KR100292496B1 - 히트펌프에어컨의압축기액냉매유입방지방법및그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치에 관한 것으로, 종래에는 압축기 입구온도와 증발기의 온도를 측정하여 설정치 값 이상이 되면 전자팽창밸브와 압축기의 회전수를 조절하여 압축기내로 액냉매가 유입되는 것을 방지하게 됨으로써 압축기 입구까지의 구조가 복잡하여 큰 압력강하가 발생하게 되면 압축기 입구의 온도를 잘못 계측하게 되어 압축기 입구 과열도 판정에 오류가 발생하게 되어 압축기내로 액냉매가 유입되는 문제점이 있었는 바, 본 발명은 압축기의 출구온도와 응축기의 응축온도를 측정하여 전자팽팡밸브 및 압축기의 회전수를 조절함으로써 압축기로 액냉매가 유입되는 것을 방지하여 압축 효율을 높일 뿐 아니라 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치

본 발명은 히트펌프 에어컨에 관한 것으로, 특히 증발기를 거친 냉매가 액체 상태로 압축기에 유입되는 것을 방지할 수 있도록 한 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적인 냉동사이클장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 저온저압의 기체상태의 냉매를 고온고압의 기체상태 냉매로 변화시키는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)에서 변화된 고온고압의 기체상태의 냉매를 고온고압의 액체상태의 냉매로 변화시키면서 외부로 열을 방출하는 응축기(2)와, 상기 응축기(2)에서 변화된 고온고압의 액체냉매를 저온저압의 액체냉매로 변화시키는 팽창기구(3)와, 상기 팽창기구(3)에서 변화된 저온저압의 기액이상 상탱의 냉매를 기체상태로 변화시키면서 외부의 열을 흡수하는 증발기(4)로 구성된다. 그리고 각 구성요소들은 냉매관(P)에 의해 연결되어 있다.

상기 냉동사이클장치는 냉장고나 에어컨 등에 적용되며, 증발기(4)에서 외부의 열을 흡수하는 것과 응축기(2)에서 외부에 열을 방출하는 것을 이용하여 식품을 신선하게 보관허거나 실내를 냉/난방시켜 실내환경을 쾌적하게 유지하게 된다.

도 2는 상기 냉동사이클장치를 적용하여 냉방과 난방을 동시에 할 수 있는 히트펌프 에어컨을 구성하는 냉동사이클장치를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 히트펌프 에어컨은 인가되는 전류에 의해 작동하여 냉매를 압축하는 압축기(1)에 이어 사방밸브(5)가 연결되고, 그 사방밸브(5)의 일측에 실외측 열교환기(2')가 연결되며, 그 실외측 열교환기(2')에 이어 팽창기구(3)가 연결되과, 그 팽창기구(3)에 이어 실내측 열교환기(4')가 연결되며, 그 실내측 열교환기(4')는 상기 사방밸브(5)의 다른 일측에 연결되며 상기 사방밸브(5)의 또다른 일측은 압축기(1)와 연결되어 이루어진다.

또한, 상기 실외측 열교환기(2')의 측부에는 실외팬(6)이 설치되고, 실내측 열교환기(4')의 측부에는 실내팬(7)이 설치되어 있다.

상기한 바와 같은 히트펌프 에어컨은 상기 사방벨브(5)의 방향을 변환시키면서 실내에 설치되는 실내측 열교환기(4)의 역할을 변환시켜 실내를 냉/난방시키게된다. 상기한 바와 같은 히트펌프 에어컨은 난방 운저너시 압축기(1)의 작동에 의해 냉매가 화살표 A의 흐름 방향에 따라 압축기(1) - 사방밸브(5) - 실내측 열교환기(4') - 팽창기구(3) - 실외측 열교환기(2') - 사방밸브(5) - 압축기(1)의 순서를 거치면서 진행되어 실내측 열교환기(4')가 응축기의 역할을 하면서 실내측 열교환기(4')에서 열교환되는 더운 공기를 실내로 토출시켜 실내를 난방상태로 유지하게 된다.

그리고, 냉방 운전시에는 사방밸브(5)의 방향을 변환시켜 냉매의 흐름 방향을 난방 운전시의 역방향으로(화살표 B) 흐르도록 하여 실내측 열교환기(4')가 증발기(4)의 역할을 하면서 실내측 열교환기(4')에서 열교환되는 차가운 공기를 실내로 토출시켜 실내를 냉방상태로 유지하게 된다.

미설명 부호 8은 어큐뮬레이터이다.

한편, 상기 히트펌프 에어컨의 난방운전시, 증발기(4)를 이루는 실외측 열교환기(4')에서 액냉매가 완전히 기체 상태로 증발하지 못하고 액체 상태로 압축기 (1)에 유입될 경우 효율이 감소될 뿐만 아니라 압축기(1)에서 이상 폭발 현상이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여, 종래에는 증발기(4)를 이루는 실외측 열교환기(2')의 출구측에 제1온도센서(9)가 장착되고, 압축기(1)의 입구측에 제2온도센서 (10)가 장착되도록 구성하여, 난방운전시 제1온도센서(9)에서 감지되는 온도 T1과 제2온도센서(10)에서 감지되는 온도 T2의 온도차가 한계치 이상이면, 즉 T2 - T1 = SH(입구과열도) ＜ 0 이면 팽차기구인 전자팽창밸브(3')이 개도를 줄이고 압축기 (1)의 회전수를 낮춰 증발기(4)에서 압축기(1)로 액냉매가 유입되는 것을 방지하였다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법은 만약, 난방운전시 증발기(4)에서 압축기(1) 입구까지의 구조가 복잡하여 큰 압력강하가 발생하게 되면 압축기(1) 입구의 온도를 잘못 계측하게 되어 압축기(1) 입구 과열도 판정에 오류가 발생하게 되고, 압축기(1) 입구에 추가로 온도센서를 장착해야하기 때문에 비용이 상승하는 문제점이 있었다. 도 3,4는 이러한 오류 발생의 개념도로서, 열교환기 출구에서 압축기(1)까지의 압력강하가 온도에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 포화온도선을 지난 오른쪽에서는 압력강하가 즉시 온도에 영향을 미치므로, T2 - T1 ＞ 0 으로 정상적인 과열이 발생하였으나, T'2 - T1 ＜ 0 로 판정하여 액냉매 유입이 발생한 것 같은 오류가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 증발기를 거친 냉매가 액체 상태로 압축기에 유입되는 것을 방지할 수 있도록 한 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 냉동사이클장치를 구성하는 주요 구성부품을 중심으로 도시한 구성 배관도,

도 2는 일반적인 히트펌프 에어컨을 구성하는 냉동사이클장치의 주요 구성부품을 중심으로 도시한 구성 배관도,

도 3은 종래 히트펌프 에어컨의 냉동사이클에서 증발기측 온도와 압축기 입구 온도 위치를 나타낸 압력-엔탈피 그래프,

도 4는 종래 히트펌프 에어컨의 냉동사이클에성 압축기 입구 온도의 계측오류를 나타낸 압력-엔탈피 그래프,

도 5는 본 발명의 히트펌프 에어컨 압축기 액냉매 유입방지장치가 구비된 히트펌프 에어컨의 배관 구성도,

도 6은 본 발명의 히트펌프 에어컨 압축기 액냉매 유입방지방법을 도시한 순서도,

도 7은 본 발명의 히트펌프 에어컨의 냉동사이클에서 압축기 출구온도와 응축기 응축온도 측정 위치를 나타낸 압력-엔탈피 그래프,

도 8은 본 발명의 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법의 압축기 출구과열도 판정을 나타낸 압력-엔탈피 그래프,

도 9는 본 발명의 히트펌프 에어컨 압축기 액냉매 유입방지방법의 압축기 출구과열도 판정을 개념적으로 나타낸 압력-엔탈피 그래프,

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 ; 압축기 2 ; 응축기

3' ; 전자팽창밸브 11 ; 제3온도센서

12 ; 제4온도센서

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 난방운전이 시작되면 압축기의 출구온도와 응축기 응축온도를 측정하는 측정 단계와, 상기 측정된 출구온도와 응축온도를 비교하는 비교 단계와, 상기 비교 단게에서 압축기의 출구온도가 응축기의 응축온도보다 설정된 값 이상으로 크게 되면 일반운전 모드로 작동하고 압축기의 출구온도가 응축기의 응축온도보다 설정된 값 이하로 작게 되면 전자팽창밸브의 개도를 줄임과 더불어 압축기의 회전수를 감소시키는 조절 단계와, 상기 조절 단계어서 전자팽창밸브의 개도를 줄이고 압축기의 회전수를 감소시켜 압축기의 출구온도가 응축기의 응축온도보다 설정된 값 이상이 되면 일반운전 모드로 작동하는 변환 단계를 포함하여 진행함을 특징으로 하는 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법이 제공된다.

상기 설정된 값은 15임을 특징으로 하는 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 난방운전으로 운전되는 히트펌프 에어컨에 있어서; 냉매를 압축시키는 압축기의 출구에 장착되어 상기 압축기 출구온도를 감지하는 제3온도센서와, 냉매를 응축시키는 응축기의 일측에 장착되어 응축온도를 감지하는 제4온도센서와, 상기 제3온도센서에 감지되는 온도와 제4온도센서에서 감지되는 온도를 비교하여 전자팽창밸브와 압축기의 회전수를 조절하는 제어수단으로 구성함을 특징으로 하는 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지장치는, 도 5에 도시한 바와 같이, 히트펌프 에어컨의 구성에서 난방운전시, 냉매를 압축시키는 압축기(1)의 출구에 압축기(1) 출구온도를 감지하는 제3온도센서(11)가 장착되고, 냉매를 응축시키는 응축기(2)의 일측에 응축온도를 감지하는 제4온도센서(12)가 장착되어, 제3온도센서(11)에 감지되는 온도와 제4온도센서(12)에서 감지되는 온도를 비교하여 전자팽창밸브(3')와 압축기(1)의 회전수를 조절하는 제어수단(미도시)으로 구성된다. 상기 제어수단은 압축기(1)를 제어하는 마이콤(미도시)의 내부에 구비된다. 그리고, 본 발명의 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법은, 도 6에 도시한 바와 같이, 난방운전이 시작되면 압축기(1)의 출구온도 T3와 응축기(2) 응축온도 T4를 각각 측정하는 측정 단계가 진행되며, 이어 상기 출구온도 T3와 응축온도 T4를 비교하는 비교 단계가 진행된다. 상기 압축기(1)의 출구온도는 압축기 (1)로 흡입된 냉매가스가 압축되어 응축기(2)로 토출되는 온도이며, 상기 응축온도는 압축기(1)에서 토출되어 응축기(2)로 유입되어 응축기(2)에서 냉매가스가 응축되는 응축온도이다.

그리고 상기 출구온도와 응축온도를 비교하여 출구온도가 응축온도보다 설정된 값 이상으로 크게 되면 일반운전 모드로 작동하고, 상기 출구온도가 응축온도보다 설정된 값 이하로 작게 되면 증발기(4)로 유입되는 냉매가스의 흐름을 조절하는 전자팽창밸브(3')의 개도를 줄임과 더불어 냉매가스를 압축하는 압축기(1)의 회전수를 감소시키게 된다. 상기 설정된 값은 15로 함이 바람직하다. 또한 상기 전자팽창밸브(3')의 개도는 5펄스(pulse)씩 줄이게 되고, 압축기(1) 회전수는 10㎐씩 감소시킴이 바람직하다.

그리고 상기 조절 단계에서 전자팽창밸브(3')의 개도를 줄이고 압축기(1)의 회전수를 감소시켜 출구온도가 응축온도보다 설정된 값, 즉 15 이상이 되면 일반운전 모드로 작동시키게 된다. 그리고 일반모드 운전 상태에서 사이클을 진행시키는 과정에서도 지속적으로 압축기(1) 출구온도와 응축온도를 감지하여 위와 같은 조건이 되면 반복적으로 운전된다.

이하, 본 발명의 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 히트펌프 에어컨은 냉난방표준온도 등 보통의 온도조건에서는 난방운전시 전자변(9)을 적정개도로 오픈시킨 상태에서, 압축기(1)의 작동에 의해 냉매가 화살표 A의 흐름 방향에 따라 압축기(1) - 사방밸브(5) - 실내측 열교환기 (4') - 팽창기구(3) - 실외측 열교환기(2') - 사방밸브(5) - 압축기(1)의 순서를 거치면서 진행되어 실내측 열교환기(4')가 응축기(2)의 역할을 하면서 실내측 열교환기(4')에서 열교환되는 더운 공기를 실내로 토출시켜 실내를 난방상태로 유지하게 된다. 본 발명은 압축기(1)의 입구온도와 증발기(4)의 출구온도를 측정하고 그 온도차에 따라 전자팽창밸브(3')와 압축기(1)의 회전수를 조절하여 압축기(1)내로 액냉매가 유입되는 것을 방지하는 것이 아니라, 도 7에 도시한 바와 같이, 압축기 (1)의 출구 온도와 응축기(2)의 응축온도를 측정하고 그 온도차에 따라 전자팽창밸브(3')와 압축기(1)의 회전수를 조절하여 압축기(1)내로 액냉매가 유입되는 것을 방지하는 것이다. 응축온도는 이상영역에서 측정한 값을 그대로 포화기체온도로 판단해도 무방함을 보여준다.

즉, 압축기(1)는 항상 입구에서 출구로 압축될 때 등엔트로피(isentropic line) 선을 따라 압축되므로, 도 8에 도시한 바와 같이, 압축기(1) 입구온도가 T2 또는 T2'에 있게 되더라도 동일한 엔트로피 선상에 있으므로 증발기(4) 출구와 압축기(1) 입구사이의 복잡한 구조에 의해 발생되는 압력강하에 무관하게 동일한 엔트로피 선을 따라 출구값 T3가 결정되므로 종래와 같은 오류를 피할 수 있게 된다.

도 9는 압축기 입구의 온도 T2에 따라 출구의 온도 T3가 정해지는 것을 나타낸 그래프로, 입구의 온도가 화살표 방향으로 이동하게 되면 점차 입구의 입구과열도 값이 작아지고 동시에 출구의 온도값도 작아지는 것을 알수 있다. 이 원리를 이용하면 압축기(1) 입구의 SH, 즉 입구과열도가 줄어들어 액냉매의 유입이 발생하게 되면 출구의 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서 압축기(1) 출구의 온도 T3와 응축기(2)의 응축온도 T4의 온도차를 일정 값이상이 되게 제어하면 출구측 정보를 이용하여 압축기(1)에 액냉매가 유입되는지 판정할 수 있게 된다.

액냉매의 유입은 입구과열도의 값이 음수가 되어 입구가 이상유동 상태로 되면 발생된다. 압축기(1)의 출구온도 T3와 응축기(2)의 응축온도 T4의 차, 즉 T3 - T4 값을 출구과열도인 SH-OUT로 정의 한다면 T3 - T4 ＞ SH-OUT가 되며, SH-OUT를 실험 결과 및 이론적 판정에 따라 15이사으로 제어하면(T3 - T4 ＞ 15) 액체냉매에 의한 리큐드 백(liquid back) 즉 액냉매가 압축기(1)로 유입되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 이론적 판정이란, R-22냉매의 물성을 이용하여 포화기체선 왼쪽으로 이동하면서 압축기(1) 입구점을 엔트로피 선을 따라 이동시키면 T3 - T4가 15이하로 되면 압축기(1) 입구측 상태가 이상상태가 되어 리큐드 백 발생이 예측된다고 말할 수 있다.

본 발명은 압축기(1)의 출구온도와 응축기(2)의 응축온도를 측정하고 그 차를 설정된 값에 비교하여 전자팽창밸브(3')와 압축기(1)의 회전수를 제어하여 액냉매가 압축기(1)로 유입되는 것을 방지하게 됨으로써 응축기(2)와 압축기(1)사이의 구조와 관계없이 액냉매가 압축기(1)로 유입되는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한 압축기(1)의 입구돈도를 감지하는 제2온도센서(10)를 배제하게 되어 부품수의 사용을 줄이게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법 및 그 장치는 압축기의 출구온도와 응축기의 응축온도를 측정하여 압축기로 액냉매가 유입되는 것을 방지하게 됨으로써 이상 폭발을 방지하여 신뢰성을 향상시킴과 더불어 압축 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 난방운전이 시작되면 압축기의 출구온도와 응축기 응축온도를 측정하는 측정 단계와, 상기 측정된 출구온도와 응축온도를 비교하는 비교 단계와, 상기 비교 단계에서 압축기의 출구온도가 응축기의 응축온도보다 설정된 값 이상으로 크게 되면 일반운전 모드로 작동하고 압축기의 출구온도가 응축기의 응축온도보다 설정된 값 이하로 작게 되면 전자팽창밸브의 개도를 줄임과 더불어 압축기의 회전수를 감소시키는 조절 단계와, 상기 조절 단계에서 전자팽창밸브의 개도를 줄이고 압축기의 회전수를 감소시켜 압축기의 출구온도가 응축기의 응축온도보다 설정된 값 이상이 되면 일반운전 모드로 작도하는 변환 단계를 포함하여 진행함을 특징으로 하는 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 설정된 값은 15임을 특징으로 하는 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지방법.
3. 난방운전으로 운전되는 히트펌프 에어컨에 있어서; 냉매를 압축시키는 압축기의 출구에 장착되어 상기 압축기 출구온도를 감지하는 제3온도센서와, 냉매를 응축시키는 응축기의 일측에 장차괴어 응축온도를 감지하는 제4온도센서와, 상기 제3온도센서에 감지되는 온도와 제4온도센서에서 감지되는 온도를 비교하여 전자팽창밸브와 압축기의 회전수를 조절하는 제어수단으로 구성함을 특징으로 하는 히트펌프 에어컨의 압축기 액냉매 유입방지장치.