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KR20140022846A - 가스압축 장치 및 방법 - Google Patents

가스압축 장치 및 방법 Download PDF

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KR20140022846A
KR20140022846A KR1020137027946A KR20137027946A KR20140022846A KR 20140022846 A KR20140022846 A KR 20140022846A KR 1020137027946 A KR1020137027946 A KR 1020137027946A KR 20137027946 A KR20137027946 A KR 20137027946A KR 20140022846 A KR20140022846 A KR 20140022846A
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KR
South Korea
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compressor
pressure
air
heat
refrigerant
Prior art date
Application number
KR1020137027946A
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English (en)
Inventor
더 블리엣 칼 한스 반
Original Assignee
아쿠아-구타 비.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 아쿠아-구타 비.브이. filed Critical 아쿠아-구타 비.브이.
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Abstract

본 발명은 (i) 가변적인 회전 전력원으로부터 에너지를 압축기에 전달하는 기계적 구동, 제어 밸브 및 조정 가능한 스와시 플레이트를 포함하며, 여기서 제어 밸브의 조정은 상기 스와시 플레이트를 조정하게 되는 왕복 압축기; (ii) 상기 전력원의 회전 속도를 측정하기 위한 속도 센서; (iii) 상기 속도 센서로 측정된 회전 속도의 함수로 상기 제어 밸브를 조정할 수 있는 제1 제어 수단;을 포함하는 가스 압축장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

가스압축 장치 및 방법 {CONFIGURATION AND PROCESS FOR COMPRESSING A GAS}
본 발명은 가변적인 회전의 형태인 외부 전력원에 의하여 구동되는 가스압축 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가스를 압축하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 히트-펌프 시스템에 관한 것이다.
가스를 압축하는 이와 같은 방법은 WO2010/023142에 기술되어 있다. 상기 문헌에는 일련의 피스톤 압축기가 냉매를 압축하기 위하여 사용되며 상기 압축기가 풍력 터빈에 의하여 구동되는 방법이 기술되어 있다. 풍속이 증가되면 더욱 많은 피스톤이 작동한다.
WO2010/023142의 방법 및 장치의 단점은 풍속의 함수로 상기 피스톤을 작동 및 해제 (engaging and disengaging)하는 방법이 복잡하다는 것이다. 이에 대한 어떠한 상업적 응용도 찾아볼 수 없으며, 이는 그 복잡성 및 여전히 극복되어야 하는 기술적 과제 때문인 것으로 여겨진다.
본 발명의 목적은 간편한 가스압축 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 간편한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 이는 다음의 장치 및 방법에 의해 달성된다.
(i) 가변적인 회전 전력원으로부터 에너지를 압축기에 전달하는 기계적 구동, 제어 밸브 및 조정 가능한 스와시 플레이트를 포함하며, 여기서 제어 밸브의 조정으로 상기 스와시 플레이트가 조정되는 왕복 압축기;
(ii) 상기 전력원의 회전 속도를 측정하기 위한 속도 센서; 및
(iii) 상기 속도 센서로 측정된 회전 속도의 함수로 상기 제어 밸브를 조정할 수 있는 제1 제어 수단;을 포함하는 가스 압축장치.
본 발명은 또한 냉매, 증발기, 응축기 및 본 발명에 따른 가스압축 장치를 포함하는 히트-펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 조정 가능한 스와시 플레이트가 구비되며 가변적인 회전의 형태로 외부 전력원에 의해 구동되는 왕복 압축기를 이용하며, 상기 압축기의 조정 가능한 스와시 프레이트는 회전 속도의 함수로 조정되는 가스를 압축하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가스압축 방법 및 장치는 압축기의 변위를 점진적으로 증가시킬 수 있는 조정 가능한 스와시 플레이트가 구비된 왕복 압축기를 이용함으로써 더욱 간편한 압축 방법 및 장치를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따라 공기로부터 습기를 추출하기 위한 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2는 최대 스트로크 위치에 있는 스와시 플레이트 및 제어 밸브를 구비하며, 도 1의 장치에 적용된 왕복 압축기의 단면도를 나타낸다.
도 3은 최소 스트로크 위치에 있는 스와시 플레이트 및 제어 밸브를 구비하며, 도 1의 장치에 적용된 왕복 압축기의 단면도를 나타낸다.
도 4는 풍력 터빈과 컨테이너와 조합된 본 발명에 따른 장치를 나타낸다.
본 발명자들은 상기 압축기의 변위 (displacement)를 점진적으로 증가시킬 수 있는 조정 가능한 스와시 플레이트가 구비된 왕복 압축기를 이용함으로써 더욱 간편한 압축 방법 및 장치를 얻을 수 있음을 발견하였다. 본 발명의 방법은 종래의 방법 및 장치의 다양한 피스톤을 설치하거나 해제할 필요가 없다. 따라서, 종종 유휴중인 (idle) 피스톤 또는 복잡한 기계적 해결을 위하여 종래기술의 방법의 서로 다른 피스톤을 설치하거나 해제할 필요가 없다. 본 발명의 방법은 상업적으로 구입 가능한 풍력 터빈과의 조합으로 사용될 수 있으며, WO2010/023142에 개시된 것과 같이 특별히 개조된 풍력 터빈을 필요로 하지 않는다. 기타 다른 장점들이 아래에서 설명된다.
본 발명에 따른 장치는 최소 하나의 제어 밸브 (control valve) 및 스와시 플레이트 (swash plate)를 구비한 왕복 압축기 (reciprocating compressor)를 포함한다. 바람직하게는 상기 제어 밸브는 기계적 및/또는 전자기적 제어 밸브이다.
상기 스와시 플레이트는 상기 압축기의 피스톤의 구동 샤프트 (drive shaft)에 대하여 각도를 조정할 수 있다. 상기 스와시 플레이트의 각도는 상기 압축기의 변위 (displacement)를 결정한다. 상기 각도가 증가하면 더 큰 피스톤 스트로크 (stroke)가 발생하며 이에 따라 더 큰 변위가 발생한다.
상기 각도는 상기 제어 밸브를 조정함으로써 조정 가능하다. 상기 제어 밸브는 상기 압축기의 하우징 내부의 압력 수준에 영향을 미친다. 상기 제어 밸브는 상기 압축기 하우징 및 상기 압축기의 방출 압력간의 압력 차이를 제어한다.
상기 제어 밸브가 높은 압력 차이를 허용하는 경우, 상기 하우징 내부는 상대적으로 낮은 압력이 될 것이다. 이는 차례로 높은 스와시 플레이트 각도를 야기하며 따라서 큰 피스톤 스트로크를 유발한다. 이와 같은 큰 피스톤 스트로크는 차례로 상기 압축기의 높은 변위를 야기한다.
상기 제어 밸브가 상기 방출 압력과 상기 하우징 내부의 압력간의 낮은 압력 차이를 허용하는 경우에는, 하우징 내부는 상대적으로 높은 압력이 야기된다. 이는 차례로 작은 스와시 플레이트 각도를 야기할 것이며, 따라서 상기 압축기의 작은 변위를 야기하게 된다.
따라서 낮은 회전 속도에서 상기 제어 밸브는 상기 압축기 하우징 내에서 단지 높은 압력만을 허용할 것이며, 이는 상기 압축기의 작은 변위를 야기하게 될 것이다.
증가하는 회전 속도에서 상기 변위는 결과적으로 연속적이고 영속적으로 증가할 것이다. 상기 압축기의 변위는 그 용량의 0 내지 100%로 다양할 것이며, 더욱 바람직하게는 상기 압축기의 변함없는 방출 압력에 놓이게 될 것이다.
후술되는 바와 같은 히트-펌프 응용에 있어서와 같이 상기 전력원의 다양한 회전 속도에서도 상기 방출 압력이 변하지 않고 유지되어야 할 때, 후자는 특히 유리하다.
전력원의 회전 속도의 함수로 상기 압축기의 피스톤의 변위를 간단하게 변화시킬 수 있는 이와 같은 압축기는 다양하다. 이는 속도 센서에 의해 측정된 회전 속도의 함수로 상기 제어 밸브를 조정함으로써 달성될 수 있다.
바람직하게는 상기 조정은 상기 조정이 더 낮은 회전 속도에서 증가한다는 점에서 비-선형적이다. 상기 기술된 왕복 압축기는 상업적으로 구입 가능할 것이다. 따라서 종래기술의 방법 및 설계와 같은 특별히 설계된 압축기가 전혀 요구되지 않는다. 더 낮은 회전 속도에서는 일부 피스톤이 유휴중인 (idle) 종래 기술과 같이 다수의 압축기 및 피스톤을 다양한 회전 전력원에 결합시킬 필요가 없다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 압축기의 용량 즉 부하 (load)는 풍속 터빈의 속도에 따라 연속적이고 영속적으로 조정 가능하다.
이는 하나 이상의 실린더가 하나씩 작동되어 풍력-터빈에 단계적으로 부하를 가하는 WO2010/023142에 기술된 종래기술의 방법과는 대조적이다.
이러한 단계적인 방법은 상기 풍력-터빈의 작동을 매우 어렵게 만들며 또한 바람직하지 않은 감소된 압축 가스의 출력을 야기한다.
상기 장치를 요약하자면, 상기 장치는 속도 센서 및 조정 가능한 스와시 플레이트에 의하여 왕복 압축기의 부하를 연속적이고 영속적으로 제어하기 위한 제어 수단, 및 상기 왕복 압축기 내에서 설정점 (set-point)에 대하여 기계적 및/또는 전자기적 제어 밸브에 의하여 스트로크 조정을 세팅하는 상기 피스톤의 조정을 제어하기 위한 제어 수단을 적절하게 포함한다.
상기 가변적인 회전 전력원은 적절하게 풍력 터빈, 수력 구동 터빈 또는 증기 터빈이며 더욱 바람직하게는 풍력 터빈이다.
수력 구동 터빈의 한 예는 상기 전력이 조석 주기의 함수에 따라 가변적으로 되는 조력 구동 터빈이다. 증기 터빈의 한 예는 농축 태양광 발전 (concentrated solar power)에 의하여 발전되는 증기 터빈이다.
이러한 과정에 의하여 생산된 증기는 태양광의 강도의 함수에 따라 다양할 것이다. 풍력-터빈에 의하여 생산된 전력 및 토크는 지속적이고 가변적인 풍속 및 풍력-터빈 회전자 (rotor)에 대한 그 영향 때문에 지속적으로 변할 것이다.
상기 기계적 구동은 적절하게는 기계적 구동 및 기어 트레인이다. 상기 속도 센서는 상기 전력원의 회전속도를 측정하기 위하여 구동 트레인 (drive train) 상에 적절하게 위치한다.
상기 장치는 가스를 압축하고 이와 같이 압축된 가스를 나중에 사용하기 위하여 저장할 목적으로 사용될 수 있다. 이와 같은 방법으로 풍속이 강할 때 풍력을 저장하고 풍속이 필요한 전력을 공급하기에 충분하지 않을 때 저장된 풍력이 사용될 수 있다.
요구되는 전력은 상기 압축된 가스를 이용하여, 예를 들어 전기의 형태로 직접적으로 생성될 수 있다. 이로 인하여 예를 들어 풍력으로부터 직접적으로 생성된 전기를 저장하기 위한 배터리를 사용할 필요가 없어지게 된다.
본 발명은 또한 냉매, 증발기, 응축기, 팽창밸브 및 본 발명에 따른 가스압축 장치를 포함하는 히트-펌프 시스템에 관한 것이다.
이와 같은 히트-펌트는 에어 컨디셔닝, 냉장 또는 다른 냉각 응용에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 본 발명자들은 이와 같은 히트-펌프 시스템이 전력원의 회전 속도 및 상기 히트-펌프 시스템이 냉각을 제공하는 전형적으로 공기인 매질 (medium)의 시작 온도 (starting temperatures)를 다양화하는데 적용될 수 있다는 점을 알게 되었다. 공기의 다양한 시작온도는 기후, 밤낮의 주기 및 날씨의 일일 변화에 기인한다.
바람직하게는 상기 히트-펌프 시스템 내에 공기를 상기 증발기로 유도하기 위한 1차 공기 팬이 구비되며; 공기를 상기 응축기로 유도하기 위한 2차 공기 팬, 상기 압축기의 흡입 측에서 상기 냉매의 제1 압력을 측정하기 위한 제1 압력 센서 또는 상기 압축기의 흡입 측에서 냉매의 제1 온도를 측정하기 위한 제1 온도 센서, 상기 제1 압력 센서에 의해 측정된 제1 압력의 함수 또는 상기 제1 온도 센서에 의해 측정된 제1온도의 함수로 1차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단이 구비된다.
더욱 바람직하게는 상기 압축기의 방출 측에서 상기 냉매의 제2 압력을 측정하기 위한 제2 압력 센서 또는 상기 압축기의 방출 측에서 상기 냉매의 제2 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서가 구비되며, 상기 제2 압력 센서에 의해 측정된 제2 압력의 함수 또는 상기 제2 온도 센서에 의해 측정된 제2 온도의 함수로 상기 2차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단이 구비된다.
흡입 압력 및 방출 압력 또는 흡입 온도 및 방출 온도를 위한 설정점 (set-point)이 선택될 것이다. 이와 같이 선택된 설정점은 예를 들어 상기 증발기 및/또는 응축기를 통과할 때의 상기 공기흐름의 바람직한 온도에 의존적일 것이다.
압력 센서 및 제어부와 온도 센서 및 제어부의 조합이 가능하다. 바람직하게는 상기 히트-펌프 시스템은 전술된 바와 같이 1차 및 2차 공기 팬을 제어하기 위하여 압력 측정을 사용한다.
바람직하게는 상기 1차 공기 팬에 의해 공급되고 상기 증발기에서 냉각된 공기는 냉각 공기흐름 및 2차 공기의 혼합된 흐름을 얻기 위하여 2차 공기에 더해진다.
이와 같이 혼합된 흐름은 적절하게 상기 응축기로 향하게 된다. 따라서, 상기 히트-펌프 시스템은 바람직하게는 상기 증발기의 공기 유출과 상기 응축기의 공기 유입을 연결하는 통로를 구비한다. 이는 더 낮은 응측기 압력을 유발하며, 따라서 더 높은 압축기 효율을 얻을 수 있게 된다.
상기 압력 및/또는 온도 센서 및 제어부를 구비한 히트-펌프 시스템은 외부 전력원의 회전 속도가 변함에도 불구하고 상기 증발기를 통과할 때의 상기 공기의 온도 감소가 최적의 방법으로 제어될 수 있다는 점에서 장점을 갖는다.
이는 상기 히트-펌프가 공기로부터 수분을 응축하는데 사용될 때 특히 유리하다. 수분의 바람직한 응축을 달성하기 위하여 상기 증발기를 통과할 때의 상기 공기의 특정 온도 범위가 요구될 것이다.
본 발명의 히트-펌프에 있어서 이는 상기 풍력-터빈이 이끌고 상기 히트-펌프가 뒤따르는 주종 관계인 간단한 방법으로 달성될 수 있다.
바람직하게는 상기 1차 및 2차 공기 팬을 제어하기 위한 상기 제어 수단은 상기 제1 제어 수단과 독립적으로 작동한다. 상기 1차 및 2차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단은 상기 히트-펌프 시스템을 균형 있게 유지한다.
따라서, 바람직한 히트-펌프 시스템은 예를 들어, 수집 드립-팬 (collecting drip-pan), 수분 저장고 (water reservoir) 및 수집된 수분을 위한 배출구와 같이 응축된 수분을 수집하기 위한 수단을 적절히 포함한다.
상기 냉매는 합리적인 압력 조건에서 응축 및 증발하는 모든 화합물일 수 있다. 암모니아, C02, 하이드로플루오로카본 (hydrofluorocarbon, HFC) 및 하이드로플루오로-올레핀 (hydrofluoro-olefin, HFO) 냉매 등이 그 예이다. 자동차 에어컨디셔닝 냉매로 사용되는 냉매가 전형적으로 사용될 수 있다.
하이드로플루오로카본의 적합한 예는 HFC-134a이다. 바람직하게는 HFO-타입 냉매가 사용되며, 더욱 바람직하게는 HFO 1234YF로서 상업적으로 구입가능한 DuPont사의 OpteonTM인 CF3CF=CH2 (2,3,3,3-tetrafluoropropene)이 사용된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 히트-펌프 시스템 및 가변적인 회전 전력원으로서 풍력-터빈을 포함하는 공기로부터 습기를 추출하기 위한 장치에 관한 것이다.
상기 풍력-터빈은, 선택적으로는 적당한 구동 트레인을 통하여 상기 압축기의 기계적 구동에 연결될 수 있는 모든 터빈일 수 있다. 이는 본 발명의 장점 중 하나이며, 즉 특별히 설계되거나 개조된 풍력-터빈이 요구되지 않는다.
본 발명은 또한 조정 가능한 스와시 플레이트 (swash plate)가 구비되고 가변적인 회전의 형태인 외부 전력원에 의해 구동되는 왕복 압축기를 이용하여 가스를 압축하는 방법에 관한 것이며, 상기 압축기의 조정 가능한 스와시 플레이트는 회전 속도의 함수로 조정된다.
바람직하게는 상기 조정은 비선형적이다. 상기 비선형적인 조정은 회전 속도의 증가의 결과로서의 압축력의 증분 증가 (incremental increase)가 더 높은 회전 속도에서 더 커지는 결과를 야기한다. 외부 전력원의 가변적인 회전은 결과적으로 회전 속도를 측정하게 되는 속도 센서를 이용하여 적절하게 측정된다.
상기 측정된 회전 속도는 상기 왕복 압축기에 포함된 제어 밸브의 기계적 및/또는 전자기적 조정에 의하여 상기 스와시 플레이트를 조정하기 위한 입력으로 적절히 사용된다. 상기 압축기는 전술된 압축기일 수 있다.
바람직하게는 상기 가스는 증발기, 응축기, 팽창 밸브, 기체 냉매의 흐름 및 응축 냉매의 흐름을 포함하는 히트 펌프 사이클에 사용되는 냉매이다. 이러한 방법은 에어컨디셔닝, 냉장 및 기타의 열처리에 응용될 수 있을 것이다.
바람직하게는 상기 방법은 공기를 냉각시키거나 가열시키는 데 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 응축된 수분 및 냉각된 공기흐름의 혼합물을 유발하는 상기 증발기 내부의 기체 냉매의 흐름에 대한 간접적인 열교환에 의하여 습기를 포함하는 공기의 흐름이 적절하게 냉각된다.
상기 응축된 수분은 상기 방법의 결과물로서 상기 냉각된 공기흐름으로부터 적절히 분리된다. 이러한 방법으로 바람과 같은 가변적인 회전 전력원을 이용하여 액상의 수분형태로 공기로부터의 습기를 얻을 수 있는 방법이 제공된다.
냉각된 공기흐름의 온도 범위는 바람직하게는 0 내지 10℃이며, 더욱 바람직하게는 3 내지 5℃이다. 이와 같은 냉각된 공기의 바람직한 온도는 상기 냉매의 상응하는 흡입 및 방출 압력 설정점 또는 온도 설정점을 선택함으로써 달성될 수 있다. 이러한 설정점은 상기 냉매의 증발 및 응축 특성에 의존적일 것이다.
바람직하게는 본 방법의 공기 흐름은 히트-펌프 사이클 내의 증발기 및 압축기 사이에 존재할 때, 또는 응축기의 흡입 측에서의 기체 냉매의 압력의 함수로 조정된다. 이러한 압력이 감소하면, 공기의 흐름은 증가한다.
이러한 방법에 있어서, 압축된 기체 냉매의 흐름은 2차 공기 및 냉각된 공기흐름의 혼합된 흐름에 대한 간접적인 열교환에 의하여 응축기에서 응축되며, 상기 2차 공기의 흐름은 히트-펌프 사이클의 압축기 및 응축기 사이에 존재할 때의 기체 냉매의 압력의 함수로 조정된다. 이러한 압력이 감소하면 상기 공기흐름도 감소한다.
1차 및 2차 공기의 흐름은 하나 이상의 팬을 이용하여 적절하게 생성된다. 상기 팬은 적절하게는 전기적으로 구동되는 팬이며, 필요한 전기는 바람직하게는 전술된 바와 같이 가변적인 회전의 형태인 동일한 외부 전력원에 의하여 구동되는 교류발전기 (alternator)에 의하여 생성된다.
따라서, 바람직하게는 가변적인 회전의 형태인 상기 외부 전력원은 또한 전기를 생산하기 위하여 발전기를 구동시키며, 더욱 바람직하게는 생성된 전기는 이러한 공기 팬과 같은 상기 히트-펌프 사이클을 작동시키기 위하여 사용된다.
본 발명은 또한 에너지 공급을 위한 풍력 터빈 (1), 상기 에너지를 전달하기 위한 기계적 구동 및 기어 트레인 (2, 3)을 포함하며, 발전기 (4), 및 피스톤을 구비한 압축기를 포함하는 적어도 하나의 히트-펌프 시스템 둘 다의 속도를 증가시키고,
-속도 센서 (7) 및 조정 가능한 스와시 플레이트 (30)에 의하여 상기 왕복 압축기 (8)의 부하를 연속적이고 영속적으로 제어하기 위한 제어 수단,
-상기 왕복 압축기 (8) 내에서 설정점 (set-point)에 대하여 기계적 및/또는 전자기적 제어 밸브 (34, 35)에 의하여 스트로크 조정을 세팅하는 상기 피스톤의 조정을 제어하기 위한 제어 수단,
-냉각기 (14)를 흐르는 공기흐름을 연속적이고 영속적으로 바꿈으로서 획득된 설정점에 대하여 흡입 라인에서 압력 센서 (16)에 의하여 1차 공기 팬(10)을 제어하기 위한 제어 수단, 및
-응축기(9)를 흐르는 공기흐름을 연속적이고 영속적으로 바꿈으로서 획득된 설정점에 대하여 방출 라인에서 압력 센서 (17)에 의하여 2차 공기 팬(11)을 제어하기 위한 제어 수단을 특징으로 하는 공기로부터 습기를 추출하기 위한 장치에 관한 것이다.
이하 도 1 내지 4를 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 공기로부터 수분을 추출하기 위한 장치는 풍력-터빈 (1), 기계적 구동 및 기어트레인 (2,3), 전류 및 전압 제어부 (6)를 갖는 배터리 시스템 (5)과 결합된 발전기 (4), 상기 발전기에 장착되거나 장착되지 않는 속도 센서 (7)를 포함한다.
상기 풍력-터빈 (1)은 왕복 압축기 (8), 응축기 (9), 1차 및 2차 공기 팬 (10, 11), 열팽창 밸브 (12), 모세 배관 (capillary tubing, 13), 냉각기 (14), 프로세스 배관 (process tubing, 15), 전기 배선에 의하여 상기 1차 및 2차 공기 팬 (10, 11)에 각각 연결되고 각각 흡입 및 방출 라인에 위치하는 압력 센서 (16, 17)를 포함하고, 수분 수집 드립-팬 (18), 통로 (19), 수분 저장고 (20), 수분 배출구 (21), 공기-필터 (22) 및 회전 공기-유입구 (23)를 더욱 포함하는 적어도 하나의 히트-펌프 시스템을 구동시킨다.
상기 왕복 압축기 (8)의 변위는 상기 풍력-터빈 (1) 속도 및 내부 (기계적 또는 전기적) 압력 제어 장치의 함수 (function)이다.
상기 1차 공기 팬 (10)의 용량은 상기 압력 센서 (16)에 의해 측정된 흡입 압력의 함수이다. 상기 1차 공기 팬 (10)의 배출 (output)은 제어 루프 (loop)를 이용하여 0% 에서 최대 100%까지 연속적이고 영속적으로 조정될 수 있다.
상기 2차 공기 팬 (11)의 용량은 상기 압력 센서 (17)에 의해 측정된 방출 압력의 함수이다. 또한 상기 2차 공기 팬 (11)의 배출은 제어 루프를 이용하여 0%에서 최대 100%까지 연속적이고 영속적으로 조정될 수 있다.
상기 가변적인 변위 왕복 압축기 (8)는 구동 샤프트 (26)에 대하여 둘레에 평행하게 배열된 피스톤 (25)을 갖는 도 2 및 3에 도시된 축류 압축기 (axial compressor)이다. 실린더 헤드 (29) 내의 일방향 리드 밸드 (27, 28)는 각 실린더로 유출입하는 냉매의 흐름을 제어한다.
상기 피스톤 (25)은 스와시 플레이트 (30)에 의하여 구동된다. 이와 같은 스와시 플레이트 압축기 (8)에서, 상기 구동 샤프트 (26)와 함께 스스로 회전한다. 각 피스톤 (25)의 하부 (bottom)에 있는 베어링 (31)은 가장자리의 둘레에서 붙잡아 연결 (clamps)되며 상기 스와시 플레이트 (30)의 어느 한 쪽에 상에 올라타게 위치 (rides on)한다.
상기 스와시 플레이트 (30)는 상기 구동 샤프트 (26)에 대하여 다양한 각도 (Φ)로 구비되며 이에 따라 상기 스와시 플레이트가 회전할 때 상기 피스톤 (25)은 보어 (bore) 내부에서 전후방으로 움직이게 된다. 상기 스와시 플레이트 (30)의 각도 (Φ)는 피스톤 스트로크의 길이를 결정한다.
도 2는 상기 피스톤 (25)의 최장 (A) 스트로크를 갖는 스와시 플레이트 위치에 있는 압축기를 나타내며, 도 3은 최단 (B) 스트로크를 갖는 스와시 플레이트 위치에 있는 압축기를 나타낸다.
가변적인 변위 압축기 (8)에 있어서, 상기 각도 (Φ)는 연속적이고 영속적으로 조정될 수 있고, 이는 상기 피스톤 (25)의 스트로크의 길이를 변화시키며, 결국 각 스트로크에 따라 변위된 냉매의 양을 변화시키게 된다. 상기 각도 (Φ)는 상기 구동샤프트 (26)를 따라 길이방향으로 움직이는 스프링 (32) 및 연결장치를 이용하여 조정되며, 이는 상기 압축기 하우징 내부의 냉매 압력으로 제어된다.
하우징 압력이 증가하면, 상기 피스톤들 (25)의 후방으로 가해지는 압력은 그들의 보어내부에서 이들을 "더 높게" 유지하며 상기 실린더 헤드 (29)에 더욱 가까워진다. 이는 스트로크를 짧게 하며, 결국 변위가 감소한다. 하우징 압력이 감소하면, 스프링 (33)이 상기 실린더 헤드 (29)로부터 상기 조정 연결장치를 멀리 밀어내며, 그들의 보어 내부에서 이들을 "더 낮게" 유지하고 변위를 증가시키기 위하여 피스톤 스트로크를 길어지게 한다.
하우징 압력은 제어 밸브를 상기 실린더 헤드 (29)의 흡입 (low-side) (34) 및 방출 (high-side) (35) 챔버에 연결시키는 포트 (ports) 및 통로를 갖는 제어 밸브 (34, 35)를 이용하여 조정되며, 따라서 풍력-터빈 파워 및 토크의 진폭에 따라 상기 냉매 질량 흐름 (mass flow)을 제어한다.
본 발명에 따라 상기 조정 가능한 스와시 플레이트 (30) 및 상기 속도 센서 (7)는 상기 왕복 압축기 (8)의 부하 (load)를 연속적이고 영속적으로 제어하기 위한 제1 제어 수단이다. 바람직하게는 제1 제어 수단의 상기 속도 센서 (7)는 상기 풍력 터빈 (1)의 회전 속도를 측정하기 위한 구동 트레인 (2, 3) 상에 구비된 센서이며 전기 배선에 의하여 상기 왕복 압축기 (8)에 연결된다.
제2 제어 수단은 상기 압축기 내에서 설정점에 대하여 기계적 및/또는 전자기적 제어 밸브 (34, 35)에 의하여 스트로크 조정을 세팅하는 상기 피스톤을 제어하고,
제3 제어 수단은 냉각기 (14)에 흐르는 공기흐름을 연속적이고 영속적으로 바꿈으로서 획득된 설정점에 대하여 흡입 라인에서 압력 센서 (16)에 의하여 1차 공기 팬(10)을 제어하며,
제4 제어 수단은 응축기(9)에 흐르는 공기흐름을 연속적이고 영속적으로 바꿈으로서 획득된 설정점에 대하여 방출 라인에서 압력 센서 (17)에 의하여 2차 공기 팬(11)을 제어한다.
바람직한 다른 구현 예에 있어서, 상기 공기 팬은 통합된 전자적으로 정류된 기술 (electronically commutated technology)과 함께 장착된다.
일차적으로 이는 상기 장치가 브러쉬리스 (brushless)하게 작동하며 어떠한 제어 시스템 없이도 작동되도록 한다. 상기 전자적으로 정류된 기술은 모터에 자체 지능을 부여한다.
상기 응축기 (9) 및 냉각기 (14)에 흐르는 공기흐름 (10, 11)을 제어하기 위하여 속도 유연성 (speed flexibility)이 요구된다. 완벽한 제어성 (controllability)과 광범위한 작동범위로 인하여 간단한 센서/송신기를 사용할 수 있게 된다. 통합된 비례적분미분 (proportional-integral-derivative) 제어는 외부 제어 유닛을 불필요하게 만든다. 통합된 '주종 (master slave)' 옵션은 한 쌍으로 설치된 팬의 어느 하나만을 사용하는 것을 가능하게 한다.
시동 전류 (starting current)는 정격 전류 (rated current)보다 같거나 또는 그 이하이며, 이는 배선/케이블 사이즈를 최소화시킨다. 통합 보안 엔진 (integrated security engine)은 고장 및 결함으로부터 상기 장치를 보호한다.
상기 엔진에 구축된 전자적으로 정류된 기술은 모든 어셈블리 (assembly)를 불필요하게 한다. 고효율은 상기 장치가 열 회로 (thermal circuit)를 위한 최대 풍력 터빈 에너지를 사용할 수 있도록 한다. 적절한 소리는 방음을 불필요하게 한다.
조밀한 구축은 작은 장치들을 가능하게 하며, 구조적인 장치를 위한 요구가 거의 없도록 한다. 유지보수의 불필요 및 긴 수명은 최소한의 유지보수 스케줄만을 요구하며 이에 따라 경제적인 가동이 가능하다.
도 1, 2 및 3에 도시된 장치는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 둘 이상의 히트-펌프 시스템에 응용되도록 구성될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 4는 컨테이너 (40)와 함께 구비된 풍력 터빈 (1), 구동 트레인 (2, 3) 및 도 1에 도시된 것과 같은 히트-펌프를 나타낸다. 상기 컨테이너에는 2차 공기를 위한 개구부 (41), 1차 공기를 위한 개구부 (43) 및 공기 방출을 위한 개구부 (42)가 구비된다.
하나의 컨테이너에는 모두 하나의 풍력 터빈 (1)에 의하여 구동되는 하나 이상의 히트 펌프 시스템이 구비될 수 있다. 상기 컨테이너는 또한 풍력 터빈 (1)의 기반 (basis) 및 상기 장치에 의해 생산된 수분을 저장하는 장소로 역할을 수행한다. 예를 들어 20 내지 40 피트 해양 컨테이너일 수 있는 상기 컨테이너는 상기 전체 장치를 사용장소로 운반하기 위하여 사용될 수도 있다.
본 발명은 계산 및 모델에 근거하는 하기 예의 수단에 의하여 기술될 것이다.
실시 예 1
도 1의 구성의 작동에 있어서 기온 및 상대습도를 다양화함에 따른 영향을 모델 계산 (model calculations)을 이용하여 조사하였다. 풍속은 9m/s로 유지하였다.
산출된 회전 속도는 2000rpm이다. 모든 세 가지 조건 하에서 상기 압축기의 흡입 압력 및 방출 압력은 설정점으로 조절된다.
공기의 특성을 다양화함에 따라 하기 표에 나타난 바와 같이 1차 공기 및 2차 공기를 조절하는 팬은 그 용량이 다양화된다. 하기 표 1은 또한 1일 응축 수분 생산을 나타낸다.
가동 (Run) A B C
공기 온도 15 28 45 ℃
상대 습도 95 70 45 %
공기 압력 1035 1035 1035 mbar
풍속 9 9 9 m/s
회전 속도 2000 2000 2000 rpm
1차 공기흐름 8145 3936 2285 m3/h
2차 공기흐름 8354 6532 5071 m3/h
수분 생산 1289 1319 1388 ltr/dy
실시 예 2
도 1 구성의 작동에 있어서 변함없는 공기 조건에서 변동하는 풍속의 영향을 모델 계산 (model calculations)을 이용하여 조사하였다. 조건 및 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
가동 (Run) D E F
공기 온도 25 25 25 ℃
상대 습도 70 70 70 %
공기 압력 1035 1035 1035 mbar
풍속 6 7.5 9 m/s
회전 속도 1520 1840 2240 rpm
1차 공기흐름 1371 2678 4606 m3/h
2차 공기흐름 2105 4111 7072 m3/h
수분 생산 357 698 1200 ltr/dy
본 발명의 다양한 구현 예는 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 특허청구범위에 기재된 발명의 범위를 제한하기 위한 목적으로 기술된 것이 아니다. 따라서, 본 발명은 다른 유형의 장치, 많은 대체 수단, 개량 및 변형에 용이하게 적용되는 것이 가능하다는 것이 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims (27)

  1. (i) 가변적인 회전 전력원으로부터 에너지를 압축기에 전달하는 기계적 구동, 제어 밸브 및 조정 가능한 스와시 플레이트를 포함하며, 여기서 제어 밸브의 조정으로 상기 스와시 플레이트가 조정되는 왕복 압축기;
    (ii) 상기 전력원의 회전 속도를 측정하기 위한 속도 센서;
    (iii) 상기 속도 센서로 측정된 회전 속도의 함수로 상기 제어 밸브를 조정할 수 있는 제1 제어 수단;
    을 포함하는 가스 압축장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변적인 회전 전력원은 풍력 터빈, 수력 구동 터빈 또는 증기 터빈인
    가스 압축장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가변적인 회전 전력원은 풍력 터빈인
    가스 압축장치.
  4. 청구항 1 내지 3의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는 기계적 및/또는 전자기적 제어 밸브인
    가스 압축장치.
  5. 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스와시 플레이트는
    상기 압축기의 피스톤의 구동 샤프트에 대하여 각도 조정이 가능하며, 상기 스와시 플레이트의 각도는 상기 압축기의 변위를 결정하는
    가스 압축장치.
  6. 청구항 1 내지 5의 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계적 구동은 기계적 구동 및 기어 트레인이며, 상기 속도 센서는 상기 전력원의 회전속도를 측정하기 위하여 상기 구동 트레인 상에 위치되는
    가스 압축장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 속도 센서는 상기 왕복 압축기의 제1 제어부에 전기 배선에 의해 연결되는
    가스 압축장치.
  8. 냉매, 증발기, 응축기, 팽창 밸브, 및 청구항 1 내지 7의 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는
    히트-펌프 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    공기를 상기 증발기로 유도하기 위한 1차 공기 팬이 구비되며;
    공기를 상기 응축기로 유도하기 위한 2차 공기 팬,
    상기 압축기의 흡입 측에서 상기 냉매의 제1 압력을 측정하기 위한 제1 압력 센서 또는 상기 압축기의 흡입 측에서 상기 냉매의 제1 온도를 측정하기 위한 제1 온도 센서,
    상기 제1 압력 센서에 의해 측정된 제1 압력의 함수 또는 상기 제1 온도 센서에 의해 측정된 제1온도의 함수로 상기 1차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단,
    상기 압축기의 방출 측에서 상기 냉매의 제2 압력을 측정하기 위한 제2 압력 센서 또는 상기 압축기의 방출 측에서 상기 냉매의 제2 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서, 및
    상기 제2 압력 센서에 의해 측정된 제2 압력의 함수 또는 상기 제2 온도 센서에 의해 측정된 제2 온도의 함수로 상기 2차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단이 구비되는
    히트-펌프 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    공기를 상기 증발기로 유도하기 위한 1차 공기 팬이 구비되며;
    공기를 상기 응축기로 유도하기 위한 2차 공기 팬,
    상기 압축기의 흡입 측에서 상기 냉매의 제1 압력을 측정하기 위한 제1 압력 센서,
    상기 제1 압력 센서에 의해 측정된 제1 압력의 함수로 1차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단,
    상기 응축기의 방출 측에서 상기 냉매의 제2 압력을 측정하기 위한 제2 압력 센서, 및
    상기 제2 압력 센서에 의해 측정된 제2 압력의 함수로 상기 2차 공기 팬을 제어하기 위한 제어 수단이 구비되는
    히트-펌프 시스템.
  11. 청구항 8 내지 10의 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기의 공기 유출구와 상기 응축기의 공기 유입구를 연결하는 통로가 구비된
    히트-펌프 시스템.
  12. 청구항 8 내지 11의 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트-펌프 시스템은 응축된 수분을 수집하기 위한 수단을 더욱 포함하는
    히트-펌프 시스템.
  13. 청구항 8 내지 12의 어느 한 항에 따른 히트-펌프 시스템, 및 가변적인 회전 전력원으로서 풍력-터빈을 포함하는
    공기로부터 습기를 추출하기 위한 장치.
  14. 조정 가능한 스와시 플레이트가 구비되며 가변적인 회전의 형태로 외부 전력원에 의해 구동되는 왕복 압축기를 이용하며, 상기 압축기의 조정 가능한 스와시 프레이트는 회전 속도의 함수로 조정되는
    가스 압축방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 외부 전력원은 풍력 터빈, 수력 구동 터빈 또는 증기 터빈인
    가스 압축방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 외부 전력원은 풍력 터빈인
    가스 압축방법.
  17. 청구항 14 내지 16의 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 전력원의 가변적인 회전은 속도 센서를 이용하여 측정되며, 이를 통하여 회전 속도가 측정되는
    가스 압축방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 측정된 회전 속도가
    왕복 압축기에 포함된 제어 밸브의 기계적 및/또는 전자기적 조정에 의해 상기 스와시 플레이트를 조정하는 입력으로 사용되는
    가스 압축방법.
  19. 청구항 14 내지 18의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스는
    증발기, 응축기, 팽창 밸브, 기체 냉매의 흐름 및 응축 냉매의 흐름을 포함하는 히트 펌프 사이클에 사용하기 위한 냉매인
    가스 압축방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    습기를 포함하는 공기의 흐름은 상기 증발기 내부의 기체 냉매의 흐름에 대한 간접적인 열 교환에 의하여 냉각되며 이는 응축된 수분 및 냉각된 공기 흐름의 혼합을 유발하는
    가스 압축방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 응축된 수분은 상기 냉각된 공기 흐름으로부터 상기 방법의 생산물로서 분리되는
    가스 압축방법.
  22. 청구항 20 또는 21에 있어서,
    상기 공기의 흐름은
    상기 히트-펌프 사이클에서 증발기와 압축기 사이에 존재하는 기체 냉매의 압력의 함수로 조정되는
    가스 압축방법.
  23. 청구항 20 내지 22의 어느 한 항에 있어서,
    기체 냉매의 흐름은 2차 공기 및 냉각된 공기 흐름의 혼합된 흐름에 대한 간접적인 열 교환에 의하여 상기 응축기 내에서 응축되며,
    2차 공기의 흐름은 상기 히트-펌프 사이클에서 상기 압축기 및 상기 응축기 사이에 존재하는 기체 냉매의 압력의 함수로 조정되는
    가스 압축방법.
  24. 청구항 20 내지 23의 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각된 공기 흐름은 3 내지 5℃의 온도를 갖는
    가스 압축방법.
  25. 청구항 20 내지 24의 어느 한 항에 있어서,
    가변적인 회전의 형태인 상기 외부 전력원은 또한 전기를 생성시키기 위한 발전기를 구동시키는
    가스 압축방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 생성된 전기는 상기 히트-펌프 사이클을 가동시키기 위하여 사용되는
    가스 압축방법.
  27. 에너지 공급을 위한 풍력 터빈 (1), 상기 에너지를 전달하기 위한 기계적 구동 및 기어 트레인 (2, 3)을 포함하며, 발전기 (4), 및 피스톤을 구비한 압축기를 포함하는 적어도 하나의 히트-펌프 시스템 둘 다의 속도를 증가시키고,
    속도 센서 (7) 및 조정 가능한 스와시 플레이트 (30)에 의하여 상기 왕복 압축기 (8)의 부하를 연속적이고 영속적으로 제어하기 위한 제어 수단,
    상기 왕복 압축기 (8) 내에서 설정점 (set-point)에 대하여 기계적 및/또는 전자기적 제어 밸브 (34, 35)에 의하여 스트로크 조정을 세팅하는 상기 피스톤의 조정을 제어하기 위한 제어 수단,
    냉각기 (14)에 흐르는 공기흐름을 연속적이고 영속적으로 바꿈으로서 획득된 설정점에 대하여 흡입 라인에서 압력 센서 (16)에 의하여 1차 공기 팬 (10)을 제어하기 위한 제어 수단, 및
    응축기(9)에 흐르는 공기흐름을 연속적이고 영속적으로 바꿈으로서 획득된 설정점에 대하여 방출 라인에서 압력 센서 (17)에 의하여 2차 공기 팬(11)을 제어하기 위한 제어 수단을 특징으로 하는
    공기로부터 습기를 추출하기 위한 장치.

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