KR100331699B1 - 주기적으로작동하는제어밸브조립체,이러한제어밸브조립체를구비한냉동장치및이러한냉동장치의작동방법 - Google Patents
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Abstract
밸브 조립체(10)는 냉매 유입 포트(18)와, 제한되어진 입구(15)를 가진 냉매 배출 포트(19)를 구비하고 있으며, 상기 유입 포트의 입구는 제한되어진 배출 포트의 입구의 적어도 2배 이상이다. 상기 밸브는 상기 유입 포트와 배출 포트 사이의 밸브 캐비티의 압력에 대응하여 유입 포트(18)를 개폐할 수 있는 구성요소를 구비하고 있다. 상기 제한된 배출 포트(19)에 비하여 유입 포트(18)가 더 클 수록, 유입 포트가 개방되었을 때 밸브 캐비티(24) 내에 압력이 신속하게 형성될 수 있으며, 그에 따라 유입 포트가 신속하게 폐쇄된다. 상기 밸브(10)는 빠른 순환 속도를 가지고 있기 때문에, 압력 조절이 필요한 또다른 장치에서의 압력 제어뿐만 아니라 작은 냉동기 또는 냉장기 등에 대하여 매우 효과적이다.
Description
대부분의 냉동 시스템에 있어서 핵심적인 부분은 증발기(evaporator)로 흘러가는 액체 냉매의 흐름을 제어하고, 응축기(condenser) 압력에서부터 증발기 압력까지 냉매의 압력을 감소시키는 팽창 장치이다. 일반적으로 사용되는 팽창 장치로는 자동 온도조절형 팽창 밸브(thermostatic expansion valve), 펄스 폭 변조형 솔레노이드 밸브, 및 모세관 튜브 또는 오리피스와 같은 수동형(passive) 장치 등이 있다. 가정용 냉장고와 같이 작은 용량의 냉동 시스템에서는 일반적으로 모세관 튜브를 사용하는데, 이 모세관 튜브는 단지 한가지의 작동 조건에서만 최적화된 냉매 흐름을 이루도록 그 크기가 정해진다. 이와 같이, 설계 관점 이외의 조건에서 볼 때, 모세관 튜브를 사용하는 경우, 높은 부하 상태에서는 증발기에 냉매가 부족하게 되고 낮은 부하 상태에서는 냉매가 과도하게 되는 결과를 낳는다. 증발기에 냉매가 부족하거나 과도한 것은 모두 냉동 시스템의 효율을 저하시킨다.
이미 잘 알려져 있듯이, 모든 부하 상태에서도 증발기내에 적정량의 냉매를 유지하는 능동형 팽창 장치를 이용하면 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나 자동 온도조절형 팽창 밸브와 같은 능동형 팽창 장치는 작은 규모의 냉동 시스템에서는 잘 작동하지 못하는데, 그 이유는 이 능동형 팽창 장치는 낮은 유량을 조절할 수 있을만큼 작은 오리피스로 만들어 질 수 없기 때문이다. 이러한 오리피스는 실제 생산에는 적합하지 않으며, 오리피스가 막힐 소지가 매우 높다. 따라서 작은 오리피스 없이도 적은 유량의 냉매를 제어할 수 있는 자동 온도조절형 팽창 밸브가 요구되고 있다.
도 1은 본 발명의 증발기 제어 밸브의 단면도이고,
도 2는 증발기의 과열을 제어하기 위한 본 발명의 증발기 및 밸브의 개략도 이다.
본 발명에 따르면, 작은 오리피스를 사용하지 않고도 시간당 수 그램(gram)정도의 적은 유량을 가지는 냉매의 흐름을 정확하게 제어할 수 있는 제어 밸브가 제공된다. 이러한 밸브는 냉매 팽창에 관련된 분야 이외의 분야에서도 적은 유량의 흐름 또는 압력을 제어하기 위하여 사용할 수 있다. 본 발명의 제어 밸브는 냉매 흡수 냉각 장치, 예를 들면 약 200와트 이하, 특히 10와트 내지 100와트의 작은 냉각 용량을 갖는 냉동/냉장 장치뿐만 아니라 작은 증기 압축기 냉동 시스템에 특히 적합하다. 작은 냉동 시스템에 적합한 본 발명에 따른 자동 온도조절형 팽창 밸브(TXV:Thermostatic Expansion valve)는 액체 냉매 유입 포트, 및 밸브와 증발기 사이에 흐름 제한기구를 가지고 있는 배출 포트를 구비하고 있다. 상기 밸브는 유입 포트와 배출 포트 사이에 제한되어 있는 체적을 가지는 캐비티가 형성되어 있는데, 상기 캐비티의 체적은 시스템 증발기의 체적보다 작다. 또한 상기 밸브는 유입 포트를 개폐하기 위하여 밸브 캐비티내의 압력에 반응하는 수단을 구비하고 있다. 제한기구를 구비한 배출 포트에 비하여 유입 포트의 크기가 더 크므로 유입 포트가 개방되었을 때 밸브 캐비티 내에서 압력이 빠르게 증가할 수 있게 된다. 배출 제한기구를 구비하고 있으므로, 밸브가 개방된 유입 포트를 신속하게 폐쇄할 수 있을 정도로 장시간 동안 캐비티내의 압력을 증발기 압력 이상으로 유지할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서는, 증발기의 과열(superheat)을 감지하고 유입 포트의 개폐를 위해 밸브에 압력을 가하기 위하여 벌브(bulb) 또는 다른 기구가 사용된다. 벌브 압력에 노출되어 있는 다이어프램은 그 양측에 작용하는 힘의 균형에 따라 유입 포트의 개폐를 제어한다. 또다른 로서, 프로필렌-글리콜, 에틸렌 글리콜 또는 물과 함께 암모니아로 이루어진 벌브 충전제가 암모니아 냉매 냉각 시스템에 대하여 특히 유용하며, 본 발명의 다이어프램 제어식 자동 온도조절형 팽창 밸브를 작동시키기 위한 플루오르카본 냉매 냉각 시스템에 대해서는 프로필렌 글리콜 또는 에틸렌 글리콜과 함께 디에틸 에테르가 유용하다.
본 발명의 자동 온도조절형 팽창 밸브(thermostatic expansion valve : TXV)는 비교적 작은 용량을 가진 냉동 시스템, 히트 펌프, 냉장기 및/또는 냉동기에 사용하기에 매우 적합하다. 상기 밸브는 액체 냉매를 위한 유입 포트, 배출 포트 및 상기 유입 포트와 배출 포트 사이의 밸브 캐비티를 구비하고 있다. 압력 강하는 배출 포트 내에 또는 그와 결합된 제한기구(restriction)에 의하여 발생한다. 상기 밸브에는 밸브 캐비티내의 압력에 반응하여 압력이 높으면 유입 포트를 폐쇄하고압력이 낮으면 유입 포트를 개방하는 유입 포트 개폐 수단이 구비되어 있다. 밸브 캐비티내의 압력에 반응하며 밸브를 개폐하는 장치의 일 실시예가 도면에 도시되어 있으며, 그 구성 요소 및 특징은 추후 설명될 것이다. 상기 밸브의 중요한 특징 및 기능은 유입 포트를 신속히 폐쇄하기 전에 밸브 캐비티 내의 압력을 빠르게 형성할 수 있다는 것이다. 이러한 기능은 유입 영역을 배출 영역 보다 충분히 크게 하여 캐비티 내에 빠르게 압력이 형성되도록 하고, 압력이 높을 때에는 각각의 개방 이후에 유입 포트를 신속하게 폐쇄하므로써 달성될 수 있다. 효과적이고 바람직한 유입 및 배출 구역에 관해서는 추후 설명한다. 또한 상기한 밸브는 냉매가 공급되는 증발기의 체적보다 더 작은 내부 캐비티 체적을 갖는다는 특징이 있다.
도 1에는 작은 용량의 흡수 또는 증발 압축 냉동 또는 냉각 장치에 특히 적합한 자동 온도조절형 밸브가 도시되어 있다. 도시된 밸브는 내부 캐비티(24)를 가진 밸브 본체(10)를 구비하고 있다. 유입 오리피스인 밸브 시이트(seat)(20)에는, 밸브 플러그(17)애 장착되어 있는 밀봉구(16)에 의하여 개폐되는 유입 포트(밸브 포트)(28)가 형성되어 있는데, 여기서 상기 밸브 플러그(17)는 바(22)와 플런저(13)에 대하여 다이어프램(12)의 움직임에 따라 상 · 하로 이동하며 스프링(14)에 의하여 다이어프램 방향으로 밀어 올려진다. 상기 조립체는 벌브 연결 포트 또는 압력 포트(11), 유입 파이프(18) 및 배출 파이프(19)를 구비하고 있다. 상기 다이어프램(12)은 벌브 연결 포트(11)를 경유하여 도시되지 않은 벌브로부터의 압력에 의하여 바(22)의 상부면에 대항하여 가압된다. 유입 파이프(18)는 응축기 또는 액체 냉매 저장용기(도시되지 않음)에 연통되어 있으며, 배출파이프(19)는 냉동 시스템의 증발기와 연통되어 있다. 제한기구 또는 제한 포트(15)는 밸브 내부의 캐비티(24)와 배출 파이프(19) 사이에 위치한다. 밸브 스템 또는 로드(23)는 피스톤을 밸브 플러그(17)에 연결시키며, 스프링(14)은 유입 포트를 폐쇄하기 위하여 피스톤을 다이어프램을 향하여 상부로 밀어 올린다. 압력 포트(11)를 경유한 다이어프램의 벌브 방면의 측면에 가해지는 벌브로부터의 압력은 바(22)에 대항하여 다이어프램을 가압하고, 피스톤(13)이 스프링(14)을 압축시키게 하고, 밀봉구(16)를 하향으로 가압하여 밸브의 유입 포트(28)를 개방시킨다. 또한 캐비티 내의 압력에 의하여 밸브 플러그(17)가 밀려 가게 되어 밸브의 유입 포트(28)가 개방된다. 다이어프램(12)의 증발기 방면의 측면(바닥측)에 대한 압력 즉, 밸브 캐비티 내의 압력, 스프링(14)의 스프링력 및 유입 파이프(18)를 경유하여 밸브 플러그(17)에 가해지는 응축기 압력 등이 밸브를 폐쇄시키는 힘으로 작용한다, 밸브를 개방시키려는 힘의 합이 밸브를 폐쇄하려는 힘의 합보다 커지게 되면 밸브가 개방된다. 한편, 밸브는 닫혀 있는 상태로 남아 있도록 설계되어 있다. 선택적으로, 응축기 압력이 밸브를 열도록 밸브를 설계할 수도 있다. 그러나 도면에 도시된 실시예의 밸브 설계는, 암모니아 냉매를 사용하는 경우와 같이 비교적 높은 응축기 압력에 대해서도 밸브 폐쇄를 위하여 응축기 압력을 사용할 수 있는 것이다.
상기 밸브는, 연속하여 냉매의 유량을 조절하는 것이 아니라 개방과 폐쇄를 주기적으로 반복하므로써 증발기로의 냉매 흐름을 제어하는 것이다. 본 발명에 따른 밸브가 적절하게 작동하기 위해서는, 밸브 캐비티 내측의 압력이 벌브 압력 이상으로 신속히 상승하여 밸브를 폐쇄할 수 있도록, 유입 오리피스 즉, 밸브 시이트(20)가 충분히 커야만 한다. 작동이 시작될 때, 벌브는 필수적으로 대기 온도이어야 하고 벌브 내의 압력은 응축기 압력과 비슷하여야 한다. 유입 오리피스는, 냉매가 배출구를 통하여 흐를 때 밸브 캐비티를 응축기 압력과 근사한 압력으로 채울 수 있을 만큼 충분히 커야 한다. 따라서 최소한 유입 오리피스는 배출구에서의 압력 강하보다 더 작은 압력강하를 이룰 수 있어야 한다.
본 발명의 자동 온도조절형 팽창 밸브가 가지는 고유하고 중요한 특징은, 밸브와 시스템의 증발기 사이에 흐름 제한기구가 있다는 것과, 유입 포트의 밸브 시이트와 상기 제한기구 사이의 밸브 내부 체적이 작다는 것이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 응축된 냉매를 송출하기 위하여 배출 파이프(19)가 연통되는 증발기와 밸브 캐비티(24)의 사이에 흐름 제한기구(15)가 구비된다. 상기 제한기구(15)의 위치는 그것이 밸브 캐비티(24)의 하류에 있는 한 중요한 것은 아니다. 상기 제한기구(15)는, 밸브 캐비티 또는 밸브 내부와 증발기 사이에 위치한다는 것 이외에도, 다이어프램(12)의 증발기 방향의 측면이 증발기 유입 압력과 동일하거나 또는 그보다 더 높은 압력에 노출되도록 한다는 특징이 있다. 이와 같이, 다이어프램(12)의 벌브 방면의 측면 압력이 증가하거나 또는 증발기 압력이 평형점까지 감소하게 되면, 밸브가 개방되고 다이어프램의 하부에는 압력이 형성된다. 즉, 밸브 내부에는 밸브를 신속하게 다시 닫을 수 있도록 하는 압력이 형성되는 것이다. 액체가 제한기구(15)를 통하여 증발기로 흘러 들어감에 따라 압력도 점차로 감소하는데, 밸브가 다시 개방될 정도로 밸브 본체와 밸브 캐비티(24)내의 압력 및 다이어프램(12)의 증발기방면의 압력이 충분히 강하될 때까지 감소한다. 밸브가 개방됨에 따라 적은 양의 액체 냉매가 개방된 유입 포트를 통하여 밸브 캐비티 내로 유입되며 그 후 밸브는 신속하게 다시 폐쇄되고, 이전의 냉매 "특정량(quantum)"이 증발기로 흘러 들어갈 때까지 추가적인 액체 냉매의 유입은 일어나지 않는다. 이러한 밸브 작동은 조절이라는 명칭보다는 작은 냉매 유량을 가진 냉동 시스템에 대하여 개선된 제어를 행할 수 있는 펄스 작동(pulse operation)이라고 지칭될 수 있다.
유입 포트와 배출 포트 간의 상대적인 크기 차이로 인하여, 밸브 캐비티 내에 압력이 신속하게 형성될 수 있으며, 그 결과 유입 포트가 개방된 순간부터 1/2초 또는 그보다 더 짧은 시간안에 유입 포트를 폐쇄시킬 수 있게 된다. 압력의 형성과 유입 포트의 폐쇄는 더 신속하게 일어날 수 있으며, 밸브는 초당 60회 정도의 순환 속도를 가질 수 있다. 그러나 필요한 경우 예를 들어 시간당 한번의 순환이 이루어지도록 순환 속도를 조절할 수도 있다.
배출 제한기구의 최소 크기는, 최대 설계 유량에서의 냉매 증기 흐름에 대하여, 최대 허용 가능한 유량에서의 벌브 압력의 최대 허용 가능한 증가분과 동일한 압력 강하를 가져올 수 있도록 계산되어 설계된다. 그러나 그 크기는 현실화가 불가능할 정도로 작지는 않다. 밸브의 유입 포트는 배출 제한기구의 면적보다 더 큰 흐름 면적을 가져야만 한다. 배출 제한기구의 크기 또는 면적에도 불구하고, 밸브 시이트 흐름 저항은, 유체 흐름에 기초한 저항으로서 증발기의 흐름 저항보다 더 작아야만 한다. 실제 사용에 있어서, 밸브 시이트를 가로지르는 흐름은 대부분 증발기내의 2상 흐름(two-Phase flow)을 가지는 액체이다. 따라서 밸브가 개방되어있는 동안 밸브로의 전체 유량은 밸브로부터의 전체 유량 보다 매우 크게 되며, 캐비티내의 압력은 증가하게 되고 신속하게 폐쇄된다.
유입 포트와 배출 포트의 제한기구 사이의 밸브 캐비티 유효 체적은 증발기 체적보다 작다. 밸브 시이트(20)와 제한기구(15) 사이의 밸브 캐비티(24) 체적은, 밸브가 냉동 용량에서의 고유 진동수 보다 더 빨리 순환하지 않도록 충분히 커야 하며, 증발기에 과분할 만큼의 많은 액체가 함유되지 않을 정도로 작아야 한다. 밸브 캐비티 내부의 밸브 구성요소에 의하여 밸브의 유효 체적이 감소된다. 제한 기구(15)의 크기 또는 단면적은, 제한기구에 의하여 막히는 것이 문제를 일으키지 않을 정도로 커야 하며, 앞서 설명했듯이, 냉매가 그곳을 통하여 흘러들어 갈 수 있도록 충분히 작아야 한다. 또한 밸브의 유입 포트와 배출 포트의 크기는 증발기-벌브 시스템의 온도 반응 시간과 관련하여 고려되어야 한다. 제한기구(15)의 개방구 면적 대 유입 포트(유입 오리피스)(28)의 유효 면적의 비율은 적어도 약 1:2 정도가 되는 것이 좋으며, 1:4 정도가 더 바람직하며 특히, 1:20 이상인 것이 더 바람직하고 가장 바람직한 것은 약 1:10 내지 1:20 사이가 되는 것이다. 이와 같이 밸브 유입 포트(28)의 유효 유입 흐름 면적 또는 단면적은 배출 포트 또는 제한 기구(15)의 개방부 면적의 적어도 2배 또는 그 이상인 것이 바람직하며, 다이어프램 아래에서 압력이 신속하게 형성되고 그에 의하여 밸브가 신속하게 다시 폐쇄되는 것을 보장하기 위해서는 10배 내지 20배 정도가 되는 것이 더 바람직하다. 유입 포트의 공간을 차지하는 다른 구성요소 또는 냉매가 흘러가야만 하는 유입 영역을 따라서 구비되는 다른 구성요소에 의하여 유입 포트의 유효 유입 면적이 감소하는것은 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 로드(23), 또는 유입 포트나 배출 포트에서 또는 어떠한 중요한 냉매 흐름 영역을 따라서 구비된 또다른 구성요소에 의하여 점유되는 면적 또는 공간은 앞서 언급한 비율을 계산할 때 고려되어야 하는 요소이다.
도 2에는 벌브(32)가 증발기 튜브의 과열 구역(superheat region)에 위치하고 있는 증발기(30)가 도시되어 있다. 벌브(32)는, 압력 포트(11)에서 밸브 다이어프램(12)(도 1)을 벌브 압력에 노출시키게 되는 압력 도관(31)에 의하여 밸브(10)와 연결되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 냉매의 비등은 2상 (비등) 구역이라고 지칭되며 과열 구역내의 냉매 증기가 과열되도록 열전달을 일으키는 비교적 짧은 증발기 튜브 부분인 증발기의 상당 부분에서 발생하게 된다. 증가된 냉매 흐름에 대응한 벌브 압력과 온도의 응답시간은 벌브의 값, 냉매, 밸브 구성요소의 크기 등에 의하여 좌우된다. 냉매가 배출 제한기구를 통하여 증발기로 흘러감에 따라 밸브 캐비티 내부의 압력 감소를 위하여 밸브가 폐쇄되는 순간부터 밸브가 다시 개방될 때까지 소정의 응답시간이 있게 된다. 밸브가 폐쇄되는 즉시, 압력은 감소되기 시작하며, 캐비티 압력이 증발기 압력 이상이 될 때, 벌브의 온도 및 압력에 따라 밸브 유입 포트는 다시 개방된다. 그러나 한계점에서, 벌브는 소정의 과열을 위한 정확한 온도에 가깝게 될 것이며, 캐비티 압력은 거의 증발기 압력까지 점차 감소할 것이고, 벌브의 온도와 압력이 상승하지 않는 한 밸브는 개방되지 않을 것이다. 정상 · 작동의 경우, 비등이 멈추고 과열이 시작되는 전면(F1)은 벌브로부터 천천히 물러나서 증발기 유입부로 향하게 될 것이다. 비등 전면이 후퇴함에 따라 증기는 벌브로 도달하기 전에 더욱 더 과열될 것이다. 결국 벌브 압력은 밸브를 개방시키기에 충분할 전도로 상승하게 되고 비등 전면은 벌브 가까이로 이동하게 되며, 벌브 온도와 압력은 강하된다. 밸브가 개방된 후에는, 캐비티 압력이 증발기 압력 이상으로 충분히 증가하는 즉시 밸브가 다시 폐쇄된다. 밸브 압력이 점차 감소한 후에는, 벌브가 소정의 과열 이하로 냉각되지 않는 한, 밸브는 다시 개방된다. 통상적으로 냉매가 증발기로 흘러 들어가기 시작할 때 부터의 증발기-벌브 압력 응답은 밸브 캐비티 압력의 감소 응답시간에 비하여 느려지게 될 것이며, 밸브는, 벌브가 소정의 과열까지 (또는 그 이하로) 냉각되기 전에, 한번 이상 개방된다. 이와 같이 밸브 캐비티에서의 압력 감소 응답 시간은, 증발기로의 냉매 보충에 후속하는 벌브 압력 증가에 필요한 시간에 비하여 작다. 밸브 압력 감소 응답시간이 벌브 압력 응답 시간의 1/3정도가 되는 것이 바람직하다. 과도한 냉매 흐름을 방지하기 위해서는, 여러개의 밸브를 개방하더라도 충분한 냉매가 벌브의 전면에 있는 과열 구역(벌브 후방에 과열 구역이 존재한다면 이 벌브 후방의 과열 구역을 포함)을 포함하는 전체 증발기로 채워지는 것이 허용되어서는 안된다. 각각의 밸브 개방에 의하여 밸브 캐비티가 완전히 채워지지 않는다. 그러나 밸브는, 캐비티가 완전히 재워지더라도 증발기에 과도한 흐름이 발생하지 않도록 설계되어야 한다. 이를 위해서는, 밸브 캐비티의 유효 체적이, 증발기의 과열 구역 체적의 약 30% 이하인 것이 바람직하다.
더워진 증발기와 관련한 초기 시동시의 문제를 줄이기 위해서는 벌브의 충전제를 적절히 선택해야 한다. 만일 벌브가 시스템 냉매와 동일한 냉매로 충전되면,과열 압력은 밸브를 폐쇄하려는 스프링 압력과, 응축기 압력에 의하여 밸브 플러그에 작용하는 순 작용력의 합으로 설정된다. 만일 증발기가 대기 온도와 압력에 있을 때, 과열 압력이 통상 작동시의 증발기 온도에서 어느 정도 합리적인 과열을 가할 수 있도록 설정되어 있다면, 동일한 압력 차이는 상당히 더 낮은 과열 온도와 동등하게 된다. 시동 조건에 대한 낮은 과열 온도는, 증발기가 충분히 냉각 될 때까지 상당히 과도한 흐름이 발생하게 된다는 것을 의미한다. 대부분의 증기 가압 시스템에 있어서, 이러한 것은 결국 효율을 저하시키기는 하나 작동에 관한 문제를 일으키지는 않는다. 그러나 작은 용량의 흡수 냉동 시스템, 특히 주기성 시스템에 있어서는, 반 흡수 공정에서 증발기가 다시 더워지기 때문에 증발기가 냉각되는 것은 발생하지 않는다. 전통적인 해결 방법으로는 증기만을 이용하여 소정의 고정된 압력으로 벌브를 충전하는 것이다. 증기 충전에 있어서, 벌브가 응축이 일어날 정도로 충분히 냉각되어 밸브가 진정한 자종 온도조절형 팽창밸브(TXV)로 작용할 수 있는 응축 온도 이하가 될 때까지, 밸브는 증발기를 고정 압력으로 제어한다. 그러나 한계 벌브 충전에 있어서, 예를 들면 다이어프램에서와 같이 벌브 회로내의 더 차가운 점에서의 응축은 벌브 내에서의 응축을 방해할 뿐만 아니라, 벌브 온도는 밸브를 제어할 수 없게 된다. 벌브는 회로에서 가장 차가운 점이 되어야 하며 또는 다이어프램 및 모세관 튜브를 채울 수 있을 정도로 충분한 벌브 충전제가 있어야 하고 벌브 내에서는 액체로 남아 있어야 한다. 다이어프램에서의 응축은 밸브를 상대적으로 따뜻한 곳에 위치시키므로써 방지할 수 있으나 이 경우 효율을 저하시키는 원인과 작은 규모의 시스템에서 이용 가능한 냉각 용량을 현저하게 감소시키는원인이 되는 추가적인 냉각 손실이 발생하게 된다.
앞서 언급한 밸브 제어 문제는, 냉동 시스템으로 사용되는 것과는 다른 증기 압력 및 증기 압력 대 온도 라인 기울기를 가진 벌브 충전제를 이용하므로써 극복할 수 있다. 이러한 것은 교차 충전(cross charge)이라고 알려져 있다. 서로 다른 증발기 온도에 대하여 바람직한 밸브 응답을 줄 수 있는 교차 충전용 순 물질은 존재하지도 않으며 독성, 위험성 또는 비용 등으로 인하여 적합하지도 않다. 흡수성 충전제 또는 혼합물이 순 물질을 이용한 교차 충전제의 대안으로서 사용된다. 흡수성 충전제는 증발기에 사용되는 냉매와 동일한 냉매의 혼합물로 구성되며, 증기 압력 억제제도 종종 좋은 효과를 발휘하기도 한다. 그러나 벌브 충전 용액으로 가스가 신속하게 흡수되도록 하기 위해서는 극성 물질을 사용하는 것이 유용하다. 이러한 이유로 수소 결합이 가능한 물질이 특히 바람직하다.
바람직한 벌브 충전제는 전체 예상 증발기 온도에 대하여 상대적으로 일정한 과열을 제공할 수 있어야 한다. 예를 들어 암모니아 냉매 시스템에서 암모니아가 벌브 충전제로 사용되는 경우, 10℃에 대하여, 통상은 -30℃에 대하여 스프링 힘을 설정하게 되면 +20℃에서 단지 1 또는 2℃의 과열만을 가져오게 되어 따뜻해진 벌브를 시동하기 어렵게 된다. 그러나 물 또는 프로필렌 글리콜과 같이 적당히 낮은 증발 압력을 가지는 물질과 암모니아를 혼합한 혼합물을 사용하게 되면, 어떠한 증발기 압력에서도 거의 일정한 과열을 이룰 수 있으며, 필요한 스프링 힘도 작아질 수 있다.
암모니아 냉매를 유효성분으로 하는 벌브 흡수형 충전제로는 암모니아-물 혼합물, 암모니아-알코올 혼합물 및 암모니아-글리콜 혼합물 등이 있다. 암모니아의 양은 중량 %로 약 5% 내지 약 70% 범위에 있는 것이 바람직하다. 에테르, 글리콜에테르, 폴리에테르, 아미드, 폴리아미드, 에스테르 및 폴리에스테르도 암모니아를 위한 흡수제로서 적당하며 벌브 충전제의 일 구성 성분으로서 사용 가능하다. 10 중량% 내지 50 중량%의 암모니아를 가진 저 글리콜(에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜)을 사용하는 혼합물은 특히 바람직하다. 그 이유는 (1) 분리가 일어나더라도 두 구성성분 모두 예상 증발기 온도에서 동결되지 않으며, (2) 흡수제가 극성을 갖고 있어 수소 결합이 가능하므로 강한 암모니아 흡수성을 보이며, (3) 가격이 저렴하여 독성이 낮거나 거의 없고, (4) 부식성이 없으며, (5) 소경의 온도 응답 및 과열을 이룰 수 있도록 혼합물의 농도를 조절할 수 있기 때문이다. 약 40% 내지 95%의 디메틸 에테르 혼합물 내에 프로필렌 글리콜 및/또는 에틸렌 글리콜을 함유한 디메틸 에테르 역시 암모니아 냉매로서 매우 유용하다.
대부분의 플루오르카본 냉매는 극성이 없으며 수소 결합도 가능하지 않다. 따라서 냉매가 플루오르카본이고 흡수성 벌브 충전제가 필요한 경우, 벌브 충전제는, 시스템 냉매의 압력과 근사한 증기 압력을 가지는 극성 가스를 이용하고 극성 흡수제를 첨가하여 증기 압력을 억제하므로서 다이어프램 등에서의 응축 문제를 피할 수 있도록 선택되어져야 한다. 예를 들어 R134a(테트라플루오르에탄:tetrafluoroethane)이 냉매로서 사용되는 경우, 적절한 벌브 충전제로는, 앞서 언급한 바와 같은, 약 5 중량% 내지 85 중량%의 암모니아를 함유하는 물-암모니아 혼합물, 디메틸 에테르-프로필렌 글리콜 또는 에틸렌 글리콜혼합물, 특히 40 중량% 내지 95 중량%의 디메틸 에테르를 함유하는 혼합물 등이 있다, 10% 내지 70%의 암모니아를 함유하는 암모니아-프로필렌 글리콜 및/또는 에틸렌 글리콜 혼합물 역시 테트라플루오르에탄과 함께 유용하다.
시스템 냉매가, 극성이 없어 벌브 충전제의 구성 성분으로 적합하지 않은 경우, 벌브 충전제용으로 유용한 가스-흡수제 혼합물은, 디메틸 에테르, 저 에테르(C1- C6), 저급 지방족 3차 아민(C1- C6), 저급 지방족 케톤(C1- C6)에서 선택된 가스와, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 알코올, 글리콜 에테르, 폴리에테르, 에스테르, 디-, 트리- 및 폴리알코올, 디-, 트리- 및 폴리아미드, 및 물에서 선택되는 흡수제를 포함한다. 암모니아, 메틸 아민 및 기타 저급 아민(C1- C6) 도, 알코올, 글리콜, 디-, 트리- 및 폴리알코올, 에테르, 글리콜 에테르, 폴리에스터, 아미드, 폴리아미드, 에스테르, 폴리에스테르 및 물에서 선택되는 흡수제와 함께 사용된다.
벌브 충전제가 한번 선택되면, 최대 냉매 유량에서의 과열의 최대 허용 증가량을 결정하고, 이 과열 증가량을 벌브 압력으로 변환하는 것이 바람직하다. 예를 들어 -35℃ 및 10℃의 설계 과열온도와, 벌브 내에 66 질량%의 암모니아와 34%의 에틸렌 글리콜의 혼합물을 사용하고, 최대 유량에 대하여 1℃의 허용 과열 증가량을 갖는 암모니아 증발기의 작동에 대한 관련 압력은 다음과 같다.
증발기 압력 = -35℃에서 13.5 psia
벌브 압력 = -25℃(10℃ SH)에서 14.4 psia
벌브 압력 = -24℃ (11℃ SH)에서 15.1 psia
밸브의 배출 제한기구는 최대 냉매 유량에서 0.7psi의 압력 강하를 가질 수 있도록 하는 크기로 되어 있다.
특별한 실시예에 따르면, -32℃의 증발기 온도와 50℃ 내지 60℃의 응축기 온도를 가지며, 15 내지 25의 와트수에서 작동하는 작은 규모의 암모니아 흡수제 냉동 시스템에 대해서는 후술하는 제원을 갖는 밸브가 사용되었다.
배출 제한기구의 지름 : 0.054cm (0.02lin)
유입 포트의 지름 : 0.20cm (0.08in)
내부 밸브 체적(밸브 캐비티) : 1cc (0.06 cu, in)
시스템 증발기 체적 : ≒ 15cc
앞서 설명한 본 발명의 자동 온도조절형 팽창 밸브는, 스프링력 또는 고정된 가스 압력을 다이어프램의 벌브 방향의 측면에 작용하도록 하므로써 증발기 압력을 조절하는 압력 조절기로서, 냉매가 벌브 측면에 사용될 때 과열을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
조절 압력에 대한 응축기 압력의 영향은, 응축기와 열적으로 접촉하고 있는 벌브측에 가스를 배출 시키므로써 제거할 수 있다. 다이어프램 면적과 밸브 포트 면적의 비율을 적절히 선택하므로써, 정상 작동 범위에 있어서, 균형을 이루는 힘에 대한 응축기 압력의 영향을 제거할 수 있다.
본 발명의 밸브는, 증발기에 대한 냉매의 조절이 요구되는 어떠한 냉동기/냉장기 또는 기타 냉각 장치에 대해서도 사용할 수 있다. 상기 밸브는 12 kg/hr 이하의 냉매 유량을 가진 비교적 적은 용량의 시스템에 특히 적합하다. 또한, 6kg/hr이하의 냉매 유량을 갖는 시스템, 특히 3kg/hr 이하의 냉매, 유량을 갖는 시스템에 이러한 밸브를 사용하는 것이 유리하다. 냉매 유량이 매우 적은 경우라도, 예를 들어 앞서 설명한 암모니아 냉매 시스템에서 있을 수 있는 약 5 내지 약 75 g/hr의 유량을 갖는 경우라도, 본 발명의 밸브는 매우 유리하다. 냉각 용량의 관점에서 살펴보면, 이러한 냉동 시스템은 통상 1000와트 이하의 용량, 특히 500와트 이하, 더 구체적으로는 250와트 이하, 가장 구체적으로는 100와트 이하의 용량을 갖는다. 상기 밸브가 효과적으로 그리고 가장 유리하게 작용할 수 있는 가장 작은 용량의 암모니아 냉각 또는 냉동 시스템은 10 내지 100와트 범위의 용량을 갖는 것이다.
상기 밸브는, 본 명세서에서 참고자료로 언급되는 미국특허 제5,441,995호 및 제5,477,706호에 개시되어 있는 것과 같은 극성 냉매뿐만 아니라 프로판 또는 부탄과 같은 비극성 냉매, 플루오르카본 냉매 CFC, HFC 및 HCHC를 사용하는 어떠한 냉매 시스템에도 사용할 수 있다. 상기 밸브는, 본 명세서에서 참고자료로 언급되는 미국특허출원 제08/390,678호에 개시되어 있는 것과 같은 작은 용량의 열 가압 흡수 냉동 장치뿐만 아니라 기계적 압축기를 사용하는 증기 가압 시스템에도 효과적이다. 이러한 장치는, 가스성 냉매를 선택적으로 흡수 또는 방출할 수 있는 고형 흡수제 조성물을 함유하는 하나 또는 그 이상의 흡수재를 가진다. 상기 고형 흡수제로는 제올라이트, 활성 알루미나, 활성 탄소, 실리카겔 또는 금속 하이드라이드와 같은 공지된 포유 화합물(inclusion compound)을 포함하는 어떠한 화합물도 될 수 있다. 바람직한 흡수제로는 본 명세서에서 참고자료로 언급되는 미국 특허 제4,848,994호에 개시된 바와 같이 극성의 가스성 냉매를 금속염에 흡수시켜 만들어지는 복합 화합물이 있다. 본 명세서에서 참고자료로 언급되는 미국 특허 제5.298,231호 및 제5,328,671호에 개시되어 있는 바와 같이, 복합 화합물의 체적 팽창을 제한하므로써 밀도를 최적화시키는 공정에 의하여 형성되는 복합 화합물이 특히 바람직하다. 이러한 복합 화합물은, 체적 팽창 제한 및 밀도 조절 없이 형성된 복합 화합물의 반응율에 비하여 실질적으로 증가된 반응율을 갖는다. 이러한 흡수제는 앞서 언급한 포유 화합물과 함께, 금속염과 복합 화합물 및 이들의 혼합물을 포함한다. 가장 바람직한 복합 화합물은, 알루미나가 냉매인 것이다.
비록 냉동 장치에 적용되는 것을 기본적인 예로 하여 본 발명의 밸브가 설명되었으나, 본 발명의 밸브는 냉동기 이외의 장치에 사용되는 압력 제어 밸브로도 유용하다, 상기 밸브는 적은 유량이 함유되어 있고 변조 압력 조절기가 제대로 작동하지 않는 경우에 압력 조절기조서 매우 유용하다. 밸브 캐비티 내에서 압력에 대하여 사용되는 압력 바이어스(bias)는 스프링 압력과 같은 기계적 수단 또는 유체(기체 또는 액체) 압력에 의하여 제공될 수 있다.
Claims (37)
- 작동되는 동안 개폐되는 유입 포트,상기 유입 포트를 개폐하기 위한 밸브,배출 포트, 및상기 유입 포트와 상기 배출 포트 사이에서 이들과 연통되는 밸브 캐비티를 구비하며;상기 밸브는 상기 밸브 캐비티 내의 압력에 응답하여 상기 유입 포트를 개폐하는 것으로서 높은 압력에서는 상기 유입 포트를 폐쇄하고 낮은 압력에서는 상기 유입 포트를 개방하는 것이며;상기 유입 포트가 배출 포트 보다 더 커서, 유입 포트의 개방에 의하여 상기 캐비티 내에 압력이 신속하게 형성되고, 그에 따라 유입 포트의 개방 후에는 유입 포트가 다시 신속하게 폐쇄되므로써 상기 밸브가 작동하는 동안 상기 유입 포트를 신속하게 주기적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
- 제1항의 밸브 조립체를 구비한 냉동 장치로서, 냉매 가스를 응축하기 위한 응축기와, 열적으로 노출되는 부하를 냉각시키기 위한 증발기를 구비하며, 상기 유입 포트는 응축된 냉매를 수용하기 위하여 상기 응축기와 연통되어 있으며, 상기 배출 포트는 액체 냉매를 증발기로 송출하기 위하여 상기 증발기와 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제1항의 밸브 조립체와 증발기를 구비한 냉동장치로서, 상기 밸브 조립체는 상기 증발기 내에서의 증기의 과열을 제어하기 위한 제어 조립체를 구비하고 있으며, 상기 밸브 캐비티는 상기 증발기의 체적보다 작은 체적을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 밸브는, 상기 유입 포트가 개방된 후부터 1/2초 이내에 상기 유입 포트를 폐쇄할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브는 상기 유입 포트를 초당 60회 개폐할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브가 상기 유입 포트를 개방하도록 하기 위하여 외부 바이어스 압력과 연통되는 압력 포트를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 압력 포트와 협력하여 작동하는 벨로즈 또는 다이어프램을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브가 상기 유입포트를 폐쇄하도록 하기 위한 바이어스 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 포트는 밸브 시이트를 구비하고 있으며, 상기 밸브는 상기 밸브 시이트를 밀봉하기 위한 밸브 플러그를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 바이어스 수단은 상기 밸브가 상기 유입 포트를 폐쇄하도록 하기 위한 스프링을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 포트는 상기 배출 포트보다 2배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 포트는 상기 배출 포트보다 10배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 포트는 상기 배출 포트보다 10배 내지 20 배 더 큰 것을 특징으로 하는 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 바이어스 수단은 상기 밸브 조립체 상의 압력 포트를구비하고 있으며, 상기 압력 포트는 그곳에 외부 압력을 형성하기 위하여 상기 증발기와 열적으로 접촉하고 있는 벌브와 협동하여 작동하는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 밸브 조립체는 상기 압력 포트에 노출되어있으며 상기 유입 포트를 개폐하기 위하여 상기 외부 압력에 응답하는 다이어프램 또는 벨로즈를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 벌브는, 상기 압력 포트에 상기 증발기내의 증기 온도에 비례하는 압력을 형성하기 위하여 상기 증발기의 과열 구역과 열적으로 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 밸브 캐비티는 상기 증발기의 과열 구역 체적의 30% 이하의 체적을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제2항에 있어서, 열적 또는 기계적 압축기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 열적 압축기는 고체-가스 흡수 시스템으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제19항에 있어시, 상기 고체-가스 시스템은 복합 화합물, 제올라이트, 활성 카본 또는 메탈 하이드라이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 냉매는 암모니아이며, 벌브 충전제는 암모니아와 프로필렌 글리콜, 또는 암모니아와 에틸렌 글리콜의 혼합물이며, 상기 혼합물은 약 10 중량% 내지 50 중량%의 암모니아를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 냉매는 암모니아이며, 벌브 충전제는 암모니아와 물의 혼합물이며, 상기 혼합물은 약 5 중량% 내지 70 중량%의 암모니아를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 냉매는 암모니아이며, 벌브 충전제는 디메틸 에테르와 프로필렌 글리콜, 또는 디메틸 에테르와 에틸렌 글리콜의 혼합물이며, 상기 혼합물은 약 40 중량% 내지 95 중량%의 디메틸 에테르를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 냉매는 플루오르카본이며, 벌브 충전제는 암모니아, 프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 물, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제24항에 있어서, 플루오르카본 냉매는 테트라플루오르에탄이며, 벌브 충전제는 디메틸 에테르와 프로필렌 글리콜, 또는 디메틸 에테르와 에틸렌 글리콜의 혼합물이며, 상기 혼합물은 약 40 중량% 내지 95 중량%의 디메틸 에테르를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제24항에 있어서, 플루오르카본 냉매는 테트라플루오르에탄이며, 벌브 충전제는 물과 암모니아의 혼합물이며, 상기 혼합물은 약 5 중량% 내지 85 중량%의 암모니아를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제24항에 있어서, 플루오르카본 냉매는 테트라플루오르에탄이며, 벌브 충전제는 암모니아와 프로필렌 글리콜, 또는 암모니아와 에틸렌 글리콜의 혼합물이며, 상기 혼합물은 약 10 중량% 내지 70 중량%의 암모니아를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 냉매는 암모니아이며, 벌브는 알킬렌 글리콜, 알코올, 에테르, 글리콜 에테르, 폴리에테르, 아미드, 폴리아미드, 에스테르, 폴리에스테르, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 흡수제와, 암모니아 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 냉매는 플루오르카본이며, 벌브는 지방족 에테르; 저급 지방족 3차 아민 또는 저급 지방족 케톤; 및 알킬렌 글리콜, 알코올, 글리콜에테르, 폴리에테르, 에스테르, 폴리에스테르, 폴리알코올, 폴리아민, 아미드 또는 폴리아미드로 구성된 흡수제를 함유하는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제13항에 있어서, 1000와트 또는 그 이하의 냉동 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제13항에 있어서, 시간당 12kg 미만의 냉매 유속을 갖는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 유입 포트의 폐쇄에 후속한 상기 밸브 캐비티 내의 압력감소 응답시간은, 상기 증발기로의 냉매가 추가되는 것에 후속한 벌브압력 응답시간 보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 제32항에 있어서, 상기 압력감소 응답시간은 벌브압력 응답시간의 1/3 미만인 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
- 작동되는 동안 개폐되는 유입포트, 상기 유입포트를 개폐하기 위한 밸브, 배출포트 및 상기 유입포트와 상기 배출포트 사이에서 이들과 연통하는 밸브 캐비티를 구비하며, 상기 밸브는 상기 밸브 캐비티 내의 압력에 응답하여 상기 유입포트를 개폐하되 높은 압력에서는 상기 유입포트를 폐쇄하고 낮은 압력에서는 상기 유입포트를 폐쇄하고, 상기 유입포트가 배출포트 보다 더 커서 유입 포트의 개방에 의하여 상기 캐비티 내의 압력이 신속히 형성되고 그에 따라 유입포트의 개방 후에는 다시 신속하게 폐쇄되므로써 상기 밸브가 작동하는 동안 상기 유입포트를 신속하게 주기적으로 개폐하는 밸브 조립체를 구비하고 있으며; 냉매 가스를 응축하기 위한 응축기와 열적으로 노출되는 부하를 냉각시키기 위한 증발기를 구비하고 있으며; 상기 밸브 조립체의 유입포트는 응축된 냉매를 수용하기 위하여 상기 응축기와 연통되어 있고; 상기 배출포트를 액체 냉매를 증발기로 송출하기 위하여 상기 증발기와 연통되어 있는 냉동장치를 상기 유입포트의 주기적인 작동에 의하여 상기 밸브 조립체와 응축기, 그리고 증발기를 통하여 냉매를 순환시키므로써 작동시키는 상기 냉동장치의 작동방법에 있어서,액체 냉매를 12 kg/hr 미만의 유속으로 상기 밸브 조립체로부터 상기 증발기로 공급하며;작동과정 동안 상기 유입포트의 개방 및 폐쇄를 주기적으로 반복시키는 것을 특징으로 하는 주기적으로 작동하는 제어 밸브 조립체를 구비한 냉동장치의 작동방법.
- 제34항에 있어서, 상기 밸브 조립체로부터의 냉매 유속은 6kg/hr 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 밸브 조립체로부터의 냉매 유속은 3kg/hr 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 밸브 조립체로부터의 냉매 유속은 5g/hr 내지 75g/hr 인 것을 특징으로 하는 방법.
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