KR101458015B1 - 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법 - Google Patents

차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법 Download PDF

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조행묵
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Abstract

본 발명은 차량용 공조시스템(air conditioning control system)에 적용되는 가변용량형 압축기(variable displacement type compressor)에 사용되는 전자제어밸브(Electromagnetic Control Valve, ECV)에 작용하는 힘(force)을 분석하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 차량용 공조시스템의 가변용량형 압축기에 사용되는 전자제어밸브(ECV)에 작용하는 힘(force)을 분석하기 위한 분석방법이 제공되며, 또한, 그러한 분석결과에 근거하여, 가변용량형 압축기의 효율을 개선하는데 더하여, 차량의 승차감 및 연비와 같은 전체적인 성능을 개선할 수 있도록 구성되는 가변용량형 압축기의 설계방법이 제공된다.

Description

차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법{Analysis of forces in an ECV using in external variable displacement type compressor for air conditioning control system in automobiles}
본 발명은 차량용 공조시스템(air conditioning control system)에 적용되는 가변용량형 압축기(variable displacement type compressor)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 본 발명은, 차량용 공조시스템의 가변용량형 압축기에 사용되는 전자제어밸브(Electromagnetic Control Valve, 이하, 'ECV'라 함)에 작용하는 힘(force)을 분석하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 차량용 공조시스템의 가변용량형 압축기에 사용되는 전자제어밸브(ECV)에 작용하는 힘(force)의 분석결과에 근거하여, 가변용량형 압축기의 효율을 개선하고, 그것에 의해, 차량의 승차감 및 연비와 같은 전체적인 성능을 개선할 수 있는 가변용량형 압축기의 설계방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량용 공조시스템(vehicle air conditioning system)에 있어서는, 엔진 스피드가 올라가더라도 항상 적절한 실내온도를 유지하는 동시에, 연비를 개선하는 것이 요구된다(참고문헌 1 참조).
또한, 최근에는, 환경문제에 대한 관심이 높아짐에 따라, 각 자동차 제조사들에 대하여 효율 개선 및 무게 감소를 통한 연비 개선의 요구가 높아지고 있다(참고문헌 2 참조).
아울러, 차량용 공조시스템은, 제어밸브(control valve)에 연결된 압축기(compressor)를 포함하여 구성되고(참고문헌 3 참조), 이러한 차량용 공조시스템에 사용되는 압축기는, 엔진 파워를 많이 소모함으로 인해 높은 효율이 요구되는 부품이다.
여기서, 최근, 각 자동차 제조사들에 있어서는, 종래의 고정용량 압축기(fixed capacity compressors) 대신에 저에너지 소비와 고효율 특성을 가지는 가변용량 압축기(variable capacity compressors)가 많이 사용되고 있으며(참고문헌 4 참조), 이러한 압축기는, 차량용 공조시스템에 사용되는 전자기 제어밸브(electromagnetic control valve)(ECV)와 결합되고, 이때, 상기한 ECV는, 솔레노이드 동작되어(solenoid operated) 서로 다른 포트 압력을 제어하는 역할을 하는 것이다.
더 상세하게는, 가변 변위 압축기(variable displacement compressor)는, 공조시스템이 스위치 온 상태이고 현재의 동작 조건(prevailing operating conditions)에 적합하도록 압축기의 변위를 효과적으로 변화시키는 것에 의해 냉매 흐름이 제어될 때 일정하게 동작한다(참고문헌 5 참조).
더욱이, 제어밸브는, 흡입 압력(suction pressure)을 감지하고 크랭크케이스-흡입압력 차이(crankcase-suction pressure differential)에 근거하여 경사판 각도를 제어하며, 즉, 제어밸브의 동작은 압력 차이에 따라 달라지게 된다(참고문헌 6 참조).
또한, 압축기의 용량(capacity)은 크랭크 챔버(crank chamber) 내의 흡입 압력에 의해 제어되는 경사판의 경사각에 의해 변경되며(참고문헌 7 참조), 이때, 경사판의 경사각은, 냉각 부하(cooling load)에 대웅하는 냉각회로 내의 냉매의 유량(flow rate)을 결정하는 흡입 압력을 나타낸다(참고문헌 8 참조).
아울러, ECV는, 전자기적으로 작동되는 제어밸브로서, 외부의 제어기로부터 솔레노이드 코일로 공급되는 전류량에 따라 플런저 스크로크(plunger stroke)를 제어하는 것이며, 여기서, 솔레노이드 밸브는, 리플 압력(ripple pressure)이 없는 외부 신호원으로부터의 PWM 입력신호에 의해 구동된다(참고문헌 9 참조).
상기한 바와 같이, 종래, 일반적으로, 승차감, 주행성능(drive ability) 및 연료 경제성(fuel economy standard)의 개선에 대한 요구를 충족하기 위해, 차량용 공조시스템에 있어서 낮은 에너지 소비 및 고효율 특성을 가지는 가변변위(variable displacement) 경사판형(swash(wobble) plate type) 압축기가 많이 사용되고 있다.
또한, 가변변위 경사판형 압축기는 경사판의 각도를 증가 또는 감소하는 것에 의해 압축기의 변위를 제어하며, 즉, 압축기 내의 솔레노이드(solenoid operated) 전자기 제어밸브(electromagnetic control valve, ECV)는, 외부 신호원(external source)(제어기(controller))으로부터 공급되는 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 입력신호에 의해, ECV 함수(function)를 이용하여 압력판 챔버(swash plate chamber)의 압력을 증가 또는 감소함으로써 경사판 각도를 변경하고 공조시스템을 제어하도록 구성된다.
여기서, ECV의 동작을 위한 힘(force)(솔레노이드)은, 주로 내부 구조, 즉, 복수의 압력 포트(pressure ports)를 통하여 공조 제어과정(air conditioning control procedures)을 행하는 냉매 흐름(amount of refrigerant flow)을 담당하는 ECV 플런저(plunger)의 움직임에 직접적으로 관련되는 힘으로서 ECV에 작용하는 힘을 계산하기 위해 중요하다.
아울러, 상기한 바와 같이, 차량의 연비를 개선하기 위하여는 동력계 이외에 공조시스템의 효율을 개선하는 것이 요구되며, 이와 같이 공조시스템의 효율을 높이기 위하여는 엔진 파워를 많이 소비하는 압축기의 효율을 높이는 것이 바람직하고, 여기서, 압축기는 전자제어밸브(ECV)에 의해 제어되므로, 따라서 압축기의 효율을 개선하기 위하여는 전자제어밸브(ECV)의 성능을 개선하는 것이 요구된다.
또한, 전자제어밸브(ECV)의 성능을 개선하기 위하여는, ECV의 동작을 위해 작용되는 각각의 힘(force)에 대한 특성을 분석하고, 그러한 분석 결과에 근거하여 용도에 적합한 성능 및 특성을 가지도록 ECV 및 압축기를 설계하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 분석방법이나 설계방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[참고문헌]
1. M. J. Kim, I. S. Park and G. H. Lee, "An Experimental Study on the Performance of Variable Displacement Swash Plate Type Compressor with Various Pressure of Swash Plate Chamber", the Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 33 No. 6, June 2004. p 765-770.
2. G. H. Lee and T. J. Lee, "A Study on the Variable Displacement Mechanism of Swash Plate Type Compressor for Automotive Air Conditioning System", International Compressor Engineering Conference, Paper 1706, Purdue, July 12-15, 2004.
3. Y. Huang, R. J. Callahan, S. A. Harte, and L. W. Smith, "Electronic control strategy for A/C compressor", United States Patent no. 6675592B2, 2004.
4. Y. J. Lee, G. H. Lee and B. E. Lim, "Design for Improving the Performance of a Control Valve in a Variable Compressor", 4th International Conference on Sustainable Automotive Technologies, RMIT University, Melbourne, Australia, 2012, p 343-348.
5. M. Stubblefield and J. H. Haynes, "Automotive heating and air conditioning", Haynes Publication Inc., California, USA, 2000, p 6-7.
6. B. H. Dwiggins, "Automotive Air Conditioning", 8th edition, Thomson Learning Inc. New York, USA, 2002, p 173.
7. Y. Takano, H. Kishita, K. Yamasaki and Y. Niimi, "Compressor control device for vehicle air conditioner", United States Patent no. 5867996A, 1999.
8. U. Satoshi, H. Tatsuya, M. Kazuhiko, H. Yuji, N. Masami and O. Masaki, "Control valve of variable displacement compressor", United States Patent no. 6637228, 2003.
9. G. S. Lee, H. J. Sung and H. C. Kim, "Multiphysics Analysis of a Linear Control Solenoid Valve", Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, Vol. 135/011104, 2013, pp. 1-10.
[선행기술문헌]
1. 일본특허출원 제2011-217463호(2011.09.30.)
2. 등록특허 제10-1057391호(2011.08.10.)
3. 공개특허공보 제10-2011-0035597호(2011.04.06.)
4. 일본특허출원 제2001-00043595호(2001.02.20.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선하기 위해, 전자제어밸브(ECV)의 동작을 위해 ECV 내부에서 작용되는 힘(force)의 특성을 분석하기 위한 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 의한 분석결과를 실제 ECV의 설계에 적용함으로써, 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선하는 동시에, 그것에 의해, 차량용 공조시스템 및 차량 전체의 효율 및 연비를 개선할 수 있도록 하기 위한 차량 공조시스템 압축기용 전자제어밸브의 설계방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 차량용 공조시스템(air conditioning control system)에 적용되는 가변용량형 압축기(variable displacement type compressor)에 사용되는 전자제어밸브(Electromagnetic Control Valve, ECV)에 작용하는 힘(force)을 분석하기 위한 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 있어서, 공급전류를 변화시켜면서 상기 전자제어밸브의 크랭크케이스 포트에서 상기 공급전류의 변화에 따른 냉매 흐름을 측정하는 단계; 상기 측정하는 단계에서 측정된 상기 냉매 흐름에 대하여 가이드 스트로크(guide stroke), 플런저 스트로크(plunger stroke) 및 벨로우즈 스트로크(bellows stroke)를 포함하는 각각의 스트로크에 의해 작용하는 솔레노이드 힘을 구하는 단계; 및 상기 솔레노이드 힘을 구하는 단계에서 구해진 결과에 근거하여 각각의 상기 스트로크의 최적값 또는 범위를 결정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법이 제공된다.
여기서, 상기 솔레노이드 힘을 구하는 단계는, 이하의 수학식을 이용하여 상기 솔레노이드 힘을 구하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013090160442-pat00001

(여기서, μ0는 실리콘 결정(SI system)의 투자율(permeability), N은 솔레노이드에 감긴 코일 수, i는 전류, η는 에너지 손실이 없는 경우의 솔레노이드 효율(solenoid efficiency), Acs는 자속이 인가되는 단면적, Pst는 플런저 스트로크(plunger stroke)임)
또한, 상기 분석방법은, 이하의 수학식을 이용하여, 정상상태(steady state condition)에서 전자제어밸브 내에서 작용하는 힘의 균형(balance)을 고려하여 상기 전제제어밸브의 설계를 행하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013090160442-pat00002

(여기서, Fm은 솔레노이드 자기력(solenoid magnetic force), Fh는 수력(hydraulic force), Ps는 흡입챔버 압력(suction chamber pressure), As는 흡입 압력이 인가되는 면적, Fflunger spring은 플런저 스프링 힘(plunger spring force), Fbellows spring은 벨로우즈 스프링 힘(bellows spring force), Fc는 크랭크케이스 챔버 힘(crankcase chamber force), Pc는 크랭크케이스 챔버 흐름(crankcase chamber flow), As는 크랭크케이스 압력이 인가되는 면적, Faerodynamic은 공기역학적 힘(aerodynamic force)임)
아울러, 본 발명에 따르면, 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 효율을 개선하는 동시에, 차량의 승차감 및 연비를 포함하는 전체적인 성능을 개선할 수 있도록 구성되는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브 설계방법에 있어서, 상기에 기재된 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 이용하여 상기 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘을 분석하는 단계; 및 상기 분석하는 단계의 분석결과에 근거하여 상기 가변용량형 압축기의 전자제어밸브를 설계하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브 설계방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전자제어밸브(ECV)의 동작을 위해 ECV 내부에서 작용되는 힘(force)의 특성을 분석하기 위한 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법이 제공됨으로써, 그러한 분석결과를 실제 전자제어밸브 설계에 반영함으로써 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 의한 분석결과를 실제 ECV의 설계에 적용하는 것에 의해 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선할 수 있는 차량용 공조시스템 압축기의 전자제어밸브 설계방법이 제공됨으로써, 차량용 압축기나 공조시스템뿐만 아니라 차량 전체의 효율 및 연비를 개선할 수 있다.
도 1은 주 제어밸브로서 ECV를 가지는 가변변위 경사판형 압축기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 ECV의 내부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 ECV의 스위치 온 및 스위치 온 상태에서 포트 동작에 따른 압력 유입과 배출의 두 가지 상태를 각각 나타내는 도면이다.
도 4는 벨로우즈 스프링 힘과 크랭크케이스 챔버 힘을 각각 나타내는 도면이다.
도 5는 가이드 몸체 표면에 작용하는 공기역학적 힘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 검증하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 실험장치를 이용하여 복수의 ECV 샘플에 대하여 수행된 실험결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 8은 각각의 ECV 샘플에 대하여 가이드 스트로크, 플런저 스트로크 및 플런저 힘의 분석 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 9는 각각의 ECV 샘플에 대하여 가이드 스트로크, 플런저 스트로크 및 플런저 힘의 분석 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 10은 각각의 ECV 샘플에 대하여 가이드 스트로크, 플런저 스트로크 및 플런저 힘의 분석 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 11은 공급전류의 변화에 따라 플런저 스트로크에 대한 힘의 이론적 결과와 실험적 결과를 각각 비교하여 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선하기 위해 전자제어밸브(ECV)의 동작을 위해 ECV 내부에서 작용되는 힘(force)의 특성을 분석하기 위한 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 의한 분석결과를 실제 ECV의 설계에 적용함으로써, 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선하는 동시에, 그것에 의해, 차량용 공조시스템 및 차량 전체의 효율 및 연비를 개선할 수 있도록 하기 위한 차량 공조시스템 압축기용 전자제어밸브의 설계방법에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 종래의 일반적인 가변변위 경사판형 압축기에 적용되는 ECV의 전체적인 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
즉, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 주 제어밸브로서 ECV를 가지는 가변변위 경사판형 압축기의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 ECV의 내부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, ECV는, 크게 나누어, 흡입 포트(suction port) Ps, 크랭크케이스 포트(crankcase port) Pc 및 배출 포트(discharge port) Pd를 포함하는 세 개의 압력포트(pressure port)로 이루어진다.
여기서, 상기한 흡입 포트 Ps는, 압축기 흡입구(compressor suction cavity)와 연결되어 흡입 압력을 감지하기(sense) 위한 것이고, 크랭크케이스 포트 Pc는 배출가스를 압축기 크랭크케이스로 이동시키기(diliver) 위한 것이며, 배출 포트 Pd는 압축기 배출구(compressor discharge cavity)로부터의 가스를 받아들이기(receive) 위한 것이다.
또한, 이들 포트는 주로 냉매 흐름 기능을 위하여 ECV를 통과하는 통로를 연결하고 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 ECV의 스위치 온 및 스위치 오프 상태에서 포트 동작에 따른 압력 유입(pressure incoming)과 배출(outgoing)의 두 가지 상태를 각각 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, PWM 변조된 전류가 ECV에 인가되어 스위치 온 상태에서 최대 배출 흐름(maximum discharge of flow)의 경우, Pc는 Ps 보다 크고 Pc에서 Ps로의 흐름은 개방(open)된다.
또한, 피스톤의 운동으로 인한 최대 스트로크는 Pd에서 흐름 압력(flow pressure)이 최대가 되도록 하며, Pd에서 Pc까지가 폐쇄시(closed) Pc 압력의 감소는 경사판 각도가 최대가 되도록 한다.
반면, PWM 변조된 전류가 ECV에 인가되지 않는 스위치 오프 상태인 경우, 즉, Pd에서 Pc까지가 개방되었을 때, Pd는 Pc 보다 크고 Pc에서 Ps로의 흐름은 폐쇄된다.
이때, 압력은 Pd에서 Ps로 이동하고, Pc는 폐쇄 위치(closing position) 쪽으로 이동하는 공급 전류와 PWM에 근거하여 최대 압력이 되며, 그 결과, Pd 압력은 감소하며, 그것에 의해, 피스톤 스트로크는 점차 정지하게 되고, 최종적으로 경사판이 각도가 없는 위치(no angle position)로 도달하게 된다.
즉, 상기한 바와 같이, ECV의 동작은, 예를 들면, 가이드(guide), 플런저(plunger) 및 벨로우즈 스트로크(bellows stroke)와 같이, 공급전류에 따라 ECV 내부에서 작용하는 서로 다른 힘에 관련된 각각의 스트로크에 의해 냉매의 흐름이 제어되며, 따라서 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 높이기 위하여는, 이와 같이 ECV 내부에서 작용하는 힘을 정확히 분석하여 ECV의 설계에 반영함으로써 보다 효율적인 ECV 구조를 제시하는 것이 중요하다.
이에, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이 하여, 여러 가지 공급전류에 대하여 크랭크케이스 포트로부터 냉매의 흐름을 측정하고, 이러한 냉매 흐름에 대하여 가이드(guide), 플런저(plunger) 및 벨로우즈 스트로크(bellows stroke)와 같은 스트로크의 차이에 의해 작용하는 힘(솔레노이드 힘)을 수치적으로 분석할 수 있는 분석방법을 제시하였다.
계속해서, 본 발명의 실시예에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서는, ECV 내부에서 작용하는 힘을 계산하기 위한 식을 유도하기 위해, 옴의 법칙(Ohm' law), 코일의 감은 수와 공급 전류에 기인하는 기자력(magneto motive force, MMF), 암페어의 법칙(Ampere's law), 자기장(magnetic field), 자속밀도(flux density) 및 맥스웰 공식(maxwell’s pulling force formular) 등과 같은 다양한 법칙 및 가정들이 고려되었다.
먼저, MMF는, 기전력(electromotive force)과 등가의 자력으로 간주될 수 있으며, MMF를 구하기 위하여는 솔레노이드에 코일을 감은 수(N)와 전류(i)를 알아야 하며, 이때, 전류는 전위차(V)와 저항(R)에 의해 계산될 수 있으므로, MMF는 이하의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013090160442-pat00003

[수학식 2]
Figure 112013090160442-pat00004

다음으로, 암페어의 법칙에 따르면, MMF에 가장 가까운 전기적인 값은 전압이고, 공급전류를 운반하는 전선 코일의 감은 수만큼의 자기장을 발생하기 위한 구동력(driving force)은 이하의 [수학식 3]을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013090160442-pat00005

여기서, H는 자기장이고, η는 에너지 손실이 없는 경우의 솔레노이드 효율(solenoid efficiency)이며, Pst는 플런저 스트로크(plunger stroke)이다.
또한, ECV의 유효 길이(effective length)는 플런저 스트로크(코어와 플런저 사이의 간격 길이)로 간주되고, 이는, 자속선(magnetic flux lines)이 완전히 순회하는(complete circuit) 동안 지나는 거리이며, 일반적으로, 코어의 물리적 크기(physical dimensions)에 밀접하게 대응되나, 자속이 경로의 내측 코너(inside corners)에 집중되는 경향을 가짐으로 인해 플런저 스트로크의 값은 이를 반영하여 변화한다.
아울러, ECV의 효율을 개선하기 위해 바람직한 플런저 스트로크 값은 0.60mm 내지 0.90mm 사이이다.
다음으로, 진공(코어와 플런저 사이의 간격)의 투자율(permeability)은 대략 1.257×10-6Hm-1의 유한한 값을 가지며, 실리콘 결정(SI system)을 기호 μ0로 나타낼 때, μ0는 자속밀도(flux density)(B)에 관련되고, H는 매개체(medium)의 투자율이라 불린다.
더 상세하게는, 코어의 투자율이 높아질수록 코어에 감긴 전선의 감긴 수당 인덕턴스는 증가하며 그 값은 자기장 세기 및 온도에 대하여 일정하나, 반대로, 강자성체 물질(ferromagnetic materials)에서 μ는 이러한 환경에 강하게 의존한다.
여기서, ECV의 경우, 코어와 플런저 사이의 간격은 비강자성체 물질(non-ferromagnetic substances), 즉, 공기(air)/진공(vaccum)이므로, 실용적인 용도에 있어서(practical purpose), 공기는 μ0와 거의 동일한 투자율을 가진다.
따라서 이를 수식으로 표현하면, 이하의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112013090160442-pat00006

또한, 자속밀도는 단순히 총 자속(total flux)(φ)을 그것이 지나가는 부분의 단면적(Acs)으로 나눈 것이며, 즉, 다시 말하면, 이하의 [수학식 5]에 나타낸 바와 같이, 자속밀도와 그것이 인가되는 단면적을 알면 총 자속을 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112013090160442-pat00007

여기서, 단면적을 구하기 위해서는 코어 및 플런저의 직경을 알아야 하며, 본 실시예에서, 코어는 8.4mm의 직경을 가지는 고정물(static item)이고 플런저는 직경 8.45mm의 운동체(moving item)이다.
즉, 코어의 직경을 D라 하면, 이하의 [수학식 6]에 의해, 단면적은 55.41mm2(55.41×10-6m2)로 계산된다.
[수학식 6]
Figure 112013090160442-pat00008

따라서 B, Acs 및 μ0를 이용하여, 맥스웰 공식(maxwell’s pulling force formular)을 이하의 [수학식 7] 및 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112013090160442-pat00009

[수학식 8]
Figure 112013090160442-pat00010

또한, 솔레노이드의 효율은, 일반적으로, 대략 30%의 에너지 손실을 가지는 것으로 간주되며, 이러한 에너지 손실은, 누설손실(leakage loss), 열손실(heat loss) 및 맴돌이 손실(eddy current loss)을 포함한다.
따라서 상기한 바와 같은 내용들로부터, 이하의 [수학식 9]에 나타낸 바와 같이, 솔레노이드 힘(solenoid force)을 계산하기 위한 간략화된 수식이 제시될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112013090160442-pat00011

다음으로, 밸브의 설계시 부피(volume)를 결정하는데 있어서, 정상상태(steady state condition)에서의 ECV 특성이 중요하며, 이 경우, 정상상태에서 여러 가지 힘의 균형(balance)은 이하의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112013090160442-pat00012

여기서, 상기한 [수학식 10] 에 있어서, Fm은 솔레노이드 자기력(solenoid magnetic force)이고, Fh는 수력(hydraulic force)이며, Ps는 흡입챔버 압력(suction chamber pressure)이고, As는 흡입 압력이 인가되는 면적이며, Fflunger spring은 플런저 스프링 힘(plunger spring force)이고, Fbellows spring은 벨로우즈 스프링 힘(bellows spring force)이며, Fc는 크랭크케이스 챔버 힘(crankcase chamber force)이고, Pc는 크랭크케이스 챔버 흐름(crankcase chamber flow)이며, As는 크랭크케이스 압력이 인가되는 면적이고, Faerodynamic은 공기역학적 힘(aerodynamic force)이다.
또한, 솔레노이드 자력은 외부 전원으로부터 전류가 공급될 때 밸브 내에 포함되며, 즉, 흡입 포트로부터 유체(fluid)가 유입되면, 이는 하우징을 점유하고(occupy) 따라서 자력과 동일한 방향으로 작용한다.
이는, 기본적으로, 흡입 압력이 인가된 면적 내의 흡입 압력의 크기로부터 산출되는 수력이며, 이러한 수력으로 인해, 플런저 스프링 힘 또는 인력(pulling force)에 의해 플런저 스프링이 수력과 반대 방향으로 이동하게 된다.
아울러, 크랭크케이스 챔버 힘은 크랭크케이스 압력이 인가되는 면적 내의 크랭크케이스 챔버 압력의 크기로부터 산출되며, 벨로우즈 스프링에는 벨로우즈 스프링 힘이 인가된다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 벨로우즈 스프링 힘과 크랭크케이스 챔버 힘을 각각 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 벨로우즈 유효 직경이 가이드(밸브) 몸체 단면적과 유사하므로, 힘은 축을 통하여 작용하고, 두 가지 힘이 모두 플런저 스프링 힘의 방향으로 작용하게 된다.
다음으로, 밸브는 그 표면 주위의 유체와 상호작용하며(interact), 여기서, 상기한 유체는, 그 형상을 변화시킬 수 있고 모든 지점에서 물리적 접촉을 유지할 수 있으므로, 접촉 지점(point of contact)(기계적 힘(mechanical forces))은 가이드 표면의 모든 지점마다 발생한다.
또한, 힘은 압력을 통하여 전달되고, 표면에 수직으로 작용하며, 아울러, 순힘(net force)은, 압력과 가이드의 전체 표면 주위 면적의 곱에 대한을 적분(integrating) 또는 합(summing)으로부터 알 수 있다.
더욱이, 이동 유체에 대하여, 한 지점에서 다른 지점으로 이동하면서 속도가 변화하므로 그에 따라 압력도 계속 변화하게 되고, 즉, 이를, 이른바 공기역학적 힘(aerodynamic force)이라 한다.
더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 가이드 몸체 표면에 작용하는 공기역학적 힘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 공기역학적 힘 또한, 플런저 스프림 힘의 방향, 즉, 자력과 반대 방향으로 작용하게 된다.
또한, 상황에 따라, 솔레노이드 자력은 다른 모든 힘에 우선하는 주된 힘으로서 간주되며, 따라서 비례적인(proportional) 총 작용힘(total workingforce)은 이하의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112013090160442-pat00013

계속해서, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 상기한 바와 같은 내용을 검증하기 위한 실험결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 검증하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 내용을 검증하기 위하여, 서로 다른 압력 설정과 치수를 가지는 여러 단계를 고려한 ECV 어셈블리 머신(ECV assembling machine)을 통해 ECV의 서로 다른 내부 특징을 구현하고, Pc흐름 측정을 위해, 도 6에 나타낸 바와 같이, 에어보드 테스터(air board tester)를 제작하였다.
더 상세하게는, 실제 차량의 ECU 모듈과 유사하도록, PWM 제어기가 입력전류에 비례하는 신호를 발생하여 400Hz로 ECV에 공급하였고, 이러한 PWM 신호에 비례하는 자력이 ECV에서 발생되었으며, 그것에 의해 서로 다른 포트 압력이 발생되는 것이 확인되었다.
또한, 상기한 실험에서, 크랭크케이스 압력 흐름, 즉, Pc 흐름에 대한 계산이 수행되었으며, 이 경우, 차량에 널리 사용되는 몇 가지 임의의 ECV 샘플이 동시에 테스트 되었고, 아울러, 크랭크케이스 압력 흐름을 lpm(litre per minute) 단위로 얻기 위해, 0.20Amp에서 0.95Amp까지의 공급전류에 대한 그들의 최소 및 최대 흐름 제한선(flow limit line)의 범위가 결정되었으며, 이어서, 흐름이 범위 내이면 유효한(viable) 결과인 것으로 간주하여 실험이 진행되었다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 도 6에 나타낸 바와 같은 실험장치를 이용하여 복수의 ECV 샘플에 대하여 수행된 실험결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 7에 나타낸 실험결과는 각각 3개의 ECV 샘플에 대하여 400Hz의 입력전류의 변화에 대한 Pc 흐름의 변화를 나타내는 것이며, 도 7에 나타낸 각각의 ECV 샘플에 있어서, 가이드 스트로크, 플런저 스트로크 및 벨로우즈 스트로크는 각각 0.31mm, 0.66mm 및 0.45mm로 측정되었다.
따라서 상기한 바와 같은 측정결과로부터, 세 가지 샘플 모두 최대 및 최소 제한선 범위를 만족하는 것을 알 수 있다.
여기서, 도 6에 나타낸 바와 같은 상기한 에어보드 테스터의 파라미터 설정은 다음과 같다.
최대 고압(maximum high pressure) : 0.69 bar
흐름 설정(flow setting) : V1 -> high, V2 -> Pd, V3 -> off, V4 -> Pc flow, V5 -> off, V6 -> flow, V7 -> all, V8 -> all
DC 전원(power supply) : 23.7 V
듀티 컨트롤러 전원(duty controller power supply) : 13.5 V
주파수(frequency) : 400 ± 10 Hz
듀티(duty) : 0 ~ 100 %
계속해서, 본 발명자들은, 힘을 분석하기 위해, 각 샘플에 대하여 플런저 힘을 계산하였으며, 즉, 실제로, 공급전류에 의한 솔레노이드 자력에 의해 플런저가 이동하게 되고, 이때, 각각의 ECV에 대하여, 가이드 스트로크, 플런저 스트로크 및 벨로우즈 스트로크의 세 가지 스트로크가 공기/냉매 흐름을 제어하는데 직접적으로 관련되므로 중요하고, 또한, 이들 스트로크는 공기흐름(airflow)과 밀접하게 관련된다.
아울러, ECV에 대하여, 표준적인 가이드 스트로크 및 플런저 스트로크는, 각각 0 ~ 0.30mm와 0.60 ~ 0.90mm로 간주된다.
더욱이, 도 7에 나타낸 바와 같은 실험결과로부터, 상기한 바와 같은 표준적인 가이드 스트로크 및 플런저 스트로크 범위 내에서 공급전류의 변화에 따라 Pc 흐름에 대한 서로 다른 가이드 스트로크 및 플런저 스트로크 위치가 측정된다.
마찬가지로, 공급전류의 변화에 따라 Pc 흐름에 대한 플런저 힘이 측정되고, 0.60mm 내지 0.90mm의 플런저 스트로크에서, 실험예의 플런저 힘은 각각 1480gf 내지 490gf이다.
여기서, 이러한 값은, 압축부하 시험장치(compression load test machine)(부하 대 변위 그래프(load vs. displacement graph))에 의해 수행되는 플런저 스프링과 벨로우즈 스프링 부하 테스트의 합으로부터 계산되고 플런저 스트로크 제한(plunger stroke limits) 내에서 측정된다.
즉, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 도 8 내지 도 10은 각각의 ECV 샘플에 대하여 가이드 스트로크, 플런저 스트로크 및 플런저 힘의 분석 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
또한, 도 11을 참조하면, 도 11은 공급전류의 변화에 따라 플런저 스트로크에 대한 힘의 이론적 결과와 실험적 결과를 각각 비교하여 나타내는 도면이다.
도 11에 있어서, 실험적인 값은 도 8 내지 도 10으로부터 얻어진 것이며, 각각의 값들은 0.20Amp 내지 0.95Amp 범위의 공급전류 변화에 대응하는 Pc 흐름을 나타낸다.
더 상세하게는, 도 8 내지 도 11에 나타낸 결과로부터, 각 샘플에 대한 가이드 및 플런저 스트로크 양쪽의 초기값(starting vlaue)에서 1480gf의 최대 플런저 힘 이후 0.80Amp의 공급전류에서 흐름이 0(zero)에 도달하는 것을 알 수 있다.
아울러, 이론적인 값은 상기한 [수학식 9]에서 공급전류의 변화와 플런저 스트로크를 서로 다른 값으로 하여 얻어지는 것이고, 즉, 각각의 Pc 흐름 지점에 대하여, 변화하는 공급전류와 플런저 스크로크가 측정되고, 최종적으로, 이론적인 결과가 얻어진다.
이상, 상기한 바와 같은 내용으로부터, 본 발명에 따르면, 가변변위 경사판형 압축기용 ECV의 힘 및 힘의 균형에 대한 분석이 이루어질 수 있으며, 그것에 의해, 솔레노이드 힘을 계산하기 위한 이론적인 수식이 제시된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 이론을 검증하기 위해, 가이드 스트로크, 플런저 스트로크, 벨로우즈 스크로크, 에어보드 테스터 구조 등과 같은 서로 다른 파라미터 설정을 고려한 3개의 ECV 샘플에 대하여 검증실험이 수행되었으며, 가이드 및 플런저 스트로크 내에서 실험적인 Pc 흐름 분석으로부터 플런저 힘이 얻어지고, 상기한 바와 같은 수학식들로부터 이론적인 결과가 얻어진다.
아울러, 본 발명에 따르면, 이론적인 결과와 실험적인 결과의 비교를 통하여, 본 발명에 따른 분석방법 및 그러한 방법에 따른 분석결과에 근거하여 설계된 ECV가 개선된 성능을 가지는 것임을 알 수 있다.
더욱이, 도 12를 참조하면, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법은, 먼저, 공급전류를 변화시켜면서 전자제어밸브의 크랭크케이스 포트에서 공급전류의 변화에 따른 냉매 흐름을 측정하고(단계 S121), 이어서, 측정된 냉매 흐름에 대하여, 상기한 [수학식 1] 내지 [수학식 11]을 참조하여 설명한 바와 같이 하여, 각각의 가이드 스트로크(guide stroke), 플런저 스트로크(plunger stroke) 및 벨로우즈 스트로크(bellows stroke)에 의해 작용하는 솔레노이드 힘을 구한다(단계 S122).
다음으로, 상기 단계에서 구해진 솔레노이드 힘에 근거하여 각각의 스트로크의 최적값 또는 범위를 결정하여 전자제어밸브의 설계에 반영함으로써(단계S123), 종래에 비해 개선된 성능의 ECV 설계가 가능하게 된다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법의 각 단계들로부터 얻어진 분석결과에 근거하여 ECV 구조의 설계를 수행하는 단계를 더 포함함으로써, 차량용 압축기 및 공조시스템뿐만 아니라 차량 전체의 효율 및 연비를 개선할 수 있는 차량 공조시스템 압축기용 ECV의 설계방법을 제공할 수 있다.
즉, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 전자제어밸브(ECV)의 동작을 위해 ECV 내부에서 작용되는 힘(force)의 특성을 분석하기 위한 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법이 제공됨으로써, 그러한 분석결과를 실제 전자제어밸브 설계에 반영하여 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 의한 분석결과를 실제 ECV의 설계에 적용하는 것에 의해 차량용 공조시스템의 압축기 효율을 개선할 수 있는 차량용 공조시스템 압축기의 전자제어밸브 설계방법이 제공됨으로써, 차량용 압축기나 공조시스템뿐만 아니라 차량 전체의 효율 및 연비를 개선할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 차량 공조시스템 압축기용 전자제어밸브의 크랭크케이스 유동특성 분석방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (4)

  1. 차량용 공조시스템(air conditioning control system)에 적용되는 가변용량형 압축기(variable displacement type compressor)에 사용되는 전자제어밸브(Electromagnetic Control Valve, ECV)에 작용하는 힘(force)을 분석하기 위한 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법에 있어서,
    공급전류를 변화시켜면서 상기 전자제어밸브의 크랭크케이스 포트에서 상기 공급전류의 변화에 따른 냉매 흐름을 측정하는 단계;
    상기 측정하는 단계에서 측정된 상기 냉매 흐름에 대하여 가이드 스트로크(guide stroke), 플런저 스트로크(plunger stroke) 및 벨로우즈 스트로크(bellows stroke)를 포함하는 각각의 스트로크에 의해 작용하는 솔레노이드 힘을 구하는 단계; 및
    상기 솔레노이드 힘을 구하는 단계에서 구해진 결과에 근거하여 각각의 상기 스트로크의 값 또는 범위를 결정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 솔레노이드 힘을 구하는 단계는,
    이하의 수학식을 이용하여 상기 솔레노이드 힘을 구하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법.

    Figure 112013090160442-pat00014


    (여기서, μ0는 실리콘 결정(SI system)의 투자율(permeability), N은 솔레노이드에 감긴 코일 수, i는 전류, η는 에너지 손실이 없는 경우의 솔레노이드 효율(solenoid efficiency), Acs는 자속이 인가되는 단면적, Pst는 플런저 스트로크(plunger stroke)임)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 분석방법은,
    이하의 수학식을 이용하여, 정상상태(steady state condition)에서 전자제어밸브 내에서 작용하는 힘의 균형(balance)을 고려하여 상기 전제제어밸브의 설계를 행하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법.

    Figure 112013090160442-pat00015


    (여기서, Fm은 솔레노이드 자기력(solenoid magnetic force), Fh는 수력(hydraulic force), Ps는 흡입챔버 압력(suction chamber pressure), As는 흡입 압력이 인가되는 면적, Fflunger spring은 플런저 스프링 힘(plunger spring force), Fbellows spring은 벨로우즈 스프링 힘(bellows spring force), Fc는 크랭크케이스 챔버 힘(crankcase chamber force), Pc는 크랭크케이스 챔버 흐름(crankcase chamber flow), As는 크랭크케이스 압력이 인가되는 면적, Faerodynamic은 공기역학적 힘(aerodynamic force)임)
  4. 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 효율을 개선하는 동시에, 차량의 승차감 및 연비를 포함하는 전체적인 성능을 개선할 수 있도록 구성되는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브 설계방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘 분석방법을 이용하여 상기 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브에 작용하는 힘을 분석하는 단계; 및
    상기 분석하는 단계의 분석결과에 근거하여 상기 가변용량형 압축기의 전자제어밸브를 설계하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 공조시스템용 가변용량형 압축기의 전자제어밸브 설계방법.
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