KR20070082501A - 공기 조화 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 운전 효율을 향상시킬 수 있는 공기조화 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 냉매의 상을 구분하여 유출하는 상분리기, 상기 상 분리기에서 분리된 액상 냉매를 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되는 제1 압축부와 상기 상분리기에서 분리된 기상 냉매가 상기 제1 압축부에서 배출되는 냉매와 함께 유입되는 제2 압축부를 갖는 압축기, 그리고 시스템의 운전부하에 따라 상기 제2 압축부로 유입되는 기상냉매량을 제어하는 제어장치를 포함하는 공기조화 시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면, 공기조화 시스템에 가해지는 부하에 따라 기상냉매량을 조절하여 압축기에 공급함으로써 시스템의 성능을 최적화할 수 있는 효과가 있다.

압축기, 상분리기, 작동모드, 기상냉매량, 공기조화 시스템

Description

공기 조화 시스템 및 그 제어방법{Air-conditioning system and controlling method for the same}

도 1은 종래 공기조화 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 도 2의 공기조화 시스템의 냉동사이클을 나타내는 그래프.

도 4는 도 2의 공기조화 시스템에 구비되는 압축기를 개략적으로 나타낸 종단면도.

도 4는 도 2의 공기조화 시스템에 구비되는 상분리기를 개략적으로 나타낸 종단면도.

도 6은 도 2의 공기조화 시스템을 제어하기 위한 과정을 나타내는 블럭도.

도 7은 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도.

도 8은 본 발명의 공기조화 시스템에 구비된 냉매 제어밸브의 개도에 따른 시스템의 성능을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 압축기 110: 제1 압축부

120: 제2 압축부 140: 구동장치

200: 4방 밸브 300: 응축기

410: 제1 팽창밸브 420: 제2 팽창밸브

500: 상분리기 600: 증발기

710: 제1 냉매관 720: 제2 냉매관

730: 냉매제어밸브 740: 중간 냉매관

본 발명은 공기조화 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전효율을 향상시킬 수 있는 공기조화 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 공기조화 시스템은 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발시키는 과정을 수행함에 따라 실내 공간을 냉방 또는/및 난방시키는 장치이다.

상기 공기조화 시스템은 실외기에 1대의 실내기가 연결되는 통상적인 공기조화 시스템과, 실외기에 다수대의 실내기가 연결되는 멀티 공기조화 시스템으로 구분된다. 또한, 공기조화 시스템은 냉매사이클을 일방향으로만 가동하여 실내에 냉기만을 공급하도록 냉방 시스템과, 냉매사이클을 양방향으로 선택적으로 가동하여 실내에 냉기 또는 온기를 공급하는 냉난방 시스템으로 구분된다.

도 1을 참조하여, 종래 분리형 공기조화기의 구성을 간단하게 설명한다.

종래 공기조화기는 기본적으로 압축기(1a,1b), 응축기(3), 팽창밸브(4), 증발기(5)로 구성되는 냉동사이클을 형성한다. 그리고, 상술한 구성요소들은 냉매가 흐르는 통로역할을 하는 연결배관(7)에 의하여 연결된다.

실내 공간을 냉방시키기 위하여 상기 공기조화기가 운전되는 과정을 냉매의 흐름을 따라 설명하면 다음과 같다.

증발기(5)에서 실내 공기와 열교환된 기체상태의 냉매는 압축기(1a,1b)로 유입된다. 상기 압축기(1a,1b)로 유입된 기상 냉매는 상기 압축기에서 고온 고압으로 압축된다. 이후에 기상 냉매는 응축기(3)로 유입되어 액상 냉매로 상변화를 하게 된다. 상기 응축기(3)에서 냉매가 상변화를 하면서 외부로 열을 방출하게 된다.

이후에 응축기에서 배출되는 냉매는 팽창밸브(4)를 거치면서 팽창되고 증발기(5)로 유입된다. 증발기로 유입된 액상 냉매는 기상 냉매로 상변화를 하게 된다. 상기 냉매가 증발기에서 상변화를 하면서 외부의 열을 흡수하게 됨으로써 실내 공간을 냉방시키게 된다. 물론, 실내 공간을 난방시키기 위해서는 상기 냉동사이클을 역방향으로 운전시키면 된다.

한편, 상기 증발기(5)와 압축기(1a,1b) 사이에는 어큐뮬레이터(6)가 설치된다. 상기 어큐뮬레이터에는 오일과 냉매의 혼합물이 일시적으로 저장된다. 상기 어큐뮬레이터는 냉매의 역류를 방지하고 액상 냉매가 압축기에 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.

상기 압축기는 상기 어큐뮬레이터(6)와 각각 개별적으로 연결된 제1 압축기(1a) 및 제2 압축기(1b)로 구성된다. 상기 제1 및 제2 압축기(1a,1b)로는 서로 다른 용량을 가지고 있으며 일정한 운전속도를 가지는 정속 압축기가 사용된다. 따라서, 공기조화기에 요구되는 부하에 따라서 해당 압축기를 운전하게 된다. 또한, 상기 제1 압축기(1a)로 냉매가 유입되기 전에 제1 체크밸브(2a)에 의하여 냉매의 흐름이 제어되고, 상기 제2 압축기(1b)로 냉매가 유입되기 전에 제2 체크밸브(2b)에 의하여 냉매의 흐름이 제어된다.

그러나, 종래 공기 조화기에서는 요구되는 부하가 변하는 경우에도 압축기에 일정한 일이 공급됨으로써 불필요하게 전력이 소비되고 운전효율이 저하되는 문제가 있다.

또한, 종래 공기 조화기에서는 두 개의 압축기를 별도로 설치하고, 각각의 구동장치를 별도로 구비함으로써 설치공간에 제약이 있고, 또한 공기조화기의 제작에 따른 비용이 증가되는 문제가 있다.

또한, 종래 공기조화기의 운전영역은 각각의 압축기 용량에 의해서만 결정되므로 운전범위가 제한되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 운전효율을 증가시킬 수 있는 공기조화 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 압축기에 가해지는 압축일을 줄일 수 있음과 동시에 액상 냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지할 수 있는 공기조화 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 냉매의 상을 구분하여 유출하는 상분리기, 상기 상 분리기에서 분리된 액상 냉매를 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되는 제1 압축부와 상기 상분리기에서 분리된 기상 냉매가 상기 제1 압축부에서 배출되는 냉매와 함께 유입되는 제2 압축부를 갖는 압축기, 그리고, 시스템의 운전부하에 따라 상기 제2 압축부로 유입되는 기상냉매량을 제어하는 제어장치를 포함하는 공기조화 시스템을 제공한다.

상기 공기조화 시스템은 상기 상 분리기와 상기 제2 압축부를 연결하는 제1 냉매관상에 설치되며 상기 제2 압축부로 유입되는 기상 냉매량을 조절하기 위한 냉매 제어밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제어장치는 상기 압축기의 주파수에 따라 상기 냉매 제어밸브의 개도량를 조절할 수 있다.

상기 압축기의 주파수는 상기 시스템의 운전부하에 따라 결정될 수 있다.

상기 시스템의 운전부하는 사용자가 설정하는 작동모드를 포함하는 인자(因子)에 따라 결정될 수 있다.

또한, 상기 시스템의 운전부하는 실외온도 및 실내온도를 포함하는 인자(因子)에 따라 결정될 수도 있다.

상기 공기조화 시스템은 상기 작동모드를 사용자가 입력할 수 있도록 하는 입력부를 더 포함할 수 있다.

상기 공기조화 시스템은 상기 실외온도 및 실내온도를 측정하기 위한 온도센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 본 발명은 시스템의 운전부하를 감지하는 감지단계, 그리고 감지된 시스템의 운전부하를 바탕으로 압축기로 유입되는 기상냉매량을 제어하는 냉매량 제어단계를 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법을 제공한다.

상기 공기조화 시스템의 제어방법은 상기 시스템의 운전부하에 대응되는 압축기의 운전주파수를 결정하는 운전주파수 결정단계와, 결정된 운전주파수로 압축기를 운전하는 압축기 운전단계를 더 포함할 수 있다.

상기 냉매량 제어단계는 상기 압축기의 운전주파수에 따른 냉매 제어밸브의 개도량를 설정하는 단계와, 설정된 개도량에 따라 상기 냉매 제어밸브를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 압축기의 운전주파수 결정단계에서 운전주파수를 결정하는 인자(因子)는 사용자가 설정하는 작동 모드, 실외온도 및 실내온도를 포함할 수 있다.

상기 공기조화 시스템의 제어방법은 상기 공기조화 시스템의 작동 모드를 변경하는 단계와, 상기 변경된 작동 모드에 따라 냉매 제어밸브의 개도량을 재설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 공기 조화시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 구성을 설명하면 다음과 같다.

상기 공기조화 시스템은 증발기(600), 응축기(300), 팽창밸브(410,420), 압축기(100) 뿐만 아니라 유입된 냉매 중에서 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하는 상분리기(500)를 포함한다. 또한, 상기 공기조화 시스템에는 상기 응축기(300), 압축기(100) 및 증발기(600)로 공급되는 냉매를 제어하는 4방 밸브(200)가 설치된다. 이하에서는, 실내공간을 냉방시키기 위하여 냉방운전을 할 때의 냉매 흐름을 따라 공기조화 시스템을 설명한다.

구체적으로, 상기 제1 압축부(110)에는 증발기를 경유한 냉매가 유입되는 제1 실린더(도 4의 111 참조)이 구비되어 있고, 상기 제2 압축부에는 상기 제1 실린더와 다른 부피를 갖는 제2 실린더(도 4의 121 참조)가 구비되어 있다.

상기 상 분리기(500)와 상기 압축기(100)의 사이에는 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)로 냉매를 안내하는 냉매유입장치가 설치된다.

상기 냉매유입장치는 상기 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)와 연결된 중간 냉매관(740), 그리고 상기 제2 압축부(120)로 유입되는 기상 냉매의 흐름을 제어하는 냉매제어밸브(730)를 포함한다. 물론, 상기 냉매유입장치는 상기 중간 냉매관(740)과 상기 상분리기(500)를 연결하는 제1 냉매관(710), 상기 제1 압축부(110)와 상기 상분리기(500)를 연결하는 제2 냉매관(720)을 포함할 수 있다.

상기 팽창밸브(410,420)는 응축기(300)를 통과한 냉매를 1차적으로 팽창시키는 제1 팽창밸브(410)와 상 분리기(500)에서 분리된 액체냉매를 팽창시키는 제2 팽창밸브(420)를 포함한다. 상기 응축기(300)를 통과한 냉매는 과냉상태에 있으며, 상기 제1 팽창밸브(410)를 통과하면서 팽창된 후 기상 냉매와 액상냉매가 혼합된 상태로 상 분리기(500)로 유입된다.

상기 상 분리기(500)는 제1 팽창밸브(410)와 제2 팽창밸브(420) 사이에 설치되며, 액상냉매와 기상 냉매를 분리하는 역할을 한다. 상기 상 분리기(500)는 상기 응축기(300)를 통과한 냉매가 흐르는 혼합 냉매관(750)과 연결되고, 상 분리기에서 분리된 기상 냉매가 흐르는 제1 냉매관(710)과 연결되고, 상기 상 분리기에서 분리된 액상냉매가 흐르는 제2 냉매관(720)과 연결된다.

상 분리기(500)에서 분리된 액상냉매는 제2 팽창밸브(420)를 통과하면서 팽창되고, 상기 제2 팽창밸브(420)를 경유한 액상냉매는 증발기(600)로 유입되어 기상냉매로 상변화 한다. 이후에, 증발기(600)를 경유한 기상 냉매는 4방 밸브(200)를 경유하여 압축기, 즉 제1 압축부(110)로 유입된다.

상 분리기(500)에서 분리된 기상 냉매는 제1 냉매관(710)을 따라 흐른 후 중간 냉매관(740)에서 상기 제1 압축부(110)를 경유한 냉매와 혼합된다. 상기 중간 냉매관(740)에서 혼합된 냉매는 다시 제2 압축부(120)로 유입되어 압축되고, 압축기의 외부로 토출된다.

상기 상분리기(500)는 응축기를 경유한 냉매 중에서 기상 냉매를 분리할 수 있는 장치면 어떠한 장치라도 무관하다. 예를 들면, 상분리기(500)는 열교환장치를 포함하고 있어서, 상기 응축기를 경과한 냉매를 외부의 공기와 열교환시킴으로 인하여 상기 냉매 중에서 기상 냉매를 얻을 수도 있다.

또한, 상기 제1 냉매관(710)상에는 기상 냉매의 흐름을 제어하는 냉매제어밸브(730)가 설치되어 있다. 상기 냉매제어밸브(730)는 공기조화시스템의 운전을 제어하는 제어장치(미도시)에 의하여 제어된다. 상기 제어장치는 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)를 구동시키고, 상기 냉매제어밸브(730)를 제어하는 역할을 한다.

또한, 상기 제1 냉매관(710) 상에는 상기 중간 냉매관(740)으로 유입되는 기상냉매의 유량을 조절하기 위한 모세관이 별도로 설치될 수도 있다. 즉, 상기 제1 냉매관(710)의 내경의 크기를 조절함으로써 상기 중간 냉매관(740)으로 유입되는 기상냉매의 양을 조절할 수 있다.

결과적으로, 제2 압축부(120)에는 상 분리기(500)에서 분리된 기상냉매와 제1 압축부(110)에서 압축된 냉매가 함께 압축되기 때문에 상기 압축기(100)에 가해지는 압축일이 줄어들게 된다. 상기 압축기(100)의 압축일이 줄어들게 됨으로써 압축기의 운전범위가 늘어나고, 상기 압축기의 운전범위가 늘어나면 극한지역이나 열대지역에서도 상기 공기조화 시스템을 사용할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 공기조화 시스템의 운전 초기 또는 상기 공기조화 시스템의 신뢰성을 확인할 때는 상기 냉매제어밸브를 폐쇄시켜서 기상 냉매가 상기 제2 압축부로 유입되지 않도록 할 수도 있다.

또한, 상기 공기조화 시스템은 외부부하가 낮은 영역에서도 마찬가지로 냉매제어밸브를 폐쇄시키고 상기 압축기를 운전할 수도 있다. 예를 들어, 외부부하가 미리 설정된 특정부하 영역에 있으면 제어장치는 상기 제1 압축부만을 구동시키기 위하여 상기 냉매제어밸브(730)를 폐쇄시킨다. 그러면, 상 분리기(500)에서 분리된 기상냉매는 더 이상 제2 압축부(120)로 유입되지 않게 되어, 상 분리기(500)는 리시버(Receiver)의 역할을 수행하게 된다.

물론, 상분리기에서 분리된 기상냉매를 중간 냉매관으로 공급하지 않은 상태, 즉 냉매제어밸브를 폐쇄한 상태에서 상기 제2 압축부만을 작동시키거나 제1 압축부 및 제2 압축부를 작동시킬 수도 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 압력-엔탈피 변환과정을 설명한다.

일반적인 공기조화 시스템에서의 냉동사이클은 도시된 바와 같이, 1→2a의 압축과정과, 2a→3의 응축과정과, 3→6a의 팽창과정과, 6a→1의 증발과정으로 구성된다. 그러나, 본 실시 예에 따른 공기조화 시스템에서의 냉동사이클은 1→9→8→2의 압축과정과, 2→3의 응축과정과, 3→4→5→6의 팽창과정과, 6→1의 증발과정으로 구성된다.

본 실시 예에 있어서의 압축과정은 1→9의 제1 압축과정과 8→2의 제2 압축과정으로 구성된다. 상기 제1 압축과정은 제1 압축부(110)에서 일어나는 압축과정을 나타내는 것이고, 상기 제2 압축과정은 제2 압축부(120)에서 일어나는 압축과정을 나타낸 것이다.

여기서, 제2 압축과정의 시작점이 9지점에서 8지점으로 이동되는 이유는 상분리기(500)에서 분리된 기상 냉매가 중간 냉매관(740)을 통하여 제2 압축부(120)로 유입되기 때문이다. 즉, 상분리기에서 분리된 기상 냉매는 제1 압축부(110)를 경유한 냉매와 혼합된 후에 제2 압축부(120)로 유입됨으로써 전체 냉매의 엔탈피를 낮추는 역할을 하게 된다.

결과적으로, 상 분리기(500)에서 분리된 기상냉매가 제1 압축부(110)에서 압축된 냉매와 혼합되어 상기 제2 압축부(120)로 공급됨으로써 압축기에서 소요되는 압축일이 W21만큼 줄어들게 되고, 시스템의 전체적인 에너지 효율이 증가하게 된다.

또한, 본 실시 예에 있어서, 팽창과정은 3→4의 제1 팽창과정과 5→6의 제2 팽창과정으로 구성된다. 상기 제1 팽창과정은 제1 팽창밸브(410)에서 일어나는 팽창과정을 나타내는 것이고, 제2 팽창과정은 제2 팽창밸브(420)에서 일어나는 팽창과정을 나타낸 것이다.

여기서, 제2 팽창과정의 시작점이 4지점에서 5지점으로 이동되는 이유, 즉 W11만큼 일의 이득을 보는 이유는 상분리기(500)로 유입된 냉매 중에서 기상냉매만이 별도로 분리되어 제1 냉매관(710)으로 흐르기 때문이다. 즉, 상분리기에서 기상냉매가 빠짐으로써 증발기로 유입되는 냉매의 엔탈피가 줄어들게 된다. 결과적으로, 증발기(600)의 열교환 효율이 증가함으로써 공기조화 시스템의 냉동능력이 향상된다.

또한, 증발기(600)를 통과한 냉매뿐만 아니라 상 분리기(500)에서 분리된 기상 냉매 역시 압축기(100)로 공급함에 따라, 냉매의 순환량이 증가함으로써 압축기(100)의 용량이 증가하게 되어 공기조화 시스템의 능력이 향상된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 제1 냉매관과 제2 냉매관 사이에 열교환 장치를 설치하여 상 분리기(500)에서 분리된 기상 냉매와 상기 증발기(600)를 통과한 냉매를 상호 열교환시킴에 따라, 압축기로 유입되는 냉매의 엔탈피를 더 낮출 수 있고 이로 인하여 압축기에서 소요되는 압축일은 더 줄어들게 할 수도 있다.

도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 압축기와 압축기로 냉매를 안내하는 냉매유입장치를 설명한다.

상기 압축기는 외형을 형성하는 케이스(130), 상기 케이스 내부에 설치되는 구동장치(140), 상기 구동장치에 의하여 구동되는 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)를 포함하여 구성된다.

상기 구동장치(140)는 권선코일이 구비된 고정자(141)와 상기 고정자의 내부에 회전가능하게 삽입되는 회전자(143)를 포함하여 구성된다. 상기 회전자(143)의 내부에는 회전축(145)이 압입되고, 상기 회전축(145)은 상기 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)와 연결된다.

상기 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)는 외부 부하에 따라 가변되는 압축용량을 가지며 하나의 압축기에 설치된다. 상기 제1 압축부(110)는 상기 케이스의 하단부에 설치되고, 상기 제2 압축부(120)는 상기 제1 압축부의 상부에 설치된다. 물론, 상기 제1 압축부와 제2 압축부 사이에는 상기 제1 압축부와 제2 압축부를 분리시키는 중간 플레이트가 설치될 수도 있다.

상기 제1 압축부(110)는 냉매가 압축되는 공간을 제공하는 제1 실린더(111)와 상기 제1 실린더의 하부에 설치되는 제1 베어링(113)을 포함한다. 상기 제2 압축부(120)는 냉매가 압축되는 제2 실린더(121)와 상기 제2 실린더의 상부에 설치되는 제2 베어링(123)을 포함한다. 물론, 상기 제1 베어링은 상기 제1 실린더의 상부에 설치될 수도 있으며, 상기 제2 베어링은 상기 제2 실린더의 하부에 설치될 수도 있다.

상기 제1 실린더의 일측에는 증발기를 경유한 냉매가 유입되는 제1 실린더 흡입구(111a)가 구비되어 있고, 타측에는 상기 제1 실린더 내부에서 압축된 냉매가 토출되는 제1 실린더 토출구(111b)가 구비되어 있다. 물론, 상기 제1 실린더의 토 출구(111b)에는 상기 토출구를 개폐하는 제1 개폐밸브가 설치될 수도 있다.

상기 제2 실린더의 일측에는 상기 제1 압축부에서 압축된 냉매와 기상분리기에서 분리된 기상 냉매가 함께 유입되는 제2 실린더 흡입구(121a)가 구비되어 있고, 타측에는 상기 제2 실린더에서 압축된 냉매가 토출되는 제2 실린더 토출구(121b)가 구비되어 있다. 또한, 상기 제2 실린더 토출구(121b)에는 상기 토출구를 개폐하는 제2 개폐밸브(125)가 구비되어 있다.

물론, 상기 압축기는 3개 이상의 압축장치를 가진 다단 압축기를 사용하여도 된다. 구체적으로, 상분리기에서 분리된 기상 냉매를 사용하는 압축장치는 한 개이상이 설치되어도 무방하다.

한편, 상기 제1 압축부 및 제2 압축부로 유입되는 냉매는 냉매유입장치에 의하여 제어된다. 상기 냉매유입장치는 상기 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)와 연결된 중간 냉매관(740), 그리고 상기 제2 압축부로 유입되는 기상 냉매의 흐름을 제어하는 냉매제어밸브(730)를 포함한다. 물론, 상기 냉매유입장치는 상기 중간 냉매관(740)과 상기 상분리기(500)를 연결하는 제1 냉매관(710), 상기 제1 압축부(110)와 상기 상분리기(500)를 연결하는 제2 냉매관(720)을 포함할 수도 있다.

상기 냉매제어밸브(730)는 제1 냉매관상에 설치되어 상기 제1 냉매관(710)에 흐르는 기상 냉매를 제어하게 된다. 상기 제1 냉매관(710)은 중간 냉매관(740)과 연결되어 있으며, 상기 중간 냉매관(740)은 제2 실린더의 흡입구(121b)와 연통되어 있다. 또한, 상기 중간 냉매관(740)은 제1 실린더의 토출구(111b)와도 연통되어 있다. 따라서, 제1 실린더에서 압축된 냉매와 상분리기에서 분리된 기상 냉매가 함께 제2 실린더(121)로 유입되어 압축된다.

물론, 상기 제1 실린더에서 압축된 냉매와 상분리기에서 분리된 기상 냉매가 각각 제2 실린더로 유입될 수도 있다. 구체적으로, 상기 중간 냉매관은 제2 실린더와 직접 연통되고, 상기 제1 실린더의 토출구는 제2 실린더와 직접 연통됨으로써 각각의 냉매가 개별적으로 제2 실린더로 유입될 수도 있다.

상기 압축기를 사용한 공기조화 시스템의 동작과정을 살펴보면 다음과 같다.

공기 조화시스템의 작동이 시작되면 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)를 갖는 압축기(100), 응축기(300), 상 분리기(500), 팽창밸브(410, 420) 및 증발기(600)가 구동된다.

먼저 상기 상 분리기(500)는 유동하는 냉매 중에서 기상 냉매와 액상 냉매를 분리하게 된다.

다음으로, 상기 상 분리기(500)에서 분리된 액상 냉매는 증발기(600)로 유입되고, 상기 상 분리기(500)에서 분리된 기상냉매는 압축기와 연결된 중간 냉매관(740)으로 유입된다. 여기서, 제어장치는 상기 제1 압축부(110)와 상기 제2 압축부(120)를 동시에 구동시키고, 냉매제어밸브(730)를 개방시켜 상 분리기(500)에서 분리된 기상냉매가 중간 냉매관(740)으로 유입되도록 한다.

상기 증발기(600)로 유입된 액상냉매는 증발기(600)를 거치면서 기상냉매로 상변화를 하게 되고, 다시 제2 팽창밸브(420)를 경유하면서 팽창된다. 그리고, 상기 제2 팽창밸브(420)를 경유한 기상냉매는 상기 압축기(100)에 구비된 제1 압축부(110)로 유입된다.

다음으로, 상기 제1 압축부(110)에서 압축된 냉매는 상기 중간 냉매관(740)으로 유입되고, 상기 중간 냉매관(740)에서 혼합된 냉매는 상기 압축기(100)에 구비된 제2 압축부(120)로 유입되어 압축된다.

구체적으로, 증발기를 경유한 냉매는 제1 실린더의 흡입구(111a)를 통하여 제1 실린더(111) 내부로 유입되어 압축된다. 상기 제1 실린더(111)에서 압축된 냉매는 제1 토출구(111b)를 통하여 중간 냉매관(740)으로 유입된다.

그러면, 상분리기(500)에서 분리된 기상냉매와 제1 압축부(110)에서 압축된 냉매는 중간 냉매관(740)에서 만나게 되고, 함께 제2 실린더의 흡입구(121a)로 유입되어 압축된다. 이후에 제2 실린더(121)에서 압축된 냉매는 제2 토출구(121b)를 통하여 제2 실린더의 외부로 배출된 후, 케이스에 구비된 압축기 토출관(133)을 통하여 응축기로 유입된다.

상기 제1 실린더(111)와 제2 실린더(121)의 부피는 서로 다른 부피를 가지며, 상기 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)의 압축율은 서로 다른 값을 가진다. 구체적으로, 상기 제1 실린더(111)의 부피를 100이라고 했을때, 상기 제2 실린더(121)의 부피는 40~80의 비율을 가진다.

물론, 상기 압축기는 기상냉매가 중간 냉매관으로 유입되지 않는 상태에서 작동될 수도 있다. 구체적으로, 상분리기를 경유한 냉매는 모두 증발기를 경유하여 제1 압축부의 일측, 즉 제1 실린더의 흡입구(111a)로 유입되고, 유입된 냉매는 구동장치의 작동에 의하여 제1 실린더(111)에서 압축된다.

압축된 냉매는 제 1실린더의 토출구(111b)를 통하여 중간 냉매관(740)으로 유입되고, 중간 냉매관으로 유입된 냉매는 제2 실린더(121)의 내부로 유입되게 된다. 그러나, 제2 실린더에서는 냉매의 압축이 일어날 수도 있고, 일어나지 않을 수도 있다. 상기 제2 실린더에서의 냉매 압축여부는 부하가 어떤 범위에 있느냐에 따라서 결정될 것이다.

도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 상분리기의 구조를 설명한다.

상기 상분리기는 냉매가 저장되는 저장용기(530), 상기 냉매를 상기 저장용기로 안내하는 혼합 냉매관 연결부(550), 상기 저장용기 내부에 설치되는 분리판(540), 상기 저장용기 내부에서 분리된 기상의 냉매가 배출되는 제1 냉매관 연결부(510), 그리고 액상의 냉매가 배출되는 제2 냉매관 연결부(520)를 포함한다.

상기 저장용기는 일시적으로 냉매가 저장되는 장소를 제공하는 것으로서 상기 저장용기로 유입되는 냉매는 기상 냉매와 액상 냉매가 혼합된 상태로 유입된다.

상기 저장용기는 원통형상의 몸통부(531), 상기 몸통부의 상부 끝단에 형성된 상부벽(533), 상기 몸통부의 하부 끝단에 형성된 하부벽(535)을 포함한다.

또한, 상기 혼합 냉매관 연결부(550)와 상기 제2 냉매관 연결부(520)는 상기 상부벽(533)을 관통하고 하부로 연장형성되어 상기 하부벽(535)과 소정간격을 갖도록 설치된다.

상기 분리판(540)은 저장용기 내부에 유입된 냉매 중에서 액상 냉매와 기상 냉매를 분리하는 역할을 하는 것으로서 상부벽(533)의 하부에 설치된다. 따라서, 혼합 냉매관 연결부을 통하여 저장용기(530)로 냉매가 유입되면, 상기 냉매 중의 기상 냉매는 상기 분리판을 통과하여 제1 냉매관 연결부(510)를 통하여 압축기로 배출된다.

반면, 액상 냉매는 분리판(540)에 부딪혀서 상기 분리판(540)의 하방으로 낙하되고, 상기 분리판의 하부에 저장된 액상의 냉매는 제2 냉매관 연결부(520)를 통하여 배출된 후 제2 팽창밸브(420)로 유입되게 된다.

공기조화 시스템은 외부부하가 큰 경우, 즉 한랭지역이나 열대지역에서는 상 분리기에서 분리된 기상냉매가 제1 압축부(110)를 경유한 냉매와 혼합된 상태로 제2 압축부(120)로 유입되는 냉매 흐름을 가진다. 물론, 외부부하가 작은 경우는 제1 압축부만 작동되거나 제2 압축부만 가동될 수 있을 것이다.

일반적으로 압축기의 성능을 결정짓는 주요 원인은 압축기의 용량, 에너지 소모율이다. 여기서, 압축기의 용량은 해당 공기조화 시스템에 맞도록 압축기의 제작과정에서 결정되어 진다. 따라서, 동일한 압축기의 용량을 가진다 하더라도 공기조화 시스템의 운전영역을 확대시키기 위해서는 에너지 소비를 줄이는 것이 필요하다.

상기 공기조화 시스템에서는 기상 냉매가 미리 제1 압축부(110)에서 압축된 냉매와 함께 제2 압축부(120)에 공급됨으로써 압축기에 가해지는 압축일이 줄어들고, 에너지 소모가 줄어들기 때문에 동일한 출력을 가진다 하더라도 공기조화 시스템의 전체효율은 증가하게 된다. 결과적으로 압축기가 종래와 동일한 용량을 가지더라도 공기조화 시스템의 운전영역은 훨씬 더 확장된다.

구체적으로, 제1 실린더(111)의 부피와 제2 실린더(121)의 부피 비율(M:N) 비율이 100:50의 경우에 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 운전영역은 종래보다 30%가 증가하고, 운전효율은 20% 증가됨을 알 수 있다.

결과적으로, 상분리기에서 분리된 기상냉매를 사용하여 압축기를 구동시킴으로써 공기조화 시스템의 운전효율이 증가하게 되고, 운전영역이 확대되게 된다. 또한, 공기조화 시스템의 운전영역이 증가함에 따라서 한랭지방이나 열대지방에서도 공기조화 시스템의 운전이 가능하게 된다.

도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 공기 조화 시스템의 제어방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 사용자가 공기조화 시스템의 운전모드를 선택하게 되면, 제어장치(C)는 시스템의 운전부하를 감지하게 된다(S10).

상기 공기조화 시스템의 운전모드는 운전하고자 하는 냉/난방 정도에 따라 여러 단계로 구분될 수 있다. 일례로, 상기 공기조화 시스템의 운전모드는 실내온도와 설정온도와의 차이에 의하여 여러 단계로 나누어서 설정될 수 있다.

상기 시스템의 운전부하는 선택된 운전모드뿐만 아니라 실내온도, 실외온도, 냉매관의 길이, 운전되는 실내기의 대수 등을 포함하는 인자(因子)에 의하여 결정된다.

즉, 제어장치(C)는 사용자가 공기조화 시스템의 운전모드를 입력할 수 있는 입력부(A)와 연결됨과 동시에, 실외온도 및 실내온도를 측정하기 위한 온도센서(B)와 정보를 주고 받게 된다.

시스템의 운전부하가 감지되면 제어장치(C)는 시스템의 해당 운전부하에 대응되는 압축기의 운전주파수, 즉 제1 출력값(D)을 결정하게 된다(S30). 여기서, 상 기 압축기의 운전 주파수는 상기 시스템의 운전부하 각각의 변수들에 관한 함수로 나타나게 되는데, 상기 함수는 실험적으로 미리 얻어진 결과이며, 상기 제어장치에 저장되어 있다.

본 실시 예에 따른 제어장치는 압축기의 운전주파수에 영향을 미치는 인자 중 실내기의 용량, 실외온도, 실내온도, 실내온도와 설정온도의 차이, 배관길이, 실내기의 운전대수를 고려하여 압축기의 운전주파수를 결정한다.

상기 실내온도와 설정온도의 차이가 크면 압축기의 운전주파수는 증가하게 될 것이고, 상기 외기온도와 실내온도의 차이가 크면 압축기의 운전주파수는 증가하게 될 것이다. 또한, 상기 실내기의 운전대수가 증가하면 증가할수록 압축기의 운전주파수는 증가하게 될 것이다. 뿐만 아니라, 냉매배관의 길이도 압축기의 운전주파수에 영향을 미치고, 이들 변수들의 영향을 고려하여 압축기의 운전주파수를 결정하기 위한 보상계수들도 실험적으로 획득하여 상기 압축기의 운전주파수를 결정할 수도 있을 것이다.

그리고, 상기 압축기의 운전 주파수의 값이 정해지면 제어장치는 압축기를 해당 주파수로 운전하게 된다(S50). 이후에, 제어장치는 중간냉매관으로 유입되는 기상 냉매량을 조절하게 된다(S70).

구체적으로, 상기 제어장치(C)는 먼저 상기 압축기의 운전 주파수에 대응하는 냉매제어밸브의 개도량, 즉 제2 출력값(E)을 결정하게 된다(S71). 여기서, 상기 압축기의 운전 주파수와 냉매제어밸브의 개도량과의 관계는 상기 제어장치에 미리 저장되어 있다. 그리고, 상기 압축기의 운전주파수와 상기 냉매제어밸브의 개도량 과의 관계는 미리 실험적으로 얻어진 결과들이다.

예를 들어, 상기 압축기의 특정 운전주파수에 대하여 다양하게 냉매 제어밸브의 개도를 조정하고, 상기 냉매 제어밸브의 개도에 따라서 냉방능력을 산정한다. 그리고, 상기 압축기의 특정 운전주파수에 대하여 가장 좋은 냉방능력을 가지는 냉매 제어밸브의 개도를 압축기의 해당 운전주파수와 대응되는 냉매 제어밸브의 개도로 선정할 수 있다.

일례로, 도 8을 참조하여, 압축기의 운전주파수에 대응하여 냉매제어밸브의 개도를 설정하는 과정을 설명한다.

도 8은 특정한 압축기의 운전주파수에서 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브의 개도를 일정하게 유지한 후 냉매제어밸브의 개도를 순차적으로 변화시키면서 시스템의 성능을 비교한 그래프이다.

도 8을 살펴보면, 제1 팽창밸브의 개도를 22(%)로 하고 제2 팽창밸브의 개도를 20(%)로 고정시켰을 때, 냉매 제어밸브의 개도가 40(%) 인 경우가 난방능력 및 냉방성능이 가장 뛰어난 값을 가짐을 알 수 있다.

또한, 제1 팽창밸브의 개도를 22(%)로 하고, 제2 팽창밸브의 개도를 26(%)으로 고정시켰을 때, 냉매 제어밸브의 개도가 30(%)인 경우가 난방능력 및 냉방성능이 가장 뛰어난 값을 가지고 제1 팽창밸브의 개도가 22(%)이고, 제2 팽창밸브의 개도가 30(%)인 경우 및 제1 팽창밸브의 개도가 24(%)이고 제2 팽창밸브의 개도가 40(%)인 경우에는 냉매 제어밸브의 개도가 40(%)인 경우가 난방성능 및 냉방성능이 가장 뛰어난 값을 가짐을 알 수 있다. 도 8에 도시된 결과들을 참조해보면, 특정의 압축기 운전주파수에서 난방 및 냉방성능이 가장 뛰어난 냉매 제어밸브의 개도는 대략 40(%)임을 알 수 있다.

결과적으로, 상술한 방법을 통하여 압축기의 운전주파수와 냉매 제어밸브의 개도량이 일대일 대응을 하게 되고, 이러한 정보들은 제어장치에 저장되어 있다.

냉매 제어밸브의 개도량이 정해지면 제어장치는 상기 개도량에 맞도록 냉매 제어밸브를 제어하게 된다(S73).

한편, 사용자가 작동 모드를 변경하게 되면, 제어장치는 다시 시스템의 운전부하를 감지하고 이를 바탕으로 냉매 제어밸브의 개도를 조정하게 된다. 따라서, 상기 공기조화 시스템은 시스템의 운전부하에 따라서 압축기로 유입되는 기상냉매량을 제어할 수 있게 되어 시스템의 성능을 최적화시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 주요 인자들 중의 어느 하나의 값이 변하면, 상기 제어장치는 변화된 인자를 고려하여, 압축기의 새로운 운전주파수를 결정하게 되고, 상기 운전주파수에 따라 냉매제어밸브의 개도를 새롭게 조정하게 된다. 즉, 상기 주요 인자들 중의 어느 하나의 값이 변하면 상술한 과정을 반복하면서 최적의 운전상태를 찾아가게 된다.

물론, 압축기의 운전 주파수는 초기의 시스템 운전부하를 기초로 설정되고 난 후, 일정한 값을 가지면서 운전되고, 상기 냉매 제어밸브의 개도량은 상기 시스템의 운전부하의 가변량, 예를 들면, 실내온도 및 실외온도에 따라 변할 수도 있을 것이다.

본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상술한 본 발명에 따른 공기조화 시스템 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 시스템의 운전부하에 따라 냉매 제어밸브의 개도량을 제어함으로써 시스템을 효율적으로 운전할 수 있는 이점이 있다. 구체적으로, 하나의 압축기에 가변용량을 갖는 제1 압축부 및 제2 압축부가 설치된 공기조화 시스템에서 제2 압축부로 유입되는 기상 냉매의 양을 시스템의 운전부하에 따라 최적으로 공급하게 됨으로써 공기조화 시스템을 효율적으로 제어할 수 있는 이점이 있다.

특히, 시스템의 운전부하에 따라 압축기의 운전주파수를 결정하고, 상기 압축기의 운전주파수에 따라 냉매제어밸브의 개도량을 조절함으로써 압축일을 줄임과 동시에 최대의 난방성능 및 냉방성능을 가질 수 있는 이점이 있다.

둘째, 상분리기에서 분리된 기상 냉매를 제2 압축부에 공급함으로써 압축기에 가해지는 압축일을 줄일 수 있음과 동시에 상분리기의 구조를 개선함으로써 액상 냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지할 수 있게 되어, 압축기의 신뢰성을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (13)

1. 냉매의 상을 구분하여 유출하는 상분리기;

   상기 상 분리기에서 분리된 액상 냉매를 증발시키는 증발기;

   상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되는 제1 압축부와, 상기 상분리기에서 분리된 기상 냉매가 상기 제1 압축부에서 배출되는 냉매와 함께 유입되는 제2 압축부를 갖는 압축기; 그리고,

   시스템의 운전부하에 따라 상기 제2 압축부로 유입되는 기상냉매량을 제어하는 제어장치를 포함하는 공기조화 시스템.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 상 분리기와 상기 제2 압축부를 연결하는 제1 냉매관상에 설치되며, 상기 제2 압축부로 유입되는 기상 냉매량을 조절하기 위한 냉매 제어밸브를 더 포함하는 공기조화 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제어장치는 상기 압축기의 주파수에 따라 상기 냉매 제어밸브의 개도량를 조절하는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템.
4. 제3항에 있어서,

   상기 압축기의 주파수는 상기 시스템의 운전부하에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 시스템의 운전부하는 사용자가 설정하는 작동모드를 포함하는 인자(因子)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템.
6. 제4항에 있어서,

   상기 시스템의 운전부하는 실외온도 및 실내온도를 포함하는 인자(因子)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템.
7. 제5항에 있어서,

   상기 공기조화 시스템의 작동모드를 입력할 수 있는 입력부를 더 포함하는 공기조화 시스템.
8. 제6항에 있어서,

   상기 실외온도 및 실내온도를 측정하기 위한 온도센서를 더 포함하는 공기조화 시스템.
9. 시스템의 운전부하를 감지하는 감지단계; 그리고,

   감지된 시스템의 운전부하를 바탕으로 압축기로 유입되는 기상냉매량을 제어하는 냉매량 제어단계를 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 시스템의 운전부하에 대응되는 압축기의 운전주파수를 결정하는 운전주파수 결정단계와, 결정된 운전주파수로 압축기를 운전하는 압축기 운전단계를 더 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 냉매량 제어단계는 상기 압축기의 운전주파수에 따른 냉매 제어밸브의 개도량를 설정하는 단계와, 설정된 개도량에 따라 상기 냉매 제어밸브를 제어하는 단계를 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 압축기의 운전주파수 결정단계에서 운전주파수를 결정하는 인자(因子)는 사용자가 설정하는 작동 모드, 실외온도 및 실내온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템의 제어방법.
13. 제9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공기조화 시스템의 작동 모드를 변경하는 단계와, 상기 변경된 작동 모 드에 따라 냉매 제어밸브의 개도량을 재설정하는 단계를 더 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법.

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