KR102160011B1 - 팽창-차단 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 밸브 바디 챔버 내에 배치되어 있는 밸브 바디, 팽창-차단 밸브 내에서 밸브 바디의 축 방향 이동 방향을 따라 배치되어 있는 밀봉 시트(seal seat) 및 밀봉부를 구비하는, 팽창-차단 밸브, 특히 냉매 R744를 이용한 작동을 위한 전기식 팽창-차단 밸브를 제공한다. 팽창-차단 밸브는 또한, 팽창-차단 밸브의 폐쇄된 상태에서는 밸브 바디 챔버로의 압력-바이패스가 존재하도록 그리고 바람직하게 밀봉 시트 및 밀봉부의 위치에서의 밸브 바디 직경이 그곳에서의 밀봉부 직경에 상응하도록 형성되어 있다.

Description

팽창-차단 밸브{EXPANSION- AND SHUT-OFF VALVE}
본 발명은, 팽창-차단 밸브, 특히 냉매 R744를 이용한 작동을 위한 전기식 팽창-차단 밸브에 관한 것이다.
현재의 전자 이동도(electronic mobility) 개발 상황 및 전자 이동도 수용 상황과 관련해서는, 전기차의 유효 범위뿐만 아니라 전기차의 환경 친화성이 전체적으로 최대화될 수 있도록, 전기차의 전체 아키텍처를 최적화하는 것이 중요하다. 이와 같은 최적화 전략의 부분으로서, 특히 자동차, 특히 전기차용 공기 조화 시스템을 예컨대 중량 및 에너지 소비와 관련해서 최적화하려는 작업이 이루어지고 있다. 이와 같은 시스템을 개선하면서 그 기능성을 악화시키지 않는 상기 시스템의 주요 구성 요소는 팽창-차단 밸브이다. 이와 같은 개선은 또한, 예를 들어 R744(이산화탄소, CO2)와 같은 환경 융화적인 냉매와 관련해서도 이루어져야 한다.
선행 기술에는, R744 열 펌프- 및 공기 조화 시스템이 반드시 냉매를 팽창시켜야만 한다는 내용이 공지되어 있다. 대부분의 열 펌프-시스템에서는, 냉매 순환계의 방향이 작동 중에 변경되어야만 한다. 이와 같은 사실이 의미하는 바는, 냉매 순환계 내부에서 사용되는 팽창 밸브가 냉매를 두 가지 상이한 방향으로 팽창시켜야만 한다는 것이다. 종래의 팽창 밸브는 이와 같은 양방향 팽창을 가능하게 할 수 있는 가능성을 갖고 있지 않다. 또한, 압력 강하가 적게 나타나도록, 팽창 밸브가 완전히 개방될 수 있는 가능성을 가질 필요도 있다. 또한, 상응하는 밸브 시스템은 두 가지 방향으로 절대적인 밀봉도를 가져야만 한다. 이와 같은 양방향 밀봉도는, 냉매가 활성 시스템 순환계 내에서 "포착"될 수 있는 상황을 가능하게 한다.
상기와 같은 내용으로부터, 특히 R744-기반의 시스템을 위해, 전기식으로 작동되고 다음과 같은 특성들을 갖는, 즉
각각 고압 하에서 R744의 높은 압력 수준에 도달할 때까지
- 양방향으로의 팽창 기능,
- 양방향으로의 밀봉도/불가입성(impenetrability) 및
- 양방향으로 최대화된/완전한 유동 직경을 갖는 팽창-차단 밸브에 대한 필요가 나타난다.
과거에는, 상기와 같은 기준들의 충족이, 더 큰 액추에이터에 의해서 구동되어야만 하는 더 큰 구성 유닛 및/또는 밸브의 제한된 직경을 야기했다. 추가적으로는, 높은 압력이 밸브 바디(밸브 니들)의 상응하게 높은 이동력을 야기한다는 문제점도 있다.
본 발명의 과제는, 전술된 요구 조건들에 적합한 팽창-차단 밸브를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 청구항 1에 따른 팽창-차단 밸브에 의해서 해결된다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.
본 발명에 따른 팽창-차단 밸브는, 밸브 바디 챔버 내에 배치되어 있는 밸브 바디, 바람직하게는 밸브 니들, 팽창-차단 밸브 내에서 밸브 바디의 축 방향 이동 방향을 따라 배치되어 있는 밀봉 시트, 바람직하게는 상응하는 밀봉 구성 요소를 갖춘 원환 형상의 밀봉 시트 및 밀봉부를 구비한다. 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브는, 팽창-차단 밸브의 폐쇄된 상태에서는 밸브 바디 챔버로의 압력-바이패스가 존재하도록 그리고 바람직하게 밀봉 시트 및 밀봉부의 위치에서의 밸브 바디 직경이 그곳에서의 밀봉부 직경에 상응하도록 형성되어 있다. 이와 같은 배열 상태로부터는, 압력 밸런싱(압력 균형, 압력 보상)에 기인하는 전체적으로 작은 밸브 바디 파워 및 작은 작동력이 나타난다. 상기 압력 밸런싱은, 밸브 바디 챔버로의 압력-바이패스에 의해서 달성된다. 또한, 밀봉 시트 및 밀봉부의 위치에서의 밸브 바디 직경(외부 직경)이 그 위치에서의 밀봉부 직경에 상응함으로써도 압력 밸런싱이 야기된다. 달성된 압력-밸런스로부터는, 밸브 바디에서 낮은 압력이 나타나고, 이로써 본 발명에 따른 밸브의 매질 통로들 간의 완전하고도 비교적 큰 유동 직경을 두 가지 유동 방향으로 보증하는 것이 가능하다.
바람직하게, 전술된 압력-바이패스는 밸브 바디 내에 있는 개구에 의해서 그리고 더욱 바람직하게는 밸브 바디의 팁(tip) 내에 있는 채널에 의해서 또는 팽창-차단 밸브의 하우징 내에 있는 채널에 의해서 형성되어 있다. 생각할 수 있는 채널 구조는, 밸브 바디 챔버와의 연결 구조를 위해서 이용되고, 바람직하게는 이와 같은 목적으로 형성되어야만 한다.
또한, 밸브를 통과하는 매질(medium) 유동의 양방향 유동 및 양방향 밀봉이 가능해지도록, 팽창-차단 밸브를 형성하는 것도 바람직하다. 이와 같은 형성은, 전술된 바와 같이, 최근의 효율적인 열 펌프- 및 공기 조화 시스템을 위해 절대적으로 필요하다.
본 발명의 틀 안에서는 또한, 팽창-차단 밸브가 전기식 팽창-차단 밸브인 것, 바람직하게는 밸브 바디를 작동시키도록 형성된, 바람직하게는 밸브 바디를 개방 위치, 팽창 위치와 차단 위치 사이에서 또한 바람직하게 선형 운동 중에 밸브 바디의 축 방향을 따라서 그리고 밸브 바디의 축 방향으로 왕복으로 이동시키도록 형성된 전기식 액추에이터를 구비하는 LIN(Local Interconnect Network)-제어된 밸브인 것도 바람직하다. 팽창-차단 밸브는 또한 적어도 냉매 R744를 이용해서 작동하도록 설계되어 있으며, 이와 같은 설계 방식은 특히 냉매/냉각제로서의 이산화탄소의 우수한 환경 융화성 그리고 이산화탄소 및 본 발명에 따른 밸브를 환경 친화적인 자동차에 사용하는 것과 관련해서 바람직하다. 따라서, 예컨대 통상적인 냉매인 R134a 및 1234yf의 사용이 피해질 수 있다. 마지막으로, 밸브 바디 직경이 적어도 밀봉 시트 및 밀봉부의 위치에서는 동일하다는 것도 바람직하다.
전체적으로 볼 때, 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브의 장점들은 다음과 같이 요약될 수 있다:
- 전체적으로 개선된 시스템 출력 또는 가열 능력
- 압력 밸런스로 인한 소형 액추에이터의 사용 가능성에 의해 작은 구조 크기를 갖는 공간 절약적인 디자인
- 예컨대 밸브 바디(밸브 니들)의 디자인 변경에 의해서 차단 밸브를 팽창-차단 밸브로 교체하기 위한 모듈 방식의 구조
- 양방향 유동 및 밀봉 가능성 그리고 거의 완전한 내부 라인 직경까지 개방될 수 있는 가능성.
전술된 내용으로부터 곧바로, 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브를 효율 증가된 열 펌프- 및 공기 조화 시스템의 구성 부품으로서 사용하는 것 그리고 이와 같은 시스템을 재차 예를 들어 자동차에, 특히 전기차에 사용하는 것이 특히 바람직하다는 사실이 드러난다. 그렇기 때문에, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브를 전술된 시스템에 사용하는 것 그리고 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브를 포함한 시스템 자체까지도 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은 이하의 상세한 설명 및 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 명백해진다.
도 1은 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브를 개방된 상태(개방 상태, 개방 위치)에서 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브를 팽창-상태(팽창 위치)에서 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브를 폐쇄된 상태(차단-/정지 상태, 차단 위치)에서 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 1은, 밸브 바디(2)가 개방된 위치(개방 위치)에 있는 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브의 개략적인 횡단면도를 보여준다. 도 1에서 알 수 있는 사실은, 본 발명에 따른 팽창-차단 밸브(10)가 바람직하게는 1개 열의 소수의 부품 그룹으로 이루어진다는 것이다.
먼저, 팽창-차단 밸브(10)는, 밸브 바디(2)를 팽창-차단 밸브(10) 내부에서 바람직하게 선형으로 다양한 위치들 사이에서 왕복 이동시키도록 형성되어 있는 전기식 액추에이터를 구비한다. 이 목적을 위해, 전기식 액추에이터(1)는 밸브 바디(2)와 적합한 방식으로 연결되어 있고, 밸브 바디는 팽창-차단 밸브(10) 내부에 적합한 방식으로 이동 가능하게 수용되어 있다.
도 1의 예에서, 밸브 바디(2)는 직관형, 원통형, 선택적으로는 튜브 형태의 물체(밸브 니들)로서 기술될 수 있으며, 이 경우 밸브 바디의 축 방향 단부는 전기식 액추에이터와 상호 작용하고, 밸브 바디의 다른 축 방향 단부는 고유한 팽창-차단 밸브 기능을 보증해준다. 예컨대, 밸브 바디(2)가 내부에 암나사를 구비하고, 이 암나사 내부로 전기식 액추에이터(1)의 나사봉(threaded rod)이 삽입되는 것을 생각할 수 있다. 그에 따라, 전기식 액추에이터가 스핀들을 구비하고, 밸브 바디가 상응하는 대응 부재를 구비함으로써, 결과적으로 전기식 액추에이터(1)의 회전 운동은 밸브 바디(2)의 선형 운동으로 변형된다. 그 다음에, 상기 나사봉의 회전에 의해서 밸브 바디(2)가 선형으로, 다시 말해 밸브 바디의 축 방향의 방향으로 이동하게 된다. 고유의 밸브 기능을 보증해주는 밸브 바디(2)의 단부에는, 다른 밸브 구성 부품들과의 상호 작용하에 냉매의 팽창을 가능하게 하는, 단부에 가까운 특유의 곡선 윤곽이 제공되어 있다. 이와 같은 윤곽은 개별적인 팽창 요구 조건에 따라 형성되고 설정될 수 있다. 도 1에서 알 수 있는 또 다른 사실은, 팽창-곡선 윤곽이 제공된 밸브 바디(2)의 단부에 선택적으로 개구(8)(도 3)가 형성되어 있고, 이 개구가 바람직하게는 튜브 형태 밸브 바디(2)의 제외된 내부와 연결되어 있다는 것이다.
팽창-차단 밸브(10)는 또한 제1 통로(3) 및 제2 통로(5)를 구비하며, 이들 통로는, 이들 통로에 의해 예컨대 냉매로서의 이산화탄소가 각각 팽창-차단 밸브 내부로 그리고 또한 팽창-차단 밸브로부터 외부로 흐를 수 있도록 형성되어 있다. 따라서, 팽창-차단 밸브(10)에 의해서는 양방향 유동이 가능하다. 달리 표현하자면, 통로(3 및 5)는 각각 냉매의 유동 방향에 따라 매질 유입구로서의 기능을 하거나 매질 유출구로서의 기능을 한다. 도 1에서는 또한 통로(3 및 5)의 각진(angular) 배열 상태를 확인할 수 있는데, 이로써 이들 통로는 하나의 축 상에 놓여 있지 않고 오히려 이들의 종축들(냉매의 유동 방향)이 예를 들어 직각을 형성한다. 팽창-차단 밸브(10)를 통과할 때에는 상응하게 방향 전환이 이루어진다.
또한, 도 1에서는, 밸브 바디의 축 방향으로 밀봉부(6), 바람직하게는 밸브 바디의 방사 방향으로 둘레에 걸쳐서 밸브 바디와 접촉하고 있는 축방향 밀봉부 또는 환형 밀봉부와 축 방향으로 통로(3)에 더 가깝게 배치되어 있는 밀봉 시트(4) 사이에 밸브 챔버(9)가 형성되어 있다는 것도 알 수 있다. 상기 밸브 챔버(9)는, 팽창-차단 밸브(10)가 개방된 상태에서, 즉 밸브 바디(2)가 통로(3)로부터 떨어져서 축 방향으로 후퇴한 위치(개방 상태)에 있는 경우에, 통로(3과 5) 사이에서의 유체 흐름을 가능하게 하도록 형성되어 있다. 이 상태에서는, 냉매가 팽창-차단 밸브(10)에 의해서 통로(3)로부터 통로(5)로 흐를 수 있거나 그와 반대 방향으로 흐를 수 있는데, 다시 말하자면 양방향으로 흐를 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 밸브 바디는 바람직하게 냉매 유동으로부터 완전히 떨어져 있고, 다만 약간의 압력 강하만을 야기한다.
도 2는, 팽창-차단 밸브(10)의 팽창 상태를 도시한다. 이 상태를 위해, 밸브 바디(2)는 전기식 액추에이터(1)에 의해서 선형으로 축 방향으로, 후퇴한 위치로부터 밀봉 시트(4) 및 통로(3)에 더 가까이 놓여 있는 위치로 이동되었다. 이 위치에서는, 특유의 팽창-곡선 윤곽이 제공된 밸브 바디(2)의 단부와 밀봉 시트(4) 및 직접적으로 인접하는 영역들의 상호 작용이 이루어진다. 밀봉 시트가 그 내부 개구를 통해 냉매가 관류하는 원환 형상의 부품으로서 가정되면, 상기 내부 개구(유동 횡단면)는 밸브 바디(2)의 팽창 위치로의 이동에 따라 축소되고, 이로써 냉매의 팽창이 야기되며, 냉매는 그곳에 있는 통로를 통과해서 밸브 챔버(9)를 거쳐 각각 다른 통로에 도달하게 된다. 이와 같은 팽창 작용은 바람직하게 양방향으로 이루어지는데, 다시 말하자면 냉매가 통로(3)로부터 통로(5)로 흐르는 경우에 그리고 또한 냉매가 그와 반대 방향으로 통로(5)로부터 통로(3)로 흐르는 경우에 냉매의 팽창이 이루어진다.
도 3은, 밸브 바디가 전기식 액추에이터에 의해서 통로(3)의 방향으로 더욱 이동되어 있는 경우를 도시한다. 이때, 팽창-차단 밸브(10)는 폐쇄된 상태, 즉 차단된 상태에 있으며, 이와 같은 상태는 통로(3과 5 또는 5와 3) 간의 압력 차가 큰 경우에 달성된다. 밸브 바디(2)의 일 단부의 팽창-곡선 윤곽은 이제 더 이상 밀봉 시트(4)와 직접적인 상호 작용을 하지 않고, 오히려 축 방향으로 밀봉 시트를 넘어서 이동된다. 이제, 밀봉 시트(4)는 바람직하게 원통형인 밸브 바디(2)의 일 부분과 팽창-곡선 윤곽 없이 연결된다. 이와 동일한 내용이 밀봉부(6)에 대해서도 적용된다. 이 상태에서는, 통로(3 및 5) 중 어느 통로에 고압의 냉매가 인가되는지와 상관없이, 밸브 챔버(9)의 바람직한 양방향 밀봉 상태/밀봉성이 나타난다. 도 3에 도시된 상태로부터는, 압력-밸런스에 의해서 바람직하게 작은 밸브 바디 파워 및 액추에이터 파워가 나타난다. 이와 같은 작은 밸브 바디 파워 및 액추에이터 파워는 밸브 바디 챔버(7)로의 압력-바이패스에 의해서 달성되며, 이 압력-바이패스는 예를 들어 도시된 개구(8)를 밸브 바디(2) 내에 제공하거나 바이패스-채널을 팽창-차단 밸브(10)의 하우징 구성 요소 내에 제공함으로써 성취될 수 있다. 또한, 밀봉 시트(4) 및 밀봉부(6)의 위치에서의 밸브 바디 직경(외부 직경)이 그곳에서의 밀봉부 직경에 상응함으로써 압력-밸런스가 야기된다. 바람직하게, 밸브 바디 직경은 두 개 위치에서 동일하다. 달성된 압력-밸런스로 인해 밸브 바디에서 낮은 압력이 나타나고, 이로써 통로(3과 5 또는 5와 3) 사이에서 양방향으로 비교적 큰 완전한 유동 직경을 보증하는 것이 가능해진다.
1: 전기식 액추에이터(구동 장치)
2: 밸브 바디(밸브 니들, 밸브 스핀들)
3: 매질 유입구 또는 매질 유출구
4: 밀봉 시트
5: 매질 유입구 또는 매질 유출구
6: 밀봉부(축 방향 밀봉부)
7: 밸브 바디 챔버
8: 밸브 바디 개구(밸브 니들 홀)
9: 밸브 챔버
10: 팽창-차단 밸브

Claims (10)

  1. 밸브 바디 챔버(7) 내에 배치되어 있는 밸브 바디(2);
    팽창-차단 밸브 내에서 상기 밸브 바디(2)의 축 방향 이동 방향을 따라 배치되어 있는 밀봉 시트(4) 및 밀봉부(6)를 구비하며;
    팽창-차단 밸브가 폐쇄된 상태에서는 밸브 바디 챔버(7)로의 압력-바이패스가 존재하고, 상기 밀봉 시트(4) 및 상기 밀봉부(6)의 내면과 상기 밸브 바디의 외면이 밀착되도록 형성되어 있고,
    상기 압력-바이패스가 밸브 바디(2)의 팁 내에 있는 채널에 의해서 형성되고,
    제1 통로(3)가 상기 밸브 바디(2)의 이동축 상 상기 밸브 바디(2)를 기준으로 상기 밸브 바디 챔버(7)의 반대측에 배치되고, 상기 밸브 바디 챔버(7)는 상기 압력-바이패스에 의해 상기 제1 통로(3)와 연통되는, 팽창-차단 밸브(10).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    전기식 팽창-차단 밸브인, 팽창-차단 밸브.
  5. 제1항에 있어서,
    전기식 액추에이터(1)를 더 구비하며, 상기 액추에이터가 밸브 바디(2)를 작동시키도록, 상기 밸브 바디(2)를 개방 위치, 팽창 위치와 차단 위치 사이에서 왕복으로 이동시키도록 형성된, 팽창-차단 밸브.
  6. 제1항에 있어서,
    적어도 냉매 R744를 이용한 작동을 위해서 설계된, 팽창-차단 밸브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 바디는 폐쇄 위치에서 상기 밀봉 시트(4) 및 밀봉부(6)와 대향하는 부분을 가지며, 두 개의 부분의 직경이 서로 동일한, 팽창-차단 밸브.
  8. 제1항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 팽창-차단 밸브를 구비하는, 공조 시스템.
  9. 제8항에 따른 열 펌프 시스템 또는 공조 시스템을 구비하는 자동차.
  10. 삭제
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