KR100724798B1 - 형상기억합금을 이용한 자동 밸브 개폐장치 및 그 조립방법 - Google Patents

Abstract

개시된 자동 밸브 개폐장치는, 유로를 개폐하는 구동력을 전달하기 위한 이동대와, 이동대를 고정대에 대해 연결하며 통전에 따라 선택적으로 수축과 팽창을 하면서 유로가 개폐되도록 이동대를 변위시키는 형상기억메카니즘을 포함하며, 그 형상기억메카니즘은 일단부가 이동대에 고정되고 타단부가 고정대에 고정되어 양측을 일직선으로 연결하는 복수 가닥의 형상기억합금 와이어를 구비한다. 이러한 구조의 장치는 형상기억합금 와이어를 구부리거나 조여지 않고도 안전하게 조립을 완수할 수 있으며, 그렇게 조립된 형상기억메카니즘으로 정밀하고 원활한 밸브 개폐조작을 수행할 수 있다.

형상기억합금, 밸브, 개폐

Description

형상기억합금을 이용한 자동 밸브 개폐장치 및 그 조립방법{Automatic valve actuating apparatus using shape memory alloy and assembling method thereof}

도 1은 종래의 형상기억합금을 이용한 자동 밸브 개폐장치를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 자동 밸브 개폐장치를 도시한 도면,

도 3은 도 2에 도시된 자동 밸브 개폐장치에 있어서 형상기억메카니즘을 발췌하여 도시한 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100...형상기억합금 와이어 110...이동대

120...고정대 130...프레임

140...밸브로드 150...스프링

160...관

본 발명은 자동 밸브 개폐장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 형상기억합금을 이용하여 유로를 개폐할 수 있도록 된 자동 밸브 개폐장치 및 그것의 조립방 법에 관한 것이다.

일반적으로 밸브는 관속을 흐르는 유체의 유입과 유출을 조절하는 유압장치의 한 요소로서, 그 유로를 개폐하는 구동메카니즘에 따라 여러 가지 방식으로 분류된다. 유로를 자동으로 개폐하는 가장 전형적인 구조로는 모터나 솔레노이드 등을 이용하는 방식이 있으나, 이들은 자체의 중량과 부피가 커서 전체적인 장치를 크고 무겁게 만들 뿐 아니라 가격도 비싼 단점을 가지고 있기 때문에, 최근에는 장치의 소형 경량화 등에 유리한 형상기억합금 방식이 선호되는 추세이다. 이것은 형상기억합금의 온도 변화에 따른 형상 복원 특성을 이용하는 방식으로서, 도 1은 종래에 채용된 그 예를 보이고 있다.

도면을 참조하면, 관(16)의 유로(16a)를 개폐하는 밸브로드(14)가 스프링(15)에 의해 열리는 방향으로 탄성바이어스되어 있고, 그 상방에는 밸브로드(14)를 필요 시 닫히는 방향으로 눌러주기 위한 조작기구가 설치되어 있다. 이 조작기구가 바로 형상기억합금을 이용하고 있는데, 먼저 힌지축(11a)을 중심으로 하여 이동대(11)가 프레임(13)에 대해 회전가능하게 설치되어 있다. 이 이동대(11)는 일단부(11b)가 상기 밸브로드(14)의 선단에 접촉하고 있어서 도면의 A방향으로 회전 시 밸브로드(14)를 닫히는 방향으로 눌러주도록 되어 있다. 그리고, 프레임(13)에 고정된 고정대(12)와 이 이동대(11)를 연결해주는 와이어(10)가 설치되는데, 이 와이어(10)가 형상기억합금으로 만들어진 것이다. 즉, 고정대(12)와 이동대(11) 각각에 복수의 스크류(17)를 설치하여 형상기억합금 와이어(10)를 지그재그식으로 걸쳐서 당긴 후 꽉 조여서 고정시켜 놓은 것이다.

이 상태에서 와이어(10)의 양단에 마련된 단자부(18)를 통해 전류를 인가하면, 형상기억합금의 열변형 특성에 의해 와이어(10)가 수축하게 된다. 그러면 고정대(12)를 기준으로 해서 이동대(10)가 A방향으로 회전되도록 당겨지는 셈이 되므로, 이동대(11)가 A방향으로 돌아가면서 밸브로드(14)를 눌러 유로(16a)를 막게 된다. 반대로, 전류를 끊게 되면 형상기억합금이 원래 형상으로 늘어나게 되며 이에 따라 스프링(15)의 복원력에 의해 밸브로드(14)는 다시 유로를 여는 방향으로 움직이게 된다. 물론, 이러한 작동을 위해서는 고온과 실온에서의 형상을 동시에 기억하는 이방향 형상기억합금이 채용된다.

그런데, 이와 같은 종래의 구조에서는 형상기억합금 와이어(10)를 고정대(12)와 이동대(11)에 각각 고정시킬 때 와이어(10)에 손상이 가해질 위험이 매우 높는 단점이 있다. 왜냐 하면, 와이어(10)가 각 스크류(17)를 180도 정도 휘감으면서 지그재그식으로 돌아나가기 때문에 그 굴곡부에서 응력이 집중되기 쉬우며, 특히 스크류(17)로 조여서 고정시킬 때 그 응력이 집중된 부위가 심하게 눌리며 손상될 가능성이 많기 때문이다. 이와 같은 현상은 와이어(10)의 인장력을 약화시켜 결국 수명을 단축시키는 원인이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 스크류(17)로 조여서 고정시킬 때 와이어(10)가 스크류(17)의 감김방향을 따라서 조금씩 움직일 수가 있어서, 정확한 초기 길이를 맞추기도 어렵고, 상대적으로 짧아진 곳과 길어진 곳 간에 힘의 불균형이 발생되어 제어가 부정확해지는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 형상기억합금 와이어 의 손상 가능성을 억제하고, 그 초기 위치를 용이하게 맞출 수 있도록 개선된 자동 밸브 개폐장치 및 그 조립방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유로를 개폐하는 구동력을 전달하기 위한 이동대와, 상기 이동대를 소정 고정대에 대해 연결하며 통전에 따라 선택적으로 수축과 팽창을 하면서 유로가 개폐되도록 상기 이동대를 변위시키는 형상기억메카니즘을 포함하는 자동 밸브 개폐장치에 있어서, 상기 형상기억메카니즘은, 일단부가 상기 이동대에 고정되고 타단부가 상기 고정대에 고정되어 양측을 일직선으로 연결하는 복수 가닥의 형상기억합금 와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동 밸브 개폐장치의 조립방법은, 복수 가닥의 형상기억합금 와이어와, 상기 와이어 두 개의 단부가 끼워져 걸릴 수 있는 한 쌍의 결합부가 마련된 단자부재 및, 상기 단자부재가 끼워져 결합되는 수용홈이 형성된 이동대와 고정대를 각각 준비하는 단계; 상기 단자부재들을 상기 한 쌍의 결합부들끼리 서로 마주보지 않도록 엇갈리게 배치하여 상기 형상기억합금 와이어의 단부를 상기 각 결합부에 결합시키며 지그재그식으로 연결하는 단계; 및, 상기 단자부재들을 상기 이동대와 고정대의 수용홈에 끼워서 고정시키는 단계;를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 밸브 개폐장치를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 일단 관(160)의 유로(161)를 개폐하는 밸브로드(140)와 스프링(150) 및 밸브로드(140)를 스프링(150)의 탄성력과 반대방향으로 눌러주기 위한 이동대(110)의 기능은 전술한 종래의 것과 거의 동일하다. 대신 본 발명에서는, 통전에 따라 선택적으로 수축 및 팽창을 하면서 이동대(110)를 변위시켜 밸브로드(140)를 개폐조작하는 형상기억메카니즘이 새롭게 구현되어 있다. 이 형상기억메카니즘은, 프레임(130)에 고정된 고정대(120)와 이동대(110)를 연결해주는 복수 가닥의 형상기억합금 와이어(100)들을 포함하는데, 이들은 종래처럼 한 가닥이 이동대(110)와 고정대(120)를 돌아가면서 감고 있는 것이 아니라, 매 가닥의 양단부가 이동대(110)와 고정대(120)에 각각 고정됨으로써 일직선으로 양측을 연결하고 있다. 즉, 종래에는 형상기억합금 와이어가 스크류(17;도 1 참조)를 돌아서 구부러지며 이동대(110)와 고정대(120)를 연결했지만, 여기서는 와이어(100)가 일직선으로 펴진 상태에서 이동대(110)와 고정대(120)를 연결하게 된다. 따라서, 종래와 같이 와이어가 구부러짐에 따른 응력집중 현상이나, 스크류(17) 조임 시의 손상과 같은 문제가 근본적으로 해소되는 것이다.

이와 같은 형상기억합금 와이어(100)의 연결 구조를 도 3을 참조하여 좀 더 자세히 살펴보기로 한다.

먼저, 각 와이어(100)의 양단은 단자부재(101)에 결합된다. 즉, 와이어(100)의 끝부분을 단자부재(101)의 결합부(101a)에 끼워넣은 후 그 결합부(101a) 외주면을 중심을 향해 스패너 등으로 약간 찌그러뜨려서 압착시킴으로써 결합시킨다. 이 단자부재(101)에는 낱개마다 두 개씩의 와이어(100)를 끼울 수 있도록 한 쌍의 결합부(101a)가 "ㄷ"자 모양으로 평행하게 연결되어 있다.

그리고, 이 단자부재(101)는 이동대(110)와 고정대(120)에 마련된 수용홈(111)(121)에 끼워져 고정되는데, 도면에서 보는 바와 같이 수용홈(111)(121)에 상기 단자부재(101)를 끼울 때에는 도면의 Z방향으로 쉽게 집어넣을 수 있지만, 인장방향인 X방향으로 힘을 받을 때에는 단자부재(101)가 수용홈(111)(121) 주변에 형성된 돌출부들에 걸려서 빠지지 않는 구조로 되어 있다. 그리고, 이동대(110)와 고정대(120) 각각에 고정되어 상호 마주보는 단자부재(101)들 끼리는 서로 한 쌍의 결합부(101a)를 마주하는 것이 아니라, 한 칸씩 어긋나서 전체적으로 봤을 때 지그재그식으로 와이어(100)가 연결되게 배치된다.

이와 같은 형상기억메카니즘은 다음과 같이 조립된다. 먼저, 형상기억합금 와이어(100)와, 상기 단자부재(101)를 복수개 준비한다. 그리고, 단자부재(101)들을 서로 대향되도록 배치하는데, 이때 상기한 바와 같이 서로 한 쌍의 결합부(101a)끼리 똑바로 마주보지 않고 한 칸씩 어긋나게 배치한다. 이어서 상기 와이어(100) 단부를 결합부(101a)에 끼워넣고 압착시키면서 서로 대향된 단자부재(101)들을 도 3과 같이 연결한다. 이렇게 되면 전체가 하나로 연결된 상태가 된다. 즉, 각 와이어(100)는 일직선으로 이동대(110)와 고정대(120) 측을 연결하고 있지만, 전체를 보면 단자부재(101)들을 매개로 해서 하나로 연결되어 있는 것이다. 이 상태에서 전체를 들어서 상기 이동대(110)와 고정대(120)의 수용홈(111)(121)에 맞춰서 단자부재(101)들을 끼워넣으면 조립이 완성된다. 물론, 여기서는 이해를 돕기 위해 단자부재(101)들을 먼저 대향되게 배치하고 나서 와이어(100)를 연결한다고 설명했지만, 실제로는 와이어(100)를 끼우면서 단자부재(101)들을 하나씩 결해나갈 수도 있고, 단자부재(101)들을 먼저 수용홈(111)(121)에 끼워놓고 와이어(100)를 연결해나갈 수도 있음은 물론이다.

이렇게 조립된 형상기억메카니즘을 가진 자동 밸브 개폐장치는, 종래와 마찬가지로 통전에 의해 다음과 같이 작동된다. 먼저, 최외곽 측의 와이어(100)를 통해 전류를 인가하면, 도전성 단자부재(101a)을 통해 전체가 하나로 연결된 모든 형상기억합금 와이어(100)에 통전이 된다. 그러면, 모든 와이어(100)들이 열변형 특성에 의해 수축하게 되며, 이에 따라 이동대(110)가 도 2의 A방향으로 돌아가면서 밸브로드(140)를 눌러 유로(161)를 막게 된다. 반대로, 전류를 끊게 되면 형상기 억합금이 원래 형상으로 늘어나게 되며 이에 따라 스프링(150)의 복원력에 의해 밸브로드(140)는 다시 유로(161)를 여는 방향으로 움직이게 된다.

따라서, 형상기억합금 와이어(100)를 구부리거나 조여지 않고도 안전하게 조립을 완수할 수 있으며, 그렇게 조립된 형상기억메카니즘으로 원활한 밸브 개폐조작을 수행할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 자동 밸브 개폐장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 형상기억합금 와이어를 구부리거나 스크류로 조이지 않고도 조립이 되는 구조이기 때문에, 조립 과정에서의 와이어의 손상을 방지할 수 있다.

둘째, 이동대와 고정대를 와이어들이 일직선으로 연결하기 때문에, 조립 시에 길이가 변하는 등의 문제가 해소되어 더욱 정밀하고 신뢰성 높은 장치를 구현할 수 있다.

셋째, 와이어 단부를 결합시키고 단자부재를 끼우는 것으로 조립이 완성되므로, 조립 작업 자체가 매우 쉬워진다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

1. 유로를 개폐하는 구동력을 전달하기 위한 이동대와, 상기 이동대를 소정 고정대에 대해 연결하며 통전에 따라 선택적으로 수축과 팽창을 하면서 유로가 개폐되도록 상기 이동대를 변위시키는 형상기억메카니즘을 포함하는 자동 밸브 개폐장치에 있어서,

   상기 형상기억메카니즘은,

   일단부가 상기 이동대에 고정되고 타단부가 상기 고정대에 고정되어 양측을 일직선으로 연결하는 복수 가닥의 형상기억합금 와이어를 포함하며, 상기 와이어는 상기 이동대와 고정대에 각각 마련된 수용홈에 끼워져 고정되는 단자부재에 그 양단부가 결합되는 것을 특징으로 하는 자동 밸브 개폐장치
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 단자부재는, 낱개마다 두 개씩의 형상기억합금 와이어 단부가 고정되도록 서로 평행한 한 쌍의 결합부가 구비된 "ㄷ"자 형상으로 된 것을 특징으로 하는 자동 밸브 개폐장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 단자부재들은, 상기 한 쌍의 결합부들끼리 서로 마주보지 않고 지그재그식으로 엇갈리게 배치된 것을 특징으로 하는 자동 밸브 개폐장치.
5. 복수 가닥의 형상기억합금 와이어와, 상기 와이어 두 개의 단부가 끼워져 걸릴 수 있는 한 쌍의 결합부가 마련된 단자부재 및, 상기 단자부재가 끼워져 결합되는 수용홈이 형성된 이동대와 고정대를 각각 준비하는 단계;

   상기 단자부재들을 상기 한 쌍의 결합부들끼리 서로 마주보지 않도록 엇갈리게 배치하여 상기 형상기억합금 와이어의 단부를 상기 각 결합부에 결합시키며 지그재그식으로 연결하는 단계; 및,

   상기 단자부재들을 상기 이동대와 고정대의 수용홈에 끼워서 고정시키는 단계;를 포함하는 자동 밸브 개폐장치 조립방법.

Images