KR100541455B1

KR100541455B1 - 공기조화기 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100541455B1
Application number: KR1020040002382A
Authority: KR
Inventors: 서형준; 김종문
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2006-01-12
Also published as: CN100504212C; JP2005201630A; KR20050074153A; CN1641279A

Abstract

본 발명은, 실내에 설치되어 실내공기를 열교환하는 실내열교환기를 갖는 실내기와, 상기 실내기와 냉매배관에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외열교환기를 갖는 실외기를 포함하는 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 공기조화기는, 상기 실외기에 마련되며, 3단 이상으로 냉매의 압축능력이 가변되는 압축부와; 상기 압축부를 구동하는 구동부와; 상기 실내기의 요구능력에 따른 상기 압축부의 최적능력과 상기 구동부의 최적회전수를 미리 저장하고 있으며, 상기 실내기의 요구능력을 산출하여 산출된 요구능력에 따라 상기 압축부를 상기 최적능력으로 구동시키고, 상기 구동부를 상기 최적회전수로 회전시키도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장시간 구동부의 수명을 보장할 수 있는 공기조화기 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.

Description

공기조화기 및 그 제어방법{AIR CONDITIONER AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}

도 1은 종래 공기조화기의 개략도,

도 2는 종래 공기조화기의 동작과정을 나타낸 흐름도,

도 3a 및 도 3b는 도 1의 엔진회전수 변화에 따른 능력변화 특성 및 COP(Coefficient of Performance) 변화 특성을 각각 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 공기조화기의 개략도,

도 5는 본 발명에 따른 공기조화기의 제어블록도,

도 6a 및 도 6b는 압축부의 4단 제어시 능력제어패턴 및 COP 패턴을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 따른 공기조화기의 제어흐름도,

도 8과 도 9는 압축부의 2단 제어와 4단 제어를 비교한 도면,

도 10과 도 11은 압축부의 3단 제어와 4단 제어를 비교한 도면,

도 12a 및 도 12b는 압축부의 3단 제어시 능력제어패턴 및 COP 패턴을 나타낸 도면,

도 13은 압축부의 3단 제어시 능력별 COP 특성을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 실외기 12 : 압축부

14 : 구동부 16, 36 : 통신회로부

18 : 사방밸브　 19 : 실외제어부

20 : 실외팬 22 : 실외열교환기

24 : 실외밸브 30 : 실내기

32 : 실내열교환기 33 : 실내온도감지부

34 : 실내밸브 35 : 희망온도설정부

38 : 실내제어부 40 : 냉매배관　

본 발명은 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장시간 구동부의 수명을 보장할 수 있는 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 공기조화기는 냉매의 압축, 응축, 팽창, 증발을 반복하여 겨울에는 응축에 의한 방열로 난방을 하거나, 여름에는 증발에 의한 흡열로 냉방을 하는 장치이다.

도 1은 냉매압축식 냉동사이클을 갖는 공기조화기의 개략도를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 공기조화기는, 실내에 설치되어 실내공기 를 열교환하는 실내기(200)와, 실내기(200)와 냉매배관(300)에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외기(100)로 이루어진다.

실외기(100)는, 기체 상태의 냉매를 고온고압으로 압축하기 위한 압축기(102)와, 압축기(102)를 구동하는 엔진(104)과, 엔진(104)과 압축기(102) 사이에 위치하여 압축기(102)의 구동을 조절하는 전자식 클러치(106)와, 냉방운전과 난방운전의 절환을 위한 사방(four-way)밸브(108)와, 압축기(102)에서 토출된 냉매를 실외공기와 열교환하기 위한 실외팬(110) 및 실외열교환기(112)와, 난방시 냉매유량조절을 위한 실외밸브(114)를 포함한다.

실내기(200)는 실외열교환기(112) 또는 압축기(102)로부터의 냉매를 열교환하는 실내열교환기(202)와, 냉방시 냉매유량조절을 위한 실내밸브(204)를 포함한다.

이러한 구성을 갖는 종래의 공기조화기의 냉방 운전시, 압축기(102)에서 토출된 고온고압 상태의 냉매는 실외열교환기(112)를 통하여 실외 공기와 열교환하면서 외부로 열을 방열하고 액체의 상태로 응축된다. 실외열교환기(112)를 통해 응축된 냉매는 냉매배관(300)을 통해 실내열교환기(202)로 공급되는 과정에서 감압된다. 그리고, 실내열교환기(202)를 통하여 액체 상태의 냉매가 기화되며 열을 흡수하여 실내공기를 냉각시킨다. 그 후, 실외기 (100)로 복귀된 냉매는 압축기(102)로 흡입되어 상기의 사이클을 반복한다.

한편, 난방 운전시 압축기(102)에서 토출된 고온고압 상태의 냉매는 사방밸브(108)를 통하여 실내기(200)로 공급되고, 실내열교환기(202)를 통해 실내공기와 열교환하여 실내공기를 가열하고 자신은 응축된다. 응축된 액체 상태의 냉매는 냉매배관(300)을 통해 실외열교환기(112)로 공급되는 과정에서 감압된다. 그리고, 실외열교환기(112)를 통하여 실외공기와 열교환하여 기체 상태의 냉매가 되고, 이 기체상태의 냉매는 압축기(102)로 흡입되어 상기의 사이클을 반복한다.

이러한 구성을 갖는 종래 공기조화기의 동작과정을 도 2를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 압축기(102)의 1단, 2단 운전은 압축기(102)가 병렬로 2대 설치되어 있는 경우 1대만 운전시는 1단 운전, 2대 모두 운전시는 2단 운전으로 정의한다. 또는, 압축기(102)의 1단, 2단 운전을 위해 2단 능력가변형 압축기를 사용하기도 한다.

공기조화기의 운전이 시작되면, 도시되지 않은 제어부는 실내기(200) 요구능력을 계산한다(S100). 계산된 실내기(200) 요구능력이 압축기(102)의 1단운전 능력 미만인지를 판단한다(S102). 판단결과, 실내기(200) 요구능력이 압축기(102)의 1단운전 능력 미만인 경우, 압축기(102)를 1단운전시키며(S104), 실내기(200) 요구능력이 압축기(102)의 1단운전 능력을 초과하는 경우, 압축기(102)를 2단운전시킨다(S106).

도 3a는 도 1의 엔진회전수 변화에 따른 능력변화 특성을 나타내며, 도 3b는 도 1의 엔진회전수 변화에 따른 COP(Coefficient of Performance) 변화 특성을 나타낸다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 압축기(102)의 1단 운전시에는 엔진회전수를 대략 1000rpm ~ 2300rpm 까지 운전시에 대략 5% ~ 60%의 실내기(200) 요구능력에 대 응할 수 있다. 한편, 압축기(102)의 2단 운전시에는 엔진회전수를 대략 1000rpm ~ 2000rpm 까지 운전시에 대략 60% ~ 100%의 실내기(200) 요구능력에 대응할 수 있다. 따라서, 대략 5% ~ 100%의 실내기(200)의 요구능력 영역에 대해서, 엔진회전수와 압축기(102)의 선택적인 1단, 2단 운전을 통하여 가변능력 대응이 가능하다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 실내기(200)의 요구능력이 대략 60% ~ 100%인 경우에는 2대의 압축기(102)가 모두 운전되는 2단 운전시이므로 COP가 80% 내지 100%이다. 실내기(200) 요구능력이 대략 5% ~ 60% 인 경우에는 1대의 압축기(102)만 운전되는 1단 운전시이므로 COP가 대략 15% ~ 40%로 낮아지는 단점이 있다. 즉, 에너지 이용 효율이 저하된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장시간 구동부의 수명을 보장할 수 있는 공기조화기 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 실내에 설치되어 실내공기를 열교환하는 실내열교환기를 갖는 실내기와, 상기 실내기와 냉매배관에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외열교환기를 갖는 실외기를 포함하는 공기조화기에 있어서, 상기 실외기에 마련되며, 3단 이상으로 냉매의 압축능력이 가변되는 압축부와; 상기 압축부를 구동하는 구동부와; 상기 실내기의 요구능력에 따른 상기 압축부의 최적능력과 상기 구동부의 최적회전수를 미리 저장하고 있으며, 상기 실내기 의 요구능력을 산출하여 산출된 요구능력에 따라 상기 압축부를 상기 최적능력으로 구동시키고, 상기 구동부를 상기 최적회전수로 회전시키도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제어부는 상기 실내기의 요구능력이 소정 레벨 이상인 경우 상기 압축부를 최대능력으로 구동시키고, 상기 소정 레벨 미만인 경우 다단으로 상기 압축부를 구동시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 상기 압축부의 중간단계의 능력비를 대략 30% 내지 60%로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 분야에 따르면, 실내에 설치되어 실내공기를 열교환하는 실내열교환기를 갖는 실내기와, 상기 실내기와 냉매배관에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외열교환기를 갖는 실외기를 포함하는 공기조화기의 제어방법에 있어서, 상기 실외기에 마련되며, 3단 이상으로 냉매의 압축능력이 가변되는 압축부를 미리 마련하는 단계와; 상기 실내기의 요구능력에 따른 상기 압축부의 최적능력과 상기 압축부를 구동하는 구동부의 최적회전수를 미리 저장하는 단계와; 산출된 요구능력에 따라 상기 압축부를 상기 최적능력으로 구동시키고, 상기 구동부를 상기 최적회전수로 회전시키도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법에 의해서도 달성된다.

여기서, 상기 구동부를 제어하는 단계는, 상기 실내기의 요구능력이 소정 레벨 이상인 경우 상기 압축부를 최대능력으로 구동시키고, 상기 소정 레벨 미만인 경우 다단으로 상기 압축부를 구동시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압축부의 중간단계의 능력비를 대략 30% 내지 60%로 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 공기조화기의 개략도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공기조화기는, 실내에 설치되어 실내공기를 열교환하는 실내기(30)와, 실내기(30)와 냉매배관(40)에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외기(10)로 이루어진다.

실외기(10)는, 기체 상태의 냉매를 고온고압으로 압축하기 위한 압축부(12)와, 압축부(12)를 구동하는 구동부(14)인 엔진과, 냉방운전과 난방운전의 절환을 위한 사방밸브(18)와, 압축부(12)에서 토출된 냉매를 실외공기와 열교환하기 위한 실외팬(20) 및 실외열교환기(22)와, 난방시 냉매유량조절을 위한 실외밸브(24)를 포함한다.

여기서, 압축부(12)는 3대 이상의 고정능력형 압축기를 병렬로 설치한 구성이거나, 3단 이상의 능력가변형 압축기일 수 있다.

실내기(30)는 실외열교환기(22) 또는 압축부(12)로부터의 냉매를 열교환하는 실내열교환기(32)와, 냉방시 냉매유량조절을 위한 실내밸브(34)를 포함한다.

도 5는 본 발명에 따른 공기조화기의 개략적인 제어블록도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 공기조화기에서, 실외기(10)는 압축부(12)와, 압축부(12)를 구동하는 구동부(14)와, 실내기(30)와 데이터를 송수신하기 위한 통신회로부(16)와, 이 들을 제어하는 실외제어부(19)를 포함하며, 실내기(30)는 실내의 온도를 감지하는 실내온도감지부(33)와, 사용자의 희망온도 설정을 위한 희망온도설정부(35)와, 실외기(10)와 데이터를 송수신하기 위한 통신회로부(36)와, 이들을 제어하는 실내제어부(38)를 포함한다.

실내제어부(38)는 실내온도감지부(33)에 의해 감지된 실내온도와 희망온도설정부(35)를 통해 설정된 설정온도를 입력받는다. 실내제어부(38)는 자신의 냉난방 능력에 대한 정보를 가지고 있으며, 냉난방 요구능력을 산출할 때 실내온도와 설정온도의 차 및 자신의 냉난방능력에 기초하여 냉난방 요구능력을 산출할 수도 있고, 실내기(30)의 냉난방 능력만에 기초하여 냉난방 요구능력을 산출할 수도 있다. 실내기(30)에서 산출된 냉난방 요구능력은 통신회로부(36, 16)를 통해서 실외제어부(19)로 전송된다.

실외제어부(19)는 실내기(30)의 요구능력에 따른 압축부(12)의 최적능력과 엔진의 최적회전수를 미리 저장하고 있으며, 실내제어부(38)로부터 전송된 실내기(30)의 요구능력에 따라 압축부(12) 및 엔진이 각각 최적능력 및 최적회전수로 동작하도록 한다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 압축부(12)가 4단의 가변능력을 가진 경우, 실외제어부(19)는 실내기(30)의 요구능력이 60% 이상인 경우에는 압축부(12)가 최대능력, 즉 4단으로 운전되도록 한다. 그리고, 실외제어부(19)는 실내기(30)의 요구능력이 60% 미만인 경우에는 엔진이 최소운전이 가능한 회전수까지만 운전되면서 1단에서 3단까지 다단으로 압축부(12)가 구동되도록 한다.

이에, 4단 운전영역을 제외한 1단, 2단, 3단 운전영역에서는 대략 1500rpm 이하와 같은 저회전수에서 운전이 가능하여, 장시간 엔진 수명을 보장할 수 있다.

그리고, 도 6b에 도시된 바와 같이, COP가 종래에 비해 향상된 것을 확인할 수 있다. 참고로, COP는 최대효율을 100%로 표기하여 상대적인 비율을 나타낸다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 공기조화기의 제어흐름을 도 6a 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

실내제어부(38)는 실내기(30)의 요구능력을 산출한다(S10). 그리고, 산출된 실내기(30)의 요구 능력에 따라, 실외제어부(19)는 압축부(12)의 능력을 가변 제어한다.

실내기(30)의 요구능력이 압축부(12)의 1단운전만으로도 충분한 경우, 즉 실내기(30)의 요구능력이 대략 5% ~ 25%인 경우에는 실외제어부(19)는 압축부(12)를 1단 운전시킨다(S12, S14).

반면, 실내기(30)의 요구능력이 1단운전만으로는 부족하고 2단으로 충분한 경우, 즉 실내기(30)의 요구능력이 대략 25% ~ 45%인 경우 실외제어부(19)는 압축부(12)를 2단 운전시킨다(S16, S18).

실내기(30)의 요구능력이 2단운전만으로는 부족하고, 3단운전으로 충분한 경우(실내기(30)의 요구능력이 대략 45% ~ 60%인 경우), 실외제어부(19)는 압축부(12)를 3단 운전시키며(S20, S22), 실내기(30)의 요구능력이 대략 60% ~ 100%인 경우에는 압축부(12)를 4단 운전시킨다(S24).

도 8과 도 9는 압축부(12)의 2단 제어와 4단 제어를 비교한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 운전요구능력이 25%~45%인 경우에는 4단 제어가 2단 제어보다 COP가 대략 30% 향상되고, 운전요구능력이 45%~60%인 경우에는 4단 제어가 2단 제어보다 COP가 대략 60%가 향상됨을 알 수 있다. 즉, 압축부(12)를 4단 제어하게 되면, 압축부(12)를 2단 제어하는 경우보다 도 9에서의 A 영역만큼 COP가 향상된 결과를 얻을 수 있다.

도 10과 도 11은 압축부(12)의 3단 제어와 4단 제어를 비교한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 4단 제어의 경우에는 운전요구능력 범위가 45%~60%인 경우에는 3단 제어보다 30% 효율이 향상됨을 알 수 있다. 도 11에서의 B 영역이 효율이 향상된 운전영역 범위를 나타낸다.

한편, 압축부(12)를 3단으로 가변제어하는 경우에는 중간가변능력에 해당되는 2단 능력을 어떻게 설계하느냐에 따라서 에너지 이용 효율이 향상될 수 있다.

도 12a에 도시된 바와 같이 2단운전영역을 2′단운전영역으로 설계하면, 도 12b와 같은 COP 특성을 나타낸다.

도 13을 참조하여 능력별 COP 특성을 비교해 보면 다음과 같다.

도 13에 도시된 바와 같이, 1단->2단->3단 운전의 경우에는 1단->2'단->3단 운전의 경우보다 효율이 높은 운전능력영역은 C 영역이 된다. 반면, 1단->2'단->3단 운전의 경우에는 1단->2단->3단 운전의 경우보다 효율이 높은 운전능력영역은 D 영역이 된다. 두 가지의 운전영역을 비교하여 보면, 서로 상대적으로 효율이 높은 운전영역이 존재하나, 1단->2'단->3단 운전의 경우가 상대적으로 넓은 운전영역에서 효율이 높은 사실을 알 수 있다. 대략 실내기(30)의 요구능력이 100%로 운전되 는 확률은 1%이며, 75%로 운전되는 확률은 42%이며, 50%로 운전되는 확률은 45%, 25%로 운전되는 확률은 12%의 비율을 가지며, 운전빈도수가 높은 50% 영역에서의 효율을 향상시키기 위해서는 1단->2단->3단운전설계보다 1단->2'단->3단 운전설계가 보다 바람직하다. 따라서, 3단 운전설계의 경우에는 중간단계에 해당하는 2단능력범위의 설계범위를 대략 30~60% 능력범위로 설계하여야 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 압축부(12)의 압축능력을 3단, 4단으로 가변시키는 것으로 상술하였으나, 그 이상도 가능하다.

이와 같이, 본 발명은 실내기(30)의 요구능력에 따라 압축부(12)를 최적능력으로 구동시키고, 구동부(14)를 최적회전수로 회전시키도록 함으로써, 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장시간 구동부(14)의 수명을 보장할 수 있도록 한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명의 사상 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장시간 구동부의 수명을 보장할 수 있는 공기조화기 및 그 제어방법이 제공된다.

Claims

실내에 설치되어 실내공기를 열교환하는 실내열교환기를 갖는 실내기와, 상기 실내기와 냉매배관에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외열교환기를 갖는 실외기를 포함하는 공기조화기에 있어서,

상기 실외기에 마련되며, 3단 이상으로 냉매의 압축능력이 가변되는 압축부와;

상기 압축부를 구동하는 구동부와;

상기 실내기의 요구능력에 따른 상기 압축부의 최적능력과 상기 구동부의 최적회전수를 미리 저장하고 있으며, 상기 실내기의 요구능력을 산출하여 산출된 요구능력에 따라 상기 압축부를 상기 최적능력으로 구동시키고, 상기 구동부를 상기 최적회전수로 회전시키도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 상기 실내기의 요구능력이 소정 레벨 이상인 경우 상기 압축부를 최대능력으로 구동시키고, 상기 소정 레벨 미만인 경우 다단으로 상기 압축부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 압축부는 3단 능력가변형이며;

상기 제어부는 상기 압축부의 중간단계에 대응하는 상기 실내기의 요구능력비를 대략 30% 내지 60% 로 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
실내에 설치되어 실내공기를 열교환하는 실내열교환기를 갖는 실내기와, 상기 실내기와 냉매배관에 의해 연결되며 실외에 설치되어 냉매를 열교환하는 실외열교환기를 갖는 실외기를 포함하는 공기조화기의 제어방법에 있어서,

상기 실외기에 마련되며, 3단 이상으로 냉매의 압축능력이 가변되는 압축부를 미리 마련하는 단계와;

상기 실내기의 요구능력에 따른 상기 압축부의 최적능력과 상기 압축부를 구동하는 구동부의 최적회전수를 미리 저장하는 단계와;

산출된 요구능력에 따라 상기 압축부를 상기 최적능력으로 구동시키고, 상기 구동부를 상기 최적회전수로 회전시키도록 상기 구동부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 구동부를 제어하는 단계는,

상기 실내기의 요구능력이 소정 레벨 이상인 경우 상기 압축부를 최대능력으로 구동시키고, 상기 소정 레벨 미만인 경우 다단으로 상기 압축부를 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 압축부는 3단 능력가변형이며;

상기 압축부의 중간단계에 대응하는 상기 실내기의 요구능력비를 대략 30% 내지 60%로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
제2항에 있어서,

상기 압축부는 4단 능력가변형이고;

상기 제어부는 상기 실내기의 요구능력비가 대략 60% 이상인 경우 상기 압축부를 제4단으로 구동시키고, 상기 실내기의 요구능력비가 대략 25% 미만인 경우 상기 압축부를 제1단으로, 상기 실내기의 요구능력비가 대략 25% 내지 45%인 경우 상기 압축부를 제2단으로, 상기 실내기의 요구능력비를 대략 45% 내지 65%인 경우 상기 압축부를 제3단으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기.
제5항에 있어서,

상기 압축부는 4단 능력가변형이고;

상기 구동부를 제어하는 단계는, 상기 실내기의 요구능력비가 대략 60% 이상인 경우 상기 압축부는 제4단으로 구동시키고, 상기 실내기의 요구능력비가 대략 25% 미만인 경우 상기 압축부를 제1단으로, 상기 실내기의 요구능력비가 대략 25% 내지 45%인 경우 상기 압축부를 제2단으로, 상기 실내기의 요구능력비를 대략 45% 내지 65%인 경우 상기 압축부를 제3단으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.