KR102555023B1 - 배터리 운용효율을 향상시킨 공조장치 및 그의 제어방법 - Google Patents

배터리 운용효율을 향상시킨 공조장치 및 그의 제어방법 Download PDF

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Abstract

배터리 운용효율을 향상시킨 공조장치 및 그의 제어방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 공조장치가 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내를 냉방시키도록 제어하는 방법에 있어서, 상기 공조장치 내 배터리의 잔량을 파악하는 파악과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하는 판단과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 희망온도까지 남은 냉방 부하량을 파악하는 제2 파악과정과 상기 제2 파악과정에서 파악한 냉방 부하량에 따라 상기 공조장치 내 압축기의 운전 회전수를 설정하는 설정과정 및 냉방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부 및 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부에 따라, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 제어하는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치 냉방 제어방법을 제공한다.

Description

배터리 운용효율을 향상시킨 공조장치 및 그의 제어방법{Air Conditioning System with Improved Battery Operating Efficiency and Control Method thereof}
본 발명은 배터리 운용 효율을 향상시킨 공조장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
화석연료를 사용하는 내연기관(엔진) 자동차는 배기가스의 발생 등 다양한 문제를 발생시키고 있어, 전기 모터를 구동원으로 사용하는 무공해 친환경 전기 자동차(Electric Vehicle; EV)가 주목받고 있다.
전기 자동차에는 차량을 구동시키기 위한 전기 모터(구동모터)와 더불어 전기 모터에 전력을 공급하는 배터리가 탑재되는데, 주행 전 배터리를 충전한 뒤 주행하게 된다. 전기 자동차에서는 배터리의 에너지 축적밀도의 한계로 인하여 항속거리(일충전 주행거리)가 매우 중요하다.
특히, 배터리는 전기자동차에서 중요한 구성요소 중 하나로서 일정 온도를 유지하지 않으면 성능이나 효율이 떨어지게 되는 바, 대략 23℃ ∼ 25℃ 정도로 유지될 때 최적의 성능을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 이로 인해, 여름철보다 겨울철에 배터리의 효율이 현저히 저하되며, 전기 자동차의 항속 거리가 줄어는 현상이 발생한다.
한편, 차량 내에는 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 차량용 공조장치가 갖추어져 있다. 차량용 공조장치는 겨울철에는 온기를 발생시켜 실내를 따뜻하게 유지하고, 여름철에는 냉기를 발생시켜 실내를 시원하게 유지한다.
종래의 내연기관 자동차는 엔진을 포함하고 있어, 엔진에서 발생하는 열을 난방에 활용하거나, 엔진의 동력을 이용하여 압축기로 냉마를 압축 및 기회시킴으로써 냉각을 진행한다.
엔진이 존재하지 않는 전기 자동차는 냉방 또는 난방을 위해 배터리 내 전기를 사용하여야 한다. 그러나 전술한 대로 배터리는 겨울철 특히 상당한 효율 저하가 발생하게 되어, 공조장치가 난방을 수행하게 되면 배터리가 빠른 속도로 소모되는 문제가 발생한다.
따라서, 배터리로부터 전기를 공급받아 동작하는 공조장치의 전력 소모를 줄이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 냉방 또는 난방시 전기 에너지 소비 효율을 향상시킨 공조장치 및 그의 제어방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 공조장치가 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내를 냉방시키도록 제어하는 방법에 있어서, 상기 공조장치 내 배터리의 잔량을 파악하는 파악과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하는 판단과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 희망온도까지 남은 냉방 부하량을 파악하는 제2 파악과정과 상기 제2 파악과정에서 파악한 냉방 부하량에 따라 상기 공조장치 내 압축기의 운전 회전수를 설정하는 설정과정 및 냉방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부 및 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부에 따라, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 제어하는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치 냉방 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제1 기준치는 상기 배터리의 총 충전량의 30%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 냉방 부하량은 희망온도와 상기 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내의 현재 온도의 차이인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제1 기준치는 상기 배터리의 총 충전량의 70%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 설정과정은 상기 냉방 부하량과 상기 압축기의 운전 회전수를 비례하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 공조장치가 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내를 냉방시키도록 제어하는 방법에 있어서, 상기 공조장치 내 배터리의 잔량을 파악하는 파악과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하는 판단과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 희망온도까지 남은 냉방 부하량을 파악하는 제2 파악과정과 상기 제2 파악과정에서 파악한 냉방 부하량에 따라 상기 공조장치 내 압축기의 운전 회전수를 설정하는 설정과정과 냉방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부 및 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부를 파악하는 제3 파악과정과 냉방 부하량이 0℃ 보다 크고 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작을 경우, 상기 압축기의 운전 회전수는 감소시키고, 상기 공조장치 내 팬의 회전수는 증가시키는 제어과정 및 냉방 부하량이 0℃ 보다 크고 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 클 경우, 상기 압축기의 운전 회전수는 증가시키고, 상기 공조장치 내 팬의 회전수는 감소시키는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치 냉방 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 공조장치가 배치된 장치는 전기자동차인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 방법에 따라 자신이 배치된 공간 또는 장치 내를 냉방시키는 것을 특징으로 하는 공조장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 공조장치가 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내를 난방시키도록 제어하는 방법에 있어서, 상기 공조장치 내 배터리의 잔량을 파악하는 파악과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하는 판단과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 희망온도까지 남은 난방 부하량을 파악하는 제2 파악과정과 상기 제2 파악과정에서 파악한 난방 부하량에 따라 상기 공조장치 내 압축기의 운전 회전수를 설정하는 설정과정 및 난방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부 및 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부에 따라, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 제어하는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제1 기준치는 상기 배터리의 총 충전량의 30%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 난방 부하량은 상기 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내의 현재 온도와 희망온도의 차이인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 제1 기준치는 상기 배터리의 총 충전량의 70%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 설정과정은 상기 난방 부하량과 상기 압축기의 운전 회전수를 비례하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 공조장치가 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내를 난방시키도록 제어하는 방법에 있어서, 상기 공조장치 내 배터리의 잔량을 파악하는 파악과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하는 판단과정과 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 희망온도까지 남은 난방 부하량을 파악하는 제2 파악과정과 상기 제2 파악과정에서 파악한 난방 부하량에 따라 상기 공조장치 내 압축기의 운전 회전수를 설정하는 설정과정과 난방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부 및 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부를 파악하는 제3 파악과정과 난방 부하량이 0℃ 보다 크고 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작을 경우, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 감소시키는 제어과정 및 난방 부하량이 0℃ 보다 크고 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 클 경우, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 증가시키는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 공조장치가 배치된 장치는 전기자동차인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 방법에 따라 자신이 배치된 공간 또는 장치 내를 난방시키는 공조장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 공조장치가 냉방 또는 난방을 수행함에 있어, 소비되는 전기 에너지량을 감소시킨 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 냉매 파이프의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2 냉매 파이프의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 에너지 소비효율을 향상시키며 냉방을 수행하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 냉방을 수행함에 있어, 압축기 운전 회전수와 냉방 부하량과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 냉방을 수행함에 있어, 배터리 잔량과 압축기 회전수 간 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 냉방을 수행함에 있어, 배터리 잔량과 팬 운전 회전수 간 관계를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 에너지 소비효율을 향상시키며 난방을 수행하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 난방을 수행함에 있어, 압축기 운전 회전수와 난방 부하량과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 난방을 수행함에 있어, 배터리 잔량과 압축기 회전수 간 관계를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 난방을 수행함에 있어, 압축기 회전수와 팬 운전 회전수 간 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 공조장치(110)는 차량 또는 건물 등 냉방 또는 난방이 필요한 다양한 장소에 배치되어, 냉방 또는 난방을 수행한다. 공조장치(110)는 냉매를 압축하거나 팽창시킴으로써 온도를 승·하강시킨다. 공조장치(110)는 온도가 승강 또는 하강된 냉매와 외부에서 유입되는 외부 공기를 열교환함으로서, 온도가 하강되거나 상승한 (외부) 공기를 장소 내부로 공급한다.
공조장치(110)는 냉방 또는 난방을 수행함에 있어, 에너지 소비효율을 향상시키도록 동작한다. 특히, 공조장치(110)는 버려지는 열 에너지를 재활용함으로서 난방을 수행함에 있어 구조적으로 에너지 소비효율을 향상시킬 수 있다.
도 1에는 공조장치(110)가 차량에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치(110)는 배터리(210), 인버터(220), 압축기(230), 제어부(240), 메인 열교환기(250), 제1 열 교환기(254), 제2 열 교환기(258), 팬(260), 제1 냉매 파이프(310), 압축밸브(320), 팽창밸브(330) 및 제2 냉매 파이프(340)를 포함한다.
배터리(210)는 압축기(230), 팬(260), 압축밸브(320) 및 팽창밸브(330)가 동작할 수 있도록 하는 동력을 공급한다. 배터리(210)는 공조장치(110)에 포함되는 구성일 수도 있고, 공조장치(110)가 배치된 공간이나 장치 내 존재하는 구성일 수도 있다. 특히, 배터리(210)는 각 구성, 특히, 인버터(220)로 DC 전원을 공급할 수 있다.
인버터(220)는 배터리(210)로부터 전원을 인가받아, 인가되는 전원의 크기를 조정한다. 인버터(220)는 배터리(210)로부터 전원, 특히, DC 전원을 인가받으며, 압축기(230)가 동작하는데 있어 필요한 전원의 크기로 조정하여 압축기(230)로 공급한다.
압축기(230)는 인버터(220)로부터 전원을 공급받아 동작하며, 압축밸브(320)를 거치며 전달되는 냉매를 압축한다. 압축기(230)는 압축밸브(320)의 동작에 따라 제1 냉매 파이프(310)를 따라 유동하는 냉매를 유입받는다. 압축기(230)는 유입되는 냉매를 압축한다. 압축기(230)가 기체를 가압할 경우, 기체의 압력은 증가하며, 그에 따라 기체의 온도도 함께 증가하게 된다.
압축기(230)에서 압축된 냉매는 제1 냉매 파이프(310)를 따라 제1 메인 열 교환기(250b)로 유입된다. 제1 메인 열 교환기(250b)는 외부로부터 공기를 유입받으며, 유입된 냉매와 유입된 공기와의 열 교환(외부로 열을 방출)을 진행하여 냉매의 온도를 기 설정된 기준치만큼 떨어뜨린다. 냉매는 압축기(230)를 거치며 고압의 상태를 갖기 때문에, 제1 메인 열 교환기(250b)를 거치며 온도가 기 설정된 기준치만큼만 낮아지더라도 손쉽게 액화될 수 있다.
제1 메인 열 교환기(250b)를 거친 냉매는 제1 냉매 파이프(330)를 따라 팽창밸브(330)로 유입된다. 팽창 밸브(330)를 거치며 냉매의 온도는 줄 톰슨 효과(Joule-Thomson effect)에 의해 현저히 내려간다. 이에 따라, 냉매는 저온의 액체 상태를 갖는다.
온도가 저하된 냉매는 제1 냉매 파이프(330)를 따라 제2 메인 열 교환기(250a)로 유입된다. 제2 메인 열 교환기(250a)에서 냉매는 주변의 열을 흡수하며 기화한다. 이에 따라, 냉매는 외부로부터 제2 메인 열 교환기(250a)로 유입되는 외부의 공기로부터 열을 흡수하여 기화되며, 외부의 공기는 제2 메인 열 교환기(250a)에서 열을 빼앗긴 채(냉각된 채) 내부로 공급된다. 냉매는 다시 제1 냉매 파이프(330)를 따라 압축밸브(320)로 인가되며 전술한 사이클을 다시 거치게 된다.
이러한 사이클에 따라 냉각이 진행된다.
한편, 난방은 전술한 과정의 반대로 진행되며 난방이 수행된다. 제2 메인 열 교환기(250a)에서 기체 상태의 냉매는 제2 메인 열 교환기(250a)로 유입되는 외부의 공기로 열을 방출하며 액화되고, 외부의 공기는 냉매로부터 방출되는 열에 의해 온도가 상승한 상태로 내부로 공급된다.
한편, 공조장치(110)는 제1 냉매 파이프(310)와는 별개로, 제2 메인 열 교환기(250a), 제1 열 교환기(254), 제2 열교환기(258)를 하나의 사이클로 연결하는 제2 냉매 파이프(340)를 더 포함한다.
제1 열 교환기(254)는 인버터(220)에서 발생하는 열을 회수하여, 재2 냉매 파이프(340) 내 냉매로 열을 직·간접적으로 전달한다. 인버터(220)는 전술한 바와 같이 배터리(210)에서 인가된 전원의 크기를 조정하며, 필연적으로 열을 발생시킨다. 이와 같이 발생하는 열은 그대로 방출된다. 제1 열 교환기(254)는 인버터(220)에 부착되거나 인버터(220)로부터 기 설정된 반경 내 위치하여, 인버터(220)에서 발생하는 열을 회수한다. 제1 열 교환기(254)는 열 전도도가 우수한 성분, 예를 들어, 은 또는 구리 등으로 구현되거나 그를 포함하여, 인버터(220)에서 발생하는 열을 회수한다. 제1 열 교환기(254)는 제2 냉매 파이프(340)와 접촉해 있거나, 자신의 내부로 제2 냉매 파이프(340)를 관통시키는 형태로 구현될 수 있으며, 자신이 회수한 열을 제2 냉매 파이프(340)로 전달한다. 또는, 제1 열 교환기(254)는 제2 냉매 파이프(340)와 일부분에서 직접 연결되어 냉매를 전달받으며, 다른 일부분에서 직접 연결되어 전달받은 냉매를 다시 제2 냉매 파이프(340)로 전달할 수 있다. 제1 열 교환기(254)는 냉매를 전달받아 다시 전달하는 과정에서, 회수한 열을 토대로 냉매를 가열할 수 있다.
제2 열 교환기(258)는 압축기(230)에서 발생하는 열을 회수하여, 제2 냉매 파이프(340) 내 냉매로 열을 직·간접적으로 전달한다. 제2 열 교환기(258)는 제1 열 교환기(254)와 동일하게 구현되되 압축기(230)에 부착되거나 압축기(230)로부터 기 설정된 반경 내에 위치한다. 이에 따라, 제2 열 교환기(258)도 압축기(230)로부터 회수한 열을 제2 냉매 파이프(340)를 흐르는 냉매로 전달한다.
한편, 추가적으로 배터리(210)에서 발생하는 열을 회수하기 위해, 제3 열 교환기(미도시)가 추가로 배치될 수 있다. 제3 열 교환기(미도시)는 제1 열 교환기(254) 및 제2 열 교환기(258)와 동일하게 구현되되 배터리(210)에 부착되거나 배터리(210)로부터 기 설정된 반경 내에 위치한다. 제3 열 교환기(미도시)도 배터리(210)로부터 회수한 열을 제2 냉매 파이프(340)를 흐르는 냉매로 전달할 수 있다.
이처럼 각 열 교환기(254, 258)에서 전달되는 열은 제2 냉매 파이프(340) 내 냉매를 가열하며, 가열된 냉매는 제2 냉매 파이프(340)를 따라 제2 메인 열 교환기(250a)로 전달된다. 가열된 냉매가 제2 메인 열 교환기(250a)에서 유입되며, 제2 메인 열 교환기(250a)로 유입되는 외부의 공기에 열을 전달한다. 이에 따라, 난방 사이클 과정에서, 외부의 공기에 제1 냉매 파이프(310)를 따라 유입되는 냉매로부터 열이 전달될 뿐만 아니라, 제2 냉매 파이프(340)를 따라 유입되는 냉매로부터 열이 추가적으로 전달되기 때문에, 난방 사이클 과정에서 사용될 전기 에너지의 소비량이 감소할 수 있다. 특히, 제2 냉매 파이프(340)와 연결된 각 열 교환기(254, 258)는 별도의 전기 에너지 소모없이 각 구성의 필연적인 동작에 의해 발생하는 열 에너지를 회수하여 냉매를 가열하기 때문에, 공조장치(110)의 에너지 소비 효율을 향상시킬 수 있다.
팬(260)은 공조장치(110)가 배치되는 공간 내 배치되어, 해당 공간 내의 공기의 흐름을 활발히 한다. 팬(260)은 자신의 주변 공기를 빨아들여 원거리로 배출한다. 이에 따라, 열 교환기를 거치며 해당 공간 내로 배출되는 (냉방 또는 난방을 위한) 공기는 팬(260)에 의해 해당 공간 전부분으로 원활히 분산될 수 있다. 팬(260)은 전술한 바와 같이 동작하며 해당 공간의 냉방 또는 난방 효율을 향상시켜, 에너지 소비 효율을 향상시킨다.
제어부(240)는 공조장치(110) 내 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(240)는 외부(주로, 사용자)로부터 난방을 수행할 것인지 냉방을 수행할 것인지 여부를 입력받아, 제1 냉매 파이프(310) 내 냉매의 흐름을 제어한다. 냉매가 어떠한 순서로 제1 냉매 파이프(310)와 연결된 각 구성에 유입될 것인지에 따라, 공조장치(110)가 배치된 공간 내에 난방이 수행될 것인지, 냉방이 수행될 것인지가 결정된다. 제어부(240)는 외부의 입력에 따라, 제1 냉매 파이프(310) 내 냉매의 흐름을 제어한다.
난방을 수행하는 경우, 제어부(240)는 제2 냉매 파이프(340)에서도 냉매가 흐르도록 제어한다. 외부로부터 난방을 수행하도록 입력을 받는 경우, 제어부(240)는 제2 냉매 파이프(340)에서도 냉매가 흐르도록 제어하여, 추가적인 열을 외부의 공기로 공급하도록 한다.
각 냉매 파이프(310, 340) 내에는 냉매를 유동시키는 펌프(미도시)가 포함되어 있어, 제어부(240)는 해당 펌프(미도시)의 동작을 제어함으로서 냉매의 흐름과 흐르는 방향을 제어한다.
제어부(240)는 팬(260)을 제어하여, 냉각된 공기 또는 가열된 공기가 보다 원활히 공조장치(110)가 배치된 공간 내에서 분산될 수 있도록 한다.
또한, 제어부(240)는 냉방 또는 난방을 수행함에 있어, 도 6 내지 13에 도시된 바와 같이 제1 냉매 파이프(310)와 팬(260)의 동작을 제어하며, 에너지 소비 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 도 6 내지 13을 참조하여 후술한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 냉매 파이프의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제2 냉매 파이프(340)는 외부관(410) 및 냉매가 실제로 흐르는 내부관(420)을 포함한다.
외부관(410)이 존재하며, 외부관(410)의 내부에 내부관(420)이 추가로 배치된다. 내부관(420)은 외부관(410)보다 상대적으로 작은 직경을 갖되, 일 끝단으로부터 다른 끝단으로 진행함에 있어, 직경이 점차 작아지는 형태로 구현된다. 예를 들어, 내부관(420)의 직경은 일 끝단에서는 외부관(410)의 직경과 기 설정된 오차범위 내의 직경을 갖되, 다른 일 끝단으로 갈수록 외부관(410)을 기준으로 수°만큼 감소하는 형태를 가질 수 있다. 냉매가 내부관(420)을 따라 이동함에 있어, 점차 외부관(410)과 이격된 내부관(420)을 따라 이동하게 된다. 외부관(410)과 내부관(420)이 (점차) 이격되기 때문에, 내부관(420)을 따라 흐르는 냉매의 열 손실을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제2 냉매 파이프의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 제2 냉매 파이프(340)는 외부관(410) 및 내부관(420)을 포함하며, 내부관(420)은 나선형태의 돌출부(510)를 더 포함할 수 있다.
돌출부(510)는 내부관(420)으로부터 내부관(420)의 내부를 향해 나선형으로 돌출된 구조이다. 돌출부(510)는 내부관(420)에서 기 설정된 간격마다 돌출되며, 상호 간에 동일 선상에 배치되지 않고 엇갈려 배치되도록 형성된다.
돌출부(510)는 내부관(420)의 내부로 돌출됨에 따라, 내부관(420)을 흐르는 냉매에 난류를 발생시킨다. 이로써, 돌출부(510)는 냉매로의 열 전달 효율을 향상시킨다.
또한, 돌출부(510)에 의해 내부관(420)을 흐르는 냉매의 유속이 빨라진다. 냉매의 유속이 빨라질 경우, 냉매가 내부관(420) 내에서 잔류하는 시간이 단축되며, 외부로의 열 손실을 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 에너지 소비효율을 향상시키며 냉방을 수행하는 방법을 도시한 순서도이다.
전술한 바와 같이, 공조장치(110)가 외부로부터 냉방을 수행하도록 입력을 인가받을 경우, 에너지 소비효율을 향상시키기 위해 다음과 같이 동작한다.
제어부(240)는 외부로부터 냉방 동작신호를 인가받는다(S610).
제어부(240)는 배터리(210) 잔량을 파악한다(S620).
제어부(240)는 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단한다(S630), 여기서, 기 설정된 제1 기준치는 공조장치(110)가 배치된 공간이나 장치가 자신이 목적하는 바를 달성함에 있어 필요로 하는 최소한의 수치(전기 에너지)에 해당하며, 일 예로 총 충전량의 30%일 수 있다. 예를 들어, 공조장치(110)가 배치된 장치가 전기자동차일 경우, 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 낮은 상태에서 냉방이 진행될 경우, 전기자동차의 구동에 있어 영향을 미칠 수 있어 운전자나 차량에 위험이나 파손을 유발할 수 있다. 따라서, 제어부(240)는 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하여, 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 작을 경우, (냉방의) 동작을 중단한다.
배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 제어부(240)는 입력받은 희망온도까지 남은 냉방 부하량을 파악한다(S640). 냉방 부하량은 (공조장치(110)가 배치된 공간 또는 장소의) 현재 온도와 (사용자로부터 입력받은) 희망온도의 차이로 연산된다. 제어부(240)는 냉방 부하량을 파악한다.
또한, 제어부(240)는 파악한 냉방 부하량에 따른 압축기의 운전 회전수를 설정한다(S650). 제어부(240)는 전술한 과정에서 파악한 냉방 부하량에 따라, 적정 압축기 운전 회전수를 설정한다. 냉방 부하량과 압축기의 운전 회전수는 도 7에 도시된 관계를 갖는다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 냉방을 수행함에 있어, 압축기 운전 회전수와 냉방 부하량과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 압축기 운전 회전수와 냉방 부하량은 비례관계를 갖는다. 압축기 운전 회전수가 보다 증가할수록, 공조장치가 배치된 공간이나 장치 내로 유입되는 공기의 온도는 하강한다. 따라서, 냉방 부하량이 커질수록(현재의 온도가 희망온도와 차이를 가져 보다 더 냉방이 되어야 하는 경우), 압축기 운전 회전수는 증가하여야 한다.
다시 도 6을 참조하면, 이와 같이, 현재의 냉방 부하량에 따라, 그에 적합한 압축기 운전 회전수를 설정한다. 제어부(240)는 압축기 운전 회전수를 설정함에 있어 다음과 같이 연산할 수 있다.
Figure 112022047357352-pat00001
제어부(240)는 전술한 수식에 따라 압축기 운전 회전수를 설정함으로써, 냉방 부하량이 0℃가 될 때까지 에너지를 효율적으로 사용하며 압축기를 동작시킬 수 있다.
제어부(240)는 냉방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부를 판단한다(S660). 냉방 부하량이 0℃ 보다 작은 경우는 공조장치(110)가 배치된 장소나 장치 내부 온도가 설정 온도까지 하강한 상태이므로, 제어부(240)는 공조장치(110)의 동작을 중단한다.
냉방 부하량이 0℃ 보다 클 경우, 제어부(240)는 배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부를 판단한다.
배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작을 경우, 제어부(240)는 압축기 운전 회전수는 감소시키고, 팬의 회전수는 증가시킨다(S680). 기 설정된 제2 기준치는 압축기가 동작하며 전기 에너지를 소비하더라도, 공조장치(110)가 배치된 공간이나 장치가 자신이 목적하는 바를 달성함에 있어 영향을 미치지 않을 만큼의 수치(전기 에너지)를 의미하며, 예를 들어, 총 충전량의 70%일 수 있다. 배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작을 경우, 제어부(240)는 압축기(230)의 운전 회전수는 감소시켜 에너지 소비는 감소시키고, 대신, 팬(260)의 회전수를 증가시켜 공간 내로 유입되는 냉각된 공기를 보다 원활히 분산시킨다. 팬(260)은 압축기(230)보다 상대적으로 (현저시) 적게 에너지를 소비하기 때문에, 제어부(240)는 전술한 상황에서 압축기(230)의 운전수를 줄이고 팬(260)의 회전수를 증가시켜 에너지 소비를 감소시킨다. 해당 공간 내 위치한 사람은 팬(260)의 동작에 의해 자신이 설정한 온도를 유지하고 있는 듯하게 온도를 체감할 수 있다.
반대로, 배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 많을 경우, 제어부(240)는 압축기 운전 회전수를 증가시키고, 팬의 회전수는 증가시킨다(S690). 배터리 잔량이 충분한 상황이기 때문에, 제어부(240)는 압축기(230)의 운전 회전수를 유지 또는 증가시켜 냉방 효율을 향상시키고, 에너지 소비효율 향상을 위해 팬(260)의 회전수는 감소시킨다.
즉, 제어부(240)는 배터리 잔량에 따라 압축기 운전 회전수와 팬의 회전수를 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 제어한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 냉방을 수행함에 있어, 배터리 잔량과 압축기 회전수 간 관계를 도시한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 냉방을 수행함에 있어, 배터리 잔량과 팬 운전 회전수 간 관계를 도시한 그래프이다.
도 8 및 9를 참조하면, 냉방을 수행할 경우, 제어부(240)는 배터리 잔량이 많을수록 압축기 운전 회전수를 상승시키고 팬 회전수를 감소시킨다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 배터리 소비효율을 향상시키며 난방을 수행하는 방법을 도시한 순서도이다.
전술한 바와 같이, 공조장치(110)가 외부로부터 난방을 수행하도록 입력을 인가받을 경우, 에너지 소비효율을 향상시키기 위해 다음과 같이 동작한다.
제어부(240)는 외부로부터 난방 동작신호를 인가받는다(S1010).
제어부(240)는 배터리(210) 잔량을 파악한다(S1020).
제어부(240)는 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단한다(S1030), 마찬가지로, 기 설정된 제1 기준치는 공조장치(110)가 배치된 공간이나 장치가 자신이 목적하는 바를 달성함에 있어 필요로 하는 최소한의 수치(전기 에너지)에 해당한다. 제어부(240)는 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하여, 배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 작을 경우, (난방의) 동작을 중단한다.
배터리(210) 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 제어부(240)는 입력받은 희망온도까지 남은 난방 부하량을 파악한다(S1040). 난방 부하량은 (사용자로부터 입력받은) 설정 온도와 (공조장치(110)가 배치된 공간 또는 장소의) 현재 온도의 차이로 연산된다. 제어부(240)는 난방 부하량을 파악한다.
또한, 제어부(240)는 파악한 난방 부하량에 따른 압축기의 운전 회전수를 설정한다(S1050). 제어부(240)는 전술한 과정에서 파악한 난방 부하량에 따라, 적정 압축기 운전 회전수를 설정한다. 난방 부하량과 압축기의 운전 회전수는 도 11에 도시된 관계를 갖는다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 난방을 수행함에 있어, 압축기 운전 회전수와 난방 부하량과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 압축기 운전 회전수와 난방 부하량은 비례관계를 갖는다. 압축기 운전 회전수가 보다 증가할수록, 공조장치가 배치된 공간이나 장치 내로 유입되는 공기의 온도는 상승한다. 따라서, 난방 부하량이 커질수록(현재의 온도가 희망온도와 차이를 가져 보다 더 난방이 되어야 하는 경우), 압축기 운전 회전수는 증가하여야 한다.
다시 도 11을 참조하면, 이와 같이, 현재의 난방 부하량에 따라, 그에 적합한 압축기 운전 회전수를 설정한다. 제어부(240)는 압축기 운전 회전수를 설정함에 있어 다음과 같이 연산할 수 있다.
Figure 112022047357352-pat00002
제어부(240)는 전술한 수식에 따라 압축기 운전 회전수를 설정함으로써, 난방 부하량이 0℃가 될 때까지 에너지를 효율적으로 사용하며 압축기를 동작시킬 수 있다.
제어부(240)는 난방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부를 판단한다(S1060). 난방 부하량이 0℃ 보다 작은 경우는 공조장치(110)가 배치된 장소나 장치 내부 온도가 설정 온도까지 상승한 상태이므로, 제어부(240)는 공조장치(110)의 동작을 중단한다.
난방 부하량이 0℃ 보다 클 경우, 제어부(240)는 배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부를 판단한다.
배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작을 경우, 제어부(240)는 압축기 운전 회전수와 팬의 회전수를 감소시킨다(S1080). 기 설정된 제2 기준치는 압축기가 동작하며 전기 에너지를 소비하더라도, 공조장치(110)가 배치된 공간이나 장치가 자신이 목적하는 바를 달성함에 있어 영향을 미치지 않을 만큼의 수치(전기 에너지)를 의미한다. 배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작을 경우, 제어부(240)는 압축기(230)의 운전 회전수를 감소시켜 에너지 소비를 감소시키며, 그와 함께 팬의 회전수를 감소시켜 해당 공간 내 위치한 사람의 체감 온도를 상승시킨다.
반대로, 배터리 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 많을 경우, 제어부(240)는 압축기 운전 회전수와 팬의 회전수를 증가시킨다(S1090). 배터리 잔량이 충분한 상황이기 때문에, 제어부(240)는 압축기(230)의 운전 회전수와 팬(260)의 회전수를 모두 증가시켜, 단 시간 내에 해당 공간 내 온도를 희망온도로 상승시킨다. 제어부(240)는 이와 같이 제어함으로써, 에너지 소비효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 제어부(240)는 배터리 잔량에 따라 압축기 운전 회전수와 팬의 회전수를 도 12 및 13에 도시된 바와 같이 제어한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 난방을 수행함에 있어, 배터리 잔량과 압축기 회전수 간 관계를 도시한 그래프이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공조장치가 난방을 수행함에 있어, 압축기 회전수와 팬 운전 회전수 간 관계를 도시한 그래프이다.
도 12 및 13을 참조하면, 난방을 수행할 경우, 제어부(240)는 배터리 잔량이 많을수록 압축기 운전 회전수를 상승시키고, 압축기 운전 회전수와 팬 회전수를 비례하여 증가시키거나 감소시킨다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 공조장치
210: 배터리
220: 인버터
230: 압축기
240: 제어부
250: 메인 열 교환기
254: 제1 열 교환기
258: 제2 열 교환기
260: 팬
310: 제1 냉매 파이프
320: 압축밸브
330: 팽창밸브
340: 제2 냉매 파이프
410: 외부관
420: 내부관
510: 돌출부

Claims (16)

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  9. 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내를 난방시키도록 제어하는 방법에 있어서,
    상기 공조장치 내 배터리의 잔량을 파악하는 파악과정; 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 큰지 여부를 판단하는 판단 과정;
    상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제1 기준치보다 클 경우, 희망온도까지 남 은 난방 부하량을 파악하는 제2 파악과정;
    상기 제2 파악과정에서 파악한 난방 부하량에 따라 상기 공조장치 내 압축기의 운전 회전수를 비례하도록 설정하는 설정과정;
    난방 부하량이 0℃ 보다 큰지 여부 및 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보다 작은지 여부를 파악하는 제3 파악과정;
    난방 부하량이 0℃ 보다 크고 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보 다 작을 경우, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 감 소시키는 제어과정; 및
    난방 부하량이 0℃ 보다 크고 상기 배터리의 잔량이 기 설정된 제2 기준치보 다 클 경우, 상기 압축기의 운전 회전수 및 상기 공조장치 내 팬의 회전수를 증가시키는 제어과정을 포함하되,
    상기 공조 장치는,
    냉매를 압축하는 압축기에서 압축된 냉매가 제1 냉매 파이프를 따라 유입되면, 유입된 냉매와 유입된 공기와의 열교환을 진행하여 냉매의 온도를 기 설정된 기준치만큼 상승시키는 제1 메인 열교환기;
    인버터로부터 기 설정된 반경 내에 배치되며, 상기 인버터에서 발생하는 열을 회수하여 제2 냉매 파이프 내 냉매로 전달하는 제1 열교환기;
    상기 압축기로부터 기 설정된 반경 내에 배치되며, 상기 압축기로부터 회수한 열을 제2 냉매 파이프를 흐르는 냉매에 전달하는 제2 열교환기;
    배터리로부터 기 설정된 반경 내에 배치되며, 상기 배터리로부터 회수한 열을 제2 냉매 파이프에 흐르는 냉매에 전달하는 제3 열교환기; 및
    상기 제1 냉매 파이프를 따라 유입되는 가열된 냉매로부터 열이 전달되고, 상기 제1 내지 제3 열교환기에 의해 상기 제2 냉매 파이프를 따라 유입되는 가열된 냉매로부터 열이 전달되면, 가열된 냉매가 유입되는 외부 공기에 열을 전달하여 온도가 상승한 공기가 내부로 공급되도록 하는 제2 메인 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기 설정된 제1 기준치는,
    상기 배터리의 총 충전량의 30%인 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 난방 부하량은,
    상기 공조장치가 배치된 공간 또는 장치 내의 현재 온도와 희망온도의 차이인 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기 설정된 제1 기준치는,
    상기 배터리의 총 충전량의 70%인 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 공조장치가 배치된 장치는,
    전기자동차인 것을 특징으로 하는 공조장치 난방 제어방법.
  16. 제9항 내지 제12항 및 제15항 중 어느 한 항의 방법에 따라 자신이 배치된 공간 또는 장치 내를 난방시키는 것을 특징으로 하는 공조장치.
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