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KR102662870B1 - 공기 조화기 및 그 제어 방법 - Google Patents

공기 조화기 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR102662870B1
KR102662870B1 KR1020190107714A KR20190107714A KR102662870B1 KR 102662870 B1 KR102662870 B1 KR 102662870B1 KR 1020190107714 A KR1020190107714 A KR 1020190107714A KR 20190107714 A KR20190107714 A KR 20190107714A KR 102662870 B1 KR102662870 B1 KR 102662870B1
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한상윤
한창희
이제진
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 발명은 다양한 운전 조건들을 고려하여 냉매의 압력 또는 온도를 적절하게 제어함으로써 소비 전력은 감소시키고 운전 효율은 향상시킬 수 있는 공기 조화기 및 그 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 공기 조화기는, 냉매를 압축하여 고압의 기상 냉매를 토출하는 압축기; 상기 고압의 기상 냉매가 액상 냉매로 변환되는 실외 열 교환기; 상기 실외 열 교환기와 인접하게 설치되어 송풍을 수행하는 실외 팬; 상기 변환된 액상 냉매를 저압으로 감압시키는 감압 장치; 상기 감압된 저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실내 열 교환기; 및 설치 환경에 따라 결정된 제1조건, 상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건, 실외 온도에 따라 결정된 제3조건 및 기본으로 설정된 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건에 기초하여 상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

공기 조화기 및 그 제어 방법{AIR CONDITIONER AND CONTROL METHOD THEREOF}
개시된 발명은 냉방 운전이 가능한 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
공기 조화기는 실외 공기와 냉매 사이의 열 교환이 이루어지는 실외기(Outdoor Unit)와, 실내 공기와 냉매 사이의 열 교환이 이루어지는 실내기(Indoor Unit)를 포함하고, 압축, 응축, 감압, 증발로 이루어지는 히트펌프 사이클을 냉매가 순환하면서 증발, 응축 과정에서 생기는 열의 이동을 이용하여 실내를 냉방 또는 난방하는 장치이다.
공기 조화기가 정상적으로 동작하기 위해서는 냉매의 압력이 일정 수준 이상 확보되어야 하나, 냉매의 압력을 높게 제어할수록 실외기의 소비 전력이 상승하고 운전 효율은 감소한다. 따라서, 공기 조화기 동작의 신뢰성과 운전 효율을 모두 고려한 적절한 냉매 압력의 제어가 필요하다.
개시된 발명은 다양한 운전 조건들을 고려하여 냉매의 압력 또는 온도를 적절하게 제어함으로써 소비 전력은 감소시키고 운전 효율은 향상시킬 수 있는 공기 조화기 및 그 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 공기 조화기는, 냉매를 압축하여 고압의 기상 냉매를 토출하는 압축기; 상기 고압의 기상 냉매가 액상 냉매로 변환되는 실외 열 교환기; 상기 실외 열 교환기와 인접하게 설치되어 송풍을 수행하는 실외 팬; 상기 변환된 액상 냉매를 저압으로 감압시키는 감압 장치; 상기 감압된 저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실내 열 교환기; 및 설치 환경에 따라 결정된 제1조건, 상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건, 실외 온도에 따라 결정된 제3조건 및 기본으로 설정된 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건에 기초하여 상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 제1조건은, 상기 설치 환경에 따라 결정된 상기 냉매의 제1압력 또는 제1온도를 포함하고, 상기 제2조건은, 상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 상기 냉매의 제2압력 또는 제2온도를 포함하고, 상기 제3조건은, 상기 실외 온도에 따라 결정된 상기 냉매의 제3압력 또는 제3온도를 포함하고, 상기 제4조건은 기본으로 설정된 상기 냉매의 제4압력 또는 제4온도를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 압력 조건 중에서 가장 높은 압력 또는 온도를 목표 압력 또는 목표 온도로 설정하고, 상기 목표 압력 또는 상기 목표 온도에 기초하여 상기 냉매의 고압 또는 응축 온도를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하기 위해 상기 실외 팬을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 실외 팬에 회전력을 제공하는 실외 팬 모터;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 운전 조건에 기초하여 상기 실외 팬의 회전수를 제어하기 위한 제어 신호를 상기 실외 팬 모터에 전송할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 냉매의 현재 압력 또는 온도가 상기 운전 조건 중에서 가장 높은 값보다 높으면 상기 실외 팬의 회전수를 증가시키기 위한 제어 신호를 상기 실외 팬 모터에 전송할 수 있다.
상기 냉매의 현재 압력을 측정하는 고압 센서;를 더 포함하고, 상기 고압 센서가 측정한 냉매의 압력이 상기 운전 조건 중에서 가장 높은 값보다 높으면 상기 실외 팬의 회전수를 증가시키기 위한 제어 신호를 상기 실외 팬 모터에 전송할 수 있다.
상기 실외 열 교환기를 통과하는 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 온도에 기초하여 상기 냉매의 현재 압력을 획득할 수 있다.
상기 실외 열 교환기를 통과하는 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 온도가 상기 운전 조건 중에서 가장 높은 값보다 높으면 상기 실외 팬의 회전수를 증가시키기 위한 제어 신호를 상기 실외 팬 모터에 전송할 수 있다.
상기 설치 환경에 따라 결정된 제1조건은, 상기 냉매의 종류, 실외기와 실내기를 연결하는 연결 배관의 길이 및 상기 실외기와 상기 실내기의 낙차 중 적어도 하나를 포함하는 상기 설치 환경에 따라 결정될 수 있다.
상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건은, 상기 압축기의 최적 압축비를 정의하는 최소 압축비와 상기 냉매의 저압에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건은, 상기 최소 압축비에 보정 계수를 더한 값과 상기 냉매의 저압에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건은, 상기 최소 압축비와 상기 냉매의 저압에 기초하여 결정된 최소 고압에 보정 계수를 더하여 결정될 수 있다.
상기 실외 온도에 따라 결정된 제3조건은, 상기 실외 온도에 대응되는 포화 압력에 보정 계수를 더하여 결정될 수 있다.
상기 실외 온도에 따라 결정된 제3조건은, 상기 실외 온도에 보정 계수를 더한 온도에 대응되는 포화 압력을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른, 냉매를 압축하여 고압의 기상 냉매를 토출하는 압축기; 상기 고압의 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실외 열 교환기; 및 상기 실외 열 교환기와 인접하게 설치되는 실외 팬을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 은, 상기 공기 조화기의 설치 환경에 따라 결정된 제1조건, 상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건, 실외 온도에 따라 결정된 제3조건 및 기본으로 설정된 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건을 결정하고; 상기 운전 조건 중에서 운전 조건으로 결정된 둘 이상의 조건 중 중 가장 높은 온도 또는 가장 높은 압력을 포함하는 조건을 목표 조건으로 설정하고; 상기 설정된 목표 조건에 기초하여 상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 것;을 포함한다.
상기 냉매의 압력을 제어하는 것은, 상기 냉매의 현재 압력을 획득하고; 상기 냉매의 현재 압력 및 상기 목표 조건에 기초하여 상기 실외 팬을 제어하는 것;을 포함할 수 있다.
상기 실외 팬을 제어하는 것은, 상기 냉매의 현재 압력이 상기 목표 조건보다 높으면 상기 실외팬의 회전수를 증가시키는 것;을 포함할 수 있다.
상기 냉매의 현재 압력을 획득하는 것은, 상기 압축기와 상기 실외 열 교환기 사이에 마련된 압력 센서를 이용하여 상기 냉매의 현재 압력을 측정하는 것;을 포함할 수 있다.
상기 냉매의 현재 압력을 획득하는 것은, 상기 실외 열 교환기를 통과하는 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서를 이용하여 상기 냉매의 온도를 측정하고; 상기 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 온도에 기초하여 상기 냉매의 현재 압력을 획득하는 것;을 포함할 수 있다.
상기 냉매의 온도를 제어하는 것은, 상기 실외 열 교환기를 통과하는 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서를 이용하여 상기 냉매의 온도를 측정하고; 상기 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 온도가 상기 목표 조건보다 높으면 상기 실외 팬의 회전수를 증가시키는 것;을 포함할 수 있다.
상기 운전 조건을 결정하는 것은, 상기 냉매의 종류, 실외기와 실내기를 연결하는 연결 배관의 길이 및 상기 실외기와 실내기의 낙차 중 적어도 하나를 포함하는 상기 설치 환경에 따라 상기 제1조건을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 운전 조건을 결정하는 것은, 상기 압축기의 최적 압축비를 정의하는 최소 압축비와 상기 냉매의 저압에 기초하여 상기 제2조건을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제2압력을 결정하는 것은, 상기 최소 압축비에 보정 계수를 더한 값과 상기 냉매의 저압에 기초하여 상기 제2조건을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제2조건을 결정하는 것은, 상기 최소 압축비와 상기 냉매의 저압에 기초하여 결정된 최소 고압에 보정 계수를 더하여 상기 제2조건을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 운전 조건을 결정하는 것은, 상기 실외 온도에 대응되는 포화 압력에 보정 계수를 더하여 상기 제3조건을 결정하는 것을 포함할 수 있다.
상기 운전 조건을 결정하는 것은, 상기 실외 온도에 보정 계수를 더한 온도에 대응되는 포화 압력을 상기 제3조건으로 결정하는 것을 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에 의하면, 다양한 운전 조건들을 고려하여 냉매의 압력 또는 온도를 적절하게 제어함으로써 소비 전력은 감소시키고 운전 효율은 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공기 조화기를 구성하는 실외기와 실내기의 외관을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 실외기와 실내기의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공기 조화기가 냉방 운전을 수행하는 경우의 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4 는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 5는 냉매의 엔탈피와 압력의 관계를 나타낸 PH 선도를 도시한 그래프이다.
도 6은 압력 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 7은 압력 센서를 포함하는 공기 조화기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 온도 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 9는 입력부를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 10은 압축기의 운전 가능 영역에 대한 예시를 나타내는 그래프이다.
도 11은 저압 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 12는 공기 조화기 내에서 저압 센서의 위치를 나타내는 도면이다.
도 13은 실외 온도 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 14는 실외 온도의 포화 압력과 제3압력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 압축기 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 16은 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 관한 순서도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 냉매의 압력을 제어하는 단계가 구체화된 순서도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 제2압력을 결정하는 단계가 구체화된 순서도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 제3압력을 결정하는 단계가 구체화된 순서도이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 제어한다고 할 때, 이는 해당 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 제어 신호를 전송하는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소에 동력을 제공하는 또 다른 구성 요소에 제어 신호를 전송하고, 또 다른 구성 요소가 다른 구성 요소에 동력을 제공함으로써 다른 구성 요소를 제어하는 것도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 신호 또는 데이터를 전달 또는 전송한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 존재하여 이 구성요소를 통해 전달 또는 전송하는 것을 배제하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
"제1", "제2"와 같은 서수의 표현은 복수의 구성요소 또는 정보를 서로 구분하기 위한 것일 뿐, 이들 사이의 순서를 정의하는 것은 아니다.
각 단계들에 있어 식별부호는 각 단계들을 식별하기 위해 사용되는 것으로 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일 측면에 따른 공기 조화기 및 그 제어 방법에 관한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 공기 조화기를 구성하는 실외기와 실내기의 외관을 간략하게 나타낸 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 실외기와 실내기의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 실외 공기와 냉매 사이의 열 교환이 이루어지는 실외기(100)와, 실내 공기와 냉매 사이의 열 교환이 이루어지는 실내기(200)를 포함하고, 실외기(100)와 실내기(200)는 연결 배관(300)을 통해 서로 연결되어 압축, 응축, 감압, 증발로 이루어지는 히트펌프 사이클을 구성한다. 히트 펌프 사이클은 공기 조화기(1)가 냉방 운전을 할 때의 냉방 사이클과 공기 조화기(1)가 난방 운전을 할 때의 난방 사이클을 포함할 수 있다.
냉매가 히트펌프 사이클을 순환하면서 증발, 응축 과정을 통해 생기는 열의 이동을 이용하여 실내기(200)가 설치된 공간을 냉방 또는 난방할 수 있다.
실외기(100)는 냉매를 압축하는 압축기(120)와 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환이 이루어지는 실외 열 교환기(130)를 포함할 수 있고, 실내기(200)는 냉매를 감압시키는 감압 장치(250)와 냉매와 실내 공기 사이의 열 교환이 이루어지는 실내 열 교환기(230)를 포함할 수 있다. 제품 구조에 따라 감압 장치(250)가 실외기(100)에 마련되는 것도 가능하다.
공기 조화기(1)는 냉방 운전을 수행할 수 있다. 공기 조화기(1)가 냉방 운전을 수행하는 경우에, 실외 열 교환기(130)는 응축기(condenser)로 동작하고 실내 열 교환기(230)는 증발기(evaporator)로 동작한다.
또한, 공기 조화기(1)는 냉방 운전과 난방 운전을 모두 수행하는 것도 가능하다. 냉방 모드가 선택되면 공기 조화기(1)는 냉방 운전을 수행할 수 있고, 난방 모드가 선택되면 공기 조화기(1)는 난방 운전을 수행할 수 있다. 냉방 모드와 난방 모드의 선택은 사용자의 입력에 의해 이루어질 수도 있고, 설정 온도와 현재 온도에 기초하여 자동으로 이루어질 수도 있다. 공기 조화기(1)가 난방 운전을 수행하는 경우에는, 실외 열 교환기(130)가 증발기로 동작하고, 실내 열 교환기(230)가 응축기로 동작할 수 있다.
당해 예시에서는 공기 조화기(1)가 한 대의 실외기(100)와 한 대의 실내기(200)를 포함하는 경우를 도시하였으나, 공기 조화기(1)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 공기 조화기(1)가, 한 대의 실외기(100)에 복수의 실내기(200)가 연결되거나 복수의 실외기(100)와 복수의 실내기(200)가 연결되는 멀티형 공기조화기로 구현되는 것도 가능하다.
도 2를 참조하면, 실외기(100)는 흡입 포트(121)를 통해 흡입된 저온저압의 냉매를 고온고압의 냉매로 압축하고, 토출 포트(122)를 통해 고온고압의 냉매를 토출하는 압축기(120)를 포함한다. 일 예로, 압축기(120)는 로터리 압축기(Rotary Compressor) 또는 스크롤 압축기(Scroll Compressor)로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른 공기 조화기(1)에 사용되는 냉매는 HFC 계열의 냉매일 수 있다. 예를 들어, R32 냉매 또는 R32 냉매를 포함하는 혼합 냉매가 사용될 수 있고, R32 냉매를 포함하는 혼합 냉매로는 R410A 냉매가 사용될 수 있다. 그러나, 공기 조화기(1)의 실시예가 이들 냉매에 한정되는 것은 아니며, 이 외에도 다양한 종류의 냉매가 사용될 수 있음은 물론이다.
압축기(120)의 토출 포트(122)와 일 단이 연결된 냉매 배관(101)의 타 단은 유로 전환 밸브(151)와 연결될 수 있다. 일 예로, 유로 전환 밸브(151)는 사방 밸브로 구현될 수 있으며, 압축기(120)로부터 토출되는 냉매의 흐름을 운전 모드(냉방 모드 또는 난방 모드)에 따라 전환함으로써, 해당 모드의 운전에 필요한 냉매 유로를 형성할 수 있다.
유로 전환 밸브(151)는 압축기(120)의 토출 포트(122)와 연결된 제1포트(151a), 실내 열교환기(230)와 연결된 제2포트(151b), 실외 열교환기(130)와 연결된 제3포트(151c) 및 어큐뮬레이터(110)와 연결된 제4포트(151d)를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 실외 열 교환기(130)는 냉방 모드에서는 고온고압의 기상 냉매를 응축 온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키는 응축기(condenser)로 동작하고, 난방 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기(evaporator)로 동작할 수 있다.
실외 열 교환기(130)와 인접한 위치에는 냉매와 실외 공기 사이의 열교환 효율을 높이기 위한 실외 송풍팬(181)이 설치될 수 있다. 냉방 운전 시에, 실외 송풍팬(181)이 회전하여 실외 공기를 실외 열 교환기(130)로 송풍하면, 실외 열 교환기(130)를 흐르는 고온의 냉매가 실외 공기에 의해 냉각되고, 실외 공기는 고온의 냉매가 방출하는 열에 의해 가열된다. 가열된 공기는 실외 송풍팬(181)에 의해 외부로 방출될 수 있다.
실외 열 교환기(130)와 실내 열 교환기(230) 사이에는 감압 장치(251)가 설치될 수 있다. 감압 장치(251)는 개도량 조절이 가능한 전자식 팽창 밸브(Electronic Expansion Valve)로 구현될 수 있으며, 냉매를 감압시키고 그 유량을 조절할 수 있으며, 필요한 경우 냉매의 유동을 차단할 수 있다. 당해 예시에서는 감압 장치(251)가 실내기(200) 측에 마련되는 경우를 도시하였으나, 전술한 바와 같이 감압 장치(251)가 실외기(100) 측에 마련되는 것도 가능하다.
또한, 유로 전환 밸브(151)의 제4포트(151d)와 압축기(120) 사이에는 어큐뮬레이터(Accumulator, 110)가 마련될 수 있다. 어큐뮬레이터(110)는 유로 전환 밸브(151)로부터 압축기(120)로 유입되는 냉매 중에서 상 변환하지 못하고 액상으로 남아있는 냉매를 걸러주고 압축기(120)에 오일을 공급할 수 있다.
또한, 압축기(120)와 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a) 사이에 오일을 분리하는 오일 분리기가 마련되어, 압축기(120)로부터 토출된 냉매에서 오일을 분리하는 것도 가능하다.
실내기(200)는 냉매와 실내 공기 사이의 열 교환을 통해 실내를 냉방 또는 난방시키는 장치이다. 실내기(200)는 실내 열 교환기(230)와 실내 송풍팬(281)을 포함할 수 있으며, 필요에 따라 두 개 이상의 실내 열 교환기와 실내 송풍팬이 설치될 수도 있다.
실내 열 교환기(230)는 냉방 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시키는 증발기로 동작하고, 난방 모드에서는 고온고압의 기상 냉매를 응축 온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키는 응축기로 동작한다.
실내 송풍팬(281)은 실내 열 교환기(230)에 인접하게 설치되어 실내 공기를 송풍시킴으로써 실내 열 교환기(230) 내부를 순환하는 냉매와 실내 공기 사이의 열 교환 효율을 높일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 공기 조화기가 냉방 운전을 수행하는 경우의 냉매의 흐름을 나타낸 도면이다.
공기 조화기(1)가 냉방 운전을 수행하는 경우에, 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a)와 제3포트(151c)가 연결되고, 제2포트(151b)와 제4포트(151d)가 연결되는 냉매 유로를 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 압축기(120)의 토출 포트(122)로부터 토출되는 고온고압의 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제1포트(151a)로 유입되고(①), 제3포트(151c)를 통해 배출되어(②) 실외 열 교환기(130)로 유입된다.
실외 열 교환기(130)는 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환을 통해 고온고압의 기상 냉매를 응축 온도 이하의 고압의 액상 냉매로 응축시키고, 실외 열교환기(130)에서 배출되는 고압의 액상 냉매는 냉매 배관(300)을 통해 실내기(100)로 이동한다.
실외 팬(281)은 실외 공기를 실외 열 교환기(130)로 유입시켜 실외 열 교환기(130)를 흐르는 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환 효율을 높일 수 있고, 실외 열 교환기(130)에서 기상 냉매가 액상 냉매로 응축되면서 뜨거워진 공기를 실외로 방출할 수 있다.
실내기(100)로 이동한 고압의 액상 냉매는 감압 장치(251)에서 감압되어 저온저압의 액상 냉매가 된다.
저온저압의 액상 냉매는 실내 열 교환기(230)로 유입되고, 실내 열 교환기(230)는 유입된 냉매와 실내 공기 사이의 열교환을 통해 액상 냉매를 기상 냉매로 증발시킨다. 이 때, 실내 열 교환기(230)에 인접하게 설치된 실내 팬(281)이 회전하여 실내 공기를 실내 열 교환기(230)로 송풍시키고, 냉매에 의해 열을 빼앗겨 차가워진 공기를 실내로 방출할 수 있다.
실내 열 교환기(230)에서 배출되는 기상 냉매는 유로 전환 밸브(151)의 제2포트(151b)로 유입되고(③), 유입된 기상 냉매는 제4포트(151d)를 통해 어큐뮬레이터(110)의 입구(112)로 유입된다(④).
어큐뮬레이터(110)는 유입된 냉매에 포함된 액상을 걸러주고, 배출구(111)를 통해 저온저압의 기상 냉매를 오일과 함께 배출하여 압축기(120)에 공급한다.
압축기(120)에 공급된 냉매는 압축기에서 고온고압으로 압축되어 토출되고, 토출된 냉매가 전술한 과정을 거쳐 다시 압축기(120)로 공급되는 순환 사이클을 통해 공기 조화기(1)가 냉방 운전을 수행하게 된다.
한편, 압축기(120)에서 토출되어 냉매 배관(101), 실외 열 교환기(130) 등을 흐르는 고압의 냉매는 다양한 이유로 일정 수준 이상의 압력을 유지해야 한다. 그러나, 냉매의 압력을 높게 제어할수록 실외기의 소비 전력은 상승하고 운전 효율은 감소한다. 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 다양한 운전 조건들을 고려하여 냉매의 고압을 적절하게 제어함으로써 소비 전력은 감소시키고 운전 효율은 향상시킬 수 있다. 이하, 공기 조화기(1)의 구체적인 동작을 설명한다.
도 4 는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 냉매를 압축하여 고압의 기상 냉매를 토출하는 압축기(120), 고압의 기상 냉매가 액상 냉매로 변환되는 실외 열 교환기(130); 실외 열 교환기(130)와 인접하게 설치되어 송풍을 수행하는 실외 팬 모듈(180); 및 설치 환경에 따라 결정된 제1조건, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정된 제2조건, 실외 온도에 따라 결정된 제3조건 및 기본으로 설정된 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건에 기초하여 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 제어부(170)를 포함한다.
압축기(120)와 실외 열 교환기(130)의 동작은 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다.
실외 팬 모듈(180)은 실외 공기를 실외기(100) 내부로 송풍하여 실외 열 교환기(130)를 흐르는 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환 효율을 높이고, 냉매로부터 열을 흡수하여 가열된 공기를 외부로 방출하는 실외 팬(181)과 실외 팬에 회전력을 제공하는 실외 팬 모터(182)를 포함한다.
운전 조건에 기초하여 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 제어부(170)는 후술하는 동작을 수행하는 프로그램이 저장된 적어도 하나의 메모리 및 저장된 프로그램을 실행하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 실외기(100) 측에 마련되어 실외기(100)의 전반적인 동작을 제어하는 것도 가능하다. 다만, 공기 조화기(1)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 제어부(170)가 실외기(100)와 실내기(200)를 통합적으로 제어하는 통합 제어기로 구현되는 것도 가능하다.
운전 조건은 공기 조화기(1)의 운전 환경에 관련된 것으로서, 설치 환경, 압축기의 신뢰성 또는 실외 온도 등의 운전 환경에서 요구되는 최소 압력 또는 최소 온도에 대한 조건이다. 제1조건은 설치 환경에 따라 결정된 제1압력 또는 제1온도, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정된 제2압력 또는 제2온도, 실외 온도에 따라 결정된 제3압력 및 제3온도 및 기본으로 설정된 제4압력 또는 제4온도를 포함할 수 있다. 여기서, 기본으로 설정된 제4압력 또는 제4온도는 제조사에서 임의로 설정해놓은 압력 또는 온도이거나, 설치 기사가 공기 조화기(1)의 설치 시에 임의로 설정하는 압력 또는 온도일 수 있다.
당해 실시예에서의 동작은 공기 조화기(1)가 냉방 운전을 수행하는 경우에 관한 것이다. 따라서, 제어되는 압력은 압축기(120)에서 토출되어 실외기(100) 내부의 냉매 배관(101), 실외 열 교환기(130) 등을 흐르는 냉매의 압력, 즉 냉매의 고압 또는 응축 압력일 수 있다.
당해 실시예에서, 냉매의 고압은 냉방 운전을 수행하는 실외기(100)의 내부를 흐르는 냉매의 압력, 구체적으로는 압축기(120)에서 토출되어 냉매 배관(101), 실외 열 교환기(130) 등을 흐르며 감압 장치에 의해 감압되기 전의 냉매의 압력을 의미하는 것으로 한다.
또한, 제어되는 온도는 압축기(120)에서 토출되어 실외기(100) 내부의 냉매 배관(101), 실외 열 교환기(130) 등을 흐르는 냉매의 온도, 즉 냉매의 응축 온도일 수 있다.
실외기(100) 내부의 구성요소들은 냉매 배관(101)에 의해 연결되어 있기 때문에, 어느 한 지점에서의 냉매의 압력 또는 온도는 다른 지점에서의 냉매의 압력 또는 온도에도 영향을 미친다. 예를 들어, 실외 열 교환기(130)에서의 냉매의 압력이 조절되면 압축기(120)에서 토출되는 냉매의 압력도 함께 조절될 수 있고, 실외 열 교환기(130)에서의 냉매의 온도가 조절되면 다른 부분에서의 냉매의 온도도 함께 조절될 수 있다.
도 5는 냉매의 엔탈피와 압력의 관계를 나타낸 PH 선도를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하여 PH 선도를 설명하면, 냉방 사이클에 있어서 냉매는 압력의 변화에 따라 총 3가지의 상태를 가질 수 있다. 도 5에서 우측 과열 영역은 냉매가 전부 기상으로 존재하는 상태를 나타내고, 가운데 습증기 영역은 냉매가 기체에서 액체로 상변화하는 상태 즉, 냉매가 액상과 기상으로 혼합하여 존재하는 상태를 나타낸다. 좌측 과냉각 영역은 냉매가 전부 액상으로 존재하는 상태를 나타낸다.
a와 c를 이은 포화 증기선은 냉매가 액체와 기체로 혼합되어 있는 상태와 기체 상태로만 존재하는 상태를 구분하는 선을 의미한다. 기체에서 액체로 응축을 시작하는 냉매는 포화 증기선 위에 존재한다.
포화증기선 우측의 과열 영역에는 기체만 존재하며, 이 때의 기체는 포화 온도보다 높은 과열 증기의 상태를 나타낸다. 즉, 포화증기선의 우측 영역에 존재하는 기체 상태의 냉매는 같은 압력하에서 증발하는 액체보다 온도가 높다.
포화증기선 좌측의 습증기 영역에는 기상 냉매 및 기상에서 응축된 액상 냉매 또는 액상 냉매 및 액상에서 증발된 기상 냉매가 혼합되어 존재한다. 따라서, 냉방 운전 시에 응축기로 동작하는 실외 열 교환기(130)와 냉방 운전 시에 증발기로 동작하는 실내 열 교환기(230)에서의 냉매는 습증기 영역의 상태로 존재한다. 기체에서 액체로 변화하는 동안 응축 압력과 온도 사이에는 일정한 관계가 있기 때문에 압력이 결정되면 온도가 결정되고, 역으로 온도가 결정되면 압력도 알 수 있다.
a와 b를 이은 선은 액상 냉매와 액상과 기상이 혼합되어 있는 상태의 냉매를 구분하는 포화액선을 나타낸다. 액상에서 기상으로 증발을 시작하는 냉매는 포화액선 위에 존재한다.
포화액선과 포화증기선이 만나는 임계점(a)에서의 압력과 온도를 임계 압력 및 임계 온도라 부른다. 임계온도는 냉매가 응축될 수 있는 가장 높은 온도를 의미한다. 따라서, 임계온도 이상에서는 냉매가 더 이상 응축되지 않는다.
또한, PH 선도 위에 그려진 등온선을 참조하면, 기상과 액상이 함께 존재하는 습증기 상태에서는 등온선 위의 냉매의 압력이 거의 동일한 것을 알 수 있다. 또한, 냉매의 온도가 내려가면 압력도 내려가는 것을 알 수 있다. 즉, 실외 열 교환기(130)에서의 냉매는 온도가 변하지 않으면 압력도 변하지 않고, 온도가 내려가면 압력도 내려간다.
따라서, 실외 팬(181)이 회전하여 실외 공기가 유입되면 실외 열 교환기(130)를 통과하는 냉매는 실외 공기에 의해 냉각되면서 온도가 내려가고 온도가 내려가면서 압력도 함께 내려간다.
제어부(170)는 실외기(100) 내부를 흐르는 냉매의 고압 또는 온도를 제어하기 위해, 실외 팬(181)을 제어할 수 있고, 실외 팬(181)을 제어하기 위해 실외 팬 모터(182)에 제어 신호를 전송할 수 있다. 따라서, 후술하는 실시예에서 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 것은 실외 팬(181)을 제어하는 것 또는 실외 팬 모터(182)에 제어 신호를 전송하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실외 팬(181)의 제어는 PID 제어 또는 퍼지(Fuzzy) 제어에 의해 수행될 수 있다.
제어부(170)는 운전 조건 중에서 가장 높은 값을 목표 조건으로 설정하고, 설정된 목표 조건에 기초하여 냉매의 압력 또는 온도를 제어할 수 있다. 운전 조건은 압력 조건과 온도 조건을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제어부(170)는 설치 환경에 따라 결정된 제1압력, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정된 제2압력, 실외 온도에 따라 결정된 제3압력 및 기본으로 설정된 제4압력 중 둘 이상을 포함하는 압력 조건 중에서 가장 높은 압력을 목표 압력으로 설정하고, 목표 압력에 기초하여 냉매의 압력을 제어할 수 있다. 여기서, 목표 압력은 목표 고압 또는 목표 응축 압력을 포함할 수 있고, 제어되는 냉매의 압력 역시 고압 또는 응축 압력을 포함할 수 있다.
또한, 제어부(170)는 설치 환경에 따라 결정된 제1온도, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정된 제2온도, 실외 온도에 따라 결정된 제3온도 및 기본으로 설정된 제4온도 중 둘 이상을 포함하는 온도 조건 중에서 가장 높은 온도를 목표 응축 온도로 설정하고, 목표 응축 온도에 기초하여 냉매의 온도를 제어할 수 있다.
제어부(170)는 설정된 목표 조건에 기초하여 실외 팬(181)의 회전수를 제어하기 위해 실외 팬 모터(182)에 제어 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 냉매의 현재 압력이 목표 고압보다 높거나, 냉매의 현재 온도가 목표 응축 온도보다 높으면, 실외 팬(181)의 회전수를 증가시키기 위한 제어 신호를 실외 팬 모터(182)에 전송할 수 있다.
도 6은 압력 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이고, 도 7은 압력 센서를 포함하는 공기 조화기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 냉매의 현재 압력을 획득하기 위해 냉매의 현재 고압을 측정하는 고압 센서(161a)를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 고압 센서(161a)는 도 7에 도시된 바와 같이 압축기(120)의 토출 포트(122)와 실외 열 교환기(130)에 사이에 설치될 수 있고, 구체적으로는 압축기(120)의 토출 포트(122)와 인접한 위치에 설치되어 압축기(120)에서 토출되는 냉매의 압력을 측정할 수 있다.
제어부(170)는 고압 센서(161a)가 측정한 냉매의 현재 고압과 목표 고압을 비교하여 실외 팬(181)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 고압 센서(161a)가 측정한 압력이 목표 고압보다 높으면, 실외 팬(181)의 회전수를 증가시킬 수 있다. 고압 센서(161a)는 실시간으로 또는 주기적으로 냉매의 고압을 측정할 수 있고, 제어부(170)도 실시간으로 또는 주기적으로 냉매의 압력을 제어할 수 있다.
또는, 제어부(170)는 실외 팬(181)의 회전수를 단계적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 이전 시점에서 실외 팬(181)의 회전수를 증가시켰으나, 냉매의 현재 압력이 목표 고압보다 여전히 높으면 실외 팬(181)의 회전수를 단계적으로 늘릴 수 있다.
또는, 제어부(170)는 측정된 냉매의 현재 고압과 목표 고압 사이의 차이에 비례하여 실외 팬(181)의 회전수를 조절하는 것도 가능하다.
전술한 제어 방식은 모두 공기 조화기(1)의 실시예에 적용 가능한 예시에 불과하며, 제어부(170)가 냉매의 고압을 목표 고압으로 만들어주기 위해 수행하는 제어 방식에는 제한을 두지 않는다.
도 8은 온도 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이고, 도 9는 입력부를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이다.
제품 구성에 따라 공기 조화기(1)에 압력을 측정하는 센서가 마련되지 않는 것도 가능하다. 이 경우에는, 도 8에 도시된 바와 같이, 공기 조화기(1)에 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서(162)가 포함될 수 있다. 냉매 온도 센서(162)는 실외 열 교환기(130)에 마련되어 실외 열 교환기(130)를 흐르는 냉매의 온도를 측정할 수 있다.
제어부(170)는 측정된 냉매의 온도에 기초하여 냉매의 압력을 획득하는 것도 가능하다. 전술한 바와 같이, 냉매가 기체에서 액체로 변화하는 동안 냉매의 압력과 온도 사이에는 일정한 관계가 있다. 따라서, 냉매의 온도와 압력 사이의 관계식을 미리 저장하고, 저장된 관계식과 측정된 냉매의 온도를 이용하여 냉매의 압력을 계산할 수도 있고, 냉매의 온도 별로 압력을 매칭시킨 테이블을 이용하는 것도 가능하다. 이 경우, 제어부(170)는 전술한 바와 같이, 획득한 냉매의 압력을 목표 압력과 비교하여 실외 팬(181)을 제어할 수 있다.
제어부(170)가 냉매의 온도를 제어하는 경우에는, 냉매 온도 센서(162)에 의해 측정된 냉매의 온도에 기초하여 냉매의 온도를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(170)는 측정된 냉매의 온도가 목표 응축 온도보다 높으면 실외 팬(181)의 회전수를 증가시켜 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환을 촉진시킬 수 있다. 실외 팬(181)의 제어와 관련된 내용은 앞서 냉매의 압력 제어 부분에서 설명한 바와 같다.
고압 센서(161a)가 마련된 경우에는, 고압 센서(161a)가 측정한 압력으로부터 냉매의 현재 온도를 획득하는 것도 가능하다.
이하, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)가 운전 조건에 기초하여 목표 조건을 설정하는 동작을 구체적으로 설명한다.
제어부(170)는 운전 조건 중에서 가장 높은 값을 목표 조건으로 설정할 수 있다. 운전 조건이 제1압력, 제2압력, 제3압력 및 제4압력 중 둘 이상을 포함하는 경우에는 이들 중 가장 높은 압력이 목표 압력이 될 수 있고, 운전 조건이 제1온도, 제2온도, 제3온도 및 제4온도 중 둘 이상을 포함하는 경우에는 이들 중 가장 높은 온도가 목표 온도가 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 압축기(120)에서 토출되어 냉매 배관(101), 실외 열 교환기(130) 등을 흐르는 고압의 냉매는 다양한 이유로 일정 수준 이상의 압력을 유지해야 한다. 이와 같이 냉매의 압력에 부여되는 조건을 운전 조건이라 한다. 다만, 전술한 바와 같이, 냉매의 응축 온도와 응축 압력 사이에는 일정한 관계가 있기 때문에 냉매의 응축 압력 대신 냉매의 응축 온도를 제어하는 것도 가능하다. 따라서, 운전 조건은 압력 조건을 포함할 수도 있고, 온도 조건을 포함할 수도 있다.
압력 조건은 설치 환경에 따라 결정된 제1압력, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정된 제2압력, 실외 온도에 따라 결정된 제3압력 및 기본으로 설정된 제4압력 중 둘 이상을 포함할 수 있고, 온도 조건은 설치 환경에 따라 결정된 제1온도, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정된 제2온도, 실외 온도에 따라 결정된 제3온도 및 기본으로 설정된 제4온도 중 둘 이상을 포함할 수 있다.
실외기(100)와 실내기(200)는 연결 배관(300)에 의해 연결되고 실외기(100)의 압축기(120)에서 압축된 냉매는 연결 배관을 통해 실내기(200)로 이동한다. 실외에 위치하는 실외기(100)와 실내에 위치하는 실내기(200)의 특성 상 연결 배관(300)을 통한 냉매의 이동 중에 압력 강하가 불가피하다. 따라서, 냉매의 고압이 일정 수준 이상으로 확보되어야 한다.
연결 배관(300)의 길이가 길수록 냉매의 압력 손실이 커진다. 따라서, 냉매의 고압은 이와 같은 압력 손실을 고려하여 결정될 수 있고, 제1압력은 이러한 압력 손실을 보상하기 위해 결정된 압력이다. 다만, 냉매의 고압이 높아질수록 실외기(1)의 소비 전력이 상승하기 때문에 냉매가 연결 배관(300)을 흐르면서 발생하는 압력 손실을 보상할 수 있는 최소 압력을 제1압력으로 결정할 수 있다.
설치 환경은 냉매의 종류, 연결 배관(300)의 길이와 실외기(100)와 실내기(200) 사이의 낙차 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 연결 배관(300)의 길이는 수직 길이와 수평 길이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 연결 배관(300)의 길이와 낙차가 기준 범위에 포함되면 디폴트로 고정된 값이 제1압력이 되고, 연결 배관(300)의 길이와 낙차가 기준 범위를 벗어나면 사용자 입력에 의해 디폴트로 고정된 값보다 더 큰 값이 제1압력이 될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 공기 조화기(1)는 제1압력에 관련된 사용자 입력을 수신하는 입력부(141)를 더 포함할 수 있다. 사용자 입력은 설치 환경에 대한 정보를 포함할 수도 있고, 설치 환경을 고려한 압력값을 포함할 수도 있다.
사용자 입력이 설치 환경에 대한 정보를 포함하는 경우에는 제어부(170)가 설치 환경에 대응되는 압력을 결정할 수 있고, 결정된 압력이 제1압력이 될 수 있다.
제1온도는 제1압력에 대응되는 응축 온도이고, 제어부(170)가 냉매의 응축 온도를 제어하는 경우에는 운전 조건이 제1온도를 포함할 수 있다.
도 10은 압축기의 운전 가능 영역에 대한 예시를 나타내는 그래프이고, 도 11은 저압 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이며, 도 12는 공기 조화기 내에서 저압 센서의 위치를 나타내는 도면이다.
압축기마다 운전 가능한 영역이 정해져 있고, 운전 가능한 영역은 최소 압축비에 의해 정의될 수 있다. 압축비는 냉매의 고압(토출 압력)/저압(흡입 압력)의 비율을 나타내고, 냉매의 고압과 저압의 비율이 최소 압축비 이상이 되어야 압축기의 신뢰성을 확보할 수 있다. 즉, 최소 압축비 이상의 압축비가 최적 압축비가 된다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 압축기(120)의 최소 압축비가 R로 정해져 있으면, 최소 압축비(R)를 나타내는 직선의 위쪽 영역이 압축기의 운전 가능한 영역이 된다. 즉, 냉매의 고압은 (냉매의 저압*R) 이상이 되어야 한다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 공기 조화기(1)의 압력 센서(161)는 냉매의 저압을 측정하는 저압 센서(161b)를 더 포함할 수 있다. 저압 센서(161b)는 압축기(120)와 어큐뮬레이터(110) 사이에 설치될 수 있고, 구체적으로는 압축기(120)의 흡입 포트(121)와 인접하게 설치되어 압축기(120)에서 압축되기 전의 냉매의 압력, 즉 냉매의 저압을 실시간으로 또는 주기적으로 측정할 수 있다.
또는, 공기 조화기(1)에 저압 센서(161b)가 마련되지 않는 것도 가능하다. 이 경우에는, 실내 열 교환기(130)에 냉매 온도 센서가 마련될 수 있고, 실내 열 교환기(130)의 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 온도는 냉매의 증발 온도가 될 수 있다. 제어부(170)는 실내 열 교환기(130)가 측정한 냉매의 온도로부터 냉매의 증발 압력을 계산할 수 있고, 냉매의 증발 압력을 냉매의 저압으로 활용할 수 있다.
제어부(170)는 측정된 냉매의 저압과 압축기(120)의 최소 압축비에 기초하여 압축기(120)의 신뢰성을 확보할 수 있는 최소 고압을 결정할 수 있고, 이 최소 고압에 기초하여 제2압력을 결정할 수 있다. 예를 들어, 아래 [수학식 1]과 같이 냉매의 저압(PL)에 최소 압축비(R)를 곱한 최소 고압(PMH)에 신뢰성 향상을 위한 보정 계수(PM)를 더한 값을 제2압력(P2)으로 결정할 수 있다.
[수학식 1]
P2 = PL*R + PM
또는, 아래 [수학식 2]와 같이 최소 압축비(R)에 신뢰성 향상을 위한 보정 계수(RM)를 더한 값에 냉매의 저압(PL)을 곱한 값을 제2압력(P2)으로 결정할 수도 있다.
[수학식 2]
P2 = PL*(R + RM)
한편, 압축기마다 냉매의 저압에 상관없이 정해지는 고정 최소 고압이 있다. 예를 들어, 특정 냉매의 경우 도 10의 그래프에 도시된 바와 같이 10 kg/cm2 가 압축기의 신뢰성 확보를 위한 고정 최소 고압으로 정해질 수 있다. 따라서, 제어부(170)는 상기 [수학식 1] 또는 [수학식 2]에 의해 결정되는 압력이 고정 최소 고압보다 작으면 고정 최소 고압을 제2압력으로 결정할 수 있다.
한편, 제어부(170)에서 냉매의 온도를 제어하는 경우에는, 제2조건이 제2온도를 포함할 수 있고, 제어부(170)는 냉매의 압력과 온도 사이의 관계에 기초하여 제2압력으로부터 제2온도를 계산할 수 있다.
또는, 실내 열 교환기(130)에 마련된 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 증발 온도와 실외 열 교환기(130)에 마련된 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 응축 온도 사이의 비율에 기초하여 제2온도를 계산하는 것도 가능하다.
도 13은 실외 온도 센서를 포함하는 공기 조화기의 제어 블록도이고, 도 14는 실외 온도의 포화 압력과 제3압력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
전술한 바와 같이, 실외 팬(181)은 실외 공기를 실외 열 교환기(130)로 송풍하여 냉매와 실외 공기 사이의 열 교환이 이루어질 수 있도록 한다. 실외 열 교환기(130)를 통과하는 고온의 냉매는 실외 공기에 열을 전달하면서 온도가 낮아지는데, 냉매의 온도가 실외 공기의 온도보다 낮아지는 것은 물리적으로 불가능하다. 다시 말해, 냉매의 압력이 실외 온도에 대응되는 포화 압력 미만으로 낮아지는 것은 불가능하다. 목표 고압을 현재 실외 온도에 대응되는 포화 압력 미만으로 설정하면 실외 팬(181)의 회전수가 비효율적으로 상승하여 소비 전력은 증가하고 효율은 떨어지게 된다. 따라서, 현재 실외 온도에 대응되는 포화 압력이 냉매의 고압이 가질 수 있는 최소 압력이 될 수 있고, 제3압력은 이 최소 압력에 기초하여 결정될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 공기 조화기(1)는 실외 온도를 측정하는 실외 온도 센서(163)를 더 포함할 수 있고, 제어부(170)는 실외 온도 센서(163)가 측정한 실외 온도에 기초하여 제3압력을 결정할 수 있다.
예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 실외 온도에 보정 계수(TM)를 더한 온도에 대응되는 포화 압력을 제3압력으로 결정할 수 있다.
또는, 실외 온도에 대응되는 포화 압력에 보정 계수(PM2)를 더한 압력을 제3압력으로 결정할 수 있다.
한편, 제어부(170)가 냉매의 온도를 제어하는 경우에는, 제3조건이 제3온도를 포함할 수 있고, 제어부(170)는 실외 온도 또는 실외 온도에 보정 계수를 더한 온도를 제3온도로 결정할 수 있다.
제4조건은 제품에 기본으로 설정된 조건일 수 있고, 제4조건 역시 제4압력 또는 제4온도를 포함할 수 있다.
제어부(170)가 냉매의 압력을 제어하는 경우에는 전술한 제1압력, 제2압력, 제3압력 및 제4압력 중 둘 이상을 포함하는 압력 조건 중에서 가장 높은 값을 목표 압력으로 설정할 수 있다. 또는, 제1압력, 제2압력, 제3압력 및 제4압력 외에 추가로 다른 압력을 압력 조건에 포함시키는 것도 가능하다.
또는, 제어부(170)가 냉매의 온도를 제어하는 경우에는 전술한 제1온도, 제2온도, 제3온도 및 제4온도 중 둘 이상을 포함하는 온도 조건 중에서 가장 높은 값을 목표 온도로 설정할 수 있다. 제1온도, 제2온도, 제3온도 및 제4온도 외에 다른 온도를 온도 조건에 포함시키는 것도 가능함은 물론이다.
일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 운전 조건 중에서 가장 높은 값을 목표 조건으로 설정함으로써, 공기 조화기의 운전 환경에 따른 다양한 조건들을 만족시킬 수 있고, 이러한 운전 조건들을 가능한 작은 값으로 결정함으로써 소비 전력을 감소시키고 운전 효율은 향상시킬 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 압축기 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15의 그래프를 참조하면, 배관 길이가 100m 이거나 그 이하이면 설치 환경에 따른 제1압력을 대략 16 kg/cm2 로 결정할 수 있다. 압축기 신뢰성 확보에 따른 제2압력, 실외 온도에 기초한 제3압력 또는 기본으로 설정된 제4압력이 제1압력보다 크지 않으면 제1압력이 목표 고압으로 설정될 수 있다.
목표 고압을 기존의 고정값(25 kg/cm2)에서, 전술한 실시예에 따라 결정된 값(16.2 kg/cm2)으로 변경하면 압축기의 효율이 약 두배 상승하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 공기 조화기(1)는 다양한 운전 조건들을 고려하여 결정된 가능한 낮은 고압들 중에서 목표 고압을 설정함으로써, 냉매의 고압을 불필요하게 높게 제어하여 소비 전력은 상승하고 운전 효율은 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 관하여 설명한다. 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법을 실시함에 있어서 전술한 실시예에 따른 공기 조화기(1)가 사용될 수 있다. 따라서, 앞서 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명한 내용은 별도의 언급이 없더라도 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에도 적용될 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 관한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법은 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 압력 조건을 결정하고(410), 결정된 압력 조건 중에서 가장 높은 압력을 목표 고압으로 설정하고(420), 설정된 목표 고압에 기초하여 냉매의 압력을 제어하는 것(430)을 포함할 수 있다.
운전 환경과 관련된 압력 조건은 운전 환경에 따른 냉매의 고압 조건으로서, 설치 환경에 따라 결정되는 제1압력, 압축기(120)의 최적 압축비에 따라 결정되는 제2압력, 실외 온도에 따라 결정되는 제3압력 및 기본으로 설정되는 제4압력 중 둘 이상을 포함할 수 있다.
제1압력은 냉매의 종류, 실외기(100)와 실내기(200)를 연결하는 연결 배관(300)의 길이 및 낙차 중 적어도 하나를 포함하는 설치 환경에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 연결 배관(300)의 길이와 낙차가 기준 범위에 포함되면 디폴트로 고정된 값이 제1압력이 되고, 연결 배관(300)의 길이와 낙차가 기준 범위를 벗어나면 사용자 입력에 의해 디폴트로 고정된 값보다 더 큰 값이 제1압력이 될 수 있다.
사용자 입력은 설치 환경에 대한 정보를 포함할 수도 있고, 설치 환경을 고려한 압력값을 포함할 수도 있다. 사용자 입력이 설치 환경에 대한 정보를 포함하는 경우에는 제어부(170)가 설치 환경에 대응되는 압력을 결정할 수 있고, 결정된 압력이 제1압력이 될 수 있다.
제2압력 및 제3압력을 결정하는 과정에 대해서는 후술한다.
당해 순서도에서는 운전 조건이 압력 조건을 포함하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 앞서 공기 조화기(1)의 실시예에서 설명한 바와 같이, 운전 조건이 온도 조건을 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 이 경우에는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법이 제1온도, 제2온도, 제3온도 및 제4온도 중 둘 이상을 포함하는 온도 조건을 결정하고, 결정된 온도 조건 중에서 가장 높은 온도를 목표 온도로 설정하고, 설정된 목표 온도에 기초하여 냉매의 온도를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 냉매의 온도는 냉매의 응축 온도를 포함할 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 냉매의 압력을 제어하는 단계가 구체화된 순서도이다.
도 17을 참조하면, 설정된 목표 고압에 기초하여 냉매의 압력을 제어하는 것은, 냉매의 현재 압력을 획득하고(431), 냉매의 현재 압력 및 목표 고압에 기초하여 실외 팬을 제어(432)하는 것을 포함할 수 있다.
냉매의 현재 압력은 압축기(120)와 실외 열 교환기(130) 사이에 마련된 고압 센서(161a)에 의해 측정될 수 있다.
공기 조화기(1)에 고압 센서(161a)가 마련되지 않은 경우에는, 실외 열 교환기(130)에 마련된 냉매 온도 센서(162)에 의해 측정된 냉매의 온도에 기초하여 냉매의 압력을 획득할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는 냉매의 온도와 압력 사이의 관계식을 미리 저장하고, 저장된 관계식과 측정된 냉매의 온도를 이용하여 냉매의 압력을 계산할 수도 있고, 냉매의 온도 별로 압력을 매칭시킨 테이블을 이용하는 것도 가능하다.
제어부(170)는 고압 센서(161a)가 측정한 냉매의 현재 고압과 목표 고압을 비교하여 실외 팬(181)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 고압 센서(161a)가 측정한 압력이 목표 고압보다 높으면, 실외 팬(181)의 회전수를 증가시킬 수 있다. 고압 센서(161a)는 실시간으로 또는 주기적으로 냉매의 고압을 측정할 수 있고, 제어부(170)도 실시간으로 또는 주기적으로 냉매의 압력을 제어할 수 있다.
또는, 제어부(170)는 실외 팬(181)의 회전수를 단계적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 이전 시점에서 실외 팬(181)의 회전수를 증가시켰으나, 냉매의 현재 압력이 목표 고압보다 여전히 높으면 실외 팬(181)의 회전수를 단계적으로 늘릴 수 있다.
또는, 제어부(170)는 측정된 냉매의 현재 고압과 목표 고압 사이의 차이에 비례하여 실외 팬(181)의 회전수를 조절하는 것도 가능하다.
당해 순서도에서는 냉매의 압력을 제어하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 냉매의 온도를 제어하는 것도 가능하다. 이 경우, 실외 열 교환기(130)에 마련된 냉매 온도 센서(162)가 측정한 냉매 온도와 목표 온도를 비교하여 실외 팬(181)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 측정한 냉매 온도가 목표 온도보다 높으면 전술한 바와 같이 실외 팬(181)의 회전수를 증가시킬 수 있다. 더 구체적인 설명은 앞서 공기 조화기(1)의 실시예에서 설명한 바와 같다.
도 18은 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 제2압력을 결정하는 단계가 구체화된 순서도이다.
도 18을 참조하면, 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 압력 조건을 결정하는 것은, 냉매의 저압을 획득하고(411a), 압축기의 최적 압축비와 냉매의 저압에 기초하여 제2압력을 결정(412a)하는 것을 포함할 수 있다.
예를 들어, 냉매의 저압은 압축기(120)와 어큐뮬레이터(110) 사이에 마련된 저압 센서(161b)에 의해 측정될 수 있다. 또는, 공기 조화기(1)의 실시예에서 설명한 바와 같이, 실내 열 교환기(130)에 마련된 냉매 온도 센서가 측정한 냉매 온도에 기초하여 냉매의 저압을 계산하는 것도 가능하다.
제어부(170)는 측정된 냉매의 저압과 압축기(120)의 최소 압축비에 기초하여 압축기(120)의 신뢰성을 확보할 수 있는 최소 고압을 결정할 수 있고, 이 최소 고압에 기초하여 제2압력을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 [수학식 1]과 같이 냉매의 저압(PL)에 최소 압축비(R)를 곱한 최소 고압(PMH)에 신뢰성 향상을 위한 보정 계수(PM)를 더한 값을 제2압력(P2)으로 결정할 수 있다.
또는, 상기 [수학식 2]와 같이 최소 압축비(R)에 신뢰성 향상을 위한 보정 계수(RM)를 더한 값에 냉매의 저압(PL)을 곱한 값을 제2압력(P2)으로 결정할 수도 있다.
한편, 압축기마다 냉매의 저압에 상관없이 정해지는 고정 최소 고압이 있다. 제어부(170)는 상기 [수학식 1] 또는 [수학식 2]에 의해 결정되는 압력이 고정 최소 고압보다 작으면 고정 최소 고압을 제2압력으로 결정할 수 있다.
당해 순서도에서는 제2압력을 결정하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 냉매의 온도를 제어하는 경우에는 제2온도를 결정하는 것도 가능하다. 전술한 제2압력에 대응되는 응축 온도를 제2온도로 결정할 수도 있고, 냉매 온도 센서가 측정한 증발 온도와 응축 온도 사이의 비율을 이용하여 제2온도를 결정할 수도 있다. 제2온도의 결정에 관한 구체적인 설명은 앞서 공기 조화기(1)의 실시예에서 설명한 바와 같다. 도 19는 일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 있어서, 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 제3압력을 결정하는 단계가 구체화된 순서도이다.
도 19를 참조하면, 공기 조화기의 운전 환경과 관련된 압력 조건을 결정하는 것은, 실외 온도를 획득하고(411b), 실외 온도에 대응되는 포화 압력에 기초하여 제3압력을 결정하는 것(412b)을 포함할 수 있다.
실외 온도는 실외 온도 센서(163)에 의해 측정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 냉매의 압력이 실외 온도에 대응되는 포화 압력 미만으로 낮아지는 것은 불가능하다. 따라서, 목표 고압을 현재 실외 온도에 대응되는 포화 압력 미만으로 설정하면 실외 팬(181)의 회전수가 비정상적으로 상승하여 소비 전력은 증가하고 효율은 떨어지게 된다.
제어부(170)는 실외 온도에 보정 계수(TM)를 더한 온도에 대응되는 포화 압력을 제3압력으로 결정할 수 있다.
또는, 실외 온도에 대응되는 포화 압력에 보정 계수(PM2)를 더한 압력을 제3압력으로 결정할 수 있다.
당해 순서도에서는 제3압력을 결정하는 경우를 도시하였으나, 냉매의 온도가 제어되는 경우에는 운전 조건으로서 제3온도가 결정되는 것도 가능하다. 이 경우에는, 실외 온도 또는 실외 온도에 보정 계수를 더한 온도가 제3온도로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따른 공기 조화기의 제어 방법에 의하면, 전술한 제1조건, 제2조건, 제3조건 및 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건 중에서 가장 높은 값을 목표 조건으로 설정함으로써, 공기 조화기의 운전 환경에 따른 다양한 조건들을 만족시킬 수 있고, 이러한 압력 조건들을 가능한 작은 값으로 결정함으로써 소비 전력을 감소시키고 운전 효율은 향상시킬 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 공기 조화기
100: 실외기
120: 압축기
130: 실외 열 교환기
200: 실내기
251: 감압 장치
230: 실내 열 교환기

Claims (27)

  1. 냉매를 압축하여 고압의 기상 냉매를 토출하는 압축기;
    상기 고압의 기상 냉매가 액상 냉매로 변환되는 실외 열 교환기;
    상기 실외 열 교환기와 인접하게 설치되어 송풍을 수행하는 실외 팬;
    상기 변환된 액상 냉매를 저압으로 감압시키는 감압 장치;
    상기 감압된 저압의 액상 냉매를 기상 냉매로 변환하는 실내 열 교환기; 및
    설치 환경에 따라 결정된 상기 냉매의 제1압력 또는 제1온도를 포함하는 제1조건, 상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 상기 냉매의 제2압력 또는 제2온도를 제2조건, 실외 온도에 따라 결정된 상기 냉매의 제3압력 또는 제3온도를 포함하는 제3조건 및 기본으로 설정된 상기 냉매의 제4압력 또는 제4온도를 포함하는 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건에 기초하여 상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 제어부;를 포함하는 공기 조화기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 운전 조건에 포함된 상기 둘 이상의 조건의 온도 또는 압력 중에서, 가장 높은 압력 또는 온도를 목표 압력 또는 목표 온도로 설정하고, 상기 목표 압력 또는 상기 목표 온도에 기초하여 상기 냉매의 고압 또는 응축 온도를 제어하는 공기 조화기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하기 위해 상기 실외 팬을 제어하는 공기 조화기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공기 조화기는,
    상기 실외 팬에 회전력을 제공하는 실외 팬 모터;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 운전 조건에 기초하여 상기 실외 팬의 회전수를 제어하기 위한 제어 신호를 상기 실외 팬 모터에 전송하는 공기 조화기.
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  16. 냉매를 압축하여 고압의 기상 냉매를 토출하는 압축기; 상기 고압의 기상 냉매를 액상 냉매로 변환하는 실외 열 교환기; 및 상기 실외 열 교환기와 인접하게 설치되는 실외 팬을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법에 있어서,
    상기 공기 조화기의 설치 환경에 따라 결정된 제1 압력 또는 제1 온도를 포함하는 제1조건, 상기 압축기의 최적 압축비에 따라 결정된 제2 압력 또는 제2 온도를 포함하는 제2조건, 실외 온도에 따라 결정된 제3 압력 또는 제3 온도를 포함하는 제3조건 및 기본으로 설정된 제4 압력 또는 제4 온도를 포함하는 제4조건 중 둘 이상을 포함하는 운전 조건을 결정하고;
    상기 운전 조건으로 결정된 둘 이상의 조건 중 가장 높은 온도 또는 가장 높은 압력을 포함하는 조건을 목표 조건으로 설정하고;
    상기 설정된 목표 조건에 기초하여 상기 냉매의 압력 또는 온도를 제어하는 것;을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 냉매의 압력을 제어하는 것은,
    상기 냉매의 현재 압력을 획득하고;
    상기 냉매의 현재 압력 및 상기 목표 조건에 기초하여 상기 실외 팬을 제어하는 것;을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 실외 팬을 제어하는 것은,
    상기 냉매의 현재 압력이 상기 목표 조건보다 높으면 상기 실외팬의 회전수를 증가시키는 것;을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 냉매의 현재 압력을 획득하는 것은,
    상기 압축기와 상기 실외 열 교환기 사이에 마련된 압력 센서를 이용하여 상기 냉매의 현재 압력을 측정하는 것;을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 냉매의 현재 압력을 획득하는 것은,
    상기 실외 열 교환기를 통과하는 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서를 이용하여 상기 냉매의 온도를 측정하고;
    상기 냉매 온도 센서가 측정한 냉매의 온도에 기초하여 상기 냉매의 현재 압력을 획득하는 것;을 포함하는 공기 조화기의 제어 방법.

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