KR20200103796A - 모터 온도 오버라이드로의 용량 제어 기법 - Google Patents

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Abstract

제어 시스템(122)은 처리 및 메모리 회로망을 포함하며, 메모리 회로망은 냉각 장치 시스템(14)에 대한 온도 기반 용량 제어 체계(200)를 저장하고 처리 회로망은 온도 기반 용량 제어 체계(200)를 수행하도록 구성된다. 온도 기반 용량 제어 체계(200)는 냉각 장치 시스템(14)의 압축기(32)를 구동시키도록 구성되는 모터(50)에서의 모니터링된 온도, 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 제1 온도 임계치보다 더 높은 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행된다.

Description

모터 온도 오버라이드로의 용량 제어 기법
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 “모터 온도 오버라이드로의 용량 제어 기법”이라는 명칭으로 2017년 12월 29일자로 출원된 미국 가출원 제 62/611,822호에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 모든 목적으로 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
배경
본 출원은 일반적으로 냉각 장치와 같은 증기 압축 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 장치의 압축기에 관한 것이다.
본 부문은 후술하는 본 발명의 다양한 양태와 관련될 수 있는 관련 분야의 다양한 양태를 소개하기 위한 것이다. 본 논의는 본 발명의 다양한 양태를 더 잘 이해할 수 있게 하는 배경 정보를 제공하는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 따라서, 이러한 진술이 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 종래 기술을 인정하는 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다.
증기 압축 시스템(예를 들어, 냉각 장치)은, 증기 압축 시스템의 작동과 연관된 상이한 온도 및 압력을 거치는 것에 응하여 증기, 액체 및 이들의 조합 사이에서 상을 변화시키는, 전형적으로 냉매로 지칭되는 작동 유체를 이용한다. 예를 들어, 냉각 장치 증발기를 통해 연장되는 튜브를 가로지르는 물의 흐름으로부터 열을 제거하거나 이것을 냉각시키도록 냉매를 순환시키는 증기 압축 시스템의 타입인 난방, 환기, 냉방 및 냉동(HVAC&R) 시스템은 냉각 장치를 포함할 수 있다. 냉각된 물 흐름은 한 번 더 냉각되도록 냉각 장치 증발기로 다시 순환되기 전에, 열을 흡수하거나, 냉각을 제공하도록 인근의 구조체로 지향될 수 있다.
냉각 장치 시스템은 냉동 사이클의 일부로서 냉매를 압축시키고, 냉각 장치 시스템을 통해 냉매를 유도하기 위해 원심 압축기와 같은 압축기를 이용한다. 압축기에 의해 작용하는 냉매 또는 유체의 양을 일반적으로 지칭하는 압축기의 용량은 일반적으로 냉각 장치 시스템의 전체 용량(예를 들어, 냉각된 유체를 생성하는 냉각 장치 시스템의 능력)을 결정한다. 이러한 방식으로, 압축기로의 유체 흐름의 증가는 냉각 장치 시스템의 용량을 증가시키는 반면에, 압축기로의 유체 흐름의 감소는 냉각 장치 시스템의 용량을 감소시킨다.
그러한 압축기는 압축기를 작동시키도록 샤프트를 회전시키는 모터를 포함한다. 모터의 작동은 모터 내에서 열을 생성시키며, 이는 제어되지 않는다면, 시간이 지남에 따라 모터의 성능을 저하시킬 수 있다. 실제로 특정 상황에서, 모터의 일정 온도에 도달하면, 결함 조건이 냉각 장치의 제어 시스템에서 표시되며, 이는 모터가 허용할 수 있는 작동 온도로 복귀하는 것을 가능하게 하도록 냉각 장치가 셧다운하게 한다.
원심 압축기는 작동하는 동안 서지 또는 스톨과 같은 불안정성에 직면할 수 있다. 서지 또는 서징은 압력 및 흐름에 동요가 있는 일시적 현상이고, 압축기를 통한 완전한 흐름 반전을 야기할 수 있다. 서징은 제어되지 않는다면, 압축기의 회전 구성 요소와 정지 구성 요소 둘 다에 과도한 진동을 야기할 수 있고, 영구적인 압축기 손상이 발생할 수 있다. 서지 조건을 교정하는 한 가지 기법은 압축기 입구에서의 흐름을 증가시키도록 압축기의 배출 가스의 일부를 압축기 입구로 복귀시키기 위한 고온 가스 바이패스 밸브의 개방을 수반할 수 있다. 그에 반해서, 스톨 또는 회전 스톨은 압축기의 하나 이상의 구성 요소에서의 국부적 흐름 분리이고, 압축기의 날개 바퀴의 회전 진동수 미만의 기본 진동수로 배출 압력이 방해될 수 있다. 고정 속도 원심 압축기의 회전 스톨은 대개 압축기의 디퓨저에 위치되고 가변 기하학적 구조 디퓨저(VGD)로 교정될 수 있다. 압축기에서의 회전 스톨의 존재는 임박한 서지 조건의 전조일 수 있다.
많은 제어 시스템에서, 용량 제어, 서지/스톨 제어 및 모터 온도 제어는 서로 상충할 수 있다. 예를 들어, 용량 제어는 서지 또는 스톨 조건이 일어나게 할 수 있고/있거나, 모터 온도가 허용할 수 있는 작동 온도를 넘어 상승하게 할 수 있는 압축기 작동 조건을 규정할 수 있다. 마찬가지로, 서지/스톨 제어 및 모터 온도 제어는 용량 제어의 원하는 출력 용량을 제공하지 않을 수 있다.
본래 청구된 논제 사안과 범위가 상응하는 특정 실시예들이 이하에 요약된다. 이러한 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니라, 오히려 이러한 실시예들은 단지 개시된 특정 실시예들의 간략한 요약을 제공하기 위한 것이다. 실제로, 본 발명은 이하에 제시되는 실시예들과 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
일 실시예는 유체 연통하는 압축기, 응축기 및 증발기를 갖는 냉동 순환로의 압축기를 갖는 냉각 장치 시스템을 포함한다. 냉각 장치 시스템은 또한 압축기를 구동시키도록 구성되는 모터를 포함한다. 모터는 모터를 냉각시키기 위해 응축기로부터 냉매를 모터가 수용하는 것을 가능하게 하도록 응축기에 유체적으로 결합된다. 모터 냉각 밸브는 모터와 응축기 사이에 유체적으로 위치되고, 모터 냉각 밸브는 전체 냉매 흐름과 무냉매 흐름 사이에서 모터로 도입되는 냉매의 양을 조절하기 위해 각각 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 연속적으로 전자적으로 조정 가능하다. 냉각 장치 시스템은 또한 모터 냉각 밸브가 완전히 개방된 위치에 있다고 판단하는 것에 응하여 수행되는 모터 온도 기반 용량 제어 체계에 따라 냉각 장치 시스템의 부하 인가 또는 부하 경감을 제어하도록 구성되는 용량 제어 시스템을 포함한다. 모터 온도 기반 용량 제어 체계는 모터와 연관된 모니터링된 온도, 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 제1 온도 임계치보다 더 높은 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행된다.
다른 실시예는 냉각 장치 시스템에서 용량 제어를 수행하는 방법을 포함한다. 방법은 모터를 사용하여 냉각 장치 시스템의 압축기를 구동시키는 단계; 냉각 장치 시스템의 냉동 순환로로부터 공급되는 냉매를 사용하여 모터를 냉각시키는 단계로서, 냉동 순환로는 유체 연통하는 압축기, 응축기 및 증발기를 갖는 것인 단계; 모터와 응축기 사이에 유체적으로 위치되는 모터 냉각 밸브를 사용하여 냉각을 위해 모터에 제공되는 냉매의 양을 제어하는 단계로서, 모터 냉각 밸브는 전체 냉매 흐름과 무냉매 흐름 사이에서 모터로 도입되는 냉매의 양을 조절하기 위해 각각 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 연속적으로 전자적으로 조정 가능한 것인 단계; 및 모터 냉각 밸브가 완전히 개방된 위치에 있다고 판단하는 것에 응하여 수행되는 모터 온도 기반 용량 제어 체계에 따라 용량 제어 시스템을 사용하여 냉각 장치 시스템의 부하 인가 또는 부하 경감을 제어하는 단계로서, 모터 온도 기반 용량 제어 체계는 모터와 연관된 모니터링된 온도, 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 제1 온도 임계치보다 더 높은 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행되는 것인 단계를 포함한다.
다른 실시예는 처리 및 메모리 회로망을 포함하는 제어 시스템을 포함하며, 메모리 회로망은 냉각 장치 시스템에 대한 온도 기반 용량 제어 체계를 저장하고 처리 회로망은 온도 기반 용량 제어 체계를 수행하도록 구성된다. 모터 온도 기반 용량 제어 체계는 냉각 장치 시스템의 압축기를 구동시키도록 구성되는 모터에서의 모니터링된 온도, 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 제1 온도 임계치보다 더 높은 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행된다.
본 발명의 다양한 양태는 이하의 상세한 설명을 읽고 도면들을 참조할 시에 더 양호하게 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 상업 환경에서의 난방, 환기, 냉방 및 냉동(HVAC&R) 시스템의 일 실시예를 활용할 수 있는 빌딩의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 증기 압축 시스템의 일 실시예의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 도 2의 증기 압축 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른 도 2의 증기 압축 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 양태에 따른 도 1 내지 도 4의 증기 압축 시스템의 압축기 모터를 냉각시키도록 구성되는 냉각 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 양태에 따른 모터 온도 제어 시스템에 온도 피드백을 제공하는 복수의 온도 센서를 갖는 도 1 내지 도 5의 압축기 모터의 일 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 양태에 따른 도 1의 증기 압축 시스템의 일 실시예의 입면도이다.
도 8은 본 발명의 일 양태에 따른 도 2 내지 도 4, 및 도 7의 압축기의 일 실시예의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 양태에 따른 제한들 및 오버라이드들을 포함하는 용량 제어 프로세스의 일 실시예를 도시하는 프로세스 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 양태에 따른 모니터링된 모터 온도에 따라 수행되는 부하 제한 영역 및 오버라이드 영역을 갖는 모터 온도 기반 용량 제어 체계를 그래프로 나타낸 것이다.
하나 이상의 특정 실시예를 후술할 것이다. 이러한 실시예들의 간결한 설명을 제공하려는 노력으로, 실제 구현의 모든 특징을 본 명세서에 설명하는 것은 아니다. 임의의 공학 기술 또는 설계 계획에서와 같이, 임의의 그러한 실제 구현의 개발에서, 구현마다 다를 수 있는 시스템 관련 및 비지니스 관련 제약들의 준수와 같은 개발자의 특정 목적들을 달성하도록 많은 구현에 특정된 결정이 행해질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 더욱이, 그러한 개발 노고가 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 발명의 이익을 갖는 당업자에 대한 설계, 제작 및 제조의 정례적 착수일 것이라는 점이 이해되어야 한다.
앞서 제시된 바와 같이, 냉각 장치 압축기들은 압축기를 작동시키도록 샤프트를 회전시키는 모터를 포함한다. 모터의 작동은 모터 내에서 열을 생성시키며, 이는 제어되지 않는다면, 시간이 지남에 따라 모터의 성능을 저하시킬 수 있다. 게다가, 압축기의 스루풋은 일반적으로 냉각 장치 시스템의 전체 용량을 확립하며, 용량을 증가시키는 것은 시스템의 “부하 인가”로 지칭될 수 있는 반면에, 용량을 감소시키는 것은 시스템의 “부하 경감”으로 지칭될 수 있다.
본 발명의 특정 제어 체계들은 모니터링된 모터 온도가 증가함에 따라, 냉각 장치 시스템의 부하 제한 및 부하 경감을 야기하는 용량 제어 체계를 포함할 수 있다. 그러한 용량 제어는 냉각 부하를 만족시키기 위해, 예를 들어 PID 제어를 이용하여 수행될 수 있다. 용량 냉각 제어 체계의 일 예가 미국 특허 출원 공개 제 2015/0056059호에 제시되며, 모든 목적으로 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
본 발명의 특정 제어 체계들은 모터에서의 일정 온도 조건들이 정상 작동 범위 내에 있는 동안, 용량 제어 체계를 이용한다. 그러나, 모터 내의 일정 온도 조건들이 모터 냉각 밸브가 완전히 개방되게 하는 상황들에서, 모터의 충분한 냉각이 냉각 장치 셧다운을 피하는 것을 가능하게 하도록 용량 제어가 부분적으로 또는 완전히 오버라이딩된다. 용량 제어가 부분적으로 또는 완전히 오버라이딩되는지 여부는 모터의 일정 온도들에 의존할 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명의 제어 체계들은, 여러 파라미터들 중에서도 특히 모터의 일정 모니터링된 온도들에 의존하는 다양한 작동 체제를 포함한다. 비제한적인 예로서, 이러한 모니터링된 온도들은 모터 권선 온도, 모터 베어링 온도 및/또는 모터 베어링 제어기(MBC) 히트 싱크 온도를 포함할 수 있다.
본 발명의 제어 기법들은 다양한 시스템에 이용될 수 있다. 그러나 논의를 용이하게 하기 위해, 본 발명의 제어 기법들을 통합할 수 있는 시스템들의 예들이 도 1 내지 도 4에 도시되며, 이들을 본원에 후술한다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 전형적 상업 환경에 대한 빌딩(12)에서의 난방, 환기 및 냉방(HVAC) 시스템(10)에 대한 환경의 일 실시예의 사시도이다. HVAC 시스템(10)은 빌딩(12)을 냉각시키는 데 사용될 수 있는 냉각된 액체를 공급하는 증기 압축 시스템(14)을 포함할 수 있다. HVAC 시스템(10)은 빌딩(12)을 가열할 따뜻한 액체를 공급하는 보일러(16) 및 빌딩(12)을 통해 공기를 순환시키는 공기 분배 시스템을 포함할 수도 있다. 공기 분배 시스템은 공기 복귀 덕트(18), 공기 공급 덕트(20) 및/또는 공기 처리기(22)를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 공기 처리기(22)는 도관들(24)에 의해 보일러(16) 및 증기 압축 시스템(14)에 연결되는 열 교환기를 포함할 수 있다. 공기 처리기(22)에서의 열 교환기는 HVAC 시스템(10)의 작동 모드에 따라 보일러(16)로부터의 가열된 액체 또는 증기 압축 시스템(14)으로부터의 냉각된 액체를 수용할 수 있다. HVAC 시스템(10)은 빌딩(12)의 각각의 층에 별개의 공기 처리기를 갖는 것으로 도시되지만, 다른 실시예들에서, HVAC 시스템(10)은 층들 사이에 공유될 수 있는 공기 처리기들(22) 및/또는 다른 구성 요소들을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 HVAC 시스템(10)에 사용될 수 있는 증기 압축 시스템(14)의 실시예들이다. 증기 압축 시스템(14)은 압축기(32)로 시작되는 순환로를 통해 냉매를 순환시킬 수 있다. 순환로는 응축기(34), 팽창 밸브(들) 또는 디바이스(들)(36), 및 액체 냉각 장치 또는 증발기(38)를 포함할 수도 있다. 증기 압축 시스템(14)은 아날로그-디지털(A/D) 변환기(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46) 및/또는 인터페이스 보드(48)를 갖는 제어 패널(40)(예를 들어, 제어기)을 더 포함할 수 있다.
증기 압축 시스템(14)에서 냉매들로서 사용될 수 있는 유체들의 일부 예는 하이드로플루오로카본(HFC) 기반 냉매, 예를 들어 R-410A, R-407, R-134a, 하이드로플루오로-올레핀(HFO), 암모니아(NH3), R-717, 이산화탄소(CO2), R-744와 같은 “천연” 냉매, 또는 하이드로카본 기반 냉매, 수증기, 낮은 지구 온난화 지수(GWP)를 갖는 냉매, 또는 임의의 다른 적절한 냉매이다. 일부 실시예들에서, 증기 압축 시스템(14)은 R-134a와 같은 중압 냉매에 비해 저압 냉매들로 또한 지칭되는 1 기압에서 대략 섭씨 19도(화씨 66도 이하)의 기준 비등점을 갖는 냉매들을 효율적으로 활용하도록 구성될 수 있다. 본원에 사용되는 바에 따라, “기준 비등점”은 1 기압에서 측정되는 비등점 온도를 지칭할 수 있다.
일부 실시예들에서, 증기 압축 시스템(14)은 가변속 드라이브(VSDs)(52), 모터(50), 압축기(32), 응축기(34), 팽창 밸브 또는 디바이스(36), 및/또는 증발기(38) 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 모터(50)는 압축기(32)를 구동시킬 수 있고 가변속 드라이브(VSD)(52)에 의해 전력이 공급될 수 있다. VSD(52)는 AC 전원으로부터 특정 고정 선로 전압 및 고정 선로 주파수를 갖는 교류(AC) 전력을 받고, 모터(50)에 가변 전압 및 주파수를 갖는 전력을 제공한다. 다른 실시예들에서, 모터(50)는 AC 또는 직류(DC) 전원으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다. 모터(50)는 스위칭되는 자기 저항 모터, 유도 모터, 전자적으로 정류되는 영구 자석 모터 또는 다른 적절한 모터와 같은 VSD에 의해 또는 AC 또는 DC 전원으로부터 직접 전력 공급될 수 있는 임의의 타입의 전기 모터를 포함할 수 있다.
압축기(32)는 냉매 증기를 압축시키고 배출 통로를 통해 응축기(34)로 증기를 전달한다. 일부 실시예들에서, 압축기(32)는 원심 압축기일 수 있다. 압축기(32)에 의해 응축기(34)로 전달되는 냉매 증기는 응축기(34)에서 냉각 유체(예를 들어, 물 또는 공기)에 열을 전달할 수 있다. 냉매 증기는 냉각 유체와의 온도적 열 전달의 결과로서 응축기(34)에서 냉매 액체로 응축될 수 있다. 응축기(34)로부터의 냉매 액체는 팽창 디바이스(36)를 통해 증발기(38)로 흐를 수 있다. 도 3의 예시된 실시예에서, 응축기(34)는 수냉각되고 응축기에 냉각 유체를 공급하는 냉각탑(56)에 연결되는 관다발(54)을 포함한다.
증발기(38)로 전달되는 냉매 액체는 응축기(34)에 사용되는 동일한 냉각 유체일 수 있거나 아닐 수 있는 다른 냉각 유체로부터 열을 흡수할 수 있다. 증발기(38)에서의 냉매 액체는 냉매 액체에서 냉매 증기로의 상변화를 거칠 수 있다. 도 3의 예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 증발기(38)는 냉각 부하(62)에 연결되는 공급 라인(60S) 및 복귀 라인(60R)을 갖는 관다발(58)을 포함할 수 있다. 증발기(38)의 냉각 유체(예를 들어, 물, 에틸렌 글리콜, 염화 칼슘 브라인, 염화 나트륨 브라인 또는 임의의 다른 적절한 유체)는 복귀 라인(60R)을 통하여 증발기(38)에 진입하고 공급 라인(60S)을 통하여 증발기(38)에서 빠져나온다. 증발기(38)는 냉매와의 온도적 열 전달을 통하여 관다발(58)에서의 냉각 유체의 온도를 감소시킬 수 있다. 증발기(38)에서의 관다발(58)은 복수의 튜브 및/또는 복수의 관다발을 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 냉매 증기는 증발기(38)에서 빠져나오고 흡입 라인에 의해 압축기(32)로 복귀하여 사이클을 완료한다.
도 4는 응축기(34)와 팽창 디바이스(36) 사이에 포함되는 중간 순환로(64)를 갖는 증기 압축 시스템(14)의 개략도이다. 중간 순환로(64)는 응축기(34)에 직접 유체적으로 연결되는 입구 라인(68)을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 입구 라인(68)은 응축기(34)에 간접적으로 유체적으로 결합될 수 있다. 도 4의 예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 입구 라인(68)은 중간 용기(70) 상류에 위치되는 제1 팽창 디바이스(66)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크(예를 들어, 플래시 중간 냉각기)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 중간 용기(70)는 열 교환기 또는 “표면 이코노마이저”로서 구성될 수 있다. 도 4의 예시된 실시예에서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크로서 사용되고, 제1 팽창 디바이스(66)는 응축기(34)로부터 수용되는 냉매 액체의 압력을 낮추도록(예를 들어, 냉매 액체를 팽창시키도록) 구성된다. 팽창 과정 동안, 액체의 일부는 기화될 수 있고, 따라서, 중간 용기(70)는 제1 팽창 디바이스(66)로부터 수용되는 액체에서 증기를 분리시키는 데 사용될 수 있다. 게다가, 중간 용기(70)는 냉매 액체가 중간 용기(70)에 진입할 때 겪게 되는 압력 강하 때문에(예를 들어, 중간 용기(70)에 진입할 때 겪게 되는 체적의 빠른 증가로 인해), 냉매 액체의 추가 팽창을 제공할 수 있다. 중간 용기(70)에서의 증기는 압축기(32)에 의해 압축기(32)의 흡입 라인(74)을 통해 인출될 수 있다. 다른 실시예들에서, 중간 용기에서의 증기는 압축기(32)의 중간 단(예를 들어, 흡입 단이 아님)으로 인출될 수 있다. 중간 용기(70)에서 수집되는 액체는 팽창 디바이스(66) 및/또는 중간 용기(70)에서의 팽창 때문에, 응축기(34)에서 빠져나오는 냉매 액체보다 더 낮은 엔탈피로 있을 수 있다. 중간 용기(70)로부터의 액체는 그 다음 라인(72)에서 제2 팽창 디바이스(36)를 통해 증발기(38)로 흐를 수 있다.
앞서 제시된 바와 같이, 도 1 내지 도 4의 증기 압축 시스템(14)에 사용되는 모터(50)는 작동하는 동안 열을 생성할 수 있고, 따라서, 일반적으로 응축기(34)로부터 제공되는 냉매를 사용하여 냉각된다. 상세하게는, 모터(50)로의 냉매의 도입은 본 발명의 모터 냉각 기법들에 따라 조절된다. 예시하는 것을 돕기 위해, 도 5는 모터(50)가 응축기(34)로부터의 냉매를 사용하여 냉각될 수 있는 방식의 일 예를 개략적으로 도시한다. 상세하게는, 도 5는 모터(50)를 냉각시키기 위해 냉매를 모터(50)로 순환시키는 냉각 시스템(90)을 도시한다. 명확성을 위해 증기 압축 시스템(14)의 일부가 도시되지 않았다는 점이 주목되어야 한다.
앞서 제시된 바와 같이, 압축기(32)는 (일반적으로 가스로서 진입하는) 냉매를 압축시켜, 냉매가 압축됨에 따라, 냉매 가스의 온도를 상승시킨다. 가압된 고온 냉매 가스는 그 후 응축기(34)로 흐르며, 여기서 고압 냉매 가스가 고압 액체(92)로 응축된다. 응축기(34)로부터의 냉매 액체의 일부(94)는 모터 냉각 밸브(96)로 본원에서 지칭되는 제3 팽창 디바이스(96)(예를 들어, 전자 팽창 밸브)를 통해 라우팅되며, 여기서 액체 냉매는 저온 연무(98)로 변환된다. 냉매 연무(98)는 그 다음 모터(50)로 보내지며, 여기서 모터(50)를 냉각시키는 데 사용된다. 상세하게는, 냉매 연무(98)의 액체 부분은 증발하여 상변화를 거침에 따라, 모터(50)로부터 열을 인출한다. 증발되지 않은 액체 냉매는 모터로부터 다시 증발기(36)로 보내지고, 여기에서 증발된다. 모터(50)로부터의 냉매 가스는 증발기(36)에서부터 압축기(32)의 가스 냉매 입구까지의 임의의 지점에서 냉동 순환로로 복귀될 수 있다. 도 5에서, 모터(50)로부터의 냉매 가스 및 냉매 액체는 별도의 라인들을 통하여 증발기(36)로 복귀되는 것으로 도시되지만, 다른 구성들(예를 들어, 냉매 상들의 결합된 흐름, 순환로의 다른 부분들로 지향되는 흐름들)이 이용될 수 있다.
모터(50)의 개략도가 도 6에 도시된다. 도시된 바와 같이, 모터(50)는 냉매 입구(102) 및 냉매 출구(104)를 갖는 하우징(100)을 포함한다. 냉매 입구(102)는 도 5의 모터 냉각 밸브(96)에 유체적으로 결합되고, 다양한 내부 구성 요소를 냉각시키기 위해 냉매 연무(98)가 모터(50)의 하우징(100)으로 도입되는 것을 가능하게 한다. 상세하게는, 냉매 연무(98)는 다양한 모터 구성 요소를 냉각시키도록 하우징(100) 내에서 순환되고, 냉매 가스 및/또는 냉매 액체는 냉매 출구(104)를 통하여 하우징(100) 밖으로 지향된다. 하나의 냉매 입구(102) 및 하나의 냉매 출구(104)만이 도시되지만, 특정 실시예들에서, (예를 들어, 모터(50)의 특정 부분들로 냉매를 지향시키고/시키거나 모터(50)의 상이한 부분들로부터 냉매를 수집하기 위해) 복수의(2개 이상의) 냉매 입구(102) 및 냉매 출구(104)가 있을 수 있다.
모터(50)는 다양한 구성 요소를 포함하며, 이들의 일부만이 도 6에 도시된다. 구성 요소들은 무엇보다도, 스테이터(108) 내에 위치되는 로터(106)를 포함한다. 스테이터(108)는 일반적으로 강자성 코어 재료(예를 들어, 적층된 스틸) 주변의 구리 권선들과 같은 스테이터 권선들을 포함한다. 로터(106)는 압축기(32)에 부착되도록 구성되고, 작동하는 동안 압축기(32)의 샤프트를 구동시킨다.
전자기(EM) 베어링들(110)은 자계를 이용하여 모터(50) 내의 로터(106)를 지지한다. 특정 실시예들에서, 모터(50)는 EM 베어링들(110)에 대한 대체물로서 기계 베어링들을 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 베어링들(110)은 저널 베어링과 같은 오일 윤활 베어링, 또는 반마찰 베어링(예를 들어, 볼 또는 롤러 베어링)일 수 있다. 또 추가의 실시예들에서, 베어링들(110)은 냉매 윤활 베어링을 포함할 수 있다. EM 베어링들(110)의 작동 파라미터들은 자기 베어링 제어기(MBC)(112)에 의해 모니터링되고 제어되며, 자기 베어링 제어기(MBC)(112)는 하우징(100) 내에 부분적으로 또는 완전히 배치되거나, 다른 실시예들에서, 하우징(100) 외부에, 또는 하우징(100)에서 완전히 떨어져서 배치될 수 있다. 도시된 MBC(112)는 모터 하우징(50)에 장착되는 인클로저(enclosure)(114)를 포함한다. 인클로저(114)는 다양한 전자 구성 요소(118)(예를 들어, 프로세서들, 메모리)가 장착될 수 있는 하나 이상의 회로 기판(116)을 하우징한다. 전자 구성 요소들은 무엇보다도 EM 베어링들(110)의 작동 파라미터들을 모니터링하고 제어하도록 구성될 수 있다.
모터(50)의 작동 동안, 전자 구성 요소들(118)은 열을 생성하며, 이러한 열은 구성 요소들의 손상을 방지하기 위해 제거된다. 일반적으로, 열은 전자 구성 요소들(118)로부터 인클로저(114)를 통하여 전도되며, 인클로저(114)는 MBC(112)에 대한 히트 싱크일 수 있다. 특정 실시예들에서, MBC(112)는 회로 기판들(116) 및 전자 구성 요소들(118)로부터의 부가 열 전도를 제공하는 히트 싱크층(120)을 포함할 수 있다.
모터(50)의 온도 제어를 용이하게 하기 위해, 모터 온도 제어 시스템(122)이 모터(50)와 연관될 수 있다. 일 예로서, 모터 온도 제어 시스템은 하나 이상의 비례-적분-미분(PID) 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 PID 제어기는 독립형 제어 디바이스들, 또는 제어 패널(40)과 연관된 하드웨어 및/또는 소프트웨어 모듈들로서 구현될 수 있다. 제어 시스템(122)은 적어도 모터 냉각 밸브(96)뿐만 아니라, 모터(50)의 다양한 구성 요소들 중 임의의 하나 또는 이들의 조합과 연관된 복수의 온도 센서(124)(예를 들어, 열전대들, 서미스터들)에 통신적으로 결합된다. 온도 센서들(124)은 모터 온도 제어 시스템(122)에 온도 피드백을 제공한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 온도 센서들(124)은 스테이터 권선 온도 피드백을 제공하는 스테이터 권선 온도 센서(124a), 모터 하우징 온도 피드백을 제공하는 모터 하우징 온도 센서(124b), 베어링 온도 피드백을 제공하는 베어링 온도 센서(124c), 그리고 MBC 히트 싱크 온도 피드백을 제공하는 MBC 히트 싱크 온도 센서(124d)를 포함한다. 모터 온도 제어 시스템(122)은 모터 냉각 밸브(96)의 작동(예를 들어, 개방 및 폐쇄)을 제어하는 데 이러한 피드백 중 임의의 하나 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 모터 냉각 밸브(96)의 개방은 모터 구성 요소들의 냉각을 가져오는 모터(50)로 도입되는 냉매 연무(98)의 양을 증가시킬 수 있다. 정반대로, 모터 냉각 밸브(96)를 폐쇄하는 것은 모터(50)로 도입되는 냉매 연무(98)의 양을 감소시키며, 이는 작동 조건들에 따라, 모터 구성 요소들의 냉각 속도를 감소시킬 수 있거나 모터 구성 요소들의 온도를 높일 수 있다. 본 실시예들에 따르면, 용량 제어 체계는 무엇보다도, 온도 센서들(124)에 의해 제공되는 온도 피드백에 의존하여, 증기 압축 시스템(14)의 부하 인가 및 부하 경감을 제어하는 데 사용될 수 있다.
압축기(32)의 용량은 압축기(32)와 연관된 다양한 특징을 이용하여 제어될 수 있다. 도 7은 증기 압축 시스템(14)의 예시적 실시예의 입면도이고, 압축기(32)의 용량 제어를 가능하게 하도록 구성되는 특정 디바이스들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 압축기(32)는 예선회 베인들(140)을 포함한다. 예선회 베인들(PRVs)(140)은 미리 결정된 위치로 고정될 수 있거나 조정 가능한 위치를 가질 수 있다. PRV들(140)(또는 입구 가이드 베인들)은, 예를 들어 증발기(38)와 압축기(32) 사이에서 연장되는 흡입 라인(142)을 따라 압축기(32)의 입구에 위치되고, 압축기(32)로의 냉매의 흐름을 제어하도록 조정 가능하다. 작동기(144)는 압축기(32)로의 냉매 또는 유체의 양을 증가시킴으로써 시스템(14)의 용량을 증가시키도록 PRV들(140)을 개방하는 데 사용될 수 있다. 마찬가지로, 작동기(144)는 압축기(32)로의 냉매 또는 유체의 양을 감소시킴으로써 시스템(14)의 용량을 감소시키도록 PRV들(140)을 폐쇄하는 데 사용될 수 있다.
도시된 증기 압축 시스템(14)은 또한 압축기(32)의 배출 통로(150)와 압축기(32)의 흡입 라인(142) 사이에서 연장되는 바이패스 라인(148)을 따라 위치되는 고압 가스 바이패스 밸브(HGBV)(146)를 포함한다. HGBV(146)의 개방은 압축된 냉매 또는 유체의 일부가 압축기(32)의 흡입 입구(142) 쪽으로 돌아갈 수 있게 한다.
용량 제어는 PRV들(140) 및/또는 HGBV(146)를 사용하는 것에 더하여 또는 이것에 대한 대안으로서, 압축기(32)의 속도를 조정함으로써 수행될 수도 있다. 예를 들어, VSD(52)는 모터(50)의 로터(106)의 회전 속도를 통하여 압축기(32)의 속도를 조정할 수 있다.
압축기(32)의 특정 내부 특징부들이 시스템의 용량을 제어하는 데 사용될 수도 있다. 도 8은 압축기(32)의 예시적 실시예의 부분 단면도이다. 도시된 압축기(32)는 냉매 증기를 압축시키기 위한 날개 바퀴(160)를 포함한다. 날개 바퀴(160)로부터 압축된 증기는 그 다음 가변 기하학적 구조 디퓨저(VGD)(162)를 통과한다. VGD(162)는 냉매 증기의 통과를 위한 디퓨저 플레이트(166)와 노즐 베이스 플레이트(168) 사이에 형성되는 디퓨저 공간 또는 갭(164)을 갖는다. 노즐 베이스 플레이트(168)는 디퓨저 링(170)과 함께 사용되도록 구성된다. 디퓨저 링(170)은 디퓨저 공간 또는 갭(164)을 통과하는 냉매 증기의 속도를 제어하도록 구성된다. 디퓨저 링(170)은 디퓨저 갭(164)을 통해 흐르는 증기의 속도를 증가시키도록 디퓨저 갭(164)으로 확장될 수 있고 디퓨저 갭(164)을 통해 흐르는 증기의 속도를 감소시키도록 디퓨저 갭(164)으로부터 수축될 수 있다. 디퓨저 링(170)의 확장 및 수축은 작동기에 의해 구동되는 조정 메커니즘(172)을 사용하여 수행될 수 있다.
VGD(162)는 냉매 흐름이 디퓨저 갭(164)에서 실질적으로 방해 받지 않는 실질적으로 개방되거나 수축된 위치와, 디퓨저 갭(164)에서의 냉매 흐름이 제한되는 실질적으로 폐쇄되거나 연장된 위치 사이의 임의의 위치로 조정될 수 있다. 일 실시예에서, VGD(162)는 폐쇄된 위치에 있을 때, 디퓨저 갭(164)에서의 냉매의 흐름을 완전히 중단시키지 않을 수 있다. 조정 메커니즘(172)은 디퓨저 갭(164)을 개방하고 폐쇄하기 위해 연속적으로 또는 별개의 단계들로 증분하여 디퓨저 링(170)을 이동시킬 수 있다.
압축기(32)가 하나 초과의 압축 단을 가지면, VGD(162)는 압축 단들 중 하나 이상의 배출 통로에 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, 날개 바퀴(160)로부터의 냉매의 흐름을 제어하고, 그것에 의해 압축기(32)의 용량을 제어하도록 하나 초과의 VGD(162)가 디퓨저 갭(164)에 위치될 수 있다. 추가 실시예에서, 디퓨저 링(170)의 위치 선정은 압축기(32)에서의 서지 조건들 및 스톨 조건들을 감소시키거나 제거할 수 있다.
본 발명의 모터 냉각 제어, 용량 제어 및 다른 제어 프로세스들을 제공하기 위해, 도 4의 제어 패널(40)에서, A/D 변환기(42) 및/또는 인터페이스 보드(48)는 증기 압축 시스템(14)에 대한 작동 파라미터들을 제공하는 시스템 센서들 및 구성 요소들로부터 입력 신호들을 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어 패널(40)에 의해 수신되는 입력 신호들은 관다발(54)로부터 떠나는 냉각된 액체의 온도, 증발기(38) 및 응축기(34)에서의 냉매 압력들, VSD(52)로의 입력 전류, VSD(52)로부터의 출력 전류, 압축기 배출 온도, 압축기 오일 온도, 압축기 오일 공급 압력, VGD 위치, HGBV 위치 및 압축기 배출 통로(150)에서의 음향압 또는 음압, 베어링(110) 그 자체의 온도, 베어링(110)을 떠난 후의 윤활유 온도 등을 포함할 수 있다. 제어 패널(40)은 증기 압축 시스템(14)의 작동(예를 들어, 모터 냉각 밸브(96)의 폐쇄 및 개방, PRV들(140)의 위치, VGD(162) 및 디퓨저 링(170)의 움직임, HGBV(164)의 위치 등)을 제어하기 위해 증기 압축 시스템(14)의 구성 요소들로 신호들을 송신하고 증기 압축 시스템(14)의 다양한 센서 및 제어 디바이스와 통신하는 데 인터페이스 보드(48)를 사용할 수 있다.
제어 패널(40)은 무엇보다도, 앞서 제시된 구성 요소들을 포함하는 증기 압축 시스템(14)의 작동을 제어하기 위해 단일 또는 중앙 제어 알고리즘 또는 제어 시스템을 실행시키거나 사용할 수 있다. 실제로, 본 발명의 제어 알고리즘들, 제어 시스템들, 제어 모듈들 등은 마이크로프로세서(44)에 의해 실행 가능한 일련의 명령어들을 갖는 비휘발성 메모리(46)에 저장되는 컴퓨터 프로그램들 또는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 제어 알고리즘이 컴퓨터 프로그램들로 구현되고 마이크로프로세서(44)에 의해 실행될 수 있지만, 다른 실시예들에서, 제어 알고리즘은 디지털 및/또는 아날로그 하드웨어를 사용하여 구현되고 실행될 수 있다. 게다가, 제어 패널(40)은 제어 패널(40)의 출력들을 결정하는 중앙 제어기와, 각각이 별개의 기능을 수행하는 다수의 제어기(예를 들어, PID 제어기들)를 통합할 수 있다.
이 점에 있어서, 제어 패널(40) 상의 마이크로프로세서(44)에 의해 실행되는 중앙 제어 알고리즘은 잠재적 냉각 장치 셧다운 조건들을 피하기 위해 모터 온도 제어 알고리즘을 또한 수행하면서, 냉각 부하를 만족시키기 위해 압축기(32)의 용량을 제어하는 용량 제어 프로그램 또는 알고리즘을 포함한다. 용량 제어 프로그램은 압축기(32)의 부하 인가 또는 부하 경감이 떠나는 냉각된 액체 온도(LCHLT)를 미리 선택된 설정치로 유지하는 데 적절한지 여부에 의존하여, 특정 시퀀스로 VGD(162)의 위치, VSD(52)의 속도(그리고 이에 따른 모터(50)의 속도), 및 HGBV(146)의 위치를 조정함으로써 압축기(32)의 용량을 조정하기 위한 제어 신호들을 보내거나 송신할 수 있다. VSD(52) 및 모터 속도는 기존 압축기 속도, VGD 위치 및 응축기 대 증발기 압력차에 따른 서지를 방지하는 데 적절한 최소 압축기 리프트를 유지하기 위해 적절한 바에 따라 부가적으로 그리고 동시에 조정될 수 있다. 특정 실시예들에서, PRV들(140)의 위치가 앞서 주목된 시퀀스의 일부로서 조정될 수 있다.
게다가, 본 발명의 용량 제어 프로그램은 시스템 작동을 유지하도록 가능한 불안정한 조건들을 완화시키기 위해, 예를 들어 시스템 셧다운을 피하기 위해 일정 모니터링된 모터 온도들에 상응하는 제한 및 오버라이드 임계치들을 포함한다. 제한들 및 오버라이드들은 조건을 완화시키고 시스템 작동을 유지하기 위해 적절한 디바이스들(예를 들어, PRV들(140), HGBV(146), VGD(162) 및/또는 VSD(52))에 대한 출력을 제한하거나 감소시킬 수 있다. 제한 및 오버라이드 임계치들 중 임의의 것에 접근함에 따라, 용량 제어 프로그램은 허용되는 용량 증가의 양을 비례적으로 제한할 수 있고, 초과된다면, 부하 경감 명령어들을 발할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 수행되는 용량 제어 프로세스(180)의 일 실시예를 도시하는 프로세스 흐름도이다. 프로세스(180)는 용량 제어 출력(CC 출력) 파라미터를 결정하도록 용량 제어 알고리즘을 개시하거나 적용시키는 단계를 포함한다(단계 182). 예를 들어, 용량 제어 알고리즘은 실행 상태로 진입할 시에 즉시, 즉 압축기의 가동 시 떠나는 냉각된 액체 온도(LCHLT) 비례, 적분, 미분(PID) 제어기 또는 제어 알고리즘을 적용시키거나 개시할 수 있다. 각각의 제어 사이클 동안, 용량 제어 알고리즘은 LCHLT 능동 설정치와 비교되는 LCHLT에 기반하여 시스템 용량에 대한 원하는 백분율 변화, 즉 CC 출력을 결정하는 데 PID 로직을 사용할 수 있다. 원하는 백분율 변화는 부하 인가의 경우 양이거나 부하 경감의 경우 음일 수 있다.
LCHLT 능동 설정치는 선택되는 제어 소스, 예를 들어 로컬 사용자 인터페이스, 원거리 사용자 인터페이스 또는 빌딩 자동화 시스템(BAS) 또는 ISN 제어에 따른 LCHLT 프로그래밍된 설정치에 대한 타겟이다. 시스템이 작동하고 있지 않을 때, LCHLT 능동 설정치는, 예를 들어 진입하는 냉각된 액체 온도 -10℉로 설정될 수 있다. VSD(52)가 가동될 때, LCHLT 능동 설정치는 프로그래밍 가능 LCHLT 설정치 램프 속도로 LCHLT 프로그래밍된 설정치로 램핑된다. 용량 제어 프로그램이 작동하고 있을 때, 프로그래밍된 LCHLT 설정치에 대한 임의의 변화는 프로그래밍된 LCHLT 설정치 램프 속도로 오래된 능동 설정치값으로부터 새로운 LCHLT 설정치값으로의 램프를 야기한다.
프로세스는, 출력 리미터들 및/또는 오버라이드들을 결정하기 위해, 측정된 시스템 파라미터들을 미리 결정된 임계치들과 비교하는 단계를 포함한다(단계 184). 출력 리미터들 및 오버라이드들을 갖는 시스템 파라미터들은 높은 응축기 압력 제한 및 오버라이드, 낮은 증발기 압력 제한 및 오버라이드, 모터 전류 제한 및 오버라이드, 그리고 VSD로의 입력 전류 제한 및 오버라이드를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 시스템 파라미터들은 일련의 모니터링된 모터 온도 제한들 및 오버라이드들을 포함한다. 그러한 체계의 일 예를 도 10에 대하여 본원에 설명한다.
프로세스(180)에서, 측정된 파라미터들 중 하나 이상이 부하 제한 영역 또는 오버라이드 영역 내에 있으면, 결정된 출력 리미터들 및/또는 오버라이드들에 기반하여 CC 출력에 대한 조정이 행해진다(단계 186). 일 실시예에서, CC 출력은 LCHLT PID 그리고 결정되었던 부하 리미터 및 오버라이드값들 각각으로부터 계산된 용량 변화의 최소치의 증가로 조정될 수 있다. 마찬가지로, CC 출력은 LCHLT PID 그리고 결정되었던 부하 리미터 및 오버라이드값들 각각으로부터 계산된 용량 변화의 최대치의 감소로 조정될 수 있다. 그 후 출력들은 임의의 적절한 시퀀스로 상술한 적절한 디바이스들로 송신되어, 결정된 조정된 CC 출력에 따른 용량 변화를 가져올 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 원하는 용량 변화는 미리 결정된 시퀀스에 따라 계산된 출력 변화(CC 출력)를 각각의 디바이스에 적용시킴으로써 구현될 수 있으므로, 각각의 디바이스에 대한 변화들의 합계는 원하는 전체 변화와 동등하다. 변화의 전체 규모가 한계로 인해 특정 디바이스에 적용될 수 없으면, 변화의 나머지는 적절한 다른 디바이스들에 적용된다. 각각의 디바이스는 용량의 원하는 백분율 변화를 백분율 위치 또는 헤르츠 단위의 디바이스의 응답과 관련시키는 (각각의 디바이스의 출력 이득 설정치로서 선택 가능한) 연관된 작동 이득을 가질 수 있다. 변화의 규모는 디바이스들의 개별 출력 이득들에 따라 디바이스들 각각에 대해 결정될 수 있다.
도 10은 모터 냉각 밸브(96)가 완전히 개방된 위치에 있다는 표시의 수신 시에 개시될 수 있는 모터 온도 기반 용량 제어 체계(200)의 그래프로 나타낸 것이다. 모터 온도 기반 용량 제어 체계(200)는 모터(50)가 높은 작동 온도를 겪고 있다고 제어 패널(40)에 신호를 보낼 수 있고, 따라서, 증기 압축 시스템(14)의 작동은 모터 온도의 결과로서 냉각 장치 셧다운 결함 조건을 피하고, 모터(50)의 가능한 손상을 방지하도록 조정될 필요가 있을 수 있다.
모터 온도 기반 용량 제어 체계(200)는 모니터링된 모터 온도에 따라 수행되며, 모니터링된 모터 온도는 스테이터 권선 온도 피드백을 제공하는 스테이터 권선 온도 센서(124a), 모터 하우징 온도 피드백을 제공하는 모터 하우징 온도 센서(124b), (예를 들어, 베어링 그 자체 및/또는 베어링 윤활유의) 베어링 온도 피드백을 제공하는 베어링 온도 센서(124c), 또는 MBC 히트 싱크 온도 피드백을 제공하는 MBC 히트 싱크 온도 센서(124d)로부터의 온도 판독들일 수 있다. 예를 들어, 온도 기반 용량 제어 체계(200)는 스테이터 권선들의 최고 측정된 온도에 의존할 수 있다. 다른 실시예에서, 평균 최고 온도가 제어 체계(200)에 대해 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어 체계(200)는 특정 베어링 온도, 일련의 온도 판독들에 기반한 최고 베어링 온도, 또는 평균 베어링 온도와 같은 베어링 온도에 의존할 수 있다. 또 추가의 실시예들에서, 제어 체계(200)는 특정 MBC 온도, 일련의 MBC 온도 판독들로부터의 최고 MBC 온도, 또는 평균 MBC 온도에 기반할 수 있다.
도 10의 그래프는 증가하는 모터 온도 판독(스테이터 권선 온도, 또는 베어링 온도, 또는 MBC 온도), 제1 임계치와 제2 임계치 사이의 부하 제한 영역, 그리고 제2 임계치와 제3 임계치 사이의 오버라이드 영역(예를 들어, 냉각 장치 셧다운 결함 온도)을 나타낸다. 제어 체계(200)는 또한 제2 임계치에서의 전이점(202)을 포함하며, 전이점(202)에서 어떤 부하 인가도 허용되지 않는다(예를 들어, 무부하 커맨드 오버라이드가 개시됨).
제어 체계(200)에 따르면, 최대 용량 제어 출력이 제1 임계치에서 그리고 제1 임계치 미만에서 허용된다. 즉, 제1 임계치 미만의 온도들에서, 용량 제어는 출력이 모터 냉각 우려들에 의해 영향을 받지 않음에 따라, 어떤 이득 또는 적용되는 다른 제한도 없는 전체 커맨드에 있다. 측정된 온도가 부하 제한 영역에 있다고 판단하는 것에 응하여, 용량 제어 프로그램은 시스템의 용량을 여전히 증가시킬 수 있지만, 증가의 양 또는 백분율은 비례적으로 제한된다.
모니터링된 온도가 오버라이드 영역에 있다고 판단하는 것에 응하여, 용량 제어 프로그램이 용량의 증가를 필요로 하더라도 용량 제어 프로그램은 시스템의 용량을 감소시키도록 강제된다. 감소의 양 또는 백분율은 제2 임계치를 초과하는 양에 비례한다. 게다가, 용량 제어 알고리즘이 오버라이드보다 더 많은 부하 경감을 필요로 하면, 용량 제어 알고리즘에 의해 생성되는 출력이 부하 경감에 사용된다. 오버라이드 영역에서, 용량 제어, 모터 냉각 제어 및 모든 오버라이드의 최소치가 냉각 장치의 부하 인가 및 부하 경감을 명령하는 데 사용된다. 시스템 용량 증가 또는 감소의 백분율 또는 양에 대하여, 양수들은 용량 증가 요청을 반영하고 음수들은 용량 감소 요청을 반영한다.
상술한 특정 실시예들을 예로서 나타냈고, 이러한 실시예들의 다양한 변경 및 대안적인 형태가 가능할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 청구항들이 개시되는 특정 형태들에 제한되는 것을 의도하지 않으며, 오히려 본 발명의 사상 및 범위에 포함되는 모든 변경, 등가물 및 대안을 포함하고자 한다는 점이 추가로 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 유체 연통하는 압축기, 응축기 및 증발기를 갖는 냉동 순환로의 압축기;
    상기 압축기를 구동시키도록 구성되는 모터로서, 상기 모터를 냉각시키기 위해 상기 응축기로부터 냉매를 상기 모터가 수용하는 것을 가능하게 하도록 상기 응축기에 유체적으로 결합되는 모터;
    상기 모터와 상기 응축기 사이에 유체적으로 위치되는 모터 냉각 밸브로서, 전체 냉매 흐름과 무냉매 흐름 사이에서 상기 모터로 도입되는 냉매의 양을 조절하기 위해 각각 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 연속적으로 전자적으로 조정 가능한 모터 냉각 밸브; 및
    상기 모터 냉각 밸브가 상기 완전히 개방된 위치에 있다고 판단하는 것에 응하여 수행되는 모터 온도 기반 용량 제어 체계에 따라 냉각 장치 시스템의 부하 인가 또는 부하 경감을 제어하도록 구성되는 용량 제어 시스템으로서, 상기 모터 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 모터와 연관된 모니터링된 온도, 상기 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 상기 제1 온도 임계치보다 더 높은 상기 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행되는 것인 용량 제어 시스템을 포함하는, 냉각 장치 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 제1 온도 임계치와 상기 제2 온도 임계치 사이의 온도 범위에 상응하는 부하 제한 영역을 포함하며, 상기 부하 제한 영역은 상기 모니터링된 온도가 상기 제1 임계치를 초과한 양에 기반하여 상기 냉각 장치 시스템의 부하 인가를 비례적으로 제한하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 제2 온도 임계치와 연관된 무부하 커맨드 오버라이드를 포함하며, 상기 무부하 커맨드 오버라이드는 상기 압축기의 부하 인가를 가능하게 하도록 구성되는 구성 요소들에 부하 커맨드가 제공되는 것을 가능하게 하지 않는, 냉각 장치 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 제2 임계치 초과이고 냉각 장치 셧다운 온도 미만의 온도 범위와 연관된 오버라이드 영역을 포함하며, 상기 오버라이드 영역은 상기 모니터링된 온도가 상기 제1 온도 임계치를 초과한 양에 기반하여 상기 냉각 장치 시스템을 비례적으로 부하 경감하도록 구성되는, 냉각 장치 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    용량 제어가 상기 오버라이드 영역의 상기 비례하는 부하 경감보다 더 높은 레벨의 부하 경감을 필요로 하면, 용량 제어 부하 경감 레벨이 이용되는, 냉각 장치 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 하우징, 스테이터 권선들을 갖는 스테이터 내에 위치되는 로터, 상기 로터를 지지하도록 구성되는 전자기(EM) 베어링들, 및 EM 베어링들의 작동을 조절하도록 구성되는 자기 베어링 제어기(MBC)를 포함하며, 상기 MBC는 히트 싱크를 갖고, 상기 모니터링된 온도는 스테이터 권선 온도, EM 베어링 온도 또는 MBC 온도인, 냉각 장치 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 하우징, 스테이터 권선들을 갖는 스테이터 내에 위치되는 로터, 및 상기 로터를 지지하도록 구성되는 윤활 베어링들을 포함하고, 상기 모니터링된 온도는 상기 베어링 그 자체 또는 상기 베어링의 윤활유의 온도인, 냉각 장치 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 윤활 베어링들은 냉매 윤활 베어링들을 포함하는, 냉각 장치 시스템.
  9. 냉각 장치 시스템에서 용량 제어를 수행하는 방법으로서:
    모터를 사용하여 상기 냉각 장치 시스템의 압축기를 구동시키는 단계;
    상기 냉각 장치 시스템의 냉동 순환로로부터 공급되는 냉매를 사용하여 상기 모터를 냉각시키는 단계로서, 상기 냉동 순환로는 유체 연통하는 상기 압축기, 응축기 및 증발기를 가지고;
    상기 모터와 상기 응축기 사이에 유체적으로 위치되는 모터 냉각 밸브를 사용하여 냉각을 위해 상기 모터에 제공되는 냉매의 양을 제어하는 단계로서, 상기 모터 냉각 밸브는 전체 냉매 흐름과 무냉매 흐름 사이에서 상기 모터로 도입되는 상기 냉매의 양을 조절하기 위해 각각 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 연속적으로 전자적으로 조정 가능한 것인 단계; 및
    상기 모터 냉각 밸브가 상기 완전히 개방된 위치에 있다고 판단하는 것에 응하여 수행되는 모터 온도 기반 용량 제어 체계에 따라 용량 제어 시스템을 사용하여 상기 냉각 장치 시스템의 부하 인가 또는 부하 경감을 제어하는 단계로서, 상기 모터 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 모터와 연관된 모니터링된 온도, 상기 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 상기 제1 온도 임계치보다 더 높은 상기 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행되는 것인 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링된 온도가 상기 제1 온도 임계치와 상기 제2 온도 임계치 사이의 온도 범위 내에 있다고 판단하는 것에 응하여 상기 모니터링된 온도가 상기 제1 임계치를 초과한 양에 기반하여 상기 냉각 장치 시스템의 부하 인가를 비례적으로 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링된 온도가 상기 제2 온도 임계치에 도달하였다고 판단하는 것에 응하여 상기 냉각 장치 시스템을 부하 인가하도록 구성되는 구성 요소들에 부하 커맨드가 제공되는 것을 방지하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링된 온도가 상기 제2 임계치와 냉각 장치 셧다운 온도 사이의 온도 범위 내에 있다고 판단하는 것에 응하여 상기 모니터링된 온도가 상기 제2 온도 임계치를 초과한 양에 기반하여 상기 냉각 장치 시스템을 비례적으로 부하 경감하는 단계를 포함하는, 냉각 장치 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 모터는 하우징, 스테이터 권선들을 갖는 스테이터 내에 위치되는 로터, 상기 로터를 지지하도록 구성되는 전자기(EM) 베어링들, 및 EM 베어링들의 작동을 조절하도록 구성되는 자기 베어링 제어기(MBC)를 포함하며, 상기 MBC는 히트 싱크를 갖고, 상기 모니터링된 온도는 스테이터 권선 온도, EM 베어링 온도 또는 MBC 온도인, 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 모터는 하우징, 스테이터 권선들을 갖는 스테이터 내에 위치되는 로터, 및 상기 로터를 지지하도록 구성되는 윤활 베어링들을 포함하고, 상기 모니터링된 온도는 상기 베어링 그 자체 또는 상기 베어링의 윤활유의 온도인, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 윤활 베어링들은 냉매 윤활 베어링들을 포함하고, 상기 모니터링된 온도는 상기 베어링들을 윤활하는 데 사용되는 상기 냉매의 온도인, 방법.
  16. 처리 및 메모리 회로망을 갖는 제어 시스템으로서, 상기 메모리 회로망은 냉각 장치 시스템에 대한 온도 기반 용량 제어 체계를 저장하고 상기 처리 회로망은 상기 온도 기반 용량 제어 체계를 수행하도록 구성되며, 상기 모터 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 냉각 장치 시스템의 압축기를 구동시키도록 구성되는 모터에서의 모니터링된 온도, 상기 모니터링된 온도에 상응하는 제1 온도 임계치, 및 상기 제1 온도 임계치보다 더 높은 상기 모니터링된 온도에 상응하는 제2 온도 임계치에 따라 수행되는 것인, 제어 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 모터에 상기 냉각 장치 시스템의 응축기로부터 최대 허용되는 냉매 흐름이 제공되고 있다고 판단하는 것에 응하여 수행되는, 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 모터로의 상기 냉매 흐름을 제어하는 모터 냉각 밸브가 완전히 개방된 위치에 있다고 판단하는 것에 응하여 수행되는, 제어 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는 상기 제1 온도 임계치와 상기 제2 온도 임계치 사이의 온도 범위에 상응하는 부하 제한 영역을 포함하며, 상기 부하 제한 영역은 상기 모니터링된 온도가 상기 제1 임계치를 초과한 양에 기반하여 상기 냉각 장치 시스템의 부하 인가를 비례적으로 제한하도록 구성되는, 제어 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 온도 기반 용량 제어 체계는:
    상기 제2 온도 임계치와 연관된 무부하 커맨드 오버라이드로서, 상기 냉작 장치 시스템의 부하 인가를 가능하게 하도록 구성되는 구성 요소들에 부하 커맨드가 제공되는 것을 가능하게 하지 않는 무부하 커맨드 오버라이드; 및
    상기 제2 임계치 초과이고 냉각 장치 셧다운 온도 미만의 온도 범위와 연관된 오버라이드 영역으로서, 상기 모니터링된 온도가 상기 제2 온도 임계치를 초과한 양에 기반하여 상기 냉각 장치 시스템을 비례적으로 부하 경감하도록 구성되는 오버라이드 영역을 포함하는, 제어 시스템.
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