KR101677496B1 - 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 증발기를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어함으로써, 에어컨 시스템의 안정성을 높일 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 증발기를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어함으로써, 에어컨 시스템의 안정성을 높일 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.
그리고, 상기 에어컨 시스템이 가동되는 과정에서 상기 증발기(4)의 표면온도는 점차 하강하게 되고 특히 냉매의 과냉각에 의하여 과냉각영역에서는 증발기(4)를 통과하는 공기중에 포함된 수분이 증발기(4) 표면에 얼어붙는 아이싱 현상(결빙현상)이 발생하게 된다.
이와 같은 아이싱 현상은 냉방모드가 더 유지되수록 점차 발달하여 송풍공기와 냉매와의 열교환을 방해하게 되므로 냉방효율이 급격하게 저하된다. 따라서 이러한 아이싱 현상을 방지할 필요가 있다.
통상적으로 증발기(4)의 아이싱을 방지하기 위해 에어컨 시스템을 컷오프(Cut Off)하는 방법을 사용하게 되는데, 즉, 증발기(4)의 하류측에 설치된 온도감지센서(미도시)를 통해 상기 증발기(4)를 통과한 공기의 온도를 감지하고, 상기 증발기(4)를 통과한 공기의 온도가 0℃ 이하로 떨어지면 증발기(4)의 아이싱 방지를 위해 압축기(1)를 오프(OfF)하게 되며, 이때 상기 압축기(1)가 빈번하게 온 오프하는 사이클링 현상까지 발생하게 된다.
도 2는, 차량용 에어컨 시스템에서 증발기의 아이싱 방지를 위해 에어컨 시스템을 컷오프(빨간점선)하는 경우의 전자 팽창밸브 개동량, 압축기 토출량, 증발기 토출공기온도, 차실내 토출공기온도를 나타낸 그래프이다. 통상 에어컨 시스템은 전자 팽창밸브(3)의 개도 조절을 통해 에어컨 시스템의 과열도를 제어하게 되며, 도 2와 같이 과열도 상승구간(A)에서는, 증발기의 토출공기온도(℃)와 차실내 토출공기온도(℃) 및 압축기 토출량(Duty %)이 상승하게 되고, 이때 상기 전자 팽창밸브(3)는 과열도를 낮추기 위해 큰 폭으로 개도량을 증가시키게 된다.
상기 전자 팽창밸브(3)의 개도량이 큰 폭으로 증가함에 따라 상기 증발기(4)의 토출공기온도(℃)와 차실내 토출공기온도(℃) 및 압축기 토출량(Duty %)이 다시 하강하게 되는데, 이때, 상기 증발기(4)의 토출공기온도(℃)가 0℃ 이하로 떨어지면 상기 증발기(4)의 아이싱 방지를 위해 에어컨 시스템이 컷오프, 즉 압축기(1)가 오프되며, 상기 압축기(1)가 오프되면 상기 증발기(4)의 토출공기온도가 상승하면서 차실내 토출공기온도가 상승하여 탑승자의 필링(feeling)에 영향을 미치고, 계속해서 상기 증발기(4)의 토출공기온도 상승으로 인해 압축기(1)가 다시 온 되면 상기 증발기(4)의 토출공기온도가 다시 하강하면서 0℃ 이하로 떨어지면 상기 압축기(1)가 다시 오프되는 사이클링 현상이 발생하게 된다.
이와 같이, 종래의 에어컨 시스템은, 상기 에어컨 시스템의 컷오프 발생으로 인해 에어컨 시스템이 불안정한 상태에서 상기 전자 팽창밸브(3)의 개도량이 계속 변하기 때문에 에어컨 시스템을 불안정한 상태로 유지 또는 더욱 가속시키는 문제가 있고, 이로인해 목표토출온도까지도 시간이 많이 걸리는 문제가 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 증발기를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어함으로써, 에어컨 시스템의 안정성을 높일 수 있는 차량용 에어컨 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압축기와, 응축기와, 제어부의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브와, 증발기를 포함하여 이루어진 차량용 에어컨 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 증발기를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기와, 응축기와, 제어부의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브와, 증발기를 포함하여 이루어진 차량용 에어컨 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 증발기를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단했으면, 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하는 제2단계와, 상기 제2단계를 거친 후, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생했는지를 판단하는 제3단계와, 상기 제3단계의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생했으면 상기 제2단계로 복귀하여 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하고, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생하지 않았으면 상기 제1단계로 복귀하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 증발기를 통과한 공기의 온도 하강 기울기가 기준값 이하이면 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어함으로써, 에어컨 시스템의 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 에어컨 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 차량용 에어컨 시스템에서 증발기의 아이싱 방지를 위해 에어컨 시스템을 컷오프(빨간점선)하는 경우의 전자 팽창밸브 개동량, 압축기 토출량, 증발기 토출공기온도, 차실내 토출공기온도를 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.
상기 온도감지센서는 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도를 감지하여 상기 제어부(160)로 전송하게 된다.
그리고, 상기 제어부(160)는, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어하게 된다.
즉, 상기 제어부(160)는, 에어컨 시스템이 가동되면 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 조절을 통해 목표 과열도로 제어하게 되는데, 이때 상기 증발기(130)의 아이싱 방지를 목적으로한 에어컨 시스템의 컷오프를 미리 판단하여 실제 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프를 미리 판단한 시점의 수준으로 유지함으로써, 에어컨 시스템의 안정성을 높일 수 있는 것이다.
종래에는, 과열도가 상승하면, 과열도를 낮추기 위해 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 급격히 증가시키게 되며, 이때 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 급격히 하강하게 되면서 0℃ 이하로 떨어져 에어컨 시스템의 컷오프(압축기 오프)가 발생하게 되는데,
문제는, 에어컨 시스템의 컷오프가 발생하여 압축기(100)가 오프되면 에어컨 시스템이 불안정해지고, 이처럼 불안정한 상태에서도 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 증가하거나 계속 변하게 되어 에어컨 시스템의 불안정한 상태를 유지 또는 가속시켰다.
따라서, 본 발명에서는 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 하강 기울기가 기준값 이하이면, 다시말해 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 계속 일정 기울기로 하강한다면 에어컨 시스템의 컷오프가 발생할 것으로 미리 예상 판단하고, 실제 컷오프가 발생하면 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프를 예상 판단한 시점의 수준으로 계속 유지하여 에어컨 시스템의 안정성을 높이도록 한 것이다.
상기 제어부(160)는, 상기 온도감지센서를 통해 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도를 일정시간 및 간격으로 검출하여 온도 변화 기울기를 연산하게 된다.
이때, 상기 증발기(130)를 통고한 공기의 온도 하강 기울기가 -0.5℃/sec(기준값) 이하이면 에어컨 시스템의 컷오프가 발생할 것으로 예상 판단하게 된다.
또한, 상기 제어부(160)는, 상기 에어컨 시스템의 컷오프 예상 판단시, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 기준온도 이하인지를 더 판단하게 되며, 상기 기준온도는 2℃ 이다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 에어컨 시스템의 제어방법을 설명하기로 한다.
상기 에어컨 시스템이 가동되면, 상기 제어부(160)는 상기 전자 팽창밸브(120)의 제어를 통해 에어컨 시스템을 목표 과열도로 정상 제어하면서 후술하는 각 단계를 수행하게 된다.
먼저, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하는 제1단계(S1)를 수행한다.
상기 제1단계(S1)는, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 하강 기울기가 기준값 이하인지, 또한 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 기준온도 이하인지를 판단하게 된다.
즉, 상기 제1단계(S1)에서는, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 하강 기울기가 -0.5℃/sec 이하이고, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 2℃ 이하이면, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생할 것으로 예상 판단하게 된다.
계속해서, 상기 제1단계(S1)의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단했으면, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하는 제2단계(S2)를 진행한다.
즉, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 실제 발생한 이후에 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 변화를 일정하게 유지할 경우, 상기 에어컨 시스템의 시스템 딜레이 또는 통신 딜레이로 인해 상기 제어부(160)가 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량 변화를 일정하게 유지하기 까지는 더 딜레이 되게 되므로 에어컨 시스템의 불안정한 상태가 더욱 지속되며, 따라서 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단한 시점에서 현 수준으로 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 유지함으로써, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 실제 발생한 이후에 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량이 변하는 것을 방지할 수 있고 이로인해 에어컨 시스템도 안정화 할 수 있는 것이다.
한편, 상기 제1단계(S1)의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단하지 않았으면, 정상 제어하는 초기단계로 복귀하게 된다.
계속해서, 상기 제2단계(S2)를 거친 후, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생했는지를 판단하는 제3단계(S3)를 수행하게 된다.
상기 제3단계(S3)에서는 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 0℃ 이하이고, 상기 에어컨 시스템의 컷오프(압축기 오프)가 실제 발생하였는지를 판단하게 된다.
상기 제3단계(S3)의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생했으면 상기 제2단계(S2)로 복귀하여 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하고, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생하지 않았으면 상기 제1단계(S1)로 복귀하게 된다.
100: 압축기 110: 응축기
120: 전자 팽창밸브
130: 증발기 140: 블로어
150: 공조케이스 160: 제어부

Claims (7)

  1. 압축기(100)와, 응축기(110)와, 제어부(160)의 제어 신호에 의해 밸브의 개도가 조절되는 전자 팽창밸브(120)와, 증발기(130)를 포함하여 이루어진 차량용 에어컨 시스템에 있어서,
    상기 제어부(160)는, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하고, 에어컨 시스템의 컷오프 발생시 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(160)는, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 하강 기울기가 기준값 이하이면 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부(160)는, 상기 에어컨 시스템의 컷오프 예상 판단시, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 기준온도 이하인지를 더 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준값은 -0.5℃/sec 이고, 상기 기준온도는 2℃ 인 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 포함하여 이루어진 차량용 에어컨 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 변화에 따라 에어컨 시스템의 컷오프(Cut Off)를 예상 판단하는 제1단계(S1)와,
    상기 제1단계(S1)의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단했으면, 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하는 제2단계(S2)와,
    상기 제2단계(S2)를 거친 후, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생했는지를 판단하는 제3단계(S3)와,
    상기 제3단계(S3)의 판단 결과, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생했으면 상기 제2단계(S2)로 복귀하여 상기 전자 팽창밸브(120)의 개도량을 상기 컷오프 예상 판단 시점의 수준으로 유지하고, 상기 에어컨 시스템의 컷오프가 발생하지 않았으면 상기 제1단계(S1)로 복귀하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1단계(S1)는, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도 하강 기울기가 기준값 이하이면 상기 에어컨 시스템의 컷오프를 예상 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1단계(S1)는, 상기 에어컨 시스템의 컷오프 예상 판단시, 상기 증발기(130)를 통과한 공기의 온도가 기준온도 이하인지를 더 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 에어컨 시스템의 제어방법.
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