KR101688166B1 - 냉장고 - Google Patents

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김혁순
이수원
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은, 냉매를 압축하도록 이루어지는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키도록 이루어지는 응축기; 냉장실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉장실 증발기; 냉동실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉동실 증발기; 상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지며, 상기 냉동실 증발기에 연결되어 서로 구분되는 냉매 유로를 형성하는 제1모세관과 제2모세관; 상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지고, 상기 냉장실 증발기에 연결되어 냉매 유로를 형성하는 제3모세관; 및 상기 응축기에 연결되는 입구와 각각 상기 제1 내지 제3모세관에 연결되는 제1 내지 제3출구를 구비하고, 상기 제1 내지 제3출구의 열림과 닫힘에 따라 상기 제1 내지 제3모세관 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배하는 4방 밸브를 포함하는 냉장고를 제공한다.

Description

냉장고{REFRIGERATOR}
본 발명은 하나의 압축기와 두 개의 증발기를 포함하는 냉장고에 관한 것이다.
냉장고는 내부에 물품을 냉동/냉장 보관하기 위한 장치다. 냉장고는 내부에 식품 저장실이 형성되는 냉장고 본체, 냉각을 위한 냉동사이클 장치를 구비한다. 일반적으로 냉장고 본체의 후방영역에는 기계실이 형성되며, 이 기계실에는 냉동사이클 장치 중 압축기 및 응축기가 설치된다.
냉장고는 종류에는 여러 가지가 있으며, 냉장고를 분류하는 기준도 여러 가지가 있다. 이러한 기준의 하나로 냉장고는 냉장실과 냉동실의 배치에 따라 분류될 수 있다. 탑 마운트 타입(top mount type)의 냉장고는 냉동실이 냉장실 위에 배치된다. 바텀 프리저 타입(bottom freezer type)의 냉장고의 경우 상부에 냉장실이 마련되고 하부에 냉동실이 마련된다. 사이드 바이 사이드 타입(side by side type)의 냉장고의 경우 냉장실과 냉동실이 좌우로 배치된다.
사용자가 원하는 다양한 모드를 구현하기 위해 냉장고에는 복수의 증발기가 설치될 수 있다. 복수의 증발기는 각각의 목적에 따라 선택적으로 구동될 수 있고, 냉장고의 냉각 성능은 다양한 모드로 구현될 수 있다. 예를 들어, 냉장고의 소비 전력을 저감하는 에코 에너지 모드, 식품 저장실에 다중의 온도를 구현하는 차등 온도 모드 등은 증발기가 복수로 설치됨에 따라 이루어질 수 있는 것이다.
냉동사이클을 형성하기 위해서는 증발기 뿐만 아니라, 압축기, 응축기 및 팽창장치 등이 필요하다. 증발기를 복수로 갖는 냉장고의 냉동사이클은 다음의 두 가지 경우로 구현될 수 있다.
첫 번째는, 각 증발기마다 압축기, 응축기를 설치하여 복수의 냉동사이클을 구성하는 것이다. 이러한 구성은 여러 모드를 구현할 수 있는 장점이 있는 대신, 여러 압축기로 인해 냉동사이클의 효율 저하를 야기하는 단점이 있다.
두 번째는, 복수의 증발기와 하나의 압축기와 응축기를 설치하여 하나의 냉동 사이클을 다단으로 구성하는 것이다. 이런 구성은 첫번째 구성에 비해 냉장고의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나, 구현할 수 있는 모드에 제한이 있다는 단점이 있다. 예를 들어 냉동사이클의 효율 개선을 위해 작은 내경의 모세관을 적용하게 되면, 신속한 부하 대응이 어려워진다. 특히 이렇게 하나의 압축기와 응축기에 복수의 증발기가 연결되는 경우, 냉매를 각 증발기에 분배하기 위해 밸브가 사용되는데, 현재까지 공개된 기술은 하나의 입구와 두 개의 출구를 갖는 3방 밸브를 두 개의 증발기와 연결하여 냉동사이클을 구성하였기 때문에 두 번째 구성으로 구현될 수 있는 모드에 제한이 있었다.
따라서 냉동사이클의 여러 모드를 구현하고, 냉장고의 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 냉장고에 대하여 고려할 필요가 있다.
본 발명의 일 목적은, 하나의 압축기와 두 개의 증발기를 갖는 냉장고에서 각 증발기에 모세관이 하나씩 연결되는 냉동사이클의 한계를 극복하고자 냉동실 증발기에 연결되는 모세관을 이원화 한 구조를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 모세관의 이원화를 구현할 수 있는 4방 밸브의 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 (1) 소비전력을 절감하는 운전, (2) 신속한 부하 대응 운전, (3) 유로 막힘 방지 운전, (4) 이슬 맺힘 방지 운전을 선택적으로 구현할 수 있도록 이루어지는 냉장고를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 하나의 압축기와, 두 개의 증발기 및 4방 밸브를 포함하는 냉장고의 작동 알고리즘을 제시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 냉장고는, 냉매를 압축하도록 이루어지는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키도록 이루어지는 응축기; 냉장실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉장실 증발기; 냉동실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉동실 증발기; 상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지며, 상기 냉동실 증발기에 연결되어 서로 구분되는 냉매 유로를 형성하는 제1모세관과 제2모세관; 상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지고, 상기 냉장실 증발기에 연결되어 냉매 유로를 형성하는 제3모세관; 및 상기 응축기에 연결되는 입구와 각각 상기 제1 내지 제3모세관에 연결되는 제1 내지 제3출구를 구비하고, 상기 제1 내지 제3출구의 열림과 닫힘에 따라 상기 제1 내지 제3모세관 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배하는 4방 밸브를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1모세관과 제2모세관은 상기 냉동실 증발기로 흐르는 냉매의 유량을 차등적으로 설정하도록 서로 다른 내경을 가질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제2모세관의 내경은 0.7㎜ 이상이며 상기 제1모세관의 내경보다 작을 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1모세관의 내경은 상기 제2모세관의 내경보다 크고 0.9㎜ 이상일 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉장고는, 상기 냉장실의 온도, 상기 냉동실의 온도, 외기의 온도 및 외기의 습도 중 적어도 하나를 측정하도록 이루어지는 감지부; 및 상기 감지부에서 측정되는 온도를 설정온도 또는 기준온도와 비교하거나 상기 감지부에서 측정되는 습도를 기준습도와 비교하여, 상기 4방 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
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삭제
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉장고에는 유로 막힘 방지의 기준이 되는 제1기준온도, 신속한 부하 대응 요구의 기준이 되는 제2기준온도, 및 이슬 맺힘 방지의 기준이 되는 기준습도가 설정되고, 상기 제2모세관은 상기 제1모세관보다 작은 내경을 가지며, 상기 냉동실의 온도가 냉동실의 설정온도 이상이고, 외기온도가 상기 제1기준온도와 제2기준온도의 사이이며, 외기습도가 상기 기준습도보다 낮으면, 상기 4방 밸브는 상기 제2출구를 개방시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉장고에는 유로 막힘 방지의 기준이 되는 제1기준온도, 신속한 부하 대응 요구의 기준이 되는 제2기준온도, 및 이슬 맺힘 방지의 기준이 되는 기준습도가 설정되고, 상기 제1모세관은 상기 제2모세관보다 큰 내경을 가지며, 상기 냉동실의 온도가 냉동실의 설정온도 이상이고, 외기온도가 상기 제1기준온도보다 낮거나 상기 제2기준온도보다 높으면, 상기 4방 밸브는 상기 제1출구를 개방시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 냉장고는, 상기 응축기에서 출발하여 냉장고 본체의 전면부를 지나 상기 4방 밸브에 연결되고, 상기 냉장고 본체의 전면부에 이슬이 맺히는 것을 방지하는 냉매 유로를 형성하는 핫 라인을 포함하고, 상기 핫 라인을 흐르는 냉매의 유량은, 상기 제1모세관 내지 제3모세관 중 상기 4방 밸브에 의해 냉매 흐름 유로로 선택된 모세관의 내경에 따라 설정될 수 있다.
상기 냉장고에는 유로 막힘 방지의 기준이 되는 제1기준온도, 신속한 부하 대응 요구의 기준이 되는 제2기준온도, 및 이슬 맺힘 방지의 기준이 되는 기준습도가 설정되고, 상기 제1모세관은 상기 제2모세관보다 큰 내경을 가지며, 상기 냉동실의 온도가 냉동실의 설정온도 이상이고, 외기온도가 상기 제1기준온도와 제2기준온도의 사이이며, 외기습도가 상기 기준습도 이상이면, 상기 4방 밸브는 상기 제1출구를 개방시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 4방 밸브는 상기 제1 내지 제3출구로 냉매를 분배하도록, 회전에 의해 상기 제1 내지 제3출구를 선택적으로 개폐시키는 밸브 패드를 포함하고, 상기 밸브 패드는, 상기 제1 내지 제3출구를 마주보도록 배치되는 베이스부; 및 상기 밸브 패드의 회전에 따라 상기 제1 내지 제3출구 중 적어도 하나를 막도록 상기 베이스부로부터 돌출되는 돌출부를 포함하고, 상기 밸브 패드는, 회전에 따라 상기 돌출부가 상기 제1 내지 제3출구를 모두 막는 전폐모드, 어느 두 출구를 막는 제1모드, 어느 하나의 출구를 막는 제2모드 및 상기 제1 내지 제3출구를 모두 막지 않는 제3모드를 선택적으로 구현할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 전폐모드에서 각각 상기 제1 내지 제3출구를 막는 제1 내지 제3부분을 구비하고, 상기 밸브 패드는, 상기 전폐모드에서 상기 제2모드로 전환 시 상기 제1출구를 개방시키도록 상기 제1부분과 상기 제2부분 사이에 형성되는 리세스부를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스부는 중심을 원점으로 하여 사분면으로 구분되고, 상기 제1 내지 제3부분은 상기 밸브 패드의 일 회전방향을 따라 차례로 형성되고, 상기 베이스부의 서로 다른 사분면에 형성될 수 있다.
상기 제2부분과 상기 제3부분은 원주 방향을 따라 돌출된 형태로 서로 연결될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 4방 밸브는 상기 4방 밸브에 연결된 3개의 모세관으로 냉매를 선택적으로 공급할 수 있다. 냉매를 선택적으로 공급한다는 것은 어느 하나의 모세관, 어느 두 개의 모세관, 세 개의 모세관으로 냉매를 공급할 수 있다는 것을 의미한다.
또한 본 발명은 4방 밸브를 채택함에 따라 냉동실 증발기에 두 개의 모세관을 연결하여 모세관을 이원화 할 수 있다. 이원화된 모세관은 서로 다른 내경을 가지므로, 본 발명은 어느 모세관이 냉매 흐름 유로로 선택되느냐에 따라 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량을 결정할 수 있다. 그리고 본 발명은 냉동사이클을 흐르는 유량을 제어하여 냉장고에서 요구되는 다양한 운전들을 구현할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 의해 구현되는 운전은, (1) 소비전력을 절감하는 운전, (2) 신속한 부하 대응 운전, (3) 유로 막힘 방지 운전, (4) 이슬 맺힘 방지 운전이다. 이외에도 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량을 제어함에 따라 냉장고에서 운용될 수 있는 운전은 확대될 수 있다.
또한 본 발명은, 냉장실의 온도, 냉동실의 온도, 외기의 온도 및, 외기의 습도 변화에 근거하여 냉장고의 운전을 제어하도록 이루어지므로, 냉장고의 운전이 적절하게 제어될 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 냉장고의 개념도.
도 2는 본 발명과 관련된 냉장고의 다른 개념도.
도 3은 본 발명과 관련된 냉장고의 또 다른 개념도.
도 4는 본 발명과 관련된 냉장고의 냉동사이클을 보인 개념도.
도 5는 냉장고의 구성요소인 4방 밸브를 보인 사시도.
도 6은 도 5의 4방 밸브를 보인 분해 사시도.
도 7은 도 5의 4방 밸브를 보인 단면도.
도 8a와 도 8b는 4방 밸브의 구성요소인 밸브 패드를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도.
도 9는 4방 밸브를 이용하여 구현되는 모드를 설명하기 위한 챠트.
도 10a 내지 10h는 4방 밸브에 의해 구현되는 서로 다른 모드에서 밸브 패드의 상태를 보인 개념도.
도 11은 도 1 내지 도 10에서 설명한 냉장고의 운전방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 1은 본 발명과 관련된 냉장고(100)의 개념도다.
냉장고(100)는 냉기를 이용하여 내부에 저장된 식품을 저온으로 보관하는 장치를 가리킨다. 냉기는 압축-응축-팽창-증발의 과정을 연속적으로 구현하는 냉동사이클에 의해 생성된다.
냉장고 본체(110)는 내부에 식품의 저장을 위한 저장공간들(112, 113)을 구비한다. 저장공간들(112, 113)은 격벽(111)에 의해 서로 분리될 수 있다. 저장공간들(112, 113)은 설정 온도에 따라 냉장실(112)과 냉동실(113)로 구분될 수 있다.
냉장고(100)는 냉장실(112)과 냉동실(113)의 배치에 따라 탑 마운트 타입(top mount type), 사이드 바이 사이드 타입(side by side type), 바텀 프리저 타입(bottom freezer type) 등으로 분류될 수 있다. 탑 마운트 타입은 냉동실(113)이 냉장실(112)의 위에 배치되는 구조를 갖는다. 사이드 바이 사이드 타입은 냉장실과 냉동실이 좌우로 배치되는 구조를 갖는다. 바텀 프리저 타입은 냉장실이 냉동실의 위에 배치되는 구조를 갖는다. 도 1에서는 탑 마운트 타입의 냉장고(100)를 보이고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 사이드 바이 사이드 타입과 바텀 프리저 타입에도 적용될 수 있다.
냉장고 본체(110)에는 도어(114, 115)가 연결된다. 도어(114, 115)는 냉장고 본체(110)의 전면 개구부를 개폐하도록 이루어진다. 본 도면에서는, 냉장실 도어(114)와 냉동실 도어(115)가 각각 냉장실(112)과 냉동실(113)의 전면부를 개폐하도록 이루어진 구조를 보이고 있다. 도어(114, 115)는 회전형 또는 서랍형 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 회전형은 냉장고 본체(110)에 회전 가능하게 연결되며, 서랍형은 냉장고 본체(110)에 슬라이드 이동 가능하게 연결된다.
냉장고 본체(110) 및 도어(114, 115)에는 내부 저장공간들(112, 113)의 효율적인 활용을 위한 수납유닛{130, 예를 들어, 선반(131), 트레이(132), 바스켓(133) 등}이 적어도 하나 이상 구비된다. 예를 들어, 선반(131)과 트레이(132)는 냉장고 본체(110) 내부에 설치될 수 있고, 바스켓(133)은 냉장고 본체(110)에 연결되는 도어(114, 115)의 내측에 설치될 수 있다.
냉장고(100)의 냉동사이클에서는 냉매의 압축-응축-팽창-증발이 연속적으로 이루어진다. 냉매의 압축은 압축기(160)에서 이루어진다. 냉매의 응축은 응축기(161)에서 이루어진다. 냉매의 팽창은 모세관들(212a', 212b', 212c')에서 이루어진다. 냉매의 증발은 각 냉각실(116a, 116b)에 구비되는 냉장실 증발기(181)와 냉동실 증발기(182)에서 이루어진다. 따라서 압축기(160), 응축기(161), 모세관들(212a', 212b', 212c'), 냉장실 증발기(181) 냉동실 증발기(182) 및 이들을 서로 연결하는 냉매 유로들{예를 들어 핫 라인(211') 등}은 상기 냉동사이클을 형성한다. 냉동사이클에는 기타 장치들이 추가될 수 있다.
이하에서는 냉매의 흐름에 따라 냉동사이클을 구성하는 구성요소의 순서대로 설명한다. 냉장고(100)의 앞뒤좌우 또는 냉장고 본체(110)의 앞뒤좌우는 냉장고(100)의 밖에서 도어(114, 115)를 정면으로 바라보는 방향을 기준으로 하였다.
냉장고 본체(110)의 뒤쪽 하부측에는 기계실(117)이 마련된다. 기계실(117)은 냉동사이클의 일부 구성요소들을 설치하기 위한 공간에 해당한다. 기계실(117)의 내부에는 압축기(160)와 응축기(161) 등이 설치된다.
압축기(160)는 냉매를 압축하도록 이루어진다. 냉매는 압축기(160)에 의해 고압으로 압축된다.
응축기(161)는 압축기(160)로부터 냉매를 공급받는다. 응축기(161)는 압축기(160)에서 압축된 냉매를 응축시키도록 이루어진다. 손실을 무시할 경우 이론적으로 냉매는 응축기(161)에 의해 일정한 압력을 유지하면서 응축된다.
냉동사이클이 작동하면 냉장실(112)과 냉동실(113)의 온도는 저온으로 유지된다. 냉장실(112)과 냉동실(113)이 냉각되면, 냉장고 본체(110)의 전면부의 온도도 노점 이하로 내려가게 된다. 그리고 온도가 노점 이하로 내려간 냉장고 본체(110)의 전면부에는 공기 중의 수증기가 응축되어 이슬이 맺힐 수 있다. 냉장고(100)에는 냉장고 본체(110)의 전면부에 이슬이 맺히는 것을 방지하기 위한 핫 라인(211')이 구비된다.
핫 라인(211')의 일단은 응축기(161)에 연결되고, 타단은 4방 밸브(200)에 연결된다. 다만 핫 라인(211')은 응축기(161)와 4방 밸브(200)에 직선으로 연결되는 것이 아니다. 핫 라인(211')은 응축기(161)에서 출발하여 냉장고 본체(110)의 전면부를 지나 4방 밸브(200)에 연결된다. 도어(114, 115)가 설치되는 방향을 냉장고 본체(110)의 전방측 혹은 전면부라고 하면, 기계실(117)은 보통 냉장고 본체(110)의 후방측 혹은 후면부에 배치된다. 핫 라인(211')은 기계실(117)에 설치된 응축기(161)로부터 냉장고 본체(110)의 전면부로 연장된다. 냉장고 본체(110)의 전면부에서 핫 라인(211')은 저장공간(112, 113)의 개구부 둘레를 따라 아래에서부터 위로 연장되며, 다시 위에서 아래로 되돌아와 기계실(117)의 4방 밸브(200)에 연결된다.
핫 라인(211')은 냉매가 흐르는 유로로 해당한다. 핫 라인(211')은 냉장고 본체(110)의 전면부에 이슬이 맺히는 것을 방지하는 냉매 유로를 형성한다. 냉매는 핫 라인(211')을 따라 응축기(161)에서 냉장고 본체(110)의 전면부를 지나 4방 밸브(200)로 흐르게 된다.
냉동사이클의 작동에 의해 냉장실(112)과 냉동실(113)이 저온으로 유지되면, 냉장고 본체(110)의 전면부도 냉장실(112)과 냉동실(113)의 영향을 받는다. 따라서 핫 라인(211')을 흐르는 냉매의 온도가 냉장고 본체(110)의 전면부의 온도보다 높다. 열은 고온에서 저온으로 전달되므로, 냉매는 핫 라인(211')을 흐르면서 냉장고 본체(110)의 전면부에 열을 공급한다. 핫 라인(211')을 흐르는 냉매로부터 공급된 열에 의해 냉장고 본체(110)의 전면부는 노점 이상의 온도로 유지되고, 이에 따라 냉장고 본체(110)의 전면부에 이슬이 맺히는 것이 방지될 수 있다.
4방 밸브(200)는 기계실(117)에 설치될 수 있다. 4방 밸브(117)는 네 개의 유로와 연결된다는 의미에서 4방이라고 명명되었다. 4방 밸브(200)는 하나의 입구와 세 개의 출구를 갖는다. 각 입구와 출구들은 서로 다른 유로와 통한다.
4방 밸브(200)의 입구는 응축기(161)에 연결된다. 4방 밸브(200)와 응축기(161) 사이에는 핫 라인(211')이 설치되기 때문에 4방 밸브(200)의 입구는 핫 라인(211')에 의해 응축기(161)에 연결된다. 다만 본 발명에서 4방 밸브(200)와 응축기(161) 사이에 핫 라인(211') 이외의 다른 구성요소가 추가되는 것을 배제하는 것은 아니다. 4방 밸브(200)는 핫 라인(211')을 통해 응축기(161)로부터 토출된 냉매를 공급받는다.
4방 밸브(200)의 출구들은 모세관들(212a', 212b', 212c')에 연결된다. 4방 밸브(200)는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)를 포함하고, 모세관들(212a', 212b', 212c')은 제1모세관(212a') 내지 제3모세관(212c')을 포함한다. 제1출구(212a, 도 6 참조)는 제1모세관(212a')에 연결되고, 제2출구(212b, 도 6 참조)는 제2모세관(212b')에 연결되며, 제3출구(212c, 도 6 참조)는 제3모세관(212c')에 연결된다. 4방 밸브(200)는 상기 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)의 선택적인 개폐를 통해 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c') 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배한다.
모세관들(212a', 212b', 212c')은 응축기(161)에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어진다. 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 냉동실 증발기(182)에 연결되며, 서로 다른 냉매 유로를 형성한다. 제3모세관((212c')은 냉장실 증발기(181)에 연결되어 냉매 유로를 형성한다. 냉동사이클에는 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')에 의해 서로 구분되는 세 개의 냉매 유로가 형성된다. 냉매는 4방 밸브(200)에 의해 냉매 흐름 유로로 선택된 모세관(212a', 212b', 212c' 중 하나 이상)을 통과하면서 팽창된다.
냉장실(112)의 후방측에는 냉각실(116a)이 마련된다. 냉동실(113)의 후방측에도 냉각실(116b)이 마련된다. 두 냉각실(116a, 116b)은 서로 격리되어 있다. 각각의 냉각실(116a, 116b)에는 증발기(181, 182)가 하나씩 구비된다. 두 증발기(181, 182)가 서로 구분되도록 이 명세서에서는 냉장실(112)의 냉각실(116a)에 설치되는 증발기(181)를 냉장실 증발기(181)로 명명하고, 냉동실(113)의 냉각실(116b)에 설치되는 증발기(182)를 냉동실 증발기(182)로 명명한다.
4방 밸브(200)의 작동에 의해 제3모세관(212c')이 냉매 흐름 유로로 선택되면, 냉장실 증발기(181)는 제3모세관(212c')을 통해 냉매를 공급받는다. 냉장실 증발기(181)는 냉장실(112)의 공기(냉기)와 열교환하여 냉매를 증발시킨다.
4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b') 중 적어도 하나가 냉매 흐름 유로로 선택되면, 냉동실 증발기(182)는 제1모세관(212a') 및/또는 제2모세관(212b')을 통해 냉매를 공급받는다. 냉동실 증발기(182)는 냉동실(113)의 공기(냉기)와 열교환하여 냉매를 증발시킨다.
냉장실 증발기(181)와 냉동실 증발기(182)에서 증발된 냉매는 압축기(160)로 귀환된다. 냉동사이클은 폐쇄유로로 이루어지므로(도 4 참조), 냉매는 폐쇄된 냉동사이클을 계속 순환한다.
이제 냉장실(112)의 냉기와 냉동실(113)의 냉기의 흐름과 관련된 구성을 설명한다.
냉장실(112)의 공기(냉기)는 냉장실 증발기(181)에서 냉매와의 열교환을 통해 냉각된다. 냉장실 증발기(181)의 상측에는 냉기의 유동을 도와주는 팬-모터 조립체(141)가 설치될 수 있다.
냉동실(113)의 공기(냉기)도 냉동실 증발기(182)에서 냉매와의 열교환을 통해 냉각된다. 냉동실 증발기(182)의 상측에도 냉기의 유동을 도와주는 팬-모터 조립체(142)가 설치될 수 있다.
격벽(111)에는 냉장실 귀환덕트(111a) 및 냉동실 귀환덕트(111b)가 형성된다. 냉장실 귀환덕트(111a)는 냉장실(112)의 공기가 냉각실(116a) 측으로 흡입 및 복귀될 수 있도록 하는 유로를 형성한다. 마찬가지로 냉동실 귀환덕트(111b)는 냉동실(113)의 공기가 냉각실(116b) 측으로 흡입 및 복귀될 수 있도록 하는 유로를 형성한다. 냉장실(112)과 냉각실(116a) 사이, 냉동실(113)과 냉각실(116b) 사이에는 각각 다수의 냉기토출구(151a, 152a)를 갖는 냉기덕트(151, 152)가 설치될 수 있다.
냉장실(112)의 공기는 냉장실 귀환덕트(111a)를 통해서 냉각실(116a)로 흡입된다. 냉각실(116a)로 흡입된 공기는 냉장실 증발기(181)와 열교환하여 냉각된다. 냉각된 공기는 다시 냉기토출구(151a)를 통하여 냉장실(112)로 토출된다. 냉장실(112)의 공기는 흡입, 냉각 토출의 과정을 반복하게 된다.
냉동실(113)의 공기도 냉동실 귀환덕트(111b)를 통해서 냉각실(116b)로 흡입된다. 냉각실(116b)로 흡입된 공기는 냉동실 증발기(182)와 열교환하여 냉각된다. 냉각된 공기는 다시 냉기토출구(152a)를 통하여 냉동실(113)로 토출된다. 냉동실(113)의 공기는 흡입, 냉각, 토출의 과정을 반복하게 된다.
증발기(181, 182)의 표면에는 냉장실 귀환덕트(111a) 또는 냉동실 귀환덕트(111b)를 통하여 재유입되는 순환 공기와의 온도차에 의해서 성에가 착상될 수 있다. 성에를 제거하기 위해 각 증발기(181, 182)에는 제상 장치(171, 172)가 구비된다.
냉장고(100)에는 온도 및 외기의 습도 중 적어도 하나를 측정하도록 이루어지는 감지부(미도시)를 포함할 수 있다. 감지부는 냉장고(100)가 정상적으로 작동하고 있는지를 판단하는 기준과, 냉장고(100)를 운전하는 방법에 대한 기준을 제공한다. 본 발명은 특히 냉동실 증발기(182)와 연결되는 모세관(212a', 212b')을 이원화하였다.
모세관(212a', 212b')을 이원화 한 이유는 감지부에서 측정되는 온도와 습도에 근거하여 냉장고(100)의 다양한 모드를 구현하고 그로부터 소비전력 절감이나 신속한 부하 대응 등의 바람직한 효과를 얻기 위해서이다. 특히 냉장실 증발기(181)에 연결되는 모세관을 이원화하지 않고 냉동실 증발기(182)에 연결되는 모세관을 이원화한 이유는, 냉동실측의 소비전력 영향도가 냉장실측의 소비전력 영향도보다 크기 때문이다.
감지부에 의해 측정되는 온도는 냉장실의 온도, 냉동실의 온도, 외기의 온도를 포함한다. 온도와 습도를 측정하기 위해 감지부는 냉장실 온도계(미도시), 냉동실 온도계(미도시), 외기 온도계(미도시) 및 외기 습도계(미도시)를 포함할 수 있다. 냉장실 온도계는 냉장실의 온도를 측정하도록 이루어진다. 냉동실 온도계는 냉동실의 온도를 측정하도록 이루어진다. 외기 온도계는 외기의 온도를 측정하도록 이루어진다. 외기 습도계는 외기의 습도를 측정하도록 이루어진다. 본 발명에서 각 온도계와 습도계의 설치 위치는 특별히 제한을 두지 않는다.
본 발명의 냉장고(100)는 하나의 압축기(160)와 두 개의 증발기(181, 182)를 포함하며, 특히 냉동실 증발기(182)에 연결되는 모세관(212a', 212b')은 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')으로 이원화되어 있다. 본 발명은 하나의 압축기(160)와 두 개의 증발기(181, 182)를 포함한다는 점에서, 증발기마다 압축기가 구비되는 구조와 구분되어야 한다. 또한 본 발명은 4방 밸브(200)를 포함하고 냉동실 증발기(182)와 연결되는 모세관(212a'. 212b')을 이원화하였다는 점에서, 3방 밸브만을 포함하여 일원화된 모세관을 갖는 구조와도 구분되어야 한다.
도 1은 단면도로 냉장고를 도시하였기 때문에 냉동사이클의 일부 구성은 제외되어 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 냉장고에 구비되는 냉동사이클의 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명과 관련된 냉장고(100)의 다른 개념도다. 도 3은 본 발명과 관련된 냉장고(100)의 또 다른 개념도다. 도 2와 도 3에는 도 1에 도시된 구성 중 냉동사이클과 다소 관련성이 적은 구성들을 제외하고 도시하였다. 도 2와 도 3은 이해의 편의를 위해 서로 다른 형식으로 도시하였다.
기계실(117)에 설치된 압축기(160)와 응축기(161)는 냉매 유로에 의해 서로 연결된다. 냉매는 압축기(160)에서 압축된 후 응축기(161)에서 응축된다. 핫 라인(211')은 응축기(161)에 연결되고, 기계실(117) 밖으로 나와 냉장고 본체(110)의 전면부를 향해 연장된다. 핫 라인(211')은 냉장고 본체(110)의 전면부를 따라 형성된다. 핫 라인(211')은 저장공간들(112, 113)의 개구부 둘레를 따라 형성된다고 할 수도 있다.
냉장고 본체(110)의 전면부에서 핫 라인(211')은 좌우상하로 연장되면서 냉장고 본체(110)의 전면부를 대부분 지나도록 형성된다. 예를 들어 도 2를 참조하면, 핫 라인(211')은 냉장실(112)의 개구부 둘레와 냉동실(113)의 개구부 둘레에 형성되며, 냉장실(112)과 냉동실(113)을 구분하는 격벽(111)을 경유하기도 한다. 핫 라인(211')은 냉장고 본체(110)의 전면부를 지나 기계실(117)의 내부에 설치된 4방 밸브(200)를 향한다. 핫 라인(211')의 타단은 4방 밸브(200)의 입구에 연결된다.
이와 같이 냉장고 본체(110)를 경유하는 핫 라인(211')에 의해 냉장고 본체(110)의 전면부에는 열이 골고루 공급될 수 있다. 그리고 핫 라인(211')을 흐르는 냉매로부터 공급된 열에 의해 냉장고 본체(110)의 전면부에 이슬이 맺히는 것을 방지할 수 있다. 본 발명에서 핫 라인(211')은 냉장고 본체(110)의 표면에 이슬이 맺히는 것을 방지하기 위한 냉매 유로를 형성하기만 하면 충분하고, 구체적인 형상이나 구조에 제한을 두어야 하는 것은 아니다.
4방 밸브(200)는 냉매를 분배하도록 이루어진다. 4방 밸브(200)는 핫 라인(211')을 통과하여 입구로 유입된 냉매를 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 분배한다.
4방 밸브(200)에 의한 냉매의 분배는 선택적이다. 4방 밸브(200)는 냉매를 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c') 중 하나에만 분배하거나, 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c') 중 두 곳에만 분배하거나 세 모세관(212a', 212b', 212c')에 모두 분배할 수 있다.
4방 밸브(200)에 의한 냉매의 분배는 냉장고의 제어부(마이컴이라고도 함, 미도시)에 의해 이루어질 수 있다. 제어부는 도 1에서 설명하였던 감지부에 의해 측정되는 온도나 습도들의 변화를 근거로 미리 설정된 바에 따라 4방 밸브(200)의 작동을 제어한다. 제어부에는 4방 밸브(200)의 작동을 제어하기 위한 기준들이 미리 입력될 수 있다.
4방 밸브(200)의 작동에 의해 냉매가 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 분배되며, 이를 통해 본 발명은 냉장고(100)의 다양한 운전모드를 구현할 수 있다. 냉장고(100)의 운전모드는 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량에 의해 구분될 수 있다. 본 발명에 의해 구현되는 냉장고(100)의 운전모드는 소비전력 절감 운전, 신속한 부하 대응 운전, 유로 막힘 방지 운전, 이슬 맺힘 방지 운전 등을 포함한다. 각 운전모드에 대하여는 후술한다.
제3모세관(212c')은 냉장실 증발기(181)에 연결된다. 제3모세관(212c')은 냉매를 냉장실 증발기(181)로 흐르게 하는 냉매 유로를 형성한다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제3모세관(212c')으로 분배된 냉매는 제3모세관(212c')을 통해 냉장실 증발기(181)로 흐르게 된다.
제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 냉동실 증발기(182)에 연결된다. 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 냉매를 냉동실 증발기(182)로 흐르게 하는 서로 다른 냉매 유로를 형성한다. 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 냉동실 증발기(182)에 연결되기 전에 어느 하나의 지점에서 하나의 유로로 합류된 뒤 냉동실 증발기(182)에 연결될 수 있다. 이와 달리 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 하나로 합류되지 않고 냉동실 증발기(182)에 각각 연결될 수도 있다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1모세관(212a')으로 분배된 냉매는 제1모세관(212a')을 통해 냉동실 증발기(182)로 흐르게 되고, 제2모세관(212b')으로 분배된 냉매는 제2모세관(212b')을 통해 냉동실 증발기(182)로 흐르게 된다.
제1흡입관(165)은 냉장실 증발기(181)와 압축기(160)에 연결된다. 냉장실 증발기(181)에서 증발된 냉매는 제1흡입관(165)을 통해 압축기(160)로 귀환된다. 제2흡입관(166)은 냉동실 증발기(182)와 압축기(160)에 연결된다. 냉동실 증발기(182)에서 증발된 냉매는 제2흡입관(166)을 통해 압축기(160)로 귀환된다. 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 제1흡입관(165)과 제2흡입관(166)은 어느 일 지점에서 서로 합류할 수 있다.
압축기(160)에서 출발한 냉매가 압축기(160)로 귀환되면, 냉매는 냉동사이클을 1회 순환하게 된다. 다만, 냉매의 순환은 1순환에서 끝나는 것이 아니고, 냉동사이클의 작동을 요구하는 시점마다 지속적으로 반복된다.
제2흡입관(166)에서는 냉매의 역류를 방지하는 체크밸브(166a)가 설치될 수 있다. 냉장실 증발기(181)의 작동 압력이 냉동실 증발기(182)의 작동 압력보다 높기 때문에, 제1흡입관(165)에서 압축기(160)로 흘러야 할 냉매가 압력차에 의해 제2흡입관(166)으로 역류할 우려가 있다. 체크밸브(166a)는 화살표 방향으로 표시된 일 방향의 유동만을 통과시키고, 반대 방향의 유동은 차단하도록 이루어진다. 따라서 제2흡입관(166)에 설치된 체크밸브(166a)는 제1흡입관(165)으로부터 제2흡입관(166)으로 역류하는 냉매의 유동을 차단할 수 있다.
도 4는 본 발명과 관련된 냉장고(100)의 냉동사이클을 보인 개념도다.
냉동사이클의 대부분은 이미 도 1 내지 도 3에서 설명하였다. 이하에서는 4방 밸브(200)와 이원화된 모세관을 이용하여 구현될 수 있는 운전모드들과 상기 운전모드들의 구현을 통해 얻을 수 있는 효과에 대하여 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 단일의 냉동사이클에 하나의 압축기(160)와 두 개의 증발기를 포함하는 구조를 갖는다. 냉동실 증발기(182)에 연결되는 이원화된 모세관은 4방 밸브(200)에 의해 구현되는 것이다. 만약 본 발명이 4방 밸브(200)를 포함하지 않고, 3방 밸브만을 포함한다면, 하나의 압축기(160)와 두 개의 증발기를 갖는 냉동사이클의 모세관을 이원화 할 수 없다. 3방 밸브는 하나의 입구와 두 개의 출구를 가지게 되고, 두 개의 출구는 각각 두 개의 증발기와 1:1로 연결될 것이기 때문이다.
냉동실 증발기(182)로 흐르는 냉매의 유량은 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b') 중 냉매가 흐르도록 선택된 모세관의 내경에 따라 설정된다. 모세관의 내경이 커지면 증발기로 흐르는 냉매의 유량도 커지고, 모세관의 내경이 작아지면 증발기로 흐르는 냉매의 유량도 작아지기 때문이다. 이 선택은 4방 밸브(200)의 작동에 의해 결정된다.
이원화된 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 냉동실 증발기(182)로 흐르는 냉매의 유량을 차등적으로 설정하도록 서로 다른 내경을 갖는다. 냉장실 증발기(181)와 연결된 제3모세관(212c')은 일원화되어 있으므로 냉장실 증발기(181)로 흐르는 냉매의 유량을 차등적으로 설정할 수는 없다. 그러나 냉동실 증발기(182)에는 이원화된 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')이 연결되므로 두 모세관(212a', 212b') 중 어느 곳으로 냉매가 흐르느냐에 따라 냉동실 증발기(182)로 흐르는 냉매의 유량을 차등적으로 설정할 수 있다.
제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')에 붙혀진 서수는 서로를 구분하기 위한 것이다. 본 발명에서 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 서로 다른 크기의 내경을 갖는다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제2모세관(212b')이 제1모세관(212a')보다 작은 내경을 갖는다는 것을 전제로 설명한다.
제2모세관(212b')의 내경이 제1모세관(212a')의 내경보다 작기 때문에, 제2모세관(212b')을 흐르는 냉매의 유량은 제1모세관(212a')을 흐르는 냉매의 유량보다 적다. 냉매의 유량은 냉매가 흐르는 유로의 내경에 의해 결정되기 때문이다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은 냉매 흐름 유로로 선택되게 되는데, 제1모세관(212a')으로 냉매가 흐를때보다 제2모세관(212b')으로 냉매가 흐를 때 냉동실 증발기(182)로 흘러가는 냉매의 유량이 적다.
냉동사이클은 폐쇄 유로로 이루어지기 때문에 냉동실 증발기(182)로 흐르는 냉매의 유량이 많아지도록 제어되면, 압축기(160), 응축기(161) 및 핫 라인(211')을 흐르는 냉매의 유량도 많아진다. 반대로 냉동실 증발기(182)로 흐르는 냉매의 유량이 적어지도록 제어되면, 압축기(160), 응축기(161) 및 핫 라인(211')을 흐르는 냉매의 유량도 적어진다. 이처럼 서로 다른 내경을 갖는 두 모세관(212a', 212b')과 4방 밸브(200)는 연계 작동에 의해 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량을 조절할 수 있다.
다만 냉동사이클에 존재하는 냉매의 총량은 누설이 없는 한 이론적으로 변하지 않는다. 따라서 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')에 의해 냉매의 순환 유량이 많아지거나 적어진다는 것은 냉매의 총량 변화와 구분되어야 한다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1모세관(212a')이 선택되어 냉동사이클을 순환하는 냉매의 양이 많아지면, 냉동사이클을 순환하지 않고 정체되어 있는 냉매의 양이 줄어들어 냉매의 총량은 유지될 것이다. 반대로 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제2모세관(212b')이 선택되어 냉동사이클을 순환하는 냉매의 양이 적어지면, 냉동사이클을 순환하지 않고 정체되어 있는 냉매의 양이 늘어나 냉매의 총량을 유지될 것이다.
냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량은 냉동사이클의 소비전력에 영향을 미친다. 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량이 줄어들면, 압축기(160) 등을 포함하는 냉동사이클의 운전율 등을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 냉동사이클의 소비전력을 절감할 수 있다.
반대로 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량이 증가하면, 냉동사이클의 소비전력을 늘어나지만, 냉장고(100)에서 요구하는 부하에 신속하게 대응할 수 있다. 냉장고(100)에서 요구하는 부하란 냉장 또는 냉동을 요구하는 정도로 이해할 수 있으며, 부하가 크다는 것은 더욱 강한 냉각을 요구한다는 것을 의미한다.
냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량은 4방 밸브(200) 및 모세관(212a', 212b', 212c')에 의해 결정된다. 따라서 4방 밸브(200) 및 서로 다른 내경을 갖는 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은, 소비 전력을 절감하는 운전과 신속한 부하 대응 운전 등을 구현할 수 있다. 그 외에도 4방 밸브(200) 및 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')은, 유로 막힘 방지 운전과 이슬 맺힘 방지 운전 등을 구현할 수 있다.
구체적인 냉동사이클의 운전에 대하여 설명하면, 냉동실 증발기(182)로 냉매의 공급이 요구되나 특별히 강랭을 요구하지 않는 경우, 4방 밸브(200)에 의해 제2모세관(212b')이 냉매 흐름 유로로 선택될 수 있다. 제2모세관(212b')이 냉매 흐름 유로로 선택되면, 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량이 줄어들어 냉동사이클의 소비전력을 절감할 수 있다.
반대로 강랭을 통해 신속한 부하 대응이 필요한 경우, 4방 밸브(200)에 의해 제1모세관(212a')이 냉매 흐름 유로로 선택될 수 있다. 제2모세관(212b')보다 큰 내경을 갖는 제1모세관(212a')이 냉매 흐름 유로로 선택되면, 충분한 냉매가 흘러 냉동실(113, 도 1 내지 도 3 참조)의 온도를 신속하게 낮출 수 있다.
모세관의 내경이 작을수록 소비전력 절감의 효과가 커진다. 따라서 소비전력 절감의 효과를 극대화하기 위해서는 제2모세관(212b')의 내경이 가급적 작아야 한다. 그러나 지나치게 작은 내경은 유로 막힘 현상을 유발할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 본 발명에서 제2모세관(212b')은 0.7㎜ 이상의 내경을 갖는다. 물론 제2모세관(212b')은 제1모세관(212a')보다 작은 내경을 갖는다.
신속한 부하 대응을 위해서는 모세관의 내경이 충분히 커야 한다. 모세관의 내경이 클수록 많은 냉매의 유량이 순환하여 더욱 신속하게 냉동실을 냉각할 수 있기 때문이다. 신속한 부하 대응을 위해 제1모세관(212a')은 0.9㎜ 이상의 내경을 갖는다. 다만, 모세관이 내경이 아무런 제한 없이 커지면, 본래의 기능을 잃어버릴 수 있다. 따라서 제1모세관(212a')의 내경은 본래의 기능을 잃지 않는 범위 내에서 정해져야 한다. 물론 제1모세관(212a')은 제2모세관(212b')보다 큰 내경을 갖는다.
4방 밸브(200)의 작동에 의해 냉매는 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 선택적으로 흐르게 된다. 이하에서는 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 냉매를 분배하는 4방 밸브(200)의 구조에 대하여 설명한다.
도 5는 냉장고의 구성요소인 4방 밸브(200)를 보인 사시도다.
케이스(201)는 4방 밸브(200)의 외관을 형성하며, 4방 밸브(200)의 다른 구성요소들은 케이스(201)의 내부에 수용된다. 케이스(201)의 외형은 기계실(117, 도 1 내지 도 3 참조)에 설치되기 위한 형상을 가질 수 있으나, 본 발명에서 케이스(201)의 외형을 특별히 한정하는 것은 아니다.
핫 라인(211')과 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')은 4방 밸브(200)에 연결된다. 핫 라인(211')은 4방 밸브(200)의 하부 일측에 연결되고, 제1 내지 제3모세관 (212a', 212b', 212c')은 4방 밸브(200)의 하부 타측에 연결된다.
4방 밸브(200)는 1개의 핫 라인(211')과 3개의 모세관(212a', 212b', 212c')에 연결되어 각 모세관(212a', 212b', 212c')에 냉매를 선택적으로 분배하도록 이루어진다. 4방 밸브(200)는 총 4개의 입출구관(211', 212a', 212b', 212c')에 연결된다는 의미에서 4방 밸브(200) 또는 4-웨이 밸브(4-way valve)라고 명명되었다. 입출구관(211', 212a', 212b', 212c')이란 핫 라인(211')과 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')을 포함하는 개념으로 정의된다.
제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)란 각각 4방 밸브(200)에서 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 냉매가 배출되는 부분을 가리킨다. 더욱 자세한 4방 밸브(200)의 내부 구조에 대하여는 도 6과 도 7을 참조하여 설명한다.
도 6은 도 5의 4방 밸브(200)를 보인 분해 사시도다. 도 7은 도 5의 4방 밸브(200)를 보인 단면도다.
4방 밸브(200)는 입구(211)와 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 구비한다. 4방 밸브(200)의 입구(211)는 핫 라인(211')에 의해 응축기(161, 도 1 내지 도 4 참조)에 연결된다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 각각 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')에 연결된다. 4방 밸브(200)는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)의 열림과 닫힘에 따라 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c') 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배한다.
도 4와 도 5를 참조하면, 4방 밸브(200)는 케이스(201), 플레이트(202), 밸브 패드(220), 로터(230), 제1스퍼기어(251), 제2스퍼기어(252), 보스(270), 제1리프스프링(281) 및 제2리프스프링(282)을 포함한다. 이러한 구성은 선택적인 것이어서 본 발명의 4방 밸브(200)는 이보다 많은 구성요소를 갖는 것도 가능할 뿐만 아니라, 앞서 나열된 모든 구성요소를 구비해야만 하는 것도 아니다.
4방 밸브(200)의 외관은 케이스(201)와 플레이트(202)에 의해 형성된다.
케이스(201)는 앞서 설명한 것과 같이 4방 밸브(200)의 구성요소들을 수용하도록 이루어지며, 각 구성요소들을 지지하도록 형성된다. 예를 들어 케이스(201)의 적어도 일부는 개방된 형태로 이루어질 수 있다. 케이스(201)는 제1스퍼기어(251)와 제2스퍼기어(252)의 배치 공간을 확보하도록 이루어진다.
플레이트(202)는 4방 밸브(200)의 바닥 부분을 형성하도록 케이스(201)의 하부에 결합된다. 따라서 플레이트(202)는 케이스(201)의 개구된 부분에 대응되도록 형성된다. 플레이트(202)에는 핫 라인(211'), 제1샤프트(240), 보스(270)가 삽입된다. 제1샤프트(240)는 실질적으로 플레이트(202)의 가운데 부분을 관통하게 되고, 핫 라인(211')과 보스(270)는 제1샤프트(240)를 기준으로 서로 다른 쪽에 배치될 수 있다. 플레이트(202)는 핫 라인(211'), 제1샤프트(240), 보스(270)를 수용하기 위한 여러 홀들을 구비할 수 있다.
냉매가 핫 라인(211')과 입구(211)를 통해 4방 밸브(200)로 유입되어 모세관(212a', 212b', 212c')을 통해 빠져나가는 과정에서, 4방 밸브(200)로부터 냉매의 누설을 방지할 필요가 있다. 냉매의 누설을 방지하기 위해 케이스(201)와 플레이트(202)의 결합 부위, 플레이트(202)와 핫 라인(211')의 결합 부위, 플레이트(202)와 제1샤프트(240)의 결합 부위, 플레이트(202)와 보스(270)의 결합 부위 등에는 실링부재(미도시)가 설치될 수 있다.
로터(230)는 케이스(201)의 내부 공간 중 상부에 배치된다. 로터(230)는 스테이터(미도시)와의 전자기적인 상호 작용에 의해 회전하도록 이루어진다. 스테이터는 케이스(201)의 외부에 배치되나 케이스(201)의 내부에 배치될 수도 있다. 스테이터는 케이스(201)의 적어도 일부를 감싸도록 이루어질 수 있으며, 케이스(201)와 스테이터 사이에는 간격이 있을 수 있다.
로터(230)와 스테이터를 포함하는 모터는 인가되는 전압에 따라 회전력을 발생시킨다. 특히 4방 밸브(200)에는 회전각도를 조절하기 위해 스테핑 모터(stepping motor)가 이용될 수 있다. 스테핑 모터란 스텝 상태의 펄스에 순서를 부여함으로써 주어진 펄스 수에 비례한 각도만큼 회전하는 모터를 가리킨다. 스테핑 모터는 유니폴라 방식 등에 의해 로터(230)를 회전시킬 수 있다.
스테핑 모터에서는 펄스의 스텝과 회전각도가 비례하므로, 스테핑 모터를 이용하면 로터(230)의 회전각도를 정확하게 제어할 수 있다. 또한 로터(230)의 회전각도를 제어하면, 로터(230)와 연결된 제1스퍼기어(251), 상기 제1스퍼기어(251)와 맞물려 회전하는 제2스퍼기어(252) 및 상기 제2스퍼기어(252)와 연결된 밸브 패드(220)의 회전각도도 정확하게 제어할 수 있다. 또한 스테핑 모터를 이용하면, 정회전, 상기 정회전의 반대 방향인 역회전, 정지시키고자 하는 회전각도에서 로터(230)의 정지를 구현할 수 있다.
모터에 전압이 인가되면, 로터(230)는 제1샤프트(240)를 중심으로 회전하게 된다. 제1샤프트(240)는 로터(230)와 제1스퍼기어(251)를 지지하며, 4방 밸브(200)의 가운데 부분에 배치된다. 제1샤프트(240)는 케이스(201)의 꼭지 부분으로부터 플레이트(202)까지 연장될 수 있다.
제1스퍼기어(251)는 로터(230)로부터 회전력을 제공받도록 형성되고, 로터(230)와 함께 제1샤프트(240)를 중심으로 회전한다. 제1스퍼기어(251)는 로터(230)의 하부에 배치되며, 적어도 일부는 로터(230)와 결합 가능하도록 이루어질 수 있다. 제1스퍼기어(251)는 제1샤프트(240)와 평행한 방향으로 연장되어 플레이트(202)와 인접한 위치까지 연장될 수 있다.
제2스퍼기어(252)는 제1스퍼기어(251)와 맞물려 회전하도록 제1스퍼기어(251)의 일측에 배치된다. 제2스퍼기어(252)는 제2샤프트(260)를 중심으로 회전하도록 이루어지며, 제1샤프트(240)와 제2샤프트(260)는 실질적으로 평행할 수 있다. 제2샤프트(260)는 제2스퍼기어(252)를 관통한다. 제2스퍼기어(252)와 밸브 패드(220)는 제2샤프트(260)에 의해 지지된다.
제1스퍼기어(251)와 제2스퍼기어(252)는 서로 맞물려 있으므로, 로터(230)가 회전하게 되면 제1스퍼기어(251)와 제2스퍼기어(252)는 순차적으로 그 회전력을 전달받아 동시에 회전하게 된다.
보스(270)는 플레이트(202)에 결합되며, 보스(270)에는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 형성된다. 보스(270)에는 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')이 삽입될 수 있으며, 보스(270)는 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')을 수용하며, 수용된 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')을 지지하도록 이루어진다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 각각 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')과 통한다.
도 6에는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 도시되어 있으나, 도 7에는 3차원적인 모세관들(212a', 212b', 212c')의 구성과 배치를 2차원적인 단면도에 모두 나타낼 수 없기에 편의상 하나의 출구와 모세관만 도시하였다. 도 7의 도면부호는 출구에 212를 부여하고 모세관에 212'를 부여하였다.
밸브 패드(220)는 냉동사이클의 다양한 모드를 구현하기 위한 것이다. 밸브 패드(220)는 회전에 의해 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 선택적으로 개폐시키도록 이루어진다. 밸브 패드(220)는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)의 선택적인 개폐를 통해 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 냉매를 분배한다.
밸브 패드(220)는 제2스퍼기어(252)와 보스(270) 사이에 배치된다. 밸브 패드(220)는 제2스퍼기어(252)로부터 전달되는 회전력에 의해 제2샤프트(260)를 중심으로 회전하면서 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 선택적으로 개폐시킨다.
밸브 패드(220)는 제2스퍼기어(252)를 마주하는 부분에 홈(226a, 226b)을 구비한다. 제2스퍼기어(252)는 밸브 패드(220)와 결합 가능하도록 밸브 패드(220)의 홈(226a, 226b)에 삽입되는 돌기(252a, 252b)를 구비한다. 제2스퍼기어(252)의 돌기(252a, 252b)가 밸브 패드(220)의 홈(226a, 226b)에 삽입됨에 따라, 제2스퍼기어(252)와 밸브 패드(220)는 함께 회전할 수 있게 된다.
도 7의 화살표는 냉매의 유동을 의미한다. 냉매는 4방 밸브(200)의 입구(211)를 통해 4방 밸브(200)의 내부로 유입된다. 이에 따라 4방 밸브(200)의 내부 공간에는 냉매가 채워진다. 밸브 패드(220)가 회전함에 따라 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c) 중 적어도 하나는 열리거나 모든 출구(212a, 212b, 212c)가 닫히게 된다. 도 7는 어느 하나의 출구(212)가 열린 것을 도시한 것으로, 냉매는 열린 출구(212)를 통해 배출된다.
밸브 패드(220)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 개폐하는 매커니즘은 다음과 같다. 밸브 패드(220)가 회전하면서 밸브 패드(220)의 돌출부(222a, 222b, 222c, 도 8a 참조)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c) 중 적어도 하나와 밀착되면, 돌출부(222a, 222b, 222c, 도 8a 참조)와 밀착된 출구는 닫힌다. 이와 반대로 밸브 패드(220)의 돌출된 부분과 마주하지 않는 출구(212)는 개방된다. 밸브 패드(220)의 돌출부(222a, 222b, 222c, 도 8a 참조)와 마주하지 않는 출구(212)와 밸브 패드(220) 사이에는 간격이 존재하게 되므로, 그 간격을 통해 냉매가 배출될 수 있다.
제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 개폐하기 위해서는 밸브 패드(220)가 보스(270)에 충분히 밀착되어 있어야 한다. 밸브 패드(220)의 밀착은 제1리프스프링(281)과 제2리프스프링(282)에 의해 이루어진다.
제1리프스프링(281)은 제1스퍼기어(251)를 지지하도록 케이스(201)와 제1스퍼기어(251)의 사이에 배치된다. 제1리프스프링(281)은 원반의 테두리에 브리지를 구비하는 형태로 이루어진다. 브리지는 원반과 소정의 각도를 형성할 수 있다. 브리지는 케이스(201)의 내주면에 의해 가압되며, 이에 따라 원반은 로터(230)를 가압한다. 제1리프스프링(281)에 의해 로터(230)와 제1스퍼기어(251)는 플레이트(202) 쪽으로 밀착된다. 로터(230)와 제1스퍼기어(251)는 제1리프스프링(281)과 플레이트(202)에 의해 양측에서 가압되는 원리로 지지되는 것이라 이해할 수 있다.
제2리프스프링(282)은 제2스퍼기어(252)를 밸브 패드(220)에 밀착시키도록 제2스퍼기어(252)를 가압한다. 제2리프스프링(282)도 원반의 테두리에 브리지를 구비하는 형태로 이루어진다. 브리지는 플레이트(202)를 향해 절곡되어 플레이트(202)에 지지된다. 원반은 제1스퍼기어(251)에 의해 가압된다. 원반의 둘레가 케이스(201)의 내주면에 의해 가압되는 구조도 있을 수 있다. 그리고, 원반의 적어도 일부분(282a, 도 6)이 절개되어 제2스퍼기어(252) 쪽으로 휘거나 절곡된다. 이 부분(282a)은 제2스퍼기어(252)의 상부를 누르게 된다. 이에 따라 제2스퍼기어(252)는 밸브 패드(220)를 누르게 되고, 밸브 패드(220)는 보스(270)에 밀착된다.
도 6을 참조하면, 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 보스(270)의 원주 방향을 따라 배열된다. 보스(270)는 고정되어 있고, 밸브 패드(220)는 회전하도록 이루어지므로, 밸브 패드(220)의 형상과 회전각도에 따라 각 출구(212a, 212b, 212c)들의 개폐 여부가 결정된다. 이하에서는 먼저 밸브 패드(220)의 형상에 대하여 설명하고, 이어서 밸브 패드(200)의 회전각도에 따른 다양한 모드에 대하여 설명한다.
도 8a와 도 8b는 4방 밸브(200)의 구성요소인 밸브 패드(220)를 서로 다른 방향에서 바라본 개념도다.
밸브 패드(220)는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)로 냉매를 분배하도록, 회전에 의해 상기 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)를 선택적으로 개폐시킨다. 도 8a를 참조하면 밸브 패드(220)는, 베이스부(221), 돌출부(222a, 222b, 222c) 및 리세스부(223)를 포함한다.
베이스부(221)는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 마주보도록 배치된다(도 7 참조). 베이스부(221)는 실질적으로 원판에 가까운 형태로 형성될 수 있다. 베이스부(221)는 서로 반대 방향을 바라보는 제1면(221a)과 제2면(221b)을 구비한다. 도 8a는 제1면(221a)을 바라본 것이고, 도 8b는 제2면(221b)을 바라본 것이다. 밸브 패드(220)가 제2스퍼기어(252, 도 7 참조)와 보스(270, 도 7 참조)의 사이에 배치되어 있을 때, 베이스부(221)의 제1면(221a)은 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)를 마주보게 되고 제2면(221b)은 제2스퍼기어(252, 도 7 참조)를 마주보게 된다.
베이스부(221)는 상대물과의 위치를 고정하기 위해 원형 둘레의 적어도 일부가 절단되어 형성된 위치 설정부(221')를 구비한다. 위치 설정부(221')는 밸브 패드(220)의 초기 위치를 설정하기 위한 것이다. 베이스부(221)가 완전히 원형으로 형성되어 있으면, 4방 밸브(200)의 조립시 제2스퍼기어(252)와의 상대적인 위치가 정확하게 일치하지 않을 수 있다. 그러나 베이스부(221)의 일부가 절단되어 위치 설정부(221')가 형성되면, 위치 설정부(221')를 기준으로 밸브 패드(220)의 초기 위치를 정확하게 설정할 수 있으며, 밸브 패드(220)와 제2스퍼기어(252)의 상대적인 위치도 정확하게 일치시킬 수 있다.
돌출부(222a, 222b, 222c)는 밸브 패드(220)의 회전에 따라 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조) 중 적어도 하나를 막도록 베이스부(221)로부터 돌출된다. 더욱 구체적으로 돌출부(222a, 222b, 222c)는 베이스부(221)의 제1면(221a)으로부터 돌출된다.
밸브 패드가(220)가 회전하게 되면 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)는 선택적으로 개폐된다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)는 선택적으로 개폐되는 상태를 밸브 패드(220)의 회전에 의해 구현되는 모드로 정의한다.
본 발명에서 밸브 패드(220)의 회전에 의해 구현되는 모드는 크게 전폐모드, 제1모드, 제2모드, 제3모드를 포함한다. 각 모드는 서로 구분되며, 각 모드는 돌출부(222a, 222b, 222c)와 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)의 상대적인 위치에 따라 결정된다. 밸브 패드(220)는 회전하도록 이루어지고 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)는 고정되어 있으므로, 돌출부(222a, 222b, 222c)와 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)의 상대적인 위치는 밸브 패드(220)의 회전각도에 따라 달라지게 된다.
이하에서 각 모드들에 대하여 설명한다.
전폐모드는 밸브 패드(220)의 회전에 따라 돌출부(222a, 222b, 222c)가 제1 내지 제3출구(212)를 모두 막은 상태를 가리킨다. 전폐모드에서는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 막혀 있으므로, 냉매의 유동은 4방 밸브(200)에서 차단된다. 따라서 전폐모드에서는 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c', 도 1 내지 도 5 참조)에 냉매가 순환하지 않게 된다.
제1모드는 돌출부(222a, 222b, 222c)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조) 중 어느 두 출구(212a, 212b, 212c 중 두 출구)를 막은 상태를 가리킨다. 제1모드에서는 개방된 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나의 출구)로만 냉매가 배출되며, 나머지 두 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나를 제외한 나머지 두 출구)로는 냉매가 배출되지 않는다.
제2모드는 돌출부(222a, 222b, 222c)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조) 중 어느 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나)를 막은 상태를 가리킨다. 제2모드에서는 개방된 두 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나를 제외한 나머지 두 출구)로 냉매가 배출되며, 나머지 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나)로는 냉매가 배출되지 않는다.
제3모드는 돌출부(222a, 222b, 222c)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)를 모두 막지 않는 상태를 가리킨다. 제3모드에서는 모든 출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)가 개방되어 있으므로, 냉매는 모든 출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)로 배출된다.
돌출부(222a, 222b, 222c)는 전폐모드에서 각각 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 막는 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)을 구비한다. 전폐모드에서 돌출부(222a, 222b, 222c)의 제1부분(222a)은 제1출구(212a)와 대응되도록 배치되고, 제2부분(222b)은 제2출구(212b)와 대응되도록 배치되며, 제3부분(222c)은 제3출구(212c)와 대응되도록 배치된다. 돌출부(222a, 222b, 222c)의 적어도 일부는 제2샤프트(260, 도 6 및 도 7 참조)가 관통하는 홀(224)의 주변을 감쌀 수 있다.
이해의 편의를 위해 베이스부(221)는 중심을 원점으로 하여 사분면으로 구분될 수 있다. 도 8a와 도 8b에는 베이스부(221)의 사분면을 구분하는 가로축 점선과 세로축 점선을 밸브 패드(220)와 함께 도시하였다. 점선으로 구분된 네 영역 중 오른쪽 위의 영역부터 반시계 방향을 따라 위치하는 영역들이 차례로 제1사분면 내지 제4사분면이다. 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)은 밸브 패드(220)의 일 회전 방향을 따라 차례로 형성된다. 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)은 베이스부(221)의 서로 다른 사분면에 배치된다.
도 8a를 기준으로, 제2샤프트(260)가 통과하는 홀(224)은 베이스부(221)의 중심이 되고, 밸브 패드(220)의 일 회전 방향은 시계 방향을 가리킨다. 제1부분(222a)은 4사분면에 배치되고, 제2부분(222b)은 3사분면에 배치되며, 제3부분(222c)은 2사분면에 배치된다. 전폐모드에서 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)의 위치로부터 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)의 위치를 유추할 수 있다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)과 마찬가지로 밸브 패드(220)의 회전 방향을 따라 순차적으로 배열된다.
제1부분(222a)과 제2부분(222b) 사이에 리세스부(223)가 존재하는 것과 달리, 제2부분(222b)과 제3부분(222c)은 원주 방향을 따라 돌출된 형태로 서로 연결된다. 도 8a를 기준으로 3사분면에 형성되는 제2부분(222b)은 2사분면에 형성되는 제3부분(222c)과 서로 연결되되, 원주 방향을 따라 가로축 점선을 지나 서로 연결된다. 가로축 점선을 횡단하여 제2부분(222b)과 제3부분(222c)을 연결하는 부분은 연결부분으로 명명될 수 있다.
밸브 패드(220)가 회전함에 따라 제2부분(222b)과 제3부분(222c)의 사이에, 즉 3사분면과 4사분면을 구획하는 가로축 점선의 위치에 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조) 중 어느 하나 배치될 수 있다. 이 경우 제2부분(222b)과 제3부분(222c)이 원주 방향을 따라 돌출된 형태로 서로 연결되어 있으므로, 가로축 점선에 위치하는 출구(212a, 212b, 212c 중 하나, 도 6 참조)는 연결부분에 밀착되어 닫히게 된다. 이러한 결과는 제1부분(222a)과 제2부분(222b)의 사이에 리세스부(223)가 형성되는 구성으로 인해 나타나는 결과와 상이한 것이다.
리세스부(223)는 제1부분(222a)과 제2부분(222b)의 사이에 형성된다. 리세스부(223)가 제1부분(222a)과 제2부분(222b)의 사이에 형성됨에 따라, 임의의 모드에서 4사분면과 3사분면을 구획하는 세로축 점선에 위치한 출구(212a, 212b, 212c 중 하나)는 개방된다. 예를 들어 전폐모드에서 제1부분(222a)과 제1출구(212)는 서로 대응되도록 배치된다. 그러나 밸브 패드(220)가 회전함에 따라 리세스부(223)와 제1출구(212a, 도 6 참조)가 대응되도록 배치되면, 제1출구(212a, 도 6 참조)는 개방된다. 상기 임의의 모드는 제2모드가 될 수 있으며, 전폐모드에서 제2모드로 전환 시 리세스부(223)와 대응되게 배치되는 제1출구(212a, 도 6 참조)는 개방될 수 있다.
밸브 패드(220)는 고정되어 있는 것이 아니라 회전하므로, 밸브 패드(220)의 회전에 따라 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)과 대응되게 배치되는 출구들(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)은 닫힌다. 또한, 제2부분(222b)과 제3부분(222c)은 돌출된 상태로 연결되어 있으므로, 밸브 패드(220)의 회전에 따라 제2부분(222b)과 제3부분(222c) 사이에 배치되는 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나)도 닫힌다.
이와 반대로, 베이스부(221) 및 리세스부(223)와 대응되게 배치되는 출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)는 개방된다. 리세스부(223)는 다른 베이스부(221)와 구분하기 위한 것으로, 리세스부(223)가 출구(212a, 212b, 212c)를 개방하는 매커니즘은 베이스부(221)와 실질적으로 동일하다. 도 8a에서 베이스부(221)의 1사분면과 대응되게 배치되는 출구(212a, 212b, 212c)는 개방된다.
이제 도 8b를 참조하면, 도 8b는 베이스부(221)의 제2면(221b)을 바라본 것이다. 제2면(221b)은 제2스퍼기어(252)와 결합되는 부분이다. 제2면(221b)에는 제2스퍼기어(252)와 결합되기 위한 홈(226a, 226b)이 형성된다. 홈(226a, 226b)은 제2스퍼기어(252)의 돌기(252a, 252b, 도 6 참조)에 대응된다. 4방 밸브(200)의 조립 시 돌기(252a, 252b)는 베이스부(221)의 홈(226a, 226b)에 삽입된다.
밸브 패드(220)는 형상의 변형을 방지하기 위한 변형 방지부(225a, 225b)를 구비한다. 변형 방지부(225a, 225b)는 제2면(221b)으로부터 제1면(221a)쪽으로 리세스되어 형성된다. 특히 변형 방지부(225a, 225b)는 돌출부(222a, 222b, 222c)의 두께에 의한 변형을 방지하도록 돌출부(222a, 222b, 222c)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 도 8a와 도 8b를 비교해 보면 변형 방지부(225a, 225b)는 제2부분(222b)과 제3부분(222c)에 대응되는 것을 알 수 있다.
밸브 패드(220)는 사출에 의해 형성될 수 있다. 밸브 패드(220)의 지름은 일반적으로 1cm 이하이며, 이와 같이 작은 크기의 밸브 패드(220)에 복잡한 형상의 돌출부(222a, 222b, 222c)가 형성되면, 그 두께로 인하여 사출 이후에 형상의 변형이 발생할 수 있다. 밸브 패드(220)의 형상이 변형되면 출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)를 개폐하는 역할을 제대로 수행할 수 없으므로 냉매의 누설에 의한 냉동사이클의 이상 작동을 유발하게 된다. 변형 방지부(225a, 225b)가 돌출부(222a, 222b, 222c)와 대응되는 위치에 형성되면 밸브 패드(220)의 변형을 방지할 수 있고, 냉동사이클의 이상 작동을 방지할 수 있다.
도 9는 4방 밸브(200)를 이용하여 구현되는 모드를 설명하기 위한 챠트다.
챠트에서 가로축은 스테핑 모터의 스텝을 가리킨다. 스테핑 모터는 특정 스텝에 대응되는 펄스 신호를 인가할 때마다, 상기 특정 스텝에 해당하는 각도로 회전한다. 그리고 앞서 설명한 바와 같이 스테핑 모터가 회전하면 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)도 회전하게 된다. 스테핑 모터의 단위 스텝(1스텝)에 해당하는 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)의 회전 각도는 기설정된 정지점(STOP POINT)의 스텝에 의해 결정된다. 360을 정지점의 스텝으로 나누면 단위 스텝에 해당하는 밸브 패드(220)의 회전 각도가 계산된다.
예를 들어 정지점의 스텝이 360스텝으로 설정된 경우, 원점(0)으로부터 360스텝까지가 밸브 패드(220)의 1회전에 대응된다. 따라서 360을 정지점의 스텝인 360으로 나눈 1°가 단위 스텝에 해당하는 밸브 패드(220)의 회전 각도가 된다. 스테핑 모터에 인가되는 펄스 신호가 1스텝에 대응되면 밸브 패드(220)는 1° 회전하게 되고, 스테핑 모터에 인가되는 펄스 신호가 10스텝에 대응되면 밸브 패드(220)는 10° 회전하게 된다.
마찬가지로 정지점의 스텝이 200스텝으로 설정된 경우, 원점(0)으로부터 200스텝까지가 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)의 1회전에 대응된다. 따라서 360을 정지점의 스텝인 200으로 나눈 1.8°가 단위 스텝에 해당하는 밸브 패드(220)의 회전 각도가 된다. 스테핑 모터에 인가되는 펄스 신호가 1스텝에 대응되면 밸브 패드(220)는 1.8° 회전하게 되고, 스테핑 모터에 인가되는 펄스 신호가 10스텝에 되응되면 밸브 패드(220)가 18° 회전하게 된다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 정지점의 스텝을 200스텝으로 설정하여 설명한다. 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)에 의해 구현될 수 있는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)의 개폐모드는 총 7가지이므로, 각 모드에 해당하는 스테핑 모터의 스텝을 제1 내지 제7스텝으로 설정하여 설명한다. 제1 내지 제7스텝의 서수는 서로를 구분하기 위한 것이지 특정 스텝을 의미하는 것은 아니며, 제1 내지 제7스텝은 0스텝에서 200스텝 사이의 범위에서 임의로 결정될 수 있다. 예를 들어 제1스텝은 4스텝, 제2스텝은 34스텝, 제3스텝은 54스텝, 제4스텝은 94스텝, 제5스텝은 124스텝, 제6스텝은 154스텝, 제7스텝은 184스텝으로 결정될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
챠트에서 세로축은 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)의 개폐상태를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 원점에서 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)는 모두 닫혀있다.
1. 제1스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제1스텝(예를 들어 4스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)는 제1스텝에 대응되는 각도(예를 들어 4×1.8°=7.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220)의 회전에 의해 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 닫히는 전폐모드가 구현된다.
2. 제2스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제2스텝(예를 들어 34스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220)는 제2스텝에 대응되는 각도(예를 들어 34×1.8°=61.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220)의 회전에 의해 제2출구(212b)가 닫히며 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 개방되는 제2모드가 구현된다.
3. 제3스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제3스텝(예를 들어 54스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)는 제3스텝에 대응되는 각도(예를 들어 54×1.8°=97.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220, 도 8a 및 도 8b 참조)의 회전에 의해 제1출구(212a)와 제2출구(212b)가 닫히며 제3출구(212c)가 개방되는 제1모드가 구현된다.
4. 제4스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제4스텝(예를 들어 94스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220)는 제4스텝에 대응되는 각도(예를 들어 94×1.8°=169.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220)의 회전에 의해 제1출구(212a)가 닫히며 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 개방되는 제2모드가 구현된다.
5. 제5스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제5스텝(예를 들어 124스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220)는 제5스텝에 대응되는 각도(예를 들어 124×1.8°=223.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220)의 회전에 의해 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 닫히며 제2출구(212b)가 개방되는 제1모드가 구현된다.
6. 제6스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제6스텝(예를 들어 154스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220)는 제6스텝에 대응되는 각도(예를 들어 154×1.8°=277.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220)의 회전에 의해 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 개방되는 제3모드가 구현된다.
7. 제7스텝
스테핑 모터에 인가되는 펄스에 변화를 주어 제7스텝(예를 들어 184스텝)에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가되면, 밸브 패드(220)는 제7스텝에 대응되는 각도(예를 들어 184×1.8°=331.2°)만큼 회전하게 된다. 그리고 밸브 패드(220)의 회전에 의해 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 닫히고 제1출구(212a)가 개방되는 제1모드가 구현된다.
밸브 패드(220)는 회전각도에 따라 전폐모드, 제1모드, 제2모드 및 제3모드 중 어느 하나를 선택적으로 구현한다. 도 9는 밸브 패드(220)의 1회전 시 구현되는 모드들을 나타낸 것이다. 따라서 밸브 패드(220)는 원점에서 다시 원점으로 1회전 시 2회의 전폐모드, 3회의 서로 구분되는 제1모드, 2회의 서로 구분되는 제2모드 및 1회의 제3모드를 구현한다.
전폐모드는 밸브 패드(220)의 회전에 따라 돌출부(222a, 222b, 222c, 도 8a 및 도 8b 참조)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)를 모두 막은 상태를 가리킨다. 전폐모드에서는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 막혀 있으므로, 냉매의 유동은 4방 밸브(200)에서 차단된다. 따라서 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 냉매가 공급되지 않는다.
제1모드는 돌출부(222a, 222b, 222c, 도 8a 및 도 8b 참조)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c) 중 어느 두 출구(212a, 212b, 212c 중 두 출구)를 막은 상태를 가리킨다. 돌출부(222a, 222b, 222c)에 의해 막힌 두 출구(212a, 212b, 212c 중 두 출구)를 제외한 나머지 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 두 출구를 제외한 나머지 하나의 출구)는 개방된다.
출구(212a, 212b, 212c)는 3개이므로, 제1모드는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c) 중 어느 것이 개방되고 어느 것이 닫히느냐에 따라 3개의 서로 다른 제1모드로 구분될 수 있다. 예를 들어 제1출구(212a)와 제2출구(212b)가 닫히고 제3출구(212c)가 개방되는 제1모드, 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 닫히고 제2출구(212b)가 개방되는 제1모드, 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 닫히고 제1출구(212a)가 개방되는 제1모드는 서로 구분된다.
이해의 편의를 위하여 각각의 제1모드는 다음과 같이 서로 구분하여 명명될 수 있다.
제1출구(212a)와 제2출구(212b)가 닫히고 제3출구(212c)가 개방되는 모드는 제1-1모드로 명명된다. 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 닫히고 제2출구(212b)가 개방되는 모드는 제1-2모드로 명명된다. 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 닫히고 제1출구(212a)가 개방되는 모드는 제1-3모드로 명명된다. 단순히 제1모드라고 한다면 상기 제1-1모드, 제1-2모드 및 제1-3모드를 모두 가리킨다. 다만, 이러한 명명은 설명의 편의를 위한 것일 뿐 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.
제1모드에서는 개방된 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나)로만 냉매가 배출되며, 나머지 두 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나를 제외한 나머지 두 출구)로는 냉매가 배출되지 않는다.
제2모드는 돌출부(222a, 222b, 222c)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c) 중 어느 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나)를 닫은 상태를 가리킨다. 돌출부(222a, 222b, 222c)에 의해 닫힌 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나)를 제외한 나머지 두 출구(212a, 212b, 212c 중 어느 하나를 제외한 나머지 두 출구)는 개방된다.
출구(212a, 212b, 212c)는 3개이므로, 제2모드는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c) 중 어느 것이 개방되고 어느 것이 닫히느냐에 따라 3개의 서로 다른 제2모드로 구분될 수 있다. 예를 들어 제1출구(212a)가 닫히고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 개방되는 제2모드, 제2출구(212b)가 닫히고 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 개방되는 제2모드, 제3출구(212c)가 닫히고 제1출구(212a)와 제2출구(212b)가 개방되는 제2모드는 서로 구분된다.
여기서도 이해의 편의를 위하여 각각의 제2모드는 다음과 같이 서로 구분하여 명명한될 수 있다.
제1출구(212a)가 닫히고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 개방되는 모드는 제2-1모드로 명명된다. 제2출구(212b)가 닫히고 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 개방되는 모드는 제2-2모드로 명명된다. 제3출구(212c)가 닫히고 제1출구(212a)와 제2출구(212b)가 개방되는 모드는 제2-3모드로 명명된다. 단순히 제2모드라고 한다면 상기 제2-1모드, 제2-2모드 및 제2-3모드를 모두 가리킨다. 이러한 명명은 설명의 편의를 위한 것일 뿐 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.
제2모드에서는 개방된 두 출구(212a, 212b, 212c 중 두 출구)로 냉매가 배출되며, 나머지 하나의 출구(212a, 212b, 212c 중 나머지 하나의 출구)로는 냉매가 배출되지 않는다.
제3모드는 돌출부(222a, 222b, 222c)가 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)를 모두 막지 않는 상태를 가리킨다. 제3모드에서는 모든 출구(212a, 212b, 212c)가 개방되어 있으므로, 냉매는 모든 출구(212a, 212b, 212c)로 배출된다. 제1모드 및 제2모드와 달리 제3모드에는 서로 구분되는 모드가 존재하지 않고, 이는 전폐모드도 마찬가지다. 이를테면, 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 막히거나 모두 개방되는 경우의 수는 1가지이다.
도 9를 참조하면, 밸브 패드(220)는 원점에서 다시 원점으로 1회전 시 전폐모드, 어느 하나의 제2모드, 어느 하나의 제1모드, 다른 하나의 제2모드, 다른 하나의 제1모드, 제3모드, 또 다른 하나의 제1모드 및 전폐모드를 순차적으로 구현한다.
더욱 자세하게 설명하면, 밸브 패드(220)는 1회전 시, 전폐모드, 제2-2모드, 제1-1모드, 제2-1모드, 제1-2모드, 제3모드, 제1-3모드를 순차적으로 구현한다. 밸브 패드(220)가 회전을 시작할 때와 회전을 마칠 때 원점에서의 전폐모드는 서로 같은 것이므로, 밸브 패드(220)는 총 7개의 서로 다른 모드들을 구현할 수 있다.
밸브 패드(220)에 의해 구현되는 각 모드는 반드시 순차적으로 구현되어야 하는 것은 아니며, 냉동사이클에서 요구하는 모드가 선택적으로 구현될 수 있다. 다만 설명의 편의를 위해 이하에서는 각 모드에서 냉동사이클의 운전을 설명한다. 이하에서 설명할 내용을 표 1에 정리하였다.
스텝 제1출구 제2출구 제3출구 설명
제1스텝 닫힘 닫힘 닫힘 냉장실과 냉동실의 온도 만족
제2스텝 열림 닫힘 열림 냉장실 증발기와 냉동실 증발기 운전 (초기작동)
제3스텝 닫힘 닫힘 열림 냉장실 증발기 운전
제4스텝 닫힘 열림 열림 냉장실 증발기와 냉동실 증발기 운전
제5스텝 닫힘 열림 닫힘 냉동실 증발기 운전 (소비전력 절감 운전)
제6스텝 열림 열림 열림 냉장실 증발기와 냉동실 증발기 운전
제7스텝 열림 닫힘 닫힘 냉동실 증발기 운전 (신속한 부하 대응 운전)
전폐모드(제1스텝)에서 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c, 도 6 참조)는 모두 닫히므로, 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c', 도 1 내지 도 5 참조)에 냉매는 흐르지 않는다.
제2-2모드(제2스텝)에서 제1출구(212a)와 제3출구(212c)는 열리고 제2출구(212b)는 닫히므로, 제1모세관(212a')과 제3모세관(212c')에 냉매가 흐르며 제2모세관(212b')에는 냉매가 흐르지 않는다. 제2-2모드에서는 제3모세관(212c')을 통해 냉매를 공급받은 냉장실 증발기(181, 도 1 내지 도 4 참조)와 제1모세관((212a')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182, 도 1 내지 도 4 참조)가 작동하여, 냉장실(112, 도 1 내지 도 3 참조)과 냉동실(113, 도 1 내지 도 3 참조)의 온도를 낮출 수 있다. 냉장고(100)에 초기 전원을 인가하여 냉장실(112)과 냉동실(113)의 온도가 모두 초기기준온도 이상인 경우에 냉장고(100)는 제2-2모드로 운전될 수 있다.
제1-1모드(제3스텝)에서 제3출구(212c)는 열리고 제1출구(212a)와 제2출구(212b)는 닫히므로, 제3모세관(212c')에 냉매가 흐르고 제1모세관(212a')과 제2모세관(212b')에는 냉매가 흐르지 않는다. 제1-1모드에서는 제3모세관(212c')을 통해 냉매를 공급받은 냉장실 증발기(181)가 작동하여 냉장실의 온도를 낮출 수 있다. 냉장실(112)의 온도가 설정 온도 이상인 경우에 냉장고(100)는 제1-1모드로 운전될 수 있다.
제2-1모드(제4스텝)에서 제2출구(212b)와 제3출구(212c)는 열리고 제1출구(212a)는 닫히므로, 제2모세관(212b')과 제3모세관(212c')에 냉매가 흐르고 제1모세관(212a')에는 냉매가 흐르지 않는다. 제2-1모드에서는 제3모세관(212c')을 통해 냉매를 공급받은 냉장실 증발기(181)와 제2모세관(212b')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182가 작동하여, 냉장실(112)과 냉동실(113)의 온도를 낮출 수 있다.
제1-2모드(제5스텝)에서 제2출구(212b)는 열리고 제1출구(212a)와 제3출구(212c)는 닫히므로, 제2모세관(212b')에는 냉매가 흐르고 제1모세관(212a')과 제3모세관(212c')에는 냉매가 흐르지 않는다. 제1-2모드에서는 제2모세관(212b')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182)가 작동하여 냉동실(113)의 온도를 낮출 수 있다. 제1-2모드에서는 제1모세관(212a')보다 작은 내경을 갖는 제2모세관(212b')을 통해 냉매가 흐르므로, 제1-2모드의 운전을 통해 냉장고(100)는 소비전력 절감 효과를 얻을 수 있다.
제3모드(제6스텝)에서 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 열리므로, 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')으로 냉매가 흐른다. 제3모드에서는 제3모세관(212c')을 통해 냉매를 공급받은 냉장실 증발기(181)와 제1 및 제2모세관(212a', 212b')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182)가 작동하여 냉장실(112)과 냉동실(113)의 온도를 낮출 수 있다.
제1-3모드(제7스텝)에서 제1출구(212a)는 열리고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)는 닫히므로, 제1모세관(212a')에는 냉매가 흐르고 제2모세관(212b')과 제3모세관(212c')에는 냉매가 흐르지 않는다. 제1-3모드에서는 제1모세관(212a')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182)가 작동하여 냉동실(113)의 온도를 낮출 수 있다. 제1-3모드에서는 제2모세관(212b')보다 큰 직경을 갖는 제1모세관(212a')을 통해 냉매가 흐르므로, 제1-3모드의 운전을 통해 냉장고(100)는 신속한 부하 대응, 유로 막힘 방지 및 이슬 맺힘 방지라는 효과를 얻을 수 있다.
도 10a 내지 10h는 4방 밸브에 의해 구현되는 서로 다른 모드에서 밸브 패드(220)의 상태를 보인 개념도다.
도 10a 내지 도 10h는 도 5에 도시된 4방 밸브(200)의 아래에서 위를 향해 바라본 것이다. 다만 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)의 개폐 상태와 밸브 패드(220)의 회전각도에 대한 명확한 이해를 위해 불필요한 구성요소들(이를 테면 플레이트(202) 등)은 제외하고 도시하였다.
도 10a 내지 도 10h에서는 공통적으로 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')과 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 고정되어 있으며, 밸브 패드(220)만 회전하게 된다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 각각 제1 내지 제3모세관(212a', 212b', 212c')에 대응된다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 밸브 패드(220)의 일 회전방향을 따라 차례로 배열된다.
도시된 바에 의하면 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 시계 방향을 따라 배열된다. 밸브 패드(220)의 회전각도에 따라 구현되는 모드가 달라지며, 도 10a부터 도 10h까지의 도면을 순서대로 보면 밸브 패드(220)는 반시계 방향으로 회전한다. 도 10a 내지 도 10h의 도면은 도 9에 도시된 챠트와 대응되므로, 각 모드에서 도 9를 참조하면 더욱 쉽게 이해할 수 있다.
먼저 도 10a를 보면, 밸브 패드(220)는 원점에서의 상태를 나타낸다. 원점에서 제1 내지 제3부분(222c)은 각각 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)와 대응되게 배치된다. 따라서 원점에서 모든 출구(212a, 212b, 212c)는 닫혀 있다.
다음으로 도 10b은, 제1스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10b를 도 10a와 비교하면 밸브 패드(220)는 원점에서 시계방향을 따라 제1스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1 내지 제3부분(222a, 222b, 222c)은 각각 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)와 대응되게 배치된다. 따라서 제1스텝에서는 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 닫히는 전폐모드가 구현된다.
도 10c는, 제2스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10c를 도 10b와 비교하면 밸브 패드(220)는 제1스텝에서 시계방향을 따라 제2스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1출구(212a)는 리세스부(223)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제2출구(212b)는 제2부분(222b)과 제3부분(222c)의 사이에 배치되어 닫힌다. 제2부분(222b)과 제3부분(222c)은 돌출된 상태로 서로 연결되어 있기 때문이다. 제3출구(212c)는 베이스부(221)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제2출구(212b)가 닫히고 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 개방되어 있으므로, 제2스텝에서는 제2모드가 구현되며 구체적으로는 제2-2모드가 구현된다.
도 10d는, 제3스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10d를 도 10c와 비교하면 밸브 패드(220)는 제2스텝에서 시계방향을 따라 제3스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1출구(212a)는 제2부분(222b)과 대응되게 배치되어 닫힌다. 제2출구(212b)는 제3부분(222c)과 대응되게 배치되어 닫힌다. 제3출구(212c)는 베이스부(221)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제1출구(212a)와 제2출구(212b)가 닫히고 제3출구(212c)가 개방되어 있으므로, 제3스텝에서는 제1모드가 구현되며 구체적으로는 제1-1모드가 구현된다.
도 10e는, 제4스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10e를 도 10d와 비교하면 밸브 패드(220)는 제3스텝에서 시계방향을 따라 제4스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1출구(212a)는 제2부분(222b)과 제3부분(222c)의 사이에 배치되어 닫힌다. 제2부분(222b)과 제3부분(222c)은 돌출된 상태로 서로 연결되어 있기 때문이다. 제2출구(212b)과 제3출구(212c)는 베이스부(221)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제1출구(212a)가 닫히고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 개방되어 있으므로, 제4스텝에서는 제2모드가 구현되며 구체적으로는 제2-1모드가 구현된다.
도 10f는, 제5스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10f를 도 10e와 비교하면 밸브 패드(220)는 제4스텝에서 시계방향을 따라 제5스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1출구(212a)는 제3부분(222c)과 대응되게 배치되어 닫힌다. 제2출구(212b)는 리세스부(223)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제3출구(212c)는 제1부분(222a)과 대응되게 배치되어 닫힌다. 제1출구(212a)과 제3출구(212c)가 닫히고 제2출구(212b)가 개방되어 있으므로 제5스텝에서는 제1모드가 구현되며 구체적으로는 제1-2모드가 구현된다.
도 10g는, 제6스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10g를 도 10f와 비교하면 밸브 패드(220)는 제5스텝에서 시계방향을 따라 제6스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1출구(212a)와 제2출구(212b)는 베이스부(221)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제3출구(212c)는 리세스부(223)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)가 모두 개방되어 있으므로 제6스텝에서는 제3모드가 구현된다.
도 10h는, 제7스텝에 해당하는 펄스 신호가 스테핑 모터에 인가됨에 따라 밸브 패드(220)가 회전된 후의 상태를 나타낸 것이다. 도 10h를 도 10g와 비교하면 밸브 패드(220)는 제6스텝에서 시계방향을 따라 제7스텝에 대응되는 회전각도로 회전하였다. 제1출구(212a)는 베이스부(221)와 대응되게 배치되어 개방된다. 제2출구(212b)는 제1부분(222a)과 대응되게 배치되어 닫힌다. 제3출구(212c)는 제2부분(222b)과 대응되게 배치되어 닫힌다. 제2출구(212b)과 제3출구(212c)가 닫히고 제1출구(212a)가 개방되므로 제7스텝에서는 제1모드가 구현되며 구체적으로는 제1-3모드가 구현된다.
이상에서 단일 냉동사이클에 하나의 압축기(160), 두 개의 증발기(181, 182), 4방 밸브(200)가 구비되는 냉장고(100)의 구성에 대하여 설명하였다. 이하에서는 이 냉장고의 운전방법에 대하여 설명한다. 각 구성요소의 도면부호는 도 1 내지 도 10h를 참조한다.
도 11은 도 1 내지 도 10에서 설명한 냉장고(100)의 운전방법을 설명하기 위한 흐름도다.
냉장실(112)의 온도, 냉동실(113)의 온도, 외기온도 및 외기습도는 앞서 설명한 감지부(미도시)에서 측정된다. 그리고 이하에서 설명하는 운전은 제어부(마이컴, 미도시)에 의해 제어될 수 있다. 제어부는 감지부에서 측정되는 온도를 설정온도 또는 기준온도와 비교하고 감지부에서 측정되는 습도를 기준습도와 비교하여 4방 밸브의 작동을 제어한다.
먼저, 제어부는 냉장실(112)의 온도와 냉동실(113)의 온도가 각각의 초기기준온도 이상인지 여부를 판단한다. 냉장실(112)의 온도와 냉동실(113)의 온도가 초기기준온도 이상(YES)이면, 4방 밸브의 작동에 의해 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 열린다.
초기기준온도란 냉장고에 초기 전원을 인가하는 경우 등 냉장실의 온도와 냉동실의 온도가 동시에 기설정된 기준을 넘는 특수한 경우를 대비하여 설정된 온도다. 초기기준온도는 상온보다 낮으나 냉장고(100)가 작동할 때의 냉장실(112)의 온도나 냉동실(113)의 온도보다는 높은 온도로 설정될 수 있다. 초기기준온도는 냉장실(112)과 냉동실(113)에 각각 설정될 수 있다.
냉장고(100)가 완전히 정지한 상태에서 초기 전원을 투입하게 되면, 냉장실(112)의 온도와 냉동실(113)의 온도는 상온으로 측정되기 때문에 초기기준온도보다 높다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1출구(212a)와 제3출구(212c)가 열리면 제1모세관(212a')과 제3모세관(212c')으로 냉매가 흐른다. 제1모세관(212a')을 통해 냉매를 공급받은 냉장실 증발기(181)와 제3모세관(212c')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182)는 동시에 작동한다. 냉장실 증발기(181)와 냉동실 증발기(182)의 작동에 의해 냉장실(112)과 냉동실(113)의 온도를 낮출 수 있다.
냉장실(112)의 온도와 냉동실(113)의 온도가 초기기준온도 이상인 경우는 냉장고(100)에 초기 전원이 투입되는 특수한 경우이므로, 냉장실(112)의 온도와 냉동실(113)의 온도가 각각의 초기기준온도 이상인지 여부를 판단하는 운전은 1회 완료된 후에 생략될 수도 있다.
냉장실(112)의 온도와 냉동실(113)의 온도가 초기기준온도보다 낮은 경우(NO), 제어부는 냉장실(112)의 온도가 냉장실(112)의 설정온도를 만족하는지 판단한다.
냉장실(112)의 온도가 냉장실(112)의 설정온도를 만족하지 못하는 경우(NO), 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제3출구(212c)는 열리고 제1출구(212a)와 제2출구(212b)는 닫힌다. 제3출구(212c)가 열림에 따라 냉매는 제3모세관(212c')을 통해 냉장실 증발기(181)로 흐른다. 냉장실 증발기(181)가 작동하면 냉장실(112)의 온도를 설정 온도 이하로 낮출 수 있다.
냉장실(112)의 온도가 냉장실(112)의 설정온도를 만족하는 경우(YES), 제어부는 냉동실(113)의 온도가 냉동실(113)의 설정온도를 만족하는지 판단한다.
냉동실(113)의 온도가 냉동실(113)의 설정온도를 만족하는 경우(YES), 제1 내지 제3출구(212a, 212b, 212c)는 닫히고, 압축기(160)의 운전은 정지된다.
냉동실(113)의 온도가 냉동실(113)의 설정온도를 만족하지 못하는 경우(NO)는 외기온도와 외기습도에 따라 냉장고(100)의 소비전력을 개선하는 운전, 신속하게 부하에 대응하는 운전, 유로 막힘을 억제하는 운전, 이슬 맺힘을 방지하는 운전 등이 선택된다.
먼저 제어부는 외기온도가 제1기준온도보다 높고 제2기준온도보다 낮은지를 판단한다.
겨울과 같이 외기온도가 상대적으로 낮은 경우, 작은 내경의 모세관에는 유로 막힘 현상이 발생할 수 있다. 모세관의 내경이 작으면 작을수록 유로 막힘의 가능성은 높아진다. 제1기준온도는 유로 막힘이 발생할 가능성이 있는 외기온도의 기준이다. 제1기준온도는 예를 들어 18℃로 설정될 수 있다. 외기온도가 제1기준온도보다 낮은 경우(NO), 유로 막힘이 발생할 수 있으므로 유로의 막힘을 억제하기 위해 상대적으로 큰 내경을 갖는 제1모세관(212a')으로 냉매가 흐르는 유로 막힘 억제 운전이 선택된다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1출구(212a)가 열리고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 닫히면, 냉매는 제1모세관(212a')을 통해 냉동실 증발기(182)로 흐른다. 냉동실 증발기(182)가 작동하면 냉동실(113)의 온도는 설정 온도 이하로 낮출 수 있다. 또한 제1모세관(212a')으로 냉매가 흐름에 따라 유로 막힘도 방지할 수 있다.
여름과 같이 외기온도가 상대적으로 높은 경우, 냉동실(113)의 온도가 쉽게 올라가므로 신속한 부하 대응 운전이 선택된다. 제2기준온도는 신속한 부하 대응을 필요로 하는 외기온도의 기준이다. 제2기준온도는 예를 들어 27℃로 설정될 수 있다. 외기온도가 제2기준온도보다 높은 경우(NO), 신속한 부하 대응을 위해 상대적으로 큰 내경을 갖는 제1모세관(212a')으로 냉매가 흐르는 신속한 부하 대응 운전이 선택된다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1출구(212a')가 열리고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 닫히면, 냉매는 제1모세관(212a')을 통해 냉동실 증발기(182)로 흐른다. 냉동실 증발기(182)가 작동하면 냉동실(113)의 온도는 설정 온도 이하로 신속하게 낮출 수 있다.
외기온도가 제1기준온도보다 높고, 제2기준온도보다 낮은 경우(YES), 제어부는 외기습도와 기준습도를 비교하여 외기습도가 기준습도보다 낮은지를 판단한다. 외기습도가 지나치게 높으면, 냉장고 본체(110)의 전면부에 이슬 맺힘이 발생할 수 있으며, 핫 라인(211')으로 더 많은 유량이 흘려야 이슬의 맺힘을 방지할 수 있다. 기준습도는 이슬 맺힘이 쉽게 발생할 수 있는 외기습도의 기준이다. 기준습도는 예를 들어 80%로 설정될 수 있다. 외기습도가 기준습도보다 높은 경우(NO), 핫 라인(211')으로 충분한 냉매를 공급하는 이슬 맺힘 방지 운전이 선택된다. 4방 밸브(200)의 작동에 의해 제1출구(212a)가 열리고 제2출구(212b)와 제3출구(212c)가 닫히면, 냉매는 상대적으로 큰 내경의 제1모세관(212a')을 통해 냉동실 증발기(182)로 흐른다. 냉동실 증발기(182)가 작동하면 냉동실(113)의 온도는 설정 온도 이하로 낮출 수 있다. 또한, 제1모세관(212a')으로 냉매가 흐름에 따라 핫 라인(211')을 흐르는 냉매의 유량도 증가하여 이슬의 맺힘도 방지할 수 있다.
외기온도가 제1기준온도와 제2기준온도 사이에 있고(YES), 외기습도가 기준습도보다 낮은 경우(YES), 소비전력 개선 운전이 선택된다. 4방 밸브의 작동에 의해 제2출구(212b)는 열리고, 제1출구(212a)와 제3출구(212c)는 닫힌다. 제2모세관(212b')을 통해 냉매를 공급받은 냉동실 증발기(182)의 작동에 의해 냉동실(113)의 온도는 낮출 수 있다. 또한 제2모세관(212b')은 제1모세관(212a')보다 작은 내경을 가지므로, 소비전력 개선 운전은 냉동사이클을 순환하는 냉매의 유량 감소를 통해 소비전력 개선 효과를 얻을 수 있다.
이와 같은 운전을 통해 본 발명의 냉장고(100)와 그 운전방법을 적용하면, 온도 및 습도에 따라 냉장고의 소비전력을 절감 운전, 신속한 부하 대응 운전, 유로 막힘 방지 운전, 이슬 맺힘 방지 운전 등을 선택적으로 구현할 수 있다.
이상에서 설명된 냉장고는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 냉매를 압축하도록 이루어지는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키도록 이루어지는 응축기;
    냉장실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉장실 증발기;
    냉동실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉동실 증발기;
    상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지며, 상기 냉동실 증발기에 연결되어 서로 구분되는 냉매 유로를 형성하는 제1모세관과 제2모세관;
    상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지고, 상기 냉장실 증발기에 연결되어 냉매 유로를 형성하는 제3모세관; 및
    상기 응축기에 연결되는 입구와, 각각 상기 제1 내지 제3모세관에 연결되는 제1 내지 제3출구를 구비하고, 상기 제1 내지 제3출구의 열림과 닫힘에 따라 상기 제1 내지 제3모세관 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배하는 4방 밸브를 포함하고,
    냉장고에는 유로 막힘 방지의 기준이 되는 제1기준온도, 신속한 부하 대응 요구의 기준이 되는 제2기준온도, 및 이슬 맺힘 방지의 기준이 되는 기준습도가 설정되고,
    상기 제2모세관은 상기 제1모세관보다 작은 내경을 가지며,
    상기 냉동실의 온도가 냉동실의 설정온도 이상이고, 외기온도가 상기 제1기준온도와 제2기준온도의 사이이며, 외기습도가 상기 기준습도보다 낮으면, 상기 4방 밸브는 상기 제2출구를 개방시키는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  2. 냉매를 압축하도록 이루어지는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키도록 이루어지는 응축기;
    냉장실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉장실 증발기;
    냉동실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉동실 증발기;
    상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지며, 상기 냉동실 증발기에 연결되어 서로 구분되는 냉매 유로를 형성하는 제1모세관과 제2모세관;
    상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지고, 상기 냉장실 증발기에 연결되어 냉매 유로를 형성하는 제3모세관; 및
    상기 응축기에 연결되는 입구와, 각각 상기 제1 내지 제3모세관에 연결되는 제1 내지 제3출구를 구비하고, 상기 제1 내지 제3출구의 열림과 닫힘에 따라 상기 제1 내지 제3모세관 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배하는 4방 밸브를 포함하고,
    냉장고에는 유로 막힘 방지의 기준이 되는 제1기준온도, 신속한 부하 대응 요구의 기준이 되는 제2기준온도, 및 이슬 맺힘 방지의 기준이 되는 기준습도가 설정되고,
    상기 제1모세관은 상기 제2모세관보다 큰 내경을 가지며,
    상기 냉동실의 온도가 냉동실의 설정온도 이상이고, 외기온도가 상기 제1기준온도보다 낮거나 상기 제2기준온도보다 높으면, 상기 4방 밸브는 상기 제1출구를 개방시키는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  3. 냉매를 압축하도록 이루어지는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키도록 이루어지는 응축기;
    냉장실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉장실 증발기;
    냉동실의 공기와 열교환하여 냉매를 증발시키는 냉동실 증발기;
    상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지며, 상기 냉동실 증발기에 연결되어 서로 구분되는 냉매 유로를 형성하는 제1모세관과 제2모세관;
    상기 응축기에서 응축된 냉매의 압력을 낮추도록 이루어지고, 상기 냉장실 증발기에 연결되어 냉매 유로를 형성하는 제3모세관;
    상기 응축기에 연결되는 입구와, 각각 상기 제1 내지 제3모세관에 연결되는 제1 내지 제3출구를 구비하고, 상기 제1 내지 제3출구의 열림과 닫힘에 따라 상기 제1 내지 제3모세관 중 적어도 하나에 냉매를 선택적으로 분배하는 4방 밸브; 및
    상기 응축기에서 출발하여 냉장고 본체의 전면부를 지나 상기 4방 밸브에 연결되고, 상기 냉장고 본체의 전면부에 이슬이 맺히는 것을 방지하는 냉매 유로를 형성하는 핫 라인을 포함하고,
    상기 핫 라인을 흐르는 냉매의 유량은, 상기 제1모세관 내지 제3모세관 중 상기 4방 밸브에 의해 냉매 흐름 유로로 선택된 모세관의 내경에 따라 설정되며,
    냉장고에는 유로 막힘 방지의 기준이 되는 제1기준온도, 신속한 부하 대응 요구의 기준이 되는 제2기준온도, 및 이슬 맺힘 방지의 기준이 되는 기준습도가 설정되고,
    상기 제1모세관은 상기 제2모세관보다 큰 내경을 가지며,
    상기 냉동실의 온도가 냉동실의 설정온도 이상이고, 외기온도가 상기 제1기준온도와 제2기준온도의 사이이며, 외기습도가 상기 기준습도 이상이면, 상기 4방 밸브는 상기 제1출구를 개방시키는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2모세관의 내경은 0.7㎜ 이상이며 상기 제1모세관의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 냉장고.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1모세관의 내경은 상기 제2모세관의 내경보다 크고 0.9㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 냉장고.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉장고는,
    상기 냉장실의 온도, 상기 냉동실의 온도, 외기의 온도 및 외기의 습도 중 적어도 하나를 측정하도록 이루어지는 감지부; 및
    상기 감지부에서 측정되는 온도를 설정온도 또는 기준온도와 비교하거나 상기 감지부에서 측정되는 습도를 기준습도와 비교하여, 상기 4방 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 냉장고.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 4방 밸브는 상기 제1 내지 제3출구로 냉매를 분배하도록, 회전에 의해 상기 제1 내지 제3출구를 선택적으로 개폐시키는 밸브 패드를 포함하고,
    상기 밸브 패드는,
    상기 제1 내지 제3출구를 마주보도록 배치되는 베이스부; 및
    상기 밸브 패드의 회전에 따라 상기 제1 내지 제3출구 중 적어도 하나를 막도록 상기 베이스부로부터 돌출되는 돌출부를 포함하고,
    상기 밸브 패드는, 회전에 따라 상기 돌출부가 상기 제1 내지 제3출구를 모두 막는 전폐모드, 어느 두 출구를 막는 제1모드, 어느 하나의 출구를 막는 제2모드 및 상기 제1 내지 제3출구를 모두 막지 않는 제3모드를 선택적으로 구현하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 전폐모드에서 각각 상기 제1 내지 제3출구를 막는 제1 내지 제3부분을 구비하고,
    상기 밸브 패드는, 상기 전폐모드에서 상기 제2모드로 전환 시 상기 제1출구를 개방시키도록 상기 제1부분과 상기 제2부분 사이에 형성되는 리세스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 베이스부는 중심을 원점으로 하여 사분면으로 구분되고,
    상기 제1 내지 제3부분은 상기 밸브 패드의 일 회전방향을 따라 차례로 형성되고, 상기 베이스부의 서로 다른 사분면에 형성되는 것을 특징으로 하는 냉장고.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2부분과 상기 제3부분은 원주 방향을 따라 돌출된 형태로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 냉장고.
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