KR19990080511A - 압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

압전변위형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템에 관한 것으로, 액체 또는 기체가 유입되는 유입구와, 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 마개봉과, 제어신호에 따라 변위가 발생하는 압전 액츄에이터와, 마개봉과 압전 액츄에이터에 연결되어 압전 액츄에이터의 변위에 따라 마개봉의 변위를 확대시키는 지렛대와, 압전 액츄에이터의 변위를 제어하는 제어부와, 마개봉에 의해 제어된 액체 또는 기체가 유출되는 유출구로 구성된 압전변위형 팽창 밸브를 이용하여 냉장고, 에어컨 등과 같은 냉각 장치의 냉각 정도를 자동으로 제어하는 시스템에 적용함으로써, 냉매의 제어가 용이하며, 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.

Description

압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템

본 발명은 제어 장치에 관한 것으로, 특히 압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉장고이나 에어컨과 같은 냉각장치는 주위온도보다 낮은 온도를 발생시키기 위하여 열변환장치가 필요하다.

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.

이와 같이 구성되는 열변환장치의 동작은 다음과 같다.

압축기(1)에서 압축된 고온, 고압의 냉매가스는 응축기(2)를 지날 때 주위에 열을 뺏기면서 응축되어 고압의 따뜻한 액체로 바뀌게 된다.

이 액체는 팽창 밸브(3)에 의해 급격한 압력 저하가 발생하여 저압의 차가운 액체로 되면서 냉장고 안의 온도를 떨어뜨리게 된다.

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.

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.

이상과 같은 순환방식에 의해 냉장고는 내부 온도를 계속 차게 유지할 수가 있다.

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.

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.

그리고, 밸브 타입은 도 2d와 같이, 스텝핑 모터(stepping motor)를 이용한 것이다.

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.

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.

종래 기술에 따른 팽창 밸브에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

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.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로 압전 액츄에이터의 변위발생과 변위확대기구를 이용하여 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 연속적으로 미세하게 제어할 수 있는 압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 냉각 장치의 냉각 효율을 개선시킬 수 있는 압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 냉장고의 열변환장치를 보여주는 도면

도 2a 내지 도 2d는 일반적인 팽창 밸브의 종류를 보여주는 도면

도 3은 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브를 보여주는 도면

도 4는 도 3의 압전 액츄에이터의 동작 원리를 보여주는 도면

도 5는 인가전압에 따른 압전 액츄에이터의 변위와 지렛대를 통해 전달되는 실제 변위를 비교한 그래프

도 6은 본 발명에 따른 압전변위형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템을 보여주는 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 유입구 12 : 마개봉

13 : 압전 액츄에이터 14 : 지렛대

15 : 제어부 16 : 유출구

17 : 회전축 18 : 고정판

19 : 압전체 20 : 가이드

31 : 제어부 32 : 센서

33 : 비교판단부 34 : 팽창 밸브

35 : 제어기 36 : D/A 변환기

37, 38 : A/D 변환기 39 : 비교기

본 발명의 주요 특징은 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 마개봉과 제어신호에 따라 변위가 발생하는 압전 액츄에이터에 연결되어 압전 액츄에이터의 변위에 따라 마개봉의 변위를 확대시키는 지렛대에 있다.

본 발명의 다른 특징은 액체 또는 기체가 유입되는 유입구와, 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 마개봉과, 제어신호에 따라 변위가 발생하는 압전 액츄에이터와, 마개봉과 압전 액츄에이터에 연결되어 압전 액츄에이터의 변위에 따라 마개봉의 변위를 확대시키는 지렛대와, 압전 액츄에이터의 변위를 제어하는 제어부와, 마개봉에 의해 제어된 액체 또는 기체가 유출되는 유출구로 구성되는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 유입되는 냉매의 유량 및 압력을 제어신호에 따라 제어하여 그 제어된 냉매를 유출시키는 압전변위확대형 팽창 밸브와, 냉각기 또는 열교환기의 온도를 감지하는 센서와, 센서에서 감지된 온도값과 기 설정된 기준값을 비교, 판단하는 비교판단부와, 비교판단부의 비교판단 결과에 따른 제어신호를 압전변위확대형 팽창 밸브로 인가하는 제어부로 구성되는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 개념은 압전 액츄에이터의 역압전 효과(converse piezoelectric effect)와 지렛대의 원리를 이용하여 압전 액츄에이터의 변위가 크지 않아도 실질적으로 큰 변위를 얻을 수 있도록 하는데 있다.

즉, 지렛대 일측에는 압전 액츄에이터를 연결하고 지렛대의 타측에는 마개봉을 연결하면 지렛대를 통해 마개봉에 전달되는 압전 액츄에이터의 변위 크기가 크게 확대되어 액체 및 기체 등의 유량 및 압력을 제어하는 제어 범위가 크게된다.

도 3은 본 발명에 따른 압전변위확대형 팽창 밸브를 보여주는 도면으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 팽창 밸브는 액체 또는 기체가 들어오는 유입구(11)와, 그 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 마개봉(12)과, 제어신호에 따라 변위가 발생하는 압전 액츄에이터(13)와, 마개봉(12)과 압전 액츄에이터(13)에 연결되는 지렛대(14)와, 압전 액츄에이터(13)의 변위를 조절하는 제어부(15)와, 마개봉(12)에 의해 제어된 액체 또는 기체가 유출되는 유출구(16)로 구성된다.

그리고, 지렛대(14)의 소정영역에는 지렛대(14)의 축이 되는 회전축(17)이 형성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 압전변위확대형 팽창 밸브는 다음과 같은 원리로 동작된다.

본 발명의 압전변위확대형 팽창 밸브는 압전체의 특성 중 하나인 역압전 효과 특성과 지렛대의 원리를 이용한 것이다.

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.

즉, 압전체의 분극(polarization)방향으로 직류 전압을 가하면 압전체의 크기에 변위가 발생한다.

또한, 압전체의 응답 속도가 매우 빠르기 때문에(PZT의 경우는 0.01msec) 고속 동작이 가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 금속으로 이루어진 고정판(18)에 압전체(19)가 접합(metal sealed)된 구조를 갖는 압전 액츄에이터(13)에 제어부(15)의 제어신호에 따라 전압을 인가하면 압전 액츄에이터(13)의 압전체(19)가 인가되는 전압의 크기에 비례하여 변위가 일어난다.

이 압전 액츄에이터(13)의 변위에 따라 압전 액츄에이터(13)의 상단부에 연결된 지렛대(14)는 회전축(17)을 중심으로 지렛대(14)의 일측에 연결된 마개봉(12)에 변위를 가하게 된다.

이 마개봉(12)은 가이드(20)를 따라 상하로 변위가 일어나면서 유입구(11)에서 들어오는 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하여 유출구(16)로 제어된 액체 또는 기체를 유출시킨다.

여기서, 마개봉(12)의 변위 d는 d = c × a/b (c는 압전 액츄에이터의 변위, a는 마개봉과 회전축과의 거리, b는 회전축과 압전 액츄에이터와의 거리)이다.

즉, 마개봉(12)의 실제 변위 d는 압전 액츄에이터(13)의 변위에 회전축(17)을 중심으로 한 지렛대(14)의 비 a/b 만큼 곱해지기 때문에 압전 액츄에이터(13)의 변위가 크기 않더라도 실질적으로 큰 변위를 얻을 수 있다.

따라서, 이와 같은 지렛대의 원리를 이용한 압전변위확대형 팽창 밸브는 변위의 크기 및 조절이 용이하여 기체 및 액체의 유량이나 압력 조절이 보다 용이해진다.

또한, 압전체를 이용하므로 소형이면서도 저렴하게 제조할 수 있고, 응답 속도가 매우 빠른 장점을 지니고 있다.

도 5는 인가전압에 따른 압전 액츄에이터의 변위와 지렛대를 통해 전달되는 실제 변위를 비교한 그래프이다.

도 5는 회전축을 중심으로 한 지렛대의 비 a : b를 4 : 1 로 한 경우의 변위 크기를 나타낸 것으로 실제 변위는 압전 액츄에이터의 변위에 비해 4배 정도 큼을 알 수 있다.

이와 같이 동작되는 본 발명의 압전변위확대형 팽창 밸브는 냉장고, 에어컨 등과 같은 냉각 장치의 냉각 정도를 자동으로 제어하는 시스템에 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 압전변위확대형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템을 보여주는 도면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 압전변위확대형 팽창 밸브(34), 제어부(31), 비교판단부(33), 센서(32)로 구성된다.

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.

그 동작을 보면, 먼저 써미스터(thermistor)와 같은 온도 센서(32)가 냉장고의 경우는 냉각기의 온도를, 에어컨의 경우는 열교환기의 온도를 감지하여 비교판단부(33)에 그 온도값을 전달한다.

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.

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.

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.

본 발명에 따른 압전변위확대형 팽창 밸브 및 이를 이용한 냉각 제어 시스템에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 지렛대의 원리를 이용하므로 액체 및 기체 등의 유량 및 압력을 제어하는 제어 범위가 크므로 제어가 용이하다.

둘째, 압전체를 이용하므로 반응 속도가 빠르면서도 연속적인 액체 및 기체의 유량이나 압력 제어가 가능하고, 소형 경량이면서도 저렴한 팽창 밸브의 제조가 가능하다.

셋째, 본 발명의 팽창 밸브를 이용하여 냉장고, 에어컨 등과 같은 냉각기의 제어 시스템에 적용하면 자동 제어, 최적 냉각, 에너지 절감 등과 같은 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

1. 액체 또는 기체가 유입되는 유입구;

   상기 액체 또는 기체의 유량 및 압력을 조절하는 마개봉;

   제어신호에 따라 변위가 발생하는 압전 액츄에이터;

   상기 마개봉과 압전 액츄에이터에 연결되어 상기 압전 액츄에이터의 변위에 따라 상기 마개봉의 변위를 확대시키는 지렛대;

   상기 압전 액츄에이터의 변위를 제어하는 제어부; 그리고,

   상기 마개봉에 의해 제어된 액체 또는 기체가 유출되는 유출구로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는 PZT, PbTiO₃, BaTiO₃, PVDF 중 어느 하나로 이루어진 압전체인 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는

   전압에 따라 변위가 발생하는 압전체;

   상기 압전체를 고정시키는 고정판을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고정판은 금속인 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 지렛대는 상기 압전 액츄에이터의 변위에 따라 상기 마개봉의 변위가 확대되도록 지렛대의 축이 되는 회전축을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 회전축은 그 위치에 따라 상기 마개봉의 변위 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브.
7. 유입되는 냉매의 유량 및 압력을 제어신호에 따라 제어하여 그 제어된 냉매를 유출시키는 압전변위확대형 팽창 밸브;

   냉각기 또는 열교환기의 온도를 감지하는 센서;

   상기 센서에서 감지된 온도값과 기 설정된 기준값을 비교, 판단하는 비교판단부; 그리고,

   상기 비교판단부의 비교판단 결과에 따른 제어신호를 상기 압전변위확대형 팽창 밸브로 인가하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 센서는 써미스터(thermistor)인 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 비교판단부는

   상기 센서에서 감지된 온도값을 디지탈 신호로 변환하는 제 1 아날로그/디지탈 변환기;

   기 설정된 기준값을 디지탈 신호로 변환하는 제 2 아날로그/디지탈 변환기;

   상기 제 1, 제 2 아날로그/디지탈 변환기에서 각각 인가되는 디지탈 신호를 비교, 판단하는 제어기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 제어부는

    상기 비교판단부에서 인가되는 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지탈/아날로그 변환기;

    상기 디지탈/아날로그 변환기에서 출력된 신호를 인가받아 상기 압전변위확대형 팽창 밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전변위확대형 팽창 밸브를 이용한 냉각 제어 시스템.