KR101261046B1 - 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초임계 상태의 냉매를 이용하여 차량내 냉방을 실시하는 초임계 냉매 시스템을 제어하기 위한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법에 대한 것으로서, 냉매를 압축 토출시키고 토출용량의 변화가 가능한 압축기(10)와, 냉매를 응축시키는 가스쿨러(11)와, 냉매의 압력을 강하시키는 교축밸브(13)와, 냉매의 증발을 이용하여 공기를 냉각시키는 증발기(14)를 포함하는 초임계 냉매 시스템에 있어서; 상기 압축기(10)의 흡입측에 설치되어 냉매의 압력(P1) 및 온도(T1)를 감지하는 제1센서부(21)와, 상기 압축기(10)의 토출측에 설치되어 냉매의 압력(P2) 및 온도(T2)를 감지하는 제2센서부(22)와, 상기 제1센서부(21)와 제2센서부(22) 및 엔진의 흡기측 센서(23)의 신호에 따라 상기 압축기(10)의 토출용량과 상기 교축밸브(13)의 개도를 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다.

본 발명의 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법에 따르면, 차량의 운전 상태 및 사용자의 조작에 따라 시스템을 제어할 수 있고 가속모드나 최대성능모드가 아닌 경우에는 최대효율모드로 작동되며 냉매의 손실에 관계없이 시스템을 최적으로 제어할 수 있다.

공조장치, 초임계, 과열도, 냉매충진량, 밀도, 성적계수, 교축밸브

Description

공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 방법{Control Device and the Same Method of Supercritical Refrigants System for Air Conditioner}

도 1은, 종래의 공조장치용 초임계 냉매 시스템 제어구조가 도시된 구성도.

도 2는, 본 발명에 의한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조가 도시된 구성도.

도 3은, 본 발명에 의한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법이 도시된 순서도.

도 4는, 가속모드로 시스템을 작동시킬 때의 순서도.

도 5는, 최대성능모드로 시스템을 작동시킬 때의 순서도.

도 6은, 최대효율모드로 시스템을 작동시킬 때의 순서도.

도 7은, 냉매 밀도에 따른 목표 압축기 흡입측 과열도 변화가 도시된 그래프.

도 8은, 흡입측 과열도에 따른 성적계수 변화가 도시된 그래프.

도 9는, 외기온 45℃인 경우 냉매충진량에 따른 성적계수(COP) 변화가 도시된 그래프.

도 10은, 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 압축기 흡입측 과열도 변화가 도시된 그래프.

도 11은, 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 압축기 토출압 변화가 도시된 그래프.

도 12는, 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 압축기 토출온도 변화가 도시된 그래프.

도 13은, 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 증발기의 공기출구온도 변화가 도시된 그래프.

도 14는, 냉매로 사용되는 이산화탄소의 증기압선도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 압축기 11: 가스쿨러(Gas Cooler)

12: 내부 열교환기 13: 교축밸브

14: 증발기 15: 어큐물레이터(Accumulator)

20: 컨트롤러(Controller) 21: 제1센서부

22: 제2센서부 23: 흡기측 센서

T1: 압축기 흡입측 냉매온도 P1: 압축기 흡입측 냉매압력

T2: 압축기 토출측 냉매온도 P2: 압축기 토출측 냉매압력

본 발명은 초임계 상태의 냉매를 이용하여 차량내 냉방을 실시하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템을 제어하기 위한 것으로서, 특히 냉매충진량을 계산하고 냉 매충진량 및 압축기 흡입측 과열도에 따라 교축밸브의 개도와 압축기의 토출용량을 조절하여 시스템을 최적으로 제어하고 냉방성능을 향상시킴은 물론 시스템이 높은 효율을 유지할 수 있도록 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 방법에 관한 것이다.

냉매는 냉동 사이클의 작동유체로서, 저온의 물체에서 열을 빼앗아 고온의 물체로 전달하는 물체의 총칭이다. 현재 널리 사용되고 있는 냉매로는 암모니아, 플루오르화염화탄화수소계 냉매(프레온), 공비혼합냉매(共沸混合冷媒), 클로로메틸 등이 있다. 냉동기의 능력, 압축기의 형식, 용도 등에 따라 각 특성에 알맞은 냉매를 택함으로써 냉동효과를 높일 수 있다.

냉매로서 구비하여야 할 조건은, 첫째 온도가 낮아도 대기압 이상의 압력에서 증발하고 상온에서는 비교적 저압에서 액화하며, 둘째 동일한 냉동능력에 대하여 소요동력이 적고, 셋째 임계온도가 높고 응고온도가 낮으며, 넷째 증발열이 크고 액체의 비열이 작으며 증발열에 대한 액체비열의 비율이 낮아야 하며, 다섯째 같은 냉동능력에 대해 냉매가스의 용적이 작고, 여섯째 화학적으로 결합이 양호하여 냉매가스가 압축열에 의하여 분해되더라도 냉매가스가 아닌 다른 가스를 발생하지 않으며, 일곱째 가격이 저렴해야 한다는 것 등이다.

상기한 냉매의 조건을 가장 만족하는 것이 바로 프레온 가스인데, 프레온 가스는 오존층을 파괴하는 주범으로 알려져 현재는 사용을 제한하고 있다. 따라서, 환경에 악영향을 미치지 않는 환경친화적인 냉매가 요구되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이에 따라 개발된 이산화탄소 냉매는 기존의 프레온 냉매에 비해 냉방 성능이 우수하고 효율이 높아 자동차용 공조장치에도 적용이 가능하다. 다만, 이산화탄소는 상압하에서는 드라이아이스에서 기체 이산화탄소가 되는 승화현상을 보이게 되므로, 적정한 압력을 가하여 초임계상태로 만든 후 냉매로 사용하고 있다. 초임계상태란 액체상태와 기체상태를 정확하게 구분할 수 없는 상태로서 액체와 기체의 성질을 모두 가지게 된다.

특히, 이산화탄소의 경우에는 온도가 31℃이상인 경우에는 아무리 압력을 가하더라도 액화되지 않게 되며, 초임계 상태의 이산화탄소는 상기한 냉매의 조건을 잘 만족하게 되므로 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉매 시스템을 구성할 수 있다. 상기한 초임계 냉매 시스템은 냉매를 초임계 상태로 유지시키고 시스템의 효율을 향상시키기 위하여, 압축기의 용량을 조절하거나 교축밸브의 개도량을 변화시키는 등의 제어를 필요로 한다.

종래의 초임계 냉매 시스템 제어구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축시켜 토출하는 압축기(51)와, 상기 압축기(51)에서 토출되는 냉매에 포함된 오일을 분리시키는 오일 분리기(Oil Separator; 52)와, 상기 오일 분리기(52)를 통과한 냉매를 응축시키는 가스쿨러(Gas Cooler; 53)와, 상기 가스쿨러(53)에서 응축된 냉매의 압력을 강하시키는 교축밸브(Expansion Valve; 55)와, 냉매를 증발시켜 주위 공기를 냉각시키는 증발기(Evaporator; 56)와, 상기 증발기(56)에서 나온 냉매에 포함된 액냉매를 분리시키는 어큐물레이터(Accumulator; 57)와, 상기 어큐물레이터(57)에서 나온 냉매와 상기 가스쿨러(53)에서 나온 냉매 사이의 열교환이 이루어지 는 내부 열교환기(Internal Heat Exchanger; 54)와, 상기 교축밸브(53)를 통과하기 직전의 냉매 압력을 감지하여 상기 압축기(51)의 용량 및 상기 교축밸브(55)의 개도를 제어하는 컨트롤러(Controller; 50)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 초임계 냉매 시스템 제어구조는, 냉매의 압력에 따라 압축기의 용량 및 교축밸브의 개도를 조절하여 냉매 시스템이 최적의 상태로 작동될 수 있도록 하고 있다.

압축기(51)에서 토출된 냉매는 오일 분리기(52)에서 오일이 분리되고 가스쿨러(53)에서 응축된 후 교축밸브(55)를 통과하면서 압력이 강하되고, 증발기(56)에서 증발되면서 주위 공기를 냉각시켜 실내를 냉방하도록 한다. 상기 증발기(56)에서 나온 냉매는 어큐물레이터(57)를 통과하면서 액냉매가 분리되고 내부 열교환기(54)를 통과하면서 상기 가스쿨러(53)에서 나온 냉매와 열교환을 통해 완전히 기화된 후 압축기(51)로 귀환된다.

이때, 컨트롤러(50)는 압력센서(58)를 이용하여 교축밸브(55) 직전의 냉매 압력을 감지하여 교축밸브(55)의 개도를 조절하거나 압축기(51)의 용량을 변화시킴으로써 냉매 시스템이 최적의 효율로 작동되도록 한다. 냉매 압력에 따른 교축밸브(55)의 개도 및 압축기(51)의 용량 조절은 각 시스템의 구성 형태 등에 따라 달라지며, 냉매 시스템의 효율 향상을 위한 여러가지 제어방법이 제시되고 있다.

일본 공개특허 2003-002048호에 개시된 차량용 공조장치에서는, 증발기를 통과한 직후의 공기 온도를 감지하여 압축기의 토출용량을 가변 제어함으로써, 압축기의 소비동력이 과도하게 상승되는 것을 방지하고, 압축기나 고무부품 등이 열손 상되는 것을 방지하고 있다. 즉, 증발기를 통과한 직후의 공기 온도가 대략 0℃가 되도록 압축기의 토출용량을 제어하여, 압축기로부터 토출되는 냉매의 유량이 소정 유량이 넘지 않도록 한다. 따라서, 고압측의 냉매 압력 및 냉매 온도가 과도하게 상승되지 않게 되고, 압축기의 소비 동력이 과도하게 상승되지 않도록 함은 물론 압축기나 각 연결부에 사용되는 고무부품 등이 열손상되는 것을 방지할 수 있다.

또, 일본 공개특허 2000-234811호에 개시된 공조장치는, 압축기의 토출측 압력과 온도를 감지하여 시스템을 보호할 수 있도록 하고 있다. 이를 위하여 방열측에서 초임계 상태가 될 수 있는 냉매를 봉입하고, 토출압력에 따라 교축밸브의 개도를 변화시키는 토출압력 제어기와, 토출온도에 따라 교축밸브의 개도를 조절하는 토출온도제어기 및 토출온도에 따라 토출압력 제어기와 토출온도 제어기를 택일하여 교축밸브의 개도를 조절하는 교축밸브 개도 조작기를 구비하고 있다.

상기한 공조장치는 압축기에서 토출되는 냉매의 온도와 압력에 따라 교축밸브의 개도를 조절함으로써 고압측의 냉매압력 및 온도가 과다하게 상승되지 않도록 하여 시스템을 보호하게 된다. 그러나 상기한 공조장치는 단지 시스템을 보호하는 기능만 있을 뿐, 시스템을 최적으로 제어할 수 없는 단점이 있다.

일반적으로 초임계 상태의 냉매를 이용하는 초임계 냉매 시스템에서는 최적의 효율로 운전하는 것이 매우 중요하다. 즉, 냉매 시스템의 운전상태에 따라 시스템의 효율이 많이 변하게 되고, 그에 따라 연료의 소모가 달라지는 등 자동차의 경제적 운용에 지대한 영향을 미치게 된다.

결과적으로 자동차를 경제적으로 운용하기 위해서는, 자동차의 작동 상태 및 사용자의 요구에 따라 다양한 방식으로 에어컨을 작동시키는 것이 필요하다. 예를 들어 차량이 오랫동안 운행되면, 냉매 시스템 내부의 냉매가 조금씩 리크되어 일정 시간이 경과된 이후에는 냉매량이 부족해지는 경우가 발생된다. 냉매량의 감소는 곧바로 에어컨의 성능 저하로 나타나고, 압축기 토크가 지나치게 증대되어 연료 소비를 증가시키는 요인이 된다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시스템 내부의 냉매량을 계산하여 냉매량에 따라 시스템의 효율이 최대가 되도록 함은 물론 냉방성능을 유지하면서도 사용자의 운전성까지 고려하여 시스템을 제어할 수 있도록 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 본 발명은 시스템 내부의 냉매량에 따라 최적의 효율을 나타내도록 시스템을 제어하여 연료 소비를 절감할 수 있고, 사용자의 요구 또는 운전 상태에 따라 시스템을 제어하여 사용자의 편의성 및 운전성을 향상시킬 수 있는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 냉매충진량이 일정치 이하이거나 냉매충진량이 급격히 감소되는 경우에는 사용자에게 이를 경고하여 냉매의 부족으로 인한 연료 소비 증가 및 냉방 효율의 저하를 방지할 수 있도록 한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조에 따르면, 냉매를 압축 토출시키고 토출용량의 변화가 가능한 압축기와, 냉매를 응축시키는 가스쿨러와, 냉매의 압력을 강하시키는 교축밸브와, 냉매의 증발을 이용하여 공기를 냉각시키는 증발기를 포함하는 초임계 냉매 시스템에 있어서, 상기 압축기의 흡입측에 설치되어 냉매의 압력 및 온도를 감지하는 제1센서부와, 상기 압축기의 토출측에 설치되어 냉매의 압력 및 온도를 감지하는 제2센서부와, 상기 제1센서부와 제2센서부 및 엔진의 흡기측 센서의 신호에 따라 상기 압축기의 토출용량과 상기 교축밸브의 개도를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

또, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 제1센서부 또는 제2센서부중 하나에 의해 감지된 냉매의 온도 및 압력에 따라 냉매 밀도를 연산하고, 냉매 밀도에 따라 상기 교축밸브의 개도를 제어한다.

또한, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조에 따르면, 상기 컨트롤러는 상기 압축기의 압축기 흡입측 과열도에 따라 상기 교축밸브의 개도를 제어하고, 냉매 밀도가 감소되면 목표 압축기 흡입측 과열도를 증가시키게 된다.

또한, 본 발명에 의한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 차량의 운전 상태 및 사용자의 조작 여부에 따라 공조모드가 가속모드인지를 확인하는 단계와, 공조모드가 가속모드이면 시스템을 가속모드로 제어하고 그렇지 않으면 최대성능모드인지를 확인하는 단계와, 공조모드가 최대성능모드이면 시스템을 최대성능모드로 제어하고 그렇지 않으면 최대효율모드로 제어하는 단계로 이루어지 는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 상기 가속모드는 엔진의 흡기측 센서(23)의 신호에 따라 급가속 여부를 판단하는 제1과정과, 급가속중이면 교축밸브의 개도를 일정 정도 증가시킨 후 제1과정으로 피드백하고 그렇지 않으면 교축밸브의 개도를 감소시킨 후 최대효율모드로 제어하는 제2과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 상기 최대성능모드는 압축기 토출 압력 및 온도를 감지하는 제1과정과, 상기 제1과정에서 감지된 압력과 온도가 한계치 이하인지를 확인하는 제2과정과, 한계치 이하이면 압축기 흡입측 과열도를 증가시킨 후 최대성능모드의 해제 여부를 확인하고 그렇지 않으면 최대효율모드로 제어하는 제3과정과, 최대성능모드가 해제되면 최대효율모드로 제어하고 그렇지 않으면 상기한 제1과정으로 피드백하는 제4과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 상기 최대효율모드는 압축기 흡입측의 온도(T1)와 압력(P1)을 감지한 후 이를 이용하여 냉매의 밀도를 연산하는 제1과정과, 냉매의 밀도를 이용하여 목표 압축기 흡입측 과열도(a)를 연산하는 제2과정과, 압축기 흡입측의 온도(T1)와 압력(P1)에 따라 실제 압축기 흡입측 과열도(b)를 연산하는 제3과정과, 상기 실제 압축기 흡입측 과열도가 목표 흡입측 과열도의 범위 내에 있도록 압축기 토출용량 및 교축밸브의 개도를 조절하는 제4과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 상기 제1과정은 냉매의 밀도가 일정치 이하일 경우 사용자에게 경고하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 상기 제2과정은 냉매의 밀도가 감소될수록 흡입측 과열도를 증가시키는 것 및/또는 압축기 토출압력을 감소시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 상기 제2과정의 목표 압축기 흡입측 과열도(a)는 “-0.21×D [g/ℓ]+76.6-10 [K] < a [K] < -0.21×D [g/ℓ]+76.6+10 [K]” 범위 내에 있고, 상기 제3과정의 압축기 흡입측 과열도(b)는, "b [K]=T1 [℃]-0.8864× P1 [bar] +30.636 [K]”에 의해 연산되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 공조장치용 초임계 시스템이 제어구조 및 그 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조가 도시된 구성도이고, 도 3은 본 발명에 의한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법이 도시된 순서도이며, 도 4는 가속모드로 시스템을 작동시킬 때의 순서도이고, 도 5는 최대성능모드로 시스템을 작동시킬 때의 순서도이며, 도 6은 최대효율모드로 시스템을 작동시킬 때의 순서도이다.

또, 도 7은 냉매 밀도에 따른 압축기 흡입측 과열도 변화가 도시된 그래프이고, 도 8은 흡입측 과열도에 따른 성적계수 변화가 도시된 그래프이며, 도 9는 외기온 45℃에서의 냉매충진량에 따른 성적계수 변화가 도시된 그래프이다. 또한, 도 10은 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 압축기 흡입측 과열도 변화, 도 11은 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 압축기 토출압 변화, 도 12는 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 압축기 토출온도 변화, 도 13은 최대 COP에서 냉매충진량에 따른 증발기의 공기출구온도 변화가 도시된 그래프이다. 또, 도 14는 냉매로 사용되는 이산화탄소의 증기압선도이다.

본 발명에 의한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조는, 냉매를 압축 토출시키고 토출용량의 변화가 가능한 압축기(10)와, 냉매를 응축시키는 가스쿨러(11)와, 냉매의 압력을 강하시키는 교축밸브(13)와, 냉매의 증발을 이용하여 공기를 냉각시키는 증발기(14)와, 상기 가스쿨러(11)에서 나온 냉매와 상기 증발기(14)에서 나온 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 내부 열교환기(12)와, 상기 증발기(14)에서 나온 냉매 속에 포함된 액냉매를 분리시키는 어큐물레이터(15)와, 상기 압축기(10)의 흡입측에 설치되어 냉매의 압력(P1) 및 온도(T1)를 감지하는 제1센서부(21)와, 상기 압축기(10)의 토출측에 설치되어 냉매의 압력(P2) 및 온도(T2)를 감지하는 제2센서부(22)와, 상기 제1센서부(21)와 제2센서부(22) 및 엔진의 흡기측 센서(23)의 신호에 따라 상기 압축기(10)의 토출용량과 상기 교축밸브(14)의 개도를 제어하는 컨트롤러(20)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조는 압축기 흡입측 과열도에 따라 최적의 효율이 나타나도록 교축밸브의 개도를 조절하게 된다.

차량의 냉방장치를 가동시키게 되면 압축기(10)에 의해 압축된 냉매가 토출되고, 가스쿨러(11)를 지나면서 냉매가 응축된다. 이어 내부 열교환기(12)의 고압측을 통과한 후 교축밸브(13)를 거치면서 압력이 강하되고, 증발기(14)를 통과하면서 주위 공기와 열교환을 하게 된다. 이때 상기 증발기(14)에서 냉매와의 열교환을 통해 냉각된 공기가 실내로 토출됨으로써 실내를 냉방하게 된다. 상기 증발기(14)에서 나온 냉매는 어큐물레이터(15)와 내부 열교환기(12)의 저압측을 거쳐 압축기(10)로 귀환하게 된다. 상기 어큐물레이터(15)는 상기 증발기(14)를 통과한 냉매중 아직 기화되지 못한 액냉매를 분리하게 되며, 상기 내부 열교환기(12)의 고압측을 흐르는 뜨거운 냉매에 의해 저압측을 흐르는 냉매가 가열되어 완전히 기화된 상태로 상기 압축기(10)로 귀환된다.

여기서, 상기 컨트롤러(20)는, 상기 제1센서부(21) 또는 제2센서부(22)에 의해 감지된 냉매의 온도(T1, T2) [K] 및 압력(P1, P2) [bar]에 따라 냉매충진량 [g]을 계산하고, 냉매충진량에 따라 상기 교축밸브(13)의 개도를 조절하게 된다. 또, 상기 컨트롤러(20)는, 상기 압축기(10)의 흡입측 과열도 [K]에 따라 상기 교축밸브(13)의 개도를 제어하고, 냉매충진량이 감소되면 목표 압축기 흡입측 과열도를 증가시킨다. 그 결과 시스템은 최대효율모드로 작동하게 된다.

이때, 상기한 목표 압축기 흡입측 과열도(a) [K]는, 시스템 내부에 충진된 냉매의 평균밀도(D) [g/ℓ]에 따라 하기의 수학식 1에 의해 결정되는 범위 내에 있게 된다.

-0.21×D [g/ℓ]+76.6-10 [K] < a [K] < -0.21×D [g/ℓ]+76.6+10 [K]

여기서, 냉매의 평균밀도(D)는 시스템 내부에 충진되어 있는 냉매량을 시스템의 내부 체적으로 나눈 값으로, 제1센서부(21)에 의해 감지되는 냉매의 온도(T1)와 압력(P1)에 따라 구할 수 있다. 즉, 냉매가 포화상태 또는 임계상태에 있으므로, 도 14에 도시된 이산화탄소의 증기압 선도를 이용하면 냉매의 온도 및 압력에 따른 냉매의 밀도를 구할 수 있다. 이때, 상기 증기압 선도에 나타난 냉매의 온도 및 압력에 따른 밀도값이 상기 컨트롤러(20)에 미리 입력되고, 시스템 내부의 체적 역시 컨트롤러(20)에 입력된다.

상기한 수학식 1에 의해 목표 압축기 흡입측 과열도가 설정되면, 컨트롤러(20)가 교축밸브(13)의 개도를 조절하여 해당 과열도를 얻을 수 있도록 한다. 이때, 상기 교축밸브(13)의 개도는 사용자의 요구와 차량 상태를 감안하여 설정하게 되며, 시스템의 효율인 성적계수(COP)가 최대가 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법은, 차량의 운전 상태 및 사용자의 조작 여부에 따라 공조모드가 가속모드인지를 확인하는 단계와; 공조모드가 가속모드이면 시스템을 가속모드로 제어하고 그렇지 않으면 최대성능모드인지를 확인하는 단계와; 공조모드가 최대성능모드이면 시스템을 최대성능모드로 제어하고 그렇지 않으면 최대효율모드로 제어하는 단계로 이루어진다.

여기서, 상기 가속모드는 엔진의 흡기측 센서(23)의 신호에 따라 급가속 여부를 판단하는 제1과정과, 급가속중이면 교축밸브의 개도를 일정 정도 증가시킨 후 제1과정으로 피드백하고 그렇지 않으면 교축밸브의 개도를 감소시킨 후 최대효율모드로 제어하는 제2과정으로 이루어진다.

그리고, 상기 최대성능모드는 압축기 토출 압력 및 온도를 감지하는 제1과정과, 상기 제1과정에서 감지된 압력과 온도가 한계치 이하인지를 확인하는 제2과정과, 한계치 이하이면 압축기 흡입측 과열도를 증가시킨 후 최대성능모드의 해제 여부를 확인하고 그렇지 않으면 최대효율모드로 제어하는 제3과정과, 최대성능모드가 해제되면 최대효율모드로 제어하고 그렇지 않으면 상기한 제1과정으로 피드백하는 제4과정으로 이루어진다.

또한, 상기 최대효율모드는 압축기 흡입측의 온도(T1)와 압력(P1)을 감지한 후 이를 이용하여 냉매의 밀도를 연산하는 제1과정과, 냉매의 밀도를 이용하여 목표 압축기 흡입측 과열도(a)를 연산하는 제2과정과, 압축기 흡입측의 온도(T1)와 압력(P1)에 따라 실제 압축기 흡입측 과열도(b)를 연산하는 제3과정과, 상기 실제 압축기 흡입측 과열도가 목표 흡입측 과열도의 범위 내에 있도록 압축기 토출용량 및 교축밸브의 개도를 조절하는 제4과정으로 이루어진다.

또, 상기 최대효율모드의 제1과정은 냉매의 밀도가 일정치 이하일 경우 사용자에게 경고하는 것을 포함한다.

그리고, 상기 최대효율모드의 제2과정에서는 냉매의 밀도가 감소될수록 흡입 측 과열도를 증가시키거나 압축기 토출압력을 감소시키게 된다. 물론, 2가지 방법을 모두 사용할 수도 있다.

또한, 상기 제2과정에서 목표 압축기 흡입측 과열도(a)는 상기한 수학식 1에 의해 계산된 범위 내에 있어야 한다.

그리고, 상기 제3과정에서 압축기 흡입측 과열도(b)는 다음의 수학식 2에 의하여 근사적으로 구할 수 있다.

b [K]=T1 [℃]-0.8864× P1 [bar] +30.636 [K]

상기한 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법에 따르면, 차량의 운전 상태 및 사용자의 조작에 따라 최적의 공조모드로 시스템을 제어할 수 있다.

공조장치가 작동되면 가속중인지를 확인하여 가속중이면 가속모드로 시스템을 제어한다. 즉, 엔진 흡기측 센서의 신호를 통해 급가속 여부를 확인하여 급가속중이면 교축밸브(13)의 개도를 일정 정도 증가시킨 후 다시 급가속 여부를 확인하고, 급가속 상태가 아니면 교축밸브(13)의 개도를 일정 정도 감소시킨 후 최대효율모드로 시스템을 제어한다.

차량의 운전 상태가 가속중이 아니면 최대성능모드인지 확인한다. 최대성능모드는 사용자가 차량의 운전성을 희생해서라도 시원한 실내공기를 얻기 위해 선택하는 것으로서, 사용자가 컨트롤 패널에 있는 최대성능모드의 스위치를 켬으로써 선택할 수 있다.

상기한 최대성능모드는 더운 여름철에 차량의 시동을 걸었을 때와 같이 차량 의 운전보다 쾌적한 공기가 더 필요한 때에 적용된다. 최대성능모드에서는 컨트롤러(20)가 제2센서부(22)에 의해 감지되는 압축기 토출측의 온도(T2)와 압력(P2)이 한계치 이하인 범위 내에서 압축기 흡입측 과열도를 최대한 높일 수 있도록 시스템을 제어한다.

공조모드가 가속모드도 아니고 최대성능모드도 아니라면 최대효율모드로 시스템을 제어한다. 최대효율모드에서는 제1센서부(21)를 통해 압축기(10)의 흡입측 온도(T1)와 압력(P1)을 감지한 후, 도 14에 도시된 증기압 선도를 이용하여 냉매의 밀도를 구하고, 이를 상기한 수학식 1에 적용하여 목표 흡입측 과열도(a)의 범위를 연산한다. 이어, 상기 압축기(10)의 흡입측 온도(T1)와 압력(P1)을 상기한 수학식 2에 적용하여 실제 압축기 흡입측 과열도(b)를 연산한다. 이후, 상기 압축기 흡입측 과열도(b)가 목표 흡입측 과열도의 범위 내에 있도록 압축기(10)의 토출용량 및 교축밸브(13)의 개도를 조절한다.

그런데, 시간이 지남에 따라 냉매가 미세하게 리크될 수 있으므로, 실제 시스템 내에서 유동되고 있는 냉매충진량을 감지하여야 한다. 이를 위하여 시스템에 설치된 센서부(21, 22)의 온도센서 및 압력센서를 이용해 냉매의 온도(T1, T2)와 압력(P1, P2)을 감지하고, 이 온도(T1, T2)와 압력(P1, P2)을 이용하여 냉매량을 계산한다. 냉매충진량은 냉매의 온도(T1, T2)와 압력(P1, P2)에 따라 결정되는 냉매의 밀도를 통해 구할 수 있다.

여기서, 압축기 흡입측 과열도는 도 7에 도시된 바와 같이, 동일한 효율 하에서는 냉매의 밀도에 따라 선형적으로 변화된다. 따라서, 냉매충진량이 감소된 상 태에서 동일한 성적계수(COP)를 얻기 위해서는 목표 압축기 흡입측 과열도를 상승시켜야만 한다.

그런데, 계산된 냉매충진량이 일정 이하인 경우에는 목표 흡입측 과열도가 지나치게 상승되고, 그로 인해 시스템 내부의 온도(T1, T2) 및 압력(P1, P2)이 상승되어 시스템 전체에 무리가 발생될 수 있다. 즉, 도 9를 참조하여 냉매충진량에 따른 최대 효율점의 변화를 살펴보면, 냉매충진량이 일정치 이하로 감소됨에 따라 효율이 급격하게 감소됨을 알 수 있다. 다시 말해서 냉매충진량이 감소되면 최대 효율을 나타내는 압축기 흡입측 과열도 값이 증가하게 되므로, 시스템을 효율적으로 작동시키기 위한 목표 흡입측 과열도가 상승하는 것이다.

이에 따라 냉매충진량이 일정 이하인 경우에는 사용자에게 경고를 하여 냉매를 추가하도록 하게 된다. 따라서, 항상 적절한 냉매충진량을 유지하도록 하여 시스템을 최적 상태로 제어할 수 있다. 또한, 냉매충진량의 변화 추이를 살펴서 냉매충진량이 급격하게 감소되는 경우, 냉매 시스템의 일부에서 냉매가 과다하게 리크되고 있는 것으로 판단하여 사용자에게 경고한다. 따라서, 사용자는 냉매 시스템에 대한 점검을 통해 냉매의 리크 부위를 수선함으로써 냉매가 리크되지 않도록 하고, 냉매의 과다한 리크로 인한 시스템의 작동 이상을 방지할 수 있다.

물론, 냉매충진량의 변화가 미미하거나 사용자가 이를 무시하는 경우에는 시스템의 효율을 높이기 위한 제어를 수행한다. 따라서, 냉매충진량이 감소되면 압축기 흡입측 과열도를 상승시키는 방향으로 시스템을 제어하여, 시스템의 효율을 향상시키고 에너지 소비량을 줄일 수 있다.

결과적으로 최대효율점에서 압축기 흡입측 과열도는 냉매충진량에 대하여 선형적인 분포를 보이므로, 공조장치용 초임계 냉매 시스템에서 압축기 흡입측 과열도는 적당한 제어변수가 된다.

최적의 효율을 나타내는 압축기 흡입측 과열도는 냉매 시스템의 내부체적에 따라 그 값이 변화된다. 이때, 압축기 흡입측 과열도는 상기한 수학식 1과 같이 밀도의 함수이므로, 동일 체적인 경우에는 냉매충진량에 따라 달라지게 된다. 도 10은 내부체적이 2L 정도인 냉매 시스템에서 최대 효율 상태의 냉매충진량 변화에 따른 압축기 흡입측 과열도가 도시된 도면이다.

냉매충진량과 압축기(10)의 토출압(P2) 사이의 관계를 살펴보면, 도 11에 도시된 바와 같이 냉매충진량이 감소됨에 따라 최적 효율을 나타내는 압축기 토출측 압력(P2)도 감소됨을 알 수 있다. 즉, 냉매충진량의 감소가 감지되면 압축기 토출측 압력(P2)을 낮게 제어해야 하며, 그렇지 않으면 압축기(10)를 과다하게 작동시켜 동력의 소모가 증가하게 된다. 이때, 냉매충진량과 압축기(10)의 토출압(P2)의 변화가 선형적으로 나타나지 않으므로, 압축기 토출압(P2)은 제어변수로 적합하지 않음을 알 수 있다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 냉매충진량이 감소되면 압축기(10)의 토출측 온도(T2)가 증가함을 알 수 있다. 그러나, 냉매충진량과 압축기 토출온도(T2) 역시 비선형적 분포를 보이게 되어, 압축기 토출온도(T2)는 변수로 적절하지 않음을 알 수 있다.

또, 도 13에 도시된 바와 같이, 냉매충진량이 감소하게 되면, 증발기(13)의 공기측 출구온도가 증가됨을 알 수 있다. 이는 냉매충진량이 감소됨에 따라 냉방성능이 저하됨을 의미하나, 역시 비선형적 분포를 보여 증발기(13)의 공기측 출구온도를 통해 냉매충진량을 감지하기가 어려움을 알 수 있다.

결과적으로 초임계 냉매 시스템의 효율은 냉매충진량에 따라 달라지고, 냉매충진량은 압축기 흡입측 과열도와 선형적인 분포를 보이게 되므로, 압축기 흡입측 과열도를 조절함으로써 시스템의 효율을 제어할 수 있다. 압축기 흡입측 과열도는 제1센서부(21)에 의해 감지되는 흡입측의 온도(T1)와 압력(P1)에 따라 결정되며, 교축밸브(13)의 조절을 통해 흡입측 압력(P1)을 제어할 수 있다.

상기 교축밸브(13)의 조절은 수학식 1에 따라 결정되는 목표 압축기 흡입측 과열도의 범위에 연동하여 조절하는데, 사용자의 요구와 차량 상태를 감안하여 최대의 시스템 효율이 나타나도록 조절하는 것이 바람직하다. 즉, 초기 냉방시에는 사용자의 선택에 따라 엔진의 출력을 희생하여 냉방성능을 향상시키는 최대성능모드로 교축밸브(13)를 제어하고, 급격한 가속이 있을 경우에는 가속모드에 따라 교축밸브(13) 및 압축기(10)의 토출용량을 제어하며, 그 밖의 경우에는 최대효율모드로 교축밸브(13) 및 압축기(10)의 토출용량을 제어하게 되는 것이다.

상기 최대효율모드는 앞서 설명한 최대성능모드와 가속모드를 제외한 경우로서, 차량의 연비를 최대로 하는 경제적 운행상태인 경우에 적용된다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이 이산화탄소를 냉매로 사용하는 초임계 냉매 시스템에서는 압축기 흡입측 과열도에 따라 시스템의 효율이 변화되므로, 압축기 흡입측 과열도를 조절하여 시스템을 최적의 상태로 제어할 수 있다.

이를 위하여 제2센서부(22)를 통해 압축기 토출측 온도(T2)와 압력(P2)을 감지하고, 압축기(10)의 토출측 온도(T2)나 압력(P2)이 한계치를 초과하지 않는 범위 내에서 압축기 흡입측 과열도를 상승시키게 되고, 교축밸브(13)의 조절을 통해 압축기 흡입측 과열도 역시 승강시킬 수 있다.

압축기 흡입측 과열도를 강하시키기 위해서는, 교축밸브(13)를 개방하여 압축기 흡입측 압력을 낮추거나, 압축기(10)의 토출용량을 감소시키는 방법을 사용한다. 물론, 압축기 흡입 과열도를 증가시키기 위해서는, 교축밸브(13)의 개도를 감소시켜 압축기의 흡입측 압력을 높이거나 압축기(10)의 토출용량을 증가시키는 방법을 사용한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법에 따르면, 초임계 냉매 시스템 내부의 냉매충진량을 계산하고 이를 이용하여 목표 압축기 흡입측 과열도를 결정하여 시스템을 제어하게 되므로 냉매의 손실에 관계없이 시스템을 최적으로 제어할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법에 따르면, 별도의 제어로직을 추가하지 않고도 냉매충진량의 변화에 따라 목표 압축 기 흡입측 과열도를 변화시켜 최대의 효율을 얻을 수 있도록 함은 물론 최대성능으로도 에어컨을 작동시킬 수 있는 다른 효과가 있다.

또, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법에 따르면, 냉매충진량의 변화를 감시하여 냉매의 리크에 대한 대응을 빠르게 할 수 있도록 하고 냉매의 부족으로 인한 연료 소비율의 증가를 방지할 수 있도록 하는 또 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명의 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조 및 그 방법에 따르면, 사용자의 운전특성에 따라 냉방성능과 주행성능을 변화시키게 되므로 가속이나 감속시 운전성이 향상되고 사용자의 편의성이 증대되는 효과도 있다.

Claims (13)

1. 냉매를 압축 토출시키고 토출용량의 변화가 가능한 압축기(10)와, 냉매를 응축시키는 가스쿨러(11)와, 냉매의 압력을 강하시키는 교축밸브(13)와, 냉매의 증발을 이용하여 공기를 냉각시키는 증발기(14)를 포함하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템에 있어서,

   상기 압축기(10)의 흡입측에 설치되어 냉매의 압력(P1) 및 온도(T1)를 감지하는 제1센서부(21)와, 상기 압축기(10)의 토출측에 설치되어 냉매의 압력(P2) 및 온도(T2)를 감지하는 제2센서부(22)와, 상기 제1센서부(21)와 제2센서부(22) 및 엔진의 흡기측 센서(23)의 신호에 따라 상기 압축기(10)의 토출용량과 상기 교축밸브(13)의 개도를 제어하는 컨트롤러(20)를 포함하고,

   상기 컨트롤러(20)는, 상기 제1센서부(21) 또는 제2센서부(22)중 하나에 의해 감지된 냉매의 온도(T1, T2) 및 압력(P1, P2)에 따라 냉매충진량을 계산하여 그 냉매충진량에 따라 상기 교축밸브(13)의 개도를 제어하거나, 상기 압축기(10)의 압축기 흡입측 과열도(b)에 따라 상기 교축밸브(13)의 개도를 제어하고,

   냉매충진량이 감소되면 목표 압축기 흡입측 과열도(a)를 증가시키도록 하는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 목표 압축기 흡입측 과열도(a)는, 시스템 내부에 충진된 냉매의 평균 밀도(D)에 따라 결정되고, 아래의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어구조.

   -0.21×D [g/ℓ]+76.6-10 [K] < a [K] < -0.21×D [g/ℓ]+76.6+10 [K]
5. 제1항에 기재된 초임계 냉매 시스템을 제어하는 방법에 있어서,

   차량의 운전 상태 및 사용자의 조작 여부에 따라 공조모드가 가속모드인지를 확인하는 단계와,

   공조모드가 가속모드이면 시스템을 가속모드로 제어하고 그렇지 않으면 최대성능모드인지를 확인하는 단계와,

   공조모드가 최대성능모드이면 시스템을 최대성능모드로 제어하고 그렇지 않으면 최대효율모드로 제어하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 가속모드는, 엔진의 흡기측 센서(23)의 신호에 따라 급가속 여부를 판단하는 제1과정과, 급가속중이면 교축밸브의 개도를 일정 정도 증가시킨 후 제1과정으로 피드백하고 그렇지 않으면 교축밸브의 개도를 감소시킨 후 최대효율모드로 제어하는 제2과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 최대성능모드는, 압축기 토출 압력 및 온도를 감지하는 제1과정과, 상기 제1과정에서 감지된 압력과 온도가 한계치 이하인지를 확인하는 제2과정과, 한계치 이하이면 압축기 흡입측 과열도를 증가시킨 후 최대성능모드의 해제 여부를 확인하고, 그렇지 않으면 최대효율모드로 제어하는 제3과정과, 최대성능모드가 해제되면 최대효율모드로 제어하고 그렇지 않으면 상기한 제1과정으로 피드백하는 제4과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 최대효율모드는, 압축기 흡입측의 온도(T1)와 압력(P1)을 감지한 후 이를 이용하여 냉매의 밀도를 연산하는 제1과정과, 냉매의 밀도를 이용하여 목표 압축기 흡입측 과열도(a)를 연산하는 제2과정과, 압축기 흡입측의 온도(T1)와 압력 (P1)에 따라 실제 압축기 흡입측 과열도(b)를 연산하는 제3과정과, 상기 실제 압축기 흡입측 과열도가 목표 압축기 흡입측 과열도의 범위 내에 있도록 압축기 토출용량 및 교축밸브의 개도를 조절하는 제4과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1과정은, 냉매의 밀도가 일정치 이하일 경우 사용자에게 경고하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제2과정은, 냉매의 밀도가 감소될수록 흡입측 과열도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제2과정은, 냉매의 밀도가 감소될수록 압축기 토출압력을 감소시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.
12. 제8항에 있어서,

    상기 제2과정에서 목표 압축기 흡입측 과열도(a)는 다음 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.

    -0.21×D [g/ℓ]+76.6-10 [K] < a [K] < -0.21×D [g/ℓ]+76.6+10 [K]
13. 제8항에 있어서,

    상기 제3과정에서 압축기 흡입측 과열도(b)는 다음의 수식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 공조장치용 초임계 냉매 시스템의 제어방법.

    b [K]=T1 [℃]-0.8864× P1 [bar] +30.636 [K]

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