KR100844236B1 - 냉각시스템과 냉각기 및, 압축기를 제어하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기(20)를 포함하고 전기회로(TE)에 의해 제어되는 냉각시스템에 관한 것으로, 상기 전기회로(TE)는 압축기(20)에 공급된 전력(Pn)을 측정하는 측정회로(ME)를 포함하고, 마이크로제어기(10)와, 시간변수(td), 측정회로(ME)는 압축기(20)에 공급된 전력(Pn)을 측정하며, 마이크로제어기(10)는 측정을 비교한다. 전력은 마이크로제어기(10)에 미리 저장된 전력 기준값(Prl)과 기준값(Prd)을 갖는다. 전력과 마이크로제어기는 전력(Pn)과 시간변수(td)의 함수로 압축기(20)의 작동상태를 변경한다. 압축기(20)를 제어하는 방법은 압축기(20)가 작동될 때부터 일정시간이 지났을 때 측정된 전력(Pn(te))을 저장하는 단계와, 시간변수값(td)을 변경하는 단계로 이루어진다.

Description

냉각시스템과 냉각기 및, 압축기를 제어하는 방법{A cooling system, a cooler and a method for controlling a compressor}

본 발명은 압축기의 작동을 제어하는 시스템과 방법에 관한 것이고, 특히 냉각시스템에 일반적으로 적용되는 압축기에 관한 것으로, 이 시스템과 방법은 이러한 형태의 시스템에서 통상 사용되는 자동 온도조절장치나 다른 온도측정수단을 사용하지 않게 할 수 있다.

냉각시스템의 본래의 목적은 하나 이상의 구획부의 내부를 낮은 온도로 유지하는 것으로, 내부환경에서 외부환경으로 열을 전달하는 장치를 사용한다. 이는 열을 전달하기 위한 장치를 제어하기 위해 내부환경의 온도를 측정하여, 해당 냉각시스템이 미리 설정된 한계내의 온도를 유지하도록 한다.

냉각시스템의 복잡성과 이것이 응용되는 종류의 복잡성에 의해서, 유지될 온도제한이 더 엄격해지거나 그렇지 않게 된다.

냉각시스템의 내부로부터 외부환경으로 열을 전달하는 일반적인 방법의 하나는 냉매가 순환되는 폐회로에 연결된 밀폐압축기를 사용하는 것으로, 이 압축기는 냉각시스템의 안쪽으로 냉각가스가 유동하도록 하고, 냉각가스의 증발과 응축이 발생하는 지점들 사이에서 결정된 압력차를 부여할 수 있는 기능을 갖기 때문에 열전 달과 낮은 온도의 생성 과정이 일어날 수 있다.

압축기는 일반적인 작동상태에서 요구되는 것보다 더 큰 냉각용량을 공급하도록 되어 있는데, 요구되는 임계상태가 예측되어 있다. 이러한 경우에, 허용 가능한 한계 내에서 캐비닛 내부의 온도를 유지하기 위해서 이러한 압축기의 냉각용량을 조정하는 몇 가지 형태가 필요하다.

압축기의 냉각용량을 조정하는 가장 일반적인 방법은 냉각될 환경 내의 온도변화에 따라 압축기를 작동시키거나 그 작동을 멈추게 하는 것으로, 이것은 냉각될 환경 내의 온도가 미리 설정된 한계를 초과할 때에는 압축기를 작동시키고, 그 온도가 미리 설정된 하한에 도달할 때 압축기의 작동을 멈추게 하는 자동 온도조절장치를 사용하여 달성될 수 있다.

냉각시스템을 제어하는 이러한 장치에 대한 알려진 해법은 온도에 따라 팽창하고 수축하는 유체를 담고 있는 벌브(bulb)를 사용하는 것으로, 이 벌브는 냉각될 환경내의 온도에 노출되고, 벌브 내부의 유체의 팽창과 수축에 민감한 전기기계식 스위치와 기계적으로 연결되는 방식으로 설치된다. 용도에 따라서는 미리 설정된 온도에서 스위치를 켜거나 끄는 것이 가능하다. 이 스위치는 압축기에 제공되는 전류를 조정하여 압축기의 작동을 제어하고, 미리 설정된 온도한계 내에서 냉각시스템의 내부환경을 유지시킨다.

이것은 비교적 간단하여서, 현재까지도 가장 널리 사용되는 형태의 자동 온 도조절장치이나, 가압된 유체가 담긴 벌브를 구비하는 전기기계식 장치이고 구조적인 가변성과 약화로 인해 품질의 제한을 갖기 때문에, 설치되어 있는 동안 쉽게 부서지는 단점을 가진다. 또한, 이것은 고가의 장비와 연결되기 때문에 이 분야에서 비교적 높은 수리비를 발생시킨다.

냉각시스템을 제어하는 알려진 다른 해법은, 예컨대 PTC(Positive Temperature Coefficient)형 전자 온도센서나 또는 다른 형태의 수단으로 냉각될 환경내부의 온도를 측정할 수 있는 전기회로를 사용하는 것이다. 이 회로는 측정된 온도 값과 미리 설정된 기준 값을 비교하고, 압축기에 전달되는 에너지를 통제하는 회로에 명령신호를 발생시켜 냉각용략을 정확히 조정하여서, 압축기를 작동시키거나 작동을 멈추게 하거나 전달된 냉각용량을 변화시킴으로써, 냉각될 내부환경에서 요구되는 온도를 유지하게 된다.

이 해법은 매우 신뢰성 있고 정밀한 온도의 제어를 제공하고, 더욱이 더 복잡하거나 부가적인 기능을 수행할 수 있게 한다. 또한, 이것은 더욱 높은 비용이 소요되는 복잡한 시스템으로 되었다.

단점은 전기 기계적인 해법과 비교할 때 비용이 더 높다는 것으로, 기껏해야 상기 장치가 임의의 한계 내에서 온도를 유지하는 기본적인 기능으로 사용될 때, 간단한 형태에 대해서 같은 비용이다.

냉각될 환경에서 온도를 제어하는 또 다른 해법이 미국 특허 제 4,850,198호에 설명되어 있는데, 여기에서 압축기와, 응축기, 팽창밸브 및, 증발기로 이루어지고서, 압축기에 전압을 가하는 것을 제어하는 냉각시스템이 소개되었다. 이러한 제 어는 미리 설정된 최고 및 최저의 온도한계를 기초로 하여 압축기에 전압을 제공할 것인가 또는 압축기로부터 전압을 제거할 것인가를 결정하는 자동 온도조절장치로부터 판독된 온도에 따라, 마이크로 프로세서에 의해서 성취된다. 이 시스템에 따르면, 냉각될 환경에서 측정된 온도의 함수로 압축기의 작동시간에 대한 제어를 예측할 수 있다.

본 발명의 목적은, 냉각시스템 내부온도를 제어하면서, 냉각기를 제어하는 자동 온도조절장치나 다른 온도측정수단을 사용하지 않게 되어서, 더욱 단순한 제어를 성취하고, 온도센서의 설치를 위해 시스템 내에 있던 불필요한 전기적 연결부를 제거하며, 더 값이 싼 시스템을 얻을 수 있는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 압축기를 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이고, 여기에서 온도센서의 사용은 불필요하게 되어서 경제적으로 더 효과적인 구조를 얻게 된다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 전기적으로 구동되고 전기회로에 의해 제어되는 압축기를 포함하는 냉각시스템에 의해서 달성된다. 이 전기회로는 압축기와 마이크로제어기에 공급된 전력을 측정하는 회로를 포함한다. 시간변수는 마이크로제어기에 저장되고, 상기 측정회로는 압축기에 공급된 전력을 측정하며, 마이크로제어기가 이 전력과 마이크로제어기에 이미 저장된 전력 기준값을 비교하여서, 마이크로제어기가 전력과 시간변수의 함수로 압축기의 작동상태를 변경시킨다.

또한, 본 발명의 목적은, 압축기가 구동된 순간부터 일정시간이 지났을 때 측정된 전력값을 변수로 저장하는 단계와, 압축기의 작동이 멈춘 시간에 상응한 시간변수값을 이 변수값과 이미 저장된 값의 비율의 함수로 변경하는 단계를 포함하는 압축기제어방법에 의해서 달성될 수 있다.

본 발명은 이제 도면에 도시된 실시예를 참조로 하여 더 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 압축기제어시스템의 개략도이고,

도 2는 본 발명에 따른 압축기제어방법의 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이 시스템은 기본적으로 응축기(21)와, 증발기(22), 모세관 제어부(23;capillary control element) 및, 압축기(20)로 이루어져 있다. 상기 응축기(21)는 냉각될 환경 또는 냉각환경(22')의 외부에 위치되는 반면에, 증발기(22)는 냉각공기를 공급하기 위해서 냉각환경(22')의 내부에 위치된다. 압축기(20)에 대한 제어는 제어회로(TE)에 의해 이루어지는데, 이는 압축기(20)에 공급된 전력(Pn)을 측정하는 측정회로(ME)와 더불어, 템포라이저(TP)를 구비한 마이크로제어기(10)로 구성된다.

본 발명에 따르면, 전력(Pn)이 냉각시스템에서 압축기(20)에 흡수됨을 기초 로 하여, 냉각가스의 증발온도와 매우 강한 직접적인 상호관계를 나타내는데, 이는 냉각된 캐비닛이나 냉각환경(22')의 내부온도를 매우 근사하게 나타낸다. 그러므로, 압축기(20)에 흡수된 전력(Pn)값을 기준으로 사용하여, 캐비닛 내의 온도가 기대값에 도달하여서 압축기(20)의 작동을 멈추게 할 때를 결정할 수 있다. 냉매가 순환하는 동안 체적이 감소함에 따라, 흡수된 전력(Pn)이 감소하고, 냉각환경(22')에서의 온도가 하강함에 따라 더 적은 냉매가 증발되며, 이로 인해서 더 적은 냉매가 순환되어 흡수되는 전력(Pn)을 감소시키기 때문에, 상기 상호관계는 유효하다.

이것은 냉각환경(22') 내의 온도가 하강함에 따라 가스증발온도 또한 감소한다는 것을 뜻하고, 압축기(20)에 흡수되는 전력(Pn)이 비례적으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 만약, 이것을 미리 설정된 기준값(Prl, Prd)과 비교한다면, 압축기(20)의 작동을 멈출 때나 냉각용량을 바꿀 때를 한정할 수 있어서, 종래기술에서와 같이 온도센서를 사용하지 않고 냉각환경(22')의 내부온도를 제어할 수 있다.

따라서, 적절한 범위 내에 냉각환경(22')의 온도를 유지하기 위해서 압축기(20)는 제어기(TE)에 의해 간헐적으로 작동되거나 그 작동이 멈추어지는데, 이것은 템포라이저(TP)를 갱신시키고, 설정된 시간이 지난 후에 다시 압축기(20)를 작동하게 하여, 새로운 냉각사이클을 시작할 것이다. 압축기가 다시 작동되기까지의 이 대기시간은 각각의 새로운 사이클에서 작동이 시작된 후 바로 전력(Pn)이 압축기(20)를 다시 구동시킬 때의 냉각환경(22')의 내부온도를 반영하기 때문에, 압축기(20)에 흡수된 전력(Pn)의 함수로 능동적으로 조정될 수 있고, 압축기(20)의 작동이 멈추어 있는 시간을 수정함으로써 공급전력이 조정될 수 있다.

도 1에 도시되듯이, 전력(Pn)의 측정을 위해서, 측정회로(ME)는 압축기에 공급된 전압과 전류를 측정하여 이 두 양을 곱할 수 있는 수단(15,16)을 구비하는데, 이는 압축기에 공급된 전력값을 나타낸다. 상기 수단은 이 전력정보를 제어기(11)에 의해 압축기(20)를 구동시키게 되는 마이크로제어기(10)에 보낸다. 전력(Pn)의 측정은 저항(R)에 흐르는 전류(I)와 압축기(20)에 가해진 전압(V)을 읽어서 수행되고, 상기 두 값은 서로 곱해져서 전력(Pn)값을 얻게 된다. 교류 압축기(20)가 사용될 때에는 상기 전력(Pn) 값은 전력인자의 함수로 수정되어야만 한다. 또한, 공급전압값의 함수로 압축기에 흡수된 전력값을 수정할 수 있고, 다른 공급전압에서 모터에 의해서 나타내어진 효율로 변화량을 보상할 수 있다.

본 발명의 시스템을 작동하기 위해서 2개의 전력값이 결정되는 바, 즉 냉각환경(22') 내부에서 요구되는 최저 온도에 상응한 전력 기준값(Prd)과, 냉각환경(22') 내부에서 요구되는 최대 온도에 상응한 전력 기준값(Prl)이 결정된다.

압축기(20)의 간헐적인 제어는 마이크로제어기(10)에 의해서 수행되는데, 이것은 압축기에 흡수된 전력(Pn)의 측정값과 냉각될 캐비닛의 내부에서 요구되는 최저 온도에 상응한 기준값(Prd)을 비교하여서, 측정된 전력(Pn)값이 이 기준값(Prd)과 같거나 낮을 때 압축기의 작동을 멈추는 명령을 내리고, 시간변수(td(n))에 의해서 미리 설정된 시간동안에 압축기를 작동이 멈춘 상태로 유지하며, 이 시간변수(td(n))가 지난 후에 바로 다시 압축기(20)를 작동하는 명령을 내린다.

압축기(20)가 다시 작동된 후와 일정시간(te)이 지난 후에, 마이크로제어기(10)는 시간변수(td(n))를 수정하기 위하여, 측정된 전력(Pn(te))값을 받는데, 압축기가 구동되기 시작한 직후에 측정된 전력(Pn(te))값과 기준값(Prl) 사이의 비율의 함수로 새로운 값의 시간변수(td(n+1))를 계산한다.

따라서, 작동사이클의 시작에서의 전력(Pn(te))값이 기준값(Prl)보다 더 클 때, 다음 정지사이클에서 압축기(20)의 작동이 멈추어 있는 시간변수(td(n+1))는 감소되어야만 한다. 같은 방식으로, 압축기(20)가 작동하기 시작한 직후에 측정된 전력(Pn(te))이 기준값(Prl)보다 낮다면, 다음 정지사이클에서 압축기(20)가 멈추어 있는 시간변수(td(n+1))는 증가해야만 한다.

이러한 과정은 다음 알고리즘으로 실행될 수 있다.

td(n+1)=td(n)*Prl/Pn(te)

제안된 회로(TE)의 이 방정식은 도 2에 도시된 순서도로 요약되는 바, 이 방법은 적어도 압축기(20)의 작동이 멈춘 순간부터 일정시간(te)이 경과했을 때 측정된 전력(Pn(te)) 값의 변수를 저장하는 단계와 이미 마이크로제어기(10)에 저장된 전력(Pn(te)) 값의 변수와 전력 기준값(Prl)값의 비율의 함수인 시간변수(td)의 값을 변경하는 단계를 포함해야 한다.

상기 일정시간(te)은 계획으로 결정되어야만 하고, 시동된 후에 압축기가 가속하는 데에 충분해야 하므로, 압축기의 가속에너지와 초기 시스템작동압력의 형성으로 인해 시동직후에 읽은 전력 값이 왜곡되는 것을 방지한다.

또한, 압축기(20)의 작동이 멈추어 있는 동안의 최대시간(Tdm)은 예측되어서 압축기가 다시 작동될 수 있다.

전력의 기준값(Prl) 뿐만 아니라 기준값(Prd)은 계획으로 설정되거나, 냉각기의 조립라인의 공정에 포함된 온도센서를 사용하여 냉각시스템의 조립라인에서 설정될 수 있는데, 이것은 냉각환경(22')의 내부온도를 측정하여, 요구되는 최소 및 최대온도에 도달했을 때, 압축기(20)의 제어회로(TE)에 신호를 보내어, 이 제어회로(TE)가 각 온도에 상응한 전력 값을 기억할 수 있도록 하며, 요구되는 기준값 (Prd)과 기준값(Prl)을 정한다.

바람직한 실시예가 설명되어졌고, 본 발명의 범위는 다른 가능한 변경도 포함하며, 동등한 예를 포함하는 다음 청구항의 범위 내에서 한정된다.

Claims (15)

1. 전기적으로 구동되고 전기회로(TE)로 제어되는 압축기(20)를 포함하는 냉각시스템에 있어서,

   상기 전기회로(TE)는 압축기(20)에 공급되는 전력(Pn)을 측정하는 측정회로(ME)와 마이크로제어기(10)로 구성되고,

   시간변수(td)는 상기 마이크로제어기(10)에 저장되며,

   상기 측정회로는 압축기(20)에 공급된 전력(Pn)을 측정하고,

   상기 마이크로제어기(10)는 전력의 측정값을 이미 마이크로제어기(10)에 저장된 최저 온도에 상응한 전력 기준값(Prd) 및 최고 온도에 상응한 전력 기준값(Prl)과 비교하면서, 전력(Pn)과 시간변수(td)의 함수로 압축기(20)의 작동상태를 변경하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 압축기(20)는 선택적으로 마이크로제어기(10)에 의해 작동되고 그 작동이 멈추며, 압축기(20)에 흡수된 전력(Pn)이 상기 기준값(Prd)과 같거나 낮을 때까지는 계속 작동되고, 소정의 시간변수(td)동안 작동이 멈추되, 상기 시간변수(td)은 상기 기준값(Prl)과 작동사이클의 초기에 압축기에 흡수된 전력값과의 사이의 관계에 비례하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 전력(Pn)의 측정값은 압축기(20)가 작동되었을 때부터 일정시간(te)이 지난 후에 압축기(20)가 작동 중인 시간사이클의 초기에 측정된 전력(Pn(te))값에 저장되는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 일정시간(te)은 압축기(20)의 안정화를 위한 대기시간에 상응하게 되는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
5. 제 3항에 있어서, 측정된 전력(Pn(te))값이 이미 저장된 전력 기준값(Prl)보다 낮을 때 시간변수(td)의 값이 증가하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
6. 제 3항에 있어서, 측정된 전력(Pn(te))값이 이미 저장된 전력 기준값(Prl)보다 높을 때 시간변수(td)값이 감소하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
7. 제 3항에 있어서, 상기 전기회로는 시간변수(td)를 측정할 수 있고, 시간변수(td)가 압축기의 작동이 멈추어 있을 때의 최대시간(Tdm)보다 더 길 때, 압축기(20)를 작동할 수 있는 템포라이저(TP)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
8. 제 1항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 따라 한정되는 냉각시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각기.
9. 전기적으로 구동되고 냉각환경(22')을 냉각시키도록 압축기(20)를 번갈아 작동시키고 그 작동을 멈추게 하는 전기회로(TE)에 의해서 제어되는 압축기(20)를 제어하는 방법에 있어서,

   압축기(20)가 작동될 때부터 일정시간(te)이 지났을 때 측정된 전력(Pn(te))을 저장하는 단계와;

   측정된 전력(Pn(te))값과 미리 저장된 최고 온도에 상응한 전력 기준값(Prl)의 비율의 함수로 압축기(20)의 작동이 멈추어 있는 시간에 상응한 시간변수(td)의 값을 변경시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 시간변수(td)을 변경하는 단계 후에, 전력(Pn)값이 냉각환경(22')의 최저온도에 상응한 기준값(Prd)과 같거나 낮을 때 압축기(20)의 작동이 멈추어지고, 시간변수(td)동안에 멈추어진 상태로 유지되며, 일정 시간변수(td)가 지난 후에는 작동상태를 지속하는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.
11. 제 9항에 있어서, 상기 전기회로에 의해 압축기(20)의 작동을 멈추게 하는 때에, 전력(Pn)값과 최저 온도에 상응한 전력 기준값(Prd)을 비교하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.
12. 제 9항에 있어서, 상기 전력(Pn(te))값을 저장하는 단계에 앞서서, 전력(Pn)이 최저 온도에 상응한 전력 기준값(Prd)보다 크면 압축기(20)가 작동되는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.
13. 제 9항에 있어서, 상기 시간변수(td)를 변경하는 단계에 있어서, 전력(Pn(te))값이 냉각환경(22')에서 최대온도값에 상응한 이미 저장된 상기 기준값(Prl)보다 낮을 때 시간변수(td)가 증가하는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.
14. 제 9항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기(20)가 작동되고 있는 시간 동안에 그 냉각용량이 전력(Pn)값에 비례하여 수정되는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.
15. 제 9항에 있어서, 상기 시간변수(td)를 변경하는 단계에서, 측정된 전력이 냉각환경(22')내의 최대온도값에 상응한 미리 저장된 상기 기준값(Prl)과 같거나 높을 때 시간변수(td)가 감소되는 것을 특징으로 하는 압축기를 제어하는 방법.

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