KR19990085785A - 냉매팽창장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매팽창장치에 관한 것으로, 본 발명의 냉매팽창장치는 하나 또는 복수개의 오리피스유로와 이 오리피스유로를 개폐할 수 있도록 솔레노이드 밸브를 적용하여 냉동사이클에 설치함으로써 솔레노이드 밸브를 사용한 저렴한 제조비용으로 종래의 모세관에서는 할 수 없었던 냉매의 토출유량을 보다 다양하게 조절할 수 있고, 또한 밸브의 지속적인 구동으로 인한 냉매팽창장치 내부의 오리피스유로의 손상을 최소화하여 제품의 사용효율과 작동안정성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

냉매팽창장치

본 발명은 냉매팽창장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉동사이클에서 고압상태의 냉매를 감압팽창시키며 동시에 냉매량을 조절할 수 있는 냉매팽창장치에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 냉동사이클은 도 1에 도시된 바와 같이 압축기(10), 응축기(13), 모세관(16), 증발기(11) 그리고 냉난방시 냉매의 방향을 역전시키는 4방밸브(15)로 구비하고, 응축기(13)와 증발기(11)의 일측에는 냉매의 열교환을 위한 팬(12)(14)이 설치되어 있다.

냉방시에 압축기(10)는 저온, 저압으로 들어온 냉매를 고온, 고압으로 압축하여 응축기(13)로 토출하고, 응축기(13)는 압축기(10)로부터 유입된 고온, 고압의 냉매의 열을 주위로 방출하여 중간온도, 고압 상태가 되도록 한다.

그리고 응축기(13)를 통과한 냉매는 냉매팽창장치인 모세관(16)을 통과하면서 저온, 저압의 포화상태의 차가운 냉매로 팽창하게 된다. 이 차가워진 냉매는 증발기(11)를 지나며 주위로부터 열을 흡수하는데, 이때 열교환한 냉매는 압축기(10)로 유입되어 재순환하게 된다.

한편, 종래의 냉매팽창장치인 모세관(16)은 약 2m정도의 길이를 가지고 0.5 - 2.0mm 정도의 내경을 갖는 가는 관으로 되어있는데, 근래에 들어 대부분의 공기조화기에 적용되고있는 냉방능력을 가변할 수 있도록 된 공기조화기, 즉 인버터 방식의 공기조화기에 있어서는 그 사용효율이 상당히 낮다.

이것은 냉방능력의 가변이 압축기(10)의 회전수의 가변으로 인한 냉매팽창량의 가변으로 이루어지는데, 종래의 모세관(16)은 감압된 냉매의 량을 적절히 가변시키는데 한계가 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 인버터 방식을 채용한 공기조화기에 종래의 모세관(16)을 사용할 경우 모세관(16)의 길이변경이 되지 않아 압축기(10)의 회전수가 높아질 경우 모세관(16)내의 저항이 증가하게 되는데, 이것은 곧 압축기(10)에서 냉매를 많이 보내는데 모세관(16)에서는 적게 통과하게 되어 냉동사이클 내를 흐르는 냉매량이 적게 되기 때문이다.

따라서 압축기(10) 회전수를 높여서 최적으로 매칭한 경우보다 냉방능력이 감소하고 효율이 떨어지게 된다. 그리고 최저주파수로 운전하는 경우에는 압축기(10)에서는 냉매를 적게 보내나 모세관(16)에서는 많이 보내 증발기에 냉매가 과다하게 채워지는 플러딩이 발생하게 되어 압축기(10) 회전수가 낮을 때 최적으로 모세관을 매칭한 경우보다 냉방능력 및 효율면에서 감소하게 된다.

이러한 이유로 인버터 운전에 적절히 대응하기 위하여 일본에서는 전자팽창밸브를 사용하고 있는데, 이 전자팽창밸브는 압축기(10) 흡입구의 과열도를 감지하는 센서를 구비하여 이에 따라서 동작하도록 되어 있고, 이 밸브의 내부에는 교축장치를 구비하여 유량도 조절하고 압력강하도 일어나도록 하여 항상 적정유량의 냉매를 증발기로 보내도록 되어 있다.

그러나 이 전자팽창밸브는 정확한 냉매량 조절은 가능하나 그 구조가 너무복잡하여 제조가 힘들고, 이에 따른 제조비용 또한 많이드는 문제점이 있었다.

정리하여 보면 종래의 모세관(16)은 가격이 저렴한데 비하여 유량조절이 되지 않으며, 반면에 종래의 전자팽창밸브는 정확한 냉매유량 조절은 가능하나 그 구조가 복잡하고 제조비용이 비싼 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 제조비용이 저렴하게 들면서 냉방조건에 따른 냉매의 유량조절과 냉매의 감압, 팽창기능을 원활히 수행할 수 있도록 한 냉매팽창장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적과 관련된 본 발명의 다른 목적은 냉매의 팽창을 위하여 장치내에 형성된 오리피스유로의 형상을 지속적으로 유지보호할 수 있도록 한 냉매팽창장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조비용이 저렴하게 들면서 냉방조건에 따른 보다 다양한 냉매의 유량조절과 감압, 팽창기능을 원활히 수행할 수 있도록 한 냉매팽창장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 모세관이 설치된 냉동사이클을 보인 회로도이다.

도 2는 본 발명에 따른 냉매팽창장치가 설치된 냉동사이클을 보인 회로도이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉매팽창장치를 보인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉매팽창장치의 닫힌 상태를 보인 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 냉매팽창장치를 보인 단면도이다.

도 6의 a와 b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉매팽창장치의 작동상태를 보인 도면이다.

도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉매챙창장치가 설치된 냉동사이클의 제어흐름도이다.

도 8은 본 발명의 다단 냉매팽창장치에 따른 냉동사이클을 보인 회로도이다.

도 9의 a, b, c 그리고 d는 도 8의 다단 냉매팽창장치를 보인 상세단면도와 작동상태를 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명의 다단 냉매팽창장치가 설치된 냉동사이클의 제어 흐름도이다.

도 11은 본 발명의 다단 냉매팽창장치와 종래의 모세관의 냉방능력을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 12는 본 발명의 다단 냉매팽창장치와 종래의 모세관의 냉방시 에너지 소비효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 13은 본 발명의 다단 냉매팽창장치와 종래의 모세관의 난방능력을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 14는 본 발명의 다단 냉매팽창장치와 종래의 모세관의 난방시 에너지 소비효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

50...압축기 51...증발기

53...응축기 54...실외팬

60...제 2냉매팡창장치 70...제 1냉매팽창장치

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고압측의 냉매를 감압 팽창시키는 냉매팽창장치에 있어서, 외주면에 솔레노이드 코일이 권선된 하우징, 상기 하우징 내부에 일단이 스프링에 의하여 탄성지지된 구동봉, 상기 구동봉과 상대하는 상기 하우징의 일면에 관통형성된 오리피스유로, 상기 하우징의 타측에 형성된 냉매흡입구, 상기 오리피스유로의 입구부에 마련되어 상기 구동봉의 상하구동시 상기 구동봉의 단부에 의하여 상기 오리피스유로의 입구단이 손상되는 것을 방지하도록 하는 오리피스유로 보호수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

그리고 고압측의 냉매를 감압 팽창시키는 냉매팽창장치에 있어서, 외관을 이루는 하우징, 상기 하우징의 외주면에 권선된 솔레노이드코일, 상기 하우징의 내부에 일단이 스프링에 의하여 탄성지지되며 상기 솔레노이드코일에 의하여 직선왕복운동하는 구동체, 상기 구동체의 타단의 상대하는 상기 하우징의 일면에 관통형성되어 통과하는 냉매를 감압팽창시키는 제 1오리피스유로, 상기 하우징에 형성된 냉매입출구, 상기 구동체의 타단에 형성되어 상기 제 1오리피스유로의 내경보다 작은 내경을 가지며 상기 구동체가 상기 제 1오리피스유로의 단부를 막으면 상기 하우징의 내부와 상기 제 1오리피스유로를 연통시켜 냉매를 감압하여 통과시키는 제 2오리피스유로를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 고압측의 냉매를 감압 팽창시키는 냉매팽창장치에 있어서, 상기 냉매팽창장치는 병렬로 연결된 제 1냉매팽창장치와 제 2냉매팽창장치를 구비하되, 상기 제 1냉매팽창장치는 냉매를 감압팽창시키는 제 1오리피스유로를 구비하고, 솔레노이드 코일에 의하여 발생한 전자기력에 의하여 구동하되 상기 제 1오리피스유로를 개폐하는 구동체를 구비하고, 상기 구동체에는 제 2오리피스유로가 형성되어 냉매의 통과량이 상기 구동체의 구동에 의하여 조절되도록 마련되며, 상기 제 2냉매팽창장치는 냉매를 감압팽창시키는 제 3오리피스유로와 상기 제 3오리피스유로를 개폐하도록 솔레노이드 코일에 의하여 구동하는 구동체를 구비하여 상기 제 1, 2오리피스유로와 연동하여 냉매의 통과량을 조절 할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하겠다.

이하의 본 발명의 실시예에서는 제 1, 제 2 그리고 제 3실시예를 각각 별도로 설명하며, 또한 계속해서 본 발명의 제 1실시예와 제 2실시예에서의 냉매팽창장치가 설치된 다단 냉매팽창장치의 구조와 작동에 대하여 설명하겠다.

본 발명에 따른 냉매팽창장치가 설치된 냉동사이클은 도 2에 도시된 바와 같이 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(50), 압축기(50)에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기(53), 응축기(53)에서 토출된 냉매를 감압팽창시키는 냉매팽창장치(60)가 설치된다.

그리고 이 냉매팽창장치(60)에서 감압팽창 된 냉매를 열교환시키는 증발기(51)와 실내팬(52), 실외팬(54) 등을 각각 구비하고, 압축기(50)의 출구부에는 냉방시와 난방시에 냉매의 방향을 역전시키는 4방밸브(55)가 설치된다.

먼저 첫 번째 실시예에서의 냉매팽창장치(60)는 도 3에 도시된 바와 같이 외형을 이루는 원통상의 하우징(61)를 구비하고, 이 하우징(61) 외주면에는 코일(62)이 권선되어 마련된다. 그리고 하우징(61)의 내부에는 일측 끝부분이 원추형으로 형성된 구동체(63)가 구비되고, 이 구동체(63)의 타측단부에는 하우징(61)에 지지된 스프링(64)이 설치된다.

한편 하우징(61)에는 고압의 냉매가 흡입되는 냉매흡입구(66)가 형성되어 응축기(53)에서 연장된 냉매관에 결합 설치되어 있고, 또한 흡입된 냉매가 감압토출되도록 오리피스유로(67)이 형성되어 있다.

그리고 구동체(63)의 원추형상의 끝부분에는 볼(65)이 설치되어 있는데, 이 볼(65)는 구동체(63)가 수직 하강한 상태에서 오리피스유로(67)의 입구단을 닫도록 하는 것으로, 이것은 코일(62)에 전원이 인가되지 않은 상태에서 스프링(64)의 탄성력으로 구동체(63)가 하강하면 볼(65)이 오리피스유로(67)의 입구단을 닫도록 한다.

또한 오리피스유로(67)의 입구단의 주변부에는 하우징(61)의 내부로 상향돌출한 완충턱(68)이 형성되어 있다. 이 완충턱(68)은 볼(65)의 승하강으로 인하여 오리피스유로(67)의 입구단과 볼(65)이 직접 부딛치지 않도록 하기 위하여 형성된 것으로, 그 형상은 원형의 돌기형상으로 마련된다.

따라서 오리피스유로(67)의 입구단은 볼(65)의 계속적인 승하강 운동에 의한 충격으로 손상되지 않는다.

그리고 이 완충턱(68)은 탄성재질의 수지물로도 형성할 수 있으며, 이때에는 제조시 오리피스유로의 입구단의 주변부에 별도의 홈을 형성하여 이 수지물을 삽입설치하여야 한다.

이와 같이 완충턱(68)을 설치하게 되면 오리피스유로(67)는 개방시 항상 동일한 냉매팽창량을 지속적으로 유지할 수 있다.

이하에서는 오리피스유로(67)에 완충턱(68)이 있는 경우와 완충턱(68)이 없는 경우에 대한 구체적인 실험예를 설명하겠다.

실험시의 조건은 작동유체를 R22로 하고 오리피스유로(67)의 입구압력을 17.5kgf/cm2G 로 하고, 출구압력을 7.0kgf/cm2G 로 하였고, 입구측 냉매온도를 40℃로 하였다. 그리고 오리피스유로(67)의 내경은 1.1mm 로 하고, 측정장비는 매스플로우미터기(Mass Flow Meter) 를 사용하였다. 그리고 각각의 경우 초기유량을 90kg/h 로 하였다.

이러한 각각의 실험조건에서 1000회 볼(65)을 작동시키고 난 후 완충턱(68)이 없는 경우는 유량이 85kg/h 로 되었고, 완충턱(68)이 있는 경우는 90kg/h 로 되어 완충턱(68)이 있는 경우에는 냉매의 유량변화가 없지만 완충턱(68)이 없는 경우는 오리피스유로(67) 입구부분의 변형으로 냉매 유량이 약 5% 감소하였다.

따라서 완충턱(68)은 오리피스유로(67)에서의 지속적인 냉매토출유량을 유지시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

이러한 첫 번째 실시예의 냉매팽창장치는 코일(62)에 전류가 인가되어 자장이 발생한 상태에서 이 자장에 의하여 구동체(63)가 상승한 것이다. 이에 따라 오리피스유로(67)는 개방되어 고압상태로 흡입된 냉매가 오리피스유로(67)을 통하여 감압팽창되어 증발기(51) 쪽으로 유출되게 된다.

그리고 오리피스유로(67)가 열리지 않은 상태는 코일(62)에 전류가 흐르지 않아 구동체(63)가 스프링(64)의 탄성력에 의하여 밀려서 오리피스유로(67)을 닫고 있다. 이에 따라 흡입구(66)를 통하여 하우징(61) 내부로 흡입된 냉매는 감압팽창되지 않는다.

한편 냉매량의 조절은 구동체(63)의 작동시간과 횟수를 조절하여 이루어질 수 있는데, 감압되어 토출되는 냉매의 양을 증가시킬 때에는 오리피스유로(67)를 장시간동안 열어두고 냉매량을 줄일때에는 오리피스유로(67)의 개방시간, 또는 구동체(63)의 작동횟수를 줄임으로써 냉매량의 원활한 조절이 이루어진다.

다음으로 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 냉매팽창장치를 설명하겠다. 도 4에 도시된 바와 같이 외형을 이루는 원통상의 하우징(71)을 구비하고, 이 하우징(71)의 외주면에는 코일(72)이 권선되어 마련된다. 그리고 하우징(71)의 내부에는 원기둥형상의 구동체(73)가 구비되고, 이 구동체(73)의 타측단부에는 하우징(71)에 지지된 스프링(74)이 설치된다.

한편 하우징(71)에는 고압의 냉매가 흡입되는 냉매 흡입구(76)가 형성되어 응축기(53)에서 연장된 냉매관에 결합설치되어 있고, 또한 흡입된 냉매가 감압토출되도록 제 1오리피스유로(77)가 형성되어 증발기(51)와 연통된 냉매관과 연통되어 있다.

그리고 구동체(73)의 원추형상 끝부분에는 ‘T’자 형상으로 마련되며 제 1오리피스유로(77)보다 작은 내경을 갖는 제 2오리피스유로(75)가 형성되어 있는데, 이 제 2오리피스유로(75)는 측방으로 연장된 네 개의 홀로 마련된 유로가 하우징(71)의 내부와 연통되어 있고, 이 측방유로의 내측 교차점에서 서로 연통되어 하방으로 연장된 유로는 구동체(73)의 하강시 제 1오리피스유로(77)와 연통되게 되어 있다.

또한 제 1오리피스유로(77)의 입구단의 주변부에는 하우징(71)의 내부로 상향돌출한 완충턱(78)이 형성되어 있다. 이 완충턱(78)은 구동체(75)의 승하강으로 인하여 제 1오리피스유로(77)의 입구단과 구동체(75)의 단부가 직접 부딛치지 않도록 하기 위하여 형성된 것으로, 그 형상은 원형의 돌기형상으로 마련된다.

따라서 제 1오리피스유로(77)의 입구단은 구동체(75)의 계속적인 승하강 운동에 의한 충격으로 손상되지 않는다.

그리고 도시되지 않았지만 이 완충턱(78)은 탄성재질의 수지물로도 형성할 수 있으며, 이때에는 제조시 제 1오리피스유로(77)의 입구단의 주변부에 별도의 홈을 형성하여 이 수지물을 삽입설치하여야 한다.

이와 같이 완충턱(78)을 설치하게 되면 제 1오리피스유로(77)는 개방시 항상 동일한 냉매팽창량을 유지할 수 있다.

이러한 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 냉매팽창장치는 도 6a에 도시된 바와 같이 제 1오리피스유로(77)가 열리지 않은 상태를 나타낸 것으로, 이것은 코일(72)에 전류가 흐르지 않아 구동체(73)가 스프링(74)의 탄성력에 의하여 밀려서 제 1오리피스유로(77)을 닫고 있다. 이에 따라 흡입구(76)를 통하여 하우징(71) 내부로 흡입된 냉매는 제 2오리피스유로(75)를 통하여 감압팽창되어 토출되게 된다.

그리고 도 6b에 도시된 바와 같이 제 1오리피스유로(77)가 열린 상태는 코일(72)에 전류가 인가되어 자장이 발생한 상태에서 이 자장에 의하여 구동체(73)가 상승한 것이다. 이에 따라 제 1오리피스유로(77)는 개방되어 고압상태로 흡입된 냉매가 제 1오리피스유로(77)을 통하여 감압팽창되어 증발기(51) 쪽으로 유출되게 된다. 특히 이때의 제 1오리피스유로(77)는 제 2오리피스유로(75) 보다 직경이 크기 때문에 보다 많은 냉매를 감압팽창시키게 된다.

따라서 냉매의 팽창량의 조절은 구동체(73)의 상승동작에 따라 제 1오리피스유로(77)를 통하여 많은 양이 팽창되어 토출되게 되고, 구동체(73)의 하강동작에 따라 제 2오리피스유로(75)를 통하여 제 1오리피스유로(77)의 개방시 보다 작은양의 냉매를 팽창시켜 토출시키게 된다.

이러한 본 발명에 따른 냉매팽창장치의 제어는 도 7에 도시된 바와 같은 제어흐름도에 의하여 제어된다. 이 제어흐름도는 표 1과 표 2의 조건에 따라 작동한다. 이하에서 설명하는 제어흐름도는 냉방전용을 기준으로 설명한 것이다.

각각의 스탭에 따른 밸브제어를 나타낸 표

	스탭 1	스탭 2
냉매팽창장치	전원공급안함	전원공급
밸브	닫힘	열림
선택된 오리피스유로	제 2오리피스유로	제 1오리피스유로

주파수판단 기준 및 냉매팽창장치 전원공급 현황표

조건(i)	주파수X(i)	냉매팽창장치
1	60Hz	밸브닫힘
2	110Hz	밸브열림

도시된 바와 같이 최초 시작단계(S1)를 거쳐 운전방식 설정단계(S2)에서 냉방으로 설정된다. 그리고 실내외팬 운전단계(S3)를 거쳐 설정온도 입력단계(S4)에서 설정온도가 입력되고, 이에 따라 실내온도가 감지되어 실내온도 입력단계(S5)를 거치게 되어 압축기운전단계(S6)를 통하여 압축기(50)가 운전된다.

그리고 압축기(50)의 운전으로 압축기주파수 판단단계(S7)를 통하여 압축기(50)의 주파수가 판단되어 압축기(50)의 주파수가 S8단계와 S9단계에서 조건 1의 60Hz 이하이면 스탭 1의 상태(S10), 즉 구동체(73)가 하강하여 제 1오리피스유로(77)는 닫히고, 제 2오리피스유로(75)를 통하여 냉매의 팽창이 이루어지며, 따라서 적은 양의 냉매가 열교환되므로 약냉 상태의 운전이 이루어지는 것이다.

한편 압축기 주파수 판단단계(S7)에서 압축기(50)의 주파수가 S8과 S9에서 조건 1의 60Hz 이상이면 조건 2의 상태(S9a)로 진행하며 조건 2의 상태(S9b) 이상이면 S9c단계에서 조건 2의 110Hz로 압축기(50)가 구동하고, 동시에 스탭 2에 따라 냉매팽창장치(70)의 구동체(73)는 상승동작하여 제 1오리피스유로(77)를 통하여 냉매의 팽창이 이루어진다. 따라서 이때의 냉방은 보다 많은 양의 냉매의 팽창이 이루어지므로 강냉상태의 운전이 이루어지는 것이다.

그리고 조건 2의 상태(S9b)가 아니면 다시 복귀하여 S8단계와 S9단계 사이로 진행한다.

이러한 운전상태가 지속되는 동안 압축기 운전정지 판단단계(S11)를 거치게 됨에 따라 압축기(50)의 운전상태를 판단하고, 압축기운전정지(S12), 실내팬, 실외팬 정지(S13)를 통하여 냉동사이클이 정지하게 되는 것이다.

한편 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매팽창장치(80)를 도시한 것으로 이에 도시된 바와 같이 그 전체적인 형상은 제 1실시예와 거의 유사하며, 단지 구동체(83)는 타단이 뾰족하게 형성되며, 완충턱(88)은 구동체(83)의 타단과 접하는 단부에 상향돌출한 다수개의 지지돌기(88a)를 구비하고 있다. 그리고 제 2오리피스유로(85)는 구동체(83)가 하향하여 지지돌기(88a)와 구동체(83)의 단부가 접하게 될 때 구동체(83)와 완충턱(88)에 제 1오리피스유로(87) 보다 작은 내경으로 마련되는 것이다.

다음으로는 본 발명의 첫 번째 실시예와 두 번째 실시예에 따른 냉매팽창장치를 모두 적용하여 보다 다양한 냉매량의 조절이 가능하도록 한 다단 냉매팽창장치의 구성과 작용에 대하여 설명하겠다.

본 발명의 다단 냉동사이클의 구성은 도 8에 도시된 바와 같이 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(50). 압축기(50)에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기(53). 응축기(53)에서 토출된 냉매를 감압팽창시키는 두 개의 냉매팽창장치(60)(70)가 설치된다.

그리고 이 냉매팽창장치(60)(70)에서 감압 팽창된 냉매를 열교환시키는 증발기(51)와 실내팬(52), 실외팬(54) 등을 각각 구비하고, 압축기(50)의 출구부에는 냉방시와 난방시에 냉매의 방향을 역전시키는 4방밸브(55)가 설치된다.

여기서 냉매팽창장치는 도 9에 도시된 바와 같이 병렬로 연결된 제 1냉매팽창장치(70)와 제 2냉매팽창장치(80)로 구비된다.

먼저 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 냉매팽창장치(70)(이하 "제 1냉매팽창장치"라고 한다)는 외형을 이루는 원통상의 하우징(71)을 구비하고, 이 하우징(71)의 외주면에는 코일(72)이 권선되어 마련된다. 그리고 하우징(71)의 내부에는 원기둥형상의 구동체(73)가 구비되고, 이 구동체(73)의 타측단부에는 하우징(71)에 지지된 스프링(74)이 설치된다.

한편 하우징(71)에는 냉방운전시 고압의 냉매가 흡입되는 냉매 흡입구(180)가 형성되어 응축기(53)에서 연장되어 분기된 냉매관(56)에 결합 설치되어 있고, 또한 흡입된 냉매가 감압 토출되도록 제 1오리피스유로(77)가 형성된 토출구(190)가 형성되어 증발기(51)와 연통된 냉매관과 연결되어 있다.

그리고 구동체(73)의 원추형상 끝부분에는 'T'자 형상으로 마련되며 제 1오리피스유로(77)보다 작은 내경을 갖는 제 2오리피스유로(75)가 형성되어 있는데, 이 제 2오리피스유로(75)는 측방으로 연장된 네 개의 홀로 마련된 유로가 하우징(71)의 내부와 연통되어 있고, 이 측방유로의 내측 교차점에서 서로 연통되어 하방으로 연장되어 있다. 따라서 구동체(73)의 하강시 제 1오리피스유로(77)와 제 2오리피스유로(75)는 서로 연통되게 되어 있다.

또한 제 1오리피스유로(77)의 입구단의 주변부에는 하우징(71)의 내부로 상향돌출한 완충턱(78)이 형성되어 있다. 이 완충턱(78)은 구동체(73)의 승하강으로 인하여 제 1오리피스유로(77)의 입구단과 구동체(73)의 단부가 직접 부딛치지 않도록 하기 위하여 형성된 것으로, 그 형상은 원형의 돌기형상으로 마련된다.

그리고 전술한 첫 번째 실시예의 냉매팽창장치(60)(이하에서는 "제 2냉매팽창장치"라고 한다)는 외형을 이루는 원통상의 하우징(61)을 구비하고, 이 하우징(61)의 외주면에는 코일(62)이 권선되어 마련된다. 그리고 하우징(61)의 내부에는 일측 끝부분이 원추형으로 형성된 구동체(63)가 구비되고, 이 구동체(63)의 타측단부에는 하우징에 지지된 스프링(64)이 설치된다.

한편, 하우징(61)에는 고압의 냉매가 흡입되는 냉매 흡입구(280)가 형성되어 응축기(53)에서 분기되어 연장된 냉매관(56)에 결합 설치되어 있고, 또한 흡입된 냉매가 감압 토출되도록 토출구(290)에는 오리피스유로(67)(이하에서는 "제 3오리피스유로"라 한다.)가 형성되어 있다.

그리고 구동체(63)의 원추형상의 끝부분에는 볼(65)이 설치되어 있는데, 이 볼(65)는 구동체(63)가 수직 하강한 상태에서 제 3오리피스유로(67)의 입구단을 닫도록 하는 것으로, 이것은 코일(62)에 전원이 인가되지 않은 상태에서 스프링(64)의 탄성력으로 구동체(63)가 하강하면 볼(65)이 제 3오리피스유로(67)의 입구단을 닫도록 한다.

또한 제 3오리피스유로(67)의 입구단의 주변부에는 하우징(61)의 내부로 상향 돌출한 완충턱(68)이 형성되어 있다. 이 완충턱(68)은 볼(65)의 승하강으로 인하여 제 3오리피스유로(67)의 입구단과 볼(65)이 직접 부딛치지 않도록 하기 위하여 형성된 것으로, 그 형상은 원형의 돌기형상으로 마련된다.

이와 같은 제 1냉매팽창장치(70)와 제 2냉매팽창장치(60)에 설치된 제 1오리피스유로(77)와 제 2오리피스유로(75) 그리고 제 3오리피스유로(67)에서 제 2오리피스유로(75)의 내경은 제 1과 제 3오리피스유로(77)(67)의 내경보다 작게 마련되며, 또한 각각의 냉매팽창장치(60)(70)가 서로 연동하여 움직이기 때문에 냉매의 팽창량은 다수의 경우로 세분화되게 된다.

이러한 본 발명에 따른 냉매팽창장치(60)(70)의 제어는 도 10에 도시된 바와 같은 제어흐름도에 의하여 제어된다. 이 제어흐름도는 표 3과 표 4의 조건에 따라 작동한다. 이하에서는 도 9의 a, b, c, d와 도 10의 제어흐름도 그리고 이하의 표 3과 4를 참조하여 본 발명의 다단 냉매팽창장치(60)(70)의 작동과 제어에 대하여 보다 상세히 설명하겠다.

각각의 스탭에 따른 밸브제어를 나타낸 표

	스텝1	스탭2	스탭3	스탭4
제 1냉매팽창장치	전원공급안함	전원공급	전원공급안함	전원공급
제 1밸브	닫힘	열림	닫힘	열림
제 2냉매팽창장치	전원공급안함	전원공급안함	전원공급	전원공급
제 2밸브	닫힘	닫힘	열림	열림
선택된 오리피스유로	제 2유로	제 1유로	제 2와 제 3유로	제 1과 제 3유로

주파수판단 기준 및 냉매팽창장치 전원공급 현황표

조건(i)	냉방시 주파수(X)	난방시 주파수(Y)	스탭(i)
			제 1냉매팽창장치	제 2냉매팽창장치
1	34Hz	55Hz	밸브닫힘	밸브닫힘
2	60Hz	70Hz	밸브열림	밸브닫힘
3	74Hz	75Hz	밸브닫힘	밸브열림
4	110Hz	110Hz	밸브열림	밸브열림

도 10에 도시된 바와 같이 냉동사이클은 최초 시작단계를 거쳐 운전방식 설정단계(S1)에서 냉방 또는 난방으로 설정된다. 그리고 실내외팬 운전단계(S2)를 거쳐 설정온도 입력단계(S3)에서 설정온도가 입력되고, 이에 따라 실내온도가 감지되어 실내온도 입력단계(S4)를 거치게 되어 압축기운전단계(S5)를 통하여 압축기가 운전된다.

이때 압축기의 운전직후 운전방식 설정단계(S1)에서 설정된 운전방식이 냉방인가 아닌가를 인식하는 운전방식 판단단계(S6)를 거치고 냉방이면 냉방시 운전주파수로 난방이면 난방시 운전주파수로 진행하게 된다.

냉방시로 진행하면 압축기주파수 판단단계(S20)를 거치게 된다. 그리고 압축기(50)의 운전으로 압축기주파수 판단단계(S20)를 통하여 압축기(50)의 주파수가 판단되어 압축기(50)의 주파수가 S21단계에서 조건 1의 34Hz로 주어지며 도 9의 a에 도시된 바와 같이 제 1냉매팽창장치(70)와 제 2냉매팽창장치(60)가 모두 닫혀 제 2오리피스유로()를 통해서만 냉매가 팽창되게 된다.

그리고 운전중 S22의 단계에서 이 압축기(50) 주파수가 주어진 조건 1 이하인가를 판단하게 된다. 이때 압축기(50) 주파수가 조건 1이하이면 계속해서 스탭1의 상태로 운전이 진행되게 된다. 그리고 S8단계에서 운전중 압축기(50) 운전정지인가를 판단하게 되고, 압축기(50)가 운전정지로 인식되면 압축기 운전정지단계(S9)에서 압축기의 운전이 정지되고, 다음으로 S10단계에서 실내, 실외팬이 정지하여 냉동사이클의 운전이 정지된다.

그리고 S8단계에서 압축기(50)의 운전정지가 아니라고 판단되면 S6과 S20단계사이로 복귀하여 계속해서 압축기(50) 주파수를 판단하게 되는 것이다.

한편 S22단계에서 압축기의 주파수가 조건 1 미만이 아니라고 판단되면 S23단계에서 조건 2, 3 또는 4의 단계로 진행하게 된다. 이때 각각의 조건에 따라 압축기 주파수가 60Hz, 74Hz, 110Hz로 주어지며, 냉매팽창장치(60)(70)는 조건 2에서 스탭2에 따라 도 9의 b에 도시된 바와 같이 제 1냉매팽창장치(70)가 작동하여 제 1오리피스유로(77)가 열리게 되고, 조건 3에서는 스탭 3에 따라 도 9의 c에 도시된 바와 같이 제 1냉매팽창장치(70)는 닫히고, 제 2냉매팽창장치(60)는 열려서 제 2오리피스유로(75)와 제 3오리피스유로(67)가 열려 조건 1보다 많은 양의 냉매를 감압 팽창시키게 된다.

그리고 조건 4에서는 스탭 4에 따라 도 9의 d에 도시된 바와 같이 제 1냉매팽창장치(70)와 제 2냉매팽창장치(60)가 모두 작동하여 제 1과 제 3오리피스유로(77)(67)를 통하여 조건 3보다 많은 양의 냉매를 팽창시켜 가장 큰 냉동능력을 발휘하게 되는 것이다.

이러한 작동은 S24 단계에서 압축기(50) 주파수가 조건 4보다 초과인가를 판단하고, 초과이면 조건 4로 계속해서 운전되어 S7단계로 진행하고, 초과가 아니면 S21과 S22 단계로 진행하여 계속해서 압축기(50)의 주파수를 판단하게 되는 것이다.

한편 난방운전은 운전방식 설정단계(S1)에서 난방으로 설정된다. 그리고 S6단계에서 운전방식이 냉방이 아니라고 판단되면 S30단계로 진행하여 압축기(50) 주파수가 판단된다. 이때 4방밸브(55)는 냉동사이클에서의 냉매순환을 냉방운전시와 반대로 역전시키게 된다.

그리고 압축기(50)의 운전으로 압축기주파수 판단단계(S30)를 통하여 압축기(50)의 주파수가 판단되어 압축기(50)의 주파수가 S31단계에서 조건 1의 55Hz로 주어지며 이때 제 1냉매팽창장치(70)와 제 2냉매팽창장치(60)가 모두 닫혀 제 2오리피스유로(75)를 통해서만 냉매가 팽창되게 된다.

그리고 운전중 S32의 단계에서 이 압축기(50) 주파수가 주어진 조건 1 이하인가를 판단하게 된다. 이때 압축기(50) 주파수가 조건 1 이하이면 계속해서 스탭1의 상태로 운전이 진행되게 된다. 그리고 계속해서 S8단계에서 운전중 압축기(50) 운전정지인가를 판단하게 되고, 압축기(50)가 운전정지로 인식되면 압축기(50) 운전정지단계(S9)에서 압축기의 운전이 정지되고, 다음으로 S10단계에서 실내, 실외팬이 정지하여 냉동사이클의 운전이 정지된다.

그리고 S8단계에서 압축기(50)의 운전정지가 아니라고 판단되면 S6과 S30단계사이로 복귀하여 계속해서 압축기(50) 주파수를 판단하게 되는 것이다.

한편 S32단계에서 압축기(50)의 주파수가 조건 1 미만이 아니라고 판단되면 S33단계에서 조건 2, 3 또는 4의 단계로 진행하게 된다. 이때 각각의 조건에 따라 압축기 주파수가 70Hz, 75Hz, 110Hz로 주어지며, 냉매팽창장치(60)(70)는 조건 2에서 스탭 2에 따라 제 1냉매팽창장치(70)가 작동하여 제 1오리피스유로(77)가 열리게 되고, 조건 3에서는 스탭 3에 따라 제 1냉매팽창장치(70)는 닫히고, 제 2냉매팽창장치(60)는 열려서 제 2오리피스유로(75)와 제 3오리피스유로(67)가 열려 조건 2보다는 조금 많은 양의 냉매를 감압 팽창시키게 된다.

그리고 조건 4에서는 스탭 4에 따라 제 1냉매팽창장치(70)와 제 2냉매팽창장치(60)가 모두 작동하여 제 1과 제 3오리피스유로(77)(67)를 통하여 조건 3보다 많은 양의 냉매를 팽창시켜 가장 큰 난방능력을 발휘하게 되는 것이다.

이러한 작동은 S34 단계에서 압축기(50) 주파수가 조건 4보다 초과인가를 판단하고, 초과이면 조건 4로 계속해서 운전되어 S7단계로 진행하고, 초과가 아니면 S31과 S32 단계로 진행하여 계속해서 압축기(50)의 주파수를 판단하게 되는 것이다.

이하에서는 도 11, 12, 13과 도 14을 참조하여 본 발명에 따른 다단 냉매팽창장치(60)(70)와 종래의 모세관을 비교하여 본 발명의 냉매팽창장치(60)(70)의 효율에 대하여 설명하겠다.

도 11에 도시된 바와 같이 냉방시 본 발명의 냉매팽창장치(60)(70)는 압축기(50)의 회전수가 1500rpm일 때 냉방능력은 1900kcal/hr 이고, 3500rpm 일 때 3400kcal/hr 으로 되었고, 5500rpm 에서는 4500kcal/hr으로 되었다.

그리고 종래의 모세관은 압축기(50)의 회전수가 1500rpm일 때 냉방능력은 1900kcal/hr 이고, 3500rpm 일 때 3400kcal/hr 으로 되었고, 5500rpm 에서는 4000kcal/hr으로 되었다.

따라서 본발명의 냉매팽창장치(60)(70)의 냉방능력은 종래의 모세관에 비하여 각각의 압축기(50) 회전수에서 5.6%, 0%, 12.5% 정도의 능력이 향상되었고, 전체적으로는 약 6% 정도의 능력이 향상되었다.

그리고 에너지 소비효율의 비교에서는 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 냉매팽창장치(60)(70)는 압축기(50)의 회전수가 1500rpm일 때 냉방능력은 4.0EER 이고, 3500rpm 일 때 2.8EER으로 되었고, 5500rpm 에서는 1.9EER으로 되었다

그리고 종래의 모세관은 압축기(50)의 회전수가 1500rpm일 때 냉방능력은 3.6EER이고, 3500rpm 일 때 2.8EER으로 되었고, 5500rpm 에서는 1.9EER으로 되었다.

따라서 본발명의 냉매팽창장치(60)(70)의 에너지 소비효율은 종래의 모세관에 비하여 각각의 압축기(50) 회전수에서 11.0%, 0.0%, 5.6% 정도의 능력이 향상되었고, 전체적으로는 약 5.5% 정도의 능력이 향상되었다.

도 13에 도시된 바와 같이 난방시 본 발명의 냉매팽창장치(60)(70)는 압축기(50)의 회전수가 1800rpm일 때 난방능력은 1800kcal/hr 이고, 4800rpm 일 때 4700kcal/hr 으로 되었고, 5400rpm 에서는 5400kcal/hr으로 되었다.

그리고 종래의 모세관은 압축기(50)의 회전수가 1800rpm일 때 난방능력은 1500kcal/hr 이고, 4800rpm 일 때 4600kcal/hr 으로 되었고, 5400rpm 에서는 5000kcal/hr으로 되었다.

따라서 본발명의 냉매팽창장치(60)(70)의 난방능력은 종래의 모세관(50)에 비하여 각각의 압축기회전수에서 20.0%, 2.2%, 8.0% 정도의 능력이 향상되었고, 전체적으로는 약 10.1% 정도의 능력이 향상되었다.

그리고 난방시 에너지 소비효율의 비교에서는 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명의 냉매팽창장치(60)(70)는 압축기(50)의 회전수가 1800rpm일 때 에너지 소비효율은 3.8EER 이고, 4800rpm 일 때 2.4EER으로 되었고, 5400rpm 에서는 2.25EER으로 되었다

그리고 종래의 모세관은 압축기(50)의 회전수가 1800rpm일 때 에너지 소비효율은은 3.8EER이고, 4800rpm 일 때 2.2EER으로 되었고, 5400rpm 에서는 2.2EER으로 되었다.

따라서 본발명의 냉매팽창장치(60)(70)의 난방시 에너지 소비효율은 종래의 모세관에 비하여 각각의 압축기(50) 회전수에서 26.7%, 9.1%, 2.3% 정도의 능력이 향상되었고, 전체적으로는 약 12.7% 정도의 능력이 향상되었다.

이상과 같은 본 발명에 따른 냉매팽창장치는 솔레노이드 밸브를 사용한 저렴한 제조비용으로 종래의 모세관에서는 할 수 없었던 냉매의 토출유량을 보다 다양하게 조절할 수 있고, 또한 밸브의 지속적인 구동으로 인한 냉매팽창장치 내부의 오리피스유로의 손상을 최소화하여 제품의 사용효율과 작동안정성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 고압측의 냉매를 감압 팽창시키는 냉매팽창장치에 있어서,

   외주면에 솔레노이드 코일이 권선된 하우징, 상기 하우징 내부에 일단이 스프링에 의하여 탄성지지된 구동봉, 상기 구동봉과 상대하는 상기 하우징의 일면에 관통형성된 오리피스유로, 상기 하우징의 타측에 형성된 냉매흡입구, 상기 오리피스유로의 입구부에 마련되어 상기 구동봉의 상하구동시 상기 구동봉의 단부에 의하여 상기 오리피스유로의 입구단이 손상되는 것을 방지하도록 하는 오리피스유로 보호수단을 구비한 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 보호수단은 상기 오리피스유로의 입구부에 하우징의 내측으로 상향돌출한 완충턱을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 완충턱은 탄성재질의 원형고리형상으로 마련된 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
4. 고압측의 냉매를 감압 팽창시키는 냉매팽창장치에 있어서,

   외관을 이루는 하우징, 상기 하우징의 외주면에 권선된 솔레노이드코일, 상기 하우징의 내부에 일단이 스프링에 의하여 탄성지지되며 상기 솔레노이드코일에 의하여 직선왕복운동하는 구동체, 상기 구동체에 상대하는 상기 하우징의 일면에 관통형성되어 통과하는 냉매를 감압팽창시키는 제 1오리피스유로, 상기 하우징에 형성된 냉매입출구, 상기 구동체의 타단에 형성되어 상기 제 1오리피스유로의 내경보다 작은 내경을 가지며 상기 구동체가 상기 제 1오리피스유로의 단부를 막으면 상기 하우징의 내부와 상기 제 1오리피스유로를 연통시켜 냉매를 감압하여 통과시키는 제 2오리피스유로를 구비한 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 제 2오리피스유로는 상기 구동체에 형성되되, 일단이 상기 구동체의 일측 방향으로 연장되어 상기 하우징 내부와 연통되고, 타단이 상기 구동체의 타측 방향으로 연장되어 상기 제 1오리피스유로와 연통되도록 형성된 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 제 1오리피스유로의 상기 하우징 내측 단부에 상향돌출 형성되어 상기 구동체의 타단과 상기 오리피스유로의 입구부가 부딛치는 것을 차단하는 완충턱이 형성된 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
7. 제 4항 또는 제 6항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 구동체는 타단이 뾰족하게 형성되며 상기 완충턱은 상기 구동체의 타단과 접하는 단부에 상향돌출한 다수개의 지지돌기를 구비하고, 상기 제 2오리피스유로는 상기 구동체가 하향하여 상기 지지돌기와 상기 구동체의 단부가 접하게 될 때 상기 구동체와 상기 완충턱에 상기 제 1오리피스유로 보다 작은 직경의 유로가 마련되는 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
8. 고압측의 냉매를 감압 팽창시키는 냉매팽창장치에 있어서,

   상기 냉매팽창장치는 병렬로 연결된 제 1냉매팽창장치와 제 2냉매팽창장치를 구비하되, 상기 제 1냉매팽창장치는 냉매를 감압팽창시키는 제 1오리피스유로와 솔레노이드 코일에 의하여 발생한 전자기력에 의하여 구동하되 상기 제 1오리피스유로를 개폐하는 구동체를 구비하고, 상기 구동체에는 제 2오리피스유로가 형성되어 냉매의 통과량이 상기 구동체의 구동에 의하여 조절되도록 마련되며, 상기 제 2냉매팽창장치는 냉매를 감압팽창시키는 제 3오리피스유로와 상기 제 3오리피스유로를 개폐하도록 솔레노이드 코일에 의하여 구동하는 구동체를 구비하여 상기 제 1, 2오리피스유로와 연동하여 냉매의 통과량을 조절 할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제 2오리피스유로는 상기 제 1과 제 3오리피스유로 보다 내경이 작게 마련되어 상기 제 2오리피스유로만이 개방되었을 경우 냉매팽창량이 가장 작고, 상기 제 1과 제 3오리피스유로가 개방되었을 경우 냉매팽창량이 가장 많게 되는 것을 특징으로 하는 냉매팽창장치.