KR20100115757A - 공기조화기의 압축기 보호 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기조화기 전원의 연결을 검출하는 단계와, 크랭크 케이스 히터의 작동을 개시하는 단계와, 외기온 센서에 의해 외기온을 검출하는 단계와, 외기온 센서에 의해 검출된 외기온에 기초하여 압축기 예열 시간을 결정하는 단계와, 상기 결정된 압축기 예열 시간 동안 크랭크 케이스 히터에 의한 압축기 예열을 지속시키는 단계와, 상기 결정된 압축기 예열 시간이 경과한 것으로 판정하는 경우 상기 압축기를 기동시키는 단계를 포함하는 공기조화기의 압축기 보호 방법에 관한 것이다.

Description

공기조화기의 압축기 보호 방법 및 장치 {A METHOD AND AN APPARATUS FOR PROTECTING A COMPRESSOR OF AN AIR-CONDITONING SYSTEM}
본 발명은 공기 조화기용 압축기를 보호하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축기 내의 온도를 증가시켜 오일의 희석을 방지하는 공기조화기 내의 압축기 보호 방법 및 장치에 관한 것이다.
공기조화기의 시동 중에는 압축기에서 토출된 냉매는 응축기에서 응축된다. 응축된 냉매는 팽창기에서 팽창하고, 다시 증발기에서 증발된다. 압축기의 흡입측에는 어큐뮬레이터가 배치되어 증발기에서 미처 증발되지 못한 액 냉매를 거름으로써 액 냉매가 압축기 내부로 유입되는 것을 방지한다.
공기조화기의 압축기에서 윤활제로 사용되는 오일과 냉매는 자유롭게 혼합될 수 있다. 공기조화기의 정상 작동 중에는 작동 압력 및 작동 온도 때문에 압축기의 오일 섬프 내의 오일에는 실질적으로 냉매가 존재하지 않는다. 또한, 어큐뮬레이터는 액 냉매가 압축기로 유입되는 것을 차단한다. 그러나 압축기의 작동이 정지되면 공기조화기 내의 냉매는 공기조화기 중 가장 저온인 부분으로 이동하여 응축하게 된다. 예를 들면, 기온이 낮은 밤에 공기조화기의 작동이 정지되면 온도는 실내가 실외에 비해 높기 때문에 공기조화기 내의 냉매는 온도가 낮은 실외 열교환기 및 압축기의 크랭크 케이스 내로 들어간다. 실외 온도가 올라가는 아침에는 압축기의 열용량이 실외 열교환기에 비해 크기 때문에, 실외 코일의 온도가 압축기보다 빨리 상승된다. 결과적으로, 실외 열교환기에서 응축된 냉매는 온도가 더 낮은 압축기 쪽으로 이동될 것이다.
이와 같이, 공기조화기의 정지 중에 냉매가 압축기의 크랭크 케이스 또는 오일 섬프 내로 이동해 들어가는 문제점을 해결하기 위하여 크랭크 케이스 히터가 제안되었다. 이러한 크랭크 케이스 히터는 압축기 내에 액 냉매가 들어오는 시간 동안에만 필요하지만, 일반적으로 연속적으로 작동된다. 크랭크 케이스 히터는 압축기의 오일 섬프 안에 직접 설치되거나 또는 압축기 케이싱 외부 표면 둘레에 배치되어 오일 섬프 내의 오일로 열전달이 가능하도록 구성된 저항 소자일 수도 있다.
공기조화기의 전원이 켜진 상태에서는 크랭크 케이스 히터는 작동을 하며, 압축기를 보호하기 위하여 액 냉매를 기화시킨다. 그러나, 오랜 시간 공기조화기를 사용할 필요가 없는 경우, 사용자는 통상 전원 코드를 분리하여 전력의 공급을 차단한다. 이러한 시간 동안, 전력 공급을 받지 못하는 크랭크 케이스 히터는 작동이 중지되고, 액 냉매는 압축기 내로 유입되어 오일을 희석할 수 있다.
액 냉매에 의해 희석된 오일은 압축기의 시동시 압축기 베어링 및 다른 작동 부품들의 윤활 능력을 저감시킨다. 냉매가 시간이 지남에 따라 오일 내부에 용해되는 경우, 냉매와 함께 사용되는 다수의 윤활제 사이의 친화성은 오일의 희석 및 이에 수반하는 윤활 능력의 손실 원인이 된다. 또한, 액체는 비압축성이기 때문에 액 냉매가 압축기 내에 존재하는 경우, 매우 높은 압력 및 응력을 가져올 수 있다. 따라서, 적은 양의 액 냉매라도 작동 부품 상의 윤활 오일막을 제거 할 수 있으며, 이로 인해 압축기의 고장이나 이상 작동을 유발할 수 있다.
이와 같이, 사용자가 오랜 시간 동안 전원을 차단해 놓은 상태에서 공기조화기를 다시 기동하는 경우 압축기 모터는 액 냉매와 함께 회전하고 앞서 설명한 바와 같이 압축기의 고장을 일으킬 수 있다.
본 발명은 종래 기술의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자가 오랜 시간 동안 공기조화기의 전원을 차단해 놓은 상태에서 공기조화기를 다시 기동하는 경우, 외기온에 따라 적정 시간 동안 압축기를 예열함으로써 압축기 내의 액 냉매를 제거시키는 압축기 보호 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 공기조화기의 압축기 보호 방법으로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 공기조화기의 압축기 보호 방법은 공기조화기 전원의 연결을 검출하는 단계와, 크랭크 케이스 히터의 작동을 개시하는 단계와, 외기온 센서에 의해 외기온을 검출하는 단계와, 외기온 센서에 의해 검출된 외기온에 기초하여 압축기 예열 시간을 결정하는 단계와, 상기 결정된 압축기 예열 시간 동안 크랭크 케이스 히터에 의한 압축기 예열을 지속시키는 단계와, 상기 결정된 압축기 예열 시간이 경과한 것으로 판정하는 경우 압축기를 기동시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 공기조화기의 압축기 보호 장치로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 공기조화기의 압축기 보호 장치는 압축기 하부를 가열하는 크랭크 케이스 히터와, 실외 온도를 감지하기 위한 외기온 센서와, 상기 크랭크 케이스 히터 및 외기온 센서에 연결되어 크랭크 케이스 히터를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 상기 외기온 센서에 의해 감지된 외기온에 기초하여 압축기 예열 시간을 결정하는 예열 시간 결정부와, 상기 결정된 압축기 예열 시간 동안 크랭크 케이스 히터에 의한 압축기 예열을 지속시키는 크랭크 히터 구동부와, 상기 압축기 예열 시간이 경과한 것으로 판정하는 경우 압축기를 기동하는 압축기 구동부를 포함한다.
본 발명에 따른 공기조화기의 압축기 보호 장치 및 방법은 로딩 타임과 언로딩 타임을 결정하는 듀티 제어 신호에 따라 냉매를 압축하는 가변 용량 압축기에 적용될 수 있다.
본 발명은 압축기 내의 온도를 증가시켜 압축기 내의 냉매에 의한 오일의 희석을 방지하여 압축기의 윤활 능력을 유지하여 압축기의 수명을 연장하고 고장을 방지할 수 있다. 특히, 대용량의 공기조화기에 사용되는 가변 용량 압축기의 경우 수리 또는 교체에 필요한 비용이 매우 크기 때문에 본 발명에 의한 압축기 보호 방법은 더욱 중요하다. 또한, 본 발명의 공기조화기는 압축기 기동에 필요한 예열 시간을 적절히 예측하여 외기온에 따라 필요한 예열 시간 동안만 예열을 하기 때문에, 장시간 압축기를 예열하는 시스템에 비해 효율적인 공기조화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공기조화기의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기조화기용 압축기 보호 방법의 제어 순서도이다.
도 3은 압축기의 흡입 압력과 압축기 하부 온도 사이에 따른 예시적인 오일 희석 도표이다.
도 4는 도 3의 오일 희석 도표 상에서 외기온에 따른 크랭크 케이스 히터의 예열시간을 구하는 실험 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 따른 외기온과 크랭크 케이스 히터의 예열 시간의 관계를 도시한 도표이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어 유닛을 도시하는 개략도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 공기조화기의 개략도이다. 공기조화기(1)는 실외기(10)와 실내기(20)를 구비한다. 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 실외기(10)에 다수의 실내기(20)가 연결될 수도 있다. 실외기(10)는 압축기(2), 어큐뮬레이터(4), 실외 전동 밸브(5), 실외 열교환기(6), 실외 팬(7), 실외 팬 모터(8), 방향제어밸브(9)를 포함한다. 압축기(2)는 크랭크 케이스 히터(11), 흡입구(14), 토출구(15)를 포함하고, 실외 열교환기(6)에는 외기온 센서(3)가 설치된다. 실내기(20)는 실내 열교환기(21), 실내 팬(22), 실내 팬 모터(23), 실내 전동 밸브(24)를 포함한다.
본 발명의 공기조화기(1)는 제어 유닛(30)을 더 포함한다. 제어 유닛(30)은 외기온 센서(3)에서 측정된 외기온에 기초하여 크랭크 케이스 히터(11)에 의한 압축기(2) 예열 시간을 결정하며, 예열시간이 경과한 후에 압축기(2)를 기동하도록 제어할 수 있다. 제어 유닛(30)은 그 밖에도 팬 모터(8, 23)나 전동 밸브(5, 24)의 구동도 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 압축기(2)는 가변 용량 압축기일 수 있다. 가변 용량 압축기는 종래의 압축기에 펄스 폭 변조 밸브(12), 바이패스관(13)을 추가적으로 포함한다. 종래의 회전수 가변형 압축기는 인버터 제어를 통해 모터에 인가되는 전류의 주파수를 제어함으로써 압축기의 용량을 조정하였으나, 회전하는 모터를 직접 제어해야 하기 때문에 양호한 응답성과 정확성으로 모터의 회전수를 제어하기 어려웠으며, 모터의 회전수가 수시로 변하기 때문에 진동 소음이 발생하여 압축기의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
가변 용량 압축기(2)는 작동 중에 냉매가 토출되는 로딩 타임과 냉매가 토출되지 않는 언로딩 타임이 반복되며, 상기 로딩 타임과 언로딩 타임의 비율이 펄스 폭 변조 방식으로 제어된다. 압축기 케이싱에는 압축기(2)의 상측과 흡입구(14)를 연결하는 바이패스관(13)이 설치되고, 이 바이패스관(13) 상에 펄스 폭 변조(PWM) 밸브(12)가 설치된다. 펄스 폭 변조 밸브(12)가 닫혀서 바이패스관(13)이 막히는 경우, 압축기(2)는 냉매를 토출하고 이 상태를 로딩이라 한다. 이 때 압축기는 100% 용량으로 운전한다. 이와 반대로, 펄스 폭 변조 밸브(12)가 열려서 바이패스관(13)이 열리는 경우, 압축기(2)의 냉매는 토출되지 않고 이 상태를 언로딩이라 한다. 이 때 압축기는 0% 용량으로 운전한다.
압축기는 로딩, 언로딩을 반복하며, 로딩, 언로딩 상태와 상관 없이 압축기의 모터는 일정한 속도로 회전한다. 다만, 로딩 타임과 언로딩 타임의 비율에 따라 0%에서 100% 사이의 용량으로 운전하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 공기조화기의 압축기 보호 방법의 제어 순서도이다. 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 압축기 보호 방법을 설명한다. 공기조화기(1)의 전원이 켜지면 제어 유닛(30)은 공기조화기(1)의 전원이 연결되었는지를 검출하고(Step S1), 크랭크 케이스 히터(11)는 작동을 개시한다(Step S2). 외기온 센서(3)도 외기온도를 측정한다(Step S3). 외기온 센서는 예컨대 서미스터일 수 있다. 도 2에는 크랭크 케이스 히터(11)가 작동된 후에 외기온 센서가 외기온도를 측정하는 것으로 도시되어 있으나, 이 두 단계는 그 반대 순서로 수행되거나 동시에 수행될 수도 있다.
제어 유닛(30)은 외기 온도에 기초하여 압축기 오일 섬프 내의 오일이 안전 영역에 놓이는데 필요한 크랭크 케이스 히터(11)에 의한 예열 시간을 결정한다(Step S4). "안전 영역"이란 압축기 내에 액 냉매가 실질적으로 존재하기 않아서 압축기가 기동되더라도 액 냉매로 인하여 압축기가 손상될 염려가 없는 안전한 영역을 의미한다.
제어 유닛(30)은 크랭크 케이스 히터(11)의 작동 시간이 Step S4에서 결정된 압축기 예열 시간을 초과하였는지 판단한다(Step S5). 예열 시간이 경과하면, 제어 유닛은 공기조화기(1)의 압축기(2)를 기동시킨다(Step S6).
도 3은 압축기의 흡입 압력과 압축기 하부 온도 사이에 따른 오일의 상태를 표시한 오일 희석 도표이다. 도표 상의 X축은 kg/㎠으로 표시된 압축기의 흡입 압력이고, Y축은 ℃로 표시된 압축기 하부 온도이다. 도표 상의 영역은 안전 영역, 불안전 영역, 중간 영역으로 분류된다. "불안전 영역"은 압축기 내에 액 냉매가 다량 존재하고 오일이 희석되어 있기 때문에 공기조화기의 기동이 적절치 않은 상태를 의미한다. "중간 영역"은 난방 운전시에는 안전 영역에 해당하지만, 냉방 운전시에는 압축기 입구에 높은 과열도가 필요하기 때문에 불안전 영역에 해당하는 영역이다. 압축기의 예열 시간은 냉방 운전과 난방 운전의 구분이 없이 압축기 내의 오일이 안전 영역에 이르는 시간으로 결정할 수도 있고, 냉방 운전시에는 압축기가 안전 영역에 이를 때까지의 시간으로, 냉방 운전시에는 중간영역에 이르는 시간으로 결정할 수도 있다.
동일한 압축기 흡입 압력(예를 들면 3.30kg/㎠) 하에서는 압축기 하부 온도가 증가할수록 압축기 내의 액 냉매 기화가 촉진되기 때문에 안전한 영역으로 이동한다(화살표 P 참조). 예를 들어, 압축기의 흡입 압력이 2.30kg/㎠이고 압축기 하부 온도가 12.22℃라면 (점 A), 안전 영역에 해당하므로 압축기를 기동하여도 압축기 손상의 위험이 없다. 그러나, 압축기의 흡입 압력이 4.30kg/㎠이고 압축기 하부 온도가 -7.78℃라면 (점 B), 불안전 영역에 해당하므로 압축기의 기동을 위하여 크랭크 케이스 히터에 의한 예열이 필요하다.
도 4는 도 3의 오일 희석 도표 상에서 외기온도에 따른 크랭크 케이스 히터의 예열시간을 구하는 실험 방법을 도시하는 도면이다. 본 실험은 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 챔버 안에서 실시되며, 실험이 이루어지는 순서는 아래와 같다. 먼저, 챔버 내의 온도가 일정하게 유지된 상태에서 챔버 내에 공기조화기(1)를 위치시킨 후, 압축기(2)의 흡입 압력 및 하부 온도를 측정한다. 압축기(2)의 하부 온도는 압축기의 오일 섬프에 근접한 위치에서 측정된다. 이어서, 크랭크 케이스 히터(11)로 압축기(2)를 예열하면서 압축기의 흡입 압력 및 하부 온도를 계속 측정한다. 측정된 압축기 흡입 압력 및 하부 온도를 도시하면 도 4와 같은 결과를 얻게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크 케이스 히터(11)의 예열이 진행되면서 압축기 하부 온도는 점차 증가하지만, 압축기 흡입 압력은 거의 변동이 없음을 알 수 있다. 따라서, 크랭크 케이스 히터(11)의 예열에 따른 압축기 흡입 압력과 압축기 하부 온도의 변화 궤적은 도표 상에서 아래에서 위로 향하는 직선을 이룬다.
(a), (b), (c), (d) 및 (e)로 표시된 선은 각각 외기온이 -10℃, -5℃, 0℃, 5℃, 10℃에 해당할 때의 실험 결과이다. 크랭크 케이스 히터(11)의 가열을 시작할 때의 압축기 하부 온도는 외기온과 같다. 선 (a), (b), (c), (d) 및 (e)의 시작점의 위치로부터 알 수 있는 바와 같이, 장시간 정지 상태에 있는 공기조화기의 압축기 내 오일은 불안전 영역에 있게 된다. 선 (a), (b), (c), (d) 및 (e)의 길이는 불안전 영역에서 안전 영역에 도달하는데 필요한 최소 이동 구간이며, 이 구간을 이동하는데 소요되는 시간이 압축기 예열 시간으로 결정된다.
이와 같이 결정된, 외기온도에 따른 압축기 예열 시간의 예를 도 5에 도시하였다. 도 5는 11kW의 시스템 용량을 갖는 공기 조화기에 대한 실험 결과를 도시한 것이다. 외기온도가 낮을수록 압축기 내의 액 냉매의 양이 많으므로, 더 긴 예열시간이 필요하다. 도 5를 참조하면, 외기온도가 10℃일 경우 압축기 예열시간은 약 30분 정도이지만, 0℃일 경우는 약 40분, -10℃일 경우 약 56분으로 외기온도가 낮을수록 압축기 예열 시간이 증가하는 것을 알 수 있다.
외기온도에 따른 압축기의 예열 시간은 공기조화기의 용량, 압축기의 크기, 종류, 압축 방식 등에 따라 변동할 수 있으므로, 각 종류의 공기 조화기에 대하여 별도의 실험을 통하여 구해진다. 이러한 실험을 통하여 구해진 외기온도에 따른 압축기의 예열 시간의 맵핑(mapping) 데이터는 공기조화기(1) 내의 기억 소자(도시 않음)에 저장된다. 기억 소자(도시 않음)는 제어 유닛(30) 내에 존재하거나, 외부에 별도의 메모리 장치로 구현될 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 제어 유닛(30)을 도시한 것이다. 제어 유닛(30)은 외기온 센서(3)에 의해 감지된 외기온에 기초하여 압축기 예열 시간을 결정하는 예열 시간 결정부(31)와, 상기 결정된 압축기 예열 시간 동안 크랭크 케이스 히터에 의한 압축기 예열을 지속시키는 크랭크 케이스 히터 구동부(32)와, 상기 압축기 예열 시간이 경과한 것으로 판정하는 경우 압축기를 기동하는 압축기 구동부(33)를 포함한다. 또한, 제어 유닛(30)은 펄스 폭 변조 밸브(12)의 로딩 타임과 언로딩 타임의 비율을 결정하는 펄스 폭 변조 밸브 제어부(34), 실내 및 실외 팬 모터(8, 23)의 구동을 제어하는 팬 모터 구동부(35), 실내 및 실외 전동 밸브(5, 24)의 구동을 제어하는 전동 밸브 구동부(36)를 포함할 수 있다. 상기 예열시간 결정부(31) 내의 기억 소자(도시 않음)에는 외기온에 따른 압축기의 예열 시간의 맵핑 데이터가 저장되어 있을 수 있다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 외기온도에 따른 압축기의 예열 시간을 저장하는 기억 소자는 제어 유닛(30) 외부에 있는 별도의 메모리 장치로 구현될 수도 있다.
이상 본 발명의 실시예를 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이로부터 다양한 변형 실시가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 압축기와, 크랭크 케이스 히터와, 실외 온도를 감지하는 외기온 센서와, 상기 크랭크 케이스 히터 및 외기온 센서에 연결되어 크랭크 케이스 히터를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는 공기조화기의 압축기 보호 방법이며,
    공기조화기 전원의 연결을 검출하는 단계와,
    외기온 센서에 의해 외기온을 검출하는 단계와,
    외기온 센서에 의해 검출된 외기온에 기초하여 압축기 예열 시간을 결정하는 단계를 포함하는
    공기조화기의 압축기 보호 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    공기조화기에 전원이 공급되면 크랭크 케이스 히터의 작동을 개시하는 단계를 더 포함하는
    공기조화기의 압축기 보호 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    결정된 압축기 예열 시간 동안 크랭크 케이스 히터에 의한 압축기 예열을 지속시키는 단계와,
    결정된 압축기 예열 시간이 경과한 것으로 판정하는 경우 상기 압축기를 기동시키는 단계를 더 포함하는
    공기조화기의 압축기 보호 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축기 예열 시간은 압축기 내의 오일이 액 냉매가 실질적으로 존재하기 않는 안전 영역에 이르는 최소 시간인 공기조화기의 압축기 보호 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축기 예열 시간은 기억 소자에 저장되어 있는 맵핑 데이터에 기초하여 결정되는
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 로딩 타임과 언로딩 타임을 결정하는 듀티 제어 신호에 따라 냉매를 압축하는 가변 용량 압축기인
    공기조화기의 압축기 보호 방법.
  7. 압축기 일부를 가열하는 크랭크 케이스 히터와,
    온도를 감지하기 위한 외기온 센서와,
    상기 크랭크 케이스 히터 및 외기온 센서에 연결되어 크랭크 케이스 히터를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 외기온 센서에 의해 감지된 외기온에 기초하여 압축기 예열 시간을 결정하는 예열 시간 결정부와, 상기 결정된 압축기 예열 시간 동안 크랭크 케이스 히터에 의해 압축기를 예열하는 크랭크 케이스 히터 구동부를 포함하는
    공기조화기용 압축기 보호 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압축기 예열 시간은 압축기 내의 오일이 액 냉매가 실질적으로 존재하기 않는 안전 영역에 이르는 최소 시간인
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 외기온 센서는 서미스터인
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 외기온 센서는 실외기에 장착되어 있는
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외기온 센서는 실외 열교환기에 장착되어 있는
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 크랭크 케이스 히터는 압축기의 오일 섬프 안에 직접 설치되어 오일 섬프 내의 오일로 열전달이 가능하도록 구성된 저항 소자인
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 크랭크 케이스 히터는 압축기 케이싱 외부 표면 둘레에 배치되어 오일 섬프 내의 오일로 열전달이 가능하도록 구성된 저항 소자인
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 로딩 타임과 언로딩 타임을 결정하는 듀티 제어 신호에 따라 냉매를 압축하는 가변 용량 압축기인
    공기조화기의 압축기 보호 장치.
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