KR102165354B1 - 공기조화기 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 조화기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기에는, 흡입포트 및 인젝션 포트를 가지며, 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기의 출구측에 배치되며, 물의 입수유로 및 출수유로가 연결되는 응축기; 상기 응축기의 출구측에서 분지되는 메인 냉매배관 및 상기 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관간에 열교환을 수행하는 내부 열교환기; 및 상기 인젝션 배관에 설치되는 인젝션 팽창장치가 포함되며, 상기 인젝션 배관은 상기 냉매를 상기 압축기로 인젝션 하여 상기 압축기에서 1단 압축된 냉매와 혼합되는 것을 특징으로 한다.

Description

공기조화기 및 그 제어방법{An air conditioning system and a method for controlling the same}
본 발명은 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
공기 조화기는 소정공간의 공기를 용도, 목적에 따라 가장 적합한 상태로 유지하기 위한 기기이다. 일반적으로, 상기 공기 조화기에는, 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기가 포함되며, 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 수행하는 냉동 사이클이 구동되어, 상기 소정공간을 냉방 또는 난방할 수 있다.
상기 소정공간은 상기 공기 조화기는 사용되는 장소에 따라, 다양하게 제안될 수 있다. 일례로, 상기 공기 조화기가 가정이나 사무실에 배치되는 경우, 상기 소정공간은 집 또는 건물의 실내 공간일 수 있다. 반면에, 상기 공기 조화기가 자동차에 배치되는 경우, 상기 소정 공간은 사람이 탑승하는 탑승 공간일 수 있다.
공기 조화기가 냉방 운전을 수행하는 경우, 실외기에 구비되는 실외 열교환기가 응축기 기능을 하며 실내기에 구비되는 실내 열교환기가 증발기 기능을 수행한다. 반면에, 공기 조화기가 난방 운전을 수행하는 경우, 상기 실내 열교환기가 응축기 기능을 하며 상기 실외 열교환기가 증발기 기능을 수행한다.
한편, 상기 공기 조화기에는 상기 응축기에서 응축된 고압의 냉매와, 상기 응축된 냉매를 감압한 저압의 냉매간에 열교환을 수행하는 내부 열교환기가 더 포함될 수 있다. 상기 내부 열교환기에서의 냉매 열교환 과정에서, 상기 저압의 냉매는 흡열하여 기화되며 상기 기화된 냉매는 압축기로 인젝션될 수 있다.
상기 압축기로 인젝션 되는 냉매(이하, 인젝션 냉매)의 양은 인젝션 팽창장치의 개도에 의하여 조절될 수 있다. 상기 인젝션 팽창장치의 개도가 감소되면 상기 인젝션 되는 냉매의 양이 감소하여 인젝션 냉매의 과열도가 증가하며, 이와 반대로 상기 인젝션 팽창장치의 개도가 증대되면 상기 인젝션 되는 냉매의 양이 증가하여 상기 인젝션 냉매의 과열도가 감소할 수 있다.
상기 압축기에는 기상 냉매가 인젝션 되어야 하며, 액 냉매가 인젝션 될 경우 압축기의 동작 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 종래기술에 따르면, 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 충분히 감소하여 인젝션 냉매의 과열도를 높이고, 상기 압축기의 신뢰성을 확보하는 제어를 수행하여 왔다.
그러나, 인젝션 냉매의 과열도가 너무 높으면, 상기 인젝션 냉매와 압축기에서 1단 압축된 냉매의 혼합이 이루어져 혼합가스 냉매를 형성할 때, 상기 혼합가스 냉매의 과열도가 불필요하게 높아져 압축기의 토출온도가 높아지는 문제점이 있었다. 결국, 압축기로의 냉매 인젝션을 통한 토출온도 감소 효과를 달성하기 어려운 문제점이 있었다.
본 출원인은 종래기술과 관련하여, 아래와 같은 출원을 실시하여 등록받은 바 있다.
1. 등록번호 (등록일) : 10-1402158 (2014년 5월 26일)
2. 발명의 명칭 : 공기조화 시스템
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 압축기로 중간압의 냉매를 인젝션 함으로써, 압축기의 토출온도를 낮출 수 있고 이에 따라 압축기의 동작 신뢰성을 확보할 수 있는 공기 조화기 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 압축기로 인젝션 된 냉매와 압축기에서 1단 압축된 냉매의 혼합 냉매, 즉 압축기에서 2단 압축될 혼합 냉매의 과열도를 추정 또는 계산할 수 있는 공기 조화기 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 추정된 과열도에 기초하여 인젝션 팽창장치의 개도를 조절함으로써 안정적인 냉동 사이클을 구동할 수 있는 공기 조화기 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기에는, 흡입포트 및 인젝션 포트를 가지며, 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기의 출구측에 배치되며, 물의 입수유로 및 출수유로가 연결되는 응축기; 상기 응축기의 출구측에서 분지되는 메인 냉매배관 및 상기 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관간에 열교환을 수행하는 내부 열교환기; 및 상기 인젝션 배관에 설치되는 인젝션 팽창장치가 포함되며, 상기 인젝션 배관은 상기 냉매를 상기 압축기로 인젝션 하여 상기 압축기에서 1단 압축된 냉매와 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합된 냉매의 과열도를 계산하여, 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 증가 또는 감소 제어하여, 압축기에서 2단 압축되는 냉매의 물성치를 최적으로 제어할 수 있다.
상기 압축기의 토출온도와, 냉동 사이클의 고압 및 인젝션 입구온도 센서에서 감지된 온도값을 환산한 압력값을 이용하여, 상기 혼합된 냉매의 온도값을 결정함으로써, 실제 냉매의 물성치를 정확하게 도출할 수 있다.
상기 결정된 혼합된 냉매의 온도값과, 상기 인젝션 입구온도 센서의 온도값을 이용하여, 상기 혼합된 냉매의 과열도를 결정하므로, 인젝션 팽창장치의 정확한 제어를 수행할 수 있다.
상기 결정된 과열도가 기 설정된 과열도보다 큰 것으로 인식되면, 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 증가한다.
상기 결정된 과열도가 상기 기 설정된 과열도 이하인 것으로 인식되면, 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 감소한다.
다른 측면에 따른 공기 조화기의 제어방법에는, 압축기의 토출측 온도 및 압력을 감지하는 단계; 내부 열교환기의 유입측에서, 상기 압축기로 인젝션 되는 인젝션 냉매의 입구온도를 감지하는 단계; 및
상기 압축기의 토출측 온도 및 압력과, 상기 인젝션 냉매의 입구온도를 이용하여, 상기 압축기 내부의 혼합냉매의 온도를 결정하는 단계가 포함된다.
상기 결정된 혼합냉매의 온도와, 상기 인젝션 냉매의 입구온도를 이용하여, 상기 혼합냉매의 과열도를 결정하는 단계 및 상기 결정된 과열도에 기초하여, 상기 압축기로 인젝션 되는 인젝션 냉매의 양을 조절하는 단계가 더 포함된다.
공기 조화기의 운전모드에는, 상기 압축기로의 냉매 인젝션이 중단되는 일반 운전모드 및 상기 압축기로의 냉매 인젝션이 수행되는 인젝션 운전모드가 포함될 수 있다.
상기 일반 운전모드 수행 중에, 압축기의 토출온도가 기 설정온도 이상으로 형성되는 경우, 상기 압축기의 토출과열도가 기 설정과열도 이상으로 형성되는 경우, 또는 상기 압축기의 운전 주파수가 기 설정주파수 이상으로 형성되는 경우에, 상기 인젝션 운전모드에 돌입될 수 있으므로, 공기 조화기의 운전상태에 부합하는 운전모드의 수행이 가능하다.
상기한 실시예에 따른 공기 조화기에 의하면, 압축기로 중간압의 냉매를 인젝션 함으로써, 압축기의 토출온도를 낮출 수 있고 이에 따라 압축기의 동작 신뢰성을 확보할 수 다.
또한, 압축기의 토출온도, 냉동 사이클의 고압/저압을 이용하여 압축기 내부의 혼합 가스냉매의 온도를 계산하고, 상기 계산된 혼합 가스냉매의 온도와 내부 열교환기 입구측의 인젝션 입구온도를 이용하여 혼합 가스냉매의 과열도를 계산할 수 있다.
이와 같이, 계산된 과열도 정보에 기초하여, 인젝션 팽창장치의 개도를 조절함으로써 압축기로 인젝션 되는 냉매량을 증가 또는 감소할 수 있고 이에 따라 혼합 가스냉매의 과열도를 최적값으로 유지할 수 있다.
따라서, 압축기에서 액 냉매가 압축되는 현상을 방지하여 압축기의 동작 신뢰성을 확보할 수 있고, 압축기의 냉매 인젝션에 따른 압축기의 토출온도 저감효과도 얻을 수 있다. 결국, 공기 조화기의 안정적인 냉동 사이클을 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 보여주는 냉동 사이클 선도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 이용하여, 공기 조화기의 일반 운전모드 수행시 냉동 사이클의 고압(PH), 저압(PL) 및 중간압(PM)을 나타내는 P-h 선도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 이용하여, 공기 조화기의 인젝션 운전모드 수행시 냉동 사이클의 고압(PH), 저압(PL) 및 중간압(PM)을 나타내는 P-h 선도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 제어방법을 보여주는 플로우 챠트이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 보여주는 냉동 사이클 선도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기(10)에는, 냉매를 압축하는 압축기(100) 및 상기 압축기(100)의 흡입측에 제공되어 냉매 중 기상냉매와 액 냉매를 분리하는 기액분리기(150)가 포함된다. 상기 기액분리기(150)에서 분리된 기상 냉매는 상기 압축기(100)의 흡입포트(103)로 흡입될 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 압축기(100)의 출구측에 배치되는 응축기(110)가 더 포함된다. 상기 응축기(110)는 상기 압축기(100)에서 토출된 고압의 냉매를 응축하는 열교환기로서 이해될 수 있다.
상기 응축기(110)는 물과 냉매간에 열교환 이루어지는 수냉매 열교환기로 구성된다. 상기 응축기(110)에는 물 유로가 연결되어, 냉매와 물간에 열교환이 이루어질 수 있다. 이 과정에서, 상기 물은 가열되어 가정 또는 건물에 급탕으로 공급될 수 있다.
상기 물 유로에는, 상기 응축기(110)의 내부로 물을 유입시키는 입수유로(121) 및 상기 응축기(110)에서 열교환 된 물을 배출시키는 출수유로(125)가 포함된다. 상기 출수유로(125)를 통하여 배출되는 물의 온도는 약 65℃를 형성할 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 응축기(110)의 출구측에 배치되어 상기 응축기(110)에서 응축된 냉매를 감압하는 메인 팽창장치(160)가 더 포함된다. 상기 메인 팽창장치(160)는 내부 열교환기(130)의 출구측에 배치될 수 있다.
일례로, 상기 메인 팽창장치(160)에는, 개도 조절에 의하여 냉매의 감압 정도를 제어할 수 있는 전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 포함될 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 메인 팽창장치(160)의 출구측에 배치되며 상기 메인 팽창장치(160)에서 감압된 냉매를 증발시키는 증발기(140)가 더 포함된다. 상기 증발기(140)는 냉매와 공기간에 열교환이 수행되는 공기-냉매 열교환기로 구성될 수 있다. 상기 증발기(140)의 일측에는, 상기 증발기(140)를 향하여 공기를 불어주는 증발팬(141)이 설치될 수 있다.
상기 증발기(140)의 출구측에는 상기 기액분리기(150)가 설치된다. 상기 증발기(140)에서 증발된 냉매는 상기 기액분리기(150)로 유입되며 기액분리 되며, 분리된 기상냉매는 상기 압축기(100)로 흡입될 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 압축기(100), 응축기(110), 메인 팽창장치(160), 증발기(140 및 기액분리기(150)를 연결하여, 냉매의 유동을 가이드 하는 냉매배관(50)이 더 포함된다.
상기 냉매배관(50)에는, 상기 응축기(110)의 출구측에 위치되는 분지부(51)와, 상기 분지부(51)로부터 상기 메인 팽창장치(160)로 연장되는 메인 냉매배관(52) 및 상기 압축기(100)의 인젝션 포트(105)로 연장되는 인젝션 배관(55)이 포함된다.
상기 응축기(110)에서 응축된 냉매는 상기 분지부(51)에서 상기 메인 냉매배관(52) 및 상기 인젝션 배관(55)으로 분지되어 유동할 수 있다. 상기 분지부(51)로부터 상기 메인 냉매배관(52)으로 유동하는 냉매는 "메인 냉매", 상기 분지부(51)로부터 상기 인젝션 배관(55)으로 유동하는 냉매을 "인젝션 냉매"라 이름할 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 분지부(51)의 출구측에 배치되는 내부 열교환기(130)가 더 포함된다. 상기 내부 열교환기(130)에서는 상기 메인 냉매배관(52)의 냉매와, 상기 인젝션 배관(55)의 냉매간에 열교환이 이루어질 수 있다. 일례로, 상기 내부 열교환기(130)에는, 다수의 판이 적층되어 구성되는 판형 열교환기가 포함될 수 있다.
상기 인젝션 배관(55)에는, 상기 내부 열교환기(130)로 유입되는 인젝션 냉매를 감압하는 인젝션 팽창장치(165)가 설치될 수 있다. 일례로, 상기 인젝션 팽창장치(165)에는, 개도 조절에 의하여 냉매의 감압 정도를 제어할 수 있는 전자 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EEV)가 포함될 수 있다.
상기 인젝션 배관(55)의 냉매는 상기 인젝션 팽창장치(165)에서 감압되므로 저온을 형성하며, 상기 내부 열교환기(130)에서 상대적으로 고온을 형성하는 메인 냉매배관(52)의 냉매로부터 흡열할 수 있다. 이 과정에서, 상기 메인 냉매배관(52)의 냉매는 방열하여 과냉각 되고, 상기 인젝션 배관(55)의 냉매는 기화될 수 있다.
상기 기화된 인젝션 배관(55)의 냉매, 즉 인젝션 냉매는 중간압(PM)을 형성하며, 상기 인젝션 포트(105)를 통하여 상기 압축기(100)의 중간압을 형성하는 압축실로 인젝션 될 수 있다. 그리고, 상기 인젝션 냉매는 상기 흡입포트(103)에서 흡입되어 1단 압축된 냉매와 혼합되어 "혼합냉매"를 형성할 수 있다. 상기 혼합냉매는 기상 상태를 형성하며, 압축기(100)에서 2단 압축될 수 있다.
상기 혼합냉매의 기상상태 유지를 위하여, 상기 혼합냉매는 기 설정된 값 또는 범위의 과열도를 가질 필요가 있다. 만약, 과열도가 확보되지 않는 경우, 즉 냉매에 액 냉매가 포함되면 압축기(100)의 작동 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다.
상기 혼합냉매는 상기 압축기(100) 내부에 존재하는 냉매이므로, 온도 또는 과열도를 감지하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 본 실시예는 혼합냉매의 과열도를 계산 또는 추정하여, 상기 계산된 과열도가 기 설정된 값 또는 범위의 과열도 내에 형성될 수 있도록, 상기 인젝션 팽창장치(165)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 압축기(100)의 토출측 냉매배관에 설치되는 고압센서(180)가 더 포함된다. 상기 고압센서(180)는 상기 냉동 사이클의 고압을 감지할 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 압축기(100)의 토출측 냉매배관에 설치되는 토출온도 센서(170)가 더 포함된다. 상기 고압센서(180)는 상기 압축기(100)에서 토출된 과열증기 상태의 냉매 온도를 감지할 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 인젝션 배관(55)에 설치되는 인젝션 온도센서(174,176)가 더 포함된다. 상기 인젝션 온도센서(174,176)에는, 상기 내부 열교환기(130)의 입구측에 설치되어 인젝션 입구온도를 감지하는 인젝션 입구 온도센서(174) 및 상기 내부 열교환기(130)의 출구측에 설치되어 인젝션 출구온도를 감지하는 인젝션 출구 온도센서(176)가 포함될 수 있다.
상기 인젝션 입구 온도센서(174)는 상기 내부 열교환기(130)에서의 열교환 이전의 인젝션 냉매 온도를 감지하며, 상기 인젝션 출구 온도센서(176)는 상기 내부 열교환기(130)에서의 열교환 이후의 인젝션 냉매 온도를 감지할 수 있다. 상기 인젝션 출구 온도센서(176)의 값은, 상기 인젝션 입구 온도센서(174)의 값보다 클 수 있다. 상기 인젝션 출구 온도센서(176)의 값에서, 상기 인젝션 입구 온도센서(174)의 값을 감한 값을 "인젝션 과열도"라 이름할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 이용하여, 공기 조화기의 일반 운전모드 수행시 냉동 사이클의 고압(PH), 저압(PL) 및 중간압(PM)을 나타내는 P-h 선도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 이용하여, 공기 조화기의 인젝션 운전모드 수행시 냉동 사이클의 고압(PH), 저압(PL) 및 중간압(PM)을 나타내는 P-h 선도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기(10)의 일반운전 모드 수행시 냉매의 P-h 선도가 도시된다. 상기 일반운전 모드 수행시, 상기 인젝션 팽창장치(165)는 닫혀지며, 이에 따라 상기 응축기(110)에서 응축된 냉매는 상기 분지부(51)에서 상기 메인 냉매배관(52)으로 유동할 수 있다.
냉매의 압력(P) 및 엔탈피(h) 변화를 살펴보면, 지점 1은 압축기(100)의 흡입측 물성치를 나타낸다. 상기 지점 1에서 압력은 저압(PL)이며 엔탈피는 제 1 엔탈피(h1)를 형성한다.
상기 압축기(100)에서 압축된 냉매의 물성치는 고압(PH) 및 제 2 엔탈피(h8)로 정의되는 지점 2로 나타날 수 있다. 상기 고압(PH)은 상기 응축기(110)의 입구측에 설치되는 고압 센서(180)에 의하여 감지될 수 있다.
상기 응축기(110)에서 응축된 냉매는 엔탈피가 저감하여 제 9 엔탈피(h9)를 나타내며, 압력은 고압(PH)으로 유지될 수 있다. 그리고, 상기 응축된 냉매는 상기 메인 팽창장치(160)를 통과하면서 감압되어 저압(PL)을 형성하며 엔탈피는 제 9 엔탈피(h9)로 유지될 수 있다.
상기 감압된 냉매는 상기 증발기(140)에서 증발되며, 엔탈피가 상승하여 제 1 엔탈피(h1)를 나타내고 압력은 저압(PL)으로 유지될 수 있다. 이러한 사이클이 반복되어 수행될 수 있다.
이러한 일반운전 모드가 수행될 때, 인젝션 돌입조건이 충족되면 인젝션 운전모드가 수행될 수 있다. 상기 인젝션 돌입조건에는 압축기의 부하가 증가하는 현상을 나타내는 소정의 조건들이 포함될 수 있다.
일례로, 상기 소정의 조건에는, 압축기(100)의 토출온도가 기 설정온도 이상으로 형성되는 경우, 압축기(100)의 토출과열도가 기 설정과열도 이상으로 형성되는 경우 또는 상기 압축기(100)의 운전 주파수가 기 설정주파수 이상으로 형성되는 경우가 포함될 수 있다.
상기 인젝션 돌입조건이 충족되면, 상기 인젝션 운전모드가 수행되어 상기 인젝션 팽창장치(165)는 개방될 수 있다. 따라서, 상기 응축기(110)에서 응축된 냉매는 상기 분지부(51)에서 분지되어 상기 메인 냉매배관(52) 및 상기 인젝션 배관(55)으로 유동하며, 상기 인젝션 배관(55)의 냉매는 상기 인젝션 팽창장치(165)에서 감압될 수 있다.
그리고, 상기 내부 열교환기(130)에서 각 배관(52,55)의 냉매는 서로 열교환 될 수 있다. 열교환된 메인 냉매배관(52)의 냉매 엔탈피는 제 9 엔탈피(h9)를 나타내며, 상기 메인 팽창장치(160)에서 감압된 냉매의 압력은 저압(PL)을 나타낸다.
그리고, 상기 메인 냉매배관(52)의 냉매는 상기 증발기(140)에서 증발된 후, 제 1 엔탈피(h1)에서 압축기(100)의 흡입 포트(103)로 흡입될 수 있다. 그리고, 상기 흡입 포트(103)에서 흡입된 냉매는 1단 압축되어 지점 5에서의 물성치, 즉 중간압(PM) 및 제 5 엔탈피(h5)를 나타낸다. 상기 지점 5에서의 냉매는 인젝션 포트(105)를 통하여 유입된 중간압의 냉매와 혼합될 수 있다.
상기 인젝션 팽창장치(165)에서 감압된 냉매의 압력은 지점 3에서 중간압(PM) 및 제 3 엔탈피(h3)를 나타내며, 상기 내부 열교환기(130)로 유입되어 열교환 될 수 있다. 즉, 상기 인젝션 입구온도 센서(174)에 의하여 감지된 온도에 대응하는 엔탈피는 상기 제 3 엔탈피(h3)를 나타낼 수 있다.
상기 내부 열교환기(130)에서 열교환 된 인젝션 배관(55)의 냉매는 지점 4에서 중간압(PM) 및 제 4 엔탈피(h4)를 나타낸다. 상기 제 4 엔탈피(h4)는 상기 인젝션 출구온도 센서(176)에 의하여 감지된 온도에 대응하는 엔탈피로서 이해될 수 있다.
상기 제 4 엔탈피(h4)의 냉매는 상기 압축기(100)의 인젝션 포트(105)를 통하여 상기 압축기(100)로 인젝션 되며, 상기 1단 압축된 냉매와 혼합될 수 있다. 혼합냉매는 지점 6에서 중간압(PM) 및 제 6 엔탈피(h6)를 나타낸다. 상기 지점 6에서의 물성치는 압축기(100)에서 2단 압축되기 이전의 냉매의 물성치로서, 압축기의 신뢰성을 확보하기 위하여 소정의 과열도가 유지될 필요가 있다.
다만, 상기 혼합냉매는 압축기(100)의 내부에 존재하는 냉매로서 센서등을 통하여 냉매의 온도를 알기가 어렵다. 따라서, 종래에는 안전율을 고려하여 지점 4에서의 과열도를 높게 유지하고, 이에 따라 혼합냉매에 과열도가 충분히 확보될 수 있도록 제어하였다. 여기서, 상기 지점 4에서의 과열도는 인젝션 출구 온도센서(176)에서의 온도값에서, 인젝션 입구 온도센서(174)에서의 온도값을 감한 값으로 결정될 수 있다.
이 경우, 압축기(100)의 신뢰성에는 문제가 적을 수 있으나, 상기 인젝션 배관(55)을 유동하는 인젝션 냉매의 양이 적어 인젝션 효과, 즉 압축기의 토출온도 저감효과가 적어지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 실시예에서는 지점 6에서의 과열도를 계산(또는 추정)하여, 상기 지점 6에서의 과열도가 기 설정된 과열도로 유지될 수 있도록 제어함으로써, 압축기(100)의 신뢰성을 유지하고, 냉매의 인젝션 효과를 달성하는 것을 주요 특징으로 한다.
상기 지점 6에서의 냉매는 2단 압축후 지점 7에서의 냉매 상태를 나타낼 수 있다. 상기 지점 7에서 냉매는 고압(PH) 및 제 6 엔탈피(h7)를 나타낸다. 상기 지점 7에서의 토출온도는 상기 토출온도 센서(170)에 의하여 감지될 수 있으며, 토출 과열도는 상기 토출온도에서 응축온도를 감한 값으로 결정될 수 있다. 여기서, 상기 응축온도는 상기 고압 센서(180)에서 감지된 압력으로부터 환산된 온도값으로 이해될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 구성을 보여주는 블럭도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기의 제어방법을 보여주는 플로우 챠트이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기(10)에는, 압축기(100)의 출구측에 배치되어 압축기(100)에서 압축된 냉매의 토출온도를 감지하는 토출온도 센서(170)와, 인젝션 배관(55)에서 내부 열교환기(130)의 유입측에 설치되어 냉매의 온도를 감지하는 인젝션 입구 온도센서(174) 및 상기 내부 열교환기(130)의 출구측에 설치되어 냉매의 온도를 감지하는 인젝션 출구 온도센서(176)가 포함된다.
그리고, 상기 인젝션 입구 온도센서(174)에서 감지된 냉매의 온도값은 사이클의 중간압(PM)으로 환산될 수 있다. 냉매가 2상 상태의 경우, 온도값과 압력값은 각각 하나의 값으로 매핑될 수 있다.
상기 공기 조화기(10)에는, 상기 압축기(100)의 출구측에 설치되어 압축된 냉매의 압력, 즉 사이클의 고압을 감지하는 고압 센서(180)가 더 포함된다.
상기 공기 조화기(10)에는, 압축기(100)에서 1단 압축된 냉매와, 상기 인젝션 배관(55)에서 압축기(100)로 인젝션 된 냉매의 혼합 냉매의 과열도를 결정하기 위한 계산식에 관한 정보를 기억하는 메모리부(250)가 더 포함된다.
상기 계산식은 아래와 같다.
계산식 (1)
Figure 112018071845570-pat00001
Tmix는 지점 6에서의 혼합냉매의 온도값이며, 현재 Td는 압축기(100)의 현재 토출온도를 나타낸다. 상기 현재 Td는 상기 토출온도 센서(170)에서 감지되는 값으로 이해된다.
그리고, Phigh는 고압(PH)을 나타내고, Pmid는 중간압(PM)을 나타낸다. 상기 Phigh는 상기 고압 센서(180)에 의하여 감지되는 값이며, 상기 Pmid는 상기 인젝션 입구온도 센서(174)에 의하여 감지된 온도값, 즉 인젝션 입구온도를 압력값으로 환산한 값으로서 이해될 수 있다.
그리고, n 값은 폴리트로픽(polytropic) 지수로서, 지점 6에서 지점 7까지의 압력변화(압축비)와, 압축기(100)의 흡입온도 및 상기 압축기(100)의 토출온도를 인자(factor)로 하여, 결정될 수 있다. 일례로, 상기 n 값은 1.20~1.30의 범위에 있는 값으로 결정될 수 있다.
위와 같은 계산식에 의하여 계산된 혼합냉매의 온도값을 이용하여, 아래와 같은 계산식 (2)에 의하여 혼합냉매의 과열도(Tmix,sh)가 계산될 수 있다.
계산식 (2)
Tmix,sh = Tmix - 인젝션 입구온도
상기 공기 조화기(10)에는, 온도센서(170,174,176) 및 고압센서(180)에서 감지된 값과, 상기 메모리부(250)에 저장된 정보에 기초하여, 상기 혼합냉매의 과열도를 결정하는 제어부(200)가 더 포함된다.
상기 제어부(200)는 상기 결정된 혼합냉매 과열도(Tmix,sh)와, 기 설정된 과열도를 비교하여, 상기 혼합냉매 과열도가 상기 기설정된 과열도의 범위내에 유지될 수 있도록, 인젝션 팽창장치(165)의 개도를 조절할 수 있다.
이하에서는, 도 5의 플로우 챠트를 참조하여, 본 실시예에 따른 공기 조화기의 제어방법에 대하여 설명한다.
압축기(100)가 구동되고, 공기 조화기(10)의 운전이 시작된다. 먼저, 공기 조화기(10)의 일반 운전모드가 수행될 수 있다. 상기 일반 운전모드에서는, 상기 인젝션 팽창장치(165)는 폐쇄되어, 도 2에서 설명한 냉동 사이클의 P-h 선도에 따른 냉매 물성치가 형성된다 (S11,S12).
상기 일반 운전모드 수행중에, 인젝션 운전모드 돌입조건을 충족하는지 여부가 결정될 수 있다. 상기 돌입조건에는, 압축기(100)의 토출온도가 기 설정온도 이상으로 형성되는 제 1 조건, 압축기(100)의 토출과열도가 기 설정과열도 이상으로 형성되는 제 2 조건 또는 상기 압축기(100)의 운전 주파수가 기 설정주파수 이상으로 형성되는 제 3 조건이 포함될 수 있다.
상기 제 1~3 조건 중 어느 하나의 조건이 충족되면, 상기 인젝션 운전모드가 수행될 수 있다. 반면에, 상기 제 1~3 조건이 모두 충족되지 않으면, 계속하여 일반 운전모드가 수행될 수 있다 (S13,S14).
상기 인젝션 운전모드가 수행되면, 압축기(100)의 토출온도 및 토출압력, 그리고 인젝션 입구온도 센서(174)에 의한 인젝션 입구온도를 감지하며, 상기한 계산식 (1)을 이용하여, 즉 압축기(100)의 토출온도, 냉동 사이클의 고압/중간압을 이용하여, 압축기(100) 내부의 혼합냉매 온도(Tmix)를 계산할 수 있다 (S15).
그리고, 상기한 계산식 (2)를 이용하여, 즉 계산된 혼합냉매 온도(Tmix)와, 인젝션 입구온도를 이용하여, 혼합냉매 과열도(Tmix,sh)를 계산할 수 있다 (S16).
상기 계산된 혼합냉매 과열도(Tmix,sh)와 기 설정된 과열도가 비교될 수 있다. 상기 기 설정된 과열도는, 압축기의 2단 압축시 액 냉매가 압축되는 것을 방지하여 압축기의 신뢰성을 확보하고 일정량 이상의 인젝션 냉매가 압축기(100)로 유입될 수 있는 수준에서 결정된 값으로서 이해될 수 있다. 일례로, 상기 기 설정된 과열도는 0~1℃의 범위에서 설정될 수 있다 (S17).
상기 계산된 혼합냉매 과열도(Tmix,sh)가 기 설정된 과열도보다 크면, 인젝션 배관(55)을 통하여 인젝션 되는 냉매량이 상대적으로 적은 것이므로, 상기 인젝션 팽창장치(165)의 개도를 증가하여, 상기 인젝션 배관(55)을 통하여 인젝션 되는 냉매량을 증가할 수 있다 (S18).
반면에, 상기 계산된 혼합냉매 과열도(Tmix,sh)가 기 설정된 과열도 이하이면, 인젝션 배관(55)을 통하여 인젝션 되는 냉매량이 상대적으로 많은 것이므로, 상기 인젝션 팽창장치(165)의 개도를 감소하여, 상기 인젝션 배관(55)을 통하여 인젝션 되는 냉매량을 감소할 수 있다 (S19).
이와 같이, 압축기(100)의 내부에 존재하는 혼합냉매의 온도(Tmix) 및 과열도(Tmix,sh)를 직접 감지할 수 없더라도, 상기 계산식 (1),(2)를 통하여 혼합냉매의 온도(Tmix) 및 상기 과열도(Tmix,sh)를 계산할 수 있으므로, 인젝션 배관(55)을 통하여 인젝션 되어야 할 냉매량을 용이하게 조절할 수 있다.
따라서, 공기 조화기의 운전 수행중에 감지되는 냉매의 상태(물성치)에 따라, 압축기로의 냉매 인젝션을 제어할 수 있으므로, 안정적인 공기 조화기의 운전이 수행될 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 공기 조화기의 능력이 개선되어 출수유로(125)에서의 고온 출수가 용이하게 이루어질 수 잇다.
10 : 공기 조화기 100 : 압축기
110 : 응축기 121 : 입수유로
125 : 출수유로 130 : 내부 열교환기
140 : 증발기 150 : 기액분리기
160 : 메인 팽창장치 165 : 인젝션 팽창장치
170 : 토출온도 센서 174 : 인젝션 입구온도 센서
176 : 인젝션 토출온도 센서 180 : 고압 센서

Claims (13)

  1. 흡입포트 및 인젝션 포트를 가지며, 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축기의 출구측에 배치되며, 물의 입수유로 및 출수유로가 연결되는 응축기;
    상기 응축기의 출구측에 배치되는 분지부;
    상기 분지부로부터 분지되며, 상기 냉매의 일부인 메인 냉매가 1차 압축되도록 상기 흡입포트와 연결되는 메인 냉매배관;
    상기 분지부로부터 분지되며, 상기 냉매의 나머지 일부인 인젝션 냉매가 1차 압축된 상기 메인 냉매와 혼합되어 혼합 냉매를 형성하도록 상기 인젝션 포트와 연결되는 인젝션 배관;
    상기 메인 냉매배관 및 상기 인젝션 배관간에 열교환을 수행하는 내부 열교환기;
    상기 메인 냉매배관에 설치되며, 상기 내부 열교환기의 출구측에 배치되는 메인 팽창장치;
    상기 인젝션 배관에 설치되는 인젝션 팽창장치;
    상기 압축기의 토출온도를 감지하는 토출온도 센서;
    상기 내부열교환기의 입구측에 설치되어 인젝션 입구 온도를 감지하는 인젝션입구온도 센서;
    상기 압축기의 토출압력을 감지하는 고압 센서; 및
    혼합 냉매 과열도에 기초하여 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 조절하는 제어부가 포함되며,
    상기 혼합 냉매는 상기 압축기에서 2단 압축되고,
    상기 혼합 냉매 과열도는, 혼합 냉매 온도값에서 상기 인젝션입구온도 센서의 온도값을 뺀 값으로 계산하고,
    상기 혼합 냉매 온도값은, 2단 압축되기 전의 상기 혼합 냉매의 온도값을 계산하도록,
    상기 토출온도 센서에서 감지된 토출온도;
    상기 고압 센서에서 감지된 고압; 및
    상기 인젝션 입구온도 센서에서 감지된 온도를 환산한 압력값을 이용하여 결정되는 공기 조화기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝션 배관에 설치되며, 상기 내부 열교환기의 토출측 냉매 온도를 감지하는 인젝션 출구온도 센서가 더 포함되는 공기 조화기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결정된 과열도가 기 설정된 과열도보다 큰 것으로 인식되면, 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 증가하며,
    상기 결정된 과열도가 상기 기 설정된 과열도 이하인 것으로 인식되면, 상기 인젝션 팽창장치의 개도를 감소하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기 설정된 과열도는, 0~1℃의 범위에서 형성되는 공기 조화기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 팽창장치 또는 상기 인젝션 팽창장치에는,
    전자 팽창밸브(EEV)가 포함되는 공기 조화기.
  9. 냉매를 2단 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 출구측에 배치되며 물의 입수유로 및 출수유로가 연결되는 응축기와, 상기 응축기의 출구측에서 분지된 메인 냉매 및 인젝션 냉매간에 열교환을 수행하는 내부 열교환기가 포함되는 공기조화기의 제어방법에 있어서,
    상기 압축기의 토출측 온도 및 압력을 감지하는 단계;
    상기 내부 열교환기의 유입측에서, 상기 인젝션 냉매의 입구온도를 감지하는 단계;
    상기 압축기의 토출측 온도 및 압력과, 상기 인젝션 냉매의 입구온도를 환산한 압력값을 이용하여, 상기 압축기 내부의 혼합냉매의 온도를 결정하는 단계;
    상기 결정된 혼합냉매의 온도와, 상기 인젝션 냉매의 입구온도를 이용하여, 상기 혼합냉매의 과열도를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 과열도에 기초하여, 상기 압축기로 인젝션 되는 인젝션 냉매의 양을 조절하는 단계가 포함되고,
    상기 압축기에는 흡입 포트 및 상기 인젝션 냉매가 유입되는 인젝션 포트가 포함되고,
    상기 혼합냉매는,
    상기 흡입 포트에서 흡입되어 1단 압축된 냉매와, 상기 인젝션 포트에서 유입된 인젝션 냉매의 혼합된 냉매인 것을 특징으로 하는 공기 조화기의 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축기에는 흡입 포트 및 상기 인젝션 냉매가 유입되는 인젝션 포트가 포함되고,
    상기 혼합냉매는,
    상기 흡입 포트에서 흡입되어 1단 압축된 냉매와, 상기 인젝션 포트에서 유입된 인젝션 냉매의 혼합된 냉매인 것을 특징으로 하는 공기 조화기의 제어방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정된 과열도가 기 설정된 과열도보다 큰 것으로 인식되면, 상기 압축기로 인젝션 되는 인젝션 냉매의 양은 증가되며,
    상기 결정된 과열도가 상기 기 설정된 과열도 이하인 것으로 인식되면, 상기 압축기로 인젝션 되는 인젝션 냉매의 양은 감소하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기의 제어방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 공기 조화기의 운전모드에는, 상기 압축기로의 냉매 인젝션이 중단되는 일반 운전모드 및 상기 압축기로의 냉매 인젝션이 수행되는 인젝션 운전모드가 포함되는 공기 조화기의 제어방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 일반 운전모드 수행 중에,
    압축기의 토출온도가 기 설정온도 이상으로 형성되는 경우,
    상기 압축기의 토출과열도가 기 설정과열도 이상으로 형성되는 경우, 또는
    상기 압축기의 운전 주파수가 기 설정주파수 이상으로 형성되는 경우에,
    상기 인젝션 운전모드에 돌입되는 것을 특징으로 하는 공기 조화기의 제어방법.
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