Studies on the Performance of a Cam Driving Electronic Expansion Valve for Vehicles

Air conditioning part designs are moving towards higher efficiency and productivity. The expansion device is one of the core parts of an air conditioning system and controls the refrigerant quantity, evaporation load, compression capacity, and condensation capacity. In this study, an electronic expansion valve for two working fluids ($CO_2$ and R134a) was developed for air conditioning systems in vehicles. The valve uses an eccentric cam driving structure instead of a lead screw to decrease manufacturing costs and increase productivity. The pressure resistance and flow rate performance was evaluated using numerical analysis. At maximum operation conditions and burst pressure conditions with $CO_2$, the maximum stresses on the valve model were about 98 MPa and 223 MPa, respectively. The maximum flow rates of $CO_2$ and R134a with different orifice openings were about 550 kg/h and 386 kg/h, respectively. The performance with R134a was verified by experiments.

캠구동 방식을 적용한 자동차 공조시스템용 전자팽창밸브의 성능에 관한 연구

공조시스템을 구성하는 핵심 부품들의 설계 방향은 효율 향상 및 고생산성 측면을 둘 다 고려하는 것이다. 이러한 핵심부품 중의 하나인 팽창장치는 증발 부하, 압축 용량 및 응축 능력에 따라 냉매의 유량을 조절한다. 본 연구에서는 자동차용 공조시스템을 대상으로 하여 현 냉매인 R134a와 더불어 향후 대체냉매의 하나인 고압 $CO_2$의 사용이 가능한 겸용 전자팽창밸브가 개발되었다. 이 전자팽창밸브는 저 비용 및 고 생산성을 위해 기존 방식과는 달리 편심형 캠구동 방식이 채택되었다. 고안된 설계안을 바탕으로 수치해석을 이용하여 고압 조건에서의 내압성능과 밸브 개도에 따른 유량성능을 각각 평가하였다. 최대작동 압력 조건에서 98MPa의 최대응력을 보이며 탄성영역 이내의 변형을 나타내었다. 파괴압력 조건에서는 233 MPa의 최대응력을 보여 소성변형이 일어나지만 파괴가 일어나지 않는 것으로 예측되었다. 밸브 개도에 따라 유량이 증가하며, $CO_2$ 냉매와 R134a 냉매 적용시 각각 550 kg/h, 386 kg/h의 최대 유량을 나타내었다. 또한 R134a에 대한 내압 및 유량성능실험은 해석결과와 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.