KR20200061966A - 공기조화 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기조화 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 가변형 압축기, 응축기, 정속형 팽창기, 상기 팽창기와 병렬로 연결된 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 공기조화 시스템에 있어서, 상기 팽창기가 없는 경우의 상기 팽창밸브의 유량을 기준유량으로 설정하는 제1단계와, 상기 팽창기의 유량과 상기 팽창밸브의 유량의 합이 상기 기준유량과 같아지도록, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 제2단계를 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법을 제공한다.

Description

공기조화 시스템 및 그 제어방법{Air Conditioning System and Method for Controlling the Same}
본 발명은 공기조화 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 팽창기가 적용된 공기조화 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
공기조화 시스템은 소정 공간을 원하는 온도 및 습도로 제어하는 장치이다. 일반적으로 공기조화 시스템은 냉동사이클을 이용한다. 상기 냉동사이클은 압축기, 증발기, 팽창밸브, 응축기를 포함하여 폐회로를 구성한다. 냉동사이클의 폐회로의 내부를 냉매가 순환한다. 상기 냉매가 증발기 및 응축기에서 상변화할 때 주위에서 열을 흡수하거나 주위로 열을 방출하게 된다. 이를 이용하여 소정 공간을 소망하는 온도 및 습도로 제어하게 된다.
공기조화 시스템에서 성능(Coeffiecient of Performance)를 향상시키기 위하여 팽창밸브 대신에 또는 팽창밸브와 함께 팽창기를 사용하기도 한다. 팽창기는 압축기와는 반대로 고온 고압의 에너지량(Enthalpy)이 높은 상태의 냉매를 흡입 후 팽창시켜 축동력으로 전환해 주는 구성요소이다.
일반적인 공기조화 시스템 즉 팽창밸브를 사용하는 공기조화 시스템에서는, 압축기의 운전속도, 압축기 입구의 온도 압력, 압축기 출구 압력, 팽창밸브의 개도량으로 공기조화 시스템을 제어한다. 반면에, 팽창기가 적용된 공기조화 시스템에서는, 위와 같은 제어 항목 이외에 팽창기의 운전속도라는 변수가 추가되어 공기조화 시스템 제어의 개념이 바뀌게 된다.
그런데 종래 기술에서는 공기조화 시스템의 구성, 기본적인 개념 또는 팽창기의 구조에 대하여 주로 개선이 제안되고 있다. 즉 공기조화 시스템에서 팽창기의 적용시에 실제로 문제가 되는 시스템의 성능 측면을 고려한 제어에 대하여는 일반적으로 고려되지 않았다.
따라서 공기조화 시스템에서 팽창기를 적용하는 경우에 공기조화 시스템의 성능을 고려한 장치 및 제어가 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 팽창기을 적용하면서도 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 공기조화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 팽창기를 적용하면서도 넓은 운전 구간을 안정적으로 운전할 수 있는 공기조화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예는, 가변형 압축기, 응축기, 정속형 팽창기, 상기 팽창기와 병렬로 연결된 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 공기조화 시스템에 있어서, 상기 팽창기가 없는 경우의 상기 팽창밸브의 유량을 기준유량으로 설정하는 제1단계와; 상기 팽창기의 유량과 상기 팽창밸브의 유량의 합이 상기 기준유량과 같아지도록, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 제2단계를 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법을 제공한다.
예시적인 실시예에 의하면, 상기 제2단계는, 상기 기준유량과 팽창기의 유량을 비교하는 단계; 상기 팽창기의 유량이 상기 기준유량보다 같거나 크면, 상기 팽창기는 오프하고 상기 팽창밸브의 개도량을 제어하는 단계와; 상기 팽창기의 유량이 상기 기준유량보다 작으면, 상기 팽창기를 온하고 상기 팽창밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 상기 압축기의 저속 운전구간에서는 상기 팽창기는 오프하고 상기 팽창밸브를 구동하고, 주 운전구간에서는 상기 팽창기만 구동하고, 고속 운전구간에서는 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 같이 구동할 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 가변형 압축기, 응축기, 정속형 팽창기, 상기 팽창기와 병렬로 연결된 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 공기조화 시스템에 있어서, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 제어부를 더욱 포함하며, 상기 제어부는, 상기 팽창기가 없는 경우의 상기 팽창밸브의 유량을 기준유량으로 설정하고; 상기 팽창기의 유량과 상기 팽창밸브의 유량의 합이 상기 기준유량과 같아지도록, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 공기조화 시스템을 제공한다.
상술한 실시예들의 각각의 특징들은 다른 실시예들과 모순되거나 배타적이지 않는 한 다른 실시예들에서 복합적으로 구현될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 공기조화 시스템 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따르면, 팽창기를 적용하면서도 높은 효율을 유지하면서 시스템의 성능을 극대화할 수 있다는 이점이 있다.
둘째, 본 발명에 따르면, 팽창기를 적용하면서도 넓은 운전 구간을 안정적으로 운전할 수 있다는 이점이 있다.
셋째, 본 발명에 따르면, 정속형 팽창기를 사용하면서도 최적의 효율을 발휘할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 실시예의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 공기조화 시스템의 제어방법의 원리를 설명하는 그래프이다.
도 3은 도 1의 공기조화 시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 공기조화 시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하에서는, 본 발명의 구성요소 등을 구체적으로 특정하는 도면 및 실시예에 의하여 설명하지만, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위하여 사용된 것이다. 또한 아래의 실시예에서 특정의 구성요소는 설명의 편의를 위하여 과장되게 또는 축소되어 도시되거나 설명될 수 있지만 이 또한 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이다. 따라서, 본 발명은 아래에서 설명될 실시예 또는 도면에 그려진 형태로 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 이러한 수정 및 변형의 본 발명의 범주이다.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 실시예의 전체적인 구성을 설명한다.
공기조화 시스템(1)(이하 '시스템')은 압축기(2), 응축기(3), 팽창기(4) 및 증발기(5)를 포함한다. 상기 압축기(2), 응축기(3), 팽창기(4), 및 증발기(4)의 사이에는 냉매가 흐르는 냉매관(6)이 연결된다. 압축기(2), 응축기(3), 팽창기(4), 증발기(5), 냉매관(6)은 공기조화 시스템에서 사용되는 일반적인 구성요소이다. 따라서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 실시예에서는 팽창밸브(10)가 팽창기(4)와 병렬로 연결된다. 즉 본 실시예에서는 팽창밸브(10) 및 팽창기(4)를 가지며, 최적의 시스템 성능을 위하여 상기 팽창밸브(10) 및 팽창기(4)를 적절히 제어한다. (구체적인 제어방식은 후술함.)
본 실시예의 주제와 관련된 압축기(2), 팽창밸브(10) 및 팽창기(4)를 상세히 설명한다.
압축기(2)는 운전속도를 조절할 수 있는 가변형 압축기가 사용될 수 있다. 팽창기(4)는 가격적인 측면을 고려하여 인버터를 내장하지 않아서 운전속도가 변하지 않는 정속형을 사용하는 것이 바람직하다. 정속형 팽창기에서는 운전속도가 변하지 않으므로 유량도 일정하다.
그리고 팽창기(4)는 효율이 가장 높은 운전속도에서 정속 운전하도록 설계하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 압축기(2)의 주 운전영역에 맞추어 팽창기(4)를 설계하는 것이 바람직하다. 또한 압축기(2)의 유량에 대비하여 팽창기(4)의 유량이 작은 것이 바람직하다.
팽창밸브(10)는 개도량을 조절할 수 있어서 유량도 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
한편, 팽창기(4)와 팽창밸브(10)를 병렬로 사용하는 경우에, 팽창기(4)와 팽팡밸브(10)를 같이 제어해 주어야 공기조화 시스템의 성능을 최대로 할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 압축기(2)의 운전속도(또는 유량)의 변화에 대응하여 팽창밸브(10) 및 팽창기(4)의 운전을 제어하는 것을 제안한다.
도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 실시예의 제어 원리를 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 팽창밸브(10)와 팽창기(4)를 병렬로 구성하고, 공기조화 시스템의 유량 예를 들어 압축기(2)의 운전속도에 대응하여 팽창밸브(10) 및 팽창기(4)를 제어하는 것이 바람직하다.
팽창밸브(10) 및 팽창기(4)를 제어를 설명하기에 앞서, 압축기(2), 팽창기(4), 팽창밸브(10)의 특성을 설명한다.
상술한 바와 같이 압축기(2)는 속도 가변형인 것이 바람직하다. 따라서 압축기(2)의 유량(Cm)은 압축기(2)의 운전속도에 대략 비례하여 증가한다. (도 2의 실선 참조)
상술한 바와 같이 팽창기(4)는 정속형인 것이 바람직하다. 따라서 팽창기(4)의 유량(EPm)은 팽창기(4)의 정해진 정속 운전속도에 의하여 정해지고 일정하다. (도 2의 2점 쇄선 참조)
또한 팽창기(4)의 정속 운전속도는 압축기(2)의 운전속도와 관련하여 정하는 것이 바람직하다. 그런데 압축기(2)의 저속운전 구간(P1)은 시스템의 최대효율 운전구간(이하 '주 운전구간')(P2)이 아니다. 따라서 팽창기(4)의 정속 운전속도는 압축기(4)의 주 운전구간(P2)에 대응하는 것이 바람직하다. 압축기의 주 운전구간(P2)은 압축기(2)의 운전구간 중에 대략 중앙부분이 될 수 있다. 예를 들어, 압축기(2)의 주 운전구간(P2)은 4k ~ 6k rpm이 될 수 있다. 이러한 경우에 팽창기(4)도 압축기의 주 운전구간(P2)인 4k ~ 6k rpm에 맞추어 설계하는 것이 바람직하다.
팽창밸브(10)는 개도량이 조절 가능하여, 팽창밸브의 유량(EVm)도 조절 가능한 것이 바람직하다.(도 2의 1점 쇄선 참조)
한편, 도 2에서 파선으로 표시된 것은 기존의 팽창밸브의 유량 즉 팽창기가 적용되기 전의 팽창밸브의 유량이다. 이하에서는, 이러한 팽창밸브의 유량을 편의상 '기준유량(Rm)'이라 한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 팽창밸브(10)와 팽창기(4)를 병렬로 사용된다. 하지만, 기본적으로 본 실시예에서도, 팽창밸브의 유량(EVm)과 팽창기의 유량(EPm)의 합이 팽창기를 적용하기 전의 팽창밸브의 유량 즉 기준유량(Rm)과 같은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이렇게 해야 팽창밸브(10) 및 팽창기(4)를 적용한 공기조화 시스템이 기존 시스템과 같은 온도 압력 조건을 형성하기 때문이다.
따라서, 본 실시예에서는 팽창밸브의 유량(EVm)과 팽창기의 유량(EPm)의 합이 기준유량(Rm)과 같아지도록 제어하는 것을 제안한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시예의 제어 원리를 상세히 설명한다.
먼저, 압축기(2)의 저속 운전구간(대략 P1)에서는, 팽창기(4)는 오프하고 팽창밸브(10)만 구동하여 팽창밸브의 유량(EVm)이 기준유량(Rm)과 같아지도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 팽창기(4)는 용적형 장비이므로 효율이 최적인 구간이 있으므로, 팽창기의 유량(운전속도)이 작을 때는 효율이 낮아 구동하지 않는 것이 바람직하기 때문이다.
따라서, 압축기(2)의 저속 운전구간(P1)에서는 팽창기(4)는 오프하고 팽창밸브(10)의 개도량 만을 제어하여, 팽창밸브의 유량(EVm)이 기준유량(Rm)과 같아지도록 한다.
다음으로, 압축기(2)의 주 운전구간(P2)을 설명한다.
압축기의 주 운전구간(P2)에서는 팽창기(4)의 구동을 시작한다. 팽창기(4)가 정속운전 속도에 도달하여, 팽창기의 유량(EPm)이 기준유량(Rm)과 같아지면 팽창밸브(10)는 오프하고 팽창기(4)만 운전한다.
다음으로, 압축기(2)의 주 운전구간(P2)보다 속도가 높은 고속 운전구간(P3)을 설명한다.
고속운전 구간(P3)에서는 팽창기(4)의 구동만으로 즉 팽창기의 유량(EPm) 만으로 기준유량(Rm)에 이를 수 없다. 따라서, 고속운전 구간(P3)에서는 팽창기(4)의 구동과 함께 팽창밸브(10)를 구동한다. 이때 팽창밸브의 유량(EVm)과 팽창기의 유량(EPm)의 합이 기준유량(Rm)과 같아지도록 제어한다. 그런데 팽창기의 유량(EPm)은 일정하므로, 결국 팽창밸브의 유량(EVm) 즉 팽창밸브(10)의 개도량을 제어하게 된다.
도 1 및 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 공기조화 시스템의 제어방법을 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 제어원리는 팽창밸브의 유량(EVm)과 팽창기의 유량(EPm)의 합이 기준유량(Rm)과 같아지도록 하는 것이다.
이렇게 제어하는 것은 여러가지 방식이 있을 수 있다. 그런데 공기조화 시스템이 정해지면, 팽창기(4)의 정속운전에 따른 팽창기의 유량(EPm)이 정해진다. 또한 기준유량(Rm)도 정해진다. 따라서 기준유량(Rm)과 팽창기의 유량(EPm)를 비교하여, 팽창기(4) 및 팽창밸브(10)를 제어할 수 있다.
상세히 설명하면 다음과 같다.
공기조화 시스템이 작동하면(S1), 기준유량(Rm)과 팽창기의 유량(EPm)을 비교한다.(S3)
비교 결과, 기준유량(Rm)보다 팽창기의 유량(EPm)이 같거나 크면, 팽창기(4)는 구동하지 않고 병렬로 연결된 팽창밸브(10)만 개방한다.(S5) (대체적으로 도 2의 압축기 저속 운전구간) 즉 이 구간에서는 팽창밸브의 유량(EVm)이 기준유량(Rm)과 같아지도록, 팽창밸브(10)의 개도량을 제어한다.
비교 결과, 기준유량(Rm)보다 팽창기의 유량(EPm)이 작으면, 팽창기(4) 및 팽창밸브(10)를 같이 구동한다.(S7) (대체적으로 도 2의 압축기 고속 운전구간) 즉, 팽창기(4) 및 팽창밸브(10)를 같이 구동하여, 팽창기의 유랑(EPm)과 팽창밸브의 유량(EVm)의 합이 기준유량(Rm)과 같아지도록 한다. 그런데 팽창기(4)는 정속운전하므로 그 유량(EPm)도 고정되므로, 결국 팽창밸브(10)의 개도량을 제어하게 된다.
상술한 실시예들은 서로 배치되는 사항이 아니라면 특별한 언급이 없더라도 어느 한 실시예에서 설명한 기술적 사항은 다른 실시예에서 동일하게 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 팽창밸브와 팽창기를 제어함으로써 공기조화 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 공기조화 시스템의 넓은 운전구간에서도 안정적으로 시스템을 운전할 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 이러한 수정 및 변형의 본 발명의 범주이다.
상술한 실시예에서는 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 제어방법의 일 예로서, 기준유량과 팽창기 유량을 비교하여 팽창기 및 팽창밸브를 제어하는 것을 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예들 들어, 압축기의 운전구간을 기준으로 팽창기 및 팽창밸브를 제어할 수도 있다. 즉, 압축기의 저속 운전구간에서는 팽창기는 오프하고 팽창밸브를 구동하고, 주 운전구간에서는 팽창기만 운전하고, 고속 운전구간에서는 팽창기 및 팽창밸브를 같이 구동할 수도 있다.
또한 상술한 실시예의 압축기, 팽창기, 팽창밸브 등의 제어는 별도의 제어부에 수행하는 것이 가능하다. 물론 상기 제어부에는 기준유량이 미리 설정되어 있는 것이 바람직하다.
2 : 압축기 3 : 응축기
4 : 팽창기 5 : 증발기
10 : 팽창밸브 6 : 냉매관

Claims (4)

  1. 가변형 압축기, 응축기, 정속형 팽창기, 상기 팽창기와 병렬로 연결된 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 공기조화 시스템에 있어서,
    상기 팽창기가 없는 경우의 상기 팽창밸브의 유량을 기준유량으로 설정하는 제1단계와;
    상기 팽창기의 유량과 상기 팽창밸브의 유량의 합이 상기 기준유량과 같아지도록, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 제2단계를 포함하는 공기조화 시스템의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2단계는, 상기 기준유량과 팽창기의 유량을 비교하는 단계; 상기 팽창기의 유량이 상기 기준유량보다 같거나 크면, 상기 팽창기는 오프하고 상기 팽창밸브의 개도량을 제어하는 단계와; 상기 팽창기의 유량이 상기 기준유량보다 작으면, 상기 팽창기를 온하고 상기 팽창밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축기의 저속 운전구간에서는 상기 팽창기는 오프하고 상기 팽창밸브를 구동하고, 주 운전구간에서는 상기 팽창기만 구동하고, 고속 운전구간에서는 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 같이 구동하는 것을 특징으로 하는 공기조화 시스템의 제어방법.
  4. 가변형 압축기, 응축기, 정속형 팽창기, 상기 팽창기와 병렬로 연결된 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 공기조화 시스템에 있어서,
    상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 제어부를 더욱 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 팽창기가 없는 경우의 상기 팽창밸브의 유량을 기준유량으로 설정하고; 상기 팽창기의 유량과 상기 팽창밸브의 유량의 합이 상기 기준유량과 같아지도록, 상기 팽창기 및 상기 팽창밸브를 제어하는 공기조화 시스템.

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