KR20050037081A - 히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어컨에 있어서, 특히 압축기로 액상의 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위해 압축기로 흡입되는 냉매의 과열 상태를 유지하기 위한 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법은, 히트펌프의 운전 단계; 현재의 실외 온도를 감지하는 단계; 압축기의 배관 흡입온도 및 흡입압력을 각각 감지하여, 현재의 흡입 과열도를 측정하는 단계; 상기 감지된 실외 온도에 따라 시스템을 제어하여 상기 측정된 흡입 과열도를 가변하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법{Control method for Superheating of heat pump system}
본 발명은 에어컨에 있어서, 특히 압축기로 액상의 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위해 압축기로 흡입되는 냉매의 과열 상태를 유지하기 위한 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화기는, 방, 거실 또는 사무실, 영업점포 등의 공간내에 배치되어 공기의 온도, 습도, 청정도 및 기류를 조절하여 쾌 적한 실내환경을 유지할 수 있도록 한 장치이다. 그리고 건물이 대형화함에 따라 하나 이상의 실외기에 다수의 실내기가 연결된 형태의 멀티 에어컨(Multi-airconditioner)에 대한 수요자의 요구가 증가 추세에 있다.
이러한 공기조화기중에는 냉동사이클의 냉매의 흐름을 역전시켜 냉방기능 및 난방기능을 선택적으로 수행할 수 있도록 한 것으로 소위 히트펌프(Heat Pump) 또는 사계절용 에어컨 등으로 불리고 있는 냉난방 겸용 공기조화기가 있다.
그리고, 공기조화기는 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 응축시키는 실외 열교환기와, 실외 열교환기의 일측에 배치되어 실외 열교환기를 향해 송풍함으로써 냉매의 방열을 촉진시키는 방열팬을 구비한 실외유니트와, 실내에 배치되어 냉각작용을 수행하는 실내열교환기를 구비한 실내유니트를 포함하여 구성된다.
일반적인 냉동 사이클은 압축기, 실외 열교환기, 팽창장치, 실내 열교환기와, 상기 실내 열교환기에서부터 상기 구성들을 모두 경유해서 다시 실내 열교환기로 연결되는 냉매 연결관으로 구성되어 진다. 즉, 상기 각 구성들을 경유하는 냉매 연결관에 흐르는 냉매가 상태 변화를 하게 되면서 실내 공기에 포함된 열을 흡수하거나 방출하게 된다. 이러한 동작으로 실내공기의 온도가 높거나 또는 낮아지는 상태로 얻게 된다.
도　１은　냉동사이클과　몰리에르　선도　상의　관계를　도시하고　있다．
상기　냉동　사이클에서는　냉매의　압축→액화→팽창→기화　동작이　반복해서　수행된다．
상기 압축기(10)는, 실내 열교환기(25)에서 증발한 과열증기를 흡입하고, 압축하여 고온고압의 과열증기를 실내 열교환기(15)에 보낸다. 따라서 상기 압축기(10)에서 실외 열교환기(15)로 보내지는 상태는 몰리에르 선도 상에서 포화상태를 넘어선 과열도의 기체이다.　
상기 실외 열교환기(15)는, 압축된 고온고압의 과열증기를 냉각하여 액체상태로 상변화를 발생시킨다. 따라서 상기 실외 열교환기(15)를 통과하는 냉매는 실외 열교환기를 통과하는 공기에 열을 빼앗기게 되어 급격하게 온도가 낮아진다. 상기 실외 열교환기(15)에서 상변화된 냉매도 포화상태를 넘어서 냉각된 과냉도의 액체이다.
상기 팽창장치(20)는, 상기 실외 열교환기(15)에서 과냉각된 냉매를 감압하여 실내 열교환기에서 증발하기 쉬운 상태로 조정한다.　
상기 실내 열교환기(25)는, 상기 팽창장치(20)에서 인가되는 냉매를 증발시킨다. 따라서 상기 실내 열교환기(25)를 통과하는 냉매는 실내 열교환기를 통과하는 공기로부터 열을 빼앗고, 급격하게 온도가 높아진다. 따라서 상기 실내 열교환기(25)에서 냉매는 기체상태로 상변화되고, 상기 실내 열교환기(25)에서 압축기(10)로 공급되는 단계에서는 포화상태를 넘어서 증발된 과열도의 기체상태가 된다.　
이와 같이, 냉동사이클과 몰리에르 선도 상의 관계를 살펴보면， 상기 압축기(10)에서 실외 열교환기(15)로, 그리고 상기 실외 열교환기(15)에서 상기 실내 열교환기(25)로, 그리고 상기 실내 열교환기(25)에서 상기 압축기(10)로 전달되는 과정에서 냉매는 과열도와 과냉도 상태의 상변화를 발생시켜야 한다. 그리고 상기 압축기(10)로 유입되거나 압축기에서 빠져나가는 냉매는 완전한 기체상태이어야 한다.
그러나 이러한 것은 이론상의 결과이고, 실제로 제품에 적용할 때는 어느 정도의 오차가 발생되기 마련이다. 더욱이 냉동사이클 상에 유동되는 냉매의 양이 열교환되는 상태와 비교해서 상대적으로 많거나 적을 경우에 상기 각 과정에서의 상변화는 완전하지 못하게 된다.
이러한 문제로 인해서 공기조화기는, 실내 열교환기(25)에서 압축기(10)로 유입되는 냉매가 완전하게 과열증기로 상변화를 하지 못하고, 액체상태를 갖는 경우가 발생된다. 상기 액체상태의 냉매가 어큐물레이터(accumulator)(미도시)에　축적된　후　압축기(10)에 유입되면, 소음 발생량을 증가시키고, 더불어 압축기의 성능을 저하시키게 된다.
특히, 난방모드에서 제상모드로 전환하거나 또는 제상모드에서 난방모드로 전환하는 경우에 있어서, 액체상태의 냉매가 압축기(10)로 유입되는 확률이 매우 높다. 이것은 모드　절환과정에서 실내 열교환기로 동작하던 열교환기가 응축기로 동작하게 되고, 반대로 실외 열교환기로 동작하던 열교환기가 증발기로 동작하면서 냉매의 흐름이 바뀌게 되면서 발생된다.　이러한　액상의　냉매가　어큐물레이터에　과다하게　축적되고　압축기로　유입되는　것을　방지하기　위하여　실외　전자팽창밸브를　조절하여，　압축기로　흡입되는　냉매가　과열도를　가지도록　한다．
그러나，　종래의 공기조화기는 모드 절환과정에서 압축기 토출온도와 실외 열교환기 온도 차이가 일정하게 유지되도록 냉동사이클 상의 유동 냉매량을 제어하고 있다. 즉, 압축기에 흡입되는 냉매의 상태(압축기 흡입측 온도)를 고려하지 않으므로서, 액체 냉매가 압축기로 유입될 수 있는 문제점이 있었다.　
또한, 종래의 공기조화기는, 모드 절환과정에서 현재 냉동사이클 상에서의 대부분의 냉매량의 위치를 무시하고, 사방밸브의 절환을 제어하고 있다. 따라서 모드 절환과 동시에 압축기가 구동되면 상기에서 설명되고 있는 바와 같이 냉매의 순환방향이 반대로 되면서 압축기로 액냉매가 유입될 우려를 발생시키고 있다. 즉, 종래의 공기조화기는, 압축기에 액냉매가 유입될 우려를 갖고 있고, 이러한 점으로 인해서 압축기의 성 능 저하와 소음 발생으로 제품에 대한 신뢰도를 떨어뜨리는 문제점을 가지고 있다.
그리고，　실외　온도가　낮아질수록　실외　공기　온도와　열　교환기간의　온도차가　감소하여　열　교환량이　줄어들고　어큐물레이터에　축적되는　액상　냉매의　양은　증가하게 됨으로써, 압축기로　액상의　냉매가　유입될　가능성이　커지게　된다．　이러한　현상은　히트펌프　시스템의　신뢰성에　위협요소가　된다．
종래에는 흡입 과열도를 제어할 경우 매우 민감하여 1도 정도의 변화값에 따라 시스템의 응답 특성이 매우 크게 되므로 매우 정밀한 압력센서와 온도센서를 필요로 하고, 또 토출 과열도 제어는 고압의 포화 압력에서 계산해 낸 온도를 기준으로 한 토출 과열도 제어는 저압부의 압력과 냉매 순환량이 고려되지 않은 제어이므로 오차가 크게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실외온도 대역별 목표 흡입 과열도를 산출하고, 압축기의 흡입 과열도가 산출된 목표 흡입 과열도에 일치하도록 전자팽창밸브를 제어함으로써, 실외 열 교환기를 빠져나오는 냉매의 건도가 높여줌으로써, 어큐물레이터에 액상 냉매의 축적량이 감소하고, 압축기로 액상의 냉매가 유입될 확률이 감소될 수 있도록 한 히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 실외온도가 저온일수록 목표 흡입 과열도를 증가된 값으로 설정함으로써, 실외 온도에 따라 액상의 냉매가 유입되는 것을 감소시켜 줄 수 있도록 한 히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압축기의 저압부와 고압부의 압력을 가지고 계산된 가역압축의 계산값을 기준으로 토출과열도를 제어할 수 있도록 한 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 토출 과열도 제어를 위해 압축기에 흡입되는 저압을 측정하고, 측정된 저압으로부터 냉매의 포화온도를 계산한 후 계산된 포화온도로부터 흡입 과열도를 더하여 사용냉매의 몰리에르 선도 상의 흡입지점을 검출함으로써, 가역과정 및 비가역 과정에 의한 압축기의 토출 과열도가 일정한 목표 범위에 오도록 시스템을 제어할 수 있도록 한 히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명 실시 예에 따른 멀티 히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법은,
히트펌프의 운전 단계;
현재의 실외 온도를 감지하는 단계;
압축기의 배관 흡입온도 및 흡입압력을 각각 감지하여, 현재의 흡입 과열도를 측정하는 단계;
상기 감지된 실외 온도에 따라 시스템을 제어하여 상기 측정된 흡입 과열도를 가변하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 흡입 과열도의 가변 단계는, 상기 감지된 실외 온도에 해당하는 목표 흡입 과열도와 상기 측정된 흡입 과열도를 비교하는 단계; 상기 비교결과, 흡입 과열도가 목표 흡입 과열도를 추종하도록 시스템을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 흡입 과열도는 실외 온도가 저온일수록 증가되는 값으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 실외 온도가 저온일수록 시스템 실외기의 전자팽창밸브의 개도를 감소시켜 주는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명 다른 실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법은,
히트펌프의 운전 단계;
압축기의 저압부 및 고압부에서의 압력을 감지하는 단계;
상기 감지된 저압의 냉매 포화온도로부터 압축기 흡입온도를 계산하는 단계;
상기 계산된 압축기의 흡입온도를 시점으로 고압으로의 가역 및 비가역 압축과정의 결과로부터 현재의 토출 과열도를 계산하는 단계;
상기 현재의 토출 과열도를 목표 토출 과열도와 비교한 후, 상기 현재의 토출 과열도가 목표 토출과열도를 추종하도록 시스템을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 저압부에서의 압축기 흡입온도는 상기 압축기의 저압센서로부터 냉매의 포화온도를 계산하고, 상기 계산된 냉매의 포화온도에 목표 흡입 과열도를 더하여 현재의 압축기 흡입온도를 계산한 후, 사용 냉매의 p-h 선도 상의 위치를 측정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 고압부에서 토출 과열도는 상기 저압부에서의 사용 냉매의 p-h 선도상의 흡입온도 위치를 시점으로 하여, 가역과정에 의한 압축기의 고압측 토출압력에 상응하는 가역 압축 온도 및 비가역과정에 의한 압축기의 고압측 토출 압력에 상응하는 비가역 압축온도를 계산하는 단계; 상기 고압측 가역 압축 온도와 비가역 압축 온도의 차이에 따른 현재의 토출 과열도로 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게, 상기 토출 과열도 제어는, 압축기의 저압 및 흡입 과열도를 이용하여 압축기의 흡입온도를 계산하는 단계; 상기 압축기의 흡입 온도로부터 가역과정의 고압측 포화온도 및 비가역 압축과정에 의한 압축기의 고압측 토출 온도를 계산하는 단계; 상기 압축기의 고압측 포화온도와 토출온도의 차에 해당하는 현재의 토출 과열도를 계산하는 단계; 상기 현재의 토출 과열도를 목표 토출 과열도와 비교한 후, 상기 현재의 토출 과열도가 목표 토출 과열도를 추종하도록 전자팽창밸브를 증감시켜 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 멀티 히트펌프 시스템의 과열도 제어 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제 1실시 예;
도　２는　본　발명에　실시　예에　따른　멀티　에어컨을　나타낸　구성도이다．
도 2를 참조하면, 공기 조화기는 냉난방 겸용 멀티 공기조화기로서, 하나 이상의 실외기（111a,111b) 및 하나 이상의 실내기(101a-101n), 그리고 실내기 및 실외기를 냉매 배관으로 연결시킨 구성이다.
상기 실내기(101a~101n)는 실내 열교환기(103)를 구비하여 복수의 실내 공간을 각각 냉방 또는 난방시킬 수 있도록 배치되며, 배관을 통해서 실외에 배치된 실외기(111a,111b)와 연결된다.
상기 실외기(111a,111b)는 내부에 수용 공간을 형성하는 케이싱(112a,112b)와, 케이싱(112a,112b) 내부에 배치되어 냉매를 압축하는 하나 이상의 압축기(113)와, 압축기(113)의 일측에 상호 연통되게 연결되는 실외 열교환기(119)와, 압축기(113)의 토출측에 배치되어 냉방 모드시 및 난방 모드시 냉매의 유로를 절환하는 사방밸브(123)를 구비하고 있다.
압축기(113)의 일측에는 기체상태의 냉매를 흡입할 수 있도록 어큐물레이터(115)가 구비되어 있으며, 압축기(113)의 토출측에는 오일분리기(O/S)(117)가 구비되어 있다. 실시 예로서 상기 압축기(113)는 부하의 용량에 따라 하나 이상이 각 실내기에 설치될 수도 있으며, 마찬가지로 어큐물레이터 및 오일분리기 등도 압축기의 개수에 따라 증가시켜 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 압축기(113)의 흡입측 및 토출측에는 배관의 온도를 감지하기 위한 흡입 및 토출 배관 온도센서(133,137)가 설치되며, 또 흡입측 저압센서(131) 및 토출측 고압센서(135)를 설치해 준다.
실외 열교환기(119)의 일측에는 난방모드시 냉매가 팽창될 수 있도록 실외 전자팽창 밸브(120)가 설치되어 있으며, 실외 전자팽창밸브(120)의 일측에는 수액기(REC)(121)가 구비되어 있다. 실외유니트(111)의 케이싱(112a,112b)의 일측에는 한 쌍의 서비스밸브(124)가 구비되어 있으며, 각 실내유니트(101a~101n)의 실 내열교환기(103a~103n)의 일측에는 냉방모드시 냉매가 팽창될 수 있도록 실내 전자팽창밸브(105a~105n)가 각각 구비되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 냉방모드시 압축기(113)에 의해 압축된 냉매는 실외열교환기(119)에서 방열되어 응축되고 각 실내유니트(101a~101n)의 해당 실내전자팽창밸브(105a~105n)를 통과하면서 감압 팽창되어 실내 열교환기(103a~103n)에서 주위의 잠열을 흡수하여 증발하는 냉각작용을 수행하게 된다.
난방모드시는 압축기(113)로부터 압축된 냉매는 해당 실내유니트(101a~101n)에서 방열되어 실내를 승온시키고 실외 열교환기(119)의 실외전자팽창밸브(120)를 통과하면서 감압 팽창되어 실외열교환기(119)에서 주위의 잠열을 흡수하여 증발하게 된다.
이러한 난방 모드시 실외 열 교환기는 증발기 역할을 수행하게 되는데, 이때 실외 온도가 낮아질수록 실외 공기 온도와 실외 열 교환기간의 온도차가 감소하게 되며 이로 인해 열 교환량이 줄어들게 된다. 이러한 문제로 인해 실외 열 교환기(119)에서 토출되는 냉매의 온도가 상승하게 되고 어큐물레이터(123)에 축적되는 액상 냉매의 양은 증가하게 된다.
이를 해결하기 위해서, 히트펌프 시스템의 운전시에 압축기로 액상의 냉매가 유입되면 압축기에 손상을 가져오게 되므로, 이러한 현상을 방지하기 위해서 압축기로 흡입되는 냉매를 과열상태로 유지하기 위한 판단조건으로 흡입과열도 제어와 토출과열도 제어를 하게 된다.
실외 제어부(미도시)는 압축기(113)의 흡입측 및 토출측에 설치된 온도센서(133,137) 및 압력센서(131,135)를 이용하여 흡입 과열도(SH)를 산출하여, 실외온도 센서(139)의 감지 결과에 상응하는 목표 흡입 과열도와 일치되도록 제어하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 흡입 과열도는 실시 예로서, 상기 흡입배관온도센서(133)로부터 감지된 냉매의 흡입온도(T2)와 저압센서(131)로부터 감지된 저압(PL)에서의 포화온도(T1)의 차(T2-T1)로 구해진다. 이러한 흡입 과열도가 미리 설정된 목표 흡입 과열도와 일치되도록 제어하게 된다.
여기서, 상기 목표 흡입 과열도는 도 4와 같이 실외온도 센서(139)로부터 감지된 실외온도를 대역별로 증가된 값을 갖게 설정한다. 이는 실외온도가 저하될수록 배관의 온도가 떨어지므로, 배관 흡입 온도와 포화온도 차이를 보상해 줄 수 있도록 목표 흡입 과열도가 상대적인 값으로 설정된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실외온도가 하강할수록 목표 흡입 과열도가 큰 값으로 설정되는데, 상기의 실외온도 대역은 가장 낮은 온도(Tao1) 대역부터 가장 높은 온도 대역(Tao4) 순으로 Tao1<Tao2< Tao3 < Tao4 로 설정하고, 상기 실외 온도 대역에 따라 대응하는 흡입 과열도는 가장 낮은 과열도(SH4)부터 가장 높은 과열도(SH1)까지 목표 흡입 과열도로 각각 설정된다. 즉 실외온도 대응 과열도는 SH1(Tao1) > SH2(Tao2) > SH3(Tao3) > SH4(Tao4)로 설정된다.
여기서, 일정 온도 이하로 떨어질 경우, 예컨대 Tao 3 이하의 온도부터 단계적으로 비례하여 증가하는 분포 값이 되도록 목표 흡입 과열도를 설정할 수도 있으며, 실외 온도가 저온일수록 상대적으로 증가되는 목표 흡입 과열도를 추종하게 현재 흡입 과열도를 제어하게 된다. 또한 실외온도의 대역을 주변 환경에 따라 보다 구체적으로 세분화하여 온도 대역을 구분할 수 있으며, 이에 상응하게 목표 흡입 과열도를 다르게 설정한다.
그리고, 상기 목표 토출 과열도는 실외 온도에 따라 단계적으로 증가된 값으로 설정되어 있다. 즉, 실외 온도가 저온일수록 목표 토출 과열도는 증가된 값으로 설정해 준다.
이러한 실외 온도 대역별 목표 흡입 과열도가 산출되면, 상기 압축기의 흡입압력 포화온도와 흡입 배관 온도의 차에 의해 현재 흡입 과열도(SH)를 계산하고, 상기 계산된 현재 흡입 과열도가 목표 흡입 과열도와 일치하도록 실외 전자팽창밸브(120)의 개도를 감소시켜 조절하게 된다.
즉, 실외 전자팽창밸브(120)의 개도를 감소시키면 이를 통과하는 냉매는 고저압 차이가 증대되며, 냉매 유량 감소로 인해 실외 열 교환기(119)를 빠져나오는 냉매의 건도가 높아지게 된다.
실외 열 교환기를 출구측 냉매의 건도가 높아짐에 따라 어큐물레이터(115)에 액상의 냉매의 축적량이 감소하게 되며, 더불어 압축기(113)에 액상의 냉매가 유입될 확률이 크게 줄어들게 된다.
다시 말하면, 실외 온도 대역별 목표 흡입 과열도는 실외 대역별로 액상 냉매가 어큐물레이터에 축적되는 것을 최대한 방지하기 위한 실외 전자팽창밸브의 개도 조절 값과 상응한 값이 된다.
도 5는 본 발명 제 1실시 예에 따른 과열도 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 난방 모드시 실외온도에 따라 과열도를 변경 제어하기 위해서, 압축기의 흡입압력/흡입 배관온도, 실외 온도를 검출하고(S101), 상기 검출된 실외온도 대역별로 도 3과 같이 설정된 목표 과열도를 산출하게 된다(S103).
그리고, 압축기의 흡입압력 포화온도와 흡입 배관온도의 차에 의해 현재의 흡입 과열도를 산출하게 된다(S015). 상기 산출된 현재의 흡입 과열도가 목표 흡입 과열도에 일치하도록 실외 전자팽창밸브의 개도를 조절하게 된다(S107). 즉, 실외기의 실외 전자팽창밸브의 개도 감소로 인해 냉매 유량이 감소되며, 실외 전자팽창밸브에 연결된 실외 열교환기는 감소된 냉매 유량에 대해 열 교환함으로써 냉매의 상태가 기체 상태로 되도록 건도를 높여주게 된다. 이에 따라 실외 열 교환기를 통과한 냉매는 사방밸브(123), 어큐물레이터(115)에 유입됨으로써, 상대적으로 어큐물레이터(115)에 누적되는 액 냉매가 감소하게 된다. 따라서, 실외온도가 저온일 경우 히트펌프의 난방 운전시 시스템의 신뢰성을 크게 향상시켜 줄 수 있다.
개시된 제 1실시 예는 과열도 변수(압력, 배관온도, 실외온도)를 이용하여 상기 측정된 저압값에서 계산된 사용 냉매의 포화온도와 압축기로 흡입되는 냉매의 계측 온도의 차이에 해당하는 흡입 과열도에 대해 실외 온도에 따라 상이한 목표 흡입 과열도를 추종하도록 실외 전자팽창밸브의 개도를 조절해 준다.
제 2실시 예;
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제 2실시 예이다.
제 2실시 예는 토출 과열도 제어 방법으로서, 도 2와 같은 냉난방 겸용 멀티 공기조화기와 동일 부분에 대해서는 동일 부호로 처리하게 된다. 다만 본 발명 제 2실시 예는 흡입배관 온도센서를 배제하여 토출 과열도를 제어할 수 있도록 한 것이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 압축기(113)의 흡입측 저압센서(131)로부터 저압(PL)을 감지하고 그 감지된 저압값에서 계산된 사용냉매의 포화온도(T1)를 계산하게 된다. 그리고 상기 계산된 냉매의 포화온도(T1)에 흡입 과열도를 보상하여 흡입 온도를 측정하면, 사용 냉매의 p-h 선도상의 위치(흡입지점, P2)를 알 수 있게 된다.
여기서, 상기 흡입지점(P2)에서 가역 압축과정의 결과인 가역 압축지점(P3)을 산출해 낼 수 있다. 이때, 실제 압축기의 압축 과정은 가역과정인 등엔트로피 과정이 아니고 비가역과정(등엔트로프효율<1.0)이므로 상기의 가역 압축지점보다 더 높은 지점인 비가역 압축지점(P4)에서의 토출온도(T3)가 된다.
즉, 흡입지점(P2)으로부터 가역 압축지점(P3)과 비가역 압축지점(P4)에서의 토출온도(T3)를 계산할 수 있기 때문에, 가역 압축지점(P3)의 온도(T3S)와 비가역 압축지점(P4)에서의 온도(T3) 차를 압축기의 토출 과열도라 한다. 이러한 토출 과열도(△Td)를 제어의 기준으로 삼는다.
상기 계측한 가역 압축지점(P3)의 온도(T3S)와 비가역 압축지점(P4)의 온도(T3)의 차이가 일정한 목표 값의 범위에 오도록 실외 전자팽창밸브(또는 송풍팬) 등의 시스템을 제어함으로써, 고압부와 저압부의 정보가 모두 포함된 제어를 수행할 수 있게 된다.
이와 같은 제 2실시 예는 계측한 압축기의 토출온도를 사용하여 토출 과열도 제어를 할 때 운전 사이클의 저압부와 고압부의 압력을 가지고 계산한 가역 압축의 계산값을 기준으로 한 토출 과열도를 제어하게 됨으로써, 동일한 정밀도의 센서(온도센서)를 사용하여서 흡입 과열도를 제어하는 것보다 더욱 정밀한 제어를 할 수 있어, 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명 제 2실시 예에 따른 압축기의 토출 과열도 제어 방법이다.
도 8을 참조하면, 압축기의 저압센서 및 고압센서로부터 저압(PL) 및 고압(PH)을 측정하고, 토출배관 온도센서로부터 압축기의 토출온도(T3)를 검출하게 된다(S111).
그리고, 압축기의 저압(PL)으로부터 냉매의 포화온도(T1)를 계산하고, 계산된 냉매의 포화온도(T1)에 흡입 과열도(△Ts)를 가산하여 p-h선도 상의 흡입지점(P2: PL,T2)를 계산하게 된다(S113,S115). 여기서 흡입지점(P2)은 흡입온도(T2)와 저압(PL)으로 구해진다.
상기 계산된 흡입지점(P2)에 대해 가역 압축 과정을 통해 가역 압축 온도(T3S)와 계산하여 해당 가역 압축 지점(P3)을 구하게 된다(S117). 여기서의 가역 압축 지점(P3)은 가역 압축 온도(T3S)와 고압(PH)으로부터 구해진다.
상기 가역 압축 지점(P3: PH,T3S)과 압축기의 토출온도(T3)의 차에 의해 토출 과열도(△Td)를 계산해 낸다. 즉, 토출 과열도(△Td)는 상기 흡입지점(P2)으로부터 가역 압축 과정을 통한 가역 압축 지점(P3)의 온도와 그 압축지점(P3)의 온도 보다 높은 지점(P4)에 위치한 압축기의 토출온도(T3)의 차로부터 구해진다.
여기서, 가역 압축 지점(P3)의 온도(T3S)와 압축기의 토출온도(T3)의 차를 현재 토출 과열도(△Td)로 하여 제어 기준으로 삼고, 현재의 토출 과열도와 목표 토출 과열도와 비교한 후 현재 토출 과열도(△Td)가 목표토출 과열도내에 오도록 시스템을 제어함으로써 고압부와 저압부의 정보가 모두 포함된 제어를 수행할 수 있게 된다. 이는 기존의 고압의 포화온도와 토출온도의 차이를 이용한 토출과열도 제어와는 상이한 과열도 제어라는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 토출 과열도(△Td)가 목표 범위에 오도록 실외 전자팽창밸브(LEV)의 개도를 조절하게 되는데, 토출 과열도가 목표 범위 보다 작으면 실외 LEV 개도를 감소시키고, 토출과열도가 목표 범위 보다 클 경우 실외 LEV 개도를 증가시켜 줌으로써, 흡입 과열도를 제어하는 것 보다 시스템 신뢰성을 향상시켜 줄 수 있다.
그리고, 본 발명은 제 1실시 예와 제 2실시 예를 이용하여, 흡입 과열도 및 토출 과열도를 동시 또는 선택적으로 제어할 수도 있다. 즉, 실외온도 대역별 목표 흡입과열도를 추정하도록 현재의 흡입 과열도를 산출하여 제어하고, 상기의 흡입 과열도로부터 가역과정과 비가역 과정을 통한 차이의 온도에 해당하는 현재의 토출 과열도가 목표 토출 과열도를 추종하도록 제어할 수 있게 된다. 실시 예로서, 이러한 흡입 과열도 및 토출 과열도를 제어할 때, 실외 전자팽창밸브의 개도는 두 과열도를 만족하는 범위로 조정할 수 도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법에 의하면, 실외온도에 따라 변동하는 냉매의 상태를 보상하도록 실외 온도 대역별 목표 흡입 과열도를 다르게 산출하고, 그 산출된 목표 흡입 과열도를 현재의 흡입 과열도가 추종하도록 시스템을 제어함으로써, 압축기로의 액 냉매 유입되는 것을 최소화시켜 준다.
또한 현재의 저압센서로부터 계산된 포화온도에서 흡입 과열도를 보상하여 흡입온도를 계산한 후, 가역과정과 비가역 과정의 온도 차에 해당하는 토출 과열도가 목표 토출 과열도 범위에 있도록 함으로써, 정밀한 제어를 통해 시스템 신뢰성을 향상시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 에어컨의 운전 사이클을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명 제 1실시 예에 따른 흡입 과열도 제어를 위한 멀티 에어컨의 구성도.
도 3은 본 발명 제 1실시 예에 따른 에어컨의 흡입 과열도 제어를 위한 p-h선도.
도 4는 본 발명 제 1실시 예에 따른 실외온도 대비 흡입 과열도를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명 제 1실시 예에 따른 에어컨의 흡입 과열도 제어 방법을 나타낸 흐름도.
도 6은 본 발명 제 2실시 예에 따른 토출 과열도 제어를 위한 멀티 에어컨의 구성도.
도 7은 본 발명 제 2실시 예에 따른 토출과열도 제어를 위한 p-h 선도.
도 8은 본 발명 제 2실시 예에 따른 토출 과열도 제어 방법을 나타낸 흐름도.

Claims (9)

  1. 히트펌프의 운전 단계;
    현재의 실외 온도를 감지하는 단계;
    압축기의 배관 흡입온도 및 흡입압력을 각각 감지하여, 현재의 흡입 과열도를 측정하는 단계;
    상기 감지된 실외 온도에 따라 시스템을 제어하여 상기 측정된 흡입 과열도를 가변하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입 과열도의 가변 단계는,
    상기 감지된 실외 온도에 해당하는 목표 흡입 과열도와 상기 측정된 흡입 과열도를 비교하는 단계;
    상기 비교결과, 상기 측정된 흡입 과열도가 목표 흡입 과열도를 추종하도록 시스템을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 흡입 과열도는 실외 온도가 저온일수록 증가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 실외 온도가 저온일수록 시스템 실외기의 전자팽창밸브의 개도를 감소시켜 주는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  5. 히트펌프의 운전 단계;
    압축기의 저압부 및 고압부에서의 압력을 감지하는 단계;
    상기 감지된 저압의 냉매 포화온도로부터 압축기 흡입온도를 계산하는 단계;
    상기 계산된 압축기의 흡입온도를 시점으로 고압으로의 가역 및 비가역 압축과정의 결과로부터 현재의 토출 과열도를 계산하는 단계;
    상기 현재의 토출 과열도를 목표 토출 과열도와 비교한 후, 상기 현재의 토출 과열도가 목표 토출과열도를 추종하도록 시스템을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 저압부에서의 압축기 흡입온도는 상기 압축기의 저압센서로부터 냉매의 포화온도를 계산하고, 상기 계산된 냉매의 포화온도에 목표 흡입 과열도를 더하여 현재의 압축기 흡입온도를 계산한 후, 사용 냉매의 p-h 선도 상의 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 고압부에서 토출과열도는 상기 저압부에서의 사용 냉매의 p-h 선도상의 흡입온도 위치를 시점으로 하여, 가역과정에 의한 압축기의 고압측 토출압력에 해당하는 제 1온도 및 비가역과정에 의한 압축기의 고압측 토출 압력에 해당하는 제 2온도를 계산하는 단계;
    상기 고압측 제 1온도와 제 2온도의 차이에 따른 현재의 토출 과열도로 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  8. 히트펌프의 운전 단계;
    압축기의 저압 및 흡입 과열도를 이용하여 압축기의 흡입온도를 계산하는 단계;
    상기 압축기의 흡입 온도로부터 가역과정의 고압측 포화온도 및 비가역 압축과정에 의한 압축기의 고압측 토출 온도를 계산하는 단계;
    상기 압축기의 고압측 포화온도와 토출온도의 차에 해당하는 현재의 토출 과열도를 계산하는 단계;
    상기 현재의 토출 과열도를 목표 토출 과열도와 비교한 후, 상기 현재의 토출 과열도가 목표 토출 과열도를 추종하도록 전자팽창밸브를 증감시켜 주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 현재의 토출 과열도와 목표 토출 과열도를 비교한 후, 상기 현재 토출과열도가 목표토출과열도보다 작으면 실외 전자팽창밸브의 개도를 증가시키고, 현재 토출과열도가 목표토출과열도보다 클 경우 실외 전자팽창밸브의 개도를 감소시켜 주는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 과열도 제어방법.
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