KR101270537B1 - 공기 조화기 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

공기 조화기 및 그 제어 방법을 개시한다. 본 발명은 압축기의 정격과 압축기의 입출력 냉매의 온도 및 압력 특성을 통해 냉매 사이클에 충전되어 있는 현재의 총 냉매량을 산출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 공기 조화기는, 압축기와; 실외 열 교환기와; 실내 열 교환기와; 압축기와 실외 열 교환기, 실내 열 교환기를 순서대로 연결하여 냉매의 순환이 이루어지도록 하는 냉매 유로와; 냉방 운전을 실시하여 압축기에서 토출되는 냉매가 실외 열 교환기 쪽으로 모두 집중되도록 한 다음 난방 운전으로 전환하여 실외 열 교환기 쪽에 집중되었던 모든 냉매가 압축기를 통해 실내 열 교환기 쪽으로 이동하도록 하면서 냉매의 상태 정보를 압축기의 성능 데이터에 대입하여 압축기를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 산출하고, 단위 시간 당 냉매량을 적산하여 공기 조화기에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정하는 제어부를 포함한다.

Description

공기 조화기 및 그 제어 방법{AIR CONDITIONER AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공기 조화기의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 공기 조화기의 제어 계통을 나타낸 블록도.
도 3은 냉매의 증발 온도에 대한 질량의 관계를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공기 조화기의 제어 방법을 나타낸 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
116 : 실내 열 교환기
118 : 압축기
122 : 실외 열 교환기
130 : 사방 밸브
154 : 수액기
156 : 기액 분리기
172, 176 : 제 1 및 제 2 밸브
174, 178 : 제 1 및 제 2 팽창 장치
182, 184 : 제 1 냉매 상태 검출 센서(제 1 압력 센서 및 제 1 온도 센서)
186, 188 : 제 2 냉매 상태 검출 센서(제 2 압력 센서 및 제 2 온도 센서)
본 발명은 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 공기 조화기의 냉매 사이클에 충전되어 있는 전체 냉매량을 검출하기 위한 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
공기 조화기는 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매가 실외 열 교환기에서 실외 공기와의 열 교환을 통해 저온으로 되고, 이 저온의 냉매가 실내기에 공급되어 실내 열 교환기에서 실내 공기와의 열 교환을 통해 실내 공기를 냉각시키는 구조를 갖는다.
이와 반대로 실내 공기의 가열(난방)은 압축기에서 고온고압으로 압축된 냉매가 실내 열 교환기에서 실내 공기와의 열 교환을 통해 저온으로 되고, 이 과정에서 실내 공기가 가열된다.
이와 같은 공기 조화기의 실외기와 실내기 사이에 냉매 순환을 위한 배관, 즉 냉매 관이 설치된다. 특히 다수 개의 실내기를 구비하는 멀티 시스템은 이 냉매 관의 길이가 매우 길기 때문에 적당한 길이의 냉매 관을 용접 등의 방법으로 연결하여 설치한다. 그러나 냉매 관의 용접이 제대로 이루어지지 않거나 충분한 관리가 이루어지지 않으면 용접 부위가 파손될 수 있고, 이 부분으로 냉매가 누설될 수 있다. 뿐만 아니라 공기 조화기의 장시간에 걸친 운전에 따른 피로 현상으로 인하여 냉매 관 연결 부위가 느슨해져 이 부분으로 냉매가 누설될 수 있다. 냉매 누설로 인하여 냉매량이 부족해지면 공기 조화기는 본래의 냉난방 능력을 충분히 발휘할 수 없기 때문에 냉매 부족으로 판단되면 부족한 냉매량을 보충하여 충분한 냉난방 능력을 발휘할 수 있도록 해야 하는데, 이를 위해서 냉매 사이클에 현재 충전되어 있는 냉매의 양을 검출할 수 있는 장치와 방법이 요구된다.
본 발명은 압축기의 정격과 압축기의 입출력 냉매의 온도 및 압력 특성을 통해 냉매 사이클에 충전되어 있는 현재의 총 냉매량을 산출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명에 따른 공기 조화기는, 압축기와; 실외 열 교환기와; 실내 열 교환기와; 압축기와 실외 열 교환기, 실내 열 교환기를 순서대로 연결하여 냉매의 순환이 이루어지도록 하는 냉매 유로와; 냉방 운전을 실시하여 압축기에서 토출되는 냉매가 실외 열 교환기 쪽으로 모두 집중되도록 한 다음 난방 운전으로 전환하여 실외 열 교환기 쪽에 집중되었던 모든 냉매가 압축기를 통해 실내 열 교환기 쪽으로 이동하도록 하면서 냉매의 상태 정보를 압축기의 성능 데이터에 대입하여 압축기를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 산출하고, 단위 시간 당 냉매량을 적산하여 공기 조화기에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정하는 제어부를 포함한다.
또한, 상술한 공기 조화기는, 냉방 모드와 난방 모드에 따라 압축기에서 토 출되는 냉매의 순환 방향을 전환하여 실외 열 교환기와 실내 열 교환기 가운데 어느 한 쪽으로 냉매가 흐르도록 하는 사방 밸브를 더 포함한다.
또한, 상술한 공기 조화기는, 압축기의 흡입 측 냉매 유로에 설치되어 압축기에 흡입되는 냉매의 상태를 검출하는 제 1 냉매 상태 검출 센서와; 압축기의 토출 측 냉매 유로에 설치되어 압축기에서 토출되는 냉매의 상태를 검출하는 제 2 냉매 상태 검출 센서를 더 포함한다.
또한, 상술한 공기 조화기는, 실외 열 교환기와 실내 열 교환기 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 1 밸브와; 실외 열 교환기와 사방 밸브 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 2 밸브를 더 포함하고; 제어부는, 냉방 운전 시 제 1 밸브를 오프시킨 상태에서 압축기를 운전하고, 난방 운전시 제 2 밸브를 오프시킨 상태에서 압축기를 운전한다.
또한, 상술한 공기 조화기는, 제 2 밸브와 병렬 연결되는 팽창 장치를 더 포함하고; 제 2 밸브가 오프되면 실외 열 교환기에서 사방 밸브로 이동하는 냉매가 팽창 장치를 통해 감압되도록 이루어진다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 공기 조화기의 제어 방법은, 압축기와; 실외 열 교환기와; 실내 열 교환기와; 압축기와 실외 열 교환기, 실내 열 교환기를 순서대로 연결하여 냉매의 순환이 이루어지도록 하는 냉매 유로를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 냉방 운전을 실시하여 압축기에서 토출되는 냉매가 실외 열 교환기 쪽으로 모두 집중되도록 하고; 난방 운전으로 전환하여 실외 열 교환기 쪽에 집중되었던 모든 냉매가 압축기를 통해 실내 열 교환기 쪽으로 이동하도록 하며; 압축기를 통과하는 냉매의 상태 정보를 압축기의 성능 데이터에 대입하여 압축기를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 산출하고; 단위 시간 당 냉매량을 적산하여 공기 조화기에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정한다.
또한, 실외 열 교환기와 실내 열 교환기 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 1 밸브와; 실외 열 교환기와 사방 밸브 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 2 밸브를 더 포함하고; 냉방 운전 시 제 1 밸브를 오프시킨 상태에서 압축기를 운전하고, 난방 운전시 제 2 밸브를 오프시킨 상태에서 압축기를 운전하는 것을 더 포함한다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공기 조화기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 압축기(118)와 실외 열 교환기(122)는 실외기를 구성하는 근간이 되며, 실내 열 교환기(116)는 실내기를 구성하는 근간이 된다.
실내 열 교환기(116)는 냉매와 실내 공기 사이의 열 교환을 수행하는 장치이다. 제 1 팽창 장치(174)는 냉난방 운전 모드에서 실내외 열 교환기(116, 122)에 유입되는 냉매의 압력을 조절하기 위한 것이다.
실외 열 교환기(122)는 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환을 수행하는 장치이다. 압축기(118)는 저압의 냉매를 흡입하여 고온-고압의 냉매로 변환하여 토출하는 장치이다. 사방 밸브(4-Way Valve, 130)는 냉방 모드와 난방 모드에 따라 압축기(118)에서 토출되는 냉매의 순환 방향을 전환하여 실외 열 교환기(122)와 실내 열 교환기(116) 가운데 어느 한 쪽으로 냉매가 흐르도록 하는데, 냉방 모드일 때에는 압축기(118)에서 토출된 냉매가 실외 열 교환기(122)에 먼저 공급되도록 냉매의 순환 방향을 전환하고, 난방 모드일 때에는 압축기(118)에서 토출된 냉매가 실내 열 교환기(116)에 먼저 공급되도록 냉매의 순환 방향을 전환한다. 기액 분리기(156)는 액체 상태의 냉매와 기체 상태의 냉매를 분리하기 위한 것이고, 수액기(154)는 기액 분리기(156)를 통해 분리된 액체 상태의 냉매를 보관하기 위한 것이다.
수액기(154)에서 실내 열 교환기(116)로 향하는 냉매 관에는 제 1 밸브(172)와 제 1 팽창 장치(174)가 순서대로 연결된다. 제 1 밸브(172)는 온/오프 밸브로서, 필요에 따라 수액기(154)와 실내 열 교환기(116) 사이의 냉매 흐름을 차단하기 위한 것이다. 사방 밸브(130)와 실외 열 교환기(122) 사이의 냉매 관에는 제 2 밸브(176)와 제 2 팽창 장치(178)가 병렬로 연결된다. 제 2 밸브(176) 역시 온/오프 밸브로서, 필요에 따라 사방 밸브(130)와 실외 열 교환기(122) 사이의 냉매 흐름을 차단하기 위한 것이다.
단, 제 1 및 제 2 밸브(172, 176)는 제 1 및 제 2 팽창 장치(174, 178)가 모세관처럼 온/오프 기능을 갖지 못할 때 필요한 밸브들이다. 만약 제 1 및 제 2 팽창 장치(174, 178)가 전자 팽창 밸브처럼 온/오프 기능을 갖는 경우에는 제 1 및 제 2 팽창 장치(174, 178)를 통해 온/오프 기능을 구현할 수 있으므로 제 1 및 제 2 밸브(172, 176)는 필요치 않다.
압축기(118)의 흡입 측 냉매 관에는 제 1 압력 센서(182)와 제 1 온도 센 서(184)로 이루어지는 제 1 냉매 상태 검출 센서가 연결되어 압축기(118)로 흡입되는 냉매의 상태 정보(예를 들면 압력과 온도)를 검출하고, 압축기(118)의 토출 측 냉매 관에는 제 2 압력 센서(186)와 제 2 온도 센서(188)로 이루어지는 제 2 냉매 상태 검출 센서가 연결되어 압축기(118)에서 토출되는 냉매의 상태 정보(예를 들면 압력과 온도)를 검출한다.
도 2는 도 1에 나타낸 공기 조화기의 제어 계통을 나타낸 블록도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 공기 조화기의 동작 전반을 제어하는 제어부(202)의 입력 측에는 제 1 압력 센서(182)와 제 1 온도 센서(184), 제 2 압력 센서(186), 제 2 온도 센서(188)가 연결되며, 제어부(202)의 출력 측에는 압축기(118)와 사방 밸브(130), 제 1 및 제 2 밸브(172, 176)가 연결된다.
제어부(202)는 이 센서들(182, 184, 186, 188) 각각으로부터 검출된 냉매 상태 정보를 제공받아 공기 조화기의 동작 제어를 위해 압축기(118)의 운전과 사방 밸브(130)의 전환, 제 1 및 제 2 밸브(172, 176)의 온/오프 동작 등을 제어한다.
만약 도 1의 제 1 및 제 2 팽창 장치(174, 178)가 온/오프 기능을 구비한 전자 팽창 밸브이면 제어부(202)는 제 1 및 제 2 밸브(172, 176) 대신 제 1 및 제 2 팽창 장치(174, 178)의 온/오프 동작을 제어한다.
도 3은 냉매의 증발 온도에 대한 질량의 관계를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에서는 단위 시간 동안 압축기(118)를 통과하는 냉매의 양을 검출하고 그 양을 적산하여 냉매 사이클 내에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정한다. 이 때 단위 시간 동안 압축기(118)를 통과하는 냉매의 양을 산출 하기 위해 압축기(118)의 성능 데이터를 이용한다. 즉, 압축기의 제조 회사에서는 압축기를 판매할 때 압축기의 성능 데이터를 함께 제공하므로, 이 압축기의 성능 데이터를 이용하여 단위 시간 동안 압축기를 통과하는 냉매의 양을 산출하게 된다.
예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 압축기의 성능 데이터를 통해 냉매의 응축 온도(Tc)가 소정의 값을 가질 때 냉매의 증발 온도(Te)의 변화에 따라 그 질량(mass)이 변화하는 특성을 알 수 있다. 그 밖에도 증발 온도(Te)가 일정 할 때 응축 온도(Tc)의 변화에 따른 냉매의 질량 변화를 알 수 있으며, 냉매의 압력과 압축기의 흡입관 및 토출관의 내경 등 다양한 성능 데이터를 통해 압축기를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공기 조화기의 제어 방법을 나타낸 순서도로서, 압축기의 성능 데이터를 이용하여 냉매 사이클에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정하기 위한 제어 방법을 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 먼저 공기 조화기를 냉방 모드로 전환하고 펌프 다운 운전을 실시한다(402). 펌프 다운 운전이란 냉방 모드에서 제 1 밸브(172)를 오프시키고 제 2 밸브(176)는 온 시킨 후 압축기(118)를 운전하여 냉매가 도 1의 실선의 화살표 방향으로 유동하여 수액기(154)와 실외 열 교환기(122) 쪽에 집중되도록 하는 것이다. 이 펌프 다운 운전을 통해 실외 열 교환기(122)의 출구 측(B)과 수액기(154) 쪽에는 액상의 냉매가 존재하고, 실외 열 교환기(122)의 입구 측(A)에는 기상이 냉매가 존재하게 된다.
이와 같은 펌프 다운 운전을 충분히 수행하여 모든 냉매가 실외 열 교환기(122) 쪽에 집중되면, 제 1 밸브(172)가 오프된 상태를 유지하면서 제 2 밸 브(176)를 오프시키고 난방 모드로 전환하여 압축기(118)를 운전한다(404). 이 때 실외 열 교환기(122) 쪽에 집중되어 있던 냉매는 오프된 제 2 밸브(178)를 우회하여 도 1의 점선의 화살표 방향으로 제 2 팽창 장치(178)와 사방 밸브(130), 기액 분리기(156)를 통해 압축기(118)로 흡입되고, 압축기(118)에서 압축된 냉매는 다시 사방 밸브(130)를 통해 실내 열 교환기(116)로 유동한다. 이와 같이 실외 열 교환기(122) 쪽에 집중되었던 냉매가 압축기(118)를 통해 실내 열 교환기(116)로 유동하는 동안 압축기(118)의 흡입 측 냉매 압력 및 온도와 압축기(118)의 토출 측 냉매 압력 및 온도를 검출하고(406), 이 검출된 값을 압축기(118)의 성능 데이터에 대입하여 압축기(118)를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 산출한다(408).
이와 같은 난방 운전을 충분한 시간 동안 실시하면서 매 단위 시간마다 산출되는 압축기(118)를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 적산한다(410). 만약 냉매의 응축 압력(Pc)이 미리 설정된 압력 값(Pset)보다 작아지면(412의 ‘예’) 실외 열 교환기(122) 쪽에 집중되었던 냉매가 모두 압축기(118)를 통과해 실내 열 교환기(116) 쪽으로 유동한 것으로 인정하여 이 때 까지의 최종 적산 결과를 냉매 사이클의 총 냉매량으로 판정한다(414).
본 발명은 압축기의 정격과 압축기의 입출력 냉매의 온도 및 압력 특성을 통해 냉매 사이클에 충전되어 있는 현재의 총 냉매량을 산출할 수 있도록 한다.

Claims (7)

  1. 압축기와;
    실외 열 교환기와;
    실내 열 교환기와;
    상기 압축기와 상기 실외 열 교환기, 상기 실내 열 교환기를 순서대로 연결하여 냉매의 순환이 이루어지도록 하는 냉매 유로와;
    냉방 운전을 실시하여 상기 압축기에서 토출되는 냉매가 상기 실외 열 교환기 쪽으로 모두 집중되도록 한 다음 난방 운전으로 전환하여 상기 실외 열 교환기 쪽에 집중되었던 모든 냉매가 상기 압축기를 통해 상기 실내 열 교환기 쪽으로 이동하도록 하면서 상기 냉매의 상태 정보를 상기 압축기의 성능 데이터에 대입하여 상기 압축기를 통과하는 단위 시단 당 냉매량을 산출하고, 상기 단위 시간 당 냉매량을 적산하여 공기 조화기에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정하는 제어부를 포함하는 공기 조화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    냉방 모드와 난방 모드에 따라 상기 압축기에서 토출되는 냉매의 순환 방향을 전환하여 상기 실외 열 교환기와 상기 실내 열 교환기 가운데 어느 한 쪽으로 냉매가 흐르도록 하는 사방 밸브를 더 포함하는 공기 조화기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기의 흡입 측 냉매 유로에 설치되어 상기 압축기에 흡입되는 냉매의 상태를 검출하는 제 1 냉매 상태 검출 센서와;
    상기 압축기의 토출 측 냉매 유로에 설치되어 상기 압축기에서 토출되는 냉매의 상태를 검출하는 제 2 냉매 상태 검출 센서를 더 포함하는 공기 조화기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실외 열 교환기와 상기 실내 열 교환기 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 1 밸브와;
    상기 실외 열 교환기와 상기 사방 밸브 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 2 밸브를 더 포함하고;
    상기 제어부는, 상기 냉방 운전 시 상기 제 1 밸브를 오프시킨 상태에서 상기 압축기를 운전하고, 상기 난방 운전시 상기 제 2 밸브를 오프시킨 상태에서 상기 압축기를 운전하는 공기 조화기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 밸브와 병렬 연결되는 팽창 장치를 더 포함하고;
    상기 제 2 밸브가 오프되면 상기 실외 열 교환기에서 상기 사방 밸브로 이동하는 냉매가 상기 팽창 장치를 통해 감압되도록 이루어지는 공기 조화기.
  6. 압축기와; 실외 열 교환기와; 실내 열 교환기와; 상기 압축기와 상기 실외 열 교환기, 상기 실내 열 교환기를 순서대로 연결하여 냉매의 순환이 이루어지도록 하는 냉매 유로를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서,
    냉방 운전을 실시하여 상기 압축기에서 토출되는 냉매가 상기 실외 열 교환기 쪽으로 모두 집중되도록 하고;
    난방 운전으로 전환하여 상기 실외 열 교환기 쪽에 집중되었던 모든 냉매가 상기 압축기를 통해 상기 실내 열 교환기 쪽으로 이동하도록 하며;
    상기 압축기를 통과하는 냉매의 상태 정보를 상기 압축기의 성능 데이터에 대입하여 상기 압축기를 통과하는 단위 시간 당 냉매량을 산출하고;
    상기 단위 시간 당 냉매량을 적산하여 공기 조화기에 충전되어 있는 총 냉매량을 판정하는 공기 조화기의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 실외 열 교환기와 상기 실내 열 교환기 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 1 밸브와;
    상기 실외 열 교환기와 사방 밸브 사이의 냉매 유로에 마련되어 온/오프 제어되는 제 2 밸브를 더 포함하고;
    상기 냉방 운전 시 상기 제 1 밸브를 오프시킨 상태에서 상기 압축기를 운전하고, 상기 난방 운전시 상기 제 2 밸브를 오프시킨 상태에서 상기 압축기를 운전하는 것을 더 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
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