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KR950007023B1 - 가변 속도 열 펌프의 옥외 팬 제어기 - Google Patents

가변 속도 열 펌프의 옥외 팬 제어기 Download PDF

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KR950007023B1
KR950007023B1 KR1019920009539A KR920009539A KR950007023B1 KR 950007023 B1 KR950007023 B1 KR 950007023B1 KR 1019920009539 A KR1019920009539 A KR 1019920009539A KR 920009539 A KR920009539 A KR 920009539A KR 950007023 B1 KR950007023 B1 KR 950007023B1
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fan
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heat pump
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엠. 팔머 죤
피. 소도 제임스
지. 피렛 피터
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캐리어 코포레이션
스티븐 이. 리바이스
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Abstract

내용 없음.

Description

가변 속도 열 펌프의 옥외 팬 제어기
제1도는 본 발명을 이용한 펌프의 회화도.
제2도는 본 발명에 따른 열 펌프 제어 시스템의 개략도.
제3도는 서미스터(thermistor)가 설치된 옥외 코일부의 부분도.
제4도는 본 발명에 따른 냉각 모드 작동중에 액체 냉매 온도의 변화에 응답하여 제어되는 옥외 팬 속도를 나타낸 그래프.
제5도는 본 발명에 따른 가열 작동중에 액체 냉매 온도의 변화에 응답하여 제어되는 옥외 팬 속도를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 열 펌프 시스템 12 : 옥외 코일
13 : 압축기 16 : 액체 분배기
21 : 팬 모터 22 : 팬 프로펠러
24 : 액체 냉매 라인 26 : 증기 냉매 라인
31 : 팽창 밸브 32 : 제어 박스
33 : 구동 패키지 34 : 제어 모듀울
36 : 주 변환기 57,58,59,61 : 서미스터
본 발명은 공기 조절 및 열 펌프 시스템에 관한 것으로, 특히 전체 시스템의 효율 및 신뢰성을 높이기 위해 옥외 공기 유동을 최적 상태로 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
공기 조절 및 열 펌프 시스템의 설계시에는 한가지 또는 두가지 속도로 작동하도록 설비된 옥외 팬 모터를 사용하는 것이 보통이다. 이렇게 함으로써 특정작동 상태에서 최적 기능 및 효율을 갖는 설계를 할 수 있다. 상기 설계 방식은 다른 작동 상태에서의 기능이 효율적이지 못하지만 시스템 설계 경제성에 근거하여 보편적으로 사용되고 있다.
상기한 종래의 설계 방식에서 나타나는 한가지 문제점은 상기 설계가 제1비용의 측면에서는 경제적인 반면에 유효 수평 동안의 작동 비용을 포함한 시스템의 전체 비용은 작동 특성에 따라 실질적으로 증가된다는 것이다. 이를 극복하기 위해서 시스템의 용량 및 효율 요구량을 옥외 온도의 극한값에서 만족시키도록 옥외 팬 모터의 속도 및 이에 따른 동역 소비량을 비교적 높은 수준에 설정한다. 시스템은 시스템의 요구 조건을 만족시키는데에 높은 공기 유동이 필요하지 않더라도 작동 영역에 걸쳐 상기 동력 소비율에서 작동하도록 단일 속도 모터를 사용한다. 특히, 가열 또는 냉각하기에 편리한 옥외 온도에서 코일에 요구된 일을 수행하는 데에는 극한 온도에서 보다 더 작은 공기 유동이 필요하다. 유사하게 코일을 통한 공기 유동량이 바람에 의해서 증가하는 바람이 부는 날에는 팬이 더 많은 일을 하게 되며 그렇게 할 필요성이 있다.
한편, 코일에 오물이 생기거나 공기 유입 통로 또는 배출 통로가 막혀서 코일의 효율이 감소되는 상태가 되면 시스템이 최적 상태로 되는 지점은 정상적인 최적 작동 상태로 더 이상 수정되지 않게 된다.
공기조절 또는 열 펌프 시스템이 공기 조절기로써 신뢰성 있게 사용될 수 없는 낮은 온도가 존재하는 것을 오래 전부터 인식하여 왔다. 대개, 이러한 경우에 사용하는 것은 공기 조절이 옥외 온도에서 -17.9℃(0°F)로 하강될 것을 필요로 하는 컴퓨터실의 냉각을 수반한다. 온도가 더욱 낮아지면 응축기내의 냉매의 응축 온도도 하강되며 이로써 냉각 시스템의 고압측의 수두 압력이 감소된다. 이러한 문제는 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제3,196,629호(1965.7.27)에 개시된 방법으로 팬 속도를 연관되게 감소시킴으로써 야기되어 왔다. 상기 방법이 팬 속도를 낮은 온도로써 낮추는 작용을 하지만, 이는 단지 예를들어 12.8℃(55°F)미만인 낮은 대기 온도 상태에서만 작동하며 시스템의 효율을 거의 개선시키지 못한다. 그러나, 상기 시스템을 사용하기 위한 조건들은 효율과 관련한 상기 문제점들이 야기될 때 충분히 고려하여야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 효율을 갖는 공기 조절기를 마련하는 것이다.
상기 목적은 청구 범위의 전제부에 따른 방법 및 장치에서 그 특징부에 의해 성취된다.
요약하면, 본 발명의 일면에 따른 옥외 팬의 속도는 옥외 코일을 통해 유동하는 공기의 양이 열 펌프의 전체 작동 영역에 걸쳐 최적 상태가 되도록 압축기 속도와 액체 냉매 온도의 함수로써 제어된다. 이러한 방법에서, 옥외 팬 속도는 어떠한 주어진 작동 상태에서 공기 조절기 또는 열 펌프에 요구된 일을 수행하는 데 필요한 공기 유동만을 제공하도록 제한된다. 이렇게 함으로써 팬 모터의 동력소비도 제한되어 전체 시스템 효율을 증가시키게 된다.
본 발명의 다른 일면에 의하면, 마이크로프로세서 제어기가 압축기 속도 및 액체 냉매 온도를 모니터하고 연속적으로 계산하여 정상 시스템 가열 또는 냉각 모드중에 최적 작동을 유지하도록 팬의 속도를 조정한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 마이크로프로세서 제어기는 신뢰성 있는 작동에 필요한 수두 압력을 유지하기 위해서 팬 속도를 감소시키거나 또는 팬을 정지시키도록 낮은 대기 온도상태에서 작동한다.
도면에는 양호한 실시예가 도시되어 있지만 본 발명의 기술사상 및 영역에서의 다양한 변경 및 개조도 가능하다.
제1도에는 본 발명을 이용한 열 펌프 시스템(11)이 도시되어 있다. 상기 시스템은 기존의 시스템에서 볼 수 있는 냉각 회로를 형성하는 옥외 코일(12) 및 압축기(13)과 (도시되지 않은)실내 코일 및 냉매 팽창 기구를 포함한다.
전형적인 방식으로써, 4방향 밸브(14)는 냉매를 실내 코일 또는 옥외 코일로 각각 유도함으로써 가열 또는 냉각 모드로 작동하게 되는 열 펌프의 가요성을 제공한다. 이 밸브는 또한 상기 시스템이 고온의 배출가스를 옥외 코일로 유도하는 서리제거 모드로도 작동할 수 있게 한다.
냉각 회로를 형성하는 부분은 액체 분배기(16) 및 증기 헤더(17)이다. 가열 모드에서 작동할 때 액체 분배기(16)은 액체 냉매를 팽창 기구를 통과시켜 옥외 코일(12)의 각 회로에 분배하며, 증기 헤더(17)은 옥외 코일(12)를 통과하는 모든 냉매가 합쳐져서 역전 밸브(14)를 통과하는 공통 지점이다. 냉각 및 서리제거 작동 모드에서 액체 분배기(16)은 옥외 코일(12)를 통과하는 모든 냉매가 합쳐져서(도시되지 않음)실내 코일로 유도되는 공통 지점이며 증기 헤드(17)은 고온 배출가스를 옥외 코일(12)의 각 회로에 분배한다. 냉각회로의 일부를 구성하는 축압기(18)은 가열 모드중에 초과되는 충전물을 저장하고 시동중에 압축기(13)이 액체 슬러징으로 부터 보호되도록 마련된다.
옥외 코일(12)를 통해서 증기를 반경방향 내향으로 흡입하고 그 다음에 상방으로 배출함으로써 열 펌프(11)을 통해서 공기를 유동시키는 부품으로는 옥외 팬프로펠러(22)에 구동식으로 연결된 옥외팬 모터(21)로 부터 현수된 루우버식 상부덮개(19)가 있다. 냉각 및 가열 모드중의 작동에 있어서, 모터(21)은 옥외 코일(12)를 통해서 반경방향 내향으로 대기를 흡입하여 제1도의 화살표로 도시된 것처럼 상방으로 배출시키도록 팬 프로펠러를 구동시킨다.
가열 모드의 작동중에는 옥외 코일(12)가 증발기로써 작용하고 냉각 모드의 작동중에는 옥외 코일(12)가 응축기로써 작동함으로써 모터(21)의 속도를 선택적으로 변화시킬 수 있다. 이는 인버터의 작동에 의해 제어되는 AC모터와 같은 것을 사용함으로써 또는 제너럴 일렉트릭 캄파니로 부터 상용으로 성취 된다. 한가지 실시예로써, 모터(21)은 자체의 후면 덮개에 일체로된 일체석 제어기(23)을 갖는 DC영구 자석형을 취한다. 상기 모터의 제어 패키지는 소형 다이오드 브릿지와 캐패시터 및 동력 스위치 기구를 포함하며, AC전력을 DC전력으로 변환시키고 감지된 파라미터의 함수로써의 모터 속도를 제어하도록 다양한 방법으로 DC전력을 공급 또는 중지시키는 작용을 하고 그 밖에도 하기에 설명하는 여러 기능을 갖는다. 이와 달리, 전기 도선에 의해 모터(21)에 연결된 입력부를 갖는 불연속 제어 회로를 마련할 수도 있다.
제2도에는 시스템내의 감지된 상태에 따라 압축기(13) 및 팬 모터(21)의 속도를 선택적으로 제어하도록 사용된 제어 회로를 포함하는 옥외 유닛이 개략적으로 도시되어 있다. 실내 유닛이 도시되지는 않았으나 옥외 유닛은 액체 냉매 라인(24), 증기 냉매 라인(26) 및 전기 제어 버스(27)를 거쳐서 실내 유닛에 유체 및 전기적으로 연결된다. 액체 공급 밸브(28) 및 증기 공급 밸브(29)는 실내 유닛과의 냉매 연통부를 만들도록 마련된다. 오리피스 크기 및 액체 냉매의 팽창 정도를 변화시키도록 선택적으로 조정될 수 있는 팽창 밸브(31)이 액체 냉매 라인(24)에 마련된다. 제어 박스(32)는 점선으로 도시되어 있다. 제어 박스(32)는 ECM 압축기 구동 패키지(33)과, 마이크로프로세서에 기초한 제어 모듈(34) 및 주 변환기(36)을 포함한다. 제어 박스(32)로의 동력 공급은 도선(38,39)를 거쳐 ECM 압축기 구동 패키지(33)에 연결되는 고전압 전력을 갖는 고전압 전력원(37)로 부터 도선(41,42)에 의해 팬 모터(21)로 그리고 도선(43,44)에 의해 변환기(36)으로 이루어진다. 또한, 고전압 전력은 크랭크케이스 가열기의 한 단부에 직접 연결된 도선(46)에 의해 크랭크케이스 가열기에 제공되고 마이크로프로세서에 기초한 제어 모듈(34)에 연결되는 도선(47) 및 마이크로프로세서에 기초한 제어 모듈(34)를 크랭크케이스 가열기의 다른 단부에 연결하는 도선(48)에 의해 공급된다. 압축기 동력은 도선(49,51,52)에 의해 ECM 압축기 구동 패키지(33)으로부터 공급된다.
ECM 압축기 구동 패키지(33)은 고전압인 단일 위상 AC 전력을 고전압 DC전력으로 변환시키는 작용을 한다. 그 다음에, 압축기(13)에 “3위상” 온-오프 신호를 공급하도록 서로에 대해서 약 120°의 위상을 갖는 3개의 분리된 DC출력 라인을 온-오프시킨다. 상기 라인들이 온-오프 개폐되는 비율은 출력 주파수를 결정하게 되어 압축기(13)의 속도를 결정하게 된다. 압축기는 증가된 효율에 맞는 영구 자석 회전자를 갖는다.
ECM 압축기 구동 패키지(33)의 개폐율 및 그에 따른 압축기(13)의 속도는 라인(53)에 마련된 마이크로프로세서에 기초한 제어 모듈(34)로 부터의 “속도 요구값”에 의해 정해진다.
그 다음에, 저전압 및 PRM 피드백 신호가 ECM 압축기 구동 패키지(33)으로 부터 라인(54)를 거쳐서 마이크로프로세서에 기초한 모듈(34)에 보내진다. 제어 모듈(34)는 압축기가 요구된 속도로 작동하는지를 결정하도록 신호를 판독하고 ECM 에 보내지는 상기 신호를 조정하여 필요한 속도를 얻게된다.
유사한 방식으로, 마이크로프로세서에 기초한 제어 모듈(34)는 라인(56)을 따라 제공된 PWM 신호와 동일한 형태로 팬 모터(21)의 속도를 제어한다. 그러나, 이 경우에는 모터 속도 제어가 팬 모터 자체에 의해 내부적으로 수행되기 때문에 피드백 신호가 필요하지 않게 된다. 모터는 PWM 신호를 속도 요구값으로 해석하여 그 속도를 제공하도록 자체 조정된다.
압축기(13)용 구동 및 팬 모터(21)의 속도를 제어하는 것 이외에도 제어 모듈(34)는 역전 밸브(14) 및 팽창 밸브(31)을 제어하는 작용을 한다. 역전 밸브(14)의 경우에는 제어 모듈(34)가 가열 모드 또는 냉각/서리제거 모드에 위치시킨다. 한편, 팽창 밸브(31)은 오리피스 개구 크기 범위에 걸쳐 조정되며 압축기(13)의 속도에 따라 유동 속도를 조정하게 된다.
제어 모듈(34)로의 입력부에 대해서 살펴보면, 상기 입력부에는 4개의 서미스터(57,58,29,61)이 있는데 이들은 옥외 코일 오도(TOC), 옥외 공기 온도(TOA), 흡입 온도(TS) 및 배출 온도(TD)를 각각 모니터하는데 사용된다. 옥외 코일 온도(TOC)의 신호는 라인(62)를 따라 보내지고 옥외 공기 온도(TOA)의 신호는 라인(63)을 따라, 흡입 온도(TS)의 신호는 라인(64)를 따라 그리고 배출 온도(TD)의 신호는 라인(66)상에서 보내진다.
제3도에는 옥외 코일(12)의 일부가 더욱 상세하게 도시되어 있는데 상기 옥외 코일은 플레이트 핀(67), 튜브(68) 및 복귀 벤드(69)를 갖는 기존의 배열을 포함한다. 본 발명에 따른 팬 속도 제어부를 사용하기 위해서는 코일(12)의 냉매 온도를 모니터하는 것이 바람직한데 이는 옥외 코일 자체의 온도를 감지함으로써 이루어진다. 이를 위해서 표준 옥외 코일(12)가 제3도에 도시된 것처럼 변경되어 있다.
옥외 코일(12)의 동일 지점에서 양호하게는 코일의 바닥부 회로의 중간 지점에서 표준 복귀 벤드(69)는 코일의 온도를 감지하게 하는 연장된 복귀 밴즈(71)로 대체된다. 이를 위해서, 서미스터(57)은 연장된 복귀 벤드(71)의 외측 표면에 직접 접촉 상태로 위치하며, 연장된 복귀 벤드(71)에 양호하게 땜질된 구리 슬리브(72)에 의해 제위치에 고정 유지된다. 구리 슬리브/서미스터 결합부는 열 차단 필수부를 제공하고 서미스터(57)의 필요한 열 반응을 보장하기 위해서 절연체(73)으로 둘러싸인다. 그 다음에 서미스터 라인(62)는 상술한 것처럼 서미스터(57)의 저항 변화의 전기 신호 대표값을 제어 모듈(34)로 되돌려 전달하는 작용을 한다.
라인(62)를 따라 수신된 옥외 코일온도(TOC)와, 라인(54)를 따라 수신된 압축기 속도 및 라인(27)를 따라 수신된(냉각 또는 가열의)특정 작동 모드에 응답하여 제어 모듈(34)가 하기의 기수법에 따라 옥외 팬속도를 계산한다.
팬 속도(%)=a+b(CS)+c(TOC)
여기에서, 팬 속도(5)는 모터가 작동하도록 요구된 최대 옥외 팬 속도(RPM)의 백분율이고, CS는 전체 속도 범위에 대해 표준화된 압축기의 속도이며, TOC는(냉각시의 포화된 응축기의 온도 및 가열시의 포화된 증발기 온도와 같은)옥외 코일의 작동 온도이고, a,b,c는 하기의 계수이다.
가열 냉각
a=62.677 -147.882
b=65.554 -11.419
c=-0.677 2.353
어떠한 주어진 작동 상태에서도 시스템의 기능을 최적으로 하는 옥외 유동을 보장하는 상태하에서 수행된 실험실의 실험 결과에 기초하여 정해진 계수(a,b,c)는 시스템에 따라 좌우되며 각각의 특정 시스템의 설계에 의해 결정된다.
상기 기수법을 사용함으로써, 제어 모듈(34)는 상기 입력부를 일정하게 모니터하고 다시 계산하여 정상시스템 가열 또는 냉각 모드 작동중에 최적 기능을 유지하도록 팬 속도를 조정한다. 또한, -17.8℃(0°F)에 가까운 저온에서 제어 모듈(34)는 신뢰성 있는 작동에 필요한 수두 압력을 유지하도록 옥외 팬을 순환시키도록(또는 완전하게 정지시키도록)작동한다.
제4도 및 제5도에는 냉각(제4도) 또는 가열(제5도)모드시에 상기 기수법을 사용할 때 상대 압축기 속도(CMPSD)및 옥외 코일 온도의 함수로써의 옥외 팬 속도가 도시되어 있다. 제4도에 도시된 것처럼, 옥외 코일 온도가 감소됨으로써 어떠한 주어진 상대 압축기 속도도 낮은 대기 온도 상태 또는 바람이 부는 상태에 의해 영향을 받게 되며, 옥외 팬 속도는 실질적으로 감소된다. 즉, 0.5의 상대 압축기 속도에 대해서, 팬은 옥외 코일 온도가 37.8℃(100°F)을 때 자체의 용량 속도의 약 82%정도로 작동하게 되며 이로써 옥외 코일 온도가 23.9℃(75°F)일 때에는 용량속도의 약 11%정도로 작동하게 된다.
유사하게, 제6도에 도시된 것과 같은 가열 모드에서 작동할 때 옥외 코일 온도가 상승되며 요구된 옥외 팬의 작동 속도는 실질적으로 감소하게 된다. 예를 들어, 0.25의 상대 압축기 속도에서 작동할 때 옥외 팬은 용량 속도의 약 80%정도로 작동하게 되며 이로써 옥외 코일의 온도가 26.7℃(80°F)일 때 팬은 용량속도의 약 25%정도로만 작동하게 된다.

Claims (7)

  1. 가변 속도 압축기와, 옥외 코일과, 가변 속도 모터를 갖춘 팬을 갖는 형태의 열 펌프 시스템의 옥외 조립체에 있어서, 작동 속도 범위에 걸쳐 압축기의 속도를 감지하는 감지 수단과, 옥외 코일의 냉매 온도를 감지하는 감지 수단과, 작동 속도의 전 범위에 걸쳐 팬의 작동 효율을 최적으로 하도록 압축기 속도와 냉매 온도에 따라 팬의 속도를 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 옥외 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 온도 감지 수단이 옥외 코일내의 튜브 표면상에 설치된 서미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 옥외 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 제어 수단이 일정 배율값을 상기 감지된 냉매온도에 적용시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 옥외 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 제어 수단이 일정 배율값을 압축기 속도에 적용시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 옥외 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 제어 수단이 하기의 기수법에 따라 팬의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 옥외 조립체.
    팬 속도(%)=a+b(CS)+c(TOC)
    여기에서, 팬 속도(%)는 팬 모터가 작동하도록 요구된 최대 옥외 팬 속도(RPM)의 백분율이고, CS는 전체 속도 범위에 대해 표준화 된 압축기의 속도이며, TOC는 옥외 코일의 작동 온도이고, a,b,c는 상수이다.
  6. 가변 속도 압축기와, 옥외 코일과, 가변 속도 팬 모터를 갖는 형태의 열 펌프 시스템에서 팬 속도를 제어하는 방법에 있어서, 작동 속도 범위에 걸쳐 압축기의 속도를 감지하는 단계와, 옥외 코일의 냉매 온도를 감지하는 단계와, 압축기 작동 속도의 전 범위에 걸쳐 팬의 작동 효율을 최적으로 하도록 상기 감지된 압축기 속도와 냉매 온도에 따라 팬의 속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 팬 속도 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 팬의 속도를 제어하는 단계가 하기의 기수법에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템의 팬 속도 제어 방법.
    팬 속도(%)=a+b(CS)+c(TOC)
    여기서, 팬 속도(%)는 팬 모터가 작동하도록 요구된 최대 옥외 팬 속도(RPM)의 백분율이고, CS는 전체 속도 범위에 대해 표준화 된 압축기의 속도이며, TOC는 옥외 코일의 작동 온도이고, a,b,c 는 상수이다.
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