KR101279464B1

KR101279464B1 - 솔레노이드 밸브

Info

Publication number: KR101279464B1
Application number: KR1020107017464A
Authority: KR
Inventors: 타다히로 오미; 코우지 니시노; 츠요시 타니가와; 미치오 야마지; 노부카즈 이케다; 료우스케 도히
Original assignee: 고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠; 가부시키가이샤 후지킨
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2013-06-27
Also published as: TW200951333A; US8662471B2; CN101981362A; TWI441994B; WO2009122683A1; CN101981362B; JP5395060B2; US20110121217A1; JPWO2009122683A1; KR20100102202A

Abstract

구동하는 전용 전원을 소형화하고 공간 절약화를 도모한 솔레노이드 밸브를 제공한다. 저직류 내부 저항 및 저등가 직렬 저항을 갖는 전기 이중층 커패시터를 동력 전원으로 하는 것을 특징으로 하는 순간적으로 개폐 가능한 솔레노이드 밸브를 제공한다. 전기 이중층 커패시터는 단일 셀의 전기 특성이 정전 용량 1∼5F이고, 정격 전압 2.1∼2.7V이고, 직류 내부 저항 0.01∼0.1Ω이고, 또한 1㎑에서의 등가 직렬 저항 0.03∼0.09Ω이며, 비표면적이 1∼500㎡/g의 글래시 카본으로 이루어지는 분극성 전극을 구비한다.

Description

솔레노이드 밸브{SOLENOID VALVE}

본 발명은 솔레노이드 밸브에 관한 것이다.

종래, 특히 반도체 제조 장치에 있어서 사용되는 밸브는 소형화와 고속 개폐가 요구되어 있어 이 요구에 대응하기 위해, 예를 들면 도 5∼도 7에 나타내는 바와 같이, 솔레노이드를 소형화한 솔레노이드 밸브가 제안되어 있다(특허문헌 1).

도 5는 노멀 클로즈 타입의 솔레노이드 밸브를 나타내는 종단면도이고, 도 7은 노멀 오픈 타입 솔레노이드 밸브를 나타내는 종단면도이다. 도 6은 도 5의 솔레노이드 밸브의 솔레노이드 부분을 확대해서 나타내는 단면도이다. 밸브실(1a)의 저면에 형성된 밸브 시트(2)의 상방에 금속제 다이어프램(5)이 배치되어 있다. 밸브실(1a) 내로 삽입된 본넷(3)과 밸브 바디(1) 사이에 금속제 다이어프램(5)의 외주 가장자리부가 기밀 형상으로 협압(挾壓) 유지되어 있다. 밸브 바디(1)에 고정된 전자석(M)에 의해 스템(7)을 구동하고, 금속제 다이어프램(5)을 스프링(8)의 탄성반력(약 17kgf)에 저항해서 밸브 시트(2)로 접촉 또는 밸브 시트(2)로부터 이간된다. 전자석(M)은 통 형상의 플런저(19)와, 플런저(19)를 둘러싸는 통 형상의 요크(18)와, 요크(18)의 내부에 배치된 코일(17)과, 요크(18)의 단부면과 대향 형상으로 또한 이것과 갭(G)을 두고 배치되어 플런저(19)에 나사 결합된 가동 철심(20)을 갖고 있다.

요크(18)는 내측에 위치하는 신장이 짧은 제 1 요크부(18c)와 외측에 위치하는 신장이 긴 제 2 요크부(18d)로부터 2중 통 형상으로 형성되어 있다. 코일(17)은 제 1 요크부(18c)와 제 2 요크부(18d) 사이에 배치되어 있다. 코일(17)의 가동 철심측의 단부는 신장이 긴 제 2 요크부(18d)의 가동 철심측의 단부면(18d')의 가까이에 위치하고 있다. 가동 철심(20)은 제 1 요크부(18c)의 두께와 같은 벽두께를 갖는 통 형상의 제 1 가동 철심부(20c)와 플랜지 형상의 제 2 가동 철심부(20d)로 형성되어 있다. 제 1 요크부(18c)의 단부면(18c')과 제 1 가동 철심부(20c)의 단부면(20c') 및 제 2 요크부(18d)의 단부면(18d')과 제 2 가동 철심부(20d)의 단부면(20d')은 약 0.4㎜의 갭(G)을 두고, 또한 제 1 요크부(18c)의 단부면(18c')과 제 1 가동 철심부(20c)의 단부면(20c')의 갭(G)을 전자석(M)의 비작동시에 있어서도 코일(17)의 가동 철심측의 단부보다 거리(S)만큼 제 1 요크부(18c)의 측에 위치하게 해서 대향시키고 있다. 스템(7)에 연결된 샤프트(21)와 플런저(19)는 조정 나사(15)를 통해서 연결되어 있다. 조정 나사(15)에 의해 요크(18)와 플런저(19)에 고정된 가동 철심(20)의 갭(G)을 미세 조정할 수 있다.

액추에이터 바디(9)는 알루미늄에 의해 원통형으로 형성되어 있고 본넷(3)의 상단부로 고정 너트(13)에 의해 고정된 후 고정 나사(14)에 의해 고정되어 있다. 액추에이터 바디(9)의 내부 상방에는 솔레노이드 베이스(12)가 나사 고정되어 있고, 이것에 코일(17), 요크(18), 플런저(19), 가동 철심(20) 등으로 이루어지는 전자석(M)이 고정 나사(16)에 의해 고정되어 있다. 액추에이터 바디(9)의 상방은 알루미늄제의 액추에이터 캡(10)에 의해 밀봉되어 있고 캡(10)에 설치된 리드 보호 도구(23)를 통해서 여자 전류 공급용 리드선(22)이 외부로 인출되어 있다.

도 5의 솔레노이드 밸브(30A)는 코일(17)이 비통전 상태의 경우에는 스프링(8)이 스템(7)의 돌출부를 밀어 내리게 함으로써 디스크(6)가 금속제 다이어프램(5)을 압박하고, 금속제 다이어프램(5)을 그 보유 탄성에 저항해서 밸브 시트(2)에 접촉시켜 유로(1b)를 폐쇄하고 있다. 이 때 스템(7)과 샤프트(21), 플런저(19)를 통해서 연결되어 있는 가동 철심(20)도 솔레노이드 스트로크 캡(G)만큼 아래쪽으로 끌어 내려져 있다. 코일(17)에 통전하면 스프링(8)의 탄성력(약 17kgf)에 저항해서 가동 철심(20)이 솔레노이드 스트로크 캡(G)만큼 들어 올려지고, 가동 철심(20)과 플런저(19)를 통해서 나사 결합된 샤프트(21)가 끌어 올려지고, 샤프트(21)와 일체의 스템(7) 및 스템(7)에 고정된 디스크(6)가 끌어 올려짐으로써 금속제 다이어프램(5)이 보유 탄성에 의해 상방으로 만곡해서 밸브 시트(2)로부터 이간되어 유로(1b)를 개통시킨다. 또한, 도 7의 솔레노이드 밸브(30B)는 도 5의 솔레노이드 밸브(30A)를 노멀 오픈 타입으로 설계 변경한 것이다.

이들 솔레노이드 밸브는 고속 개폐 작동의 기동시에 비교적 큰 전류를 순간적으로 코일에 흘리고 가동 철심(20)을 흡인해서 갭(G)만큼 들어 올려서 밸브를 개방 또는 밸브를 폐쇄하고, 가동 철심(20)을 흡착시킨 후는 가동 철심(20)의 흡착 유지에 필요한 비교적 작은 전류를 흘려서 개방 밸브 상태 또는 폐쇄 밸브 상태를 유지하도록 전류를 제어할 필요가 있다. 그 때문에 도 8에 나타내는 바와 같이, 대용량·고전압의 알루미늄 전해 콘덴서 및 이 콘덴서의 충방전 제어 회로를 구비하는 전용 전원(50)을 케이블(51)을 통해서 솔레노이드 밸브[30A(B)]에 접속함으로써 솔레노이드 밸브[30A(B)]의 구동을 제어하고 있다.

도 9는 종래의 전용 전원의 회로 구성을 나타내는 블럭도이며, 도 10은 노멀 클로즈 타입의 솔레노이드 밸브에 있어서의 전용 전원의 출력 파형을 나타내는 타이밍 차트이다. 도 9에 있어서 참조 부호 52는 AC 100V∼240V의 공급 전원을 받는 입력 단자, 53은 AC/DC 컨버터, 53a는 DC 48V의 고압측 라인, 53b는 DC 3V의 저압측 라인, 54는 정격 전압 100V, 정전 용량 4700㎌의 전해 콘덴서, 55는 스위치 회로, 56은 스위치 회로(55)를 스위칭하는 타이밍 회로, 57은 커먼 라인(common line), 58은 개폐 조작 신호 입력 단자이다.

솔레노이드(32)는 직경 23.6×높이 25(㎜), 중량 70g이며, 가동 철심 등의 강자성 재료는 코발트 35wt%과 철 65wt%로 이루어지고 코일(17)의 권회수가 315회, 코일(17)의 저항값이 5.6Ω(20℃)이다. 이 솔레노이드(32)는 갭(G)이 0.4㎜인 경우에는 약 5.0A에서 25kgf의 흡인력을 발휘하고 갭(G)이 0일 경우(흡착시)에는 0.4A에서 약 25kgf의 흡인력을 발휘한다.

전용 전원에 ON(밸브 개방)의 개폐 조작 신호가 입력되면 타이밍 회로(56)가 스위치 회로(55)를 라인(53a)에 접속하고, 솔레노이드(32)에 비교적 큰 전류값(약 4.8A)의 구동 전류를 흘려 폐쇄되어 있었던 밸브를 개방하고, 일정 시간(예를 들면, 약 5m초) 경과한 후 타이밍 회로(56)가 스위치 회로(55)를 라인(53a)으로부터 라인(53b)으로 스위칭하여 밸브 개방 상태를 유지하기 위해서 비교적 작은 전류값(예를 들면, 0.4∼0.55A)의 구동 전류를 솔레노이드(32)에 흘린다.

일본 특허 공개 제 2000-240838호 공보

그러나, 상기한 바와 같이 솔레노이드 밸브를 고속 개폐 구동시키기 위해서는 기동시에 비교적 큰 전류를 순간적으로 여자 코일에 흘려보낼 필요가 있기 때문에 대용량·고전압의 알루미늄 전해 콘덴서를 전용 전원에 내장시킬 필요가 있었다. 그리고, 솔레노이드 밸브의 고속 기동에 필요한 대용량·고전압의 알루미늄 전해 콘덴서는 사이즈가 큰 것밖에 없기 때문에 솔레노이드 밸브와 일체화될 수 없고, 알루미늄 전해 콘덴서를 조립한 전용 전원을 별도 사용할 필요가 있었다. 예를 들면, 솔레노이드 밸브의 높이가 93㎜, 폭이 52㎜임에 대해서 대용량·고전압의 알루미늄 전해 콘덴서를 내장하고 8대의 솔레노이드 밸브를 구동하는 외부 전용 전원의 크기는 최대한 소형화해도 폭 102㎜, 높이 161㎜, 깊이 161㎜가 한도이었다.

또한, 외부 전용 전원과 솔레노이드 밸브 사이에는 배치 관계에 의해 상당한 거리가 생김에도 불구하고 외부 전용 전원과 솔레노이드 밸브를 접속하는 배선 케이블(51)은 5A 정도의 고전류가 통전된 후, 배선 거리에 따라 배선 저항이 증가되기 때문에 필요하게 되는 범위의 배선 거리 내에서 작동 조건을 만족할 수 있는 전용 배선을 선택할 필요가 있어 배선이 고가로 된다는 문제도 있었다.

그래서, 본 발명은 솔레노이드 밸브를 구동하는 전용 전원을 소형화함으로써 공간 절약화를 도모하는 것을 주된 목적으로 한다. 또한, 소형화된 전용 전원을 솔레노이드 밸브에 내장시킴으로써 배선 저항을 작게 해서 코스트 삭감을 도모하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 특수한 활성탄을 사용한 극히 낮은 내부 저항의 전기 이중층 커패시터를 이용해서 순간적으로 대전류를 흘리고 솔레노이드 밸브의 개폐를 순간적으로 작동시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 상기 전기 이중층 커패시터가 동력 전원으로서 솔레노이드 밸브에 탑재되어 있는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 동력 전원으로서의 상기 전기 이중층 커패시터는 솔레노이드 밸브에 내장되어 있다.

본 발명에 사용되는 전기 이중층 커패시터는 페놀이나 푸르푸랄(furfural) 수지를 원료로 하는 활성탄을 분극성 전극으로 하는 것이 바람직하고 활성탄은 글래시 카본인 것이 바람직하다.

분극성 전극에 사용되는 글래시 카본(에어로겔 카본으로도 칭함.)은 비표면적이 1∼500㎡/g인 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 동력 전원은 단일 셀의 전기 특성이 정전 용량: 1∼5F, 정격 전압: 2.1∼2.7V, 직류 내부 저항: 0.01∼0.1Ω, 1㎑에서의 등가 직렬 저항(ESR): 0.03∼0.09Ω인 전기 이중층 커패시터를 병렬 접속, 직렬 접속, 또는 병렬과 직렬을 조합해서 접속하여 유닛화한 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 개폐 시간, 즉 솔레노이드 밸브를 개방 또는 폐쇄하기 위한 신호를 입력하고 나서 개방 동작 또는 폐쇄 동작이 완료될 때까지 시간은 10m초 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 유로, 이 유로를 개폐하는 밸브 멤버, 이 밸브 멤버가 접촉 이간 가능한 밸브 시트, 상기 밸브 멤버를 개폐 조작하는 스템, 및 이 스템을 바이어싱하는 스프링을 포함하는 밸브 본체와, 상기 밸브 본체와 접속되어 상기 스템을 구동하는 솔레노이드와, 전기 이중층 커패시터에 의해 구성되어서 상기 솔레노이드에 구동 전력을 공급하기 위한 충전 전원, 및 외부 지령에 의거하여 상기 충전 전원으로부터 솔레노이드에 공급되는 구동 전력을 제어하는 제어 회로를 유닛화한 동력 전원과, 상기 밸브 본체와 일체적으로 장착되고 상기 동력 전원을 수용하는 케이싱을 구비하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 전자적으로 밸브를 구동하는 솔레노이드 밸브로서 전자 구동용 솔레노이드에 구동 전류를 공급하기 위해서 전기 이중층 콘덴서를 사용하고, 또한 이 콘덴서를 상기 밸브 및 상기 솔레노이드와 일체화해서 수용한 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브를 제공한다.

<발명의 효과>

본 발명에 따른 솔레노이드 밸브는 솔레노이드를 구동하는 주전원으로서 전기 이중층 커패시터에 의해 구성된 충전 전원을 사용함으로써 전용 전원을 소형화할 수 있다. 즉, 전기 이중층 커패시터는 알루미늄 전해 콘덴서에 비해서 단위 면적당의 정전 용량이 대단히 크기 때문에 같은 정전 용량이면 소형화가 가능하다.

또한, 이러한 전기 이중층 커패시터를 적절하게 배치함으로써 밸브 본체에 장착된 케이싱 내에 구동 제어 회로와 함께 수용될 수 있다. 그 때문에 종래 사용되고 있었던 별체의 전용 전원을 필요로 하지 않고 공간 절약화가 한층 더 도모될 수 있다.

또한, 동력 전원을 밸브 본체와 일체로 장착되는 케이싱 내에 수용해서 내장시킴으로써 동력 전원과 솔레노이드 코일 사이의 배선을 단축할 수 있다. 배선 저항이 작아진 만큼, 솔레노이드 코일에 흐르는 전류값이 커지기 때문에 솔레노이드를 소형화할 수도 있고, 그에 따라 솔레노이드 밸브를 소형화할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 제 1 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 솔레노이드 밸브에 내장된 동력 전원의 회로 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 제 2 실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 4는 도 3의 솔레노이드 밸브의 사시도이다.
도 5는 종래의 노멀 클로즈 타입의 솔레노이드 밸브를 나타내는 중앙 종단면도이다.
도 6은 도 5의 솔레노이드 밸브의 솔레노이드를 확대해서 나타내는 단면도이다.
도 7은 종래의 노멀 오픈 타입의 솔레노이드 밸브를 나타내는 중앙 종단면도이다.
도 8은 도 5의 솔레노이드 밸브와 이 솔레노이드 밸브의 외부 전용 전원의 외관을 나타내는 정면도이다.
도 9는 도 8의 외부 전용 전원의 회로 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 9에 나타내는 회로 구성을 구비하는 외부 전용 전원의 조작 입력 신호와 출력의 파형을 나타내는 타이머 차트이다.

본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 실시형태에 대해서 이하에 도면을 참조해서 설명한다. 또한, 전체 도면 및 전체 실시형태를 통해 같은 구성 부분에는 같은 부호를 붙이고 중복 설명을 생략하는 일이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 제 1 실시형태를 나타내는 사시도이다. 본 발명에 있어서 밸브 본체(31) 및 밸브 본체(31)에 장착되어 있는 솔레노이드(32)는 도 5∼도 7에 나타내어진 종래 구성을 채용할 수 있다. 따라서, 이하의 설명에 있어서 밸브 본체(31) 및 솔레노이드(32)에 관한 것으로서 동일 또는 유사한 구성 부분에 대해서는 도 5∼도 7의 참조 부호를 사용함으로써 상세한 도시 설명을 생략한다. 또한, 도 1에 나타내어진 밸브 본체(31)는 도 5 및 도 7 있어서의 밸브 바디(1) 내의 유로(1b), 밸브 또는 밸브 멤버로서의 다이어프램(5), 밸브 시트(2), 스템(7), 스프링(8)을 포함하고, 솔레노이드(32)는 도 5 및 도 7에 있어서의 액추에이터 바디(9), 솔레노이드 베이스(12), 조정 나사(15), 고정 나사(16), 코일(17), 코일 보빈(17a), 요크(18), 플런저(19), 및 가동 철심(20)을 갖는 구동부(액추에이터)이다.

솔레노이드 밸브(30)에는 도 1에 가상선으로 나타낸 케이싱(33)이 밸브 본체(31)와 일체적으로 접속되어 있다. 케이싱(33)은 액추에이터 바디(9)에 고정 나사 등의 고정 수단에 의해 고정됨으로써 밸브 본체(31)와 일체로 되어 있다. 도 1에 나타내는 예에서는 케이싱(33)은 종래예의 도 5에서 나타내는 액추에이터 캡(10) 대신에 액추에이터 바디(9) 상에 장착되어 있고 도 5의 액추에이터 캡(10)과 같이 솔레노이드 베이스(12)(도 5 참조)에 나사(도면에 나타내지 않음)에 의해 나사 체결되어 있다.

케이싱(33)은 도면에 나타내는 예에 한정되지 않고 여러 가지의 형태를 채용할 수 있고, 적절한 수단에 의해 밸브 본체(31)와 일체적으로 장착되어 있으면 좋고, 예를 들면 종래예의 도 5에 나타내어져 있는 액추에이터 캡(10)에 고정 나사 등의 고정 수단에 의해 연결되어도 좋고 또는 밸브 바디(1)에 직접 고정되도록 구성되어도 좋다.

복수(도면에 나타내는 예에서는 2개)개의 타원통형을 한 전기 이중층 커패시터(34)가 케이싱(33) 내에 있어서 솔레노이드(32)의 상부에 배치되어 있다. 전기 이중층 커패시터(34)는 대략 원반형의 제 1 프린트 배선판(35)에 전극 단자(도시 생략.)가 납땜되어 있다.

제 1 프린트 배선판(35)은 케이싱(33)의 내경보다 약간 작은 직경을 갖는 원호 형상 외주면을 가질 수 있고 이 외주면에 의해 케이싱(33) 내에서 덜컹거리지 않도록 수용 가능하게 되어 있다. 제 1 프린트 배선판(35)은 바깥 둘레에 도면에 나타내지 않은 O링을 장착해서 케이싱(33) 내에 압입할 수 있게 구성할 수도 있다. 또한, 제 1 프린트 배선판(35)은 솔레노이드(32) 상에 도면에 나타내지 않은 지지 부재를 통해서 지지시켜도 좋다.

전기 이중층 커패시터(34)는 솔레노이드(32)의 원형을 한 상부면으로부터 밀려나오지 않도록 배치되어 있다.

제 1 프린트 배선판(35)에는 전기 이중층 커패시터(34) 실장면과 반대측의 면(도 1의 상측의 면)에 제 2 프린트 배선판(36)이 세워서 설치되도록 해서 배치되어 있다. 제 2 프린트 배선판(36)에는 전기 이중층 커패시터(34)로 이루어지는 충전 전원의 방전을 제어하는 제어 회로(39)(도 2 참조)를 구성하는 복수개의 전자 부품이 실장되어 있다. 제 2 프린트 배선판(36) 상의 제어 회로는 전기 이중층 커패시터(34)와 전기 배선에 의해 접속되어 있다.

제 2 프린트 배선판(36)은 바람직하게는 납땜, 클립 등의 적절한 수단에 의해 제 1 프린트 배선판(35)에 고정될 수 있고, 3차원 배치의 혼성 집적 회로 기판으로서 유닛화된 동력 전원(37)이 구성되어 있다. 이와 같이 해서 구성되는 동력 전원(37)은 전원 유닛으로서 케이싱(33) 내에 수용되고, 솔레노이드(32)에 장착되어서 밸브 본체(31)와 일체가 되어 동력 전원을 내장한 솔레노이드 밸브가 된다.

제 2 프린트 배선판(36)은 사각 형상을 하고 있어서 그 폭 치수가 케이싱(33)의 내경보다 약간 작은 치수로 되고 케이싱(33) 내에 수용되었을 때에 덜컹거림이 생기기 어렵게 되어 있다. 또한, 제 2 프린트 배선판(36)의 덜컹거림을 방지하기 위해서 제 2 프린트 배선판(36)의 양측 가장자리를 안내하는 가이드 홈 등의 가이드부(도시 생략.)를 케이싱(33)의 내면에 형성해도 좋다.

동력 전원(37)의 회로 구성을 도 2에 나타내는 블록도를 참조해서 설명한다. 동력 전원(37)은 전기 이중층 커패시터(34)로 이루어지는 충전 전원(34X)에 접속된 제 1 방전 라인(40)과, 충전 전원(34X)에 접속된 제 2 방전 라인(41)과, 제 2 방전 라인(41)에 개재된 강압용 컨버터(42)와, 충전 전원(34X)과 솔레노이드(32)를 접속하는 커먼 라인(43)과, 제 1 방전 라인(40)과 제 2 방전 라인(41)을 스위칭해서 솔레노이드(32)에 전력을 공급하는 스위치 회로(44)와, 외부 제어기로부터의 조작 신호 입력에 의해 스위치 회로(44)의 스위치 동작을 제어하는 타이밍 회로(45)를 갖는다. 충전 전원(34X)은 전원 공급용 케이블(47)로부터 전력을 공급을 받는다. 타이밍 회로(45)는 도면 밖의 제어기로부터 외부 신호 입력 케이블(48)을 통해서 밸브의 개폐 조작 신호의 입력을 받는다.

충전 전원(34X)에 사용되는 전기 이중층 커패시터(34)는 특수한 활성탄을 사용한 극히 낮은 직류 내부 저항의 전기 이중층 커패시터이며, 이것을 이용하여 순간적으로 대전류를 흘려 솔레노이드 밸브의 개폐를 순간적으로 작동시킨다.

충전 전원(34X)에 사용되는 전기 이중층 커패시터는 페놀이나 푸르푸랄 수지를 원료로 하는 글래시 카본을 분극성 전극으로 하는 전기 이중층 커패시터이다.

또한, 분극성 전극에 사용되는 글래시 카본(에어로겔 카본이라고도 칭해짐.)은 비표면적이 1∼500㎡/g이다. 비표면적이 1㎡/g미만이면 필요한 정전 용량이 얻어지지 않는 한편, 500㎡/g을 초과하면 저항이 커지게 되어 정격 전압의 범위 내에서 솔레노이드의 초기 구동에 필요한 기동 전류를 솔레노이드에 공급할 수 없기 때문이다. 또한, 일반적으로 시판되고 있는 전기 이중층 커패시터는 정전 용량을 확보하기 위해서 1600∼2300㎡/g의 고비표면적의 활성탄이 분극성 전극에 사용되고 있지만 그러한 활성탄은 저항이 크고 본 발명의 목적으로는 응용할 수 없다.

페놀 또는 푸르푸랄 수지는 전지 등의 전극 재료로서 사용할 경우에는 통상, 수증기 부활(賦活), 알칼리 부활된 활성탄이 사용되지만 본 발명에서는 페놀 수지 또는 푸르푸랄 수지를 CO₂부활시켜 활성탄화한 것을 전기 이중층 커패시터의 분극성 전극으로서 사용한다. CO₂는 고가이지만 부활 후의 수세 세정이 불필요하고 활성탄 중에 부활재의 불순물이 혼입되지 않으므로 고성능을 발휘할 수 있기 때문이다.

구체적으로는 페놀 수지 또는 푸르푸랄 수지를 반응로 내에 있어서 800∼1200℃의 CO₂분위기 중에서 부활시킨다. 반응로 내의 부활 시간에 의해 얻어지는 활성탄의 비표면적이 변화되기 때문에 필요한 비표면적에 따라 부활 시간이 정해진다.

동력 전원의 전기 이중층 커패시터는 단일 셀의 전기 특성이 정전 용량: 1∼5F, 정격 전압: 2.1∼2.7V이고, 직류 내부 저항: 0.01∼0.1Ω, 1㎑에서의 등가 직렬 저항(ESR): 0.03∼0.09Ω의 것을 사용한다. 또한, 직류 내부 저항은 니혼 덴시 기카이 고교카이 규격의 규격 「EIAJ RC-2377」에 정해진 측정 방법에 의해 측정할 수 있다. 또한, 등가 직렬 저항은 밀리옴 미터(milliohm meter)를 이용하여 측정할 수 있다.

도 2에 나타내는 예에 있어서 전원 공급 케이블(47)에는 DC 9V가 공급되고 있다. 충전 전원(34X)은 정격 전압 2.5V, 정격 정전 용량 1.5F, 직류 내부 저항 0.1Ω, 등가 직렬 저항 0.07Ω인 전기 이중층 커패시터(34)를 2개 직렬 접속한 것이다. 강압용 컨버터(42)는 9V를 1V로 강압하는 DC/DC 컨버터이다.

전기 이중층 커패시터(34)의 정격 전압은 알루미늄 전해 콘덴서의 정격 전압(종래예에서는 100V)에 비해서 상당히 작다. 직렬 접속되는 전기 이중층 커패시터(34)의 수를 늘려서 내전압을 크게 한 것은 소형화의 목적에 반하기 때문에 전기 이중층 커패시터의 수는 가능한 한 적은 쪽이 좋다. 그 때문에 전원 공급 케이블(47)에 공급되는 전압을 종래보다 낮게 설정한다. 그 결과, 솔레노이드(9)에 걸리는 전압이 내려가고 솔레노이드(9)에 흐르는 전류값도 내려가버린다. 그러나, 솔레노이드(9)는 소정의 흡인력을 발휘시키기 위해서 소정의 기자력을 발생시킬 필요가 있다. 기자력은 코일을 흐르는 전류값과 코일의 권회수에 의해 결정된다. 코일의 권회수를 늘리면 솔레노이드(9)가 대형화되기 때문에 바람직하지 못하다. 그래서, 저전압(예를 들면, DC 12V 이하)에서도 솔레노이드를 흐르는 전류값을 크게 하기 위해서 코일 저항을 가능한 한 작게 한다. 그래서, 도 2에 나타내는 예에서는 코일의 전선의 직경을 굵게 하는 한편, 권회수를 종래의 315회로부터 80회로 줄여서 코일 저항을 0.3Ω(20℃)으로 억제하면서 종래와 동 사이즈, 동 중량, 동 재료의 솔레노이드를 작성했다. 이 솔레노이드(9)는 갭(G)이 0.4㎜일 때에 전류값 20A에서 약 25kgf의 흡인력을 발휘하고, 갭(G)이 0일 때에는 전류값 1.6A에서 약 25kgf의 흡인력을 발휘했다. 이러한 저저항의 솔레노이드(9)를 채용하고 전기 이중층 커패시터(34)도 저내부 저항의 것을 채용하고 있기 때문에 솔레노이드(9)의 초기 구동에 충분한 대전류(18.3A)를 공급할 수 있었다.

동력 전원(37)은, 예를 들면 노멀 클로즈 타입의 솔레노이드 밸브에서는 밸브 개방 조작 신호가 외부 신호 입력 케이블(48)을 통해서 외부 제어기로부터 입력되면 타이밍 회로(45)가 스위치 회로(44)를 제 1 방전 라인(40)에 접속하고, 비교적 큰 전류값의 초기 기동 전류를 흘려서 폐쇄되었던 밸브를 개방한다. 일정 시간(예를 들면, 약 5m초) 경과된 후, 타이밍 회로(45)는 스위치 회로(44)를 제 2 방전 라인(41)으로 스위칭해서 밸브 개방 상태를 유지하기 위해서 비교적 작은 전류값의 유지 전류를 흘린다. 제 2 방전 라인(41)을 흐르는 유지 전류는 비교적 작은 전류값이기 때문에 솔레노이드의 발열을 억제할 수 있다. 밸브 개방 조작 신호가 끊어지면 타이밍 회로(45)는 스위치 회로(44)를 회로 차단 위치로 스위칭한다.

타이밍 회로(45)가 제 1 방전 라인(40)으로부터 제 2 방전 라인(41)으로 스위칭하는 타이밍은 시간 조정 가능하고, 솔레노이드의 초기 기동 전류가 흐르기 시작하고나서 솔레노이드 밸브의 솔레노이드 코일에 가동 철심이 흡착되기 위해 충분한 시간이 경과된 후에 스위칭하도록 설정된다. 본 발명에 의하면 밸브의 개방 조작 신호 또는 폐쇄 조작 신호를 입력하고 나서 솔레노이드 밸브의 개방 동작 또는 폐쇄 동작이 완료될 때까지 시간, 즉 밸브 개폐 시간은 10m(밀리)초 이하, 바람직하게는 5m초 이하로 하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 타이밍 회로(45)가 제 1 방전 라인(40)으로부터 제 2 방전 라인(41)으로 스위칭하는 시간은 10m초 이하의 범위에서 조정할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 제 2 실시형태의 내부 구조를 나타내는 종단면도이며 도 4는 그 사시도이다.

도 3 및 도 4에 나타내어진 솔레노이드 밸브(30a)는 3개의 전기 이중층 커패시터(34a…)가 직렬 접속되어 있다. 3개의 전기 이중층 커패시터(34a…)는 횡 및 겹쳐서 배치되어 있다. 전기 이중층 커패시터(34a)는 사각형의 제 1 프린트 배선판(35a)에 전극 단자(도시 생략)가 납땜되어 있다.

제 1 프린트 배선판(35a)은 솔레노이드(32) 상에 지지 부재(60)에 의해 지지되어 있다. 제 1 프린트 배선판(35a)의 상방, 즉 제 1 프린트 배선판(35a)의 전기 이중층 커패시터(34a) 실장면과 반대측에 제 2 프린트 배선판(36a)이 지지 부재(60)에 의해 제 1 프린트 배선판(35a)과 평행하게 지지되어 있다. 제 2 프린트 배선판(36a)에는 전기 이중층 커패시터(34a)로 이루어지는 충전 전원의 방전을 제어하는 제어 회로(도 2의 부호 39 참조)를 구성하는 복수개의 전자 부품이 실장되어 있다. 제 2 프린트 배선판(36a) 상의 제어 회로는 전기 이중층 커패시터(34a)와 전기 배선에 의해 접속되어 있다.

이와 같이 해서, 지지 부재(60)에 의해 제 1 프린트 배선판(35a)과 제 2 프린트 배선판(36a)이 하단과 상단의 이단 지지 구조로 되고, 이에 따라 3차원 배치의 혼성 집적 회로 기판으로서 유닛화된 동력 전원(37a)이 구성되어 있다. 이와 같이 해서 구성되는 동력 전원(37a)은 전원 유닛으로서 케이싱(33a) 내에 수용되고 솔레노이드(32)에 장착되어서 밸브 본체(31)와 일체가 되어 동력 전원을 내장한 솔레노이드 밸브가 된다.

상기 설명으로부터 명확해지는 바와 같이, 상기 구성을 갖는 솔레노이드 밸브는 전기 이중층 커패시터를 충전 전원으로 하는 동력 전원을 밸브 본체에 일체적으로 설치된 케이싱 내에 수용함으로써 공간 절약화가 도모될 수 있다.

또한, 동력 전원을 케이싱에 수용함으로써 배선을 짧게 할 수 있으므로 배선 저항을 작게 할 수 있다.

배선 저항이 작아진 만큼 솔레노이드 코일에 흐르는 전류값이 커지기 때문에 솔레노이드 코일 자체를 소형화하는 것도 가능하게 되고 그에 따라 솔레노이드 밸브를 소형화할 수도 있다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 변경이 가능하고, 솔레노이드 및 밸브 구조는 도 5∼도 7에 나타내어진 형태에 한정되지 않고 그 외의 형태를 채용할 수도 있다. 예를 들면, 밸브 또는 밸브 멤버는 다이어프램에 한정되지 않고 니들 밸브로 할 수도 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 동력 전원이 케이싱에 내장되어 있을 경우에 대해서 설명했지만 본 발명에 따른 솔레노이드 밸브는 케이싱을 구비하지 않고, 동력 전원이 노출된 상태에서 밸브 본체 또는 솔레노이드에 탑재되어 있어도 좋다.

30 - 솔레노이드 밸브
31 - 밸브 본체
32 - 솔레노이드
33 - 케이싱
34 - 전기 이중층 커패시터
37 - 동력 전원

Claims

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유로, 이 유로를 개폐하는 밸브 멤버, 이 밸브 멤버가 접촉 이간 가능한 밸브 시트, 상기 밸브 멤버를 개폐 조작하는 스템, 및 이 스템을 바이어싱하는 스프링을 포함하는 밸브 본체;
상기 밸브 본체와 접속되어 상기 스템을 구동하는 솔레노이드;
전기 이중층 커패시터에 의해 구성되어서 상기 솔레노이드에 구동 전력을 공급하기 위한 충전 전원, 및 외부 지령에 의거하여 상기 충전 전원으로부터 솔레노이드에 공급되는 구동 전력을 제어하는 제어 회로를 유닛화한 동력 전원; 및
상기 밸브 본체와 일체적으로 장착되고 상기 동력 전원을 수용하는 케이싱을 구비하고,
상기 제어 회로는 상기 충전 전원에 접속되어서 솔레노이드에 기동 전류를 공급하기 위한 제 1 방전 라인과, 상기 충전 전원에 접속되어서 솔레노이드 코일에 가동 철심을 흡착시킨 상태를 유지시키는 유지 전류를 공급하기 위한 제 2 방전 라인과, 이 제 2 방전 라인에 개재된 강압용 컨버터와, 상기 제 1 방전 라인과 상기 제 2 방전 라인을 스위칭해서 상기 솔레노이드에 전력을 공급하는 스위치 회로와, 상기 스위치 회로의 스위치 동작을 타이밍 제어하는 타이밍 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브.
제 11 항에 있어서,
상기 전기 이중층 커패시터가 직류 내부 저항이 0.01∼0.1Ω인 저직류 내부 저항 및 1㎑에서의 등가 직렬 저항이 0.03∼0.09Ω인 저등가 직렬 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브.
제 11 항에 있어서,
상기 전기 이중층 커패시터는 페놀 및 푸르푸랄 수지 중 1종 이상을 원료로 하는 활성탄에 의해 형성된 분극성 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브.
제 13 항에 있어서,
상기 분극성 전극은 글래시 카본에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브.
제 14 항에 있어서,
상기 글래시 카본의 비표면적이 1∼500㎡/g인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브.
제 11 항에 있어서,
상기 전기 이중층 커패시터는 단일 셀의 전기 특성이 정격 전압 2.1∼2.7V, 정전 용량 1∼5F인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브.
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