콤프레셔의 흡입압력을 이용한 쇼케이스의 온도제어 장치 및 방법{Temperature control device of showcase using compressor of sucking pressure and meothed thereof}

본 발명은 콤프레셔의 흡입압력을 이용한 쇼케이스의 온도제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 냉동기용 콤프레셔의 저압측에 설치된 압력센서로 부터 실시간으로 압력을 전송받아 냉동부하의 크기에 따라 최적의 압력으로 콤프레셔를 가동함으로써 콤프레셔를 구동하는 유도전동기의 입력전력 과소비를 억제함과 동시에 쇼케이스에 진열되는 각종 부하(야채,유제품,육류)를 과냉각으로 부터 보호함으로써 신선한 상태로 장기간 진열할 수 있는 콤프레셔의 흡입압력제을 이용한 쇼케이스의 온도제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 쇼케이스의 온도제어 방법을 살펴보면, 쇼케이스 내에 설치된 온도 스위치에 의하여 온도를 검출하고, 냉매 배관에 설치된 냉매 개폐부를 개폐하여 증발기로 공급되는 냉매의 공급을 제어하는 방법으로 쇼케이스의 온도를 제어하게 된다. 이는 저압가스(냉매)의 압력이 증발기의 온도를 결정하기 때문이다.

도 4에 도시된 바와같이 저압가스의 압력이 높아 증발기의 온도가 높은 경우에는 냉매 개폐부이 열려있는 시간이 길어지고, 저압가스의 압력이 낮아 증발기의 온도가 낮은 경우에는 냉매 개폐부이 열려있는 시간이 짧아져서 증발기의 평균온도가 일정하게 제어된다. 따라서 저압가스의 압력이 쇼케이스에 필요한 온도에 상당하는 압력보다 낮으면 쇼케이스의 온도는 제어가 가능하게 되는 것이다.

그러나, 기존의 운전 방법은 저압가스의 압력을 압력 스위치로 검출하여, 콤프레셔의 공급전력을 전자접촉기로 ON/OFF 시켜서 압력 제어를 하고 있으며, 냉동기의 동작 특성상 이 압력 스위치가 ON하는 압력과 OFF하는 압력의 차이를 크게하여야 할 필요가 있다. 기존의 방법처럼 콤프레셔의 회전수가 일정한 경우에 저압측가스의 압력은 냉동부하의 크기에 따라서 이 압력 스위치의 설정범위 사이를 오르 내리게 된다. 이와 같이 저압측 가스의 압력이 변동하여도 필요한 온도에 상응하는 압력 이하에 있으면 쇼케이스의 온도는 일정하게 제어가 가능하다. 그러나 이와 같이 저압측 가스의 압력이 크게 변동 하면 다음과 같은 문제가 발생한다.

1. 증발기에 서리가 맺혀 열교환 효율이 떨어진다.

기존의 운전 방법은 저압가스의 압력이 낮은 상태로 유지되고 있는 경우가 많다. 저압 가스의 압력이 낮다는 것은 증발기의 온도가 낮다는 것을 의미하므로 증발기 냉각핀(Fin)에 서리가 끼이게 되며, 따라서 냉각핀의 서리끼임에 의하여 열교환 효율이 떨어지게 된다. 이로 인하여 쇼케이스 내의 온도가 내려가지 않게 되며, 온도 검출 스위치는 냉매 개폐부을 열어두는 시간이 길어지게 되고, 결국 콤프레셔는 연속적으로 동작하여야 하는 문제점이 발생된다.

2. 불필요한 전력손실이 발생한다

상기와 같이 변동하는 압력의 평균압력은 냉동 부하가 클때에는 높고, 경부하의 경우에는 평균압력이 낮게된다. 이때, 압력 스위치의 설정은 냉동 부하가 큰경우를 가정하여 설정 하게 된다. 따라서, 부하가 가벼운 경우에는 저압가스 측의 압력이 필요 이상으로 낮게 되고, 이 상태는 콤프레셔의 압축능력이 너무 과대함을 의미하며 콤프레셔 유도전동기에 필요 이상의 전력을 소모하고 있음을 의미한다.

도 5에 도시된 바와같이 기존의 온도제어 방법의 경우 부하의 상태에 따라서 흡입압력이 크게 변화하며, 따라서 부하의 상태에 따라 증발기의 온도가 크게 변화하게 된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 쇼케이스 가동시 냉동 부하의 열부하량 변동에 따라서 콤프레셔의 흡입압력을 최적의 상태로 제어함으로서 쇼케이스 내부의 냉각핀에 서리 끼임을 최소화 하고, 또한 콤프레셔의 압축능력을 부하 상태에 따라서 최적화 상태로 제어함으로서 불필요한 입력 전력의 소모를 최소화 시키는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 쇼케이스의 내부 시스템 블럭도.

도 2는 본 발명에 따른 경부하시 냉동기의 흡입압력과 토출압력의 관계를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 쇼케이스의 온도제어 시스템 블록도.

도 4는 종래의 온도 스위치와 냉매 개폐부에 의한 쇼케이스의 온도제어를 나타낸 그래프.

도 5는 종래의 냉동부하 변동에 따른 흡입압력 변동을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

10 : 압력센서 20 : 키패드

30 : 시퀀스 인터페이스부 40 : 가변전압 가변주파수 전원장치

100 : 전력공급 선택부 120 : 비교/연산부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 콤프레셔 유도전동기를 이용한 쇼케이스의 온도제어 장치에 있어서, 컴프레셔의 저압측 배관의 압력을 검출하여 아날로그 신호로 변환하는 압력센서(10); 콤프레셔의 운전압력을 입력하고 운전상태를 제어하는 키패드(20); 콤프레셔의 운전 시퀀스 및 외부기기의 운전상태 조건을 비교/연산부로 전달하는 시퀀시 인터페이스부(30); 상기 저압측 압력센서의 피드백 값과 유도전동기의 기본회전수인 제어기준 입력값 및 시퀀스 인터페이스부의 명령값을 토대로 하여 에러 압력값을 계산하는 비교/연산부(120); 상기 비교/연산부의 연산결과에 따라 동작하는 가변전압 가변주파수 전원장치(40); 상기 비교/연산부의 연산 결과에 따라 가변전압 가변주파수 전원장치 또는 상용전원을 선택하는 전력공급 선택부(100); 상기 전력공급 선택부에서 선택된 전원에 의하여 구동되는 콤프레셔 유도전동기(60)로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 콤프레셔 유도전동기를 이용한 쇼케이스의 온도제어 방법에 있어서, 압력센서를 이용하여 저압측 배관의 압력을 감지하는 제1단계; 상기 압력센서에서 감지된 압력값과 미리 설정된 압력값을 비교/연산하는 제2단계; 상기 비교 압력값의 결과에 따라 콤프레셔 유도전동기에 공급되는 전원을 가변하여 유도전동기 회전수를 제어하는 제3단계로 구성된다.

또한, 상기 콤프레셔가 정격회전수 이하의 회전상태로 소정시간 이상 운전되면 내부의 윤활용 오일 공급을 위하여 비교연산부에서 일정시간 동안 유도전동기를 정격 속도로 운전하는 단계를 더 포함하여 구성되고,

상기 콤프레셔의 운전중 상기 저압 배관측 압력값이 제어 기준압력 범위 이내이고, 안정된 운전이 지속되면, 상기 저압 배관측 압력을 제어기준 압력보다 약 +0.2kgf/㎠ 높게하여 쇼케이스의 냉각능력이 과냉각 상태로 되지 않도록 하는 것을 특징으로 하여 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 쇼케이스의 내부 시스템 블럭도로서, 저압측 배관의 압력을 검출하여 아날로그 신호로 변환하는 압력센서(10), 콤프레셔의 운전압력을 입력하고 운전상태를 제어하는 키패드(20), 콤프레셔의 운전 시퀀스 및 외부기기의 운전상태 조건을 비교/연산부로 전달하는 시퀀스 인터페이스부(30), 상기 저압측 압력센서의 피드백 값과 제어기준 입력값 및 시퀀스 인터페이스부의 명령값을 기초로 하여 에러 압력값을 계산하는 비교/연산부(120), 상기 비교/연산부의 연산결과에 따라 동작하는 가변전압 가변주파수 전원장치(VVVF :Variable Voltage Variable Frequency Inverter)(40), 상기 가변전압 가변주파수 전원장치 또는 상용전원을 선택하는 전력공급 선택부(100), 상기 전력공급 선택부에서 공급되는 전력에 의하여 운전되는 유도전동기(60), 상기 유도전� ��기에 의하여 압축작용을 하는 콤프레셔(50), 쇼케이스의 온도를 검출하여 냉매 개폐부을 작동시키는 온도 스위치(140), 상기 온도 스위치에 의하여 냉매의 흐름을 개폐하는 냉매 개폐부(70), 고온,고압의 액체를 팽창시켜 저온,저압으로 변환시키는 팽창 변환부(80), 상기 팽창 변환부를 통과한 저온,저압의 열을 빼앗아 증발시키는 증발기(90), 상기 증발기를 통과한 차가운 공기를 쇼케이스에 공급하는 송풍기(110) 및 상기 콤프레셔에 의해 고온,고압 가스를 냉각시켜 응축하여 액화시키는 응축기(130)로 구성된다.

이와 같이 본 발명의 구성에 의하면, 상기 온도 스위치(140)를 통해 쇼케이스의 온도를 검출한 후 상기 검출된 온도가 입력된 온도보다 높을 경우, 냉매(액체)를 순환시킨다. 여기서, 상기 냉매는 팽창 변화부(80)에서 저온, 저압으로 변환되고 증발기(90)에서 주변열을 흡수한다. 이때, 저압기체(냉매)에 의해 차가와진 공기는 송풍기(110)를 통해 쇼케이스에 공급된다. 그리고, 상기 저압측 기체(냉매)는 저압측 배관을 통하여 콤프레셔에 유입되고, 이때의 압력을 압력센서(10)가 측정한다. 그러면, 비교/연산부(120)에서 상기 측정된 압력값과 이미 설정된 압력값을 비교/연산하는데, 검출된 압력이 미리 설정된 기준보다 높으면 압력을 낮추는 회전수로, 또한 검출된 압력이 기준 압력보다 낮으면 압력을 높이는 회전수로 연산한다.

상기 연산 결과에 따라 유도전동기(60)의 회전수를 가변압력 가변주파수 전원장치(40)가 제어하여 저압측의 압력을 실시간으로 제어하는 운전을 하게된다.

여기서, 가변전압 가변주파수 전원장치(40)가 어떠한 원인에 의하여 정지하게 되는 경우에는 전력공급 선택부(100)에서 일정한 전원으로 공급되는 상용전원측을 선택하여 유도전동기(60)에 공급하게 되고, 유도전동기의 회전수 제어가 필요한 경우에는 연산 결과값에 따라 가변전압 가변주파수 전원장치(40)를 통해 유도전동기(60)에 제공되는 전원을 제어함으로써 유도전동기의 회전수를 제어한다.

한편, 상기 저압기체는 콤프레셔(50)에서 압축된 후 응축기(130)로 보내지고, 상기 응축기(130)를 통과한 기체는 액체로 변화되어 수액관에 보내진다.

도 2는 본 발명에 따른 경부하시 냉동기의 흡입압력과 토출압력의 관계를 나타낸 그래프이다. 저압측 가스의 압력을 압력센서(10)에 의하여 검출하고, 콤프레셔의 운전압력을 설정하는 키패드(20)의 설정압력과 비교/연산하여 에러값을 결정하는 비교/연산부(120), 상기 비교/연산부(120)의 연산 결과값에 따라 동작하는 가변전압 가변주파수 전원장치(40)로 구성되어 열 부하의 상태에 따라 최적의 조건으로 콤프레셔의 회전 상태를 조절한다.

에너지 절감을 위하여 콤프레셔가 장시간 동안 정격회전수 보다 낮은 회전수에서 운전되면 콤프레셔 내부의 윤활용 오일(oil)의 공급이 원할하지 못하므로 이를 방지하기 위하여 콤프레셔의 회전수가 40Hz에 상당하는 회전수 이하에서 40분 동안 운전되면 상기 비교/연산부(120)에서 이를 검출하여 콤프레셔를 정격회전수로 2분간 운전하게 하여 오일의 원할한 공급이 이루어질 수 있게 한다.

또한, 쇼케이스의 열부하가 안정되어 저압측 흡입압력이 제어기준 압력의 범위 이내에 있을 경우, 콤프레셔의 흡입압력을 제어기준 압력보다 +0.2kgf/㎠ 높게하여 쇼케이스가 과냉각상태로 되지 않도록 제어한다.

상기와 같은 제어에 의하여, 열부하가 가벼운 경우에도 고압 가스와 저압 가스의 압력차이가 조절되어 불필요하게 저압측의 가스압력을 낮출 필요가 없어진다. 따라서, 경부하시에 불필요한 전력소비가 억제 되는 것은 물론 압력변동이 커짐에 따라 발생하는 증발기의 서리가 끼는 현상을 막을 수 있으므로 제품의 신선한 보관(전시)과 서리끼임 방지용 전기히터의 소모 전력 또한 줄일수 있으므로 부수적인 에너지 절감효가를 얻을 수 있다.

여기서, 콤프레셔의 운전 회전수와 압력 및 소요동력의 관계는 다음과 같은 이론공식에 기인 하며, 아래의 관계에 의하여 에너지 절감이 가능하다.

Q/Q ₀ = N/N ₀ N ₀ : 정격 회전수

H/H ₀ = (N/N ₀ )² N : 운전 회전수

P/P ₀ = (N/N ₀ )³ Q ₀ : N _O 회전시의 유량

H ₀ : N ₀ 회전시의 양정,압력

P = P ₀ * (N/N ₀ )³ P ₀ : N _O 회전시의 축동력

Q : N 회전시의 유량

도 3은 본 발명에 따른 쇼케이스의 온도제어 시스템 블록도이다.

도시한 바와 같이 저압측 배관의 압력을 검출하여 아날로그 신호로 전송하는압력센서(10)와, 콤프레셔의 제어 기준압력 설정 및 가변전압 가변 주파수 전원장치의 운전 조건을 입력하고 운전상태를 제어하는 키패드(20)와, 콤프레셔의 운전 시퀀스 및 외부 기기의 운전상태 조건을 비교/연산부로 전달하는 시퀀스 인터페이스부(30)와, 저압측 압력센서의 피드백(Feedback)값과 제어기준 압력값 및 시퀀스 인터페이스부의 명령값을 토대로하여 에러 압력값을 계산하고, 또한 콤프레셔의 회전수를 감시하여 40Hz에 상당하는 회전수 이하로 40분 동안 운전되면 오일의 원할한 회전을 위하여 콤프레셔의 회전수를 정격속도로 2분간 운전 되도록 하며, 운전중에 흡입 압력이 제어기준압력 이내에 있고 쇼케이스의 열 부하가 안정된 상태로 있으면 콤프레셔의 흡입 압 력을 제어기준 압력보다 +0.2kgf/㎠ 정도 높게하여 쇼케이스가 과냉각 상태로 되지않도록 하는 등의 운전조건을 연산하는 비교/연산부(120)와, 상기 비교/연산부(120)에서 연산한 결과값에 의하여 콤프레셔의 회전속도를 가변전압 가변주파수 전원으로 변환하는 가변전압 가변주파수 전원장치(40)와, 비교연산부의 연산결과에 따라 상용전원(기존의 운전방식) 또는 가변전압 가변주파수 전원장치(40)의 가변전원에 의하여 콤프레셔가 운전될지를 선택하는 전력공급 선택부(100)로 구성되어 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 콤프레셔 저압측의 압력을 검출하여 열부하에 대응하는 최적제어를 하므로서 콤프레셔의 압축능력 최적화가 가능하므로 콤프레셔의 입력소비전력을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 저압측 가스압력의 변동을 최소화 할 수 있으므로 냉각핀의 서리끼임 현상을 최소화 할 수 있어 냉방효율을 극대화할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 서리끼임 현상의 최소화로 제상용 히터의 가동을 줄일 수 있으므로 쇼케이스에 진열되는 진열제품의 온도변화를 막을 수 있어 신선한 상태로 장기간 보관(진열)할 수 있는 잇점이 있다.