KR101080871B1

KR101080871B1 - 솔레노이드 밸브 장치

Info

Publication number: KR101080871B1
Application number: KR1020090009405A
Authority: KR
Inventors: 신상익; 김청근
Original assignee: 르노삼성자동차 주식회사
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2011-11-07
Also published as: KR20100090109A

Abstract

패킹부재의 체적변화량을 최소화시켜, 고온의 환경에서도 안정적인 스트로크를 확보하고 연료를 원활히 공급할 수 있는 솔레노이드 밸브용 패킹 및 이를 이용한 솔레노이드 밸브 장치가 개시된다. 플런저는 전자기력에 의해 슬라이딩된다. 패킹부재는 플런저에 결합되며 탄성력을 갖는다. 심부재는 패킹부재의 내부에 수용되며 패킹부재보다 작은 열팽창율을 갖는다. 따라서, LPG 및 LPLI 차량에 적용될 경우, 패킹부재가 연료에 오랜 시간 침적되는 환경, 연료가 고온이 되는 환경 등에서 플런저의 안정적인 스트로크를 확보할 수 있다. 이에 따라, 엔진으로 공급되는 연료량이 충분히 확보되어 엔진의 출력 및 가속이 우수해진다.

솔레노이드, 밸브, 패킹

Description

솔레노이드 밸브 장치{Solenoid valve apparatus}

이 기술은 솔레노이드 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플런저의 패킹 구조를 개선시킨 솔레노이드 밸브용 패킹 및 이를 이용한 솔레노이드 밸브 장치에 관한 것이다.

솔레노이드 밸브는 전자기력을 이용하여 기체, 액체, 가스 등의 유로를 선택적으로 개폐하는 것으로, LPG 및 LPLI 등의 차량 연료시스템을 포함하여 매우 폭넓은 분야에서 사용된다.

종래의 솔레노이드 밸브는 전원이 인가되면 전자기력을 발생하는 코일과, 발생된 전자기력에 의해 슬라이딩되는 플런저 및 플런저의 일 측에 설치되는 패킹부재를 포함한다. 플런저는 일 방향으로 슬라이딩되어 유로를 폐쇄하고 타 방향으로 슬라이딩되어 유로를 개방한다. 패킹부재는 플런저가 유로를 폐쇄할 때 기밀을 유지한다.

일반적으로, LPG 및 LPLI 차량에 적용되는 솔레노이드 밸브의 패킹부재는 고무 소재로 이루어진다. 그 이유는 패킹부재의 실링 성능을 우수하게 하기 위함이 다. 만약, 패킹부재가 플라스틱 소재로 이루어지면, 패킹부재의 실링 성능이 떨어지며 내구성이 양호하지 못하다.

또한, LPG 및 LPLI 차량에 적용되는 솔레노이드 밸브용 패킹부재의 두께는 소정 이상으로 두껍게 형성된다. 만약, 패킹부재의 두께가 너무 얇게 형성되면, 유속에 의해 패킹부재가 플런저로부터 이탈될 가능성이 크다.

이와 같이, 패킹부재는 소정 이상의 두께로 두껍게 형성되어야 하기 때문에, 패킹부재가 장기간 연료에 침적 시 또는 연료의 온도가 고온으로 상승할 경우, 패킹부재의 체적변화량이 커지게 된다. 패킹부재의 큰 체적변화량은 플런저의 스트로크를 저하시키는 원인이 된다. 또한, 패킹부재의 체적변화량이 커지게 되면, 엔진으로 공급되는 연료량이 작아져 출력저하나 가속불량 등의 문제점을 발생시킨다.

패킹부재의 체적변화량을 최소화시켜, 고온의 환경에서도 안정적인 스트로크를 확보하고 연료를 원활히 공급할 수 있는 솔레노이드 밸브용 패킹 및 이를 이용한 솔레노이드 밸브 장치를 제공한다.

솔레노이드 밸브용 패킹은 솔레노이드 밸브의 플런저에 결합되는 패킹부재 및 패킹부재의 내부에 수용되며 패킹부재보다 작은 열팽창율을 갖는 심부재를 포함한다.

솔레노이드 밸브 장치는, 전자기력에 의해 슬라이딩되는 플런저와, 플런저에 결합되며 탄성력을 갖는 패킹부재 및 패킹부재의 내부에 수용되며 패킹부재보다 작은 열팽창율을 갖는 심부재를 포함한다.

이 경우, 패킹부재의 내부에 심부재를 수용하기 위한 중공부가 형성되는 것이 바람직하다.

이 경우, 중공부는 심부재가 수용되는 심부재 대응홈 및 심부재 대응홈을 패킹부재의 외부와 연통시키는 적어도 하나의 보조홈을 구비할 수 있다.

또한, 패킹부재는 고무 소재로 이루어지고, 심부재는 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

따라서, LPG 및 LPLI 차량에 적용될 경우, 패킹부재가 연료에 오랜 시간 침 적되는 환경, 연료가 고온이 되는 환경 등에서 플런저의 안정적인 스트로크를 확보할 수 있다. 또한, 엔진으로 공급되는 연료량이 충분히 확보되어 엔진의 출력 및 가속이 우수해진다.

이하 첨부된 도면에 따라서 솔레노이드 밸브 장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브 장치가 적용된 LPLI 차량의 연료시스템에 대한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, LPLI 차량의 연료시스템(200)은 연료 탱크(110)와, 연료 공급관(120) 및 연료 리턴관(130)을 포함한다.

연료 탱크(110)는 액상의 LPG 연료를 저장하기 위한 것이다. 연료 탱크(110) 내에는 저장된 연료를 토출하기 위한 연료 펌프(111)가 설치될 수 있다. 연료 탱크(110)의 일 측에는 연료를 충전하기 위한 충전구가 형성될 수 있다.

연료 공급관(120)은 연료 탱크(110)로부터 엔진 연소실(101)로 연료를 공급하기 위한 것이다. 연료 공급관(120)에는 연료 펌프(111)의 구동시에만 개방되는 차단밸브(102)가 설치될 수 있다. 그리고, 연료 공급관(120)은 연료 탱크(110)와 인젝터(103)를 서로 연결시키도록 설치될 수 있다. 인젝터(103)는 연료 레일에 구비되는 것으로, 연료 공급관(120)을 통해 연료를 공급받아서 엔진 연소실(101)로 분사시키는 기능을 한다.

연료 리턴관(130)은 엔진 연소실(101)로 공급되지 않은 잔여 연료를 연료 탱 크(110)로 복귀시키기 위한 것이다. 연료 리턴관(130)은 인젝터(103)와 연료 탱크(110)를 서로 연결시키도록 설치될 수 있다. 연료 리턴관(130)에는 인젝터(103)로부터 엔진 연소실(101)로 분사되는 연료 분사압력을 조절하기 위한 레귤레이터(104)가 설치될 수 있다.

이 경우, 차단밸브(102)는 솔레노이드 밸브의 형태로 구현될 수 있다. 한편, 도 1의 실시 예에 따르면, 연료 공급관(120)에만 차단밸브(102)가 설치된 것을 도시하였으나, 연료 리턴관(130)에 차단밸브(102)가 설치될 수 있으며 연료 공급관(120) 및 연료 리턴관(130) 모두에 차단밸브(102)가 설치될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브 장치의 단면도이고, 도 3은 도 2에 있어서, 패킹을 부분 절개하여 도시한 사시도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 밸브 장치(100)는 연결부(40) 및 밸브부(30)를 포함한다.

연결부(40)는 유입구(41) 및 토출구(42)를 구비한다. 유입구(41)는 연료를 밸브 내부로 유입시키는 것이고, 토출구(42)는 연료를 밸브 외부로 토출시키는 것이다.

밸브부(30)는 연결부(40)의 유입구(41) 및 토출구(42)를 선택적으로 연통시키는 기능을 한다. 즉, 유입구(41)를 통과한 연료는 밸브부(30)에 의해 개방 또는 폐쇄되어 오리피스(43) 측으로 흐르거나 흐름이 차단된다. 화살표는 연료의 흐름을 나타낸다.

또한, 솔레노이드 밸브 장치(100)는 필터부(50)를 더 구비할 수 있다. 필터 부(50)는 필터(51)를 구비한다. 그리고, 필터부(50)에는 내부유로(52)가 형성된다. 필터(51)는 연료 내에 포함된 이물질을 여과시키기 위한 것이다. 유입구(41)로 유입되는 연료는 필터(51)를 지나 여과되어 필터부(50)의 내부유로(52)를 지난다. 필터부(50)의 내부유로(52)는 밸브시트(45)에 형성된 오리피스(43)를 통해 토출구(42)와 연통된다. 하지만, 솔레노이드 밸브 장치(100)가 레귤레이더(104)에 장착될 경우, 필터부(50)는 생략될 수 있으며 유입구(41)를 통해 유입된 연료는 바로 밸브부(30) 측으로 향할 수 있다.

한편, 밸브부(30)는 하우징(39)과, 코일(31)과, 마그네틱 코어(32)와, 플런저(10) 및 패킹(65)을 구비할 수 있다.

하우징(39)은 내부에 실린더 형상의 중공부(34)가 형성된다. 코일(31)은 하우징(39)의 외측에 권취되어 전원이 인가되면 전자기력을 발생한다. 마그네틱 코어(32)는 하우징(39)에 고정된다.

플런저(10)는 하우징(39)의 중공부(34)에 슬라이딩 가능하게 설치되며, 전자기력에 의해 중공부(34) 내에서 슬라이딩된다.

패킹(65)은 패킹부재(20) 및 심부재(60)를 포함한다.

패킹부재(20)는 플런저(10)에 결합된다. 패킹부재(20)는 플런저(10)와 일체로 슬라이딩 되면서 오리피스(43)를 개폐한다. 패킹부재(20)는 탄성력을 갖는 연질의 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 패킹부재(20)는 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 일 예로 원기둥 형상으로 이루어질 수 있다.

심부재(60)는 패킹부재(20) 내부에 수용된다. 또한, 심부재(60)의 열팽창율 은 패킹부재(20)의 열팽창율보다 작다. 전술한 것처럼, 패킹부재(20)는 밸브시트(45)에 밀착되어 오리피스(43)를 폐쇄하기 때문에, 기밀성을 위해 패킹부재(20)는 탄성력을 갖는 연질의 소재로 이루어진다. 이와 더불어, 심부재(60)는 패킹부재(20)의 형상과 대응되게 이루어지는 것이 바람직하다. 그 이유는 패킹부재(20)의 체적변화를 균일하게 이루어지도록 하기 위함이다.

또한, 패킹부재(20)는 일정 이상의 두께로 형성되어야 하며, 본 실시 예에서는 패킹부재(20)의 두께를 약 4mm 이상으로 형성하는 것이 바람직하다. 만약, 패킹부재(20)의 두께가 이보다 얇게 형성되면, 유속에 의해 패킹부재(20)가 플런저(10)로부터 이탈될 가능성이 크다.

그리고, 패킹부재(20)가 탄성력을 갖는 연질의 소재로 이루어지기 때문에, 연료에 장기간 침적 시 또는 연료의 온도가 고온으로 올라갈 경우 등과 같은 환경에서 패킹부재(20)의 체적이 크게 증가된다. 이에 따라, 플런저(10)의 스트로크가 줄어들거나 패킹부재(20)의 팽창부위가 연료의 흐름을 방해하는 등의 문제점이 발생한다.

정리하면, 패킹부재(20)의 두께를 소정 이상으로 두껍게 형성하여야 한다는 것과 패킹부재(20)의 체적변화량을 최소화시켜야 한다는 것을 모두 만족하기 위해, 패킹부재(20)의 내부에 패킹부재(20)보다 작은 열팽창율을 갖는 심부재(60)가 수용된다. 즉, 심부재(60)가 패킹부재(20) 내부를 채우도록 함으로써, 패킹부재(20)의 외관 사이즈는 그대로 유지되면서 열팽창율이 상대적으로 큰 패킹부재(20)가 차지하는 체적이 줄어들게 된다. 이 경우, 줄어든 패킹부재(20)의 체적은 심부재(60)의 체적과 동일하다.

따라서, 심부재(60)가 수용된 패킹부재(20)는 체적변화량이 최소화된다. 이는 동일한 온도 조건에서 심부재가 수용된 패킹부재와 심부재가 수용되지 않은 패킹부재를 비교 실험해 보았을 때, 심부재가 수용된 패킹부재에서 체적변화량이 1/5 수준으로 작아진 것을 확인할 수 있었다.

패킹부재(20) 내에 심부재(60)를 결합하는 방법은 인서트(Insert) 사출성형 등으로 이루어질 수 있다. 즉, 패킹부재(20)가 사출될 금형에 심부재(60)를 고정시킨다. 이후에, 심부재(60)의 외부를 완전히 감싸도록 패킹부재(20)의 소재 용액을 채운 후 냉각시켜 패킹(65)을 완성할 수 있다. 하지만, 이 밖에도 다양한 방법으로 패킹부재(20)와 심부재(60)를 결합시킬 수 있다.

도 4는 도 3의 A-A선을 따른 단면도이다. 도 4를 참조하면, 패킹부재(20)의 내부에 중공부(25)가 형성될 수 있다. 중공부(25)는 심부재(60)를 수용하기 위한 것으로, 패킹부재(20)의 내부 적소에 형성된다.

이 경우, 중공부(25)는 심부재 대응홈(23) 및 보조홈(24)을 구비할 수 있다.

심부재 대응홈(23)은 심부재(60)를 수용하기 위한 것으로, 심부재(60)와 대응되게 형성된다. 보조홈(24)은 패킹부재(20)에 적어도 하나 형성되는 것으로, 심부재 대응홈(23)을 패킹부재(20)의 외부와 연통시킨다.

보조홈(24)은 심부재 대응홈(23)에서 측방으로 연장된 후 패킹부재(20)의 상면까지 연장된다. 여기서, 패킹부재(20)의 상면이란 플런저(10)에 패킹부재(20)가 삽입되는 방향으로 플런저(10)와 마주보는 면을 말한다. 즉, 보조홈(24)은 패킹부 재(20)의 상면에서 하측으로 인입되어 심부재 대응홈(23)과 연통되어 있다. 패킹부재(20)의 하면은 오리피스(43)가 형성된 밸브시트(45)와 접촉하기 때문에, 기밀성을 위해 소정의 거칠기를 갖도록 한다.

보조홈(24)은 패킹부재(20)의 체적 증가 시 팽창되는 패킹부재 일부 부위가 진입되게 함으로써, 패킹부재(20)가 외측으로 팽창되는 것을 완화시킨다. 또한, 보조홈(24)은 패킹부재(20)의 사출 성형 시 심부재(60)의 안착면 확보를 위한 가이드핀이 드나들 수 있는 공간이 될 수 있다. 따라서, 보조홈(24)은 심부재(60)를 안정되게 고정하기 위해 적어도 두 지점에 형성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 보조홈(24)은 심부재(60)의 둘레를 따라 세개 소에 형성되도록 한다. 그 이유는 심부재(60)를 효율적으로 안정되게 지지하기 위해서이다.

또한, 패킹부재(20)는 수소화 니트릴 부타디엔 고무(H-NBR), 불소고무(FKM) 등의 고무 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 그 이유는 패킹부재(20)의 실링 성능 및 내수 성능을 우수하게 하기 위함이다. 만약, 패킹부재(20)가 플라스틱 소재로 이루어지면, 실링 성능 및 내구 성능이 떨어지게 된다.

이와 더불어, 심부재(60)는 고무에 비해 상대적으로 작은 열팽창율을 갖는 철(Fe) 등의 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 몇가지 금속들의 열팽창 계수를 비교하면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe)은 순서대로 더욱 높은 열팽창율을 갖는다. 심부재(60)의 소재로 사용될 수 있는 것들은 고무 소재보다 작은 열팽창율을 갖는 동시에 적정한 강도를 가져야 한다. 하지만, 심부재(60)는 금속 소재 이외에도 낮은 열팽창 계수를 갖는 다른 것을 사용할 수 있다.

따라서, 패킹부재(20)의 실링 성능은 우수하게 유지하면서 고온에 대한 체적변화량을 최소화시킬 수 있다.

한편, 솔레노이드 밸브 장치(100)는 벤트부를 더 구비할 수 있다. 벤트부는 플런저(10)를 관통하여 형성됨으로써, 플런저(10) 내부에 가해지는 압력을 완화시키는 기능을 한다.

도 5는 도 2의 "P" 부위를 확대한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 플런저(10)는 슬라이딩 방향으로 일측 단부에 패킹(65)을 수용하기 위한 수용홈(15)이 형성된다. 또한, 플런저(10)는 이를 탄성지지하기 위한 스프링(33) 및 스프링(33)이 설치되기 위한 스프링홈(16)을 구비한다. 이 경우, 벤트부는 센터벤트홀(90) 및 사이드벤트홀(94)을 구비한다.

센터벤트홀(90)은 제1벤트홀(91)과, 제2벤트홀(92) 및 제3벤트홀(93)을 구비할 수 있다. 제1벤트홀(91)은 스프링홈(16)의 바닥면으로부터 플런저(10)의 슬라이딩 방향으로 인입되도록 형성된다. 제2벤트홀(92)은 제1벤트홀(91)과 연통되며, 플런저(10)의 양측면을 관통한다. 제3벤트홀(93)은 제2벤트홀(92)과 수용홈(15)의 바닥면(11)을 연통한다.

사이드벤트홀(94)은 수용홈(15)의 측벽면(12)과 플런저(10)의 외부를 관통하도록 형성된다.

또한, 수용홈(15)은 패킹부재 대응홈(70) 및 팽창 대응홈(80)을 구비할 수 있다.

패킹부재 대응홈(70)은 패킹(65)이 삽입될 수 있게 한다. 그리고, 팽창 대응 홈(80)은 패킹부재 대응홈(70)에 인입 형성되는 것으로, 패킹(65)의 체적 증가 시 패킹부재의 팽창부위를 수용한다. 이와 같이, 팽창 대응홈(80)은 체적이 증가된 패킹부재의 팽창부위를 수용하여, 패킹(65)이 유로를 폐쇄하는 현상을 방지하고 플런저(10)의 내부 압력이 상승되는 것을 방지한다.

또한, 팽창 대응홈(80)은 센터 팽창 대응홈(81) 및 사이드 팽창 대응홈(82)을 구비할 수 있다. 센터 팽창 대응홈(81)은 패킹부재 대응홈(70)의 바닥면(71)에 형성되며, 사이드 팽창 대응홈(82)은 패킹부재 대응홈(70)의 측벽면(72)에 형성된다.

이 경우, 벤트부는 적어도 센터 팽창 대응홈(81)에 형성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 센터벤트홀(90)은 스프링홈(16)과 센터 팽창 대응홈(81)을 연통하도록 형성되며, 사이드벤트홀(94)은 플런저(10)의 외부와 사이드 팽창 대응홈(82)을 연통하도록 형성시킨다.

위에서 솔레노이드 밸브용 패킹 및 이를 이용한 솔레노이드 밸브 장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브 장치가 적용된 LPLI 차량의 연료시스템에 대한 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 솔레노이드 밸브 장치의 단면도.

도 3은 도 2에 있어서, 패킹을 부분 절개하여 도시한 사시도.

도 4는 도 3의 A-A선을 따른 단면도.

도 5는 도 2의 "P"부위를 확대한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 플런저 20 : 패킹부재

23 : 심부재 대응홈 24 : 보조홈

25 : 중공부 60 : 심부재

65 : 패킹 100 : 솔레노이드 밸브 장치

Claims

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전자기력에 의해 슬라이딩되는 플런저;

상기 플런저에 결합되며 탄성력을 갖도록 고무 소재의 패킹부재; 및

상기 패킹부재의 내부에 수용되며, 상기 패킹부재보다 작은 열팽창율을 갖는 금속소재의 심부재;를 포함하는 것으로,

상기 패킹부재의 내부에는, 상기 심부재를 수용하기 위한 심부재 대응홈과, 상기 심부재 대응홈을 상기 패킹부재의 외부와 연통시켜서 상기 패킹부재의 체적 증가시 상기 패킹부재의 일부가 진입되는 적어도 하나의 보조홈;을 구비하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브 장치.