KR101269068B1 - 중소형 저온저장고 운전 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신선 식품의 냉장 보관과 유통 목적으로 이용하는 중 소형 저온 저장고 운전 제어방법에 관한 것으로, 상세히는 저온저장고에 적용된 냉동싸이클의 운전을 제어함에 있어서 증발기 제상폐열을 룸 외부로 배출하는 단계와 송풍기에 작용하는 전류 변화를 계측하고 기 획득한 데이터를 해석하여 최적 제상 시점과 종료시점을 판단하여 제상운전을 제어하는 단계가 포함되는 알고리즘을 적용하여 저온저장고의 성능과 에너지 소비 효율을 향상한 중소형 저온저장고 운전 제어방법에 관한 것이다.

Description

중소형 저온저장고 운전 제어방법{ Controll Method Middle and Small Sized Cold Storage Room }

본 발명은 신선 식품의 냉장 보관과 유통 목적으로 이용하는 중 소형 저온 저장고 운전 제어방법에 관한 것으로, 상세히는 저온저장고에 적용된 냉동싸이클의 운전을 제어함에 있어서 증발기 제상폐열을 룸 외부로 배출하는 단계와 송풍기에 작용하는 전류 변화를 계측하고 기 획득한 데이터를 해석하여 최적 제상 시점과 종료시점을 판단하여 제상운전을 제어하는 단계가 포함되는 알고리즘을 적용하여 저온저장고의 성능과 에너지 소비 효율을 향상한 중소형 저온저장고 운전 제어방법에 관한 것이다.

경제 발전에 따른 소비자의 식생활 개선과 다양한 식품의 수요 요구에 따라 신선식품의 유통 수요가 증가하고 있고, 농축수산업 생산자 측면에서도 출하조정과 생산 후 보관 등의 필요성이 증대함에 따라 이들 생산물을 안전하게 보관할 수 있는 중 소형 저온저장고 수요가 늘고 있다.

저온저장고는 농.수.축산물을 단열 공간인 룸 내부를 냉각하여 동결점(0℃) 이상으로 유지함으로써 저장된 저장물을 신선하게 장기 보존하는 기능을 갖는 설비이며, 냉매의 압축,응축,팽창,증발로 이루어지는 냉동싸이클을 적용하는 점에 있어서 공기조화에 의한 냉난방, 냉동고나 대형 냉동창고 등과 기술적 원리가 같으나 적용 대상의 특성에 따라 세부인 장치나 구조 및 제어 방법에 차이가 있다.

냉동 창고나 냉동고는 저장물을 동결하여 저장함으로써 동결점 이하의 온도를 유지하여 주면 저장품의 품질에 이상이 생기는 경우가 거의 없다. 그러나, 저온 저장고는 특성이 다른 다양한 종류의 농.수.축산물을 동결점 이상의 온도에서 보관하여야 하고, 특히 농산물의 경우에는 살아있는 상태로 신선하게 보관하여야 함으로 고내 온도 균일도가 유지되지 않거나 저장온도 제어가 0.5℃ 이내로 정밀하게 관리되지 않으면 과다 냉각에 따른 저온 장해, 호흡 생리작용에 의한 변질등을 야기하며, 경우에 따라 10~30%의 감모율이 발생하여 신선식품의 유통비용을 증가하는 요인이 된다.

또한, 중소형 저온저장고는 신선식품을 저장하는 용도에서 일반 가정용 냉장고 또는 대형 창고형 저온 저장고와 차이가 없으나 상대적으로 큰 공간 내에서 온습도 정밀도와 균일성을 유지하여야 하는 특성상 그에 맞는 설비와 제어 알고리즘이 요구되는 점에서 가정용 냉장고와 차이가 있고, 컴퓨터를 이용하여 중앙집중식으로 정밀하게 제어하는 방식을 포함하여 만액식 액펌프 시스템, 덕트를 통한 냉기의 공급등의 고 효율 관리기술을 적용 할 수 있는 대형 창고형 저온저장고와도 차이가 있다.

중 소형 저온저장고는 산업 또는 상업적인 목적으로 사용되기 때문에 일반 가정용 냉장고보다 높은 수준의 온습도 균일도와 정밀도가 요구된다. 또한, 농축수산업 생산자 및 마켓이나 단체 급식소 등 냉동기에 대한 전문 지식을 갖추기 어려운 분야에서 소규모로 독립적으로 운전하기 때문에 전문운영지식 없이도 자동운전제어에 의해 안전한 사용과 관리 및 저장물의 품질을 유지하는 운전 제어 관리기술이 요구된다. 이러한 특성은 기존 대형 냉동.저온창고나 대규모 투자에 의한 기술개발이 이루어지는 가정용 냉장고 및 일반적인 공기조화에 관련된 기술을 직접 적용하는 데 다음과 같은 한계가 있다.

첫째, 식품 냉동기술에 의하면, 예건이나 예냉 여건이 불충분한 상태에서 저온저장고에 입고된 농산물은 신속하게 적합한 저온 저장온도로 유지시켜야만 품질을 유지할 수 있다. 이에 따라 부하 운전시 외기온도에서 0℃에 이르는데 걸리는 시간(냉각소요시간)을 단축할 수 있는 냉각소요시간 성능이 요구된다.

둘째, 저온저장고에서 룸 내부의 온도가 균일하지 않으면 일부 저장물은 동해를 입고 일부는 높은 온도에 노출되는 경우가 발생하여 보존 품질을 저하시킨다. 따라서, 일반 가정용 냉장고 보다 온습도 균일도가 높은 수준으로 유지되어야 하며, 온도 안정 후에는 최소한 최고온도와 최저온도의 편차가 ±2℃, 제상후에도 최고온도와 최저온도의 편차가 ±5℃ 내에서 유지되어야 한다.

세째, 살아있는 상태로 보관하는 농산물은 최적 보존 온도를 유지하기 위하여 0.5 ℃ 이내로 정밀하게 제어되는 것이 요구 된다 따라서, 설정온도와 룸내부의 최소한 온도편차는 정상작동중일 때 ±1℃, 제상시에도 ±3℃ 내에 유지되어야 한다.

네째, 중 소형 저온 저장고는 일반 가정용 냉장고 보다 냉동부하가 크기 때문에 전력 소모가 높고, 이는 저장비용의 증가로 이어진다. 따라서, 유지비용의 절감과 CO₂ 감축 측면에서도 전력 소비량이 낮을 것이 요구된다.

이와 같이, 중 소형 저온 저장고는 저장물의 품질과 유지비용측면에서 빠른 냉각 소요시간, 높은 수준의 온도 균일도와 제어 정밀도 및 에너지효율이 요구되며, 이들 성능은 중 소형 저온 저장고에 적합한 제어알고리즘, 제상 폐열의 처리 및 최적 제상시기와 직접적으로 관계가 있다.

제어알고리즘과 관련하여 대형 저온저장창고의 경우 대한민국 특허10-0332481호 [저온저장고에 대한 환경관리 자동화 방법 및 이를 갖춘 저온저장]에서 제시한 바와 같이, 저장고 내부환경을 고려하여 CO₂ 제어 관리를 포함한 저온저장고 제어 알고리즘 등 다양한 제어 방법이 제안되고 있으나 이들 제어기술은 앞서 언급한 바와 같이 중 소형 저온저장고에 적합하지 않다.

따라서, 현용 대부분의 중 소형 저온저장고에는 "설정 온도"와 "룸 내부 현재온도+ 설정한 냉동편차"를 비교하여 " 설정온도+냉동편차>현재온도" 이면 냉동운전을 하고, 타이머에 의해 냉동운전 시점을 기준으로 일정한 시간(대략 4시간) 경과시마다 냉동운전을 정지하고 일정시간(대략 20분 내외)제상을 반복 하는 단속운전방식(ON-OFF방식) 및 시간주기 제상법을 적용하고, 실시간으로 관리가 이루어지지 않는 특성상 위급 상황시 알람이나 비상운전 제어 알고리즘을 적용(대한민국 특허 10-0747068호)하고 있으나 냉각소요시간, 룸 내부의 온도 균일도,제어정밀도 및 에너지소비효율에서 만족할 수 있는 성능을 발휘하는데 한계가 있었다.

고학균 등(Neuro-Fuzzy 제어시스템을 이용한 중형 저온저장고의 최적설계에 관한 연구,2003년8월 농림부)은 EEV(Electrical Expansion Valve)의 개도를 조절함으로써 증발기에 공급되는 냉매의 압력을 조절하여 온도를 제어하고 풍속 및 가습기의 구동모터를 제어하여 저장고 내 냉기의 유속과 습도를 조절하는 방식을 제공함으로써 냉각소요시간을 단축하고 룸내부의 온도를 정밀하게 조절하는 성과 등을 제시하고 있으나 3~4시간 간격으로 히터에 의한 제상이 반복됨으로써 룸내부의 제상폐열과 그로 인한 주기적인 온도 상승 문제에 대해서 해결해야할 난제임을 인정하고 있다.

이와 같이 중 소형저온저장고에서 제상관련 문제는 성능과 에너지 효율에 직접적인 영향을 미친다.

저온저장고 룸 내부는 단열재를 사용하여 외기열의 침투를 최소화한 상태에서 저온 고습( 0℃ 내외, RH70% 이상)을 유지하기 위하여 냉동싸이클을 구성하는 유닛쿨러를 설치하여 냉기를 생산 순환하며, 유닛쿨러의 증발기 표면은 효율적인 냉기 생산을 위하여 -17℃ 내외를 유지하도록 설계함으로써 냉각튜브와 핀(fin)에는 필연적으로 착상이 형성된다. 증발기의 착상은 공기와 핀의 전열작용을 방해하여 냉동능력을 감소시키고, 과도한 서리의 팽창은 핀과 냉각튜브를 파손하며, 냉매는 비등되지 않고 액 상태로 압축기에 인가되어 압축기를 심각하게 훼손하는 원인이 됨으로 착상이 어느정도 진행하면 반드시 제상단계를 수행하여 서리를 제거해 주어야 한다.

증발기의 제상은 냉동고, 저온저장고, 히트펌프방식의 공기조화기, 가정용 냉장고 등에서 해결하여야 하는 공통적인 현상으로 종래 압축기에서 나오는 고온의 냉매(hot gas)를 우회시키는 핫가스 제상법, 냉방싸이클을 역방향으로 가능하는 방법, 물 분사방법 또는 증발기와 함께 부설한 전기히터에 의해 제상하는 방법 등 다양한 제상 방법이 알려져 있으나 중 소형 저온저장고는 조작이 간편한 전기히터 방식이 주로 사용되고 있다.

제상은 냉동싸이클의 가동 후 일정한 시간 경과 후에 이루어짐으로 냉동부하를 설계할 때 고려되지 않지만 제상열에 의한 룸내의 온도 증가와 제상시간 동안 냉동싸이클 정지에 따른 룸내 온도 증가를 수반하며, 제상에 따른 룸 내부 온도 증가는 필연적으로 저장물의 품질에 나뿐 영향을 준다. 예를들면, 냉각용량 2.5kw의 저온 저장고에 적용하기 위하여 통상 용량 2.5Kw 히터를 적용하여 20분간 가동하는데 이때 룸 내에 가해지는 열량은 Q=2.5kw x 0.33h x 860 kcal=709.5 kcal 가 되며, 이는 제상 종료 시점에서 룸 내부 온도를 대략 10 ℃ 정도 상승시켜 저장물의 장기 보존 품질을 저하시키는 원인이 된다.

또한, 시간 주기에 의한 잦은 제상은 냉동싸이클의 가동 부하를 증가시킴으로써 소비전력의 증가를 가져와 에너지 효율을 저하시키는 요인이 된다. 예를 들어, 위의 예에서 일반적으로 사용하는 시간주기 제상 주기인 24시간 동안 6번 제상을 수행하는 경우 709.5 kcal x 6 = 4,257 kcal/일의 냉각부하가 추가로 발생하고, 냉동성적계수(COP) 3인 경우 1,65kw/일의 전력을 압축기에 추가로 투입하여야 하고, 이는 49.5kw/월 추가 전력소비로 이어진다.

제상열의 처리와 관련하여 대한민국 실용공개 20-2010-0003537 호는 제상히터로부터 발산된 열기가 외부로 배출되도록 냉장고 본체 후벽면의 일부가 개폐도어에 의해 개폐되도록 한 냉장고의 제상열 배출장치를 제시함으로써 제상열에 의한 고 내 온도 상승문제를 해결하고 있으나 적용 대상이 가정용 냉장고로서 저온 저장고에 적용 할 수 없는 한계가 있고, 가정용 냉장고에 적용한 경우에도 제상시 발생하는 고온 수증기가 실내로 그대로 배출됨으로써 안전성과 사용 만족도가 높지 않는 문제점이 있었다. 이에 대하여 본 발명인은 저온저장고에 적용하는 기술로서 제상시 증발기에서 발생하는 고온의 폐열을 포집하여 증발기 하부의 집수조 결빙 해소에 이용하는 기술(대한민국 특허 10-0958538호)를 제시한 바 있다. 이것은 집수조에 별도의 히터를 설치하지 않고 제상 폐열을 활용하여 결빙을 해소함으로써 히터 가동에 따른 전력 소비량을 감축시킬 수 있는 이점을 제공하였으나 제상열에 의한 룸 내부 온도 상승을 본질적으로 해결하지 못하였다.

기존 시간주기 제상법이 갖는 문제점을 해소하기 위하여 제시된 제상방법으로 증발기 외부 온도와 증발기 튜브온도가 서리의 단열작용에 의해 온도차이가 발생하는 원리를 이용하여 일정한 온도차이가 발생하면 제상시점으로 보고 제상을 수행하는 온도차조절방법(temperature differential control), 착상이 공기 유로를 차단할 때 차단으로 인한 증발기 통과 전후 압력차를 계측하여 일정한 압력차가 발생할 경우 제상하는 압력제어(presure control)방식이 있다.

그러나, 이들 방법은 계측 위치에 따라 편차가 발생하고 센서가 착상과 제상과정에서 열, 서리에 직접 노출됨으로써 내구성과 신뢰성이 감소되는 문제점이 있다. 또한, 제상종료 시점을 정하기 위해서 제상운전을 멈추고 제상수의 유출에 필요한 지연시간(제상수가 송풍기 모터에 유입되면 쇼트의 원인이 되기 때문에 핀등의 표면이 마를 때가지 5분 정도 대기한다)을 경과한 후 냉각싸이클을 시험 가동하여 온도 또는 압력값을 취하여야 하는데 제상열에 의해 튜브 및 핀이 가열된 상태에서 제어에 필요한 온도와 압력값을 정확하게 취할 수 없기 때문에 냉각 될 때까지 지연시간을 늘리거나 냉각싸이클의 시험가동시간을 늘리거나 또는 완전 제상 여부와 관계 없이 설정된 시간동안 제상이 이루어지도록 하는 방법을 적용함으로써 최적 제상 방법으로써 한계가 있었다.

이와 관련하여 본 발명인은 대한민국 특허 10-0545789에 의해 제시한 바와 같이, 증발기의 착상이 진행함에 따라 송풍기 모터에 작용하는 전류값이 증가하는 현상을 규명하고, 착상두께와 전류값의 변화를 반영하여 전류값이 일정 이상 증가하면 제상운전을 하고, 제상 종료 시점도 전류값의 비교에 의해 자동으로 판단하여 운전하는 자동제상방법을 제시한 바 있고, 이후 관련자의 후속 연구는 착상 두께가 일정 이상 증가하면 냉동싸이클의 성적계수(COP)가 급격하게 낮아지고, 성적계수와 착상두께가 교차하는 시점에서 제상운전을 함으로써 에너지소비 효율을 향상할 수 있다는 것을 규명하였다.

상기 발명은 유닛쿨러를 구성하는 송풍기의 모터에 작용하는 전류 변화와 착상 두께와의 관계에 의해 최적 제상 시기를 획득하여 자동 제상할 수 있는 장점이 있고, 모터에서 계측되는 전류는 제상열에 의해 거의 영향을 받지 않고 송풍기의 부하에 의해 일정한 비율로 증감하기 때문에 계측 오류가 거의 없어 기존 압력이나 온도 계측에 의한 제어방법보다 정확성을 향상할 수 있는 장점이 있었다.

그러나, 상기한 제상제어방법을 중소형 저온 저장고에 적용하여 제상종료 시점을 판단함에 있어서 문제점이 있었다. 즉, 제상종료시점은 착상이 발생하지 않은 상태에서의 계측된 전류값과 제상 후의 전류값을 비교하여 허용범위내에서 일치하면 제상이 완료된 것으로 보고 제상운전을 종료하게 되는데 전류값을 비교하기 위해서는 제상을 멈춘 후 송풍기를 가동하여 초기 기동 후 전류값이 안정화된 상태에서 전류값을 계측하여 한다. 이 과정에서 냉동지체시간이 발생하고, 또한 고열에 의해 녹은 제상수가 응축기에 그대로 묻어 있는 상태로 송풍팬을 가동하면 쇼트의 원인이되기 때문에 대략 5분 내외의 지연시간을 두고 시험가동하며, 검측결과 제상이 완료되지 않은 경우 다시 제상운전을 하여야 하고, 경우에 따라 시험가동이 반복됨으로써 냉각운전 정지 시간이 길어지고 그 만큼 저장물이 높은 온도에 노출되는 시간이 길어지는 문제점이 있었다.

KR 특허등록 10-0332481 KR 특허등록 10-0747068 JP 특허공개 53015661 KR 실용공개 20-2010-0003537 KR 특허등록 10-0958538 KR 특허등록 10-0545789

고학균외, Neuro-Fuzzy 제어시스템을 이용한 중형 저온저장고의 최적설계에 관한 연구,2003년8월 농림부

본 발명은 중소형 저온저장고에 적용하는 기술로서 자동 제상 알고리즘과 제상폐열을 효과적으로 관리하는 제어 방법을 제시하여 중소형 저온저장고의 냉각 소요시간을 단축하고, 특히 제상 관련 룸내부 온도 불균일성과 불안정성을 해소하며, 전력 소모를 감소시킬 수 있는 중소형 저온저장고 운전 제어방법을 제시할 목적을 갖는다.

본 발명은, 마이크로프로세서를 포함한 제어장치에 의해 냉동싸이클을 제어하여 강제송풍구조의 증발기를 통하여 냉기를 제공함으로서 룸내부를 설정된 저온저장온도로 유지하도록 구성된 중 소형 저온저장고의 운전 제어방법에 있어서, 룸내부온도/냉동편차, 초기전류/제상전류차, 송풍지연시간,전류검측시간, 제상/ 재제상시간, 냉동운전지연시간을 포함하여 저온저장고의 제어에 필요한 설정값을 입력하는 설정입력단계와; 설정된 룸내부온도 값에 따라 냉동운전을 수행하는 단계와; 냉동운전을 수행하는 단계에서 송풍기 전류값을 검측하여 실시간으로 인식하는 단계와; 냉동운전을 수행하는 단계에서 실시간으로 인식한 송풍기 전류값과 송풍기 초기전류와의 차이 값인 전류차를 계산하고, 전류차>설정값(제상시작송풍기전류차)이면 제상명령을 수행하고, 전류차>설정값이 아니면 냉동운전을 계속 수행하는 단계와; 제상명령에 의해 압축기 및 송풍기를 순차적으로 정지하고 제상운전을 수행하되, 증발기에 설치된 제상히터와 제상폐열을 포집하여 저온저장고 룸 외부로 배출하도록 구성된 폐열배출장치를 설정된 시간동안 가동하여 제상을 하면서 발생한 제상페열은 룸 외부로 배출하는 단계와; 제상운전을 수행하는 단계에서 설정된 제상시간이 경과하여 제상히터 및 폐열배출장치가 정지한 상태에서 설정된 지연시간 경과 후에 설정된 시간동안 송풍기를 가동하여 송풍기 전류값을 검측하는 송풍기전류검출가동단계와; 제상운전을 수행하는 단계에서 송풍기 검출전류값과 송풍기초기전류값을 비교하여 검출전류값≥송풍기초기전류값이면 설정시간동안 제상히터 및 폐열배출장치를 가동한 후 제상을 종료하고, 검출전류값≥송풍기초기전류값이 아니면 제상을 종료하는 단계와; 제상종료 후 냉동지연시간이 경과하면 냉동운전을 수행하는 단계;를 포함하는 알고리즘에 의하여 저온저장고의 운전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의해 제시된 중 소형 저온저장고 운전 제어방법은, 냉동운전단계에서 착상이 이루어지기 전에 획득한 송풍기 전류값으로 설정입력된 송풍기초기전류값을 갱신하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기한 제상시작송풍기전류차 설정값은 완전 착상시 송풍기 최대전류에서 송풍기초기전류를 뺀 최대전류차의 65%~75%인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 저온저장고 룸 내부에 설치되는 증발기의 착상되기 이전 정상 냉동운전상태에서 최초 검출되는 송풍기운전전류가 냉동 운전의 진행에 의해 발생하는 서리의 착상이 진행되어 감에 따라 증가하고, 착상에 따른 송풍기 운전전류는 서리의 성장에 의해 감소되는 증발기의 공기통로 크기에 비례하여 증가되며, 공기통로가 완전히 막히는 최대 착상상태에 이르러 운전 전류값이 최대가 되는 원리와; 착상률이 증가하여 일정한 시점에 이르면 서리층에 의한 증발기 전열작용 방해에 의하여 냉동성적계수가 급격히 저하되는 원리;를 이용하여 증발기 송풍기의 운전전류를 실시간으로 감시하여 최적 조건에서 냉동운전과 제상운전을 선택 제어함으로써 중 소형 저온저장고를 효율적으로 제어할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 제상시 발생하는 폐열을 저장고 룸외부로 배출하는 제어 방법에 의하여 저온저장고의 동적 냉동부하를 감소시키고, 제상시 룸 내부 온도 증가에 의한 저장물의 손실을 효과적으로 억제할 수 있으며, 제상시 생성된 제상증기를 폐열배출장치에 의해 룸외부로 배출하여 증발기로부터 분리함으로써 쇼트방지를 위한 송풍기 지연시간을 단축할 수 있는 효과를 제공함으로써 제상에 따른 냉동운전 정지 시간을 감소시킬 수 있다.

또한, 제상완료 여부를 송풍기 시험가동에 의해 검측함으로써 제상이 완료되지 않은 상태에서 냉동운전이 개시되어 효율이 감소되는 것을 방지할 수 있고, 검측에 의해 제상운전을 다시 수행하는 경우에도 설정된 시간 내에서 1회에 한하여 재 제상이 이루어지도록 제한함으로써 반복 재상에 의한 냉동장치 정지 시간을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 설정입력된 송풍기초기전류값을 착상이 이루어지기 전에 획득한 송풍기 전류값으로 갱신하는 단계가 포함됨으로써, 저장형태에 따른 송풍기 초기전류값을 합리적으로 반영할 수 있다. 즉, 송풍기초기전류값은 저장고 룸 내부의 기류에 따라 가변될 수 있기 때문에 표준적인 조건에서 냉동능력에 따라 획득한 송풍기초기전류값은 저장물을 다양한 형태로 적재하여 표준 조건과 기류형태가 다른 실사용 상태에서 검출되는 송풍기초기전류값과 차이가 있을 수 밖에 없으며, 이를 반영하지 않으면 제상 시점을 판단하는 초기전류값이 달라지기 때문에 오차가 발생한다. 따라서, 초기 정상 냉동운전 상태에서 검출한 송풍기 전류값으로 설정 초기전류갑을 갱신함으로써 저장물의 양, 적재 형태, 저장물의 내용에 맞는 제상 제어가 이루어질 수 있다.

이와 같은 효과에 의해 본 발명은, 불필요한 제상을 줄이고 제상페열의 외부배출을 통하여 동적 냉동부하를 감소시킴으로서 냉각소요시간을 단축할 수 있고, 제상 관련 룸내부 온도 불균일성과 불안정성을 해소할 수 있으며, 전력 소모를 감소시킬 수 있고, 저온저장고 운전제어에 대한 전문적인 지식과 관계 없이 자동제어에 의한 운전이 가능한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 중소형 저온저장고의 구조도
도 2는 본 발명이 적용된 재상폐열배출장치의 실시 예도
도 3는 본 발명에 의한 운전제어 알고리즘의 실시 예도
도 4은 본 발명에 의한 운전제어 알고리즘의 다른 실시 예도
도 5는 기존 시간주기 운전제어방법과 본 발명의 알고리즘 비교도

이하 첨부된 도면에 의한 실시 예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 중소형 저온저장고의 구조도를 도시한 것으로, 적용되는 중소형 저온저장고는 저장고(10)와, 냉동장치(20)와, 제상장치(30)와, 재상폐열배출장치(40)을 포함하여 마이크로프로세스를 포함한 제어장치에 의해 운전 제어 되는 구조로 이루어진다.

저장고(10)는 측면 벽체와 상하부 지붕 및 바닥을 단열성능이 우수한 패널을 사용하여 밀폐구조로 조립하여 구성되고, 내부 룸으로 출입하여 작업할 수 있도록 전면에 도어(11)가 설치되는 구조를 갖는다.

냉동장치(20)는 압축기(21), 응축기(22),팽창밸브(23), 증발기(24)를 포함하는 구조로 이루어져 냉매가스의 압축-응축-팽창-증발-압축에 의한 냉동싸이클을 구성하며, 증발기는 룸 내부에 설치된다.

증발기(24)는 핀 및 냉각튜브(241)이 케이싱(242)에 의해 보호되고 강제송풍에 의한 냉기 배출을 위하여 핀 및 냉각튜브(241)을 관통하는 공기통로 전방에 송풍기(243)가 설치되는 유닛쿨러 구조로 이루어지며, 송풍기 모터는 전류계 또는 유도전류계가 연결되어 실시간으로 전류값을 검측 제어장치내의 저장매체에 기록하여 진다.

제상장치(30)는 증발기의 핀 및 코일(241) 위치에 형성되는 제상히터(31)로 구성되며, 제어장치에 연결되어 냉동싸이클과 연동하며, 제어장치의 명령에 의해 제상운전을 수행하여 증발기에 형성된 서리를 녹여 제거하는 기능을 수행한다.

재상폐열배출장치(40)은 증발기와 함께 유닛쿨러 내부에 설치되고, 제어장치와 연결되어 냉동싸이클, 제상운전과 연동하며, 제어장치의 명령에 의해 제상운전시 제상과정에서 발생하는 고온의 증기와 열을 포집하여 룸외부로 배출하는 기능을 수행한다.

도 2는 대한민국 특허등록 10-0958538에 의해 기 제시한 재상폐열배출장치(40)를 예시한 것으로, 증발기 케이싱(242) 측면에 휀(42)의 작동에 따라 개방되는 포집후드(43)을 설치하여 포집후드에 의해 포집된 제상폐열은 증발기 하부 집수조를(44) 관통한 배출관(45)을 통하여 룸 외부로 배출되는 구조를 가지며, 제상시 함께 동작하여 고온의 제상폐열을 포집하여 외부로 배출하고, 동시에 집수조를 히팅시켜 해동하는 기능을 갖도록 구성된 것이다.

본 발명은 상기한 저온저장고에 적용되는 것이며, 도 3은 본 발명에 의한 제어방법을 표현한 것이다.

도시된 바에 따라, 본 발명은, 마이크로프로세서를 포함한 제어장치에 의해 냉동싸이클을 제어하여 강제송풍구조의 증발기를 통하여 냉기를 제공함으로서 룸내부를 설정된 저온저장온도로 유지하도록 구성된 중 소형 저온저장고의 운전 제어방법에 있어서, 설정온도/냉동편차,초기전류/제상전류차, 송풍지연시간, 전류검측시간, 제상/ 재 제상시간, 냉동운전지연시간을 포함하여 저온저장고의 제어에 필요한 설정값을 입력하는 설정입력단계(100)와; 설정된 룸내부온도 값에 따라 냉동운전을 수행하는 단계(200)와; 냉동운전을 수행하는 단계에서 송풍기 전류값을 검측하여 실시간으로 인식하는 단계(300)와; 냉동운전을 수행하는 단계에서 실시간으로 인식한 송풍기 전류값과 송풍기 초기전류와의 차이 값인 전류차를 계산하고, 전류차>설정값(제상시작송풍기전류차)이면 제상명령을 수행하고, 전류차>설정값이 아니면 냉동운전을 계속 수행하는 단계(400)와; 제상명령에 의해 압축기 및 송풍기를 순차적으로 정지하고 제상운전을 수행하되, 증발기에 설치된 제상히터와 제상폐열을 포집하여 저온저장고 룸 외부로 배출하도록 구성된 폐열배출장치를 설정된 시간동안 가동하여 제상을 하면서 발생한 제상페열은 룸 외부로 배출하는 단계(500)와; 제상운전을 수행하는 단계에서 설정된 제상시간이 경과하여 제상히터 및 폐열배출장치가 정지한 상태에서 설정된 지연시간 경과 후에 설정된 시간동안 송풍기를 가동하여 송풍기 전류값을 검측하는 송풍기전류검출가동단계(600)와; 제상운전을 수행하는 단계에서 송풍기 검출전류값과 송풍기초기전류값을 비교하여 검출전류값≥송풍기초기전류값이면 설정시간동안 제상히터 및 폐열배출장치를 가동한 후 제상을 종료하고, 검출전류값≥송풍기초기전류값이 아니면 제상을 종료하는 단계(700)와; 제상종료 후 냉동지연시간이 경과하면 냉동운전을 수행하는 단계(800);를 포함하는 알고리즘에 의하여 저온저장고의 운전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

100 단계는, 룸내부온도, 냉동편차, 송풍기 초기전류, 제상전류차(제상시작송풍기전류차), 송풍지연시간,전류검측시간, 제상/ 재 제상시간, 냉동운전지연시간을 포함하여 저온저장고의 제어에 필요한 설정값을 입력하는 설정입력단계이다.

룸내부온도는 저장물에 따라 적합한 저장온도를 설정하여 룸 내부온도를 설정하기 위해서 입력하며, 초기값은 0℃로 설정한다.

상기 룸내부온도는 냉동편차 설정에 의해 제어 정밀도를 조절할 수 있으며, 초기값은 일정한 범위, 예를들어 0.5℃ ~2℃ 범위에서 임으로 부여할 수 있고, 온도 정밀도를 고려하여 설정값은 0.2℃~9.9 ℃ 범위에서 저장물에 따라 적합한 편차를 선택할 수 있다.

상기 룸내부온도와 냉방편차의 설정입력에 의하여 냉동운전은 "설정온도+냉동편차<현재온도" 조건에 따라 냉동 싸이클의 ON/OFF 를 반복하면서 룸 내의 온도를 설정된 범위로 일정하게 유지할 수 있게 된다.

송풍기 초기전류는 냉동 능력에 따라 사전에 부여된 조건 하에서 증발기의 송풍기모터에서 계측된 값이며, 착상되기 전의 정상 냉동운전시에 송풍기 전류값으로 정의 된다.

상기한 송풍기 초기전류는 냉동 능력 및 적용 저온저장고에 따라 차이가 있으며, 규격별로 시험에 의해 취득한 데이터를 초기값으로 하여 부여할 수 있다. 또한, 송풍기 초기전류는 송풍부하에 의해 변하고, 실제 저온저장고에 적용하는 경우에는 저장물의 저장 형태에 따라 룸 내부 기류도 다양한 형태로 변하기 때문에 사전 적용 송풍기 초기전류는 실제 저온저장고에 적용시 차이가 있을 수 있다.

후술하는 바와 같이, 송풍기 초기전류는 알고리즘에 의해 제상시점을 판단하는 기준값이기 때문에 정확한 제어를 위하여 초기값으로 부여한 경우에도 실제 적용 저온저장고에서 착상되기 전의 정상 냉동운전시 취득한 값으로 갱신하도록 프로그램하는 것이 바람직하다. 다만, 실제 취득한 값으로 갱신하는 경우에도 사전 시험에 의해 취득한 전류값의 일정한 범위내에서 제한하는 것이 안전하며, 시험에 의해 획득한 최소전류값과 완전착상시 획득한 최대 전류값의 전류편차 대비 ±10% 범위 내에서 제한되도록 설정할 수 있다. 예를들어, 표 1에서 초기값과 최대값의 편차가 0.9A인 경우 초기전류 3.01~3.19A 범위 내에서 송풍기 초기전류의 값이 갱신하도록 제한 할 수 있는 것이다.

제상전류차는 제상시작송풍기전류차이며, 적용 규격의 송풍기 초기 전류값에서 일정 이상 전류값이 증가하면 제상 시점으로 보고 제상운전을 수행하도록 운전 제어 알고리즘을 구성하였기 때문에 상기 값은 제상시점 전류값과 초기전류값의 차이며, 규격별 사전 시험에 의해 획득한 데이터 값이다.

표 1은 L 4000mm, W 2500mm, H2400mm, Unit Cooler 3HP(팬용량 0.1Kw), 6mm Fin Fitch, Condensing Unit 3HP 저온저장고를 대상으로 제상을 하지 않고 서리두께와 송풍기전류값을 비교한 것이며, 표 2는 해당 송풍기전류값에 대한 착상 정도를 촬영한 사진을 표시한 것이다.

표 1 및 표 2에 보인바와 같이, 해당 규격의 저온저장고는 서리가 없는 초기 냉동운전시 송풍기에서 계측되는 전류값은 3.1A 이고, 완전 착상이 된 상태에서는 4.3A의 전류치를 나타냄을 알 수 있다.

표에서 완전 착상 상태에서 송풍기의 부하가 최대가 되고, 전류값은 최대가 됨을 알수 있고, 이 상태에서 냉동운전을 계속 수행하면 얼음압력에 의해 증발기의 핀이나 튜브가 파손되고, 냉매는 튜브내부에서 증발이 이루어지지 않기 때문에 액 상태로 압축기에 인가되어 심각한 손상을 일으키며, 전열성능이 감소되어 냉동성적계수(COP)가 급격히 하락하며, 전력 효율이 떨어지게 되는 것이다.

반복적인 실험에 의하며, 완전착상시 송풍기 전류값에서 송풍기의 초기전류값의 차를 최대전류차(이하 최대전류차라고 표시함)라 할때, 검출된 송풍기 전류값이 최대전류차의 65~75%일 때 제상운전을 수행함으로써 저온저장고의 효율적인 운전제어가 가능하며, 65% 이하에서 제상을 수행하면 냉동성적은 향상되나 잦은 제상에 따른 저장품질은 저하되고, 75%이상에서는 저장품질은 향상되나 냉동성적은 저하되는 특성이 있으며, 최대전류차의 70%인 시점에서 제상을 수행하는 것이 가장바람직한 결과를 제공하였다.

상기한 바에 따라 입력 설정값으로 제시한 제상전류차는 규격별 시험에 의해 획득할 수 있는 데이터이며, 최대전류차의 70%를 초기값으로 지정하거나 65~75% 범위에서 입력설정하도록 구성한다.

상기 표에 제시한 전류 특성을 적용하여 초기값 및 제상전류차값을 예시하면 다음과 같다.

. 초기값: 3.1A

. 제상전류차: (4.3A-3.1A)* 0.7=0.84A(입력값 또는 초기값으로 지정)

상기 예와 같이 설정하여 동일규격에 대하여 본 발명에 의한 제어방법을 적용하면 송풍기 검측 전류값이 3.94A에 이르지 않으면 냉동싸이클을 반복하고, 3.94A보다 커지는 순간 제상운전을 수행하게 된다.

설정입력에서 송풍지연시간은 전류검측을 위한 송풍기의 시험가동시 증발기 튜브 및 핀에 제상수가 남아있을 경우 송풍기모터의 쇼트를 일으킬 우려가 있기 때문에 어느 정도 건조될때까지 송풍기 가동을 지연하기 위한 것으로 1 ~ 2분 범위 내에서 설정할 수 있고, 1 분을 초기값으로 지정할 수 있다.

이는 기존 시간주기제상법을 적용하는 경우 통상 5분 정도를 지연시간으로 설정함으로써 냉동운전 정지 시간이 길어지는 문제점이 있었으나 본 발명은 제상과 동시에 제상폐열배출장치를 동작하도록 한 제어알고리즘을 적용함으로써 제상수를 고온의 수증기 상태로 룸 외부로 배출한다. 그에 따라 제상수 건조에 필요한 지연시간을 단축할 수 있게 된 것이다.

전류검측시간은 송풍기가 가동되어 안정화 될때 전류값을 검측하기 위한 것으로 30초에서 1분 범위내에서 설정하며, 초기값으로 30초를 지정할 수 있다.

제상시간은 제상을 수행하는 시간에 대한 설정입력값이며, 제상히터의 용량을 고려하여 20~40분 범위에서 설정하며 후술하는 바와 같이 실가동할 때 재 제상명령이 수행된 경우 제상시간을 증가하여 재설정함으로써 재 제상단계 없이도 제상을 완료할 수 있다. 초기값을 30분으로 설정할 수 있다.

재 제상시간은 자동제어에 의해 저온저장고를 가동할 때 불완전 제상시 제상운전이 반복되는 것을 방지하기 위한 것이며, 설정된 시간동안 1회의 재 제상운전만 수행하도록 5~10분 범위에서 설정하며, 초기값을 5분으로 지정할 수 있다.

냉동운전지연시간은 제상을 종료한 후 냉동운전을 수행할 때 송풍기-압축기 순으로 가동되는 특성상 제상수에 의한 송풍기 쇼트를 예방하기 위한 것으로 1~2분을 설정할 수 있으며, 초기값을 1분으로 지정할 수 있다.

상기한 설정사항 이외에 날짜, 비상경보 방법 등 다양한 사항을 설정하여 제어요소에 반영할 수 있으며, 냉동능력이나 규격별로 초기값을 미리 설정하여 줌으로써 별도의 설정 없이 운전명령만으로 간편하게 동작이 이루어지도록 하는 효과를 제공할 수 있다.

200단계는 설정된 룸내부온도 값에 따라 냉동운전을 수행하는 단계이며, 설정온도와 냉동편차에 냉동싸이클을 반복하는 단계이며, 제상명령에 의해 중단되지 않으면 on/off를 반복하여 룸내부 온도를 일정하게 유지하고, 정전등이 발생한 경우에도 지속적인 냉동운전을 수행할 수 있도록 구성된다.

300단계는 냉동운전을 수행하는 단계에서 송풍기 전류값을 검측하여 실시간으로 인식하여 마이크로프로세서에 제공하는 단계이다.

400단계는 냉동운전을 수행하는 단계에서 실시간으로 인식한 송풍기 전류값과 송풍기 초기전류와의 차이 값인 전류차를 계산하고, 전류차>설정값(제상시작송풍기전류차)이면 제상명령을 수행하고, 전류차>설정값이 아니면 냉동운전을 계속 수행하는 단계이다.

표 1의 예에서 설명한 바와 같이, 초기값과 실시간으로 검측한 현재 상태 송풍기전류값의 차를 마이크로프로세서에서 계산하고, 그 값의 차인 전류차와 입력설정에 의해 미리 입력한 제상전류차를 비교하여 전류차가 크면 제상 시점으로 판단하여 제상명령을 내리고, 크지 않으면 착상이 이루어지고 있으나 제상이 필요한 시점은 아니라고 판단하여 냉동운전을 계속 수행한다. 즉, 표 1의 예를 적용한 경우, 초기값 3.1A, 전류차 설정값 0.84A 임으로 송풍기 검측 전류값이 3.94A에 이르지 않으면 냉동싸이클을 반복하고, 3.94A보다 커지는 순간 제상운전을 수행하게 되는 것이다.

500은 제상명령에 의해 압축기 및 송풍기를 순차적으로 정지하고 제상운전을 수행하되, 증발기에 설치된 제상히터와 제상폐열을 포집하여 저온저장고 룸 외부로 배출하도록 구성된 폐열배출장치를 설정된 시간동안 가동하여 제상을 하면서 발생한 제상페열은 룸 외부로 배출하는 단계이다.

제상운전은 설정입력 단계에서 설정된 시간동안 수행되며, 핫가스제상법, 역싸이클운전 등을 적용할 수 있으나 중 소형 저온저장고의 유지 관리 편의를 고려하여 본 발명은 히터 제상법 만 적용하였으며, 제상명령에 의해 히터에 전원이 인가되고, 폐열배출장치에 전원이 인가되어 제상시 발생한 폐열 및 고온의 수증기를 룸외부로 방출하는 동작을 수행한다.

600은 제상운전을 수행하는 단계에서 설정된 제상시간이 경과하여 제상히터 및 폐열배출장치가 정지한 상태에서 설정된 지연시간 경과 후에 설정된 시간동안 송풍기를 가동하여 송풍기 전류를 검측하는 단계이다.

송풍기 가동은 입력 설정된 바에 따라 1~2분의 지체시간 경과 후 0.5~1분간 이루어지며, 검측된 전류값은 마이크로프로세서에 제공된다.

700은 제상운전을 수행하는 단계에서 송풍기 검출전류값과 송풍기초기전류값을 비교하여 검출전류값≥송풍기초기전류값이면 설정시간동안 제상히터 및 폐열배출장치를 가동한 후 제상을 종료하고, 검출전류값≥송풍기초기전류값이 아니면 제상을 종료하는 단계이다.

이 단계에서 검출전류값≥송풍기초기전류값 이면 설정된 시간 내에 제상이 완료되지 않은 상태로 추 후에 제상시간을 조정하는 것이 바람직하고, 전류계 또는 히터 가동에 오류인 경우 이상 경보를 발하여 점검할 수 있도록 프로그램 설정하는 것이 바람직하다.

재 제상은 냉방지연에 따른 저장품질의 악화를 가져옴으로 1회에 한하여 수행하며, 재 제상을 수행한 경우 사용자가 인식할 수 있는 형태로 표시하여 줌으로써 사용자에 의한 제상시간 조정 기회를 제공하도록 구성할 수 있다.

800은 제상종료 후 냉동지연시간이 경과하면 냉동운전을 수행하는 단계이며, 제상운전에서 냉동운전으로 전환된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예를 도시한 것으로, 냉동운전단계에서 착상이 이루어지기 전에 획득한 송풍기 전류값으로 설정입력된 송풍기초기전류값을 갱신하는 초기전류검출 및 갱신단계(900)가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

초기전류검출 및 갱신단계(900)가 추가됨으로써 저장형태에 따른 송풍기 초기전류값을 합리적으로 반영할 수 있다. 즉, 송풍기초기전류값은 저장고 룸 내부의 기류에 따라 가변될 수 있기 때문에 표준적인 조건에서 냉동능력에 따라 획득한 송풍기초기전류값은 저장물을 다양한 형태로 적재하여 표준 조건과 기류형태가 다른 실사용 상태에서 검출되는 송풍기초기전류값과 차이가 있을 수 밖에 없으며, 이를 반영하지 않으면 제상 시점을 판단하는 초기전류값이 달라지기 때문에 오차가 발생한다. 따라서, 초기 정상 냉동운전 상태에서 검출한 송풍기 전류값으로 설정 초기전류값을 갱신함으로써 저장물의 양, 적재 형태, 저장물의 내용에 부합되는 제상 제어가 이루어질 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 운전제어방법과 기존의 시간주기제상법을 비교한 것으로, 본 발명은 송풍기 전류값을 실시간으로 검측하고, 그 결과를 최적 제상시의 전류값과 비교하여 제상시점을 자동으로 제어하고, 제상여부를 확인하기 위한 송풍기 시험가동 단계 및 불완전 제상시에 설정시간동안 재 제상운전을 수행하는 과정 및 제상운전시 폐열배출장치가 함께 가동되도록 구성되는 차이가 있다.

본 발명은 이와 같은 제어방법의 차이가 갖는 효과를 비교하기 위하여 표1에 제시한 규격에 대하여 저장물을 공히 입고하여 부하 상태에서 시험한 결과 냉각소요시간, 냉각소요시간 동안 사용한 전력량, 제상히터 작동전후 온도 정밀도와 균일도에 대하여 표 3과 같은 결과를 얻었다.

표 3에 따르면, 유사한 조건에서 본 발명에 의한 제어방법을 적용할 경우 냉각소요시간은 4시간 40분이 단축되고, 사용전력은 51% 정도 절감할 수 있으며, 제상히터 작동시 온도 균일도 및 정밀도에서 우수한 성능을 발휘하는 것으로 확인되었다.

10: 저장고 11: 도어
20: 냉동장치 21: 압축기 22: 응축기
23: 팽창밸브 24: 증발기 241: 냉각튜브
242:핀 및 냉각튜브
30: 제상장치 31: 제상히터
40: 제상폐열배출장치 42:휀 43:포집후드
44: 집수조 45: 배출관

Claims (3)

1. 마이크로프로세서를 포함한 제어장치에 의해 냉동싸이클을 제어하여 강제송풍구조의 증발기를 통하여 냉기를 제공함으로서 룸내부를 설정된 저온저장온도로 유지하도록 구성된 중 소형 저온저장고의 운전 제어방법에 있어서, 룸내부온도/냉동편차, 초기전류/제상전류차, 송풍지연시간,전류검측시간, 제상/ 재제상시간, 냉동운전지연시간을 포함하여 저온저장고의 제어에 필요한 설정값을 입력하는 설정입력단계와; 설정된 룸내부온도 값에 따라 냉동운전을 수행하는 단계와; 냉동운전을 수행하는 단계에서 송풍기 전류값을 검측하여 실시간으로 인식하는 단계와; 냉동운전을 수행하는 단계에서 실시간으로 인식한 송풍기 전류값과 송풍기 초기전류와의 차이 값인 전류차를 계산하고, 전류차>설정값(제상시작송풍기전류차)이면 제상명령을 수행하고, 전류차>설정값이 아니면 냉동운전을 계속 수행하는 단계와; 제상명령에 의해 압축기 및 송풍기를 순차적으로 정지하고 제상운전을 수행하되, 증발기에 설치된 제상히터와 제상폐열을 포집하여 저온저장고 룸 외부로 배출하도록 구성된 폐열배출장치를 설정된 시간동안 가동하여 제상을 하면서 발생한 제상페열은 룸 외부로 배출하는 단계와; 제상운전을 수행하는 단계에서 설정된 제상시간이 경과하여 제상히터 및 폐열배출장치가 정지한 상태에서 설정된 지연시간 경과 후에 설정된 시간동안 송풍기를 가동하여 송풍기 전류값을 검측하는 송풍기전류검출가동단계와; 제상운전을 수행하는 단계에서 송풍기 검출전류값과 송풍기초기전류값을 비교하여 검출전류값≥송풍기초기전류값이면 설정시간동안 제상히터 및 폐열배출장치를 가동한 후 제상을 종료하고, 검출전류값≥송풍기초기전류값이 아니면 제상을 종료하는 단계와; 제상종료 후 냉동지연시간이 경과하면 냉동운전을 수행하는 단계;를 포함하는 알고리즘에 의하여 저온저장고의 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 중소형 저온저장고 운전 제어방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   냉동운전단계에서 착상이 이루어지기 전에 획득한 송풍기 전류값으로 설정입력된 송풍기초기전류값을 갱신하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 중소형 저온저장고 운전 제어방법.
   
3. 청구항 1또는 청구항 2에 있어서,
   제상전류차는 완전 착상시 송풍기 최대전류에서 송풍기초기전류를 뺀 최대전류차의 65%~75%인 것을 특징으로 하는 중소형 저온저장고 운전 제어방법.
   

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