KR19990023642A - 2방향 유동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도관을 통해 한 방향으로 유체 유동을 제어 및 계량하는 장치에 관한 것이다. 장치는 2개의 단부벽을 구비한 신장형 본체를 포함하고, 2개의 단부벽은 그 사이에 내부 챔버를 형성한다. 장치의 한 단부벽은 제1 계량 오리피스를 갖는다. 다른 단부벽은 하나 이상의 바이패스 개구를 갖는다. 자유 피스톤은 챔버내에 배치되고 그로부터 연장된 로드부를 가지며 제1 계량 오리피스내에 배치된다. 자유 피스톤과 로드부는 제2 계량 오리피스를 구비하고, 제2 계량 오리피스는 자유 피스톤 및 로드부로부터 축방향으로 연장되고 제1 계량 오리피스와 축방향으로 정렬된다. 장치를 통한 유체 유동은 유체 유동 방향으로 단부벽에 대해 피스톤을 가압한다. 한 위치에서 장치로 유동하는 유체는 반대 단부벽의 바이패스 개구(들)를 통과한다. 장치로부터 유체는 피스톤에서 제2 계량 오리피스를 통과한다. 유동 역전시에 피스톤은 반대 단부벽에 대해 가압된다. 이 위치에서 유체는 단부벽 내의 계량 오리피스를 통해 유동한 다음에 시리얼 방식으로 피스톤 내의 계량 오리피스를 통해 유동한다. 장치는 역전가능한 증기 압축 공기 조화 시스템용으로 설계된다. 장치에서 단부벽 내의 계량 오리피스는 가열 모드 조작에 대해 적절히 계량하기 위한 크기를 갖는다. 피스톤 내의 계량 오리피스는 단부벽 내의 계량 오리피스와 조합하여 냉각 모드 조작에 대해 적절히 계량하도록 크기가 정해진다.

Description

2방향 유동 제어 장치

본 출원은 1996년 11월 25일자로 출원된 선출원 시리얼 번호 제08/758,131호의 연속 출원이고 선출원의 발명자의 출원이다.

본 발명은 일반적으로 도관 내의 유체 유동을 제어하는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 장치를 통해 한쪽 방향으로 예를 들어 냉매와 같은 유체 팽창을 제어할 수 있는 장치에 관한 것이다. 그러한 장치의 용도는 가열 펌프로 공지된 역전 가능한 증기 압축 공기 조화 시스템에서 사용하기 위한 것이다.

역전 가능한 압축 공기 조화 시스템은 본 기술 분야에서 널리 공지되었다. 종래의 열 펌프 시스템은 압축기, 유동 역전 밸브, 외측 열교환기, 내측 열교환기 및 유동 계량을 위한 하나 이상의 팽창 수단을 구비하고, 모두다 폐쇄된 냉매 유동 루프에서 유체 연통되어 연결되어 있다. 내측 가열 열교환기는 시스템에 의해 조절되는 공간 내에 위치하고, 외측 열교환기는 대체로 도어 밖에서 조절되는 공간 외측에 위치한다. 가열 펌프 시스템이 냉각 모드에서 조작될 때, 냉매는 먼저 응축기로 기능하는 내측 열교환기를 통해 유동되고, 그 다음에 증발기로 기능하는 외측 열교환기를 통해 유동된다. 가열 펌프 시스템이 가열 모드에서 조작될 때, 냉매가 먼저 외측 열교환기를 통해 유동되고 2개의 열교환기들의 기능들이 냉각 모드 조작에서와 같이 역전되도록, 역전 밸브가 재위치된다.

모든 증기 압축 냉각 또는 공기 조절 시스템은 냉매의 압력이 감소되는 팽창 또는 계량 장치를 필요로 한다. 공급 라인에서 고압 냉매는 제한 오리피스를 통해 계량 장치로 진입하는 데, 제한 오리피스에서는 유동 속도가 느리고 오리피스를 통과하는 냉매의 부피가 더 적다. 그 다음에 냉매는 계량 오리피스의 반대 측면 상에서 공급 라인 내에 부피를 채우도록 팽창된다. 이러한 공정은 계량, 팽창 또는 스로틀링으로 상호 변환될 수 있다. 비역전 시스템에서, 팽창 장치는 한 방향으로 유동을 계량할 수 있는 것이 요구되어질 뿐이다. 가열 펌프 및 다른 역전 가능한 시스템에서, 냉매는 양쪽 냉매 유동 방향들에서 계량되어져야 한다. 역전 가능한 시스템에서 단일의 모세관 튜브 또는 오리피스를 사용하는 것은 충분하지 않는 데, 그 이유는 냉각 모드 조작 중에 계량 요구 조건이 가열 모드 조작 중에 요구 조건과 동일하지 않기 때문이다. 한 모드에서 조작에 최적화된 간단한 모세관 또는 오리피스는 다른 모드에서 충분한 기능을 수행하지 못할 것이다. 양 방향에서 적절한 유동 계량을 위한 요구 조건을 달성하기 위한 하나의 공지된 방법은 2개의 열교환기 사이에서 냉매 유동 루프에 이중 계량 장치를 제공하는 것이다. 모세관 또는 오리피스와 같은 유동 제어 장치인 제1 계량 장치는 내측 열교환기로부터 외측 열교환기(냉각 모드)로 유동하는 냉매를 계량할 수 있도록 설치된다. 제1 계량 장치와 유사하지만 가열 모드에서 최적의 조작을 수행하는 제2 계량 장치는 외측 열교환기로부터 내측 열교환기(가열 모드)로 유동하는 냉매를 계량할 수 있도록 설치된다. 검사 밸브는 냉매가 냉각 모드 조작 중에 제1 계량 장치를 바이패스할 수 있고 가열 모드 조작 중에 제2 계량 장치를 바이패스할 수 있는 구성으로 계량 장치들 둘레에서 바이패스 라인 내에 설치된다. 이러한 구성은 조작면에서는 만족스럽지만, 소정의 시스템 유동 특성을 달성하기 위해 4개의 부품들이 요구되므로 상대적으로 비용이 많이 든다.

본 기술 분야에서 한 장치에 한 유동 방향에서 계량하는 기능과 다른 유동 방향에서의 유동을 거의 또는 전혀 제한하지 않는 기능을 조합하는 것이 공지되어 있다. 그러한 시스템에서, 2개의 그러한 장치들은 열교환기들 사이에서 냉매 유동 루프에서 직렬로 설치되어 있다. 제1 계량 장치는 내측 열교환기로부터 외측 열교환기로 자유로운 냉매 유동을 허용하고, 냉각 모드 조작 중에 최적의 계량 성능을 제공하도록 반대 방향에서의 냉매 유동을 계량한다. 제2 계량 장치는 외측 열교환기로부터 내측 열교환기로의 자유로운 냉매 유동을 허용하고, 가열 모드 조작 중에 최적의 계량 성능을 제공하도록 반대 방향으로 냉매 유동을 계량한다. 미국 특허 제4,926,658호는 역전 가능한 증기 압축 공기 조화 시스템에서 2웨이 유동 제어 장치의 이용을 개시하고 있다. 본문에 개시된 바와 같이, 이러한 유동 제어 장치는 양방향에서 냉매 유동을 계량하지만, 이러한 장치는 적절한 사이클을 위해 유체를 적절하게 조절하도록 종래의 팽창 밸브와 조합된 별도의 검사 밸브에 의존한다.

본 발명은 장치를 통해 어느 한 방향으로 유동하는, 역전 가능한 증기 압축 시스템에서 이용될 때의 가스 상태에서의 냉매와 같은 유체를 적절하게 계량하는 유동 제어 장치에 관한 것이다. 특히, 본 장치는 각각의 방향에서 상이한 계량 특성을 허용한다.

도1은 본 발명의 유동 제어 장치를 이용하는 역전 가능한 증기 압축 공기 조화 시스템의 개략도.

도2는 도1에 도시된 시스템에서 구체화되는 본 발명의 유동 제어 장치의 부분 단면도.

도3은 도1에 도시된 시스템에서 구체화되는 본 발명의 유동 제어 장치의 부분 단면도.

도4는 본 발명의 유동 제어 장치의 또 다른 실시예의 평면도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

13 : 제1 열교환기 유니트 14 : 제2 열교환기 유니트

30 : 2방향 유동 제어 장치 32, 33 : 단부 벽

34 : 내부 챔버 41 : 계량 오리피스

44 : 바이패스 개구 53 : 로드부

61 : 튜브

본 발명의 유동 제어 장치는 제1 단부 벽, 제2 단부 벽 및 그 사이에 형성된 챔버를 구비한 본체를 포함한다. 제1 단부 벽은 챔버와 연통되고 챔버를 통한 바이패스 개구를 구비하고, 챔버는 분리 이격된 벽들 사이에서 본체 내에 동축상으로 형성된다. 제2 단부 벽은 챔버와 연통하고 챔버를 통과하는 계량 오리피스를 구비하고, 챔버는 분리 이격된 벽들 사이에서 본체 내에 동축상으로 형성된다. 자유 부유 피스톤이 챔버 내에 미끄럼 가능하게 장착되고 제1 및 제2 단부 벽들 사이에서 챔버를 통과하는 유동 방향에 응답하여 유동 방향으로 이동되도록 구성된다. 피스톤은 피스톤에서 연장되고 제1 단부 벽 내의 바이패스 개구와 제2 단부 벽 내의 계량 오리피스와 연통되어 축방향으로 정렬되는 방식으로 구성된 적어도 하나의 계량 오리피스를 포함한다. 피스톤이 유체 유동에 의해 제2 단부 벽에 대항하여 제1 방향으로 유동될 때, 유체는 바이패스 개구를 통해 피스톤 내의 계량 오리피스를 통한 내부 챔버로 제한되지 않고 유동하고 그 다음에 제2 단부 벽 내의 계량 오리피스를 통해 유동함으로써, 감소된 압력을 갖는 계량된 유체량이 장치를 탈출하게 된다. 장치를 통한 유체 유동이 역전될 때, 유체는 먼저 제2 단부 벽 내의 계량 오리피스를 통해 들어오고, 피스톤은 반대 방향으로 이동되어 제1 단부 벽과 접촉하게 되고, 그 다음에 유체는 피스톤 내의 감소된 압력을 갖는 적어도 하나의 계량 오리피스를 통해 유동되고 제1 단부 벽 내의 바이패스 개구를 통해 장치를 탈출한다. 각각의 제2 단부 벽과 피스톤에서의 계량 오리피스들의 직경 및 길이는 유체 유동의 각각의 방향으로 유체 유동의 적절한 계량을 제공하도록 크기를 갖는다. 유체 유동이 제2 방향으로 이루어질 때, 계량 오리피스들은 일렬로 작용하여 유체 유동이 먼저 제2 단부 벽 내의 계량 오리피스에 의해 제한되고 그 다음에 피스톤 내의 계량 오리피스에 의해 제한되며 도관 내에서 바이패스 개구로 팽창된다. 본 기술에 숙련된 자는 일렬의 계량 오리피스 조작의 효과가 부가적인 것이고, 따라서 본 장치는 2개의 유체 유동 방향의 각각으로 냉매의 상이한 스로틀링을 제공함을 명백히 알아야 한다.

첨부된 도면들은 명세서의 일부를 형성한다. 도면중에서, 동일한 참조 부호는 동일한 요소를 나타낸다.

도1을 참조하면, 본 발명의 2방향 유체 제어 장치(30)를 구체화하는 난방 또는 냉방을 위한 역전 가능한 증기 도관 시스템이 도시된다. 그 시스템은 기본적으로 제1 열교환기 유니트(13)와 제2 열교환기 유니트(14)를 포함한다. 가열 조작 모드에서, 유체 유동(15)은 좌측에서 우측으로 이루어진다. 결과적으로, 열교환기(14)는 사이클 내에서 종래의 응축기의 기능을 하고, 열교환기(13)는 증발기의 역할을 수행한다. 가열 조작 모드에서, 공급 라인을 통과하는 유체, 냉매는 사이클을 완료하기 위해 고압 응축기(14)로부터 저압 증발기(13)로 유입이 억제된다. 시스템이 열펌프로서 이용될 때, 냉매 유동 방향이 역전되고 열교환기의 기능은 반대 방향에서 냉매를 억제함으로써 역전된다. 본 발명의 유동 제어 장치는 소정 방향으로 냉매의 적절한 스로틀링을 제공하도록 냉매 유동 방향의 변화에 자동으로 응답하는 데 특히 적합하다.

도2를 참조하면, 본 발명의 2방향 유동 제어 장치(30)는 계량 오리피스(42)를 구비한 자유 부유 피스톤(50)을 포함한다. 도3을 참조하면, 본 발명의 2방향 유동 제어 장치는 대체로 원통형인 본체를 포함하고, 원통형 본체는 내부 챔버(34)를 형성하도록 본체를 폐쇄하는 단부 벽(32, 33)을 구비한다. 단부 벽(32)은 계량 오리피스(41)를 구비하고, 계량 오리피스는 본체 상에 중심에 위치하고 본체와 동축상으로 정렬된다. 단부 벽(33)은 바이패스 개구(44)를 구비하고, 바이패스 개구는 본체 상에 중심에 위치하고 본체와 동축상으로 정렬된다.

자유 부유 피스톤(50)은 내부 챔버 내에서 미끄럼 가능하게 장착되고 동축상으로 배치된다. 피스톤은 원통형 본체(51)와 원통형 본체로부터 연장된 로드부(53)를 구비하고, 로드부는 본체와 로드부를 통해 연장되어 중심에 위치한 계량 오리피스(42)를 구비하고 계량 오리피스(41) 및 바이패스 개구(44)와 축방향으로 정렬되어 연통된다. 단축된 피스톤의 본체는 조립체에서 내부 챔버 내에 축방향으로 자유롭게 미끄러질 수 있도록 직경 크기를 정하고, 그러한 공차는 대시 포트 효과(dash pot effect)를 방지하도록 제공된다. 마찬가지로, 피스톤의 로드부는 조립체에서 계량 오리피스(41) 내에 축방향으로 자유롭게 미끄러질 수 있도록 직경 크기가 정해진다. 피스톤에는 2개의 평평하고 평행한 단부면(54, 55)이 제공된다. 도3에 도시된 바와 같이, 좌측 단부면(54)은 내부 챔버의 단부 벽(33)에 대해 제동하도록 구성되고, 우측 단부면(55)은 단부 벽(32)에 대해 제동하도록 구성된다. 계량 오리피스(42)는 시스템(10)이 가열 모드에서 조작될 때 냉매 유체 유동을 계량하도록 적절한 크기로 구성된다. 계량 오리피스(42)는 계량 오리피스와 일렬의 유동 배열을 이루고 냉각 모드용으로 적절한 크기로 구성된다.

조작중에, 도1에 도시된 바와 같이 2방향 유동 제어 장치(30)는 열교환기(13, 14) 사이의 냉매 유동을 제어한다. 시스템(10)이 냉각 모드에서 조작될 때, 유체 유동(15)은 표시된 대로 열교환기(13)로부터 열교환기(14)로 이동된다. 유동 냉매의 영향하에서, 피스톤은 (도1에서 도시할 때) 단부 벽(33)에 대해 좌측으로 이동된다. 냉매는 계량 오리피스(41)와 그 다음에 계량 오리피스(42)를 통해 유동된다. 냉매 유동은 피스톤의 좌측면에서 탈출시에 혼합되고 시스템의 고압측으로부터 저압측으로 냉매 흡입을 억제하도록 바이패스 개구(44)를 통해 장치를 탈출함에 따라 팽창된다. 유사하게, 사이클이 역전되는 가열 모드에서 시스템이 조작될 때, 냉매가 반대 방향으로 유동되어 피스톤이 자동적으로 단부 벽(32)에 대해 우측(도1에서 볼 때)으로 이동됨으로써 냉매가 적절하게 오리피스(41)를 통해 계량된다.

장치(30)는 몇개의 변형예로 구성될 수 있다. 장치는 열교환기(13, 14)와 접속하는 튜브의 내부 직경보다 그 외부 직경이 더 작은 크기로 구성될 수 있다. 시스템의 제조중에, 장치(30)는 튜브로 삽입되고, 튜브는 장치가 튜브내에서 이동할 수 없도록 양 단부 벽(32, 33) 근처에 주름잡혀 있다. 대안으로서, 장치는 표준 접합 기술을 이용하여 접속 튜브로 조립될 수 있도록 양 단부에서 (도시되지 않은) 나사식 또는 브레이즈 피팅으로 제조될 수 있다.

또 다른 구성이 도4에 도시되어 있다. 그 실시예에서, 튜브(61)는 장치(30)의 원통형 측벽을 형성한다. 단부 벽(32, 33)은 그 사이에 자유 피스톤(50)을 구비하고 튜브(61)로 삽입된다. 각각의 단부 벽(32, 33)은 그 외주 둘레에서 원주 노치를 구비한다. 단부 벽(2, 33)과 피스톤(50)은 상호 적절하게 위치되어 있고, 튜브(61)는 주름잡혀 있다. 크림핑은 단부 벽이 튜브 내에서 움직이지 못하도록 방지하는 노치(46)로의 만입부(62)를 생성한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 한 방향으로 유동하는 역전 가능한 증기 압축 시스템에서 가스 상태에서의 냉매와 같은 유체를 적절하게 계량하는 유동 제어 장치를 제공한다. 특히, 본 장치는 각각의 방향에서 상이한 계량 특성을 허용한다. 또한, 본 발명의 유동 제어 장치는 소정 방향으로 냉매의 적절한 스로틀링을 제공하도록 냉매 유동 방향의 변화에 자동으로 응답할 수 있다.

Claims (4)

1. 제1 및 제2 방향으로 도관 내의 유체 유동을 제어하는 장치에 있어서,

   제1 단부 벽 및 제2 단부 벽을 구비하고, 상기 제1 단부 벽 및 제2 단부 벽은 그 사이에 내부 챔버를 한정하는 신장형 본체-상기 제1 단부 벽은 적어도 하나의 바이패스 개구를 구비하고, 상기 바이패스 개구는 제1 단부 벽을 통해 축방향으로 연장되고 내부 챔버와 연통되며, 상기 제2 단부 벽은 제2 단부 벽을 통해 축방향으로 연장된 제1 계량 오리피스를 구비함-와,

   내부 챔버 내에 배치되고 유체 유동에 반응하여 축방향으로 미끄럼 가능하게 이동될 수 있고, 제1 단부 벽과 평행한 제1 단부면과 제2 단부 벽과 평행한 제2 단부면을 구비한 단축 피스톤과,

   제1 계량 오리피스 내에 미끄럼 가능하게 배치된 제2 단부 면으로부터 연장되는 로드부를 포함하고,

   상기 피스톤 및 로드부는 제2 계량 오리피스를 더 구비하고, 상기 제2 계량 오리피스는 상기 피스톤 및 로드부를 통해 연장되고 제1 계량 오리피스와 축방향으로 정렬됨으로써,

   상기 피스톤은 제1 유체 유동 방향으로의 제2 계량 오리피스를 통한 유동을 계량하고, 제2 유체 유동 방향으로의 제1 오리피스와 제2 오리피스를 직렬로 통한 유동을 계량함으로써, 유체가 도관으로 유동될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 단부 벽들은 도관 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 압축기와, 압축기에 선택적으로 연결된 제1 열교환기 및 제2 열교환기와, 한 열교환기로부터 다른 열교환기로 냉매를 전달하기 위한 냉매 공급 라인과 열교환기 사이에서 압축기의 방출 측과 입구 측을 선택적으로 연결하기 위한 스위칭 수단을 구비한 역전 가능한 증기 압축 공기 조화 시스템에 있어서,

   제1 단부 벽 및 제2 단부 벽을 구비한 신장형 본체를 구비하고 상기 제1 단부 벽 및 제2 단부 벽은 그 사이에 내부 챔버를 한정하는, 각각의 열교환기 사이의 공급 라인 내에 장착된 유동 제어 장치-상기 제1 단부 벽은 적어도 하나의 바이패스 개구를 구비하고, 상기 바이패스 개구는 제1 단부 벽을 통해 축방향으로 연장되고 내부 챔버와 연통되며, 상기 제2 단부 벽은 제2 단부 벽을 통해 축방향으로 연장된 제1 계량 오리피스를 구비함-와,

   내부 챔버 내에 배치되고 유체 유동에 반응하여 축방향으로 미끄럼 가능하게 이동될 수 있고, 제1 단부 벽과 평행한 제1 단부면과 제2 단부 벽과 평행한 제2 단부면을 구비한 단축 피스톤과,

   제1 계량 오리피스 내에 미끄럼 가능하게 배치된 제2 단부 면으로부터 연장된 로드부를 포함하고,

   상기 피스톤 및 로드부는 제2 계량 오리피스를 더 구비하고, 상기 제2 계량 오리피스는 상기 피스톤 및 로드부를 통해 연장되고 제1 계량 오리피스와 축방향으로 정렬됨으로써,

   상기 피스톤은 제1 유체 유동 방향으로의 제2 계량 오리피스를 통한 유동을 계량하고, 제2 유체 유동 방향으로의 제1 오리피스와 제2 오리피스를 직렬로 통한 유동을 계량하여 유체가 공급 라인으로 유동될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 역전 가능한 증기 압축 공기 조화 시스템.
4. 제3항에 있어서, 공급 라인은 신장형 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전 가능한 증기 압축 공기 조화 시스템.