KR20210132962A

KR20210132962A - 가변용량 압축기를 구비한 히트펌프

Info

Publication number: KR20210132962A
Application number: KR1020200051517A
Authority: KR
Inventors: 이동원
Original assignee: 이동원
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-11-05

Abstract

본발명은 히트펌프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 가변용량 압축기(C), 응축기(HEX_C), 팽창밸브(EXV) 및 증발기(HEX_E)를 포함하는 회로가 밀폐된 냉매 라인을 통해 연결되며, 응축기 팬(FN_C), 증발기 팬(FN_E), 냉매량 조절수단(RAAM) 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서, 상기 제어기(224)는 상기 압축기(C)의 압축용량 증감을 결정하는데 1개의 기준온도(T_set)를 사용하고; 상기 제어기(224)는 상기 기준온도(T_set)를 사용하여서 오차(E) [ = 실내온도(T_in) - 설정온도 (T_set) ] 를 구하고; 상기 제어기(224)는 소정의 제어주기로 압축기(C)를 제어하고; 상기 제어기(224)는 “실외 및 실내를 모두 제어하는 통합 제어기(224)” 또는 “실외 제어기(224_out) 및 실내 제어기(224_in)로 구성”되어서, 효율이 개선된 히트펌프에 관한 것이다.

Description

가변용량 압축기를 구비한 히트펌프 {Heat pump with variable capacity compressor}

본발명은 히트펌프에 관한 것이다.

히트펌프는 열원으로부터 "히터싱크"라 불리는 목적지로 열을 전달하는 장치이다. 히트펌프는 차가운 공간에서 열을 흡수하고, 따뜻한 공간으로 열을 방출한다. 에어컨을 포함하는 공조장치 (HVAC : Heating Ventialating and Air Conditioning) 및 냉장고가 히트펌프의 대표적인 예이다. 그리고 히트펌프를 사용하는 기기로는 냉수/온수를 제공하는 정수기, 건조기, 세탁기, 자판기 등이 있다.

본 발명은 발명인 출원한 미공개 특허 10-2020-7008025 를 개량한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 명세서에서 언급한 “선행문헌 1” 및 “선행문헌 2” 등에서는 소비전력이 큰 압축기로 목표압력(저압, 고압)을 달성하므로 순시 전력변동이 큰 문제점이 있다. 또한, 압축기로 저압 또는 고압을 조절하면 냉매 압축량도 같이 변한다. 그러면 팽창밸브를 통과하는 냉매량과 냉매 압축량이 다르게 되어서 최적화 제어가 어려운 문제점이 있다.

선행문헌 1 : 출원번호 KR 10-2007-7009952 (US2009/0013700 A1) 선행문헌 2 : 출원번호 KR 10-2016-0072934 선행문헌 3 : 출원번호 KR 10-2013-0084665 (US2015/0020536 A1) 선행문헌 4 : 출원번호 KR 10-2016-7026740(US 2016/0370044 A1) 선행문헌 5 : 출원번호 10-2007-0084960 선행문헌 6 : US 2011/0041523 선행문헌 7: US 7,010,927 B2 선행문헌 8: US 9,738,138 B2 선행문헌 9: US 2017/0059219 A1 선행문헌 10: US 2017/0115043 A1 선행문헌 11: 출원번호 KR 10-2014-0008064

본 발명에서는 (전기소비가 큰) 압축기가 아닌 다른 수단으로 목표압력을 달성하여서 순시 전력변동이 작은 히트펌프를 제공하고자 한다. 또한 압축기 제어방법이 단순하여서 효율 최적화가 종래보다 용이한 히트펌프를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 히트펌프는, 가변용량 압축기(C), 응축기(HEX_C), 팽창밸브(EXV) 및 증발기(HEX_E)를 포함하는 회로가 밀폐된 냉매 라인을 통해 연결되며, 응축기 팬(FN_C), 증발기 팬(FN_E), 냉매량 조절수단(RAAM) 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서, 상기 제어기(224)는 상기 압축기(C)의 압축용량 증감을 결정하는데 1개의 기준온도(T_set)를 사용하고; 상기 제어기(224)는 상기 기준온도(T_set)를 사용하여서 오차(E) [ = 실내온도(T_in) - 설정온도 (T_set) ] 를 구하고; 상기 제어기(224)는 소정의 제어주기로 압축기(C)를 제어하고; 상기 제어기(224)는 “실외 및 실내를 모두 제어하는 통합 제어기(224)” 또는 “실외 제어기(224_out) 및 실내 제어기(224_in)로 구성”된 것; 을 특징으로 한다.

이때, 냉방모드에서 상기 제어기(224)는 상기 오차(E) 가 “+” 이면 압축기(C)의 압축능력을 높이고 (예, 주파수를 소정의 스텝 증가 ), 오차가 “-” 이면 압축기(C) 압축능력을 낮추고 (예, 압축기 주파수를 소정의 스텝 감소 ) [ 어댑티브 델타 제어 ]; 난방모드에서 상기 제어기(224)는 오차(E) 가 “-” 이면 압축기(C)의 압축능력을 높이고 (예, 압축기 주파수를 소정의 스텝 증가 ), 오차가 “+” 이면 압축기(C) 압축능력을 낮추는 (예, 압축기 주파수를 소정의 스텝 감소 ) [ 어댑티브 델타 제어 ] ;상기 오차가 소정의 값 이내여서 오차가 0 으로 판정되면 압축기의 압축능력을 변경하지 않는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 제어기(224)는 상기 제어주기 이내에서 일부 구간에서만 증/감 된 제어량을 압축기에 제공하고; 상기 제어주기의 나머지 구간에서는 증/감 되기 이전의 제어량을 압축기에 제공[ 마이크로 제어주기 델타 제어 ]하는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 제어기(224)는 일상 운전조건에서 상기 냉매량 조절수단(RAAM)에 저장될 냉매량의 목표값을 정하지 않는 것; 이 바람직하다.

또한, 상기 히트펌프는, 목표 고압(HP_t), 목표 저압(LP_t), 목표 과열도(SH_t) 및 목표 과냉도(SC_t)로 냉방사이클이 설계되고, 상기 목표값들은 제1 내지 제8 케이스 중 어느 하나로 달성하는 것; 이 바람직하다.

본발명의 히트펌프는 (전기소비가 큰) 압축기가 아닌 다른 수단으로 목표압력을 달성하여서 순시 전력변동이 작은 히트펌프가 제공되는 효과가 있다. 또한 압축기 제어방법이 단순하여서 효율 최적화가 종래보다 용이한 히트펌프가 제공되는 효과가 있다.

도1 은 이상적인 냉방 사이클의 예이다.
도2 는 본발명의 기본 제어요소 설명에 참고되는 표이다.
도3 은 본발명에 바람직한 히트펌프 회로의 일 예이다.
도4 는 본발명에 바람직한 기본 제어요소 조합을 도시한 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 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, 본발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그리고 본발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.

이하의 설명에서는 편의상 특별한 언급이 없는 한 이상적인 히트펌프를 사용하여 설명한다. 이때 제어기는 히트펌프의 부품들을 제어하여서 각 부품의 성능을 조절한다. 이하 설명에서 “조절하여”, “제어하여”, “제어되는” 등의 서술이 있으면, 제어기를 별도로 언급하지 않아도, “제어기가 상기 서술이 이루어지도록 제어값을 제공함”을 의미한다. 또한, 제어기가 수행하는 "제어"는 어떤 "역할"일 수 있고, 어떤 "순서"일 수도 있다. 본 명세서에서 “제어”는 특별한 언급이 없는 한 “역할"로 해석하여야 한다. 또한, 본 명세서에서, 용어 "압력"은 "그 압력에서 냉매가 끓는 온도, 즉 응축온도 또는 증발온도"로 해석 할 수 있음에 유의해야 한다.

< 기본 제어요소 설명 >

도1 은 이상적인 냉방 사이클의 예이다. 목표로 하는 고압(HP_t), 저압(LP_t), 과열도 (SH_t) 및 과냉도(SC_t) 가 설정되면 냉방사이클은 완성된다. 여기에 추가로, 단위시간당 목표 냉매 압축량(gram/sec_target, 이하 “g/s_t” 또는 “목표 순환냉매량”) 을 표시하면 고압 및 저압에서의 열 교환량이 결정된다.

도2 는 도1 에 도시된 각 목표를 어떤 부품/수단을 써서 제어할 수 있는가를 도시한 것이다.

도3 은 바람직한 히트펌프의 일 구성 예이다. 압축기(C), 응축기(HEX_C), 증발기 (HEX_E) 및 팽창밸브(EXV)로 기본 냉방회로를 구성하고, 상기 팽창밸브(EXV)와 병렬로 냉매량 조절수단(RAAM)을 구비하였다. 여기서 냉매량 조절수단(RAAM)은 냉매 저장탱크(RS1), 냉매 저장탱크(RS1)와 고압 사이에 연결된 (냉매 회수)밸브(vvd) 및 냉매 저장탱크(RS1) 와 저압 사이에 연결된 (냉매 충전) 밸브(vvc)로 구성된다.

본 명세서에서 언급한 선행문헌 4, 5 및 6 에 팽창밸브와 병열로 냉매 저장탱크가 구비되어 있고, 상기 탱크는 밸브를 통하여 고압과 저압에 연결되어 있다. 상기 문헌들의 목적은 순환냉매량을 조절하여서 효율을 높이는 것이다.

다수의 문헌에서 다양한 방법으로 순환 냉매량을 조절하는 방법에 대하여 설명하였으므로, 본 발명에서는 상기 냉매량 조절수단(RAAM)을 사용하는 방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.

참고로, 선행문헌 7 의 도면에는 압축기와 병렬로 설치된 냉매량 조절수단(RAAM) 이 개시되어 있다. 상기 문헌의 상세한 설명에서, 상기 냉매량 조절수단(RAAM)은 고압과 저압 사이에 설치되며, 그 설치가 압축기 양단에 제한되지 않음을 선언하고 있다. “선행문헌 11” 에는 고압과 저압 사이에 설치되는 냉매 저장 탱크를 다양하게 예시하고 있다.

이하 도2 를 참조하여서 각 목표를 달성하는 방법에 대하여 설명한다.

1) 가변용량 압축기 제어(A) : 제어기(224)는 가변용량 압축기(C) 가 설정된 냉매량을 단위시간당 압축(g/s) 하도록 제어한다. 상기 압축량(gram/sec, 이하 “g/s”)은 냉방부하를 참조하여서 계산할 수 있다. 인버터 압축기(C)인 경우는 부하에 대응하여서 설정된 주파수로 가동한다. 저압(LP) 및 과열도(SH)가 일정하게 유지가 된다면 그 조건에서 냉매의 밀도는 일정하므로, 상기 압축기(C)가 단위시간당 압축하는 냉매량(g/s)은 구동 주파수별로 계산될 것이다. 본 발명에서 압축 행정거리가 가변되는 압축기를 사용할 수 있음은 당연하다. 이하, 본 명세서에서는 인버터 압축기를 사용하여서 설명한다. 한편, 상기 계산에서 목표 저압(LP_t)과 목표 과열도(SH_t) 에서의 밀도를 사용할 수 있음은 당연하다.

인버터 압축기(C) 의 주파수를 조절하면, 고압(HP), 저압 (LP) 및 냉매압축량(g/s) 이 영향을 받는다. 본 발명에서 제어기(224)는 압축기(C) 를 제어할 때 냉매 압축량(g/s)만 고려하고, 고압과 저압의 변동은 고려하지 않는다. 이하, 본 명세서에서 “A 로 B 를 조절” 은, “A 를 조절하면 영향을 받는 것 중에서 B 를 목표값이 되도록 A 를 조절하고, 나머지는 A 를 조절할 때 고려하지 않는 것” 을 의미한다.

2) 팽창밸브 제어 (x2) (y2) (z2) (u2) : 팽창밸브(EXV)를 현재보다 더 개방하면, 개방 이전보다 더 많은 냉매가 고압에서 저압으로 이동한다. 그 결과 개방 이전보다, 고압은 더 낮아지고, 저압은 더 높아지고, 팽창밸브를 통과하는 냉매량은 더 많아진다. 따라서 팽창밸브(EXV) 로 고압 또는 저압을 조절하여서 목표 고압(HP_t) 또는 목표 저압(LP_t)을 달성할 수 있다(x2)(y2).

인터넷에서 “eev superheet controller” 검색을 하면 다수의 상용제품이 있다. 따라서 팽창밸브(EXV)로 과열도를 조절하여 목표 과열도(SH_t)를 달성할 수 있다(z2).

“선행문헌 4” 에서 냉매량 조절수단(RAAM)으로 과냉도(SC)를 조절할 수 있음을 기술하고 있다. 상세하게는, 단락 [10]에 “작동유체의 과냉각은 유체 레벨을 상승 또는 하강시킴으로써 조절될 수 있다.”라고 설명하고 있다. 또한 “선행문헌 7 제4단 10~18 라인” 에서 “팽창밸브는 낮은 과냉도와 관련이 있을 수 있다.” 라고 설명하고 있다. (원문 : the expansion valve that may be associated with reduced subcooling.) 따라서 냉매량 조절수단(RAAM)과 병렬로 설치된 팽창밸브(EXV)로 과냉도를 조절하여 목표 과냉도(SC_t)를 달성할 수 있다(u2).

3) 팬으로 압력조절 (x3) (y3) : 고압부의 체적은 고정이고, 상기 체적 내부 냉매량도 고정이라고 가정하고 설명한다. 모든 냉매가 액체로 존재할 때, 액체 및 기체로 혼합되어 존재할 때, 그리고 모두 기체로 존재할 때, 고압부 압력은 상기 설명 순으로 압력이 높아짐은 당연합니다. 또한 초등학교에서 배우는 기체의 부피팽창과 수축에서, 외부에서 기체에 열을 공급하거나 제거하면 부피가 변한다. 이때, 부피를 고정하면 그 내부의 압력이 변함은 당연하다. 따라서, 열교환기에 열원을 공급하는 팬으로 압력을 조절할 수 있는 것은 당연하다.

냉매 응축에 필요한 열원(예, 공기, 물)을 열교환기에 공급하는 응축기 팬(FN_C)의 속도로 고압이 조절될 수 있음은 당연하다(x3). 그리고, 냉매 증발에 필요한 열원(예, 공기, 물)을 열교환기에 공급하는 증발기 팬(FN_E)의 속도로 저압을 조절할 수 있음은 당연하다(y3).

3) 팬으로 과열도(z3) 및 과냉도(u3) 조절 : 주지의 기술로써 간단히 언급한다면, 응축기 팬(FN_C)을 현재보다 더 빠르게 가동하여서, 현재보다 더 많은 냉매를 단위시간당 응축한다면, 이때 추가로 응축된 냉매는 응축기(HEX_C) 내부에 이전보다 더 많은 시간 머무르게 되고, 계속 열교환에 노출된다. 그 결과 냉매의 온도는 이전보다 더 낮아지고 과냉도는 더 증가하게 된다. 따라서 응축기 팬(FN_C)으로 과냉도를 조절할 수 있다(u3). 과열도(z3)의 경우는, 상기 설명에서 응축 및 과냉이 증발 및 과열로 바뀌고 나머지는 동일 하므로 설명을 생략한다.

3) 냉매량 조절수단(RAAM)으로 과열도 및 과냉도 조절 (z1) (u1): “선행문헌 4” 에서는 본 발명과 같이 팽창밸브에 병렬로 냉매량 조절수단(RAAM)이 설치되어 있다. 상기 문헌의 단락 [10] 에 “작동유체의 과냉각은 유체 레벨을 상승 또는 하강시킴으로써 조절될 수 있다.”라고 명시하고 있다. 그리고, 단락 [12] [33] [37] [39] [46] 에서도 유체 레벨을 조절하여서 과냉도를 조절하는 것을 기술하고 있다. 따라서 냉매량 조절수단 (RAAM)으로 과냉도을 조절하여서 목표 과냉도(SC_t)를 달성할 수 있다(u1).

그리고, 팽창밸브로 과열도를 조절하는 것은 주지의 기술이다. 따라서 팽창밸브와 병렬로 설치된 냉매량 조절수단(RAAM)으로 과열도를 조절하여서 목표 과열도(SH_t)를 달성할 수 있음은 당연하다(z1).

4) 냉매량 조절수단(RAAM)으로 냉매 저장량 조절 : “선행문헌 1” 에 자세히 설명되어 있다. 특히 청구항 1에, 열교환기에 존재하는 냉매량이 적은 경우는 냉매 저장용기에 밀도가 작은 냉매가 격납 되도록 고압과의 접속을 분리하고, 저압과 접속하도록 제안하였다. 또한 열교환기에 존재하는 냉매량이 많은 경우는 냉매 저장용기에 밀도가 큰 냉매가 격납 되도록 고압과 접속하고, 저압과 분리하도록 제안하였다. 본 발명도 이와 유사한 원리로 동작한다. 더욱 상세하게는 상기 문헌이 밸브를 접속(open) 과 차단(close) 으로 제어한다면, 본 발명은 밸브의 개방 정도(0~100%) 를 조절한다. 또한, 선행문헌 4, 6 및 7 의 대표 도면에, 본발명과 같이 고압과 저압 사이에 냉매량 조절수단이 설치되어 있다. 그리고 본문에 제어하는 방법이 상세히 설명되어 있음므로, 냉매 저장량 조절에 대한 상세한 설명은 생략한다.

5) 냉매량 조절수단(RAAM)으로 고압 및 저압 조절 (x1) (y1): 고압과 냉매 탱크(RS1) 사이에 연결된 냉매 회수밸브(vvd)를 현재보다 더 개방하면, 상기 밸브(vvd)의 개방 전보다 고압의 냉매가 냉매 저장탱크(RS1)으로 더 많이 회수된다. 그 결과 상기 밸브(vvd)의 개방 이전보다 고압은 더 낮아진다. 반대로, 상기 밸브(vvd)를 현재보다 더 폐쇄 하면, 냉매 저장탱크(RS1)으로 회수되는 냉매량은 밸브(vvd) 조작 이전보다 더 줄어들고, 고압은 높아지게 된다. 따라서 냉매량 조절수단(RAAM)으로 고압을 조절하여서 목표 고압(HP_t)을 달성할 수 있다(x1).

저압과 냉매 탱크(RS1) 사이에 연결된 냉매 충전밸브(vvc)를 현재보다 더 폐쇄하면, 냉매 저장탱크(RS1)에서 저압으로 유출되는 냉매는 상기 밸브(vvc)의 폐쇄 전보다 더 작게 된다. 그 결과 상기 밸브(vvc) 조작 이전보다 저압은 더 낮아진다. 반대로, 상기 밸브(vvc)를 현재보다 더 개방하면, 냉매 저장탱크(RS1)에서 저압으로 유출되는 냉매량은 밸브(vvc) 조작 이전보다 더 많아지고, 저압은 높아지게 된다. 따라서 냉매량 조절수단(RAAM)으로 저압을 조절하여서 목표 저압(LP_t)을 달성할 수 있다(y1).

이하 도1 및 도3 을 참고하여, 본발명에 따른 가변용량 압축기 제어방법의 일 예를 설명한다.(냉방모드)

도1 에 목표 고압(HP_t), 목표 저압(LP_t), 목표 과열도(SH_t) 및 목표 과냉도(SC_t)로 냉방사이클이 형성되어 있다. 이때 열교환 부하는 클 수도 있고 작을 수도 있다. 예를 들면, 봄 또는 가을에는 일반적으로 에어컨의 부하가 작을 것으로 예상한다. 그러나 이때에도 불을 많이 사용하는 주방은 부하가 클 것이다.

이하 설명을 간단히 하기 위하여, 목표 냉매 압축량(g/s_t) 을 제외한 나머지 목표들은, (HP_t) (LP_t) (SH_t) (SC_t), 달성되었다고 가정하고 설명한다. (상기 가정은 이하에서 별도로 설명한다.)

본 발명에 바람직한 제어기(224)는 소정의 시간 간격(이하 “제어 클럭” 또는 “클럭”)으로 오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set) 로 계산한다. 그리고 제어기(224)는 상기 오차가 “+” 이면 압축기(C)의 주파수를 한 스텝 증가시킨다. 만약 오차가 “-” 이면 압축기(C)의 주파수를 한 스텝 감소시킨다. (이하 “1 스텝 델타 제어”)

만약 상기 클럭의 주기가 (상기 제어결과가 실내온도에 모두 반영되는 시간보다 ) 길다면, 실내온도(T_in)가 서서히 설정온도(T_set)로 수렴해 갈 것이다. 반대로 상기 시간보다 짧다면 상기 제어결과가 실내온도에 일부만 반영 될 수 있다. 그리고, 복수의 제어가 수행(이하 “제어누적”)된 이후에 압축기 주파수의 증감 방향이 바뀔 것이다.

히트펌프에서 압축기는 소비전력을 제일 많이 소비하는 부품이다. 제어누적이 많이된 경우는 순시전력 변동이 클 것이고, 제어누적이 적은 경우는 순시전력 변동이 작을 것이다. 히트펌프의 운전 목표가 빠른 설정온도(T_set) 달성일 수도 있고, 순시전력 변동 최소화일 수도 있다. 따라서 운전 목표별로 제어 클럭의 주기가 다를 수 있다.

소정의 제어클럭에서, 부하가 큰 경우는 제어누적 개수가 많을 수 있다. 반면에 부하가 작은 경우는 제어누적 개수가 적을 수 있다. 그러므로 다수의 실험을 부하 크기별로 수행하여서 (히트펌프의 운전 목표에 맞는) 최선의 제어 주기를 구할 수 있음은 당연하다.

이하, 앞서 가정하였던 목표들 (HP_t) (LP_t) (SH_t) (SC_t) 을 달성하는 것에 대하여 설명한다. (도4 참조)

먼저, 제1 케이스는 (x1)-(y2)-(z3)-(u3) 조합 [즉, (a)] 으로 목표를 달성한다. 더욱 상세하게는, 냉매량 조절수단(RAAM)으로 고압(HP)을 조절하여서 목표 고압(HP_t)을 달성(x1)한다. 그리고, 팽창밸브(EXV)로 저압(LP)을 조절하여서 목표 저압(LP_t)을 달성(y2)한다. 그리고, 증발기 팬(FN_E)으로 과열도(SH)를 조절하여서 목표 과열도(SH_t)를 달성(z3)한다. 그리고, 응축기 팬(FN_C)으로 과냉도(SC)를 조절하여서 목표 과냉도(SC_t)를 달성(u3)한다. “기본 제어요소 설명” 에서 (x1) (y2) (z3) 및 (u3) 를 달성하는 방법은 상세히 설명하였다. 이하에서는 조합만 기술하고, 각 조합에 한 상세한 설명은 생략한다.

제2 케이스는 (x2)-(y1)-(z3)-(u3) 조합[즉, (a’)]으로 목표를 달성한다.

제3 케이스는 (x3)-(y3)-(z2)-(u1) 조합[즉, (b)]으로 목표를 달성한다.

제4 케이스는 (x3)-(y3)-(z1)-(u2) 조합[즉, (b’)]으로 목표를 달성한다.

제5 케이스는 (x1)-(y3)-(z2)-(u3) 조합[즉, (d)]으로 목표를 달성한다.

제6 케이스는 (x2)-(y3)-(z1)-(u3) 조합[즉, (d’)]으로 목표를 달성한다.

제7 케이스는 (x3)-(y2)-(z3)-(u1) 조합[즉, (e)]으로 목표를 달성한다.

제8 케이스는 (x3)-(y1)-(z3)-(u2) 조합[즉, (e’)]으로 목표를 달성한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예의 일 예를 설명하였다.

본 명세서 에서 1 스텝은 압축기를 제어할 수 있는 최소 제어량 변화값(이하, “제어 분해능”)이다. 일 예로 인버터 압축기의 제어 1 스텝은 1.0 Hz, 0.5 Hz, 0.1 Hz 등 다양한 값을 가질 수 있다.

본발명의 히트펌프 제어개념은 난방에도 적용할 수 있음은 당연하다. 따라서, 본 명세서에서 설명한 냉방모드의 "목표 증발온도" 은, "실내 열교환기(HEX_IN)의 열교환 온도"로 해석하는 것이 바람직하다. 그리고, "목표 응축온도" 은 "실외 열교환기(HEX_EX)의 열교환 온도" 로 해석하는 것이 바람직하다.

종래의 정속 압축기는 통상 기준온도를 2개 사용하여서 압축기의 가동 여부를 결정한다. 반면에 본 발명에서는 1개의 기준온도(T_set)를 압축용량의 증감을 결정하는 데 사용한다.

본 실시예는 앞선 실시예를 더욱 개량한 것이다.

더욱 상세하게는 한 번의 제어에서 복수의 스텝으로 압축용량을 변하게 하는 것이다.

부하가 큰 경우 1 스텝 값으로 인버터 압축기 주파수를 변경하기보다는 복수의 스텝 값으로 주파수를 변경하는 것이 바람직 할 수 있다. 예를 들어서 실내온도(T_in) 가 34 ℃ 이고 설정온도(T_set)가 25 ℃ 인 경우, 온도 오차 ( E = T_in - T_set ) 는 9 ℃ 가 된다. “1 스텝 / 오차 1 ℃” 의 제어량을 압축기에 공급한다고 가정하면, 오차 9 ℃ 의 경우는 9 스텝 값을 압축기에 공급하게 된다. 따라서 실시예 1 보다 빠르게 설정온도에 도달하게 되는 이점이 있다. 이것은 제1 실시예에 스텝 사이즈 콘트롤이 추가된 것이다. (이하, “어댑티브 델타 제어”)

상기 “어댑티브 델타 제어”를 다르게 표현하면, “오차항만을 사용하는 퍼지제어”라고도 할 수 있다. 즉, 오차가 크면 조작량을 많이 하고, 오차가 작으면 조작량을 작게 하는 퍼지 제어이다. 다수의 실험을 통하여, 상기 제어에 필요한 멤버십 함수 (또는 “스텝 사이즈 콘트롤 함수”)를 구할 수 있음은 당연하다. 그리고, 오차 크기에 비례하여서 조작량을 결정하는 “비례제어” 도 어댑티브 델타 제어의 일 예 임은 당연하다. 그리고, 스텝이 1인 “어댑티브 델타 제어”는 “1 스텝 델타 제어”이다.

일반 퍼지제어로도 인버터 압축기 주파수를 제어할 수 있음은 당연하다. 일 예로 통상 많이 채택하는, E = T_in - T_set 함수 및 dE = En - En-1 함수를 사용하여서 제어할 수도 있다. 이때에도 1개의 온도(T_set)를 압축용량의 증감을 결정하는 데 사용하였다.

히트펌프가 안정화된 경우 오차는 작게 된다. 이때, 압축기 주파수가 높으면(소비전력이 높으면) 부하가 큰 것이고, 실내기 팬(FN_IN) 속도는 높다. 반대로 압축기 주파수가 낮으면(소비전력이 낮으면) 부하가 작은 것이고, 실내기 팬(FN_IN) 속도도 낮다. 본 발명에서는, 두 경우 모두 “1 스텝 델타 제어”를 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 부하가 크든 작든 관계없이 오차의 절대값이 소정의 값(예, 0.7 ℃)보다 작으면 최소 스텝으로 인버터 압축기 주파수를 제어하는 것이다. 본 발명에 바람직한 제어기(224)는 오차(E)의 절대값이 소정의 값(예, 0.7 ℃)보다 큰 경우에는 어댑티브 델타 제어를 하는 것이 바람직하다.

이하, 분해능이 나쁜 저가의 압축기로 “1 스텝 델타 제어” 를 하는 경우에 대하여 설명한다. 설명의 편의상 조금 과장하여서 설명한다.

에어컨의 설정온도 25 ℃, 실내온도 26 ℃, 제어주기가 20 초 일 때, 냉방이 더 필요하다. 냉매 압축량을 현재보다 1 스텝 증가시켰다. 그랬더니, 1 스텝 냉매 압축량이 필요량 보다 많아서 실내온도가 24 ℃ 로 내려갔다. 이제는 냉방이 과하여 압축량을 현재보다 1 스텝 감소시켰다. 그랬더니 실내온도가 다시 26 ℃ 로 올라갔다. “1 스텝 델타 제어”를 계속하면, 온도가 24 ℃ 와 26 ℃ 를 20 초 주기로 번갈아 가면서 나타난다.

위 설명에서 1 스텝에 2 ℃ 내려간다고 가정하였으므로, 0.5 스텝으로는 1 ℃ 내려갈 것으로 예상된다. 현재 실내온도가 26 ℃ 로 냉방이 더 필요하다. 0.5 제어주기 (즉, 10초) 동안은 현재 제어값(예, 50) 보다 1 스텝 증가(예,51)된 값으로 압축기를 제어한다. 그리고, 나머지 주기에는 현재 제어값(예, 50)으로 압축기를 제어한다. 그 결과 실내온도는 25 ℃ 로 내려갔다. 그러면, 오차(=T_in - T_set) 는 0 이 된다. 오차가 0 이면 인버터 압축기 제어량 및 제어방법을 변경하지 않는다. 실제 제어에서 오차가 일정값 (예, +/- 0.25 ℃) 이내이면 오차를 0 으로 판정할 수 있음은 당연하다.

위 제어방법을 요약하면, 소정의 제어주기(예, 20초)로 델타제어를 수행한다. 상기 제어주기 내에서 일부 구간에서만 증/감 된 제어량을 압축기에 제공한다. 펄스폭변조(PWM)에 비유하면, 펄스의 하이 구간에서는 증/감 된 제어량으로 압축기를 제어한다. 그리고 펄스의 로우 구간에서는 증/감 이전의 제어량으로 압축기를 제어한다. 즉 스텝의 듀티를 제어하여서 압축기 제어 분해능을 높인다. (이하, “마이크로 제어주기 델타 제어”)

이상 본 발명에 바람직한 실시예들을 설명하였다.

본 발명에서 제어기(224)는 일상 운전조건에서 목표 냉매 저장량을 설정하고, 상기 목표를 달성하기 위하여 냉매량 조절수단(RAAM)을 제어하는 것이 없었다. 따라서, 종래의 냉매량 조절수단(RAAM)을 구비한 히트펌프보다 제어가 단순한 히트펌프가 제공된다.

본 명세서의 문구를 해석함에 있어서 냉수 또는/및 온수를 제공하는 정수기의 경우 실내온도(T_in)는 냉수 또는/및 온수의 온도로 해석하여야 함은 당연하다.

창문에 설치하는 일체형 에어컨의 경우는 제어기(224)가 하나의 PCB 로 구성될 수 있다. 반면에 분리형 에어컨은 실내 제어기(224_in) 및 실외 제어기(224_out)로 구성될 수 있다. 그리고 상기 실내 제어기(224_in)와 실외 제어기(224_out)은 서로 간에 필요한 정보를 통신으로 주고 받을 수 있음은 당연하다.

본발명에서는, 히트펌프를 냉방모드로 운전하는 경우에 대하여 상세히 설명하였으나, 난방 모드에서도 본발명의 개념을 사용할 수 있음은 당연하다. 냉방모드에서 응축기 팬(FN_C)는 실외기 팬(FN_EX)이고, 증발기 팬(FN_E)은 실내기 팬(FN_IN) 이다. 그리고, 난방모드에서 응축기 팬(FN_C)는 실내기 팬(FN_IN)이고, 증발기 팬(FN_E)은 실외기 팬(FN_OUT) 이다.

그리고, 각각 하나의 압축기, 하나의 실외 열교환기(HEX_EX) 및 하나의 실내 열교환기(HEX_IN)로 설명하였으나 복수의 실내 열교환기(HEX_IN), 복수의 실외 열교환기(HEX_OUT) 및 복수의 압축기로 본발명이 구현될 수 있음은 당업자에게는 당연하다. 이때, 복수의 실내 제어기(244_in)는 오차(E), 실내 팬(FN_IN) 속도 및 실내 열교환기 크기(HEX_IN)를 참고하여서, 실외 제어기(224_out)가 압축기의 압축능력을 증/감 하는데 필요한 정보를 실외 제어기(224_out)로 전송할 수 있다. 예를 들어서, 상기 정보는 압축기의 1회 압축량을 참고하여서 계산한, 델타 압축 횟수일 수 있다. 또한 상기 정보는 델타 압축량일 수도 있다. 본 발명을 실시함에 있어서 상기 정보는 델타 압축횟수 및 델타 압축량에 한정되지 않음은 당연하다. (상기 델타 압축횟수 및 델타 압축량은 실시예에서 상세히 설명한 어댑티브 델타 제어의 결과로 해석 할 수 도 있다.) 이때, 실외 제어기(224_out)는 복수의 실내 제어기(224_in)가 제공한 상기 정보들을 모두 합하여서 그 결과값으로 압축기를 제어할 수 있다.

또한, 선행기술 문헌들에 예시되어있는 히트펌프 회로에 발명의 개념 및 제어방법을 적용할 수 있음은 당연하다.

본 명세서에서는 공기와 열교환 하는 것으로 설명하였는데, 액체와 열교환 할 수 있음은 당업자에게는 당연하다. 따라서 본발명에서, 공기는 물을 포함하는 "유체" 로 해석하여야 한다. 이때, 열교환기에 유체를 공급하는 팬은 열교환기에 액체를 흐르게 하는 펌프로 해석하여야 함은 당연하다.

이상, 본발명에 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 본발명의 실시예들은 본발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

본발명이 개시됨으로서, (전기소비가 큰) 압축기가 아닌 다른 수단으로 목표압력을 달성하므로 순시 전력변동이 작은 히트펌프가 제공된다. 또한, 압축기 제어방법이 단순한 히트펌프가 제공된다. 또한, 종래의 냉매량 조절수단(RAAM)을 구비한 것보다 제어가 단순한 히트펌프가 제공된다. 그 결과 종래보다 더 높은 수준의 최적화가 가능하여서, 종래보다 효율이 개선된 히트펌프가 제공된다. 또한, 저가의 분해능이 나쁜 인버터 압축기로 고품질의 제어가 가능하므로 가격경쟁력 있는 히트펌프가 제공되므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

C : 압축기 EXV : 팽창밸브
HEX_C : 응축기 FN_C : 응축기 팬
HEX_E : 증발기 FN_E : 증발기 팬
RS1 : 냉매 저장탱크 vvd: 냉매 회수밸브
vvc : 냉매 충전밸브
HP_t : 목표 고압 SH_t : 목표 과열도
LP_t : 목표 저압 SC_t : 목표 과냉도
g/s_t : 목표 단위시간당 냉매 압축량

Claims

가변용량 압축기(C), 응축기(HEX_C), 팽창밸브(EXV) 및 증발기(HEX_E)를 포함하는 회로가 밀폐된 냉매 라인을 통해 연결되며, 응축기 팬(FN_C), 증발기 팬(FN_E), 냉매량 조절수단(RAAM) 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서,
상기 제어기(224)는 상기 압축기(C)의 압축용량 증감을 결정하는데 1개의 기준온도(T_set)를 사용하고;
상기 제어기(224)는 상기 기준온도(T_set)를 사용하여서 오차(E) [ = 실내온도(T_in) - 설정온도 (T_set) ] 를 구하고;
상기 제어기(224)는 소정의 제어주기로 압축기(C)를 제어하고;
상기 제어기(224)는 “실외 및 실내를 모두 제어하는 통합 제어기(224)” 또는 “실외 제어기(224_out) 및 실내 제어기(224_in)로 구성”된 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
제1 항에 있어서

냉방모드에서 상기 제어기(224)는 상기 오차(E) 가 “+” 이면 압축기(C)의 압축능력을 높이고 (예, 주파수를 소정의 스텝 증가 ), 오차가 “-” 이면 압축기(C) 압축능력을 낮추고 (예, 압축기 주파수를 소정의 스텝 감소 ) [ 어댑티브 델타 제어 ];

난방모드에서 상기 제어기(224)는 오차(E) 가 “-” 이면 압축기(C)의 압축능력을 높이고 (예, 압축기 주파수를 소정의 스텝 증가 ), 오차가 “+” 이면 압축기(C) 압축능력을 낮추는 (예, 압축기 주파수를 소정의 스텝 감소 ) [ 어댑티브 델타 제어 ];

상기 오차가 소정의 값 이내여서 오차가 0 으로 판정되면 압축기의 압축능력을 변경하지 않는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
제2 항에 있어서,
상기 제어기(224)는 상기 제어주기 이내에서 일부 구간에서만 증/감 된 제어량을 압축기에 제공하고;
상기 제어주기의 나머지 구간에서는 증/감 되기 이전의 제어량을 압축기에 제공[ 마이크로 제어주기 델타 제어 ]하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
제2 항에 있어서,
상기 제어기(224)는 일상 운전조건에서 상기 냉매량 조절수단(RAAM)에 저장될 냉매량의 목표값을 설정하지 않는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
제1 항에 있어서,
상기 히트펌프는, 목표 고압(HP_t), 목표 저압(LP_t), 목표 과열도(SH_t) 및 목표 과냉도(SC_t)로 냉방사이클이 설계되고,
상기 목표값들은 제1 내지 제8 케이스 중 어느 하나로 달성하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.