KR910004007B1 - 냉방시스템의 용량 제어 시스템 및 방출 냉각유체의 온도 제어점 발생방법과 열교환기 유입액체의 온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

냉방시스템의 용량 제어 시스템 및 방출 냉각유체의 온도 제어점 발생방법과 열교환기 유입액체의 온도 제어방법

제 1 도는 본 발명의 원리에 따른 냉방시스템의 용량을 변화시키기 위한 제어시스템을 가진 원심증기압축 냉방시스템의 도식도.

제 2 도는 전형적인 냉각시스템의 부하의 함수로서의 유입냉각수 온도와 방출냉각수 온도의 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 증기압축 냉방시스템 2 : 원심압축기

3 : 제어시스템 4 : 응축기

5 : 증방기 6 : 포핏(poppet)밸브

7 : 압축기 방출라인 8 : 관

9 : 냉매라인 10 : 관

11 : 압축기 흡인라인 12 : 압축기 유입가이드 배인

13 : 온도센서 14 : 가이드 배인 작동자

15 : 온도센서 16 : 시스템 인터페이스 보드

17 : 프로세서 보드 18 : 세트포인트 및 디스플레이 보드

19 : 아날로그/디지탈 변환기 20, 21, 22 : 전기라인

본 발명은 냉방시스템의 작동방법 및 제어시스템, 특히 소정의 유입 설정온도가 냉각기(chiller)에서 유지되는 냉방시스템용 열교환 유입액체의 온도 제어방법 및 방출 냉각유체의 온도 제어점 발생방법과, 그 방법들을 적용한 원심증기 압축 냉동시스템의 압축기 유입가이드 배인과 같은 용량 제어수단의 제어시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉방시스템에는 증발기 또는 냉각기, 압축기 및 응축기가 구비된다. 통상 열전달 유체는 증발기 내의 열전달관을 통해 흘러서 이 열전달 유체로부터 증발기 내의 냉매로 열을 전달한다. 증발기 내의 열전달하는 관내에서 냉각된 열전달 유체는 통상 물이나 글리콜(glycol)이며, 이것은 냉방부하를 만족시키기 위해 장거리를 순환한다. 상기 증발기 내의 냉매는 상기 증발기 내의 열전달하는 관을 통해 흐르는 열전달유체로부터 열을 흡수하여 증발되고, 상기 압축기는 증발기로부터 증발된 상기 냉매증기를 뽑아낸 다음 압축시켜 압축된 냉매증기를 응축기로 방출한다. 응축기에서는 상기 냉매용기를 응축시켜 상기 증발기로 재순환시켜 냉방 사이클를 되풀이 하게 된다.

작동효율을 최대화 하기 위해, 압축기에 의해 행해진 일의 양과 상기 냉방시스템에 가해진 냉방부하를 만족시키는데 필요한 일의 양을 일치시키는 것이 바람직하다. 통상 이것은 압축기를 통해 흐르는 냉매증기의 양을 조절하는 용량제어수단에 의해 행해진다. 이용량 제어수단은 압축기와 증발기 사이에 위치하는 가이드 배인과 같은 장치로서, 이 장치는 상기 증발기 내의 열전달 유체의 관으로부터 방출되는 냉각된 열전달유체의 온도에 감응하여 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 운동하게 된다. 상기 증발기에 의해 냉각된 열전달 유체의 온도가 낮을 경우 냉방시스템의 냉방부하의 감소를 나타내는데, 이 경우 상기 가이드 배인은 폐쇄위치로 이동하여 압축기를 통해 흐르는 냉매증기의 양을 감소시키게 되며, 이 감소에 의해 압축기에 의해 행해져야 할 일의 양이 감소됨에 따라서 상기 냉방시스템의 작동에 필요한 에너지의 양이 감소된다. 이에 따라 동시에 증발기에서 방출되는 냉각된 열전달 유체의 온도가 증가하는 효과를 나타낸다. 이와 반대로 상기 증발기에서 방출되는 냉각된 열전달 유체의 온도가 높을 경우, 상기 냉방시스템의 냉방부하의 증가를 나타내는데 상기 가이드 배인은 완전히 개방위치로 이동하게 되어, 이에 의해 압축기를 통해 흐르는 증기의 양이 증가하여 압축기는 보다 많은 일을 하게 된다. 이에 따라 증발기를 떠나는 냉각된 열전달 유체의 온도가 감소되고 상기 냉방시스템은 증가된 냉방부하에 대응할 수 있도록 된다. 이러한 방식으로 상기 압축기는 상기 증발기를 떠나는 냉각된 열전달 유체의 온도를 설정온도 또 설정온도의 어떤 범위내에 유지하도록 작동한다.

전술한 방식으로 냉방시스템을 제어하기 위한 여러가지 용량제어시스템이 알려져 있다. 예로써, 일리노이, 로크포드(rockford)에 영업소를 가지고 있는 바버-코맨(Barber-colman)사의 제품인 모델번호 제-8142-024의 냉각기 전자제어시스템은 증발기를 떠나는 냉각수의 온도와 소정의 설정온도 사이의 편차의 함수로써 냉방시스템의 용량제어장치를 조절하는 시스템인데, 증방기의 냉각수의 온도가 설정온도를 어느 양만큼 벗어나게 되면 용량제어장치가 작동자에 의해 연속적으로 조절된다.(이 작동자는 전기펄스의 공급을 받아 연속적으로 여자된다)

어떤 에너지 관리시스템 면에서는 유입되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하고 상기 부하가 변화함에 따라 유출되는 냉각수의 온도를 평형온도로 유지하는 것이 바람직하다. 이는 종래기술의 냉각수의 온도제어시스템에 상반된다. 그러나, 종래의 방출하는 냉각수 온도제어시스템에 사용된 것과 같은 아날로그 방식으로 설정온도와 유입하는 냉각수의 온도의 편차에만 근거하여 냉각기의 용량을 제어하게 되면 상기 가이드 배인을 지나치게 이동시킴으로써 시스템의 안정성이 거의 없게 되는데, 이는 냉각기에서의 용량변화와 냉각기로 유입되는 물에서 감지된 결과적인 온도변화 사이에 존재하는 상당한 시간 지연이 그 원인이다. 이와 같은 냉각수 순환계에서의 시간지연은 상기 제어시스템의 과보상을 초래하며, 그 결과 제어가 불안정해지고 온도의 진동이 심해진다.

따라서, 유입냉각수의 온도를 일정하게 유지하며 방출냉각수의 온도에 감응한 냉각기 용량제어의 단점을 최소화하며 또한 설정온도와 유입냉각수의 온도의 편차를 최소화하는 냉각기의 용량제어기술을 개발할 필요가 있게 된 것이다.

본 발명의 목적은 유입냉각수의 설정온도에 감응하여 냉방시스템의 용량을 제어하기 위한 간단하고, 효율적인 마이크로 컴퓨터시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 소정의 유입냉각수의 설정 온도를 제공하도록 방출냉각수의 온도 제어점을 발생시키므로써 냉동시스템의 용량을 제어하는 프로그램이 용이한 마이크로 컴퓨터시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 냉각기의 냉각수의 용량의 변화에 민감하지 않은 냉방시스템의 용량을 제어하기 위한 제어계획을 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉방시스템의 용량제어시스템은 증발기로 유입하는 열전달매체의 선택된 설정온도에 대응한 설정치신호를 발생하는 수단(상기 설정온도는 운전자가 선택하여 마이크로 프로세서에 입력한 값이다), 상기 증발기로 유입하는 열전달매체의 실제온도의 함수인 제 1 제어신호를 발생하는 수단, 상기 증발기로부터 방출하는 열전달매체의 실제온도의 함수인 제 2 제어신호를 발생하는 수단, 및 상기 설정치신호와 제 1 및 제 2제어신호를 입력으로 받아들이고 이들을 미리 프로그램된 순서에 따라 처리하여 증발기로부터 방출되는 열전달매체의 제어점 온도(제어점 온도는 상기 마이크로 프로세서에 의해 발생된 값으로서 가이드 배인의 위치 결정에 의한 것과 같은, 부하제어에 이용됨)를 결정하며 냉각기의 용량을 제어하는 출력제어신호를 발생하는 프로세서 수단으로 구성된다.

상기 프로세서 수단(마이크로 컴퓨터)은 유입하는 냉각수의 설정온도와 증발기를 통한 온도강하를 이용하여 방출하는 냉각수의 온도 제어점을 결정한다. 이와 같은 제어의 특징은 다음식으로 표시된다.

LWCP-EWSP-ΔT

여기서, ΔT=Ti-To, LWCP는 방출냉각수의 온도 제어점, EWCP는 유입냉각수의 설정온도, Ti는 증발기로 유입하는 물의 온도, To는 증발기로부터 방출하는 물의 온도이다.

유입냉각수의 소정의 설정온도를 선택함에 의해 방출하는 냉각수의 온도 제어점을 계산해 낼 수 있으므로 상기 용량제어수단의 작동이 용이하고도 효율적으로 냉방용시스템을 특정용도에 적용시키기 위한 특정조건을 충족시킬 수 있다.

이하 도면을 참고로하여 본원 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.

제1도에 도시한 증기압축 냉방시스템(1)에는 본 발명의 원리에 따라 상기 냉방시스템(1)의 용량을 변화시키기 위한 제어시스템(3)을 갖춘 원심압축기(2)가 구비되어 있다. 본 냉방시스템(1)은 응축기(4), 증발기(5) 및 포핏밸브(6)을 포함한다. 작동시, 압축된 기체상의 냉매는 압축기(2)로부터 압축기 방출라인(7)을 통해 응축기(4)로 방출되며, 여기서 상기 기체상의 냉매는 응축기(4)내의 관(8)을 통해 흐르는 비교적 온도가 낮은 응축용 냉각수에 의해 응축된다. 이 응축기(4)에서 응축된 액체상의 냉매는 냉매라인(9)에 있는 포핏밸브(6)을 통해 증발기(5)로 진행된다. 상기 포핏밸브(6)은 응축기의 증기가 증발기로 진입하는 것을 방지하여 응축기와 증발기 사이의 압력차를 유지하도록 액체밀봉을 형성한다. 증발기(5)내의 액상의 냉매는 증발기(5)내의 관(10)을 통해 흐르는 물 또는 글리콜과 같은 열전달 유체를 냉각시키기 위해 증발된다. 이와 같이 냉각된 열전달 유체는 건물의 냉방이나 기타의 목적의 냉방에 사용된다. 상기 증발기(5)로부터 나온 기체상의 냉매는 압축기 유입가이드 배인(12)의 제어하에서 압축기 흡입라인(11)을 통해 압축기(2)로 재진입한다. 상기 가이드 배인(12)를 통해 압축기(2)로 진입한 기체상의 냉매는 압축기(2)에 의해 압축된 후 압축기 방출라인(7)을 통해 방출됨으로써 냉방시스템의 열순환이 이루어진다. 이같은 냉방시스템의 열순환은 정상적인 동작하에서 연속적으로 반복된다.

상기 압축기 유입가이드 배인(12)는 용량제어시스템(13)에 의해 제어되는 가이드 배인작동자(14)에 의해 개방되거나 폐쇄되어지는 것으로서 상기 용량제어시스템(3)은 시스템 인터페이스 보드(16), 프로세서 보드(17), 세트포인트 및 디스플레이 보드(18) 및 아날로그/디지탈(A/D) 변환기(19)로 구성된다. 또한 상기 관(10)을 통해 증발기(5)를 떠나는 열전달 유체의 온도를 감지하기 위한 온도센서(13) 및 상기 관(10)을 통해 증발기(5)로 유입하는 열전달 유체의 온도를 감지하기 위한 온도센서(15)는 전선(20 및 22)을 통해 A/D 변환기(19)에 직접 연결된다.

상기 온도센서(13,15)는 써미스터(thermistor)와 같은 온도감용저항장치가 바람직하며, 그 감지부는 상기 증발기(5) 내의 관(10) 내의 열전달 유체 내에 위치하며 그 저항값이 제 1 도와 같이 상기 A/D 변환기에서 모니터된다. 물론 상기 온도센서(13,15)는 증발기(5)내의 관(10)의 열전달 유체의 온도를 표시하는 신호를 발생하여 이 신호를 상기 A/D 변환기(19)에 공급할 수 있는 어떠한 종류의 온도센서로도 가능하다.

상기 프로세서 보드(17)로서는 본 발명의 원리에 따라 다수의 입력신호를 수신할 수 있고, 사전에 프로그램된 순서에 따라 상기 수신된 입력신호를 처리할 수 있고, 상기 수신되어 처리된 입력신호에 감응하여 소정의 출력신호를 발생할 수 있는 임의의 장치 또는 임의의 결합된 장치를 사용할 수 있다. 이로써 캘리포니아, 산타클라라에 영업소를 두고 있는 인텔코오포레이숀사의 제품인 모델번호 8031인 마이크로컴퓨터와 같은 것을 상기 프로세서 보드(17)로 쓸 수 있다.

또한, 상기 A/D변환기(19)로서는 모든 아날로그 입력치를 처리하고 또한 상기 프로세서 보드(17)과 같이 사용하기에 적합한 이중 슬로프(dual slope) A/D 변환기를 사용한다. 또한 제1도에서는 A/D 변환기를 별개의 부분으로 도시하고 있으나, 실제의 용량제어시스템(3)에서는 이 A/D 변환기를 프로세서 보드(17)의 일부품으로도 할 수 있다.

또한, 상기 세트포인트 및 디스플레이 보드(18)은 상기 프로세서 보드(17)의 제어를 받는 다중디지트 디스플레이를 형성하는 발광다이오우드(LED) 또는 액정디스플레이(LCD)를 포함한 가시디스플레이로 구성된다. 또한, 상기 세트포인트 및 디스플레이 보드(18)은 상기 증발기의 냉각수의 관(10)을 통해 증발기(5)로 유입하는 냉각수의 설정온도를 입력시키기 위한 프로그래밍기 및 데이타 입력부의 역할을 하는 키패드(key pad)와 같은 장치를 구비한다.

또한 상기 시스템 인터페이스 보드(16)은 뉴욕, 이번에 영업소를 가지고 있는 제너럴 일렉트릭 코오포레이숀사의 제품인 모델번호 sc-140번 트라이액(triac)과 같은 적어도 하나의 스위칭장치를 구비하는데, 이것은 전기라인(21)을 통해 상기 가이드 배인 작동자(14)로 공급되는 전력(도시하지 않음)을 제어하는 스위칭 요소로서 사용되는 것이다. 상기 시스템 인터페이스 보드(16)상의 트라이액스 위치는 프로세서 보드(17)로부터 수신된 제어신호에 감응하여 제어된다. 이러한 방식으로 하기하는 바와 같이 프로세서 보드(17)에 제어하에서 전류는 전기라인(21)을 통해 가이드 배인 작동자(14)로 공급되어 이 가이드 배인 작동자(14)를 동작시킨다. 물론 본 기술분야의 전문가들은 상기 트라이액 스위치 이외의 스위칭장치를 사용하여 상기 프로세서 보드(17)로부터 나온 출력제어신호에 감응하여 전원(도시되지 않음)으로부터 전기라인(21)을 통해 상기 가이드 배인 작동자(14)로 흐르는 전류를 제어할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

상기 가이드 배인 작동자(14)는 전기라인(21)을 통해 수신된 전류신호에 감응하여 상기 가이드 배인(12)를 개방위치나 폐쇄위치로 구동하기에 적합한 어떤 장치도 가능하다. 예로써 상기 가이드 배인 작동자(14)로서는 일리노이, 로크포드에 영업소를 둔 바비-콜맨사의 제품인 모델번호 MC-351인 전기 모우터를 사용할 수 있으며, 이것은 상기 시스템 인터페이스 보드(16)상의 두 개의 트라이액 스위치중의 하나가 상기 프로세서 보드(17)로부터 수신된 제어신호에 감응하여 작동되는 것에 좌우되어 상기 가이드 배인(12)를 개방위치나 폐쇄위치로 구동하게 된다. 상기 가이드 배인 작동자(14)는 상기 시스템 인터페이스 보드(16)상의 적절한 트라이액 스위치가 작동중인 기본시간 간격 동안에만 일정한 고정비율로 상기 가이드 배인(12)를 완전히 개방위치와 완전히 폐쇄위치 사이에서 구동시킨다.

제 2 도에서 실선 A 는 본 발명의 냉방시스템의 바람직한 열 냉각수의 설정온도(임의의 값)를 표시하는 것으로, 이 설정온도는 운전자가 키패드를 이용하여 상기 세트포인트 및 디스플레이 보드내에 입력한다. 유입 냉각수의 온도를 일정하게 유지함으로써 어떤 부하조건, 특히 낮은 부하에서 에너지의 소모량을 줄일 수 있다. 경사진 실선 B로 표시된 발명의 방출냉각수 제어점은 실선 A의 절정치를 가지는 임의의 부하조건중에서 방출냉각수의 동작 제어점을 표시한다. 제 2 도의 세로축은 증발기로 유입하거나 증발기로부터 방출되는 냉각수의 온도를 나타내고, 가로축은 본 냉방시스템의 부하를 나타낸다. 제 2 도에서 △T의 최대값은 임의로 5.6℃(10℉)로 했으며 △T에 대응하는 여러 가지 냉방부하가 %로 표시되어 있다.

제 2 도에서 실선 A는 임의의 유입냉각수의 설정온도를 나타내고 있으며, 이는 운전자가 유입냉각수의 온도를 12.8℃(55℉)로 제어하고자 하는 것을 의미한다.

도면의 점선 c는 종래기술의 유입냉각수의 설정온도를 나타내며, 경사진 점선 D는 종래기술의 부동(floating) 유입냉각수 온도를 나타낸다.

일단 소정의 유입냉각수의 설정온도가 선택되면 방출냉각수의 온도 제어점은 마이크로프로세서에 의해 계산되어지며 또한 매 5초 간격으로 갱신된다. 그러나 만일 부하가 50%에서 10%로 감소하였다고 하면 방출냉각수의 온도 제어점은 10℃(50℉)에서 12.2℃(54℉)로 변화된다. 이같은 변화는 0.069℃/분(0.125℉/분)과 같은 완만한 속도로 일어난다. 따라서, 순간적으로 센서(13)에 의해 감지된 실제의 방출냉각수 온도는 여전히 10℃(50℉)를 표시하고 반면에 방출냉각수의 온도 제어점은 10℃(50℉)를 약간 초과하는 온도를 필요로 한다. 이와 같이 실제의 방출냉각수 온도와 방출냉각수 온도 제어점 사이에는 편차가 발생하게 되며, 이 편차는 상기 시스템 인터페이스 보드에 입력되며, 이 시스템 인터페이스 보드는 상기 가이드 배인 작동자(14)를 작동시켜 상기 실제 방출냉각수의 온도가 방출냉각수의 온도 제어점과 동일해질때까지 상기 가이드 배인(12)를 그 폐쇄위치로 이동시킨다.

이와 같이하여 상기 방출냉각수 온도센서는 가이드 배인의 위치변화에 의한 냉각수의 온도변화를 즉각 검지함으로 본 냉각기는 주어진 부하수준으로부터 다른 부하수준으로 자연스럽게 전환된다. 이와 같이 발생된 온도 제어점을 이용하여 상기 부하의 전환시 소정의 유입냉각수 온도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

또한, 제어계획을 변경함이 없이 냉각수의 유량을 변화시킬 수 있는데, 이것은 방출냉각수의 온도 제어점이 유입냉각수의 설정온도와 증발기로 유입되거나 증발기로부터 방출되는 냉각수의 온도의 함수이기 때문이다. 이상은 본 발명의 일실시예에 대해서만 기재한 것이며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 다양한 변경 및 개조가 가능하다.

Claims (6)

1. 증발기(5)로 유입하는 열전달매체의 선택된 설정온도에 대응하는 설정치신호를 발생하는 수단(18)과, 증발기로 유입되는 열전달매체의 온도함수인 제1제어신호를 발생하는 수단(15,19)을 구비하고 증발기 내의 냉매가 그 증발기를 통과하는 열전달매체로부터 열을 흡수하는 형식의 냉방시스템(1)용 용량제어시스템에 있어서, 상기 증발기(5)로부터 방출되는 열전달매체의 온도 함수인 제2제어신호를 발생하는 수단(13,19) 및 상기 증발기로부터 방출되는 열전달매체의 제어점 온도를 결정하기 위해 사전에 프로그램된 순서에 따라 수신된 상기 설정치신호와 상기 제1 및 제2제어신호를 수신하여 처리하고, 상기 증발기(5)의 부하를 제어하기 위한 제어점 온도신호를 발생하는 프로세서 수단(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템의 용량 제어시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서 수단 (17)에 상기 선택된 일정한 설정 온도와 상기 증발기를 통과하는 열전달매체의 온도차에 비례하는 제어점 온도를 결정하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템의 용량제어시스템.
3. 증발기(5)내의 냉매가 이 증발기를 통과하는 열전달매체로부터 열을 흡수하는 증발기를 구비한 냉방시스템(1)용 방출 냉각유체 온도 제어점을 발생하는 방법으로서 소망의 유입냉각유체 온도에 대응하는 온도 설정치신호를 발생하는 단계와 실제의 유입냉각유체 온도에 대응하는 제1온도신호를 발생하는 단계를 포함하는 냉방시스템용 방출 냉각유체 온도 제어점의 발생방법에 있어서, 실제의 방출 냉각유체 온도에 대응하는 제2온도신호를 발생하는 단계와, 상기 설정치신호, 제1온도신호 및 제2온도신호의 함수로서 방출 냉각유체 온도의 제어점을 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템용 방출 냉각유체의 온도 제어점 발생방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 발생된 방출 냉각유체 온도 제어점이 상기 온도 설정치신호와 상기 제1 및 제2온도신호의 차와의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템용 방출 냉각유체의 온도 제어점 발생방법.
5. 원심압축기(2), 증발기(5),이 증발기 내의 액체 열교환기 및 응축기(4)를 구비한 냉방시스템에서, 상기 열교환기로 유입하는 액체의 온도를 감지하는 단계와, 상기 열교환기로부터 방출되는 액체의 온도를 감지하는 단계를 포함하는, 열교환기 내로의 유입액체 온도를 소정의 설정온도를 제어하는 방법에 있어서, 소정의 설정온도와 상기 열교환기로 유입하고 열교환기로부터 방출되는 액체의 온도와의 함수인 열교환기로부터 방출하는 액체의 제어점 온도신호를 발생하는 단계와, 상기 열교환기로부터 방출되는 액체의 온도와 발생된 제어점 온도 사이의 편차에 감응하여 상기 액체 열교환기의 용량을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템용 열교환기 유입액체의 온도 제어방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어점 온도신호를 발생하는 단계가(a) 상기 열교환기로 유입하는 액체의 소정의 설정온도와(b) 상기 열교환기로 유입하는 액체의 감지된 온도 및 상기 열교환기로부터 방출하는 액체의 감지된 온도 사이의 차와의 차이에 비례하여 제어점 온도신호를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방시스템용 열교환기 유입액체의 온도 제어방법.

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