KR20170026058A - 특히 이동식 ｒ744 냉매 순환계에 사용하기 위한 조합형 밸브 - Google Patents

특히 이동식 ｒ744 냉매 순환계에 사용하기 위한 조합형 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 폐쇄부(3) 및 이 폐쇄부(3)에 의해서 폐쇄될 수 있는 유체 통로(2)를 구비하는 조합형 밸브(1)에 관한 것으로서, 이 조합형 밸브(1)는, 폐쇄부(3)에 대하여 상호 독립적으로 작용을 하는 2개의 액추에이터가 조합형 밸브(1) 내에 제공되어 있으며, 그 중에 연속적인 액추에이터는 조합형 밸브(1)의 관류 횡단면을 연속으로 변경할 수 있도록 형성되고, 불연속적인 액추에이터는 조합형 밸브(1)의 관류 횡단면을 불연속적으로 변경할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 조합형 밸브를 제어하기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

특히 이동식 Ｒ744 냉매 순환계에 사용하기 위한 조합형 밸브{COMBINATION VALVE, IN PARTICULAR FOR THE USE IN MOBILE R744 REFRIGERANT CIRCULATION SYSTEM}
본 발명은, 특히 자동차에서 이동식 Ｒ744 냉매 순환계에 사용하기 위해 사용될 수 있는 조합형 밸브에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 조합형 밸브를 제어하기 위한 방법과도 관련이 있다. 본 발명은 특히, 조합형 밸브가 팽창 밸브의 기능뿐만 아니라 신속 차단 밸브의 기능까지도 구비하는 것을 특징으로 한다.
냉매 순환계에 팽창 밸브로서 사용하기 위한 밸브들은 유체 흐름을 특히 정확하게 조절할 수 있어야만 한다. 스로틀 밸브 또는 팽창 밸브에 의해서는 적은 용적 흐름이 조절될 수 있으며, 이와 같은 상황은 관류 횡단면의 연속적인 변경을 통해서 성취된다. 또한, 사람 및 환경을 위험에 빠뜨릴 수 있는 가능성을 갖는 유체를 사용하는 경우에는, 위험 상황에서 지체 없이 그리고 최소의 지체 시간으로 관련 라인 섹션의 차단을 가능하게 하기 위하여, 신속한 차단 기능(shut off function)이 실현될 필요가 있을 뿐만 아니라 부분적으로는 이와 같은 필요성이 규정되어 있기도 하다.
선행 기술에서는, 이산화탄소 R744 고압 냉매 순환계를 위한 종래의 팽창 밸브들이 최단의 폐쇄 시간을 갖는 밸브를 구비하는 직렬 회로 내에서 구현된다. 신속 차단 밸브는, 관류 횡단면의 불연속적인 변경에 의해서 관류의 갑작스런 중단을 가능하게 한다.
직렬로 접속된 2개의 분리된 밸브를 사용함으로써는, 팽창을 위한 정확한 관류 제어를 위해서 필요한 기능 및 사고의 경우에 라인의 신속한 차단을 위해서 필요한 기능이 성취될 수 있지만, 2개의 밸브를 이용한 이와 같은 구현은 높은 부품 경비, 전체 설비의 중량 증가, 비용 상승 및 높은 설치 공간 비용을 야기한다.
또한, 이와 같은 복수의 밸브를 제공하는 전술은 밀봉 상태와 관련해서 그리고 인터페이스 개수의 증가로 인한 조립 비용 및 관리 비용의 상승과 관련해서 상대적으로 더 높은 위험을 초래한다.
본 발명의 과제는, 조절 기술적인 그리고 안전 기술적인 규정들과 관련해서 필요한 기능들을 유지한 상태에서 냉매 순환계를 단순화하는 데 있다.
상기 과제는, 독립 특허 청구항들의 특징들을 갖는 대상 및 방법에 의해서 해결된다. 개선 예들은 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.
특히, 본 발명의 과제는, 컨셉에 상응하게 팽창 밸브의 정확한 용적 관류 제어 기능뿐만 아니라 안전 기술적인 신속 폐쇄 기능까지도 보증할 수 있는 조합형 밸브에 의해서 해결된다.
이 목적을 위해, 조합형 밸브에는 폐쇄부 및 이 폐쇄부에 의해서 폐쇄될 수 있는 유체 통로가 장착되어 있으며, 이 경우에는 폐쇄부에 대하여 상호 독립적으로 작용을 하는 2개의 액추에이터가 제공되어 있다.
조합형 밸브의 관류 횡단면을 연속으로 변경시킬 수 있는 연속적인 액추에이터는 팽창 밸브의 요구 조건들을 충족시킨다. 이때, 본 발명의 의미에서 "연속으로"라는 표현이 의미하는 바는, 관류 횡단면의 변경이 복수의 단계로 또는 무단으로 이루어진다는 것이다. 이와 같은 의미에는, 관류를 정확하게 조절하기 위하여 연속적인 액추에이터가 팽창 밸브로서의 조합형 밸브의 폐쇄부를 작동시킨다는 내용도 포함되어 있다.
그와 달리, 조합형 밸브의 관류 횡단면을 최소의 폐쇄 시간으로 불연속적으로 변경시킬 수 있는 불연속적인 액추에이터는 신속 폐쇄 밸브의 요구 조건들을 충족시킨다.
본 발명의 의미에서 불연속적인 액추에이터란, 이 액추에이터가 최소의 스위칭 시간으로 밸브를 개방 상태로 또는 폐쇄 상태로 스위칭할 수 있다는 것으로 이해될 수 있으며, 이 경우 개방된 위치에서의 관류 횡단면은 반드시 완전히 개방된 위치일 필요는 없으며, 오히려 폐쇄부의 각각의 위치로부터 출발하여 이 폐쇄부가 불연속적인 액추에이터에 의해 완전히 차단하는 위치로 보내질 수 있다.
바람직하게, 폐쇄 밸브의 불연속적인 액추에이터는 유체 통로의 폐쇄되지 않은 관류 횡단면으로부터 유체 통로의 완전히 폐쇄된 관류 횡단면으로 변경될 수 있도록 형성되며, 이로써 안전 차단 밸브의 기능은 바람직하게 0.5초보다 작거나 같은 최대로 신속한 폐쇄 시간으로써 형성되어 있다.
따라서 순환계로부터 배출되는 유체로 인해 고장이 발생한 경우에는, 신속 폐쇄 밸브에 의해 냉매 시스템의 영역들이 고장인 지점으로부터 분리될 수 있도록 형성되어 있는 한, 경우에 따라 더 많은 양의 냉매가 순환계로부터 배출될 수 있는 상황이 방지된다.
연속적인 액추에이터는 바람직하게 스텝 모터로서 형성되어 있으며, 이 경우 스텝 모터는 밸브의 폐쇄부에 연결되어 있는 샤프트를 회전 방식으로 이동시킨다. 회전 동작을 병진 동작으로 변환시키는 웜 기어를 통해서는, 폐쇄부가 유체 통로의 관류 횡단면을 병진 운동 방식으로 변경하도록 형성된다.
본 발명의 한 바람직한 실시 예에서는, 폐쇄부를 위한 불연속적인 액추에이터가 별도로 스위칭 가능한 전자석으로서 이동 구간을 따라 형성된다. 다름 아니라 능동적으로 스위칭 되는 전자석은 폐쇄부를 특정 위치에 고정시킨다. 다른 전자석들이 이동 구간을 따라 능동적으로 스위칭 되면, 샤프트가 이동하고, 이 샤프트와 함께 폐쇄부가 전자기력에 의해서 병진 운동 방식으로, 축 방향으로 스위칭 된 영역 쪽으로 이동하게 된다. 이와 같은 원칙은 솔레노이드 원칙(solenoid principle)으로서도 명명된다.
특히 바람직하게, 웜 기어는, 스텝 모터의 회전 동작을 내부 나사산(screw thread) 슬리브와 이에 상응하는 외부 나사산 슬리브의 조합체로서의 폐쇄부의 조합된 회전 및 병진 동작으로 변환시키도록 형성되며, 이 경우 외부 나사산 슬리브는 커플링 영구 자석으로서 구현되어 있다. 커플링 영구 자석은 재차 전자석과 부합한다. 웜 기어의 위치 및 이와 연관된 샤프트의 위치 그리고 그와 더불어 폐쇄부의 위치는 전자석의 스위칭에 의해서 결정된다. 전자석이 다른 위치에서 스위칭 되면, 커플링 영구 자석에 의해 전체 웜 기어가 샤프트의 축 방향으로 이동하게 되고, 이로써 위치에 따라 폐쇄부의 폐쇄 동작 또는 개방 동작이 야기된다.
바람직하게, 폐쇄부에는 이 폐쇄부의 폐쇄 동작을 지원하기 위한 스프링이 배치되어 있다. 이로써, 폐쇄 시간이 현저하게 단축될 수 있다.
조합형 밸브의 관류 횡단면을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법에서는, 관류 횡단면이 완전히 개방된 상태에서 샤프트가 폐쇄부에 의해 관류 위치에 고정된다. 이때, 웜 기어는 외부 나사산 슬리브의 영구 자석을 이용해서 전자석 관류 단에 의해 고정된다.
관류 횡단면이 부분적으로 개방된 상태에서는, 샤프트가 폐쇄부에 의해 스텝 모터에 의해서 회전 운동 방식으로 작동된다. 웜 기어를 통해서는, 이와 같은 동작이 병진 운동 성분과 중첩되고, 이로써 폐쇄부는 또한 병진 운동 방식으로도 이동된다. 폐쇄부의 병진 운동 방식의 운동 성분에 의해서는, 유체 통로의 관류 횡단면이 운동 방향에 따라 확대 또는 축소된다.
관류 횡단면을 완전히 폐쇄하기 위하여, 외부 나사산 슬리브, 내부 나사산 슬리브 및 샤프트를 구비하는 전체 웜 기어가 폐쇄부에 의해 전자석 차단 단의 스위칭에 의해서, 솔레노이드 원칙에 따라 전자기력에 의해, 폐쇄부의 폐쇄 위치로, 샤프트의 축 방향으로 이동하게 된다.
바람직하게, 조합형 밸브는 냉매 순환계 내에서 신속 폐쇄 기능을 하는 팽창 밸브로 사용된다. 특히 바람직하게, 조합형 밸브는 이산화탄소, 즉 R744를 구비하는 냉매 순환계 내에서 냉매로 사용된다.
요약적으로 말해서, 본 발명의 컨셉은, 조합형 밸브의 액추에이터가 하나의 밸브 내에서 두 가지 기능 모들을 가능케 하는 데 있다. 이와 같은 가능성은 기어를 구비하는 하나의 모터로 이루어진 액추에이터에 의해서 실현되며, 이 경우 기어는 정밀 조절 기능 및 신속 폐쇄 기능과 같은 다양한 기능들을 구현할 수 있다.
실시 예에서, 기어는 신속 폐쇄 기능을 위한 병진 동작을 실행하기 위한 전자석을 구비하는 웜 기어의 조합으로서 구현되어 있다.
한 편으로는, 팽창 기능을 위해 느리면서도 고도로 정확한 위치 설정이 구현되고, 다른 한 편으로는 본 실시 예에서의 위급 상황 기능을 위해 더 신속하고도 압축 응력을 받은 개방/폐쇄 모드가 구현된다.
따라서 R744 순환계의 누설의 경우에 또는 다른 임계적인 조건의 경우에, 냉매의 배출을 방지하기 위해서 그리고 이로써 통과를 위한 안전한 주변 분위기를 만들기 위해서 순환계의 신속 폐쇄 기능을 이용하는 것이 가능해진다.
조합 작용은 상이한 두 가지 밸브를 사용함으로써 가능해진다. 특히 바람직하게, 액추에이터는, 웜 기어와 다단 솔레노이드 원칙의 조합체인 하이브리드 기어로서 구현된다.
조합형 밸브는 통상적인 바와 같이 외부 전자식 제어- 및 조절 유닛에 의해서 제어된다.
바람직한 것은, 이와 같이 하나의 조합형 밸브 내에서 다양한 밸브 타입을 조합시킴으로써 비용, 설치 공간 및 중량의 감소에 도달할 수 있다는 것이다. 추가로, 설치 공간을 줄이는 것은 케이블 설치 비용의 감소와도 직결된다. 또한, 누설 가능성도 줄어들고, 이로써 순환계는 전체적으로 최적화 된다.
본 발명의 추가의 세부 사항, 특징들 및 장점들은 관련 도면들을 참조해서 이루어지는 실시 예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면에 대한 설명:
도 1은 조합형 밸브의 개략적인 단면도이며,
도 2는 관류 횡단면이 완전히 개방된 조합형 밸브를 도시한 개략도이고,
도 3은 팽창 밸브로서의 조합형 밸브를 양 조절 위치에서 도시한 개략도이며, 그리고
도 4는 폐쇄 위치에 있는 신속 폐쇄 밸브로서의 조합형 밸브를 도시한 개략도이다.
도 1에는, 조합형 밸브(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 조합형 밸브(1)는 유체 통로(2) 및 이 유체 통로(2)를 폐쇄할 수 있는 폐쇄부(3)를 구비한다. 폐쇄부(3)는 액추에이터를 통해 개방된 밸브 위치와 폐쇄된 밸브 위치 사이에서 움직인다. 액추에이터는 샤프트(4), 즉 폐쇄부(3)가 연결되어 있는 밸브 샤프트로 이루어진다. 샤프트(4)는 스텝 모터(5)를 통해 상부 영역에서 회전 운동 방식으로 이동된다. 샤프트(4)는, 외부 나사산 슬리브(8) 및 내부 나사산 슬리브(9)로 구성되어 있는 웜 기어를 통해 고정되어 있다. 이때, 외부 나사산 슬리브(8)는, 샤프트(4)의 축 방향 조정 경로를 따라서 위치 설정되어 있는 전자석(6 및 7)과 상호 작용을 한다. 이로써, 샤프트(4) 및 폐쇄부(3)를 구비하는 웜 기어는 조합형 밸브(1) 내에 전자기 방식으로 고정된다. 커플링 영구 자석의 위치 및 이와 더불어 외부 및 내부 나사산 슬리브(8, 9)는 각각 능동적으로 스위칭 되는 전자석(6, 7)을 통해서 사전에 결정된다. 내부 나사산 슬리브(9)는 샤프트(4)에 단단히 연결되어 있다.
폐쇄부(3)에는, 이 폐쇄부(3)를 폐쇄 위치의 방향으로 밀어주는 스프링(10)이 작용을 한다. 저항력이 제거되자마자, 폐쇄부(3)가 유체 통로(2)를 폐쇄시킨다.
도 2에서는, 도 1에 따른 부품들을 구비하는 조합형 밸브(1)가, 유체 통로(2)가 완전히 개방된 상태에서 관류 위치에서 도시되어 있다. 이때에는 전자석 관류 단(6)이 능동적으로 스위칭 되며, 이 관류 단은 외부 나사산 슬리브(8) 및 그와 더불어 내부 나사산 슬리브(9) 그리고 샤프트(4)를 폐쇄부(3)에 의해서, 스프링(10)의 탄성력에 대항하여 완전히 개방된 위치에 고정시킨다.
도 3에서는, 화살표를 통해서 지시된 바와 같이 스텝 모터(5)가 샤프트(4)를 반시계 방향으로 회전하도록 작동시킴으로써, 조합형 밸브(1)의 팽창 밸브의 기능이 그래프로 도시된다. 이때, 샤프트(4)는 웜 기어에 의해서 내부 나사산 슬리브(9)와 함께 병진 운동 방식으로 위로 이동하며, 이로써 폐쇄부(3)는 유체 통로(2)의 관류 횡단면을 축소시킨다. 이와 같은 상황은, 유체 통로(2)를 관류하는 냉매를 상징적으로 보여주는 화살표에서 도시되어 있다. 이때, 냉매의 양은 축소된 유체 통로(2)를 통과하면서 조절된다. 스텝 모터(5)가 샤프트(4)를 반대 방향으로 이동시키면, 폐쇄부(3)가 스프링(10)의 탄성력에 대항해서 움직이고, 유체 통로(2)의 관류 횡단면이 재차 확대된다.
도 4에는, 조합형 밸브(1)가 차단된 상태에서 도시되어 있다. 샤프트(4) 및 웜 기어를 구비하는 폐쇄부(3)의 갑작스러운 이동은 솔레노이드 원칙에 따라서 작용을 하는 전자석의 전환 동작에 의해서 이루어진다. 도 2 및 도 3에 따라 작용하는 것으로서 특징 지워진 전자석 관류 단(6)은 도 4에서는 차단되고, 전자석 차단 단(7)은 작용하도록 스위칭 된다. 그럼으로써, 전체 웜 기어는 외부 나사산 슬리브(8)의 커플링 영구 자석에 작용하는 힘을 통해서 병진 운동 방식으로 위로 이동하게 되고, 이로써 폐쇄부(3)는 스프링(10)의 탄성력의 지원을 받아 폐쇄 위치로 이동된다. 전자석 관류 단(6)으로부터 전자석 차단 단(7)으로의 자석의 전환 및 스프링(10)에 의한 폐쇄부(3)의 폐쇄 동작은 지원은 0.5초 미만의 극도로 짧은 폐쇄 시간으로 유도한다.
따라서 특히 바람직하게 하나의 밸브 내에서 2개의 밸브, 즉 팽창 밸브와 신속 폐쇄 밸브를 조합시키는 것은 폐쇄부의 연속적인 조절 동작 및 불연속적인 조절 동작을 위한 조합된 액추에이터를 통해서 구현되었다.
1: 조합형 밸브
2: 유체 통로
3: 폐쇄부
4: 샤프트
5: 스텝 모터
6: 전자석 관류 단
7: 전자석 차단 단
8: 외부 나사산 슬리브
9: 내부 나사산 슬리브
10: 스프링

Claims (10)

  1. 폐쇄부(3) 및 상기 폐쇄부(3)에 의해서 폐쇄될 수 있는 유체 통로(2)를 구비하는 조합형 밸브(1)에 있어서,
    상기 폐쇄부(3)에 대하여 상호 독립적으로 작용을 하는 2개의 액추에이터가 상기 조합형 밸브(1) 내에 제공되어 있으며, 연속적인 액추에이터는 상기 조합형 밸브(1)의 관류 횡단면을 연속으로 변경할 수 있도록 형성되고, 불연속적인 액추에이터는 상기 조합형 밸브(1)의 관류 횡단면을 불연속적으로 변경할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불연속적인 액추에이터는 상기 폐쇄부(3)를 유체 통로(2)의 폐쇄되지 않은 관류 횡단면으로부터 유체 통로(2)의 폐쇄된 관류 횡단면으로 이동시키도록 형성된 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    불연속적인 액추에이터를 이용한 상기 조합형 밸브(1)의 전환 시간은 0.5초보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐쇄부(3)를 위한 연속적인 액추에이터는 스텝 모터(5)로서 형성되어 있으며, 상기 스텝 모터(5)는 폐쇄부(3)와 연결되어 있는 샤프트(5)를 회전 운동 방식으로 이동시키도록, 웜 기어를 통해 폐쇄부(3)를 병진 운동 방식으로 이동시키도록, 그리고 유체 통로(2)의 관류 횡단면을 변형시킬 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐쇄부(3)를 위한 불연속적인 액추에이터는 솔레노이드 원칙에 따라 전자석(6, 7)으로서 형성되어 있으며, 상기 전자석(6, 7)은 폐쇄부(3)와 연결되어 있는 샤프트(5)를 전자기력에 의해 병진 운동 방식으로 축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  6. 제 5 항에 있어서,
    웜 기어를 내부 나사산 슬리브(9)와 이 내부 나사산 슬리브에 상응하는 외부 나사산 슬리브(8)의 조합체로서 형성되며, 상기 외부 나사산 슬리브(8)는 커플링 영구 자석으로서 구현되며, 상기 커플링 영구 자석은 전자석(6, 7)과 상응하게 웜 기어의 위치 및 이 웜 기어에 연결된 샤프트(4) 그리고 그와 더불어 폐쇄부(3)를 상기 전자석(6, 7)의 스위칭에 의해 위치 설정할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐쇄부(3)에 폐쇄 위치를 지원하기 위한 스프링(10)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 조합형 밸브(1)를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    관류 횡단면이 완전히 개방된 상태에서는 샤프트(4)를 폐쇄부(3)와 함께 관류 위치에 고정시키며, 이때 웜 기어는 외부 나사산 슬리브(8)의 커플링 자석에 의해서 전자석 관류 단(6)에 의해 고정되며,
    관류 횡단면이 부분적으로 개방된 상태에서는 샤프트(4)를 폐쇄부(3)와 함께 스텝 모터(5)를 이용해서 회전 운동 방식으로 이동시키고, 웜 기어를 통해 폐쇄부(3)를 회전 운동 방식으로 그리고 병진 운동 방식으로 이동시키며, 이로써 유체 통로(2)의 관류 횡단면을 각각의 운동 방향에 따라 확대 또는 축소시키며,
    관류 횡단면을 완전히 폐쇄하기 위하여, 전체 웜 기어를 외부 나사산 슬리브(8)를 통해 내부 나사산 슬리브(9), 샤프트(4) 및 폐쇄부(3)와 함께 전자석 차단 단(7)의 스위칭에 의해서 상기 폐쇄부(3)의 폐쇄 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 조합형 밸브(1)를 제어하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 조합형 밸브(1)를 냉매 순환계 내에서 신속 폐쇄 기능을 하는 팽창 밸브로서 사용하는, 조합형 밸브(1)의 용도.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 조합형 밸브(1)를 R744를 구비하는 냉매 순환계 내에서 냉매로 사용하는, 조합형 밸브(1)의 용도.
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