KR0175167B1 - 스풀형 전환밸브 - Google Patents

Abstract

파일럿구동의 스풀형 전환밸브에 있어서, 밸브몸체의 가로폭과 각 포트 및 밸브구멍의 크기 등을 응답성을 크게 손상시키지 않는 범위 내에서, 단위시간당 유체유량이 가장 많게 되는 효율 좋은 치수관계로 하는 것에 의하여, 유체의 전환능력을 높인 것이고, 밸브의 내경과 포트의 개구가로지름 등을 밸브몸체의 가로폭(W)에 따라서 정한 크기의 대략 최대한의 것으로 하고, 각 포트의 밸브구멍 축선방향의 길이인 개구세로지름(a)을 a/W²에 따라서 부여되는 지수가 1.5∼2.2×10^-2이 되는 크기로 설정한다.

Description

스풀형 전환밸브

제1도는 본 발명의 스풀형 전환밸브의 한 실시예를 표시한 단면도.

제2도는 제1의 실시예의 하면도.

제3도는 복수의 스풀형 전환밸브를 매니호올드 기초부 위에 장착한 매니호올드형 전환밸브 집합체의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전환밸브 2 : 매니호올드 기초부

4 : 밸브몸체 5 : 밸브구멍

6 : 입력구 7a,7b : 출력구

8a,8b : 배출구 10,11 : 앤드플레이트

12 : 스풀 13 : 피스톤

14 : 피스톤실 15 : 파일럿포트

16 : 복귀스프링 W : 가로폭

P : 입구포트 A,B : 출구포트

EA,EB : 배출포트

본 발명은 소형으로 대유량의 유체를 전환할 수가 있도록 효율적으로 설계된 파일럿(pilot)구동의 스풀형 전환밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매니호올드(manifold)기초부 위에 병렬 배치하는데 있어서 가로폭을 크게 하는 것 없이 유량 및 응답성을 개선할 수 있도록 한 파일럿구동의 스풀형 전환밸브에 관한 것이다.

종래로부터 매니호올드 기초부 위에 병렬 배치하는 전환밸브로서 잘 알려져 있는 파일럿구동의 스풀형 전환밸브는 일반적으로 압력유체가 흐르는 복수의 포트(port)와 이들 포트와 연통하는 밸브구멍을 구비한 가는길이의 직방체형상을 이루는 밸브몸체 및 상기한 밸브구멍 내에 축선방향으로 접동 자재하게 배치된 스풀을 구비하고, 그 스풀을 파일럿유체압으로 축선방향으로 접동시키는 것에 의하여 복수의 포트 사이에 유체의 흐름방향을 전환하도록 구성되어 있다.

이와 같은 파일럿구동의 스풀형 전환밸브에 요구되는 중요한 성능은 단위시간당 유체의 유량이 크고, 또 응답성이 빠른 것이다. 또한, 복수의 스풀형 전환 밸브를 다기배관을 위한 매니호올드 기초부 위에 병렬 배치하는 매니호올드형 전환밸브 집합체에 있어서는 응답성을 고려하면서, 유량에 비하여 각 스풀형 전환밸브의 설치피치(p)를 가능한 한 작게 하는 것, 즉 스풀형 전환밸브의 가로폭을 작게 하는 것이 요구된다.

더구나, 이 매니호올드형 전환밸브는, 그것을 설치하는 경우에 밸브몸체의 밸브구멍방향으로는 출력배관, 전기적배선 등을 설치하는 것으로, 그 방향의 설치 공간에는 여유가 있는 것이 통상적인 예이고, 그 때문에 스풀형 전환밸브가 그 밸브구멍방향으로 약간 길게 되는 것이 있어도, 상술한 바와 같이 특히 스풀형 전환밸브의 가로폭을 작게 하는 것이 요구된다.

그런데, 상기한 스풀형 전환밸브에 있어서 각 포트의 개구지름이나 스풀이 수용되어 있는 밸브구멍의 직경 등은 밸브몸체의 가로폭에 따라서 크기가 제한되고, 상기한 설치피치(p)를 작게 하기 위하여 밸브몸체의 가로폭을 좁게하면, 이것들의 포트개구지름과 밸브구멍직경도 필연적으로 작게 될 수 밖에 없고, 그 결과 단위시간당 유체유량이 적게 된다.

이 때문에, 밸브몸체의 가로폭을 좁게 하여도 유량이 저하되지 않고, 또는 밸브몸체의 가로폭이 변하지 않게 되면, 보다 대유량의 유체를 전환할 수 있는 능력을 유지하도록 하는 것이 스풀형 전환밸브의 소형화를 도모하는 면에서 필요하게 된다. 그러나, 이 경우에 밸브몸체를 밸브구멍 방향으로 길게 하여 스풀의 행정을 증대시키는 것은 응답성의 저하에 관계되는 것으로 되므로 이 응답성을 크게 손상시키지 않도록 충분히 배려하지 않으면 않된다.

본 발명의 목적은 파일럿구동의 스풀형 전환밸브에 있어서 밸브몸체의 가로폭을 좁게 하여도 유량이 저하되지 않고, 또는 밸브몸체의 가로폭이 변하지 않으면, 보다 대유량의 유체를 전환할 수 있는 능력을 보유하도록 하여, 스풀형 전환밸브의 소형화를 도모하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 스풀형 전환밸브의 소형화를, 밸브몸체를 밸브 구멍 방향으로 약간 길게 하여도, 파일럿구동의 스풀형 밸브구멍에 있어서 응답성을 크게 손상시키지 않는 범위 내에서 실현하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 파일럿구동의 스풀형 전환밸브를 단위시간당 유체유량이 가장 많게 되도록 효율 좋는 치수관계로 설정하는 것에 의하여, 유체의 전환능력이 우수한 스풀형 전환밸브를 얻는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 있어서는 압력유체가 흐르는 복수의 포트와 이것들의 포트가 연통하는 밸브구멍 등을 구비한 가는길이의 직방체 형상을 이루는 밸브몸체외, 상기한 밸브구멍 내에 축선방향으로 접동 자재하게 배설된 스풀과, 파일럿유체에 따라서 상기한 스풀을 구동하는 피스톤 등을 구비하고, 그 스풀을 피스톤에 의하여 축선방향으로 접동시키는 것에 의하여 복수의 포트 사이의 유체의 흐름방향을 전환하는 스풀형 전환밸브에 있어서, 상기한 각 포트의 개구형상을 직사각형으로 하고, 상기한 밸브구멍의 내경과 각 포트의 밸브구멍 내경방향의 길이인 개구가로지름 등을, 밸브몸체의 가로폭(W)에 따라서 정해지는 크기의 대략 최대한의 것으로 설정하고, 각 포트의 밸브구멍 축선방향의 길이인 개구세로지름(a)를, a/W²에 따라서 부여되는 특징량이 1.4∼2.5×10^-2으로 되도록 한 크기, 바람직하게는 1.5∼2×10^-2으로 되도록 크기로 설정한 것을 특징으로 하는 스풀형 전환밸브가 제공된다.

상기한 본 발명의 스풀형 전환밸브는 그 복수를 다기배관을 위한 매니호올드 기초부 위에 병렬배치하는 것에 의하여 매니호올드형 전환밸브 집합체가 구성된다.

[실시예]

제1도는 제2도는 본 발명에 관한 파일럿구동의 스풀형 전환밸브의 실시예를 표시하는 것으로서, 이 전환밸브(1)의 가는길이 직방체형상을 이루는 밸브몸체(4)는 압축공기 등의 압력유체가 흐르는 중앙의 입구포트(P)와, 그 양측의 출구포트(A,B)와, 또 그 양측의 배출포트(EA,EB)를 보유함과 아울러, 이것들의 각 포트가 연통하는 밸브구멍(5)을 긴쪽방향으로 구비하고, 그 밸브구멍(5)내로 스풀(12)이 축선방향으로 접동 자재하게 수용되어 있다. 상기한 각 포트는 그 개구형상(유로단면형상)이 최대개구면적을 얻는 직사각형을 이루고, 이들의 포트가 밸브구멍(5)의 축선방향으로 일렬로 나란한 상태로 설치되고, 상기한 스풀(12)이 축선방향으로 접동하는 것에 따라서, 입구포트(P)를 좌우 어느 한쪽을 출구포트(A,B)에 전환하고, 입구포트(P)에 연통하지 않은 다른쪽의 출구포트를 그것에 인접하는 배출포트에 전환하도록 되어 있다.

상기한 밸브몸체(4)의 긴쪽방향 양단에는 각각 앤드플레이트(10,11)가 설치되고, 한쪽의 앤드플레이트(10)는 스풀(12)의 축선방향으로 접동 자재한 피스톤(13)을 내장한 피스톤실(14)과, 그 피스톤실(14)에 파일럿유체를 급배(給排)하는 파일럿포트(15)를 구비하고, 다른쪽의 앤드플레이트(11)와 스풀(12) 사이에는 그 스풀(12)을 복귀시키기 위한 복귀스프링(16)이 축설(縮設)되고, 상기한 피스톤실(14)에 대향하여 파일럿유체를 공급 또는 배출하므로서 피스톤(13)을 통하여 스풀(12)이 왕복 구동시키도록 되어 있다.

상기한 구성을 보유하는 스풀형 전환밸브(1)는 제3도에 표시하는 것과 같이 다기배관을 위한 매니호올드 기초부(2)위에 복수개 설치되고,이것에 의하여 매니호올드형 전환밸브 집합체가 구성되어 있다. 이 경우, 각 전환밸브(1)의 입구포트(P), 출구포트(A,B), 배출포트(EA,EB)는 각각 매니호올드 기초부(2)에 설치된 입력구(6), 출력구(7a,7b), 배출구(8a,8b)에 연통되어 있다. 입력구(6)는 공기압력원에 접속되고, 출력구(7a,7b)는 구동할려고 하는 공기압 구동기구에 접속되고, 배출구(8a,8b)는 집합 배기하는 배기관에 접속되는 것이다.

이와 같은 매니호올드형 전환밸브 집합체를 전환밸브의 배열방향으로 가능한 만큼 소형화하는 데에는 각 전환밸브(1)의 설치피치(p)를 가능한 한 작게 하는 것이 필요하고, 이를 위해서는 각 전환밸브(1)의 가로폭을 작게 하지 않으면 않되지만 전환밸브(1)의 가로폭을 작게 하면 그것에 따라서 각 포트의 개구지름이나 밸브구멍(5)의 내경이 작게 되기 때문에, 단위시간당 유체유량이 적게 된다. 그러나, 이 경우에 포트의 개구지름의 확대등으로 인하여 밸브몸체를 밸브구멍방향으로 길게 하면 스풀의 행정을 증대시키는 것으로 되고, 이것은 응답성의 저하에 관계되는 것으로 되므로, 이 응답성을 크게 손상하지 않도록 충분히 고려하지 않으면 않된다.

그래서 본 발명에 있어서는 전환밸브(1)를 가로폭 방향으로 소형화 하여도 큰 유체유량을 확보할 수 있도록, 스풀형 전환밸브(1)에 있어서 밸브몸체(4)의 가로폭과, 각 포트및 밸브구멍(5)의 크기를 전환밸브의 응답성을 크게 손상하지 않는 범위내에서, 단위시간당 유체유량이 가장 많게 되도록 효율적인 관계로 설정하고 있다.

이하에 그것을 구체적으로 설명한다.

상기한 스풀형 전환밸브(1)에 있어서, 밸브몸체(4)의 가로폭(W)이 정해지면, 각 포트의 최대가로지름(밸브구멍 내경방향의 길이)bmax, 피스톤(13)의 최대직경임과 동시에 대개 밸브구멍중의 유로의 최대지름인 d₀max, 및 스풀(13)의 최대직경 d₁max도, 그 가로폭(W)에 대개 비례하는 것으로서 필연적으로 정해진다. 또, 밸브지름중에서 그 축선방향의 유로를 형성하는 스풀(12)의 소경부의 최소직경d₂min은 그 스풀(12)의 기계적 강도에 따라서 결정된다.

여기서, 각 포트의 개구면적(유로단면적)이 같다고 하고, 그것들의 단면적을 S₁,포트의 세로지름(밸브구멍 축선방향의 길이)을 a라고 하면,이고, 이 내부포트의 가로지름(b)은 밸브몸체(4)의 가로폭(W)에 따라서 최대값이 결정되지만, 세로지름(a)은 밸브몸체(4)의 가로폭(W)에 관계없이 변경 가능하다.

또, 스풀(12)에 의하여 제한적으로 개방된 포트와 밸브구멍(5)을 연통시키는 원주방향 개구부의 개구면적(S₂)은 스풀(12)의 개방행정을 t₁으로 하면,으로 되고, 이 내부스풀(12)의 직경(d₁)은 밸브몸체(4)의 가로폭(W)에 따라서 최대값이 결정되지만, 스풀(12)의 개방행정(t₁)은 밸브몸체(4)의 가로폭(W)에 관계없이 변경 가능하다.

또, 밸브구멍(5)의 스풀(12)의 소경부를 걸어감은 축선방향유로의 단면적(S₃)은,이고, 이것은 밸브몸체(4)의 가로폭(W)과 스풀(12)의 기계적 강도에 의하여 일반적으로 결정되는 것이다.

여기서, 스풀형 전환밸브(1)에 필요한 기능인 단위시간당 유량은 유효단면적(S₀)으로 표시할 수가 있다. 예를 들면, 입구포트(P)로부터 출구포트(A,B)로 흐르는 경우의 유로전체의 유효단면적(S₀)은 포트(P)및 포트(A,B)의 개구면적(S₁)과, 포트와 밸브구멍(5)을 연통하는 원주방향 개구부의 개구면적(S₂)과, 밸브구멍(5)의 축선방향 유로의 단면적(S₃)과의 합성값으로 부여하면,

으로 된다.

한편, 피스톤(13)의 구동력과 복귀스프링(16)의 반발력과의 관계는 예를 들면 1:1등 적당히 정할 수가 있으므로, 이것들의 힘관계의 비가 일정한 원인에 있어서 응답시간에 영향이 있는 것은 피스톤실(14)의 용적(V₀)이고, 이 용적(V₀)은 피스톤(13)의 행정을 t₀로 하면,으로 표시되고, 스풀형 전환밸브(1)의 응답시간을 T₀로 하면,

로 표시할 수가 있다.

여기서, 스풀형 전환밸브(1)에 필요한 기능인 단위시간당 유량은 상기한 유효단면적(S₀)에 비례하여, 또 스풀형 전환밸브(1)의 응답시간(T₀)가 짧은 것이 요구되므로, 이것을 고려하면 효율적 설계의 척도 η는,

로 할 수가 있다. 그렇지만, 유효단면적(S₀)과 응답시간(T₀)을 동등하게 평가할수가 없으므로, 각각의 가중값을 가미하면, 일반적으로는,

으로서 표시할 수가 있다.

상기한 식(3) 또는 식(4)의 계산을 실시하기 위한 b, d₁이 W에 비례한다고 가정하고, 상기한 식(1)을 계산하면,

이므로, 식(1)에 각각을 대입하는 것에 의하여.

로 표시할 수가 있다.

여기서, S₂는 스풀(12)의 랜드(land)에 의한 축방향의 개구길이(t₁)에 따라서 변화하고, 이 길이(t₁)는 피스톤(13)의 행정(스풀의 개방행정)(t₀)에 따라서도 영향을 받지만, 다른 요소에 비하여 비교적 임의로 설정 가능한 값이므로, 이 S₂는 생략하고, 또 S₃는 d₂라고 하는 밸브몸체가 크기와 비교적 관계가 없는 값의 영향을 받고, 포트의 세로지름(a)에 영향을 주는 가능성이 적은 것이므로, 계산을 간략화하기 위하여 각각을 무시하고, 상기한 S₀를 S₁만으로서 표시하면,

으로 된다.

또한, 피스톤(13)의 행정(t₀)은 각 포트의 세로지름(a)과 비례적으로 변화하고, 피스톤지름(d₀)은 W에 비례한다고 가정할 수가 있으므로, 식(2)에 따라서 표시한 응답시간(T₀)은,

로 표시할 수가 있다.

그래서, 이것들에 따라서 식(4)의 계산을 실시하면 좋지만, 유효단면적(S₀)과 응답시간(T₀)과의 가중값을 어느 정도로 가미하고, m,n을 어떻게 설정하는가 라는 문제가 있다.

그 때문에, 본 발명자는 포트의 세로지름(a)과 밸브몸체(4)의 가로폭(W)에 착안하여 각종 실험, 계산을 실시한 바, a/W²라는 값이 스풀형 전환밸브의 성능을 평가하기 때문에 특징량으로서 유효하고, 이것이 1.4∼2.5×10^-2의 범위, 바람직하게는 1.5∼2.2×10^-의 범위의 값을 취할 때에 스풀형 전환 밸브가 소기의 성능을 발휘하는 것을 확인했다. 또, 상술한 각종 가정, 계산의 간략화가 큰 오차의 원인으로 되어 있지 않다면, 이것은 m=3, n=4의 경우에 해당한다.

이 스풀형 전환밸브의 성능은 이하에 표시하는 유량의 측정에 의하여 그것이 2배이상으로 이른는 것을 확인하고, 또 응답성에 있어서는 적게는 20ms, 바람직하게는 10ms이라는 응답시간의 목표값을 달성할 수 있는 것을 확인하고 있다.

이와 같은 결과는,

으로 되고(F는 함수기호),(a/W²)×100이 1.4∼2.5의 범위내에서 η이 일정값이상이라는 것을 의미하는 것이다. η자체의 계측이 곤란하기 때문에, 그 값을 수치적으로 구할 수 없지만, 밸브의 각부치수를 다르게 한 실시품에 의하여 다음과 같은 결과를 얻을 수가 있었다. 하기의 표 가운데 유량의 평가는 종래예의 W가 같은 것에 대하여 유량이 대개 2배이상인 것을 ○으로 표시한 응답성의 평가에 관해서는 응답시간이 20ms이하의 제품은 ○으로 표시하고 이것들 이외를 ×로 표시한다.

Claims (3)

1. 압력유체가 흐르는 복수의 포트와 이것들의 포트가 연통하는 밸브구멍(5)을 구비한 가는 길이의 직방체 형상을 이루는 밸브몸체(4)와, 상기한 밸브구멍내에 축선방향으로 접동 자재하게 배치한 스폴(12)과, 파일럿유체에 의해 상기한 스폴을 구동하는 피스톤(13)등을 구비하고, 그 스풀을 피스톤에 의하여 축선방향으로 접동시키는 것으로 복수의 포트 사이의 유체의 흐름 방향을 전환하는 스풀형 전환밸브(1)에 있어서, 상기한 각 포트의 개구형상을 직사각형으로 하고, 상기한 밸브구멍의 내경과 각 포트의 밸브구멍 내경방향의 길이인 개구가로지름을, 밸브몸체의 가로폭(W)에 따라서 정한 크기의 대략 최대한의 것으로 설정하고, 각 포트의 밸브구멍 축선방향의 길이인 개구세로지름(a)을 a/W²에 따라서 부여하는 특징량이 1.4∼2.5×10^-2으로 되도록 한 크기로 설정한 것을 특징으로 하는 스풀형 전환밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 포트의 밸브구멍(5) 축선방향의 길이인 개구세로지름(a)을 a/W²에 따라서 부여되는 특징량이 1.5∼2×10^-2으로 되도록 한 크기로 설정한 것을 특징으로 하는 스풀형 전환밸브.
3. 제1항 또는 제2항의 스풀형 전환밸브(1)를, 다기 배관을 위한 매니호울드 기초부 위에 복수개 설치한 것을 특징으로 하는 매니호울드형 전환밸브 집합체.