KR20070088911A - 공기조화기의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기조화기의 제어방법에 관한 것으로서, 압축기 토출 온도의 증감율에 따라 변수 X가 소정의 주기마다 산출되는 1 단계와, 상기 변수 X에 따라 적어도 하나 이상의 임계치를 기준으로 구분된 복수개의 제어영역 중 어느 하나의 제어영역이 선택되는 2 단계와, 선택된 제어영역에 대응되는 목표 과열도 증감 제어가 이루어지는 3 단계를 포함하여 이루어져 압축기 토출온도 변화에 따라 목표 과열도 및 그에 따른 냉매량이 조절됨에 따라 액체냉매 유입으로 인한 압축기의 소손을 방지하고, 냉/난방 사이클이 신속하게 안정화되는 효과가 있다.

공기조화기, 팽창밸브, 개도, 과열도

Description

공기조화기의 제어방법{Control method of the air conditioner}

도 1 은 종래 발명의 공기조화시스템의 냉방 흐름도,

도 2 는 본 발명의 제어방법이 적용 가능한 싱글형 공기조화기의 사시도,

도 3 은 본 발명의 제어방법이 적용 가능한 멀티형 공기조화기의 사시도,

도 4 는 본 발명의 제어방법에 따른 제어영역의 구분도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10: 압축기 11, 12: 압축기

11a, 12a: 역류방지 체크밸브 20: 절환밸브

30: 실외 열교환기 40: 팽창밸브

50: 실내 열교환기 60: 어큐물레이터

본 발명은 공기조화기에 구비된 팽창밸브의 개도를 제어하는 방법에 관한 것 으로서, 압축기 토출온도의 변화에 따라 과열도 값을 변경시킴으로써 팽창밸브의 개도를 제어하여 보다 신뢰성있는 압축기 제어가 이루어지는 공기조화기의 제어방법에 관한 것이다.

먼저, 도 1은 2개의 압축기가 구비된 공기조화 시스템에서의 냉방시 냉매 흐름도이다. 이를 참조로 하여 일반적인 공기조화 시스템의 구성 및 냉매 흐름에 대해 살펴보면 다음과 같다.

공기조화 시스템은 저온저압의 기체상태인 냉매를 고온고압의 기체상태의 냉매로 변화시키는 압축기와, 상기 압축기에서 변화된 고온고압의 기체상태인 냉매를 중온고압의 액체상태의 냉매로 변화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 변화된 중온고압의 액체상태인 냉매를 저온저압의 액체상태의 냉매로 변화시키는 팽창장치와, 냉/난방 모드에 따라 냉매의 유로를 바꾸어주는 방향절환밸브를 포함하여 구성된다.

도 1은 적어도 하나 이상의 압축기가 구비된 공기조화 시스템을 예시한 것으로서, 각각의 압축기 용량은 설계자에 의해 가변될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 압축기(10)는 냉매를 고온고압의 기체냉매로 압축한다.

체크밸브(11a,12a)는 각 압축기(11,12)에서 압축된 냉매의 역류를 방지하고, 방향절환밸브(20)는 각 압축기(11,12)를 통과한 냉매의 유로를 절환시켜 열교환기의 역할이 바뀌도록 한다. 즉, 현재는 냉방모드일 때의 냉매 흐름을 화살표로 도시하였으나, 난방모드인 경우 냉매의 유로는 반대가 된다.

실외 열교환기(30, 응축기)는 냉매를 실외 공기와 열교환시켜 중온고압의 액 체냉매로 응축시키며, 팽창밸브(40)를 통해 상기 냉매의 유량이 조절된다. 이러한 냉매는 실내 열교환기(50, 증발기)에서 실내 공기와 열교환을 수행함에 따라 실내를 냉방한다. 이때, 어큐물레이터(60)는 상기 실내 열교환기(50)를 통과한 액체 및 기체상태의 2상 냉매로부터 액체냉매를 분리하고 기체냉매만 다시 압축기(11,12)로 공급하여 냉방 사이클이 반복된다.

이와 같이 구성되는 일반적인 공기조화 시스템의 효율을 높이기 위하여 다양한 방법이 시도되고 있으며, 특히 압축기 또는 증발기에서의 과열도 제어는 과열도 제어는 효율 및 안정성에 큰 영향을 미친다. 즉, 압축기 및 증발기의 과열도가 급격히 변하면 공조 시스템을 불안정하게 하고, 압축기 파손 등의 문제점이 발생된다.

여기서, 상기 과열도란 증발기를 통과한 냉매가 다시 압축기로 유입되는 과정에서 냉매 온도가 상승(과열)되어 액체냉매가 유입되지 않도록 하는 것을 의미하며, 증발기에서의 포화온도와 압축기로 유입되는 과열 냉매온도와의 차이가 과열도이며, 과열도 제어를 통해 압축기로 유입되는 냉매 유량이 조절된다.

이하, 종래 방법에 의해 공기조화기의 제어부에 의해 냉매 유량이 조절되는 동작방법을 더욱 상세하게 살펴보면, 목표 과열도와 현재 과열도와의 오차범위가 2 이내인 경우에만 압축기 토출온도 제어를 수행하며, 먼저 목표 압축기 토출온도와 현재 압축기 토출온도와의 오차(Etd)를 산출한다.

상기 오차값(Etd)에 따른 팽창 밸브의 개도 증감값은 표 1에 도시된 바와 같이 설정되는 것을 예시한다.

[표 1]

Etd	개도 증감값
Etd>4	3
3<Etd≤4	2
2<Etd≤3	1
-2<Etd≤2	0
-3<Etd≤-2	-1
-4<Etd≤-3	-2
-7<Etd≤-4	-3
Etd≤-7	-3

이와 같이 설정된 테이블을 판독하여 팽창밸브의 개도증감값이 산출되는바, 오차값이 (+)방향으로 크면 팽창밸브 개도를 높여 압축기로 유입되는 냉매량이 증가되도록 하고, 오차값이 (-)방향으로 크면 팽창밸브 개도를 감소시켜 압축기로 유입되는 냉매량이 감소되도록 한다.

또한, Etd 기울기, 즉 시간에 따른 Etd 변화량을 산출하여, 식 1에 의해 압축기 토출온도 제어값을 계산한다.

[식 1]

최종 개도변경값 = c1 X 개도증감값 ± c2 X Etd 기울기 X 개도증감값

단, c1+c2=1이다.

이와 같이 산출된 압축기 토출온도 제어값을 기반으로 과열도 제어변경값을 합하여 종래 팽창밸브의 최종 개도변경값이 산출되었으나, 이러한 종래 개도값 제어에서는 토출온도 제어를 동시에 수행함에 따라 목표값에 근접한 제어가 이루어지지 못한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 압축기 토출온도 변화에 따라 과열도값이 변경되는 방법을 통해 압축기의 소손을 방지하고 냉/난방 사이클이 신속하게 안정화될 수 있도록 하는 공기조화기의 제어방법을 제공하는데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 실내 공기조화를 수행하는 공기조화기의 제어방법은 압축기 토출 온도의 증감율에 따라 변수 X가 소정의 주기마다 산출되는 1 단계와, 상기 변수 X에 따라 적어도 하나 이상의 임계치를 기준으로 구분된 복수개의 제어영역 중 어느 하나의 제어영역이 선택되는 2 단계와, 선택된 제어영역에 대응되는 목표 과열도 증감 제어가 이루어지는 3 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 제 1 단계의 변수 X는 { a X 현재 압축기 토출온도 + b X (현재 압축기 토출온도 - 이전 압축기 토출온도) + c X 실외온도 } /10 의 식에 의해 산출되며, 이때 상기 a,b,c는 기설정된 상수값을 의미한다.

또한, 상기 제 1 단계의 변수 X가 산출되는 주기는 30초인 것이 바람직하다.

복수개의 제어영역은 상기 변수 X에 따른 제어동작이 구분된 영역으로서, 변수 X가 작으면 목표 과열도를 감소시키고, 변수 X가 크면 목표 과열도를 증가시키는 제어가 수행되며, 변수 X가 최저 임계치보다 작으면 팽창밸브의 개도를 최소로 하고, 최고 임계치 이상인 경우 팽창밸브의 개도를 최대로 하는 비상제어도 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 공기조화기의 제어방법은 과열도를 제어함으로써 팽창밸브의 개도가 제어되도록 하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제어방법이 적용되는 공기조화기는 도 2에 도시된 바와 같이 실외기(100) 및 실내기(200)가 일대일로 연결되어 구성되는 싱글형일 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 실외기(101)와 복수 실내기(201,202)가 연결되어 구성되는 멀티형일 수 있다.

또한, 본 발명의 제어방법이 적용되는 팽창밸브는 모세관, 온도식 자동 팽창밸브, 전자식 팽창밸브 등 그 종류에 한정되지 않는다.

그리도 본 발명의 제어방법이 적용되는 공기조화기에는 1대의 압축기, 또는 용량이 상이한 2대 이상의 압축기가 구비될 수 있다.

상기 과열(super heating)도에 대해 살펴보면, 증발기 내부의 액체와 기체가 혼합된 저압의 포화냉매가 증발기를 통과하면서 실내공기와 열교환을 통해 증발하면서 기체냉매로 변화하게 되는데, 급격하게 실내 부하변동이 있는 경우와 같이 증발기에서 원활한 증발이 일어나지 못하는 경우 잔여 액체냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지하기 위하여 압축기로 유입되는 냉매를 포화온도보다 X도만큼 과열시키는데, 이를 과열도라 한다. 즉, 과열도란 [과열 냉매온도-포화농도]이다.

이러한 과열도 제어를 위해서 공기조화기 제어부에서는 설계자에 의해 제시된 목표 과열도값을 가지는바, 상기 목표 과열도보다 현재 과열도가 높으면 기체냉매의 부피가 너무 늘어나므로 압축기가 순환시키는 냉매량이 상대적으로 줄어들어 냉방능력이 저하되고, 압축기가 더 높은 온도에서 구동되므로 압축기 모터효율이 저하된다. 이를 방지하기 위해 상기 목표 과열도보다 현재 과열도가 높으면 팽창밸브의 개도를 높여 냉매량을 증가시키는 제어를 수행한다.

마찬가지로, 상기 목표 과열도보다 현재 과열도가 낮으면 액체냉매가 압축기로 유입되어 압축기 파손이 우려되므로, 상기 팽창밸브의 개도를 줄여 냉매량을 감소시키는 제어를 수행한다. 이와 같이 과열도 제어와 팽창밸브의 개도 제어는 연계되며, 본 발명의 공기조화기의 제어부에 구현된 제어방법(알고리즘) 역시 과열도 제어와 팽창밸브 개도제어에 관한 것이다.

도 4를 참조하여 본 발명의 공기조화기의 제어방법에 대해 보다 상세하게 살펴보면, 먼저 공기조화기가 구동된 후, 소정의 시간이 지난 후 팽창밸브 개도를 제어하기 위한 제어영역을 판단한다.

상기 제어영역 판단을 위한 변수 X 는 다음과 같이 정의된다.

X={ a X 현재 압축기 토출온도 + b X (현재 압축기 토출온도 - 이전 압축기 토출온도) + c X 실외온도 } /10 이다.

이때, 상기 압축기 토출온도는 적어도 하나 이상의 압축기에 부착된 센서에 의해 감지되는 값으로서 상기 센서가 출력하는 전류 또는 전압을 감지하여 판독 가능하다. 또한, 상기 a,b,c는 설계자에 의해 제시되는 상수값이다.

결국 상기 X는 압축기 토출 온도의 증감율을 의미하며, 압축기 토출온도가 이전보다 하강하면 X 값이 감소되고, 압축기 토출온도가 이전보다 상승하면 X값이 증가된다.

이와 같이 산출되는 변수 X 는 적어도 하나 이상의 임계치에 의해 구분된 제어영역을 결정하기 위한 값이며, 상기 X는 소정의 주기마다 산출되는 것이 특징이다. 본 실시예에서는 매 30초마다 X 가 산출되는 것을 예시한다.

도 4에 도시된 바와 같이 임계치 X1,X2,X3,X4에 의해 본 발명의 제어영역은 5개의 영역(A,B,C,D,E영역)으로 구분되며, 각각의 제어영역에서 목표 과열도가 상이하게 증감되는 제어가 수행된다.

즉, 상기 X가 X1보다 작은 경우에는 압축기 토출온도가 이전보다 비정상적으로 크게 하강한 경우로서, 이 경우 냉매량을 감소시키기 위하여 팽창밸브의 개도가 최소가 되도록 한다. 즉, 팽창밸브가 닫힘되는 펄스를 인가시킴으로써 최소 허용치에 해당하는 적은량의 냉매량만이 순환되도록 하여 액체냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지한다. [A영역]

또한, X가 X1이상이고 X2보다 작은 경우에는 목표 과열도를 기설정된 목표 과열도보다 α만큼 감소시키는 제어를 수행한다. 결국 목표 과열도가 감소되면 팽창밸브를 통해 냉매량이 감소되므로 증발 후 액체냉매가 압축기로 유입되는 것을 방지한다. [B영역]

X가 X2 이상이고 X3보다 작은 경우에는 목표 과열도를 기설정된 목표 과열도로 유지함으로써 냉매량이 유지되도록 한다.[C영역]

X가 X3이상이고 X4보다 작은 경우에는 목표 과열도를 기설정된 목표 과열도보다 β만큼 증가시키는 제어를 수행하며, 압축기가 너무 높은 온도에서 구동될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 팽창밸브의 개도가 증가하여 냉매량이 증가되도록 하여 냉/난방 효율을 증가시키고 압축기 소손을 방지한다.[D영역]

X가 X4이상인 경우 압축기 토출온도가 이전보다 비정상적으로 크게 상승한 경우로서, 이 경우 냉매량을 대량 증가시키기 위하여 팽창밸브의 개도가 최대가 되도록 한다. 즉, 팽창밸브가 오픈되는 펄스를 인가시킴으로써 최대 허용치에 해당하는 냉매량이 순환되도록 한다.[E영역]

이때, 상기 X가 최저 임계치(X1)보다 작은 A영역과 최고 임계치(X4) 이상인 E영역에 해당하는 경우에는 비상 제어가 이루어지며, 나머지 제어영역에서는 목표 과열도를 증감시키는 정상 제어가 이루어진다.

이상과 같이 본 발명에 의한 공기조화기의 제어방법을 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않는다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 공기조화기의 제어방법은 압축기 토출온도 변화에 따라 목표 과열도를 제어함으로써 냉매량을 효과적으로 조절하고, 액체냉매 유입으로 인한 압축기 소손을 방지할 수 있으며, 냉/난방 사이클이 신속하게 안정 화된다는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 실내 공기조화를 수행하는 공기조화기의 제어방법에 있어서,

   압축기 토출 온도의 증감율에 따라 변수 X가 소정의 주기마다 산출되는 1 단계와,

   상기 변수 X에 따라 적어도 하나 이상의 임계치를 기준으로 구분된 복수개의 제어영역 중 어느 하나의 제어영역이 선택되는 2 단계와,

   선택된 제어영역에 대응되는 목표 과열도 증감 제어가 이루어지는 3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
2. 청구항 1에서,

   상기 제 1 단계의 변수 X는 아래의 식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.

   X={ a X 현재 압축기 토출온도 + b X (현재 압축기 토출온도 - 이전 압축기 토출온도) + c X 실외온도 } /10

   (단, a,b,c는 기설정된 상수값)
3. 청구항 1에서,

   상기 제 1 단계의 변수 X가 산출되는 주기는 30초인 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 단계는 변수 X가 작으면 목표 과열도를 감소시키고, 변수 X가 크면 목표 과열도를 증가시키는 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 3 단계는 변수 X가 최저 임계치보다 작으면 팽창밸브의 개도를 최소로 하고, 최고 임계치 이상인 경우 팽창밸브의 개도를 최대로 하는 과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 제어방법.

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