KR101045051B1 - 전기공압식공압조절기 - Google Patents

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다마키게이지
우에마쓰가쓰오
후지타도모마사
진다히로시
하야시아키히로
나카니시미쓰아키
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후지쿠라 고무 코교 가부시끼가이샤
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Abstract

전기공압식공압조절기는 1차압력도입구, 2차압력배출구, 파일럿압력실, 통로를 여닫기 위한 주밸브, 주밸브를 작동시키는 유동피스톤, 파일럿압력실이 대기에 연통되도록 하는 노즐통로, 노즐통로의 개구단을 향하는 판스프링을 구비하는 플래퍼, 및 아날로그입력신호의 크기에 따라 판스프링을 변형하여 노즐통로의 개구단에 관련한 플래퍼의 위치를 변화시키는 전자기구동장치를 포함한다. 플래퍼는 노즐통로의 개구단을 향해 돌출된 원추형돌기부를 포함한다. 원추형돌기에 대응하는 원추형오목부는 노즐통로의 개구단 주위에서 노즐통로의 끝면에 형성된다.
분해능, 공기흐름통로면적, 내진동성, 원추형돌기, 원추형오목부

Description

전기공압식공압조절기{Electro-pneumatic air pressure regulator}
도 1은 본 발명에 따른 전기공압식공압조절기의 실시예의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 보여지는 전기공압식공압조절기의 부분 확대도이다.
도 3은 도 1에서 보여지는 전기공압식공압조절기의 플래퍼를 아래쪽에서 비스듬히 본 분해 사시도이다.
도 4는 종래 전기공압식공압조절기의 제어분해능과 본 발명에 따른 전기공압식공압조절기의 제어분해능의 비교예를 보여주는 그래프이다.
도 5는 종래 전기공압식공압조절기의 부분을 보여주는 도 2의 그것과 유사한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 전기공압식공압조절기 11 : 하우징
12 : 1차압력도입구 13 : 2차압력배출구
14 : 통로 15 : 주밸브
16 : 압축스프링 17 : 2차압력배출실
20 : 유동피스톤 21 : 파일럿격막
22 : 제어격막 23 : 릴리프실
본 발명은 아날로그 입력신호(전기입력량)의 크기에 따라 공압출력을 조절하는 전기공압식공압조절기에 관한 것이다.
1차압력(밸브입구압력)도입구; 2차압력(밸브출구압력)배출구; 1차압력도입구와 2차압력배출구가 서로 연통되도록 하는 연통도관을 여닫기 위한 주밸브; 2차압력배출구와 파일럿압력실 사이의 압력차에 따라 이동하여 주밸브를 여닫고 2차압력배출구의 공기를 대기로 배출하는 유동피스톤; 파일럿압력실이 대기에 연통되도록 하는 노즐도관; 노즐도관의 개구단에 면하는 탄성판스프링을 구비하는 플래퍼; 및 아날로그 입력신호(예컨대, 전류)의 크기에 따라 노즐도관의 개구단에 관련하여 플래퍼의 위치를 변화시키는 전자기구동장치를 포함하는 종래 전기공압식공압조절기가 이 기술분야에서 알려져 있다.
이 종래 전기공압식공압조절기에서, 파일럿압력실과 대기 사이를 연통하는 통로의 연통면적이 일정하다면, 2차적인 압력의 변동에 의해 2차압력배출구로 향하는 유동피스톤의 이동은 주밸브가 1차압력도입구와 2차압력배출구가 서로 연통되게 하는 통로를 열도록 하여, 1차압력도입구의 공기가 2차압력배출구로 이동하여 2차압력배출구의 압력을 증가시킨다. 반면, 파일럿압력실로 향하는 유동피스톤의 이동은 2차압력배출구의 공기가 대기로 이동하도록 하여, 2차압력배출구의 압력을 감소시킨다. 전기공압식공압조절기의 이런 작동은 2차압력배출구에 압력을 실질적으로 일정하게 유지한다.
반면, 전자구동장치에 공급된 전류량이 변한다면, 플래퍼의 판스프링은 전자구동장치에 공급된 전류량에 따라 탄성적으로 변형된다. 판스프링의 이런 변형은 플래퍼와 노즐통로의 개구단 사이의 차이를 변화시켜, 파일럿압력실과 대기 사이의 통로의 연통면적을 변화시킨다. 그 결과, 파일럿압력로부터 대기까지의 공기흐름의 양이 변화하여 파일럿압력실의 압력이 변화된다. 따라서, 2차압력배출구의 압력실은 전자기구동장치에 공급되는 전류의 양을 변화시키는 것에 의해 조절될 수 있다.
이 종래 전기공압식공압조절기에서, 분해능(2차압력의 변화에 대한 제어전류 량(전기량)의 변화의 비)의 개선이 한층 더 요구된다.
본 발명은 매우 개선된 분해능을 가지는 전기공압식공압조절기를 제공한다.
본 발명의 일면에 따르면, 1차압력도입구, 2차압력배출구, 파일럿압력실, 1차압력도입구와 2차압력배출구가 서로 연통되게 하는 통로를 여닫기 위한 주밸브, 2차압력배출구와 파일럿압력실 사이의 압력차에 따라 이동하여 주밸브를 작동시키는 유동피스톤, 파일럿압력실이 대기와 연통되도록 하는 노즐통로, 노즐통로의 개구단에 대향하는 판스프링을 구비하는 플래퍼, 및 아날로그 입력신호의 크기에 따라 판스프링을 변형시켜 노즐통로의 개구단과 관련한 플래퍼의 위치를 변화시키는 전자기구동장치를 포함하는 전기공압식공압조절기가 제공된다. 플래퍼는 노즐통로의 개구단을 향해 돌출된 원추형돌기를 포함한다. 원추형돌기에 대응하는 원추형오목부가 노즐통로의 개구단 주위의 끝면에 형성된다.
공기흐름통로면적이 원추형돌기와 원추형오목부의 대향면들 사이의 거리로 정해진다면, 플래퍼의 단위이동량에 대한 공기흐름통로면적의 변화가 감소되어 전기공압식공압조절기의 분해능을 개선할 수 있다.
원추형돌기는 플래퍼 상에 어떤 형태로도 형성될 수 있다. 예를 들면, 플래퍼는 전자기구동장치의 코일이 감기는 코일보빈과, 판스프링과 코일보빈이 서로 고정되게 하는 고정핀을 포함할 수 있고, 원추형돌기는 고정핀에 형성된다.
상부충격흡수링과 하부충격흡수링이 판스프링의 주변부의 상부면과 하부면에 각각 위치되고, 판스프링의 주변부가 상부충격흡수링과 하부충격흡수링 사이에 끼워져 전기공압식공압조절기의 내진동성을 개선시키는 것이 바람직하다.
파일럿압력실에는 유동피스톤의 구성요소로 제공된 격막이 형성되어, 파일럿압력실이 2차압력배출구와 연통될 수 있다.
파일럿압력실은 유동피스톤의 구성요소로 제공되는 제2격막과 전기공압식공압조절기의 하우징 사이에 형성되는 것이 바람직하다. 노즐통로는 하우징에 형성되어 이를 관통한다.
판스프링은 원판형으로 되어 코일보빈이 고정핀에 의해 원판형판스프링의 중앙에 고정되는 것이 바람직하다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 전기공압식공압조절기의 실시예를 보여준다. 전기공압식공압조절기(10)에는 도 1에서 보여지는 바와 같이 하부에서 상부의 순으로, 하부하우징(11a), 중앙하우징(11b), 제1상부하우징(11c), 제2상부하우징 (11d) 및 캡몸체(11e)를 포함하는 하우징(11)이 제공된다.
하부하우징(11a)에는 1차압력(밸브입구압력)도입구(12)와 2차압력(밸브출구압력)배출구(13)가 제공된다. 하부하우징(11a)에는 1차압력도입구(12)와 2차압력배출구(13)가 서로 연통되게 하는 통로(14)가 1차압력도입구(12)와 2차압력배출구(13) 사이에 제공된다. 통로(14)는 주밸브에 의해 열리고 닫힌다. 주밸브(15)는 압축코일스프링(16)의 스프링힘에 의해 통상 닫혀 있다. 하부하우징(11a)에는 그 안에 2차압력배출구(13)와 통로(14) 모두에 연통되는 2차압력배출실(17)이 제공된다.
전기공압식공압조절기(10)에는 파일럿격막(21)과 제어격막(탄성적인 다이아프램부재)(22)를 가지는 유동피스톤(20)이 제1상부하우징(11c)과 하부하우징(11a) 사이에 제공된다. 파일럿격막(21)의 외부 가장자리가 공기가 새어들지 않는 식으로 상부하우징(11c)과 중앙하우징(11b) 사이에 끼워지고, 제어격막(22)의 외부 가장자리는 공기가 새어들지 않는 식으로 중앙하우징(11b)과 하부하우징(11a) 사이에 끼워진다. 유동피스톤(20)에는 파일럿격막(21)과 제어격막(22) 사이에 릴리프실(23)이 제공되고 유동피스톤의 중앙에 릴리프밸브시트(24)가 제공된다. 릴리프밸브시트(24)에는 2차압력배출실(17)과 릴리프실(23)이 서로 연통되게 하는 연통구멍(25)이 제공된다. 릴리프실(23)은 중앙하우징(11b)을 관통하는 대기연통구멍(26)을 통해 대기에 연통된다. 유동피스톤(20)은 하부하우징(11a)에 2차압력배출실(17)을 형성한다.
연통구멍(25)은 축부통로(25a)와 지름방향통로(25b)를 구비한다. 축부통로(25a)는 주밸브(15)와 일체로 형성된 릴리프밸브(18)에 의해 닫힌다. 따라서, 연통 구멍(25)이 릴리프밸브(18)에 의해 닫혀질 때 2차압력배출실(17)의 공기는 릴리프실(23)에 흘러 들어오지 않는 반면, 주밸브(15)(릴리프밸브(18))와 유동피스톤(20)이 상대적으로 서로 멀어지도록 움직여서 릴리프밸브(18)가 축부통로(25a)를 열었을 때, 2차압력배출실(17)의 공기는 연통구멍(25), 릴리프실(23) 및 대기연통구멍(26)을 통과해 대기에 노출(방출)된다. 제1상부하우징(11c)과 유동피스톤(20) 사이에 장착된 압축코일스프링(27)에 의해, 유동피스톤(20)은 도 1에 보여지는 바와 같이 계속적으로 하방으로 즉, 릴리프밸브시트(24)의 연통구멍(25)(축부통로(25a))과 릴리프밸브(18)의 접촉에 의해 축부통로(25a)를 닫는 방향으로 치우쳐 진다.
전기공압식공압조절기(10)에는 제1상부하우징(11c)과 유동피스톤(20) 사이에 파일럿압력실(30)이 제공된다. 파일럿압력실(30)을 2차압력배출실(17)에 연통하기 위한 하우징내통로(31)는 하부하우징(11a), 중앙하우징(11b) 및 제1상부하우징(11c)을 관통한다. 하우징내통로(31)의 일부는 2차압력배출실(17)의 압력에 의해 파일럿압력실(30)에 소망의 압력이 생겨나도록 하는 구멍(31a)으로 형성된다.
상술한 구조에 의해, 압축코일스프링(27)의 스프링힘에 대해 유동피스톤(20)을 상승시키기 위한 정도로 2차압력배출구(13)에서의 압력(2차압력배출실(17)의 압력)의 갑작스런 상승은 릴리프밸브(18)로부터 분리되는 축부통로(25a)가 2차압력배출실(17)의 공기를 대기로 방출하게 한다. 즉, 2차압력배출실(17)의 압력의 갑작스런 상승 후, 2차압력배출실(17)의 압력은 하강한다. 반대로, 제어격막(22)에 의한 위로 향하는 힘 보다 파일럿격막(21)과 압축코일스프링(27)에 의해 아래로 향하는 힘을 크게 만들기 위한 정도로 제2압력배출실(17)에서의 압력의 갑작스런 하강은 유동피스톤(20)이 내려가도록 하여 릴리프밸브(18)를 통한 압축코일스프링(16)의 스프링힘에 대해 주밸브(15)를 아래로 이동시키고 통로(14)를 열게 한다. 결과적으로, 1차압력도입구(12)의 제1압력은 2차압력배출실(17)(2차압력배출구(13))로 유입되어, 2차압력배출실(17)(2차압력배출구(13))의 압력이 증가하게 한다. 따라서, 유동피스톤(20)은 2차압력배출구(13)와 파일럿압력실(30)사이의 압력차에 따라 이동하여 주밸브(15)를 작동시킨다(열고 닫는다). 2차압력배출실(17)의 압력의 변화에 따른 상술한 동작의 반복은 1차압력도입구(12)의 1차압력(밸브입구압력)에도 불구하고 2차압력배출구(13)에서 일정한 2차압력(밸브출구압력)을 생성하는 것을 가능하게 한다.
전기공압식공압조절기(10)에는 제1상부하우징(11c)과 제2상부하우징(11d)사이에서 그 사이를 지지하는 플래퍼(40)가 제공된다. 플래퍼(40)는 탄성적인 원판형 판스프링(40a), 하부코일보빈(40c) 및 코일(움직이는 코일)(40d)이 제공된다. 하부코일보빈(40c)은 고정핀(40b)을 통해 판스프링(40a)의 중앙부에 고정된다. 코일(40d)은 하부코일보빈(40c)의 원통형부분에 감겨진다. 원판형 판스프링(40a)의 외부 가장자리는 제1상부하우징(11c)과 제2상부하우징(11d) 사이에 단단하게 유지되어 고정된다.
전기공압식공압조절기(10)에는 제2상부하우징(11d)의 축부분을 지지하는 원통형 영구자석어셈블리(42)가 제2상부하우징(11d)의 지름방향 내부에 제공된다. 영구자석어셈블리(42)에는 플래퍼(40)의 코일보빈(40c)과 동축으로 위치되는 영구자석(42a) 및 요크(42b)가 제공된다. 요크(42b)는 요크(42b)와 코일보빈(40c) 사이에 갭을 가지면서 영구자석(42a) 바로 아래에 위치되어 코일보빈(40c)과 마주한다. 코일(40d)과 영구자석어셈블리(42)는 플래퍼(40)의 원판형 판스프링(40a)을 탄성적으로 변형하는 전자기구동장치를 구성한다. 제1상부하우징(11c)과 제2상부하우징(11d)에는 영구자석어셈블리(42)와 플래퍼(40)가 수용되는 공간을 대기에 연통하기 위한 대기연통구멍들(44 및 45)이 각각 제공된다.
제1상부하우징(11c)에는 파일럿압력실(30)과 원판형 판스프링(40a) 및 (대기연통구멍(44)을 통해 대기에 연통되는)제1상부하우징(11c)사이의 공간이 서로 연통되게 하는 노즐통로(46)가 플래퍼(40)의 중앙에 동축으로 제공된다. 제1상부하우징(11c)에는 플래퍼(40)를 향하는 상부중앙부에 원추형돌기부(46a)가 제공된다. 도 2에서 보여지는 바와 같이, 원추형돌기부(46a)에는 플래퍼(40)에 인접한 노즐통로(46)의 개구단(도 2에서 보여지는 바와 같은 노즐통로(46)의 상부개구단)에 원추형오목부(46b)가 제공되고, 원추형오목부(46b)와 마주하는 고정핀(40b)의 머리에는 대응하는 원추형돌기(40e)가 제공된다. 원추형오목부(46b)는 노즐통로(46)의 상단주위에서 노즐통로(46)의 끝면(도 2에서 보여지는 바와 같이 상단면)에 형성된다고 말해질 수 있다. 도 3은 플래퍼(40)를 아래쪽에서 비스듬히 바라본 분해 사시도이다. 고정핀(40b)은 고정핀(40b)의 일부를 스웨이징(swaging)하는 것에 의해 원판형판스프링의 중앙부에 하부코일보빈(40c)의 원형바닥중앙을 고정시키기 위해 사용되고, 고정핀(40)의 머리와 일체로 형성되는 원추형돌기(40e)를 가진다. 원추형돌기(40e)에 대응하여 형성된 원추형오목부(46b)의 축과 노즐통로(46)의 축은 정확히 정렬된다. 또한, 원추형오목부(46b)의 모양과 원추형돌기(40e)의 모양은 정확히 서 로 대응하고 원추형오목부(46b)와 원추형돌기(40e)의 면들은 최소의 표면불규칙성을 가지게끔 처리되고 마감된다.
전기공압식공압조절기(10)에는 원판형판스프링(40a)의 주변부의 상부면 및 하부면에 고무와 같은 탄성적인 재료로 만들어진 상부충격흡수링(47)과 하부충격흡수링(48)이 각각 제공된다. 상부충격흡수링(47)과 하부충격흡수링(48)은 상부충격흡수링(47)과 하부충격흡수링(48) 사이에 원판형판스프링(40a)의 주변부를 고정하면서 제1상부하우징(11c)과 제2상부하우징(11d) 사이에 단단히 고정된다. 상부충격흡수링(47)과 하부충격흡수링(48)은 원판형판스프링(40a)의 변형을 줄이도록 작동하여 전기공압식공압조절기(10)의 내진동성을 개선시킨다.
상술한 구조를 갖는 전기공압식공압조절기(10)에서, 코일(40d)에 순방향전류와 역방향전류를 공급하는 것은 플래퍼(40)(원판형판스프링(40a))가 전자기구동장치(42)와 코일(40d) 사이의 전자기작용 때문에 탄성적으로 변형되어 위와 아래로 각각 이동하게 한다. 원추형돌기(40e)와 원추형오목부(46b)의 대향면들 사이의 거리는 플래퍼(40)가 위와 아래로 움직일 때 변화된다. 원추형돌기(40e)와 원추형오목부(46b)의 대향면들 사이의 거리의 변화량은 코일(40d)에 공급되는 전류 또는 전압(아날로그 전기입력신호)의 크기에 비례한다. 파일럿압력실(30)에서 빠져나온 공기의 양은 원추형돌기(40e)와 원추형오목부(46b)의 대향면들 사이의 거리가 각각 증가되고 감소됨에 따라 증가하고 감소된다. 따라서, 2차압력배출구(13)의 2차압력은 코일(40d)에 공급되는 전류의 크기를 변화시키는 것에 의해 조정될 수 있다.
전기공압식공압조절기(10)의 상술한 실시예에 따르면, 공기흐름통로면적이 원추형돌기(40e)와 원추형오목부(46b)의 대향면들 사이의 거리에 의해 결정되기 때문에 플래퍼(40)의 단위이동량에 대한 공기흐름통로면적의 변화가 감소되어 전기공압식공압조절기(10)의 분해능을 개선시킬 수 있다.
도 5는 도 2에 보여지는 전기공압식공압조절기의 부분에 비교되는 종래 전기공압식공압조절기 부분의 종단면도이다. 도 5에서 보여지는 바와 같이, (고정핀(40b)에 대응하는) 고정핀(140b)은 편편한 머리를 가지고(즉, 고정핀(140b)에는 머리에 원추형돌기(40e)에 대응하는 원추형돌기가 제공되지 않는다), 고정핀(140b)의 편편한 머리에 인접한 노즐통로(146)(노즐통로(46)에 대응)의 상부개구단 주위의 원추형돌기(146a)(원추형돌기(46a)에 대응)의 단면은 편편한 단면으로 형성된다. 따라서, 전기공압식공압조절기의 충분한 분해능이 도 5에 보여지는 종래 전기공압식공압조절기에서는 이루어질 수 없다.
도 4는 도 5에서 보여지는 구조를 가진 종래 전기공압식공압조절기의 제어분해능과 도 2에서 보여지는 구조를 가지는 (본 발명에 따른) 전기공압식공압조절기의 제어분해능의 비교예를 보여주는 그래프이고, 이 두 전기공압식공압조절기들은 (도 2에서 보여지는) 고정핀(40b)의 머리와 (도 5에서 보여지는) 고정핀(140b)의 머리 사이의 구조의 차이와 (도 2에서 보여지는) 원추형돌기(40e)와 (도 5에서 보여지는) 원추형돌기(140e) 사이의 구조의 차를 제외하고는 서로 동일하다. 수평축은 코일(40d)에 공급되는 제어전류를 나타내고 수직축은 2차압력배출구(13)로부터 출력되는 제어압력(2차압력)을 나타낸다. 제어전류가 작은 경우(즉, 고정핀(40b 또는 140b)과 노즐통로(46 또는 146)의 관련된 개구단의 거리가 큰 경우), 본 발명의 실시예인 (도 2에 보여지는 구조를 가지는) 전기공압식공압조절기(10)와 (도 5에 보여지는 구조를 가지는) 종래의 전기공압식공압조절기 사이에는 어떠한 차이도 실질적으로 인지되지 않는다. 그러나, 본 발명의 실시예인 전기공압식공압조절기의 분해능(2차압력의 변화에 대한 제어전류량의 변화의 비)이 제어전류가 증가할 때 종래의 전기공압식공압조절기의 분해능을 초과하는 것을 도 4로부터 쉽게 인지할 수 있다.
상술된 전기공압식공압조절기의 실시예에서 원추형돌기(40e)가 플래퍼(40)의 고정핀(40b)의 머리와 일체로 형성되지만, 원추형돌기(40e)에 대응하는 어떤 원추형돌기가 플래퍼(40)의 구조에 따라 원판형판스프링(40a)에 고정될 수 있다.
자명한 변경들이 여기서 설명된 본 발명의 구체적인 실시예에서 만들어질 수 있고, 그러한 변형들은 청구된 발명의 사상 및 범위 내에 있다. 여기서 포함된 모든 내용은 예를 들어 설명하기 위한 것이고 (예시적인 것이고) 본 발명의 범위를 제한하지 않음을 표명한다.
상술한 것으로부터 이해될 수 있는 것과 같이, 본 발명에 따르면 매우 개선된 분해능을 가진 전기공압식공압조절기가 이루어질 수 있다.

Claims (6)

1차압력도입구;
2차압력배출구;
파일럿압력실;
상기 1차압력도입구와 상기 2차압력배출구가 서로 연통되게 하는 통로를 여닫기 위한 주밸브;
상기 2차압력배출구와 상기 파일럿압력실 사이에서 압력차이에 따라 이동하여 상기 주밸브를 작동시키는 유동피스톤;
상기 파일럿압력실이 대기에 연통되게 하는 노즐통로;
상기 노즐통로의 개구단에 면하는 판스프링을 구비하는 플래퍼; 및
아날로그 입력신호의 크기에 따라 상기 판스프링을 변형하여 상기 노즐통로의 상기 개구단에 관련하여 상기 플래퍼의 위치를 변화시키는 전자기구동장치를 포함하고,
상기 플래퍼는 상기 노즐통로의 상기 개구단을 향해 돌출된 원추형돌기를 구비하고, 상기 원추형돌기에 대응하는 원추형오목부가 상기 개구단 주위의 상기 노즐통로의 끝면에 형성되며,
상기 플래퍼는
상기 전자기구동장치의 코일이 감겨지는 코일보빈; 및
상기 판스프링과 상기 코일보빈이 서로 고정되게 하는 고정핀을 포함하고,
상기 원추형돌기는 상기 고정핀에 형성되는 전기공압식공압조절기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 판스프링의 주변부의 상부면 및 하부면에 각각 위치되는 상부충격흡수링 및 하부충격흡수링을 더 포함하고, 상기 판스프링의 상기 주변부는 상기 상부충격흡수링과 상기 하부충격흡수링 사이에 끼워지는 전기공압식공압조절기.
제1항에 있어서, 상기 파일럿압력실에는 상기 유동피스톤의 구성요소로서 사용되는 격막이 형성되고, 상기 파일럿압력실은 상기 2차압력배출구와 연통되는 전기공압식공압조절기.
제4항에 있어서, 상기 파일럿압력실은 상기 유동피스톤의 구성요소로서 사용되는 제2격막과 상기 전기공압식공압조절기의 하우징 사이에 형성되고, 상기 노즐통로는 상기 하우징에 형성되어 하우징을 관통하는 전기공압식공압조절기.
제1항에 있어서, 상기 판스프링은 원판형이고, 상기 코일보빈은 상기 고정핀에 의해 상기 원판형판스프링의 중앙에 고정되는 전기공압식공압조절기.
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