KR101045991B1 - 전자기밸브 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형의 밸브 조립체(10)를 제조하기에 적합한 유체밸브에 관한 것이다. 상기 밸브는 상부폴부, 하부폴부 및 전기자를 포함하고, 모두 자성재로 이루어진다. 상기 상부 및 하부폴부는, 액츄에이터 코일을 인트랩하기 위하여 압입끼워맞춤에 의해 영구적으로 결합되고, 조립된 이동가능한 전기자(42)용 자기회로를 형성한다. 밸브시트부재(24)는 조립체를 완성하기 위하여 전기자 및 전기자 리턴스프링(46)을 인트랩하는 하부폴부에 압입, 스냅 또는 바브로 몰딩된다. 밸브외부하우징 또는 케이스(20)로 영구적 조립체 및 자기회로 부품을 이용하면 실제 작은 크기의 밸브의 구현과 다른 디자인의 이용 또는 다른 조립방법을 이용하여 실제적으로 제공될 수 있는 것보다 상대적으로 속도성능 및 작동주파수가 향상된다.

포핏밸브 조립체, 유체밸브 조립체, 밸브시트부재, 밸브클로저부재

Description

전자기밸브 조립체{ELECTROMAGNETIC VALVE ASSEMBLY}

본 발명은 전자기적으로 작동되는 밸브 조립체에 관한 것이다.

다양한 디자인의 포핏밸브(poppet valve)는 공지되어 있다. 이와 같은 포핏밸브는 밸브 개방위치와 밸브 폐쇄위치 사이의 밸브시트의 평면에 대략 수직방향으로 이동가능한 밸브부재가 특징이다. 본 발명에 있어서 특히 중요한 것은 솔레노이드(solenoid)로 작동되는 포핏밸브이다. 이와 같은 밸브는, 통전되는 경우에 밸브 개방(또는 폐쇄)위치로 밸브부재를 이동시키는 액츄에이터 코일(actuator coil)과, 자기회로가 끊어지는 경우에 밸브 폐쇄(또는 개방)위치로 밸브부재를 복귀시키는 기계적인 리턴스프링(return spring)을 구비한다.

솔레노이드로 작동되는 포핏밸브의 구성 및 구조는 밸브 디자인 단계 중에 이루어지는 의도하는 밸브의 효용성과 다양한 선택에 따라서 넓게 변경된다. 그러나, 각각으로 구성되거나 또는 하나의 밸브 디자인으로 병합될 수 있는 구성으로 이루어지는 두가지 형태가 일반적으로 이용된다. 하나의 일반적인 구성에서, 여러 부품들은 함께 결합되거나 또는 어떤 경우 분해, 재조립 및 심지어 그 분야에서 부품의 대체를 가능하게 서로 보완하는 결합부재(threaded member)에 의해 함께 유지된다. 다른 일반적인 구성에서, 상기 여러 부품들은 둘러싸서 보호하는 형태 내에 포함되거나 또는 그 분야에서 즉시 분해되지 않거나 또는 부정 조작될 수 없는(tamper-proof) 그러한 방법으로 구성된다. 이러한 후자의 구성은 동일한 밸브를 수리하는 비용이 대체하는 비용을 초과할 수 있는 작은 포핏밸브에서 일반적으로 더 이용된다. 그러나, 여전히 제조공정에서 최종검수를 통과하지 못한 이러한 밸브는 고장을 검사할 목적이나, 부품을 회수하기 위한 목적 등으로 공장에서 분해될 수 있다.

또 다른 일반적인 구성은 1987년 2월 17일에 코즈기(Kosugi) 등의 발명자에게 특허부여된 미국특허등록 제4643393A호에 나타나 있다. 코즈기 등의 발명자는 보어(bore)를 가지는 전자기코일(22), 전자기 작동부재(21)와 고정 철코어(stationary iron core)(24), 보어를 가지는 자기플레이트(28) 및 플런저(plunger)(26)를 포함하며, 모두 자성재로 이루어지는 초소형(ultra-miniature) 전자기밸브 조립체를 제안했다. 상기 전자기 작동부재(21), 고정 철코어(24) 및 자기플레이트(28)는, 밸브조립체의 외피를 구성하는 부분에 대략 U자 형상으로 이루어지는 하나 이상의 자기프레임(magnetic frame)(29)의 부품을 형성하고, 자성재로 이루어지는 전자기코일(22)의 외경을 둘러싸기 위하여 전자기코일(22)의 외경의 외측부에 영구적으로 결합된다. 상기 플런저(26)는 자기플레이트(28)의 하단부의 보어에서 슬라이딩하는 외주연면을 가지고, 상기 플런저(26)는, 자기플레이트(28)의 하단부의 보어에서 상측으로 슬라이딩하도록, 그리고 전자기코일(22)의 보어에서 플런저(26)의 상측면이 고정 철코어(24)의 배치면에 적절하게 접하는 수축되는 위치(retracted position)로 슬라이딩하도록 구성된다. 또한, 상기 자기플레이트(28)의 하단부에 밸브케이싱(1)이 영구적으로 결합되고, 상기 밸브케이싱(1)은, 플런저(26)의 하단부와 대향하는 밸브시트(5)가 형성되고, 상기 밸브시트(5)와 통하는 입구(2)가 형성되며, 또한 하나 이상의 출구(3)가 형성된다. 상기 플런저(26)가 연장되는 위치에 있는 경우, 상기 플런저(26)의 하단부는 밸브시트(5)에 대해서 결합 및 밀봉되도록 배치되는 밸브부재(27)를 구비한다. 상기 플런저(26)와 자기플레이트(28) 사이에는 스프링(25)이 배치되고, 상기 스프링(25)은 밸브시트(5)에 대해 결합 및 밀봉하는 밸브부재(27)를 구비한 플런저(26)를 연장된 위치로 향할 수 있도록 미리 설치(preloading)된다. 코즈기 등의 발명자가 칼럼1의 46-48라인, 칼럼3의 11-15라인 및 칼럼5의 1-13라인에 나타낸 바와 같이, 전력공급의 불안정함(suspension)이 고정 철코어(24)로부터 플런저(26)를 이동시키기 위한 스프링(25)에 영향을 미치기 때문에, 상기 밸브조립체는 밸브시트(5)가 밸브부재(27)에 의해 폐쇄되도록 자기적인 비래치 형(magnetically non-latching type)으로 이루어진다. 상기 전자기코일의 복원(deactivation) 후 즉시 폐쇄하기 용이한 다른 자기적인 비래치 밸브는 1992년 2월 4일에 오델(O'Dell)의 발명자에게 특허부여된 미국특허등록 제5085402A호(칼럼8의 64-68라인 참조) 및 2000년 7월 11일에 스캇(scott) 등의 발명자에게 특허부여된 미국특허등록 제6086042A호(칼럼5의 62-63라인 참조)에 나타나 있다.
전술한 종래의 구성은 i)분해될 수 있는 밸브의 크기가 증가되고, 또한 ii) 전자기코일이 밸브부재의 하나의 위치를 유지하기 위해 연속해서 전기적으로 통전될 수 있는 필요조건이 효율적인 성능을 달성하는데 불이익으로 작용하기 때문에 실용적이지 못하나, 본 발명은 고속작동이 가능하며 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 소형의 형태로 제조하기에 적절한 밸브 조립체이다.

본 발명은 소형의 밸브 조립체로 제조하기에 적합한 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 밸브는 상부폴부, 하부폴부 및 전기자를 포함하고, 모두 자성재로 이루어진다. 상기 두개의 폴부는, 액츄에이터 코일을 인트랩하기 위하여 영구적으로 압입끼워맞춤, 용접 및/또는 접착제와 같은 것에 의해 결합되고, 조립된 이동가능한 전기자용 자기회로를 형성한다. 밸브시트부재는 스냅 또는 바브로 전기자부에 몰딩되고, 전기자에 의해 인트랩되어 조립이 완성된다. 밸브외부하우징 또는 케이스(20)로 영구적 조립체 및 자기회로 부품을 이용하면 실제 작은 크기의 밸브를 구현할 수 있고, 다른 디자인의 이용 또는 다른 조립방법을 이용하여 실제적으로 제공될 수 있는 것보다 상대적으로 작은 크기와 중량 및 속도성능이 향상된다. 상기 자기회로를 형성하는 전기자, 상부폴부 및 하부폴부의 잔류자력(residual magnetism)의 이용은 전류펄스가 종결된 후 하나의 위치에 전기자와 밸브클로저 및 자기적 래치를 유지하기 위하여 리턴스프링 힘을 초과하는 자기인력을 제공한다. 이에 따라, 상기 전류펄스는 이용될 수 있지만, 반면에 전류레벨이 전기자 및 밸브클로저가 하나의 위치에 존속하는 상당한 기간동안 유지되는 경우 액추에이터 코일의 손상 및 과열이 될 수 있다. 또한, 이것은 필요로하는 액츄에이터 코일 구동회로의 크기를 감소시킨다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 소형의 포핏밸브 조립체를 나타낸 측면도.

도2는 도1의 소형의 포핏밸브 조립체를 분해해서 나타낸 분해사시도.

도3은 도1의 3-3 라인에 따라 소형의 포핏밸브 조립체를 나타낸 단면도.

도4는 도3의 4영역을 확대해서 나타낸 확대단면도.

도5는 도1의 5-5 라인에 따라 소형의 포핏밸브 조립체를 나타낸 저면도.

도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부단면도.

도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 국부단면도.

도8은 본 발명에 따른 밸브 조립체의 작동 동안에 시간대 전류의 실제궤적을 나타낸 그래프.

도9는 도착감지회로를 포함하는 전형적인 코일구동시스템을 나타낸 블록도.

본 발명은 전자기적으로 작동되며 작은 크기 및 작은 중량이 가능한 독특한 구성을 가지는 밸브 조립체(10)에 관한 것이다. 본 실시예에서, 상기 포핏밸브 조립체(poppet valve assembly)(10)는 유체(예를 들면, 기체) 밸브의 두 위치형인 두가지 방식이 있다. 상기 밸브 몸체는, 직경이 대략 0.35인치(대략 10mm)이고, 길이가 대략 0.75인치(대략 19mm)이다. 본 실시예에서, 전기자 조립체(armature assembly), 리턴스프링(return spring), 자기회로(magnetic circuit)의 두개의 고정부품, 밸브시트부재(valve seat member) 및 전자기 액츄에이터 코일(actuator coil)을 포함하는 포핏밸브 조립체(10)의 주요 부품은 자기회로의 두 주요한 구성부품을 하나의 압입끼워맞춤(press fit) 및 하나의 "스냅"("snap") 또는 압입(press) 또는 바브끼워맞춤(barb fit)을 이용하여 조립되거나 또는 상기 조립체에 밸브시트를 상기 결합을 이용하여 조립된다. 그때, 포팅공정(potting operation)은 액츄에이터 코일 및 인쇄회로기판 커넥터를 조립을 완성하기 위한 위치에 고정한다. 실링팁(sealing tip)은 도3 내지 도6에 나타낸 바와 같이 크기를 줄이면서 밸브 내부에 공간이 보존되도록 전기자에 직접적으로 몰딩(molding)된다. 이러한 결과로 인하여 와이어(wire) 없이 인쇄회로기판에 직접적으로 접속되며 인클로저(enclosure)의 상부를 형성하는 폴(pole)을 구비한 압입끼워맞춤 조립체가 이루어지고, 본 실시예에서 제조시에도 의도된 대로 부정 조작될 수 없도록(tamper-proof) 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 소형의 포핏밸브 조립체를 나타낸 측면도이다. 본 실시예의 소형의 포핏밸브 조립체(10)는 원통형 몸체(20), 단부캡 조립체(end cap assembly)(22) 및 밸브시트부재(24)를 포함한다. 상기 밸브시트부재(24)는, 오링(o-ring) 또는 오링 그루브(o-ring groove)에 위치되는 다른 실링부재(sealing member)(26) 및 제2오링 또는 오링 그루브에 위치되는 고정의 다른 실링부재(28)를 구비하고, 오링(26, 28) 사이의 밸브시트브재(24)의 홈부(recessed section)(32)를 통하여 형성되며 밸브시트부재(24)의 내측에 유체통로(fluid communication)를 제공하는 하나 이상(예를 들면, 4개)의 포트(port)(30)를 구비한다. 또한, 상기 밸브시트부재(24)의 하단부에 도번 34로 표시되는 제2포트가 형성되고, 이에 대해서는 후술할 도면과 관련해서 상세히 설명한다. 본질적으로, 밸브의 조립은 실링된 인클로저를 형성하기 위하여 포트에 팁을 미리 설치한다.

도3은 도1 및 도2의 소형의 포핏밸브 조립체(10)를 나타낸 단면도이다. 도1에 나타낸 원통형 몸체(20)는, 실제적으로 도2 및 도3의 하부폴부(lower pole piece)(36)로 이루어지고, 상기 전자기 액츄에이터 코일(40)을 인트랩하는(entrapping) 자기회로의 고정부품과 마찬가지로 포핏밸브 조립체(10)의 외부 인클로저의 대부분 또는 상당 부분을 형성하는 상부폴부(upper pole piece)(38)를 함께 구비한다. 상기 하부폴부(36)내에 하단부에 일체로 형성되는 밸브클로저부재(valve closure member)(44)를 구비한 이동가능한 전기자(42)가 위치된다. 유연한(compliant) 및/또는 가벼운 고무 또는 니트릴(nitrile)이나 비톤(viton) 같은 플라스틱재로 이루어지는 밸브클로저부재는 몰딩 또는 압입 또는 시멘팅(cementing) 또는 다른 방법으로 전기자(42)에 연결될 수 있다. 상기 하부폴부(36)와 전기자의 하단부에 형성되는 환형 쇼울더(47) 사이에서 작동하는 리턴스프링(46)은, 도3에 나타낸 바와 같이 밸브 폐쇄위치로 전기자를 편향시키고, 포트(34, 30) 사이의 유체통로를 차단(cutting off)한다. 그러나, 상기 액츄에이터 코일(40)의 전기여자(electrical excitation)는, 상기 상부폴부(38)의 인접한 표면에 대하여 전기자 평탄면(flat)으로 끌어당길 수 있도록 전기자의 상단부에 자기인력을 제공하고, 포트(34, 30) 사이의 유체통로를 설치하기 위하여 밸브시트부재(24)의 인접한 밸브시트 (49)로부터 떨어지게 밸브클로저부재(44)를 끌어당긴다. 부재(38, 36, 24)의 "압입"("pressing") 및/또는 용접은 포트(34)를 통과한 모든 유체가 포트(30)에 존재하도록 "누출없는"("leak free") 밸브를 형성한다.

상기 상부폴부(38)을 포함하는 단부캡 조립체(22)(도1)는 도2의 분해도에 나타나 있다. 본 실시예에서, 상기 상부폴부(38)는, 상측부를 가로질러 형성되는 상대적으로 큰 슬롯(slot)(48)과, 상기 액추에이터 코일(40)의 두개의 전기리드와이어(미도시)가 통과하는 두개의 홀(50)(도2에서는 하나만 보임)을 구비한다. 이러한 리드와이어는 단자(terminal)(52)에 연결되고, 상부폴부(38)의 슬롯(48)에 끼워지는 소형 커넥터(54)가 형성된다. 이와 관련하여, 상기 코일(40)은 보빈(bobbin)이 없는 고정물에 감겨있거나 또는 본실시예에서와 같은 보빈(56)(도2)이 이용될 수 있다.

상기 커넥터(54)는 상부폴부(38)의 슬롯(48)에 끼워지고, 나머지 슬롯은 포팅(potting) 상태이며, 일반적으로 상기 커넥터를 유지시키기 위하여 수지재(resin)를 적절하게 열경화(thermosetting)시키고, 최종 조립에서 액츄에이터 코일(40)의 움직임이 방지되도록 상부폴부(38)의 홀(50)을 통과하는 위치에 보빈(56)을 접착시켜서 코일(40)용 리드와이어를 보호한다. 도2에서 도번 58로 표시되는 포팅은 고정물에서 이루어지거나 또는 사출성형으로 형성된 캡과 같이 구체적인 형상으로 나타낸 소정 형성의 캡에서 각각의 포핏밸브용 포팅 고정물 및 밸브의 영구적인 부품으로 이용될 수 있다. 또한, 상기 캡 및/또는 포팅은 슬롯(48)(도2)에 한정된다. 포팅후, 상기 밸브는 직접적으로(핀(pin)으로) 인쇄회로기판에 연결될 수 있다. 여기에서, 와이어 또는 중간 커넥터는 필요하지 않다.

도5는 밸브시트부재(24)의 저면도이다. 상기 밸브시트부재는 개구부 또는 포트(34)(도1 및 도3)를 가지며, 상기 개구부 또는 포트(34)는 밸브클로저부재(44)에 대하여 적절하게 배치되는 밸브시트를 형성하기 위하여 내부 단부에서 끝난다. 슬롯(60)(도1, 3, 5)은, 상기 포트(34)로부터 다수의 반경방향(예를 들면, 4방향)으로 연장되며, 상기 포핏밸브 조립체(10)는 밸브의 장착면에 대하여 평탄면의 단부(62)를 가지는 적용에 이용되는 경우에도 상기 포트(34)와 연통하는 유체흐름통로를 제공하기 위하여 밸브시트부재(24)에 형성된다. 또한, 이러한 슬롯은 유체통로가 시트의 부품과 일체로 형성됨으로써 밸브의 길이가 감소되도록 제공된다.

도4는 도3의 4-4 영역을 상세하게 나타낸 확대도이다. 상기 하부폴부(36)의 하부 에지(edge)는 하단부에 형성되는 상대적으로 작은 환형의 돌출부(62)를 가진다. 상기 밸브시트부재(24)는 하부폴부(36)에 환형의 돌출부(62)를 수용 및 유지하기 위하여 적절하게 배치되는 환형의 홈(recess)(64)을 가진다. 본 실시예에서, 밸브시트부재(24)는 하부폴부(36)의 하단부를 밸브시트부재의 상측에 압입되도록 충분한 유연성(compliance)을 가지는 비금속 부재로 몰딩되고, 이러한 두 부분은 타이트하게 스냅 끼워맞춤된다. 델린재(delrin meterial, 폴리아세탈)가 일실시예에서 이용된다.

상기 하부폴부(36), 상부폴부(38) 및 전기자(42)는, 자성재로 형성되지만 필수적인 것은 아니며, 모두 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 또한 높은 자기 히스테리시스 및 최소한의 소모 특징을 제공하는 강자성재(ferromagnetic material)로 이루어질 수 있다. 다수의 재료가 이용될 수 있지만, 하나의 유용한 재료는 4140 철이다.

도2를 다시 참조하면, 본 실시예에의 조립체의 목적을 달성하기 위하여, 상부폴부(38)와 하부폴부(36)는 압입끼워맞춤으로 제공될 수 있는 크기이다. 따라서, 상기 액츄에이터 코일(40)의 위치(본 실시예에서 이미 조립된 단부캡 조립체(22)의 부분으로 나타낸), 상부폴부(38) 및 하부폴부(36)는 함께 영구적으로 압입될 수 있다. 소정의 경우, 레이저 용접 또는 시멘트 접착 같은 적절한 접착방법은 이러한 두 부품의 결합을 향상시키는데 이용될 수 있고, 또한 대안으로서 압입끼워맞춤으로 이용될 수 있다. 또한 부가적으로, 자성재가 어떤 적용에서 최소한으로 감소하는 마모 동안에 있는 경우에, 상기 자성재는 정상 롤링작동 동안에 기계적으로 너무 단단해질 수 있을지라도, 상기 하부폴부(36)의 상측부 또는 상부폴부(38)의 하측부는 목적을 위해 제공되는 작은 그루브에 롤링(rolling)될 수 있다. 그러나, 어떠한 결합방법이 이용되는 경우에도, 상기 부품이 매우 작은 및/또는 상대적으로 낮은 비용으로 패스너(fastener) 또는 결합방법을 채용할 수 있어서 분해 및 재조립 될 수 있고, 영구적 결합으로 처리될 수 있다.

일단 상기 상부폴부(38)와 하부폴부(36)가 영구적으로 조립되면, 상기 전기자 조립체(밸브클로저부재(44)를 가지는 전기자(42)) 및 기계적 리턴스프링(46)은 제위치(in position)에 배치된다. 그리고나서, 상기 밸브시트부재(24)는 최종 조립위치에 "스냅"("snap")되도록 하부폴부(36)의 하단부에 압입된다. 이때, 상기 오링(26, 28)이 부가된다. 상기 밸브의 장착 및 실링이 다른 방식으로 결합되는 경우라 도, 상기 오링은 특별한 형태의 장착도 용이하게 한다. 그러나, 일예로 상기 하부폴부(36) 또는 밸브시트부재(24)에 플랜지(flange)를 제공함으로써, 튜브 연결을 가지는 플랜지 장착이 이용될 수 있다. 또한, 고무는 하나의 부분을 형성하기 위하여 오링의 위치에서 포트(34)에 몰딩될 수 있다.

이러한 결과는 소형의 솔레노이드로 작동되는(solenoid-operated) 기체 밸브 조립체(10)로 나타나고, 상기 기체 밸브 조립체(10)는, 영구적으로 조립되는 최소한의 부품을 구비하며, 사용 동안에 밸브의 적용에 따라 개스 또는 액체의 흐름을 적절하게 제어한다. 이와 관련하여, 상기 전기자(42)의 하단부는 리턴스프링(46)을 잡기 위하여 환형의 플랜지 같은 돌출부를 가지는 것으로 나타나 있지만, 상기 플랜지 같은 돌출부는 스캐럽(scallop)될 수 있거나 또는 반면에 밸브시트부재(24)에 내부유체흐름 영역을 증가시키고 흐름 및/또는 밸브의 작동을 억제하는 점성효과를 감소시키기 위한 영역에서 불연속적으로 될 수 있다.

각각의 디자인에서 일실시예의 모든 특징을 포함하는 것이 필수적이지는 않지만, 외부연결수단 또는 메카니즘(mechanism)의 부족, 일체화된 전기자 및 시트, 자기회로의 외측에 비금속의 사용, 및 일체화된 인쇄회로기판은 자기 래치력(magnetic latch ability)이 조합되어 고속작동이 가능한 작은 크기를 가지며 높은 "g" 하중에 대해 양호한 탄성력을 가지는 밸브디자인이 형성된다.

본 발명의 밸브 조립체(10)는 각각의 방향에서 유체흐름의 고속제어용으로 이용될 수 있다. 상기 밸브가 폐쇄되고 상대적으로 높은 유압(fluid pressure)이 포트(34)에 가해지는 경우, 이때 상기 리턴스프링(46)은 개방위치를 향해서 밸브클 로저부재(44)를 활성화하는 차압(differential pressure)에도 불구하고 시트에 대하여 폐쇄된 밸브클로저부재(44)를 유지하기 위하여 적절한 힘을 가해야 하며, 그러나 밸브를 개방하기 위하여 액츄에이터 코일(40)에 의해 발생되는 자기력에 의해 리턴스프링(46)의 억제가 방지되도록 큰 힘을 가하지 않게 한다. 상기 밸브클로저부재(44)가 폐쇄되고 상대적으로 낮은 유압이 포트(34)에 가해지는 경우, 이때 상기 밸브클로저부재(44)를 개방하기 위하여 액츄에이터 코일(40)에 의해 발생되는 자기력은 상기 리턴스프링의 힘을 부가해서 밸브클로저부재를 가로지르는 차압에 대하여 폐쇄되는 밸브클로저부재(44)를 유지하는 힘을 초과해야 한다. 일실시예에서, 상기 리턴스프링은 액추에이터 코일(40)이 폐쇄되는 밸브클로저부재(44)를 유지하기 위하여 촉진하는 차동 유압에 대하여 밸브클로저부재(44)를 개방하기 위한 전류펄스(electrical current pulse)로 펄싱될 수 있도록 선택된다. 상기 전기자(42)와 밸브클로저부재(44)는 개방 및 폐쇄위치 사이에서 고속과 진동 작동이 가능하다. 상기 전류펄스가 종결된 후, 상기 자기회로의 구성부품의 잔류자력은 전기자(42)(그 결과, 밸브클로저부재(44)) 개방을 유지(즉, 자기적 래치)하기 위하여 리턴스프링 힘을 초과하는 자기인력을 제공한다. 이는 최대 개방력을 위해 전류펄스를 쇼트(short)시켜서 사용하는 상당한 시간 동안 밸브 개방으로 이루어진다. 따라서, 전류펄스는 이용될 수 있지만, 반면에 전류레벨이 상당한 밸브 개방기간 동안 유지되는 경우 액추에이터 코일(40)의 손상 및 과열이 될 수 있다. 또한, 이는 필요로하는 액츄에이터 코일 구동회로의 크기를 감소시킨다. 상기 밸브를 페쇄하기 위하여, 자기적 래치 개방, 쇼트, 대향방향으로 낮은 진폭의 전류펄스가 자기회로 의 구성부품을 실제적으로 비자성화 시키기 위하여 이용될 수 있다면, 이에 의하여 상기 리턴스프링이 밸브를 폐쇄시킨다. 또한, 본 발명의 실시예는 고속 감쇄 사인파 전류(fast decaying sinusoid of current)를 이용하여 밸브를 폐쇄하고 래치력을 삭제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 직경이 대략 0.35인치(대략 10mm)이고, 길이가 대략 0.75인치(대략 19mm)로 나타내고 있지만, 유사한 디자인과 조립 방법은, 다른 크기의 밸브, 예를 들면 직경이 대략 0.5인치(대략 13mm)이고, 길이가 대략 1.0인치(대략 25mm)인 밸브에 이용될 수 있다. 특히 큰 밸브가 물리적 및 경제적으로 보다 다루기 용이할 지라도, 본 발명에 따르면 반대의 조립 방법을 포함하여 보다 큰 밸브도 제작될 수 있다.

도6은 도4의 단면과 유사하지만 다른 실시예를 나타낸 것이다. 그러나, 본 실시예는 도1 내지 도5 및 도7의 실시예와 유사할 수 있다. 도6의 실시예에서, 플라스틱부재(70, 72)는 스프링(46)과 하부폴부(36') 사이 및 스프링(46)과 이동가능한 전기자(42') 사이에 각각 위치된다. 이러한 플라스틱부재는, 스프링과 각각 인접한 부재 사이의 금속간(metal-to-metal)의 접촉을 방지하고, 이에 의하여 각각의 금속부재 사이의 움직임에 의한 파편(debris)의 형성 및 발생가능한 마모를 방지할 수 있다.

도6의 실시예에서, 상기 하부폴부(36')는 환형의 돌출부(76)에 형성되는 일체형 바브(barb)(74)를 가지고, 상기 바브(74)는 밸브시트부재(24)의 내경에 적합한 간섭을 가진다. 이와 관련하여, 포트(30) 사이, 즉 밸브시트부재(24')의 포트 (30)(도1, 3, 4 참조) 사이의 각도가 45°일지라도, 도6의 단면은 전술한 실시예의 도4의 단면과 유사하다. 상기 밸브시트부재(24')와 하부폴부(36')가 부재를 함께 영구적으로 유지하기 위하여 조립하는 동안 함께 가압되는 경우에 밸브시트부재(24')에 대하여 명확하게 걸림(bite into and lock)이 되도록 다소 확장되게 바브(74)를 나타낸 것과 같은 방법으로 표시하기 위하여 도6의 부분은 45°각도로 나타낸다. 상기 밸브시트부재(24')는 초기에 자체적으로 대응하는 인덴테이션(indentation)을 구비하거나 또는 구비하지 않을 수 있고, 이에 따라 상기 바브는 완전히 조립된 위치에 부품과 함께 자동적으로 형성될 것이다. 소정의 경우, 상기 바브의 세팅(setting)은 압입 또는 롤링에 의해 형성될 수 있거나 또는 상기 밸브시트부재(24')의 외주연 주위에 초음파 에너지를 적용함에 의해 형성될 수 있다. 도6의 실시예에서, 상기 밸브시트부재(24')의 내경은 밸브를 통하여 큰 흐름 영역을 제공하기 위하여 포트(30)(도1)의 영역에 몰딩된 수직 그루브를 가지고, 이에 따라 상기 바브는 포트 사이의 영역에서만 밸브시트부재(24')의 내경과 상호작용한다.

도7은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 상기 상부폴부(78)와 하부폴부(80)는 용접 동안 두품의 정렬을 유지하기 위한 적당한 고정물을 이용하여 함께 용접될 수 있다. 전술한 실시예의 밸브시트부재는 오링을 통과하는 공기흐름을 제한 및 방지하는 오링(86)을 가지는 부재(80)를 가지는 두 부재(82, 84)를 포함한다. 상기 이동가능한 전기자(42')는 밸브클로저에 실링을 제공하며 탄성중합체(elastomeric) 오링(90)을 유지하게 하부에 일체형의 우산형상의 돌출부 (88)를 포함한다. 본 실시예에서, 이러한 부품, 즉 상부 및 하부폴부의 다른 조립체의 형상이 소정으로 이용될 수 있는 경우라도, 부재(82, 84)와 하부폴부(80)는 압입끼워맞춤을 이용하여 함께 조여질 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은 작동되는 위치에서 이동가능한 전기자(42)(또는 42' 또는 42'')의 도착을 감지하는 능력이다. 감지(sensing) 원리는 다음에 후술한다. 상기 액츄에이터 코일(40)(도2 및 도3 참조)의 저항이 특히 밸브라면, 자기회로의 투자성(permeability)은 매우 높고, 포화 및 누전 효과는 무시된다. 회로에서, 이상적인(ideal) 코일의 인덕턴스(inductance)는 회로 구조에 따라 변화하고, 방정식에 의해 주어진 소정 시간(t)에서 인덕터(inductor)의 전류(i) 함수로서의 인덕턴스(L)를 가로지르는 전압은:

상기 코일의 인덕턴스는:

여기에서: k = 상수

x = 자기회로의 갭(gap)

시간(t)에 대한 인덕턴스의 변화율은:

따라서:

갭(x)이 증가하는 경우의 작동(액츄에이터 코일(40)에 전압을 가하는)은 실제적으로 0(zero)으로 작아지고, 전류(i)는 초기에 0으로부터 증가할 것이다. 따라서, dx/dt는 액츄에이터 움직임 동안에 음(negative)으로 될 것이고, 이에 따라 dL/dt는 양(positive)으로 되어 증가할 것이다. dL/dt가 가해진 전압(e)을 초과하는 경우, 그때 di/dt는 액츄에이터 부품의 움직임 동안에 음으로 될 것이다. 상기 갭이 실제로 0으로 되는 경우, 전기자는 정지할 것이다. dL/dt가 0으로 되므로, 전술한 가정과 비교하면, 전류(di/dt)의 변화율은 다시 다음과 같이 양으로 된다.

도8은 본 발명에 따른 밸브의 작동 동안에 시간대 전류 파형의 실제궤적을 나타낸 그래프이다. 초기 움직임 동안에 감소하는 di/dt가 실제는 후에 음으로 되는 것은 명백하다. 또한, 액츄에이터 단부는 코일의 저항에 의해(또는 다른 수단에 의해) 제한되는 전류를 고정상태 작동에서 감쇄시키기 위하여 di/dt가 반대로 되는 지점에서 움직이는 것은 명백하다.

액츄에이터(di/dt)에서 전류의 변화율은 여러 수단에 의해서 용이하게 감지될 수 있다. 일예로, 아날로그 회로를 가지는 일련의 저항기(resistor)에 의한 것과 같이 코일의 전류를 감지할 수 있고, 한쌍의 연속으로 연결되는 차별된 회로를 이용하여 d²i/dt² 감지에 의해 di/dt에서의 급격한 변화를 감지할 수 있다. 실제 음성수치로부터 양성수치까지 di/dt에서의 급격한 변화는 d²i/dt²에서 큰 스파이크(spike)로 나타날 것이다. 또한, 제2탐지기가 다음의 최소 전류의 탐지를 가능하게 하는 것은 전류의 제1정점을 감지함으로써 정점 탐지기에 의해 감지될 수 있다.

다른 구성 및 적용에 있어서, 상기 dL/dt는 액츄에이터가 작동되는 위치에 도착하기 전에 가해지는 전압보다 크지 않을 수 있다. 그러나, 상기 di/dt는 액츄에이터가 작동되는 위치에 도착하기까지 감소(그러나, 음성수치로 되지는 않음)하는 경우에도, 그후 상기 di/dt는 큰 양성수치로 단계 이동을 할 것이다. 따라서, 작동되는 위치에서 액츄에이터의 도착은, 작동이 시작된 후 di/dt에서 급격한 증가에 의해 나타나고, 다시 d²i/dt²에서 스파이크에 의해 나타난다. 각각의 케이스에서, 도착의 표시는, 자기 래치가 이용되는 경우에 밸브에 힘을 종결하기 위하여 이용될 수 있고, 후에 시간을 줄이기 위하여 이용될 수 있다. 반면에, 스프링력이 자기 래치성을 초과하는 경우, 작동 전류는 더 낮은 유지 전류로 감소될 수 있다. 이는 코일을 과열시키지 않고 소정의 경우 또는 속도 목적을 필요로 하는 경우에 코일이 과구동되어 소비되는 힘을 감소시킨다. 이러한 방식에서 완전한 감지 작동은 각 밸브의 작동 시간이 비규칙적이고 증가가 없는 경우 진단 목적용으로 이용될 수 있다.

도9는 일실시예로 이러한 특징을 포함하는 코일 여자 제어회로를 나타낸 블록도이다. 작동명령은 일련의 코일의 결합 및 감지저항기에 전력을 제공하는 코일 구동회로에 전달되고, 상기 감지저항기는 편의를 위해 코일과 그라운드 사이에 있다. 상기 도착감지회로는, 작동되는 위치에서 이동가능한 전기자(42, 42', 42'')의 도착을 결정하기 위하여 감지저항기를 가로지르는 전압을 감지하고, 적절하게 시간을 줄인 후에 피드백 신호를 제공하며, 자기 래치가 이용되는 경우에 코일 구동을 차단하거나 또는 자기 래치가 이용되지 않는 경우에 코일 구동의 출력을 감소시키기 위하여 제공하고, 유지전류의 종결의 경우는 이동가능한 전기자(42, 42', 42'')를 해제한다.

또한, 여기에서 상술될 본 발명의 일실시예는, 소형의 밸브가 고주파수 작동(1000Hz 이상과 같은)이 가능하도록 이용될 수 있고, 빠른 응답속도(0.4에서 0.6msec와 같은)를 가지며, 낮은 전력소비(100Hz에서 작동하는 경우에 0.125watt와 같은)를 가지고, 크기가 작으며 낮은 누출을 구비한 다수의 특징이 있다.(부가하면 여기서의 밸브는 일예로 자기 래치 밸브용으로 대표적인 밸브이고, 달성될 수 있는 성능의 한계가 필수적으로 나타나지 않는 밸브이다.) 개개의 특징 및 서브결합의 특징은 장점으로 결합될 수 있지만, 그러나 본 발명의 각 실시예에서의 모든 특징을 결합하는 것이 필수적이지 않다. 예를 들면, 반영구적 방법도 소정의 경우에 이용될 수 있을지라도, 영구적 조립방법의 이용이 바람직하다. 또한, 작동완료를 감지하는 것은 장점이며, 또한 본 발명의 실행에서 작동완료를 감지하는 것이 필수적이지는 않을지라도, 본 발명에 따른 밸브 외의 다른 밸브에서 실행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (26)

1. 보어를 구비하는 전기적 액츄에이터 코일(40);

   자성재로 형성되는 상부폴부(38)와, 보어를 구비하고 자성재로 형성되는 하부폴부(36) 및 자성재로 형성되는 전기자(42);

   상기 하부폴부의 하단부에 영구적으로 결합되는 밸브시트부재(24);

   상기 전기자의 하단부에 구비되는 밸브클로저부재(44); 및

   상기 전기자와 하부폴부 사이에 위치되는 리턴스프링(46)

   을 포함하고,

   상기 상부 및 하부폴부는 밸브 조립체의 외부케이스(20)의 최소한의 부품을 형성하고, 자성재로 액츄에이터 코일의 외경을 에워싸기 위하여 액츄에이터 코일의 외경의 외측에 영구적으로 결합되고,

   상기 전기자는 하부폴부의 하단부의 보어에 슬라이딩되는 외주연의 표면을 가지고, 상기 전기자는, 하부폴부의 하단부의 보어에서 상측방향으로 슬라이딩하기 위하여 형성되며, 상기 액츄에이터 코일의 보어에서 전기자의 상측면이 상부폴부재의 위치되는 면에 접하도록 수축되는 위치(retracted position)로 슬라이딩하기 위하여 형성되고,

   상기 밸브시트부재는, 전기자의 하단부와 대향되는 밸브시트(49)를 형성하고, 전기자의 하단부를 통해서 제1포트(30)를 형성하며, 하나 이상의 제2포트(34)를 형성하고,

   상기 밸브클로저부재(44)는 상기 전기자가 연장되는 위치에 있는 경우에 밸브시트에 대하여 결합하고 실링하기 위하여 위치되고,

   상기 리턴스프링은 밸브시트에 대하여 결합 및 실링하는 밸브클로저부재와 연장되는 위치방향으로 전기자를 형성하기 위하여 미리 설치되고,

   상기 리턴스프링(46)은, 전기자(42)가 연장되는 위치에 있는 경우에, 이용하는 동안 밸브시트를 가로질러 차별된 유압에 대하여 밸브시트(49)를 결합하는 밸브클로저부재(44)를 유지하기 위하여 필요로하는 것보다 큰 스프링력을 구비하고, 상기 전기자(42)가 수축되는 위치에 있는 경우에, 상부와 하부폴부(38, 36) 및 수축되는 위치에서 전기자가 자기 래치가 되게 하는 전기자에서 잔류자력으로부터 발생되는 힘보다 작은 스프링력을 구비하는

   유체밸브 조립체(10).
2. 제1항에 있어서,

   상기 밸브클로저부재(44)는

   상기 전기자(42)에 유지되며 상기 밸브시트(49)에 대하여 결합하고 실링하기 위하여 하측방향으로 돌출되는

   밸브 조립체(10).
3. 제1항에 있어서,

   상기 밸브클로저부재(44)는

   상기 전기자(42)의 연장부(88)에 의해 유지되는 오링(90)으로 이루어지는

   밸브 조립체(10).
4. 제1항에 있어서,

   상기 상부 및 하부폴부(38, 36)는 함께 압입끼워맞춤되는

   밸브 조립체(10).
5. 제1항에 있어서,

   상기 상부 및 하부폴부(38, 36)는 함께 접착되는

   밸브 조립체(10).
6. 제1항에 있어서,

   상기 상부 및 하부폴부(38, 36)는 함께 압입끼워맞춤되고 시멘트 결합되는

   밸브 조립체(10).
7. 제1항에 있어서,

   상기 밸브시트부재(24)는 플라스틱재로 형성되는

   밸브 조립체(10).
8. 제7항에 있어서,

   상기 밸브시트부재(24)는

   스냅끼워맞춤에 의해 하부폴부(36)의 하단부에 영구적으로 결합되는

   밸브 조립체(10).
9. 제1항에 있어서,

   상기 액츄에이터 코일(40)에 결합되고 상기 상부폴부(38)의 상측부에 위치되는 전기적 커넥터(54)

   를 더 포함하는 밸브 조립체(10).
10. 제9항에 있어서,

    상기 커넥터(54)는

    상기 상부폴부(38)의 상측부에 몰딩되는

    밸브 조립체(10).
11. 제1항에 있어서,

    상기 상부폴부(38), 하부폴부(36) 및 전기자(42)는 4140 철 합금재로 형성되는

    밸브 조립체(10).
12. 제1항에 있어서,

    상기 밸브 조립체는

    길이가 1인치(25mm보다 작은)보다 작고, 직경이 0.5인치(13mm보다 작은)보다 작은

    밸브 조립체(10).
13. 제1항에 있어서,

    상기 유체밸브 조립체는

    길이가 0.75인치(19mm)로 이루어지고, 직경이 0.35인치(10mm)로 이루어지는

    밸브 조립체(10).
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