KR101321548B1 - 공기조화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 공기조화시스템은, 압축기의 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시켜서, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매 중 액상 냉매의 비율이 과다할 경우 인젝션을 중지한다. 따라서, 액체상태의 냉매 유입을 최소화하여, 성능을 확보하고, 상기 압축기의 고장 등을 방지하여 신뢰성이 향상될 수 있다.

공기조화, 가스, 인젝션, 열교환기, 밸브, 제어

Description

공기조화 시스템 {Air conditioning system}

본 발명은 공기조화시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스크롤 압축기내로 인젝션되는 냉매의 액상냉매 비율에 따라 인젝션 밸브의 개방도를 제어함으로써, 액냉매 유입을 최소화하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 공기조화시스템에 관한 것이다.

일반적으로 공기조화시스템은 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발시키는 과정을 수행하여, 실내 공간을 냉방 또는 난방시키는 장치이다.

상기 공기조화시스템은 실외기에 1대의 실내기가 연결되는 통상적인 공기조화시스템과, 실외기에 복수개의 실내기가 연결되는 멀티 공기조화시스템으로 구분된다. 또한, 상기 공기조화시스템은 냉매사이클을 일방향으로만 가동하여 실내에 냉기만을 공급하는 냉방시스템과, 냉매사이클을 양방향으로 가동하여 실내에 냉기 또는 온기를 공급할 수 있는 냉난방시스템으로 구분된다.

상기 공기조화시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함한다. 상기 압축기에서 토출된 냉매는 상기 응축기에서 응축된 후, 상기 팽창밸브에서 팽창된다. 팽창된 냉매는 상기 증발기에서 증발된 후, 상기 압축기로 흡입된다.

그러나, 종래 기술에 따른 공기조화시스템은 실외 온도 등의 냉,난방 부하 변동시 냉.난방 능력을 충분히 발휘하지 못하는 경우가 있다. 예를 들어, 한랭지역에서는 난방성능이 매우 저하되는 문제점이 있다. 대용량의 공기조화기로 교체하거나 새로운 공기조화기를 추가로 설치할 경우, 설치비가 많이 들고, 설치공간을 확보해야 하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 성능 및 신뢰성을 확보할 수 있는 공기조화시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 공기조화시스템은 냉매가 응축되는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와, 상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와, 상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와, 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시키는 제어부를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 압축기는 압축실이 형성된 고정 스크롤과, 상기 압축실에 회전되게 배치된 선회 스크롤을 갖는 스크롤 압축기를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 공기조화시스템은, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 바이패스되어, 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매를 안내하는 인젝션 배관과, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에 배치되어, 상기 제 2팽창장치로 유입되는 냉매와 상기 인젝션 배관을 통과하는 냉매를 열교환시키는 인젝션 열교환기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 인젝션 열교환기는, 상기 제 1팽창장치에서 나와 상기 제 2팽창장치쪽으로 흐르는 냉매와, 상기 인젝션 배관을 흐르는 냉매 중 어느 하나의 냉매가 통과하는 제 1냉매관과, 상기 제 1냉매관을 감싸도록 형성되고 다른 하나의 냉매가 통과하는 제 2냉매관을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 건도가 1에 수렴하도록 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위이내이고, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율이 기 설정된 비율 이상이면, 상기 인젝션 밸브의 개방도를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위이내이고, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율이 기 설정된 비율 이상이면, 상기 제 1팽창장치의 개방도를 감소시키고, 상기 제 2팽창장치의 개방도를 증가시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 외부에 고장을 알리는 경고를 표시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 압축기에서 토출된 냉매의 엔탈피를 계산하고, 상기 계산된 엔탈피와 기설정된 상기 압축기의 효율, 그리고 상기 인젝션되는 냉매의 압력으로부터 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 엔탈피를 계산할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 공기조화시스템은, 상기 응축기의 온도를 측정하는 응축기 온도센서와, 상기 압축기의 토출온도를 측정하는 압축기 출구온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 미리 저장된 압력변환 테이블을 이용해 상기 센서들에서 측정된 온도로부터 압력을 구할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 응축기 온도센서에서 측정된 온도를 통해 상기 응축기내의 냉매 압력을 구하고, 상기 응축기내의 냉매 압력과 상기 압축기 출구온도센서에서 측정된 온도를 통해 상기 압축기에서 토출된 냉매의 엔탈피를 계산할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 공기조화시스템은, 상기 인젝션되는 냉매의 온도를 측정하는 인젝션 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 미리 저장된 압력변환 테 이블을 이용해 상기 인젝션 온도센서에서 측정된 온도로부터 압력을 구하여, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력을 구할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 공기조화시스템은, 냉매가 응축되는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와, 상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와, 상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와, 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 바이패스되어, 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매를 안내하는 인젝션 배관과, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에 배치되어, 상기 제 2팽창장치로 유입되는 냉매가 통과하는 제 1냉매관과, 상기 인젝션되는 냉매가 통과하는 제 2냉매관이 서로 열교환하는 인젝션 열교환기와, 상기 인젝션 배관 상에 배치되어, 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시키는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 공기조화시스템은, 압축기의 제 2압축부로 냉매를 인젝션함으로써, 냉매 유량을 증대시켜 난방성능을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 공기조화시스템은, 스크롤 압축기의 제 2압축부로 유 입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시켜서, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매 중 액상 냉매의 비율이 과다할 경우 인젝션을 중지한다. 따라서, 액압축 현상이 방지되어, 상기 스크롤 압축기의 고장 등이 방지되므로, 신뢰성이 향상될 수 있다.

또한, 별도의 압력계 없이 온도센서로부터 포화온도를 측정하고, 측정된 포화온도를 압력으로 환산함으로써, 구조가 간단하면서도 제어가 용이한 시스템을 구축할 수 있는 이점이 있다.

공기조화 시스템은, 냉방 운전만을 수행하는 일반적인 가정용 냉방용 공기조화기, 난방 운전만을 수행하는 난방용 공기조화기, 냉난방 운전을 모두 수행하는 히트 펌프식 공기조화기, 복수 개의 실내공간들을 냉/난방하는 멀티형 공기조화기를 모두 포함한다. 이하에서는, 공기조화 시스템의 일 실시예로서, 히트 펌프식 공기조화기(이하, '공기조화기'라 한다)에 대하여 상세하게 살펴본다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기(100)의 구성도이고, 도 2는 공기조화기(100)의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 공기조화기(100)는 스크롤 압축기(110), 실내 열교환기(120), 실외 열교환기(130), 제 1팽창밸브(141), 제 2팽창밸브(142), 인젝션 열교환기(150) 및 사방밸브(160)를 포함한다.

상기 실내 열교환기(120)는 냉방운전시 냉매가 증발되는 증발기로 작용하고, 난방운전시 냉매가 응축되는 응축기로 작용한다.

상기 실외 열교환기(130)는 냉방운전시 냉매가 응축되는 응축기로 작용하고, 난방운전시 냉매가 증발되는 증발기로 작용한다.

상기 스크롤 압축기(110)는 유입되는 저온 저압의 냉매를 고온 고압으로 압축시킨다. 상기 스크롤 압축기(110)는 서로 180도의 위상차를 갖는 선회 스크롤과 고정 스크롤을 포함한다. 상기 선회 스크롤의 인볼루트 랩(involute wrap)과 상기 고정 스크롤의 인볼루트 랩 사이에 압축실이 형성된다. 상기 선회 스크롤의 선회 운동에 따라 압축실 속의 냉매가 점점 압축되어 중앙측의 토출구를 통해 토출된다.

여기서, 상기 스크롤 압축기(110)는 난방운전시 상기 실외 열교환기(130)를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는다. 상기 제 1,2압축부는 상기 선회 스크롤과 고정 스크롤의 맞물림에 의해 밀폐되는 압축실이다.

상기 스크롤 압축기(110)에는 후술하는 제 6연결배관(176)과 연결되는 제 1입구(111)와, 후술하는 인젝션 배관(151)과 연결되어 인젝션되는 냉매가 상기 제 2압축부로 유입되도록 제 2입구(112)가 형성된다.

상기 사방밸브(160)는 냉난방시 냉매의 흐름을 절환하는 유로 절환 밸브이다. 상기 사방밸브(160)는 상기 스크롤 압축기(110)에서 압축된 냉매를 냉방시에는 상기 실외 열교환기(130)로 안내하고, 난방시에는 상기 실내 열교환기(120)로 안내 한다.

상기 사방밸브(160)의 일측은 상기 압축기(110)와 제 1연결배관(171)으로 연결된다. 상기 사방밸브(160)의 타측은 상기 실내 열교환기(120)와 제 2연결배관(172)으로 연결된다.

상기 실내 열교환기(120)와 상기 인젝션 열교환기(150)는 제 3연결배관(173)으로 연결되고, 상기 제 3연결배관(173)상에는 상기 제 1팽창밸브(141)가 배치된다.

상기 인젝션 열교환기(150)와 상기 증발기는 제 4연결배관(174)으로 연결되고, 상기 제 4연결배관(174)상에는 상기 제 2팽창밸브(142)가 배치된다.

상기 제 1팽창밸브(141)는 냉방운전시 상기 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매를 교축하는 제 2팽창 장치이고, 난방운전시 응축기 역할을 하는 상기 실내 열교환기(120)로부터 유입되는 액상 냉매를 교축하는 제 1팽창장치이다.

상기 제 2팽창밸브(142)는 냉방운전시 응축기 역할을 하는 상기 실외 열교환기(130)로부터 유입되는 액상 냉매를 교축하는 제 1팽창 장치이고, 난방운전시 상기 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매를 교축하는 제 2팽창 장치이다.

상기 제 3연결배관(173)에는 상기 제 1팽창 밸브(141)에서 나온 냉매를 상기 인젝션 열교환기(150)을 통과시킨 후 상기 스크롤 압축기(110)로 안내하는 인젝션 배관(151)이 연결된다.

상기 사방밸브(160)는 상기 실외 열교환기(130)와 제 5연결배관(175)으로 연결된다. 또한, 상기 사방밸브(160)는 상기 스크롤 압축기(110)의 입구부와 제 6연 결배관(176)으로 연결된다.

상기 인젝션 열교환기(150)는 난방운전시 상기 제 1팽창밸브(141)에서 나와 상기 제 2팽창밸브(142)로 흐르는 냉매와, 상기 인젝션 배관(151)을 흐르는 냉매를 열교환시킨다.

상기 인젝션 배관(151)에는 인젝션되는 냉매의 유량을 단속하기 위한 인젝션 밸브(153)이 배치된다. 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어함으로써, 인젝션되는 냉매량 및 냉매압력을 제어할 수 있다.

또한, 상기 공기조화기(100)는 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출되는 냉매의 온도를 측정하기 위한 압축기 출구 온도센서(184)와, 응축기의 온도를 측정하기 위한 응축기 온도센서와, 상기 제 1팽창 장치에서 나온 냉매의 온도를 측정하기 위한 제 1팽창장치 온도센서와, 상기 인젝션되는 냉매의 온도를 측정하는 인젝션 온도센서와, 상기 증발기의 온도를 측정하는 증발기 온도센서를 더 포함한다.

상기 공기조화기(100)의 난방 운전시, 상기 실내 열교환기(120)가 응축기 역할을 하므로, 상기 응축기 온도센서는 상기 실내 열교환기(120)에 배치되어 냉매의 포화온도를 측정하는 실내 열교환기 온도센서(180)이다.

상기 공기조화기(100)의 난방 운전시, 상기 실외 열교환기(130)가 증발기 역할을 하므로, 상기 증발기 온도센서는 상기 실외 열교환기(130)에 배치되고 냉매의 포화온도를 측정하는 실외 열교환기 온도센서(181)이다.

상기 공기조화기(100)의 난방 운전시, 상기 제 1팽창밸브(141)가 제 1팽창 장치역할을 하므로, 상기 제 1팽창장치 온도센서는 상기 제 3연결배관(173)상에 배 치되어 상기 제 1팽창밸브(141)에서 교축된 냉매의 포화온도를 측정하는 제 1팽창밸브 온도센서(182)이다.

상기 인젝션 온도센서(183)는 상기 인젝션 배관(151)상에서 상기 인젝션 열교환기(150)의 토출측에 배치되어, 상기 인젝션 열교환기(150)에서 토출된 냉매의 포화온도를 측정한다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 인젝션 열교환기의 내부를 나타낸 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 인젝션 열교환기(150)의 내부는 이중관 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 인젝션 열교환기(150)는 난방운전시 상기 제 1팽창밸브(141)에서 나와 상기 제 2팽창밸브(142)로 흐르는 냉매가 통과하는 제 1냉매관(154)과, 상기 제 1냉매관(154)을 감싸도록 형성되고 상기 인젝션 배관(151)을 흐르는 냉매가 통과하는 제 2냉매관(155)을 포함한다.

상기 제 1,2냉매관(154)(155)는 루프 형상으로 다중 절곡되게 형성되어, 좁은 공간에서도 열교환이 충분히 가능한 길이를 확보할 수 있다. 한편, 이에 한정되지 않고, 상기 인젝션 열교환기(150)는 판형 열교환기로 이루어지는 것도 물론 가능하다.

도 2를 참조하면, 상기 공기조화기(100)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브(153)를 차폐하는 제어부(200)를 더 포함한다. 여기서, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매는 상기 인젝션 배관(151)을 통해 인젝션되는 냉매와 상기 제 1압축부에서 토출된 냉 매가 혼합된 냉매이다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기설정된 정상운전범위 이내이고, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율이 기설정된 비율 이상이면, 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 제 1팽창밸브(141)의 개방도를 감소시키고, 상기 제 2팽창밸브(142)의 개방도를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 건도(건도=기체상태의 냉매/총 냉매)가 1에 수렴하도록 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다. 즉, 상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매 중 액상 냉매의 비율이 최소화되도록 제어하여, 난방성능을 최대화시키고자 한다.

상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 외부에 고장을 알리는 경고를 표시하도록 표시부(미도시)를 제어한다.

상기 제어부(200)에는 냉매의 종류를 알고, 어느 지점의 포화온도를 알면, 그 지점의 압력을 계산할 수 있도록 압력변환 테이블이 미리 저장될 수 있다. 따라서, 상기 제어부(200)는 상기 압축기 출구 온도센서(184), 상기 실내 열교환기 온도센서(180)와 실외 열교환기 온도센서(181), 제 1팽창밸브 온도센서(182), 인젝션 온도센서(183)에서 각각 측정된 포화온도를 통해, 각 지점의 압력을 계산할 수 있다. 상기 제어부(200)는 계산된 압력에 따라 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제 어할 수 있다. 상기 제어부(200)가 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어하는 방법은 뒤에서 더 상세히 설명한다.

상기 제어부(200)의 제어방법은 뒤에서 더 상세히 설명한다.

도 4는 도 1에 도시된 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 상기 스크롤 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 냉매는 상기 사방밸브(160)를 거쳐 상기 실내 열교환기(120)로 유입된다.

상기 실내 열교환기(120)로 유입된 냉매는 실내 공기와 열교환을 함으로써, 응축된다. 상기 응축된 냉매는 상기 제 1팽창밸브(141)에서 교축된다.

이 때, 가스 인젝션의 작동 요청이 있을 경우, 상기 제어부(2000는 상기 인젝션 밸브(153)를 개방한다.

상기 인젝션 밸브(153)가 개방되면, 상기 제 3연결배관(173)을 흐르는 냉매 중 일부가 상기 인젝션 배관(151)으로 바이패스된다. 상기 제 3연결배관(173)으로부터 상기 인젝션 배관(151)으로 바이패스된 냉매는 상기 인젝션 밸브(153)에서 교축된다.

상기 인젝션 밸브(153)에서 교축된 냉매는 온도와 압력이 내려가기 때문에, 상기 제 3연결배관(173)으로부터 상기 인젝션 열교환기(150)으로 유입되는 냉매보다 상대적으로 저온 상태가 된다.

따라서, 상기 인젝션 열교환기(150)에서는 상기 인젝션 배관(151)을 통해 유 입된 냉매와 상기 제 3연결배관(173)을 통해 유입된 냉매의 열교환이 이루어진다. 상기 인젝션 열교환기(150)에서 상기 인젝션 배관(151)을 흐르는 냉매는 열을 흡수하게 되고, 상기 제 2팽창밸브(142)측으로 토출되는 냉매는 열을 빼앗기게 된다.

상기 인젝션 열교환기(150)에서 열을 빼앗긴 냉매는 상기 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 후, 상기 실외 열교환기(130)로 유입된다.

상기 실외 열교환기(130)로 유입된 냉매는 외부 공기와의 열교환에 의해 증발하고, 증발된 냉매는 상기 스크롤 압축기(110)의 제 1입구(111)로 유입된다. 상기 제 1입구(111)로 유입된 냉매는 상기 스크롤 압축기(110)의 제 1압축부에서 압축된다.

한편, 상기 인젝션 열교환기(150)에서 열을 흡수한 냉매는 적어도 일부가 증발되어, 액상과 기상이 혼합된 2상의 냉매이거나 과열 증기상태의 냉매일 수 있다. 상기 인젝션 열교환기(150)에서 열을 흡수한 냉매에서 액상 냉매의 비율은 상기 인젝션 열교환기(190)의 특성이나 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도에 따라 조절될 수 있다.

상기 인젝션 열교환기(150)는 상기 제 1,2냉매관(154)(155)로 구성된 이중관 구조로 이루어지고, 2상의 냉매나 과열 증기상태의 냉매를 인젝션 할 수 있기 때문에, 상분리기를 이용하는 경우에 비해 보다 많은 인젝션 유량을 확보할 수 있다. 인젝션 유량을 많이 확보할 수록 냉난방 성능이 향상될 수 있다.

상기 인젝션 열교환기(150)에서 토출된 상기 인젝션 배관(151)상의 냉매는 상기 스크롤 압축기(110)의 제 2입구(112)로 유입된다. 상기 제 2입구(112)로 유입 된 냉매는 상기 제 1압축부에서 압축된 냉매와 혼합되어, 상기 제 2압축부에서 압축된다.

상기 제 2압축부에서 압축된 냉매는 다시 상기 사방밸브(160)로 순환한다.

도 5는 도 1에 도시된 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 상기 스크롤 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 기상 냉매는 상기 사방 밸브(160)를 거쳐 상기 실외 열교환기(130)로 유입된다.

상기 실외 열교환기(130)로 유입된 기상 냉매는 실내 공기와 열교환을 하여 응축된다. 상기 응축된 냉매는 상기 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 후, 상기 인젝션 열교환기(150)를 통과한다.

상기 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매는 상기 제 1팽창밸브(141)에서 교축된 후, 상기 실내 열교환기(120)로 유입될 수 있다.

또한, 상기 인젝션 밸브(153)의 개방시, 상기 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매 중 일부는 상기 인젝션 배관(151)을 통해 상기 인젝션 밸브(153)로 바이패스될 수 있다.

상기 인젝션 배관(151)으로 바이패스된 냉매는 상기 인젝션 밸브(153)에서 한번 더 교축되어, 상기 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 냉매보다 온도와 압력이 낮아지게 된다. 상기 인젝션 밸브(153)에서 교축된 냉매는 상기 인젝션 열교환기(150)로 유입된다.

따라서, 상기 인젝션 열교환기(150)에서는 상기 인젝션 밸브(153)에서 교축된 냉매와 상기 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 냉매의 열교환이 이루어질 수 있다.

상기 인젝션 밸브(153)를 통과한 냉매가 상기 제 2팽창밸브(142)를 통과한 냉매보다 저온이기 때문에, 상기 인젝션 밸브(153)를 통과한 냉매는 열을 흡수하게 되고, 상기 제 2팽창밸브(142)를 통과한 냉매는 열을 빼앗기게 된다.

따라서, 냉방운전시에는, 상기 인젝션 열교환기(190)는 상기 실외 열교환기(130)에서 응축되어, 실내 열교환기(120)로 유입되는 냉매를 과냉각시키는 과냉각기 역할을 하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 사이클을 나타낸 몰리에르 선도(mollier diagram, p-h선도)이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 제어방법이 도시된 순서도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 제어방법을 설명하면, 다음과 같다.

사용자가 실내공간을 냉난방시키기 위하여, 상기 공기조화기(100)를 구동시키면, 상기 제어부(200)는 구동 명령을 감지한다.

구동명령이 감지되면, 상기 제어부(200)는 상기 제 1,2팽창밸브(141)(142)와 상기 인젝션 밸브(153)를 초기화하게 된다. 즉, 상기 제어부(200)는 상기 제 1,2팽창밸브(141)(142)를 완전히 개방하고, 상기 인젝션 밸브(153)는 차폐시킨다. 상기 인젝션 밸브(153)를 차폐시킴으로써, 구동 초기에 상기 스크롤 압축기(110)로 액상 의 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

상기 제 1,2팽창밸브(141)와 상기 인젝션 밸브(142)의 초기화가 완료되면, 상기 제어부(200)는 상기 제 1팽창밸브(141)와 상기 제 2팽창밸브(142)의 개도량을 제어한다.

한편, 상기 제어부(200)는 난방운전시 상기 공기조화기(100)에 가스 인젝션 요청이 있는지 여부를 판단한다.(S1)

가스 인젝션 요청이 있으면, 상기 제어부(2000는 상기 인젝션 밸브(153)를 개방시킨다.(S2)

상기 제어부(200)는 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 온도(T4)를 구한다. 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 온도(T4)는 상기 압축기 출구 온도센서(184)로부터 측정될 수 있다.(S3)

상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 토출온도(T4)를 통해 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 압력(P4)를 구할 수 있다.(S4)

냉매에는 다양한 종류가 있으며, 각 냉매에 대한 물성표는 당업자들이 보고 알 수 있도록 공지되어 있다. 이 물성표에 따르면, 어느 지점의 포화온도를 알면, 그에 따른 압력을 알 수 있다. 상기 제어부(200)내에는 사용되는 냉매에 대한 물성표가 미리 저장될 수 있다. 즉, 상기 제어부(200)에는 상기 물성표에 따라 포화온도에 대한 압력변환 테이블이 저장될 수 있다. 따라서, 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 토출온도(T4)를 통해 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 압력(P4)를 구할 수 있다.

상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 토출온도(T4)와 토출압력(P4)로부터 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 엔탈피(h4)를 구할 수 있다. (S5)

상기 인젝션 온도센서(183)에서 상기 인젝션 열교환기(10)에서 나와 인젝션되는 냉매의 온도(T11)을 측정한다.(S6)

상기 제어부(200)는 기저장된 압력변환 테이블을 통해 상기 인젝션되는 냉매의 온도(T11)로부터 상기 인젝션되는 냉매의 압력(P11)을 구할 수 있다. (S7)

상기 제어부(200)는 상기 스크롤 압축기(110)에서 토출된 냉매의 엔탈피(h4)를 알고, 상기 스크롤 압축기(110)의 효율(η_comp)을 알면, 도 6에 도시된 A선의 기울기를 구할 수 있다. 상기 스크롤 압축기(110)의 효율(η_comp)는 상기 스크롤 압축기(110)의 선정시 상기 스크롤 압축기(110)에 대한 매뉴얼 등을 통해 알 수 있다.

상기 제어부(200)는 상기 인젝션되는 냉매의 압력(P11)과 상기 A선의 기울기를 알면, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 엔탈피(h3)를 구할 수 있다. 즉, 상기 제어부(200)는 상기 A선의 기울기와 상기 인젝션되는 냉매의 압력선인 B선의 교차점을 구할 수 있으며, 상기 교차점이 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 지점이 되므로, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 엔탈피(h3)를 구할 수 있다. 또한, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력(P3)도 알 수 있다. (S8)

상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 엔탈피(h3)와 압력(P3)이 기설정된 정상운전범위인지 여부를 판단한다.(S9) 상기 제 2압축부로 유 입되는 냉매는 상기 인젝션 열교환기(150)에서 나와 인젝션되는 냉매와, 상기 제 1압축부에서 토출된 냉매가 혼합된 냉매이다. 상기 인젝션되는 냉매는 2상의 냉매이거나 과열증기상태의 냉매이기 때문에, 상기 제 2압축부로 유입되는 혼합냉매의 상태를 파악하는 것이 중요하다. 여기서, 정상운전범위는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율을 고려하여, 상기 공기조화기(100)가 정상운전이 가능한 범위이다. 이는 실험 등에 의해 미리 설정되어, 상기 제어부(200)에 저장될 수 있다.

상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 엔탈피(h3)와 압력(P3)이 기설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브(153)를 차폐한다.(S13)

상기 제 2압축부로 유입되는 혼합 냉매의 엔탈피(h3)와 압력(P3)이 상기 정상운전범위를 벗어나면, 액상 냉매가 과다하게 포함되어 있어서 액압축 등이 발생될 수 있다. 따라서, 액압축 등으로 인한 상기 스크롤 압축기(110)의 손상이나, 난방성능의 저하를 방지하기 위해 상기 인젝션 밸브(153)를 닫아서 냉매의 인젝션을 중지한다.

또한, 외부에 고장을 알리는 경고를 표시할 수 있다.(S14)

한편, 상기 제어부(200)는 상기 제 2압축부로 유입되는 혼합 냉매의 엔탈피(h3)와 압력(P3)이 기설정된 정상운전범위 이내이면, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율이 기설정된 비율 이상인지 여부를 판단할 수 있다. (S10)

상기 제 2압축부로 유입되는 혼합 냉매가 기설정된 정상운전범위내에 들긴 하나, 건도가 1에 수렴하거나 액상 냉매의 비율이 최소화되는 것이 이상적이므로, 액상냉매비율을 고려하여 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다.

상기 제 2압축부로 유입되는 혼합 냉매의 액상냉매 비율이 기설정된 비율 이상이면, 상기 제어부(200)는 액상 냉매의 유입을 감소시키기 위해 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 감소시킨다. (S11)

또한, 상기 제 1팽창밸브(141)의 개방도는 감소시키고, 상기 제 2팽창밸브(142)의 개방도는 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 인젝션되는 냉매의 비율을 감소시키고, 상기 실외 열교환기(130)를 통과한 냉매의 유입을 늘릴 수 있다.

한편, 상기 제 2압축부로 유입되는 혼합 냉매의 액상냉매 비율이 기설정된 비율 미만이면, 상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(153)의 개방도를 증가시킨다.(S15)

따라서, 상기 액상 냉매의 비율이 최소화된 상태의 냉매가 상기 제 2압축부로 유입됨으로써, 액압축 현상이 방지되고 상기 스크롤 압축기(110)의 고장 등을 방지할 수 있으므로, 신뢰성이 향상된다.

본 발명에 따른 공기조화시스템은, 압축기의 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시켜서, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매 중 액상 냉매의 비율이 과다할 경우 인젝션을 중지한다. 따라서, 액체상태의 냉매 유입을 최소화하여, 성능을 확보하고, 상 기 압축기의 고장 등을 방지하여 신뢰성이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기(100)의 구성도이다.

도 2는 공기조화기(100)의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 인젝션 열교환기의 내부를 나타낸 단면도이다.

도 4는 도 1에 도시된 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.

도 5는 도 1에 도시된 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 사이클을 나타낸 몰리에르 선도(mollier diagram, p-h선도)이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 제어방법이 도시된 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 간단한 설명>

100: 공기조화기 110; 스크롤 압축기

120: 실내 열교환기 130: 실외 열교환기

141: 제 1팽창밸브 142: 제 2팽창밸브

150: 인젝션 열교환기 151: 인젝션 배관

153: 인젝션 밸브 200: 제어부

Claims (13)

1. 냉매가 응축되는 응축기와;

   상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와;

   상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와;

   상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와;

   상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 혼합된 냉매가 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와;

   상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와;

   상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시키는 제어부를 포함하는 공기조화시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 압축기는 압축실이 형성된 고정 스크롤과, 상기 압축실에 회전되게 배치된 선회 스크롤을 갖는 스크롤 압축기를 포함하는 공기조화시스템.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 공기조화시스템은,

   상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 바이패스되어, 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매를 안내하는 인젝션 배관과;

   상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에 배치되어, 상기 제 2팽창장치로 유입되는 냉매와 상기 인젝션 배관을 통과하는 냉매를 열교환시키는 인젝션 열교환기를 더 포함하는 공기조화시스템.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 인젝션 열교환기는,

   상기 제 1팽창장치에서 나와 상기 제 2팽창장치쪽으로 흐르는 냉매와, 상기 인젝션 배관을 흐르는 냉매 중 어느 하나의 냉매가 통과하는 제 1냉매관과,

   상기 제 1냉매관을 감싸도록 형성되고 다른 하나의 냉매가 통과하는 제 2냉매관을 포함하는 공기조화시스템.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 건도가 1에 수렴하도록 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 공기조화시스템.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위이내이고, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율이 기 설정된 비율 이상이면, 상기 인젝션 밸브의 개방도를 감소시키는 공기조화시스템.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위이내이고, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 액상냉매비율이 기 설정된 비율 이상이면,

   상기 제 1팽창장치의 개방도를 감소시키고, 상기 제 2팽창장치의 개방도를 증가시키는 공기조화시스템.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면,

   외부에 고장을 알리는 경고를 표시하는 공기조화시스템.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 압축기에서 토출된 냉매의 엔탈피를 계산하고,

   상기 계산된 엔탈피와 기설정된 상기 압축기의 효율, 그리고 상기 인젝션되는 냉매의 압력으로부터 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 엔탈피를 계산하는 공기조화시스템.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 공기조화시스템은, 상기 응축기의 온도를 측정하는 응축기 온도센서와, 상기 압축기의 토출온도를 측정하는 압축기 출구온도센서를 더 포함하고,

    상기 제어부는 미리 저장된 압력변환 테이블을 이용해 상기 센서들에서 측정된 온도로부터 압력을 구하는 공기조화시스템.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 제어부는,

    상기 응축기 온도센서에서 측정된 온도를 통해 상기 응축기내의 냉매 압력을 구하고,

    상기 응축기내의 냉매 압력과 상기 압축기 출구온도센서에서 측정된 온도를 통해 상기 압축기에서 토출된 냉매의 엔탈피를 계산하는 공기조화시스템.
12. 청구항 1에 있어서,

    상기 공기조화시스템은,

    상기 인젝션되는 냉매의 온도를 측정하는 인젝션 온도센서를 더 포함하고,

    상기 제어부는 미리 저장된 압력변환 테이블을 이용해 상기 인젝션 온도센서에서 측정된 온도로부터 압력을 구하여, 상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력을 구하는 공기조화시스템.
13. 냉매가 응축되는 응축기와;

    상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와;

    상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와;

    상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와;

    상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와;

    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에서 바이패스되어, 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매를 안내하는 인젝션 배관과;

    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치사이에 배치되어, 상기 제 2팽창장치로 유입되는 냉매가 통과하는 제 1냉매관과, 상기 인젝션되는 냉매가 통과하는 제 2냉매관이 서로 열교환하는 인젝션 열교환기와;

    상기 인젝션 배관 상에 배치되어, 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와;

    상기 제 2압축부로 유입되는 냉매의 압력과 엔탈피가 기 설정된 정상운전범위를 벗어나면, 상기 인젝션 밸브를 차폐시키는 제어부를 포함하는 공기조화시스템.

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