KR101162756B1 - 수냉식 공기조화기 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수냉식 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 물과 냉매의 열교환이 이루어지는 응축기를 거쳐 난방 또는 급탕 시스템으로 공급되는 물의 온도가 기준온도 미만인지 확인하고, 상기 물의 온도가 기준온도 미만이면 상기 응축기에서 응축된 냉매의 일부를 기상냉매로 만들고, 상기 기상냉매가 증발기를 거치지 않고 압축기로 전달되도록 한다.

Description

수냉식 공기조화기 및 그 제어방법{A water-cooling type air conditioner and control method thereof}
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉식 공기조화기의 냉매 및 온수 유로도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 수냉식 공기조화기의 블록도이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 수냉식 공기조화기의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*
10:실외기 11:압축기
12:응축기 13:기액분리기
20:인젝션 밸브 21:인젝션 배관
22:제2전동변 33:수온센서
34:난방시스템 37:급탕시스템
42:마이컴
본 발명은 수냉식 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혹한지역에서도 난방수 및 급탕수의 온도를 높게 할 수 있는 수냉식 공기조화기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 수냉식 공기조화기는 응축기에 송풍팬이 아닌 급수관을 설치하여 급수관으로 공급된 물과 냉매관을 흐르는 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 장치이다. 즉, 종래의 수냉식 공기조화기는 대한민국 공개특허공보 특2005-46844(수냉식 공기조화기)호에 개시된 바와 같이 저장탱크에서 흘러온 물이 수냉식 응축기로 들어가 냉각수 유동부를 지나면서 냉매 유동부를 흐르는 냉매와 열교환을 하고 다시 저장탱크로 귀환하였다.
또한, 종래에는 전술한 특2005-46844호의 수냉식 공기조화기에서 변형된 형태의 수냉식 공기조화기가 개발되었는데, 이 수냉식 공기조화기는 난방을 주목적으로 하며 수냉식 응축기를 지나면서 냉매와의 열교환으로 가열된 물을 난방수로 이용하거나 급탕수로 사용하였다. 즉, 변형된 수냉식 공기조화기는 특2005-46844호의 압축기, 수냉식 응축기, 증발기, 팽창장치 등을 모두 실외기에 설치하고 실내의 바닥 또는 벽에 난방 배관을 시공하였다. 그리고, 수냉식 응축기에서 가열된 물을 난방배관으로 흘려 주어 실내공간이 난방되도록 하였다.
그러나, 이와 같은 종래의 수냉식 공기조화기는 외기온도가 낮아지면 난방능력이 감소하고, 급탕수의 온도상승에도 한계가 있는 문제점이 있었다. 외기온도가 떨어지면 실외기에 설치된 냉매배관을 흐르는 냉매의 냉매밀도가 감소하여 냉매유로상의 냉매질량이 줄어들고 그 결과로 수냉식 응축기에서의 열교환능력도 떨어져 난방능력이 감소하거나 급탕수의 온도를 높은 온도로 상승시키지 못하는 것이다.
이 때, 난방수 또는 급탕수의 온도를 높이기 위해 압축기의 토출측 압력을 높이는 방법을 고려해 볼 수 있는데, 압축기의 토출측 압력을 높이면 압축기의 압축비가 너무 높아져 압축기에 과부하가 걸리게 되고 이는 압축기의 수명단축으로 이어지는 문제점이 있다. 외기온도가 낮으면 증발기에서 액상냉매가 충분히 기화하지 못하여 압축기 흡입측의 압력은 상대적으로 낮은 반면에 난방수 또는 급탕수의 온도를 높이기 위해서 압축기 토출측 압력을 높인다면 압축비가 정상값 이상으로 높아져 압축기에 과부하가 걸리는 것이다. 따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위해 압축기의 압축능력을 높이는 방법은 채택하지 않는 것이 일반적이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외기온도가 떨어지더라도 난방수 또는 급탕수의 온도를 높일 수 있는 수냉식 공기조화기 및 그 제어방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 물과 냉매의 열교환이 이루어지는 응축기를 거쳐 난방 또는 급탕 시스템으로 공급되는 물의 온도가 기준온도 미만인지 확인하고, 상기 물의 온도가 기준온도 미만이면 상기 응축기에서 응축된 냉매의 일부를 기상냉매로 만들고, 상기 기상냉매가 증발기를 거치지 않고 압축기로 전달 되도록 한다.
또한, 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 설치된 전동변의 개도를 조절하여 상기 응축기에서 응축된 냉매의 일부를 기상냉매로 만든다.
또한, 상기 전동변과 상기 증발기 사이에 설치된 기액분리기와 상기 압축기 사이를 연결하는 인젝션 배관에 설치된 인젝션 밸브를 열어 상기 기상냉매를 상기 압축기로 전달한다.
또한, 증발기에서 외기와의 열교환으로 기화된 냉매를 압축하는 압축기와, 물과 냉매의 열교환으로 상기 압축기에서 토출된 냉매를 액상냉매로 응축하는 응축기와, 상기 응축기를 지나면서 가열된 물을 이용하는 난방 또는 급탕 시스템과, 상기 응축기에서 토출된 액상냉매를 2상 냉매로 만드는 제2전동변과, 상기 2상 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액 분리기의 액상냉매를 감압팽창시켜 상기 증발기에 전달하는 제1전동변과, 상기 기액 분리기의 기상 냉매를 상기 압축기로 보내는 인젝션 파이프에 설치된 인젝션 밸브를 포함한다.
또한, 상기 인젝션 파이프는 상기 압축기의 압축실 또는 상기 압축기의 흡입배관과 연결된다.
또한, 상기 수냉식 공기조화기는 상기 응축기를 지나서 상기 난방 또는 급탕 시스템으로 공급되는 물의 온도를 측정하는 수온센서와, 상기 수온센서에서 측정된 물의 온도가 기준온도 미만이면 상기 인젝션 밸브를 온 시켜 상기 기상냉매가 상기 압축기로 전달되게 하는 마이컴을 더 포함한다.
또한, 상기 응축기와 증발기는 모두 실외기에 설치되고, 상기 난방 시스템이 실내에 설치된다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 도1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 수냉식 공기 조화기는 실외기(10)와, 난방시스템(34) 및 급탕 시스템(37)과, 실외기(10)를 난방 시스템(34) 및 급탕 시스템(37)과 연결하는 공급배관(32) 및 배출배관(31)을 포함한다.
또한, 공급배관(32)에는 난방 시스템(34) 및 급탕 시스템(37)의 물을 실외기(10)로 펌핑하는 순환펌프(41)가 설치되고, 배출배관(31)에는 실외기(10)에서 난방시스템(34) 및 급탕 시스템(37)으로 흐르는 물의 온도를 측정하는 수온센서(33)가 설치된다.
실외기(10)는 기상냉매를 압축하는 압축기(11)와, 압축기(11)에서 전달된 기상냉매와 난방 시스템(34) 및 급탕 시스템(37)에서 흘러온 물 사이의 열교환이 이루어져 기상냉매가 액상냉매로 변하게 하는 응축기(12)와, 응축기(12)에서 흘러온 액상냉매를 기상냉매와 액상냉매의 2상 냉매로 만드는 제2전동변(22)을 포함한다.
또한, 실외기(10)는 제2전동변(22)을 지나면서 생성된 기상냉매를 액상냉매와 분리하는 기액분리기(13)와, 기액분리기(13)의 액상냉매를 감압팽창하는 제1전동변(14)과, 제1전동변(14)에서 전달된 액상냉매와 외기 사이의 열교환이 이루어져 액상냉매가 기상냉매로 변하게 하는 증발기(15)와, 증발기(15)에 송풍하는 증발기 팬(16)을 포함한다.
기액분리기(13)와 압축기(11) 사이에는 기액분리기(13)의 기상냉매를 압축 기(11)로 공급하는 인젝션 배관(21)이 연결되고, 인젝션 배관(21)에는 인젝션 밸브(20)가 설치된다. 인젝션 배관(21)은 압축기(11)의 압축실(미도시)과 연결되거나, 압축기(11)의 흡입배관에 연결될 수 있다. 기액분리기(13)에서 인젝션 배관(21)을 거쳐 압축기(11)로 흐르는 냉매는 증발기(15)에서 압축기(11)로 흡입되는 냉매에 비해 고압이므로 냉매의 질량도 증발기(15)에서 압축기(11)로 흡입되는 냉매 보다 크다.
난방 시스템(34)은 실내의 바닥 또는 벽에 시공되는 난방배관(35)과, 응축기(12)에서 난방배관(35)으로 물이 흐르게 하거나 차단하는 난방밸브(36)를 포함한다. 급탕 시스템(37)은 물을 보관하는 급탕조(38)와, 급탕조(38)로 물이 흐르게 하거나 차단하는 급탕밸브(39)를 포함한다. 급탕조(38)는 배출배관(31) 및 공급배관(32)과 연결되어 응축기(12)를 거친 물이 배출배관(31)을 거쳐 급탕조(38)로 공급되고, 급탕조(38)에 보관되던 물이 공급배관(32)을 거쳐 응축기(12)로 흐른다. 급탕조(38)는 배출배관(31) 및 공급배관(32)과 직접 연결하지 않고, 급탕조(38)의 내부에 급탕수가 흐르는 배관을 설치하여 급탕조(38)의 물을 가열할 수도 있다.
도2에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 수냉식 공기조화기는 도1에 도시한 구성요소들 외에 사용자가 난방명령을 입력하기 위한 난방 버튼(미도시)과, 난방온도를 설정하기 위한 난방온도 다이얼(미도시)과, 급탕명령을 입력하기 위한 급탕 버튼(미도시) 등을 가지는 입력부(43)와, 실내온도를 측정하는 실내온도센서(44)와, 제2전동변(22) 및 인젝션 밸브(20) 등 수냉식 공기조화기의 동작을 제어하는 마이컴(42)을 더 포함한다.
이하에서는 도3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 수냉식 공기조화기의 제어방법을 설명한다. 외기온도가 떨어져 난방이 요구되면 사용자는 입력부(43)의 난방버튼을 눌러 난방 명령을 입력하고, 난방온도 다이얼을 돌려 목표온도를 설정한다. 또한, 급탕이 요구되면 사용자는 입력부(43)의 급탕 버튼을 눌러 급탕 명령을 입력한다(50).
난방 또는 급탕 명령이 입력되면 마이컴(42)은 난방밸브(36) 또는 급탕밸브(39)를 온 시킨다(52). 그리고, 압축기(11)와 순환펌프(41)가 구동되도록 한다(54). 이 때 제2전동변(22)은 완전 개방하여 냉매상태에 영향을 주지 않도록 하고, 인젝션 밸브(20)도 오프시켜 기액분리기(13)에서 압축기(11)로 전해지는 기상냉매가 없도록 한다.
압축기(11)가 구동되면 압축기(11)에서 토출된 냉매는 응축기(12)에서 물과 열교환되어 액상냉매로 응축된다. 그리고, 이 액상냉매는 제1전동변(14)에서 감압팽창되어 증발기(15)로 전달되며, 증발기(15)에서는 외기와 열교환되어 기상냉매로 변환된다.
난방밸브(36) 또는 급탕 밸브(39)가 온된 상태에서 순환펌프(41)가 구동되면 난방배관(35) 또는 급탕조(38)의 물은 공급배관(32)-응축기(12)-배출배관(31)을 거쳐 다시 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 순환하므로 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물은 온도가 점차 상승한다.
압축기(11) 등을 구동시키면서 마이컴(42)은 난방 또는 급탕 부하를 만족하였는지 판단한다(56). 난방 부하는 실내온도가 사용자가 설정한 목표온도에 도달했 을 때 만족한 것으로 판단한다. 따라서, 마이컴(42)은 실내온도센서(44)에서 감지된 실내온도와 목표온도를 비교하여 난방 부하의 만족여부를 판단한다. 급탕 부하는 사용자가 급탕 버튼을 다시 눌러 급탕 명령을 해제했을 때 만족한 것으로 본다.
만약 난방 부하 또는 급탕 부하를 만족하면 사이클을 종료하고, 난방 부하 또는 급탕 부하를 만족하지 못하면 수온센서(33)에서 감지된 수온(즉, 응축기(12)에서 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도)이 기준온도 이상인지 판단한다(58). 이 때 기준온도는 난방 또는 급탕이 정상적으로 이루어질 수 있는 최소온도(예를 들면 65℃)이며, 수냉식 공기조화기의 제조사가 다양한 실험을 거쳐 적절한 기준온도를 설정하는 것이 바람직하다.
판단결과 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도가 기준온도 이상이면 난방 또는 급탕에 문제가 없는 것으로 보고 56단계로 리턴한다. 그러나, 반대로 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도가 기준온도 미만이면 마이컴(42)은 난방 또는 급탕이 원활하게 이루어지기 힘든 상태인 것으로 보아 제2전동변(22)의 개도를 줄이고, 인젝션 밸브(20)를 온 시킨다(60).
압축기(11)가 정상 구동되어 고온고압의 기상냉매가 응축기(12)로 전달되고 있음에도 불구하고 응축기(12)에서 냉매와 열교환되어 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도가 기준온도에 도달하지 못하는 것은 외기온도가 매우 낮아 냉매유로 내부의 냉매질량이 감소하고, 그에 따라 응축기(12)를 흐르는 냉매량도 감소하여 응축기(12)의 열교환능력이 떨어지는 것이 주원인이다.
제2전동변(22)의 개도를 줄이면 응축기(12)에서 토출된 액상냉매의 일부는 기상냉매로 전환되고, 기상냉매와 액상냉매가 혼재된 2상 냉매가 기액분리기(13)로 들어간다. 이 때 제2전동변(22)의 개도는 외기온도에 상응하여 다르게 설정하거나, 특정값(예를 들면 40%)을 가지도록 설정할 수 있으며, 제2전동변(22)의 개도는 수냉식 공기조화기의 제조사가 적절한 실험을 거쳐 설정하는 것이 바람직하다.
2상 냉매는 기액분리기(13)에서 기상냉매와 액상냉매로 분리되고, 액상냉매는 제1전동변(14)에서 감압팽창되어 증발기(15)로 전달된다. 그러나, 기상냉매는 인젝션 배관(21)을 거쳐 압축기(11)의 압축실 또는 압축기의 흡입배관으로 전달된다. 이처럼 기액분리기(13)에서 압축기(11)로 바로 전달되는 기상냉매는 증발기(15)에서 압축기(11)로 전달되는 기상냉매 보다 압력이 높으므로 질량도 크다.
따라서, 압축기(11)에서 응축기(12)로 전달되는 냉매량도 증가되어 응축기(12)의 열교환능력이 인젝션 밸브(20)를 오프시켰을 때 보다 커진다. 그 결과, 응축기(12)에서 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도가 더 상승하게 된다.
만약 인젝션 배관(21)이 압축실이 아닌 압축기(11)의 흡입배관에 연결된다면 압축기(11)의 흡입측 압력이 기존에 비해 높아진다. 그러면 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도를 높이기 위해 압축기(11)의 토출측 압력을 높이더라도 종래보다 낮은 압축비로 압축기(11)를 운전할 수 있어 압축기(11)의 수명단축 문제가 해결되고, 그에 따라 외기온도 저하시 난방배관(35) 또는 급탕조(38)로 흐르는 물의 온도를 높이기 위해 압축기(11)의 토출측 압력을 높이는 방법도 채택할 수 있게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 혹한지역에서도 난방 또는 급탕이 정상적으로 이루어지도록 한다.
또한, 본 발명은 외기온도 저하시 난방 또는 급탕을 정상적으로 수행하면서도 압축기에는 과부하가 걸리지 않게 한다.

Claims (7)

  1. 물과 냉매의 열교환이 이루어지는 응축기를 거쳐 난방 또는 급탕 시스템으로 공급되는 물의 온도가 기준온도 미만인지 확인하고,
    상기 물의 온도가 기준온도 미만이면 상기 응축기에서 응축된 냉매의 일부를 기상냉매로 만들고, 상기 기상냉매가 증발기를 거치지 않고 압축기로 전달되도록 하여 상기 공급되는 물의 온도를 상승시키는 수냉식 공기조화기의 제어방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응축기와 상기 증발기 사이에 설치된 전동변의 개도를 조절하여 상기 응축기에서 응축된 냉매의 일부를 기상냉매로 만드는 수냉식 공기조화기의 제어방법
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전동변과 상기 증발기 사이에 설치된 기액분리기와 상기 압축기 사이를 연결하는 인젝션 배관에 설치된 인젝션 밸브를 열어 상기 기상냉매를 상기 압축기로 전달하는 수냉식 공기조화기의 제어방법
  4. 증발기에서 외기와의 열교환으로 기화된 냉매를 압축하는 압축기와, 물과 냉매의 열교환으로 상기 압축기에서 토출된 냉매를 액상냉매로 응축하는 응축기와, 상기 응축기를 지나면서 가열된 물을 이용하는 난방 또는 급탕 시스템과, 상기 응축기에서 토출된 액상냉매를 2상 냉매로 만드는 제2전동변과, 상기 2상 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액 분리기의 액상냉매를 감압팽창시켜 상기 증발기에 전달하는 제1전동변과, 상기 기액 분리기의 기상 냉매를 상기 압축기로 보내는 인젝션 파이프에 설치된 인젝션 밸브와, 상기 응축기를 지나서 상기 난방 또는 급탕 시스템으로 공급되는 물의 온도를 측정하는 수온센서와, 상기 수온센서에서 측정된 물의 온도가 기준온도 미만이면 상기 인젝션 밸브를 온 시켜 상기 기상냉매를 상기 압축기로 전달하여 상기 공급되는 물의 온도를 상승시키는 마이컴을 포함하는 수냉식 공기조화기
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인젝션 파이프는 상기 압축기의 압축실 또는 상기 압축기의 흡입배관과 연결된 수냉식 공기조화기
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 응축기와 증발기는 모두 실외기에 설치되고, 상기 난방 시스템이 실내 에 설치되는 수냉식 공기조화기
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