KR20220012841A - 압축기 모터 냉각 시스템을 가진 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동 시스템 - Google Patents
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Abstract
가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템은 냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 압축기를 가진, 냉매 루프, 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터로서, 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터인, 모터, 및 냉매의 부분을 냉매 루프로부터 PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 냉매의 부분을 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키도록 구성되는 모터 냉각 시스템을 포함한다.
Description
이 부분은 아래에서 설명되는, 본 개시내용의 다양한 양상과 관련될 수 있는 기술의 다양한 양상을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이 논의는 본 개시내용의 다양한 양상을 더 잘 이해할 수 있게 하는 배경 정보를 독자에게 제공하는 데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 따라서, 이러한 설명이 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 종래 기술을 인정하는 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다.
가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템은 다양한 구성으로 그리고 많은 목적을 위해 사용된다. 예를 들어, HVAC＆R 시스템은 환경을 컨디셔닝하도록 구성된 증기 압축 냉동 사이클(예를 들어, 응결기, 증발기, 압축기 및/또는 팽창 디바이스를 가진 냉매 회로)을 포함할 수 있다. 증기 압축 냉동 사이클은 증기 압축 냉동 사이클의 컴포넌트를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 압축기를 포함할 수 있다. 압축기는 일반적으로 HVAC＆R 시스템의 용량에 기초하여 크기 설정되는 모터에 의해 구동된다. 유감스럽게도, 기존의 HVAC＆R 시스템의 모터는 HVAC＆R 시스템이 저용량 조건하에서 작동할 때 비교적 낮은 효율을 달성할 수 있다.
본 개시내용의 실시형태에서, 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템은 냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 압축기를 가진, 냉매 루프, 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터로서, 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(permanent magnet assisted synchronous reluctance: PMASR) 모터인, 모터, 및 냉매의 부분을 냉매 루프로부터 PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 냉매의 부분을 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키도록 구성되는 모터 냉각 시스템을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템은 냉매 루프를 따라 배치된 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터를 포함하고, 모터는 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터이고, 모터는 하우징, 하우징 내에 배치된 회전자, 및 회전자의 본체 내에 내장된 자석을 포함한다. HVAC＆R 시스템은 냉매의 부분을 냉매 루프로부터 PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 냉매의 부분을 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키도록 구성되는 모터 냉각 시스템을 더 포함한다.
본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 냉각기 시스템은 냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 압축기를 가진, 냉매 루프, 및 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터를 포함하고, 모터는 회전자 및 회전자의 본체 내에 내장된 페라이트 자석을 가진 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터이다. 냉각기 시스템은 냉매의 부분을 냉매 루프로부터, PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 냉매의 부분을 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키고, 다시 냉매 루프로 향하게 하도록 구성되는 모터 냉각 시스템을 더 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 양상에 따른, 상업 환경에서 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템의 실시형태를 활용할 수 있는 건물의 사시도이다;
도 2는 본 개시내용의 양상에 따른, 증기 압축 시스템의 실시형태의 사시도이다;
도 3은 본 개시내용의 양상에 따른, 증기 압축 시스템의 실시형태의 개략도이다;
도 4는 본 개시내용의 양상에 따른, 증기 압축 시스템의 또 다른 실시형태의 개략도이다;
도 5는 본 개시내용의 양상에 따른, 압축기의 작동을 구동시키기 위한 모터 및 모터 냉각 시스템을 가진 증기 압축 시스템의 실시형태의 개략도이다; 그리고
도 6은 본 개시내용의 양상에 따른, 회전자 및 회전자에 결합된 자석을 가진 증기 압축 시스템의 모터의 실시형태의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 양상에 따른, 증기 압축 시스템의 실시형태의 사시도이다;
도 3은 본 개시내용의 양상에 따른, 증기 압축 시스템의 실시형태의 개략도이다;
도 4는 본 개시내용의 양상에 따른, 증기 압축 시스템의 또 다른 실시형태의 개략도이다;
도 5는 본 개시내용의 양상에 따른, 압축기의 작동을 구동시키기 위한 모터 및 모터 냉각 시스템을 가진 증기 압축 시스템의 실시형태의 개략도이다; 그리고
도 6은 본 개시내용의 양상에 따른, 회전자 및 회전자에 결합된 자석을 가진 증기 압축 시스템의 모터의 실시형태의 개략도이다.
본 개시내용의 하나 이상의 특정한 실시형태가 아래에서 설명될 것이다. 이 설명된 실시형태는 단지 현재 개시된 기법의 예이다. 부가적으로, 이 실시형태의 간결한 설명을 제공하기 위해서, 실제 구현예의 모든 특징이 본 명세서에서 설명되지 않을 수 있다. 임의의 공학 기술 또는 설계 계획에서와 같이, 임의의 그러한 실제 구현의 개발에서, 구현마다 다를 수 있는 시스템 관련 및 비지니스 관련 제약의 준수와 같은 개발자의 특정 목적을 달성하도록 수많은 구현에 특정된 결정이 행해져야 한다는 것을 이해해야 한다. 게다가, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 이점을 얻는 당업자에게는 일상적인 설계, 제조, 및 제작의 작업일 것임을 이해해야 한다.
위에서 논의된 바와 같이, 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템은 다양한 컴포넌트(예를 들어, 응결기, 증발기, 팽창 디바이스 등)를 가진 냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성되는 압축기를 포함할 수 있다. 압축기는 일반적으로 HVAC＆R 시스템의 타깃 작동 능력(예를 들어, 총 냉각 능력)에 기초하여 선택되는 모터에 의해 구동된다. 특히, 모터는 HVAC＆R 시스템의 타깃 작동 능력을 달성하도록 구성되는 회전력 값 및 속도의 작동 범위를 포함하기 위해 크기 설정된다. 일부 경우에, 모터는 HVAC＆R 시스템의 비교적 낮은 부하 조건하에서(예를 들어, HVAC＆R 시스템의 부하 수요가 HVAC＆R 시스템의 타깃 작동 능력의 50% 미만일 때) 감소된 효율로 작동할 수 있다. 이와 같이, HVAC＆R 시스템의 전체 효율은 비교적 낮은 부하 조건에서 감소될 수 있다.
본 개시내용의 실시형태는 HVAC＆R 시스템의 작동 능력의 범위(예를 들어, HVAC＆R 시스템의 타깃 작동 능력의 25% 내지 100%)에 걸쳐 향상된 효율로 작동하도록 구성된 모터를 포함하는 개선된 HVAC＆R 시스템(예를 들어, 냉각기 시스템)에 관한 것이다. 예를 들어, HVAC＆R 시스템의 압축기는 영구 자석 모터, 그리고 더 구체적으로, 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터에 의해 구동될 수 있다. PMASR 모터는 PMASR 모터가 부가적인 회전력을 생성하게 하는 회전자 상에 배치되거나 또는 이에 내장된 자석을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, PMASR 모터는 PMASR 모터의 회전자에 내장된 페라이트 자석을 포함한다. 페라이트 자석은 일반적으로 일부 PMASR 모터에서 활용될 수 있는 희토류 자석보다 덜 비싸다. 이와 같이, PMASR 모터에 페라이트 자석을 포함하는 것은 HVAC＆R 시스템의 비용을 낮출 수 있다. 부가적으로, 페라이트 자석을 회전자에 내장하는 것은 회전자의 외부면에 결합된 자석을 가진 모터에 일반적으로 포함되고 회전자의 비교적 높은 회전 속도로 회전자의 외부면에 대해 자석을 유지하거나 또는 고정시키도록 구성되는 유지 슬리브를 제거할 수 있다.
게다가, 유지 슬리브의 제거는 냉매의 일부를 냉매 루프로부터 모터의 케이싱 또는 하우징을 통해 전송함으로써 수행될 수 있는 모터의 냉각을 용이하게 할 수 있다. 아래에서 제시된 바와 같이, 모터 냉각 시스템은 모터의 회전자가 회전하여 궁극적으로 압축기를 구동시켜서 냉매를 압축시킬 때 생성되는 열 또는 열 에너지를 제거하기 위해 PMASR 모터에 냉각을 제공하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 모터 냉각 시스템이 냉매 루프의 응결기를 나가는 냉매의 적어도 일부를 끌어당길 수 있고 PMASR을 통해 냉매의 부분을 향하게 할 수 있어서, 냉매의 부분이 PMASR 내 컴포넌트(예를 들어, 고정자 권선, 회전자, 및/또는 다른 적합한 컴포넌트)로부터 열 에너지를 흡수한다. 따라서, HVAC＆R 시스템의 효율은 모터의 성능에 다른 방식으로 영향을 줄 수 있는 모터 내에 생성된 열 에너지를 제거함으로써 더 낮은 온도로 모터를 작동시킴으로써 더 개선될 수 있다. PMASR 모터의 활용은 일반적으로 이러한 모터의 비교적 높은 비용에 기인하여 기존의 HVAC＆R 시스템에서 회피되어 왔다. 본 개시내용의 실시형태는 HVAC＆R 시스템의 비교적 적은 작동 능력(예를 들어, 총 작동 능력의 50% 미만)으로 달성되는 증가된 효율이 PMASR 모터의 부가된 비용보다 더 클 수 있다는 것을 인지한다. 게다가, 모터 냉각 시스템의 구현은 PMASR 모터의 효율을 더 증가시킬 수 있고, 이는 HVAC＆R 시스템의 작동 비용을 감소시킬 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 전형적인 상업 환경을 위한 건물(12) 내 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템(10)을 위한 환경의 실시형태의 사시도이다. HVAC＆R 시스템(10)은 건물(12)을 냉각시키도록 사용될 수 있는, 냉각된 액체를 공급하는 증기 압축 시스템(14)을 포함할 수 있다. HVAC＆R 시스템(10)은 또한 따뜻한 액체를 공급하여 건물(12)을 가열하기 위한 보일러(16) 및 공기를 건물(12)을 통해 순환시키는 공기 분배 시스템을 포함할 수 있다. 공기 분배 시스템은 또한 공기 복귀 배관(18), 공기 공급 배관(20) 및/또는 공기 핸들러(22)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 공기 핸들러(22)는 도관(24)에 의해 보일러(16) 및 증기 압축 시스템(14)에 연결되는 열 교환기를 포함할 수 있다. 공기 핸들러(22) 내 열 교환기는 HVAC＆R 시스템(10)의 작동 모드에 따라, 보일러(16)로부터 가열된 액체 또는 증기 압축 시스템(14)으로부터 냉각된 액체를 수용할 수 있다. HVAC＆R 시스템(10)이 건물(12)의 각각의 층에 개별적인 공기 핸들러를 갖는 것으로 도시되지만, 다른 실시형태에서, HVAC＆R 시스템(10)은 층 사이에 또는 층 간에 공유될 수 있는 공기 핸들러(22) 및/또는 다른 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 HVAC＆R 시스템(10)에서 사용될 수 있는 증기 압축 시스템(14)의 실시형태이다. 증기 압축 시스템(14)은 냉매를 압축기(32)로 시작되는 회로를 통해 순환시킬 수 있다. 회로는 또한 응결기(34), 팽창 밸브(들) 또는 디바이스(들)(36), 및 액체 냉각기 또는 증발기(38)를 포함할 수 있다. 증기 압축 시스템(14)은 아날로그 대 디지털(analog to digital: A/D) 변환기(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46) 및/또는 인터페이스 보드(48)를 가진 제어 패널(40)(예를 들어, 제어기)을 더 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 증기 압축 시스템(14)은 가변 속도 구동부(VSD)(52), 모터(50), 압축기(32), 응결기(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 가변 속도 구동부(VSD)(52)에 의해 전력 공급받을 수 있다. VSD(52)는 AC 전력원으로부터 특정한 고정된 라인 전압 및 고정된 라인 주파수를 가진 교류(alternating current: AC) 전력을 수용하고, 가변 전압 및 주파수를 가진 전력을 모터(50)에 제공한다. 다른 실시형태에서, 모터(50)는 AC 또는 직류(direct current: DC) 전력원으로부터 직접적으로 전력 공급받을 수 있다. 모터(50)는 VSD에 의해 또는 직접적으로 AC 또는 DC 전력원으로부터 전력 공급받을 수 있는 임의의 유형의 전기 모터, 예컨대, 전환형 자기 저항 모터, 유도 모터, 전자적으로 정류된 영구 자석 모터 또는 또 다른 적합한 모터를 포함할 수 있다.
압축기(32)는 냉매 증기를 압축하고 증기를 배출 통로를 통해 응결기(34)로 전달한다. 일부 실시형태에서, 압축기(32)는 원심 압축기일 수 있다. 압축기(32)는 압축기의 컴포넌트를 윤활하는 유체(예를 들어, 오일)를 포함한다. 다른 실시형태에서, 압축기(32)는 오일이 없을 수 있고 자기 베어링을 활용할 수 있다. 압축기(32)에 의해 응결기(34)로 전달된 냉매 증기는 열을 응결기(34) 내 냉각 유체(예를 들어, 물 또는 공기)로 전달할 수 있다. 냉매 증기는 냉각 유체와의 열 전달의 결과로서 응결기(34)에서 냉매 액체로 응결될 수 있다. 응결기(34)로부터의 냉매 액체는 팽창 디바이스(36)를 통해 증발기(38)로 흐를 수 있다. 도 3의 예시된 실시형태에서, 응결기(34)는 물 냉각되고 냉각 유체를 응결기로 공급하는, 냉각탑(56)에 연결된 관 다발(54)을 포함한다.
증발기(38)로 전달된 냉매 액체는 응결기(34)에서 사용되는 것과 동일한 냉각 유체일 수 있거나 아닐 수 있는, 또 다른 냉각 유체로부터 열을 흡수할 수 있다. 증발기(38) 내 냉매 액체는 냉매 액체로부터 냉매 증기로의 상변화를 겪을 수 있다. 도 3의 예시된 실시형태에 도시된 바와 같이, 증발기(38)는 냉각 부하(62)에 연결된 공급 라인(60S) 및 복귀 라인(60R)을 가진 관 다발(58)을 포함할 수 있다. 증발기(38)의 냉각 유체(예를 들어, 물, 에틸렌 글리콜, 염화칼슘 브라인, 염화나트륨 브라인 또는 임의의 다른 적합한 유체)는 복귀 라인(60R)을 통해 증발기(38)에 진입하고 공급 라인(60S)을 통해 증발기(38)를 나간다. 증발기(38)는 냉매와의 열 전달을 통해 관 다발(58) 내 냉각 유체의 온도를 감소시킬 수 있다. 증발기(38) 내 관 다발(58)은 복수의 관 및/또는 복수의 관 다발을 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 냉매 증기가 증발기(38)를 나가고 흡입 라인에 의해 압축기(32)로 복귀되어 사이클을 완료한다.
도 4는 중간 회로(64)가 응결기(34)와 팽창 디바이스(36) 사이에 통합된 증기 압축 시스템(14)의 개략도이다. 중간 회로(64)는 응결기(34)에 직접적으로 유체 흐름 가능하게 연결되는 유입 라인(68)을 가질 수 있다. 다른 실시형태에서, 유입 라인(68)은 응결기(34)에 간접적으로 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 도 4의 예시된 실시형태에 도시된 바와 같이, 유입 라인(68)은 중간 용기(70)의 상류에 배치된 제1 팽창 디바이스(66)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크(예를 들어, 플래시 중간 냉각기)일 수 있다. 다른 실시형태에서, 중간 용기(70)는 열 교환기 또는 "표면 이코노마이저(surface economizer)"로서 구성될 수 있다. 도 4의 예시된 실시형태에서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크로서 사용되고, 제1 팽창 디바이스(66)는 응결기(34)로부터 수용된 냉매 액체의 압력을 낮추도록(예를 들어, 액체 냉매를 팽창시키도록) 구성된다. 팽창 과정 동안, 액체의 일부는 증발할 수 있고, 따라서, 중간 용기(70)는 제1 팽창 디바이스(66)로부터 수용된 액체로부터 증기를 분리시키도록 사용될 수 있다. 부가적으로, 중간 용기(70)는 중간 용기(70)에 진입할 때 냉매 액체가 겪은 압력 강하에 기인하여(예를 들어, 중간 용기(70)에 진입할 때 겪은 용적의 신속한 증가에 기인하여) 냉매 액체의 추가의 팽창을 제공할 수 있다. 중간 용기(70) 내 증기는 압축기(32)에 의해 압축기(32)의 흡입 라인(74)을 통해 인출될 수 있다. 다른 실시형태에서, 중간 용기 내 증기는 압축기(32)의 중간 스테이지(예를 들어, 흡입 스테이지가 아님)로 인출될 수 있다. 중간 용기(70)에 수집된 액체는 팽창 디바이스(66) 및/또는 중간 용기(70) 내 팽창에 기인하여 응결기(34)를 나가는 냉매 액체보다 더 낮은 엔탈피를 가질 수 있다. 이어서 중간 용기(70)로부터의 액체는 라인(72)에서 제2 팽창 디바이스(36)를 통해 증발기(38)로 흐를 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 개시내용의 실시형태는 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터를 포함하는, HVAC＆R 시스템, 예컨대, 증기 압축 시스템(14)을 가진 HVAC＆R 시스템(10)에 관한 것이다. PMASR 모터는 HVAC＆R 시스템의, 압축기, 예컨대, 압축기(32)에 적용되는 증가된 회전력(예를 들어, PMASR 모터에 의해 소모되는 전력량당)을 생성함으로써 HVAC＆R 시스템(10)의 효율을 증가시킬 수 있다. 더 구체적으로, PMASR 모터가 HVAC＆R 시스템의 전체 작동 능력 조건과 비교적 적은 작동 능력 조건 둘 다에서 더 적은 손실(예를 들어, 자석 손실, 회전자 손실, 고정자 손실, 권선 손실 또는 다른 손실)을 생성하여 HVAC＆R 시스템의 효율이 광범위한 작동 능력 범위에 걸쳐 개선된다. 위에서 제시된 바와 같이, PMASR 모터는 PMASR 모터의 회전자에 내장되거나 또는 몰딩된 자석(예를 들어, 페라이트 자석)을 포함할 수 있다. 자석은 PMASR 모터의 작동 동안 부가적인 회전력을 생성할 수 있고, 이는 PMASR 모터가 HVAC＆R 시스템의 광범위한 작동 능력에 걸쳐 압축기에 충분한 전력량을 공급하게 할 수 있다. 게다가 또한, HVAC＆R 시스템은 작동 동안 PMASR 모터의 하우징 내에 생성된 열 에너지를 제거하는 모터 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 자석이 회전자의 외부면에 배치될 때(예를 들어, 회전자의 비교적 높은 회전 속도로 회전자에 대해 자석을 유지하거나 또는 고정시키기 위해) 일반적으로 포함되는 유지 슬리브의 제거의 결과로서 부가적인 열 에너지가 PMASR 모터로부터 제거될 수 있다.
도 5는 HVAC＆R 시스템(100)의 압축기(106), 예컨대, 압축기(32)를 구동시키는 PMASR 모터(104)로부터 열 에너지를 제거하도록 구성된 모터 냉각 시스템(102)을 가진, HVAC＆R 시스템(100), 예컨대, 냉각기 시스템의 개략도이다. PMASR 모터(104)는 PMASR 모터(104)의 회전력을 압축기(106)(예를 들어, 임펠러) 내 컴포넌트로 전달하는 샤프트를 통해 압축기(106)에 결합될 수 있다. 따라서 압축기(106)는 HVAC＆R 시스템(100)의 냉매 루프(108) 내에서 냉매(예를 들어, R-134a, R-513A, R-123, R-1233zd, 및/또는 R-514A)를 가압하여 냉매를 냉매 루프(108)를 따라 배치된 응결기(110)(예를 들어, 응결기(34)), 증발기(112)(예를 들어, 증발기(38)), 및/또는 팽창 디바이스(114)(예를 들어, 팽창 디바이스(36))를 통해 순환시키도록 구성된다. 따라서 냉매는 응결기(110)를 통해 흐르는 냉각 유체 및/또는 증발기(112)를 통해 흐르는 작동 유체에 의한 열 에너지 전달을 통해 상변화를 겪을 수 있다.
PMASR 모터(104)는 PMASR 모터(104)의 회전자(200)의 형상(예를 들어, 선호되는 자축의 역할을 하고 고정자의 권선(206)에 의해 생성된 자기장과의 상호작용을 통해 자기 저항 회전력을 생성하는 회전자(200) 상의 돌출부)의 결과로서 뿐만 아니라 회전자(200) 내에 내장되거나 또는 다른 방식으로 회전자에 결합되는 자석(202)(예를 들어, 자석(202)은 고정자의 권선(206)에 의해 생성된 자기장과의 상호작용을 통해 부가적인 회전력을 생성함)으로부터 회전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 6은 회전자(200) 주위에 배치된 고정자의 권선(206) 및 자석(202)을 가진 회전자(200)를 예시하는, PMASR 모터(104)의 개략도이다. 이해되는 바와 같이, PMASR 모터(104)의 회전자(200)의 회전은 전기 에너지가 PMASR 모터(104)의 고정자 권선(206)에 공급될 때 생성된 자기장의 결과로서 구동된다. 자기장은 전기 에너지를 궁극적으로 회전자(200)의 회전을 구동시키는 역학 에너지(예를 들어, 회전 에너지)로 변환시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, PMASR 모터(104)의 회전자(200)는 4-극 구성, 즉, 회전자(200) 상에 배치되거나 또는 회전자에 결합된 4개의 자기극을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, PMASR 모터(104)는 2-극 구성 및/또는 HVAC＆R 시스템(100)의 타깃 작동 능력을 달성하기 위해 적합한 힘을 생성하기 위한 또 다른 적합한 구성을 포함할 수 있다.
또한, PMASR 모터(104)의 회전자(200)는 부가적인 회전력을 생성하기 위해 회전자(200)의 본체(208) 내에 내장되거나 또는 몰딩될 수 있는 자석(202)을 포함한다. 예를 들어, 자석(202)은 PMASR 모터(104)의 케이싱 내에 배치된 플럭스 배리어와 상호작용하여 회전자(200)의 회전을 구동시키기 위한 자기 회전력을 더 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 자석(202)은 회전자(200)의 본체(208) 내에 내장된 페라이트 자석을 포함한다. 다른 실시형태에서, 자석(202)은 희토류 자석, 예컨대, 네오디뮴 자석, 알니코 자석, 사마륨 코발트 자석, 또는 다른 적합한 자석을 포함한다.
일부 실시형태에서, PMASR 모터(104)의 회전자(200)는 100 밀리미터(㎜) 내지 200 ㎜, 150 내지 175 ㎜, 또는 160 ㎜ 내지 170 ㎜인 길이를 포함한다. 예를 들어, PMASR 모터(104)의 회전자(200)는 대략 170 ㎜의 길이를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, PMASR 모터(104)의 회전자(200)는 HVAC＆R 시스템(100)의 타깃 작동 능력에 기초하여 임의의 적합한 길이를 포함할 수 있다.
위에서 제시된 바와 같이, 가변 속도 구동부(variable speed drive: VSD)(116)는 전기 에너지를 PMASR 모터(104)에 공급하여 PMASR 모터(104)의 속도(예를 들어, 회전 속도), 그리고 따라서 압축기(106)의 속도를 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, VSD(116)는 AC 전력원으로부터 특정한 고정된 라인 전압 및 고정된 라인 주파수를 가진 교류(AC) 전력을 수용하고 가변 전압 및 주파수를 가진 전력을 PMASR 모터(104)에 제공한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, VSD(116)는 0.9 내지 1.2의 스위칭 주파수를 포함할 수 있다. 더 구체적으로, VSD(116)는 대략 5000 헤르츠(HZ) 또는 대략 5500 ㎐의 스위칭 주파수를 포함할 수 있다.
임의의 경우에, PMASR 모터(104)는 특히, HVAC＆R 시스템(100)의 비교적 적은 작동 능력(예를 들어, HVAC＆R 시스템(100)의 총 작동 능력의 50% 미만)으로 HVAC＆R 시스템(100)의 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, PMASR 모터(104)는 압축기(106)에 궁극적으로 적용되는 회전력의 양을 증가시킬 수 있으면서, HVAC＆R 시스템을 위해 사용되는 종래의 모터와 비교할 때 더 적은 손실을 발생시킨다. 게다가, 모터(104) 내 열 에너지 생성으로부터 발생된 권선 손실은 냉매 루프(108)로부터의 냉매를 사용하여 PMASR 모터(104)의 하우징(204) 내로부터 열 에너지를 제거하는 모터 냉각 시스템(102)을 통해 감소될 수 있다.
도 5의 예시된 실시형태에 도시된 바와 같이, 응결기(110)를 나가는 냉매의 일부는 티(tee)(120)(예를 들어, 제1 티 및/또는 제1 3-방향 밸브)를 통해 모터 냉각 루프(118)로 전환될 수 있다. 밸브(122)(예를 들어, 볼 밸브, 버터플라이 밸브, 게이트 밸브, 글로브 밸브, 다이어프램 밸브, 및/또는 또 다른 적합한 밸브)는 모터 냉각 루프(118)를 통한 냉매의 흐름에 대해 티(120)의 하류에 모터 냉각 루프(118)를 따라 배치될 수 있다. 밸브(122)는 냉매 루프(108)로부터 모터 냉각 루프(118)로 전환되는 냉매의 양(예를 들어, 흐름 또는 흐름 속도)을 조정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 밸브(122)는 예를 들어, 센서(126)(예를 들어, 온도 센서)에 의해 모니터링되는 PMASR 모터(104)의 온도에 기초하여 모터 냉각 루프(118)를 통한 냉매의 흐름 또는 흐름 속도를 제어하도록 밸브(122)의 위치를 조정할 수 있는, 제어기(124)에 결합된다. 모터 냉각 루프(118)를 통해 흐르는 냉매가 PMASR 모터(104)의 하우징(204)으로 향하여 냉매가 PMASR 모터(104)의 컴포넌트(예를 들어, 고정자, 회전자(200), 및/또는 베어링)와 열교환 관계에 있게 된다. 따라서, 냉매가 PMASR 모터(104)로부터 열 에너지(예를 들어, 열)를 흡수하여 PMASR 모터(104)의 온도를 감소시킨다. 이어서 냉매는 PMASR 모터(104)로부터 냉매가 증발기(112)로 흐르게 할 수 있는 냉매 루프(108)를 향하여 다시 향하게 된다.
위에서 제시된 바와 같이, PMASR 모터(104)가 회전자(200) 내에(예를 들어, 회전자(200)의 본체(208) 내에) 내장된 자석(202)을 포함하여, 유지 슬리브가 PMASR 모터(104)로부터 제거될 수 있다(예를 들어, 유지 슬리브는 일반적으로 자석이 회전자의 외부면에 배치되고 회전자 내에 내장되지 않을 때 포함된다). 유지 슬리브가 PMASR 모터(104)의 컴포넌트와 모터 냉각 루프(118)를 통해 순환되는 냉매 간의 열 에너지 전달량을 감소시킬 수 있다는 것이 이제 인지된다. 이와 같이, PMASR 모터(104)의 회전자(200)의 본체(208) 내에 자석(202)을 내장하는 것은 PMASR 모터(104)와 모터 냉각 루프(118)를 통해 그리고 PMASR 모터(104)의 하우징(204) 내에서 순환되는 냉매 간의 열 에너지 전달량을 증가시킬 수 있고, 이는 PMASR 모터(104)의 효율을 더 증가시킬 수 있다. 게다가, 유지 슬리브의 제거는 PMASR 모터(104)의 성능에 상당히 영향을 주는 일 없이, PMASR 모터(104)가 유지 슬리브를 가진 모터와 비교할 때 더 높은 온도에서 작동하게 할 수 있다. 따라서, PMASR 모터(104)를 활용하는 것에 더하여(예를 들어, 회전자(200)에 내장된 자석(202)을 가진) 모터 냉각 시스템(102)은 HVAC＆R 시스템(100)의 광범위한 작동 능력에 걸쳐 HVAC＆R 시스템(100)의 효율을 증가시킬 수 있다.
본 개시내용의 실시형태는 HVAC＆R 시스템의 효율을 증가시키는 데 유용한 하나 이상의 기술적 효과를 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 실시형태는 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터 및 모터 냉각 시스템을 포함하는 HVAC＆R 시스템에 관한 것이다. PMASR 모터를 활용하는 것은 비교적 적은 작동 능력 조건하에서 HVAC＆R 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다. 게다가, PMASR의 회전자는 회전자의 본체 내에 내장된 자석을 포함할 수 있고, 이는 PMASR 모터로부터 압축기로 전달되는 회전력의 양을 증가시킬 수 있다. 부가적으로, 회전자의 본체 내에 자석을 내장하는 것은 자석이 회전자 내에 내장되는 대신 회전자의 외부면에 배치될 때 일반적으로 포함되는 유지 슬리브의 사용을 제거할 수 있다. 유지 슬리브의 제거는 모터 냉각 시스템으로부터의 냉매와 PMASR 모터의 컴포넌트(예를 들어, 회전자, 고정자) 간의 열 에너지 전달량을 증가시킬 수 있고, 이는 HVAC＆R 시스템의 효율을 더 증가시킬 수 있다. 이 명세서에서 기술적 효과 및 기술적 문제는 예이고 제한적이지 않다. 본 명세서에 설명된 실시형태가 다른 기술적 효과를 가질 수 있고 다른 기술적 문제를 해결할 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
본 개시내용의 오직 특정한 특징 및 실시형태가 예시 및 설명되었지만, 많은 변경 및 변화(예를 들어, 다양한 소자의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 매개변수(예를 들어, 온도, 압력 등)의 값, 장착 배열, 재료 용도, 컬러, 배향 등의 변경)가 청구범위에 언급된 주제의 새로운 교시내용 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나는 일 없이 당업자에게 떠오를 수 있다. 임의의 과정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시형태에 따라 변경 또는 재배열될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위가 본 개시내용의 참된 정신 내에 속하는 것으로서 모든 이러한 변경 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다는 것이 이해된다. 게다가, 예시적인 실시형태의 간결한 설명을 제공하기 위해서, 실제 구현예의 모든 특징(즉, 본 기법을 수행하는 현재 고려되는 최적의 방식과 관련되지 않은 것 또는 청구된 실시형태를 가능하게 하는 것과 관련되지 않은 것)이 설명되지 않을 수 있다. 임의의 이러한 실제 구현예의 개발에서, 임의의 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 수많은 구현 특이적 결정이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 개발 노력이 복잡할 수 있고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 과도한 실험 없이, 본 개시내용에서 이점을 얻는 당업자에게는 설계, 제조 및 제작에 있어 일상적인 일일 것이다.
Claims (20)
- 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템으로서,
냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 압축기를 가진, 냉매 루프;
상기 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터로서, 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(permanent magnet assisted synchronous reluctance: PMASR) 모터인, 모터; 및
상기 냉매의 부분을 상기 냉매 루프로부터 상기 PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 상기 냉매의 부분을 상기 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키도록 구성되는 모터 냉각 시스템;
을 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PMASR 모터는 회전자의 본체 내에 내장된 자석을 갖는 회전자를 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 자석은 페라이트 자석인, HVAC＆R 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 자석은 희토류 자석인, HVAC＆R 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PMASR 모터에 공급되는 전기 에너지의 양을 변경시키도록 구성되는 가변 속도 구동부를 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PMASR 모터의 하우징 내 온도를 나타내는 피드백을 제공하도록 구성된 센서 및 상기 모터 냉각 시스템의 밸브에 통신 가능하게 결합된 제어기를 포함하되, 상기 제어기는 상기 밸브의 위치를 조정하여 상기 냉매 루프로부터 상기 PMASR 모터의 상기 하우징을 통과하는 상기 냉매의 부분의 흐름을 제어하도록 구성되는, HVAC＆R 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 냉매 루프는 상기 냉매를 냉각 유체와 열 연통하게 위치시키도록 구성된 응결기 및 상기 냉매를 작동 유체와 열 연통하게 위치시키도록 구성된 증발기를 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 모터 냉각 시스템은 상기 냉매의 부분을 일 위치로부터 상기 응결기의 하류의 상기 냉매 루프를 따라 지향시키도록 구성되는, HVAC＆R 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 PMASR 모터는 유지 슬리브가 없는, HVAC＆R 시스템. - 가열, 환기, 공기 조화 및/또는 냉동(HVAC＆R) 시스템으로서,
냉매 루프를 따라 배치된 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터로서, 상기 모터는 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터이고, 하우징, 상기 하우징 내에 배치된 회전자, 및 상기 회전자의 본체 내에 내장된 자석을 포함하는, 상기 모터; 및
냉매의 부분을 상기 냉매 루프로부터 상기 PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 상기 냉매의 부분을 상기 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키도록 구성되는 모터 냉각 시스템;
을 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 모터 냉각 시스템은 상기 냉매의 부분을 상기 회전자, 상기 PMASR 모터의 고정자, 상기 PMASR 모터의 베어링, 또는 이들의 임의의 조합과 열 연통하게 위치시키도록 구성되는, HVAC＆R 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 냉매 루프를 포함하되,
상기 냉매 루프는 상기 냉매를 가압하도록 구성된 상기 압축기, 상기 냉매를 냉각 유체와 열 연통하게 위치시키도록 구성된 응결기, 및 상기 냉매를 작동 유체와 열 연통하게 위치시키도록 구성된 증발기를 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 모터 냉각 시스템은 상기 냉매의 부분을 제1 위치로부터 상기 응결기의 하류의 상기 냉매 루프를 따라 상기 하우징으로 그리고 상기 하우징으로부터 상기 증발기의 상류의 상기 냉매 루프를 따라 제2 위치로 향하게 하도록 구성되는, HVAC＆R 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 자석은 페라이트 자석을 포함하는, HVAC＆R 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 PMASR 모터는 상기 회전자 주위에 배치된 유지 슬리브가 없는, HVAC＆R 시스템. - 제10항에 있어서, 상기 모터 냉각 시스템은,
상기 냉매 루프로부터 상기 하우징으로 향하는 상기 냉매의 부분의 흐름을 조절하도록 구성된 밸브; 및
상기 밸브에 통신 가능하게 결합된 제어기를 포함하되,
상기 제어기는 상기 PMASR 모터의 온도를 나타내는 피드백에 기초하여 상기 밸브의 위치를 조정하여 상기 냉매의 부분의 흐름을 조정하도록 구성되는, HVAC＆R 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 모터 냉각 시스템은 상기 제어기에 통신 가능하게 결합된 센서를 포함하고, 상기 센서는 상기 PMASR 모터의 상기 하우징 내 온도를 검출하고 상기 피드백을 상기 제어기에 전달하도록 구성되는, HVAC＆R 시스템. - 냉각기 시스템으로서,
냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 압축기를 포함하는, 냉매 루프;
상기 압축기의 회전을 구동시키도록 구성된 모터로서, 회전자 및 상기 회전자의 본체 내에 내장된 페라이트 자석을 포함하는 영구 자석 보조 동기식 자기 저항(PMASR) 모터인, 모터; 및
상기 냉매의 부분을 상기 냉매 루프로부터 상기 PMASR 모터의 하우징을 통과하도록 향하게 하여 상기 냉매의 부분을 상기 PMASR 모터의 컴포넌트와 열 연통하게 위치시키고, 상기 하우징으로부터 다시 상기 냉매 루프로 향하게 하도록 구성되는 모터 냉각 시스템;
을 포함하는, 냉각기 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 PMASR 모터는 상기 회전자 주위에 배치된 유지 슬리브가 없는, HVAC＆R 시스템. - 제19항에 있어서,
상기 냉매 루프는 상기 냉매를 냉각 유체와 열 연통하게 위치시키도록 구성된 응결기 및 상기 냉매를 작동 유체와 열 연통하게 위치시키도록 구성된 증발기를 포함하고,
상기 모터 냉각 시스템은 상기 냉매의 부분을 제1 위치로부터 상기 응결기의 하류의 상기 냉매 루프를 따라 상기 하우징으로 그리고 상기 하우징으로부터 상기 증발기의 상류의 상기 냉매 루프를 따라 제2 위치로 향하게 하도록 구성되고; 그리고
상기 모터 냉각 시스템은,
상기 냉매 루프로부터 상기 하우징으로 향하는 상기 냉매의 부분의 흐름을 조절하도록 구성된 밸브;
상기 PMASR 모터의 상기 하우징 내 온도를 검출하도록 구성된 센서; 및
상기 밸브 및 상기 센서에 통신 가능하게 결합된 제어기를 포함하되,
상기 제어기는 상기 센서를 통해 수신된 상기 PMASR 모터의 상기 하우징 내 온도를 나타내는 피드백에 기초하여 상기 밸브의 위치를 조정하여 상기 냉매의 부분의 흐름을 조정하도록 구성되는, HVAC＆R 시스템.
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