KR102561008B1

KR102561008B1 - 자연공조 냉방장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR102561008B1
Application number: KR1020230029788A
Authority: KR
Inventors: 박희태
Original assignee: 주식회사 벤투스
Priority date: 2023-03-07
Filing date: 2023-03-07
Publication date: 2023-07-28

Abstract

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는, 병렬로 배열된 압축유로와 압축바이패스유로 중 상기 압축유로에 설치되는 압축기; 상기 압축유로 또는 상기 압축바이패스유로를 통해 공급된 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 응축기의 후단에 병렬로 배열된 펌핑유로와 펌핑바이패스유로 중 상기 펌핑유로에 설치되어, 상기 응축기에 의해 액상으로 응축된 냉매를 가압하여 이송시키는 냉매펌프; 상기 응축기를 지난 냉매가 상기 펌핑유로와 상기 펌핑바이패스유로에 유입되는 비율을 조절하는 펌핑삼방밸브; 상기 펌핑유로 또는 상기 펌핑바이패스유로를 통해 공급된 냉매를 기상으로 상변화시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브에서 기화된 냉매의 냉기를 실내로 공급하는 증발기; 및 상기 증발기를 지난 냉매가 상기 압축유로와 압축바이패스유로에 유입되는 비율을 조절하는 압축삼방밸브;를 포함한다. 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 및 그 제어방법을 이용하면, 외부 기온이 기준치 미만으로 떨어졌을 때 외부 냉기를 이용하여 냉매를 응축시킴으로써 압축기 구동에 소요되는 전력을 절감할 수 있고, 압축기 사용량을 줄임으로써 압축기의 수명을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

자연공조 냉방장치 및 그 제어방법{Natural air conditioning system and operating method of the same}

본 발명은 냉매의 기화열을 이용하여 실내를 냉방시키는 냉방장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외부 기온이 기준치 미만으로 떨어졌을 때 외부 냉기를 이용하여 냉매를 응축시킴으로써 압축기 기동에 사용되는 전력을 절감시킬 수 있는 자연공조 냉방장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

정보이용기술의 발달로 인해 전산센터의 단위면적당 냉방부하가 급속히 증가하고 있으며, 서버 등의 내부 발열장비로 인하여 겨울철에도 냉방이 필요한 전산센터의 냉방에너지 절감을 위해 자연에너지를 이용한 프리쿨링 시스템이 개발되어 사용되고 있다. 이때, 종래의 프리쿨링 시스템은 외기를 직접 이용하여 냉방하는 직접 냉방식과, 열교환기 등을 사용하여 외기의 냉열을 사용하는 간접 냉방식으로 구분된다.

상기 직접 냉방식 프리쿨링 시스템은 외기를 직접 냉각열원으로 사용함에 따라 에너지 절감 효율이 우수하지만, 외부 오염물질의 실내 유입 및 습도관리에 어려움이 있다는 단점이 있다.

또한 상기 간접 냉방식 프리쿨링 시스템은 공기-공기 열교환방식, 공기-물 열교환방식으로 구분되며, 이중 공기-공기 열교환방식은 공기의 비열이 매우 작기 때문에 공기를 운송하는 덕트 및 공조장비의 크기가 매우 커지는 단점이 있다. 반면, 공기-물 열교환방식은 위와 같은 단점을 해소할 수 있는 진보한 프리쿨링 시스템이다. 그러나, 에너지효율을 높이기 위해서는 외기냉방과 압축기 냉방을 동시에 운전하는 복합냉방운전이 불가피한데, 제어방식에 어려움이 있어 잘못된 운전으로 인해 외기 냉방효율이 저하되고, 최악의 경우 압축기의 잦은 고장이 발생하게 되는 문제점이 있다.

KR

10-2014931

B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 외부 기온이 기준치 미만으로 떨어졌을 때 외부 냉기를 이용하여 냉매를 응축시킴으로써 압축기 기동에 사용되는 전력을 절감시킬 수 있는 자연공조 냉방장치 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는, 병렬로 배열된 압축유로와 압축바이패스유로 중 상기 압축유로에 설치되는 압축기; 상기 압축유로 또는 상기 압축바이패스유로를 통해 공급된 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 응축기의 후단에 병렬로 배열된 펌핑유로와 펌핑바이패스유로 중 상기 펌핑유로에 설치되어, 상기 응축기에 의해 액상으로 응축된 냉매를 가압하여 이송시키는 냉매펌프; 상기 응축기를 지난 냉매가 상기 펌핑유로와 상기 펌핑바이패스유로에 유입되는 비율을 조절하는 펌핑삼방밸브; 상기 펌핑유로 또는 상기 펌핑바이패스유로를 통해 공급된 냉매를 기상으로 상변화시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브에서 기화된 냉매의 냉기를 실내로 공급하는 증발기; 및 상기 증발기를 지난 냉매가 상기 압축유로와 압축바이패스유로에 유입되는 비율을 조절하는 압축삼방밸브;를 포함한다.

상기 압축기의 선단측에 장착되어 상기 압축기로 유입되는 냉매의 압력을 측정하는 제1 압축기압력계와, 상기 압축기의 후단측에 장착되어 상기 압축기로부터 유출되는 냉매의 압력을 측정하는 제2 압축기압력계와, 상기 냉매펌프의 선단측에 장착되어 상기 냉매펌프로 유입되는 냉매의 압력을 측정하는 제1 냉매펌프압력계와, 상기 냉매펌프의 후단측에 장착되어 상기 냉매펌프로부터 유출되는 냉매의 압력을 측정하는 제2 냉매펌프압력계를 더 포함한다.

외기 온도가 기준치 이상인 경우, 상기 압축삼방밸브는 상기 압축유로로 유입되는 냉매량을 증가시키고, 상기 펌핑삼방밸브는 상기 펌핑바이패스유로로 유입되는 냉매량을 증가시키며, 외기 온도가 기준치 미만인 경우, 상기 압축삼방밸브는 상기 압축바이패스유로로 유입되는 냉매량을 증가시키고, 상기 펌핑삼방밸브는 상기 펌핑유로로 유입되는 냉매량을 증가시킨다.

상기 펌핑유로와 상기 펌핑바이패스유로 중 상기 펌핑바이패스유로로만 냉매가 공급되는 경우 상기 냉매펌프의 동작은 중단되고, 상기 압축유로와 상기 압축바이패스유로 중 상기 압축바이패스유로로만 냉매가 공급되는 경우 상기 압축기의 동작은 중단된다.

상기 응축기와 상기 펌핑삼방밸브 사이의 유로에 연결되는 냉매탱크를 더 포함한다.

상기 냉매탱크에 저장되어 있던 냉매를 상기 펌핑삼방밸브 측으로 제공하거나 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시키는 탱크삼방밸브를 더 포함한다.

상기 탱크삼방밸브는, 상기 압축기가 정지되고 냉매펌프가 가동되는 경우 상기 펌핑삼방밸브 측으로 냉매를 추가 공급하고, 상기 압축기가 가동되고 냉매펌프가 정지되는 경우 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시킨다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법은 상기와 같이 구성되는 자연공조 냉방장치를 이용하여 실내를 냉방시키는 방법으로서, 상기 압축기를 가동시키는 압축공조모드로 운전하는 제1-1단계; 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력되지 아니하면 외기 온도가 기준치 미만인지를 판단하는 제2-1단계; 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 냉매펌프를 가동시키는 자연공조모드로 운전하는 제2-2단계; 상기 냉매펌프의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 제2-3단계; 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단하는 제2-4단계; 상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 제2-4단계를 반복하는 제2-5단계; 상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 냉매펌프의 가동률이 최대인지를 판단하는 제3-1단계; 및 상기 제3-1단계에서 상기 냉매펌프의 가동률이 최대가 아니면 상기 제2-3단계로 되돌아가고, 상기 냉매펌프의 가동률이 최대이면 상기 냉매펌프를 정지시킨 후 상기 제1-1단계로 되돌아가는 제3-2단계;로 구성된다.

상기 제2-2단계는, 냉매탱크에 저장되어 있던 냉매의 전체 또는 일부를 상기 펌핑삼방밸브 측으로 제공하는 과정을 더 포함하고, 상기 제3-2단계에서 상기 제1-1단계로 되돌아갈 때 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시킨다.

상기 제2-2단계는, 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 압축기를 정지시키고 상기 냉매펌프만을 가동시키도록 구성된다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법은 상기와 같이 구성되는 자연공조 냉방장치를 이용하여 실내를 냉방시키는 방법으로서, 상기 압축기를 가동시키는 압축공조모드로 운전하는 제1-1단계; 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력되지 아니하면 외기 온도가 기준치 미만인지를 판단하는 제2-1단계; 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 냉매펌프를 가동시키는 자연공조모드로 운전하는 제2-2단계; 상기 냉매펌프의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 제2-3단계; 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단하는 제2-4단계; 상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 제2-4단계를 반복하는 제2-5단계; 상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 냉매펌프의 가동률이 최대인지를 판단하는 제4-1단계; 상기 제4-1단계에서 상기 냉매펌프의 가동률이 최대가 아니면 상기 제2-3단계로 되돌아가고, 상기 냉매펌프의 가동률이 최대이면 응축기팬의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 제4-2단계; 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단하는 제4-3단계; 상기 제4-3단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 제4-3단계를 반복하는 제4-4단계; 상기 제4-3단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 응축기팬의 가동률이 최대인지를 판단하는 제5-1단계; 및 상기 제5-1단계에서 상기 응축기팬의 가동률이 최대가 아니면 상기 제4-2단계로 되돌아가고, 상기 응축기팬의 가동률이 최대이면 상기 응축기팬의 가동률을 원상태로 낮춘 후 상기 제1-1단계로 되돌아가는 제5-2단계;로 구성된다.

상기 제2-2단계는, 냉매탱크에 저장되어 있던 냉매의 전체 또는 일부를 상기 펌핑삼방밸브 측으로 제공하는 과정을 더 포함하고, 상기 제5-2단계에서 상기 제1-1단계로 되돌아갈 때 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시킨다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 및 그 제어방법을 이용하면, 외부 기온이 기준치 미만으로 떨어졌을 때 외부 냉기를 이용하여 냉매를 응축시킴으로써 압축기 구동에 소요되는 전력을 절감할 수 있고, 압축기 사용량을 줄임으로써 압축기의 수명을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치의 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치의 작동도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법 제2 실시예의 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 및 그 제어방법의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치의 블록도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치의 작동도를 도시한다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는 액상의 냉매가 기상으로 상변화하는 과정에서 발생되는 기화열을 이용하여 실내를 냉방시키기 위한 공조장치의 일종으로서, 통상의 냉방장치와 마찬가지로 압축기(100)와 응축기(200)와 팽창밸브(400)와 증발기(500)를 기본 구성요소로 구비한다.

이때 냉매가 흐르는 유로 중 상기 압축기(100)가 설치되는 부위는 압축유로(110)와 압축바이패스유로(120)가 병렬로 배열되도록 구성되며, 상기 압축기(100)는 상기 압축유로(110)에만 설치된다. 또한 상기 응축기(200)는 상기 압축유로(110) 또는 상기 압축바이패스유로(120)를 지난 냉매를 액상으로 응축시키는 기능을 하며, 응축과정에서 발생된 열이 보다 효과적으로 방출될 수 있도록 응축기팬(210)을 구비한다.

한편, 응축기(200)와 팽창밸브(400) 사이에는 액상의 냉매에 압력을 가함으로써 상기 액상의 냉매를 이송시키기 위한 냉매펌프(300)가 구비되는데, 이때 냉매가 흐르는 유로 중 상기 냉매펌프(300)가 설치되는 부위는 펌핑유로(310)와 펌핑바이패스유가 병렬로 배열되도록 구성되며, 상기 냉매펌프(300)는 상기 펌핑유로(310)에만 설치된다.

상기 응축기(200)를 지난 냉매는 상기 펌핑유로(310)와 상기 펌핑바이패스유로(320)로 유입될 수 있는데, 이때 상기 펌핑유로(310)로 유입되는 냉매 비율과 상기 펌핑바이패스유로(320)로 유입되는 냉매 비율이 조절될 수 있도록, 상기 펌핑유로(310)와 상기 펌핑바이패스유로(320)는 펌핑삼방밸브(330)를 통해 응축기(200)의 출구단에 연결된다. 따라서 상기 응축기(200)를 지나면서 응축된 냉매는 상기 펌핑삼방밸브(330)의 작동에 의해 펌핑유로(310)로 유입되는 비율과 펌핑바이패스유로(320)로 유입되는 비율이 가변되는데, 이와 같은 펌핑삼방밸브(330)는 통상의 삼방밸브(3-way valve)와 실질적으로 동일하므로 상기 펌핑삼방밸브(330)의 내부구성 및 작동원리에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 팽창밸브(400)는 상기 펌핑유로(310) 또는 상기 펌핑바이패스유로(320)를 통해 공급된 냉매를 기상으로 상변화시키는 역할을 하며, 상기 증발기(500)는 상기 팽창밸브(400)에서 기화된 냉매의 냉기가 보다 효과적으로 실내로 공급될 수 있도록 증발기팬(510)을 구비한다.

상기 증발기(500)를 지난 냉매는 상기 압축유로(110)와 상기 압축바이패스유로(120)로 유입될 수 있는데, 이때 상기 압축유로(110)로 유입되는 냉매 비율과 상기 압축바이패스유로(120)로 유입되는 냉매 비율이 조절될 수 있도록, 상기 압축유로(110)와 상기 압축바이패스유로(120)는 압축삼방밸브(130)에 의해 증발기(500)의 출구단에 연결된다. 따라서 상기 증발기(500)를 지난 냉매는 상기 압축삼방밸브(130)의 작동에 의해 압축유로(110)로 유입되는 비율과 압축바이패스유로(120)로 유입되는 비율이 가변된다.

상기 언급한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는, 외부 기온이 충분히 차가운 경우 즉, 기상의 냉매를 외기와 접촉시켰을 때 상기 기상의 냉매가 액상으로 응축되는데 도움이 될 수 있을만큼 외기 온도가 차가운 경우, 압축기(100)의 가동률을 낮추더라도 기상의 냉매가 정상적으로 응축될 수 있으므로 상기 압축기(100) 운전에 소요되는 전력을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다. 이때, 압축기(100)를 전혀 사용하지 아니하더라도 기상의 냉매가 충분히 액상으로 응축될 수 있을 만큼 외기 온도가 현저히 낮은 경우, 상기 압축기(100)의 가동률이 '0'이 되도록 즉, 상기 압축기(100)가 완전히 정지되도록 설정될 수도 있다.

이와 같이 상기 압축기(100)의 가동률이 낮아지거나 상기 압축기(100)가 정지하는 경우 냉매의 압력이 낮아져 냉매가 정상적으로 흐르지 못할 우려가 있는바, 상기 냉매는 냉매펌프(300)에 의해 가압 이송되도록 설정된다. 즉, 상기 압축기(100)의 가동률이 낮아지거나 상기 압축기(100)가 정지하는 경우 상기 냉매펌프(300)가 작동되어, 냉매펌프(300) 측으로 제공된 냉매가 상기 냉매펌프(300)에 의해 가압 이송되도록 설정된다.

이때 상기 펌핑삼방밸브(330)는 압축기(100)의 가동률이 낮아지는 만큼 펌핑라인 측으로 흐르는 냉매 유량을 증가시킴으로써, 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치에 사용되는 냉매가 원활하게 흐를 수 있도록 한다.

더 나아가 상기 압축기(100)가 완전히 정지되는 경우, 상기 펌핑삼방밸브(330)는 응축기(200)를 지난 냉매 전체를 펌핑라인으로 제공함으로써 모든 냉매가 냉매펌프(300)에 의해 가압 이송되도록 한다. 이때 상기 압축삼방밸브(130)는 상기 압축유로(110)와 상기 압축바이패스유로(120) 중 상기 압축바이패스유로(120)로만 냉매를 공급하도록 동작된다(도 3 참조).

반대로 외기 온도가 기준치 이상인 경우에는 기상의 냉매가 외기와 접하더라도 냉매가 응축되는데 큰 도움이 되지 못하므로, 상기 압축삼방밸브(130)는 상기 압축유로(110)로 유입되는 냉매량을 증가시켜 상기 냉매가 고압으로 압축되어 응축되도록 한다. 이때 증발기(500)를 지난 냉매 중 일부만을 압축시키더라도 상기 냉매가 충분히 응축될 수 있다면 상기 펌핑삼방밸브(330)는 상기 냉매 중 일부만를 압축바이패스유로(120)로 유입시킬 수 있지만, 외기 온도가 냉매 응축에 전혀 도움을 주지 못할만큼 높은 경우 상기 펌핑삼방밸브(330)는 상기 냉매 전체를 펌핑유로(310)로 유입시켜 냉매 전체가 압축기(100)에 의해 압축되도록 한다. 이때 상기 펌핑삼방밸브(330)는 상기 펌핑유로(310)와 상기 펌핑바이패스유로(320) 중 상기 펌핑바이패스유로(320)로만 냉매를 공급하도록 작동된다(도 2 참조).

한편, 실내 냉방이 얼마나 잘 되고 있는지는 팽창밸브(400)에서 냉매가 얼마나 원활하게 기화되고 있는지에 따라 결정되며, 팽창밸브(400)에서의 냉매 상변화율은 냉매의 압력 강하가 얼마나 크게 이루어지고 있는지에 의해 유추될 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는, 압축기(100)를 사용하여 냉매를 응축시킬 때에는 압축기(100) 전후단의 냉매압을 측정함으로써 실내 냉방이 정상적으로 이루어지고 있는지를 판별하고, 외기를 이용하여 냉매를 응축시킬 때에는 냉매펌프(300) 전후단의 냉매압을 측정함으로써 실내 냉방이 정상적으로 이루어지고 있는지를 판별하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는 상기 언급한 바와 같이 압축기(100)의 전후단 냉매 압력과 냉매펌프(300)의 전후단 냉매 압력을 측정할 수 있도록, 상기 압축기(100)의 선단측에 장착되어 상기 압축기(100)로 유입되는 냉매의 압력을 측정하는 제1 압축기압력계(101)와, 상기 압축기(100)의 후단측에 장착되어 상기 압축기(100)로부터 유출되는 냉매의 압력을 측정하는 제2 압축기압력계(102)와, 상기 냉매펌프(300)의 선단측에 장착되어 상기 냉매펌프(300)로 유입되는 냉매의 압력을 측정하는 제1 냉매펌프압력계(301)와, 상기 냉매펌프(300)의 후단측에 장착되어 상기 냉매펌프(300)로부터 유출되는 냉매의 압력을 측정하는 제2 냉매펌프압력계(302)를 구비함이 바람직하다.

이와 같이 압축기(100)와 냉매펌프(300)의 전후단 각각에 압력계가 설치되면 실내 냉방 성능을 실시간으로 산출할 수 있으므로, 압축기(100) 및 냉매펌프(300)를 적시에 가동시킴으로써 실내 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.

한편, 외기 온도가 매우 낮아 외기의 냉기만으로도 냉매를 응축시킨다 하더라도, 압축기(100)를 이용하여 냉매를 응축시키는 경우에 비해 냉매의 응축률이 다소 떨어질 수 있다. 따라서 외기를 이용하여 냉매를 응축시키는 경우 실내 온도를 사전에 설정된 온도만큼 충분히 냉방시키기 위해서는 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치에 사용되는 냉매의 유량을 증가시킬 필요가 있다.

따라서 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는 여러가지 조건에 따라 냉매 유량을 증감시킬 수 있도록, 상기 응축기(200)와 상기 펌핑삼방밸브(330) 사이의 유로에 연결되는 냉매탱크(600)를 추가로 구비할 수 있다.

압축기(100) 가동률이 낮아지고 외기를 이용한 냉매 응축률이 높아지는 경우, 상기 탱크삼방밸브(610)는 냉매탱크(600)에 저장되어 있던 냉매를 펌핑삼방밸브(130) 측으로 추가 제공함으로써 전체 시스템에 흐르는 냉매 유량을 증가시킬 ㅅ수 있다. 반대로 압축기(100) 가동률이 높아지고 외기를 이용한 냉매 응축률이 낮아지는 경우, 상기 증발기(500)를 지난 냉매의 일부를 냉매탱크(600)로 회수시킴으로써 전체 시스템에 흐르는 냉매 유량을 감소시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치는, 외기를 이용하여 냉매를 응축시킴으로써 냉매 응축률이 다소 낮아지는 현상이 발생하더라도, 전체 시스템에 흐르는 냉매 유량을 증가시킴으로써 사전에 설정된 온도만큼 실내를 충분히 냉방시킬 수 있다는 장점이 있다.

이때, 상기 냉매탱크(600)는 도 1에 도시된 바와 같이 응축기(200)와 펌핑삼방밸브(330) 사이의 유로에 직접 설치될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉매탱크(600)에 저장되어 있던 냉매를 상기 펌핑삼방밸브(330) 측으로 제공하거나 상기 응축기(200)를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크(600)로 회수시키는 탱크삼방밸브(610)에 의해 응축기(200)와 펌핑삼방밸브(330) 사이의 유로에 연결될 수도 있다.

전체 시스템에 흐르는 냉매 유량을 증가시킬 필요가 있는 경우, 상기 탱크삼방밸브(610) 중 냉매탱크(600)와 연결된 측을 점진적으로 개방시킴으로써, 상기 냉매탱크(600)에 저장되어 있던 냉매를 전체 시스템으로 추가 공급할 수 있다. 반대로 전체 시스템에 흐르는 냉매 유량을 감소시킬 필요가 있는 경우에는, 상기 탱크삼방밸브(610) 중 펌핑삼방밸브(330)와 연결된 측의 개도량을 낮춤으로써, 상기 응축기(220)를 지난 냉매 일부가 냉매탱크(600)로 유입되도록 할 수 있다.

한편, 상기 냉매탱크(600)가 탱크삼방밸브(610)에 의해 냉매유로에 연결되도록 구성되면, 냉매유량 조절이 필요 없는 경우 상기 탱크삼방밸브(610) 중 냉매탱크(600)와 연결된 측의 밸브를 잠금으로써 냉매탱크(600)를 완전히 셧다운 시킬 수 있게 된다. 이와 같이 냉매탱크(600)를 완전히 셧다운되면 냉매탱크(600) 제어에 필요한 전력공급을 완전히 차단시킬 수 있으므로, 전력 사용량을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 냉매유량 조절이 필요 없는 동안 냉매탱크(600)를 셧다운 시킬 수 있도록 구성되면, 셧다운 기간 동안에는 상기 냉매탱크(600)가 전혀 사용되지 아니하므로 상기 냉매탱크(600)의 수명이 길어지는 효과도 얻을 수 있고, 셧다운 기간 동안 냉매탱크(600)로의 냉매 유출입이 전혀 발생하지 아니하므로 냉매가 보다 원활하게 흐를 수 있다는 장점 즉, 냉매 유동에 필요한 에너지를 최소화시킬 수 있다는 장점도 있다.

이하 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치의 제어방법에 대해 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법의 순서도이다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법은 상기 언급한 자연공조 냉방장치를 이용하여 실내를 냉방시키는 방법으로서, 상기 압축기(100)를 이용하여 냉매를 응축시키는 압축공조모드로 운전하는 단계(S11)에 진입한 후, 운전종료신호 입력여부를 판단하여(S12) 운전종료신호가 입력되면 모든 과정을 종료하고, 운전종료신호가 입력되지 아니하면 외기 온도가 냉매를 응축시킬 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도인지 즉, 기준치 미만인지를 판단한다(S21).

이때 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 압축기(100) 가동률을 낮추면서 냉매펌프(300)를 가동시키는 자연공조모드로 진입하고(S22), 외기 온도가 기준치 이상이면 운전종료신호 입력여부를 판단하는 단계(S12)로 되돌아간다. 자연공조모드로 진입되었을 때(S22)에는, 냉매탱크(600)에 저장되어 있던 냉매의 전체 또는 일부를 상기 펌핑삼방밸브(330) 측으로 제공함으로써 전체적인 냉매 유량을 증가시키는 과정이 추가될 수 있다.

자연공조모드(S22)로 진입하면 상기 냉매펌프(300)의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시킨 후(S23), 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단한다(S24).

상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 즉, 냉매가 정상적으로 기화되어 실내냉방이 정상적으로 이루어지고 있는 것으로 판별되면, 운전종료신호 입력여부를 판단하여(S25) 운전종료신호가 입력될 때까지 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압을 감지하는 단계(S24)를 반복한다. 물론, 운전종료신호 입력여부 판단단계(S25)에서 운전종료신호가 입력되면 모든 동작을 중단하고 종료된다.

냉매펌프(300)의 전후단 냉매압을 감지하는 단계(S24)에서 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 냉매펌프(300)의 가동률이 최대인지를 판단하여(S31), 상기 냉매펌프(300)의 가동률이 최대가 아니면 냉매펌프(300) 가동률을 증가시키는 단계(S23)로 되돌아가고, 상기 냉매펌프(300)의 가동률이 최대여서 더 이상 냉매펌프(300)의 가동률을 높일 수 없으면 상기 냉매펌프(300)를 정지시킨 후(S32) 압축공조모드 단계(S11)로 되돌아가 압축기(100)를 이용하여 냉매를 압축시키는 과정으로 진입한다. 이때, 압축공조모드 단계(S11)로 되돌아갈 때에는 전체 시스템에 걸쳐 냉매 유량이 과도할 필요가 없으므로, 상기 응축기(200)를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크(600)로 회수시키는 과정이 추가될 수 있다.

이때 냉매펌프(300)의 가동률은 최초 50%에서 시작하여 10%씩 증가되도록 설정될 수 있으나, 냉매펌프(300)의 최초 가동률 및 가동률 증가량은 여러가지 조건에 따라 다양하게 변경 적용될 수 있다.

한편, 자연공조모드(S22)는, 외기만으로 냉매를 충분히 응축시킬 수 있는 경우 즉, 외기 온도가 기준치 미만인 경우, 압축기(100) 가동을 중단시키고 상기 냉매펌프(300)만을 가동시키도록 설정될 수도 있다. 반대로 외기만으로 냉매를 충분히 응축시키기 어려운 경우에는, 냉매 중 일부는 압축기(100)로 응축시키고 나머지 일부는 외기로 응축시키는 복합모드가 진행될 수도 있다.

도 6은 본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법 제2 실시예의 순서도이다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법은 외기를 이용하여 냉매를 응축시킬 때 응축기(200)를 지나는 냉매의 열을 보다 효과적으로 방출시킬 수 있도록, 응축기팬(210)의 가동률을 조절하는 과정을 추가로 구비할 수도 있다.

본 발명에 의한 자연공조 냉방장치 제어방법를 이용하여 실내를 냉방시키고자 하는 경우, 먼저 압축기(100)를 이용하여 냉매를 응축시키는 압축공조모드로 운전하는 단계(S11)에 진입한 후, 운전종료신호 입력여부를 판단하여(S12) 운전종료신호가 입력되면 모든 과정을 종료하고, 운전종료신호가 입력되지 아니하면 외기 온도가 냉매를 응축시킬 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도인지 즉, 기준치 미만인지를 판단한다(S21).

이때 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 냉매펌프(300)를 가동시키는 자연공조모드로 진입하고(S22), 외기 온도가 기준치 이상이면 즉, 외기가 냉매 응축에 도움이 되지 못할만큼 높은 온도이면 운전종료신호 입력여부를 판단하는 단계(S12)로 되돌아간다. 자연공조모드로 진입되었을 때(S22)에는, 냉매탱크(600)에 저장되어 있던 냉매의 전체 또는 일부를 상기 펌핑삼방밸브(330) 측으로 제공함으로써 전체적인 냉매 유량을 증가시키는 과정이 추가될 수 있다.

자연공조모드로 진입(S22)한 이후에는, 상기 냉매펌프(300)의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시킨 후(S23), 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단한다(S24).

냉매펌프(300)의 전후단 냉매압을 감지하는 단계(S24)에서 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 즉, 냉매가 정상적으로 기화되고 있지 아니하는 것으로 판단되면, 상기 냉매펌프(300)의 가동률이 최대인지를 판단하여(S41), 상기 냉매펌프(300)의 가동률이 최대가 아니면 냉매펌프(300) 가동률을 증가시키는 단계(S23)로 되돌아가고, 상기 냉매펌프(300)의 가동률이 최대여서 더이상 냉매펌프(300)의 가동률을 높이지 못하는 상황이면 응축기팬(210)의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 단계(S42)로 진입한다. 이때 상기 응축기팬(210)의 가동률 증가폭은 설계자 및 사용자의 선택에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

응축기팬(210)의 가동률을 일정비율 증가시킨 후 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지 즉, 냉매가 정상적으로 기화되어 있는지를 판단하여(S43), 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압 측정단계(S43)를 반복하고, 상기 냉매펌프(300)의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 응축기팬(210)의 가동률이 최대인지를 판단한다(S51).

이때 상기 응축기팬(210)의 가동률이 최대가 아니면 응축기팬(210)의 가동률을 증가시키는 단계(S42)로 되돌아가고, 상기 응축기팬(210)의 가동률이 최대여서 더 이상 응축기팬(210)의 가동률을 높이지 못하는 경우에는 응축기팬(210)의 가동률을 원상태로 낮춘 후(S52) 압축공조모드(S11)로 되돌아간다. 이때, 압축공조모드 단계(S11)로 되돌아갈 때에는 전체 시스템에 걸쳐 냉매 유량이 과도할 필요가 없으므로, 상기 응축기(200)를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크(600)로 회수시키는 과정이 추가될 수 있다.

이와 같이 응축기팬(210)의 가동률을 조절하는 과정까지 추가되면, 외기만으로 냉매의 응축이 부족한 경우에도 압축기(100)를 사용하지 아니하고서도 냉매를 응축시킬 수 있다는 장점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 압축기 101 : 제1 압축기압력계
102 : 제2 압축기압력계 110 : 압축유로
120 : 압축바이패스유로 130 : 압축삼방밸브
200 : 응축기 210 : 응축기팬
300 : 냉매펌프 301 : 제1 냉매펌프압력계
302 : 제2 냉매펌프압력계 310 : 펌핑유로
320 : 펌핑바이패스유로 330 : 펌핑삼방밸브
400 : 팽창밸브 500 : 증발기
510 : 증발기팬 600 : 냉매탱크
610 : 탱크삼방밸브

Claims

병렬로 배열된 압축유로와 압축바이패스유로 중 상기 압축유로에 설치되는 압축기;
상기 압축유로 또는 상기 압축바이패스유로를 통해 공급된 냉매를 응축시키는 응축기;
상기 응축기의 후단에 병렬로 배열된 펌핑유로와 펌핑바이패스유로 중 상기 펌핑유로에 설치되어, 상기 응축기에 의해 액상으로 응축된 냉매를 가압하여 이송시키는 냉매펌프;
상기 응축기를 지난 냉매가 상기 펌핑유로와 상기 펌핑바이패스유로에 유입되는 비율을 조절하는 펌핑삼방밸브;
상기 펌핑유로 또는 상기 펌핑바이패스유로를 통해 공급된 냉매를 기상으로 상변화시키는 팽창밸브;
상기 팽창밸브에서 기화된 냉매의 냉기를 실내로 공급하는 증발기; 및
상기 증발기를 지난 냉매가 상기 압축유로와 압축바이패스유로에 유입되는 비율을 조절하는 압축삼방밸브;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압축기의 선단측에 장착되어 상기 압축기로 유입되는 냉매의 압력을 측정하는 제1 압축기압력계와, 상기 압축기의 후단측에 장착되어 상기 압축기로부터 유출되는 냉매의 압력을 측정하는 제2 압축기압력계와, 상기 냉매펌프의 선단측에 장착되어 상기 냉매펌프로 유입되는 냉매의 압력을 측정하는 제1 냉매펌프압력계와, 상기 냉매펌프의 후단측에 장착되어 상기 냉매펌프로부터 유출되는 냉매의 압력을 측정하는 제2 냉매펌프압력계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 1에 있어서,
외기 온도가 기준치 이상인 경우, 상기 압축삼방밸브는 상기 압축유로로 유입되는 냉매량을 증가시키고, 상기 펌핑삼방밸브는 상기 펌핑바이패스유로로 유입되는 냉매량을 증가시키며,
외기 온도가 기준치 미만인 경우, 상기 압축삼방밸브는 상기 압축바이패스유로로 유입되는 냉매량을 증가시키고, 상기 펌핑삼방밸브는 상기 펌핑유로로 유입되는 냉매량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 3에 있어서,
상기 펌핑유로와 상기 펌핑바이패스유로 중 상기 펌핑바이패스유로로만 냉매가 공급되는 경우 상기 냉매펌프의 동작은 중단되고,
상기 압축유로와 상기 압축바이패스유로 중 상기 압축바이패스유로로만 냉매가 공급되는 경우 상기 압축기의 동작은 중단되는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 1에 있어서,
상기 응축기와 상기 펌핑삼방밸브 사이의 유로에 연결되는 냉매탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 5에 있어서,
상기 냉매탱크에 저장되어 있던 냉매를 상기 펌핑삼방밸브 측으로 제공하거나 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시키는 탱크삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 6에 있어서,
상기 탱크삼방밸브는, 상기 압축기가 정지되고 냉매펌프가 가동되는 경우 상기 펌핑삼방밸브 측으로 냉매를 추가 공급하고, 상기 압축기가 가동되고 냉매펌프가 정지되는 경우 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시키는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 의한 자연공조 냉방장치를 이용하여 실내를 냉방시키는 방법으로서,
상기 압축기를 가동시키는 압축공조모드로 운전하는 제1-1단계;
운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력되지 아니하면 외기 온도가 기준치 미만인지를 판단하는 제2-1단계;
외기 온도가 기준치 미만이면 상기 냉매펌프를 가동시키는 자연공조모드로 운전하는 제2-2단계;
상기 냉매펌프의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 제2-3단계;
상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단하는 제2-4단계;
상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 제2-4단계를 반복하는 제2-5단계;
상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 냉매펌프의 가동률이 최대인지를 판단하는 제3-1단계; 및
상기 제3-1단계에서 상기 냉매펌프의 가동률이 최대가 아니면 상기 제2-3단계로 되돌아가고, 상기 냉매펌프의 가동률이 최대이면 상기 냉매펌프를 정지시킨 후 상기 제1-1단계로 되돌아가는 제3-2단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치 제어방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제2-2단계는, 냉매탱크에 저장되어 있던 냉매의 전체 또는 일부를 상기 펌핑삼방밸브 측으로 제공하는 과정을 더 포함하고,
상기 제3-2단계에서 상기 제1-1단계로 되돌아갈 때 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시키는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치 제어방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제2-2단계는, 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 압축기를 정지시키고 상기 냉매펌프만을 가동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치 제어방법.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 하나의 청구항에 의한 자연공조 냉방장치를 이용하여 실내를 냉방시키는 방법으로서,
상기 압축기를 가동시키는 압축공조모드로 운전하는 제1-1단계;
운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력되지 아니하면 외기 온도가 기준치 미만인지를 판단하는 제2-1단계;
외기 온도가 기준치 미만이면 상기 냉매펌프를 가동시키는 자연공조모드로 운전하는 제2-2단계;
상기 냉매펌프의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 제2-3단계;
상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단하는 제2-4단계;
상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 제2-4단계를 반복하는 제2-5단계;
상기 제2-4단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 냉매펌프의 가동률이 최대인지를 판단하는 제4-1단계;
상기 제4-1단계에서 상기 냉매펌프의 가동률이 최대가 아니면 상기 제2-3단계로 되돌아가고, 상기 냉매펌프의 가동률이 최대이면 응축기팬의 가동률을 사전에 설정된 비율만큼 증가시키는 제4-2단계;
상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내인지를 판단하는 제4-3단계;
상기 제4-3단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위 이내이면 운전종료신호 입력여부를 판단하여 운전종료신호가 입력될 때까지 상기 제4-3단계를 반복하는 제4-4단계;
상기 제4-3단계에서 상기 냉매펌프의 전후단 냉매압이 기준범위를 벗어나면 상기 응축기팬의 가동률이 최대인지를 판단하는 제5-1단계; 및
상기 제5-1단계에서 상기 응축기팬의 가동률이 최대가 아니면 상기 제4-2단계로 되돌아가고, 상기 응축기팬의 가동률이 최대이면 상기 응축기팬의 가동률을 원상태로 낮춘 후 상기 제1-1단계로 되돌아가는 제5-2단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치 제어방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제2-2단계는, 냉매탱크에 저장되어 있던 냉매의 전체 또는 일부를 상기 펌핑삼방밸브 측으로 제공하는 과정을 더 포함하고,
상기 제5-2단계에서 상기 제1-1단계로 되돌아갈 때 상기 응축기를 지난 냉매의 일부를 상기 냉매탱크로 회수시키는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치 제어방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제2-2단계는, 외기 온도가 기준치 미만이면 상기 압축기를 정지시키고 상기 냉매펌프만을 가동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자연공조 냉방장치 제어방법.