KR910002049B1 - 냉동시스템의 냉매팽창장치와 냉매체적 제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

냉동시스템의 냉매팽창장치와 냉매체적 제어방법

제1도는 본 발명을 적용한 통상형식의 열펌프를 도시하는 도면.

제2도는 본 발명의 팽창장치에 대한 일실시예를 도시한 도면.

제3도는 본 발명의 제2실시예를 도시한 도면.

제4도는 본 발명의 제3실시예를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 열펌프 14 : 압축기

15 : 밸브 18,19 : 바이패스통로

21 : 전동기 22 : 제어기

32 : 오리피스 36 : 피스톤

42 : 솔레노이드코일

본 발명은 공기조화시스템에 관한 것으로, 특히 가변질량 유동 냉동시스템에 쓰이는 팽창장치의 오리피스를 변화시키는 장치와 방법에 관한 것이다.

종래의 통상적인 냉동사이클에 있어서, 증발기 코일로 흐르는 냉매 유동은, 제어방식으로 냉매의 유동을 억제하여 시스템내의 과열량을 제어하는 팽창장치에 의해 측정하였다. 냉동시스템에서 통상적으로 사용되는 팽창장치의 형식으로는 모세관과 팽창밸브(TXV)를 들 수 있다. 상기 모세관은 특정 시스템의 요구작동 특성을 만족할 수 있도록 고정된 규격을 갖으며, 이때 TXV는 과열조건에 대해 자동적으로 조절되는 가변유량장치로써, 냉매의 유량을 변화시켜 소요 과열조건을 얻을 수 있는 것이다.

냉동시스템에서 쓰이던 또다른 형식의 팽창장치로는 본 발명의 양수인에서 양도된 미합중국 특허 출원 제 3,992,898호 "어큐레이터"를 들 수 있는데, 상기 장치의 특성은 피스톤의 선택과 교환을 용이하게 할 수 있어서 오리피스의 규격을 특정한 시스템의 유동특성에 따라 선택할 수 있다는 점이다. 일단 피스톤이 장치되면, 모세관의 경우와 같이 고정규격을 갖게 되지만, 모세관과는 또다르게 상기 어큐레이터는 피스톤의 크기를 변화시킴으로써 여러가지 부하조건에서 사용할 수 있도록 용이하고 경제적으로 적용할수 있다는 이점이 있다.

냉동시트템은 일정속도에서 작동되었었다. 압축기는 정지, 즉 냉동시스템의 작동이 정지된 경우나 압축기가 운전되어 냉동 시스템이 일정속도를 작동하는 경우가 있다. 이때 앞으로 설명한 것처럼 팽창장치는 상기와 같은 작동속도의 유동 특성에 부합하도록 선택된다. 몇몇 경우에 있어, 2가지 속도를 갖는 압축기가 2개의 정확한 수준을 갖는 냉매유동조건을 제공하기 위하여 적용된다. 상기와 같은 2가지의 유량체적은 통상적으로 TXV에 의해서 달성되어 졌으며, 이 TXV는 저속으로 작동할때 자동적으로 보다 작은 작은 팽창 오리피스를 제공하게 된다.

냉동시스템의 작동 효율을 극대화하기 위한 노력의 일환으로 본출원인은 변속 전동기를 채용하여 압축기를 구동하였었다. 상기와 같은 변속시스템의 특성중 하나는 하나는 또는 둘 이상의 수준을 갖는것 보다는 하나의 일정하고 정확한 속도범위속에서 작동한다는 점이다. TXV가 비록 속도범위 이상으로 오리피스의 규격을 변화시키기는 하지만 이 TXV는 이러한 방식으로 작동되도록 설계된 것은 아니다. 따라서 상기 TXV의 정확성과 신뢰성은 상기와 같은 변속시스템에 적용하기에는 불합리한 점이 있었다. 더구나 통상적인 TXV의 작동범위는 변속전동기에 의해 압축기가 구동되는 상기와 같은 변속시스템에서 사용되기에는 충분하지 못한 것이었다.

따라서 본 발명의 제1목적은 변속 공기조화 시스템에서 사용될 수 있는 개선된 팽창장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 제2목적은 일정한 압축기의 속도상태에서 냉매유량을 측정하기 위한 장치를 공기조화기에 제공하려는 것이다.

본 발명의 제3목적은 속도에 대해 냉매유량을 정확하고 신뢰성 있게 변화시킬 수 있는 장치를 변속 공기 조화시스템에 제공하려는 것이다.

본 발명의 제 4목적은 변속 공기조화기에 대한 실제 사용에 있어 생산비가 저렴하구 기능이 뛰어난 팽창장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 한가지 특성에 의하면, 냉동시스템내에 비교적 큰 고정 규격의 오리피스를 갖는 팽창장치를 구비하게 된다. 그리고 피스톤이 이동함에 따라 상기 오리피스를 폐쇄, 혹은 개방하는 위치로 이동하는 변위 피스톤을 구비하게 된다. 따라서 오리피스의 효율적인 크기는 피스톤 이동의 선택적 조정과 피스톤이 폐쇄위치에 있는 시간과 개방위치에 있는 시간사이의 비율에 의해 결정되는 오리피스를 통한 냉매유량율에 의해서 변하게 된다.

본 발명은 또다른 특성에 따르면, 밸브 피스톤이 압축기의 전동기속도에 따라 순환하는 솔레노이드에 의해서 왕복운동한다. 이러한 형식에서, 압축기의 전동기속도가 증가하면, 피스톤의 사이클은 변화하여 보다 효과적인 오리피스를 형성시키고, 이에따라 이 오리피스를 통해 보다 큰 유동량이 통과할 수 있도록 해준다. 반대로 압축기가 저속으로 운전될 경우는 팽창장치를 통과하는 유량율도 자동적으로 감소될 것이다.

본 발명의 또다른 특성에 따르면, 팽창장치에 오리피스와 평행하게 바이패스통로가 마련되며, 이것은 어떤 경우에든 밸브 피스톤의 특정 사이클에 관계없이 최소량의 냉매유동량을 확보하기 위한 것이다.

이러한 경우에서, 피스톤에 대해 전체 냉매유량체적을 측정할 필요는 없고, 다만 상기 바이패스 통로를 통과하는 최소량의 유량체적을 초과하는 유량체적만을 측정하면 된다. 결과적으로, 전체 냉매유량에는 궁극적인 폐색 현상이 일어나지 않으며, 만약 폐색현상이 발생하면 냉매 유동로내에 맥동 현상이 발생하여 진동이 생기는 원인이 된다. 또한 압력강하와 관계 있는 오리피스내를 유도하는 냉매유량은 상당히 감소하며, 따라서 조정 밸브의 수명이 상당히 증가하는 이점을 나타낸다.

본 발명의 또다른 특성에 의하면, 조정밸브가 냉각만이 요구될때 일방향장치의 현상을 띄며, 반대로, 열펌프의 기능을 할때는 2-방향장치로 될 수 있다. 상기 열펌프의 기능을 할경우 조정된 측정량은 냉매유동의 일방향에서 제공되며, 다른 방향에서는 비교적 제약받지 않는 바이스패통로의 유량이 제공된다.

이하는 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 한가지 실시예를 들어 본 발명을 좀더 구체적으로 설명할 것이나, 물론 본 발명이 이하의 실시예에 국한되는 것이 아님은 당연하다.

우선 제1도를 참조한다. 이 도면에서는 아웃도어코일(12), 인도어코일(13), 그리고 압축기(14)로 구서된 열펌프 시스템(11)에 적용된 본 발명의 장치(10)를 도시하고 있다. 이 장치에는 상기 열펌프시스템이 냉각 및 가열기능 사이에서 기능변화할때, 상기 코일(12,13)의 기능을 선택적으로 역전시키는 역전 밸브(15)를 구비하고 있다. 아울러 상기 시스템(11)의 2중기능을 확보하기 위해서 상기 코일(12,13)에 유입구로 장치된 2개의 팽창장치(16,17)에는 2개의 바이패스통로(18,19)가 구비되어 하나의 팽창장치가 이와 관련되는 증발기 코일로 냉매를 계측 유동시키는 경우, 다른 팽창장치는 효과적으로 냉매를 바이패스시키도록 되어 있다.

상기 압축기(14)를 구동시키는 것은 변속 형식의 전동기(21)이다. 상기와 같은 변속 압축기의 일례로는 코플랜드 코오포레이숀 제품인 제품번호 CVA-0150 변속 압축기를 들 수 있는데, 이것의 제어는 캐리어 코오포레이숀 제품인 부품전호38ov 400094로 제어할 수 있는 것이다. 변속 능력을 획득할 수 있는 또다른 방식으로는 제네럴 일렉트릭 컴패니 제품인 전기 정류 전동기(ECM)를 채용하는 것이 있다. 그러나 어떤 경우에든, 전동기(21)의 속도는 감지된 시스템의 조건에 따라 제어기(22)에 의해서 변화된다. 대체로, 전동기의 속도는 고부하조건하에서 증가하며, 저부하조건에서는 감소한다.

본 발명에 따르면, 팽창장치(16,17)가 여러가지 변속조건에서 사용될 수 있게 되어 있으며, 이 팽창장치(16,17)의 효과적인 오리피스 규격은 요구되는 냉매유량율에 정비례한다. 이것은 결국 전동기(21)의 속도에 정비례하는 것을 의미하기도 한다. 전기적 신호는 라인(23,24)을 통해서 제어기(22)로부터 보내져 팽창장치(16,17)를 제어하게 된다. 상기 장치(16,17)는 다음에 기술하는 방식에 따라 제어된다.

본 발명은 증발기 코일로 흐르는 냉매유량을 계측 유동시키기 위한 팽창장치를 갖는 냉동시스템이라면 어떤 형식의 것에든 적용이 가능하다. 예를 들어 냉동만을 요구하는 응축 유니트에는 하나의 단일 유니트를 적용할 수 있고, 반대로 제1도에 도시하는 바와 같은 열 펌프의 경우에는 한쌍의 유니트를 적용하면 되는 것이다.

제2도에서는 냉동기능만을 위해 적용한 시스템에 사용하는 일방향 팽창장치, 즉 솔레노이드 밸브(25)를 도시하고 있다. 상기 밸브의 밸브체(26)는 냉매가 응축기 코일로부터 유동하는 유입구(27)와, 냉매가 감압상태로 증발기코일로 방출되는 방출구(280를 구비한다. 그리고 벽체(29)가 바이패스 오피스(31)와 조절 오리피스(32)를 형성하고, 상기 2개의 오리피스(31,32)가 유입구(27)와 방출구(28)를 유동연결하기 위한 평행 유동로를 형성하게 된다. 따라서, 다음에 서술한 또다른 제약을 받지 않는다면 냉매는 유입구(27), 측관(33)속으로 자유유동하고, 2개의 오리피스(31,32)를 통해 유동하며, 방출구(28)를 총해서 방출하게 된다.

상기2개의 오리피스(31,32)는 냉매유량을 계측 조절할 수 있도록 각각의 고유한 규격을 갖는다. 이때 바이패스 오리피스(31)는 규격이 고정되어 있고, 조절오리피스(32)는 고정 직경을 갖고 있으나, 본 발명에 따라 조절된 효율적인 규격을 갖게 된다.

상기 밸브체(26)는 그속에서 피스톤(36)이 왕복운동하는 챔버(34)를 형성하고 있다. 상기 피스톤(36)은 상부로 연장하여 그 단부에서 압축스프링(38)과 연결된 스템(37)를 구비한다. 상기 스프링(38)은 피스톤(36)을 아래쪽으로 가압하여 일단부(39)가 조절 오리피스(32)의 일단(41)과 결속하고, 이에 따라 냉매유동에 대해 상기 오리피스를 폐쇄한다. 라인(23)을 따른 전기적 신호에 의해 활성화되는 솔레노이드코일(42)은 스템(37)의 상단을 둘러싸서, 이 코일(42)이 작동할때 스프링(38)의 가압력에 반발하면서 피스톤(36)을 위쪽으로 상승시킨다. 이에 따라 상기 조절오리피스(32)는 냉매의 자유유동을 허용할 수 있도록 개방된다. 본 발명에 따르면 라인(23)을 통해 코일(42)에 들어오는 전파는 피스톤(36)을 제어된 방식으로 왕복운동시키도록 조정되며, 폐쇄시간에 대한 개방시간에서의 사이클은 오리피스의 효율적인 규격을 정하고, 이에 따라 조정 오리피스(32)를 통한 유량율을 결정하게 된다. 전동기 속도의 변화에 따른 유량유의 변화를 순응시키기 위해서는 상기 사이클이 전동기 속도의 변호에 따라 변경된다.

피스톤(36)의 사이클이 어떤시간에 있든 바이패스 오리피스(31) 압축기가 작동중에 있으면 언제나 최저 냉매유량을 통과시킨다. 이러한 특성은 솔레노이드로 작동되는 팽창장치의 소요작동 특성에 매우 유익하다.

즉, 솔레노이드 밸브가 냉매유량의 일부만을 제어하기 때문에 이 밸브의 수명이 상당히 증진되는 것이다.

그 근본적인 이유는 바이패스 유량이 피스톤이 2개의 극단위치, 즉 최대 개방위치 및 폐쇄위치 사이에서 이동할때 상기 피스톤(36)의 이동거리를 줄일 수 있기 때문이다. 또한, 바이패스 오리피스(31)에서의 냉매유량은 폐색현상을 방지할 수 있는데, 만약 이 폐색현상이 발생하면 라인을 통해 맥동을 전달시켜서 진동을 발생하게 하는 원인이 된다.

실제 작동에 있어서는, 압축기의 속도가 임의의 소정값에 도달할때까지 상기 피스톤(36)이 페쇄위치에서 유지되어 전체 냉매유량이 바이패스 오리피스(31)를 통해 유동하도록 한다. 또한 예정된 압축기의 속도에 도달했을때는 상기 피스톤이 비교적 낮은 주파수(2헤르쯔정도)에서 왕복하게 된다. 압축기의 속도가 증가하면, 피스톤의 사이클이 따라서 변하여 피스톤이 개방위치에 있는 시간을 증가시키게 된다. 그러나, 완전한 사이클은 전체 작동시간동안 낮은 주파수 상태에 있게 된다. 이러한 방식에 있어서, 팽창장치를 통한 냉매의 유량율은 매우 정확하게 제어되는 것이다. 동시에 솔레노이드 밸브에 대한 작동요구가 최소화되어 이 밸브의 수명을 연장시키게 된다.

제3도를 참조한다. 이 도면에서는 2중방향으로 사용되는 팽창장치의 형상을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 어큐레이터 형식의 피스톤(43)이 벽체(46)의 유동로(44)내에 장치되고 이 피스톤(43)에 형성된 중앙개구(47)를 통해서 전술한 바와 같은 바이패스 통로의 기능을 하게 된다. 상기 피스톤(43)은 냉매가 반대방향으로 유동할때 벽체(46)내에서 이동하여 " 바이패스 어큐레이터"라고 하는 방식으로 개구를 형성하게 된다.

다시 말하면, 상기 피스톤(43)은 도시된 위치에 있을때 솔레노이드 밸브장치(48) 주위의 최소 바이패스 유량을 제공할 수 있도록 유량을 계측 유동시키고, 유동방향이 역전되면, 유동로(44)를 통한 유량에 아무런 제약도 가하지 않게 된다. 상기 솔레노이드 밸브(48)는 앞에서 솔레노이드 밸브(25)에 대해 설명했던 것과 같은 방식으로 조절오리피스(52)의 효율적 규격을 변화시키도록 솔레노이드(51)에 의해서 조절도는 피스톤(49)을 구비한다. 따라서 압축기가 비교적 저속으로 구동하고 냉매가 도시된 방향으로 유동하면, 모든 냉매의 유량은 유동로(44)를 통해 통과한다. 그러나 압축기의 속도가 예정값에 도달하면, 상기 피스톤(49)은 요동하기 시작하고, 조절오리피스(52)를 개방하게 된다. 그리고 총유량은 유동로(44)를 통과하는 것과 조절오리피스(52)를 통과하는 것을 합친 것이 된다. 또한 개구(47)를 통과하는 냉매유량은 작동주기동안 피스톤(49)의 이동을 감소시키는 효과를 의 효과를 제공한다.

제4도를 참조한다. 이 도면에서는 2중 방향의 유동이 요구되는 시스템에 적용하는 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이 장치의 기능은 제3도에 도시한 장치의 기능과 동일한 것이나, 다만 벽체(53)내에 솔레노이드 피스톤(49)으로써의 어큐레이터 피스톤(43)을 장착하는 것이 다르다. 상기 벽체(53)는 챔버(53)와 방출덕트(54) 사이를 연결하는 조절오피스(52)와, 피이드 챈널(56)을 형성하는 것이다. 상기 채널(56)은 어큐레이터 피스톤(43)의 주위 영역에서 챔버(53)로의 연결상태를 제공하게 된다.

여기서, 압축기가 고속으로 구동되면, 상기 피스톤(49)는 개방 및 폐쇄위치 사이에서 요동하며 조절오리피스(52)에 개방조건을 부여하게 된다. 이때 어큐레이터 피스톤(43)은 완전히 왼쪽으로 치우친 위치에 있게 되고, 이에 따라 개구(47)를 통해 최소량의 바이패스 유량이 통과하게 된다. 아울러 상기 피스톤(47)은 그의 측부와 피이드 챈널(56)을 통해 냉매가 유동하는 것을 허용하여 냉매가 챔버(53)속으로 들어가서 조절오리피스(52)를 유동하도록 허용한다. 따라서, 냉매유량의 확실한 계측 유동이 가능해진다. 상기 개구(47)와 조절오리피스(52)를 유동하도록 허용한다. 따라서 냉매유량의 확실한 계측 유동이 가능해진다. 상기 개구(47)와 조절오리피스(52)를 통과하는 총함유량은 방출덕트(54)를 통해 방출하여 증발기 코일로 간다. 이때 압축전 동기의 속도에 부합하도록 냉매의 유량율이 제어된다. 냉매의 유동이 반대방향에서 실시되면, 상기 피스톤(49)은 폐쇄위치에 있게 되고, 다른 피스톤(43)은 완전히 오른쪽으로 치우친 위치로 이동하여 냉매가 그 주위를 통해서 완전히 제약받지 않는 상태로 유동하도록 허용하게 된다.

이상에서는 비록 본 발명의 몇가지 실시예만을 들어 설명하였으나, 본 발명의 특징적인 사상에서 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명의 실시예를 변형하여 실시하는 것이 물론 가능할 것이다.

Claims (14)

1. 냉매에 열을 전달하기 위한 열전달 코일을 구비하는 형식의 냉동시스템에 쓰이는 냉매팽창장치에 있어서, 상기 냉매를 증발기 코일로 유도하고 액상의 냉매를 기상의 냉매로 팽창시킬 수 있도록 쓰로틀로 작용하는 오리피스와, 상기 오리피스와 관련하여 상기 오리피스를 통한 냉매유동을 차단하는 페쇄위치와 상기 오리피스를 개방하여 냉매의 자유유동을 허용하는 개방위치 사이에서 선택적으로 이동이 가능한 피스톤과, 상기 피스톤의 폐쇄시간에 대한 개방시간의 비율을 유량체적을 소요 비율로 선택적으로 조정할 수 있도록 제어된 비율이 되도록 개방 및 폐쇄위치 사이에서 상기 피스톤을 선택적으로 이동시키는 제어수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 오리피스 주위를 유동하는 냉매유량의 일부를 바이패스시키기 위해 바이패스수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 상기 오리피스이 일단부에 배치되고, 이 피스톤을 상기 오리피스의 반대방향으로 가압시키는 가압수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어수단을 솔레노이드로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 냉동시스템에는 변속정도기로 구동되는 압축기를 구비하고, 상기 제어수단은 냉매유량율을 상기 전동기의 속도에 정비례하는 비율로 조절하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
6. 냉매의 유동을 유도하는 오리피스를 형성하는 벽체로 구성되고, 냉매유량을 계측하기 위해 냉동시스템에 적용되는 냉매팽창장치에 있어서, 냉매유량이 유동하는것을 억제하도록 상기 오리피스를 차단하는 차단수단과, 상기 차단수단을 제어 시퀸스로 차단 및 차단해제시켜 이 오리피스를 통해 유동하는 냉매의 유량체적을 제어하는 조절수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 오리피스 주위를 유동하는 냉매유량의 일부를 바이패스시키기 위해 바이패스 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 벽체는 상기 오리피스와 평행한 바이패스 통로를 구비하여 최소 냉매유량이 계측 유동되도록 하고, 냉매유동의 조절중에 상기 차단수단의 이동범위를 감소시키는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 상기 차단수단은 상기 벽체의 일단부에 위치하고 상기 벽체에 대해 가압되어 상기 오리피스를 차단하는 가압위치와 상기 벽체로부터 떨어진 개방위치 사이에서 이동이 가능한 피스톤으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
10. 제6항에 있어서, 상기 조절수단은 상기 차단수단에 연결되어 있는 피스톤을 갖는 솔레노이드로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
11. 제6항에 있어서, 상기 냉동시스템에는 변송전동기 구동되는 압축기가 구비되고, 상기조절수단은 상기 전동기의 속도에 정비례하는 비율로 냉매유량율을 유지시키는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매팽창장치.
12. 냉매팽창수단을 통해 유동하는 냉매의 유량체적을 제어하는 방법에 있어서, 냉매가 유동하는 오리피스를 제공하는 단계, 상기 오리피스를 선택적으로 차단하여 냉매유동을 차단하는 차단수단을 제공하는 단계, 상기 차단수단의 차단 및 차단 해제시간을 상기 오리피스를 통한 냉매의 유량체적을 제어할 수 있는 소요 비율로 조절할 수 있도록 상기 차단수단을 선택적으로 적용 또는 해제시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매유량체적 제어방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 차단수단을 선택적으로 적용 및 해제시키는 단계는 솔레노이드에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매유량체적 제어방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 오리피스 주위에 바이패스 통로를 제공하여 이 오리피스 주위를 유동하는 냉매유량중 일부를 바이패스시키는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 냉매유량체적 제어방법.

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