KR100611323B1 - 공조기용 텐뎀압축기 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공조기용 텐뎀(tandem)압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로터리압축기와 터보압축기를 연결하여 광대역에서 효율이 좋은 공조기용 텐뎀(tandem)압축기에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 광대역의 용량가변을 실현하고 용량이 가변되는 전구간에서 고효율을 실현할 수 있도록 함에 있다. 이를 위해 본 발명의 공조기용 텐뎀압축기는 터보압축기로 구성된 제1압축기와; 상기 제1압축기와 병렬로 연결되고 로터리압축기로 구성된 제2압축기와; 상기 각 압축기의 흡입구로 배관연결되는 공통 어큐뮬레이터를 포함한다.

Description

공조기용 텐뎀압축기 및 그 제어방법{Tandem compressor for Air conditioner and its control method}

도 1은 종래의 공조기용 텐뎀(tandem)압축기를 나타내는 도면.

도 2는 각 압축기별 냉동능력 대비 효율을 나타내는 그래프.

도 3는 본 발명에 따른 공조기용 텐뎀(tandem)압축기를 나타내는 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 공조기용 텐뎀(tandem)압축기의 운전도.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

11 : 제1압축기 12 : 제2압축기

18 : 균유배관 31 : 터보압축기

32 : 로터리압축기 33 : 어큐뮬레이터

36 : 오일분리기 37 : 역류방지용 밸브

38, 39 : 압력센서

본 발명은 공조기용 텐뎀(tandem)압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로터리압축기와 터보압축기를 연결하여 광대역에서 효율이 좋은 공조기용 텐뎀 (tandem)압축기에 관한 것이다.

일반적으로, 압축기에는 왕복동식압축기, 로터리압축기, 스크롤압축기와 터보압축기 등으로 나뉜다. 왕복동식압축기는 실린더내에서 피스톤이 상하 또는 좌우로 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이고 로터리압축기는 편심된 롤러가 실린더내에서 회전운동하면서 냉매를 압축하는 방식이고 스크롤압축기는 달팽이 모양의 고정스크롤과 회전스크롤이 마련되어 회전스크롤이 회전하면서 냉매를 압축하는 방식이고 터보압축기는 임펠러를 고속으로 회전하면서 원심력에 의해 냉매를 압축하는 방식이다.

이상과 같은 냉매를 압축하는 압축기에 있어서 왕복동식 압축기는 간단한 구조와 비교적 소용량이나 소음과 진동이 심한 단점이 있고 로터리압축기는 소음과 진동은 왕복동식에 비해 덜하지만 비교적 소용량의 냉방용량에 쓰인다. 스크롤압축기는 왕복동식, 로터리압축기에 비해 효율이 뛰어나고 저진동, 저소음, 저중량의 장점이 있다. 터보식 압축기는 모터의 구동력으로 임펠러를 회전시켜 이때 발생되는 원심력을 이용하는 것으로 주로 대용량의 공조시스템에 사용되고 2단 이상의 압축시스템으로 이루어진다.

최근에는 냉동시스템이 대형화되고 압축기의 성능에 있어서도 고효율화 및 광대역의 용량가변이 필요해짐에 따라 압축기의 용량도 대용량화 되어가고 있다. 그러나 로터리압축기나 스크롤압축기 등과 같은 용적식의 경우 압축실이 커짐에 따라 롤러 및 스크롤이 커져서 재료비의 증가, 마찰/마모의 증가 등 성능저해요인이 발생하게 되었다. 이에 따라 기존압축기 다수개를 병렬로 연결하여 고효율 및 다단 계 용량가변을 실현하고 있다.

도 1은 종래의 공조기용 텐뎀(tandem)압축기를 나타내는 도면이다. 도 1에는 로터리압축기 2개가 연결된 텐뎀압축기(tandem)이다. 통상적으로 압축기 중 1개는 용량가변형으로 구성하여 즉, 정속형+가변형으로 구성하여 다단계의 용량가변을 가능하게 하는 것이 보통이다. 제1압축기(11)와 제2압축기(12)중 어느 하나는 인버터를 채용하여 용량을 가변할 수 있는 가변형이다. 각 압축기에는 압축기로 액냉매의 직접유입을 막는 어큐뮬레이터(13)가 구비되어 있고 각 어큐뮬레이터는 각 압축기의 흡입구(14, 15)로 연결된다. 또한, 각 압축기의 회전을 원활하게 하는 오일이 균등하게 배분되도록 하는 균유관(18)이 마련되어 있다. 공통의 흡입배관(16)을 통해 냉매가 각 압축기로 유입되고 압축기에서 압축된 냉매는 공통의 토출배관(17)을 통해 실내기(미도시)로 전달되게 된다.

도 2는 압축기별 냉동능력 대비 효율을 나타내는 그래프이다. 그래프에 나타난 바와 같이 로터리 압축기는 냉동능력이 작은 경우에 효율이 높고 스크롤압축기는 중용량, 터보압축기는 대용량에서 효율적임을 알 수 있다. 이와 같이 각 압축방식에 따라 효율이 높은 정격의 용량이 있어 하나의 압축기로는 대용량까지 확장하기가 어렵고 대용량까지 확장하기 위해서는 복수개의 압축기를 연결해야 하므로 시스템이 복잡해지고 재료비가 증가하는 문제점이 있다. 또한, 복수개의 용적식 압축기를 채용한 경우 압축기 압력의 불평형으로 오일의 편향이 생길 수 있어 안정적인 균유시스템이 마련되어야 하는 등 부가적인 조치가 필요하게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광대역의 용량가변을 실현하고 용량이 가변되는 전구간에서 고효율을 실현할 수 있도록 하고 균유시스템 등의 부가적인 구성요소를 없애 재료비를 절감하는 텐뎀압축기를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공조용 텐뎀압축기는 터보압축기로 구성된 제1압축기와; 상기 제1압축기와 병렬로 연결되고 로터리압축기로 구성된 제2압축기와; 상기 각 압축기의 흡입구로 배관연결되는 공통 어큐뮬레이터를 포함한다.

또한, 상기 제1압축기의 흡입구에 연결되는 배관은 상기 공용 어큐뮬레이터의 상단부에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1압축기의 용량이 상기 제2압축기의 용량보다 큰 것을 특징으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공조용 텐뎀압축기의 제어방법은 로터리압축기와 터보압축기로 이루어진 공조기용 텐뎀압축기의 제어방법에 있어서, 요구냉방용량에 따라 상기 로터리압축기의 단독운전, 상기 터보압축기의 단독운전, 상기 로터리압축기와 상기 터보압축기의 동시운전의 순서로 운전하도록 제어한다.

또한, 상기 터보압축기의 단독운전 시 상기 터보압축기의 서지라인에 근접하도록 운전되는 경우 서지회피시도를 한 후 로터리압축기의 단독운전으로 전환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서지회피시도는 상기 터보압축기의 회전수를 낮추거나, 공조시스템에 장착된 팽창장치의 밸브개도를 증가시키거나, 압축기 전후단에 설치되어 있는 바이패스밸브를 개방하는 등의 보호동작을 하는 것으로 특징으로 한다.

또한, 상기 터보압축기의 운전상태는 흡입 및 토출배관의 냉매의 압력과 터보압축기의 회전수에 기초하여 판단하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 공기조화기용 Tandem 사이클을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 공통의 흡입배관이 액냉매의 압축기의 직접유입을 막는 어큐뮬레이터(33)로 연결되고 어큐뮬레이터(33)의 상단부에 제1압축기인 터보압축기(31)의 흡입구로 배관이 연결되고 어큐뮬레이터(33)의 하부에 제2압축기인 로터리압축기(32)의 흡입구로 배관이 연결된다. 로터리압축기(32)의 토출부에는 오일분리기(36)가 연결되어 있어 압축된 냉매와 함께 토출되는 오일이 분리 축적되어 로터리압축기의 흡입배관으로 돌려보낸다. 제1압축기인 터보압축기(31)로 흡입된 냉매는 회전하는 임펠러의 원심력에 의해 압축되어 토출배관으로 토출되고 냉매의 역류를 방지하는 밸브(37)가 마련된 배관을 통해 공통배관(35)을 거쳐 응축기(미도시)로 흘러간다. 제2압축기인 로터리압축기(32)의 토출배관도 역류를 방지하는 밸브(37)가 마련된 배관을 통해 공통배관(35)으로 연결된다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 텐뎀압축기의 동작을 살펴보면 냉동시스템 의 정격용량에 대해 통상 압축기의 용량을 130%정도로 확보한다. 이 중 제1압축기인 터보압축기(31)의 용량을 요구용량의 70~80%정도의 비율을 차지하도록 선정한다. 터보압축기는 최근에 모터 및 베어링 기술이 발달함에 따라 운전주파수의 가변이 가능한 BLDC모터를 사용하고 공기포일베어링이 장착된 무윤활의 압축기를 사용하는 [것이 좋다.] 제품개발이 다수 이루어지고 있다. 이러한 무윤활 터보압축기 시스템을 공조기에 적용함에 따라 압축기 측면에서는 오일주입에 의한 비용을 절감할 수 있고, 또한 공조기 측면에서는 오일에 의한 공조기의 효율저하를 막을 수 있는 장점이 발생된다. 이렇게 제1압축기인 터보압축기의 용량을 제2압축기인 로터리압축기보다 대용량으로 하는 것은 터보압축기가 대용량에서 효율이 좋기 때문이다. 또한, 터보압축기에 윤활을 위한 오일이 불필요해져 각 압축기의 오일의 편향을 막는 균유시스템이 필요 없게 된다. 제1압축기인 터보압축기(31)로의 오일의 유입을 방지하기 위해 어큐뮬레이터(33)의 상단부에 터보압축기의 흡입연결배관이 설치된다. 각 압축기의 토출배관에 설치된 역류방지용 밸브(37)는 각 압축기의 단독운전시 다른 압축기의 토출배관을 통해 냉매가 역류하는 것을 방지하기 위해 설치된 것이다.

냉방부하에 따라 본 발명의 텐뎀압축기는 로터리 단독운전, 터보압축기의 단독운전, 로터리압축기와 터보압축기의 동시운전의 순서로 운전하게 된다. 동시운전의 경우에는 급작스러운 냉방용량의 변화로 압축기에 무리를 주지 않기 위해 제1압축기인 터보압축기(31)를 먼저 가동하고 일정시간 후 제2압축기인 로터리압축기(32)를 가동시킨다. 터보압축기는 저용량에서 운전시 토출배관으로부터 냉매가 역 류하는 현상이 발생하는 서지현상이 일어나는데 이를 냉방용량 대비 효율의 그래프에 표시한 것이 서지라인이다. 이는 압축기의 회전수와 흡입/토출냉매의 압력차로 판단하는데 이 압력차가 일정값 이상이 되면 터보압축기의 토출부로 냉매가 유입되어 터보압축기에 무리가 생기고 심한 진동과 소음이 발생된다. 이와 같은 서지라인은 터보압축기의 운전가능한 하한선이 된다.

도 4는 본 발명에 따른 텐뎀압축기의 동작을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이 로터리압축기는 소용량에서 고효율을 보이고 터보압축기는 대용량에서 효율이 높음을 알 수 있다. 또한, 앞서 언급한 터보압축기의 서지라인이 도시되어 있어 터보압축기의 운전가능 하한을 알 수 있다. 텐뎀압축기의 제어부(미도시)는 터보압축기의 회전수와 공통의 흡입배관과 토출배관에 마련된 압력센서(38, 39)를 이용하여 터보압축기가 써지라인에 근접하는 A영역에 있는지를 판단하게 된다. 터보압축기가 A영역에 있으면 우선 터보압축기의 회전수를 가변하여 서지회피시도를 한다. 그럼에도 계속 A영역에 있는 경우 즉, 서지회피시도로 A영역을 벗어나지 못할 경우 터보압축기의 작동을 중지하고 로터리압축기 단독운전으로 전환한다. 이러한 운전으로 일시적인 회전수, 압력차 등의 변동에 의한 운전압축기의 변경으로 텐뎀압축기가 비효율적으로 작동되지 않도록 하는 효과가 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 소용량에서 효율이 높은 로터리압축기와 대용량에서 효율이 높은 터보압축기를 연결한 텐뎀압축기를 구성함으로 써 각 압축기의 용량가변의 한계를 극복하고, 광범위한 용량대에서 고효율을 실현하며 무윤활의 터보압축기를 채용하여 균유시스템, 오일회수운전 등의 부가적인 조치가 불필요하게 되어 시스템이 단순화되고 재료비가 절감되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 터보압축기로 구성된 제1압축기와;

   상기 제1압축기와 병렬로 연결되고 로터리압축기로 구성된 제2압축기와;

   상기 각 압축기의 흡입구로 배관연결되는 공통 어큐뮬레이터를 포함하는 공조기용 텐뎀압축기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1압축기의 흡입구에 연결되는 배관은 상기 공용 어큐뮬레이터의 상단부에 연결되는 것이 특징인 공조기용 텐뎀(tendem) 압축기
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1압축기의 용량이 상기 제2압축기의 용량보다 큰 것이 특징인 공조기용 텐뎀(tendem) 압축기
4. 로터리압축기와 터보압축기로 이루어진 공조기용 텐뎀압축기의 제어방법에 있어서,

   요구냉방용량에 따라 상기 로터리압축기의 단독운전, 상기 터보압축기의 단독운전, 상기 로터리압축기와 상기 터보압축기의 동시운전의 순서로 운전하도록 제어하는 텐뎀압축기의 제어방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 터보압축기의 단독운전 시 상기 터보압축기의 서지라인에 근접하도록 운전되는 경우 서지회피시도를 한 후 로터리압축기의 단독운전으로 전환하는 것이 특징인 공조기용 텐뎀압축기의 제어방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 서지회피시도는 상기 터보압축기의 회전수를 낮추어 운전하는 것이 특징인 공조기용 텐뎀압축기의 제어방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 터보압축기의 운전상태는 흡입 및 토출배관의 냉매의 압력과 터보압축기의 회전수에 기초하여 판단하는 것이 특징인 텐뎀압축기의 제어방법.

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