KR100505234B1 - 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법 - Google Patents

히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실외온도가 설정온도 이상인 경우 압축기 토출 온도가 높아지는 것을 방지하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법에 관한 것으로서, 특히 실외온도에 따라 적어도 하나 이상의 압축기가 작동되도록 함과 동시에 실외팬이 작동되도록 하되, 작동되는 압축기의 용량에 따라 실외팬의 풍량이 조절되도록 하기 때문에 압축기가 과열되는 것을 방지할 수 있어 압축기의 신뢰성을 높일 수 있고, 냉매의 이상 소음이 발생되는 것을 방지할 수 있어 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.

Description

히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법 {Heating control method of heat pump system}
본 발명은 압축기가 과열되는 것을 방지할 수 있는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법에 관한 것으로서, 특히 압축기의 과열을 방지함과 아울러 냉매의 이상 소음이 실외팬 소음에 묻히도록 하여 냉매의 이상 소음을 저감시킬 수 있는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화기는 저온저압의 기체상태인 냉매를 고온고압의 기체상태의 냉매로 변화시키는 압축기와, 상기 압축기에서 변화된 고온고압의 기체상태인 냉매를 중온고압의 액체상태의 냉매로 변화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 변화된 중온고압의 액체상태인 냉매를 저온저압의 액체상태의 냉매로 변화시키는 전자팽창밸브와, 저온저압의 액체상태 냉매를 기체상태의 냉매로 변화시키는 증발기로 구성되되, 특히 이러한 공기조화기 중 히트펌프식 공기조화기는 냉/난방 모드에 따라 냉매의 유로를 바꾸어주는 사방밸브를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 히트펌프식 공기조화기는 냉/난방 작동 여부에 따라 실내 열교환기와 실외 열교환기의 역할이 달라지는데, 난방 모드에서 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기는 각각 응축기와 증발기 역할을 수행하는 반면, 냉방 모드에서 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기는 각각 증발기와 응축기 역할을 수행한다.
물론, 상기 히트펌프식 공기조화기는 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기가 각각 실내 공기와 실외 공기와 열교환되도록 상기 실내 열교환기와 실외 열교환기 측에 각각 설치된 실내팬과 실외팬이 더 포함된다.
특히, 최근에는 공기조화기를 비롯하여 히트펌프식 공기조화기에 서로 다른 용량을 가지는 다수개의 압축기를 사용함으로써, 냉방 부하 또는 난방 부하에 따라 작동되는 압축기의 용량을 가변시킬 수 있도록 하여 냉방 및 난방 효율을 최적화할 수 있도록 하고 있다.
그러나, 종래의 히트펌프식 공기조화기는 난방 운전시 실외온도가 설정온도 이상인 경우 상기 실외 열교환기의 온도가 상승하여 상기 압축기에서 토출되는 냉매의 온도가 높아지는 것을 방지하기 위하여 실외공기와 상기 실외 열교환기의 열교환을 제한하도록 상기 실외팬을 단속하는데, 상기 실외팬 작동시 상기 실외팬의 작동 소음에 묻혀 들리지 않던 냉매의 이상 소음이 상기 실외팬이 정지됨에 따라 사용자에서 냉매의 이상 소음이 들리게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실외온도에 따라 압축기와 실외팬의 운전 상태를 조절하여 압축기의 과열을 방지할 뿐 아니라 냉매의 이상소음을 저감시킬 수 있는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법은 난방부하에 따라 복수개의 압축기의 일부 또는 전부가 선택적으로 작동되는 히트펌프식 공기조화기의 난방운전방법에 있어서,실외온도가 제1설정온도 이상인 경우에 복수개의 압축기 중 일부가 작동되고, 실외온도가 제1설정온도보다 낮은 제2설정온도와 제1설정온도 사이인 경우에 실내온도가 제3설정온도 이상이면 복수개의 압축기 중 일부만 작동되고 실내온도가 제3설정온도 미만이면 복수개의 압축기가 모두 작동되며, 실외온도가 제2설정온도 미만이면 난방부하에 따라 복수개의 압축기의 일부 또는 전부가 선택적으로 작동되는 제1단계와;상기 제1단계에서 작동되는 압축기의 냉매 압축용량에 따라 압축기의 과열을 방지하기 위하여 실외팬의 풍량이 조절되는 제2단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법으로 이루어진다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기가 도시된 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법이 도시된 순서도이다.
본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기는 도 1에 도시된 바와 같이 난방시를 기준으로 하여 설명하면, 냉매를 고온고압의 기체냉매로 압축시키는 다수개의 압축기(11,12)와, 상기 압축기(11,12)를 통과한 냉매를 실내공기와 열교환시켜 중온고압의 액체냉매로 응축시킴과 아울러 실내공기를 가열시키는 실내 열교환기(14) 및 상기 실내 열교환기(14) 측으로 실내공기를 송풍시키는 실내팬(14a)과, 상기 실내 열교환기(14)를 통과한 냉매를 저온저압의 냉매로 감압시키는 팽창장치(15)와, 상기 팽창장치(15)를 통과한 냉매를 실외공기와 열교환시켜 저온저압의 기체냉매로 증발시키는 실외 열교환기(16) 및 상기 실외 열교환기(16) 측으로 실외공기를 송풍시키는 실외팬(16a)을 포함하여 구성된다.
물론, 상기 히트펌프식 공기조화기는 상기 압축기(11,12) 선단 측에 설치되어 상기 압축기(11,12) 측으로 유입되는 냉매로부터 액체냉매를 걸러주는 어큐뮬레이터(17)와, 상기 압축기(11,12) 후단 측에 설치되어 난방시 냉매를 상기 실내 열교환기(14) 측으로 유동되고 냉방시 냉매를 상기 실외 열교환기(16) 측으로 유동되도록 냉매의 유로를 절환시켜 주는 사방밸브(13)가 더 포함된다.
이때, 상기 압축기(11,12)는 냉매압축용량이 서로 다른 중용량인 제1압축기(11)와, 소용량인 제2압축기(12)로 구성되되, 상기 제1,2압축기(11,12)는 각각 전체의 냉매압축용량의 60%와 40%를 차지하도록 구성되어 난방 운전시 비교적 난방 부하가 큰 경우 냉매압축용량이 100%가 되도록 상기 제1,2압축기(11,12)가 모두 작동되는 반면, 비교적 난방 부하가 작은 경우 냉매압축용량이 60%가 되도록 상기 제1압축기(11)만 작동된다.
특히, 상기 히트펌프식 공기조화기는 난방 운전시 실외온도가 설정온도 이상인 경우 실외공기와 상기 실외 열교환기(16)가 열교환되는 것을 제한하기 위하여 상기 제1,2압축기(11,12) 중 적어도 하나 이상의 압축기가 작동됨과 아울러 상기 실외팬(16a)의 풍량이 조절되도록 작동되는데, 하기의 표 1을 참조로 하여 살펴보면 다음과 같다.
운전 모드 실외온도 실내온도 냉매압축용량 실외팬 풍량
제1난방 과부하 제1설정온도 이상 - 60 % 약풍
제2난방 과부하 제1설정온도 미만 제2설정온도 이상 제3설정온도 이상 60 % 약풍
제3난방 과부하 제3설정온도 미만 100 % 강풍
정상난방 제2설정온도 미만 - 정시 실온 제어
구체적으로, 상기 히트펌프식 공기조화기는 실외온도가 제1설정온도 이상인 경우 실외공기에서 실외 열교환기(16) 측으로 과다한 열교환 작용이 일어난다고 판단하여 실외공기와 상기 실외 열교환기(16) 사이에 열교환을 제한함과 아울러 냉매의 이상 소음이 상기 실외팬(16a)의 소음에 묻히도록 하기 위하여 상기 제1압축기(11)만 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 약풍으로 작동되는 제1난방 과부하 운전 모드로 운전된다.
그리고, 상기 히트펌프식 공기조화기는 실외온도가 제1설정온도 미만이고 제2설정온도 이상인 경우 실외공기에서 실외 열교환기(16) 측으로 열교환 작용이 일어난다고 판단하되, 사용자의 쾌적감을 고려하여 실내온도에 따라 제2,3난방 과부하 운전 모드로 운전된다.
이때, 실내온도가 제3설정온도 이상인 경우 상기 제1압축기(11)만 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 약풍으로 작동되는 제2난방 과부하 운전 모드로 운전되고, 실내온도가 제3설정온도 미만인 경우 상기 제1,2압축기(11,12)가 모두 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 강풍으로 작동되는 제3난방 과부하 운전 모드로 운전된다.
한편, 상기 히트펌프식 공기조화기는 실외온도가 제2설정온도 미만인 경우 실외공기에서 상기 실외 열교환기(16) 측으로 정상적인 열교환 작용이 일어난다고 판단하여 정시 실온 제어에 따른 정상 난방 모드로 운전된다.
이때, 상기 정시 실온 제어는 실내 난방 부하에 따라 상기 제1,2압축기(11,12) 중 적어도 하나 이상의 압축기가 작동 또는 정지되도록 하여 소비 전력을 감소시키는 동시에 사용자에게 쾌적감을 줄 수 있도록 실내 공기를 난방시키는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법이 도시된 순서도이다.
먼저, 제1단계는 난방 부하에 따라 상기 제1,2압축기(11,12)가 모두 작동되어 히트펌프식 공기조화기가 난방 운전되는 동시에 실외온도가 측정된다.(S1,S2 참조)
여기서, 상기 제1,2압축기(11,12)는 냉매압축용량이 각각 중용량과 소용량으로 상기 히트펌프식 공기조화기는 초기 작동시 상기 제1,2압축기가 모두 작동된다.
제2단계는 상기 제1단계에서 측정된 실외온도가 제1설정온도와 비교된다.(S3 참조)
이때, 실외온도가 상기 제1설정온도를 기준으로 상승 및 하강이 반복되도록 측정될 경우 설정시간 동안 설정횟수 이상으로 반복되면 실외온도는 상기 제1설정온도 이상인 것으로 판단된다.
제3단계는 상기 제2단계에서 실외온도가 상기 제1설정온도 이상으로 판단될 경우 상기 제1압축기(11)만 작동되고, 상기 실외팬(16a)은 약풍으로 조절되어 작동된다.(S4 참조)
즉, 실외온도가 상기 제1설정온도 이상인 경우 실외공기에서 상기 실외 열교환기(16) 측으로 과도한 열교환 작용이 일어나 압축기의 토출 측 온도가 상승하여 압축기가 과열될 수 있다고 판단하여 압축기의 냉매압축용량과 실외팬의 풍량을 줄임으로 압축기의 냉매 토출 온도를 낮출 수 있을 뿐 아니라 냉매의 이상 소음을 저감시킬 수 있다.
제4단계는 상기 제3단계에서 상기 제1압축기(11)만 작동되는 상태로 설정시간이 경과되면, 상기 제2압축기(12)가 소정시간 작동 후 정지된다.(S5 참조)
여기서, 상기 제1압축기(11)만 작동될 경우 상기 제1압축기(11)와 제2압축기(12) 사이에 압력 불평형으로 인하여 상기 제2압축기(12) 측 오일이 상기 제1압축기(11) 측으로 유입되기 때문에 상기 제1,2압축기(11,12)가 동시에 기동될 경우 상기 제2압축기(12) 측에 오일이 부족하여 파손되는 것을 방지하기 위하여 상기 제1압축기(11)만 설정시간 이상 작동되면, 상기 제2압축기(12)가 소정시간 작동되어 상기 제2압축기(12) 측으로 오일을 회수한 다음 정지된다.
한편, 상기 제2단계에서 실외온도가 상기 제1설정온도 미만이고 상기 제1설정온도보다 낮은 제2설정온도 이상인 경우 실내온도가 측정하여 실내온도에 따라 상기 제1,2압축기(11,12) 및 실외팬(16a)의 작동이 조절된다.(S6,S7 참조)
이때, 실외온도는 역시 상기 제2설정온도를 기준으로 상승 및 하강이 반복되도록 측정될 경우 설정시간 동안 설정횟수 이상으로 반복되면 실외온도는 상기 제1설정온도와 제2설정온도 사이인 것으로 판단된다.
즉, 실외온도가 상기 제1설정온도와 제2설정온도 사이인 경우 실외공기에서 상기 실외 열교환기(16) 측으로 과도한 열교환 작용이 일어나 압축기의 토출 측 온도가 상승하여 압축기가 과열될 수 있다고 판단되지만, 사용자의 쾌적감을 고려하기 위하여 실내온도를 측정하여 실내온도에 따라 제1,2압축기(11,12) 및 실외팬(16a)의 작동이 조절된다.
구체적으로, 실내온도가 제3설정온도 이상인 경우 사용자가 충분히 쾌적감을 느낄 수 있다고 판단하여 상기 제1압축기(11)가 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 약풍으로 작동되는 반면, 실내온도가 제3설정온도 미만인 경우 사용자가 쾌적감을 느낄 수 없다고 판단하여 상기 제1,2압축기(11,12)가 모두 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 강풍으로 작동된다.(S8,S9 참조)
따라서, 실내온도가 상기 제3설정온도 이상이면, 압축기의 냉매압축용량 및 실외팬의 풍량을 줄임으로 압축기의 냉매 토출 온도를 낮출 수 있을 뿐 아니라 냉매의 이상 소음을 저감시킬 수 있는 반면, 실내온도가 상기 제3설정온도 미만이면, 압축기의 냉매압축용량 및 실외팬의 풍량을 늘림으로 사용자에게 쾌적한 난방을 제공할 수 있다.
도 3은 히트펌프식 공기조화기가 본 발명의 난방 과부하 운전되는 경우와 종래 기술의 난방 과부하 운전되는 경우 실내공기의 취출온도가 도시된 그래프이고, 도 4는 히트펌프식 공기조화기가 본 발명에 따라 각각 제1,2난방 과부하 운전되는 경우 실내공기의 취출온도가 도시된 그래프이다.
여기서, 히트펌프식 공기조화기가 본 발명의 난방 과부하 운전되는 경우와 종래의 난방 과부하 운전되는 경우 각각 실내 측으로 토출되는 실내공기의 취출온도를 살펴보면, 하기의 표 2에 따른 조건으로 시험한 결과 도 3에 도시된 바와 같이 실내공기의 취출온도가 나타난다.
냉매압축용량 실내온도 실외온도 실내팬 실외팬
종래 기술 100 % A ℃ 제1설정온도 이상 강풍 On/Off 운전
본 발명 60 % A ℃ 제1설정온도 이상 강풍 약풍 운전
즉, 본 발명의 난방 과부하 운전에 따라 상기 제1압축기(11)만 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 약풍으로 조절되어 작동되는 경우 종래 기술의 난방 과부하 운전에 따라 상기 제1,2압축기(11,12)가 모두 작동되는 동시에 상기 실외팬(16a)이 실외배관온도에 따라 작동/정지를 반복하도록 작동되는 경우보다 실내공기의 취출온도가 2℃ 정도 더 높게 나타남으로 히트펌프식 공기조화기가 본 발명의 난방 과부하 운전되는 경우 종래 기술의 난방 과부하 운전되는 경우보다 실내부하를 더 신속하게 해소할 수 있고, 하나의 압축기만 작동됨으로 소비전력을 40% 정도 감소시킬 수 있다.
한편, 히트펌프식 공기조화기는 본 발명의 난방 과부하 운전되는 경우 즉 냉매압축용량이 60%가 되도록 상기 제1압축기(11)만 작동되고, 실외공기와 열교환이 제한되도록 상기 실외팬(16a)이 약풍으로 조절되어 작동될 경우 실내 측으로 토출되는 실내공기의 취출온도를 살펴보면, 하기의 표 3에 따른 조건으로 시험한 결과 도 4에 도시된 바와 같이 실내공기의 취출온도가 나타난다.
운전 모드 냉매압축용량 실내온도 실외온도 실내팬 실외팬
제1난방 과부하 운전 60 % 제3설정온도 이상 제1설정온도 이상 강풍 약풍
제2난방 과부하 운전 60 % 제3설정온도 미만 제1설정온도 미만 제2설정온도 이상 특강풍 약풍
즉, 히트펌프식 공기조화기가 상기 제1난방 과부하 운전되는 경우 실내공기의 취출온도는 57℃ 정도이며, 상기 제2난방 과부하 운전되는 경우 실내공기의 취출온도는 41℃ 정도가 됨으로 사용자에게 충분히 쾌적감을 느낄 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법은 실외온도에 따라 냉매압축용량이 변동되도록 적어도 하나 이상의 압축기가 작동되기 때문에 압축기의 토출측 온도를 낮출 수 있어 압축기가 과열되는 것을 사전에 방지할 수 있으므로 압축기의 신뢰성을 높일 수 있을 뿐 아니라 냉매압축용량에 따라 실외팬의 풍량이 조절되도록 작동되기 때문에 압축기와 실외팬이 동시에 작동되어 냉매의 이상 소음이 실외팬 소음에 묻혀 사용자에게 들리지 않으므로 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기가 도시된 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법이 도시된 순서도,
도 3은 히트펌프식 공기조화기가 본 발명의 난방 과부하 운전되는 경우와 종래 기술의 난방 과부하 운전되는 경우 실내공기의 취출온도가 도시된 그래프,
도 4는 히트펌프식 공기조화기가 본 발명에 따라 각각 제1,2난방 과부하 운전되는 경우 실내공기의 취출온도가 도시된 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
11,12 : 제1,2압축기 13 : 사방밸브
14 : 실내 열교환기 14a : 실내팬
15 : 팽창장치 16 : 실외 열교환기
16a : 실외팬 17 : 어큐뮬레이터

Claims (8)

  1. 난방부하에 따라 복수개의 압축기의 일부 또는 전부가 선택적으로 작동되는 히트펌프식 공기조화기의 난방운전방법에 있어서,
    실외온도가 제1설정온도 이상인 경우에 복수개의 압축기 중 일부가 작동되고, 실외온도가 제1설정온도보다 낮은 제2설정온도와 제1설정온도 사이인 경우에 실내온도가 제3설정온도 이상이면 복수개의 압축기 중 일부만 작동되고 실내온도가 제3설정온도 미만이면 복수개의 압축기가 모두 작동되며, 실외온도가 제2설정온도 미만이면 난방부하에 따라 복수개의 압축기의 일부 또는 전부가 선택적으로 작동되는 제1단계와;
    상기 제1단계에서 작동되는 압축기의 냉매 압축용량에 따라 압축기의 과열을 방지하기 위하여 실외팬의 풍량이 조절되는 제2단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계에서 냉매압축용량이 중용량인 제1압축기와, 냉매압축용량이 소용량인 제2압축기 중 적어도 하나 이상의 압축기가 작동되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계는 실외온도가 제1설정온도 이상인 경우 제1압축기만 작동되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1단계는 실외온도가 상기 제1설정온도보다 낮은 제2설정온도 미만인 경우 난방부하에 따라서 제 1,2압축기의 하나 또는 전부가 선택적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1단계는 실외온도가 상기 제1설정온도와 제2설정온도 사이인 경우 실내온도가 제3설정온도 이상이면 제1압축기만 작동되고, 실내온도가 제3설정온도 미만이면 제1,2압축기가 모두 작동되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2단계는 상기 제1압축기만 작동되는 경우 상기 실외팬이 약풍으로 운전되고, 상기 제1,2압축기가 모두 작동되는 경우 상기 실외팬이 강풍으로 운전되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느한 항에 있어서,
    상기 제1단계에서 설정시간 동안 실외온도가 설정횟수 이상으로 상기 제1설정온도 또는 제2설정온도를 기준으로 상승 및 하강되면 각각 상기 제1설정온도 또는 제2설정온도 이상으로 판단되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
  8. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느한 항에 있어서,
    상기 제1단계는 상기 제1압축기만 설정시간 이상 작동되는 경우 상기 제2압축기 측으로 오일을 회수하기 위하여 상기 제2압축기가 소정시간 작동 후 정지되는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 공기조화기의 난방 과부하 운전방법.
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