KR101659869B1 - 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 목표과열도에 도달하면, 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 정상제어에 진입하도록 제어함으로써, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통한 과열도 제어가 목표과열도에 수렴하도록 하여 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅을 방지하고 이로인해 냉방성능 및 냉방효율을 향상할 수 있는 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

Description

차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법{AIR CONDITIONER SYSTEM FOR VEHICLE AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 목표과열도에 도달하면, 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 정상제어에 진입하도록 제어함으로써, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통한 과열도 제어가 목표과열도에 수렴하도록 하여 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅을 방지하고 이로인해 냉방성능 및 냉방효율을 향상할 수 있는 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 에어컨 시스템은 통상, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하여 토출하는 압축기(Compressor)(1), 압축기(1)에서 토출되는 고압의 냉매를 응축하는 응축기(Condenser)(2), 응축기(2)에서 응축되어 액화된 냉매를 교축하는 팽창밸브(Expansion Valve)(3), 그리고, 상기 팽창밸브(3)에 의해 교축된 저압의 액상 냉매를 차량 실내측으로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발시킴으로써 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 실내에 토출되는 공기를 냉각하는 증발기(Evaporator)(4) 등이 냉매 파이프(5)로 연결되어 이루어진다.
또한, 상기 응축기(2)와 팽창밸브(3)의 사이에는 기상과 액상의 냉매를 분리하는 리시버드라이어(미도시)가 설치되어 상기 팽창밸브(3)로 액상의 냉매만 공급될 수 있도록 하고 있다.
한편, 상기 팽창밸브(3)로는 기계식 팽창밸브 또는 전자 팽창밸브가 사용될 수 있으며, 이하 전자 팽창밸브가 사용된 경우를 일예로 설명하기로 한다.
상기한 에어컨 시스템은 차량의 실외온도나 실내온도 등에 따라 목표과열도를 설정하고, 상기 목표과열도에 수렴하도록 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 증감 조절하게 된다.
그러나, 종래의 에어컨 시스템은, 시스템 딜레이(전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 과열도를 제어하는 과정에서 개도량 변경으로부터 과열도 변화에 미치는 시간적 딜레이) 및 통신 딜레이(P-T센서에서 측정되는 냉매 압력 및 온도값으로 과열도를 계산하는 과정에서 오는 시간적 딜레이)로 인해 과열도 오버슈팅 및 언더슈팅이 발생하여 냉방성능 및 냉방효율(COP)이 떨어지는 문제가 있었다.
상기의 시스템 딜레이 및 통신 딜레이로 인한 문제점이 반영된 도 2를 참조하여 보충 설명하기로 한다.
도 2는 전자 팽창밸브의 제어시 과열도, 과열도 오차, 전자 팽창밸브 개도량을 나타낸 그래프로서, 이를 간략히 설명하면,
먼저, 과열도 상승구간에서는, ①~②구간은 과열도가 발생하여 목표과열도에 도달(과열도 오차 0℃)하는 구간이며 이때 목표과열도에 수렴하도록 전자 팽창밸브(3)의 개도량은 감소 제어된다.
②~③구간은 목표과열도에 도달한 이후 과열도가 최고치로 상승하는 구간이며 이때 전자 팽창밸브(3)의 개도량은 유지후 개도량을 증가함에도 불구하고 과열도가 지속 상승하여 과열도 오버슈팅이 발생하게 된다.
즉, 시스템 딜레이 및 통신 딜레이로 인해 ②~③구간에서 전자 팽창밸브(3)의 개도량 증가 제어가 딜레이 됨에 따라 과열도가 최고치로 상승하여 과열도 오버슈팅이 발생하는 문제가 있는 것이다.
그리고, 과열도 하강구간에서는, ③~④구간은 과열도 최고치에서 목표과열도에 도달(과열도 오차 0℃)하는 구간이며 이때 목표과열도에 수렴하도록 전자 팽창밸브(3)의 개도량은 계속 증가 제어된다.
④~⑤구간은 목표과열도에 도달한 이후 과열도가 미발생하는 구간이며 이때 전자 팽창밸브(3)의 개도량이 계속 감소함에도 불구하고 과열도가 미발생하여 과열도 언더슈팅이 발생하게 된다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 목표과열도에 도달하면, 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 정상제어에 진입하도록 제어함으로써, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통한 과열도 제어가 목표과열도에 수렴하도록 하여 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅을 방지하고 이로인해 냉방성능 및 냉방효율을 향상할 수 있는 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압축기(100)와, 응축기(110)와, 제어부(160)의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브(120)와, 증발기(130)를 포함하며, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 목표과열도로 정상제어하는 차량용 에어컨 시스템에 있어서, 상기 제어부(160)는, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 상기 목표과열도에 도달하면, 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 상기 정상제어에 진입하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기(100)와, 응축기(110)와, 제어부(160)의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브(120)와, 증발기(130)를 포함하며, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 목표과열도로 정상제어하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 상기 목표과열도에 도달했는지를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계의 판단결과, 상기 목표과열도에 도달했으면, 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하는 제2단계와, 상기 제2단계를 거친 후, 상기 전자 팽창밸브의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달했는지를 판단하는 제3단계와, 상기 제3단계의 판단결과, 상기 새로운 목표개도량에 도달했으면, 상기 정상제어에 진입하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 목표과열도에 도달하면, 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 정상제어에 진입하도록 제어함으로써, 상기 전자 팽창밸브의 개도량 조절을 통한 과열도 제어가 목표과열도에 수렴하도록 하여 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅을 방지하고 이로인해 냉방성능 및 냉방효율을 향상할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 에어컨 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 차량용 에어컨 시스템에서 전자 팽창밸브의 제어시 과열도, 과열도 오차, 전자 팽창밸브 개도량을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템을 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템에서 전자 팽창밸브를 나타내는 단면 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템은, 압축기(100) -> 응축기(110) -> 전자 팽창밸브(120) -> 증발기(130)를 냉매파이프(105)로 연결하여 구성되며, 상기 전자 팽창밸브(120)를 제어하는 제어부(160)를 포함하여 이루어진다.
상기 압축기(100)는 동력공급원(엔진 또는 모터 등)으로부터 동력을 전달받아 구동하면서 증발기(130)에서 토출된 기상 냉매를 흡입,압축하여 고온 고압의 기체 상태로 응축기(110)로 토출하게 된다.
상기 응축기(110)는 상기 압축기(100)에서 토출된 고온 고압의 기상 냉매를 외기와 열교환시켜 고온 고압의 액체로 응축하여 전자 팽창밸브(120)로 토출하게 된다.
상기 전자 팽창밸브(120)는, 상기 응축기(110)에서 배출된 고온 고압의 액상 냉매를 팽창시켜 저온 저압의 습포화 상태가 되게 함과 동시에 상기 제어부(160)에 의해 개도량이 조절되어 냉매 유량을 조절하게 된다.
여기서, 상기 전자 팽창밸브(120)를 설명하면, 상기 냉매파이프(105)와 연결됨과 아울러 냉매가 유입 및 배출되도록 유입구(126)와 배출구(127)가 형성되고 상기 유입구(126)와 배출구(127)의 사이에 오리피스(125a)가 형성된 본체(125)와, 상기 본체(125)의 오리피스(125a) 상부에 승하강 가능하게 설치됨과 아울러 상기 오리피스(125a)의 개도를 세밀하게 조절하여 상기 오리피스(125a)를 통과하는 냉매를 팽창시킴과 동시에 냉매의 유량을 조절하는 밸브샤프트(128)와, 상기 본체(125)의 상부에 설치되어 상기 밸브샤프트(128)를 승하강 작동시키는 스테핑모터(129)로 이루어진다.
따라서, 상기 전자 팽창밸브(120)는 상기 응축기(110)에서 배출된 고온 고압의 액상 냉매를 팽창시킴과 아울러 냉매의 유량을 조절하여 상기 증발기(130)측으로 공급하게 된다.
한편, 상기 응축기(110)의 출구측에는 기상과 액상의 냉매를 분리하는 리시버드라이어(미도시)가 설치되어 상기 전자 팽창밸브(120)로 액상의 냉매만 공급될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 증발기(130)는 상기 전자 팽창밸브(120)에서 팽창되어 배출된 냉매를 공급받아 증발시키게 되며, 상기 증발기(130)로 공급되는 냉매는 블로어(140)를 통해 차량 실내측으로 송풍되는 공기와 열교환되어 증발됨으로써 냉매의 증발잠열에 의한 흡열작용으로 차량 실내에 토출되는 공기를 냉각하게 된다.
상기 증발기(130)는 공조케이스(150)의 내부에 설치되며, 상기 공조케이스(150)내의 공기유동방향으로 상기 증발기(130)의 하류측에는 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도를 검출하는 온도감지센서(미도시)가 설치된다.
또한, 상기 증발기(130)의 출구측에는 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 온도 및 압력을 검출하도록 P-T센서(미도시)가 설치되어 상기 제어부(160)로 그 값을 전송하게 된다.
그리고, 상기 제어부(160)는, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 조절하여 목표과열도로 정상제어하게 되는데, 즉, 상기 정상제어는, 상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도를 검출하고, 상기 과열도를 모니터링하여 목표과열도에 수렴하도록 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 제어하는 것이다.
한편, 상기 목표과열도는 차량의 실외온도나 실내온도 또는 기타 주변 변수에 따라 각각 다른 목표과열도로 설정될 수 있으며, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 증가시키면 과열도가 낮아지고, 개도량을 감소시키면 과열도가 높아지게 된다.
그리고, 본 발명은 시스템 딜레이 및 통신 딜레이 등으로 인한 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅을 방지하도록 한 것이며, 이를 위해 상기 제어부(160)는, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 상기 목표과열도에 도달하면, 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 상기 정상제어에 진입하도록 제어하게 된다.
즉, 상기 제어부(160)는, 에어컨 시스템이 가동되면 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 기 설정된 목표과열도에 수렴하도록 정상제어하게 되는데, 이때 과열도 오버슈팅 및 언더슈팅이 일어날 상황을 예상 판단하여 선제적으로 상기 전자 팽창밸브(120)에 새로운 목표개도량(펄스값)을 입력하여 제어하는 것이다.
다시말해, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 제어를 통해 기 설정된 목표과열도에 도달하면, 상기 목표과열도에 도달한 이후에는 과열도 오버슈팅 및 언더슈팅을 방지하기 위해 새로이 지정된 목표개도량에 도달하도록 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 제어하게 되는 것이며, 상기 새로운 목표개도량에 도달한 후에는 다시 정상제어로 진입하게 되는 것이다.
종래 도면 도2를 참조하여 상기 증발기에서 토출되는 냉매의 과열도가 상승하는 구간일 때를 설명하면,
상기 과열도 상승구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 상승구간에서 과열도가 발생하는 시점(①번 구간)의 과열도이고, 목표과열도는 기 설정된 과열도로서 ②번 구간의 과열도이다.
이때, 과열도 오버슈팅을 방지하기 위해 새로이 지정되는 상기 새로운 목표개도량은 상기 현재 과열도에 해당하는 전자 팽창밸브(120) 개도량과 상기 목표과열도 도달시 전자 팽창밸브(120) 개도량의 평균값으로 설정된다.
즉, 상기 제어부(160)는, 상기 과열도가 발생하는 시점에서의 전자 팽창밸브(120) 개도량(펄스값)을 기억하고(①번), 상기 목표과열도에 도달한 시점에서의 전자 팽창밸브(120) 개도량을 기억하여(②번), 상기 ①번과 ②번에서 기억된 개도량(펄스값)의 평균값이 새로운 목표개도량으로 설정되는 것이다.
계속해서, 상기 제어부(160)는 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 상기 목표과열도에 도달한 이후에는 상기 새로운 목표개도량에 도달하도록 제어하게 되고, 상기 새로운 목표개도량에 도달한 이후에는 정상제어에 진입하도록 제어함으로써, 과열도 오버슈팅을 방지하게 된다.
다음으로, 상기 증발기에서 토출되는 냉매의 과열도가 하강하는 구간일 때를 설명하면,
상기 과열도 하강구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 하강구간에서 과열도가 하강하는 시점(③번 구간)의 과열도이고, 목표과열도는 기 설정된 과열도로서 ④번 구간의 과열도이다. 상기 과열도가 하강하는 지점의 과열도는 상기 목표과열도 보다 대략 3℃ 초과된다.
이때, 과열도 언더슈팅을 방지하기 위해 새로이 지정되는 상기 새로운 목표과열도는 상기 현재 과열도에 해당하는 전자 팽창밸브(120) 개도량과 상기 목표과열도 도달시 전자 팽창밸브(120) 개도량의 평균값으로 설정된다.
즉, 상기 제어부(160)는, 상기 과열도가 하강하는 시점에서의 전자 팽창밸브(120) 개도량(펄스값)을 기억하고(③번), 상기 목표과열도에 도달한 시점에서의 전자 팽창밸브(120) 개도량을 기억하여(④번), 상기 ③번과 ④번에서 기억된 개도량(펄스값)의 평균값이 새로운 목표개도량으로 설정되는 것이다.
계속해서, 상기 제어부(160)는 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 상기 목표과열도에 도달한 이후에는 상기 새로운 목표개도량에 도달하도록 제어하게 되고, 상기 새로운 목표개도량에 도달한 이후에는 정상제어에 진입하도록 제어함으로써, 과열도 언더슈팅을 방지하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 제어방법을 설명하기로 한다.
상기 에어컨 시스템이 가동되면, 상기 제어부(160)는 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 제어를 통해 상기 증발기(130)에서 토출된 냉매의 과열도가 목표 과열도에 수렴하도록 정상제어하면서 후술하는 각 단계를 수행하게 된다.
먼저, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 상기 목표과열도에 도달했는지를 판단하는 제1단계(S1)를 수행한다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도가 상승하는 구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 상승구간에서 과열도가 발생하는 시점(①번 구간)의 과열도이고, 목표과열도는 기 설정된 과열도로서 ②번 구간의 과열도이다.
또한, 상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도가 하강하는 구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 하강구간에서 과열도가 하강하는 시점(③번 구간)의 과열도이고, 목표과열도는 기 설정된 과열도로서 ④번 구간의 과열도이다.
계속해서, 상기 제1단계(S1)의 판단결과, 상기 목표과열도에 도달했으면, 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하는 제2단계(S2)를 수행한다.
상기 제2단계(S2)에서 새로이 지정되는 상기 새로운 목표개도량은 상기 현재 과열도에 해당하는 전자 팽창밸브(120) 개도량과 상기 목표과열도 도달시 전자 팽창밸브(120) 개도량의 평균값으로 설정된다.
즉, 상기 현재 과열도인 상기 과열도가 발생하는 시점 또는 상기 과열도가 하강하는 시점에서의 전자 팽창밸브(120) 개도량(펄스값)을 기억하고, 상기 목표과열도인 상기 목표과열도에 도달한 시점에서의 전자 팽창밸브(120) 개도량을 기억하여, 상기에서 각각 기억된 현재 과열도의 개도량(펄스값)과 목표과열도의 개도량(펄스값)의 평균값을 연산하여 새로운 목표개도량으로 설정하는 것이다.
상기 제2단계(S2)를 거친 후, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달했는지를 판단하는 제3단계(S3)를 수행한다.
상기 제3단계(S3)의 판단결과, 상기 새로운 목표개도량에 도달했으면, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 기 설정된 목표과열도에 수렴하도록 정상제어하게 된다.
100: 압축기 110: 응축기
120: 전자 팽창밸브
130: 증발기 140: 블로어
150: 공조케이스 160: 제어부

Claims (8)

  1. 압축기(100)와, 응축기(110)와, 제어부(160)의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브(120)와, 증발기(130)를 포함하며, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 목표과열도로 정상제어하는 차량용 에어컨 시스템에 있어서,
    상기 제어부(160)는, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 상기 목표과열도에 도달하면, 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하고, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달하면, 상기 정상제어에 진입하도록 제어하며,
    상기 새로운 목표개도량은, 상기 현재 과열도에 해당하는 전자 팽창밸브(120) 개도량과 상기 목표과열도 도달시 전자 팽창밸브(120) 개도량의 평균값인 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도가 상승하는 구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 상승구간에서 과열도가 발생하는 시점의 과열도인 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도가 하강하는 구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 하강구간에서 과열도가 하강하는 시점의 과열도인 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  5. 압축기(100)와, 응축기(110)와, 제어부(160)의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브(120)와, 증발기(130)를 포함하며, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 목표과열도로 정상제어하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 현재 과열도가 상기 목표과열도에 도달했는지를 판단하는 제1단계(S1)와,
    상기 제1단계(S1)의 판단결과, 상기 목표과열도에 도달했으면, 과열도 오버슈팅 또는 언더슈팅 방지를 위해 새로운 목표개도량을 연산하는 제2단계(S2)와,
    상기 제2단계(S2)를 거친 후, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 상기 새로운 목표개도량에 도달했는지를 판단하는 제3단계(S3)와,
    상기 제3단계(S3)의 판단결과, 상기 새로운 목표개도량에 도달했으면, 상기 정상제어에 진입하도록 제어하며,
    상기 새로운 목표개도량은, 상기 현재 과열도에 해당하는 전자 팽창밸브(120) 개도량과 상기 목표과열도 도달시 전자 팽창밸브(120) 개도량의 평균값인 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도가 상승하는 구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 상승구간에서 과열도가 발생하는 시점의 과열도인 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 증발기(130)에서 토출되는 냉매의 과열도가 하강하는 구간일 때, 상기 현재 과열도는 상기 과열도 하강구간에서 과열도가 하강하는 시점의 과열도인 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법.
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