KR101837954B1

KR101837954B1 - 특히 차량 에어컨 또는 열 펌프 내 스크롤 압축기를 위한 제어 유량 조정 밸브

Info

Publication number: KR101837954B1
Application number: KR1020160072423A
Authority: KR
Inventors: 로만 헥트; 필립 코잘라; 라우라 아리아주; 베른트 비에르코텐
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-04-26
Also published as: EP3434946A1; DE102016105302B4; EP3434946A4; CN108291655A; KR20170109994A; JP6619879B2; JP2018536110A; WO2017164628A1; US20190040860A1; EP3971454A1; CN108291655B; DE102016105302A1; US11047383B2

Abstract

본 발명은, 적어도 하우징(8) 및 폐쇄 부재(9) 그리고 유체 연결부들에 할당된 상기 폐쇄 부재의 유효 면적을 갖는 역압(Pb), 고압(Pd) 및 흡입압(Ps)의 제어 유량을 위한 유체 연결부(2, 3, 4)들로 이루어진, 특히 차량 에어컨 또는 열 펌프 내 스크롤 압축기(7)를 위한 제어 유량 조정 밸브(1)에 관한 것으로서, 상기 제어 유량 조정 밸브는, 추가로 할당된 상기 폐쇄 부재(9)의 유효 면적을 갖는 주변 압력(ATM)을 위한 유체 연결부(5)가 형성되어 있고, 그리고 고압(Pd)에서 흡입압(Ps)으로 가는 제어 유량이 역압(Pb)을 형성하는 방식으로 흐르도록 폐쇄 부재(9)에 인가되는 압력(Pd, Pb, Ps, ATM)들로부터 얻어지는 힘이 상기 폐쇄 부재(9)에 작용하며, 이때 상기 주변 압력(ATM)은 상기 폐쇄 부재(9)에 작용하는, 고압(Pd), 역압(Pb) 및 흡입압(Ps)을 갖는 다른 챔버들에 대해 유체 밀봉 방식으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

특히 차량 에어컨 또는 열 펌프 내 스크롤 압축기를 위한 제어 유량 조정 밸브{CONTROL FLOW CONTROL VALVE, IN PARTICULAR FOR SCROLL COMPRESSORS IN VEHICLE AIR CONDITIONERS OR HEAT PUMPS}

본 발명은 전반적으로 유체 흐름 조정 밸브에 관한 것으로서, 이 경우 상기 밸브는 상이한 압력 레벨의 하나 또는 다수의 유체를 위한 다수의 유체 연결부(fluid connection)를 구비한다.

본 발명의 적용 분야는 특히 스크롤 압축기(scroll compressor)의 압축 원리를 갖는 전기식 및 기계식 냉매 압축기와 관련이 있다.

스크롤 압축기는 고정 스크롤(FixScroll)과 선회 스크롤(OrbitingScroll)로 이루어져 있는데, 이때 상기 고정 스크롤은 압축기 내에 단단히 고정되어 있고, 상기 선회 스크롤은 상기 고정 스크롤 내부에서 기계적으로 미리 주어진 반경으로 선회, 즉 회전한다. 선회 스크롤의 운동에 의해 2개의 스크롤 절반부 사이에 쌍을 이룬 챔버(paired chamber)들이 형성되고, 상기 챔버들의 용적은 내부로의 운동에 의해 감소된다. 이 때문에 상기 챔버들 내에 내부 가스가 압축된다. 병렬 챔버들 내에서 압력 상승은 선회 스크롤에 작용하는 힘을 야기하고, 이러한 힘은 축 방향 밀봉 지점(sealing point)들의 개방을 야기할 수 있다. 추가로 상기 선회 스크롤에 작용하는 축 방향 힘은 중앙에는 가해지지 않는데, 그로 인해 계속해서 추가로 전복 모멘트(tilting moment)가 고정 스크롤의 한 측면으로부터 선회 스크롤을 분리하며, 이는 전도 토크(overturning torque)로도 표기된다.

선행 기술에는, 다른 무엇보다도 상기와 같은 두 힘에서 상응하는 역압을 반대로 설정하는 2가지 방법이 존재한다. 한 편으로는 선회하는 축 방향 베어링들을 갖는 스크롤 압축기가 제공되고, 다른 한 편으로는 상기 힘이 상응하는 역압, 다시 말해 소위 배압(back pressure)에 의해 선회 스크롤 뒤에 있는 압력 챔버 내에서 보정되거나, 심지어는 과잉 보정된다. 모든 작동 조건에서 스크롤의 확실한 작동을 보장하기 위하여, 모든 상황에 있어서는 배압에서 출발하는 힘이 선회 스크롤에 대한 힘 평형을 지배하는 것이 보증되어야 한다. 다른 경우에는 스크롤이 그의 축 방향 밀봉면들을 개방할 수 있고, 극단적인 경우 가스 압축을 조절할 수 있다. 필수적인 배압 압력은 인가된 압력들, 내부 기밀성 그리고 추가적인 매개 변수에 따라 변한다. 다른 한 편으로 선회 스크롤에 대한 힘 평형 상황에서 너무 높은 역압은 부품들의 과도한 마찰과 더불어 마모를 야기한다.

선행 기술에서, 배압 압력은 고압과 흡입압에 종속적으로 노즐 시스템(nozzle system)에 의해 형성된다. 이를 위해 유동 손실을 갖는 2개의 노즐이 상호 작용함으로써, 모든 경우에 적합한 중간 압력, 즉 배압 압력이 설정된다.

대안적으로 선행 기술에서는, 예컨대 US 2010/0158710 A1호 따르면 배압은 스프링 하중을 받는 기계식 조정 밸브에 의해 배압 챔버에 공급되거나 배압 챔버로부터 배출되는 측에서 형성된다.

선행 기술의 추가 변형예에서는, 배압 챔버들로부터 배출되는 측에 노즐들과 압력 제어식 On/Off 밸브의 조합들이 존재한다. 그러나 이와 같은 밸브는 무엇보다도 시작 상황(start-up)에 유익하다. 따라서 시작 단계부터 배압 압력이 형성되는 것이 보장된다.

선행 기술에 따르면, 모든 경우 배압 압력은 소위 고압(Pd)에서 배압 챔버를 지나 흡입압(Ps)으로 흐르는 제어 유량에 의해 형성된다. 이러한 제어 유량은 압축기의 작동 손실을 의미하는데, 그 이유는 압축기가 이미 압축된 가스를 다시 흡입측으로 이송하고, 그와 더불어 기계의 용적 측정 및 등온위 효율에 부정적인 영향을 주기 때문이다. 계속해서 제어 질량 흐름은 엔탈피 흐름(enthalpy flow)을 의미하기도 한다. 상기 제어 질량 흐름은 흡입측 스크롤 유닛 앞에서 유입되는 흡입 가스와 혼합되고, 상기 위치에서 상기 흡입 가스의 밀도 감소 및 온도 상승을 야기한다. 이러한 상황은 재차 압축기의 용적 측정 작동 방식에 부정적인 영향을 준다.

대체로 선행 기술에서는 오일 재순환 또한 제어 유량에 의해 압축기 내부에서 실현된다. 따라서 제어 유량의 물질 흐름은 오일과 가스 상태 냉매로 이루어진 매우 가변적인 성분들을 갖는 2상(2-phase)이다. 이러한 급격한 변동은, 압축기의 작동 압력을 위한 제어 용적 흐름의 크기가 단지 인가된 2개의 압력에 의해 좌우된다는 사실에서 증명된다. 그 뿐만 아니라 고압측에서 분리되는 오일의 양은 압축기의 송출 질량 흐름 및 그와 더불어 회전 속도에 의해 좌우된다. 이로부터 얻어지는 결과는, 제어 유량의 오일/가스-비율이 회전 속도에 따라 급격히 변동된다는 사실이다. 또한, 이와 연관해서는 하부 제어 노즐의 맞은편에 있는 상부 제어 노즐 내 제어 유량의 점성 및 밀도 변동도 관련이 있다. 2개의 노즐을 구비하거나 또는 흡입측 체크 밸브를 갖는 노즐들을 구비하는 실시예의 불가피한 결론은, 모든 변동에서 충분한 배압을 갖는 작동을 확실히 보장하기 위해서는 필수 배압을 초과하는 것이다. 이와 같은 불가피한 압력 여분은 효율에 미치는 상응하는 부정적인 영향 그리고 마모 조각에 의한 위험 또는 마찰 시스템의 과부하에 의해 스크롤 절반부들 사이에서 추가 마찰을 야기한다. 계속해서 오일/가스-비율 편차로 인해 선행 기술에 따른 실시예에서 확실한 작동은 제어 채널 내 최소 횡단면을 필요로 하며, 이때 상기와 같은 제어 채널 내 최소 횡단면은 최대 효율 관점에서 최적화를 막는다. 2개의 노즐을 구비하거나 흡입측 체크 밸브를 갖는 노즐들을 구비하는 실시예의 추가 단점은 냉매로서 R744를 포함하는 전기식 냉매 압축기에서의 실행 가능성이다. 상대적으로 더 높은 압력 그리고 이러한 압력과 연관된 상대적으로 더 높은 밀도로 인해, 제어 유량 적용예들에서는 매우 작은 유동 횡단면들이 실현되어야 하는데, 이러한 횡단면들은 연속 생산 시 높은 비용 및 편차로 인한 장애를 야기한다. 추가로 상기와 같은 편차들은 오염 시 노즐 오작동을 방지하기 위해 횡단면들이 조정되지 않은 필터를 필요로 하며, 상기 오염은 수년에 걸친 작동 시 필터가 완전히 막힐 수 있는 중대한 위험을 의미한다. 따라서 냉매로서 R744의 경우, 2개의 노즐을 구비하거나 또는 흡입측 체크 밸브를 갖는 노즐들을 구비하는 해결책이 전혀 적합하지 않거나, 또는 단지 제한적으로 연속 생산에 적합하고 그리고 견고성 정도가 너무 낮다. 2개의 노즐을 구비하거나 또는 흡입측 체크 밸브를 갖는 노즐을 구비하는 선행 기술의 원리와 관련된 또 다른 단점은 수명 동안 불충분한 재조정 기능이다. 이는, 압축기의 수명 동안 흡입압에 대한 배압 챔버의 밀봉부들, 예컨대 스템 밀봉부 또는 선회 밀봉부의 강도가 감소된다는 사실로부터 나온다. 본 발명에서 전술한 해결책이 재조정 가능성을 구현하지 못하기 때문에, 마찬가지로 상기와 같은 위험은 추가 여분으로서 노즐 설계 시 함께 고려되어야 하며, 효율 및 마찰 공학과 관련하여 전술한 단점들과 함께 시작 단계부터 필요한 배압의 추과 초과를 야기한다.

상기와 같은 단점들의 부분적 해결은 활성 스프링 하중을 받는 압력 조절 장치를 포함하는 US 2010/0158710 A1호에 제시되어 있다. 상기 해결책은 수명 동안 누출과 관련된 전술한 문제 그리고 제어 채널들 내에서 가스와 오일의 상이한 물질 조성에 의한 영향에 초점을 두고 있다. 작동 방식에서 상기와 같은 조절 장치는 배압 챔버의 유입 또는 배출 시 고압과 흡입압의 압력차에 따라 배압 압력을 조절한다. 예컨대 고압, 흡입압 및 배압, 즉 역압과 같은 압력들은 단지 서로 상대적으로 측정된다는 사실을 유의해야 하고, 이는 여러 가지 단점을 야기한다. 결과적으로 특히 냉매로서 R744를 사용하는 작동 시 제어 밸브의 기능은 냉각 장치 모드 또는 열 펌프 모드 작동으로 제한된다. 교대 작동 방식은 기술상 가능하지 않거나 다른 불리한 단점들과 연결되어 있다.

공기 조화를 위한 작동 포인트뿐만 아니라 가열을 위한 열 펌프의 작동을 위해서도 사용되고 그리고/또는 냉매 R744용 압축기에 사용되는 전기식 냉매 압축기에 있어서 상기와 같은 해결책은, 스크롤 압력기의 필수 배압이 단지 고압(Pd)과 흡입압(Ps) 압력차의 기능뿐만 아니라 절대 흡입압 기능이기도 하다는 사실에서 단점으로 나타낸다. R744를 위한 전기식 냉매 압축기가 전체 작동 범위에서 사용될 수 있도록 하기 위해서는, 본질적으로 적어도 8bar 정도의 필수 배압 초과가 단점으로 나타난다. 이 경우 흡입측에서 10bar에서부터 35bar를 거쳐 50bar까지의 전기식 R744 냉매 압축기의 흡입측 작동 영역이 기본이 되었다. 이와 관련한 내용은 도 6에 도시되어 있다. US 2010/0158710 A1호에 따른 조치의 경우, 점으로 표시된 직선이 기능 곡선으로 유지되고, 그에 반해 본 발명의 구상 실행에 따른 목표 압력 곡선 및 압력 곡선은 선으로 된 두꺼운 직선으로 서로 중첩되어 도시되어 있다. 본 발명 및 US 2010/0158710 A1호에 따른 기능 곡선과 목표 압력 곡선은 단지 50bar에서만 서로 중첩되어 있다. 압력이 감소할 경우 편차는 더 커지고, 이 때문에 10bar에서는 역압에 대해 8bar의 초과가 이루어지며, 이는 인용된 부정적인 결과를 야기한다.

따라서 본 발명의 과제는 제어 유량 조정 밸브에 의해서 제어 유량을 최소화하는 데 있다. 또한, 본 발명의 과제는 냉매로서 R744에도 적합한 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 특허 청구항 1에 따른 특징들을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.

본 발명의 과제는 특히 제어 유량 조정 밸브에 의해서 해결되며, 상기 제어 유량 조정 밸브는 바람직하게 차량 에어컨 또는 열 펌프 내 스크롤 압축기용으로 사용될 수 있다. 상기 제어 유량 조정 밸브는 적어도 하우징(8) 및 상기 하우징 내에 배치된 폐쇄 부재 그리고 역압(Pb), 고압(Pd) 및 흡입압(Ps)의 제어 유량을 위한 유체 연결부들로 이루어진다. 상기 연결부들은 상응하는 압력 레벨을 갖는 챔버들을 형성하고 할당된 폐쇄 부재의 유효 면적들을 야기한다. 본 발명의 관점에서 유효 면적은 제어 유량 조정 밸브의 폐쇄 부재 면적을 의미하는데, 이때 상기 폐쇄 부재의 면적들을 통해서 각각 인가된 압력이 소정의 힘으로 폐쇄 부재에 작용한다. 폐쇄 부재에 작용하는 힘은 유효 면적의 크기 및 배치에 의해 그리고 개별 압력 챔버들의 압력 레벨에 의해 결정된다. 또한, 본 발명에는 추가로 고압, 역압 및 흡입압을 위한 유체 연결부들에 할당된 폐쇄 부재의 유효 면적을 갖는 주변 압력(ambient pressure)(ATM)을 위한 유체 연결부가 형성되어 있다. 폐쇄 부재에 작용하고 결과로 얻어지는 힘은 폐쇄 부재에 인가된 압력(Pd, Pb, Ps, ATM)들로부터 야기되며, 그 결과 제어 유량에 대해 밸브의 폐쇄 부재가 개방되며, 상기 제어 유량은 역압(Pb)을 형성하는 방식으로 고압(Pd)에서 흡입압(Ps)으로 흐르고, 이 경우 밸브 내 주변 압력(ATM)은 고압(Pd), 역압(Pb) 및 흡입압(Ps)을 갖고, 폐쇄 부재에 작용하는 다른 챔버들에 대해 유체 밀봉 방식으로 형성되어 있다. 주변 압력 연결부의 유체 밀봉 방식 형성은, 당연히 제어 유량을 형성하는 유체 시스템이 주변 압력으로부터 유효하고 확실히 분리되어 있음을 의미한다. 이는 예를 들면 냉매 시스템들의 제어 유량 조정 밸브의 적용예에서 반드시 필요하고, 냉매 순환계는 주변 압력으로부터 확실히 물질적으로 즉 유체 밀봉 방식으로 분리되어 있되 제어 유량 조절 및 특히 주변 압력에 대한 압력 규정을 위해 사용된다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 폐쇄 부재에 대해 추가 힘(FO)을 발생시키기 위한 스프링 부재가 제어 유량 조정 밸브 내에 또는 제어 유량 조정 밸브에 배치되어 있다. 이 경우 스프링으로서 상기 스프링 부재는 종래의 의미에서는 나선형 스프링(spiral spring) 또는 판 스프링(leaf spring)으로서 또는 넓은 의미에서는 스프링 특성을 갖는 탄성 재료로서 형성되어 있다.

상기 스프링 부재의 스프링력(spring force)은 바람직하게, 고압과 역압 사이 제어 유량 조정 밸브 위치에서는 상기 폐쇄 부재가 항상 고압과 흡입압 사이 고정 압력차까지 개방되고 제어 유량으로서 유체 흐름을 통과시키도록 조정 및 크기 설계되어 있다. 역압과 흡입압 사이 제어 유량 조정 밸브 위치에서는 스프링이 고압과 흡입압 사이 고정 압력차까지 상기 폐쇄 부재를 확실히 폐쇄되도록 한다.

본 발명의 특히 바람직한 구조적인 실시예에서, 폐쇄 부재는 다수의 폐쇄 부재 세그먼트로 다수의 부분으로(in several parts) 형성되어 있다.

제어 유량의 유체 시스템을 물질적으로 주변과 확실히 분리하고 누수를 허용하지 않기 위해, 폐쇄 부재는 용접된 시트 멤브레인(welded sheet membrane) 또는 가황 처리된 멤브레인(vulcanized membrane)에 의해서 주변 압력(ATM)에 대해 유체 밀봉 방식으로 밀봉되어 있다.

바람직하게 상기 폐쇄 부재는 원통형으로 계단식으로 형성되어 있고 3개의 폐쇄 부재 세그먼트로 3부로(in three parts)로 형성되어 있다. 이는 밸브 제조 및 조립 측면에서 특별한 장점들과 연결된다. 특히 다수의 부분으로 구성된 폐쇄 부재가 죔쇠 끼워맞춤 어셈블리(interference fit assembly)로 설계된 경우, 상기 폐쇄 부재의 폐쇄 부재 세그먼트들은 추가 연결 수단 없이 폐쇄 부재 세그먼트들에 작용하는 힘에 의해서만 서로 연결된다. 상기와 같은 설계는 개별 부품들의 연결 수단 설계 시 문제 그리고 이러한 문제와 결부된 죔쇠 끼워맞춤 어셈블리의 내구성 및 치수 정밀성 문제를 최소화한다. 죔쇠 끼워맞춤 어셈블리는, 개별 세그먼트들이 오로지 그들에 작용하는 힘에 의해서만 그리고 세그먼트들 사이 추가 연결 수단 없이 결합하는 것을 특징으로 한다. 이와 동시에 조립 시에는 폐쇄 부재가 나란히 놓이는 방식으로 추가 보조 수단을 필요로함 없이 폐쇄 부재 세그먼트들로 구성될 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 폐쇄 부재는 2개의 세그먼트, 즉 1차 밸브 스템(primary valve stem)과 제 2 밸브 스템(secondary valve stem)으로 형성되며, 상기 밸브 스템들은 레버 기구(lever mechanism)에 의해 서로 연결되어 있다.

바람직하게 폐쇄 부재의 행정(stroke)은, 특히 냉매 순환계들에 사용 시 최대 0.2㎜로 형성되어 있다.

밸브의 기능을 보장하기 위해, 최대 행정 제한 장치로서 상기 폐쇄 부재의 행정 스토퍼는 제어 유량 조정 밸브의 하우징에 형성되어 있거나 상기 제어 유량 조정 밸브의 피팅 위치(fitting position)에 의해서 상기 스크롤 압축기 내에 형성되어 있다.

바람직하게 주변 압력 유체 연결부는 리세스로서 상기 하우징 내에 형성되어 있다. 폐쇄 부재에서 물 또는 습기의 축적 및 이와 결부된 부식 위험을 방지하기 위해, 상기 유체 연결부는 물을 통과시키지 않는 멤브레인에 의해 물로부터 보호되도록 설계되어 있다.

바람직한 한 실시예에 따르면, 주변 압력 유체 연결부는 멤브레인으로서 제어 유량 조정 밸브 하우징의 외부 윤곽에 통합되는 방식으로 형성되어 있다. 상기 멤브레인은 내부 측면에서 직접 폐쇄 부재와 기능적으로 연결되어 있고 내부 측면에서는 외부 벽의 부분을 형성하고, 따라서 하우징의 외부 윤곽의 부분을 형성한다. 이와 관련한 실시예들은 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.

제어 유량 조정 밸브가 스크롤 압축기에 통합되는 방식으로 형성되어 있음으로써 바람직한 방식으로 상기 스크롤 압축기에 직접적으로 제어 유량 조정 밸브가 설치되어 있다. 따라서 제어 유량 조정 밸브는 압축기 내에 설계되어 더 이상 독립적인 별도의 부품을 형성하지 않는다. 이는 바람직하게는 부품의 기능과 안전성을 상승시킬 뿐만 아니라 설치 면적을 감소시킨다.

스크롤 압축기 내부에서 제어 유량 조정 밸브는 역압(Pb) 챔버에 대한 공급 또는 배출 제어 라인 내에 위치 설정되어 있다. 이와 동시에 고압(Pd)과 역압(Pb) 사이에서 상기 제어 유량 조정 밸브는 상기 공급 제어 라인 내에 배치되어 있거나 또는 역압과 흡입압 사이에서는 상기 배출 제어 라인 내에 배치되어 있다.

바람직하게는 제어 유량 조정 밸브가 공급 제어 라인 내에 배치되는 경우에 보완적으로 스로틀이 상기 배출 제어 라인 내에 배치되어 있다. 반대로 제어 유량 조정 밸브가 상기 배출 제어 라인 내에 배치되면, 스로틀은 상기 공급 제어 라인 내에 배치되어 있다.

제어 유량 조정 밸브 및 그와 더불어 스크롤 밸브의 기능 안정성을 위해, 제어 유량에서 제어 유량 조정 밸브 앞에 필터가 배치되어 있고, 이렇게 함으로써 제어 유량의 유체 시스템 내 고체 입자에 의한 제어 유량 장애 또는 기능 손상이 최소화될 수 있다.

본 발명에 따른 제어 유량 조정 밸브의 특별한 장점은, 예상할 수 있는 모든 경우에 따라 스크롤 압축기에 대한 최적의 배압 압력이 조절될 수 있음으로써, 냉매 R744에 마찬가지로 상기 제어 유량 조정 밸브를 구비한 전기식 냉매 압축기가 사용될 수 있다는 것이다. 이 경우에는 특히, 전기로 구동되는 스크롤 압축기가 R744 냉매 순환계의 열 펌프 회로에서도 사용될 수 있다는 점이 유익하다. 이때 최적의 배압 압력은 일정한 안정 여유(safety margin) 만큼 필요한 압력을 초과하고, 이로 인해 압축기의 신뢰할 수 있는 작동과 긴 수명이 실현될 수 있다. 또 다른 장점은, 제어 유량 조정 밸브가 부품의 수명 동안 냉매 압축기의 변동에 반응하고 압력 비율이 변경된 경우 자신의 제어 거동을 독자적으로 조정한다는 것이다. 이 점에 있어서는 추가적인 조절 관련 처리를 필요로함 없이 자동 재조정 기능이 언급될 수 있다.

또한, 선행 기술에 따른 해결책들에 비해, 본 발명에 따른 상대적으로 더 적은 역압 초과로 인해 마찬가지로 제어 유량으로서 더 적은 질량 흐름이 흐른다는 것이 바람직하며, 이는 결과적으로 공정 효율에 도움이 된다.

본 발명의 실시예들의 또 다른 세부 사항, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1은 방사 방향 주변 압력 유입 유량을 갖는 제어 유량 조정 밸브의 기본 회로도이고,
도 2는 2개의 부분으로 구성된 폐쇄 부재와 레버 기구를 갖는 제어 유량 조정 밸브의 기본 회로도이며,
도 3은 축 방향 주변 압력 유입 유량을 갖는 제어 유량 조정 밸브의 기본 회로도이고,
도 4는 제어 유량 조정 밸브의 단면도이며,
도 5는 압축기의 압력 레벨들 사이 제어 유량 조정 밸브 조립체의 기본 회로도고, 그리고
도 6은 US 2010/0158710 A1호와 본 발명 따른 압력 비율 비교로서 고압에 따른 역압을 나타낸 다이어그램이다.

도 1에는, 축 방향 주변 압력 유입 유량을 갖는 제어 유량 조정 밸브(1)의 기본 회로도가 도시되어 있다. 상기 제어 유량 조정 밸브(1)는 기본적으로 하우징(8)으로 이루어져 있고, 상기 하우징 내에는 폐쇄 부재(9)가 병진식으로(translational) 운동 가능하게 배치되어 있다. 제어 유량 조정 밸브(1)는 상이한 연결부(2, 3, 4 및 5)들을 갖는다. 제어 유량 조정 밸브(1)를 통해서는 상기 폐쇄 부재(9)에 의해 조절 가능한 유동 경로가 이어진다. 도시된 실시예에서는, 고압 유체 연결부(3)에서 역압 유체 연결부(2)로 흐르는 제어 유량이 폐쇄 부재(9)에 의해 조절된다. 또한, 흡입압 유체 연결부(4) 및 주변 압력 유체 연결부(5)가 제어 유량 조정 밸브(1)에 설계되어 있으며, 이 경우 방금 언급한 상기 흡입압 및 주변 압력 유체 연결부들은 유동 경로를 형성하지 않는다. 상기 유체 연결부들을 통해서는 단지 흡입압(Ps)과 대기압(ATM)의 압력 레벨만 폐쇄 부재(9)의 유효 면적들로 전달된다. 폐쇄 부재(9)에는 폐쇄 위치에 반대 방향으로 스프링(6)이 상기 폐쇄 부재(9)에 대한 스프링력(FO)으로 작용한다. 폐쇄 부재(9)의 1차 밸브 스템(11)은 상부 단부에 있는 시일 시트(seal seat)와 함께 고압 유체 연결부(3)와 상호 작용한다. 폐쇄 부재(9)의 구조적 설계는, 인가된 압력에 따라 얻어지는 힘이 폐쇄 부재(9)에 작용하고, 그렇게 하여 고압 유체 연결부(3)에서 역압 유체 연결부(2)로 흐르는 제어 유량을 제어하는 방식으로 1차 밸브 스템 지름(D21), 시일 시트 지름(D20), ATM에 대한 Ps의 유효 지름(effective diameter)(D22) 및 ATM에 대한 Pb의 유효 지름(D23)이 선택되도록 설계되어 있다. 도시된 실시예에 따르면, 제어 유량 조정 밸브(1)는 역압(Pb)을 상응하게 폐쇄 부재(9)의 힘 평형에 편입시키기 위해, 역압 유체 연결부(2)에서 ATM에 대한 Pb의 유효 지름(D23)에 대한 유효 면적을 갖는 챔버로의 유체 연결부(점선으로 표시됨)를 갖는다. 더 나아가 도 1에는, 흡입압 유체 연결부(4)로 이어지는 배출 제어 라인(18)으로서 연결 라인이 표시되어 있으며, 상기 제어 라인 내에는 스로틀(14)이 배치되어 있다.

도 2에는, 2개의 부분으로 구성된 폐쇄 부재(9.1 및 9.2)가 레버 기구(13)와 연결되어 역압 유체 연결부(2)에서 흡입압 유체 연결부(4)로 흐르는 제어 유량을 조절하는 실시예로 제어 유량 조정 밸브가 도시되어 있다. 상기 폐쇄 부재(9.1)는 1차 밸브 스템 지름(D21)을 갖는 1차 밸브 스템(11)을 구비하고, 상기 1차 밸브 스템 지름은 시일 시트 지름(D20)과 관련하여 이루어진다. 상기 1차 밸브 스템(11)은 레버 기구(13)를 통해서 2차 밸브 스템(12) 및 2차 밸브 스템 지름(D26)과 연결되어 있다. 이러한 경우 도시된 제어 유량 조정 밸브(1)의 피팅 위치에서 스프링(6)은 역압 유체 연결부(2)의 역압(Pb)에 대해 스프링력(FO)으로 작용한다. 고압 유체 연결부(3)는 ATM에 대한 Pd의 유효 지름(D25)에 걸쳐 폐쇄 부재 세그먼트(9.2)에 작용하고, 상기 폐쇄 부재 세그먼트(9.2)는 외부로부터, 상세히 도시되지 않은 멤브레인을 거쳐 제어 유량 조정 밸브(1)의 하우징(8) 내로 삽입되어 있다. 주변 압력(ATM)은 주변 압력 유체 연결부(5)로서 멤브레인에 작용하는 압력에 의해 2차 밸브 스템(12)에 작용한다. 이 경우 2차 밸브 스템(12)은 2차 밸브 스템 지름(D26)을 갖고 밀봉 링(10)에 의해서 흡입압 유체 연결부(4)의 흡입압 레벨에 대해 밀봉되어 있다. 레버 기구(13)는 짧은 레버(27)와 긴 레버(28)에 의해서 1차 밸브 스템(11)과 2차 밸브 스템(12)의 연결부로서 형성되어 있다.

제어 유량 조정 밸브(1)의 피팅 위치는 역압 압력 레벨(Pb)과 고압 압력 레벨(Pd)의 공급 제어 라인(17) 및 상기 공급 제어 라인 내에 배치된 스로틀(14)의 파선 연결로 표시되어 있다.

도 3에는, 폐쇄 부재(9)와 관련하여 축 방향 주변 압력 유입 유량을 갖는 제어 유량 조정 밸브의 기본 회로도가 도시되어 있다. 폐쇄 부재(9)는 고압 유체 연결부(3)에서 역압 유체 연결부(2)로 흐르는 유체의 유동 경로를 조절한다. 도 1에 따른 도시와 유사하게, 시일 시트 지름(D20)이 형성되어 있고, 상기 시일 시트 지름은 1차 밸브 스템 지름(D21)을 갖는 1차 밸브 스템(11)에 의해 폐쇄되며, 이 경우 스프링(6)은 스프링력(FO)으로 Pb에 대한 Ps의 유효 지름(D24)을 갖는 폐쇄 부재(9)에 작용하는 방식으로 배치되어 있다. 저항력(counterforce)으로는 역압 유체 연결부(2)의 역압(Pb)이 점선 표시와 같이 다른 측 유효 지름(D24)에 작용하고, 그리고 제어 유량 조정 밸브(1)의 하우징(8) 외부 윤곽에 형성되어 폐쇄 부재(9)에 작용하는 주변 압력 유체 연결부(5)에 의해 지원된다. 역압(Pb)과 흡입압(Ps) 연결은 도 1과 유사하게 배출 제어 라인(18)과 스로틀(14)을 통해서 도시된다. 특히 바람직하게 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 따르면, 단 하나의 밀봉면이 주변 압력(ATM)에 대한 멤브레인 형태로 설계되어야 하며, 이러한 설계는 안전성을 상승시키고 장애 발생도를 감소시킨다.

도 4에는, 제어 유량 조정 밸브(1)가 단면도로 도시되어 있다. 폐쇄 부재의 축을 따라 나타나는 종단면은 본 실시예의 특징을 나타내는, 시일 시트를 갖는 폐쇄 부재 세그먼트(9.1), 폐쇄 부재 세그먼트(9.2) 및 폐쇄 부재 세그먼트(9.3)로 이루어진 3부를 보여준다. 압력 레벨 내에서 제어 유량 조정 밸브(1)의 피팅 위치는 도 1 및 도 3에 따른 피팅 위치와 유사하게 도시되어 있으며, 결과적으로 고압 유체 연결부(3) 그리고 고압(Pd)에서 역압(Pb)으로의 제어 유량, 즉 역압 유체 연결부로의 제어 유량이 시일 시트를 갖는 폐쇄 부재 세그먼트(9.1)에 의해 조절된다. 폐쇄 부재 세그먼트(9.1, 9.2, 9.3)들은 죔쇠 끼워 맞춤 어셈블리에 결합되어 있으며, 따라서 비용이 경제적이고 조립이 용이하게 설계되며, 이때 상기 개별 세그먼트들은 연결 수단 없이 서로 잇달아 배치된다. 폐쇄 부재 세그먼트(9.2)와 폐쇄 부재 세그먼트(9.3)는 외부 멤브레인 하우징(16.2, 16.3)으로 이루어진 멤브레인 세그먼트로서 형성되어 있다. 상기 멤브레인 하우징(16.2 및 16.3)은 고무(15)에 의해 자세히 도시되지 않은 중앙 밸브 태핏과 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있다. 하우징 부분(16.1)은 시일 시트를 갖는 폐쇄 부재 세그먼트(9.1)를 둘러싼다. 흡입압 유체 연결부(4)와 주변 압력 유체 연결부(5)는 그들에게 할당된, 폐쇄 부재(9.2)와 폐쇄 부재(9.3)의 유효 면적으로 폐쇄 부재(9.1)의 밸브 시일 시트에 작용하는 폐쇄 부재의 힘 평형을 보충한다. 도면에서 스프링(6) 및 상응하게 밀봉 링(10)도 표시되어 있으며 통상적인 방식으로 설계되어 있다.

도 5에는 제어 유량 조정 밸브(1)의 피팅 위치 그리고 고압, 역압 및 흡입압(Pd, Pb 및 Ps) 내 상응하는 스로틀(14)이 도시되어 있다. 고압 압력 레벨(Pd)과 역압(Pb) 압력 레벨 사이에는 공급 제어 라인(17)이 형성되어 있고, 그리고 제 1 변형예에서는 질량 흐름으로서 제어 유량이 제어 유량 조정 밸브(1)에 의해 상기 제어 유량 조정 밸브의 위치에서 조절되며, 상응하는 스로틀(14)은 배출 제어 라인(18) 내에 배치되어 있다. 상기와 같은 형성은 도 1, 도 3 및 도 4에 자세히 제시되어 있다. 대안적으로 제어 유량 조정 밸브(1)는 배출 제어 라인(18) 내에도 배치될 수 있고, 그리고 관련 스로틀(14)은 상응하게 공급 제어 라인(17) 내에 배치될 수 있다. 이러한 변형예의 경우, 즉 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 역압에서 흡입압으로 흐르는 제어 유량의 유동 경로는 제어 유량 조정 밸브(1)에 의해서 조절된다.

1: 제어 유량 조정 밸브
2: 역압 유체 연결부
3: 고압 유체 연결부
4: 흡입압 유체 연결부
5: 주변 압력 유체 연결부
6: 스프링 부재
7: 스크롤 압축기
8: 하우징
9: 폐쇄 부재
9.1: 시일 시트를 갖는 폐쇄 부재 세그먼트
9.2: 폐쇄 부재 세그먼트
9.3: 폐쇄 부재 세그먼트
10: 밀봉 링
11: 1차 밸브 스템
12: 2차 밸브 스템
13: 레버 기구
14: 스로틀, 다른 압력 레벨에 대해 보완적인 스로틀
15: 고무
16.1: 하우징 부분
16.2: 멤브레인 하우징
16.3: 멤브레인 하우징
17: 공급 제어 라인
18: 배출 제어 라인
D20: 시일 시트 지름
D21: 1차 밸브 스템 지름
D22: ATM에 대한 Ps의 유효 지름
D23: ATM에 대한 Pb의 유효 지름
D24: Pb에 대한 Ps의 유효 지름
D25: ATM에 대한 Pd의 유효 지름
D26: 2차 밸브 스템 지름
D27: 짧은 레버
L28: 긴 레버
Pd: 고압
Pb: 역압, 배압
Ps: 흡입압
ATM: 주변 압력
FO: 일정한 오프셋(constant offset)을 위한 스프링력

Claims

적어도 하우징(8) 및 폐쇄 부재(9) 그리고 유체 연결부들에 할당된 상기 폐쇄 부재의 유효 면적(effective area)을 갖는 역압(Pb), 고압(Pd) 및 흡입압(Ps)의 제어 유량을 위한 유체 연결부(2, 3, 4)들로 이루어진, 스크롤 압축기(scroll compressor)(7)를 위한 제어 유량 조정 밸브(1)로서,
추가로 할당된 상기 폐쇄 부재(9)의 유효 면적을 갖는 주변 압력(ATM)을 위한 유체 연결부(5)가 형성되어 있고, 그리고 고압(Pd)에서 흡입압(Ps)으로 가는 제어 유량이 역압(Pb)을 형성하는 방식으로 흐르도록 폐쇄 부재(9)에 인가되는 압력(Pd, Pb, Ps, ATM)들로부터 얻어지는 힘이 상기 폐쇄 부재(9)에 작용하며, 이때 상기 주변 압력(ATM)은 상기 폐쇄 부재(9)에 작용하는, 고압(Pd), 역압(Pb) 및 흡입압(Ps)을 갖는 다른 챔버들에 대해 유체 밀봉 방식으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항에 있어서,
추가 힘(FO)을 발생시키기 위한 스프링 부재(6)가 상기 폐쇄 부재(9) 상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 2 항에 있어서,
고압(Pd)과 역압(Pb) 사이 제어 유량 조정 밸브(1)의 위치에서는 상기 폐쇄 부재(9)가 항상 고압(Pd)과 흡입압(Ps) 사이 고정 압력차까지 개방되고 제어 유량으로서 유체 흐름을 통과시키거나 또는 역압(Pb)과 흡입압(Ps) 사이 제어 유량 조정 밸브(1)의 위치에서는 상기 스프링이 고압(Pd)과 흡입압(Ps) 사이 고정 압력차까지 상기 폐쇄 부재(9)를 폐쇄하고 제어 유량으로서 유체 흐름이 흐를 수 없도록 상기 스프링 부재(6)의 스프링력(spring force)이 조정 및 설계되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐쇄 부재(9)가 다수의 폐쇄 부재 세그먼트(9.1, 9.2, 9.3)로 다수의 부분으로(in several parts) 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐쇄 부재(9)가 용접된 시트 멤브레인(welded sheet membrane) 또는 가황 처리된 멤브레인(vulcanized membrane)에 의해서 주변 압력(ATM)에 대해 유체 밀봉 방식으로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐쇄 부재(9)가 원통형으로 계단식으로 형성되어 있고 3개의 폐쇄 부재 세그먼트(9.1, 9.2, 9.3)로 3부로(in three parts) 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 4 항에 있어서,
상기 다수의 부분으로 구성된 폐쇄 부재(9)가 죔쇠 끼워맞춤 어셈블리(interference fit assembly)로 설계되어 있고, 이때 상기 폐쇄 부재(9)의 폐쇄 부재 세그먼트(9.1, 9.2, 9.3)들은 추가 연결 수단 없이 상기 폐쇄 부재 세그먼트(9.1, 9.2, 9.3)들에 작용하는 힘에 의해서만 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐쇄 부재(9)가 1차 밸브 스템(primary valve stem)(11)과 2차 밸브 스템(secondary valve stem)(12)을 구비하고, 상기 밸브 스템들은 레버 기구(lever mechanism)(13)를 통해서 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폐쇄 부재(9)의 행정(stoke)이 최대 0.2㎜로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
최대 행정 제한 장치로서, 상기 폐쇄 부재(9)의 행정에 대한 스토퍼가 상기 하우징(8)에 형성되어 있거나 상기 제어 유량 조정 밸브(1)의 피팅 위치(fitting position)에 의해 스크롤 압축기(7) 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
주변 압력 유체 연결부(5)가 리세스로서 상기 하우징(8) 내에 형성되어 있고, 그리고 상기 유체 연결부가 물을 통과시키지 않는 멤브레인에 의해 물로부터 보호되도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주변 압력 유체 연결부(5)가 멤브레인으로서 상기 하우징(8)의 외부 윤곽에 통합되는 방식으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 제어 유량 조정 밸브.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 제어 유량 조정 밸브(1)를 갖는 스크롤 압축기로서,
상기 제어 유량 조정 밸브(1)가 상기 스크롤 압축기(7)에 통합되는 방식으로 형성되어 있는, 스크롤 압축기.
제 13 항에 있어서,
상기 제어 유량 조정 밸브(1)가 역압(Pb) 챔버를 위한 공급 또는 배출 제어 라인(17, 18) 내에 위치 설정되어 있고, 이때 상기 제어 유량 조정 밸브(1)는 고압(Pd)과 역압(Pb) 사이에서는 상기 공급 제어 라인(17) 내에 배치되어 있거나 역압(Pb)과 흡입압(Ps) 사이에서는 상기 배출 제어 라인(18) 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 스크롤 압축기.
제 14 항에 있어서,
제어 유량 조절 밸브(1)가 상기 공급 제어 라인(17) 내에 배치되는 경우에 보완적으로 스로틀(14)이 상기 배출 제어 라인(18) 내에 배치되어 있고, 반대로 제어 유량 조정 밸브(1)가 상기 배출 제어 라인(18) 내에 배치되는 경우에는 스로틀(14)이 상기 공급 제어 라인(17) 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 스크롤 압축기.
제 14 항에 있어서,
제어 유량에서 상기 제어 유량 조정 밸브(1) 앞에 필터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 스크롤 압축기.