KR19990063277A - 증기 라인 압력 제어 - Google Patents

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윌리엄 더블유. 하벨트
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Abstract

비교적 저압인 냉매와 함께 사용하기 위한 열 펌프 시스템에 있어서 증기압 제어 시스템을 사용함으로써 실내 코일 및 라인 세트의 교체 없이도 고압 냉매를 사용하는 것이 가능해진다. 증기압은 열 펌프 작동 시기 중에 감지되며, 압력이 소정의 최대 허용 한계 수준에 도달했을 때 실외 팬 속도가 감소됨으로써 증기압이 감소되게 한다. 증기압이 소정의 최소 허용 한계 수준으로 감소되었을 때 팬 속도가 재개됨으로써 증기압이 다시 증가될 수 있게 해준다.

Description

증기 라인 압력 제어
본 발명은 일반적으로 열 펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고압 냉매를 사용할 때 최대 설계 압력을 초과하지 않도록 상호 접속 배관 및 기타 냉매 내장 구성 부품 내의 압력을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 주거용 및 상용 공조기와 열 펌프에서 통상적으로 사용되어 왔던 냉매는 R-22라는 HCFC 냉매였다. 환경 영향에 대한 최근의 관심 때문에 CFC 및 HCFC 냉매는 점차 사라지고 있는 추세이다. 주거용 및 경상용 시스템에서의 대체품으로서 개발 중인 불소화 냉매는 R-22보다 고압인 성질이 있다. 보다 유망한 대체 냉매들 중 하나는 작동 압력이 R-22보다 70％까지 높은 HFC R-410A이다.
고압 냉매를 사용하면 시스템의 고압측에 가장 큰 영향을 주게 된다. 이에 따라, 공조기에 있어서 실외 유닛은 이들 고압에 견딜 수 있도록 상당히 설계 변경될 필요가 있다. 즉, 안전 기관 및 기구의 요건을 충족시키기 위해서 시스템의 고압측에 있는 대다수의 냉매 내장 구성 부품들은 상당한 고압에 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 한편, 저압측 구성 부품들은 사소한 수정 및/또는 예방 조치와 더불어 사용될 수 있다. R-410A 냉매를 수용하기 위한 실외 및 실내 부분의 상기 변경과 관련된 비용은 R-22 공조기를 새로운 R-22 공조기로 대체하는 비용보다 상당히 싸며, 따라서 상업적으로 실행 가능하다. 이것은 열 펌프의 경우에 있어서는 반드시 그러하지만은 않다.
냉각 모드로 작동 중인 R-410A 열 펌프를 수용하기 위해서 실외 부분은 상술한 바와 같이 고압에 견딜 수 있도록 재설계되어야 한다. 게다가, 고압 부분이 실내 코일 내에 있는 가열 작동 모드를 제공하기 위해서 실내 냉매 내장 구성 부품뿐만 아니라 실외 유닛 내의 다른 구성 부품들도 재설계되어야 한다.
실외 및 실내 코일 이외에도, 라인 세트(line set)라고 알려진 시스템 부분이 있다. 이것은 공조기 및 열 펌프의 실내 부분과 실외 부분을 연결하는 상호 연결 배관이다. 전형적으로, R-22 공조기 및 열 펌프는 라인 세트용의 RST(냉매 공급 관) 냉매 구리 배관이라고 불리는 것을 사용해왔다. RST 배관의 물리적 치수는 어떠한 안전 기구 또는 국가 표준에 의해 규제되거나 승인되는 것이 아니고 단순히 일반적인 공조 및 냉매 산업에서 용인되는 배관이다.
라인 세트는 전형적으로 현장 조립되는 것으로 생각되며 일반적으로 지방 건축 법령에 의해 규제를 받는다. 냉매 배관에 대한 대다수의 지방 및 국가 법령은 ASME 표준, 즉 ASME B31.5의 냉동 배관을 기준으로 한다. 냉각 모드로 작동 중인 R-410A 공조기와 R-410A 열 펌프에 있어서 표준 RST 배관은 ASME B31.5에 제시된 요건을 충족시킨다. 그러나, 열 펌프에 있어서 라인 세트 증기 라인의 종래의 R-22 구조는 ASME B31.5 표준 요건을 충족시키지 못한다. 즉, 열 펌프 내에 설치된 표준 RST 증기 관은 R-410A를 냉매로 사용할 때 ASME B31.5 표준 이하의 정격 작동 압력을 갖게 된다.
R-410A 냉매를 수용하기 위한 하나의 접근법으로는 라인 세트 또는 적어도 증기 라인을 변경하는 것이 있다. 그러나, 이것은 불필요한 비용을 초래시킨다. 우선, 기존 시스템의 라인 세트는 종종 실외 시스템과 실내 시스템 사이의 벽에 위치되어 쉽게 접근할 수 없다. 둘째, 노동 비용을 차치하고라도 구리 배관의 비용이 고가인데, 이는 (a) 보다 두꺼워진 벽은 보다 많은 구리를 필요로 하고 (b) 보다 두꺼워진 벽으로 된 구리 관의 낮은 체적은 비용을 불필요하게 상승시키기 때문이다. 이러한 이유들 때문에, R-410A의 사용을 수용하기 위해 R-22 열 펌프에 대해 이루어져야 할 필요가 있는 요구되는 변경은 R-22 시스템을 새로운 R-22 시스템으로 대체하는 비용보다 상당히 더 높으며, 따라서 경제적으로 실행 가능하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 저압 냉매용으로 설계된 시스템에서 고압 냉매의 사용을 수용하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
도1은 본 발명을 합체한 열 펌프의 개략도.
도2는 본 발명의 팬 사이클 동작부의 전기 회로 및 선도.
도3은 대기 온도의 함수로서의 실외 팬 사이클 속도의 그래프도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
11 : 실외 유닛
12 : 실내 유닛
13 : 라인 세트
14 : 압축기
16 : 실외 코일
17 : 4방 밸브
18 : 팽창 장치
19 : 우회 라인
21 : 축압기
22 : 실외 팬
23 : 증기압 제어 장치
24 : 냉매 라인
27 : 실내 코일
28 : 실내 팬
29 : 팽창 장치
33 : 증기압 스위치
간략하게 그리고 본 발명의 일 태양에 따르면, 저압 냉매용으로 사용되는 라인 세트 및 실내 코일은 고압 냉매를 사용하는 시스템에서 사용하도록 계속 보유된다. 시스템이 가열 작동 모드로 작동 중일 때와 같이 고압 작동 중의 라인의 최대 설계 압력의 초과를 방지하기 위해서 압력은 최대 설계 압력의 허용 한계치 이하의 수준으로 유지된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 열 펌프의 실외 유닛 내의 증기압이 감지되고, 실외 팬이 증기 라인 내의 압력을 수립된 허용 한계 수준 이하로 유지하도록 하는 방식으로 응답 작동된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 열 펌프의 실외 부분 내의 증기압이 소정의 허용 한계 수준에 도달했을 때 실내 팬 속도는 감소되며, 이에 의해 시스템의 고압측의 냉매 압력을 감소시킨다. 증기압이 소정의 보다 낮은 허용 한계 수준으로 감소되었을 때 최초의 팬 속도가 재개되어 시스템 내의 압력이 증가되게 한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 실외 팬의 사이클 동작은 압력 스위치에 응답한 단일 속도 팬 모터의 온 및 오프를 사이클 동작시키거나 또는 압력 스위치에 응답한 2속 또는 가변 속도 모터의 속도를 단순히 증감시킴으로써 달성될 수 있다.
이후에 설명된 도면에는 양호한 실시예가 도시되어 있다. 그러나, 각종 다른 수정 및 대체 구조가 본 발명의 진정한 정신 및 범주를 이탈하지 않고 이루어질 수 있다.
이제 도1을 참조하면, 라인 세트(13)로 공통 지칭되는 배관에 의해 상호 연결되는 실외 유닛(11)과 실내 유닛(12)을 구비한 종래의 열 펌프 시스템에 적용된 본 발명이 대체로 도면 부호 10으로 도시되어 있다.
실외 유닛(11)은 가열 모드 또는 냉각 모드로 작동하면서 완전한 냉동 사이클을 발생시키도록 실내 유닛(12)과 협동해서 종래의 방식으로 작동하는 압축기(14)와 열교환기 코일(16)을 포함한다. 즉, 실외 코일(16)은 시스템이 냉각 모드로 작동 중일 때는 응축기로서 작용하고 시스템이 가열 모드로 작동 중일 때는 증발기로서 작용한다. 4방 밸브(17)가 실외 부분(11)에 포함되어 종래의 방식으로 가열 모드와 냉각 모드 사이를 절환한다. 또한, 열펌프의 작동 모드 중에 사용하기 위해 팽창 장치(18)가 사용되며, 이 팽창 장치는 공조 작동 모드 시기 중에 팽창 장치(18)를 우회시키는 작용을 하는 우회 라인(19)을 갖는다. 축압기(21)가 증발기 출구에 마련되어 액체 냉매가 압축기(14)로 복귀하는 것을 방지한다. 실외 팬(22)이 마련되어 본 발명에 의해 수정된 것을 제외하고는 종래의 방식으로 실외 공기를 실외 코일(16) 위로 순환시킨다.
본 발명에 따르면, 증기압 제어 장치(23)가 이하에 보다 충분하게 설명될 방식으로 냉매 라인(24) 내의 압력에 응답해서 실외 팬(22)을 순환시키도록 냉매 라인(24)에 연결된다. 증기압 제어 장치(23)는 전기 라인(26)을 경유해서 팬(22)의 모터에 전기적으로 접속된다.
이제 실내 유닛(12)을 참조하면, 실내 공기를 그 위로 순환시키기 위한 실내 열교환기 코일(27)과 실내 팬(28)이 포함된다. 우회 부분을 갖는 팽창 장치(29)가 포함되어 종래의 방식으로 냉각 모드와 가열 모드를 제공한다.
이제 R-22와 같은 비교적 저압인 냉매를 R-410A와 같은 비교적 고압인 냉매로 대체할 때 R-22와 같은 냉매와 함께 사용하도록 설계된 시스템에 대해 이루어져야 할 변경을 고찰해보면, 실외 유닛(11)과 실내 유닛(12) 양자의 각종 구성 부품에 있어서 변경을 가하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실외 유닛 내의 압력은 냉각 모드로 작동 중인 동안에 600 Psig에 도달할 수 있기 때문에 전체 실외 유닛이 대체된다. 그러나, 실내 유닛에 있어서는 팽창 장치만이 대체될 필요가 있으므로 실내 코일은 계속 보유될 수 있다.
상기 변경은 대체로 경제적으로 실행 가능한 방식으로 이루어질 수 있을 지라도, (바람직하기는 하지만) 경제적으로 실행할 수 없는 다른 변경이 있을 수 있다. 즉, 열 펌프의 작동 모드 중에, 고압측은 통상적으로 상호 접속 배관의 최대 설계 압력을 초과할 수 있는 비교적 고압으로 작동하기 때문에 라인 세트의 고압측 및 실내 코일(27) 양자 모두에 보다 두꺼운 벽으로 된 배관을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 전체 실내 코일(27)을 대체하는 경우에는 비용이 많이 들 수 있으며, 라인 세트를 교체하는 경우에는 적절한 비용이 들 수 있으며, 또는 건물 구조 변경이 요구되는 경우에는 엄청난 비용이 들 수 있다. 따라서, 본 발명은 신뢰성이 있고 경제적인 방식으로 수요를 충족시키기 위해 제공된다.
본 발명의 작동 원리는 가열 모드로 작동 중인 열 펌프 시스템의 증기 라인 냉매 압력이 라인 세트 또는 실내 코일의 설계 압력에 도달했을 때 실외 팬(22) 모터의 속도를 감소시키는 것이다. 이것은 다시 시스템의 고압측의 냉매 압력이 감소되게 한다. 증기 라인 내의 냉매 압력의 감소가 소정의 컷인(cut-in) 압력에 도달했을 때 원래의 팬 모터 속도가 재개된다. 팬 모터 속도가 감소되는 압력은 증기 라인 및 실내 코일의 특정 조합에 대한 최저 설계 압력으로 설정된다. 컷인 압력은 경제적으로 실행 가능한 스위치의 종류에 따라 구해진다.
팬 모터 속도의 감소는 몇 가지 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 정상 작동 중에는 고속이 사용되고 컷아웃(cut-out) 압력에 도달한 시기 중에는 저속이 사용되는 2속 모터가 사용될 수 있다. 이러한 목적으로 사용될 수 있는 전형적인 모터로는 제너럴 일렉트릭, 에이. 오. 스미쓰, 또는 에머슨과 같은 모터 제조사로부터 상업적으로 입수가능한 단일 또는 다중 속도를 갖는 유도형 모터가 있다.
다른 대안으로는 실외 팬에 대해 가변 속도 모터를 사용하는 것이 있다. 그러한 모터의 구매 비용은 고가이기 때문에 이런 목적만으로 그것을 사용한다는 것은 경제적으로 실행 가능하지 않다. 그러나, 장기간의 작동 비용의 절약 가능성과 같이, 실외 팬을 구동하기 위해 가변 속도 모터를 사용할 다른 이유가 있다면 가변 속도 모터는 이런 사용에 대해서 실용적이 될 것이다. 그러한 경우에, 모터는 정상 작동 시에는 고속으로 작동된 다음에 압력 컷아웃 한계치에 도달한 시기에 저속으로 작동되거나 또는 작동 정지된다.
설명의 간략화를 목적으로 온 또는 오프 조건에서 작동되는 단일 속도 모터의 사용과 관련해서 본 발명을 설명하기로 한다. 즉, 단일 속도 모터는 정상 작동 시기 중에는 온되고, 증기압 제어 장치에 의해 감지된 압력이 컷아웃 압력에 도달했을 때 오프될 것이다. 이러한 목적으로 사용될 수 있는 모터의 일례로는 제너럴 일렉트릭 부품 번호 KCP39FGN809BS가 있다.
이제 도2를 참조하면, 압축기(14) 및 실외 팬(22)과 상호 접속된 본 발명의 전기 회로부가 도시되어 있다. 압축기(14)는 정상 작동 제어 함수에 따라서 압축기를 온 또는 오프시키도록 제어되는 접촉기(31)에 의해 고압 전원에 접속된다. 또한 접촉기를 통해 전력을 공급받도록 하기 위해 증기압 스위치(33), 실외 팬(22)의 모터, 및 압축기 커패시터(34)를 포함하는 팬 전력 회로(32)가 압축기와 병렬로 접속된다. 증기압 스위치(33)는 열 펌프 실외 유닛 내측의 증기 라인(24)에 연결된 압력 격판에 의해 가동되는 단극, 단일 쓰로우(throw)의 통상 폐쇄된 압력 스위치이다. 따라서, 증기 라인 내의 압력이 압력 스위치의 컷아웃 압력을 초과할 때 이 스위치는 전기 접점을 개방시키고 실외 팬(22)은 오프된다. 실외 코일(가열 작동 모드 중에는 증발기)을 횡단하는 공기 유동이 없으면, 증발기의 포화 흡입 압력이 강하하므로, 압축기 내로 들어가는 냉매의 압력 및 비체적도 강하된다. 이것은 다시 압축기의 체적 효율과 냉매 배출압을 감소시킨다. 이러한 압력 감소는 증기압 스위치(33)의 컷인 압력에 도달될 때[이 때 증기압 스위치(33)는 폐쇄되고 실외 팬(22)으로의 전력 공급이 재개된다]까지 계속된다.
이제 이하의 표 I를 참조하면, 각종 크기의 열 펌프 시스템에 대한 RST 구리관 치수가 대응하는 ASME 최대 작동 압력과 더불어 도시되어 있다. 이와 관련해서, 상기 작동 압력은 상당한 안전 여유(margin of safety)를 두고 수립됨을 이해하여야 한다. 예를 들어, 2100 Psig의 실제 폭발 압력을 갖는 전형적인 R-22 실내 코일 설계는 420 Psig(예를 들어 5의 안전율을 갖는)의 작동 압력 한계치를 갖게 된다. 따라서, 표 I에 기재된 ASME 최대 작동 압력이 또한 유사한 안전 여유를 두고 계산된다.
표 I
시스템 관 압력(ton) 관 외측 두께(in.) 관 두께 ASME 작동 압력(Psig) 압력 스위치(Psig)
컷인 컷아웃
2 5/8 .0030 472 325 400
2.5-3 3/4 .0035 384 309 384
3.5-4 7/8 .0040 430 325 400
4-5 1-1/8 .0040 374 299 374
이제 2-5톤 범위의 용량을 갖는 전형적인 열 펌프 시스템이 460-520 Psig의 증기 라인 내에서 최대 작동 압력을 갖게 되는 것을 고찰하면, 본 발명과 같은 일부 수단이 압력을 제한하도록 적용되지 않으면 ASME 최대 작동 압력은 초과됨을 이해하여야 한다.
이제 표 I의 최종 2개의 칼럼을 참조하면, 압력 스위치 컷인 및 컷아웃 압력이 열거한 용량의 시스템에 적용된 압력 스위치의 각각에 대해 제공된다. 예를 들어 ASME 작동 압력이 472 Psig인 2톤의 시스템에 있어서, 증기압 스위치(33)는 400 Psig에서 컷아웃[즉, 팬 모터(22)를 오프시키도록 개방)되며, 압력이 325 Psig로 강하될 때(이 때, 스위치는 폐쇄되고 작동을 재개하게 됨.]까지 개방 상태로 유지되게 된다.
대기 온도가 컷아웃 압력에 도달하는 시점까지 상승하면 본 발명이 작동하게 된다. 온도가 10 ℃(50 ℉) 이상이면 사이클 속도는 비교적 짧은 반면에, 온도가 증가하면서 사이클 속도는 증가하게 된다. 그 실제 시험 데이터가 제시된 도3에 표시되어 있다. 작동 시에, 팬은 각 곡선의 최고점에서 꺼지고 최저점에서 켜진다. 대기 온도가 높을수록 작동 부하가 낮아서 실외 팬의 사이클 동작이 성능에 끼치는 충격을 최소화할 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 비교적 저압인 냉매와 함께 사용하기 위한 열 펌프 시스템에 있어서 증기압 제어 시스템을 사용함으로써 실내 코일 및 라인 세트의 교체 없이도 고압 냉매를 사용하는 것이 가능해지는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 압축기, 실외 및 실내 팬, 액체 및 증기 라인에 의해 상호 연결된 실외 및 실내 코일, 및 냉매 유동을 냉각 또는 가열 작동 모드로 선택적으로 향하게 하도록 작동 가능한 역전 밸브를 구비한 열 펌프 시스템에 있어서,
    실내 코일 내의 라인 또는 증기 라인의 교체 없이, 시스템을 설계하게 되었던 냉매보다 상당히 더 높은 압력을 갖는 대체 냉매의 사용을 허용하는 제어 시스템으로서,
    증기 라인 내의 압력이 열 펌프 모드의 작동 시기 중에 소정의 압력 한계치를 초과한 때를 감지하는 수단과,
    그에 응답해서 실외 팬의 속도를 감소시킴으로써 압력을 상기 소정 압력 한계치 이하의 허용 가능한 한계치로 저하시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력 감지 수단은 시스템의 제어 유닛 내에 위치된 압력 스위치인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 압력 스위치는 상기 실외 팬의 구동 모터와 직렬 연결된 통상 폐쇄된 스위치인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압력 스위치는 제1 소정 압력 수준에서 개방되고 상기 제1 소정 압력 수준의 압력 이하의 제2 소정 압력 수준에서 폐쇄되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 감속 수단은 실외 팬을 오프시키는 스위치인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  6. 압축기, 팬, 및 열교환기 코일을 갖는 실외 유닛과, 액체 관 및 증기 관에 의해 실외 유닛에 연결된 실내 유닛을 구비한 열 펌프 시스템에 있어서,
    열 펌프 작동 시기 중에 상기 증기 라인 내의 압력을 제한하기 위한 제어 시스템으로서,
    증기 라인 내의 압력을 감지하기 위해 실외 유닛 내에 작동 연결된 압력 감지부와 팬의 모터와 직렬로 작동 연결된 전기부를 갖는 증기압 스위치부를 포함하고,
    상기 압력 스위치부가 작동되어 증기 라인 내의 소정 압력 한계치를 감지했을 때 상기 스위치부가 팬 속도를 감소시킴으로써 증기 라인 내의 압력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 증기압 스위치는 통상 폐쇄된 스위치인 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 증기압 스위치는 제1 소정 압력 수준에서 개방되고 상기 제1 소정 압력 수준 이하의 제2 소정 압력 수준에서 폐쇄되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 스위치부는 실외 팬을 오프시키는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  10. 압축기, 실외 및 실내 팬, 및 액체 상호 연결 관과 증기 상호 연결 관의 각각에 의해 상호 연결된 실외 및 실내 코일을 구비하고, 상기 관들 중 적어도 하나의 관 내의 압력은 가열 모드 작동 시기 중에 소정의 최대 작동 압력을 초과하는 것에 대해 민감한 형태의 열 펌프에서, 상기 관 내의 압력을 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 증기 라인 내의 압력을 감지하는 단계와,
    상기 감지된 압력을 상기 소정의 최대 설계 압력 이하의 소정의 최대 허용 한계 압력과 비교하는 단계와,
    상기 감지된 압력이 상기 최대 허용 한계 압력과 동일할 때 상기 관 내의 압력을 저하시키도록 실외 팬의 속도를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 감지된 압력이 최소 허용 한계 압력으로 감소되었을 때 상기 관 내의 압력을 상승시키기 위해 실외 팬의 속도를 증가시키는 부가적인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 실외 팬의 속도를 감소시키는 단계는 실외 팬으로의 전력 공급을 차단함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 실외 팬의 속도를 증가시키는 단계는 실외 팬으로의 전력 공급을 재개함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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