KR20080051159A - 공기 조절 및 열 펌프용 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 냉각장치는, 가열 사이클을 통한 유체의 수송을 위한 액체 펌프와, 가열 사이클의 유체를 가열하기 위한 외부 열원, 유체를 팽창시키는 것에 의해 익스팬더를 구동시키도록 기체 상태에서 유체를 수용하기 위해 외부 열원에 대한 유체 연결부를 갖춘 익스팬더 입구 및 익스팬더 출구를 갖는 익스팬더, 압축기 입구 및 압축기 출구를 갖고, 저압력 압축기 입구 기체에서 고압력 압축기 출구 기체로 작동 유체를 압축하기 위해 익스팬더에 의해 구동되어지는 압축기, 압축기 출구에 대한 유체 연결부를 갖고, 고압력 압축기 출구 기체에서 가열 사이클의 유체로 열의 전달을 위해 익스팬더 입구에 연결된 제1열 교환기, 에너지 전달에 의해 익스팬더로부터의 작동 유체를 더 낮은 온도의 제2유체로 응축하기 위한 응축기를 갖는 제2열 교환기 및, 제3유체로부터의 에너지 전달에 의해 제2열 교환기로부터의 작동 유체를 증발시키고, 제3유체의 원하는 냉각 효과를 생성하기 위한 증발기를 갖는 제3열 교환기를 구비하여 구성된다. 특히, 제1열 교환기가 외부 열원과 익스팬더 입구 사이의 가열 사이클에 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

공기 조절 및 열 펌프용 냉각장치{COOLING APPARATUS FOR AIR CONDITIONING AND HEAT PUMPS}
본 발명은 태양열 히터에 의해 동력이 공급되는 공기 조절 시스템에 관한 것이다.
특히, 냉각용 장치에 관한 것으로, 이는
ㆍ 가열 사이클(heating cycle)을 통한 유체(fluid)의 수송을 위한 액체 펌프(liquid pump),
ㆍ 가열 사이클의 유체를 가열하기 위한 외부 열원(external heat source),
ㆍ 유체를 팽창시키는 것에 의해 익스팬더를 구동시키도록 기체 상태(gas phase)에서 유체를 수용하기 위해 외부 열원에 대한 유체 연결부를 갖춘 익스팬더 입구 및 익스팬더 출구를 갖는 익스팬더(expander),
ㆍ 압축기 입구 및 압축기 출구를 갖고, 저압력 압축기 입구 기체에서 고압력 압축기 출구 기체로 작동 유체(working fluid)를 압축하기 위해 익스팬더에 의해 구동되어지는 압축기,
ㆍ 압축기 출구에 대한 유체 연결부를 갖고, 고압력 압축기 출구 기체에서 가열 사이클의 유체로 열의 전달을 위해 익스팬더 입구에 연결된 제1열 교환기,
ㆍ 에너지 전달에 의해 익스팬더로부터의 작동 유체를, 예컨대 대기인 더 낮은 온도의 제2유체로 응축하기 위한 응축기(condenser)를 갖는 제2열 교환기,
ㆍ 가옥 내의 냉각된 공기와 같은 제3유체로부터의 에너지 전달에 의해 제2열 교환기로부터의 작동 유체를 증발시키고, 제3유체의 원하는 냉각 효과를 생성하기 위한 증발기(evaporator)를 갖는 제3열 교환기,
를 갖추어 이루어진다.
다수의 공기 조절 장치가 빠르게 증가하고 있다. 이산화탄소 배출의 감소의 전세계적 목표와 관련하여, 이러한 기계의 에너지 소모의 감소가 가장 중요하다.
통상적으로, 햇빛이 강할 때 공기 조절을 위한 에너지 소모가 가장 크다. 따라서, 공기의 냉각에 대한 변환을 위해 태양열 에너지를 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 작동 유체로서 물을 이용하는 통상적인 태양열 가열 시스템을 이용하는 것이 바람직하다.
공기 조절을 위한 낭비 에너지를 이용하기 위해 제안된 시스템이 미국 특허 제6,581,384호에 개시되어 있다. 이러한 시스템은 냉매(refrigerants)와 같은 낮은 임계 압력 및 온도를 갖춘 유체를 사용한다. 이러한 시스템이 일견 장래성이 있고 개시가 태양열 가열의 이용을 제안하고 있음에도 불구하고, 더욱 철저한 분석은 이러한 시스템이 통상적인 태양열 난방 시스템을 위해 적절하지 않고, 특히 물이 작동 유체로서 이용되면 적절하지 않다. 이는 이하에서 더욱 상세히 검토된 다.
도 1은 미국 특허 제6,581,384호에 개시된 시스템의 사본이다. 태양열 히터와 같은 열원(1; heat source)이 열 교환기(2)의 작동 유체에 전달되는 열 에너지를 제공한다. 작동 유체가 액체 펌프(4)에 의해 제공된 압력 하에서 튜브(3)에 제공된다. 열 교환기(2)에서 열 에너지를 받아들임으로써, 압력이 가해진 액체가 과열된다. 과열된 액체가 튜브(5) 및 제어 밸브(6)에 의해 익스팬더(7)로 안내되는데, 액체는 작동 유체로부터 익스팬더로 팽창되어 전달된다. 작동 유체는 익스팬더(7)를 나간 후에도 여전히 과열되어 익스팬더(7)의 유출 유체로부터 튜브(3)의 작동 유체로 전달된 열 교환기(8)에 에너지의 일부가 있게 된다. 작동 유체로부터 에너지를 인가받음에 따라, 익스팬더가 축(10)에 의해 익스팬더에 연결된 압축기(9)를 구동시킨다. 압축기는 기체 상태로부터 전형적인 냉각 사이클의 일부분으로서의 중간 압력 기체로 작동 유체를 압축한다. 압축기(9)로부터의 출력 유체는 튜브(20)를 통해 흘러, 열 교환기(8)로부터 출구 유체를 갖는 브랜치(11)에서 함께 혼합된다. 더욱 열을 추출하기 위해, 다른 열 교환기(12)가 튜브(3)의 작동 유체로 에너지 전달을 위해 이용된다. 남아있는 열은 응축기(13)의 대기 순환된 공기 냉각에 의해 상당한 정도로 제거된다. 작동 유체가 응축기(13)를 나와서 분배되는데, 액체의 일부가 냉매 탱크(15)로 도관(14)을 통해 지나가고, 소정의 잔여 증기가 압력 펌프(4)로 도관(16)을 통해 들어가기 전에 액체로부터 분리된다. 분배 후의 작동 유체의 다른 부분이 증발기(18)에 대해 도관(17)을 따르게 되고, 증발은 공기 조절을 위한 저하된 온도에서 빌딩 내로 내뿜어진 공기(19)로부터 에너지의 흡수를 위한 온도의 저하를 유도한다. 증발기(18)로부터의 유체는 압축기(9) 내로 재순환된다.
미국 특허 제6,581,384호에는, 엔탈피(H) 대 압력(log P) 다이어그램인 도 2의 재생된 냉각 사이클에 도시된, 과열된 유체를 달성하기 위해 익스팬더가 204℃에 대응하는 400℉의 온도에서 R134a형의 작동 유체를 받아들이는 것이 개시되어 있다. 냉각 사이클 A-B-C-D는 익스팬더(7)에서의 팽창 A-B, 응축기(13)에서의 응축 B-C, 펌프(4)에서의 펌핑 C-D, 열 교환기(2)에서의 증발 D-A를 나타낸다. 또한, 증발기(18)에서 증발 F-E를 갖는 분배 작동 유체의 다른 부분을 위한 냉각 사이클이 도시되어 있다.
204℃의 고온의 작동 유체는 익스팬더(7)에서 기체 상태를 갖는 과열된 유체를 달성하기 위해 익스팬더(7) 출입구에서 필요로 된다. 과열에 대한 논쟁이 개시로부터 명백하지는 않지만, 매우 고속으로 익스팬더가 구동됨에 따라 이는 익스팬더 블래이드에 대미지를 주게 되기 때문에, 작은 물방울이 익스팬더에서의 팽창 하에서는 형성되지 않는다는 보증을 발명자가 원한다는 사실에 기인할 수도 있다. 작동 유체 상에서 더 높은 온도를 갖는 다른 이점은 엑서지-효과(exergy-effect)로 인한 더 높은 COP 값이다. 엑서지-효과는 고온 스케일로부터 저온 스케일까지의 에너지 변환으로서 정의된다.
204℃의 고온의 작동 유체는 통상적, 상업적 태양열 히터의 이용을 방해하고, 이들이 전형적으로 70∼120℃에서 작동함에 따라 이러한 고온의 작동 유체를 위해 설계되지 않는다.
도 2와 관련하여, 예컨대 140℃로 다이어그램에서의 포인트 A의 이동은 양자택일로 되고, 이는 미국 특허 제6,581,384호의 개시에는 언급되어 있지 않다. 그러나, 또한 이는 너무 높은 온도로 인해 태양열 히터에 대해서는 적절하지 않다.
미국 특허 제6,581,384호의 다른 임계점은 익스팬더와 압축기 사이의 축의 형태의 기계적 연결이고, 여기서 익스팬더 출구와 압축기 입구 사이의 압력 차이가 고려되어진다. 이는 가능한 한 많은 축이 매우 고속에서 구동되는 고도의 복잡한 매카니즘을 요구한다. 종래 기술에 따른 해법은 보통은 기계의 효율을 감소시키게 된다.
미국 특허 제6,581,384호의 시스템은 또한 작동 유체로서의 물에 대해서는 적합하지 않다. 이는 도 3으로부터 용이하게 이해할 수 있다. 열 교환기(2)의 도입 압력이 어떠할지라도, 태양열 히터로부터의 온도는 약 100℃에서 끝나게 된다. 이어, A에서 B까지의 익스팬더에서의 팽창은 젖은 영역에서 일어나고, 여기서 액체는 기체 형태가 아니어서, 이는 익스팬더에 대미지를 주게 된다. 한편, 미국 특허 제6,581,384호의 장치는 100℃의 매우 낮은 압력의 지점 A' 또는 A"에서 시작하지만, 이는 결국에는 최적화된 냉각 수행능력을 산출하지는 않게 된다. 결론적으로, 미국 특허 제6,581,384호에 따른 시스템은 작동 유체로서 물을 갖는 태양열 시스템을 위해서는 적절하지 않다.
본 발명은 태양열 히터로부터 열 에너지를 공급하는 고성능 공기 조절 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적은 다음을 구비하여 이루어진 냉각용 장치에 따라 달성된다.
ㆍ 가열 사이클(heating cycle)을 통한 유체의 수송을 위한 액체 펌프(liquid pump),
ㆍ 예컨대 태양열 히터가 가열 사이클에 직접 접속되거나 열 교환기를 통해 접속되는, 가열 사이클의 유체를 가열하기 위한 외부 열원(external heat source),
ㆍ 유체를 팽창시키는 것에 의해 익스팬더를 구동시키도록 기체 상태(gas phase)에서 유체를 수용하기 위해 외부 열원에 대한 유체 연결부를 갖춘 익스팬더 입구 및 익스팬더 출구를 갖는 익스팬더(expander),
ㆍ 압축기 입구 및 압축기 출구를 갖고, 저압력 압축기 입구 기체에서 고압력 압축기 출구 기체로 작동 유체(working fluid)를 압축하기 위해 익스팬더에 의해 구동되어지는 압축기,
ㆍ 압축기 출구에 대한 유체 연결부를 갖고, 고압력 압축기 출구 기체에서 가열 사이클의 유체로 열의 전달을 위해 익스팬더 입구에 연결된 제1열 교환기,
ㆍ 에너지 전달에 의해 익스팬더로부터의 작동 유체를, 예컨대 대기인 더 낮은 온도의 제2유체로 응축하기 위한 응축기(condenser)를 갖는 제2열 교환기,
ㆍ 제3유체로부터의 에너지 전달에 의해 제2열 교환기로부터의 작동 유체를 증발시키고, 제3유체의 원하는 냉각 효과를 생성하기 위한 증발기(evaporator)를 갖는 제3열 교환기.
특히, 본 발명에 따르면, 제1열 교환기는 외부 열원과 익스팬더 입구 사이의 가열 사이클에 연결된다.
본 발명에 따르면, 열이 익스팬더로 들어가기 전에 유체에 전달된다. 따라서, 액체가 외부 열원에 의해 제1온도로, 그리고 제1열 교환기에서 더 높은 제2온도로 가열될 수 있다. 이는 외부 열원의 가열 능력에 대해 더욱 적절한 요구를 포함한다. 예컨대, 제1가열원은 약 100℃의 온도 및 1bar의 압력으로 유체 사이클에서 유체를 가열 및 증발시키는 태양열 히터일 수 있다. 외부 히터 이후에, 유체는 적어도 부분적으로 여전히 액체 상태로 남아있게 되고 이어 익스팬더로 도입되기 전에 기체 상태를 달성하기 위해 제1열 교환기에서 증가된 온도를 갖는다.
외부 열원은 유체 사이클에서 약 100℃, 또는 더 낮거나 더 높은, 예컨대 70℃ 및 120℃ 사이 또는 90℃ 및 110℃ 사이의 온도를 유체에 제공하고, 이는 태양열 히터 및 오히려 더 낮은 온도를 갖는 다른 설비에 대해 시스템을 적절하게 만든다. 예컨대, 중앙 가열 설비 또는 산업 설비로부터 낭비되는 물이 이용될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 장치는 작동 유체로서 물에 대해 적절하다.
계산은 미국 특허 제6,581,384호의 경우 냉각 성능이 약 0.43임을 나타내고 있다. 이는 1kW의 열 입력이 0.43kW의 냉각력을 산출한다는 것을 의미한다.
외부 히터로서 태양열 히터가 이용된 경우, 1.25 또는 오히려 더 높은 COP(cooling of performance)가 본 발명에 따라 달성될 수 있고, 이는 미국 특허 제6,581,384호의 시스템의 COP = 0.43과는 확실한 대조를 이룬다. 외부 열원으로서 중앙 가열 설비로부터의 낭비되는 물이 본 발명과 관련하여 이용되면, 그래도 COP = 0.9가 달성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 익스팬더는 제1익스팬더 스테이지 및 제2익스팬더 스테이지를 갖고, 임의로 스테이지를 더욱 더 갖게 되며, 다른 익스팬더 스테이지 간의 기체 상태 유체에 대해 열의 전달을 위한 가열수단이 제공된다. 이는 익스팬더의 효율을 증가시키는데 이용될 수 있다. 예컨대, 가열수단은 제1열 교환기에 대해 다운스트림 유체 연결부(downstream fluid connection)를 갖는 제4열 교환기에 의해 달성될 수도 있다.
2개의 스테이지(또는 그 이상의 스테이지) 익스팬더가 습윤 팽창에 대한 위험의 감소를 위해 이용된다. 2중 압축은 열대성 조건 하에서 조차도 응축을 위한 충분한 출구 압력을 초래한다.
다른 실시예에 있어서, 익스팬더의 출구에 대한 유체 연결부와 압축기의 출구에 대한 유체 연결부는 밸브, 바람직하기는 압력 감소 밸브를 통해 상호 연결된다.
유리하게, 밸브는 제2열 교환기의 익스팬더 출구 유체 연결부 다운스트림에 연결되고, 밸브는 제2열 교환기의 압축기 출구 유체 연결부 업스트림에 연결된다.
또 다른 실시예에 있어서, 제5열 교환기가 압축기의 출구에서의 유체로부터 압축기의 입구에서의 유체로 열 전달을 위해 제공된다. 이 경우에 있어서 압축기 유출 유체로부터 더 많은 열이 냉각 시스템의 따뜻한 부분에서 재사용된다.
열 교환기는 익스팬더 스테이지의 입구에서 충분하게 높은 입구 온도와 에너지 레벨을 달성하기 위해 유용하다.
소정 실시예에 있어서, 제6열 교환기가 압축기 출구 유체 연결부와 외부 열원의 작동 유체 업스트림 사이에서 열 전달을 위해 제공된다.
본 발명에 따른 시스템에 있어서, 압력이 2기압 이하로 유지될 수 있고, 정확히는 최대로 1.5기압으로 유지될 수 있다. 가열 사이클에서, 압력은 바람직하기는 약 1기압일 수 있고, 가능한 상업적 태양열 히터 시스템에 직접 연결되어질 수 있다.
익스팬더와 압축기 상의 출구는, 미국 특허 제6,581,384호에서 임계점으로 언급된, AC-Sun 상의 압력 차이를 최소화하도록 서로에 대해 배치된다.
또한, 열 교환기는 파라볼릭 태양열 집열기 또는 500℃까지의 높은 유체 온도를 생성하는 다른 낭비되는 열을 기초로 하는 태양열 패널일 수 있다. 파라볼릭 태양열 집열기로부터의 고온은 익스팬더에 대한 최적 입구 조건에 도달하도록 열 교환될 수 있다.
바람직하기는, 익스팬더는, 예컨대 50,000 및 250,000rpm 사이의 회전 속도를 갖는, 터빈 익스팬더이다. 바람직하기는 전기적인, 모터가 익스팬더와 압축기의 부가적인 구동을 위해 이용될 수 있다.
언급된 작동 유체는 물이지만, 이소부탄, 부탄, 암모니아, 오일, 아스펜 템퍼-20(Aspen Temper-20), 아스펜 템퍼-40, 아스펜 템퍼-55, 염화칼슘, 다우섬(Dowtherm) J, 다우섬 Q, 에탄올, 에틸렌 그리콜, 프리지움(Freezium), 염화 마그네슘, 염화칼슘, 메탄올, 탄산칼륨, 프로필렌 그리콜, 염화나트륨, 실섬(Syltherm) XLT, 서모겐(Thermogen) VP1869, Tyxofit, N2, CO2, HCFC, CFC 또는 HC를 갖추어 이루어진 냉매, R134a 또는 R407 또는 그 조합을 갖추어 이루어진 다른 작동 유체가 이용될 수 있다.
본 발명의 이용은 빌딩과 운송수단, 예컨대 자동차, 기차, 배에서의 공기 조절을 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 냉각력은, 예컨대 50kW까지 10, 20을 갖을 수 있는 큰 범위를 넘어 변화될 수 있다.
물이 냉매일 때, 본 발명에 따른 장치에서의 증발 공정은 증류된 물을 생성한다. 이러한 증류된 물은 더 높은 COP를 부여하는 더욱 효율적인 에너지 전달을 이루도록 응축기를 스프레이하는데 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 축 또는 방사 형태의 터빈 또는 2가지 원리를 조합한 형태일 수 있다.
도 1은 미국 특허 제6,581,384호의 시스템의 도면,
도 2는 작동 유체로서 R134a를 갖는 미국 특허 제6,581,384호에 대한 H/log P 도면,
도 3은 하나의 스테이지 익스팬더를 갖는 본 발명에 따른 시스템의 도면,
도 4는 압축기 출구 유체가 압축기 도입구 유체를 가열하는, 하나의 스테이 지 익스팬더를 갖는 본 발명에 따른 시스템의 도면,
도 5는 2개의 스테이지 익스팬더와 2개의 스테이지 압축기를 갖는 본 발명에 따른 시스템의 도면,
도 6은 압축기 출구 유체가 압축기 도입구 유체를 가열하는, 2개의 스테이지 익스팬더와 2개의 스테이지 압축기를 갖는 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 7은 작동 유체로서 물(R718)을 갖는 도 6의 다른 시스템에 대한 H/log P 도면,
도 8은 외부 히터가 태양열 히터인, 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 9는 압축기 출구 유체가 외부 히터로 도입되기 전에 작동 유체의 전가열 스테이지로서 이용되는, 또 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 10은 증류된 물이 응축기 효율을 높이도록 스프레이하기 위해 이용된 증류된 형태의 응용을 나타낸 도면이다.
도 1은 미국 특허 제6,581,384호에 개시된 시스템을 도시하고 있고, 도 2는 냉각 유체 R134a를 이용했을 때 이러한 시스템의 성능 사이클을 도시하고 있다. 시스템 및 사이클은 설명의 도입부에서 상세하게 설명되었다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템을 도시한 것이다. 태양열 히터 또는 가열 설비로부터의 낭비되는 물과 같은, 열원(1)은 열 교환기(2) 내의, 바람직하기는 물인, 작동 유체에 전달되는 열 에너지를 제공한다. 작동 유체가 액체 펌프(4)로부 터, 예컨대 대기압하에서, 튜브(3)에 제공된다. 대기의 비교적 낮은 압력은 태양열 히터를 위해 시스템을 유용하게 만든다.
열 교환기(2)에서 열 에너지를 받아들임으로써, 압력을 받은 액체가 예컨대 100℃로 가열된다. 가열된 액체가 익스팬더(7)로 튜브(5)에 의해 인도되는데, 액체는 작동 유체로부터 익스팬더(7)로 팽창되어 전달된다. 익스팬더(7)는 160,000rpm의 속도에서 가동되는 터빈 익스팬더일 수 있다.
작동 유체로부터 에너지를 인가받음에 따라, 익스팬더(7)는 축(10)에 의해 익스팬더에 연결된 터빈 압축기(9)를 구동시킨다. 압축기(9)는 전형적인 냉각 사이클의 일부로서 기체 상태로부터 중간 압력 기체로 작동 유체를 압축한다. 압축기(9)로부터의 출력 유체는 열 교환기(22)로 튜브(21)를 통해 흐르는데, 열 에너지는 압축기 출구 유체에서 열 교환기(2)로부터 튜브(5)를 통해 흐르는 유체로 전달된다. 작동 유체로서 물을 갖음에 따라, 압축기(9) 출구에서의 온도가 전형적으로 200℃이고, 태양열 열 교환기(2)의 온도가 약 100℃이며, 이는 압축기(9) 유체로부터 태양열 열 교환기(2)로부터의 가열되는 유체까지 명백한 에너지 전달을 보증한다. 이러한 열 전달은 시스템의 높은 냉각 성능을 위한 주요 이유이다.
열 교환기(22) 이후의 도관(23)에서의 압축기(9)로부터의 작동 유체와, 도관(24)에서의 익스팬더(7)로부터의 작동 유체가 압력의 가능한 차이를 고려하는 밸브(25)를 통해 혼합되기 전에 대기에 의해 응축기(13)에서 냉각된다. 혼합된 작동 유체는 튜브(6)로 재순환되는 제1부분과 증발기(18)에서 증발을 위해 이용되는 제2부분으로 분배된다. 증발기(18)는 탱크(15)를 통해 증발기(18)로부터 가스를 빨아들이는 압축기(9)에 의해 구동된다. 증발됨에 따라 증발기(18)에서 냉각된 기체가 공기흐름(19)을 냉각시키는데 이용된다.
상기한 본 발명에 따른 시스템은 100℃ 이하의 낮은 온도에서 외부 히터를 갖음에도 효율적으로 되도록 하는 이점을 갖는다.
도 4는 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도 3의 시스템과의 차이는 튜브(23)의 압축기(9)로부터의 출구 유체와 튜브(31)의 압축기(9)의 입구 유체 사이에 열 교환기(29)가 제공되는 것이다. 이 스테이지는 액체 유출 사이클을 위한 에너지를 회복시킨다.
다른 개선이 도 5에 도시된 바와 같이 2중 익스팬더(7',7")와 2중 압축기(9',9")를 이용함으로써 달성될 수 있다. 제1압축기(9')의 출구로부터의 도관(21)의 흐름이 제2압축기 스테이지(9")로 공급된다. 제2압축기 스테이지(9")로부터의 흐름이 태양열 열 교환기(2)로부터 도관(5)의 흐름으로 열 에너지를 전달하기 위해 열 교환기(22)로 공급된다. 열 교환기(22)로부터의 흐름이 익스팬더의 제1스테이지(7')로 공급된다. 도관(26)의 제1익스팬더 스테이지(7')로부터의 출구 흐름이 열 에너지를 받아들이기 위해 제2열 교환기(27)에 공급된다. 이러한 에너지는 열 교환기(22) 이후의 도관(28)의 흐름으로부터 받아들여진다. 유리한 점은, 제1익스팬더 스테이지(7')의 팽창이 다른 열 획득을 위한 준비를 만드는 작동 유체의 온도를 감소시킴에 따라, 압축된 유체로부터 팽창된 유체로 에너지를 더 전달하는 것이다.
도 6은 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도 5의 시스템과의 차이는 튜브(23)의 제2압축기 스테이지(9")로부터의 출구 유체와 튜브(31)의 제1압축기 스테이지(9')의 입구 유체 사이에 열 교환기(29)가 제공되는 것이다. 이 스테이지는 액체 유체 사이클을 위한 에너지를 회복시킨다.
도 6의 시스템의 이러한 작동 다이어그램 ABCD가 도 7에 도시되어 있다. 대기압에서, 작동 유체 물이 태양열 히터에서 100℃(A1)로, 그리고 열 교환기(22)에 의해 거의 200도(A2) 이상으로 가열된다. B1에 대한 팽창 동안, 에너지가 제1익스팬더 스테이지(7')로 전달된다. 제2열 교환기(27)에 있어서, 열이 포인트(B1)로부터 포인트(A3)로 기체에 대해 전달된다. 제2익스팬더 스테이지(7")에서의 팽창이 A3 및 B2 사이의 다이어그램 라인에 의해 도시되고, 여기서 대기에 의한 작동 유체가 약 42℃로 냉각되어 내려간다. 응축기(13)는 포인트(C)로 엔탈피를 감소시키는데, 분배된 작동 유체의 부분이 펌프(4) 이후 포인트(D)로 되돌아가는 가열 사이클로 들어가고, 작동 유체의 다른 부분이 C2에서 시작되는 공기 조절 사이클로 가게 된다.
C2의 시작 포인트로부터, 작동 유체는 탱크(15)로 들어가는데, 압력은 포인트(E)로 떨어진다. 증발기(18)에서의 증발에 의해, 위상이 포인트(F)까지 변한다. 열 교환기(29)는 포인트 F와 G 사이의 라인에 의해 반영된다. 포인트(J)를 매개해서 G 및 H1과 H1에서 H2까지의 사이의 라인은 2개의 압축기 스테이지(9',9")를 반영한다. H2에서 C2까지의 라인은 열 교환기(22,27,29) 및 응축기(13)에서의 열 교환의 단계를 나타낸다.
외부 열원으로부터 열 에너지를 인가받기 위한 유체 도관(3,5) 사이의 열 교 환 시스템(2)은 태양열 히터(1)로서 제공되어질 수 있고, 이는 도 8에 도시되어 있다. 이는 압축기의 제1스테이지(9')로 들어가기 전에 도관(31)에서의 흐름을 미리 가열하도록 열 교환기(27)의 유출 흐름으로부터 도관(23)의 남아있는 열을 이용하기 위한 오직 임의의 특성임이 언급되어져야 한다.
다른 실시예가 도 9에 도시되어 있는 바, 여기서 압축기 출구 유체 연결부(23)는 외부 히터 시스템(2)으로 들어가기 전에 프리-히터로서 유체 연결부(23)에서 유체 연결부(3)의 유체로 열의 전달을 위한 열 교환기(30)를 더 구비하여 이루어진다. 더욱이, 익스팬더(7)에서의 팽창이 열 교환기(2)의 외부 열원(1)에 의해 제공되는 온도 이하로 작동 유체의 온도를 감소시키는 경우, 작동 유체는 익스팬더의 2개의 스테이지(7',7") 사이의 열 교환기(32)의 외부 열원에 의해 가열되어질 수 있다.
압축기(9)가 저압 기체로부터 제1열 교환기의 출구와 동일한 압력까지 작동 유체를 압축하는 미국 특허 제6,581,284호와 대조하면, 이는 본 발명에 따른 시스템에서는 불필요하다. 먼저, 압력 감소 밸브가 2개의 연결부(23,24)의 작동 유체를 결합하기 위해 이용된다. 더욱이, 압축기로부터의 고압이 열 교환기(22)와, 조건적 열 교환기(27,29,30 및/또는 32)에 기인해서 감소된다.
도 10은 증류된 물이 적시는 목적으로 생성됨에 따라 응축기에 대한 입구 공기를 냉각시키는 발명을 나타내고 있다. 증류되어지는 물이 액체 입구(33)에 제공되고, 이는 탱크(15')를 통해 냉각 사이클로 들어가기 전에 중간 탱크(34)로 들어간다. 증류되어지는 이 액체는 밸브(37)를 통해 탱크(15")로부터 깨끗하게 증류 된 액체와 혼합되거나 응축기를 냉각시키는데 이용된다. 탱크(15")로부터 증발된 작동 유체는 압축기(9)로 들어가고, 폐기물에서 풍부해지는 탱크(15')내의 액체를 남긴다. 이들 폐기물은 배출 시스템(35)을 통해 배출될 수 있다. 응축기에 대한 입구 공기를 냉각시키도록 스프레이 시스템(38)에서만 이용되어지는 배출 시스템(36)을 통한 물과 같이, 익스팬더(7)와 압축기(9)로부터의 응축된 작동 유체가 증류된 액체가 배출되어질 수 있는 탱크(15")에 모인다.

Claims (19)

  1. 가열 사이클(5,7,24,16,4,3)을 통한 유체의 수송을 위한 액체 펌프(4)와,
    가열 사이클(5,7,24,16,4,3)의 유체를 가열하기 위한 외부 열원(1,2),
    유체를 팽창시키는 것에 의해 익스팬더(7)를 구동시키도록 기체 상태에서 유체를 수용하기 위해 외부 열원(1,2)에 대한 유체 연결부(5)를 갖춘 익스팬더 입구 및 익스팬더 출구를 갖는 익스팬더(7),
    압축기 입구 및 압축기 출구를 갖고, 저압력 압축기 입구 기체에서 고압력 압축기 출구 기체로 작동 유체를 압축하기 위해 익스팬더(7)에 의해 구동되어지는 압축기(9),
    압축기 출구에 대한 유체 연결부(21)를 갖고, 고압력 압축기 출구 기체에서 가열 사이클의 유체로 열의 전달을 위해 익스팬더 입구에 연결된 제1열 교환기(22),
    에너지 전달에 의해 익스팬더로부터의 작동 유체를 더 낮은 온도의 제2유체로 응축하기 위한 응축기를 갖는 제2열 교환기(13) 및,
    제3유체(19)로부터의 에너지 전달에 의해 제2열 교환기(13)로부터의 작동 유체를 증발시키고, 제3유체(19)의 원하는 냉각 효과를 생성하기 위한 증발기를 갖는 제3열 교환기(18)를 구비하여 구성된 냉각장치에 있어서,
    제1열 교환기(22)가 외부 열원(1,2)과 익스팬더(7) 입구 사이의 가열 사이클에 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1열 교환기(22)가 외부 열원(2,3)으로부터 유체의 온도를 상승시키기 위해 구성된 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서, 온도의 상승이 액체 상태에서 기체 상태로 작동 유체를 변화시키기 위해 채택되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 유체가 물인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬더가 제1익스팬더 스테이지(7')와 제2익스팬더 스테이지(7")를 갖고, 조건적으로 익스팬더 스테이지를 더 갖추며, 제1 및 제2익스팬더 스테이지(7',7") 사이에 기체 상태 유체에 대해 열의 전달을 위한 가열수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기가 제1압축기 스테이지(9')와 제2압축기 스테이지(9")를 갖고, 조건적으로 압축기 스테이지를 더 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 가열수단이 제1열 교환기(22)에 대해 다운스트림 유체 연결부(28)를 갖춘 제4열 교환기(27)인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  8. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬더(7)의 출구에 대한 익스팬더 출구 유체 연결부(24)와 압축기(9)의 출구에 대한 압축기 출구 유체 연결부(23)가 압력 감소 밸브(25)를 통해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  9. 제8항에 있어서, 밸브가 제2열 교환기(13)의 익스팬더 출구 유체 연결부(24) 다운스트림에 연결되고, 밸브가 제2열 교환기(13)의 압축기 출구 유체 연결부(23) 업스트림에 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  10. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 제5열 교환기가 압축기(9)의 출구에서의 유체에서 압축기(9)의 입구에서의 유체로 열 전달을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  11. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 열원(1,2)이 태양열 히터(1)를 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  12. 제11항에 있어서, 태양열 히터(11)가 70℃와 120℃ 사이의 유체 사이클의 유체에 대해 온도를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  13. 제11항에 있어서, 태양열 히터(1)가 500℃까지의 유체 사이클의 유체에 대해 온도를 제공하도록 구성된 태양열 집열기와 결합되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  14. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬더(7) 이전의 가열 사이클의 작동 유체의 압력이 2기압 이하인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  15. 제14항에 있어서, 익스팬더(7) 이전의 가열 사이클의 작동 유체의 압력이 대기압 정도인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  16. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 제6열 교환기(30)가 압축기(9) 출구 유체 연결부(21,23)와 외부 열원(1,2)의 작동 유체 업스트림 사이에서 열 전달을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  17. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬더 및/또는 압축기가 터빈의 축 또는 방사 형태 또는 2가지 원리를 결합하는 형태인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  18. 제17항에 있어서, 익스팬더가 50,000 및 250,000rpm 사이의 회전 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  19. 응축기(13)에 대해 공기를 적시는데 이용된 물을 증류시키기 위한 상기 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 적용.
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