[논문]자동차 공조장치의 가변압축기 ECV 유량 분석

정준영; 조행묵

doi:10.5855/energy.2013.22.4.394

초록
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최근들어 자동차에어콘 콤프레셔의 전기마그네트식 콘트롤밸브는 내부형 스워시 프레이트형을 사용하고 있다. 이 시스템은 외부로부터 공급되는 전류량(신호)에 의하여 작동되며 동시에 스워시판 작동에 의한 압력은 냉매가 흐르는 비율에 의하여 결정된다. 본 논문에서는 압축기의 크랭크케이스 압력이 전기마그네트 콘트롤 밸브 전기 흐름량에 따른 유량의 값을 측정하여 엔진의 효율을 향상시키고자 한다.

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At present, using of electromagnetic control valve (ECV) in external variable displacement swash plate type compressor is a common issue. Solenoid operated ECV controls vehicle air conditioning system through a pulse width modulation (PWM) input signal that supplied from an external source. Differen...

At present, using of electromagnetic control valve (ECV) in external variable displacement swash plate type compressor is a common issue. Solenoid operated ECV controls vehicle air conditioning system through a pulse width modulation (PWM) input signal that supplied from an external source. Different port pressure controls the swash plate movement inside the compressor at certain angles that finally determines the refrigerant flow rate to the vehicle compartment for passengers comfort. In this paper, crankcase pressure flow (Pc flow) is calculated with some ECV samples with corresponding to amount of variable supply of current ranges from 0.20Amp to 0.95Amp.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 각 조립체의 Stroke별 힘의 합력을 알아보기 위하여 Bellows Stroke와 Plunger Stroke에 대한 실험을 진행하였다. Table.

가설 설정

33mm로 고정하여 실험하였다. 솔레노이드 외력(Solenoid Force)은 ECV에 가하는 전류값에 비례하여 증가하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

차량용 공조장치인 ECV는 기존의 기계식 공조장치와는 다르게 크랭크축과 상시 연결된 외부가변 압축기를 조절하는 Actuator 역할을 한다. ECV는 구성된 여러 부품들의 힘의 평형을 이용하여 공조장치를 작동하기 때문에 ECV를 개발하기 위해서는 내부 부품간의 역학관계 분석할 필요가 있으므로 본 논문에서 기술한 ECV내 각 Stroke에 대한 ECV의 Plunger Stroke와 Stroke Bellows에 대한 힘의 평형에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
1은 각각의 실험에서의 종속변수, 통제변수 및 독립변수를 나타낸 것이다. Stroke별 힘의 합력은 두 가지 실험으로 진행하였으며, 첫 번째 실험은 Bellows Stroke를 고정한 상태에서 Plunger Stroke의 셋팅값을 바꾸어 가는 것이며, 두 번째 실험은 Plunger Stroke가 고정된 상태에서 Bellows Stroke 셋팅 값을 바꾸는 것이다.
따라서 첫 번째 실험에서는 Plunger Stroke에 따른 가동 철심에 작용하는 솔레노이드 외력임을 알 수 있다. 두 번째 실험은 통제변수를 Plunger Stroke로 지정하였을 때, 독립변수인 Bellows Stroke와 Duty에 따른 종속변수 ECV유량이 어떻게 변화하는가를 유량그래프로 검증한 것으로서 Bellows Stroke에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 위 두 가지 실험에서 결과를 정확하게 얻기 위해 발열에 의한 열손실을 최소화 하고자 ECV Solenoid의 온도가 상온 25℃로 충분히 냉각된 상태에서 진행하였으며, 각 그래프는 실험을 3번씩 진행하여 평균값으로 나타내었다.
위 두 가지 실험에서 결과를 정확하게 얻기 위해 발열에 의한 열손실을 최소화 하고자 ECV Solenoid의 온도가 상온 25℃로 충분히 냉각된 상태에서 진행하였으며, 각 그래프는 실험을 3번씩 진행하여 평균값으로 나타내었다. 실험 1에서는 하나의 Valve를 사용하여 Plunger Stroke Setting값을 수정하여 실험을 진행하였고 실험 2에서는 Valve의 Plunger Stroke를 0.90mm으로 고정하고 Bellows Stroke를 달리하여 실험을 진행하였다. 본 실험에서 Guide Stroke는 초기 유량을 나타내는 Stroke로 사용되었고, 각 실험마다 0.
두 번째 실험은 통제변수를 Plunger Stroke로 지정하였을 때, 독립변수인 Bellows Stroke와 Duty에 따른 종속변수 ECV유량이 어떻게 변화하는가를 유량그래프로 검증한 것으로서 Bellows Stroke에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 위 두 가지 실험에서 결과를 정확하게 얻기 위해 발열에 의한 열손실을 최소화 하고자 ECV Solenoid의 온도가 상온 25℃로 충분히 냉각된 상태에서 진행하였으며, 각 그래프는 실험을 3번씩 진행하여 평균값으로 나타내었다. 실험 1에서는 하나의 Valve를 사용하여 Plunger Stroke Setting값을 수정하여 실험을 진행하였고 실험 2에서는 Valve의 Plunger Stroke를 0.
첫 번째 실험은 통제변수를 Bellows Stroke와 전압으로 지정하였으며, 독립변수인 Plunger와 Duty값을 바꿀 때 종속변수인 ECV의 유량이 어떻게 변화하는 가를 그래프를 통해 검증하였다. Plunger Stroke는 Solenoid의 가동철심에 연결되어 Solenoid의 힘을 직접 Bellows에 전달하는 역할을 한다.

대상 데이터

90mm으로 고정하고 Bellows Stroke를 달리하여 실험을 진행하였다. 본 실험에서 Guide Stroke는 초기 유량을 나타내는 Stroke로 사용되었고, 각 실험마다 0.33mm로 고정하여 실험하였다. 솔레노이드 외력(Solenoid Force)은 ECV에 가하는 전류값에 비례하여 증가하는 것으로 가정하였다.

성능/효과

(2) Bellows Stroke는 가동철심으로 전달된 Solenoid Force를 지지하는 역할을 하며 스프링의 특성상 압축 혹은 인장 상태에서 기준점으로부터의 변위별로 그 Tension이 변화하게 되므로 Bellows Stroke가 0.25mm에서 0.50mm로 변화하면 기준점에서 Bellows가 가동철심을 미는 힘이 0.350Kgf에서 840Kgf로 변화하고, 이는 Solenoid Force에 대하여 힘의 평형 점을 바꾸는 역할을 한다. 따라서 Bellows Stroke가 길어질수록 Solenoid Force에 대한 저항이 커지게 되며, 실험 결과에서 알 수 있듯이 Bellows Stroke가 0.
6은 주어진 조건값을 이용하여 획득한 실험 결과이며, 실험 1의 결과를 그래프로 나타낸 것으로 Bellows Stroke가 고정된 상태에서 Pluger Stroke만을 조정할 때 나타난 결과이다. Plunger Stroke가 1.05mm에서 0.75mm로 짧게 셋팅됨에 따라 Bellows의 Tension(0.550Kgf)에 대한 전류별 유량이 그래프와 같이 조기에 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
Fig.7 Plunger Stroke를 고정하고, Bellows Stroke를 조정할 때의 유량그래프로, Bellows Stroke가 0.20mm (0.350Kgf)에서 0.50mm (0.840Kgf)로 변화함에 따라 전류별 유량이 그래프와 같이 늦게 감소하는 것을 확인하였다.
350Kgf에서 840Kgf로 변화하고, 이는 Solenoid Force에 대하여 힘의 평형 점을 바꾸는 역할을 한다. 따라서 Bellows Stroke가 길어질수록 Solenoid Force에 대한 저항이 커지게 되며, 실험 결과에서 알 수 있듯이 Bellows Stroke가 0.20mm일 때, 유량이 0l/min되는 전류 값은 0.70Apm이고 0.35mm일 때 유량이 0l/min가 되는 전류 값은 0.80Apm, 0.50mm 일 때, 유량이 0/min이 되는 전류 값은 0.95Apm라는 것을 알 수 있었다.
65Amp에서 유량이 0l/min으로 나타났다. 따라서 Pluger Stroke가 길게 셋팅 된 경우에는 ECV내부의 가동철심에 전달되는 솔레노이드 힘(Solenoid Force)이 작게 작용하는 것을 알 수 있었으며, 반대의 경우에는 크게 나타났다.
Plunger Stroke는 Solenoid의 가동철심에 연결되어 Solenoid의 힘을 직접 Bellows에 전달하는 역할을 한다. 따라서 첫 번째 실험에서는 Plunger Stroke에 따른 가동 철심에 작용하는 솔레노이드 외력임을 알 수 있다. 두 번째 실험은 통제변수를 Plunger Stroke로 지정하였을 때, 독립변수인 Bellows Stroke와 Duty에 따른 종속변수 ECV유량이 어떻게 변화하는가를 유량그래프로 검증한 것으로서 Bellows Stroke에 따라 달라지는 것을 알 수 있다.
(1) Plunger Stroke는 Solenoid에 전류가 흐를 때 가동철심에 작용하게 되는 Solenoid Force로 나타낼 수 있다. 실험결과에서 Bellows Tension이 0.55Kgf로 고정되었을 때, Plunger Stroke가 1.05mm로 셋팅 된 경우 최종 유량이 12l/min로 유지되었으나, 0.9mm로 셋팅 된 경우에는 0.80Amp에서 유량이 0l/min로 되었고 0.75mm로 셋팅 된 경우에는 0.65Amp에서 유량이 0l/min으로 나타났다. 따라서 Pluger Stroke가 길게 셋팅 된 경우에는 ECV내부의 가동철심에 전달되는 솔레노이드 힘(Solenoid Force)이 작게 작용하는 것을 알 수 있었으며, 반대의 경우에는 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ECV의 각 구성품 설계에서 각 부품에 허용되는 공차는?	ECV는 마그네틱 코일, 플런져, 플런져 스프링, 플런저 핀, 플런져 하우징, 코일 덮개 및 밸브 바디 등으로 구성되어 있으며, 매우 정밀한 치수정밀도를 요하는 부품들로 이루어져 있다. ECV의 각 구성품 설계에서 각 부품에 허용되는 공차는 0.02~0.05mm이고, Guide의 외경과 Valve Body의 내경에 허용되는 공차는 최대 0.002mm이다. ECV의 설계에서 엄격한 공차가 적용이 되는 이유는 ECV가 사용되는 환경이 공압 조건이기 때문이며, 공기의 특성상 매우 작은 틈새에서도 공기의 유출이 발생할 수 있고 약간의 직경차이로도 Valve내 유량이 크게 달라지기 때문이다.
	작은 틈새로의 LEAK나, 직경변화에 의한 유량변화를 최소화하기 위해 엄격한 공차를 적용하는 이유는?	002mm이다. ECV의 설계에서 엄격한 공차가 적용이 되는 이유는 ECV가 사용되는 환경이 공압 조건이기 때문이며, 공기의 특성상 매우 작은 틈새에서도 공기의 유출이 발생할 수 있고 약간의 직경차이로도 Valve내 유량이 크게 달라지기 때문이다. 따라서 위와 같은 작은 틈새로의 LEAK나, 직경변화에 의한 유량변화를 최소화하기 위해 엄격한 공차를 적용한다.
	ECV는 무엇으로 구성되어 있는가?	4와 나타내었다. ECV는 마그네틱 코일, 플런져, 플런져 스프링, 플런저 핀, 플런져 하우징, 코일 덮개 및 밸브 바디 등으로 구성되어 있으며, 매우 정밀한 치수정밀도를 요하는 부품들로 이루어져 있다. ECV의 각 구성품 설계에서 각 부품에 허용되는 공차는 0.

참고문헌 (8)

Y. J. Lee, G. H. Lee and B. E. Lim, "Noise Evaluation of a Control Valve in a Variable Compressor", International Conference on Sustainable Automotive Technologies, RMIT University, Melbourne, Australia, (2012), p 337-441
H. J. Sung, H. C. Kim and H. W. Lee, "Flow Force Analysis of a Variable Force Solenoid Valve for Automatic Transmissions", Journal of Fluids Engineering, Vol. 132, (2010), p. 1-7
James A. Davis, Mike Stewart, "Predicting Globe Control Valve Performance - Part I: CFD Modeling", Jornal of Fluids Engineering , Vol. 124, (2002), p. 774-777
Y. J. Lee, G. H. Lee and B. E. Lim, "Design for Improving the Performance of a Control Valve in a Variable Compressor", International Conference on Sustainable Automotive Technologies, RMIT University, Melbourne, Australia, (2012), p 343-348
G. S. Lee, H. J. Sung and H. C. Kim , "Multiphysics Analysis of a Linear Control Solenoid Valve", Journal of Fluid Engineering, Vol. 135, (2013), p. 1-10
G. H. Lee and T. J. Lee, "A Study on the Variable Displacement Mechanism of Swash Plate Type Compressor for Automotive Air Conditioning System", International Compressor Engineering Conference at Purdue, (2004), p. 1-6
김민준, 박익서, 이건호, "사판실 압력변화에 따 른 가변용량형 사판식 압축기의 성능에 관한 실험적 고찰", 대한설비공학회, 2004, p 765-770
이건호, "자동차 에어컨용 압축기의 신기술", 냉동부문 학술강연회, 2003, p 158-165

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