KR20060083220A - 작동 범위 확장을 구비하는 냉매 사이클 - Google Patents

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Abstract

냉매 사이클은 압축기 모터에서의 전류, 전압 및 온도와 같은 시스템 조건 또는 압축기 포트에서의 냉매 상태 조건을 관찰하는 제어부를 구비한다. 모터 상의 보호 스위치는 만약 시스템 조건이 소정의 최고치를 초과하면 압축기의 작동을 정지시키도록 작동할 수 있다. 제어부는 시스템 조건을 관찰하고, 조건이 소정의 한계를 향해 이동함에 따라 보호 스위치가 액츄에이션될 수 있다는 것을 시스템 조건이 나타내는 것을 결정할 수 있다. 이러한 조건에서, 제어부는 보호 스위치가 액츄에이션 될 가능성이 적은 부하가 작은 작동 모드로 압축기를 이동시킨다.
압축기 제어부, 절약기 밸브, 시스템 조건 관찰, 보호 스위치

Description

작동 범위 확장을 구비하는 냉매 사이클{REFRIGERANT CYCLE WITH OPERATING RANGE EXTENSION}
본 발명은 냉매 사이클 내의 시스템 조건을 관찰하는 개념에 관련된 것이며 이러한 조건들이 극한 조건에 접근하는 경우에 압축기 부하를 감소시켜서 시스템 방해 차단과 최종 사용자에 의한 냉각 부하의 완전 손실을 막는다.
냉매 사이클은 HVAC 시스템, 냉매 유닛 및 다양한 다른 적용예에 대해 사용된다. 종래의 냉매 사이클에서, 압축기는 냉매를 압축하며 그 냉매를 응축기로 전달한다. 냉매는 응축기로부터 팽창 장치로, 팽창 장치로부터 증발기로 이동한다. 냉매는 증발기로부터 압축기로 되돌아간다.
냉매 사이클 기술의 하나의 최신 개발은 절약기(economizer) 사이클의 포함이다. 절약기 사이클에서, 응축기 하류의 냉매 일부는 분지되어 절약기 팽창 장치를 통과하며, 그리고 나서 절약기 열 교환기로 들어간다. 응축기로부터의 주요 냉매 흐름도 양호하게는 역류 배열로 동일한 절약기 열교환기를 또한 통과한다. 절약기 열교환기에서, 분지된 유동은 주요 냉매 유동을 냉각한다. 이러한 방식으로, 주요 냉매 유동에 의해 더 큰 냉각 용량이 구비된다. 절약기 열 교환기의 하류에서, 분지된 냉매는 압축기의 절약기 포트로 되돌아간다.
냉매 사이클 내의 압축기용 모터는 차단 보호 장치를 종종 구비한다. 만약 과도한 전류가 경험되는 경우에 이러한 차단 보호 장치는 압축기의 모터를 정지시킬 수 있다. 더욱이, 만약 모터 온도가 너무 높아지면, 보호 장치가 모터를 차단하면서 개방될 수도 있다.
주위 온도가 높고 라인 전압(line voltage)이 낮은 경우와 같은 많은 극한 부하 상황에서, 조건은 보호 장치 스위치가 액츄에이션하게 모터를 정지시킬 수 있다. 물론, 주위 온도가 높은 조건은 냉매 사이클이 정지되기에 좋은 시기는 아닐 것인데, 왜냐하면 이러한 조건에서 최종 사용자에 의해 냉각 로드가 가장 필요하게 되고 요구되기 때문이다. 이와 같이, 보호 스위치가 모터의 작동을 정지시킬 것 같은 경우는 가장 바람직하지 않은 상황일 것이다.
냉매 사이클 설계자, 특히 압축기 설계자에 대한 하나의 과제는 압축기 하우징의 전체적인 크기를 작게 유지하는 것이다. 동시에, 압축기용 모터는 전술한 극한 부하 조건에서 압축기를 구동할 수 있도록 충분히 커야만 한다.
본 발명의 개시된 실시예에서, 냉매 사이클 내의 조건이 관찰된다. 만약 이러한 조건이 보호 스위치의 액츄에이션을 곧 초래할 수 있는 극한 작동 지점에 접근하는 경우에, 냉매 사이클용 제어부는 이를 예측하며, 시스템 정지를 예방하기 위해 압축기를 언로딩한다. 예를 들어, 냉매 사이클이 절약기 지선을 포함하는 경우에, 그리고 제어부가 압축기 모터가 극한 작동 지점에 접근한다는 것을 감지하는 경우에, 제어부는 냉매 사이클을 비절약 모드로 바꿀 수 있다. 절약기 모드를 갖지 않는 냉매 사이클에서, 또는 냉매 사이클이 비-절약 작동에 있고 부하가 여전히 충분히 감소되지 않았다면, 바이패스 언로더 밸브는 압축기 부하를 더 감소시키기 위하여 개방될 수 있다.
또한, 만약 압축기를 구동시키기 위한 전기 모터가 다중-속력 또는 변속 모터라면, 모터 제어부는 부하도 역시 감소시키도록 모터의 작동의 속력을 늦출 수 있다. 특히, 본 출원 내의 청구항의 목적을 위해, "변속 모터(variable speed motor)"는 복수의 불연속적인 속력을 갖는 다중-속력 모터 또는 무한 변속 모터를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 두 형태의 모터 중 어느 것이라도 본 발명에 유용할 것이며, 일반적으로 "변속" 모터라고 언급될 것이다. 또한, 실린더 언로딩, 슬라이드 밸브, 흡입 포트 제한 등과 같은 다른 공지의 방법이 동일한 목적을 위해 다양한 형태의 압축기용으로 사용될 수 있다. 이러한 모든 제어 단계는 냉매 사이클이 특정 환경 조건에 대해 요구될 수 있는 것 또는 바람직한 것보다 낮은 용량에 있도록 초래할 수 있다. 그러나, 용량, 및 그에 따라 부하를 감소시킴으로써, 압축기는 그렇지 않은 경우라면 발생했을 정지를 피할 수 있다. 따라서, 냉매 사이클이 그렇지 않은 경우의 바람직한 용량보다 낮게 작동될 수 있더라도 전체적으로 훨씬 바람직한 결과가 발생한다.
양호한 실시예에서, 냉매 사이클은 스크롤 압축기를 포함한다. 그러나, 스크류 압축기, 왕복식 피스톤 압축기 등과 같은 다른 압축기 형태도 본 발명으로부터 이익을 얻을 것이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들은 이하의 상세한 설명과 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있을 것이며, 이하는 간단한 설명이다.
도1은 본 발명에 합체되는 냉매 사이클의 사시도이다.
도2는 본 발명의 간단한 흐름도이다.
도1은 냉매를 출구 포트(22)로 전달하는 압축기(21)를 갖는 냉매 사이클(20)을 도시한다. 출구 포트(22)로부터, 냉매는 응축기(24)로 이동한다. 공지된 바와 같이, 응축기(24) 내에서 냉매는 외부 공기 공급원과 열을 교환한다.
응축기(24)의 하류에 절약기 열교환기(26)가 있다. 주요 냉매 유동 라인(28)은 냉매를 응축기(24)로부터 절약기 열교환기(26)의 제1 지선으로 전달한다. 라인(30)은 주요 냉매 라인(28)으로부터 냉매의 일부분을 분지시키고, 이 분지된 냉매를 절약기 팽창 장치(32)를 통해 통과시킨다. 이제, 분지된 라인(30) 내의 냉매는 라인(28) 내에 남아있는 냉매보다 차갑다. 절약기 열 교환기(26)에서, 분지된 냉매는 라인(28) 내의 주요 냉매를 과냉각(subcool)한다. 분지된 냉매는 라인(36) 내의 차단 밸브(34)를 통해 압축기(21) 내의 중간 압축 지점(38)으로 되돌아간다.
도시된 바와 같이, 압축기(21)는 스크롤 압축기이며, 되돌아온 절약기 유체의 주입은 공지된 바와 같이 흡입과 배출 사이의 압축 사이클의 중간 지점에서 있을 것이다.
절약기 열교환기(26)로부터의 주요 냉매 유동은 주요 팽창 장치(40)를 통해 증발기(42)로 이동한다. 공지된 바와 같이, 증발기(42)에서 냉매는 냉각될 공기 공급원과 열을 교환한다. 흡입 라인(48)은 증발기(42)를 압축기 흡입 튜브(49)와 연결한다.
언로더 바이패스 밸브(44)는 흡입 라인(48)과 절약기 복귀 라인(36)을 연결하는 바이패스 라인(46) 상에 위치설정된다. 공지된 바와 같이, 언로더 밸브(44)가 개방되었을 때, 절약기 밸브(34)는 폐쇄되고, 냉매는 중간 포트(38)로부터 흡입 라인(48)로 되돌아갈 수 있다. 물론, 언로더 밸브를 위한 다른 위치들도 공지이다. 또한, 바이패스 언로더 밸브(44) 및 절약기 차단 밸브(34)는 별도의 언로딩 단계를 나타내면서 동시에 개방될 수 있다.
또한, 압축기(21)가 스크롤 압축기로서 도시되지만, 다른 압축기 형태들도 본 발명의 이하의 교시로부터 이익을 얻을 것이다. 특히, 스크류 압축기는 슬라이드 언로더 밸브를 통상 갖는다. 왕복식 피스톤 압축기는 다양한 형태의 실린더 장착 언로더 밸브를 가질 수 있다. 이러한 압축기 형태 모두는 이하와 같이 본 발명의 다양한 교시로부터 이익을 얻을 것이다.
압축기 내에는 모터(51) 및 모터 보호 장치(53)가 존재한다. 도시된 바와 같이, 모터 보호 장치는, 만약 모터에서의 온도가 소정의 최고치를 초과하거나, 전류가 소정의 최고치를 초과하거나, 전류와 온도의 조합이 특정 값을 초과하는 경우에 개방되는 보호 스위치를 통상 포함한다. 또한, 전류 또는 전력 감지 수단(예를 들어 전자 기판)이 압축기 모터 과부하 조건을 감지하기 위하여 채용될 수 있다. 즉, 보호 스위치(53)는 어떠한 극한 작동 조건이 감지되는 경우에 압축기(21)를 보호하기 위하여 모터(51)를 정지시키도록 작동될 수 있다.
보호 스위치(53)에 의한 모터(51)의 차단은 바람직하지 않다. 특히, 정지는 냉매 사이클 상의 부하가 가장 클 때 종종 가장 발생하기 쉽다. 예로서, 만약 냉매 시스템(20)을 둘러싸는 환경 내에 아주 높은 주위 온도가 존재하고 그리고/또는 라인 전압이 명목 레벨 이하로 떨어진다면, 증발기(42) 내의 내부 공기 기류를 냉각시키기 위한 부하는 최대가 된다. 이러한 조건에서, 모터(51)의 전류, 전력 및 온도는 높은 레벨에 있도록 또한 기대될 것이다. 이러한 조건에서, 전류, 전력 및 온도 중 임의의 하나는 더 낮은 부하 조건에 있기보다는 최고치를 초과하기가 더 쉬울 것이다. 그러나, 전술한 바와 같이 최종 사용자에 의해 전체 냉각 부하가 손실되었으므로, 이것은 모터(51)가 정지되기에 또한 부적당한 시기일 것이다.
따라서, 본 발명은 시스템 조건이 보호 스위치(53)의 한계에 접근하는 경우에 시스템 조건을 관찰하고 압축기 상의 부하를 감소시키는 방법을 포함한다. 예로써, 제어부(50)는 모터(51)에서의 전류, (임의의 라인 전압에서) 전력 또는 온도의 센서(52)로부터 피드백을 수용할 수 있다. 이러한 조건 중 임의의 조건이 보호 스위치(53)의 한계에 접근하면, 제어부(52)는 냉매 사이클(20)을 언로딩된 작동으로 이동시킬 수 있다. 예로써, 절약기 밸브(34)는 가장 높은 시스템 용량에서 통상 개방된다. 제어부(50)는 압축기가 한계에 접근하는 것을 조건이 나타낸다면 절약기 작동을 정지시키면서 밸브(34)를 폐쇄할 수 있다. 이러한 방식으로, 압축기(21) 상의 부하는 감소될 것이며, 그러한 시스템 조건에서의 모터 전류, 전력 및 온도도 또한 감소될 것이며, 보호 스위치(53)가 액츄에이션 될 가능성을 감소시킨다.
제2 단계로서, 또는 절약기 사이클을 포함하지 않는 시스템 내에서, 언로더 바이패스 밸브(44)가 개방될 수 있다. 이러한 방식으로, 압축되는 냉매의 양은 감소되며, 압축기(21) 상의 부하는 감소된다. 이러한 조건에서, 시스템 로드는 (응축기와 증발기 내의 냉매 압력의 감소로 인해) 또한 감소될 것이며, 보호 스위치(53)를 액츄에이션시킬 극한 한계로부터 더 멀리 이동할 것이다. 또한, 몇몇 조건에서, 절약기 밸브(34)를 단순히 정지시키는 것이 시스템 조건을 감소시키는데 충분하지 않다면, 언로더 밸브(44)가 또한 개방될 수 있을 것이다. 언로딩의 부가적인 단계는, 절약기 정지 밸브(34) 및 언로더 바이패스 밸브(44)가 개방되는 경우에 달성될 수 있을 것이다.
도1은 두 개의 부가적인 특징을 또한 도시하는 개략도이다. 첫째로, 모터(51)가 다중 속력 혹은 가변 속력 모터인 경우에 제어부(50)는 모터(51)의 속력을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 조건에서, 만약 시스템 조건이 보호 스위치(53)의 최대 범위에 접근하는 경우에, 모터(51)의 속력은 부하를 감소시키면서 감소될 수 있을 것이다.
또한, 전력, 전류 및 온도와 같은 압축기 모터 인자들을 관찰하는 대신, 센서(54)는 흡입 튜브(49)로 유입되는 냉매의 압력 및 온도를 관찰할 수 있고, 센서(55)는 배출 튜브(22)를 떠나는 압력을 관찰할 수 있다. 당업자라면 압축기 상에서의 부하를 예측하기 위하여 흡입 압력과 온도와 배출 압력을 어떻게 사용할 수 있는지 인식할 것이며, 따라서 스위치(53)가 액츄에이션 되도록 귀결될 수 있는 조건에 부하가 접근하는지 여부를 결정할 수 있을 것이다. 그러하다면, 그 때 전술 한 바와 같은 다양한 제어 전략 중 하나가 실행될 수 있다. 작동의 절약 모드에서 압축기 전력을 결정하기 위해서, 부가적인 압력 및 온도 센서(56)가 절약기 압축기 포트에 혹은 그 부근에서 절약기 라인(36) 상에 바람직하게는 위치될 것이다. 모든 경우에, 전력이 결정 인자로 사용되는 경우에, 양호하게는 참조 라인 전압도 또한 결정된다. 모터 시동 장치(trip) 조건을 결정하는 것에 대신하여 압축기 배출 포트 온도가 사용될 수 있다.
"시스템 조건"이 압축기 흡입, 절약기 및 배출 포트에서의 모터 또는 냉매 조건을 참조하여 기술되었으나, 압축기 쉘 내의 다른 위치에서의 압축기 내의 바람직하지 않은 조건을 결정하는 대체적인 방법으로서 또한 널리 공지되어있다. 본 발명은 모든 위치 및 조건 형태와 "시스템 조건"의 임의의 센서에 관련된다. 예들은 모터 온도, 오일 섬프 온도, 모터 전류, 모터 전력, 배출 온도, 흡입 압력, 배출 압력, 절약기 압력, 절약기 온도, 작동 전압, 주위 온도, 절약기 압력 및 절약기 온도를 포함한다.
일반적으로, 도2에 도시되는 바와 같이, 냉매 사이클(20)은 적어도 하나의 시스템 인자를 연속적으로 관찰하는 제어부(50)를 포함한다. 만약 시스템 인자가 극한값에 접근하는 경우에, 부하를 현재 부하 값보다 낮추기 위해 취해진 제어 단계가 있다. 예를 들어, 절약기 사이클은 정지될 수 있고, 압축기는 언로드될 수 있으며, 모터 속력은 느려질 수 있는 등의 것이다.
종래의 시스템이 압축기 작동을 정지시켰을 경우에도 본 발명은 어느 정도의 냉각 용량을 계속 제공할 수 있는 능력을 따라서 제공한다. 따라서, 어떤 의미에 서, 냉매 시스템은 냉매 시스템의 작동을 여전히 유지하면서 최대 가능 용량을 제공하는 것으로 보일 수 있다.
게다가, 본 발명이 연장된 시간 주기 동안 모터 상에 불필요한 부하가 가해지지 않는 것을 보장할 수 있는 제어부를 가지므로, 많은 경우에 압축기(21)의 설계에서 더 작은 모터가 사용될 수 있다. 다르게는, 더 큰 펌프 유닛 크기가 동일한 모터 크기에 맞는 동일 크기 압축기 하우징 쉘 내에 포함될 수 있을 것이다. 이것은 압축기 펌프 유닛에 대해 증가된 용량을 제공하는 압축기 설계자에게 더 큰 자유를 제공할 것이다.
본 발명의 양호한 실시예가 개시되었지만, 당업자는 본 발명의 범주 내에서 임의의 변경이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 이러한 이유로, 이하의 청구범위가 본 발명의 진정한 범주와 내용을 결정하기 위하여 연구되어야만 한다.

Claims (14)

  1. 압축기이며,
    모터에 의해 구동되는 압축기 펌프 유닛과,
    제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 도달하는 경우에 모터의 작동을 정지시키도록 작동 가능한, 모터와 관련된 보호 장치와,
    제2 시스템 조건을 관찰하며, 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근하는지를 제2 시스템 조건이 표시하는 시기를 나타내고, 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근함에 따라 압축기 상의 부하를 감소시키도록 작동 가능한, 압축기용 제어부를 포함하는 압축기.
  2. 제1항에 있어서, 제어부는 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근하는 경우에, 압축기 상의 언로더 밸브를 개방하도록 작동 가능한 압축기.
  3. 제1항에 있어서, 제어부는 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근하는 경우에 압축기 상의 절약기 밸브를 폐쇄하도록 작동 가능한 압축기.
  4. 제1항에 있어서, 모터는 변속 모터이며, 제어부는 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근하는 경우에 압축기 모터 속력을 늦추도록 작동 가능한 압축기.
  5. 제1항에 있어서, 제2 시스템 조건은 모터 온도, 오일 섬프 온도, 모터 전류, 모터 전력, 배출 온도, 흡입 압력, 배출 압력, 작동 전압, 주위 온도, 절약기 압력 또는 절약기 온도 중 적어도 하나인 압축기.
  6. 제1항에 있어서, 제1 시스템 조건 중 적어도 하나는 제2 시스템 조건 중 적어도 하나와 동일한 압축기.
  7. 압축기 펌프 유닛과, 제1 시스템 조건이 소정의 레벨을 초과하는 경우에 모터의 작동을 정지시키도록 작동 가능한 보호 장치를 구비하며 압축기 펌프 유닛을 구동하는 모터를 갖는 압축기와,
    압축기의 하류에 있는 응축기와,
    응축기의 하류에 있는 팽창 장치와,
    팽창 장치의 하류에 있는 증발기와,
    적어도 압축기를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 냉매 사이클이며,
    제어부는 제2 시스템 조건을 감지하여, 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근할 수 있다는 것을 관찰된 제2 시스템 조건이 나타내는 경우에, 냉매 사이클을 부하가 낮은 작동으로 이동시키도록 작동 가능한 냉매 사이클.
  8. 제7항에 있어서, 제어부는 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근할 수 있다는 것을 관찰된 제2 시스템 조건이 나타낼 때 압축기 펌프 유닛을 언로딩하고 압축 된 유체를 흡입 라인으로 되돌려보내도록 언로더 밸브를 액츄에이팅시키는 냉매 사이클.
  9. 제7항에 있어서, 냉매 사이클은 응축기와 팽창 장치 사이에 절약기 사이클을 더 포함하며, 절약기 사이클은 차단 밸브를 구비하고, 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근할 수 있다는 것을 관찰된 제2 시스템 조건이 나타낸다면 제어부는 차단 밸브를 폐쇄함으로써 절약기 유닛의 작동을 정지시키는 냉매 사이클.
  10. 제7항에 있어서, 냉매 사이클은 응축기와 팽창 장치 사이에 절약기 사이클을 더 포함하며, 절약기 사이클은 차단 밸브를 구비하고, 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근할 수 있다는 것을 관찰된 제2 시스템 조건이 나타낸다면 제어부는 차단 밸브를 폐쇄함으로써 절약기 유닛의 작동을 정지시키면서 절약기 차단 밸브와 언로더 바이패스 밸브를 개방시키는 냉매 사이클.
  11. 제7항에 있어서, 모터는 변속 모터이며, 제어부는 제1 시스템 조건이 소정의 레벨에 접근할 수 있다는 것을 시스템 조건 관찰된 제2 시스템 조건이 나타낸다면 압축기 모터 속력을 늦추도록 작동 가능한 냉매 사이클.
  12. 제7항에 있어서, 제2 시스템 조건은 모터 온도, 오일 섬프 온도, 모터 전류, 모터 전력, 배출 온도, 흡입 압력, 배출 압력, 작동 전압, 주위 온도, 절약기 압력 또는 절약기 온도 중 적어도 하나이며, 제어부는 모터 온도, 오일 섬프 온도, 모터 전류, 모터 전력, 배출 온도, 흡입 압력, 배출 압력, 작동 전압, 주위 온도, 절약기 압력 또는 절약기 온도 중 적어도 하나를 관찰함으로써 제1 시스템 조건이 바람직하지 않은 레벨에 접근하는지를 결정하도록 작동 가능한 냉매 사이클.
  13. 제7항에 있어서, 제1 및 제2 시스템 조건은 동일 조건인 냉매 사이클.
  14. (1) 압축기 상의 제1 시스템 조건을 관찰하고, 제1 시스템 조건이 소정의 최고치를 초과하는 경우에 압축기 모터의 작동을 정지시키도록 작동 가능한 차단 스위치를 압축기용 모터에 구비하는 단계와,
    (2) 제2 시스템 조건을 관찰하고, 제1 시스템 조건이 소정의 최대치에 접근하고 있다는 것을 제2 시스템 조건이 나타내는 시기를 결정하며, 냉매 사이클을 낮은 작동 용량 모드로 이동시키는 단계를 포함하는 냉매 사이클을 작동시키는 방법.
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