WO2019066127A1 - 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법 - Google Patents

상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법 Download PDF

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WO2019066127A1
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compressor
temperature
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김성훈
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김성훈
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling an air dryer using a phase change material. More particularly, the present invention relates to a method of controlling an air dryer by using a phase change material to freeze the phase change material by circulation of the refrigerant, dehumidify the wet compressed air by the frozen phase change material, The present invention relates to a method of controlling an air dryer using a phase change material.
  • the prior art KR 10-0591141 discloses a conventional freezer-type dryer apparatus. This prior art document only discloses a dryer for dehumidifying humidified compressed air with a refrigerant.
  • the present invention provides a control method for turning off the compressor (idle cycle period) while dehumidifying by the frozen phase change material, and turning on the compressor (refrigeration cycle section) when the phase change material rises to the set temperature again It has its purpose.
  • the above-described object of the present invention is achieved by a method of operating a compressor, comprising the steps of introducing wet compressed air through a compressed air inlet port, moving wet compressed air to a chiller in a divided compartment space of an air dryer, By turning on the refrigerant, the refrigerant is circulated to the chiller to freeze the phase change material disposed in the chiller to a predetermined temperature, and when the phase change material reaches a predetermined temperature, the control unit turns off the compressor so that the refrigerant is not circulated to the chiller Wherein the wet compressed air introduced during the time when the refrigerant is not circulated to the chiller or during the time when the compressor is turned off is cooled and dehumidified in the chiller by the frozen phase change material to form droplets, , The dry compressed air moves from the chiller to the richer, and the compressed air and oil from the richer As the hot compressed compressed air flowing through the inlet port is exchanged with each other, the hot compressed compressed air is cooled and moved to
  • the controller turns on the compressor to cool the phase change material.
  • the phase change material is frozen and reaches the second set temperature (zero temperature) Turn off to prevent the refrigerant from circulating in the chiller.
  • the controller recognizes the cooling gradient of the phase change material and controls the turn-off time of the compressor differently according to the cooling gradient, and determines the turn-off time of the compressor before reaching the second set temperature, So as to be adjusted to a predetermined second preset temperature.
  • the control unit can recognize the amount of the compressed air flowing from the compressed air inflow port according to the cooling slope. If the cooling slope is lower than the predetermined slope value, the control unit estimates that the amount of the compressed air flowing from the inflow port increases The set value of the second set temperature is set to be relatively lowered to minimize the operation of the compressor.
  • the turning-off point of the compressor can be calculated by continuously calculating and learning the cooling gradient of the phase change material, and the phase change material is supercooled by applying the turn- There is an effect that can be avoided.
  • the number of times of driving the compressor can be reduced, thereby extending the operating life and reducing energy.
  • dehumidification is performed by using a phase change material having latent heat, thereby maximizing the cooling efficiency per unit volume.
  • the refrigerating compressor is divided into a refrigerating cycle section and a resting cycle section, thereby saving energy and maximizing the operating life of the compressor.
  • a stable dew point is provided through the temperature sensor and the humidity sensor, thereby maintaining a constant cooling efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the construction of an air dryer using a phase change material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an input signal and an output signal of a control unit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a graph showing a cooling target temperature and a cooling gradient of a phase change material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view for explaining the turning-off timing of the compressor according to the cooling gradient of the phase change material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a graph showing that the number of driving times of the compressor can be reduced by changing the cooling target temperature according to the difference in cooling gradient according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a method for cooling (or cooling) a phase change material (or a phase change material, phase change material) by a refrigerant circulation, dehumidifying the wet compressed air introduced by the cooled phase change material, Device.
  • the phase change material is a material which is made to absorb or release a lot of heat (or latent heat) while the state of the material changes to liquid and solid at a predetermined temperature reference. Since the latent heat is several tens times higher than the sensible heat required for raising the temperature, the use of the phase change increases the cooling efficiency per unit volume of the axial refrigerant by a factor of ten.
  • phase change material of the present invention is a material to be solidified and melted at a specific temperature.
  • the air dryer 10 cools the phase change material by the coolant, dehumidifies the wet compressed air introduced by the cooled phase change material, Changing device.
  • the wet compressed air 21 flows into the region 18 (or zone) of the richer 18 via the compressed air inlet port 11 and moves to the region of the chiller 19 in the region of the richer 18 to be dehumidified, To the region of the richter 18, and is discharged through the compressed-air outlet port 12.
  • the compressed- Therefore, the introduced compressed air circulates in the region of the richter 18 and the region of the chiller 19.
  • the wet compressed air 21 is supplied to the chiller 19 in the region of the richer 18 and the chiller 19 in the region of the richer 18, And moves along the partition 18a.
  • heat exchange occurs primarily in the region of the richer 18. That is, the wet compressed air 21 is changed to the dry compressed air 22 by the phase change material cooled in the region of the chiller 19, and the dry compressed air 22 flows through the lower region of the air dryer 10, (19) region to the richer (18) region. At this time, when the high temperature saturated compressed air 21 flows into the region of the richter 18, it is primarily cooled through heat exchange with the cold compressed dry air 22. On the contrary, the dehumidified dry compressed air 22 is again heated by the heat exchange with the hot compressed air 21 flowing into the dryer 18 while passing through the area of the richter 18, and the relative humidity is further lowered, Air can be supplied to the outside.
  • dehumidification may occur in the region of the richter 18, and the condensed water 23 is stored in the lower region of the air dryer 10 and the condensed water 23 is discharged through the water outlet port 13. It is preferable that the flow of the humidified compressed air 21 when the humidified compressed air 21 moves from the region of the richter 18 to the region of the chiller 19 is maximized.
  • the wet compressed air 21 which has moved from the richter 18 region to the chiller 19 region through the partitioning portion 18a is subjected to secondary heat exchange with the phase change material cooled by the circulation of the refrigerant.
  • the wet compressed air 21 is dehumidified to generate condensed water, and the generated condensed water 23 is stored in an area below the air dryer.
  • the refrigerant pipe 14 is interconnected with the compressor 16 and the condenser 17 so that the refrigerant can be circulated by the refrigeration cycle. Further, in the region of the chiller 19, a pipe 15 storing the phase change material is disposed.
  • the refrigeration cycle is operated by the compressor 16 and the condenser 17, and the refrigerant is circulated to the region of the chiller 19 by the refrigeration cycle to cool the phase change material.
  • the present invention is not intended to continuously operate the compressor 16 to cool the phase change material, but rather, for example, to operate the compressor 16 when the temperature of the phase change material is 3 degrees Celsius, When the temperature reaches minus 5 degrees Celsius, it is advantageous to sufficiently save energy by stopping the operation of the compressor 16.
  • the period from the turn-on time to the turn-off time of the compressor 16 is referred to as a freezing cycle, and the period from the turn-off time to the turn-on time is referred to as a rest period cycle
  • the refrigerant circulates in the refrigeration cycle to freeze the phase-
  • the compressor 16 stops driving and saves energy, and at the same time dehumidifies the introduced wet compressed air 21.
  • the dehumidification of the wet compressed air 21 can also be achieved in the freezing cycle.
  • the inflow amount of the wet compressed air 21 is large, the time for cooling the temperature of the phase change material can be long, and if the inflow amount is small, the time for cooling the phase change material can be shortened Reference).
  • the first and second temperature sensors 31 and 32 are disposed in the compressed air inlet port and the outlet ports 11 and 12, respectively, so that the controller senses the temperature of the compressed air.
  • the humidity sensor 33 may be disposed in the region of the chiller 19 to detect the humidity of the region of the chiller 19.
  • a flow sensor may be disposed in each of the inflow port and the outflow port (11, 12) region so that the controller can detect the inflow and outflow flow rates of the compressed air.
  • the arrangement position of the above-described sensors may vary depending on the installation environment.
  • a sensor for sensing the temperature of the refrigerant and the temperature of the phase change material may be disposed in each of the pipes 14, 15.
  • the control unit controls the compressor 16 so that the compressor 16 repeats the freezing cycle and the resting cycle.
  • the control unit controls the compressor 16 based on only the temperature of the phase change material.
  • the control unit may calculate the dew point according to the input of the sensor unit, . Therefore, depending on the dew point calculation value and the inflow amount, the driving time of the refrigeration cycle and the pause cycle may be different or the cooling target temperature of the phase change material (for example, minus 5 degrees Celsius) may be changed.
  • the controller can set the optimal cooling target temperature of the phase change material by sensing the temperature of the introduced compressed air and the temperature of the discharged compressed air. That is, the temperature of the incoming compressed air can be different in various environments (for example, the temperature of the outside air may be different when installed in cold fat and hot fat) (typically the temperature of the outside air is about 30 degrees Celsius ), And the temperature of the dry compressed air dried by the air dryer is set at approximately 4 to 7 degrees.
  • control unit can derive the optimum compressor 16 control value (the control value is the on / off point of the compressor) by repeatedly learning the input value input through the sensor unit and the control of the compressor 16.
  • control unit can maximize the operating life of the compressor, reduce energy, and provide a stable dew point by operating the refrigeration compressor 16 only when necessary in accordance with the amount of the loaded compressed air.
  • the humidified compressed air 21 flows into the richter 18 through the compressed air inlet port 11
  • the humidified compressed air 21 (21) is sent to the chiller 19 at the rich portion 18, which is the divided compartment space of the air dryer 10 ).
  • the control unit turns on the compressor 16 according to the refrigerating cycle (from the time of the turn-on of the compressor to the time of the turn-off), the refrigerant is circulated in the chiller by the chiller to freeze the phase change material disposed in the chiller 19 to the freezing target temperature,
  • the control unit turns off the compressor 16 in accordance with the pause cycle (from the compressor turn-off time to the turn-on time point) so that the refrigerant is not circulated to the chiller.
  • the wet compressed air 21 introduced during the period when the refrigerant is not circulated to the chiller or during the rest period is cooled and dehumidified in the chiller 19 by the frozen phase change material to form water droplets.
  • the refrigeration cycle starts and the compressor 16 is turned on. If the temperature of the phase change material reaches the freezing target temperature of minus 5 degrees Celsius, Is turned off. When the temperature of the phase change material reaches minus 5 degrees Celsius, when the compressor 16 is turned off, the temperature of the phase change material gradually increases due to heat exchange (dehumidification) between the phase change material and the introduced wet compressed air 21 , And when the image reaches 3 degrees Celsius, the compressor 16 is turned on again and the freezing cycle is repeated.
  • the target temperature of the image 3 and the cooling target temperature of minus 5 degrees can be changed little by little as necessary. Particularly, in the case of the cooling target temperature, it is an advantage of the present invention that it can be changed and set to reduce the number of repetitions of the compressor 16 as described later in conjunction with Fig.
  • dehumidification changes the wet compressed air 21 to dry compressed air 22, and the dry compressed air 22 moves from the chiller 19 to the richter 18.
  • the humidified compressed air 21 flowing through the dry compressed air 22 and the inlet port 11 is exchanged with the humidified compressed air 21 through the richter 18 so that the hot compressed compressed air 21 is first cooled and supplied to the chiller 19, , And the dry compressed air 22 is supplied to the outside through the compressed air outlet port 12 with a relative increase in temperature and a decrease in relative humidity.
  • the phase change material piping 15 may freeze or burst, and furthermore, The generated condensed water falls downward, and the condensed water is frozen, which may cause a problem of damaging or clogging the piping inside the chiller 19.
  • the temperature of the phase change material cooling range is about minus 5 degrees Celsius to minus 13 degrees Celsius Lt; / RTI > Therefore, even if the control unit stops driving the compressor 16 when the temperature of the phase change material is minus 5 degrees, the temperature of the phase change material tends to be further lowered (at time t2 in FIG. 3).
  • the control unit stops driving the compressor 16 in advance in the freezing cycle section (from the compressor turn-on time t2 to the time t2 in FIG. 3) so that the freezing temperature of the phase- Let it fit.
  • the control unit continuously calculates the cooling slope DELTA a of the phase change material in the freezing cycle section, By deriving the ideal turn-off time (t1 time point) of the compressor 16, the cooling target temperature can be accurately set to minus 5 degrees.
  • the cooling slope of the phase change material may vary depending on the environment (for example, the inflow amount of the compressed air or the inflow temperature of the compressed air), and the control unit continuously calculates the cooling slope in the freezing cycle section, It is possible to organically derive the turn-off time of the battery. That is, as shown in Fig.
  • the slope 1 can be obtained by accurately turning off the compressor 16 at the time t1 (or at the temperature C1 of the phase change material)
  • the controller controls to reach the target temperature and slope 2 turns off the compressor 16 at time t2 (or at the C2 temperature of the phase change material) and slope 3 at time t3
  • the control unit controls the compressor 16 to turn off so that the target cooling temperature of the phase change material is adjusted to minus 5 degrees Celsius according to each red cooling slope. Therefore, the control unit controls the compressor 16 at different turn-off points according to the respective cooling slopes. If the compressor 16 is not controlled at such a different point in time, the phase change material is overcooled to cause clogging or breakage of the piping, and clogging occurs in the input / output port.
  • control unit may use the PD control method as a control method for cooling the phase change material in the refrigeration cycle section.
  • the cooling slopes of the phase change materials may be different from each other depending on the inflow amount or the temperature of the introduced compressed air. As shown in FIG. 5, it can be seen that the slope 3, rather than the slope 1, takes longer to cool. This is because the inflow of the compressed air is relatively large or the temperature is relatively higher than the other conditions, It can be judged that the cooling of the phase change material is gradually cooled.
  • the controller can continuously calculate and store the cooling gradient of the phase change material in the refrigeration cycle section, and by continuously learning the cooling gradient, it is possible to know what the slope state of the present phase change material is in the cooling state. That is, if the cooling slope, such as slope 1, of the learning result for one hour is constantly generated but then changed to a cooling slope such as slope 3 (at the current point in time), then the controller determines the current inflow of compressed air (or temperature or dew point temperature The control unit can recognize that the compressor 16 has been turned off at an appropriate point in time (t1 in FIG. 3) as previously described, The temperature of the phase change material can be adjusted to the temperature.
  • the control unit changes the cooling target temperature of the phase change material from minus 5 degrees Celsius to minus 10 degrees Celsius as a cooling temperature within the allowable range when the cooling slope is changed from the slope 1 to the slope 3 do. If the cooling target temperature is further lowered in accordance with the slope, it is possible to reduce the number of times the compressor 16 is driven and reduce the number of times of driving the compressor 16, thereby inducing energy saving. .
  • the controller may change the cooling target temperature value of the phase change material through the cooling slope value of the phase change material, or perform the same cooling target temperature value change control according to the change of the flow rate value or the dew point temperature inputted from the flow rate sensor You may.

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Abstract

본 발명은 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법에 관한 것으로서, 냉매의 순환에 의해 상변화 물질을 냉동시키고, 냉동된 상변화 물질에 의해 습윤 압축공기가 제습되어 건조 압축공기로 변화되도록 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법에 관한 것이다.

Description

상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법
본 발명은 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매의 순환에 의해 상변화 물질을 냉동시키고, 냉동된 상변화 물질에 의해 습윤 압축공기가 제습되어 건조 압축공기로 변화되도록 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법에 관한 것이다.
습윤 압축공기를 건조 압축공기로 변화시키는 종래의 일반 냉동식 드라이어는 냉매를 사용하여 습윤 압축공기를 직접 제습하는 방식으로서 그 구조가 간단하나 압축공기의 부하와 관계없이 냉동 컴프레서를 연속 운전하여야 하기 때문에 초기 설치시의 부담 비용은 적으나 전력 비용의 심각한 낭비로 이어지는 문제점이 있어 왔다.
선행문헌인 대한민국 등록특허공보 KR 10-0591141에서는 종래의 일반 냉동식 드라이어 장치가 개시되어 있다. 본 선행문헌에서도 냉매에 의해 습윤 압축공기를 제습하는 드라이어가 개시되어 있을 뿐이다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 냉매의 순환에 의해 상변화 물질을 냉동시키도록 제어하고, 냉동된 상변화 물질에 의해 습윤 압축공기가 제습되도록 하는 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 냉동된 상변화 물질에 의해 제습되는 동안에는 컴프레서를 턴오프(휴지기 싸이클 구간)시키고, 상변화 물질이 다시 설정온도로 상승하면 컴프레서를 턴온(냉동 싸이클 구간) 시키도록 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 습윤 압축공기가 압축공기 유입포트를 통해 유입되는 단계, 에어 드라이어의 분할된 구획공간인 리히터에서 칠러로 습윤 압축공기가 이동하는 단계, 냉동 싸이클에 따라 제어부가 컴프레서를 턴온함으로써 냉매가 칠러로 순환되어 칠러에 배치된 상변화 물질을 기 설정된 온도까지 냉동하고, 상변화 물질이 기 설정된 온도에 도달한 경우에 제어부가 컴프레서를 턴오프시킴으로써 냉매가 칠러로 순환되지 않도록 하는 단계, 냉매가 칠러로 순환되지 않는 동안 또는 컴프레서가 턴오프된 시간 동안 유입된 습윤 압축공기가 냉동된 상변화 물질에 의해 칠러에서 냉각 및 제습되어 물방울이 형성되는 단계, 및 제습에 의해 건조 압축공기로 변화되고, 건조 압축공기가 칠러에서 리히터로 이동하고, 리히터에서 건조 압축공기와 유입포트를 통해 유입되는 고온의 습윤 압축공기가 서로 열교환되면서 고온의 습윤 압축공기는 냉각되어 칠러로 이동되고, 건조 압축공기는 온도가 상대적으로 상승되고 상대 습도가 낮아지면서 압축공기 유출포트를 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 제어부는 상변화 물질의 온도가 제1 설정온도(영상 온도)인 경우에 컴프레서를 턴온시켜 상변화 물질을 냉각시키고, 상변화 물질이 냉동되어 제2 설정온도(영하 온도)에 다다르면 컴프레서를 턴오프시켜 냉매가 칠러로 순환되지 않도록 한다.
또한, 제어부는 상변화 물질의 냉각 기울기를 인식하며, 냉각 기울기에 따라 컴프레서의 턴오프 시점을 서로 달리 제어하고 제2 설정온도에 다다르기 전에 컴프레서의 턴오프 시점을 결정함으로써 상변화 물질의 온도가 기 설정된 제2 설정온도에 맞춰지도록 제어한다.
또한, 제어부는 냉각 기울기에 따라 압축공기 유입포트로부터 유입되는 압축공기의 양을 인식할 수 있으며, 냉각 기울기가 기 설정된 기울기 값보다 낮은 경우에는 유입포트로부터 유입되는 압축공기의 양이 많아짐을 예측함으로써 제2 설정온도의 설정값을 상대적으로 더 내려가게 설정하여 컴프레서의 동작을 최소화하도록 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 상변화 물질의 냉각 기울기를 지속적으로 계산 및 학습함으로써 컴프레서의 턴오프 시점을 계산할 수 있고, 냉각 기울기에 따라 컴프레서의 턴오프 시점을 달리 적용함으로써 상변화 물질이 과냉각 되지 않도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 습윤 압축공기의 유입량이나 유입온도에 따라 상변화 물질의 냉각 목표 온도를 변경함으로써 컴프레서의 구동횟수를 줄여 운전 수명을 연장하고 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 잠열이 있는 상변화 물질을 이용하여 제습을 하도록 함으로써 단위 체적당 축냉 효율을 최대화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 냉동 컴프레서를 냉동 싸이클 구간과 휴지기 싸이클 구간으로 구분 구동함으로서 에너지를 절감하고, 컴프레서의 운전 수명을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 의하면 온도센서와 습도센서를 통해 안정적인 이슬점을 제공함으로써 냉각 효율을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 입력신호와 출력신호를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 물질의 냉각 목표 온도와 냉각 기울기를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 물질의 냉각 기울기에 따라 컴프레서의 턴오프 시점을 달리하는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각 기울기의 차이에 따라 냉각 목표 온도를 변경하도록 함으로써 컴프레서의 구동횟수를 줄일 수 있는 것을 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다. 또한, 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다.
<상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 구성 및 기능>
본 발명은 상변화 물질(또는 상변환 물질, Phase Change Material)을 냉매 순환에 의해 냉각(또는 쿨링)시키고, 냉각된 상변화 물질에 의해 유입되는 습윤 압축공기를 제습하여 건조 압축공기로 변환하도록 한 장치이다. 이때, 상변화 물질은 일정한 온도 기준으로 물질의 상태가 액체와 고체로 변화하면서 많은 열(또는 잠열)을 흡수 또는 방출하도록 만들어진 물질이다. 잠열은 온도를 올리기 위해 필요한 현열의 수십 배 이상이므로 상변화를 이용하면 축냉매의 단위 체적당 축냉 효율이 수십 배 증가한다. 이에 따라 소량의 상변화 물질의 사용으로도 충분한 축냉이 가능하며, 종래의 간접 냉각식(Thermal Mass)과는 비교할 수 없을 만큼 구조는 간단하고, 효율이 증대될 수 있다. 본 발명의 상변화 물질은 특정 온도에서 응고, 용융되는 물질이 적용되며, 바람직하게는 잠열이 클수록 좋다. 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 에어 드라이어(10)의 구성 및 기능에 대해서 자세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 에어 드라이어(10)는 상변화 물질을 냉매에 의해 냉각시키고, 냉각된 상변화 물질에 의해 유입된 습윤 압축공기를 제습하여 건조 압축공기로 변화시키는 장치이다. 습윤 압축공기(21)는 압축공기 유입포트(11)를 통해 리히터(18) 영역(또는 구역)으로 유입되고, 리히터(18) 영역에서 칠러(19) 영역으로 이동하여 제습이 되고 다시 칠러(19) 영역에서 리히터(18) 영역으로 건조 압축공기(22)가 이동하며, 압축공기 유출포트(12)를 통해 배출된다. 따라서, 유입된 압축공기는 리히터(18) 영역과 칠러(19) 영역을 순환하게 된다.
리히터(18) 영역과 칠러(19) 영역 사이에는 이를 구획하는 구획부(18a, 또는 연통부)가 배치되어 서로 연통 되며, 습윤 압축공기(21)는 리히터(18) 영역에서 칠러(19) 영역으로 이동될 때 구획부(18a)를 따라 이동한다.
한편, 리히터(18) 영역에서 1차적으로 열교환이 일어난다. 즉, 칠러(19) 영역에서 냉각된 상변화 물질에 의해 습윤 압축공기(21)가 건조 압축공기(22)로 변화되고, 건조 압축공기(22)는 에어 드라이어(10)의 하측영역을 통해 칠러(19) 영역에서 리히터(18) 영역으로 다시 이동된다. 이때, 고온의 포화 압축공기(21)가 리히터(18) 영역으로 유입되면 차가워진 건조 압축공기(22)와의 열교환을 통해 1차로 냉각된다. 이와 반대로, 제습된 건조 압축공기(22)는 다시 리히터(18) 영역을 통과하면서 드라이어로 유입되는 고온의 압축공기(21)와 열교환을 통해 온도는 상승되고, 상대습도는 더욱 낮아져 건조한 양질의 압축공기를 외부로 공급할 수 있다. 이때에도 리히터(18) 영역에서 제습이 일어날 수 있으며, 응축수(23)가 에어 드라이어(10)의 하부영역에 저장되고 물 유출포트(13)를 통해 응축수(23)를 배출한다. 유입된 습윤 압축공기(21)는 리히터(18) 영역에서 칠러(19) 영역으로 이동할 때 이동경로가 최대한 길어질도록 하는 것이 바람직하다.
리히터(18) 영역에서 구획부(18a)를 통해 칠러(19) 영역으로 이동한 습윤 압축공기(21)는 냉매의 순환에 의해 냉각된 상변화 물질과 2차 열교환이 이루어진다. 이때, 습윤 압축공기(21)는 제습되어 응축수가 생성되며, 생성된 응축수(23)는 에어 드라이어의 하측 영역에 저장된다. 칠러(19) 영역에는 냉매가 냉동 싸이클에 의해 순환할 수 있도록 냉매 배관(14)이 컴프레서(16) 및 콘덴서(17)와 상호 접속되어 있다. 또한, 칠러(19) 영역에는 상변화 물질이 저장되는 배관(15)이 배치된다.
한편, 컴프레서(16)와 콘덴서(17)에 의해 냉동 싸이클이 운전되며, 냉동 싸이클에 의해 냉매가 칠러(19) 영역으로 순환되면서 상변화 물질을 냉각시키게 된다. 이때, 본 발명은 상변화 물질을 냉각시키기 위해 컴프레서(16)를 지속적으로 가동시키는 것이 아니라 일예로서 상변화 물질의 온도가 3도씨인 경우 컴프레서(16)를 가동하고, 상변화 물질이 냉각되다가 온도가 영하 5도씨에 다다르면 컴프레서(16)의 동작을 중지시킴으로써 에너지를 충분히 세이빙할 수 있는 것이 장점이다. 즉, 컴프레서(16)의 턴온 시점부터 턴오프 시점까지를 냉동 싸이클이라하고 턴오프 시점부터 다시 턴온 시점까지를 휴지기 싸이클이라고 하면, 냉동 사이클 내에서 냉매의 순환에 의해 상변화 물질을 냉동시키게 되고 휴지기 싸이클 동안 컴프레서(16)가 구동을 멈추어 에너지를 절약함과 동시에 유입된 습윤 압축공기(21)를 제습하게 된다. 물론 습윤 압축공기(21)의 제습은 냉동 싸이클에서도 이루어질 수 있다.
이때, 습윤 압축공기(21)의 유입량이 많으면 상변화 물질의 온도를 냉각시키는 시간이 길어질 수 있고, 유입량이 적으면 상변화 물질의 온도를 냉각시키는 시간이 짧아질 수 있다(도 4 또는 도 5 참조).
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 압축공기 유입포트 및 유출포트(11,12) 영역에 각각 제1,2 온도센서(31,32)를 배치하여 압축공기의 온도를 제어부가 감지하고, 칠러(19) 영역에 습도센서(33)를 배치하여 칠러(19) 영역의 습도를 제어부가 감지할 수 있다. 또한, 각각의 유입포트 및 유출포트(11,12) 영역에 유량센서를 배치하여 압축공기의 유입 및 유출 유량을 제어부가 감지할 수 있다. 다만, 상술한 센서의 배치 위치는 설치 환경에 따라 달라질 수 있다. 또한, 냉매의 온도 및 상변화 물질의 온도를 감지하는 센서가 각각의 배관(14,15)에 배치될 수 있다.
상술한 각각의 센서부에서 입력되는 유량 값, 온도 값, 습도 값을 바탕으로 제어부는 컴프레서(16)를 제어하고 이에 따라 컴프레서(16)는 냉동 싸이클과 휴지기 싸이클을 반복하게 된다. 일예로서 앞서 설명은 상변화 물질의 온도만을 기준으로 제어부가 컴프레서(16)를 제어하는 것으로 설명하였으나, 다른 예로서 제어부는 센서부의 입력에 따라 이슬점을 계산할 수 있고 유량센서로부터 유입되는 압축공기의 유량을 알 수 있다. 따라서 이슬점 계산 값과 유입량에 따라 냉동 싸이클과 휴지기 싸이클의 구동 시간을 달리하거나 상변화 물질의 냉각 목표 온도(일예로서 영하 5도씨)를 변경할 수 있다. 상변화 물질의 냉각 목표 온도를 변경하여 더 낮추게 되면(일예로서 영하 10도씨) 그만큼 컴프레서(16)의 구동 횟수를 줄일 수 있는 장점이 있다. 즉, 냉동 싸이클과 휴지기 싸이클의 반복횟수가 줄어들게 된다. 또 따른 예로서 제어부는 유입되는 압축공기의 온도와 유출되는 압축공기의 온도를 센싱하여 상변화 물질의 최적의 냉각 목표 온도를 설정할 수 있다. 즉, 유입되는 압축공기의 온도는 다양한 환경하(일예로서 추운지방과 더운지방에 설치된 경우에 외부 공기의 온도가 서로 다를 수 있음)에서 다를 수 있으며(일반적으로 외부 공기의 온도를 대략 30도씨로 가정함), 에어 드라이어에 의해 건조된 건조 압축공기의 온도는 대략 4~7도씨로 정해져 있다. 따라서 유입되는 압축공기의 온도가 일반적인 상황에 비해 높으면 컴프레서(16)의 구동횟수가 자주 반복될 것이기 때문에 냉각 목표 온도를 더 낮춤으로써 구동횟수를 줄일 수 있다. 또한, 제어부는 상술한 센서부를 통해 입력되는 입력값과 컴프레서(16)의 제어를 반복 학습함으로써 최적의 컴프레서(16) 제어값(이때 제어값은 컴프레서의 온/오프 시점)을 도출해낼 수 있다.
상술한 바와 같이 제어부는 유입되는 압축공기의 부하량에 따라 필요시에만 냉동 컴프레서(16)를 가동시킴으로써 컴프레서의 운전 수명을 최대화하고, 에너지를 절감하고, 안정적인 이슬점을 제공할 수 있다.
<상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법>
습윤 압축공기(21)가 압축공기 유입포트(11)를 통해 리히터(18) 내로 유입되면, 에어 드라이어(10)의 분할된 구획공간인 리히터(18)에서 칠러(19)로 습윤 압축공기(21)가 이동한다.
냉동 싸이클(컴프레서 턴온 시점에서 턴오프 시점까지)에 따라 제어부가 컴프레서(16)를 턴온함으로써 냉매가 칠러로 순환되어 칠러(19)에 배치된 상변화 물질을 냉동 목표 온도까지 냉동하고, 상변화 물질이 기 설정된 온도에 도달한 경우에 휴지기 싸이클(컴프레서 턴오프 시점에서 턴온 시점까지)에 따라 제어부가 컴프레서(16)를 턴오프시킴으로써 냉매가 칠러로 순환되지 않도록 한다. 이때, 냉매가 칠러로 순환되지 않는 동안 또는 휴지기 싸이클 동안 유입된 습윤 압축공기(21)가 냉동된 상변화 물질에 의해 칠러(19)에서 냉각 및 제습되어 물방울이 형성된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상변화 물질의 온도가 3도씨인 경우 냉동 싸이클이 시작되어 컴프레서(16)가 턴온되고, 냉동 목표 온도인 영하 5도씨에 다다르면 휴지기 싸이클이 시작되어 컴프레서(16)가 턴오프된다. 상변화 물질의 온도가 영하 5도씨에 다다라 컴프레서(16)가 턴오프되면 상변화 물질과 유입된 습윤 압축공기(21)의 열교환(제습이 이루어짐)에 의해 서서히 상변화 물질의 온도가 올라가기 시작하며, 영상 3도씨에 다다르면 다시 컴프레서(16)가 턴온되어 냉동 싸이클이 반복된다. 상술한 영상 3도씨의 목표 온도와 영하 5도씨의 냉각 목표 온도는 필요에 따라 조금씩 변경 설정될 수 있다. 특히, 냉각 목표 온도의 경우에는 도 5와 함께 후술하는 바와 같이 컴프레서(16)의 반복횟수를 줄이기 위해 변경 설정될 수 있는 것이 본 발명의 장점이다.
다음으로, 제습에 의해 습윤 압축공기(21)가 건조 압축공기(22)로 변화되고, 건조 압축공기(22)가 칠러(19)에서 리히터(18)로 이동한다. 리히터(18)에서 건조 압축공기(22)와 유입포트(11)를 통해 유입되는 고온의 습윤 압축공기(21)가 서로 열교환되면서 고온의 습윤 압축공기(21)는 1차 냉각되어 칠러(19)로 이동하고, 건조 압축공기(22)는 온도가 상대적으로 상승되고 상대 습도가 낮아지면서 압축공기 유출포트(12)를 통해 외부로 공급된다.
한편, 상변화 물질의 온도가 냉각 목표 온도인 영하 5도씨를 넘어서서 대략적으로 영하 13도씨를 초과하는 경우에는 상변화 물질 배관(15)이 얼어버리거나 터지는 문제가 발생될 수도 있으며, 더 나아가 제습에 의해 생성된 응축수가 하방으로 떨어지면서 응축수가 얼어서 칠러(19) 내부에서 배관을 손상시키거나 또는 막히는 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 가장 바람직하게는 영하 5도씨 부근에서 상변화 물질이 냉매에 의해 냉각을 멈춰야 한다(물론 상변화 물질의 냉각 허용범위의 온도는 대략적으로 영하 5도씨에서 영하 13도씨까지 일 수 있다). 따라서 제어부가 상변화 물질의 온도가 영하 5도씨일때 컴프레서(16)의 구동을 멈추어도(도 3의 t2 시점에서) 상변화 물질의 온도가 더 떨어지는 경향이 있다.
따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 제어부는 냉동 싸이클 구간(도 3의 컴프레서 턴온 시점에서 t2까지)에서 미리 컴프레서(16)의 구동을 멈추도록 하여 바람직하게 상변화 물질의 냉동 온도가 영하 5도씨에 맞춰지도록 한다. 미리 컴프레서(16)의 구동을 턴오프하기 위해(일예로서 도 3의 t1 시점) 제어부는 냉동 싸이클 구간 내에서 지속적으로 상변화 물질의 냉각 기울기(△a)를 계산하고, 계산된 냉각 기울기에 따라 컴프레서(16)의 이상적인 턴오프 시점(t1 시점)을 도출해 냄으로써 냉각 목표 온도를 정확하게 영하 5도씨로 맞출 수 있다. 상변화 물질의 냉각 기울기는 환경에 따라 달라질 수 있으며(일예로서 압축공기의 유입량 또는 압축공기의 유입 온도), 제어부는 냉각 기울기를 냉동 싸이클 구간 내에서 지속적으로 계산함으로써 냉각 기울기에 따라 컴프레서(16)의 턴오프 시점을 유기적으로 도출해낼 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 기울기 1, 기울기 2, 기울기 3을 예로 들면, 기울기 1은 t1 시점에서(또는 상변화 물질의 C1 온도에서) 컴프레서(16)를 턴오프시킴으로써 빨간색 기울기를 따라 정확하게 목표 온도에 도달하도록 제어부가 제어하고, 만찬가지로 기울기 2는 t2 시점에서(또는 상변화 물질의 C2 온도에서) 컴프레서(16)를 턴오프시키고, 기울기 3은 t3 시점에서(또는 상변화 물질의 C3 온도에서) 컴프레서(16)를 턴오프시킴으로써 각각의 빨간색 냉각 기울기에 따라 상변화 물질의 목표 냉각 온도가 영하 5도씨로 맞춰지도록 제어부가 제어한다. 따라서 제어부는 각각의 냉각 기울기에 따라 컴프레서(16)의 턴오프 시점을 달리하여 유기적으로 제어한다. 이렇게 시점을 달리하여 컴프레서(16)를 제어하지 않으면 상변환 물질이 과냉각 되어 배관의 막힘이나 파손을 유발하고, 입출력 포트에서 막힘 현상이 발생되는 문제점이 발생하게 된다.
한편, 제어부는 냉동 싸이클 구간 내에서 상변화 물질을 냉각시키는 제어방법으로서 PD 제어방식을 사용할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 유입된 압축공기의 유입량이나 온도에 따라 상변화 물질의 냉각 기울기가 서로 달라질 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 기울기 1 보다는 기울기 3이 냉각 시간이 더 걸린다는 것을 알 수 있으며, 이러한 이유는 압축공기의 유입량이 상대적으로 많거나 온도가 다른 조건에 비해 상대적으로 높게 유입됨으로써 냉매의 순환에 따라 상변화 물질의 냉각이 서서히 냉각되는 것으로 판단할 수 있다.
따라서 제어부는 냉동 싸이클 구간 내에서 지속적으로 상변화 물질의 냉각 기울기를 계산하여 저장할 수 있고, 이러한 냉각 기울기를 지속적으로 학습함으로써 현재의 상변화 물질의 냉각이 어떤 기울기 상태에 있는지 알 수 있다. 즉, 1시간 동안의 학습결과 기울기 1과 같은 냉각 기울기가 지속적으로 생성되었으나 그 이후에(현재의 시점에서) 기울기 3과 같은 냉각 기울기로 바뀌었다면 제어부는 현재 압축공기의 유입량(또는 온도이거나 이슬점 온도의 변경일 수 있음)이 과거에 비해 많아졌음을 인식할 수 있고, 또한, 제어부는 앞서 설명한 바와 같이 컴프레서(16)를 미리 적당한 시점(도 3의 t1)에 턴오프함으로써 목표 냉각 온도인 영하 5도씨에 상변화 물질의 온도를 맞출 수 있다. 다만, 여기서 상변화 물질의 냉각 기울기가 기울기 1에서 기울기 3으로 바뀌면 압축공기의 유입량이 그만큼 많아졌다고 할 수 있기 때문에 그만큼 컴프레서(16)의 턴온(또는 냉각 싸이클) 및 턴오프(또는 휴지기 싸이클) 횟수가 많아진다. 이러한 컴프레서(16)의 구동횟수를 줄이기 위해 제어부는 기울기 1에서 기울기 3으로 냉각 기울기가 변화되면 상변화 물질의 냉각 목표 온도를 영하 5도씨에서 허용 범위 내의 냉각 온도인 일예로서 영하 10도씨로 변경한다. 이렇게 냉각 목표 온도가 기울기에 따라 더 내려가면 그만큼 컴프레서(16)의 구동횟수를 줄일 수 있고, 컴프레서(16)의 구동횟수를 줄여 에너지 절감을 유도하는 것이 본 발명의 목적이므로 이에 상승하는 동작을 구현할 수 있게 된다. 물론 제어부는 상변화 물질의 냉각 기울기 값을 통해 상변화 물질의 냉각 목표 온도 값을 바꿀 수도 있고, 또는 유량센서로부터 입력되는 유량값 또는 이슬점 온도의 변화에 따라 동일하게 냉동 목표 온도 값 변경 제어를 수행할 수도 있다.
본 발명을 설명함에 있어 종래 기술 및 당업자에게 자명한 사항은 설명을 생략할 수도 있으며, 이러한 생략된 구성요소(방법) 및 기능의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 충분히 참조될 수 있을 것이다.
상술한 각부의 구성 및 기능에 대한 설명은 설명의 편의를 위하여 서로 분리하여 설명하였을 뿐 필요에 따라 어느 한 구성 및 기능이 다른 구성요소로 통합되어 구현되거나, 또는 더 세분화되어 구현될 수도 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 및 그 구성 또는 본 발명의 각 구성에 대한 결합관계에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 습윤 압축공기가 압축공기 유입포트를 통해 유입되는 단계,
    에어 드라이어의 분할된 구획공간인 리히터에서 칠러로 상기 습윤 압축공기가 이동하는 단계,
    냉동 싸이클에 따라 제어부가 컴프레서를 턴온함으로써 냉매가 상기 칠러로 순환되어 상기 칠러에 배치된 상변화 물질을 기 설정된 온도까지 냉동하고, 상기 상변화 물질이 기 설정된 온도에 도달한 경우에 상기 제어부가 상기 컴프레서를 턴오프시킴으로써 냉매가 상기 칠러로 순환되지 않도록 하는 단계,
    상기 냉매가 상기 칠러로 순환되지 않는 동안 또는 상기 컴프레서가 턴오프된 시간 동안 유입된 상기 습윤 압축공기가 냉동된 상변화 물질에 의해 상기 칠러에서 냉각 및 제습되어 물방울이 형성되는 단계, 및
    제습에 의해 건조 압축공기로 변화되고, 상기 건조 압축공기가 상기 칠러에서 상기 리히터로 이동하고, 상기 리히터에서 상기 건조 압축공기와 상기 유입포트를 통해 유입되는 고온의 습윤 압축공기가 서로 열교환되면서 고온의 습윤 압축공기는 냉각되어 상기 칠러로 이동되고, 상기 건조 압축공기는 온도가 상대적으로 상승되고 상대 습도가 낮아지면서 압축공기 유출포트를 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 상변화 물질의 온도가 제1 설정온도인 경우에 상기 컴프레서를 턴온시켜 상기 상변화 물질을 냉각시키고, 상기 상변화 물질이 냉동되어 제2 설정온도에 다다르면 상기 컴프레서를 턴오프시켜 상기 냉매가 칠러로 순환되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상변화 물질의 냉각 기울기를 인식하며, 상기 냉각 기울기에 따라 상기 컴프레서의 턴오프 시점을 서로 달리 제어하고 상기 제2 설정온도에 다다르기 전에 컴프레서의 턴오프 시점을 결정함으로써 상기 상변화 물질의 온도가 기 설정된 제2 설정온도에 맞춰지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각 기울기에 따라 상기 압축공기 유입포트로부터 유입되는 압축공기의 양을 인식할 수 있으며, 상기 냉각 기울기가 기 설정된 기울기 값보다 낮은 경우에는 유입포트로부터 유입되는 압축공기의 양이 많아짐을 예측함으로써 상기 제2 설정온도의 설정값을 상대적으로 더 내려가게 설정하여 상기 컴프레서의 동작을 최소화하도록 하는 것을 특징으로 하는 상변화 물질을 이용한 에어 드라이어의 제어 방법.
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