KR20070004932A - 고정식 및 가변 압축기 시스템 용량 제어 - Google Patents

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Abstract

압축기 제어 시스템은 하나 이상의 가변 압축기, 하나 이상의 용량 고정식 압축기, 및 컨트롤러를 포함하고 있다. 컨트롤러는 가변 속도 압축기의 흡입 압력 판독치에 기초하여 가변 압축기를 조정한다. 또한, 컨트롤러는 가변 압축기의 작동 파라미터에 기초하여 용량 고정식 압축기를 작동 모드와 정지 모드 사이에서 선택적으로 전환시킨다.
Figure 112006079133003-PCT00001
압축기 제어 시스템, 가변 압축기, 용량 고정식 압축기, 흡입 압력 판독치, 작동 파라미터, 컨트롤러

Description

고정식 및 가변 압축기 시스템 용량 제어{FIXED AND VARIABLE COMPRESSOR SYSTEM CAPACITY CONTROL}
본 발명은 전반적으로 압축기 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 압축기 시스템 구조 및 제어에 관한 것이다.
압축기는 냉각 또는 가열 펌프 시스템 내에서 냉매를 순환시켜 원하는 가열 또는 냉각 작용을 제공하는 여러 가지의 산업용 장치 및 주거용 장치에 사용된다. 압축기는 또한 타이어, 스프링클러 시스템 또는 공기압 공구와 같은 외부 대상물체 상에 유압력을 취입시키거나 또는 부여하는데 사용된다. 전술한 어느 장치에 있어서, 압축기는 그 특정 장치(즉, 냉각 시스템 또는 공기압 공구)가 적합하게 기능하는 것을 보장하도록 일정하고 효율적인 작동을 제공하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 압축기 성능을 모니터하고 제어하는 것이, 신뢰할 수 있고 효율적인 압축기 및 시스템 작동을 보장하는데 도움을 준다.
무엇보다 매우 일정하고 효율적인 스크롤 압축기의 작동 능력 때문에 스크롤 압축기는 냉각 및 가열 펌프 장치 내에 사용함에 있어 점점 더 인기가 높아지고 있다. 대체로 이러한 압축기는 유체를 수용하고 압축하는 서로 맞물리는 한 쌍의 나선형 랩을 포함한다. 작동에 있어서, 외측 흡입 포트로부터 중앙의 배기 포트를 향해 이동함에 따라 크기가 점진적으로 축소되는 하나 이상의 이동 챔버를 형성하도록 한 쌍의 나선형 랩 중 하나는 그 다른 나선형 랩에 대해 선회하게 된다. 이동 챔버의 크기가 축소함에 따라, 이동 챔버 내에 배치된 유체는 압축기에 의해 배기 포트를 통해 배출되기 전에 압축된다. 대체로, 스크롤 부재들 중 하나는 스크롤 압축기의 외측 셸 내에 배치된 전기 모터에 의해 구동되고 외부 컨트롤러에 의해 모터로의 동력을 조정하도록 제어된다. 컨트롤러와 관련된 전기 모터는 적합한 구동 샤프트를 통해 하나의 스크롤 부재를 구동시켜 필요 시 개별 랩들 사이에서 유체를 압축하도록 작동한다.
몇몇 스크롤 압축기는 변동 수요량에 따라 용량을 조정할 수 있고 대체로 "가변 용량" 스크롤 압축기 또는 "가변 속도" 스크롤 압축기로 불린다. 가변 용량 스크롤 압축기는 맞물린 나선형 랩의 조작을 통해 조정되어, 개별 랩들 사이의 상대 위치가 변경되고 각각의 랩 사이에 배치되는 유체의 체적이 증가하거나 감소한다. 가변 속도 스크롤 압축기는 가변 용량 스크롤 압축기와 유사한 목적을 달성하지만, 나선형 랩의 상대 위치 조정없이 그러한 목적을 달성한다. 가변 속도 스크롤 압축기는 시스템 및/또는 압축기 파라미터를 모니터하고 그에 따라 선회 나선형 랩을 구동시키는 전기 모터의 속도를 조정한다. 랩 속도의 이러한 변동은 압축기의 출력에 영향을 주고, 그에 따라 전체 용량을 변경시킨다.
전술한 가변 스크롤 압축기의 어느 것에 있어서나, 압축기 용량의 조정은 냉각 시스템 컨트롤러와 같은 시스템 컨트롤러가 각 스크롤 압축기의 개별 용량을 조정하여 다중 압축기 랙 시스템의 효율을 최대한으로 최적화한다. 예를 들면, 수요 량이 감소하는 경우, 컨트롤러는 압축기의 용량을 축소시킬 수 있고, 그에 따라 개별 압축기에 의해 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. 이러한 조정은 각 압축기의 에너지 소모량을 시스템을 작동시키는데에 최소한으로 필요한 것만으로 효과적으로 맞춘다. 각각의 가변 스크롤 압축기의 에너지 소모량이 다를 수 있기 때문에, 에너지가 조정되고, 그리고 전체 시스템 효율이 향상된다.
종래의 냉각 시스템에 있어서, 하나의 랙의 스크롤 압축기들은 단일 유닛으로서 기능하도록 그룹화될 수 있고, 다수의 냉각기, 냉각기 케이스 또는 냉동 장치에 냉각 작용을 제공할 수 있다. 하지만, 종래 랙에서의 대부분의 압축기들은 고정형이고 압축기들의 온/오프 사이클은 신뢰도 요건에 의해 제한되고, 그에 따라 시스템 효율을 감소시킨다. 전술한 어느 장치에 있어서나, 압축기 뱅크는 일반적으로 가변 스크롤 압축기 및 하나 이상의 다른 용량 고정식 압축기를 포함하고 있다. 전술한 바와 같이, 가변 압축기의 용량은 시스템 효율을 증가시키도록 조정될 수 있는 반면에, 고정식 스크롤 압축기가 비-가변의 즉 고정 용량을 가진다.
전형적으로 컨트롤러는 여러 가지 냉각 장치를 모니터하고, 소정 시각에서 시스템에 적합한 부하를 결정하고, 그에 따라 압축기 랙에 수요량 신호를 보낸다. 수요량 신호는 가변 압축기에 특정 출력(즉, 전체 용량 1내지 100퍼센트)으로 작동하도록 지시하고 고정식 압축기에 지시 시간에서의 고정식 스크롤 압축기 상태에 따라, 시동, 지속, 또는 정지하도록 지시한다. 이러한 컨트롤러가 적절하게 압축기 용량을 제어하는 동안, 시스템은 각각의 개별 스크롤 압축기의 제어에 제한되고, 그러므로, 병렬 관계로 연결된 일련의 압축기들을 제어할 수 없다.
컨트롤러가 가변 압축기에 전체 용량의 0퍼센트와 100퍼센트 사이에서 작동하도록 적절하게 지시할 수 있는 한편, 컨트롤러는 고정식 압축기에 시동하거나 정지하도록 하는 지시만 할 수 있고, 그러므로 랙에 시스템에 의해 요구되는 용량보다 더 높은 용량을 생성하도록 지시할 수도 있다. 예를 들면, 필요 용량이 9톤이라 하고 가용한 압축기는 하나의 6톤의 가변 스크롤 압축기와 2개의 5톤의 고정식 압축기라고 하면, 컨트롤러는 가변 압축기에 100퍼센트로 작동하도록 지시할 것이고, 초기에 고정식 압축기들 중 하나에 시동하도록 지시할 것이다. 하지만, 이 시점에서, 가변 압축기는 6톤을 생성하고 고정식 압축기는 5톤을 생성하여 전체 11톤에을 생성하게 된다. 따라서, 100퍼센트의 가변 압축기와 고정식 압축기의 조합은 2톤의 과잉분을 초래하고, 그에 따라 효율에 있어서의 손실을 초래한다.
전체 출력이 9톤이 되도록 컨트롤러가 가변 압축기의 용량을 적절하게 조율할 때, 종래의 컨트롤러는 가변 압축기가 축소 조율되기 위한 충분한 시간을 필요로 하고, 그러므로 최적의 제어 알고리즘을 제공하지 못한다. 종래의 컨트롤러는 각각의 압축기와 개별적으로 연통하기 때문에, 압축기 용량 간에 중복이 발생하고, 시스템 효율이 감소된다.
압축기 제어 시스템은 하나 이상의 가변 압축기, 하나 이상의 용량 고정식 압축기, 및 컨트롤러를 포함하고 있다. 컨트롤러는 시스템의 흡입 압력 판독치를 기초로 가변 압축기를 조정한다. 또한, 컨트롤러는 가변 압축기의 작동 파라미터를 기초로 용량 고정식 압축기를 작동 모드와 정지 모드 사이에서 선택적으로 전환시킨다.
본 발명의 적용예의 다른 부분은 이하에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 상세한 설명과 특정 예는 예시의 목적을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 상세한 설명 및 이하에 첨부된 도면으로부터 좀더 충분히 이해하게 될 것이다:
도 1은 본 발명의 원리에 따른 냉각 시스템의 개략도;
도 2는 도 1의 냉각 시스템의 개략도;
도 3은 본 발명에 따른 다른 냉매 시스템의 개략도;
도 4는 도 3의 냉매 시스템의 개략도;
도 5는 본 발명에 따른 컨트롤러의 블록도;
도 6은 본 발명에 따른 루프탑 유닛의 사시도;
도 7은 도 1 및 도 3의 냉각 시스템에 사용을 위한 압축기 제어 시스템의 개략도;
도 8은 용량과 상승하는 흡입 압력의 함수인 압축기 다단의 그래프;
도 9는 도 1 및 도 3의 냉각 시스템에 사용을 위한 압축기 제어 시스템의 개략도;
도 10은 가변 스크롤 압축기와 한 쌍의 고정식 스크롤 압축기를 조합한 압축기 효율의 그래프;
도 11은 하나의 가변 압축기와 다수의 저용량 고정식 압축기를 위한 부하 대 용량 방법을 도시한 그래프; 및
도 12는 하나의 가변 압축기와 다수의 등용량 고정식 압축기를 위한 부하 대 용량 방법을 도시한 그래프.
다음의 설명은 실질적으로 단지 예시일 뿐이고 결코 본 기술, 장치, 또는 사용법을 한정하려는 것은 아니다.
도면을 참조하면, 압축기 제어 시스템(200)은 두 개의 전형적인 냉각 시스템(10, 110)에서 설명될 것이다. 하지만, 본 발명의 제어 시스템(200)은, 하나 이상의 고정식 압축기와 병렬 관계인 다른 하나 이상의 가변 압축기를 제어하여 어떠한 다른 시스템에서 흡입 압력 설정 포인트를 유지하도록 활용될 수 있음을 알아야한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 시스템(10)의 상세 블럭도는 압축기 랙(18) 내에 모두 배치된 공동의 흡입 다기관(14) 및 배기 헤더(16)와 함께 관이 압축기 실(6)에 설치된 다수의 압축기(12)를 포함하고 있다. 압축기 랙(18)은 실외 콘덴서(20)로 이송되어 냉매 기체가 고압 상태로 액화되는 그 냉매 기체를 압축한다. 이 고압 액체 냉매는 파이프(24)를 지나 식료품점 바닥 공간(8) 내 다수의 냉각 케이스(22)로 이송된다.
각각의 냉각 케이스(22)는 유사한 온도 범위 내에서 작동하는 다수의 냉각 케이스(22)로 이루어진 개별 회로(26) 내에 배열된다. 도 1은 회로(A), 회로(B), 회로(C), 및 회로(D)로 분류된 4개의 회로(26)를 도시하고 있다. 각각의 회로(26)는 4개의 냉각 케이스(22)의 구성을 도시하고 있다. 하지만, 당업자는 냉각 케이스(22)의 개수뿐만 아니라 냉각 시스템(10) 내의 회로(26) 개수는 회로(26) 내에서 자유롭게 될 수 있다는 것을 알 것이다. 표기된 바와 같이, 각 회로(26)는 대체로 일정 온도 범위 내에서 작동할 것이다. 예를 들면, 회로(A)는 냉동 식품용으로 될 수 있고, 회로(B)는 유제품용으로 될 수 있고, 회로(C)는 육류, 기타용으로 될 수 있다.
온도 조건은 각 회로(26)마다 다르기 때문에, 각 회로(26)는 일반적으로 증발기 압력 및 그에 따른 냉각 케이스(22) 내 냉각된 공간의 온도를 제어하도록 작동하는, 전자 스테퍼 조정기(ESR) 또는 밸브인 압력 조정기(28)를 포함하고 있다. 바람직하게는, 각 냉각 케이스(22)는 또한 그 고유의 증발기 및 그 고유의 팽창 밸브(모두 미도시)를 포함하고 있고, 이 증발기 및 팽창 밸브는 냉매의 과열을 제어하기 위한 기계식 또는 전자식 밸브 중 하나일 수 있다. 이 점에서, 냉매는 파이프(24)에 의해 각 냉각 케이스(22) 내 증발기에 이송된다.
냉매는 압력 강하가 발생하여 고압 액체 냉매를 저압의 액체 및 기체 혼합 상태로 변경시키는 팽창 밸브를 통과한다. 냉각 케이스(22)로부터의 따뜻한 공기가 증발기 코일을 가로질러 이동함에 따라, 저압의 액체는 기체로 변화한다. 저압의 기체는 특정 회로(26)와 관련된 압력 조정기(28)에 이송된다. 압력 조정기(28)에서, 압력은 기체가 공동의 흡입 다기관(14)을 통해 압축기 랙(18)으로 복귀함에 따라 강하된다. 압축기 랙(18)에서, 저압의 기체는 고압 상태로 압축되어 콘덴 서(20)에 이송되고, 이 콘덴서는 냉각 사이클을 다시 시작시키기 위한 고압 액체를 다시 생성한다.
전술한 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템을 위한 배열은 압축기 랙 또는 복수의 압축기 랙을 소매점의 뒤편에, 또는 가능하면 지하실 내에 또는 옥상의 옥탑에 위치시킨다. 각각의 개요에 있어서, 시스템은 냉각 진열 케이스, 냉각기 및/또는 공기 조절 장치를 공급하도록 상점 또는 빌딩의 도처에 흡입 액체 파이프를 필요로 한다. 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 각각의 압축기 랙(A~E)을 위한 액체 흡입 파이프는 그 (교차 해칭으로 나타난 바와 같은)회로 내에서 연합의 케이스에 설치되어야만 한다. 시스템은 콘덴서를 더 포함하고 있고, 이 콘덴서는 일반적으로 소매점의 외부에 위치되고 유사하게는 냉각 장치, 냉각기 및/또는 공기 조절 장치를 공급하도록 배관 연결되어야 한다.
도 1을 참조하면, 각각의 냉각 케이스(22), 압력 조정기(28), 및 센서(36, 40)를 위한 통신 및 제어 배선은 아날로그 입력 보드(50)에 공급되거나 ESR 보드(38)와 같은 입/출력 보드(32) 또는 구동 보드로부터 수신되어 냉각 시스템 수행을 최대한으로 최적화한다. 예를 들면, 냉각 시스템(10)의 여러 기능을 제어하기 위해, 메인 냉각 컨트롤러(30)는 압축기 랙(18) 전체를 위한 흡입 압력 설정 포인트뿐만 아니라, 각 압력 조정기(ESR)의 작동을 제어한다. 개별의 케이스 컨트롤러는 통신 네트워크 또는 버스에 의해 각 냉각 케이스(22)의 전자 팽창 밸브를 통해 각 냉각 케이스(22)로 향하는 냉매의 과열을 제어하도록 사용될 수 있다.
또한, 압축기 랙(18)을 위한 흡입 압력을 모니터하기 위하여, 압력 검출 기(40)는 압축기 랙(18)의 입력측에 또는 압력 조정기(28)를 조금 지나 위치되는 것이 바람직하다. 압력 검출기(40)는 아날로그 신호를 아날로그 입력 보드(38)에 이송시키고, 이 아날로그 입력 보드는 그 아날로그 신호를 측정하고 이 정보를 통신 버스(34)를 통해 메인 냉각 컨트롤러(30)에 이송시킨다. 또한, 각 압력 조정기(28)의 개방도를 변경하기 위해, 전자 스테퍼 조정기(ESR) 보드(50)는 8개까지의 전자 스테퍼 조정기(28)를 구동시킨다. ESR 보드(38)는 메인 냉각 컨트롤러(30)로부터의 제어를 통해 스테퍼 밸브(28)를 구동시킬 수 있는 8개의 드라이버를 포함하고 있다.
도 1을 또한 참조하면, 압축기 랙의 흡입 압력은 각 회로(26)를 위한 온도 조건에 좌우된다. 예를 들면, 회로(A)는 10℉에서 작동하고, 회로(B)는 15℉에서 작동하고, 회로(C)는 20℉에서 작동하고, 및 회로(D)는 25℉에서 작동한다고 한다. 압력 검출기(40)를 통해 검출되는 압축기 랙(18)의 흡입 압력은, 예를 들면 회로(A), 또는 리드 회로인, 회로(26) 전부를 위한 최저 온도 조건을 기초로 한 흡입 압력 설정 포인트를 필요로 한다. 그러므로, 압축기 랙(18)의 흡입 압력은 회로(A)를 위한 작동 온도 10℉에 도달하도록 설정되고, 회로(A)는 압력 조정기(28)가 거의 100퍼센트 개방한 상태로 가장 효율적으로 작동할 수 있다. 하지만, 각각의 회로(26)는 상이한 온도에서 작동하기 때문에, 회로(B), 회로(C) 및 회로(D)의 압력 조정기(28)는 각 회로(26)를 위한 일정 퍼센트로 폐쇄되어 그 특정 회로(26)에 대응하는 온도를 제어한다. 회로(B)를 위한 15℉로 온도를 상승시키기 위해, 회로(B)의 스테퍼 조정기 밸브(28)는 약간 폐쇄되고, 회로(C)의 밸브(28)는 더 폐 쇄되고, 및 회로(D)의 밸브(28)는 한층 더 폐쇄되어 개개의 필요 온도를 제공한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다른 냉각 시스템(110)은 각각의 냉각 회로(126A~D)에 각각 관이 설치된 다수의 루프탑 유닛(100A~D)을 포함하고 있다. 냉각 시스템(110)은 2004년 4월 15일에 제출된 미국 특허 출원 60/553,056호에 개시된 타입으로 이루어진 것이 바람직하다.
각각의 루프탑 유닛(100)은 루프탑 유닛(100)용 하우징에 집합적으로 장착되는 다수의 압축기(112), 콘덴싱 유닛(120) 및 컨트롤러(132)를 포함하고 있다. 압축기(112)는 공동의 흡입 다기관(114) 및 배기 헤더(116)와 함께 관이 설치되어, 냉매 기체가 고압 상태로 액화되는 콘덴싱 유닛(120)에 압축 냉매를 제공한다. 각각의 냉매 회로(126A~D)를 위한 파이프(124)는 식료품점 바닥 공간(8) 내 다수의 냉각 케이스(22)에 고압 액체 냉매를 이송시킨다.
각각의 냉각 케이스(122)는 유사한 온도 범위 내에서 작동하는 다수의 냉각 케이스(122)를 포함하는 개별 회로(126) 내에 배열되고 파이프(124)로 각각의 루프탑 유닛(100)에 연결된다. 도 3은 회로(126A), 회로(126B), 회로(126C), 및 회로(126D)로 분류된 4개의 회로(126)를 도시하고 있다. 각각의 회로(126)는 4개의 냉각 케이스(122)를 포함하는 것으로 도시하고 있지만, 당업자는 냉각 시스템(110)이 회로(26)를 몇 개든지 포함할 수 있고 각 회로(126)는 냉각 케이스(122)를 몇 개든지 포함할 수 있다는 것을 알 것이다. 각 회로(126)는 대체로 일정 온도 범위 내에서 작동할 것이다. 예를 들면, 회로(126A)는 냉동 식품용으로 될 수 있고, 회로(126B)는 유제품용으로 될 수 있고, 회로(126C)는 육류, 기타용으로 될 수 있다. 온도 조건은 각 회로(126)마다 다르기 때문에, 각각은 파이프(124)를 통해 루프탑 유닛(100)에 독립적으로 관이 설치된다. 예를 들면, 회로(126B) 및 루프탑 유닛(100B) 등도 마찬가지로 회로(126A)는 루프탑 유닛(100A)에 배관 연결된다.
용량을 분배하여 고압 액체 냉매를 이송시키고, 그리고 독립적으로 관이 설치되어 각각의 회로(126)가 일정 온도 범위 내에서 작동함으로써, 일정한 효율이 얻어지고 손실을 막는다. 예를 들면, 압력 조정기(28)가 증발기 압력 및, 종래 식으로 배열된 냉각 회로(26)에 대한 냉각 케이스(22) 내 향후 냉각된 공간의 온도를 제어할 필요가 없다. 또한, 루프탑 유닛(100)의 분배 배열 때문에, 콘덴싱 유닛(120)은 루프탑 유닛(100) 내 압축기(112)와 함께 일체로 설치됨에 의해, 공장 시방서 대로 배관 및 배선을 가능케 한다.
루프탑 유닛(100)당의 단일 냉각 회로(126)의 이러한 분배 배열은 중앙 플랜트 구조가 제공하는 병렬 압축기 작동과 동일한 용량 제어를 제공하지만, 상당히 감소된 배관 및 냉매 조건 및 ESR의 배제와 짧아진 배선 사용(보다 작은 압력 강하)으로 인한 매우 높은 효율로 병렬 압축기 작동과 동일한 용량 제어를 제공한다. 분배 배열은 단순화된 배열로 인해 짧아진 건설공사뿐만 아니라, 또한 식료품점 소유자에게 초기 건설공사 비용을 감소시킨다. 시스템의 사용 수명 동안에 걸쳐, 이러한 분배 배열은 에너지 소모량 및 냉각량을 감소시켜준다.
도 4에 도시된 바와 같이, 루프탑 유닛(100)을 통해 압축기 용량을 분배함으로써, 루프탑 유닛(100)은 냉각 회로(126)가 식료품점 내에 배치되는 근처의 가까운 위치에서 식료품점 지붕 상에 배치됨에 따라 보다 짧은 배관 및 배선 설치 작업 이 요구된다. 또한, 작은 다중 루프탑 유닛(100)의 이 루프탑 배열은 중앙 플랜트 방법보다 비용을 절약한다. 이 중앙 플랜트 방법은, 무게가 40000 내지 50000파운드 이하에 이르는 하중이 나가고 이 하중을 지지하기 위해 광대한 강철 구조가 필요한 큰 중앙 옥탑을 종종 필요로 하거나, 또는 소매점 내에 상당한 공간, 및 소매점 지붕에 올려진 강철 플랫폼상에 장착된 콘덴서로의 배관을 위한 광범위한 사용지를 필요로 한다. 비교해보면, 무게가 1000파운드에서 3000파운드 정도이고 최적으로 위치되며, 압축기(112), 콘덴서,(120) 및 컨트롤러(132)로 통합된 루프탑 유닛(100)은 추가 구조물을 필요로 하지않고 대체로 거더 빔(girder beam) 및 조인트 크기를 증가시키는 것만을 필요로 할 것이다. 중앙 구조 방법용 옥탑에 대한 유닛당 25,000$정도의 전체 추가 구조물 비용과 비교하여, 분배 방법의 추가 구조물 비용은 유닛당 700$정도이다.
이 분배 구조에 의해 얻어지는 효율은 건축공사와 함께 시작되고, 건축 공사는 제조 공장에서 콘덴서(120)가 배관 및 배선이 이루어지고 루프탑 유닛(100)이 그것이 기능하게 되는 냉각 회로(126) 근처에 배치되기 때문에 더 짧아진 기간 내에 성취될 수 있다. 이 배열은 설치 시간을 단축시킬뿐만 아니라 배관 연결과 관련된 노동 비용도 감소시킨다. 또한, 루프탑 유닛(100)과 냉각 회로(126) 사이에서의 보다 짧아진 설치 길이로 보다 작은 양이 필요해짐에 따라, 개관 비용(특히 최근에는 동 배관의 비용이 증가함에 따른), 행거 및 절연체의 비용이 감소한다. 또한, 짧아진 설치 길이 때문에, 냉매 조건이 덜 까다로와 소매점 소유자가 점점 더 엄격해지는 환경 보호 기준을 충족시키는 것을 도와준다. 작동 효율에 있어서, 짧아진 배관 설치, 및 각 냉각 회로(126)에 대한 루프탑 유닛(100)의 배열에 의해 제공된 목표 작동 온도의 직접적인 결과로서 축소된 흡입 배선 압력 손실과 더 큰 에너지 효율을 얻는다.
종래 시스템과 같이, 고압 액체 냉매는 각각의 냉매 회로(126) 내 각 냉각 케이스(122)에 이송된다. 냉각 케이스(122)는 증발기(미도시) 및 팽창 밸브(미도시)를 포함하고 있고, 이 증발기 및 팽창 밸브의 어느 한쪽은 냉매의 과열을 제어하기 위한 기계식 또는 전자식 밸브일 수 있다. 냉매는 파이프(124)에 의해 각각의 냉각 케이스(122) 내 증발기에 이송되고, 이 냉각 케이스에서는 냉매가 팽창 밸브를 통과하고 압력이 강하하여 고압 액체 냉매를 저압의 액체 및 기체 혼합 상태로 변경시킨다. 냉각 케이스(122)로부터 따뜻한 공기가 증발기 코일을 가로질러 이동함에 따라, 저압의 액체가 기체로 변화하고, 이 기체는 루프탑 유닛(100) 내의 압축기(112) 용 공동 흡입 다기관(114)에 이송된다. 전과 같이, 압축기(112)는 저압 기체를 고압 기체로 압축하고 이 고압 기체를 콘덴서(120)로 이송하고, 이 콘덴서는 다시 고압 액체를 생성하여 냉각 사이클을 재시작시킨다.
도 5에 잘 도시된 바와 같이, 루프탑 유닛(100)의 컨트롤러(132)는 입/출력 보드(134), 마이크로프로세서(136), 메모리(138), 및 통신 포트(140)를 포함하고 있다. 컨트롤러(132)는 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 루프탑 유닛(100)의 외부 하우징 상에 장착된다. 컨트롤러(132)는 압축기 용량과 또한 콘덴싱 유닛(120)의 가변 속도 팬을 제어하고 통신 포트(140)를 지나 통신 버스(134)를 통해 연통한다.
냉각 시스템(110)은 여러 루프탑 유닛(100)의 컨트롤러(132)와 통신하는 냉 각 컨트롤러(130)를 더 포함하고 있다. 바람직하게, 냉각 컨트롤러(130)는 미국 조지아주 아틀란타의 CPC, Inc.에 의해 제공되는 아인슈타인 에리어 컨트롤러(Eistein Area controller), 또는 프로그램화될 수 있는 다른 타입의 컨트롤러이다.
본 발명의 한 변형예에 있어서, 루프탑 유닛 컨트롤러(132)는 압축기 용량 및 콘덴서 팬 제어를 위해 메모리(138)에 저장된 작동 알고리즘을 포함하고 있고, 이하에 설명될 바와 같이, 이 프로그램은 프로세서(136)에 의해 실행된다. 그 후 컨트롤러(132)는 통신 포트(140)를 통해 메인 냉각 컨트롤러(130)에 작동 상태 및 측정된 파라미터 데이터를 통신하고, 이 통신 포트는 이하에 더 설명될 바와 같이, 통신 버스(134)에 연결될 수 있다. 이러한 통신은 대체로 유선으로 되어있지만, 무선 통신 프로토콜을 사용하여 좀더 효율적으로 이루어질 수 있다.
무선 통신에 있어서, 각각의 루프탑 유닛 컨트롤러(132)는 무선 신호를 전송하고 수신하기 위한 트랜시버(142)(도 5에 도시)를 포함할 수 있다. 유사하게 메인 냉각 컨트롤러(130)는 신호를 전송하고 수신하기 위한 트랜시버(144)를 포함할 수 있다. 각각의 트랜시버(142, 144)는 라디오 주파수(RF) 파라메트릭 데이터를 송수신할 수 있는 송신기 및 수신기를 포함할 수 있다. 또한, 각 트랜시버(142, 144)는 신호 조절 회로를 포함할 수 있다. 트랜시버는 루프탑 유닛 컨트롤러(132) 또는 냉각 컨트롤러(130)와 별개로 위치된 독립형의 장치일 수 있다. 또한, 거리 및 통신 환경에 좌우되는 냉각 시스템(110)은 제한된 전송 범위를 넘어서도록 하나 이상의 RF 중계기(146)를 필요로 할 수 있다. 이 점에서, 각각의 중계기(146)는 컨 트롤러(132)의 트랜시버(142)와 메인 냉각 컨트롤러(130)의 트랜시버(144) 사이에 브리지로서 작동한다.
컨트롤러(132)는 냉각 컨트롤러(130) 내에 확립된 설정 포인트를 기초로 루프탑 유닛(100)을 제어한다. 컨트롤러(132)는 RAM 칩, 마이크로프로세서, 및 플래쉬 메모리로 구성되어있기 때문에, 냉각 컨트롤러(130)에의 통신을 놓쳤을 때조차, 컨트롤러는 모든 제어 기능을 수행한다. 또한, 이 동일한 구성은 통신이 재확립된 후 컨트롤러(132)가 가장 최근의 제어 설정 포인트를 냉각 컨트롤러(130)에 다운로드하도록 한다. 냉각 컨트롤러(130)와 유사하게, 컨트롤러(132)는 디폴트의 설정 포인트로 미리 프로그램을 만든 여러 가지의 메모리 칩을 구비한다. 컨트롤러(132)는 컨트롤러(132)가 루프탑 유닛(100)에 유선으로 연결되어있어 입력 데이터를 수신하자마자 연합의 루프탑 유닛(100)을 작동시킬 수 있다. 또한 설정 포인트는 언제라도 핸드핼드형 단말기로부터 변경될 수 있고 컨트롤러(132)와 냉각 컨트롤러(130) 사이가 연결될 때까지 유효할 수 있다. 컨트롤러(132)는 그것에 직접 연결된 센서로부터의 입력 데이터를 모니터하고, 다른 컨트롤러 또는 입력 보드에 연결된 센서로부터 냉각 컨트롤러(130)로 경로가 정해진 추가의 입력 데이터를 수신한다.
각각의 루프탑 유닛(100)은 관이 설치된 냉각 회로(126)에 대해 필요한 용량에 좌우하는 하나 이상의 압축기(112)를 포함하고 있다. 또한, 각 루프탑 유닛(100)은 하나 이상의 가변 용량 압축기(112')를 포함하고 있다. 그러므로, 루프탑 유닛(100)이 단일의 압축기(112)를 포함하고 있다면, 가변 용량 압축기(112')가 존재한다. 루프탑 유닛(100)이 둘 이상의 압축기(112)를 포함하고 있는 경우, 그 압축기(112) 중 적어도 하나는 가변 용량 압축기(112')이다.
미국 특허 6,120,255호; 6,213,731호 및 미국 특허 출원 10/619,767호에 개시되어 있고, 가변 용량 압축기(112')는 효율적고 정확하게 압축기 출력을 필요 회로 용량에 매치시킨다.
컨트롤러(132)는 압축기(112)의 흡입 측 검출기(150)로부터의 압력 측정치를 사용자가 정한 설정 포인트와 비교하도록 사용한다. 압력 측정치와 설정 포인트의 PID 비교를 통해, 컨트롤러(132)는 이하에 더 설명될 바와 같이, 압축기 스테이징을 선택한다.
컨트롤러(132)는 스케줄링, 로깅, 및 모니터링을 위해 콘덴싱 유닛(120)을 위한 팬 속도를 또한 제어한다. 컨트롤러(132)는 다음의 3개의 기본 냉각 전략을 지원한다: (1) 공기 냉각; (2) 증발; 및 (3) 온도차. 이 전략들 중의 각각에 대해, 컨트롤러(132)는 사용자가 정한 설정 포인트에 대한 PID 제어를 사용하여 팬의 동작을 제어한다.
공기 냉각에 관해서, 다수의 팬(160)이 사용될 수 있고, 이 경우 다수의 팬은 필요 냉각에 기초하여 순서화된다. 순서는 여러 팬(160) 사이에서 가동 시간을 같게 하도록 제어될 수 있다. 필요 냉각의 체적은 압축기의 배출 측 (트랜스듀서(152)에 의해 측정된)압력과 사용자가 정한 설정 포인트를 비교함으로써 결정된다. 가변 속도 팬(160')이 사용될 수 있고, 그리고 컨트롤러(132)는 동일한 비교를 기초로 하여 팬(160')의 속도를 설정한다. 또한, 동일한 비교로부터 추론된 바 와 같이, 필요 냉각에 기초하여 컨트롤러(132)가 속도를 선택하는 경우에, 이단변속 팬(160")이 사용될 수 있다.
콘덴싱 유닛(120)의 증발 냉각에 관해서, 컨트롤러(132)는 콘덴싱 유닛(12)의 필요 냉각에 기초하여 워터 밸브(미도시)를 작동시킨다. 또한, 컨트롤러(132)는 컨덴싱 코일 전면에 걸친 냉각수의 증발을 위해 팬(160)을 작동시키고, 그리고 댐퍼(미도시)가 또한 장착될 수 있고, 이 댐퍼의 개방은 컨트롤러(132)에 의해 변경될 수 있다. 또한, 필요 냉각의 체적을 결정하기 위해, 트랜스듀서(152)로부터의 압축기 배치 압력 측정치는 사용자가 정한 설정 포인트와 비교된다.
콘덴싱 유닛(120)의 온도차 전략에 관해서, 컨트롤러(132)는 주위 온도 센서(154)로부터의 주위 온도 측정치와 트랜스듀서(152)로부터의 배출 압력 측정치 사이의 차이를 얻는다. 그 차이는 온도로 변환된다. 이 방법에 있어 비교되는 온도들은 상이한 한편, 냉각은 일반적으로 공기 냉각이지만 대안으로 증발식일 수 있다.
도 6을 참조하면, 루프탑 유닛(100)은 콘덴싱 유닛 캐비닛(172), 압축기 캐비닛(174), 및 전자 캐비닛(176)으로 나누어지는 하우징 렌즈(70)를 포함하고 있다. 콘덴싱 유닛 캐비닛(172)은 콘덴싱 유닛(120) 및 콘덴서 팬(60)을 수용한다. 압축기 캐비닛(174)은 흡입 다기관(144) 및 배기 헤더(116) 뿐만 아니라, 하나 이상의 압축기(112, 112')를 수용한다. 전자 캐비닛(176)은 하우징(70)의 외부로부터 접근가능한 인클로저 내에서 컨트롤러(132)를 둘러싼다.
도 7~12를 특히 참조하여, 압축기 제어 시스템(200)이 상세하게 설명될 것이 다. 압축기 제어 시스템(200)은 전술한 냉각 시스템(10, 110) 중 어느 하나로 사용될 수 있지만, 이후에는 냉각 시스템(110)과 관련하여 설명될 것이다.
압축기 제어 시스템(200)은 컨트롤러(132) 및 일체형 디지털 제어 모듈(IDCM)(202)을 포함하고 있다. 컨트롤러(132)와 IDCM(202)은 서로 협력하여 가변 용량에 기초한 고정식 압축기(112) 또는 디지털 압축기(112')를 제어한다.
도 7은 컨트롤러(132) 및 가변 스크롤 압축기(112')와 통신하는 IDCM(202)를 도시하고 있다. 컨트롤러(132)는 냉각 디스플레이 케이스(122)의 서모스탯과 같은 외부 소스로부터 설정 포인트를 수신하여, 케이스(22)가 소정 온도의 이상 또는 이하 중 하나인 것을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 케이스(122)가 소정 온도 범위 밖일 경우, 압축기(112, 112')는 케이스(122)에 냉각 공급을 늘리거나 줄기기 위해 용량을 증가시키거나 또는 용량을 감소시킬 필요가 있다.
컨트롤러(132)는 PID(비례-미분-적분 제어) 또는 수신된 설정 포인트에 따라 가변 압축기(112')의 작동 (즉, 0퍼센트와 전체 용량 100퍼센트 사이의)퍼센트를 결정하는 다른 "퍼지 로직"을 사용하여 처리 회로를 편입하므로, PID 출력은 설정 포인트를 얻는데에 필요한 용량 퍼센트이다. 이러한 PID 또는 "퍼지 로직"의 바람직한 형태가, 본 출원이 공동 출원인인 미국 특허 6,601,397호에 개시되어 있다. PID 및 "퍼지 로직"가 여기에 참조되고, 설정 포인트와 제어 값(즉, 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트) 사이의 오차를 계산할 수 있으므로 가변 압축기(112')의 용량을 변경시켜 설정 포인트에 도달하는 수학적 아날로그가 예상됨을 알아야하고, 그리고 이는 본 발명의 일부로서 고려되어야 한다.
가변 압축기(112')에 대한 작동 퍼센트를 결정하는 설정 포인트를 사용하는 것에 더하여, 컨트롤러(132)는 또한 IDCM(202)로부터 가변 압축기(112')의 현재 작동 조건(즉, 전체 용량 중 사용 퍼센트)를 수신한다. IDCM(202)은 가변 압축기(112')의 흡입 압력을 모니터하고 가변 압축기(112')의 작동 조건을 결정하여, 압축기(112')가 용량을 증가시킬 수 있도록 한다. IDCM(202)은 본질적으로 가변 압축기(112')로부터의 신호를 해석하고 압축기 작동 퍼센트를 나타내는 펄스를 컨트롤러(132)로 되돌려 출력한다. IDCM(202)이 개별의 모듈로 설명되는 반면에, 시스템(200)은 대안으로 컨트롤러(132) 내에 직접 IDCM(202)의 기능을 통합하여 그에 의해 시스템(200)을 단순화시킬 수 있다.
IDCM(202)은 소정 시간 동안 가변 압축기(112')를 모니터하여 판독치가 정확하고 실제의 압축기 작동 조건을 나타내도록 한다. 가변 압축기(112')는 냉각 시스템의 변동 필요 때문에 작동 동안 일관된 흡입 압력을 가질 수 없다. 그러므로, 일정 시간에 걸친 흡입 압력 판독치를 취하는 것은 컨트롤러(132)에, 가변 압축기(112')에 대한 평균 흡입 압력 및 대부분의 경우 더 신뢰할 수 있는 압축기 수행의 지시를 제공한다.
예를 들면, 도 7은 20초 정도의 피드백 사이클을 가진 제어 루프를 도시하고 있다. 이는 IDCM(202)이 가변 압축기(112')의 흡입 압력을 모니터하고 매 20초 마다 평균 흡입 압력 값을 컨트롤러(132)에 복귀시킨다. 컨트롤러(132)가 가변 압축기(112')의 작동 조건(즉, 평균 흡입 압력)을 수신하면, 컨트롤러(132)는 설정 포인트 또는 수요량에 따라 압축기(112')의 작동 퍼센트를 분석한다. 제어 루프가 기간이 20초인 것으로 설명되어있는 반면에, 제어 루프는 특정 장치에 대해서 조정될 수 있고 압축기 흡입 압력의 순간 판독치를 취할 수도 있음을 알아야 한다. 이러한 상황에서는, IDCM(202)은 지속적인 분석을 위해 압축기 작동 퍼센트 데이터를 컨트롤러(132)에 되돌려 보낸다.
컨트롤러(132)가 IDCM(202)으로부터 갱신된 가변 압축기 데이터를 수신하면, 컨트롤러(132)는 필요 설정 포인트에 대해 가변 컨트롤러의 평균 가동 퍼센트를 비교한다. 가동 퍼센트가 부족하여 용량의 증가가 필요한 경우, 컨트롤러(132)는 가변 스크롤 압축기(112')의 용량을 증가시켜 설정 포인트와 맞을 수 있도록 한다. 예를 들면, 필요 설정 포인트가 가변 압축기(112')만으로 조정될 수 없다면, 컨트롤러는 하나의 고정식 압축기(112)를 시동시켜 부족함을 보상할 것이다.
부하가 증가하고 있고, 그리고 PID가 가변 압축기(112')에 대한 100퍼센트 용량에 도달하였을 때, 가장 작은 고정식 압축기(112)가 시동되어 추가 용량을 제공할 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 100퍼센트 용량에서의 가변 압축기(112')의 작동과 고정식 압축기(112)의 시동 사이의 관계는 일반적으로 선형이다. 이와 같이, 흡입 압력이 상승함에 따라, 수요량이 증가하므로, 용량이 증가되어야만 한다.
예를 들면, 특정 랙(18)에 대한 가변 스크롤 압축기(112')가 6마력 압축기이고 각각 4마력 및 5마력의 2개의 압축기가 더 있다면, 랙(18)에 대한 전체 용량은 16마력(즉, 가변 및 고정식 압축기 용량의 합계)이다. 그러므로, 수요량이 6마력보다 작은 경우, 가변 스크롤 압축기(112')가 작동하는 유일한 압축기가 될 것이 다. 하지만, 수요량이 6마력을 초과한 경우, 최저의 고정식 압축기(112)가 컨트롤러(132)에 의해 시동될 것이다. 가변 압축기(112')와 관련한 사용에 대하여 고정식 압축기(112)를 시동시키는 결정은 전술한 바와 같이, 소정 시간에 걸친 가변 스크롤 압축기(112')의 가동 퍼센트에 기초하여 결정된다는 것을 알아야 한다.
냉각 시스템(10, 100)에 의해 필요한 수요량이 7마력인 경우, 컨트롤러(132)는 4마력의 고정식 압축기(112)를 시동시켜 추가 용량을 제공할 것이다. 컨트롤러(132)는 소정 총 시간 동안 100퍼센트 용량에서의 가변 압축기(112') 작동에 기초하여 고정식 압축기(112)를 시동시킬 것이다. 이 시점에서, 가변 압축기(112')가 100퍼센트 용량으로 작동중이고, 그리고 고정식 압축기가 4마력일 경우, 10마력의 총 용량이 제공된다. 그러므로, 제공된 10마력은 7마력의 필요 수요량을 3마력만큼 초과한다.
수요량만큼 필요로 하는 에너지보다 좀 더 많은 에너지가 사용됨에 따라 부가적인 3마력의 용량은 시스템 비효율에 기여한다. 그러므로, 컨트롤러(132)는 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 100퍼센트 용량에서 작동중인지를 결정하면, 4마력의 고정식 압축기(112)를 시동시키기 전에 압축기의 크기 및 수요량을 기초로, PID는 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 낮은 퍼센트로 조정할 것이다. 고정식 압축기(112)는 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트가 축소될 때까지 시동되지 않는다.
가변 속도 압축기(112')는 그 마력의 퍼센트만을 제공하여 제어될 수 있기 때문에, 가변 속도 압축기(112')는 원하는 퍼센트에 가장 가까운 매치를 찾기 위해 고정식 압축기와 조합되었을 때 조정 용량을 세분화하도록 사용될 수 있다. 하지만, 고정식 압축기(112)는 디지털 스위치로 처리된다. 압축기(112)가 작동되고 있을 때, 그 출력은 높게 설정된다. 그러므로, 고정식 압축기(112)는 100퍼센트 또는 0퍼센트(즉, 정지)에서 작동될 수만 있다. 이러한 이유로, 상기 예의 고정식 압축기(112)는 시동시 4마력을 제공할 것이다. 따라서, 고정식 압축기(112)를 시동시키기 전에 가변 압축기(112')의 가동 퍼센트의 감소는 7마력과 같게 하여 제공된 총 용량을 초래한다.
가변 압축기(112')의 작동 퍼센트는 고정식 압축기의 시동을 제어하기 때문에, 컨트롤러(132)는 가변 압축기(112')가 충분히 감소하는 정확한 시각에 고정식 압축기(112)를 시동시킬 수 있다. 상기 예에 있어서, 감소한 작동 퍼센트는 50퍼센트 용량(즉, 3마력)에서 작동하는 가변 6마력 압축기(112')를 필요로 하고, 고정식 압축기(112)가 4마력의 출력에 도달하는데에 2초가 걸린다면, 컨트롤러(132)는 가변 압축기가 50퍼센트 용량에 도달하기 이전에 고정식 압축기(112)를 시동시킬 수 있다. 그러므로, 가변 압축기(112')가 50퍼센트 용량에 도달하였을 때, 고정식 압축기(112)는 100퍼센트 용량이고 4마력의 수행을 제공한다. 따라서, 각각의 냉각 시스템(10, 110)은 수요량과 정확하게 매치하는 7마력의 압축기 용량을 수용하고, 그리고 시스템의 전체 효율이 최대한으로 최적화된다.
6마력 가변 압축기(112')는 컨트롤러(132)가 PID 또는 "퍼지 로직" 알고리즘을 통해 가동 퍼센트를 갱신할 때까지 감소한 50퍼센트 용량에서 계속 작동할 것이다. 고정된 4마력 압축기(112)가 계속 작동하는 동안 컨트롤러(132)는 가변 압축 기(112')가 용량 하중과 매치하도록 10퍼센트와 100퍼센트 사이에서 조정된다. 하지만, 가변 압축기(112')가 20초 동안 10퍼센트 용량으로 내려가면, 컨트롤러(132)는 고정식 압축기(112)를 정지시킬 것이므로 PID는 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 증가시킬 것이다.
고정식 압축기(112)의 추가에 따라, 유사하게 컨트롤러(132)는 고정식 압축기(112)를 정지시킬 수 있고 시스템(10, 110)을 중단시키지 않으면서 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 상승시킬 수 있다. 예를 들면, 가변 압축기(112')가 10퍼센트 용량에서 작동중이라면(소정 시간 동안), 고정식 압축기(112)가 정지됨에 따라, 컨트롤러(132)는 압축기(112')를 상승시키도록 지시할 수 있다. 가변 압축기(112)의 용량 상승은 고정식 압축기(112)에 의해 제공된 용량의 감소를 조절하고, 고정식 압축기(112)가 0퍼센트 용량에 도달하는 것과 마찬가지로 원하는 용량 퍼센트에 도달하도록 조정될 수 있다.
예를 들면, 수요량이 3마력으로 감소하는 경우, 가변 6마력 압축기(112')는 10퍼센트 용량에서 작동할 것이고 4마력 고정식 압축기(112)가 정지되어야 하는 것을 컨트롤러(132)에 지시할 것이다. PID 또는 "퍼지 로직"을 사용하는 컨트롤러(132)는 가변 압축기(112')가 가동 퍼센트를 50퍼센트(즉, 3마력)로 증가시키는 것을 지시할 것이고, 고정식 압축기(112)가 0퍼센트 용량에 도달하는 것과 마찬가지로 가변 압축기(112')가 50퍼센트 용량 표준에 도달하도록 고정식 압축기(112)를 정지시키는 것을 지시할 것이다. 그러므로, 각각의 냉각 시스템(10, 110)은 수요량과 정확하게 매치하는 압축기 용량을 수용하고, 그리고 시스템의 전체 효율이 최 대한으로 최적화된다.
동일한 순서는 부가된 각각의 추가 압축기에 적용될 것이라는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 필요 수요량이 10마력을 초과하는 경우, 이전에 설명된 바와 같이 제 3 (다음으로 더 큰)고정식 5마력 압축기(112)가 시동될 것이므로 PID는 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 조정할 것이다. 4마력 고정식 압축기(112)가 작동중이고 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 100퍼센트 용량 상태에 있을 때, 제 3 압축기(112)만이 시동된다. 이 점에서, 컨트롤러(132)는 추가 고정식 압축기(112)를 시동시켜 시스템(10, 110)에 필요 용량을 제공한다. 3개의 압축기 시스템이 개시되는 반면에, 본 발명의 제어 시스템(200)은 가변 압축기(112') 및 병렬 관계로 된 다수의 고정식 압축기를 가진 시스템에서 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 9~10을 특히 참조하면, 일반적인 제어 흐름도가 냉각 시스템(10, 100)과 함께 사용을 위해 제공된다. 예를 들면, 가변 스크롤 압축기(112')는 2개의 고정식 스크롤 압축기(112)과 병렬 관계로 개략적으로 도시되어 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 가변 압축기(112')는 고정식 압축기(112) 중 어느 하나보다 큰 용량을 포함하고 있어서, 추가 고정식 압축기(112)가 더해지거나 배제될 때(즉, 변환기 동안) 가변 압축기(112')가 용량 조건을 처리할 수 있다. 고정식 스크롤 압축기(112)가 개시되는 반면에, 고정식 압축기(112)는 대안으로 고정식 왕복 압축기일 수 있음을 알아야 하고, 이는 본 발명의 일부로서 고려되어야 한다. 왕복 압축기(112)는 압축기(112)의 용량을 선택적으로 조정하는 흡입차단 언로더를 통합함으로써 추가 용량을 제공할 수 있다. 특히, 흡입차단 언로더는 압축기(112)가 2개의 다른 용량 상태에서 작동하도록 하므로, 흡입차단 언로더를 통합하는 하나의 왕복 압축기는 일반적으로 2개의 추가 고정식 압축기(112)를 가지는 것에 상당한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(132)는 냉각된 케이스 온도와 같은 시스템 파라미터뿐만 아니라 가변 압축기(112')로부터 순간 흡입 압력 데이터를 수신한다. 가변 압축기(112')로부터 컨트롤러에의 입력 및 각각의 냉각 시스템(10, 110)은 가변 압축기(112')에 대한 설정 포인트 흡입 압력을 결정하는 컨트롤러(132)에 의해 사용된다. 특히, 컨트롤러(132)는 PID 또는 "퍼지 로직"을 사용하여 시스템 수요량 및 가변 압축기(112')의 현재 작동 퍼센트에 기초하여 가변 압축기(112')에 대한 작동 퍼센트를 결정한다. 냉각된 케이스 온도가 컨트롤러(132)에의 입력으로써 설명되고 있지만, 시스템 작동 조건을 지시하는 냉매 흐름 또는 공기 흐름 센서와 같은 다른 시스템 작동 조건이 예상될 수 있고, 이는 본 발명의 교시의 일부로서 고려되어야 한다.
새로운 작동 퍼센트가 컨트롤러(132)에 의해 결정되면, 도 9에 잘 도시된 바와 같이, 제어 알고리즘은 사용자가 정한 시간 이내에 10퍼센트에서 100퍼센트까지 가변 압축기(112')를 조정(PWM)할 것이다. PWM은 가변 압축기(112') 내에 입력되어 언로더를 조작하고 압축기(112')의 스크롤 사이의 상대 위치를 설정하므로 필요한 압축기(112')의 용량을 설정한다. 이 점에서, 제어 모듈(132)이 가변 압축기(112')로부터 작동 퍼센트 데이터를 수신하고 입력 또는 수요량에 따라 작동 퍼센트를 재계산할 때까지 가변 압축기(112')의 스크롤 사이의 상대 위치는 서로에 대해 설정된 채로 남아있다.
제어 모듈은 가변 압축기(112')로부터 순간 흡입 압력 데이터를 수신하거나 필터링된 흡입 압력 데이터를 수신할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(132)에의 입력은 대안으로 "필터링"된 흡입 압력 판독치로 연결될 수 있다. 필터링된 흡입 압력 판독치는 사용자가 정한 시간 동안의 가변 압축기(112')에 대한 평균 흡입 압력을 컨트롤러(132)가 수신하도록 한다. 흡입 압력 또는 필터링된 정렬에 대한 평균 흡입 압력은, 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 결정하고 고정식 압축기(112)를 시동시키거나 시동시키지않는 컨트롤러(132)에 의해 시스템 수요량과 비교된다. 그러므로, 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트는 고정식 압축기(112)의 작동을 필수적으로 제어한다.
이 점에서, 가변 압축기(112')는 현재 시스템 조건 및 압축기(112')의 현재 작동 퍼센트에 기초하여 컨트롤러(132)에 의해 규정된 작동 퍼센트로 작동한다. 하지만, 시스템이 추가 용량을 필요로 할 때, 가변 압축기(112')는 추가 요구량에 따라 가변 압축기의 작동 (즉, 10퍼센트와 100퍼센트 전체 용량 사이의)퍼센트를 증가시킬 것이다. 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 100퍼센트 용량으로 작동하면, 컨트롤러(132)는 고정식 압축기(112)가 시동하도록 지시할 것이고 동시에 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 감소시킬 것이다.
고정식 압축기(112)의 시동에 있어서, 컨트롤러(132)는 우선 각각의 고정식 압축기(112)의 크기를 결정하여 그룹 중 가장 작은 것을 첫 번째로 시동할 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 컨트롤러(132)는 시스템(10, 100)의 효율을 최대한으로 하는 시도를 하므로 적당한 크기의 압축기(112)를 시동하기만을 원한다. 대부분 경 우에, 필요 추가 용량은 비교적 작으므로, 컨트롤러(132)는 시동시키려는 가장 작은 용량의 압축기(112)를 탐색한다. 하지만, 어떤 경우에는, 시스템(즉, 후술될 제상 사이클 또는 풀-다운 모드)에 의해 용량의 상당한 증가가 필요로 할 때 컨트롤러(132)는 좀더 큰 고정식 압축기(112)를 시동시킬 것이다.
각각의 고정식 압축기(112)가 본질적으로 동일하도록 압축기들이 "균일하다"면, 도 12에 도시된 바와 같이 컨트롤러(132)는 가변 압축기(112')와 함께, 사용을 위한 고정식 압축기(112) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 하지만, 고정식 압축기(112)들이 다양한 용량을 가지고 있어 압축기(112)들이 "불균일하다"면, 전술한 바와 같이 컨트롤러(132)는 그룹 중 가장 작은 비율의 압축기를 선택할 것이다.
고정식 압축기(112)가 선택되면, 고정식 압축기(112)는 시동으로부터 약간 지연되어 가변 압축기(112')가 그 용량을 100퍼센트로부터 더 작은 체적으로 감소시키도록 한다. 전술한 바와 같이, 축소되는 가변 압축기(112') 체적은 시스템 수요량과 시동되려는 고정식 압축기(112)의 크기 및 용량에 주로 기초한다. 고정식 압축기(112)는 고정된 용량을 포함하고 있고 100퍼센트 용량에서만 작동될 수 있기 때문에, 가변 압축기(112')는 원하는 수요량과 고정식 압축기(112)의 출력 사이의 결핍을 보충해야만 한다. 예를 들면, 고정식 압축기(112)가 4마력 압축기이고 수요량은 7마력을 요구한다면, 6마력 가변 압축기(112')가 50퍼센트 총 용량 상태로 작동하여 고정식 압축기(112)와 필요 수요량 사이의 용량 결핍을 보충할 것이다.
고정식 압축기(112)의 시동과 관련한 지연은 가변 압축기(112')의 시간이 100퍼센트 용량 작동으로부터 50퍼센트 용량 작동으로 내려가도록 시행된다. 컨트 롤러(132)의 목표는 가변 압축기(112')가 50퍼센트 용량에 도달하였을 때 고정식 압축기(112)는 100퍼센트 용량에서 작동하고 있도록 고정식 압축기(112)를 시동시키는 것이다. 이 점에서, 시스템 효율과 압축기 용량은 최대한으로 최적화된다.
가변 압축기(112')의 작동 퍼센트는 시스템 수요량과 비교를 위해 컨트롤러(132)에 되돌아간다. 컨트롤러(132)는 PID 또는 "퍼지 로직"을 사용하여 계속 필요 요구량에 따라 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트를 갱신한다. 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 100퍼센트 용량으로 작동하고 있는 경우, 전술한 바와 같이, 컨트롤러(132)는 고정식 압축기(112)를 시동시킬 것이다. 하지만, 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 10퍼센트 용량으로 작동하고 있는 경우, 컨트롤러(132)는 고정식 압축기(112)를 정지시켜 시스템의 전체 용량을 조정할 것이다.
가변 압축기(112')가 상승하는 동안 고정식 압축기(112)는 정지된다. 높은 용량으로 가변 압축기(112')를 끌어올리는 데에 잠시 시간이 걸리기 때문에 고정식 압축기(112)는 가변 압축기(112')가 용량을 증가시킬 때까지 정지되지 않는다. 즉, 가변 압축기(112')가 원하는 작동 퍼센트에 도달함에 따라 고정식 압축기(112)는 0퍼센트 용량에 도달하도록 고정식 압축기(112)의 정지가 지연된다.
예를 들면, 수요량이 3마력이고 6마력 가변 압축기(112')가 10퍼센트 상태이고 4마력 고정식 압축기가 100퍼센트 상태이면, 컨트롤러(132)는 가변 압축기의 퍼센트를 50퍼센트로 증가시킬 것이고 제공된 용량이 수요량과 맞도록 고정식 압축기를 정지시킬 것이다. 또한, 가변 압축기(112')가 원하는 작동 퍼센트에 도달함에 따라 고정식 압축기(112)는 0퍼센트 용량에 도달하도록 고정식 압축기(112)의 정지 가 지연된다. 이 점에서, 시스템 효율 및 압축기 용량이 최대한으로 최적화된다.
압축기 효율을 최대한으로 최적화하기 위한 다른 제어로서 전술한 어느 압축기(112, 112')와 함께 증기 분사 시스템이 사용될 수 있다. 증기 분사 시스템은 대체로 높은 압력 상태에서 증기 냉매를 이용하여, 가압된 냉매가 압축기(112, 112')의 일부만을 통과하는 동안 각각의 압축기가 이 가압된 냉매를 표준 출력 압력으로 가압하도록 한다. 그러므로, 증기 분사 시스템은 각각의 개별 압축기(112, 112')의 용량을 향상시키고 바람직하게는 2003년 12월 9일에 출원한 미국 특허 출원 60/528,157호에 개시된 타입인 것이다.
압축기 제어 시스템(200)은 고정식 압축기(112)의 시동 또는 가변 압축기(112')에 대한 작동 퍼센트의 증가 이전에 각 압축기(112, 112')의 용량을 향상시키도록 증기 분사 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들면, 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 100퍼센트 용량 상태일 경우, 컨트롤러(132)는 추가 용량을 제공하는 고정식 압축기(112)의 시동을 선택할 것이고, 또는 간단히 증기 분사 시스템을 시동시킬 수 있다. 증기 분사 시스템은 가변 압축기(112')에 맞게 충족될 추가 용량을 (압축기 효율의 증가를 통해)제공할 수 있고 고정식 압축기(112)를 시동시킬 필요를 방지할 수 있다.
도 10을 참조로, 실험 데이터를 도시한 표가 제공된다. 표는 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트에 기초하여 고정식 압축기(112)를 제어함으로써 시스템 효율을 최대한으로 최적화하는 압축기 제어 시스템(200)의 성능을 반영한다. 표는 가변 압축기(112')가 소정 시간 동안 100퍼센트 용량을 유지할 때 0퍼센트와 100퍼 센트 사이에서 가변 압축기(112')를 조정하고 고정식 압축기(112)를 시동만 시킴으로써 얻어지는 효율을 도시하고 있다. 즉, 가변 압축기(112')의 작동 퍼센트에 기초한 고정식 압축기(112) 제어는 향상된 시스템 효율 및 최적화를 초래한다.
본 발명의 명세는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 요점으로부터 벗어나지 않는 변형은 본 발명의 기술영역 내에서 의도된다. 이러한 변형예는 본 발명의 기술사상 및 기술영역으로부터 벗어남 없이 간주된다.

Claims (38)

  1. 압축기 제어 시스템으로서:
    하나 이상의 가변 압축기;
    하나 이상의 용량 고정식 압축기; 및
    흡입 압력 판독치에 기초하여 상기 하나 이상의 가변 압축기를 조정할 수 있고, 상기 하나 이상의 가변 압축기의 작동 파라미터에 기초하여 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기를 작동 모드와 정지 모드 사이에서 전환시킬 수 있는 컨트롤러를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 압축기는 스크롤 압축기인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 압축기는 가변 용량 압축기인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 압축기는 가변 속도 압축기인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기는 스크롤 압축기인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기는 왕복 압축기인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 압력 판독치는 순간 흡입 압력 판독치인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 압력 판독치는 소정 시간 동안의 평균 흡입 압력을 상기 컨트롤러에 제공하는 필터링된 흡입 압력 판독치인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 속도 압축기의 작동 파라미터는 용량 또는 상기 하나 이상의 가변 압축기의 듀티 사이클인 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 대략 10퍼센트의 압축기 용량으로부터 대략 100퍼센트의 압축기 용량의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 가변 압축기 용량이 소정 시간 동안 대략 10퍼센트의 용량일 때, 상기 하나 이상의 고정식 압축기를 상기 정지 모드로 전환시키도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 소정 시간은 대략 20초이거나 상기 가변 압축기의 상기 듀티 사이클과 동일한 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 가변 압축기 용량이 소정 시간 동안 대략 100퍼센트의 용량일 때 상기 하나 이상의 고정식 압축기를 상기 작동 모드로 전환시키도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 소정 시간은 대략 20초이거나 상기 가변 압축기의 상기 듀티 사이클과 동일한 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 가변 압축기가 상기 소정 시간 동안 대략 100퍼센트 정도의 용량일 때, 다음번의 가장 작은 가용 고정식 압축기가 상기 작동 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가변 압축기는 냉각 시스템에서 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기와 병렬 관계에 있는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 압력 판독치는 상기 가변 압축기에서 얻어지는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기에 연결된 외부 시스템을 더 포함하고 있고, 상기 흡입 압력 판독치는 상기 외부 시스템 내에서 얻어지는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서, 증기 분사 시스템을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 증기 분사 시스템은 상기 가변 압축기에 유체로 연결되고 상기 가변 압축기의 용량을 증가시키도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 압축기 제어 시스템.
  21. 하나 이상의 가변 압축기 및 하나 이상의 용량 고정식 압축기를 가지는 시스템을 위한 컨트롤러로서:
    흡입 압력 판독치에 기초하여 상기 하나 이상의 가변 압축기를 조정할 수 있고, 상기 하나 이상의 가변 압축기의 작동 파라미터에 기초하여 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기를 작동 모드와 정지 모드 사이에서 전환시키도록 작동가능한 처리 회로를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  22. 제 21 항에 있어서, 압축기 작동 조건을 검출하는 일체형 디지털 제어 모듈을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 일체형 디지털 제어 모듈은 상기 처리 회로에 상기 압축기 작동 조건을 연통하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 압축기 작동 조건은 작동 모드 및 정지 모드로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 상기 하나 이상의 고정식 압축기의 작동 상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 압축기 작동 조건은 상기 하나 이상의 가변 압축기의 흡입 압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  26. 제 22 항에 있어서, 상기 압축기 작동 조건은 상기 하나 이상의 가변 압축기의 압축기 작동 퍼센트를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 일체형 디지털 제어 모듈은 소정 시간 동안 가변 압축기를 모니터하여 상기 압축기 작동 조건이 실제의 압축기 작동 조건을 지시하는 것을 보장하도록 하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 소정 시간은 대략 20초이거나 상기 가변 압축기의 듀티 사이클과 동일한 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  29. 제 21 항에 있어서, 상기 처리 회로는 비례-미분-적분 제어 또는 퍼지 로직을 사용하여 상기 하나 이상의 가변 압축기의 작동 퍼센트를 결정하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  30. 제 21 항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 상기 하나 이상의 가변 압축기의 작동 퍼센트이고, 상기 조정은 설정 포인트에 대한 상기 작동 퍼센트의 비교에 기초하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 설정 포인트는 흡입 압력 설정 포인트인 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  32. 하나 이상의 가변 압축기의 작동 조건을 모니터하는 단계;
    상기 압축기 작동 조건에 기초하여 상기 하나 이상의 가변 압축기의 용량을 조정하는 단계;
    상기 가변 압축기가 소정 시간 동안 대략 100퍼센트의 용량일 때, 하나 이상의 용량 고정식 압축기에 작동 모드 상태가 되도록 지시하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 가변 압축기가 소정 시간 동안 대략 10퍼센트의 용량일 때, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기에 정지 모드 상태가 되도록 지시하는 단계;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기에 작동 모드 상태가 되도록 지시하는 단계는, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기가 대략 100퍼센트의 용량이 될 때까지 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기가 용량을 취득하는 것과 거의 동일한 비율로 상기 하나 이상의 가변 압축기의 용량을 감소시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기에 정지 모드 상태가 되도록 지시하는 단계는, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기가 상기 정지 모드 상태가 될 때까지 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기가 용량을 잃어가는 것과 거의 동일한 비율로 상기 하나 이상의 가변 압축기의 용량을 증가시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 모니터하는 단계는 상기 하나 이상의 가변 압축기의 흡입 압력을 검출하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 32 항에 있어서, 상기 모니터하는 단계는 압축기 작동 퍼센트를 검출하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 32 항에 있어서, 상기 고정식 압축기의 각각의 크기를 결정하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 하나 이상의 용량 고정식 압축기에 작동 모드 상태가 되도록 지시하는 단계는 가장 작은 용량의 고정식 압축기를 선택하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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