KR102485729B1 - 냉난방 멀티 공기조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실내 열교환기를 포함하는 적어도 하나의 냉난방 겸용 실내기; 및 압축기, 실외 열교환기, 상기 압축기의 토출측에 배치되어 냉매의 흐름을 절환하는 절환 유닛 및 상기 압축기 및 상기 절환 유닛을 제어하는 전장부품을 실장하는 전장부을 포함하는 냉난방 겸용 실외기; 를 포함하며, 상기 냉난방 겸용 실외기는 상기 실외 열교환기로부터 냉매의 일부를 추출하여 상기 전장부를 통과하여 상기 압축기로 바이패스하는 기액분리 유닛을 더 포함한다. 따라서, 하나의 실외기 내에 열교환기의 일부 냉매를 바이패스함으로써 전장 유닛을 냉각과 냉매의 과열을 동시 수행할 수 있다. 또한, 실외 열교환기 중간 단으로부터 냉매 기액 분리를 수행하여 냉매를 전장 유닛으로 흘림으로써 냉매를 추가 가열하여 건도가 1에 가까운 냉매가 압축기에 제공하므로 압축기의 압축 효율이 향상된다.

Description

냉난방 멀티 공기조화기{Multi-air conditioner for heating and cooling operations}

본 발명은 냉난방 멀티 공기조화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실외기의 유로에서 냉매 일부를 바이패스하여 전장 유닛의 방열을 수행할 수 있는 냉난방 멀티 공기조화기에 관한 것이다.

일반적으로 멀티형 공기조화기는 하나의 실외기에 복수개의 실내기들을 연결한 것으로, 실외기를 공용으로 사용하면서 복수개의 실내기들 각각을 냉방기 또는 난방기로 사용한다.

최근에는 실내기의 운전 대수에 따른 냉방 또는 난방 부하에 효과적으로 대응할 수 있도록 복수의 실외기들을 서로 병렬로 연결하여 사용하고 있다.

종래 기술에 따른 멀티 공기조화기는 복수개의 실외기들과, 복수개의 실내기들과, 상기 복수개의 실외기들과 실내기들을 연결하는 냉매배관을 포함하여 구성되고, 여기서 상기 복수의 실외기들은 메인 실외기와 복수의 서브 실외기로 구성된다.

상기 복수개의 실외기들 각각에는 저온 저압의 기체상태의 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 압축기와, 순환되는 냉매를 실외 공기와 열교환시키는 실외 열교환기와, 냉방 또는 난방 작동에 따라 냉매 흐름을 절환시키는 사방밸브가 설치된다. 상기 복수개의 실내기들 각각에는 팽창기구와, 순환되는 냉매를 실내 공기와 열교환시키는 실내 열교환기가 각각 설치된다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 따른 멀티 공기조화기는 냉방 운전 시는 상기 메인 실외기와 서브 실외기의 압축기에서 압축된 냉매가 상기 사방밸브에 의해 상기 실외 열교환기로 보내지고, 상기 실외 열교환기를 통과하는 냉매는 주변공기와의 열교환으로 응축된 후, 상기 팽창기구로 보내진다. 상기 팽창기구에서 팽창된 냉매는 상기 실내 열교환기로 유입되어, 실내 공기의 열을 흡수하면서 증발되어, 실내를 냉방시키게 된다.

한편, 난방 운전 시에 증발기로 사용되는 실외 열교환기에서 난방 운전 시에는 상기 사방밸브에서 유로가 절환되어, 상기 압축기에서 토출된 냉매는 상기 사방밸브, 실내 열교환기, 실외 전자팽창밸브(LEV:linear expansion valve), 실외 열교환기를 차례로 통과하면서, 실내를 난방시키게 된다.

이때, 각 공기조화기는 내부에 각각의 유닛을 제어하기 위한 전장 유닛을 포함한다.

이와 같은 전장 유닛은 전력 소자 등을 포함하고 있어 발열이 많이 일어나며, 효과적인 방열을 통해 소자의 신뢰성이 유지되어야 한다.

이를 위해, 일본 공개특허 JP2010-145053A 에서는 실외열교환기에서 토출된 응축된 냉매를 전장 유닛을 통과하도록 전장 유닛 하부에 냉매 재킷을 배치하여 응축된 상대적으로 저온인 냉매가 발열 소자인 전장 유닛과 열교환하여 전장 유닛의 방열이 이루어지게 된다.

이와 같은 전장 유닛의 냉매 냉각은 이미 응축된 냉매에 열을 가하게 되는 것으로 후에 기상으로의 변화 및 증발의 사이클로 진입하여야 하는 냉매적인 시각에서는 열효율이 감소할 수 있다.

일본 공개특허 JP2010-145053A (공개일 : 2010년 07월 01일)

본 발명의 제1 과제는 하나의 실외기 내에 열교환기의 일부 냉매를 바이패스하여 전장 유닛을 냉각할 수 있는 열교환기 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 과제는 실외 열교환기 중간 단으로부터 냉매 기액 분리를 수행하여 전장 유닛을 쿨링하면서 바이패스되는 이상 냉매를 과열시킬 수 있는 공기조화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3 과제는 전장 유닛의 냉각과 함께 냉매의 과열도를 향상시킴으로써 압축기에 유입되는 냉매의 건도를 1에 가깝게 향상시켜 압축기의 효율을 향상시킬 수 있는 공기 조화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제4 과제는 난방 운전 및 냉방 운전에서 모두 전장 유닛의 쿨링 효과를 가질 수 있는 공기조화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제인 전장 유닛의 방열과 냉매의 과열을 동시 진행하기 위하여, 본 발명은 실내 열교환기를 포함하는 적어도 하나의 냉난방 겸용 실내기; 및 압축기, 실외 열교환기, 상기 압축기의 토출측에 배치되어 냉매의 흐름을 절환하는 절환 유닛 및 상기 압축기 및 상기 절환 유닛을 제어하는 전장부품을 실장하는 전장부을 포함하는 냉난방 겸용 실외기; 를 포함하며, 상기 냉난방 겸용 실외기는 상기 실외 열교환기로부터 냉매의 일부를 추출하여 상기 전장부를 통과하여 상기 압축기로 바이패스하는 기액분리 유닛을 더 포함한다.

상기 기액분리 유닛으로부터 추출된 상기 냉매를 상기 전장부를 통과하도록 흘리는 방열배관을 더 포함할 수 있다.

상기 냉난방 겸용 실외기는, 상기 방열배관 상에 상기 기액분리 유닛으로 추출되는 상기 냉매의 유량을 제어하는 방열팽창밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 기액분리 유닛은 상기 실외 열교환기의 중간 위치에서 연결되어 상기 실외 열교환기를 흐르는 냉매를 추출할 수 있다.

상기 기액분리 유닛은 상기 실외 열교환기가 증발기로 동작할 때, 상기 실외 열교환기를 흐르는 이상냉매를 추출하여 상분리하여 상기 방열배관으로 기상 냉매를 흘릴 수 있다.

상기 기액분리 유닛은 상기 실외 열교환기로부터 추출된 냉매를 수용하는 냉매 헤더, 상기 실외 열교환기와 연결되어 있는 제1 튜브, 및 상기 제1 튜브와 일단이 연결되며, 타단이 상기 냉매 헤더와 연결되는 제2 튜브를 포함할 수 있다.

상기 제1 튜브는 일단이 상기 실외 열교환기와 연결되는 메인 튜브 및 상기메인 튜브로부터 분지되어 상기 실외 열교환기로 다시 연결되는 서브 튜브를 포함할 수 있다.

상기 제1 튜브는 h자 형으로 형성되는 절곡부를 가질 수 있다.

상기 제2 튜브는 상기 일단이 상기 제1 튜브에 삽입되어 상기 제1 튜브와 결합할 수 있다.

상기 제2 튜브의 일단은 상기 제1 튜브에 삽입되며, 상기 제1 튜브의 직경보다 작은 직경을 가지는 돌출부를 가질 수 있다.

상기 방열배관은 상기 전장부의 배면에서 절곡되어 상기 전장부에서 발생하는 열을 흡수하여 상기 냉매를 증발시키는 절곡부를 포함할 수 있다.

상기 전장부는 상기 복수의 전장부품을 실장하는 인쇄회로기판을 포함하며, 상기 절곡부는 상기 인쇄회로기판의 배면에 직접 부착되어 상기 전장부를 통과할 수 있다.

상기 절곡부와 상기 인쇄회로기판은 써멀그리스에 의해 직접 부착되어 있을 수 있다.

상기 방열배관은 상기 전장부의 전단에 형성되어 상기 전장부의 입구온도를감지하는 제1 온도센서, 및 상기 전장부의 후단에 형성되어 상기 전장부의 출구온도를 감지하는 제2 온도센서를 포함할 수 있다.

상기 냉난방 멀티 공기조화기는 주기적으로 감지되는 상기 제1 온도 센서, 및 상기 제2 온도 센서의 상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도에 따라 상기 방열 팽창 밸브의 개도를 제어할 수 있다.

상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도의 차와 기준과열도를비교하여 상기 온도의 차가 상기 기준과열도를 충족하면 상기 방열 팽창 밸브의 현재 개도 값을 유지할 수 있다.

상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도의 차와 기준과열도를비교하여 상기 온도의 차가 상기 기준과열도보다 크면 상기 방열 팽창 밸브의 개도 값을 증가할 수 있다.

상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도의 차와 기준과열도를비교하여 상기 온도의 차가 상기 기준과열도보다 작으면 상기 방열 팽창 밸브의 개도 값을 감소할 수 있다.

상기 방열배관은 상기 기체 헤더로부터 연장되어 상기 압축기의 입구단으로냉매를 바이패스할 수 있다.

상기 기액분리 유닛은 상기 실외 열교환기가 증발기로 동작할 때, 상기 실외 열교환기를 흐르는 이상냉매를 추출하여 기액분리하여 상기 방열배관으로 기상 냉매를 흘리고, 상기 실외 열교환기로 액상 냉매를 다시 주입할 수 있다.

상기 해결 수단을 통해, 하나의 실외기 내에 열교환기의 일부 냉매를 바이패스함으로써 전장 유닛을 냉각과 냉매의 과열을 동시 수행할 수 있다.

또한, 실외 열교환기 중간 단으로부터 냉매 기액 분리를 수행하여 냉매를 전장 유닛으로 흘림으로써 냉매를 추가 가열하여 건도가 1에 가까운 냉매가 압축기에 제공하므로 압축기의 압축 효율이 향상된다.

또한, 중간의 일부 냉매가 바이패스되므로 실외 열교환기를 지나는 냉매의 양이 감소하며, 실외 열교환기를 흐르는 냉매의 건도는 중간에서 기체가 일부 제거되어 상대적으로 낮아짐으로 흡입 배관 내에서의 압력 손실이 감소하여 흡입압이 개선되어 압축기의 압축 능과 효율이 증가한다.

그리고, 종래 기술에서는 냉방 시에만 전장 유닛의 방열이 이루어지는 반면, 본 발명에서는 난방 운전 및 냉방 운전에서 모두 전장 유닛의 쿨링 효과를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 멀티 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 실외 열교환기의 상세도이다.
도 3a 및 도 3b는 기액분리를 설명하기 위한 모드 운전을 위한 전체 동작 순서도이다.
도 4는 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 전장 유닛의 냉방 구조의 상세도이다.
도 5는 난방 운전 시 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 동작 상태를 나타내는 동작도이다.
도 6는 냉방 운전 시 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 동작 상태를 나타내는 동작도이다.
도 7은 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 과열도 제어를 위한 순서도이다.
도 8은 도 7의 제어에 따른 도 5의 난방 운전에서의 엔탈피 선도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7의 제어에 따른 도 6의 냉방 운전에서의 엔탈피 선도를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부도면은 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다름과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 멀티 공기조화기의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 실외 열교환기의 상세도이며, 도 3a 및 도 3b는 기액분리를 설명하기 위한 모드 운전을 위한 전체 동작 순서도이고, 도 4는 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 전장 유닛의 냉방 구조의 상세도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 멀티 공기조화기(100)는 적어도 하나의 냉난방 겸용 실내기(B), 및 적어도 하나의 냉난방 겸용 실외기(A)를 포함한다.

냉난방 겸용 실외기(A)는 제1,2압축기들(53)(54), 실외 열교환기(A1), 실외 열교환기 팬(61), 기액분리 유닛(81) 및 절환유닛을 포함한다. 여기에서 절환유닛은 사방밸브(62)를 포함한다. 제1,2압축기들(53)(54)의 흡입부는 공용 어큐뮬레이터(52)에 의해 연결되어 있다. 제1압축기(53)는 냉매의 압축용량을 가변시킬 수 있는 인버터 압축기이고, 제2압축기(54)는 냉매의 압축용량이 일정한 정속 압축기일 수 있다.

제1,2압축기(53)(54)의 토출부에는 제1,2토출배관이 연결되고, 제1,2토출배관은 합지부(57)에 의해 합지되고, 제1,2토출배관에는 제1,2압축기(53)(54)에서 토출된 냉매 중 오일을 회수하도록 제1,2오일분리기(58)(59)가 각각 설치되어 있다. 제1,2오일 분리기(58)(59)에는, 제1,2오일분리기(58)(59)로부터 분리된 오일을 제1,2압축기(53)(54)의 흡입부로 안내하는, 제1,2오일 회수관이 연결되어 있다.

실외 열교환기(A1)는 제1연결배관(71)에 의하여 사방밸브(62)와 연결되어 있다. 실외 열교환기(A1)에서는 외기와의 열교환에 의하여 냉매가 응축되거나 증발된다. 이 때, 열교환을 보다 원활하게 하기 위하여, 실외기 팬(61)은 실외 열교환기(A)로 공기를 유입한다. 냉난방 멀티 공기조화기(100)에서는, 냉방 운전 또는 제상 운전 중에는 실외 열교환기(A1)가 응축기로 이용되고, 난방 운전 중에는 실외 열교환기(A)가 증발기로 이용된다.

이와 같은 실외 열교환기(A1)는 도 1과 같이 연속된 배관이 다층 구조를 갖도록 절곡되어 있는 구조를 가진다.

더욱 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 실외 열교환기(A1)는 하나의 실외기(A1) 내에 다층 구조의 분리/연결 가능한 복수의 열교환기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

실외 열교환기(A1)는 제1 연결배관(71)과 일단이 연결되어 냉매를 유동하며, 타단이 실외 열교환기(A)로부터 토출되는 액체 냉매가 흐르는 액체배관(76)과 연결된다.

액체배관(76) 상에는 실외 전자팽창밸브(65)가 설치되어 있다. 실외 전자팽창밸브(65)는 난방 운전 또는 제상 운전 시 냉매를 팽창시킨다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 실외기(A)는 실외 열교환기(A1) 측면으로 기액분리 유닛(81)을 더 포함한다.

기액분리 유닛(81)은 실외 열교환기(A1)의 측면에서 길이 방향으로 긴 바 타입의 매니폴드(manifold)로 구현 가능하며, 실외 열교환기(A1)를 흐르는 냉매의 일부를 유입하여 상기 기액분리 유닛(81)에서 기상 냉매와 액상 냉매로 분리한 후, 분리된 액상 냉매는 다시 실외 열교환기(A1)로 주입하고, 분리된 기상 냉매는 압축기(53, 54) 입력단으로 바이패스한다.

기액분리 유닛(81)의 상세 구성은 뒤에서 설명한다.

한편, 실외기는 압축기(53, 54)로부터 배출되는 냉매를 저장하고 균일하게 실외 열교환기(A1)에 주입하기 위한 냉매 헤더(82)를 더 포함할 수 있다.

상기 냉매 헤더(82)는 기액분리 유닛(81)과 평행하게 실외 열교환기(A1)의 측면에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에서는 냉매 헤더(82)를 1개의 고압 기체 헤더로서 도시하였으나, 이와 달리 고압 기체 헤더, 저압 기체 헤더, 액체 헤더를 각각 포함할 수 있으며, 저압 기체 헤더 및 액체 헤더가 더 형성되는 경우, 그의 배치는 각 상태의 냉매가 실외 열교환기(A1)에 주입되는 입구단에 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 겸용 실내기(B)는 복수개가 병렬로 형성될 수 있으며, 복수개의 실내기(B)를 포함하는 경우, 각각의 실내기(B)는 서로 다른 공간에 배치될 수 있으며, 각각의 실내기(B) 내에 각각 실내 열교환기(11), 실내 전자팽창밸브들(12) 및 실내기 팬(15)을 포함한다. 실내 전자팽창밸브(12)는 실내 열교환기(11)와 액체배관(76)을 연결하는 실내 연결배관들(76과 연결되어 미도시) 상에 설치되어 있다.

실내기(B)의 실내 열교환기의 타단으로 제2 연결배관(77)이 형성되어 있으며, 제2 연결배관(77)은 사방 밸브(62)와 연결되어 있다.

제2 연결배관(77)은 실내기(B)가 증발기로 동작할 때에는 저압 기체 냉매를 압축기(53, 54)로 흘리고, 실내기(B)가 응축기로 동작할 때에는 압축기(53, 54)로부터 고압 기체 냉매를 실외 열교환기(A1)로 흘린다.

또한, 냉난방 겸용 실내기(B)에서 토출되는 냉매의 온도를 감지하기 위하여, 각각의 온도 센서들이 설치될 수 있으며, 실내기(B)의 온도를 감지하기 위한 온도 센서가 더 포함되어 실내 온도를 측정할 수 있다.

이와 같이, 멀티 공조 시스템(100) 내에는 적어도 하나의 실내기 및 실외기의 각 유닛의 동작을 모니터링하고, 환경 정보 및 사용자의 설정 정보를 모니터링하여 각 유닛의 동작을 제어하기 위한 제어부를(도시하지 않음) 포함한다.

이와 같은 제어부는 컨트롤러 유닛으로 칩으로 구현 가능하며, 각 유닛을 제어하기 위한 전장부(85)에 함께 실장 가능하다.

멀티 공조 시스템(100) 내의 전장부(85)는 압축기(53, 54)를 구동하고, 각 밸브의 온오프 또는 개도를 실시간으로 제어하고, 실내기(B) 및 사용자 단말(도시하지 않음) 등과 송수신할 수 있는 통신 기능을 포함하는 각 부품들로 구현 가능하다.

이와 같은 전장부(85)는 파워 유닛으(Power supply unit)로서 동작을 수행하면서 많은 열이 발생하며, 이러한 열을 방출하는 방열 소자가 별도로 요구된다.

전장부(85)의 방열 효율은 전체 시스템(100)의 효율에 큰 영향을 미치며, 전장부(85)의 방열이 제대로 이루어지지 않는 경우 시스템(100)의 오작동 또는 발화 등의 위험이 있다.

따라서, 이와 같은 전장부(85)의 방열을 위해 본 발명의 실시예에 따른 공조 시스템(100)은 기액분리 유닛(81)으로부터 분리된 기체 냉매를 상기 전장부(85)를 통과하면서 상기 전장부(85)와 열교환을 수행할 수 있는 방열배관(78)을 더 포함한다.

상기 방열배관(78)은 도1과 같이, 기액분리 유닛(81)의 일단과 연결되어 있으며, 전장부(85)를 통과하여 압축기(53, 54)의 입력단으로 연결된다.

즉, 방열배관(78)은 기액분리 유닛(81)을 통과한 기체 냉매를 전장부(85)를 통과하면서 전장부(85)의 열을 흡수하여 더욱 증발함으로써 건도가 매우 낮은 기상 냉매로서 압축기(53, 54)에 직접 공급된다. 상기 방열배관(78) 상에는 기액분리할 냉매의 유량을 조절하기 위한 방열 팽창 밸브(66)가 설치되어 있다.

이때, 상기 방열 팽창 밸브(66)의 개도를 제어하기 위해, 상기 전장부(85)를 방열하기 위한 방열배관(78) 상에 전장부(85)의 전단 온도센서(63) 및 전장부(85)의 후단 온도센서(64)를 포함한다.

상기 전장부(85)를 통과하는 방열배관(78) 상의 냉매의 온도를 읽어들여 상기 전장부(85)의 방열 효율 및 상기 냉매의 과열도를 제어하기 위한 유량 제어를 수행할 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 기액분리 유닛(81), 방열배관(78)과 전장부(85)의 방열에 대하여 상세히 설명한다.

기액분리 유닛(81)이 바 타입(bar type)의 매니폴드(manifold)로 구현될 때, 상기 기액분리 유닛(81)은 도 2와 같이, 실외 열교환기(A1)의 중간 위치, 즉 실외 열교환기(A1)의 전체 길이의 중간 위치(n1)에서 액상 냉매를 추출할 수 있다.

긴 길이의 실외 열교환기(A1)를 흐르는 냉매는 포화 증기 또는 포화 액체가 아닌 이상 이상 냉매로서 존재하게 된다.

즉, 실외 열교환기(A1)가 증발기로 동작하는 경우에는 액상 냉매가 저압 상태로 주입되면서 열교환기(A1)를 흐르면서 점차적으로 건도 변화를 가지며 포화 기체상태로 변화되며, 반대로 실외 열교환기(A1)가 응축기로 동작하는 경우에는 기상 냉매가 주입되면서 열교환기(A1)를 흐르며 점차적으로 건도 변화를 가지며 포화 액체 상태로 변화한다.

따라서, 실외 열교환기(A1) 내부에서는 포화 기체 또는 포화 액체 상태로 존재하기 어렵고 이상의 냉매가 공존하게 된다.

이와 같이 이상의 냉매가 공존할 때, 관로 내부에 기체 상태의 냉매가 많이 존재하는 상태로 열교환기(A1)를 통과하면 압력 손실이 매우 많이 발생하게 된다.

따라서, 열교환기(A1)의 중간 위치(n1)에서 열교환기(A1)를 흐르는 이상 냉매의 일부를 추출하여 기액분리를 수행하고, 분리된 액상 냉매를 다시 열교환기(A1)로 주입하여 남은 이상 냉매와 혼합한다.

따라서, 기액분리 후 열교환기(A1)를 흐르는 이상 냉매는 그 건도가 이전보다 낮아진 상태, 즉 전체 냉매에 대하여 기체 냉매의 비율이 매우 낮아진 상태로 응축 이 진행된다.

이때, 기액분리된 기상 냉매는 방열배관(78)을 통과하여 전장부(85)를 방열하고 압축기(53, 54)로 바이패스된다.

이를 위해, 도 2와 같이 상기 기액분리 유닛(81)은 상기 실외 열교환기(A1)의 특정 위치에서 이상 냉매를 추출하고, 기액분리 후 다시 액상 냉매만을 열교환기(A1)에 다시 주입한다. 이와 같은 실외 열교환기(A1)의 특정 위치는 앞서 설명한 바와 같이 중간 위치(n1), 즉, 상기 실외 열교환기(A1)의 전체 길이의 중간점(n1)에 해당하는 위치일 수 있다.

상기 실외 열교환기(A1)의 중간 위치(n1)에서의 이상 냉매를 추출하고, 기상 냉매만을 전장부(85)의 방열로 더욱 가열할 때, 건도 0.95 이상을 충족할 수 있는 포화 기체 상태로 압축기(53, 54)에 바이패스될 수 있다.

이와 같은 기액분리 유닛(81)은 도 2 내지 도 3과 같은 형태를 가질 수 있다.

구체적으로, 기액분리 유닛(81)은 분리된 기상 냉매를 포집하고 수용하여 상기 방열배관(78)으로 흘리기 위한 기체 헤더(74), 상기 기체 헤더(74)와 상기 실외 열교환기(A1)를 연결하고 기액분리하기 위한 분리배관(73, 75)을 포함한다.

상기 분리배관(73, 75)은 상기 실외 열교환기(A1)의 중간 위치(n1)와 연결되어 있으며 이상 냉매를 포집하고 분리된 액상 냉매를 다시 실외 열교환기(A1)의 중간 위치로 흘리기 위한 제1 튜브(75) 및 이와 결합하여 분리된 기상 냉매를 기체 헤더(74)로 흘리는 제2 튜브(73)를 포함한다.

상기 제1 튜브(75)는 h 자 형상으로 절곡되어 있는 절곡 튜브로서, 제1 직경(h1)을 가지고, 일단이 실외 열교환기(A1)의 중간 위치(n1)와 연결되고 타단이 제2 튜브(73)의 일단과 연결되는 메인 튜브 및 상기 메인 튜브로부터 분지되어 h자 형으로 절곡되어 다시 실외 열교환기(A1)와 연결되는 서브 튜브로 형성된다.

서브 튜브 역시 제1 직경(h1)을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 튜브(73)는 제1 튜브(75) 내부로 일부가 삽입되도록 제1 직경(h1)보다 작은 제2 직경(h2)을 가지며, 제1 튜브(75)의 타단 내부로 삽입되는 제1단 및 상기 기체 헤더(74)와 연결되는 제2단을 포함하며, 상기 제1 튜브(75)로 삽입되는 제1단은 그 말단에서 제1 튜브(75)를 향하여 돌출되며 제2 직경(h2)보다 더욱 작은 직경(d3)을 갖도록 직경이 좁아지는 돌출부(72)를 포함한다.

이와 같은 돌출부(72)의 형성은 제1 튜브(75)로 주입된 이상 냉매 중 배관의 중앙 영역을 흐르는 기상 냉매만을 분리하여 제2 튜브(73)로 흘리기 위한 것이다.

구체적으로, 도 3a와 같이, 배관을 흐르는 이상 냉매는 건도 또는 유량에 따라 흐르는 방식이 다양하게 구현 가능하나, 대부분의 경우, 이상 냉매를 이루는 액상 냉매가 배관(A1)의 내벽을 따라 흐르고, 기상 냉매가 배관(A1)의 중앙부를 따라 흐르게 된다.

이와 같은 배관(A1)을 흐르는 이상 냉매의 유동 방식에 따라 상기 제1 튜브(75)와 제2 튜브(73)를 구현함으로써, 중앙부를 흐르는 기상 냉매만이 제2 튜브(73)에 포집되도록 매니폴드를 구현할 수 있다.

이와 같이 기액분리 유닛(81)으로부터 분리된 기상 냉매는 기체 헤더(74)에 포집된 후 방열배관(78)을 통해 전장부(85)를 통과하여 압축기(53, 54)로 바이패스된다.

도 4를 참고하면, 전장부(85)는 하나의 인쇄회로기판으로 구현 가능하고, 인쇄회로기판 위에 다양한 기능을 구현하기 위한 칩(87)이 실장되는 구조로 구현 가능하다.

이와 같은 방열배관(78)은 칩(87)이 실장되는 면의 반대면에 써멀 그리즈(thermal grease)(86)에 의해 직접 접착되어 부착된다.

상기 방열배관(78)은 상기 전장부(85)의 배면에서 방열 효율을 향상시키기 위해 접촉되는 배관(78)의 길이를 늘리기 위한 적어도 1회의 절곡부를 포함한다.

상기 절곡부는 도 4와 같이 전장부(85) 외부에서 절곡되는 영역이 노출되도록 형성될 수도 있으나, 이와 달리 전장부(85) 외부로 돌출되지 않고 전장부(85) 배면 위에서 절곡될 수도 있다.

도 4에서는 1회 절곡되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 전장부(85)의 크기 및 방열 효율에 따라 복수회 절곡 가능하다.

소정 건도를 가지며, 기액분리 유닛(81)으로부터 분리된 기상 냉매는 방열배관(78)을 따라 흐르다가 전장부(85)의 배면에서 전장부(85)와의 열교환에 의해 전장부(85)로부터 방출되는 열을 흡수하여 기상 냉매가 더욱 과열되어 건도가 0.95 이상이 되는 상태로 압축기(53, 54)의 입력단에 도달할 수 있다.

이와 같이, 실외 열교환기(A1)의 일부 냉매 중 기상 냉매를 추출하여 이를 전장부(85)의 발열과 열교환하여 건도를 향상시킨 상태로 압축기(53, 54)에 바이패스함으로써 전장부(85)의 방열과 함께 실외 열교환기(A1)의 냉매의 열교환 효율 역시 향상될 수 있다.

이하에서는 도 5 내지 도 6을 참고하여 각 운전 모드에서의 냉매 흐름을 설명한다.

도 5는 난방 운전 시 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 동작 상태를 나타내는 동작도이다.

구체적으로, 냉난방 멀티 공기조화기(100)가 난방 운전로 돌입하면, 제1,2압축기(53, 54)에서 토출된 고압 기체의 냉매는, 제1,2토출배관을 흐르다가 사방밸브(62)로 유입되어 실내 열교환기(B)로 유입된다. 실내 열교환기(B)에서 응축된 고온 고압의 액체 냉매가 실내 전자팽창밸브(12)를 거쳐 실외 전자팽창밸브(65, 66)를 거쳐 실외기(A)의 열교환기(A1)에 주입되어 열교환되어 증발된다.

실외 열교환기(A1)의 일단으로 토출되는 저온 기체 냉매가 어큐물레이터(52)를 거쳐 압축기(53, 54)에 회수된다.

냉난방 멀티 공기조화기(100)는 방열 팽창 밸브(66)의 개도를 조절하여 실외 열교환기(A1)를 흐르는 이상 냉매 중 일부를 기액분리 유닛(81)으로 흘리면서 전장부(85)의 방열을 수행하면서 증발시켜 압축기(53, 54)에 바이패스하여 회수한다.

도 6는 냉방 운전 시 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 동작 상태를 나타내는 동작도이다.

도 6을 참고하면, 냉방 운전에서, 제1,2압축기(53, 54)에서 토출된 고압 고온기체의 냉매는, 제1,2토출배관을 흐르다가 사방밸브(62)를 거쳐, 제1 연결 배관(71)을 지나 실외기(A)의 실외 열교환기(A1)로 유입되어 공기와 열교환을 수행하며 응축된다. 응축된 고압 액체 냉매는 과냉각장치(도시하지 않음)를 거쳐 액체배관(76)으로 흐른다. 액체 배관(76)과 연결되는 실내 연결배관들을 통하여 토출되는 냉매는 실내 전자팽창밸브(12)에서 팽창된 후, 실내 열교환기(11)에서 증발되고, 저온저압 기체 상태로 제2 연결배관(77)으로 유입된 후, 어큐뮬레이터(52)를 거쳐 제1,2압축기(53, 54)로 흡입된다.

냉난방 멀티 공기조화기(100)는 냉방 운전에서도 방열 팽창 밸브(66)의 개도를 조절하여 실외 열교환기(A1)를 흐르는 이상 냉매 중 일부를 기액분리 유닛(81)으로 흘리면서 전장부(85)의 방열을 수행하고, 증발시켜 압축기(53, 54)에 바이패스하여 회수한다.

이때, 실외 열교환기(A1)를 흐르는 이상 냉매의 흐름은 난방 운전과 반대되므로 사실상 열교환기(A1)로 주입되는 이상 냉매는 저압 기상 냉매로서 기상 냉매와 액상 냉매가 분리되지 않고, 냉매의 일부가 분지되는 것으로 이해하여야 할 것이다.

따라서, 난방 운전일 때와 달리, 냉방 운전일 때의 방열 온도는 응축 온도와 증발 온도의 중간 온도, 약 25도 내지 30도 정도를 충족하도록 방열 가능하다.

이와 같이, 난방 운전 및 냉방 운전에서 방열 팽창 밸브(66)의 개도를 조절하여 전장부(85)의 방열 및 냉매의 과열도를 제어하기 위한 냉매 유량 제어를 수행할 수 있다.

이와 같은 세부적인 제어를 수행하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 냉난방 멀티 공기조화기(100)는 제어부(도시하지 않음)을 포함할 수 있다.

제어부는 실외기(A) 내에 설치되어 있을 수 있으나, 이와 달리 관리자 관리 시스템 내에 프로세서로서 구현되어 있을 수 있다. 제어부의 다양한 변형에 대하여는 구체적인 설명은 생략한다.

제어부는 단순 사용자의 운전 선택 명령을 수신하고, 실내기(B) 및 실외기(A)에 배치되어 있는 온도 센서(63, 64)로부터 정보를 수신한다.

상기 제어부는 수신된 온도 정보에 및 사용자의 운전 선택 정보에 기초하여 기액분리할 냉매의 유량을 제어하여 방열을 위한 과열도 제어를 수행한다.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 도 1에 도시된 냉난방 멀티 공기조화기(100)의 방열 제어를 설명한다.

도 7은 도 1의 냉난방 멀티 공기조화기의 과열도 제어를 위한 순서도이고, 도 8은 도 7의 제어에 따른 도 5의 난방 운전에서의 엔탈피 선도를 나타내는 그래프이고, 도 9는 도 7의 제어에 따른 도 6의 냉방 운전에서의 엔탈피 선도를 나타내는 그래프이다.

도 7과 같이, 먼저 사용자로부터 시작 신호를 수신하면(S10), 제어부는 해당 시작 신호가 어떤 운전 모드인지를 판단하고, 그에 따라 각 유닛 및 밸브를 제어한다(S11).

즉, 난방 운전인 경우, 실외기(A)를 증발기, 실내기(B)를 응축기로 운전하고, 냉방 운전의 경우 실외기(A)를 응축기, 실내기(B)를 증발기로 운전하기 위한 밸브 및 압축기(53, 54) 제어를 수행한다.

이때, 제어부는 전장부(85)의 방열을 위해 기액분리 유닛(81)으로 흐르는 냉매의 유량을 결정하기 위한 과열도 제어를 진행한다(S12).

이와 같은 과열도 제어는 전장부(85)와 방열배관(78) 사이의 열교환에서 냉매가 증발될 때의 과열도를 제어하는 것으로, 전장부(85) 후단 온도센서(64)와 전장부(85) 전단 온도센서로부터 각각의 온도 전보를 읽어들인다.

제어부는 상기 전장부(85)의 후단 온도센서(64) 값을 출구 온도로, 전장부(85) 전단 온도 센서(63)의 값을 입구 온도로 정의하고, 두 온도의 차(a), 즉 현재과열도를 연산한다(S13).

이때, 두 온도의 차(a)가 기준과열도(c) 값과 동일하지 않으면 두 온도의 차(a)와 기준과열도(c)를 비교한다(S14).

구체적으로, 두 온도의 차(a)가 기준과열도(c) 값보다 작으면(S16), 현재 과열도가 기준과열도(c)보다 낮은 것으로 판단하여 과열도 향상을 위해 방열팽창밸브(66)를 현재 개도값에서 임계값(d)만큼 더 폐쇄한다(S15).

따라서, 기액분리되어 바이패스되는 냉매의 유량이 감소하므로 작은 유량의 냉매가 많은 열을 흡수하여 과열도는 상승한다.

다음으로 소정 시간(B)이 경과되면 다시 온도를 읽어들여 현재과열도를 연산한다.

한편, 두 온도의 차(a)가 기준과열도(c) 값보다 크면, 현재과열도가 기준 과열도(c)보다 높은 것으로 판단하여 과열도를 낮추기 위해 방열 팽창밸브(66)를 현재 개도값에서 임계값(d)만큼 더 개방한다(S18).

따라서, 기액분리되어 바이패스되는 냉매의 유량이 증가하므로 증가한 많은 유량의 냉매가 열을 흡수하여 과열도는 감소한다.

한편, 현재 과열도(a)가 기준과열도(c)와 동일하면 현재의 방열팽창밸브(66)의 개도 수준을 유지할 수 있다(S17).

이와 같이 주기적으로 전장부(85)의 출구 온도와 입구 온도를 읽어들여 방열 팽창 밸브(66)의 개도를 제어함으로써 과열도 제어를 수행할 수 있다.

이와 같이, 실외 열교환기(A1)를 흐르는 냉매의 일부를 바이패스하여 과열하여 압축기(53, 54)에 바이패스하는 경우, 도 8과 같은 난방 운전에서는 기상 냉매의 일부가 추출되어 바이패스되고 남은 냉매만이 실외 열교환기(A1)에서 기상으로 증발함으로써 열교환기(A1) 내에서 압력 손실이 일반 사이클에 비해 감소한다. 이와 같은 압력 손실의 감소는 압축기(53, 54)에 주입될 때의 압축 손실의 감소로 이어짐으로써 압축기(53, 54)의 효율을 향상시킨다.

한편, 도 9와 같은 냉방 운전에서는 종래 사이클에 대하여 엔탈피 상으로는 큰 차이가 없으나, 압축기(53, 54) 내로 진입되는 냉매의 유량이 바이패스되는 냉매가 추가되어 압축기(53, 54) 흡입 유량이 증가하므로 압축기(53, 54)의 압축 능력이 향상되며, 효율이 개선될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100 : 냉난방 멀티 공기조화기 A: 실외기
A1: 실외 열교환기 81: 기액분리 유닛
B: 실내기 53, 54: 압축기
52: 어큐뮬레이터 65: 전자팽창밸브
62: 사방밸브 66: 방열팽창밸브

Claims (20)

1. 실내 열교환기를 포함하는 적어도 하나의 냉난방 겸용 실내기; 및
   압축기, 실외 열교환기, 상기 압축기의 토출측에 배치되어 냉매의 흐름을 절환하는 절환 유닛 및 상기 압축기 및 상기 절환 유닛을 제어하는 전장부품을 실장하는 전장부을 포함하는 냉난방 겸용 실외기;
   를 포함하며,
   상기 냉난방 겸용 실외기는
   상기 실외 열교환기로부터 냉매의 일부를 추출하여 상기 전장부를 통과하여 상기 압축기로 바이패스하는 기액분리 유닛; 및
   상기 기액분리 유닛으로부터 추출된 상기 냉매를 상기 전장부를 통과하도록 흘리는 방열배관
   을 더 포함하며,
   상기 실외 열교환기가 증발기로 동작할 때, 상기 실외 열교환기를 흐르는 이상 냉매를 추출하여 상분리하여 상기 방열배관으로 기상 냉매를 흘리는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉난방 겸용 실외기는,
   상기 방열배관 상에 상기 기액분리 유닛으로 추출되는 상기 냉매의 유량을 제어하는 방열팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 기액분리 유닛은 상기 실외 열교환기의 중간 위치에서 연결되어 상기 실외 열교환기를 흐르는 냉매를 추출하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
5. 삭제
6. 제3항에 있어서,
   상기 기액분리 유닛은
   상기 실외 열교환기로부터 추출된 냉매를 수용하는 냉매 헤더,
   상기 실외 열교환기와 연결되어 있는 제1 튜브, 및
   상기 제1 튜브와 일단이 연결되며, 타단이 상기 냉매 헤더와 연결되는 제2 튜브
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 튜브는 일단이 상기 실외 열교환기와 연결되는 메인 튜브 및 상기 메인 튜브로부터 분지되어 상기 실외 열교환기로 다시 연결되는 서브 튜브
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1 튜브는 h자 형으로 형성되는 절곡부를 가지는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 튜브는 상기 일단이 상기 제1 튜브에 삽입되어 상기 제1 튜브와 결합하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 튜브의 일단은 상기 제1 튜브에 삽입되며, 상기 제1 튜브의 직경보다 작은 직경을 가지는 돌출부를 가지는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 방열배관은 상기 전장부의 배면에서 절곡되어 상기 전장부에서 발생하는 열을 흡수하여 상기 냉매를 증발시키는 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 전장부는 상기 전장부품을 실장하는 인쇄회로기판을 포함하며,
    상기 절곡부는 상기 인쇄회로기판의 배면에 직접 부착되어 상기 전장부를 통과하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 절곡부와 상기 인쇄회로기판은 써멀그리스에 의해 직접 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
14. 제12항에 있어서,
    상기 방열배관은 상기 전장부의 전단에 형성되어 상기 전장부의 입구온도를감지하는 제1 온도센서 및
    상기 전장부의 후단에 형성되어 상기 전장부의 출구온도를 감지하는 제2 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 냉난방 멀티 공기조화기는 주기적으로 감지되는 상기 제1 온도 센서 및 상기 제2 온도 센서의 상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도에 따라 상기 방열 팽창 밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
16. 제14항에 있어서,
    상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도의 차와 기준과열도를비교하여 상기 온도의 차가 상기 기준과열도를 충족하면 상기 방열 팽창 밸브의 현재 개도값을 유지하는 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
17. 제16항에 있어서,
    상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도의 차와 기준과열도를비교하여 상기 온도의 차가 상기 기준과열도보다 크면 상기 방열 팽창 밸브의 개도값을 증가하는 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
18. 제16항에 있어서,
    상기 전장부의 입구 온도 및 상기 전장부의 출구 온도의 차와 기준과열도를비교하여 상기 온도의 차가 상기 기준과열도보다 작으면 상기 방열 팽창 밸브의 개도값을 감소하는 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
19. 제18항에 있어서,
    상기 방열배관은 기체 헤더로부터 연장되어 상기 압축기의 입구단으로냉매를 바이패스하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.
20. 제3항에 있어서,
    상기 기액분리 유닛은
    상기 실외 열교환기가 증발기로 동작할 때, 상기 실외 열교환기를 흐르는 이상냉매를 추출하여 기액분리하여 상기 방열배관으로 기상 냉매를 흘리고, 상기 실외열교환기로 액상 냉매를 다시 주입하는 것을 특징으로 하는 냉난방 멀티 공기조화기.

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