 동작 듀티에서 측정되는 대신에, 상이한 동작 듀티들에서 증발기가 어떻게 기능을 수행하는지에 대해서 더욱 초점이 맞춰지고 있다. 예로서, 실험실 규모의 시도로부터, 주어진 브레이징된(brazed) 플레이트 열 교환기의 경우에, 부분적인 부하에서, 개선된 증발기 기능만으로도, 공조 시스템이 그 에너지 소비의 4-10%를 절감할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 증발기 시스템은 전형적으로 시간 중의 3% 동안만 전체(full) 용량으로 동작하는 한편, 대부분의 증발기는 전체 용량 동작을 위해서 설계되고 조율된다.

본 발명의 목적은 전술한 문제를 해결하는 개선된 증발기 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은, 유체 통로들 사이에서 냉각제와 같은 제1 유체의 공급의 더욱 양호한 제어 및 분배를 허용하여, 동작 조건이 어떠하든 간에 플레이트 열 교환기의 효율을 개선하기 위한 방법 및 증발기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적은 증발기의 동작의 동적인 제어를 위한 시스템에 의해서 달성되고, 시스템은 증발기, 복수의 주입기 배열체(injector arrangement), 센서 배열체 및 제어기를 포함하고, 증발기는, 유체의 증발 동안에 복수의 유체 통로를 통해서 배출구로 유체를 공급하기 위해서, 배출구, 복수의 유체 통로 및 적어도 하나의 유입구를 포함하고, 각각의 주입기 배열체는 적어도 하나의 주입기 및 적어도 하나의 밸브를 포함하고, 각각의 주입기 배열체는 증발기의 적어도 하나의 유입구를 통해서 유체 통로 중 적어도 하나로 유체의 유동을 공급하도록 배열되고, 센서 배열체는 증발된 유체의 온도 및 압력, 또는 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하도록 배열되고, 제어기는, 증발기가 설정점 과열 값을 향해서 동작하도록 하기 위해서, 센서 배열체로부터 수신된 정보를 기초로, 각각의 주입기 배열체에 의해서 증발기 내의 각각의 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 밸브가 제어하도록 주입기 배열체의 밸브와 통신하도록 배열된다.

이러한 구성을 가지는 시스템에 의해서, 각각의 유체 통로의 동작 또는 적은 양(smaller amount)의 유체 통로들의 동작이 모니터링될 수 있고, 그에 의해서, 증발기가 설정점 과열 값을 향해서 동작하도록, 증발기의 전체적인 성능에 대한 각각의 개별적인 유체 통로의 기여(contribution)가 조정될 수 있을 것이다.

이하에서, "액체 내용물"이라는 용어는 액체 상 또는 혼합된 액체/증발된 상으로 존재하는 유체로서 규정된다. 예를 들어, 액체 내용물이 액적의 형태일 수 있을 것이다.

센서 배열체가 온도 및 압력을 측정하도록 배열되는 경우에, 예를 들어, 설정점 과열 값은, 압축기로 액체가 진입하는 위험을 방지하기 위해서, 시스템의 제조자에 의해서 결정될 수 있을 것이다. 그 대신에 센서 배열체가 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하도록 배열되는 경우에, 설정점 과열 값이 "디지털" 방식으로 취급될 수 있을 것이고, 임의의 액체 내용물의 존재는, 평가되는 유체 통로로 공급되는 유체의 양이 완전한 증발을 위한 것보다 너무 많다는 것을 나타내는 표시자(indicator)이고, 또는 대안적으로, 임의의 액체 내용물의 부재는, 유체 통로로 공급되는 유체의 양이 불충분하고 증가될 수 있다는 것을 나타내는 표시자이다.

발명에 따른 시스템을 번갈아(one after the other) 각각의 유체 통로에 대해서 연속적으로 동작시키는 것에 의해서, 희망하는 동작 듀티를 고려하여, 증발기의 동작이 반복적으로 최적화될 수 있을 것이다. 이는 증발기의 크기/치수가 최적화될 수 있게 한다. 또한, 적어도, 하나의 구성요소로서 증발기를 포함하는 시스템을 동작시키는데 필요한 에너지 소모가 감소될 수 있을 것이다. 이는, 증발기의 하류에 배열되는 더욱 작은 압축기의 이용을 허용할 수 있다.

주입기 배열체 내의 각각의 주입기가 하나의 밸브와 연통하도록 배열될 수 있을 것이고, 또는 대안적으로, 주입기 배열체 내의 복수의 주입기가 하나의 밸브와 연통하도록 배열될 수 있을 것이다. 따라서, 하나의 그리고 동일한 밸브가, 제어기로부터 수신된 명령을 기초로, 각각의 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 제어할 수 있을 것이다.

각각의 주입기 배열체가 하나의 유체 통로와 연통하도록 배열될 수 있을 것이고, 또는 대안적으로, 각각의 주입기 배열체가 적어도 2개의 유체 통로와 연통하도록 배열될 수 있을 것이다. 이는, 각각의 유체 통로 또는 더욱 적은 수의 유체 통로의 동작이 제어될 수 있게 하고, 그에 의해서, 전체적인 증발기의 성능에 대한 각각의 개별적인 유체 통로의 기여가 조정되고 최적화될 수 있을 것이다.

센서 배열체는, 증발기의 배출구를 압축기의 유입구와 연결하는 튜브 시스템 내에 배열될 수 있을 것이다. 그에 의해서, 증발기의 배출구 이후에 유체 내의 임의의 잔류하는 액체 내용물의 증발에 더 기여하도록, 튜브 시스템의 고유의 온도가 이용될 수 있을 것이다.

제어기가 P 조절기, PI 조절기 또는 PID 조절기일 수 있을 것이다. 이러한 조절기 유형은 자동 제어 엔지니어링 분야에서 널리 공지되어 있다. PID 조절기를 이용하여, 시스템의 어떠한 자가-발진(self-oscillation)도 유발하지 않고, 설정점을 비교적 신속하게 찾을 수 있을 것이다. 다른 유형의 조절기가 또한 적합할 수 있을 것이다.

증발기는 플레이트 열 교환기일 수 있을 것이다. 플레이트 열 교환기는, 예를 들어, 제1 및 제2 유체 통로 및 2가지 유체의 유동을 허용하는 4개의 통공을 가지는 플레이트 열 교환기일 수 있을 것이다. 유체 통로의 수, 통공의 수 및 취급되는 유체의 수와 관련하여 상이한 구성을 가지는 플레이트 열 교환기에 대해서도 발명이 균등하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

센서 배열체는 하나 이상의 온도 센서 및 하나 이상의 압력 센서를 포함할 수 있을 것이다. 2개의 센서가 반드시 동일한 위치를 가지는 것은 아니다.

대안적으로, 센서 배열체가 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하도록 배열되는 경우에, 센서 배열체가 적어도 하나의 온도 센서일 수 있을 것이다. 온도 센서는, 측정 기간에 걸쳐서 나타나는 온도 감소 경향을 결정하기 위해서 이용될 수 있을 것이고, 또는 측정 기간에 걸쳐서 나타나는 불안정한 온도를 결정하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 온도 감소 경향 및 불안정한 온도 모두가, 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 구축(establish)하기 위한 제어기로의 입력으로서 이용될 수 있는데, 이는 액체 내용물 즉, 액체 상태 또는 혼합된 액체/증발된 상인 유체 유동이, 완전히 증발된 건성의 증발된 유체 유동보다 더 낮은 온도를 온도 센서에서 나타낼 것이기 때문이다.

다른 양태에 따라서, 발명은 증발기의 동작을 동적으로 제어하기 위한 방법에 관한 것이고, 증발기는 적어도 하나의 유입구, 복수의 유체 통로 및 배출구를 포함하고, 증발기는, 센서 배열체, 제어기 및 복수의 주입기 배열체를 더 포함하는 시스템 내에 포함되고, 각각의 주입기 배열체는 적어도 하나의 주입기 및 적어도 하나의 밸브를 포함하고, 그에 의해서 방법은:

a) 유체가 증발기의 배출구로 통과하는 동안 유체의 증발을 위해서, 제1 주입기 배열체에 의해서, 증발기의 유입구를 통해서, 미리-결정된 양의 유체를 제1 유체 통로로 공급하는 단계,

b) 센서 배열체에 의해서, 증발된 유체의 온도 및 압력 또는 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하는 단계,

c) 제어기에 의해서, 공급된 유체의 미리-결정된 양으로부터 초래된, 설정점 과열 값과 증발된 유체의 온도 및 압력의 측정된 값 사이의 차이, 또는 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 결정하는 단계,

d) 제어기에 의해서, 설정점 과열 값에 도달하는 데 필요한, 제1 주입기 배열체의 밸브에 의해서 제1 유체 통로로 공급되는 조절된 유체의 양을 결정하는 단계, 및

e) 증발기가 설정점 과열 값을 향해서 동작하기 위해서, 증발기의 동작의 연속적인 제어를 제공하기 위한 목적으로 증발기의 각각의 유체 통로 및 각각의 연속적인 주입기 배열체에 대해서 단계 a) 내지 d)를 연속적으로 반복하는 단계를 포함한다.

그러한 방법에 의해서, 각각의 유체 통로 또는 적은 수의 유체 통로의 동작이 모니터링될 수 있을 것이고, 그에 의해서, 증발기가 각각의 유체 통로를 통한 최적화된 유동으로 설정점 과열 값을 향해서 동작하도록 하기 위해서, 증발기의 전체 성능에 대한 각각의 개별적인 유체 통로의 기여가 연속적으로 조정될 수 있을 것이다. 최적화는 공급된 유체의 양의 최대화일 수 있을 것이다.

센서 배열체가 온도 및 압력을 측정하도록 배열되는 경우에, 설정점 과열 값이, 예를 들어, 시스템에서 사용되는 특정 유체에 대한 과열 온도일 수 있을 것이다.

대안적으로, 과열 값이, 미리-결정된 안전 여유분으로 조정된 바와 같이, 시스템 내에서 이용되는 특정 유체에 대한 계산된 과열 온도일 수 있을 것이다. 그 대신에 센서 배열체가 증발기 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하도록 배열되는 경우에, 설정점 과열 값이 "디지털" 방식으로 취급될 수 있을 것이고, 임의의 액체 내용물의 존재는, 평가되는 유체 통로로 공급되는 유체의 양이 완전한 증발을 위한 것보다 너무 많다는 것을 나타내는 표시자이고, 또는 대안적으로, 임의의 액체 내용물의 부재는, 유체 통로로 공급되는 유체의 양이 불충분하고 증가될 수 있다는 것을 나타내는 표시자이다.

또한, 개별적인 유체 통로 또는 유체 통로의 그룹의 동작을 연속적으로 모니터링 및 조정하는 방법에 의해서, 증발기의 동작이 희망하는 동작 듀티를 고려하여 반복적으로 최적화될 수 있을 것이다. 보다 정확하게, 각각의 연속적인 주입기 배열체에 대해서 그리고 각각의 유체 통로에 대해서 방법 단계를 반복하는 것에 의해서, 복수의 유체 통로들 사이의 전체적인 증발기 내의 임의의 불균형이 제거될 수 있을 것이다. 이는, 증발기의 크기/치수가 감소될 수 있게 하고, 이는 다시 비용 감소를 허용한다. 최소한, 하나의 구성요소로서 증발기를 포함하는 시스템을 동작시키는데 필요한 에너지 소모가 감소될 수 있을 것이다.

시스템은 단계 a)를 개시하기에 앞서서 미리 결정된 동작 듀티로 소정 시간의 기간 동안에 동작될 수 있을 것이다. 공조 시스템의 부분을 형성하는 증발기(54)의 경우에, 이는, 예를 들어, 20 ℃와 같이, 정상 업무 시간 동안의 사무실에 상응하는 동작 듀티일 수 있을 것이다. 그에 의해서, 시스템의 모든 구성요소가 최적화 프로세스의 개시에 앞서서 컨디셔닝될 수 있는 기회를 가질 것이다.

센서 배열체가 증발된 유체의 온도 및 압력을 측정하도록 배열되는 경우에, 방법은:

제어기에 의해서, 측정된 압력(Pm)을 포화 온도(Ts)로 변환하는 단계,

측정된 온도(Tm)를 포화 온도(Ts)와 비교함으로써, 온도 및 압력이 측정되었던 특정 시점에서 우세한(prevailing) 실제 과열 온도 차이(TshA)를 결정하는 단계,

설정점 과열 온도(TshT)인 설정점 과열 값과 실제 과열 온도 차이(TshA) 사이의 온도 차이(ΔΤ)를 결정하고, 온도 차이를 기초로, 제1 주입기 배열체의 밸브에 의해서 제1 유체 통로로 공급되는 유체의 양의 임의의 조정에 대한 필요성을 결정하는 단계, 및

그에 따라 제1 주입기 배열체에 의해서 제1 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 조정하도록 제1 주입기 배열체의 밸브로 지시하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다.

측정된 압력을 포화 온도로 변환하는 것은, 증발기에서 이용되는 유체에 대해서 특정된(specific) 미리-프로그래밍된 정보를 이용하는 제어기에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 그러한 정보는 특정 유체에 대한 증기압 대 온도를 플로팅한(plotting) 그래프 또는 표로부터 용이하게 이용할 수 있다.

센서 배열체가 습도 센서인 경우에, 방법은, 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 나타내는, 제어기에 의해서 수신되는 신호를 센서가 생성하는 경우, 제1 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 감소시키도록 제1 주입기 배열체의 밸브로 지시하는 단계, 또는 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 부재를 나타내는, 제어기에 의해서 수신되는 신호를 센서가 생성하는 경우, 제1 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 증가시키도록 제1 주입기 배열체의 밸브로 지시하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다.

이는, 측정 기간에 걸쳐서 나타나는 바와 같은 온도 감소의 경향을 결정하는 또는 측정 기간에 걸쳐서 나타나는 바와 같은 불안정한 온도를 결정하는 온도 센서인 습도 센서에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 온도 감소 경향 및 불안정한 온도 모두가 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 구축하기 위한 제어기로의 입력으로서 이용될 수 있는데, 이는 액체 상 또는 혼합된 액체/증발된 상 유체가 완전히 증발된 건성의 증발된 유체 유동보다 더 낮은 온도를 가질 것이기 때문이다.

센서 배열체가 적어도 2개의 습도 센서를 포함하는 경우에, 방법은, 제1 주입기 배열체의 밸브가 제1 유체 통로에 대한 유체의 공급량을 증가, 감소 또는 유지하도록 지시할지를 결정하기 위해서, 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재 또는 부재를 나타내는, 적어도 2개의 센서로부터 제어기에 의해서 수신되는 신호들을 비교하는 단계, 및 그에 따라 제1 주입기 배열체에 의해서 제1 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 조정하도록 제1 주입기 배열체의 밸브로 지시하는 단계를 더 포함한다.

다시, 이는, 측정 기간에 걸쳐서 나타나는 바와 같은 온도 감소의 경향을 결정하는 또는 측정 기간에 걸쳐서 나타나는 바와 같은 불안정한 온도를 결정하는, 온도 센서 형태의 습도 센서를 이용하는 것에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 적어도 2개의 센서로부터 제어기로 수신되는 신호들을 비교하는 것에 의해서, 제어기에 의해서, 증발기의 배출구를 압축기의 유입구와 연결하는 튜브 시스템의 증발에 대한 임의의 기여를 결정할 수 있을 것이다. 튜브 시스템은 전형적으로 고온이고, 그에 의해서 증발기의 배출구 하류의 증발된 유체 내의 임의의 잔류 액체 내용물과의 임의의 접촉은, 그러한 액체 내용물이 튜브 시스템 하류의 압축기로 진행하는 동안에 튜브 시스템과 접촉할 때, 증발을 유도할 수 있을 것이다.

방법은, 단계 e)로 계속되기에 앞서서, 유체의 결정된 조정량을 제1 주입기 배열체의 밸브로 전달하고 조정된 유체의 양을 공급하도록 밸브를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다.

그에 따라, 이러한 실시예에 따라서, 제1 유체 통로의 동작이 평가되고, 후속 유체 통로의 동작을 계속하여 평가 및 조정하기에 앞서서, 그 유체 공급이 조정된다.

대안적으로, 방법은 결정된 유체의 조정량을 각각의 주입기 배열체의 밸브로 전달하고 증발기의 모든 유체 통로로 조정된 유체의 양을 공급하도록 밸브를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 이러한 실시예에 따라서, 각각의 유체 통로의 동작은, 모든 밸브 및 그 밸브의 유체의 공급이 조정되기 전에, 평가된다.

증발기의 동작이 설정점 과열 값을 충족시키는 동작 듀티로 동작할 때, 방법은, 증발기가 조정된 설정점 과열 값을 향해서 동작하기 위해서, 증발기의 동작의 연속적인 제어를 다시 한번 제공하기 위한 목적으로 방법 단계를 반복하기에 앞서서 설정점 과열 값을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다. 이러한 실시예에 따라서, 증발기 및 그 증발기의 개별적인 제1 유체 통로의 동작을 연속적으로 개선(refine)할 수 있게 된다.

이제, 예를 들어 첨부된 개략적인 도면을 참조하여, 발명의 실시예를 설명할 것이다.
도 1은 기계적인 증기 압축 시스템인 종래 기술의 냉각 회로를 개략적으로 도시한다.
도 2는 전형적인 플레이트 열 교환기의 개략적인 측면도이다.
도 3은 도 1의 플레이트 열 교환기의 개략적인 정면도를 도시한다.
도 4는 종래 기술의 플레이트 열 교환기의 엣지를 따른 개략적인 횡단면을 도시한다.
도 5는 발명에 따른 시스템과 관련된 냉각 회로를 도시한다.
도 6은 발명에 따른 시스템을 적용하는 플레이트 열 교환기의 엣지를 따른 개략적인 횡단면을 도시한다.
도 7은 온도 및 압력을 측정하기 위한 센서를 이용하는 발명에 따른 방법의 단계를 도시한다.
도 8은 임의의 액체 내용물을 검출하기 위한 센서를 이용하는 발명에 따른 방법의 단계를 도시한다.

열 교환기(1)는 냉각 회로 내에서 증발기로서 전형적으로 포함될 수 있을 것이다. 도 1을 참조하면, 기계적 증기 압축 시스템인, 종래 기술의 냉각 시스템은 압축기(51), 응축기(52), 팽창 밸브(53) 및 증발기(54)를 전형적으로 포함한다. 회로는 증발기의 배출구와 압축기의 유입구 사이에 배치된 압력 센서(55) 및 온도 센서(56)를 더 포함할 수 있을 것이다. 그러한 시스템의 냉각 순환회로(circle)는, 냉각제가 저압 및 저온의 증발된 형태로 압축기(51)로 진입할 때 시작된다. 냉각제는 응축기(52)로 진입하기 전에 압축기(51)에 의해서 고압 및 고온의 증발된 상태로 압축된다. 응축기(52)는 물 또는 공기와 같은 저온 매개물로 열을 전달하는 것에 의해서 고압 및 고온 가스를 고온의 액체로 응결시킨다. 이어서, 고온 액체가 팽창 밸브(53)로 진입하고, 그러한 팽창 밸브는 냉각제가 증발기(54)로 진입하게 한다. 팽창 밸브(53)는 고압 측부(side)로부터 저압 측부로 냉각제를 팽창시키는, 그리고 유동을 미세 조율하는 기능을 가진다. 높은 온도를 낮추기 위해서, 증발기 내로의 유동이 저압을 유지하도록 그리고 증발된 형태로 역으로 팽창되게 허용하도록 제한되어야 한다. 팽창 밸브(53)는 압력 센서(55) 및 온도 센서(56)로부터 수신된 신호를 기초로 제어기(57)에 의해서 동작될 수 있을 것이다. 증발기(54)를 빠져나간 후에 유체 내에 잔류하는 임의의 액체 내용물을 나타내는 소위 과열 온도를 기초로, 증발기(54)의 전체적인 동작을 나타내기 위해서 정보를 이용할 수 있을 것이다.

이제 도 2 내지 4를 참조하면, 플레이트 열 교환기(1) 형태의 전형적인 증발기가 개시된다. 열 교환기(1)가 플레이트 열 교환기, 파이프 및 쉘(shell) 열 교환기, 나선형 열 교환기 등과 같은 임의의 유형일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 발명이 플레이트 열 교환기(1)에 적용되는 것으로서 이하에서 설명될 것이나, 발명은 그러한 것으로 제한되지 않는다.

플레이트 열 교환기(1)는, 나란히 제공된 많은 수의 열 교환기 플레이트(A, B)에 의해서 형성된 플레이트 패키지(P)를 포함한다. 개시된 실시예에서, 열 교환기 플레이트는 2개의 상이한 플레이트를 포함하고, 이하에서 그러한 플레이트를 제1 및 제2 열 교환기 플레이트(A 및 B)라 한다. 열 교환기 플레이트(A, B)는, 제1 유체 통로(3)가 인접한 제1 열 교환기 플레이트(A) 및 제2 열 교환기 플레이트(B)의 각각의 쌍 사이에 형성되고, 제2 유체 통로(4)가 인접한 제2 열 교환기 플레이트(B)와 제1 열 교환기 플레이트(A)의 각각의 쌍 사이에 형성되는 방식으로 나란히 제공된다. 플레이트 패키지(P)는 플레이트 패키지(P)의 각각의 측부 상에 제공된 상부 단부 플레이트(6) 및 하부 단부 플레이트(7)를 더 포함한다.

특히 도 3 및 4로부터 확인되는 바와 같이, 실질적으로 각각의 열 교환기 플레이트(A, B)가 4개의 통공(8)을 가진다. 제1 통공(8)은, 실질적으로 전체 플레이트 패키지(P) 즉, 모든 플레이트(A, B) 및 상부 단부 플레이트(6)를 통해서 연장하는 제1 유체 통로(3)까지 제1 유입구 채널(9)을 형성한다. 제2 통공(8)은, 또한 실질적으로 전체 플레이트 패키지(P) 즉, 모든 플레이트(A, B) 및 상부 단부 플레이트(6)를 통해서 또한 연장하는 제1 유체 통로(3)로부터 제1 배출구 채널(10)을 형성한다. 제 3 통공(8)은 제2 유체 통로(4)까지 제2 유입구 채널(11)을 형성하고, 제4 통공(8)은 제2 유체 통로(4)로부터 제2 배출구 채널(12)을 형성한다. 또한, 이러한 2개의 채널(11 및 12)은 실질적으로 전체 플레이트 패키지(P) 즉, 모든 플레이트(A, B) 및 상부 단부 플레이트(6)를 통해서 연장한다.

이제 도 5를 참조하면, 발명에 따른 시스템의 제1 실시예가 설명될 것이다. 시스템은 플레이트 열 교환기 형태의 증발기(54)를 포함한다. 증발기(54)의 배출구(13)가 튜브 시스템(15)을 통해서 압축기(51)의 유입구(14)로 연결된다. 또한, 압축기(51)의 배출구(16)가 다른 튜브 시스템(17)을 통해서 응축기(52)의 유입구(18)에 연결된다. 또한, 응축기(52)의 배출구(19)는 복수의 주입기 배열체(25a, 25b)에 연결되고, 각각의 주입기 배열체(25a, 25b)는 밸브(22a, 22b) 및 주입기(23a, 23b)를 포함하고, 주입기 배열체(25a, 25b)는 증발기(54)의 각각의 제1 유체 통로(3a, 3b)의 유입구에 연결된다. 그에 따라, 폐쇄된 순환 시스템이 제공된다.

도 6을 참조하면, 배출구(13)를 통해서 증발기(54)를 빠져나가기 전에 제1 유체를 증발시키기 위해서, 제1 유체의 유동을 유입구(26a, 26b)를 통해서 제1 통로(3a, 3b) 내로 공급하도록 복수의 주입기 배열체(25a, 25b)가 배열된다. 각각의 유입구 배열체(25a; 25b)는 하나의 주입기(23a; 23b) 및 하나의 밸브(22a; 22b)를 포함한다. 바람직하게, 밸브(22a, 22b)가 증발기(54)의 외부에 바람직하게 위치되는 반면, 노즐(27a, 27b)이 존재하는 경우에, 노즐을 가지는 주입기(23a; 23b)가 유입구(26a; 26b)를 통해서 증발기(54) 내부로 연장하도록 배치된다.

유입구(26a; 26b)는 플레이트 패키지(P)의 외부로부터 플레이트 패키지의 내부까지 그리고 보다 정확하게 개별적인 제1 유체 통로(3a; 3b) 내로 연장하는 관통 홀 형태이다. 관통 홀이 소성적 재성형에 의해서, 컷팅에 의해서 또는 드릴가공에 의해서 형성될 수 있을 것이다. 소성적 재성형(plastic reshaping)이라는 용어는 열적 드릴가공(thermal drilling)과 같은 비-컷팅 소성적 재성형을 지칭한다. 컷팅 또는 드릴가공이 컷팅 공구에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 또한, 그것이 레이저 또는 플라즈마 컷팅에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 발명에 따른 시스템에서 이용될 수 있는 증발기의 유입구 지역의 횡단면이 도 6에 도시되어 있다. 도 4의 실시예의 유입구 채널(9)은 유입구(26a, 26b)를 통해서 주입기 배열체(25a; 25b)를 수용하는 각각의 제1 유체 통로(3)에 의해서 대체되었다.

각각의 유입구 배열체(25a; 25b)가 복수의 주입기(23a; 23b)를 포함할 수 있고, 복수의 주입기가 하나의 밸브와 연통하는 것을 이해할 수 있을 것이다.

가장 단순한 형태에서, 노즐(27a; 27b)이 생략될 수 있을 것이고, 그에 의해서 각각의 주입기(23a; 23b)가 제1 유체의 분배를 위한 관통 홀(미도시) 또는 파이프(미도시)에 의해서 형성될 수 있을 것이다. 대안적으로, 적어도 하나의 주입기(23a, 23b)가 밸브의 오리피스에 의해서 형성될 수 있을 것이다. 따라서, 밸브의 오리피스가 스프레이 패턴을 제공하는 노즐로서 작용한다.

주입기(23a; 23b)의 수가 제1 유체 통로(3)의 수보다 적다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그에 의해서, 각각의 주입기(23a; 23b)가 제1 유체 통로(3) 중 하나 초과의 유체 통로로 제1 유체의 유동을 공급하도록 배열될 수 있을 것이다. 이는, 둘 이상의 유체 통로에 걸쳐서 연장하는 직경을 가지는 관통 홀 내에 배열된 각각의 주입기에 의해서 이루어질 수 있을 것이며, 그에 의해서 하나의 그리고 동일한 주입기가 하나 초과의 유체 통로로 유체를 공급할 수 있을 것이다.

발명에 따른 시스템은 센서 배열체(28)를 더 포함한다. 개시된 실시예에서, 센서 배열체(28)는 하나의 압력 센서(29) 및 하나의 온도 센서(30)를 포함한다. 센서 배열체(28)는 증발기(54)의 배출구(13)를 압축기(51)의 유입구(14)와 연결하는 튜브 시스템(15) 내에 그리고 보다 정확하게 증발기의 배출구(13) 내에 또는 그 이후에 그러나 압축기(51)의 유입구(14) 이전에 배열될 수 있을 것이다. 2개의 센서(29, 30)는 시스템 내에서 반드시 동일한 위치를 가질 필요가 없다. 센서 배열체 또는 그 일부를 증발기(54)의 배출구 채널(미도시) 내에 배열할 수 있을 것이다.

바람직하게, 압력 센서(29)는, 증발기(54)를 압축기(51)와 연결하는 튜브 시스템(15)의 다소 직선적인 섹션 내에서 증발기(54)의 배출구(13) 이후에 배열된다. 튜브 시스템(15)의 구성에 따라서, 경험칙으로서, 압력 센서(29)가 튜브의 내경의 적어도 10배에 상응하는 튜브 벤드(bend) 이후의 거리에 그리고 튜브의 내경의 5배 초과에 상응하는 튜브 벤드 이전의 거리에 배열되는 것이 바람직할 수 있을 것이다.

압력 센서(29)는, 이하에서 측정 압력(Pm)으로서 식별되는 증발된 제1 유체의 압력을 측정하도록 배열된다.

압력 센서(29)는 예를 들어 0-25 바아 범위를 가지는 4-20 mA 압력 센서일 수 있을 것이다.

바람직하게, 온도 센서(30)는 튜브 벤드 이후에 튜브 시스템(15) 내에 배열된다. 온도 센서(30)가 증발기(54)의 배출구(13) 보다 압축기(51)의 유입구(14)에 더 근접하여 배열되는 것이 바람직하다. 온도 센서(30)를 튜브 벤드 이후에 배치하는 것에 의해서, 증발된 유체 내의 임의의 잔류 액체 내용물이 튜브 벤드의 벽과 만나고 그에 의해서 그 유동 방향이 변화되도록 강제되는 동안에 더 쉽게 증발될 수 있을 것이다. 또한, 주위의 과열된 유체 유동으로부터 열을 흡수하는 잔류 액체 내용물에 의해서 이루어지는 증발이 존재한다.

온도 센서(30)는 이하에서 측정 온도(Tm)로서 식별되는 온도를 측정하는 표준형 온도 센서일 수 있을 것이다.

시스템은 센서 배열체(28) 및 주입기 배열체(25a; 25b)의 개별적인 밸브(22a; 22b)와 통신하도록 배열된 제어기(57)를 더 포함할 수 있을 것이다. 제어기(57)는, 예를 들어, PID 조절기일 수 있을 것이다.

압력 및 온도와 관련된 측정된 값(Pm 및 Tm)은, 소위 과열 온도를 기초로 시스템을 조절하도록 배열된 제어기(57)로 전달된다.

당업계에서 잘 알려진 물리적 파라미터인 과열 온도는 우세 압력에서 현재의 온도와 포화 온도 즉, 어떠한 액체 내용물도 유체 내에 잔류하지 않는 온도 사이의 온도 차이로서 규정된다. 과열 온도 차이는 주어진 유체에 대해서 그리고 주어진 온도 및 압력에 대해서 특유적이고(unique), 과열 온도는 그래프 또는 표로부터 찾아볼 수 있을 것이다.

일반적으로, 측정된 온도(Tm)가 포화 온도에 근접할수록, 시스템이 보다 효율적이 된다. 즉, 증발기로 공급되는 유체의 양이 완전히 증발되고 불필요하게 과열되지 않는다.

그러나, 측정된 온도(Tm)가 포화 온도에 근접할수록, 비-증발 유체로 시스템이 범람하게 되고, 다시 말해서 증발기가 공급된 유체량을 증발시킬 수 없게 된다. 단지 설명을 목적으로, 임의의 액체 내용물도 없는 완전한 증발이 존재하거나, 증발기 하류의 증발된 유동 내에 포함되는 액체 내용물을 가지는 불완전한 증발이 존재하거나 간에 - 과열 온도가 디지털인 것으로 간주될 수 있을 것이다.

증발기의 동작을 최적화하기 위해서, 가능한 한 낮은 과열 온도 차이를 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 압축기가 액체 내용물에 대해서 민감하고 그에 의해서 손상될 수 있기 때문에, 증발 시스템을 설계할 때 어느 정도의 안전 여유분을 이용하는 것이 일반적이다. 전형적으로, 종래 기술 증발기에 대한 통상적인 안전 여유분은 5 °K이고, 다시 말해서 과열 온도 차이가 5 °K이다. 그러나, 다른 안전 여유분의 값이 선택될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 가장 단순한 형태에서, 안전 여유분은 증발기의 의도된 이용에 의해서 결정되는 상수로서 간주될 수 있을 것이다. 그러나, 가능한 한 포화 온도에 근접하여 증발기를 동작시키는 것이 경제적인 이익을 가지기 때문에, 가능한 한 적은 안전 여유분을 이용하는 것이 바람직하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 발명에 따른 시스템의 동작 중에, 이러한 상수는 설정점 과열 온도(TshT) 즉, 목표 값으로서 이용될 것이고, 그러한 목표 값을 향해서 증발기(54)의 동작이 동적으로 제어될 것이다. 이는 증발기(54)의 전체적인 성능에 대한 각각의 제1 유체 통로(3a, 3b)로부터의 기여를 최적화하는 것에 의해서 이루어질 것이다. 보다 정확하게, 이하의 발명에 따른 개념은, 유체 통로(3a, 3b)마다 하나의 밸브(22a, 22b) 및 하나의 주입기(23a, 23b)를 이용하는 것에 의해서, 각각의 유체 통로(3a, 3b)로 공급되는 유체의 양을 제어하고, 그에 의해서 각각의 유체 통로의 증발을 최적화하고 또한 각각의 유체 통로로 공급되는 유체량을 최대화하기 위한 것이다. 이러한 것은 이하에서 설명된 바와 같은 방식으로 개별적으로 각각의 유체 통로(3a, 3b)를 동작시키는 것 및 평가하는 것에 의해서 이루어질 수 있을 것이다.

이하에서, 동작 조건 즉 과열을 구축하거나 구축하지 않는 것에 대한 일반적인 원리가 도 7을 참조하여 설명될 것이다. 이해를 돕기 위해서, 이하의 예는 하나의 제1 유체 통로(3a) 만을 가지는 증발기(54)를 포함하는 시스템을 기초로 할 것이며, 그러한 하나의 제1 유체 통로로는 하나의 주입기(23a) 및 하나의 밸브(22a)를 포함하는 주입기 배열체(25a)를 통해서 제1 유체가 공급된다. 또한, 그러한 예는, 시스템이 미리 결정된 동작 듀티로 소정 시간 동안 동작되었다는 가정을 기초로 한다. 공조 시스템의 부분을 형성하는 증발기(54)의 경우에, 이는, 예를 들어, 20 ℃와 같이 통상적인 작업 시간 중의 사무실에 상응하는 동작 듀티가 될 수 있을 것이다.

제1 유체 통로로 제1 유체의 공지된 유동량이 공급된다(100). 이러한 공지된 유동량은 제1 유체 통로를 떠나기 전에 또는 그 직후에 완전히 증발되는 양에 상응하는 것으로 추정되고, 다시 말해서 결정된 설정점 과열 온도(TshT)를 충족시키는데 필요한 것에 상응하는 것으로 추정된다.

증발기의 배출구 하류의 센서 배열체는 우세한 온도(Tm) 및 압력(Pm)을 측정한다(200). 이러한 값은 제어기(57)에 의해서 수신된다.

제어기(57)는 측정된 압력(Pm)을 포화 온도(Ts)로 변환한다(300). 포화 온도(Ts)는 미리 결정된 냉각제에 대해서, 즉 시스템에서 사용되는 제1 유체에 대해서 특정된다. 예로서, 사용되는 제1 유체가 R410A로서 공지된 냉각제라면, R410A에 대해서 특정적인 이하의 식을 이용하는 것에 의해서 포화 온도(Ts)가 계산될 수 있을 것이다.

Ts=0.0058Pm3 - 0.3141 Pm2 + 7.8908Pm - 46.0049

위에서 주어진 식은 다이어그램의 곡선을 반영하고, 그러한 다이어그램에서는 포화 온도가 압력에 대해서 플로팅되어 있다. 포화 압력이, 예를 들어, 상이한 내삽(interpolation) 방법, 상이한 정확도 레벨 등에 따라서, 수많은 방식으로 계산될 수 있을 것이다. 또한, 곡선의 제한된 섹션만이 평가될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 포화 온도(Ts)를 계산하는 대신에, 제어기가 상응하는 값을 포함하는 표를 이용하는 것에 의해서 상응하는 값을 획득하도록 셋팅될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

제어기(57)는, 이하의 식을 이용하여, 측정된 온도(Tm)를 계산된 포화 온도(Ts)와 비교하는 것에 의해서, 측정이 이루어진 특정 시점에서 우세한 실제 과열 온도 차이(TshA)를 구축한다(400):

TshA = Tm - Ts

그에 따라, 제어기(57)는 이제 우세한 실제 과열 차이(TshA)를 구축하였고, 제어기는 설정점 과열 온도(TshT)를 알게 된다. 다음 단계는 이하의 식을 이용하여 설정점 과열 온도(TshT)와 실제 과열 온도 차이(TshA) 사이의 온도 차이(ΔΤ)를 결정하기 위한 것이다(500):

ΔT=TshT - TshA

온도 차이(ΔΤ)의 값을 기초로, 유체 통로(3a)의 우세한 성능이 평가된다(600). 만약 ΔΤ가 음의 값이라면, 유체 통로가 불충분한 유체량으로 공급되는 것이고, 그에 의해서 제어기는 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 증가시키도록 밸브로 지시할 수 있을 것이다. 만약 다른 한편으로 ΔΤ가 양의 값이라면, 유체 통로로 너무 많은 유체가 공급되는 것이고, 그에 의해서 제어기는 유체 통로로 공급되는 유체의 양을 감소시키도록 밸브로 지시할 수 있을 것이다. 만약 ΔΤ = 0이라면, 유체 통로의 성능이 최적화된 것이고 그리고 공급되는 유동량의 변화는 필요하지 않다.

ΔΤ와 공급되는 제1 유체의 필요량 사이의 상호관계가 없다는 것을 알 수 있을 것이다. 영향을 미치는 파라미터의 비제한적인 예로서, 유체 통로(3a)의 설계, 유체 통로(3a)의 크기 및 유체 통로(3a) 내부의 치수적 변동이 있다. 일반적인 경험칙으로서, 큰 ΔΤ는 큰 조정 가능성을 나타내는 반면, 작은 ΔΤ는 작은 조정 가능성을 나타낸다. 제어기는, 예를 들어, 온도 차이의 절대 값에 의존하여, 상이한 백분률 교정(percental correction)을 이용하도록 프로그래밍될 수 있을 것이다.

결정된 조정을 기초로, 그에 따라 유동을 조정하도록 밸브(22a)가 동작된다(700).

상기 프로세스는 하나의 유체 통로(3a) 만을 포함하는 증발기(54)를 기초로 설명되었다. 그러나, 통상적으로 복수의 제1 유체 통로(3a, 3b)를 포함하는 증발기(54)의 경우에, 각각의 연속되는 유체 통로(3b) 및 그 관련 주입기 배열체(25b)를 동일한 공정에 노출시키는 것에 의해서 전술한 사이클이 반복되고(800), 그에 의해서 전체적으로 증발기(54)의 성능을 점진적으로 단계적으로 최적화하고 전체적으로 증발기에 의해서 취급되는 유체량을 최대화한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

하나의 유체 통로(3a)를 평가하였지만, 평가된 유체 통로의 성능을 평가할 수 있도록, 나머지 유체 통로(3b) 및 그와 관련된 주입기 배열체(25b)가 공지된 방식으로 동작될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 전체(complete) 증발기(54)를 완료한 후에, 프로세스가 제1 유체 통로(3a)로 다시 전부 시작될 수 있을 것이다.

그와 같은 증발 시스템이 다소 느린 시스템인데, 이는 구성요소 즉, 증발기(54), 압축기(51), 응축기(52) 및 냉각되는 주변의 물/액체/공기 각각이 그들 자체적으로 시스템의 전체적인 성능에 영향을 미친다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그에 따라, 실제로 효과를 획득하기 위한 유동량의 임의의 변화를 위해서, 신속한 변화가 반드시 이루어져야 하는 것은 아니다.

위에서 주어진 예에서, 후속하는 유체 통로(3b) 평가로 계속되기 전에, 평가되는 제1 유체 통로(3a)로 공급되는 유동이 평가된다. 하나의 대안적인 실시예에서, 제어기(57)는 그 메모리 내에 각각의 평가된 유동 통로(3a, 3b)에 대한 필요 유동 조정의 결정된 값을 저장하도록 배열된다. 모든 유동 통로(3a, 3b)가 동일한 방식으로 평가되면, 제어기(57)는 각각의 개별적인 밸브(22a, 22b)가 필요한 유동 조정을 하도록 지시할 수 있을 것이다. 그에 따라, 모든 유동 조정이 동시에 이루어질 수 있을 것이다.

압력 센서(29) 및 온도 센서(30)를 포함하는 센서 배열체(28)에 대한 대안으로서, 센서 배열체(28)가 임의의 액체 내용물의 존재를 검출하도록 배열된 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있을 것이다. 액체 내용물이 액체 형태 또는 혼합된 액체/증발된 상일 수 있을 것이다. 적절한 센서의 하나의 예로서 온도 센서(30)가 있다.

임의의 액체 내용물의 존재는 증발이 불충분하다는 것 그리고 제1 유체의 유동이 감소되어야 한다는 것을 증명한다. 전술한 바와 같이, 과열 온도에 근접할수록, 증발되지 않은 유체로 시스템이 범람하기 쉽다. 과열 온도가 디지털인 것으로 간주될 수 있기 때문에, 건성 가스만을 가지는 완전한 증발이 존재하거나, 증발기 하류의 유체 내에서 액체 내용물을 가지는 불완전한 증발이 존재한다.

센서 배열체(28)가 증발된 유체 내의 임의의 액체 내용물의 존재를 검출하기 위한 센서를 포함하는 경우에, 그러한 센서/센서들은 바람직하게 증발기의 배출구를 압축기의 유입구와 연결하는 튜브 시스템 내에 배열되어야 한다. 따라서, 그러한 위치는 도 5와 관련하여 전술한 시스템에서의 위치와 동일할 수 있을 것이다. 유일한 차이는, 압력 센서(29)가 생략될 수 있다는 것이다. 임의의 액체 내용물의 존재를 검출하도록 구성된 센서/센서들의 경우에, 예를 들어 온도 센서(30)가 증발기(54)의 배출구(13) 보다 압축기(51)의 유입구(14)에 더 근접한 위치에 배열되는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 일부의 잔류 액체 내용물이 튜브 시스템(15)의 내측 벽과의 접촉 중에 또는 고온의 주변의 증발된 유체 유동과 접촉하게 되는 동안 증발되도록 하기 위해서, 그러한 온도 센서(30)가 적어도 하나의 튜브 벤드 이후에 튜브 시스템(15) 내에 배치되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 만약 증발기(54)의 배출구(13) 직후에 측정한다면, 적은 양의 액체 내용물이 검출될 수 있을 것인 반면, 더 하류에서 측정한다면, 그러한 액체 내용물이 튜브 시스템을 따라서 증발될 수 있을 것이고, 그에 의해서 압축기에 도달하는 증발된 유동이 건성이 된다. 그에 따라, 임의의 액체 내용물의 존재의 검출을 기초로 하는 센서 배열체(28)가 튜브 시스템을 따라서 상이한 위치들에 배열된 적어도 2개의 센서(30a, 30b)를 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서, 임의의 액체 내용물의 검출을 기초로 하는 센서 배열체를 이용하여 동작 조건 즉, 시스템을 위한 과열을 구축하기 위한 일반적인 원리를 도 8을 참조하여 설명할 것이다. 그와 같은 증발 시스템은 도 6을 참조하여 전술한 바와 대체적으로 동일한 설계를 가지고, 그에 따라 그러한 설계를 참조한다.

이해를 돕기 위해서, 이하의 예는, 하나의 주입기(23a) 및 하나의 밸브(22a)를 포함하는 주입기 배열체(25a)를 통해서 제1 유체가 공급되는 하나의 유체 통로(3a) 만을 가지는 증발기(54)를 포함하는 시스템을 기초로 하여 설명될 것이다. 또한, 그러한 예는, 시스템이 미리 결정된 동작 듀티에서 소정 시간 동안 동작되었다는 가정을 기초로 한다.

제1 유체 통로(3a)로 제1 유체의 공지된 유동량이 공급된다(1000). 이러한 공지된 유동량은 제1 유체 통로(3a)를 떠나기 전에 또는 그 직후에 완전히 증발되는 양에 상응하는 것으로 추정되고, 다시 말해서 결정된 설정점 과열 온도(TshT)를 충족시키는데 필요한 것에 상응하는 것으로 추정된다.

증발기의 배출구 하류의 센서 배열체(28)는 임의의 액체 내용물의 존재를 측정한다(1100). 센서 배열체(28)에 의해서 생성된 신호가 제어기(57)에 의해서 수신된다(1200). 제어기가 PID 조절기일 수 있을 것이다.

제어기는 수신된 신호를 평가한다(1300). 가장 단순한 형태에서, 신호가 디지털 신호: 1 - 액체 내용물이 검출되지 않음 -; 0 - 액체 내용물이 검출됨 - 일 수 있을 것이다. 보다 정확하게, 1의 값을 가지는 신호는, 증발된 유체가 과열 온도(Tsh)에 상응하거나 그 이상인 측정된 온도(Tm)를 가진다는 것을 나타낸다. 유사하게, 0의 값을 가지는 신호는, 증발된 유체가 과열 온도 이하의 온도를 가진다는 것을 나타낸다.

센서 배열체(28)가 튜브 시스템(15)의 길이방향 연장부를 따라서 상이한 위치들에 배열되는 2개의 온도 센서(30a, 30b)를 포함하는 경우에, 2개의 센서(30a, 30b)가 상이한 값을 나타낼 수 있을 것이다. 만약 온도 센서(30a, 30b) 모두가 0을 나타낸다면, 이는 가스가 액체 내용물을 가진다는 것을 의미하고, 증발이 불충분하다는 것을 의미한다. 시스템이 범람되기 때문에, 증발된 유체 통로(3a)로 공급되는 제1 유체의 양이 제한되어야 한다.

만약 증발기에 가장 근접한 온도 센서(30a)가 0을 나타내고 그 하류의 제2 센서(30b)가 1을 나타낸다면, 이는 평가되는 유체 통로(3a)가 잘 동작한다는 것을 의미하는데, 이는 모든 공급 유체가 완전히 증발되기 때문이다. 또한, 이는, 만약 임의의 유동 조정이 이루어져야 한다면, 범람을 피하기 위해서 공급되는 유체가 증가되기보다 감소되어야 한다는 것을 나타내는 양호한 표시가 된다.

만약 센서(30a, 30b) 모두가 1을 나타낸다면, 이는 평가되는 유체 통로(3a)로 공급되는 모든 유체가 증발된다는 것을 의미한다. 이는, 평가되는 유체 통로(3a)가 최적으로 동작하지 않는다는 것 그리고 평가되는 유체 통로로 공급되는 제1 유체의 양을 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다.

비록 하나의 온도 센서(30) 또는 2개의 온도 센서(30a, 30b)를 앞서서 설명하였지만, 동일한 원리로 작업하는 둘 초과의 온도 센서가 배열될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

제어기(57)는 또한, 임의의 액체 내용물의 존재 또는 부재를 나타내는 신호를 수신할 때, 성능 최적화를 위해서, 개별적인 주입기 배열체(25a) 내의 밸브(22a)에 의해서 평가된 유체 통로(3a)로 제공되는 제1 유체의 유동의 적절한 조정을 결정하도록 배열될 수 있을 것이다(1400). 이러한 결정된 조정을 기초로, 그에 따라 유동을 조정하도록 밸브(22a)가 동작될 수 있을 것이다(1500).

제어기(57)는 과열 온도에 대한 결정된 근접 가능성에 의존하여 상이한 조정 범위를 이용할 수 있을 것이다.

상기 프로세스는 하나의 유체 통로(3a) 만을 포함하는 증발기(54)를 기초로 설명하였다. 그러나, 복수의 제1 유체 통로(3a)를 통상적으로 포함하는 증발기(54)의 경우에, 각각의 연속되는 유체 통로(3b; 3c) 및 그 관련 주입기 배열체(25b, 25c)를 동일한 공정에 노출시키는 것에 의해서 전술한 사이클이 반복되고(1600), 그에 의해서 전체적으로 증발기의 성능을 점진적으로 단계적으로 최적화한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

하나의 유체 통로(3a)를 평가하였지만, 평가되는 유체 통로(3a)의 성능을 평가할 수 있도록, 나머지 유체 통로(3b, 3c) 및 그와 관련된 주입기 배열체(25b, 25c)가 공지된 방식으로 동작되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 전체 증발기(54)를 완료한 후에, 프로세스가 제1 유체 통로로 다시 전부 시작될 수 있을 것이다.

앞서서 주어진 예에서, 후속하는 유체 통로(3b)를 평가하는 것으로 계속되기에 앞서서, 평가된 제1 통로(3a)로 공급되는 유동이 조정된다. 하나의 대안적인 실시예에서, 제어기는 그 메모리 내에 각각의 평가된 유동 통로(3a, 3b)에 대한 필요 유동 조정의 결정된 값을 저장하도록 배열된다. 모든 유동 통로(3a, 3b)가 동일한 방식으로 평가되면, 제어기(57)는 각각의 개별적인 밸브(22a, 22b)가 필요한 유동 조정을 하도록 지시할 수 있을 것이다. 그에 따라, 모든 유동 조정이 동시에 이루어질 수 있을 것이다.

따라서, 발명에 의해서, 각각의 제1 유체 통로(3a, 3b)가, 플레이트 패키지(P) 내의 위치 또는 제1 유체 통로(3a)를 한정하는 2개의 열 교환기 플레이트들(A, B) 사이의 치수 차이와 같은 고유의 조건을 기초로, 최적화된 방식으로 동작될 수 있을 것이다. 이는, 증발기(54)의 동작이 전체적으로 최적화될 수 있게 한다. 그에 따라, 증발기가 일부를 형성하는 전체 시스템의 더욱 양호한 이용 정도를 허용한다.

제어기(57)는 유동 조정을 결정할 때 이용하기 위해서 모든 수신된 측정 데이터를 메모리 내에 저장할 수 있을 것이다. 또한, 제어기(57)는, 필요한 유동 조정을 결정할 때, 그러한 저장된 정보로부터 이력(history)을 이용하도록 배열될 수 있을 것이다.

주입기 배열체가 어떻게 배열되든 간에, 증발기를 통해서 유동 방향과 평행한 방향으로 유동이 본질적으로 지향되는 것이 바람직하다. 그에 의해서, 유체 유동의 임의의 과도한 재-지향(re-direction)을 회피할 수 있을 것이다. 증발기가 플레이트 열 교환기인 경우에, 이는 제1 및 제2 열 교환기 플레이트의 대체적인 평면과 평행하다는 것을 의미한다.

플레이트 열 교환기인 증발기에 적용되는 것으로서 발명을 설명하였다. 그러나, 증발기가 어떠한 형태이든지 간에 발명이 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

주입기 배열체의 주입기가 플레이트 패키지의 외부로부터 개별적인 유체 통로 내로 연장하는 관통 홀 내에 배열되는 것으로 설명하였다. 이는 단지 하나의 가능한 실시예라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 주입기 배열체의 주입기가, 증발기의 설계에 따라서, 임의의 유입구 포트 등의 내부로 연장할 수 있을 것이다. 이는, 예를 들어, 유입구 채널을 따른 삽입체에 의해서 이루어질 수 있을 것이다.

제1 및 제 2 플레이트 간격 및 2개의 유체의 유동을 허용하는 4개의 통공을 가지는 플레이트 열 교환기를 기초로 발명을 대체적으로 설명하였다. 또한, 플레이트 간격의 수, 통공의 수 및 취급되는 유체의 수와 관련하여 상이한 구성을 가지는 플레이트 열 교환기에 대해서도 발명이 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

제어기가, 냉각 회로의 제어와 같은, 다른 목적을 위해서도 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

발명은 개시된 실시예로 제한되지 않고, 부분적으로 앞서서 설명된, 이하의 청구항의 범위 내에서 변경되고 수정될 수 있을 것이다.

Claims

증발기(54), 복수의 주입기 배열체(25a, 25b), 센서 배열체(28) 및 제어기(57)를 포함하는, 증발기의 동작의 동적 제어를 위한 시스템으로서,
증발기(54)는, 나란히 제공된 복수의 제1 및 제2 열 교환기 플레이트(A, B)에 의해서 형성된 플레이트 패키지(P)를 포함하는 플레이트 열 교환기(1)이고,
증발기(54)는, 유체의 증발 동안 복수의 유체 통로(3)를 통해 배출구(13)에 유체를 공급하기 위해서, 배출구(13), 복수의 유체 통로(3) 및 적어도 하나의 유입구(26a, 26b)를 포함하고, 복수의 유체 통로(3)는 인접한 제1 열 교환기 플레이트(A) 및 제2 열 교환기 플레이트(B)의 각각의 쌍 사이에 형성되고,
각각의 주입기 배열체(25a, 25b)는 적어도 하나의 주입기(23a, 23b) 및 적어도 하나의 밸브(22a, 22b)를 포함하고, 각각의 주입기 배열체(25a, 25b)는 증발기(54)의 적어도 하나의 유입구(26a, 26b)를 통해 유체 통로(3) 중 적어도 하나에 유체의 유동을 공급하도록 배열되고,
센서 배열체(28)는 증발된 유체의 온도(Tm) 및 압력(Pm), 또는 증발된 유체 내 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하도록 배열되고,
제어기(57)는, 증발기(54)가 설정점 과열 값(TshT)을 향해서 동작하도록 하기 위해서, 센서 배열체(28)로부터 수신된 정보를 기초로, 각각의 주입기 배열체(25a, 25b)에 의해 증발기(54) 내 각각의 유체 통로(3)에 공급되는 유체의 양을 밸브(22a, 22b)가 제어하도록 주입기 배열체(25a, 25b)의 밸브(22a, 22b)와 통신하도록 배열되는, 시스템.
제1항에 있어서,
주입기 배열체(25a, 25b) 내 각각의 주입기(23a, 23b)가 하나의 밸브(22a, 22b)와 연통하도록 배열되거나, 주입기 배열체(25a, 25b) 내 복수의 주입기(23a, 23b)가 하나의 밸브(22a, 22b)와 연통하도록 배열되는, 시스템.
제1항에 있어서,
각각의 주입기 배열체(25a, 25b)가 하나의 유체 통로(3)와 연통하도록 배열되거나, 각각의 주입기 배열체(25a, 25b)가 적어도 2개의 유체 통로(3)와 연통하도록 배열되는, 시스템.
제1항에 있어서,
센서 배열체(28)가 증발기의 배출구(13)를 압축기의 유입구(14)와 연결하는 튜브 시스템(15) 내에 배열되는, 시스템.
제1항에 있어서,
제어기(57)가 PI 조절기 또는 PID 조절기인, 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
센서 배열체(28)가 적어도 하나의 온도 센서(30) 및 적어도 하나의 압력 센서(29)를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
증발된 유체 내 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하도록 배열된 센서 배열체(28)가 적어도 하나의 온도 센서(30)인, 시스템.
증발기(54)의 동작을 동적으로 제어하기 위한 방법으로서,
증발기(54)는, 나란히 제공된 복수의 제1 및 제2 열 교환기 플레이트(A, B)에 의해서 형성된 플레이트 패키지(P)를 포함하는 플레이트 열 교환기(1)이고,
증발기가 적어도 하나의 유입구(26a, 26b), 복수의 유체 통로(3) 및 배출구(13)를 포함하고, 증발기(54)는 센서 배열체(28), 제어기(57) 및 복수의 주입기 배열체(25a, 25b)를 더 포함하는 시스템 내에 포함되고, 각각의 주입기 배열체는 적어도 하나의 주입기(23a, 23b) 및 적어도 하나의 밸브(22a, 22b)를 포함하고, 복수의 유체 통로(3)는 인접한 제1 열 교환기 플레이트(A) 및 제2 열 교환기 플레이트(B)의 각각의 쌍 사이에 형성되고,
a) 유체가 증발기의 배출구(13)를 통과하는 동안 유체의 증발을 위해서, 제1 주입기 배열체(25a)에 의해서, 증발기(54)의 유입구(26a, 26b)를 통해 미리-결정된 양의 유체를 제1 유체 통로(3)에 공급하는 단계,
b) 센서 배열체(28)에 의해서, 증발된 유체의 온도 및 압력(Tm, Pm) 또는 증발된 유체 내 임의의 액체 내용물의 존재를 측정하는 단계,
c) 제어기(57)에 의해서, 공급된 유체의 미리-결정된 양으로부터 초래된, 설정점 과열 값(TshT)과 증발된 유체의 온도(Tm) 및 압력(Pm)의 측정된 값 사이의 차이(ΔΤ), 또는 증발된 유체 내 임의의 액체 내용물의 존재를 결정하는 단계,
d) 제어기에 의해서, 설정점 과열 값(TshT)에 도달하는 데 필요한, 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 의해서 제1 유체 통로(3)에 공급되는 조절된 유체의 양을 결정하는 단계, 및
e) 증발기가 설정점 과열 값(TshT)을 향해서 동작하기 위해서, 증발기(54)의 동작의 연속적인 제어를 제공하기 위한 목적으로 증발기(54)의 각각의 유체 통로(3) 및 각각의 연속적인 주입기 배열체(25b)에 대해서 단계 a) 내지 d)를 연속적으로 반복하는 단계
를 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
시스템은 단계 a)를 개시하기 전에 미리 결정된 동작 듀티로 소정 시간의 기간 동안 동작하는, 방법.
제9항에 있어서,
제어기(57)에 의해서, 측정된 압력(Pm)을 포화 온도(Ts)로 변환하는 단계,
측정된 온도(Tm)를 포화 온도(Ts)와 비교함으로써, 온도 및 압력이 측정되었던 특정 시점에서 우세한 실제 과열 온도 차이(TshA)를 결정하는 단계,
설정점 과열 온도(TshT)인 설정점 과열 값과 실제 과열 온도 차이(TshA) 사이의 온도 차이(ΔΤ)를 결정하고, 온도 차이(ΔΤ)를 기초로, 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 의해서 제1 유체 통로(3)에 공급되는 유체의 양의 임의의 조정에 대한 필요성을 결정하는 단계, 및
그에 따라 제1 주입기 배열체(25a)에 의해서 제1 유체 통로(3)에 공급되는 유체의 양을 조정하도록 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 지시하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
센서 배열체(28)가 습도 센서(28; 30)이고, 그에 의해서,
증발된 유체 내 임의의 액체 내용물의 존재를 나타내는, 제어기(57)에 의해서 수신되는 신호를 센서(28; 30)가 생성하는 경우, 제1 유체 통로(3)에 공급되는 유체의 양을 감소시키도록 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 지시하는 단계, 또는
증발된 유체 내 임의의 액체 내용물의 부재를 나타내는, 제어기(57)에 의해서 수신되는 신호를 센서(28; 30)가 생성하는 경우, 제1 유체 통로(3)에 공급되는 유체의 양을 증가시키도록 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 지시하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
센서 배열체(28)가 적어도 2개의 습도 센서(28; 30)를 포함하고, 그에 의해서,
제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)가 제1 유체 통로(3)에 대한 유체의 공급량을 증가, 감소 또는 유지하도록 지시할지를 결정하기 위해서, 증발된 유체 내 액체 내용물의 존재 또는 부재를 나타내는, 적어도 2개의 센서(28; 30)로부터 제어기(57)에 의해서 수신되는 신호들을 비교하는 단계, 및
그에 따라 제1 주입기 배열체(25a)에 의해서 제1 유체 통로(3)에 공급되는 유체의 양을 조정하도록 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 지시하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
단계 e)로 계속하기 전에, 유체의 결정된 조정량을 제1 주입기 배열체(25a)의 밸브(22a)에 전달하고, 조정된 유체의 양을 공급하도록 밸브(22a)를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
결정된 유체의 조정량을 각각의 주입기 배열체(25a, 25b)의 밸브(22a, 22b)에 전달하고, 증발기(54)의 모든 유체 통로(3)에 조정된 유체의 양을 공급하도록 밸브(22a, 22b)를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
증발기(54)의 동작이 설정점 과열 값(TshT)을 충족시키는 동작 듀티로 동작할 때, 증발기가 조정된 설정점 과열 값(TshT)을 향해서 동작하기 위해서, 증발기(54)의 동작의 연속적인 제어를 제공하기 위해서, 설정점 과열 온도(TshT)를 조정하고 이어서 제9항의 방법을 반복하는 단계를 더 포함하는, 방법.