KR19990079192A - Piezoelectric displacement expansion valve and cooling control system using the same - Google Patents
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Abstract
압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템에 관한 것으로, 액체 또는 기체가 유입되는 유입구와, 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 압전 액츄에이터와, 압전 액츄에이터의 변위를 조절하는 제어부와, 압전 액츄에이터에 의해 제어된 액체 또는 기체가 유출되는 유출구로 구성된 압전변위형 팽창 밸브를 이용하여 냉장고, 에어컨, 열교환기 등과 같은 냉각 장치의 냉각 정도를 자동으로 제어하는 시스템에 적용함으로써, 반응 속도가 빠르면서도 연속적인 냉매의 유량이나 압력의 제어가 가능하고, 소형 경량의 저렴한 제조가격으로 제조가 가능하며, 최적 냉각, 에너지 절감 등과 같은 효과를 얻을 수 있다.The present invention relates to a piezoelectric displacement expansion valve and a cooling control system using the same. By applying the piezoelectric displacement expansion valve composed of outlets through which the liquid or gas flowed out is controlled to a system that automatically controls the degree of cooling of a cooling device such as a refrigerator, air conditioner, heat exchanger, etc. It is possible to control the flow rate or pressure of the refrigerant, and to be manufactured at a small and light manufacturing price, and it is possible to obtain effects such as optimum cooling and energy saving.
Description
본 발명은 제어 장치에 관한 것으로, 특히 압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a control device, and more particularly to a piezoelectric displacement expansion valve and a cooling control system using the same.
일반적으로 냉장고이나 에어컨과 같은 냉각장치는 주위온도보다 낮은 온도를 발생시키기 위하여 열변환장치가 필요하다.In general, a cooling device such as a refrigerator or an air conditioner requires a heat conversion device to generate a temperature lower than the ambient temperature.
도 1은 냉장고의 열변환장치를 보여주는 도면으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 열변환장치는 압축기(compressor)(1), 응축기(condenser)(2), 팽창 밸브(expansion valve)(3), 증발기(evaporator)(4)로 구성된다.1 is a view illustrating a heat conversion device of a refrigerator, and as shown in FIG. 1, the heat conversion device includes a compressor 1, a condenser 2, and an expansion valve 3. , An evaporator 4.
이와 같이 구성되는 열변환장치의 동작은 다음과 같다.The operation of the heat conversion device configured as described above is as follows.
압축기(1)에서 압축된 고온, 고압의 냉매가스는 응축기(2)를 지날 때 주위에 열을 뺏기면서 응축되어 고압의 따뜻한 액체로 바뀌게 된다.The high-temperature, high-pressure refrigerant gas compressed by the compressor (1) is condensed as it loses heat when passing through the condenser (2), and is converted into a high-pressure warm liquid.
이 액체는 팽창 밸브(3)에 의해 급격한 압력 저하가 발생하여 저압의 차가운 액체로 되면서 냉장고 안의 온도를 떨어뜨리게 된다.This liquid causes a sudden pressure drop by the expansion valve 3 to become a cold liquid of low pressure and to lower the temperature in the refrigerator.
일 예로 팽창 밸브(3)의 입력단(inlet)과 출력단(outlet) 사이에서 발생되는 냉매의 압력차를 보면, 일반적으로 냉장고의 경우에는 약 1200kPa 정도의 압력차가 발생하고, 에어컨의 경우에는 약 3000kPa 정도의 압력차가 발생한다.For example, the pressure difference between the refrigerant generated between the inlet and the outlet of the expansion valve 3 generally indicates a pressure difference of about 1200 kPa for a refrigerator and about 3000 kPa for an air conditioner. Pressure difference occurs.
이러한 저압의 찬 액체는 음식물과 같은 따뜻한 물체에 의해 증발기(4)에서 기화되어 저압의 따뜻한 기체로 되고, 이 기체는 압축기(1)에 의해 다시 압축되어 고온, 고압의 액체로 된다.This low pressure cold liquid is vaporized in the evaporator 4 by a warm object such as food to be a low pressure warm gas, which is compressed again by the compressor 1 to become a high temperature and high pressure liquid.
이상과 같은 순환방식에 의해 냉장고는 내부 온도를 계속 차게 유지할 수가 있다.By the above circulation method, the refrigerator can keep the internal temperature cold.
현재, 상기의 냉각 시스템에서 압력을 떨어뜨리기 위해 사용되는 팽창 밸브는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 크게 튜브 타입(tube type)과 밸브 타입(valve type)으로 나눌 수 있다.Currently, expansion valves used to reduce pressure in the above cooling system can be broadly divided into tube type and valve type, as shown in FIGS. 2A-2D.
튜브 타입은 도 2a, 도 2b, 도 2c와 같이, 얇은 튜브를 이용한 것으로 카필러리 튜브 타입(capillary tube type), 쇼트 튜브 타입(short tube type), 오러피스 튜브 타입(orifice tube type)이 있다.2A, 2B, and 2C, the tube type is a thin tube, which is a capillary tube type (capillary tube type), short tube type (short tube type), orifice tube type (orifice tube type). .
그리고, 밸브 타입은 도 2d와 같이, 스텝핑 모터(stepping motor)를 이용한 것이다.In addition, the valve type uses a stepping motor as shown in FIG. 2D.
그러나, 튜브 타입은 가격이 저렴하고 제조가 용이한 반면에 튜브의 굵기와 길이에 의해 유량 조절이나 압력 저하값이 고정되므로 연속적인 제어를 할 수가 없어 냉각 시스템의 효율성이 낮은 단점이 있다.However, the tube type is inexpensive and easy to manufacture, while the flow rate adjustment or the pressure drop is fixed by the thickness and length of the tube, so that continuous control is not possible and thus the efficiency of the cooling system is low.
또한, 밸브 타입은 유량과 압력 조절이 가능한 반면에 스텝핑 모터, 스핀들, 스프링 등으로 이루어져 구조가 복잡하고 제조 가격이 비싸며 모터를 이용하여 제어하기 때문에 반응 속도가 다소 늦은 단점이 있다.In addition, while the valve type is adjustable in flow rate and pressure, the stepping motor, the spindle, the spring, etc., the structure is complicated, the manufacturing price is expensive, and the reaction speed is somewhat slow because it is controlled by the motor.
종래 기술에 따른 팽창 밸브에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.The expansion valve according to the prior art had the following problems.
튜브 타입은 유량 및 압력을 제어할 수 없으며, 밸브 타입은 구조가 복잡하고 제조 가격이 비쌀 뿐만 아니라 유량 및 압력 제어에 대한 반응 속도가 늦다.The tube type cannot control the flow rate and pressure, the valve type is not only complicated in structure and expensive to manufacture, but also slow in response to flow and pressure control.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 연속적으로 미세하게 제어할 수 있는 압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a piezoelectric displacement expansion valve and a cooling control system using the same that can continuously and finely control the flow rate and pressure of a liquid or gas.
본 발명의 다른 목적은 냉각 장치의 냉각 효율을 개선시킬 수 있는 압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템을 제공하는데 있다.Another object of the present invention to provide a piezoelectric displacement expansion valve and a cooling control system using the same that can improve the cooling efficiency of the cooling device.
도 1은 일반적인 냉장고의 열변환장치를 보여주는 도면1 is a view showing a heat conversion device of a typical refrigerator
도 2a 내지 도 2d는 일반적인 팽창 밸브의 종류를 보여주는 도면2a to 2d is a view showing the type of a general expansion valve
도 3은 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브를 보여주는 도면3 shows a piezoelectric displacement expansion valve according to the present invention.
도 4는 도 3의 압전 액츄에이터의 동작 원리를 보여주는 도면4 is a view illustrating an operating principle of the piezoelectric actuator of FIG. 3.
도 5는 도 3의 압전 액츄에이터의 구조를 보여주는 도면5 shows the structure of the piezoelectric actuator of FIG.
도 6은 본 발명에 따른 압전 액츄에이터의 인가 전압에 따른 변위 정도를 보여주는 그래프6 is a graph showing the degree of displacement according to the applied voltage of the piezoelectric actuator according to the present invention
도 7은 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템을 보여주는 도면7 is a view showing a cooling control system using a piezoelectric displacement expansion valve according to the present invention.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 유입구 12 : 압전 액츄에이터11 inlet 12 piezoelectric actuator
13 : 구동회로부 14 : 유출구13 drive circuit portion 14 outlet
21 : 고정판 22 : 압전체21: fixing plate 22: piezoelectric body
23 : 마개 24 : 전선23: plug 24: wire
31 : 제어부 32 : 센서31: control unit 32: sensor
33 : 비교판단부 34 : 압전변위형 팽창 밸브33: comparison judgment portion 34: piezoelectric displacement expansion valve
본 발명의 주요 특징은 제어신호에 따라 변위가 발생하여 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 미세하게 조절하는 압전 액츄에이터에 있다.The main feature of the present invention resides in a piezoelectric actuator that finely adjusts the flow rate and pressure of a liquid or gas by displacement occurring in accordance with a control signal.
본 발명의 다른 특징은 액체 또는 기체가 유입되는 유입구와, 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 압전 액츄에이터와, 압전 액츄에이터의 변위를 조절하는 제어부와, 압전 액츄에이터에 의해 제어된 액체 또는 기체가 유출되는 유출구로 구성되는데 있다.Other features of the present invention include an inlet through which a liquid or gas is introduced, a piezoelectric actuator that regulates the flow rate and pressure of the liquid or gas, a controller that controls the displacement of the piezoelectric actuator, and a liquid or gas controlled by the piezoelectric actuator. It consists of an outlet that is
본 발명의 또 다른 특징은 유입되는 냉매의 유량 및 압력을 제어신호에 따라 제어하여 그 제어된 냉매를 유출시키는 압전변위형 팽창 밸브와, 냉각기 내의 온도를 감지하는 센서와, 센서에서 감지된 온도값과 기 설정된 기준값을 비교, 판단하는 비교판단부와, 비교판단부의 비교판단 결과에 따른 제어신호를 압전변위형 팽창 밸브로 인가하는 제어부로 구성되는데 있다.Another feature of the present invention is a piezoelectric displacement expansion valve for controlling the flow rate and pressure of the refrigerant flowing in accordance with the control signal to flow out the controlled refrigerant, a sensor for sensing the temperature in the cooler, the temperature value detected by the sensor And a control unit configured to compare and determine a preset reference value, and a control unit to apply a control signal according to the comparison decision result of the comparison unit to the piezoelectric displacement expansion valve.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The piezoelectric displacement expansion valve and the cooling control system using the same according to the present invention having the above characteristics will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 개념은 역압전 효과(converse piezoelectric effect) 특성을 갖는 압전 액츄에이터를 이용하여 팽창 밸브를 제작함으로써, 반응 속도가 빠르면서도 연속적으로 액체, 기체 등의 유량 및 압력의 제어가 가능하고 소형 경량의 저렴한 팽창 밸브를 제조하는데 있다.The concept of the present invention is to produce an expansion valve using a piezoelectric actuator having a reverse piezoelectric effect characteristic, thereby allowing the control of the flow rate and pressure of liquids, gases, etc. continuously and with a small reaction speed. To make inexpensive expansion valves.
도 3은 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브를 보여주는 도면으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 팽창 밸브는 액체 또는 기체가 들어오는 유입구(11)와, 그 액체 또는 기체의 유량과 압력을 조절하는 압전 액츄에이터(12)와, 압전 액츄에이터(12)의 변위를 조절하는 구동회로부(13)와, 압전 액츄에이터(12)에 의해 제어된 액체 또는 기체가 나가는 유출구(14)로 구성된다.3 is a view illustrating a piezoelectric displacement expansion valve according to the present invention. As shown in FIG. 3, the expansion valve is configured to control the flow rate and pressure of the inlet port 11 through which the liquid or gas is introduced, and the liquid or gas. A piezoelectric actuator 12, a drive circuit portion 13 for adjusting the displacement of the piezoelectric actuator 12, and the outlet 14 through which the liquid or gas controlled by the piezoelectric actuator 12 exits.
이와 같이 구성되는 본 발명의 압전변위형 팽창 밸브는 다음과 같은 원리로 동작된다.The piezoelectric displacement expansion valve of the present invention configured as described above is operated on the following principle.
본 발명의 압전 변위형 팽창 밸브는 압전체의 특성 중 하나인 역압전 효과 특성을 이용한 것이다.The piezoelectric displacement type expansion valve of the present invention utilizes the reverse piezoelectric effect characteristic, which is one of the characteristics of the piezoelectric body.
여기서, 역압전 효과는 도 4에 도시된 바와 같이 PZT, PbTiO3, BaTiO3, PVDF 등과 같은 압전체에 전압을 가하면 압전체의 형상이 변하여 변위(displacement)가 발생하는 현상이다.Here, the reverse piezoelectric effect is a phenomenon in which displacement of the piezoelectric body is changed when a voltage is applied to the piezoelectric body such as PZT, PbTiO 3 , BaTiO 3 , PVDF, and the like, as shown in FIG. 4.
즉, 압전체의 분극(polarization)방향으로 직류 전압을 가하면 압전체의 크기에 변위가 발생한다.That is, when a DC voltage is applied in the polarization direction of the piezoelectric body, displacement occurs in the size of the piezoelectric body.
또한, 압전체의 응답 속도가 매우 빠르기 때문에 고속 동작이 가능하다.In addition, since the response speed of the piezoelectric body is very fast, high-speed operation is possible.
예를 들면, PZT의 경우는 0.01msec이다.For example, in the case of PZT, it is 0.01 msec.
그러므로 인가 전압에 의한 변위를 이용하여 유출구의 개폐 정도를 조절하여 액체 또는 기체의 유량 및 압력의 제어가 가능하다.Therefore, it is possible to control the flow rate and pressure of the liquid or gas by adjusting the opening and closing degree of the outlet by using the displacement by the applied voltage.
여기서 압전 액츄에이터의 구조를 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 금속으로 이루어진 고정판(21)에 압전체(22)를 접합(metal sealed)하고 압전체(22) 상단에 유출구를 개폐하는 마개(23)를 접합한 구조를 갖는다.Looking at the structure of the piezoelectric actuator, as shown in FIG. 5, the stopper 23 for bonding the piezoelectric body 22 to the fixed plate 21 made of metal (metal sealed) and opening and closing the outlet on the top of the piezoelectric body 22 It has a bonded structure.
여기서, 마개(23)는 금속이나 테플론(teflon) 등이 좋은데, 이것은 높은 압력과 높은 온도에 견디는 내고압/고온성이 있어야 하며 유출구의 구멍 입구와 접촉하기 때문에 기계적 충격에도 강해야 한다.Here, the stopper 23 is a metal or teflon (teflon) is good, which must be high pressure and high temperature resistance to withstand high pressure and high temperature and must be resistant to mechanical impact because it contacts the hole inlet of the outlet.
이러한 구조의 압전 액츄에이터의 전선(24)에 전압을 인가하면 인가된 전압의 크기에 비례하여 압전체(22)의 변위가 일어남으로써 압전체(22) 상단의 마개(23)가 유출구의 개폐 정도를 조절하게 된다.When voltage is applied to the wire 24 of the piezoelectric actuator of this structure, displacement of the piezoelectric material 22 occurs in proportion to the magnitude of the applied voltage, so that the plug 23 on the top of the piezoelectric body 22 controls the opening and closing degree of the outlet. do.
이 압전 액츄에이터는 그 크기를 작게 할 수 있기 때문에 팽창 밸브를 소형, 경량화 할 수 있으며 구조가 간단하여 저렴하게 제작할 수 있다.Since the piezoelectric actuator can be made small in size, the expansion valve can be made compact and light in weight, and its structure is simple and can be manufactured at low cost.
도 6은 본 발명에 따른 압전 액츄에이터의 인가 전압에 따른 변위 정도를 보여주는 그래프로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 인가 전압과 변위의 관계가 매우 직선적임을 보여준다.6 is a graph showing the degree of displacement according to the applied voltage of the piezoelectric actuator according to the present invention. As shown in FIG. 6, the relationship between the applied voltage and the displacement is very linear.
또한, 압전체의 이력 현상(hysterisis)에 의해 전압 인가시와 감소시 압전 액츄에이터의 변위에 약간의 차이가 남을 알 수 있으며, 인가 전압 150V에서 최대 65㎛ 정도의 변위가 발생함을 알 수 있다.In addition, due to hysterisis of the piezoelectric body, a slight difference may be left between the displacement of the piezoelectric actuator when the voltage is applied and when the voltage is decreased, and a maximum displacement of about 65 μm occurs at an applied voltage of 150V.
이와 같이 동작되는 본 발명의 압전변위형 팽창 밸브는 냉장고, 에어컨, 열교환기 등과 같은 냉각 장치의 냉각 정도를 자동으로 제어하는 시스템에 사용할 수 있다.The piezoelectric displacement expansion valve of the present invention operated as described above may be used in a system for automatically controlling the degree of cooling of a cooling device such as a refrigerator, an air conditioner, a heat exchanger, and the like.
도 7은 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템을 보여주는 도면으로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 압전변위형 팽창 밸브(34), 제어부(31), 비교판단부(33), 센서(32)로 구성된다.7 is a view illustrating a cooling control system using a piezoelectric displacement expansion valve according to the present invention. As shown in FIG. 7, a piezoelectric displacement expansion valve 34, a control unit 31, and a comparison determination unit 33 are shown. And a sensor 32.
그리고, 제어부(31)는 제어기(35)와 디지탈/아날로그 변환기(36)로 구성되고, 비교판단부(33)는 제 1, 제 2 아날로그/디지탈 변환기(37, 38)와 비교기(39)로 구성된다.The control unit 31 is composed of a controller 35 and a digital-to-analog converter 36, and the comparison determination unit 33 includes first and second analog / digital converters 37 and 38 and a comparator 39. It is composed.
그 동작을 보면, 먼저 써미스터(thermistor)와 같은 온도 센서(32)가 냉장고의 경우는 냉장고의 온도를, 에어컨의 경우는 실내 온도를 감지하여 비교판단부(33)에 그 온도값을 전달한다.In operation, first, a temperature sensor 32 such as a thermistor senses the temperature of the refrigerator in the case of a refrigerator and the room temperature in the case of an air conditioner, and transmits the temperature value to the comparison determination unit 33.
비교판단부(33)에서는 사용자에 의해 설정된 온도값과 센서에서 감지된 온도값을 각각 제 1, 제 2 아날로그/디지탈 변환기(37, 38)에서 디지탈 신호로 변환한 후, 비교기(39)에서 그 온도값을 비교, 판단하여 그 결과를 제어부(31)에 전달한다.The comparison determination unit 33 converts the temperature value set by the user and the temperature value sensed by the sensor into digital signals in the first and second analog / digital converters 37 and 38, respectively, and then the comparator 39 The temperature value is compared and determined, and the result is transmitted to the controller 31.
제어부(31)는 비교판단부(33)에서 인가되는 신호를 디지탈/아날로그 변환기(36)에서 아날로그 신호로 변환한 후, 제어기(35)에서 팽창 밸브(34)의 압전 액츄에이터에 가해지는 전압을 조절하여 냉매의 유량이나 압력을 제어하게 되는데 압전 액츄에이터의 반응 속도가 빨라 주위 환경 변화에 대해 연속적으로 자동 제어가 가능하다.The control unit 31 converts the signal applied from the comparison determination unit 33 into an analog signal in the digital / analog converter 36, and then adjusts the voltage applied to the piezoelectric actuator of the expansion valve 34 in the controller 35. By controlling the flow rate or pressure of the refrigerant, the reaction speed of the piezoelectric actuator is fast, so that the automatic change of the surrounding environment can be continuously performed.
따라서, 상기의 냉각 제어 시스템을 이용하면 냉각기의 자동 제어 뿐만 아니라 최적 냉각 및 냉각 효율을 높여 과냉각과 같은 에너지 낭비를 방지할 수 있는 장점이 있다.Therefore, the use of the cooling control system has the advantage of preventing energy waste such as overcooling by increasing the optimum cooling and cooling efficiency as well as automatic control of the cooler.
본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.In the piezoelectric displacement expansion valve and the cooling control system using the same according to the present invention has the following effects.
본 발명은 소형의 압전 액츄에이터를 이용하므로 반응 속도가 빠르면서도 연속적인 냉매의 유량이나 압력의 제어가 가능하고, 소형 경량의 저렴한 팽창 밸브의 제조가 가능하다.Since the present invention uses a small piezoelectric actuator, it is possible to control the flow rate and pressure of the refrigerant while maintaining a fast reaction rate, and to manufacture a small, lightweight and inexpensive expansion valve.
또한, 본 발명의 팽창 밸브를 이용하여 냉장고, 에어컨, 열교환기 등과 같은 냉각기의 제어 시스템에 적용하면 자동 제어, 최적 냉각, 에너지 절감 등과 같은 효과를 얻을 수 있다.In addition, when the expansion valve of the present invention is applied to a control system of a cooler such as a refrigerator, an air conditioner, a heat exchanger, and the like, an effect such as automatic control, optimal cooling, and energy saving can be obtained.
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Cited By (2)
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KR20010061869A (en) * | 1999-12-29 | 2001-07-07 | 이계안 | air-conditioner expansion valve with of automatically adjustable spring tension |
WO2014134441A1 (en) * | 2013-03-01 | 2014-09-04 | Discovery Technology International, Inc. | Piezoelectric valve based on linear actuator |
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1998
- 1998-04-02 KR KR1019980011672A patent/KR19990079192A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |