KR100555022B1 - 압축기 용량조절 시스템 - Google Patents

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Abstract

냉동, 공기조화 또는 다른 타입의 압축기를 위한 펄스 조절식 용량 조절 시스템은 적절한 밸브가 제공되어 압축기로의 흡입가스의 흐름을 주기적으로 봉쇄하도록 작동되는 것으로 개시되어 있다. 제어 시스템은 시스템의 효율을 최대화시키도록 감지된 시스템 작동조건에 따라서 각각의 사이클의 온 및 오프시간 주기의 상대적인 지속기간 뿐만 아니라 순환의 주파수도 제어하기에 적합하도록 제공된다. 바람직하게 사이클 시간은 부하의 시간상수보다 대체로 작으며 0 용량으로부터 압축기의 총 용량에 이르는 연속적으로 변화하는 용량을 가능하게 한다. 추가적인 제어는 감소된 부하의 기간동안 모터의 효율을 개선시키도록 하나 이상의 모터 작동 파라미터를 변경하기 위해서 통합될 수 있다.
냉동, 공기조화, 압축기, 펄스, 용량, 용량조절, 흡입가스, 사이클 시간, 부하, 시간상수, 모터

Description

압축기 용량조절 시스템{COMPRESSOR CAPACITY MODULATION}
도 1은 압축기로의 흡입가스흐름이 본 발명에 따라서 펄스폭 조절방식으로 봉쇄될 수 있는 장치를 합체한 왕복 피스톤 타입 압축기의 단면도,
도 2는 제어기에 의해 만들어지는 다양한 듀티 사이클 신호 및 일정한 주파수에서의 작동을 도시하는 파형선도,
도 3은 다양한 주파수 작동을 도시하는, 다양한 듀티 사이클 신호의 파형선도,
도 4는 종래 디자인의 시스템과 본 발명을 채용한 시스템의 예상온도 동태를 비교하는 그래프,
도 5는 본 발명의 펄스폭 조절 시스템을 합체한 로터리 타입 압축기를 도시하는, 도 1과 유사한 도면,
도 6은 도 5의 압축기의, 선 6-6을 따라 취해진 단면도,
도 7은 본 발명의 펄스폭 조절 시스템을 합체한 스크롤 타입 압축기를 도시하는, 도 1 및 도 5와 유사한 도면,
도 8은 감소된 부하의 기간동안 하나 이상의 압축기모터 작동 파라미터를 변경시키도록 모터 제어모듈을 포함하고 있는 것을 도시하는 개략도, 그리고
도 9는 본 발명에서의 사용을 위한 바람직한 밸브배열을 전체적으로 도시하 는 단면도이다.
본 발명은 냉동 및/또는 공기조화 압축기와 같은 정변위 압축기의 용량을 조절하기 위한 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 압축기가 연속적으로 구동되고 있는 동안에 흡입가스흐름을 주기적으로 봉쇄하기 위한 밸브장치를 합체하고 있는 시스템에 관한 것이다.
용량조절은 종종 냉동 및 공기조화 압축기에, 뿐만 아니라 이들 압축기를 합체하고 있는 시스템이 영향을 받을 수 있는 넓은 부하범위에 보다 잘 적응될 수 있도록 하기 위해서 또 다른 적용을 위한 압축기에 합체되기에 바람직한 특성이다. 예를 들어 쓰로틀링에 의해 흡입구흐름을 제어하는 방법으로부터 흡입구로 되돌아가는 방출가스를 우회시키는 방법에 이르는 방법 그리고 또한 다양한 타입의 실린더 즉 압축체적 위치결정 배열을 통하여, 많은 다양한 접근이 이러한 용량조절 특성을 제공하기 위해 활용되어 왔다.
용량조절을 달성하기 위해서 흡입가스 제어를 활용하는 멀티실린더 왕복 피스톤 타입 압축기에 있어서, 하나 이상의 실린더(모든 실린더는 아님)로의 흐름을 봉쇄하는 것은 일반적이다. 여기될 때, 압축기의 용량은 실린더의 총 개수만큼 나누어진 흡입가스흐름이 봉쇄되는 실린더의 개수와 공칭적으로 동일한 비율만큼 감소된다. 그러한 배열이 다양한 용량조절 정도를 제공하는 한편, 달성될 수 있는 조절의 정도는 비교적 큰 불연속적인 단계로만 가능하다. 예를 들어, 6 실린더 압축기에서, 2개의 실린더로의 흡입을 봉쇄하는 것은 3/1 즉 33.3% 만큼 용량을 감소시키고 4개의 실린더로의 흡입가스흐름을 봉쇄하는 것은 2/3 즉 66.6% 만큼 용량을 감소시킨다. 조절의 이러한 불연속적인 단계는 시스템 용량이 부하 필요조건에 매치되도록 허용하는 것이 아니라 오히려 소정의 용량에 매우 거칠게 접근되어 초과용량 또는 결핍용량 중 어느 하나를 초래하도록 한다. 시스템 조건이 조절의 이들 전체 단계에 매우 드물게 매치되기 때문에, 전체 작동 시스템 효율은 최대화될 수 없다.
방출가스가 흡입구으로 되돌아가도록 재순환되는 압축기는 우회수단의 변화 및 복잡함에 따르는 용량의 준-무한 단계 조절을 제공한다. 그렇지만, 방출가스가 흡입구로 되돌아가도록 재순환될 때, 압축작업은 재순환되는 가스의 그 분류에 대해 상실되어 시스템 효율을 감소시킨다. 상기 방법의 조합은 약간의 보다 좋은 효율로 준-무한 용량조절을 대체로 가능하게 하지만 작용되는 부하에 압축기 용량을 가깝게 매치시키는 능력을 제공하는 데에는 여전히 실패하였다.
실린더 위치결정방법, 스트로크 변경방법 또는 유극체적 변화방법과 같은, 멀티실린더 압축기의 하나 이상의 실린더의 압축 프로세스를 선택적으로 무력하게 하는 결과를 초래할 수 있는 또 다른 접근은, 부하와 용량 사이에 부적합을 야기시키면서 유사한 단계 조절을 초래하며 또한 추가적으로 동부하 불균형과 그에 따른 진동을 겪게 된다.
그렇지만 본 발명은, 압축기로의 흡입가스흐름의 펄스폭 조절을 활용하는 용량 제어장치를 제공하며, 0%에서 100% 즉 전체 용량에 이르는 용량의 실질상 연속적인 조절을 가능하게 한다. 따라서 압축기의 용량 출력은 시간상의 어떤 한 점에서 시스템 부하와 정확하게 매치될 수 있다. 나아가서, 왕복피스톤 타입 압축기에서, 각각의 실린더로의 흡입가스흐름은 압축기의 불균형한 작동을 제거하도록 펄스폭 조절 시스템에 의해 동시에 제어될 수 있다.
본 발명의 펄스폭 조절식 압축기는 많은 장점을 가지고 있다. 시스템의 순간적인 용량이 다양한 듀티 사이클 제어에 의해 손쉽게 규제되기 때문에, 아주 큰 압축기는 종래의 압축기 시스템이 그래왔던 것처럼 짧은 사이클링을 야기시키지 않으면서 시동시 및 서리제거 이후에 보다 빠른 온도 하강을 달성하도록 이용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 장점은 시스템이 응축기 온도 또는 케이스 온도 설정 포인트에 있어서의 갑작스런 변화에 빠르게 응답할 수 있다는 것이다. 제어기는 불안정한 진동을 야기시키지 않으면서 또한 상당한 오버슈트 없이 교란에 응답하여 용량을 조정한다. 이러한 능력은, 온도설정을 가능하게 하는 케이스 내의 온도의 보다 빈틈 없는 제어가 주기적인 온도 요동이 수용되어 있는 특정 물품에 대한 안전을 고려한 온도를 초과하는 것에 관계없이 보다 높은 레벨에 위치되도록 허용하는 디스플레이 케이스의 냉각을 포함하는 적용에 있어서 특별한 장점이 된다.
시스템이 보다 높은 온도에서 보다 느리게 서리를 성장시키기 때문에 보다 높은 증발기 온도에서의 작동은 서리제거 에너지의 필요량을 감소시킨다. 이것은 또한 서리제거 사이클 사이의 시간이 늘어날 수 있도록 한다.
펄스폭 조절식 압축기는 또한 개선된 오일복귀를 야기시킨다. 시스템으로부터 압축기로 복귀되는 오일의 체적은 압축기로의 가스흐름의 속도에 부분적으로 의존된다. 많은 용량조절 시스템에 있어서, 압축기로의 복귀가스흐름은 비교적 낮은 레벨에서 유지되어 복귀오일흐름을 감소시킨다. 그렇지만, 본 발명에 있어서 냉매흐름은 고용량과 저용량(예컨대 100%와 0%) 사이에서 맥동하여, 고속 가스흐름의 주기로 인하여 증가하는 오일복귀를 촉진시킨다.
추가적으로, 본 발명의 펄스폭 조절식 봉쇄 흡입 시스템은 단일의 밸브 조립체만이 요구된다는 점에서 압축기 내에 합체되기에 비용상 비교적 저렴하다. 나아가서, 시스템의 단순성 때문에, 로터리 타입 및 스크롤 타입 뿐만 아니라 왕복 피스톤 타입 압축기를 포함하는 폭넓은 종류의 압축기 디자인에 손쉽게 추가될 수 있다. 또한, 흡입가스흐름이 조절되는 동안 본 발명은 구동모터를 계속 작동시키고 있으므로, 주기적인 시동으로부터 야기되는 모터에 대한 응력 및 변형은 최소화된다. 효율에 있어서의 추가적인 개선은 모터 부하가 압축기의 부하해제로 인하여 감소될 때의 기간동안 작동효율을 강화시키도록 다양한 작동 파라미터를 제어하기 위해서 작동될 수 있는 모터 제어모듈을 합체함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 첨부된 도면과 결합되어 취해진 이어지는 상세한 설명으로 종래기술의 기술자에게 명백해진다.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 내부에 보어(18)를 가진 고정자(16)를 포함하고 있는 해당 구동모터가 표면에 장착된 왕복 압축기 하우징(14)이 내부에 배치된 외부 셸(12)을 포함하고 있는 왕복 피스톤 타입의 냉동 압축기(10)가 도시되어 있다. 로터(20)는 상부 베어링(24) 및 하부 베어링(26)에 의해 하우징(14) 내에 회전 지지되는 크랭크 샤프트(22)에 고정되어 있는 보어(18) 내에 배치된다. 한쌍의 피스톤(28, 30)은 크랭크 샤프트(22)에 연결되어 실린더(32, 34) 내에 개별적으로 왕복운동 가능하게 배치된다. 모터 커버(36)는 고정자(16)의 상단부에 겹쳐 놓여지는 관계로 고정되고, 이 모터 커버는 셸을 통하여 제공된 흡입 끼워맞춤부(40)와 정렬된 입구 개구(38)을 포함하고 있다. 흡입 머플러(44)는 모터 커버(36)의 반대편에 제공되어 흡입 파이프(42) 및 헤드 조립체(46)를 통해 흡입 가스를 모터 커버(36)의 내부로부터 각각의 실린더(32, 34)로 안내하도록 기능한다.
앞으로 더 설명되는 바와 같이, 압축기(10)는 전형적인 밀폐식 왕복 피스톤 타입 모터 압축기이고 그 설명은 이 출원에 병합되는 본 출원의 양수인에게 양도된 미국특허 제 5,015,155호에 더 상세하게 설명되어 있다.
양방향 솔레노이드 밸브 조립체(48)는 흡입 머플러(44)와 헤드 조립체(46) 사이의 흡입 파이프(42) 내에 제공된다. 솔레노이드 밸브 조립체는 파이프(42)를 통한 흡입가스흐름을 제어하여 모터 압축기(10)의 용량을 조절한다. 이런 과정에 적합한 예시의 밸브 조립체가 하기에 상세히 설명된다.
솔레노이드 밸브 조립체(48)를 제어하기 위해, 제어모듈(50)이 제공되고, 이 제어모듈에 하나 또는 그 이상의 적절한 센서(52)가 연결된다. 센서(52)는 시스템 부하를 결정하는 데 필요한 작동 시스템 상태를 감지하도록 작동한다. 센서(52)로부터 받은 신호를 바탕으로 하고 시스템 상태가 요구되는 전체 용량보다 작은 용량 을 나타낸다고 가정하면, 제어모듈(50)은 솔레노이드 밸브 조립체(48)를 요동시켜 모터가 계속해서 피스톤(28, 30)을 구동시키는 동안 도관(42)을 통한 압축 실린더(32, 34)로의 흡입가스의 흐름을 선택적으로 허용하고 방지하도록 작동한다. 제어모듈(50)에 의해 생성된 다양한 듀티 사이클 제어신호는 여러 가지 형태로 발생될 수 있다. 도 2 및 도 3이 두가지 예를 도시하고 있다. 도 2는 듀티 사이클은 변화하고 주파수는 일정하게 유지되는 다양한 듀티 사이클 신호를 도시하고 있다. 도 2에 있어서, 해시마크(53)로 나타내어진 사이클 시간이 등간격으로 되어 있다는 것을 주목해야 한다. 대조적으로, 도 3은 주파수 또한 변화하는 다향한 듀티 사이클 신호를 도시하고 있다. 한편, 파형은 일정한 주파수의 영역, 증가하는 주파수의 영역 및 감소하는 주파수의 영역을 나타내고 있다. 도 3에 도시된 가변 주파수는 시스템 작동을 더욱 더 최적화시키는 사이클 시간의 적응 조절의 결과이다. 적응 조절 제어 시스템은 본 출원에 병합되는 본 양수인의 함께 계류중인 출원번호 제 08/939,779호에 더욱 상세히 설명되어 있다.
압축기의 회전 속도가 주어지면, 흡입 가스가 압축 챔버로 공급되지 않는 많은 압축 사이클이 있게 될 것이다. 하지만 그 뒤에 충분한 흡입 가스가 실린더로 공급되는 또 다른 많은 압축 사이클이 있게 될 것이다. 따라서 평균적으로는, 그 흐름 질량은 전부하용량의 소정 퍼센트까지 감소될 것이다. 각각의 실린더로의 흐름 질량이 동시에 감소되기 때문에, 각각의 실린더 사이의 작동 균형이 유지되어 진동 증가의 가능성을 피하게 한다. 게다가, 용량조절의 이 펄스 형태는 구동모터가 전부하에서 또는 충분히 감소된 부하에서 작동하게 되는 동안의 교번 주기를 초 래할 것이다. 따라서 작동의 감소된 부하 주기 동안 모터의 하나 또는 그 이상의 작동 파라미터를 변화시켜 하기에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 시스템 효율을 더 향상시키는 추가적인 장치를 함께 사용하는 것이 가능하다.
도 4는 예컨대 냉동 저장 케이스 내에서 보다 정밀한 온도 제어를 유지하는 데 있어 본 발명이 제공할 수 있는 이점들을 도식적으로 나타내고 있다. 본 발명의 온도곡선(55)이 어떻게 종래의 제어기의 대응 온도곡선(57)보다 현저하게 더 작은 변동을 나타내는 지 주목해야 한다.
밸브 조립체(48)가 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 펄스 방식으로 작동되어 소정의 용량조절을 제공하게 된다는 것을 주목해야 한다. 바람직하게는, 사이클 시간 지속기간은 전형적으로 약 1분 내지 수분의 범위 내에 있을 수 있는 시스템 부하의 시간상수보다 현저히 더 작게 될 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 이 사이클 시간은 부하의 열적인 시간상수보다 4 내지 8배만큼 더 작거나 또는 오히려 더 크다. 시스템의 열적인 시간상수는 시스템이 켜지도록 설정된 상한 온도로부터, 증발기 압력이 압축기가 멈추는 하한에 도달하는 지점까지 이 시스템이 부하를 냉각시키는 것을 가능하게 하기 위해서 압축기가 작동될 것이 요구되는 시간의 길이로써 정의된다. 보다 상세하게는, 전형적인 냉동시스템에 있어서, 증발기로의 압축유체의 흐름은 온도에 반응하는 솔레노이드 밸브에 의해 제어되며 압축기의 작동은 증발기 압력에 응답하여 제어된다. 따라서, 전형적인 사이클에 있어서, 냉각된 공간의 온도가 소정의 상한에 도달하면, 솔레노이드 밸브는 압축유체가 공간을 냉각시키기 시작하도록 증발기로 흐르게 하기 위해서 개방된다. 압축유체가 계속 해서 증발기로 흘러 열을 흡수하기 때문에, 증발기 내의 압력은 압축기가 작동되는 지점까지 증가된다. 냉각된 공간의 온도가 소정의 하한에 도달하면, 솔레노이드 밸브는 폐쇄되어 더 이상의 증발기로의 압축유체의 흐름을 중지시지만 압축기는 계속해서 증발기로 펌핑되도록 작동된다. 증발기 내의 압력이 소정의 하한에 도달하면, 압축기는 멈춰진다. 따라서, 압축기의 실제 작동시간은 부하의 열적인 시간상수이다.
이러한 펄스폭 조절식 봉쇄 흡입 시스템의 이용으로, 압축기 작동시간을 최적화하는 것이 가능해지며 이것은 온/오프 사이클의 개수를 최소화하고 훌륭한 부하용량 매치 및 종래의 용량조절 시스템에 비하여 개선된 전체 시스템 효율로 냉각되는 영역에 대한 우수한 온도제어를 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 펄스폭 조절식 용량 압축기는 종래의 용량조절 시스템에 비하여 극히 빈틈 없는 제어를 가능하게 한다. 냉동 시스템에 적용될 때, 이러한 빈틈 없는 온도 제어는 평균 작동온도가 종래의 시스템에 비하여 허용가능한 온도 상한에 보다 가깝게 접근된 레벨로 설정될 수 있게 하며, 평균 작동온도는 보다 큰 온도요동이 이러한 허용가능한 상한을 초과하는 것을 방지하도록 허용가능한 온도 상한의 훨씬 아래에서 설정되어야만 한다. 보다 높은 평균 작동온도의 사용은 상당한 직접적인 에너지 비용절감을 야기시킬 뿐만 아니라 보다 높은 평균 작동온도는 보다 높은 레벨로 둘러싸인 공간의 이슬점을 유지시켜서 서리의 형성을 크게 감소시킨다. 마찬가지로, 공기조화 시스템에 적용될 때, 본 발명의 펄스폭 조절 압축기는 주어진 공간의 온도가 종래의 시스템 보다 꽤 작은 범위 내에서 제어될 수 있도록 해서 그러한 공 간의 점유자의 쾌감정도를 상당히 높여준다. 심지어는, 이러한 용량조절 시스템은 공기 압축기에 바람직하게 적용될 수도 있다. 부하를 매우 가깝게 뒤쫓는 압축기의 능력 때문에(공기압축기에 있어서 적용은 소정의 압력에서 사용되는 공기의 체적이다), 압력용기를 완전히 제거하지 않았다면 압력용기의 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. 나아가서, 공기조화 적용에 있어서, 압축기가 부하에 매우 가깝게 매치될 수 있기 때문에, 추가적인 에너지 절감이 실현될 수 있다. 이것은 보다 낮은 응축온도 및 압력을 야기시키며 이것은 압축기가 작동하는 압력이 보다 낮아진다는 것을 의미한다.
대부분의 공기조화 및 냉동 압축기에 있어서, 흡입가스흐름은 압축 이전에 모터를 냉각시키도록 작용한다. 현재 존재하는 봉쇄 흡입 타입 용량조절 시스템은 압축챔버로의 흡입가스의 흐름을 방지하도록 작동하기 때문에, 압축기는 압축기 모터의 과열 없이 늘어난 기간동안 감소된 용량 모드로 작동될 수 없다. 그렇지만, 본 발명은, 비교적 차가운 흡입가스가 급속하게 순환하는 기초 상에서 실린더로 공급되기 때문에, 이러한 과열을 상당히 감소시키는 추가적인 장점을 제공한다. 이것은 그러한 압축기가 상당히 긴 기간동안 감소된 용량으로 작동되는 것을 가능하게 해서 연속적인 기초 상에서 냉각된 공간의 보다 빈틈 없는 온도제어 뿐만 아니라 저온냉동 적용에 있어서 감소된 서리성장을 제공할 수 있게 한다.
소정의 사이클 주파수 뿐만 아니라 듀티 사이클의 지속기간 즉 흡입가스가 압축기로 공급되는 기간을 결정함에 있어서, 우선 흡입압력 변동을 최소화하면서 가능한 한 긴 사이클 시간을 선택하는 것이 일반적으로 바람직하다. 이어서 듀티 사이클은 부하를 만족시키도록 충분히 높게 결정된다. 명백하게, 듀티 사이클 및 사이클 시간은 상호관계를 가지고 있으며 또한 또 다른 인자들은 선택적으로 고려되어야만 한다. 예를 들어, 가능한 한 긴 사이클 시간을 이루는 것이 바람직하지만, 흡입가스흐름이 중단되는 기간은 압축기 모터의 초과 가열을 초래할만큼 길어서는 안된다.
본 발명의 용량 조절 시스템은 멀티실린더 왕복 피스톤 타입 압축기를 참조하여 상기에 설명되었지만, 예를 들어 로터리 타입 압축기 또는 스크롤 압축기와 같은 또 다른 타입의 압축기에도 동일하게 적용될 수 있다. 본 발명의 용량 조절 시스템을 합체한 로터리 타입 압축기는 도 5 및 도 6에 도시되어 있으며 이들 도면을 참조하여 설명되고 본 발명의 용량 조절 시스템을 합체한 스크롤 압축기는 도 7에 도시되어 있으며 이 도면을 참조하여 설명된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 밀봉된 로터리 타입 압축기(54)는 고정자(60) 및 회전자(62)를 합체한 구동모터(58) 및 압축기 조립체가 내부에 배치된 외부 셸(56)을 포함하고 있다. 회전자(62)는 차례로 상부 및 하부 베어링(68, 70)에 의해 회전 가능하게 지지되는 크랭크 샤프트(66)에 의해 회전 가능하게 지지되고 이 크랭크 샤프트(66)에 고정된다. 압축 회전자(72)는 본질적으로 크랭크 샤프트(66)에 장착되어 이 크랭크 샤프트(66)에 의해 구동되기에 적합하다. 압축 회전자(72)는 하우징(76)에 제공되는 실린더(74) 내에 배치되어 입구통로(80)를 통하여 실린더(74) 내로 인도되는 유체를 압축하도록 베인(78)과 함께 협력된다. 입구통로(80)는 압축기(54)로의 흡입가스의 공급을 제공하도록 셸(56) 내에 제공되는 흡 입구 끼움부(82)에 연결된다. 설명된 바와 같이, 로터리 압축기(54)는 전형적인 로터리 타입 냉동 및 공기조화 압축기이다.
로터리 압축기(54) 내에 본 발명의 펄스폭 용량 조절 시스템을 합체하기 위해서, 밸브 조립체(84)는 셸(56) 내에 그리고 흡입구 끼움부(82)와 흡입가스흐름 통로(80) 사이에 배치되도록 제공된다. 밸브 조립체(84)의 작동은 시스템 작동조건을 나타내는 하나 이상의 센서(88)로부터의 신호를 수용하는 제어모듈(86)에 의해 제어된다.
밸브 조립체(84), 제어모듈(86) 및 센서(88)의 작동은 실린더(74) 내로의 흡입가스의 흐름을 조절하기 위해 주기적으로 개폐시키도록 제어모듈(86)의 제어 하에서 작동되는 밸브 조립체(84)와 상기된 것에 대해 대체로 일치된다. 압축기(10)에서와 같이, 사이클 주파수 뿐만 아니라 사이클의 개폐된 부분의 상대적인 지속기간은 시스템 작동조건에 응답하여 제어모듈(86)에 의해 변화될 수 있으며 이에 따라 시스템 효율은 최대화될 수 있고 용량은 0과 전부하 사이의 소정의 용량으로 변화될 수 있다.
도 7은 밀봉 셸(150) 내에 배치되는 구동모터(148) 및 압축기 조립체(146)를 포함하고 있는 스크롤 타입 압축기(144)를 도시하고 있다.
압축기 조립체(146)는 외부 셸(150) 내에 고정되고 이 외부 셸(150)에 의해 지지되는 평균 베어링 하우징(152), 베어링 하우징(152)에 이동 가능하게 지지되는 선회 스크롤 부재(154) 및 베어링 하우징(152)에 축선방향으로 이동 가능하게 체결되는 비선회 스크롤 부재(156)를 포함하고 있다. 스크롤 부재(154, 156)는 각각 개재된 나선형 랩(162, 164)이 외측으로 뻗어 있는 끝부 판(158, 160)을 포함하고 있다. 끝부 판(158, 160)과 함께 나선형 랩(162, 164)은 스크롤 부재(154, 156) 사이의 상대적인 선회이동에 응답하여 방사상 외부위치로부터 방사상 내부위치로 이동함에 따라 크기가 작아지는 이동 유체포켓(166, 168)을 형성하기 위해서 협력된다. 이동 유체포켓(166, 168) 내의 압축된 유체는 머플러 판(174) 및 밀봉 셸(150)의 상부부분에 의해 형성된 배출챔버(172) 내로 비선회 스크롤 부재(156)에 제공되는 중심에 위치한 배출통로(170)를 통하여 배출되고, 그 후에 배출구 끼움부(176)를 경유하여 시스템으로 공급된다. 올덤 커플링은 또한 상대회전을 방지하기 위해서 스크롤 부재(154, 156) 사이에서 작용하도록 제공된다.
구동 샤프트(180)는 또한 베어링 하우징(152)에 회전가능하게 지지되도록 그리고 선회 스크롤 부재(154)에 구동적으로 결합되는 한 끝을 가지도록 제공된다. 모터 회전자(182)는 구동 샤프트(180)에 체결되며 구동 샤프트(180)를 회전 가능하게 구동시키도록 모터 고정자(184)와 협력된다. 상기된 바와 같이, 스크롤 압축기(144)는 전형적인 스크롤 타입 압축기이며, 비선회 스크롤 부재(156)에 제공되는 흡입구(188)를 경유하여 이동 유체포켓 내로 입구(186)를 경유하여 밀봉 셸(150) 내로 흐르는 압축될 유체를 인도하도록 작동하고, 이 유체를 압축하여 배출챔버(172) 내로 이 압축된 유체를 배출시킨다.
스크롤 압축기(144) 내에 펄스폭 용량 조절 시스템을 합체시키기 위해서, 밸브 조립체(190)는 각각의 이동 유체포켓 내로 압축될 유체의 흐름을 선택적으로 제어할 수 있도록 흡입구(188)에 대해 중첩관계로 위치되도록 제공된다. 밸브 조립 체(190)의 작동은 상기된 바와 대체로 같은 방식으로 하나 이상의 센서(194)로부터 수용되는 신호에 응답하여 제어모듈(192)에 의해 제어된다. 본 발명은 밀봉 셸이 대체로 흡입압력에 있는 스크롤 압축기를 참조하여 도시되고 설명되는 한편, 내부가 배출압력에 있는 또는 양 스크롤이 방사상으로 오프셋된 축선 주위에서 회전되는 스크롤 압축기와 같은 또 다른 타입의 스크롤 압축기에 용이하게 합체되는 것에 주목해야 한다.
이제 평가될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 펄스식 용량 조절 시스템은 폭넓은 종류의 압축기에 매우 적합하며 비교적 낮은 비용으로 조절의 전체 범위를 제공함에 있어서 매우 효과적이다. 필요하다면 본 발명의 펄스식 용량 조절 시스템은 특정한 적용을 위해 용량 조절 시스템의 또 다른 공지된 타입 중 어느 하나와 결합될 수도 있다는 것에 주목해야 한다.
상기 실시예에 있어서, 압축기가 무부하 상태인 동안 계속 구동되도록 되어 있다. 분명히, 무부하(아무런 압축도 일어나지 않음)인 때 압축기를 구동시키는 데 요구되는 전력은 압축기가 완전부하가 걸릴 때 요구되는 것보다 현저하게 작다. 따라서, 감소된 부하 작동의 이 기간 동안 모터 효율을 향상시키도록 기능하는 추가적인 제어 수단을 제공하는 것이 바람직하다.
도 1, 도 5 및 도 6 또는 도 7에 따르는 상기 설명된 타입으로 이루어질 수 있는 모터 압축기(90)를 포함하고 있고 그리고 압축 메카니즘으로의 흡입가스의 흐름을 선택적으로 봉쇄하도록 작동하는 흡입 라인에 연결된 솔레노이드 밸브 조립체를 포함하고 있는 실시예가 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 솔레노이드 밸브 조립체는 센서(94)에 의해 감지되는 시스템 조건에 응답하여 제어모듈(92)에 의해 제어되도록 되어 있다. 상기된 바와 같이, 시스템은 상기 설명된 실시예 중 어느 하나의 개략적인 형태를 나타낸다. 감소된 부하 작동 동안의 구동모터의 효율을 향상시키기 위해서, 모터 제어모듈(96)은 또한 라인(98)을 통해 압축기 모터 회로에 연결되고 라인(100)을 통해 제어모듈(92)에 연결되도록 제공된다. 모터 제어모듈(96)은 압축기가 감소된 부하 작동상태에 있음을 나타내는 제어모듈(92)로부터의 신호에 응답하여 작동하도록 되어 있다. 이 신호에 응답하여, 모터 제어모듈(96)은 하나 이상의 압축기 모터 작동 파라미터를 변화시키도록 작동하여 감소된 부하의 기간동안 압축기 모터의 효율을 향상시킨다. 그러한 작동 파라미터는 전압강하를 포함하거나 단상 모터의 보조 와인딩에 사용되는 운전 정전용량을 변화시키는 모터 작동효율에 영향을 미치는 다양하게 제어가능한 임의의 인자를 포함한다. 일단 압축기가 전부하 작동으로 복귀되도록 제어모듈(92)이 모터 제어모듈(96)에 신호를 주면, 모터 제어모듈(96)은 영향을 받은 작동 파라미터를 저장하도록 작동하여 전부하 작동 하에서의 모터효율을 최대화시킨다. 솔레노이드 밸브 조립체와 압축챔버 사이의 영역에서 흡입가스의 체적에 1차적으로 의존하게 되는 압축기 상의 감소된 부하와 솔레노이드 밸브 조립체의 차단과의 사이에 약간의 시간지연이 있을 수 있다. 그 결과, 모터 작동 파라미터가 감소된 부하로 조절되기 전에 적절한 시간지연을 제공하는 것이 바람직하다. 물론, 솔레노이드 밸브 조립체가 압축챔버에 가능한 한 가깝게 위치되어 이 지연되는 반응시간을 최소화하는 것이 바람직하다.
각각의 실시예가 흡입가스흐름을 제어하기 위한 흡입가스흐름 제어밸브로의 압력 배출가스의 흐름을 제어하도록 작동하는 솔레노이드 밸브를 합체하고 있는 것으로 설명되었지만, 예컨대 솔레노이드 밸브 자체로 또는 임의의 적절한 밸브배열과 같은 또 다른 타입의 밸브로 대체하는 것이 가능하다. 하지만, 흡입 제어 밸브로의 배출가스와 같은 압축유체의 흐름을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브의 사용은, 흡입가스 제어밸브로 보다 큰 작동력의 적용을 허용하고 그에 따라 그 작동을 보다 빠르게 하기 때문에 더 바람직하다고 생각된다. 이와 같은 밸브 조립체의 실시예가 도 9를 참조하여 설명되는데, 이 밸브 조립체는 상기 설명된 어떠한 실시예에서도 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 밸브 조립체(102)는 솔레노이드 제어밸브(106) 및 압력작동식 밸브(104)를 포함하고 있다.
솔레노이드 밸브 조립체(106)는, 이동 가능하게 배치된 밸브부재(112)를 가진 밸브챔버(110)가 내부에 제공되는 하우징(108)을 포함하고 있다. 압축유체 공급라인(114)은 한쪽 끝에 인접한 챔버(110) 내로 개방되고 배출통로(116)는 다른쪽 끝에 인접한 챔버(110)로부터 바깥쪽으로 개방된다. 출구통로(118)는 또한 이 양끝 사이의 대략 중간에서 챔버(110) 내로 개구하여 제공된다. 밸브부재(112)는 플런저(120)의 한쪽 끝에 고정되며, 플런저의 다른쪽 끝은 솔레노이드 코일(122)이 위치되는, 밀봉적으로 밀폐된 보어(121)를 따라서 축선방향으로 이동 가능하게 뻗어 있다. 도시된 바와 같이, 플런저(120)는 밸브부재(112)가 놓여져 압축유체 공급라인(114)을 폐쇄시키고 출구통로(118)가 배출통로(116)와 연통하여 개방되는 도시된 위치 내로 가압된다. 솔레노이드 코일(122)이 여자화될 때, 샤프트(120)는 밸브부재가 놓여져 배출통로(116)를 폐쇄시키고 압축유체 공급라인(114)과 출구통로(118) 사이의 개방 연통을 가능하게 하는 위치로 이 밸브부재(112)를 이동시키도록 작동한다. 압축유체 공급라인의 양 끝은 예컨대 압축기로부터의 배출가스와 같은 압축유체의 적절한 공급원에 연결된다.
압력 작동식 밸브 조립체(104)는 피스톤(128)이 이동 가능하게 배치되는, 실린더(126)를 내부에 가지고 있는 하우징(124)을 포함하고 있다. 샤프트(130)는 피스톤(128)에 연결된 한쪽 끝을 가지고 있으며 실린더(126)로부터 보어(132)를 통하여 하우징(124) 내에 제공되는 챔버(134) 내로 뻗어 있다. 밸브부재(136)는 샤프트(130)의 이 끝에 체결되고, 챔버(134) 내에 위치되고 그리고 칸막이(140)에 제공된 밸브시트(138)와 밀봉 맞물림되고 그리고 이 밀봉 맞물림으로부터 해제되도록 샤프트(130)에 의해 이동 가능하여 챔버(134)로부터 챔버(142) 내로의 그리고 출구(144)를 통한 흡입가스의 흐름을 선택적으로 제어한다. 입구통로(146)는 흡입가스를 챔버(134)로 공급하기 위해 제공된다.
유체 출구라인(118)은 실린더(126)의 한쪽 끝 내로 개방되고, 밸브(136)가 밸브시트(138)와 밀봉 맞물림되도록 이동하여 입구(146)로부터 출구(144)로의 흡입가스의 흐름을 차단시키는 방향으로 피스톤(128)을 가압하도록 상기 실린더(126)의 한쪽 끝에 압축유체를 제공하도록 작동한다. 복귀스프링(148)은 또한 실린더(126)내에 제공되어 실린더(126)로부터의 압축유체의 배출에 응답하여 밸브시트(138)와의 밀봉 맞물림을 해제하도록 밸브부재(136)를 이동시키는 방향으로 피스톤(128)을 가압하도록 작용한다.
작동시, 제어모듈(50)이 용량조절에 들어갈 것을 결정하면, 솔레노이드 제어밸브(106)를 여자화하여 밸브(112)를 도시된 바와 같이 오른쪽으로 이동시켜 압축유체가 챔버(110)를 통해 실린더(126)로 흐르도록 작동한다. 이 압축유체는 그 다음 피스톤(128)을 밸브(136)를 폐쇄시키는 방향으로 이동시켜 압축 메카니즘으로의 흡입가스의 더 이상의 흐름을 방지하도록 작동한다. 솔레노이드 제어밸브(106)가 제어모듈(50)에 의해 비여자화되면, 밸브(112)는 실린더(126)로의 압축유체의 공급을 차단하고 이 압축유체를 통로(116)를 통해 배출시키는 위치로 이동하여, 이에 따라 복귀스프링(148)이 압축기로의 흡입가스의 흐름이 재개되도록 밸브부재(136)를 개방시키는 방향으로 피스톤(128)을 이동시키는 것을 가능하게 한다.
밸브 조립체(102)는 단지 예를 든 것이며 또 다른 적절한 배열이 용이하게 치환될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 상기된 바와 같이, 용량조절 신호에 대한 신속한 응답을 용이하게 하기 위해서, 가능한 한 압축챔버에 가깝게 흡입흐름 폐쇄밸브를 위치시키는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 압축유체 공급라인 및 배출통로는 신속한 가압 및 가압의 배출을 보장하기 위해서 공급되는 작동 실린더의 체적에 상대적인 크기를 가져야 한다.
본 발명에 따라서, 압축기로의 흡입가스흐름의 펄스폭 조절을 활용하는 용량 제어장치가 제공되며, 압축기의 용량 출력은 시간상의 어떤 한 점에서 시스템 부하와 정확하게 매치될 수 있다.
또한, 시스템은 응축기 온도 또는 케이스 온도 설정 포인트에 있어서의 갑작 스런 변화에 빠르게 응답할 수 있다.
또한, 시스템은 보다 높은 온도에서 보다 느리게 서리를 성장시키기 때문에 보다 높은 증발기 온도에서의 작동은 서리제거 에너지의 필요량을 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따라서 냉매흐름은 고용량과 저용량 사이에서 맥동하여, 고속 가스흐름의 주기로 인하여 오일복귀를 촉진시킨다.
또한, 본 발명의 펄스폭 조절식 봉쇄 흡입 시스템은 단일의 밸브 조립체만이 요구된다는 점에서 압축기 내에 합체되기에 비용상 비교적 저렴하다. 나아가서, 시스템의 단순성 때문에, 로터리 타입 및 스크롤 타입 뿐만 아니라 왕복 피스톤 타입 압축기를 포함하는 폭넓은 종류의 압축기 디자인에 손쉽게 추가될 수 있다.
다양한 변경 및 수정이 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 명세서에 설명된 실시예에 대하여 이루어질 수 있다는 것은 당해 분야의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (29)

  1. 압축챔버, 압축챔버에 흡입가스를 공급하기 위한 흡입구 및 상기 압축챔버의 체적을 변화시키도록 작동하는 이동가능한 부재를 가지고 있는 압축 메카니즘;
    상기 이동가능한 부재를 이동시켜서 상기 흡입구를 통하여 상기 압축챔버 내로 흡입된 가스를 압축시키도록 작동적으로 연결된 동력원;
    상기 흡입구에 인접하여 설치되어 있으며, 상기 압축챔버 내로의 흡입가스의 흐름을 주기적으로 허용 및 방지하도록 개폐위치 사이에서 작동가능한 밸브; 및
    사이클 시간이 상기 압축기에서의 부하의 시간상수보다 작아지게 상기 밸브를 순환시키도록 작동하며, 상기 개폐위치 사이에서 상기 밸브를 작동시키기 위한 제어 장치;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 상기 압축챔버에 근접하여 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 양방향 밸브인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브가 상기 폐쇄위치에 있는 시간 지속기간과 상기 사이클 시간 중 적어도 하나는 감지된 작동 조건에 따라서 변화하는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 밸브가 상기 개폐위치 사이에서 순환될 때에 상기 동력원은 상기 이동가능한 부재의 이동을 계속하여 실행하는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 사이클 시간 및 상기 시간 지속기간은 상기 감지된 작동조건에 따라서 변화되는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 압축유체에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 밸브로의 압축유체의 흐름을 제어하도록 작동하는 제어밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어밸브는 솔레노이드 작동식 밸브인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 압축유체는 상기 압축 메카니즘으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 동력원은 전기모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어모듈은 상기 밸브가 상기 폐쇄위치에 있을 때 상기 전기모터의 작동 파라미터를 변화시키도록 작동하여 상기 모터의 작동효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 밸브가 상기 폐쇄위치로 이동된 후 상기 모터의 상기 작동 파라미터는 소정기간 변화되는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 압축 메카니즘은 왕복 피스톤 압축기인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 왕복 피스톤 압축기는 복수의 피스톤 및 실린더를 포함하고 있으며, 상기 밸브는 상기 실린더 전부로의 흡입가스의 흐름을 방지하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 밸브는 동시에 상기 실린더 전부로의 흡입가스의 흐름을 방지하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  17. 밀봉 셸;
    상기 셸 내에 배치된 압축 메카니즘으로서, 상기 압축 메카니즘은 이동가능한 부재에 의해 부분적으로 형성되는 압축챔버를 포함하고 있으며, 상기 이동가능한 부재는 그 체적을 변화시키도록 작동되는 상기 압축 메카니즘;
    상기 셸 내에 회전가능하게 지지되며 상기 이동가능한 부재에 구동적으로 결합되는 구동 샤프트;
    상기 셸로부터 이격된 공급원으로부터 상기 압축챔버로 흡입가스를 공급하기 위한 흡입구 통로;
    상기 흡입구 통로를 통한 흡입가스의 흐름을 허용하는 개방위치와 상기 흡입구 통로를 통한 흡입가스의 흐름을 방지하는 폐쇄위치와의 사이에서 작동가능한, 상기 흡입구 통로 내의 밸브; 및
    상기 밸브를 제1 소정기간동안 개방위치로 그리고 제2 소정기간동안 폐쇄위치로 주기적으로 작동시키기 위한 제어기;를 포함하고 있으며,
    상기 제1 및 제2 소정기간의 합에 대한 상기 제1 소정기간의 비는 주어진 부하 시간상수보다 작으며 상기 압축기의 용량의 백분율 조절을 결정하는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 밸브는 양방향 밸브이며 압축유체에 의해 상기 폐쇄위치로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 밸브로의 상기 압축유체의 흐름을 제어하기 위한 상기 제어기에 의해 작동될 수 있는 솔레노이드 밸브를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 압축유체는 상기 압축기로부터의 배출가스인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 밸브는 상기 압축챔버에 근접하여 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 압축기는 냉동 압축기인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 압축기는 공기 압축기인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  24. 제 17 항에 있어서, 상기 압축기는 로터리 압축기인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  25. 제 17 항에 있어서, 상기 압축기는 스크롤 압축기인 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  26. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기간의 상기 합은 상기 부하 시간상수의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  27. 제 17 항에 있어서, 상기 구동 샤프트를 회전 가능하게 구동시키기 위한 모터를 더 포함하고 있으며, 상기 밸브는 상기 모터가 상기 구동 샤프트를 계속해서 회전 가능하게 구동시키는 동안에 상기 개폐위치 사이에서 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 밸브가 상기 폐쇄위치에 있는 기간과 상기 개방위치에 있는 기간 사이에 상기 모터의 작동 파라미터를 변화시키도록 작동하여 상기 모터의 작동효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 용량조절 압축기.
  29. 변화하는 냉각부하 조건을 수용하도록 냉각 시스템의 일부를 형성하는 압축기의 용량을 조절하는 방법으로서:
    상기 냉각 시스템의 시스템 부하를 나타내는 작동 파라미터를 감지하는 단계;
    상기 압축기로 공급되는 냉매의 흡입 압력에 있어서의 변동을 최소화시키는 최대 지속기간의 사이클 주파수를 결정하는 단계;
    흡입가스가 상기 압축기로 공급되는 제1 기간을 결정하고 흡입가스가 상기 압축기로 흐르는 것을 방지하는 제2 기간을 결정하는 단계; 및
    상기 시스템 작동 파라미터에 응답하여 상기 압축기의 용량을 조절하도록 상기 제1 및 제2 기간동안 각각 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 밸브를 요동시키는 단계;를 포함하고 있으며,
    상기 제1 및 제2 기간은 상기 사이클 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 압축기의 용량을 조절하는 방법.
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