KR101866334B1 - 온도 제어 시스템을 구비한 냉각기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 냉각기의 온도 제어 시스템은 응축기; 냉매팽창밸브; 압축기 및 증발기를 포함하는 냉각기의 온도 제어 시스템에 있어서, 상기 냉각기는 온도 조절부 및 파워 컨트롤부를 포함하는 온도 제어부; 및 상기 압축기의 출구와 증발기의 입구를 연결하는 토출가스 바이패스 밸브를 더 포함하며, 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브는 전자팽창밸브(Electronic Expansion Valve)이며, 상기 온도 조절부는 상기 압축기의 출구 온도 및 외부 온도를 측정하는 온도 측정부, 룩업테이블을 포함하는 개도량 제어부, 인공신경망 연산부 및 구동부를 포함하며, 상기 개도량 제어부는 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 제어하며, 상기 인공신경망 연산부는 상기 룩업테이블을 미리 정해진 업데이트 주기마다 업데이트하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

온도 제어 시스템을 구비한 냉각기{A Cooler having A Temperature Control System}
본 발명은 산업용 냉각기의 온도제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공작기계, 정밀가공기계 등 각종 산업의 생산 공정에 사용되는 산업기계의 가공부위에 발생하는 열 부하를 오일 또는 냉각수 등의 유체를 이용하여 냉각시키기 위해 사용되는 산업용 냉각기의 냉각 유체의 온도를 인공신경망을 이용하여 정밀하게 제어할 수 있는 산업용 냉각기의 온도제어 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 최첨단 산업기계의 제품생산 공정의 고속화, 자동화, 정밀화에 따라 모든 산업기계에서 절전기능, 생산성, 고품질과 더불어 친환경 장비에 이르기까지 다양한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 산업기계의 초고속화 및 초정밀화로 인해 구동장치계, 열교환장비, 금형, 제품냉각, 반도체 장비의 열을 냉각시키기 위한 칠러 등에 필수적으로 열변형방지를 위한 정밀한 냉각기가 요구되고 있다.
현대식 생산시스템에서는 과거와는 달리 높은 절연삭 속도와 이송속도가 가공장비 내에서 빈번히 발생되어 공작물과 가공위치에서 상당한 발열이 야기되며, 또한 고속이송에 따른 안내면에서의 마찰로 인해 발생되는 열이 구조물에 전달되어 구조물은 심하게 변형을 일으키게 된다.
이러한 공작기계의 고속화 기술로 인해 구동장치 계에 열을 발생시키고, 이렇게 발생한 열은 공작기계 구조물에 퍼지면서 불균일한 온도 분포를 생성시키고 공작기계 부품의 열변형을 초래하여 그 결과로 가공정밀도 및 기계 신뢰성에 큰 저해요인이 되고 있다.
이와 같은 공작기계 내에서의 불규칙한 발열을 억제하기 위한 방법으로 공작기계의 고속운동 부위인 주축과, 볼스크류 및 가이드 웨이(Guide way) 등에는 오일 냉각기나 수 냉각기와 같은 냉각기가 사용된다.
이 중에서도 오일 냉각기는 공작기계의 구동부의 유압작동유 나 절삭유를 일정한 온도로 유지시켜주는 것으로 열변형을 최소화하여 가공정밀도를 향상시키고 고속가공을 가능하게 하는 장점이 있다.
일반적으로 오일 냉각기를 이용한 공작기계의 냉각은 주축에서 발열량의 변화에 관계없이 오일탱크의 일정한 저온오일을 주축에 공급함으로써 주축의 온도를 어느 범위 내에서 유지하는 방법을 사용하고 있다.
그러나 이와 같은 냉각방법은 주축의 온도를 일정하게 유지하는데 한계가 있어 주축의 부하조건에 따라서 온도가 상승 또는 하강하여 구조물이 열변형이 발생하는 문제점이 있다.
공작기계의 주축은 운전조건에 따라 발열로 인해 온도가 급격하게 변화되기 때문에 이에 따른 냉각 유체의 온도를 최적상태로 조절하여 주축을 통과하는 냉각 유체가 발열상황에 따라 능동적으로 냉각될 수 있는 온도제어가 매우 중요한 요소라고 할 수 있다.
기존의 공작기계 냉각기에 적용되었던 제어방식은 원하는 온도를 얻기 위하여 압축기를 온-오프(on-off)시키는 온-오프 제어방식이 대부분이다. 하지만, 온-오프 제어방식은 시간에 따라 연속적으로 변하는 부하에 적절히 대응하지 못해 정밀한 온도제어가 불가능하고, 가동 및 정지를 반복함으로써 소비 전력의 증가와 압축기 수명을 단축시킬 수 있는 문제점이 있었다.
또한, 온-오프 제어방식은 오일의 온도특성으로 응답성이 늦고, 오버 슈트로 인해 안정화 시간이 오래 걸린다는 문제점도 있었다.
한편, 상기 산업용 냉각기가 설치된 설치 환경에 따라 냉각 유체의 온도는 영향 받을 수 있다. 특히, 팽창밸브 주변을 둘러싼 압력, 입구의 냉매 온도 등 다양한 환경에 영향을 받아 팽창밸브의 개도량을 동일하게 제어한다고 하여도, 원하는 온도값으로 제어되지 않을 수도 있다. 특히, 냉각 유체의 온도를 극히 정밀하게 유지해야 하는 냉각 장치들, 예컨대, 0.1도 정도의 냉각 유체의 온도의 오차만을 허용할 수 있는 정밀 공작기계나 반도체의 칠러(Chiller) 등에서는 환경변화에 따라 정밀한 제어가 불가능할 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 압축기의 가동 및 정지 시 발생되는 기동 토오크에 의한 소비전력 증가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 외부 열부하 변동에 시시각각으로 대응함으로써 정밀 온도 제어가 가능한 산업용 냉각기의 온도제어 시스템을 제공함에 있다.
또한, 인공신경망(Artificial Neural Network) 연산을 활용하여 주변의 환경 변화에 따른 제어량의 변화를 계속하여 학습 및 업데이트 할 수 있는 산업용 냉각기의 온도제어 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 냉각 유체의 온도를 제어하기 위해 토출가스 바이패스 방식을 이용하여 압축기로부터 배출되는 냉각 유체의 온도 편차를 감소시키고 설정온도에 대한 응답성을 단축시킬 수 있는 산업용 냉각기의 온도제어 시스템을 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 냉각기의 온도 제어 시스템은 응축기; 냉매팽창밸브; 압축기 및 증발기를 포함하는 냉각기의 온도 제어 시스템에 있어서, 상기 냉각기는 온도조절부 및 파워 컨트롤부를 포함하는 온도 제어부; 및 상기 압축기의 출구와 증발기의 입구를 연결하는 토출가스 바이패스 밸브를 더 포함하며, 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브는 전자팽창밸브(Electronic Expansion Valve)이며, 상기 온도조절부는 상기 압축기의 출구 온도 및 외부 온도를 측정하는 온도 측정부, 룩업테이블을 포함하는 개도량 제어부, 인공신경망 연산부 및 구동부를 포함하며, 상기 개도량 제어부는 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 제어하며, 상기 인공신경망 연산부는 상기 룩업테이블을 미리 정해진 업데이트 주기마다 업데이트하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 인공신경망 연산부는 압축기 출구 온도, 외부 온도, 냉매팽창밸브 개도량 및 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 입력층 뉴런으로서 포함하는 입력층; 압축기 출구 온도를 출력층 뉴런으로서 포함하는 출력층; 및 복수의 은닉층 뉴런을 포함하는 은닉층;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 인공신경망 연산부는 오류역전파 알고리즘(Back-propagation algorithm)에 의하여 연산을 수행할 수 있다.
또한, 상기 인공신경망 연산부는 오류역전파 알고리즘(Back-propagation algorithm)에 의하여 상기 입력층 뉴런, 상기 출력층 뉴런 및 상기 은닉층 뉴런들 사이 각각의 가중치를 업데이트한 후, 상기 가중치에 기초하여 냉매팽창밸브 개도량 및 토출가스 바이패스 밸브의 개도량 변화에 따른 상기 압축기 출력 온도를 연산하여 상기 룩업테이블의 적어도 일부를 업데이트 할 수 있다.
또한, 상기 입력층은 2차 유체의 수온 및 상기 냉각기의 진동을 입력층 뉴런으로서 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 개도량 제어부는 미리 정해진 제어 주기 마다 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 미리 정해진 제어 주기는 상기 미리 정해진 업데이트 주기와 다를 수 있다.
또한, 상기 개도량 제어부는 통신부 및 PLC(Programable logic controller)를 포함하며, 상기 PLC는 상기 압축기 출구 온도 및 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 도출하고, 상기 도출된 개도량에 따라 상기 구동부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 전자팽창밸브는 스테핑 모터를 포함하며, 상기 스테핑 모터의 스텝수에 따라 상기 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 룩업테이블은 상기 스테핑 모터의 스텝수 및 상기 압축기 출구 예상 온도를 포함하며, 상기 PLC는 측정된 압축기 출구 온도와 상기 압축기 출구 예상 온도를 비교하여 상기 스테핑 모터의 스텝수를 도출할 수 있다.
본 발명에 따르면 냉각기를 구성하는 압축기의 출구와 증발기의 입구 사이에는 토출가스 바이패스 밸브를 설치함으로써 압축기로부터 배출되는 냉각 유체의 출구온도 편차를 감소시키고 설정온도에 대한 응답성을 단축시킬 수 있는 뛰어난 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따르면 증발기의 부하에 관계없이 압축기를 연속적으로 운전할 수 있도록 하여 압축기의 가동 및 정지시 발생되는 기동 토오크에 의한 소비전력 증가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 외부 열부하 변동에 시시각각으로 대응함으로써 정밀 온도 제어가 가능한 효과를 추가로 갖는다.
또한, 본 발명은 인공신경망(Artificial Neural Network) 연산을 활용하여 주변의 환경 변화에 따른 제어량의 변화를 계속하여 학습 및 업데이트 할 수 있는 뛰어난 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 시스템에 사용되는 냉각기의 구성요소를 개념적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 시스템을 개념적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명 중 온도조절부를 세부적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 본 발명 중 냉매팽창밸브와 토출가스 바이패스 밸브의 일실시예인 전자팽창밸브의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 동작을 설명한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 룩업테이블을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인공신경망의 연산을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 메인 데이터 센터를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 온도조절부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 사용자 단말의 수동 조작 및 냉각기 상태 보고 화면을 나타낸 도면이다.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하에는 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 시스템에 사용되는 냉각기의 구성요소를 개념적으로 나타낸 개념도이다. 도 2는 본 발명에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 시스템을 개념적으로 나타낸 개념도이다.
본 발명은 공작기계, 정밀가공기계 등과 같이 각종 산업의 생산 공정에 사용되는 산업기계의 가공부위에 발생하는 열 부하를 냉각 유체를 이용하여 냉각시키기 위해 사용되는 산업용 냉각기(100)의 냉각 유체 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 산업용 냉각기의 온도제어 시스템에 관한 것으로, 그 구성은 크게 냉각기(100)와 냉각기(100)의 내측에 설치되는 토출가스 바이패스 밸브(hot-gas bypass valve)(200) 및 온도제어부(300)를 포함하여 구성된다.
보다 상세히 설명하면, 먼저 상기 냉각기(100)는 공작기계, 정밀가공기계, 반도체 장비 등과 같이 각종 산업의 생산 공정에 사용되는 산업기계의 가공부위에 발생하는 열 부하를 오일 또는 냉각수 등의 냉각 유체를 이용하여 냉각시키기 위해 사용되는 것으로, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 응축기(110), 수액기(120), 냉매팽창밸브(130), 증발기(140) 및 압축기(150)를 포함하여 구성된다.
상기 구성들을 통해 냉매를 순환시킴으로써 산업기계의 가공부위에 발생되는 열 부하를 냉각시킬 수 있게 되는데, 상기 구성들 중 냉매팽창밸브(130)을 제외한 구성은 현재 일반적으로 사용되고 있는 냉각기(100)의 구성요소들과 동일하므로 각각의 세부적인 구성 및 작용효과 등에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하겠다.
냉매팽창밸브(130)는 예컨대, 총 500 스텝을 가지는 스테핑 모터를 구비하는 전자팽창밸브(EEV; Electronic Expansion Valve)일 수 있다. 이 때, 예컨대, 0~48 스텝은 닫힌 상태이고, 49~448 스탭은 0~100%로 선형적으로 열린 상태를 나타낼 수 있다. 냉매팽창밸브(130)는 액체 상태의 냉매를 팽창시켜서, 저온 저압의 액체와 기체의 혼합 상태로 만들 수 있으며, 상기 스텝모터의 스텝을 변경하여 상기 냉매팽창밸브(130)의 개도량을 조절하여 상기 냉매의 팽창 정도를 조절할 수 있다.
다음, 상기 토출가스 바이패스 밸브(200)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 압축기(150)의 출구와 증발기 (140)의 입구 사이에 연결 설치되어 압축기(150)에서 압축된 고온-고압의 냉매(토출가스)를 증발기(140)의 입구로 바이패스 시킴으로써 저온-저압의 냉매와 혼합시키는 역할을 하는 것이다.
즉, 상기와 같이 토출가스 바이패스 밸브(200)에 의해 고온-고압의 냉매를 바이패스시킴으로써 증발기(140)의 온도는 상승하게 되고, 냉각능력은 감소하게 되므로 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량을 제어하여 증발기(140)의 냉각능력을 조절함으로써 냉각기(100)의 온-오프작업 없이도 냉각오일의 온도를 제어할 수 있게 된다.
이때, 상기 토출가스 바이패스 밸브(200) 또한 스테핑 모터에 의해 구동되는 전자팽창밸브(EEV)를 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 전자팽창밸브가 스테핑 모터에 의해 구동되므로 제어가 용이하고, 수동 및 자동으로의 전환이 용이할 뿐만 아니라 정밀한 구동이 가능하여 신뢰성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)는 도 4에 나타낸 바와 같이 구성되는데, 그 구성에 대해 간략히 설명하면 스테핑 모터의 구동에 의해 고정자(202)가 회전자(204)를 시계 방향이나 반시계 방향으로 회전시키면 마찰이 작은 나사산을 갖는 니들(206)이 상, 하로 이동하면서 전자팽창밸브의 개도량을 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 상기 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)가 설치된 냉각기(100)에는 냉각 유체의 온도를 제어할 수 있도록 하는 온도제어부(300)가 연결 설치되는데, 상기 온도제어부(300)는 크게 파워컨트롤부(310)와 온도조절부(320)를 포함하여 구성된다.
보다 상세히 설명하면, 상기 파워컨트롤부(310)는 외부로부터 전원을 공급받아 냉각기(100) 및 온도제어부(300)의 각 구성요소에 전원을 공급해주는 역할을 하는 것으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 냉각기(100)의 응축기(110)에 구비되는 팬(112)과, 토출가스 바이패스 밸브(200), 압축기(150) 및 냉각 유체를 순환시키기 위한 순환 펌프(미도시)에 전원을 공급하게 되고, 후술할 온도조절부(320)에도 전원을 공급하게 된다.
이때, 상기 파워컨트롤부(310)는 응축기(110)에 구비되는 팬(112)의 회전속도를 제어할 수 있도록 구성할 수도 있는데, 이는 응축기(110)의 입/출구에 각각 압력센서(미도시)를 설치하고, 상기 압력센서에서 측정되는 압력 중 고압측 압력을 감지하여 팬(112)의 회전속도 즉, 회전수를 제어하게 되는 것이다.
따라서, 상기와 같은 팬(112)의 회전속도 제어에 의해 응축압력을 안정화시키고 냉매팽창밸브(130) 입구에서 냉매의 과냉각도를 유지시킬 수 있어 냉각시스템을 안정화시킬 뿐만 아니라, 보다 정밀한 온도제어가 가능하게 된다.
다음, 상기 온도조절부(320)는 후술할 온도측정부(327)에 의해 측정되는 냉각 유체의 온도를 감지하여 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량을 조절하는 역할을 하는 것으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 인공신경망(Artificial Neural Network) 연산부, 개도량 제어부(326), 온도 측정부 및 구동부(328)를 포함할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 구동부(328)는 파워컨트롤부(310)로부터 전원을 공급받아 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 스테핑 모터를 구동시키는 역할을 하는 것으로, 피엘씨(326)의 제어에 의해 정방향 또는 역방향으로 0~500스텝까지 구동이 가능하여 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량을 정밀하게 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
다음, 상기 온도측정부(327)는 압축기(150) 출구로 토출되는 냉매(토출가스)의 온도 및 외부 온도를 센서를 통하여 측정함으로써 실제 냉매의 온도를 제어하고자 하는 설정온도와 비교할 수 있도록 하는 역할을 한다.
한편 개도량 제어부(326)는 통신부(326a) 및 PLC(Programable Logic Controller, 326b)를 포함할 수 있다. 통신부(326a)는 온도측정부(327)에서 측정한 압축기(150) 출구 온도 및 외부 온도를 인공신경망 연산부(324)로 송신하여 PLC(326b)를 통한 제어시 참조하는 룩업테이블을 업데이트할 수 있다. 또는 인공신경망 연산부(324)에서 연산된 개도량에 기초하여 스테핑 모터 제어 신호를 생성하여 개도량을 제어할 수도 있다. 상기 룩업테이블은 개도량 제어부(326) 내의 메모리에 포함될 수도 있다.
다음, 상기 PLC(326b)는 기존에 사용하던 제어반(Control panel) 내의 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 IC, 트랜지스터 등의 반도체 소자로 대체시켜 기본적인 시퀀스 제어 기능에 연산 기능을 추가하여 프로그램 제어가 가능하도록 한 범용 제어장치를 뜻하는 것으로, 인공신경망 연산부(324)에서 연산된 룩업테이블에 기초하여 최적의 제어 개도량을 찾고, 스테핑 모터 구동부(를 제어하여 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량을 조절할 수 있다.
인공신경망 연산부(324)는 상기 개도량 제어부(326)와 연결된 별도 컴퓨터 일 수 있으며, 상기 개도량 제어부(326)의 연산 능력이 탁월하다면, 상기 개도량 제어부(326) 내에 포함할 수도 있다. 인공신경망 연산부(326)는 예컨대, 압축기 출구 온도, 외부 온도, 2차 유체(냉각수 등) 온도, 냉각기 진동 등 각종 센서 정보를 상기 개도량 제어부(326)으로부터 수신하고, 인공신경망 연산을 수행한다. 구그리고, 상기 룩업테이블을 일정한 주기마다 업데이트 할 수 있다. 인공신경망 연산부(324)의 구체 동작 및 인공신경망 연산에 대해서는 후술하도록 한다.
한편, 본 발명의 냉각 장치는 온도 측정부(327) 외에도 기타 다양한 센서들을 활용하여 주변 환경에 대한 정보 수집이 가능하다. 예를 들어, 냉각기의 진동 등, 팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 제어에 영향을 미칠 수 있는 요소들은 모두 센싱할 수 있다.
다음, 상기 파워서플라이(328)는 외부 또는 파워컨트롤부(310)로부터 들어오는 220V의 교류 전류를 피엘씨(326) 및 구동부(328)에서 안정적으로 사용할 수 있도록 24V의 직류로 변환하여 공급하는 역할을 하는 것이다.
이하에서는 도 5를 참조하여 상기와 같이 구성된 온도조절부(320)의 작동과정을 상세히 설명한다. .
먼저, 상기 온도측정부(327)는 압축기(150) 출구의 온도를 측정하여 온도값을 PLC(326b)로 전송한다.(S510)
상기 PLC(326b)는 현재 온도와 룩업테이블 내의 온도를 비교하여(S5200 예컨대, 제한 범위 내에서 현재 온도와 가장 가까운 온도를 가지는 온도에 해당하는 개도량을 선택하고, 선택된 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량으로 구동부를 제어할 수 있다(S520). 또는, 상기 제한 범위 내의 온도를 나타내고 있는 값들 중, 개도량의 변화가 가장 작은 값을 선택할 수도 있다.
예컨대, 도 6을 참조하면, 현재 압축기(150) 출구 온도가 섭씨 25.13도이고, 압축기(150) 출구 온도의 제한범위가 25.10~24.90라고 가정하면, 상기 PLC(326b)는 도 8의 룩업테이블의 자료 중, 24.96에 해당하는 냉매팽창밸브(130) 개도량 232 스텝, 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량 326 스텝을 선택하고, 스테핑 모터를 상기 산출된 개도량에 기초하여 구동할 수 있다(S530). 또는 현재 토출가스 바이패스 밸브(200) 및 냉매팽창밸브(130)의 개도량이 각각 324, 231라고 하면, 제한 범위 내의 예측 온도 내에 있으면서 전체 개도량의 변화가 가장 작은 24.92에 해당하는 냉매팽창밸브(130) 개도량 232 스텝, 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량 324 스텝을 선택할 수도 있다.
개도량이 한꺼번에 크게 변할 경우, 전체 시스템에 악영향을 미칠 수 있으므로, 바람직하게는 현재 개도량을 기준으로 미리 정해진 스텝 변화량 이하만큼, 예컨대, 현재의 개도량에서 5스텝 이하의 스텝 변화량을 가질수록 스테핑 모터를 조정할 수 있다.
상기 PLC(326b)는 구동부(328)에 상기 개도량에 해당하는 제어 신호를 송신할 수 있다. 이 경우, 구동부(328)에 인가되는 제어 신호는 상기 개도량의 변화에 해당하는 펄스값일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 상기 토출가스 바이패스 밸브(200) 및 냉매팽창밸브(130)을 동시에 구동할 수 있다.
예컨대, 구동부(328)는 1펄스당 1스텝으로 스테핑 모터를 구동시킬 수 있다.
한편, 상기 온도제어부(300)는 디스플레이 및 조작부(330)를 더 포함하여 구성될 수도 있는데, 상기 디스플레이 및 조작부(330)는 냉각 유체의 현재온도와 설정온도를 표시하는 역할을 함과 동시에, 설정버튼(332)을 통해 냉매팽창밸브(130) 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량을 수동 또는 자동으로 조절할 수 있도록 하는 역할을 하게 된다.
다음 온도측정부(327)는 압축기(150) 출구의 온도를 다시 측정하여 실제 변화된 온도값을 통신부(326a)를 통해 인공신경망 연산부(324)로 전송한다.(S540)
이 경우, 인공신경망 연산부(324)는 실제 측정된 압축기(150) 출구의 온도 데이터에 기초하여 룩업테이블의 적어도 일부에서 개도량에 따른 예측 온도를 업데이트 할 수 있다.
이러한 인공신경망 연산부(324)를 통한 연산 동작 및 룩업테이블의 업데이트 동작을 통하여, 냉각기 주변 환경 변화에 대응하여 전자팽창밸브를 활용하여 정확한 온도 제어가 가능하다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여 인공신경망 연산부(324)의 룩업테이블 업데이트 동작에 대하여 상세 기술한다.
인공신경망 연산부(324)는 개도량 제어부(326)로부터 압축기(150) 출구 온도, 각종 센서부의 센싱 정보, 예컨대, 외부 온도, 압축기 출구 유압, 증발기 출구 온도, 팬(112) 회전 속도 등 다양한 센서 정보들 중 적어도 하나 이상의 센서 정보를 신경망(Neural Network)의 입력층의 입력으로서 구비한다. 도 7를 참조하면, 예컨대, 압축기(150) 출구 온도 및 외부 온도의 센서 정보, 냉매팽창밸브(130)의 개도량, 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 입력으로서 구비한다.
본 실시예에서는 은닉층이 2개의 층으로 구성되고, 각각 5개의 뉴런을 포함하고 있는 것으로 설명하고 있으나, 은닉층의 개수와 뉴런의 수는 당업자가 자유롭게 구성할 수 있다. 여기서, 각각의 입력층, 은닉층 및 출력층의 구성요소는 뉴런이라고 한다.
한편, 신경망의 출력의 출력은 제어 대상인 압축기의 출구 온도로 구성하였다.
단, 당업자는 입력층의 입력 종류, 은닉층 및 출력층의 출력 종류를 다양한 방법으로 다양하게 구성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 인공신경망 연산부(324)는 오류역전파 알고리즘(Back-propagation Algorithm)을 사용하여 압축기의 출구 온도를 예측할 수 있다.
이하에서는 도 8를 참조하여 예시적인 오류역전파 알고리즘의 연산 방법을 설명한다.
1) 출력의 에러를 연산한다.
Figure 112017009009011-pat00001
여기서, δα는 예상 출력값(Targetα)과 실제 출력값(Outα) 사이의 에러이다. 예를 들어 예상 출력값은 기존 룩업 테이블 상의 압축기 출구 온도이며, 실제 출력값은 센서를 통하여 측정된 압축기 출구 온도이다.
2) 출력층의 가중치를 변경한다.
Figure 112017009009011-pat00002
여기서, W+ Aα, W+ Bα 및 W+ Cα는 새로운 가중치이고, WAα, WBα, WCα는 기존 가중치이다. 그리고, OUTA, OUTB, 및 OUTC는 은닉층 뉴런의 각각의 값들이다. η은 학습률이라고 하며, 일반적으로는 1을 사용한다. 이러한 가중치 값들은 최초에 임의로 설정할 수 있으며, 학습에 의하여 정확한 값으로 수렴한다.
3) 다음으로 은닉층의 에러를 연산한다.
Figure 112017009009011-pat00003
여기서, δA, δB, δC 는 기존 은닉층 뉴런 A,B,C의 값과 출력값의 변화에 따른 은닉층 A,B,C 값 사이의 에러이다.
4) 마지막으로 은닉층의 가중치를 수정한다.
Figure 112017009009011-pat00004
여기서, W+ λA, W+ λB, W+ λC, W+ ΩA, W+ ΩB 및 W+ ΩC는 새로운 가중치이고, WλA, WλB, WλC, WΩA, WΩB 및 WΩC는 기존 가중치이다. 그리고, inλ, inΩ는 입력치이다.
인공신경망 연산부(324)는 위와 같은 방식으로 입력층, 은닉층 및 출력층의 각각의 뉴런들 사이의 가중치들을 모두 업데이트 한 후, 업데이트된 가중치에 기초하여 냉매팽창밸브(130)의 개도량 및 토출가스 바이패스 밸브(200)의 개도량, 센서 정보에 따라 압축기(150) 출구 온도를 예측하여 룩업테이블을 업데이트 할 수 있다.
룩업테이블의 업데이트 주기와 제어 주기는 서로 다를 수 있으며, 예컨대, 제어 주기는 10초 이하, 룩업테이블의 업데이트 주기는 1시간 이하의 주기로 할 수 있다. 또한, 상기 룩업테이블은 개도량 제어부(326)의 별도 메모리에 저장될 수도 있고, 또는 인공신경망 연산부(324)가 포함된 컴퓨터에 구비될 수도 있다.
이하에서는 도 9 내지 도 11을 참조하여 메인 데이터 센터(920)에 산업용 냉각기의 상태 데이터 및 룩업테이블을 데이터 베이스(926)에 저장하고, 사용자 단말(1100)을 통하여 모니터링 및 수동 조작할 수 있는 것에 대하여 상세히 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉각기의 온도 제어 시스템은 메인 데이터 센터(920) 및 사용자 단말(1100)을 더 포함할 수 있다.
상술한 메인 데이터 센터(920) 및 사용자 단말(1100)는 네트워크(910)에 의하여 연결되어 있으며, 상기 네트워크(910)는 인터넷, 인트라넷 등의 기존 사용 가능한 유무선 연결 방식을 모두 포함할 수 있다.
메인 데이터 센터(920)는 웹 인터페이스(924) 및 데이터 베이스(926)을 포함한다. 메인 데이터 센터(920)의 웹 인터페이스(924)는 온도조절부(320)으로부터 룩업테이블 정보 및 각종 고장 정보(예컨대, 응축기 고장 정보, 증발기 고장 정보, 압축기 고장 정보 등)를 수신할 수 있다. 또한, 웹 인터페이스(924)는 화면 정보를 표시될 사용자 단말(1100)에 전송할 수 있다.
메인 데이터 센터(920)는 예컨대, 냉각기와 이격된 위치에 있는 서버일 수 있다.
또한, 데이터 베이스(926)는 네트워크(910)를 통하여 수신한 룩업테이블 정보 및 각종 고장 정보를 저장할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 온도조절부(320)는 외부 인터페이스(325)를 더 포함할 수 있다. 외부 인터페이스(325)는 상기 네트워크(910)과 연결되며, 인공신경망 연산부(324) 및 개도량 제어부(326)와 연결될 수 있다. 외부 인터페이스(325)는 네트워크(910)을 통하여 메인 데이터 센터(920)에 각종 고장 정보 및 룩업테이블 정보를 송신할 수 있고, 메인 데이터 센터(920)로부터 냉각기 제어 신호를 전송받아 냉각기의 전자팽창밸브(냉매팽창밸브 및 토출가스 바이패스밸브)의 개도량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 냉각기 제어 신호를 통하여 룩업테이블을 업데이트 할 수 있다.
한편, 도 10에서 온도조절부(320)의 외부 인터페이스(325) 외 다른 구성요소들의 구성 및 동작들은 앞서 설명한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
사용자 단말(1100)은 네트워크(910)를 통하여 연결된 컴퓨터, 휴대폰, 태블릿 PC일 수 있다. 또한, 사용자 단말(1100)은 하드웨어 구성요소일 수 있으며, 상술한 컴퓨터, 휴대폰, 태블릿 PC에서 실행되는 어플리케이션 프로그램(이하, “앱”) 형태의 소프트웨어 모듈일 수 있다.
도 11을 참조하면, 사용자 단말(1100)은 메인 데이터 센터(920)에서 수신한 정보들, 예를 들어, 압축기 출구 온도, 냉매팽창밸브 및 토출가스 바이패스 밸브의 개도량, 냉각기 부품(압축기, 응축기, 증발기 등)의 고장 정보들을 디스플레이 할 수 있다.
보다 상세하게는, 사용자 단말(1100)은, 센서 정보 표시부(1110), 전자팽창밸브 개도량 정보 표시부(1120), 상태 업데이트 버튼(1130), 고장상태표시부(1140) 및 룩업테이블 업데이트 버튼(1150)을 포함할 수 있다.
이 때, 센서 정보 표시부(1110)는 온도 표시부(1112) 및 온도조절버튼(1115)을 포함하며, 전자팽창밸브 개도량 정보 표시부(1120)는 개도량 표시부(1122) 및 개도량조절버튼(1125)을 포함할 수 있다.
상기 온도조절버튼(1115) 및 개도량조절버튼(1125)을 통하여 사용자는 온도 및 전자팽창밸브의 개도량을 수동으로 조작할 수 있다.
이때, 온도조절버튼(1115)를 통하여 온도가 조절되면, 온도조절부(320)에 목표 온도가 송신되고, 상기 온도조절부(320)는 룩업테이블에 기초하여 가장 가까운 온도에 해당되는 전자팽창밸브의 개도량을 찾아서 해당 개도량으로 전자팽창밸브의 스텝을 조정하게 된다. 한편, 개도량조절버튼(1125)은 각 전자팽창밸브의 개도량을 조절할 수 있다.
상태 업데이트 버튼(1130)은 상기 온도조절부(320)의 현재 상태를 업데이트할 수 있다. 상태 업데이트 버튼(1130)이 클릭되면, 상기 메인 데이터 센터(920)의 웹 인터페이스(924)를 통하여 냉각기의 각종 정보를 다시 요청할 수 있으며, 상기 요청을 통하여 수신한 정보로 화면을 업데이트 할 수 있다.
한편, 룩업테이블 업데이트 버튼(1150)이 클릭되면, 상기 사용자 단말(1110)은 온도조절부(320)의 룩업테이블 업데이트를 실행하도록 업데이트 제어명령을 온도조절부(320)에 상기 웹 인터페이스(924)를 통하여 송신할 수 있다. 온도조절부(320)는 상기 업데이트 제어 명령에 기초하여 룩업테이블을 새롭게 업데이트 하고, 업데이트된 룩업테이블 정보를 상기 메인 데이터 센터(920)에 송신하여 데이터 베이스(926)에 저장할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 학습된 최적의 환경이나 고장 상태 등이 앱을 통하여 메인 데이터 센터(920)에 저장될 수 있어서, 냉각기 제어에 대한 노하우가 축적될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 산업용 냉각기의 온도제어 시스템에 의하면 냉각기(100)를 구성하는 압축기(150)의 출구와 증발기(140)의 입구 사이에는 토출가스 바이패스 밸브(200)를 설치함으로써 압축기(150)로부터 배출되는 냉각 유체의 출구온도 편차를 감소시키고 설정온도에 대한 응답성을 단축시킬 수 있다. 또한, 증발기(140)의 부하에 관계없이 압축기(150)를 연속적으로 운전할 수 있도록 하여 압축기(150)의 가동 및 정지시 발생되는 기동 토오크에 의한 소비전력 증가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 외부 열부하 변동에 시시각각으로 대응함으로써 정밀 온도 제어가 가능하게 되는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.
또한, 본 발명은 인공신경망 연산을 통하여 다양한 냉각기 주변 환경 변화에 따른 제어량 변화에 시시각각 대응할 수 있으므로, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 학습된 최적의 환경이나 고장 상태 등이 앱을 통하여 메인 데이터 센터(920)에 저장될 수 있어서, 냉각기 제어에 대한 노하우가 축적될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 냉각기 110 : 응축기
112 : 팬 120 : 수액기
130 : 냉매팽창밸브 140 : 증발기
150 : 압축기
200 : 토출가스 바이패스 밸브
202 : 고정자 204 : 회전자
206 : 니들(needle)
300 : 온도제어부 310 : 파워컨트롤부
320 : 온도조절부
324 : 인공신경망연산부 326 : 개도량 제어부
326b : 피엘씨(PLC) 327 : 온도 측정부
328 : 구동부

Claims (14)

  1. 응축기; 전자팽창밸브인 냉매팽창밸브; 압축기 및 증발기를 포함하는 냉각기에 있어서,
    상기 냉각기는, 상기 압축기의 출구 온도 및 외부 온도를 측정하는 온도 측정부, 룩업테이블을 포함하는 개도량 제어부, 인공신경망 연산부 및 구동부를 포함하는 온도 조절부; 및 상기 압축기의 출구와 증발기의 입구를 연결하며 전자팽창밸브인 토출가스 바이패스 밸브를 더 포함하며,
    상기 개도량 제어부는 통신부 및 PLC(Programable logic controller)를 더 포함하며, 상기 PLC는 상기 압축기 출구 온도 및 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 도출하고, 상기 도출된 개도량에 따라 미리 정해진 제어 주기 마다 상기 구동부를 제어하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브를 제어하고,
    상기 인공신경망 연산부는 압축기 출구 온도, 외부 온도, 냉매팽창밸브 개도량. 토출가스 바이패스 밸브의 개도량, 2차 유체의 수온 및 상기 냉각기의 진동을 입력층 뉴런으로서 포함하는 입력층; 압축기 출구 온도를 출력층 뉴런으로서 포함하는 출력층; 및 복수의 은닉층 뉴런을 포함하는 은닉층;을 포함하며 상기 입력층 뉴런 및 연산된 출력층 뉴런의 값에 따라 상기 룩업테이블을 상기 미리 정해진 제어 주기와 다른 미리 정해진 업데이트 주기마다 업데이트하는,
    냉각기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 인공신경망 연산부는 오류역전파 알고리즘(Back-propagation algorithm)에 의하여 연산을 수행하는,
    냉각기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 인공신경망 연산부는 제 1 수학식
    Figure 112018039459733-pat00018

    에 의하여 상기 출력층의 에러를 연산하며, 여기서, Targetα은 기존 룩업테이블 상의 압축기 출구 온도이며, Outα는 압축기 출구 온도 센서를 통하여 측정된 압축기 출구 온도이며, δα는 출력부의 에러인,
    냉각기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 인공신경망 연산부는 제 2 수학식
    Figure 112018039459733-pat00019

    에 의하여 상기 출력층의 가중치를 변경하며, 여기서, W+ Aα는 새로운 가중치이고, WAα는 기존 가중치이며 OUTA는 은닉층 뉴런 중 어느 하나의 기존 값이고, η은 학습률인,
    냉각기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상기 인공신경망 연산부는 상기 변경된 출력층의 가중치에 기초하여 상기 은닉층 뉴런 중 어느 하나의 에러를 연산하고, 상기 연산된 은닉층 뉴런 중 어느 하나의 에러에 기초하여 은닉층의 가중치를 변경하며,
    상기 상기 인공신경망 연산부는 상기 변경된 출력층의 가중치 및 상기 변경된 은닉층의 가중치에 기초하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량에 따른 상기 압축기의 출구 온도를 재연산하여 상기 룩업테이블을 업데이트하는,
    냉각기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전자팽창밸브는 스테핑 모터를 포함하며, 상기 스테핑 모터의 스텝수에 따라 상기 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 제어하는,
    냉각기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 룩업테이블은 상기 스테핑 모터의 스텝수 및 상기 압축기 출구 예상 온도를 포함하며, 상기 PLC는 측정된 압축기 출구 온도와 상기 압축기 출구 예상 온도를 비교하여 상기 스테핑 모터의 스텝수를 도출하는,
    냉각기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각기의 온도 제어 시스템은
    상기 온도조절부와 네트워크를 통하여 연결되는 웹 인터페이스, 및 고장 정보, 압축기 온도 정보, 개도량 정보 및 룩업테이블 정보를 저장하는 데이터 베이스를 포함하는 메인 데이터 센터; 및
    상기 웹 인터페이스로부터 상기 고장 정보, 상기 압축기 온도 정보 및 상기 개도량 정보를 수신하여 표시하는 사용자 단말을 더 포함하는,
    냉각기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 사용자 단말은, 온도 조절 버튼 및 개도량 조절 버튼을 포함하며, 상기 온도 조절 버튼을 통하여 압축기 출구 목표 온도를 조절할 수 있으며, 상기 개도량 조절 버튼을 통하여 상기 냉매팽창밸브 및 상기 토출가스 바이패스 밸브의 개도량을 조절할 수 있는,
    냉각기.
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