KR102312058B1 - Hvac＆r 시스템을 위한 변속 드라이브 - Google Patents

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이반 자드릭
아지트 더블유. 케인
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존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
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Abstract

본 개시 내용의 실시예들은, HVAC＆R 시스템의 압축기(32)를 구동하는 모터(50)에 전력을 제공하도록 구성된 변속 드라이브(52) 및 변속 드라이브(52)의 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 포함하는 HVAC＆R 시스템에 관한 것으로서, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)는, 변속 드라이브(52)를 통해 흐르는 전력의 전압, 주파수, 또는 전압과 주파수 모두를 조정하도록 구성된다.

Description

HVAC＆R 시스템을 위한 변속 드라이브
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, "SILICON CARBIDE MODULE FOR A VARIABLE SPEED DRIVE"라는 명칭으로 2016년 10월 5일에 출원된 미국 가출원번호 제62/404,648호의 우선권과 이익을 주장하며, 그 전문은 모든 면에서 본원에 참고로 원용된다.
본원은, 일반적으로 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC＆R) 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, HVAC＆R 시스템의 변속 드라이브에 관한 것이다.
HVAC＆R 시스템은, 거주 환경, 상업 환경, 및 산업 환경에서 각 환경의 거주자를 위한 온도 및 습도와 같은 환경 특성을 제어하는 데 이용된다. 일부 경우에, HVAC＆R 시스템은, 냉매 루프를 따라 작동 유체를 순환시키는 증기 압축 시스템을 포함할 수 있다. 작동 유체는, 증기 압축 시스템의 동작에 연관된 상이한 온도 및 압력이 가해지는 것에 응답하여, 증기, 액체 및 이들의 조합 간에 상(phase)을 변화시키도록 구성된다. 예를 들어, 증기 압축 시스템은, 압축기를 이용하여, 작동 유체를, 냉매와 열 교환기를 통해 흐르는 다른 유체 간에 열을 전달할 수 있는 열 교환기로 순환시킨다. 어떤 경우에는, 압축기가, 변속 드라이브로부터 전력을 수신하는 모터에 의해 구동된다. HVAC＆R 시스템을 위한 기존의 변속 드라이브에서는, 변속 드라이브의 동작 중 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)의 개방 위치와 폐쇄 위치 간의 비교적 느린 스위칭 시간 때문에 스위칭 손실이 발생할 수 있다.
일 실시예에서, HVAC＆R 시스템은, HVAC＆R 시스템의 압축기를 구동하는 모터에 전력을 제공하도록 구성된 변속 드라이브; 및 변속 드라이브의 실리콘 카바이드 트랜지스터를 포함하고, 실리콘 카바이드 트랜지스터는, 변속 드라이브를 통해 흐르는 전력의 전압, 주파수, 또는 전압과 주파수 모두를 조정하도록 구성된다.
다른 일 실시예에서, 시스템은, 냉매를 냉매 루프를 통해 순환시키도록 구성된 HVAC＆R 시스템의 압축기; HVAC＆R 시스템의 압축기를 구동하도록 구성된 모터; 모터에 전력을 제공하도록 구성되고, 정류기, DC 버스, 및 인버터를 포함하는 변속 드라이브; 및 정류기, 인버터, 또는 정류기와 인버터에 배치된 실리콘 카바이드 트랜지스터를 포함하고, 실리콘 카바이드 트랜지스터는, 변속 드라이브의 AC 전력의 전압, 또는, 주파수, 또는 전압과 주파수 모두를 조정하도록 구성된다.
또 다른 일 실시예에서, 방법은, 압축기를 사용하여 냉매를 냉매 루프를 통해 순환시키는 단계; 및 변속 드라이브를 사용하여 모터에 전력을 공급하는 단계를 포함하고, 모터는 압축기를 구동하도록 구성되고, 변속 드라이브는 실리콘 카바이드 트랜지스터를 포함한다.
도 1은, 본 개시 내용의 일 양태에 따라 상업적 설비에서 HVAC＆R 시스템을 이용할 수 있는 건물의 일 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 증기 압축 시스템의 사시도이다.
도 3은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 도 2의 증기 압축 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 도 2의 증기 압축 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 도 2 내지 도 4의 증기 압축 시스템과 함께 사용될 수 있는 변속 드라이브의 일 실시예의 개략도이다.
도 6은, 본 개시 내용의 일 양태에 따라 도 5의 변속 드라이브와 함께 사용될 수 있는 실리콘 카바이드 트랜지스터의 일 실시예의 회로도이다.
도 7은, 본 개시 내용의 일 양태에 따라 도 6의 실리콘 카바이드 트랜지스터를 갖는 증기 압축 시스템을 동작시키기 위한 프로세스의 일 실시예의 블록도이다.
하나 이상의 특정 실시예를 이하 설명한다. 이들 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위해, 실제 구현예의 모든 기능부를 명세서에 기술하는 것은 아니다. 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서와 같이 이러한 임의의 실제 구현예를 개발할 때, 구현예마다 다를 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 제약의 준수 등의 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해 수많은 특정 구현 결정을 내려야 한다는 점을 이해해야 한다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시 내용의 이점을 갖는 통상의 기술자에게는 설계, 제작, 및 제조의 정례적인 작업이라는 점을 이해해야 한다.
본 개시 내용의 실시예들은, 실리콘 카바이드 트랜지스터를 갖는 변속 드라이브를 사용하는 HVAC＆R 시스템에 관한 것이다. 변속 드라이브는 HVAC＆R 시스템의 압축기를 구동하는 모터에 결합될 수 있다. 더욱 구체적으로, 변속 드라이브는 모터의 속도를 조절하도록 이용될 수 있다. 통상적으로, HVAC＆R 시스템은 상당량의 전력을 이용한다. 이에 따라, 소모되는 에너지의 양을 감소시키고 및/또는 동작 중에 발생하는 에너지 손실을 감소시킴으로써 이러한 시스템의 효율을 향상시켜 동작 비용을 감소시킬 수 있다.
변속 드라이브는, 전도 손실 및/또는 스위칭 손실로 인해 동작 중 손실을 초래할 수 있다. 예를 들어, 변속 드라이브의 구성요소들이 전류를 전도할 때(예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 폐쇄 상태에서 전류를 전도할 때) 전도 손실이 발생할 수 있다. 또한, 변속 드라이브의 동작 중에 변속 드라이브의 구성요소들(예를 들어, IGBT)이 개방 상태와 폐쇄 상태 간에 스위칭할 때 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 통상적으로, IGBT 모듈과 같은 변속 드라이브의 스위칭 구성요소들은, 또한, 실리콘 다이오드를 포함한다. 실리콘 다이오드는, 상대적으로 저렴할 수 있지만, 스위칭 시간도 비교적 느리다. 이에 따라, 변속 드라이브의 효율은, 실리콘 다이오드가 개방 위치와 폐쇄 위치 간에 스위칭하기 위한 스위칭 시간의 결과로서 감소될 수 있다.
본 개시 내용의 실시예들은 IGBT 대신 실리콘 카바이드 트랜지스터를 포함하는 변속 드라이브에 관한 것이다. 실리콘 카바이드 트랜지스터는, IGBT에 비해 더욱 효율적인(예를 들어, 더 빠른) 스위칭 시간을 포함하기 때문에 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다. 변속 드라이브에 실리콘 카바이드 트랜지스터를 통합하면 변속 드라이브의 효율을 향상시킬 수 있으므로, 전체 HVAC＆R 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은, 전형적인 상업적 설비의 건물(12)에서의 HVAC＆R 시스템(10)을 위한 환경의 일 실시예의 사시도이다. HVAC＆R 시스템(10)은, 건물(12)의 냉방에 사용될 수 있는 냉수(chilled liquid)를 공급하는 증기 압축 시스템(14)을 포함할 수 있다. HVAC＆R 시스템(10)은, 건물(12)을 난방하기 위해 온수(warm liquid)를 공급하는 보일러(16) 및 건물(12)을 통해 공기를 순환시키는 공기 분배 시스템을 또한 포함할 수 있다. 또한, 공기 분배 시스템은 공기 귀환 덕트(18), 공기 공급 덕트(20), 및/또는 공기 핸들러(handler)(22)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 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) 내의 열 교환기는, HVAC＆R 시스템(10)의 동작 모드에 따라, 보일러(16)로부터의 가온수를 또는 증기 압축 시스템(14)으로부터의 냉수를 수용할 수 있다. HVAC＆R 시스템(10)은 건물(12)의 각 층에 별도의 공기 핸들러가 있는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는, HVAC＆R 시스템(10)은 두 층 사이에 또는 여러 층 사이에 공유될 수 있는 공기 핸들러(22) 및/또는 기타 구성요소를 포함할 수 있다.
도 2와 도 3은 HVAC＆R 시스템(10)에서 사용될 수 있는 증기 압축 시스템(14)의 실시예들이다. 증기 압축 시스템(14)은 압축기(32)로 시작하는 회로를 통해 냉매를 순환시킬 수 있다. 회로는, 또한, 응축기(34), 팽창 밸브(들) 또는 장치(들)(36), 및 액체 칠러(chiller) 또는 증발기(38)를 포함할 수 있다. 증기 압축 시스템(14)은, 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46), 및/또는 인터페이스 보드(48)를 갖는 제어 패널(40)을 추가로 포함할 수 있다.
증기 압축 시스템(14)에서 냉매로서 사용될 수 있는 유체의 몇 가지 예로는, 예를 들어 R-410A, R-407, R-134a와 같은 하이드로플루오로카본(HFC)계 냉매, 하이드로플루오로올레핀(HFO)계 냉매, 암모니아(NH3), R-717, 이산화탄소(CO2), R-744와 같은 "자연"(natural) 냉매, 또는 하이드로카본계 냉매, 수증기, 또는 그 밖의 임의의 적절한 냉매가 있다. 일부 실시예에서, 증기 압축 시스템(14)은, R-134a와 같은 중간 압력 냉매에 비해, 저압 냉매라고도 인용되는, 1기압의 압력에서 약 섭씨 19도(화씨 66도)의 기준 비등점(normal boiling point)을 갖는 냉매를 효율적으로 이용하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "기준 비등점"은 1기압의 압력에서 측정한 비등점 온도를 의미할 수 있다.
일부 실시예에서, 증기 압축 시스템(14)은, 변속 드라이브(VSD, 52), 모터(50), 압축기(32), 응축기(34), 팽창 밸브 또는 장치(36), 및/또는 증발기(38) 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 모터(50)는, 압축기(32)를 구동할 수 있으며, 변속 드라이브(VSD, 52)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. VSD(52)는, AC 전원으로부터 특정한 고정 선로 전압과 고정 선로 주파수를 갖는 AC 전력을 수신하고, 가변 전압과 주파수를 갖는 전력을 모터(50)에 공급한다. 다른 실시예에서, 모터(50)는 AC 또는 DC 전원으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다. 모터(50)는, 스위치드 릴럭턴스(switched reluctance) 모터, 인덕션(induction) 모터, 전자 정류식 영구 자석 모터, 또는 다른 적절한 모터와 같은, VSD에 의해 또는 AC 또는 DC 전원으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있는 임의의 유형의 전기 모터를 포함할 수 있다.
압축기(32)는 냉매 증기를 압축하고 해당 증기를 배출 통로를 통해 응축기(34)에 전달한다. 일부 실시예에서, 압축기(32)는 원심 압축기일 수 있다. 압축기(32)에 의해 응축기(34)에 전달된 냉매 증기는 응축기(34) 내의 냉각 유체(예컨대, 물 또는 공기)에 열을 전달할 수 있다. 냉매 증기는 냉각 유체와의 열적 열전달의 결과로서 응축기(34) 내에서 냉매 액체로 응축될 수 있다. 응축기(34)로부터의 액체 냉매는 팽창 장치(36)를 통해 증발기(38)로 흐를 수 있다. 도 3의 예시적인 실시예에서, 응축기(34)는, 수냉식 응축기이며, 냉각 유체를 응축기에 공급하는 냉각 타워(56)에 연결되는 튜브 다발(54)을 포함한다.
증발기(38)에 전달되는 액체 냉매는, 응축기(34)에서 사용되는 냉각 유체와 동일한 것일 수도 또는 그렇지 않을 수도 있는 다른 냉각 유체로부터 열을 흡수할 수 있다. 증발기(38) 내의 액체 냉매는 액체 냉매로부터 냉매 증기로의 상 변화를 겪을 수 있다. 도 3의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 증발기(38)는, 냉방 부하(62)에 연결되는 공급 선로(60S)와 귀환 선로(60R)를 갖는 튜브 다발(58)을 포함할 수 있다. 증발기(38)의 냉각 유체(예컨대, 물, 에틸렌글리콜, 염화칼슘 염수, 염화나트륨 염수, 또는 다른 임의의 적절한 유체)는 귀환 선로(60R)를 통해 증발기(38)에 유입되고 공급 선로(60S)를 통해 증발기(38)로부터 유출된다. 증발기(38)는, 냉매와의 열적 열전달을 통해 튜브 다발(58) 내의 냉각 유체의 온도를 저하시킬 수 있다. 증발기(38) 내의 튜브 다발(58)은 복수의 튜브 및/또는 복수의 튜브 다발을 포함할 수 있다. 어느 경우든, 증기 냉매는, 증발기(38)로부터 유출되고 흡입 선로에 의해 압축기(32)로 환류되어 사이클을 완성한다.
도 4는 중간 회로(64)가 응축기(34)와 팽창 장치(36) 사이에 통합되어 있는 증기 압축 시스템(14)의 개략도이다. 중간 회로(64)는 응축기(34)에 유체유동 가능하게 직접 연결되는 유입 선로(68)를 가질 수 있다. 다른 실시예에서는, 유입 선로(68)가 응축기(34)에 유체유동 가능하게 간접적으로 결합될 수 있다. 도 4의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 유입 선로(68)는 중간 용기(70)의 상류에 위치하는 제1 팽창 장치(66)를 포함한다. 일부 실시예에서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크(flash tank)(예컨대, 플래시 인터쿨러)일 수 있다. 다른 실시예에서는, 중간 용기(70)가 열 교환기 또는 "표면 이코노마이저"(surface economizer)로서 구성될 수 있다. 도 4의 예시적인 실시예에서, 중간 용기(70)는 플래시 탱크로서 사용되고, 제1 팽창 장치(66)는 응축기(34)로부터 공급받은 액체 냉매의 압력을 낮추도록(예컨대, 팽창시키도록) 구성된다. 팽창 과정 동안, 액체의 일부분이 증발할 수 있고, 그에 따라, 중간 용기(70)는 제1 팽창 장치(66)로부터 공급받은 액체에서 증기를 분리하는 데 사용될 수 있다. 또한, 중간 용기(70)는, 액체 냉매가 중간 용기(70)에 유입될 때 겪게 되는 압력 강하(예컨대, 중간 용기(70)에 유입될 때 겪는 급격한 용적 증가에 기인함) 때문에 액체 냉매의 추가적인 팽창을 제공할 수 있다. 중간 용기(70) 내의 증기는 압축기(32)의 흡입 선로(74)를 통해 압축기(32)에 의해 흡인될 수 있다. 다른 실시예에서, 중간 용기 내의 증기는 압축기(32)의 중간 스테이지(예컨대, 흡입 스테이지는 아님)로 흡인될 수 있다. 중간 용기(70) 내에 수집되는 액체는, 팽창 장치(66) 및/또는 중간 용기(70)에서의 팽창 때문에 응축기(34)로부터 유출되는 액체 냉매보다 엔탈피가 낮을 수 있다. 이후, 중간 용기(70)로부터의 액체는 선로(72)에서 제2 팽창 장치(36)를 통해 증발기(38)로 흐를 수 있다.
전술한 바와 같이, 변속 드라이브는 동작 중에 전도 손실 및/또는 스위칭 손실을 야기할 수 있으며, 이는 변속 드라이브의 효율을 감소시킨다. 전도 손실은 변속 드라이브의 구성요소가 전류를 전도할 때 (예를 들어, IGBT가 폐쇄된 상태일 때) 발생한다. 이와 같이, 변속 드라이브에 대한 에너지 입력은 열 에너지(예를 들어, 열)의 형태로 손실된다. 또한, 스위칭 손실은, (예를 들어, 모터에 공급되는 전력의 양 또는 전압 또는 주파수를 조정하도록) 변속 드라이브의 구성요소가 개방 상태와 폐쇄 상태 간에 천이할 때 발생한다. 예를 들어, 변속 드라이브의 트랜지스터는, 궁극적으로 모터에 출력되는 전력의 전압 및/또는 주파수를 조정하도록 개방 상태와 폐쇄 상태 간에 조정될 수 있다. 기존의 변속 드라이브는, 비교적 느린 스위칭 속도를 포함할 수 있는 IGBT를 포함한다. 이에 따라, 변속 드라이브의 효율은 IGBT의 스위칭 속도의 결과로서 감소된다. 본 개시 내용의 실시예들은 실리콘 카바이드 트랜지스터를 갖는 변속 드라이브에 관한 것이다. 실리콘 카바이드 트랜지스터는 기존의 변속 드라이브의 IGBT와 비교할 때 더욱 빠른 스위칭 속도를 포함한다. 이에 따라, 변속 드라이브에 실리콘 카바이드 트랜지스터를 포함함으로써 변속 드라이브의 효율을 향상시킬 수 있고, 따라서 HVAC＆R 시스템의 전체 효율을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 도 5는 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 포함하는 변속 드라이브(52)의 개략도이다. 도 5의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 변속 드라이브(52)는 정류기(102), DC 버스(104), 및 인버터(106)를 포함한다. 정류기(102)는 일정한 전압과 주파수의 AC 전력을 수신하고 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 예를 들어, 정류기(102)는 3상 AC 전력을 변속 드라이브(52)에 공급할 수 있는 AC 전원(108)으로부터 AC 전력을 수신할 수 있다. 이어서, DC 버스(104)는, DC 전력이 인버터(106)에 의한 사용에 적합하도록 DC 전력을 필터링 및/또는 안정화할 수 있다. 인버터(106)는 DC 전력을 가변 전압과 주파수를 포함하는 AC 전력으로 다시 전송할 수 있다. 인버터(106)로부터의 AC 전력은, 증기 압축 시스템(14)의 압축기(32)를 구동하는 모터(50)에 전력을 공급하는 데 이용된다.
도 5의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)는 정류기(102) 및/또는 인버터(106)에 포함된다. 이와 같이, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)는 DC 버스(104) 및/또는 모터(50)로 배향되는 전력의 전압 및/또는 주파수의 양을 조정하는 데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력의 전압 및/또는 주파수는, AC 전원(108)으로부터의 AC 전력의 전압, DC 버스(104)에서의 DC 전력의 전압, 모터(50)의 속도, 압축기(32)의 배출 압력, 또는 이들의 조합에 기초한다. 어느 경우든, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)는 기존의 IGBT와 비교할 때 감소된 스위칭 속도를 포함한다. 이와 같이, 변속 드라이브의 효율이 향상되고, 증기 압축 시스템(14)의 전체 효율도 증가할 수 있다.
도 6은, 증기 압축 시스템(14)의 변속 드라이브(52)에 포함될 수 있는 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)의 일 실시예의 회로도이다. 일부 실시예에서, 실리콘 다이오드를 갖는 IGBT는, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)(예를 들어, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET))로 대체될 수 있다. 일부 실시예에서, 변속 드라이브(52)의 회로 기판은, 변속 드라이브(52)에 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 포함시키고 변속 드라이브(52)의 효율을 개선하도록 수정될 수 있다. 특히, 변속 드라이브(52)의 회로 기판 및/또는 게이트 드라이버 기판은, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 구현하도록 수정될 수 있다. 또한, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 수용하기 위해 전자기 필터 및/또는 다른 자기 필터가 회로 기판 또는 변속 드라이브(52) 내의 다른 적절한 위치에 포함될 수 있다. 변속 드라이브(52)의 냉각 시스템도, IGBT와 비교할 때 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)에 의해 열 에너지가 덜 생성되는 결과로서 수정될 수 있다. 어느 경우든, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)는 스위칭 손실을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 변속 드라이브(52)의 효율을 증가시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 갖는 변속 드라이브(52)에 의해 초래되는 손실은, 실리콘 다이오드를 갖는 통상적인 IGBT의 변속 드라이브에 의해 초래되는 손실보다 현저히 작다. 이와 같이, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 포함하는 변속 드라이브(52)는 실리콘 다이오드를 갖는 통상적인 IGBT를 포함하는 변속 드라이브에 비해 개선된 효율을 달성한다. 예를 들어, 변속 드라이브(52)는 증기 압축 시스템(14)의 효율을 0.25% 내지 3%, 0.4% 내지 2%, 또는 0.5% 내지 1.6%만큼 개선할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 증기 압축 시스템(14)은 비교적 대량의 전력을 소모할 수 있다. 이와 같이, 0.5% 내지 1.6%의 효율 향상은, 증기 압축 시스템(14)에 의한 전력 소모량을 상당히 감소시킬 수 있고, 따라서 증기 압축 시스템(14)의 동작 비용을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 변속 드라이브(52)에 통합함으로써, 증기 압축 시스템(14)의 효율을 개선할 수 있고, 따라서 증기 압축 시스템(14)의 동작 비용을 감소시킬 수 있다.
도 7은 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 갖는 변속 드라이브(52)를 구비하는 증기 압축 시스템(14)을 동작시키기 위한 프로세스(150)의 일 실시예의 블록도이다. 예를 들어 블록(152)에서, 압축기(32)는 냉매를 증기 압축 시스템(14)의 냉매 루프를 통해 순환시킨다. 또한, 블록(154)에서, 변속 드라이브(52)는 모터(50)에 전력을 공급하여 압축기(32)를 구동시킨다. 전술한 바와 같이, 변속 드라이브(52)는, 전력 손실(예를 들어, 스위칭 손실 및/또는 전도 손실)을 감소시키고 증기 압축 시스템(14)의 효율을 증가시키는 실리콘 카바이드 트랜지스터(100)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 개시 내용은 HVAC＆R 시스템의 효율을 개선하는 데 유용한 하나 이상의 기술적 효과를 제공할 수 있다. 본 개시 내용의 실시예들은 실리콘 카바이드 트랜지스터를 갖는 변속 드라이브를 포함할 수 있으며, 이는 기존의 IGBT와 비교할 때 감소된 스위칭 시간을 포함할 수 있다. 이와 같이, 변속 드라이브의 동작 중에 발생하는 스위칭 손실이 감소될 수 있고, 이에 따라 변속 드라이브의 효율을 향상시키고 따라서 전체 HVAC＆R 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 본 명세서의 기술적 효과와 기술적 문제점은 예시이며 제한적이지 않다. 본 명세서에 기재된 실시예들은 다른 기술적 효과를 가질 수도 있고 다른 기술적 문제점을 해결할 수 있다는 점에 주목해야 한다.
소정의 특징과 실시예만이 예시되고 설명되었지만, 통상의 기술자에게는, 청구범위에서 인용되는 청구대상의 신규한 교시 및 장점으로부터 실질적으로 일탈함이 없이 다양한 수정 및 변경(예컨대, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 그리고 파라미터 값(예컨대, 온도, 압력 등), 장착 배치구조, 재료의 용도, 색상, 방위 등에 있어서의 변화)이 가능할 것이다. 임의의 공정 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시형태에 따라 변경 또는 재배열될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 개시 내용의 진정한 사상 안에 있는 것으로서 이러한 모든 수정과 변경을 포함하고자 한 것임을 이해해야 한다. 또한, 예시적인 실시예들의 간결한 설명을 제공하고자, 실제 구현예의 모든 특징이 설명되지 않았을 수도 있다(즉, 본 개시 내용을 수행하기 위해 현재 고려되는 최선의 모드와 관련이 없는 것들, 또는 청구된 발명을 가능하게 하는 것과 관련이 없는 것들). 임의의 엔지니어링 프로젝트 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 임의의 이러한 실제 구현예의 개발에 있어서는, 다수의 특정 구현예 결정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 과도한 실험 없이, 본 개시 내용의 이점을 취하는 통상의 기술자에게는, 설계, 제작, 및 제조의 정례적인 작업일 것이다.

Claims (20)

  1. 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC＆R) 시스템으로서,
    상기 HVAC＆R 시스템의 압축기를 구동하도록 구성된 모터에 전력을 제공하도록 구성된 변속 드라이브;
    상기 변속 드라이브의 실리콘 카바이드 트랜지스터; -상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는, 상기 변속 드라이브를 통해 흐르는 전력의 전압, 주파수, 또는 상기 전압과 상기 주파수 모두를 조정하도록 구성됨-; 및
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터에 결합되고, 상기 압축기의 배출 압력에 기초하여 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터의 상태를 조정하도록 구성된 제어기;를 포함하고,
    상기 변속 드라이브는,
    교류(AC) 전원으로부터 AC 전력을 수신하고 상기 AC 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하도록 구성된 정류기로서, 상기 AC 전력은 일정한 전압과 일정한 주파수를 포함하는, 정류기;
    상기 정류기로부터 상기 DC 전력을 수신하도록 구성된 DC 버스; 및
    상기 DC 버스로부터 상기 DC 전력을 수신하고 상기 DC 전력을 가변 전압과 가변 주파수를 갖는 AC 전력으로 변환하도록 구성된 인버터를 포함하고,
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 정류기 및 인버터 모두에 배치되고, 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 상기 DC 버스 및 모터로 배향되는 전력의 주파수 및 전압의 양을 조정하도록 구성되고, 상기 DC 버스 및 모터로 배향되는 전력의 전압 및 주파수는 상기 AC 전원으로부터의 AC 전력의 전압, 상기 DC 버스에서의 DC 전력의 전압, 모터의 속도 및 압축기의 배출 압력의 조합에 기초하는 것인 HVAC＆R 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 AC 전원으로부터 수신되는 상기 AC 전력은 3상 AC 전력인, HVAC＆R 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)인, HVAC＆R 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 HVAC＆R 시스템의 냉매 루프를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된 상기 압축기; 및
    상기 냉매를 냉수와 열적 연통하게 배치하도록 구성된 열 교환기를 포함하는, HVAC＆R 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 HVAC＆R 시스템의 상기 냉매 루프를 통해 흐르는 상기 냉매의 압력을 감소시키도록 구성된 팽창 장치를 포함하는, HVAC＆R 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 모터의 속도 및 상기 압축기의 배출 압력에 기초하여 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터의 상태를 조정하도록 구성된, HVAC＆R 시스템.
  10. 삭제
  11. 스템으로서,
    냉매를 냉매 루프를 통해 순환시키도록 구성된 난방, 환기, 공조, 및 냉방(HVAC＆R) 시스템의 압축기;
    상기 HVAC＆R 시스템의 압축기를 구동하도록 구성된 모터;
    상기 모터에 전력을 제공하도록 구성되고, 정류기, 직류(DC) 버스, 및 인버터를 포함하는 변속 드라이브;
    상기 정류기와 상기 인버터 모두에 배치된 실리콘 카바이드 트랜지스터; -상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는, 상기 변속 드라이브의 교류(AC) 전력의 전압, 주파수, 또는 상기 전압과 상기 주파수 모두를 조정하도록 구성됨-; 및
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터에 결합되고, 상기 압축기의 배출 압력에 기초하여 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터의 상태를 조정하도록 구성된 제어기;를 포함하고,
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 상기 DC 버스 및 모터로 배향되는 전력의 주파수 및 전압의 양을 조정하도록 구성되고, 상기 DC 버스 및 모터로 배향되는 전력의 전압 및 주파수는 AC 전원으로부터 상기 정류기에 제공되는 AC 전력의 전압, 상기 DC 버스에서의 DC 전력의 전압, 모터의 속도 및 압축기의 배출 압력의 조합에 기초하는 것인 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정류기는, AC 전원으로부터 3상 AC 전력을 수신하고 상기 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성되고, 상기 AC 전력은 일정한 전압과 일정한 주파수인, 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 DC 버스는, 상기 정류기로부터 상기 DC 전력을 수신하고 상기 DC 전력을 필터링하거나 안정화하도록 구성된, 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 인버터는, 상기 DC 버스로부터 상기 DC 전력을 수신하고 상기 DC 전력을 가변 전압과 가변 주파수를 갖는 AC 전력으로 변환하도록 구성된, 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)인, 시스템.
  16. 삭제
  17. 방법으로서,
    압축기를 사용하여 냉매를 냉매 루프를 통해 순환시키는 단계;
    변속 드라이브를 사용하여 모터에 전력을 공급하는 단계; -상기 모터는 상기 압축기를 구동하도록 구성되고, 상기 변속 드라이브는 실리콘 카바이드 트랜지스터를 포함함-; 및
    상기 압축기의 배출 압력에 기초하고 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터를 사용하여 상기 변속 드라이브의 전력의 주파수, 전압, 또는 상기 주파수와 상기 전압 모두를 조정하는 단계;를 포함하고,
    상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 상기 변속 드라이브의 정류기 및 인버터 모두에 배치되고, 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터는 상기 변속 드라이브의 DC 버스 및 모터로 배향되는 전력의 주파수 및 전압의 양을 조정하도록 구성되고, 상기 DC 버스 및 상기 모터로 배향되는 전력의 전압 및 주파수는 교류(AC) 전원으로부터 상기 정류기에 제공되는 AC 전력의 전압, 상기 DC 버스에서의 DC 전력의 전압, 모터의 속도 및 압축기의 배출 압력의 조합에 기초하는 것인 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서,
    상기 압축기의 배출 압력 및 상기 모터의 속도에 기초하고 상기 실리콘 카바이드 트랜지스터를 사용하여 상기 변속 드라이브의 상기 전력의 주파수, 전압, 또는 상기 주파수와 상기 전압 모두를 조정하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
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