KR20220009301A - 성능이 성능이 개선된 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 히트펌프는, 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하고, 상기 제어기(224)는, 수평축은 공급열량(SQ)이고 수직축은 ( 열교환기에서 ) 냉매가 끓는점 온도(bp)인 평면에 구동주파수를 표현하는 직선 공식을 사용하며; 소정의 압축기(C) 구동 주파수(Freq)에서 소정의 공급열량(SQ)에 대한 상기 주파수(Freq)의 ( 상기 평면에서의 ) 기울기 및 수직축 절편을 구하고; 상기 기울기 및 절편을 사용하여서 기타 주파수에 대한 기울기 공식들을 구하고; 상기 공식들을 사용하여서 요구열량(RQ)에 대한 최적의 압축기 주파수(Freq) 및 실내 열교환기에서 냉매가 끓는점 온도(T_bp)를 구하는 것; 을 특징으로 한다.

Description

성능이 성능이 개선된 히트펌프{Heat pump with improved performance}

본발명은 계절성능이 개선된 히트펌프에 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.

에어컨의 경우, 최악의 고온에서도 냉방모드가 동작할 수 있도록 (응축온도가 높게) 냉매를 에어컨에 충전한다. 그 때문에 다른 조건(예, 저부하조건) 에서는 잉여냉매가 시스템 내부에 존재하여 히트펌프의 에너지 효율이 낮게 되는 문제점이 있다. 또한, 히트펌프의 계절성능은 특정한 외기온도에서 특정한 열부하를 가진다고 가정을 하고 측정을 한다. 그러므로 각각의 열부하에서 증발온도를 적극적으로 빠르게 조절하는 기술이 필요하지만, 아직 개시되지 않은 문제점이 있다.

출원번호 10-2015-0110192 출원번호 10-2018-0039152

본발명의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것이다. 즉, 계절성능이 개선된 히트펌프를 제공하고자 한다.

이를 위해 본발명에 따른 히트펌프는, 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하고, 일상운전(normal_op)에서 상기 제어기(224)의 역할은, 1) 압축기(C)를 소정의 1 스텝 값으로 주파수를 제어하고; 2) 공식 “오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set)” 으로 공급열량(SQ)의 증가 또는 감소할 것을 판정하며; 3) 상기 압축기(C)를 1 스텝 조절하여서 제공할 수 있는 열량보다 작은 공급열량(RQ)의 조절은, 실내 열교환기(HEX_IN)에서 냉매가 끓는온도(T_bp)로 조절하여서 공급열량(SQ)을 제공하고; 4) 상기 1 스텝 조절로 제공할 수 있는 열량보다 큰 공급열량(SQ)의 조절은, 상기 압축기(C)의 주파수를 조절하여서 공급열량(SQ)을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어기(224)는 요구열량별(RQ)로 상기 실내 열교환기에서 냉매가 끓는점 온도를 조절하기 위한 소정의 값(이하, “dT_in_hex”)을 가지며, 상기 요구열량(RQ)이 최소값에서 최대값으로 증가하면 상기 소정의 값(dT_in_hex) 는 유지 또는 감소하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어기(224)는 냉방모드에서 목표 증발온도(Te_t)는 실내온도(T_in)에서 상기 소정의 값(dT_in_hex) 을 공제한 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어기(224)는 난방모드에서 목표 응축온도(Tc_t)는 실내온도(T_in)에서 상기 소정의 값(dT_in_hex) 을 덧셈한 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

이를 위해 본발명에 따른 히트펌프는, 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서, 상기 제어기(224)는, 수평축은 공급열량(SQ)이고 수직축은 ( 열교환기에서 ) 냉매가 끓는점 온도(bp)인 평면에 구동주파수를 표현하는 직선 공식을 사용하며; 소정의 압축기(C) 구동 주파수(Freq)에서 소정의 공급열량(SQ)에 대한 상기 주파수(Freq)의 ( 상기 평면에서의 ) 기울기 및 수직축 절편을 구하고; 상기 기울기 및 절편을 사용하여서 기타 주파수에 대한 기울기 공식들을 구하고; 상기 공식들을 사용하여서 요구열량(RQ)에 대한 최적의 압축기 주파수(Freq) 및 실내 열교환기에서 냉매가 끓는점 온도(T_bp)를 구하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어기(224)는 고압에서 저압으로 냉매가 내려오는 시점에서의 냉매 엔탈피를 고압(HP)과 과냉도(SC)를 사용하여서 구하고, 상기 최적 압축기 주파수(Freq) 및 상기 끓는점 돈도(T_bp)를 보정하는 것이 바람직하다.

이를 위해 본발명에 따른 히트펌프는, 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서, 시동운전(start_op)에서 상기 제어기(224)의 역할은, 1) 기 설정된 소정의 초기 구동 주파수(Freq_init)로 압축기(C)를 제어 하고; 2) “오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set)“ 공식으로 오차를 구하며;

3) 초기 구동 주파수(Freq_init)로 구동 중에, 시간이 지남에 따라 평균 공급열량(avg_SQ), 평균 오차(avg_E) 및 실내온도(T_in)의 기울기(dE/dt) 를 구하고, 4) 상기 기울기(dE/dt)의 절대값이 소정의 상수값(c1) 보다 크면 부하가 크다고 판정하고, 공급열량을 상기 평균 공급열량(avg_SQ)를 유지하도록 하고, 5) 상기 기울기(dE/dt)의 절대값이 소정의 상수값(c1) 보다 작으면 부하가 작다고 판정하고, 일상운전(normal_op)을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어기(224)는 상기 초기 구동주파수(Freq_init)를 외기온도(Ta) 및 실내온도(T_in) 를 참조하여 결정하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제어기(224)는 구동 주파수(Freq) 를 증가시키는 기능을 포함하며;

상기 주파수(Freq)를 조절할 때는 “공급열량 변화분 / 주파수 변화분” (이하 “dSQ/dFreq”)를 계산하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제어기(224)는 증발온도(Te)를 증가시키는 기능을 포함하며;

상기 증발온도(Te)를 조절할 때는 “공급열량 변화분 / 증발온도 변화분” (이하 “dSQ/dTe”) 값을 계산하는 것이 바람직하다.

본발명에 의하면, 계절성능이 개선된 히트펌프를 제공되는 효과가 있다.

도1 은 p-h 선도의 일 예이다.
도2 는 압축기 주파수를 증발온도-요구열량 평면에 나타낸 표이다.
도3 은 압축기 주파수를 증발온도-요구열량 평면에 나타낸 그래프이다.
도4 는 압축기 주파수를 증발온도-요구열량 평면에 나타낸 다른 그래프이다.
도5 는 p-h 선도의 다른 예이다.
도6 은 히트펌프 회로의 일 예이다.
도7 은 가변용량 압축기의 압축량을 조절하는 회로의 일 예이다.
도8 은 압축기 주파수 및 증발온도를 조절하는 순서도이다.
도9 는 압축기 주파수를 증발온도-요구열량 평면에 나타낸 다른 표이다.
도10 는 바람직한 증발온도를 설명하기 위한 그래프이다.
도11 는 종래기술에서 인용한 도면이다.
도12 는 시동운전을 설명하기 위한 도면이다.
도13 는 시동운전을 설명하기 위한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본발명의 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.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본발명을 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, 본발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 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 부품들의 성능을 조절한다. 이하의 설명에서 “조절하여”, “제어하여”, “제어되는” 등의 서술이 있으면, 제어기를 별도로 언급하지 않아도, “제어기가 상기 서술이 이루어지도록 제어값을 제공함”을 의미한다. 또한, 본 명세서에서, 용어 "압력"은 "그 압력에서 냉매가 끓는 온도, 즉 응축온도 또는 증발온도"로 해석 할 수 있음에 주의하여야 한다.

본발명의 목표는 히트펌프의 계절성능(이하, Seasonal Energy Efficiency Ratio ”SEER”)을 개선하는 것이다. 이를 위해서는 응축기의 응축온도와 증발기의 증발온도를 개별적으로 설정하고 제어하는 기술이 필요하다. 그리고 부하가 낮을 경우에는, 실내열교환기에서 냉매가 끓는 온도와 실내온도와의 차를 줄여서 효율을 개선한다.

< 요소기술 설명>

고압과 저압이 적절히 형성되어 있는 냉방회로에서, 외부에서 상기 회로 저압부에 냉매를 추가로 충전하면, 상기 추가된 냉매는 (압력이 안정될 때까지) 일부는 고압부로 이동한다. 여기서, 냉매를 충전하면 고압(HP)과 저압(LP)이 모두 증가함을 알 수 있다. 반대로, 상기 회로에서 냉매를 회수하면 고압(HP)과 저압(LP)이 모두 감소함은 당연하다. 따라서, 제어기(224, 미도시)는 고압(HP)이 목표고압(HP_t)이 되도록 또는 저압(LP)이 목표저압(LP_t)이 되도록 냉매(충전)량 조절수단(RAAM)을 제어할 수 있다.

종래기술에는 다양한 냉매(충전)량 조절수단(RAAM)이 있다. 예를 들어 US 7,010,927 B2, US 2017/0115043 A1, 출원번호 KR 10-2016-7026740(US 2016/0370044 A1) 등에는 팽창밸브와 병렬로 설치된 냉매(충전)량 조절수단(RAAM)이 있다. US 9,738,138 B2 등에는 액체 고압부에 실린더 형태의 냉매 저장탱크를 포함한다. 또한, 출원번호 KR 10-2017-0086185 에는 응축기와 병렬로 설치된 냉매(충전)량 조절수단(RAAM)이 있다. 그리고 종래기술에서는, 실린더, 펌프, 전자식 팽창밸브, 솔레노이드 밸브 등 다양한 부품과 방법을 사용하여서 냉매(충전)량 조절수단(RAAM)을 조절한다.

팽창밸브(EXV)를 조절하면, 고압에서 저압으로 내려가는 냉매량이 바뀌고, 팽창밸브를 통과하는 냉매량, 고압(HP) 및 저압(LP)이 바뀐다. 그리고, 과냉도(SC) 및 과열도(SH)도 바뀐다. 본 발명에서는 필요에 의하여, 상기 바뀌는 것 중 어느 하나를 목표로 팽창밸브(EXV)를 조절할 수 있다.

이하, 열교환기 팬에 대하여 설명한다. 밀폐된 공간에서 냉매가 전부 액체인 경우, 액체/기체 혼합된 경우, 전부 기체인 경우, 상기 공간내의 압력은 상기 설명순으로 높아지는 것은 당연하다. 열교환기 팬은 열교환에 필요한 열원(예, 공기, 물 등)을 열교환기 내부의 냉매에게 제공하는 역할을 한다. 안정된 상태로 운전중인 냉방회로에서, 압축기가 압축한 냉매량(g/s)과 응축기에서 응축된 냉매량은 같은 것이 바람직하다. 그러면 고압은 변하지 않는다.

만약, 압축량 (g/s) 보다 적은 양의 냉매가 응축되도록 팬이 열원을 공급한다면, 상기 압축량(g/s) 만큼 응축될 때 보다 기체상태의 냉매가 많아지므로 고압은 높아진다. 반대로, 상기 압축량 (g/s) 보다 더 많은 양이 응축되도록 팬이 열원을 공급한다면, 상기 압축량(g/s) 만큼 응축될 때 보다 기체상태의 냉매가 적어지므로 고압은 낮아진다. 그리고, 제어기(224)는 응축기 팬으로 과냉도(SC)를 제어할 수 있음은 당연하다. 요약하면, 본 발명에서는 필요에 의하여, 열교환기 팬으로 압력을 조절할 수 있고, 과냉도(SC) 또는 과열도(SH)를 조절할 수도 있다.

인버터 압축기의 주파수를 현재보다 더 증가시키면, 냉매 압축량(gram/sec, 이하 “g/s”)은 증가한다. 그리고, 저압과 고압의 압력차는 주파수 조절 전보다 더 커진다. 즉, 고압은 주파수 조절 전보다 더 높아지고, 저압은 더 낮아진다. 본 발명에서 압축기는 목표 냉매 압축량 (gram/sec_target, 이하 “g/s_t”)을 달성하기 위하여 조절한다. 이때 동반되는 고압과 저압의 변동은 팽방밸브 또는 팬 등 다른 부품이나 수단을 써서 변하지 않게 조절한다.

< Q = c.m.dT 해석 >

이하, 도1 을 참고하여서 열교환 공식을 설명한다. 도1 에는 응축온도가 모두 60 ℃ 인 냉방 사이클들이 도시되어 있다. 과열도 및 과냉도는 모두 5 ℃ 이고, 증발온도는 각각 15 ℃, 10 ℃, 0℃ 인 냉방 사이클이다. 이하의 설명에서 상기 냉방 사이클들을 연관 지어 설명할 때는 상기 증발온도 순으로 설명한다.

열교환량 Q 는 열원의 비열 c, 열교환기에 공급된 열원의 총량 m 및 열교환기를 통과한 열원의 온도차 dT 의 곱으로 계산된다. 열교환기의 물리적 크기가 고정되어 있고 dT 가 일정하다면, 열교환기 팬의 속도에 의하여 열교환량이 결정된다. p-h 다이어그램에 형성된 소정의 냉방회로에서, 회로를 순환하는 냉매량이 많아질수록 열교환량도 많아지고 열교환기 팬의 속도도 빨라진다. 여기서, 대부분의 기술자는 열교환되는 냉매량과 팬의 속도는 무조건 비례한다는 고정관념을 가지게 된다.

본 명세서에서는, “증발되는 냉매량과 (열원을 공급하는) 팬의 속도는 무관하다.” 는 것을 염두에 두어야 한다. 극단적인 예를 들면, 더 많은 양의 냉매를 열교환 하면서도 팬의 속도는 더 느릴 수 있다. 도1 에 도시된 사이클 에서 각각 냉매를 10 gram/sec 증발시키려면, 증발온도가 높을수록 증발기 팬의 속도 또한 높아짐은 당연하다. 따라서, 같은 양의 냉매를 증발시키는데에도 팬의 속도가 다름을 알 수 있다. 각 사이클의 증발온도와 열원온도(예 25 ℃)와의 차를 계산해보면, 10℃, 15℃, 25℃ 이다. (dT 에 영향을 주는) 상기 온도 차들의 최소값과 최대값은 2.5배 차이가 난다. 그래서, 냉매를 10 gram/sec 증발시키는 증발온도 15 ℃ 사이클은, 냉매를 12 gram/sec 증발시키는 증발온도 5 ℃ 사이클은 보다 팬의 속도가 더 빠르다. 즉, 더 많은 냉매를 증발시킴에도 팬의 속도가 더 느린 경우가 발생한다.

< 가변용량 압축기 >

인버터 압축기는 주파수를 조절하여서 압축용량을 조절한다. 그리고 사판식 압축기는 행정 거리를 조절하여서 압축용량을 조절한다. 본 명세서 및 청구항에서는 “가변용량 압축기”를 “인버터 압축기” 로 기술한다. 그리고, 단위시간당 압축회수, 압축기의 행정거리와 같이 “용량을 조절하는 것”은 “인버터 주파수” 또는 “(Freq)” 를 사용하여서 설명한다. 참고로 현재 상태를 나타낼 때는 기호 앞에 “C_” 를 붙인다. 예을들면 현재 주파수는 “C_Freq” 표기한다.

본 명세서에서는 어떤 조작을 할 때에, 조작에 관여되지 않는 부품 또는 수단 등은 상기 목표값들이 달성되도록 제어가 적절히 수행되고 있다고 가정한다. 예를 들어서, 압축기 주파수 바꾸면, 고압(HP)과 저압(LP)이 영향을 받는다. 이때 제어기(224)는 고압(HP)과 저압(LP)의 목표값 (HP_t) (LP_t) 및 목표 과냉도(SC_t), 목표 과열도(SH_t) 가 달성되도록 제어값들을 관련된 부품에 제공한다. 즉, 압축기 주파수를 변경하는 조작으로는 p-h 다이어그램에 표현된 냉방 사이클의 모양이 변하지 않는다.

< 주파수 기울기 >

도2 을 참조하여서 인버터 압축기 주파수에 대하여 설명한다.

먼저 칼럼 (A) 에는 요구되는 증발기 열교환량 [ 이하, “요구열량(RQe)” ] 이 0.05 kW 간격으로 기록되어 있다. 이것은 정격 열교환량이 10 kW 일 때, 정격의 20~30 % 부하이다.

칼럼 (B)~(L) 에는 인버터 주파수가 예시되어 있다. 칼럼 (B) 는 증발온도 (Te) 가 0 ℃ 인 주파수 이다. 칼럼 (C)~(L) 에는 칼럼이 한 칸씩 증가할 때 증발온도(Te)가 1 ℃ 씩 증가한 경우의 주파수이다. 그리고, ( 냉매 증발온도에 과열도를 더한 온도에서의 ) 냉매밀도를 각 칼럼의 아래부분에 나타내었다. 열교환에 요구되는 냉매량(g/s)은 주파수(Freq), 일회 압축량(cc) 및 흡입 냉매밀도 (Density)의 곱으로 계산할 수 있다. [ 주요조건 : 응축온도 Tc=45 ℃, 과열도 SH = 과냉도 SC = 5 ℃, 일회 압축량 cc = 18 mL, 냉매 R410a, 나머지 변수=디폴트, 주파수에 따른 압축기의 성능변화는 없음, 그리고 팽창밸브 통과 냉매량 = 압축기 압축냉매량 ]

도2 에서 직선(dl_22)은 주파수가 22 Hz 이다. 직선 기울기가 일정하므로, 증발온도(Te)가 소정의 값만큼 증가하면, 냉방능력도 비례하여서 증가한다. 만약, 증발기의 열교환 능력이 포화 되었다면, 냉방능력은 비례하여서 증가하지 않을 것이다. ( 이하, “주파수 기울기로 포화판단” ) 그리고, 증발기 팬이 최대 속도 또는 소정의 한계값 이상으로 회전하고 있다면, 이것도 증발기가 포화 되었음을 판단하는 기준이 된다. 상기 조건들을 일부 또는 전부를 적용하여서 설정한 각 주파수별 증발온도(Te) 상한값(Te_hi_lmt)를 설정할 수 있다. 상기 주파수 22 Hz (dl_22) 의 증발온도(Te) 상한값을 10 ℃ 라고 한다면, 상기 주파수는 요구열량(Qe) 2.85 kW 를 대표한다고 할 수 있다.

실제 히트펌프에서 다수의 선행실험을 수행하여서 상기 도2 테이블을 만들 수 있음은 당연하다.

이하, 도1 을 참고면서 도2 가 이론적으로 합당함을 설명한다. 도1 의 모든 냉방사이클은 압축 주파수가 22 Hz 이다. 그러면, 각 냉방사이클에서 냉매 1 kg 의 열교환량은, 각 냉방 사이클 증발온도(Te)에서의 잠열에 비례한다. 도1 냉방 사이클에서 증발온도(Te)가 0℃에서 15℃로 올라갈수록 잠열이 커졌다. 즉 냉방능력이 높아졌다. 그리고, 과열도가 일정할 경우, 증발온도가 올라갈수록 ( 압력이 올라가기 때문에 ) 압축기 흡입냉매의 밀도가 높아짐은 당연하다. 그 결과 압축기 주파수가 같음에도 불구하고, 증발온도(Te)가 올라갈수록 냉방능력이 높아진다. 요약하면, 어떠한 냉방 사이클에서, 증발온도(Te)만 증가하고 나머지 운전변수는 변하지 않는 경우에는 냉방능력이 높아진다.

도2 에서, 인버터 주파수 22 Hz (dl_22) 를 보면, 증발온도 (Te) 가 0 ℃ 에서 10 ℃ 로 높아질수록 열교환량(Qe)가 커짐을 알 수 있다. 즉, 앞서 도1 참조하여서 설명한 이론과 일치함을 알 수 있다.

본 발명에서 관심을 가져야 할 것 중 하나는 “증발온도(Te)를 세밀하게 조절할 수 있다면, 열교환량(Qe)이 세밀하게 조절된다.”는 것이다. 이것은 저분해능 압축기를 사용하면서, 고분해능 열교환 능력을 구현할 수 있음을 의미한다. 다른 관점에서는, 고가의 고전력 부품의 제어 해상도를 높이지 않고, 저가의 저전력 부품의 제어 해상도를 높여서 원가 경쟁력을 높일 수 있음을 의미한다.

이하, 1개의 인버터 주파수의 기울기로부터 나머지 주파수의 기울기를 구하는 것에 대하여 설명한다. 이것은 응축온도(Tc), 과냉도 (SC) 및 과열도(SH)가 일정할 때 유효하다.

도3은 도2 를 구한 방식으로 주파수 기울기를 구하고 이것을 그래프로 나타낸 것이다. 여기서 수평축은 증발 요구열량(RQe)이고, 수직축은 증발온도(Te) 이다. 상세하게는, 10~100 Hz 주파수를 10Hz 간격으로 기울기(이하, “직선”)를 구하여 나타낸 것이다. 상기 직선들의 수직축 절편(yic)은 모두 -25.14 에서 -27.47 사이에 있었다(도4 참고). 이것은 p-h 다이어그램에서 증발온도가 낮아질수록, 포화증기선 지점의 엔탈피가 낮아지고, 같은 주파수로 획득할 수 있는 냉매량이 줄어들어서, 공급열량(SQ)이 줄어들기 때문으로 판단된다.

도4 에서 오차를 다소 감수하면, 상기 모든 직선들의 수직축 절편(yic)은 같다고 할 수 있다. 그러면, 한 개의 주파수 직선으로부터 절편(yic)이 같은 다른 주파수 직선을 구할 수 있다. 흡입 냉매밀도가 고정일 때, 현재 구동 주파수(C_Freq)에서 공급열량(SQ)을 알면, 다른 주파수에서 공급열량(SQ)을 알 수 있음은 당연하다. 일상운전(normal_op) 중에, 구동 주파수(C_Freq)에서 증발 공급열량 (SQe) 및 고압에서 저압으로 내려오는 시점에서의 냉매 엔탈피를 안다면, 고압(HP) 및 과냉도(SC)가 바뀌어도, 주파수별로 공급열량(SQ)를 보정할 수 있음은 당연하다. 상기 엔탈피는 고압(HP)과 과냉도(SC)를 사용하여서 계산할 수 있음은 당연하다.

< 외기온도 와 부하 >

일반적으로 외기온도(이하 “Ta”)가 낮으면 부하가 낮아지는 경향이 많다. 불을 많이 사용하는 주방, ( 미관을 중시하여서 ) 유리창으로 만들어진 건축물은 외기온도(Ta)가 낮아도 부하는 높다. 그리고 터널, 응달 또는 지하에 있는 사무실 등은 외기온도(Ta)가 높아도 부하는 낮을 수 있다. 따라서 본 명세서에서는 외기온도(Ta)와 부하의 크기는 절대적으로 비례하지 않음을 항상 유의하여야 한다.

이하의 설명에서, 증발온도(Te) 변경에 대한 특별한 언급이 없으면, 증발온도는 변하지 않음에 유의하여야 한다. 그리고 본 명세서에서, 실시예들은 명세서를 읽기 편하게 단락을 구분해 놓은 것이다. 그러므로 여러 실시예에서 필요한 부분들을 발췌하여서 실제 히트펌프를 구현할 수 있음에 유의하여야 한다.

이하 도5 내지 도7 을 참고하여, 본발명에 따른 히트펌프의 일예 (에어컨 냉방 모드)를 설명한다.

에어컨 제어 프로그램에서 고압(HP), 저압(LP), 과냉도(SC), 과열도(SH) 및 냉매 압축량 (gram /sec, “g/s”)의 목표값을 설정할 수 있다. 도5 은 이 목표값들을 p-h 다이어그램에 나타낸 것이다. 상세하게는 목표 고압(HP_t), 목표 저압(LP_t), 목표 과냉도(SC_t), 목표 과열도(SH_t) 및 목표 냉매 압축량 (gram /sec_target, “g/s_t”) 을 p-h 다이어그램에 나타낸 것이다. 본 발명인이 출원한 PCT/KR2019/013145 에는 다양한 방법으로 상기 목표값들을 달성하는 것이 개시되어 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의상 상세한 설명은 생략한다.

도6 은 기초적인 냉방 회로이다. 목표값은 5개인데, 제어기가 조절할 수 있는 부품은 4개이다. 본 실시예에서, 제어기(224)는 응축기 팬(FN_C)으로 고압(HP)이 목표고압(HP_t)이 되도록 제어한다. 이때 제어기(224)는 과냉도가 특정값이 되도록 하지 않고, 소정의 값 이상이 되도록 한다. 즉 목표 과냉도(SC_t)는 소정의 값(예, 3 ℃) 이상이다.

제어기(224)는 증발기 팬(FN_E)으로 저압(LP)이 목표저압(LP_t)이 되도록 제어한다. 그리고, 제어기(224)는 팽창밸브(EXV)로 과열도(SH)가 목표 과열도(SH_t)가 되도록 제어한다.

제어기(224)는 도7 의 제어회로(123)으로 압축기(C)를 조절하여서 목표 냉매 압축량(g/s_t)을 달성한다. 상세하게는, 설정온도 (T_set) 와 실내온도 (T_in) 를 비교해서 냉방이 더 필요 [ 이하, “약냉방(WkCool)” ] 하면 압축능력을 소정의 값(예, 1%)만큼 올리고, 과도한 냉방상태 (이하, ”과냉방(ExCool)” ] 이면 압축능력을 소정의 값(예, 1%)만큼 내리는 것이다. 그러면, 순시 소비전력의 변동폭은 소정의 값 (예, 1%) 이 된다. 이때, 증발기에서 나온 차가운 공기가 부하와 충분히 열교환을 하고 다시 증발기로 유입되는 시간을 주기 (예, 60초, 이하 “주파수 제어 클럭” 또는 “클럭”) 로 인버터 주파수가 조절되는 것이 바람직하다. 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 “delta modulation” 을 참고하면, 상기 제어회로 (123) 은 다양하게 변형이 가능하다. 상기 제어회로 (123) 은 압축기(C)로 고압(HP) 이나 저압(LP)이 목표값이 되도록 제어를 하지 않기 때문에, p-h 다이어그램에 나타나는 냉방사이클은 변하지 않는다.

요약하면, 본 발명에 바람직한 제어기(224)는 현재 냉방이 더 필요한지 아닌지를 판단한다. 그리고, 상기 판단에 따라서 압축량을 1 스텝 증 또는 감한다. 상기 제어를 “1 스텝 델타 제어” 라 칭한다.

제어결과가 실내온도에 모두 반영되는 시간 간격으로 상기 클럭이 동작하면, 실내온도(T_in)가 서서히 설정온도(T_set)로 수렴해 갈 것이다. 구체적인 수치로 예를 들면, 1분 간격으로 1% 압축능력을 조절한다면, 100분 후에는 무조건 냉매 압축량은 부하를 열 교환하는데 필요한 냉매량과 같아진다. 이때, 인버터 압축기의 주파수는 부하크기를 대표한다. 수치로 단순하게 예를 들면, 인버터 압축기가 0~100 Hz, 로 구동한다고 할 때, 주파수가 50 Hz 이면 공급열량(SQ)는 정격의 50% 이고, 주파수가 75Hz 면 공급열량(SQ)는 정격의 75% 이다.

압축기 주파수가 낮으면 [ 즉, 요구열량(RQ)가 낮으면 ], 일반적으로 증발기에서 열교환 능력에 여유가 있지만, 그렇지 않을 수도 있다. 이것은, Q=c.m.dT 공식에서 m 및 dT 를 조절하여서 Q 를 일정하게 할 수 있기 때문이다. 효율을 높이려면, 전기를 제일 많이 소비하는 dT 를 낮추고, 상대적으로 전기를 적게 소비하는 m 을 높이는 것이 바람직하다.

도2 에서 요구열량(RQe) 2.5 kW 를 만족할 수 있는 압축기 주파수는 19.37~26.89 Hz 이고, 증발온도가 0 ~10 ℃ 이다. 최고효율은 ( 팬의 소비 전력을 무시할 때 ) 압축기 주파수는 19.37 Hz 이고 증발온도(Te)는 10 ℃ 일 때 달성된다.

< 증발온도 산책 >

본 발명에서는 “오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set)” 를 사용하여서 “과냉방(ExCool)” 과 “약냉방(WkCool)” 을 구분한다. 그리고, 미세하게 증발온도(Te)를 조정(이하, “Te_adj”) 한다. 상세하게는, 과냉방(ExCool) 이면 증발온도(Te)를 낮춘다. 그리고 약냉방(WkCool) 이면 증발온도를 높인다. 상기의 증발온도 조정작업 (Te_adj) 으로 상기 오차(E)가 소정의 값(예, 0.2 ℃) 이내이면, 증발기의 공급열량(SQe)이 요구열량(RQe)과 같다고 판정한다.

그리고, 상기 오차의 절대값이 소정의 값(예, 1.5 ℃) 보다 크면 “약약냉방 (WWkCool)” 또는 “과과냉방(EExCool)” 이라고 추가 판정을 더 할 수도 있다. 본 발명에서는, 상기 추가 판정으로 압축기(C) 주파수를 조절한다. 과과냉방(EExCool) 이면 인버터 주파수를 낮춘다. 그리고 약약냉방(WWkCool) 이면 주파수를 높인다. 이때, 주파수 조절을 판단하는 오차(E) 값은 증발온도(Te)가 높아지면 커지고, 낮아지면 작아지는 것이 바람직하다. 상세하게는 증발온도(Te)가 높아지면, 1Hz 로 공급되는 열량이 많아지기 때문이다.

증발온도 산책법 (ObET :Optimization by Eva. Temp.): 현재 요구열량(RQe)을 모름

이하 도8 을 참조하면서 증발온도를 조절하는 일 예를 설명한다.

1-1) 시동운전(start_op)이 종료되거나, 일상운전(normal_op) 중에 (환기 등과 같은 이유로) 오차(E)가 소정의 값을 벗어나면 조절을 개시(S00) 한다. 통상, 시동운전은 미리 정해진 기준에 따라 수행된다. 종래기술에 다양한 시동운전 방법이 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 먼저, 현재상태의 운전변수를 확인(S01)한다. 이에는 현재 구동 주파수(C_Freq), 현재 증발온도(C_Te), 오차(E) 및 상기 인버터 주파수에서 증발온도(Te)의 한계값 (Te_hi_lmt) (Te_lo_lmt) 등이 포함될 수 있다.

1-2) 오차(E)가 0 이면 증발온도(Te)가 한계값 이내에 있는지를 판단하는 (S06) 으로 간다.

1-3) 과냉방(ExCool), 과과냉방(EExCool), 약약냉방(WWkCool) 으로 판정(S02)되면 약냉방(WkCool) 이 될 때 까지 “1 스텝 델타 제어”를 수행(S03)한다. 1 스텝 델타제어 수행에는, 현재 증발온도(C_Te)가 설정된 한계값 이내에 있는지 확인을 하고, 한계값을 벗어나면 제일 가까운 한계값으로 증발온도(Te)를 조정(S08)한다. 그리고 상기 제어 절차들을 처음부터 수행한다.

2-1) 약냉방(WkCool) 상태로 판정(S02)되면, 증발온도 미세조정(Te_adj)을 실시하여서 부하크기를 찾는다. 상세하게는, 증발온도(Te)를 증가하는 쪽으로 계속 미세조정 (Te_adj)을 수행 (S04) (S05) 한다. 이때, 오차(E)가 0 가 되면, 현재 공급열량(SQe)과 요구열량(RQe)은 같다고 판정한다.

2-2) 공급열량(SQe)과 요구열량(RQe)이 같다고 판정되면, 효율이 최고인지 아닌지를 판단(S06)한다. 현재 증발온도(C_Te)가 상한값 (Te_hi_lmt) 와 같으면, 최고의 효율을 달성하고 있음으로 조절을 종료(S09)한다. 그렇지 않고, 현재 증발온도(C_Te)가 상한값 (Te_hi_lmt) 보다 작으면(S06) 인버터 주파수를 1 스텝 감소(S07)시킨다. 그리고 상기 제어 절차들을 처음부터 수행한다.

상기의 증발온도 산책법(ObET)은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 증발온도 미세조정 (Te_adj)에서 증발온도(Te)를 감소하는 것을 더 포함할 수 있다. 또한 약약냉방(WWkCool) 및 과과냉방(EExCool) 없이 구현될 수도 있다.

이하, 상기 증발온도 산책법(ObET)을 도9 을 참고하여서 설명한다.

< 상태 S20 > 시동운전이 종료된 직후에 확인된 사항은 다음과 같다. 구동 주파수(C_Freq) = 30Hz, 증발온도(C_Te) = 1 ℃, 증발온도 상한값(Te_hi_lmt) = 10 ℃, 증발온도 하한값(Te_lo_lmt) =0 ℃, 1 스텝 = 2 Hz [ 요구열량(RQe)모름, 25% 부하 = 2.5 kW ]

공급열량(SQe) = 2.9 kW 이고, 요구열량(RQe)은 2.5 kW 이므로 과과냉방 (EExCool) 상태로 판정을 한다. “1 스텝 델타 제어” (S03) 를 수행하여서 1 스텝 (2 Hz) 를 낮추어서, 주파수를 28 Hz 로 설정한다.

< 상태 S21 > 공급열량(SQe) = 2.7 kW (C_Freq=28, C_Te=1 ℃ ) 이고, 과과냉방(EExCool) 상태로 판정을 한다. “1 스텝 델타 제어” (S03) 를 수행하여서 1 스텝 (2 Hz) 를 낮추어서, 주파수를 26 Hz 로 설정한다.

여기서 주파수를 1 스텝 낮추면 공급열량(SQe) 및 오차(E)의 변화분을 알 수 있다. 공식으로 표현하면 dSQe / Hz 및 dE / Hz 이다.

< 상태 S22 > 공급열량(SQe) = 2.5x kW ( C_Freq=26, C_Te=1 ℃ ) 이고, 요구열량(RQe)에 적합한 주파수는 24.93 Hz, Te=1 ℃ 이므로 미세하게 과냉방 (ExCool) 상태로 판정이 된다. “1 스텝 델타 제어” (S03) 를 수행하여서 2 Hz 를 낮추어서, 인버터 주파수를 24 Hz 로 설정한다.

< 상태 S23 > 공급열량(SQe) = 2.3x kW ( C_Freq=24, C_Te=1 ℃ ) 이고 약냉방(WkCool) 또는 약약냉방(WWkCool) 이 판정될 수 있다. 여기서, 주파수를 1 스텝 조정하였을 때 나타나는 온도 변화분이 약약냉방(WWkCool) 판정 기준(예, 1.5 ℃) 보다 작아야 함을 알 수 있다. 그러면 약냉방(WkCool) 상태로 판정된다.

이제부터 증발온도가 증가하는 방향으로 미세조정 (Te_adj) 을 한다. 예를들면 증발온도가 1분에 4 ℃ 씩 증가하도록 한다. 그러면, 약 30초 이후에 증발기에서 실내로 공급되는 “공급열량” 과 “요구열량”이 ( C_Freq=24, C_Te=2.x ℃ ) 에서 같게 된다.

여기서 증발온도(Te)를 1 ℃ 바꾸면 공급열량(SQe) 및 오차(E)의 변화분을 알 수 있다. 공식으로 표현하면 dSQe / dTe 및 dE / dTe 이다.

이제까지 구한 4개의 공식으로 구한 값들은 [ 현재 구동 주파수(C_Freq) 및 현재 증발온도(C_Te) 근처에서 ] 유용하게 사용될 수 있음은 당연하다. 즉, 계산을 통하여 상태 S28 의 조건을 찾을 수도 있다.

< 상태 S24 > 공급열량(SQe)이 요구열량(RQe)과 같으므로 ( C_Freq=24, C_Te=2.x ℃ ) 증발온도(Te)가 상한값(Te_hi_lmt)과 같은지를 비교(S06)한다. 현재 증발온도(C_Te)가 상기 상한값보다 작기에 인버터 주파수를 1스텝 낮추어서(S07), 인버터 주파수를 22 Hz 로 설정한다.

이하, 상태 (S25) 내지 (S27) 에서의 동작은 상태 (20) 내지 (24) 에서의 동작과 같고, 단지 수치만 다르므로 상세한 설명은 생략한다.

< 상태 28 > 이상의 절차로 주파수가 20 Hz, 증발온도(C_Te)가 9 ℃가 된다. 한 번 더 주파수를 낮추고 미세조정(Te_adj)를 하면 한계값 (Te_hi_lmt= 10℃) 보다 증발온도(Te)가 높아질 것이므로, 최고의 효율을 내는 증발온도는 9 ℃ 가 된다. 한편, 실제상황에서는 다양한 변수에 의하여 최고 효율이 다른 증발온도에서 나올 수도 있으므로, COP = 공급열량/소비전력 으로 실제로 계산을 하여 보는 것이 추천된다.

증발온도 점프법 (OET Jump :Optimization by Eva. Temp. Jump):

한 개의 주파수 직선으로부터 절편(yic)이 같은 다른 (주파수의) 직선을 유도할 수 있다. 상기 한 개의 직선은 시동운전(start_op) 중에 찾을 수도 있다. 그리고, 상기 유도된 공식으로 최적 주파수(Freq) 및 증발온도(Te)를 계산할 수 있다. 그리고 상기 계산으로 도출된 조건에서 증발온도 산책(ObET)를 실시할 수 있다.

이하, 요구열량(RQ) 에 적합한 구동조건을 빠르게 찾는 방법 일예를 설명한다. (냉방모드)

1) 현재 구동조건에서 공급열량(SQe)을 Q=c.m.dT 공식으로 구한다. 그리고 “오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set)” 공식으로 오차(E)를 구한다.

상기 오차(E)가 안정될 때까지 기다린다. 요구열량(RQe)에는 2 종류의 열이 있다. 첫째는 과거에 발생하여서 현재에 있는 열이고, 두 번째는 현재 발생하고 있는 열이다. 따라서 오차(E)가 안정되면, 현재 발생 열량과 요구열량(RQe)은 같음을 의미한다. 이때 오차(E)는 추가로 공급 또는 제거 하여야 할 열량에 비례한다. 이하에서는 설명의 편의상 “추가로 공급 또는 제거”를 “추가로 공급”이라고 표현한다.

2) 인버터 압축기의 주파수를 변경하여서 상기 절차 1)을 한번더 반복하여 수행한다. 일반화 하여서 현재의 시행회수를 n 이라 할 때, 각 회수의 주파수(Freq), 공급열량 (SQe) 및 오차 (E) 는 각각 Freq_(n), Freq_(n-1), …, SQe_(n), SQe_(n-1) …, E_(n), E_(n-1), E_(n-2) … 으로 표현한다.

“dFreq = Freq_(n) - Freq_(n-1)” 는 인버터 주파수의 차이다.

“dSQe = SQe_(n) - SQe_(n-1)” 는 공급열량의 차이다.

“dE = E_(n) - E_(n-1)” 는 오차의 차이다.

상기 3개의 공식으로부터 현재 오차 E_(n) 가 소정의 값이면, 오차 E_(n+1) = 0 로 하기 위한 공급열량 SQe_(n+1) 및 주파수 Freq_(n+1) 를 구할 수 있음은 당연하다.

3) 현재 구동주파수(C_Freq) 및 현재 증발 공급열량(C_SQe)를 알고 있으면, 증발온도(Te)를 조정하여서 “주파수의 기울기” 를 구하고, 수직축 절편(yic)을 구할 수 있다. [ 수평축은 공급열량 (SQe), 수직축은 증발온도(Te) ]

“dTe = Te_(n) - Te_(n-1)” 는 증발온도의 차이다.

“dSQe = SQe_(n) - SQe_(n-1)” 는 공급열량의 차이다.

“dE = E_(n) - E_(n-1)” 는 오차의 차이다.

상기 3개의 공식으로부터 현재 오차 E_(n) 가 소정의 값이면, 오차 E_(n+1) = 0 로 하기 위한 공급열량 SQe_(n+1) 및 증발온도 Te_(n+1) 를 구할 수 있음은 당연하다. 그리고, 주파수 기울기와 절편을 알면, 요구열량(RQe)을 만족하는 다양한 인버터 주파수-증발온도 조합을 계산으로 구할 수 있다.

이상, 일상운전에서 환기 등과 같은 이유로 급격한 부하변동이 있었을 때 빠르게 부하를 추종하는 방법에 대하여 설명하였다.

이상의 설명으로, 공급열량(SQ)별로 [ 열원과 열교환기(HEX_IN)와의 온도 차이 값(dT_in_hex) ] 을 구비하고, 현재온도 (T_in) 에서 상기 온도 차이 값(dT_in_hex)을 공제한 값으로 목표 증발온도(Te_t)를 설정하는 것이 바람직함을 설명하였다.

이하 도10 을 참조하여서 시동운전 및 일상운전에서 목표 증발온도를 설명한다. (냉방모드)

도10 에서 수평축은 시간이고, 수직축은 온도이다. 시각 (t0) 에서 전원이 투입되어 시동운전이 개시된다. 시동운전(start_op) 종료 조건을 만족하는 시각 (t2) 에서 일상운전(normal_op)이 개시된다. 실측된 실내온도 (Tm_in) 은 설정온도(T_set) 보다 높은값에서 설정온도(T_set)로 수렴하고 있다. 참고로 나타낸 (Tm_in_1) 은 실측된 실내온도(Tm_in)에서 어떤 상수값을 공제한 것이다.

일상운전(normal_op)에서 목표 증발온도 (Te_t) 는 실내온도(T_in) 에서 [ 요구열량별(RQ)로 기 설정된 열원과 열교환기(HEX_IN)와의 온도 차이 값(dT_in_hex) ] 을 공제한 것이 바람직하다. 이때, 상기 온도 차이 값은 요구열량(RQ)을 최고의 효율로 열교환 할 수 있는 값인 것이 바람직하다.

본실시예에서 일상운전(normal_op)에서의 요구열량(RQe)에는, 모두 현재 발생하는 열이고 과거 시점에서 발생한 열은 없는 경우이다.

도10 에는 목표 증발온도(Te_t)가 설정온도 (T_set) 보다 높은 구간이 있다. 사용자는 설정온도 (T_set) 보다 낮은 온도의 바람을 원할 수도 있다. 이때는 목표 증발온도(Te_t)를 설정온도(T_set) 보다 낮게 제한하면 된다.

또한, 히트펌프에서 발생하는 소음이 증발온도(Te) 상한값을 결정하는 기준이 될 수도 있다. 예를 들어서, Q 가 낮아서, m 을 매우 높이고 dT 를 매우 낮추어서 부하크기에 맞는 Q 를 만들 수 있다. 이때, 팬에서 발생하는 소음이 매우 클 것이며, 사용자가 싫어 할 수도 있다. 또한, 쾌적함을 느끼는 바람속도가 있는데, 이것을 초과하는 것을 방지하고자 증발온도(Te)의 상한값이 제한될 수 있다. 따라서, 요구열량(RQe)이 소정의 값 이하에서는 열교환기(HEX_IN)와의 온도 차이 값(dT_in_hex)는 일정한 값으로 제한될 수 있다. 그러면 요구열량(RQ)이 최소값에서 최대값으로 증가하면 상기 온도 차이 값 (dT_in_hex) 는 유지 또는 감소하는 경향을 가진다. [ 도3, 도4 에서 (ET_B) 참고 ]

이상에서는 고압과 과냉도가 변하지 않는 것을 전제로 설명을 하였다. 고압에서 저압으로 냉매가 내려오는 시점에서 냉매의 엔탈피를 알면, 일상운전 중에 고압과 과냉도가 변하여도 본 발명에 의한 결과값을 보정할 수 있음은 당연하다. 또한 과열도가 바뀌어도, 흡입냉매의 밀도를 알면 본 발명에의한 결과값을 보정할 수 있음은 당연하다.

이하 도11 을 참조하여서 시동운전(start_op)의 일 예를 설명한다. 도11 은 출원번호 10-2015-0110192 의 도5 를 인용한 것이다.

상기 도면에 따르면, 전원이 투입되면 압축기 주파수(Freq)를 소정의 값 (상기 도면에서는 72 Hz) 으로 계속 구동한다. 실내온도(T_in)의 기울기는 시간이 지남에 따라 완만해 지고 있다. 만약, 온도(T_in)의 기울기가 완만해지지 않고 처음의 기울기를 계속 유지한다면, 종래보다 빨리 설정온도(T_set)에 도달할 수 있음은 당연하다.

상기 문헌에는 팽창밸브의 개도, 증발온도의 변동유무 등에 대한 언급이없다. 상기 기울기가 완만해지는 이유는 다음과 같이 추측할 수 있다. (1) 시동전에는 고압(HP)과 저압(LP)이 같은 값을 가지고 있다가, 압축기가 가동하면 압력차가 발생하면서, 저압은 계속 낮아진다. 즉 압축기 흡입 냉매의 밀도가 낮아져서 공급열량(SQ)이 줄기 때문이다. (2) [ 압력(특히 저압)이 안정된 이후에는 ] 실내온도 (T_in) 이 계속 낮아진다. 그러면, Q=c.m.dT 공식의 dT 값에 영향을 주는 실내온도 (T_in) 과 증발온도 (Te) 와의 차이값이 자꾸 낮아져서 공급열량(SQ)이 줄기 때문이다.

이하 도12 및 도13을 참고하여서 공급열량(SQ)을 유지하는 방법 일 예를 설명한다.

냉매의 증발 엔탈피 최소값(h_lo)은 응축온도(Tc) 및 과냉도(SC)값으로 부터 구할 수 있다. 또한 증발 엔탈피 최대값(h_hi)은 저압에서 포화 증기의 엔탈피 로부터 구할 수 있다. 상기 엔탈피들은 테이블 또는 공식으로 구할 수 있음은 당연하다. 이값들은 시동운전 및 일상운전 중에 압력 [ 즉 증발온도(Te), 응축온도(Tc) ] 이 바뀌거나 과냉도가 바뀌면, 공급열량(SQ)의 예측값을 보정하는 데 사용할 수 있다.

하기의 스텝 (S101) 내지 (S112)는 순차적으로 수행되며, 판단문에 의하여 소정의 다른 스텝으로 갈 수도 있다.

< S101 > 전원이 투입되면 시동운전(start_op)을 시작한다.

< S102 > 압축기(C)의 주파수(Freq_init)를 설정한다. 일예로 정격의 75% 수준을 달성할 수 있는 주파수(예, 75Hz)로 설정할 수 있다. 또한, 외기온도(Ta) 및 실내온도(T_in)을 읽어서, 부하가 작다고 판단되면, 부하에 적합하다고 알려진 주파수로 설정할 수도 있다. 상기 주파수(Freq_init)는 다수의 선행 실험으로 구할 수 있음은 당연하다.

< S103 > 압축기 주파수(Freq_init)가 안정될 때까지 기다린다. 이하, 압축기가 안정적으로 상기 주파수로 구동되는 시각을 “(n-1)” 이라 한다.

< S104 > 시각 (n-1) 에서 히트펌프의 상태값을 읽는다. 상기 상태값은 오차(E) [ = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set) ] 및 공급열량(SQ)을 포함한다. 이하, 상기 값들은 “E_(n-1)” 및 “SQ_(n-1)” 로 표기한다.

< S105 > 소정의 시간(예, 5초)을 대기한다.

상기 소정의 시간이 되지 않아도 오차(E)를 계속 읽어서, 소정의 값 이하(예, 3 ℃) 이면 다음 스텝인 (S106) 으로 갈 수도 있다. 이것은 실내부하(RQ)가 작고, 실내온도 (T_in) 이 설정온도 (T_set) 근처에 있음으로 일상운전(normal_op)에 빨리 진입하고자 할 때 유용하다.

< S106 > 전원 투입 후로부터 경과시각을 확인(이하, “n“)하고, 시스템의 상태값을 읽는다. 상기 상태값은 오차(E) [ = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set) ], 공급열량(SQ), 냉매의 증발 엔탈피 최소값(h_lo) 및 증발 엔탈피 최대값(h_hi)을 포함한다. 이때 상기 값들은 “E_(n)”, “SQ_(n)”, “h_lo_(n)” 및 “h_hi_(n)“ 으로 표기한다. 그리고 ”dt“는 시각 (n-1) 과 (n) 의 시간차이다.

< S107 > 시각 (n-1)~(n) 구간에서 공급된 평균 공급열량(avg_SQ), 평균 오차(avg_E) 등을 계산한다. 그리고 실내온도(T_in)의 기울기 (dE/dt) 를 계산한다. 평균값 오차(avg_E)는 “avg_E(n, n-1) = [ E_(n) + E_(n-1) ] / dt” 로 구한다. 평균 공급열량(avg_SQ)는 “avg_SQ(n, n-1) = [ SQ(n) + SQ(n-1) ] / dt” 로 구한다. 오차(E)를 0 으로 만들기 위한 요구열량(RQ)은 “RQ = avg_SQ / avg_E * E” 로 구할 수 있다. 그리고 실내온도(T_in)의 기울기는 “dE/dt” 를 구한다.

물 1 gram 으로부터 1 cal/sec 으로 열을 제거하면, 상기 물의 온도는 1 ℃/sec 로 낮아진다. 즉 온도 기울기는 직선이다. 상기 비유에서 알 수 있듯이 증발기 공급열량(SQ)을 일정하게 유지하면, 실내공기 온도를 (습도와 관계없이) 일정한 속도로 낮출 수 있다. 시동운전에서와 같이 짧은 시간에서는 실내공기 습도가 변화지 않았다고 할 수 있기 때문이다.

< S108 > 상기 기울기 (dE/dt) 가 완만하면 요구열량(RQ)이 높다고 판정(RQ_high) 하고, 공급열량이 상기 평균 공급열량(avg_SQ)를 유지하는 스텝 (S109) 로 간다.

또한 상기 기울기 (dE/dt) 가 급하면 요구열량(RQ)이 낮다고 판정(RQ_low) 하고 일상 운전을 수행하는 스텝 (S111) 로 간다.

그리고, 냉방부하가 작은 경우에는, 전원을 투입하자마자 오차(E)가 소정의 값(예, 5 ℃) 이하인 경우도 일상 운전을 수행하는 스텝 (S111) 가는 것이 바람직할 수 있다. .

요구열량(RQ)를 “RQ = avg_SQ / avg_E * E ” 공식으로 대략 예측을 할 수 있다. 다수의 선행실험을 하여서, 상기 공급열량(avg_SQ)을 제공할 수 있는 냉방사이클의 목표값 [ 압축기 구동주파수(Freq_t) , 증발온도(LP_t), 응축온도 (HP_t) 등 ] 들을 설정할 수 있음은 당연하다. 그리고, 이상의 판단에 필요한 소정의 값은 다수의 실험을 통하여 구할 수 있음은 당연하다.

< S109 > 공급열량(SQ)를 유지하도록 한다. 냉방부하가 큰 경우에, 빠르게 설정온도(T_set)에 도달하기 위한 것이다. 구체적으로, (1) “압축기 주파수(Freq)를 증가시켜서 순환 냉매량을 높인다.”, (2) “증발온도(Te)를 높여 (냉매밀도를 증가 시켜) 순환 냉매량을 높인다.”, (3) “응축온도(Tc)를 낮추어서 냉매 1 gram 으로부터 획득할 수 있는 엔탈피를 높인다.” 등으로 구현할 수 있다.

증발온도(Te)를 조작 할 때는, “공급열량 변화분 / 증발온도 변화분” 인 “dSQ / dTe” 를 구하는 것이 바람직하다.

주파수(Freq) 조절할 때는 때는, “공급열량 변화분 / 주파수 변화분” 인 “dSQ / dFreq” 를 구하는 것이 바람직하다. 이때 주파수 변하는 1 스텝일 수도 있고, 현재의 오차(E)를 0 으로 만들기 위한 공급열량(RQ) 과 “현재 공급열량(SQ) / 현재 구동주파수(Freq) * 새 주파수(Freq_new)” 이 같아 지도록 하는 예측된 값을 (Freq_new) 으로 할 수도 있다.

< S110 > 현재 시점에서 오차(E) ( = T_in - T_set ) 를 구하고, E < c1 이면 (c1 은 소정의 값임. 예, 5 ℃) 실내온도가 설정온도 근처이므로, 일상운전(normal_op)를 수행하는 스텝 (S111)로 간다.

상기 E >= c1 이면, 아직 설정온도(T_set)에서 멀리 있음으로 공급열량(SQ)를 유지하는 스텝 (109) 로 되돌아간다. 이로써 실내온도(T_in)가 설정온도(T_set) 근처에 도달할 때까지 공급열량(SQ)을 계속 유지하게 된다.

< S111 > 일상운전(normal_op)를 수행한다.

< S111 > 프로그램을 종료한다.

이상 본발명에 바람직한 일 실시예들을 설명하였다.

히트펌프의 운전 목표가 빠른 설정온도(T_set) 달성일 수도 있고, 순시전력 변동 최소화일 수도 있다. 그러므로 다수의 실험을 부하 크기별로 수행하여서 (히트펌프의 운전 목표에 맞는) 최선의 제어 주기를 구할 수 있음은 당연하다.

난방모드에 대한 설명은 증발기가 응축기로 된다는 것과, 응축온도를 산책시킨다는 것을 제외하고는 같기에 상세한 설명은 생략한다. 요구열량(RQ)는 증발온도 요구열량(RQe)와 응축온도 요구열량(RQc)으로, 공급열량(SQ)에는 증발온도 공급열량(SQc)와 응축온도 공급열량(SQc)으로 구분할 수 있다. 그리고 냉방모드의 "목표 증발온도" 는, "실내 열교환기(HEX_IN)의 열교환 온도"로 해석하는 것이 바람직하다. 그리고, 냉방모드의 "목표 응축온도" 는 "실외 열교환기(HEX_EX)의 열교환 온도" 로 해석하는 것이 바람직하다.

본 명세서에서는 실내열교환기로 설명을 하였는데, 본 발명의 개념 및 방법을 실외 열교환기에 적용을 할 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. 또한, 열교환기에 유체를 공급하는 팬은 열교환기에 액체를 흐르게 하는 펌프를 포함함은 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 실시예 및 수치들은 본발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

이상과 같은 본발명의 히트펌프에 의하면, 요구열량별(RQ)로 압축기의 압축용량 및 실내 열교환기에서 냉매가 끓는점 온도(T_bp)를 (적극적으로 빠르게) 설정할 수 있어서, 계절별 성능이 개선된 히트펌프가 제공되므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

또한, 고가의 고전력 고분해능의 압축기를 사용하지 않고, 저가의 저전력 고분해능 제어기로 실내열교환기에서 냉매 끓는점 온도(T_bp)를 조절하므로, 원가 경쟁력 있는 히트펌프가 제공되므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.

SC_t 목표 과냉도
SH_t 목표 과열도
C 압축기
FN_C, FN_E 팬
EXV 팽창밸브

Claims (10)

1. 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서,
   일상운전(normal_op)에서 상기 제어기(224)의 역할은,
   1) 압축기(C)를 소정의 1 스텝 값으로 주파수를 제어하고;
   2) 공식 “오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set)” 으로 공급열량(SQ)의 증가 또는 감소할 것을 판정하며;
   3) 상기 압축기(C)를 1 스텝 조절하여서 제공할 수 있는 열량보다 작은 공급열량(RQ)의 조절은, 실내 열교환기(HEX_IN)에서 냉매가 끓는온도(T_bp)로 조절하여서 공급열량(SQ)을 제공하고;
   4) 상기 1 스텝 조절로 제공할 수 있는 열량보다 큰 공급열량(SQ)의 조절은, 상기 압축기(C)의 주파수를 조절하여서 공급열량(SQ)을 제공하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
2. 상기 제어기(224)는 요구열량별(RQ)로 상기 실내 열교환기에서 냉매가 끓는점 온도를 조절하기 위한 소정의 값(이하, “dT_in_hex”)을 가지며, 상기 요구열량(RQ)이 최소값에서 최대값으로 증가하면 상기 소정의 값(dT_in_hex) 는 유지 또는 감소하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어기(224)는 냉방모드에서 목표 증발온도(Te_t)는 실내온도(T_in)에서 상기 소정의 값(dT_in_hex) 을 공제한 값으로 설정하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제어기(224)는 난방모드에서 목표 응축온도(Tc_t)는 실내온도(T_in)에서 상기 소정의 값(dT_in_hex) 을 덧셈한 값으로 설정하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
5. 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서,
   상기 제어기(224)는,
   수평축은 공급열량(SQ)이고 수직축은 ( 열교환기에서 ) 냉매가 끓는점 온도(bp)인 평면에 구동주파수를 표현하는 직선 공식을 사용하며;
   소정의 압축기(C) 구동 주파수(Freq)에서 소정의 공급열량(SQ)에 대한 상기 주파수(Freq)의 ( 상기 평면에서의 ) 기울기 및 수직축 절편을 구하고;
   상기 기울기 및 절편을 사용하여서 기타 주파수에 대한 기울기 공식들을 구하고;
   상기 공식들을 사용하여서 요구열량(RQ)에 대한 최적의 압축기 주파수(Freq) 및 실내 열교환기에서 냉매가 끓는점 온도(T_bp)를 구하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
   
6. 제6항에 있어서,
   상기 제어기(224)는 고압에서 저압으로 냉매가 내려오는 시점에서의 냉매 엔탈피를 고압(HP)과 과냉도(SC)를 사용하여서 구하고, 상기 최적 압축기 주파수(Freq) 및 상기 끓는점 돈도(T_bp)를 보정하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
   
   
7. 가변용량 압축기 [ 이하, 인버터 압축기(C)를 대표로 하여서 기술함 ] 및 제어기(224)를 포함하는 히트펌프에 있어서,
   시동운전(start_op)에서 상기 제어기(224)의 역할은,
   1) 기 설정된 소정의 초기 구동 주파수(Freq_init)로 압축기(C)를 제어 하고 ;
   2) “오차(E) = 실내온도(T_in) - 설정온도(T_set)“ 공식으로 오차를 구하며;
   3) 초기 구동 주파수(Freq_init)로 구동 중에, 시간이 지남에 따라 평균 공급열량(avg_SQ), 평균 오차(avg_E) 및 실내온도(T_in)의 기울기(dE/dt) 를 구하고,
   4) 상기 기울기(dE/dt)의 절대값이 소정의 상수값(c1) 보다 크면 부하가 크다고 판정하고, 공급열량을 상기 평균 공급열량(avg_SQ)를 유지하도록 하고,
   5) 상기 기울기(dE/dt)의 절대값이 소정의 상수값(c1) 보다 작으면 부하가 작다고 판정하고, 일상운전(normal_op)을 수행하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제어기(224)는 상기 초기 구동주파수(Freq_init)를 외기온도(Ta) 및 실내온도(T_in) 를 참조하여 결정하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 제어기(224)는 구동 주파수(Freq) 를 증가시키는 기능을 포함하며;
   상기 주파수(Freq)를 조절할 때는 “공급열량 변화분 / 주파수 변화분” (이하 “dSQ/dFreq”)를 계산하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
10. 제7 항에 있어서,
    상기 제어기(224)는 증발온도(Te)를 증가시키는 기능을 포함하며;
    상기 증발온도(Te)를 조절할 때는 “공급열량 변화분 / 증발온도 변화분” (이하 “dSQ/dTe”) 값을 계산하는 것; 을 특징으로 하는 히트펌프.
    
    

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