KR102354891B1 - 공기 조화기 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다단 팽창 방식의 공기 조화기 및 그 제어 방법을 제안한다. R410A 냉매가 적용된 공기 조화기에서 전자식 팽창 밸브를 직렬로 연결하여 다단 팽창 방식을 구현함으로써 냉난방 모든 부하 영역에서 최적의 압축비 확보가 가능하도록 한다. 따라서 R410A 냉매를 R32 냉매로 변경하여 사이클 특성이 달라지더라도 전자식 팽창 밸브의 개도량 제어만으로 사이클을 최적화할 수 있다. 이와 같이, 기존의 전자식 팽창 밸브를 직렬로 단순히 연결하는 다단 팽창 방식을 통해 사이클 최적화가 가능해지므로 열교환기와 같은 필수 구성 부품의 설계 변경 없이 설계 변경을 최소화할 수 있어 시스템 구현이 용이하고 경제적 측면에서 큰 장점을 가지게 된다. 또한, 냉난방 성능 향상 및 신뢰성 확보가 모든 부하 조건에서 가능하여 시스템 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

공기 조화기 및 그 제어 방법{AIR CONDITIONER AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 다단 팽창 방식의 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, 압축기, 응축기, 팽창 장치, 증발기로 이루어지는 냉매 사이클을 냉매가 순환하면서 냉매의 증발, 응축 과정에서 생기는 열의 이동을 이용하여 실내를 냉방 또는 난방하는 장치이다.
이러한 공기 조화기에서 실내 열 에너지를 실외로 전달하거나, 실외 열 에너지를 실내로 전달하는 냉매는 프레온 가스로 널리 알려진 염화불화탄소(CFC; Chloro Fluoro Carbon) 계열의 냉매를 주로 사용하였다.
그러나, CFC 계열의 냉매가 성층권의 오존층을 붕괴시키는 주요한 원인으로 지목된 이후 CFC 계열의 냉매 사용이 전 세계적으로 완전히 금지되었으며, 대체 냉매로써 수소염화불화탄소(HCFC; Hydro Chloro Fluoro Carbon) 계열의 냉매가 사용되었다.
최근에는 냉매 사용에 대한 규제의 기준이 오존층 파괴 지수(Ozone Depletion Potential, ODP)에서 지구 온난화 지수(GWP; Global Warming Potential, GWP)로 변경되면서 지구 온난화의 원인으로 지목된 HCFC 계열의 냉매를 대체할 냉매로, 수소불화탄소(HFC; Hydro Fluoro Carbon) 계열의 냉매로 냉매의 전환이 이루어지고 있다.
현재 주거용 공기 조화기에서 가장 일반적으로 널리 사용하고 있는 냉매는 HFC 계열의 R410A 냉매이며, R410A 냉매를 적용한 공기 조화기의 경우 해당 냉매의 물성을 고려하여 열교환기와 압축기, 팽창 장치와 같은 필수 구성 부품의 최적 설계가 이루어진다.
그러나, HFC 계열의 냉매라 하더라도GWP 수치가 높은 냉매는 지구 온난화를 일으키는 특성으로 인해 국제적으로 규제 대상이 되고 있다. R410A 냉매의 경우 GWP 수치가 2089로, LOW-GWP 냉매 적용이 시급한 상황이다. 동일한 HFC 계열의 R32 냉매의 경우 GWP 수치가 675로, R410A 냉매 대비 약 1/3 수준이므로 대체 냉매로서 점진적으로 적용되고 있다.
그러나, R410A 냉매가 적용된 공기 조화기에 R32 냉매가 적용될 경우, 동일한 HFC 계열의 냉매라 하더라도 냉매 밀도와 비체적 같은 질량 유량을 결정하는 냉매의 물성이 변하기 때문에 사이클을 순환하는 냉매의 유량이 변하게 되고, 증발 및 응축 효율을 결정하는 압축비(Compression ratio)가 달라지게 된다. 결국 사이클 최적화가 이루어지지 않아 성능 및 신뢰성 확보가 어려워진다. 이에 사이클 최적화를 위해서는 열교환기와 같은 필수 구성 부품의 설계 변경이 필요하므로 새로운 부품 개발이 이루어져야 한다. 이러한 설계 변경으로 인하여 비용 및 시간이 크게 증가하고, 제품 비용 상승으로 인한 경쟁력 저하가 발생될 수 있다.
상술한 문제를 해결하기 위하여 개시된 본 발명의 일 측면은, R410A 냉매 대신 R32 냉매를 사용하더라도 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브가 직렬로 연결된 다단 팽창 장치를 이용하여 사이클을 최적화함으로써 설계 변경을 최소화할 수 있는 공기 조화기 및 그 제어 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 냉매를 압축하는 압축기; 냉매의 흐름을 냉난방 모드에 따라 전환하는 유로 전환 밸브; 냉매를 감압하는 다단 팽창 장치;를 포함하고, 압축기는, R32 냉매를 작동 유체로 하는 로터리 압축기로 이루어지고, 다단 팽창 장치는, 고압 상태의 냉매 압력을 감압하는 제1팽창 밸브와, 중간 상태의 냉매 압력을 감압하는 제2팽창 밸브를 포함한다.
제1팽창 밸브와 제2팽창 밸브는, 직렬로 연결되어 2단 팽창 방식을 구현하며, 개도량 변화를 통해 R32 냉매의 유량 및 압력을 조절한다.
압축기는, 용량 가변이 가능한 회전수 가변형 방식의 압축기로 이루어진다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 냉난방 모든 부하 영역에서 최적 압축비 확보를 위해 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 실외 온도를 검출하는 실외 온도 검출부; 압축기의 회전수를 검출하는 회전수 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 실외 온도 검출부에서 검출된 실외 온도와, 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 초기 개도량을 선정한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 실내 온도를 검출하는 실내 온도 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 실내 온도 검출부에서 검출된 실내 온도와, 실외 온도 검출부에서 검출된 실외 온도와, 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 초기 개도량을 선정한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 압축기의 출구측 냉매 온도를 검출하는 토출 온도 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 토출 온도 검출부에서 검출된 압축기 토출 온도와, 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 산출한다.
제어부는, 압축기 토출 온도와 압축기 회전수를 일정 시간 주기로 검출하여 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 제어한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량을 검출하는 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 압축기 토출 온도와 압축기 회전수, 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 실내 온도를 검출하는 실내 온도 검출부; 실외 온도를 검출하는 실외 온도 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 실내 온도 검출부에서 검출된 실내 온도와, 실외 온도 검출부에서 검출된 실외 온도에 따라 냉난방 부하를 예측하여 제1팽창 밸브의 개도량을 제어한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량을 검출하는 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 실내 온도와 실외 온도, 제1팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 제1팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기는, 압축기의 출구측 냉매 온도를 검출하는 토출 온도 검출부;를 더 포함하고, 제어부는, 토출 온도 검출부에서 검출된 압축기 토출 온도와, 압축기 회전수, 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어한다.
그리고, 본 발명의 일 측면은 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매를 2단 팽창 방식으로 감압하는 제1 및 제2팽창 밸브를 구비하고, 압축기는 R32 냉매를 작동 유체로 하는 로터리 압축기로 이루어진 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 실외 온도와 압축기의 회전수 및 압축기의 냉매 토출 온도를 검출하고; 검출된 실외 온도와 압축기 회전수에 따라 제1 및 제2팽창 밸브의 초기 개도량을 선정하고; 압축기 토출 온도와 압축기 회전수에 따라 제1 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 산출하고; 산출된 목표 개도량으로 제1 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 것;을 포함한다.
제1 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 것은, 압축기 토출 온도와 압축기 회전수를 일정 시간 주기로 검출하여 제1 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 제어하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기의 제어 방법은, 제1 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량을 검출하는 것;을 더 포함하고, 제1 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 것은, 압축기 토출 온도와 압축기 회전수, 제1 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 제1 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기의 제어 방법은, 실내 온도를 검출하고; 실내 온도와 실외 온도, 제1팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 냉난방 부하를 예측하여 제1팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 것;을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 공기 조화기의 제어 방법은, 압축기 토출 온도와 압축기 회전수, 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 것;을 더 포함한다.
제안된 공기 조화기 및 그 제어 방법에 의하면, R410A 냉매가 적용된 공기 조화기에서 전자식 팽창 밸브를 직렬로 연결하여 다단 팽창 방식을 구현함으로써 냉난방 모든 부하 영역에서 최적의 압축비 확보가 가능하도록 한다. 따라서 R410A 냉매를 R32 냉매로 변경하여 사이클 특성이 달라지더라도 전자식 팽창 밸브의 개도량 제어만으로 사이클을 최적화할 수 있다. 이와 같이, 기존의 전자식 팽창 밸브를 직렬로 단순히 연결하는 다단 팽창 방식을 통해 사이클 최적화가 가능해지므로 열교환기와 같은 필수 구성 부품의 설계 변경 없이 설계 변경을 최소화할 수 있어 시스템 구현이 용이하고 경제적 측면에서 큰 장점을 가지게 된다. 또한, 냉난방 성능 향상 및 신뢰성 확보가 모든 부하 조건에서 가능하여 시스템 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기의 시스템 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 공기 조화기의 냉방 운전 시, 냉매 사이클을 도시한 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 공기 조화기의 난방 운전 시, 냉매 사이클을 도시한 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시한 공기 조화기의 제어 계통도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기의 P-h 선도에서 2개의 팽창 밸브에 의한 2단 팽창 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 다단 팽창 방식의 제1제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 다단 팽창 방식의 제2제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 다단 팽창 방식의 제3제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 R32 냉매 적용 후, 다단 팽창 방식의 팽창 밸브를 적용했을 때의 사이클 변화를 도시한 도면이다.
도 10은 냉난방 부하 조건(최소/정격/최대)을 선정하여 동일한 시스템에서 기존R410A 냉매 적용과 R32 냉매 적용 시 팽창 밸브의 개수에 따른 개도량 비교를 도시한 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예이며, 본 출원의 출원 시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
이하에서는 본 발명에 의한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기의 시스템 구성도이다.
도 1에서, 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. 실외기(100)에는 실내기(200)로 연결되는 냉매 배관을 체결하는 고압 서비스 밸브(120)와 저압 서비스 밸브(122)가 부착되어 있다.
실외기(100)는 압축기(102), 유로 전환 밸브(106), 실외 열교환기(108), 제1팽창 밸브(110) 및 제2팽창 밸브(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
압축기(102)는 입구측(102a)를 통해 흡입되는 저온 저압(低溫低壓)의 냉매(冷媒)를 압축하여 고온 고압(高溫高壓)의 냉매를 형성한 후, 고온 고압(高溫高壓)의 냉매를 출구측(102b)을 통해 토출한다. 압축기(102)는 입력 주파수에 따라 압축 용량이 가변되는 회전수 가변형 방식의 로터리 압축기로 구성할 수 있다. 이러한 압축기(102)는 배기량 9~12cc/rev 급의 소용량 회전수 가변형 로터리 압축기가 적용될 수 있다. 압축기(102)의 입구측(102a)과 출구측(102b)은 유로 전환 밸브(106)와 연결된다.
유로 전환 밸브(106)는 사방 밸브로 구성될 수 있으며, 압축기(102)에서 토출되는 냉매의 흐름을 운전 모드(냉방 또는 난방)에 따라 전환함으로써, 해당 모드의 운전에 필요한 냉매 유로가 형성되도록 한다. 유로 전환 밸브(106)는 압축기(100)의 출구측(102b)에 연결되는 제1포트(106a)와, 실외 열교환기(108) 측에 연결되는 제2포트(106b)와, 실내기(200) 측에 연결되는 제3포트(106c)와, 압축기(100)의 입구측(102a)에 연결되는 제4포트(106d)를 가질 수 있다.
실외 열교환기(108)는 냉방 모드에서는 고온 고압 기체 상태의 냉매를 상온(常溫) 고압 액체 상태로 응축시키는 응축기(condenser)로 동작하고, 난방 모드에서는 저온 저압 액체 상태의 냉매를 기체 상태로 증발시키는 증발기(evaporator)로 동작하여 냉매의 엔탈피(enthalpy) 변화에 대응하여 주변 공기와 열교환하는 작용을 한다. 실외 열교환기(108)의 일 측에는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)가 연결된다. 실외 열교환기(108)에는 냉매와 실외 공기 사이의 열교환 효율을 높이기 위한 실외 팬(109)이 설치될 수 있다.
제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구성될 수 있으며, 냉매를 팽창시키고 냉매의 유량을 조절하며 필요한 경우 냉매의 유동을 차단할 수 있다.
제1팽창 밸브(110)는 고압 상태의 냉매 압력을 감압할 수 있으며, 제2팽창 밸브(112)는 중간 상태의 냉매 압력을 감압할 수 있다. 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)는 이러한 기능을 수행하는 다른 구조의 팽창 장치로 대체될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 직렬로 연결하여 다단 팽창 방식을 구현함으로써 냉난방 모든 부하 영역에서 최적의 압축비 확보가 가능할 수 있다. 이러한 다단 팽창 방식은 기존의 전자식 팽창 밸브를 직렬로 단순히 연결하는 방식이므로, 실외 열교환기(108)의 설계 변경과 같은 종래의 설계 변경 대비 변경 사항을 최소화할 수 있다.
실내기(200)는 냉매와 공기 사이의 열 교환을 통해 실내를 냉방/난방시키는 장치이다. 실내기(200)는 실내 열교환기(202)와 실내 팬(203)을 포함하여 구성될 수 있으며, 필요에 따라 두 개 이상이 설치될 수도 있다.
실내 열교환기(202)는 냉방 모드에서는 증발기로 동작하고, 난방 모드에서는 응축기로 동작한다. 실내 팬(203)은 실내 열교환기(202)에 근접하게 설치되어 실내 공기를 송풍시켜 실내 열교환기(202) 내부를 순환하는 냉매와 실내 공기 사이의 열교환 효율을 높일 수 있다.
이하에서는 이러한 공기 조화기(1)에서 실내 열 에너지를 실외로 전달하거나, 실외 열 에너지를 실내로 전달하는 냉매에 대하여 설명한다.
현재 주거용 공기 조화기에서 일반적으로 사용하고 있는 HFC 계열의 R410A 냉매는 지구 온난화를 일으키는 GWP 수치가 높아 국제적으로 규제 대상이 되고 있다. 이에 GWP 수치가 낮은 동일한 HFC 계열의 R32 냉매가 대체 냉매로 점차 적용되고 있다.
이 두 냉매는 동일한 HFC 계열의 냉매이지만, GWP 수치가 낮은 R32 냉매의 경우 상대적으로 비체적은 크고 밀도는 작아 질량 유량이 감소하게 되나, 단위 질량당 냉동 능력이 우수하여 R410A 대비 2~3% 성능향상을 기대할 수 있다. 하지만 R410A 냉매가 적용된 동일한 시스템에 R32 냉매만 변경하여 적용할 경우, 질량 유량이 감소하여 증발 및 응축 효율을 결정하는 압축비가 달라지게 되므로 사이클 최적화가 이루어지지 않아 최적 성능 및 신뢰성 확보가 어려워진다.
R32 냉매 적용으로 밀도 감소에 의한 유량 감소는 고부하 조건보다는 냉난방 저부하(Part-load) 조건에서 이슈가 된다. 저부하 조건에서는 회전수 가변형 압축기(102)의 회전수가 작아져야 하므로 압축비는 감소하는 구간이다. 해당 조건에서 공기와의 열교환을 통해 냉매의 증발 과정이 정상적으로 이루어지기 위해서는 팽창 밸브의 개도량 감소를 통해 증발 포화 압력을 감소시켜 정상 사이클이 이루어져야 한다. 압축기(102) 회전수 감소가 이루어지는 저부하 조건에서는 시스템 총 유량까지 감소하면서 팽창 밸브의 개도량을 최소화하더라도 압축비 확보가 되지 않아 성능 및 신뢰성 확보가 불가능해진다. 이런 현상은 주거용에서 사용되는 소용량[9,000~12,000 Btu/h] 공기 조화기에서 특징적으로 나타날 수 있다.
따라서, R32 냉매 적용 시에는 최적의 사이클 구현을 위한 최적의 압축비를 확보하기 위해 기존 1단 팽창 방식이 아닌 다단 팽창 방식을 구현함으로써 저유량 조건에서 정상 사이클을 구현하여 성능과 신뢰성을 확보하였다. 이러한 다단 팽창 방식은 기존 팽창 밸브를 직렬로 단순히 연결하는 방식이므로, 열교환기 설계 변경 대비 변경 사항을 최소화할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 공기 조화기의 냉방 운전 시, 냉매 사이클을 도시한 구성도이다.
도 2에서, 실외기 제어부(130)는 유로 전환 밸브(106)를 동작시켜 제1포트(106a)와 제2포트(106b)가 연결되고, 제3포트(106c)와 제4포트(106d)가 연결되는 냉매 유로를 형성한다.
또한, 실외기 제어부(130)는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 개방(OPEN)시켜 실내기(200)로 냉매가 흐르도록 제어한다.
따라서, 압축기(102)에서 토출된 냉매는 유로 전환 밸브(106)와 실외 열교환기(108)를 거쳐 실내기(200)로 흐른다. 이때의 실외 열교환기(108)는 응축기로 동작한다.
실내기(200)로 유입된 냉매는 실내 열교환기(202)를 거치고, 다시 유로 전환 밸브(106)를 거쳐 압축기(102)로 흡입된다. 이때의 실내 열교환기(202)는 증발기로 동작한다.
이에 따라, 공기 조화기(1)는 압축기(102)→ 유로 전환 밸브(106)→ 실외 열교환기(108)→ 제1팽창 밸브(110)→ 제2팽창 밸브(112)→ 실내 열교환기(202)→ 유로 전환 밸브(106)→ 압축기(102) 순으로 순환되는 냉매 사이클을 구성하여 실내기(200)의 냉방 운전을 수행할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 공기 조화기의 난방 운전 시, 냉매 사이클을 도시한 구성도이다.
도 3에서, 실외기 제어부(130)는 유로 전환 밸브(106)를 동작시켜 제1포트(106a)와 제3포트(106c)가 연결되고, 제2포트(106b)와 제4포트(106d)가 연결되는 냉매 유로를 형성한다.
또한, 실외기 제어부(130)는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 개방(OPEN) 상태로 동작시켜 실내기(200)로 냉매가 흐르도록 제어한다.
따라서, 압축기(102)에서 토출된 냉매는 유로 전환 밸브(106)를 거쳐 실내기(200)로 흐른다.
실내기(200)로 유입된 냉매는 실내 열교환기(202)를 거쳐 실외 열교환기(108)로 흐른다. 이때의 실내 열교환기(202)는 응축기로 동작하고, 실외 열교환기(108)는 증발기로 동작한다. 실외 열교환기(108)를 통과한 냉매는 다시 유로 전환 밸브(106)를 거쳐 압축기(102)로 흡입된다.
이에 따라, 공기 조화기(1)는 압축기(102)→ 유로 전환 밸브(106)→ 실내 열교환기(202)→ 제2팽창 밸브(112)→ 제1팽창 밸브(110)→ 실외 열교환기(108)→ 유로 전환 밸브(106)→ 압축기(102) 순으로 순환되는 냉매 사이클을 구성하여 실내기(200)의 난방 운전을 수행할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 공기 조화기의 제어 계통도이다.
도 4에서, 공기 조화기(1)의 실외기(100)는 도 1에 도시한 구성 요소 이외에 실외기 제어부(130), 검출부(140) 및 실외 통신부(150)를 더 포함할 수 있다.
실외기 제어부(130)는 실외기(100)의 전반적인 동작을 제어하는 마이크로프로세서로, 검출부(132)로부터 실외기(100)의 운전에 필요한 각종 정보를 전달받고, 이를 기초로 하여 압축기(102)와 유로 전환 밸브(106), 제1팽창 밸브(110), 제2팽창 밸브(112)의 동작을 제어한다.
실외기 제어부(130)는 실외 온도(To)와 압축기 회전수(Cf)에 따는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량이 내장된 메모리에 미리 설정되어 있다.
검출부(140)는 실외기(100)에 설치된 센서들로부터 실외기(100)의 운전에 필요한 각종 정보를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달하는 것으로, 실외 온도 검출부(142), 토출 온도 검출부(144) 및 회전수 검출부(146)를 포함할 수 있다.
실외 온도 검출부(142)는 실외기(100)가 설치된 실외 공간의 온도(To)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다.
토출 온도 검출부(144)는 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다.
회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다.
실외 통신부(150)는 실외기 제어부(130)에 연결되며, 실내기(200)와 상호간에 통신이 가능하도록 구성할 수 있다.
그리고, 공기 조화기(1)의 실내기(200)는 도 1에 도시한 구성 요소 이외에 실내기 제어부(210), 검출부(220), 입력부(230), 표시부(232) 및 실내 통신부(234)를 더 포함할 수 있다.
실내기 제어부(210)는 실내기(200)의 전반적인 동작을 제어하는 마이크로프로세서로, 검출부(220)로부터 실내기(200)의 운전에 필요한 각종 정보를 전달받고, 이를 기초로 하여 실내기(200)의 동작을 제어한다.
검출부(220)는 실내기(200)에 설치된 센서들로부터 실내기(200)의 운전에 필요한 각종 정보를 검출하여 실내기 제어부(210)에 전달하는 것으로, 실내 온도 검출부(222), 열교환기 온도 검출부(224)를 포함할 수 있다.
실내 온도 검출부(222)는 실내기(200)가 설치된 실내 공간의 온도(Tr)를 검출하여 실내기 제어부(210)에 전달한다.
열교환기 온도 검출부(224)는 실내 열교환기(202)의 온도를 검출하여 실내기 제어부(210)에 전달한다.
입력부(230)는 실내기(200)의 운전을 선택하기 위한 제어 명령을 무선으로 송신하는 원격 제어 장치로, 냉방 또는 난방 모드를 선택할 수 있다.
이러한 입력부(230)는 휴대폰(Cellphone, PCS phone), 스마트 폰(smart phone), 휴대 단말기(Personal Digital Assistants: PDA), 휴대용 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player: PMP), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털 방송용 단말기, 넷북, 태블릿, 네비게이션(Navigation) 등을 포함할 수 있다.
이외에도, 입력부(230)는 간단한 형태의 일반적인 리모컨일 수 있다. 리모컨은 일반적으로 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association)을 이용하여 실내기(200)와 신호를 송수신한다.
또한, 입력부(230)는 RF(Radio Frequency), 와이파이(Wireless Fidelity, Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 엔에프씨(near field communication: NFC), 초광대역(Ultra Wide Band: UWB) 통신 등 다양한 방식을 이용하여 실내기(200)와 무선 통신 신호를 송수신할 수 있으며, 입력부(216)와 실내기(200)가 무선 통신 신호를 주고 받을 수 있는 것이면, 어느 방식을 사용하여도 무방하다.
또한, 입력부(230)는 실내기(200)의 전원을 온/오프(OFF) 제어하기 위한 운전/정지 버튼과, 실내기(200)의 운전 모드를 선택하기 위한 운전 선택 버튼과, 기류의 방향을 제어하기 위한 풍향 버튼과, 기류의 세기를 제어하기 위한 풍량 버튼과, 온도 조절을 위한 온도 버튼과, 다이얼 등을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 공기 조화기(1)는 입력부(230)의 모드 선택에 따라 난방 모드(Heating Mode)와 냉방 모드(Cooling Mode)의 운전을 수행할 수 있다.
표시부(232)는 실내기 제어부(210)의 제어 신호에 따라 실내기(200)의 동작 상태를 표시할 수 있다.
실내 통신부(234)는 실내기 제어부(210)와 연결되며, 실외기(100)와 상호간에 통신이 가능하도록 구성할 수 있다.
실외기 제어부(130)와 실내기 제어부(210)는 전원 공급부(미도시)에 연결되어 전원을 공급받는다.
또한, 실외기 제어부(130)와 실내기 제어부(210)를 일체로 구성하여 실외기 제어부(130)에서 실내기 제어부(210)의 동작을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기의 P-h 선도에서 2개의 팽창 밸브에 의한 2단 팽창 과정을 도시한 도면이다.
도 5에서, 냉방 운전의 경우, 제1팽창 밸브(110)는 응축기(구체적으로, 실외 열교환기) 출구쪽의 과냉 상태의 냉매를 기상과 액상이 혼합된 이상 영역까지 압력을 감소시키는 역할을 수행하며, 제2팽창 밸브(112)는 제1팽창 밸브(110) 통과 후 중간압의 이상 냉매를 증발 압력까지 압력을 낮추는 역할을 수행한다.
반면, 난방 운전 시, 제1팽창 밸브(110)는 제2팽창 밸브(112) 역할을 수행하며, 제2팽창 밸브(112)는 제1팽창 밸브(110) 역할을 수행한다.
이와 같이, 제1팽창 밸브(110)의 개도량을 조절하여 중간 압력 지점을 결정할 수 있으며, 제2팽창 밸브(112)의 개도량을 조절하여 증발 압력을 결정할 수 있어 결과적으로 압축비 제어가 가능해진다.
또한, 이상 상태에서 팽창이 시작되는 제2팽창 밸브(112)에서 압력 강하가 큰 폭으로 일어나게 된다. 따라서 질량 유량이 작은 저부하 조건에서도 제2팽창 밸브(112)를 통과하면서 목표 수준의 증발 압력까지 팽창이 가능해지며 결과적으로 원하는 수준의 압축비를 모든 조건에서 확보할 수 있어 성능과 신뢰성 확보가 가능해진다. 이러한 원리를 이용하여 냉매의 물성 차이에 의해 질량 유량이 작은 R32 냉매를 적용하여도 열교환기(108 또는 202)와 같은 핵심 구성 부품의 설계 변경 없이도 사이클의 최적화가 가능해진다. 공기 조화기(1)에서 최적의 압축비 확보가 되지 않을 경우 공기 측은 현열 능력이 감소하고, 냉매 측은 비엔탈피(Specific enthalpy, 단위 질량당의 엔탈피)가 감소하여 결국 냉난방 능력은 감소하게 되며 신뢰성 측면에서는 압축기(102) 입구측(102)에서 과열도가 확보되지 않아 액압축 발생 가능성도 증가하면서 신뢰성 문제를 유발할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기(1)에서 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 직렬로 연결한 다단 팽창 방식을 이용하여 물성이 다른 냉매를 사용하더라도 최적 유량 및 압축비 조절이 가능하도록 실내외 부하 조건에 따라 개도량을 변경하는 방법을 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 도 6 내지 도 8에서 공기 조화기(1)의 운전 모드는 냉방 운전을 기준으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 다단 팽창 방식의 제1제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
본 발명의 일 실시예는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 직렬로 연결한 다단 팽창 방식을 이용하여 물성이 다른 냉매를 사용하더라도 최적 유량 및 압축비 조절이 가능하도록 실내외 부하 조건에 따라 개도량을 제어하는 방법을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에서 공기 조화기(1)의 운전 모드는 냉방 운전을 기준으로 설명한다.
도 6에서, 사용자가 입력부(230)를 통해 원하는 운전 모드(예를 들어, 냉방 운전)를 선택하면, 선택된 냉방 운전 정보가 실내기 제어부(210)에 입력된다. 이때, 사용자는 입력부(230)를 통해 원하는 설정 온도(Ts)를 입력할 수 있다.
따라서, 실내기 제어부(210)는 사용자가 선택한 냉방 운전 정보에 따라 실내 팬(203)을 동작시킨다.
이어서, 실내기 제어부(210)는 실내 통신부(234)를 통해 실외기(100)의 실외 통신부(150)와 통신하고, 실외기 제어부(130)는 실내기 제어부(210)로부터 사용자가 선택한 냉방 운전 정보를 전달받아 실외 팬(109)과 압축기(102)를 순차적으로 기동시킨다.
실외기 제어부(130)는 사용자가 선택한 냉방 운전 정보에 따라 유로 전환 밸브(106)를 동작시켜 냉매가 도 2에 도시한 사이클로 순환하도록 제어하여 냉방 운전을 시작한다.
냉방 운전이 시작되면, 실외 온도 검출부(142)는 실외기(100)가 설치된 실외 공간의 온도(To)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달하고, 회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다(300).
따라서, 실외기 제어부(130)는 실외 온도 검출부(142)에서 검출된 실외 온도(To)와 회전수 검출부(146)에서 검출된 압축기 회전수(Cf)를 이용하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량을 선정한다(302).
실외기 제어부(130)에는 실외 온도(To)와 압축기 회전수(Cf)에 따라 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량이 미리 설정되어 있으므로, 실외 온도 검출부(142)에서 검출된 실외 온도(To)와 회전수 검출부(146)에서 검출된 압축기 회전수(Cf)에 따라 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량을 선정할 수 있게 된다.
또한, 실외기 제어부(130)는 실내 온도(Tr), 실외 온도(To) 및 압축기 회전수(Cf)의 세 가지 검출값을 이용하여 초기 개도량을 선정할 수도 있다.
이어서, 실외기 제어부(130)는 선정된 초기 개도량으로 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 열림과 닫힘을 진행하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 초기 개도량으로 조절한다(304).
초기 개도량 제어가 완료되면, 실외기 제어부(130)는 서모 온 조건인가를 판단한다(306).
서모 온 조건이란, 실내기(200)가 설치된 실내 공간의 온도 즉, 실내 온도(Tr)와 설정 온도(Ts)를 비교하여 압축기(102)의 기동 조건을 판단하는 것이다. 예를 들어, 실내 온도(Tr)가 설정 온도(Ts)에 도달하지 않으면 압축기(102)를 계속 기동해야 하므로 서모 온 조건이라고 하고, 실내 온도(Tr)가 설정 온도(Ts)에 도달하면 압축기(102)를 오프시켜야 하므로 서모 오프 조건이라고 한다.
단계 306의 판단 결과, 서모 온 조건이 아니면 실외기 제어부(130)는 실내 온도(Tr)가 설정 온도(Ts)에 도달하는 서모 오프 조건이라고 판단하고, 공기 조화기(1)의 동작을 종료한다.
한편, 단계 306의 판단 결과, 서모 온 조건이면 실외기 제어부(130)는 토출 온도 검출부(144)를 통해 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 검출하고, 회전수 검출부(146)를 통해 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출한다(308).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제1시간(t1; 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 검출하는 센싱 주기, 수 ms)이 경과하였는가를 판단한다(310).
토출 온도 검출부(144)는 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 실시간으로 센싱 주기(t1)마다 반복적으로 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다. 회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 실시간으로 센싱 주기(t1)마다 반복적으로 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다(308). 실외기 제어부(130)는 센싱 주기(t1)마다 검출된 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)의 검출값을 저장한다.
단계 310의 판단 결과, 제1시간(t1)이 경과하면, 실외기 제어부(130)는 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 현재 개도량을 검출한다(312).
실외기 제어부(130)는 이전에 저장된 압축기 토출 온도(Td) 및 압축기 회전수(Cf)를 현재 검출된 압축기 토출 온도(Td) 및 압축기 회전수(Cf)와 비교하여, 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 현재 개도량에서 열림과 닫힘 여부를 판단하고, 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 목표 개도량을 산출한다(314).
압축기 토출 온도(Td)는 냉난방 사이클에서 비엔탈피(Specific enthalpy)를 결정하는 중요한 인자이며, 압축기 회전수(Cf)는 비엔탈피(Specific enthalpy)와 유량을 모두 변화시키는 중요한 인자이다. 따라서 두 가지 인자를 통해 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 목표 개도량을 산출하고, 결과적으로 2단계의 팽창 정도가 결정된다.
따라서, 실외기 제어부(130)는 산출된 목표 개도량 만큼 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 열림과 닫힘을 진행하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 목표 개도량으로 조절한다(316).
여기서, 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)는 동일한 시점에 동일한 산출 개도량을 추종하여 제어된다. 즉, 본 발명의 다단 팽창 방식은 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)가 항상 동일한 개도량을 유지하도록 제어한다.
이어서, 실외기 제어부(130)는 제2시간(t2; 실내외 부하 조건에 따라 달라지는 사이클 최적화를 위해 제1팽창 밸브와 제2팽창 밸브의 개도량을 변경하기 위한 개도량 제어 주기, 약 1~2분)이 경과하였는가를 판단한다(318).
단계 318의 판단 결과, 제2시간(t2)이 경과하면 실외기 제어부(130)는 단계 306로 피드백하여 압축기(102)의 기동 여부를 판단하기 위한 서모 온 조건인가를 판단하고, 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 재검출하며 이후의 과정을 일정 시간 주기로 반복적으로 진행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 다단 팽창 방식의 제2제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 7에서, 사용자가 입력부(230)를 통해 원하는 운전 모드(예를 들어, 냉방 운전)를 선택하면, 선택된 냉방 운전 정보가 실내기 제어부(210)에 입력된다. 이때, 사용자는 입력부(230)를 통해 원하는 설정 온도(Ts)를 입력할 수 있다.
따라서, 실내기 제어부(210)는 사용자가 선택한 냉방 운전 정보에 따라 실내 팬(203)을 동작시킨다.
이어서, 실내기 제어부(210)는 실내 통신부(234)를 통해 실외기(100)의 실외 통신부(150)와 통신하고, 실외기 제어부(130)는 실내기 제어부(210)로부터 사용자가 선택한 냉방 운전 정보를 전달받아 실외 팬(109)과 압축기(102)를 순차적으로 기동시킨다.
실외기 제어부(130)는 사용자가 선택한 냉방 운전 정보에 따라 유로 전환 밸브(106)를 동작시켜 냉매가 도 2에 도시한 사이클로 순환하도록 제어하여 냉방 운전을 시작한다.
냉방 운전이 시작되면, 실외 온도 검출부(142)는 실외기(100)가 설치된 실외 공간의 온도(To)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달하고, 회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다(400).
따라서, 실외기 제어부(130)는 실외 온도 검출부(142)에서 검출된 실외 온도(To)와 회전수 검출부(146)에서 검출된 압축기 회전수(Cf)를 이용하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량을 선정한다(402).
실외기 제어부(130)에는 실외 온도(To)와 압축기 회전수(Cf)에 따라 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량이 미리 설정되어 있으므로, 실외 온도 검출부(142)에서 검출된 실외 온도(To)와 회전수 검출부(146)에서 검출된 압축기 회전수(Cf)에 따라 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량을 선정할 수 있게 된다.
또한, 실외기 제어부(130)는 실내 온도(Tr), 실외 온도(To) 및 압축기 회전수(Cf)의 세 가지 검출값을 이용하여 초기 개도량을 선정할 수도 있다.
이어서, 실외기 제어부(130)는 선정된 초기 개도량으로 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 열림과 닫힘을 진행하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 초기 개도량으로 조절한다(404).
초기 개도량 제어가 완료되면, 실외기 제어부(130)는 서모 온 조건인가를 판단한다(406).
단계 406의 판단 결과, 서모 온 조건이 아니면 실외기 제어부(130)는 실내 온도(Tr)가 설정 온도(Ts)에 도달하는 서모 오프 조건이라고 판단하고, 공기 조화기(1)의 동작을 종료한다.
한편, 단계 406의 판단 결과, 서모 온 조건이면 실외기 제어부(130)는 토출 온도 검출부(144)를 통해 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 검출하고, 회전수 검출부(146)를 통해 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출한다(408).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제1시간(t1)이 경과하였는가를 판단한다(410).
토출 온도 검출부(144)는 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 실시간으로 센싱 주기(t1)마다 반복적으로 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다. 회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 실시간으로 센싱 주기(t1)마다 반복적으로 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다(308). 실외기 제어부(130)는 센싱 주기(t1)마다 검출된 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)의 검출값을 저장한다.
단계 410의 판단 결과, 제1시간(t1)이 경과하면, 실외기 제어부(130)는 제1팽창 밸브(110)의 목표 개도량 산출을 위해 실외 온도 검출부(142)를 통해 실외 온도(To)를 검출하고, 실내 온도 검출부(222)를 통해 실내 온도(Tr)를 각각 검출한다(412). 실외 온도(To)와 실내 온도(Tr)를 검출하는 이유는, 실내외 부하를 각각 고려하여 제1팽창 밸브(110)의 개도량 조절을 통해 1단 팽창 후, 중간 압력을 조절하기 위함이다. 실내외 부하에 따라 사이클 최적화를 위한 최적 압축비는 달라지므로 실외 온도(To)와 실내 온도(Tr) 검출을 통해 실내외 부하를 고려한 유량 제어를 하는 것이다.
그리고, 실외기 제어부(130)는 제1팽창 밸브(110)의 현재 개도량을 검출하고(414), 검출된 실외 온도(To)와 실내 온도(Tr)를 이용하여 제1팽창 밸브(110)의 현재 개도량에서 열림과 닫힘 여부를 판단하고, 제1팽창 밸브(110)의 목표 개도량을 산출한다(416).
따라서, 실외기 제어부(130)는 산출된 목표 개도량 만큼 제1팽창 밸브(110)의 열림과 닫힘을 진행하여 제1팽창 밸브(110)를 목표 개도량으로 조절한다(418).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제3시간(t3; 실내외 부하 조건에 따라 달라지는 사이클 최적화를 위해 제1팽창 밸브의 개도량을 변경하기 위한 개도량 제어 주기, 약 1~2분)이 경과하였는가를 판단한다(420).
단계 420의 판단 결과, 제3시간(t3)이 경과하면 실외기 제어부(130)는 단계 406로 피드백하여 압축기(102)의 기동 여부를 판단하기 위한 서모 온 조건인가를 판단하고, 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 재검출하면서 이후의 과정을 일정 시간 주기로 반복적으로 진행한다. 이에 따라 제1팽창 밸브(110)의 개도량 제어가 이루어진다. 이때, 제1팽창 밸브(110)의 개도량 변경 주기는 달라질 수 있다.
한편, 단계 410의 판단 결과, 제1시간(t1)이 경과하면, 실외기 제어부(130)는 제2팽창 밸브(112)의 현재 개도량을 검출하고(430), 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 고려하여 제2팽창 밸브(112)의 현재 개도량에서 열림과 닫힘 여부를 판단하고, 제2팽창 밸브(112)의 목표 개도량을 산출한다(432).
압축기 토출 온도(Td)는 냉난방 사이클에서 비엔탈피(Specific enthalpy)를 결정하는 중요한 인자이며, 압축기 회전수(Cf)는 비엔탈피(Specific enthalpy)와 유량을 모두 변화시키는 중요한 인자이다. 따라서 두 가지 인자를 통해 제2팽창 밸브(112)의 목표 개도량을 산출하고, 결과적으로 2단계의 팽창 정도가 결정된다.
따라서, 실외기 제어부(130)는 산출된 목표 개도량 만큼 제2팽창 밸브(112)의 열림과 닫힘을 진행하여 제2팽창 밸브(112)를 목표 개도량으로 조절한다(434).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제2시간(t2; 실내외 부하 조건에 따라 달라지는 사이클 최적화를 위해 제2팽창 밸브의 개도량을 변경하기 위한 개도량 제어 주기, 약 1~2분)이 경과하였는가를 판단한다(436).
단계 436의 판단 결과, 제2시간(t2)이 경과하면 실외기 제어부(130)는 단계 406로 피드백하여 압축기(102)의 기동 여부를 판단하기 위한 서모 온 조건인가를 판단하고, 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 재검출하면서 이후의 과정을 일정 시간 주기로 반복적으로 진행한다. 이에 따라 제2팽창 밸브(112)의 개도량 제어가 이루어진다. 이때, 제2팽창 밸브(112)의 개도량 변경 주기는 달라질 수 있다. 여기서, 제2팽창 밸브(112)의 개도량 제어를 위해 실내 열교환기(202)의 증발기 입구와 출구 온도 또는 증발기 중간 온도와 압축기(102) 입구 온도 검출을 통해 냉방 과열도를 산출하고, 특정 과열도를 추정하는 냉방 개도량 제어 방식을 통해 최적 압축비 확보가 가능해진다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 다단 팽창 방식의 제3제어 알고리즘을 도시한 동작 순서도이다.
도 8에서, 사용자가 입력부(230)를 통해 원하는 운전 모드(예를 들어, 냉방 운전)를 선택하면, 선택된 냉방 운전 정보가 실내기 제어부(210)에 입력된다. 이때, 사용자는 입력부(230)를 통해 원하는 설정 온도(Ts)를 입력할 수 있다.
따라서, 실내기 제어부(210)는 사용자가 선택한 냉방 운전 정보에 따라 실내 팬(203)을 동작시킨다.
이어서, 실내기 제어부(210)는 실내 통신부(234)를 통해 실외기(100)의 실외 통신부(150)와 통신하고, 실외기 제어부(130)는 실내기 제어부(210)로부터 사용자가 선택한 냉방 운전 정보를 전달받아 실외 팬(109)과 압축기(102)를 순차적으로 기동시킨다.
실외기 제어부(130)는 사용자가 선택한 냉방 운전 정보에 따라 유로 전환 밸브(106)를 동작시켜 냉매가 도 2에 도시한 사이클로 순환하도록 제어하여 냉방 운전을 시작한다.
냉방 운전이 시작되면, 실외 온도 검출부(142)는 실외기(100)가 설치된 실외 공간의 온도(To)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달하고, 회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다(500).
따라서, 실외기 제어부(130)는 실외 온도 검출부(142)에서 검출된 실외 온도(To)와 회전수 검출부(146)에서 검출된 압축기 회전수(Cf)를 이용하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량을 선정한다(502).
실외기 제어부(130)에는 실외 온도(To)와 압축기 회전수(Cf)에 따라 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량이 미리 설정되어 있으므로, 실외 온도 검출부(142)에서 검출된 실외 온도(To)와 회전수 검출부(146)에서 검출된 압축기 회전수(Cf)에 따라 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 초기 개도량을 선정할 수 있게 된다.
또한, 실외기 제어부(130)는 실내 온도(Tr), 실외 온도(To) 및 압축기 회전수(Cf)의 세 가지 검출값을 이용하여 초기 개도량을 선정할 수도 있다.
이어서, 실외기 제어부(130)는 선정된 초기 개도량으로 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)의 열림과 닫힘을 진행하여 제1팽창 밸브(110)와 제2팽창 밸브(112)를 초기 개도량으로 조절한다(504).
초기 개도량 제어가 완료되면, 실외기 제어부(130)는 서모 온 조건인가를 판단한다(506).
단계 506의 판단 결과, 서모 온 조건이 아니면 실외기 제어부(130)는 실내 온도(Tr)가 설정 온도(Ts)에 도달하는 서모 오프 조건이라고 판단하고, 공기 조화기(1)의 동작을 종료한다.
한편, 단계 506의 판단 결과, 서모 온 조건이면 실외기 제어부(130)는 토출 온도 검출부(144)를 통해 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 검출하고, 회전수 검출부(146)를 통해 압축기(102)의 회전수(Cf)를 검출한다(508).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제1시간(t1)이 경과하였는가를 판단한다(510).
토출 온도 검출부(144)는 압축기(102)의 출구측(102b) 냉매 온도(Td)를 실시간으로 센싱 주기(t1)마다 반복적으로 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다. 회전수 검출부(146)는 압축기(102)의 회전수(Cf)를 실시간으로 센싱 주기(t1)마다 반복적으로 검출하여 실외기 제어부(130)에 전달한다(308). 실외기 제어부(130)는 센싱 주기(t1)마다 검출된 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)의 검출값을 저장한다.
단계 510의 판단 결과, 제1시간(t1)이 경과하면, 실외기 제어부(130)는 제1팽창 밸브(110)의 현재 개도량을 검출하고(512), 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 고려하여 제1팽창 밸브(110)의 현재 개도량에서 열림과 닫힘 여부를 판단하고, 제1팽창 밸브(110)의 목표 개도량을 산출한다(514).
압축기 토출 온도(Td)는 냉난방 사이클에서 비엔탈피(Specific enthalpy)를 결정하는 중요한 인자이며, 압축기 회전수(Cf)는 비엔탈피(Specific enthalpy)와 유량을 모두 변화시키는 중요한 인자이다. 따라서 두 가지 인자를 통해 제1팽창 밸브(110)의 목표 개도량을 산출하고, 결과적으로 1단계의 팽창 정도가 결정된다
따라서, 실외기 제어부(130)는 산출된 목표 개도량 만큼 제1팽창 밸브(110)의 열림과 닫힘을 진행하여 제1팽창 밸브(110)를 목표 개도량으로 조절한다(516).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제3시간(t3)이 경과하였는가를 판단한다(518).
단계 518의 판단 결과, 제3시간(t3)이 경과하면 실외기 제어부(130)는 단계 506로 피드백하여 압축기(102)의 기동 여부를 판단하기 위한 서모 온 조건인가를 판단하고, 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 재검출하면서 이후의 과정을 일정 시간 주기로 반복적으로 진행한다. 이에 따라 제1팽창 밸브(110)의 개도량 제어가 이루어진다. 이때, 제1팽창 밸브(110)의 개도량 변화 주기는 달라질 수 있다.
한편, 단계 510의 판단 결과, 제1시간(t1)이 경과하면, 제2팽창 밸브(112)의 목표 개도량 산출을 위해 실외 온도 검출부(142)를 통해 실외 온도(To)를 검출하고, 실내 온도 검출부(222)를 통해 실내 온도(Tr)를 각각 검출한다(530). 실외 온도(To)와 실내 온도(Tr)를 검출하는 이유는, 실내외 부하를 각각 고려하여 제2팽창 밸브(112)의 개도량 조절을 통해 2단 팽창 후, 중간 압력을 조절하기 위함이다. 실내외 부하에 따라 사이클 최적화를 위한 최적 압축비는 달라지므로 실외 온도(To)와 실내 온도(Tr) 검출을 통해 실내외 부하를 고려한 유량 제어를 하는 것이다.
그리고, 실외기 제어부(130)는 제2팽창 밸브(110)의 현재 개도량을 검출하고(532), 검출된 실외 온도(To)와 실내 온도(Tr)를 이용하여 제2팽창 밸브(112)의 현재 개도량에서 열림과 닫힘 여부를 판단하고, 제2팽창 밸브(112)의 목표 개도량을 산출한다(534).
따라서, 실외기 제어부(130)는 산출된 목표 개도량 만큼 제2팽창 밸브(112)의 열림과 닫힘을 진행하여 제2팽창 밸브(112)를 목표 개도량으로 조절한다(536).
이어서, 실외기 제어부(130)는 제2시간(t2)이 경과하였는가를 판단한다(538).
단계 538의 판단 결과, 제2시간(t2)이 경과하면 실외기 제어부(130)는 단계 506로 피드백하여 압축기(102)의 기동 여부를 판단하기 위한 서모 온 조건인가를 판단하고, 압축기 토출 온도(Td)와 압축기 회전수(Cf)를 재검출하면서 이후의 과정을 일정 시간 주기로 반복적으로 진행한다. 이에 따라 제2팽창 밸브(112)의 개도량 제어가 이루어진다. 이때, 제2팽창 밸브(112)의 개도량 변경 주기는 달라질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기 조화기에서 R32 냉매 적용 후, 다단 팽창 방식의 팽창 밸브를 적용했을 때의 사이클 변화를 도시한 도면이다.
도 9에서, 약 3,500Btu/h 냉방 용량을 나타내는 저부하 조건에서 R32 냉매 적용 후, 팽창 밸브를 1개와 2개 적용했을 때, 압력 변화에 따른 사이클 특성 변화를 P-h 선도에 표시하였다.
3,500Btu/h 용량은 9~12cc/rev 용량의 압축기(102)를 최소 회전수로 운전했을 때, 얻을 수 있는 냉방 용량과 유사하며 이러한 부분 부하 조건은 공기 조화기(1)의 계절 효율을 결정하는 중요한 부하 영역이다. 사이클을 구성하는 필수 구성 부품의 사양은 도 1에서 언급한 사양과 동일하며, 팽창 밸브 1개는 기존 410A 냉매 적용 시스템과 동일한 구성 요소이다. 기존과 동일한 팽창 밸브 1개 적용 시, 압축비(Compression ratio)는 1.4 수준인 반면, 팽창 밸브 2개 적용 시, 1.6 수준으로 약 15% 정도 압축비가 증가한 결과를 얻을 수 있었다. 1단 팽창 이후 냉매 상태량은 이상 영역(Two-phase)으로 진입하면서 2단 팽창 과정을 거치면서 팽창 밸브 1개 적용 대비 증발 압력이 감소함을 알 수 있으며, 능력은 10% 이상 향상되었다. 3,500Btu/h 이하 영역에서도 이러한 원리로 인해 적정 증발 압력 확보가 가능하여 저부하 영역에서 성능 확보가 가능함을 알 수 있다.
도 10은 냉난방 부하 조건(최소/정격/최대)을 선정하여 동일한 시스템에서 기존R410A 냉매 적용과 R32 냉매 적용 시 팽창 밸브의 개수에 따른 개도량 비교를 도시한 그래프이다.
도 10에서, 정격 용량(Rated capacity) 기준으로 최소 용량은 30% 용량 수준에서 평가하였으며, 최대 용량은 120% 수준의 용량에서 실험을 진행하였다. 또한, 개도량 선정 기준은 사이클 최적화가 이루어졌을 때 개도량을 나타내며, Full open 대비 개도량비를 %로 나타내었다.
본 평가를 위해 적용된 팽창 밸브의 경우, 약 최소 개도량비가 16% 수준의 보증 범위를 갖는 모델을 적용하였다. 도 10에 도시한 바와 같이, 냉난방 냉방 부하가 커질수록 개도량비가 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, R32 적용 시, 팽창 밸브(EEV) 1개만 적용했을 경우에는 냉난방 최소 부하 조건에서 팽창 밸브가 보증하는 최소 개도량비 이하로 최적 개도량이 형성됨을 알 수 있었다. 또한, 난방 정격 용량에서도 최소 개도량비까지 최적 개도량이 감소하는 것을 알 수 있다.
반면에 팽창 밸브(EEV) 2개 적용 시, 기존 410A 냉매와 동일한 개도량비에서 사이클 최적화가 이루어짐을 알 수 있으며, 이는 팽창 밸브 2개 적용 시, 비로서 압축비가 R410A 냉매를 적용한 시스템과 동등해짐을 확인할 수 있었다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 공기 조화기 100 : 실외기
102 : 압축기 106 : 유로 전환 밸브
108 : 실외 열교환기 110 : 제1팽창 밸브
112 : 제2팽창 밸브 130 : 실외기 제어부
142 : 실외 온도 검출부 144 : 토출 온도 검출부
146 : 회전수 검출부 150 : 실외 통신부
200 : 실내기 202 : 실내 열교환기
210 : 실내기 제어부 222 : 실내 온도 검출부
224 : 열교환기 온도 검출부 230 : 입력부
232 : 표시부 234 : 실내 통신부

Claims (17)

  1. 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 냉매의 흐름을 냉난방 모드에 따라 전환하는 유로 전환 밸브;
    상기 냉매를 감압하는 다단 팽창 장치;
    상기 압축기의 토출 온도를 검출하는 토출 온도 검출부
    상기 압축기의 회전수를 검출하는 회전수 검출부; 및
    제1팽창 밸브 및 제2팽창 밸브의 개도량을 목표 개도량으로 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 압축기는,
    R32 냉매를 작동 유체로 하는 로터리 압축기로 이루어지고,
    상기 다단 팽창 장치는,
    고압 상태의 냉매 압력을 감압하는 상기 제1팽창 밸브와, 중간 상태의 냉매 압력을 감압하는 상기 제2팽창 밸브를 포함하고,
    상기 토출 온도 검출부에서 검출된 압축기 토출 온도와, 상기 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 상기 목표 개도량을 산출하는 공기 조화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1팽창 밸브와 상기 제2팽창 밸브는,
    직렬로 연결되어 2단 팽창 방식을 구현하며, 개도량 변화를 통해 상기 R32 냉매의 유량 및 압력을 조절하는 공기 조화기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압축기는,
    용량 가변이 가능한 회전수 가변형 방식의 압축기인 공기 조화기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉난방 모든 부하 영역에서 최적 압축비 확보를 위해 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 공기 조화기.
  5. 제4항에 있어서,
    실외 온도를 검출하는 실외 온도 검출부;
    상기 압축기의 회전수를 검출하는 회전수 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 실외 온도 검출부에서 검출된 실외 온도와, 상기 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 초기 개도량을 선정하는 공기 조화기.
  6. 제5항에 있어서,
    실내 온도를 검출하는 실내 온도 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 실내 온도 검출부에서 검출된 실내 온도와, 상기 실외 온도 검출부에서 검출된 실외 온도와, 상기 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 초기 개도량을 선정하는 공기 조화기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 압축기의 출구측 냉매 온도를 검출하는 토출 온도 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 토출 온도 검출부에서 검출된 압축기 토출 온도와, 상기 회전수 검출부에서 검출된 압축기 회전수에 따라 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 산출하는 공기 조화기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 압축기 토출 온도와 상기 압축기 회전수를 일정 시간 주기로 검출하여 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 목표 개도량으로 제어하는 공기 조화기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 현재 개도량을 검출하는 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 압축기 토출 온도와 상기 압축기 회전수, 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 공기 조화기.
  10. 제5항에 있어서,
    실외 온도를 검출하는 실외 온도 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 실내 온도 검출부에서 검출된 실내 온도와, 상기 실외 온도 검출부에서 검출된 실외 온도에 따라 냉난방 부하를 예측하여 상기 제1팽창 밸브의 개도량을 제어하는 공기 조화기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1팽창 밸브 및 상기 제2팽창 밸브의 현재 개도량을 검출하는 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 실내 온도와 상기 실외 온도, 상기 제1팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 상기 제1팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 공기 조화기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압축기의 출구측 냉매 온도를 검출하는 토출 온도 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 토출 온도 검출부에서 검출된 압축기 토출 온도와, 상기 압축기 회전수, 상기 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 상기 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 공기 조화기.
  13. 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 냉매를 2단 팽창 방식으로 감압하는 제1 및 제2팽창 밸브와 상기 압축기의 토출 온도를 검출하는 토출 온도 검출부와 상기 압축기의 회전수를 검출하는 회전수 검출부를 구비하고, 상기 압축기는 R32 냉매를 작동 유체로 하는 로터리 압축기로 이루어진 공기 조화기의 제어 방법에 있어서,
    실외 온도와 상기 압축기의 회전수 및 상기 압축기의 토출 온도를 검출하고;
    상기 검출된 실외 온도와 상기 압축기 회전수에 따라 상기 제1 및 제2팽창 밸브의 초기 개도량을 선정하고;
    상기 압축기 토출 온도와 상기 압축기 회전수에 따라 상기 제1 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 산출하고;
    상기 산출된 목표 개도량으로 상기 제1 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 것;을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 것은,
    상기 압축기 토출 온도와 상기 압축기 회전수를 일정 시간 주기로 검출하여 상기 제1 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량으로 제어하는 공기 조화기의 제어 방법,
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량을 검출하는 것;을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2팽창 밸브의 개도량을 제어하는 것은,
    상기 제1 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량이 검출되면, 상기 압축기 토출 온도와 상기 압축기 회전수, 상기 제1 및 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 상기 제1 및 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 공기 조화기의 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    실내 온도를 검출하고;
    상기 실내 온도가 검출되면, 상기 실내 온도와 상기 실외 온도, 상기 제1팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 냉난방 부하를 예측하여 상기 제1팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 것;을 더 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2팽창 밸브의 현재 개도량이 검출되면, 상기 압축기 토출 온도와 상기 압축기 회전수, 상기 제2팽창 밸브의 현재 개도량에 따라 상기 제2팽창 밸브의 목표 개도량을 주기적으로 추종하여 제어하는 것;을 더 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
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