KR100349296B1 - 열펌프시스템의냉매계량제어시스템과냉각사이클제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 냉각 시스템을 통한 냉매 유동을 제어하여 효율을 높이고 부품 수명을 연장시키도록 디지털 회로를 이용하는 전기 제어 시스템 장치 및 그 방법이 계시된다. 그 방법은 냉매 온도 측정 단계, 주위 환경의 온도 측정 단계 및 냉매량 제어 단계들로 구성된다. 상기 제어 시스템은 역전 밸브 수단, 팽창 밸브 수단, 주위 환경 온도 측정 수단들 냉매 온도 측정 수단, 및 프로세서 수단을 포함한다.

Description

열 펌프 시스템의 냉매 계량 제어 시스템과 냉각 사이클 제어방법

본 발명은 냉난방기, 열 펌프 및 냉각 장치용 전기제어 시스템에 관한 것으로서, 특정하게는 냉각 시스템을 통하는 냉매 유량을 제어하여 효율을 최적화하고 부품 수명을 연장하는 디지털 회로를 이용하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

냉난방 시스템, 열 펌프 시스템 및 냉각 장치는 상당량의 전기 에너지를 소비하는 것이다. 매년, 가정 및 상업용 빌딩에는 더 많은 중앙 냉난방 및 열 펌프시스템이 추가 설치되고 있다. 에너지 수요의 급격한 증가에 따른 에너지 지출비의 현격한 증가는 냉각 사이클의 효율 개선면에서 중요성이 극히 강조되고 있다.

따라서, 냉매를 계량(計量)하여 시스템을 통과하는 방식을 개선하는 것이 유용한 분야로 보인다. 냉매는 통상 증발기 코일(evaporator coil)이라 불리는 열 교환기에서 기화되어 냉각이 이루어진다. 상기 냉매는 팽창 밸브라 불리는 오리피스를 통해 계량되어 증발기 코일로 공급된다. 이상적으로는, 냉각 시스템이 냉매기화 시에 코일의 전체 길이에 걸쳐 냉매가 열을 추출하도록 하는데 정확히 일치하는 량으로 냉매를 계량하여 증발기 코일로 보내는 것이다. 그러나, 시스템의 동역학 변경, 온도 조절장치 설정치 변경 및, 태양, 바람 등과 같은 기상 변경으로 인하여, 최적한 성능을 항시 용이하게 이룰 수가 없다.

예컨대, 증발기 코일 주위의 온도가 고온이면, 냉매가 빠르게 액체 상태에서 기체 상태로 전환되는데, 이러한 경우 액체상태의 냉매가 전체 증발기 코일을 채우기에는 부족할 것이다. 따라서, 이러한 경우, 일부 증발기 코일이 실질적으로 무용하게 되어, 실질적으로 효율저하의 문제를 발생한다. 반대로, 증발기 코일의 주위 온도가 저온이면, 모든 냉매를 액체상태에서 기체상태로 증발시키기에는 열이 부족하게 된다. 이경우에는, 액체상태의 냉매가 압축기로 유입되어 효율을 저하시키며, 압축기를 손상시킬 가능성도 있다. 종래의 냉각 시스템에서는 증발기 코일에 유입되는 냉매를 계량하는 여러 가지의 다른 제어방식이 이용되였다. 종래 방식이 성공직인 것이기는 하지만, 상당부분 개선될 여지가 있는 것이다.

본 발명은 이러한 문제를 마이크로프로세서 제어 시스템 및 디지털 제어 밸브를 이용하여 해결시킨 것이다. 냉매를 정확하게 계량하는 방법은 시스템 동역학이 변경됨에 의해 발생되는 이전의 오차문제가 거의 없는 분리형 감지장치를 설치하여 달성하였다. 본 발명의 시스템은 이전에는 용이하게 이룰 수 없었던 저온에서도 효과적으로 작동을 유지할 수 있는 것이다.

이러한 결과로 고효율이면서 보다 양호한 쾌적(快適)함을 제공하는 최신식 냉난방기 또는 열 펌프 시스템이 탄생된 것이다. 냉매 유동량이 정확하게 제어되므로서, 압축기 안으로 액체 상태의 냉매가 유입될 가능성이 거의 없으며, 이러한 사실에 의거, 압축기의 수명은 더욱 늘어난 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 냉난방기, 열 펌프 및 냉각장치에 이용되는 냉각 사이클을 최적하게 하는 장치와 방법을 제공하는 것이다. 시스템은 상보성 센서와 전자제어식 팽창 밸브가 설치된 마이크로프로세서-기본 제어 시스템을 이용하여 시스템 과열을 최적하게 제어하는 것이다. 본 발명의 원리를 설명하기 위해, 난방과 냉방을 겸할 수 있는 열 펌프 시스템을 기술한다. 이러한 타입의 열펌프 시스템은 상업용 또는 주거용 건물을 냉난방하기에 적합한 것이지만, 본 발명의 원리는 상업용 및 주거용 냉난방에 한정되지 않으며, 모든 펌프식 열전달 시스템에 적용할 수 있는 것이다.

바람직한 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 냉각 사이클에 대해 간단하게 설명한다. 냉각 사이클은 제1도에 개략적으로 도시된 기본적인 냉각 시스템을 참조하여 기술한다.

냉각 사이클은 기화시에 그 주위에 온도를 떨어뜨리는 냉각작용을 이용한 것이다. 이러한 냉각작용은 보통 액체상태의 냉매를 압축하여 저압 영역으로 배출하여서, 상기 냉매를 저온의 기체와 액체 혼합물로 팽창시키는 것이다. 일반적으로, 이러한 저압 영역에는 증발기 코일(10)과 같은 증발 코일이 포함 된다. 증발기 코일(10)내의 냉매 혼합물은 냉각 소요 영역의 고온의 주위 공기에 노출된다. 냉매는 액체에서 기체로 기화되면서 주위 공기에서 열을 흡수하여 주위 공기를 냉각시킨다. 열전달 증가를 위해서 일반적으로 추위 공기를 순환시키어서 냉각용 증발 코일과 더 빠른 접촉을 이룰 목적으로 팬 또는 송풍기(도시 않음)가 사용된다. 냉매는 저압이기 때문에 증발 코일내에서 기화 또는 비등할 수 있다. 액체에서 기체로 상변화를 이루면서, 주위 공기로부터 증발 잠열이 추출된다.

저압 증발기 코일로의 냉매 방출량은 통상 팽창 밸브(12)라 불리는 한정 오리피스(the restricted orifice) 또는 밸브에 의해 계량을 받게 된다. 오늘날에는 간단한 비조정식 모세관에서부터 펄스폭 조절밸브와 같은 전기 조정식 밸브에 이르기까지 다양한 타입의 팽창기기가 사용된다.

증발 코일내에서 팽창되는 압축 냉매가 무한 공급되어 그 냉매가 대기에 안전하게 배출될 수 있다면, 냉각 시스템은 제기능을 다하는데 증발 코일만을 필요로 할 것이다. 그러나, 사용 후에 대기로 안정적으로 배출되는 압축 냉매 공급원은 거의 없기 때문에, 그 기본 냉각 시스템은 증발 코일의 유출구에서 냉매를 모아서, 다시 고압 상태로 압축시킨 다음 그 냉매를 재사용 할 수 있도록 액체 상태로 응축시키는 재생 시스템을 포함한다.

따라서, 기본 냉각 사이클에서는 기화 냉매를 증발기 코일의 출구에서 압축기 (14)로 보내어 그 냉매를 고압으로 압축시키고, 그 냉매의 온도를 상승시킨다. 그 후, 아직껏 기체 상태인 고압고온의 냉매를 열제거 시스템으로 보내어 그곳에서 고압 냉매 기체를 액체 상태로 응축시킨다.

통상 이러한 열제거 시스템은 응축기 코일(16)이라 불리는 다른 코일을 포함한다. 응축기 코일을 압축 냉매의 온도보다 낮은 온도 분위기에 배치하여, 냉매에서 열이 추출되어, 액체 상태로 상변화하기에 충분한 냉각이 이루어진다. 응축기 코일의 출구에서. 액체 냉매는 선택적 액체 수용탱크(18)에 저장된 후 사이클을 재차 시작하도록 팽창 밸브로 되돌아가 재순환이 이루어진다.

증발기 코일내의 냉매의 액체 상태에서 기체 상태로의 팽창은 순간적으로 발생하는 것은 아니다. 냉각 사이클의 작동 시에 증발기 코일(10)의 실내를 검사해 보면, 팽창 밸브 근처의 입구측 단부에서는 일부가 기체상태이고 일부가 액체상태인 냉매가 발견된다. 냉매가 코일을 통해 이동함에 따라서, 점점 더 많은 부분의 냉매가 기체상태로 비등 또는 기화하면서, 액체상태의 냉매의 량은 점점 덜 남아 있게 된다.

코일 내부 또는 압축기에 이르는 라인에 코일 출구 넘어에 일 지점에서, 냉매는 최종적으로 기체 상태로 완전 기화될 것이다. 이 지점이 완전 건조 지점(dry out point)이 된다. 상기 완전 건조 지점에서 냉매는 포화 온도 또는 비등 온도 이상의 온도로 상승될 수 있기 때문에, 완전 건조 지점은 중요하다. 포화 온도 이상으로 상승된 온도를 과열 상태라 한다.

과열 상태를 이해하려면, 증발기 코일내부와 같이 일정 압력으로 폐쇄된 시스템에서는, 시스템내에 액체가 일부라도 남아있는 한, 비등 액체가 일정한 비둥 온도로 유지된다는 사실을 알아야 한다. 물론, 비등 온도는 열역학적 법칙에 의해 나타나는 바와 같이 압력에 좌우된다. 그러나, 액체 냉매 모두가 비등되면, 그때의 기화 냉매는 비등 온도 이상의 온도로 증가되기 위해 추가 열을 흡수할 수 있는 상태가 된다.

기화 냉매가 액체 냉매와 접촉할 때에 이것을 통상 포화상태라고 불리운다. 포화상태에서, 기화 냉매의 온도는 비등 온도와 같다. 모든 액체 냉매가 비등되어져 추가 열이 증기의 온도를 비등 온도 이상으로 상승시키는데 더해지면, 그 증기는 과열된 것이라고 말할 수 있다. 과열이라는 용어는 증기온도와 포화온도(비등점 온도)사이의 온도차를 나타내는데 이용된다.

증발 코일에서 빠져나온 냉매의 과열상태를 측정함으로서, 냉각 시스템이 얼마나 효율적으로 작동하는지를 알 수가 있다. 예를 들면, 과열상태에 이르지 않았다면, 냉매가 증발 코일에서 완전하게 증발되지 않았음을 추측할 수 있다. 이러한 증발기 출구에 고응축 액체상태 냉매는, 액체 냉매가 압축기로 공급되어지는 것을 의미하며, 이러한 상태는 압축기 효율을 크게 저하시키고 압축기 손상을 야기할 수도 있는 것이다.

반대로, 과도하게 높은 과열 값은 증발기 코일이 더 많은 냉매를 수용할 수 있었음을 나타내는 것으로, 이것도 효율 저하의 원인이 된다. 냉각 제어 시스템의 설계목적은 올바른 냉매량을 정확하게 계량함으로서 액체상태로 압축기로 통과될 수 있는 과도한 냉매가 코일 내에 충만하지 않고 전체 길이의 증발기 코일을 이용할 수 있게 하는 것이다.

상술된 냉각 사이클의 기본 원리를 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명은 여러 형태를 취할 수 있지만, 여기서는 제2도의 열 펌프 시스템에 대해서 기술된다.

제2도는, 열 펌프 시스템(20)을 나타낸 도면이다. 시스템은 실내 열교환기(22), 룸 유닛 또는 온도 조절기(23), 및 실외 열교환기(24)를 포함한다. 실내 열 교환기(22)에는 실내 열교환기 코일(26)과 실내 팬(28)이 포함된다. 실내 팬은 양호하게 속도 가변식 모터(30)에 의해 구동된다. 실내 팬과 코일은, 팬이 주위 실내 공기를 속도 가변식 모터의 속도로 결정된 비율로 실내 코일을 횡단하여 지나가도록, 적절한 덕트 작업으로 배치된다.

실외 열교환기(24)는 실외 열교환기 코일(32)과 적절한 모터(36)에 의해 구동되는 실외 팬(34)을 포함한다. 바람직하게, 실외 유닛은 실외 코일과 실외 팬을 덮고서 그 실외 팬의 열전달이 향상되도록 주위의 실외 공기를 실외 코일을 가로질러 흡인시키게 하는 보호용 하우징을 포함한다. 또한, 실외 열교환기는 압축기(38)도 포함한다.

제2도에 도시된 시스템은 실내 코일 및 실외 코일의 기능을 간단하게 역전시킴으로써 냉난방을 겸하도록 사용될 수 있는 소위 "열 펌프" 시스템인 것이다. 이러한 작용은 4-웨이 역전 밸브(40)로써 실행된다. 제2도를 참조하면, 4-웨이 밸브가 냉방 위치(도시된 위치)로 설정되면, 실내 코일이 증발기 코일로 작동하며 실외 코일은 응축기 코일로 작동한다. 4-웨이 밸브가 난방 위치(대체 위치)로 절환되면,상기 코일의 기능은 역전된다. 실내 코일은 응축기로서 작동하고 실외 코일은 증발기로서 작동한다.

실내 및 실외 코일 및 압축기와 더불어, 본 시스템은 전기제어식 팽창 밸브(42)도 이용한다. 실시예에서, 팽창 밸브는 오리피스 크기 또는 밸브 구멍을 완전 개방 위치에서 완전 닫힘 위치까지 광범위하게 전기적으로 조정할 수 있는 연속적으로 변경 가능한(또는 점진적으로 변경 가능한) 스테퍼 모터 밸브(stepper motor valve)이다. 전기적으로 제어되는 다른 타입의 밸브로 본 발명의 제어 시스템을 구성할 수도 있지만, 본원의 실시예에서는 거의 고장이 없고 파급 없는 작동(ripple-free operation)을 제공하는 스테퍼 모터 밸브를 이용한다. 스테퍼 모터 밸브는, 오리피스 크기 조정을 행할 때, 동작 또는 순환할 필요가 있는 것이다. 이러한 작용은 일반적인 작동 순서 진행 중에 여러 차례(예컨대, 시간당 여러번)발생될 수 있다. 이와 대조적으로, 펄스폭 조절식 밸브(pulse width modulated valve)는 전체 작동 순서 진행 중에 연속적으로 순환하는 것이다.

본 발명의 바람직한 제어 시스템은 여러 가지의 센서에서 데이터를 수집하여 그 수집된 데이터를 기초로 팽창 밸브의 적절한 설정을 결정하는 마이크로프로세서 시스템이다. 특히, 이 실시예에서는 3개 마이크로프로세서 제어 유닛(44, 45, 46)을 이용한다. 제어 유닛(44)은 실외 열교환기(24)와 관련되며 제어 유닛(46)은 실내 열교환기(22)와 관련된다. 또한, 룸 유닛 또는 온도조절기(23)도 마이크로프로세서 제어 유닛(45)에 포함된다. 바람직하게, 3개의 모든 마이크로프로세서 제어 유닛은 병렬 또는 직렬 연결 링크와 같은 적절한 연결 링크(48)를 통해 함께 연결된다. 실외 제어 유닛(44)은 주로 수집된 데이타에 대해 반응하게 되는 한편 실내 제어 유닛(46)은 시스템의 온/오프 순환동작, 실내 팬 속도 조절, 팽창 밸브 제어, 소요되는 서리제거 고장 탐지 시작/중지 및 시스템 실태분석 수행 기능에 대해 반응하게 된다.

팽창 밸브에 적절한 설정치에 이르게 하는 작업은 한번에 나타낼 수 있을 정도로 간단한 것은 아니다. 일반적으로, 팽창 밸브는 증발기 코일내의 과열 상태를 기초로 하여 제어된다. 전술한 바와 같이, 과열 상태는 시스템 효율의 측정값이며 따라서 제어 매개변수로서 이용될 수 있다. 과열 상태는 냉매 온도가 포화 또는 비등 온도 이상으로 상승하는 온도 상승 값 또는 그 온도 차이를 나타내는 차등 매개변수(differential parameter)이다. 차등 매개변수에서, 과열상태는 그것을 결정하기 위해서 2개 값을 측정해야 한다.

열역학 법칙을 이용하여, 증발기 코일 출구에서의 압력 및 온도를 알 수 있다면 과열 상태를 계산할 수 있을 것이다. 온도 센서에 비해 압력 센서는 상당히 고가의 제품이다. 종래의 대부분의 시스템에서는 2개의 다른 지점(예컨대, 증발 코일의 입구 및 출구)에서 온도를 측정하여 과열을 판단하였다. 종래의 시스템에서는 양쪽 온도 측정 지점에서의 압력은 동일(종종 상이한 경우가 있음)하다는 전제하에서 압력 센서를 필요로 하지 아니한 것이다. 2개의 측정 온도를 감수(減數)하여, 과열 값이 구해진다.

이러한 종래 기술이 간단하기는 하지만, 정확하지는 않은 것이다. 전술한 바와 같이, 완전 건조가 발생되는 증발기 코일내의 위치는 정상적인 냉각 사이클중에예기치 못하게 이동되는 경향이 있다. 완전 건조 지점이 이동하면 종래의 온도 대 온도 측정값의 신뢰성은 크게 떨어진다.

설명을 위해, 완전 건조 지점이 출구 온도 센서의 상당히 상류측인 증발기 코일의 중간부분의 어느 일 지점에서 발생되는 경우를 고려한다. 이 경우에, 출구 온도 센서는 중간부분에서 출구까지 온도가 상승되도록 허용된 과열 증기의 온도를 읽게 될 것이므로, 높은 과열 값이 측정될 것이다. 이와 대조적으로, 완전 건조 지점이 출구 온도 센서의 하류에서 발생한다면, 이때 온도 센서가 포화 상태의 증기에 노출되기 때문에 과열 상태가 측정되지 않을 것이다.

온도 센서가 증발기 코일에 2개 고정 위치, 예컨대 입구 및 출구에 배치되어 있는 종래의 시스템을 가정하여, 제3a도 및 제3b도는 팽장 밸브를 통해 흐르는 냉매량 또는 유랑의 함수로서 어떻게 과열 상태가 변경되는 가를 나타낸 도면이다. 저 유량에서는, 냉매가 거의 유동되지 않고, 완전 건조 지점이 일찍 발생되어 과열값이 높게 된다. 어느 정도 고 유량에서는, 완전 건조 상테가 나타나지 않고, 시스템이 포화된 채로 유지되어, 과열값이 제로가 된다. 시스템 내의 변동 및 완전 건조 기점의 이동에 의해, 제3a도에 'A'로 나타낸 과열을 예상할 수 없는 불안정한 영역이 있다. 예상할 수 없으므로, 종래의 제어 시스템은 불안정한 영역을 피하는 최소의 안정한 과열값(제3a도에서 Tmin)을 선택함으로써 불안정한 영역을 피해나가도록 구성된다. 이러한 최소 안정한 과열 값은, 예컨대 10°내지 20°와 거의 비슷한 값이다. 일반적으로 불안정 영역은 5°부근의 과열 값에 상응한다.

제3b도는 최소 안정 과열 값(Tmin)에 어떻게 도달되는가를 나타낸 도면이다.제3b도는 압축기 출구 온도를 압축기 과열의 함수로 나타낸 그래프이다. 양쪽 축선에 온도는 화씨 온도로 나타낸다. 이 그래프는 제3b도에 네모 꼴 또는 데이터 점으로 도시된 실험적으로 결정된 측정치를 이용하여 작성되었다. 대략 5°이상의 과열 온도에서 작성된 곡선을 이용하여 작성하였다. 대략 5°이상의 과열 온도에서 작성된 곡선은 완만하게 상승되는 기울기(대략 0.9)를 갖는 거의 일직선으로 나타내진다. 이와 대조적으로, 5°이하의 과열 온도에서 데이터 점은 넓은 압축기 배출 온도 범위에 걸쳐(데이터 점(m)을 데이터 점(n)과 비교할 때) 상당히 산개된 상태로 나타난다. 또한, 이 영역의 곡선 기울기는 아주 가파르다(대략 15.2기울기). 이와 같이 실험적으로 결정된 데이터를 기초로 하면 최소 안정 과열값(Tmin)은, 기울기가 완만하다가 가파르게 변경되는 경계 지점인 코너 또는 무릅부에서 얻어진다. 바람직하게는 본 시스템은 'A'로 나타낸 불안정한 영역을 피해가도륵 최소 안정 과열값(Tmin)에서 또는 그보다 약간 높은 지점에서 작동하도륵 설계된다.

이러한 불안정한 영역의 기본효과는 종래의 제어 시스템을 더 높은 과열 목표 값에서 작동할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 작용은 출구 온도 센서가 정상 작동 범위 내에서 이동하는 완전 건조지점 부근에 배치하지 않음으로써 실행되는 것이다. 온도 센서의 위치를 고정하는 것은 완전 건조지점의 이동하는 위치를 추적하는 행위를 불편하게 하는 방식이다. 따라서, 종래의 측정 시스템은 더 높은 과열 온도에서 폐쇄된 루프 제어를 실행함으로써 완전 건조 지점을 피해나가야 하는 것이다. 이러한 것은 근본적으로 비능률적인 것이기는 하지만, 종래의 방법 하에서는 불가피한 일이었다.

본 발명의 제어 시스템은 이동하는 완전 건조 지점에 의해 쉽게 영향받지 않는 측정값을 기초로 하여 상술한 근본적인 불예측 가능성을 피해나간 것이다. 구체적으로 말하면, 본 시스템에서는 시스템의 작동온도를 나타내주는 제1온도센서와. 시스템이 배치된 주위환경의 온도를 나타내주는 제2온도센서를 이용한다. 제4도는 이리한 사실을 나타낸 도면이다. 대비 목적으로, 제5도에는 종래 기술의 제어 시스템을 나타내었다. 제4도 및 제5도 모두는 주위 환경(52)에 배치된 냉각 시스템(50)을 나타낸다. 양쪽 냉각 시스템은 증발기 코일(10), 팽창 밸브(12), 압축기(14) 및 응축기(16)를 가진다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 본 발명(제 4도)의 제1온도센서(54)는 냉각 시스템(50)내에 배치되지만, 제2온도센서(56)는 주위환경(52)에 배치됨으로써, 냉각 시스템(50)으로부터 효과적으로 분리된 것이다. 이와 대조적으로, 종래 시스템(제5도)의 온도 센서는 모두 냉각 시스템(즉, 증발기 코일(10)의 대향 단부)내에 배치된다.

본 발명의 바람직한 실시예의 제2도(및 제4도)에 도시된 바와 같이, 제1온도센서(54)는 압축기에서 배출되는 압축냉매의 배출온도를 측정하도록 배치된다. 다른 센서 배치 위치도 선택될 수 있지만, 이와 같은 바람직하게 배치된 온도센서의 위치에서는 임의로 이동하는 완전 건조 기점에 의해 발생되는 온도 교란으로부터 압축기 배출 온도 변동폭이 비교적 양호하게 줄어들게 되는 사실에 어느정도 기여할 수 있게끔 정확하게 재생될 수 있는 결과를 제공한다.

제2온도센서(56)는 응축기 코일(16)을 둘러싸고 있거나 또는 응축기 코일(16)을 가로질러 강제 순환하는 주위 공기의 온도를 측정할 수 있도록 공기 유동로에 배치됨이 바람직하다. 주위 공기온도는 냉각 시스템내에서 임의로 작동하는 교란상태로부터 완전 격리되거나 또는 분리되어 모든 실제적인 목적을 위한 안정적인 참조 온도를 제공한다.

온도 측정부를 시스템에서 격리 또는 분리시킴으로써, 본 발명은 종래의 시스템보다 더 낮은 최소의 안정한 과열 설정점에서도 작동될 수 있다. 이 실시예에서, 본 발명의 시스템은 5°F(-15℃)의 공칭 과열 온도에서 작동하도록 구성된다. 이 부분은 제3a도의 불안정한 영역(A)으로 나타낸 영역내에 정화하게 포함되는 것이다. 그러나, 측정된 변동값이 이동하는 완전 건조지점에 의해 발생된 교란 상태에서 분리되어 있으므로, 본 발명은 이와 같이 낮은 과열온도에서도 안정적인 것이다.

이러한 주위 공기 온도센서의 배치 위치는 위험할 수도 있다. 냉방 모드에서, 응축기 코일은 실외에 배치되는데, 주위 온도센서는 직접 태양광선을 받지 않도록 배치되어야 한다. 이때는 주위 온도센서를 공기 유동에 대해서는 개방되지만 직접적인 태양 광선로부터는 차폐되는 튜브 또는 봉입물내에 배치하면 된다.

제6도는 주위 온도센서를 차폐하는 한가지 방식을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 센서(56)는 실외 열교환기(24)의 하우징 측벽에 장착된 튜브(58)내에 배치된다. 튜브는 도시된 바와 같이 센서(56)를 직접적인 태양광선으로부터는 차폐되지만, 대기와 하우징의 내부로는 개방됨으로써 주위 공기가 실외 팬(34)의 송풍력에 의해 센서(56)를 가로질러 유동하게 된다. 팬(34)에 의해 발생되는 공기 유동은 태양의 복사 에니지에 의해 하우징이 가열됨으로써 발생되는 어떠한 복사 및 전도 가열 효과에도 사실상 영향을 받지 않게 된다. 이 결과로 팬(34)에 의해 실외 열교환기 코일(32)을 가로질러 유동되는 주위 공기온도의 정확한 측정이 이루어 진다.

난방 모드에서, 주위 공기 온도센서는 실내 코일을 가로질러 유동하는 공기 온도를 측정한다. 따라서, 시스템의 온도 조절장치 내의 온도센서(60)는 필요한 경우 그러한 신호를 제공하도록 이용될 수 있다. 시스템의 온도 조절기는 직접적인 태양광선에 의해 심하게 영향을 받지 않으므로, 통상적으로 실내 공기 온도센서의 위치는 관심대상이 아니다. 시스템의 온도 조절기가 난방 모드 작동시의 주위환경 센서로서 적절하게 작용하더라도, 필요한 경우 실내 열교환기 코일(26)을 가로질러 전달되는 주위 공기의 온도를 측정하도록 공기 귀환 덕트내에 분리형 온도센서가 배치될 수 있다.

압축기 배출 온도 및 주위 공기 온도가 과열과 같은 값을 직접적으로 산출하지는 않을 지라도, 이들은 과열 상태를 나타내는 값을 산출한다. 이것은 냉매 포화 온도와 상승된 증기 온도의 차인, 과열상태가 궁극적으로는 시스템내의 온도(예컨대, 압축기 배출 온도) 및 시스템에 소요되는 온도를 좌우하는 주위 환경에 의해 정해지기 때문이다. 실제로, 과열 온도를 결정하는 목적은 팽창 밸브 오리피스의 적절한 설정 동작에 대한 지시(indicator)를 얻기 위한 것이다. 온도를 나타내는 하나의 시스템과 온도를 나타내는 하나의 환경(예컨대, 압축기 배출 온도 및 주위 공기 온도)을 이용하면 온도에 종속된 2개 시스템에 의존하는 종래의 시스템에 의해 얻어진 것보다 더 정확하고 재생가능하며, 더 양호한 결과가 제공되는 것으로알려져 있다.

시스템 온도 및 주위 온도 측정값을 적절한 팽창 밸브 설정 값으로 전환시키는 데에는, 계산된 알고리즘 또는 검사표가 사용된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는,y = mx + b형태의 일직선 또는 1차 방정식을 이용하여 측정된 주위 온도를 압축기 출구온도 설정값으로 배치할 수 있다. 이것을 제8도 및 제9도에 그래프로 나타내었다. 과열(△T)과 압축기 배출 설정값 사이의 관계는 직선의 기울기(m) 및 y축과의 교차점(b)에 대한 실험적인 값을 기초로 하여 계산할 수 있다. 이 실험적인 값은 시스템에 따라 달라지며, 실험적인 시스템의 온도 측정값을 다른 주위 온도의 공칭 작동 범위에 단순하게 대입시키어 구해진다. 이상적으로, 데이터는 가장 효율적인 작동이 선택되는 점을 나타낸다. 제7도는 현재에 바람직하거나 또는 추천된 작동 범위를 나타내는 실험적인 시스템의 데이터를 나타낸다. 일직선 그래프를 작성하기에 충분한 데이터 점이 측정되면, 제8도 및 제9도와 유사하게 기울기(m) 및 y축과의 교차점(b)이 결정되어 주위 온도 측정값을 기초로 하여 적절한 시스템 온도 설정점을 계산하는데 이용된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서도 검사표에서의 1차 함수 계산 해결방식을 선호한다. 대부분의 해결 완수 시에 스테퍼 모터 밸브 설정값은 계산 해결방식에 의해 쉽개 수용될 수 있는 비율로 갱신된다. 물론, 밸브가 아주 여러번의 기준에 의해 제어되어야 하거나 또는 일직선 조사값이 적절치 않은 경우에는, 검사표 해결방식이 바람직하다.

밸브 설정값은 소망하는 정상 상태 목표값을 나타내는 과열(△T)의 2차 함수값이다. 통상 밸브 설정값은 연속적은 아니지만 때때로 갱신되어야 할 필요가 있다. 본 발명의 바람직한 제어 시스템에서는 개조된 완전 제어 알고리즘을 이용하여 팽창 밸브 설정값이 시스템 요구에 반응하여 수시로 변경되도록 제어된다. 밸브 설정값은 실외 온도를 기초로 한 비율 또는 횟수로 갱신된다. 밸브 설정값은 실제 설정점 온도와 전술한 계산식y = mx + b에 의해 결정된 계산된 설정값 사이의 차 또는 오차를 기초로 하여 이루어진 증분 또는 단계로 갱신된다.

제10도는 실외 온도에 따라 변경될 때의 바람직한 밸브 설정값 갱신율 또는 시간표를 나타낸다. 제10도의 곡선에서, 밸브 갱신율(분당)과 실외 공기온도 사이에는 반비례 관계가 성립된다. 밸브 설정값은 실외 온도가 높을 때 더 빈번히 갱신되며, 실외 온도가 낮을때 덜 빈번하게 갱신되는데, 이러한 사실은 다른 실외 온 도에서 시스템의 반응 시간에 의한 결과로 그러하다.

제11도는 밸브 설정값이 실제 시스템 온도와 소망하는 온도와의 사이에 차 또는 오차에 기조하는 단계 또는 증분으로 변경되는 바람직한 형태를 나타낸 도면이다. 되풀이하기만, 이 실시예의 바람직한 팽창 밸브는 스테퍼 모터 밸브이다. 이와 같이, 밸브 실정값은 불연속적인 증분 또는 단계로 조정될 수 있다. 제11도에 곡선으로 도시된 바와 같이, 오차가 작을 때에, 밸브는 작은 단계(예컨대, 10°F 보다 작은 오차에 대해서는 1단계 또는 2단계)로 변경된다. 오차가 클 때에, 밸브는 큰 단계(예컨대, 10°F 내지 20°F 사이의 오차에 대해서는 한꺼번에 4단계, 20°F 내지 30°F 사이의 오차에 대해서는 한꺼번에 8단계, 그리고 30°F 이상의 오차에 대해서는 12단계)로 변경된다.

전술한 바로부터, 본 발명은 종래의 냉각 사이클 제어 기술과 상당하게 다른것을 알 수 있다. 분리된 온도 측정값(압축기 출구 온도 및 주위 공기 온도)을 이용함으로써, 열펌프 또는 냉난방 사이클이 종래에 성취할 수 없었던 정도로 제어할 수 있는 것이다. 본 시스템은 종래 시스템에서는 도달될 수 없었던 더 낮은 최소의 과열 상태와, 종래에 비해서 현저하게 높은 효율로 작동 될 수 있는 것이다.

본 발명이 열펌프 실시예에 대해 기술되었지만, 본 발명은 여러가지 형태의 냉난방 시스템 및 냉각 시스템에도 적용될 수 있는 것이다.

제1도는 냉각 사이클의 기본 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

제2도는 본 발명의 냉각 제어 시스템이 적용된 열 펌프를 개략적으로 나타낸 도면.

제3a도 및 제3b도는 최소 안정적 과열 상태 및 불안정한 영역을 나타내도록, 압축기 과열과 압축기 출구 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명의 분리 설치된 온도 감지장치를 개략적으로 나타낸 도면.

제5도는 종래 기술의 온도 감지장치를 개략적으로 나타낸, 제4도와 대비되는 도면.

제6도는 본 발명의 주위 온도센서를 복사열의 영향을 받지 않도록 양호하게 배치된 상태를 나타낸 단면도.

제7도는 압축기 출구온도와 다양한 실외 온도에 대한 압축기 과열상태간의 관계 및 시스템에 최대 효율을 제공하는 과열의 추천된 작동범위를 나타낸 그래프.

제8도는 압축기 배출온도와 냉방 모드의 실외 공기온도 사이의 관계를 나타낸 그래프.

제9도는 압축기 배출온도와 난방 모드의 실내 공기온도 사이의 관계를 나타낸 그래프.

제10도는 양호한 밸브 설정값 갱신율을 실외 공기의 함수로 나타낸 그래프.

제11도는 온도 오차를 기초로 밸브 설정값이 단계 또는 증분으로 변경되는 바람직한 방식을 나타낸 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 증발기 코일 12, 42: 팽창 밸브

14, 38: 압축기 16: 응축기

20: 열 펌프 시스템 22: 실내 열교환기

23: 온도 조절기 24: 실외 열교환기

26, 32: 열 교환기 코일 28, 34: 팬

36: 모터 40: 역전 밸브

44, 45, 46: 마이크로프로세서 제어 유닛 50: 냉각 시스템

52: 주위 환경 54, 56, 60: 온도 센서

Claims (11)

1. 열 펌프 시스템(20, 50)이 설치된 환경에서 열을 추출하기 위해, 실내 열 교환기(22)와 실외 열 교환기(24)를 가지고 냉매를 실내 열 교환기(22)에 전달하는 팽창 밸브(12, 42)가 있는 구조로 이루어진 열 펌프 시스템의 냉각 사이클을 제어하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

   상기 열 펌프 시스템(20, 50)내에 미리 결정된 위치에서의 냉매 온도를 나타내는 제1매개변수를 측정하는 단계;

   상기 실외 열 교환기(24)가 배치된 환경 주위의 온도를 나타내는 제2매개변수를 측정하는 단계; 및

   제1매개변수와 제2매개변수를 사용하여 팽창 밸브(12, 42)를 제어하여, 실내 열 교환기(22)로 전달되는 냉매 공급량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 냉각 사이클 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 열 펌프 시스템은, 냉매가 상기 실내 열 교환기(22)에 열을 추출한 후에 냉매를 처리하여 고 압력으로 냉매를 방출하는 압축기(14, 38)를 가진 타입의 것이며;

   제1매개변수 측정 단계는 방출 냉매의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 냉각 사이클 제어 방법.
3. 제l항에 있어서, 상기 열 펌프 시스템에서의 실외 열 교환기(24)에는 냉매가 팽창 밸브(12, 42)를 통해 실내 열 교환기(22)로 도입되기 전에 냉매를 처리하는 응축기(16)가 있고;

   제2매개변수 측정 단계는 응축기 근처에 주변 공기의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 냉각 사이클 제어 방법.
4. 열 펌프 시스템(20, 50)이 설치된 환경에서 열을 추출하기 위해, 실내 열 교환기(22)와 실외 열 교환기(24)를 가지고 냉매를 실내 열 교환기(22)에 전달하는 팽창 밸브(12, 42)가 있는 구조로 이루어진 열 펌프 시스템의 냉매계량을 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 시스템은:

   열 펌프 시스템(20)에 열전달 가능하게 결합되고 냉매 온도를 나타내는 제1 매개변수를 측정하는 제1센서(54)와;

   열 펌프 시스템(20)으로부터 열전달 불가하게 차단되고 실외 열 교환기(24)가 설치된 주위의 온도를 나타내는 제2매개변수를 측정하는 제2센서(56); 및

   제1 및 제2센서(54, 56)에 전기적으로 결합되며, 실내 열 교환기(22)로 전달되는 냉매계량 제어가 제1 및 제2매개변수에 기초하여 제어되는 팽창 밸브(12, 42)에 전기적으로 결합된 마이크로프로세서 제어 유닛(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 냉매계량을 제어하는 제어 시스템,
5. 제4항에 있어서, 상기 열 펌프 시스템(20, 50)은, 냉매가 실내 열교환기(22)의 열을 추출한 후에 처리하며 고압으로 냉매를 배출시키는 압축기(14, 38)를 부가로 포함하며;

   상기 제1센서(54)는 열 펌프 시스템(20, 50)에 열전달 가능하게 결합되어 상기 압축기(14, 38)에서 방출되는 냉매의 배출 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 것을 특정으로 하는 열 펌프 시스템의 냉매계량을 제어하는 제어 시스템.
6. 제4항에 있어서, 상기 실외 열 교환기(24)는 냉매가 팽창 밸브(12, 42)에 의해 실내 열 교환기(22)에 전달되기 전에 그 냉매를 처리하는 응축기(16)로 구성되고;

   상기 제2센서(56)는 응축기(16) 부근의 주위 공기의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 냉매계량을 제어하는 제어시스템.
7. 제4항에 있어서, 상기 열 펌프 시스템(20, 50)은 온도 조절기(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 냉매계량을 제어하는 제어 시스템.
8. 냉매가 그를 통해 실내 주위 환경에서 열을 추출하여 그 열을 실외 주위 환경으로 배출되도록 펌프되는 냉매 순환을 이용하며, 상기 실내에 배치된 열 교환기(22)와, 상기 실외에 배치된 열 교환기(24), 및 상기 순환을 통해 흐르도록 냉매를 압축시키고 도입하는 압축기(14, 38)를 구비하는 열 펌프 시스템(20, 50)에냉매계량 제어용 시스템에 있어서, 상기 시스템은:

   상기 압축기(14, 38)에 결합되고, 냉매의 흐름이 실내 열 교환기(22)에서 실외 열 교환기(24)로 방향지게 하는 난방 모드와 냉매의 흐름이 실외 열 교환기(24)에서 실내 열 교환기(22)로 방향지게 하는 냉방 모드간의 선택적 변경을 이루는 실내/실외 열 교환기(22, 24)에 결합된 역전 밸브(40)와;

   실내/실외 열 교환기(22, 24) 사이에 결합되어 열 교환기 사이에 냉매흐름을 계량하는 팽창 밸브(12, 42)와;

   실내에 주위 온도를 나타내는 제1매개변수를 측정하는, 열 펌프 시스템(20, 50)에서 열전달 가능하게 차단된 센서(60)와;

   실외에 주위 온도를 나타내는 제2매개변수를 측정하는, 열 펌프 시스템(20, 50)으로부터 열전달 가능하게 차단된 센서(56)와;

   상기 열 펌프 시스템(20, 50)에 열전달 가능하게 결합되어 냉매의 온도를 나타내는 제3매개변수를 측정하는 센서(54)와;

   난방 모드에서, 상기 제1 및 제3매개변수에 기초하여 팽창 밸브(12, 42)를 제어하여 실외 열 교환기(24)로 전달되는 냉매계량을 제어하고, 냉각 모드에서, 상기 제2 및 제3매개변수에 기초하여 팽창 밸브(12, 42)를 제어하여 실내 열 교환기로 전달되는 냉매계량을 제어하도록, 상기 센서(60, 56, 54)와 상기 팽창 밸브(12, 42)에 전기적으로 결합되는 마이크로프로세서 제어 유닛(46)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매량 제어 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 센서(60)는 온도조절기(23)와 상관 있는 온도 센서인 것을 특징으로 하는 냉매량 제어 시스템.
10. 제8항에 있어서, 상기 센서(54)는 압축기(14, 38) 부근의 냉매 순환부에 열전달 가능하게 결합된 온도 센서인 것을 특징으로 하는 냉매량 제어 시스템.
11. 제8항에 있어서, 상기 센서(54)는 압축기(14, 38)에서 방출되는 냉매 배출 온도를 측정하도록 열전달 가능하게 결합된 온도 센서인 것을 특징으로 하는 냉매량 제어 시스템.