KR20050043123A

KR20050043123A - 히트펌프의 팽창밸브 제어방법

Info

Publication number: KR20050043123A
Application number: KR1020030077910A
Authority: KR
Inventors: 허덕; 진심원; 송찬호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2005-05-11
Also published as: KR100557038B1

Abstract

본 발명은 에어컨의 히트펌프(heat pump) 팽창기구로서 전자식 선형밸브(LEV: Linear Expansion Valve)를 적용하고 이 밸브를 제어하기 위한 수단으로서, 토출 과열도를 이용하여 목표과열도와 현재 과열도의 오차로 LEV 제어주기를 적응적으로 다르게 할 수 있도록 한 히트펌프의 팽창밸브 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 히트펌프의 팽창밸브 제어방법은, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 및 이들을 연결하는 배관으로 이루어지고, 설정온도와 현재온도를 비교하여 압축기 운전을 제어하는 마이크로 프로세서를 포함하는 에어컨 시스템에 있어서, 목표 과열도, 현재 및 이전 과열도, 현재 및 이전 LEV 개도를 측정 및 계산하는 단계; 상기 이전 과열도 오차 및 현재 과열도 오차, 그리고 현재 및 이전의 LEV 개도 변화를 구하는 단계; 상기 현재 및 이전의 LEV 개도 출력 펄스 차를 설정하고 상기 목표 과열도와 현재 과열도의 오차에 비례하는 LEV 제어 주기로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프의 팽창밸브 제어방법{Method for Controlling Expansion Valve of Heat pump}

본 발명은 에어컨의 히트펌프(heat pump) 팽창기구로서 전자식 선형밸브(LEV: Linear Expansion Valve)를 적용하고 이 밸브를 제어하기 위한 수단으로서, 제어 알고리즘을 구성함에 있어, 압축기 흡입 및 토출 과열도 제어로 팽창밸브를 제어할 때, 목표 과열도와 현재 및 이전 과열도의 차, 개도 변화를 연산하고, 목표 과열도를 기준으로 이전 과열도 및 현재 과열도의 차인 과열도 변화량을 연산하여, 이를 기초로 밸브 제어주기를 적응적으로 가변할 수 있도록 함으로써, 냉방 사이클의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 히트펌프의 팽창밸브 제어방법에 관한 것이다.

에어콘은 일반적으로 냉매를 압축하는 압축기, 냉방시 냉매가 증발하여 차가운 표면을 유지하는 실내 증발기, 냉방시 냉매를 응축하여 뜨거운 응축열을 배출하는 응축기, 냉매의 흐름 압력을 조절하는 팽창기구, 그리고 이들을 연결시켜 주는 배관으로 이루어지고, 사용자가 설정한 냉방온도, 외기온도와 실내의 현재온도 등을 기초로 하여 마이크로 프로세서 등에 의해 소정의 냉동 사이클을 수행하는 공조 시스템이다.

이러한 냉동 사이클에서의 최적화 및 에너지 절약을 구현하기 위해서는 특히 팽창기구의 역할이 중요시 되고 있다. 알려진 바와같이 팽창기구로는 모세관(capillary tube)과 온도 조절식 팽창기구(TXV: Thermal Expansion Valve), 전자식 선형 팽창밸브(LEV: Linear Expansion Valve) 등이 채용되고 있다. 모세관의 경우는 압축기의 회전수가 일정하여 냉매 유량의 변화가 비교적 적은 온/오프식 에어콘에 주로 적용하고 있으나, 인버터 에어콘의 경우는 운전 주파수를 저역대에서 고역대로 변화시켜 운전하기 때문에 냉매의 유량 제어범위가 제한된 모세관 보다는 주로 LEV가 채용되고 있다. 그 이유는, 높은 운전 주파수대에서는 압축기에서 나오는 냉매의 유량이 많기 때문에 팽창기구가 많이 열려서 냉매가 많이 흐르게 해야 하는데 모세관의 경우는 오히려 적게 흐르게 하고, 낮은 운전 주파수대에서는 압축기에서 나오는 유량이 적기 때문에 팽창기구가 적게 열려서 냉매가 적게 흐르게 해야 하는데 모세관의 경우는 오히려 많이 흐르게 하는 등의 비효율적인 운전이 되기 때문이다.

또한 사이클 측면에서도 증발기의 출구에서 흡입 과열도(증발온도와 압축기의 흡입온도의 차)가 커지게 되며, 능력과 에너지 소비효율이 변하게 된다.

따라서, 냉동 사이클에서 이러한 팽창기구의 최적화는 모세관의 경우는 그 길이와 직경을 제어하는데 있고, LEV는 최적 개도값(openings value)을 유지하도록 제어하는데 있다.

인버터로 구동하는 에어콘에서는 마이크로 프로세서가 압축기 운전 주파수, 실외온도, 실내온도 등의 요소를 입력치로 하고 LEV의 개도를 출력치로 하는 제어수순에 따라 LEV의 개도를 제어하며, 대부분의 LEV는 스테핑 모터(stepping motor)가 니들(needle)을 회전시켜 냉매가 통과하는 구멍(hole)의 면적을 변화시키는 방법으로 개도가 제어되고 있다.

이러한 LEV의 개도 제어에 있어 신속하고 안정적인 제어가 이루어지지 못하면 운전 주파수가 바뀔 때 압축기에 흐르는 전류치가 높게되고, 또한 이 높은 전류치에 대응하기 위하여 인버터 회로에 필요 이상의 큰 하드웨어가 장착되기도 할 뿐만 아니라, 사이클 측면에서도 안정적인 운전이 가능하기까지 많은 시간이 소요되기도 하고, 에너지 절약 측면에서도 좋지 않은 결과를 초래한다.

따라서, LEV를 적용한 에어콘 시스템에서는 신속하고 안정적인 제어가 요구되고 있다.

특히, LEV의 제어는 운전 주파수나 실내외 온도 등 운전환경 변화에 따라 최적 개도치가 바뀌게 되고, 이러한 운전 주파수나 실내외 온도 등의 운전환경 변화에 대응하여 적절하고도 신속한 LEV의 개도 제어가 이루어질 것이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 목표과열도와 현재 과열도의 오차를 계산한 후 오차에 비례하여 LEV 제어주기를 가변시켜 줄 수 있도록 한 히트펌프의 팽창밸브 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 목표 과열도, 현재 및 이전 과열도, 현재 및 이전 LEV 개도를 측정 및 계산하고, 상기 이전 과열도 오차 및 현재 과열도 오차, 그리고 현재 및 이전의 LEV 개도 변화를 구하며, 상기 현재 및 이전의 LEV 개도 출력 펄스 차를 설정하고 상기 목표 과열도와 현재 과열도의 오차에 비례하는 LEV 제어 주기로 제어할 수 있도록 한 히트펌프의 팽창밸브 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 히트펌프의 팽창밸브 제어방법은,

압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 및 이들을 연결하는 배관으로 이루어지고, 설정온도와 현재온도를 비교하여 압축기 운전을 제어하는 마이크로 프로세서를 포함하는 에어컨 시스템에 있어서,

목표 과열도, 현재 및 이전 과열도, 현재 및 이전 LEV 개도를 측정 및 계산하는 단계;

상기 이전 과열도 오차 및 현재 과열도 오차, 그리고 현재 및 이전의 LEV 개도 변화를 구하는 단계;

상기 현재 및 이전의 LEV 개도 출력 펄스 차를 설정하고 상기 목표 과열도와 현재 과열도의 오차에 비례하는 LEV 제어 주기로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 현재 과열도는 압축기 출구 온도에서 응축기 온도를 감산한 값인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 LEV 제어주기는 목표 과열도와 현재 과열도의 오차가 큰 경우 제어 주기를 길게하고, 오차가 적은 경우 제어주기를 짧게 가져가는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 LEV 개도 증감 방향 설정은 목표 대비 이전 과열도 오차 결과에 따라 결정된 제 1정보(+,-,=)와, 목표대비 현재 과열도 오차 결과에 따라 결정된 제 2정보의 비교 결과에 증감 여부에 따른 제 3정보를 구하고, 상기 구해진 제 3정보와 이전 및 현재의 개도 변화 결과에 따른 제 4정보를 비교한 증감 여부로 파생 정보(+,-,=,=+,+-.==)를 구한 후, 상기 현재 과열도의 정보와 이전 과열도 정보, 그리고 상기 파생 정보를 이용하여 LEV 개도 증감 방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 LEV 개도 증감 방향은 개도 오픈, 개도 클로즈, 개도 유지 중 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 에어컨의 히트펌프의 팽창밸브 제어방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 냉방 시스템 및 제어장치의 개략도로서, 증발기(51), 압추기(52), 응축기(53), 마이크로프로세서(55)로 구성되며, 압축기의 토출 과열도를 측정하기 위해 압축기(52)와 응축기(53)의 배관위에 온도센서(52a,53a)를 각각 설치하고, 압축기 토출온도와 응축온도를 마이크로 프로세서(53)가 측정할 수 있도록 하였다.

통상적으로 인버터 에어컨이 운전을 시작하면 초기 기동 제어가 2내지 4분 정도 시작한다. 이 초기 기동 제어가 종료되면, 실내외 온도 및 설정 온도 등으로 결정된 운전 주파수에 대응하는 LEV 제어 알고리즘이 시작되며, 이때는 압축기(52) 토출 및 응축기(53) 온도가 온도센서(52a,53a)에 의해 측정되어 마이크로 프로세서(45)에 입력되기 시작한다.

마이크로 프로세서(55)는 입력되는 압축기 토출온도 및 응축온도를 이용해서 현재 과열도를 구하게 된다. 여기서, 현재 과열도는 압축기 출구 온도- 응축기 온도이다.

이러한 현재 과열도는 시간 축 상에서 이전 과열도가 될 수도 있기 때문에, 누적시킨 후 현재 과열도와 이전 과열도를 각각 구하고, 설정되는 목표 과열도, 또 현재 LEV 개도와 이전 LEV 개도를 구하여 측정 및 계산 파라미터로 포함시켜 준다.

도 2는 본 발명에 따른 히트 펌프의 토출 과열도 제어 방법으로서, 운전이 시작되면(S110) 제어변수 측정 및 계산을 수행하게 되는데(S120), 이때 제어변수로는 목표 과열도, 현재 과열도, 이전 과열도, 그리고 현재 및 이전 LEV 개도 여부이다.

이러한 제어변수가 측정되면 계산하여, LEV 개도 증감 방향을 결정하게 된다(S130). 상기 단계 S130은 목표 대비 이전 과열도 오차와, 목표 대비 현재 과열도 오차를 각각 구하고, LEV 개도 변화 여부를 검출하고, 이들을 이용하여 LEV 개도 증감 방향을 설정해 준다.

그리고, 이전 펄스 개도로부터 현재 펄스 개도를 감산한 값으로 LEV 개도 출력 펄스를 설정한 후(S140), 현재 과열도의 차에 해당하는 대역별로 서로 다른 LEV 제어 주기로 제어하게 된다(S150).

상세하게 설명하면, 압축기의 토출온도 및 응축온도에 따라 목표 과열도가 이미 설정되어 있으며, 또 시간에 따라 현재 과열도 보다 이전의 과열도 역시 구할 수 있게 된다. 더블어, 현재의 팽창밸브 개도 및 이전 팽창밸브 개도(open, close, remain) 정보를 구하게 된다. 여기서 팽창밸브의 개도정보로서, 개도 오픈(open, +), 개도 클로스(close, -), 개도 유지(remain, =) 등으로 정해진다.

이때, 팽창밸브 개도 증감 방향을 결정을 설정하게 되는데, 그 결정은 목표 과열도와 이전 과열도의 차인 이전 과열도 오차(Tsh_Before)를 구하고, 목표 과열도와 현재 과열도의 차인 현재 과열도 오차(Tsh_Current)를 구하며, 팽창밸브 개도 변화량을 계산하게 된다. 즉, 도 3의 정시 제어 개도 방향 테이블를 기준으로, 목표 과열도 대비 이전 및 현재 과열도 오차(Tsh_Bfore, Tsh_Current: +,-,=)를 각각 계산하고, 현재 과열도와 이전 과열도의 차(ΔTsh:+,-,=)를 구하게 된다. 여기서, +,-,=는 각각 하나의 증감 정보에 해당한다.

이때, 현재 과열도 선정은 다음의 표1과 같이 이전 과열도(Tsh_Before)와 목표 과열도(Tsh_Target) 대비하여 조건에 맞는 기호들(+,-,=)로 각각 정의하고, 또 현재 과열도(Tsh_Current)와 목표 과열도(Tsh_target)를 대비하여 조건에 맞는 기호들(+,-,=)로 각각 정의한다. 여기서 목표 과열도에 ±2℃정도의 오차 값을 정할 수도 있으며, 기호들은 +는 개도 오픈, -는 개도 클로스, =는 개도 유지에 해당한다.

항 목	기 호	조 건
Tsh_Before	+	Tsh_Before > Tsh_Target+2℃
	-	Tsh_Before < Tsh_Target-2℃
	=	Tsh_Before ≤ Tsh_Target+2℃ AND Tsh_Before ≥ Tsh_Target-2℃
Tsh_Current	+	Tsh_Current > Tsh_Target+2℃
	-	Tsh_Current < Tsh_Target-2℃
	=	Tsh_Current ≤ Tsh_Target+2℃ ANDTsh_Current ≥ Tsh_Target-2℃
Direction	+	개도 Open
	-	개도 Close
	=	개도 Remain

그리고, LEV 개도 변화(ΔP)는 이전(Before) 펄스 개도로부터 현재(Current) 펄스 개도를 감산한 값에 해당하는 것으로, 이 값도 +,-,=으로 정의해 준다. 이는 표 2에 도시된 바와 같다.

표 2에서는 상기의 온도 대역 기호(+,-,=)와 개도 변화 기호(+,-,=)의 각각에 대응하는 파생(Derivatives) 기호(+,-,=,=+,=-,==)를 생성해 준다.

No	△P	△Tsh	Derivatives
1	+	+	+
2	+	-	-
3	+	=	=
4	-	+	-
5	-	-	+
6	-	=	=
7	=	+	=+
8	=	-	=-
9	=	=	==

그러므로, 도 3에 도시된 이전 과열도 및 현재 과열도, 상기 파생 기호를 이용하여 각각의 증감 결과에 따라 개도 방향(+,-,=)을 각각 결정하게 된다. 이와 같이, LEV 개도 증감 방향이 결정되면, 일정 시간 대기한 후 온도대역별로 설정된 LEV 제어 주기에 따라 상기 제어변수 측정 및 계산을 수행하게 된다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이 목표과열도를 기준으로 현재 과열도의 감산한 온도 대역(ΔT)이 제 1온도 이상()일 경우 제어주기는 2분 30초 단위로 수행하고, 제 2온도 이상()일 경우 2분단위로, 제 3온도 이상()일 경우 1분 30초 단위로, 제 4온도 이하()일 경우 1분 단위로 수행하게 된다. 실시 예로서 제 1 내지 제 4온도, 그리고 주기 단위를 하나의 실시 예로서, 개도 증감 방향에 따라 주기를 다르게 적응적으로 변경할 수 도 있다. 이는 기존의 일정한 주기를 갖는 제어 방식과는 다르다고 할 것이다.

이러한 본 발명은 냉방 시스템 운전 조건별로 최적의 효율 혹은 능력을 보장하는 과열도를 선정하게 되는데, 과열도 선정시 외란에 의하여 시스템 운전조건 혹은 외기 조건이 변경되었을 때, 상기 과열도 확보를 위하여 LEV 제어를 수행하게 되며, 또한 출구 과열도 제어를 사용하는 경우 입구 과열도 제어에 비해 제어에 따른 변화량이 크고 반응이 느린 특징이 있는 특징을 이용하게 된다. 이러한 출구 과열도 이용측면은 입구과열도가 여러면에서 편리하지만 센서 추가 비용의 발생 및 선형성의 저하 등의 이유로 추구 과열도 제어를 선호하는 추세에 부응한 것이다.

따라서, 목표 과열도와 현재 과열도의 오차가 큰 경우 제어 주기를 길게 하여 제어하고, 오차가 작은 경우 제어주기를 짧게 하여 제어할 수 있도록 한다.

도 5a는 종래, 도 5b는 본 발명의 운전시간대별 배관온도/관내 압력을 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이, 압축기 토출온도, 실내배관 응축온도, 증발배관온도 그래프에 나타난 바와 같이 기존의 주기(약 30초 단위)와는 다르게, 제어주기를 적응적으로 하여 오차를 보상함으로써 보다 안정적인 밸브제어를 가능케한다. 또한 냉방 과부하 조건에서도 안정시까지 기존 보다 빠른 시간 내에 안정되며, 또 과열도 오버슈트(overshoot)도 일정 범위 이내로 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 히트펌프의 팽창밸브 제어방법에 의하면, 목표과열도와 현재과열도의 오차가 큰 경우 제어주기를 길게 하여 제어하고, 오차가 작은 경우 제어주기를 짧게 하여 제어함으로써, 효율적인 에어컨 운전 제어가 이루어지도록 하는 효과가 있다. 또한 외란에 대한 대응력이 뛰어나고 실내에서 빠른 쾌적감과 시스템의 신뢰성 향상에 기여하게 된다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 냉방 시스템 및 제어장치의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프의 팽창밸브 제어방법을 나탄내 흐름도.

도 3은 본 발명 실시 예에 따른 히터펌프의 팽창밸브 제어에 있어, 정시제어 개도 방향 테이블.

도 4는 본 발명에 의한 LEV 제어주기 예.

도 5a는 종래 히터 펌프의 팽창밸브 제어에 의한 압축기 출구, 응축 배관, 증발배관 온도를 나타낸 그래프.

도 5b는 본 발명에 의한 히트펌프의 팽창밸브 제어에 의한 압축기 토추온도, 실내배관온도, 응축 및 증발 압력, 실외배관 온도를 나타낸 그래프.

Claims

압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 및 이들을 연결하는 배관으로 이루어지고, 설정온도와 현재온도를 비교하여 압축기 운전을 제어하는 마이크로 프로세서를 포함하는 에어컨 시스템에 있어서,

목표 과열도, 현재 및 이전 과열도, 현재 및 이전 LEV 개도를 측정 및 계산하는 단계;

상기 이전 과열도 오차 및 현재 과열도 오차, 그리고 현재 및 이전의 LEV 개도 변화를 구하는 단계;

상기 현재 및 이전의 LEV 개도 출력 펄스 차를 설정하고 상기 목표 과열도와 현재 과열도의 오차에 비례하는 LEV 제어 주기로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 팽창밸브 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 현재 과열도는 압축기 출구 온도에서 응축기 온도를 감산한 값인 것을 특징으로 하는 에어컨의 히트펌프의 팽창밸브 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 LEV 제어주기는 목표 과열도와 현재 과열도의 오차가 큰 경우 제어 주기를 길게하고, 오차가 적은 경우 제어주기를 짧게 가져가는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 팽창밸브 제어방법.
제 1항에 있어서,

상기 LEV 개도 증감 방향 설정은 목표 대비 이전 과열도 오차 결과에 따라 결정된 제 1정보와 목표대비 현재 과열도 오차 결과에 따라 결정된 제 2정보의 증감 여부에 따른 제 3정보를 구하고,

상기 구해진 제 3정보와 이전 및 현재의 개도 변화 결과에 따른 제 4정보를 비교한 증감 여부로 파생 정보를 구한 후,

상기 현재 과열도의 정보와 이전 과열도 정보, 그리고 상기 파생 정보를 이용하여 LEV 개도 증감 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 팽창밸브 제어방법.
제 4항에 있어서,

상기 LEV 개도 증감 방향은 개도 오픈, 개도 클로즈, 개도 유지 중 하나인 것을 특징으로 하는 히트펌프의 팽창밸브 제어방법.