KR100367152B1 - 밸브 개폐장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형상 기억합금을 이용하여 밸브의 유로를 개폐할 수 있도록 한 밸브 개폐장치에 관한 것으로서, 형상기억부재를 이용하여 배브를 제작하되, 1개의 형상기억부재만으로 밸브의 개폐가 가능하도록 하고, 최소화된 수의 저가 부품만으로 작동의 신뢰성이 높은 밸브 개폐장치를 제공하는 것이다.

Description

밸브 개폐장치{SWITCHGEAR FOR VALVE}

본 발명은 밸브 개폐 장치에 관한 것으로, 특히 형상 기억 합금을 이용하여 밸브의 유로를 개폐할 수 있도록 한 밸브 개폐 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 밸브는 관속을 흐르는 기체 또는 액체의 유입, 유출을 조절하는 유압 장치의 일요소로서 그 기능에 따라 여러 가지 구조를 가진다. 이러한 밸브는 수동 조작과 자동 조작에 의해 작동되는데, 최근에는 유압 장치가 정밀하게 제작되면서, 하나의 유압 장치에 많은 밸브가 설치되므로, 수동 조작 밸브보다는 자동 조작 밸브가 더 많이 사용된다.

자동 조작 밸브는 보통 모터나 솔레노이드를 구동원으로 하여 조작된다. 도1 및 도2는 종래 기술에 따라 밸브에 모터나 솔레노이드가 각각 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1 및 도2에 도시된 밸브는 잘 알려진 통상적인 밸브로서 밸브 유로(100)가 구비된 밸브 케이싱(101)과, 밸브의 유로를 개폐하는 밸브 부재(102)로 이루어져 있다. 밸브 부재(102)는 밸브 케이싱(101)에 설치된 스프링(103)의 팽창력에 의해 유로 연결 개구(104)를 차단하는 밸브 시트(105)와, 밸브 시트(105)가 일단부에 설치된 밸브 로드(106)로 이루어져 있다.

이와 같이 이루어진 밸브는 외부의 힘을 동력원으로 하여 밸브 유로(100)가 개방 또는 폐쇄된다. 즉, 밸브 로드(106)를 외부에서 당기면 스프링(103)이 수축하면서 밸브 시트(105)가 유로(100)를 개방하고, 당기는 힘이 해제되면 스프링(103)의 복원력에 의해 밸브 시트(105)가 유로(100)를 폐쇄한다.

외부에서 당기는 힘을 공급하기 위해 종래에는 도1 및 도2에 도시한 바와 같이 모터(107)와 솔레노이드(108)를 이용하였다. 도1를 살펴보면, 밸브 로드(106)가 소정의 기어 열이 설치된 기어 박스(109)에 연결되어 있고 기어 박스(109)의 구동원으로서 모터(107)가 설치되어 있다. 즉, 밸브 로드(106)를 외부에서 당기는 힘은 모터(107)의 회전력과 이 회전력을 밸브 로드(106)에 전달하는 기어 박스(109)에 의해 이루어진다. 한편, 도2은 밸브 로드(106)에 솔레노이드(108)가 연결된 상태를 도시한 것이다. 즉, 밸브 로드(106)를 외부에서 당기는 힘은 솔레노이드(108)에 의해 이루어진다.

이와 같이 밸브 부재를 작동시키기 위해 제공된 종래의 기술은 어느 것이나 부피가 크고 복잡하며, 중량이 무겁고 부품 비용이 고가인 문제점이 있었다.이러한 문제점을 해소하기 위한 방안으로 도3으로 도시한 바와 같이 형상기억부재(S2)에 전류를 인가하면 그 길이가 수축되면서 레버(35)를 회동시키고 레버(35)가 플레이트스프링(37)을 눌러 주면 플레이트 스프링(37)이 비이좌굴(snap-through buckling)현상으로 솟아올라 밸브스풀(32)을 들어 올려 유로가 차단되고, 유로의 개방을 위하여 이번에는 다른 형상기억부재(S1)에 전류를 인가하여 이것이 수축되면서 플레이트 스프링(37)을 당겨주면서 비이좌굴(snap-through buckling)현상으로 내려앉아 밸브스풀(32)이 내려가 유로가 열리는 구조로 된 대한민국 특허등록 제 0143349호(발명의 명칭:형상기억합금을 이용한 밸브)가 제안된 바 있다. 따라서 이는 종전의 모터나 솔레노이드를 사용하던 방식에 비하여 설계가 쉽고 경량화 할 수 있게 되는 이점이 있는 것이기는 하나, 반면에 이는 개폐를 위하여 반드시 2개의 형상기억부재(S1,S2)와, 이들을 위한 별도의 구동회로가 구비되어야 할 뿐만 아니라, 레버(35)와 제작단가가 고가일 수 밖에 없는 비이좌굴 플레이트스프링(37), 그리고 스프링(38)등이 추가로 구비되어야 하는 것이므로 제조원가가 앙등되고, 구조가 여전히 복잡하게 되어 작동의 신뢰성을 확보하기 어려운 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 형상기억부재를 이용하여 밸브를 제작하되, 1개의 형상기억부재만으로 밸브의 개폐가 가능하도록 하고, 최소화된 수의 저가 부품만으로 작동의 신뢰성이 높은 밸브 개폐 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 제1 하우징 내에 형성된 유로 연결 개구를 폐쇄하는 밸브 부재를 스프링의 탄성력에 의해 상기 유로 연결 개구에서 이격하는 방향으로 소정의 거리만큼 이동시켜 상기 유로를 개방하는 밸브 개폐 장치에 있어서, 상온에서 제1 길이를 갖고 소정 온도 이상에서 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 갖고 일단부가 제2 하우징에 대해 고정되어 있는 선형 형상 기억 부재와, 상기 형상 기억 부재를 상기 밸브 부재에 연결하는 수단과, 상기 형상 기억 부재를 상기 소정 온도 이상으로 가열하는 수단을 구비함으로써, 상기 형상 기억 부재가 제어부에 의한 전원의 공급으로 신축되면서 밸브가 개폐되도록 한 것이다.

도 1은 모터를 이용한 종래 기술의 밸브 개폐 장치를 도시한 개략도.

도 2는 솔레노이드를 이용한 종래 기술의 밸브 개폐 장치를 도시한 개략도.

도 3은 형상기억합금을 이용한 종래 기술의 밸브개폐장치를 도시한 개략도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 밸브 개폐 장치를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 밸브 개폐 장치를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:유로 2:밸브 부재

3:제1 하우징 4:제2하우징

5: 연결 개구 6:밸브 시트

7:밸브 로드 8:고정보스

9:스크루 10:스프링

11:제어부 12:전원부

13:형상기억부재 14:작동부재

15:절곡부 16:고정축

17a,17b,17c:풀리

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 제어부에 의하여 공급되는 전원으로 신축되는 형상 기억 부재의 양단부가 고정되어 있고, 이러한 형상 기억 부재는 전원이 가하여져 가열되며 소정 온도 이상에서는 직선으로 되는 길이를 갖는다. 여기에서, 상기 밸브 부재와 형상 기억 부재를 연결하는 수단은 바람직하게는 일단부가 상기 형상 기억 부재의 일단부와 연결되고, 타단부가 상기 밸브 부재와 연결되며, 상기 양 단부의 사이에 상기 제2 하우징에 회동 가능하게 축상으로 고정된 절곡부가 작동부재가 개재된 구성인 것이다.아울러, 상기 제2 하우징에는 1개 이상의 풀리가 설치될 수 있으며, 이는 바람직하게는 상기 풀리는 상기 밸브 하우징에 지그재그식으로 설치되고, 이에 걸쳐지는 형상 기억 부재가 제한된 공간내에서 필요한 충분한 길이를 확보할 수 있게 된다.이하에 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 밸브 개폐 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도4를 참조하면, 스프링(10)의 팽창 및 수축에 따라 유로(1)를 개폐하는 밸브 부재(2)가 설치된 제1하우징부(3)와 밸브 부재(2)를 작동시키는 형상 기억 부재(13)가 설치된 제2 하우징부(4)로 이루어져 있다.

밸브 부재(2)는 유로 연결 개구(5)를 직접 개폐하는 밸브 시트(6)와 밸브 시트(6)를 하단부에 부착한 밸브 로드(7)로 구성된다.

형상 기억 부재(13)는 가느다란 선형 부재로서 양 끝부분은 제2 하우징부(4)의 상측에서 양측 모서리 부위에 형성된 고정보스(8)에 스크루(9)로 고정된다.

이러한 형상 기억 부재(13)로서는 Ti-Ni 계 형상 기억 합금이 사용될 수 있다. 이 형상 기억 합금은 선형으로 제조되고 소정 온도 대역(60-65℃)에서 변태점을 가져서 상기 온도보다 낮은 저온(상온)에서는 신장된 길이를 갖고 상기 소정 온도 대역이상에서는 상기 길이 보다 수축된 길이를 갖는 특성이 있다. 상세하게는, 직경 150 ㎛을 갖는 형상 기억 합금인 경우 상온에서 신장된 상태로 전기 저항치 42.0 Ω/m을 가지며 300 - 400 mA의 전류에 의해 통전 가열되면 상기 소정 온도 대역에서 최대 수축력 10 N을 가지며 수축된다.

이하 본 실시 예에 따른 밸브 개폐 장치의 작동을 설명한다.

도 4를 다시 참조하여 설명하면, 초기에 밸브 로드(7)의 밸브 시트(6)는 스프링(10)의 탄성 팽창력을 받아 유로 연결 개구(5)를 개방시킨 상태에 있다. 이때, 형상 기억 부재(13)는 "A"의 상태인 점선 상태로 있다.

제어부(11)에서 전원부(12)에 형상 기억 부재(13)에 전류를 인가하도록 제어 신호가 전송되면, 전원부(12)로부터 형상 기억부재(13)에 전류가 인가되어 형상 기억 부재(13)는 가열되면서 형상 기억 합금의 고유 특성에 의해 점선으로 보인 "A"의 상태에서 실선으로 보인 "B"의 상태로 수축 변형된다. 따라서, 형상 기억 부재(13)는 수축된 상태로 되면서 발생되는 수축력에 의해 일단이 걸쳐진 연결 수단인 작동 부재(14)의 상측을 실선으로 보인 상태로 하여 작동부재(14)가 고정축(16)을 중심으로 도면상 좌측으로 회동하게 된다. 이러한 상태는 작동 부재(14)의 타단이 실선으로 보인 바와 같이 상승하는 결과가 되고, 이에 따라 밸브 로드(7)가 상방으로 당겨지게 되는 결과가 되며, 이때 스프링(10)은 신장 상태로 된다. 이와 같이 밸브 로드(7)가 당겨지면 유로 연결 개구(5)와 이격되어 있던 밸브 시트(6)가 상승하면서 유로 연결 개구(5)와 밀접되어 유로(1)를 차단하게 되므로 제1 하우징부(3) 내에서는 소정의 방향으로 흐르는 유체의 흐름이 차단된다.

이어서, 제어부(11)로부터 전원부(12)에 전류 차단 제어 신호가 전송되면, 전원부(12)에서는 더 이상 형상 기억부재(10)에 전류를 제공하지 않게 되고, 이에 따라 형상 기억 부재(10)는 긴장된 "B"의 상태에서 늘어진 "A"의 상태로 복귀하게 된다. 이와 동시에, 스프링(10) 역시 원위치되면서 밸브 로드(7)를 하방으로 당기게 되는 것이며, 작동 부재(14) 역시 고정축(16)을 중심으로 절곡부(15)가 도면상 우측으로 회동하여 점선으로 보인 초기 상태로 복귀하여 유로 연결 개구(5)는 다시 밸브 시트(6)와 이격되어 유로(1)가 열리게 되는 것이다.이와 같이 도4로 보인 실시예에서는 밸브시트(6)가 유로 연결 개구(5)의 하방에 위치하여 대기 상태에서 스프링(10)의 탄력으로 이격되어 유로(1)가 형성되어 있다가, 형상 기억 부재(13)의 작동시 밸브시트(6)를 들어 올려 유로 연결 개구(5)에 밀착되게 한 소위 노멀 오픈(Normal Open) 상태를 도시하였으나, 이와는 반대로 밸브시트(6)가 유로 연결 개구(5)의 상방에 밀착되어 평상시 유로(1)가 차단되어 있다가 형상기억부재(13)의 작동시 밸브로드(7)를 들어 올려 밸브시트(6)가 상승되면서 유로 연결 개구(5)와 이격되어 유로(1)가 형성되도록 하면 소위 노멀 크로스(Normal Close)가 되도록 할 수 있는 것임은 물론이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 밸브 개폐 장치를 도시한 도면이다. 도시된 바에 의하면, 형상 기억 부재(13)의 일단부는 작동 부재(14)의 일단부에 연결되고 그 타단부는 제2 하우징부(4)의 일측 내벽에 형성된 고정 보스(8)에 스크루(9)로 고정되어 제어부(11)에 의하여 제어되는 전원부(12)의 출력이 형상기억부재(13)의 양단에 가하여 진다. 이러한, 형상 기억 부재(13)의 양측 단부 사이에 있는 부분은 제2 하우징부(4)에 설치된 3개의 풀리(17a, 17b, 17c)에 엇갈려 걸쳐 있다. 이와 같이 도5에 도시된 형상 기억 부재(13)가 도4에 도시된 형상 기억 부재(13)와 다른 점은 여러 개의 풀리(17a, 17b, 17c)에 걸쳐 있어서 전체 길이가 더 길다는 것이다.

본 실시예에서 사용된 형상 기억 부재(13)는 길이 단위당 수축량이 일정하므로 형상 기억 부재(13)의 길이가 길어질수록 수축되는 길이도 더욱 길어진다. 따라서, 도5에 도시된 밸브 개폐 장치에 의하면, 전술한 제1 실시예에 비해서 형상 기억 부재(13)의 신축길이를 더 길게 할 수 있는 구성을 갖추고 있으므로, 유로(1)의 개폐를 위해 밸브 부재(7)의 스트로우크(상하 이동 거리)가 클 조건을 필요로 하는 밸브에 적합하다.

한편, 도5에는 3개의 풀리(17a, 17b, 17c)만을 도시하였지만, 이 풀리의 개수는 1개 이상 설치할 수 있으며, 도시된 개수에 한정되지 않는다. 즉, 유로(1)의 개폐를 위해 요구되는 밸브 부재(7)의 이동 거리에 따라 상기 풀리의 개수를 1개 이상 조절하게 되는 것이다.이러한, 여러 개의 풀리들을 제2 하우징부(4)에 설치할 경우, 이 풀리들은 제2 하우징부(4)의 협소한 공간에 형상 기억 부재(13)가 걸쳐질 수 있는 최대의 길이를 가지도록 지그 재그식으로 배열되는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 실시 예들에 있어서, 제1 하우징부(3)와 제2 하우징부(4)는 일체로 구성되어 하나의 밸브 하우징을 이루는 것으로 되어 있지만, 제1 하우징부(3)에 대해 제2 하우징부(4)를 별도로 구성하여 양 부품을 분리 및 조립하는 구성으로도 고려할 수 있다. 예를 들면, 제2 하우징부(4)의 하측 부분에 암나사(미도시함)를 형성시키고 제1 하우징부(3)의 상측부에 상기 암나사와 대응되는 수나사(미도시함)를 형성시켜서 제1 하우징부(3)와 제2 하우징부(4)를 체결할 수 있다. 이러한 경우, 양 부품 중 어느 한 쪽이 고장날 경우, 그 고장난 부품만 교체하면 되므로 경제적이다.

또한, 본 발명의 실시예를 도시한 도면에서 밸브는 2-웨이 밸브로 도시되어 있지만 여기에 한정되지 않고 유로가 3개인 3-웨이 밸브 등 유로가 여러 개인 밸브에도 적용될 수 있는 것은 물론이다.

이상 설명한 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 따라서, 상기한 실시 예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며, 한정적으로 해석해서는 안된다.

이와 같이 하여 본 발명은 공지의 형상기억합금을 이용한 밸브와는 달리 1개의 형상기억부재에 의하여 밸브의 개폐가 가능하게 되는 것일 뿐만 아니라 저가의 최소화된 개수의 부품만으로 밸브 개폐 기능을 실현할 수 있게 되는 것이어서, 2개의 형상기억부재 및 이를 개별 구동하기 위한 구동회로와, 레버, 스프링, 고가인 비이좌굴 플레이트 스프링 등이 불필요하게 되어 제조원가의 파격적인 절감과 아울러 구조의 단순화에 의하여 고장률을 크게 줄이고 작동의 신뢰도를 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라 부피를 줄여 경량화, 컴팩트(COMPACT)화에도 기여할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

Claims (7)

1. 제어부(11) 및 전원부(12)에 의하여 작동되는 형상 기억 부재(13)와, 형상 기억 부재(13)의 수축력이 스프링(10)의 탄력을 초과할 시 제1하우징(3)내의 유로(1) 개폐를 위하여 소정의 거리만큼 이동하도록 밸브 부재(2)가 구비된 공지의 것에 있어서,

   형상 기억 부재(13)를 상기 밸브 부재(2)에 연결하기 위한 연결수단은 일단이 상기 형상 기억 부재(13)의 일단과 연결되고 타단이 상기 밸브 부재(2)와 연결되며, 양단부의 사이가 상기 제2 하우징(4)에 고정축(16)으로 고정된 절곡부(15)를 갖는 작동 부재(14)이며, 전기 형상기억 부재(13)의 타단이 고정보스(8)에 스크루(9)로 고정됨을 특징으로 하는 밸브 개폐 장치.
2. 제1항에 있어서,

   전기 형상 기억 부재(13)가 제2 하우징(4) 내부에 설치된 1개 이상의 풀리(17a,17b,17c)에 걸쳐짐을 특징으로 하는 밸브 개폐 장치.
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