KR100736772B1 - Proportional control valve with pzt actuator - Google Patents

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KR100736772B1
KR100736772B1 KR1020060043922A KR20060043922A KR100736772B1 KR 100736772 B1 KR100736772 B1 KR 100736772B1 KR 1020060043922 A KR1020060043922 A KR 1020060043922A KR 20060043922 A KR20060043922 A KR 20060043922A KR 100736772 B1 KR100736772 B1 KR 100736772B1
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piezoelectric actuator
poppet
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proportional
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윤소남
김동수
함영복
박평원
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한국기계연구원
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Abstract

A proportional control valve with a PZT actuator is provided to adapt the proportional control valve to a semiconductor industry and a home automation field as well as a general industry through a simple structure. A proportional control valve with a PZT actuator includes a valve body(7), a poppet(20), a poppet seat(23), a balance spring(22), a diaphragm(24), a control nozzle(2), and a controller(15). The valve body has an inlet port disposed at one side thereof and an outlet port disposed at the other side. The poppet is seated on the poppet seat. The balance spring is disposed at a load response part(25) to be fixed to a lower part of the poppet. The diaphragm is coupled to an upper part of the poppet to be connected to the control nozzle. The controller is disposed to be connected to the PZT actuator and power supply terminals(16a,16b) to control an amount of fluid in proportion to a voltage applied to the PZT actuator.

Description

압전식 비례제어 밸브{Proportional Control Valve With PZT Actuator}Piezoelectric Proportional Valve {Proportional Control Valve With PZT Actuator}

도 1은 종래의 나사조절식 압전밸브의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional threaded piezoelectric valve.

도 2는 종래의 스풀조절식 압전밸브의 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view of a conventional spool adjustable piezo valve.

도 3은 본 발명에 따른 압전식 비례제어 밸브의 단면도.3 is a cross-sectional view of a piezoelectric proportional control valve according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 압전식 비례제어 밸브의 동작 상태도.Figure 4 is an operating state diagram of the piezoelectric proportional control valve according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 압전액추에이터 1a : 제어공간부1: piezoelectric actuator 1a: control space part

2 : 제어노즐 7 : 밸브몸체2: control nozzle 7: valve body

14 : 콘넥터 15 : 제어기14 Connector 15 Controller

16a,16b : 전원공급단자 17 : 제어파이로트16a, 16b: power supply terminal 17: control pilot

18 : 2차부 파이로트 19 : 부하감응형 파이로트18: secondary pilot 19: load-sensitive pilot

20 : 포펫 21 : 압전액추에이터용 스프링20: poppet 21: spring for the piezo actuator

22 : 밸런스용 스프링 23 : 포펫시트22: balance spring 23: poppet seat

24 : 다이어프램부 25 : 부하감응부24: diaphragm portion 25: load sensitive portion

26 : 밸런스 스프링 조절용캡 A : 입구포트26: Balance spring adjustment cap A: Inlet port

B : 출구포트B: Exit port

본 발명은 압전액추에이터를 파이로트 제어기로 이용하여 대유량을 비례적으로 제어하는 밸브에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 벤더형 압전액추에이터와 스프링의 적절한 조합을 통하여 압전액추에이터에 공급되는 입력전압에 비례하여 압전액추에이터의 변위가 일어나며, 상기 압전액추에이터의 비례적인 변위에 따라서 다이어프램부의 변위가 변하게 되고, 이 결과로 인하여 유랑조절용 포펫의 변위가 발생하여 입구포트에서 출구포트로 흐르는 유량을 비례적으로 제어하는 압전식 비례제어 밸브에 관한 것이다.The present invention relates to a valve for proportionally controlling a large flow rate by using a piezoelectric actuator as a pilot controller, and more particularly, in proportion to an input voltage supplied to the piezoelectric actuator through a proper combination of a bender-type piezoelectric actuator and a spring. The displacement of the piezoelectric actuator occurs, and the displacement of the diaphragm portion is changed according to the proportional displacement of the piezoelectric actuator. As a result, the displacement of the flow control poppet is generated, and the piezoelectric for proportionally controlling the flow rate from the inlet port to the outlet port. It relates to a proportional control valve.

종래에는 전자식을 이용하여 이러한 비례유량제어를 행하였으나, 비례전자식의 단점인 온도상승에 따른 흡인력 저하, 플런저의 마모에 의한 액추에이터의 열화 및 부피가 커지는 문제점으로 인하여 최근에는 새로운 기능성 액추에이터를 이용한 밸브들이 제안되고 있다.Conventionally, the proportional flow control was performed using an electronic system. However, valves using a new functional actuator have recently been used due to a problem of deterioration of the suction force due to temperature rise, deterioration of the actuator due to abrasion of the plunger, and a large volume. It is proposed.

도 1과 도 2는 솔레노이드 방식을 대체하는 압전방식으로 유량을 제어하고자하는 밸브의 예를 보이는 것으로, 도 1은 순수하게 압전액추에이터의 변위에 의해서만 유량이 조절되는 형식이고, 도 2는 압전액추에이터를 먼저 설치하고 스풀을 적절히 이동시켜서 유량변위를 제어하는 형식의 밸브로 상세히 설명하면 다음과 같다.1 and 2 show an example of a valve to control the flow rate to the piezoelectric method to replace the solenoid method, Figure 1 is a type in which the flow rate is adjusted only by the displacement of the piezoelectric actuator purely, Figure 2 is a piezoelectric actuator First of all, it will be described in detail as a valve of the type that controls the flow displacement by moving the spool properly.

먼저, 도 1의 제어노즐(2)은 밸브몸체(7)에 고정되어 있는 상태에서 압전액 추에이터(1)에 공급되는 전압에 따라 발생되는 변위에 해당하는 유량이 유체입구(5)에서 유체출구(6)로 흐르도록 제어하는 밸브로써, 도 1과 같은 상태에서는 유체입구(5)에서 유체출구(6)로 유량이 흐르게 되지만, 압전액추에이터(1)에 전원이 인가되면 상기 압전액추에이터(1)는 제어노즐(2)을 막는데 까지 변위가 일어나게 되어 유체의 흐름이 멈추게 된다. 상기 압전액추에이터(1) 상부에 위치하는 나사(4)는 압전액추에이터(1)를 직접 닿게하여 최대변위를 제한하거나 유체입구(5)로부터의 급작스런 충격압력이 제어노즐(2)에 작용해도 압전액추에이터(1)가 손상을 받지 않도록 하는 구조이나, 이 밸브는 소량의 유량만을 전달할 수 있고, 압전액추에이터(1) 자체가 비례성능이 매우 나쁜 특성이 있으며, 압전액추에이터(1)를 나사(4)로 직접 동작시키기 때문에 압전액추에이터(1)에 긁힘 현상이 발생하여 결국에는 신뢰성 문제를 유발시키는 문제점을 가지고 있다.First, the control nozzle 2 of FIG. 1 has a flow rate corresponding to the displacement generated according to the voltage supplied to the piezoelectric actuator 1 in a state in which the control nozzle 2 is fixed to the valve body 7. As a valve for controlling the flow to the outlet 6, in the state shown in FIG. 1, the flow rate flows from the fluid inlet 5 to the fluid outlet 6, but when the power is applied to the piezoelectric actuator 1, the piezoelectric actuator 1 The displacement occurs until the control nozzle 2 is blocked, and the flow of fluid stops. The screw 4 located above the piezoelectric actuator 1 directly contacts the piezoelectric actuator 1 to limit the maximum displacement or even if the sudden impact pressure from the fluid inlet 5 acts on the control nozzle 2. This valve is designed to prevent damage to (1), but this valve can deliver only a small amount of flow rate, and the piezoelectric actuator (1) itself has a very poor proportional performance, and the piezoelectric actuator (1) is screwed (4). Since it directly operates, the piezoelectric actuator 1 has a problem of scratching and eventually causing reliability problems.

도 2는 상기 도 1에서의 문제점인 긁힘현상을 개선하고, 제어특성을 향상시키기 위하여, 밸브몸체(7)에 초기위치를 자유자재로 조절할 수 있는 스풀(10)을 설치하였으며, 상기 스풀(10)의 조절을 통하여 초기 조립의 정확도 향상과 쉬운 유량조절범위 결정을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 압전액추에이터(1)가 먼저 조립된 상태에서 스풀스프링(12)과 스풀(10)을 밸브몸체(7)에 조립하여 나사(4)를 이용하여 압전액추에이터(1)와 나사(4)의 초기 맞닿는 지점을 적절히 조절해 놓으면 유체입구(5)로부터 유체출구(6)로의 흐름을 매우 정확하게 제어할 수 있으며, 도 2와 같은 상태에서는 압전액추에이터(1)가 제어노즐(2)을 막고 있기 때문에 유체입구(5)로부터의 유량은 유체출구(6)로 흐르지 않지만 압전액추에이터(1)에 전압이 인가되면 압전액추에이터(1)가 위쪽으로 변위를 일으키고, 제어노즐(2)과 압전액추에이터(1) 사이가 떨어져서 유체는 유체입구(5)로부터 유체출구(6)로 흐르게 된다. 상기 도 2에 보이는 압전밸브는 매우 적은 유량을 이송시키는 역할을 하며, 누설특성이 매우 중요하기 때문에 연결부마다 오링(3,11)을 사용하는데, 이 밸브 역시 압전액추에이터(1) 자체의 나쁜 비례특성 때문에 인가전압에 비례하는 유량을 얻을 수 없으며, 대유량을 얻을 수 없는 구조로 이루어져 있다.FIG. 2 is provided with a spool 10 capable of freely adjusting the initial position of the valve body 7 in order to improve the scratching phenomenon, which is a problem in FIG. 1, and to improve control characteristics. ) Has the advantage of improving the accuracy of the initial assembly and easy determination of the flow control range. In the state where the piezoelectric actuator 1 is assembled first, the spool spring 12 and the spool 10 are assembled to the valve body 7, and the initial contact of the piezoelectric actuator 1 and the screw 4 using the screw 4 is performed. If the point is properly adjusted, the flow from the fluid inlet 5 to the fluid outlet 6 can be controlled very accurately. In the state as shown in FIG. 2, the piezoelectric actuator 1 blocks the control nozzle 2 so that the fluid inlet can be controlled. Although the flow rate from (5) does not flow to the fluid outlet 6, when a voltage is applied to the piezoelectric actuator 1, the piezoelectric actuator 1 causes the upward displacement, and the gap between the control nozzle 2 and the piezoelectric actuator 1 Falling fluid flows from fluid inlet 5 to fluid outlet 6. The piezoelectric valve shown in FIG. 2 serves to transfer a very low flow rate, and the O-rings 3 and 11 are used for each connection because leakage characteristics are very important, and this valve also has a bad proportional characteristic of the piezoelectric actuator 1 itself. Therefore, the flow rate cannot be obtained in proportion to the applied voltage, and the large flow rate cannot be obtained.

최근 산업계에서 요구하는 비례유량제어 특성을 얻을 수 없는 구조에 있어서는 대체적으로 시스템의 고급화가 매우 어렵게 되고, 상기 도 1과 도 2와 같은 구조를 이용하여 선형성 및 히스테리시스 특성이 우수한 밸브를 얻기 위해서는 구조가 매우 복잡해지고, 따라서 가격면과 신뢰성면에서 문제가 발생하게 된다.Recently, in the structure that cannot obtain the proportional flow control characteristics required by the industry, it is generally very difficult to upgrade the system, and in order to obtain a valve having excellent linearity and hysteresis characteristics using the structure shown in FIGS. It becomes very complicated, and thus problems arise in terms of price and reliability.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 압전액추에이터의 비례적인 변위에 따라서 다이어프램부의 변위가 변하게 되고, 상기 결과로 인하여 유량조절용 포펫의 변위가 발생하여 입구포트에서 출구포트로 흐르는 유량을 비례적으로 제어할 수 있는 밸브를 제공함으로써 압전액추에이터가 갖는 저소비전력 특성을 통하여 에너지가 절약되고, 빠른 응답성을 통하여 유량제어성을 향상시키고, 단순한 구조를 통해서도 일반산업분야 뿐만 아니라 반도체분야와 가정용 자동화분야에까지 적용이 가능한 압전식 비례제어 밸브를 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the problems as described above, the present invention changes the displacement of the diaphragm portion in accordance with the proportional displacement of the piezoelectric actuator, the displacement of the flow control poppet occurs as a result of the proportional flow rate flowing from the inlet port to the outlet port By providing a valve that can be controlled automatically, the low power consumption characteristics of piezoelectric actuators save energy, improve the flow controllability through quick response, and not only the general industry but also the semiconductor and home automation through a simple structure. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric proportional control valve applicable to the field.

목적을 달성하기 위한 구성으로는,In the structure to achieve the purpose,

밸브몸체 일측에 입구포트와 타측에 출구포트를 형성하고, 상기 밸브몸체 내부로 관통되는 입,출구포트를 개폐하는 포펫이 밸브몸체 내부로 돌출형성된 포펫시트에 안착되고, 상기 포펫 하부에는 밸런스용 스프링이 부하감응부에 위치하여 밸런스 스프링 조절용캡으로 고정되고, 상기 포펫 상부에는 다이어프램부가 결합되어 압전액추에이터가 구비되는 제어공간부와 제어노즐로 연결되고, 상기 압전액추에이터와 전원공급단자로 연결되는 제어기가 상부에 구비되어, 상기 압전액추에이터에 인가되는 전압에 비례하여 유체의 양을 제어한다.The inlet port is formed on one side of the valve body and the outlet port on the other side, and the poppet for opening and closing the inlet and outlet ports penetrating into the valve body is seated on the poppet seat protruding into the valve body, and the spring for balance is located on the lower part of the poppet. It is located in the load-sensing part and fixed to the balance spring adjusting cap, and the upper part of the poppet is coupled to the diaphragm part is connected to the control space and the control nozzle is provided with a piezoelectric actuator, the controller is connected to the piezoelectric actuator and the power supply terminal It is provided in the upper portion, and controls the amount of fluid in proportion to the voltage applied to the piezoelectric actuator.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 비례제어는 다이어프램부에서 발생되는 힘과 밸런스용 스프링의 작동에 따른 부하감응부에서 발생되는 힘의 조절에 의해 제어된다.As another feature of the present invention, the proportional control is controlled by the adjustment of the force generated in the diaphragm portion and the force generated in the load sensitive portion according to the operation of the balance spring.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 입구포트 일측에는 다이어프램부와 연결되는 제어파이로트가 형성되고, 상기 출구포트 일측에는 제어공간부와 연결되는 2차부 파이로트와, 부하감응부와 연결되는 부하감응형 파이로트가 각각 형성된다.As another feature of the present invention, a control pilot connected to a diaphragm part is formed at one side of the inlet port, and a secondary part pilot connected to a control space part at one side of the outlet port, and a load sense connected to a load sensitive part. Type pilots are formed respectively.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 다이어프램부의 압력을 제어하는 압전액추에이터는 제어노즐과 확실히 밀착하도록 하는 동시에 압전액추에이터의 비례성능을 유도할 수 있도록 상부에 압전액추에이터용 스프링이 장착된다.As another feature of the present invention, the piezoelectric actuator for controlling the pressure of the diaphragm portion is mounted on the upper portion of the piezoelectric actuator so as to be in close contact with the control nozzle and induce a proportional performance of the piezoelectric actuator.

도 3은 본 발명에 따른 압전식 비례제어 밸브의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 압전식 비례제어 밸브의 동작 상태도이다.3 is a cross-sectional view of a piezoelectric proportional control valve according to the present invention, and FIG. 4 is an operation state diagram of the piezoelectric proportional control valve according to the present invention.

이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the components will be described with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 압전식 비례제어 밸브의 단면도를 도시하는 것으로, 상기 압전식 비례제어 밸브는 밸브몸체(7) 일측에 입구포트(A)와 타측에 출구포트(B)를 형성하고, 상기 밸브몸체(7) 내부로 관통되는 입,출구포트(A,B)를 개폐하는 포펫(20)이 밸브몸체(7) 내부로 돌출형성된 포펫시트(23)에 안착되고, 상기 포펫(20) 하부에는 밸런스용 스프링(22)이 부하감응부(25)에 위치하여 밸런스 스프링 조절용캡(26)으로 고정되고, 상기 포펫(20) 상부에는 다이어프램부(24)가 결합되어 압전액추에이터(1)가 구비되는 제어공간부(1a)와 제어노즐(2)로 연결되고, 상기 압전액추에이터(1)와 전원공급단자(16a,16b)로 연결되는 제어기(15)가 상부에 구비되어, 상기 압전액추에이터(1)에 인가되는 전압에 비례하여 유체의 양을 제어한다.Figure 3 shows a cross-sectional view of the piezoelectric proportional control valve of the present invention, the piezoelectric proportional control valve is formed with an inlet port (A) on one side and the outlet port (B) on the other side, The poppet 20 for opening and closing the inlet and outlet ports A and B penetrating into the valve body 7 is seated on the poppet seat 23 protruding into the valve body 7, and the lower part of the poppet 20. The balance spring 22 is positioned in the load sensing unit 25 and fixed to the balance spring adjusting cap 26, and the diaphragm portion 24 is coupled to the upper portion of the poppet 20 to provide a piezoelectric actuator 1. Is connected to the control space (1a) and the control nozzle 2, which is connected to the piezoelectric actuator (1) and the power supply terminals (16a, 16b) is provided at the top, the piezoelectric actuator (1) Control the amount of fluid in proportion to the voltage applied to

상기 제어기(15) 상부에는 외부로부터 전원이 공급되는 콘넥터(14)가 구비되어 제어기(15)를 구동시키고, 상기 제어기(15)와 연결되는 전원공급단자(16a,16b)를 통해 전원을 인가하여 압전액추에이터(1)를 제어하게 된다.The upper part of the controller 15 is provided with a connector 14 to be supplied with power from the outside to drive the controller 15 and to apply power through the power supply terminals 16a and 16b connected to the controller 15. The piezoelectric actuator 1 is controlled.

상기 비례제어는 다이어프램부(24)에서 발생되는 힘과 밸런스용 스프링(22)의 작동에 따른 부하감응부(25)에서 발생되는 힘의 조절에 의해 제어되고, 상기 입구포트(A) 일측에는 다이어프램부(24)와 연결되는 제어파이로트(17)가 형성되고, 상기 출구포트(B) 일측에는 제어공간부(1a)와 연결되는 2차부 파이로트(18)와, 부하감응부(25)와 연결되는 부하감응형 파이로트(19)가 각각 형성되고, 상기 다이어프램부(24)의 압력을 제어하는 압전액추에이터(1)는 제어노즐(2)과 확실히 밀착하도록 하는 동시에 압전액추에이터(1)의 비례성능을 유도할 수 있도록 상부에 압전 액추에이터용 스프링(21)이 장착된다.The proportional control is controlled by the adjustment of the force generated in the diaphragm portion 24 and the force generated in the load sensitive portion 25 according to the operation of the balance spring 22, the diaphragm on one side of the inlet port (A) The control pilot 17 is formed to be connected to the part 24, and the secondary part pilot 18 connected to the control space part 1a on one side of the outlet port B, the load sensitive part 25, A load-sensitive pilot 19 connected to each other is formed, and the piezoelectric actuator 1 for controlling the pressure of the diaphragm portion 24 is in close contact with the control nozzle 2 and at the same time proportional to the piezoelectric actuator 1. A spring 21 for piezoelectric actuator is mounted on the top to induce the performance.

상기 입구포트(A)로 유입되는 유체는 압전액추에이터(1)에 전원이 인가되어 있지 않은 경우에는 압전액추에이터(1)가 제어노즐(2)을 막고 있어 밸런스용 스프링(22)에 의한 힘보다 다이어프램부(24)에 걸리는 압력의 힘이 크기 때문에 포펫(20)은 포펫시트(23)를 막아 포펫(20)을 통하여 출구포트(B)로 흐르지 못하는 것으로, 제어파이로트(17)로 압력이 공급되어 통로를 따라서 다이어프램부(24)에 압력이 가해져 포펫(20)이 눌려지게 되면서 유로를 막아 유량이 출구포트(B)로 흘러나가지 못하게 된다.When no power is applied to the piezoelectric actuator 1, the fluid flowing into the inlet port A is blocked by the piezoelectric actuator 1 and the diaphragm than the force of the balance spring 22. Since the force of the pressure applied to the part 24 is large, the poppet 20 blocks the poppet sheet 23 and does not flow through the poppet 20 to the outlet port B, and the pressure is supplied to the control pilot 17. As the pressure is applied to the diaphragm portion 24 along the passage, the poppet 20 is pressed, thereby blocking the flow path so that the flow rate does not flow to the outlet port B.

이때, 상기 압전액추에이터(1)에 소정의 압력이 인가되면 상기 다이어프램부(24)에 가해지던 압력이 약해지면서 밸런스용 스프링(22)의 힘에 의해 포펫(20)이 위로 올라가고, 상기 압전액추에이터(1)는 압전액추에이터용 스프링(21)의 힘을 이겨 위쪽으로 움직이게 되어, 입구포트(A)의 유체는 포펫시트(23) 사이를 통하여 출구포트(B)로 흐르게 된다.At this time, when a predetermined pressure is applied to the piezoelectric actuator 1, the pressure applied to the diaphragm portion 24 is weakened, and the poppet 20 rises up by the force of the balance spring 22, and the piezoelectric actuator ( 1) is moved upward by the force of the spring 21 for the piezoelectric actuator, the fluid of the inlet port (A) flows to the outlet port (B) between the poppet seat (23).

상기 부하감응부(25)에 고정되는 밸런스 스프링 조절용캡(26)을 많이 조이면 조일수록 밸런스용 스프링(22)의 압축이 더 강해져 압전액추에이터(1)의 동작시 밸런스용 스프링(22)의 힘이 더 강력해져 포펫(20)을 위로 올리게 되고, 그만큼의 유로가 더 커지게 되어 출구포트(B)로 유체가 더 많이 흐르게 된다. 따라서, 상기 밸런스 스프링 조절용캡(26)의 조임 강도에 따라 유체의 양을 조절할 수 있게 된다.The more the tightening of the balance spring adjustment cap 26 fixed to the load sensitive portion 25, the more the compression of the balance spring 22 becomes stronger, so that the force of the balance spring 22 during operation of the piezoelectric actuator 1 increases. The more powerful the poppet 20 is lifted up, the larger the flow path becomes and the more fluid flows to the outlet port (B). Therefore, the amount of fluid can be adjusted according to the tightening strength of the balance spring adjusting cap 26.

상기 도 3에서 입구포트(A)의 압력을 P S , 다이어프램부(24)의 압력을 P 1 , 출 구포트(B)의 압력을 P C , 부하감응부(25)의 압력을 P 2 , 밸런스용 스프링(22)의 스프링상수를 k P , 스프링 초기변위를 χ O , 스프링의 실제변위를 χ P , 다이어프램부(24)의 단면적을 A 1 , 부하감응부(25)의 단면적을 A 2 라 하면, 힘의 균형은 하기의 식[1]과 같으며, 이 경우에는 유체의 흐름이 존재하지 않는다.In FIG. 3, the pressure at the inlet port A is P S , the pressure at the diaphragm portion 24 is P 1 , the pressure at the outlet port B is P C , and the pressure at the load sensing unit 25 is P 2 ,. The spring constant of the balance spring 22 is k P , the initial displacement of the spring is χ O , the actual displacement of the spring is χ P , the cross-sectional area of the diaphragm portion 24 is A 1 , and the cross-sectional area of the load sensitive portion 25 is A 2. In this case, the force balance is as shown in Equation [1], in which case there is no fluid flow.

Figure 112006034164110-pat00001
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만약에 압전액추에이터(1)에 임의의 전압이 인가되었을 경우에는 상기 식[1]이 식[2]와 같이 변경이 되며, 식[1]과 식[2]로부터 부호의 변화는 다이어프램부(24)의 압력 P 1 에 의해서 결정되고 있음을 알 수 있으며, 이는 압전액추에이터(1)와 제어노즐(2)의 개구거리에 의하여 매우 민감하게 다이어프램부(24)의 압력 P 1 이 변화된다는 것을 예측할 수 있다.If an arbitrary voltage is applied to the piezoelectric actuator 1, Equation [1] is changed to Equation [2], and the change in sign from Equations [1] and [2] is the diaphragm portion 24. ) shows that it is determined by the pressure P 1 of the can, which piezoelectric actuator (1) and the control nozzle (2), the pressure P 1 of the extremely sensitive diaphragm by opening distance section 24 can estimate that the change in have.

Figure 112006034164110-pat00002
Figure 112006034164110-pat00002

또한, 포펫시트(23)의 개구면적을 A S 라 하고, 유체계수를 kg라 할 때, 포펫시트(23)의 개구면적을 통하여 흐르는 유량 Q는 다음과 같다.In addition, when the opening area of the poppet sheet 23 is A S and the fluid coefficient is kg , the flow rate Q flowing through the opening area of the poppet sheet 23 is as follows.

Figure 112006034164110-pat00003
Figure 112006034164110-pat00003

상기 식[3]으로부터 비례적인 유량특성은 쉽게 포펫시트(23)의 개구면적 A S 를 제어함으로써 얻어짐을 알 수 있으며, 본 발명에서는 압전액추에이터(1)의 변위특성과 압전액추에이터용 스프링(21)의 적절한 조합에 의하여 선형성 및 히스테리시스 특성이 우수한 비례제어 밸브를 제공한다.It can be seen from Equation [3] that the proportional flow rate characteristics are easily obtained by controlling the opening area A S of the poppet sheet 23. In the present invention, the displacement characteristics of the piezoelectric actuator 1 and the spring 21 for the piezoelectric actuators are shown. Proper combination of provides a proportional control valve with excellent linearity and hysteresis characteristics.

또한, 출구포트(B)와 연결되는 제어공간부(1a)의 2차부 파이로트(18)와, 부하감응부(25)의 부하감응형 파이로트(19)에 의하여, 외부로 누설되는 유량이 전혀 없이 모두 사용할 수 있으며, 포펫(20) 하부에 부하감응부(25)를 설치하여 온도에 의해서 달라지거나 혹은 급작스런 압력변화에 의해서 달라질 수 있는 유량의 변동을 완화시킬 수 있으며, 가스량제어를 필요로 하는 시스템에서도 사용할 수 있다.In addition, the flow rate leaking to the outside by the secondary pilot 18 of the control space portion 1a connected to the outlet port B and the load-sensitive pilot 19 of the load sensitive portion 25 It can be used without any at all, by installing the load sensing unit 25 in the lower portion of the poppet (20) can mitigate the fluctuations in the flow rate that can be changed by the temperature or by a sudden pressure change, and requires gas volume control It can also be used in systems that do

도 4는 본 발명의 압전식 비례제어 밸브의 동작 상태도를 도시하는 것으로, 압전액추에이터(1)에 사용최대전압이 인가되면 압전액추에이터(1)가 압전액추에이터용 스프링(21)의 힘을 이겨 위쪽으로 변위를 일으키고, 이때 압전액추에이터(1)와 제어노즐(2) 사이에 간극이 발생하게 되어, 다이어프램부(24)의 압력이 떨어져 상기 식[2]의 관계가 성립하기 때문에 유체는 입구포트(A)에서 포펫시트(23)를 통하여 출구포트(B)로 흐르게 된다.4 is a diagram illustrating an operation state of the piezoelectric proportional control valve according to the present invention. When the maximum voltage is applied to the piezoelectric actuator 1, the piezoelectric actuator 1 overcomes the force of the piezoelectric actuator spring 21 to move upward. At this time, a gap is generated between the piezoelectric actuator 1 and the control nozzle 2, so that the pressure of the diaphragm portion 24 drops and the relationship of the formula [2] is established. ) Flows through the poppet sheet 23 to the outlet port B.

상기한 바와 같이, 본 발명은 기존의 솔레노이드를 사용하는 밸브에 비해서 구조의 단순화와 에너지절약이 가능하고, 높은 온도나 위험한 화학약품 및 가스를 사용하는 곳에 안정하게 사용할 수 있으며, 기존의 단순한 온-오프 구조의 압전식 밸브에서 성능이 개선되어 유량의 비례적인 제어가 가능하므로 정밀기계 분야에 적용할 수 있다.As described above, the present invention can simplify the structure and save energy compared to the valve using the conventional solenoid, can be used stably at high temperature or dangerous chemicals and gases, and the existing simple on- The performance is improved in the piezoelectric valve of the off structure, so that the proportional control of the flow rate is possible, and thus it can be applied to the precision machinery field.

또한, 매우 작은 유량에서 대유량까지 폭넓은 유량제어가 가능하고, 누설의 위험이 있는 가스제어시스템인 경우에도 내부 파이로트 방식을 도입하여 전혀 누설없이 사용할 수 있고, 포펫 하부에 설치되는 부하감응부에 의해 부하를 자체적으로 센싱하여 유량을 제어함으로서 압력전압에 비례한 일정한 유량을 낼 수 있으며, 밸런스 스프링 조절용캡을 적절히 조절하면 제어유량 영역도 쉽게 얻어낼 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to control the flow rate from very small flow rate to large flow rate, and even in case of gas control system which has the risk of leakage, it can be used without any leakage by introducing the internal pilot method, and the load sensitive part installed under the poppet By controlling the flow rate by sensing the load by itself, it is possible to produce a constant flow rate proportional to the pressure voltage, and by adjusting the balance spring adjusting cap appropriately, the control flow rate area can be easily obtained.

Claims (4)

압전식 비례제어 밸브에 있어서,In the piezoelectric proportional control valve, 밸브몸체(7) 일측에 입구포트(A)와 타측에 출구포트(B)를 형성하고, 상기 밸브몸체(7) 내부로 관통되는 입,출구포트(A,B)를 개폐하는 포펫(20)이 밸브몸체(7) 내부로 돌출형성된 포펫시트(23)에 안착되고, 상기 포펫(20) 하부에는 밸런스용 스프링(22)이 부하감응부(25)에 위치하여 밸런스 스프링 조절용캡(26)으로 고정되고, 상기 포펫(20) 상부에는 다이어프램부(24)가 결합되어 압전액추에이터(1)가 구비되는 제어공간부(1a)와 제어노즐(2)로 연결되고, 상기 압전액추에이터(1)와 연결되는 제어기(15)가 상부에 구비되어, 상기 압전액추에이터(1)에 인가되는 전압에 비례하여 유체의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 압전식 비례제어 밸브.The inlet port (A) on one side of the valve body (7) and the outlet port (B) on the other side, the poppet (20) for opening and closing the inlet and outlet ports (A, B) penetrating into the valve body (7) It is seated on the poppet seat 23 protruding into the valve body 7, and the balance spring 22 is located at the load sensing part 25 at the lower portion of the poppet 20 to the balance spring adjustment cap 26. It is fixed and connected to the control space portion (1a) and the control nozzle (2) having a piezoelectric actuator (1) is coupled to the upper portion of the poppet (20) is provided with a piezoelectric actuator (1), the piezoelectric actuator (1) Piezoelectric proportional control valve, characterized in that the controller 15 is provided at the top to control the amount of fluid in proportion to the voltage applied to the piezoelectric actuator (1). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비례제어는 다이어프램부(24)에서 발생되는 힘과 밸런스용 스프링(22)의 작동에 따른 부하감응부(25)에서 발생되는 힘의 조절에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 압전식 비례제어 밸브.The proportional control is a piezoelectric proportional control valve characterized in that it is controlled by the adjustment of the force generated in the diaphragm portion 24 and the force generated in the load-sensing portion (25) according to the operation of the balance spring (22). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입구포트(A) 일측에는 다이어프램부(24)와 연결되는 제어파이로트(17)가 형성되고, 상기 출구포트(B) 일측에는 제어공간부(1a)와 연결되는 2차부 파이로 트(18)와, 부하감응부(25)와 연결되는 부하감응형 파이로트(19)가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 압전식 비례제어 밸브.One side of the inlet port A is formed with a control pilot 17 connected to the diaphragm part 24, and one side of the outlet port B is connected to the control space part 1a. And a load-sensitive pilot 19 connected to the load-sensing unit 25 are formed, respectively. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다이어프램부(24)의 압력을 제어하는 압전액추에이터(1)는 제어노즐(2)과 확실히 밀착하도록 하는 동시에 압전액추에이터(1)의 비례성능을 유도할 수 있도록 상부에 압전액추에이터용 스프링(21)이 장착되는 것을 특징으로 하는 압전식 비례제어 밸브.The piezoelectric actuator 1 for controlling the pressure of the diaphragm portion 24 is in close contact with the control nozzle 2 and at the same time induces a proportional performance of the piezoelectric actuator 1, the spring for the piezoelectric actuator 21 Piezoelectric proportional control valve characterized in that it is mounted.
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