KR100384516B1 - 공기조화기의 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 공기조화기는 능력가변형 압축기를 구비한다. 하나의 실외기(8)에 다수의 실내기(9)가 병렬로 연결되며, 실외기에 제어부(30)가 마련된다. 제어부(30)는 각 실내기(9)와 연결되는 신호선(L1-L6)을 통하여 입력되는 온/오프 신호에 근거하여 해당 실내기의 운전여부를 판단한다. 하나 이상의 실내기가 운전되면 압축기를 온시키고 일정시간 동안 언로딩 상태로 압축기 기동운전을 수행한다. 이어, 상기 제어부(30)는 저압관(7)에 설치된 압력센서(40)를 통하여 검출되는 냉매의 압력과 설정된 목표값을 비교하여 언로딩 상태로 압축기를 운전하거나 혹은 로딩 상태로 압축기를 운전하기 위해 PWM밸브(26)를 제어한다. 언로딩 상태에서 압축기(2)가 냉매를 토출하지 않으면 저압관(7)의 냉매 압력은 높아지고 로딩 상태에서 압축기(2)가 냉매를 토출하면 저압관(7)의 냉매 압력은 떨어지게 되므로, 실내 냉방부하에 적절하게 압축기가 운전된다. 다라서, 본 발명은 기존과 같이 실외기 및 실내기가 쌍방향으로 통신하기 위한 통신회로를 구비해야 하는 제약으로부터 벗어날 수 있고, 실외기와 실내기 중 어느 하나를 필요에 따라 교체할 수 있기 때문에 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

공기조화기의 제어 시스템 및 그 제어방법{AIR CONDITIONER CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 더 상세하게는 능력가변형 압축기를 채용한 공기조화기에서 압축기로 흡입되는 냉매의 압력에 따라 압축기의 능력을 가변할 수 있도록 한 공기조화기의 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

건물이 대형화함에 따라 하나의 실외기에 다수의 실내기가 연결된 형태의 멀티 에어컨(Multi-airconditioner)에 대한 수요자의 요구가 증가 추세에 있다. 멀티 에어컨은 실외기와 실내기가 비교적 멀리 떨어져 설치되고 각 실내기에서의 냉방요구능력에 따라 압축기를 운전할 필요성이 있기 때문에 실외기 및 실내기는 쌍방향으로 통신하기 위한 통신회로를 구비하여 압축기의 운전을 제어함으로써 이에 대응토록 하고 있다. 더욱이, 각각의 실내기가 설치된 장소의 환경적 특성의 변화에 따라 각 실내기마다 냉방 부하가 변화하게 되므로 실외기에서는 통신회로를 통하여 실내기의 운전상황과 냉방 부하에 대한 정보를 전송받은 후 압축기의 운전율을 적절하게 가변시킬 필요가 있다.

그러나 실외기와 실내기가 쌍방향으로 통신하기 위해서는 고가의 회로장치가 필요할 뿐만 아니라, 실외기와 실내기를 선정할 때 많은 제약을 받을 수 밖에 없다. 즉, 실외기의 통신회로와 실내기의 통신회로는 서로 약속된 제어신호를 전송하여 해당 실내기를 구분하며 실내기에 대한 정보를 해석하기 때문에 실외기 및 실내기가 서로 호환성이 있어야 하며, 주로 동일한 제조사의 제품만을 사용할 수 밖에 없다. 심지어, 동일한 제조사에서 만든 제품이라 하더라도 제품 사양이 다른 모델들간에 서로 호환성을 가지지 않는 경우 사용중인 실외기와 실내기 중 어느 하나만을 교체할 필요가 있을 때 호환성이 있는 제품을 구입해야 하는 제약이 따르고, 호환성이 있는 제품이 없으면 실외기와 실내기를 모두 교체해야 하므로 소비자의 경제적인 부담은 커지게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 실외기가 실내기와 통신을 하지 않지 않고서도 실외기에서 독자적인 상황판단을 하여 압축기의 용량을 제어할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 상술한 배경 하에 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 능력가변형 압축기를 적용한 공기조화기에서 압축기로 흡입되는 냉매의 압력에 따라 압축기의 능력을 가변함으로써 실내 냉방부하에 상응하게 압축기를 제어할 수 있도록 한 공기조화기의 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공기조화기 제어 시스템의 구성도이다.

도 2a는 본 발명의 공기조화기에 채용된 펄스폭변조방식의 압축기의 로딩 상태를 도시한 것이고, 도 2b는 언로딩 상태를 도시한 것이다.

도 3은 도 2의 압축기의 운전 중에 로딩 및 언로딩과 냉매 토출량과의 관계를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 압축기로 흡입되는 압력의 변화에 대응하는 압축기의 로딩 상태와 언로딩 상태를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 공기조화기 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

2: 압축기 3: 응축기

4: 전동팽창밸브 5: 증발기

6: 고압관 7: 저압관

8: 실외기 9: 실내기

26: PWM밸브 30: 제어부

40: 압력센서

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기조화기 제어 시스템은, 로딩 타임에서 냉매를 토출하고 언로딩 타임에서 냉매를 토출하지 않는 압축기; 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하기 위한 압력센서; 상기 압력센서로부터 검출된 냉매의 압력과 설정된 목표값을 비교하고, 그 비교 결과 냉매의 압력이 작으면 언로딩 상태로 압축기를 운전하고 냉매의 압력이 크면 로딩 상태로 압축기를 운전하여 실내 냉방부하에 대응되게 상기 압축기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 서로 다른 용량에 대응되는 로딩 상태와 언로딩 상태 중 어느 하나의 상태로 작동되는 압축기가 설치된 실외기와, 상기 압축기와 함께 냉동사이클을 구성하는 전동팽창밸브 및 증발기가 설치된 다수의 실내기와, 상기 증발기의 출구측과 상기 압축기의 흡입측을 연결하는 저압관과, 상기 저압관에 설치된 압력센서를 구비한 공기조화기의 제어방법에 있어서, 실내기의 운전 여부를 판단하는 단계; 상기 압력센서에 의하여 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하는 단계; 하나 이상의 실내기가 운전되면 일정시간 동안 상기 압축기를 기동 운전하는 단계; 상기 압축기 기동 운전이 종료되면 상기 압력센서를 통해 검출한 냉매의 압력과 설정된 목표값을 비교하는 단계; 상기 단계에서 냉매의 압력이 작으면 언로딩 상태로 상기 압축기를 운전하는 단계; 상기 단계에서 냉매의 압력이 크면 로딩 상태로 상기 압축기를 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시례를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 공기조화기의 제어 시스템의 구성도이다. 본 발명의 공기조화기(1)는 폐회로를 구성하도록 냉매관에 의해 순차적으로 연결된 압축기(2), 응축기(3), 전동팽창밸브(4), 그리고 증발기(5)를 포함한다. 냉매관 중에서 압축기(2)의 토출측과 전동팽창밸브(4)의 유입측을 연결하는 냉매관은 압축기(2)에서 토출된 고압 냉매의 흐름을 안내하는 고압관(6)이고, 전동팽창밸브(4)의 유출측과 압축기(2)의 흡입측을 연결하는 냉매관은 전동팽창밸브(4)에서 팽창된 저압 냉매의 흐름을 안내하는 저압관(7)이다. 응축기(3)는 고압관(6)의 중도에 설치되고, 증발기(5)는 저압관(7)의 중도에 설치된다. 압축기(2)가 운전하면 냉매는 실선 화살표 방향으로 흐른다.

한편, 저압관(7)에는 압축기(2)로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하기 위한 압력센서(40)가 설치된다. 이 압력센서(40)는 제어부(30)의 입력단에 연결된다.

본 발명의 공기조화기(1)는 실외기(8)와 실내기(9)를 포함한다. 실외기(8)는 전술한 압축기(2)와 응축기(3)를 포함하며, 실내기(9)는 여러 개가 병렬로 배치된다. 각 실내기(9)는 전동팽창밸브(4)와 증발기(5)를 포함한다. 따라서 하나의 실외기(8)에 여러 개의 실내기(9)가 연결된 형태를 취한다. 그리고 각 실내기(9)의 용량과 형태는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.

실외기(8)에는 외기온도를 검출하기 위한 외기온도센서(50)가 적소에 설치되며, 이 외기온도센서(50)는 제어부(30)의 입력단에 연결된다. 이 제어부(30)는 실외기(8)에 마련된다.

각 실내기(9)와 제어부(30)는 신호선(L1-L6)으로 연결된다. 이 신호선(L1-L6)은 실내기의 운전여부에 따라 온/오프 신호를 제어부(30)에 출력하며, 제어부(30)는 신호선(L1-L6)을 통해 입력되는 온/오프 신호에 따라 해당 실내기의 운전 상태와 운전중인 실내기의 개수를 인식한다. 즉 제어부(30)는 신호선(L1-L6)로부터의 온/오프 신호에 따라 해당 실내기의 운전여부만을 체크하며 실내기와 통신할 수 있는 통신회로를 구비하지 않는다. 이 제어부(30)는 하나 이상의 실내기가 온되면 압축기(2)를 온시킨 다음 일정시간 동안 기동운전을 수행하고, 이후 압력센서(40)에 의하여 검출된 저압 냉매의 압력과 설정된 목표값을 비교하여압축기(2)의 용량(능력)을 제어한다.

도 2a와 2b에 도시된 바와 같이, 압축기로는 펄스폭 변조방식으로 제어되는 능력가변형 압축기(2)가 사용된다. 압축기(2)는 흡입구(18)와 토출구(19)가 마련된 케이싱(20)과, 이 케이싱(20) 내부에 설치된 모터(21)와, 이 모터(21)의 회전력를 받아 회전하는 선회스크롤(22)과, 선회스크롤(22)과의 사이에 압축실(23)을 형성하는 고정스크롤(24)을 포함한다. 케이싱(20)에는 고정스크롤(24)의 상측과 흡입구(18)를 연결하는 바이패스관(25)이 설치되고, 이 바이패스관(25)에는 솔레노이드 밸브 형태의 PWM밸브(Pulse Width Modulated Valve; 26))가 설치된다. 도 2a는 PWM밸브(26)가 오프되어 바이패스관(25)을 막고 있는 상태를 도시한 것으로, 이 상태에서는 압축기(2)는 압축된 냉매를 토출한다. 이러한 상태를 로딩(loading)이라 하고 이때 압축기(2)는 100%의 용량으로 운전한다. 도 2b는 PWM밸브(26)가 온되어 바이패스관(25)을 열고 있는 상태를 도시한 것으로, 이때 냉매는 압축기(2)에서 토출되지 않는다. 이러한 상태를 언로딩(unloading)이라 하고 압축기(2)는 0%의 용량으로 운전하게 된다. 로딩 상태이든 언로딩 상태이든 압축기(2)에는 전원이 공급되고 모터(21)는 일정한 속도로 회전한다. 압축기(2)에 전원공급이 차단되면 모터(21)는 회전하지 않고 압축기(2)의 운전은 정지된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 압축기(2)는 운전하는 동안에 일정한 주기로 로딩과 언로딩을 반복하며, 로딩 타임에서 압축기(2)는 냉매를 토출하므로 증발기(5)의 온도는 하강하고, 언로딩 타임에서 압축기(2)는 냉매를 토출하지 않으므로 증발기(5)의 온도는 상승한다. 그리고 빗금친 부분의 면적은 냉매 토출량을 나타내며, 제어부(30)의 제어하에 로딩 타임과 언로딩 타임을 변화시켜 압축기(2)의 능력을 가변시키는 방식을 취한다. 즉, 제어부(30)는 압축기(2)로 흡입되는 저압 냉매의 압력에 따라 로딩 타임과 언로딩 타임을 변화시킨다. 즉, 제어부(30)는 압력센서(40)에 의하여 검출된 압력이 목표값보다 낮으면 실내 냉방요구능력이 떨어진 상태로 인식하여 언로딩 상태가 되도록 하는 제어 신호를 PWM밸브(26)로 출력하여 압축기(2)의 용량을 감소시키며, 한편 압력센서(40)에 의하여 검출된 압력이 목표값보다 크면 실내 냉방요구능력이 높아진 상태로 인식하여 로딩 상태가 되도록 하는 제어 신호를 PWM밸브(26)로 출력하여 압축기(2)의 용량을 증대시킨다.

본 발명의 실시례에서 목표값은 압축기 정상 운전에서 저압관(7)에 흐르는 냉매의 압력으로 하며, 목표값은 기준값(LPt)에 소정값(α)을 허용하는 상한값(LPt+α)과 하한값(LPt-α)의 범위을 가진다. 바람직하게는, 외기온도센서(50)를 통해 검출한 외기 온도에 따라 제어부(30)가 목표값을 설정하거나, 혹은 운전중인 실내기의 개수에 따라 목표값을 설정하거나, 배관의 길이에 따라 목표값을 설정한다. 이는 목표값이 외기온도와 운전중인 실내기의 개수와 배관의 길이에 따라 최적값이 달라질 수 있기 때문이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 제어부(30)는 검출된 압력(LPr)이 상한값(LPt+α)보다 크면 압축기(2)가 로딩 상태로 운전되도록 생성한 제어신호를 PWM밸브(26)에 출력하고, 검출된 압력(LPr)이 하한값(LPt-α)보다 작으면 압축기(2)가 언로딩 상태로 운전되도록 생성한 제어신호를 PWM밸브(26)에 출력한다.

하나 이상의 실내기가 운전되면 제어부(30)는 검출된 압력과 목표값 즉, 상한값 및 하한값과 비교하여 압축기(2)를 로딩 상태 혹은 언로딩 상태가 되도록 압축기(2)의 용량을 가변시킨다. 이와 같이, 실내 냉방부하에 따라 압축기(2)에서의 냉매 토출량이 가변됨에 따라 실내공간을 쾌적하게 냉방할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 공기조화기의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

냉방을 필요로 하는 실내공간에 설치된 실내기 운전이 시작되면 그 실내기(9)에 연결된 신호선을 통해 온(ON)신호가 제어부(30)에 입력되고, 제어부(30)는 다수의 실내기(9)와 각각 연결된 신호선(L1-L5)을 통하여 입력되는 온/오프 신호에 따라 각 실내기의 운전여부를 판단한다(S10).

하나 이상의 실내기가 운전되면 압축기(2)에 전원이 공급되어 압축기 온(ON)되고(S20), 저압관(7)에 설치된 압력센서(40)는 압축기(2)로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하여 제어부(30)에 입력한다(S30).

이어서, 제어부(30)는 압축기 온된 상태에서 일정시간 동안 언로딩 상태로 기동시킨다. 즉, 제어부(30)는 압축기(2)에서 냉매를 토출하지 않도록 PWM밸브(26)를 온시킨다(S40).

압축기 기동운전이 종료되면 압축기(2)에서 제어부(30)는 PWM밸브(26)를 오프시켜 로딩 상태로 압축기(2)를 운전하며, 이에 따라 압력센서(40)에 의하여 검출되는 냉매의 압력(LPr)은 떨어지게 된다(S50).

상기 제어부(30)는 검출된 압력(LPr)과 목표값을 비교하여 압축기의 운전을 제어한다. 여기서 목표값은 기준값(LPt)에 소정값(α)을 허용하는 상한값(LPt+α)과 하한값(LPt-α)의 범위을 가지며, 외기온도와 운전중인 실내기의 개수와 배관의 길이에 따라 최적값이 달라질 수 있기 때문에 제어부(30)는 외기온도센서(50)를 통해 검출한 외기 온도에 따라 목표값을 설정하거나, 운전중인 실내기의 개수 또는 배관의 길이에 따라 목표값을 설정한다.

제어부(30)는 검출된 압력(LPr)이 하한값(LPt-α)보다 작은지를 판단한다(S60).

단계 S60의 판단결과 검출된 압력(LPr)이 하한값(LPt-α)보다 작지 않으면 단계 S50으로 돌아가 로딩 상태로 압축기(2)를 운전한다.

단계 S60의 판단 결과 검출된 압력(LPr)이 하한값(LPt-α)보다 작으면 즉 실내 냉방부하가 줄어 들면(실내기의 운전오프로 운전중인 실내기의 개수가 줄어 들면) 제어부(30)가 PWM밸브(276)를 온시켜 언로딩 상태로 압축기(2)를 운전하고, 이에 따라 압축기(2)에서 냉매의 토출이 중단되고 저압관(7)에 흐르는 냉매의 압력이 높아지게 된다(S70).

이어서, 제어부(30)는 검출된 압력(LPr)이 설정된 상한값(LPt+α)보다 큰지를 판단한다(S80). 그 판단결과 검출된 압력(LPr)이 상한값(LPt+α)보다 크지 않으면 실내 냉방부하에 적합하게 운전되는 상태로 인식하여 단계 S70으로 돌아가 언로딩 상태로 압축기(2)를 운전한다.

단계 S80의 판단결과 검출된 압력(LPr)이 상한값(LPt+α)보다 크면 즉 실내 냉방부하가 커지면(실내기가 추가로 온되어 운전중인 실내기의 개수가 늘어 나면) 단계 S50으로 돌아가 로딩 상태로 압축기(2)를 운전하고, 이에 따라 압력센서(40)에 의하여 검출되는 냉매의 압력(LPr)은 떨어지게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기조화기의 제어 시스템과 그 제어방법에 의하면, 펄스폭변조 방식의 압축기를 적용한 공기조화기에서 압축기의 흡입측에 연결되는 저압관의 압력에 따라 로딩 상태와 언로딩 상태가 결정되어 압축기를 제어하게 된다. 따라서, 본 발명은 기존과 같이 실외기 및 실내기가 쌍방향으로 통신하기 위한 통신회로를 구비해야 하는 제약으로부터 벗어날 수 있고, 실외기와 실내기 중 어느 하나를 필요에 따라 교체할 수 있기 때문에 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

1. 로딩 타임에서 냉매를 토출하고 언로딩 타임에서 냉매를 토출하지 않는 압축기;

   상기 압축기로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하기 위한 압력센서;

   상기 압력센서로부터 검출된 냉매의 압력과 설정된 목표값을 비교하고, 그 비교 결과 냉매의 압력이 작으면 언로딩 상태로 압축기를 운전하고 냉매의 압력이 크면 로딩 상태로 압축기를 운전하여 실내 냉방부하에 대응되게 상기 압축기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
2. 제1항에 있어서, 상기 압력센서는 상기 압축기와 실내기의 증발기 사이를 연결하는 저압관에 설치되는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 실내기와 연결되는 신호선을 통해 전송되는 온/오프 신호에 따라 실내기의 운전여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 다수의 실내기가 마련된 경우 각 실내기와 개별적으로 신호선이 연결되는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
5. 제1항에 있어서, 외기온도를 검출하기 위한 외기온도센서를 더 구비하고, 상기 제어부는 외기온도센서를 통해 검출한 외기 온도에 따라 상기 목표값을 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 운전중인 실내기의 개수에 따라 상기 목표값을 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는 배관의 길이에 따라 목표값을 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
8. 서로 다른 용량에 대응되는 로딩 상태와 언로딩 상태 중 어느 하나의 상태로 작동되는 압축기가 설치된 실외기와, 상기 압축기와 함께 냉동사이클을 구성하는 전동팽창밸브 및 증발기가 설치된 다수의 실내기와, 상기 증발기의 출구측과 상기 압축기의 흡입측을 연결하는 저압관과, 상기 저압관에 설치된 압력센서를 구비한 공기조화기의 제어방법에 있어서,

   실내기의 운전 여부를 판단하는 단계;

   상기 압력센서에 의하여 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하는 단계;

   하나 이상의 실내기가 운전되면 일정시간 동안 상기 압축기를 기동 운전하는 단계;

   상기 압축기 기동 운전이 종료되면 상기 압력센서를 통해 검출한 냉매의 압력과 설정된 목표값을 비교하는 단계;

   상기 단계에서 냉매의 압력이 작으면 언로딩 상태로 상기 압축기를 운전하는 단계;

   상기 단계에서 냉매의 압력이 크면 로딩 상태로 상기 압축기를 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어 방법.
9. 제8항에서, 상기 압축기 기동운전 단계는 언로딩 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어 방법.
10. 제8항에서, 상기 목표값은 외기온도센서를 통해 검출된 외기온도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어 방법.
11. 제8항에서, 상기 목표값은 운전중인 실내기의 개수와 배관의 길이에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 목표값은 서로 다른 상한값과 하한값의 범위를 가지며, 상기 상한값은 기준값보다 소정값만큼 크고 상기 하한값은 기준값보다 소정값만큼 작은 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어 방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 실내기의 운전 여부를 판단하는 단계는 각 실내기와 연결되는 신호선을 통해 전송되는 온/오프 신호에 따라 판단하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어 방법.