KR101397658B1 - 공기조화 시스템 - Google Patents

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KR101397658B1
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김범석
고영환
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 공기조화시스템은 인젝션 밸브를 점차 개방시킴으로써, 인젝션 밸브의 개도 초기에 압축기의 토출압이 상승하는 것이 방지된다. 따라서, 압축기의 손상 가능성이 감소되며, 시스템의 안정성이 향상될 수 있다.
공기조화시스템, 상분리기, 인젝션, 냉매, 밸브, 개도

Description

공기조화 시스템 {Air conditioning system}
본 발명은 공기조화시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시스템의 성능 및 안정성이 향상될 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. 냉방운전 또는 난방운전시, 상기 압축기로 냉매를 인젝션하여 성능을 향상시킨다.
그러나, 종래 기술에 따른 공기조화시스템은 냉매의 과열도와 중간압을 제어가 원활하게 이루어지지 않을 경우, 시스템이 불안정해지며 압축기 등의 손상이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 시스템의 안정성과 성능이 향상될 수 있는 공기조화시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 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 냉매와, 상기 제 1팽창장치와 상기 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 유입되어 압축되는 압축기와, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 압축기로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와, 상기 인젝션 밸브의 개방도가 목표 개방도에 도달할때까지 상기 인젝션 밸브의 개방도를 변화시키는 변화과정과 상기 개방도를 유지시키는 유지과정을 반복하여 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함하는 공기조화시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 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 냉매와, 상기 제 1팽창장치와 상기 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 유입되어 압축되는 압축기와, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 압축기로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와, 상기 인젝션 밸브의 개방도가 목표 개방도에 도달할때까지 상기 인젝션 밸브의 개도 변화량이 변하도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함하는 공기조화시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 압축기는 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 상기 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는 상기 인젝션 밸브의 개도 변화량은 동일하게 설정될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는 상기 인젝션 밸브의 개도시간에 따라 개도 변화량이 변하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는 상기 인젝션 밸브의 개도시간이 증가함에 따라 개도 변화량이 증가하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는 설정 시간동안은 상기 인젝션 밸브의 개도 변화량이 제 1개도량으로 동일하게 설정되고, 상기 설정 시간이후에는 상기 제 1개도량보다 큰 제 2개도량으로 동일하게 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 공기조화시스템은 인젝션 밸브를 점차 개방시킴으로써, 인젝션 밸브의 개도 초기에 압축기의 토출압이 상승하는 것이 방지된다. 따라서, 압축기의 손상 가능성이 감소되며, 시스템의 안정성이 향상될 수 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 압축기(110), 실내 열교환기(120), 실외 열교환기(130), 제 1팽창밸브(141), 제 2팽창밸브(142), 상분리기(150) 및 사방밸브(160)를 포함한다. 상기 실내 열교환기(120)는 냉방운전시 증 발기로 작용하고, 난방운전시 응축기로 작용한다. 상기 실외 열교환기(130)는 냉방운전시 응축기로 작용하고, 난방운전시 증발기로 작용한다. 상기 압축기(110)는 유입되는 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 냉매로 압축시킨다. 상기 압축기(110)는 제 1압축부(111)와 제 2압축부(112)를 포함한다. 상기 제 1압축부(111)는 상기 증발기로부터 유입되는 냉매를 압축하고, 상기 제 2압축부(112)는 상기 제 1압축부(111)에서 나온 냉매와, 상기 증발기와 응축기사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매를 혼합하여 압축한다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 압축기(110)가 3단 이상의 다단 구조를 가질 수 있다.
상기 사방밸브(160)는 냉난방시 냉매의 흐름을 절환하는 유로 절환 밸브로서, 상기 압축기(110)에서 압축된 냉매를 냉방시에는 상기 실외 열교환기(130)로 안내하고, 난방시에는 상기 실내 열교환기(120)로 안내한다. 상기 사방밸브(160)와 상기 압축기(110)는 제 1연결배관(171)으로 연결된다. 상기 제 1연결배관(171)에는 상기 압축기(110)에서 토출되는 냉매의 토출 온도 및 압력을 측정하기 위하여, 압축기 출구온도 센서(181) 및 토출압력 센서(182)가 배치된다. 상기 실내 열교환기(120)는 실내에 배치되고, 상기 사방밸브(160)와 제 2연결배관(172)으로 연결된다. 상기 실내 열교환기(120)에는 상기 실내 열교환기 센서(185)가 설치된다.
상기 상분리기(150)는 유입되는 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하여, 액상 냉매를 상기 증발기로 보내고, 기상 냉매를 제 2압축부(112)로 보낸다. 상기 상분리기(150)의 제 1연결부(151)와 상기 실내 열교환기(120)는 제 3연결배관(173)으로 연결된다. 상기 제 1연결부(151)는 냉방운전시 액상냉매 토출관이고, 난방운 전시 냉매 유입관이다.
상기 제 1팽창밸브(141)는 상기 제 3연결배관(173)상에 배치되며, 냉방운전시 상기 상분리기(150)로부터 유입되는 액상 냉매를 교축하는 제 2팽창장치이고, 난방운전시 상기 실내 열교환기(120)로부터 유입되는 액상냉매를 교축하는 제 1팽창장치이다.
상기 실외 열교환기(130)는 실외에 배치되고, 상기 상분리기(150)의 제 2연결부(152)와 제 4연결배관(174)으로 연결된다. 상기 실외 열교환기(130)에는 상기 실외 열교환기 센서(186)가 설치된다. 상기 제 2연결부(152)는 냉방운전시 냉매 유입관이고, 난방운전시 액상냉매 토출관이다.
상기 제 2팽창밸브(142)는 제 4연결배관(174)상에 배치되며, 냉방운전시 상기 실외 열교환기(130)로부터 유입되는 액상냉매를 교축하는 제 1팽창장치이고, 난방운전시 상기 상분리기(150)로부터 유입되는 액상냉매를 교축하는 제 2팽창장치이다.
상기 실외 열교환기(130)는 상기 사방밸브(160)와 제 5연결배관(175)으로 연결된다. 또한, 상기 사방밸브(160)와 압축기(110)의 유입배관은 제 6연결배관(176)으로 연결된다. 상기 제 6연결배관(176)상에는 상기 압축기(110)의 입구측 온도를 측정하는 압축기 입구온도센서(184)가 배치된다.
상기 제 2압축부(112)는 상기 상분리기(150)의 제 3연결부(153)와 인젝션 배관(180)으로 연결된다. 상기 제 3연결부(153)는 냉방 및 난방운전시 기상냉매 토출관으로서 사용된다. 상기 인젝션 배관(180)상에는 인젝션 밸브(143)가 배치된다. 상기 인젝션 밸브(143)는 상기 상분리기(150)로부터 상기 제 2압축부(112)로 인젝션되는 냉매량 및 냉매 압력을 제어한다. 상기 인젝션 밸브(143)가 개방되면, 상기 상분리기(150) 내의 기상냉매가 상기 인젝션 배관(180)을 통하여 상기 제 2압축부(112)로 유입된다. 상기 인젝션 배관(180)상에는 인젝션되는 냉매의 온도를 측정하는 인젝션 온도센서(183)가 배치된다.
상기 제 1,2팽창밸브(141)(142)와 상기 인젝션 밸브(143)의 개도량은 공기조화기의 운전을 제어하는 제어부(200)에 의하여 제어된다.
도 3은 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 상기 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 기상냉매는 상기 사방밸브(160)를 거쳐 상기 실내 열교환기(120)내로 유입된다. 상기 실내 열교환기(120)에서 기상냉매는 실내 공기와 열교환을 하여 응축된다. 상기 응축된 냉매는 상기 제 1팽창밸브(141)에서 교축된 후, 상기 상분리기(160)로 유입된다. 상기 상분리기(160)에서 분리된 액상의 냉매는 상기 제 2팽창밸브(142)에서 다시 교축된 후, 상기 실외 열교환기(130)로 유입된다. 상기 실외 열교환기(130)에서 냉매는 외부 공기와의 열교환에 의하여 증발하고, 증발된 냉매는 상기 제 1압축부(111)로 유입된다.
난방운전중에 가스 인젝션의 작동 요청이 있을 경우, 상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(143)를 개방한다. 상기 인젝션 밸브(143)가 개방되어, 상기 상분리기(160)에서 분리된 기상의 냉매가 상기 인젝션 배관(180)을 통해 상기 제 2압축부(112)로 인젝션된다. 상기 제 2압축부(112)에서는 인젝션된 냉매와 상기 제 1압 축부(111)에서 나온 냉매가 혼합된 후, 압축된다. 상기 제 2압축부(112)에서 압축된 냉매는 다시 상기 사방밸브(160)로 순환한다.
도 4는 공기조화기의 냉방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 기상냉매는 상기 사방밸브(160)를 거쳐 상기 실외 열교환기(130)로 유입된다. 상기 실외 열교환기(130)에서 상기 기상 냉매는 실내 공기와 열교환을 하여 응축된다. 상기 응축된 냉매는 상기 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 후, 상기 상분리기(150)로 유입된다. 상기 상분리기(150)에서 분리된 액상의 냉매는 상기 제 1팽창밸브(141)에서 다시 교축된 후, 상기 실내 열교환기(120)로 유입된다. 상기 실내 열교환기(120)에서 냉매는 외부공기와의 열교환에 의하여 증발하고, 증발된 냉매는 상기 제 1압축부(111)로 유입된다. 상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(143)를 차폐시켜, 상기 상분리기(150)에서 나온 기상냉매가 상기 제 2압축부(112)로 인젝션되지 않는다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 냉방운전시에도 상기 상분리기(150)에서 나온 기상냉매가 상기 제 2압축부(112)로 인젝션될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기에서 인젝션 밸브의 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(143)를 초기화하게 된다. 즉, 상기 제어부(200)는 상기 제 1,2팽창밸브(141)(142)를 완전히 개방하고, 상기 인젝션 밸브(143)는 차폐시킨다. 상기 인젝션 밸브(143)를 차폐시킴으로써, 구동 초기에 상기 압축기(110)로 액상의 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
이후, 상기 가스 인젝션의 작동 요청이 있을 경우, 상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(143)를 개방시킨다.
도 5는 도 1에 도시된 인젝션 밸브(143)의 개도시간에 따른 개도 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(143)의 개방도가 미리 설정된 목표 개방도에 도달할 때까지 상기 인젝션 밸브(143)의 개방도를 변화시키는 변화과정과, 변화된 상기 개방도를 유지시키는 유지과정을 복수회 반복한다. 상기 인젝션 밸브(143)의 현재 개방도와 상기 목표 개방도의 차이에 따라 총 개도 변화량이 결정되고, 1회의 개도 변화량은 상기 총 개도 변화량을 개도 횟수로 등분하여 결정된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인젝션 밸브(143)는 1회의 개도 변화량이 결정되면, 상기 1회의 개도 변화량만큼 개방도를 변화시킨다. 이후, 상기 인젝션 밸브(143)의 제어를 중지하고, 소정의 시간동안 상기 개방도를 유지시킨다. 상기 인젝션 밸브(143)의 개방도가 상기 목표 개방도에 도달할때까지 상기와 같은 과정을 반복한다. 일 예로서, 도 5를 참조하면, 상기 변화과정과 유지과정이 각 4회 실시된다. 매회 개도 변화량은 동일하게 설정된다. 또한, 매회 개방도 변화시간도 각각 동일하게 설정되며, 매회 개방도 유지시간도 각각 동일하게 설정된다.
상기 인젝션 밸브(143)의 제어시, 상기 개방도를 변화시킨 후 변화된 개방도를 유지시키는 시간을 갖음으로써, 상기 인젝션 밸브(143)가 점차 개방되어 냉매의 인젝션이 서서히 이루어지기 때문에, 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 초기에 발생되는 갑작스런 유량변화가 방지된다. 따라서, 상기 압축기(110)의 토출압 상승이 방지되고, 사이클이 보다 안정화될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인젝션 밸브의 개도시간에 따른 개도 변화량을 나타낸 그래프이다.
전술한 실시예와 상이한 점은 상기 제어부(200)가 설정 시간동안은 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 변화량을 제 1개도량(C1)으로 동일하게 설정하고, 상기 설정 시간 이후에는 상기 제 1개도량(c1)보다 큰 제 2개도량(C2)으로 동일하게 설정한다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 초기에는 상기 제 1개도량(C1)으로 개방도를 증가시킨 후, 개방도를 유지시키는 과정을 4회 반복한다. 이후, 상기 설정시간이 지나면, 상기 제 2개도량(C2)으로 개방도를 증가시킨 후, 개방도를 유지시키는 과정을 4회 반복할 수 있다. 여기서, 반복 횟수는 달라질 수 있다.
상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 초기에는 상기 인젝션 밸브(143)를 조금씩 개방시키다가, 개도시간이 증가함에 따라 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 변화량을 늘려 개방시키게 된다.
따라서, 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 초기에는 상기 인젝션 밸브(143)를 조금씩 열어주어 상기 압축기(110)의 토출압력이 상승하는 현상을 방지한 후, 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 변화량을 증가시켜 상기 인젝션 밸브(143)의 개방도가 상기 목표 개방도에 신속하게 도달하도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 인젝션 밸브의 개도시간에 따른 개도 변화량을 나타낸 그래프이다.
전술한 실시예와 상이한 점은 상기 제어부(200)가 상기 인젝션 밸브의 개도시간에 따라 개도 변화량(D1~D6)이 점차 변하도록 제어한다. 즉, 상기 제어부(200)는 상기 인젝션 밸브(143)의 개방도를 변화시키는 변화과정과 개방도를 유지시키는 유지과정이 복수회 실시하고, 매회 개도시의 개도 변화량이 변하도록 제어한다. 상기 인젝션 밸브(143)의 개도시간이 증가함에 따라 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 변화량이 증가하도록 한다.
따라서, 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 초기에는 상기 인젝션 밸브(143)를 조금씩 열어주어 상기 압축기(110)의 토출압력이 상승하는 현상을 방지한 후, 상기 인젝션 밸브(143)의 개도 변화량을 점차 증가시켜 상기 인젝션 밸브(143)의 개방도가 상기 목표 개방도에 신속하게 도달하도록 할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 공기조화기의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 공기조화기의 난방 운전 시의 냉매의 흐름이 도시된 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 공기조화기의 냉방 운전 시의 냉매의 흐름이 도시된 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 인젝션 밸브(143)의 개도시간에 따른 개도 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인젝션 밸브의 개도시간에 따른 개도 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 인젝션 밸브의 개도시간에 따른 개도 변화량을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 간단한 설명>
100: 공기조화기 110: 압축기
120: 실내 열교환기 130: 실외 열교환기
141: 제 1팽창밸브 142: 제 2팽창밸브
143: 인젝션 밸브 150: 상분리기
160: 사방밸브 180: 인젝션 배관
200: 제어부

Claims (7)

  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 냉매와, 상기 제 1팽창장치와 상기 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 유입되어 압축되는 압축기와;
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 압축기로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와;
    상기 인젝션 밸브의 개방도가 목표 개방도에 도달할때까지 상기 인젝션 밸브의 개방도를 변화시키는 변화과정과 상기 개방도를 유지시키는 유지과정을 반복하여 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함하는 공기조화시스템.
  2. 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 냉매와, 상기 제 1팽창장치와 상기 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 유입되어 압축되는 압축기와;
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 압축기로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와;
    상기 인젝션 밸브의 개방도가 목표 개방도에 도달할때까지 상기 인젝션 밸브의 개도 변화량이 변하도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함하는 공기조화시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 압축기는 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 상기 제 2팽창장치사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 포함하는 공기조화시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 인젝션 밸브의 개도 변화량은 동일하게 설정되는 공기조화시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 인젝션 밸브의 개도시간에 따라 개도 변화량이 변하도록 제어하는 공기조화시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 인젝션 밸브의 개도시간이 증가함에 따라 개도 변화량이 증가하도록 제어하는 공기조화시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 설정 시간동안은 상기 인젝션 밸브의 개도 변화량이 제 1개도량으로 동일하게 설정되고, 상기 설정 시간이후에는 상기 제 1개도량보다 큰 제 2개도량으로 동일하게 설정되는 공기조화시스템.
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