KR20210022937A - 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어방법 - Google Patents

비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어방법 Download PDF

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박용주
김경윤
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송민호
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 냉동 시스템의 제어방법은, 비공비혼합냉매를 사용하고, 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되는 냉동시스템을 제어하는 방법이고, 압축기가 운전되고, 상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬이 동작하고, 상기 제 2 증발기로 송풍하는 냉장실 팬이 동작하는 제 1 단계; 상기 냉동실과 상기 냉장실 중의 어느 하나가 먼저 목표에 도달하면, 상기 압축기는 계속 동작하고, 먼저 목표에 도달하는 상기 냉동실과 상기 냉장실 중의 어느 하나와 대응하는 상기 냉동실 팬 또는 상기 냉장실 팬을 정지하는 제 2 단계; 및 상기 냉동실과 상기 냉장실이 모두 목표에 도달하면, 상기 냉장실 팬 및 상기 냉동실 팬을 모두 오프하고, 상기 압축기를 정지하는 제 3 단계가 포함되어, 고내공간이 신속하게 목표온도에 도달할 수 있다.

Description

비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어방법{Controlling method for refrigerating system using non-azeotropic mixed refrigerant}
본 발명은 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어방법에 관한 것이다.
냉동시스템은 냉기를 제공하는 시스템이다. 상기 냉동시스템에는, 냉매가 압축, 응축, 팽창, 및 증발의 과정을 거치며 순환한다.
상기 냉매는 다양한 종류가 있으며, 본 개시에서는, 두 종류 이상의 냉매가 혼합되는 혼합냉매를 대상으로 한다.
상기 혼합냉매에는 공비혼합냉매와 비공비혼합냉매가 있다.
상기 공비(共沸)혼합냉매는, 단일냉매와 같이 기상과 액상의 조성이 변하지 않으면서 상변화 하는 냉매이다. 상기 공비혼합냉매는 증발온도가 증발기의 입구와 증발기의 출구사이에서 모두 일정하다.
상기 비공비(非共沸)혼합냉매는 비등점이 낮은 냉매가 먼저 증발하고, 비등점이 높은 냉매가 나중에 증발한다. 이에 따라서, 비공비혼합냉매는 기상과 액상의 조성이 다르고, 증발온도가 증발기 입구에서는 낮고, 증발기 출구에서는 높다.
상기 비공비혼합냉매는 상변화시에 등압에서 온도가 변하는 특성인 온도구배차(GTD: Gliding Temperature Difference)를 가진다.
이때문에 상기 비공비혼합냉매의 증발단계를 두 개의 증발기로 구분하여, 첫번째 증발기는 냉동실용으로 사용하고, 상기 첫번째 증발기를 거친 냉매가 증발하는 두번째 증발기는 냉장실용으로 사용할 수 있다. 상기 냉동실은 상기 냉장실에 비하여 낮은 온도를 유지한다. 이와 같은 다단 증발기를 배치하여 비공비혼합냉매가 사용되는 냉동시스템의 성능계수를 높일 수 있다.
이와 같은 냉동시스템을 개시하는 문헌으로서, 인용문헌 1의 KR20110115911A '비공비 혼합냉매를 이용한 냉장고 및 그 제어방법'이 있다.
상기 인용문헌 1에는, 하나의 압축기, 상기 압축기와 직렬연결되는 두 개의 증발기, 및 두 개의 증발기 사이에 위치하여 하류의 냉장실 증발기로 유입되는 냉매를 바이패스시키는 삼방변을 가지는 냉장고가 개시된다.
상기 인용문헌 1에 따르면, 상류의 냉동실 증발기를 거친 냉매가 삼방변으로 유입된다. 상기 인용문헌 1의 기술은 냉장실 만의 단독운전은 삼방변의 위치로 볼 때 애초에 불가능하고, 냉장실로 냉기를 보내기 위해서는 냉동실을 통과하여야 한다. 이때문에, 냉동실이 과냉되고 불필요한 냉력이 냉동실에 전달되므로 제어가 어려운 문제점이 있다. 결국, 냉동실은 더욱 가혹한 제어조건에 놓이게 되고, 냉동실은 냉동실 증발기의 팬으로만 제어해야 하는 문제점이 있다.
KR20110115911A '비공비 혼합냉매를 이용한 냉장고 및 그 제어방법'
본 발명은 상기되는 배경에서 제안되는 것으로서, 냉동실과 냉장실 각각 모두를 최적의 공조 분위기로 제어할 수 있는 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어방법을 제안한다.
본 발명은, 냉장고의 운전에서 요구되는 다양한 운전모드를 구현할 수 있는 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어방법을 제안한다.
본 발명은, 냉동시스템의 운전조건을 다양하고 편리하게 제어할 수 있는 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템을 제안한다.
본 발명에 따른 냉동시스템의 제어방법은, 비공비혼합냉매를 사용하고, 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되는 냉동시스템을 제어하는 방법으로서, 본 방법은 압축기가 운전되고, 상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬이 동작하고, 상기 제 2 증발기로 송풍하는 냉장실 팬이 동작하는 제 1 단계가 수행되는 것으로서 신속하게 냉장고를 목표온도로 도달시킬 수 있다.
이후에, 상기 냉동실과 상기 냉장실 중의 어느 하나가 먼저 목표에 도달하면, 상기 압축기는 계속 동작하고, 먼저 목표에 도달하는 상기 냉동실과 상기 냉장실 중의 어느 하나와 대응하는 상기 냉동실 팬 또는 상기 냉장실 팬을 정지하는 제 2 단계가 수행되어, 목표온도가 달성된 고내 공간을 제외하는 다른 고내 공간으로 냉력이 집중되도록 할 수 있다.
마지막으로, 상기 냉동실과 상기 냉장실이 모두 목표에 도달하면, 상기 냉장실 팬 및 상기 냉동실 팬을 모두 오프하고, 상기 압축기를 정지하는 제 3 단계가 수행되도록 함으로써, 전원낭비를 줄일 수 있다.
상기 냉동시스템에는, 상기 제 1 증발기의 상류에 놓여 상기 비공비혼합냉매를 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기 중의 어느 하나로 유동방향을 절환하는 삼방변이 포함되고, 상기 제 1 단계에서 상기 삼방변은 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시킬 수 있다. 이에 따르면, 직렬로 연결되는 제 1 증발기 및 제 2 증발기 모두로 냉기가 공급되도록 함으로써, 신속하게 모든 고내 공간이 목표 온도에 도달할 수 있다.
상기 제 2 단계에서 상기 냉동실이 먼저 목표에 도달하면, 상기 삼방변은 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키도록 절환되도록 함으로써, 냉장실로만 냉기가 집중되도록 할 수 있다.
상기 압축기는 압축용량이 가변되고, 상기 제 1 단계에서, 상기 압축기는 높은 제 1 압축용량으로 동작되도록 함으로써, 냉동부하에 대응하여 압축기를 운전시킬 수 있다.
상기 제 2 단계에서 상기 냉동실이 먼저 목표에 도달하면, 상기 삼방변은 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키도록 절환되도록 함으로서, 냉력의 수요 공간으로 냉력을 집중시킬 수 있다.
이때, 상기 압축기는 상기 제 1 압축용량보다 낮은 제 2 압축용량으로 동작되도록 함으로써, 필요한 부하에 대응하여 냉력을 조절하여 공급할 수 있다.
상기 제 2 단계에서 상기 냉장실이 먼저 목표에 도달하면, 상기 삼방변은 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키는 상태가 유지되도록 하여, 냉동실에 계속하여 집중하여 냉력을 공급할 수 있다.
이때, 상기 압축기는, 제 1 압축용량보다 낮고 상기 제 2 압축용량보다 높은 제 3 압축용량으로 동작함으로써, 필요한 부하에 대응하여 냉력을 조절하여 공급할 수 있다.
상기 냉동실 팬은 회전속도가 변하는 제 1 회전속도 및 상기 제 1 회전속도보다 빠른 제 2 회전속도를 가지는 속도가변 팬이고, 상기 제 2 단계에서 상기 냉장실이 먼저 목표에 도달하면, 상기 냉동실 팬은 상기 제 2 회전속도로 동작함으로써, 냉력이 불필요한 냉장실로 공급되는 것을 최대한 막을 수 있다. 또한, 냉동실로만 냉력이 신속하게 공급되도록 하여, 냉동실이 신속하게 목표 온도에 도달하도록 할 수 있다.
이때, 상기 제 1 단계에서 상기 냉동실 팬은 제 1 회전속도로 동작하여, 냉장실과 냉동실로 냉력이 각각 공급되도록 할 수 있다.
상기 삼방변은 응축기에 의해서 응축된 냉매를 절환시킴으로써, 응축된 냉매가 신속하게 분배되어 냉동시스템이 운전되도록 할 수 있다.
상기 삼방변과 상기 제 1 증발기를 연결하는 제 1 연결관로, 및 상기 삼방변과 상기 제 2 증발기를 연결하는 제 2 연결관로가 포함되어, 응축된 냉매가 필요에 따라서 직접 대응하는 증발기로 유입되도록 할 수 있다.
이때, 상기 연결관로에는 팽창기가 놓여서, 팽창된 냉매가 증발기로 유입되도록 할 수 있다.
다른 측면에 따른 본 발명의 냉동 시스템의 제어방법에는, 비공비혼합냉매를 압축기로 압축하고, 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되고, 상기 제 1 증발기의 상류에 놓여 상기 비공비혼합냉매를 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기 중의 어느 하나로 유동방향을 절환하는 절환밸브가 포함되는 냉동시스템을 제어하는 방법이고, 상기 냉동실과 상기 냉장실의 부하에 적극적으로 대응하는 방법이 수행될 수 이다.
본 제어방법에는, 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시켜 상기 냉장실과 상기 냉동실에 냉기를 공급하는 냉동실/냉장실 동시운전모드가 수행됨으로서, 각각의 고내 공간을 신속하게 목표 온도에 도달시킬 수 있다.
본 제어방법에는, 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시켜 상기 냉동실에만 냉기를 공급하는 냉동실 단독운전모드가 수행됨으로써, 냉동실에만 냉기가 공급되도록 할 수 있다.
본 제어방법에는, 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시켜 상기 냉장실에만 냉기를 공급하는 냉장실 단독운전모드가 수행됨으로써, 냉장실에만 냉기가 공급되도록 할 수 있다.
상기 각 모드는, 비공비혼합냉매를 사용하는 것에 의해서 더 적극적으로 냉력이 공급되도록 할 수 있다. 상기 각 모드의 전환시에 냉력의 낭비가 적고, 목표로 하는 운전 모드에 더 적극적으로 대응하여 운전될 수 있다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서는 상기 비공비혼합냉매가 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기에서 모두 증발하도록 할 수 있다. 이에 따르면, 각 고내공간은 신속하게 목표 온도에 도달할 수 있다.
상기 냉동실 단독운전모드에서는, 상기 비공비혼합냉매가 상기 제 1 증발기에서만 증발하고, 이 경우에, 제 1 증발기와 대응되는 냉동실은 더 신속하게 목표 온도에 도달하고, 제 2 증발기에는 냉력이 공급되지 않아서 과냉을 방지할 수 있다.
이때, 상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬은, 회전속도가 변하는 제 1 회전속도 및 상기 제 1 회전속도보다 빠른 제 2 회전속도를 가지는 속도가변 팬이고, 상기 냉동실 단독운전모드에서 상기 냉동실 팬은 상기 제 2 회전속도로 동작하여, 더 신속하게 냉동실을 냉각시킬 수 있다.
상기 압축기는 적어도 세 개의 서로 다른 운전 압축용량을 가질 수 있고, 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서 높은 압축용량으로 운전되고, 상기 냉동실 단독운전모드에서는 중간 압축용량으로 운전되고, 상기 냉장실 단독운전모드에서는 낮은 압축용량으로 운전되어, 각 모드의 운전에 대응하여 냉력을 공급하도록 제어되고, 필요없는 전력 및 냉력의 낭비를 막을 수 있다.
또 다른 측면에 따른 냉동 시스템의 제어방법에는, 비공비혼합냉매를 사용하고, 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되고, 상기 제 1 증발기의 상류에 놓여 상기 비공비혼합냉매를 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기 중의 어느 하나로 유동방향을 절환하는 절환밸브가 포함되는 냉동시스템을 제어하는 방법이고, 냉동실 및 냉장실의 온도가 목표를 만족하는 지를 판단하는 것에 의해서 각 제어가 구분되는 것으로서, 고내 공간의 목표온도에 더 적극적으로 대응하여 냉동 시스템이 운전될 수 있다.
여기서, 상기 냉동실이 상기 목표에 다다르지 않았을 경우, 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매가 유동하도록 상기 절환밸브를 제어하고, 상기 냉장실만 목표에 다다르지 않았을 경우, 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매가 유동하도록 상기 절환밸브를 제어하는 것이 수행된다. 이에 따르면, 필요로 하는 목표장소로 냉매를 공급할 수 있다.
이후에, 상기 냉동실 및 상기 냉장실이 목표에 다다랐을 때에는 압축기를 정지하고, 상기 절환밸브를 닫는 것이 포함되어, 신속하게 고내공간의 온도에 도달할 수 있고, 이후에는 전력 및 냉력의 낭비를 막을 수 있다.
여기서, 상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서, 상기 냉동실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 비공비혼합냉매가 상기 제 1 증발기에서 모두 증발하도록 제어하여, 목표로 하는 곳에 냉력이 집중되도록 할 수 있다. 또한, 상기 압축기는 중속으로 운전되도록 제어함으로써, 필요없는 냉력 및 전력의 낭비를 막을 수 있다.
상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬은, 회전속도가 변하는 제 1 회전속도 및 상기 제 1 회전속도보다 빠른 제 2 회전속도를 가지는 속도가변 팬이고, 상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서 상기 냉동실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 냉동실 팬은 상기 제 2 회전속도로 동작할 수 있다. 이 경우에는 필요로 하는 곳으로 신속하게 냉력이 공급되고, 냉력이 불필요한 공간에 대한 과냉을 방지할 수 있다.
상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서 상기 냉장실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 압축기는 저속으로 운전되어, 최적의 냉력이 냉동시스템에 공급되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉동실 및 냉장실의 동시운전, 냉장실의 단독운전이 가능하여, 냉장고에서 요구되는 다양한 운전모드를 만족시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 비공비혼합냉매의 특징을 적극 활용하여 냉장고의 운전에 필요한 다양한 운전모드를 만족시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 고내공간을 다양한 방식으로 제어할 수 있어서, 냉장시스템의 제어안정성을 높일 수 있다.
도 1은 대향류 증발기에서 비공비혼합냉매와 공기와의 개략적인 온도 그래프.
도 2는 이소부탄과 프로판의 조성에 따른, 증발기 입구 및 출구의 온도차이와 비공비혼합냉매의 온도구배차를 보이는 그래프.
도 3은 (a)는 이소부탄을 병렬로 사용하는 경우, 및 (b)는 비공비혼합냉매를 사용하는 경우에 냉동 사이클을 보이는 그래프.
도 4는 실시예에 따른 냉동시스템을 보이는 도면.
도 5는 실시예에 따른 냉동시스템을 상세하게 보이는 도면.
도 6은 증발기와 모세관의 개략적인 도면.
도 7은 재생열교환기에서 냉매관과 압축기 흡입관의 온도변화를 나타내는 도면.
도 8은 재생열교환기를 과장해서 표현한 냉동 시스템의 일부도면.
도 9는 병렬 1압축 2증발 시스템에서 상기 증발기와 상기 모세관의 개략적인 도면.
도 10은 병렬 1압축 2증발 시스템에서 열교환 역전 영역을 설명하는 온도 그래프.
도 11은 실시예에 따른 제어방법을 설명하는 흐름도.
도 12는 다른 실시예에 따른 비공비혼합냉매를 이용하는 냉동 시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 비공비혼합냉매를 이용하는 냉동 시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위에 포함된다고 할 것이다.
먼저, 바람직하게 적용이 가능한 비공비혼합냉매를 제시한다. 상기 비공비혼합냉매의 선정과 관련되는 설명에서는 발명의 각 내용을 기술요소별로 구분하여 상세하게 설명한다. 먼저, 비공비혼합냉매의 종류를 선정하는 과정에 대하여 설명한다.
<비공비혼합냉매의 종류선정>
상기 비공비혼합냉매에 적합한 혼합되는 냉매들을 제안한다. 혼합되는 냉매는 탄화수소계열(HC계열)의 냉매를 대상으로 선정하였다. 상기 탄화수소계열의 냉매는, 오존층파괴지수(ODP:Ozone Depletion Potential)와 지구온난화지수(GWP:Global Wariming Potential)가 낮은 친환경적인 냉매이기 때문이다.
상기 탄화수소계열의 냉매 중에서 상기 비공비혼합냉매에 적합한 냉매를 선정하는 기준을 다음과 같이 정리할 수 있다.
첫째, 압축일의 관점에서, 응축압(Pd 또는 p1)과 증발압(Ps 또는 p2)의 차이(압력차(△P))가 작아야 압축기의 압축일이 작아져서 효율에 유리하다. 따라서, 냉매의 응축압은 낮고, 증발압은 높은 냉매를 선정하는 것이 바람직하다. 다만, 압축기 신뢰성을 감안하여 증발압은 50kPa 이상을 만족하는 선정하는 것이 바람직하다.
둘째, 생산설비의 활용관점에서, 종래 설비 및 부품의 호환을 위하여, 종래에 사용하던 냉매를 사용하는 것이 바람직하다.
셋째, 냉매의 구매비용의 관점에서, 냉매를 저렴하게 획득할 수 있는 것이 바람직하다.
다섯째, 안전성의 관점에서, 냉매 누설 시에 인체장애가 없는 냉매가 바람직하다.
여섯째, 비가역손실의 저감하는 관점에서, 냉매와 냉기의 온도차가 줄어들도록 하는 것이 사이클의 효율을 상승시키는 측면에서 바람직하다.
일곱째, 취급관점에서, 작업시에 냉매를 편리하게 취급하고, 냉매의 주입시에 취급자가 냉매를 편리하게 주입할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 각 냉매의 선정기준을 상기 비공비혼합냉매의 냉매를 선정하는 데 있어서, 다양하게 적용된다.
<탄화수소의 분류선정>
미 국립표준기술연구소로부터 제시되는 후보 냉매들을 증발온도(Tv)를 기준으로 하여, 증발온도가 높은 것에서 낮은 순으로 세 개(상, 중, 하)로 분류하였다. 냉매의 밀도는 증발온도가 높은 것일수록 밀도가 높다.
이 중에서 냉장고 환경에 맞는 -20도 ~ -30도의 증발온도를 낼 수 있는 조합을 선정하는 것이 바람직하다. 이하에서는 상기 후보 냉매들의 구분을 상세하게 설명한다.
상기 후보 냉매는, 증발온도 -12도 및 -50도의 경계값을 기준으로 세 종류로 구분하였다. 세 종류로 구분된 상기 후보 냉매는 표 1에 제시한다. 상기 증발온도의 구분은 상기 경계값을 기준으로 크게 차이가 나는 것을 볼 수 있다.
번호 분류 탄화수소명칭 증발온도(1바) 증발온도(20바) 삼중점온도
도씨
1 상 isopentane 27.5 154.7 -159.85
2 1,2-butadiene 10.3 124.8 -136.25
3 n-butane -0.9 114.5 -138.25
4 butene -6.6 105.8 -185.35
5 isobutane -12 100.7 -159.65
6 중 propadiene -34.7 68.2 -136.25
7 propane -42.4 57.3 -187.71
8 propylene -47.9 48.6 -185.26
9 하 ethane -88.8 -7.2 -182.80
10 ethylene -104 -29.1 -169.15
상기 표 1을 참조하여, 상기 비공비혼합냉매로써 혼합될 냉매로 가능성이 있는 각 영역에서 냉매를 선정하여 조합할 수 있다. 먼저, 상기 세 분류 중에서 어느 분류를 선정할 것인가를 살펴본다. 냉매의 혼합이 세 분류로부터 모두 선정하여 세 개의 냉매가 혼합되는 한 가지 경우, 냉매의 혼합이 두 분류로부터 선정하여 두 개의 냉매가 혼합되는 세가지 경우가 있을 수 있다. 이 중에서 세 분류로부터 적어도 하나의 냉매를 선정하여 세 개 이상의 냉매를 혼합하는 경우에는, 비공비혼합냉매에 있어서 온도의 상승 및 하강이 지나치게 커질 수 있다. 이 경우에는 냉동시스템의 설계가 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
두 분류로부터 각각 선정되는 적어도 하나의 냉매를 선정하여 비공비혼합냉매를 얻는 것이 바람직하다.
중분류와 하분류, 상분류와 중분류, 및 상분류와 하분류에서 각각 적어도 하나의 냉매를 선정할 수 있다. 이 중에서 상분류와 중분류의 냉매 중에서 적어도 하나의 냉매가 혼합되는 조성물로서 비공비혼합냉매를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 중분류와 하분류의 냉매 중에서 적어도 하나의 냉매가 혼합되는 경우에는, 냉매의 증발온도가 낮아서 지나치게 낮아서, 일반적인 냉장고에 있어서 고내온도와 냉매의 증발온도 차이도 지나치게 커진다. 이에 따라서 냉동 사이클의 효율이 나빠지고 소비전력이 증가하므로 바람직하지 않다.
상기 상분류와 하분류의 냉매 중에서 적어도 하나의 냉매가 혼합되는 경우에는, 혼합되는 적어도 두 냉매 간의 증발온도의 차이가 지나치게 크다. 따라서 특수한 고압의 환경이 조성되지 않는 한 실제 사용조건에서 각 냉매는 액상 및 기상으로 구분된다. 이때문에, 상기 적어도 두 냉매를 냉매관에 함께 주입하는 것이 어렵다.
<탄화수소의 분류에서 탄화수소의 선정>
상기 상분류와 상기 중분류 중에서 어느 냉매를 선정하는 지를 설명한다.
먼저, 상기 상분류 중에서 선택되는 냉매에 대하여 설명한다. 상기 상분류 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 냉매가 상기 비공비혼합냉매로 사용될 수 있다.
상기 이소펜탄과 부타디엔은 증발온도가 비교적 높기 때문에, 냉장고 증발기의 고내 온도를 제한하고, 냉동효율이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
상기 이소부탄과 N-부탄은 현재 사용되는 냉장고의 압축기 등의 냉동 사이클의 부품을 변경하지 않고 사용할 수 있다. 따라서, 상기 상분류에 포함되는 냉매 중에서 가장 그 사용이 기대된다.
상기 N-부탄은 이소부탄에 비하여 압축일은 작지만, 증발압(Ps)이 낮아서 압축기의 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이소부탄에 비해서는 바람직하지 않다.
이와 같은 이유로, 상기 상분류에서는 이소부탄이 가장 바람직하게 선정될 수 있다. 물론, 이미 설명된 바와 같이, 상기 상분류에 포함되는 다른 탄화수소 중의 적어도 어느 하나의 선정이 불가능한 것은 아니다.
상기 중분류 중에서 선택되는 냉매에 대하여 설명한다. 상기 중분류 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 냉매가 상기 비공비혼합냉매로 사용될 수 있다.
상기 프로파디엔은, 상기 프로판보다 상기 압력차(△P)가 작은 장점이 있어 효율이 높지만, 가격이 비싸고, 누설에 따른 인체흡입시에 호흡기 및 피부에 유해한 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
상기 프로필렌은 상기 프로판보다 상기 압력차가 커서 압축기의 압축일이 커지는 단점이 있어 바람직하지 않다.
이와 같은 이유로, 상기 중분류에서는 프로판이 가장 바람직하게 선정될 수 있다. 물론, 이미 설명된 바와 같이, 상기 중분류에 포함되는 다른 탄화수소 중의 적어도 어느 하나의 선정이 불가능한 것은 아니다.
참고로, 이소부탄은 R600a으로도 불리고, 프로판은 R290으로도 부를 수 있다. 상기 이소부탄과 상기 프로판을 바람직하게 선정한 바가 있으나, 비공비혼합냉매의 특성을 획득하는데 있어서, 같은 분류에 속하는 다른 탄화수소도 적용될 수 있는 것은 물론이다. 이하의 설명에서 있어서 구체적인 언급이 없는 경우에도 마찬가지이다. 예를 들어, 유사한 비공비혼합냉매의 온도구배차를 얻을 수 있는 경우에는 이소부탄과 프로탄의 조성이 아닌 다른 조성을 사용할 수도 있을 것이다.
<선정된 탄화수소 냉매의 비율을 압축일의 소비전력을 감안하여 선정>
상기 비공비혼합냉매에서 혼합될 냉매는, 상분류에서는 이소부탄으로 하고, 중분류에서는 프로판으로 선정하였다. 상기 비공비혼합냉매에 혼합될 각 냉매의 비율을 아래와 같이 선정할 수 있다.
상기 압력차는 냉동시스템의 주 에너지 소비원인 압축기의 소비전력을 좌우한다. 다시 말하면, 상기 압력차가 클수록 더 많은 압축일을 소비하여야 한다. 상기 압축일이 클수록 사이클의 효율이 나빠지게 된다.
상기 이소부탄은 상기 프로판에 비하여 상기 압력차(△P)가 작다. 이때문에, 상기 이소부탄의 중량비를 50%이상으로 하고, 마찬가지로 상기 프로판의 중량비를 50%이하로 하여, 상기 비공비혼합냉매를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 비공비혼합냉매가, 이소부탄과 프로판이 5:5로 섞여있는 조성물의 경우에, 응축압은 745.3kPa이고, 증발압은 120.5kPa이고, 상기 압력차는 624.7kPa이다.
상기 비공비혼합냉매가, 이소부탄이 실질적으로 전부이고 극소량의 프로판이 섞여 있는 조성물의 경우에, 응축압은 393.4kPa이고, 증발압은 53.5kPa이고, 상기 압력차는 340.0Pa이다.
상기 압력의 측정은, ISO의 소비전력측정조건에서 압축기가 켜여 있을 때의 평균값을 측정한 것이다. 비공비혼합냉매의 조성과 관련되는 모든 수치는 동일한 조건에서 얻어진 것이다.
이상의 설명을 통하여 압축일을 줄일 수 있는 이소부탄과 프로판의 혼합비를 이용하여, 상기 비공비혼합냉매의 응축압, 증발압, 및 압력차의 범위를 알 수 있다.
<선정된 탄화수소 냉매의 비율을 증발기의 비가역손실을 감안하여 선정>
이미 설명된 바와 같이, 상기 비공비혼합냉매는 상변화시에 온도구배차(GTD)를 가진다. 상기 온도구배차를 이용함으로써, 증발기를 냉동실 및 냉장실 각각에 순차적으로 설치하여, 구획된 공간별로 적절한 온도분위기를 제공할 수 있다. 상기 온도구배차에 따르면, 각 증발기에서 증발되는 냉매와 공기와의 온도차이를 줄여서 열교환에 따른 비가역성을 줄일 수 있다. 상기 비가역손실이 줄어드는 것에 의해서, 냉동시스템의 손실을 줄일 수 있는 것도 물론이다.
도 1은 대향류 증발기에서 비공비혼합냉매와 공기와의 개략적인 온도 그래프이다. 도 1에서, 수평축은 진행거리를 나타내고, 상기 공기와 상기 비공비혼합냉매는 화살표로 도시하는 바와 같이 각각 반대방향으로 진행한다. 도 1에서 수직축은 온도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 상기 공기의 선도(1)와, 상기 비공비혼합냉매의 선도(2), 상기 비공비혼합냉매의 상승선도(3) 및 하강선도(4), 및 단일냉매의 선도(5)가 도시된다.
상기 공기의 선도(1)를 참조하면, 공기는 예시로 -20 ~ -18도씨의 범위 내에서 시작하여 온도가 하강하여 증발기를 통과할 수 있다.
상기 비공비혼합냉매의 선도(2)를 참조하면, 비공비혼합냉매는 예시로 -27도씨에서 시작하여 온도가 상승하여 증발기를 통과할 수 있다. 상기 비공비혼합냉매는, 상기 이소부탄과 상기 프로판의 비율에 따라서 온도구배차가 달라질 수 있다. 상기 온도구배차가 커지는 경우에는 상기 비공비혼합냉배의 선도(2)는 상기 비공비혼합냉매의 상승선도(3)를 향하여 이동할 것이다. 상기 온도구배차가 작아지는 경우에는 상기 비공비혼합냉배의 선도(2)는 상기 비공비혼합냉매의 하강선도(4)를 향하여 이동할 것이다.
참조로, 단일냉매의 경우에 상변화가 없기 때문에, 상기 단일냉매의 선도(5)는 온도변화가 없는 것을 참조할 수 있다.
열교환이 발생할 때의 비가역손실은, 열교환하는 두 계면에 온도차가 있는 것으로 인하여 회피할 수 없는 현상이다. 예를 들어, 열교환하는 두 물체의 계면에 온도차가 없다면 비가역손실은 없지만, 이 때에는 열교환이 발생하지 않는다.
다만, 열교환에 따른 비가역손실을 줄이는 다양한 방안이 있고, 그 대표적인 방안이 대향류로 열교환기를 구성하는 것이다. 상기 대향류 열교환기는 이동하는 유체 간의 온도차가 가급적 줄어들도록 함으로써, 비가역손실을 줄일 수 있다.
상기 비공비혼합냉매를 적용하는 증발기의 경우에도 도 1에 제시하는 바와 같이 대향류로 열교환기를 구성할 수 있다. 상기 온도구배차에 의해서 상기 비공비혼합냉매가 증발 중에 온도가 상승함에 따라서, 공기와 비공비혼합냉매의 온도차가 줄어들도록 할 수 있다. 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차와 상기 공기의 온도차가 줄어들면, 비가역손실이 줄어들고, 냉동 사이클의 효율을 상승시킬 수 있다.
상기 비공비혼합냉매의 상기 온도구배차는 냉매의 제한으로 인하여 무한히 크게 할 수 없다. 또한, 상기 비공비혼합냉매의 상기 온도구배차를 변화시키면, 냉기의 온도구배차가 변화하고, 이에 따라가 증발기의 크기가 변화하고, 나아가서 냉동사이클의 전체 효율에도 영향을 미친다. 예를 들어, 상기 온도구배차를 크게하면, 냉매의 입구온도가 저하되거나 출구온도가 과열되어 냉동사이클의 효율이 감소한다.
한편, 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차와 상기 공기의 온도차는, 열교환기가 무한히 크다면 영으로 수렴할 수 있다. 그러나, 열교환기의 양산성과 경제적인 면을 고려하여, 일반 냉장고의 경우에 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차와 상기 공기의 온도차는 3 - 4도씨 정도이다.
도 2는 상기 이소부탄과 상기 프로판의 조성에 따른, 증발기 입구 및 출구의 온도차이와 상기 비공비혼합냉매의 상기 온도구배차를 보이는 그래프이다. 수평축은 이소부탄의 함량을 나타내고, 수직축은 온도차이를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 이소부탄과 상기 프로판이 각각 100% 포함되는 경우에는 단일 냉매로서 증발을 거치는 중에 온도변화가 없다.
상기 이소부탄과 상기 프로판이 혼합되는 경우에는, 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차 및 증발기 입출구의 온도차이가 있다. 상기 증발기 입출구의 온도차이(11)는 상기 비공비혼합냉매의 상기 온도구배차(12)에 비하여 작다. 이는 냉매와 공기와의 열전달의 불완전성에 기인할 수 있다.
상기 비공비혼합냉매의 상기 온도구배차가 증발기 입출구의 온도차이에 비하여 큰 것이, 상기 비공비혼합냉매의 특성을 잘 활용할 수 있고, 열교환에서의 비가격성을 줄이고, 냉동사이클의 효율이 상승하는 관점에서 바람직하다. 마찬가지로, 상기 비공비혼합냉매의 상기 온도구배차는 증발기를 통과하는 공기의 온도차보다는 큰 것이 바람직하다.
일반적인 냉장고에서 상기 증발기의 입출구를 통과하는 공기의 온도차는 4 - 10도씨에 이를 수 있고, 대개의 경우에는 4도씨에 가깝다. 이때문에, 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차는 4도씨보다 높게 유지할 수 있다. 더 바람직하게는, 증발기의 입출구 온도차보다는 최소한도로 높은 적어도 4.1도씨 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차가 4.1도씨보다 작으면, 냉동사이클의 열효율이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.
이와 반대로, 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차가 4.1도씨보다 크면, 냉매의 출구측에서 공기와 냉매의 온도차이가 작아지고, 비가역성이 작아지고, 냉동사이클의 열효율이 상승하기 때문에 바람직하다. 여기서 냉내의 출구측에서 공기와 냉매의 온도차이가 작아진다는 것은, 도 1에서 상기 비공비혼합냉배의 선도(2)가 상기 비공비혼합냉매의 상승선도(3)를 향하여 이동하는 것을 의미할 수 있다.
상기 비공비혼합냉매의 온도구배차가 4.1도씨인 곳을 도 2에서 찾으면, 상기 이소부탄이 90%이고, 온도구배차가 4.1도씨 이상인 곳은 이소부탄이 90%이하인 것을 알 수 있다. 한편, 압축기의 압축일을 최소화하기 위하여 상기 이소부탄은 50%이상인 것이 바람직한 것을 살펴본 바와 같다.
그 결과, 상기 이소부탄과 상기 프로판으로 제공되는 비공비혼합냉매의 중량비는 수학식 1과 같이 제안할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 프로판은 상기 비공비혼합냉매의 나머지 중량비이다.
상기 비공비혼합냉매의 온도구배차가 클 수록 비가역손실의 저감에는 바람직하다. 그러나, 상기 온도구배차가 지나치게 커지면, 냉매와 공기와의 충분한 열교환 경로를 확보하기 위하여, 상기 증발기의 크기가 지나치게 커지게 된다. 일반 가정용 냉장고에 적용되는 증발기는 200W의 용량이하로 설계되어야 냉장고 고내 공간을 확보할 수 있다. 이때문에 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차는 7.2도씨 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
이 뿐만 아니라, 상기 비공비혼합냉매의 온도구배차가 지나치게 커지면, 상기 비공비혼합냉매를 기준으로 할 때, 증발기 입구의 온도가 너무 낮거나 증발기 출구가 너무 빨리 과열될 수 있다. 이 때에는 증발기의 가용영역이 줄어들어 열교환 효율이 떨어질 수 있다.
상세하게 설명하면, 증발기에서 상기 비공비혼합냉매의 출구에서는, 비공비혼합냉매의 온도가, 증발기로 유입되는 공기의 온도에 비하여 높아야 한다. 그렇지 않은 경우에는 냉매와 공기의 온도의 역전으로 인하여 열교환기의 효율이 떨어진다. 이 조건을 만족시키지 못하는 경우에는 냉동 시스템의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 것이다.
상기 비공비혼합냉매의 온도구배차가 7.2도씨인 곳을 도 2에서 찾으면, 상기 이소부탄이 75%이고, 온도구배차가 7,2도씨 이하인 곳은 이소부탄이 75%이상인 것을 알 수 있다.
그 결과, 이 조건과 상기 수학식 1의 조건을 함께 고찰하면, 그 결과, 상기 이소부탄과 상기 프로판으로 제공되는 비공비혼합냉매의 더 바람직한 중량비는 수학식 2와 같이 제안할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, 프로판은 상기 비공비혼합냉매의 나머지 중량비이다.
<선정된 탄화수소 냉매의 비율을 생산설비 및 부품의 호환관점을 감안하여 선정>
일반 냉장고의 상기 증발기의 입출구의 온도차이는 3 - 5도씨로 설정되어 있다. 이는 냉장고의 부품, 기계실의 내부용적, 각 부품의 열용량, 및 팬의 크기 등 다양한 요인에 기인한다. 상기 증발기 입출구의 온도, 즉 3 - 5도씨를 제공할 수 있는 상기 비공비혼합냉매의 조성비를 도 2에서 찾으면, 상기 이소부탄이 76%에서 87%의 사이에 있는 것을 알 수 있다.
상기되는 논의의 결과, 상술되는 모든 조건을 만족하는 상기 비공비혼합냉매의 수학식 3으로 주어질 수 있다.
Figure pat00003
여기서, 프로판은 상기 비공비혼합냉매의 나머지 중량비이다.
<최종적용되는 탄화수소 냉매의 비율>
이상의 다양한 기준을 배경으로 하여 선정할 수 있는 가장 바람직한 이소부탄이 적용범위는 상기 수학식 3의 가운데 범위인 81 ~ 82%로 결정할 수 있다. 물론, 상기 비공비혼합냉매에서 그 외에는 프로판이 차지할 수 있다.
상기 이소부탄만을 이용하는 경우와, 상기 이소부탄을 85% 상기 프로판을 15% 적용하는 비공비혼합냉매를 이용하는 경우를 비교하였다. 두 경우 모두 병렬로 증발기를 구성하여 냉동 시스템을 싸이클을 구성하였다.
실험의 조건은 증발기입구온도는 각각 -29도씨와 -15도씨이고, 압축기 흡입온도는 25도씨이다. 냉매의 차이로 인하여, 상기 이소부탄만을 이용하는 경우에 응축기의 온도는 31도씨이고, 비공비혼합냉매를 사용하는 경우에는 29도씨이다.
도 3은 각 경우에 냉동 사이클을 비교하는 표로서, (a)는 이소부탄만을 병렬로 사용하는 경우이고, (b)는 비공비혼합냉매를 사용하는 경우를 나타낸다.
도 3에 따른 실험에서는 비공비혼합냉매를 사용하는 경우에 대략 4.5%의 성능계수의 향상이 있는 것을 볼 수 있었다.
도 4는 실시예에 따른 냉장고 및 냉동시스템을 보이는 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 냉장고는, 기계실(31), 냉동실(32), 및 냉장실(33)을 포함할 수 있다. 상기 냉장고는, 이미 설명된 바가 있는 비공비혼합냉매를 운용하는 냉동 사이클을 이룬다. 상기 냉동 사이클에는, 냉매를 압축하는 압축기(21), 압축된 냉매를 팽창시키는 팽창기(22), 팽창된 냉매를 응축시키는 응축기(23), 및 응축된 냉매를 증발시키는 증발기(24)(25)가 포함될 수 있다.
상기 압축기, 팽창기(22), 및 응축기(23)는 기계실(31)에 제공될 수 있다. 상기 제 1 증발기(24)는 냉동실(32)에 제공될 수 있다. 상기 제 2 증발기(25)는 냉장실(33)에 제공될 수 있다. 상기 냉동실 및 상기 냉장실을 함께 고내공간이라고 이름할 수도 있다. 제 1 증발기에 대응되는 냉동실 팬과 제 2 증발기에 대응되는 냉장실 팬이 더 마련될 수 있다. 상기 팬은 증발기의 냉기를 각 고내공간으로 공급할 수 있다.
상기 비공비혼합냉매는 제 2 증발기(25)보다 제 1 증발기(24)에서 더 저온이다. 상기 제 1 증발기(24)가 상기 냉동실에 놓임으로써, 냉장고의 구획되는 공간에 더욱 적합하게 냉동시스템을 운용할 수 있다. 이로서, 증발기의 증발동작에서 비가역손실을 더욱 줄일 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 냉동시스템을 상세하게 보이는 도면이다.
도 5를 참조하면, 실시예의 냉동시스템에는, 냉매를 압축하는 압축기(110)와, 압축된 냉매를 응축하는 응축기(120)와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 증발하는 증발기(150)(160)가 포함된다. 상기 증발기(150)(160)에서 증발된 냉매는 상기 압축기(110)로 순환한다.
상기 증발기에는, 냉동실로 냉기를 공급할 수 있는 제 1 증발기(150)와, 냉장실로 냉기를 공급할 수 있는 제 2 증발기(160)가 포함될 수 있다. 상기 증발기(150)(160)로 응축된 냉매를 분기하여 공급할 수 있는 삼방변(130)이 더 포함될 수 있다. 상기 삼방변(130)은 상기 응축기(120)로부터 공급되는 냉매를 선택적으로 제 1 증발기(150) 또는 제 2 증발기(160)로 공급할 수 있다. 상기 삼방변은 다방향밸브로서 유입되는 냉매를 적어도 두 개소로 분기시킬 수 있다. 다방면으로 분기되는 되는 경우에 상기 삼방변은 다방변이라고 이름할 수도 있다.
상기 제 1 증발기(150)에서 열교환된 냉매는 제 2 증발기(160)로 공급될 수 있다. 상기 냉매는 비공비혼합냉매로서 증발되는 중에 온도가 상승하다. 상기 제 1 증발기(150)는 제 2 증발기(160)에 비하여 더 낮은 온도로 냉매가 증발할 수 있다. 이때문에, 상기 제 1 증발기(150)는 냉동실로 냉기를 공급하는데 더 적합하고, 상기 제 2 증발기(160)는 냉장실로 냉기를 공급하는데 더 적합할 수 있다.
이때문에, 상기 제 1 증발기(150)와 상기 제 2 증발기(160)는 냉매흐름을 기준으로 직렬로 연결된다. 이와 같은 장점은, 단일냉매 또는 공비혼합냉매를 사용하는 경우에 비하여 현저하다.
상기 비공비혼합냉매를, 단일의 압축기에 두 개의 증발기를 직렬로 사용하는 경우의 장점에 대하여 더 상세하게 설명한다.
먼저, 단일 압축기에 두 개의 증발기를 사용하는 냉동 시스템(이하에서는, 1압축 2증발시스템으로 약칭할 수 있다)에, 증발 중에 온도가 변하지 않는 단일냉매 또는 공비혼합냉매를 사용할 수 있다. 각각의 증발기로는, 냉장실로 냉기를 공급하는 냉장실 증발기 및 냉동실로 냉기를 공급하는 냉동실 증발기가 포함될 수 있다.
이 경우에, 상기 두 개의 증발기를 병렬로 연결하면, 냉동실 증발기로 냉매가 집중되기 때문에 비가역손실이 증가하고, 제어가 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
다른 경우로, 상기 두 개의 증발기를 직렬로 연결하는 경우에는, 냉동실의 단열부하가 크기 때문에, 냉매가 냉장실 증발기를 거친 다음에 냉동실 증발기로 공급되어야 한다. 상기 냉동실의 단열부하에 대응하기 위하여, 냉매가 상기 냉동실 증발기에 오랜동안 머물러야 하기 때문이다.
이때, 상기 냉장실 증발기의 상류에 삼방변을 설치할 수 있다. 상기 삼방변에 따르면, 냉매가 상기 냉장실 증발기를 거치지 않고 상기 냉동실 증발기로 공급될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 상기 냉장실 증발기와 대응되는 냉장실의 과냉을 방지하도록 한다. 이를 직렬 바이패스 1압축 2증발시스템이라고 할 수 있다.
상기 직렬 바이패스 1압축 2증발시스템은, 고내 공간에 대응하는 냉매의 유량제어, 및 냉장실 및 냉동실의 단열부하변화에 대응하는 삼방변의 단속제어가 계속적으로 요구되기 때문에 정확한 제어가 어렵다. 뿐만 아니라, 다른 경로를 거치는 서로 다른 상태의 냉매의 혼합현상이 계속 발생함으로써, 비가역손실이 증가하고 소비전력이 증가하는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하는 방안으로서, 1압축 2증발시스템에 비공비혼합냉매를 사용할 수 있다. 상기 비공비혼합냉매는 증발되는 중에 온도가 상승한다. 이 성질을 이용하여, 냉매가 냉동실 증발기를 거친 다음에 냉장실 증발기로 공급되도록 할 수 있다. 이 경우에는, 상기 비공비혼합냉매는 증발되는 중에, 냉동실의 온도에 대응하는 제 1 온도로 냉기를 공급하고, 냉장실의 온도에 대응하는 제 2 온도로 냉기를 공급할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도에 비하여 높은 온도로 제공될 수 있다.
이와 같은 비공비혼합냉매의 온도구배차를 이용하여, 냉매가 두 개의 증발기를 직렬로 흐르도록 함으로써, 다른 성질의 냉매혼합 등에 의한 비가격성이 줄어들 수 있다. 이에 따라서 소비전력을 줄일 수 있다.
실시예의 냉동 시스템은, 상기 제 1 증발기(150) 및 상기 제 2 증발기(160)의 상류에 상기 삼방변(130)이 위치하는, 직렬 바이패스 1압축 2증발시스템이라고 할 수 있다.
상기 삼방변에 의해서, 냉매가 모든 증발기(150)(160)에 냉기를 공급하거나, 냉매가 제 1 증발기(150)는 바이패스하고 제 2 증발기(160)만으로 냉기를 공급하도록 할 수 있다. 다시 말하면, 냉장실 단독운전(도 5에서 B유동), 및 냉장실/냉동실 동시운전(도 5에서 A유동)이 가능하다.
이때, 냉동실 단독운전은, 상기 냉장실/냉동실 동시운전에서 압축기의 주파수를 낮추어서 냉동실에 대응하는 제 1 증발기(150)에서 모든 냉매가 증발하는 것에 의해서 수행될 수 있다. 다른 방법 또는 복합적인 방법으로 냉장실의 팬을 오프시킬 수도 있다.
상기 냉장실 단독운전, 상기 냉장실/냉동실 동시운전, 및 상기 냉동실 단독운전 중의 어느 모드라도, 냉장실에 대응하는 제 2 증발기(160)에서는 비공비혼합냉매의 온도가 높기 때문에 과냉의 우려는 줄어들 수 있다. 이는 단일냉매 또는 공비혼합냉매를 사용하는 경우에는, 증발과정에서 온도가 동일하여 제 2 증발기(160)에서 과냉의 분위기가 조성될 수 있는 것과 비교하면, 그 효과가 정확하게 이해될 수 있다.
상기 삼방변(130)의 제어를 통한 각 모드의 구현은 도 10 내지 도 12를 통하여 더 상세하게 설명된다.
상기 삼방변(130)의 토출측 중에서, 상기 제 1 증발기(150)와 연결경로에는 제 1 모세관(140)이 마련될 수 있다. 상기 삼방변(130)의 토출측 중에서, 상기 제 2 증발기(160)와 연결경로에는 제 2 모세관(145)이 마련될 수 있다. 상기 모세관(140)(145)은 각각 팽창기라고 할 수 있다.
상기 제 1 모세관(140)은 비공비혼합냉매를 팽창시켜 제 1 증발기(150)로 냉매를 공급한다. 상기 제 2 모세관(145)은 비공비혼합냉매를 팽창시켜 제 2 증발기(160)로 냉매를 공급한다.
상기 제 1 증발기(140)의 냉매토출측은 제 2 증발기(150)의 냉매입구측과 연결될 수 있다. 상기 제 1 증발기(140)의 냉매토출측은 상기 제 2 모세관(145)의 냉매토출측과 연결될 수 있다.
상기 제 1 증발기(140)와 상기 제 2 증발기(150)의 연결관로, 즉 제 1 증발기(140)의 직근 하류에는 체크밸브(155)가 마련될 수 있다. 상기 체크밸브(155)는 상기 제 1 증발기(140)로부터 상기 제 2 증발기(150)로의 냉매흐름을 허용하고, 반대방향으로의 역류를 허용하지 않을 수 있다. 이에 따르면, 상기 냉동실/냉장실 동시운전에서 상기 냉장실 단독운전으로의 절환시에 냉매의 역류를 방지할 수 있다.
상기 제 1 증발기(140)와 상기 제 2 증발기(150)의 연결관로에는 기액분리기가 설치되기에 적합하지 않다. 상기 제 1 증발기(140)에서 일부만 증발한 비공비혼합냉매 중에서 기체만 통과한다면, 상기 제 2 증발기(150)에는 충분한 냉력을 공급할 수 없기 때문이다. 다시 말하면, 상기 비공비혼합냉매는 액상과 기상에서 두 개의 냉매의 혼합비가 유지되지 않을 수 있기 때문이다.
상기 제 2 증발기(160)의 토출측에는 기액분리기(165)가 제공될 수 있다. 상기 기액분리기(165)는 기상의 냉매만 상기 압축기(110)로 토출되도록 하여, 압축기(110)의 파손 및 소음을 막고, 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 증발기(160)와 상기 압축기(110)를 연결하는 압축기 흡입관(170), 및 상기 모세관(140)(145)는 서로 열교환이 수행될 수 있다. 이에 따르면, 상기 모세관(140)(145)의 열이 상기 압축기 흡입관(170)으로 전달되어, 압축기로 유입되는 냉매가 기체상태가 유지되도록 할 수 있다. 상기 압축기 흡입관(170)의 냉기가 상기 모세관(140)(145)로 전달되어 냉기손실을 방지하고, 소비전력을 줄일 수 있다.
상기 압축기 흡입관(170)은 상기 모세관(140)(145)의 중의 적어도 하나와 열교환할 수 있다. 상기 냉동실/냉장실 동시운전 및 상기 냉동실 단독운전에서는 압축기 흡입관(170)과 상기 제 1 모세관(140)이 열교환을 수행할 수 있다. 상기 냉장실 단독운전에서는 상기 압축기 흡입관(170)과 상기 제 2 모세관(145)이 열교환을 수행할 수 있다. 이에 따르면 각 모드에서 냉기손실을 줄이고, 냉동 사이클의 효율을 상승시킬 수 있는 등의 장점이 있다.
바람직하게, 상기 압축기 흡입관(170)은 상기 모세관(140)(145) 모두와 열교환할 수 있다. 이로써, 모든 운전모드에서 냉기손실을 줄일 수 있다. 이를 위하여, 상기 압축기 흡입관(170), 상기 제 1 모세관(140), 및 상기 제 2 모세관(145)은 서로 인접하는 위치에 마련되어 서로 간에 열교환이 수행될 수 있다.
상기되는 직렬 바이패스 1압축 2증발시스템에 따르면 다음의 효과가 명확하다. 첫째, 비공비혼합냉매의 온도구배차가 냉동실 냉장실의 순서로 제공됨으로써 비가격손실을 줄여 소비전력을 줄일 수 있다. 둘째, 냉장실 단독운전, 냉동실 단독운전, 및 냉동실/냉장실 동시운전이 모두 안정적으로 구현가능하다.
한편, 실시예의 냉매로는 증발되는 중에 온도가 상승하는 비공비혼합냉매가 이용된다. 이때문에, 상기 모세관(140)(145)의 출구측의 온도는 제 2 증발기(160)의 출구측 온도에 비하여 높아질 수 있다. 이 때문에, 열교환 역전현상이 발생할 수 있다. 상기 열교환 역전현상을 다른 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 상기 증발기와 상기 모세관의 개략적인 도면으로서, 각 지점의 온도를 표시하였다. 도 6을 통하여 비공비혼합냉매를 사용하는 경우에 재생열교환기의 온도역전을 설명한다.
도 6을 참조하면, 제 1 증발기(150), 제 2 증발기(160), 및 상기 압축기 흡입관(170)과 모세관(140)(145) 간의 열교환이 수행되는 재생열교환기(180)가 도시된다. 도 6의 상태는 냉동실/냉장실 동시운전을 나타내고 있다.
도면 상의 각 지점은 P로 표시하고, P다음의 첫번째 숫자 1은 제 1 모세관의 입구측을 의미하고, P다음의 첫번째 숫자 2는 압축기 흡입관의 입구측을 의미한다. P다음의 두번째 숫자는 진행순서를 의미한다.
상기 제 1 모세관(140)의 입구를 통하여 유입되는 냉매는, P11, P12, P13, 및 P14의 경로를 통하여 유동한다. 상기 압축기 흡입관(170)의 입구를 통하여 유입되는 냉매는, P21, 및 P22의 경로로 유동한다. 상기 재생열교환기(180)는 화살표로 표시한 구역이 해당될 수 있다.
상기 재생열교환기(180)의 영역 내에서 상기 제 1 모세관(140)을 유동하는 냉매는, 온도가 31도씨에서 영하 27도씨로 하강한다(P11 -> P12). 상기 재생열교환기(180)의 영역 내에서 상기 압축기 흡입관(170)을 유동하는 냉매는, 온도가 0도씨에서 25도씨로 상승한다(P21 -> P22). 이에 따르면, 재생열교환기(180)의 영역 내에서 모세관과 압축기 흡입관 과의 열교환이 서로 역전되는 열교환 역전 영역이 발생할 수 있다.
상기 열교환 역전 영역은 열교환의 효율을 떨어뜨리고 소비전력을 증가시키는 요인이 될 수 있다. 도면에서 상하의 화살표는 상기 재생열교환기(180)가 마련되는 구역을 개략적으로 표시하고 있다.
한편, 상기 P12지점을 통과한 냉매는 제 1 증발기(150)를 통과할 수 있다. 제 1 증발기(150)를 통과하면, P13에서 영하 20도씨로 토출되어 제 2 증발기(160)로 유입된다. 상기 제 2 증발기(160)에서 더 증발한 냉매는 제 2 증발기(160)의 토출측으로서 P14지점에서 0도씨로 토출된다. 상기 P14지점과 상기 P21지점은 같은 지점으로서 0도씨가 될 수 있다.
도 7은 상기 재생열교환기에서 냉매관과 압축기 흡입관의 온도변화를 나타낸다. 도 7을 참조하면, T지점에서 열교환 방향이 역전되는 것을 볼 수 있다. 상기 열교환 역전 영역은 모세관의 진행방향을 기준으로 T지점의 이후지점인 것을 알 수 있다.
상기 열교환 역전 영역에서는 모세관의 냉기가 압축기 흡입관 측으로 전달되어 버린다. 이 현상은 증발기에서 열교환의 손실을 야기하므로 발생하지 않도록 하여야 한다.
상기 열교환 역전 영역이 제거되도록 하기 위하여 냉동 시스템이 재구성되도록 할 수 있으나, 이는 생산설비 및 부품의 공용화라는 측면에서 바람직하지 않다. 상기 재생열교환기에 자체적으로 열교환 역전 영역이 없어지는 구성을 이하에서 설명한다.
도 8은 상기 재생열교환기를 과장해서 표현한 냉동 시스템의 일부도면이다.
도 8을 참조하면, 재생열교환기(180)가 점선으로 도시된다. 상기 재생열교환기(SLHX: Suction Line Heat Exchanger)에는 모세관과 압축기 흡입관이 서로 접촉하는 방식에 의해서 열교환이 수행될 수 있다.
상기 삼방변(130)의 제어에 따라서 제 1 모세관(140) 및 제 2 모세관(145) 중의 적어도 하나로 냉매가 흐를 수 있다. 도면 상에서 모세관(140)(145)를 통과하는 냉매는 위에서 아래로, 즉 하측으로 유동할 수 있다. 상기 제 2 증발기(160)에서 토출된 냉매는 상기 압축기 흡입관(170)을 유동한다. 도면 상에서 상기 압축기 흡입관(170)을 유동하는 냉매는 아래에서 위로 즉 상측으로 유동할 수 있다.
상기 모세관을 유동하는 냉매와 상기 압축기 흡입관을 유동하는 냉매는 대향류로 흐르고 서로 열교환을 수행할 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 상기 재생열교환기(180)에는 상기 열교환 역전 영역이 발생할 수 있다. 이 때문에, 상기 열교환 역전 영역에 대해서는, 모세관의 냉매와 압축기 흡입관의 냉매가 서로 열교환이 수행되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도면을 기준으로 할 때, 상기 재생열교환기(180)에는, T지점의 상부로서 열교환이 수행되는 열교환영역(A1)과, 상기 T지점의 하부로서 열교환이 차폐되는 차폐영역(A2)를 이룬다. 상기 열교환영역(A1)은 상기 T지점부터 삼방변까지를 지칭하는 기하학적 영역이 될 수 있다. 상기 차폐영역(A2)은 상기 T지점부터 증발기까지를 지칭하는 기하학적 영역이 될 수 있다.
상기 T지점은 온도는 냉동 시스템의 사이클의 운전조건에 따라서 요동할 수 있다. 상기 T지점의 온도는 영하 5도씨에서 영상 5도씨의 범위 내에 포함될 수 있다.
상기 차폐영역(A2)의 관로길이(L1)은 대략 1m로 제공될 수 있다. 상기 T지점은 모세관의 출구단 및 압축기 흡입관의 입구단에서 대략 1m에 놓일 수 있다. 다시 말하면, 상기 차폐영역은, 모세관의 출구단 및 압축기 흡입관의 입구단에서 대략 1m의 이내에 포함될 수 있다.
상기 차폐영역(A2)에서는 상기 모세관의 출구단 및 상기 압축기 흡입관 간의 열교환을 차폐하기 위하여, 두 관로가 접촉되지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 두 관로가 서로 용접되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이와 반대로 상기 열교환영역(A1)에서는 두 관로가 용접 등의 방법에 의해서 서로 접촉되도록 할 수도 있다. 다만, 재생열교환기에서 전체적으로 균일한 열교환이 일어나도록 하기 위하여, 열교환 성능이 낮은 간접적인 열교환이 일어나도록 할 수도 있다. 이 경우에는 모든 관로가 용접 등의 방법에 의해서 접촉되지 않도록 하는 것이 바람직할 수도 있다.
상기 비공비혼합냉매의 온도구배차에 의해서 상기 직렬 바이패스 1압축 2증발시스템만이 아니라, 병렬 1압축 2증발시스템에서도 상기 열교환 역전 영역이 발생한다. 이때문에, 비공비혼합냉매가 적용되는 냉동 시스템의 재생열교환기에는 상기 차폐영역(A2)이 제공되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 병렬 1압축 2증발 시스템은, 냉동실에 냉기를 공급하는 증발기와, 냉장실에 냉기를 공급하는 증발기가 병렬로 연결되고, 각각 냉기를 공급하는 시스템을 말한다.
도 9 및 도 10을 참조하여 병렬 1압축 2증발 시스템에서 열교환 역전 영역의 발생을 설명한다.
도 9는 병렬 1압축 2증발 시스템에서 상기 증발기와 상기 모세관의 개략적인 도면이다. 도 10은 병렬 1압축 2증발 시스템에서 열교환 역전 영역을 설명하는 온도 그래프로서, (a)는 단일냉매를 사용하는 경우이고, (b)는 비공비혼합냉매를 사용하는 경우이다.
도 9를 참조하면, 응축된 냉매를 두 개의 증발기로 분기시키는 냉매공급기(190), 상기 냉매공급기로부터 공급되는 냉매를 증발하여 냉기를 공급하는 제 1 증발기(150) 및 제 2 증발기(160)가 포함된다. 여기서 제 1 증발기는 냉동실에 냉기를 공급하는 증발기이고, 제 2 증발기는 냉장실에 냉기를 공급하는 증발기로 제공될 수 있다.
상기 냉매는 비공비혼합냉매이기 때문에, 증발되는 중에 상기 온도구배차에 의해서 온도가 상승한다. 따라서, 재생열교환기(180)에서는 차폐영역(A2)를 제공하는 것이 바람직하다.
도 10을 참조하면, 도 10(a)에는 열교환 역전 영역이 없으나, 도 10(b)에는 열교환 역전 영역이 발생하는 것을 볼 수 있다.
결국, 상기 비공비혼합냉매, 및 상기 재생열교환기가 제공되는 냉동 시스템의 경우에는, 상기 재생열교환기에 차폐영역을 마련하여 소비전력을 저감할 수 있다.
이하에서는 실시예에 따른 비공비혼합냉매가 사용되는 냉동 시스템을 제어하는 제어방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 별도의 언급이 없는 경우, 본 실시예는, 상기 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템의 제어를 위한 방법으로서 바람직하게 적용될 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 냉장고의 운전이 시작하면, 냉장실의 온도가 만족할 만한 조건인지를 판단하고(S1), 판단의 결과에 따라 분기하여, 냉동실의 온도가 만족한 만한 조건인지를 판단한다(S2)(S3). 여기서 각 고내 공간의 온도가 만족할 만한 조건인가의 여부는, 냉기를 추가로 공급하여야 하는 지를 의미할 수 있다. 예를 들어, 만족할 만하지 않은 경우에는, 냉기를 더 공급하여야 하는 것으로 이해할 수 있다.
상기 냉동실과 상기 냉장실이 모두 냉기가 필요한 것으로 판단되면, 냉동실/냉장실 동시운전모드가 수행될 수 있다. 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드는, 두 고내공간 모두에 냉기가 공급되도록 냉동 시스템이 동작하는 것을 말할 수 있다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서는 다음과 같은 동작이 수행될 수 있다.
먼저, 상기 삼방변(130)이 제어되어 냉매가 상기 제 1 증발기(150)를 향하도록 절환될 수 있다(S31). 이때, 상기 제 1 증발기(150)는 냉동실과 대응되어 냉동실로 냉기를 공급할 수 있다. 상기 제 1 증발기(150)에서 증발되고 남은 냉력은 상기 제 2 증발기(160)에서 증발될 수 있다. 상기 제 2 증발기(160)는 냉장실과 대응되어 냉장실로 냉기를 공급할 수 있다.
상기 압축기(110)는 제 1 증발기(150) 및 제 2 증발기(160) 모두로 액상의 냉매를 공급할 수 있는 정도의 주파수로 운전될 수 있다(Cfr:여기서, C는 Compressor의 표시이고, f는 freezer의 표시이고, r는 refrigerator의 표시이다. 즉, 냉동실과 냉동실 모두를 위한 압축기의 의미로 사용될 수 있다)(S32). 다시 말하면, 높은 수준의 압축 주파수로 운전되어 많은 양의 냉매를 공급하고, 증발기로 많은 냉력을 제공할 수 있다.
상기 압축기의 주파수는 압축기의 압축용량과 대응하는 것으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 압축용량이 크면 높은 주파수로 운전되는 것이고, 압축용량이 작으면 낮은 주파수로 운전되는 것을 의미할 수 있다. 다만, 상기 압축기의 압축용량은 압축기의 주파수 및 피스톤의 스트로크에 의해서 결정될 수 있고, 주된 압축용량은 주파수가 결정할 수 있다. 본 문서에서 압축기의 주파수는 압축기의 압축용량과 대응하는 것으로 이해할 수 있다.
상기 제 1 증발기(150)에서 증발되는 냉매의 냉기를 냉동실로 송풍하는 냉동실 팬(도 4참조), 및 상기 제 2 증발기(160)에서 증발되는 냉매의 냉기를 냉장실로 송풍하는 냉장실 팬(도 4참조), 모두가 운전될 수 있다(S33). 상기 냉장실 팬과 상기 냉동실 팬은, 각각의 팬이 대응되는 증발기로 공기를 송풍하여, 증발기의 표면에 대류열전달을 일으켜서 냉매의 증발효과를 크게 할 수 있다.
예를 들어, 증발기의 외면에 대류열전달이 없는 경우에는, 자연대류에 의한 약한 열전달만이 있을 수 있다. 이 경우에는, 증발기의 표면에 이슬이 맺힐 뿐, 냉매의 증발이 약하게 된다. 이때문에 증발기의 작용을 위해서는 증발기의 외면에 바람을 송풍하는 팬의 동작이 요구된다. 다만, 증발기에 의한 냉매의 증발이 완전히 불가능하지는 않아서, 일정한 수준의 냉매 증발은 일어날 수 있다. 본 설명은 이하의 냉동실 단독운전모드 및 냉장실 단독운전모드에서도 마찬가지로 적용될 수 있다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서 삼방변(130)의 동작(S31), 압축기(110)의 동작(S32), 및 팬의 동작(S33)은, 모두 함께 수행될 수 있고, 어느 하나가 다른 하나에 선행할 수도 있다. 도 10에 제시되는 단계의 순서로 반드시 수행되는 것은 아니라고 할 것이다. 예를 들어, 팬이 먼저 동작하여 신속하게 관로에 남은 냉기를 송풍하고, 삼방변을 원하는 상태로 절환한 다음에, 압축기를 가동시킬 수도 있다.
다만, 소개되는 실시예의 순서가 바람직하게 실시될 수 있다. 구체적으로, 삼방변을 제어하여 원하는 냉매유로를 조정한 다음에, 압축기를 가동하는 것이 연속유체의 흐름을 방해하지 않으면서, 냉동 시스템을 안정적으로 제어하는 면에서 유리하다. 증발기에서 냉매가 증발하는 상태에서 팬을 동작시키는 것이 소비전력을 절감하는 면에서 유리하다. 본 설명은 이하의 냉동실 단독운전모드, 및 냉장실 단독운전모드에서도 마찬가지로 적용될 수 있다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드가 수행되어 정상상태에 이르렀을 때의 운전상태를 설명한다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서는, 상기 제 1 증발기(150)의 입구온도는 영하 30도씨에서 영하 25도씨의 범위이고, 상기 제 1 증발기의 출구온도는 영하 25도씨에서 영하 20도씨의 범위이고, 제 2 증발기(160)의 입구온도는 영하 20도씨에서 영하 15도씨의 범위이고, 제 2 증발기의 출구온도는 영하 5도씨에서 0도씨의 성능이 될 수 있다. 이와 같은 동작은 상기 비공비혼합냉매가 증발되는 중에 온도가 변하는 것에 의해서 더 정확하게 구현될 수 있다.
다음으로, 상기 냉동실만 냉기가 필요한 것으로 판단되면, 냉동실 단독운전모드가 수행될 수 있다. 상기 냉동실 단독운전모드는, 냉동실에만 냉기가 공급되도록 냉동 시스템이 동작하는 것을 말할 수 있다. 상기 냉동실 단독운전모드는 냉동실의 부하에만 대응하여 냉동시스템이 동작하는 것이므로 냉동실 부하대응운전이라고 할 수도 있다.
상기 냉동실 단독운전모드에서는 다음과 같은 동작이 수행될 수 있다.
먼저, 상기 삼방변(130)이 제어되어 냉매가 상기 제 1 증발기(150)를 향하도록 절환될 수 있다(S21). 이때, 상기 제 1 증발기(150)는 냉동실과 대응되어 냉동실로 냉기를 공급할 수 있다. 상기 냉매는 상기 제 1 증발기(150)에서 모두 증발되도록 할 수 있다. 상기 삼방변(130)의 절환초기의 천이구간에서는, 냉매가 상기 제 1 증발기(150)에서 모두 증발하지 않을 수도 있으나, 점진적으로 상기 제 1 증발기(150)에서 모든 냉매가 증발하도록 할 수 있다.
상기 제 1 증발기(150)에서 모든 냉매가 증발하도록 하기 위하여, 상기 냉동실 단독운전모드에서는 다음의 동작이 추가로 수행될 수 있다.
상기 압축기(110)는 제 1 증발기(150)만으로 액상의 냉매를 공급할 수 있는 정도의 주파수로 운전될 수 있다(Cf:여기서, C는 Compressor의 표시이고, f는 freezer의 표시이다. 즉, 냉동실 단독운전모드를 위한 압축기의 의미로 사용될 수 있다)(S22). 다시 말하면, 중간 수준의 압축 주파수로 운전되어 중간 수준 양의 냉매를 공급하고, 제 1 증발기로만 냉력을 제공할 수 있다.
상기 제 1 증발기(150)에서 증발되는 냉매의 냉기를 냉동실로 송풍하는 냉동실 팬은 최대로 동작하고, 상기 제 2 증발기(160)에서 증발되는 냉매의 냉기를 냉장실로 송풍하는 냉장실 팬은 동작하지 않을 수 있다(S33). 이를 위하여 상기 냉동실 팬은 적어도 두 단계로 회전속도가 가변되는 속도가변 팬이 적용될 수 있다.
상기 냉동실 팬이 최대속도로 동작됨으로써, 가급적 모든 냉매를 증발시켜서 제 2 증발기(160) 측으로는 냉력이 공급되지 않도록 할 수 있다. 이와 같은 냉력 공급을 만족시킬 수 있는 정도 냉매를 공급하도록 상기 압축기(110)가 동작되는 것은 이미 살펴본 바와 같다. 한편, 미소한 양의 액상 냉매가 제 2 증발기(160)로 공급되더라도, 상기 냉장실 팬이 동작하지 않도록 함으로써, 냉장실로는 냉기가 공급되지 않도록 할 수 있다.
상기 냉동실 단독운전모드가 수행되어 정상상태에 이르렀을 때의 운전상태를 설명한다. 상기 냉동실 단독운전모드에서는, 상기 제 1 증발기(150)의 입구온도는 영하 20도씨를 넘지 않도록 한다. 이에 따르면, 냉동실/냉장실 동시운전모드에 비해서는 약한 냉력이지만, 냉동실의 동작에는 적합한 냉력이라고 할 수 있다.
상기 비공비혼합냉매는 온도구배차를 가지기 때문에, 액상냉매의 양이 줄어들면, 제 2 증발기를 통한 냉기공급이 우선적으로 줄어든다. 이에 따라서 자연스러운 냉동실 단독운전모드가 수행될 수 있고, 정상운전의 상태에서는 냉동실 단독운전모드가 충실히 수행될 수 있다.
이 경우에 냉장실에는 냉기가 공급되지 않는 것은 물론이다.
다음으로, 상기 냉장실만 냉기가 필요한 것으로 판단되면, 냉장실 단독운전모드가 수행될 수 있다. 상기 냉장실 단독운전모드는, 냉장실에만 냉기가 공급되도록 냉동 시스템이 동작하는 것을 말할 수 있다. 상기 냉장실 단독운전모드는 냉장실의 부하에만 대응하여 냉동시스템이 동작하는 것이므로 냉장실 부하대응운전이라고 할 수도 있다.
상기 냉장실 단독운전모드에서는 다음과 같은 동작될 수 있다.
먼저, 상기 삼방변(130)이 제어되어 냉매가 상기 제 2 증발기(120)를 향하도록 절환될 수 있다(S35). 이때, 상기 제 2 증발기(160)는 냉장실과 대응되어 냉장실로 냉기를 공급할 수 있다. 상기 냉매는 상기 제 2 증발기(160)에서 모두 증발되도록 할 수 있다. 상기 제 2 증발기(160)에서 모든 냉매가 증발하고 냉장실에만 냉기가 공급되도록 하기 위하여, 다음의 동작이 추가로 수행될 수 있다.
상기 압축기(110)는 제 2 증발기(160)만으로 액상의 냉매를 공급할 수 있는 정도의 주파수로 운전될 수 있다(Cr:여기서, C는 Compressor의 표시이고, r은refrigerator의 표시이다. 즉, 냉장실 단독운전모드를 위한 압축기의 의미로 사용될 수 있다)(S36). 다시 말하면, 낮은 수준의 압축 주파수로 운전되어 적은 양의 냉매를 공급하고, 제 2 증발기로만 냉력을 제공할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 증발기(150)로는 냉매가 공급되지 않으므로, 냉장실과 대응되는 제 2 증발기(160)에 증발되기에 충분한 정도의 냉매만을 압축기가 공급할 수 있다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드, 상기 냉동실 단독운전모드, 및 상기 냉장실 단독운전모드 각각이 수행되도록 하기 위하여, 상기 압축기(110)는 적어도 세 단계로 동작 주파수가 조절되어 적어도 세 단계로 냉력을 제어하여 공급할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 제 2 증발기(160)에서 증발되는 냉매의 냉기를 냉장실로 송풍하는 냉장실 팬은 동작하고, 상기 제 1 증발기(160)에서 증발되는 냉매의 냉기를 냉동실로 송풍하는 냉동실 팬은 동작하지 않을 수 있다(S37). 상기 냉장실 팬이 최대로 동작하지 않더라도 기액분리기(165)에 의해서 액상의 냉매는 걸러지기 때문에, 별도로 상기 냉장실 팬을 최대로 동작시키지 않을 수 있다.
상기 냉동실/냉장실 동시운전모드, 상기 냉동실 단독운전모드, 및 상기 냉장실 단독운전모드에 있어서, 압축기로부터 공급되는 냉력은 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드가 가장 크고, 다음이 상기 냉동실 단독운전모드이고, 마지막으로 상기 냉장실 단독운전모드가 가장 작을 수 있다.
다음으로, 상기 냉장실 및 상기 냉동실 모두에 냉깅공급이 필요하지 않을 수 있다. 이 경우에는 정지모드가 수행될 수 있다.
상기 정지모드에서는, 먼저, 상기 삼방변(130)이 제어되어 냉매가 냉동 시스템을 흐르지 않도록 할 수 있다(S25). 즉, 냉동 시스템의 동작이 정지하도록 할 수 있다. 상기 삼방변(130)이 정지되는 것에 대응하더라도 냉동 시스템의 안정성이 유지되도록 하기 위하여, 다음의 동작이 추가로 수행될 수 있다.
상기 압축기(110)는 오프될 수 있다(S26).
상기 증발기(150)(160)에 대응하는 냉동실 팬 및 냉장실 팬은 동작하지 않을 수 있다(S27).
상기 정지모드에서 삼방변(130)의 동작(S25), 압축기(110)의 동작(S26), 및 팬의 동작(S27)은, 모두 함께 수행될 수 있고, 어느 하나가 다른 하나에 선행할 수도 있다.
다만, 도면에 제시되는 단계의 순서로 반드시 수행되는 것은 아니라고 할 것이다. 예를 들어, 압축기를 먼저 정지하여 연속유체의 흐름이 정지한 다음에 삼방변을 제어하여 관로의 여압이 발생하는 것을 방지하여 냉동 시스템을 안정적으로 제어하는 면에서 유리할 수도 있다. 팬을 정지시킨 다음에 압축기와 삼방변을 정지함으로서, 냉동실과 냉장실의 분위기의 목표가 달성된 다음에는 과도한 냉기 공급을 억제할 수 있다.
상기 제어방법에 따르면, 상기 냉장실 단독운전모드에서 본 바와 같이, 상기 삼방변을 제어하여 냉장실에만 냉매를 공급함으로써, 냉장실을 원활하게 제어할 수 있다. 물론, 상기 삼방변의 제어와 함께 각 부분의 제어도 수행될 수 있다. 뿐만 아니라, 냉동실과는 전혀 관계없이 냉장실 단독운전모드가 수행됨으로써, 제어의 불안정성 및 불필요한 간섭현상은 발생하지 않는다.
상기 제어방법에 따르면, 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서 본 바와 같이, 냉동실과 냉장실을 함께 비공비혼합냉매의 온도구배차를 이용하여, 인위적인 외력을 가함이 없이 자연적으로 냉동실과 냉장실의 목표온도에 대응하는 냉기를 공급할 수 있다.
상기 제어방법에 따르면, 상기 냉동실 단독운전모드에서 본 바와 같이, 상기 삼방변은 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드와 같이 한 상태에서, 압축기와 냉동실 팬과 냉장실 팬의 다양한 수단 중의 적어도 하나를 이용할 수 있다. 이에 따르면, 더 신속하고 정확하게 냉동실과 냉장실의 제어상태를 제공할 수 있다.
상기 냉동실 단독운전모드에서는, 상기 냉장실로 공급되는 액상냉매의 양이, 냉매 시스템을 순환하는 비공비혼합냉매의 양에 의해서 자연적으로 조절될 수 있다. 여기서 냉매의 공급량은 압축기의 동작 상태, 구체적으로는 압축기의 주파수 및 스트로크 중의 어느 하나에 의해서 조절될 수 있다. 따라서 더 안정적으로 냉동 시스템을 제어할 수 있는 장점이 있다.
상기 삼방변은 비공비혼합냉매의 유동방향을 증발기 중의 어느 방향으로 절환하거나 닫는 작용을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 삼방변은 절환밸브라고 할 수 있다. 상기 절환밸브는 냉매를 두 개의 증발기 외의 다른 부품, 예를 들어, 또 다른 제 3 증발기로 유동시킬 수도 있을 것이다. 이 경우에는 냉동 시스템의 구성을 더 다양하게 구성할 수도 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 비공비혼합냉매를 이용하는 냉동 시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에 대응하여, 압축기(110), 삼방변(130), 및 냉동실 팬과 냉장실 팬이 동작될 수 있다(S101). 구체적으로, 상기 삼방변(130)은, 상기 제 1 증발기(150) 및 상기 제 2 증발기(160) 모두로 냉매를 공급한다. 상기 압축기(110)는 높은 주파수(Cfr)로 동작할 수 있다. 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기와 대응하는 팬도 모두 동작한다.
상기되는 동작 상태가 일정시간 지속되면, 냉동실 및 냉장실이 각각 목표로 하는 공조상태에 근접할 수 있다.
이후에 냉동실 및 냉장실 중의 어느 하나가, 먼저 목표로 하는 공조상태에 이르렀을 때에는, 목표에 도달한 쪽의 팬을 오프시킨다(S102). 어느 한쪽의 팬을 오프시키더라도, 다른 한 쪽의 팬은 계속 동작하고, 삼방변, 압축기도 마찬가지로 동작할 수 있다.
냉동실 및 냉장실이 모두 목표로 하는 공조상태에 도달하면, 모든 팬을 정지하고, 상기 정지모드에 근거하여 냉동 시스템을 정지시킬 수 있다(S103).
본 실시예는 가급적 다량의 냉력이 냉동실과 냉장실, 및 냉동시스템을 제공하는 각 부품에 인가되도록 한다.
본 실시예는 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템이 초기운전하여, 냉동 시스템의 열부하가 큰 경우에 시스템의 반복적인 동작을 막기 위하여 사용될 수 있다.
본 실시예는 냉동시스템의 압축기 주파수 또는 압축용량이 가변되지 않는 비상 상황에서 사용될 수 있다.
본 실시예는 삼방변이 제공되지 않고 응축기와 제 1 증발기가 바로 직렬로 연결되는 다른 냉동시스템 실시예의 경우에 적용될 수 있다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 비공비혼합냉매를 이용하는 냉동 시스템의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에 대응하여, 압축기(110), 삼방변(130), 및 냉동실 팬과 냉장실 팬이 동작될 수 있다(S201). 구체적으로, 상기 삼방변(130)은, 상기 제 1 증발기(150) 및 상기 제 2 증발기(160)로 모두 냉매를 공급한다. 상기 압축기(110)는 높은 주파수(Cfr)로 동작할 수 있다. 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기와 대응하는 팬도 모두 동작한다.
상기되는 동작 상태가 일정시간 지속되면, 냉동실 또는 냉장실 중의 어느 하나가 먼저 목표로 하는 공조상태에 근접할 수 있다.
상기 냉동실이 먼저 목표로 하는 공조상태에 이르면, 냉동실 팬을 오프하고, 삼방변을 냉장실방향으로 절환할 수 있다. 이와 달리, 상기 냉장실이 먼저 목표로 하는 공조상태에 이르면, 냉장실팬을 오프할 수 있다(S202).
냉동실 및 냉장실이 모두 목표로 하는 공조상태에 도달하면, 모든 팬을 정지하고, 상기 정지모드에 근거하여 냉동 시스템을 정지시킬 수 있다(S203).
본 실시예는 가급적 다량의 냉력이 냉동실과 냉장실, 및 냉동시스템을 제공하는 각 부품에 인가되도록 함과 동시에, 냉장실을 더 정확하게 제어하기 위한 목적을 가진다.
본 실시예는 비공비혼합냉매를 사용하는 냉동시스템이 초기운전하여 기기 자체의 열부하가 큰 경우에 시스템의 반복적인 동작을 막기 위하여 사용될 수 있다.
본 실시예는 냉동시스템의 압축기 주파수 또는 압축용량이 가변되지 않는 비상 상황에서 사용될 수 있다.
본 실시예는 냉장실의 제어가 냉동실의 제어보다 중요한 상황에서 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면 비공비혼합냉매를 사용하는 경우에, 다양한 운전모드를 구현하고, 보다 안정적으로 냉동시스템을 제어할 수 있다.
21, 110: 압축기
23, 120: 응축기
130: 삼방변
22, 140, 145: 모세관
24, 25, 150, 160: 증발기
170: 압축기 흡입관
180: 재생열교환기

Claims (20)

  1. - 비공비혼합냉매를 사용하고,
    - 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되는 냉동시스템을 제어하는 방법이고,
    압축기가 운전되고, 상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬이 동작하고, 상기 제 2 증발기로 송풍하는 냉장실 팬이 동작하는 제 1 단계;
    상기 냉동실과 상기 냉장실 중의 어느 하나가 먼저 목표에 도달하면, 상기 압축기는 계속 동작하고, 먼저 목표에 도달하는 상기 냉동실과 상기 냉장실 중의 어느 하나와 대응하는 상기 냉동실 팬 또는 상기 냉장실 팬을 정지하는 제 2 단계; 및
    상기 냉동실과 상기 냉장실이 모두 목표에 도달하면, 상기 냉장실 팬 및 상기 냉동실 팬을 모두 오프하고, 상기 압축기를 정지하는 제 3 단계가 포함되는 냉동시스템의 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉동시스템에는, 상기 제 1 증발기의 상류에 놓여 상기 비공비혼합냉매를 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기 중의 어느 하나로 유동방향을 절환하는 삼방변이 포함되고,
    상기 제 1 단계에서 상기 삼방변은 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키는 냉동시스템의 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 냉동실이 먼저 목표에 도달하면,
    상기 삼방변은 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키도록 절환되는 냉동시스템의 제어방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기는 압축용량이 가변되고,
    상기 제 1 단계에서, 상기 압축기는 높은 제 1 압축용량으로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 냉동실이 먼저 목표에 도달하면,
    - 상기 삼방변은 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키도록 절환되고,
    - 상기 압축기는 상기 제 1 압축용량보다 낮은 제 2 압축용량으로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 냉장실이 먼저 목표에 도달하면,
    - 상기 삼방변은 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시키는 상태가 유지되고,
    - 상기 압축기는, 제 1 압축용량보다 낮고 상기 제 2 압축용량보다 높은 제 3 압축용량으로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉동실 팬은 회전속도가 변하는, 제 1 회전속도 및 상기 제 1 회전속도보다 빠른 제 2 회전속도를 가지는 속도가변 팬이고,
    상기 제 2 단계에서 상기 냉장실이 먼저 목표에 도달하면, 상기 냉동실 팬은 상기 제 2 회전속도로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서 상기 냉동실 팬은 제 1 회전속도로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 삼방변은 응축기에 의해서 응축된 냉매를 절환시키는 냉동시스템의 제어방법
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 삼방변과 상기 제 1 증발기를 연결하는 제 1 연결관로, 및 상기 삼방변과 상기 제 2 증발기를 연결하는 제 2 연결관로가 포함되고,
    상기 연결관로에는 팽창기가 놓이는 냉동시스템의 제어방법.
  11. - 비공비혼합냉매를 압축기로 압축하고,
    - 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되고,
    - 상기 제 1 증발기의 상류에 놓여 상기 비공비혼합냉매를 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기 중의 어느 하나로 유동방향을 절환하는 절환밸브가 포함되는 냉동시스템을 제어하는 방법이고,
    상기 냉동실과 상기 냉장실의 부하에 대응하기 위하여,
    상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시켜 상기 냉장실과 상기 냉동실에 냉기를 공급하는 냉동실/냉장실 동시운전모드;
    상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시켜 상기 냉동실에만 냉기를 공급하는 냉동실 단독운전모드; 및
    상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매를 유동시켜 상기 냉장실에만 냉기를 공급하는 냉장실 단독운전모드가 수행되는 냉동시스템의 제어방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서는 상기 비공비혼합냉매가 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기에서 모두 증발하는 냉동시스템의 제어방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉동실 단독운전모드에서는, 상기 비공비혼합냉매가 상기 제 1 증발기에서만 증발하는 냉동시스템의 제어방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬은, 회전속도가 변하는 제 1 회전속도 및 상기 제 1 회전속도보다 빠른 제 2 회전속도를 가지는 속도가변 팬이고,
    상기 냉동실 단독운전모드에서 상기 냉동실 팬은 상기 제 2 회전속도로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기는 적어도 세 개의 서로 다른 운전 압축용량을 가질 수 있고,
    상기 냉동실/냉장실 동시운전모드에서 높은 압축용량으로 운전되고,
    상기 냉동실 단독운전모드에서는 중간 압축용량으로 운전되고,
    상기 냉장실 단독운전모드에서는 낮은 압축용량으로 운전되는 냉동시스템의 제어방법.
  16. - 비공비혼합냉매를 사용하고,
    - 상기 비공비혼합냉매의 유동방향을 기준으로, 상류에 냉동실의 냉기공급을 위한 제 1 증발기와 하류에 냉장실의 냉기공급을 위한 제 2 증발기가 직렬로 연결되고,
    - 상기 제 1 증발기의 상류에 놓여 상기 비공비혼합냉매를 상기 제 1 증발기 및 상기 제 2 증발기 중의 어느 하나로 유동방향을 절환하는 절환밸브가 포함되는 냉동시스템을 제어하는 방법이고,
    냉동실 및 냉장실의 온도가 목표를 만족하는 지를 판단하는 것;
    - 상기 냉동실이 상기 목표에 다다르지 않았을 경우, 상기 제 1 증발기로 상기 비공비혼합냉매가 유동하도록 상기 절환밸브를 제어하고,
    - 상기 냉장실만 목표에 다다르지 않았을 경우, 상기 제 2 증발기로 상기 비공비혼합냉매가 유동하도록 상기 절환밸브를 제어하는 것; 및
    상기 냉동실 및 상기 냉장실이 목표에 다다랐을 때에는 압축기를 정지하고, 상기 절환밸브를 닫는 것이 포함되는 냉동시스템의 제어방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서, 상기 냉동실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 비공비혼합냉매가 상기 제 1 증발기에서 모두 증발하도록 제어하는 냉동시스템의 제어방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서 상기 냉동실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 압축기는 중속으로 운전되도록 제어하는 냉동시스템의 제어방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 증발기로 송풍하는 냉동실 팬은, 회전속도가 변하는 제 1 회전속도 및 상기 제 1 회전속도보다 빠른 제 2 회전속도를 가지는 속도가변 팬이고,
    상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서 상기 냉동실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 냉동실 팬은 상기 제 2 회전속도로 동작하는 냉동시스템의 제어방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 냉동실 및 상기 냉장실 중에서 상기 냉장실만 상기 목표에 다다르지 않았을 때에는, 상기 압축기는 저속으로 운전되는 냉동시스템의 제어방법.

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