KR101653893B1 - 전자 팽창 밸브 및 공기조화기 - Google Patents

전자 팽창 밸브 및 공기조화기 Download PDF

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Abstract

전자 팽창 밸브는, 밸브체, 밸브시트, 스테핑 모터를 구비하고 있다. 밸브체의 선단에는, 밸브부가 형성되어 있다. 밸브시트는, 밸브체가 축방향으로 이동함으로써 밸브부와의 사이에 가변 조절부를 형성한다. 스테핑 모터는, 펄스수에 따라서 밸브부를 이동시킨다. 밸브부의 측면의 적어도 일부는 개도비가 일정해지는 형상으로 형성되어 있다.

Description

전자 팽창 밸브 및 공기조화기{ELECTRONIC EXPANSION VALVE, AND AIR CONDITIONER}
본 발명은, 공기 조화기의 냉매 회로에 설치되는 전자 팽창 밸브 및 공기 조화기에 관한 것이다.
전자 팽창 밸브로서, 특허문헌 1에 기재된 기술이 알려져 있다. 이 기술에서는, 소(小)유량 범위에서의 냉매 유량의 제어성을 향상시키기 위해서, 밸브체에, 냉매 통로와 대략 평행한 면이 형성되어 있다.
공기 조화기의 동작이 안정기에 있을 때, 냉매 유량의 미소한 조정이 필요하다. 그러나 밸브체의 최소 이동 폭에 대한 개구 면적의 증대가 크면, 냉매 유량을 미소량만큼 증대 또는 감소시키는 것이 어렵다. 냉매 유량이 제어상의 허용 범위 내를 넘어 변동할 때는, 개도를 미세 조정하기 위해 밸브체의 진퇴가 반복된다.
종래의 전자 팽창 밸브에서는, 상기의 구성에 의해, 소유량 범위에 있어서의 냉매 유량을 제어하는 것이 가능하다. 그러나 밸브 본체의 기부가 냉매 통로의 측면에 대하여 소정 거리에 걸쳐 평행하기 때문에, 이 범위 내에서 밸브체가 이동해도, 개구 면적은 거의 변화하지 않는다. 즉, 밸브체의 이동 장소에 따라서는, 냉매 유량이 거의 변화되지 않아, 냉매 유량을 미세조정할 수 없다.
일본국 특개평 10-148420호 공보
본 발명의 목적은, 냉매 유량을 미세조정할 수 있는 전자 팽창 밸브 및 공기 조화기를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 양태에 의하면, 선단에 밸브부가 형성된 밸브체와, 밸브체가 축방향으로 이동함으로써 밸브부와의 사이에 가변 조절부를 형성하는 밸브시트와, 펄스수에 따라서 밸브체를 이동시키는 스테핑 모터를 구비한 전자 팽창 밸브가 제공된다. 밸브부와 밸브시트의 사이에 형성되는 간극으로서 축방향에 직교하는 단면의 면적을 개구 면적으로 하고, 펄스수의 증감 전의 개구 면적과 펄스수의 증감 후의 개구 면적의 면적비를 개도비로 한 경우, 밸브부의 측면의 적어도 일부는, 개도비가 일정해지는 형상을 가지고 있다.
이 구성에 의하면, 밸브부의 측면의 적어도 일부는, 개도비가 일정해지도록 형성되어 있다. 이 때문에, 밸브체를 이동시켰을 때, 일정비로 개구 면적이 증대한다. 따라서, 냉매 유량의 변화비가 일정해진다. 따라서, 냉매 유량을 미세 조정할 수 있다. 또한, 「개도비가 일정」에는 「실질적 일정」이 포함된다. 즉, 개도비가 일정한 곡면 형상 이외에, 복수의 면을 포함하고 또한 각 면의 경계선을 곡면 상에 배치한 면이 포함되고, 또한, 이 곡면에 근사한 근사 곡면도 포함된다.
상기의 전자 팽창 밸브에 있어서, 밸브부의 측면은, 축방향으로 3개 이상의 영역으로 구분되고, 각 영역의 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 각 영역의 측면은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있다. 이 때문에, 밸브부의 측면은, 가상 곡면에 근사해 있다. 이에 따라, 밸브부의 이동 범위에 걸쳐, 냉매 유량의 변화비가 대략 일정해진다. 따라서, 냉매 유량을 미세조정할 수 있다.
상기의 전자 팽창 밸브에 있어서, 각 영역의 축 방향의 길이를 구간 길이로 한 경우, 각 영역의 구간 길이는, 밸브부의 선단부를 향해서 차례로 작아지는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 각 영역의 측면은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있다. 또한, 각 영역의 구간 길이는, 밸브부의 선단부를 향해서 차례로 작아진다. 이 때문에, 개도가 클수록, 밸브부의 이동량에 대한 개도의 변화량은 커지고, 또한, 개도가 작을수록, 밸브부의 이동량에 대한 개도의 변화량은 적어진다. 이에 따라, 소(小)개도 영역에서는, 대(大)개도 영역에 비하여, 냉매 유량을 더욱 높은 정밀도로 조정할 수 있다. 한편, 대개도 영역에서는 냉매 유량을 고정밀도로 조정할 필요가 없으므로, 상기의 구성은, 전자 팽창 밸브의 동작의 안정화에 기여할 수 있다.
상기의 전자 팽창 밸브에 있어서, 개구 면적의 최대치를 최대 개구 면적으로 하고, 최대 개구 면적에 대한 개구 면적의 비율을 개도로 한 경우, 밸브부의 측면은, 개도가 0% 이상∼25% 미만이 되는 부분에 대응하는 제1 영역, 개도가 25% 이상∼50% 미만이 되는 부분에 대응하는 제2 영역, 개도가 50% 이상∼75% 미만이 되는 부분에 대응하는 제3 영역, 및 개도가 75% 이상∼100% 이하가 되는 부분에 대응하는 제4 영역으로 구분되고, 각 영역의 측면은 원뿔대의 측면이며, 각 영역의 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 밸브부가 이동하여 개도가 25% 증대할 때마다, 밸브부의 측면 형태가 변화된다. 또한, 각 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있다. 이 때문에, 밸브부의 측면이 곡면인 경우에 비해서 밸브부를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 밸브부의 이동 범위에 걸쳐, 유량 변화비를 개략 일정하게 할 수도 있다.
상기의 전자 팽창 밸브에 있어서, 개구 면적의 최대치를 최대 개구 면적으로 하고, 최대 개구 면적에 대한 개구 면적의 비율을 개도로 한 경우, 밸브부의 측면은, 개도가 0% 이상∼20% 미만이 되는 부분에 대응하는 제1 영역, 개도가 20% 이상∼40% 미만이 되는 부분에 대응하는 제2 영역, 개도가 40% 이상∼60% 미만이 되는 부분에 대응하는 제3 영역, 개도가 60% 이상∼80% 미만이 되는 부분에 대응하는 제4 영역, 및 개도가 80% 이상∼100% 이하가 되는 부분에 대응하는 제5 영역으로 구분되고, 각 영역의 측면은 원뿔대의 측면이며, 각 영역의 측면 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 밸브부가 이동하여 개도가 20% 증대할 때마다, 밸브부의 측면 형태가 변화된다. 또한, 각 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있다. 이 때문에, 밸브부의 측면이 곡면인 경우에 비하여 밸브부를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 밸브부의 이동 범위에 걸쳐, 유량 변화비를 대략 일정하게 할 수도 있다.
상기의 전자 팽창 밸브에 있어서, 밸브부의 밸브축을 포함하는 단면의 외형선이 다음의 2개의 식으로 표시되는 관계,
[수식 1]
Figure 112014039612088-pct00001
(x는 밸브부의 축방향에 있어서 밸브시트의 기부로부터 반경 r에 대응하는 부분까지의 길이, xmax는 밸브부의 기부로부터 선단까지의 길이, β는 개도비, Smax는 최대 개구 면적, r은 밸브부의 밸브축으로부터 측면까지의 길이(반경))를 만족하는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 밸브부의 측면이 곡면이며, 밸브부의 이동 범위에 있어서 개도비가 β이다. 이 때문에, 밸브부의 이동 범위에 걸쳐, 냉매의 유량 변화를 대략 일정하게 할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제2 양태에 의하면, 선단에 밸브부가 형성된 밸브체와, 밸브체가 축방향으로 이동함으로써 밸브부와의 사이에 가변 조절부를 형성하는 밸브시트와, 펄스수에 따라서 밸브체를 이동시키는 스테핑 모터를 구비한 전자 팽창 밸브가 제공된다. 밸브부의 측면 중 기부로부터 선단까지의 적어도 기부로부터 1/5까지의 영역은, 밸브부의 밸브축에 대한 각도 θ이 다음 식
[수식 2]
Figure 112014039612088-pct00002
를 만족한다.
이 구성에 의하면, 밸브부의 기부 부근이며 기부로부터 선단까지의 적어도 1/5의 영역은, 상기의 식을 만족하는 측면 형상을 가지고 있다. 이 경우, 밸브부의 이동에 대하여, 개구 면적을 미소하게 씩 증감시킬 수 있다. 따라서, 소개도 영역에 있어서, 냉매 유량을 미세조정할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제3 양태에 의하면, 상기의 전자 팽창 밸브를 구비하는 공기 조화기가 제공된다.
이 구성에 의하면, 냉매 유량을 미세조정할 수 있으므로, 공기 조화기에 의한 공조 성능이 안정된다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 관련된 공기 조화기의 전체 구조를 나타내는 모식도.
도 2는 전자 팽창 밸브의 단면 구조를 나타내는 부분 단면도.
도 3(a)는 전자 팽창 밸브가 전폐되었을 때의 밸브체 부근의 단면도, (b)는 전자 팽창 밸브가 조여진 상태에 있을 때의 밸브체 부근의 단면도.
도 4는 도 3(b)의 4-4선에 따른 단면도.
도 5(a)는 펄스 적산값과 개도의 관계를 나타내는 맵, (b)는 펄스 적산값과 개도비의 관계를 나타내는 맵.
도 6은 전자 팽창 밸브에 있어서의 밸브부를 확대하여 나타내는 부분 측면도.
도 7은 변형예의 밸브부를 나타내는 부분 측면도.
도 8은 변형예의 밸브부를 나타내는 부분 측면도.
도 9는 전자 팽창 밸브의 제어에 이용되는 제어 맵.
이하, 본 발명의 일실시 형태에 관련된 공기 조화기에 대하여 도 1∼도 6을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 공기 조화기(1)는, 냉매를 압축하는 압축기(10)와, 실외에 설치되는 실외 열 교환기(20)와, 냉매를 팽창시키는 전자 팽창 밸브(30)와, 실내에 설치되는 실내 열 교환기(50)와, 4로 전환 밸브(60)와, 각 장치를 관리 및 제어하는 제어 장치(70)를 구비하고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 전자 팽창 밸브(30)는, 냉매의 출입구를 이루는 제1 배관(31)과, 제2 배관(32)과, 봉형상의 밸브체(40)와, 밸브시트(33)와, 밸브 구멍(34)을 가지는 원통형상 부재(35)와, 밸브체(40)를 축방향으로 구동하는 스테핑 모터(36)를 구비하고 있다.
제1 배관(31)은, 전자 팽창 밸브(30)의 한쪽의 출입구를 구성한다. 제2 배관(32)은, 전자 팽창 밸브(30)의 다른 쪽의 출입구를 구성한다. 제2 배관(32)은, 제1 배관(31)에 대하여 수직으로 교차한다. 원통상 부재(35)는, 제1 배관(31)과 밸브실(37)을 접속한다. 밸브 구멍(34)의 밸브실(37) 부근에는, 테이퍼부가 형성되어 있다. 테이퍼부는, 밸브시트(33)를 구성한다.
도 3(a) 및 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 밸브체(40)는, 밸브봉(41)과, 테이퍼부(42)와, 밸브봉(41)의 선단에 테이퍼부(42)를 통하여 형성된 밸브부(43)에 의해 구성되어 있다. 밸브봉(41)은, 스테핑 모터(36)의 회전축에 고정되어 있다.
테이퍼부(42)는, 밸브시트(33)에 맞닿음으로써, 전자 팽창 밸브(30)를 전폐한다. 밸브부(43)는, 밸브 구멍(34)에 삽입된다. 밸브부(43)의 외경은, 밸브 구멍(34)의 내경보다도 작고, 또한 선단을 향해서 직경이 작아지고 있다. 가변 조절부는, 밸브부(43)가 축방향으로 이동함으로써, 밸브부(43)와 밸브시트(33)의 사이에 형성된다. 밸브체(40)와 스테핑 모터(36)의 회전축은, 나사 또는 기어 등의 회전 변환 기구를 통하여 접속되어 있다. 회전 변환 기구는, 스테핑 모터(36)의 회전축의 회전 운동을 밸브체(40)의 직선 운동으로 변환한다.
스테핑 모터(36)는, 제어 장치(70)로부터 출력되는 펄스 신호에 의해 구동한다. 펄스 수와 회전각은 상관된다. 스테핑 모터(36)에 입력되는 펄스수에 비례하여 스테핑 모터(36)의 회전축의 회전각이 커진다. 밸브체(40)는, 축방향으로 이동한다. 밸브체(40)의 이동량은, 스테핑 모터(36)의 회전각에 비례한다. 밸브체(40)의 이동량, 즉 밸브부(43)의 이동량은, 제어 장치(70)로부터 스테핑 모터(36)에 출력되는 펄스수에 비례한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 제어 장치(70)에는, 온도 센서(71) 및 압력 센서(72)가 접속되어 있다. 온도 센서(71)는 냉매의 온도(이하, 냉매 온도)를 검출하여, 냉매 온도에 대응하는 냉매 온도 신호를 제어 장치(70)에 출력한다. 압력 센서(72)는 냉매의 압력(이하, 냉매 압력)을 검출하고, 냉매 압력에 대응하는 냉매 압력 신호를 제어 장치(70)에 출력한다.
제어 장치(70)는, 스테핑 모터(36)에 출력하는 펄스 수를 카운트한다. 또한, 제어 장치(70)는, 카운트한 펄스 수를 적산하여, 펄스 적산값을 계산하고, 또한 펄스 적산값을 기억한다. 펄스 수에는, 양음의 부호가 부여되어 있다. 밸브부(43)가 밸브 구멍(34)에 삽입하는 방향 (이하, 진입 방향)으로 스테핑 모터(36)의 회전축이 부회전할 때, 펄스 수는 음의 값이다. 한편, 밸브부(43)가 밸브 구멍(34)으로부터 나가는 방향(이하, 퇴출 방향)으로 스테핑 모터(36)의 회전축이 정회전하면, 펄스 수는 양의 값이다. 즉, 스테핑 모터(36)의 회전축이 정회전하여 밸브부(43)가 퇴출 방향으로 이동하면, 펄스 적산값은 증대한다. 한편, 스테핑 모터(36)의 회전축이 부회전하여 밸브부(43)가 진입 방향으로 이동하면, 펄스 적산값은 감소한다.
도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 밸브체(40)의 테이퍼부(42)가 밸브시트(33)에 접촉할 때의 밸브부(43)의 위치가, 기준 위치로 설정된다. 밸브부(43)가 기준 위치에 있을 때, 제어 장치(70)의 펄스 적산값이 리셋되어, 펄스 적산값은 「0」이 된다. 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 밸브부(43)가 기준 위치로부터 떨어졌을 때, 밸브부(43)와 밸브시트(33)의 최소 직경 부분과의 사이에 간극이 형성된다. 밸브부(43)의 위치는, 기준 위치로부터의 밸브부(43)의 이동 거리와 같다. 이 때문에, 밸브부(43)의 위치는, 펄스 적산값과의 관계로 특정된다. 기준 위치로부터의 밸브부(43)의 이동량은, 기준 위치부터 소정 위치까지 이동하는 동안에 카운트되는 펄스수의 총 합에 대응한다. 밸브부(43)의 위치는, 펄스 적산값에 대응한다.
개구 면적은, 밸브시트(33)의 최소 직경 부분과 밸브부(43) 사이의 간극의 면적이다. 구체적으로는, 개구 면적은, 밸브시트(33)의 최소 직경 부분의 면적(SA)과, 밸브시트(33)의 최소 직경 부분을 포함하는 면에 따른 밸브부(43)의 단면적(SB)과의 차이다. 면적(SA) 및 단면적(SB)은 모두 축방향에 직교하는 단면의 면적에 상당한다.
밸브부(43)의 전체가 제1 배관(31)으로부터 나왔을 때, 개구 면적은, 밸브시트(33)의 최소 직경 부분의 면적(SA)에 일치하고, 최대 개구 면적(Smax)에 대응한다. 개도는, 밸브부(43)가 소정 위치에 있을 때의 개구 면적과 최대 개구 면적(Smax)의 비(%)이다. 밸브부(43)의 테이퍼부(42)와 밸브시트(33)가 접촉하여 전폐되어 있는 경우, 개도는 0%이다. 밸브부(43)가 제1 배관(31)으로부터 완전히 나와 있는 경우, 개도는 100%이다.
개도는, 근사적으로, 냉매 유량에 비례 관계에 있다. 냉매 유량을 제어할 때, 개도가 조정된다. 개도 조정은, 펄스 적산값을 이용하여 행해진다. 펄스 적산값의 증대에 따라, 개도도 증대한다. 한편, 펄스 적산값에 따르는 개도의 증대 양태는, 밸브부(43)의 측면 구조에 의존한다. 이 때문에, 제어 장치(70)는, 개도 조정을 행할 때, 개도와 펄스 적산값의 관계를 나타내는 맵을 이용한다.
예를 들면, 형성하기 쉬운 형상인 원뿔상의 밸브부(43)를 채용할 경우, 펄스 적산값(Xa)에 대하여, 개도가 C－D·(E－Xa)2 함수로서 표시되는 맵이 이용된다. 이 경우, 소개도 영역에서 개도 조정할 때, 개도에 대한 Xa2의 기여가 크다. 즉, 펄스 적산값(Xa)의 미소 변화에 있어서의 개도의 변화량이 크기 때문에, 개도의 미세조정이 어려워, 유량 미세조정이 곤란하다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 개도를 고정밀도로 제어하는 것을 목적으로 하여, 개도 조정을 용이하게 행할 수 있는 맵을 상정하고 있다. 또한, 출원인은, 이 맵에 의거한 밸브 구조를 고안했다.
도 5(a)의 맵에 도시하는 바와 같이, 개도는, 펄스 적산값(Xa)에 대응하는 밸브부(43)의 위치에 대하여 지수 함수적으로 커진다. 개도는, 다음의 (1)식을 만족한다.
[수식 3]
Figure 112014039612088-pct00003
·Y: 개도
·A: 상수
·X: 펄스 적산값
·β: X＝최대 펄스 적산값(Xmax)으로 했을 때 Y＝100이 되는 값.
·Xmax: 펄스 적산값의 최대치. 즉, 기준 위치로부터 가장 떨어진 밸브부(43)의 위치에 대응하는 펄스 적산값.
X＝0일 때, 즉 펄스 적산값이 0일 때, 실제로는, 개도가 0%가 된다. 그러나 계산의 간략을 위해, X＝0일 때, 개도가 소정값을 취하게 한다.
개도 Y(X)에 의하면, 펄스 적산값(X)의 소정값 δ(펄스수의 소정 증감값)만큼 상이한 2점에 있어서, 다음 관계가 성립한다.
[수식 4]
Figure 112014039612088-pct00004
소정값(δ)을 1(1펄스)로 한 경우, 펄스 적산값(X)이 1상이한 2점에 있어서의 개도비(Y(X＋1)/Y(X))는 「β」가 된다. 개도비는, 펄스 적산값(X)에 상관없이 일정하다. 소정값(δ)을 크게 하면 개도비(Y(X+δ)/Y(X))도 커지지만, 개도비는 펄스 적산값(X)에 대하여 일정하다.
요컨대, (1)식을 만족하는 것은, (2)식을 만족하는 것과 같다. (1)을 만족하는 맵을 이용하면, 펄스 적산값에 대응하는 밸브부(43)의 위치에 대하여 개도비는 일정해진다. 펄스 적산값의 전체에 걸쳐 개도비가 일정하면, 펄스 적산값에 대한 냉매 유량의 변화비도 일정해진다. 이 때문에, 냉매 유량을 제어하기 쉽다. 특히, 소개도 영역에서의 개도가 미소량씩 증대하기 때문에, 냉매 유량의 미세조정이 가능해진다.
개도비가 일정한 것은, 펄스 적산값의 증분에 대하여 개도가 소정값씩 증대하는 것을 나타낸다. 예를 들면, 개도비를 1.05 또한 개도의 초기값을 1%로 할 때, 펄스 적산값의 1씩의 증대에 대하여, 개도는, 1.0%, 1.05%, 1.1025%, 1.15763%…로 차례로 증대한다.
이러한 종류의 맵에 의하면, 냉매 유량은, 펄스 적산값의 증대와 함께 지수 함수적으로 증대한다. 즉, 펄스 적산값이 작을 때, 냉매 유량은 작고, 또한 펄스 적산값의 증대에 따르는 냉매 유량의 증분도 작다. 한편, 펄스 적산값이 클 때, 냉매 유량은 크고, 또한 펄스 적산값의 증대에 따르는 냉매 유량의 증분도 크다.
도 6을 참조하여, (1)식을 만족하는 밸브부(43)의 외형선의 형상에 대하여 설명한다. 밸브부(43)의 밸브축을 포함하는 단면의 외형선은, 이하의 식을 만족한다.
[수식 5]
Figure 112014039612088-pct00005
[수식 6]
Figure 112014039612088-pct00006
x: 밸브부(43)에 있어서 기부(44)로부터 반경(r)에 대응하는 부분까지의 길이.
·xmax: 밸브부(43)에 있어서 기부(44)로부터 선단까지의 길이.
·β: 개도비
·Smax: 최대 개구 면적.
·r: 밸브부(43)의 밸브축으로부터 측면까지의 길이(반경).
·B:상수.
xmax는, 1펄스에 대해서 밸브부(43)가 축방향으로 이동하는 거리를 단위 거리로 한 경우, 단위 거리와 최대 펄스 적산값(Xmax)의 적에 대응한다. 또한, 테이퍼부(42)의 폭을 미소로 간주하고, 기부(44)의 단면적과 최대 개구 면적(Smax)이 일치하는 것으로 했다.
이상의 식을 만족하는 밸브부(43)는, 펄스 구동에 의해 (1)식 및 (2)식을 만족한다. (3)식에 의하면, (5)식이 성립한다.
[수식 7]
Figure 112014039612088-pct00007
(5)식은, 밸브부(43)가 기준 위치부터 거리(x)의 위치까지 떨어졌을 때의 거리 x와 r의 관계를 나타낸다. (5)식은, 개구 면적을 나타낸다. (5)식은, 밸브부(43)의 소정 위치에 있어서의 개도를 나타낸다. (5)식에 의하면, 최대 개구 면적(Smax)과, 밸브시트(33)의 최소 직경 부분을 포함하는 면에 따른 밸브부(43)의 단면적(π·r2)과의 차이가, 밸브부 위치의 지수 함수로서 나타나 있다. 식(5)는 (1)식과 동일하다. (4)식에서는, 밸브부(43)의 위치에 관계없이, 개도비가 일정하다.
도 7을 참조하여, 밸브부(43)의 다른 예를 설명한다. 본 예의 밸브부(43)의 측면은, 5개의 영역으로 구분되어 있다. 제1 영역(RA)은, 개도가 0% 이상∼20% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제2 영역(RB)은, 개도가 20% 이상∼40% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제3 영역(RC)은, 개도가 40% 이상∼60% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제4 영역(RD)은, 개도가 60% 이상∼80% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제5 영역(RE)은, 개도가 80% 이상∼100% 이하가 되는 부분에 대응한다.
각 영역의 측면은 원뿔대의 측면이다. 각 영역의 측면 경계선(LS)은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면(V) 상에 설치되어 있다. 구체적으로는, 가상 곡면(V)은, (3)식 및 (4)식을 만족하는 곡면이다. 밸브부(43)의 측면은, 가상 곡면(V)에 근사하다. 이 경우, 각 영역의 축방향의 길이인 구간 길이(L)는, 밸브부(43)의 선단부를 향해서 차례대로 작아진다. 또한, 제1 영역(RA)의 측면의 각도(θ)는, 밸브부(43)의 밸브축에 대하여, 0<tanθ<0.2의 관계를 만족한다.
도 8을 참조하여, 밸브부(43)의 다른 예를 설명한다. 본 예의 밸브부(43)의 측면은, 4개의 영역으로 구분되어 있다. 제1 영역(RA)은, 개도가 0% 이상∼25% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제2 영역(RB)은, 개도가 25% 이상∼50% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제3 영역(RC)은, 개도가 50% 이상∼75% 미만이 되는 부분에 대응한다. 제4 영역(RD)은, 개도가 75% 이상 ∼100% 이하가 되는 부분에 대응한다.
각 영역의 측면은 원뿔대의 측면이다. 각 영역의 측면 경계선(LS)은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면(V) 상에 설치되어 있다. 구체적으로, 가상 곡면(V)은, (3)식 및 (4)식을 만족하는 곡면이다. 밸브부(43)의 측면은, 가상 곡면(V)에 근사하다. 이 경우, 각 영역의 축방향의 길이인 구간 길이(L)는, 밸브부(43)의 선단부를 향해서 차례로 작아진다. 또한, 제1 영역(RA)의 측면의 각도(θ)는, 밸브부(43)의 밸브축에 대하여, 0<tanθ<0.2의 관계를 만족한다.
다음에, 냉매 유량 제어에 대하여 설명한다. 공기 조화기(1)에서는, 냉매 압력, 냉매 온도 등에 의거하여 냉매 유량이 조정된다. 냉매 유량의 조정은, 전자 팽창 밸브(30)의 개도 조정에 의해 행해진다. 냉매 압력, 냉매 온도 등에 의거하여, 제어 장치(70)에 의해 요구 개도가 계산된다. 그리고 요구 개도에 대응하도록 전자 팽창 밸브(30)의 개도가 조정된다. 요구 개도는, PID 제어에 의해 순차 갱신되어, 그때마다 조정된다.
요구 개도의 결정 후, 제어 장치(70)는, 전자 팽창 밸브(30)의 개도를 요구 개도에 일치시키도록 조정한다. 구체적으로는, 제어 장치(70)는, 제어 맵을 이용하여, 요구 개도에 따른 펄스 적산값인 보정 펄스값을 결정한다. 다음에, 제어 장치(70)는, 요구 개도의 지령시에 있어서의 펄스 적산값인 실 펄스값을 판독함과 더불어, 보정 펄스값과 실 펄스값의 차이를 산출한다. 그리고 제어 장치(70)는, 이 차에 대응하는 펄스 신호를 스테핑 모터(36)에 출력하여 밸브부(43)를 구동한다. 이와 같이 하여, 제어 장치(70)는, 전자 팽창 밸브(30)의 개도를 요구 개도에 일치시킨다.
다음에, 도 9를 참조하여 제어 맵에 대하여 설명한다. 도 9에 도시하는 제어 맵은, 도 5(a)에 도시하는 맵과 실질적으로 동일하다. 제어 맵에서는, 펄스 적산값의 크기에 관계없이, 개도비가 일정해진다. 단, 가로축은 요구 개도이며, 세로축은 펄스 적산값이다.
계속하여, 종래 구조의 전자 팽창 밸브와 비교하여, 본 실시 형태의 전자 팽창 밸브(30)에 걸리는 제어 맵에 대하여 설명한다. 도 9의 파선은, 종래 구조의 전자 팽창 밸브의 제어 맵을 나타낸다. 종래 구조의 전자 팽창 밸브는, 원뿔상 또는 원뿔대상의 밸브부를 가진다. 이러한 종류의 밸브부의 경우, 펄스 적산값에 대응하여 밸브부가 밸브 구멍으로부터 나가는 방향으로 이동할 때, 밸브부의 이동량의 2승에 비례하여 개도가 커진다. 이 때문에, 요구 개도가 작을 때, 요구 개도를 미소량씩 변경하는 것은 어렵다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 요구 개도의 0∼10%이하인 소개도 영역에 대응하는 펄스 적산값은, 최대 펄스 적산값의 1/10 이하이다.
한편, 본 실시 형태의 전자 팽창 밸브(30)에서는, 개도가 지수 함수적으로 증대하도록 구성되어 있다. 이 때문에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 소개도 영역에 대응하는 펄스 적산값은, 최대 펄스 적산값의 1/2정도를 차지한다. 따라서, 소개도 영역에 있어서, 종래 구조보다도, 많은 펄스 수를 이용하여 밸브부(43)를 제어할 수 있어, 개도를 미세조정할 수 있다. 이에 따라, 냉매 유량의 정교하고 치밀한 제어가 가능해진다.
이하, 본 실시 형태에 의하면, 이하와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
(1) 개도비는, 밸브부(43)의 측면과 밸브시트(33)의 사이에서 간극을 형성할 때에 일정하다. 이 구성에 의하면, 밸브부(43)의 측면이 상기한 바와 같이 형성되어 있으므로, 밸브부(43)를 이동시켰을 때에 일정비로 개구 면적이 증대한다. 이 때문에, 냉매 유량의 변화비가 일정해진다. 따라서, 냉매 유량을 미세조정할 수 있다.
(2) 밸브부(43)의 측면은, 축방향으로 3개 이상의 영역으로 구분되어 있다. 또한, 각 영역의 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면(V) 상에 설치되어 있다. 이 구성에 의하면, 가상 곡면(V) 상을 따라, 각 영역의 측면이 각각 형성된다. 즉, 밸브부(43)의 측면은, 가상 곡면(V)에 근사하다. 이에 따라, 밸브부(43)의 이동 범위에 걸쳐, 냉매 유량의 변화비가 대략 일정해진다. 따라서, 냉매 유량을 미세 조정할 수 있다.
(3) 도 7에 도시하는 변형예에서는, 밸브부 측면의 각 영역의 구간 길이(L)는, 밸브부(43)의 선단부를 향해서 차례로 작아진다. 이 구성에 의하면, 개도가 클수록, 밸브부(43)의 이동량에 대한 변화량이 크고, 개도가 작을수록, 밸브부(43)의 이동량에 대한 변화량이 적어진다. 즉, 개도 영역에 있어서, 대개도 영역에 비하여, 냉매 유량을 더욱 높은 정밀도로 조정할 수 있다. 또한, 각 영역의 구간 길이(L)가 밸브부(43)의 선단부를 향해서 차례로 작아지지 않는 구성에 비하여, 밸브부(43)를 짧게 할 수도 있다.
(4) 밸브부(43)의 밸브축을 포함하는 단면의 외형선은, (3)식 및 (4)식에 나타내는 관계를 만족하고 있다. 이 구성에 의하면, 측면이 곡면으로 형성됨과 더불어, 밸브부(43)의 이동 범위에 있어서 개도비가 β이다. 이 때문에, 밸브부(43)의 이동 범위에 걸쳐, 냉매의 유량 변화를 대략 일정하게 할 수 있다.
(5) 도 8에 나타내는 변형예에서는, 밸브부(43)가 이동하여 개도가 25% 증대할 때마다, 밸브부(43)의 측면 형태가 변화된다. 또한, 각 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면(V) 상에 설치되어 있다. 이 때문에, 밸브부(43)의 측면이 곡면인 경우에 비하여 밸브부(43)를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 밸브부(43)의 이동 범위에 걸쳐, 유량 변화비를 대략 일정하게 할 수도 있다.
(6) 도 8에 도시하는 변형예에서는, 밸브부(43)가 이동하여 개도가 20% 증대할 때마다, 밸브부(43)의 측면 형태가 변화된다. 또한, 각 경계선은, 개도비가 일정해지는 가상 곡면(V) 상에 설치되어 있다. 이 때문에, 밸브부(43)의 측면이 곡면인 경우에 비하여 밸브부(43)를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 밸브부(43)의 이동 범위에 걸쳐, 유량 변화비를 대략 일정하게 할 수도 있다.
(7) 제1 영역의 측면의 각도(θ)는, 밸브부(43)의 밸브축에 대하여, 0<tanθ<0.2의 관계를 만족한다. 이 경우, 밸브부(43)의 이동에 대하여, 개구 면적을 미소하게 씩 증감시킬 수 있다. 따라서, 소개도 영역에 있어서, 냉매 유량을 미세조정할 수 있다.
(8) 공기 조화기(1)는, 전자 팽창 밸브(30)를 구비하고 있다. 이 구성에 의하면, 냉매 유량을 미세조정할 수 있으므로, 공기 조화기(1)에 의한 공조 성능이 안정된다.
또한, 본 실시 양태를, 이하에 나타내는 바와 같이 변경해도 된다.
본 실시 형태에서는, 밸브부(43)의 측면 전체가 (3)식 및 (4)식을 만족하고 있는데, 측면의 일부만이 (3)식 및 (4)식을 만족하도록 해도 된다. 이 경우, 밸브부(43)의 측면 중 적어도 일부에 있어서의 개구비가 일정해진다. 이 때문에, 밸브부(43)의 측면 중 (3)식 및 (4)식을 만족하는 부분에 있어서 냉매 유량을 고정밀도로 제어할 수 있다.
예를 들면, 밸브부(43)의 기부(44)로부터 선단부까지의 길이를 100으로 하여 기부의 위치를 0으로 한 경우, 1∼25의 범위에 있어서 (3)식 및 (4)식을 만족하도록 해도 된다. 소정 영역만 개도비를 일정하게 하는 것은, 위치 0에서는 유량이 대부분 0이며, 극소 개도 영역에서의 개도 제어를 행하지 않는 경우, 또한, 위치 25∼100의 범위에서는 개도를 미세조정하는 것이 적은 경우, 기술적 의의를 가진다.
본 실시 형태에서는, (1)식의 맵에 실현되도록 밸브부(43)의 측면 형상을 최적화했는데, 밸브부(43)의 측면 형상을 대신하여 밸브시트의 형상을 최적화해도 된다. 또한, (1)식의 맵에 실현되도록, 밸브부(43) 및 밸브시트(33)의 양쪽의 형상을 최적화해도 된다.
도 7 및 도 8에 나타내는 각 변형예에서는, 밸브부(43)의 측면을 5개 또는 4개의 면에 의해 구분하고 있는데, 6이상의 면에 의해 구분해도 되고, 또한, 3개의 면으로 구분해도 된다. 어떠한 경우나, 각 영역의 면으로 이루어지는 다면체는, 밸브부(43)의 저면과 선단부에 의해 구성되는 가상 원추 형상에 대하여, 밸브부(43)의 측면 전체가 팽출하도록 형성된다.

Claims (8)

  1. 선단에 밸브부가 형성된 밸브체와, 상기 밸브체가 축방향으로 이동함으로써 상기 밸브부와의 사이에 가변 조절부를 형성하는 밸브시트와, 펄스 수에 따라서 상기 밸브체를 이동시키는 스테핑 모터를 구비한 전자 팽창 밸브에 있어서,
    상기 밸브부와 상기 밸브시트의 사이에 형성되는 간극으로서 상기 축방향에 직교하는 단면의 면적을 개구 면적으로 하고, 상기 펄스 수의 증감 전의 상기 개구 면적과 상기 펄스수의 증감 후의 상기 개구 면적의 면적비를 개도비로 한 경우,
    상기 밸브부의 측면은, 상기 축방향으로 3개 이상의 영역으로 구분되고,
    상기 각 영역의 경계선은, 상기 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되고,
    상기 각 영역의 상기 축방향의 길이를 구간 길이로 한 경우, 상기 각 영역의 구간 길이는, 상기 밸브부의 선단부를 향해서 차례로 작아지고,
    상기 밸브부가 이동하여 개도가 미리 정해진 일정값만큼 증대할 때마다 밸브부의 측면 형태가 변화되도록 상기 밸브부의 측면이 구성되는 것을 특징으로 하는 전자 팽창 밸브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구 면적의 최대치를 최대 개구 면적으로 하고, 상기 최대 개구 면적에 대한 상기 개구 면적의 비율을 개도로 한 경우, 상기 밸브부의 측면은,
    상기 개도가 0% 이상∼25% 미만이 되는 부분에 대응하는 제1 영역,
    상기 개도가 25% 이상∼50% 미만이 되는 부분에 대응하는 제2 영역,
    상기 개도가 50% 이상∼75% 미만이 되는 부분에 대응하는 제3 영역, 및
    상기 개도가 75% 이상∼100% 이하가 되는 부분에 대응하는 제4 영역으로 구분되고,
    상기 각 영역의 측면은 원뿔대의 측면이며, 상기 각 영역의 경계선은, 상기 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 팽창 밸브.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구 면적의 최대치를 최대 개구 면적으로 하고, 상기 최대 개구 면적에 대한 상기 개구 면적의 비율을 개도로 한 경우, 상기 밸브부의 측면은,
    상기 개도가 0% 이상∼20% 미만이 되는 부분에 대응하는 제1 영역,
    상기 개도가 20% 이상∼40% 미만이 되는 부분에 대응하는 제2 영역,
    상기 개도가 40% 이상∼60% 미만이 되는 부분에 대응하는 제3 영역,
    상기 개도가 60% 이상∼80% 미만이 되는 부분에 대응하는 제4 영역, 및
    상기 개도가 80% 이상∼100% 이하가 되는 부분에 대응하는 제5 영역으로 구분되고,
    상기 각 영역의 측면은 원뿔대의 측면이며, 상기 각 영역의 측면 경계선은, 상기 개도비가 일정해지는 가상 곡면 상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 팽창 밸브.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브부의 밸브축을 포함하는 단면의 외형선이 다음의 2개의 식으로 표시되는 관계,
    [수식 1]
    Figure 112014039612088-pct00008

    (x는 상기 밸브부의 상기 축방향에 있어서 밸브시트의 기부로부터 반경 r에 대응하는 부분까지의 길이, xmax는 상기 밸브부의 기부로부터 선단까지의 길이, β는 개도비, Smax는 최대 개구 면적, r은 상기 밸브부의 상기 밸브축으로부터 측면까지의 길이(반경))를 만족하는 것을 특징으로 하는 전자 팽창 밸브.
  7. 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브부의 측면 중 기부로부터 선단까지의 적어도 기부로부터 1/5까지의 영역은, 상기 밸브부의 밸브축에 대한 각도 θ가 다음 식
    [수식 2]
    Figure 112015092309395-pct00009

    를 만족하는 것을 특징으로 하는 전자 팽창 밸브.
  8. 청구항 1, 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 전자 팽창 밸브를 구비하는 공기 조화기.
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