KR20200085623A

KR20200085623A - 히트펌프의 제어방법

Info

Publication number: KR20200085623A
Application number: KR1020190001996A
Authority: KR
Inventors: 이동원
Original assignee: 이동원
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2020-07-15

Abstract

본 발명의 히트펌프 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압축기, 응축기, 팽창밸브(이하 "제1 팽창밸브") 및 증발기를 포함하는 회로가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되며, 응축기 팬, 증발기 팬 및 상기 회로에 냉매를 충전 또는 상기 회로로부터 냉매를 회수하는 냉매 (충전량) 조절수단(이하 "제2 팽창밸브" )을 포함하는 히트펌프의 제어방법에 있어서, 상기 제2 팽창밸브는 상기 회로에서 냉매를 회수하는 회수밸브, 냉매를 저장하는 저장공간, 상기 회로로 냉매를 충전하는 충전밸브가 상기 순으로 직렬 연결된 것을 포함하여 구성되고, 상기 제2 팽창밸브는 상기 제1 팽창밸브 입구와 저압라인 사이에 설치되고, 목표 응축온도를 설정하는 단계; 응축온도가 상기 목표 응축온도보다 낮을 때는 상기 냉매 조절수단이 상기 회로에 냉매를 충전하는 단계; 응축온도가 상기 목표 응축온도보다 높을 때는 상기 냉매 냉매 조절수단이 상기 회로로부터 냉매를 회수하는 단계; 를 포함하고, 일상운전에서 상기 제2 팽창밸브로 일정량의 냉매가 통과; 하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프의 제어방법{A Control method of heat pump}

본 발명은 히트펌프 제어방법에 관한 것이다.

히트펌프는 열원으로부터 "히터싱크"라 불리는 목적지로 열을 전달하는 장치이다. 히트펌프는 차가운 공간에서 열을 흡수하고, 따뜻한 공간에서 열을 방출한다. 즉, 히트펌프에서는 자연적인 열전달 방향의 반대방향으로 열에너지 전달이 이루어진다. 이를 위해 히트펌프는 소량의 외부에너지를 사용하여, 열원에서 히트싱크로 에너지를 전송하는 작업을 수행한다.

에어컨, 냉장고 및 공조장치 (HVAC : Heating Ventialating and Air Conditioning)가 히트펌프의 대표적인 예이다. 그리고 히트펌프를 사용하는 기기로는 냉수/온수를 제공하는 정수기, 건조기, 세탁기, 자판기 등이 있다.

종래의 히트펌프에서, 인버터 압축기와 같은 가변용량 압축기의 단위시간당 압축량을 증가시키면, 고압과 저압의 사이가 더 커져서 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

출원번호 KR 10-2013-0084665 (US 9,372,015 B2) 출원번호 KR 10-2016-7026740 US 2016/0370044 A1) 출원번호 KR 10-2007-0084960 US 2011/0041523 A1 US 7,010,927 B2 US 9,738,138 B2 US 2017/0059219 A1 US 2017/0115043 A1 WO 2018/025900 A1

본 발명의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것이다. 즉, 히트펌프 가동중에 고압과 저압의 사이가 더 커지는 것을 방지하여서 효율을 개선할 수 있는 히트펌프 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 히트펌프 제어방법은, 압축기, 응축기, 팽창밸브(이하 "제1 팽창밸브") 및 증발기를 포함하는 회로가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되며, 응축기 팬, 증발기 팬 및 상기 회로에 냉매를 충전 또는 상기 회로로부터 냉매를 회수하는 냉매 (충전량) 조절수단(이하 "제2 팽창밸브" )을 포함하는 히트펌프의 제어방법에 있어서, 상기 제2 팽창밸브는 상기 회로에서 냉매를 회수하는 회수밸브, 냉매를 저장하는 저장공간, 상기 회로로 냉매를 충전하는 충전밸브가 상기 순으로 직렬 연결된 것을 포함하여 구성되고, 상기 제2 팽창밸브는 상기 제1 팽창밸브 입구와 저압라인 사이에 설치되고, 목표 응축온도를 설정하는 단계; 응축온도가 상기 목표 응축온도보다 낮을 때는 상기 냉매 조절수단이 상기 회로에 냉매를 충전하는 단계; 응축온도가 상기 목표 응축온도보다 높을 때는 상기 냉매 냉매 조절수단이 상기 회로로부터 냉매를 회수하는 단계; 를 포함하고, 일상운전에서 상기 제2 팽창밸브로 일정량의 냉매가 통과; 하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 팽창밸브를 제어하는데 필요한 전원공급이 개시 되면, 회수밸브 (vvd)의 개도를 충전밸브(vvc) 보다 작게 되도록 제어하여 상기 저장공간의 내부에 있는 냉매를 비우는 단계; 를 실시한 다음에, 설정된 초기화 단계 시간(s_init)이 경과 되거나, 고압이 목표고압 보다 높게 되면 충전밸브(vvc)의 개도를 줄이는 단계; 를 더 포함 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉매 충전단계와 회수단계는 충전밸브(vvc)와 회수밸브(vvd)중 어느 하나의 밸브는 개도를 고정하고 (또는 개도가 고정된 밸브이고), 다른 하나의 밸브를 조절하는 제어; 를 더 포함 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 팽창밸브는 모세관, 열감응식 팽창밸브(TXV), 압력감응식 팽창밸브(PXV) 또는 전자식 팽창밸브(EEV) 중 어느 하나; 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 충전밸브(vvc) 와 회수밸브(vvd)는 냉매를 바이패스 시키는 오리피스를 포함; 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 (과냉도 측정수단 및 냉매 충전량 조절수단을 포함하는) 히트펌프의 응축기 팬 속도 제어방법은, 목표 응축온도(예, t_tc=외기온도 +10 ℃), 목표 과냉도(예, t_sc=5℃) 및 상기 팬의 초기 속도(예, fspd=95%)를 설정하는 단계; 응축온도(tc) 와 과냉도(sc)를 측정하는 단계; 상기 팬 속도(fspd)를 제어하여서 목표 과냉도(sc)를 달성하는 단계; 및 상기 냉매 충전량 조절수단을 제어하여서 목표 응축온도(t_tc)를 달성하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 소정의 상수값을 가지는 기준 팬 속도(예, d_fspd=95%)를 설정하는 단계; 를 더 포함하고, 상기 팬 속도가 상기 기준 팬 속도 이상( fspd >= d_fspd )이고, 응축 온도가 상기 목표 응축온도 미만( tc < t_tc ) 이면, fspd < d_fspd 조건을 만족하는 제일 큰 값을 상기 팬 속도(fspd)로 설정하는 단계; 상기 팬 속도가 상기 기준 팬 속도 미만( fspd < d_fspd)이면, 상기 팬 속도(fspd)를 제어하여서 목표 과냉도(t_sc)를 달성하는 단계 와 냉매 충전량을 제어하여서 목표 응축온도(t_tc)를 달성하는 단계; 및 상기 팬 속도가 상기 기준 팬 속도 이상( fspd >= d_fspd)이면, (냉매 충전량 조절로) 응축온도(tc)를 제어하여서 목표 과냉도(t_sc)를 달성하는 단계; 를 포함하는 응축기 팬 속도 제어방법인 것이 바람직하다.

본 발명의 히트펌프 제어방법에 의하면, 히트펌프 가동중에 고압과 저압의 사이가 더 커지는 것을 방지하여서 효율을 개선할 수 있는 히트펌프가 제공되는 효과가 있다.

도1 은 종래기술에 의한 p-h 선도의 일 예이다.
도2 는 본 발명의 제1 제어 내지 제4 제어의 이해를 돕는 도면이다.
도3 은 본 발명에 의한 p-h 선도의 일 예이다.
도4 는 본 발명의 제어순서 일 예이다.
도5 는 본 발명의 제어순서 종류를 나열한 일 예이다.
도6 은 본 발명에 적합한 히트펌프 회로의 일 예이다.
도7 은 본 발명에 적합한 히트펌프 회로의 또 다른 일 예이다.
도8 은 본 발명에 적합한 히트펌프 회로의 또 다른 일 예이다.
도9 은 본 발명에 적합한 히트펌프 회로의 또 다른 일 예이다.
도10 은 본 발명에의한 고압파형을 도시한 일 예이다.
도11 은 본 발명에의한 응축기 팬 속도 제어방법의 일 예이다.
도12 는 본 발명에의한 응축기 팬 속도 제어방법의 또 다른 일 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등 은 도면에 도시되어있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서, 용어 "압력"은 "그 압력에서 냉매가 끓는 온도, 응축온도 또는 증발온도"로 해석 할 수도 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.

또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석해서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.

이하의 설명에서는 편의상 특별한 언급이 없는 한 이상적인 히트펌프를 사용하여 설명한다.

본 발명의 목표는 열교환기의 열교환량을 같게 하면서 히트펌프의 성능(COP)를 개선 하고자 하는 것이다. 이를 위해서는 응축기의 응축온도와 증발기의 증발온도를 개별적으로 제어할 수 있는 방법이 필요하다.

< 핵심개념 설명 >

공기 열교환기는 열교환량을 Q = c·m·dT 로 계산할 수 있다. 여기서 Q 를 같게 하는 m 과 dT 의 조합은 많다. 위 수식에서 m 은 공기량, 공기무게, 바람속도, 열교환기 팬속도, 팬 소비전력 등으로 해석할 수 있다. 이때 c 는 공기비열 또는 비례계수가 될 것이다. 그리고 온도차 dT (=열교환기 통과전 공기온도 - 통과후 공기온도) 는 열교환기 내부에서 냉매가 끓는 온도와 유입 공기와의 온도차에 의하여 변할 수 있다.

더욱 상세히 설명하면 열교환기 온도(열교환기에서 냉매가 끓는 온도)와 공기 온도가 같다면 열교환은 일어나지 않는다. 상기 온도차 dT 를 줄이는 방법 중 하나는 열교환기에 유입되는 공기온도와 열교환기 내부에서 냉매 끓는 온도(이하, "열교환온도" ) 와의 차를 줄이는 것이다. 이를 위해서는 열교환기 내부 압력을 변경하여서 열교환기 온도를 조절하여야 하고, 이것은 압축기의 소비전력과 관계가 있음은 당연하다.

승용차 에어컨의 경우 전기 압축기 용량은 는 3.5 kW 정도이고, 열교환기 팬은 150 W 정도이다. 따라서, 열교환기의 열교환량(Q = c·m·dT)을 같게 유지하면서, 팬 소비전력을 늘리고 압축기 소비전력을 줄이면 에어컨의 효율은 개선될 것이다. 이를 위해서는 응축온도와 증발온도를 개별적으로 조절하는 기술이 필요하다.

< 요소 기술 설명>

이하 도1 및 도2를 참조하여서 응축온도와 증발온도를 개별적으로 조절하는 요소 기술에 대하여 설명한다.

이하, 일반적인 에어컨 시스템에 냉매를 주입하는 과정에 대하여 설명한다. 에어컨 배관 설치가 완료되면, 진공펌프로 상기 배관 내부를 진공으로 만든다. 배관 내부가 진공이 되면, 에어컨 외부의 ( 전자저울 위에 있는 ) 냉매통과 저압라인을 연결하고 압축기를 가동하고, 외부 냉매통의 밸브를 열면 외부 냉매통에서 히트펌프로 냉매가 충전된다. 그리고, 설정된 무게의 냉매가 충전되면 냉매충전을 정지한다. 그러면, 고압과 저압이 적절히 형성된다. 예를 들면 제1 냉방사이클 (81)-(82)-(83)-(84) 과 같이 된다. 여기서, 냉매를 충전(이하, "제1 제어")하면 고압(HP)과 저압(LP)이 모두 ( 진공에서 저압, 진공에서 고압으로 ) 증가(1)함을 알 수 있다. 반대로, 냉매를 회수(이하, "제2 제어")하면 고압(HP)과 저압(LP)이 모두 ( 저압에서 진공, 고압에서 진공으로 ) 감소(2)함을 알 수 있다.

또 다르게 설명하면, 고압과 저압이 적절히 형성되어 있는 냉방회로에, 외부에서 상기 회로 저압에 냉매를 추가로 충전하면, 상기 추가된 냉매는 저압에만 전부 있지 않고 (고압·저압이 안정될 때까지) 고압으로 일부 이동하게 된다. 여기서, 냉매를 충전하면 고압(HP)과 저압(LP)이 모두 증가(1)함을 알 수 있다. 반대로, 냉매를 회수하면 고압(HP)과 저압(LP)이 모두 감소(2)함은 당연하다.

제1 냉방사이클 (81)-(82)-(83)-(84) 이 형성된 상태에서, 팽창밸브를 더 닫거나 압축기의 단위시간당 냉매 압축량을 더 늘리면(이하, 고압과 저압의 차가 증가하는 "제3 제어"), 고압(HP)은 증가하고 저압(LP)은 감소(3)하여서 제2 냉방사이클 (91)-(92)-(93)-(94) 와 같이 될 수 있다. 또한, 제2 냉방사이클 (91)-(92) -(93)-(94) 이 형성된 상태에서 팽창밸브를 더 열거나 압축기의 단위시간당 냉매 압축량을 줄이면(이하, 고압과 저압의 차가 감소하는 "제4 제어"), 고압(HP)은 감소하고 저압(LP)은 증가(4)하여서 제1 냉방사이클 (81)-(82)-(83)-(84) 와 같이 될 수 있다.

제1 제어(1) 또는 제2 제어(2)를 하면 고압과 저압은 모두 증가(UU)하거나 감소 (DD) 하고, 제3 제어(3) 또는 제4 제어(4)를 하면 고압이 증가(u)하면 저압은 감소(d)하고, 고압이 감소(d)하면 저압은 증가(u)한다. 따라서, 두 압력이 한쪽 방향으로 움직이는 제어와 반대 방향으로 움직이는 제어를 조합하면 일 측 압력을 유지하면서 타 측 압력을 조절할 수 있다.

예를 들어서, 제1 제어(1) 과 제3 제어(3)를 동시에 또는 순차적으로 수행하면 고압은 증가하고, 저압은 상쇄 되어서 변동되지 않을 수 있다. (이하, "증발온도를 유지하면서 응축온도를 높이는 단계") 또한, 제1 제어(1) 과 제4 제어(4)를 동시에 또는 순차적으로 수행하면 저압은 증가하고, 고압은 상쇄되어서 변동되지 않을 수 있다. (이하, "응축온도를 유지하면서 증발온도를 높이는 단계") 또한, 제2 제어(2) 와 제3 제어(3)를 동시에 또는 순차적으로 수행하면 저압은 감소하고, 고압은 상쇄되어서 변동되지 않을 수 있다. (이하, "응축온도를 유지면서 증발온도를 낮추는 단계") 또한, 제2 제어(2) 와 제4 제어(4)를 동시에 또는 순차적으로 수행하면 고압은 감소하고, 저압은 상쇄되어서 변동되지 않을 수 있다. (이하, "증발온도를 유지하면서 응축온도를 낮추는 단계") 이때, 과냉도 및 과열도는 되도록이면 설계값으로 유지하는 것이 바람직하다.

제3 제어(3) 와 제4 제어(4)를 하면 고압과 저압을 변경하지 않으면서 단위 시간당 냉매 순환량을 조절할 수도 있다. 보다 상세하게는, 제3 제어에서는 압축기의 단위시간당 냉매 압축량을 더 늘려서 고압과 저압의 차을 더 늘리고, 제4 제어에서는 팽창밸브를 더 열어 고압과 저압의 차를 더 줄이면, 고압과 저압은 변동되지 않지만, 단위 시간당 회로를 순환하는 냉매량은 더 늘릴 수 있다. 한편, 제3 제어와 제4 제어의 목적물을 바꾸면 회로를 순환하는 냉매량은 더 줄일수 있음은 당연하다. (이하, "응축온도와 증발온도를 유지하면서 열교환량을 조절하는 단계")

이상, 고압과 고압을 개별적으로 조절할 수 있는 방법에 대하여 설명하였다.

이하 도2 내지 도4를 참고하여, 본 발명에 따른 히트펌프에서 증발온도를 더 높게 되도록 제어하는 일 실시예 (에어컨 냉방 모드)를 설명한다. 도4 는 증발기의 증발온도를 더 높게 되도록 제어하는 순서의 예이다.

도4 에서 제어순서(100)은 제4 제어 및 제1 제어를 연속으로 2번 한 예이다. 초기상태 (L0) 에서 제4 제어를 수행하면 고압은 내려오고, 저압은 올라가서 상태 (L1)이 된다. 원하는 대로 저압이 올라가서 증발온도는 더 높게 되었지만, 고압이 내려와서 응축온도가 목표 응축온도(HP_t)보다 낮아졌다. 여기서 제1 제어를 수행하면, 냉매가 충전되어서 고압 및 저압이 모두 상승하여서 상태 (L2) 가 된다. 즉, 저압의 증발온도는 더욱 상승하여서 목표 증발온도(LP_t)에 더 가까워지고, 고압은 목표 응축온도(HP_t)를 유지하게 된다. 상태 (L3) 및 상태 (L4) 는 제4 제어 및 제1 제어를 순차적으로 한 번 더 반복 (다르게 표현하면, 응축온도를 유지하면서 증발온도를 높이는 단계를 한번 더 실행) 한 것을 도시한 것이다. 그러면, 저압은 (LP_rise)를 따라서 상승하여서 목표 저압(LP_t)에 도달하게 된다. 제어순서(100)에서 상기 제1 제어는 "냉매를 충전하는 단계", "증발온도를 높이는 단계" 및 "응축기 목표온도(HP_t)를 유지하도록 조절하는 단계" 라 칭할 수 있다. 그리고 제4 제어는 "증발온도를 높이는 단계"라 칭할 수 있다.

도4 에서 제어순서(101)은 제어순서(100)과 동일하게 제4 제어와 제1 제어 를 사용하지만, 제1 제어를 먼저 수행하는 경우이다. 초기상태 (L0a) 에서 제1 제어를 수행하면, 냉매가 충전되어서 고압 및 저압이 모두 상승하여서 상태 (L1a) 이 된다. 원하는 대로 저압이 올라가서 증발온도는 더 높게 되었지만, 고압도 올라가서 응축온도가 목표 응축온도(HP_t) 보다 높아졌다. 여기서 제4 제어를 수행하면 고압은 내려오고, 저압은 올라가서 상태 (L2a)이 된다. 즉, 저압의 증발온도는 더욱 상승하여서 목표 증발온도(LP_t)에 더 가까워지고, 고압은 목표 응축온도(HP_t)를 유지하게 된다. 상태 (L3a) 및 상태 (L4a) 는 제1 제어 및 제4 제어를 순차적으로 한 번 더 반복(다르게 표현하면, 응축온도를 유지하면서 증발온도를 높이는 단계를 한번 더 실행) 한 것을 도시한 것이다. 그러면, 저압은 (LP_rise)를 따라서 상승하여서 목표 저압(LP_t)에 도달하게 된다. 제어순서(101)에서 상기 제1 제어는 "냉매를 충전하는 단계" 및 "증발온도를 높이는 단계" 칭할 수 있다. 그리고 제4 제어는 "응축기 목표온도(HP_t)를 유지하도록 조절하는 단계" 및 "증발온도를 높이는 단계"라 칭할 수 있다.

이상, 현재의 증발온도보다 더 높게 증발기의 목표 증발온도를 설정한 경우 응축기의 응축온도를 유지하면서 상기 목표 증발온도를 달성하는 방법에 대하여 상세히 설명하였다.

도5에서 제어순서(200)은 현재 응축온도(HP_0)보다 더 높게 응축기의 목표 응축온도(HP_t)를 설정하고, 증발기의 증발온도(LP_t)를 유지하면서 상기 목표 응축온도(HP_t)를 달성하는 것을 도시한 예이다. 여기서는 냉매를 충전하는 제1 제어 및 고압과 저압의 차가 증가하는 제3 제어를 사용(다르게 표현하면, 증발온도를 유지하면서 응축온도를 높이는 단계를 실행) 하였다. 제어순서(200)에서 상기 제1 제어는 "냉매를 충전하는 단계" 및 "응축온도를 높이는 단계"라 칭할 수 있다. 그리고 제3 제어는 "증발기 목표온도(LP_t)를 유지하도록 조절하는 단계" 및 "응축온도를 높이는 단계" 라 칭할 수 있다.

도5에서 제어순서(150)은 현재 증발온도(LP_0)보다 더 낮게 증발기의 목표 증발온도(LP_t)를 설정하고, 응축기의 응축온도(HP_t)를 유지하면서 상기 목표 증발온도(LP_t)를 달성하는 것을 도시한 예이다. 여기서는 냉매를 회수하는 제2 제어 및 고압과 저압의 차가 증가하는 제3 제어를 사용(다르게 표현하면, 응축온도를 유지하면서 증발온도를 낮추는 단계를 실행)하였다. 제어순서(150)에서 상기 제2 제어는 "냉매를 회수하는 단계", "증발온도를 낮추는 단계" 및 "응축기의 목표 응축온도(HP_t)를 유지하도록 조절하는 단계" 라 칭할 수 있다. 그리고 제3 제어는 "증발온도를 낮추는 단계"라 칭할 수 있다.

도5에서 제어순서(250)은 현재 응축온도(HP_0)보다 더 낮게 응축기의 목표 응축온도(HP_t)를 설정하고, 증발기의 증발온도(LP_t)를 유지하면서 상기 목표 응축온도(HP_t)를 달성하는 것을 도시한 예이다. 여기서는 냉매를 회수하는 제2 제어 및 고압과 저압의 차가 감소하는 제4 제어를 사용(다르게 표현하면, 증발온도를 유지하면서 응축온도를 낮추는 단계를 실행)하였다. 제어순서(250)에서 상기 제2 제어는 "냉매를 회수하는 단계" 및 "응축온도를 낮추는 단계" 라 칭할 수 있다. 그리고 제4 제어는 "증발기 목표온도(LP_t)를 유지하도록 조절하는 단계" 및 "응축온도를 낮추는 단계" 라 칭할 수 있다.

종래의 에어컨은 어느 정도 가동되어서 냉방 부하량이 감소한 경우에는 실외기 및 실내기 팬이 최대속력 이하로 회전하게 된다. 그리고, 종래의 에어컨은 증발온도 및 응축온도를 개별적으로 조절할 수 없기 때문에 같은 부하(열교환량)을 유지하면서 효율(COP)을 높일 수가 없었다.

본 실시예에 의하면, 증발기의 증발온도는 변하지 않게 하면서, 응축기의 응축온도를 낮출 수 있다. 따라서, 냉방 부하량이 최대 정격보다 작은 경우는 실외 열교환기의 열교환량(Q = c·m·dT)을 동일하게 유지하면서, 압축기 소비전력을 줄이고 실외기 팬의 소비전력을 늘려서 에어컨의 성능(COP)을 높일 수 있다. 여기서, 실외기 팬의 소비전력을 늘린다는 것은 "실외기 팬의 회전 속도를 더 높인다." 또는 "단위 시간당 이송한 공기 무게를 더 늘린다."로 해석 할 수 있음은 당연하다. 또한 압축기 소비전력을 줄인다는 것은 압축기를 별도로 제어하지 않고도, 제어순서 (100) (250) 과 같이 고압과 저압의 차가 줄어들면 압축기 소비전력이 줄어듦을 포함하는 것은 당연하다.

또한, 종래의 냉매 (충전량) 조절수단이 없는 에어컨은 어느정도 가동되어서 냉방 부하량이 감소된 경우는 실내기 팬이 저속으로 회전하게 된다. 본 실시예에 의하면, 증발기의 증발온도를 변경하여도 응축기의 응축온도는 변하지 않는다. 따라서, 냉방 부하량이 최대 정격보다 작은 경우는 실내 열교환기의 열교환량 (Q = c·m·dT)을 동일하게 유지하면서, 압축기 소비전력을 줄이고 실내기 팬의 소비전력을 늘려서 에어컨의 성능(COP)를 높일 수 있다. 이때, 압축기의 초당 냉매 압축체적은 줄어든다. 하지만 저압이 상승하였기 때문에 1회 압축 냉매량은 증가하여서, 초당 냉매압축량은 압축체적이 줄어든 만큼 비례하여 줄지는 않는다.

본 발명에 의한 히트펌프는 효율을 높이기 위하여 압축기의 소비전력은 줄이고, 열교환기 팬의 소비전력을 늘려야 한다. 실내기 팬의 경우는 사람이 불쾌감을 느끼지 않을 정도로 높이는 것이 바람직하다. 반면에, 에너지 절감을 생각하면,상기 실내 열교환기 팬의 소비전력 최대치는 상기 팬의 최대정격 소비전력인 것이 바람직하다. 자동차의 경우 차량 운행에 의한 외부소음의 유입에 의하여 상기 팬의 소음을 사람이 느끼지 못할 수도 있다. 또한, 소음에 민감한 사람과 둔감한 사람이 있기 때문에 불쾌감을 느끼기 시작하는 팬의 소비전력을 꼭 찝어서 하나의 수치로 설정하기는 힘들다. 따라서, 차량이 정지하였을 때 사용자가 소정의 소비전력을 입력하면, 상기 입력값을 참고하여서 차량 운행 조건별로 불쾌감을 느끼기 시작하는 팬의 소비전력을 설정하는 것이 바람직하다.

그리고, 실외기 팬의 경우는 실외기의 소음이 실내로 유입되어 사람이 불쾌감을 느끼지 않을 정도로 높이는 것이 바람직하다. 실내와 실외사이에 방음이 잘된 경우는 실외기 팬을 허용된 최대전력으로 구동할 수 있음은 당연하다.

이상의 설명에서 본 발명에 의한 히트펌프는, 목표온도가 증가한 경우 (100)(200)는 냉방회로에 냉매를 충전하여야 함을 알 수 있다. 또한, 목표온도가 감소하는 경우(150)(250)는 냉방회로에서 냉매를 회수하여야 함을 알 수 있다.

본 발명의 히트펌프 제어개념은 난방에도 적용할 수 있음은 당연하다. 따라서, 에어컨의 목표 증발온도를 설정하는 단계는, "실내 열교환기의 열교환 부하량을 참고하여 내부 열교환기의 열교환 온도를 설정하는 단계"로 해석하는 것이 바람직하다. 그리고, 에어컨의 목표 응축온도를 설정하는 단계는 "실외 열교환기의 열교환 부하량을 참고하여 외부 열교환기의 열교환 온도를 설정하는 단계"로 해석하는 것이 바람직하다.

이하 도6 을 참조하여 본 발명에 적합한 히트펌프(600)의 일 예를 설명한다.

히트펌프(600)은 압축기(C), 응축기(HEX_C), 팽창밸브(EXV) 및 증발기(HEX_E)를 포함하는 "회로"가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결된다. 그리고, 상기 팽창밸브(EXV)와 병열로 냉매 저장탱크(RS1)가 설치된다. 상기 팽창밸브(EXV) 입구와 상기 탱크(RS1) 입구 사이에는 "회로"에서 냉매를 회수하는 회수밸브(vvd)가 설치된다. 그리고 상기 팽창밸브(EXV) 출구와 상기 탱크(RS1) 출구 사이에는 "회로"로 냉매를 충전하는 충전밸브(vvc)가 설치된다. 상기 냉매 저장탱크(RS1)은 기액분리 기능을 가지는 것이 바람직하다.

여기서 상기 냉매 저장탱크(RS1), 상기 회수밸브(vvd) 및 상기 충전밸브(vvc)는 상기 "회로"에 냉매를 충전하거나, 상기 "회로"로부터 냉매를 회수 하는 역할(이하, "냉매 (충전량) 조절수단")을 한다.

이하, 히트펌프(600) 설치 시 냉매를 충전하는 방법을 설명한다. 먼저, 히트펌프(600) 배관을 설치한 후 모든 밸브(EXV)(vvd)(vvc)를 열고, 진공펌프를 이용하여서 "회로" 와 냉매 저장탱크(RS1) 내부를 진공상태로 만든다. 그리고 회수밸브(vvd)를 완전히 닫는다. 히트펌프(600) 외부의 냉매통을 압축기(C) 입구와 연결하고, 압축기(C)를 가동하고, 외부 냉매통의 밸브를 열면 외부 냉매통에서 히트펌프(600)으로 냉매가 충전된다. 규정된 냉매량을 충전되면 외부 냉매통 밸브를 완전히 잠근다. 이상의 절차로 종래의 냉매 (충전량) 조절수단이 없는 히트펌프와 같은 응축온도와 증발온도를 구현 할 수 있다.

이하, 히트펌프(600)의 "회로"에서 냉매를 회수하여 냉매 저장탱크(RS1)에 저장하는 제2 제어에 대하여 설명한다. 먼저 냉매 회수밸브(vvd)를 열면, "회로"의 고압은 높고, 저장탱크(RS1) 내부는 진공이기 때문에 응축된 냉매가 "회로"에서 저장탱크(RS1)으로 회수되면서 팽창된다. 일정량의 냉매가 저장탱크(RS1)으로 회수되면 더 이상 냉매가 회수되지 않을 수 있다. 이때는 냉매충전밸브(vvc)를 조금 열어서 저장탱크(RS1) 내부의 기체를 배출하면 냉매회수가 계속된다. 한편, 냉매충전밸브(vvc)를 열 때는 팽창밸브(EXV)를 조금 닫아서 증발기(HEX_E) 내부로 유입되는 냉매량이 충전밸브(vvc)를 조작하기 이전과 동일하게 되도록 하는 것도 바람직하다.

이하, 히트펌프(600)의 "회로"에 냉매를 충전하는 제1 제어에 대하여 설명한다. 회수밸브(vvd)는 닫혀있는 상태에서 충전밸브(vvc)를 (조금) 열면 압축기의 흡입력에 의하여 냉매 저장탱크(RS1) 내부의 기체냉매가 이동하여서 "회로"에 충전된다. 최종적으로는 저압라인의 압력과 냉매 저장탱크(RS1) 내부 압력이 같아질 때까지 냉매가 "회로"로 충전된다.

제3 제어 및 제4 제어는 실시예 1과 동일 하므로 상세한 설명은 생략한다.

이상의 설명으로 제1 제어 내지 제4 제어가 히트펌프(600)에서 가능하다. 따라서 본 실시예 에서 설명된 절차를 사용하여서 히트펌프(600)을 구동하면 응축온도와 증발온도를 개별적으로 조절할 수 있음은 당연하다.

한편, 냉매 충전밸브(vvc)와 회수밸브(vvd)을 모두 잠그고 장시간이 지나면, 냉매 저장탱크(RS1) 내부의 냉매가 기화를 하여서 저장탱크(RS1)압력이 응축기 내부압력보다 더 높아질 수도 있다. 그러면, 냉매를 회수할 때 냉매 회수 시간이 평소보다 더 많이 걸릴 수 있다. 따라서, 평상시에는 상기 냉매 충전밸브 (vvc) 및 회수밸브(vvd)를 모두 잠그고 있기보다는, "회로"를 순환하는 냉매 대부분(예, 98% 냉매 순환량)은 팽창밸브(EXV)를 통하여 순환하고, 순환하는 냉매 일부(예 2% 냉매 순환량)은 항상 상기 저장탱크(RS1)을 통과할 수 있도록 하여서, 상기 저장탱크(RS1)내부 압력이 고압과 저압 사이의 압력이 되도록 하는 것이 바람직하다.

도7의 히트펌프(700)은 냉매 충전밸브(vvc)가 저장탱크(RS2)와 압축기(C) 입구 사이에 설치된 경우를 예시한 것이다. 히트펌프(700)의 저장탱크(RS2)는 실외기에 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 히트펌프(600)에는 냉매 저장탱크(RS1)가 팽창밸브 (EXV)와 병열로 설치되었기 때문에 실내기에 상기 저장탱크(RS1)이 설치되는 것이 바람직하다. 자동차와 같이 실내기 공간이 협소한 경우는 히트펌프(700)이 바람직할 수도 있다.

이하 도8 을 참조하여 본 발명에 적합한 히트펌프(800)의 일 예를 설명한다.

히트펌프(800)은 압축기(C), 응축기(HXE_C), 기계식 제1 팽창밸브(EXV1) 및 증발기(HEX_E)가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되어 히트펌프 "회로"를 구성한다. 그리고, 상기 팽창밸브(EXV1)와 병열로 전자식 제2 팽창밸브(EXV2)가 설치된다. 상기 증발기(HEX_E)에 공급되는 냉매량은 상기 제1 팽창밸브(EXV1) 및 상기 제2 팽창밸브(EXV2)로 조절된다. 여기서, 상기 제2 팽창밸브는 냉매를 회수하는 회수밸브(vvd), 냉매 저장탱크(RS3) 및 냉매를 충전하는 충전밸브(vvc)가 직렬로 연결된 것이다. 상기 제2 팽창밸브(EXV2)는 하나의 몸체로 형성되거나 상기 부품들이 조립되어 형성된 것 일 수도 있다.

상기 제2 팽창밸브(EXV2)는 냉매를 팽창시키는 역할과, "회로"에 냉매를 충전하거나, "회로"에서 냉매를 회수 하는 역할(이하, "냉매 (충전량) 조절수단")을 한다. 이때, 상기 저장탱크 (RS3)에 저장될 수 있는 최대 냉매량은 히트펌프(800) 내부에 존재하는 총 냉매량의 1/2 이하인 것이 바람직하다. 여기서 상기 기계식 제1 팽창밸브(EXV1)은 모세관 일수도 있고, 열감응식 팽창밸브(TXV) 일 수도 있다.

이하, 히트펌프(800)의 바람직한 일 구동예를 설명한다.

먼저 제2 팽창밸브(EXV2) 내부의 냉매 회수밸브(vvd)를 완전히 잠그고, 냉매 충전밸브(vvc)를 완전히 개방한다. 그리고 압축기를 최대 설계 소비전력으로 구동한다. 그러면 고압과 저압의 차가 최대가 되는 설계압력이 형성된다. 이때 상기 증발기 (HEX_E)에 공급되는 냉매는 모두 제1 팽창밸브(EXV1)를 통하여 흐르게 된다.

이하 냉매를 회수하는 방법에 대하여 설명한다. 제2 팽창밸브 내부의 회수밸브 (vvd)를 통하여 냉매 저장탱크(RS3)로 유입되는 냉매량이 충전밸브(vvc)를 통하여 유출되는 냉매량 보다 많게 되도록 상기 회수밸브(vvd) 와 충전밸브(vvc)의 개도를 조정한다. 그러면, 상기 저장탱크(RS3)에는 저장되는 냉매량이 증가하게 된다. (회로에서 냉매를 회수하는 방법)

이하 냉매를 충전하는 방법에 대하여 설명한다. 제2 팽창밸브 내부의 충전밸브 (vvc)를 통하여 유출되는 냉매량이 회수밸브(vvd)를 통하여 냉매 저장탱크 (RS3)로 유입되는 냉매량보다 많게 되도록 상기 회수밸브(vvd) 와 충전밸브(vvc)의 개도를 조정한다. 그러면, 상기 저장탱크(RS3)에 저장되어 있는 냉매량이 감소하게 된다. (회로에 냉매를 충전하는 방법)

열교환기에서 열교환량(Q = c·m·dt)을 같게 유지 하면서 고압과 저압의 압력차를 줄이는 것은 상기 제2 팽창밸브(EXV2) 내부에 저장되는 냉매량을 조절 [ 냉매 (충전량) 조절기능 ] 하여서 수행 하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 회수밸브(vvd), 상기 저장탱크(RS3) 와 충전밸브(vvc)를 통과하는 냉매량으로 증발기(HEX_E)에 공급되는 냉매량을 조절( 팽창밸브 기능 ) 하는 것이 바람직하다.

고압을 낮추는 경우는, 예 도1 에서 (92)-(93) 을 (82)-(83) 으로 낮추는 경우, 먼저 응축기 팬의 소비전력을 더 높여서 과냉도를 더 크게 하고 ( "더 크게 하면서"를 포함하는 개념 ), 상기 냉매(충전량) 조절수단으로 냉매를 회수하여 달성하는 것이 바람직하다. 이것은 냉매를 회수하면 응축온도가 낮아지면서 과냉도가 낮아지기 때문 [ 도1 (92)-(93) 및 (82)-(83) 참고 ] 이다.

저압을 높이는 경우는 ( 예 도3 에서 (14)-(11) 을 (14b)-(11b) 로 높이는 경우 ) 먼저 증발기 팬의 소비전력을 더 높여서 과열도를 더 크게 하고 ( "더 크게 하면서"를 포함하는 개념 ), 상기 냉매(충전량) 조절수단으로 냉매를 충전하여 달성하는 것이 바람직하다. 이것은 저압이 변하는 도중에 압축기에서 액압축이 발생하는 것을 방지하기를 바라기 때문이다.

종래의 냉매 (충전량) 조절수단이 없는 에어컨은 어느 정도 가동되어서 냉방 부하량이 감소된 경우는 실내기 팬이 저속으로 회전하게 된다. 그리고 이때, 응축기의 응축온도 및 증발기의 증발온도를 조절할 수 없었다.

본 실시예에 의하면, 응축기의 응축온도를 유지하면서 증발기의 증발온도를 높일 수 있다. 그리고 증발기의 증발온도를 유지하면서 응축기의 응축온도를 낮출 수 있다. 즉, 고압과 저압의 압력차를 줄여서 히트펌프의 효율을 개선할 수 있다. 따라서, 냉방 부하량이 최대 정격보다 작은 경우는 열교환기의 열교환량 (Q = c·m·dT)을 동일하게 유지하면서, 압축기 소비전력을 줄이고 열교환기 팬의 소비전력을 늘려서 히트펌프의 성능(COP)를 개선할 수 있다. 여기서, 열교환기 팬의 소비전력을 늘린다는 것은 "열교환기 팬의 회전 속도를 더 높인다." 또는 "단위 시간당 이송한 공기 무게를 더 늘린다."로 해석 할 수 있음은 당연하다. 그리고 압축기 소비전력을 줄인다는 것은 압축기를 별도로 제어하지 않고도, 제어순서 (100) (250) 과 같이 고압과 저압의 차가 줄어들면 압축기 소비전력이 줄어듬을 포함하는 것은 당연하다.

본 발명을 실시함에 있어서 주의해야 할 사항들 중에서, 첫 번째는 냉매 (충전량) 조절수단에 단열시공을 잘 하는 것이다. 냉매 조절수단 내부의 저장공간에는 고압과 저압의 중간압력이 형성된다. 액체 냉매가 회수밸브(vvd)를 통하여 상기 저장공간으로 유입되면 일부는 기체로 상이 변하고, 이때 액체·기체 의 비율은 상기 저장공간 압력에 따라 다르다. [ 도1, (93)-(94) 참고 ] 만약 단열이 잘 되지 않아서, 외부에서 열이 침투하거나 외부로 열이 유출되면 액체 기체의 비율이 달라져서, 원하지 않는 액체·기체 비율을 형성할 수 있기 때문이다. 그리고 두 번째는, 회부밸브(vvd) 와 충전밸브(vvc)가 상기 저장공간에 연결되는 물리적 위치 선정에 주의하여야 한다. 이 위치 선정이 잘못되면, 상기 저장공간에서 냉매가 유출되도록 조작을 하였지만 냉매가 유출되지 않고 상기 저장공간에 계속 뭉쳐 있을 수도 있기 때문이다.

도9 히트펌프(900)은, 도8 히트펌프(800)에서 제1 팽창밸브(EXV1)을 제거하고, 냉매 저장탱크(RS3)을 기액분리가 가능한 저장탱크(RS4)로 변경하고, 상기 기액분리기 (RS4) 내부의 기체를 압축기(C)로 인젝션( 보다 넓은 의미의 용어는 "공급") 할 수 있도록 변경한 것이다. 냉매를 충전 및 회수하는 방법은 히트펌프(800)과 동일한 원리로 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

이하 도8 과 도10 을 참조하여 본 발명에 적합한 히트펌프(800)을 제어하는 방법의 일 예를 설명한다.

도8 히트펌프(800)의 구성은 앞선 설명에서 상세히 하였으므로 생략한다. 다만 본 실시예에서, 제1 팽창밸브(EXV1)는 모세관, 온도 감응식(이하, "TXV"), 압력 감응식(이하, "PXV"), 전자식(이하, "EEV") 등의 팽창밸브를 사용하여도 된다.

본 실시예에서는 TXV 를 제1 팽창밸브(EXV1)으로 하여서 설명한다. 제2 팽창밸브(EXV2)를 제외한 나머지 부품 제어는 독립적으로 실시한다. 더욱 상세하게는, 압축기(C), 응축기 팬(FN_C), 과냉도 등의 제어는 독립된 제어기가 관리한다. 그리고, 제2 팽창밸브(EXV2)는 응축온도 (고압에서 냉매가 끓는 온도, 이하 "고압" 이라고도 표현할 수 있음) 를 참조하는 또 다른 독립된 제어기가 관리한다. (물론 하나의 제어기가, 독립적인 두 개의 제어루틴으로 동시제어를 할 수도 있다.)

이하, 히트펌프(800)에서 바람직한 제2 팽창밸브(EXV2)의 제어순서 일 예를 설명한다. 설명의 편의상, 회수밸브(vvd)와 충전밸브(vvc)의 개도가 같으면 같은 양의 냉매가 두 밸브를 통과하고, 개도가 한쪽이 크면 그쪽에 더 많은 냉매가 통과한다고 가정하고 설명한다. 실제에서는 각 밸브 양단 압력 차에 의해 위의 가정과 다를 수 있음은 당연하다.

< 초기화 단계 (s_init) >

제2 팽창밸브(EXV2)를 제어하는데 필요한 전원 공급이 개시되면, 회수밸브(vvd)의 개도를 충전밸브(vvc) 보다 작게 되도록 제어하여서 상기 저장공간의 내부에 있는 냉매를 비우는 단계(s_init)를 실시한다. 구체적인 수치로 일 예를 들면, 회수밸브(vvd) 개도는 2%, 충전밸브(vvc) 개도는 100% 로 설정한다. 압축기(C)가 동작을 개시하면, 응축온도(cv_2)는 상승하게 된다.

설정된 초기화 단계(s_init) 시간이 경과 되거나, 고압이 목표고압 보다 높게 되면, 충전밸브(vvc)의 개도를 ( 예, 100% 에서 2% 로) 줄여서 초기화 단계를 종료한다. 목표고압의 설정은 응축온도에서 응축기와 열교환을 하는 공기의 온도와의 차가 일정한 값이 되도록 하여 구할수 있다.

< 고압제어 단계 (hp_ctrl) >

충전밸브(vvc) 개도는 고정하고 (또는 개도가 고정된 밸브를 사용하고), 회수밸브(vvd)를 제어하여서 목표고압을 달성한다. 회수밸브(vvd) 개도가 충전밸브(vvc)보다 더 크면, 회로에서 냉매가 회수되어서 팽창밸브(EXV2) 내부의 저장공간(RS3)에 저장(이하, “냉매 회수단계”)된다. 반대로 더 작으면, 상기 저장공간(RS3)에서 회로로 냉매가 충전(이하, "냉매 충전단계") 된다. 고압을 측정하여서 목표고압과 비교하고, 상기 회수밸브(vvd)를 제어하여 목표고압을 달성할 수 있다. 산업에서 많이 사용하고 있는 PID, PI, Fuzzy 제어 등으로 구현할 수 있음은 당연하다.

회수밸브(vvd)를 고정하고 (또는 개도가 고정된 밸브를 사용하고), 충전밸브(vvc)를 제어하여서 목표고압을 달성할 수도 있다. 이것은 상기 두 밸브의 상대적인 개도가 냉매의 충전과 회수를 결정하기 때문이다. 여기서, 고정되는 밸브의 개도는 "냉매 배분을 일상 운전에서 제1 팽창밸브(EXV1)와 제2 팽창밸브(EXV2)에 어떻게 할 것인가”에 의하여 결정된다.

냉매의 충전·회수에 의하여 고압이 목표고압 부근에서 조금씩 변동할 경우, TXV 는 냉매의 충전·회수가 없는 때와 같이 잘 동작할 것이다. 이때, 상기 TXV 개도는 냉방부하의 크기에 비례함은 당연하다. 그리고, 통상 과열도 제어에 많이 사용하는 전자식 팽창밸브(EEV) 를 제1 팽창밸브(EXV1)로 사용할 경우에도 잘 동작함은 당연하다.

회로에 충전된 총 냉매량과 고압과 저압의 차는 비례한다. 하지만, 회로에 냉매를 저장할 수 있는 부품 (예, 리시버, 어큐뮬레이터…… ) 이 있으면 비례하지 않을 수도 있음에 주의하여야 한다. 제2 팽창밸브(EXV2) 내부에 저장되는 최대 냉매량은 리시버 드라이어의 선정 기준을 사용하여 구하는 것이 바람직하다.

충전밸브(vvc) 와 회수밸브(vvd) 내부에 냉매를 바이패스 시키는 오리피스를 추가하여서, 상기 오리피스를 제2 팽창밸브(EXV2)를 바이패스하는 모세관 즉 제1 팽창밸브(EXV1) 역할을 수행하게 할 수 있다.

그리고, 앞서 설명한 제어방법은 도9 히트펌프(900)에도 적용할 수 있음은 당연하다. 이때, 충전밸브(vvc) 와 회수밸브(vvd)에는 상기 밸브들을 바이패스하는 오리피스가 상기 밸브들 내부에 있는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 밸브들은 최소 개도가 설정되어서 그 이하로는 설정을 할 수 없도록 하는 것도 바람직하다. 여기서, 상기 오리피스 및 상기 최소 개도는 제1 팽창밸브 (EXV1) 역할을 수행한다. 즉, 상기 제2 팽창밸브(EXV1) 은 제1 팽창밸브(EXV1) 역할도 수행한다. 상기 제2 팽창밸브(EXV2)로 과열도를 제어하고자 할 때는, 충전밸브(vvc) 와 회수밸브(vvd)의 개도를 동시에 줄이고, 동시에 늘려서 수행하는 것이 바람직하다.

히트펌프(900)에서 제2 팽창밸브(EXV2)의 개도에 근거하여서 상기 목표 응축온도를 조절할 수도 있다.

냉매 저장수단에서 냉매가 압축기 입구로 바로 공급되어서 압축기를 냉각하는 용도(인젝션 기능 포함)로 사용될 수도 있다. 이때는, 상기 냉매 저장수단에서 압축기로 바로 공급되는 유량이 너무 많으면 효율이 낮아지므로 적정량의 냉매가 흐르도록 제어를 하는 것이 요구된다.

본 실시예는 ( 본 발명에 따른 목표 응축온도를 달성하는 ) 응축기 팬 속도 제어방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 목표 응축온도(t_tc)를 달성하면서, Q=c·m·dT 공식에 의하여 같은 양의 열을 교환하면서도 전체 소비전력을 낮추어 히트펌프의 효율을 높이는 응축기 팬 속도 제어방법에 관한 것이다.

본 실시예의 응축기 팬 속도 제어방법은 과냉도 측정수단과 냉매 (충전량) 조절수단이 필요하다.

이하, 응축기 팬 속도 제어 절차에 대하여 설명한다.

1) 팬 속도 제어기에 전원공급이 개시되면, 목표 응축온도(예, t_tc= 45 ℃ =외기온도 +10 ℃), 목표 과냉도(예, t_sc=5℃) 및 상기 팬의 초기 속도(예, fspd=95%)를 설정하는 초기화 단계가 필요하다. 여기서, 목표 응축온도(t_tc)는 다음과 같이 설정하는 것이 바람직하다. a) Q=c·m·dT 공식에서 최적의 응축온도(tc)를 목표 응축온도(t_tc)로 한다. b) 다수의 실험으로 최적 응축온도(tc) 및 최적 팬 속도(fspd)를 구할 수 있고, 이때 구한 것을 목표 응축온도(t_tc)로 한다. 상기 두 경우 모두, 같은 양의 열을 교환하면서 소비전력을 낮추고자 하는 것이 목적이고, dT 를 가변하기 위해서 응축온도를 능동적으로 제어하기 때문에 본 발명에서는 Q=c·m·dT 공식으로 구한 것이라고 보아야 한다. 그리고 응축 온도를 조절하기 위해서는 냉매 (충전량) 조절수단이 필요함은 당연하다.

전원투입 후 초기 대기시간이 지나면, 응축기 팬 속도 조절을 개시하는 것이 바람직하다.

먼저, 2) 응축온도(tc) 와 과냉도(sc)를 측정한다. 이때, 응축온도(tc)는 응축기 출구에서 냉매의 압력을 측정하고, 상기 측정된 압력에서 냉매가 끓는 온도(bubble point, boiling point, 이하 “응축온도”라 칭함)로 구하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 압력 측정지점에서 온도를 측정하고, 상기 “응축온도”(tc) 와 상기 실측온도와의 차로 과냉도(sc)를 구하는 것이 바람직하다.

그리고 3) 상기 팬 속도(fspd)를 제어하여서 목표 과냉도(t_sc)를 달성한다.

한편, 4) 상기 측정된 “응축온도”(tc) 를 참고하면서, 냉매 (충전량) 조절수단으로 목표 응축온도(t_tc)를 달성한다. 이때, 목표 과냉도(t_sc)와 목표 응축온도(t_tc)는 서로 독립 제어로 달성할 수 있음은 당연하다.

예를 들어서, 도11 참조, 부하가 작아서 [ 예, 20g 냉매를 1초에 열교환 하여야 할 경우, (20 g/s) ] 팬 속도(fspd) 50 % 에서 과냉도(sc)가 5 ℃ 가 된다. 그리고 냉매를 (40 g/s) 열교환 하여야 할 경우는 팬 속도(fspd) 75 % 에서 과냉도(sc)가 5 ℃ 가 된다. 그리고 모든 크기의 부하에서 응축온도(tc)는 목표 응축온도(t_tc) 이다.

이상의 제어절차는 응축기 팬 용량이 충분히 큰 경우에 적용된다. 즉, 새로운 히트펌프를 설계할 때 바람직한 제어방법이다.

이하 도12 을 참조하여서 설명한다. 도12 는 가변용량 압축기를 사용할 때 부하 크기에 따른 응축기 팬 제어방법의 일 예이다. 이것은, 이미 설치된 히트펌프를 개조할 때 바람직한 제어방법이다.

먼저 냉매 (충전량) 조절수단이 없는 종래기술에서, 압축기 압축속도가 높아지면 응축온도(o_tc)와 응축기 팬 속도(o_fspd)는 같이 상승한다. 열교환 요구량이 냉매 20 g/sec 인 경우, 종래기술에서는 응축기 온도(o_tc)가 50 ℃ 이다. 그리고, 응축기 팬 속도(o_fspd)는 20 % 이다. Q=c·m·dT 공식으로 같은 양의 열을 교환하여 효율을 개선할 때는, 응축온도(n_tc)는 목표 응축온도(t_tc) 45 ℃ 로 종래보다 5 ℃ 낮고, 팬 속도(n_fspd)는 50 % 로 종래보다 30 % 더 높다.

( 개조할 때, 팬을 더 높은 용량으로 교체하지 않은 경우에는 ) 열교환 요구량(다르게 표현하면 "압축기 속도")이 증가하면, 높은 부하에서는 팬 속도(n_fspd)가 포화되는 부하구간(예, 압축기 속도 60~100 %)이 발생 한다. 이 구간에서는 팬 속도를 더 높일 수 없기 때문에, 목표 응축온도(t_tc)를 무시하고, 응축온도(tc)를 더 높여 외부온도(t_ambient)와의 차를 더 증가시켜서 열교환 요구량을 종래와 같게 유지할 수 있다.

이하, 응축기 팬 속도 제어 절차에 대하여 설명한다.

먼저, 1) 소정의 값을 가지는 기준 팬 속도(예, d_fspd=95%)를 설정한다.

2) 응축온도(tc) 와 과냉도(sc)를 측정한다. 이때 과냉도는 압력과 온도를 측정하여서 구하는 것이 바람직하다.

3) 팬 속도가 기준 팬 속도 이상( fspd >= d_fspd )이고, 응축 온도가 상기 목표 응축온도 미만( tc < t_tc ) 이면, fspd < d_fspd 조건을 만족하는 제일 큰 값을 팬 속도(fspd)로 설정한다. 이것은, 응축기 팬의 속도(fspd)를 가변 제어하여서 같은 양의 열을 교환하도록 할 것이냐, 아니면, 팬이 포화 되었기 때문에 응축온도(tc)를 가변 제어하여서 같은 양의 열이 교환되도록 할 것이냐를 선택하기 위해서 이다.

4) 팬 속도가 기준 팬 속도 미만( fspd < d_fspd)이면, 팬 속도(fspd)를 제어하여서 과냉도(sc)를 조절하고, 냉매 충전량을 제어하여서 응축온도(tc)를 조절한다. [ 팬 속도가 포화되지 않았으므로 팬 속도(fspd)를 제어하여서 같은 열교환량 유지, 이때 종래 응축온도(o_tc)보다는 응축온도(n_tc)가 낮음. 또한 종래 팬 속도(o_fspd) 보다는 팬 속도(n_fspd)가 높음 ]

5) 팬 속도가 기준 팬 속도 이상( fspd >= d_fspd)이면, [ 냉매 (충전량) 조절로 ] 응축온도(tc)를 제어하여서 과냉도(sc)를 조절한다. [ 팬 속도가 포화 되었으므로, 응축기 온도를 조절하여서 같은 열교환량을 유지, 이때 종래 응축온도(o_tc)보다는 응축온도(n_tc)가 낮음. 또한 종래 팬 속도(o_fspd) 보다는 팬 속도(n_fspd)가 높음 ]

6) 제어 절차 2 내지 5 를 반복하여 수행한다.

위의 절차 1 내지 6으로 응축기 팬 속도를 제어하는 것은, 같은 양의 열을 교환하면서 소비전력을 낮추고자 하는 것이 목적이고, dT 를 가변하기 위해서 응축온도를 능동적으로 제어하기 때문에 본 발명에서는 Q=c·m·dT 공식으로 구한 것이라고 보아야 한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였다.

본 발명에서는, 히트펌프를 냉방 모드로 운전하는 경우에 대하여 상세히 설명하였으나, 난방 모드에서도 본 발명의 개념을 사용할 수 있음은 당연하다. 본 발명의 실시예에서는 각각 하나의 압축기, 실외 열교환기 및 실내 열교환기로 설명하였으나 복수개로 본 발명이 구현될 수 있음은 당업자에게는 당연하다.

본 명세서에서는 공기와 열교환 하는 것으로 설명하였는데, 액체와 열교환 할 수 있음은 당업자에게는 당연하다. 따라서 본 발명에서, 공기는 물을 포함하는 "유체" 로 해석하여야 한다. 또한, 열교환기에 유체를 공급하는 팬은 열교환기에 액체를 흐르게 하는 펌프를 포함함은 당연하다.

자동차에서는 외기 온도가 낮은데도 ( 창문을 닫아서 온실효과로 실내 온도가 높아서, 또는 비가 와서 창에 이슬이 맺혀서.. ) 에어컨을 구동해야 할 경우가 많다. 그리고, 인버터 압축기(일명, 가변용량 압축기)는 높은 부하일 때의 고·저압과 낮은 부하일 때의 고·저압은 약간 다르다. 본 발명에 따른 히트펌프 열교환기는 어떠한 경우에도 최소 소비전력으로 열교환을 할 수 있음은 당연하다.

종래의 냉매 (충전량) 조절수단이 없는 에어컨은 외기온도가 35℃ 인 경우 응축기 온도는 대략 60℃ 이고, 외기온도가 25℃ 인 경우 응축기 온도는 대략 50℃ 이다. 그리고 냉방 부하량이 결정되면, 응축기의 응축온도 및 증발기의 증발온도를 조절할 수 없었다. 본 발명의 히트펌프로, 차량용 에어컨에서 증발기 온도를 0℃ 설정하고, 과열도 과냉도를 각각 5℃ 로 설정하고, 응축기 온도를 60℃ 에서 50℃ 로 낮추면 성능 (COP) 는 약 30% 개선 된다. 이것은 미국의 자동차 에어컨 연비 측정조건인 SC03 모드 (외기 35℃)에서 에어컨 효율이 약 30% 개선될 수 있음을 의미한다. 그리고, 응축기 온도를 50℃ 에서 40℃ 로 낮추면 성능 (COP)는 약 33% 개선된다. 이것은 미국의 자동차 에어컨에 의한 CO2 발생량 측정조건인 AC17 모드 (외기 25℃)에서 에어컨 효율이 약 33% 개선될 수 있음을 의미한다.

이상, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 살펴보았으나 이는 예시에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형된 실시예가 가능함을 이해하여야 할 것이다. 그러므로, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

이상과 같은 본 발명의 히트펌프 제어방법에 의하면, 히트펌프 가동중에 고압과 저압의 사이가 더 커지는 것을 방지하여서 히트펌프의 성능(COP)를 높일 수 있으므로, 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

특히 자동차의 경우 에어컨 가동 차량연비가 개선되고, 에어컨에 의한 온실가스(CO₂) 발생량이 감소하므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

HEX_C 응축기
HEX_E 증발기
EXV, EXV1, EXV2 팽창밸브
C 압축기
RS1, RS2, RS3 냉매 저장탱크
FN_C 응축기 팬
FN_E 증발기 팬
vvc 냉매 충전밸브
vvd 냉매 회수밸브
t_sc 목표 과냉도
t_tc 목표 응축온도
tc 응축온도
sc 과냉도

Claims

압축기, 응축기, 팽창밸브(이하 "제1 팽창밸브") 및 증발기를 포함하는 회로가 밀폐된 냉매라인을 통해 연결되며, 응축기 팬, 증발기 팬 및 상기 회로에 냉매를 충전 또는 상기 회로로부터 냉매를 회수하는 냉매 (충전량) 조절수단(이하 "제2 팽창밸브" )을 포함하는 히트펌프의 제어방법에 있어서,

상기 제2 팽창밸브는 상기 회로에서 냉매를 회수하는 회수밸브, 냉매를 저장하는 저장공간, 상기 회로로 냉매를 충전하는 충전밸브가 상기 순으로 직렬 연결된 것을 포함하여 구성되고,
상기 제2 팽창밸브는 상기 제1 팽창밸브 입구와 저압라인 사이에 설치되고,

목표 응축온도를 설정하는 단계;
응축온도가 상기 목표 응축온도보다 낮을 때는 상기 냉매 조절수단이 상기 회로에 냉매를 충전하는 단계;
응축온도가 상기 목표 응축온도보다 높을 때는 상기 냉매 냉매 조절수단이 상기 회로로부터 냉매를 회수하는 단계; 를 포함하고,

일상운전에서 상기 제2 팽창밸브로 일정량의 냉매가 통과; 하도록 하는 히트펌프 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 팽창밸브를 제어하는데 필요한 전원공급이 개시 되면,
회수밸브(vvd)의 개도를 충전밸브(vvc) 보다 작게 되도록 제어하여 상기 저장공간의 내부에 있는 냉매를 비우는 단계; 를 실시한 다음에,
설정된 초기화 단계 시간(s_init)이 경과 되거나, 고압이 목표고압 보다 높게 되면 충전밸브(vvc)의 개도를 줄이는 단계; 를 더 포함 하는 히트펌프 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 냉매 충전단계와 회수단계는 충전밸브(vvc)와 회수밸브(vvd)중 어느 하나의 밸브는 개도를 고정하고 (또는 개도가 고정된 밸브이고), 다른 하나의 밸브를 조절하는 제어; 를 더 포함 하는 히트펌프 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 팽창밸브는 모세관, 열감응식 팽창밸브(TXV), 압력감응식 팽창밸브(PXV) 또는 전자식 팽창밸브(EEV) 중 어느 하나; 인 히트펌프 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 충전밸브(vvc) 와 회수밸브(vvd)는 냉매를 바이패스 시키는 오리피스를 포함; 하는 히트펌프 제어방법.
(과냉도 측정수단 및 냉매 충전량 조절수단을 포함하는) 히트펌프의 응축기 팬 속도 제어방법에 있어서,

목표 응축온도(예, t_tc=외기온도 +10 ℃), 목표 과냉도(예, t_sc=5℃) 및 상기 팬의 초기 속도(예, fspd=95%)를 설정하는 단계;

응축온도(tc) 와 과냉도(sc)를 측정하는 단계;

상기 팬 속도(fspd)를 제어하여서 목표 과냉도(t_sc)를 달성하는 단계; 및

상기 냉매 충전량 조절수단을 제어하여서 목표 응축온도(t_tc)를 달성하는 단계; 를 포함하는 응축기 팬 속도 제어방법.
제6항에 있어서,
소정의 상수값을 가지는 기준 팬 속도(예, d_fspd=95%)를 설정하는 단계; 를 더 포함하고,

상기 팬 속도가 상기 기준 팬 속도 이상( fspd >= d_fspd )이고, 응축 온도가 상기 목표 응축온도 미만( tc < t_tc ) 이면, fspd < d_fspd 조건을 만족하는 제일 큰 값을 상기 팬 속도(fspd)로 설정하는 단계;

상기 팬 속도가 상기 기준 팬 속도 미만( fspd < d_fspd)이면, 상기 팬 속도(fspd)를 제어하여서 목표 과냉도(t_sc)를 달성하는 단계 와 냉매 충전량을 제어하여서 목표 응축온도(t_tc)를 달성하는 단계; 및

상기 팬 속도가 상기 기준 팬 속도 이상( fspd >= d_fspd)이면, (냉매 충전량 조절로) 응축온도(tc)를 제어하여서 목표 과냉도(t_sc)를 달성하는 단계; 를 포함하는 응축기 팬 속도 제어방법.