KR100404348B1 - 압력 편차에 반응하는 다이아프램을 갖는 파일롯 솔레노이드 제어 밸브 - Google Patents

압력 편차에 반응하는 다이아프램을 갖는 파일롯 솔레노이드 제어 밸브 Download PDF

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Abstract

파일롯 작동식 제어 밸브는 유출구 및 유입구를 갖는 바디를 구비한다. 상기 유입구 및 유출구 사이에 유체의 유동을 선택적으로 제어하기 위해 바디내에 이동가능한 메인 밸브 포펫이 제공된다. 상기 메인 밸브 포펫은 파일롯 통로와 함께 가요성 있는 다이아프램을 구비하며, 상기 통로는 파일롯 포펫의 이동에 의해 개폐된다. 상기 다이아프램은 파일롯 포펫상에 작용하는 압력 편차로 인하여 굽혀진다. 이러한 굽힘은 파일롯 포펫의 작동중에 일어나는 압력 편차라는 악 영향에 대해 보상된다.

Description

압력 편차에 반응하는 다이아프램을 갖는 파일롯 솔레노이드 제어 밸브 {PILOT SOLENOID CONTROL VALVE WITH PRESSURE RESPONSIVE DIAPHRAGM}
본 발명은 파일롯 작동식 유압 밸브에 관한 것으로, 압력이 평형하게 되는 파일롯 밸브에 관한 것이다.
건설 장비나 농기계에는 유압 실린더와 피스톤 장치에 의해서 작동되는 이동식 부재들이 제공되어 있다. 실린더에 유압 유체를 적용하는 것은, 미국 특허 제 5,579,642호에 기술된 것과 같이, 통상적으로 수동 밸브에 의해서 제어되어 왔다. 이러한 형태의 밸브에서, 수동 작동 레버가 밸브 내의 스풀에 기계적으로 연결된다. 스풀이 밸브 바디 내의 캐비티들에 대해 여러 위치로 이동되면 압축 유압 유체가 펌프로부터 실린더 챔버들중의 하나로 흐르고, 다른 챔버로부터 배출된다. 스풀의 이동 정도를 변화시킴으로써 관련 챔버로의 유량이 변동될 수 있고, 이에따라 비례적으로 상이한 속도에서 피스톤을 이동시킨다.
현재, 건설장비 및 농기계들이 수동 작동식 유압 밸브로부터 전기 제어 밸브 및 솔레노이드 밸브들을 사용하는 것으로 변하는 추세이다. 상기 제어 형태는 운전실(operator cab)에 제어 밸브를 설치할 필요가 없으므로 유압 배관을 단순화시킨다. 이러한 기술의 변화는 여러가지 기계적인 기능을 컴퓨터로 제어하기 용이하게 한다.
솔레노이드 작동식 파일롯 밸브는 유압 유체의 유동을 제어하는 것으로 널리 공지되어 있으며, 밸브를 개방시키기 위해 한쪽 방향으로 전기자(armature)를 이동시키는 전자기 코일(electromagnetic coil)을 채용한다. 상기 전기자는 파일롯 포펫(pilot poppet)에 작용하고, 파일롯 포펫은 메인 밸브 포펫 내의 파일롯 통로를 통해 유체의 유동을 제어한다. 밸브가 개방하는 양은 전자기 코일에 적용되는 전류의 크기에 직접적으로 관련되며, 이로써 유압 유체 유동의 비례적인 제어를 수행할 수 있다. 전기자 또는 다른 밸브 부재는 솔레노이드 코일로부터 전류가 제거될 때 스프링의 부하를 받아서 밸브를 밀폐시키도록 한다.
종래의 솔레노이드 작동식 파일롯 밸브의 결점은 밀폐상태에서 상기 밸브에 걸쳐 생성되는 압력 편차(pressure differential)에 의해 발생되는 영향으로부터 기인한다. 이러한 압력 편차는 상기 밸브로부터 나오는 유압 유체에 의해 작동되는 장비의 구성요소에 인가되는 부하가 변동됨에 따라 변한다. 이러한 부하 및 공급 압력의 변화는 밸브의 출구에서의 압력에 영향을 주고, 밸브에 걸쳐 압력편차를 일으킨다. 밀폐상태에서, 이러한 압력 편차는 밸브를 개방하고 소정의 유압 유체의 유량을 발생시키는데 필요한 힘의 크기에 영향을 줄 수 있다. 그러므로, 솔레노이드 작동식 밸브에서 압력 편차의 변화는 밸브를 작동하는데 필요한 전류의 크기에 영향을 준다.
이러한 문제점은 미국 특허 제 5,878,647호에 개시된 바와 같이, 파일롯 밸브 통로에서 압력평형 스템을 제공함으로써 제기되었다. 이것은 압력을 평형시켜서, 파일롯 포펫에 작용하는 힘이 복원 스프링 및 전자기 코일로부터만 제공되도록 한다. 이것은 여러 디자인에서 압력 불균형으로 인한 영향들을 극복하였지만, 종종 압력평형 스템을 따라서 유체의 누설이 일어난다. 이러한 누설에 대해 보다 양호한 밀봉을 제공하려는 시도는 압력평형 스템에 작용하는 마찰을 증가시키고, 부드러운 밸브 작동에 악영향을 미치는 고착 문제(sticking problem)를 발생시킨다.
본 발명의 목적은 유압 유체의 흐름을 비례적으로 제어하기 위한 솔레노이드 작동식 파일롯 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 파일롯 밸브 내의 압력 편차에 대한 보상 메카니즘을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 솔레노이드 작동식 파일롯 밸브의 횡단면도.
도 2는 도 1의 밸브에 사용된 메인 밸브 포펫의 다른 실시예를 나타내는 도면.
본 발명의 이같은 목적 및 또다른 목적들은 유입 통로 및 유출 통로가 형성된 바디를 구비한 파일롯 작동식 제어 밸브에 의해서 달성된다. 이러한 유입 및 유출 통로 사이의 유체 유동을 제어하도록 메인 밸브 포펫이 밸브 시트와 결합한다. 밸브 시트로부터 멀리 떨어진 메인 밸브 포펫의 측면의 바디에 제어 챔버가 형성된다.
상기 유입 통로 및 제어 챔버 사이에는 메인 밸브 포펫을 통해 채널이 형성되어 있다. 메인 밸브 포펫에는 다이아프램이 작동 결합되어 있으며, 다이아프램은 대향된 제 1 및 제 2 측면을 구비하며, 상기 측면들 사이에는 파일롯 통로가 형성되어 있다. 제어 챔버에서의 제 1 압력은 다이아프램의 상기 제 1 측면에 적용되며, 유출 통로에서의 제 2 압력은 상기 제 2 측면에 적용된다. 제 1 압력 및 제 2 압력 사이의 차이는 다이아프램의 굽어짐(flexing)을 유발한다.
파일롯 통로를 선택적으로 개폐하도록 다이아프램에 대해 이동 가능한 파일롯 포펫이 제공되고, 상기 다이아프램에 대해 파일롯 포펫을 이동시키기 위해 엑추에이터, 바람직하게는 솔레노이드가 제공된다.
상기 다이아프램은 메인 밸브 포펫과 일체가 되게 단일형으로 형성될 수도 있고, 메인 밸브 포펫에 기계적으로 분리 가능하게 결합된 형태로 형성될 수도 있다. 다양한 형태의 재료가 다이아프램에 대해 사용된다.
먼저 도 1을 참조하면, 솔레노이드 밸브(10)가 밸브 바디(12)의 종축 보어(16)에 장착된 원통형 밸브 카트리지(14)를 구비한다. 상기 밸브 바디(12)는 종축 보어(16)와 소통되는 횡축의 유입 통로(18)를 구비한다. 유출 통로(20)는 밸브 바디(12)를 통해 연장되며, 종축 보어(16)의 내측 단부와 소통된다. 상기 유입 통로(18) 및 유출 통로(20) 사이에는 밸브 시트(valve seat, 22)가 형성되어 있다.
상기 종축 보어(16) 내에서 메인 밸브 포펫(24)이 밸브 시트(22)에 대해 미끄럼 이동하여 유입 통로 및 유출 통로 사이의 유압 유체의 흐름을 선택적으로 제어한다. 상기 메인 밸브 포펫(24)은 토르론(Torlon; BPAmoco Plc의 상표)과 같은 유리 섬유로 보강된 열가소성 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 메인 밸브 포펫(24)에 중앙 캐비티(26)가 형성되며 이는 유출 통로(20)에서의 개구측 단부(25)로부터 밀폐 단부(27)까지 연장되어 있다. 상기 밀폐 단부(27)에서 벽의 두께는 압력 평형 부재로서의 가요성 다이아프램(flexible diaphragm, 29)으로 형성되며, 상기 다이아프램을 통해 파일롯 통로(30)가 연장된다. 메인 밸브 포펫(24)은 종축보어(16) 내에서 중앙 캐비티(26)의 반대쪽인, 다이아프램(29)의 측면에 제어 챔버(28)를 형성한다. 상기 다이아프램(29)의 양측면은 각각 제어 챔버(28)내의 압력과 메인 밸브 포펫의 중앙 캐비티(26)내의 압력에 노출된다. 유입 통로(18)로부터 메인 밸브 포펫(24)을 통해 제어 챔버(28)로 공급 채널(32)이 연장된다.
메인 밸브 포펫(24)의 이동은 전자기 코일(38), 전기자(42) 및 파일롯 포펫(44)으로 구성된 솔레노이드(36)에 의해서 제어된다. 상기 전기자(42)는 밸브 카트리지(14)를 통해 보어(40)내에 위치되며, 제 1 스프링(45)이 메인 밸브 포펫(24)을 상기 전기자로부터 멀리 편향시킨다. 상기 파일롯 포펫(44)은 관형의 전기자(42)의 보어(46)내에 위치되며, 카트리지 보어(40)내로 나사결합된 조정 나사(50)와 맞닿아 있는 제 2 스프링(48)에 의해서 전기자 쪽으로 편향된다. 전자기 코일(38)은 카트리지 주위로 위치되어 고정된다. 전자기 코일(38)을 여자(energize)하기 위해 전류를 인가함으로써 발생된 전자기장에 반응하여, 상기 전기자(42)가 카트리지 보어(40)내에서 메인 밸브 포펫(24)으로부터 멀리 미끄럼 이동한다.
전자기 코일(38)의 탈-여자 상태(de-energized state)에서, 제 2 스프링(48)이 전기자(42)의 단부(52)에 대항하도록 파일롯 포펫(44)에 힘을 가하여, 전기자 및 파일롯 포펫을 메인 밸브 포펫(24)을 향해 민다. 이것은 파일롯 포펫(44)의 원추형 선단부(54)가 메인 밸브 포펫의 파일롯 통로(30)속으로 들어가 상기 통로를 밀폐시키게 하며, 그럼으로써 제어 챔버(28)와 유출 통로(20) 사이의 연결에 대한 차단을 완료한다.
솔레노이드 밸브(10)는 유입 통로(18) 및 유출 통로(20) 사이의 유압 유체의 유동을 비례적으로 제어한다. 상기 밸브를 통해 흐르는 유압 유체의 유량(flow rate)은 코일(38)에 인가되는 전류의 크기에 직접 비례한다. 상기 전류는 전기자(42)를 솔레노이드 코일(38)로 끌어당기고, 메인 밸브 포펫(24)으로부터 멀어지게 하는 전자기장을 발생한다. 전기자(42)의 단부(52)가 파일롯 포펫(44)상의 쇼울더(shoulder, 56)와 결합되기 때문에, 파일롯 포펫은 메인 밸브 포펫(24)으로부터 멀리 이동하며, 그럼으로써 유압 유체가 유입 통로(18)로부터 제어 챔버(28), 파일롯 통로(30) 및 유출 통로(20)를 거쳐서 통과하게 된다.
파일롯 통로(30)를 통과하는 유압 유체의 유동은 제어 챔버(28)의 압력을 유출 통로의 압력까지 감소시킨다. 따라서, 유입 통로에서의 높은 압력이 표면(58)에 가해져서 메인 밸브 포펫(24)에 힘을 가하여 밸브 시트(22)로부터 멀어지게 이동시키며, 이로인해 유입 통로(18) 및 유출 통로(20)사이의 직접적인 소통을 개방시킨다. 메인 밸브 포펫(24)의 이동은 파일롯 포펫(44)의 원추형 선단부(54)와 접촉할 때까지 계속된다. 따라서, 밸브를 통과하는 유압 유체의 유량 및 밸브 개구의 크기는 전기자(42) 및 파일롯 포펫(44)의 위치에 의해서 결정된다. 이러한 위치들은 전자기 코일(38)을 통해 흐르는 전류의 크기에 의해서 제어된다.
압력 편차가 파일롯 포펫(44)에 대해 미치는 영향은 이러한 압력 편차에 반응하여 메인 밸브 포펫(24)의 다이아프램(29)이 굽어짐으로써 상대적으로 균형을 이루게 된다. 이러한 움직임(movement)은 파일롯 통로(30)의 위치를 효과적으로 변화시켜 파일롯 밸브에 대한 가압력의 변화를 상쇄시킨다. 다이아프램의 가요성 설계는 파일롯 스프링 계수(spring rate)를 기초로 하여 결정된다.
상기 다이아프램 보상 기법은 종래의 압력평형 스템에 비해 여러가지 장점을 제공한다. 제조 기술의 개선에 의해서 기계가공 부품의 비용이 감소된다. 밸브의 작동이 보다 잘 제어된다. 압력평형 스템의 작동시 문제되는 히스테리시스가 감소된다.
도 2는 메인 밸브 포펫의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 제 2 메인 밸브 포펫(60)은 중앙 캐비티(64)를 구비한 강철 바디(62)를 가지며, 상기 중앙 캐비티(64)는 유출 통로측 단부(66)로부터 제어 챔버측 단부(68)까지 상기 바디(62) 전체를 통해 뻗어 있다. 유입 통로(18)와의 소통을 위해 횡방향 개구(72)로부터 제어 챔버측 단부(68)에서의 다른 개구(74)까지 공급 채널(70)이 뻗어 있다.
제어 챔버측 단부(68)에서 중앙 캐비티(64)의 개구는 직경이 확대되어, 그 메인 밸브 포펫(60)의 단부에 리세스를 형성한다. 이 리세스 내에 별도의 디스크형 다이아프램(76)이 수용되고, 유체밀봉을 제공하기 위해 상기 다이아프램과 상기 메인 밸브 포펫(60)의 바디(62) 사이에 탄성 물질로 이루어진 링(78)이 제공된다. 예를들어, 상기 다이아프램(76)은 유리섬유로 강화된 열가소성 물질 또는 구리 베릴륨 합금으로부터 제조된다. 상기 중앙 캐비티의 개구에서 상기 바디(62)의 에지는 부호 80으로 지시된 부분에서 보듯이 다이아프램(76) 가장자리 위로 크림핑(crimping)되어 다이아프램을 제 위치에 유지시키며 밀봉 링(78)과 접촉하게 한다. 파일롯 통로(82)는 메인 밸브 포펫(60)이 밸브 바디(12) 속으로 조립될 때, 파일롯 포펫(44)의 절두 원추형 선단부(54)를 수용하도록 다이아프램을 통해 연장된다.
본 발명의 파일롯 작동식 제어 밸브는 유출 통로 및 유입 통로를 갖는 바디를 구비한다. 상기 유입 통로 및 유출 통로 사이에 유체의 유동을 선택적으로 제어하기 위해 상기 바디 내에 이동가능한 메인 밸브 포펫이 제공된다. 상기 메인 밸브 포펫은 파일롯 통로를 구비한 가요성 있는 다이아프램을 구비하며, 상기 통로는 파일롯 포펫의 이동에 의해 개폐된다. 상기 다이아프램은 밸브에 작용하는 압력 편차로 인하여 굽혀지는데, 이러한 굽힘은 상기 압력 편차가 파일롯 포펫에 미치는 악영향을 보상한다.

Claims (18)

  1. 유입 통로(18) 및 유출 통로(20)를 갖는 바디(12)와, 상기 유입 통로(18) 및 유출 통로(20) 사이의 유체 흐름을 제어하기 위해 상기 바디(12) 내에서 밸브 시트(22)와 선택적으로 결합하는 메인 밸브 포펫(24; 60)과, 상기 밸브 시트(22)로부터 떨어진 쪽의, 메인 밸브 포펫(24; 60)의 한 측면 상에 형성된 제어 챔버(28)를 포함하는 제어 밸브에 있어서,
    상기 메인 밸브 포펫(24; 60) 내에서 상기 유입 통로(18)와 상기 제어 챔버(28) 사이로 연장되는 채널(32; 70)과,
    상기 메인 밸브 포펫(24; 60)에 결합되며, 상기 제어 챔버(28)의 제 1 압력이 인가되는 제 1 측면과, 상기 유출 통로(20)의 제 2 압력이 인가되는 제 2 측면과, 상기 제 1 및 제 2 측면 사이의 파일롯 통로(30; 82)를 구비한 평형 부재로서, 상기 제 1 압력과 상기 제 2 압력간의 편차의 변동에 따라 상기 메인 밸브 포펫(24; 60)에 대해 움직임을 갖는 평형 부재와,
    상기 파일롯 통로(30; 82)를 선택적으로 개폐하기 위해 상기 평형 부재에 대해 이동 가능한 파일롯 포펫(44)과,
    상기 파일롯 포펫(44)을 상기 평형 부재에 대해 이동시키기 위해 작동 결합된 엑추에이터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 평형 부재가 다이아프램(29)인 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 엑추에이터가 상기 파일롯 포펫(44)을 작동시키는 전기자(42)를 갖는 솔레노이드(36)로 구성되는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 엑추에이터는 솔레노이드(36)로 구성되며,
    상기 솔레노이드는 전자기 코일(38)과; 상기 전자기 코일(38)내에 있으며 상기 파일롯 포펫(44)이 연장되는 보어(46)를 구비한 전기자(42)와; 상기 전기자(42)에 대해 상기 파일롯 포펫(44)을 편향시키는 스프링(48)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 메인 밸브 포펫(24)은 상기 제어 챔버(28) 및 유출 통로(20)중의 하나로 개방되어 있는 제 1 단부(25)와, 상기 평형 부재에 의해서 밀폐되는 제 2 단부(27)를 구비한 캐비티(26)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평형 부재가 상기 메인 밸브 포펫(24)과 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 평형 부재 및 상기 메인 밸브 포펫(24; 60)이 열가소성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평형 부재가 캐비티(64)의 제어 챔버측 단부(68)에서 메인 밸브 포펫(60)의 리세스 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평형 부재와 상기 메인 밸브 포펫(60)의 바디(62) 사이에 탄성 시일(78)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평형 부재가 열가소성 물질 및 구리 베륨 합금으로 구성되는 한 그룹으로부터 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 파일롯 작동식 제어 밸브.
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