KR100528983B1 - 냉동장치 - Google Patents

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KR100528983B1
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가부시키가이샤 히다치구죠시스템
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Abstract

전동기에 의하여 구동되는 복수의 압축기로 이루어지는 냉동장치는 농형 도체를 내장하고 있는 회전자 코어와, 동기전동기로서 기능하도록 자화된 영구자석을 포함하는 각각의 전동기, 및 상기 전동기를 상용전원에 의한 전원주파수에서, 또는 인버터에 의한 가변주파수에서 선택적으로 구동시키기 위한 압축기 구동회로를 포함하여 이루어진다. 따라서, 냉동장치의 전체효율이 향상될 수 있다.

Description

냉동장치{REFRIGERATING MACHINE}
본 발명은 증기 압축 냉동 사이클을 사용하는 냉동기 또는 공기조화기 등과 같은 냉동장치에 관한 것이다.
최근, 지구온난화방지, 운전비용저감에 대한 요구가 높아짐에 따라, 점포와 빌딩의 에너지 소비량의 대부분을 차지하는 냉동기 및 공기조화기의 에너지 절약화가 추진되고 있다. 공기조화기나 냉동기 등의 냉동장치의 효율성을 향상시키고 비용을 절감시키기 위하여, 일본국 특개 2001-227778에 개시되어 있는 바와 같이, 압축기를 구동하는 전동기의 회전자에 유도전동기로서 기능하기 위한 농형(squirrel cage) 도체와, 유도전동기뿐만 아니라 동기전동기로도 기능하도록 영구자석을 설치한 매입(built-in)자석 동기전동기를 사용하는 것이 공지되어 있다.
상기 종래 기술에 있어서는, 압축기를 복수대 사용하는 경우, 복수대 중 1대를 매입자석 동기전동기에 의한 가변속형 압축기로서 인버터 구동하고, 다른 것을 상용전원으로 구동되는 1대 이상의 정속형 압축기로 하고 있다. 하지만, 상술된 구성에 있어서, 인버터 구동되는 압축기는 비교적 고효율로 운전되나, 냉동장치 전체의 고효율화에 대해서는 상세하게 설명되어 있지 않다.
매입자석 동기전동기를 동기운전하고 있는 경우에, 과부하운전이 되면, 매입자석 동기전동기가 토오크부족이 되어, 동기운전이 손상되어 회전자가 실속(stall)하고, 이상전류가 흘러, 고정자 권선의 절연파괴 등의 염려가 있다.
본 발명의 목적은 압축기를 복수대 사용한 냉동장치에 있어서도, 전체 효율성을 한층 향상하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 냉동장치에 있어서 신뢰성을 더욱 향상하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, 전동기에 의하여 구동되는 복수의 압축기로 이루어지는 냉동장치에 있어서, 농형 도체를 내장하고 있는 철심을 구비한 회전자와, 동기전동기로서 기능하도록 자화된 영구자석을 포함하는 각각의 전동기; 상기 전동기에 전력을 상용전원으로부터 직접 공급하거나 인버터를 거쳐 전력을 공급하기 위한 전원 전환 스위치; 및 상기 전동기를 상용전원에 의한 전원주파수에서, 또는 인버터 회로에 의한 가변주파수에서 선택적으로 구동시키기 위한 압축기 구동회로를 포함하여 이루어지는 냉동장치가 제공된다.
또한, 상술된 구성을 갖는 냉동장치에 있어서, 상기 인버터 회로에 의해 구동되는 상기 복수의 압축기는 소정시간마다 서로 교체되는 것이 바람직하다.
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또한, 상술된 구성을 갖는 냉동장치에 있어서, 상기 압축기의 토출측(discharge side)에 압력검출장치를 설치하고, 그 검출기에 의해 검출된 검출값에 의거하여 상기 모터가 기동되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 형태로 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부한 도면과 연계된 본 발명의 실시예의 후술되는 설명으로부터 보다 명확해 질 것이다.
2개의 압축기(1, 2)를 가진 공기조화기의 냉동 사이클을 나타내는 도 1을 참조로, 인버터 구동하는 회전수 가변형의 압축기(1)이고, 상용전원구동의 정속회전형의 압축기(2)가 도시된다. 각각의 압축기(1, 2)는 매입자석 동기전동기(자기기동식 동기전동기)를 내장하고 있고, 그 회전자에 유도전동기로서 기능하기 위한 농형도체와, 동기전동기로서 기능하도록 2극에 자화된 영구자석을 설치하고 있다. 또 사방밸브(four way valve)(4), 실외 열교환기(5), 실외 팽창밸브(7), 리시버(8), 실내 팽창밸브(9a, 9b), 실내 열교환기(10a, 10b), 어큐뮬레이터(12)를 냉매배관으로 연결하여 냉동 사이클을 구성하고 있다.
압축기(1, 2)의 각각에 내장된 전동기 지름방향의 단면형상을 상세히 나타낸 도 2를 참조로, 회전자(50), 회전자(50)의 외주면 주면에 제공된 농형 도체(52)가 있다. 이 구성에서, 회전자(50)는 전동기가 유도전동기로서 기능하기 위해서 회전된다. 농형 도체(52)의 안쪽에는 도시하는 바와 같이 2극(N 및 S)으로 자화된 영구자석(51)이 제공된다. 또한, 반경방향 안쪽 방향으로 회전자 철심(54) 및 크랭크샤프트(55)가 설치되고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 압축기의 구동부에 결합되어 있다.
도 3은 자기기동식 동기전동기를 사용한 압축기의 단면구조도이고, 압축기는 고정 스크롤부재(112)의 끝판(113)에서 직립한 스파이럴 랩(114)과, 선회 스크롤부재(115)의 끝판(116)에 직립하는 스파이럴 랩(117)을 맞물리게 하여 형성하고, 선회 스크롤부재(115)를 크랭크샤프트(55)에 의하여 선회운동시킴으로써 압축동작을 수행하는 압축기구부를 갖는다.
고정 스크롤부재(112)와 선회 스크롤부재(115) 사이에 형성되는 압축실〔118(118a, 118b, …)〕중, 가장 외경측에 위치하고 있는 압축실(118)은, 선회운동 도중에 양쪽의 스크롤부재(112, 115)의 중심을 향하여 용적이 점차 축소하도록 압축되고, 압축실(118) 내의 압축가스는 압축실(118)의 중앙부와 연통한 토출구(119)로부터 토출된다.
토출된 압축가스는 고정 스크롤부재(112) 및 프레임(120)에 형성된 가스통로(도시되지 않음)를 통하여 프레임(120) 하부의 압력용기(121) 내에 달하고, 압력용기(121)의 측벽에 설치된 토출 파이프(22)를 통하여 압축기 밖으로 배출된다.
또한, 상기 압축기는 압력용기(121)내에 구동용 전동기(123)를 에워싸고 있다. 구동용 전동기(123)의 하부에는 오일 고임부(124)가 설치되어 있다. 오일 고임부(124) 내의 오일은 회전운동에 의하여 생기는 압력차에 의하여, 크랭크샤프트(55)내에 형성된 유공(oil hole)(125)을 통하여 선회 스크롤부재(115)와 크랭크샤프트(55)와의 슬라이딩부, 슬라이드 베어링(126) 등등에 공급된다.
고정자(60)는 고정자 철심(61)과, 고정자철심(61)에 형성된 3개의 슬롯(62)과, 이들 슬롯(62)에서 서로로부터 분할된 티스(63)로 구성되어 있다. 슬롯(62)을 통하여 티스(63)에 전기자 권선(64)이 집중적으로 감겨져 있다. 상기 도면에서는, 전기자 권선(64)은 U상 권선(64A), V상 권선(64B) 및 W상 권선(64C)으로 이루어지며, 전력이 공급되어 전기자를 회전시킨다.
상기 언급된 구성에 의하면, 고정자(60)는 집중적으로 감겨진 권선만으로 구성되어 있기 때문에, 코일 단부(end)의 치수를 작게 할 수 있어, 권선에 의해 생기는 동손 저감에 의한 효율향상, 및 압축기의 소형화가 가능하게 된다. 또한, 압축기 구동전동기를 제조하기 위하여 집중적으로 감아주는 권선기만을 필요로 하므로, 제조비용이 절감될 수 있는 것이 장점이다. 또한, (1) 회전자에 설치된 기동용 도체는 농형으로 구성되어 있기 때문에, 자기적인 갭을 최소한으로 억제할 수 있으므로, 정격운전시에도 유효자속을 확보할 수 있다; (2) 도체에 흐르는 유도전류와 고정자측으로부터 회전자로 유입하는 자속은 서로 직교하여 흐르기 때문에, 토오크특성을 확보할 수 있다. (3) 종래의 유도전동기의 회전자 제조라인(다이캐스팅장치 등등)을 그대로 사용할 수 있으므로, 제조비용이 절감될 수 있어 유익하다.
또한, 코일 단부의 크기를 작게 할 수 있기 때문에, 압축기 내부의 내용적을 크게 확보하거나, 오일이 올라오는 것을 줄이기 위한 냉동기 오일의 분리부의 공간을 충분히 확보할 수 있어, 압축기를 복수대 사용한 실외기일 지라도 소형화할 수 있다.
다음에, 자기기동식 동기전동기의 작동을 설명한다.
일정속도로 작동되는 압축기(2)의 경우, 상용전원(101)이 전기자 권선에 인가되면 회전자계가 유도되어, 농형 도체에 유도자계가 작용하여 회전력이 발생한다. 즉, 압축기 기동시에는 유도전동기로서 역할하여, 압축기의 회전수가 점차 증가되어, 상용전원(101)의 주파수인 50 Hz(또는 60 Hz)에 근접하면, 전동기가 영구자석의 자계에 이끌리게 되어 동기속도로 회전된다. 이 때에는, 실질적으로 슬립이 생기지 않기 때문에, 전동기가 유도전동기로서 작용할 때에 발생하는 2차 전류에 따른 손실이 실질적으로 없으므로, 높은 효율로 압축기를 운전할 수 있다.
인버터 구동하는 회전수 가변형 압축기(1)의 경우에서는, 상용전원(101)의 주파수로부터 인버터회로(102)의 중간단계를 거쳐 점차 구동주파수가 상승되기 때문에, 따라서 상용전원(101)에 의하여 직접 구동되는 경우에 비하여 전동기를 요구되는 동기속도까지 가속시키는 것이 용이하다.
도 4는 유도전동기, 영구자석 동기전동기 및 자기기동식 동기전동기의 전동기 효율 특성, 즉 회전수에 대한 전동기효율을 나타낸 것으로, 자기기동식 동기전동기의 효율은 유도전동기보다는 고효율이나, 영구자석 동기전동기의 효율보다 약간 낮다. 하지만, 영구자석 동기전동기는 상용전원에 의한 직접적인 자기기동이 불가능하기 때문에, 인버터회로가 필요하게 된다.
도 5는 유도전동기 및 자기기동식 동기전동기의 역률을 나타낸 것으로, 유도전동기에서는 슬립에 따른 여자전류를 필요로 하기 때문에 역률이 낮지만, 자기기동식 동기전동기는 동기운전을 행하고 있을 때에는, 여자전류를 필요로 하지 않기 때문에 고역률의 운전으로 할 수 있어, 전원용량을 저감할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 압축기 구동회로(100)는 상용전원(101)으로부터 압축기(1, 2)로 전력을 직접 공급하거나, 인버터회로(102)를 거쳐 공급하기 위해서 전원전환 스위치(103, 104)를 포함하므로, 따라서 압축기(1, 2)는 상용전원(101)에 의한 전원주파수에서의 구동, 가변주파수에서의 인버터구동하에서 선택적으로 작동된다. 따라서, 압축기(2)를 인버터회로에 의한 회전수 가변형 압축기로서도 동작시킬 수도 있고, 반대로 압축기(1)를 상용전원 구동하에서 동작할 수 있으므로, 인버터구동과 상용전원 구동을 서로 교체할 수 있다.
인버터회로가 고장난 경우, 전원전환 스위치(103, 104)를 이용하여 압축기(1, 2)의 어느 것이든 함께 상용전원(101)을 직접 접속함으로써, 자기기동식 동기전동기로서 냉동 사이클의 운전을 계속하여, 불필요한 운전정지를 회피할 수 있다.
또한, 전원전환 스위치(103, 104)의 사용에 의해, 온도제어로 인해 운전의 빈도가 높아지는 인버터 구동시키는 압축기를 소정시간마다 교체하여 운전함으로써, 즉 압축기를 교대로 운전함으로써, 복수대의 압축기(1, 2) 각각의 사용수명을 평균화하고, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
교대 운전을 하는 4개의 압축기의 동작의 일례를 나타내는 도 6을 참조하면, 공조부하에 따라 인버터 구동으로 동작되는 압축기(1)를 처음에 기동한 다음, 상용전원으로 정속구동하는 압축기(2)를 기동시킨다. 그 후, 요구되는 압축기의 수가 부하에 의하여 요구되는 대수가 될 때까지 소정시간 간격으로 순서에 따라 압축기(2, 3, 4)를 기동시킨다. 이 때, 운전시간 적산수단에 의하여 각각 더해진 압축기(1 내지 4)의 전체 운전시간에 따라, 압축기는 과거의 전체 운전시간이 최소인 압축기로부터 순서대로 작동된다.
공조부하가 감소하고, 정속운전하는 압축기의 운전대수를 줄일 때는, 인버터구동되는 압축기를 제외하고, 전체 운전시간이 가장 긴 압축기로부터 순차적으로 정지시키고, 인버터 구동되고 있는 압축기를 마지막으로 정지시킨다. 따라서, 압축기의 사용수명이 균일화되고, 공기조화기 전체로서의 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 기동되어야 하는 압축기들 중 하나를 결정하기 위하여 적체 운전시간을 사용하지 않고, 난수(random number)를 발생시켜, 즉 예를 들면 1 내지 4의 난수값을 발생시켜, 그 수치가 2이면 압축기(2)를 맨 먼저 기동하여도 좋다. 이 경우, 운전시간 적산수단이 복수의 압축기에 사용되는 경우와 비교하여, 마이크로 컴퓨터의 기억용량을 작게 할 수 있고, 비용을 줄일 수 있어 유익하다. 또한, 인버터 구동되는 압축기와 상용전원 구동되는 압축기 모두를 자기기동식 동기전동기로 이용하면, 압축기의 형식을 통일할 수 있어, 제조비용이나 관리비용 등등을 줄일 수 있다.
상용전원으로 자기기동식 동기전동기를 기동시킬 때, 압축기의 토출측과 흡입측의 압력차가 큰 경우에는, 전동기의 토오크가 부족하여 기동불량이 발생할 위험이 있으므로, 따라서 도 1에 나타내는 바와 같이 압축기의 흡입측에 있는 오일분리기(3)로부터 압축기의 토출측에 있는 어큐뮬레이터(12)로 바이패스통로(13)를 설치하고, 바이패스통로(13)에 바이패스통로 개폐밸브(14)가 연결된다. 상기 구성에 의하여, 바이패스통로 개폐밸브(14)를 개방함으로써, 압축기 토출측과 흡입측의 압력차를 줄여, 압축기 기동불량을 방지할 수 있다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상술된 바와 같은 바이패스통로 대신에, 상용전원으로 구동되는 압축기(2)의 토출측으로부터 흡입측이 되는 어큐뮬레이터(12)로 바이패스통로(13a)가 제공되거나, 또는 어큐뮬레이터(12)로부터 리시버(8)로 접속된 바이패스통로(13b)가 제공되어도 좋다. 바이패스통로(13b)를 설치한 경우, 바이패스통로(13b)의 개폐밸브(14B)를 개방함으로써, 리시버(8) 최상부로부터 가스가 압축기 흡입측으로 바이패스되므로, 따라서 리시버(8) 입구의 냉매가 2상이 되어, 응축기로서 작용하는 열교환기 출구에서의 냉매가 2상을 갖는다. 따라서, 응축압력이 낮아져, 압축기 토출압력이 저하하여 압축기 부하를 저감할 수 있어, 기동을 용이하게 할 수 있다. 또한, 바이패스통로는 압축기구부 내부의 고압부와 저압부 사이에 조립하면, 압축기가 소형화되는 것이 장점이다.
또한, 압축기(2)의 토출측과 압축기(1)의 토출측의 오일분리기(3)에 체크밸브(15)를 도 1에 나타내는 바와 같이 설치하고, 먼저 기동되는 인버터구동압축기(1)의 토출측과 2차로 구동되는 압축기(2)의 흡입측 사이의 압력차가 증가하지 않도록 하여, 압축기(2)의 기동을 용이하게 할 수 있다.
또한, 압축기(2)를 정지하였을 때, 압축기(2)와 체크밸브(15) 사이가 고압으로 유지되어, 압력이 저하할 때까지 시간이 걸리나, 이 때 바이패스통로(13)를 개방하면, 압력을 신속하게 낮아질 수 있다. 이에 의하여, 압축기(2)의 정지로부터 재기동에 요구되는 시간을 단축할 수 있다.
자기기동식 동기전동기에서는 동기운전상태에 있어서도, 압축기가 과부하운전상태가 되면, 토오크부족이 되어 탈조를 일으킬 수도 있다. 탈조방지를 위해서, 압축기의 토출측에 압력검출장치(16) 및 전류검출기(105, 106)를 설치하여, 탈조방지를 위한 제어를 수행한다.
도 7은 압축기의 탈조방지제어의 플로우차트를 나타낸 것이다. 압축기 기동신호를 수신하면, 토출압력이 미리 설정된 값(Pdset1) 이상인가의 여부를 판정하기 위하여 토출압력센서에 의해 압력이 검출되고, 설정값 이상이면 바이패스통로(13)를 개방하여, 토출압력(Pd)이 (Pdset1) 이하가 될 때까지 압축기를 기동하지 않는다.
압축기가 기동된 후에는, 전류검출기(106)의 검출값과 압력검출장치(16)의 검출값에 따라 다음과 같이 수행한다.
도 8은 압축기의 전류값(I), 토출압력(Pd)에 따라 압축기의 연속운전가능한 영역과, 탈조를 일으키는 영역을 나타낸다. 상세하게는, 연속운전 가능한 영역은 허용될 수 있는 최대전류값(Imax)이 있고, 최대전류값 이하에서는 전류가 증가함에 따라 허용되는 토출압력(Pd)이 낮아진다. 따라서, 자기기동식 동기전동기가 연속운전될 수 있는 영역에 있는 지의 여부는, 조건 Pd < Pdset2 - I*a(여기서 a는 계수), 및 I < Imax를 만족하는 지의 여부로 순차적으로 판정된다. 또한, 탈조영역에 들어가면, 바이패스통로(13, 13a 또는 13b)를 개방하여 전동기부하를 낮춘다. 또한, 바이패스로가 개방되어 있어도 탈조영역에 들어가 있을 때는, 한번 압축기를 정지하고, 다시 기동하는 재시도제어를 행한다.
상술된 구성에 있어서, 스크롤압축기가 자기기동식 동기전동기에 의하여 구동되는 압축기로서 사용되고 있기 때문에, 회전부의 관성이 작고, 부하 토오크의 변동도 작아, 연속운전 가능영역을 넓힐 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 고효율, 저비용이면서 고신뢰성을 갖는 냉동장치가 제공된다.
상술한 설명은 본 발명의 실시예들에 관하여 행해지지만, 본 발명은 그것으로 제한되지 않으며, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상 및 첨부된 청부항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 수정이 가능함을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면, 압축기를 복수대 사용한 냉동장치에 있어서, 전체 효율이 더욱 향상되고, 신뢰성이 향상된 냉동장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉동 사이클을 나타내는 블록도,
도 2는 일 실시형태에 사용되는 자기기동식 동기전동기(self-start type synchronous moter)의 횡단면도,
도 3은 일 실시형태에 사용되는 압축기의 단면을 나타내는 도면,
도 4는 각종 전동기의 회전수에 대한 효율을 나타내는 그래프,
도 5는 유도전동기와 자기기동식 동기전동기의 역률을 나타내는 그래프,
도 6은 도 1에 도시된 일 실시형태에 의한 압축기의 로테이션제어를 나타내는 타임차트,
도 7은 도 1에 도시된 일 실시형태에 의한 자기기동식 동기전동기의 탈조방지제어를 나타내는 플로우차트,
도 8은 도 1에 도시된 일 실시형태에 있어서, 자기기동식 동기전동기의 연속운전 가능영역을 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 의한 냉동 사이클을 나타내는 블록도.

Claims (10)

  1. 전동기에 의하여 구동되는 복수의 압축기로 이루어지는 냉동장치에 있어서,
    농형(squirrel cage) 도체와 동기전동기로서 기능하도록 자화된 영구자석을 내장하고 있는 철심을 구비한 회전자를 포함하는 각각의 전동기;
    상기 전동기에 전력을 상용전원으로부터 직접 공급하거나 인버터를 거쳐 전력을 공급하기 위한 전원전환 스위치; 및
    상기 각각의 전동기를 상용전원에 의한 전원주파수 또는 인버터 회로에 의한 가변주파수에서 선택적으로 구동시키기 위한 압축기 구동회로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 회로에 의해 구동되는 상기 복수의 압축기는 소정시간마다 서로 교체되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 압축기의 각각의 토출측에 압력검출장치가 제공되고, 상기 압력검출장치의 검출값에 따라 상기 모터가 기동되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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