KR102067448B1

KR102067448B1 - 공기 조화기 및 공기 조화기의 제어 방법

Info

Publication number: KR102067448B1
Application number: KR1020180009831A
Authority: KR
Inventors: 장용희; 명성렬; 임병국; 정동일; 서형준; 전홍석; 김동우; 김용찬; 이동찬
Original assignee: 삼성전자주식회사; 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2020-01-20
Also published as: EP3726164A4; KR20190090973A; EP3726164A1; EP3726164B1; WO2019147086A1

Abstract

일 실시예에 따른 공기 조화기는 냉매를 압축시키는 압축기, 난방 모드에서 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실내 열교환기, 상기 난방 모드에서 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실외 열교환기, 상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기를 연결하는 메인 배관, 상기 메인 배관으로부터 분기되어 상기 압축기의 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관, 상기 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 메인 밸브, 상기 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브, 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하고 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

공기 조화기 및 공기 조화기의 제어 방법{AIR CONDITIONER AND CONTROL METHOD THEREOF}

개시된 발명은 인젝션 방식으로 냉매가 순환되는 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

공기 조화기는 실외 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실외기(Outdoor Unit)와, 실내 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실내기(Indoor Unit)를 포함하고, 압축, 응축, 감압, 증발로 이루어지는 히트펌프 사이클을 냉매가 순환하면서 증발, 응축 과정에서 생기는 열의 이동을 이용하여 실내를 냉방 또는 난방하는 장치이다.

이러한 히트펌프 사이클을 이용하는 경우, 실외 공기와 냉매 사이에 열교환을 수행하기 때문에 외기 온도가 감소함에 따라 난방 성능도 감소하게 된다.

최근에는 공기 조화기의 난방 성능을 향상시키기 위해 응축기를 지난 냉매의 일부를 압축기에 주입하여 냉매의 유량을 증가시키는 인젝션 방식을 도입하고 있다.
(특허문헌 1) 한국공개특허KR 2011-0054818

일 실시예에 따른 공기조화기는 인젝션 밸브를 통해 유입되는 냉매의 양을 증가시켜 공기조화기의 효율을 높임과 동시에 압축기 내부 온도 상승에 따른 냉매의 변질 및 압축기의 파손을 방지할 수 있는 공기조화기를 제공하기 위함이다.

일 실시예의 의한 공기 조화기는 냉매를 압축시키는 압축기, 난방 모드에서 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실내 열교환기, 상기 난방 모드에서 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실외 열교환기, 상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기를 연결하는 메인 배관, 상기 메인 배관으로부터 분기되어 상기 압축기의 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관, 상기 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 메인 밸브, 상기 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브, 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하고 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 인젝션 유량비 및 상기 인젝션에서 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.

상기 제어부는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.

상기 제어부는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시킬 수 있다.

상기 미리 설정된 범위는 제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출할 수 있다.

상기 제어부는 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출할 수 있다.

상기 제어부는 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.

상기 압축기는 상기 인젝션 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 냉매와 상기 메인 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매를 압축할 수 있다.

다른 실시예에 의한 공기 조화기의 제어 방법은 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량의 제어하는 메인 밸브의 개도량과 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하는 단계, 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 유량비 및 상기 인젝션에서 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계는 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 인젝션 유량비를 산출하는 단계는 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.

일 실시예에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에 의하면, 압축기의 파손 위험성이 존재하지는 않는 범위 내에서 최대한 인젝션 밸브의 개도를 증가시킬 수 있어 공기조화기의 효율을 높일 수 있는 효과가 존재한다.

도 1은 인젝션 방식의 공기 조화기에서의 난방 사이클을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 인젝션 방식을 적용하지 않는 일반 공기 조화기의 난방 용량과 난방 부하를 나타낸 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공기 조화기에서 실외기와 실내기의 구성을 구체화한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공기 조화기가 냉방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 공기 조화기가 난방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 엔탈피(Enthalpy)와 압력과의 관계를 나타낸 PH선도(냉매 선도)를 도시한 그래프이다.
도 8은 PH 선도에 있어서 등건도선을 표시한 도면이다.
도 9는 기체 상태의 냉매를 주입하는 인젝션 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이다.
도 10은 액체 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 이상 인젝션(Two-Phase Injection) 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이다.
도 11과 도 12는 냉매의 건도에 따른 압축기의 진동 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이다.
도 13은 인젝션 유랑비와 전자식 팽창 밸브의 개도비와의 관계를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.
도 14는 인젝션 유량비를 산출하기 위해 필요한 식과 구체적인 값들을 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법을 도시한 순서도이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 신호 또는 데이터를 전달 또는 전송한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 존재하여 이 구성요소를 통해 전달 또는 전송하는 것을 배제하지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

각 단계들에 있어 식별부호는 각 단계들을 식별하기 위해 사용되는 것으로 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 측면에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 인젝션 방식의 공기 조화기에서의 난방 사이클을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 인젝션 방식을 적용하지 않는 일반 공기 조화기의 난방 용량과 난방 부하를 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 인젝션 방식의 공기 조화기(10)에 따르면, 어큐뮬레이터(11)로부터 공급된 냉매는 압축기(12)로 주입되고, 압축기(12)는 저온저압의 기상 냉매를 압축하여 고온고압의 기상 냉매로 토출한다.

토출된 기상 냉매는 실내에 설치되는 실내 열교환기(13)로 유입되고, 실내 열교환기(13)는 고온고압의 기상 냉매를 응측온도 이하 고압의 액상 냉매로 응축시키는 응축기의 역할을 수행하고, 냉매의 엔탈피 변화에 대응하여 주변 공기와 열교환을 수행한다. 난방 사이클에서는 실내 열교환기(13)가 기상 냉매를 액상으로 응축시키면서 열을 방출하므로, 실내 공기가 가열된다.

냉매가 메인 배관(10a)을 흐르는 경우, 실내 열교환기(13)를 통과한 저온고압의 액상 냉매는 메인 밸브(15a)에서 팽창되어 감압된다.

한편, 열교환기에서 열교환에 의해 응축이나 증발과 같은 상(Phase) 변환이 일어나는 경우에, 유입된 냉매의 일부는 상 변환 되지 않고 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 실내 열교환기(13)에서 열교환에 의해 기상 냉매가 액상 냉매로 상 변환될 때, 일부 기상 냉매는 기체 상태로 남아 있을 수 있다. 따라서, 실내 열교환기(13)에서 배출되는 냉매는 액상과 기상이 혼합된 상태일 수 있다.

또한, 액상 냉매가 팽창될 때에도 일부 상 변환이 일어날 수 있다. 예를 들어, 액상 냉매가 메인 밸브(15a)를 통과할 때 일부 냉매가 기상 냉매로 상 변환이 일어날 수 있다.

메인 밸브(15a)를 통과한 저온저압의 액상 냉매는 실외에 설치되는 실외 열교환기(16)로 주입되고, 실외 열교환기(16)는 저온저압의 이상(Two-Phase) 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기의 역할을 수행한다.

실외 열교환기(16)를 통과한 기상 냉매는 다시 어큐뮬레이터(11)로 주입되고, 어큐뮬레이터(11)는 주입된 냉매 중에서 상 변환이 안되어 액상으로 남아있는 냉매를 걸러줄 수 있다.

전술한 바와 같이, 실외 열교환기(16)는 액상 냉매를 기상으로 변환시키기 때문에 외기로부터 에너지를 공급 받아야 한다. 따라서, 실외에 설치되는 실외 열교환기(16)의 특성 상 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 온도가 낮아질수록 난방 용량은 감소하고 난방 부하는 증가하여 난방 성능이 떨어진다. 반대로, 외기 온도가 높아질수록 난방 용량은 증가하고 난방 부하는 감소하여 잉여 용량이 발생하게 된다.

따라서, 인젝션(Injection) 방식의 공기 조화기(10)에서는 난방 성능을 향상시키기 위해, 실내 열교환기(13)의 출구 측 메인 배관(10a)을 분기하여 인젝션 배관(10b)을 형성함으로써, 실내 열교환기(13)를 통과한 냉매 중 일부를 압축기(12)에 공급할 수 있다.

인젝션 밸브(15b)가 개방되면, 실내 열교환기(13)를 통과한 냉매가 인젝션 배관(10b)으로 유입될 수 있고, 인젝션 배관(10b)을 흐르는 액상 냉매는 인젝션 밸브(15b)에서 팽창되어 압력 및 온도가 낮아지고 보조 열교환기(14)를 통과하면서 열교환을 한다.

기상 인젝션(Vapor Injection) 방식에서는 기상 냉매만을 압축기(12)로 공급하고, 이상 인젝션(Two-phase Injection) 방식에서는 액상과 기상의 혼합 상태의 냉매를 압축기(12)로 공급할 수 있다.

일 실시예에 따른 공기 조화기는 압축기로 공급되는 냉매량을 증가시켜 난방 효율을 더 향상시키기 위해 이상 인젝션 방식을 채용할 수 있다. 다만, 이상 인젝션 방식을 채용하는 것이 항상 이상 인젝션만을 수행하는 것을 의미하는 것이 아니라, 공기 조화기의 운전 환경에 따라 인젝션 유로를 개방하지 않는 정상 모드로 동작할 수도 있고, 기상 냉매만을 공급하는 기상 인젝션 모드로 동작할 수도 있으며, 기상 냉매와 액상 냉매를 함께 공급하는 이상 인젝션 모드로 동작할 수도 있음을 의미할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 공기 조화기에서 실외기와 실내기의 구성을 구체화한 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 블록도이다.

일 실시예에 따른 공기 조화기는 난방 또는 난방 및 냉방을 수행할 수 있는 장치이다. 후술하는 실시예에서는 난방 및 냉방을 모두 수행할 수 있는 공기 조화기를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 실외 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실외기(100)와, 실내 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실내기(200)를 포함할 수 있다.

실외기(100)와 실내기(200)는 냉매 배관을 통해 서로 연결되어 사이클을 구성한다. 또한, 실외기(100)를 구성하는 구성요소들 사이의 냉매의 흐름과 실내기(200)를 구성하는 구성요소들 사이의 냉매의 흐름 역시 냉매 배관을 통해 이루어질 수 있다.

실내 공기 또는 실외 공기와 열교환이 이루어지는 냉매로는 HFC 계열의 냉매를 사용할 수 있고, 일 예로, R32 냉매 또는 R32 냉매를 포함하는 혼합 냉매를 사용할 수 있다.

압축기(120)는 흡입 포트(121)를 통해 흡입된 저온저압의 냉매를 고온고압의 냉매로 압축하고, 토출 포트(122)를 통해 고온고압의 냉매를 토출한다.

일 예로, 압축기(120)는 로터리 압축기(Rotary Compressor) 또는 스크롤 압축기(Scroll Compressor)로 구현될 수 있다. 다만, 압축기(120)의 예시가 이에 한정되는 것은 아니다.

압축기(120)의 토출 포트(122)와 일 단이 연결된 배관의 타 단은 유로 전환 밸브(151)와 연결될 수 있다. 일 예로, 유로 전환 밸브(151)는 사방 밸브로 구현될 수 있으며, 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 흐름을 운전 모드(냉방 모드 또는 난방 모드)에 따라 전환함으로써, 해당 모드의 운전에 필요한 냉매 유로를 형성할 수 있다.

유로 전환 밸브(151)는 압축기(120)의 토출 포트(122)와 연결된 제1포트(151a), 실내 열교환기(230)와 연결된 제2포트(151b), 실외 열교환기(130)와 연결된 제3포트(151c) 및 어큐뮬레이터(110)와 연결된 제4포트(151d)를 포함할 수 있다.

실외 열교환기(130)는 냉방 모드에서는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압 액상 냉매로 응축시키는 응축기(condenser)로 동작하고, 난방 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기(evaporator)로 동작할 수 있다.

실외 열교환기(130)에서 발생하는 냉매의 엔탈피(enthalpy) 변화에 대응하여 냉매와 외기 사이에 열교환이 일어나고, 냉매와 실외 공기 사이의 열교환 효율을 높이기 위한 실외 송풍팬(181)이 설치될 수 있다.

실외 열교환기(130)와 실내 열교환기(230) 사이에는 메인 밸브(152)가 설치될 수 있다. 메인 밸브(152)는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있으며, 냉매를 감압시키고 그 유량을 조절할 수 있으며, 필요한 경우 냉매의 유동을 차단할 수 있다.

또한, 유로 전환 밸브(151)의 제4포트(151d)와 압축기(120) 사이에는 어큐뮬레이터(Accumulator, 110)가 마련될 수 있다. 어큐뮬레이터(110)는 유로 전환 밸브(151)로부터 압축기(120)로 유입되는 냉매 중에서 상 변환하지 못하고 액상으로 남아있는 냉매를 걸러주고 압축기(120)에 오일을 공급할 수 있다.

또한, 압축기(120)와 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a) 사이에 오일을 분리하는 오일 분리기가 마련되어, 압축기(120)로부터 토출된 냉매에서 오일을 분리하는 것도 가능하다.

실내기(200)는 냉매와 실내 공기 사이의 열 교환을 통해 실내를 냉방 또는 난방시키는 장치이다. 실내기(200)는 실내 열교환기(230)와 실내 송풍팬(281)을 포함할 수 있으며, 필요에 따라 두 개 이상의 실내 열교환기와 실내 송풍팬이 설치될 수도 있다.

실내 열교환기(230)는 냉방 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기로 동작하고, 난방 모드에서는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압 의 액상 냉매로 응축시키는 응축기로 동작한다.

실내 송풍팬(281)은 실내 열교환기(230)에 근접하게 설치되어 실내 공기를 송풍시킴으로써 실내 열교환기(230) 내부를 순환하는 냉매와 실내 공기 사이의 열교환 효율을 높일 수 있다.

또한, 실내기(200)는 냉매의 흐름을 제어하는 실내기 밸브(154)를 포함할 수 있다. 실내기 밸브(154)는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있으며, 냉매를 감압시키고 그 유량을 조절할 수 있으며, 필요한 경우 냉매의 유동을 차단할 수 있다.

한편, 실내 열교환기(230)와 실외 열교환기(130)를 연결하는 메인 배관(101)이 분기되어 인젝션 배관(103)을 형성한다. 인젝션 배관(103)은 메인 배관(101)으로부터 분기되어 보조 열교환기(140)를 거쳐 압축기(120)의 인젝션 포트(123)와 연결된다.

인젝션 배관(103)에는 인젝션 배관(103)을 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브(153)가 설치될 수 있고, 인젝션 밸브(153)는 유량 제어가 가능한 전동 밸브로 구현될 수 있다. 예를 들어, 인젝션 밸브(153)는 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있다.

보조 열교환기(140)는 냉매 사이의 열교환을 가능하게 하는 것으로서, 냉방 모드로 운전 시에는 고압 냉매의 과냉각도를 확보할 수 있고, 인젝션 모드로 운전 시에는 압축기(120)의 인젝션 포트(123)로 유입되는 냉매의 건도를 조정할 수 있다. 일 예로, 보조 열교환기(140)는 이중관식 열교환기로 구현될 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여 공기 조화기(1)의 제어 관련 내용을 설명한다.

도 4를 참조하면, 공기 조화기(1)의 실외기(100)는 압축기(120), 밸브 유닛(150) 및 팬 유닛(180)을 제어하는 실외기 제어부(170), 냉매 또는 주변 공기의 온도와 압력을 측정하는 센서부(160) 및 실내기(200)와 통신하는 실외기 통신부(190)를 포함한다.

밸브 유닛(150)은 전술한 유로 전환 밸브(151), 메인 밸브(152) 및 인젝션 밸브(153)를 포함할 수 있고, 팬 유닛(180)은 실외 송풍팬(181)을 포함할 수 있다.

센서부(160)는 온도 센서(161), 압력 센서(162) 및 회전수 센서(163)를 포함할 수 있다. 센서부(160)는 후술하는 온도, 압력 및 회전수를 미리 정해진 주기에 따라 측정할 수도 있고, 실시간으로 측정할 수도 있으며, 특정 이벤트의 발생 시에 측정할 수도 있다. 또한, 미리 정해진 측정 주기는 변경될 수도 있다.

온도 센서(161)는 토출 온도 센서(161a)와 흡입 온도 센서(161b)를 포함할 수 있고, 압력 센서(162)는 토출 압력 센서(162a)와 흡입 압력 센서(162b)를 포함할 수 있다.

토출 온도 센서(161a)는 압축기(120)의 토출 포트(122) 측에 설치되어 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 온도를 측정할 수 있고, 흡입 온도 센서(161b)는 압축기(120)의 흡입 포트(121) 측에 설치되어 압축기(120)에 흡입되는 냉매의 온도를 측정할 수 있다.

토출 압력 센서(162a)는 압축기(120)의 토출 포트(122) 측에 설치되어 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 압력을 측정할 수 있고, 흡입 압력 센서(162b)는 압축기(120)의 흡입 포트(121) 측에 설치되어 압축기(120)에 흡입되는 냉매의 압력을 측정할 수 있다.

또한, 온도 센서(161)는 실외 온도를 측정하는 실외 온도 센서 및 실내 온도를 측정하는 실내 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

회전수 센서(163)는 압축기(120)의 회전수를 측정할 수 있다.

밸브 센서(164)는 밸브 유닛(150)의 개도량을 측정할 수 있다. 구체적으로, 밸브 센서(164)는 유로 전환 밸브(151), 메인 밸브(152) 및 인젝션 밸브(153)의 개도량을 측정할 수 있다.

실외기 제어부(170)는 실외기(100)의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램이 저장된 적어도 하나의 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.

실외기 제어부(170)는 실외기 통신부(190)로부터 전달되는 명령에 기초하여 압축기(120), 밸브 유닛(150) 및 팬 유닛(180)을 제어할 수 있다.

실내기(200)는 팬 유닛(280), 디스플레이(241), 입력부(242), 온도 센서(261), 실내기 통신부(290) 및 실내기 제어부(270)를 포함한다.

팬 유닛(280)은 전술한 바와 같이 실내 열교환기(230)와 인접하게 설치되는 실내 송풍팬(281)을 포함할 수 있다.

디스플레이(241)는 LCD, LED, OLED 등의 디스플레이 장치로 구현되어 공기 조화기(1)에 관한 정보를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(241)는 공기 조화기(1)의 현재 상태에 관한 정보(현재 운전 모드, 설정된 온도 또는 습도 등) 또는 환경 정보(현재 실내 온도 또는 실내 습도)를 표시할 수도 있고, 사용자의 입력을 가이드하기 위한 화면을 표시할 수도 있다.

예를 들어, 사용자의 입력을 가이드하기 위한 화면은, 공기 조화기(1)의 운전 모드를 난방 모드 및 냉방 모드 중 하나로 선택 받기 위한 화면, 공기 조화기(1)의 목표 온도나 습도를 선택 받기 위한 화면 등을 포함할 수 있다.

입력부(242)는 실내기(200)의 본체에 마련된 버튼, 터치 패드 등으로 구현될 수도 있고, 실내기(200)의 본체와 이격된 리모트 컨트롤러를 더 포함할 수도 있다.

입력부(242)는 공기 조화기(1)의 전원을 온/오프하기 위한 전원 버튼, 운전 모드를 선택 받기 위한 운전 선택 버튼, 기류의 방향을 선택 받기 위한 풍향 버튼, 기류의 세기를 선택 받기 위한 풍량 버튼, 온도 설정을 위한 온도 버튼 등을 포함할 수 있다.

온도 센서(261)는 실내 공기의 온도 또는 실내 열교환기(230)의 온도를 측정할 수 있다.

실내기 통신부(290)는 실외기 통신부(190)와 통신하여 서로 필요한 정보를 주고 받을 수 있다.

실내기 제어부(270)는 실내기(200)의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램이 저장된 적어도 하나의 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.

실내기 제어부(270)는 입력부(242)를 통해 입력된 사용자의 명령, 온도 센서(261)가 측정한 온도 또는 실내기 통신부(290)가 실외기 통신부(190)로부터 수신한 정보에 기초하여 팬 유닛(280), 디스플레이(241) 또는 실내기 통신부(290)를 제어할 수 있다.

그리고 공기 조화기(1)는 제어부를 포함할 수 있는데, 제어부는 전술한 실외기 제어부(170)와 실내기 제어부(270)를 포함할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 공기 조화기가 냉방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 일 실시예에 따른 공기 조화기가 난방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 5 및 도 6에 각각 표시된 화살표는 냉매의 흐름을 나타낸다.

사용자가 입력부(242)를 통해 냉방 모드를 선택한 경우, 실내기 제어기(270)와 실외기 제어기(170)는 실내기(200)와 실외기(100)를 각각 냉방 모드로 동작시킬 수 있다.

냉방 모드로 동작 시에, 실외기 제어부(170)는 유로 전환 밸브(151)를 제어하여 제1포트(151a)와 제3포트(151c)가 연결되고, 제2포트(151b)와 제4포트(151d)가 연결되는 냉매 유로를 형성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 압축기(120)의 토출 포트(122)로부터 토출되는 고온고압의 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a)로 유입되고(①), 제3포트(151c)를 통해 배출되어(②) 실외 열교환기(130)로 유입된다.

실외 열교환기(130)는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키고, 냉매와 실외 공기 사이의 열교환을 수행한다. 실외 열교환기(130)에서 배출되는 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매는 메인 밸브(152)를 통과하면서 고온 고압의 액상 냉매로 변환된 후, 실내기 밸브(154)를 통과하면서 팽창되어 저온저압의 액상 냉매가 된다.

저온저압의 액상 냉매는 실내 열교환기(230)로 유입되고, 실내 열교환기(230)는 유입된 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키고 실내 공기와 열교환을 수행한다.

실내 열교환기(230)에서 배출되는 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제2포트(151b)로 유입되고(③), 유입된 기상 냉매는 제4포트(151d)를 통해 어큐뮬레이터(110)의 입구(112)로 유입된다(④).

어큐뮬레이터(110)는 유입된 냉매에 포함된 액상을 걸러주고, 배출구(111)를 통해 저온저압의 기상 냉매를 오일과 함께 배출하여 압축기(120)에 공급한다.

압축기(120)에 공급된 냉매는 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되고, 토출된 냉매가 전술한 과정을 거쳐 다시 압축기(120)로 공급되는 순환 사이클을 통해 공기 조화기(1)가 냉방 모드에서 동작하게 된다.

사용자가 입력부(242)를 통해 난방 모드를 선택한 경우에는, 실내기 제어기(270)와 실외기 제어기(170)는 실내기(200)와 실외기(100)를 각각 난방 모드로 동작시킬 수 있다.

난방 모드로 동작 시에, 실외기 제어부(170)는 유로 전환 밸브(151)를 제어하여 제1포트(151a)와 제2포트(151b)가 연결되고, 제3포트(151c)와 제4포트(151d)가 연결되는 냉매 유로를 형성할 수 있다.

도 6을 참조하면, 압축기(120)의 토출 포트(122)로부터 토출되는 고온고압의 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a)로 유입되고(①) 제2포트(151b)로 배출되어(②) 실내기(200)로 유입된다.

실내 열교환기(230)는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키고, 실내 공기와의 열교환을 수행하며, 실내기 밸브(154)를 통과한 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매는 보조 열교환기(140)로 이동한다.

난방 모드는 정상 모드와 인젝션 모드로 구분될 수 있다. 예를 들어, 외기 온도가 미리 설정된 기준 온도 이하인 경우에는 인젝션 모드로 동작하고, 기준 온도를 초과하는 경우에는 정상 모드로 동작할 수 있다. 또한, 인젝션 모드는 기상 인젝션 모드와 이상 인젝션 모드를 포함할 수 있다.

정상 모드로 동작할 때에는 실외기 제어부(170)가 인젝션 밸브(153)를 폐쇄한다. 인젝션 밸브(153)가 폐쇄되면, 실내 열교환기(230)를 통과한 냉매는 전부 메인 배관(101)을 통해 메인 팽창 밸브(152)를 지나게 된다. 메인 팽창 밸브(152)에서 감압된 저온저압의 액상 냉매는 실외 열교환기(130)에서 기상 냉매로 상 변환되어 유로 전환 밸브(151)로 유입된다.

공기 조화기(1)가 인젝션 모드로 동작할 때에는 실외기 제어부(170)가 인젝션 밸브(153)를 개방한다. 인젝션 밸브(153)가 개방되면, 실내 열교환기(230)를 통과한 냉매 중 일부는 인젝션 밸브(153)를 통과하여 인젝션 배관(103)을 흐르게 되고, 나머지 일부는 메인 배관(101)을 흐른다.

인젝션 배관(103)을 흐르는 응축온도 이하의 고압 의 액상 냉매는 보조 열교환기(140)를 거치면서 온도가 낮아지고, 보조 열교환기(140)를 통과하면서 메인 배관(101)을 흐르는 냉매와 열교환을 한다. 보조 열교환기(140)에서는 액상 냉매의 일부가 기상 냉매로 변환될 수 있다. 따라서, 보조 열교환기(140)에서 열 교환된 냉매는 액상과 기상이 혼합된 상태로 존재할 수 있다.

액상과 기상이 혼합된 상태의 냉매는 인젝션 배관(103)을 통해 압축기(120)의 인젝션 포트(123)로 주입된다.

메인 배관(101)을 통해 보조 열교환기(140)를 통과한 냉매는 메인 팽창 밸브(152)에서 감압되어 저온저압의 이상 냉매가 되고, 실외 열교환기(130)는 저온저압의 이상 냉매를 기상 냉매로 증발시킨다.

실외 열교환기(130)에서 배출되는 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제3포트(151c)로 유입되고(③), 유입된 기상 냉매는 제4포트(151d)를 통해 어큐뮬레이터(110)의 입구(112)로 유입된다(④).

압축기(120)에 공급된 냉매는 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되고, 토출된 냉매가 전술한 과정을 거쳐 다시 압축기(120)로 공급되는 순환 사이클을 통해 공기 조화기(1)가 난방 모드에서 동작하게 된다.

전술한 바와 같이, 실외기 제어부(170)는 센서부(160)로부터 전달되는 외기 온도에 기초하여 인젝션 모드로 진입할지 여부를 결정할 수 있다. 또한, 인젝션 모드 진입이 결정된 이후에는 토출 과열도(Discharge Super Heat: DSH) 제어를 통해 압축기(120)에 주입되는 냉매의 건도와 주입량을 최적의 상태로 조절함으로써 액압축에 의한 압축기(120)의 파손을 방지하고, 최적의 인젝션 모드를 수행할 수 있다. 이하, 실외기 제어부(170)의 토출 과열도 제어를 통해 최적의 인젝션 모드를 수행하는 동작에 대해 구체적으로 설명한다.

도 7은 엔탈피(Enthalpy)와 압력과의 관계를 나타낸 PH선도(냉매 선도)를 도시한 그래프이다.

PH 선도란, 냉매와 관련된 여러 가지 열역학적 성질을 표시한 그래프를 의미하며, PH 선도에는 등압선, 등엔탈피선, 포화액선, 포화증기선, 등온선, 등엔트로피선, 등건도선 등에 대한 정보를 포함하고 있다.

도 7을 참조하여 PH 선도를 설명하면, 냉동 사이클에 있어서 냉매는 압력의 변화에 따라 총 3가지의 상태를 가질 수 있다. 도 7에서 좌측 X 영역은 냉매가 과냉각 상태로 액체로 존재하는 영역을 의미하며, 도 7에서 가운데 Y 영역은 냉매가 액체에서 기체로 상변화하는 영역 즉, 냉매가 액체와 기체로 혼합하여 존재하는 영역을 의미한다. 그리고 도 7에서 우측 Z 영역은 액체 상태였던 냉매가 모두 기화하여 전부 기체로 존재하는 영역을 의미한다.

그리고 도 7의 a와 b를 이은 선 ①은 액체 상태의 냉매와 액체와 기체로 혼합되어 있는 상태의 냉매를 구분하는 선을 의미한다. 선 ①은 포화액선으로 불리며, 선 ①은 액체 상태와 액체 및 기체가 혼합되어 있는 상태를 구분하는 선이므로, 액체에서 기체로 증발을 시작하고자 하는 냉매는 선 ① 위에 존재한다.

따라서, 포화액선 좌측 영역에는 포화액보다 온도가 낮은 과냉각된 액체 상태의 냉매가 존재하며, 포화액션선 우측 영역은 액체 냉매 및 액체 상태에서 증발된 기체 냉매가 혼합되어 존재한다. 냉매가 액체 상태와 기체 상태로 혼합되어 있는 상태를 습포화증기 상태라 부른다.

도 7의 b와 c를 이은 선 ②는 냉매가 액체와 기체로 혼합되어 있는 상태와 기체 상태로만 존재하는 상태를 구분하는 선을 의미한다. 선 ②는 포화증기선으로 불리며, 선 ②는 기체와 기체 및 액체가 혼합되어 있는 상태를 구분하므로, 액체에서 기체로 증발을 시작하고자 하는 냉매는 선 ②위에 존재한다.

선 ②위에 존재하는 냉매는 액체로부터 증발이 모두 완료된 상태의 냉매를 의미하므로, 액체가 존재하지 않는 건포화증기 상태이며, 냉매의 온도는 증발하고자 하는 액체와 마찬가지로 포화 온도이다.

포화증기선의 좌측 영역에는 액체 상태의 냉매와 기체 상태가 냉매가 혼합하여 존재하며, 포화증기선 우측 영역에는 기체만 존재하며, 이 때의 기체는 포화 온도보다 높은 과열 증기의 상태를 나타낸다. 즉, 포화증기선의 우측 영역에 존재하는 기체 상태의 냉매는 같은 압력하에서 증발하는 액체보다 온도가 높다.

또한, 포화액선과 포화증기선은 만나는 점(b)을 임계점이라 부르며, 임계점에서의 압력과 온도를 임계 압력 및 임계 온도라 부른다. 임계온도는 냉매가 응축될 수 있는 가장 높은 온도를 의미한다. 따라서, 임계온도 이상에서는 냉매가 더 이상 응축되지 않는다.

도 8은 PH 선도에 있어서 등건도선을 표시한 도면이다.

등거조선은 PH 선도에서 냉매가 Y 영역 즉, 액체와 기체로 혼합되어 존재할 때, 액체와 기체의 비율이 동일한 위치를 이은 선을 의미하며, 도 8에서 일 예로 9개의 등건도선을 도시하였다.

도 8에서 X는 기체 상태의 비율을 의미한다. 따라서 X=0.1인 등건도선의 냉매는 기체 상태의 냉매가 10%, 액체 상태의 냉매가 90%가 존재하며, X=0.7인 등건도선의 냉매는 기체 상태의 냉매가 70%, 액체 상태의 냉매가 30% 존재한다. 당연히 포화액선 상에서의 냉매는 X가 0이 되므로 액체 상태의 냉매만 존재하며, 포화증기선 상에서의 냉매는 X가 1이되므로 기체 상태의 냉매만이 존재한다.

도 9는 기체 상태의 냉매를 주입하는 인젝션 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이며, 도 10은 액체 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 이상 인젝션(Two-Phase Injection) 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이다.

도 9와 도10을 참고하여 설명하면, 저온저압의 기체 상태인 냉매(①)은 압축기에 유입되면서 고온고압의 기체로 압축된다. 압축과정에서 인젝션 유로의 기체 또는 이상 상태인 냉매(7)가 압축기에 추가로 주입된다.

그리고 압축기를 통과한 냉매는 응축기에 유입되면서 저온 고압의 액체 상태의 냉매로 변환되며(⑤), 액체 상태로 변환된 냉매는 증발기로 향하는 제1경로와 인젝션 밸브로 향하는 제2경로로 나뉘어 진다.

제1경로를 따라 증발기로 향하는 저온 고압의 액체 냉매(⑩)는 메인 밸브를 통과하면서 저온 저압의 액체 및 기체 상태가 혼합되어 있는 이상 상태(Two-Phase)의 냉매로 변환되며(⑪), 메인 밸브를 통과한 냉매는 증발기로 유입되며, 증발기를 통과한 냉매는 고온 고압의 기체 상태의 냉매로 변환된다. (①)

반면, 제 2경로를 따라 인젝션 밸브로 유입되는 냉매는 인젝션 밸브를 통과하면서 냉매의 상태가 변화하는데 도 9처럼 기체 냉매만을 주입하는 가스 인젝션 방식의 공기 조화기의 경우 냉매가 액체와 기체가 혼합된 이상 상태의 냉매로 변환된 후(⑥) 다시 기체 상태로 변환되어 압축기로 유입된다. (⑦)

그러나 액체와 기체 상태가 혼합된 이상 냉매를 주입하는 이상 인젝션 방식의 공기 조화기는 도 10에 도시된 바와 같이, 냉매가 액체 상태와 기체 상태가 혼합되어 있는 이상 상태로 변환된 후(⑥) 이상 상태의 냉매가 압축기로 유입된다. (⑦)

따라서, 이상 인젝션 방식의 공기조화기의 압축기는 제1경로를 통해 유입된 기체 상태의 냉매와 제2 경로를 통해 유입된 액체 및 기체 상태가 혼합된 이상 상태의 냉매를 동시에 압축하여 고온 고압의 기체 상태의 냉매로 전환시킨다.

도 10과 같이 액체 상태의 냉매와 기체 상태의 냉매를 혼합하여 주입하는 이상 인젝션 타입의 공기 조화기의 경우, 압축기의 토출 온도를 감소시킬 수 있어 더 넓은 온도 조건에서 압축기의 주파수를 높일 수 있는 장점이 존재한다.

그러나 이상 인젝션 방식의 공기 조화기의 경우, 인젝션 밸브로부터 압축기로 유입되는 냉매의 양이 많아지면 압축기 내부에서 액압축에 의한 압축기 파손의 문제가 발생할 수 있으며, 난방 효율을 높이기 위해 압축기의 주파수를 과도하게 높이는 경우 냉매와 오일이 변질 될 수 있는 문제점이 존재한다.

따라서, 일 실시예에 의한 공기 조화기(1) 및 그 제어 방법은 이상 인젝션 방식의 공기 조화기에 있어서, 난방 효율을 높이면서 동시에 액압축에 의한 압축기 파손의 문제를 방지할 수 있는 공기 조화기(1) 및 그 제어 방법을 제공하기 위함이다. 이하 도면을 통하여 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법 및 작동 원리에 대해 알아본다.

도 11과 도 12는 냉매의 건도에 따른 압축기의 진동 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 11은 외기 온도가 -15도이고 압축기의 주파수가 130Hz로 작동하고 있을 때, 인젝션 건도에 따른 압축기의 진동 값 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이고, 도 12는 외기 온도가 7도이고 압축기의 주파수가 60Hz로 작동하고 있을 때, 인젝션 건도에 따른 압축기의 진동 값 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이다.

건도는 습포화증기에서의 포화증기의 질량비를 의미하며, 인젝션 유량비는 메인 밸브와 인젝센 밸브로 유입되는 유로의 유랑비를 의미한다.

도 11과 도12를 참고하면, 인젝션되는 냉매의 건도가 0.65 이하가 되는 경우 압축기의 진동이 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 압축기로 유입되는 냉매의 건도 0.65이하인 경우 압축기 내부에서 액압축이 발생하여 압축기가 파손될 수 있는 문제점이 발생한다. 따라서, 인젝션 타입의 공기조화기의 경우 압축기로 유입되는 냉매의 건도를 0.65 이상으로 유지시켜야 압축기가 파손되는 문제를 방지할 수 있다.

그러나, 인젝션으로 유입되는 냉매의 건도를 직접 측정하는 것은 어렵다. 따라서, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 냉매의 건도와 인젝션 유랑비와의 관계를 산출하고, 인젝션 유량비에 기초하여 냉매의 건도를 간접적으로 측정하는 방식으로 냉매의 건도를 측정하고 이를 기초로 인젝션 밸브의 개도량을 제어하여 효율적으로 공기 조화기(1)를 작동시킬 수 있다.

이를 구체적으로 살펴보면, 도 11과 도 12에 도시된 바와 같이 냉매의 건도와 인젝션 유량비는 선형적인 관계를 가지고 있음을 알 수 있다. 즉, 인젝션 유량비가 0.4 인 경우 냉매의 건도는 0.65가 되므로, 인젝션 유량비를 0.4 이하로 제어하는 경우 냉매의 건도를 0.65로 이상으로 제어할 수 있다.

따라서, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)와 관련된 각종 수치를 이용하여 두 밸브(152,153)의 개도비를 산출하고 이를 기초로 인젝션 밸브(153)의 유랑비를 산출할 수 있다. 구체적으로, 공기 조화기(1)는 산출된 유랑비가 미리 설정된 범위에 포함되는지 판단하여, 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153) 중 적어도 하나의 개도량을 제어하여 유랑비를 미리 설정된 범위에 포함되도록 제어할 수 있다. 제어 방법에 대해서는 도 15에서 자세히 설명하도록 한다. 이하, 유량비 산출 방법에 대해 구체적으로 알아본다.

도 13은 인젝션 유랑비와 두 밸브(152, 153)의 개도비와의 관계를 나타내는 그래프를 도시한 도면이며, 도 14는 인젝션 유량비를 산출하기 위해 필요한 식과 구체적인 값들을 도시한 도면이다.

도 13의 그래프에 표시된 값과 식은 실험을 통하여 도출한 결과이며, 실험을 통하여 인젝션 유량비(Rinj)와 두 밸브(152, 153)의 개도비(Reev)와의 관계는 아래 식 1과 같은 결과를 유추해낼 수 있다.

(식1) -

따라서, 인젝션 유량비를 산출하기 위해서는 두 밸브(152, 153)의 개도비(Reev)를 산출해야 하며, 두 밸브(152, 153) 개도비(Reev)는 아래 식 2와 같이 표현될 수 있다.

(식2) -

그리고 인젝션 유랑비를 산출하기 위해 필요한 De,inj와 De,suc는 아래 식 3과 같이 표현 될 수 있다.

(식 3) -

따라서, 식 3에서 필요한 수치들을 알고 있으면 식2와 식1을 통하여 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.

이하 도 14의 표시된 값들을 기초로 인젝션 유랑비를 산출하는 방법을 알아본다. 이하 설명되는 값은 설명의 편의를 돕기 위해 일 예로 설명한 수치이며, 이에 한정되는 것은 아니고 사용 조건에 따라 다양한 값으로 변경되어 설정될 수 있으며, 이러한 값은 사용자에 의해 설정될 수 있다.

도 14의 표에 도시된 항목들을 설명하면, EEV Opening 값은 현재 감지되는 밸브의 개도 값을 의미하며, EEV Opening, full 값은 밸브 개도의 최대 값을 의미한다. 그리고 EEV Start 값은 밸브에서 유랑이 발생하는 밸브 개도의 초기 값을 의미하며, D는 밸브 홀의 내경 사이즈(mm)를 의미한다. 그리고 밸브 개도비(EEV opening ratio, Reev)는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도 비를 의미하며, 인젝션 유랑비(Injection ratio)는 메인 밸브(152) 유로로 유입되는 냉매의 양과 인젝션 밸브(153)로 유입되는 냉매의 양의 비를 의미한다.

그리고 도 14의 표에 도시된 값들 중 EEV 개도 값은 실시간으로 감지되는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도 값을 의미하며, 그 외 EEV 개도 최대 값과, EEV 초기 값 및 EEV 홀 내경 사이즈는 공기조화기의 생산 방식에 따라 미리 설정되어 생산되므로, 설정된 값을 적용하면 된다. 따라서, 밸브의 개도 값만 측정하면 다른 값들을 이용하여 두 밸브(152, 153)의 개도비와 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.

도 14를 참고하여 인젝션 유랑비를 산출하는 방법을 설명하면, 감지된 인젝션 밸브(153)의 개도 값이 95인 경우 식 3을 이용하여 De,inj=((95 ?? 40) / (480 -40)) * 2.4 = 0.3을 구할 수 있다. 그리고 감지된 메인 밸브(152)의 개도 값이 380인 경우 식 3을 이용하여 De,inj=((380 ?? 120) / (2000 -120)) * 6.4 = 0.89를 구할 수 있다.

그리고 식 2를 이용하여 인젝션 밸브(153)와 메인 밸브(152)의 개도비를 산출할 수 있으며(Reev = (0.3)/(0.89) = 0.34), 인젝션 밸브(153)와 메인 밸브(152)의 유랑비는 식 3을 통하여 Rinj는 -0.77 * 0.34 * 0.34 + 1.33*0.34 - 0.08 = 0.28로 산출할 수 있다.

따라서, 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도 값을 측정하면, 이를 기초로 인젝션 유량비를 산출할 수 있고 산출된 인젝션 유랑비에 기초하여 인젝션 밸브(153)의 개도량을 제어하는 방식으로 공기 조화기(1)의 작동을 효율적으로 제어할 수 있다. 이하 도면을 통하여 공기 조화기(1)의 작동 제어 방법에 대해 알아본다.

도 15는 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)의 제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 15를 참고하면, 공기 조화기(1)는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도량을 측정할 수 있다. (S110)

두 밸브(152, 153)의 개도량이 측정되면, 측정된 값을 기초로 두 밸브(152, 153) 간의 개도비(Reev)를 산출하고, 산출된 개도비를 기초로 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153) 간의 유랑비를 산출할 수 있다. (S120)

개도비 및 유량비를 산출하는 방법에 대해서는 도 14에서 자세히 설명하였는바 생략하도록 한다.

유량비가 산출되었으면, 산출된 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되었는지 판단할 수 있다. (S140)

미리 설정된 범위는, 압축기(120) 내에서 액압축이 일어나지 않는 범위로서, 구체적으로 인젝션 유량비가 제한값을 초과하지 않는 범위를 의미한다. 그리고 제한값은 유랑비가 0.35 내지 0,45인 범위를 포함할 수 있다. 즉, 유량비가 0.35 내지 0,45를 초과하지 않는 경우 미리 설정된 범위에 포함된다고 볼 수 있다.

그리고 미리 설정된 범위가 상기 설명한 수치로 한정되는 것은 아니고 공기 조화기(1)의 작동 환경 및 조건에 따라 미리 설정된 범위는 다양하게 설정될 수 있다.

산출된 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되는 경우에는 공기 조화기(1)가 효율적으로 작동되고 있는 상태이므로 특별한 조치를 취하지 않고 종료할 수 있다. 그러나 산출된 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우 액압축에 의한 압축기 파손 문제가 발생할 수 있으므로 인젝션 밸브(153)의 개도량을 제어하여 압축기 내부로 유입되는 냉매의 양을 조절할 수 있다. 구체적으로, 유량비를 감소시키기 위해 인젝션 밸브(153)의 개도량을 감소시킬 수 있다. (S150)

따라서, 일 실시예에 의한 공기 조화기(1)는 이러한 방식을 통해 액압축에 의한 압축기(120)의 파손을 사전에 방지하는 동시에 압축기(120)로 유입되는 냉매의 양을 증가시켜 공기 조화기(1)를 효율적으로 작동시킬 수 있는 장점이 존재한다. 또한, 변경되는 인젝션 밸브(153)의 개도량에 따라 액압축 위험을 사전에 판단하고 미리 조치할 수 있어 보다 신뢰성 있는 공기 조화기(1)를 제공할 수 있다.

또한, 종래 인젝션 방식의 공기 조화기의 경우, 액압축에 의한 압축기 파손을 방지하기 위해 인젝션 밸브의 크기를 일률적으로 작은 사이즈를 적용하여 효율이 좋지 않은 단점이 존재하였으나, 일 실시예에 의한 공기 조화기(1)는 다양한 범위의 크기를 갖는 인젝션 밸브를 채용하여도 안정성을 확보할 수 있는 장점이 존재한다.

지금까지 도면을 통하여 일 실시예에 따른 공기 조화기(1) 및 그 제어 방법에 대해 알아보았다.

지금까지 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

1: 공기 조화기
100: 실외기
120: 압축기
150: 밸브 유닛
152: 메인 밸브

Claims

냉매를 압축시키는 압축기;
난방 모드에서 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실내 열교환기;
상기 난방 모드에서 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실외 열교환기;
상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기를 연결하는 메인 배관;
상기 메인 배관으로부터 분기되어 상기 압축기의 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관;
상기 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 메인 밸브;
상기 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브;
상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하고 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 인젝션 유량비와 상기 인젝션 포트에 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 공기 조화기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 공기 조화기.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시키는 공기 조화기.
제1항에 있어서,
상기 미리 설정된 범위는,
제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함하는 공기 조화기.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 공기 조화기.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 공기 조화기.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출하는 공기 조화기.
제1항에 있어서,
상기 압축기는,
상기 인젝션 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 냉매와 상기 메인 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매를 압축하는 공기 조화기.
압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서,
메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량의 제어하는 메인 밸브의 개도량과 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하는 단계;
산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
상기 인젝션 유량비와 상기 인젝션 배관으로부터 상기 압축기로 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
삭제
제10항에 있어서,
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시키는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 미리 설정된 범위는,
제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계는,
상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 인젝션 유량비를 산출하는 단계는,
상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출하는 공기 조화기의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 압축기는,
상기 인젝션 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 냉매와 상기 메인 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매를 압축하는 공기 조화기의 제어 방법.