KR20030004026A - 가변 속도 구동기 냉각 장치 시스템 - Google Patents

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Abstract

냉동 시스템의 압축기는 모터에 공급되는 전기의 주파수를 바꿈으로써 압축기의 모터를 제어하는 가변 속도 구동기에 의해서만 제어된다. 초기 비용과 작동 비용을 최소화하기 위해, 가변 속도 구동기는 작은 구동기의 사용을 허용하는 냉동 시스템으로부터의 냉매에 의해 냉각되고, 가변 속도 구동기는 1이거나 또는 그에 가까운 전력 인자(power factor)에서 작동된다.

Description

가변 속도 구동기 냉각 장치 시스템 {VARIABLE SPEED DRIVE CHILLER SYSTEM}
스크루 압축기에서 로터의 보어는 중첩된다. 중첩 보어는 숫자 8의 허리와 비슷한 커스프(cusp)를 생성한다. 커스프 중 하나는, 부하를 제거하고 압축기의 Vi또는 배출 압력 대 흡입 압력의 비를제어하기 위해 커스프 내에서 축방향으로 이동함에 따라 보어의 일부를 형성하고 로터와 협력하는 기계적 부하 제거기의 일 형태를 위한 통상의 위치이다. 부하 제거기는 통상 솔레노이드에 의해 구동된다. 더 큰 정도의 제어를 제공하기 위해, 가변 속도 구동기에 의해 모터로 공급되는 전력의 주파수를 바꿈으로써 모터를 제어하는 가변 속도 구동기를 마련하는 것이 통상적이다.
가변 속도 구동기의 비용은 압축기와 비슷하다. 따라서, 종래 압축기에 가변 속도 구동기를 추가하는 것은 비용을 매우 증가시키고, 부하 제거기 밸브 또는 다른 기계적 부하 제거 구조(mechanical unloading structure)가 가변 속도 구동기와의 몇몇 작동 중첩부를 갖기 때문에 이들 둘이 압축기 용량을 제어할 수 있다는 점에서 어느 정도의 용장성(冗長性)이 부가된다. 가변 속도 구동기는 압축기에 대해 외부에 있는 한편, 부하 제거기 밸브는 압축기에 대해 내부에 있다. 압축기에 대해 내부에 있기 때문에, 부하 제거기 밸브는 압축기 내에 그를 수용하기 위한 추가 제조 단계를 요구한다. 특히, 부하 제거기 밸브는 커스프 내에 위치되고, 보어의 일부를 효과적으로 형성한다. 이는 로터와의 필수적인 밀봉부를 달성하기 위해 정밀 가공을 요구하고, 로터 보어와 부하 제거기 밸브의 경계면을 따라 누설 경로를 도입한다. 포핏(poppet)과 같은 다른 형식의 기계적 부하 제거기는 압축기 내에 수용되기 위해 추가 제조 단계를 또한 요구한다.
본 발명은 기계적 부하 제거기 구조를 제거하여, 비용을 감소시키는 한편 압축기의 제조를 단순하게 한다. 특정 적용예를 위해 가변 속도 구동기, 모터, 압축기 및 냉각 장치를 적절히 선택함으로써 추가 효율 증가와 비용 감소가 달성될 수 있도록, 압축기의 제어의 모든 것은 가변 속도 구동기를 통해서이다. 가변 속도 구동기의 요구되는 구동 전류량과 그 비용은, 냉각 장치 성능과 모터 전력 인자와 직접 관련된다. 냉각 장치 성능과 모터 전력 인자의 개선은 적용을 위한 가변 속도 구동기의 평균 비용을 낮춘다.
압축기의 경우, 부하 제거에 대한 고려는 작동 범위에 걸친 전류량 또는 부하 요구조건과, 작동 범위에 걸친 효율과, 냉매와의 윤활 순환에 의존하는 베어링 수명을 위한 최소 속도 요구조건을 포함한다. 모터는 압축기의 속도를 최적화하기 위해 가변 속도 구동기와 압축기 모두에 부합되어야 한다. 예컨대, 주어진 부하에 대한 이상적인 압축기 속도는 동기식 속도와 통상 동일하지는 않다. 또한, 가변 속도 구동기는 도처에 사용된 전압과 다양한 입력 주파수를 보상하기 위해 요구될 수 있고 하나의 모터 전압은 공급 전압의 범위에 걸쳐 모든 적용예에 사용될 수 있다. 예컨대, 하나의 가변 속도 구동기와 모터의 조합은 가변 속도 구동기 출력이 동일함을 유지할 수 있기 때문에, 50Hz 또는 60Hz에서 그리고 346V 내지 480V 전압 범위에 걸쳐 공급된 전력을 위해 효율적으로 사용될 수 있다. 시스템 전류 사용은 1이거나 또는 1에 가까운 가변 속도 구동기의 입력 전력 인자를 통해 최소화될 수 있다. 가변 속도 구동기 출력은 공통적으로 지정된 미국 특허 제6,116,040호에 개시된 바와 같이 냉각을 위한 시스템 냉매를 사용함으로써 증가될 수 있다. 이는작고 저렴한 가변 속도 구동기의 사용으로 원하는 출력을 산출하는 것을 허용한다.
이상의 인자들은 압축기의 크기와 속도와 형상, 가변 속도 구동기의 크기와 입력과 출력과 냉각 형상, 모터의 크기와 속도, 그리고 입력 와이어 사이즈에 영향을 미치는 최소화된 설치 비용에서 주어진 성능을 달성할 수 있도록 최적화된다.
본 발명의 목적은 가변 속도 구동기를 사용함으로써만 냉동 시스템의 압축기 출력을 제어하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가변 속도 구동기를 사용하는 냉동 시스템의 초기 비용을 감소시키는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 기계적 부하 제거기를 갖는 압축기 비용의 5%보다 크지 않은 비용 불이익에서 냉동 시스템에 가변 속도 구동기를 추가하는 것이다.
본 발명의 다른 추가 목적은 냉동 시스템에 가변 속도 구동기를 통합하는 것이다. 이들 및 다른 목적은 명백할 것이고, 이후에 본 발명에 의해 달성될 것이다.
기본적으로, 냉동 시스템의 압축기는 모터에 공급되는 전기의 주파수를 바꿈으로써 압축기의 모터를 제어하는 가변 속도 구동기에 의해서만 제어된다. 초기 비용과 작동 비용을 최소화하기 위해, 가변 속도 구동기는 작은 구동기의 사용을 허용하는 냉동 시스템으로부터의 냉매에 의해 냉각되고, 가변 속도 구동기는 1이거나 또는 그에 가까운 전력 인자에서 작동된다.
본 발명의 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명이 이제 참조되어야 한다.
도1은 본 발명을 사용하는 냉동 시스템의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 냉동 시스템
11: 모터
12: 압축기
16: 응축기
20, 26: 팽창 장치
28: 냉각 장치
40: 가변 속도 구동기
100: 마이크로프로세서
냉동 시스템에서 특정 시스템 용량은 시스템을 설계하는데 있어 출발점이다. 요구되는 용량을 산출할 수 있는 압축기는 비용, 효율 및 작동 속도와 같은 인자들을 기초로 하여 선택될 것이다. 압축기의 선택은 모터의 선택과 관련될 것이다. 0.80 내지 0.93 범위의 전력 인자를 갖는 모터가 이용 가능하고, 모터는 설계 압축기 속도에서의 비용, 전력 인자, 효율을 기초로 하여 선택될 것이다. 0.99 내지 1에 달하는 전력 인자를 갖는 가변 속도 구동기가 이용 가능하다. 그러나, 가변 속도 구동기의 표준 크기들 사이의 차이는 비교적 커서 상당히 큰 가변 속도 구동기가 설계 요구조건을 만족시키기에 충분한 이용 가능한 가장 작은 표준 구동기일 수 있다. 가변 속도 구동기를 응축기로부터의 냉매로 냉각함으로써, 이는 이용 가능한 큰 냉각으로 인해 공랭식 구동기 설계 용량보다 더 큰 용량에서 작동될 수 있다. 예컨대, 공기가 냉각될 때 80 암페어를 공급하는 100 암페어 구동기는 냉매가 냉각될 때 압축기를 구동하기 위해 공랭식 구동기가 80 내지 100 암페어를 공급할 수 있다.
도면에서, 도면 부호 10은 통상 냉동 시스템을 나타낸다. 냉동 시스템(10)은 기계적 부하 제거 구조를 갖지 않는 스크루 압축기(12)를 갖는다. 냉동 시스템(10)은 압축기(12), 배출 라인(14), 응축기(16), 팽창 장치(20)와 플래시 탱크 이코노마이저(22)를 포함하는 라인(18), 팽창 장치(26)를 포함하는 라인(24), 냉각 장치(28) 및 흡입 라인(30)을 순차적으로 포함하는 폐쇄 유체 회로를 포함한다. 라인(32)은 플래시 탱크 이코노마이저(22)에서 분기하고 중간 압력에서 압축기(12) 내에 포획된 체적과 유체 연통한다.
압축기(12)는 (도시되지 않은) 전력 그리드에 연결된 가변 속도 구동기(40)의 제어시 모터(11)에 의해 구동된다. 가변 속도 구동기(40)는 모터(11)로 공급된 전류의 교류 주파수를 제어하여 모터(11)의 속도와 압축기(12)의 출력을 제어한다. 냉각 장치(28)에서, 물은 냉동 시스템(10)의 폐쇄 유체 회로에서 냉매 순환에 의해 냉각된다. 냉각된 물은 그 구역을 냉각시킨다. 라인(29)을 통하여 냉각 장치(28)를 떠나는 물의 온도는 열 센서(50)에 의해 감지되고 마이크로프로세서(100)로 공급된다. 마이크로프로세서(100)는 가변 속도 구동기(40)를 제어하여, 모터(11)와 압축기(12)가 냉각 장치(28)를 떠나는 물에 요구되는 수온을 유지시킨다. 마이크로프로세서(100)는 열 센서(50)에 의해 감지된 온도에만 응답하여 가변 속도 구동기(40)를 제어할 수 있거나, 또는 냉각되는 구역에서 구역의 입력을 또한 수신할 수 있고 냉각 장치(28)를 통한 물의 순환 속도를 조정할 수 있어서, 이용 가능한 냉각양을 제어할 수 있다. 원한다면, 마이크로프로세서(100)는 또한 팽창 장치(20, 26)를 제어할 수 있다.
전술된 바와 같이, 냉동 시스템(10)이 종래 냉동 시스템과의 많은 공통된 특성을 갖더라도, 상당히 많은 차이점이 있다. 스크루 압축기(12)는 기계적 부하 제거 구조를 갖지 않는다는 점에서 종래 냉동 압축기보다 더 간단하다. 따라서, 로터는 서로를 그리고 보어를 밀봉하기만 한다. 초과 제조 비용과 슬라이드 밸브와 인접 구조 또는 다른 기계적 부하 제거 구조 사이의 누설이 잠재력으로 커스프의 구역 내의 보어의 일부를 대신하는 슬라이드 밸브는 없다. 압축기(12)의 출력은 속도가 가변 속도 구동기(40)에 의해 제어되는 모터(11)를 통해 제어된다.모터(11)는 가변 속도 구동기(40)와 압축기(12)에 부합된다. 설계 압축기 출력에 대한 이상적인 압축기 속도가 있다. 따라서, 모터는 이상적인 압축기 속도에서 효율적으로 작동하고 최적화된 전력 인자를 갖도록 선택된다. 가변 속도 구동기의 입력 측에서, 1에 가까운 전력 인자는 1이거나 또는 그에 가까운 전력 인자에서 감소된 에너지 요구로 인해 에너지 사용과 에너지의 비용을 감소시킨다. 이는 가변 속도 구동기가 설비로부터 모터를 고립시키므로 모터의 전력 인자가 아니라 가변 속도 구동기의 전력 인자가 설비에 의해 알려지기 때문이다.
냉동 시스템(10)의 작동시에, 기상의 냉매는 흡입 라인(30)을 통하여 압축기(12)로 도입되고 결과적인 고온 고압의 냉매 가스로 압축되어 배출 라인(14)을 통하여 응축기(16)로 공급된다. 응축기(16)에서, 기상의 냉매는 (도시되지 않은) 공기, 물 또는 염수 냉각 열 교환기를 거쳐 열전달로 인해 열을 방출함에 따라 응축된다. 응축된 냉매는 응축기(16)에서 라인(18)으로 지나가서 팽창 장치(20)를 통해 플래시 탱크 이코노마이저(22)로 순차적으로 지나간다. 이코노마이저(22)로 유동하는 냉매의 일부는 중간 압력에서 라인(32)으로 방향 전환되고 라인(32)을 통하여 압축기(12) 내에 포획된 체적으로 지나간다. 이코노마이저(22) 내에 남아있는 액체 냉매는 팽창 장치(26)를 통해 지나가서 압력 강하를 겪고, 라인(24)을 통하여 냉각 장치(28)로 지나감에 따라 부분적으로 플래시된다. 냉각 장치(28)에서, 남아있는 액체 냉매는 라인(29)을 통하여 냉각 장치(28)를 통해 지나가는 물로의 열 전달로 인해 증발한다. 라인(32)을 통한 압축기(12)로의 이코노마이저 유동은 압축되는 냉매 가스의 질량을 증가시킨다는 점에서 압축기의 용량을 증가시킨다.
마이크로프로세서(100)는 (도시되지 않은) 하나 이상의 구역을 냉각시키도록 라인(29)을 통하여 냉각 장치(28)를 떠나는 물의 온도를 표시하는 열 센서(50)로부터의 신호를 수신한다. 센서(50)에 의해 감지된 물의 온도에 응답하여, 마이크로프로세서(100)는, 요구되는 바와 같이, 압축기(12)의 냉각 용량을 증가 또는 감소시키도록 모터(11)의 속도를 바꾸기 위하여 가변 속도 구동기(40)로 신호를 보낸다. 가변 속도 구동기(40)는 전력 모터(11)로 공급된 전류의 주파수를 바꿈으로써 압축기(12)의 속도와 그에 따른 용량을 증가 또는 감소시킨다. 최적 전력 인자에서 작동하는 모터(11)를 가짐으로써, 전기 사용과 요구가 최소화되고, 요구되는 가변 속도 구동기(40)의 크기가 감소된다. 또한, 응축기(16) 내의 액체 냉매의 일부가 라인(17)을 통하여 전자 부품이 냉각되고 냉매가 증발되는 가변 속도 구동기(40)로 방향 전환된다. 증발된 냉매는 가변 속도 구동기(40)에서 라인(41)을 통하여 냉각 장치(28)로 지나간다. 응축기(16)에서 가변 속도 구동기(40)로의 냉매의 유량은 센서(43)에 의해 감지된 가변 속도 구동기를 떠나는 냉매의 온도에 응답하여 밸브(42)에 의해 제어된다. 가변 속도 구동기(40)는 액체 냉매에 의해 냉각되기 때문에, 여전히 작은 가변 속도 구동기(40)가 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되더라도, 다른 변경이 이 분야의 숙련자에게 실시될 수 있다. 예컨대, 이코노마이저가 생략될 수 있고 그리고/또는 구역 온도, 물 유량, 팽창 장치가 마이크로프로세서에 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.
본 발명에 따르면, 가변 속도 구동기는 1이거나 또는 그에 가까운 전력 인자에서 감소된 에너지 요구로 인해 에너지 사용과 비용을 감소시킨다. 또한, 모터가 최적 전력 인자에서 작동하므로, 전기 사용 요구가 최소화되고, 요구되는 가변 속도 구동기의 크기가 감소된다. 더욱이, 가변 속도 구동기가 액체 냉매로 냉각되기 때문에, 더 작은 가변 속도 구동기가 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 스크루 압축기(12), 배출 라인(14), 응축기(16), 팽창 장치(26), 냉각 장치(28) 및 상기 압축기로 다시 유도하는 흡입 라인(30)을 순차적으로 포함하는 폐쇄 유체 회로와,
    열 교환 관계로 상기 냉각 장치를 통해 지나가서 냉각되는 물과,
    상기 압축기를 구동하는 모터 수단(11)과,
    상기 모터에 공급된 전류의 주파수를 제어함으로써 모터 수단의 속도를 바꾸는 수단(40)과,
    상기 속도를 바꾸는 수단을 냉각하는 수단(17)과,
    상기 냉각 장치를 떠나는 물의 온도를 감지하는 수단(50)과,
    상기 냉각 장치를 떠나는 물의 감지된 온도에 응답하여 상기 속도를 바꾸는 수단을 제어하는 수단(100)을 포함하며,
    상기 압축기는 압축기의 속도를 조절함으로써만 부하 제거되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 응축기로부터의 액체 냉매는 모터의 속도를 바꾸는 수단을 냉각하는 수단에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 속도를 바꾸는 수단을 냉각하기 위해 사용된 액체 냉매는적어도 부분적으로 증발되어 냉각 장치에 공급되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 속도를 바꾸는 수단을 제어하는 수단은 냉각 장치를 떠나는 물의 감지된 온도에만 응답하여 작동하는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 모터의 속도를 바꾸는 수단은 주파수와 전압 입력의 범위에 걸쳐 일정한 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  6. 스크루 압축기(12), 배출 라인(14), 응축기(16), 제1 팽창 장치(20), 이코노마이저(22), 제2 팽창 장치(26), 냉각 장치(28) 및 상기 압축기로 다시 유도하는 흡입 라인(30)을 순차적으로 포함하는 폐쇄 유체 회로와,
    상기 이코노마이저에 연결되고 압축기 내로 연장하는 분기 라인(32)과,
    열 교환 관계로 상기 냉각 장치를 통해 지나가서 냉각되는 물과,
    상기 압축기를 구동하는 모터 수단(11)과,
    상기 모터에 공급된 전류의 주파수를 제어함으로써 모터 수단의 속도를 바꾸는 수단(40)과,
    상기 속도를 바꾸는 수단을 냉각하는 수단(17)과,
    상기 냉각 장치를 떠나는 물의 온도를 감지하는 수단(50)과,
    상기 냉각 장치를 떠나는 물의 감지된 온도에 응답하여 상기 속도를 바꾸는수단을 제어하는 수단(100)을 포함하며,
    상기 압축기는 압축기의 속도를 조절함으로써만 부하 제거되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 응축기로부터의 액체 냉매는 모터의 속도를 바꾸는 수단을 냉각하는 수단에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 모터의 속도를 바꾸는 수단은 주파수와 전압 입력의 범위에 걸쳐 일정한 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
  9. 제3항, 제4항, 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 수단은 적어도 0.89의 전력 인자를 갖고, 모터 수단의 속도를 바꾸는 수단은 모터 수단을 구동할 때 적어도 0.99의 입력 전력 인자에서 작동하는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템.
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