KR101282852B1 - 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매인 이산화탄소를 흡입하여 압축하는 압축기와; 상기 압축기의 토출구로부터 토출되는 냉매를 냉각시키는 가스쿨러와; 상기 가스쿨러로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매 유량을 조절하는 교축수단과; 상기 교축수단을 거친 냉매를 송풍 공기와의 열교환에 의해 증발시키는 증발기와; 상기 가스쿨러의 출구측 냉매 온도를 감지하는 냉매온도 감지수단과; 차량의 외기 온도를 감지하는 외기온도 감지수단과; 상기 냉매가 유동되는 현재의 유량을 감지하는 냉매유량 감지수단과; 최대 냉방 효율을 만족하도록 상기 가스쿨러의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값을 산출하고, 현재 냉매 순환 유량값이 상기 산출된 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 상기 압축기 또는 상기 교축수단을 제어하는 제어수단을 포함하는 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치로 구성하여, 냉방 성능 및 냉방 효율을 향상시킬 수 있음과 아울러 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클에 있어서 시스템 분석을 통해 간단하면서도 정밀한 제어를 할 수 있는 새로운 시스템 설계와 제어로직을 구현할 수 있게 된다.

냉매, 온도, 외기, 유량

Description

이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치{Air conditioner utilizing carbon dioxide refrigerant}

도 1은 본 발명에 따른 공기조화장치를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 가스쿨러로 유입되는 외기온도 및 가스쿨러 출구측 냉매 온도에 따른 시스템 목표 냉매 순환 유량간의 관계를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 제어 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 압축기

13 : 가스쿨러

15 : 증발기

16 : 교축수단

18 : 내부 열교환기

22 : 제어수단

24 : 냉매온도 감지수단

25 : 외기온도 감지수단

26 : 냉매유량 감지수단

본 발명은 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스쿨러의 출구측 냉매 온도와 외기 온도에 따라 목표 냉매 순환 유량값을 산출하여 현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 압축기의 토출 용량 또는 교축수단인 팽창밸브의 개도를 제어함으로써, 냉방 성능 및 냉방 효율을 향상시킬 수 있도록 한 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치에 관한 것이다.

R134a와 같은 종래 사용되던 일반적인 냉매가 오존층파괴 및 지구온난화라는 환경파괴의 주범으로 알려짐에 따라 환경을 보호하기 위하여 대체냉매의 개발에 대한 관심이 커지고 있고, 이러한 대체냉매의 하나로서 이산화탄소를 사용하는 초임계 냉동 사이클이 주목받고 있다.

냉매로서의 이산화탄소는 두 가지의 큰 장점이 있는데, 작동압축비가 낮아 압축효율이 우수한 점과, 우수한 열전달특성 때문에 온도 어프로치(temperature approach)(2차유체인 공기의 입구온도-냉매의 출구온도)가 기존의 냉매에 비해 훨씬 작다는 점을 들 수 있다. 이는 열전달 특성이 우수하여 냉매와 공기와의 온도차이가 작아도 열을 쉽게 전달한다는 의미이므로, 겨울철 차가운 외기에서 열을 흡수해야 하는 히트펌프의 작동냉매로서도 이산화탄소가 크게 주목받는 이유가 여기에 있다. 이외에도 이산화탄소는 기존 냉매인 R134a에 비해 많은 장점을 가지고 있는데, 기존 냉매인 R134a에 비해 임계온도가 낮고 증발압력이 높다. 따라서 이산화탄 소를 냉매로 이용하는 초임계 냉동 사이클은 임계압력을 넘나드는 사이클임을 예측할 수 있다. 또한 이산화탄소는 우수한 열역학적 물성치를 가지고 있어서 이산화탄소의 체적냉방률(capacity volume ratio=증발잠열 × 기체밀도)이 R134a에 비해 7∼8배에 달하며, 이에 따라 초임계 냉동 사이클을 구성하는 압축기의 배제 체적율을 크게 줄일 수있다. 또한 이산화탄소는 그 표면장력이 작아 비등열전달이 우수하며, 비열이 크고 액체점도가 낮아 압력강하면에서도 R134a에 비해 유리한 이점이 있다.

그러나, 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클은 증발압력 뿐만 아니라 개스쿨링압력(기존의 응축압력)이 R134a를 냉매로 하는 일반적인 냉동 사이클에 비해 매우 높다. 즉, 초임계 냉동 사이클에 있어서 증발압력은 일반 냉동사이클에 비해 대략 10배, 개스쿨링압력은 대락 7배(약 120bar) 높다. 이 때문에 고압으로부터 각 부품(압축기, 개스쿨러 등)을 보호하기 위한 장치 및 시스템에 대한 연구가 진행되어 오고 있고, 전체적인 냉방효율을 고려한 시스템 제어기술에 대한 연구도 진행되어 오고 있다.

이와 같이 초임계 냉동 사이클에서는 고압의 작동조건과 이산화탄소의 여러 가지 특성상 최적의 시스템 제어가 반드시 필요하다. 이는 특히 압축비가 작지만 흡입압력이 높기 때문에 전체적인 압축과정에 필요한 일이 R134a에 비해 높을 수 있으므로 냉방 성능이 우수하다 하더라도 효율이 감소할 여지가 많기 때문이다.

또한, 초임계 냉동 사이클는 최적효율제어를 위한 센서들(개스쿨러 입구온도센서, 개스쿨러 출구온도센서, 개스쿨러 출구압력센서, 증발기 출구압력센서 등)로 부터 전달되는 각종 신호에 의해 압축기 토출냉매량과 팽창밸브 개도를 조절하도록 이루어져 있으나, 이러한 센서들이 너무 많아 초임계 냉동 사이클의 구성비용이 상승할 뿐만 아니라, 시스템의 제어로직이 복잡하여 정밀한 시스템 제어가 어렵고, 압축기의 이론 성적 계수 및 압축기 효율, 압축기의 구동 토오크를 산출하여 적용하기 매우 어려우며, 외기온도에 의해 제어하는 실시예의 경우에는 방열기에 유입되는 풍량에 따른 열교환 효율을 고려하지 않았기 때문에 최적의 제어방법이 아니라는 문제점이 있다.

따라서, 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클에 있어서 시스템 분석을 통해 간단하면서도 정밀한 제어를 할 수 있는 새로운 시스템 설계와 제어로직이 절실히 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 가스쿨러의 출구측 냉매 온도와 외기 온도에 따라 목표 냉매 순환 유량값을 산출하여 현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 압축기의 토출 용량 또는 교축수단인 팽창밸브의 개도를 제어함으로써, 냉방 성능 및 냉방 효율을 향상시킬 수 있도록 하고, 시스템 전구간에 걸쳐 효과적으로 제어할 수 있으며, 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클에 있어서 시스템 분석을 통해 간단하면서도 정밀한 제어를 할 수 있는 새로운 시스템 설계와 제어로직을 구현할 수 있도록 한 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치는, 냉매인 이산화탄소를 흡입하여 압축하는 압축기와; 상기 압축기의 토출구로부터 토출되는 냉매를 냉각시키는 가스쿨러와; 상기 가스쿨러로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매 유량을 조절하는 교축수단과; 상기 교축수단을 거친 냉매를 송풍 공기와의 열교환에 의해 증발시키는 증발기와; 상기 가스쿨러의 출구측 냉매 온도를 감지하는 냉매온도 감지수단과; 차량의 외기 온도를 감지하는 외기온도 감지수단과; 상기 냉매가 유동되는 현재의 유량을 감지하는 냉매유량 감지수단과; 최대 냉방 효율을 만족하도록 상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값을 산출하고, 현재 냉매 순환 유량값이 상기 산출된 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 상기 압축기(11) 또는 상기 교축수단(16)을 제어하는 제어수단(22)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 공기조화장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스쿨러로 유입되는 외기온도 및 가스쿨러 출구측 냉매 온도에 따른 시스템 목표 냉매 순환 유량간의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 3은 본 발명에 의한 제어 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치는, 냉매인 이산화탄소를 흡입하여 압축하는 압축기(11)와, 상기 압축기(11)의 토출구로부터 토출되는 냉매를 냉각시키는 가스쿨러(13)와, 상기 가스쿨러(13) 로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매 유량을 조절하는 교축수단(16)과, 상기 교축수단(16)을 거친 냉매를 송풍 공기와의 열교환에 의해 증발시키는 증발기(15)와, 상기 증발기(15)로부터 압축기(11)로 유동하는 냉매와 상기 가스쿨러(13)로부터 교축수단(16)으로 유동하는 냉매를 열교환시키는 내부 열교환기(18)와, 상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도를 감지하는 냉매온도 감지수단(24)과, 차량의 외기 온도를 감지하는 외기온도 감지수단(25)과, 상기 냉매가 유동되는 현재의 순환 유량을 감지하는 냉매유량 감지수단(26)과, 제어수단(22)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 압축기(11)로는 토출 용량이 가변되는 가변용량 타입의 압축기를 사용함이 바람직하다.

그리고, 상기 외기온도 감지수단(25)에 의해 감지되는 외기는 차량 외부의 공기 또는 차량 외부의 공기가 가스쿨러(13)를 통과할때의 공기이다.

상기 제어수단(22)은 최대 냉방 효율(COP)을 만족하도록 상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값을 산출하고, 현재 냉매 순환 유량값이 상기 산출된 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 상기 압축기(11) 또는 상기 교축수단(16)을 제어하게 된다.

상기 목표 냉매 순환 유량값은, 다음식, M=a×T_gc+b×T_amb+C, (여기서, M=목표 냉매 순환 유량값[kg/h], T_gc=가스쿨러 출구측 냉매 온도[℃], T_amb=외기온도[℃], a,b,c=상수)에 의해 산출된다.

여기서, 상기 상수 a는 (20.5±1), 상기 상수 b는 -(16.9±1), 상기 상수 c는 -(115±10)로 하는 것이 바람직하다.

이 수식은 본 출원인이 다양한 조건에서의 실험을 바탕으로 얻을 수 있었다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 가스쿨러로 유입되는 외기 온도가 43℃인 경우에 검출된 가스쿨러 출구측 냉매온도가 대략 45℃인데, 이 냉매온도의 증감에 따라 목표 냉매 순환 유량값(◆ 모양)이 라인1처럼 선형적인 관계가 있음을 알 수 있었다.

그리고, 가스쿨러로 유입되는 외기 온도가 35℃인 경우에 가스쿨러 출구측 냉매온도가 대략 37℃인데, 이 냉매온도의 증감에 따라 목표 냉매 순환 유량값(■모양)이 라인2처럼 선형적인 관계가 있음을 알 수 있었다.

즉, 목표 냉매 순환 유량값(M)은 가스쿨러 출구측 냉매온도와 가스쿨러로 유입되는 외기온도와 선형적인 관계가 있음을 알 수 있고, 아울러 냉매온도와 외기온도를 통해 전술한 목표 냉매 순환 유량값(M)을 구하기 위한 전술한 수식을 도출할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

압축기(11)는 냉매인 저온저압 상태의 이산화탄소를 흡입하고 이 흡입된 냉매를 임계 압력보다 높은 고압의 압력을 가지도록 초임계 상태로 압축하여 토출하게 된다.

상기 압축기(11)로부터 토출되는 고온고압의 초임계 상태의 냉매는 가스쿨러(13)의 내부를 통과하면서 냉각팬(13a)에 의하여 가스쿨러(13)의 외부 표면을 거치도록 송풍되는 외부공기에 의해 냉각되어 저온으로 변화된다.

상기 내부열교환기(18)는 가스쿨러(13)로부터 배출되는 저온의 냉매를 증발기(15)의 내부를 거친후 배출되는 저온의 냉매와 열교환시킴으로써, 외부 공기보다 낮은 온도까지 낮추어 준다.

여기서, 상기 내부 열교환기(18)는 가스쿨러(13)로부터 배출되는 냉매가 통과하여 교축수단(16)으로 공급되도록 하는 제1 열교환부와, 증발기(15)로부터 배출되는 냉매가 통과하여 압축기로 복귀되도록 하는 제2 열교환부로 이루어지며, 이 제1 열교환부와 제2 열교환부에서 냉매가 상호 열교환되는 것이다.

다음으로, 교축수단(16)은 가스쿨러(13)로부터 배출되어 내부 열교환기(18)를 거친 냉매를 팽창시켜 감압 및 감온함으로써 냉매가 임계 압력보다 낮은 저압의 상태로 변화되어 증발기(13)로 유입되도록 하는 한편 냉매 유량을 조절하는 기능을 하며, 여기에는 이러한 교축수단(16)으로서 가변식 팽창밸브가 사용되며, 이 가변식 팽창밸브로는 스텝핑 모터가 내장된 전자식 팽창밸브나 솔레노이드 방식의 전자 식 팽창밸브가 있다.

마지막으로, 상기 증발기(15)는 상기 교축수단(16)인 전자식 팽창밸브로부터 공급되어 그 내부를 유동하는 냉매를 송풍기(15a)에 의하여 그 외부 표면을 거치도록 송풍되는 공기(실내 공기 또는 실외 공기)와 열교환시켜 냉매를 증발시킴과 동시에 송풍 공기의 온도를 떨어뜨려 냉기로 만드는 기능을 한다. 이 증발기(15)에 의하여 냉기로 바뀌는 송풍 공기는 공조모드에 따라 공조케이스(미도시)의 개방되는 벤트(미도시)를 통하여 자동차 실내로 공급됨으로써 자동차 실내를 냉방하게 된다.

또한, 증발기(15)로부터 배출되는 냉매는 내부 열교환기(18)의 제2 열교환기를 거치면서 제1 열교환부를 거치는 냉매와 열교환되면서 제1 열교환부를 거치는 냉매의 온도를 낮추고 그 자신의 온도는 상승된 채 압축기(11)로 복귀된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 초임계 냉동 사이클을 구성하는 공기조화장치에 있어서, 상기 제어수단(22)은 최대 냉방 효율을 만족하도록 상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값을 산출하고, 현재 냉매 순환 유량값이 상기 산출된 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 상기 압축기(11) 또는 상기 교축수단(16)을 제어하게 된다.

좀더 상세하게 도 3의 흐름도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 냉매온도 감지수단(24)에 의해 감지된 가스쿨러 출구측 냉매온도에 대한 데이터가 상기 제어수단(22)으로 입력되는 냉매온도 입력 단계(S1)를 수행하게 된다.

상기 단계(S1)를 수행함과 동시에 외기온도 감지수단(25)에 의해 감지된 외기온도에 대한 데이터가 상기 제어수단(22)으로 입력되는 외기온도 입력단계(S2)를 수행하게 된다.

이후, 상기 단계(S1)(S2)가 수행되어 제어수단(22)에서는 최대 냉방 효율을 만족하도록 상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값(M)을 전술한 수식에 근거하여 산출하는 단계(S3)를 진행한다.

상기 단계(S3)를 진행한 다음, 냉매유량 감지수단(26)에 의해 감지된 현재의 냉매 유량값에 대한 데이터가 상기 제어수단(22)으로 입력되는 현재 냉매 순환 유량값 입력단계(S4)를 수행한다.

상기 단계(S4)를 수행한 다음, 현재의 냉매 순환 유량값과 목표 냉매 순환 유량값의 대소(大小)를 판단하는 단계를 진행한다.(S5)

상기 단계(S5)의 판단 결과, 현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값보다 작은 경우에는 상기 압축기(11)의 토출 용량이 증대되도록 하거나 상기 교축수단(16)의 개도가 증대되도록 제어하는 단계(S6)를 진행한다.

반면에, 상기 단계(S5)의 판단 결과, 현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값보다 큰 경우에는 상기 압축기(11)의 토출 용량이 감소되도록 하거나 상기 교축수단(16)의 개도가 감소되도록 제어하는 단계(S7)를 진행하게 된다.

따라서, 압축기의 토출 용량 또는 교축수단인 팽창밸브의 개도를 제어함으로써, 냉방 성능 및 냉방 효율을 향상시킬 수 있으며, 시스템 전구간에 걸쳐 효과적 으로 제어할 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명은 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클에 있어서, 가스쿨러의 출구측 냉매 온도와 외기 온도 및 현재의 냉매 유량을 감지할 수 있는 수단만으로 제어할 수 있기 때문에 감지수단의 개수를 최소화할 수 있으며, 시스템 분석을 통해 간단하면서도 정밀한 제어를 할 수 있는 새로운 시스템 설계와 제어로직을 구현할 수 있게 된다.

그리고, 최대 냉방 효율을 만족하도록 상기 가스쿨러의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값을 산출하고, 현재 냉매 순환 유량값이 상기 산출된 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 상기 압축기 또는 상기 교축수단을 제어함으로써, 시스템 전구간에 걸쳐 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 제어수단(22)이 압축기(11)를 제어하여 토출 용량을 제어하도록 하였지만, 교축수단(16)을 전자식 팽창밸브를 사용하는 경우에는 압축기(11)의 토출 용량을 제어하거나 또는 이와 동시에 교축수단(16)의 개도량을 가변 제어할 수도 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가스쿨러의 출구측 냉매 온도와 외기 온도에 따라 목표 냉매 순환 유량값을 산출하여 현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 압축기의 토출 용량 또는 교축수단인 팽창밸브의 개도를 제어함으로써, 냉방 성능 및 냉방 효율을 향상시킬 수 있으며, 시스템 전구간에 걸쳐 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명은, 이산화탄소를 냉매로 하는 초임계 냉동 사이클에 있어서 시스템 분석을 통해 간단하면서도 정밀한 제어를 할 수 있는 새로운 시스템 설계와 제어로직을 구현할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 냉매인 이산화탄소를 흡입하여 압축하는 압축기(11)와;

   상기 압축기(11)의 토출구로부터 토출되는 냉매를 냉각시키는 가스쿨러(13)와;

   상기 가스쿨러(13)로부터 배출되는 냉매를 팽창시켜 감압하면서 냉매 유량을 조절하는 교축수단(16)과;

   상기 교축수단(16)을 거친 냉매를 송풍 공기와의 열교환에 의해 증발시키는 증발기(15)와;

   상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도를 감지하는 냉매온도 감지수단(24)과;

   차량의 외기 온도를 감지하는 외기온도 감지수단(25)과;

   상기 냉매가 유동되는 현재의 유량을 감지하는 냉매유량 감지수단(26)과;

   최대 냉방 효율을 만족하도록 상기 가스쿨러(13)의 출구측 냉매 온도와 외기 온도로 목표 냉매 순환 유량값을 산출하고, 현재 냉매 순환 유량값이 상기 산출된 목표 냉매 순환 유량값에 도달하도록 상기 압축기(11) 또는 상기 교축수단(16)을 제어하는 제어수단(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 목표 냉매 순환 유량값은,

   다음식, M=a×T_gc+b×T_amb+C, (M=목표 냉매 순환 유량값, T_gc=가스쿨러 출구측 냉매 온도, T_amb=외기온도, a,b,c=상수)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 상수 a는 20.5±1, 상기 상수 b는 -(16.9±1), 상기 상수 c는 -(115±10)인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값보다 작은 경우에는 상기 압축기(11)의 토출 용량이 증대되도록 하거나 상기 교축수단(16)의 개도가 증대되도록 제어하고,

   현재의 냉매 순환 유량값이 목표 냉매 순환 유량값보다 큰 경우에는 상기 압축기(11)의 토출 용량이 감소되도록 하거나 상기 교축수단(16)의 개도가 감소되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 냉매를 이용한 공기조화장치.

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