KR100845847B1 - 공기조화기의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기조화기의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제어방법은 상분리기, 팽창밸브, 조절밸브, 증발기, 다단 압축기 및 응축기를 포함하며, 상기 팽창밸브는 상기 응축기에서 상기 상분리기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1 밸브 및 상기 상분리기에서 상기 증발기로 공급되는 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 밸브를 구비하며, 상기 조절밸브는 상기 상분리기에서 기상의 냉매를 상기 다단 압축기로 안내하는 공기조화기의 운전방법에 있어서, 상기 공기조화기의 운전명령을 감지하는 단계; 상기 제1, 제2 밸브 및 조절밸브의 개방도를 초기화하는 초기화단계; 상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하도록 과열도를 조절하는 과열도 설정단계; 및 상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 중간압에 도달하도록 중간압을 조절하는 중간압 설정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

공기조화기, 상분리기, 다단 압축기, 안정화, 냉매, 과열도, 중간압

Description

공기조화기의 제어방법{Control Metheod for Airconditioner}

도 1은 종래의 공기조화기의 구성을 개략적으로 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 제어방법이 수행되는 공기조화기의 구성을 개략적으로 나타내는 개략도,

도 3은 도 2의 공기조화기의 냉동사이클을 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어방법의 각 단계에 따른 순서도, 및

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 제어방법의 각 단계에 따른 순서도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...압축기 200..4방밸브

300...응축기 410...제1 밸브

420...제2 밸브 500...상분리기

600...증발기 730...조절밸브

본 발명은 공기조화기의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기조화기를 구동하는 경우에 압축기에 액상냉매가 유입되는 것을 방지하면서 공기조화기의 시스템을 안정화시킬 수 있는 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 공기조화 시스템은 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발시키는 과정을 수행함에 따라 실내 공간을 냉방 또는/및 난방시키는 장치이다. 이러한 공기조화 시스템은 실외기에 1대의 실내기가 연결되는 통상적인 공기조화 시스템과, 실외기에 다수대의 실내기가 연결되는 멀티 공기조화 시스템으로 구분된다. 또한, 공기조화 시스템은 냉매사이클을 일방향으로만 가동하여 실내에 냉기만을 공급하도록 냉방 시스템과, 냉매사이클을 양방향으로 선택적으로 가동하여 실내에 냉기 또는 온기를 공급하는 냉난방 시스템으로 구분된다.

도 1을 참조하여, 종래의 공기조화기의 구성을 간단하게 설명한다.

종래 공기조화기는 기본적으로 압축기(1a, 1b), 응축기(3), 팽창밸브(4), 증발기(5)로 구성되는 냉동사이클을 형성한다. 그리고, 전술한 구성요소들은 냉매가 흐르는 통로역할을 하는 연결배관(7)에 의하여 각각 연결된다.

실내 공간을 냉방시키기 위하여 종래 공기조화기가 운전되는 과정을 냉매의 흐름을 따라 설명하면 다음과 같다.

증발기(5)에서 실내 공기와 열교환된 기체상태의 냉매는 압축기(1a, 1b)로 유입되며, 압축기(1a, 1b)에서 고온 고압으로 압축된다. 이후에 고온/고압의 기체 냉매는 응축기(3)로 유입되어 액체 냉매로 상변화를 하게 된다. 응축기(3)에서 냉매가 상변화를 하면서 외부로 열을 방출하게 된다. 이어서 응축기(3)에서 배출되 는 냉매는 팽창밸브(4)를 거치면서 팽창되어 증발기(5)로 유입된다. 증발기(5)로 유입된 액체 냉매는 기체 냉매로 상변화를 하면서 외부의 열을 흡수하여 실내 공간을 냉방시키게 된다. 한편, 실내 공간을 난방시키기 위해서는 전술한 냉동사이클을 역방향으로 운전시키면 된다.

한편, 증발기(5)와 압축기(1a, 1b) 사이에는 어큐뮬레이터(6)가 설치된다. 어큐뮬레이터(6)에는 오일과 냉매의 혼합물이 일시적으로 저장되어, 냉매의 역류를 방지하고 액체의 냉매가 압축기(1a, 1b)에 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1a, 1b)는 응축기(3)와 각각 개별적으로 연결된 제1 압축기(1a) 및 제2 압축기(1b)로 구성된다. 제1 및 제2 압축기(1a,1b)로는 서로 다른 용량을 가지고 있으며 일정한 운전속도를 가지는 정속 압축기가 사용된다. 따라서, 공기조화기에 요구되는 부하에 따라서 해당 압축기를 운전하게 된다. 결국, 제1 압축기(1a)에서 응축기(3)로 공급되는 냉매의 흐름은 제1 체크밸브(2a)에 의하여 제어되고, 제2 압축기(1b)에서 응축기(3)로 공급되는 냉매의 흐름은 제2 체크밸브(2b)에 의하여 제어된다.

그런데 종래의 공기조화기는 어큐뮬레이터(6)를 구비한다고 하더라도, 공기조화기를 멈춘 후에 다시 가동하는 경우에 압축기(1a, 1b)로 액상 냉매가 유입되는 것을 완전히 방지하지 못하는 문제점을 수반한다. 따라서, 압축기(1a, 1b)로 액상냉매가 유입되는 경우에 압축기의 파손 등 심각한 문제점을 수반한다.

또한, 종래의 공기 조화기에서는 요구되는 부하가 변하는 경우에도 압축기에 일정한 일이 공급됨으로써 불필요하게 전력이 소비되고 운전효율이 저하되는 문제 점을 수반한다. 나아가, 종래 공기 조화기에서는 두 개의 압축기를 별도로 설치하고, 각각의 구동장치를 별도로 구비함으로써 설치공간에 제약이 있고, 또한 공기조화기의 제작에 따른 비용이 증가되는 문제점을 수반한다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 공기조화기를 가동시키는 초기에 압축기로 액상냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있는 공기조화기의 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 공기조화기를 가동시키는 초기에 공기조화기를 조기에 안정화시킬 수 있는 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 상분리기, 팽창밸브, 조절밸브, 증발기, 다단 압축기 및 응축기를 포함하며, 상기 팽창밸브는 상기 응축기에서 상기 상분리기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1 밸브 및 상기 상분리기에서 상기 증발기로 공급되는 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 밸브를 구비하며, 상기 조절밸브는 상기 상분리기에서 기상의 냉매를 상기 다단 압축기로 안내하는 공기조화기의 제어방법에 있어서, 상기 공기조화기의 운전명령을 감지하는 단계; 상기 제1, 제2 밸브 및 조절밸브의 개방도를 초기화하는 초기화단계; 상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하도록 과열도를 조절하는 과열도 설정단계; 및 상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하도록 중간압을 조절하는 최적 중간압 설정단계;를 포함하는 것을 공기조화기의 제어방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 초기화 단계에서는 상기 제1 및 제2 밸브를 완전히 개방하고, 상기 조절밸브를 폐쇄할 수 있다.

한편, 상기 과열도 설정단계는 상기 제1 밸브의 개방도를 조절하여 상기 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하게 하는 과열도 도달단계; 및 상기 냉매가 미리 설정한 과열도에 도달한 경우에 상기 제1 밸브의 개방도를 고정하는 제1 밸브 고정단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 과열도 도달단계는 상기 제1 밸브의 개방도를 변화시켜가면서 상기 냉매의 과열도를 측정하여 상기 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하게 할 수 있다.

한편, 상기 과열도는 상기 증발기의 출구 및 상기 압축기의 입구에 각각 설치된 센서에 의해 측정될 수 있으며, 상기 센서는 온도 센서 또는 압력 센서로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 과열도 도달단계는 실내/외의 온도 차이에 의해 미리 설정된 데이터 테이블에 의해 상기 제1 밸브를 소정의 개방도로 개방하여 상기 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하게 할 수 있다.

나아가, 상기 제1 밸브의 개방도가 고정된 상태에서 소정 시간을 보내는 안정화 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 최적 중간압 설정단계는 상기 조절밸브의 개방도를 조절하여 상기 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하게 할 수 있다.

여기서, 상기 최적 중간압 설정단계는 상기 조절밸브의 개방도를 변화시켜가 면서 상기 냉매의 중간압을 측정하여 상기 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하게 할 수 있다.

여기서, 상기 중간압은 상기 상분리기에서 기상의 냉매를 배출하는 라인의 양단부에 각각 설치된 센서에 의해 측정되거나, 또는 상기 압축기의 입구 및 출구에 각각 설치된 센서에 의해 측정될 수 있다. 또한, 상기 센서는 온도센서 또는 압력 센서로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 최적 중간압 설정단계는 실내/외의 온도 차이에 의해 설정된 데이터 테이블에 의해 상기 조절밸브를 소정의 개방도로 개방하여 상기 최적 중간압에 도달하게 할 수 있다.

한편, 본 발명의 제어방법은 상기 조절밸브의 조절에 의해 상기 냉매의 과열도가 미리 설정된 과열도에 일치하지 않게 되는 경우에, 상기 제2 밸브의 개방도를 조절하여 상기 냉매의 과열도 및 중간압을 미리 설정한 값에 다시 도달하게 하는 재조정단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 재조정단계 이후에 외란이 발생하는 경우에 상기 과열도 설정단계, 최적 중간압 설정단계 및 재조정단계를 다시 반복할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 먼저, 본 발명에 따른 제어방법이 적용되는 공기조화기의 시스템에 대해서 설명하고, 이어서, 본 발명의 제어방법에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 제어방법이 수행되는 공기조화기의 구성을 개략적으로 나타내는 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 공기조화기 시스템은 증발기(600), 다단압축기(100), 응축기(300), 팽창밸브(410, 420) 뿐만 아니라 유입된 냉매 중에서 기상냉매와 액상냉매를 분리하는 상분리기(500)를 포함한다. 또한, 본 공기조화기 시스템에는 응축기(300), 다단압축기(100) 및 증발기(600)로 공급되는 냉매를 제어하는 4방 밸브(200)가 설치된다. 여기서, 팽창밸브는 응축기(300)에서 상분리기(500)로 공급되는 냉매의 양을 조절하며 팽창시키는 제1 밸브(410) 및 상분리기(500)에서 증발기(600)로 공급되는 액상의 냉매의 양을 조절하며 팽창시키는 제2 밸브(420)를 구비한다.

이하에서는, 실내공간을 냉방시키기 위하여 냉방운전을 할 때의 냉매 흐름을 따라 공기조화 시스템을 설명한다.

다단압축기(100)는 증발기(600)를 통과한 냉매가 유입되는 제1 압축장치(110)와, 상분리기(500)에서 분리된 기상 냉매와 상기 제1 압축장치(110)에서 배출되는 냉매가 함께 유입되는 제2 압축장치(120)를 포함한다. 본 발명에서는 하나의 압축기에 제1 및 제2 압축장치(110, 120)를 구비하고 있으므로 다단압축기라는 용어를 사용하였다.

한편, 상분리기(500)와 압축기(100)의 사이에는 제1 압축장치(100) 및 제2 압축장치(120)로 냉매를 안내하는 냉매유입장치가 설치된다. 상기 냉매유입장치는 제1 압축장치(110)와 제2 압축장치(120)를 서로 연결시키는 중간 냉매관(740), 중간 냉매관(740)과 상분리기(500)를 연결하는 제1 냉매관(710), 증발기(600)를 경유하여 제1 압축장치(110)와 상분리기(500)를 연결하는 제2 냉매관(720) 및 제2 압축 장치(120)로 유입되는 기상 냉매의 흐름을 제어하는 조절 밸브(730)를 포함한다.

한편, 제1 밸브(410)는 응축기(300)를 통과한 냉매의 양을 조절하면서 1차적으로 팽창시키는 역할을 하며, 제2 밸브(420)는 상분리기(500)에서 분리된 액체냉매의 양을 조절하면서 2차적으로 팽창시키는 역할을 하게 된다. 이 경우, 응축기(300)를 통과한 냉매는 과냉상태에 있으며, 제1 밸브(410)를 통과하면서 팽창된 후 기상 냉매와 액상냉매가 혼합된 상태로 상분리기(500)로 유입된다.

본 발명에서 상분리기(500)는 제1 밸브(410)와 제2 밸브(420) 사이에 설치되며, 액상냉매와 기상 냉매를 분리하는 역할을 한다. 상분리기(500)는 응축기(300)를 통과한 냉매가 흐르는 혼합 냉매관(750)과 연결되고, 상분리기(500)에서 분리된 기상 냉매가 흐르는 제1 냉매관(710) 및 상분리기(500)에서 분리된 액상냉매가 흐르는 제2 냉매관(720)과 각각 연결된다.

상분리기(500)에서 분리된 액상냉매는 제2 밸브(420)를 통과하면서 팽창되고, 제2 밸브(420)를 경유한 액상냉매는 증발기(600)로 유입되어 기상냉매로 상변화한다. 이후에, 증발기(600)를 경유한 기상 냉매는 4방 밸브(200)를 경유하여 압축기, 즉 제1 압축장치(110)로 유입된다.

상분리기(500)에서 분리된 기상 냉매는 제1 냉매관(710)을 따라 흐른 후 중간 냉매관(740)에서 제1 압축장치(110)를 경유한 냉매와 혼합된다. 중간 냉매관(740)에서 혼합된 냉매는 다시 제2 압축장치(120)로 유입되어 압축되고, 압축기(100)의 외부로 토출된다.

한편, 본 발명에서 상분리기(500)는 응축기(300)를 경유한 냉매 중에서 기상 냉매를 분리할 수 있는 장치면 어떠한 장치라도 무관하다. 예를 들면, 상분리기(500)는 열교환장치를 포함하고 있어서, 응축기(300)를 경유한 냉매를 외부의 공기와 열교환시킴으로 인하여 냉매 중에서 기상 냉매를 얻을 수 있는 구조도 가능하다.

또한, 제1 냉매관(710) 상에는 기상 냉매의 흐름을 제어하는 조절밸브(730)가 설치된다. 조절밸브(730)는 공기조화시스템의 운전을 제어하는 제어부(미도시)에 의하여 제어된다. 상기 제어부는 제1 압축장치(110)와 제2 압축장치(120)를 구동시키고, 조절밸브(730)를 제어하는 역할을 한다.

한편, 비록 도면에는 도시되지 않았지만, 제1 냉매관(710) 상에는 중간 냉매관(740)으로 유입되는 기상냉매의 유량을 조절하기 위한 모세관이 별도로 설치될 수도 있다. 즉, 제1 냉매관의 내경의 크기를 조절함으로써 중간 냉매관(740)으로 유입되는 기상냉매의 양을 조절할 수 있다.

결과적으로, 제2 압축장치(120)에는 상분리기(500)에서 분리된 기상냉매와 제1 압축장치(110)에서 압축된 냉매가 함께 압축되기 때문에 압축기(100)에 가해지는 압축일이 줄어들게 된다. 압축기(100)의 압축일이 줄어들게 됨으로써 압축기의 운전범위가 늘어나고, 압축기의 운전범위가 늘어나면 극한지역이나 열대지역에서도 본 공기조화 시스템을 사용할 수 있게 된다.

물론, 상분리기에서 분리된 기상냉매를 중간 냉매관으로 공급하지 않은 상태, 즉 조절밸브를 폐쇄한 상태에서 상기 제2 압축장치만을 작동시키거나 제1 압축장치 및 제2 압축장치를 작동시킬 수도 있다. 여기서, 상기 제어부는 감지센서에 서 감지한 외기온도나 사용자가 지정한 온도에 따라 외부부하를 결정할 수 있다. 이러한 공기조화 시스템의 운전방법에 대해서는 이후에 상세히 설명한다.

도 3은 도 2의 공기조화기의 냉동사이클을 나타내는 그래프이다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 공기조화 시스템에 적용되는 냉동사이클을 설명한다.

도 3을 참조하면, 종래의 공기조화기 시스템은 1→3'의 압축과정과, 3'→4의 응축과정과, 4→5'의 팽창과정과, 5'→1의 증발과정으로 구성된 냉동사이클을 수행하게 된다. 이에 반해서, 본 발명의 공기조화기 시스템은 1→2→2'→3의 압축과정과, 3→4의 응축과정과, 4→4'→4''→5의 팽창과정과, 5→1의 증발과정으로 구성된 냉동사이클을 수행하게 된다.

결과적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 공기조화기 시스템은 W1만큼의 일을 외부로 더 출력 가능하고 W2만큼의 압축일을 줄일 수 있어, 공기조화기 시스템의 성능이 향상되는 장점을 가진다.

구체적으로, 냉매가 상분리기(500)와 제2 팽창밸브(420)를 경유하면서 온도가 종래에 비하여 더 낮아진 상태(도 3의 5)로 증발기(600)에 공급됨으로써 공기조화 시스템이 하는 일은 W1 만큼 증가하게 된다. 즉, 기존에 4→5'로의 팽창 과정을 4→4'→4''→5로 팽창되도록 하여, 증발기(600)의 열교환을 5→1의 과정을 거치도록 함으로써, 증발기(600)의 열교환 효율을 증가시켜 공기조화 시스템의 냉동능력을 향상시킬 수 있다.

한편, 상분리기(500)에서 분리된 기상 냉매와 증발기(600)를 경유한 냉매는 모두 중간 냉매관(740)으로 유입되어 혼합되고, 상기 냉매들이 서로 혼합되면서 제2 압축장치(120)에 유입되는 냉매 전체의 온도는 종래에 비하여 더 낮아지게 된다(도 3의 2'). 결과적으로, 압축기(100) 내부의 냉매의 온도는 도 4에서 2에서 2'로 낮아지게 되며, 이에 의해 공급되는 외부일은 W2 만큼의 줄어들게 된다.

즉, 기존에 1→3'로의 압축 과정을 1→2→2'→3으로 압축되도록 하여, 압축기(100)가 냉매를 압축하기 위하여 소요되는 압축일을 W2만큼 줄일 수 있어, 압축기(100)의 성능 및 효율을 증대시켜 이로 구성된 공기 조화 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 공기조화기 제어방법은 공기조화기의 운전 명령을 감지하는 단계(S410), 각 밸브의 개방도를 초기화하는 단계(S430), 과열도를 설정하는 단계(S450) 및 중간압을 설정하는 단계(S470)를 포함한다. 이하에서는 도 2 및 도 4를 참조하여 상기 각 단계에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 공기조화기의 제어방법은 먼저 사용자가 공기조화기를 구동시키는 경우에 공기조화기의 운전명령을 감지하는 단계(S410)를 포함한다.

사용자가 실내공간을 냉방시키기 위하여 공기조화기를 구동시키는 경우에 제어부(미도시)는 상기 명령을 감지하여 공기조화기를 운전하는 명령을 감지하게 된다(S410).

제어부가 운전 명령을 감지하게 되면, 공기조화기의 밸브의 개방도를 초기화하게 된다(S430). 여기서, 개방도가 초기화되는 밸브는 전술한 제1 및 제2 밸브(410, 420)와 조절밸브(730)가 해당된다.

구체적으로 개방도 초기화 단계(S430)에서는 제1 및 제2 밸브(410, 420)를 완전히 개방하고, 조절밸브(730)를 폐쇄하게 된다. 제1 및 제2 밸브(410, 420)를 완전히 개방함으로써 이후 과정에서 제1 및 제2 밸브(410, 420)의 개방도를 조절하는 경우에 완전히 개방된 상태를 기준으로 하여 제1 및 제2 밸브(410, 420)의 개방도를 조절하게 된다. 또한, 밸브의 초기화 단계에서는 상분리기(500)에서 압축기(100)로 기상냉매를 공급하는 조절밸브(730)를 폐쇄함으로써 구동 초기에 압축기(100)로 액상의 냉매가 유입되는 것을 방지한다.

상기 제1 및 제2 밸브(410, 420)와 조절밸브(730)의 개방도를 초기화한 다음, 후속하여 본 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하도록 과열도를 조절하게 된다(S450).

여기서, 과열도는 증발기(600)의 출구 측과 압축기(100)의 입구 측 사이의 냉매의 온도 차이를 의미한다. 일반적으로 냉매가 증발기를 통과한 다음에는 액체 상태의 냉매를 포함하지 않지만, 급격한 부하 변동의 경우에는 액체상태의 냉매를 포함하는 경우가 발생한다. 이러한 경우 액체상태의 냉매가 압축기로 유입되면 압축기의 파손 등을 수반하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 증발기를 통과한 냉매가 압축기로 이송되는 과정에서 온도가 상승하도록 하여 액체 상태의 냉매를 제거하게 되는데, 이러한 증발기 출구와 압축기 입구 사이의 냉매의 온도 차이를 과열도라 한다. 본 공기조화기의 경우에 과열도를 2℃로 채택하였지만, 이에 한정되지 않으며 공기조화기의 타입, 냉매의 종류 또는 냉방용량 등을 고려하여 적절하게 변형될 수 있다.

한편, 전술한 냉매의 과열도를 설정하는 단계는 바람직하게 제1 밸브(410)의 개방도를 조절하여 과열도에 도달하게 하는 단계와, 냉매가 원하는 과열도에 도달한 경우에 제1 밸브(410)의 개방도를 고정하는 단계를 포함한다.

여기서, 제1 밸브(410)의 개방도에 의해 냉매의 과열도를 설정하는 단계는 두 가지 방식에 의해 수행될 수 있다. 즉, 바람직하게 본 발명에서는 제1 밸브(410)의 개방도를 변화시켜 가면서 냉매의 과열도를 실시간으로 측정하여 과열도를 설정하는 방식과, 미리 설정된 테이터 테이블에 의해 제1 밸브(410)를 소정의 개방도로 개방하여 과열도를 설정하는 방식을 채용한다.

먼저, 제1 밸브(410)의 개방도를 변화시켜 가면서 냉매의 과열도를 실시간으로 측정하여 과열도를 설정하는 방식에 대해서 살펴본다. 본 방식에서는 제어부에 의해 제1 밸브(410)의 개방도를 서서히 변화시키면서 냉매의 과열도를 실시간으로 측정하여 원하는 과열도에 도달하는 경우에 제1 밸브(410)의 개방도를 고정하게 된다.

즉, 밸브의 개방도 초기화 단계(S430)에서 조절밸브(730)가 닫혀 있으므로 제어부에 의해 제1 밸브(410)의 개방도를 조절하게 되면 상분리기(500), 증발기(600)를 거쳐 압축기(100)로 유입되는 냉매의 양을 조절할 수 있게 된다.

일반적으로 냉매의 양이 줄어들게 되면, 증발기의 후반부에 도달하기 전에 냉매의 증발이 이미 끝나게 되어 기체 냉매가 계속적으로 가열되어 과열도가 증가하게 된다. 반대로 냉매의 양을 늘리게 되면 과열도는 감소하게 된다.

따라서, 상기 밸브의 개방도 초기화 단계(S430)에서 제1 밸브(410)는 완전히 개방된 상태에 있으므로, 본 과열도 도달단계에서 제어부는 제1 밸브(410)의 개방도를 줄여가면서, 즉 소량씩 폐쇄하면서 과열도를 측정하게 된다. 이러한 과정을 통해 냉매의 과열도가 미리 설정된 과열도에 도달하게 되면, 제어부는 제1 밸브(410)의 개방도를 고정하게 된다.

한편, 냉매의 과열도는 실시간으로 측정되어 제어부로 측정결과를 송신되는데, 이하 냉매의 과열도를 측정하는 방식에 대해서 살펴본다.

냉매의 과열도는 전술한 바와 같이 증발기(600)의 출구 측 및 압축기(100)의 입구 측 사이의 냉매의 온도 차이를 의미한다. 따라서, 이와 같은 과열도를 측정하기 위해서는 증발기(600)의 출구 측 및 압축기(100)의 입구 측에 센서(미도시)를 설치하여 과열도를 측정할 수 있다. 상기 센서는 증발기(600) 출구 측의 냉매의 압력을 측정하는 압력 센서와 압축기(100) 입구 측의 냉매의 온도를 측정하는 온도센서로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 증발기(600) 출구 측의 냉매의 압력을 측정하여 측정된 압력에 대응하는 포화온도와 압축기(100) 입구 측의 측정된 냉매온도를 비교하여 과열도를 계산하게 된다.

이하에서는, 제1 밸브(410)의 개방도에 의해 냉매의 과열도를 설정하는 단계에서, 두 번째 방식, 즉, 미리 설정된 테이터 테이블에 의해 제1 밸브(410)를 소정의 개방도로 개방하여 과열도를 설정하는 방식에 대해서 살펴본다.

본 방식에서는 냉매를 원하는 과열도에 도달시키고자 하는 경우에 냉방시키고자 하는 실내와 실외의 온도차이에 따라 제1 밸브(410)를 개방하는 정도, 즉, 상분리기(500) 및 증발기(600)를 거쳐 압축기(100)로 공급되는 냉매의 양이 미리 정해져서 제어부에 테이블의 형태로 저장된다.

구체적으로 실내와 실외의 다양한 온도 차이에 대응하여, 공기조화기의 타입, 냉매의 종류 등에 따라 각각의 온도차가 발생하는 경우에 원하는 과열도에 도달하기 위해서 압축기(100)로 공급되는 냉매의 양이 미리 정해진다. 따라서, 제어부는 상기 실내/외 온도차이에 대응하는 냉매의 양에 따라 제1 밸브(410)의 개방도를 조절하여 정해진 양만큼의 냉매가 공급되도록 하여 냉매가 원하는 과열도에 도달하게 한다. 또한, 제1 밸브(410)의 개방도는 테이블에 의해 정해진 개방도로 고정된다. 여기서, 상기 데이터 테이블은 전술한 바와 같이 공기조화기의 타입, 냉매의 종류 등에 따라 실내/외의 다양한 온도 차이를 가정하여 반복적인 실험에 의해 정해지는 값으로서 본 발명에서는 구체적으로 수치를 한정하지는 않는다.

한편, 상기 과열도 설정단계(S450)는 냉매의 과열도가 원하는 과열도에 도달하여 제1 밸브(410)의 개방도를 고정한 다음, 이어서 공기조화기 시스템을 안정화시키는 안정화 단계를 더 포함한다.

여기서, 상기 안정화단계는 전술한 과열도 도달 단계에서 냉매가 원하는 과열도에 도달한 상태를 안정화시키기 위한 것으로서, 소정의 시간, 예를 들어 30초 의 시간을 보내어 안정화시키게 된다. 한편, 본 단계에서 소요되는 시간은 공기조화기의 타입 및 냉매의 종류에 따라 적절하게 변형되어 적용될 수 있다.

제1 밸브(410)를 개방도를 조절하여 냉매의 과열도가 원하는 과열도에 도달하게 한 다음, 이어서 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하도록 하게 한다(S470).

여기서, 중간압은 상분리기(500)에서 기상의 냉매를 배출하여 압축기(100)에 공급하는 라인, 즉 중간 냉매관(740)과 상분리기(500)를 연결하는 제1 냉매관(710)의 양단부에서 기상 냉매의 압력 차이를 의미한다. 결국, 본 발명에서 중간압은 상분리기(500)에서 액상 냉매와 분리된 기상 냉매가 제1 냉매관(710)을 거쳐 압축기(100)의 중간 냉매관(740)으로 유입되는 동안에 압력 차이로 정의된다.

한편, 최적 중간압은 본 공기조화기에서 효율을 극대화시킬 수 있는 중간압, 즉 도 3에서 외부로 일을 해주는 W1의 양 및 줄어든 압축일을 나타내는 W2의 영역을 최대한 늘릴 수 있는 중간압을 의미한다. 즉, 냉매의 중간압을 최적의 중간압에 도달하게 함으로써, 외부로 해주는 일의 양은 늘리고 반대로 압축기에서 필요로 하는 일은 줄일 수 있다. 본 실시예의 다단 압축기를 구비하는 공기조화기에서 최적 중간압은 5psi에 해당하는데, 이러한 최적 중간압은 공기조화기의 타입에 따라 다양하게 변화할 수 있으며, 전술한 수치는 단순히 예를 들어 설명하는데 불과하다.

본 실시예에서 중간압을 구하는 방식은 다양한데, 예를 들어 응축기(300) 및 증발기(600)의 압력에 의해 계산으로 구하는 방식과, 상분리기(500)에서 기상의 냉매를 배출하여 압축기(100)에 공급하는 라인, 즉 중간 냉매관(740)과 상분리기(500)를 연결하는 제1 냉매관(710)의 양단부의 압력을 직접 측정하여 구하는 방 식이 있다.

여기서, 응축기(300) 및 증발기(600)의 압력에 의해 계산식으로 구하는 방식을 살펴보면, 응축기(300)의 압력을 P_d 라 하고, 증발기(600)의 압력을 P_S 라 하는 경우에 중간압은 아래의 식으로 계산된다.

본 실시예에서는 압축기(100)의 입구 및 출구측에 센서를 설치하여 증발기(600)의 압력 및 응축기(300)의 압력을 측정하여 상기 수학식 1에 의해 중간압을 계산하게 된다.

따라서, 후술하는 바와 같이 조절밸브(730)의 개방도에 의해 상분리기(500)에서 중간 냉매관(740)으로 공급되는 기상냉매의 양을 조절함으로써, 압축기(600) 및 응축기(300)의 냉매의 압력을 조절하여 상기 수학식 1에 의해 계산되는 중간압이 최적의 중간압에 대응하도록 조절하게 된다.

한편, 제1 냉매관(710)의 양단부의 압력을 직접 측정하여 중간압을 구하는 방식을 살펴보면 다음과 같다. 본 방식에서는 제1 냉매관(710)의 양단부, 구체적으로 제1 냉매관(710)이 상분리기(500)에 연결되는 일단부와 제1 냉매관(710)이 중간 냉매관(740)에 연결되는 타단부에 센서를 설치하여 제1 냉매관(710)의 양단부의 압력을 직접적으로 측정하게 된다. 따라서, 후술하는 바와 같이 조절밸브(730)의 개방도에 의해 상분리기(500)에서 중간 냉매관(740)으로 공급되는 기상냉매의 양을 조절함으로써, 제1 냉매관(710)의 양단부의 압력 차이가 최적 중간압에 대응하도록 조절하게 된다.

나아가, 전술한 냉매의 중간압을 최적 중간압으로 설정하는 단계(S470)는 두 가지 방식에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게, 본 발명에서는 조절밸브(730)의 개방도를 변화시켜 가면서 냉매의 중간압을 실시간으로 측정하여 최적 중간압으로 설정하는 방식과, 미리 설정된 테이터 테이블에 의해 조절밸브(730)를 소정의 개방도로 개방하여 최적 중간압으로 설정하는 방식을 채용한다.

먼저, 조절밸브(730)의 개방도를 변화시켜가면서 냉매의 중간압을 실시간으로 측정하여 최적 중간압으로 설정하는 방식에 대해서 살펴본다. 본 방식에서는 제어부에 의해 조절밸브(730)의 개방도를 서서히 변화시키면서 냉매의 중간압을 실시간으로 측정하여 원하는 최적 중간압에 도달하게 한다.

즉, 밸브의 개방도 초기화 단계(S430)에서 조절밸브(730)는 닫혀 있으므로 제어부에 의해 조절밸브(730)의 개방도를 조절하여, 즉, 조절밸브(730)를 서서히 개방하여 상분리기(500)에서 압축기(100)로 공급되는 기상냉매의 양을 늘리게 된다. 조절밸브(730)의 개방에 의해 상분리기(500)에서 압축기(100)로 유입되는 기상냉매의 양이 증가함에 따라 제1 냉매관(710)의 양단부의 압력이 변화하면서 동시에 응축기(300) 및 증발기(600)에서 냉매의 압력이 변화하게 된다.

따라서, 제어부는 제1 냉매관(710)의 양단부에서 측정된 압력, 또는 응축기(300) 및 증발기(600)의 각 압력에 의해 전술한 바와 같이 중간압을 계산하여, 계산된 중간압이 최적 중간압에 대응하도록 조절밸브(710)의 개방도를 변화시키게 된다. 여기서, 제1 냉매관(710)의 양단부의 압력 차이, 또는 응축기(300) 및 증발기(600)에서 냉매의 압력에 의해 중간압을 계산하는 방식에 대해서는 앞서 상세히 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.

이하에서는, 조절밸브(7300)의 개방도에 의해 냉매의 중간압을 최적 중간압으로 설정하는 단계에서, 두 번째 방식, 즉, 미리 설정된 테이터 테이블에 의해 조절밸브(730)를 소정의 개방도로 개방하여 최적 중간압으로 설정하는 방식에 대해서 살펴본다.

본 방식에서는 냉매를 원하는 최적 중간압에 도달시키고자 하는 경우에 냉방시키고자 하는 실내와 실외의 온도차이에 따라 조절밸브(730)를 개방하는 정도, 즉, 상분리기(500)에서 압축기(100)로 공급되는 기상냉매의 양이 미리 정해져서 제어부에 테이블의 형태로 저장된다.

구체적으로 실내와 실외의 다양한 온도 차이에 대응하여, 공기조화기의 타입, 냉매의 종류 등에 따라 각각의 온도차가 발생하는 경우에 최적 중간압에 도달하기 위해서 압축기(100)로 공급되는 기상냉매의 양이 미리 정해진다. 따라서, 제어부는 상기 실내/외 온도차이에 대응하는 기상냉매의 양에 따라 조절밸브(730)의 개방도를 조절하여 정해진 양만큼의 기상냉매가 압축기(100)로 공급되도록 하여 냉매가 원하는 최적 중간압에 도달하게 한다. 여기서, 상기 데이터 테이블은 전술한 바와 같이 공기조화기의 타입, 냉매의 종류 등에 따라 실내/외의 다양한 온도 차이를 가정하여 반복적인 실험에 의해 정해지는 값으로서 본 발명에서는 구체적으로 수치를 한정하지는 않는다.

한편, 도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 제어방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다.

도 5의 실시예에서는 전술한 실시예와 비교하여, 재조정단계(S550) 및 외란감지단계(S560)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중심으로 설명한다.

도 5를 참조하면, 조절밸브(730)에 의해 최적 중간압을 설정하는 단계(S540)를 거치게 되면, 조절밸브(730)에 의해 기상냉매가 압축기(100)로 공급되어 과열도 설정단계(S530)에서 설정된 과열도가 미리 정해진 과열도와 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 바람직하게 본 실시예에서는 냉매의 최적 중간압을 설정한 다음에, 다시 과열도 및 중간압을 조절하는 재조정단계(S550)를 더 포함한다.

구체적으로 재조정단계(S550)에서는 제2 밸브(420)의 개방도를 조절하여 과열도를 미리 설정된 과열도에 대응하도록 조절하면서, 동시에 중간압이 최적 중간압에 대응하도록 조절한다.

여기서, 제2 밸브(420)는 개방도 초기화 단계(S520)에서 완전히 개방된 상태에 있으므로, 본 재조정단계(S550)에서는 제2 밸브(420)를 서서히 폐쇄하면서 상분리기(500)에서 증발기(600)로 공급되는 액상냉매의 양을 조절하게 된다. 이에 의해, 증발기(600)를 거쳐 압축기(100)로 공급되는 냉매의 양이 조절되어 전술한 바와 같이 과열도를 조절할 수 있게 된다.

또한, 제2 밸브(420)에 의해 증발기(500)로 공급되는 냉매의 양을 조절하여 증발기(500)에서 냉매의 압력을 조절할 수 있게 되므로, 이에 의해 중간압을 조절 하는 것도 가능해진다. 과열도 및 중간압을 설정하는 구체적인 방식에 대해서는 도 4의 실시예에서 상세하게 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다. 따라서, 본 재조정단계(S550)에서는 제2 밸브(420)의 개방도를 조절하여 냉매의 과열도 및 중간압이 미리 설정된 값에 대응하도록 조절을 하게 된다.

한편, 재조정단계(S550)에 따라 냉매의 과열도 및 중간압을 미리 설정된 값에 대응하도록 조절하여도, 공기조화기에 외란이 발생하는 경우에는 냉매의 과열도 및 중간압이 원하는 값에 대응하지 않고 변화하게 된다.

즉, 실내의 도어를 개방하여 외부의 더운공기가 실내로 유입되는 경우 또는 실내에 사람들이 많이 들어오게 되는 경우와 같이 외란이 발생하는 경우에는 실내공기의 온도가 상승하게 된다. 따라서, 이에 의해 공기조화기의 냉매의 과열도 및 중간압이 미리 설정된 값에 대응하지 않고 변화하게 되므로 다시 조정을 해야할 필요성이 있다.

상기와 같이 외란이 발생하는 경우, 제어부는 이를 감지하여 전술한 밸브 개방도 초기화 단계(S520), 과열도 설정단계(S530), 최적 중간압 설정단계(S540) 및 재조정단계(S550)를 다시 반복하여 냉매의 과열도 및 중간압이 미리 설정된 값에 대응하도록 한다(S560). 이에 의해 외란이 발생하더라도 공기조화기의 냉매의 과열도 및 중간압을 미리 설정된 값에 대응하도록 하여 공기조화기가 최적의 상태에서 운전되도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기조화기의 제어방법은 공기 조화기의 구동 초기에 상분리기에서 압축기로 냉매를 공급하는 조절밸브를 폐쇄함으로써, 압축기로 액상냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 공기조화기의 구동 초기에 냉매의 과열도 및 중간압을 미리 설정된 값에 대응하도록 조절함으로써, 공기조화기의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Claims (19)

1. 상분리기, 팽창밸브, 조절밸브, 증발기, 다단 압축기 및 응축기를 포함하며, 상기 팽창밸브는 상기 응축기에서 상기 상분리기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1 밸브 및 상기 상분리기에서 상기 증발기로 공급되는 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 밸브를 구비하며, 상기 조절밸브는 상기 상분리기에서 기상의 냉매를 상기 다단 압축기로 안내하는 공기조화기의 제어방법에 있어서,

   상기 공기조화기의 운전명령을 감지하는 단계;

   상기 제1, 제2 밸브 및 조절밸브의 개방도를 초기화하는 초기화단계;

   상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하도록 과열도를 조절하는 과열도 설정단계; 및

   상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하도록 중간압을 조절하는 최적 중간압 설정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초기화 단계에서는 상기 제1 및 제2 밸브를 완전히 개방하고, 상기 조절밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 과열도 설정단계는,

   상기 제1 밸브의 개방도를 조절하여 상기 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하게 하는 과열도 도달단계; 및

   상기 냉매가 미리 설정한 과열도에 도달한 경우에 상기 제1 밸브의 개방도를 고정하는 제1 밸브 고정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 과열도 도달단계에서는,

   상기 제1 밸브의 개방도를 변화시켜가면서 상기 냉매의 과열도를 측정하여 상기 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하게 하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 과열도는 상기 증발기의 출구 및 상기 압축기의 입구에 각각 설치된 센서에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 센서는 온도 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 센서는 압력 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
8. 제3항에 있어서,

   상기 과열도 도달단계에서는,

   실내/외의 온도 차이에 의해 미리 설정된 데이터 테이블에 의해 상기 제1 밸브를 소정의 개방도로 개방하여 상기 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하게 하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
9. 제3항에 있어서,

   상기 제1 밸브의 개방도가 고정된 상태에서 소정 시간을 보내는 안정화 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 최적 중간압 설정단계에서는,

    상기 조절밸브의 개방도를 조절하여 상기 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하게 하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 조절밸브의 개방도를 변화시켜가면서 상기 냉매의 중간압을 측정하여 상기 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하게 하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 중간압은 상기 상분리기에서 기상의 냉매를 배출하는 라인의 양단부에 각각 설치된 센서에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 중간압은 상기 압축기의 입구 및 출구에 각각 설치된 센서에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 센서는 온도센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
15. 제13항에 있어서,

    상기 센서는 압력센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
16. 제10항에 있어서,

    상기 최적 중간압 설정단계에서는,

    실내/외의 온도 차이에 의해 설정된 데이터 테이블에 의해 상기 조절밸브를 소정의 개방도로 개방하여 상기 최적 중간압에 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
17. 제10항에 있어서,

    상기 조절밸브의 조절에 의해 상기 냉매의 과열도가 미리 설정된 과열도에 일치하지 않게 되는 경우에,

    상기 제2 밸브의 개방도를 조절하여 상기 냉매의 과열도 및 중간압을 미리 설정한 값에 다시 도달하게 하는 재조정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 재조정단계 이후에 외란이 발생하는 경우에 상기 과열도 설정단계, 최적 중간압 설정단계 및 재조정단계를 다시 반복하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
19. 상분리기, 팽창밸브, 조절밸브, 증발기, 다단 압축기 및 응축기를 포함하며, 상기 팽창밸브는 상기 응축기에서 상기 상분리기로 공급되는 냉매를 팽창시키는 제1 밸브 및 상기 상분리기에서 상기 증발기로 공급되는 액상의 냉매를 팽창시키는 제2 밸브를 구비하며, 상기 조절밸브는 상기 상분리기에서 기상의 냉매를 상기 다단 압축기로 안내하는 공기조화기의 제어방법에 있어서,

    상기 공기조화기의 운전명령을 감지하는 단계;

    상기 제1, 제2 밸브 및 조절밸브의 개방도를 초기화하는 초기화단계;

    상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 과열도에 도달하도록 과열도를 조절하는 과열도 설정단계;

    상기 공기조화기의 냉매가 미리 설정된 최적 중간압에 도달하도록 중간압을 조절하는 최적 중간압 설정단계;

    상기 냉매의 과열도 및 중간압을 미리 설정한 값에 다시 도달하게 하는 재조정단계; 및

    외란이 발생하는 경우에 상기 초기화 단계, 과열도 설정단계, 최적 중간압 설정단계 및 재조정단계를 다시 반복하는 반복단계;를 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.

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