KR20180137800A - 공기조화기 - Google Patents

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KR20180137800A
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박한샘
강수진
정호종
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 냉매가 응축되는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와, 상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와, 상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와, 상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와, 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와, 상기 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 비교하고, 그에 따라 상기 인젝션 밸브의 개방도를 변화시키는 제어부를 포함하는 공기조화기에 관한 것이다.

Description

공기조화기 { Air conditioner}
본 발명은 공기조화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매의 인젝션을 효율적으로 제어하여서 시스템의 성능 및 신뢰성을 확보할 수 있는 공기조화기에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화시스템은 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발시키는 과정을 수행하여, 실내 공간을 냉방 또는 난방시키는 장치이다.
상기 공기조화시스템은 실외기에 1대의 실내기가 연결되는 통상적인 공기조화시스템과, 실외기에 복수개의 실내기가 연결되는 멀티 공기조화시스템으로 구분된다. 또한, 상기 공기조화시스템은 냉매사이클을 일방향으로만 가동하여 실내에 냉기만을 공급하는 냉방시스템과, 냉매사이클을 양방향으로 가동하여 실내에 냉기 또는 온기를 공급할 수 있는 냉난방시스템으로 구분된다.
상기 공기조화시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함한다. 상기 압축기에서 토출된 냉매는 상기 응축기에서 응축된 후, 상기 팽창밸브에서 팽창된다. 팽창된 냉매는 상기 증발기에서 증발된 후, 상기 압축기로 흡입된다. 냉방운전 또는 난방운전시, 상기 압축기로 냉매를 인젝션하여 성능을 향상시킨다.
그러나, 종래 기술에 따른 공기조화시스템은 제어가 매우 까다로우며, 제어가 제대로 이루어지지 않을 경우, 시스템이 불안정해지며 압축기 등의 손상이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
그리고, 종래 기술 중에 인젝션 과열도를 기준으로 인젝션 되는 냉매의 양을 제어하는 기술의 경우, 압축기에서 냉매가 2상 상태가 되는 경우 인젝션 과열도를 정확하게 알 수 없기 때문에 정확한 제어가 어려운 문제점이 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 압축기로 인젝션되는 유량을 증가시키면서, 인젝션으로 인한 압축기의 손상을 줄이는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 인젝션되는 냉매가 2상 냉매로 유입되는 경우 인젝션되는 냉매를 압축기 내의 건도를 추정하여 제어함으로써, 공기조화기의 효율은 상승시키면서 압축기의 손상을 줄이는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는, 압축기로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와, 압축기 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 비교하고, 그에 따라 상기 인젝션 밸브의 개방도를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기는 압축기내 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 기준으로 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 플래시 인젝션 제어모드와, 인젝션 과열도를 기준으로 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 가스 인젝션 제어모드 중 어느 하나의 모드를 선택하여 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 공기조화기에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째,　인젝션 되는 냉매가 2상 냉매 또는 과열증기이므로, 인젝션 되는 냉매의 유량이 커지고, 공기조화기의 효율이 향상되는 장점이 있다.
둘째, 압축기 내의 건도를 추정하여 인젝션을 제어하므로, 정확한 제어가 가능하고 압축기의 손상을 줄이면서, 효율은 향상되는 장점도 있다.
셋째, 플래시 인젝션 제어와 증기 인젝션 제어를 선택적으로 적용하므로, 인젝션 상태에 따라 맞춤형 제어가 가능한 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기조화기의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 인젝션 열교환기의 내부를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시된 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 공기조화기의 냉방운전시의 냉매의 흐름이 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 사이클을 나타낸 몰리에르 선도(mollier diagram, p-h선도)이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 제어방법이 도시된 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 실시예를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
공기조화기는 냉방 운전만을 수행하는 일반적인 가정용 냉방용 공기조화기, 난방 운전만을 수행하는 난방용 공기조화기, 냉난방 운전을 모두 수행하는 히트 펌프식 공기조화기, 복수 개의 실내공간들을 냉/난방하는 멀티형 공기조화기를 모두 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기(100)의 구성도이고, 도 2는 공기조화기(100)의 제어흐름을 보여주는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 공기조화기(100)는 압축기(110), 실내 열교환기(120), 실외 열교환기(130), 제 1팽창밸브(141), 제 2팽창밸브(142), 인젝션 열교환기(150) 및 사방밸브(160)를 포함한다.
실내 열교환기(120)는 냉방운전 시 냉매가 증발되는 증발기로 작용하고, 난방운전시 냉매가 응축되는 응축기로 작용한다.
실외 열교환기(130)는 냉방운전 시 냉매가 응축되는 응축기로 작용하고, 난방운전시 냉매가 증발되는 증발기로 작용한다.
압축기(110)는 유입되는 저온 저압의 냉매를 고온 고압으로 압축시킨다. 압축기(110)는 서로 180도의 위상차를 갖는 선회 스크롤과 고정 스크롤을 포함한다. 선회 스크롤의 인볼루트 랩(involute wrap)과 고정 스크롤의 인볼루트 랩 사이에 압축실이 형성된다. 선회 스크롤의 선회 운동에 따라 압축실 속의 냉매가 점점 압축되어 중앙측의 토출구를 통해 토출된다.
여기서, 압축기(110)는 난방운전시 실외 열교환기(130)를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 제 1압축부를 통과한 냉매와 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는다. 제 1,2압축부는 선회 스크롤과 고정 스크롤의 맞물림에 의해 밀폐되는 압축실이다.
압축기(110)에는 후술하는 제 6연결배관(176)과 연결되는 제 1입구(111)와, 후술하는 인젝션 배관(151)과 연결되어 인젝션되는 냉매가 제 2압축부로 유입되도록 제 2입구(112)가 형성된다.
사방밸브(160)는 냉난방시 냉매의 흐름을 절환하는 유로 절환 밸브이다. 사방밸브(160)는 압축기(110)에서 압축된 냉매를 냉방시에는 실외 열교환기(130)로 안내하고, 난방 시에는 실내 열교환기(120)로 안내한다.
사방밸브(160)의 일측은 압축기(110)와 제 1연결배관(171)으로 연결된다. 사방밸브(160)의 타측은 실내 열교환기(120)와 제 2연결배관(172)으로 연결된다.
실내 열교환기(120)와 인젝션 열교환기(150)는 제 3연결배관(173)으로 연결되고, 제 3연결배관(173)상에는 제 1팽창밸브(141)가 배치된다.
인젝션 열교환기(150)와 증발기는 제 4연결배관(174)으로 연결되고, 제 4연결배관(174)상에는 제 2팽창밸브(142)가 배치된다.
제 1팽창밸브(141)는 냉방운전 시 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매를 교축하는 제 2팽창 장치이고, 난방운전시 응축기 역할을 하는 실내 열교환기(120)로부터 유입되는 액상 냉매를 교축하는 제 1팽창장치이다.
제 2팽창밸브(142)는 냉방운전 시 응축기 역할을 하는 실외 열교환기(130)로부터 유입되는 액상 냉매를 교축하는 제 1팽창 장치이고, 난방운전시 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매를 교축하는 제 2팽창 장치이다.
제 3연결배관(173)에는 제 1팽창 밸브(141)에서 나온 냉매를 인젝션 열교환기(150)를 통과시킨 후 압축기(110)로 안내하는 인젝션 배관(151)이 연결된다.
사방밸브(160)는 실외 열교환기(130)와 제 5연결배관(175)으로 연결된다. 또한, 사방밸브(160)는 압축기(110)의 입구부와 제 6연결배관(176)으로 연결된다.
인젝션 열교환기(150)는 난방운전시 제 1팽창밸브(141)에서 나와 제 2팽창밸브(142)로 흐르는 냉매와, 인젝션 배관(151)을 흐르는 냉매를 열교환시킨다.
인젝션 배관(151)에는 인젝션되는 냉매의 유량을 단속하기 위한 인젝션 밸브(153)가 배치된다. 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어함으로써, 인젝션되는 냉매량 및 냉매압력을 제어할 수 있다.
또한, 공기조화기(100)는 응축기의 온도를 측정하기 위한 응축기 온도센서와, 인젝션되는 냉매의 온도를 측정하는 인젝션 온도센서(183)와, 증발기에서 토출되는 냉매의 압력을 측정하는 증발기 압력센서와, 압축기(110)에서 토출되는 냉매의 온도를 측정하는 압축기 출구온도센서(184)를 더 포함할 수 있다.
공기조화기(100)의 난방 운전시, 실내 열교환기(120)가 응축기 역할을 하므로, 응축기 온도센서는 실내 열교환기(120)에 배치되어 냉매의 포화온도를 측정하는 실내 열교환기 온도센서(180)이다. 반대로, 공기조화기(100)의 냉방 운전시, 실외 열교환기(130)가 응축기 역할을 하므로, 응축기 온도센서는 실외 열교환기(130)에 배치되어 냉매의 포화온도를 측정하는 실외 열교환기 온도센서(182)이다.
인젝션 온도센서(183)는 인젝션 배관(151) 상에서 인젝션 열교환기(150)의 토출측에 배치되어, 인젝션 열교환기(150)에서 토출된 냉매의 포화온도를 측정한다.
공기조화기(100)의 난방 운전시, 실외 열교환기(130)가 증발기 역할을 하므로, 증발기 압력센서는 실외 열교환기(130)의 출구단에 배치되어 냉매의 압력을 측정하는 실외 열교환기 압력센서(186)이다. 반대로, 공기조화기(100)의 냉방 운전시, 실내 열교환기(120)가 증발기 역할을 하므로, 증발기 압력센서는 실내 열교환기(120)의 출구단에 배치되어 냉매의 압력을 측정하는 실내 열교환기 압력센서(185)이다. 증발기 압력센서는 증발압을 측정하여 제어부(200)에 제공한다.
압축기 출구온도센서(184)는 압축기(110)이 출구단에 배치되어 압축기(110)에서 토출되는 냉매의 온도를 측정한다. 압축기 출구온도센서(184)는 제 1연결배관(171)에 배치된다.
공기조화기(100)는 인젝션 밸브(153)와 공기조화기의 전반적이 작동을 제어하는 제어부(200)를 더 포함한다.
제어부(200)는 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어하는 플래시 인젝션 제어모드와, 인젝션 배관에서의 인젝션 과열도를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어하는 가스 인젝션 제어모드 중 어느 하나의 모드를 선택하여 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어할 수 있다.
제어부(200)에는 냉매의 종류를 알고, 어느 지점의 포화온도를 알면, 그 지점의 압력을 계산할 수 있도록 압력변환 테이블이 미리 저장될 수 있다. 따라서, 제어부(200)는 실내 열교환기 온도센서(180)와 실외 열교환기 온도센서(181), 인젝션 온도센서(183)에서 각각 측정된 포화온도를 통해, 각 지점의 압력을 계산할 수 있다.
제어부(200)는 연산된 최종건도, 인젝션 과열도 중 어느 하나를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어하여서, 공기조화기의 효율을 향상시키고, 압축기(110)의 신뢰성을 향상시킨다.
먼저 플래시 인젝션 제어모드에 대해 설명한다.
제어부(200)는 플래시 인젝션 제어모드 요청이 있는 경우, 또는 일정한 조건을 만족하는 경우, 플래시 인젝션 제어모드를 실행할 수 있다.
플래시 인젝션 제어모드에서, 제어부(200)는 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다. 즉, 제어부(200)는 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 비교하고, 그에 따라 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다. 따라서, 인젝션 과열도를 기준으로 제어하는 경우, 2상 냉매의 경우 정확한 제어가 어려운 문제를 해결할 수 있다.
구체적으로, 플래시 인젝션 제어모드에서, 제어부(200)는 제어부(200)는 응축기의 출구 온도와 증발압을 바탕으로 중간압을 추정하고, 중간압과 압축기(110)의 출구에서 측정된 압축기(110) 출구온도를 바탕으로 제2 압축부 내의 최종건도를 산출한다.
상세히, 중간압은 현재 냉매 사이클이 작동되는 과정에서, 냉매가 인젝션되는 것을 가정할 때의 중간압으로서, 본 실시 예에서, 중간압은, 적어도 증발기 압력센서의 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(110) 흡입 온도, 응축 압력, 압축기(110) 흡입 체적, 압축기(110) 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, 중간압을 추정하기 위한 계산식은 도시되지 않은 메모리에 저장될 수 있다. 이 때, 상술한 계산식은 중간압 추정을 위한 인자에 따라 달라질 수 있으며, 이는 제품의 제작 시에 결정되어 메모리에 저장된다.
최종건도는 제 2압축부 내의 건도의 추정 값으로, 최종건도를 추정하기 위한 계산식은 도시되지 않은 메모리에 저장될 수 있다.
제어부(200)는 최종건도가 기준건도 보다 작은 경우, 인젝션 밸브(153)의 개방도를 감소시키고, 최종건도가 기준건도 보다 크거나 같은 경우, 인젝션 밸브(153)의 개방도를 증가시킨다. 제어부(200)가 최종건도가 기준건도를 유지하도록 인젝션 유량을 제어하면, 압축기(110)로 인젝션 되는 유량을 확보하면서, 압축기(110)의 손상을 방지할 수 있다.
여기서, 기준건도는 기 설정된 값으로, 0.95 내지 1의 값을 가질 수 있다. 바람직하게는 기준건도는 1이다.
제어부(200)는 인젝션 밸브(153)의 개도 값이 기준 개도 값 보다 작은 경우, 가스 인젝션 제어모드로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다. 이는, 플래시 인젝션 모드에서 인젝션 밸브(153)의 개방도를 점진적으로 낮추는 경우, 플래시 인젝션 제어모드 보다 가스 인젝션 제어모드가 효율적이기 때문이다.
이하, 가스 인젝션 제어모드에 대해 설명한다.
제어부(200)는 가스 인젝션 제어모드 요청이 있는 경우, 또는 일정한 조건을 만족하는 경우, 가스 인젝션 제어모드를 실행할 수 있다.
가스 인젝션 제어모드에서, 제어부(200)는, 인젝션 배관에서의 인젝션 과열도를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다. 구체적으로, 가스 인젝션 제어모드에서, 제어부(200)는, 인젝션 과열도가 기준 인젝션 과열도보다 높은 경우 인젝션 밸브(153)의 개방도를 증가시키고, 제어부(200)는, 인젝션 과열도가 기준 인젝션 과열도보다 낮거나 같은 경우 인젝션 밸브(153)의 개방도를 감소시킨다.
여기서, 인젝션 과열도는 추정된 중간압에 해당하는 포화온도와 인젝션 온도센서(183)에서 각각 측정된 포화온도와의 온도차를 의미한다. 이 때, 냉매의 압력에 대응하는 포화온도는 메모리에 저장된다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 인젝션 열교환기(150)의 내부를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 인젝션 열교환기(150)의 내부는 이중관 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 인젝션 열교환기(150)는 난방운전시 제 1팽창밸브(141)에서 나와 제 2팽창밸브(142)로 흐르는 냉매가 통과하는 제 1냉매관(154)과, 제 1냉매관(154)을 감싸도록 형성되고 인젝션 배관(151)을 흐르는 냉매가 통과하는 제 2냉매관(155)을 포함한다.
제 1,2냉매관(154)(155)는 루프 형상으로 다중 절곡되게 형성되어, 좁은 공간에서도 열교환이 충분히 가능한 길이를 확보할 수 있다. 한편, 이에 한정되지 않고, 인젝션 열교환기(150)는 판형 열교환기로 이루어지는 것도 물론 가능하다.
도 4는 도 1에 도시된 공기조화기의 난방운전시의 냉매의 흐름이 도시된 도면이다.
도 4를 참조하면, 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 냉매는 사방밸브(160)를 거쳐 실내 열교환기(120)로 유입된다.
실내 열교환기(120)로 유입된 냉매는 실내 공기와 열교환을 함으로써, 응축된다. 응축된 냉매는 제 1팽창밸브(141)에서 교축된다.
이 때, 가스 인젝션의 작동 요청 또는 플래시 인젝션 작동 요청이 있을 경우, 제어부(200)는 인젝션 밸브(153)를 개방한다.
인젝션 밸브(153)가 개방되면, 제 3연결배관(173)을 흐르는 냉매 중 일부가 인젝션 배관(151)으로 바이패스된다. 제 3연결배관(173)으로부터 인젝션 배관(151)으로 바이패스된 냉매는 인젝션 밸브(153)에서 교축된다.
인젝션 밸브(153)에서 교축된 냉매는 온도와 압력이 내려가기 때문에, 제 3연결배관(173)으로부터 인젝션 열교환기(150)로 유입되는 냉매보다 상대적으로 저온 상태가 된다.
따라서, 인젝션 열교환기(150)에서는 인젝션 배관(151)을 통해 유입된 냉매와 제 3연결배관(173)을 통해 유입된 냉매의 열교환이 이루어진다. 인젝션 열교환기(150)에서 인젝션 배관(151)을 흐르는 냉매는 열을 흡수하게 되고, 제 2팽창밸브(142)측으로 토출되는 냉매는 열을 빼앗기게 된다.
인젝션 열교환기(150)에서 열을 빼앗긴 냉매는 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 후, 실외 열교환기(130)로 유입된다.
실외 열교환기(130)로 유입된 냉매는 외부 공기와의 열교환에 의해 증발하고, 증발된 냉매는 압축기(110)의 제 1입구(111)로 유입된다. 제 1입구(111)로 유입된 냉매는 압축기(110)의 제 1압축부에서 압축된다.
한편, 인젝션 열교환기(150)에서 열을 흡수한 냉매는 적어도 일부가 증발되어, 액상과 기상이 혼합된 2상의 냉매이거나 과열 증기상태의 냉매일 수 있다. 바람직하게는, 인젝션 열교환기(150)에서 열을 흡수한 냉매는 적어도 일부가 증발되어, 액상과 기상이 혼합된 2상의 냉매이다. 인젝션 열교환기(150)에서 열을 흡수한 냉매에서 액상 냉매의 비율은 인젝션 열교환기(150)(190)의 특성이나 인젝션 밸브(153)의 개방도에 따라 조절될 수 있다.
인젝션 열교환기(150)는 제 1,2냉매관으로 구성된 이중관 구조로 이루어지고, 2상의 냉매나 과열 증기상태의 냉매를 인젝션 할 수 있기 때문에, 상분리기를 이용하는 경우에 비해 보다 많은 인젝션 유량을 확보할 수 있다. 인젝션 유량을 많이 확보할 수록 냉난방 성능이 향상될 수 있다.
인젝션 열교환기(150)에서 토출된 인젝션 배관(151)상의 냉매는 압축기(110)의 제 2입구(112)로 유입된다. 제 2입구(112)로 유입된 냉매는 제 1압축부에서 압축된 냉매와 혼합되어, 제 2압축부에서 압축된다.
다만, 2상 상태의 인젝션 냉매가 제 1압축부에서 압축된 냉매와 혼합되는 경우 혼합된 냉매의 상태가 2상 상태인 경우 인젝션 유량을 확보할 수 있지만, 압축기(110)에 손상이 발생되는 문제점이 존재한다.
제 2압축부에서 압축된 냉매는 다시 사방밸브(160)로 순환한다.
도 5는 도 1에 도시된 공기조화기의 냉방운전시의 냉매의 흐름이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 기상 냉매는 사방 밸브(160)를 거쳐 실외 열교환기(130)로 유입된다.
실외 열교환기(130)로 유입된 기상 냉매는 실내 공기와 열교환을 하여 응축된다. 응축된 냉매는 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 후, 인젝션 열교환기(150)를 통과한다.
인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매는 제 1팽창밸브(141)에서 교축된 후, 실내 열교환기(120)로 유입될 수 있다.
또한, 인젝션 밸브(153)의 개방 시, 인젝션 열교환기(150)를 통과한 냉매 중 일부는 인젝션 배관(151)을 통해 인젝션 밸브(153)로 바이패스될 수 있다.
인젝션 배관(151)으로 바이패스된 냉매는 인젝션 밸브(153)에서 한번 더 교축되어, 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 냉매보다 온도와 압력이 낮아지게 된다. 인젝션 밸브(153)에서 교축된 냉매는 인젝션 열교환기(150)로 유입된다.
따라서, 인젝션 열교환기(150)에서는 인젝션 밸브(153)에서 교축된 냉매와 제 2팽창밸브(142)에서 교축된 냉매의 열교환이 이루어질 수 있다.
인젝션 밸브(153)를 통과한 냉매가 제 2팽창밸브(142)를 통과한 냉매보다 저온이기 때문에, 인젝션 밸브(153)를 통과한 냉매는 열을 흡수하게 되고, 제 2팽창밸브(142)를 통과한 냉매는 열을 빼앗기게 된다.
따라서, 냉방운전 시에는, 인젝션 열교환기(150)(190)는 실외 열교환기(130)에서 응축되어, 실내 열교환기(120)로 유입되는 냉매를 과냉각시키는 과냉각기 역할을 하게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 사이클을 나타낸 몰리에르 선도(mollier diagram, p-h선도)이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기조화기의 제어방법을 설명하면, 다음과 같다.
사용자가 실내공간을 냉난방시키기 위하여, 공기조화기(100)를 구동시키면, 제어부(200)는 구동 명령을 감지한다.
구동명령이 감지되면, 제어부(200)는 제 1,2팽창밸브(141)(142)와 인젝션 밸브(153)를 초기화하게 된다. 즉, 제어부(200)는 제 1,2팽창밸브(141)(142)를 완전히 개방하고, 인젝션 밸브(153)는 차폐시킨다. 인젝션 밸브(153)를 차폐시킴으로써, 구동 초기에 압축기(110)로 액상의 냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
제 1,2팽창밸브(141)와 인젝션 밸브(153)(142)의 초기화가 완료되면, 제어부(200)는 제 1팽창밸브(141)와 제 2팽창밸브(142)의 개도량을 제어한다.
한편, 제어부(200)는 난방운전시 공기조화기(100)에 가스 인젝션 요청 또는 플래시 인젝션 요청이 있는지 여부를 판단한다.(S10, S20)
가스 인젝션 요청이 있으면, 제어부(200)는 인젝션 배관에서의 인젝션 과열도를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다.
구체적으로, 가스 인젝션 제어모드에서, 제어부(200)는, 인젝션 과열도와 기준 인젝션 과열도를 비교한다(S11). 이후, 제어부(200)는, 인젝션 과열도가 기준 인젝션 과열도보다 높은 경우 인젝션 밸브(153)의 개방도를 증가시킨다(S13), 제어부(200)는 인젝션 과열도가 기준 인젝션 과열도보다 낮거나 같은 경우 인젝션 밸브(153)의 개방도를 감소시킨다(S12).
플래시 인젝션 요청이 있는 경우, 또는 일정한 조건을 만족하는 경우,제어부(200)는 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 기준으로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 플래시 인젝션 요청이 있는 경우, 제어부(200)는 최종건도와 기준건도를 비교한다(S21). 이후, 제어부(200)는 최종건도가 기준건도 보다 작은 경우, 인젝션 밸브(153)의 개방도를 감소시키고 (S22), 최종건도가 기준건도 보다 크거나 같은 경우, 인젝션 밸브(153)의 개방도를 증가시킨다 (S23).
제어부(200)는 인젝션 밸브(153)의 개도 값을 기준 개도 값과 비교한다 (S24). 제어부(200)는 인젝션 밸브(153)의 개도 값이 기준 개도 값 보다 작은 경우, 가스 인젝션 제어모드로 인젝션 밸브(153)의 개방도를 제어한다 (S11) (S12) (S13).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
110: 압축기 120: 실내 열교환기
130: 실외 열교환기 150: 인젝션 열교환기
153: 인젝션 밸브

Claims (11)

  1. 냉매가 응축되는 응축기와;
    상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와;
    상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와;
    상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와;
    상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와;
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와;
    상기 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 비교하고, 그에 따라 상기 인젝션 밸브의 개방도를 변화시키는 제어부를 포함하는 공기조화기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 바이패스되어, 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매를 안내하는 인젝션 배관과;
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에 배치되어, 상기 제 2팽창장치로 유입되는 냉매와 상기 인젝션 배관을 통과하는 냉매를 열교환시키는 인젝션 열교환기를 더 포함하는 공기조화기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인젝션 열교환기는,
    상기 제 1팽창장치에서 나와 상기 제 2팽창장치 쪽으로 흐르는 냉매와, 상기 인젝션 배관을 흐르는 냉매 중 어느 하나의 냉매가 통과하는 제 1냉매관과,
    상기 제 1냉매관을 감싸도록 형성되고 다른 하나의 냉매가 통과하는 제 2냉매관을 포함하는 공기조화기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 응축기의 출구 온도와 증발압을 바탕으로 중간압을 추정하고, 상기 중간압과 상기 압축기의 출구에서 측정된 압축기 출구온도를 바탕으로 상기 제2 압축부 내의 상기 최종건도를 산출하는 공기조화기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최종건도가 기준건도 보다 작은 경우, 상기 인젝션 밸브의 개방도를 감소시키는 공기조화기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 최종건도가 기준건도 보다 크거나 같은 경우, 상기 인젝션 밸브의 개방도를 증가시키는 공기조화기.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인젝션 밸브의 개도 값이 기준 개도 값 보다 작은 경우, 가스 인젝션 제어모드로 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 공기조화기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스 인젝션 제어모드에서,
    상기 제어부는, 상기 인젝션 배관에서의 인젝션 과열도를 기준으로 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 공기조화기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 가스 인젝션 제어모드에서,
    상기 제어부는, 상기 인젝션 과열도가 기준 인젝션 과열도보다 높은 경우 상기 인젝션 밸브의 개방도를 증가시키는 공기조화기.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 가스 인젝션 제어모드에서,
    상기 제어부는, 상기 인젝션 과열도가 기준 인젝션 과열도보다 낮거나 같은 경우 상기 인젝션 밸브의 개방도를 감소시키는 공기조화기.
  11. 냉매가 응축되는 응축기와;
    상기 응축기를 통과한 냉매가 교축되는 제 1팽창장치와;
    상기 제 1팽창장치를 통과한 냉매가 교축되는 제 2팽창장치와;
    상기 제 2팽창장치를 통과한 냉매가 증발되는 증발기와;
    상기 증발기를 통과한 냉매가 유입되어 압축되는 제 1압축부와, 상기 제 1압축부를 통과한 냉매와 상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 인젝션되는 냉매가 함께 유입되어 압축되는 제 2압축부를 갖는 압축기와;
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 분기되어 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매가 교축되는 인젝션 밸브와;
    상기 제 1팽창장치와 제 2팽창장치 사이에서 바이패스되어, 상기 제 2압축부로 인젝션되는 냉매를 안내하는 인젝션 배관과;
    상기 인젝션 밸브를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 제 2압축부 내의 혼합된 냉매의 최종건도를 기준으로 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 플래시 인젝션 제어모드와, 상기 인젝션 배관에서의 인젝션 과열도를 기준으로 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 가스 인젝션 제어모드 중 어느 하나의 모드를 선택하여 상기 인젝션 밸브의 개방도를 제어하는 공기조화기.
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