KR100844432B1 - Flow control valve using piezoelectric actuator - Google Patents

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김홍희
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한국과학기술연구원
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means

Abstract

개시된 유체 제어 밸브는 유체 유입구, 유체 유입구와 연통되며 밸브 개폐 단면을 갖는 유로, 유로와 연통된 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체와, 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 인가된 전압에 의해 형상이 변형될 때 유로를 개방하고, 전압이 해제되면 유로를 폐쇄하는 압전 액츄에이터로 이루어진다. 여기서 압전 액츄에이터는 적어도 2개가 병렬식으로 구비되며 밸브 개폐 단면과 면접되는 기밀패드에 의해 타측 단부가 서로 연결된다. 이러한 유제 제어 밸브는 인가되는 전압의 양에 따라 변위가 거의 선형적으로 비례하여 변화하는 압전 액츄에이터의 특성을 이용하여 유체가 흐르는 노즐을 개폐하므로 유체를 비례적으로 제어할 수 있고, 전압에 의해 구동되어 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 특별한 제어기가 없어도 병렬로 연결된 복수의 압전 액츄에이터를 통해 히스테리시스를 감소시킬 수 있어 밸브를 형성하는 부품수가 적어지고, 부품의 조립에서 오는 제약조건이 없어 원하는 크기로의 밸브 가공과 제조가 용이할 뿐만 아니라, 가연성 가스를 이용한 공정에서도 발화가능성이 전혀 없어 사용환경에 대한 제약을 받지 않는 효과가 있다.The disclosed fluid control valve has a fluid inlet, a fluid passage communicating with the fluid inlet and having a valve opening / closing cross section, a fluid outlet communicating with the fluid passage, and a valve body divided into upper and lower portions, and one end fixed between the upper body and the lower body. And a piezoelectric actuator that opens the flow path when the shape is deformed by the applied voltage, and closes the flow path when the voltage is released. Here, at least two piezoelectric actuators are provided in parallel, and the other ends thereof are connected to each other by an airtight pad interviewed with the valve opening and closing end face. Such an emulsion control valve opens and closes a nozzle through which a fluid flows using the characteristics of a piezoelectric actuator whose displacement is changed almost linearly in proportion to the amount of applied voltage, thereby controlling the fluid proportionally and driving by voltage. It has the effect of reducing energy consumption. In addition, it is possible to reduce hysteresis through a plurality of piezoelectric actuators connected in parallel even without a special controller, thereby reducing the number of parts forming the valve, and eliminating the constraints of assembling the parts. In addition, there is no ignition possibility in the process using a combustible gas has the effect of not being restricted by the use environment.

유량, 밸브, 압전 액츄에이터, 병렬, 히스테리시스, 탄성부재, 가압부재 Flow rate, valve, piezo actuator, parallel, hysteresis, elastic member, pressure member

Description

압전 액츄에이터를 이용한 유체 제어 밸브{FLOW CONTROL VALVE USING PIEZOELECTRIC ACTUATOR}FLOW CONTROL VALVE USING PIEZOELECTRIC ACTUATOR}

도 1은 종래의 솔레노이드 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도.1 is a cross-sectional view showing a flow control valve using a conventional solenoid actuator.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도,2 is a cross-sectional view showing a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터를 보인 부분 단면 사시도,3 is a partial cross-sectional perspective view of a piezoelectric actuator employed in a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터의 히스테리시스를 보인 그래프.Figure 4 is a graph showing the hysteresis of the piezoelectric actuator employed in the flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브의 작동상태를 보인 단면도,5 is a cross-sectional view showing an operating state of a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention;

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

100 : 밸브본체 110 : 하부본체100: valve body 110: lower body

111 : 유체 유입구 112 : 유체 유출구111: fluid inlet 112: fluid outlet

112a : 노즐 113 : 하부유로112a: nozzle 113: lower flow path

114 : 안착턱 115 : 제2 결합홈114: seating jaw 115: second coupling groove

116 : 제3 결합홈 120 : 상부본체116: third coupling groove 120: upper body

121 : 상부유로 122 : 전원연결공121: upper flow path 122: power connection hole

123 : 제1 결합홈 124 : 요철 돌기123: first coupling groove 124: uneven protrusions

130 : 제1 실링부재 140 : 제2 실링부재130: first sealing member 140: second sealing member

150 : 가압부재 160 : 탄성부재150: pressure member 160: elastic member

200 : 압전 액츄에이터 201 : 탄성체200: piezoelectric actuator 201: elastic body

202 : 압전 세라믹 210 : 기밀패드202: piezoelectric ceramic 210: airtight pad

S : 전선S: wire

본 발명은 유량 제어 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전 액츄에이터의 변위를 이용하여 유량을 비례적으로 조절할 수 있는 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 관한 것이다.The present invention relates to a flow control valve, and more particularly, to a flow control valve using a piezoelectric actuator capable of proportionally adjusting the flow rate by using the displacement of the piezoelectric actuator.

도 1은 종래의 솔레노이드 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 유량 제어 밸브(1)는 일측에 유체 유입구(12)와 유체 유출구(14)를 가지는 본체(10)와, 솔레노이드 액츄에이터(20)와, 솔레노이드 액츄에이터(20)에 연결되어 연동하고 유입구(12)와 유출구(14)를 연통시키는 유로(16)를 개방 또는 차단시키기 위한 스풀(18)로 크게 이루어진다.1 is a cross-sectional view showing a flow control valve using a conventional solenoid actuator. As shown, the conventional flow control valve 1 is connected to the main body 10 having the fluid inlet 12 and the fluid outlet 14 on one side, the solenoid actuator 20, and the solenoid actuator 20 It consists largely of a spool 18 for interlocking and opening or blocking a flow path 16 which communicates the inlet 12 and the outlet 14.

이미 알려진 바와 같이, 솔레노이드 액츄에이터(20)는 코일(22)과, 고정 자(24)와, 가동자(26)를 포함하고, 코일(22)에 전류가 인가되면 코일(22)을 통하여 고정자(24)가 자화되고, 자화된 상태에서 가동자(26)가 직선이동하여 스풀(18)을 동작시켜 유로(16)를 개폐시킨다.As is already known, the solenoid actuator 20 includes a coil 22, a stator 24, and a mover 26, and when a current is applied to the coil 22, the stator ( In the magnetized state, the mover 26 moves linearly to operate the spool 18 to open and close the flow path 16.

그러나, 상기와 같은 구성의 종래의 유량 제어 밸브는 솔레노이드 액츄에이터(20)를 구성하는 주요 부품인 코일(22)과 고정자(24)의 제조방법과 결합구조에 수반되는 제약조건, 즉 코일(22)을 감는 횟수와 그 횟수에 따른 크기 및 고정자(24)와 코일(22)간에 발생하는 자화에 의해 발생하는 가동자(26)의 힘과 변위를 크게 하면서 유량 제어 밸브를 원하는 크기 이하로 제조하는 것이 매우 복잡하고 어렵거나 심지어 불가능할 수도 있는 문제점이 있다.However, the conventional flow control valve having the above-described configuration has constraints associated with the manufacturing method and coupling structure of the coil 22 and the stator 24 which are the main components constituting the solenoid actuator 20, that is, the coil 22. Manufacturing the flow control valve to the desired size or less while increasing the force and displacement of the mover 26 caused by the number of times of winding, the size according to the number and the magnetization generated between the stator 24 and the coil 22 There is a problem that can be very complex, difficult or even impossible.

또한, 종래의 유량 제어 밸브는 코일(22)에 전류를 인가하여 코일(22)과 고정자(24)를 자화시켜서 동작시키는 구조를 가지므로, 가연성 가스를 사용하는 공정에서는 코일(22)에서 발생하는 열이나 각 부품에서 발생하는 전기적 접촉에 의해 화재의 원인이 될 수 있으므로 사용하기가 쉽지 않고, 코일(22)에 전류를 인가할 때 전류비를 조절하는 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조)방식을 이용하여 비례적으로 유체의 양을 제어하게 되므로 전력소모가 많은 문제점이 있었다.In addition, the conventional flow control valve has a structure in which a current is applied to the coil 22 to operate by magnetizing the coil 22 and the stator 24. Therefore, in the process using the combustible gas, It is not easy to use because it may cause fire due to heat or electrical contact generated from each part, and PWM (Pulse Width Modulation) method to adjust the current ratio when applying current to the coil 22 Since the amount of fluid is proportionally controlled by using the power consumption has a lot of problems.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 압전 액츄에이터를 이용하여 유로의 개구면적을 가변시켜 유량을 비례적으로 제어할 수 있는 유량 제어 밸브를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a flow control valve capable of proportionally controlling the flow rate by varying the opening area of the flow path using a piezoelectric actuator.

본 발명의 다른 목적은 전압구동방식을 따르는 압전 액츄에이터를 이용하여 에너지 절감과 응답특성이 향상되고, 가공과 제작이 쉬워 설치공간 등에 제약을 받지 않는 유량 제어 밸브를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a voltage driving method to improve energy saving and response characteristics, and to be easily processed and manufactured, without being restricted by an installation space.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브는 유체 유입구, 유체 유입구와 연통되며 밸브 개폐 단면을 갖는 유로, 유로와 연통되는 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체와; 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 인가된 전압에 의해 형상이 변형될 때 유로를 개방하고, 전압이 해제되면 유로를 폐쇄하는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어진다.The flow control valve using the piezoelectric actuator according to the present invention for achieving the above object has a fluid inlet, a flow passage communicating with the fluid inlet and having a valve opening and closing cross section, a fluid outlet communicating with the flow passage, divided into upper and lower valves. A main body; One end is fixed between the upper body and the lower body is made of a piezoelectric actuator including a piezoelectric ceramic that opens the flow path when the shape is deformed by the applied voltage, and closes the flow path when the voltage is released.

바람직하게는 압전 액츄에이터는 적어도 2개가 병렬식으로 구비되며 밸브 개폐 단면과 면접하는 기밀패드에 의해 타측 단부가 서로 연결된다.Preferably, at least two piezoelectric actuators are provided in parallel, and the other ends of the piezoelectric actuators are connected to each other by an airtight pad interviewing the valve open / close end surface.

압전 액츄에이터는 압전 세라믹의 저면에 부착되는 탄성체를 더 포함한다.The piezoelectric actuator further includes an elastic body attached to the bottom of the piezoelectric ceramic.

또한, 압전 액츄에이터는 전기절연성과 내부식성을 갖는 절연체로 감싸진다.In addition, the piezoelectric actuator is wrapped with an insulator having electrical insulation and corrosion resistance.

유로는 밸브개폐단면 주위를 둘러싸도록 형성되어 압전 액츄에이터의 변형을 허용하게 된다.The flow path is formed to surround the valve opening and closing end face to allow deformation of the piezoelectric actuator.

밸브본체와 압전 액츄에이터 사이에 구비되어 상기 압전 액츄에이터의 일측 단부를 가압하는 가압부재가 구비된다.A pressing member is provided between the valve body and the piezoelectric actuator to press one end of the piezoelectric actuator.

유로에 구비되어 압전 액츄에이터의 타측 단부를 밸브 개폐 단면 측으로 가압하는 탄성부재가 구비된다.It is provided with an elastic member provided in the flow path for pressing the other end of the piezoelectric actuator to the valve opening and closing end surface side.

바람직하게는, 탄성부재는 코일 스프링이며, 압전 액츄에이터와 대향되는 상기 상부본체 표면에 마련된 요철돌기에 삽입되어 고정된다.Preferably, the elastic member is a coil spring, and is inserted into and fixed to the uneven protrusion provided on the surface of the upper body facing the piezoelectric actuator.

상부본체와 하부본체 사이에는 기밀을 유지하기 위한 실링부재가 구비된다.A sealing member is provided between the upper body and the lower body to maintain airtightness.

기밀패드와 접하는 밸브 개폐 단면 일측 둘레에는 기밀을 유지하기 위한 실링부재가 구비된다. 바람직하게는, 실링부재는 오링이다.One side of the valve opening and closing end face in contact with the airtight pad is provided with a sealing member for maintaining airtightness. Preferably, the sealing member is an O-ring.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 제어 밸브는 외관을 이루는 밸브본체(100)와, 이 밸브본체(100)의 내부에 유로를 개폐하기 위해 설치되는 압전 액츄에이터(200)로 이루어진다.As shown, the flow control valve according to the present invention comprises a valve body 100 forming an appearance, and a piezoelectric actuator 200 is installed to open and close the flow path inside the valve body 100.

밸브본체(100)는 하부본체(110)와 상부본체(120)로 구분된다. 하부본체(110)는 일측(본 실시예에서는 측면)에 외부로부터 유체가 유입되는 유체 유입구(111)가 형성되고, 타측(본 실시예에서는 하면 중심부)에 유입된 유체가 배출되는 유체 유출구(112)가 형성된다. 유체 유출구(112)의 상측 단부에는 유체 유출구(112)와 연통되는 노즐(112a)이 형성된다. 유체 유입구(111)와 노즐(112) 사이에는 하부유로(113)가 마련되어 유체 유입구(111)와 노즐(112a)을 상호 연통되게 연결한다. 하부유로(113)는 하부본체(110)의 상면에서부터 노즐(112a)을 둘러싸는 대략 월뿔형의 환형상으로 파여져 형성된다. 상부본체(120)와 맞닿는 하부본체(110)의 일측 단부에는 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부가 안착되는 안착턱(114)이 마련된다. 안착턱(114)은 노즐(112a)의 상부면(밸브 개폐 단면)과 유사한 높이를 가지도록 하여 안착턱(114)에 안착된 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부가 노즐(112a)을 커버하는 위치에 위치될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.The valve body 100 is divided into a lower body 110 and an upper body 120. The lower main body 110 has a fluid inlet 111 through which fluid is introduced from the outside to one side (a side surface in this embodiment), and a fluid outlet 112 through which the fluid introduced into the other side (the lower center of the lower surface of the present embodiment) is discharged. ) Is formed. A nozzle 112a is formed at the upper end of the fluid outlet 112 in communication with the fluid outlet 112. A lower flow passage 113 is provided between the fluid inlet 111 and the nozzle 112 to connect the fluid inlet 111 and the nozzle 112a to communicate with each other. The lower flow passage 113 is formed by digging in an annular annular shape that surrounds the nozzle 112a from the upper surface of the lower body 110. At one end of the lower main body 110 in contact with the upper main body 120, a seating jaw 114 in which one end of the piezoelectric actuator 200 is seated is provided. The mounting jaw 114 has a height similar to the upper surface (valve opening / closing end face) of the nozzle 112a so that the other end of the piezoelectric actuator 200 seated on the mounting jaw 114 covers the nozzle 112a. It is desirable to be able to be located at.

상부본체(120)는 하부본체(110)의 상부로 결합되어 안착턱(114)에 안착된 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부를 고정하게 된다. 상부본체(120)의 하부면에는 하부유로(113)와 대응되는 상부유로(121)가 마련되고, 상부면 일측에는 전원연결공(122)이 마련된다. 상부유로(121)는 상부본체(120)의 하부면에서부터 소정 깊이로 파여져 형성되며 하부유로(113b)와 상호 연통된다. 이러한 상부유로(121)는 유체의 원활한 유통과 압전 액츄에이터(200)의 형상 변형을 허용하기 위한 것이다. 전원연결공(122)은 안착턱(114)에 안착되어 고정된 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부에 외부 전원과 연결된 전선(S)을 용이하게 연결하여 전압을 인가할 수 있도록 하기 위한 것으로 상부본체(120)의 상부면 일측을 관통하여 안착턱(114)의 외측 단부와 연통되게 형성된다. 하부본체(110)와 상부본체(120) 사이에는 밀폐효과를 증대시키기 위해 오링(O-ring) 등과 같은 제1 실링부재(130)가 결합된다. 제1 실링부재(130)는 상부본체(120)의 하부면에 상부유로(121)의 주위를 둘러싸도록 형성된 제1 결합홈(123)에 끼움 결합된다. 이러한 구성의 밸브본체(100)는 유체가 유체 유입구(111), 하부유로(113), 노즐(112a), 유체 유출구(112)를 순차적으로 거쳐 유통되도록 하고, 노즐(112a)을 커버하도록 압전 액츄에이터(200)를 구비하여 압전 액츄에이터(200)를 통해 유량을 조절할 수 있도록 한 것이다.The upper body 120 is coupled to the upper portion of the lower body 110 to fix one end of the piezoelectric actuator 200 seated on the seating jaw 114. An upper passage 121 corresponding to the lower passage 113 is provided on the lower surface of the upper body 120, and a power connection hole 122 is provided on one side of the upper surface. The upper flow passage 121 is formed by digging into a predetermined depth from the lower surface of the upper body 120 and communicates with the lower flow passage 113b. The upper passage 121 is for allowing a smooth flow of the fluid and deformation of the piezoelectric actuator 200. Power connection hole 122 is to be connected to the wire (S) connected to the external power source to one end of the piezoelectric actuator 200 is fixed to the seating jaw (114) to apply a voltage to the upper body It is formed to communicate with the outer end of the seating jaw 114 through one side of the upper surface of the 120. The first sealing member 130, such as an O-ring, is coupled between the lower body 110 and the upper body 120 to increase the sealing effect. The first sealing member 130 is fitted into the first coupling groove 123 formed to surround the upper passage 121 around the lower surface of the upper body 120. The valve body 100 of such a configuration allows the fluid to flow through the fluid inlet 111, the lower flow passage 113, the nozzle 112a, and the fluid outlet 112 sequentially, and cover the nozzle 112a with a piezoelectric actuator. It is provided with a 200 to control the flow rate through the piezoelectric actuator (200).

압전 액츄에이터(200)는 인가된 전압에 의해 그 형상이 변형되는 것으로 도 면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The piezoelectric actuator 200 is deformed by an applied voltage, and will be described below with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터를 보인 부분 단면 사시도이다.3 is a partial cross-sectional perspective view showing a piezoelectric actuator employed in a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터(200)는 소정 길이로 연장된 판 형상으로 형성되며, 하부에 놓인 탄성체(201)와 탄성체(201) 상에 고정되는 압전 세라믹(202)으로 이루어진다. 압전 세라믹(202)은 이미 알려진 바와 같이, 인가되는 전압에 따라 팽창 및 수축하여 형상 변형을 일으키는 성질을 가지는 것이다. 탄성체(201)는 압전 세라믹(202) 자체의 취성에 의하여 밸브의 내구성이 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 전기적 접촉 방지와 유체에 의한 부식을 방지하기 위하여 탄성체(201)와 압전 세라믹(202)은 절연재(203)에 의해 감싸진다. 이러한 압전 액츄에이터(200)는 적어도 2개가 병렬 배치되며 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부에 결합된 기밀패드(210)에 의해 서로 연결된다. 즉, 병렬 배치된 복수의 압전 액츄에이터(200)는 밸브본체(100)에 의해 일측 단부가 고정되고, 기밀패드(210)에 의해 타측 단부가 연결되어 인가된 전압에 의해 서로 연동하여 형상 변형됨으로써 노즐(112a)을 개폐하게 되는 것이다. 기밀패드(210)는 노즐(112a)의 상부면(밸브 개폐 단면)과 면접함으로써 노즐(112a)을 덥어 커버하는 것으로 탄성 재질로 형성되며 폴리머 계열의 접착제를 통해 압전 액츄에이터(200)와 결합되는 것이 바람직하다. 이러한 압전 액츄에이터(200)의 병렬식 구성은 압전 액츄에이터(200)가 가지는 히스테리시스(hysteresis)가 서로 연동되는 복수의 압전 액츄에이터(200)를 통해 최소화될 수 있도록 한 것이다.As shown in the figure, the piezoelectric actuator 200 is formed in a plate shape extending to a predetermined length, and is composed of an elastic body 201 placed below and a piezoelectric ceramic 202 fixed on the elastic body 201. As already known, the piezoelectric ceramic 202 has a property of causing shape deformation by expanding and contracting according to an applied voltage. The elastic body 201 is to solve the problem that the durability of the valve is lowered due to brittleness of the piezoelectric ceramic 202 itself. The elastic body 201 and the piezoelectric ceramic 202 are wrapped by the insulating material 203 to prevent electrical contact and to prevent corrosion by the fluid. At least two of the piezoelectric actuators 200 are arranged in parallel and connected to each other by an airtight pad 210 coupled to the other end of the piezoelectric actuator 200. That is, the plurality of piezoelectric actuators 200 arranged in parallel are fixed to one end by the valve body 100, the other end is connected by the hermetic pad 210, and the shape is deformed in conjunction with each other by the applied voltage to the nozzle It is to open and close (112a). The airtight pad 210 covers the nozzle 112a by interviewing the upper surface (valve opening / closing end face) of the nozzle 112a, and is formed of an elastic material and coupled to the piezoelectric actuator 200 through a polymer-based adhesive. desirable. The parallel configuration of the piezoelectric actuator 200 is such that the hysteresis of the piezoelectric actuator 200 can be minimized through a plurality of piezoelectric actuators 200 interlocked with each other.

압전 액츄에이터(200)의 히스테리시스를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The hysteresis of the piezoelectric actuator 200 will be described with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터의 히스테리시스를 보인 그래프이다.3 is a graph showing the hysteresis of the piezoelectric actuator employed in the flow control valve using the piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 참조 부호 'A'는 복수의 압전 액츄에이터(200) 중 어느 하나의 압전 액츄에이터(200a, '제1 압전 액츄에이터'라 칭함)의 히스테리시스를 보인 것이고, 참조 부호 'B'는 다른 하나의 압전 액츄에이터(200b, 제2 압전 액츄에이터'라 칭함)의 히스테리시스를 보인 것이며, 참조 부호 'C'는 제1 및 제2 압전 액츄에이터(200a, 200b)의 히스테리시스(A, B)가 서로 상쇄되어 발생된 히스테리시스을 보인 것이다. 이와 같이, 복수의 압전 액츄에이터(200a, 200b)를 병렬식으로 연결하여 서로 연동시키게 되면 각각의 압전 액츄에이터(200a, 200b)의 히스테리시스(A, B)는 서로 상쇄되어 개선된 새로운 히스테리시스(C)를 발생시키게 되는 것이다. 이에 따라 압전 액츄에이터(200)의 히스테리시스를 최소화할 수 있는 것이다.As shown therein, reference numeral 'A' represents hysteresis of one of the piezoelectric actuators 200a (called 'first piezoelectric actuator') of the plurality of piezoelectric actuators 200, and reference numeral 'B' Hysteresis of one piezoelectric actuator 200b (referred to as a second piezoelectric actuator) is shown, and reference numeral C denotes that the hysteresis A and B of the first and second piezoelectric actuators 200a and 200b cancel each other out. Hysteresis occurred. As such, when the plurality of piezoelectric actuators 200a and 200b are connected in parallel to each other, the hysteresis A and B of the respective piezoelectric actuators 200a and 200b cancel each other to improve the new hysteresis C. To be generated. Accordingly, the hysteresis of the piezoelectric actuator 200 can be minimized.

다시 도 2을 참조하면, 압전 액츄에이터(200)에 의한 노즐(112a)의 밀폐성을 증대시키기 위해 제2 실링부재(140)와 가압부재(150), 탄성부재(160)가 더 구비된다. 오링 등과 같은 제2 실링부재는(140) 하부본체(110)의 노즐(112a)과 하부유로(113) 사이 둘레(밸브 개폐 단면 일측 둘레)에 마련된 제2 결합홈(115)에 끼움 결합되어 노즐(112a)과 기밀패드(210) 사이의 밀폐성을 증대시키게 된다. 가압부재(140)는 안착턱(114) 일측에 마련된 제3 결합홈(116)에 끼움 결합되어 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부를 가압하게 된다. 이러한 가압부재(150)는 압전 액츄에이터(200)의 형상 변형 스트레스를 흡수하여 압전 액츄에이터(200)의 손상을 방지하고, 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부를 지렛대 원리로 눌러 기밀패드(210)와 노즐(112a)의 상부면(밸브 개폐 단면)을 더욱 밀착시키게 된다. 탄성부재(160)는 상부유로(121)에 구비되어 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부를 노즐(112a) 측으로 가압함으로써 노즐(112a)의 밀폐성을 증대시키기 위한 것으로 본 실시예에서는 탄성부재(160)로서 코일 스프링을 적용하였으며 압전 액츄에이터(200)의 형상 변형에 의해 코일 스프링이 뒤틀어지는 것을 방지하기 위해 상부유로(121)의 표면에 요철 돌기(124)를 형성하고 코일 스프링을 삽입하여 고정하였다.Referring again to FIG. 2, the second sealing member 140, the pressing member 150, and the elastic member 160 are further provided to increase the sealing property of the nozzle 112a by the piezoelectric actuator 200. The second sealing member, such as an O-ring, is fitted into the second coupling groove 115 provided in the circumference (a valve opening / closing one side circumference) between the nozzle 112a of the lower body 110 and the lower flow passage 113 of the lower body 110 and the nozzle. The sealing property between the 112a and the airtight pad 210 is increased. The pressing member 140 is fitted into the third coupling groove 116 provided at one side of the seating jaw 114 to press one end of the piezoelectric actuator 200. The pressure member 150 absorbs the deformation stress of the piezoelectric actuator 200 to prevent damage to the piezoelectric actuator 200, and presses the other end of the piezoelectric actuator 200 in a lever principle to seal the airtight pad 210 and the nozzle. The upper surface (valve opening / closing end face) of 112a is further brought into close contact. The elastic member 160 is provided in the upper flow passage 121 to pressurize the other end of the piezoelectric actuator 200 toward the nozzle 112a to increase the sealing property of the nozzle 112a. In this embodiment, the elastic member 160 As a coil spring was applied, in order to prevent the coil spring from twisting due to the shape deformation of the piezoelectric actuator 200, an uneven protrusion 124 was formed on the surface of the upper flow passage 121 and the coil spring was inserted and fixed.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 유량 제어 밸브의 작동 및 작용효과를 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to Figure 5 will be described the operation and effect of the flow control valve according to the present invention.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브의 작동상태를 보인 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing an operating state of a flow control valve using a piezoelectric actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터(200)의 압전 세라믹(202)에 전압이 인가되지 않은 비작동상태에서는 압전 액츄에이터(200)가 평평한 상태로 유지된다. 이에 따라 압전 액츄에이터(200)의 기밀패드(210)는 노즐(112a)의 상면(밸브 계폐 단면)과 밀착되어 노즐(112a)을 폐쇄하여 유로(113)의 유체가 유체 유출구(112)로 유통되지 못하도록 한다. 이때 노즐(112a) 주위의 제2 실링부재(140)와 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부를 가압하는 가압부재(150), 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부를 가압하는 탄성부재(160)를 통해 노즐(112a)의 밀봉은 확실하게 확보될 수 있다.As shown in FIG. 5, the piezoelectric actuator 200 remains flat in a non-operating state in which no voltage is applied to the piezoelectric ceramic 202 of the piezoelectric actuator 200. Accordingly, the airtight pad 210 of the piezoelectric actuator 200 is in close contact with the upper surface (valve closing end face) of the nozzle 112a to close the nozzle 112a so that the fluid in the flow path 113 is not distributed to the fluid outlet 112. Don't let that happen. At this time, the second sealing member 140 around the nozzle 112a and the pressing member 150 for pressing one end of the piezoelectric actuator 200, the elastic member 160 for pressing the other end of the piezoelectric actuator 200. The sealing of the nozzle 112a can be secured securely.

상술한 바와 같은 비동작상태에서 압전 액츄에이터(200)의 압전 세라믹에 전 압이 인가되면, 압전 세라믹이 변형을 일으켜 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부가 가압부재(150)와 탄성부재(160)의 가압력에 대항하여 탄성부재(160)를 압축시키면서 상부로 구부러지게 변형된다. 따라서 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부에 결합된 기밀패드(210)는 노즐(112a)로부터 이격되고, 유로(113) 내의 유체는 노즐(112a)을 통해 유체 유출로(112)로 유통되어 외부로 배출된다.When voltage is applied to the piezoelectric ceramic of the piezoelectric actuator 200 in the non-operation state as described above, the piezoelectric ceramic deforms, and the other end of the piezoelectric actuator 200 is connected to the pressing member 150 and the elastic member 160. The elastic member 160 is deformed to be bent upward while pressing against the pressing force. Therefore, the hermetic pad 210 coupled to the other end of the piezoelectric actuator 200 is spaced apart from the nozzle 112a, and the fluid in the flow passage 113 is circulated to the fluid outlet path 112 through the nozzle 112a to the outside. Discharged.

상기와 같은 작동상태의 압전 액츄에이터(200)의 압전 세라믹에 다시 전압이 차단되면, 압전 액츄에이터(200)는 최초의 형태로 복원되어 기밀패드(210)가 노즐(112a)의 상면(밸브 개폐 단면)과 접촉하면서 노즐(112a)을 폐쇄하여 더 이상 유체가 유통되지 않게 되는 것이다. 이때 압전 액츄에이터(200)에 발생되는 히스테리시스는 상기에서 상술한 바와 같이 병렬로 연결된 복수의 액츄에이터(200)가 서로 연동함으로써 상쇄시켜 최소화하게 되는 것이다.When the voltage is again cut off to the piezoelectric ceramic of the piezoelectric actuator 200 in the above operating state, the piezoelectric actuator 200 is restored to its original form so that the airtight pad 210 is the upper surface of the nozzle 112a (valve opening and closing end face). The nozzle 112a is closed while in contact with the fluid, so that the fluid no longer flows. In this case, the hysteresis generated in the piezoelectric actuator 200 is minimized by offsetting the plurality of actuators 200 connected in parallel as described above.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 제어 밸브는 인가되는 전압의 양에 따라 변위가 거의 선형적으로 비례하여 변화하는 압전 액츄에이터의 특성을 이용하여 유체가 흐르는 노즐을 개폐하므로 유체를 비례적으로 제어할 수 있고, 전압에 의해 구동되어 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above in detail, the flow control valve according to the present invention opens and closes a fluid flow nozzle by using a characteristic of a piezoelectric actuator whose displacement is changed almost linearly in proportion to the amount of applied voltage. It can be controlled by, and driven by the voltage has the effect of reducing the energy consumption.

또한, 특별한 제어기가 없어도 병렬로 연결된 복수의 압전 액츄에이터를 통 해 히스테리시스를 감소시킬 수 있어 밸브를 형성하는 부품수가 적어지고, 부품의 조립에서 오는 제약조건이 없어 원하는 크기로의 밸브 가공과 제조가 용이할 뿐만 아니라, 가연성 가스를 이용한 공정에서도 발화가능성이 전혀 없어 사용환경에 대한 제약을 받지 않는 효과가 있다.In addition, it is possible to reduce hysteresis through a plurality of piezoelectric actuators connected in parallel even without a special controller, so that the number of parts forming a valve is reduced, and there are no constraints from assembling parts, so that valve processing and manufacturing to a desired size are easy. In addition, there is no ignition possibility in the process using a combustible gas, there is an effect that is not restricted by the use environment.

Claims (11)

삭제delete 유체의 유량을 조절하기 위한 유체 제어 밸브에 있어서,A fluid control valve for regulating the flow rate of a fluid, 유체 유입구, 상기 유체 유입구와 연통되며 밸브 개폐 단면을 갖는 유로, 상기 유로와 연통되는 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체;A valve main body having a fluid inlet port, a flow path communicating with the fluid inlet port and having a valve opening / closing cross section, and a fluid outlet port communicating with the flow path, the valve body being divided into an upper part and a lower part; 상기 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 인가된 전압에 의해 형상이 변형될 때 유로를 개방하고, 전압이 해제되면 유로를 폐쇄하는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어지며;One end is fixed between the upper body and the lower body is made of a piezoelectric actuator including a piezoelectric ceramic that opens the flow path when the shape is deformed by the applied voltage, and closes the flow path when the voltage is released; 상기 압전 액츄에이터는 적어도 2개가 병렬식으로 구비되며 상기 밸브 개폐 단면과 면접하는 기밀패드에 의해 타측 단부가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.At least two piezoelectric actuators are provided in parallel, and the other end of the fluid control valve is connected to each other by an airtight pad interviewing the valve opening / closing end surface. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 유체의 유량을 조절하기 위한 유체 제어 밸브에 있어서,A fluid control valve for regulating the flow rate of a fluid, 유체 유입구, 상기 유체 유입구와 연통되며 밸브 개폐 단면을 갖는 유로, 상기 유로와 연통되는 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체;A valve main body having a fluid inlet port, a flow path communicating with the fluid inlet port and having a valve opening / closing cross section, and a fluid outlet port communicating with the flow path, the valve body being divided into an upper part and a lower part; 상기 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 인가된 전압에 의해 형상이 변형될 때 유로를 개방하고, 전압이 해제되면 유로를 폐쇄하는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어지며;One end is fixed between the upper body and the lower body is made of a piezoelectric actuator including a piezoelectric ceramic that opens the flow path when the shape is deformed by the applied voltage, and closes the flow path when the voltage is released; 상기 밸브본체와 상기 압전 액츄에이터 사이에 구비되어 상기 압전 액츄에이터의 일측 단부를 가압하는 가압부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.And a pressurizing member provided between the valve body and the piezoelectric actuator to press one end of the piezoelectric actuator. 유체의 유량을 조절하기 위한 유체 제어 밸브에 있어서,A fluid control valve for regulating the flow rate of a fluid, 유체 유입구, 상기 유체 유입구와 연통되며 밸브 개폐 단면을 갖는 유로, 상기 유로와 연통되는 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체;A valve main body having a fluid inlet port, a flow path communicating with the fluid inlet port and having a valve opening / closing cross section, and a fluid outlet port communicating with the flow path, the valve body being divided into upper and lower parts; 상기 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 인가된 전압에 의해 형상이 변형될 때 유로를 개방하고, 전압이 해제되면 유로를 폐쇄하는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어지며;One end is fixed between the upper body and the lower body is made of a piezoelectric actuator including a piezoelectric ceramic that opens the flow path when the shape is deformed by the applied voltage, and closes the flow path when the voltage is released; 상기 유로에 구비되어 상기 압전 액츄에이터의 타측 단부를 밸브 개폐 단면 측으로 가압하는 탄성부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.And an elastic member provided in the flow passage for urging the other end of the piezoelectric actuator to the valve opening / closing end surface side. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 탄성부재는 코일 스프링이며,The elastic member is a coil spring, 상기 압전 액츄에이터와 대향되는 상기 상부본체 표면에 마련된 요철 돌기에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.Fluid control valve, characterized in that inserted into and fixed to the uneven protrusion provided on the surface of the upper body facing the piezoelectric actuator. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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