KR100435601B1 - 전기 작동식 리드 밸브 - Google Patents

Abstract

밸브 하우징(2) 내에 유입구(3) 및 배출구(4)를 포함하는 전기 작동식 밸브는 밸브를 폐쇄시키려하는 압력 및 탄성 복원력을 극복하기 위해 패스너(8)에 의해 일단부에 고정된 밸브 리드(7)를 밸브 장착면(9)으로부터 상승시키는 실린더(5) 내에 끼워맞춤된 피스톤(6)에 힘을 가하는 단순한 전자기 엑츄에이터(1)를 사용한다.

Description

전기 작동식 리드 밸브 {ELECTRICALLY ACTUATED REED VALVE}

전기기계식 밸브는 다수의 광범위한 유체 및 가스 흐름 제어 분야에서 사용된다. 이러한 밸브의 바람직한 특성으로는 저누출, 신속한 응답 시간, 낮은 전력 소모, 긴 수명, 저렴한 가격, 및 밸브에 걸쳐 높은 압력차로 개방시킬 수 있는 능력 등이 있다.

가장 공통적인 형태의 종래 기술에 따른 전기기계식 밸브는 솔레노이드에 의해 작동된다. 솔레노이드 작동식 밸브는 매우 한정된 수명을 가지며, 매우 많은 전력이 사용될 수도 있고, 작은 크기를 제외하고는 응답시간이 느리며, 밸브에 걸쳐 높은 압력차로 개방시키려는 경우에는 특별한 구성을 요구한다. 본 발명은 이러한 단점을 가지지 않는데, 본 발명은 소량의 전력을 사용하고, 신속하게 응답하며, 밸브에 걸쳐 높은 압력차로 용이하게 개방되며, 저렴하고, 실용적으로 제한되지 않은 수명을 갖는 것으로 여겨진다. 이는 본 발명이 일반적인 분야에 적절하게 사용될 수 있도록 하지만, 특히 냉장 및 에어 컨디셔닝용 펄스형 팽창 밸브로써 적절하게 사용될 수 있도록 한다(미국 특허 제 4,459,819호). 펄스형 팽창 밸브는 수년 동안 신뢰성있게 작동해야만 하며, 매우 저렴해야 하며, 적어도 300psi의 압력차로 개방될 수 있어야 하며, 작동 전압에 신속하게 응답하여야 하며, 그리고 누출율이 매우 낮아야 한다. 종래 기술에 따른 어떠한 전기기계식 밸브도 이들 모든 특성을 가지지 못하였다. 이러한 이유에 기인하여, 펄스형 팽창 밸브는 그들의 에너지 절약의 장점에도 불구하고 통상적으로 사용되지 않는다. 본 발명은 실용적인 펄스형 팽창 밸브에 대한 현재까지의 부합하지 않은 조건을 부합시킨다.

본 발명은 일반적으로 전기기계식 밸브에 관한 것이다. 본 발명은 특히 냉장기, 열펌프, 또는 에어 컨디셔너에서 펄스형 전기기계식 팽창 밸브로서 사용하기에 적합하다.

도 1a는 밸브를 개방시키도록 자력을 발생시키는 전류를 전송하는 와이어 코일이 밸브 챔버 내에 위치되며, 이 와이어 코일이 밸브에 의해 통과된 유체 또는 증기 내에 잠겨 있는, 본 발명에 따른 기본적인 단방향 밸브의 단면도이다.

도 1b는 도 1a의 실시예의 밸브 장착면(valve seat surface)의 평면도이다.

도 2a는 밸브를 개방시키도록 자력을 발생시키는 전류를 전송하는 와이어 코일이 밸브 챔버 외측에 위치된, 본 발명에 따른 단방향 밸브의 바람직한 실시예의 단면도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 실시예의 밸브 장착면의 평면도이다.

도 2c는 밸브를 개방시키도록 자력을 발생시키는 전류를 전송하는 코일이 그 자체로 경제적으로 제조될 수 있는 밸브 챔버 외측에 위치되는, 관 형상을 갖는 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 두 개의 단방향 밸브의 유입구가 통로에 의해 연결된 양방향 밸브를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 두 개의 단방향 밸브의 배출구가 통로에 의해 연결된 양방향 밸브를 도시한 도면이다.* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *1 : 코일 2 : 강자성 경로3 : 유입구 4 : 배출 통로5 : 실린더(리셋스) 6 : 강자성체(피스톤)7 : 금속 리드 8 : 패스너9 : 밸브 장착면 10 : 얇은 벽의 컵11 : 시일 12 : 모조 리드15 : 스위치

본 발명은 장착 표면 내의 구멍을 밀봉 및 개봉하기 위해 얇은 가요성 강 리드(steel reed)를 사용한다. 압력에 의해 개방되고 역압력에 의해 증가되는 리드의 탄성에 의해 폐쇄되는 수동식 첵크 밸브(check valve)인 종래 기술에 따른 리드 밸브(reed valve)와 달리, 본 발명에서 사용된 리드 밸브는 간단한 전자기 엑츄에이터에 의해 개방된다. 본 발명에 따른 밸브에 걸친 압력은 통상적으로 밸브가 폐쇄된 상태를 유지하는 방향으로 가해진다. 따라서, 이러한 밸브는 전자기 엑츄에이터가 작동하지 않는 한 압력 및 리드의 탄성력에 의해 폐쇄된 상태를 유지하며, 밸브는 작은 강자성 피스톤(ferromagnetic piston) 상에 가해진 자력에 의해 개방된다. 엑츄에이터가 작동하지 않을 때, 밸브는 압력 및 리드 자체의 탄성력에 응답하여 폐쇄된다.

본 발명은 한방향으로만 흐름을 통과시키는 단방향 밸브(unidirectional valve)이다. 열펌프에서의 펄스형 팽창 밸브와 같은 양방향 밸브는 통로에 의해 연결된 두 개의 배출구 또는 두 개의 유입구를 갖춘 본 발명에 따른 두 개의 기본적인 밸브를 연속적으로 연결함으로써 제조될 수 있다. 양방향 밸브의 실시예에서, 기본적인 밸브 중 하나의 엑츄에이터는 그 밸브를 개방시키기 위해 작동되며, 다른 밸브는 수동식 첵크 밸브로서 작용한다.

본 발명에 따른 전기 작동식 밸브는, a) 유입구 및 배출구를 갖춘 밀폐된 부피체로 구성되고 이러한 부피체의 내부 경계면의 일부가 평면형 밸브 장착면(planar valve seat surface)인 밸브 챔버와, b) 이 밸브 챔버의 내측 및 외측 사이에 위치하고 배출 통로의 내측 단부가 밸브 장착면 내에 형성된 배출 구멍인 배출 통로와, c) 하나 이상의 지점에서 밸브 장착면에 부착된 바람직하게는 스테인레스 강으로 이루어진 편평한 가요성 리드(flexible reed)로서, 밸브 장착면으로부터 리드를 들어올리도록 리드에 힘이 가해지지 않는 한 리드에 의해 배출 구멍이 덮여지고 밀봉되는 가요성 리드와, 그리고 d) 밸브 장착면으로부터 리드를 들어올리도록 리드에 힘을 가하여 배출 구멍을 개방시키기 위한 전기기계식 엑츄에이터를 포함하며, 이러한 전기기계식 엑츄에이터는, 가요성 리드의 전체 또는 일부가 위치되는 갭을 갖춘 자속을 위한 강자성 경로(ferromagnetic path), 밸브 장착면에 형성되고, 갭 내에 위치된 리드의 일부분 아래에 위치된 리셋스(recess), 이 리셋스 내에 위치되고 밸브 장착면에 수직한 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 강자성체, 및 도전성 와이어로 구성되고 이 도전성 와이어를 통해 흐르는 전류가 갭 내에 자기장을 발생시키도록 위치된 코일을 포함한다.도 1a 및 도 1b는 본 발명의 기본적인 실시예를 도시한 도면으로서, 도면부호 2는 자속(magnetic flux)을 위한 강자성 경로이다. 강자성 경로(2)는 축선(A-A)을 중심으로 축선방향으로 대칭인 폐쇄된 밸브 챔버를 형성하는데, 이러한 폐쇄된 밸브 챔버는 유입구(3) 및 배출 통로(4)의 외측 단부에 있는 배출구를 갖추고 있다. 피이드스루우(F)에 의해 코일(1)의 단부에 연결된 단자(T)로 활성화 전압(energizing voltage)이 인가되지 않는 한, 배출 통로(4)는 금속 리드(metal reed; 7)에 의해 폐쇄되어 있다. 본 발명에 있어서, 강자성 경로(2)는 이러한 금속 리드(7)의 일부 또는 전체가 위치하는 갭(16)을 구비한다. 단자(T)에 전압이 인가될 때, 코일(1)에서 전류가 흐르고 강자성 경로(2) 내에 자기장을 발생시키는데, 이 자기장은 피스톤으로서 기능하는 강자성체(6)에 대해 도 1a에서 우측으로 향하는 힘을 작용한다. 이러한 강자성체인 피스톤(6)은 리셋스 형태의 실린더(5) 내에서 이동이 자유롭기 때문에, 피스톤 상의 어떠한 자력이 금속 리드(7)로 인가되고, 이러한 리드는 이후 패스너(8)에 의해 밸브 장착면(9)에 부착되는 지점 부근에서 굽혀지는데, 이에 의해 배출 통로(4)의 폐쇄가 해제된다. 활성화 전압이 제거되면, 리드(7)의 탄성력에 의해 리드가 다시 바르게 되어 배출 통로(4)가 폐쇄된다.

도 2a 및 도 2b는 코일(1)이 밸브 챔버 외측에 위치된 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 이러한 구성에는 피이드스루우(F)를 제거되어 있어서 비용이 감소된다. 본 실시예는 또한 모조 리드(dummy reed; 12)를 추가한다는 점이 도 1의 실시예와 상이한데, 코일(1)이 단자(T)에서의 전압으로 활성화될 때, 활성화된 리드(7)에 의해 피스톤(6)에 평형 토오크가 인가되도록 하기 위해, 이러한 모조 리드(12)가 추가된다.

바람직한 실시예에서, 밸브 챔버는 얇은 벽을 갖는 비강자성 컵(10)에 의해 형성되는데, 이러한 얇은 벽의 컵(10)은 납땜 결합 또는 용접 결합일 수도 있는 누출방지 시일(seal; 11)에 의해 밸브 장착면(9)에 고정된다.

또한, 바람직한 실시예에서, 강자성 자속 경로는 2개의 부분으로 이루어지는데, 하나는 밸브 챔버의 완전한 외측에 위치된 부분(13A)이며, 다른 부분은 강자성 피스톤(6)이 축선(AA) 방향으로 자유롭게 왕복운동할 수 있는 실린더(5)와 밸브 장착면(9)을 포함하는 부분(13B)이다. 자속 경로의 부분(13A)은 축선방향으로 대칭일 필요가 없으며, 도 2a에 도시된 바와 같이 중앙 레그 둘레에 코일(1)이 권취된 예컨대 E형의 전기적 강 적층물의 스택(stack)일 수 있다.

도 2c는 경제적으로 제조가 용이한 다른 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 밸브 챔버는 관 형상을 가지며, 코일(1)은 챔버 외측에 배치되어 있다. 본 실시예에서는 강자성체인 피스톤(6)이 리드(7)에 부착되기 때문에, 피스톤(6)의 토오크의 균형을 이루기 위한 모조 리드(12, 도 2a 및 도 2b 참조)를 필요로 하지 않는다.

만일 배출구에서의 압력이 유입구에서의 압력 보다 높은 경우에는 코일(1)을 통해 전류를 가하지 않더라도 압력에 의해 밸브가 개방되기 때문에, 전술된 본 발명의 기본적인 실시예 또는 바람직한 실시예의 어느 것도 기능하지 않을 것이다. 예컨대 열펌프용 펄스형 팽창 밸브와 같은 일부의 응용 분야에서는, 양방향 전자기 밸브를 필요로 하는데, 이러한 양방향 전자기 밸브는 통로를 봉쇄하거나 봉쇄를 해제하며, 경로의 단부가 고압임에도 불구하고 기능한다. 도 3 및 도 4는 양방향 밸브를 구현하는 두 가지 방식이 도시되어 있다. 이들 각각은 전술된 기본적인 실시예 또는 바람직한 실시예 중 어느 하나에 따른 두 개의 밸브를 사용한다. 도 3에서, 개별적인 밸브(VA1,VA2)의 배출구는 통로에 의해 연결되며, 개별적인 밸브의 두 유입구 각각은 어느 쪽이 고압이냐에 따라 양방향 밸브의 유입구 또는 배출구로서 작용한다. 밸브(VA1)가 고압인 경우, 밸브(VA1)로부터 밸브(VA2)로의 흐름은 전압(VP)으로 밸브(VA2)를 활성화시키거나 비활성화시킴으로써 각각 통과되거나 차단되며, 밸브(VA1)는 압력에 의해 개방된다. 밸브(VA2)가 고압인 경우, 밸브(VA2)로부터 밸브(VA1)로의 흐름은 밸브(VA1)에 의해 제어되며, 밸브(VA2)는 고압에 의해 개방된다. DPDT 스위치(14)는 고압이 좌측인지 우측인지에 따라 우측 밸브 또는 좌측 밸브 중 어느 하나로 활성 전압(VP)을 인가한다. 열펌프 팽창 밸브에 적용함에 있어서, 스위치의 위치는 냉각 및 가열 사이에서 전환될 때 변화된다. 도 4에 따른 양방향 밸브의 실시예는 도 3의 실시예와 유사하게 작용한다. 그러나, 개별적인 밸브(VA3,VA4)가 연결되고, 양방향 밸브의 유입구/배출구 연결부가 밸브(VA3,VA4)의 유입구라는 점에서 도 4의 실시예는 도 3의 실시예와 상이하다.

도 3 및 도 4의 양방향 밸브는 밸브(VA1,VA2)의 코일이 어느 한 흐름 방향에 대해 동시에 활성화된다면, 스위치(15)에 대한 비용을 제거하면서 작용할 것이다. 이러한 과정은 수동식 첵크 밸브로서 자동으로 개방되는 밸브를 작동시키기 위해 소량의 에너지만이 소비될 것이지만, 스위치(15)와 관련한 비용 및 신뢰성 저하 가능성을 제거함으로써 정당화될 수도 있다.

Claims (3)

1. 전기 작동식 밸브로서,

   a) 유입구 및 배출구를 갖춘 밀폐된 부피체로 구성되고 상기 부피체의 내부 경계면의 일부가 평면형 밸브 장착면인 밸브 챔버와,

   b) 상기 밸브 챔버의 내측 및 외측 사이의 배출 통로로서, 상기 배출 통로의 내측 단부가 상기 밸브 장착면 내에 형성된 배출 구멍인 배출 통로와,

   c) 하나 이상의 지점에서 상기 밸브 장착면에 부착된 편평한 가요성 리드로서, 상기 리드를 상기 밸브 장착면으로부터 들어올리게 하는 힘이 상기 리드에 가해지지 않는 한, 상기 리드에 의해 상기 배출 구멍이 덮여지고 밀봉되되록 상기 배출 구멍 위로 연장되는 가요성 리드와, 그리고

   d) 상기 리드를 상기 밸브 장착면으로부터 들어올리도록 상기 리드에 힘을 가하여 상기 배출 구멍을 개방시키기 위한 전기기계식 엑츄에이터를 포함하며,

   상기 전기기계식 엑츄에이터는,

   상기 리드의 전체 또는 일부가 위치되는 갭을 갖춘 강자성 자속 경로,

   상기 밸브 장착면에 형성되고, 상기 갭 내에 위치된 상기 리드의 일부분 아래에 위치된 리셋스,

   상기 리셋스 내에 위치되고 상기 밸브 장착면에 수직한 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 강자성체, 및

   도전성 와이어로 구성되고 상기 와이어를 통해 흐르는 전류가 상기 갭 내에 자기장을 발생시키도록 위치된 코일을 포함하는,

   전기 작동식 밸브.
2. 2개의 제 1 항에 기재된 전기 작동식 밸브를 구비하는 양방향 전기 작동식 밸브로서,

   상기 2개의 전기 작동식 밸브 중 어느 하나의 배출구가 통로를 통해 상기 2개의 전기 작동식 밸브 중 다른 하나의 배출구에 연결되어 있는,

   양방향 전기 작동식 밸브.
3. 2개의 제 1 항에 기재된 전기 작동식 밸브를 구비하는 양방향 전기 작동식 밸브로서,

   상기 2개의 전기 작동식 밸브 중 어느 하나의 유입구가 통로를 통해 상기 2개의 전기 작동식 밸브 중 다른 하나의 유입구에 연결되어 있는,

   양방향 전기 작동식 밸브.