KR100304858B1 - 서멀 액튜에이터(thermal actuator) - Google Patents

Abstract

본 발명은 서멀 액튜에이터(Thermal Actuator)에 관한 것으로 온도변화에 따라 액튜에이터의 컵에 충전된 감온물질의 팽창 및 수축작용으로 가이드에 설치된 피스톤이 작동되는 액튜에이터에 있어서;

금속재질의 피스톤부재의 로드와 로드의 외부에 끼워 설치된 디프론 등의 내열성 합성수지 관상부재와 로드의 단부에 용접된 해드로 피스톤을 구성하고, 관상부재의 내부공극에 열팽창성 감온물질(왁스)을 충전하여 액튜에이터의 작동온도와, 피스톤의 마찰열에 의하여, 피스톤의 관상부재가 감온물질에 의하여 팽대되어 피스톤이 가이드 홀에서의 기밀성을 높게 유지하여 액튜에이터의 압력의 손실을 방지하고 피스톤의 사용수명을 보다 연장할 수 있게 한 것이다.

Description

서멀 액튜에이터(Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｃｔｕａｔｏｒ)

본 발명은 온도의 변화에 의하여 액튜에이터의 컵내부에 충전된 감온(感溫)물질의 팽창과 수축작용을 액튜에이터의 가이드에 설치된 피스톤이 기계적 작동으로 변환시키는 서멀 액튜에이터(Thermal Actuator)에 관한 것이다.

본 발명은 피스톤의 관상부재 내부에 감온물질을 채워 액튜에이터의 작동시에 관상부재의 내부에 충전된 감온물질에 의하여 관상부재의 팽대(膨大)로 액튜에이터의 피스톤이 가이드홀 내벽과 기밀성을 보다 높게 유지할 수 있게 구성된 것을 특징으로 한 것이다.

일반적으로 서멀 액튜에이터는 왁스 등의 감온팽창물질이 충전된 컵과, 컵과 일체로 된 가는 가이드로 형성된 몸체와, 가이드공에 삽설되어 감온물질의 온도변화에 따른 팽창과 수축작용을 기계적 운동으로 변환하는 피스톤으로 기본구성을 이루고 있다.

액튜에이터의 작동온도범위는 -9℃에서 130℃정도이며, 감온물질이 특정온도범위에서 비례관계를 유지하는 팽창 및 수축작용을 이용하는 것이므로 각각 용도에 따라 다양한 감온팽창물질이 액튜에이터의 컵에 채워저 있다.

피스톤의 작동거리는 보통 4mm ∼ 16mm정도이고 특별한 경우 목적에 따라 원하는 동작거리로 맞추어 설계할 수 도 있다.

또 컵에 충전된 감온 팽창물질의 물리적인 팽창 작동압력은 30∼80PSID정도로서 높은 편이다.

서멀 액튜에이터는 용도에 따라 다양한 구조로 구성되어 있다.

도3은 전형적인 다이아프램형 액튜에이터의 단면 예시도로서, 액튜에이터 (A)의 몸체(B)를 이루고 있는 컵(1)의 개구(1a)에 탄성재질의 다이아프램(2)이 밀폐되어 있으며, 컵(1)과 일체로 연결된 가이드(3)의 가이드홀(3a)에는 탄성고무재질의 프렁거(4)와 강재질의 피스톤(5)이 설치된 구성으로 되어 있다.

액튜에이터(A)의 컵(1)에 충전된 감온팽창물질(C)의 팽창압력이 다이아프램에 의하여 밀폐유지되며, 이러한 구조에서는 다이아프램의 팽창범위로 피스톤의 작동거리가 제한되기 때문에 피스톤의 동작거리가 극히 작다.

따라서 피스톤의 동작거리가 크게 요구되는 용도에는 적용하기 어려운 문제가 있다.

도4는 전형적인 피스톤형 액튜에이터의 단면 예시도로서 액튜에이터(A)의 몸체(B)를 이루는 컵(1)에는 왁스 등의 감온팽창물질(C)이 채워저 있고, 컵(1)과 일체로 된 가이드(3)의 가이드홀(3a)에는 고무재질의 보조 피스톤(5a)과 금속재질의 피스톤(5)이 삽입설치된 구조로 되어 있다.

컵(1)에 채워진 감온팽창물질(C)의 팽창작용을 보조피스톤(5a)과 피스톤(5)을 통하여 기계적 작동으로 변환하며 이러한 유형의 액튜에이터는 팽창계수가 큰 감온물질을 컵(1)에 충전하여 피스톤(5)의 작동거리를 보다 크게할 수 있는 이점이 있다.

따라서 기계적 작동거리가 비교적 큰 밸브의 용도에 적용하는데 적합하다.

도4에 표시된 피스톤형 액튜에이터는 다른 다이아프램형 액튜에이터에 비하여 피스톤의 동작거리가 비교적 크기 때문에 유체용량이 비교적 큰 감온 제어밸브등의 용도에 유용하게 사용되고 있다. 그러나 피스톤형 액튜에이터는 컵의 개구가 밀폐되어 있지 않고 이동가능한 고무재질의 보조피스톤에 의하여 기밀성이 유지하게 되어 있기 때문에 액튜에이터의 압력에 대한 기밀성 유지조건이 매우 취약하다. 보조 피스톤의 재질선택에 따라 약간의 차이는 있으나 보통 4∼7만번정도이고 10만번 이상의 사용이 어려운 것으로 되어 있다.

그 이상 회수의 사용에서는 보조피스톤의 마모로 인하여 액튜에이터의 팽창압력의 기밀성 유지가 어려워 액튜에이터의 작동의 신뢰성이 떨어저 액튜에이터를 교체해야 한다.

본 발명의 목적은 피스톤형 액튜에이터에 있어서;

피스톤의 기밀성 유지기능을 높히어 액튜에이터의 사용수명이 보다 연장된 새로운 액튜에이터를 제공하려는데 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 액튜에이터의 가이드홀에 삽입하는 피스톤의 구성에 있어서, 액튜에이터의 컵에 충전된 감온물질의 팽창압력을 물리적으로 강력하게 외부에 전달하는 강(鋼)재질의 피스톤 로드와, 피스톤 로드의 외주면에서 액튜에이터의 가이드 홀의 내면과 긴밀하게 접촉상태로 유동되는 디프론 수지와 같은 내열성, 내구성이 높은 합성수지재질의 관상부재로 피스톤이 구성되고 관상부재의 주면에는 복수개의 C형 탄성링이 끼워저 있으며 관상부재의 내면과 피스톤 로드 사이의 작은 공극에는 감온물질이 채워저 있다.

따라서 액튜에이터의 작동온도에서 피스톤의 관상부재 내부의 감온물질이 팽창되어 피스톤을 구성하고 있는 관상부재의 외경이 팽대되어 액튜에이터의 압력에 대한 피스톤과 가이드홀과의 기밀성이 보다 높게 유지되어 액튜에이터의 압력손실을 안전하게 방지할 수 있다.

따라서 액튜에이터의 반복사용으로 관상부재의 외주면이 마모되어도 관상부재 가 내부의 감온물질의 팽창때문에 팽대되므로 액튜에이터의 기밀성이 유지되어 종래의 것에 비하여 액튜에이터의 기능이 향상되고 사용수명이 훨씬 증대된다.

도 1은 본 발명의 액튜에이터의 단면 예시도

도 2는 본 발명의 요부인 피스톤의 일부를 절결한 사시도

도 3은 종래의 다이아프램형 액튜에이터의 단면 예시도

도 4는 종래의 피스톤형 액튜에이터의 단면 예시도

[도면중 중요한 부분에 대한 부호 설명]

A : 액튜에이터, B : 몸체,

C : 감온물질, P : 피스톤

6 : 컵, 7 : 가이드,

8 : 보조피스톤, 9 : 로드,

10 : 관상부재, 11 : 피스톤 해드이다.

도1은 본 발명의 피스톤형 액튜에이터의 단면 예시도이고, 도2는 본 발명의 요부인 피스톤의 일부를 절결한 사시도이다.

액튜에이터(A)는 몸체(B)와 피스톤(P)으로 구성되고, 몸체(B)는 일단부(6a)가 막혀 있는 컵(6)과 컵(6)의 개구부(6b)에 연결된 실린더형의 가이드(7)가 일체로 형성되어 있고 개구부(6b)와 연관된 가이드홀(7h)이 가이드 일단부(7a)에서 타단부(7b)에 이르는 소정의 길이(L)로 가이드홀(7h)이 형성되어 있다.

액튜에이터(A)의 컵(6)의 내부에는 왁스 등의 통상의 감온팽창물질(C)이 채워저 있으며 컵(6)의 개구부(6b)측 가이드홀(7h)에는 보조피스톤(8)의 일측면(8a)이 컵(6)내부와 대향하여 감온 팽창물질(C)의 팽창 압력을 받을 수 있게 설치되어 있고, 가이드홀(7h)에는 감온물질(C)의 팽창압력을 외부로 전달하는 피스톤(P)이 보조피스톤(8)의 타측면(8b)과 접촉되게 설치된 피스톤형 액튜에이터에 있어서, 본 발명의 액튜에이터의 피스톤(P)은 다음과 같은 구성으로 되어 있다.

즉 본 발명의 피스톤(9)은 축심을 이루는 철강재질의 피스톤 부재인 로드(9)와, 로드(9)에 끼워저, 액튜에이터의 압력에 대한 피스톤과 가이드홀과의 기밀성을 높게 유지하기 위한, 합성수지재질의 관상부재(10) 및 액튜에이터의 압력을 기계적운동으로 변환하는 피스톤의 해드(11)로 결합 구성 되어 있다.

피스톤의 로드(9)는 압력을 전달하기에 충분한 강도를 유지하는 철강재질로서 피스톤(P)의 축심(軸芯)을 이루며 로드의 일단부(9a)에서 타단부(9b)에 이르는 전장은 피스톤(P)의 길이(L)와 같고 액튜에이터(A)의 가이드(7)의 타단부(7b)외측으로 돌출된 해드(11)에 연결되어 액튜에이터의 압력을 헤드(11)에 전달하는 역할을 한다.

로드(9)의 일단부(9a)에는 플랜지형의 납작한 압력판(9f)이 형성되어 보조피스톤 (8)의 타측면(8b)에 접촉되어 팽창압력을 받게 되어 있다.

관상부재(10)는 내열성, 내구성이 양호한 디프론 수지와 같은 합성수지재질로 서 외견(10r)은 피스톤(P)의 소정의 굵기를 이루는 관상으로 되어 있고 관상 부재(10)의 일단부(10a)에서 타단부(10b)에 이르는 길이는 피스톤로드(9)의 약 3분의 2정도이며,

관상부재(10)의 일단부(10a)는 보조피스톤(8)의 타측면(8b)에 밀접되어 있다. 관상부재(10)의 중심공(10h)에 로드(9)의 일단부(9a)와 압력판(9f)이 감합(嵌合)되어 있으며, 상기 중심공(10h)의 확장부(10h')에서는 로드(9)와 공극(c)을 이루고 있다. 이 공극(c)에는 상온에서는 고체상(固體狀)인 감온팽창 물질(C')이 채워져 있고 액튜에이터의 작동온도에서 이 감온팽창물질의 팽창에 의하여 합성수지재질인 관상부재(10)가 팽대(膨大)되어 액튜에이터의 압력에 대한 가이드홀과 피스톤과의 기밀성을 높게 유지하게 된다.

관상부재(10)의 주면에는 복수개의 삽입홈(10d)이 형성되어 C형의 탄성링(10s)이 끼워저 관상부재(10)를 보강할 수 있게 되어 있다.

또 관상부재(10)의 주면에는 요홈(10g)이 형성되어 액튜에이터의 작동중에 가이드홀에 생기는 이물질을 수용할 수 있게 되어 있다.

피스톤해드(11)는 로드(9)와 같은 금속재질로서 관상부재(10)와 같이 소정의 피스톤(P)의 외경을 가지며 관상부재와 연장하여 피스톤의 소정의 길이를 이룬다.

피스톤 해드(11)의 중심공(11h)에는 로드(9)가 관통되어 있고 피스톤 해드(11)의 일단부(11a)에 형성된 관상(管狀)의 삽입부(11d)가 관상부재(10)의 타측단부(10b)에서 중심공(10h)의 확장부(10h')에 삽입되어 공극(c)을 밀폐하는 마개(栓)의 기능으로 결합되고 관상부재(10)의 타측단부(10b)와 피스톤 해드(11)의 일단부(11a)가 밀착되어 있다.

피스톤 해드(11)의 타측단부(11b)에서 피스톤 로드 (9)의 타측단부(9b)를 용접하여 용접부(12)에 의하여 로드(9)와 해드(11)가 일체로 되어 있다. 이 피스톤은 가이드 홀(7h)에서 분리하여 피스톤의 교체사용이 가능하다.

본 발명은 도면에 의하여 설명하였으나, 피스톤의 관상부재가 감온팽창물질에 의하여 팽창되어 액튜에이터의 압력에 대한 피스톤의 기밀성을 높게 유지하는 본 발명의 기술의 범위내에서 피스톤의 설계적인 변경이나 통상의 지식을 가진자가 본 발명으로 부터 용이하게 실시할 수 있는 것도 본 발명의 기술에 속하는 것임을 부언한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용은 다음과 같다.

본 발명의 액튜에이터는 액튜에이터의 사용영역에 모두 적용되며, 액튜에이터(A)의 몸체(B)는 적당한 지지구나 고정구에 의하여 고정시키고 컵(6)은 온도감지 대역(帶域)에 위치시키며 피스톤(P)의 해드(11)는 밸브나 기타 제어동작기구에 동작을 전달할 수 있는 조건으로 연결설치하여 사용한다.

액튜에이터(A)의 몸체(B)에 형성된 컵(6)에 충전된 감온물질(C)이 예컨데 50℃에서 작동되는 것이라고 하면 피스톤(P)을 구성하고 있는 관상부재(10)내부의 공극(c)에 충전된 감온물질(C')은 상기 작동온도보다 약 10℃ 정도 낮은 예컨데 40℃에서 팽창되는 감온물질을 충전하여 피스톤의 작동전에 관상부재(10)가 팽대될 수 있게 한다.

따라서 액튜에이터(A)의 컵(6)에 감지된 온도가 작동온도(50℃)에 이르면 컵(6)에 충전된 감온물질(C)의 팽창작용으로 피스톤(P)은 가이드(7)의 외측으로 작동하여 신장된다.

즉 컵(6)내부의 감온물질(C)의 팽창압력을 보조피스톤(8)이 받아 피스톤(P)의 로드(9)의 압력판(9f)에 전달되어 피스톤(P)의 관상부재(10)와 해드(11)가 함께 가이드홀(7h)의 우측(도면의)으로 이동되어 압력에 상응한 힘으로 해드(11)가 이에 연결된 제어기구를 작동시킨다.

또 작동온도 이하로 강하되면 컵(6)에 담긴 감온물질(C)이 수축되며 이에 따라 피스톤(P)은 가이드홀(7h)의 좌측(도면의)으로 이동 수축된다.

이 경우에는 도시되지 않은 복귀 스프링에 의하여 복귀된다. 이러한 액튜에이터(A)의 동작은 일반적이다.

본 발명의 액튜에이터의 동작에서 주목할 부분은 피스톤의 기능이다.

피스톤형 액튜에이터(A)에서는 장기간 반복사용하는 중에 피스톤(P)의 외주면이 가이드 홀(7h)과의 마찰에 의하여 마모된다.

피스톤의 외경이 마모되면 기밀성의 유지력이 약화되어 감온물질의 팽창압력에 대한 피스톤의 힘이 약화된다.

그러나 본 발명의 피스톤은, 로드(9)에 끼워 설치된 관상부재(10)의 일측단부 (10a)는 내열, 내구성의 합성수지로서 컵(6)에 담긴 감온물질(C)의 팽창압력을 받는 보조피스톤(8)의 타측면(8b)과, 또 로드(9)의 압력판(9f)과 밀접되어 있고 관상부재(10)의 타측 단부(10b)는, 로드(9)와 용접된 피스톤 해드(11)의 일측단부(11a)에 밀착되어 샌드위치 상태에 있다.

또 액튜에이터(A)의 작동온도에 도달하기 전에서 관상부재(10) 내부의 확장부 (10h')의 공극에 층전된 감온물질 (C')이 먼저 팽창되므로 액튜에이터(A)의 작동시에 관상부재(10)의 외경이 팽대되어 가이드 홀(7h)의 내벽과 밀착된다.

따라서 가이드홀(7h)의 기밀성이 높게 유지되어 컵(6)에서 보조피스톤(8)에 전달된 압력을 손실 없이 피스톤 해드(11)에 전달하게 된다.

이때 감온물질(C')의 팽창율은 작동온도에서 체적의 약 8∼12% 정도 팽창되므로 관상부재(10)의 확장부(10h')의 공극(c)단면폭이 1mm이라고 하면 이 공극에 채워진 감온물질(C')의 측면에 대한 팽창크기는 0,1mm정도이므로 이 정도의 팽창에서는 액튜에이터(A)의 피스톤의 마모가 없는 경우라 해도 몸체(B)인 가이드(7)가 관상부재의 측면압력으로 변형되지 않으며, 관상부재(10)의 외주면이 마모되면 마모된 만큼 관상부재의 팽창압력이 마모된 부분을 보상하게 되어 피스톤의 기밀성이 항상 양호하게 유지된다.

또 상기 공극(c)에 채워진 감온물질(C')의 량에 비하여 컵(6)에 채워진 감온물질(C)의 양이 현저하게 크기 때문에 컵(6)의 감온물질의 팽창얍력이 훨씬 높아, 피스톤은 원활하게 작동된다.

또 액튜에이터(A)의 복귀 온도에서는 관상부재(10)내부의 감온물질(C')의 압력이 보다 작게 되므로 관상부재(10)의 재질적 복원성과 관상부재(11)의 홈(10d)에 삽입된 탄성링(10s)의 탄성에 의하여 수축되므로 가이드홀(7h)의 내면에 대한 피스톤의 측면압력이 보다 저하되어 복귀저항이 작아진다.

또 반복사용하는 동안 피스톤의 외경이 마모되고 재질적으로 피로상태가 되어도 확장부(11h')에 채워진 감온물질(C')에 의하여 관상부재(10)의 팽대기능을 유지하고 있기 때문에 피스톤의 기밀성을 계속 유지하여 액튜에이터의 사용수명이 보다 길게 연장될 수 있다.

본 발명에서는 피스톤형 액튜에이터에 있어서;

피스톤을 로드와 관상부재와 해드로 결합구성하여 관상부재 내부의 공극에 감온물질을 충전밀폐하여 액튜에이터의 작동온도 및 피스톤의 마찰온도에 의하여 감온물질의 팽창압력에 의하여 피스톤의 관상부재가 팽대되어 가이드홀의 기밀성을 유지할 수 있게 구성하였기 때문에 액튜에이터의 사용으로 피스톤의 외주면이 마모되어도 관상부재의 팽대작용으로 마모된 외경이 보상되어 액튜에이터의 압력에 대한 피스톤의 기밀성이 유효하게 유지되어 종래의 것에 비하여 액튜에이터의 사용수명이 훨씬 연장되는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 액튜에이터(A)의 몸체(B)와 피스톤(P)으로 구성되어 컵(6)에 충전된 감온물질(C)의 팽창 및 수축작용으로 가이드(7)의 가이드홀(7h)에 설치된 보조피스톤(8)과 피스톤(P)이 작동하게 된 피스톤형 액튜에이터에 있어서;

   피스톤(P)은, 피스톤의 축심을 이루는 로드(9)와, 상기 로드(9)이 끼워저 내부의 공극에 충전된 감온물질에 의하여 외경이 팽대되어 피스톤이 삽입된 가이드홀 (7f)의 기밀성을 유지하는 관상부재(10)와, 액튜에이터의 컵(6)에 담긴 감온물질의 팽창압력을 기계적으로 변환하는 해드(11)로 구성 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
2. 제1항에 있어서;

   피스톤의 축심인 철강재질의 로드(9)는 철강재질로서 피스톤(9)의 전 길이로 되어 있고 로드(9) 일측단부(9a)에 보조피스톤(8)의 압력을 받는 플랜지형의 압력판(9f)이 형성되며, 관상부재(10)를 끼워 로드(9)의 타측단부 (9b)를 해드(11)와 용접하게 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
3. 제1항에 있어서;

   디프론 수지와 같은 내열, 내구성의 합성수지 재질로 된 관상부재(10)는 피스톤의 외경을 이루는 관상으로 되어 있고 관상부재(10)의 중심공(10h)을 상기 로드(9)에 끼워 결합하고 관상부재(10)의 중심공의 확장부 (10h')는 감온물질(C')이 충전되는 공극(c)이 형성된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
4. 제3항에 있어서;

   관상부재(11)의 주면에 복수개의 스프링 삽입홈(10d)이 형성되어 C형 탄성링(10s)이 끼워 관상부재를 보강하게 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
5. 제1항에 있어서;

   철강재질로 된 해드(11)는 해드(11)의 중심공(11h)이 로드(9)에 삽입되어 해드(11)의 일측 단부에 형성된 관상 삽입부(11d)가 상기 관상부재(10)의 확장부(10h')에 끼워 감온물질(C')이 충전된 공극(c)이 밀폐되고 로드(9)의 타측단부(9b)와 해드(11)의 타측단부(11b)가 용접되어 용접부(12)에 의하여 일체로 고정 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
6. 제1항에 있어서;

   피스톤(P)의 관상부재(10)의 내부 공극(c)에 충전된 감온물질(C')에 의하여 액튜에이터의 작동온도에서의 관상부재(10)가 팽대되어 가이드홀(7h)과의 기밀성을 유지되는 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터
7. 제1항에 있어서;

   관상부재(10)의 확장부(10h')에 층전된 감온물질(C')은 컵(6)에 충전된 감온물질(C)에 비하여 10℃정도 낮은 온도에서 팽창되어 관상부재의 외경을 팽대시키는 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
8. 제1항에 있어서;

   컵(6)에 충전된 감온물질(C)의 팽창압력이 보조피스톤(8) 및 피스톤(P)의 로드(9)를 통하여 해드(11)로 전달하여 기계적 작동으로 수행하게 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
9. 제3항에 있어서;

   관상부재(10)는 로드(9)의 압력판(9f)과 로드(9)에 용접된 해드(11)사이에 샌드위치 상태로 고정되어 외경이 팽대 및 수축할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터
10. 제3항에 있어서;

    관상부재의 외주면에 복수개의 요홈(10g)이 형성되어 작동중에 가이들홀(7h)에서 생긴 이물질을 수용하게 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
11. 제1항에 있어서;

    피스톤(P)의 길이는 액튜에이터 몸체(B)의 가이드(7)의 길이보다 길어 해드(11)가 가이드(7)의 일측단부의 외측으로 돌출 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.
12. 제1항에 있어서;

    피스톤(P)은 가이드홀(7h)에서 분리하여 피스톤을 교체가능하게 된 것을 특징으로 하는 서멀 액튜에이터.