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문제 정의
- 본 연구에서는 캠구동 방식의 차량 공조시스템용 전 자팽창밸브를 개발하기 위해, 내압성능 및 유량성능을 해석평가를 통하여 분석하였다. 또한 실험적인 방법으로 간단히 밸브 성능을 검증하였다.
- 전자팽창밸브의 내압성능을 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. Fig.
제안 방법
- Table. 1과 같이 니들의 이동량에 따라 5개 수준의 개도를 대상으로 해석을 진행하였으며 일반적으로 알려진 에어컨 시스템의 최적 운전조건을 경계조건으로 사용하였다. CO2 냉매는 입구 9.
- 3) 유동해석을 이용한 CO2 냉매와 R134a 냉매 적용 시의 유량 성능을 각각 분석하였다. 밸브 개도에 따라 유량이 증가하며, 각각 550 kg/h, 386 kg/h의 최대 유량을 확보하였다.
- 개발된 시제품을 대상으로 유량성능을 평가하였다. 유량성능 실험은 표준 규격인 KS B 6323[10]의 실험방법을 참고하여 실시하였으며, 규격 내의 8.
- 하지만, 사용조건에 대한 강건성 및 유동 성능의 검증이 반드시 필요하다. 기존 방식과 달리 캠구동 방식으로 개도를 조절하는 R134a 및 CO2 겸용 전자팽창밸브를 개발하기 위해, 고안된 설계안을 바탕으로 구조해석을 이용한 고압 조건에서의 내압성능을 평가하였으며, 유동해석을 통하여 유량 개도에 따른 유량 성능을 파악하였다. 또한 실험적인 방법으로 간단히 밸브 성능을 검증하였다.
- 니들의 직선운동에 따라서 오리피스 내의 유동면적이 결정되며, 냉매의 유량 및 작동압력을 조절하게 되는 구조이다. 냉매가 유입되는 입구의 직경은 8.6 mm, 증발기로 전달하는 출구의 직경은 15 mm이며, 오리피스는 직경 3 mm로 비교적 대용량의 에어컨 및 히트펌프 시스템까지 적용이 가능하도록 설계되었다.
- 냉매가 가장 고압 조건에서 작동된다. 따라서, 내압성능 해석은 CO2 냉매 조건에서 실시하였으며, 160 MPa, 380 MPa의 두 조건에서 진행하였다. 일반적인 CO2 고압부 작동조건은 100 MPa [9]이며, 본 연구의 밸브는 최대 작동 압력을 160 MPa, 파괴압력을 380 MPa로 설정하여 설계되었다.
- 기존 방식과 달리 캠구동 방식으로 개도를 조절하는 R134a 및 CO2 겸용 전자팽창밸브를 개발하기 위해, 고안된 설계안을 바탕으로 구조해석을 이용한 고압 조건에서의 내압성능을 평가하였으며, 유동해석을 통하여 유량 개도에 따른 유량 성능을 파악하였다. 또한 실험적인 방법으로 간단히 밸브 성능을 검증하였다.
- 1) 스텝 모터와 캠 구조를 이용하여 기존 밸브에 비해 적은 부품수를 가지며 생산성이 향상된 구조의 전자팽창밸브를 개발하였다. 또한 현 냉매인 R134a와 더불어 향후 대체냉매의 하나인 고압 CO2의 사용이 가능하도록 설계되었다.
- 부가적으로 내압실험 장치를 이용한 기밀실험을 실시하였다. 밸브가 완전히 잠긴 상태에서 펌프를 작동시켜 가압한 후 30분 뒤의 압력 변화를 측정함으로서 기밀여부를 판단하였으며, 입출구의 압력변화가 없음을 확인하였다.
- 시제품의 내압 실험은 100 bar까지 가압하여 진행하였다. 실험조건은 30, 50, 75, 100 bar 조건에서 각각 실시하였다. Table 2에 실험 조건과 측정 오차를 자세히 나타내었다.
- 연구대상인 전자팽창밸브의 개도에 따른 유량성능을 해석을 통하여 평가하였다. 작동유체는 CO2 냉매와 현재 차량에서 일반적으로 쓰이는 R134a 냉매를 대상으로 하였으며 해석에 필요한 물성치는 EES(Engineering Equation Solver)를 사용하여 구하였다[10].
- 여기서 qmr은 냉매 질량유량의 환산값, qmw는 물 질량유량 측정값, pr은 사용냉매의 팽창밸브 입구 온도에 있어서의 냉매 질량밀도, pw는 측정한 수온에 있어서의 물의 질량밀도를 각각 나타낸다. 유체 물성은 EES를 통하여 구하여 환산하였다[11].
- 따라서, 내압성능 해석은 CO2 냉매 조건에서 실시하였으며, 160 MPa, 380 MPa의 두 조건에서 진행하였다. 일반적인 CO2 고압부 작동조건은 100 MPa [9]이며, 본 연구의 밸브는 최대 작동 압력을 160 MPa, 파괴압력을 380 MPa로 설정하여 설계되었다. 해석 범위는 구조적으로 압력에 취약한 하우징 및 모터를 포함한 외관으로 한정하여 실시하였으며, 유로를 포함하여 내부 면에 압력 하중 조건을 인가하였다.
- 작동유체는 상온의 물을 사용하였으며, 입출구 압력을 각각 차량 공조시스템의 일반적인 R134a 압력조건인 10 bar, 3 bar로 설정하여 개도에 따른 최대 유량을 측정하였다. 입구의 물의 온도와 유량을 측정하여 식(1)과 같이 냉매(R134a)의 밀도로 환산하여 실험 결과를 분석하였다. 여기서 qmr은 냉매 질량유량의 환산값, qmw는 물 질량유량 측정값, pr은 사용냉매의 팽창밸브 입구 온도에 있어서의 냉매 질량밀도, pw는 측정한 수온에 있어서의 물의 질량밀도를 각각 나타낸다.
- 3 항목에 따라 진행하였다. 작동유체는 상온의 물을 사용하였으며, 입출구 압력을 각각 차량 공조시스템의 일반적인 R134a 압력조건인 10 bar, 3 bar로 설정하여 개도에 따른 최대 유량을 측정하였다. 입구의 물의 온도와 유량을 측정하여 식(1)과 같이 냉매(R134a)의 밀도로 환산하여 실험 결과를 분석하였다.
대상 데이터
- Fig. 6에서 알 수 있는 바와 같이, 실험장치는 펌프, 입출구에 압력센서 2EA, 입구 부분에 온도센서, 유량센서, 수조, 압력조절밸브 2 EA 등을 이용하여 구성하였다.
- 본 연구에서 대상으로 하는 전자팽창밸브는 CO2를 포함한 다양한 냉매에 대응이 가능하도록 개발되어졌으며 Fig. 1에서 보여주는 바와 같이 크게 모터부, 하우징 및 유동부로 나눌 수 있다. Fig.
- 연구대상인 전자팽창밸브의 개도에 따른 유량성능을 해석을 통하여 평가하였다. 작동유체는 CO2 냉매와 현재 차량에서 일반적으로 쓰이는 R134a 냉매를 대상으로 하였으며 해석에 필요한 물성치는 EES(Engineering Equation Solver)를 사용하여 구하였다[10]. Table.
- 해석 범위는 구조적으로 압력에 취약한 하우징 및 모터를 포함한 외관으로 한정하여 실시하였으며, 유로를 포함하여 내부 면에 압력 하중 조건을 인가하였다. 하우징과 볼트는 스테인리스 강(STS304)이 적용되었으며, 모터부는 알루미늄 합금(Al6061)을 사용하였다.
- 일반적인 CO2 고압부 작동조건은 100 MPa [9]이며, 본 연구의 밸브는 최대 작동 압력을 160 MPa, 파괴압력을 380 MPa로 설정하여 설계되었다. 해석 범위는 구조적으로 압력에 취약한 하우징 및 모터를 포함한 외관으로 한정하여 실시하였으며, 유로를 포함하여 내부 면에 압력 하중 조건을 인가하였다. 하우징과 볼트는 스테인리스 강(STS304)이 적용되었으며, 모터부는 알루미늄 합금(Al6061)을 사용하였다.
데이터처리
- 유동해석 결과와 유량실험 결과를 비교 분석하여 해석 검증을 실시하였다. R134a 기준으로 해석에서는 오리피스가 완전히 열렸을 때, 약 386 kg/h의 유량을 나타내었으며, 실험에서는 Fig.
이론/모형
- 개발된 시제품을 대상으로 유량성능을 평가하였다. 유량성능 실험은 표준 규격인 KS B 6323[10]의 실험방법을 참고하여 실시하였으며, 규격 내의 8.3 항목에 따라 진행하였다. 작동유체는 상온의 물을 사용하였으며, 입출구 압력을 각각 차량 공조시스템의 일반적인 R134a 압력조건인 10 bar, 3 bar로 설정하여 개도에 따른 최대 유량을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 스텝 모터와 캠 구조를 이용하여 기존 밸브에 비해 적은 부품수를 가지며 생산성이 향상된 구조의 전자팽창밸브를 개발하였다. 또한 현 냉매인 R134a와 더불어 향후 대체냉매의 하나인 고압 CO2의 사용이 가능하도록 설계되었다.
- 2) 내압 성능은 최대작동압력 조건에서 98 MPa의 최대응력을 나타내며 탄성영역 이내의 변형임을 확인하였다. 또한, 파괴압력 조건에서는 233 MPa의 최대응력을 나타내므로 소성변형이 일어나지만 파괴가 일어나지 않는 것을 확인하였다.
- 니들의 이동량이 늘어 개도가 확장될수록 유량이 증가하는 것을 확인하였으며, CO2 냉매가 R134a 냉매보다 높은 유량을 보이는 것을 알 수 있었다. CO2 냉매의 경우 R134a 냉매보다 낮은 밀도를 갖지만 입출구의 압력차 조건이 상대적으로 월등히 높아 상대적으로 유량이 많은 것을 확인하였다. 오리피스가 완전히 열리는 조건(니들 이동거리가 1.
- 유동해석 결과와 유량실험 결과를 비교 분석하여 해석 검증을 실시하였다. R134a 기준으로 해석에서는 오리피스가 완전히 열렸을 때, 약 386 kg/h의 유량을 나타내었으며, 실험에서는 Fig. 7에서 알 수 있는 바와 같이 약 420 kg/h의 유량을 보이는 것을 확인하였다. 따라서 오차 수준이 약 8% 이므로, 해석 결과는 신뢰할 수 있는 수준으로 판단된다.
- 또한 모터와 하우징 연결부는 볼트에 의해 조립되므로 누설 및 파손 가능성이 있다. 내압 실험을 진행한 후 부품을 분해 및 확인한 결과, 누설 및 파손의 가능성이 높은 부분 등을 비롯한 밸브 전체에서 누설 및 파괴가 일어나지 않은 것을 확인하였다.
- 4에 나타내었다. 니들의 이동량이 늘어 개도가 확장될수록 유량이 증가하는 것을 확인하였으며, CO2 냉매가 R134a 냉매보다 높은 유량을 보이는 것을 알 수 있었다. CO2 냉매의 경우 R134a 냉매보다 낮은 밀도를 갖지만 입출구의 압력차 조건이 상대적으로 월등히 높아 상대적으로 유량이 많은 것을 확인하였다.
- 3에 나타내었다. 두 조건 모두 가장 높은 응력분포를 보이는 곳은 하우징 부의 유로 내부였으며, 최대 작동 압력조건에서 98 MPa, 파괴압력 조건에서 233 MPa의 최대응력을 나타내었다. 하우징의 재료인 STS304는 항복인장강도가 215 MPa, 한계인장강도는 505 MPa로서 해석결과를 분석한 결과, 최대 작동 압력조건에서는 최대 응력이 항복 인장강도보다 낮은 값을 보이며 탄성 변형 범위 안에 위치하여 내압성능이 확보된 것을 확인하였다.
- 2) 내압 성능은 최대작동압력 조건에서 98 MPa의 최대응력을 나타내며 탄성영역 이내의 변형임을 확인하였다. 또한, 파괴압력 조건에서는 233 MPa의 최대응력을 나타내므로 소성변형이 일어나지만 파괴가 일어나지 않는 것을 확인하였다.
- 부가적으로 내압실험 장치를 이용한 기밀실험을 실시하였다. 밸브가 완전히 잠긴 상태에서 펌프를 작동시켜 가압한 후 30분 뒤의 압력 변화를 측정함으로서 기밀여부를 판단하였으며, 입출구의 압력변화가 없음을 확인하였다.
- 하우징의 재료인 STS304는 항복인장강도가 215 MPa, 한계인장강도는 505 MPa로서 해석결과를 분석한 결과, 최대 작동 압력조건에서는 최대 응력이 항복 인장강도보다 낮은 값을 보이며 탄성 변형 범위 안에 위치하여 내압성능이 확보된 것을 확인하였다. 파괴압력 조건에서는 최대 응력값이 항복인장강도를 초과하지만 한계인장강도 미만의 값을 보여 소성변형이 일어날 것으로 예측되지만 파괴가 일어나지 않는 것으로 결과가 예측되었다.
- 두 조건 모두 가장 높은 응력분포를 보이는 곳은 하우징 부의 유로 내부였으며, 최대 작동 압력조건에서 98 MPa, 파괴압력 조건에서 233 MPa의 최대응력을 나타내었다. 하우징의 재료인 STS304는 항복인장강도가 215 MPa, 한계인장강도는 505 MPa로서 해석결과를 분석한 결과, 최대 작동 압력조건에서는 최대 응력이 항복 인장강도보다 낮은 값을 보이며 탄성 변형 범위 안에 위치하여 내압성능이 확보된 것을 확인하였다. 파괴압력 조건에서는 최대 응력값이 항복인장강도를 초과하지만 한계인장강도 미만의 값을 보여 소성변형이 일어날 것으로 예측되지만 파괴가 일어나지 않는 것으로 결과가 예측되었다.
후속연구
- 향후, 차량 공조시스템에 본 연구를 통하여 개발된 전자팽창밸브를 장착하여 다양한 운전조건에서의 시스템 성능실험을 수행함으로써 전자팽창밸브의 제어 성능을 평가할 계획이다.
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