KR100487150B1

KR100487150B1 - 공기 조화 장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100487150B1
Application number: KR10-2002-0033222A
Authority: KR
Inventors: 문제명; 김종엽; 이동규; 조일용
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2005-05-03
Also published as: US20030230097A1; CN1465928A; JP3996048B2; JP2004020178A; US6732539B2; KR20030095685A; CN1231720C

Abstract

본 발명은 펄스폭변조 방식의 압축기와 2단 능력 가변 압축기를 병렬 연결하여 실내 공조 부하에 따라 압축기의 능력을 제어하는 방식으로서, 이 펄스폭변조 방식의 압축기가 감당해야 하는 능력이 훨씬 줄어들고 그 능력이 줄어든 만큼 압축기 제작에 따른 비용이 절감되어 가격면에서 유리하다. 본 발명에 따르면 작은 용량의 능력 가변 압축기와 이 보다 큰 용량의 2단 제어 압축기를 사용하여 마치 두 압축기의 용량을 합한 것과 동일한 용량의 대규모 능력 가변 압축기를 선형적으로 조절하는 것과 같은 기능을 발휘할 수 있다.

Description

공기 조화 장치 및 그 제어방법{AIR CONDITIONING APPARATUS AND CONTROL　METHOD THEREOF}

본 발명은 펄스폭변조 방식의 압축기와 2단 능력 가변 압축기를 구비한 공기 조화 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 하나의 실외기에 하나의 실내기가 연결되는 형태의 공기 조화 장치에서는 실내의 공조 부하(요구능력)가 크지 않기 때문에 고정능력의 압축기를 실외기에 설치하고 있다.

이와 구분되는 다실형 공기 조화 장치에서는 하나의 실외기에 다수의 실내기를 연결하고, 각 실내기는 독립적으로 해당 실내공간의 공조 부하에 대응토록 하고 있다. 이러한 다실형 공기 조화 장치에서는 각 실내기에서의 공조 부하가 제각각 다르고 수시로 변동되기 때문에, 실외기에 능력 가변 압축기를 설치하고 있으며, 각 실내기와 실외기 간에 통신을 이용하여 부하와 동작 상태를 파악하여 냉매의 흐름을 조절하도록 되어 있다. 특히 능력 가변 압축기는 실외기마이컴의 제어를 받는다. 상기 실외기 마이컴은 각 실내기로부터 전달받은 정보에 근거하여 해당 실내공간에 대한 공조 운전의 필요여부, 온도 상태 등을 점검하고 그에 따른 압축기의 능력을 변화시키는 동작을 제어하게 된다.

그런데, 하나의 실외기 다수의 실내기를 연결하는 방식을 취하고 있으므로 실외기에 장착되는 압축기는 최대 실내 공조 부하를 받아들일 수 있게 설계되어져야 하며, 하나의 압축기가 최대 실내 공조 부하를 감당하기 위해서는 상당히 난이도가 높은 제작상의 어려움이 따르게 된다. 즉, 압축기의 능력을 증가시키기 위해서는 설계 작업에서부터 수많은 성능 테스트를 거쳐야 한다.

이러한 과정을 거쳐 제작된 고용량의 압축기는 기존의 압축기에 비하여 가격이 매우 비싸다고 하는 단점이 있다.

이를 감안하여 종래에는 능력 가변 압축기와 능력 고정 압축기를 혼용하여 실내 공조 부하에 대응하는 방식을 적용하고 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 인버터 회로의 주파수에 따라 능력이 가변되는 압축기(10)와 일정한 능력을 출력하는 능력 고정 압축기(20)를 병렬로 연결하고, 각 실내기로부터 입력받은 실내 공조 부하(요구능력)에 따라 실외기 마이컴이 압축기(10)(20)에 대한 능력을 제어하였다. 도 2 참고하면, 실내 공조 부하가 0-50%일 경우 제1압축기(10)의 능력을 조절하는데, 각 실내기로부터 전달받은 실내 공조부하(요구능력)에 따라 일정 범위(R1) 내에서 인버터회로에서 압축기로 출력되는 주파수를 변화시켜 압축기 능력을 조절한다. 또 실내 공조 부하가 50-100%일 경우 제1압축기(10) 및 제2압축기(20)의 능력을 조절하는데, 제2압축기(20)를 온시킨 상태에서 부족한 능력에 대해서는 일정 범위(R2) 내에서 인버터형 압축기(10)의 능력을 조절하여 대응토록 하는 방식이다.

그러나 종래 기술에 따른 공기 조화 장치에서는 대형 건물 등과 같은 시설물에 공기 조화 장치를 적용 시에는 능력 가변 압축기가 커버해야 하는 능력이 더욱 커질 수밖에 없으며, 이러한 고용량의 압축기는 하나의 단품으로 제작이 어려울 뿐만 아니라 제작이 가능할지라도 제품가격이 높기 때문에 가격적으로 부담이 따른다.

따라서 다실형 공기 조화 장치에서는 대규모의 실내 공조 부하(요구능력)에 효과적으로 대처하는 방안이 필요하게 되었으며, 기존의 압축기를 이용하면서도 막대한 공조 능력에 대한 요구를 수용할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 펄스폭변조 방식의 압축기와 2단 능력 가변 압축기를 병렬 연결하여 실내 공조 부하에 대응하도록 함으로써 저가격으로 구현할 수 있도록 한 공기 조화 장치 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 공기 조화 장치는 펄스폭변조 방식으로 제어되는 제1압축기; 상기 제1압축기와 병렬 연결되고, 서로 다른 최소능력과 최대능력 중 어느 하나로 제어되는 제2압축기; 및 실내의 공조 부하에 상응하여 상기 제1압축기의 능력과 상기 제2압축기의 능력을 합한 총 능력이 선형적으로 조절될 수 있도록 상기 제1 및 제2압축기에 대한 능력을 제어하는 제어수단에 의하여 달성된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 공기 조화 장치는 하나의 실외기에 복수의 실내기가 연결된 공기 조화 장치에 있어서, 상기 실외기는, 펄스폭변조방식으로 제어되는 제1압축기; 상기 제1압축기와 병렬 연결되고, 서로 다른 최소능력과 최대능력 중 어느 하나로 제어되는 제2압축기; 및 상기 실내기가 요구하는 실내 공조 부하에 상응하여 상기 제1압축기의 능력과 상기 제2압축기의 능력을 합한 총 능력이 선형적으로 조절될 수 있도록 상기 제1 및 제2압축기에 대한 능력을 제어하는 실외기제어부에 의하여 달성된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 공기 조화 장치의 제어 방법은 하나의 실외기에 복수의 실내기가 연결되고, 상기 실외기에 펄스폭 변조방식에 따라 능력을 조절하는 제1압축기와 서로 다른 최소능력과 최대능력 중 어느 하나를 출력하는 제2 압축기를 구비하는 공기 조화 장치의 제어방법에 있어서, 실내기가 요구하는 공조 요구능력을 산출하는 단계; 산출된 공조 요구능력에 따라 상기 제1압축기의 능력과 상기 제2압축기의 능력을 합한 총 능력이 선형적으로 조절되도록 제1 및 제2 압축기의 능력을 제어하는 단계를 구비하며, 상기 제1압축기의 최대능력은 상기 제2압축기의 최소능력과 동일하고, 상기 제2압축기의 최대능력은 최소능력의 약 2배인 특징으로 한다.

본 발명은 두 개의 압축기를 병렬로 연결하여 하나의 대용량 압축기를 제어하는 동작과 동등하게 압축기의 능력을 조절하는 것으로, 하나의 압축기는 선형적으로 능력이 조절하는 펄스폭변조 방식의 압축기이고 다른 하나는 상대적으로 능력이 크며 서로 다른 2종류의 능력으로 출력하는 2단 능력 가변 압축기를 사용한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따라 펄스폭변조 방식의 능력 가변 압축기와 2단 능력 가변 압축기를 병렬 연결한 구성도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 조화 장치는 상호 병렬 연결된 2개의 압축기(30)(40)를 구비한다. 상기 압축기(30)(40)는 하나의 실외기에 복수의 실내기를 연결하는 다실용 공기 조화 장치에 적용할 수 있으며 압축기(30)(40)는 실외기에 마련되어 실외기마이컴(미도시)의 제어에 따라 능력을 조절한다.

상기 제1압축기(30)는 실외기마이컴의 제어에 따라 펄스폭변조 회로(도시하지 않은)로부터 출력되는 듀티제어신호에 따라 능력을 조절한다. 즉 실외기 마이컴은 각 실내기와 통신하여 실내 공조 부하(요구능력)을 산출하고, 이에 따라 압축기의 능력을 조절하게 되는데, 조절하고자 하는 압축기 능력에 상응하게 주어진 주기내에서의 로딩(냉매를 토출)과 언로딩(냉매를 토출하지 않음)의 펄스폭을 변조하고, 이렇게 펄스폭 변조된 듀티제어신호를 이용하여 압축기의 PWM밸브를 제어하여 압축기 능력을 조절하는 펄스폭변조 방식의 압축기이다.

상기 제2압축기(40)는 2단 능력 가변 압축기로서, 그 내부에 압축실(P)과 그 압축실(P)의 일측과 흡입측을 연결하는 바이패스관(40a) 및 그 바이패스관(40a)의 중도에 설치된 밸브(40b)를 가진다. 상기 밸브(40b)가 상기 실외기마이컴의 제어명령에 따라 폐쇄(close)되면 압축실(P)에서 모두 냉매의 압축이 수행됨에 따라 100% 운전되며 이때 대응하는 능력이 최대능력이 되며, 상기 밸브(40b)가 상기 실외기마이컴의 제어명령에 따라 개방(open)되면 압축실(P)의 냉매 일부가 흡입측으로 빠져나감에 따라 50% 운전되며 이때 대응하는 능력이 최소능력이 된다.

이와 같이 상기 제2압축기(40)는 서로 다른 2종류의 능력 즉 최소 능력과 최대 능력 중 상기 실외기 마이컴에 의하여 정해지는 어느 하나의 능력(최소 능력 또는 최대 능력)을 출력하게 된다.

상기 제1압축기(30)의 최대 능력은 상기 제2압축기(40)의 최소능력과 동일하고 최대능력의 50%에 해당한다. 여기서, 제1압축기(30)의 능력을 상대적으로 작게 설정하는 이유는, 전술한 바와 같이, 능력 가변 압축기가 고정 능력 압축기에 비하여 가격이 높으며, 그 압축기에서 감당할 수 있는 최대능력이 클수록 비례적으로 비싸기 때문에, 가급적 제조단가를 줄이기 위함이다.

한편, 능력(용량)이 서로 다른 제1압축기(30)와 제2압축기(40)에 공급되는 오일이 적정상태를 유지하도록 하는 장치가 요구되며, 본 발명에서는 도 4와 같이 균유관을 구비한다.

도 4를 참고하여, 제1압축기(30)와 제2압축기(40)의 토출측에 냉매와 오일을 분리하는 오일분리기(50)가 설치되며, 제1압축기(30)와 오일분리기(50) 사이에 모세관(41)(51)을 설치하며. 제1압축기(30)의 오일저장실과 제2압축기(40)의 오일저장실을 도통시키기 위해 균유관(B)을 연결한다

상기 오일분리기(50)에서 냉매와 분리된 오일은 균유관(B)을 거쳐 제1압축기(30)로 회수되며, 별도의 균유운전을 수행하지 않는다.

이하에서는 본 발명에 따른 공기 조화 장치의 작용과 그 제어방법을 도 5 및 도 6에 따라 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 공기 조화 장치는 실내 공조 부하의 변동이 심한 다실용 공기조화기에 적용한 예로서, 하나의 실외기에 다수의 실내기를 연결하고 실외기와 실내기 사이에 상호 통신하며, 실외기에 마련된 복수의 압축기를 제어하는 실외기마이컴이 각 실내기로부터 전달받은 실내 공조 부하(요구능력)에 따라 압축기의 능력을 제어하는 동작에 주안점을 둔다.

먼저, 실외기마이컴은 각 실내기로부터 전달받은 해당 실내기의 공조 부하를 합산하여 총 실내 공조 부하(요구능력)를 산출한다(S110).

이어 실외기마이컴은 산출된 요구능력이 0인지를 판단하고(S120), 그 판단결과 요구능력이 0이면 제1압축기(30) 및 제2압축기(40)를 모두 운전 정지시킨다(S130).

단계 S120의 판단 결과 요구능력이 0이 아니면, 요구능력이 전체 실내 공조 부하의 33%이하인지를 판단하고(S140), 그 판단결과 요구능력이 전체 실내 공조 부하의 33%이하에 해당하면 제2압축기(40)를 운전 정지시키고 아울러 도 5의 P1과 같이 펄스폭변조회로를 통하여 듀티제어신호를 인가하여 제1압축기(30)의 PWM밸브를 개방(냉매를 토출하지 않는 언로딩) 또는 폐쇄(냉매를 토출하는 로딩)를 제어함으로써 상기 제1압축기(30)의 능력을 산출된 요구능력에 상응하게 조절한다(S150)(S160)(S170).

단계 S140의 판단 결과 요구능력이 전체 실내 공조 부하의 33%이하가 아니면, 요구능력이 전체 실내 공조 부하의 67%이하인지를 판단하고(S180), 그 판단결과 요구능력이 전체 실내 공조 부하의 67%이하이면 제2압축기(40)가 최소능력을 출력하도록 밸브(40b)를 개방시키고(도 5의 B 참조), 아울러 도 5의 P2와 같이 펄스폭변조회로를 통하여 듀티제어신호를 인가하여 제1압축기(30)의 PWM밸브를 개방 또는 폐쇄를 제어함으로써 제1압축기(30)의 능력을 산출된 요구능력에 상응하게 조절한다(S190)(S200)(S210).

단계 S180의 판단 결과 요구능력이 전체 실내 공조 부하의 67%이하가 아니면 제2압축기(40)가 최대능력을 출력하도록 밸브(40b)를 폐쇄시키고(도 5의 C 참조), 아울러 도 5의 P3과 같이 펄스폭변조회로를 통하여 듀티제어신호를 인가하여 제1압축기(30)의 PWM밸브를 개방 또는 폐쇄를 제어함으로써 제1압축기(30)의 능력을 산출된 요구능력에 상응하게 조절한다(S220)(S230)(S240).

상기 단계들 S130, S170, S210, S240을 수행한 이후에는 시작 단계로 리턴한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 펄스폭변조 방식의 능력 가변 압축기와 2단 능력 가변 압축기를 병렬로 연결하여 실내 공조 부하(요구능력)에 상응하게 제어할 수 있다. 본 발명은 펄스폭변조 방식의 압축기가 감당해야 하는 능력이 상대적으로 줄어들고 그 능력이 줄어든 만큼 압축기 제작에 따른 비용이 절감되므로 가격면에서 유리하다.

도 1은 종래 기술에 따라 능력 가변 압축기와 능력 고정 압축기를 병렬 연결한 구성도이다.

도 2는 종래 기술에 따라 압축기 능력을 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따라 압축기에 균유관을 연결한 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따라 압축기 능력을 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 공기 조화 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

30 : 제1 압축기 40 : 제2 압축기 40a : 바이패스관

40b : 밸브 50 : 오일분리기 51 : 모세관

Claims

펄스폭변조 방식으로 제어되는 제1압축기;

상기 제1압축기와 병렬 연결되고, 그 내부에 냉매를 흡입측으로 바이패스시키는 바이패스회로를 이용하여 압축 능력을 다르게 하여 서로 다른 최소능력과 최대능력 중 어느 하나로 제어되는 제2압축기; 및

실내의 공조 부하에 상응하여 상기 제1압축기의 능력과 상기 제2압축기의 능력을 합한 총 능력이 선형적으로 조절될 수 있도록 상기 제1 및 제2압축기에 대한 능력을 제어하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비한 공기 조화 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1압축기는 로딩과 언로딩의 주기를 제어하는 듀티제어신호에 따라 능력을 조절하며, 상기 제1압축기의 최대능력은 상기 제2압축기의 최소능력과 동일하고, 상기 제2압축기의 최대능력은 최소능력의 약 2배인 것을 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비한 공기 조화 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2압축기는 그 내부에 냉매를 흡입측으로 바이패스시키는 바이패스관과 그 바이패스관의 도중에 설치된 밸브를 포함하며, 상기 밸브를 폐쇄하면 냉매가 모두 토출측으로 흐르게 되어 최대능력을 출력하며, 상기 밸브를 개방하면 냉매의 일부가 흡입측으로 흐르게 되어 최소능력을 출력하는 것을 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비한 공기 조화 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1압축기와 제2압축기에 공급되는 오일이 적정상태를 유지하도록 상기 제1압축기와 제2압축기는 균유관으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비한 공기 조화 장치.
하나의 실외기에 복수의 실내기가 연결된 공기 조화 장치에 있어서,

상기 실외기는,

펄스폭변조방식으로 제어되는 제1압축기;

상기 제1압축기와 병렬 연결되고, 그 내부에 냉매를 흡입측으로 바이패스시키는 바이패스회로를 이용하여 압축 능력을 다르게 하여 서로 다른 최소능력과 최대능력 중 어느 하나로 제어되는 제2압축기; 및

상기 실내기가 요구하는 실내 공조 부하에 상응하여 상기 제1압축기의 능력과 상기 제2압축기의 능력을 합한 총 능력이 선형적으로 조절될 수 있도록 상기 제1 및 제2압축기에 대한 능력을 제어하는 실외기제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비한 공기 조화 장치.
하나의 실외기에 복수의 실내기가 연결되고, 상기 실외기에 펄스폭 변조방식에 따라 능력을 조절하는 제1압축기와, 상기 제1압축기와 병렬 연결되고 그 내부에 냉매를 흡입측으로 바이패스시키는 바이패스회로를 이용하여 압축 능력을 다르게 하여 서로 다른 최소능력과 최대능력 중 어느 하나를 출력하는 제2 압축기를 구비하는 공기 조화 장치의 제어방법에 있어서,

실내기가 요구하는 공조 요구능력을 산출하는 단계;

산출된 공조 요구능력과 상기 제1압축기 및/또는 상기 제2압축기의 능력을 비교하고 그 비교결과에 따라 상기 제1압축기의 능력과 상기 제2압축기의 능력을 합한 총 능력이 선형적으로 조절되도록 제1 및 제2 압축기의 능력을 제어하는 단계를 구비하며,

상기 제1압축기의 최대능력은 상기 제2압축기의 최소능력과 동일하고, 상기 제2압축기의 최대능력은 최소능력의 약 2배인 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비하는 공기 조화 장치의 제어방법.
제6항에 있어서,

상기 제어단계는

산출된 공조 요구능력이 0이면 상기 제1 및 제2압축기를 모두 정지하는 단계;

산출된 공조 요구능력이 0보다 크고 상기 제1압축기의 최대능력이하이면 상기 제2압축기는 운전 정지하고 산출된 공조 요구능력에 대응되게 듀티제어신호를 결정하고, 결정된 듀티제어신호에 따라 로딩과 언로딩을 수행하여 상기 제1압축기의 능력을 조절하는 단계;

산출된 공조 요구능력이 상기 제1압축기의 최대능력보다 크고 상기 제2압축기의 최대능력이하이면 상기 제2압축기를 최소능력으로 출력함과 동시에 산출된 공조 요구능력에 대응되게 듀티제어신호를 결정하고, 결정된 듀티제어신호에 따라 로딩과 언로딩을 수행하여 상기 제1압축기의 능력을 조절하는 단계; 및

산출된 공조 요구능력이 상기 제2압축기의 최대능력보다 크면 상기 제2압축기를 최대능력으로 출력함과 동시에 산출된 공조 요구능력에 대응되게 듀티제어신호를 결정하고, 결정된 듀티제어신호에 따라 로딩과 언로딩을 수행하여 상기 제1압축기의 능력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2개의 압축기를 구비하는 공기 조화 장치의 제어방법.