KR100479114B1 - 냉동 시스템의 팽창 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어컨 등의 냉동 시스템에 구비되는 팽창 밸브에 관한 것으로서, 냉매가 통과할 수 있도록 유입구 및 오리피스형의 유출구가 형성된 밸브 하우징과; 상기 밸브 하우징의 유출구에서 먼 쪽에 설치되어 외부 신호에 따라 소정 변위를 발생시키는 가변 액츄에이터와; 상기 밸브 하우징 내에 지렛대식으로 설치되어 상기 가변 액츄에이터에 의해 일측단이 미세 변위만큼 움직이면 밸브 하우징의 유출구 쪽인 타측단이 확대 변위만큼 움직이도록 된 변위 확대 수단과; 상기 변위 확대 수단의 타측단에 설치되어 상하 이동되면서 상기 밸브 하우징의 유출구 쪽 개구 면적을 조절하는 개구면적 조절수단으로 구성된 것을 특징으로 함으로써,

본 발명은 스텝핑 모터를 사용하지 않고 압전 소자(Piezoelectric actuator)를 이용하여 냉매가 지나가는 유로의 면적을 용이하게 조절할 수 있도록 한 냉동 시스템의 팽창 밸브에 관한 것이다.

Description

냉동 시스템의 팽창 밸브

본 발명은 에어컨 등의 냉동 시스템에 구비되는 팽창 밸브에 관한 것으로서, 특히 스텝핑 모터를 사용하지 않고 압전 소자(Piezoelectric actuator)를 이용하여 냉매가 지나가는 유로의 면적을 용이하게 조절할 수 있도록 한 냉동 시스템의 팽창 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 냉동 시스템에 구비되는 팽창 밸브는 냉매 유동 면적의 변화 여부에 따라 유동 면적 고정형과 유동 면적 가변형으로 나눌 수 있다.

상기 유동 면적 고정형은 모세관으로 이루어져 질량 유량의 변화가 크지 않은 소용량의 냉동 시스템이나 온/오프 압축기로 구동되는 냉동 시스템에 보편적으로 사용되고 있다.

반면, 상기 유동 면적 가변형은 인버터 압축기로 구동되는 냉도 시스템이나 멀티 에어컨과 같이 시스템 내의 냉매 유량이 변하는 냉동 시스템에 주로 사용되고 있으며, 통상 사용되고 있는 유동면적 가변형 팽창 밸브는 전자 팽창 밸브가 있다.

여기서, 상기 전자 팽창 밸브는 냉매의 유량을 부하나 압축기의 회전수에 따라 변화시켜 냉방 능력을 자유롭게 변화시킬 수 있는 밸브로서, 스텝핑 모터의 회전력으로 밸브를 구동하는 전동식과 전류값에 비례하는 여자력을 이용하여 밸브의 개도를 결정하는 전자식으로 구분될 수 있는 바, 상기 전동식의 경우 밸브의 개도량은 가해주는 펄스량에 비례하므로 높은 분해 능력이 얻어지게 된다.

이와 같은 전동식 전자 팽창 밸브는 도 1에 도시된 바와 같이 제어 유닛(1)의 제어에 따라 스테이터(11)에 펄스 신호가 인가되면서 로터(12)가 회전하게 되는 모터부(10)와, 상기 모터부(10)의 로터(12)를 따라 회전되면서 나사산(22)에 의해 니들(21)이 직선 이동되면서 냉매 배관(30)상의 오리피스 부분(35)의 개구량을 조절하는 밸브부(20)로 이루어져 있다.

상기와 같이 구성된 전동식 전자 팽창 밸브는 제어 유닛(1)에서 냉매 배관(30)의 개구량을 산출한 다음 모터부(10)의 스테이터(11)에 펄스 신호를 인가하면 로터(12)가 회전하게 된다. 이때 상기 로터(12)와 연결된 밸브부(20)의 니들(21)이 나사산(22)을 따라 회전하면서 직선 이동하게 되고, 상기 니들(21)의 이동량에 따라 오리피스부(35)의 개구량이 결정되어 냉매 배관(30)을 통과하는 냉매량을 조절할 수 있게 된다.

상기와 같은 모터부(10)는 스텝핑 모터식으로 그 응답 특성이 통상 밸브부(20)가 완전 열림에서 완전 닫힘까지 약 20m/sec 정도밖에 걸리지 않으므로 오리피스부(35)를 통과하는 냉매 유량이 급속히 변화하여야 하는 조건에서 그 응답이 신속하게 진행되어 냉동 사이클을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같이 종래 기술의 냉동 시스템의 팽창 밸브는 스텝핑 모터를 이용하여 냉매 유량을 조절하기 때문에 스텝핑 모터를 구동하기 위한 제어 회로가 필요하게 되며, 이로 인하여 팽창 밸브의 가격이 비싸지고 부피가 커지는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압전체의 소자 및 변위 확대 레버를 이용하여 저가격이면서도 소형으로 냉매의 유동 면적을 조절할 수 있도록 하는 냉동 시스템의 팽창 밸브를 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 냉동 시스템의 팽창 밸브는, 냉매가 통과할 수 있도록 유입구 및 오리피스형의 유출구가 형성된 밸브 하우징과; 상기 밸브 하우징의 유출구에서 먼 쪽에 설치되어 외부 신호에 따라 소정 변위를 발생시키는 가변 액츄에이터와; 상기 밸브 하우징 내에 지렛대식으로 설치되어 상기 가변 액츄에이터에 의해 일측단이 소정 변위만큼 움직이면 밸브 하우징의 유출구 쪽인 타측단이 확대 변위만큼 움직이도록 된 변위 확대 수단과; 상기 변위 확대 수단의 타측단에 설치되어 상하 이동되면서 상기 밸브 하우징의 유출구 쪽 개구 면적을 조절하는 개구면적 조절수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 냉동 시스템의 팽창 밸브가 도시된 내부 구성도이고, 도 3은 본 발명의 압전 소자가 도시된 상세도이며, 도 4는 본 발명의 변위 확대 레버가 도시된 상세도이다.

본 발명에 따른 팽창 밸브는 도 2에 도시된 바와 같이 냉매가 통과할 수 있도록 유입구(51a) 및 오리피스형의 유출구(51b)가 형성된 밸브 하우징(51)과, 다수의 압전 소자가 적층되어 상기 밸브 하우징(51)의 유출구(51b)에서 먼 쪽에 설치되고 외부 신호에 따라 상하 변위를 발생시키는 압전 액츄에이터(55)와, 상기 밸브 하우징(51) 내에 지렛대식으로 설치되어 상기 압전 액츄에이터(55)에 의해 일측단이 소정 변위만큼 움직이면 밸브 하우징(51)의 유출구(51b) 쪽인 타측단이 확대 변위만큼 움직이도록 된 변위 확대 레버(60)와, 상기 변위 확대 레버(60)의 타측단에 설치되어 상하 이동되면서 상기 밸브 하우징(51)의 유출구(51b)쪽 개구 면적을 조절토록 점차 직경이 좁아지는 니들(Needle ;65)로 구성되어 있다.

여기서, 상기한 압전 액츄에이터(55)는 도 3에 도시된 바와 같이 소정 두께의 압전 소자(55')가 다수 개 적층되어 전원이 인가되면 상하 방향으로 변위(X)를 발생시키도록 구성되어 있다.

그리고, 상기한 변위 확대 레버(60)는 상기 압전 액츄에이터(55)가 갖는 X축 방향의 변위는 수 10㎛ 정도로 매우 작은 값이므로 상기 니들(65)을 이동시키는 변위를 확대하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 긴 막대형으로 된 두 개의 레버(61)(62)가 힌지점(H₂)을 통해 직렬로 연결되고, 상기 제1 레버(61)와 제2 레버(62)는 상기 밸브 하우징(51)내에 힌지점(H₁)(H₃)을 중심으로 회전 가능토록 고정되어 있다.

물론. 상기 제1 레버(61)와 제2 레버(62)의 힌지점(H₁)(H₃)은 니들(65) 쪽의 변위가 상당히 커지도록 제1 레버(61)의 힌지점(H₁)은 압전 액츄에이터(55)에 가까운 쪽에 위치되고, 제2 레버(62)의 힌지점(H₃)은 제1 레버(61)에 가까운 쪽에 위치되어 있다.

또한, 상기 변위 확대 레버(60)에서 제1 레버(61)가 상기 밸브 하우징(51)내에 설치된 코일 스프링(63)에 의해 지지된다.

한편, 도 2에서와 같이 압전 액츄에이터(55)가 위치된 밸브 하우징(51)의 하측에 유출구(51b) 및 니들(65)을 설치하지 않고, 밸브 하우징(51)의 상측에 유출구 및 니들을 설치하게 되면, 압전 액츄에이터에 전원 인가시 유출구의 면적을 감소시키 냉매 유량을 줄일 수는 있는 구조로도 구성할 수도 있을 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 냉동 시스템의 팽창 밸브의 작용을 설명하면 다음과 같다.

압전 액츄에이터(55)에 직류 전원을 인가하면 도 3에서 압전 소자(55')는 r 방향으로는 수축하면서 X축 방향으로는 팽창하게 된다. 이때, 도 4에서와 같이 변위 확대 레버(60) 중 제1 레버(61)가 제1 힌지점(H₁)을 기준으로 왼쪽은 올라가고 오른쪽은 내려가게 된다.

즉, 압전 액츄에이터(55)의 변위가 X₀ 라고 한다면, 제1 레버(61)의 오른쪽 끝단의 변위 X₁ 은 하기의 '수학식 1' 과 같아진다.

X₁=X₀t₂₁

다음, 상기 제1 레버(61)의 변위는 힌지점(H₂)에 의해 제2 레버(62)에 전달되고, 제2 레버(62)는 힌지점(H₃)을 기준으로 왼쪽은 내려가고 오른쪽은 올라간다. 이때 제2 레버(62)의 오른쪽 변위 X₂ 는 하기의 '수학식 2'와 같아진다.

X₂=X₁t₄₃=X₀t₂₁t₄₃

여기서, 상기 수학식1, 2에 의해 l₂ : l₁ 과 l₄ : l₃을 10 : 1 정도로 구성하면 제2 레버(62)의 오른쪽 변위 X₂ 는 압전 액츄에이터(55)의 변위가 X₀의 100배 정도인 수 mm의 변위를 가질 수 있다.

따라서, 상기 제2 레버(62)의 오른쪽 끝에 설치되어 있는 니들(65)이 수 mm 정도 올라가면서 유출구(51b) 쪽인 오리피스의 개구 면적을 증가시켜 오리피스를 지나가는 냉매의 유량을 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 압전 액츄에이터(55)의 변위는 인가되는 직류 전원에 비례하므로 직류 전원의 값을 선형적으로 변화시키면 니들(65)의 위치도 선형적으로 조절할 수 있게 되어 결국 오리피스를 통과하는 냉매의 유량도 선형적으로 조절할 수 있게 된다.

물론, 상기 압전 액츄에이터에 직류 전원이 인가되지 않은 경우에는 제1 레버(61)의 오른쪽 밑에 위치된 코일 스프링(63)의 탄성력에 의해 제1 레버(61) 및 제2 레버(62)와 니들(65)의 위치를 항상 일정하게 고정시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 냉동 시스템의 팽창 밸브는 압전체 및 변위 확대 레버를 이용하여 냉매 유량을 조절할 수 있도록 구성되어 스텝핑 모터보다 상대적으로 값이 싼 압전 소자를 사용하기 때문에 비용을 절감할 수 있음은 물론 레버를 소형으로 제작할 경우 팽창 밸브의 부피도 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래 기술의 전동식 전자 팽창 밸브가 도시된 내부 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 팽창 밸브가 도시된 내부 구성도,

도 3은 본 발명에서 압전 액츄에이터가 도시된 사시도,

도 4는 본 발명에서 변위 확대 레버가 도시된 도면으로서, 도 4a는 평면도, 도 4b는 정면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

51 : 밸브 하우징 51a : 유입구 51b : 유출구

55 : 압전 액츄에이터 60 : 변위 확대 레버 61 : 제1 레버

62 : 제2 레버 63 : 코일 스프링 H : 힌지점

Claims (5)

1. 냉매가 통과할 수 있도록 유입구 및 오리피스형의 유출구가 형성된 밸브 하우징과;

   상기 밸브 하우징의 유출구에서 먼 쪽에 설치되어 외부 신호에 따라 소정 변위를 발생시키는 가변 액츄에이터와;

   상기 밸브 하우징 내에 지렛대식으로 설치되어 상기 가변 액츄에이터에 의해 일측단이 미세 변위만큼 움직이면 밸브 하우징의 유출구 쪽인 타측단이 확대 변위만큼 움직이도록 된 변위 확대 수단과;

   상기 변위 확대 수단의 타측단에 설치되어 상하 이동되면서 상기 밸브 하우징의 유출구 쪽 개구 면적을 조절하는 개구면적 조절수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동 시스템의 팽창 밸브.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변 액츄에이터는 압전 소자가 다수 개 적층되어 전원이 인가되면 상하 방향으로 변위를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉동 시스템의 팽창 밸브.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 변위 확대 수단은 상기 밸브 하우징내에 설치된 탄성 수단에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 냉동 시스템의 팽창 밸브.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 변위 확대 수단은 긴 막대형으로 된 복수 개의 레버가 힌지 수단을 통해 직렬로 연결되고, 각 레버는 상기 밸브 하우징내에 회전 가능토록 고정된 것을 특징으로 하는 냉동 시스템의 팽창 밸브.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 개구면적 조절수단은 상기 오리피스 쪽으로 갈수록 직경이 좁아지는 니들(Needle)인 것을 특징으로 하는 냉동 시스템의 팽창 밸브.