[논문]CO2냉매용 제어밸브의 응답 특성

김보현; 장지성

doi:10.7839/ksfc.2018.15.4.011

CO2냉매용 제어밸브의 응답 특성
Transient Response Analysis of a Control Valve for CO2 Refrigerant 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.15 no.4, 2018년, pp.11 - 16

김보현 (Department of Mechanical System Engineering, Graduate School of Pukyong National University) , 장지성 (Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Pilot operated control valve for $CO_2$ refrigerant is a valve that can perform various functions according to the user's intention by replacing pilot units, widely used for flow rate, pressure, and temperature control of refrigeration and air conditioning systems. In addition, $CO_2$ refrigerant, that requires high pressure and low critical temperature, can be installed and used in all positions of the refrigeration system, regardless of high or low pressure. In this paper, response characteristics are modeled and analyzed based on behavior of the main piston of the pilot-operated control valve. Although various factors influence operation of the main piston, this paper analyzes the effect of equilibrium pressure depending on valve installation position and application, and inlet and outlet orifice size of the load pressure feedback chamber to determine feedback characteristics of the main piston. As a result, it was possible to quantitatively analyze the effect of change in equilibrium and load pressure feedback chamber flow path size on the change in main piston dynamic and static characteristics.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Structure of a CO₂ control valve
그림 Fig. 2 Schematic diagram of a CO₂ control valve
그림 Fig. 3 Change of P₃ according to change of P₄
그림 Fig. 4 Frequency response of piston displacement due to the variation of d₂₃(P₄₀: 49.88bar)
표 Table 1 Physical parameters of a CO₂ control valve
그림 Fig. 5 Bandwidth and natural Frequency of piston displacement due to the variation of d₂₃(P₄₀: 49.88bar)
그림 Fig. 6 Step response of piston displacement due to the variation of d₂₃(P₄₀: 49.96bar)
그림 Fig. 7 Step response of piston displacement due to the variation of d₂₃(P₄₀: 49.80bar)
그림 Fig. 8 Step response of piston displacement due to the variation of P₂₀(d₂₃: 0.7mm)
그림 Fig. 9 Step response of piston displacement due to the variation of P₂₀(d₂₃: 1.1mm)
그림 Fig. 10 Step response of piston displacement due to the variation of P₂₀(d₂₃: 1.5mm)

AI 본문요약
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문제 정의

냉매용 파일럿 조작식 제어밸브의 메인 피스톤의 거동에 대한 모델링을 수행하고 응답특성을 분석한다. 메인 피스톤의 동작에 영향을 미치는 요소로는 피스톤 상‧하부 수압면적의 크기, 메인 피스톤을 지지하는 스프링의 스프링 상수, 마찰력 등 다양한 요소가 있지만, 본 논문에서는 밸브의 설치 위치와 사용 용도에 따라 다양하게 변하는 평형압력과 메인 피스톤의 피드백 특성을 결정하는 가장 중요한 요소인 부하압력 피드백 챔버 입구 및 출구 유로의 크기가 메인 피스톤의 움직임에 미치는 영향을 모델링하고 그 결과를 분석한다.
본 논문에서는 CO₂ 냉매용 제어밸브의 메인 피스톤 거동에 대한 모델링을 수행하고 부하압력 피드백 챔버 입구 및 출구 유로의 크기와 밸브의 평형 압력 변화가 메인 피스톤의 응답에 미치는 영향을 분석하였다. 본 논문에서는 얻어진 성과는 다음과 같다.
본 논문에서는 CO₂ 냉매용 파일럿 조작식 제어밸브의 메인 피스톤의 거동에 대한 모델링을 수행하고 응답특성을 분석한다. 메인 피스톤의 동작에 영향을 미치는 요소로는 피스톤 상‧하부 수압면적의 크기, 메인 피스톤을 지지하는 스프링의 스프링 상수, 마찰력 등 다양한 요소가 있지만, 본 논문에서는 밸브의 설치 위치와 사용 용도에 따라 다양하게 변하는 평형압력과 메인 피스톤의 피드백 특성을 결정하는 가장 중요한 요소인 부하압력 피드백 챔버 입구 및 출구 유로의 크기가 메인 피스톤의 움직임에 미치는 영향을 모델링하고 그 결과를 분석한다.

가설 설정

해석을 단순화하기 위하여 P₁, P₂는 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다. 오리피스를 통과하는 질량유량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 하는 CO₂ 냉매용 제어밸브의 메인 피스톤 구조도를 Fig. 1에 나타낸다.
본 연구에서 대상으로 하는 밸브의 물리파리미터를 Table 1에 나타낸다.

성능/효과

1) 부하압력 피드백 챔버 입구 유로 크기가 변하면 메인 피스톤의 감쇠비가 변하지만 1차계의 대역폭 Kx/(Kpτ3)이 메인 피스톤의 고유진동수 ωn보다 훨씬 작으므로 출구 유로의 크기 변화에 의한 감쇠비 변화가 메인 피스톤 변위 δx의 응답에는 영향을 미치지 못한다.
1) CO22 냉매의 장점으로는 프레온계 냉매에 비해 높은 냉동능력과 낮은 비등점을 가진다는 점이다.
2) 부하압력 피드백 챔버 입구 유로가 커지면 부하압력의 변화가 부하압력 피드백 챔버 압력의 변화에 미치는 게인의 크기가 감소하므로 메인 피스톤 이동 변위가 감소한다.
4) 부하압력 피드백 챔버 입구 유로와 출구 유로크기가 일정하면 메인 피스톤 상부 압력 P₂₀가 변하여도 부하압력 피드백 챔버 압력과 메인 피스톤 상부 압력의 비 P₂₀/P₃₀ 및 부하압력과 부하압력 피드백챔버 압력의 비 P₃₀/P₄₀가 일정하게 유지되므로 메인피스톤 변위가 일정하게 유지된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CO2 냉매용 파일럿 조작식 제어밸브의 특징은 무엇인가?	CO2 냉매용 파일럿 조작식 제어밸브는 파일럿 유닛을 교체하여 사용자의 의도에 맞게 다양한 기능을 수행할 수 있는 밸브이므로 냉동 공조 시스템의 유량, 압력, 온도 조절 등에 광범위하게 사용될 수 있다. 또한, 높은 압력과 낮은 임계온도를 필요로 하는 CO2 냉매를 사용하므로 고압측, 저압측에 관계없이 냉동시스템의 모든 위치에 설치하여 사용할 수 있다3).
	CO22 냉매의 장점은 무엇인가?	그러나 프레온가스에 의한 지구온난화, 오존층 파괴 등의 환경문제들로 인해 CO2 냉매에 대한 연구가 다시 활발하게 진행되고 있다.1) CO22 냉매의 장점으로는 프레온계 냉매에 비해 높은 냉동능력과 낮은 비등점을 가진다는 점이다. 또한 고압냉매이므로 체적 냉동 능력이 매우 커서 시스템을 소형화 할 수 있다2).
	CO22 냉매 사용으로 시스템을 소형화할 수 있는 이유는 무엇인가?	1) CO22 냉매의 장점으로는 프레온계 냉매에 비해 높은 냉동능력과 낮은 비등점을 가진다는 점이다. 또한 고압냉매이므로 체적 냉동 능력이 매우 커서 시스템을 소형화 할 수 있다2).

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