KR20080068137A - 냉동장치 - Google Patents
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Abstract
냉동장치(10)는, 용량가변의 저단측 압축기(21) 및 고단측 압축기(31)를 구비하며 2단압축 냉동주기를 행하는 냉매회로(15)와, 냉동장치(10)의 운전을 제어하는 제어기(100)를 구비한다. 제어기(100)는 제 1 제어부(101)와 제 2 제어부(102)를 구비한다. 제 1 제어부(101)는, 냉동능력 부하에 대응하도록 저단측 압축기(21)의 운전용량을 제어하며, 제 2 제어부(102)는, 저단측 압축기(21)의 흡입압력에 대한 토출압력 비율인 제 1 압력비와 고단측 압축기(31)의 흡입압력에 대한 토출압력 비율인 제 2 압력비가 1:1이 되도록 고단측 압축기(31)의 운전용량을 제어한다.
Description
본 발명은, 2개의 압축기구를 구비하며 2단압축 냉동주기를 행하는 냉매회로를 구비하는 냉동장치에 관한 것으로, 특히 압축기구의 운전용량 제어에 관한 것이다.
종래, 2개의 압축기구를 구비하며, 냉매의 2단압축 냉동주기를 행하는 냉동장치가 알려져 있다.(예를 들어 특허문헌 1(일본 특허 공개 2001-56156호 공보)).
특허문헌 1에 기재된 냉동장치는 공기조화장치이며, 실외유닛과, 실내유닛과, 주로 난방운전 시에 2단압축 운전을 행하여 능력을 증대시키기 위한 능력증대유닛(Power-up unit)을 구비한다. 실외유닛에는, 실외팽창밸브와, 실외열교환기, 그리고 주압축기구인 저단측 압축기가 배치되며, 실내유닛에는, 실내열교환기와 실내팽창밸브가 배치된다. 능력증대유닛에는, 보조압축기구인 고단측 압축기와, 가스라인에 배치된 가스팽창밸브와, 액라인에 배치된 액팽창밸브와, 중간 냉각기를 구비한다.
난방운전 시에는, 능력증대유닛의 고단측 압축기로부터 토출된 냉매가 실내열교환기에서 실내공기와 열교환하여 응축 액화되며, 실내공기를 가열한다. 응축한 액냉매는, 액팽창밸브에 의해 중간압으로 감압되어 중간 냉각기로 유입하며, 저 단측 압축기구로부터 고단측 압축기구로 흐르는 냉매를 냉각한다. 그 후, 냉매는 실외팽창밸브에 의해 감압되어 실외열교환기에서 증발한다. 그리고, 증발한 냉매는 저단측 압축기구로 흡입된다. 저단측 압축기구에서 압축된 냉매는, 능력증대유닛으로 도입되어 가스팽창밸브를 흐른 후, 중간 냉각기에서, 실내열교환기로부터 흐르는 액냉매에 의해 냉각되어 고단측 압축기로 유입한다. 이와 같이 하여, 2단압축을 행함으로써, 난방능력 증대를 도모한다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그러나 상기 특허문헌 1의 냉동장치에서는, 2단압축 냉동주기의 운전 시, 2단압축을 행하는 각 압축기구의 운전용량을 각각 별개로 어떤 식으로 제어하는가에 대한 아무런 고려도 없었다. 따라서 종래의 냉동장치에서, 운전상황에 적합한 제어가 행해지고 있다고 말하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 2단압축 냉동주기를 행하는 냉매회로를 구비하는 냉동장치에 있어서, 각 압축기구의 운전용량을 각각 별개로 제어함으로써, 운전상황에 적합한 운전을 행하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
제 1 발명은, 용량가변의 제 1 압축기구(21, 31)와 용량가변의 제 2 압축기구(31, 21)를 구비하며, 2단압축 냉동주기를 행하는 냉매회로(15)를 구비하는 냉동장치로서, 냉동능력 부하에 대응하도록 상기 제 1 압축기구(21, 31)의 운전용량 증감을 제어하는 제 1 제어수단(101)과, 상기 2단압축 냉동주기의 중간압력이 소정값이 되도록 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량 증감을 제어하는 제 2 제어수단(102)을 구비한다.
이 제 1 발명에서는, 제 1 제어수단(101)이 제 1 압축기구(21, 31)의 운전용량을 제어하므로, 냉동능력 부하에 대응한 능력으로 운전이 이루어짐과 더불어, 제 2 제어수단(102)이 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 제어하므로, 적절한 중간압력 제어가 이루어진다. 이와 같이, 각 압축기구(21, 31)를 각각 별개로 제어함으로써, 운전상황에 적합한 운전을 행한다.
제 2 발명은, 제 1 발명에서 상기 제 2 제어수단(102)은, 상기 제 1 압축기구(21, 31)의 흡입압력에 대한 토출압력 비율인 제 1 압력비와 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 흡입압력에 대한 토출압력 비율인 제 2 압력비가 1:1이 되도록, 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 제어한다.
이 제 2 발명에서는, 상기 제 2 제어수단(102)이, 상기 제 1 압력비와 상기 제 2 압력비가 1:1이 되도록 제어함으로써 COP의 향상을 도모한다. 즉, 압축기구(21, 31)의 압력비가 커지면 COP가 저하되므로, 상기 2단압축 냉동주기에서의 저압력(PL)에 대한 고압력(PH) 비율인 압력비를 2개의 압축기구(21, 31)에 동등하게 분배함으로써, COP를 가장 높일 수 있다. 그리고 제 2 발명에서, 제 1 발명에 있어서 중간압력의 소정값이란, 2단압축 냉동주기에서의 저압력(PL)과 고압력(PH)의 상승(相乘) 평균값{(PL·PH)1/2}이다.
제 3 발명은, 제 1 발명에서 기동 시에, 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 상기 제 2 제어수단(102) 대신 제 1 압축기구(21, 31)의 운전용량에 기초하여 도출된 소정 목표운전용량이 되도록 제어하는 제 3 제어수단(103)을 구비한다.
이 제 3 발명에서는, 기동 시, 제 3 제어수단(103)이 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 제 1 압축기구(21, 31) 운전용량으로부터 도출된 소정의 목표운전용량이 되도록 제어하며, 기동 시에 냉동능력 부하에 대응한 운전이 신속하게 이루어지도록 한다. 그리고 상기 소정의 목표운전용량이란, 예를 들어 제 1 압축기구(21, 31) 운전용량의 n배(예를 들어 n=1.3)이다. 즉 상기 제 2 제어부(102)가, 제 1 제어부(101)가 제 1 압축기구(21, 31) 운전용량을 제어한 후, 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 제어하는 피드백 제어를 행하는 경우, 기동 시, 제 2 제어수단(102)이 제 2 압축기구(31, 21)의 용량을 제어하면, 피드백 제어에 의한 지연이 발생하여, 운전능력이 낮아지는 경우가 있다. 그래서, 기동 시에는 제 3 제어수단(103)이 제 2 압축기구(31, 21)를 제어하여, 기동 시 운전능력의 상승(上昇)성을 향상시킨다.
제 4 발명은, 제 1 발명에서 난방운전 시에, 상기 제 1 압축기구(21, 31)가 저단측 압축기구(21)로 구성되며, 상기 제 2 압축기구(31, 21)가 고단측 압축기구(31)로 구성된다. 그리고 상기 난방운전 시, 상기 제 1 제어수단(101)이, 상기 고단측 압축기구(31)의 토출압력이 소정 목표값이 되도록 상기 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어하는 한편, 상기 제 2 제어수단(102)이, 상기 중간압이 소정값이 되도록 상기 고단측 압축기구(31)의 운전용량을 제어한다.
이 제 4 발명에서는, 난방운전 시에 제 1 제어수단(101)은, 고단측 압축기구(31)의 토출압력이, 목표로 하는 응축압력에 대응한 압력이 되도록 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어한다.
여기서, 저단측 압축기구(21)를 구비하는 1단압축 냉동주기의 냉동장치에, 고단측 압축기구(31)를 구비하는 옵션유닛(30)을 접속시켜 2단압축 냉동주기의 냉동장치로 하는 경우가 있다. 옵션유닛(30)을 이용하지 않는 1단압축 냉동주기에서는, 저단측 압축기구(21)의 운전용량 제어에 의해, 냉동능력 부하인 난방부하에 대응한 운전능력 제어가 이루어진다. 또 2단압축 냉동주기에서도, 저단측 압축기구(21)의 운전용량 제어에 의한 운전능력 제어가 그대로 적용된다. 즉 제 1 제어수단(101)이, 1단압축 냉동주기 및 2단압축 냉동주기의 어느 운전에서도, 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어하여, 난방부하에 대응한 운전을 행한다.
제 5 발명은 제 1 발명에서, 냉각운전 시, 상기 제 1 압축기구(21, 31)가 고단측 압축기구(31)로 구성되며, 상기 제 2 압축기구(31, 21)가 저단측 압축기구(21)로 구성된다. 그리고 상기 냉각운전 시에, 상기 제 1 제어수단(101)이, 상기 저단측 압축기구(21) 흡입압력이 소정 목표값이 되도록 상기 고단측 압축기구(31)의 운전용량을 제어하는 한편, 상기 제 2 제어수단(102)이, 상기 중간압력이 소정값이 되도록 상기 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어한다.
이 제 5 발명에서는, 냉각운전 시에 제 1 제어수단(101)이, 저단측 압축기구(21)의 흡입압력이, 목표로 하는 증발압력에 대응한 압력이 되도록 고단측 압축기(31)의 운전용량을 제어한다.
여기서, 고단측 압축기구(31)를 구비하는 1단압축 냉동주기의 냉동장치에, 저단측 압축기구(21)를 구비하는 옵션유닛(30)을 접속시켜 2단압축 냉동주기의 냉동장치로 하는 경우가 있다. 옵션유닛(30)을 이용하지 않는 1단압축 냉동주기에서는, 고단측 압축기구(31)의 운전용량 제어에 의해, 냉동능력 부하인 냉각부하에 대응한 운전능력 제어가 이루어진다. 또 2단압축 냉동주기에서도, 고단측 압축기구(31)의 운전용량 제어에 의한 운전능력 제어가 그대로 적용된다. 즉 제 1 제어수단(101)이, 1단압축 냉동주기 및 2단압축 냉동주기의 어느 운전에서도, 고단측 압축기구(31)의 운전용량을 제어하며, 냉각부하에 대응한 운전을 행할 수 있다.
제 6 발명은 제 1 발명에서, 상기 제 1 압축기구(21, 31) 및 상기 제 2 압축기구(31, 21)는 인버터 제어된다.
이 제 6 발명에서는, 상기 제 1 압축기구(21, 31) 및 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 용량을 용이하게 제어한다.
[발명의 효과]
상기 제 1 발명에 의하면, 제 1 제어수단(101)과 제 2 제어수단(102)이 각 압축기구(21, 31)를 각각 별개로 제어하도록 하므로, 운전상황에 적합한 운전을 실행할 수 있다.
또 상기 제 2 발명에 의하면, 상기 제 2 제어수단(102)이, 상기 제 1 압력비와 상기 제 2 압력비가 1:1이 되도록 제어하도록 구성되므로, COP를 가장 높일 수 있다.
또한 상기 제 3 발명에 의하면, 기동 시에, 제 3 제어수단(103)이 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을, 제 1 압축기구(21, 31) 운전용량으로부터 도출된 소정의 목표운전용량이 되도록 제어하도록 구성되므로, 냉동능력 부하에 대응한 운전을 신속하게 실행할 수 있다. 여기서 상기 소정 목표운전용량이란, 예를 들어 제 1 압축기구(21, 31) 운전용량의 n배(예를 들어 n=1.3)이다. 이로써, 상기 제 2 제어부(102)가, 상기 제 1 제어부(101)가 제 1 압축기구(21, 31) 운전용량을 제어한 후 이 운전용량을 기초로 제 2 압축기구(31, 21)의 피드백 제어를 실행하는 경우라도, 기동 시 운전능력의 상승성을 향상시킬 수 있다.
또 상기 제 4 발명에 의하면, 난방운전 시에 제 1 제어수단(101)이, 상기 고단측 압축기구(31)의 토출압력이 소정 목표값이 되도록, 상기 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어하도록 구성되므로, 고단측 압축기구(31)의 토출압력을 목표로 하는 응축온도의 응축압력에 대응하는 압력값이 되도록, 저단측 압축기구(21)의 용량을 제어하여, 냉동능력 부하인 난방부하에 대응시킬 수 있다.
또한 저단측 압축기구(21)를 구비하는 1단압축 냉동주기의 냉동장치에, 고단측 압축기구(31)를 구비하는 옵션유닛(30)을 접속시켜 2단압축 냉동주기의 냉동장치로 하는 경우가 있다. 옵션유닛(30)을 이용하지 않는 1단압축 냉동주기에서는, 저단측 압축기구(21)의 운전용량 제어에 의해, 냉동능력 부하인 난방부하에 대응한 운전능력 제어가 실행된다. 그리고 2단압축 냉동주기에서도, 저단측 압축기구(21)의 운전용량 제어에 의한 운전능력 제어가 그대로 적용된다. 즉 제 1 제어수단(101)이, 1단압축 냉동주기 및 2단압축 냉동주기의 어느 운전에서도, 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어하여, 난방부하에 대응한 운전을 실행할 수 있으므로, 제어수단의 구성이 간소화된다.
또 상기 제 5 발명에 의하면, 냉각운전 시에 상기 제 1 제어수단(101)이, 상기 저단측 압축기구(21)의 흡입압력이 소정 목표값이 되도록 상기 고단측 압축기구(31) 운전용량을 제어하도록 구성되므로, 상기 저단측 압축기구(21)의 흡입압력을 목표로 하는 증발온도의 증발압력에 대응하는 압력값이 되도록, 고단측 압축기구(31)의 용량을 제어하여, 냉동능력 부하인 냉각부하에 대응시킬 수 있다.
또한 고단측 압축기구(31)를 구비하는 1단압축 냉동주기의 냉동장치에, 저단측 압축기구(21)를 구비하는 옵션유닛(30)을 접속시켜 2단압축 냉동주기의 냉동장치로 하는 경우가 있다. 옵션유닛(30)을 이용하지 않는 1단압축 냉동주기에서는, 고단측 압축기구(31)의 운전용량 제어에 의해, 냉동능력 부하인 냉각부하에 대응한 운전능력 제어가 실행된다. 그리고 2단압축 냉동주기에서도, 고단측 압축기구(31)의 운전용량 제어에 의한 운전능력 제어가 그대로 적용된다. 즉 제 1 제어수단(101)이, 1단압축 냉동주기 및 2단압축 냉동주기의 어느 운전에서도, 고단측 압축기구(31)의 운전용량을 제어하여, 냉각부하에 대응한 운전을 실행할 수 있으므로, 제어수단의 구성이 간소화된다.
또 상기 제 6 발명에 의하면, 상기 제 1 압축기구(21, 31) 및 상기 제 2 압축기구(31, 21)가 인버터 제어되도록 구성되므로, 상기 제 1 압축기구(21, 31) 및 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 용량을 용이하게 제어할 수 있다.
도 1은, 제 1 실시형태에 관한 공기조화장치의 냉매회로를 나타낸 배관계통 도이다.
도 2는, 제 1 실시형태에 관한 공기조화장치에 있어서 냉방운전 시의 냉매흐름을 나타낸 배관계통도이다.
도 3은, 제 1 실시형태에 관한 공기조화장치에 있어서 1단압축 냉동주기의 난방운전 시 냉매흐름을 나타낸 배관계통도이다.
도 4는, 제 1 실시형태에 관한 공기조화장치에 있어서 2단압축 냉동주기의 난방운전 시 냉매흐름을 나타낸 배관계통도이다.
도 5는, 제 1 실시형태에 관한 공기조화장치에 있어서 저단측 압축기 및 고단측 압축기의 운전주파수 제어를 나타낸 흐름도이다.
도 6은, 제 2 실시형태에 관한 냉동장치의 냉매회로를 나타낸 배관계통도이다.
도 7은, 제 2 실시형태에 관한 냉동장치에 있어서 1단압축 냉동주기의 냉각운전 시 냉매흐름을 나타낸 배관계통도이다.
도 8은, 제 2 실시형태에 관한 냉동장치에 있어서 2단압축 냉동주기의 냉각운전 시 냉매흐름을 나타낸 배관계통도이다.
도 9는, 제 2 실시형태에 관한 냉동장치에 있어서 저단측 압축기 및 고단측 압축기의 운전주파수 제어를 나타낸 흐름도이다.
부호의 설명
10 : 공기조화장치(냉동장치)
15 : 냉매회로
21 : 저단측 압축기(제 1 압축기구, 제 2 압축기구)
31 : 고단측 압축기(제 1 압축기구, 제 2 압축기구)
101 : 제 1 제어부(제 1 제어수단)
102 : 제 2 제어부(제 2 제어수단)
103 : 제 3 제어부(제 3 제어수단)
120 : 냉동장치
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 제 1 실시형태는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 냉방운전과 난방운전이 가능한 열펌프식 공기조화장치(10)이다. 이 공기조화장치(10)는 실외에 설치되는 실외유닛(20)과, 증설용 유닛을 구성하는 옵션유닛(30)과, 실내에 설치되는 실내유닛(40)과, 공기조화장치(10)의 운전을 제어하는 제어기(100)를 구비한다. 상기 실외유닛(20)은 제 1 연결배관(11) 및 제 2 연결배관(12)을 개재하고 옵션유닛(30)과 접속된다. 또 실내유닛(40)은 제 3 연결배관(13) 및 제 4 연결배관(14)을 개재하고 옵션유닛(30)과 접속된다. 이로써 상기 공기조화장치(10)에서는, 냉매가 순환하여 증기압축식 냉동주기가 이루어지는 냉매회로(15)가 구성된다.
또 옵션유닛(30)은, 이미 설치된 분리형 공기조화장치의 능력증대유닛을 구성한다. 구체적으로, 기설(旣設) 공기조화장치에서는 실외유닛(20)과 실내유닛(40)으로 구성되는 냉매회로에서 1단압축 냉동주기동작에 의한 냉방운전 및 난방 운전이 행해졌으나, 이에 반하여, 이들 실외유닛(20) 및 실내유닛(40) 사이에 옵션유닛(30)을 접속함으로써, 2단압축 냉동주기동작에 의한 난방운전이 가능해진다.
<실외유닛>
상기 실외유닛(20)에는, 저단측 압축기(21), 실외열교환기(22), 실외팽창밸브(25), 및 사방밸브(23)가 배치된다.
상기 저단측 압축기(21)는 스크롤압축기이며, 인버터를 통하여 전력이 공급되며 운전주파수가 가변으로 구성되고, 이 인버터의 출력주파수를 변화시켜 압축기 모터의 회전속도를 변화시킨다. 즉 상기 저단측 압축기(21)는, 인버터 제어에 의해 용량이 가변인 제 1 압축기구로 구성된다.
상기 실외열교환기(22)는 크로스핀식 튜브형의 열교환기로 구성된다. 실외열교환기(22) 근방에는 실외팬(24)이 설치된다. 실외팬(24)은 실외열교환기(22)로 실외공기를 공급한다. 상기 실외팽창밸브(25)는 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다.
상기 사방밸브(23)는 제 1에서 제 4까지 4개의 포트를 구비한다. 사방밸브(23)에서는, 제 1 포트가 저단측 압축기(21)의 토출관(21a)과 접속되며, 제 2 포트가 저단측 압축기(21)의 흡입관(21b)과 접속된다. 또 사방밸브(23)에서는, 제 3 포트가 실외열교환기(22) 및 실외팽창밸브(25)를 개재하고 제 2 연결배관(12) 일단과 접속되며, 제 4 포트가 제 1 연결배관(11) 일단과 접속된다. 이 사방밸브(23)는, 제 1 포트와 제 4 포트가 연통하는 동시에, 제 2 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 1 상태(도 1에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하는 동 시에, 제 2 포트와 제 4 포트가 연통하는 제 2 상태(도 1에 점선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
상기 저단측 압축기(21)의 토출관(21a)에는 저단측 오일분리기(26)가 배치된다. 이 저단측 오일분리기(26)에는 제 1 오일회수관(27) 일단이 접속되며, 이 제 1 오일회수관(27)의 다단은, 저단측 압축기(21) 흡입관(21b)과 접속된다. 또 제 1 오일회수관(27)에는 제 1 모세관(28)이 배치된다. 이와 같이 하여, 저단측 오일분리기(26)에서 분리된 냉동기유가, 제 1 오일회수관(27)을 흐를 때에 감압되어 저단측 압축기(21)로 회송되도록 구성된다.
또한 실외유닛(20)에는 각종 센서가 설치된다. 구체적으로, 저단측 압축기구(21)의 토출관(21a)에는 토출압력센서(82) 및 토출온도센서(86)가, 흡입관(21b)의 토출관(21a)에는 흡입압력센서(83) 및 흡입온도센서(87)가 배치된다. 또 실외공기 온도센서(18)와, 실외열교환기(22)의 냉매온도센서(29)가 배치된다.
<옵션유닛>
상기 옵션유닛(30)에는, 고단측 압축기(31), 삼방밸브(32), 기액분리기(33) 및 옵션측 팽창밸브(34)가 배치된다.
상기 고단측 압축기(31)는 스크롤압축기이며, 인버터를 통하여 전력이 공급되며 운전주파수가 가변으로 구성되고, 이 인버터의 출력주파수를 변화시켜 압축기 모터의 회전속도를 변화시킨다. 즉 상기 고단측 압축기(31)는, 인버터 제어에 의해 용량이 가변인 제 2 압축기구로 구성된다.
상기 삼방밸브(32)는 제 1에서 제 3까지 3개의 포트를 구비한다. 삼방밸 브(32)에서는, 제 1 포트가 고단측 압축기(31)의 토출관(31a)과 접속되며, 이 토출관(31a) 도중에는 제 3 연결배관(13) 일단이 접속된다. 또 삼방밸브(32)의 제 2 포트가 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b)과 접속되며, 제 3 포트가 제 1 연결배관(11) 다단과 접속된다. 이 삼방밸브(32)는, 제 2 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 1 상태(도 1에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 2 상태(도 1에 점선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
상기 기액분리기(33)는 기액 2상상태의 냉매를 액냉매와 가스냉매로 분리하는 것이다. 구체적으로, 기액분리기(33)는 원통형의 밀폐용기로 구성되며, 하부에 액냉매 저류부가 형성되는 한편, 그 위쪽에 가스냉매 저류부가 형성된다. 상기 기액분리기(33)에는, 그 몸체부를 관통하여 가스냉매 저류부에 임하는 액유입관(33a)과, 액냉매 저류부에 임하는 액유출관(33b)이 각각 접속된다. 또 기액분리기(33)에는, 그 정상부를 관통하여 가스냉매 저류부에 임하는 가스유출관(33c)도 접속된다.
액유입관(33a)의 유입단과, 액유출관(33b)의 유출단은, 제 4 연결배관(14) 일단으로부터 제 2 연결배관(12) 다단까지 이어지는 주배관(35) 도중에 제 4 연결배관(14) 쪽으로부터 차례로 각각 접속된다. 또 액유입관(33a)에는 상기 옵션측 팽창밸브(34)가 배치된다. 이 옵션측 팽창밸브(34)는, 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다. 한편, 가스유출관(33c)의 유출단은, 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b) 도중에 접속된다.
또 옵션유닛(30)에는, 고단측 압축기(31)의 토출관(31a)에 고단측 오일분리 기(36)가 배치된다. 이 고단측 오일분리기(36)에는 제 2 오일회수관(37) 일단이 접속되며, 이 제 2 오일회수관(37) 다단은, 고단측 압축기(31) 흡입관(31b)의 가스유출관(33c)과의 접속부와 고단측 압축기(31) 사이에 접속된다. 또 제 2 오일회수관(37)에는 제 2 모세관(38)이 접속된다. 이와 같이 하여, 고단측 오일분리기(36)에서 분리된 냉동기유가, 제 2 오일회수관(37)을 지나 감압되어 고단측 압축기(31)로 회송되도록 구성된다.
옵션유닛(30)에는, 개폐의 전환이 행해지는 전자(電磁)밸브나, 냉매흐름을 규제하는 체크밸브도 배치된다. 구체적으로, 상기 주배관(35)에는 액유입관(33a)의 접속부와 액유출관(33b) 접속부와의 사이에 전자밸브(SV)가 배치된다. 또, 상기 액유출관(33b)에는 제 1 체크밸브(CV-1)가, 고단측 압축기(31)의 토출관(31a)에는 제 2 체크밸브(CV-2)가 각각 배치된다. 여기서 제 1, 제 2 체크밸브(CV-1, CV-2)는 각각 도 1의 화살표로 나타내는 방향으로만 냉매흐름을 허용한다.
또한 옵션유닛(30)에는 각종 센서가 설치된다. 구체적으로, 고단측 압축기구(31)의 토출관(31a)에는 토출압력센서(80) 및 토출온도센서(84)가, 흡입관(31b)에는 흡입압력센서(81) 및 흡입온도센서(85)가 설치된다. 또 기액분리기(33)의 액유출관(33b)에는 온도센서(88)와 압력센서(89)가 설치된다.
<실내유닛>
상기 실내유닛(40)에는, 실내열교환기(41) 및 실내팽창밸브(42)가 배치된다. 실내열교환기(41)는 크로스핀식 튜브형의 열교환기로 구성된다. 실내열교환기(41) 근방에는 실내팬(43)이 설치된다. 실내팬(43)은 실내열교환기(41)로 실내공기를 공급한다. 상기 실내팽창밸브(42)는 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다.
실내유닛(40)에서는 제 3 연결배관(13) 다단이 실내열교환기(41) 및 실내팽창밸브(42)를 개재하고 제 4 연결배관(14) 다단에 접속된다.
또 실내유닛(40)에는 실내온도센서(44)와, 실내열교환기(41)의 냉매온도센서(45)가 설치된다.
<제어기>
상기 제어기(100)는, 상기 냉매회로(15)에 배치된 각종 밸브의 전환이나 개방도 조정 등을 행하며, 상기 공기조화장치(10)의 운전동작을 제어하는 것이다. 또 상기 제어기(100)는 제 1 제어부(101)와 제 2 제어부(102)와 제 3 제어부(103)를 구비한다. 상기 제 1 제어부(101)는, 냉동능력 부하에 대응하도록 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 인버터 제어하는 것이며, 제 1 제어수단으로 구성된다. 상기 제 2 제어부(102)는, 2단압축 냉동주기의 중간압력이 소정값이 되도록, 상기 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 인버터 제어하며, 제 2 제어수단으로 구성된다. 상기 제 3 제어부(103)는, 기동 시, 상기 제 2 제어부(102) 대신, 고단측 압축기(31)의 운전주파수를, 저단측 압축기(21)의 운전주파수에 기초하여 도출된 소정 목표운전주파수가 되도록 인버터 제어하는 것이며, 제 3 제어수단으로 구성된다.
-운전동작-
다음으로 본 실시형태의 공기조화장치(10) 운전동작에 대하여 설명하기로 한다.
상기 공기조화장치(10)는, 1단압축 냉동주기에 의한 냉방운전 및 난방운전과, 2단압축 냉동주기에 의한 난방운전을 실행한다.
<냉방운전>
냉방운전에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제어기(100)의 제어에 의해 사방밸브(23) 및 삼방밸브(32)가 제 2 상태로 설정되며, 전자밸브(SV)가 개방상태로 설정된다. 또 실외팽창밸브(25)가 완전개방상태로, 옵션측 팽창밸브(34)가 완전 폐쇄상태로 각각 설정되는 한편, 실내팽창밸브(42)의 개방도가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또한 이 냉방운전에서는 저단측 압축기(21)가 운전되는 한편, 고단측 압축기(31)는 정지상태로 된다. 즉 냉방운전 시의 냉매회로(15)에서는 저단측 압축기(21)만으로 냉매가 압축되며, 이 저단측 압축기(21)의 흡입압력 및 토출압력이 1단압축 냉동주기의 저압력 및 고압력이 된다.
실외유닛(20)에서 저단측 압축기(21)로부터 토출된 고압냉매는, 실외열교환기(22)를 흐르며 실외공기에 방열하여 응축 액화한다. 실외열교환기(22)에서 응축한 액냉매는, 완전개방상태의 실외팽창밸브(25)를 지나 제 2 연결배관(12)을 흐르며, 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)에서는 고압 액냉매가 주배관(35)을 흐르며, 제 4 연결배관(14)을 흘러 실내유닛(40)으로 도입된다.
실내유닛(40)으로 도입된 냉매는 실내팽창밸브(42)를 통과할 때 감압되어 팽창하며, 저압냉매로 된다. 이 저압냉매는 실내열교환기(41)를 흐르며, 실내공기로부터 흡열하여 증발한다. 그 결과, 실내공기가 냉각되어, 냉방이 이루어진다. 실 내열교환기(41)에서 증발한 냉매는 제 3 연결배관(13)으로부터 옵션유닛(30)으로 도입되며, 삼방밸브(32)를 통하여 제 1 연결배관(11)을 흘러, 실외유닛(20)으로 도입된다. 실외유닛(20)으로 도입된 저압냉매는, 저단측 압축기(21)로 흡입되며, 압축되어 고압냉매로 된다.
<냉방운전 시 제어>
냉방운전에서는, 상기 제어기(100)의 제 1 제어부(101)가 상기 저단측 압축기(21)의 운전주파수를, 냉동능력 부하인 냉방부하에 대응하도록 인버터 제어한다. 즉 제 1 제어부(101)는, 실내열교환기(41)의 증발온도가 실내 설정온도(Te℃)가 되도록 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 1 제어부(101)는, 저단측 압축기(21)의 흡입압력이, 설정온도(Te℃)에 상당하는 증발압력에 대응한 압력값이 되도록, 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다.
그래서 상기 제 1 제어부(101)는, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 우선 비교회로(150)에서, 설정온도(Te℃)와 실내온도센서(44)에 의해 측정되는 실제 실내온도와의 온도차를 산출한다. 그 후 이득회로(151)에서, 상기 비교회로의 온도차에 상수(K)를 곱하여 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 산출하며, 이 저단측 압축기(21)를 제어한다.
여기서 상기 고단측 압축기(31)는 정지상태이므로, 상기 제 2 제어부(102)의 제어는 행해지지 않는다.
<1단압축 냉동주기의 난방운전>
1단압축 냉동주기의 난방운전에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이 제어 기(100)의 제어에 의해 사방밸브(23)가 제 1 상태로 설정되며, 삼방밸브(32)가 제 2 상태로 설정되고, 전자밸브(SV)가 개방상태로 설정된다. 또 옵션측 팽창밸브(34)가 완전 폐쇄상태로, 실내팽창밸브(42)가 완전개방상태로 각각 설정되며, 실외팽창밸브(25)가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또한 이 난방운전에서는 저단측 압축기(21)가 운전되는 한편, 고단측 압축기(31)는 정지상태로 된다. 즉, 이 난방운전의 냉매회로(15)에서는 저단측 압축기(21)만으로 냉매가 압축되며, 이 저단측 압축기(21)의 흡입압력 및 토출압력이 1단압축 냉동주기의 저압력 및 고압력이 된다.
실외유닛(20)에서, 저단측 압축기(21)로부터 토출된 고압냉매는, 사방밸브(23)를 통하여 제 1 연결배관(11)을 흐르고, 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)으로 도입된 고압냉매는 삼방밸브(32)를 통하여 제 3 연결배관(13)을 흐르며, 실내유닛(40)으로 도입된다.
실내유닛(40)에서, 고압냉매는 실내열교환기(41)를 흐르며, 실내공기에 방열하여 응축 액화한다. 그 결과 실내공기가 가열되어, 난방이 이루어진다. 실내열교환기(41)에서 응축한 액냉매는 완전개방상태의 실내팽창밸브(42)를 지나 제 4 연결배관(14)을 흐르며, 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)으로 도입된 고압의 액냉매는 주배관(35)을 흐르며, 제 2 연결배관(12)을 흐르고, 실외유닛(20)으로 도입된다.
실외유닛(20)으로 도입된 냉매는, 실외팽창밸브(25)를 통과할 때 감압되어 팽창하며, 저압냉매가 된다. 이 저압냉매는, 실외열교환기(22)를 흐르며, 실외공 기로부터 흡열하여 증발한다. 실외열교환기(22)에서 증발한 저압냉매는, 사방밸브(23)를 통하여 저단측 압축기(21)로 흡입되며, 압축되어 고압냉매가 된다.
<1단압축 냉동주기의 난방운전 시 제어>
1단압축 냉동주기의 난방운전에서는, 상기 제어기(100)의 제 1 제어부(101)가 상기 저단측 압축기(21)의 운전주파수를, 냉동능력 부하인 난방부하에 대응하도록 인버터 제어한다. 즉 제 1 제어부(101)는, 실내열교환기(41)의 응축온도가 실내 설정온도(Te℃)가 되도록 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 1 제어부(101)는, 저단측 압축기(21)의 토출압력이, 설정온도(Te℃)에 상당하는 응축압력에 대응한 압력값이 되도록, 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다.
그래서 상기 제 1 제어부(101)는, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 우선 비교회로(150)에서, 설정온도(Te℃)와 실내온도센서(44)에 의해 측정되는 실제 실내온도와의 온도차를 산출한다. 그 후 이득회로(151)에서, 상기 비교회로(150)의 온도차에 상수(K)를 곱하고 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 산출하며, 이 저단측 압축기(21)를 제어한다.
여기서 상기 고단측 압축기(31)는 정지상태이므로, 상기 제 2 제어부(102)의 제어는 행해지지 않는다.
<2단압축 냉동주기의 난방운전>
2단압축 냉동주기의 난방운전에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 제어기(100)의 제어에 의해 사방밸브(23) 및 삼방밸브(32)가 제 1 상태로 설정되며, 전 자밸브(SV)가 폐쇄상태로 설정된다. 또 실내팽창밸브(42), 옵션측 팽창밸브(34), 및 실외팽창밸브(25)의 개방도가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또한 이 난방운전에서는 저단측 압축기(21) 및 고단측 압축기(31)가 각각 운전된다. 즉 이 난방운전 시의 냉매회로(15)에서는, 저단측 압축기(21)에서 압축된 냉매가 고단측 압축기(31)에서 다시 압축되며, 이 저단측 압축기(21)의 흡입압력이 냉동주기의 저압력이 되고, 이 저단측 압축기(21)의 토출압력이 냉동주기의 중간압력이 되며, 이 고단측 압축기(31)의 토출압력이 냉동주기의 고압력이 되는 2단압축 냉동주기가 이루어진다.
옵션유닛(30)에서, 고단측 압축기(31)로부터 토출된 고압냉매는, 제 3 연결배관(13)을 흐르며, 실내유닛(40)으로 도입된다.
실내유닛(40)에서, 고압냉매는 실내열교환기(41)를 통과할 때, 실내공기에 방열하여 응축 액화한다. 그 결과 실내공기가 가열되어, 난방이 이루어진다.
실내열교환기(41)에서 응축한 냉매는, 실내팽창밸브(42)를 통과한 후 제 4 연결배관(14)을 흐르고 옵션유닛(30)으로 도입되며, 주배관(35)으로부터 옵션측 팽창밸브(34)를 통과하여 액유입관(33a)으로 흐른다. 액냉매는 실내팽창밸브(42)와 옵션측 팽창밸브(34)에 의해 단계적으로 감압되어 팽창하며, 기액 2상상태의 중간압 냉매가 되어 기액분리기(33)로 유입한다.
기액분리기(33)에서는, 기액 2상상태의 중간압 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다. 분리된 포화상태의 가스냉매는, 가스유출관(33c)을 흐르고 고단측 압축기(31) 흡입관(31b)으로 공급된다. 한편, 분리된 액냉매는 액유출관(33b)으로부터 유출되며, 제 2 연결배관(12)을 흐르고 실외유닛(20)으로 도입된다.
실외유닛(20)으로 도입된 중간압 액냉매는, 실외팽창밸브(25)를 통과할 때, 감압 팽창하여 저압냉매가 되며, 실외열교환기(22)를 통과할 때, 실외공기로부터 흡열하여 증발한다. 실외열교환기(22)에서 증발한 저압냉매는 사방밸브(23)를 통하여 저단측 압축기(21)로 흡입된다. 저단측 압축기(21)에서는 저압냉매가 압축되어 중간압 냉매가 되며, 이 중간압 냉매는 사방밸브(23)를 통하여 제 1 연결배관(11)을 흐르고 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)에서는, 저단측 압축기(21)로부터 토출된 중간압 냉매가 삼방밸브(32)를 지나 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b)을 흐른다. 중간압 냉매는, 흡입관(31b)을 흐를 때, 가스유출관(33c)으로부터 공급되며, 고단측 압축기(31)로 흡입된다. 고단측 압축기(31)에서는 중간압 냉매가 압축되어 고압냉매가 된다.
이상과 같이 하여 2단압축 냉동주기의 난방운전에서는, 중간압인 기액 2상상태의 냉매를 기액분리기(22)에 의해 가스냉매와 액냉매로 분리하고, 분리후의 가스냉매를 고단측 압축기(31)로 회송함으로써, 실외열교환기(22)로는 액냉매만이 공급되므로, 기액분리기(33)로부터 실외열교환기(22)까지의 액배관 압력손실이 저감됨과 더불어, 액냉매의 일부가 증발하여 배관 내에 잔존하는, 이른바 플래쉬 현상(기화 현상)의 발생도 억제된다.
<2단압축 냉동주기 난방운전 시의 제어>
2단압축 냉동주기의 난방운전 시에는, 상기 제어기(100) 제 1 제어부(101)에 의한 저단측 압축기(21)의 제어와, 제 2 제어부(102) 및 제 3 제어부(103)에 의한 고단측 압축기(21, 31)의 인버터 제어가 이루어진다.
우선, 제 1 제어부(101)가, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 냉동능력의 부하인 난방부하에 대응하도록 상기 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다. 즉 제 1 제어부(101)는, 실내열교환기(41)의 응축온도가 실내 설정온도(Tc℃)가 되도록 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 1 제어부(101)는, 고단측 압축기(21)의 토출압력이, 설정온도(Tc℃)에 상당하는 응축압력에 대응한 압력값이 되도록, 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다.
그래서 상기 제 1 제어부(101)는, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 우선 비교회로(150)에서, 설정온도(Tc℃)와 실내온도센서(44)에 의해 측정되는 실제 실내온도와의 온도차를 산출한다. 그 후 이득회로(151)에서, 상기 비교회로의 온도차에 상수(k)를 곱하고 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 산출하여, 이 저단측 압축기(21)를 제어한다.
한편, 상기 제 2 제어부(102)가, 저단측 압축기(21)와 고단측 압축기(31) 사이의 중간압력(PM)이 소정값이 되도록 제어한다. 본 실시형태에서 상기 중간압력의 소정값은, 저단측 압축기(21)의 흡입압력(PL)에 대한 토출압력(PM) 비율인 제 1 압력비(PM/PL)와, 고단측 압축기(31)의 흡입압력(PM)에 대한 토출압력(PH) 비율인 제 2 압력비(PH/PM)가 1:1이 되는 중간압력값이다. 즉, 이 중간압력값은, 저단측 압축기(21) 흡입압력(PL)과 고단측 압축기(31) 토출압력(PH)의 상승(相乘) 평균값{(PL·PH)1/2}이다.
구체적으로 제 2 제어부(102)는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 제산회로(152)에서 저단측 압축기(21)의 제 1 압력비(PM/PL)를 산출하며, 제 2 제산회로(153)에서 상기 고단측 압축기(31)의 제 2 압력비(PH/PM)를 산출한다. 그리고 비교회로(154)에서 제 1 압력비(PM/PL)와 제 2 압력비(PH/PM)의 차{(PM/PL)-(PH/PM)}를 산출하며, 이득회로(155)에서 이 압력비 차로부터 이득(K)을 도출한다. 그리고 도출회로(156)에서, 현재의 고단측 압축기(31) 운전주파수에 이득(K)을 곱하여 고단측 압축기(31)의 목표운전주파수를 도출하며, 이 목표운전주파수로 상기 고단측 압축기(31)가 운전되도록 제어한다.
여기서, 본 실시형태에서 저단측 압축기(21)의 흡입압력(PL)은 흡입압력센서(83) 측정값을, 토출압력(PM)은 토출압력센서(82) 측정값을 각각 이용하며, 고단측 압축기(31) 흡입압력(PM)은 흡입압력센서(81)의 측정값을, 토출압력(PH)은 토출압력센서(80)의 측정값을 각각 이용하나, 그밖의 값을 이용해도 된다. 구체적으로, 중간압력(PM)인 저단측 압축기(21) 토출압력(PM)과 고단측 압축기(31) 흡입압력(PM)에는, 기액분리기(33) 액유출관(33b)의 압력센서(89) 측정값, 액유출관(33b) 온도센서(88)의 측정값에 상당하는 포화압력을 이용할 수도 있다. 또, 고단측 압축기(31)의 토출압력(PH)은, 실내열교환기(41)에서의 응축온도에 대응하는 응축압력을, 저단측 압축기(21)의 흡입압력(PL)은, 실외열교환기(42)에서의 증발온도에 대응하는 증발압력을 각각 편의적으로 이용해도 된다.
그리고 이 제 1 제어부(101)와 제 2 제어부(102)에 의한 제어가 반복실행됨으로써, 고단측 압축기(31) 및 저단측 압축기(21)의 운전주파수가, 난방부하에 대 응하면서 COP가 가장 높아지는 운전주파수가 된다.
또, 그 한편, 이 2단압축 냉동주기의 난방운전에서는, 기동 시, 제 3 제어부(103)가 제 2 제어부(102) 대신 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 3 제어부(103)는, 고단측 압축기(31)의 운전주파수가 저단측 압축기(21) 운전주파수의 n배(예를 들어 n=1.3)로 되도록 제어한다. 즉 상기 제 2 제어부(102)는, 중간압력을 상기 소정값으로 하기 위해 제 1 제어부(101)에 의해 저단측 압축기(21)의 운전주파수가 변동함에 추종하여, 고단측 압축기(31)의 운전주파수도 변동하는 피드백 제어를 행하므로, 기동 시에 이 피드백 제어에 의한 지연이 발생하여 소정의 운전능력이 되기까지에 장시간을 요하는 것을 방지한다.
-제 1 실시형태의 효과-
본 실시형태에서는, 난방운전 시의 2단압축식 냉동주기에 있어서, 제 1 제어부(101)가, 냉동능력 부하인 난방부하에 대응하도록 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어하며, 제 2 제어부(102)가, 저단측 압축기(21) 제 1 압력비(PM/PL)와 고단측 압축기(31) 제 2 압력비(PH/PM)가 1:1이 되도록, 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어하므로, 난방부하에 적합한 운전을 할 수 있음과 더불어, COP의 향상을 도모할 수 있으므로, 운전조건에 적합한 운전을 할 수 있다.
또 본 실시형태에서는, 기설(旣設) 실외유닛(20)과 실내유닛(40)에 의한 1단압축 냉동주기 운전에서, 제 1 제어부(101)가 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어하여 냉동부하에 대응한 운전능력을 제어하며, 옵션유닛(30)을 접속하여 2단압축 냉동주기를 행할 경우에도, 그 운전능력제어를 적용하여 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어함으로써, 냉동부하에 대응한 운전능력제어를 행하므로, 제어수단 구성의 간소화를 도모할 수 있다.
또 기동 시에는, 제 3 제어부(103)가 제 2 제어부(102) 대신 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어하도록 하므로, 기동 시, 제 2 제어부(102)의 피드백 제어에 의해 발생하는 고단측 압축기(31) 제어의 지연을 방지하며, 난방부하에 대응한 운전을 신속하게 행할 수 있다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 제 2 실시형태는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 냉각실 내의 냉각운전을 행하는 냉동장치(120)이다. 이 냉동장치(120)는 실외에 설치되는 실외유닛(20)과, 증설용 유닛을 구성하는 옵션유닛(30)과, 냉각실 내에 설치되는 실내유닛(40)과, 냉동장치(120)의 운전을 제어하는 제어기(100)를 구비한다. 상기 실외유닛(20)은 제 1 연결배관(11) 및 제 2 연결배관(12)을 개재하고 옵션유닛(30)과 접속된다. 또 실내유닛(40)은 제 3 연결배관(13) 및 제 4 연결배관(14)을 개재하고 옵션유닛(30)과 접속된다. 이로써 상기 냉동장치(120)에서는, 냉매가 순환하여 증기압축식 냉동주기가 이루어지는 냉매회로(15)가 구성된다.
또 옵션유닛(30)은, 이미 설치된 분리형 공기조화장치의 능력증대유닛을 구성한다. 구체적으로, 기설 냉동장치에서는 실외유닛(20)과 실내유닛(40)으로 구성되는 냉매회로에서, 냉각실 내의 저장물을 냉장하는 1단압축 냉동주기동작에 의한 냉각운전이 이루어지며, 이들 실외유닛(20) 및 실내유닛(40) 사이에 옵션유닛(30)을 접속함으로써, 냉각실 내의 저장물을 냉장하는 2단압축 냉동주기동작에 의한 냉 각운전이 가능해진다.
<실외유닛>
상기 실외유닛(20)에는, 고단측 압축기(31)와 실외열교환기(22)가 배치된다.
상기 고단측 압축기(31)는 스크롤압축기이며, 인버터를 통하여 전력이 공급되며 운전주파수가 가변으로 구성되고, 이 인버터의 출력주파수를 변화시켜 압축기 모터의 회전속도를 변화시킨다. 즉 상기 고단측 압축기(31)는, 인버터 제어에 의해 용량이 가변인 제 1 압축기구로 구성된다.
상기 실외열교환기(22)는 크로스핀식 튜브형의 열교환기로 구성된다. 실외열교환기(22) 근방에는 실외팬(24)이 설치된다. 실외팬(24)은 실외열교환기(22)로 실외공기를 공급한다.
상기 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b)은, 제 2 연결배관(12) 일단에 접속되며, 토출관(31a)은, 실외열교환기(22)를 개재하고 제 1 연결배관(11) 일단에 접속된다.
또 고단측 압축기(31)의 토출관(31a)에는 고단측 오일분리기(36)가 배치된다. 이 고단측 오일분리기(36)에는 제 2 오일회수관(37) 일단이 접속되며, 이 제 2 오일회수관(37) 다단은, 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b)에 접속된다. 또한 제 2 오일회수관(37)에는, 제 2 모세관(38)이 접속된다. 이와 같이 하여, 고단측 오일분리기(36)에서 분리된 냉동기유가, 제 2 오일회수관(37)을 지나 감압되어 고단측 압축기(31)로 회송되도록 구성된다.
또 실외유닛(20)에는 각종 센서가 배치된다. 구체적으로, 고단측 압축기 구(31)의 토출관(31a)에는 토출압력센서(80) 및 토출온도센서(84)가, 흡입관(31b)에는 흡입압력센서(81) 및 흡입온도센서(85)가 배치된다. 또한 실외공기 온도센서(18)와 실외열교환기(22)의 냉매온도센서(29)가 배치된다.
<옵션유닛>
상기 옵션유닛(30)에는, 저단측 압축기(21)와, 기액분리기(33), 옵션측 팽창밸브(34), 제 1 삼방밸브(70), 및 제 2 삼방밸브(71)가 배치된다.
상기 저단측 압축기(21)는 스크롤압축기이며, 인버터를 통하여 전력이 공급되며 운전주파수가 가변으로 구성되고, 이 인버터의 출력주파수를 변화시켜 압축기 모터의 회전속도를 변화시킨다. 즉 상기 저단측 압축기(21)는, 인버터 제어에 의해 용량이 가변인 제 2 압축기구로 구성된다.
상기 기액분리기(33)는 원통형의 밀폐용기로 구성되며, 하부에 액층인 액냉매 저류부가 형성되는 한편, 그 위쪽에 가스냉매 저류부가 형성된다. 상기 기액분리기(33)에는, 그 몸체부를 관통하여 가스냉매 저류부에 임하는 액유입관(33a)과, 바닥부를 관통하여 액냉매 저류부에 임하는 액유출관(33b)이 각각 접속된다. 또 기액분리기(33)에는, 그 정상부를 관통하여 가스냉매 저류부에 임하는 가스유출관(33c)도 접속된다.
상기 제 1 삼방밸브(70)는 제 1에서 제 3까지 3개의 포트를 구비한다. 제 1 삼방밸브(70)에서는, 제 1 포트가 기액분리기(33)의 액유출관(33b) 유출단과 접속되며, 제 2 포트가 기액분리기(33)의 액유입관(33a) 유입단과 접속되고, 제 3 포트가 제 1 액측 연결배관(11) 다단과 접속된다. 상기 제 1 삼방밸브(70)는, 제 2 포 트와 제 3 포트가 연통하는 제 1 상태(도 6에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 연통하는 제 2 상태(도 6에 점선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
상기 제 2 삼방밸브(71)는 제 1에서 제 3까지 3개의 포트를 구비한다. 제 2 삼방밸브(71)에서는, 제 1 포트가 접속관(47)을 개재하고 제 3 연결배관(13) 일단과 접속되며, 제 2 포트가 저단측 압축기(21) 토출관(21a)과 접속되고, 제 3 포트가 제 2 연결배관(12) 다단과 접속된다. 제 2 삼방밸브(71)는, 제 2 포트와 제 3 포트가 서로 연통하는 제 1 상태(도 6에 실선으로 나타낸 상태)와, 제 1 포트와 제 3 포트가 서로 연통하는 제 2 상태(도 6에 점선으로 나타낸 상태)로 전환 가능하게 구성된다.
액유출관(33b) 도중에는 제 4 연결배관(14) 일단이 접속된다. 액유입관(33a) 도중에는 상기 옵션측 팽창밸브(34)가 배치된다. 이 옵션측 팽창밸브(34)는, 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다. 한편, 가스유출관(33c) 유출단은, 저단측 압축기(21)의 토출관(21a) 도중에 접속된다.
또 상기 저단측 압축기(31)의 토출관(21a)에는 저단측 오일분리기(26)가 배치된다. 이 저단측 오일분리기(26)에는 제 1 오일회수관(27) 일단이 접속되며, 이 제 1 오일회수관(27) 다단은, 저단측 압축기(21)의 흡입관(21b)과 접속된다. 또한 제 1 오일회수관(27)에는 제 1 모세관(28)이 접속된다. 이와 같이 하여, 저단측 오일분리기(26)에서 분리된 냉동기유가, 제 1 오일회수관(27)을 흐를 때 감압되어 저단측 압축기(21)로 회송되도록 구성된다.
그리고 옵션유닛(30)에는 각종 센서가 배치된다. 구체적으로, 저단측 압축기구(21)의 토출관(21a)에는 토출압력센서(82) 및 토출온도센서(86)가, 흡입관(21b)에는 흡입압력센서(83) 및 흡입온도센서(87)가 설치된다. 또 기액분리기(33)의 액유출관(33b)에는 온도센서(88)와 압력센서(89)가 설치된다.
<실내유닛>
상기 실내유닛(40)에는, 실내열교환기(41) 및 실내팽창밸브(42)가 배치된다. 실내열교환기(41)는 크로스핀식 튜브형의 열교환기로 구성된다. 실내열교환기(41) 근방에는 실내팬(43)이 설치된다. 실내팬(43)은 실내열교환기(41)로 실내공기를 공급한다. 상기 실내팽창밸브(42)는 개방도 조절이 가능한 전자팽창밸브로 구성된다.
실내유닛(40)에서는 제 3 연결배관(13) 다단이 실내열교환기(41) 및 실내팽창밸브(42)를 개재하고 제 4 연결배관(14) 다단에 접속된다.
또 실내유닛(40)에는, 실내온도센서(44)와, 실내열교환기(41)의 냉매온도센서(45)가 설치된다.
<제어기>
상기 제어기(100)는, 상기 냉매회로(15)에 설치된 각종 밸브의 전환이나 개방도 조정 등을 행하여, 상기 냉동장치(120)의 운전동작을 제어하는 것이다. 또 상기 제어기(100)는 제 1 제어부(101)와 제 2 제어부(102)와 제 3 제어부(103)를 구비한다. 상기 제 1 제어부(101)는, 냉동능력 부하에 대응하도록 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 인버터 제어하는 것이며, 제 1 제어수단으로 구성된다. 상 기 제 2 제어부(102)는, 2단압축 냉동주기의 중간압이 소정값이 되도록, 상기 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 인버터 제어하는 것이며, 제 2 제어수단으로 구성된다. 상기 제 3 제어부(103)는, 기동 시에 상기 제 2 제어부(102) 대신, 저단측 압축기(21)의 운전주파수를, 고단측 압축기(31)의 운전주파수에 기초하여 도출된 소정의 목표운전주파수가 되도록 제어하는 제 3 제어수단으로 구성된다.
-운전동작-
다음으로 본 실시형태의 냉동장치(120) 운전동작에 대하여 설명하기로 한다.
상기 냉동장치(120)는, 냉각실 내의 저장물을 저장하는 1단압축 냉동주기동작에 의한 냉각운전과, 냉각실 내의 저장물을 냉동하는 2단압축 냉동주기동작에 의한 냉각운전을 실행한다.
<1단압축 냉동주기의 냉각운전>
1단압축 냉동주기의 냉각운전에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이 제어기(100)의 제어에 의해 옵션유닛(30)의 제 1 삼방밸브(70) 및 제 2 삼방밸브(71)가 제 2 상태로 설정된다. 또 실내팽창밸브(42)의 개방도가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또한 이 냉각운전에서는 고단측 압축기(31)가 운전되는 한편, 저단측 압축기(21)는 정지상태로 된다. 즉 냉각운전 시의 냉매회로(15)에서는 고단측 압축기(31)만으로 냉매가 압축되며, 이 고단측 압축기(31)의 흡입압력 및 토출압력이 1단압축 냉동주기의 저압력 및 고압력이 된다.
실외유닛(20)에서, 고단측 압축기(31)로부터 토출된 고압냉매는 실외열교환기(22)로 공급되며, 실외공기에 방열하여 응축 액화한다. 실외열교환기(22)에서 응축한 고압 액냉매는 제 1 연결배관(11)을 흐르고 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)에서 고압냉매는, 제 1 삼방밸브(70)를 지나 액유출관(33b)을 흐른 후 제 4 연결배관(14)을 흐르고 실내유닛(40)으로 도입된다.
실내유닛(40)으로 도입된 고압냉매는, 실내팽창밸브(42)를 통과할 때 감압되어 팽창하며, 저압냉매가 된다. 이 저압냉매는, 실내열교환기(41)를 흐르며 실내공기로부터 흡열하여 증발한다. 그 결과, 냉각실 내의 공기가 냉각된다. 실내열교환기(41)에서 증발한 냉매는, 제 3 연결배관(13)으로부터 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)으로 도입된 저압냉매는 접속관(47)을 흐르며, 제 2 삼방밸브(71)를 통하여 제 2 연결배관(12)을 흘러 실외유닛(20)으로 도입된다. 실외유닛(20)으로 도입된 저압냉매는, 고단측 압축기(31)로 흡입되고 압축되며, 고압냉매가 된다.
<1단압축 냉동주기 냉각운전 시의 제어>
1단압축 냉동주기의 냉각운전에서는, 상기 제어기(100)의 제 1 제어부(101)가 상기 고단측 압축기(31)의 운전주파수를, 냉동능력 부하인 냉각부하에 대응하도록 인버터 제어한다. 즉 제 1 제어부(101)는, 실내열교환기(41)의 증발온도가 냉각실 내 설정온도(Te℃)가 되도록 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 1 제어부(101)는, 고단측 압축기(31)의 토출압력이, 설정온도(Te℃)에 상당하는 증발압력에 대응한 압력값이 되도록, 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어한다.
그래서 상기 제 1 제어부(101)는, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 우선 비교회로(160)에서, 설정온도(Te℃)와 실내온도센서(44)에 의해 측정되는 실제 냉각실 내 온도와의 온도차를 산출한다. 그 후 이득회로(161)에서, 상기 비교회로의 온도차에 상수(K)를 곱하여 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 산출하며, 이 고단측 압축기(31)를 제어한다.
여기서 상기 저단측 압축기(21)는 정지상태이므로, 상기 제 2 제어부(102)의 제어는 행해지지 않는다.
<2단압축 냉동주기의 냉각운전>
2단압축 냉동주기의 냉각운전에서는, 도 8에 나타내는 바와 같이 제어기(100)의 제어에 의해 제 1 삼방밸브(70) 및 제 2 삼방밸브(71)가 제 1 상태로 설정된다. 또, 실내팽창밸브(42)의 개방도가 운전조건에 따라 적절하게 조절된다. 또한 이 냉각운전에서는 저단측 압축기(21) 및 고단측 압축기(31)가 각각 운전된다. 즉 이 냉각운전의 냉매회로(15)에서는, 저단측 압축기(21)에서 압축된 냉매가 고단측 압축기(31)에서 다시 압축되며, 이 저단측 압축기(21)의 흡입압력이 냉동주기의 저압력이 되고, 이 저단측 압축기(21)의 토출압력이 냉동주기의 중간압력이 되며, 이 고단측 압축기(31)의 토출압력이 냉동주기의 고압력이 되는 2단압축 냉동주기가 이루어진다.
실외유닛(20)에서, 고단측 압축기(31)로부터 토출된 고압냉매는 실외열교환기(22)로 공급되며, 냉매가 실외공기에 방열하여 응축 액화한다. 실외열교환기(22)에서 응축한 고압 액냉매는, 제 1 연결배관(11)을 흐르고 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)에서 고압 액냉매는, 제 1 삼방밸브(70)을 지나 액유입관(33a)을 흐른다. 고압 액냉매는, 옵션측 팽창밸브(34)를 통과할 때 감압 팽창되어, 기액 2상상태의 중간압 냉매가 되며, 기액분리기(33)로 유입한다. 기액분리기(33)에서는, 기액 2상상태의 중간압 냉매가 가스냉매와 액냉매로 분리된다. 분리된 포화상태의 가스냉매는, 가스유출관(33c)을 흐르고 저단측 압축기(21)의 토출관(21a)으로 공급된다. 한편, 분리된 액냉매는 액유출관(33b)으로부터 유출되며, 제 4 연결배관(14)을 흘러 실내유닛(40)으로 도입된다.
실내유닛(40)에서 중간압 액냉매는, 실내팽창밸브(42)를 통과할 때 감압 팽창하여 저압냉매가 된다. 저압냉매는, 실내열교환기(41)를 통과할 때, 실내공기로부터 흡열하여 증발한다. 그 결과, 냉각실 내 공기가 냉각된다. 증발한 저압냉매는, 제 3 연결배관(13)을 흐르고 옵션유닛(30)으로 도입된다.
옵션유닛(30)에서 저압냉매는, 제 3 연결배관(13)으로부터 저단측 압축기(21)의 흡입관(21b)을 흐르며, 저단측 압축기(21)로 흡입되어 압축되며, 중간압 냉매가 된다. 이 중간압 냉매는 저단측 압축기(21)의 토출관(21a)을 흐르며, 가스유출관(33c)을 통하여 포화상태의 가스냉매가 공급된 후, 제 2 삼방밸브(71)로부터 제 2 연결배관(12)으로 흐르고 실외유닛(20)으로 도입된다.
실외유닛(20)으로 도입된 중간압 냉매는, 고단측 압축기(31)의 흡입관(31b)을 통하여 고단측 압축기(31)로 흡입되며, 압축되어 고압냉매가 된다.
<2단압축 냉동주기 냉각운전 시의 제어>
2단압축 냉동주기의 냉각운전에서는, 상기 제어기(100)의 제 1 제어부(101)가 상기 고단측 압축기(31)의 운전주파수를, 냉동능력 부하인 냉각부하에 대응하도록 인버터 제어한다. 즉 제 1 제어부(101)는, 실내열교환기(41)의 증발온도가 냉각실 내 설정온도(Te℃)가 되도록 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 1 제어부(101)는, 저단측 압축기(21)의 토출압력이, 설정온도(Te℃)에 상당하는 증발압력에 대응한 압력값이 되도록 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어한다.
그래서 상기 제 1 제어부(101)는, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 우선 비교회로(160)에서, 설정온도(Te℃)와 실내온도센서(44)에 의해 측정되는 실제 냉각실 내 온도의 온도차를 산출한다. 그 후 이득회로(161)에서, 상기 비교회로의 온도차에 상수(K)를 곱하여 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 산출하며, 이 고단측 압축기(31)를 제어한다.
한편, 상기 제 2 제어부(102)가 2단압축 냉동주기의 중간압력이 소정값이 되도록 제어한다. 본 실시형태에서 상기 중간압력의 소정값은, 저단측 압축기(21)의 제 2 압력비(PM/PL)와, 고단측 압축기(31)의 제 1 압력비(PH/PM)가 1:1이 되는 중간압력값(PM)이다. 즉 이 중간압력값(PM)은, 저단측 압축기(21)의 흡입압력(PL)과, 고단측 압축기(31) 토출압력(PH)과의 상승평균값{(PL·PH)1/2}이다.
구체적으로 제 2 제어부(102)는, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 제산회로(162)에서 고단측 압축기(31)의 제 1 압력비(PH/PM)를 산출하며, 제 2 제산회 로(163)에서 저단측 압축기(21)의 제 2 압력비(PM/PL)를 산출한다. 그리고 비교회로(164)에서 제 1 압력비(PH/PM)와 제 2 압력비(PM/PL)의 차{(PH/PM)-(PM/PL)}를 산출하며, 이득회로(165)에서 이 압력비 차로부터 이득(K)을 도출한다. 그리고 도출회로(166)에서, 현재의 저단측 압축기(21) 운전주파수에 이득(K)을 곱하여 저단측 압축기(21)의 목표운전주파수를 도출하며, 이 목표운전주파수로 상기 저단측 압축기(21)가 운전되도록 제어한다.
그리고 이 제 1 제어부(101)와 제 2 제어부(102)에 의한 제어가 반복실행됨으로써, 고단측 압축기(31) 및 저단측 압축기(21)의 운전주파수가, 냉동부하에 대응하며 또 COP가 가장 높아지는 운전주파수가 된다.
또, 그 한편, 이 2단압축 냉동주기의 냉각운전에서는, 기동 시, 제 3 제어부(103)가 제 2 제어부(102) 대신 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어한다. 구체적으로 제 3 제어부(103)는, 저단측 압축기(21)의 운전주파수가 고단측 압축기(31) 운전주파수의 n배(예를 들어 n=1.3)가 되도록 제어한다. 즉 상기 제 2 제어부(102)는, 중간압력을 상기 소정값으로 하기 위해 제 1 제어부(101)에 의해 고단측 압축기(31) 운전주파수가 변동함에 추종하여, 저단측 압축기(21)의 운전주파수도 변동하는 피드백 제어를 행하므로, 기동 시에 이 피드백 제어에 의한 지연이 발생하여 소정의 운전능력이 되기까지 장시간을 요하는 것을 방지한다.
-제 2 실시형태의 효과-
본 실시형태에서는, 냉각운전 시의 2단압축식 냉동주기에 있어서, 제 1 제어부(101)가, 냉동능력 부하에 대응하도록 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어하 며, 제 2 제어부(102)가, 고단측 압축기(31) 제 1 압력비(PH/PM)와 저단측 압축기(21) 제 2 압력비(PM/PL)가 1:1이 되도록, 저단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어하므로, 냉동능력 부하에 적합한 운전을 할 수 있음과 더불어, COP의 향상을 도모할 수 있으므로, 운전조건에 적합한 운전을 할 수 있다.
또 본 실시형태에서는, 기설 실외유닛(20)과 실내유닛(40)에 의한 1단압축 냉동주기 운전에서, 제 1 제어부(101)에 의해 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어하여 냉동부하에 대응한 운전능력을 제어하며, 옵션유닛(30)을 접속시킨 2단압축 냉동주기를 행할 경우에도, 그 운전능력제어를 적용하여 고단측 압축기(31)의 운전주파수를 제어함으로써, 냉동부하에 대응한 운전능력을 제어하므로, 제어수단 구성의 간소화를 도모할 수 있다.
또 기동 시에는, 제 3 제어부(103)가 제 2 제어부(102) 대신 저단측 압축기(21)의 운전주파수를 제어하도록 하므로, 기동 시에, 제 2 제어부(102)의 피드백 제어에 의해 발생하는 저단측 압축기(21) 제어의 지연을 방지하며, 냉동부하에 대응한 운전을 신속하게 실행할 수 있다.
그 밖의 구성, 작용 및 효과는 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
[그 밖의 실시형태]
상기 실시형태에 대해서는, 이하와 같은 구성으로 해도 된다.
상기 각 실시형태에서는, 실외유닛(20) 및 실내유닛(40) 사이에 옵션유닛(30)을 접속함으로써 냉매회로(15)를 구성하도록 하되, 상기 옵션유닛(30)과 실외유닛(20)은 반드시 다른 유닛이 아니라도 되며, 이들을 일체형 실외유닛으로 구 성하도록 해도 된다.
상기 각 실시형태의 냉매회로(15) 구성은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 각 압축기구가 1대의 압축기로 구성되는 것이 아닌, 복수 대가 병렬로 접속된 압축기로 구성되어도 된다. 또 상기 제 1 실시형태에서는 옵션측 팽창밸브(34) 대신 전자밸브를 설치하여, 2단압축 냉동주기의 난방운전 시에 당해 전자밸브를 완전개방상태로 하고, 실외팽창밸브(42)만으로 중간압으로 감압하도록 해도 된다.
또 본 발명의 냉동장치를 칠링유닛(Chilling unit) 등에 적용해도 된다. 그 경우, 예를 들어 상기 각 실시형태의 실내열교환기 대신, 물의 냉각 가온(加溫)을 행하는 플레이트 열교환기를 설치해도 된다.
여기서, 이상의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시로서, 본 발명, 그 적용물, 또는 그 용도범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 2개의 압축기구를 구비하며 2단압축 냉동주기를 행하는 냉매회로를 구비하는 냉동장치에 있어서, 압축기구의 운전용량 제거에 대하여 유용하다.
Claims (6)
- 용량가변의 제 1 압축기구(21, 31)와 용량가변의 제 2 압축기구(31, 21)를 구비하며, 2단압축 냉동주기를 행하는 냉매회로(15)를 구비하는 냉동장치에 있어서,냉동능력의 부하에 대응하도록, 상기 제 1 압축기구(21, 31)의 운전용량 증감을 제어하는 제 1 제어수단(101)과,상기 2단압축 냉동주기의 중간압력이 소정값이 되도록, 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량 증감을 제어하는 제 2 제어수단(102)을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 2 제어수단(102)은, 상기 제 1 압축기구(21, 31)의 흡입압력에 대한 토출압력 비율인 제 1 압력비와 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 흡입압력에 대한 토출압력 비율인 제 2 압력비가 1:1이 되도록, 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 청구항 1에 있어서,기동 시에, 상기 제 2 압축기구(31, 21)의 운전용량을 상기 제 2 제어수단(102) 대신 제 1 압축기구(21, 31)의 운전용량에 기초하여 도출된 소정 목표운전 용량이 되도록 제어하는 제 3 제어수단(103)을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 청구항 1에 있어서,난방운전 시에, 상기 제 1 압축기구(21, 31)가 저단측 압축기구(21)로 구성되며, 상기 제 2 압축기구(31, 21)가 고단측 압축기구(31)로 구성되고,상기 난방운전 시에, 상기 제 1 제어수단(101)이, 상기 고단측 압축기구(31)의 토출압력이 소정 목표값이 되도록 상기 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어하는 한편, 상기 제 2 제어수단(102)이, 상기 중간압력이 소정값이 되도록 상기 고단측 압축기구(31)의 운전용량을 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 청구항 1에 있어서,냉각운전 시에, 상기 제 1 압축기구(21, 31)가 고단측 압축기구(31)로 구성되며, 상기 제 2 압축기구(31, 21)가 저단측 압축기구(21)로 구성되고,상기 냉각운전 시, 상기 제 1 제어수단(101)이, 상기 저단측 압축기구(21)의 흡입압력이 소정 목표값이 되도록 상기 고단측 압축기구(31)의 운전용량을 제어하는 한편, 상기 제 2 제어수단(102)이, 상기 중간압력이 소정값이 되도록 상기 저단측 압축기구(21)의 운전용량을 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 제 1 압축기구(21, 31) 및 상기 제 2 압축기구(31, 21)는 인버터 제어되는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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