KR20010048763A - 멀티형 공조기기 및 그 전동팽창밸브의 제어방법 - Google Patents

멀티형 공조기기 및 그 전동팽창밸브의 제어방법 Download PDF

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Abstract

실외기 및 복수의 실내기, 상기 실외기로부터의 냉매를 상기 복수의 실내기로 유입허용하는 복수의 냉매관 및, 상기 각 냉매관에 설치되는 복수의 전동팽창밸브를 구비하는 멀티형 공조기기 및 그 전동팽창밸브의 제어방법이 개시되어 있다. 본 발명은, 상호 평행한 다수의 열교환핀과, 상기 다수의 열교환핀을 직교방향으로 관통하는 주전열관 및 상기 주전열관에 대하여 소정 큰 배관저항을 가지는 바이패스전열관을 구비하는 실내열교환기; 상기 바이패스전열관의 길이방향을 따라 중앙영역의 온도 및 하류측의 온도를 각각 감지할 수 있는 온도감지센서; 및 상기 온도감지센서의 감지온도에 기초하여, 해당하는 상기 전동팽창밸브의 개도를 조절하는 제어부를 포함한다. 이에 의해, 전동팽창밸브를 미세하고 정확하게 조절하여 최적의 냉방효율을 달성할 수 있다.

Description

멀티형 공조기기 및 그 전동팽창밸브의 제어방법{Multi type air conditioner and method for controlling electric expansion valve thereof}
본 발명은 멀티형 공조기기 및 그 전동팽창밸브의 제어방법에 관한 것으로서, 특히, 상이한 온도로 설정된 각 실내기로 유입되는 냉매의 양을 실내열교환기를 통과하는 냉매의 과열도에 기초하여 증감시킴으로써, 각 실내를 최적의 냉방효율로 유지할 수 있도록 한 멀티형 공조기기 및 그 전동팽창밸브의 제어방법에 관한 것이다.
공조기기는, 실내기와 실외기 상호간에 냉매를 순환시켜 실내를 냉방 또는 난방시키는 장치이며, 냉방 또는 난방을 위해 통상적으로 냉동사이클이 적용된다. 냉동사이클의 냉방작용시는, 실내기의 열교환기에서 냉매를 기화시켜 주위의 열을 흡수하도록 하고, 실외기의 열교환기에서 냉매를 액화시켜 열을 방출하도록 한다. 이 때, 실내기의 열교환기 주위에 형성된 냉기를 실내로 송풍시키면, 실내의 냉방이 이루어진다. 한편, 냉동사이클의 난방작용시에는 상기의 역순을 수행한다.
이러한 공조기기에서는, 단일의 실외기 및 실내기를 사용하는 것이 일반적인 구성이다. 하지만, 최근에는, 에너지 소비효율을 상승시키기 위하여 하나 또는 그 이상의 실외기에 복수의 실내기가 대응되도록 구성한 멀티형 공조기기가 개시되어 있다.
도 1은 이와 같은 종래의 멀티형 공조기기의 구성을 나타낸 블록도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 멀티형 공조기기(1)는, 단일의 실외기(3)와 복수의 실내기(13, 15, 17)로 구성되어 있다. 이하에서는, 설명의 용이함을 위하여, 단일의 실외기(3)에 3개의 실내기(13, 15, 17)가 연결되어 있는 공조기기를 예로 들어 설명한다. 그리고, 공조기기의 냉방작동과 관련하여 설명한다.
각각의 공조기기의 실내기(13, 15, 17)에는, 조작부(21), 냉기를 형성하는 실내열교환기(12) 및 실내열교환기(12) 주위에 형성되는 냉기를 송풍시키는 송풍팬(14)이 설치되어 있다. 여기에, 각 실내기(13, 15, 17)의 고유어드레스를 설정할 수 있는 주소설정스위치(23)를 가지고 있다. 사용자는 조작부(21)를 통해 기기의 작동을 조작한다. 각 실내기(13, 15, 17)는 또한, 실내기제어부(27) 및 실내기통신부(29)를 가지고 있다.
한편, 단일의 공조기기의 실외기(3)에는, 압축기(6), 주위에 열을 발생시키는 실외열교환기(5) 및, 실외열교환기(5)를 냉각시키는 냉각팬(7)이 설치되어 있다. 실외기(3)도 또한, 실외기통신부(19)를 가지고 있다. 실외기통신부(19)와 각각의 실내기통신부(29)는 상호 정보교환가능하게 연결되어 있다.
이러한 실내기(13, 15, 17) 및, 실외기(3)에 설치된 냉동사이클은, 냉매관(9)에 의해 폐순환으로 연결되어 있다. 그리고, 냉매관(9)중에서 각 실내열교환기유입관(10)에는 냉매의 유로를 개폐시키는 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)가 설치되어 있다. 제어부(27)는, 조작부(21)로부터의 조작신호에 기초하여, 냉동사이클을 형성하는 부하구동부(6, 7, 14)의 구동 및 각 통신부(19, 29)의 입출력을 제어한다.
이와 같은, 구성을 가지는 공조기기(1)에서는, 크기가 다른 예를 들어, 5평, 7평 및 9평등의 실내에 각각 실내기(13, 15, 17)가 설치될 수 있다. 이 때, 사용자는 주소설정스위치(23)를 사용하여 각 실내기(13, 15, 17)의 고유어드레스를 설정하고, 실내기용량 셋팅부(25)를 사용하여 실내의 평수에 해당하는 실내기(13, 15, 17)의 용량을 수동으로 조작한다. 그러면, 제어부(27)는, 사용자에 의해 조작된 실내기 용량에 대응하도록 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)를 조절한다.
한편, 실내의 크기에 적합하게 실내기 용량을 설정한 후, 사용자는 실내의 온도를 각기 다르게 설정할 수 있다. 그러면, 멀티형 공조기기(1)에서는, 일반적으로, 소정의 시간간격을 두고 압축기 토출온도제어와, 실내기출구온도 평균제어를 순차적으로 병행하여 수행한다. 여기서, 압축기 토출온도제어는, 압축기(6)로부터 고온고압의 냉매를 배출시키는 압축기배출관(8)의 온도에 기초하여, 냉동사이클을 최적의 효율로 유지하는 것이다.
하지만, 각 실내의 냉방온도는, 실내열교환기(12) 주위에서 이루어지는 열교환 즉, 실내열교환기(12)내의 냉매의 증발량에 의존하며, 이러한 실내열교환기(12)내의 냉매증발량은 실내의 열부하에 따라 변화된다. 따라서, 실내의 열부하에 따라 실내열교환기(12)내의 냉매증발량을 적절하게 유지하기 위하여, 실내기출구온도 평균제어를 수행하는 것이다.
이 실내기출구온도 평균제어에 따르면, 예를 들어, 실내의 열부하가 커서 실내열교환기(12)내의 냉매증발량이 많이 요구되는 경우, 실내기 출구온도가 증가하게 된다. 그러면, 제어부(27)는, 해당하는 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도를 더 개방시켜 실내열교환기(12)의 전열관내로 많은 양의 냉매를 유입시킨다. 이에 의해, 실내기 출구온도가 저하된다.
이 때, 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도정도는, 실내기출구측 즉, 실내열교환기(12)의 냉매유출관(도시않음)의 온도에서 실내열교환기(12)의 중앙영역의 온도를 감산한 값에 의존한다. 즉, 냉매의 온도차에 대한 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도량과 관련한 소정의 표준 데이터값을 메모리에 저장하고, 계산된 현재의 온도차이 값에 대응하는 저장된 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도량에 따라 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)를 제어하는 것이다.
한편, 실내의 열부하가 상대적으로 작아서, 실내열교환기(12)내의 냉매증발량이 적은 경우에는, 실내기 출구온도가 감소하게 되는데, 이 때, 제어부(27)는 역시 해당하는 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도를 더 폐쇄시켜 유입냉매의 양을 감소시킨다. 이러한 경우에도, 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도정도는, 실내기출구로 배출되는 냉매의 온도와 중앙영역의 온도의 차이에 따라 조절된다.
이와 같이, 멀티형 공조기기(1)의 실내기출구온도 평균제어에 따르면, 실내의 열부하 크기에 따라 적정한 량의 냉매가 실내열교환기(12)로 유입된 후 증발하기 때문에, 실내기유입구측 온도와 실내기 출구측 온도가 거의 동일한 값으로 유지된다.
그런데, 이러한 종래의 멀티형 공조기기(1)에서는, 실내기유입구측 온도와 실내기 출구측 온도가 거의 동일하며, 차이가 있더라도 1℃ 내외이기 때문에, 비교적 미세한 온도 차이에 기초하여 전동팽창밸브의 개도를 정확하게 조절하는 것이 어렵다. 그리고, 경우에 따라서는, 실내기유입구 온도와 실내기 출구온도의 차이가 0℃ 이하로 될 수 있으며, 이러한 경우, 전동팽창밸브를 제어할 수 없는 상황이 발생한다.
종래의 멀티형 공조기기에서는, 또한, 전동팽창밸브의 개도조절이 단순히 실내기출구온도에 의존하기 때문에, 실내기출구온도가 증가할 수 있으며, 이에 따라 압축기토출온도가 점차적으로 상승하여, 압축기에 과부하가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 이러한 문제점을 고려하여, 각 실내의 설정온도에 따라 해당하는 전동팽창밸브를 미세하고 정확하게 조절하여 최적의 냉방효율을 달성할 수 있는 공조기기 및 그 전동팽창밸브 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 압축기토출온도의 상승을 억제할 수 있는 공조기기 및 그 전동팽창밸브 제어방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 멀티형 공조기기의 구성블록도,
도 2는 본 발명에 따른 바이패스전열관을 가지는 멀티형 공조기기의 구성블록도,
도 3은 도 2의 열교환기의 개략적 부분분해사시도,
도 4는 본 발명에 따른 멀티형 공조기기의 전동팽창밸브를 제어하는 방법을 설명하는 순서도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
5 : 실외열교환기 6 : 압축기
7 : 냉각팬 11a, 11b, 11c : 전동팽창밸브
27 : 제어부 32 : 실내열교환기
33, 35 : 전열관 37 : 바이패스전열관
41 : 분기관 45, 47 : 온도센서
상기 목적은, 본 발명에 따라, 실외기 및 복수의 실내기, 상기 실외기로부터의 냉매를 상기 복수의 실내기로 유입허용하는 복수의 냉매관 및, 상기 각 냉매관에 설치되는 복수의 전동팽창밸브를 구비하는 멀티형 공조기기에 있어서, 상호 평행한 다수의 열교환핀과, 상기 다수의 열교환핀을 직교방향으로 관통하는 주전열관 및 상기 주전열관에 대하여 소정 큰 배관저항을 가지는 바이패스전열관을 구비하는 실내열교환기; 상기 바이패스전열관의 길이방향을 따라 중앙영역의 온도 및 하류측의 온도를 각각 감지할 수 있는 온도감지센서; 및 상기 온도감지센서의 감지온도에 기초하여, 해당하는 상기 전동팽창밸브의 개도를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 공조기기에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 바이패스전열관의 배관저항은, 상기 바이패스전열관의 길이를 상기 주전열관보다 길게 함으로써 간단히 증대시킬 수 있다.
이 때, 상기 전동팽창밸브의 개도는, 상기 바이패스전열관의 하류측 유로를 통과하는 냉매의 과열도에 기초하여, 소정의 비례적분제어에 의해 조절가능하며; 상기 냉매의 과열도는, 상기 온도감지센서에 의해 감지된 상기 바이패스전열관의 하류측과 중앙영역의 온도차이값을 소정의 목표온도 값으로부터 가산하여 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 실외기로부터의 냉매를 복수의 실내기로 각각 유입시키는 복수의 냉매관에 각각 설치되는 멀티형 공조기기의 전동팽창밸브를 제어하는 방법에 있어서, 상기 실내기내의 실내열교환기를 전열관 및 상기 복수의 전열관보다 큰 배관저항을 가지는 바이패스전열관을 포함하여 구성하는 단계; 상기 배이패스관의 길이방향을 따라 중앙영역 및 하류측 온도를 감지하여, 냉매의 과열도를 측정하는 단계; 및 상기 냉매의 과열도에 기초하여, 상기 전동팽창밸브의 개도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 공조기기의 전동팽창밸브 제어방법에 의하여 달성된다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 바이패스전열관을 가지는 멀티형 공조기기의 구성블록도이다. 본 멀티형 공조기기(31)는, 종래의 도 1과 관련하여 설명한 바와 마찬가지로, 단일의 실외기(3)와 복수의 실내기(13, 15, 17)로 구성되어 있다. 따라서, 본 멀티형 공조기기(31)의 구성에 대한 상세한 설명은 상술로 대신한다. 이하에서는, 상술과 동일 구성 및 명칭에 대해서는 동일 부호를 사용한다.
한편, 실내열교환기(32)는, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 복수의 열교환핀(39) 및 복수의 전열관(33, 35, 37)으로 구성되어 있다. 복수의 열교환핀(39)은 수직방향으로 상호 평행하게 배치되어 있다. 복수의 전열관(33, 35, 37; 본 실시예에서는 설명의 용이함을 위하여 3개로 구성하였다)은 열교환핀(39)의 상부영역을 지그재그형상으로 수직관통하는 상부전열관(33a, 33b), 중앙영역의 중앙전열관(35a, 35b) 및, 하부영역의 하부전열관(37a, 37b)을 가진다.
이들 각 전열관(33, 35, 37)에는 실내열교환기(32)의 상류측 냉매유동관으로부터의 냉매가 각각 유동한다. 이를 위해 상류측 냉매유동관의 단부에는, 각 전열관(33a, 35a, 37a)의 상류측 단부가 결합되는 상류측 분기관(41)이 마련되어 있다. 한편, 하류측 냉매유동관의 단부에도 각 전열관(33b, 35b, 37b)을 유동한 냉매가 유입되는 하류측 분기관(43)이 마련되어 있다.
이와 같은, 전열관(33, 35, 37)중 상부 및 중앙전열관(33, 35)은 그 길이가 거의 동일하게 구성된다. 하지만, 하부전열관(37)은, 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 상부전열관(33) 및 중앙전열관(35)에 비하여 그 길이가 길게 형성되어 있다. 따라서, 하부전열관(37)은 다른 상부 및 중앙전열관(33, 35)에 비하여 그 배관저항이 크다. 본 발명의 특허청구범위에서는, 이 하부전열관(37)을 바이패스전열관이라 칭하였다. 이러한 하부전열관 즉 바이패스전열관(37)에는, 그 길이방향을 따라 중앙영역의 온도를 감지하는 중앙온도센서(45) 및, 하류측 영역의 온도를 감지하는 하류온도센서(47)가 설치되어 있다.
제어부(27)는, 각 온도센서(45, 47)로부터의 감지신호에 기초하여, 바이패스전열관(37)의 중앙영역의 온도와 하류측 영역의 온도를 감지한다. 그런 다음, 자세히 후술하는 비례미적분(PID, Proportional Integral Deferential)제어에 따라서, 냉매의 과열도 및 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개폐량을 계산한다.
이러한 구성에 의하여, 도 4는 본 발명의 공조기기의 전동팽창밸브를 제어하는 순서도이다. 외부전원이 입력된 후, 사용자는 실내의 온도를 설정하여 기기의 운전을 시작한다(P1). 그러면, 제어부(27)는 우선, 설정온도에 기초하여 토출온도제어를 수행한다(P2). 이러한 토출온도제어는, 종래의 도 1과 관련하여 설명한 바와 동일하며, 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다. 토출온도제어는 소정의 시간이 경과할 때까지 진행되며(P3), 이 후, 제어부(27)는 비례미적분제어를 수행한다.
PID제어에 따라 제어부(27)는 먼저, 바이패스전열관(37)의 중앙영역 및 하류측 영역의 온도를 감지한다(P4). 그래서, 감지된 온도에 기초하여 다음의 (수학식 1)과 같이 냉매의 과열도(e)를 계산한다(P5).
여기서,은, 바이패스전열관(37)의 현재의 하류측 온도에서 현재의 중앙영역의 온도를 가산한 현재온도차이값이고,은 제어부(27)의 메모리에 저장된 바이패스전열관의 하류측에서 중앙영역의 온도를 가산한 목표온도차이값이다. 목표 온도차이값은, 사용자가 설정하는 실내의 온도값에 대하여 가장 바람직한 실험치로서 제어부(27)의 메모리에 저장된다.
한편, 이와 같이, 바이패스전열관(37)의 하류측 및 중앙영역의 온도에 기초하여, 냉매의 과열도 값은 비교적 큰 값을 가지게 된다. 왜냐하면, 바이패스전열관(37)의 배관저항이 크기 때문에, 즉, 그 길이가 길기 때문에, 바이패스전열관(37)내의 냉매는 그 유동중에 증발량이 많게 된다. 따라서, 바이패스전열관(37)의 중앙영역의 온도와 하류측 영역의 온도의 차이값이 크게 되며, 이에 따라 냉매의 과열도값이 커질 수 있는 것이다.
냉매의 과열도(e)가 계산되면, 전동팽창밸브의 개도조절량은 다음의 (수학식 2)와 같이 계산된다(P6).
여기서,는 비례상수이고,는 적분상수, 그리고,는 미분상수이다.
이 때, 비교적 그 값이 큰 냉매의 과열도에 의해, (수학식 2)에 따라 계산된 개도조절량 값도 큰 수치의 값을 얻을 수 있다.
이와 같이, 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도조절량이 계산되면, 제어부(27)는, 그 계산값에 따라 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도를 조절한다(P7). 이 때, 본 발명에서는, 비교적 큰 수치의 전동팽창밸브(11a, 11b, 11c)의 개도조절량을 얻을 수 있기 때문에, 미세하고 정확한 제어가 가능하다. 그런 다음, 소정의 시간이 경과하면(P8), 전원상태를 확인한 후(P9), 전원이 오프되었으며, 기기의 작동을 중단한다.
한편, 전원이 여전히 온 상태이면, 다시 상술한 토출온도제어 및 비례미적분제어를 순차적으로 수행하여, 실내의 온도를 사용자가 설정한 온도로 유지시킨다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각 실내의 설정온도에 따라 해당하는 전동팽창밸브를 미세하고 정확하게 조절할 수 있어서, 최적의 냉방효율을 달성할 수 있는 공조기기 및 그 전동팽창밸브 제어방법이 제공된다. 그리고, 압축기토출온도의 상승을 억제할 수 있다.

Claims (4)

  1. 실외기 및 복수의 실내기, 상기 실외기로부터의 냉매를 상기 복수의 실내기로 유입허용하는 복수의 냉매관 및, 상기 각 냉매관에 설치되는 복수의 전동팽창밸브를 구비하는 멀티형 공조기기에 있어서,
    상호 평행한 다수의 열교환핀과, 상기 다수의 열교환핀을 직교방향으로 관통하는 주전열관 및 상기 주전열관에 대하여 소정 큰 배관저항을 가지는 바이패스전열관을 구비하는 실내열교환기;
    상기 바이패스전열관의 길이방향을 따라 중앙영역의 온도 및 하류측의 온도를 각각 감지할 수 있는 온도감지센서; 및
    상기 온도감지센서의 감지온도에 기초하여, 해당하는 상기 전동팽창밸브의 개도를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 공조기기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바이패스전열관의 배관저항은, 상기 바이패스전열관의 길이를 상기 주전열관보다 길게 함으로써 증대시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티형 공조기기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전동팽창밸브의 개도는,
    상기 바이패스전열관의 하류측 유로를 통과하는 냉매의 과열도에 기초하여, 소정의 비례적분제어에 의해 조절가능하며;
    상기 냉매의 과열도는, 상기 온도감지센서에 의해 감지된 상기 바이패스전열관의 하류측과 중앙영역의 온도차이값을 소정의 목표온도 값으로부터 가산하여 계산할 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티형 공조기기.
  4. 실외기로부터의 냉매를 복수의 실내기로 각각 유입시키는 복수의 냉매관에 각각 설치되는 멀티형 공조기기의 전동팽창밸브를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 실내기내의 실내열교환기를 전열관 및 상기 복수의 전열관보다 큰 배관저항을 가지는 바이패스전열관을 포함하여 구성하는 단계;
    상기 배이패스관의 길이방향을 따라 중앙영역 및 하류측 온도를 감지하여, 냉매의 과열도를 측정하는 단계; 및
    상기 냉매의 과열도에 기초하여, 상기 전동팽창밸브의 개도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티형 공조기기의 전동팽창밸브 제어방법.
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