KR100373075B1 - 공기조화기의 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 공기조화기는, 듀티제어신호에 따라 펄스폭변조방식으로 제어되는 압축기, 압축기에서 압축된 냉매를 팽창시키는 전동팽창밸브를 포함한다. 압축기의 토출측과 전동팽창밸브의 유입측은 고압관으로 연결되고, 전동팽창밸브의 유출측과 압축기의 흡입측은 저압관으로 연결된다. 바이패스관의 일단은 고압관에 연결되고 타단은 저압관에 연결되며, 바이패스관의 중도에는 유량조절밸브가 설치된다. 제어부는 압축기의 기동운전을 2단계로 수행하여 제1기동운전에서는 유량조절밸브는 열고 전동팽창밸브를 닫고, 제2기동운전에서는 유량조절밸브는 닫고 전동팽창밸브는 대략 17%의 개도로 열도록 제어하고, 압축기를 정상운전보다 짧은 주기의 듀티제어신호로 제어한다. 압축기의 제2기동운전 중의 로딩 타임과 언로딩 타임의 비는 대략 5:5 이다.

Description

공기조화기의 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법{Control system for starting of air conditioner and control method thereof}

본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 더 상세하게는 펄스 폭 변조 방식의 압축기를 채용한 공기조화기의 안전 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

건물이 대형화함에 따라 하나의 실외기에 다수의 실내기가 연결된 형태의 멀티 에어컨(Multi-airconditioner)에 대한 수요자의 요구가 증가 추세에 있다. 멀티 에어컨은 실외기와 실내기가 비교적 멀리 떨어져 설치되기 때문에 실외기와 실내기를 연결하는 냉매관의 길이가 길어져서 냉매 충진량이 많고, 기동시 압축기로 액냉매의 유입 가능성이 높아진다.

특히 멀티 에어컨의 운전 중에 어느 실내기의 전원을 갑작스럽게 차단하면 액냉매의 유입 가능성은 더욱 높아진다. 즉 운전 중인 실내기의 전원을 갑작스럽게 차단하면 실내기를 구성하고 있는 전동팽창밸브에 전원 공급이 중단되므로 전동팽창밸브는 개방된 상태를 유지하고 응축기와 증발기 사이의 냉매관에 있던 고압의 액냉매는 전동팽창밸브와 증발기를 거쳐 압축기 또는 어큐뮬레이터로 유입된다.

이와 같은 현상은 고압측과 저압측의 압력 평형이 이루어질 때까지 계속되는데, 압축기로 유입된 액냉매는 압축기 내의 오일과 혼합되어 오일의 농도를 낮게 하여 압축기 기동시 마찰부의 윤활작용을 저해하므로 결국 압축기의 손상을 초래한다.

한편, 멀티 에어컨의 경우는 큰 냉방요구능력이 필요할 뿐만 아니라 운전하는 실내기와 운전하지 않는 실내기가 수시로 변하기 때문에 냉방요구능력이 변하게된다. 이러한 요구에 따라 멀티 에어컨에서는 대용량이면서 능력가변이 가능한 회전수 가변형 압축기가 사용된다. 이러한 회전수 가변형 압축기는 인버터 제어를 통해 모터에 인가되는 전류의 주파수를 변화시켜 모터의 회전수를 제어함으로써 압축기의 용량을 냉방요구능력의 변화에 맞게 조정한다. 그러나 종래의 회전수 가변형 압축기는 냉방요구능력에 따라 회전하고 있는 모터를 직접 제어해야 하므로 양호한 응답성과 정확성을 가지고 모터의 회전수를 제어하기 어려운 문제점이 있었다. 또한 모터의 회전수가 수시로 변하기 때문에 이로 인한 진동과 소음이 발생하여 모터와 압축기의 수명이 단축되고 전체적으로 기계적 신뢰성이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

또한 모터에 인가되는 전류의 주파수를 변환시키기 위해서는 고가이면서 복잡한 구조의 회로장치가 필요할 뿐만 아니라, 여기서 소비되는 전력이 크기 때문에 일반적인 압축기보다 효율이 떨어지는 단점도 있었다. 특히 회전수 가변형 압축기에서는, 최초 투입된 상용의 AC 입력전원은 컨버터 장치에서 DC 전원으로 변화되고 다시 컨버터 장치에서 필요로 하는 주파수의 AC 전원으로 변화되는 등 수 차례에 걸친 입력전원의 변환과정이 요구되므로 회로 구성이 매우 복잡해지고 전자 노이즈가 많이 발생한다.

또한 회전수 가변형 압축기는 대용량에서는 제어가 어렵고, 효율이 떨어지며, 전체 사이즈가 커지고, 비용이 많이 드는 등의 문제점이 있기 때문에 하나의 회전수 가변형 압축기로 대용량의 요구조건을 만족시키기는 곤란하다. 따라서 대용량의 요구조건 하에서는 2개 이상의 압축기를 사용하게 되고, 이 경우 통상적으로회전수 가변형 압축기와 함께 모터가 일정한 속도로 회전하는 표준형 압축기를 같이 사용하게 된다. 이렇게 복수의 압축기를 사용할 경우 실외기의 전체 크기가 매우 커지고 이에 따라 취급이 곤란하였다.

다른 형태의 능력가변형 압축기로 펄스 폭 변조 방식의 압축기(Pulse Width Modulated Compressor)가 미국 특허 6, 047, 557호와 일본 특개평8-334094호에 개시되어 있다. 그러나 이러한 압축기는 다수의 냉장실 또는 냉동실을 가진 냉장시스템에 사용되는 것으로 압축기와 증발기 사이의 냉매관의 길이가 짧은 단배관에 사용되는 것을 전제로 하고 있다. 따라서 필연적으로 장배관일 수밖에 없고 또한 제어환경이 냉장시스템과는 다른 건물의 공기조화시스템에는 그대로 적용할 수가 없다. 또한 위 선행 자료에는 펄스폭 변조 방식의 압축기를 멀티 에어컨에 응용하기 위한 제어 시스템이나 제어방법, 특히 기동을 신속하고 안전하게 수행하거나 기동시의 액냉매의 유입을 방지하거나 기동운전과 정상운전을 부드럽게 연결시키기 위한 제어 시스템이나 제어방법은 전혀 개시되어 있지 않다.

본 발명은 상술한 배경 하에 이루어진 것으로, 펄스 폭 변조 방식으로 제어되는 압축기를 채용한 공기조화기에서 압축기의 기동을 신속하고 안전하게 수행할 수 있는 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 펄스 폭 변조 방식의 압축기를 채용한 공기조화기에서 기동시 액체 냉매가 압축기로 유입되는 것을 최대한 방지할 수 있는 공기조화기의 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 펄스 폭 변조 방식의 압축기를 채용한 공기조화기에서 기동운전을 2단계로 수행하여 기동운전과 정상운전을 부드럽게 연결시키는 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 공기조화기 기동 제어 시스템의 사이클 구성도이다.

도 2a는 본 발명의 공기조화기에 채용된 펄스 폭 변조 방식의 압축기의 로딩 상태를 도시한 것이고, 도 2b는 언로딩 상태를 도시한 것이다.

도 3은 도 2의 압축기의 운전 중에 로딩 및 언로딩과 냉매 토출량과의 관계를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 공기조화기 기동 제어 시스템의 전체 블록도이다.

도 5는 본 발명에 따른 공기조화기 기동 제어 과정을 보인 흐름도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

2: 압축기 5: 증발기

8: 실외기 9: 실내기

26: PWM밸브 27: 실외제어부

28: 실외통신회로부 29: 실내제어부

33: 압축기온도센서 34: 응축기온도센서

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기조화기 기동 제어 시스템은, 듀티제어신호에 따라 펄스폭변조방식으로 제어되는 압축기, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 팽창시키는 전동팽창밸브, 상기 압축기의 토출측과 상기 전동팽창밸브의 유입측을 연결시키는 고압관, 상기 전동팽창밸브의 유출측과 상기 압축기의 흡입측을 연결시키는 저압관, 일단은 상기 고압관에 연결되고 타단은 상기 저압관에 연결된 바이패스관, 상기 바이패스관의 중도에 설치되어 상기 바이패스관에 흐르는 유체의 유량을 조절하는 유량조절밸브, 상기 압축기의 기동운전을 2단계로 수행하여 제1기동운전에서는 상기 유량조절밸브는 열고 상기 전동팽창밸브를 닫고, 제2기동운전에서는 상기 유량조절밸브는 닫고 상기 전동팽창밸브는 소정 개도로 열도록 상기 전동팽창밸브와 상기 유량조절밸브의 구동을 제어하고, 상기 압축기를 정상운전보다 짧은 주기의 듀티제어신호로 제어하는 제어부를 포함한다.

또한 본 발명은, 듀티제어신호에 따라 펄스폭변조방식으로 제어되는 압축기와 상기 압축기에서 압축된 냉매를 팽창시키는 전동팽창밸브를 포함하는 공기조화기의 제어방법으로, 상기 압축기 기동신호가 들어왔는지를 판단하는 단계, 상기 단계에서 기동신호가 들어왔으면 전동팽창밸브를 닫고 상기 압축기의 토출측과 흡입측을 연결하는 바이패스관의 유량조절밸브를 연 상태로 상기 압축기의 듀티 사이클의 주기를 정상운전에서의 주기보다 짧게 하여 소정 시간 동안 상기 압축기를 운전시키는 제1기동운전단계, 상기 제1기동운전에 이어서 상기 전동팽창밸브를 소정 개도로 열고 상기 유량조절밸브를 연 상태로 상기 압축기의 듀티 사이클의 주기를 정상운전에서의 주기보다 짧게 하여 상기 압축기를 운전시키는 제2기동운전단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시례를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 공기조화기의 사이클 구성도이다. 본 발명의 공기조화기(1)는 폐회로를 구성하도록 냉매관에 의해 순차적으로 연결된 압축기(2), 응축기(3), 전동팽창밸브(4), 그리고 증발기(5)를 포함한다. 냉매관 중에서 압축기(2)의 토출측과 전동팽창밸브(4)의 유입측을 연결하는 냉매관은 압축기(2)에서 토출된 고압 냉매의 흐름을 안내하는 고압관(6)이고, 전동팽창밸브(4)의 유출측과 압축기(2)의 흡입측을 연결하는 냉매관은 전동팽창밸브(4)에서 팽창된 저압 냉매의 흐름을 안내하는 저압관(7)이다. 응축기(3)는 고압관(6)의 중도에 설치되고, 증발기(5)는 저압관(7)의 중도에 설치된다. 압축기(2)가 운전하면 냉매는 실선 화살표 방향으로 흐른다.

한편, 본 발명의 공기조화기(1)는 실외기(8)와 실내기(9)를 포함한다. 실외기(8)는 전술한 압축기(2)와 응축기(3)를 포함하며, 압축기(2) 상류의 저압관(7)에 설치된 어큐뮬레이터(10)와 응축기(3)의 하류의 고압관(6)에 설치된 리시버(11)를 포함한다. 어큐뮬레이터(10)는 증발기(5)에서 미처 증발하지 못한 액냉매를 모아 기화시켜 압축기(2)로 유입되게 하는 역할을 한다. 즉 증발기(5)에서 완전한 증발이 이루어지지 않을 경우 어큐뮬레이터(10)로 들어오는 냉매는 액체와 기체 상태의 혼합인데, 어큐뮬레이터(10)는 액상의 냉매를 기화시켜 기체 상태의 냉매(가스 냉매)만이 압축기로 흡입되도록 한다. 이를 위해 어큐뮬레이터(10) 내부의 냉매관 입구단과 냉매관 출구단은 어큐뮬레이터(10) 내의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.

유사하게 응축기(3)에서 완전한 응축이 이루어지지 않을 경우 리시버(11)로 들어오는 냉매는 액상과 기상의 혼합이다. 리시버(11)는 액상의 냉매과 기상의 냉매를 분리하여 액상의 냉매만을 유출하도록 구성되는데, 이를 위해 리시버(11)의 내부의 냉매관 입구단과 출구단은 리시버(11) 내부의 하측까지 연장된다.

리시버(11) 내부의 기체 상태의 냉매를 바이패싱하기 위해 리시버(11)와 어큐뮬레이터(10) 상류의 저압관(7)을 연결시키는 벤트바이패스관(12)이 마련된다. 벤트바이패스관(12)의 입구단은 리시버(11)의 상측에 마련되어 기상의 냉매만이 유입되게 하며 중도에는 벤트밸브(13)가 마련되어 바이패싱되는 가스 냉매의 유량을 조절한다. 이점쇄선 화살표는 벤트바이패관(12)을 흐르는 가스 냉매의 유동 방향을 나타낸다.

리시버(11)에서 나오는 고압관은 어큐뮬레이터(10)를 통과하도록 구성된다. 이는 이 고압관을 통과하는 상대적으로 높은 온도의 냉매를 이용하여 어큐뮬레이터(10) 내의 저온의 액상 냉매를 기화시키기 위한 것이다. 어큐뮬레이터(10)에서의 기화를 효과적으로 수행하기 위해 어큐뮬레이터(10) 내부의 저압 냉매관은 U 형상으로 형성되고, 어큐뮬레이터(10)를 통과하는 고압 냉매관은 U 형 저압 냉매관의 내부를 통과하도록 배치된다.

또한 실외기(8)는 압축기(2)에서 응축기(3)에 이르는 고압관(6)과 어큐뮬레이터(10)를 연결하는 핫가스바이패스관(14)과 리시버(11)의 하류와 어큘뮬레이터(10)의 상류를 연결하는 리퀴드바이패스관(15)을 포함한다. 핫가스바이패스관(14)의 중도에는 핫가스밸브(16)가 설치되어 바이패스되는 핫가스의 유량을 조절하고 리퀴드바이패스관(15)의 중도에는 리퀴드밸브(17)가 설치되어 바이패스되는 액냉매의 유량을 조절한다. 따라서 핫가스밸브(16)가 개방되면 압축기(2)에서 나온 핫가스의 일부는 핫가스바이패스관(14)을 따라 점선 화살표 방향으로 흐르고, 리퀴드밸브(17)가 개방되면 리시버(11)에서 나온 액냉매의 일부는 리퀴드바이패스관(15)을 따라 일점쇄선 화살표 방향으로 흐른다.

실내기(9)는 여러 개가 병렬로 배치되며, 각 실내기(9)는 전동팽창밸브(4)와 증발기(5)를 포함한다. 따라서 하나의 실외기(8)에 여러 개의 실내기(9)가 연결된 형태를 취한다. 그리고 각 실내기(9)의 용량과 형태는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.

한편, 압축기(2)의 토출측에는 토출되는 냉매가스의 온도를 측정하기 위한 압축기온도센서(33)가 설치되고, 응축기(3)의 중간에는 응축기(3)의 온도, 바람직하기로는 응축기(3)의 중앙온도를 측정하기 위한 응축기온도센서(34)가 설치된다. 압축기온도센서(33)와 응축기온도센서(34)는 후술하는 바와 같이 실외제어부(27)에 연결된다.

도 2a와 2b에 도시된 바와 같이, 압축기로는 펄스폭 변조방식으로 제어되는 능력가변형 압축기(2)가 사용된다. 압축기(2)는 흡입구(18)와 토출구(19)가 마련된케이싱(20)과, 이 케이싱(20) 내부에 설치된 모터(21)와, 이 모터(21)의 회전력를 받아 회전하는 선회스크롤(22)과, 선회스크롤(22)과의 사이에 압축실(23)을 형성하는 고정스크롤(24)을 포함한다. 케이싱(20)에는 고정스크롤(24)의 상측과 흡입구(18)를 연결하는 바이패스관(25)이 설치되고, 이 바이패스관(25)에는 솔레노이드 밸브 형태의 PWM밸브(Pulse Width Modulated Valve; 26))가 설치된다. 도 2a는 PWM밸브(26)가 오프되어 바이패스관(25)을 막고 있는 상태를 도시한 것으로, 이 상태에서는 압축기(2)는 압축된 냉매를 토출한다. 이러한 상태를 로딩(loading)이라 하고 이때 압축기(2)는 100%의 용량으로 운전한다. 도 2b는 PWM밸브(26)가 온되어 바이패스관(25)을 열고 있는 상태를 도시한 것으로, 이때 냉매는 압축기(2)에서 토출되지 않는다. 이러한 상태를 언로딩(unloading)이라 하고 압축기(2)는 0%의 용량으로 운전하게 된다. 로딩 상태이든 언로딩 상태이든 압축기(2)에는 전원이 공급되고 모터(21)는 일정한 속도로 회전한다. 압축기(2)에 전원공급이 차단되면 모터(21)는 회전하지 않고 압축기(2)의 운전은 정지된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 압축기(2)는 운전하는 동안에 일정한 주기로 로딩과 언로딩을 반복한다. 그리고 각 주기에서 로딩 타임과 언로딩 타임은 냉방요구능력에 따라 변하며, 로딩 타임에서 압축기(2)는 냉매를 토출하므로 증발기(5)의 온도는 하강하고, 언로딩 타임에서 압축기(2)는 냉매를 토출하지 않으므로 증발기(5)의 온도는 상승한다. 도 3에서 빗금친 부분의 면적은 냉매 토출량을 나타낸다. 로딩 타임과 언로딩 타임을 제어하는 신호를 듀티 제어 신호라 한다. 본 발명의 실시례에서 주기는 일정하게 예를 들어 20초로 정해 놓고 실내기(9)의 총 냉방요구능력에 따라 로딩 타임과 언로딩 타임을 변화시켜 압축기(2)의 능력을 가변시키는 방식을 취한다.

도 4는 본 발명에 따른 공기조화기 제어 시스템의 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실외기(8)는 압축기(2) 및 PWM밸브(26)와 신호의 전달이 가능하게 연결된 실외제어부(27)를 포함한다. 실외제어부(27)는 실외 통신회로부(28)와 연결되어 데이터를 송수신하고, 벤트밸브(13)와 핫가스밸브(16) 그리고 리퀴드밸브(17)와 연결되어 필요에 따라 이들 밸브를 구동 제어한다. 또한 실외제어부(27)에는 전술한 압축기온도센서(33)와 응축기온도센서(34)가 연결된다.

각 실내기(9)는 실내제어부(29)를 포함하고, 이 실내제어부(29)의 입력포트에는 온도검지부(30)와 온도설정부(31)가 연결되고, 출력포트에는 전동팽창밸브(4)가 연결된다. 온도검지부(30)는 조화공간인 실내의 온도를 센싱하는 온도센서이며, 온도검지부(30)에 의해 센싱된 온도에 기초하여 냉방요구능력이 산출된다. 각 실내기(9)는 실내제어부(29)와 데이터 송수신이 가능하게 연결된 실내 통신회로부(32)를 포함한다. 실외 통신회로부(28)와 실내 통신회로부는(32) 유선 또는 무선으로 데이터 송수신이 가능하게 설치되어 있다.

본 발명에서 압축기(2)의 운전은 정상운전과 기동운전으로 구분된다. 정상운전은 압축기에 전원이 이미 공급된 상태, 즉 기동이 완료된 상태에서 실내기에서 전송되어 온 냉방요구능력에 따라 압축기가 운전되는 것을 말하고, 기동운전은 압축기에 기동신호가 들어올 경우 기동을 위해 수행되는 운전을 말한다.

정상운전 모드에서 실내제어부(29)는 온도검지부(30) 및 온도설정부(31)로부터 신호를 받아 실내온도와 설정온도의 차에 기초하여 실내기(9)의 냉방요구능력을 산출한다. 또한 실내제어부(29)는 자신의 냉방능력 정보를 가지고 있으며, 냉방요구능력을 산출할 때 실내온도와 설정온도의 차 및 자신의 냉방능력 양자에 기초하여 냉방요구능력을 산출할 수도 있다. 이렇게 산출된 각 실내기의 냉방요구능력은 통신회로부(28)(32)를 통해서 실외제어부(27)로 전송되고, 실외제어부(27)는 각 실내기(9)의 냉방요구능력을 합산한 총 냉방요구능력을 계산하여, 총 냉방요구능력에 따라 미리 정해진 압축기(2)의 로딩 타임과 언로딩 타임으로 압축기를 운전한다.

도 5를 참조하여 기동운전에 들어가기 전의 압평형 과정 및 기동운전을 설명하면, 작동 중인 압축기의 운전이 정지되었는가를 판단하여(S101), 압축기의 운전이 정지되면, 전동팽창밸브(4)와 벤트밸브(13)를 완전히 개방한다(S102). 이 상태에서 30초가 경과하였는가를 판단하여(S103), 30초가 경과되지 않았으면 단계 102를 계속해서 수행하고 30초가 경과되었으면 핫가스밸브(16)를 개방한다(S104). 다음에 전동팽창밸브(4)와 벤트밸브(13)를 개방한 후 3분(핫가스밸브 개방 후 2분 30초)이 경과했는지를 판단한다(S105). 단계 105에서 3분이 경과되지 않았으면 단계102와 단계104를 계속해서 수행하여 전동팽창밸브(4), 벤트밸브(13), 핫가스밸브(16)를 개방하고, 3분이 경과되었으면 전동팽창밸브(4), 벤트밸브(13), 핫가스밸브(16)를 닫는다(S106). 이렇게 3분 동안의 압평형 과정을 거치는 이유는 사이클 내의 고압과 저압의 평형을 형성시켜 압축기의 작동 초기의 기동부하를 경감시키기 위함이다. 여기서 3분은 사이클 내의 고압과 저압의 평형을 형성시키기 위해 필요한 시간이므로 시스템에 따라서 변할 수 있는 시간이다.

이어서 기동운전을 설명한다. 본 실시례에서 기동운전은 2단계로 이루어진다. 먼저 제1단계 기동운전을 설명하면, 압축기(2)의 기동신호가 들어왔는가를 판단하여(S107), 기동신호가 들어 왔으면, 압축기(2)를 운전하고, 전동팽창밸브(4)는 닫고, 핫가스밸브(16)와 벤트밸브(13)는 개방한다(S108). 이 때 압축기(2)를 제어하기 위한 듀티제어신호의 주기는 정상운전에서의 듀티제어신호의 주기보다 짧게 한다. 이렇게 기동운전의 주기를 정상운전의 주기보다 짧게 한 이유는 정상 운전 주기로 기동할 경우 압력 변동이 심해져서 압축기의 신뢰성에 영향을 주고 안전한 기동을 실현하는데 어려움이 있기 때문이다. 또한, 정상운전 동안의 언로딩 타임이 길 경우 기동하는데 비교적 시간이 오래 걸리는 문제가 있고 로딩 타임이 길 경우에는 압력강하가 심해짐은 물론 어큐뮬레이터(10)로부터 압축기(2)로 액냉매의 유입 가능성이 있기 때문에 로딩 타임을 비교적 짧게 하면서 자주 로딩시킴으로써 기동을 신속하고 안전하게 수행할 수 있다. 본 실시례에서 제1단계 기동운전의 압축기의 듀티제어신호의 주기는 정상운전 주기의 20 ∼ 80%이며, 50%가 가장 바람직하다. 제1단계 기동운전에서 주기의 하한을 20%로 한 이유는 로딩 타임과 언로딩 타임이 보통 초 단위로 되어 있어 최소 주기를 줄이는 데 한계가 있기 때문이며, 상한을 80%로 한 이유는 80%이상으로 할 경우에는 주기 단축의 효과가 거의 없기 때문이다. 따라서 정상운전의 주기가 20초 일 경우에는 제1단계 기동운전의 주기는 4초 내지 16초가 되며, 가장 바람직한 주기는 10초가 된다.

또한 제1단계 기동운전에서 압축기는 20 ∼ 50%의 모듈레이션(Modulation)으로 운전하는데, 20%의 모듈레이션이란 압축기가 2초의 로딩 타임과 8초 언로딩 타임으로 운전하는 것을 말하고, 50%의 모듈레이션이란 압축기가 5초의 로딩 타임과 5초의 언로딩 타임으로 운전하는 것을 말한다. 가장 바람직한 것은 30%의 모듈레이션이며 이 경우 로딩 타임과 언로딩 타임의 비는 3:7이다. 이렇게 기동운전을 50% 이하의 모듈레이션으로 하는 이유는 기동운전은 정상운전이 아니므로 모듈레이션을 높이는 데 한계가 있고, 저온 기동에서 모듈레이션을 높일 경우 압력강하가 너무 심해 압축기의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

이러한 제1단계 기동운전은 1∼5분간, 바람직하기로는 1분간 수행한다. 따라서 제1단계 기동운전을 수행한 후 1분이 지났는가를 판단하여(S109), 1분이 경과되었으면 제2단계 기동운전으로 전환한다.

1단계 기동운전 동안에 모든 전동팽창밸브(4)를 닫는 이유는 기동 초기에 응축기(3)를 거친 리시버(11)와 증발기(5) 내의 액냉매가 어큐뮬레이터(10)로 일시에 유입되어 압축기(2)로 흡입되는 것을 방지하기 위함이다. 또한 전동팽창밸브(4)를 닫음으로써 증발기(5)와 압축기(2) 사이의 저압 냉매가 압축기(2) 내로 신속하게 이동하여 압축ㆍ토출되게 하므로 신속한 기동을 실현할 수 있다.

한편, 모든 전동팽창밸브(4)를 닫고 압축기(2)를 운전하면 전동팽창밸브(4)와 압축기(2) 사이의 냉매압력의 강하가 심하게 일어나고 정상적인 냉매의 순환이 이루어지지 않으므로 압축기(2)가 과열되는 원인이 된다. 따라서 핫가스밸브(16)를 열어 압축기(2)의 토출측과 어큐뮬레이터(10) 상류측의 저압관을 연결시켜 준다. 그러면 압축기(2)에서 나온 핫가스의 일부가 어큐뮬레이터(10)로 유입됨으로써 어큐뮬레이터(10) 부분의 냉매 압력이 심하게 강하되는 것을 방지하고 압축기(2)가정상적으로 작동하게 된다.

또한 모든 전동팽창밸브(4)가 닫혀 있는 상태에서는 냉매의 순환이 정상적으로 이루어지지 않으므로 응축기(3)에서 응축된 냉매가 신속하게 리시버(11) 내부로 유입되지 못한다. 따라서 벤트밸브(13)를 열어 리시버(11) 내의 가스냉매를 저압쪽으로 빼냄으로써 액냉매가 리시버(11)로 신속하게 유입되게 하여 원활한 기동을 실현한다.

제2단계 기동운전에서는 기동과 약간의 냉방을 동시에 수행한다. 이를 설명하면, 먼저, 압축기(2) 토출온도와 응축기(3)의 중앙온도의 차이가 10 ∼ 30℃ 이상(바람직하기로는 20℃이상)인가를 판단한다(S110). 압축기(2) 토출온도는 압축기(2)의 토출측에 설치된 압축기온도센서(33)에 의해 검지되고, 응축기(3)의 중앙온도는 응축기(3)의 중앙부분에 설치된 응축기온도센서(34)에 의해 검지되며, 이들 검지된 온도는 실외제어부(27)에 전송된다. 실외제어부(27)는 전송된 온도에 기초하여 압축기 토출온도와 응축기 중앙온도의 차를 구하고, 이 차이가 10 ∼ 30℃ 이상(바람직하기로는 20℃ 이상)인가를 판단하여(S110), 10 ∼30℃ 이상(바람직하기로는 20℃)이면 정상운전(S114)으로 전환하고, 그렇지 않으면 소프트 스타트(소프트 기동) 운전을 수행한다(S111). 압축기 토출온도와 응축기 중앙온도의 차이가 10 ∼ 30℃ 이상이 되면 정상운전으로 전환하는 이유는, 그 상태에서는 압축기로의 액체 냉매의 유입이 거의 없다고 판단되기 때문이다. 따라서 이러한 온도 범위는 시스템에 따라 달라 질 수 있다.

소프트 스타트 운전(S111)에서 압축기(2)의 듀티제어신호 주기는 전술한 제1단계 기동운전에서 주기와 동일하게 정상운전 주기의 20 ∼ 80%으로 한다. 또한, 소프트 스타트 운전(S111)에서 압축기의 로딩 타임과 언로딩 타임의 비는 4:6 ∼7:3 으로 한다. 소프트 스타트 운전에서는 기동 기능 이외에도 실내기 쪽으로 약간의 냉매를 공급하여 약간의 냉방으로 수행해야 하므로 로딩 타임과 언로딩 타임의 비를 제1단계 기동운전에서 로딩 타임과 언로딩 타임의 비보다 약간 높여 준 것이다. 여기서도 바람직한 로딩 타임과 언로딩 타임의 비는 5:5이다.

그리고 소프트 스타드 운전(S111) 중에는 전동팽창밸브(4)를 완전 개도의 5 ∼ 33% 정도(가장 바람직한 개도는 17%) 개방하고, 핫가스밸브(16)와 벤트밸브(13)를 개방한다. 제2단계 기동운전에서 제1단계 기동운전의 모듈레이션보다 높은 모듈레이션으로 운전하고 전동팽창밸브(4)의 대략 17%의 개도로 개방한 것은 액냉매가 압축기(2)로 유입되는 것을 최대한 방지하여 안전기동을 실현하면서 동시에 약간의 냉방운전을 수행하여 부드럽게 정상운전으로 전환하기 위함이다.

한편, 단계111을 수행하는 동안에도 압축기 토출온도와 응축기 중앙온도의 차이가 10 ∼ 30℃ 이상(바람직하기로는 20℃)인가를 판단하여(S112), 10 ∼ 30℃ 이상(바람직하기로는 20℃ 이상)이면 정상운전(S114)로 전환하고, 그렇지 않으면 소정 시간 동안만 단계 111의 소프트 스타트 운전을 수행하고 정상운전(S114)로 전환한다. 즉, 단계111을 수행하는 동안에 압축기 토출온도와 응축기 중앙온도의 차이가 10 ∼ 30℃(바람직하기로는 20℃ 이상)를 넘지 않을 경우라 하더라도 3 ∼ 8분(바람직하기로는 5분)이 경과했는지를 판단하여(S113), 3 ∼ 8분(바람직하기로는 5분)이 경과했으면 정상운전(S114)로 전환한다. 그 이유는 3 ∼ 8분(바람직하기로는 5분)이 경과되었으면 압축기의 운전이 안전단계에 들어가고 따라서 액체 냉매의 유입이 거의 없다고 판단되기 때문이다. 여기서 시간(3 ∼ 8분)은 안전기동을 우선적으로 고려할 경우에는 장시간일수록 좋고 신속하게 냉방운전을 시작하고자 할 경우는 짧을수록 좋기 때문에 양자를 고려하여 정해진 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기조화기의 기동 제어 시스템 및 그 제어 방법에 의하면, 펄스폭변조 방식으로 제어되는 압축기를 채용하고 전동팽창밸브와 유량조절밸브인 핫가스밸브, 벤트벨브의 개폐를 적절하게 조절함으로써 압축기의 기동을 신속하고 안전하게 수행할 수 있다. 또한 압축기의 기동시 액냉매의 유입을 최대한 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 기동운전과 그 제어 방법에 따르면, 펄스 폭 변조 방식의 압축기의 기동운전을 2단계로 수행하여 기동운전과 정상운전을 부드럽게 연결시킬 수가 있다.

Claims (15)

1. 듀티제어신호에 따라 펄스폭변조방식으로 제어되는 압축기,

   상기 압축기에서 압축된 냉매를 팽창시키는 전동팽창밸브,

   상기 압축기의 토출측과 상기 전동팽창밸브의 유입측을 연결시키는 고압관,

   상기 전동팽창밸브의 유출측과 상기 압축기의 흡입측을 연결시키는 저압관,

   일단은 상기 고압관에 연결되고 타단은 상기 저압관에 연결된 바이패스관,

   상기 바이패스관의 중도에 설치되어 상기 바이패스관에 흐르는 유체의 유량을 조절하는 유량조절밸브,

   상기 압축기의 기동운전을 2단계로 수행하여 제1기동운전에서는 상기 유량조절밸브는 열고 상기 전동팽창밸브를 닫고, 제2기동운전에서는 상기 유량조절밸브는 닫고 상기 전동팽창밸브는 소정 개도로 열도록 상기 전동팽창밸브와 상기 유량조절밸브의 구동을 제어하고, 상기 압축기를 정상운전보다 짧은 주기의 듀티제어신호로 제어하는 제어부를 포함하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
2. 제1항에서,

   상기 저압관의 중도에 설치된 어큐뮬레이터를 더 포함하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
3. 제2항에서,

   상기 바이패스관은 상기 압축기와 상기 응축기 사이의 고압관과 상기 어큐뮬레이터를 연결하는 핫가스바이패스관이고, 상기 유량조절밸브는 상기 핫가스바이패스관에 설치된 핫가스밸브인 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
4. 제2항에서,

   상기 응축기와 상기 팽창기 사이의 고압관에는 리시버가 설치되고, 상기 바이패스관은 상기 리시버와 상기 어큐뮬레이터의 상류측을 연결하는 벤트바이패스관이고, 상기 유량조절밸브는 상기 벤트바이패스관에 설치된 벤트밸브인 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
5. 제1항에서,

   상기 압축기의 기동 운전 동안의 듀티 사이클의 주기는 상기 압축기의 정상 운전 동안의 듀티 사이클 주기의 20 ∼ 80%인 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
6. 제1항에서,

   상기 압축기의 제2기동운전 중의 로딩 타임과 언로딩 타임의 비는 4:6 ∼ 7:3인 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
7. 제1항에서,

   상기 압축기의 토출온도를 검지하는 압축기온도센서와 상기 응축기의 중앙온도를 검지하는 응축기온도센서를 더 포함하고, 상기 제2기동단계는 상기 압축기 토출온도와 상기 응축기 중앙온도의 차이가 10 ∼ 30℃가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
8. 제1항에서,

   상기 제2기동운전은 3 ∼ 8분간 수행되는 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 시스템.
9. 듀티제어신호에 따라 펄스폭변조방식으로 제어되는 압축기와 상기 압축기에서 압축된 냉매를 팽창시키는 전동팽창밸브를 포함하는 공기조화기의 제어방법에서,

   상기 압축기 기동신호가 들어왔는지를 판단하는 단계,

   상기 단계에서 기동신호가 들어왔으면 전동팽창밸브를 닫고 상기 압축기의 토출측과 흡입측을 연결하는 바이패스관의 유량조절밸브를 연 상태로 상기 압축기의 듀티 사이클의 주기를 정상운전에서의 주기보다 짧게 하여 소정 시간 동안 상기 압축기를 운전시키는 제1기동운전단계,

   상기 제1기동운전에 이어서 상기 전동팽창밸브를 소정 개도로 열고 상기 유량조절밸브를 연 상태로 상기 압축기의 듀티 사이클의 주기를 정상운전에서의 주기보다 짧게 하여 상기 압축기를 운전시키는 제2기동운전단계를 포함하는 공기조화기의 기동 제어 방법.
10. 제9항에서,

    상기 제2기동운전단계에서 상기 압축기의 듀티 사이클 주기는 정상운전의 듀티 사이클 주기의 20 ∼80%인 것을 특징으로 하는 공기조화기의 기동 제어 방법.
11. 제9항에서,

    상기 제2기동운전단계에서 상기 압축기의 로딩 타임과 언로딩 타임의 비는 4:6 ∼ 7:3인 것을 특징으로 하는 공기조화기의 기동 제어 방법.
12. 제9항에서,

    상기 제2기동운전단계는 상기 압축기 토출온도와 상기 응축기 중앙온도의 차이가 10 ∼ 30℃가 될 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 공기조화기 기동 제어 방법.
13. 제9항에서,

    상기 제2기동운전단계는 상기 압축기로 액체 냉매가 실질적으로 유입되지 않는다고 판단될 때까지 수행되는 특징으로 하는 공기조화기의 기동 제어 방법.
14. 제9항에서,

    상기 제2기동운전단계는 3 ∼ 8간 수행되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 기동 제어 방법.
15. 제9항에서,

    상기 제2기동운전단계에서 상기 전동팽창밸브의 개도는 대략 5 ∼ 33% 인 것을 특징으로 하는 공기조화기의 기동 제어 방법.