KR100578086B1 - 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 유체 제어 밸브는 동축 상에 구성된 유체입력단과 유체출력단 사이에 위치하는 관상의(tubular) 밸브 몸체(valve body)의 외부에 장착되는 코일에 의해 밸브 몸체 내에 임의로 조절되는 유도 자계에 의해 밸브 몸체 내에 부상된(levitated) 영구 자석에 일체화된 구조물의 위치를 조절하고, 상기 영구 자석과 결합되어 소정의 위치에 구성된 막대(rod) 형상의 구조물에 있어서 바늘 형상으로 테이퍼진 선단 부분을 유체출력단 측 관내의 소정의 위치에 형성된 개구(orifice)의 개방정도를 조절하는 밸브 마개(valve member)로 이용하도록 구성되며, 상기 영구 자석 내부에는 유체의 흐름을 위한 유로(flow channel)로 기능하는 하나 이상의 관통 공(through hole)을 부가하여 직선 형태로 구성된 유체의 입출력단 사이에 유량 조절부를 매입하여 구성함으로써 유로 관의 방향을 변경하지 않는 직선(in-line) 형태의 유량 조절 밸브 구성을 가능하게 하여 유량 조절 동작 시에 유체 흐름의 방향이 바뀌지 않게 하며, 상기 영구 자석을 포함하는 밸브 마개 결합체 구조물(valve member structure)을 밸브 몸체 관 내의 소정의 위치에 부상시키기 위한 방법으로 부상용 요크를 채용한 자기 부상 (magnetic levitation)의 방법을 이용하고, 이 때 발생할 수 있는 임의의 래디얼(radial) 방향으로의 편심 현상을 방지하기 위하여 도입된 가이드 구조물을 사용하는 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브이다.

유량 제어 밸브, 자기부상

Description

유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브{Magnetically levitated, electromagnetically actuated valve for fluidic mass flow control}

도 1은 본 발명의 실시예의 단면사시도

도 2는 본 발명의 실시예의 단면도

도 3은 본 발명의 실시예의 사시도

도 4는 종래의 유량제어밸브와 본 발명의 유체의 흐름을 비교하는 개략도

도 5는 본 발명의 자기 부상 구조를 설명하는 개략도

도 6은 도 5의 자기부상구조에서 발생되는 영구 자석의 변위에 따른 부상력의 변화를 나타내는 그래프

도 7은 오리피스 개방 동작시의 본 발명의 구동원리를 나타내는 개념도

도 8은 오리피스 폐쇄 동작시의 본 발명의 구동원리를 나타내는 개념도

도 9는 본 발명에 의하여 상개식 밸브 또는 상폐식 밸브를 구현하는 원리를 나타낸 개략도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 상부 편심방지용 가이드 2: 하부 샤프트 가이드

3: 부상용 요크 4: 상부 요크 하우징

5: 권선 코일 6: 하부 요크 하우징

7: 입력측 밸브관 8: 출력측 밸브관

9: 오리피스(orifice) 10: 밸브몸체

11: 하부 고정쇄 12: 샤프트

13: 영구자석 14: 상부 고정쇄

15: 유체입력단 16: 유체출력단

101, 111,131,201: 관통공 301: 권선코일용 리드홀

본 발명은 관내(tube or pipe)를 흐르는 유체의 흐름을 단속하거나 그 유량을 임의로 조절하기 위한 유체 제어 밸브에 관한 것으로, 기존의 비례 유량 제어 밸브(proportional valve)나 개폐 기능을 갖는 솔레노이드(solenoid) 밸브와 유사한 유량 제어 기능을 제공하기 위한 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브에 관한 것이다.

기존 기술에 의한 유체 제어 밸브의 경우에는 오리피스(orifice, 개구)의 개방 정도를 조절하기 위해 바늘 형상의 밸브 로드(valve rod)를 개구로부터 소정의 변위만큼 이동하여 개구의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 동작이 이루어진 다.

이러한 바늘 형상의 밸브 로드의 이동을 위해 기존의 선형 유량 제어 밸브에서는 밸브 로드를 전동 스텝 모터(stepping motor)의 회전 축(rotor shaft)에 연결된 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기어(gear)에 연결하여 스텝 모터에 인가되는 구동 전원의 펄스(pulse) 수에 비례하여 밸브 로드가 축 방향으로 변위가 발생하도록 하는 소위 모터 구동(motorized) 방식이 이용된다.

그러나, 밸브 로드의 변위를 발생시키기 위한 모터는 가격이 비싸므로 밸브 장치의 단가를 상승시키고, 모터 부품의 회전축과 밸브 로드가 위치하는 유로관 간의 기밀 접합(hermetic sealing)이 필요하므로 밸브 장치 제조 시 조립 공정이 어렵고 공정 비용이 상승하게 된다.

또 다른 기존의 선형 유량 조절 밸브로는 밸브 로드의 위치 조절을 위하여 밸브 로드의 일부에 박판인 다이아프램(diaphragm) 또는 멤브레인(membrane)을 연결하고, 밸브 로드가 연결된 다이아프램 이면에 압력 조절이 가능한 별도의 가압 공간을 마련하여, 이 가압 공간에 충진된 소정의 유체를 가열함으로써 발생하는 팽창 압력에 의해 다이아프램이 변형됨으로써 발생되는 밸브 로드의 변위를 이용하는 다이아프램 밸브도 이용되고 있다.

이 다이아프램 밸브 역시 별도의 가압 공간을 마련하여야 하므로 밸브 장치의 소형화가 어렵고, 가압 공간의 가열에 의한 팽창 압력을 이용하므로 선형 동작을 위한 밸브의 응답 속도가 느리며, 발열에 의한 전력 소모가 크다는 단점이 있다.

또한, 솔레노이드 구동기를 이용한 밸브는 개폐 동작에 국한 된 용도에는 적합하나, 유체의 선형 제어에는 적합하지 않고 구성 부품이 복잡하며 개폐 동작 시 소음이 심하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 유체 제어 밸브는 동축 상에 구성된 유체입력단과 유체출력단 사이에 위치하는 관상의(tubular) 밸브 몸체(valve body)의 외부에 장착되는 코일에 의해 밸브 몸체 내에 임의로 조절되는 유도 자계에 의해 밸브 몸체 내에 부상된(levitated) 영구 자석에 일체화된 구조물의 위치를 조절하고, 상기 영구 자석과 결합되어 소정의 위치에 구성된 막대(rod) 형상의 구조물에 있어서 바늘 형상으로 테이퍼진 선단 부분을 유체출력단 측 관내의 소정의 위치에 형성된 개구(orifice)의 개방정도를 조절하는 밸브 마개(valve member)로 이용하도록 구성되며, 상기 영구 자석 내부에는 유체의 흐름을 위한 유로(flow channel)로 기능하는 하나 이상의 관통 공(through hole)을 부가하여 직선 형태로 구성된 유체의 입출력단 사이에 유량 조절부를 매입하여 구성함으로써 유로 관의 방향을 변경하지 않는 직선(in-line) 형태의 유량 조절 밸브 구성을 가능하게 하여 유량 조절 동작 시에 유체 흐름의 방향이 바뀌지 않게 하며, 상기 영구 자석을 포함하는 밸브 마개 결합체 구조물(valve member structure)을 밸브 몸체 관 내의 소정의 위치에 부상시키기 위한 방법으로 부상용 요크를 채용한 자기 부상 (magnetic levitation)의 방법을 이용하고, 이 때 발생할 수 있는 임의의 래디얼(radial) 방향으로의 편심 현상을 방지하기 위하여 도입된 가이드 구조물을 사용하는 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유체입력단과 유체출력단 사이에 유체가 흐를 수 있는 유로관을 가지는 밸브몸체; 상기 밸브몸체의 외부를 감싸도록 설치되는 권선코일이 내장된 요크하우징; 상기 밸브 몸체 내부에 설치되어 유체출력단 측의 유로관에 형성된 오리피스를 개폐하는 샤프트; 및 상기 샤프트의 주위로 영구자석을 일체로 고정하기 위하여 상기 영구자석의 상하에 각각 위치하여 샤프트와 일체로 설치되고, 유체의 흐름을 위한 관통공을 가지는 고정쇄를 포함하는 유량 조절 밸브이다.

상기의 유량 조절 밸브에 영구자석의 기준위치를 설정하기 위해 복원력을 부여하도록 상기 밸브몸체의 외측에 접하여 설치되는 부상용 요크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기의 유량 조절 밸브에 샤프트의 편심방지를 위하여 밸브몸체의 내부에 설치되는 편심방지용 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 샤프트의 단부는 오리피스의 개폐를 확실하게 하기 위하여 테이퍼 가공된 것이 바람직하다.

상기 유체입력단과 유체출력단과 샤프트와 오리피스와 영구자석과 권선코일 이 동축 상에 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기의 부상용 요크는 영구자석에 대한 설치높이를 변경하여 샤프트의 평형상태를 상개형(常開形), 상폐형(常閉形), 대칭구동형(對稱驅動形) 중 어느 하나로 구현할 수 있다.

상기의 오리피스의 단면적을 유체입력단의 단면적보다 좁게 하여, 유체입력단과 유체출력단 사이에 소정의 압력 차를 인가된 경우 높은 압력이 걸린 유체입력단의 유체가 오리피스를 지나 상대적으로 낮은 압력의 유체출력단으로 분출되면서 유체를 단열팽창시키는 노즐의 역할을 하되, 상기 샤프트로 오리피스의 개방면적을 조절하여 단열팽창이 발생하는 유체의 유량을 조절하는 것이 가능하다.

또한, 유체입력단의 압력이 유체출력단보다 높아 유체의 흐름이유체입력단에서 유체출력단으로 흐르는 정방향의 유량 제어와, 유체출력단의 압력이 유체입력단 보다 높아 유체의 흐름이 유체출력단에서 유체입력단으로 흐르는 역 방향의 유량 제어가 동시에 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 권선코일에 인가되는 전원은 유량의 연속적 조절을 위한 아날로그신호를 가지는 전원, 또는 유량을 단속적으로 조절하기 위한 디지털신호를 가지는 전원 중에서 선택될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 직선 형태의 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브(valve)의 구조를 보여 주는 단면도이고, 도 2는 상기 도 1의 단면사시도이다.

도 1 또는 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 의한 유량 조절 밸브는 밸브몸체(10)에 형성된 유로관 내의 소정의 위치에 가공되어 있는 오리피스(orifice)(9)를 밸브 마개 결합체(valve member assembly)로 개폐할 수 있도록 구성된다.

상기의 밸브 마개 결합체는 오리피스(9)를 막는 부분이 바늘 형상으로 테이퍼 가공된 밸브 마개를 포함하는 샤프트(12)와, 밸브 개폐의 구동력을 발생시키는 영구자석(13)과, 상기 샤프트(12)와 영구자석(13)을 결합하는 고정쇄(11, 14)를 포함하여 구성된다.

상기 영구자석(13) 내부의 소정의 위치에는 유체의 흐름을 위한 관통공(penetrating hole flow channel)(131)이 형성된다.

상기 밸브 마개 결합체가 오리피스(9)에서 멀어지도록 변위가 조절되면, 상기 샤프트(12)의 테이퍼 영역과 오리피스(9) 사이에 형성되는 개방 면적이 선형적으로 증가하여 유로 내를 흐르는 유량을 개방 면적에 비례하여(proportionally) 조절할 수 있다.

이와 같이 상기의 밸브 마개 결합체의 오리피스(9)에 대한 상대적인 위치를 조절하기 위해 관상(管象)의 밸브 몸체(tubular valve body)(10)의 외벽에 밸브 몸체와 상기 샤프트(12)의 중심축을 중심으로 권선된 솔레노이드(solenoid) 형상의 권선코일(5)이 조립되어 구성된다.

상기 권선코일(5)에 전류를 인가하게 되면 코일 내부인 밸브 몸체(10) 내부에는 관상의 밸브 몸체(10)의 축과 평행한 자계(magnetic field)가 유도되며, 이 유도 자계는 영구자석(13)에 힘을 가하게 된다.

이 때 상기 권선코일(5)의 바깥쪽 외벽 및 상 하부를 투자율(permeability)이 높은 물질로 에워싸 상기 코일에 전류를 인가할 때에 발생하는 자계가 밸브 몸체의 외부로 손실되는 것을 최소화하여 유로 내에서의 자속 밀도를 높이기 위한 용도로 요크하우징(yoke housing)(4, 6)이 더 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.

밸브몸체(10)의 중심축 방향으로 자화(magnetized)되어 있는 영구자석(13)에 가해지는 전자기력의 방향 및 크기는 상기 권선코일(5)에 인가되는 전류의 방향과 세기를 조절함으로써 임의로 조절할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 밸브 마개 결합체를 소정의 위치에 부상(浮上)시키면서 밸브 구동 시에는 밸브 마개 결합체를 소정의 위치로 되돌리기 위한 복원력을 제공하는 부품인 부상용 요크(levitation yoke)(3)가 상기 요크하우징(4,6) 상단에 위치하도록 구성되는데, 부상용 요크(3)는 밸브 몸체(10)의 축방향으로 분극된 영구자석(13) 상단 주위에 자계를 집속시키는 역할을 담당하게 되어 권선코일(5)에 구동을 위한 전류가 인가되지 않은 상태에서 상기 밸브 마개 결합체의 수직 위치가 항상 일정한 기준 위치(reference position)로 되돌아 오도록 한다.

즉, 영구자석(13)의 상단부측에 부상용 요크(3)의 상단부를 위치시키고, 상기 부상용 요크(3)를 강자성체로 제작하여, 상호 인력이 작용하게 함으로써, 영구자석(13)에 복원력을 발생하게 하는 것이다.

상기와 같은 구조의 부상(levitation) 및 구동(actuation) 방식은 부품 제작 및 조립 시에 발생하는 형상 가공 오차 및 조립 오차 등에 의해 유발되는 축 방향 비대칭성으로 인하여 상기 밸브 마개 결합체가 구동축에서 이탈하여 밸브 몸체(10) 내벽의 임의의 위치로 쏠리는 편심(eccentricity) 현상이 발생하게 되어 상기 밸브 마개 결합체의 일부가 밸브몸체(10) 등의 내벽에 닿아 밸브의 구동 특성에 좋지 않은 영향을 미치게 되므로, 이를 방지하기 위한 편심 방지용 가이드(1,2)가 상기 샤프트(12)의 상 하단에 체결되어 구성된다.

편심 방지용 가이드(1,2)는 그 내측이 상기 샤프트(12)에 고정되어 샤프트(12)의 구동 방향으로 자유로이 움직일 수 있고, 외측이 밸브 몸체(valve body) (10)에 의해 고정되어 상술한 바의 편심을 막는 기계적 수단을 제공한다.

또한, 영구 자석 내부에 형성된 관통공(131), 가이드 내부에 형성된 관통공(101, 201), 상기 고정쇄(11, 14) 내부에 형성된 관통공(111, 141)은 유체가 유체입력단(15)과 유체출력단(16) 사이를 흐를 때, 상기 밸브 마개 결합체에 의해 유체 흐름이 방해받지 않고 원활한 유동을 확보하기 위한 수단을 제공하며, 본 발명에 의한 직선 형태의 유량 조절 밸브를 가능하게 해 준다.

도 3은 본 발명에 의한 직선 형태의 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브의 구성 부품을 조립하여 구성되는 본 발명에 의한 유체입력단(15)과 유체출력단(16) 및 구동부가 직선 형태로 배치된 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브의 사시도이다.

상기 부상용 요크(3)의 외측으로 권선코일용 리드홀(301)이 형성되어 있다.

상기 권선코일용 리드홀(301)을 통해 권선코일(5)에 전원을 공급하며, 상기 전원은 유량의 연속적 조절을 위한 아날로그신호를 가지는 전원과, 유량의 단속적 조절을 위한 디지털신호를 가지는 전원 중 선택하여 공급할 수 있다.

상기 디지털신호를 가지는 전원은 신호의 주파수를 조절 및 듀티(duty) 비율을 조절하여 유량을 조절하는 소위 펄스 폭 변조(PWM) 제어에 의하여 유량을 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 직진식 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브(도 4에서 좌측)와 종래의 유량 제어용 밸브(도 4에서 우측)의 비교 모식도이다.

본 발명에 의한 유량 제어 밸브는 유체입력단(inlet port)(15)과 유체출력단(outlet port)(16)이 동축(同軸) 상에 구성되어 유체가 밸브를 통과하여도 유체 흐름의 방향이 바뀌지 않는 반면, 종래의 유량 제어용 밸브는 유체입력단(inlet port)과 유체출력단(outlet port)이 수직으로 배치되어 유체가 밸브를 통과할 때 유체 흐름의 방향이 바뀌는 것을 피할 수 없다.

따라서, 본 발명에 의한 유량 제어 밸브는 유체의 흐름 변경으로 인하여 유체가 밸브에 가하는 힘이 존재하지 않아 설치가 용이하며, 상기 유체의 흐름 변경으로 인하여 발생되는 에너지 손실을 줄일 수 있다.

도 5는 본 발명에서 상기 밸브 마개 결합체를 구동 전 기준 위치에 안정하게 부상시키는 자기 부상 방법에 대하여 설명하기 위한 종단면 개략도이다.

도 5에서는 설명의 편의를 위하여 밸브 몸체(10)와 샤프트(12), 편심 방지용 가이드(11, 14) 등 비자성체 물질로 구성되어 자기장의 형성에 영향을 주지 않는 부품들은 도면에서 제외하였다.

도 5에서의 부상용 요크(3)와 솔레노이드 형상의 권선코일(5) 및 요크 하우 징(4, 6)은 밸브 몸체(10)의 외벽에 고정되어 있으며, 영구자석(13)은 편심 방지 가이드(11, 14)의 작용에 의해 z축 방향으로만 이동이 가능하다.

이 때, 영구 자석(13)이 z축을 따라 위 아래로 이동하는 경우, 영구자석 (13)과 부상용 요크(3) 및 요크 하우징(4, 6)에 의해 형성된 자기장의 분포에 의해 영구 자석 (13) 자체에 가해지는 유도 자기력(F_m)은 도 6과 같은 양상으로 나타난다.

도 6에서 z축의 값은 영구 자석(13) 상단의 위치이며 부상용 요크(3)의 상단과 같은 높이를 z = 0 으로 정하였다.

도 6에서 보는 바와 같이 영구 자석(13) 상단의 위치가 z₀ 보다 낮으면 위쪽 방향으로 힘이 작용하고, z₀ 보다 높으면 아래쪽 방향의 힘이 작용하여 다시 영구자석(13)을 z₀의 위치로 되돌리려는 복원력(restoring force)이 발생하게 되므로, 영구 자석 (13)은 외부에서 다른 힘이 가해지지 않으면 z₀의 위치에 안정적으로 부상되어 기준 위치(reference position)를 형성하게 된다.

도 7 및 도 8은 직선 형태의 유량 제어용 밸브의 전자기력 구동 원리 및 유량 조절 원리를 설명하기 위한 개략도로써, 도 7은 본 발명에 의한 유체 밸브의 개방 동작을 도 8은 유체밸브의 폐쇄 동작을 설명한다.

도 7에서와 같이 영구자석(13)이 밸브몸체(10)의 중심 축을 따라 위쪽 방향으로 자화(magnetization)되어 있고, 이 영구 자석의 자력(magnetic field intensity)의 크기를 M이라 가정하면, 밸브 관 외부에 장착된 권선코일(5)에 흐르는 전류의 방향을 밸브몸체(10)의 중심축을 중심으로 시계 반대 방향이 되도록 인가하면 자기 유도 법칙에 의해 코일이 위치한 밸브 관내에는 위쪽 방향의 자계(magnetic field) B_u가 유도되며, 유도 자계의 크기는 권선코일(5)에 인가되는 전류의 세기에 비례한다.

이 유도 자계에 의해 영구자석(13)은 위쪽 방향의 구동력 F_u를 받게 되어 영구자석(13)에 체결된 상기 밸브 마개 결합체는 오리피스(9)를 열고 유로의 개방면적을 증가시키는 방향인 위쪽으로 이동하게 된다.

한편, 상기 밸브 마개 결합체가 상기의 초기 부상 위치를 벗어나 움직임에 따라, 영구자석(13)에는 부상용 요크(3)의 작용에 의해 밸브 마개 결합체의 이동 크기에 비례하여 이동 방향의 반대 방향(도 7에서는 오리피스(9)를 향한 방향)으로 복원력이 작용하게 된다.

또한, 오리피스(9)가 열려 유체가 흐르게 되면 유체의 유동 방향으로 압력 강하(pressure drop)가 발생하므로, 이 압력 강하에 의해 상기 밸브 마개 결합체에도 구동 방향에 대해 소정의 힘이 가해지게 된다.

따라서, 유도 자계에 의한 구동력 F_u, 부상용 요크(3)와 유체의 압력차에 의해 상기 밸브 마개 결합체의 구동 방향으로 작용하는 힘 등이 평형을 이루는 지점에서 밸브 마개 결합체의 위치가 결정된다.

그러므로, 권선 코일(5)에 인가하는 전류의 세기를 조절함으로써 밸브 마개 결합체의 밸브 몸체의 중심 축상에서의 위치를 임의로 조절할 수 있으며, 이를 통하여 오리피스(9)와 샤프트(12)의 테이퍼진 밸브 마개 (valve member) 간의 거리를 조절하여 유체가 흐르는 유효 면적을 조절할 수 있게 되므로, 오리피스(9)를 통해 흐르는 유량을 임의로 조절할 수 있게 되는 것이다.

도 8은 밸브의 폐쇄 동작을 보여 주는 개략도로써, 권선 코일(5)에 밸브 몸체(10)의 중심축을 기준으로 시계 방향의 전류를 인가하면, 아래쪽 방향의 유도 자계 B_d가 밸브 몸체 내부에 형성되고, 이 유도 자계에 의하여 영구자석(13)을 포함한 밸브 마개 결합체는 오리피스(9)를 닫는 방향으로 구동력 F_d를 받게 된다.

이 경우에도 관내의 유체에 의한 압력 차에 의한 힘이 밸브 마개 결합체에 작용하게 된다.

밸브의 폐쇄 동작은 앞서 설명한 개방 동작과는 상이하게 권선코일(5)의 유도 자계 B_d에 의한 구동력 F_d 및 부상용 요크(3)의 복원력, 유로관의 유체입력단(15) 및 유체출력단(16) 간의 압력 차에 의해 밸브 마개 결합체에 가해지는 힘의 합력이 유체출력단(16) 방향(도 8에서 아래쪽 방향)으로 향하게 하여 샤프트(12)의 밸브 마개가 고정된 위치의 오리피스(9)를 막도록 하는 것이 바람직하다.

만약, 입력 단의 유체 압력이 출력 단에 비해 충분히 높아, 전자기력에 의한 밸브 마개 결합체의 구동 없이도 샤프트(12)의 밸브 마개가 오리피스(9)를 막을 수 있는 압력차가 유로 관내에 형성되어 있는 경우에는 별도의 폐쇄 구동을 위한 구동 전류 없이도 권선코일(5)에 인가 전원을 끄게 되면 밸브 폐쇄 동작을 구현할 수도 있다.

그러나, 이 경우에도 밸브의 폐쇄를 위해 샤프트(12)의 밸브 마개가 오리피스(9)를 서서히 막을 수 있도록 권선코일(5) 인가 전류를 서서히 감소시킴으로써 밸브 마개가 급격히 오리피스(9)에 부딪힘으로써 야기될 수 있는 밸브 마개 및 샤프트(12)의 파손 가능성이나 소음 등을 방지하는 것이 바람직하다.

도 9는 부상용 요크(3)의 측벽 길이 L 을 변경하는 방법에 의해 상개식(常開式, normally open type) 및 상폐식(常閉式, normally closed type) 밸브를 구현하는 원리를 도시하였다.

도 4와 같은 구조에서 영구 자석(13)의 부상 높이 z₀는 부상용 요크(3)의 측벽의 길이 L에 의하여 결정될 수 있다.

즉, 권선코일에 전류를 흘려 구동할 수 있는 거리를 d라 할 때, 부상용 요크(3) 측벽의 길이를 도 9의 좌측과 같이 오리피스(9)의 둘레로부터 샤프트(12)의 밸브 마개까지의 z 방향 거리가 d가 되도록 하는 L_o의 값으로 결정하면 이 밸브는 구동을 하지 않는 평상시에 최대 유량을 흘릴 수 있는 상태로 열려 있는 상개식 (normally open type) 밸브로서 동작하게 되고, 도 9의 우측과 같이 샤프트(12)의 밸브 마개가 오리피스(9)를 완전히 막는 높이에 밸브 마개 결합체가 부상하도록 하는 L_c의 값으로 결정하면 구동을 하지 않는 평상 시에는 유체가 흐르지 못하는 상폐식 (normally closed type) 밸브로써 동작하게 된다.

그리고, 상기 샤프트(12)의 밸브마개가 오리피스(9)를 약간만 막고 있는 상 태로 L의 값을 결정하면 대칭구동형(對稱驅動形) 밸브로써 동작하게 된다.

또한, 상기의 유량제어밸브로도 활용이 가능하다.

즉, 유체입력단(15)과 유체출력단(16)에 소정의 압력차를 인가하고, 높은 압력이 걸린 유체입력단(15)의 유체가 오리피스(9)의 좁은 유로를 지나 상대적으로 낮은 압력의 유체출력단(17)으로 분출되면서 체적이 팽창하며 온도가 강하하는 단열 팽창 현상을 이용한 노즐의 역할을 할 수 있다.

특히, 오리피스(9)의 개방 면적을 상기 밸브 마개(valve member)가 형성된 샤프트(12)에 의해 유도 전자기력으로 선형적으로 조절하여 단열 팽창이 발생하는 유체의 유량을 직접 조절할 수 있다.

그리고, 상기 유체 제어용 밸브는 유체입력단(15)의 압력이 유체출력단(16) 보다 높아 유체의 흐름이 유체입력단(15)에서 유체출력단(16)으로 흐르는 정방향의 유량 제어와, 유체출력단(16)의 압력이 유체입력단(15) 보다 높아 유체의 흐름이 유체출력단(16)에서 유체입력단(15)으로 흐르는 역 방향의 유량 제어가 동시에 가능하다.

본 발명에 의한 직선 형태의 유량 제어용 자기 부상 전자기력 구동 밸브는 구성 부품 수가 적고, 가공 및 조립이 용이하므로 저렴한 밸브를 제공할 수 있고 소형화가 용이하며, 유체입력단(inlet port)과 유체출력단(outlet port)이 동축 상에 구성되어 유량 조절 동작 시에 유체 흐름의 방향이 바뀌지 않는 특징을 가지고 있으며, 직선 상의 유로관 내에 매입하여 밸브 장치에 의한 낭비 용적(dead volume)을 최소화할 수 있다.

특히, 본 발명에 의한 유량 조절 밸브의 구동을 위한 전자기 코일에 인가되는 전류의 양을 조절하여 밸브 오리피스의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 비례 조절 밸브(proportional valve) 및 선형 팽창 밸브(linear expansion valve)로 이용할 수 있으며, 상기 전자기 코일에 인가되는 전류의 크기를 밸브가 완전히 개방되는 소정의 레벨과 밸브가 오리피스를 차단하도록 하는 또 다른 레벨의 디지털화 된 인가 전류를 공급하도록 하는 구동 회로를 덧붙여 개방/폐쇄 동작을 수행하는 개폐 밸브로도 적용할 수 있다.

본 발명의 밸브 구조는 기존의 유량 조절 밸브에 비해 구성 부품의 수가 적어 밸브 제조 시 조립 공수(process step)가 줄어들고, 조립 공정 역시 용이하게 된다. 또한, 전원이 인가되어 구동력을 발생시키는 코일이 밸브 외부에 장착되므로, 밸브 내부의 기밀성이 우수하다는 장점이 있다.

또한, 상기 디지털화 된 인가 전류의 주기 및 펄스 폭을 임의로 조절할 수 있는 펄스 폭 변조(PWM; pulse width modulation) 회로를 덧붙여 PWM 방식의 아날로그 유량 조절 밸브로도 이용할 수 있다.

상기 개구(orifice)를 단속하는 영구 자석 밸브 마개 결합체 구조물을 소정의 위치에 부상시키는 방법으로 부상용 요크에 의한 자기 부상의 방법을 채용하여 용도에 따라 상개형(常開形, normally open type), 상폐형(常閉形, normally closed type) 밸브, 대칭구동형(對稱驅動形) 밸브로의 구성이 매우 용이하다.

본 발명에 의한 유량 조절 밸브를 자동차 전자 제어 엔진용 연료 분사 장치의 과급 압력을 조절하기 위한 조절 밸브, 자동차 자동 변속 장치의 유압 조절 장치, 능동 현가 장치(Active suspension)의 유압 조절 장치 및 자동 제동 장치(automatic braking system)의 압력 조절 장치, 타이어의 적정 내압 유지를 위하여 기체의 흐름을 조절하는 데 적용하거나, 자동차용, 가정용 또는 하나의 실외기에 다수의 실내기가 연결되어 구성되는 멀티(multi-joint)형 에어컨디셔너 등의 실외기 또는 실내기 등의 예와 같이 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 선형 팽창 밸브(linear expansion valve)에 적용하여 냉방(또는 냉각) 성능을 용이하게 임의로 조절할 수 있는 유체 열 교환 장치를 보다 저렴하고, 소형화하여 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 유체입력단과 유체출력단 사이에 유체가 흐를 수 있는 유로관을 가지는 밸브몸체;

   상기 밸브몸체의 외부를 감싸도록 설치되는 권선코일이 내장된 요크하우징;

   상기 밸브 몸체 내부에 설치되어 유체출력단 측의 유로관에 형성된 오리피스를 개폐하는 샤프트; 및

   상기 샤프트의 주위로 영구자석을 일체로 고정하기 위하여 상기 영구자석의 상하에 각각 위치하여 샤프트와 일체로 설치되고, 유체의 흐름을 위한 관통공을 가지는 고정쇄를 포함하는 유량 조절 밸브.
2. 제1항에 있어서, 영구자석의 기준위치를 설정하기 위해 복원력을 부여하도록 상기 밸브몸체의 외측에 접하여 설치되는 부상용 요크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 샤프트의 편심방지를 위하여 밸브몸체의 내부에 설치되는 편심방지용 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
4. 제1항에 있어서, 샤프트의 단부는 오리피스의 개폐를 확실하게 하기 위하여 테이퍼 가공된 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
5. 제1항에 있어서, 유체입력단과 유체출력단과 샤프트와 오리피스와 영구자석과 권선코일이 동축 상에 구성되는 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
6. 제2항에 있어서, 부상용 요크는 영구자석에 대한 설치높이를 변경하여 샤프트의 평형상태를 상개형(常開形), 상폐형(常閉形), 대칭구동형(對稱驅動形) 중 어느 하나로 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
7. 제1항에 있어서, 오리피스의 단면적을 유체입력단의 단면적보다 좁게 하여, 유체입력단과 유체출력단 사이에 소정의 압력차를 인가된 경우 높은 압력이 걸린 유체입력단의 유체가 오리피스를 지나 상대적으로 낮은 압력의 유체출력단으로 분출되면서 유체를 단열팽창시키는 노즐의 역할을 하되, 상기 샤프트로 오리피스의 개방면적을 조절하여 단열팽창이 발생하는 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
8. 제1항에 있어서, 유체입력단의 압력이 유체출력단보다 높아 유체의 흐름이 유체입력단에서 유체출력단으로 흐르는 정방향의 유량 제어와, 유체출력단의 압력이 유체입력단보다 높아 유체의 흐름이 유체출력단에서 유체입력단으로 흐르는 역 방향의 유량 제어가 동시에 가능한 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.
9. 제1항에 있어서, 권선코일에 인가되는 전원은 유량의 연속적 조절을 위한 아날로그신호를 가지는 전원, 또는 유량을 단속적으로 조절하기 위한 디지털신호를 가지는 전원인 것을 특징으로 하는 유량 조절 밸브.

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