KR102639580B1 - 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

가역 냉각 시스템(reversible refrigeration system)은 기체 냉매를 압축하도록 구성된 컴프레서(C)와 페이로드가 가열되는 가열 위치와 상기 페이로드가 냉각되는 냉각 위치 사이에서 전환 가능한 4방향 밸브(FWV), 가열 또는 냉각이 필요한 상기 페이로드에 연결된 페이로드 열교환기(PLHE), 폐열교환기(DHE), 2개의 일방향 밸브(OWV1, OWV2), 및 제어식 팽창 밸브(EXPV1, EXPV2)를 포함한다. 여기서, 상기 2개의 일방향 밸브(OWV1, OWV2)는 각각 상응하는 팽창 밸브에 병렬로 연결되고, 상기 가열 위치와 상기 냉각 위치 사이에서 상기 4방향 밸브를 전환하여 상기 페이로드 열교환기(PLHE) 또는 상기 폐열교환기(DHE)로의 압축 냉매의 유동을 제어하고, 상기 페이로드 열교환기(PLHE) 및 상기 폐열교환기(DHE) 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하는 열교환기는 콘덴서 기능을 하고, 상기 페이로드 열교환기(PLHE) 및 상기 폐열교환기(DHE) 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하지 않는 다른 열교환기는 증발기 기능을 한다. 상기 4방향 밸브가 상기 가열 위치에 있는 경우에 상기 페이로드 열교환기(PLHE)는 상기 폐열교환기(DHE)가 콘덴서 기능을 하는 경우에 상기 폐열교환기(DHE)를 빠져나간 액체의 고압 냉매와 상기 페이로드 열교환기(PLHE)를 빠져나간 저압의 기체 냉매 사이에서 열을 교환하도록 구성된 흡입가스 열교환기(suction gas heat exchanger)로 연결된다. 상기 페이로드 열교환기는 병렬 모드(co-current mode)로 상기 냉매와 상기 페이로드 사이에서 열을 교환하도록 구성된다.

Description

냉각 시스템{Refrigeration system}

본 발명은 기체 냉매를 압축하도록 구성된 컴프레서, 페이로드가 가열되는 가열 위치와 상기 페이로드가 냉각되는 냉각 위치 사이에서 전환 가능한 4방향 밸브, 가열 또는 냉각이 필요한 상기 페이로드에 연결된 페이로드 열교환기, 폐열교환기, 2개의 일방향 밸브, 및 2개의 제어식 팽창 밸브를 포함하는 가역 냉각 시스템(reversible refrigeration system)에 관한 것이다. 상기 2개의 일방향 밸브는 각각 상응하는 팽창 밸브에 병렬로 연결되고, 상기 가열 위치와 상기 냉각 위치 사이에서 상기 4방향 밸브를 전환하여 상기 페이로드 열교환기 또는 상기 폐열교환기로의 압축 냉매의 유동을 제어하고, 상기 페이로드 열교환기 및 상기 폐열교환기 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하는 열교환기는 콘덴서 기능을 하고, 상기 페이로드 열교환기 및 상기 폐열교환기 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하지 않는 다른 열교환기는 증발기 기능을 한다.

냉각 기술에서, 소위 "흡입가스 열교환"은 냉각 시스템의 안정성 등을 향상하기 위한 방법이다. 요컨대, 흡입가스 열교환은 콘덴서 배출구로부터의 고온 고압 냉매와 증발기 배출구로부터의 저온 기체 냉매 사이의 열교환을 통해 이루어진다. 흡입가스 열교환에 의해, 저온 기체 냉매의 온도는 상승하겠지만 고온 액체 냉매의 온도는 하강할 것이다. 여기에는 두가지 긍정적인 효과가 있는데, 그 첫째는 고온의 액체가 팽창 밸브를 통과한 후에 갑자기 끓는 문제가 줄어들 것이고, 둘째는 증발기에서 빠져나가는 기체 냉매에 액적이 발생할 위험이 줄어들 것이다.

흡입가스 열교환은 잘 알려져 있다. 일반적으로, 흡입가스 열교환은 열교환이 요구되며 냉매를 전달하는 파이프를 단순히 서로 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering) 함으로써 이루어진다. 그러나 이러한 방식으로 열교환을 하는 것은 이에 필요한 냉매의 양적 차원에서 많은 비용이 든다. 이로 인해, 냉각 시스템의 서로 다른 구성 부품 사이의 배관이 짧을수록 항상 유리하다. 서로 다른 온도를 가진 유체를 전달하는 배관의 브레이징 또는 솔더링에 의한 흡입가스 열교환의 배관 길이는 그렇지 않은 경우보다 길어질 수 밖에 없다. 따라서, 배관의 내부 용적이 증가하고, 더 많은 냉매가 냉각 시스템에 요구된다. 이는 경제적 관점에서만이 아니라 냉매의 양을 제한하는 지역이 많기 때문에 불리하다.

다른 선택은 흡입가스 열교환을 위해 별도의 열교환기를 제공하는 것이다. 별도의 열교환기는 단순히 다른 배관을 서로 브레이징 하는 것보다 더 효율적이지만, 증발기와 콘덴서를 흡입가스 열교환기에 연결하는 배관이 여전히 필요하고, 이에 따라 냉각 시스템의 냉매 용적이 증가하게 된다.

또한, 냉각 시스템은 요구되는 하중에 따라 가열 모드와 냉각 모드에서 모두 작동해야 하는 경우가 흔하다. 일반적으로, 가열 모드와 냉각 모드 사이의 전환은 증발기가 콘덴서가 되고 콘덴서가 증발기가 되도록 4방향 밸브를 작동하여 이루어진다. 불행하게도, 이는 콘덴서와 증발기 중의 하나 또는 모두에서의 열교환이 병류(co-current) 열교환, 즉, 열교환을 위한 매체가 가열 모드 또는 냉각 모드에서 동일한 방향으로 이동하는 열교환임을 의미한다. 본 기술의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 병류 열교환은 역류(counter-current) 열교환보다 질이 낮다. 증발기에서, 열교환 성능의 저하의 결과로 교환기를 빠져나가는 냉매 증기에 액적이 포함될 위험이 증가할 수 있다. 이러한 액적은 컴프레서에 심각한 손상을 초래할 수 있으므로 매우 바람직하지 않다. 그러나, 증발기에서 냉매와 열교환을 하는 매체의 흐름 방향을 변경하기 위한 장치는 비싸고 냉각 시스템을 더욱 복잡하게 만든다.

본 발명은 상기 및 기타 문제들을 해결하거나 적어도 완화하는 것을 목적으로 한다.

상기 및 기타 문제는 기체 냉매를 압축하도록 구성된 컴프레서, 페이로드가 가열되는 가열 위치와 상기 페이로드가 냉각되는 냉각 위치 사이에서 전환 가능한 4방향 밸브, 가열 또는 냉각이 필요한 상기 페이로드에 연결된 페이로드 열교환기, 폐열교환기, 2개의 일방향 밸브, 및 2개의 제어식 팽창 밸브를 포함하는 가역 냉각 시스템(reversible refrigeration system)에 의해 해결되거나 적어도 완화된다. 상기 2개의 일방향 밸브는 각각 상응하는 팽창 밸브에 병렬로 연결되고, 상기 가열 위치와 상기 냉각 위치 사이에서 상기 4방향 밸브를 전환하여 상기 페이로드 열교환기 또는 상기 폐열교환기로의 압축 냉매의 유동을 제어하고, 상기 페이로드 열교환기 및 상기 폐열교환기 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하는 열교환기는 콘덴서 기능을 하고, 상기 페이로드 열교환기 및 상기 폐열교환기 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하지 않는 다른 열교환기는 증발기 기능을 하고, 상기 4방향 밸브가 상기 가열 위치에 있는 경우에 상기 폐열교환기는 상기 페이로드 열교환기가 콘덴서 기능을 하는 경우에 상기 페이로드 열교환기를 빠져나간 액체의 고압 냉매와 폐열교환기를 빠져나간 저압의 기체 냉매 사이에서 열을 교환하도록 구성된 흡입가스 열교환기(suction gas heat exchanger)로 연결되고, 상기 폐열교환기는 병렬 모드(co-current mode)로 상기 냉매와 상기 덤프 사이에서 열을 교환하도록 구성된다.

상기 냉각 시스템에 일방향 밸브를 구비함으로써, 상기 4방향 밸브가 상기 가열 위치에 있는 경우에 상기 흡입가스 열교환기는 비활성화된다. 상기 4방향 밸브가 상기 냉각 위치에 있는 경우에 제2 흡입가스 열교환기가 상기 페이로드 열교환기를 빠져나간 액체 냉매와 상기 폐열교환기를 빠져나간 기체 냉매 사이에서 열을 교환하도록 구성된 이중 흡입가스 열교환기를 구성함으로써, 가열 모드와 냉각 모드 모두에서 흡입가스 열교환이 가능하다.

본 발명을 다음과 같은 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 열교환기의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 열교환기를 A-A 선을 따라 바라본 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 열교환기를 B-B 선을 따라 바라본 단면도이다.
도 2는 도 1a 내지 도 1c의 열교환기의 분해사시도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 열교환기의 분해사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 열교환기의 분해사시도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 열교환기의 분해사시도이다.
도 6은 가열 모드로 도시된 가역 냉각 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 냉각 모드로 도시된 도 6의 가역 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7b는 가역 냉각 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 '다중 회로' 열교환기에 포함된 4개의 열교환기 플레이트를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 바람직한 실시예에 따른 열교환기 플레이트를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 열교환기 플레이트를 포함하는 열교환기의 분해사시도이다.

도 1a 내지 도2에는 일체형 흡입가스 열교환기 부분으로 활용할 수 있는 제2 열교환부를 가진 브레이징된 열교환기(100)가 도시되어 있다. 열교환기(100)는 서로 적층되어 열교환기(100)를 형성하는 판금 플레이트(110a-110g)로 형성되어 있고, 매체가 열을 교환하는 플레이트 간의 유로 대형 하에서 플레이트 간의 거리를 유지하도록 구성된 리지(R)와 그루브(G)의 압착 패턴이 제공되어 있다. 대형 포트 개구 O2와 O3이 각 열교환기 플레이트의 모서리 부근에 제공되고, 대형 개구 O1과 O4가 각 열교환기 플레이트의 단측(short side)에 가까운 중앙에 제공된다. 포트 개구 O1 내지 O4 주변의 영역은 포트 개구 사이의 선택적 연통과 플레이트 간의 유로가 이루어지도록 서로 다른 높이에 제공된다. 열교환기(100)에서, 대형 개구 O1과 O2가 일부 플레이트의 사이공간(interspace)에 의해 서로 유체 연통하고 개구 O3과 O4가 인접한 플레이트의 사이공간에 의해 서로 유체 연통하도록 포트 개구 주변의 영역이 배치된다.

열교환기 플레이트(110a-110g)에는 또한 각 열교환기 플레이트의 일 장측(long side)으로부터 타 장측으로 연장되는 분할면(DW)이 제공되어 있다.

열교환기 플레이트 적층의 단부에 위치하는 열교환기 플레이트 100h에는 포트 개구가 제공되어 있지 않다. 이는 플레이트 적층의 일단에 주입된 유체가 타단에서 즉시 플레이트 적층을 빠져나가지 않고 연결부(미도시) 또는 플레이트 간의 유로로 주입되도록 포트 개구에 대한 밀봉을 제공하기 위함이다. 열교환기 플레이트 100h의 기타 모든 양상은 열교환기 플레이트 100a 내지 100g와 동일하다.

특별히 도 2를 참조하면, 복수의 열교환기 플레이트(210a-210h)가 도시되어 있다. 열교환기 플레이트 210h를 제외한 모든 열교환기 플레이트 각각에는 포트 개구 O1, O2, O3, O4, SO1 및 SO2가 제공되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 포트 개구와 서로 이웃하는 열교환기 플레이트 사이에 형성된 플레이트 간의 유로 사이에 선택적 연통이 제공되도록, 포트 개구들은 서로 다른 높이에 제공된 영역에 의해 둘러싸여 있다. 또한, 열교환기 플레이트 각각은 스커트(S)에 의해 둘러싸여 있으며, 스커트(S)는 열교환기 플레이트의 면과 수직 방향으로 이어지고 열교환기의 둘레를 따라 밀봉을 제공하기 위하여 이웃하는 플레이트들의 스커트와 접촉하도록 구성된다.

대형 포트 개구 O4와 O3 사이의 유체 흐름에 대한 플레이트 간의 유로를 밀봉하기 위하여, 분할면(DW)이 열교환기 플레이트의 장측 사이에 제공된다. 분할면(DW)은 다른 플레이트의 다른 높이에 제공된 가늘고 긴 평면을 포함함으로써, 이웃하는 플레이트의 면이 서로 접촉하면 플레이트 간의 유로가 밀봉되고, 이웃하는 플레이트의 면이 서로 접촉하지 않으면 플레이트 간의 유로가 밀봉되지 않는다. 본 경우에서, 분할면(DW)은 대형 포트 개구 O1과 O2를 둘러싼 영역과 같은 높이에 제공되는데, 이는 대형 포트 개구 O1과 O2를 유체 연결하는 플레이트 간의 유로에 대하여 분할면이 개방되는 반면에 대형 포트 개구 O3과 O4를 유체 연결하는 플레이트 간의 유로에 대하여 분할면이 이 플레이트 사이공간에서 유체를 차단함을 의미한다.

대형 포트 개구 O3 및 O4와 연통하는 플레이트 사이공간에서의 유체 흐름을 분할면(DW)이 차단하기 때문에, 분할면(DW)의 양측에 별도의 플레이트 간의 유로가 있다. 대형 포트 개구 O3 및 O4와 연통하지 않는 분할면(DW) 측의 플레이트 간의 유로는 두 개의 소형 포트 개구 SO1 및 SO2와 연통한다. 여기서, 분할면(DW)은 대형 포트 개구 O1 및 O2와 연통하는 플레이트 간의 유로를 차단하지 않는다. 따라서, 소형 포트 개구 SO1 및 SO2와 연통하는 플레이트 간의 유로 내에서 이동하는 매체는, 대형 포트 개구 O3 및 O4와 연통하는 플레이트 간의 유로 내에서 이동하는 매체와 마찬가지로, 대형 포트 개구 O1 및 O2와 연통하는 플레이트 간의 유로 내에서 이동하는 매체와 열을 교환한다.

도 2에 도시된 실시예에서, 분할면(DW)은 열교환기 플레이트 110a 내지 110h의 일 장측으로부터 반대편의 타 장측으로 직선으로 연장되어 대형 포트 개구 O1과 O4 사이를 통과한다. 소형 개구 SO1과 SO2는 대형 포트 개구 O1의 양측에 배치된다. 여기서, 대형 포트 개구 O1은 소형 개구 SO1및 SO2와 연통하는 플레이트 간의 유로 내에서 이동하는 매체가 대형 포트 개구 O1의 양측에서 통과할 수 있도록 배치된다. 이러한 배치는 대형 포트 개구 O1 둘레의 온도가 균일할 수 있다는 점에서 유리하다.

도 3에 도시된 실시예에서, 분할면은 직선으로 연장되지 않고 열교환기의 모서리 부근에 배치된 포트 개구 O1으로부터 멀어지는 방향으로 약간 굴곡되어 있다. 이로 인해, 소행 개구 SO1로부터 소형 개구 SO2로의 유동 영역이 더욱 균일해진다.

도 4에 도시된 실시예에서, 분할면은 포트 개구 O1 둘레의 반원 형태로 연장된다. 이러한 실시예는 대형 포트 개구 O1 내지 O4가 열교환기의 모서리 가까이에 배치될 수 있어서 넓은 열교환 영역을 제공할 수 있다는 점에서 유리하다. 이러한 실시예는 또한 대형 개구 O3 및 O4와 연통하지 않는 분할면(DW) 측의 플레이트 간의 유로의 유동 영역의 단면이 소형 개구 SO1과 소형 개구 SO2 사이에서 완전히 균일하다는 점에서 유리하다. 여기서, 도 4의 분할면은 열교환기 플레이트의 서로 반대되는 측 사이에서 연장되지 않고 바로 옆에 있는 측 사이에서 연장된다.

도 5에서, 도 2의 실시예와 유사한 실시예가 도시되어 있다. 앞서 도시된 실시예와 마찬가지로, 분할면(DW)은 열교환기의 일 장측으로부터 타 장측으로 직선으로 연장되어 대형 포트 개구 O1과 O4 사이를 통과한다. 소형 개구 SO1과 SO2는 대형 포트 개구 O1의 양측에 배치된다. 그러나, 대형 포트 개구 O1은 대형 포트 개구 O1와 열교환기의 단측 사이에 유체가 통과하지 못하도록 배치된다. 이는, 포트 개구 O1과 열교환기의 단측 사이의 "죽은 영역(dead area)"이 없기 때문에, 소형 개구 SO1 및 SO2 사이를 이동하는 유체와 대형 개구 O1을 통하여 열교환기를 빠져나가기 직전의 유체 사이의 열교환이 향상된다는 점에서 유리하다.

도 6과 도 7에서, 상기 열교환기 실시예들의 어느 하나에 따른 열교환기를 활용할 수 있는 냉각 시스템의 바람직한 실시예의 가열 모드와 냉각 모드가 각각 도시되어 있다.

제1 실시예에 따른 냉각 시스템은 컴프레서(C), 4방향 밸브(FWV), 가열 또는 냉각을 요구하는 브라인 시스템(brine system)에 연결된 페이로드 열교환기(PLHE), 제1 제어식 팽창 밸브(EXPV1), 제1 일방향 밸브(OWV1), 불필요한 열 또는 냉기가 폐기될 수 있는 열원에 연결된 폐열교환기(DHE), 제2 팽창 밸브(EXPV2) 및 제2 일방향 밸브(OWV2)를 포함한다. 열교환기 PLHE와 DHE에는 각각 앞서 설명한 바와 같은 4개의 대형 개구(O1-O4) 및 2개의 소형 개구(SO1, SO2)가 있고, 여기서, 각 열교환기의 대형 개구 O1과 O2는 서로 연통하고, 각 열교환기의 대형 개구 O3과 O4는 서로 연통하고, 각 열교환기의 소형 개구 SO1과 SO2는 서로 연통한다. 열교환은 O1에서 O2로 이동하는 유체와 O3과 O4 사이 및 SO1과 SO2 사이를 이동하는 유체 사이에서 이루어진다. 그러나, O3에서 O4로 이동하는 유체와 SO1에서 SO2로 이동하는 유체 사이에서는 열교환이 이루어지지 않는다.

도 6에 도시된 가열 모드에서, 컴프레서(C)는 고압 기체 냉매를 4방향 밸브(FWV)로 전달한다. 본 가열 모드에서, 4방향 밸브는 고압 기체 냉매를 페이로드 열교환기(PLHE)의 대형 개구 O1로 운반하도록 제어된다. 이후, 고압의 기체 냉매는 페이로드 열교환기(PLHE)를 통과하고 대형 개구 O2에서 빠져나간다. 페이로드 열교환기(PLHE)를 통과하는 과정에서, 고압 기체 냉매는 가열이 필요한 페이로드에 연결되고 대형 개구 O4에서 대형 개구 O3으로 이동하는, 즉, 대형 개구 O1에서 대형 개구 O2로 이동하는 냉매와 반대 방향으로 이동하는, 브라인(brine) 용액과 열을 교환한다. 브라인 용액과 열을 교환하는 과정에서, 고압 기체 냉매는 응축하고, 대형 개구 O2를 통하여 페이로드 열교환기(PLHE)를 빠져나갈 때에 완전히 응축되어 액체 상태가 된다.

가열 모드에서, 제1 팽창 밸브(EXPV1)는 완전히 닫히고, 페이로드 열교환기를 빠져나가는 액체 냉매의 유동은 제1 일방향 밸브(OWV1)를 통과한다. 제1 일방향 밸브(OWV1)는 이 방향의 냉매 유동은 허용하지만 반대 방향의 냉매 흐름은 차단한다(이에 대해서는 하기의 냉각 모드에서 설명함).

제1 일방향 밸브(OWV1)를 통과한 후에, 액체 냉매(여전히 비교적 고온 상태)는 폐열교환기(DHE)의 소형 개구 SO2로 진입하고 소형 개구 SO1을 통하여 열교환기를 빠져나간다. 소형 개구 SO와 SO1을 통과하는 동안에, 폐열교환기(DHE)를 빠져나가기 직전의 주로 기체인 저온의 냉매와의 열 교환으로 인해 냉매의 온도가 상당히 떨어진다.

소형 개구 SO1을 통하여 폐열교환기(DHE)를 빠져나간 이후에, 액체 냉매는 제2 팽창 밸브(EXPV2)를 통과하고, 여기서 냉매의 압력이 하강하여 냉매의 일부가 갑자기 끓게 되고, 이로 인해 즉시 온도가 하강하게 된다. 제2 팽창 밸브로부터, 냉매는 냉매 회로의 고압측과 저압측 사이에 연결되고 고압측과 저압측 사이의 압력차로 인해 냉매 흐름에 대해 닫혀있는 제2 일방향 밸브(OWV2)에 모두 연결된 가지(branch)를 통과한다. 이 가지를 통과한 이후에, 저온 저압의 반액체 냉매는 대형 개구 O2에 진입하고, 외부 공기식 집열기, 태양열 집열기, 또는 지면에 뚫은 구멍 등과 같은 저온의 열이 수집되는 소스에 연결된 브라인 용액과의 열 교환을 하는 폐열교환기(DHE)를 통과한다. 대형 개구 O4로부터 대형 개구 O3로 유동하는 브라인 용액과의 열 교환으로 인해, 주로 액체인 냉매는 증발한다. 브라인 용액과 냉매 사이의 열 교환은 역류 열교환에 비하여 열교환 성능이 낮은 것으로 잘 알려져 있는 병류 조건에서 이루어진다.

대형 개구 O1을 통하여 폐열교환기(DHE)를 빠져나가기 직전에, 냉매(현재 거의 완전 증발 상태)는 소형 개구 SO2를 통해 폐열교환기에 진입하고 소형 개구 SO1을 통해 폐열교환기를 빠져나간 상대적으로 고온이고 액체인 냉매와 열을 교환한다. 그 결과, 대형 개구 O1을 통해 폐열교환기(DHE)를 빠져나가기 직전의 냉매의 온도는 상승하여 이 냉매가 모두 완전히 증발하게 된다.

병류 열교환이 역류 열교환에 비해 떨어진다는 것은 본 기술의 당업자에게 잘 알려져 있다. 그러나, 소형 개구 SO2에 진입하는 상대적으로 고온의 액체 브라인과 폐열교환기(DHE)를 빠져나가기 직전의 주로 기체인 냉매 사이의 열교환(즉, 소위 "흡입가스 열교환")의 제공으로 인해, 브라인-냉매 열교환 동안에 냉매를 완전히 기화할 필요가 없다. 대신에, 남아있는 액체 상태의 냉매는 흡입가스 열교환 동안에 기화되기 때문에, 냉매는 고온의 액체 냉매와의 흡입가스 열교환에 진입할 때에 반기화 상태이기만 해도 된다. 액체 대 액체의 열교환이 기체 대 액체의 열교환보다 훨씬 더 효율적이라는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, 병류 열교환 모드에 기인한 덜 효율적인 열교환이 보상된다.

폐열교환기의 개구 O1로부터, 기체 상태의 냉매는 기체 상태의 냉매의 유동이 컴프레서로 향하도록 제어되는 4방향 밸브(FWV)로 진입하고, 이 냉매는 컴프레서에서 다시 압축된다.

도 7에서, 냉각 모드의 냉각 시스템이 도시되어 있다. 가열 모드에서 냉각 모드로 전환하기 위하여, 압축된 기체 냉매를 컴프레서가 폐열교환기(DHE)의 개구 O1로 공급하도록 4방향 밸브(FWV)가 제어된다. 팽창 밸브 EXPV2는 완전히 닫히고, 일방향 밸브 OWV2는 개방되고, 일방향 밸브 OWV1은 닫히고, 팽창 밸브 EXPV1은 개방되어서 냉매가 팽창 밸브 EXPV1을 통과하기 전과 후의 압력을 제어한다.

따라서, 냉각 모드에서, 폐열교환기는 병류 콘덴서 기능을 하게 되고, "흡입가스 열교환기"는 열교환을 수행하지 않는 반면에 페이로드 열교환기(PLHE)는 병류 콘덴서의 기능을 하게 된다. 그러나, 고온의 액체 냉매와 페이로드 열교환기(PLHE)를 빠져나가기 직전의 반기화 상태의 냉매 사이의 흡입가스 열교환의 제공으로 인해, 병류 열교환의 효율은 허용 수준을 유지할 수 있다.

여기서, 흡입가스 열교환기는 도 6과 도 7에 각각 도시된 폐열교환기(DHE) 및 페이로드 열교환기(PLHE)와 일체화되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 흡입가스 열교환기는 폐열교환기 및/또는 페이로드 열교환기와 분리되어 있을 수 있다.

가역(reversible) 냉각 시스템의 제2 실시예가 도 7b에 도시되어 있다. 일반적으로, 이 시스템은 도 6 및 도 7에 도시된 시스템과 유사하지만, 폐열교환기(DHE)가 흡입가스 열교환 기능에 제공되지 않는다는 차이가 있다. 또한, 본 실시예에 따른 폐열교환기는 외부 공기/냉매 열교환기이다. 이러한 열교환기는 브라인 용액 등에 열을 폐기하는 것이 가능하지 않는 경우에 사용되는 경우가 많다. 일반적으로, 공기/냉매 열교환기는 역류 모드에서 기능하는데, 이는 페이로드 열교환기(PLHE) 및 폐열교환기(DHE)에 대해 기재된 방식으로 공기/냉매 열교환기를 흡입가스 열교환기에 연결한다는 장점을 의미한다.

도 7b에서, 가열 모드의, 즉, 페이로드 열교환기가 콘덴서 기능을 하는 가역 냉각 시스템이 도시되어 있다. 기체 상태의 냉매는 컴프레서(C)에서 압축되고 대형 개구 O1로 전달되어 여기로부터 페이로드 열교환기(PLHE)를 통과하고 가열이 필요한 매체, 즉, 페이로드와 열을 교환한다. 열 교환은 역류 모드에서 이루어진다. 액체가 된 냉매는 이후 일방향 밸브(OWV1)를 통과한 후에 팽창 밸브(EXPV2)를 통과한다. 팽창 밸브(EXPV2)에서, 냉매 압력은 하강하고, 그 결과로 끓는 온도가 상응하여 하강한다. 끓는 온도의 하강으로 인해, 냉매의 증발이 외부 공기와의 열 교환에 의해 폐열교환기(DHE) 내에서 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 외부 공기는 히트 덤프(heat dump)의 역할을 한다. 증발된, 즉, 기체 상태의 냉매는 이후에 콤프레서(C)로 전달되고, 콤프레서(C)는 냉매를 다시 압축한다. 본 모드에서, 즉, 4방향 밸브(FVW)가 가열 위치에 있는 경우에, 소형 개구 SO1과 SO2 사이에는 냉매의 유동이 없거나 미비한 유동만 있다. 따라서, 열교환기의 이 부분에서는 열 교환이 없다.

도 7b의 가역 냉각 시스템은 또한 도 6 및 도 7에 도시된 실시예와 마찬가지로 반대 모드에서도 사용될 수 있다. 이러한 모드에서, 압축된 냉매는 폐열교환기(DHE)로 유도된다. 도 6 및 도 7에 도시된 실시예에서와 마찬가지로, 이는 4방향 밸브(FWV)를 전환함으로써 이루어진다. 폐열교환기에서, 고압의 기체 냉매는 외부 공기와 열 교환을 하고, 그 결과로 냉매는 응축한다. 응축된 냉매는 폐열교환기를 빠져나가고 일방향 밸브(OWV1)를 통과한다(일방향 밸브가 이 방향으로의 유동을 유도). 이후, 냉매는 페이로드 열교환기(PLHE)의 소형 개구 SO2로 이송되고, 저온의 기체 냉매와의 열 교환 하에서, 페이로드 열교환기(PLHE)를 빠져나가기 직전의 저온의 기체 냉매와의 열 교환 하의 페이로드 열교환기(PLHE)를 통과한다.

또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 일체화 된 흡입가스 열교환기가 도 8에 도시된 것과 같은 소위 '다중 회로(multi circuit)' 열교환기에 제공된다. 다중 회로 열교환기는 세 가지의 다른 매체가 열 교환을 하는 주입구와 배출구 포트 개구, 즉 6개의 포트 개구가 있는 열교환기이다.

도 8에서, 일체화된 흡입가스 열교환 가능성이 있는 다중 회로 열교환기(200)의 플레이트 및 포트 배치의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 4개의 플레이트(201, 202, 203, 204) 각각에 6개의 대형 포트 개구(210a-210f)가 제공되어 있고, 플레이트들이 서로 적층되는 경우에 그루브 간의 거리를 유지하도록 구성된 리지(R)와 그루브(G)의 압착 패턴이 제공되어 매체가 열을 교환하는 플레이트 간의 유로가 열교환기 플레이트(210a-210f) 사이에 형성되도록 한다. 포트 개구(210a-210f)는 서로 다른 높이에 제공되어, 포트 개구와 플레이트 간의 유로 사이의 선택적 유체 연통이 확보되도록 한다.

이 경우, 포트 개구 201a와 201b는 동일 높이에 제공되며, 이는 플레이트 201과 202 사이의 플레이트 사이공간과 연통함을 의미한다. 포트 개구 210c와 210d는 플레이트 202와 203 사이의 플레이트 사이공간과 연통하고, 포트 개구 210e와 210f는 플레이트 203과 204 사이의 플레이트 사이공간과 연통한다.

또한, 플레이트 202와 203 사이의 플레이트 간 유로가 연통을 위해 밀봉되도록 분할면(DW)이 제공되며, 이로써 소형 포트 개구 SO1 내지 SO4와 연통하는 제1 및 제2 열교환부가 형성된다. 소형 포트 개구 SO1과 SO2는 포트 개구 210b에 가장 가까이 배치된 열교환부와 연통하고, 소형 포트 개구 SO3과 SO4는 포트 개구 210f에 가장 가까이 배치된 열교환부와 연통한다.

통상적으로, 가열 및/또는 냉각에 대한 요구가 광범위하게 다른 경우에 다중 회로 열교환기가 사용된다. 전형적인 설정에서, 격배치된 플레이트 간 유로(포트 개구 210c 및 201d와 연통하는 유로)는 브라인 용액의 유동을 위해 배치되고, 이 유로에 이웃하는 일 유로는 제1 냉매의 유동을 위해 배치되고, 이 유로에 이웃하는 타 유로는 제2 냉매의 유동을 위해 배치된다. 제1 및 제2 냉매는 서로 다른 별도의 냉각 시스템에 연결되고, 각 냉각 시스템에는 자체적인 컴프레서와 팽창 밸브가 있다. 높은 냉각 또는 가열이 필요한 경우, 두 컴프레서 모두가 가동되지만, 낮은 냉각 또는 가열이 필요한 경우, 컴프레서 하나만이 가동된다.

다중 회로 열교환기는 도 6 및 도 7을 참조하여 기재된 바와 기본적으로 동일한 방식으로 활용될 수 있지만, 컴프레서(C), 팽창 밸브(EXPV1), 팽창 밸브(EXPV2), 4방향 밸브(FWV), 일방향 밸브(OWV1), 및 일방향 밸브(OWV2)가 모두 각각 이중으로 제공된다.

도 9에서, 열교환기 플레이트(300)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 열교환기 플레이트(300)는 도 2의 플레이트의 포트 개구 O1 내지 O4와 동일한 방식으로 서로 유체 연통하는 4개의 포트 개구(O1-O4)를 포함한다. 단, 도 1의 열교환기 플레이트와 달리, 포트 개구 O1 내지 O4는 열교환기 플레이트(300)의 모서리 부근에 배치되어 있다. 또한, 소형 포트 개구 SO1과 SO2는 서로의 부근에 제공되고, 도 2의 열교환기 플레이트(210a, 210b)의 소형 포트 개구와 동일한 방식으로 서로 연통한다. 또한, 열교환기 플레이트(300)에는 분할면(DS)이 제공되어 있고, 분할면(300)은 열교환기 플레이트(300)의 서로 이웃하는 두 측 사이에서 연장된다. 즉, 열교환기 플레이트가 긴 형태인 경우, 분할면(DS)은 열교환기 플레이트(300)의 한 장측과 한 단측 사이에서 이어져서 포트 개구 O1-O4를 부분적으로 둘러싼다. 도 4에 도시된 열교환기 플레이트의 경우와 달리, 도 9에 도시된 실시예의 분할면(DS)은 전체적으로 원형이 아니고, 분할면(DS)의 양단은 직선이다. 이는 분할면의 양단이 열교환기의 측부에 수직으로 또는 거의 수직으로 연결된다는 것을 의미한다.

도 10에는 도 9에 따른 열교환기 플레이트를 포함하는 열교환기의 분해도가 도시되어 있다. 본 열교환기는 앞서 도 1 내지 도2를 참조하여 설명한 바와 같은 기능을 동일하게 포함한다. 단, 도 9 및 도 10의 열교환기 플레이트 실시예에는 소형 포트 개구 SO1과 SO2 사이의 길이를 따라 유동 영역이 동일하다는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 기체 냉매를 압축하도록 구성된 컴프레서(C), 페이로드가 가열되는 가열 위치와 상기 페이로드가 냉각되는 냉각 위치 사이에서 전환 가능한 4방향 밸브(FWV), 가열 또는 냉각이 필요한 상기 페이로드에 연결된 페이로드 열교환기(PLHE), 폐열교환기(DHE), 2개의 일방향 밸브(OWV1, OWV2), 및 2개의 제어식 팽창 밸브(EXPV1, EXPV2)를 포함하는 가역 냉각 시스템(reversible refrigeration system)에 있어서,
   상기 가열 위치와 상기 냉각 위치 사이에서 상기 4방향 밸브를 전환하여 상기 페이로드 열교환기(PLHE) 또는 상기 폐열교환기(DHE)로의 압축 냉매의 유동을 제어하고,
   상기 페이로드 열교환기(PLHE) 및 상기 폐열교환기(DHE) 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하는 열교환기는 콘덴서 기능을 하고, 상기 페이로드 열교환기(PLHE) 및 상기 폐열교환기(DHE) 중에서 상기 압축 냉매의 상기 유동을 수신하지 않는 다른 열교환기는 증발기 기능을 하고,
   상기 4방향 밸브가 상기 가열 위치에 있는 경우에, 상기 폐열교환기(DHE)는 상기 페이로드 열교환기(PLHE)가 콘덴서 기능을 하는 경우에 상기 페이로드 열교환기(PLHE)를 빠져나간 액체의 고압 냉매와 상기 폐열교환기(DHE)를 빠져나간 저압의 기체 냉매 사이에서 열을 교환하도록 구성된 제1 흡입가스 열교환기(suction gas heat exchanger)로 연결되고,
   상기 폐열교환기(DHE)는 병렬 모드(co-current mode)로 상기 냉매와 폐열 사이에서 열을 교환하도록 구성되고,
   상기 페이로드 열교환기(PLHE)는 제2 흡입가스 열교환기를 포함하고,
   제1 팽창 밸브(EXPV1)가 닫히고, 제1 일방향 밸브(OWV1)가 열리고, 제2 팽창 밸브(EXPV2)가 열리고, 제2 일방향 밸브(OWV2)가 닫히며,
   상기 4방향 밸브(FWV)가 상기 가열 위치에 있는 경우에, 상기 제2 흡입가스 열교환기는 비활성화되고,
   상기 4방향 밸브(FWV)가 상기 냉각 위치에 있는 경우에, 상기 페이로드 열교환기(PLHE)는 병렬 모드(co-current mode)로 상기 냉매와 페이로드 사이에서 열을 교환하도록 구성되고,
   상기 냉각 위치에서, 상기 제1 팽창 밸브(EXPV1)가 열리고, 상기 제1 일방향 밸브(OWV1)가 닫히고, 상기 제2 팽창 밸브(EXPV2)가 닫히고, 상기 제2 일방향 밸브(OWV2)가 열려서,
   상기 제1 흡입가스 열교환기는 비활성화되는 것을 특징으로 하는, 가역 냉각 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 흡입가스 열교환기는, 상기 4방향 밸브(FWV)가 상기 냉각 위치에 있는 경우에, 상기 폐열교환기(DHE)를 빠져나간 높은 압력의 액체 냉매와 상기 페이로드 열교환기(PLHE)를 빠져나간 낮은 압력의 기체 냉매 사이에서, 열을 교환하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 가역 냉각 시스템.