KR950007281B1 - 가변 속도 압축기를 갖춘 열 펌프 시스템의 가역 밸브 고장을 감지 및 보정하는 방법 - Google Patents

가변 속도 압축기를 갖춘 열 펌프 시스템의 가역 밸브 고장을 감지 및 보정하는 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

가변 속도 압축기를 갖춘 열 펌프 시스템의 가역 밸브 고장을 감지 및 보정하는 방법
제1도는 본 발명의 방법을 실시하는데 적합한 열 펌프 시스템의 블록도.
제2도는 제2(a)도 및 제2(b)도로 구성된 본 발명의 방법을 도시한 논리 순서도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 열 펌프 시스템 11 : 압축기
12 : 가역 밸브 13 : 내부 열 교환기
14 : 외부 열교환기 15A,15B :팽창 장치
21 : 시스템 제어기 22 : 항온기
23 : 서리 제거 제어기 24,25 : 온도 감지기
본 발명은 가변 속도 압력기를 갖춘 통상, 열 펌프로서 알려진 가역 증기 압축 냉동 시스템에 관한 것이다. 보다 상세히는, 본 발명은 시스템 시동 또는 모드 변환 후에 시스템 유동 가역 밸브가 적절히 위치되었는 지를 감지하고 만일 그렇지 않다면 보정 작동을 하는 방법에 관한 것이다.
가역 증기 압축 냉동 시스템은 다양한 분야의 공간 가열 및 냉각에 폭넓게 사용된다. 통상의 가열 펌프시스템의 경우, 시스템 냉각 모드와 시스템 가열 모드 사이를 변환시키는데 필요한 냉매 유동 반전이 2위치 4방(two position, four way) 밸브 또는 가역 밸브에 의해 수행된다. 가역 밸브는 냉각 모드로 작동하는 동안에는 고온 냉매를 압력기 방출구로부터 외부 열 교환기로, 그리고 가열 모드로 작동하는 동안에는 내부열 교환기로 향하게 한다. 시스템이 가열 모드에서 작동중이고 외부 열 교환기가 증발기로서 작동 중인 경우, 열 교환기의 외부면 상에 서리가 집적되어 열 전달을 방해한다. 그러므로, 열 펌프 시스템은 냉각 모드 및 가열 모드 외에, 서리 제거 작동 모드를 통상적으로 갖고 있다. 서리 제거 모드에서, 시스템의 냉매 유동은 냉각 모드에 있는 것과 마찬가지로 정렬되어, 고온 냉매가 축적된 서리를 녹이기에 충분한 시간 동안 외부 열 교환기로 향하게 한다. 다양한 서리 제거 제어 설계 및 방법이 사용되고 있다.
건물에 사용하는 대부분의 열 펌프 시스템의 경우, 열 펌프 압축기는 전기 모터에 의해 구동된다. 모터제어 기술의 발전은 가변 속도 모터들의 이용도를 증대시켜, 열 펌프와 같은 냉동 시스템의 동력 팬 및 압력기에 사용할 수 있게 하였다. 가변 속도 부재들은 시스템의 적은 요구 기간 중의 시스템 발생 소음을 감소시키고, 시스템 효율을 증가시키며, 에너지를 절약되게 한다.
대부분의 열 펌프 시스템의 유동 가역 밸브들은 시스템내의 압력차에 따라 솔레노이드 작동 및 압력 작동되어 한 위치로부터 다른 위치로 변화한다. 시스템 압력기가 최대 속도보다 느린 어떤 속도에서 작동 중인 경우와 같이, 만일 그러한 압력차가 감소된다면, 가역 밸브는 시스템 모드 변화에 따라 위치들을 변화시키도록 지시될 때 가열 모드 위치와 냉각 모드 위치 사이의 어떤 중간 위치에서 고장나거나 멈출 수도 있다. 가역 밸브가 적절히 작동하지 않으면 시스템 성능이 상당히 저하될 수 있다.
그러므로, 열 펌프 시스템의 가역 밸브의 위치를 감지하고, 가역 밸브가 적절한 위치에 있도록 보장하는 수단이 필요하다.
본 발명은 간단하고, 신뢰할 수 있고, 비용이 저렴한 방법으로 상술한 필요를 충족시킬 수 있다.
본 방법은 가역 밸브의 위치를 직접적으로 측정하기보다는 오히려 시스템의 시동 또는 모드 변환 전후에 내부 열 교환기에서 또는 내부 및 외부 열 교환기들 모두에서 온도를 측정함으로써 밸브 위치를 간접적으로 측정한다. 만일 가역 밸브가 적절히 위치되었다면, 작동 변화 때문에 작동 변화 때문에 어떤 방식으로든지 온도는 변화되어야만 한다. 만일 실제로 감지된 온도가 예상한 방식으로 변화되지 않았다면, 이는 가역 밸브가 선택된 작동 모드 동안 적절히 위치되지 않았음을 표시하는 것이다. 만일 온도 변화가 가역 밸브가 위치를 벗어났음을 표시한다면, 가변 속도 압력기가 단시간 동안 최대 속도로 작동된다. 압축기가 최대 속도로 작동함으로써, 가역 밸브를 작동시키는데 사용된 압력차는 최대가 되고, 가역 밸브는 적절히 위치하게 된다. 다시 온도를 감지하여, 시동 또는 모드 변환 이전에 감지된 온도와 비교된다. 만일 온도 변화가 예상한 것과 같다면, 가역 밸브가 적절한 위치로 변환된 것이다. 만일 온도가 아직도 예상한 방식으로 변화되지 않았다면, 가역 밸브가 아직도 적절히 위치되지 않은 것이다. 이는 밸브가 잘못 작동되고 있음을 나타내며, 시스템이 정지된다.
본 발명의 방법은 가장 현대적인 추거 및 상업적인 열 펌프 시스템에서 발견되는 것들 외에 어떤 부가적인 설비를 필요로 하지 않는다.
제1도는 본 발명을 실시하는데 필요한 기술 구성들을 통합한 열 펌프 시스템의 블록도이다. 제1도에는 열 펌프 시스템(10)이 도시되어 있다. 열 펌프 시스템(10)은 압력기(11), 4방 밸브 또는 가역 밸브(12), 내부 열 교환기(13), 외부 열 교환기(14) 및 팽창 장치(15A,15B)를 구비하고 있는데, 이들은 모두 적절한 냉동 배관 시스템에 의해 상호 연결되어 있다.
냉각 작동 모드와 서리 제거 작동 모드의 경우, 가역 밸브(12)는 냉매를 압축기(11)의 방출구로부터 밸브(12)를 통해, 이 작동 모드의 경우 응축기로서 작동하는 외부 열 교환기(13)로 유동시킨 후, 팽창 장치(15B,15A)들을 통과시키고, 증발기로서 작동하는 내부 열 교환기(14)를 통과시킨 다음, 밸브(12)를 통과하여 압축기(11)의 흡입구로 유동하도록 정렬된다.
팽창 장치(5A,15B)들의 각각은 한쪽 방향으로는 냉매 유동에 거의 또는 아무런 저항을 주지 않고 다른 방향으로는 냉매 유동을 계량하거나 제한하는 단일 장치 또는 장치들의 조합체이다. 팽창 장치들은, 증발기로서 작동하는 열 교환기로부터 냉매 유동 통로 바로 상류에 있는 팽창 장치는 유동을 계량하거나 제한하고 다른 팽창 장치는 낮은 유동 저항을 제공하도록 설치된다.
시스템 제어기(21)는 압력기(11)의 속도를 포함하여 시스템의 작동을 제어하는 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함하는 부재 또는 부재들의 조립체일 수 있다. 항온기(thermostat, 22)는 시스템에 의해 제공된 공간의 온도를 감지하며, 가열 또는 냉각이 필요할 때 시스템 제어기(21)로 신호를 보낸다. 서리 제거 제어기(23)는, 가열 모드로 작동 중에 서리 제거 모드로, 그리고 서리 제거 모드로부터 가열 모드로 변환되는 시기를 결정한다. 온도 감지기(24,25)들은 내부 및 외부 열 교환기(13,14)안에 각각 위치한다. 각 센서는 열 교환기의 온도의 측정치인 신호를 시스템 제어기(21)에 제공한다.
본 발명의 방법을 뒷받침하는 원리는, 시스템의 두 열 교환기에서의 온도가 시스템의 작동 모드가 변화될때 공지된 방식으로 변화하게 되는 것이다. 단일 관찰된 실제 온도 변화가 예상한 온도 변화와 부합하지 않는다면, 유동 가역 밸브가 적절히 작동하는데 실패했음을 나타내는 것이다. 예컨데, 단일 열 펌프 시스템이 가열 모드에서 작동 중이고, 그 다음에 작동 모드가 냉각 모드 또는 서리 제거 모드로 변환된다면, 내부 열교환기의 온도는 감소하게 되고 외부 열 교환기의 온도는 증가하게 됨을 예싱할 수 있다. 단일 가역 밸브가 작동되지 않으면, 예상한 온도 변화가 발생하지 않게 된다. 모드 변환 전후의 열 교환기들의 온도들을 측정함으로서 가역 밸브의 기능을 모니터할 수 있고, 필요하다면 보정 작동이 개시될 수 있다.
본 발명의 방법은 제2도를 참조하여 가장 잘 설명할 수 있다. 제2도는 본 발명 방법을 실시하기 위한 논리 순서도를 도시하고 있다. 순서도에는 다음과 같은 약어들이 사용된다.
T1-내부 열 교환기 온도
T0-외부 열 교환기 온도
TS-항온기
DFC-서리 제거 모드 제어기
타이머(1,2,3)들은 시스템 제어기의 미리 설정된 시간 타이머들 또는 타이머 서브루우틴(subroutine)들이다. 이들 세 타이머의 미리 설정된 시간들은 특정 열 펌프 시스템들의 특성에 따른 설계상의 선택 사항이지만 몇 분 정도이어야 한다.
냉각 모드로 시동 또는 가열 모드에서 냉각 모드로의 변환
냉각 모드에서 시동될 때[단계(101)] 그리고 압축기가 시동되기 전에, T1및 T0의 초기값들이 감지되어 저장되고[단계(102)에서], 타이머(1)가 작동되기 시작한다. 냉각을 위해 항온기(TS)가 필요하기 때문에, 단계(103)에서 “예”가 된다. 그 다음에[단계(106,109)에서], 타이머(1)에 설정된 시간 동안 시스템 제어기는 T1을 측정하여, 이를 저장된 T1의 초기값과 비교한다[단계(106)에서 “예”로 도시한 바와 같은]. 타이머(1)에 설정된 (몇도 정도의)시간내에 소정의 미리 설정된 값 이상의 T1의 감소는, 시스템 가역 밸브가 냉각 모드에 적절히 위치되고[단계(106)에서 단계(128,129)까지의] 논리 경로가 이루어짐을 나타낸다. 만일 가역 밸브가 적절히 위치되지 않았다면, 미리 설정된 값만큼의 T1의 감소가 타이머(1)의 미리 설정된 시간이 경과하기 전에 이루어지지 않을 것이다[단계(106)에서는 “아니오”, 단계(109)에서는 “예”임]. 그 다음에시스템 제어기는[단계(112)에서] 압축기 속도를 최대로 설정하게 된다. 그 다음에[단계(115,118,121)에서], 타이머(2)에서 설정된 시간 동안, 제어기는 T1을 측정하여, 그것을 저장된 T1의 초기값과 비교하게 된다[단계(118)에서 “예”로 도시된 바와 같이]. T1의 적어도 미리 설정된 만큼의 감소는 압력기 속도의 증가가 가역 밸브를 적절히 위치시키는데 효과가 있었음을 표시하고[단계(118)에서 단계(128, 129)까지의], 논리 경로를 완료시킨다[단계(121)에서 “예”로 도시된 바와 같이]. 미리 설정된 시간내에 미리 설정된 온도 변화값을 얻는데 실패했다는 것은[단계(121)에서 단계(124,125)로 도시한 바와 같이] 가역 밸브가 고장이므로 시스템이 운전 정지되어야 함을 나타낸다.
가열 모드에서 서리 제거 모드로의 변환.
모드가 변환되기 전에[단계(101,102)로 도시한 바와 같이] T1와 T0의 초기 값들이 감지되어 저장되고, 타이머(1)가 작동되기 시작한다. 서리 제거 제어기(DFC)가 서리 제거 사이클의 필요성을 신호하게 되면, 단계(103 및 104)에서는 “아니오”가 되고, 단계(105)에서는 “예”가 된다. 그 다음에, 타이머(1)에서 설정된 시간 동안[단계(108,111)에서], 시스템 제어기는 T1및 T0를 측정하여 그들을 저장된 초기값들과 비교하게 된다[단계(108)에서 “예”로 도시된 바와 같은]. 타이머(1)에서 설정된 (몇도 정도의)시간내에 소정의 미리 설정된 값 이상의 T1의 감소 및 T0의 증가는, 시스템 가역 밸브가 서리 제거 모드로 적절히 위치되고[단계(108)에서 단계(128,129)까지의] 논리 경로가 이루어짐을 나타낸다. 만일 가역 밸브가 적절히 위치되지 않았으면, 미리 설정된 값만큼의 T1의 감소 및 T0의 증가는 타이머(1)에서 미리 설정된 시간이 경과되기 전에 이루어지지 않을 것이다[단계(108)에서는 “아니오”, 단계(111)에서는 “예”임]. 그 다음에[단계(114)에서] 시스템 제어기는 압축기 속도를 최대로 설정하게 된다. 그 다음에, [단계(117,120,123)]에서 타이머(2)에서 설정된 시간 동안 온도 T1및 T0를 측정하고 그들을 저장된 초기 값과 비교하게 된다. [단계(120)에서 “예”로 도시된 바와 같은] 적어도 미리 설정된 값 만큼의 T1의 증가와 T0의 감소는, 압력기 속도의 증가가 가역 밸브를 적절히 위치시키는데 효과가 있었음을 나타내며[단계(120)에서 단계(128,129)로의], 논리경로가 이루어진다[단계(123)에서 “예”로 도시한 바와 같이] 미리 설정된 시간내에 미리 설정된 온도 변화값을 달성하는데 실패했다는 것은, [단계(123)에서 단계(124,125)로 도시한 바와 같이] 가역 밸스가 고장이므로 시스템이 운전 정지되어야 함을 나타낸다.
가열 모드에서의 시동, 또는 냉각이나 서리 제거 모드로부터 가열 모드로의 변환
시동 또는 모드 변환전에[단계(101,102)로 도시한 바와 같이], T1와 T0의 초기값들이 감지되어 저정되고, 타이머(1)가 작동되기 시작한다. 항온기는 가열의 필요성을 신호하고 서리 제거 제어기는 서리 제거 사이클의 신호를 보내지 않으며, 이에 따라 단계(103)에서는 “아니오”, 단계(104)에서는 “예”가 될 것이다[단계(107)에서 “예”로 도시된 바와 같은]. 타이머(1)에서 설정된(몇도 정도의) 시간내에 소정의 미리 설정된 값 이상의 T1의 증가 및 T0의 감소는, 시스템 가역 밸브가 가열 모드로 적절히 위치되고[단계(107)에서 단계(128,129)까지의] 논리 경로가 이루어짐을 나타낸다. 만일 가역 밸브가 적절히 위치되지 않았으면, 미리 설정된 값만큼의 T1의 감소 및 T0의 증가는 타이머(1)에서 미리 설정된 시간이 경과되기전에 이루어지지 않을 것이다[단계(107)에서는 “아니오”, 단계(110)에서 “예”임]. 그 다음에[단계(113)에서] 시스템 제어기는 압력기 속도를 최대로 설정하게 된다. 그 다음에, 단계(116,119,122)에서 타이머(2)에서 설정된 시간 동안 제어기는 온도 T1및 T0를 측정하고, 그들을 저장된 초기값과 비교하게 된다[단계(119)에서 “예”로 도시된 바와 같은]. 적어도 미리 설정된 값만큼의 T1의 증가 및 T0의 감소는, 압력기 속도의 증가가 가역 밸브를 적절히 위치시키는데 효과가 있었음을 나타내며[단계(119)에서 단계(128,129)로의] 논리 경로가 이루어진다. [단계(122)에서 “예”로 도시한 바와 같이] 미리 설정된 시간내에 미리 설정된 온도 변화값을 달성하는데 실패했다는 것은[단계(122)에서 단계(124,125)로 도시한 바와 같이] 가역 밸브가 고장이므로 시스템이 운전 정지되어야 함을 나타낸다.
로크아웃(lockout)은 가역 밸브 고장으로 인한 운전 정지 후에 일정 기간 동안 시스템이 재시동되는 것을 방지한다[단계(124)에서 단계(126) 및 단계(127)를 거쳐 단계(129)까지 참조].
상기 방법은 적절한 감지기들을 갖춘 열 펌프 시스템에 쉽게 사용할 수 있고, 시스템 마이크로프로세서의 적절한 프로그램 또는 다른 수단에 의해 제어된다.

Claims (2)

  1. 압력 작동식 유동 가역 밸브(12), 가변 속도 압력기(11) 및 적어도 하나의 가열 작동 모드 및 냉각 작동 모드를 갖춘 가역 증기 압축 냉동 시스템에서, 시스템 시동 또는 작동 모드 변환시에 적절히 위치되어야 할 상기 가역 밸브(12)의 고장을 감지 및 보정하는 방법에 있어서, 열 교환기의 제 1온도 신호를 감지하여 기억 장치(21)에 저장하는 단계와, 상기 시동 또는 모드 변환 후에 열 교환기의 제 2온도 신호를 감지하여 기억 장치(21)에 저장하는 단계와, 상기 열 교환기의 제1 및 제 2온도 신호들을 비교하여 그들 사이의 제 1온도차를 산출하는 단계와, 상기 제 1온도차가 상기 가역 밸브(21)가 적절히 위치한 시스템에서 시스템 시동 또는 모드 변환 시에 예상되는 온도차와 동일한 예정된 값과 일치하는 지를 결정하는 단계와, 만일 상기 제 1온도차가 상기 예상된 온도 변화와 일치하지 않는다면 미리 설정된 기간 동안 최대 속도로 상기 가변 속도 압력기(11)를 작동시키는 단계와, 열 교환기의 제 3온도 신호를 감지하여 기억 장치(21)에 저장하는 단계와, 상기 열 교환기의 제1 및 제 2온도 신호들을 비교하여 그들 사이의 제 2온도차를 산출하는 단계와, 만일 상기 제 2온도차가 상기 예상된 온도 변화와 일치한다면 시스템 작동을 계속하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가역 밸브의 고장을 감지 및 보정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 만일 상기 제 2온도차가 상기 예상된 온도차가 일치하지 않는다면 상기 시스템을 운전 정지시키는 부가적인 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가역 밸브의 고장을 감지 및 보정하는 방법.
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