전동 팽창 밸브의 모션 솔루션

전동 팽창 밸브에 성능을 전달하는 스테퍼 모터

팽창 밸브는 흐름 제한 장치로, 정상 작동 상태일 때 밸브 니들이 열려 있고, 장치 개구부의 크기나 니들의 위치는 증발기 압력 및 온도와 관련이 있다. 만약 사용자가 팽창 밸브를 바르게 설정하고 제어하면, 증발기가 작동 내내 지속적으로 활동을 할 수 있다. 이 같은 팽창 밸브 기술에는 온도 감지봉을 사용하는 무동력 솔루션과 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 방식의 단일 솔레노이드, 스테퍼 모터와 리드 스크류의 조합으로 이뤄진 동력 솔루션이 있다.

PWM 팽창 밸브는 단일 솔레노이드 밸브 회로를 활용해 냉매 흐름을 제어하는데, 이 때 밸브는 컨트롤러로부터 받은 신호에 따라 정해진 일정 시간 동안 개폐된다. 이러한 밸브는 몇 ms 사이에 닫힌 위치에서 열린 위치로 왕복 운동하면서 가변적인 부하에 적응할 수 있기 때문에 다중 회로 증발기에 주로 사용된다.

하지만 PWM 팽창 밸브는 전력 소비량이란 취약점을 지니고 있다. 밸브가 변경이 필요할 시에만 맥동을 함에도 불구하고 사이클의 전체 개구부에서 솔레노이드 유지력을 소진하기 때문이다. 만약 이와 같은 방법이 정격 용량이 낮은 단일 회로 시스템에 적용된다면 시동 중 과도한 맥동이 발생할 수 있다.

스테퍼 모터 구동형 팽창 밸브는 전력이 공급됐을 때 회전하는 PMDC 모터와는 달리 자기장을 활용해 불연속 스텝으로 회전하면서 일정한 증분값으로 운동을 수행한다. 또한 스테퍼 모터는 모터 스텝 크기와 컨트롤러 스텝 패턴에 따라 정확한 포지셔닝을 얻을 수 있다.

적합한 스테퍼 모터 선택

작은 스텝의 회전 운동을 제공해 온 종래의 스테퍼 모터는 몇몇 산업 및 의료 분야에서 활용 가능하다. 하지만 전자 팽창 밸브에서는 선운동과 더불어 시스템 압력이 상승 시 밸브 포트를 닫는 선형력 또한 필요하다. 이 때문에 사용자는 밸브용 스테퍼 모터 선택 시 ‘출력 토크/세기, 속도, 스텝 분해능, 구동 시스템’과 같은 요소를 반드시 고려해야만 한다.

출력 토크/세기

스테퍼 모터에서 발생하는 출력 토크 및 세기는 모터 크기, 듀티 사이클, 모터 권선 및 활용되는 드라이버 종류의 함수이다. 일반적으로 제조업체의 데이터 시트에는 Pull-In 및 Pull-Out 토크가 여러 종류의 모터 및 드라이버 조합과 관련된 스테핑 레이트의 함수로 명시되어 있다.

Pull-In 토크 곡선은 상이한 스테핑 레이트에서 스텝을 상실하지 않은 채로 모터가 기동할 수 있도록 지원하는 최대 부하 토크를 구현하며, Pull-Out 곡선은 모터가 정해진 스테핑 레이트에서 일정한 속도로 기동할 때 이용 가능한 총 토크를 보여준다.

회전식 스테퍼 모터 데이터 시트는 모두 Pull-In 및 Pull-Out 토크를 속도 곡선과 비교하는데, 사용자는 응용 분야의 부하 패턴에 따라 어느 토크를 계산할지 선택해야 한다. 만일 모터가 가속을 수행하고, 처음부터 부하가 발생할 경우에는 Pull-In 토크를 고려해야 하는데, 일반적으로 이 방법이 팽창 밸브에 적합하다고 평가받고 있다.

스텝 분해능

스테퍼 모터 시스템의 분해능에 영향을 미치는 요인에는 ‘모터의 스텝 각도, 선택된 드라이버 모드(풀스테핑, 하프스테핑 또는 마이크로스테핑), 기어 감속비, 리드 스크류 피치’ 등이 있다. 이는 사용자가 원하는 분해능을 얻을 수 있는 조합이 여러 개임을 의미하는데, 스테퍼 모터 밸브는 수백 개의 스텝을 가질 수 있기 때문에 정밀한 냉매 흐름 제어와 부드러운 적응을 구현할 수 있다. 결과적으로 이와 같은 밸브는 가변적인 부하 조건에 정확하게 대응할 수 있어 상대적으로 PWM 밸브보다 효과적이다.

구동 시스템

스테퍼 모터에 영향을 미치는 구동 시스템에는 ‘풀스테핑, 하프스테핑, 마이크로스테핑’이 있다.

풀스테핑

풀스테핑이 구현하는 풀스텝 동작에서는 모터가 기본 스텝 각도 사이에서 운동을 하는데, 예를 들어, 스텝 각도가 7.5도인 경우, 스테퍼 모터는 모터 회전당 48개의 스텝을 수행한다.

하프스테핑

하프스테핑은 풀스테핑보다 작은 스텝 운동을 하는 모드로, 분해능이 2배이며, 더 부드러운 작동을 수행한다. 사용자 입장에서 위치에 상관없이 부드러운 작동과 홀딩 토크를 일정하게 유지하려면, 줄 효과에 의해 소실되는 전력이 일정 전류원에서 모터를 구동하도록 해야 한다.

마이크로스테핑

마이크로스테핑은 펄스를 적합한 파형으로 모터에 보내는 드라이버로, 보다 낮은 속도에서 보다 부드러운 분해능을 요구하는 응용 분야에 필요한 분해능을 제공하는 데에 사용된다. 이 과정에서 마이크로스테핑은 전류를 사인파의 형태로 보내기 위해 활용되는데, 이 때 2개의 스텝 코일이 이 사인파를 따르게 되면, 결과적으로 모터가 조용하고 부드러운 작동을 수행할 수 있게 된다.

결론

전자 팽창 밸브를 사용하는 주된 이유로는 과열을 최소화해 시스템 효율을 개선하고 가변적인 정전 용량 요건에 보다 신속하게 대응하는 것을 들 수 있다. 두 가지의 밸브 기술이 모두 이 요건을 충족시킬 수는 있지만, 스테퍼 모터 밸브가 올바르게 설계되기만 한다면, 단 몇 퍼센트에 이르는 정전 용량에서도 안정을 유지할 수 있기 때문에 낮은 부하 조건 속에서 더 효율적인 솔루션으로 작용할 수 있다.

이로 인해 최근에는 시스템 설계자들이 스테퍼 모터 디자인을 최우선 순위로 설정하고 있는데, 이러한 상황 속에서 자동화 산업과 더불어 다양한 산업들에 필요한 모터 기술 및 솔루션을 제공해 온 Portescap은 밸브 본체에 쉽게 통합되어 냉매 흐름을 정밀하게 제어하는 맞춤형 서브 어셈블리 기능을 갖춘 기어 캔 스택과 직접 작동하는 선형 액추에이터 솔루션을 제공하고 있다.

자료제공 | Portescap(www.portescap.kr)