KR20200071618A - 압축기 구동을 위한 공기 조화 장치용 실외기 - Google Patents

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KR20200071618A
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Abstract

본 발명은 DC 링크 커패시터의 잔여 수명에 따라 압축기의 동작을 달리 제어하는 공기 조화 장치용 실외기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 장치용 실외기는 실내기를 통해 공급된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터, 상기 컨버터에 의해 변환된 직류 전원을 저장하는 DC 링크 커패시터, 상기 DC 링크 커패시터에 저장된 직류 전원을 구동 전류로 변환하여 압축기에 출력하는 인버터 및 상기 DC 링크 커패시터의 온도에 기초하여 상기 DC 링크 커패시터의 잔여수명을 추정하고, 상기 추정된 잔여수명과 목표수명 및 최대수명을 각각 비교하여 상기 구동 전류를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압축기 구동을 위한 공기 조화 장치용 실외기{OUTDOOR UNIT FOR AIR CONDITIONER FOR DRIVING CONPRESSOR}
본 발명은 DC 링크 커패시터의 잔여 수명에 따라 압축기의 동작을 달리 제어하는 공기 조화 장치용 실외기에 관한 것이다.
일반적인 공기 조화 장치는 냉매를 압축 및 열교환하는 실외기와, 실외기로부터 공급된 냉매를 이용하여 실내로 냉온의 공기를 토출하는 실내기로 구성된다.
실내기와 실외기 간의 냉매 순환을 위해, 실외기에는 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에 구동 전류를 공급하기 위한 전력 변환 회로가 구비된다.
전력 변환 회로는 DC 링크 커패시터에 저장된 직류 전원을 압축기 구동에 적합한 교류 전원으로 변환하고, 변환된 교류 전원을 출력단에 연결된 압축기에 제공함으로써 압축기가 냉매를 압축하도록 제어한다.
DC 링크 커패시터는 소자 제조시 온도에 따른 최대수명(예컨대, 105[oC]에서 3000시간)이 결정되는데, 전술한 전력 변환 과정에서 DC 링크 커패시터에 과전압이 인가되거나, 서지(surge)가 유입되거나, DC 링크 커패시터가 구비된 회로 기판의 온도가 상승하는 등의 다양한 외부 요인에 의해 DC 링크 커패시터의 온도가 상승하고, 이에 따라 수명은 단축된다.
이와 같은 DC 링크 커패시터의 수명 단축은 소자 자체의 소손을 앞당길 뿐만 아니라 공기 조화 장치의 사용 가능 기간을 단축시키고, 이에 따라 제조사에서 보증하는 제품의 수명이 다하기도 전에 공기 조화 장치의 사용이 불가능한 경우가 발생하게 된다.
본 발명은 DC 링크 커패시터의 잔여 수명에 따라 압축기의 동작을 달리 제어하는 공기 조화 장치용 실외기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터의 온도가 비정상적으로 상승하면 압축기에 공급되는 구동 전류를 제어하여 DC 링크 커패시터의 온도를 하강시키는 공기 조화 장치용 실외기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 DC 링크 커패시터의 온도에 기초하여 DC 링크 커패시터의 잔여수명을 추정하고, 추정된 잔여수명과 목표수명 및 최대수명을 각각 비교하여 압축기에 출력되는 구동 전류를 제어함으로써, DC 링크 커패시터의 잔여 수명에 따라 압축기의 동작을 달리 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면 구동 전류의 주파수를 압축기의 최소 동작 주파수로 제어하거나 인버터의 구동을 중단시킴으로써, DC 링크 커패시터의 온도가 비정상적으로 상승하면 압축기에 공급되는 구동 전류를 제어하여 DC 링크 커패시터의 온도를 하강시킬 수 있다.
본 발명은 DC 링크 커패시터의 잔여 수명에 따라 압축기의 동작을 달리 제어함으로써, 어떠한 사용 환경에서도 제조사가 보증하는 DC 링크 커패시터의 수명까지 공기 조화 장치를 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 DC 링크 커패시터의 온도가 비정상적으로 상승하면 압축기에 공급되는 구동 전류를 제어하여 DC 링크 커패시터의 온도를 하강시킴으로써, 사용자 명령에 대한 최대 추종 동작을 수행하면서도 급격한 온도 상승으로 인한 소자 소손과 이로 인해 발생할 수 있는 전체 시스템 장애를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 공기 조화 장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 실내기와 실외기 사이의 냉매 이동을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실외기의 제어 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실외기를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 도 4에 도시된 실외기의 내부 회로를 도시한 도면.
도 6 및 도 7은 DC 링크 커패시터의 온도에 기초하여 압축기에 출력되는 구동 전류를 제어하는 과정을 도시한 순서도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 DC 링크 커패시터의 잔여 수명에 따라 압축기의 동작을 달리 제어하는 공기 조화 장치용 실외기에 관한 것이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 장치용 실외기를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 공기 조화 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 실내기와 실외기 사이의 냉매 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실외기의 제어 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실외기를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 실외기의 내부 회로를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 DC 링크 커패시터의 온도에 기초하여 압축기에 출력되는 구동 전류를 제어하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실외기(10)는 공기 조화 장치(100)에 적용될 수 있다. 공기 조화 장치(100)는 실외기(10)와 실내기(20)를 포함하며, 실외기(10)와 실내기(20)를 이용하여 공기를 조화하는 기능을 수행할 수 있다. 공기 조화 장치(100)는 공기 조화를 위한 임의의 장치로서, 환기 장치, 공기 청정 장치, 가습 장치, 냉난방 장치 등일 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 실외기(10)가 적용되는 공기 조화 장치(100)가 냉난방 장치인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
한편, 도 1에서는 실외기(10)와 실내기(20)가 일대일로 연결된 것으로 도시되어 있으나, 하나의 실외기(10)에는 복수의 실내기(20)가 연결될 수 있다. 또한, 도 1에서는 실내기(20)가 스탠드형으로 도시되어 있으나, 실내기(20)는 벽걸이형, 천장형 등 임의의 위치에 설치되는 다양한 종류의 실내기(20)일 수 있다.
실외기(10)는 냉매를 공급받아 압축하고, 압축된 냉매와 실외 공기를 열교환할 수 있고, 실내기(20)는 실외기(10)로부터 공급된 냉매를 이용하여 실내로 냉온의 공기를 토출할 수 있다.
도 2를 참조하면, 실내기(20)는 실내에 배치되고 냉난방 기능의 수행을 위해 실내측 열교환기(108) 및 실내 송풍기(109)를 포함할 수 있다. 여기서, 실내 송풍기(109)는 실내측 열교환기(108)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진하는 실내팬(109a)과, 실내팬(109a)을 회전시키는 실내 전동기(109b)로 구성될 수 있다.
한편, 실외기(10)는 냉매를 압축하는 압축기(102), 압축된 냉매를 방열시키는 실외측 열교환기(104)를 포함할 수 있고, 실외측 열교환기(104)의 일측에 배치되어 냉매의 방열을 촉진하는 실외팬(105a)과 실외팬(105a)을 회전시키는 실외 전동기(105b)로 구성되는 실외 송풍기(105)를 포함할 수 있다. 또한, 실외기(10)는 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창기구(106), 압축된 냉매의 유로를 절환하는 냉난방 절환밸브(111) 및 기체화된 냉매를 잠시 저장하여 수분과 이물질을 제거한 뒤 일정한 압력의 냉매를 압축기(102)로 공급하는 어큐뮬레이터(103)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 실외기(10) 및 실내기(20)의 내부 구성요소는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
실외기(10)는 전술한 구성요소를 통해 냉매의 압축 및 열교환 동작을 수행한 후 실내기(20)로 냉매를 공급할 수 있고, 실내기(20)는 실외기(10)로부터 제공된 냉매를 열교환하여 실내로 냉온의 공기를 토출할 수 있다.
실외기(10)와 실내기(20) 간의 냉매 순환 사이클에 관한 내용은 당해 기술분야에서 일반적으로 알려진 내용이므로, 본 명세서에서는 더 이상의 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 3은 실외기(10) 내부의 제어 흐름을 설명하기 위한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 실외기(10)는 실외기 통신부(150), 메모리(160), 제어부(140) 및 표시부(170)를 포함할 수 있고, 도 2에 도시된 압축기(102)와 실외 송풍기(105)를 각각 구동하기 위한 인버터(130) 및 팬 구동부(180)를 더 포함할 수 있다.
실외기 통신부(150)는 통신 라인를 통해 실내기(20)와 신호를 교환하여 실내기(20)로부터 사용자 명령을 제공받을 수 있다. 여기서 통신 라인은 실내기(20)와 실외기(10)를 물리적으로 연결하는 선로일 수 있고, 실외기 통신부(150)와 실내기(20)에 구비된 실내기 통신부는 통신 라인을 통해 신호를 송수신할 수 있다.
또한, 실외기 통신부(150)는 무선 통신 모듈을 포함할 수 있고, 무선 통신 모듈을 통해 외부의 무선 단말과 데이터 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실외기(10)가 적용되는 공기 조화 장치(100)가 빌딩 등에 구비되는 경우, 실외기 통신부(150)는 복수의 공기 조화 장치(100)를 관리하는 중앙 관리 서버와 데이터 통신을 수행할 수 있다. 또한, 공기 조화 장치(100)가 가정에 구비되는 경우, 실외기 통신부(150)는 가정용 엑세스 포인트(Access Point; AP), 리모컨, 사용자 단말 등과 데이터 통신을 수행할 수도 있다.
메모리(160)에는 후술하는 제어부(140)의 프로세스 및 제어를 위한 다양한 프로그램과, 실외기(10) 전반의 동작 제어를 위한 다양한 데이터가 저장될 수 있다. 예를 들어, 메모리(160)에는 압축기(102), 실외 송풍기(105) 등의 동작 제어를 위한 제어 데이터와, 실외기 통신부(150)를 통해 송수신되는 데이터가 저장될 수 있다.
제어부(140)는 실외기(10) 내의 각 구성요소의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 실내기(20)로부터 수신되는 데이터에 기초하여 압축기(102)와 실외 송풍기(105)를 제어하는 제어 신호(Sc)를 각각 생성할 수 있고, 생성된 제어 신호(Sc)를 인버터(130)와 팬 구동부(180)에 각각 제공할 수 있다. 이에 따라, 인버터(130)는 제어 신호(Sc)에 따라 압축기(102)에 구동 전원을 제공할 수 있고, 팬 구동부(180)는 제어 신호(Sc)에 따라 실외 송풍기(105)에 구동 전원을 제공할 수 있다.
인버터(130)가 제어부(140)의 제어 신호(Sc)에 따라 압축기(102)에 구동 전원을 제공하는 내용에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
팬 구동부(180)는 실외 팬 구동을 위한 임의의 회로를 구비할 수 있고, 해당 회로를 통해 실외 송풍기(105)를 구동할 수 있다. 보다 구체적으로, 팬 구동부(180)는 제어부(140)의 제어에 따라 실외 송풍기(105)에 구동 전원을 공급하여 실외팬(105a)의 회전 동작 및 회전 속도를 제어할 수 있다.
실외팬(105a)은 팬 구동부(180)에 의해 회전하여 압축기(102)에서 공급된 냉매가 실외측 열교환기(104)로 유입되어 실외 공기와 열교환되도록 실외 공기를 흡입할 수 있고, 열교환된 공기를 실외로 토출할 수 있다.
표시부(170)는 실외기(10)의 동작 상태를 시각적으로 출력하기 위한 LED(Light Emitting Diode) 등으로 구성될 수 있다. 표시부(170)는 실외기(10)의 동작 상태에 따라 서로 다른 색의 빛을 출력할 수도 있으며, 서로 다른 점멸 패턴으로 빛을 출력할 수도 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 실외기(10)의 제어부(140)가 압축기(102)에 출력되는 구동 전류를 제어하는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실외기(10)는 전술한 제어부(140) 외에 컨버터(110), DC 링크 커패시터(120), 인버터(130) 및 온도센서(200)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 실외기(10)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 4에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
컨버터(110)는 실내기(20)를 통해 공급된 교류 전원(Vs)을 직류 전원으로 변환할 수 있다.
실내기(20)와 실외기(10)는 전술한 통신 라인 외에도 전원 라인을 통해 서로 연결될 수 있다. 실내기(20)는 외부전압원과 연결되고 외부전압원에서 공급되는 교류 전원(Vs)을 전원 라인을 통해 실외기(10)로 제공할 수 있다. 예컨대, 실내기(20)가 가정용 상용전원(예컨대, 60Hz, 220V)에 연결된 경우, 실내기(20)는 상용전원에서 공급되는 교류 전원(Vs)을 전원 라인을 통해 실외기(10)로 공급할 수 있다.
컨버터(110)의 입력단은 전원 라인과 연결되어 실내기(20)로부터 교류 전원(Vs)을 제공받을 수 있고, 제공된 교류 전원(Vs)을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 이를 위해, 컨버터(110)는 임의의 AC-DC 전력 변환 회로, 정류 회로(rectifier circuit) 등을 포함할 수 있다.
DC 링크 커패시터(120)는 컨버터(110)에 의해 변환된 직류 전원을 저장할 수 있다.
보다 구체적으로, DC 링크 커패시터(120)는 컨버터(110)의 출력단과 연결되어 컨버터(110)에 의해 변환되거나 정류된 교류 전원을 일정한 크기의 직류 전압의 형태로 저장할 수 있다.
DC 링크 커패시터(120)는 저장하고자 하는 직류 전압의 크기에 따른 커패시턴스(capacitance)를 갖는 임의의 커패시터일 수 있다. 다만, 후술하는 바와 같이 소자의 잔여수명이 아레니우스 식(Arrhenius equation)에 의해 추정될 수 있도록 본 발명의 DC 링크 커패시터(120)는 전해 커패시터(electrolytic capacitor)임이 바람직하다.
인버터(130)는 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전원을 구동 전류로 변환하여 압축기(102)에 출력할 수 있다.
보다 구체적으로, 인버터(130)는 DC 링크 커패시터(120)에 저장된 직류 전압을 압축기(102) 구동을 위한 구동 전류로 변환할 수 있다. 예를 들어, 압축기(102)가 3상 동기 모터인 경우, 인버터(130)는 직류 전압을 일정한 주파수를 갖는 3상 교류 전류로 변환하여 압축기(102)에 출력할 수 있다.
압축기(102)는 인버터(130)에서 출력되는 구동 전류에 의해 동작하여 전술한 냉매 압축 동작을 수행할 수 있다. 압축되는 냉매의 양은 압축기(102)의 구동 속도에 비례하고, 압축기(102)의 구동 속도는 인버터(130)의 구동 전류의 주파수에 비례할 수 있다.
도 5는 전술한 컨버터(110) 및 인버터(130)의 예시적인 회로를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 실외기(10)는 전술한 구성요소 외에 필터부(190)와 리액터(L)를 더 포함할 수 있다. 필터부(190)는 실내기(20)를 통해 공급되는 교류 전원(Vs)의 노이즈를 제거할 수 있고, 리액터(L)는 교류 전원(Vs)의 역률 보정 또는 승압 동작을 통해 교류 전원(Vs)을 안정화시킬 수 있다.
한편, 컨버터(110)는 다이오드 브릿지(diode bridge)회로를 포함할 수 있다. 필터부(190)와 리액터(L)를 통과한 교류 전원(Vs)은 다이오드 브릿지에서 전파 정류(full-wave rectification)될 수 있다. 전파 정류된 교류 전원은 컨버터(110)의 출력단에 연결된 DC 링크 커패시터(120)에 직류 전압으로 저장될 수 있다.
인버터(130)는 직류 전압을 구동 전류로 변환하기 위한 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 인버터(130)는 각 상에 대해 한 쌍을 이루는 상암 스위칭 소자 및 하암 스위칭 소자를 포함하며, 각 쌍의 상암 및 하암 스위칭 소자는 다른 쌍의 상암 및 하암 스위칭 소자와 병렬로 연결될 수 있다.
인버터(130) 내의 각 스위칭 소자는 제어부(140)에서 제공되는 제어 신호(Sc)에 따라 턴 온 또는 턴 오프될 수 있고, 이러한 스위칭 동작에 따라 일정한 주파수를 갖는 구동 전류(삼상 교류 전류)가 압축기(102)에 출력될 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 실내기(20)로부터 제공된 구동 신호(Sd)에 기초하여 구동 전류를 생성하기 위한 스위칭 주파수를 식별하고, 식별된 스위칭 주파수에 따라 인버터(130) 내 전력 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
실내기(20)는 내부의 실내기 통신부를 통해 사용자 명령을 무선으로 수신할 수도 있고, 실내기(20)에 설치된 디스플레이, 버튼 등의 입력 수단을 통해 사용자 명령을 수신할 수도 있다.
사용자 명령은 공기 조화 장치(100)를 제어하기 위한 임의의 명령일 수 있고, 예컨대 실내 희망온도(이하, 설정온도)일 수 있다. 실내기(20)는 실내온도와 설정온도를 비교하여 실외기(10)의 구동이 필요하다고 판단되는 경우, 실외기(10)에 구동 신호(Sd)를 제공할 수 있다. 이 때, 구동 신호(Sd)는 실내온도 및 실내온도와 설정온도의 온도차에 대한 구동 데이터가 포함될 수 있다.
실외기 통신부(150)는 실내기(20)로부터 구동 신호(Sd)를 수신하고, 제어부(140)는 수신된 구동 신호(Sd)에 포함된 구동 데이터를 식별할 수 있다. 제어부(140)는 메모리(160)를 참조하여 구동 데이터, 다시 말해 실내온도 및 실내온도와 설정온도의 온도차에 대응하는 스위칭 주파수를 식별할 수 있다.
공기 조화 장치(100)가 냉방 운전 시, 제어부(140)에 의해 식별되는 스위칭 주파수는 실내온도가 높을수록 증가할 수 있다. 또한, 스위칭 주파수는 실내온도와 설정온도의 온도차가 클수록 증가할 수 있다.
예를 들어, 실내온도가 30[oC]이고, 설정온도가 25[oC]인 경우 제어부(140)에 의해 식별되는 스위칭 주파수는 실내온도가 29[oC]이고 설정온도가 26[oC]인 경우보다 클 수 있다.
제어부(140)는 식별된 스위칭 주파수를 갖는 게이트 신호를 인버터(130) 내 전력 스위칭 소자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터(130)에서 출력되는 구동 전류는 스위칭 주파수의 3상 교류 전류일 수 있다. 압축기(102)의 구동 속도는 구동 전류의 주파수에 비례하므로, 압축되는 냉매의 양은 스위칭 주파수에 따라 제어될 수 있다. 즉, 스위칭 주파수가 높을수록 실내온도는 설정온도를 빠르게 추종할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)에 기초하여 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명을 추정하고, 추정된 잔여수명과 목표수명 및 최대수명을 각각 비교하여 구동 전류를 제어할 수 있다.
이를 위해, 컨버터(110)는 DC 링크 커패시터(120)에 인접 설치된 온도센서(200)를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 온도센서(200)는 DC 링크 커패시터(120)에 접촉 설치될 수도 있고, DC 링크 커패시터(120)가 구비된 회로 기판 상에 설치될 수도 있다.
온도센서(200)가 DC 링크 커패시터(120)에 접촉 설치된 경우, 제어부(140)는 온도센서(200)의 측정값을 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)로 식별할 수 있다. 이와 달리, 온도센서(200)가 DC 링크 커패시터(120)가 구비된 회로 기판 상에 설치된 경우, 제어부(140)는 온도센서(200)의 측정값에, DC 링크 커패시터(120)와 온도센서(200)가 설치된 기판 사이의 열저항 계수를 반영한 보정치를 적용하여 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 식별할 수 있다.
이러한 온도센서(200)는 서미스터(thermistor)로 구성될 수 있다. 서미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 반도체를 포함하는 저항체로서, 접촉체의 온도에 따른 저항을 가질 수 있다.
서미스터는 DC 링크 커패시터(120)의 온도에 반비례하는 저항을 갖는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터일 수 있고, DC 링크 커패시터(120)의 온도에 비례하는 저항을 갖는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터일 수도 있다.
이러한 서미스터는 온도 측정의 정확도를 위해 DC 링크 커패시터(120)의 표면에 본딩(bonding)될 수 있고, 제어부(140)는 서미스터의 저항값에 기초하여 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 식별할 수 있다.
한편, 본 발명의 DC 링크 커패시터(120)는 전해 커패시터로서 소자의 생산 당시 기준 온도 조건에 따라 최대수명이 정해질 수 있다. 예를 들어, DC 링크 커패시터(120)는 105[oC]의 온도 조건에서 3000시간의 최대수명이 정해질 수 있다.
제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 현재 온도에 기초하여 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명을 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(140)는 아레니우스 식(Arrhenius equation)인 하기 [수학식 1]에 기초하여 DC 링크 커패시터(120)의 잔여 수명을 추정할 수 있다.
Figure pat00001
(Le는 예상수명, Lo는 기준 온도에서의 최대수명, To는 기준 온도, Tc는 사용 온도)
예컨대, 105[oC]의 온도 조건에서 3000시간의 최대수명이 정해진 DC 링크 커패시터(120)의 사용 온도(Tc)가 95[oC]인 경우, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 예상수명(Le)을
Figure pat00002
인 6000시간으로 추정할 수 있다.
이와 같은 방법으로 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc, 사용 온도)에 따른 DC 링크 커패시터(120)의 예상수명을 추정할 수 있고, 산출된 예상수명과 실사용시간에 기초하여 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명을 추정할 수 있다.
아레니우스 식을 이용하여 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명을 추정하는 방법은 당해 기술분야에서 널리 알려진 일반적인 방법에 따르므로, 여기서는 더 이상의 자세한 설명을 생략하도록 한다.
제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명과, 목표수명 및 최대수명의 비교 결과에 따라 스위칭 주파수를 증감하여 전력 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
목표수명은 전술한 실외기(10)의 제조사가 보증하는 수명으로서, 최대수명보다 작은 값으로 제조사에 의해 임의로 설정될 수 있다. 예컨대, 105[oC]의 온도 조건에서 3000시간의 최대수명을 갖는 DC 링크 커패시터(120)에 대해 목표수명은 2500시간으로 설정될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 제어부(140)는 실내기(20)에서 제공된 구동 신호(Sd)에 기초하여 구동 전류 생성을 위한 스위칭 주파수를 식별할 수 있다. 이후, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명과 목표수명 및 최대수명을 비교할 수 있고, 비교 결과에 따라 스위칭 주파수를 증감할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(140)는 온도센서(200)를 통해 미리 설정된 측정 주기에 따라 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 검출하여 잔여수명을 추정할 수 있다. 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도 측정 주기마다, 추정된 잔여수명과 목표수명 및 최대수명을 비교하고, 비교 결과에 따라 스위칭 주파수를 단위 주파수만큼 증감할 수 있다. 여기서 단위 주파수는 단일 측정 주기에서 제어되는 주파수의 크기로서, 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있다.
잔여수명이 목표수명 미만이면, 제어부(140)는 스위칭 주파수를 단위 주파수만큼 감소시킬 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 식별된 스위칭 주파수에서 단위 주파수만큼 감소된 주파수로 인버터(130) 내 스위칭 소자를 제어할 수 있다. 이에 따라, 인버터(130)에서 출력되는 구동 전류의 주파수는 감소할 수 있고, 구동 전류를 제공받는 압축기(102)의 구동 속도는 감소할 수 있다. 이 때, 실내온도가 설정온도를 추종하는 속도는 늦어질 수 있다.
잔여수명이 목표수명 이상이고 최대수명 미만이면, 제어부(140)는 스위칭 주파수를 유지할 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 실내기(20)에서 제공된 구동 신호(Sd)에 기초하여 식별된 스위칭 주파수에 따라 인버터(130) 내 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
잔여수명이 최대수명 이상이면, 제어부(140)는 스위칭 주파수를 단위 주파수만큼 증가시킬 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 식별된 스위칭 주파수에서 단위 주파수만큼 증가된 주파수로 인버터(130) 내 스위칭 소자를 제어할 수 있다. 이에 따라, 인버터(130)에서 출력되는 구동 전류의 주파수는 증가할 수 있고, 구동 전류를 제공받는 압축기(102)의 구동 속도는 증가할 수 있다. 이 때, 실내온도가 설정온도를 추종하는 속도는 빨라질 수 있다.
제어부(140)는 전술한 제어 동작 중에 구동 전류의 주파수가 압축기(102)의 최소 동작 주파수보다 작아지면 인버터(130)의 구동을 중단할 수 있다. 여기서 최소 동작 주파수는 압축기(102)의 정지 관성을 극복하고 압축기(102)가 구동을 시작하도록 하는 구동 전류의 최소 주파수를 의미할 수 있다. 이러한 최소 동작 주파수는 압축기(102)의 성능에 따라 미리 결정될 수 있으며, 최소 동작 주파수에 대한 정보는 실외기(10) 내 메모리(160)에 미리 저장될 수 있다.
연속적인 측정 주기에서 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명이 목표수명 미만으로 판단되면, 구동 전류의 주파수는 지속적으로 감소할 수 있다. 이 때, 제어부(140)는 메모리(160)를 참조하여 식별된 압축기(102)의 최소 동작 주파수와, 감소된 구동 전류의 주파수를 비교할 수 있다.
비교 결과, 구동 전류의 주파수가 압축기(102)의 최소 동작 주파수보다 작으면, 구동 전류가 출력되더라도 압축기(102)가 구동되지 않는 바, 제어부(140)는 인버터(130)의 구동을 중단할 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 인버터(130) 내 스위칭 소자에 제공되던 제어 신호(Sc)를 차단할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 DC 링크 커패시터(120)의 잔여 수명에 따라 압축기(102)의 동작을 달리 제어함으로써, 어떠한 사용 환경에서도 제조사가 보증하는 DC 링크 커패시터(120)의 수명까지 공기 조화 장치(100)를 안정적으로 사용할 수 있게 한다.
다시 말해, DC 링크 커패시터(120)의 온도 상승에 따라 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명이 제조사가 목표로 하는 수명보다 낮게 추정되는 경우, 압축기(102)를 구동하기 위한 전력의 크기를 낮추어 DC 링크 커패시터(120)의 온도를 낮춤으로써 잔여수명을 증가시키고, DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명이 소자 특성에 따른 최대수명보다 높게 추정되는 경우, 압축기(102)를 구동하기 위한 전력의 크기를 증가시켜 압축기(102)의 구동 성능을 증가시킴으로써, 공기 조화 장치(100)의 효율적 및 안정적인 사용을 보장할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도를 초과하면 구동 전류의 주파수를 압축기(102)의 최소 동작 주파수로 제어할 수 있다. 미리 설정된 온도는 공기 조화 장치(100)에 장애를 발생시킬 수 있는 DC 링크 커패시터(120)의 한계 온도로 설정될 수 있다.
제어부(140)는 매 측정 주기마다 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 식별할 수 있고, 식별된 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면 전술한 잔여수명의 비교 동작과 관계 없이 구동 전류의 주파수를 압축기(102)의 최소 동작 주파수로 제어할 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도를 초과하는 경우, DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 낮추기 위해 압축기(102)를 최소한의 전력으로 구동시킬 수 있다.
보다 구체적으로, DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도를 초과하면 제어부(140)는 메모리(160)를 참조하여 압축기(102)의 최소 동작 주파수를 식별하고, 인버터(130) 내 스위칭 소자에 대한 스위칭 주파수를 제어하여 구동 전류의 주파수를 압축기(102)의 최소 동작 주파수와 일치시킬 수 있다.
한편, 제어부(140)는 구동 전류의 주파수가 압축기(102)의 최소 동작 주파수일 때 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도를 초과하면 인버터(130)의 구동을 중단할 수 있다.
앞서 언급한 제어부(140)의 제어에 따라 구동 전류의 주파수는 압축기(102)의 최소 동작 주파수와 동일하게 제어될 수 있다. 이 때, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 식별하고, 식별된 온도와 미리 설정된 온도를 비교할 수 있다.
비교 결과, 여전히 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도를 초과하면 압축기(102)를 더 낮은 전력으로 구동시킬 수 없으므로, 제어부(140)는 인버터(130)의 구동을 중단할 수 있다. 다시 말해, 제어부(140)는 인버터(130) 내 스위칭 소자에 제공되던 제어 신호(Sc)를 차단할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 비정상적으로 상승하면 압축기(102)에 공급되는 구동 전류를 제어하여 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 하강시킴으로써, 사용자 명령에 대한 최대 추종 동작을 수행하면서도, 즉 압축기(102)를 최대한 구동시키면서도 급격한 온도 상승으로 인한 소자 소손과 이로 인해 발생할 수 있는 전체 시스템 장애를 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 제어부(140)가 구동 전류를 제어하는 방법의 각 예시를 설명하도록 한다.
먼저 도 6을 참조하면, 제어부(140)는 온도센서(200)를 통해 매 측정 주기마다 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 검출하고(S10), 검출된 온도에 기초하여 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명을 추정할 수 있다(S20).
이어서, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명과 목표수명을 비교할 수 있다(S30).
단계(S30)에서 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명이 목표수명 이상으로 판단된 경우, 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명과 최대수명을 추가적으로 비교할 수 있다(S50).
비교 결과, 잔여수명이 최대수명 미만이면 제어부(140)는 구동 전류를 제어하지 않고, 지속적으로 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 검출할 수 있다(S10).
반면에, 잔여수명이 최대수명 이상이면 제어부(140)는 압축기(102)에 출력되는 구동 전류의 주파수(이하, 구동 주파수)를 증가시킬 수 있다(S60).
한편, 단계(S30)에서 DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명이 목표수명 미만으로 판단된 경우, 제어부(140)는 구동 주파수를 감소시킨 이후(S40) DC 링크 커패시터(120)의 잔여수명을 다시 추정하고, 추정된 잔여수명과 목표수명을 재차 비교할 수 있다(S70).
비교 결과, 잔여수명이 목표수명 이상이면 제어부(140)는 구동 전류에 대한 제어 동작을 수행하지 않음으로써 구동 주파수를 유지할 수 있다(S80).
반면에, 여전히 잔여수명이 목표수명 미만이면 제어부(140)는 구동 주파수와 압축기(102)의 최소 동작 주파수를 비교할 수 있다(S90).
비교 결과, 구동 주파수가 최소 동작 주파수 이상이면 제어부(140)는 단계(S40)의 구동 주파수 감소 제어 동작을 반복 수행할 수 있다. 반면에, 구동 주파수가 최소 동작 주파수 미만이면, 구동 전류가 출력되더라도 압축기(102)가 구동될 수 없으므로 제어부(140)는 인버터(130)의 구동을 중단시킬 수 있다(S100).
다음으로 도 7을 참조하면, 도 6에 도시된 단계(S10) 이후 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)와 미리 설정된 온도(Tref)를 비교할 수 있다(S11).
비교 결과, DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도(Tref) 이하이면 제어부(140)는 도 6에 도시된 단계(S20)에 따라 제어 동작을 수행할 수 있다.
반면에, DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)가 미리 설정된 온도(Tref)를 초과하면, 제어부(140)는 구동 주파수를 압축기(102)의 최소 동작 주파수와 비교할 수 있다(S12).
비교 결과, 구동 주파수가 최소 동작 주파수를 초과하면 제어부(140)는 DC 링크 커패시터(120)의 온도(Tc)를 낮추기 위해 구동 주파수를 최소 동작 전류와 동일하게 제어할 수 있다(S14). 반면, 구동 주파수가 최소 동작 주파수 이하이면 구동 전류가 출력되더라도 압축기(102)가 구동될 수 없으므로 제어부(140)는 인버터(130)의 구동을 중단시킬 수 있다(S13).
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 실내기를 통해 공급된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터;
    상기 컨버터에 의해 변환된 직류 전원을 저장하는 DC 링크 커패시터;
    상기 DC 링크 커패시터에 저장된 직류 전원을 구동 전류로 변환하여 압축기에 출력하는 인버터; 및
    상기 DC 링크 커패시터의 온도에 기초하여 상기 DC 링크 커패시터의 잔여수명을 추정하고, 상기 추정된 잔여수명과 목표수명 및 최대수명을 각각 비교하여 상기 구동 전류를 제어하는 제어부를 포함하는
    공기 조화 장치용 실외기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 DC 링크 커패시터에 인접 설치된 온도센서를 통해 상기 DC 링크 커패시터의 온도를 식별하는 공기 조화 장치용 실외기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도센서는 서미스터(thermistor)로 구성되는 공기 조화 장치용 실외기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 실내기로부터 제공된 구동 신호에 기초하여 상기 구동 전류를 생성하기 위한 스위칭 주파수를 식별하고, 상기 식별된 스위칭 주파수에 따라 상기 인버터 내 전력 스위칭 소자를 제어하는 공기 조화 장치용 실외기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 신호는 실내온도와, 상기 실내온도와 설정온도의 온도차에 대한 구동 데이터를 포함하는 공기 조화 장치용 실외기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 잔여수명과 상기 목표수명 및 상기 최대수명의 비교 결과에 따라 상기 스위칭 주파수를 증감하여 상기 전력 스위칭 소자를 제어하는 공기 조화 장치용 실외기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 잔여수명이 상기 목표수명 미만이면 상기 스위칭 주파수를 감소시키고, 상기 잔여수명이 상기 목표수명 이상이고 상기 최대수명 미만이면 상기 스위칭 주파수를 유지시키며, 상기 잔여수명이 상기 최대수명 이상이면 상기 스위칭 주파수를 증가시키는 공기 조화 장치용 실외기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동 전류의 주파수가 상기 압축기의 최소 동작 주파수보다 작으면 상기 인버터의 구동을 중단하는 공기 조화 장치용 실외기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 DC 링크 커패시터의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면 상기 구동 전류의 주파수를 상기 압축기의 최소 동작 주파수로 제어하는 공기 조화 장치용 실외기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 구동 전류의 주파수가 상기 압축기의 최소 동작 주파수일 때 상기 DC 링크 커패시터의 온도가 미리 설정된 온도를 초과하면 상기 인버터의 구동을 중단하는 공기 조화 장치용 실외기.
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