WO2019147086A1 - 공기 조화기 및 공기 조화기의 제어 방법 - Google Patents

공기 조화기 및 공기 조화기의 제어 방법 Download PDF

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WO2019147086A1
WO2019147086A1 PCT/KR2019/001131 KR2019001131W WO2019147086A1 WO 2019147086 A1 WO2019147086 A1 WO 2019147086A1 KR 2019001131 W KR2019001131 W KR 2019001131W WO 2019147086 A1 WO2019147086 A1 WO 2019147086A1
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injection valve
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장용희
명성렬
임병국
정동일
서형준
전홍석
김동우
김용찬
이동찬
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삼성전자주식회사
고려대학교 산학협력단
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the disclosed invention relates to an air conditioner in which a refrigerant is circulated in an injection manner and a control method thereof.
  • the air conditioner includes an outdoor unit for performing heat exchange between the outdoor air and the refrigerant, and an indoor unit for performing heat exchange between the indoor air and the refrigerant.
  • the indoor unit includes a heat pump Cooling or heating the room by utilizing heat transfer generated during evaporation and condensation while the refrigerant circulates in the cycle.
  • an injection system in which a part of the refrigerant passing through the condenser is injected into the compressor to increase the flow rate of the refrigerant.
  • the air conditioner increases the efficiency of the air conditioner by increasing the amount of the refrigerant introduced through the injection valve and also prevents the deterioration of the refrigerant and the breakage of the compressor due to the increase in the internal temperature of the compressor .
  • the air conditioner includes a compressor for compressing refrigerant, an indoor heat exchanger for converting gaseous refrigerant into liquid refrigerant in a heating mode, an outdoor heat exchanger for converting liquid refrigerant to gaseous refrigerant in the heating mode, An injection pipe branched from the main piping and connected to an injection port of the compressor, a main valve installed in the main piping and controlling a flow rate of a refrigerant flowing to the main piping, a main valve installed in the injection piping, An injection valve for controlling the flow rate of the refrigerant flowing to the injection pipe, and a control unit for calculating an injection flow rate based on the opening amounts of the injection valve and the main valve and, when the calculated injection flow rate is not within a preset range, And a control unit for controlling the opening amount have.
  • the control unit may control the opening amount of the injection valve based on the relationship between the injection flow rate and the dryness of the refrigerant flowing in the injection.
  • the control unit may control the amount of opening of the injection valve so that the injection flow rate falls within a predetermined range.
  • the control unit may reduce the opening amount of the injection valve when the injection flow rate is not within a preset range.
  • the predetermined range can not exceed the limit value, and the limit value may include the range of 0.35 to 0.45.
  • the control unit may calculate the opening ratio between the injection valve and the main valve based on the opening amount of the injection valve and the main valve.
  • the control unit may calculate the opening ratio of the injection valve and the main valve based on the maximum opening value of the main valve and the injection valve, the length of the inner diameter, and the opening initial value at which the flow rate is generated in the main valve and the injection valve .
  • the control unit may calculate the injection flow rate based on the opening ratio of the injection valve and the main valve.
  • the compressor is capable of compressing a refrigerant mixed with liquid refrigerant and gaseous refrigerant introduced from the injection valve and liquid refrigerant flowing from the main valve.
  • a control method of an air conditioner is a control method of an air conditioner including a compressor, an indoor heat exchanger, and an outdoor heat exchanger.
  • the control method includes a main valve Calculating an injection flow rate based on an opening amount of the injection valve and an opening amount of an injection valve installed in the injection pipe and controlling a flow rate of the refrigerant flowing to the injection pipe, and if the calculated injection flow rate is not included in the predetermined range, And controlling an opening amount of the injection valve.
  • the step of controlling the opening amount of the injection valve may include controlling the amount of opening of the injection valve based on the relationship between the injection flow rate and the dryness of the refrigerant flowing in the injection.
  • the step of controlling the opening amount of the injection valve may include the step of controlling the amount of opening of the injection valve so that the injection flow rate falls within a predetermined range.
  • the step of controlling the opening amount of the injection valve may include a step of decreasing the opening amount of the injection valve when the injection flow rate is not within the predetermined range.
  • the predetermined range can not exceed the limit value, and the limit value may include the range of 0.35 to 0.45.
  • the step of controlling the opening amount of the injection valve may include calculating an opening ratio between the injection valve and the main valve based on the opening amount of the injection valve and the main valve.
  • the step of calculating the opening ratio of the injection valve and the main valve includes calculating an opening ratio of the main valve and the injection valve based on the opening maximum value of the main valve and the injection valve, And calculating an opening ratio of the main valve.
  • the step of calculating the injection flow rate may calculate the injection flow rate based on the opening ratio of the injection valve and the main valve.
  • the compressor is capable of compressing a refrigerant mixed with liquid refrigerant and gaseous refrigerant introduced from the injection valve and liquid refrigerant flowing from the main valve.
  • the opening of the injection valve can be maximally increased within a range in which there is no risk of damage to the compressor, thereby increasing the efficiency of the air conditioner.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a heating cycle in an air conditioner of an injection system.
  • FIG. 2 is a graph showing heating capacities and heating loads of a general air conditioner to which an injection method is not applied.
  • FIG 3 is a view illustrating a configuration of an outdoor unit and an indoor unit in an air conditioner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a control block diagram of an air conditioner according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a view illustrating a flow of a refrigerant when the air conditioner operates in a cooling mode according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a view showing a flow of a refrigerant when the air conditioner operates in a heating mode according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a PH diagram (refrigerant diagram) showing the relationship between enthalpy and pressure.
  • Fig. 8 is a view showing the equivalent conductors in the PH diagram.
  • FIG. 9 is a graph showing the circulation process of the refrigerant in the PH diagram in the air conditioner of the injection system in which gaseous refrigerant is injected.
  • FIG. 10 is a graph showing a circulation process of a refrigerant in a PH diagram in an air conditioner of a two-phase injection type in which liquid and gaseous refrigerant are mixed.
  • 11 and 12 are views showing the relationship between the vibration of the compressor and the injection flow ratio according to the dryness of the refrigerant.
  • 13 is a graph showing the relationship between the injection flow ratio and the opening ratio of the electronic expansion valve.
  • 14 is a diagram showing the formulas and specific values required for calculating the injection flow rate.
  • 15 is a flowchart illustrating a method of controlling an air conditioner according to an embodiment of the present invention.
  • connection when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only the case directly connected but also the case where the connection is indirectly connected, and the indirect connection includes connection through the wireless communication network do.
  • the identification code is used to identify each step and does not describe the order of the steps, and each step may be performed differently from the order specified unless the context clearly states a particular order.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a heating cycle in an air conditioner of an injection system
  • FIG. 2 is a graph showing a heating capacity and a heating load of a general air conditioner to which an injection system is not applied.
  • the refrigerant supplied from the accumulator 11 is injected into the compressor 12, and the compressor 12 compresses the gaseous refrigerant at a low temperature and a low pressure, And is discharged into the gaseous refrigerant.
  • the discharged gaseous refrigerant flows into an indoor heat exchanger (13) installed in a room.
  • the indoor heat exchanger (13) serves as a condenser for condensing gaseous refrigerant of high temperature and high pressure into liquid refrigerant of a lower temperature and a higher pressure, Thereby performing heat exchange with ambient air.
  • the indoor heat exchanger 13 condenses the gaseous refrigerant into a liquid phase and releases heat, so that room air is heated.
  • the low-temperature, high-pressure liquid refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger 13 is expanded in the main valve 15a to be decompressed.
  • phase conversion such as condensation or evaporation occurs by heat exchange in the heat exchanger
  • a part of the introduced refrigerant may remain without being phase-transformed.
  • the gaseous refrigerant is phase-transformed into heat by the heat exchange in the indoor heat exchanger 13
  • some gaseous refrigerant may remain in a gaseous state.
  • the refrigerant discharged from the indoor heat exchanger 13 may be in a mixed state with the liquid phase and the vapor phase.
  • phase transformation may occur. For example, when the liquid refrigerant passes through the main valve 15a, some of the refrigerant may undergo phase conversion to the gaseous refrigerant.
  • the low-temperature, low-pressure liquid refrigerant that has passed through the main valve 15a is injected into an outdoor heat exchanger 16 installed outside the room.
  • the outdoor heat exchanger 16 evaporates the low-temperature low-pressure two- Thereby serving as an evaporator.
  • the gaseous refrigerant that has passed through the outdoor heat exchanger 16 is injected into the accumulator 11 again so that the accumulator 11 can filter the refrigerant remaining in the liquid state due to phase inversion of the injected refrigerant.
  • the outdoor heat exchanger 16 converts the liquid phase refrigerant into the gas phase, energy must be supplied from the outside air. Therefore, as shown in FIG. 2, the outdoor heat exchanger 16 installed outdoors decreases the heating capacity as the outdoor air temperature is lowered, and the heating load increases and the heating performance deteriorates. On the other hand, as the outside air temperature increases, the heating capacity increases and the heating load decreases, resulting in a surplus capacity.
  • the outlet main pipe 10a of the indoor heat exchanger 13 is branched to form the injection pipe 10b, It is possible to supply a part of the refrigerant passing through the unit 13 to the compressor 12.
  • the refrigerant having passed through the indoor heat exchanger 13 can be introduced into the injection pipe 10b.
  • the liquid refrigerant flowing through the injection pipe 10b is expanded in the injection valve 15b, And the heat is exchanged while passing through the auxiliary heat exchanger (14).
  • the air conditioner according to an embodiment may employ an abnormal injection method to further increase the heating efficiency by increasing the amount of refrigerant supplied to the compressor.
  • the use of the abnormal injection method does not always mean that abnormal injection is performed but may be operated in a normal mode in which the injection flow path is not opened according to the operating environment of the air conditioner, Mode, and may operate in an abnormal injection mode in which the gaseous refrigerant and the liquid-phase refrigerant are supplied together.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an outdoor unit and an indoor unit in an air conditioner according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a control block diagram of an air conditioner according to an embodiment.
  • An air conditioner according to an embodiment is a device capable of performing heating or heating and cooling.
  • an air conditioner capable of performing both heating and cooling will be described as an example.
  • the air conditioner 1 includes an outdoor unit 100 for performing heat exchange between outdoor air and a refrigerant, and an indoor unit 200 for performing heat exchange between indoor air and refrigerant can do.
  • the outdoor unit (100) and the indoor unit (200) are connected to each other through a refrigerant pipe to constitute a cycle.
  • the flow of the refrigerant between the components constituting the outdoor unit 100 and the flow of the refrigerant between the components constituting the indoor unit 200 may also be performed through the refrigerant pipe.
  • the HFC refrigerant may be used as the refrigerant for exchanging heat with indoor air or outdoor air.
  • a mixed refrigerant containing R32 refrigerant or R32 refrigerant may be used.
  • the compressor (120) compresses the low temperature low pressure refrigerant sucked through the suction port (121) into high temperature high pressure refrigerant, and discharges the high temperature high pressure refrigerant through the discharge port (122).
  • the compressor 120 may be implemented as a rotary compressor or a scroll compressor.
  • the compressor 120 is not limited thereto.
  • the other end of the pipe connected to the discharge port 122 of the compressor 120 may be connected to the flow path switching valve 151.
  • the flow path switching valve 151 may be implemented as a four-way valve.
  • the flow path switching valve 151 is connected to the first port 151a connected to the discharge port 122 of the compressor 120, the second port 151b connected to the indoor heat exchanger 230 and the second port 151b connected to the outdoor heat exchanger 130 A third port 151c and a fourth port 151d connected to the accumulator 110.
  • the outdoor heat exchanger 130 operates as a condenser for condensing the gaseous refrigerant of high temperature and high pressure into the high pressure liquid refrigerant at a condensation temperature or lower in the cooling mode and is operated as an evaporator for evaporating the low temperature low pressure liquid refrigerant into the gaseous refrigerant evaporator.
  • the outdoor heat exchanger 130 may be provided with an outdoor air blowing fan 181 for exchanging heat between the refrigerant and the outside air in response to a change in enthalpy of the refrigerant generated by the outdoor heat exchanger 130 and for increasing heat exchange efficiency between the refrigerant and the outdoor air .
  • a main valve 152 may be installed between the outdoor heat exchanger 130 and the indoor heat exchanger 230.
  • the main valve 152 may be implemented as an electronic expansion valve capable of regulating the amount of opening of the main valve 152.
  • the main valve 152 may reduce the pressure of the refrigerant, adjust the flow rate of the refrigerant, and shut off the flow of the refrigerant, if necessary.
  • An accumulator 110 may be provided between the fourth port 151d of the flow path switching valve 151 and the compressor 120. [ The accumulator 110 can filter the refrigerant remaining in the liquid state without supplying a phase change in the refrigerant flowing into the compressor 120 from the flow path switching valve 151 and supply the oil to the compressor 120.
  • An oil separator for separating oil between the compressor 120 and the first port 151a of the flow path switching valve 151 is also provided to separate the oil from the refrigerant discharged from the compressor 120.
  • the indoor unit 200 is a unit that cools or heats the room through heat exchange between the refrigerant and the room air.
  • the indoor unit 200 may include an indoor heat exchanger 230 and an indoor ventilating fan 281. If necessary, two or more indoor heat exchangers and indoor ventilating fans may be installed.
  • the indoor heat exchanger 230 operates as an evaporator that evaporates the low-temperature and low-pressure liquid refrigerant into the gaseous refrigerant in the cooling mode, and operates as a condenser that condenses the gaseous refrigerant of the high temperature and high pressure into the high- .
  • the indoor ventilation fan 281 is installed close to the indoor heat exchanger 230 so as to blow indoor air, thereby enhancing the heat exchange efficiency between the indoor air and the refrigerant circulating inside the indoor heat exchanger 230.
  • the indoor unit 200 may include an indoor unit valve 154 for controlling the flow of the refrigerant.
  • the indoor unit valve 154 may be implemented as an electronic expansion valve capable of adjusting the amount of opening of the indoor unit.
  • the indoor unit valve 154 may reduce the pressure of the refrigerant, adjust the flow rate of the refrigerant, and shut off the flow of the refrigerant, if necessary.
  • the main pipe 101 connecting the indoor heat exchanger 230 and the outdoor heat exchanger 130 is branched to form an injection pipe 103.
  • the injection pipe 103 branches from the main pipe 101 and is connected to the injection port 123 of the compressor 120 via the auxiliary heat exchanger 140.
  • the injection pipe 103 may be provided with an injection valve 153 for controlling the flow rate of the refrigerant flowing through the injection pipe 103 and the injection valve 153 may be realized by a motorized valve capable of controlling the flow rate.
  • the injection valve 153 may be implemented as an electronic expansion valve.
  • the auxiliary heat exchanger 140 is capable of exchanging heat between the refrigerants.
  • the auxiliary heat exchanger 140 can ensure the supercooling degree of the high-pressure refrigerant during the operation in the cooling mode and the injection port 123 of the compressor 120 during the operation in the injection mode. It is possible to adjust the quality of the refrigerant flowing into the evaporator.
  • the auxiliary heat exchanger 140 may be embodied as a dual tube heat exchanger.
  • the outdoor unit 100 of the air conditioner 1 includes an outdoor unit controller 170 for controlling the compressor 120, the valve unit 150 and the fan unit 180, A sensor unit 160 for measuring the pressure and an outdoor unit communication unit 190 for communicating with the indoor unit 200.
  • the valve unit 150 may include the passage switching valve 151, the main valve 152 and the injection valve 153.
  • the fan unit 180 may include an outdoor blowing fan 181.
  • the sensor unit 160 may include a temperature sensor 161, a pressure sensor 162, and a rotation speed sensor 163. [ The sensor unit 160 may measure a temperature, a pressure, and a rotational speed to be described later according to a predetermined period, or may measure in real time or at the time of occurrence of a specific event. In addition, the predetermined measurement period may be changed.
  • the temperature sensor 161 may include a discharge temperature sensor 161a and an intake temperature sensor 161b and the pressure sensor 162 may include a discharge pressure sensor 162a and a suction pressure sensor 162b.
  • the discharge temperature sensor 161a is provided on the side of the discharge port 122 of the compressor 120 and can measure the temperature of the refrigerant discharged from the compressor 120.
  • the suction temperature sensor 161b detects the suction temperature of the compressor 120, The temperature of the refrigerant that is installed on the port 121 side and is sucked into the compressor 120 can be measured.
  • the discharge pressure sensor 162a is installed on the side of the discharge port 122 of the compressor 120 and can measure the pressure of the refrigerant discharged from the compressor 120.
  • the suction pressure sensor 162b detects the suction pressure of the compressor 120, The pressure of the refrigerant that is installed on the port 121 side and is sucked into the compressor 120 can be measured.
  • the temperature sensor 161 may further include an outdoor temperature sensor for measuring the outdoor temperature and an indoor temperature sensor for measuring the indoor temperature.
  • the rotation speed sensor 163 can measure the rotation speed of the compressor 120.
  • the valve sensor 164 is capable of measuring the amount of opening of the valve unit 150. Specifically, the valve sensor 164 can measure the amount of opening of the flow path switching valve 151, the main valve 152, and the injection valve 153.
  • the outdoor unit control unit 170 may include at least one memory for storing a program for controlling the overall operation of the outdoor unit 100, and at least one processor for executing a stored program.
  • the outdoor unit control unit 170 can control the compressor 120, the valve unit 150 and the fan unit 180 based on a command transmitted from the outdoor unit communication unit 190.
  • the indoor unit 200 includes a fan unit 280, a display 241, an input unit 242, a temperature sensor 261, an indoor unit communication unit 290 and an indoor unit control unit 270.
  • the fan unit 280 may include an indoor blower fan 281 installed adjacent to the indoor heat exchanger 230 as described above.
  • the display 241 may be implemented as a display device such as an LCD, an LED, and an OLED, and may display information on the air conditioner 1. [ For example, the display 241 may display information regarding the current state of the air conditioner 1 (current operating mode, set temperature or humidity, etc.) or environmental information (current room temperature or room humidity) And a screen for guiding the input of the user.
  • the screen for guiding the user's input may include a screen for selecting the operation mode of the air conditioner 1 as one of a heating mode and a cooling mode, a screen for selecting a target temperature or humidity of the air conditioner 1 And the like.
  • the input unit 242 may be implemented as a button, a touch pad, or the like provided in the main body of the indoor unit 200, or may further include a remote controller spaced apart from the main body of the indoor unit 200.
  • the input unit 242 includes a power button for turning on / off the power of the air conditioner 1, an operation selection button for selecting the operation mode, a wind direction button for selecting the direction of the air flow, Button, a temperature button for setting the temperature, and the like.
  • the temperature sensor 261 can measure the temperature of the indoor air or the temperature of the indoor heat exchanger 230.
  • the indoor unit communication unit 290 can communicate with the outdoor unit communication unit 190 to exchange necessary information with each other.
  • the indoor unit control unit 270 may include at least one memory for storing a program for controlling the overall operation of the indoor unit 200, and at least one processor for executing a stored program.
  • the indoor unit control unit 270 controls the fan unit 280 based on the user's command input through the input unit 242, the temperature measured by the temperature sensor 261, or the information received from the outdoor unit communication unit 190 by the indoor unit communication unit 290. [ ), The display 241, or the indoor unit communication unit 290.
  • the air conditioner 1 may include a controller, which may include the outdoor unit controller 170 and the indoor unit controller 270 described above.
  • FIG. 5 is a view illustrating a flow of a refrigerant when the air conditioner operates in a cooling mode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a view illustrating a flow of a refrigerant when the air conditioner operates in a heating mode to be.
  • the arrows respectively shown in Figs. 5 and 6 show the flow of the refrigerant.
  • the indoor unit controller 270 and the outdoor unit controller 170 can operate the indoor unit 200 and the outdoor unit 100 in the cooling mode, respectively.
  • the outdoor unit control unit 170 controls the flow path switching valve 151 so that the first port 151a and the third port 151c are connected to each other and the second port 151b and the fourth port 151d are connected to each other.
  • the gaseous refrigerant of high temperature and high pressure discharged from the discharge port 122 of the compressor 120 flows into the first port 151a of the flow path switching valve 151 (1) and flows into the third port 151c And then flows into the outdoor heat exchanger 130.
  • the outdoor heat exchanger (130) condenses the gaseous refrigerant of high temperature and high pressure into the liquid refrigerant of high pressure below the condensation temperature, and performs heat exchange between the refrigerant and outdoor air.
  • Pressure liquid refrigerant discharged from the outdoor heat exchanger 130 passes through the main valve 152 and is converted into high-temperature and high-pressure liquid refrigerant.
  • the liquid refrigerant expands while passing through the indoor unit valve 154, Refrigerant.
  • the low-temperature and low-pressure liquid refrigerant flows into the indoor heat exchanger 230, and the indoor heat exchanger 230 evaporates the introduced liquid refrigerant into the gaseous refrigerant and performs heat exchange with the indoor air.
  • the gaseous refrigerant discharged from the indoor heat exchanger 230 flows into the second port 151b of the flow control valve 151 and flows into the accumulator 110 through the fourth port 151d And then flows into the inlet 112 (4).
  • the accumulator 110 filters the liquid phase contained in the refrigerant introduced into the accumulator 110 and discharges the low-temperature and low-pressure gaseous refrigerant together with the oil through the discharge port 111 to the compressor 120.
  • the refrigerant supplied to the compressor 120 is compressed and discharged to a high temperature and a high pressure in the compressor, and the discharged refrigerant is supplied to the compressor 120 through the above- .
  • the indoor unit controller 270 and the outdoor unit controller 170 can operate the indoor unit 200 and the outdoor unit 100 in the heating mode, respectively.
  • the outdoor unit control unit 170 controls the flow path switching valve 151 so that the first port 151a and the second port 151b are connected to each other and the third port 151c and the fourth port 151d are connected to each other.
  • the gaseous refrigerant of high temperature and high pressure discharged from the discharge port 122 of the compressor 120 flows into the first port 151a of the flow path switching valve 151 (1) and flows into the second port 151b, And then flows into the indoor unit 200.
  • the indoor heat exchanger 230 condenses the gaseous refrigerant of high temperature and high pressure into the liquid refrigerant of high pressure below the condensation temperature, performs heat exchange with the room air, To the auxiliary heat exchanger (140).
  • the heating mode can be divided into a normal mode and an injection mode. For example, when the outdoor air temperature is lower than a predetermined reference temperature, the operation mode is operated. In the case where the ambient temperature is higher than the reference temperature, the operation mode can be operated.
  • the injection mode may include a gas injection mode and an abnormal injection mode.
  • the outdoor unit control unit 170 closes the injection valve 153.
  • the injection valve 153 When the injection valve 153 is closed, all of the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger 230 passes through the main expansion valve 152 through the main piping 101.
  • the low-temperature low-pressure liquid-phase refrigerant decompressed in the main expansion valve 152 is phase-converted into the gaseous refrigerant in the outdoor heat exchanger 130 and flows into the flow-path switching valve 151.
  • the outdoor unit control unit 170 opens the injection valve 153.
  • the injection valve 153 is opened, some of the refrigerant that has passed through the indoor heat exchanger 230 flows through the injection pipe 153 and flows through the injection pipe 103, and the remaining part of the refrigerant flows through the main pipe 101.
  • the liquid refrigerant at a high pressure not higher than the condensation temperature flowing through the injection pipe 103 is lowered in temperature through the auxiliary heat exchanger 140 and exchanges heat with the refrigerant flowing through the main pipe 101 while passing through the auxiliary heat exchanger 140 do.
  • the auxiliary heat exchanger (140) a part of the liquid refrigerant can be converted into the gaseous refrigerant. Therefore, the refrigerant heat exchanged in the auxiliary heat exchanger 140 may exist in a state where the liquid phase and the vapor phase are mixed.
  • the refrigerant in a state in which the liquid phase and the vapor phase are mixed is injected into the injection port 123 of the compressor 120 through the injection pipe 103.
  • the refrigerant that has passed through the main piping 101 through the auxiliary heat exchanger 140 is decompressed by the main expansion valve 152 to become an abnormal refrigerant of low temperature and low pressure and the outdoor heat exchanger 130 supplies the abnormal refrigerant of low temperature and low pressure / RTI >
  • the gaseous refrigerant discharged from the outdoor heat exchanger 130 flows into the third port 151c of the flow control valve 151 and flows into the accumulator 110 through the fourth port 151d. And then flows into the inlet 112 (4).
  • the accumulator 110 filters the liquid phase contained in the refrigerant introduced into the accumulator 110 and discharges the low-temperature and low-pressure gaseous refrigerant together with the oil through the discharge port 111 to the compressor 120.
  • the refrigerant supplied to the compressor 120 is compressed and discharged to a high temperature and a high pressure in the compressor, and the discharged refrigerant is supplied to the compressor 120 through the above- .
  • the outdoor unit control unit 170 can determine whether to enter the injection mode based on the outdoor air temperature transmitted from the sensor unit 160. In addition, after the injection mode is determined, the condition and the amount of the refrigerant injected into the compressor 120 are controlled to the optimal state through the discharge superheat (DSH) control, It is possible to prevent breakage and perform the optimum injection mode.
  • DSH discharge superheat
  • FIG. 7 is a graph showing a PH diagram (refrigerant diagram) showing the relationship between enthalpy and pressure.
  • the PH diagram refers to a graph showing various thermodynamic properties related to refrigerant, and the PH diagram includes information on isobaric lines, isenthalpic lines, saturated liquid lines, saturated steam lines, isotherms, isentropic lines, and equipotential lines.
  • the refrigerant can have three different states depending on the change in pressure.
  • the left X region means a region in which the refrigerant is supercooled and exists as a liquid.
  • the middle Y region is a region where the refrigerant is phase-changed from liquid to gas, that is, Area.
  • the right Z region means a region where all of the refrigerant in a liquid state is vaporized and is present as a whole gas.
  • the line (1) between (a) and (b) in FIG. 7 indicates a line separating the liquid refrigerant and the refrigerant mixed with the liquid and the gas.
  • the line 1 is called the saturated liquid line, and the line 1 is a line that separates the liquid state and the mixture state of the liquid and the gas. Therefore, the refrigerant which is intended to start evaporation from the liquid to the gas exists on the line 1.
  • a subcooled liquid refrigerant having a temperature lower than that of the saturated liquid is present in the left region of the saturated liquid line, and a liquid refrigerant and a gas refrigerant evaporated in the liquid state exist in the region on the right side of the saturated action line.
  • a state in which a refrigerant is mixed with a liquid state and a gaseous state is referred to as a fuzzing vapor state.
  • Line (2) after b and c in Fig. 7 means a line that distinguishes between a state in which the refrigerant is mixed with the liquid and a state in which the refrigerant exists only in the gas state.
  • Line 2 is called saturated steam line
  • line 2 is a mixture of gas and gas and liquid. Therefore, the refrigerant that wants to start evaporation from liquid to gas exists on line 2.
  • the refrigerant present on the line 2 means a refrigerant in which the evaporation from the liquid is complete, so it is a dry saturated vapor state in which no liquid exists, and the temperature of the refrigerant is the saturation temperature as well as the liquid to be evaporated.
  • a liquid refrigerant and a gaseous state are mixed with a refrigerant, and only a gas exists in the region to the right of the saturated steam line, and the gas at this time shows a state of superheated steam higher than the saturation temperature. That is, the gaseous refrigerant present in the right region of the saturated steam line is higher in temperature than the liquid evaporating under the same pressure.
  • the point (b) at which the saturated liquid line and the saturated steam line meet is referred to as a critical point, and the pressure and temperature at the critical point are referred to as critical pressure and critical temperature.
  • the critical temperature means the highest temperature at which the refrigerant can condense. Therefore, the refrigerant no longer condenses above the critical temperature.
  • Fig. 8 is a view showing the equivalent conductors in the PH diagram.
  • Equipotential ship refers to a line connecting the positions where the ratio of liquid and gas is the same when the refrigerant is mixed in the Y region, that is, the liquid and gas in the PH diagram. In FIG. 8, for example, nine equal conductors are shown.
  • FIG. 9 is a graph showing the circulation process of the refrigerant in the PH diagram in the injection mode air conditioner for injecting the gaseous refrigerant
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the two-phase injection ) Type air conditioner, the circulation process of the refrigerant is shown in the PH diagram.
  • refrigerant (1) in a gaseous state at a low temperature and a low pressure flows into a compressor and is compressed into a gas of high temperature and high pressure.
  • the gas of the injection path or the abnormal state of the refrigerant (7) is injected into the compressor.
  • the refrigerant having passed through the compressor is converted into a low-temperature, high-pressure liquid refrigerant while flowing into the condenser.
  • the refrigerant converted into the liquid state is divided into a first path toward the evaporator and a second path toward the injection valve.
  • the low-temperature and high-pressure liquid refrigerant (10) flowing toward the evaporator along the first path is converted into a two-phase refrigerant in which the low-temperature low-pressure liquid and the gaseous state are mixed while passing through the main valve (11)
  • the refrigerant passing through the valve is introduced into the evaporator, and the refrigerant passing through the evaporator is converted into a high-temperature and high-pressure gaseous refrigerant.
  • the refrigerant flowing into the injection valve along the second path changes the state of the refrigerant while passing through the injection valve.
  • the gas injector type air conditioner in which only the gas refrigerant is injected as shown in FIG. 9, After the refrigerant is converted into the abnormal refrigerant (6), it is converted to the gas state and flows into the compressor. (7)
  • the abnormal-injection-type air conditioner in which the refrigerant is injected more than the mixture of the liquid and the gaseous state is converted into the abnormal state in which the refrigerant is mixed with the liquid state and the gaseous state Of the refrigerant flows into the compressor.
  • the compressor of the abnormal-injection-type air conditioner simultaneously compresses the gaseous refrigerant flowing through the first path and the liquid refrigerant flowing through the second path and the refrigerant in the abnormal state mixed with the gaseous state, State refrigerant.
  • the discharge temperature of the compressor can be reduced and the frequency of the compressor can be increased under a wider temperature condition Lt; / RTI >
  • the air conditioner 1 according to the embodiment and the control method thereof can be applied to an air conditioner of an abnormal injection type, in which an air conditioner (air conditioner) 1) and a control method thereof.
  • an air conditioner air conditioner
  • a control method and operation principle of the air conditioner according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
  • 11 and 12 are views showing the relationship between the vibration of the compressor and the injection flow ratio according to the dryness of the refrigerant.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the vibration value of the compressor and the injection flow rate according to the injected dryness level when the outside air temperature is -15 degrees and the frequency of the compressor is operating at 130 Hz. Is 7 degrees and the frequency of the compressor is operating at 60 Hz, the relationship between the vibration value of the compressor and the injection flow ratio according to the injected dryness is shown.
  • the dryness means the mass ratio of the saturated steam in the wetted vapor
  • the injection flow rate means the flow rate of the flow into the main valve and the inlet valve.
  • the vibration of the compressor sharply increases when the dryness of the injected refrigerant becomes 0.65 or less. That is, when the quality of the refrigerant flowing into the compressor is 0.65 or less, liquid compression occurs in the compressor, which may damage the compressor. Therefore, in the case of the air-conditioner of the injection type, it is possible to prevent the compressor from being damaged by keeping the quality of the refrigerant flowing into the compressor at 0.65 or more.
  • the air conditioner 1 calculates the relation between the dryness of the refrigerant and the injection flow ratio, measures the dryness of the coolant indirectly by measuring the dryness of the coolant based on the injection flow ratio, It is possible to operate the air conditioner 1 efficiently by controlling the opening amount of the injection valve on the basis of the opening amount.
  • the dryness of the refrigerant and the injection flow ratio have a linear relationship. That is, when the injection flow ratio is 0.4, the coolant has a dryness of 0.65. Therefore, when the injection flow ratio is controlled to 0.4 or less, the dryness of the coolant can be controlled to 0.65 or more.
  • the air conditioner 1 calculates the open ratio of the two valves 152 and 153 using various numerical values related to the main valve 152 and the injection valve 153, ) Can be calculated. More specifically, the air conditioner 1 determines whether the calculated wander ratio is included in a predetermined range, and controls the amount of opening of at least one of the main valve 152 and the injection valve 153 So that the wander ratio can be controlled to be included in the preset range.
  • the control method will be described in detail with reference to FIG. Hereinafter, the flow rate calculation method will be described in detail.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the injection flow ratio and opening ratio of the two valves 152 and 153
  • FIG. 14 is a diagram showing the formulas and specific values required for calculating the injection flow rate.
  • the opening ratio Reev of the two valves 152 and 153 must be calculated, and the opening ratio Reev of the two valves 152 and 153 can be expressed by Equation 2 below.
  • Equation (3) the injection flow ratio can be calculated through Equation (2) and Equation (1).
  • the EEV Opening value refers to the opening value of the currently sensed valve
  • EEV Opening and the full value refers to the maximum value of the valve opening degree.
  • the EEV start value means the initial value of the valve opening degree at which the valve swings
  • D means the inner diameter size (mm) of the valve hole.
  • the injection ratio means an opening ratio between the main valve 152 and the injection valve 153.
  • the injection ratio means an amount of the refrigerant flowing into the flow path of the main valve 152 Means the ratio of the amount of the refrigerant flowing into the injection valve 153.
  • the EEV opening value means an opening value of the main valve 152 and the injection valve 153 sensed in real time, and the other EEV opening maximum value, the EEV initial value, and the EEV opening value Since the inner diameter size is previously set according to the production method of the air conditioner, the set value may be applied. Therefore, when only the valve opening value is measured, the opening ratio of the two valves 152 and 153 and the injection flow rate ratio can be calculated using different values.
  • an injection flow rate can be calculated based on the opening value, and a method of controlling the opening amount of the injection valve 153 based on the calculated injection flow ratio
  • the operation of the air conditioner 1 can be efficiently controlled.
  • an operation control method of the air conditioner 1 will be described with reference to the drawings.
  • 15 is a flowchart showing a control method of the air conditioner 1 according to an embodiment.
  • the air conditioner 1 can measure the amount of opening of the main valve 152 and the injection valve 153. (S110)
  • the opening ratio Reev between the two valves 152 and 153 is calculated based on the measured values (S120). Based on the calculated opening ratio, ) And the injection valve 153 can be calculated (S130)
  • the predetermined range is a range in which liquid compression does not occur in the compressor 120, specifically, a range in which the injection flow ratio does not exceed the limit value.
  • the limit value may include a range in which the wander ratio is 0.35 to 0.45. That is, when the flow rate ratio does not exceed 0.35 to 0.45, it can be regarded as being included in the preset range.
  • the predetermined range is not limited to the above-described numerical values, and the preset range may be variously set according to the operating environment and conditions of the air conditioner 1.
  • the air conditioner 1 When the calculated flow rate is included in the preset range, the air conditioner 1 is in an efficient operation state, and can be terminated without taking any special measures. However, if the calculated injection flow rate is not included in the predetermined range, a problem of compressor damage due to liquid compression may occur, so that the amount of refrigerant flowing into the compressor can be controlled by controlling the opening amount of the injection valve 153. Specifically, the opening amount of the injection valve 153 can be reduced to reduce the flow rate ratio. (S150)
  • the air conditioner 1 can prevent the compressor 120 from being damaged by the liquid compression in advance and increase the amount of the refrigerant flowing into the compressor 120, (1) can be operated efficiently.
  • the size of the injection valve is uniformly small in order to prevent the compressor from being damaged by the liquid compression so that the efficiency is poor.
  • the apparatus 1 has an advantage that stability can be ensured even if an injection valve having a wide range of sizes is employed.

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Abstract

일 실시예에 따른 공기 조화기는 냉매를 압축시키는 압축기, 난방 모드에서 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실내 열교환기, 상기 난방 모드에서 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실외 열교환기, 상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기를 연결하는 메인 배관, 상기 메인 배관으로부터 분기되어 상기 압축기의 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관, 상기 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 메인 밸브, 상기 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브, 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하고 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

공기 조화기 및 공기 조화기의 제어 방법
개시된 발명은 인젝션 방식으로 냉매가 순환되는 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
공기 조화기는 실외 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실외기(Outdoor Unit)와, 실내 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실내기(Indoor Unit)를 포함하고, 압축, 응축, 감압, 증발로 이루어지는 히트펌프 사이클을 냉매가 순환하면서 증발, 응축 과정에서 생기는 열의 이동을 이용하여 실내를 냉방 또는 난방하는 장치이다.
이러한 히트펌프 사이클을 이용하는 경우, 실외 공기와 냉매 사이에 열교환을 수행하기 때문에 외기 온도가 감소함에 따라 난방 성능도 감소하게 된다.
최근에는 공기 조화기의 난방 성능을 향상시키기 위해 응축기를 지난 냉매의 일부를 압축기에 주입하여 냉매의 유량을 증가시키는 인젝션 방식을 도입하고 있다.
일 실시예에 따른 공기조화기는 인젝션 밸브를 통해 유입되는 냉매의 양을 증가시켜 공기조화기의 효율을 높임과 동시에 압축기 내부 온도 상승에 따른 냉매의 변질 및 압축기의 파손을 방지할 수 있는 공기조화기를 제공하기 위함이다.
일 실시예의 의한 공기 조화기는 냉매를 압축시키는 압축기, 난방 모드에서 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실내 열교환기, 상기 난방 모드에서 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실외 열교환기, 상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기를 연결하는 메인 배관, 상기 메인 배관으로부터 분기되어 상기 압축기의 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관, 상기 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 메인 밸브, 상기 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브, 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하고 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 인젝션 유량비 및 상기 인젝션에서 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시킬 수 있다.
상기 미리 설정된 범위는 제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.
상기 압축기는 상기 인젝션 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 냉매와 상기 메인 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매를 압축할 수 있다.
다른 실시예에 의한 공기 조화기의 제어 방법은 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량의 제어하는 메인 밸브의 개도량과 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하는 단계, 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 유량비 및 상기 인젝션에서 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 미리 설정된 범위는 제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함할 수 있다.
상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는 상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계는 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 인젝션 유량비를 산출하는 단계는 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.
상기 압축기는 상기 인젝션 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 냉매와 상기 메인 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매를 압축할 수 있다.
일 실시예에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에 의하면, 압축기의 파손 위험성이 존재하지는 않는 범위 내에서 최대한 인젝션 밸브의 개도를 증가시킬 수 있어 공기조화기의 효율을 높일 수 있는 효과가 존재한다.
도 1은 인젝션 방식의 공기 조화기에서의 난방 사이클을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 인젝션 방식을 적용하지 않는 일반 공기 조화기의 난방 용량과 난방 부하를 나타낸 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공기 조화기에서 실외기와 실내기의 구성을 구체화한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공기 조화기가 냉방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 공기 조화기가 난방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 엔탈피(Enthalpy)와 압력과의 관계를 나타낸 PH선도(냉매 선도)를 도시한 그래프이다.
도 8은 PH 선도에 있어서 등건도선을 표시한 도면이다.
도 9는 기체 상태의 냉매를 주입하는 인젝션 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이다.
도 10은 액체 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 이상 인젝션(Two-Phase Injection) 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이다.
도 11과 도 12는 냉매의 건도에 따른 압축기의 진동 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이다.
도 13은 인젝션 유랑비와 전자식 팽창 밸브의 개도비와의 관계를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.
도 14는 인젝션 유량비를 산출하기 위해 필요한 식과 구체적인 값들을 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 신호 또는 데이터를 전달 또는 전송한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 존재하여 이 구성요소를 통해 전달 또는 전송하는 것을 배제하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각 단계들에 있어 식별부호는 각 단계들을 식별하기 위해 사용되는 것으로 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 측면에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 인젝션 방식의 공기 조화기에서의 난방 사이클을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 인젝션 방식을 적용하지 않는 일반 공기 조화기의 난방 용량과 난방 부하를 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 인젝션 방식의 공기 조화기(10)에 따르면, 어큐뮬레이터(11)로부터 공급된 냉매는 압축기(12)로 주입되고, 압축기(12)는 저온저압의 기상 냉매를 압축하여 고온고압의 기상 냉매로 토출한다.
토출된 기상 냉매는 실내에 설치되는 실내 열교환기(13)로 유입되고, 실내 열교환기(13)는 고온고압의 기상 냉매를 응측온도 이하 고압의 액상 냉매로 응축시키는 응축기의 역할을 수행하고, 냉매의 엔탈피 변화에 대응하여 주변 공기와 열교환을 수행한다. 난방 사이클에서는 실내 열교환기(13)가 기상 냉매를 액상으로 응축시키면서 열을 방출하므로, 실내 공기가 가열된다.
냉매가 메인 배관(10a)을 흐르는 경우, 실내 열교환기(13)를 통과한 저온고압의 액상 냉매는 메인 밸브(15a)에서 팽창되어 감압된다.
한편, 열교환기에서 열교환에 의해 응축이나 증발과 같은 상(Phase) 변환이 일어나는 경우에, 유입된 냉매의 일부는 상 변환 되지 않고 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 실내 열교환기(13)에서 열교환에 의해 기상 냉매가 액상 냉매로 상 변환될 때, 일부 기상 냉매는 기체 상태로 남아 있을 수 있다. 따라서, 실내 열교환기(13)에서 배출되는 냉매는 액상과 기상이 혼합된 상태일 수 있다.
또한, 액상 냉매가 팽창될 때에도 일부 상 변환이 일어날 수 있다. 예를 들어, 액상 냉매가 메인 밸브(15a)를 통과할 때 일부 냉매가 기상 냉매로 상 변환이 일어날 수 있다.
메인 밸브(15a)를 통과한 저온저압의 액상 냉매는 실외에 설치되는 실외 열교환기(16)로 주입되고, 실외 열교환기(16)는 저온저압의 이상(Two-Phase) 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기의 역할을 수행한다.
실외 열교환기(16)를 통과한 기상 냉매는 다시 어큐뮬레이터(11)로 주입되고, 어큐뮬레이터(11)는 주입된 냉매 중에서 상 변환이 안되어 액상으로 남아있는 냉매를 걸러줄 수 있다.
전술한 바와 같이, 실외 열교환기(16)는 액상 냉매를 기상으로 변환시키기 때문에 외기로부터 에너지를 공급 받아야 한다. 따라서, 실외에 설치되는 실외 열교환기(16)의 특성 상 도 2에 도시된 바와 같이, 외기 온도가 낮아질수록 난방 용량은 감소하고 난방 부하는 증가하여 난방 성능이 떨어진다. 반대로, 외기 온도가 높아질수록 난방 용량은 증가하고 난방 부하는 감소하여 잉여 용량이 발생하게 된다.
따라서, 인젝션(Injection) 방식의 공기 조화기(10)에서는 난방 성능을 향상시키기 위해, 실내 열교환기(13)의 출구 측 메인 배관(10a)을 분기하여 인젝션 배관(10b)을 형성함으로써, 실내 열교환기(13)를 통과한 냉매 중 일부를 압축기(12)에 공급할 수 있다.
인젝션 밸브(15b)가 개방되면, 실내 열교환기(13)를 통과한 냉매가 인젝션 배관(10b)으로 유입될 수 있고, 인젝션 배관(10b)을 흐르는 액상 냉매는 인젝션 밸브(15b)에서 팽창되어 압력 및 온도가 낮아지고 보조 열교환기(14)를 통과하면서 열교환을 한다.
기상 인젝션(Vapor Injection) 방식에서는 기상 냉매만을 압축기(12)로 공급하고, 이상 인젝션(Two-phase Injection) 방식에서는 액상과 기상의 혼합 상태의 냉매를 압축기(12)로 공급할 수 있다.
일 실시예에 따른 공기 조화기는 압축기로 공급되는 냉매량을 증가시켜 난방 효율을 더 향상시키기 위해 이상 인젝션 방식을 채용할 수 있다. 다만, 이상 인젝션 방식을 채용하는 것이 항상 이상 인젝션만을 수행하는 것을 의미하는 것이 아니라, 공기 조화기의 운전 환경에 따라 인젝션 유로를 개방하지 않는 정상 모드로 동작할 수도 있고, 기상 냉매만을 공급하는 기상 인젝션 모드로 동작할 수도 있으며, 기상 냉매와 액상 냉매를 함께 공급하는 이상 인젝션 모드로 동작할 수도 있음을 의미할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 공기 조화기에서 실외기와 실내기의 구성을 구체화한 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 블록도이다.
일 실시예에 따른 공기 조화기는 난방 또는 난방 및 냉방을 수행할 수 있는 장치이다. 후술하는 실시예에서는 난방 및 냉방을 모두 수행할 수 있는 공기 조화기를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 실외 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실외기(100)와, 실내 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실내기(200)를 포함할 수 있다.
실외기(100)와 실내기(200)는 냉매 배관을 통해 서로 연결되어 사이클을 구성한다. 또한, 실외기(100)를 구성하는 구성요소들 사이의 냉매의 흐름과 실내기(200)를 구성하는 구성요소들 사이의 냉매의 흐름 역시 냉매 배관을 통해 이루어질 수 있다.
실내 공기 또는 실외 공기와 열교환이 이루어지는 냉매로는 HFC 계열의 냉매를 사용할 수 있고, 일 예로, R32 냉매 또는 R32 냉매를 포함하는 혼합 냉매를 사용할 수 있다.
압축기(120)는 흡입 포트(121)를 통해 흡입된 저온저압의 냉매를 고온고압의 냉매로 압축하고, 토출 포트(122)를 통해 고온고압의 냉매를 토출한다.
일 예로, 압축기(120)는 로터리 압축기(Rotary Compressor) 또는 스크롤 압축기(Scroll Compressor)로 구현될 수 있다. 다만, 압축기(120)의 예시가 이에 한정되는 것은 아니다.
압축기(120)의 토출 포트(122)와 일 단이 연결된 배관의 타 단은 유로 전환 밸브(151)와 연결될 수 있다. 일 예로, 유로 전환 밸브(151)는 사방 밸브로 구현될 수 있으며, 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 흐름을 운전 모드(냉방 모드 또는 난방 모드)에 따라 전환함으로써, 해당 모드의 운전에 필요한 냉매 유로를 형성할 수 있다.
유로 전환 밸브(151)는 압축기(120)의 토출 포트(122)와 연결된 제1포트(151a), 실내 열교환기(230)와 연결된 제2포트(151b), 실외 열교환기(130)와 연결된 제3포트(151c) 및 어큐뮬레이터(110)와 연결된 제4포트(151d)를 포함할 수 있다.
실외 열교환기(130)는 냉방 모드에서는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압 액상 냉매로 응축시키는 응축기(condenser)로 동작하고, 난방 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기(evaporator)로 동작할 수 있다.
실외 열교환기(130)에서 발생하는 냉매의 엔탈피(enthalpy) 변화에 대응하여 냉매와 외기 사이에 열교환이 일어나고, 냉매와 실외 공기 사이의 열교환 효율을 높이기 위한 실외 송풍팬(181)이 설치될 수 있다.
실외 열교환기(130)와 실내 열교환기(230) 사이에는 메인 밸브(152)가 설치될 수 있다. 메인 밸브(152)는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있으며, 냉매를 감압시키고 그 유량을 조절할 수 있으며, 필요한 경우 냉매의 유동을 차단할 수 있다.
또한, 유로 전환 밸브(151)의 제4포트(151d)와 압축기(120) 사이에는 어큐뮬레이터(Accumulator, 110)가 마련될 수 있다. 어큐뮬레이터(110)는 유로 전환 밸브(151)로부터 압축기(120)로 유입되는 냉매 중에서 상 변환하지 못하고 액상으로 남아있는 냉매를 걸러주고 압축기(120)에 오일을 공급할 수 있다.
또한, 압축기(120)와 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a) 사이에 오일을 분리하는 오일 분리기가 마련되어, 압축기(120)로부터 토출된 냉매에서 오일을 분리하는 것도 가능하다.
실내기(200)는 냉매와 실내 공기 사이의 열 교환을 통해 실내를 냉방 또는 난방시키는 장치이다. 실내기(200)는 실내 열교환기(230)와 실내 송풍팬(281)을 포함할 수 있으며, 필요에 따라 두 개 이상의 실내 열교환기와 실내 송풍팬이 설치될 수도 있다.
실내 열교환기(230)는 냉방 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기로 동작하고, 난방 모드에서는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압 의 액상 냉매로 응축시키는 응축기로 동작한다.
실내 송풍팬(281)은 실내 열교환기(230)에 근접하게 설치되어 실내 공기를 송풍시킴으로써 실내 열교환기(230) 내부를 순환하는 냉매와 실내 공기 사이의 열교환 효율을 높일 수 있다.
또한, 실내기(200)는 냉매의 흐름을 제어하는 실내기 밸브(154)를 포함할 수 있다. 실내기 밸브(154)는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있으며, 냉매를 감압시키고 그 유량을 조절할 수 있으며, 필요한 경우 냉매의 유동을 차단할 수 있다.
한편, 실내 열교환기(230)와 실외 열교환기(130)를 연결하는 메인 배관(101)이 분기되어 인젝션 배관(103)을 형성한다. 인젝션 배관(103)은 메인 배관(101)으로부터 분기되어 보조 열교환기(140)를 거쳐 압축기(120)의 인젝션 포트(123)와 연결된다.
인젝션 배관(103)에는 인젝션 배관(103)을 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브(153)가 설치될 수 있고, 인젝션 밸브(153)는 유량 제어가 가능한 전동 밸브로 구현될 수 있다. 예를 들어, 인젝션 밸브(153)는 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있다.
보조 열교환기(140)는 냉매 사이의 열교환을 가능하게 하는 것으로서, 냉방 모드로 운전 시에는 고압 냉매의 과냉각도를 확보할 수 있고, 인젝션 모드로 운전 시에는 압축기(120)의 인젝션 포트(123)로 유입되는 냉매의 건도를 조정할 수 있다. 일 예로, 보조 열교환기(140)는 이중관식 열교환기로 구현될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 공기 조화기(1)의 제어 관련 내용을 설명한다.
도 4를 참조하면, 공기 조화기(1)의 실외기(100)는 압축기(120), 밸브 유닛(150) 및 팬 유닛(180)을 제어하는 실외기 제어부(170), 냉매 또는 주변 공기의 온도와 압력을 측정하는 센서부(160) 및 실내기(200)와 통신하는 실외기 통신부(190)를 포함한다.
밸브 유닛(150)은 전술한 유로 전환 밸브(151), 메인 밸브(152) 및 인젝션 밸브(153)를 포함할 수 있고, 팬 유닛(180)은 실외 송풍팬(181)을 포함할 수 있다.
센서부(160)는 온도 센서(161), 압력 센서(162) 및 회전수 센서(163)를 포함할 수 있다. 센서부(160)는 후술하는 온도, 압력 및 회전수를 미리 정해진 주기에 따라 측정할 수도 있고, 실시간으로 측정할 수도 있으며, 특정 이벤트의 발생 시에 측정할 수도 있다. 또한, 미리 정해진 측정 주기는 변경될 수도 있다.
온도 센서(161)는 토출 온도 센서(161a)와 흡입 온도 센서(161b)를 포함할 수 있고, 압력 센서(162)는 토출 압력 센서(162a)와 흡입 압력 센서(162b)를 포함할 수 있다.
토출 온도 센서(161a)는 압축기(120)의 토출 포트(122) 측에 설치되어 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 온도를 측정할 수 있고, 흡입 온도 센서(161b)는 압축기(120)의 흡입 포트(121) 측에 설치되어 압축기(120)에 흡입되는 냉매의 온도를 측정할 수 있다.
토출 압력 센서(162a)는 압축기(120)의 토출 포트(122) 측에 설치되어 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 압력을 측정할 수 있고, 흡입 압력 센서(162b)는 압축기(120)의 흡입 포트(121) 측에 설치되어 압축기(120)에 흡입되는 냉매의 압력을 측정할 수 있다.
또한, 온도 센서(161)는 실외 온도를 측정하는 실외 온도 센서 및 실내 온도를 측정하는 실내 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
회전수 센서(163)는 압축기(120)의 회전수를 측정할 수 있다.
밸브 센서(164)는 밸브 유닛(150)의 개도량을 측정할 수 있다. 구체적으로, 밸브 센서(164)는 유로 전환 밸브(151), 메인 밸브(152) 및 인젝션 밸브(153)의 개도량을 측정할 수 있다.
실외기 제어부(170)는 실외기(100)의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램이 저장된 적어도 하나의 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
실외기 제어부(170)는 실외기 통신부(190)로부터 전달되는 명령에 기초하여 압축기(120), 밸브 유닛(150) 및 팬 유닛(180)을 제어할 수 있다.
실내기(200)는 팬 유닛(280), 디스플레이(241), 입력부(242), 온도 센서(261), 실내기 통신부(290) 및 실내기 제어부(270)를 포함한다.
팬 유닛(280)은 전술한 바와 같이 실내 열교환기(230)와 인접하게 설치되는 실내 송풍팬(281)을 포함할 수 있다.
디스플레이(241)는 LCD, LED, OLED 등의 디스플레이 장치로 구현되어 공기 조화기(1)에 관한 정보를 표시할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(241)는 공기 조화기(1)의 현재 상태에 관한 정보(현재 운전 모드, 설정된 온도 또는 습도 등) 또는 환경 정보(현재 실내 온도 또는 실내 습도)를 표시할 수도 있고, 사용자의 입력을 가이드하기 위한 화면을 표시할 수도 있다.
예를 들어, 사용자의 입력을 가이드하기 위한 화면은, 공기 조화기(1)의 운전 모드를 난방 모드 및 냉방 모드 중 하나로 선택 받기 위한 화면, 공기 조화기(1)의 목표 온도나 습도를 선택 받기 위한 화면 등을 포함할 수 있다.
입력부(242)는 실내기(200)의 본체에 마련된 버튼, 터치 패드 등으로 구현될 수도 있고, 실내기(200)의 본체와 이격된 리모트 컨트롤러를 더 포함할 수도 있다.
입력부(242)는 공기 조화기(1)의 전원을 온/오프하기 위한 전원 버튼, 운전 모드를 선택 받기 위한 운전 선택 버튼, 기류의 방향을 선택 받기 위한 풍향 버튼, 기류의 세기를 선택 받기 위한 풍량 버튼, 온도 설정을 위한 온도 버튼 등을 포함할 수 있다.
온도 센서(261)는 실내 공기의 온도 또는 실내 열교환기(230)의 온도를 측정할 수 있다.
실내기 통신부(290)는 실외기 통신부(190)와 통신하여 서로 필요한 정보를 주고 받을 수 있다.
실내기 제어부(270)는 실내기(200)의 전반적인 동작을 제어하는 프로그램이 저장된 적어도 하나의 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
실내기 제어부(270)는 입력부(242)를 통해 입력된 사용자의 명령, 온도 센서(261)가 측정한 온도 또는 실내기 통신부(290)가 실외기 통신부(190)로부터 수신한 정보에 기초하여 팬 유닛(280), 디스플레이(241) 또는 실내기 통신부(290)를 제어할 수 있다.
그리고 공기 조화기(1)는 제어부를 포함할 수 있는데, 제어부는 전술한 실외기 제어부(170)와 실내기 제어부(270)를 포함할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 공기 조화기가 냉방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 6은 일 실시예에 따른 공기 조화기가 난방 모드로 동작하는 경우에 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 5 및 도 6에 각각 표시된 화살표는 냉매의 흐름을 나타낸다.
사용자가 입력부(242)를 통해 냉방 모드를 선택한 경우, 실내기 제어기(270)와 실외기 제어기(170)는 실내기(200)와 실외기(100)를 각각 냉방 모드로 동작시킬 수 있다.
냉방 모드로 동작 시에, 실외기 제어부(170)는 유로 전환 밸브(151)를 제어하여 제1포트(151a)와 제3포트(151c)가 연결되고, 제2포트(151b)와 제4포트(151d)가 연결되는 냉매 유로를 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 압축기(120)의 토출 포트(122)로부터 토출되는 고온고압의 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a)로 유입되고(①), 제3포트(151c)를 통해 배출되어(②) 실외 열교환기(130)로 유입된다.
실외 열교환기(130)는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키고, 냉매와 실외 공기 사이의 열교환을 수행한다. 실외 열교환기(130)에서 배출되는 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매는 메인 밸브(152)를 통과하면서 고온 고압의 액상 냉매로 변환된 후, 실내기 밸브(154)를 통과하면서 팽창되어 저온저압의 액상 냉매가 된다.
저온저압의 액상 냉매는 실내 열교환기(230)로 유입되고, 실내 열교환기(230)는 유입된 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키고 실내 공기와 열교환을 수행한다.
실내 열교환기(230)에서 배출되는 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제2포트(151b)로 유입되고(③), 유입된 기상 냉매는 제4포트(151d)를 통해 어큐뮬레이터(110)의 입구(112)로 유입된다(④).
어큐뮬레이터(110)는 유입된 냉매에 포함된 액상을 걸러주고, 배출구(111)를 통해 저온저압의 기상 냉매를 오일과 함께 배출하여 압축기(120)에 공급한다.
압축기(120)에 공급된 냉매는 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되고, 토출된 냉매가 전술한 과정을 거쳐 다시 압축기(120)로 공급되는 순환 사이클을 통해 공기 조화기(1)가 냉방 모드에서 동작하게 된다.
사용자가 입력부(242)를 통해 난방 모드를 선택한 경우에는, 실내기 제어기(270)와 실외기 제어기(170)는 실내기(200)와 실외기(100)를 각각 난방 모드로 동작시킬 수 있다.
난방 모드로 동작 시에, 실외기 제어부(170)는 유로 전환 밸브(151)를 제어하여 제1포트(151a)와 제2포트(151b)가 연결되고, 제3포트(151c)와 제4포트(151d)가 연결되는 냉매 유로를 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 압축기(120)의 토출 포트(122)로부터 토출되는 고온고압의 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a)로 유입되고(①) 제2포트(151b)로 배출되어(②) 실내기(200)로 유입된다.
실내 열교환기(230)는 고온고압의 기상 냉매를 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키고, 실내 공기와의 열교환을 수행하며, 실내기 밸브(154)를 통과한 응축온도 이하의 고압의 액상 냉매는 보조 열교환기(140)로 이동한다.
난방 모드는 정상 모드와 인젝션 모드로 구분될 수 있다. 예를 들어, 외기 온도가 미리 설정된 기준 온도 이하인 경우에는 인젝션 모드로 동작하고, 기준 온도를 초과하는 경우에는 정상 모드로 동작할 수 있다. 또한, 인젝션 모드는 기상 인젝션 모드와 이상 인젝션 모드를 포함할 수 있다.
정상 모드로 동작할 때에는 실외기 제어부(170)가 인젝션 밸브(153)를 폐쇄한다. 인젝션 밸브(153)가 폐쇄되면, 실내 열교환기(230)를 통과한 냉매는 전부 메인 배관(101)을 통해 메인 팽창 밸브(152)를 지나게 된다. 메인 팽창 밸브(152)에서 감압된 저온저압의 액상 냉매는 실외 열교환기(130)에서 기상 냉매로 상 변환되어 유로 전환 밸브(151)로 유입된다.
공기 조화기(1)가 인젝션 모드로 동작할 때에는 실외기 제어부(170)가 인젝션 밸브(153)를 개방한다. 인젝션 밸브(153)가 개방되면, 실내 열교환기(230)를 통과한 냉매 중 일부는 인젝션 밸브(153)를 통과하여 인젝션 배관(103)을 흐르게 되고, 나머지 일부는 메인 배관(101)을 흐른다.
인젝션 배관(103)을 흐르는 응축온도 이하의 고압 의 액상 냉매는 보조 열교환기(140)를 거치면서 온도가 낮아지고, 보조 열교환기(140)를 통과하면서 메인 배관(101)을 흐르는 냉매와 열교환을 한다. 보조 열교환기(140)에서는 액상 냉매의 일부가 기상 냉매로 변환될 수 있다. 따라서, 보조 열교환기(140)에서 열 교환된 냉매는 액상과 기상이 혼합된 상태로 존재할 수 있다.
액상과 기상이 혼합된 상태의 냉매는 인젝션 배관(103)을 통해 압축기(120)의 인젝션 포트(123)로 주입된다.
메인 배관(101)을 통해 보조 열교환기(140)를 통과한 냉매는 메인 팽창 밸브(152)에서 감압되어 저온저압의 이상 냉매가 되고, 실외 열교환기(130)는 저온저압의 이상 냉매를 기상 냉매로 증발시킨다.
실외 열교환기(130)에서 배출되는 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제3포트(151c)로 유입되고(③), 유입된 기상 냉매는 제4포트(151d)를 통해 어큐뮬레이터(110)의 입구(112)로 유입된다(④).
어큐뮬레이터(110)는 유입된 냉매에 포함된 액상을 걸러주고, 배출구(111)를 통해 저온저압의 기상 냉매를 오일과 함께 배출하여 압축기(120)에 공급한다.
압축기(120)에 공급된 냉매는 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되고, 토출된 냉매가 전술한 과정을 거쳐 다시 압축기(120)로 공급되는 순환 사이클을 통해 공기 조화기(1)가 난방 모드에서 동작하게 된다.
전술한 바와 같이, 실외기 제어부(170)는 센서부(160)로부터 전달되는 외기 온도에 기초하여 인젝션 모드로 진입할지 여부를 결정할 수 있다. 또한, 인젝션 모드 진입이 결정된 이후에는 토출 과열도(Discharge Super Heat: DSH) 제어를 통해 압축기(120)에 주입되는 냉매의 건도와 주입량을 최적의 상태로 조절함으로써 액압축에 의한 압축기(120)의 파손을 방지하고, 최적의 인젝션 모드를 수행할 수 있다. 이하, 실외기 제어부(170)의 토출 과열도 제어를 통해 최적의 인젝션 모드를 수행하는 동작에 대해 구체적으로 설명한다.
도 7은 엔탈피(Enthalpy)와 압력과의 관계를 나타낸 PH선도(냉매 선도)를 도시한 그래프이다.
PH 선도란, 냉매와 관련된 여러 가지 열역학적 성질을 표시한 그래프를 의미하며, PH 선도에는 등압선, 등엔탈피선, 포화액선, 포화증기선, 등온선, 등엔트로피선, 등건도선 등에 대한 정보를 포함하고 있다.
도 7을 참조하여 PH 선도를 설명하면, 냉동 사이클에 있어서 냉매는 압력의 변화에 따라 총 3가지의 상태를 가질 수 있다. 도 7에서 좌측 X 영역은 냉매가 과냉각 상태로 액체로 존재하는 영역을 의미하며, 도 7에서 가운데 Y 영역은 냉매가 액체에서 기체로 상변화하는 영역 즉, 냉매가 액체와 기체로 혼합하여 존재하는 영역을 의미한다. 그리고 도 7에서 우측 Z 영역은 액체 상태였던 냉매가 모두 기화하여 전부 기체로 존재하는 영역을 의미한다.
그리고 도 7의 a와 b를 이은 선 ①은 액체 상태의 냉매와 액체와 기체로 혼합되어 있는 상태의 냉매를 구분하는 선을 의미한다. 선 ①은 포화액선으로 불리며, 선 ①은 액체 상태와 액체 및 기체가 혼합되어 있는 상태를 구분하는 선이므로, 액체에서 기체로 증발을 시작하고자 하는 냉매는 선 ① 위에 존재한다.
따라서, 포화액선 좌측 영역에는 포화액보다 온도가 낮은 과냉각된 액체 상태의 냉매가 존재하며, 포화액션선 우측 영역은 액체 냉매 및 액체 상태에서 증발된 기체 냉매가 혼합되어 존재한다. 냉매가 액체 상태와 기체 상태로 혼합되어 있는 상태를 습포화증기 상태라 부른다.
도 7의 b와 c를 이은 선 ②는 냉매가 액체와 기체로 혼합되어 있는 상태와 기체 상태로만 존재하는 상태를 구분하는 선을 의미한다. 선 ②는 포화증기선으로 불리며, 선 ②는 기체와 기체 및 액체가 혼합되어 있는 상태를 구분하므로, 액체에서 기체로 증발을 시작하고자 하는 냉매는 선 ②위에 존재한다.
선 ②위에 존재하는 냉매는 액체로부터 증발이 모두 완료된 상태의 냉매를 의미하므로, 액체가 존재하지 않는 건포화증기 상태이며, 냉매의 온도는 증발하고자 하는 액체와 마찬가지로 포화 온도이다.
포화증기선의 좌측 영역에는 액체 상태의 냉매와 기체 상태가 냉매가 혼합하여 존재하며, 포화증기선 우측 영역에는 기체만 존재하며, 이 때의 기체는 포화 온도보다 높은 과열 증기의 상태를 나타낸다. 즉, 포화증기선의 우측 영역에 존재하는 기체 상태의 냉매는 같은 압력하에서 증발하는 액체보다 온도가 높다.
또한, 포화액선과 포화증기선은 만나는 점(b)을 임계점이라 부르며, 임계점에서의 압력과 온도를 임계 압력 및 임계 온도라 부른다. 임계온도는 냉매가 응축될 수 있는 가장 높은 온도를 의미한다. 따라서, 임계온도 이상에서는 냉매가 더 이상 응축되지 않는다.
도 8은 PH 선도에 있어서 등건도선을 표시한 도면이다.
등거조선은 PH 선도에서 냉매가 Y 영역 즉, 액체와 기체로 혼합되어 존재할 때, 액체와 기체의 비율이 동일한 위치를 이은 선을 의미하며, 도 8에서 일 예로 9개의 등건도선을 도시하였다.
도 8에서 X는 기체 상태의 비율을 의미한다. 따라서 X=0.1인 등건도선의 냉매는 기체 상태의 냉매가 10%, 액체 상태의 냉매가 90%가 존재하며, X=0.7인 등건도선의 냉매는 기체 상태의 냉매가 70%, 액체 상태의 냉매가 30% 존재한다. 당연히 포화액선 상에서의 냉매는 X가 0이 되므로 액체 상태의 냉매만 존재하며, 포화증기선 상에서의 냉매는 X가 1이되므로 기체 상태의 냉매만이 존재한다.
도 9는 기체 상태의 냉매를 주입하는 인젝션 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이며, 도 10은 액체 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 이상 인젝션(Two-Phase Injection) 방식의 공기 조화기에 있어서, 냉매의 순환 과정을 PH 선도에 도시한 그래프이다.
도 9와 도10을 참고하여 설명하면, 저온저압의 기체 상태인 냉매(①)은 압축기에 유입되면서 고온고압의 기체로 압축된다. 압축과정에서 인젝션 유로의 기체 또는 이상 상태인 냉매(7)가 압축기에 추가로 주입된다.
그리고 압축기를 통과한 냉매는 응축기에 유입되면서 저온 고압의 액체 상태의 냉매로 변환되며(⑤), 액체 상태로 변환된 냉매는 증발기로 향하는 제1경로와 인젝션 밸브로 향하는 제2경로로 나뉘어 진다.
제1경로를 따라 증발기로 향하는 저온 고압의 액체 냉매(⑩)는 메인 밸브를 통과하면서 저온 저압의 액체 및 기체 상태가 혼합되어 있는 이상 상태(Two-Phase)의 냉매로 변환되며(⑪), 메인 밸브를 통과한 냉매는 증발기로 유입되며, 증발기를 통과한 냉매는 고온 고압의 기체 상태의 냉매로 변환된다. (①)
반면, 제 2경로를 따라 인젝션 밸브로 유입되는 냉매는 인젝션 밸브를 통과하면서 냉매의 상태가 변화하는데 도 9처럼 기체 냉매만을 주입하는 가스 인젝션 방식의 공기 조화기의 경우 냉매가 액체와 기체가 혼합된 이상 상태의 냉매로 변환된 후(⑥) 다시 기체 상태로 변환되어 압축기로 유입된다. (⑦)
그러나 액체와 기체 상태가 혼합된 이상 냉매를 주입하는 이상 인젝션 방식의 공기 조화기는 도 10에 도시된 바와 같이, 냉매가 액체 상태와 기체 상태가 혼합되어 있는 이상 상태로 변환된 후(⑥) 이상 상태의 냉매가 압축기로 유입된다. (⑦)
따라서, 이상 인젝션 방식의 공기조화기의 압축기는 제1경로를 통해 유입된 기체 상태의 냉매와 제2 경로를 통해 유입된 액체 및 기체 상태가 혼합된 이상 상태의 냉매를 동시에 압축하여 고온 고압의 기체 상태의 냉매로 전환시킨다.
도 10과 같이 액체 상태의 냉매와 기체 상태의 냉매를 혼합하여 주입하는 이상 인젝션 타입의 공기 조화기의 경우, 압축기의 토출 온도를 감소시킬 수 있어 더 넓은 온도 조건에서 압축기의 주파수를 높일 수 있는 장점이 존재한다.
그러나 이상 인젝션 방식의 공기 조화기의 경우, 인젝션 밸브로부터 압축기로 유입되는 냉매의 양이 많아지면 압축기 내부에서 액압축에 의한 압축기 파손의 문제가 발생할 수 있으며, 난방 효율을 높이기 위해 압축기의 주파수를 과도하게 높이는 경우 냉매와 오일이 변질 될 수 있는 문제점이 존재한다.
따라서, 일 실시예에 의한 공기 조화기(1) 및 그 제어 방법은 이상 인젝션 방식의 공기 조화기에 있어서, 난방 효율을 높이면서 동시에 액압축에 의한 압축기 파손의 문제를 방지할 수 있는 공기 조화기(1) 및 그 제어 방법을 제공하기 위함이다. 이하 도면을 통하여 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법 및 작동 원리에 대해 알아본다.
도 11과 도 12는 냉매의 건도에 따른 압축기의 진동 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 11은 외기 온도가 -15도이고 압축기의 주파수가 130Hz로 작동하고 있을 때, 인젝션 건도에 따른 압축기의 진동 값 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이고, 도 12는 외기 온도가 7도이고 압축기의 주파수가 60Hz로 작동하고 있을 때, 인젝션 건도에 따른 압축기의 진동 값 및 인젝션 유랑비와의 관계를 도시한 도면이다.
건도는 습포화증기에서의 포화증기의 질량비를 의미하며, 인젝션 유량비는 메인 밸브와 인젝센 밸브로 유입되는 유로의 유랑비를 의미한다.
도 11과 도12를 참고하면, 인젝션되는 냉매의 건도가 0.65 이하가 되는 경우 압축기의 진동이 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 압축기로 유입되는 냉매의 건도 0.65이하인 경우 압축기 내부에서 액압축이 발생하여 압축기가 파손될 수 있는 문제점이 발생한다. 따라서, 인젝션 타입의 공기조화기의 경우 압축기로 유입되는 냉매의 건도를 0.65 이상으로 유지시켜야 압축기가 파손되는 문제를 방지할 수 있다.
그러나, 인젝션으로 유입되는 냉매의 건도를 직접 측정하는 것은 어렵다. 따라서, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 냉매의 건도와 인젝션 유랑비와의 관계를 산출하고, 인젝션 유량비에 기초하여 냉매의 건도를 간접적으로 측정하는 방식으로 냉매의 건도를 측정하고 이를 기초로 인젝션 밸브의 개도량을 제어하여 효율적으로 공기 조화기(1)를 작동시킬 수 있다.
이를 구체적으로 살펴보면, 도 11과 도 12에 도시된 바와 같이 냉매의 건도와 인젝션 유량비는 선형적인 관계를 가지고 있음을 알 수 있다. 즉, 인젝션 유량비가 0.4 인 경우 냉매의 건도는 0.65가 되므로, 인젝션 유량비를 0.4 이하로 제어하는 경우 냉매의 건도를 0.65로 이상으로 제어할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)와 관련된 각종 수치를 이용하여 두 밸브(152,153)의 개도비를 산출하고 이를 기초로 인젝션 밸브(153)의 유랑비를 산출할 수 있다. 구체적으로, 공기 조화기(1)는 산출된 유랑비가 미리 설정된 범위에 포함되는지 판단하여, 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153) 중 적어도 하나의 개도량을 제어하여 유랑비를 미리 설정된 범위에 포함되도록 제어할 수 있다. 제어 방법에 대해서는 도 15에서 자세히 설명하도록 한다. 이하, 유량비 산출 방법에 대해 구체적으로 알아본다.
도 13은 인젝션 유랑비와 두 밸브(152, 153)의 개도비와의 관계를 나타내는 그래프를 도시한 도면이며, 도 14는 인젝션 유량비를 산출하기 위해 필요한 식과 구체적인 값들을 도시한 도면이다.
도 13의 그래프에 표시된 값과 식은 실험을 통하여 도출한 결과이며, 실험을 통하여 인젝션 유량비(Rinj)와 두 밸브(152, 153)의 개도비(Reev)와의 관계는 아래 수학식 1과 같은 결과를 유추해낼 수 있다.
Figure PCTKR2019001131-appb-M000001
따라서, 인젝션 유량비를 산출하기 위해서는 두 밸브(152, 153)의 개도비(Reev)를 산출해야 하며, 두 밸브(152, 153) 개도비(Reev)는 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019001131-appb-M000002
그리고 인젝션 유랑비를 산출하기 위해 필요한 De,inj와 De,suc는 아래 수학식 3과 같이 표현 될 수 있다.
Figure PCTKR2019001131-appb-M000003
따라서, 수학식 3에서 필요한 수치들을 알고 있으면 수학 식2와 수학식 1을 통하여 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.
이하 도 14의 표시된 값들을 기초로 인젝션 유랑비를 산출하는 방법을 알아본다. 이하 설명되는 값은 설명의 편의를 돕기 위해 일 예로 설명한 수치이며, 이에 한정되는 것은 아니고 사용 조건에 따라 다양한 값으로 변경되어 설정될 수 있으며, 이러한 값은 사용자에 의해 설정될 수 있다.
도 14의 표에 도시된 항목들을 설명하면, EEV Opening 값은 현재 감지되는 밸브의 개도 값을 의미하며, EEV Opening, full 값은 밸브 개도의 최대 값을 의미한다. 그리고 EEV Start 값은 밸브에서 유랑이 발생하는 밸브 개도의 초기 값을 의미하며, D는 밸브 홀의 내경 사이즈(mm)를 의미한다. 그리고 밸브 개도비(EEV opening ratio, Reev)는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도 비를 의미하며, 인젝션 유랑비(Injection ratio)는 메인 밸브(152) 유로로 유입되는 냉매의 양과 인젝션 밸브(153)로 유입되는 냉매의 양의 비를 의미한다.
그리고 도 14의 표에 도시된 값들 중 EEV 개도 값은 실시간으로 감지되는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도 값을 의미하며, 그 외 EEV 개도 최대 값과, EEV 초기 값 및 EEV 홀 내경 사이즈는 공기조화기의 생산 방식에 따라 미리 설정되어 생산되므로, 설정된 값을 적용하면 된다. 따라서, 밸브의 개도 값만 측정하면 다른 값들을 이용하여 두 밸브(152, 153)의 개도비와 인젝션 유량비를 산출할 수 있다.
도 14를 참고하여 인젝션 유랑비를 산출하는 방법을 설명하면, 감지된 인젝션 밸브(153)의 개도 값이 95인 경우 식 3을 이용하여 De,inj=((95 - 40) / (480 -40)) * 2.4 = 0.3을 구할 수 있다. 그리고 감지된 메인 밸브(152)의 개도 값이 380인 경우 식 3을 이용하여 De,inj=((380 - 120) / (2000 -120)) * 6.4 = 0.89를 구할 수 있다.
그리고 식 2를 이용하여 인젝션 밸브(153)와 메인 밸브(152)의 개도비를 산출할 수 있으며(Reev = (0.3)/(0.89) = 0.34), 인젝션 밸브(153)와 메인 밸브(152)의 유랑비는 식 3을 통하여 Rinj는 -0.77 * 0.34 * 0.34 + 1.33*0.34 - 0.08 = 0.28로 산출할 수 있다.
따라서, 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도 값을 측정하면, 이를 기초로 인젝션 유량비를 산출할 수 있고 산출된 인젝션 유랑비에 기초하여 인젝션 밸브(153)의 개도량을 제어하는 방식으로 공기 조화기(1)의 작동을 효율적으로 제어할 수 있다. 이하 도면을 통하여 공기 조화기(1)의 작동 제어 방법에 대해 알아본다.
도 15는 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 15를 참고하면, 공기 조화기(1)는 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153)의 개도량을 측정할 수 있다. (S110)
두 밸브(152, 153)의 개도량이 측정되면, 측정된 값을 기초로 두 밸브(152, 153) 간의 개도비(Reev)를 산출하고(S120), 산출된 개도비를 기초로 메인 밸브(152)와 인젝션 밸브(153) 간의 유랑비를 산출할 수 있다.(S130)
개도비 및 유량비를 산출하는 방법에 대해서는 도 14에서 자세히 설명하였는바 생략하도록 한다.
유량비가 산출되었으면, 산출된 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되었는지 판단할 수 있다. (S140)
미리 설정된 범위는, 압축기(120) 내에서 액압축이 일어나지 않는 범위로서, 구체적으로 인젝션 유량비가 제한값을 초과하지 않는 범위를 의미한다. 그리고 제한값은 유랑비가 0.35 내지 0,45인 범위를 포함할 수 있다. 즉, 유량비가 0.35 내지 0,45를 초과하지 않는 경우 미리 설정된 범위에 포함된다고 볼 수 있다.
그리고 미리 설정된 범위가 상기 설명한 수치로 한정되는 것은 아니고 공기 조화기(1)의 작동 환경 및 조건에 따라 미리 설정된 범위는 다양하게 설정될 수 있다.
산출된 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되는 경우에는 공기 조화기(1)가 효율적으로 작동되고 있는 상태이므로 특별한 조치를 취하지 않고 종료할 수 있다. 그러나 산출된 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우 액압축에 의한 압축기 파손 문제가 발생할 수 있으므로 인젝션 밸브(153)의 개도량을 제어하여 압축기 내부로 유입되는 냉매의 양을 조절할 수 있다. 구체적으로, 유량비를 감소시키기 위해 인젝션 밸브(153)의 개도량을 감소시킬 수 있다. (S150)
따라서, 일 실시예에 의한 공기 조화기(1)는 이러한 방식을 통해 액압축에 의한 압축기(120)의 파손을 사전에 방지하는 동시에 압축기(120)로 유입되는 냉매의 양을 증가시켜 공기 조화기(1)를 효율적으로 작동시킬 수 있는 장점이 존재한다. 또한, 변경되는 인젝션 밸브(153)의 개도량에 따라 액압축 위험을 사전에 판단하고 미리 조치할 수 있어 보다 신뢰성 있는 공기 조화기(1)를 제공할 수 있다.
또한, 종래 인젝션 방식의 공기 조화기의 경우, 액압축에 의한 압축기 파손을 방지하기 위해 인젝션 밸브의 크기를 일률적으로 작은 사이즈를 적용하여 효율이 좋지 않은 단점이 존재하였으나, 일 실시예에 의한 공기 조화기(1)는 다양한 범위의 크기를 갖는 인젝션 밸브를 채용하여도 안정성을 확보할 수 있는 장점이 존재한다.
지금까지 도면을 통하여 일 실시예에 따른 공기 조화기(1) 및 그 제어 방법에 대해 알아보았다.
지금까지 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 냉매를 압축시키는 압축기;
    난방 모드에서 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실내 열교환기;
    상기 난방 모드에서 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실외 열교환기;
    상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기를 연결하는 메인 배관;
    상기 메인 배관으로부터 분기되어 상기 압축기의 인젝션 포트에 연결되는 인젝션 배관;
    상기 메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 메인 밸브;
    상기 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브;
    상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하고 산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 포함하는 공기 조화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인젝션 유량비 및 상기 인젝션에서 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 공기 조화기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 공기 조화기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시키는 공기 조화기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 범위는,
    제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함하는 공기 조화기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 공기 조화기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 메인 밸브와 인젝션 밸브의 개도 최대 값, 내경의 길이 및 상기 메인 밸브와 인젝션 밸브에서 유량이 발생하는 개도 초기값을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 공기 조화기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 기초로 상기 인젝션 유량비를 산출하는 공기 조화기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는,
    상기 인젝션 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매 및 기체 상태의 냉매가 혼합된 냉매와 상기 메인 밸브로부터 유입되는 액체 상태의 냉매를 압축하는 공기 조화기.
  10. 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서,
    메인 배관에 설치되어 상기 메인 배관으로 흐르는 냉매의 유량의 제어하는 메인 밸브의 개도량과 인젝션 배관에 설치되어 상기 인젝션 배관으로 흐르는 냉매의 유량을 제어하는 인젝션 밸브의 개도량을 기초로 인젝션 유량비를 산출하는 단계;
    산출된 상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 인젝션 유량비 및 상기 인젝션에서 유입되는 냉매의 건도와의 관계를 기초로 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되도록 상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 인젝션 유량비가 미리 설정된 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 인젝션 밸브의 개도량을 감소시키는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 미리 설정된 범위는,
    제한값을 초과할 수 없으며, 상기 제한값은 0.35 내지 0.45 범위를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 인젝션 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 인젝션 밸브와 메인 밸브의 개도량을 기초로 상기 인젝션 밸브와 상기 메인 밸브의 개도비를 산출하는 단계를 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
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