KR20200105288A - 냉장고의 제어 방법 - Google Patents

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KR20200105288A
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이정훈
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 제어 방법은, 심온실 모드가 온 상태이면, 상기 냉장고의 운전 모드에 따라 상기 열전 모듈에 저전압, 중전압, 고전압 및 역전압 중 어느 하나가 걸리도록 제어되고, 상기 심온실의 온도가 만족 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 제어부는, 상기 열전 모듈에 저전압이 걸리도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉장고의 제어 방법{Control method for refrigerator}
본 발명은 냉장고의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고는 음식물을 저온으로 저장하는 가전 기기로서, 섭씨 3℃ 범위의 냉장 상태로 음식물을 저장하기 위한 냉장실과, 섭씨 -20℃ 범위의 냉동 상태로 음식물을 저장하기 위한 냉동실을 포함한다.
그러나, 육류나 해산물 같은 음식물을 현재의 냉동실 내에서 냉동 상태로 보관하는 경우, 음식물이 -20℃로 결빙되는 과정에서 육류나 해산물의 세포 내에 있는 수빈이 세포 밖으로 빠져나가면서 세포가 파괴되고 해동 과정에서 식감이 변해버리는 현상이 발생한다.
그러나, 저장실의 온도 조건을 현재의 냉동실 온도보다 현저히 낮은 극저온 상태로 만들어서, 음식물이 냉동 상태로 변화될 때 빙결점 온도 대역을 빠르게 지나가도록 하면 세포 파괴를 최소화할 수 있으며, 그 결과 해동 후에도 육질과 식감이 냉동 전의 상태에 가까운 상태로 되돌아올 수 있는 장점이 있다. 상기 극저온 이라 함은 -45℃ ~ -50℃ 범위의 온도를 말하는 것으로 이해될 수 있다.
이러한 이유 때문에, 최근에는 냉동실 온도보다 더 낮은 온도로 유지되는 심온실이 구비된 냉장고에 대한 수요가 증가하고 있는 추세에 있다.
심온실에 대한 수요를 만족시키기 위해서는 기존의 냉매를 이용한 냉각에는 한계가 있기 때문에, 열전 소자(TEM : ThermoElectric Module)를 이용하여 심온실 온도를 극저온으로 낮추는 시도를 하고 있다.
아래의 선행 기술 1에는 열전 모듈을 이용하여 저장실을 실내 온도보다 낮은 온도로 저장하는 협탁 형태의 냉장고가 개시된다.
그러나, 선행 기술 1에 개시되는 열전 모듈을 이용한 냉장고의 경우, 열전 모듈의 발열면이 실내 공기와 열교환하여 냉각되는 구조로 이루어져 있어서, 흡열면의 온도를 낮추는데 한계가 있다.
상세히, 열전 모듈은, 공급 전류가 증가하면 흡열면과 발열면의 온도차가 어느 수준 까지는 증가하는 경향을 보인다. 그러나, 반도체 소자로 이루어진 열전 소자의 특성상, 공급 전류가 증가하면 반도체가 저항으로 작용하여 자체 발열량이 증가한다. 그러면, 흡열면에서 흡수된 열이 발열면으로 신속하게 전달되지 못하는 문제가 발생한다.
뿐만 아니라, 열전 소자의 발열면이 충분히 냉각되지 아니하면 발열면으로 전달된 열이 흡열면 쪽으로 역류하는 현상이 발생하여 흡열면의 온도도 함께 증가하게 된다.
선행기술 1에 개시되는 열전 모듈의 경우, 발열면이 실내 공기에 의하여 냉각되므로, 발열면의 온도가 실내 온도보다 더 낮아질 수 없는 한계가 있다.
발열면의 온도가 실질적으로 고정된 상태에서, 흡열면의 온도를 낮추기 위해서는 공급 전류를 증가시켜야 하고, 그러면 열전 모듈의 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 공급 전류를 증가시키면, 흡열면과 발열면의 온도차가 커지면서 열전 모듈의 냉력이 감소하는 결과를 초래한다.
따라서, 선행기술 1에 개시되는 냉장고의 경우, 저장실의 온도를 냉동실 온도보다 현저히 낮은 극저온으로 낮추는 것이 불가능하고, 냉장실 온도 수준으로 유지할 수 있는 정도에 불과하다고 할 수 있다.
이러한 열전 모듈의 한계를 극복하고, 열전 모듈을 이용하여 저장실의 온도를 냉동실 온도보다 낮은 온도로 낮추기 위하여 많은 실험과 연구가 이루어져왔다. 그 결과, 열전 모듈의 발열면을 낮은 온도로 냉각시키기 위하여 냉매가 흐르는 증발기를 발열면에 부착하는 시도가 있었다.
아래 선행 기술 2에는 열전 모듈의 발열면을 냉각시키기 위하여, 열전모듈의 발열면을 증발기에 직접 부착시키는 내용이 개시된다.
그러나, 선행 기술 2도 여전히 문제점을 안고 있다.
선행 기술 2에는, 열전 모듈의 발열면을 냉각시키는 증발기와, 냉동실 증발기 간의 운전 제어 방법이 전혀 기술되어 있지 아니하다. 상세히, 열전 모듈에 의하여 냉각되는 소위 심온실이 냉동실 내부에 수용되기 때문에, 냉동실과 심온실 중 어느 하나 또는 모두에 부하가 투입되었을 때, 어떤 저장실을 우선으로 하여 부하 대응 운전을 할지에 대한 냉매 순환 시스템의 제어 방법에 대한 내용이 전혀 개시되지 못하고 있다.
선행 기술 2에는, 냉동실 외에 냉장실에 부하가 투입되었을 경우, 부하 대응 운전을 어떻게 수행할지에 대한 내용이 전혀 기술되어 있지 아니하다. 이는 곧, 증발기를 열전 소자의 발열면 냉각 수단으로 사용하는 구조에 대해서만 연구가 되었고, 실제로 냉장고에 적용하였을 경우, 부하 투입에 따라 발생하는 문제점들과, 이러한 문제점들을 제거하기 위한 제어 방법에 대해서는 연구가 이루어지지 못하였다는 것을 말한다.
일 예로, 냉동실에 부하가 투입되면 냉동실 내부에 습기가 발생하는데, 상기 습기를 신속히 제거하지 아니하면, 습기가 심온실의 외벽에 부착되어 성에를 형성하는 문제를 초래한다.
특히, 냉장실과 냉동실에 동시에 부하가 투입되었을 때, 냉장실 부하 대응 운전이 우선적으로 수행되고, 냉동실 부하 대응 운전은 수행되지 않는다. 즉, 냉장실 부하 대응 운전 중에는 냉동실에 부하가 투입되어도 냉동실 팬이 구동하지 않기 때문에, 냉동실 내부에서 발생하는 습기가 심온실 외벽에 부착되어 성장하는 것을 막지 못하는 문제가 발생한다.
뿐만 아니라, 냉장실이 설치되는 실내 공간이 겨울과 같이 저온 영역에 있는 경우, 냉동실 팬의 운전율이 낮기 때문에 냉동실 내부에 발생한 습기를 신속하게 제거하지 못하여, 심온실 외벽에 성에가 생성되는 문제가 발생할 수 있다.
더욱 심각한 문제는, 심온실 외벽에 성에가 생성되면, 사용자가 직접 물리적으로 성에를 제거하거나, 냉동실 운전을 정지하여 냉동실 온도가 성에를 녹이는 온도로 증가할 때까지 기다리는 방법 외에는 적절한 방법이 없다는 것이다.
사용자가 도구(tool)를 이용하여 심온실 외벽에 부착된 성에를 제거하면, 심온실 외벽이 손상되는 문제가 발생할 수 있다.
냉동실 운전을 정지하여 성에를 녹이는 방법을 선택하면, 냉동실에 저장된 음식물을 다른 곳으로 옮기지 않으면 음식물이 상하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
심온실이 냉동실 내부에 수용되는 구조의 냉장고가 이와 같은 심각한 문제를 안고 있음에도 불구하고, 상기 선행 기술 2에는 이러한 예측 가능한 문제에 대한 언급이 전혀 없으며, 발생한 문제에 대한 대응 방법에 대한 언급도 전혀 없다.
선행기술 1 : 한국공개특허 제10-2018-0105572호(2018년09월28일) 선행기술 2 : 한국공개특허 제10-2016-097648호(2016년08월18일)
본 발명은 상기에서 제시한 예상되는 문제점을 개선하기 위하여 제안된다.
특히, 심온실이 상대적으로 온도가 낮은 냉동실에 수용되어 있는 구조에서, 냉동실의 열부하가 상기 심온실로 침투하여 심온실 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있는 열전 소의 출력 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 심온실과 냉동 증발실이 인접하게 배치되어 있는 냉장고의 구조에서, 냉동 증발실의 열부하가 상기 심온실로 침투하여 심온실 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있는 열전 소자의 출력 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 냉동실이 제상 운전 중이거나, 냉장실 단독 운전 중이거나, 냉장실 및 냉동실 동시 운전 중일 때, 심온실로 열부하가 침투하는 것을 방지하여 심온실이 설정 온도로 유지되도록 할 수 있는 열전 소자의 출력 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 심온실 온도 제어를 위하여 열전 소자의 출력 제어와 함께 심온실 팬의 출력을 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 제어 방법은, 심온실 모드가 온 상태이면, 상기 냉장고의 운전 모드에 따라 상기 열전 모듈에 저전압, 중전압, 고전압 및 역전압 중 어느 하나가 걸리도록 제어되고, 상기 심온실의 온도가 만족 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 제어부는, 상기 열전 모듈에 저전압이 걸리도록 하여, 냉동실 또는 증발실로부터 심온실 내부로 열부하가 침투하는 것을 방지하도록 한다.
또한, 냉동실 제상 운전이 수행되는 동안에는 열전 모듈에 역전압이 걸리도록 하여, 심온실 제상이 함께 수행되도록 한다.
또한, 심온실이 불만족 상태이고, 냉장실 단독 운전 중일 때에는 열전 모듈에 저전압이 걸리도록 하여, 히트 싱크가 과열되어 콜드 싱크 쪽으로 열이 역류하는 것을 방지하도록 한다.
또한, 심온실이 불만족 상태이고, 냉동실 냉각 운전 중일 때에는, 냉동실의 온도와 실내 온도에 따라서 저속과 중속 중 어느 하나의 속도로 심온실 팬이 구동하도록 하여, 심온실과 냉동실이 비슷한 시점에 만족 온도에 도달하도록 한다.
상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 제어 방법에 의하면 다음과 같은 효과 및 장점이 있다.
첫째, 심온실 모드가 온인 상태에서는, 심온실 온도가 만족 온도 영역로 유지되는 경우에도 열전 모듈로 저전압이 공급되도록 함으로써, 상기 열전 모듈을 통하여 냉동 증발실로부터 심온실로 열부하가 전달되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 냉장실과 냉동실 동시 운전 상황에서는 열전 모듈로 중전압이 공급되도록 함으로써, 냉동실과 심온실이 동시에 냉각되어, 냉동실과 심온실 중 어느 하나의 냉각 도중에 다른 하나의 부하가 증가하는 가능성을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 열전 모듈의 히트 싱크와 냉동실 증발기가 직렬로 연결된 냉매 순환 시스템에서, 냉동실 온도가 만족 상태에 있는 경우, 열전 모듈로 고전압을 공급함으로써, 심온실을 신속히 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 열전 모듈로 고전압을 공급하여, 심온실의 열부하를 최대한 히트 싱크로 전달함으로써, 압축기의 입구에 연결된 석션 파이프로 유입되는 액상 냉매의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
넷째, 히트 싱크로 냉매가 흐르지 않는 상태에서는 열전 모듈로의 전원 공급을 최소화함으로써, 열전 모듈의 발열면으로부터 흡열면으로 열부하가 역류하는 현상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
다섯 째, 냉동실 증발기의 제상 운전이 수행될 때, 열전 소자로 역전압을 걸어서 열전 소자의 제상 운전이 함께 수행되도록 함으로써, 냉동실 증발기의 제상 과정에서 발생하는 증기가 심온실 내부로 침투하여 심온실 내벽 또는 열전 모듈 표면에 결빙되는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어 방법이 적용되는 냉장고의 냉매 순환 시스템을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 냉동실과 심온실 구조를 보여주는 사시도.
도 3은 도 2의 3-3을 따라 절개되는 종단면도.
도 4는 입력 전압 및 푸리에 효과에 대한 냉력의 관계를 보여주는 그래프.
도 5는 입력 전압 및 푸리에 효과에 대한 효율 관계를 보여주는 그래프.
도 6은 전압에 따른 냉력과 효율의 상관 관계를 보여주는 그래프.
도 7은 고내 부하 변동에 따른 냉장고 제어를 위한 기준 온도선을 보여주는 도면.
도 8은 저전압과 고전압 범위를 결정하는 기준을 설명하기 위해 제시되는 전압과 열전 소자의 냉력과의 상관 관계를 보여주는 그래프
도 9는 고전압 범위 및 중전압의 범위를 결정하는 기준을 설명하기 위해 제시되는 전압 대비 열전 소자의 냉력 및 효율과의 상관 관계를 보여주는 그래프
도 10은 열전 소자의 고전압 상한값을 설정하는 기준을 설명하기 위해 제시되는 전압 대비 심온실 온도 변화 관계를 보여주는 그래프
도 11은 심온실 모드가 온일 때 냉장고의 운전 모드에 따른 심온실 팬의 구동 제어 방법을 보여주는 플로차트.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 제어 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 제 1 냉각기(first cooling device) 에 의해 냉각되어 소정의 온도로 제어될 수 있는 저장실을 제 1 저장실로 정의할 수 있다.
또한, 제 2 냉각기에 의해 냉각되어 상기 제 1 저장실보다 낮은 온도로 제어될 수 있는 저장실 제 2 저장실로 정의할 수 있다.
또한, 제 3 냉각기에 의해 냉각되어 상기 제 2 저장실보다 낮은 온도로 제어될 수 있는 저장실을 제 3 저장실로 정의될 수 있다.
상기 제 1 저장실을 냉각하기 위한 상기 제 1 냉각기는, 제1증발기와, 열전 소자를 포함하는 제 1 열전 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제 1 증발기는 후술할 냉장실 증발기를 포함할 수 있다.
상기 제 2 저장실을 냉각하기 위한 상기 제 2 냉각기는, 제 2 증발기와, 열전소자를 포함하는 제 2 열전 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제 2 증발기는 후술할 냉동실 증발기를 포함할 수 있다.
상기 제 3 저장실을 냉각하기 위한 상기 제 3 냉각기는, 제 3 증발기와 열전소자를 포함하는 제 3 열전 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 열전 모듈을 냉각수단으로 하는 실시예들에서, 열전 모듈 대신 증발기로 대체하여 적용 가능하며, 예를 들면 다음과 같다.
(1) "열전 모듈의 콜드 싱크"또는 "열전 소자의 흡열면"또는 "열전 모듈의 흡열측"은, "증발기 또는 증발기의 일측"으로 해석될 수 있다.
(2)"열전 모듈의 흡열측"은, "열전 모듈의 콜드 싱크" 또는 "열전 모듈의 흡열면"과 동일한 의미로 해석될 수 있다.
(3) 제어부가"열전 모듈에 정전압을 인가 또는 차단하는 것"은, "증발기로 냉매를 공급 또는 차단하는 것", "절환 밸브가 개방 또는 폐쇄되도록 제어되는 것", 또는 "압축기가 온 또는 오프되도록 제어되는 것" 중 어느 하나로 해석될 수 있다.
(4) 제어부가 "열전 모듈에 인가되는 정전압이 증가 또는 감소되도록 제어하는 것"은, "증발기에 흐르는 냉매의 양 또는 유속이 증가 또는 감소되도록 제어하는 것", "절환 밸브의 개도가 증가 또는 감소되도록 제어하는 것", 압축기 출력이 증가 또는 감소되도록 제어하는 것"중 어느 하나로 해석될 수 있다.
(5) 제어부가 "열전 모듈에 인가되는 역전압이 증가 또는 감소되도록 제어하는 것"은, "증발기에 인접하는 제상 히터에 인가되는 전압이 증가 또는 감소되도록 제어하는 것"으로 해석될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 "열전 모듈에 의하여 냉각되는 저장실"을 저장실 A로 정의하고, "상기 열전 모듈에 인접하는 곳에 위치하여 상기 저장실 A 내부의 공기가 상기 열전 모듈의 흡열면과 열교환하도록 하는 팬"을 "저장실 A 팬"으로 정의할 수 있다.
또한, 상기 저장실 A와 함께 냉장고를 구성하면서 냉각기에 의해 냉각되는 저장실을 "저장실 B"로 정의할 수 있다.
또한, "냉각기 챔버"는 냉각기가 위치하는 공간으로 정의하고, 냉각기에서 생성된 냉기를 송풍하는 팬이 추가된 구조에서는 상기 팬이 수용되는 공간을 포함하는 것으로 정의하고, 상기 팬에 의해 송풍되는 냉기를 저장실로 안내하는 유로나 제상수가 배출되는 유로가 추가된 구조에서는 상기 유로들을 포함하는 것으로 정의할 수 있다.
또한, 콜드 싱크나 그 주변에 착상된 성에나 얼음을 제거하기 위해 상기 콜드 싱크의 일측에 위치하는 제상 히터를 콜드 싱크 제상 히터로 정의할 수 있다.
또한, 히트 싱크나 그 주변에 착상된 성에나 얼음을 제거하기 위해 상기 히트 싱크의 일측에 위치하는 제상 히터를 히트 싱크 제상 히터로 정의할 수 있다.
또한, 냉각기나 그 주변에 착상된 성에나 얼음을 제거하기 위해 상기 냉각기의 일측에 위치하는 제상 히터를 냉각기 제상 히터로 정의할 수 있다.
또한, 냉각기 챔버를 형성하는 벽면이나 그 주변에 착상된 성에나 얼음을 제거하기 위해 상기 냉각기 챔버를 형성하는 벽면의 일측에 위치하는 제상 히터를 냉각기 챔버 제상 히터로 정의할 수 있다.
또한, 콜드 싱크나 그 주변에서 녹은 제상수나 수증기가 배출되는 과정에서, 재결빙 또는 재착상을 최소화하기 위하여 상기 콜드 싱크의 일측에 배치되는 히터를 콜드 싱크 드레인 히터로 정의할 수 있다.
또한, 히트 싱크나 그 주변에서 녹은 제상수나 수증기가 배출되는 과정에서, 재결빙 또는 재착상을 최소화하기 위하여 상기 히트 싱크의 일측에 배치되는 히터를 히트 싱크 드레인 히터로 정의할 수 있다.
또한, 냉각기나 그 주변에서 녹은 제상수나 수증기가 배출되는 과정에서, 재결빙 또는 재착상을 최소화하기 위하여 상기 냉각기의 일측에 배치되는 히터를 냉각기 드레인 히터로 정의할 수 있다.
또한, 냉각기 챔버를 형성하는 벽면이나 그 주변에서 녹은 제상수나 수증기가 배출되는 과정에서, 재결빙 또는 재착상을 최소화하기 위하여 상기 냉각기 챔버를 형성하는 벽면의 일측에 배치되는 히터를 냉각기 챔버 드레인 히터로 정의할 수 있다.
또한, 아래에서 설명될 "콜드 싱크 히터"는 상기 콜드 싱크 제상 히터의 기능과 상기 콜드 싱크 드레인 히터의 기능 중 적어도 하나의 기능을 수행하는 히터로 정의할 수 있다.
또한, "히트 싱크 히터"는 상기 히트 싱크 제상 히터의 기능과 상기 히트 싱크 드레인 히터의 기능 중 적어도 하나의 기능을 수행하는 히터로 정의할 수 있다.
또한, "냉각기 히터"는, 상기 냉각기 제상 히터의 기능과 상기 냉각기 드레인 히터의 기능 중 적어도 하나의 기능을 수행하는 히터로 정의할 수 있다.
또한, 아래에서 설명될 "백히터"는 상기 히트 싱크 히터의 기능과 상기 냉각기 챔버 제상 히터의 기능 중 적어도 하나의 기능을 수행하는 히터로 정의할 수 있다. 즉, 상기 백히터는, 히트 싱크 제상 히터, 히터 싱크 드레인 히터, 및 냉각기 챔버 제상 히터의 기능들 중 적어도 하나의 기능을 수행하는 히터로 정의할 수 있다.
본 발명에서는 일례로, 상기 제 1 저장실은 상기 제 1 냉각기에 의해 영상의 온도로 제어될 수 있는 냉장실을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 저장실은, 상기 제 2 냉각기에 의해 영하의 온도로 제어될 수 있는 냉동실을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 저장실은, 상기 제 3 냉각기에 의해 극저온(cryogenic temperature) 또는 초저온(ultrafrezing temperature)의 온도로 유지될 수 있는 심온실(deep freezing compartment)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제 내지 제 3 저장실이 모두 영하의 온도로 제어되는 경우와, 상기 제 1 내지 제 3 저장실이 모두 영상의 온도로 제어되는 경우, 및 상기 제 1 및 제 2 저장실은 영상의 온도로 제어되고, 상기 제 3 저장실은 영하의 온도로 제어되는 경우를 배제하지 않는다.
본 발명에서 냉장고의 "운전"은 운전시작조건 또는 운전투입조건이 만족되는지 여부를 판단하는 단계(I)와, 운전투입조건이 만족된 경우에 미리 정해진 운전이 수행되는 단계(II)와, 운전완료조건이 만족되는지 여부를 판단하는 단계(III), 및 운전완료조건이 만족된 경우에는 운전이 종료되는 단계(IV)의 4가지 운전단계를 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
본 발명에서 냉장고의 저장실 냉각을 위한 "운전"은, 일반 운전과 특수 운전으로 구분하여 정의될 수 있다.
상기 일반 운전은, 저장실 도어의 개방이나 음식물 저장에 따른 부하 투입 상황이 발생하지 않은 상태에서 자연적으로 고내 온도가 상승하였을 때 수행되는 냉각 운전을 의미할 수 있다.
상세히, 저장실의 온도가 불만 온도 영역(아래에서 도면을 참조하여 상세히 설명함)에 진입하여 운전투입조건이 만족되면, 상기 저장실의 냉각을 위해 제어부가 상기 저장실의 냉각기로부터 냉기가 공급되도록 제어하는 것으로 정의된다.
구체적으로, 일반운전은 냉장실 냉각운전, 냉동실 냉각운전, 심온실 냉각운전 등을 포함할 수 있다.
반면, 상기 특수운전은, 상기 일반운전으로 정의되는 운전을 제외한 운전을 의미할 수 있다.
상세히, 상기 특수 운전은, 저장실의 제상주기가 경과하여 냉각기에 착상된 성에나 얼음을 녹이기 위해 상기 냉각기에 열을 공급하도록 제어되는 제상 운전을 포함할 수 있다.
또한, 상기 특수 운전은, 저장실의 도어가 개방된 후 닫힌 시점으로부터 설정 시간이 경과한 경우, 또는 설정 시간이 경과하기 전에 저장실의 온도가 설정 온도로 상승한 경우 중 적어도 하나에 해당되어 운전 투입 조건이 만족되면, 상기 저장실에 침투한 열부하를 제거하기 위해 상기 냉각기로부터 상기 저장실로 냉기가 공급되도록 제어되는 부하 대응 운전을 더 포함할 수 있다.
상세히, 상기 부하 대응 운전은, 저장실 도어의 개폐 동작 이후에 저장실 내부로 침투한 부하를 제거하기 위하여 수행되는 도어 부하 대응 운전과, 냉장고 설치 후 처음으로 전원이 인가되었을 때 저장실 내부의 부하를 제거하기 위하여 수행되는 초기 냉기동 운전을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 제상 운전은, 냉장실 제상 운전, 냉동실 제상 운전, 및 심온실 제상 운전 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 도어 부하 대응 운전은, 냉장실 도어 부하 대응 운전, 냉동실 도어 부하 대응 운전, 심온실 부하 대응 운전 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 심온실 부하 대응 운전은, 심온실 도어가 개방에 따라 부하가 증가되었을 때 수행되는 심온실 도어 부하 대응 운전 투입 조건, 심온실 오프 상태에서 온 상태로 전환되었을 때 심온실 내의 부하를 제거하기 위해 수행되는 심온실 초기 냉기동 운전 투입 조건, 및 심온실 제상 운전이 완료된 이후에 처음으로 시작되는 제상 후 운전 투입 조건 중 적어도 하나의 조건이 만족되면 수행되는, 심온실 부하 제거를 위한 운전을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
상세히, 심온실 도어 부하 대응 운전 투입 조건이 만족되었는지 여부를 판단하는 것은, 냉동실 도어와 심온실 도어 중 적어도 하나가 개방 후 닫힌 시점으로부터 일정 시간이 경과하는 조건, 또는 일정 시간 이내에 심온실 온도가 설정 온도로 상승하는 조건 중 적어도 하나가 만족되는지를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 심온실 초기 냉기동 운전 투입 조건이 만족되었는지 여부를 판단하는 것은, 냉장고 전원이 켜지고, 심온실 모드가 오프 상태에서 온 상태로 전환되었는지 여부를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 심온실 제상 후 운전 투입 조건이 만족되었는지 여부를 판단하는 것은, 콜드 싱크 히터 오프, 백히터 오프, 콜드 싱크 제상을 위해 열전 모듈에 인가되는 역전압 중단, 콜드 싱크 제상을 위해 역전압이 인가된 후 히트 싱크 제상을 위해 열전 모듈에 인가되는 정전압 중단, 히트 싱크를 수용하는 하우징의 온도가 설정 온도로 상승, 및 냉동실 제상 운전 종료 중 적어도 하나를 판단하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 냉장실과 냉동실 및 심온실 중 적어도 하나를 포함하는 저장실의 운전은, 저장실 일반 운전과, 저장실 특수 운전을 포함하는 것으로 정리될 수 있다.
한편, 상기에서 설명된 저장실의 운전 중 2가지 운전이 충돌하는 경우, 제어부는 어느 하나의 운전(운전 A)이 우선하여 수행되고 다른 하나의 운전(운전 B)은 중단(pause)되도록 제어할 수 있다.
본 발명에서 운전의 충돌은, i) 운전 A의 투입 조건과 운전 B의 투입 조건이 동시에 만족하여 동시에 충돌하는 경우, ii) 운전 A의 투입조건이 만족되어 운전 A가 수행되는 중에 운전 B의 투입조건이 만족되어 충돌하는 경우, iii) 운전 B의 투입 조건이 만족되어 운전 B가 수행되는 중에 운전 A의 투입조건이 만족되어 충돌하는 경우를 포함할 수 있다.
2가지 운전이 충돌하는 경우, 제어부는, 충돌하는 운전의 수행 우선 순위를 결정하고, 해당 운전의 수행을 제어하기 위해, 소위 "충돌 제어 알고리즘"이 수행되도록 한다.
운전 A가 우선 수행되고, 운전 B가 중단된 경우를 일례로 들어 설명한다.
상세히, 본 발명에서는 중단된 운전 B는 운전 A의 완료 후, 아래 예시의 3가지 경우 중 적어도 어느 하나의 과정을 따르도록 제어될 수 있다.
a. 운전 B의 해제(termination)
운전 A가 완료되면, 운전 B의 수행은 해제되어 상기 충돌 제어 알고리즘을 종료하고, 그 이전의 운전 단계로 되돌아가는 가도록 할 수 있다.
여기서 "해제"는, 이 경우, 중단된 상기 운전 B는 더 이상 수행되지 않을 뿐 아니라, 운전 B의 투입 조건이 만족되었는지 여부도 판단하지 않는다. 즉, 운전 B의 투입 조건에 대한 판단 정보가 초기화되는 것으로 볼 수 있다.
b. 운전 B의 투입 조건 재판단(redetermination)
우선 수행된 운전 A가 완료되면, 제어부는 상기 중단된 운전 B의 투입 조건이 만족되었는지 여부를 다시 판단하는 단계로 되돌아가서, 운전 B의 재시작(restart) 여부를 결정할 수 있다.
예컨대, 운전 B는 10분 동안 팬을 구동하는 운전이고, 운전 A와 충돌하여 운전 시작 후 3분이 경과된 시점에서 운전이 중단되었다면, 운전 A가 완료된 시점에서 운전 B의 투입 조건이 만족되었는지 여부를 다시 판단하고, 만족되었다고 판단되면 다시 10분 동안 팬을 구동하도록 한다.
c. 운전 B의 속행(continuation)
우선 수행된 운전 A가 완료되면, 제어부는 중단되었던 상기 운전 B가 속행되도록 할 수 있다. 여기서 "속행"은, 처음부터 다시 시작하는 것이 아니라, 중단된 운전을 이어서 수행하는 것을 의미한다.
예컨대, 운전 B가 10분 동안 팬을 구동하는 운전이고, 운전 A와 충돌하여 운전 시작 후 3분이 경과된 시점에서 운전이 중단되었다면, 운전 A가 완료된 시점부터 곧바로 잔여 시간 7분 동안 압축기가 더 구동하도록 한다.
한편, 본 발명에서 운전의 우선순위는 아래와 같이 정해질 수 있다.
첫째, 일반 운전과 특수 운전이 충돌하면, 상기 특수운전이 우선하여 수행되도록 제어할 수 있다.
둘째, 일반 운전 간의 충돌이 발생하는 경우 운전의 우선 순위는 아래와 같이 정해질 수 있다.
가. 냉장실 냉각 운전과 냉동실 냉각 운전이 충돌하면, 냉장실 냉각 운전이 우선하여 수행되도록 할 수 있다.
나. 냉장실(또는 냉동실) 냉각 운전과 심온실 냉각 운전이 충돌하면, 냉장실(또는 냉동실) 냉각 운전이 우선하여 수행되도록 할 수 있다. 이때, 심온실 온도가 지나치게 상승하는 것을 막기 위해, 상기 심온실 냉각기의 최대 냉력보다 낮은 수준의 냉력이 심온실 냉각기로부터 상기 심온실로 공급되도록 할 수 있다.
상기 냉력은, 냉각기 자체의 냉각능력과, 냉각기에 인접한 곳에 위치하는 냉각 팬의 송풍량 중 적어도 하나를 의미할 수 있다. 예를 들어, 심온실의 냉각기가 열전모듈인 경우, 제어부는, 냉장실(또는 냉동실) 냉각운전과 심온실 냉각운전이 충돌하면, 냉장실(또는 냉동실) 냉각운전을 우선하여 수행하되, 열전모듈에 인가될 수 있는 최대 전압보다 낮은 전압이 열전모듈에 입력되도록 제어할 수 있다.
셋째, 특수 운전 간의 충돌이 발생하는 경우 운전의 우선 순위는 아래와 같이 정해질 수 있다.
가. 냉장실 도어부하대응 운전과 냉동실 도어부하대응 운전이 충돌하면, 제어부는 냉장실 도어부하대응 운전이 우선하여 수행되도록 제어할 수 있다.
나. 냉동실 도어부하대응 운전과 심온실 도어부하대응 운전이 충돌하면, 제어부는 심온실 도어부하대응 운전이 우선하여 수행되도록 제어할 수 있다.
다. 냉장실 운전과 심온실 도어부하대응 운전이 충돌하면, 제어부는 냉장실 운전과 심온실 도어부하대응운전이 동시에 수행하도록 제어한 후, 냉장실 온도가 특정 온도 a에 도달하면, 심온실 도어 부하 대응 운전이 단독으로 수행되도록 제어할 수 있다. 심온실 도어 부하 대응 운전이 단독적으로 수행되는 도중에 냉장실 온도가 다시 상승하여 특정 온도 b(a<b)에 도달하면, 제어부는 다시 냉장실 운전과 심온실 도어부하대응운전이 동시에 수행하도록 제어할 수 있다. 이후에도, 냉장실 온도에 따라, 상기 심온실과 냉장실 동시 운전과 심온실 단독 운전 간의 운전 전환 과정이 반복하여 수행되도록 제어할 수 있다.
한편, 확장된 변형예로, 제어부는 심온실 부하 대응 운전의 운전투입조건이 만족되면, 상기 냉장실 운전과 심온실 도어부하대응 운전이 충돌한 경우와 동일하게 운전이 수행되도록 제어할 수 있다.
이하에서는, 일례로서 상기 제 1 저장실이 냉장실, 상기 제 2 저장실이 냉동실, 상기 제 3 저장실이 심온실인 경우로 한정하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 냉매 순환 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉매 순환 시스템(10)은, 냉매를 고온 고압의 기체 냉매로 압축하는 압축기(11)와, 상기 압축기(11)로부터 토출되는 냉매를 고온 고압의 액상 냉매로 응축하는 응축기(12)와, 상기 응축기(12)로부터 토출되는 냉매를 저온 저압의 2상 냉매로 팽창시키는 팽창변과, 상기 팽창변을 통과한 냉매를 저온 저압의 기체 냉매로 증발시키는 증발기를 포함한다. 상기 증발기로부터 토출되는 냉매는 상기 압축기(11)로 유입된다. 상기의 구성들은 냉매 배관에 의하여 서로 연결되어 폐회로를 구성한다.
상세히, 상기 팽창변은, 냉장실 팽창변(14)과 냉동실 팽창변(15)을 포함할 수 있다. 상기 응축기(12)의 출구 측에서 냉매 배관은 두 갈래로 나뉘어지고, 두 갈래로 나뉘어지는 냉매 배관에 상기 냉장실 팽창변(14)과 상기 냉동실 팽창변(15)이 각각 연결된다. 즉, 상기 냉장실 팽창변(14)과 냉동실 팽창변(15)은 상기 응축기(12)의 출구에서 병렬 연결된다.
상기 응축기(12)의 출구측에서 냉매 배관이 두 갈래로 나뉘어지는 지점에 절환 밸브(13)가 장착된다. 상기 절환 밸브(13)의 개도 조절 동작에 의하여 상기 응축기(12)를 통과한 냉매가 상기 냉장실 팽창변(14)과 상기 냉동실 팽창변(15) 중 어느 한 쪽으로만 흐르거나, 양 쪽으로 나뉘어 흐를 수 있다.
상기 절환 밸브(13)는 삼방 밸브일 수 있고, 운전 모드에 따라서 냉매의 흐름 방향이 결정된다. 여기서, 상기 삼방 밸브와 같은 하나의 절환 밸브가 상기 응축기(12)의 출구에 장착되어 냉매의 흐름 방향을 제어할 수도 있고, 다른 방법으로 상기 냉장실 팽창변(14)과 냉동실 팽창변(15)의 입구 측에 개폐 밸브가 각각 장착되는 구조도 가능할 것이다.
한편, 증발기 배치 방식에 대한 첫번 째 예로서, 상기 증발기는, 상기 냉장실 팽창변(14)의 출구 측에 연결되는 냉장실 증발기(16)와, 상기 냉동실 팽창변(15)의 출구 측에 연결되는 직렬 연결되는 히트 싱크(24) 및 냉동실 증발기(17)를 포함할 수 있다. 상기 히트 싱크(24)및 냉동실 증발기(17)는 직렬 연결되고, 상기 냉동실 팽창변을 통과한 냉매는 상기 히트 싱크(24)를 통과한 후 상기 냉동실 증발기(17)로 유입된다.
두번 째 예로서, 상기 히트 싱크(24)는 상기 냉동실 증발기(17)의 출구측에 배치되어, 냉동실 증발기(17)를 통과한 냉매가 히트 싱크(24)로 유입되는 구조도 가능함을 밝혀둔다.
세번째 예로서, 상기 히트 싱크(24)와 냉동실 증발기(17)가 상기 냉동실 팽창변(15)의 출구단에서 병렬 연결되는 구조를 배제하지 않는다.
상기 히트 싱크(24)는 증발기이지만, 심온실 냉기와 열교환하는 목적이 아니라 후술할 열전 모듈의 발열면을 냉각시키는 목적으로 제공된다.
증발기의 배치 방법에 대하여 상기에서 설명된 세 가지 예들 각각에서, 상기 절환 밸브(13)와 냉장실 팽창변(14) 및 냉장실 증발기(16)가 제거된 제 1 냉매 순환 시스템과, 냉장실 냉각용 증발기, 냉장실 냉각용 팽창변, 냉장실 냉각용 응축기, 냉장실 냉각용 압축기로 이루어지는 제 2 냉매 순환 시스템이 조합된 복합 시스템도 가능하다. 여기서, 상기 제 1 냉매 순환 시스템을 구성하는 응축기와 상기 제 2 냉매 순환 시스템을 구성하는 응축기가 독립적으로 제공될 수도 있고, 단일체로 이루어지는 응축기이되 냉매는 혼합되지 않는 복합 응축기가 제공될 수도 있다.
한편, 심온실을 포함하여 저장실이 2개인 냉장고의 냉매 순환 시스템은, 상기 제 1 냉매 순환 시스템 만으로 구성하면 된다.
이하에서는 일례로서 상기 히트 싱크와 냉동실 증발기(17)가 직렬 연결되는 구조로 한정하여 설명하도록 한다.
상기 응축기(12)에 인접하는 곳에는 응축팬(121)이 장착되고, 상기 냉장실 증발기(16)에 인접하는 곳에는 냉장실 팬(161)이 장착되며, 상기 냉동실 증발기(17)에 인접하는 곳에는 냉동실 팬(171)이 장착된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 냉매 순환 시스템이 구비되는 냉장고의 내부에는, 상기 냉장실 증발기(16)에서 생성되는 냉기에 의하여 냉장 온도로 유지되는 냉장실과, 상기 냉동실 증발기(16)에서 생성되는 냉기에 의하여 냉동 온도로 유지되는 냉동실, 및 후술하게 될 열전 모듈에 의하여 극저온(cryogenic) 또는 초저온(ultrafrezing)의 온도로 유지되는 심온실(dee freezing compartment)(202)이 형성된다. 상기 냉장실과 냉동실은 상하 방향 또는 좌우 방향으로 인접하여 배치될 수 있고, 구획벽에 의하여 서로 구획된다. 상기 심온실은 상기 냉동실 내부의 일측에 구비될 수 있으나, 본 발명은 상기 심온실이 냉동실의 외부 일측에 구비되는 것을 포함한다. 상기 심온실의 냉기와 상기 냉동실의 냉기가 서로 열교환하는 것을 차단하기 위하여 단열 성능이 높은 심온 케이스(201)에 의하여 상기 심온실(202)은 상기 냉동실로부터 구획될 수 있다.
또한, 상기 열전 모듈은, 전원이 공급되면 한쪽 면은 열을 흡수하고 반대면은 열을 방출하는 특징을 보이는 열전 소자(21)와, 상기 열전 소자(21)의 흡열면에 장착되는 콜드 싱크(cold sink)(22)와, 상기 열전 소자(21)의 발열면에 장착되는 히트 싱크(heat sink)와, 상기 콜드 싱크(22)와 히트 싱크 간의 열교환을 차단하는 단열재(23)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 히트 싱크(24)는 상기 열전 소자(21)의 발열면에 접촉되는 증발기이다. 즉, 상기 열전 소자(21)의 발열면으로 전달되는 열은 상기 히트 싱크(24) 내부를 흐르는 냉매와 열교환한다. 상기 히트 싱크(24) 내부를 따라 흐르면서 상기 열전 소자(21)의 발열면으로부터 열을 흡수한 냉매는 상기 냉동실 증발기(17)로 유입된다.
또한, 상기 콜드 싱크(22)의 전방에는 냉각팬이 구비될 수 있고, 상기 냉각팬은 상기 심온실 내부 후측에 배치되므로 심온실 팬(25)으로 정의할 수 있다.
상기 콜드 싱크(22)는 상기 심온실(202) 내부 후방에 배치되어 상기 심온실(202)의 냉기에 노출되도록 구성된다. 따라서, 상기 심온실 팬(25)이 구동하여 상기 심온실(202) 냉기를 강제 순환시키면, 상기 콜드 싱크(22)는 상기 심온실 냉기와 열교환을 통하여 열을 흡수한 다음 상기 열전 소자(21)의 흡열면으로 전달하는 기능을 한다. 상기 흡열면으로 전달된 열은 상기 열전 소자(21)의 발열면으로 전달된다.
상기 히트 싱크(24)는 상기 열전 소자(21)의 흡열면에서 흡수되어 상기 열전 소자(21)의 발열면으로 전달된 열을 다시 흡수하여 상기 열전 모듈(20) 외부로 방출시키는 기능을 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 냉동실과 심온실 구조를 보여주는 사시도이고, 도 3은 도 2의 3-3을 따라 절개되는 종단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉장고는 냉동실(102)을 정의하는 인너 케이스(101)와, 상기 냉동실(102)의 내부 일측에 장착되는 심온 냉동 유닛(200)을 포함한다.
상세히, 냉장실 내부는 약 섭씨 3℃ 내외로 유지되고, 상기 냉동실(102) 내부는 약 -18℃ 내외로 유지되는 반면, 상기 심온 냉동 유닛(200) 내부의 온도, 즉 심온실(202) 내부 온도는 약 -50℃ 내외로 유지되어야 한다. 따라서, 심온실(202) 내부 온도를 -50℃의 극저온으로 유지하기 위해서는 냉동실 증발기 외에 열전 모듈(20)과 같은 부가적인 냉동 수단이 필요하다.
더욱 상세히, 상기 심온 냉동 유닛(200)은, 내부에 심온실(202)을 형성하는 심온 케이스(201)와, 상기 심온 케이스(201) 내부에 슬라이딩 삽입되는 심온실 드로어(203), 및 상기 심온 케이스(201)의 후면에 장착되는 열전 모듈(20)을 포함한다.
상기 심온실 드로어(203)가 적용되는 대신, 상기 심온 케이스(201) 전면 일측에 심온실 도어가 연결되고, 상기 심온 케이스(201) 내부 전체가 음식물 저장 공간으로 구성되는 구조도 가능하다.
또한, 상기 인너 케이스(101)의 후면은 후방으로 단차져서, 상기 냉동실 증발기(17)가 수용되는 냉동 증발실(104)을 형성한다. 또한, 구획벽(103)에 의하여 상기 인너 케이스(101)의 내부 공간이 상기 냉동 증발실(104)과 냉동실(102)로 구획된다. 상기 열전 모듈(20)은 상기 구획벽(103)의 전면에 고정 장착되고, 일부가 상기 심온 케이스(201)를 관통하여 상기 심온실(202) 내부에 수용된다.
상세히, 상기 열전 모듈(20)을 구성하는 상기 히트 싱크(24)는, 상술한 바와 같이, 상기 냉동실 팽창변(15)에 연결되는 증발기일 수 있다. 상기 구획벽(103)에는 상기 히트 싱크(24)가 수용되는 공간이 형성될 수 있다.
상기 히트 싱크(24) 내부에는 냉동실 팽창변(15)을 통과하면서 -18℃ ~ -20℃? 정도로 냉각된 2상 냉매가 흐르므로, 상기 히트 싱크(24)의 표면 온도는 -18℃~ -20℃?로 유지된다. 여기서, 냉동실 팽창변(15)을 통과한 냉매의 온도와 압력은 냉동실 온도 조건에 따라 달라질 수 있음을 밝혀둔다.
상기 히트 싱크(24)의 전면에 상기 열전 소자(21)의 후면이 접촉되고, 상기 열전 소자(21)에 전원이 인가되면 상기 열전 소자(21)의 후면은 발열면이 된다.
상기 열전 소자의 전면에는 상기 콜드 싱크(22)가 접촉되고, 상기 열전 소자(21)에 전원이 인가되면 상기 열전 소자(21)의 전면은 흡열면이 된다.
상기 콜드 싱크(22)는 알루미늄 소재로 이루어지는 열전도 판과, 상기 열전도판의 전면에서 연장되는 다수의 열교환 핀(fin)을 포함할 수 있고, 상기 다수의 열교환핀은 수직하게 연장되고 가로 방향으로 이격 배치될 수 있다.
여기서, 열전도판과 열교환 핀으로 이루어지는 열전도체의 적어도 일부분을 감싸거나 수용하는 하우징이 제공될 경우, 상기 콜드 싱크(22)는, 상기 열전도체 뿐만 아니라 상기 하우징도 포함하는 열전달 부재로 해석되어야 한다. 이는, 상기 히트 싱크(22)에도 동일하게 적용되어, 상기 히트 싱크(22)는 열전도 판과 열교환 핀으로 이루어지는 열전도체 뿐만 아니라, 하우징이 제공될 경우 하우징을 포함하는 열전달 부재로 해석되어야 한다.
상기 콜드 싱크(22)의 전방에는 상기 심온실 팬(25)이 배치되어, 상기 심온실(202) 내부 공기를 강제 순환시킨다.
이하에서는 열전 소자의 효율 및 냉력에 대하여 설명한다.
열전 모듈(20)의 효율은 성능 계수(COP : Coefficient Of Performance)로 정의될 수 있고, 효율식은 아래와 같다.
Figure pat00001
Qc : 냉력(Cooling Capacity, 열을 흡수하는 능력)
Pe : 입력(Input Power, 열전 소자에 공급된 전력)
Figure pat00002
또한, 열전 모듈(20)의 냉력은 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00003
<반도체 소재 특성 계수>
α: 제벡(Seebeck) 계수[V/K]
ρ: 비저항 [Ωm-1]
k: 열전도도[W/mk]
<반도체 구조 특성>
L : 열전 소자 두께 : 흡열면과 발열면의 거리
A : 열전 소자의 면적
<시스템 사용 조건>
i : 전류
V : 전압
Th : 열전 소자의 발열면 온도
Tc : 열전 소자이 흡열면 온도
위의 냉력 식에서, 우측 첫번 째 항은 펠티어 효과로 정의될 수 있고, 전압차에 의한 흡열면과 발열면 양단 간의 이동 열량으로 정의될 수 있다. 상기 펠티어 효과는 전류 함수로서 공급 전류에 비례하여 증가한다.
V = iR 식에서, 열전 소자를 구성하는 반도체는 저항으로 작용하고, 상기 저항을 상수로 간주할 수 있으므로, 전압과 전류는 비례 관계에 있다고 할 수 있다. 즉, 상기 열전 소자(21)에 걸리는 전압이 증가하면 전류도 증가함을 의미한다. 따라서, 상기 펠티어 효과는 전류 함수로 볼 수도 있고 전압의 함수로 볼 수도 있다.
상기 냉력 또한 전류의 함수 또는 전압의 함수로 볼 수 있다. 상기 펠티어 효과는 상기 냉력을 증가시키는 플러스 효과로 작용한다. 즉, 공급 전압이 커지면 펠티어 효과가 증가하여 냉력이 증가한다.
상기 냉력 식에서 두번 째 항은 줄 효과(Joule Effect)로 정의된다.
상기 줄 효과는, 저항체에 전류가 인가되면 열이 발생하는 효과를 의미한다. 다시 말하면, 열전 소자에 전원을 공급하면 열이 발생하므로, 이는 냉력을 감소시키는 마이너스 효과로 작용한다. 따라서, 열전 소자에 공급되는 전압이 증가하면 줄 효과가 증가하여 열전 소자의 냉력을 저하시키는 결과를 가져온다.
상기 냉력 식에서 세번 째 항은 푸리에 효과(Fourier Effect)로 정의된다.
상기 푸리에 효과는, 열전 소자의 양 면에 온도 차가 발생하면 열전도에 의하여 열이 이동하는 효과를 의미한다.
상세히, 상기 열전 소자는 세라믹 기판으로 이루어지는 흡열면과 발열면, 상기 흡열면과 발열면 사이에 배치되는 반도체를 포함한다. 상기 열전 소자에 전압을 걸어주면 흡열면과 발열면 사이에 온도차가 발생하게 된다. 상기 흡열면을 통하여 흡수되는 열은 반도체를 통과하여 발열면으로 전달된다. 그런데, 상기 흡열면과 발열면의 온도 차가 발생하면, 열전도에 의하여 발열면으로부터 흡열면으로 열이 역류하는 현상이 발생하며, 이를 푸리에 효과라고 한다.
상기 푸리에 효과는 줄 효과와 마찬가지로 냉력을 저하시키는 마이너스 효과로 작용한다. 다시 말하면, 공급 전류가 증가하면, 열전 소자의 발열면과 흡열면의 온도차(Th-Tc), 즉 ΔT값이 커지게 되어 냉력을 저하시키는 결과를 가져온다.
도 4는 입력 전압 및 푸리에 효과에 대한 냉력의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 푸리에 효과는 흡열면과 발열면의 온도차, 즉 ΔT의 함수로 정의할 수 있다.
상세히, 열전 소자의 규격이 결정되면, 위 냉력 식의 푸리에 효과 항에서 k,A 및 L값은 상수값이 되므로, 푸리에 효과는 ΔT를 변수로 하는 함수로 볼 수 있다.
따라서, ΔT가 커질수록 푸리에 효과값은 증가하나 푸리에 효과는 냉력에 마이너스 효과로 작용하므로 결국 냉력은 감소하게 된다.
도 4의 그래프에서 보이는 바와 같이, 전압이 일정한 조건 하에서 ΔT가 클수록 냉력은 적음을 알 수 있다.
또한 ΔT를 고정한 상태, 예컨대 ΔT가 30℃인 경우로 한정하여 전압 변화에 따른 냉력 변화를 살펴보면, 전압값이 증가할 수록 냉력이 증가하다가 어느 지점에서 최고치를 보인 후 다시 감소하는 포물선 형태를 그리게 된다.
여기서 전압과 전류는 비례 관계에 있기 때문에 위 냉력식에 기재된 전류를 전압으로 보고 동일하게 해석하여도 무방함을 밝혀둔다.
상세히, 공급 전압(또는 전류)이 증가함에 따라 냉력이 증가하게 되는데 이는 위 냉력식으로 설명될 수 있다. 먼저 상기 ΔT 값을 고정하였으므로 상수가 된다. 열전 소자의 규격 별 상기 ΔT값은 정해지기 때문에, 요구되는 ΔT값에 따라 적정한 열전 소자의 규격을 설정할 수 있다.
ΔT가 고정되므로 상기 푸리에 효과는 상수로 볼 수 있고, 결국 냉력은 전압(또는 전류)의 1차 함수로 볼 수 있는 펠티어 효과와 전압(또는 전류)의 2차 함수로 볼 수 있는 줄 효과의 함수로 단순화될 수 있다.
전압 값이 점진적으로 증가함에 따라, 전압의 1차 함수인 펠티어 효과의 증가량이 전압의 2차 함수인 줄 효과의 증가량보다 커서, 결과적으로 냉력이 증가하는 양태를 보인다. 다시 말하면, 냉력이 최대가 될때까지는 줄 효과의 함수는 상수에 가까워서 냉력이 전압의 1차 함수에 근접하는 형태를 보이게 된다.
전압이 더 증가할 수록 펠티어 효과에 따른 이동 열량보다 줄 효과에 의한 자체 발열량이 더 커지는 역전 현상이 발생하게 되고, 그 결과 냉력은 다시 감소하는 양태를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 전압(또는 전류)의 1차 함수인 펠티어 효과와 전압(또는 전류)의 2차 함수인 줄 효과의 함수 관계식으로부터 더욱 명확하게 이해될 수 있다. 즉, 냉력이 감소할 때는 냉력은 전압의 2차 함수에 근접하는 형태를 보이게 된다.
도 4의 그래프 상에서는 공급 전압이 약 30 내지 40V 범위 구간, 더욱 구체적으로는 약 35V일 때 냉력이 최대임을 확인할 수 있다. 따라서, 냉력만 고려한다면 열전 소자에 30 내지 40V 범위 내의 전압차가 발생하도록 하는 것이 좋다고 말할 수 있다.
도 5는 입력 전압 및 푸리에 효과에 대한 효율 관계를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 동일 전압 대비 ΔT가 클수록 효율이 적음을 확인할 수 있다. 이는, 효율이 냉력에 비례하기 때문에 당연한 결과라 할 것이다.
또한 ΔT를 고정한 상태, 예컨대 ΔT가 30℃인 경우로 한정하여 전압 변화에 따른 효율 변화를 살펴보면, 공급 전압이 증가할 수록 효율도 함께 증가하다가 어느 시점을 경과하면 효율이 오히려 감소하는 양태를 보인다. 이는 전압 변화에 따른 냉력 그래프와 유사하다고 할 수 있다.
여기서, 상기 효율(COP)은 냉력 뿐만 아니라 입력 전력의 함수이기도 하며, 입력(Pe)은, 열전 소자(21)의 저항을 상수로 보면, V2 의 함수가 된다. 냉력을 V2 으로 나누면 효율은 결국,
Figure pat00004
로 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 효율의 그래프는 도 5에 보이는 바와 같은 형태를 이룬다고 볼 수 있다.
도 5의 그래프 상에서 효율이 최대인 지점은 열전 소자에 걸리는 전압차(또는 공급 전압)가 대략 20V 미만인 영역에서 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 요구되는 ΔT가 결정되면, 그에 따라 적절한 전압을 걸어주어 효율이 최대가 되도록 하는 것이 좋다. 즉, 히트 싱크의 온도와 심온실(202)의 설정 온도가 결정되면 ΔT가 결정되고, 그에 따라서 열전 소자에 걸리는 최적의 전압차를 결정할 수 있다.
도 6은 전압에 따른 냉력과 효율의 상관 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상술한 바와 같이, 전압차가 커질수록 냉력과 효율 모두 증가후 감소하는 모습을 보여준다.
상세히, 냉력이 최대가 되는 전압값과 효율이 최대가 되는 전압값이 다르게 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이는 냉력이 최대가 될 때까지는 전압의 1차 함수이고, 효율은 전압의 2차 함수이기 때문으로 볼 수 있다.
도 6에 보이는 바와 같이, 일례로서 ΔT가 30℃인 열전 소자의 경우 열전 소자에 걸리는 전압차가 대략 12V ~ 17V 범위 내에서 열전 소자의 효율이 가장 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 상기 전압의 범위 내에서 냉력은 계속해서 증가하는 모습을 보인다. 따라서, 냉력을 함께 고려하여 적어도 12V 이상의 전압차가 요구되고, 전압차가 14V일 때 효율이 최대임을 알 수 있다.
도 7은 고내 부하 변동에 따른 냉장고 제어를 위한 기준 온도선을 보여주는 도면이다.
이하에서는 각 저장실의 설정 온도를 노치 온도(notch temperature)로 정의하여 설명한다. 상기 기준 온도선은 임계 온도선으로 표현될 수도 있다.
그래프 상에서 하측의 기준 온도선은 만족 온도 영역과 불만족 온도 영역을 구분하는 기준 온도선이다. 따라서, 하측의 기준 온도선 아래 영역(A)은 만족 구간 또는 만족 영역으로 정의되고, 하측의 기준 온도선 위 영역(B)은 불만족 구간 또는 불만족 영역으로 정의될 수 있다.
또한, 상측의 기준 온도선은 불만족 온도 영역과 상한 온도 영역을 구분하는 기준 온도선이다. 따라서, 상측의 기준 온도선 위 영역(C)은 상한 영역 또는 상한 구간으로 정의될 수 있고, 특수 운전 영역으로 볼 수 있다.
한편, 냉장고 제어를 위한 만족/불만족/상한 온도 영역을 정의할 때, 하측의 기준 온도선은 만족 온도 영역에 포함되도록 하는 경우와 불만 온도 영역에 포함되도록 하는 경우 중 어느 하나로 정의될 수 있다. 또한, 상측의 기준 온도선은 불만 온도 영역에 포함되도록 하는 경우와 상한 온도 영역에 포함되도록 하는 경우 중 하나로 정의될 수 있다.
고내 온도가 만족 영역(A) 내에 있는 경우에는 압축기를 구동하지 않으며, 불만족 영역(B)에 있는 경우에 압축기를 구동하여 고내 온도가 만족 영역 내로 들어오도록 한다.
또한, 고내 온도가 상한 영역(C)에 있는 경우는, 고내로 온도가 높은 음식물이 투입되었거나, 해당 저장실의 도어가 개방되어 고내 부하가 급격히 증가한 것으로 보아 부하 대응 운전을 포함하는 특수 운전 알고리즘이 수행될 수 있다.
도 7의 (a)는 냉장실 온도 변화에 따른 냉장고 제어를 위한 기준 온도 선을 보여주는 도면이다.
냉장실의 노치 온도(N1)는 영상의 온도로 설정된다. 그리고 냉장실 온도가 노치 온도(N1)로 유지되록 하기 위하여, 노치 온도(N1)보다 제 1 온도차(d1)만큼 높은 제 1 만족 임계 온도(N11)로 상승하면, 압축기를 구동하도록 제어되고, 압축기 구동 후 상기 노치 온도(N1)보다 상기 제 1 온도차(d1) 만큼 더 낮은 제 2 만족 임계 온도(N12)로 하강하면 압축기를 정지하도록 제어된다.
상기 제 1 온도차(d1)는 상기 냉장실의 노치 온도(N1)로부터 증가 또는 감소된 온도값으로써, 상기 냉장실 온도가 설정 온도인 노치 온도(N1)로 유지되는 것으로 간주되는 온도 구간을 정의하는 제어 디퍼런셜(control differential) 또는 제어 디퍼런셜 온도(control diffetial temperature)로 정의될 수 있으며, 대략 1.5℃일 수 있다.
또한, 냉장실 온도가 노치 온도(N1)로부터 제 2 온도차(d2)만큼 더 높은 제 1 불만족 임계 온도(N13)로 상승하였다고 판단되면 특수 운전 알고리즘이 수행되도록 제어된다. 상기 제 2 온도차(d2)는 4.5℃일 수 있다. 상기 제 1 불만족 임계 온도는 상한 투입 온도로 정의될 수도 있다.
특수 운전 알고리즘이 수행된 이후에 고내 온도가 상기 제 1 불만족 임계 온도보다 제 3 온도차(d3)만큼 더 낮은 제 2 불만족 온도(N14)로 하강하면, 상기 특수 운전 알고리즘의 운전을 종료한다. 상기 제 2 불만족 온도(N14)는 제 1 불만족 온도(N13)보다 낮으며, 상기 제 3 온도차(d3)는 3.0℃일 수 있다. 상기 제 2 불만족 임계 온도(N14)는 상한 해제 온도로 정의될 수 있다.
상기 특수 운전 알고리즘이 종료한 다음에는 압축기의 냉력을 조절하여 고내 온도가 상기 제 2 만족 임계 온도(N12)에 도달하도록 한 후 압축기의 구동을 정지한다.
도 7의 (b)는 냉동실 온도 변화에 따른 냉장고 제어를 위한 기준 온도선을 보여주는 도면이다.
냉동실 온도 제어를 위한 기준 온도선의 형태는 냉장실 온도 제어를 위한 기준 온도선의 형태와 동일하되, 노치 온도(N2) 및 노치 온도(N2)로부터 증가 또는 감소하는 온도 변화량(k1,k2,k3)이 냉장실의 노치 온도(N1)와 온도 변화량(d1,d2,d3)과 다를 뿐이다.
상기 냉동실 노치 온도(N2)는 상술한 바와 같이 -18℃ 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 냉동실 온도가 설정 온도인 노치 온도(N2)로 유지되는 것으로 간주되는 온도 구간을 정의하는 제어 디퍼런셜 온도(k1)는 2℃일 수 있다.
따라서, 냉동실 온도가 노치 온도(N2)보다 제 1 온도차(k1)만큼 증가한 제 1 만족 임계 온도(N21)로 증가하면 압축기를 구동하고, 노치 온도(N2) 보다 제 2 온도차(k2)만큰 증가한 제 1 불만족 임계 온도(상한 투입 온도)(N23)이면 특수 운전 알고리즘이 수행된다.
또한, 압축기 구동 후 냉동실 온도가 노치 온도(N2)보다 제 1 온도차(k1)만큼 낮은 제 2 만족 임계 온도 온도(N22)로 하강하면 압축기 구동을 정지한다.
특수 운전 알고리즘이 수행된 이후 냉동실 온도가 제 1 불만족 온도(N23)보다 제 3 온도차(k3)만큼 낮은 제 2 불만족 임계 온도(상한 해제 온도)(N24)로 하강하면 특수 운전 알고리즘을 종료한다. 압축기 냉력 조절을 통하여 냉동실 온도가 제 2 만족 임계 온도(N22)로 하강하도록 한다.
한편, 심온실 모드가 꺼진 상태에서도 상기 심온실의 온도를 일정 주기를 가지고 간헐적으로 제어하여 심온실 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 심온실 모드가 꺼진 상태에서 상기 심온실의 온도 제어는, 도 7의 (b)에 개시되는 냉동실 온도 제어를 위한 온도 기준선을 따른다.
이와 같이, 심온실 모드가 꺼진 상태에서 냉동실 온도 제어를 위한 기준 온도선이 적용되는 이유는, 심온실이 냉동실 내부에 있기 때문이라고 할 수 있다.
즉, 심온실 모드가 오프되어 심온실을 사용하지 않는 경우라 하더라도, 심온실 내부 온도는 적어도 냉동실 온도와 동일한 수준을 유지하도록 하여야, 냉동실 부하가 증가되는 현상을 방지할 수 있기 때문이다.
따라서, 심온실 모드가 꺼진 상태에서, 심온실 노치 온도는 냉동실 노치 온도(N2)와 동일하게 설정되어, 제 1 및 제 2 만족 임계 온도와 제 1 및 제 2 불만족 임계 온도 또한 냉동실 온도 제어를 위한 임계 온도들(N21,N22,N23,N24)과 동일하게 설정된다.
도 7의 (c)는 심온실 모드가 켜진 상태에서 심온실 온도 변화에 따른 냉장고 제어를 위한 기준 온도 선을 보여주는 도면이다.
심온실 모드가 켜진 상태, 즉 심온실이 온된 상태에서는 심온실 노치 온도(N3)는 냉동실 노치 온도(N2)보다 현저히 낮은 온도로 설정되며, 약 -45℃ ~ -55℃, 바람직하게는 -55℃일 수 있다. 이 경우, 심온실 노치 온도(N3)는 열전 소자(21)의 흡열면 온도에 대응되고, 냉동실 노치 온도(N2)는 열전 소자(21)의 발열면 온도에 대응된다고 할 수 있다.
냉동실 팽창변(15)을 통과한 냉매가 히트 싱크(24)를 통과하므로, 히트 싱크(24)와 접촉하는 열전 소자(21)의 발열면의 온도는 적어도 냉동실 팽창변을 통과한 냉매의 온도에 대응하는 온도로 유지된다. 따라서, 열전 소자의 흡열면과 발열면의 온도차, 즉 ΔT는 32℃가 된다.
한편, 심온실이 설정 온도인 노치 온도(N3)로 유지되는 것으로 간주되는 온도 구간을 정의하는 제어 디퍼런셜 온도(m1), 즉 심온실 제어 디퍼런셜 온도는 냉동실 냉동실 제어 디퍼런셜 온도(k1)보다 높게 설정될 수 있으며, 일례로 3℃일 수 있다.
따라서, 심온실의 제 1 만족 임계 온도(N31)와 제 2 만족 임계 온도(N32) 사이 구간으로 정의되는 설정 온도 유지 간주 구간은 냉동실의 설정 온도 유지 간주 구간보다 넓다고 할 수 있다.
또한, 심온실 온도가 노치 온도(N3)보다 제 2 온도차(m2)만큼 높은 제 1 불만족 임계 온도(N33)로 상승하면 특수 운전 알고리즘이 수행되고, 특수 운전 알고리즘 수행 이후 심온실 온도가 상기 제 1 불만족 임계 온도(N33)보다 제 3 온도차(m3)만큼 낮은 제 2 불만족 임계 온도(N34)로 하강하면 특수 운전 알고리즘을 종료한다. 상기 제 2 온도차(m2)는 5℃일 수 있다.
여기서, 심온실의 제 2 온도차(m2)가 냉동실의 제 2 온도차(k2)보다 높게 설정된다. 다시 말하면, 심온실 온도 제어를 위한 제 1 불만족 임계 온도(N33)와 심온실 노치 온도(N3) 간의 간격이, 냉동실 온도 제어를 위한 제 1 불만족 임계 온도(N23)와 냉동실 노치 온도(N2) 간의 간격보다 크게 설정된다.
이는, 심온실의 내부 공간이 냉동실에 비하여 좁고, 심온 케이스(201)의 단열 성능이 뛰어나기 때문에 심온실 내부로 투입된 부하가 외부로 방출되는 양이 적다. 뿐만 아니라, 심온실 온도가 냉동실 온도에 비하여 현저히 낮기 때문에, 심온실 내부로 음식물과 같은 열부하가 침투하였을 때, 열부하에 대한 반응 민감도가 매우 높다.
이 때문에, 심온실의 제 2 온도차(m2)가 냉동실의 제 2 온도차(k2)와 동일하게 설정될 경우, 부하 대응 운전과 같은 특수 운전 알고리즘의 수행 빈도가 과도하게 높아질 수 있다. 따라서, 특수 운전 알고리즘의 수행 빈도를 낮추어 소비 전력을 절감하기 위하여, 심온실의 제 2 온도차(m2)는 냉동실의 제 2 온도차(k2)보다 크게 설정하는 것이 좋다.
한편, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 냉장고의 제어 방법에 대해서 설명하도록 한다.
이하에서 다수의 조건들 중 적어도 어느 하나를 만족하면 특정 단계를 수행한다고 하는 내용은, 제어부가 판단하는 시점에서 상기 다수의 조건들 중 어느 하나만 만족하면 특정 단계를 수행한다는 의미에 더하여, 다수의 조건들 중 어느 하나만, 또는 일부만, 또는 전부가 반드시 만족되어야 특정 단계를 수행한다는 의미를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는, 냉장고가 놓인 실내의 온도와 냉장실, 냉동실 및 심온실 내부의 온도를 고려하여, 열전 모듈에 인가되는 전압 및 심온실 팬의 출력(또는 속도)을 제어함으로써, 심온실 온도가 안정적으로 유지하도록 하는 제어 방법에 대하여 설명한다.
이를 위해서, 냉장고의 제어부에는 실내 온도 범위에 따라 다수의 실내 온도 구역(Room Temperature Zone : RT Zone)으로 구분하는 룩업 테이블이 저장되어 있을 수 있다. 일례로, 아래 표 1에 보이는 바와 같이, 실내 온도 범위에 따라 8개의 실내 온도 구역(RT Zone)으로 세분화될 수 있으나. 이에 제한되는 것은 아니다.
고온 영역 중온 영역 저온 영역
RT Zone 1 RT Zone 2 RT Zone 3 RT Zone 4 RT Zone 5 RT Zone 6 RT Zone 7 RT Zone 8
T≥38℃ 34℃≤T＜38℃ 27℃≤T＜34℃ 22℃≤T＜27℃ 18≤T＜22℃ 12℃≤T＜18℃ 8℃≤T＜12℃ T＜8℃
더욱 상세히, 실내 온도가 가장 높은 온도 범위 구역을 RT Zone 1(또는 Z1)으로 정의하고, 실내 온도가 가장 낮은 온도 범위 구역을 RT Zone 8(또는 Z8)로 정의할 수 있으며, Z1은 주로 한여름 실내 상태로 볼 수 있고, Z8은 한겨울 실내 상태로 볼 수 있다. 더 나아가, 상기 실내 온도 구역들은 대분류와 중분류 및 소분류 형태로 그룹화되어 분류될 수 있다. 예컨대, 상기 표 1에 보이는 바와 같이, 상기 실내 온도 구역은, 온도 범위에 따라서 저온 구역, 중온 구역(또는 쾌적 영역), 및 고온 구역으로 정의될 수 있다.
예를 들어, 현재 실내 온도가 38℃ 이상의 온도라면, 실내 온도는 RT Zone 1에 속하며, 고온 영역에 해당한다고 볼 수 있다. 여기서, 실내 온도 구역을 정의하는 경계 온도는 표 1에 제한되지 않고 다양하게 설정될 수 있을 것이다.
다른 예로서, 외부 온도가 높은 여름철의 경우, 표 1에 보이는 바와 같이, RT Zone 2 이하를 고온 영역으로 정의할 수 있는 반면, 봄, 가을 또는 겨울의 경우, RT Zone 1부터 3까지 고온 영역으로 정의할 수 있고, RT Zone 4 이상을 저온 영역으로 정의할 수도 있을 것이다.
아래 표 2는 냉장고 운전 상태에 따라 열전 소자에 공급되는 전압을 보여주는 심온실 제어를 위한 열전 소자의 냉력 맵을 보여준다.
심온실 모드가 오프 상태이면, 열전 소자로 전원 공급이 되지 않기 때문에, 아래의 냉력 맵은 기본적으로 현재 심온실 모드가 온 상태일 때 적용된다고 할 수 있다.
상세히, 심온실 모드가 오프인 경우에는, 심온실 온도가 극저온으로 유지되도록 제어되지 않고, 냉동실 온도와 동일한 온도로 유지되도록 제어된다. 따라서, 심온실 모드가 오프일 때에는, 주기적으로 심온실 온도 센서를 온시켜서 심온실 온도를 감지한 다음, 심온실 온도가 냉동실 만족 온도로 유지되도록 심온실 팬의 온오프 주기 및 시간을 제어한다.
본 발명은 심온실 모드가 온 상태일 때의 열전 모듈 출력 제어에 관한 것이므로, 심온실 모드가 오프일 때의 제어 방법에 대한 설명은 생략하기로 한다.
압축기 구동 상태 온 오프
절환 밸브 상태 모두 개방 냉장실 밸브 개방 냉동실 밸브
개방		 모두 잠금
냉동실 상태 비제상 제상 상한
(C)		 불만족
(B)		 만족
(A)		 펌프 다운 비제상 제상
심온실
상태		 상한/
불만족		 실내
고온		 중전압 저전압 역전압 저전압 중전압 제1
고전압		 이전
출력
유지		 저전압 역전압
실내
저온		 제2
고전압
만족 실내
고온		 저전압 저전압 저전압
실내
저온
한편, 상기 표 2에서 보이는 열전 소자의 냉력 맵에 의하면, 기본적으로 심온실이 온 상태에 있고, 심온실 온도가 도 7의 (c)에 보이는 만족 영역(A) 내에 있다고 판단되면, 냉동실 증발기의 제상 운전이 수행되고 있는 중인 경우를 제외하고 모두 저전압이 공급되도록 하며, 이를 저전압 제어 또는 저전압 출력 제어라고 정의한다. 만일, 심온실 온도가 만족 온도 영역으로 진입하여 열전 모듈로의 전원 공급을 차단하면, 열전 소자의 흡열면과 발열면의 온도차(△T)가 형성되지 않고, 열전달 매체로 기능하게 된다. 열전 모듈(20)의 히트 싱크(24)에 흐르는 냉매는 냉동실 온도 수준인 -28℃ 범위로 유지되는 반면, 심온실(202) 내부 온도는 극저온인 -58℃로 유지된다. 그러면, 상기 히트 싱크(24)의 열부하가 상기 열전 모듈(20)를 따라 심온실(202) 내부로 침투하게 된다. 그 결과, 열전도 현상에 의하여 심온실 내부 부하가 자연적으로 증가하게 되는 현상을 초래할 수 있다.
따라서, 심온실 모드가 온 상태일 때에는, 심온실 온도가 만족 온도 영역에 있다하더라도 저전압을 걸어주어, 열전 모듈을 통하여 심온실 내부로 열부하가 침투하지 못하도록 하는 것이 좋다.
또한, 냉동실 제상 운전이 수행될 때에는 열전 모듈(20)에 역전압을 걸어주어 심온실 제상 운전이 함께 수행되도록 한다. 여기서, 냉동실 제상 운전이라 함은, 냉동실 증발기의 제상 운전을 의미하며, 심온실 제상 운전이라 함은 열전 모듈의 콜드 상크 및 히트 싱크 제상 운전을 의미한다.
상세히, 냉동실 제상과 심온실 제상을 함께 수행하지 않으면 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있기 때문에, 냉동실 제상과 심온실 제상을 함께 수행하도록 제어되는 것이 좋다.
첫째, 열전 모듈의 히트 싱크와, 냉동실 증발기가 직렬 연결되어 있는 냉매 순환 시스템에서는 심온실과 냉동실 중 어느 하나가 운전 상태를 유지하기 위해서는 압축기가 구동하여야 한다. 특히, 심온실 냉각 운전을 위해서는 압축기가 최대 냉력으로 구동하여야 한다.
만일, 냉동실 제상 운전만 수행하기 위해서는 압축기 구동을 정지하거나, 냉동실 팽창변 쪽으로 냉매가 흐르지 못하도록 절환 밸브(13)의 개도를 조절하여야 한다. 여기서, 냉동실 밸브를 잠근다고 하는 것의 의미를, 냉동실 팽창변(15) 쪽으로 냉매가 흐르지 못하도록 절환 밸브(13)의 개도를 조절하는 것으로 설명될 수 있다.
동일한 맥락으로, 냉장실 밸브를 잠근다고 하는 것은, 냉장실 팽창변(14) 쪽으로 냉매가 흐르지 못하도록 절환 밸브(13)의 개도를 조절하는 것으로 설명될 수 있다.
동시 운전이라 함은, 냉동실 밸브와 냉장실 밸브를 모두 열어서, 응축기(12)를 통과한 냉매가 냉장실 팽창변(14)과 냉동실 팽창변(15)으로 나뉘어 흐르도록 하는 것으로 설명될 수 있다.
냉동실 제상을 위해서 냉동실 밸브를 잠그면 열전 모듈의 히트 싱크(24)가 방열 작용을 하지 못하기 때문에, 열전 소자의 흡열 능력이 저하되고, 발열면으로부터 흡열면 쪽으로 열 역류가 일어나서 심온실 부하가 증가하는 문제를 초래할 수 있다.
둘째, 심온실 제상을 위해서 열전 모듈에 역전압을 걸면, 열전 모듈의 발열면은 흡열면이 되어, 히트 싱크(24)를 따라 흐르는 냉매로부터 열을 흡수하여 콜드 싱크(22)로 전달하게 된다. 그러면, 콜드 싱크(22)에 생성된 성에가 녹아서 심온실 외부로 흘러나가고, 심온실 외부로 흘러나가는 제상수는 냉동 증발실로 유입된다.
냉동 증발실로 유입되는 제상수는, 영하 온도(-28℃)로 유지되는 냉동 증발실의 벽면에서 결빙되거나, 냉동실 증발기(17)의 일측 표면에 결빙되는 편착상을 유발할 수 있다.
뿐만 아니라, 심온실 제상을 위해서 역전압을 걸어주면, 히트 싱크(24)를 따라 흐르는 냉매가 열을 빼앗기면서 액화되어, 압축기 입구의 석션 파이프로 액상 냉매가 유입되는 현상을 초래할 수 있다.
특히, 냉동실 온도가 만족 상태에 있거나, 냉동실 팬의 운전률이 낮은 조건, 즉 실내 온도가 저온 영역에 속하는 경우에는 냉동실 증발기를 통과하는 냉매가 충분히 기화되지 못하여, 석션 파이프 쪽으로 액냉매가 유입되고, 결과적으로 압축기의 효율을 떨어뜨리는 문제를 초래할 수 있다.
셋째, 심온실 제상을 위해서 열전 모듈에 역전압을 걸면, 콜드 싱크(22)는 영상의 온도로 상승하는 반면, 히트 싱크(22)는 냉매 온도 -28℃로 유지되기 때문에, 흡열면과 발열면의 온도차(△T)가 커져서 열전 모듈의 냉력 저하를 초래하고, 냉력이 저하되면 효율(COP)도 함께 저하되는 문제가 발생한다.
이러한 이유 때문에, 냉동실 제상과 심온실 제상은 함께 수행되도록 하는 것이 좋다.
한편, 냉동실 제상 중 열전 모듈에 걸어주는 역전압은 최대 역전압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 최대 역전압은, 열전 모듈에 걸어주는 최대 정전압과 절대값이 같고 방향만 다른 전압을 의미한다. 최대 역전압을 공급하여 콜드 싱크(22)에 착상된 성에가 단시간에 신속하게 제거되도록 하는 것이 좋다.
또한, 현재 냉동실 밸브와 냉장실 밸브가 모두 개방된 동시 운전 모드이고, 심온실 온도가 불만족 영역 이상의 온도라고 판단되면, 열전 모듈로 중전압이 공급되도록 할 수 있다.
상세히, 동시 운전 모드에서는, 냉장실 냉각과 냉동실 냉각이 함께 수행되고 있기 때문에, 열전 모듈(20)로 고전압을 걸어줄 경우, 냉동실 온도가 만족 온도 영역으로 진입하는데 걸리는 시간이 길어지는 문제가 발생한다.
냉각 운전을 위해서는 노치 온도(N)가 높게 설정된 저장실을 우선으로 냉각하는 것이, 고내 온도의 급격한 상승을 막고 동시에 음식물의 변질을 최소화하는데 유리하다.
따라서, 냉동실과 심온실 모두 냉각이 필요할 경우에는 냉동실을 우선하여 냉각시킨 뒤 심온실을 냉각시키는 것이 좋다. 여기서, 심온실 냉각을 중단(pause)한 상태에서 냉동실만 냉각하기보다, 심온실과 냉동실을 함께 냉각시키는 것이 유리할 수 있다.
따라서, 동시 운전 중에 심온실 냉각이 필요한 상황이 발생하면, 열전 모듈로 중전압을 공급하여, 냉동실 팽창변(15)을 통과한 냉매의 냉력이 심온실과 냉동실로 적절히 분배되도록 하는 것이 좋다.
한편, 냉장실 밸브만 개방되어, 냉장실 증발기 쪽으로만 냉매가 흐르는 냉장실 단독 운전의 경우, 열전 모듈(20)의 히트 싱크(24) 쪽으로는 저온의 냉매가 흐르지 않는다.
다시 말하면, 냉장실 단독 운전 중일 때에는 열전 모듈(20)의 히트 싱크(24)가 방열 수단으로서 기능을 못한다고 볼 수 있다. 이 경우에는, 상술한 바와 같이, 열전 모듈(20)이 열부하를 심온실로 전달하는 열전도체로 기능하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
따라서, 현재 냉장실 단독 운전 모드이고, 냉동실 제상 운전 모드가 아닐 경우, 최소한의 전압을 공급하는 것이 바람직하다. 즉, 열전 모듈(20)로 저전압을 공급하여, 히트 싱크(24)로 전달되는 열을 최소화하는 것이 좋다.
이하에서는 냉동실 밸브만 개방되어, 냉매가 냉동실 증발기 쪽으로 흐르는 경우 열전 소자(21)의 출력 제어에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 열전 모듈(20)의 히트 싱크(24)와 냉동실 증발기(17)가 직렬 연결되는 냉매 순환 시스템에서는, 냉동실 냉각 또는 심온실 냉각을 위하여 냉동실 밸브가 개방되면 냉매가 상기 히트 싱크(24)와 냉동실 증발기(17)를 따라 흐르게 된다. 이 경우, 압축기는 최대 출력으로 운전하게 된다.
먼저, 냉동실 온도가 도 7의 (b)에 보이는 상한 온도 영역(C)에 있는 경우, 냉동실을 신속히 우선 냉각하는 것이 중요하다. 따라서, 냉동실 온도가 상한 온도 영역에 있는 경우에는 열전 소자(21)에 저전압을 걸어주어, 냉동실 증발기(17)로 유입되는 냉매의 냉력이 부족하여 냉동실 냉각 시간이 길어지지 않도록 한다.
만일, 상기 냉동실 온도가 도 7의 (b)에 보이는 불만족 온도 영역(B)에 있는 경우에는 상기 열전 소자(21)에 중전압을 걸어주어, 심온실과 냉동실의 냉각 속도가 비슷하게 유지되도록 할 수 있다. 다시 말하면, 두 저장실의 냉각 완료 시점 간의 시간 차가 적어지도록 하여, 압축기 구동 시간을 단축시켜 냉매 순환 시스템의 효율을 극대화할 수 있다.
상기 냉동실 온도가 도 7의 (c)에 보이는 만족 온도 영역(A)에 있는 경우에는, 상기 열전 소자(21)에 고전압을 걸어주어, 심온실 온도가 만족 온도 영역으로 신속하게 진입하도록 한다. 상기 냉동실이 만족 온도 영역에 있으면, 냉동실 팽창변을 통과하는 냉매의 냉력을 최대한 심온실 냉각에 사용될 수 있기 때문에, 열전 소자(21)에 고전압을 걸어주는 것이 좋다.
이때, 현재 실내 온도가 어느 온도 영역에 있는지에 따라서 열전 소자에 걸리는 전압을 다르게 설정할 수 있다. 일례로, 실내 온도가 고온 영역에 속한다고 판단되는 경우, 제 1 고전압이 열전 소자에 걸리도록 할 수 있고, 실내 온도가 고온 영역에 속하지 아니한다고 판단되는 경우에는 제 1 고전압보다 낮은 제 2 고전압이 열전 소자에 걸리도록 할 수 있다. 상기 제 1 고전압과 제 2 고전압은 각각 고전압 범위의 상한 임계치와 하한 임계치일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 냉동실 냉각 운전이 수행되는 동안, 열전 소자(21)에 걸리는 전압이 일정하게 유지되도록 제어할 수도 있지만, 냉동실 온도가 낮아질수록 열전 소자(21)에 걸리는 전압이 증가하도록 제어될 수도 있을 것이다.
일례로, 상기 표 2에 보이는 바와 같이, 냉동실 온도가 상한 온도 영역에서 불만족 온도 영역으로 진입할 때, 상기 열전 소자에 걸리는 전압 값도 변하도록 설계될 수 있다.
다른 예로서, 냉동실 온도가 감소하지만 온도 영역이 바뀌지 않는 경우라 하더라도 냉동실 온도 감소에 반비례하여 열전 소자에 걸리는 전압이 증가하도록 설계될 수 있다. 구체적으로, 냉동실 온도가 상한 온도 또는 불만족 온도 영역 중 어느 하나의 영역에서 설정 온도만큼 떨어지면, 열전 소자에 걸리는 전압이 설정 값만큼 증가하도록 할 수도 있을 것이다.
한편, 심온실 온도가 불만족 온도 이상이고, 상태가 펌프 다운(pump down) 운전 중일 경우에는, 펌프 다운 직전에 열전 소자(21)에 공급된 전압이 걸리도록 할 수 있다.
펌프 다운 운전은, 냉장고의 저장실들이 모두 만족 온도 영역에 진입한 경우, 냉매 순환 시스템의 운전을 정지하기 전에, 증발기들에 모여 있는 냉매를 응축기로 집중시켜, 다음 운전 때 냉매 부족 현상이 발생하지 않도록 하는 운전 모드이다.
펌프 다운 운전에 진입하면, 먼저 절환실 밸브(13)를 닫아서 냉매가 증발기로 유입되지 못하도록 한다. 그 다음, 압축기를 구동시켜서 증발기에 모여 있는 냉매를 모두 흡입 및 압축하여 응축기로 공급한다.
일반적으로, 펌프 다운 운전 시작 전에는 심온실 온도가 만족 온도 영역에 있을 가능성이 높다. 따라서, 펌프 다운 운전 시에는 열전 소자에 저전압이 걸리는 경우가 많으나, 심온실에 부하가 투입되어 심온실 부하 대응 운전이 수행된 후 펌프 다운 운전이 수행되는 경우에는 고전압이 걸릴 수도 있다.
다른 방법으로서, 펌프 다운 과정에서 냉매가 증발실을 빠져나가는 동안, 증발실을 빠져나가는 냉매의 냉력을 최대한 심온실 냉각에 활용하기 위하여, 열전 소자에 최대 전압이 걸리도록 할 수도 있다.
상세히, 심온실의 온도는 극저온 상태이므로, 과냉 현상으로 인한 문제가 발생할 여지가 매우 낮다. 따라서, 냉매의 냉력을 최대한 사용하여 심온실을 냉각시키면, 펌프 다운이 종료되고, 다음 사이클이 시작될 때까지의 주기가 길어지므로, 소비 전력 절감 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는, 열전 소자의 출력 제어를 위한 전압 범위를 설정하는 방법에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 고내 상황에 따라 열전 소자에 걸리는 전압이 다르게 설정되고, 설정된 전압은 고전압, 중전압, 저전압으로 구분될 수 있다.
도 8은 저전압과 고전압 범위를 결정하는 기준을 설명하기 위해 제시되는 전압과 열전 소자의 냉력과의 상관 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 열전 소자의 출력 제어를 위한 저전압 상한값을 결정하는 방법 중의 일례로서, 심온 케이스(201)의 단열부하에 대응하는 냉력을 내기 위해서 요구되는 전압을 저전압 상한값으로 결정할 수 있다.
여기서, 심온 케이스(201)의 단열 부하(Watt)는, 심온 케이스의 단열 능력에 의하여 정해지는 값으로서, 냉동실과 심온실의 온도차로 인하여 냉동실로부터 심온실로 침투하는 열부하량으로 정의될 수 있다. 상기 단열 부하의 단위는 냉력과 동일하다.
상세히, 심온실의 단열 부하는 심온실의 내부와 외부를 단열벽으로 구획한 상태에서, 심온실 내부에 별도의 열부하가 투입되지 않는 경우에도, 심온실 내부와 외부의 온도차에 의하여 발생하는 열손실량 또는 심온실 내부로 침투하는 열부하량으로 정의될 수 있다. 심온실의 단열 부하(Qi)에 대한 식은 아래와 같다.
Figure pat00005
,
U : 총괄 열전달 계수(over-all coefficient of heat transfer)
A : 열전달 면적
Th : 심온실 외부 온도
Tl : 심온실 내부 온도
또한, 상기 열전 모듈의 냉력 (Qc) 그래프는 전압의 2차 함수(또는 전류의 2차 함수)로 정의되므로, 도 8에 보이는 바와 같이, 단열 부하(Qi)가 산출되면, 산출된 단열 부하(Qi)에 대응하는 냉력을 내는데 필요한 전압, 소위 “최소 단열 부하 전압(Va)”과 “최대 단열 부하 전압(Va1)”이 정해진다.
따라서, 상기 최소 단열 부하 전압 이상이고, 최대 단열 부하 전압 이하의 전압이 상기 열전 모듈에 인가되면, 열전 모듈의 냉력이 심온실의 단열 부하를 제거할 수 있기 때문에, 심온실의 온도를 낮출 수 있다.
반면, 상기 최소 단열 부하 전압보다 낮은 전압 또는 상기 최대 단열 부하 전압보다 높은 전압이 상기 열전 모듈에 인가되면, 열전 모듈의 냉력이 심온실의 단열 부하를 완전히 제거하지 못하기 때문에, 심온실의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지할 수는 있으나, 심온실 온도를 낮출 수는 없다.
따라서, 상기 열전 소자에 걸리는 저전압(VL)은,
Figure pat00006
를 만족하는 전압값으로 결정될 수 있다.
일례로, 도 8의 그래프에 보이는 바와 같이, ΔT가 30℃인 열전 소자를 사용하고, 단열 부하가 20W 미만이라고 가정하면, 열전 소자에 걸리는 저전압(VL)은 10V 미만인 값으로 결정될 수 있다.
한편, 열전 소자에 걸리는 고전압의 상한을 결정하기 위해서는 도면에 개시되는 전압-냉력 그래프에서, 전압 변화에 따른 열전 모듈의 냉력 변화율(
Figure pat00007
) 이 0이 되는 전압값(Vb)(이하 “냉력 임계 전압”)이 고전압의 상한값으로 결정될 수 있다.
상세히, 냉력 그래프를 참조하면, 열전 소자에 인가되는 전압값이 증가할 수록, 즉 열전 소자에 걸리는 전압차가 커질수록, 열전 소자의 냉력이 증가한다.
그러나, 열전 소자에 걸리는 전압이 냉력 임계 전압을 초과하면, 냉력은 오히려 감소하는 특성을 보인다.
따라서, 냉력이 최대가 되고 냉력 변화율이 0이 되는 임계점에서의 전압값(Vb)을 고전압(VH)의 상한값으로 결정할 수 있다.
일례로, ΔT가 30℃인 열전 소자를 사용하는 경우를 가정하면, 열전 소자에 걸리는 고전압(VH)은 약 35V로 결정될 수 있다.
도 9는 고전압 범위 및 중전압의 범위를 결정하는 기준을 설명하기 위해 제시되는 전압 대비 열전 소자의 냉력 및 효율과의 상관 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8에서 저전압(VL)과 고전압(VH)의 범위를 결정하는 기준을 설명하였다. 상기 고전압(VH)는 경우에 따라 제 1 고전압(VH1)과 상기 제 1 고전압(VH1)보다는 낮은 전압인 제 2 고전압(VH2), 및 후술할 중전압(VM)와 같이 2개 이상의 범위로 구분하여 사용할 수 도 있음을 밝혀둔다.
도 9를 참조하면, 열전 소자에 걸리는 고전압 범위를 결정하기 위해서, 도 8에서 설명된 바와 동일하게, ΔT가 30℃인 열전 소자를 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하도록 한다.
도면 상에서, 그래프 G1은 열전 소자의 효율 그래프이고, G2는 냉력 그래프이다. 상기 냉력 그래프 G2는, 도 8의 그래프 중 전압이 30V 미만인 구간에서의 냉력 그래프이다.
도 8에서 설명된 바와 같이, 냉력 변화율이 0이되는 지점에서의 전압값(Vb)을 열전 소자에 인가되는 고전압으로 결정하는 것을 가정한다.
그러면, 상기 고전압이 열전 소자에 인가되었을 때, 열전 소자의 냉력은 최대가 되기 때문에 유리할 수 있으나, 열전 소자의 효율(COP)은 감소하는 구간이므로 열전 소자의 효율 측면에서는 불리하다고 할 수 있다.
따라서, 열전 소자에 걸리는 고전압의 상한을 결정하기 위해서는, 전압-효율 그래프에서, 전압 변화에 따른 열전 모듈의 효율 변화율(
Figure pat00008
) 이 0이 되는 전압값(이하 “효율 임계 전압”)(Vc)을 더 고려할 필요가 있다.
상세히, 상기 열전 모듈에 인가되는 전압이 상기 효율 임계 전압에 도달할 때까지는 열전 소자의 효율뿐만 아니라 냉력도 함께 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 상기 열전 모듈에 인가되는 전압이 상기 효율 임계 전압을 초과하면 냉력은 증가하지만, 효율을 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 열전 소자에 걸리는 고전압은 효율 임계 전압으로 결정될 수 있다.
여기서, 효율 임계 전압을 초과하는 경우, 열전 소자의 효율은 감소하지만 냉력은 계속해서 증가하기 때문에, 심온실의 전체적인 상황을 고려할 때, 효율 손실을 감수하고 냉력값을 취하는 것이 유리할 수도 있다.
따라서, 열전 소자의 고전압(VH)은 아래의 범위 내의 전압으로 결정될 수 있다.
Figure pat00009
,
w1 : 효율 임계 전압 감소 폭,
w2 : 효율 임계 전압 증가 폭
상기 w1은 0.8일 수 있고, 상기 w2는 1.2일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 효율 임계 전압(Vc)이 14V라고 가정하면, 열전 모듈의 고전압(VH) 범위는 11.2V 이상 16.8V이하로 설정될 수 있고, 바람직하게는 11V 이상 17V 이하로 설정될 수 있다.
또한, 상기 고전압(VH)의 범위가 결정되면, 중전압(VM)의 범위도 아래와 같이 결정될 수 있을 것이다.
Figure pat00010
도 10은 열전 소자의 고전압 상한값을 설정하는 기준을 설명하기 위해 제시되는 전압 대비 심온실 온도 변화 관계를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 열전 소자에 인가되는 고전압(VH)의 상한값을 결정하기 위해서, 다음과 같은 기준을 적용할 수 있다.
상세히, 열전 소자에 인가되는 고전압의 상한값은, 심온실 온도 변화량 또는 온도 변화율(
Figure pat00011
)이 설정값(F1) 이하 또는 미만이 되는 시점에서의 온도 임계 전압(Vd)으로 정의될 수 있다. 여기서, τ는 온도 변화량, dV는 전압 변화량을 의미한다.
상기 설정값(F1)은 열전 소자의 규격과 심온 케이스(201)의 단열 부하 등에 따라 다르게 설정될 수 있을 것이다.
일례로서 온도 변화량이 0.1℃ 미만이 되는 전압을 고전압의 상한값으로 정한다고 가정하면, 도 10의 그래프에서 온도 변화량이 0.1℃ 미만이 되는 시점에서의 공급 전압은 대략 16V임을 확인할 수 있다.
지금까지의 내용을 정리하면, 열전 소자에 인가되는 전압의 범위는 아래 표 3 같이 정의될 수 있다.
저전압 중전압 고전압
0 ~ 11V 11V ~ 13V 13V ~ 17V
표 2에서 보이는 열전 소자의 출력 제어를 위해 설정되는 저전압은 5V, 중전압은 12V, 제 1 고전압은 16V, 및 제 2 고전압은 14V일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 적용되는 열전 소자의 규격(specification)에 따라 달라질 수 있다. 이는, 열전 소자의 규격에 따라 공급 전압에 따른 열전 소자의 냉력과 효율이 다르기 때문에, 각 구간별 임계 전압도 다르게 설정되어야 하는 것은 자명하다 할 것이다.
한편, 아래 표 4는 표 2에서 보이는 열전 소자의 출력에 대응하는 심온실 팬의 구동 속도를 보여준다.
도 11은 심온실 모드가 온일 때 냉장고의 운전 모드에 따른 심온실 팬의 구동 제어 방법을 보여주는 플로차트이다.
이하에서는, 표 4와 도 11을 참조하여, 냉장고 운전 상태에 따라 열전 소자에 걸리는 전압 및 심온실 팬의 구동 속도 제어 방법에 대하여 설명하도록 한다.
압축기 구동 상태 온 오프
절환 밸브 상태 모두 개방 냉장실 밸브
개방		 냉동실 밸브
개방		 모두 잠금
냉동실 상태 비제상 제상 상한
(C)		 불만족
(B)		 만족
(A)		 펌프
다운		 비제상 제상
심온실
상태		 상한/
불만족		 실내
고온		 저속 정지 정지 저속 저속 중속 정지 또는 저속 정지 정지
실내
저온
만족 실내
고온		 정지 정지 정지
실내
저온
심온실 모드가 온 상태라 함은, 사용자가 심온실 모드 실행 버튼을 눌러 심온실 모드가 수행 가능한 상태에 있다는 것을 의미한다. 따라서, 심온실 모드가 온된 상태에서는, 특정 조건이 만족되면 열전 모듈로 전원이 즉시 인가될 수 있다.
반대로 심온실 모드가 오프 상태라 함은, 열전 모듈로의 전원 공급이 차단되어 있는 상태를 의미한다. 따라서, 예외적인 경우를 제외하고는 열전 모듈과 심온실 팬으로의 전원 공급이 이루어지지 않는다.
한편, 상기 도 8 내지 도 10을 통해 설명된 제어방법은, 상기 심온실 외에도 저장실 A의 열전모듈에 인가되는 전압을 제어하는 방법에도 적용될 수 있다.
도 11을 참조하면, 심온실 모드가 온 상태이면(S110), 제어부에서는 현재 운전 모드가 심온실이 미운전 상태인지 여부를 판단한다(S120). 심온실이 미운전 상태인지 여부를 판단한다는 것은, 현재 냉장고 운전 조건이 냉장실 단독 운전 상태인지 또는 현재 심온실 온도가 만족 상태인지 여부를 판단하는 것으로 설명될 수 있다.
여기서 심온실이 만족 상태라 함은, 심온실의 온도가 도 7의 (c)에 보이는 심온실 만족 온도 영역(A)에 있는 것을 의미한다.
냉장실 단독 운전이라 함은, 냉장실 냉각을 위하여 상기 절환 밸브(13)가 냉장실 팽창변(14) 쪽으로 절환되어, 냉매가 냉장실 팽창변(14) 쪽으로만 흐르는 상황을 의미한다.
냉장실 단독 운전 중이거나 심온실 온도가 만족 상태이면 심온실 팬을 정지하거나 정지 상태를 유지한다(S130). 냉장실 단독 운전 중인 경우, 냉동실 팽창변(15) 쪽으로는 냉매가 흐르지 않기 때문에, 히트 싱크(24)로도 냉매가 흐르지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 이 상태에서는 열전 모듈이 냉각 부재의 기능을 수행하지 못하는 상태이기 때문에, 심온실 팬(25)은 구동하지 않도록 제어된다.
이 상태에서는, 표 2에 보이는 바와 같이 냉장실 단독 운전 중이고 냉동실 제상 운전이 아니라면 열전 소자에는 저전압이 걸리도록 한다.
현재 심온실 온도가 만족 온도 상태라고 하면 굳이 심온실 팬을 구동할 필요가 없으므로, 심온실 팬(25)이 구동하지 않도록 제어되는 것은 당연하다고 할 것이다. 따라서, 표 3에 보이는 바와 같이, 심온실 온도가 만족 온도 상태이면, 심온실 팬은 정지 또는 정지 상태를 유지하도록 제어된다.
제어부에서는 심온실 팬의 정지 시간이 설정 시간(t1) 이상 지속되고 있는지 여부를 판단한다(S140). 여기서 설정 시간(t1)은 60분일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
심온실 내부의 극저온 상태에서 심온실 팬이 장시간 정지 상태를 유지하게 되면, 심온실 팬과 회전축이 결빙되어 전원이 인가되어도 회전하지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 설정 시간(t1) 이상 심온실 팬의 정지 상태가 유지되는 경우, 제어부에서는 심온실 팬이 저속으로 구동하도록 한다(S150). 제어부에서는 설정 시간(t2)이 경과하면 심온실 팬을 정지시키고(S160), 냉장고 전원이 오프되었는지 여부를 판단하여(S170), 심온실 팬 구동 알고리즘을 종료하거나, 계속하여 반복 수행하도록 한다.
여기서 심온실 팬이 저속으로 구동하는 상기 설정 시간(t2)은 10초일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 냉장실 단독 운전 중인지 여부를 판단하는 단계(S120)에서, 냉장실 단독 운전이 아니고 심온실 온도도 만족 상태가 아니라고 판단되면, 냉동실 도어가 개방된 상태인지 여부를 판단하는 과정이 수행된다(S180). 여기서, 냉장실 단독 운전이 아니라는 것은, 냉동실 단독 운전 또는 냉장실과 냉동실을 동시에 냉각시키는 동시 운전 중 어느 하나의 상태임을 의미한다고 할 수 있다.
상기 냉동실 도어가 개방된 상태인 것으로 판단되면 상기 심온실 팬은 정지하거나 정지 상태를 유지하는 단계(S130)로 넘어가도록 한다. 냉동실 도어가 개방된 상태에서는 냉동실 내부 또는 심온실 드로어를 개방하여 음식물을 투입하거나 음식물을 꺼내는 상황이 발생할 수 있기 때문에, 외부 공기가 냉동실 또는 심온실로 침투할 가능성이 높다고 할 수 있다. 따라서, 냉동실 도어가 개방된 상태라고 판단되면 심온실 팬이 구동하지 않도록 제어된다.
또한, 냉동실 도어가 닫힌 상태라고 판단되면, 상기 제어부에서는 냉동실 운전 시작 후 설정 시간(t3)이 경과하였는지 여부를 판단한다(S190). 만일, 현재 시점이 냉동실 운전 시작 후 설정 시간이 경과하지 않은 상태라고 판단되면 상기 심온실 팬이 정지하거나 정지 상태를 유지하는 단계(S130)로 넘어간다.
즉, 현재 심온실 모드가 온 상태라고 판단된 경우, 제어부는 현재 운전 조건이 앞서 설명한 단계 S120, 단계 S180, 단계 S190의 조건 중 적어도 하나가 만족되면, 단계 S130로 넘어가도록 냉장고를 제어하는 것으로 요약할 수 있다. 이는 곧, 단계 S120, 단계 S180, 단계 S190의 조건이 모두 만족되는 경우를 포함하는 것으로 해석되어야 함은 당연하다.
또한, 상기 단계 S180과 S190의 과정은 순차적으로 수행하되 수행 순서에는 제한이 없음을 밝혀둔다.
냉동실 운전 초기에는 냉동실 온도를 설정 수준으로 낮추는 것이 중요하기 때문에, 일정 시간 동안은 냉동실 팽창변(15)을 통과한 냉매가 냉동실 냉기와 집중적으로 열교환하도록 제어된다.
상기 설정 시간(t3)은 90초일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 냉동실 운전 시작 후 설정 시간(t3)이 경과하였다고 판단되면, 상기 제어부에서는 현재 냉동실 온도가 만족 온도인지 여부를 판단한다(S200).
즉, 현재 심온실 모드가 온 상태라고 판단된 경우, 제어부는 현재 운전 조건이 앞서 설명한 단계 S120, 단계 S180, 단계 S190의 조건을 모두 만족하지 않으면, 단계 S200으로 넘어가도록 하는 것으로 요약될 수 있다.
냉동실 온도가 만족 온도가 아니라고 판단되면 심온실 팬을 저속 구동하여(S220), 냉동실 온도가 신속히 도 7의 (c)에서 보이는 만족 영역(A)까지 냉각되도록 한다. 즉, 표 2에서 냉동실 온도가 상한 온도 영역 및 불만족 온도 영역 중 어느 하나에 속하는 경우에는 심온실 팬을 저속으로 구동하도록 한다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 냉동실 온도가 불만족 온도 영역에 있는 경우에는 심온실 팬이 중속으로 구동하도록 제어되는 것도 가능함을 밝혀둔다.
반면, 냉동실 온도가 현재 만족 영역에 있다고 판단되면 심온실 팬을 중속으로 구동하여(S210), 심온실이 설정 온도까지 냉각되도록 한다. 냉동실 온도가 만족 온도인 경우, 냉동실 팬이 구동하지 않아서 냉동실 증발기(17)에서는 실질적으로 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 상기 히트 싱크(24)를 통과하는 냉매가 상기 심온실 냉기와 열교환하여 심온실 온도가 설정 온도로 신속히 냉각되도록 심온실 팬의 회전 속도를 높이는 것이 좋다.
한편, 심온실 팬이 저속 또는 중속으로 구동하고 있는 중에는 심온실 온도가 만족 영역으로 진입하였는지가 지속적으로 판단된다. 즉, 심온 모듈의 전면에 장착되어 심온실 냉기에 노출된 심온실 온도 센서(미도시)에서는 지속적으로 심온실 온도를 감지하고, 감지 결과를 제어부로 전송한다.
상기 제어부에서는 전송된 심온실 온도 감지값을 기반으로 심온실 온도가 만족 영역(A)으로 진입하였는지 여부를 판단하게 된다(S230).
심온실 온도가 만족 상태가 아니라고 판단되면, 냉동실 도어가 개방되었는지 여부를 판단하는 단계(S180)로 되돌아가서 이후 과정을 반복 수행한다.
그러나 본 발명은 단계 S180으로 되돌아가는 것에 제한되지 않고, 단계 S120, S190, 및 S200 중 어느 하나로 되돌아 가도록 제어되는 것도 가능함을 밝혀둔다.
여기서, 심온실 팬이 저속 또는 중속으로 구동하고 있는 도중에 사용자가 냉동실 도어를 개방하는 상황이 발생할 수 있고, 이 경우에는 심온실 팬을 즉시 중지시킬 필요가 있다. 따라서, 심온실 팬이 구동하고 있고, 심온실 온도가 만족 영역에 있지 않은 경우에는 제어부에서 지속적 또는 주기적으로 냉동실 도어의 개방 여부를 감지할 필요가 있다.
심온실 온도가 만족 영역으로 하강하였다고 판단되면, 상기 심온실 팬은 저속으로 구동하도록 제어된다(S240). 만일 심온실 온도가 불만족 상태에서도 저속으로 구동하고 있었으면, 저속 운전을 계속 유지하고, 중속 이상으로 구동하고 있었으면 저속으로 속도 가변되도록 한다.
심온실 온도가 만족 영역에 있는 상태에서 심온실 팬의 저속 구동 시간이 설정 시간(t4)을 경과하였다고 판단되면(S250), 심온실 팬을 정지하는 단계(S130)로 넘어가도록 제어된다. 심온실 팬의 정지 시간이 설정 시간(t1)을 초과하였는지 여부를 판단하는 단계가 반복 수행되도록 한다. 상기 설정 시간(t4)은 90초 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 심온실 온도가 만족 영역 내로 들어온 이후에도 설정 시간(t4) 동안 심온실 팬을 더 구동시키는 이유는 다음과 같다. 상세히, 심온실 냉각 운전이 종료하여 열전 소자(21)로 공급되는 전원이 차단되더라도, 상기 모듈(20)의 콜드 싱크(22)는 심온실 온도 이하의 상태를 일정 시간 유지하기 때문에, 콜드 싱크(22)에 남아 있는 냉기를 최대한 심온실 냉기로 공급하기 위함이라고 할 수 있다.
다시 말하면, 열전 소자로 전원 공급이 차단된 이후에도, 콜드 싱크(22)의 온도가 심온실 온도 미만인 상태를 유지하는 동안은, 심온실 냉기와 콜드 싱크(22)가 열교환하도록 하여, 콜드 싱크(22)가 심온실 냉기로부터 열을 더 흡수하도록 하기 위함이다.
이와 같이, 콜드 싱크(22)에 남은 잔냉기를 최대한 활용하면 열전 모듈의 냉력과 효율이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 심온실 온도가 만족 온도 영역에 진입하면 심온실 팬을 추가 구동하는 단계 S240 및 S250을 수행하지 않고 바로 심온실 팬을 정지하는 단계 S130으로 넘어가도록 하는 것도 가능하다.
다른 예로서, 현재 심온실 모드가 온 상태라고 판단된 경우, 제어부는 현재 운전 조건이 앞서 설명한 단계 S120, 단계 S180, 단계 S190의 조건을 모두 만족하지 않으면, 냉동실 온도 만족 여부를 별도로 판단하지 않고 무조건 심온실 팬을 특정 속도로 구동하도록 하는 제어도 가능하다. 여기서 특정 속도는 저속과 중속 외에 다른 속도도 포함할 수 있음을 밝혀둔다.
다른 실시예로서, 단계 S120, S180, 및 S190 중 적어도 어느 하나만 만족하지 않아도 바로 단계 S200으로 넘어가도록 하거나, 바로 심온실 팬을 상기 특정 속도로 회전하도록 하는 단계로 넘어가도록 하는 것도 가능하다.

Claims (20)

  1. 냉장실;
    상기 냉장실과 구획되는 냉동실;
    상기 냉동실 내부에 수용되고, 상기 냉동실과 구획되는 심온실;
    상기 심온실의 온도를 냉동실 온도보다 낮은 온도로 냉각하도록 제공되는 열전 모듈;
    상기 심온실 내부의 온도를 감지하는 온도 센서;
    상기 심온실 내부 공기를 강제 유동시키는 심온실 팬; 및
    상기 열전 모듈 및 상기 심온실 팬의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 냉장고의 제어 방법에 있어서,
    심온실 모드가 온 상태이면, 상기 냉장고의 운전 모드에 따라 상기 열전 모듈에 저전압, 중전압, 고전압 및 역전압 중 어느 하나가 걸리도록 제어되고,
    상기 심온실의 온도가 만족 온도 영역에 있다고 판단되면,
    상기 제어부는, 상기 열전 모듈에 저전압이 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 심온실 온도가 만족 온도 영역에 진입하면, 상기 심온실 팬은 설정 시간 동안 저속 구동 한 후 정지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    냉동실 제상 운전이 시작되면, 상기 열전 모듈에 역전압이 걸리도록 하여, 냉동실 제상 운전과 심온실 제상 운전이 함께 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    현재 냉장고가 동시 운전 모드에 있다고 판단되면,
    상기 심온실 온도에 따라 상기 열전 모듈에 걸리는 전압이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 심온실 온도가 만족 온도 영역 내에 있다고 판단되면, 상기 열전 모듈에 저전압이 걸리도록 하고,
    상기 심온실 온도가 만족 온도 영역 밖에 있다고 판단되면, 상기 열전 모듈에 중전압 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    현재 냉장고가 냉장실 단독 운전 모드에 있다고 판단되면, 상기 열전 모듈에 저전압이 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉장실 단독 운전 모드에서 상기 심온실 팬은 정지 또는 정지 상태를 유지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    현재 냉장고가 냉동실 단독 운전 모드에 있고, 상기 심온실 온도가 불만족 온도 영역 이상의 온도라고 판단되면,
    상기 냉동실의 온도와 실내 온도 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 열전 모듈에 걸리는 전압이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉동실 단독 운전 모드에서, 냉동실 온도가 상한 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 열전 소자에 저전압이 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉동실의 온도가 불만족 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 열전 소자에 중전압이 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉동실의 온도가 상한 온도 또는 불만족 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 심온실 팬은 저속으로 구동하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉동실의 온도가 만족 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 열전 소자에 고전압이 걸리도록 하는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉동실의 온도가 만족 온도 영역에 있다고 판단되면, 상기 심온실 팬은 중속으로 구동하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  14. 냉장실;
    상기 냉장실과 구획되는 냉동실;
    상기 냉동실 내부에 수용되고, 상기 냉동실과 구획되는 심온실;
    상기 심온실 내부의 온도를 감지하는 온도 센서;
    상기 심온실 내부 공기를 강제 유동시키는 심온실 팬;
    상기 심온실을 향하는 흡열면과, 상기 흡열면의 반대면으로 정의되는 발열면을 포함하는 열전 소자와, 상기 흡열면에 접촉하며, 상기 심온실 일측에 놓이는 콜드 싱크와, 상기 발열면에 접촉하는 히트 싱크를 포함하며 심온실의 온도를 냉동실 온도보다 낮은 온도로 냉각하도록 제공되는 열전 모듈; 및
    심온실 냉각을 위한 심온실 냉각 운전과, 상기 열전 모듈에 생성된 성에나 얼음을 제거하기 위한 심온실 제상 운전이 충돌하면, 심온실 제상운전을 우선하여 수행하고 심온실 냉각운전은 중단하도록 제어하는 제어부를 포함하는 냉장고의 제어 방법에 있어서,
    심온실 모드가 오프 상태에서, 상기 심온실의 온도가 상기 냉동실을 위한 제2노치 온도(N2)를 기준으로 구분되는 불만 온도 영역에 있는 경우, 상기 심온실의 온도가 하강하도록 상기 심온실 팬이 구동하도록 제어되고,
    상기 심온실의 온도가 상기 제2노치온도를 기준으로 구분되는 만족 온도 영역에 진입하면, 상기 심온실 팬이 정지하도록 제어되며,
    심온실 모드가 온 상태에서, 상기 심온실의 온도가 상기 제2노치온도(N2)보다 낮은 제3노치온도(N3)를 기준으로 구분되는 불만족 온도 영역에 있는 경우와, 냉동실의 온도가 상기 제2노치온도를 기준으로 구분되는 만족 온도 영역에 있는 경우 중 적어도 하나를 만족할 때, 상기 심온실의 온도가 하강하도록 상기 열전모듈에 정전압 VH (>0)가 인가되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    심온실 모드가 온 상태에서, 상기 심온실의 온도가 상기 제3노치온도를 기준으로 구분되는 만족 온도 영역에 있는 경우,
    상기 심온실의 온도 상승이 지연되도록, 상기 열전모듈에 정전압 VL (0<VL<VH)이 인가되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 심온실 제상 운전의 투입을 위한 조건이 만족되면, 상기 열전모듈에 인가되는 정전압이 차단되고,
    상기 심온실 팬의 구동이 정지된 상태에서 상기 열전모듈에 역전압(-VH)이 인가되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 냉장고의 제어 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 심온실의 단열 부하에 대응하는 냉력 이하의 냉력이 상기 열전 모듈로부터 상기 심온실로 공급되도록 하여, 상기 열전 모듈에 인가되는 소비 전력이 저감되도록, 상기 정전압(VL)은 최소 단열 부하 전압(Va) 이하의 전압값을 포함하고,
    상기 심온실의 단열 부하에 대응하는 냉력보다 큰 냉력이 상기 열전 모듈로부터 상기 심온실로 공급되도록, 상기 정전압(VH)은, 상기 정전압(VL) 보다 크고 최대 단열 부하 전압(Va1)보다 작은 범위의 전압값을 포함하는 냉장고의 제어 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 정전압(VH)은, 상기 열전 모듈로 잉여 전압이 투입되지 않도록, 전압 변화에 따른 열전 모듈의 냉력 변화율(
    Figure pat00012
    ) 이 0이 되는 냉력 임계 전압(Vb) 이하의 전압값을 포함하는 냉장고의 제어 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 정전압(VH)은, 상기 열전 소자의 효율 및 냉력을 향상시킬 수 있도록, 전압 변화에 따른 열전 모듈의 효율 변화율(
    Figure pat00013
    ) 이 0이 되는 효율 임계 전압(Vc) 범위의 전압값을 포함하는 냉장고의 제어 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 정전압(VH)은, 심온실 내부 온도 변화에 더 이상 영향을 주지 않는 불필요한 전압이 인가되지 않도록, 심온실 온도 변화 변화율(
    Figure pat00014
    )이 설정값 이하 또는 미만이 되는 온도 임계 전압(Vd) 이하의 전압값을 포함하는 냉장고의 제어 방법.
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