KR20130100552A - 공기 조화기 - Google Patents

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KR20130100552A
KR20130100552A KR1020120021862A KR20120021862A KR20130100552A KR 20130100552 A KR20130100552 A KR 20130100552A KR 1020120021862 A KR1020120021862 A KR 1020120021862A KR 20120021862 A KR20120021862 A KR 20120021862A KR 20130100552 A KR20130100552 A KR 20130100552A
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Abstract

본 명세서는 공기 조화기에 관한 것이다. 일 측면에 따른 공기 조화기는, 냉매를 압축하기 위한 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매를 바이패스하여 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 유로; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 팽창장치에서 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하는 냉매 사이클; 및 상기 냉매 사이클에서의 냉매 유량을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고, 상기 인젝션 유로에는 인젝션되는 냉매 양을 조절할 수 있는 인젝션 유량 조절부가 구비되며, 상기 제어부는, 상기 인젝션 유로에서의 인젝션 과열도를 기준으로 상기 인젝션 유량 조절부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기 조화기{Air conditioner}
본 명세서는 공기 조화기에 관한 것이다.
공기 조화기는 실내의 공기를 용도, 목적에 따라 가장 적합한 상태로 유지하기 위한 가전기기이다. 이를테면, 여름에는 실내를 시원한 냉방상태로, 겨울에는 실내를 따뜻한 난방상태로 조절하고, 또한 실내의 습도를 조절하며, 실내의 공기를 쾌적한 청정상태로 조절한다.
상세히, 공기 조화기는 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 수행하는 냉동 사이클을 포함하며, 이에 따라 실내공간의 냉방 또는 난방운전을 수행할 수 있다.
이러한 공기 조화기는 실내기와 실외기의 분리 여부에 따라, 실내기와 실외기가 각각 분리된 분리형 공기조화기와, 실내기와 실외기를 하나의 장치로 결합된 일체형 공기조화기로 구분될 수 있다.
실외기에는 외기와 열교환하는 실외 열교환기가 포함되며, 실내기에는 실내 공기와 열교환하는 실내 열교환기가 포함된다. 공기 조화기는 냉방 모드 또는 난방 모드로 전환 가능하게 작동될 수 있다.
상기 공기 조화기가 냉방모드로 운전되는 경우, 상기 실외 열교환기는 응축기, 상기 실내 열교환기는 증발기로 기능한다. 반면에, 상기 공기 조화기가 난방모드로 운전되는 경우, 상기 실외 열교환기는 증발기, 상기 실내 열교환기는 응축기로서 기능한다.
도 4에는 종래의 냉매 사이클 P-H 선도가 도시된다. 도 4를 참조하면, 냉매는 상태 a에서 압축기로 흡입되며, 상기 압축기에서 압축된 후 b의 상태로 토출되어 응축기로 유입된다. b 상태의 냉매는 액상으로 형성될 수 있다.
그리고, 냉매는 상기 응축기에서 응축된 후 c의 상태로 토출되며, 팽창장치에서 교축되어 d의 상태, 즉 2상 상태로 변화된다. 상기 팽창장치에서 교축된 냉매는 증발기로 유입되며, 상기 증발기에서 열교환되어 a의 상태로 변화된다. a 상태의 냉매는 기상이며, 이 상태에서 상기 압축기로 유입된다. 이러한 냉매의 사이클이 반복된다.
이러한 종래기술에 의하면, 냉방 또는 난방 성능이 제한될 수 있다.
상세히, 외기 조건이 좋지 않을 경우, 즉 공기 조화기가 설치된 지역의 외기온도가 매우 높거나 매우 낮은 경우, 원하는 냉난방 성능을 얻기 위하여 충분한 냉매 순환량이 확보되어야 한다.
이를 위하여, 압축기의 능력을 증대하기 위하여 용량이 큰 압축기를 구비하여야만 하는데, 이 경우 공기 조화기의 제조 또는 설치비용이 증가되는 문제점이 있었다.
그리고, 응축기에서 토출되는 냉매의 상태가 과냉 상태일 경우, 즉 냉매의 과냉도가 확보되면 증발기의 증발능력, 즉 d-a를 연결하는 라인의 하부 면적이 증가될 수 있음에도, 도 4와 같은 시스템에서는 냉매의 과냉도를 확보할 수 없으므로 이러한 성능의 향상을 기대할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 압축기에서 냉매를 압축하는데 소요되는 동력이 감소되고, 냉난방 효율이 증가될 수 있는 공기 조화기를 제공하는 것에 있다.
일 측면에 따른 공기 조화기는, 냉매를 압축하기 위한 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매를 바이패스하여 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 유로; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 팽창장치에서 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하는 냉매 사이클; 및 상기 냉매 사이클에서의 냉매 유량을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고, 상기 인젝션 유로에는 인젝션되는 냉매 양을 조절할 수 있는 인젝션 유량 조절부가 구비되며, 상기 제어부는, 상기 인젝션 유로에서의 인젝션 과열도를 기준으로 상기 인젝션 유량 조절부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 공기 조화기는, 냉매를 압축하기 위한 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매를 바이패스하여 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 유로; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 팽창장치에서 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하는 냉매 사이클; 상기 냉매 사이클에서의 냉매 유량을 제어할 수 있는 제어부; 및 상기 냉매 사이클의 다수의 지점에서의 냉매 상태를 감지하기 위한 냉매 상태 감지부를 포함하고, 상기 인젝션 유로에는 인젝션되는 냉매 양을 조절할 수 있는 인젝션 유량 조절부가 구비되며, 상기 제어부는, 상기 냉매 상태 감지부에서 감지된 정보에 기초하여 획득된 추정 냉매 압력에 따라서, 인젝션 개시 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
제안되는 발명에 의하면, 압축기로 중간압의 냉매가 인젝션 되도록 함으로써 시스템의 냉매 순환량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 냉난방 성능이 향상될 수 있다는 효과가 있다.
또한, 증발압보다 높은 압력의 냉매를 인젝션하여 압축하므로, 동일 냉매량을 압축하는데 소요되는 압축기 동력이 감소되어 압축 효율이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 조화기의 구성을 보여주는 시스템도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 조화기의 운전에 따른 냉매 시스템을 보여주는 P-H 선도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 조화기의 제어방법을 설명하는 흐름도.
도 4는 종래의 냉매 사이클 P-H 선도.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 조화기의 구성을 보여주는 시스템도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 조화기의 운전에 따른 냉매 시스템을 보여주는 P-H 선도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 냉매가 순환하는 냉동 사이클을 포함한다. 상기 공기 조화기(1)는 냉매의 순환 방향에 따라 냉방 또는 난방운전이 수행될 수 있다.
공기 조화기(1)는 상기 공기 조화기(1)는, 냉매를 압축하기 위한 압축기(10)와, 상기 압축기(10)에서 압축된 냉매가 응축되도록 하는 응축기(20)와, 상기 응축기(20)에서 응축된 냉매를 선택적으로 팽창시키기 위한 제 1 팽창장치(30) 및 제 2 팽창장치(60)와, 상기 제 1 및 제 2 팽창장치(30, 60)를 거친 냉매가 증발되도록 하는 증발기(70)를 포함할 수 있다.
상기 압축기(10)는 냉매를 다단 압축할 수 있다. 즉, 상기 압출기(10)는 다수의 압축실을 포함하고, 1차 압축실에서 압축된 냉매가 2차 압축실에서 재차 압축된다.
상기 응축기(20)의 출구 측 배관에는 응축기 출구에서의 냉매 온도를 감지하기 위한 온도센서(22)가 구비된다.
상기 공기 조화기(1)는, 상기 응축기(20)를 통과한 냉매가 과냉각 되도록 하는 과냉각 장치(40)를 더 포함할 수 있다. 상기 응축기(20)에서 토출된 냉매는 상기 제 1 팽창장치(30)를 거치면서 팽창되지 않을 수 있다.
상기 공기 조화기(1)는, 상기 제 1 팽창장치(30)를 통과한 냉매 중 적어도 일부의 냉매가 바이패스 되도록 하는 인젝션 유로(80) 및 상기 인젝션 유로(80)에 구비되며 바이패스 되는 냉매의 양을 조절하는 인젝션 팽창부(85: 인젝션 유량 조절부라고도 할 수 있음)를 포함할 수 있다. 냉매는 상기 인젝션 팽창부(85)를 통과하는 과정에서 팽창될 수 있다.
상기 제 1 팽창장치(30)를 통과한 냉매 중 바이패스 된 냉매를 "분지 냉매"라 하고, 분지 냉매를 제외한 나머지 냉매를 "메인 냉매"라 이름한다. 상기 과냉각장치(40)에서는, 상기 메인 냉매와 분지 냉매 간에 열교환이 이루어진다.
상기 분지 냉매는 상기 인젝션 팽창부(85)를 통과하면서 저온 저압으로 변하므로 상기 메인 냉매와 열교환되는 과정에서 흡열하게 되며, 상기 메인 냉매는 상기 분지 냉매로 방열하게 된다. 따라서, 상기 메인 냉매는 과냉각 될 수 있다. 그리고, 상기 과냉각장치(40)를 통과한 분지 냉매는 상기 인젝션 유로(80)를 통하여 상기 압축기(10)로 유입(인젝션) 된다.
상기 인젝션 유로(80)는, 상기 압축기(10)로 냉매를 인젝션하는 인젝션 유입관(81)과, 인젝션 유로(80) 상의 냉매 온도를 감지하기 위한 온도센서(82)를 포함한다. 상기 인젝션 유입관(81)의 분지 냉매는 다수의 압축실 사이로 유입될 수 있다. 예를 들어, 상기 압축기(10)가 1차 압축실과 2차 압축실을 포함하는 경우 상기 분지 냉매는 1차 압축실과 2차 압축실 사이로 유입된다. 즉, 상기 분지 냉매는 1차 압축실에서 압축된 냉매와 혼합된 상태에서 2차 압축실로 유입된다.
상기 과냉각장치(40)를 통과한 냉매는 상기 제 2 팽창장치(60)를 통과하면서 팽창된 후, 상기 증발기(70)로 유입된다.
상기 증발기(70)의 출구 측 배관에는 증발압을 감지하기 위한 압력센서(72)가 구비될 수 있다.
도 2를 참조하여, 공기 조화기를 순환하는 냉매 시스템의 P-H(압력-엔탈피) 선도를 설명한다.
상기 압축기(10)에 흡입되는 냉매(A 상태)는 1차적으로 압축된 후에 인젝션 유로(80)를 통하여 상기 압축기(10)로 인젝션 된 냉매와 혼합된다. 혼합된 냉매는 B의 상태를 나타낸다. 냉매가 A 상태로부터 B 상태에 이르기까지 압축되는 과정을 "1단 압축"이라 칭한다.
냉매(B 상태)는 다시 2차적으로 압축되어 C 상태가 된다. 냉매가 B 상태로부터 C 상태에 이르기까지 압축되는 과정을 "2단 압축"이라 칭한다.
상기 압축기에서 토출된 냉매(C 상태)는 상기 응축기(20)로 유입되며, 상기 응축기(20)에서 토출되면 D의 상태를 나타낸다.
상기 응축기(20)를 통과한 냉매 중 바이패스되어 상기 인젝션 팽창부(85)를 거친 냉매(분지 냉매)는 팽창(G 상태)되며, D 상태의 메인 냉매와 열교환 된다. 이 과정에서 D 상태의 메인 냉매는 E 상태로 과냉각 되며, G 상태의 분지 냉매는 상기 압축기(10)로 인젝션 된 후 상기 압축기(10) 내의 냉매와 혼합되어 B 상태를 나타낸다.
E 상태로 과냉각된 메인 냉매는 상기 제 2 팽창장치(60)에서 팽창된 후 상기 증발기(70)로 유입되며, 상기 증발기(70)에서 열교환 되어 상기 압축기(10)로 유입된다.
한편, 본 명세서에서 C-E를 연결하는 선도의 압력을 "고압", B-G를 연결하는 선도의 압력, 즉 인젝션 유로(80)에서의 압력을 "중간압", A-F를 연결하는 선도의 압력, "저압"이라 이름할 수 있다.
이 때, 상기 인젝션 유로(80)를 통하여 상기 압축기(10)로 인젝션 되는 유량(Q1)은 상기 고압과 중간압의 차이 압력에 비례할 수 있다.
따라서, 상기 중간압을 저압 측에 가깝게 형성시킬수록 상기 압축기(10)로 인젝션 되는 유량은 많아질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 조화기의 제어방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 인젝션 유로에서의 압력(중간압)을 고가의 압력센서를 사용하지 않고, 공기 조화기의 냉매 상태를 이용하여 추정함으로써, 냉매의 인젝션 개시 여부 및 인젝션될 때의 냉매의 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 공기 조화기(1)가 온되면, 냉매 사이클이 작동한다(S1). 따라서, 냉매가 압축, 응축, 팽창 및 증발되는 과정을 반복하게 된다.
상기 공기 조화기(1)가 작동하는 과정에서, 도시되지 않은 제어부에서는 인젝션 유로(80)에서의 냉매 압력(이하 "중간압"이라고 함)이 추정된다(S2)(중간압 추정).
상세히, 상기 중간압은 현재 냉매 사이클이 작동되는 과정에서, 냉매가 인젝션되는 것을 가정할 때의 중간압으로서, 본 실시 예에서, 중간압은, 적어도 증발압과 응축기의 출구 온도에 기초하여 추정될 수 있다. 즉, 냉매 사이클 중 적어도 두 개의 지점에서의 냉매 상태를 기초하여 추정될 수 있다.
본 실시 예에서, 중간압 추정을 위한 메인 인자는 증발압과 응축기의 출구 온도로서, 추가적인 보조 인자로서 압축기 흡입 온도, 응축 압력, 압축기 흡입 체적, 압축기 회전수 등이 해당될 수 있다. 다만, 본 실시 예에서는 보조 인자 보다 메인 인자가 중간압 추정에 많은 영향을 미치므로, 최소한의 인자로서 메인 인자를 사용하는 것을 설명하는 것이다.
또한, 상기 중간압을 추정하기 위한 계산식은 도시되지 않은 메모리에 저장될 수 있다. 이 때, 상기 계산식은 중간압 추정을 위한 인자에 따라 달라질 수 있으며, 이는 제품의 제작 시에 결정되어 상기 메모리에 저장된다. 그리고, 공기 조화기의 작동 시, 적어도 증발압과 응축기의 출구 온도가 감지되면, 상기 계산식을 이용하여 추정 중간압을 계산한다.
이 때, 상기 증발압은 상기 증발기(70)의 출구 측 배관에 구비되는 압력센서(72)에서 감지될 수 있고, 응축기의 출구 온도는 상기 응축기(20)의 출구 측 배관에 구비되는 온도센서(22)에 의해서 감지될 수 있다. 이 때, 상기 압력센서(72) 및 상기 온도센서(22)를 냉매 상태 감지부라 통칭할 수 있다.
그 다음, 상기 제어부는 추정된 중간압과 기준압력을 비교하여 인젝션 개시 조건을 만족하는지 여부를 판단하게 된다(S3). 이 때, 인젝션 개시 조건을 만족하는 경우는 추정된 중간압이 기준압력 보다 낮은 경우이다.
위에서 설명한 바와 같이 추정된 중간압과 고압의 차압이 인젝션 유량과 관련성이 있으므로, 추정된 중간압이 기준압력 보다 높은 경우에는 인젝션 유량이 확보되지 않게 되므로, 인젝션 효과가 떨어지게 된다. 따라서, 본 실시 예에는 추정된 중간압이 기준 압력보다 낮은 경우에 인젝션이 개시되도록 한다(S4). 즉, 상기 제어부는 인젝션 팽창부(85)를 냉매가 통과하도록 상기 인젝션 팽창부(85)를 온시킨다.
그러면, 중간압의 분지 냉매가 상기 인젝션 유로(80)를 따라 유동한 후에 상기 압축기(10)로 인젝션된다.
그 다음, 상기 제어부는 인젝션 과열도를 계산하게 된다(S5). 본 명세서에서, 인젝션 과열도는, 추정된 중간압에 해당하는 포화온도와 상기 인젝션 유로(80)의 냉매 온도의 차를 의미한다. 상기 인젝션 유로(80)의 냉매 온도는 상기 인젝션 유로(80)에 구비되는 온도센서(82)에 의해서 감지될 수 있다. 이 때, 냉매의 압력에 대응하는 포화온도는 상기 메모리에 저장된다.
그 다음, 상기 제어부는 계산된 인젝션 과열도에 기초하여 인젝션되는 냉매의 유량을 제어한다(S6). 이 때, 인젝션되는 냉매의 유량은 상기 인젝션 팽창부(85)에 의해서 조절될 수 있다.
상세히, 상기 제어부는 계산된 인젝션 과열도와 기준 과열도 범위를 비교하여, 계산된 인젝션 과열도가 기준 과열도 범위 중 최대값 보다 큰 경우 유량이 증가되도록 제어하고, 인젝션 과열도가 기준 과열도 범위 중 최소값 보다 작은 경우 유량이 감소되도록 제어한다.
예를 들어, 계산된 인젝션 과열도가 상기 최대값 보다 큰 경우 현재 인젝션되는 유량이 적으므로, 유량이 증가되도록 상기 인젝션 팽창부(85)가 제어된다. 반대로, 계산된 인젝션 과열도가 상기 최소값 보다 작은 경우 현재 인젝션되는 유량이 많으므로, 유량이 감소되도록 상기 인젝션 팽창부(85)가 제어된다.
제안되는 발명에 의하면, 압축기로 중간압의 냉매가 인젝션 되도록 함으로써 시스템의 냉매 순환량을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 냉난방 성능이 향상될 수 있다는 효과가 있다.
또한, 증발압보다 높은 압력의 냉매를 인젝션하여 압축하므로, 동일 냉매량을 압축하는데 소요되는 압축기 동력이 감소되어 압축 효율이 향상되는 장점이 있다.
또한, 압축기로의 냉매 인젝션에 의해서 증발기로 유입되는 냉매의 상태가 변경되므로, 증발능력이 향상되고, 응축기의 유량이 증가되어 응축 능력이 향상될 수 있다.
또한, 인젝션되는 냉매의 압력을 압력센서를 이용하지 않고, 냉매 사이클에서의 냉매 상태를 이용하여 추정함으로써, 공기 조화기의 제조 비용이 줄어드는 장점이 있다.
10: 압축기 20: 응축기

Claims (7)

  1. 냉매를 압축하기 위한 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매를 바이패스하여 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 유로; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 팽창장치에서 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하는 냉매 사이클; 및
    상기 냉매 사이클에서의 냉매 유량을 제어할 수 있는 제어부를 포함하고,
    상기 인젝션 유로에는 인젝션되는 냉매 양을 조절할 수 있는 인젝션 유량 조절부가 구비되며,
    상기 제어부는, 상기 인젝션 유로에서의 인젝션 과열도를 기준으로 상기 인젝션 유량 조절부를 제어하는 공기 조화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝션 유로에서의 냉매 온도를 감지하기 위한 온도센서를 더 포함하고,
    상기 인젝션 과열도는 상기 인젝션 유로의 냉매 압력에 대응하는 포화온도와, 상기 온도센서에서 감지된 온도의 차이 값인 공기 조화기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉매 사이클의 다수의 지점에서의 냉매 상태를 감지하기 위한 냉매 상태 감지부를 더 포함하고,
    상기 인젝션 유로의 냉매 압력은, 상기 냉매 상태 감지부에서 감지된 정보에 기초하여 추정된 압력인 공기 조화기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉매 상태 감지부는, 상기 증발기의 증발압을 감지하기 위한 압력센서와,
    상기 응축기의 출구 온도를 감지하기 위한 온도센서를 포함하는 공기 조화기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝션 과열도가 기준 범위를 초과하는 경우 상기 제어부는 인젝션 유량이 증가되도록 상기 인젝션 유량 조절부를 제어하고,
    상기 인젝션 과열도가 기준 범위 미만인 경우 상기 제어부는 인젝션 유량이 감소되도록 상기 인젝션 유량 조절부를 제어하는 공기 조화기.
  6. 냉매를 압축하기 위한 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 적어도 일부의 냉매를 바이패스하여 상기 압축기로 인젝션하는 인젝션 유로; 상기 응축기에서 토출된 냉매 중 팽창장치에서 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하는 냉매 사이클;
    상기 냉매 사이클에서의 냉매 유량을 제어할 수 있는 제어부; 및
    상기 냉매 사이클의 다수의 지점에서의 냉매 상태를 감지하기 위한 냉매 상태 감지부를 포함하고,
    상기 인젝션 유로에는 인젝션되는 냉매 양을 조절할 수 있는 인젝션 유량 조절부가 구비되며,
    상기 제어부는, 상기 냉매 상태 감지부에서 감지된 정보에 기초하여 획득된 추정 냉매 압력에 따라서, 인젝션 개시 여부를 판단하는 공기 조화기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는, 획득된 추정 냉매 압력이 기준 압력 보다 낮은 경우에 인젝션이 개시되도록 상기 인젝션 유량 조절부를 제어하는 공기 조화기.
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