KR101995219B1 - 냉각기를 작동시키기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 폐 냉각 루프를 갖는 냉각기를 작동시키는 방법이 개시되어 있다. 냉매는 압력과 엔탈피의 다른 조합으로 냉매의 다른 위상(증기, 액체와 증기, 및 액체)을 나타내는 압력-엔탈피 곡선을 한정하는 루프에서 사용된다. 상기 루프는 냉매의 압력-엔탈피 곡선에 대한 상기 루프의 작동과정 동안에 상기 냉매의 처리 사이클(압축, 응축, 팽창 및 증발)을 한정한다. 상기 방법은 처리 사이클의 세그멘트가 액상이 되는 상기 냉매에 반응하는 경우에 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계를 포함한다.
Description
본 출원은 일반적으로 냉방, 공기조화 및 냉각 액체 시스템에 관한 것이다. 본 출원은 특히 냉방, 공기조화 및 냉각 액체 시스템을 작동하는 방법에 관한 것이다.
어떤 환경조건 및 환원 시스템 냉각 요구조건하에서는 원심형 압축기를 사용하는 냉각된 액체 시스템들은 정상적인 작동과정 동안에 발생하는 비용에 비해 "무료 냉각(free cooling)"으로서 때때로 언급되는 아주 적은 비용으로 작동될 수 있음을 알게 되었다. 2008 ASHRAE Handbook - HV AC Systems and Equipment (page 42.12)는 다음을 제공한다.
원심형 액체 냉각기의 압축기를 작동시키지 않는 냉각은 무료 냉각으로 일컬어진다. 응축기 물의 공급이 필요 냉각수 온도보다 낮은 온도에서 유용한 경우, 몇몇 냉각기들은 열적 사이펀(thermal siphon)으로서 작동할 수 있다. 저온 응축기 물은 냉매를 응축시키는데, 응축된 이것은 중력에 의해서 배수되거나 증발기 내로 펌핑된다. 고온 냉각수는 냉매의 증발을 야기하고, 증기는 증발기와 응축기 사이의 압력차로 인하여 응축기로 귀환하게 된다.
다시 말해서, 유입되는 응축기 물 온도가 액체 원심형 액체 냉각기의 증발기로부터 배출되는 물의 온도보다 낮은 경우, 그리고 배출되는 증발기 물 온도가 냉각 요구조건을 만족시키도록 냉각에 대한 요구조건이 충분히 낮은 경우, 원심형 압축기는 작동중단되고, 그 결과 상당한 에너지 절감이 얻어진다.
불행하게도, 세계의 수많은 곳에서 그러한 환경적인 조건들은 비교적 드물게 일어나거나 그 기간이 간략할 것이다. 원심형 압축기의 작동중단을 가능하게 하기 위해서 냉각에 대한 요구조건을 만족시키도록 충분한 냉각 출력을 동시에 조성하는 바람직한 환경적 조건의 조합은 드물게 일어난다.
그러므로, 냉각기 작동과정 동안에 에너지 절감을 달성하기 위해서 환경적 조건(예를 들면, 유입되는 응축기 물 온도 및 배출되는 증발기 물 온도의 범위를 증가시키는 것 뿐만아니라 그 차이)의 범위를 상당히 증가시키는 냉각기의 작동방법에 대한 필요성이 존재한다. 에너지 절감을 동시에 달성하는 동안에 냉각기 부하 용량을 증가시키는 환경적인 조건의 상기 범위로 냉각기를 작동시키는 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 압축기를 갖는 냉각기의 작동방법에 관한 것이며, 상기 방법은 (응축기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 응축기로 유입되는 액체의 온도를 (증발기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 증발기로부터 배출되는 액체의 온도와 비교하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 적어도 각각의 온도범위에 반응하여 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 액체 증발기 배출온도는 상기 액체 응축기 유입온도보다 소정의 양만큼 크고; 상기 액체 증발기 배출온도는 상기 액체 응축기 유입온도와 실질적으로 같고; 상기 액체 증발기 배출온도는 상기 액체 응축기 유입온도보다 소정의 양만큼 작다.
본 발명은 또한 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 폐 냉각 루프를 갖는 냉각기의 작동방법에 관한 것이며, 이때 냉매는 압력과 엔탈피의 다른 조합하에서 냉매의 다른 위상(증기, 액체와 기체, 및 액체)을 나타내는 압력-엔탈피 곡선을 한정하는 루프에서 사용되고, 상기 루프는 냉매의 압력-엔탈피 곡선에 대한 루프의 작동과정 동안에 냉매의 처리 사이클(압축, 응축, 팽창 및 증발)을 한정한다. 상기 방법은, 상기 처리 사이클의 세그멘트가 냉매가 액상인 것에 대응하는 경우 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 원심형 압축기를 갖는 냉각기를 작동시키는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 (응축기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 응축기로 유입되는 액체의 온도를 (증발기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 증발기로부터 배출되는 액체의 온도와 비교하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 적어도 각각의 온도범위에 반응하여 압축기 모터의 회전속도를 제어하기 위해서 VSD를 이용하는 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 압축기는 자기 베어링을 이용하며, 이때 상기 액체 증발기 배출온도는 상기 액체 응축기 유입온도보다 소정의 양만큼 크고; 상기 액체 증발기 배출온도는 상기 액체 응축기 유입온도와 실질적으로 같고; 상기 액체 증발기 배출온도는 상기 액체 응축기 유입온도보다 소정의 양만큼 작다.
에너지 절감을 동시에 달성하는 동안에 냉각기 부하 용량을 증가시키는 환경적인 조건에서 냉각기를 작동시키는 방법을 제공한다.
도 1은 가열, 환기 및 공기조화 시스템에 대한 바람직한 실시 예를 나타낸 도면.
도 2는 바람직한 증기압축장치의 등각도.
도 3은 증기압축장치의 바람직한 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 증기압축장치의 영역 4로부터 취한 종래의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 3의 증기압축장치의 영역 4로부터 취한 종래의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 바람직한 증기압축장치의 유입 응축기 온도와 배출 증발기 온도의 범위를 나타낸 그래프.
도 7은 바람직한 증기압축장치의 부하 용량 백분율 범위 대 유입 응축기 온도 범위에 걸친 에너지 비용을 나타낸 그래프.
도 8은 바람직한 증기압축장치의 부하 용량 백분율 범위 대 유입 응축기 온도 범위에 걸친 에너지 비용을 나타낸 그래프.
도 9는 바람직한 증기압축장치의 부하 용량 백분율 범위 대 접근온도 범위에 걸친 에너지 비용을 나타낸 그래프.
도 10은 바람직한 증기압축장치에서 처리 사이클에 대응하는 바람직한 냉매에 대한 압력-엔탈피 곡선을 나타낸 그래프.
도 2는 바람직한 증기압축장치의 등각도.
도 3은 증기압축장치의 바람직한 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 증기압축장치의 영역 4로부터 취한 종래의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 3의 증기압축장치의 영역 4로부터 취한 종래의 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 바람직한 증기압축장치의 유입 응축기 온도와 배출 증발기 온도의 범위를 나타낸 그래프.
도 7은 바람직한 증기압축장치의 부하 용량 백분율 범위 대 유입 응축기 온도 범위에 걸친 에너지 비용을 나타낸 그래프.
도 8은 바람직한 증기압축장치의 부하 용량 백분율 범위 대 유입 응축기 온도 범위에 걸친 에너지 비용을 나타낸 그래프.
도 9는 바람직한 증기압축장치의 부하 용량 백분율 범위 대 접근온도 범위에 걸친 에너지 비용을 나타낸 그래프.
도 10은 바람직한 증기압축장치에서 처리 사이클에 대응하는 바람직한 냉매에 대한 압력-엔탈피 곡선을 나타낸 그래프.
도 1은 통상적인 상업적 셋팅을 위한 빌딩(12)에서 냉각 액체 시스템을 통합한 가열, 환기 및 공기조화(HVAC) 장치(10)에 대한 바람직한 환경을 나타낸다. 장치(10)는 빌딩(12)을 냉방하는데 사용될 냉각된 액체를 공급할 수 있는 증기 압축장치(14)를 포함할 수 있다. 장치(10)는 빌딩(12)을 난방하는데 사용될 가열된 액체를 공급하기 위한 보일러(16) 및 빌딩(12)을 통해서 공기를 순환시키는 공기 분배장치를 포함할 수 있다. 공기 분배장치는 공기 복귀 덕트(18), 공기 공급 덕트(20) 및 에어 핸들러(22)를 또한 포함할 수 있다. 에어 핸들러(22)는 도관(24)에 의해서 보일러(16)와 증기 압축장치(14)에 연결되는 열교환기를 포함할 수 있다. 에어 핸들러(22)에 있는 열교환기는 장치(10)의 작동모드에 따라서 보일러(16)로부터 나오는 가열된 액체나 증기 압축장치(14)로부터 나오는 냉각된 액체를 수용할 것이다. 장치(10)는 빌딩(12)의 각 층에 별도의 에어 핸들러를 구비하고 있는 것으로 나타냈으나, 그 부품들은 층들 사이에서 공유될 수 있음을 알 수 있다.
도 2 및 3은 HVAC 시스템(10)에서 사용될 수 있는 바람직한 증기압축장치(14)를 나타낸다. 증기압축장치(14)는 모터(50)에 의해서 구동되는 압축기(32), 응축기(34), 팽창밸브(들)(36), 및 액체 냉각기나 증발기(38)를 통해서 냉매를 순환시킬 수 있다. 증기압축장치(14)는 제어 패널(40)을 또한 포함할 수 있는데, 이 제어 패널은 아날로그 디지털(a/D) 변환기(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46) 및 인터페이스 보드(48)를 포함할 수 있다. 증기압축장치(14)에서 냉매로서 사용되는 유체들의 몇몇 예들은 예를 들어 R-410A, R-407, R-134a와 같은 하이드로플루오로카본(HFC) 기지 냉매들, 하이드로플루오로 올레핀(HFO), 암모니아(NH3), R- 717, 이산화탄소(C02), R-744와 같은 "천연" 냉매들, 또는 탄화수소 기초 냉매들, 수증기나 다른 적당한 형태의 냉매이다. 바람직한 실시 예에 있어서, 증기압축장치(14)는 VSD(52), 모터(50), 압축기(32), 응축기((34)) 및/또는 증발기(38)의 각각의 하나 또는 그 이상을 이용할 것이다.
압축기(32)와 함께 사용되는 모터(50)는 가변속 드라이브(52)에 의해서 구동되거나 또는 교류(AC) 또는 직류(DC) 전력원으로부터 직접적으로 전력을 공급받아 구동될 수 있다. VSD(52)는, 만약 사용되면, 특별한 AC 전력원으로부터 고정 라인 전압과 고정 라인 주파수를 갖는 AC 전력을 수용하고, 모터(50)로부터 가변 전압과 주파수를 갖는 전력을 제공한다. 모터(50)는 VSD에 의해서 구동되거나 AC 또는 DC 전원으로부터 직접적으로 전력을 공급받아서 구동될 수 있는 소정 형식의 전기 모터를 포함할 수 있다. 예를 들면, 모터(50)는 스위치드 릴럭턴스 모터, 유도모터, 전자 정류 영구자석 모터 또는 다른 적당한 모터 형식이 될 수 있다. 대안적인 바람직한 실시 예에 있어서, 증기터빈이나 가스터빈 또는 엔진 및 연관된 부품들과 같은 다른 구동 기구들이 압축기(32)를 구동시키도록 사용될 수 있다.
압축기(32)는 냉매 증기를 압축하고 그 증기를 배출라인을 통해서 응축기(34)로 운반한다. 압축기(32)는 원심형 압축기, 스크루 압축기, 왕복 압축기, 회전 압축기, 스윙 링크 압축기, 스크롤 압축기, 터빈 압축기, 또는 다른 적당한 압축기가 될 수 있다. 압축기(32)는 증기압축장치의 다른 회전 부품들 뿐만아니라, 매끄러운 회전운동을 제공하기 위한 자기 베어링을 포함할 수 있다. 압축기(32)에 의해서 응축기(34)로 운반된 냉매 증기는 예를 들어 물이나 공기와 같은 유체로 열을 전달한다. 냉매 증기는 유체와의 열전달의 결과로서 응축기(34)에서 냉매 액체로 응축된다. 응축기(34)로부터 제공되는 액체 냉매는 팽창장치(36)를 통해서 증발기(38)로 유동한다. 도 3에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 응축기(34)는 물로 냉각되고, 냉각탑(56)에 연결된 튜브 번들(54)을 포함한다.
증발기(38)로 운반된 액체 냉매는 응축기(34)에 대해 사용된 유체와 동일한 형식이 되거나 그렇지 않은 다른 유체로부터 열을 흡수하고, 냉매 증기로의 상변화를 겪는다. 도 3에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 증발기(38)는 냉각부하(62)에 연결된 공급라인(60S)과 복귀라인(60R)을 갖는 튜브 번들을 포함한다. 예를 들어 물, 에틸렌글리콜, 염화칼슘 브라인, 염화나트륨 브라인 또는 다른 적당한 액체와 같은 처리 유체가 복귀라인(60R)을 거쳐서 증발기(38)로 들어가고 공급라인(60S)을 거쳐서 증발기(38)를 빠져나간다. 증발기(38)는 튜브들에서 처리유체의 온도를 낮춘다. 증발기(38)에서 튜브 번들(60)은 다수의 튜브들과 다수의 튜브 번들을 포함할 수 있다. 증기 냉매는 증발기(38)를 빠져나가고, 회로 또는 사이클을 완결하기 위해 흡입라인에 의해서 압축기(32)로 복귀한다.
도 3의 영역 4로부터 취한 도 4는, 앞서 설명한 바와 같이, 자유 냉각 조건 동안에 원심형 압축기(32)(도 3)의 작동중단을 위해 구성된 종래의 증기압축장치의 부품들의 종래 배열을 나타낸다. ASHRAE Handbook에서 앞서 설명한 바와 같이, 원심형 압축기들을 이용하는 단지 종래의 증기압축장치는 자유 냉각 조건 동안에 사용을 위해서 식별되었다. 도 4에 또한 도시된 바와 같이, 밸브(26)는 응축기(34)와 냉각탑(56) 사이에서 연장되는 라인들의 쌍 각각과 유체 연결하여 위치된다. 유사하게, 밸브(26)는 증발기(38)와 부하 또는 냉각부하(62) 사이에서 연장되는 복귀라인(60R)과 공급라인(60S)의 각각과 유체연결하여 위치된다. 자유 냉각조건에 반응하여, 밸브들(26) 각각이 폐쇄되어 냉각탑(56)으로부터 응축기(34)로의 유체 유동 및 부하 또는 냉각부하(62)로부터 증발기(38)로의 유체 유동을 방지하게 된다. 그 결과, 열교환기(28)는 때때로 물 측 이코노마이저로 언급되며, 응축기(34)와 냉각탑(56) 사이에 원래 위치하고, 폐쇄된 냉각부하 루프(66)로부터 배출되는 물과 열교환 하는 폐쇄된 냉각탑 루프(30)와 열교환 하도록 위치된다. 폐쇄된 냉각부하 루프(66)에서 물은 폐쇄된 냉각부하 루프(66)와 유체연결되는 펌프(58)에 의해서 이동된다. 자유 냉각조건 동안에, 밸브(27)가 개방되고, 그에 따라 펌프(58)는 폐쇄된 냉각부하 루프(66)와 유체 연결된다.
도 3의 영역 5로부터 취한 도 5는, 밸브(27)가 폐쇄되고 밸브들(26)은 개방된 상태로 유지되는, 도 4에 도시된 것과의 차이를 제외하고는, 앞서 설명한 바와 같이 자유 냉각 조건 동안에 원심형 압축기(32)(도 3)의 작동중단을 위해 구성된 종래의 증기압축장치의 냉매 유동을 나타낸다. 원심형 압축기(32)(도 3)의 작동중단시에, 증발기(38)에 있는 냉매는 통상적으로 증발기(38)의 온도보다 낮은 온도로 작동하는 응축기(34)로 이동하려는 자연적 경향을 갖는다. 일단 증발기(38)로부터 응축기(34)로의 액체 냉매 이동이 일어나면, 응축기(34)와 증발기(38) 사이의 압력은 응축기(34)가 증발기(38) 위로 수직하게 위치됨에 의해서 평형화되며, 액체 냉매는 서모 사이펀(thermo siphoning)의 결과로서 라인(70)을 따라서 증발기(38) 쪽으로 유동방향(68)으로 유동하기 시작한다. 액체 냉매가 증발기(38)에 도달할 때, 증발기(38)에서의 온도가 응축기(34)에서의 온도보다 높은 것에 의해, 증발기(38)에 있는 일정량의 액체는 "끓거나(boils)" 또는 증발기(38)로부터 제거되어 유동방향(72)으로 이동하는 증기 냉매로 변한다. 일단 증기 냉매가 제거되면, 추가적인 액체 냉매는 서모 사이펀(thermo siphoning)의 결과로서 증발기(38) 내로 도입되고, 상기 공정은 반복된다. 서모 사이펀(thermo siphoning)이 원심형 압축기를 작동시킴이 없이 증발기를 통한 냉매의 양의 이동을 초래하는 반면, 증발기를 통한 냉매의 유량은 압축기 작동 동안에 보통 일어나는 유량과 비교했을 때 충분히 작고, 이에 의해서 냉매에 대한 수요를 만족시키기에 유용한 냉매 용량의 양을 제한한다. 예를 들면, 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 종래의 원심형 액체 냉각기는, 자유 냉각조건이나 모드에서 작동하는 경우에, 3℉(액체 응축기로부터 액체 증발기 배출온도를 차감)(도 9)의 접근온도로 작동하는 경우에 냉각부하 요구조건의 약 12퍼센트(%Load)를 수용할 수 있다.
그러나, 본 발명의 바람직한 방법에 있어서, 증기압축장치(14)(도 3)는 자유 냉각동안에 종래의 원심형 액체 냉각기와는 다르게 작동한다. 즉, 자유 냉각조건 동안에 작동하는 종래의 원심형 액체 냉각기의 작동중단 대신에, 본 발명의 바람직한 증기 압축기장치의 압축기는 모든 환경적인 조건(즉, 증기압축장치를 작동시키도록 안전한 환경조건)하에서 계속 작동하게 된다.
예를 들면, 압축기를 갖는 냉각기를 작동시키는 하나의 바람직한 방법에 있어서, 응축기로 유입되는 액체의 온도(응축기에 있는 냉매와의 열교환을 위해서)를 증발기로부터 배출되는 액체의 온도(증발기에 있는 냉매와의 열교환을 위해서)와 비교할 때, 상기 압축기는 여기에서 확인한 적어도 각각의 온도범위에 적어도 반응하여 연속적으로 작동한다. 이러한 온도 범위들은 액체 응축기 유입온도보다 소정의 양만큼 큰 액체 증발기 배출온도를 포함하는데, 온도에서의 차이(액체 응축기로부터 액체 증발기 배출온도를 차감)는 때때로 접근온도로서 언급된다. 일 실시 예에 있어서, 소정의 양(접근온도)은 약 3℉이다. 다른 실시 예에 있어서, 소정의 양(접근온도)은 3℉보다 크다. 다른 실시 예에 있어서, 소정의 양(접근온도)은 3℉내지 약 5℉ 범위이다. 예를 들면, 사용자는 일 실시 예에서 상기 온도차가 약 5℉℉에 달하는지 또는 다른 실시 예에서 약 5℉ 내지 약 10℉ 범위인 것과 같이 5℉보다 큰지를 결정할 것이다. 다른 예에 있어서, 사용자는 상기 온도차가 10℉보다 큰지를 결정할 것이다. 도 6은 온도차(74)(빗금친 영역)를 나타내는데, 여기에서 떠나는 증발기 온도는 제로(0) 내지 약 15℉ 범위의 양만큼 유입 응축기 온도보다 크다. 접근온도가 증가함에 따라서 냉각기에 의해서 수용될 냉각부하 요구조건(%Load)의 양이 증가함(도 9 참조)을 해당 기술분야의 당업자는 이해할 것이다.
이러한 온도범위들은 액체 증발기 온도가 액체 응축기 유입 온도와 실질적으로 같은 것을 또한 포함한다. 이러한 온도범위들은 액체 증발기 온도가 액체 응축기 유입 온도보다 소정의 양만큼 작은 것을 또한 포함한다. 예를 들면, 몇몇 응용 및/또는 유입 응축기 온도와 배출 증발기 온도의 온도범위들에 있어서, 만약 냉각부하 요구조건의 양이 냉각기에 의해서 수용되도록 충분히 낮으면, 사용자는 증가된 온도차를 선택할 것이다. 냉각기 부하 용량은 액체 증발기 배출 온도가 액체 응축기 유입 온도보다 낮은 경우, 액체 증발기 배출 온도와 액체 응축기 유입 온도 사이의 증가된 차이에 반응하여 감소된다.
이 온도범위는 냉각기 냉각에 대한 필요조건에 있어서의 변화에 반응하여 액체 증발기 배출 온도 요동을 또한 포함한다.
(증기압축장치를 작동시키기에 안전한) 모든 환경적인 조건에 반응하여 압축기를 연속적으로 작동시키는 여러 장점들이 있다. 첫째로, 앞서 설명한 바와 같이, 증가된 냉각기 작동효율이 유용한 온도범위(따라서, 유리한 환경적 조건의 가능성)는 상당히 증가한다. 둘째로, 전력과 같은 동력을 요구하는 연속적인 압축기 작동을 제공하는 반면, 유리한 환경적 조건과 연관된 온도의 상당히 확대된 범위와 연관된 증가된 냉각기 작동효율로 인하여, 요구된 동력의 양은 최소화된다. 예를 들면, 도 7은 유입 응축기 온도의 범위에 걸쳐서 냉각 용량 백분율(%Load)을 나타내는 성능곡선(76)을 나타내며, 성능곡선(78)은 동일한 범위의 유입 응축기 온도에 걸쳐서 액체 냉각기의 냉각(kW/Ton)의 단위 당 필요 에너지를 나타낸다.
일 실시 예에 있어서, 압축기는 압축기 모터(50)를 회전 구동시키기 위한 것과 같이 VSD(52)(도 3)의 최소 작동속도와 같은 최소 회전속도("속도")로 또는 그 근사치로 작동한다. 원심형 압축기의 일 실시 예에 있어서, VSD의 최소 작동속도는 약 85Hz가 될 수 있다. 원심형 압축기의 다른 실시 예에 있어서, VSD의 최소 작동속도는 85Hz와는 상당히 다를 것이다. 또한, 본 발명의 증기압축장치들은 원심형 압축기로 제한되지 않고 하기의 예로서 제한되지는 않지만, 다른 최소 속도로 작동할 수 있는 회전, 스윙 링크, 스크롤, 및 스크루 압축기들을 포함하여 양변위 압축기를 포함할 수 있기 때문에, 최소 작동 VSD 속도에서의 차이가 생길 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 최소 속도로 압축기가 작동하는 상황에서는 냉각을 위한 요구조건을 만족시키기에 불충분한 양의 냉각 용량을 제공하게 되고, VSD의 작동속도는 증가하고, 이에 의해서 냉각 요구조건을 만족시키도록 충분한 양의 냉각 용량이 제공될 때까지 압축기 속도와 냉각 용량은 증가하게 된다. 그러나, 도 8의 성능곡선(80)에 도시된 바와 같이, 만약 냉각기가 설계 냉각 용량(100% LOAD)으로 작동해야만 한다면, 냉각의 단위당 에너지의 양(kW/Ton)은 동일한 환경조건 및 감소된 냉각 용량하에서 성능 곡선(78)(도 7)과 비교할 때 성능 곡선(80)에서와 같이 유입 응축기 물 온도가 증가하는 것에 대응하여 증가하게 된다.
다른 실시 예에 있어서, 압축기를 최소 속도로 작동시키는 상황에서는 냉각에 대한 요구조건을 만족시키기에 불충분한 양의 냉각 용량을 제공하며, VSD의 작동속도는 동일한 최소속도로 계속해서 작동하게 된다. 다시 말해서, 이 실시 예에 있어서, 증발기로 들어가는 물의 유량과 증발기로부터 배출되는 물의 온도는 유용한 냉각의 양을 지시한다. 그 결과, 작동자는 증가된 냉각기 작동 효율과 연관된 유리한 환경 조건들과 연관된 작동 제한을 설정하는 것이 필요하다. 달리 말하면, 작동자는 주어진 유량으로 증발기를 빠져나가는 물 온도가 냉각 요구조건을 만족시키도록 그 시스템을 제어하는 것이 필요하다.
셋째로, 냉각기의 압축기의 연속적인 작동에 의해, 압력에서의 변화는 흡입라인에서 압축기(32)(도 3)에 대해 유지되고, 이에 의해서 서모 사이펀(thermal siphoning) 없이 응축기(34)로부터 증발기(38)로의 액체 냉매의 취입이 이루어진다. 증발기(38)의 일 실시 예에 있어서, 예를 들어 "Heat Exchanger"라는 발명의 명칭을 갖는 출원인의 미국 특허출원번호 제12/746,858호(여기에서는 전체가 참조로서 통합됨)에 개시된 것과 같은 강하막 증발기 또는 하이브리드 강하막증발기와 같이, 증발기에 있는 액체 냉매는 압축기의 작동중단 동안에 응축기와 증발기 사이에서 쉽게 이동하지 않는다. 심지어 최소 압축기 속도로 일어나는 연속적인 압축기 작동으로 인한 압력에서의 변화의 결과로서, 액체 냉매는 응축기로부터 가압되어 증발기로 제공되고, 응축기에 대한 증발기의 다른 위치 배향을 가능하게 한다. 펌프없이 서모 사이펀을 이용하는 것이 필요한 냉각기들은 서모 사이펀이 일어나기 위해서 다른 펌핑제한 뿐만아니라 증발기 위로 수직하게 응축기를 위치시키도록 제한된다.
넷째로, 도 9에 도시된 바와 같이, 주어진 접근온도에 대하여, (자유 냉각조건에서 작동하도록 제한된 종래의 장치와의 직접비교를 제공하기 위한 목적으로) 자유 냉각조건이나 모드에서 작동하는 동안에, 예를 들어 85Hz의 최소속도로 압축기를 연속적으로 작동시키는 액체 냉각기는, 서모 사이펀(예를 들어, 도 5)을 이용하는 종래의 원심형 압축기와 비교했을 때, 설계 냉각 용량(%Load)의 거의 두배를 제공한다. 통상적인 열교환기(28)(도 4)에 대한 설계 냉각 용량(%Load)의 범위가 또한 도 9에 도시되어 있는데, 이것은 때때로 물 측 이코노마이저로서 언급되며, 앞서 설명한 바와 같이 폐쇄된 냉각탑 루프(30)와 폐쇄된 냉각 부하 루프(62)에 따라 작동한다.
도 10은 폐쇄된 냉각 루프들 ABCD와 A'BCD'의 압력 및 엔탈피의 다른 조합으로 냉매의 다른 위상(증기, 액체와 증기, 및 액체)을 나타내는 잘 알려진 압력-엔탈피 곡선(82)을 나타낸다(A, A', B, C, D 및 D'는 엔탈피 H의 아래첨자들이고 보통은 HA와 같은 형태로 표현되며, 단지 그것들에 의한 첨자는 명확성을 위한 목적이며 하기에서 설명된다). 폐쇄된 냉매 루프는 압축기(32), 응축기(34) 및 증발기(38)(도 3)를 포함하며, 냉매의 압력-엔탈피 곡선에 대한 루프의 작동과정 동안에 냉매의 처리 사이클(압축(BC), 응축(CD) 및 (C'D'), 팽창 (DA) 및 (D'A'), 및 증발(A'B) 및 (AB))을 그래프적으로 나타낸다. 폐쇄 냉매 루프 ABCD는 냉매는 증기나 액체 및 증기인 처리 사이클에 대응한다. 폐쇄 냉매 루프 A'BCD' 는 냉매는 증기, 액체와 증기 또는 액체인 처리 사이클에 대응한다. 빗금친 영역(84)은 냉매가 액체인 처리 사이클의 세그멘트에 대응하고, 그리하여 빗금친 영역(84)에서 처리 사이클을 작동시키면 보다 효율적인 열전달이 이루어진다. 본 발명의 바람직한 방법은 처리 사이클의 세그멘트가 냉매가 액상이 되는 것에 대응하는 경우에(즉, 빗금친 영역(84)의 세그멘트), 압축기(32)를 연속적으로 작동시키는 단계를 포함한다. 도 10에 또한 도시된 바와 같이, 빗금친 영역(84)의 세그멘트는 처리 사이클 동안에 일어나는 냉매의 응결의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 유사하게, 빗금친 영역(84)의 세그멘트는 처리 사이클 동안에 일어나는 냉매의 증발의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 이와는 달리, 도 10에 또한 도시된 바와 같이, 빗금친 영역(84)의 세그멘트는 처리 사이클 동안에 일어나는 냉매의 증발과 응결의 각각의 적어도 일부를 포함할 수 있다.
본 발명의 단지 어떤 특징들과 실시 예들만이 도시되고 설명되었지만, 하기의 특허청구범위에서 재인용된 주제의 새로운 특징 및 장점들로부터 실질적으로 벗어남이 없이 많은 변경들 및 수정들(예를 들면, 크기, 치수들, 구조물들, 다양한 요소들의 형상과 비율, 매개변수들의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색채, 배향 등에서의 변화)이 가능함을 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 쉽게 이해할 것이다. 어느 공정 또는 방법 단계들의 순사나 절차는 대안적인 실시 예들에 따라서 변화되거나 재-순서화될 것이다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진실한 사상 내에서 그러한 변경 및 수정들 모두를 포괄하도록 의도된 것임을 이해할 수 있다. 또한, 바람직한 실시 예들의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력에서, 실제적 실행의 모든 특징들이 설명되지는 않았다(즉, 이것들은 본 발명을 수행하기 위한 현재 고려된 최선 모드와 관계가 없거나, 또는 청구된 발명을 가능하기 하기 위한 것과 관계가 없다). 어느 실제적인 실행의 개발에 있어서 엔지니어링 또는 디자인 프로젝트에서 다양한 실행-특정 결정들이 이루어질 수 있다. 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 소모되지만, 그럼에도 불구하고 본 명세서의 이익을 향유하는 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게는 실험을 수행함이 없이 설계, 조립 및 제조의 일상적인 일이 될 수 있다.
Claims (20)
- 압축기를 갖는 냉각기의 작동방법으로서,
(응축기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 응축기로 유입되는 액체의 온도를 (증발기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 증발기로부터 배출되는 액체의 온도와 비교하는 단계; 상기 응축기에 유입되는 액체의 온도와 상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도 사이의 적어도 다수의 온도범위와 자유 냉각조건에 반응하여 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계; 및
상기 자유 냉각조건에서 상기 압축기를 최소 속도로 작동시키는 단계;를 포함하며, 상기 냉각기는 상기 자유 냉각조건에서 자유 냉각모드로 구동되는 냉각기의 냉각 용량에 두배 이상의 설계 냉각 용량으로 구동되도록 구성되고,
상기 다수의 온도범위는,
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 상기 응축기로 유입되는 액체의 온도보다 소정의 양만큼 크고;
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 상기 응축기로 유입되는 온도와 실질적으로 같고;
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 상기 응축기로 유입되는 온도보다 소정의 양만큼 작은; 범위를 가지도록 구성되는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 온도범위는:
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 냉각기 냉각을 위한 요구조건을 변화시키는 것에 반응하여 변동을 거듭하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 압축기는 양변위 압축기인 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 압축기는 원심형 압축기인 방법.
- 제 1 항에 있어서, 적어도 상기 압축기는 자기 베어링을 이용하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 압축기 모터의 회전속도를 제어하기 위한 VSD를 포함하는 방법.
- 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 폐 냉각 루프를 갖는 냉각기의 작동방법으로서,
냉매는 압력과 엔탈피의 다른 조합하에서 냉매의 다른 위상(증기, 액체와 기체, 및 액체)을 나타내는 압력-엔탈피 곡선을 한정하는 루프에서 사용되고, 상기 루프는 냉매의 압력-엔탈피 곡선에 대한 루프의 작동과정 동안에 냉매의 처리 사이클(압축, 응축, 팽창 및 증발)을 한정하고,
상기 방법은,
자유 냉각조건에서 상기 냉매가 액체상이 되는 것에 대응하는 상기 처리 사이클의 세그멘트일때(응축, 팽창 및 증발 중 일부) 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계; 및
상기 자유 냉각조건에서 상기 압축기를 최소 속도로 작동시키는 단계;를 포함하고, 상기 냉각기는 상기 자유 냉각조건에서 자유 냉각모드로 구동되는 냉각기의 냉각 용량에 두배 이상의 설계 냉각 용량으로 구동되도록 구성되는 방법. - 제 7 항에 있어서, 상기 처리 사이클의 세그멘트는 상기 처리 사이클 동안에 냉매의 응결중 적어도 일부를 포함하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 처리 사이클의 세그멘트는 상기 처리 사이클 동안에 냉매의 증발중 적어도 일부를 포함하는 방법.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서, 상기 압축기는 양변위 압축기인 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 압축기는 원심형 압축기인 방법.
- 제 7 항에 있어서, 적어도 상기 압축기는 자기 베어링을 이용하는 방법.
- 제 7 항에 있어서, 압축기 모터의 회전속도를 제어하기 위한 VSD를 포함하는 방법.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서, 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계는, 필요한 양의 냉각을 제공하기에 충분한 적어도 최소 냉매 유량이 발생되도록 상기 압축기를 작동시키는 단계를 포함하는 방법.
- 원심형 압축기를 갖는 냉각기를 작동시키는 방법으로서,
(응축기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 응축기로 유입되는 액체의 온도를 (증발기에서 냉매와의 열교환을 위해서) 상기 증발기로부터 배출되는 액체의 온도와 비교하는 단계;
상기 응축기에 유입되는 액체의 온도와 상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도 사이의 적어도 다수의 온도범위와 자유 냉각조건에 반응하여 압축기 모터의 회전속도를 제어하기 위해서 VSD를 이용하는 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계 - 상기 압축기는 자기 베어링을 이용함 -; 및
상기 자유 냉각조건에서 상기 압축기를 최소 속도로 작동시키는 단계;를 포함하며, 상기 냉각기는 상기 자유 냉각조건에서 자유 냉각모드로 구동되는 냉각기의 냉각 용량에 두배 이상의 설계 냉각 용량으로 구동되도록 구성되고,
상기 다수의 온도범위는,
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 상기 응축기에 유입되는 액체의 온도보다 소정의 양만큼 크고;
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 상기 응축기 에 유입되는 액체의 온도와 실질적으로 같고;
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 상기 응축기 에 유입되는 액체의 온도보다 소정의 양만큼 작은 범위를 가지도록 구성되는 방법. - 제 17 항에 있어서, 상기 온도범위는,
상기 증발기에서 배출되는 액체의 온도는 냉각기 냉각을 위한 요구조건을 변화시키는 것에 반응하여 변동을 거듭하는 방법. - 삭제
- 제 17 항에 있어서, 상기 압축기를 연속적으로 작동시키는 단계는, 필요한 양의 냉각을 제공하기에 충분한 적어도 최소 냉매 유량이 발생되도록 상기 압축기를 작동시키는 단계를 포함하는 방법.
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