KR20050103900A - Refrigeration system with bypass subcooling and component size de-optimization - Google Patents
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Abstract
Description
<선행 출원과의 상호 참조><Cross Reference with Prior Application>
본 출원은 2002년 11월 11일에 출원된 미국 가출원 제60/426,073호에 대한 우선권 주장을 수반한다.This application entails a priority claim to US Provisional Application No. 60 / 426,073, filed November 11, 2002.
본 발명은 일반적으로 고효율 냉동 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 향상된 전체 시스템 효율을 달성하기 위하여 응축기, 압축기 및 증발기의 크기의 선정과 함께 과냉을 위한 바이패스 경로를 이용하는 냉동 시스템에 관한 것이다. The present invention relates generally to high efficiency refrigeration systems, and more particularly to refrigeration systems that utilize a bypass path for subcooling with the selection of condensers, compressors and evaporators to achieve improved overall system efficiency.
도 1은, 전체가 도면 부호 10으로 표시된 종래의 냉동 시스템의 블록도이다. 상기 냉동 시스템은 압축기(12), 응축기(14), 팽창 장치(16) 및 증발기(18)를 포함한다. 이 구성품들은 일반적으로 도면 부호 19로 표시된 바와 같은 동관에 의해 서로 연결되어 순환 시스템을 형성하고, 이 순환 시스템을 통해 R-12, R-22, R-134a, R-407c, R-410c, 암모니아, 이산화탄소 또는 천연 가스와 같은 냉매가 순환된다.1 is a block diagram of a conventional refrigeration system, indicated entirely by reference numeral 10. The refrigeration system includes a compressor 12, a condenser 14, an expansion device 16 and an evaporator 18. These components are generally connected to each other by a copper tube as indicated by reference numeral 19 to form a circulation system through which R-12, R-22, R-134a, R-407c, R-410c, ammonia Refrigerant, such as carbon dioxide or natural gas, is circulated.
냉동 사이클의 주요 단계는, 압축기(12)에 의한 냉매 압축 단계와, 응축기(14)에 의한 냉매로부터 주위로의 방열 단계와, 팽창 장치(16) 내의 냉매의 교축(絞縮) 단계와, 증발기(18)의 냉매에 의한 냉각 공간으로부터의 흡열 단계이다. 증기 압축 냉동 사이클이라고 부르기도 하는 이러한 공정은, 가정, 상업 및 산업 환경, 교통 수단(예를 들면, 자동차, 비행기, 기차 등), 냉동 장치, 열 펌프 및 기타 분야에서 공기를 냉각하고 제습하는 공조 시스템에 사용된다.The main stages of the refrigeration cycle include the refrigerant compression step by the compressor 12, the heat dissipation from the refrigerant to the surroundings by the condenser 14, the step of throttling the refrigerant in the expansion device 16, and the evaporator. Endothermic step from the cooling space by the refrigerant of (18). These processes, sometimes referred to as vapor compression refrigeration cycles, work together to cool and dehumidify air in home, commercial and industrial environments, transportation (e.g., cars, airplanes, trains, etc.), refrigeration units, heat pumps and other areas Used for system
응축기 내에서 열이 냉매로부터 제거됨으로써, 압축기(12)로부터의 과열된 냉매 증기가 응축기의 출구에 도달하였을 때에는 액체 냉매가 된다. 도 1에서, 응축기는 두 부분(14a, 14b)으로 나누어져 있다. 제1 부분(14a)에서 과열된 냉매 증기가 포화 증기가 되고, 과열 저감 공정이라 불리는 공정 후에, 포화 증기는 증기로부터 액체 냉매로의 상 변화를 겪는다. 제2 부분(14b)에서, 액상 냉매는 응축기 압력에서 포화 온도 미만으로 더욱 냉각되는데, 이 공정은 과냉으로 알려져 있다. Heat is removed from the refrigerant in the condenser, so that when the superheated refrigerant vapor from the compressor 12 reaches the outlet of the condenser, it becomes a liquid refrigerant. In Fig. 1, the condenser is divided into two parts 14a, 14b. The refrigerant vapor superheated in the first portion 14a becomes saturated steam, and after a process called an overheat reduction process, the saturated steam undergoes a phase change from steam to liquid refrigerant. In the second part 14b, the liquid phase refrigerant is further cooled below the saturation temperature at the condenser pressure, which process is known as subcooling.
도 2는 응축기 내의 온도 분포를 나타낸다. 과열 저감 공정(지점 A에서 지점 B까지) 중에 온도가 급격히 저하된다. 증기로부터 액체로 변하는 상 변화(지점 B에서 지점 C까지) 중에, 냉매의 온도는 일정하게 유지된다. 응축 공정의 종료시에(지점 C), 100% 액체 냉매가 존재한다. 액체 냉매의 온도는 응축기(14b)의 제2 부분 내에서의 과냉 공정(지점 C에서 지점 D까지) 중에 더욱 감소한다. 과냉 공정 중에 냉매와 냉각 매체(예를 들면, 공기 또는 물) 사이의 온도 차가 감소하고, 따라서 과냉은 점점 비효율적인 열전달 공정이 된다. 따라서, 냉각 용량이 정해져 있는 경우에, 작은 온도 차이에 기인하는 비효율적인 열전달에 대처하기 위해서는 비교적 대형의 응축기가 필요하게 된다.2 shows the temperature distribution in the condenser. The temperature drops rapidly during the overheat reduction process (point A to point B). During the phase change (point B to point C), which changes from vapor to liquid, the temperature of the refrigerant is kept constant. At the end of the condensation process (point C), 100% liquid refrigerant is present. The temperature of the liquid refrigerant further decreases during the subcooling process (point C to point D) in the second portion of the condenser 14b. During the subcooling process, the temperature difference between the refrigerant and the cooling medium (eg, air or water) decreases, so that subcooling becomes an increasingly inefficient heat transfer process. Therefore, when the cooling capacity is determined, a relatively large condenser is required to cope with inefficient heat transfer due to a small temperature difference.
공지되어 있는 바와 같이, 필요한 냉각 용량에 따라 증발기의 크기가 결정되고, 증발기의 크기에 따라 압축기 용량이 규정된다. 압축기가 클수록 냉각 성능은 향상되지만, 비용 및 에너지 소비도 고려되어야 한다. 또한, 응축기의 방열 용량은 증발기와 압축기의 작동에 의한 흡열 용량과 동일하여야 하므로, 소정 냉각 용량에 대하여 압축기의 크기를 증가시키게 되면 응축기가 커져야 하고 비용이 증가된다.As is known, the size of the evaporator is determined by the required cooling capacity, and the compressor capacity is defined by the size of the evaporator. Larger compressors improve cooling performance, but cost and energy consumption must also be considered. In addition, since the heat dissipation capacity of the condenser should be equal to the endothermic capacity by the operation of the evaporator and the compressor, increasing the size of the compressor for a predetermined cooling capacity increases the condenser and increases the cost.
따라서 이들 사이에 절충이 필요하고, 종래의 방법에 따르면 소위 최적화 또는 균형화된 시스템 내에서, 시스템 냉각 용량(증발기 크기)과 압축기 용량 사이에 허용되는 관계가 있다. 예를 들면, 종래의 1톤 시스템에 있어서는, 증발기는 12 KBTU/Hr을 제거하도록 설계되고, 그에 대응하는 압축기 크기는 4 KBTU/Hr이다. 따라서 응축기는 16 KBTU/Hr을 처리하는 크기이어야 한다. There is therefore a trade-off between them, and according to conventional methods there is an acceptable relationship between system cooling capacity (evaporator size) and compressor capacity in a so-called optimized or balanced system. For example, in a conventional one ton system, the evaporator is designed to remove 12 KBTU / Hr, with a corresponding compressor size of 4 KBTU / Hr. Therefore, the condenser must be sized to handle 16 KBTU / Hr.
냉동 시스템의 효율, 크기 및 비용을 개선하기 위한 방안을 찾기 위한 많은 노력이 이루어져 왔다. 과냉 중의 열전달의 비효율성 때문에, 냉동 사이클의 이러한 특징은 상당한 주목을 받아 왔으나, 이제까지는 응축기의 과냉 영역의 크기를 감소시키거나 제거하기 위한 적절하고 비용 효율적인 기술이 발견되지 않았다.Many efforts have been made to find ways to improve the efficiency, size and cost of refrigeration systems. Because of the inefficiency of heat transfer during subcooling, this feature of the refrigeration cycle has received considerable attention, but so far no suitable and cost effective technique for reducing or eliminating the size of the subcooling region of the condenser has been found.
예를 들면, 응축기로부터 나오는 고압 냉매의 일부를 바이패스 회로 내로 우회시켜 2차 팽창 장치를 통해 팽창시키고, 그에 따른 냉각된 냉매를 열교환기 내에 사용하여 고압 냉매의 주 유동을 과냉하는 방법이 제안되었다. 바이패스 회로에서의 압력은 증발기에서의 압력과 동일하게 유지된다. 이와 같은 구성의 장치는 키타(Kita) 등의 미국 특허 제6,164,086호에 개시되어 있다. 도 3은 이러한 유형의 시스템의 개략도를 나타낸다. For example, a method has been proposed in which a portion of the high pressure refrigerant from the condenser is bypassed into the bypass circuit and expanded through the secondary expansion device, and the resulting cooled refrigerant is used in the heat exchanger to supercool the main flow of the high pressure refrigerant. . The pressure in the bypass circuit remains the same as the pressure in the evaporator. An apparatus of such a configuration is disclosed in US Pat. No. 6,164,086 to Kita et al. 3 shows a schematic of this type of system.
키타 등은, 모든 냉매가 바이패스 경로로 우회하고 냉매가 바이패스를 통과할 때에 주 냉동 경로 내의 주 팽창 밸브가 차단되는 장치를 또한 제안하였다. 냉매를 바이패스 라인으로 우회시키는 목적은, 열 저장 용기 내에 얼음을 형성시키고, 그에 따라 그 얼음을 냉매의 과냉에 사용할 수 있도록 하는 것이다. [키타 등은 과냉(subcooling) 공정에 대하여 "슈퍼쿨링(supercooling)"이라는 용어를 사용한다.] 키타 등의 특허에 있어서는 통상의 과냉 작업 요건을 충족시키기 위하여, 바이패스 라인이 차단되고 주 팽창 밸브가 개방된다. 그 후, 모든 냉매는 얼음으로 채워진 용기를 통과하고, 얼음이 냉매로부터 열을 제거함에 따라 냉매는 과냉된다. 그 후 과냉된 냉매는 주 팽창 장치를 통과하고 결국에는 증발기로 유동한다. Kita et al. Also proposed an apparatus in which the main expansion valve in the main refrigeration path is shut off when all refrigerant bypasses the bypass path and the refrigerant passes the bypass. The purpose of bypassing the coolant to the bypass line is to form ice in the heat storage vessel and thereby make the ice available for subcooling of the coolant. [Kita et al. Use the term “supercooling” for the subcooling process.] In Kita et al.'S patent, the bypass line is shut off and the main expansion valve is closed in order to meet the usual subcooling requirements. Is opened. Thereafter, all the refrigerant passes through the container filled with ice and the refrigerant is supercooled as the ice removes heat from the refrigerant. The supercooled refrigerant then passes through the main expansion device and eventually flows to the evaporator.
그러나, 키타 등은 2상 영역에서의 온도 구배로 인하여 R-32/134a 또는 R-407c와 같은 혼합[비공비(nonazetropic)] 냉매 시스템에 대해서만 그들의 바이패스 방법이 바람직하다고 제안한 것으로 생각된다. R-22 또는 R-134a와 같은 단상 냉매(공비) 시스템에 대해서는, 바이패스 방법은 증발기 입구에서 온도를 감소시키지 않는다.However, it is believed that Kita et al. Suggested that their bypass method is preferred only for mixed (nonazetropic) refrigerant systems such as R-32 / 134a or R-407c due to temperature gradients in the two-phase region. For single phase refrigerant (azeotropic) systems such as R-22 or R-134a, the bypass method does not reduce the temperature at the evaporator inlet.
킴(Kim)과 도만스키(Domanski)는, 증기 압축 사이클 내의 인트라사이클 증발 냉각[Intracycle Evaporative Cooling in a Vapor Compression Cycle (NISTIR 5873)]에서, 전술한 바와 같은 바이패스 방법들 중에서 그들이 "메소드 2(Method 2)"라고 칭한 첫 번째 방법을 검토하였다. 또한, 그들은 "메소드 1(Method 1)"이라고 칭한 또 다른 방법에 대해서도 고려하였는데, 이 방법은 고압 액체를 과냉하기 위해 과열 증기가 사용되는 종래의 액체 라인/흡입 라인 열 교환과 유사하지만, 과열 증기 대신에 증발기로부터의 액체 증기 혼합물을 사용한다. 이 방법은 도 4에 개략적으로 도시되어 있다.Kim and Domanski, in the Intracycle Evaporative Cooling in a Vapor Compression Cycle (NISTIR 5873), have described among the bypass methods as described above that "Method 2 ( Method 2) was reviewed for the first method. They also considered another method called "Method 1", which is similar to conventional liquid line / suction line heat exchange where superheated steam is used to supercool the high pressure liquid, but with superheated steam. Instead a liquid vapor mixture from the evaporator is used. This method is shown schematically in FIG. 4.
그들은 어떤 경우에도 단일 냉매 시스템에 대한 바람직한 결과를 얻지 못했으나, 비공비 냉매에 대해서는 제1 방법에 의해 약간의 개선이 이루어졌다는 것을 알아내었다. 그러나, 제2 방법(키타 등의 특허의 제1 방법)에 의해서는 혼합 또는 단일 냉매 시스템에 대하여 개선책을 찾을 수 없었다.They did not achieve desirable results for a single refrigerant system in any case, but found that some improvements were made by the first method for non-azeophilic refrigerants. However, no improvement was found for the mixed or single refrigerant system by the second method (the first method of the patent of Kita et al.).
또한, 혼합 냉매에 대하여 보고된 개선책은 적고, 경우에 따라서는 혼합 냉매가 상업적으로 사용되지 않고 있기 때문에 현재로서는 실용적인 관심이 제한되어 있고, 단일 냉매를 이용하는 시스템보다 고압 용량을 필요로 하기 때문에 현재의 시스템에는 사용될 수 없다.In addition, there have been few reported improvements for mixed refrigerants, and in some cases practical interest is currently limited because mixed refrigerants are not commercially used and require higher pressure capacity than systems using single refrigerants. It cannot be used for the system.
키타 등에 의해 제시된 제2 방법과 유사한 방안이 초대형 시스템(예를 들면, 2000톤)에 사용되기는 하였으나, 소형 또는 중형 시스템(1000톤 미만)에도 사용이 가능한지에 대해서는 불명확하다.Although a similar method to the second method proposed by Kita et al. Was used for a very large system (eg 2000 tons), it is unclear whether it can be used for small or medium systems (less than 1000 tons).
초(Cho)와 바이(Bai)는, 미국 특허 제6,449,964호에서, 고압 바이패스 회로의 혼합 냉매 시스템 방법 및 사용에 대하여 개시하였다. 그들은, 압력이 서로 다른 두 증기를 혼합하는 차압 조절 장치의 사용을 개시하였다. Cho and Bai, in US Pat. No. 6,449,964, disclose a method and use of a mixed refrigerant system in a high pressure bypass circuit. They initiated the use of differential pressure control devices to mix two vapors at different pressures.
따라서, 특히 현재의 단일 냉매를 사용하는 응축기 및 작은 냉각 용량과 큰 냉각 용량의 여러 시스템 내에서 대형 과냉 영역을 구비하지 않더라도, 과냉을 달성할 수 있는 비용 효율적인 방법의 필요성이 여전히 분명히 존재한다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족시키는 것을 목적으로 한다. Thus, there is still a clear need for a cost-effective way to achieve subcooling, particularly without current condenser and large subcooling zones in many systems with small and large cooling capacities. The present invention aims to satisfy this need.
도 1은 종래의 냉동 시스템의 블록도를 나타낸다.1 shows a block diagram of a conventional refrigeration system.
도 2는 도 1의 종래 냉동 시스템에 대한 응축기 내의 온도 변화의 예를 나타낸다.FIG. 2 shows an example of temperature change in a condenser for the conventional refrigeration system of FIG. 1.
도 3은 고압 냉매의 일부가 바이패스 라인 내의 2차 팽창 장치를 통해 증발기 출구에서의 압력과 동일한 압력으로 팽창하는 종래 기술에 따른 또 다른 냉동 시스템을 나타낸다. 3 shows another refrigeration system according to the prior art in which a portion of the high pressure refrigerant expands to the same pressure at the evaporator outlet through the secondary expansion device in the bypass line.
도 4는 종래의 액체 라인/흡입 라인 열 교환기를 사용하는 바이패스 장치의 예를 나타낸다. 4 shows an example of a bypass device using a conventional liquid line / suction line heat exchanger.
도 5는, 관용적으로 규정되어 있는 응축기의 크기의 탈최적화와 함께 과냉 바이패스 기술이 사용되고, 압력이 서로 다른 두 냉매의 유동을 혼합하기 위해 차압 조절 장치가 사용되는 본 발명에 따른 실시예의 블록도를 나타낸다. 5 is a block diagram of an embodiment of the present invention in which a subcooled bypass technique is used with conventionally defined deoptimization of the size of a condenser, and a differential pressure regulating device is used to mix the flow of two refrigerants at different pressures. Indicates.
도 6은 부가적 과냉을 활용하기 위해 증발기가 대형화되어 있는 본 발명에 따른 실시예의 블록도이다.6 is a block diagram of an embodiment according to the present invention in which the evaporator is enlarged to utilize additional subcooling.
도 7은 차압 조절 장치로서 와류(vortex) 발생기를 사용하는 본 발명에 따른 실시예의 블록도를 나타낸다.7 shows a block diagram of an embodiment according to the present invention using a vortex generator as a differential pressure control device.
도 8은 액체 냉매가 2차 열교환기의 하류에서 우회하는 본 발명에 따른 실시예의 블록도를 나타낸다. 8 shows a block diagram of an embodiment according to the invention in which a liquid refrigerant bypasses downstream of the secondary heat exchanger.
도 9는 일정한 흡입 온도를 유지하도록 감온식 팽창 밸브(TXV)가 사용되는 본 발명에 따른 실시예의 블록도를 나타낸다. 9 shows a block diagram of an embodiment according to the present invention in which a thermostatic expansion valve (TXV) is used to maintain a constant suction temperature.
도 10a와 도 10b는 본 발명에 따른 차압 조절 장치 장치로서 사용될 수도 있는 와류 발생기의 구조를 예시한다.10A and 10B illustrate the structure of a vortex generator that may be used as a differential pressure control device according to the present invention.
도 11은 구획 냉각 시스템에 본 발명을 적용한 블록도이다. 11 is a block diagram applying the present invention to a compartment cooling system.
도 12는 혼합 냉매 시스템에 본 발명을 적용한 블록도이다. 12 is a block diagram applying the present invention to a mixed refrigerant system.
도 13은, 부가적인 과냉을 활용하기 위하여 감온식 팽창 밸브(TXV)와 함께 작은 응축기와 큰 증발기가 사용되고 증발기로부터 배출되는 냉매에 의해 열교환기가 작동되는 본 발명의 실시예의 블록도를 나타낸다.Figure 13 shows a block diagram of an embodiment of the present invention in which a small condenser and a large evaporator are used with a thermostatic expansion valve (TXV) to utilize additional subcooling and the heat exchanger is operated by a refrigerant exiting the evaporator.
도 14는 부가적인 과냉을 활용하기 위하여 작은 응축기와 큰 증발기가 사용되고 주 팽창 장치로부터 우회된 냉매에 의해 열교환기가 작동되는 본 발명의 실시예의 블록도를 나타낸다. Figure 14 shows a block diagram of an embodiment of the invention in which a small condenser and a large evaporator are utilized to utilize additional subcooling and the heat exchanger is operated by refrigerant bypassed from the main expansion device.
본 발명에 따르면, 증발기, 압축기 및 응축기 사이의 종래의 균형화 또는 최적화 관계가 포기되고 관용적으로 충분한 열 제거 능력을 제공하지 않는 응축기가 사용되는 시스템 내에서 과냉을 위한 바이패스 회로를 사용하여 상당한 개선을 이룰 수 있다는 점이 밝혀졌다. 즉, 최적화 시스템에 있어서, 필요한 용량은 증발기 크기를 결정하고 증발기 크기에 따라 압축기 크기가 규정되며, 이들 모두의 열 입력에 의해 응축기의 크기가 규정된다. 반면에, 본 발명에 따르면, 증발기 크기가 결정된 후에, 과냉 용량을 감소시키거나 제거함으로써 응축기 크기가 "탈최적화(de-optimization)"되고, 예를 들면 주 팽창 밸브로부터 바이패스 회로 내로 우회하는 냉매에 의해 작동되는 열 교환기 사용을 통해 손실된 과냉이 보상된다. 이러한 구성에 의해 보다 소형의 압축기를 사용할 수 있고, 그 결과 에나지 효율(EER)과 시스템 비용이 개선된다. 보다 소형의 응축기는 시스템에 필요한 공간을 또한 감소시킨다. According to the present invention, significant improvements have been made using bypass circuits for subcooling in systems where condensers are used that conventionally abandon conventional balancing or optimization relationships between evaporators, compressors and condensers and do not conventionally provide sufficient heat removal capability. It turns out that this can be achieved. That is, in an optimization system, the required capacity determines the evaporator size, the compressor size is defined according to the evaporator size, and the heat input of all of them defines the size of the condenser. On the other hand, according to the present invention, after the evaporator size is determined, the condenser size is "de-optimized" by reducing or eliminating the subcooling capacity, for example bypassing the bypass valve from the main expansion valve into the bypass circuit. Subcooling lost through the use of a heat exchanger operated by This configuration allows the use of smaller compressors, resulting in improved energy efficiency (EER) and system cost. Smaller condensers also reduce the space needed for the system.
균형화 시스템 내에서는 응축기가 이미 충분히 크고 시스템이 부가적 과냉을 이용할 수 없기 때문에, 바이패스 기술을 이용하여 가능하다고 여겨지는 성능 이상의 개선된 성능을 달성하는 경이로운 능력이 실현된다. 그러나, 응축기가 최적화 크기의 응축기보다 실질적으로 작은 본 발명과 같은 냉동 시스템에서는, 증가된 과냉에 의하여 소형 응축기가 최적화 크기의 응축기 또는 초과 크기의 응축기와 같이 작용하므로, 바이패스 방법은 상당한 이점을 나타낼 수 있다. 이는 냉각 용량과 에너지 효율(EER) 모두를 상당히 증가시킨다.Since the condenser is already sufficiently large in the balancing system and the system cannot take advantage of the additional subcooling, a wonderful ability to achieve improved performance beyond that deemed possible using bypass technology is realized. However, in refrigeration systems such as the present invention where the condenser is substantially smaller than the condenser of the optimized size, the bypass method shows significant advantages since the increased subcooling acts as the condenser of the optimized size or the condenser of the oversize. Can be. This significantly increases both cooling capacity and energy efficiency (EER).
마찬가지로, 본 발명은, 증발기를 최적화 크기의 증발기보다 실질적으로 크게 제조하는 것을 가능하게 하고, 그에 따라 흡열량이 증가한다. 따라서, 증가된 과냉에 의하여, 조화된 소형의 응축기가 최적 크기의 응축기 또는 초과 크기의 응축기와 같이 작용하기 때문에, 바이패스 방법은 상당한 이점을 나타낼 수 있다. 본 발명의 그와 같은 실시예에서, 증발기에서의 증가된 흡열 작용에도 불구하고 응축기 압력은 일정하게 유지되고, 따라서 압축기 일을 증가시키지 않더라도 냉각 용량과 에너지 효율(EER)을 모두 증가시킨다.Likewise, the present invention makes it possible to manufacture the evaporator substantially larger than the evaporator of the optimum size, thereby increasing the endothermic amount. Thus, by increased subcooling, the bypass method can present a significant advantage since the matched small size condenser acts as an optimal size condenser or an excess size condenser. In such embodiments of the invention, the condenser pressure remains constant despite the increased endothermic action in the evaporator, thus increasing both cooling capacity and energy efficiency (EER) without increasing compressor work.
일반적으로 말하자면, 본 발명에 따르면, 응축기로부터 나오는 액체 냉매의 일부는, 바이패스 라인 내로 우회한 후에 증발기 출구와 압축기 입구 사이의 위치에서의 1차 냉매 경로 내로 재주입된다. 바이패스 라인 내에는 2차 팽창 장치가 사용되어 응축기로부터 우회되는 액체 냉매를 교축하고, 따라서 액체 냉매의 온도가 실질적으로 응축기 출구 온도 미만으로 감소한다. Generally speaking, according to the present invention, some of the liquid refrigerant from the condenser is reinjected into the primary refrigerant path at a location between the evaporator outlet and the compressor inlet after bypassing into the bypass line. Within the bypass line a secondary expansion device is used to throttle the liquid refrigerant bypassed from the condenser, thus reducing the temperature of the liquid refrigerant to substantially below the condenser outlet temperature.
2차 팽창 밸브로부터 나오는 냉각된 냉매는, 응축기 출구와 1차 팽창 장치 입구 사이의 1차 냉매 라인에 연결된 열교환기를 통과한다. 열교환기는 응축기로부터 나오는 냉매 증기로부터 열을 제거하고, 따라서 온도를 감소시킨다. 그 결과, 냉매는 포화 온도보다 실질적으로 낮은 온도로 1차 팽창 장치에 유입된다. 즉, 과냉도가 예를 들면 10℃ ~ 15℃ 정도로 상당히 증가한다. 또한, 이는 응축기의 일부를 과냉시키지 않더라도 달성된다. The cooled refrigerant exiting the secondary expansion valve passes through a heat exchanger connected to the primary refrigerant line between the condenser outlet and the primary expansion device inlet. The heat exchanger removes heat from the refrigerant vapor coming from the condenser and thus reduces the temperature. As a result, the refrigerant enters the primary expansion device at a temperature substantially lower than the saturation temperature. That is, the degree of subcooling increases considerably, for example, from 10 ° C to 15 ° C. This is also achieved even without subcooling part of the condenser.
열교환기 출구에서의 바이패스 라인 내의 냉매 압력이 증발기 출구에서의 압력보다 크기 때문에, 바이패스 라인 출구와 1차 냉매 라인의 교차점에는 차압 조절 장치가 사용된다. 차압 조절 장치는 진공 발생 장치 또는 감압 장치일 수 있다.Since the refrigerant pressure in the bypass line at the heat exchanger outlet is greater than the pressure at the evaporator outlet, a differential pressure control device is used at the intersection of the bypass line outlet and the primary refrigerant line. The differential pressure regulating device may be a vacuum generator or a pressure reducing device.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 냉매가 순환하게 되는 순환 시스템을 형성하도록 서로 연결된 냉매 압축 수단, 냉매 응축 수단, 팽창 수단 및 증발 수단과, 응축 수단의 출구와 팽창 수단의 입구 사이에 부착된 바이패스 라인을 포함하는 냉동 시스템이 제공되며, 상기 바이패스 라인은, 2차 팽창 수단, 응축 수단의 출구와 팽창 수단의 입구 사이에서 응축기로부터 배출된 액체 냉매의 열을 제거하는 열교환 수단, 및 압력이 서로 다른 두 증기를 혼합하고 팽창 수단과 열 교환 수단의 출구를 압축 수단의 입구에 연결하는 차압 조절 수단을 포함한다.According to a first aspect of the invention, a refrigerant compression means, a refrigerant condensation means, an expansion means and an evaporation means connected to each other to form a circulation system through which the refrigerant is circulated, and a via attached between the outlet of the condensation means and the inlet of the expansion means. A refrigeration system comprising a pass line is provided, wherein the bypass line comprises a secondary expansion means, heat exchange means for removing heat of the liquid refrigerant discharged from the condenser between an outlet of the condensation means and an inlet of the expansion means, and pressure Differential pressure control means for mixing two different vapors and connecting the outlet of the expansion means and the heat exchange means to the inlet of the compression means.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 냉매가 순환하게 되는 순환 시스템을 형성하도록 서로 연결된 압축기, 응축기, 1차 팽창 장치 및 증발기를 구비하는 1차 냉매 경로와, 응축기 출구와 압축기 입구 사이에 부착된 바이패스 라인을 포함하는 냉동 시스템이 제공되며, 상기 바이패스 라인은, 응축기 출구와 1차 팽창 장치 입구 사이에서 1차 냉매 경로에 연결되어 압축기로부터 배출된 증기로부터 열을 제거하는 열교환기와, 압력이 서로 다른 두 증기를 혼합하고 증발기와 열교환기의 출구들을 압축기 입구에 연결하기 위한 차압 조절 장치를 포함한다.According to a second aspect of the invention, a primary refrigerant path comprising a compressor, a condenser, a primary expansion device and an evaporator connected to each other to form a circulation system through which the refrigerant circulates, and a via attached between the condenser outlet and the compressor inlet. A refrigeration system comprising a pass line is provided, wherein the bypass line is connected to a primary refrigerant path between the condenser outlet and the primary expansion device inlet to remove heat from the steam discharged from the compressor, the pressure being mutually A differential pressure control device for mixing the other two vapors and connecting the outlets of the evaporator and heat exchanger to the compressor inlet.
또한 본 발명의 제2 태양에 따르면, 차압 조절 장치는, 단일의 고압 입력 유동으로부터 온도가 다른 두 유체 유동을 생성하기 위하여 통상 사용되는 벤츄리관 또는 소위 "와류관(vortex tube)"과 같은 이동 부재를 구비하지 않는 않는 진공 발생 장치일 수 있다. Also according to a second aspect of the present invention, a differential pressure control device is a moving member, such as a venturi tube or a so-called "vortex tube," which is commonly used to produce two fluid flows of different temperatures from a single high pressure input flow. It may be a vacuum generator that does not have a.
또한 본 발명의 제2 태양에 따르면, 차압 조절 장치는, 모세관, 한정된 오리피스(orifice), 밸브 또는 다공성 플러그와 같은 이동 부재를 구비하지 않는 감압 장치일 수 있다. 감압 장치는, 증발기보다 고압으로 유지되는 바이패스 라인 내에 사용된다. 감압 장치는 바이패스 라인과 증발기 출구 사이의 압력을 동일하게 하고, 압력이 동일하게 된 증기들이 압축기 입구로 돌아가기 전에 혼합될 수 있도록 적절한 배관 연결부를 포함한다. According to a second aspect of the present invention, the differential pressure regulating device may also be a pressure reducing device without a moving member such as a capillary tube, a defined orifice, a valve or a porous plug. The decompression device is used in a bypass line which is maintained at a higher pressure than the evaporator. The depressurization device equalizes the pressure between the bypass line and the evaporator outlet and includes suitable piping connections such that the equalized pressures can be mixed before returning to the compressor inlet.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 냉매가 순환하게 되는 순환 시스템을 형성하도록 서로 연결된 압축기, 응축기, 1차 팽창 장치 및 증발기를 포함하는 1차 냉매 경로로 구성된 냉동 시스템의 효율 향상 방법이 제공되며, 상기 방법은, 응축기로부터 나온 냉매의 일부를 2차 냉매 라인으로 우회시키는 단계, 응축기로부터 배출된 액체 냉매로부터 열을 제거하기 위하여, 우회된 냉매를 응축기 출구와 1차 팽창 장치 입구 사이의 1차 냉매 경로에 연결된 열교환기로 통과시키는 단계, 및 열교환기로부터 나온 냉매와 증발기로부터 나온 냉매를, 압력이 다른 두 증기를 혼합하는 차압 조절 장치로 통과시키고, 차압 조절 장치로부터 나온 냉매를 압축기 입구로 전달하는 단계를 포함한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of improving the efficiency of a refrigeration system consisting of a primary refrigerant path comprising a compressor, a condenser, a primary expansion device, and an evaporator connected to each other to form a circulation system through which the refrigerant is circulated, The method includes bypassing a portion of the refrigerant from the condenser to a secondary refrigerant line, and bypassing the bypassed refrigerant between the condenser outlet and the primary expansion device inlet to remove heat from the liquid refrigerant discharged from the condenser. Passing through the heat exchanger connected to the path, and passing the refrigerant from the heat exchanger and the refrigerant from the evaporator to a differential pressure regulating device that mixes two vapors with different pressures, and delivering the refrigerant from the differential pressure regulating device to the compressor inlet. It includes.
과냉을 실시하기 위한 바이패스 경로의 설치는 응축기의 효율을 향상시키고, 따라서 응축기 압력을 감소시키며, 압축기에서의 압력 상승이 감소하는 현상이 발생하여 압축기 일이 감소하게 된다. 이에 상응하여, 과냉은 응축기 내에서 이루어져야 하는 것은 아니기 때문에, 응축기는 실질적으로 소형화될 수 있고 보다 효과적이고 비용 효율적이게 된다. 증가된 과냉은, 제1 팽창 밸브를 통한 교축 공정 후의 액체 냉매의 양을 증가시킨다. 따라서, 증발기에서의 흡열량(흔히 냉각 용량이라고 칭함)이 증가한다.The installation of a bypass path for carrying out subcooling improves the efficiency of the condenser, thus reducing the condenser pressure and reducing the pressure rise in the compressor, thereby reducing compressor work. Correspondingly, because subcooling does not have to be done in the condenser, the condenser can be substantially miniaturized and becomes more effective and cost effective. Increased subcooling increases the amount of liquid refrigerant after the throttling process through the first expansion valve. Thus, the endothermic amount (commonly referred to as cooling capacity) in the evaporator increases.
과냉 바이패스의 전술한 장점은, 응축기로부터의 액체 냉매 유출량의 5% 내지 15%를 우회시킴으로써 달성된다. 이 정도의 양에 의해, 압축기 일의 감소와 냉각 용량의 증가가 달성된다. 에너지 효율(EER)은 냉각 용량과 압축기 일의 비로 정의되므로, 이는 에너지 효율(EER)을 증가시킨다.The above-mentioned advantages of subcooling bypass are achieved by bypassing 5% to 15% of the liquid refrigerant outflow from the condenser. By this amount, a reduction in compressor work and an increase in cooling capacity are achieved. Energy efficiency (EER) is defined as the ratio of cooling capacity to compressor work, which increases energy efficiency (EER).
본 발명의 제4 태양에 따르면, 응축기로부터의 액체 냉매의 15% 이상, 예를 들면 30%가 바이패스 경로로 우회할 경우에, 증발기를 통해 순환하는 냉매 유량의 실질적인 감소로 인하여 냉각 용량이 저하된다. 바이패스 경로 내에 조절 밸브를 사용함으로써, 우회 유량 및 그에 따른 냉각 용량이 열 부하에 따라 변할 수 있고, 따라서 에너지 비효율적인 빈번한 압축기 개폐 조작 없이 공조 시스템 또는 냉동 시스템을 작동시키는 것이 가능하다. 그 결과, 장기 기간별 에너지 효율(SEER)이 향상된다. According to a fourth aspect of the present invention, when at least 15%, for example 30%, of the liquid refrigerant from the condenser bypasses the bypass path, the cooling capacity is lowered due to a substantial decrease in the refrigerant flow rate circulating through the evaporator. do. By using a regulating valve in the bypass path, the bypass flow rate and thus cooling capacity can be varied with the heat load, thus making it possible to operate the air conditioning system or the refrigeration system without frequent and inefficient operation of the compressor. As a result, long term energy efficiency (SEER) is improved.
본 발명의 제5 태양에 따르면, 다수의 증발기가 예를 들면 구획 냉각 시스템 내에 사용될 수 있다. 따라서, 소형의 여러 대의 증발기가 분리된 공간에 하나의 응축기와 하나의 압축기와 함께 제공될 수 있다. 모든 공간이 냉각을 필요로 할 경우에는, 시스템은 최대 냉각 용량과 최대 효율을 제공하도록 5% 바이패스로 작동될 수 있다. 더 적은 공간이 냉각될 필요가 있을 경우에 그에 따라 열 부하가 감소하면, 압축기를 주기적으로 개폐할 필요 없이 냉각 용량을 감소시키기 위하여 바이패스 비율이 증가될 수 있다. 이는, 반복적이고 주기적인 압축기 개폐가 매우 에너지 비효율적인 과정이기 때문에 특히 바람직하다. According to a fifth aspect of the invention, multiple evaporators can be used, for example, in compartment cooling systems. Thus, several small evaporators can be provided with one condenser and one compressor in a separate space. If all spaces require cooling, the system can be operated with 5% bypass to provide maximum cooling capacity and maximum efficiency. If less space needs to be cooled and thus the heat load is reduced, the bypass ratio can be increased to reduce the cooling capacity without having to periodically open and close the compressor. This is particularly desirable because repetitive and periodic compressor opening and closing is a very energy inefficient process.
종래 기술과는 더욱 대조적으로, 본 발명의 사상은 종래의 단일 냉매 시스템 및 열 특성과 가연 특성의 원하는 조합을 제공하도록 선정된 냉매들의 조합을 이용하는 혼합 냉매 시스템에 적용 가능하다. 이와 같은 혼합 냉매 시스템은, 냉매가 응축기로 유입될 때에 냉매 내의 액체의 분율을 증가시킴으로써 응축기의 고효율을 제공하는 축열 특성을 또한 포함한다. 축열식 혼합 냉매 시스템은 예를 들면 미국 특허 제6,250,086호와 제6,293,108호에 개시되어 있고, 이 미국 특허들은 본 명세서에 참고로 포함된다. In contrast to the prior art, the idea of the present invention is applicable to conventional single refrigerant systems and mixed refrigerant systems utilizing a combination of refrigerants selected to provide the desired combination of thermal and flammable properties. Such mixed refrigerant systems also include heat storage characteristics that provide high efficiency of the condenser by increasing the fraction of liquid in the refrigerant as the refrigerant flows into the condenser. Regenerative mixed refrigerant systems are disclosed, for example, in US Pat. Nos. 6,250,086 and 6,293,108, which are incorporated herein by reference.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 과냉뿐만 아니라 과열 저감을 위한 바이패스 회로를 채용함으로써 응축기의 크기를 더욱 감소시킬 수 있다. 과열 저감 바이패스의 사용은, 2002년 9월 23일에 출원되어 계류 중인 본 출원인의 미국 특허 출원 제10/253,000호[대리인 사건번호(Atty Docket) 3474-21]에 개시되어 있고, 이 미국 특허 출원은 본 명세서에 참고로 포함된다. According to another aspect of the present invention, the size of the condenser can be further reduced by employing a bypass circuit for reducing overheating as well as overcooling. The use of the overheat reduction bypass is disclosed in U.S. Patent Application No. 10 / 253,000 (Atty Docket 3474-21), filed and pending on September 23, 2002, in this U.S. patent. The application is incorporated herein by reference.
따라서 본 발명의 목적은 냉동 시스템의 응축기 내의 과냉 영역을 제거하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and method for removing subcooled regions in a condenser of a refrigeration system.
또한 본 발명의 목적은, 냉동 시스템 내의 냉매의 과냉을 제공하는 보다 비용 효율적인 방법을 제공함으로써, 공지의 냉동 시스템의 효율을 증가시키는 것이다.It is also an object of the present invention to increase the efficiency of known refrigeration systems by providing a more cost effective method of providing subcooling of the refrigerant in the refrigeration system.
본 발명의 또 다른 목적은, 냉매의 과냉을 제공하는 효율적인 방법을 제공함으로써, 공지의 냉동 시스템의 냉각 용량과 에너지 효율(EER)을 향상시키는 것이다.Another object of the present invention is to improve the cooling capacity and energy efficiency (EER) of known refrigeration systems by providing an efficient method of providing subcooling of a refrigerant.
본 발명의 또 다른 목적은, 소정 냉각 용량에 대하여 관용적으로 사용되는 응축기의 크기의 탈최적화와 함께 바이패스 과냉 기술을 사용함으로써, 냉각 용량과 에너지 효율(EER)이 향상된 시스템을 제공하는 것이다. It is yet another object of the present invention to provide a system with improved cooling capacity and energy efficiency (EER) by using bypass subcooling techniques with deoptimization of the size of the condenser conventionally used for a given cooling capacity.
본 발명과 관련된 목적은, 냉매의 과냉을 제공하는 비용 효율적인 방법을 제공함으로써, 공지의 냉동 시스템 내에 보다 소형의 응축기의 사용을 가능하게 하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a cost-effective method of providing subcooling of a refrigerant, thereby enabling the use of smaller condensers in known refrigeration systems.
본 발명의 또 다른 목적은, 바이패스 과냉 기술을 사용하지 않는 공지의 냉각 시스템의 구성품의 현행 최적 크기와 크기 비율보다도 작은 응축기와 압축기의 사용을 가능하게 하면서도, 에너지 효율(EER) 또는 냉각 용량을 저하시키지 않는 것이다. It is yet another object of the present invention to provide energy efficiency (EER) or cooling capacity while allowing the use of condensers and compressors smaller than the current optimal size and size ratio of components of known cooling systems that do not use bypass subcooling technology. It does not deteriorate.
본 발명의 또 다른 목적은 축열식 및 비축열식 단일 냉매 시스템과 혼합 냉매 시스템에 사용될 수 있는 냉매의 과냉을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for subcooling refrigerants that can be used in regenerative and non-regenerative single refrigerant systems and mixed refrigerant systems.
본 발명의 또 다른 목적은, 진공 발생 장치 사용에 의해 증발기 압력이 실질적으로 낮고 그에 따라 증발기 용량이 향상되는 개량형 냉동 시스템을 제공하는 것이다. It is a further object of the present invention to provide an improved refrigeration system in which the evaporator pressure is substantially lowered by the use of a vacuum generator and thus the evaporator capacity is improved.
본 발명의 또 다른 목적은, 진공 발생 장치를 사용하여 압력이 서로 다른 두 냉매 유동을 혼합하여 압축기의 흡입 압력을 증가시킨 개량형 냉동 시스템을 제공하는 것이며, 그에 따라 압축기에 대해 필요한 압력 상승을 감소시킴으로써 압축기 일을 감소시키고 에너지 효율(EER)을 증가시킨다. It is yet another object of the present invention to provide an improved refrigeration system in which a vacuum generator is used to mix two refrigerant flows at different pressures to increase the suction pressure of the compressor, thereby reducing the required pressure rise for the compressor. Reduces compressor work and increases energy efficiency (EER).
본 발명의 또 다른 목적은, 바이패스 라인에서의 압력이 응축기 압력보다도 고압으로 유지될 수 있도록, 진공 발생 장치를 사용하여 압력이 다른 두 증기의 혼합을 실시하는 개량형 냉동 시스템을 제공하는 것이다. It is a further object of the present invention to provide an improved refrigeration system which mixes two vapors at different pressures using a vacuum generator so that the pressure in the bypass line can be maintained at a higher pressure than the condenser pressure.
본 발명의 또 다른 목적은, 바이패스 라인에서의 압력이 증발기 압력보다도 고압으로 유지될 수 있도록, 압력 감소 장치를 이용하여 압력이 다른 두 증기의 혼합을 실시하는 개량형 냉동 시스템을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide an improved refrigeration system which mixes two vapors at different pressures using a pressure reducing device so that the pressure in the bypass line can be maintained at a higher pressure than the evaporator pressure.
본 발명의 또 다른 목적은, 응축기 외부에서 과냉을 실시, 즉 응축기로부터의 냉매가 우회하여 통과하게 되는 바이패스 내에서 과냉을 실시하고, 우회하는 냉매의 양을 제어함으로써 온도에 관계된 여러 조건을 만족하도록 냉각 용량을 조정할 수 있는 개량형 냉각 시스템을 제공하는 것이며, 그에 따라 시스템은 에너지 비효율적으로 반복되는 주기적인 압축기 개폐의 필요없이 작동될 수 있다. It is still another object of the present invention to satisfy various conditions related to temperature by performing subcooling outside the condenser, i.e., by performing subcooling in a bypass where the refrigerant from the condenser bypasses, and controlling the amount of refrigerant bypassed. It is to provide an improved cooling system capable of adjusting the cooling capacity so that the system can be operated without the need for periodic compressor opening and closing which is energy inefficient.
본 발명의 또 다른 목적은, 과냉 및 과열 저감 모두를 위한 응축기 크기의 탈최적화와 함께 바이패스 기술을 채용함으로써, 종래 냉동 시스템의 냉각 용량 및 에너지 효율(EER)을 개선하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a method and apparatus for improving cooling capacity and energy efficiency (EER) of conventional refrigeration systems by employing bypass technology with deoptimization of condenser sizes for both subcooling and overheating reduction. It is.
도면 전체에 있어서, 유사한 부재들에는 동일한 도면 부호가 부여되어 있다. Throughout the drawings, like elements have been given the same reference numerals.
도 5는 액체 냉매의 일부가 바이패스 라인 또는 바이패스 경로(27)를 따라 우회되는 바이패스 기술의 개념을 도시하고 있다. 바이패스 경로의 냉매는 2차 팽창 장치(23)를 통해 유동되면서 압력과 온도가 낮아진다. 2차 팽창 장치 후방의 저온 냉매 혼합물은 응축기로부터 배출된 고온 액체 냉매로부터 열 에너지를 전달받아 1차 냉매 라인을 통해 유동되면서 액체 냉매를 추가로 과냉시키게 된다. 이렇게 바이패스 방식에 의해 추가로 과냉됨으로써, 응축기에서의 과냉 공정이 필요없어지게 된다. 따라서, 도 5에는 과냉 영역이 제거된 상태의 보다 작은 응축기(14b)가 도시되어 있으며, 그 제거된 과냉 영역은 직사각형 점선 박스로 도시되어 있다.5 illustrates the concept of a bypass technique in which a portion of the liquid refrigerant is bypassed along the bypass line or bypass path 27. As the refrigerant in the bypass path flows through the secondary expansion device 23, the pressure and the temperature are lowered. The low temperature refrigerant mixture behind the secondary expansion device receives heat energy from the hot liquid refrigerant discharged from the condenser and flows through the primary refrigerant line to further supercool the liquid refrigerant. By further subcooling by the bypass method, there is no need for the subcooling process in the condenser. Thus, a smaller condenser 14b is shown in FIG. 5 with the subcooled region removed, and the subcooled region removed is shown by a rectangular dotted box.
도 6은 바이패스 기술이 적용되지 않은 최적 시스템의 증발기보다 큰 증발기가 활용되는 바이패스 기술에 대해 도시하고 있다. 바이패스 기술에 의해서 과냉도가 증가되기 때문에, 보다 큰 증발기의 활용이 가능하게 된다. 과냉도가 증가되면, 보다 많은 양의 액체 냉매가 주 팽창 장치 후방에 저온으로 생성됨으로써 증발기의 흡열 작용을 향상시키게 된다. 증발기의 증가된 크기는 직사각형 점선 박스(18a)로 도시되어 있다. 크기가 증가된 증발기는 도 6에 도면 부호 28로 도시되어 있다. 증발기의 크기는 냉동 시스템의 용량에 직접 영향을 미친다. 본 실시예에 있어서, 바이패스가 없는 최적 시스템의 증발기보다 큰 증발기를 활용하는 기술은 매우 중요한데, 왜냐하면 본 발명의 바이패스 기술을 활용함으로써 응축기와 압축기의 크기를 증가시키지 않고서도 시스템의 용량을 증가시킬 수 있기 때문이다. 여타 다른 구성품들의 크기를 일정하게 유지시킨 상태에서 증발기의 크기를 증가시키게 되면 바로 냉각 용량이 증가될 수 있을 뿐만 아니라, 바이패스를 추가시키게 되면 응축기의 크기와 압축기의 크기를 감소시킨 상태에서도 필요로 하는 소정의 증발기 용량을 충족시킬 수 있게 된다. 예를 들어서, 증발기 크기와 냉각 용량을 유지시킨 상태에서, 최적 시스템보다 응축기의 크기와 압축기의 크기가 작은 냉동 시스템을 구성할 수도 있다. 현재 압축기 비용이 냉동 시스템 총 비용의 약 절반에 해당되기 때문에, 압축기의 크기를 감소시키게 되면 특히 바람직하다.FIG. 6 illustrates a bypass technique in which an evaporator is utilized that is larger than the evaporator of an optimal system without the bypass technique. Because of the increased degree of subcooling by the bypass technology, a larger evaporator can be utilized. If the supercooling degree is increased, a larger amount of liquid refrigerant is produced at a lower temperature behind the main expansion device, thereby improving the endothermic action of the evaporator. The increased size of the evaporator is shown by a rectangular dotted box 18a. The increased sized evaporator is shown at 28 in FIG. 6. The size of the evaporator directly affects the capacity of the refrigeration system. In this embodiment, the technique of utilizing a larger evaporator than the evaporator of an optimal system without bypass is very important, because using the bypass technology of the present invention increases the capacity of the system without increasing the size of the condenser and compressor. Because you can. Increasing the size of the evaporator while keeping the size of the other components constant will not only increase the cooling capacity, but additional bypass will also be needed to reduce the size of the condenser and the size of the compressor. It is possible to meet the predetermined evaporator capacity. For example, a refrigeration system may be constructed in which the size of the condenser and the size of the compressor are smaller than the optimum system while maintaining the size of the evaporator and the cooling capacity. It is particularly desirable to reduce the size of the compressor, because the current compressor cost is about half of the total cost of the refrigeration system.
도 7은 바이패스가 없는 냉동 시스템의 증발기보다 큰 증발기(28)와 그 냉동 시스템의 응축기보다 작은 응축기(24)가 구비된 바이패스 기술에 대해 도시하고 있다. 예를 들어서, 바이패스가 없는 1톤의 공조 시스템의 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이 1톤에 해당되는 응축기(14)(즉, 15KBtu/hr), 1톤에 해당되는 증발기(18)(즉, 12KBtu/hr), 그리고 1톤에 적용되도록 형성된 압축기(12)가 필요하게 된다. 바이패스를 구비한 1톤의 공조 시스템의 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이 보다 작은 응축기(24)(즉, 10KBtu/hr), 보다 큰 증발기(28)(즉, 15KBtu/hr), 그리고 1톤에 적용되도록 형성된 동일한 압축기(12)가 필요하게 된다.FIG. 7 illustrates a bypass technique with an evaporator 28 larger than the evaporator of a refrigeration system without bypass and a condenser 24 smaller than the condenser of the refrigeration system. For example, in the case of a one ton air conditioning system without bypass, as shown in FIG. 1, the condenser 14 corresponding to one ton (i.e., 15 KBtu / hr), the evaporator 18 corresponding to one ton (Ie 12 KBtu / hr), and a compressor 12 configured to be applied to one ton is required. In the case of a one ton air conditioning system with a bypass, a smaller condenser 24 (ie 10 KBtu / hr), a larger evaporator 28 (ie 15 KBtu / hr), and as shown in FIG. 6, and The same compressor 12 formed to be applied to one tonne is required.
도 6은 차압 조절 장치(38)를 활용한 바이패스 기술에 대해 도시하고 있다. 바이패스 경로(27)의 압력은 증발기의 압력보다 높다. 따라서, 증발기 후방에서 두 증기의 각기 다른 압력을 조절하기 위한 차압 조절 장치가 필요하게 된다. 차압 조절 장치는, 와류 발생기 또는 벤츄리관과 같은 진공 발생 장치이거나, 모세관, 한정된 작은 오리피스, 밸브 또는 다공성 플러그와 같은 감압 장치일 수 있다. 감압 장치의 경우에, 바이패스 경로로부터 배출된 냉매 유동의 압력이 마찰에 의해 저감되어 증발기 압력에 맞추어지게 된다. 또한, 감압 장치에는 적절한 배관 등이 구비될 수 있어, 균일한 압력을 갖는 증기들이 압축기 입구로 귀환되기 전에 혼합될 수 있게 된다.6 illustrates a bypass technique utilizing the differential pressure control device 38. The pressure of the bypass path 27 is higher than the pressure of the evaporator. Thus, there is a need for a differential pressure control device to control the different pressures of the two vapors behind the evaporator. The differential pressure regulating device may be a vacuum generating device such as a vortex generator or a venturi tube or a pressure reducing device such as a capillary tube, a defined small orifice, a valve or a porous plug. In the case of a decompression device, the pressure of the refrigerant flow discharged from the bypass path is reduced by friction to match the evaporator pressure. In addition, the decompression device may be provided with appropriate piping and the like so that steam having a uniform pressure may be mixed before returning to the compressor inlet.
도 7은 와류 발생기(29)가 차압 조절 장치로서 사용되어 진공을 발생시키고 각기 다른 압력의 두 냉매 유동을 혼합시키는 바이패스 기술에 대해 도시하고 있다. FIG. 7 illustrates a bypass technique in which a vortex generator 29 is used as a differential pressure regulator to generate a vacuum and mix two refrigerant flows of different pressures.
도 5 내지 도 7에 도시된 실시예에 따르면, 1차 냉매 유동이 열교환기(22)에서 과냉되기 전에, 냉매가 2차 경로로 우회된다. 도 8은 과냉 공정 후에 우회되는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 차압 조절 장치(38)가 증발기와 압축기 사이에 마련되어 각기 다른 압력의 두 증기를 혼합시키게 된다.According to the embodiment shown in FIGS. 5 to 7, the refrigerant is diverted to the secondary path before the primary refrigerant flow is subcooled in the heat exchanger 22. 8 shows yet another embodiment bypassed after a subcooling process. A differential pressure control device 38 is provided between the evaporator and the compressor to mix the two vapors at different pressures.
도 9는 바이패스 기술과 함께 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)를 채택한 본 발명의 일 실시예를 도시하고 있다. 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)는 감온 소자(41)를 사용하여 증발기(28)로 유입되는 냉매 유동을 측정함으로써 과열도를 모니터하게 된다. 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)는 감온 소자(41)에 응하여 개폐된다. 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)는 증발기(28)의 과열도를 일정하게 유지시킨다. 바이패스 기술과 함께 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)를 활용하게 되면, 여타 다른 증발기보다 작은 증발기를 사용할 수 있게 된다. 증발기(28)의 흡열 작용이 증가하게 되면, 과열도도 증가된다. 따라서, 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)가 개방되면, 과열도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 순환 냉매의 질량 유량이 증가된다. 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)와 함께 보다 큰 증발기를 사용하게 되면, 감온식 팽창 밸브(TXV)(16a)가 순환 냉매의 질량 유량을 증가시키는 경우에 증발기의 흡열 작용이 상당히 증가될 수 있게 된다.Figure 9 illustrates one embodiment of the present invention employing a thermostatic expansion valve (TXV) 16a with bypass technology. The thermostatic expansion valve (TXV) 16a monitors the degree of superheat by measuring the refrigerant flow entering the evaporator 28 using the temperature sensing element 41. The thermostatic expansion valve (TXV) 16a is opened and closed in response to the thermosensitive element 41. A thermostatic expansion valve (TXV) 16a keeps the superheat of evaporator 28 constant. The use of a thermostatic expansion valve (TXV) 16a with bypass technology allows the use of a smaller evaporator than any other evaporator. As the endothermic action of the evaporator 28 increases, the degree of superheat also increases. Therefore, when the thermostatic expansion valve (TXV) 16a is opened, the mass flow rate of the circulating refrigerant is increased to keep the degree of superheat constant. Using a larger evaporator with a thermostatic expansion valve (TXV) 16a can significantly increase the endothermic action of the evaporator when the thermostatic expansion valve (TXV) 16a increases the mass flow rate of the circulating refrigerant. Will be.
바이패스가 없는 경우에는, 보다 큰 증발기를 사용함으로써 증가된 흡열 작용에 따라 응축기 압력도 증가되어 압축기 일을 증가시키게 된다. 일반적으로, 압축기 일의 증가량이 흡열 작용의 증가량보다 크기 때문에, 에너지 효율(EER)을 저하시키게 된다. 하지만, 본 발명의 바이패스 기술에 따르면, 증발기(28)의 흡열 작용이 증가되어도 응축기 압력이 증가되지 않도록 하기에 충분히 응축기(24) 이후의 과냉도가 형성되는데, 왜냐하면 바이패스에 의해 응축기(24)가 마치 그의 크기가 확대된 것처럼 작동될 수 있기 때문이다. 따라서, 바이패스를 구비한 경우에는 에너지 효율(EER)이 증가된다.In the absence of a bypass, the use of larger evaporators results in increased condenser pressure with increased endothermic action, thereby increasing compressor work. In general, since the amount of increase in the compressor work is greater than the amount of increase in the endothermic action, the energy efficiency (EER) is lowered. However, according to the bypass technique of the present invention, the supercooling after the condenser 24 is sufficiently formed so that the endothermic action of the evaporator 28 does not increase even if the endothermic action is increased, because the bypass condenser 24 is formed by the bypass. ) Can behave as if its size is enlarged. Therefore, the energy efficiency EER is increased when the bypass is provided.
와류 발생기의 구조가 도 10a와 도 10b에 도시되어 있다. 일반적으로 도면 부호 40으로 표기된 와류 발생기의 구조는 공지 장치인 이른바 와류관으로부터 도출되었으며, 이 와류관은 압축 가스의 유입 유동을 2개의 출구 유동, 즉 와류관으로 공급된 가스의 온도보다 높은 고온 유동과 그보다 낮은 저온 유동으로 전환시킨다. 와류관에는 어떠한 이동 부품도 포함되지 않는다. 이러한 장치는 미국 특허 공보 제6,250,086호에 개시되어 있으며, 상기 미국 특허 공보는 본 명세서에 참고로 포함된다.The structure of the vortex generator is shown in FIGS. 10A and 10B. The structure of the vortex generator, generally indicated at 40, is derived from a so-called vortex tube, which is a known device, which allows the inlet flow of compressed gas to flow through two outlet streams, i.e., the temperature of the gas supplied to the vortex tube. And lower cold flows. The vortex tube does not contain any moving parts. Such a device is disclosed in US Pat. No. 6,250,086, which is incorporated herein by reference.
도 10a와 도 10b에 도시된 바와 같이, 와류 발생기(40)가 각기 다른 압력의 두 증기를 하나의 유동으로 혼합시키는 데 사용된다. 본 발명에서는 혼합 수단으로서 와류 발생기(40)가 사용된다. 이 와류 발생기는, 축방향 입구(52), 입구 단부(62)에 있는 접선 방향 입구(54) 및 대향 출구 단부(64)에 있는 출구(58)를 구비한 관형 본체(60)로 구성된다. 입구 단부에서 관(60)의 내부 구조는, 접선 방향 입구(54)로 유입되는 고압 가스 유동이 나선형 경로를 따라 출구(58) 쪽으로 이동되도록 형성된다. 이에 따라, 강력한 와류 유동이 관(60)에 형성되어, 그 와류 유동에 의해 발생된 원심력으로 인한 반경 방향 차압에 따라 증기가 반경 방향 외부로 가압됨으로써, 외주에 고압이 형성되고 축에 저압이 형성되게 된다. 이러한 저압에 의해 유체가 축방향 입구(52)로 유입되어 고압 나선 유동과 혼합된 다음에 출구(58)를 통해 배출된다.As shown in FIGS. 10A and 10B, a vortex generator 40 is used to mix two vapors of different pressures into one flow. In the present invention, the vortex generator 40 is used as the mixing means. This vortex generator consists of a tubular body 60 having an axial inlet 52, a tangential inlet 54 at the inlet end 62 and an outlet 58 at the opposite outlet end 64. The internal structure of the tube 60 at the inlet end is formed such that the high pressure gas flow entering the tangential inlet 54 is moved towards the outlet 58 along the helical path. As a result, a strong vortex flow is formed in the tube 60, and the steam is pressurized radially outward in accordance with the radial differential pressure caused by the centrifugal force generated by the vortex flow, thereby forming a high pressure on the outer circumference and a low pressure on the shaft. Will be. This low pressure causes fluid to enter the axial inlet 52 and mix with the high pressure spiral flow and then exit through the outlet 58.
도 7에 도시된 시스템과 도 10a와 도 10b에 도시된 와류 발생기(40)의 구조를 보면, 2차 열교환기(22)와 바이패스 경로(27)로부터 관(54)을 통해 고압 접선 방향 유동이 형성되며, 증발기(28)의 출구로부터 축방향 입구(52)로 유입되는 유동이 형성된다. 와류 발생기를 기초로 하는 진공 발생 장치를 사용하게 되면, 이동 부품들을 구비한 고가의 펌프를 사용하지 않고서도, 증발기(28)로부터 배출된 냉매와 2차 열교환기(22)로부터 배출된 고압 냉매를 혼합시킬 수 있게 된다.Referring to the system shown in FIG. 7 and the structure of the vortex generator 40 shown in FIGS. 10A and 10B, the high pressure tangential flow through the tube 54 from the secondary heat exchanger 22 and the bypass path 27 is shown. Is formed and a flow is formed which flows from the outlet of the evaporator 28 to the axial inlet 52. By using a vacuum generator based on a vortex generator, the refrigerant discharged from the evaporator 28 and the high pressure refrigerant discharged from the secondary heat exchanger 22 can be removed without using an expensive pump with moving parts. You can mix.
유체 역학과 기하학적 구조에 근거하고 있는 여타 다른 장치들도 진공을 발생시켜 증발기(18)와 열교환기(22)로부터 배출된 냉매 유동들을 혼합시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어서, 벤츄리관의 원리에 따라 작동되는 장치도 또한 사용될 수 있다.Other devices based on fluid mechanics and geometry can also be used to generate a vacuum to mix refrigerant flows exiting evaporator 18 and heat exchanger 22. For example, devices that operate according to the principle of venturi tubes can also be used.
다시 도 7을 보면, 작동시에 응축기(24)로부터 배출된 액체 냉매가 일례로 적절한 밸브(미도시)에 의해서 바이패스 경로(27)로 우회된다. 우회된 냉매는 2차 팽창 장치(23)를 통해 유동된 다음에 열교환기(22)를 통해 유동되는데, 이 때 열교환기는 종래에는 응축기 하류 부분에서 수행되었던 과냉 기능을 수행하게 된다. 시스템 변수, 특히 바이패스 경로로 우회된 냉매의 질량 유량을 적절하게 선정하게 되면, 냉매가 응축기(24)로부터 포화 온도로 또는 그 포화 온도에 근접한 온도로 배출될 수 있게 되며, 외부로의 열전달에 의해 응축기를 통한 전체 유동 경로에 따라서 상변화 작용이 수행될 수 있어 최대 응축기 효율을 달성할 수 있게 된다. 이를 위해서, 응축기로부터 배출된 액체 냉매의 5% 내지 15%를 바이패스 경로로 우회시키면 되는 것으로 판명되었다.Referring again to FIG. 7, the liquid refrigerant discharged from the condenser 24 in operation is bypassed to the bypass path 27 by an appropriate valve (not shown), for example. The bypassed refrigerant flows through the secondary expansion device (23) and then through the heat exchanger (22), where the heat exchanger performs the subcooling function that was conventionally performed downstream of the condenser. Appropriate selection of the system variable, in particular the mass flow rate of the refrigerant bypassed in the bypass path, allows the refrigerant to be discharged from the condenser 24 to a saturation temperature or to a temperature close to the saturation temperature and to heat transfer to the outside. This allows phase change to be carried out along the entire flow path through the condenser to achieve maximum condenser efficiency. For this purpose, it has been found that only 5% to 15% of the liquid refrigerant discharged from the condenser needs to be bypassed in the bypass path.
구체적으로 설명하면, 과냉을 위해 바이패스 경로를 마련하게 되면 응축기(24)가 보다 효율적이 되어 응축기 압력이 저감되며, 이렇게 응축기 압력이 저감되면 압축기(12)에서의 압력 상승이 낮아져 압축기 일을 감소시키게 된다. 때로는 에너지 효율(EER)이라고도 칭하는 냉동 시스템의 성능 계수("COP")는 Qv/Wc로 정의되며, 이 때 Qv는 시스템의 증발기에 의해 흡수된 흡열량을 나타내고, Wc는 압축기에 의해 수행된 일을 나타낸다. 수식으로부터 파악할 수 있는 바와 같이, Wc가 감소되면 성능 계수(COP)와 에너지 효율(EER)이 증가된다.Specifically, the provision of a bypass path for subcooling makes the condenser 24 more efficient and reduces the condenser pressure. When the condenser pressure is reduced, the pressure rise in the compressor 12 is lowered, thereby reducing the work of the compressor. Let's go. The coefficient of performance ("COP") of the refrigeration system, sometimes referred to as energy efficiency (EER), is defined as Qv / Wc, where Qv represents the endothermic amount absorbed by the system's evaporator, and Wc is the work performed by the compressor. Indicates. As can be seen from the equation, decreasing Wc increases coefficient of performance (COP) and energy efficiency (EER).
따라서, 과냉 공정이 응축기(24) 내부에서 수행될 필요가 없기 때문에, 응축기가 보다 효율적이 되고, 주 팽창 장치(16) 전방에서 과냉도가 증가된다. 이에 따라, 주 팽창 밸브(16)를 통한 교축 공정 후에 액체 냉매의 양이 증가된다. 따라서, 증발기(28)의 흡열량(흔히 냉각 용량이라 칭함)도 증가된다.Therefore, since the subcooling process does not need to be performed inside the condenser 24, the condenser becomes more efficient, and the degree of subcooling in front of the main expansion device 16 is increased. Thus, the amount of liquid refrigerant is increased after the throttling process through the main expansion valve 16. Accordingly, the endothermic amount (commonly referred to as cooling capacity) of the evaporator 28 is also increased.
도 7을 보면, 도 10a와 도 10b에 도시된 와류 발생기(40)나 벤츄리관과 같은 진공 발생 장치를 적절하게 구성함으로써, 저압 입구(52)의 압력을 주 증발기(28)의 입구 압력보다 낮게 할 수 있다. 그 결과, 증발기(28)를 가로질러 압력 강하 현상이 발생될 수 있다. 이는, 증발기 출구 압력이 낮아지게 되면 증발기 온도차가 커지게 되어 증발기 용량이 증대되기 때문에 매우 바람직하다.Referring to FIG. 7, by appropriately configuring a vacuum generator such as the vortex generator 40 or the venturi tube shown in FIGS. 10A and 10B, the pressure at the low pressure inlet 52 is lower than the inlet pressure of the main evaporator 28. can do. As a result, a pressure drop phenomenon may occur across the evaporator 28. This is very desirable as the evaporator outlet pressure is lowered because the evaporator temperature difference is increased and the evaporator capacity is increased.
보다 중요한 사항으로는, 열교환기(22)와 증발기(28)로부터 배출된 두 증기 유동들을 혼합시킨 후에, 그 혼합 유동의 압력이 증발기 입구 압력보다 높을 수 있다는 점이다. 이것이 의미하는 바는, 압축기 입구의 흡입 압력이 증가됨으로써 압축기(12)의 소요 압력 상승이 저감된다는 의미이다. 압축기 일이 감소됨으로써 에너지 효율(EER)이 증가되어, 이는 매우 바람직하다.More importantly, after mixing the two vapor flows exiting heat exchanger 22 and evaporator 28, the pressure of the mixed flow may be higher than the evaporator inlet pressure. This means that the required pressure rise of the compressor 12 is reduced by increasing the suction pressure at the compressor inlet. Reduced compressor work results in increased energy efficiency (EER), which is highly desirable.
도 11에는 본 발명의 원리에 따라 실시된 구획 공조 시스템이 도면 부호 110으로 도시되어 있다. 이 구획 공조 시스템이 도 5에 도시된 시스템(50)과 다른 점으로는, 바이패스 경로(92)가 조절가능한 제어 밸브(94)를 포함한다는 점이고, 또한 서로 다른 실내에서 운전되도록 위치되고 각각 개폐 밸브(100a, 100b)에 의해 주 팽창 장치(16)에 연결된 여러 개의 병렬 연결 증발기 유닛(98a, 98b)에 의해서 증발기(96)가 형성된다는 점이다. 따라서, 상기 시스템(110)은 별도의 두 냉각 영역을 형성시키도록 구성되지만, 예측할 수 있는 바와 같이 필요로 하는 경우에는 보다 많은 수의 냉각 영역을 형성시킬 수도 있다.In FIG. 11, a compartment air conditioning system, implemented in accordance with the principles of the present invention, is shown at 110. The compartment air conditioning system differs from the system 50 shown in FIG. 5 in that the bypass path 92 includes an adjustable control valve 94 and is also positioned to operate in different rooms and open and close respectively. The evaporator 96 is formed by several parallel-connected evaporator units 98a, 98b connected to the main expansion device 16 by valves 100a, 100b. Thus, the system 110 is configured to form two separate cooling zones, but, as can be expected, may form a larger number of cooling zones as needed.
증발기 유닛(98a, 98b)의 출구들의 압력은 동일하며, 그 출구들은 차압 조절 장치(38)의 입구에 공통적으로 연결된다.The pressures of the outlets of the evaporator units 98a and 98b are the same, which outlets are commonly connected to the inlet of the differential pressure control device 38.
작동시, 두 냉각 영역을 모두 냉각시키고자 하는 경우에는, 밸브(100a, 100b)가 개방되어 냉매가 두 증발기(98a, 98b)를 통해 유동하게 된다. 최대 냉각 효율을 달성하기 위해서, 밸브(94)는 응축기(24)로부터 배출된 냉매의 10% 내지 60%를 바이패스 경로로 우회시키도록 조절된다. 따라서, 도 5, 도 6 및 도 7과 관련하여 설명하였던 바이패스 과냉에 대한 모든 이점들이 본 시스템(110)의 경우에도 형성된다.In operation, when it is desired to cool both cooling zones, valves 100a and 100b are opened so that refrigerant flows through both evaporators 98a and 98b. In order to achieve maximum cooling efficiency, the valve 94 is adjusted to bypass 10% to 60% of the refrigerant discharged from the condenser 24 to the bypass path. Accordingly, all of the advantages for bypass subcooling described in connection with FIGS. 5, 6, and 7 are also established in the case of the present system 110.
본 시스템(110)의 부가적인 특징에 따르면, 일례로 증발기 유닛(98a)이 있는 영역에서만 냉각을 필요로 하는 경우에, 밸브(100a)가 개방되고 밸브(100b)가 닫혀지며, 밸브(94)는 이와 다른 경우에는 증발기(98b)를 통해 유동하였던 냉매를 과냉에 필요한 냉매와 함께 바이패스 경로(92)로 우회시키도록 조절된다.According to an additional feature of the present system 110, in the case where cooling is required only in the region where the evaporator unit 98a is located, for example, the valve 100a is opened and the valve 100b is closed and the valve 94 is closed. In other cases, is adjusted to bypass the refrigerant flowing through the evaporator 98b to the bypass path 92 together with the refrigerant required for subcooling.
바이패스 질량 유량을 변화시키기 위해서, 바이패스 경로(92)의 밸브(94)는 소망하는 양의 각기 다른 유량을 제공할 수 있도록 연속하여 조절되거나 여러 단계로 조절될 수 있어야 한다. 예를 들어서, 최대 성능을 발휘할 수 있도록 5% 내지 15%의 냉매가 우회될 수도 있고, 필요로 하는 냉각 용량이 낮아지는 경우에는 20%, 30%, 40%, 50% 및 60%의 냉매가 우회될 수도 있다. 이러한 용량을 제공할 수 있는 밸브들이 현재 시판되고 있으며, 이러한 유형을 갖는 임의의 적절한 밸브나 소정의 밸브가 사용될 수 있다.In order to vary the bypass mass flow rate, the valve 94 of the bypass path 92 must be continuously or adjustable in several steps to provide the desired amount of different flow rate. For example, 5% to 15% of refrigerant may be bypassed to achieve maximum performance, and 20%, 30%, 40%, 50% and 60% of refrigerant may be required if the required cooling capacity is lowered. It may be bypassed. Valves that can provide this capacity are currently on the market, and any suitable valve or any valve of this type may be used.
위에서 설명한 바와 같이, 냉매 잘량 유동의 5% 내지 15%를 바이패스 경로(92)로 우회시킴으로써 최대 효율과 냉각 용량이 달성된다. 우회된 냉매의 양이 15%를 초과하여 일례로 30% 이상까지 증가되면, 증발기(96)를 통해 순환되는 냉매 질량 유량이 현저히 감소되어 냉각 용량이 저하된다. 따라서, 작동이 정지된 증발기에는 필요하지 않은 냉매를 우회시킴으로써, 압축기의 작동 및 작동 정지 사이클을 반복하거나 고가의 가변 속도 압축기를 마련하지 않고서도, 열부하에 따라 냉각 용량을 변화시킬 수 있게 된다. As described above, maximum efficiency and cooling capacity are achieved by diverting 5% to 15% of the coolant mass flow to the bypass path 92. If the amount of bypassed coolant is increased by more than 15% to, for example, 30% or more, the coolant mass flow rate circulated through the evaporator 96 is significantly reduced to lower the cooling capacity. Thus, by bypassing the refrigerant that is not needed in the stopped evaporator, it is possible to change the cooling capacity according to the heat load without repeating the operation and shutdown cycles of the compressor or providing an expensive variable speed compressor.
이는 압축기의 작동 및 작동 정지 사이클에 의해 대량의 에너지가 소비된다는 점에서 매우 바람직하다. 이와 같이 비효율성을 제거시키게 되면, 시스템의 효율에 대한 압축기의 작동 및 작동 정지 작업의 영향을 고려하여 때로는 기간별 에너지 효율(SEER)로서 측정된 장기 에너지 효율이 상당히 향상된다. 기간별 에너지 효율(SEER)은, Wc(압축기 일)에 작동 시간을 곱한 총합에 대한 Qv(증발기에 의해 흡수된 흡열량)에 작동 시간을 곱한 총합의 비율이다.This is very desirable in that large amounts of energy are consumed by the compressor's actuation and shutdown cycles. This elimination of inefficiency significantly improves long-term energy efficiency, sometimes measured as SEER, taking into account the effect of compressor operation and shutdown on the efficiency of the system. The energy efficiency SEER is the ratio of the sum multiplied by the operating time times Qv (the endothermic amount absorbed by the evaporator) to the sum multiplied by the operating time times Wc (compressor days).
위의 설명으로부터 파악할 수 있는 바와 같이, 도 5 내지 도 9에 도시된 단일 영역 시스템에서 냉각 용량이 가변될 수 있다. 이 때, 소망하는 냉각 용량의 저하를 조절하기 위해서 추가 냉매가 적절한 조절 밸브(미도시)에 의해 바이패스 경로(27)로 우회되며, 냉동 시스템은 압축기의 작동 및 작동 정지 사이클을 자주 반복할 필요없이 작동될 수 있다.As can be appreciated from the above description, the cooling capacity can be varied in the single zone system shown in FIGS. At this time, additional coolant is bypassed to the bypass path 27 by an appropriate control valve (not shown) in order to control the desired reduction in cooling capacity, and the refrigeration system needs to repeat the compressor's operation and shutdown cycles frequently. Can be operated without.
위에서 설명한 구성에서는, 단일 냉매가 시스템을 순환하는 것으로 가정하였다. 매우 바람직한 이점들을 달성하기 위해서, 과냉 바이패스는 혼합 냉매와 함께 냉동 시스템에 사용될 수도 있다.In the configuration described above, it is assumed that a single refrigerant circulates through the system. To achieve very desirable advantages, subcooling bypass may be used in refrigeration systems with mixed refrigerants.
도 12는 일례로 냉매 R-32, R-125 및 R-134a의 혼합물을 사용하는 혼합 냉매 시스템인 본 발명의 일 실시예를 도시하고 있다. 이 혼합물은 매우 바람직한 혼합물로서 통상적으로 사용되고 있는데, 왜냐하면 R-32는 가연성이긴 하지만 매우 우수한 열특성을 갖고 있으며, R-125와 R-134a는 R-32보다 열특성이 덜 우수하긴 하지만 비가연성으로서 보다 안전하기 때문이다. 도면을 간단하게 도시하기 위해서, 미국 특허 공보 제6,293,108호와 제6,449,964호에 개시된 축열 경로의 변화에 대해서는 도 12의 시스템에 생략하여 도시하였다.FIG. 12 shows one embodiment of the present invention as a mixed refrigerant system using a mixture of refrigerants R-32, R-125 and R-134a as an example. This mixture is commonly used as a very desirable mixture because R-32 is flammable but has very good thermal properties, and R-125 and R-134a are less flammable than R-32 but are non-flammable. Because it is safer. For simplicity of illustration, changes in the heat storage paths disclosed in US Pat. Nos. 6,293,108 and 6,449,964 are omitted from the system of FIG.
도면 부호 120으로 표기된 시스템은, 압축기(12)와, 팽창 장치(16a)와, 증발기(28)와, 열교환기(22)와, 시스템(50)(도 5 참조)에서와 같이 바이패스 경로(27)에 있는 차압 조절 장치(38)로 구성된다. 하지만, 도 12에 도시된 시스템(120)의 응축기는 2개의 응축기(24a, 24b)로 분할되어 있으며, 임의의 적절한 유형 또는 소정 유형의 기액(LV) 분리기(108)가 두 응축기 사이에 마련되어 있다.The system, denoted by reference numeral 120, is a bypass path as in compressor 12, expansion device 16a, evaporator 28, heat exchanger 22, and system 50 (see FIG. 5). 27 is composed of a differential pressure regulating device 38. However, the condenser of the system 120 shown in FIG. 12 is divided into two condensers 24a, 24b, and any suitable or predetermined type of gas-liquid (LV) separator 108 is provided between the two condensers. .
기액(LV) 분리기(108)는 응축기(24a)로부터 배출된 유입 증기 유동을 응축기(24b) 입구로 유동되는 제1 증기 성분과, 일부가 바이패스 경로(27)로 유동되어 밸브(112)를 통해 열교환기(22)의 입구로 유동되는 저온의 제2 액체 성분으로 분리시킨다.The gas-liquid (LV) separator 108 flows the inlet vapor flow discharged from the condenser 24a into the first vapor component flowing into the inlet of the condenser 24b, and a portion of it flows into the bypass path 27 to open the valve 112. The second liquid component of low temperature flowing through the inlet of the heat exchanger (22).
기액(LV) 분리기(108)에 의해 배출되어 밸브(112)를 통과하는 제2 성분에는 R-134a 냉매가 부화(rich)되어 있는데, 왜냐하면 그 R-134a 냉매의 응축점과 비등점이 여타 다른 냉매 성분에 비해 높기 때문이다. 위에서 설명한 바와 같이 응축기(24a) 외부에서 과열 저감 단계를 수행하는 이점 이외에도, 액체 형태로 바이패스 경로에 있는 냉매에 R-134a가 부화되도록 함으로써 응축기 압력을 저감시킬 수 있는 추가 이점이 형성된다.The R-134a refrigerant is enriched in the second component discharged by the gas-liquid (LV) separator 108 and passed through the valve 112 because the refrigerant has a different condensation point and boiling point than that of the R-134a refrigerant. It is because it is higher than a component. In addition to the benefit of performing the overheating reduction step outside of the condenser 24a as described above, additional benefits are provided that can reduce the condenser pressure by allowing R-134a to enrich in the refrigerant in the bypass path in liquid form.
위에서 설명한 바와 같이, 도 12에 도시된 시스템은 본 발명의 원리를 혼합 냉매 축열 시스템에 적용시킨 대표적인 시스템이다. 하지만, 바이패스는 여타 다른 혼합 냉매 축열 시스템에도 적용될 수 있다.As described above, the system shown in FIG. 12 is a representative system in which the principles of the present invention are applied to a mixed refrigerant heat storage system. However, the bypass can also be applied to other mixed refrigerant storage systems.
도 13은 본 발명을 종래의 액체 라인/흡입 라인 열교환 시스템에 적용시킨 실시예를 도시한 도면으로서, 증발기로부터 배출된 과열 증기 또는 기액 혼합물이 종래 기술에 개시된 응축기의 크기에 비해 탈최적화된 크기의 응축기로부터 배출된 고압 액체를 과냉시키는 데 사용된다. 흡입 온도가 압축기(212) 전방에서 증가하므로, 본 발명에서는 흡입 온도를 감시하는 감온 벌브(bulb)(241)와 함께 감온식 팽창 장치(216)를 사용하여 냉매의 순환 질량 유량을 증가시킨다. 감온식 팽창 장치(216)는 순환 냉매의 질량 유량을 증가시킴으로써, 본 발명에서 흡입 온도는 일정하게 유지된다. 본 발명은 최적화 시스템에서의 응축기보다 훨씬 작은 크기의 응축기(214)를 사용한다. 또한, 본 발명은 최적화 시스템에서의 증발기보다 훨신 큰 크기의 증발기(218)를 사용한다. 최적화 시스템에 있어서, 종래의 액체 라인/흡입 라인 열교환은 시스템의 효율을 향상시키지 않는다. 큰 증발기(218)를 사용하는 본 발명은, 바이패스 방법을 사용하지 않는 최적화 시스템에서의 크기보다도 작은 응축기 및 작은 압축기로 냉동 시스템이 제조되는 것을 가능하게 한다. FIG. 13 shows an embodiment in which the present invention is applied to a conventional liquid line / suction line heat exchange system, in which superheated vapor or gas-liquid mixture discharged from an evaporator is deoptimized in size compared to the size of the condenser disclosed in the prior art. It is used to supercool the high pressure liquid discharged from the condenser. Since the suction temperature increases in front of the compressor 212, the present invention uses the thermostatic expansion device 216 together with a thermostatic bulb 241 to monitor the suction temperature to increase the circulating mass flow rate of the refrigerant. The thermostatic expansion device 216 increases the mass flow rate of the circulating refrigerant, whereby the suction temperature is kept constant in the present invention. The present invention uses a condenser 214 that is much smaller than the condenser in the optimization system. The present invention also uses an evaporator 218 of much larger size than the evaporator in the optimization system. In an optimization system, conventional liquid line / suction line heat exchange does not improve the efficiency of the system. The present invention using large evaporator 218 enables refrigeration systems to be manufactured with condensers and small compressors smaller than the size in an optimization system that does not use a bypass method.
도 14는 도 4에 도시되어 있는 시스템과 유사한 시스템 구성에 적용된 본 발명을 나타내며, 여기에서도 관용적인 기술에 의해 규정되어 있는 응축기 크기의 최적화를 채용하지 않았다. 도 14에서 액체 냉매의 일부가 제2 팽창 장치(223)와 열교환기(222)를 통해 우회하여 응축기로부터 나오느 고압 액체를 과냉시킨다. 본 발명은 최적화 시스템에서의 응축기보다도 훨씬 작은 크기의 응축기(224)를 사용한다. 또한, 본 발명은 최적화 시스템에서의 증발기보다도 훨씬 큰 크기의 증발기(228)를 사용한다.FIG. 14 shows the invention as applied to a system configuration similar to the system shown in FIG. 4, and here also does not employ optimization of the condenser size as defined by conventional techniques. In FIG. 14, a portion of the liquid refrigerant bypasses the second expansion device 223 and the heat exchanger 222 to supercool the high pressure liquid coming from the condenser. The present invention uses a condenser 224 that is much smaller than the condenser in the optimization system. The present invention also uses an evaporator 228 that is much larger than the evaporator in the optimization system.
본 발명의 설명에 있어서, 설명을 명확하게 하기 위하여 특정 용어가 사용되었다. 그러나, 본 발명을 특정 서술 용어에 한정시키려고 의도한 것은 아니며, 각 특정 용어는 유사한 목적을 달성하기 위한 유사한 방법들에 있어서 기술적으로 균등한 효과를 나타내는 모든 용어를 포함하는 것으로 이해하여야 한다. In the description of the invention, specific terminology has been used for the sake of clarity. However, it is not intended that the present invention be limited to specific descriptive terms, and each specific term should be understood to include all terms that exhibit technically equivalent effects in similar ways to achieve similar purposes.
마찬가지로, 설명되고 예시된 실시예들은 대표적인 것이며, 당업자라면 본 발명의 개시 내용을 참조하여 본 발명의 범주 내에서 다양하게 변경 및 수정이 가능하고 그 밖의 실시예들도 가능하다는 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 범주는 명세서의 설명에 의해서가 아니라 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 규정되고 한정된다.Likewise, the described and illustrated embodiments are representative, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the present invention and other embodiments are possible with reference to the present disclosure. Accordingly, the scope of the invention is defined and defined only by the appended claims and not by the description of the specification.
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