KR101553902B1 - 압전 구동식 밸브 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 구동식 밸브 시스템에 관한 것으로, 압전 작동기를 이용한 압전 구동식 밸브 시스템에 있어서, 압전 작동기, 상기 압전 작동기에서 발생하는 변위를 증폭하는 레버, 상기 레버의 일부분을 고정되게 지지하는 힌지, 상기 레버에 의해 증폭된 변위에 의해 유량을 제어하는 스풀 및 상기 스풀의 복원력을 얻기 위하여 스풀에 부착되어진 반력 스프링을 포함하고, 상기 스프링은 형상기억합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브 시스템이 개시된다.

Description

압전 구동식 밸브 시스템{PIEZOELECTRICALLY DRIVEN VALVE SYSTEM}

본 발명은 압전 구동식 밸브 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 형상기억합금으로 된 반력 스프링을 사용하는 밸브 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 스풀 밸브란, 슬리브 내에서 축선 방향으로 운동하는 스풀에 의해 유로를 개폐하는 밸브를 말한다.

도 1은 일반적인 압전 구동식 밸브 시스템의 개략도인데, 상기 스풀 밸브 시스템은 공급 유로(P-포트) 및 귀환 유로(A/B-포트)가 형성된 슬리브(60)와, 복수개의 스풀 랜드(51)가 스풀 로드(52)에 의해 일체로 연결되는 구조의 스풀(50)을 구비하며, 슬리브(60)의 내부에서 스풀(50)이 축선방향으로 왕복구동을 함으로써, 상기 유로(A/B-포트)를 개폐하는 구조를 취하고 있다. 슬리브(60)에는 경우에 따라 하나 또는 둘의 제어 유로 형성되는데, 전체 유로의 개수에 따라 3웨이 제어 밸브 또는 4웨이 제어 밸브라 칭한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 압전 구동식 밸브 시스템에서는 압전 작동기(20)로 구동되는 변위확대기구에 스풀(50)을 부착하였다. 압전 작동기(20)는 인가되는 전압의 크기에 비례하여 변위가 발생하고, 작동력이 크며 고주파 구동이 가능한 특성을 가지는 재료로 구성된 작동기로, 솔레노이드 작동기 보다 응답 속도가 빠르고 부피당 작동력이 큰 반면, 생성 변위가 적은 단점을 가지고 있다. 이러한 작은 변위를 증폭하기 위하여, 레버(40)-힌지(30) 형태의 변위확대기구를 이용하였다.

종래의 압전 구동식 밸브 시스템은 크게 압전 작동기(20), 스풀(50, spool), 변위 확대 기구로 나누어져 있으며, 상기 변위 확대 기구는 일반적으로 힌지(30)-레버(40) 형태가 사용되고 있다. 보다 구체적으로는 슬리브(60)의 내부에서 이동하는 스풀(50)은 하나 이상의 랜드(51)가 스풀 로드(52)에 의해 일체로 연결되어 있어, 슬리브(60) 내에서 이동함에 따라 유체(55)의 흐름 방향을 전환시키게 된다.

압전 작동기(20)는 바이폴라(bipolar) 타입의 압전 작동기(20)를 사용할 수 있는데, 이는 (+)전압을 인가하면 압전 작동기(20)가 (+)변위와 힘을 발생시키고, (-)전압을 인가하면 압전 작동기(20)는 (-)변위와 힘을 발생시킨다. 이러한 원리로 압전 작동기(20)에 (+)전압을 인가하면, 도 2에서와 같이 스풀(50)이 오른쪽으로 이동하며 이에 따라 A-포트(port)로 유체(55)가 흐르게 된다. 즉, P-포트(port)를 통해 유입된 유체(55)는 스풀 랜드(51) 및 스풀 로드(52)를 이동시켜 유체가 B-포트로 이동하는 것을 막음으로써, 유입된 유체(55)는 A-포트를 통해 외부로 유출된다.

반면, 반대로 (-)전압을 인가하면 도 3에서와 같이 B-포트로 유체가 흐르며, 이러한 구조를 이용하여 유체(55)의 방향을 제어하게 된다.

상기와 같이, 압전 작동기(20)에 전압을 인가하게 되면, 전압에 의해 변위가 발생하는 압전 작동기(20)의 성질에 의하여 레버(40)를 움직이게 된다. 이러한 레버(40)의 변위에 따라 레버(40) 끝단에 결합되는 스풀(50)이 이동하게 되며, 스풀(50)의 변위에 따라 유로가 개방/폐쇄되어 유량을 제어할 수 있다.

그러나, 이러한 밸브는 구동 온도가 일정한 경우에는 문제없이 사용할 수 있지만, 고온 환경에서 사용되는 밸브에 대해서는 온도 변화에 따른 레버(40)의 강성이 낮아짐에 따라 밸브의 응답속도가 낮아지고, 작동가능한 주파수 영역이 좁아지는 등의 문제가 발생하게 된다.

한편, 상기 변위 확대 기구에는 스프링을 사용할 수 있는데, 상기 스프링은 스풀(50)이 복원하기 위한 힘을 발생시키는 역할을 한다. 일반적인 스풀(50) 밸브에서 스프링의 강성은 시스템에 맞추어 설계된다. 스프링의 강성이 낮은 스풀(50) 시스템은 구동 주파수가 낮은 상황에서는 문제가 되지 않는다.

그러나, 높은 구동 주파수에서는 스프링의 복원력이 충분하지 않아 스풀(50)의 응답성이 떨어져 구동이 불가능한 단점이 있다. 반면, 높은 강성의 스프링을 사용 하게 되면 높은 구동 주파수에서도 구동이 가능하지만 스프링의 강성이 커지면 그만큼 작동기(20)에서 발생 시켜야하는 작동력이 커지기 때문에 작동 변위가 줄어드는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 온도에 따라 원래 형상으로 복원되는 형상기억합금을 스프링으로 제작하여 사용가능한 주파수 대역을 증가시키는 밸브 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는, 압전 작동기를 이용한 압전 구동식 밸브 시스템에 있어서, 압전 작동기, 상기 압전 작동기에서 발생하는 변위를 증폭하는 레버, 상기 레버의 일부분을 고정되게 지지하는 힌지, 상기 레버에 의해 증폭된 변위에 의해 유량을 제어하는 스풀 및 상기 스풀의 복원력을 얻기 위하여 스풀에 부착되어진 반력 스프링을 포함하고, 상기 스프링은 형상기억합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브 시스템이 제공될 수 있다.

상기 스프링에 연결되고 전류를 흘려 스프링의 온도를 조절하는 전선 및 상기 전선에 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.

상기 형상 기억합금은 온도가 상승함에 따라 강성이 증가하는 것을 특징으로 하고, 상기 압전 작동기는 인가되는 전압의 크기에 비례하여 변위가 발생하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 스풀은 슬리브의 내주를 접촉하면서 이동하는 둘 이상의 스풀 랜드와, 상기 스풀 랜드를 서로 연결하여 일체로 형성되는 스풀 로드를 포함하며, 슬리브 내주를 왕복이동하는 것을 특징으로 한다.

상기 압전 작동기는 발생되는 힘과 변위가 서로 반비례 관계인 것을 특징으로 한다.

발명의 일 실시예에 따르면, 형상기억합금으로 만들어진 스프링을 이용하여, 고주파 영역에서는 응답성이 향상되며, 저주파 영역에서는 넓은 유량 제어 범위를 가지는 밸브 시스템을 제공할 수 있다. 또한 구동 온도가 변화하는 환경에서도 일정한 동 특성을 유지하는 밸브 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 압전 구동식 밸브 시스템의 개략도.
도 2 및 3은 압전 구동식 밸브 시스템의 스풀의 작동 상태도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동식 밸브 시스템의 개략도.

이하, 본 발명에 관련된 압전 구동식 밸브 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명은 압전 작동기(120)를 이용한 밸브 시스템에 관한 것인데, 상기 압전 작동기(120)는 전압을 인가하게 되면 변위(힘)를 발생시키는 기구이다. 즉, 적정한 온도에서 고전압을 인가하면, 산만하게 분포되어있던 쌍극자(dipole)들이 양(+) 또는 음(-)의 방향으로 재배열되어 분극(polarization)현상을 유발하게 되고, 이렇게 분극된 압전 재료에 압력을 가하면, 쌍극자간의 길이를 변화시켜 분극에 영향을 미치며, 재료가 압축됨에 따라 발생한 분극의 영향으로 결정 양단의 전류밀도가 증가한다. 이때 전극 양단이 분리되어 있으면 전압차가 발생되며, 양단의 전극이 접촉되어 있으면 전류가 흐르게 된다. 반대로, 압전 재료에 전기장을 인가하는 경우, 전극 양단에 전류밀도가 증가하게 되고, 압전 재료내의 음전하는 양의 전극쪽으로, 양전하는 음의 전극쪽으로 끌리게 되며, 이로 인해 쌍극자간의 거리와 결정의 길이도 변하게 된다.

상기와 같은 원리에 의해 압전 작동기(120)가 전압에 의해 변위를 발생시키게 된다.

상기 압전 작동기(120)는 정밀제어와 고속응답이 가능한 장점이 있어 서보밸브 시스템의 작동기로 채택되고 있지만 구동변위가 작아서 적절한 변위확대기구를 필요로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동식 밸브 시스템의 개략도인데, 일반적으로 이용되는 힌지(130)-레버(140)형 변위확대기구는 힌지(130)의 유격이 밸브의 고속응답성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하며 이를 방지하기 위해 고장력의 반력 스프링(170)이 필요하다.

상기 압전 작동기(120)에서 발생되는 힘과 변위는 서로 반비례 관계로 발생하기 때문에 반력 스프링(170)의 장력에 영향을 받게 된다. 즉, 강성이 큰 스프링을 밸브 시스템에 사용하게 되면 응답성이 높아 고주파 영역에서도 스풀(150) 구동이 가능하지만 스풀(150)의 변위를 발생시키기 위해서 작동기(120)에서 큰 힘을 발생시켜야 하며, 이에 의하여 압전 작동기(120)에서 발생하는 변위가 줄어들어, 스풀(150)의 구동 범위가 좁아지는 단점이 있다. 즉, 유량 제어 범위가 좁아질 수 있다.

반면, 낮은 강성의 스프링(170)을 밸브 시스템에 사용하게 되면 스풀(150)의 변위를 발생시키기 위한 작동기 힘이 비교적 적게 필요하며, 이에 작동기(120)에서 큰 변위를 발생할 수 있다. 즉, 넓은 유량 제어 범위를 얻을 수 있다. 그러나, 스풀(150)의 응답성이 낮아 고주파 영역에서는 사용이 곤란한 문제가 있다.

또한 기존에 사용되는 스프링(170)은 작동 유체 및 밸브 외부환경의 온도변화에 따라 강성이 변화하고 이에 의하여 스풀(151)의 정밀한 위치 추적 제어에 어려움을 가지게 된다. 특히, 고온 환경에서는 스프링 강성 저하에 의하여 밸브의 응답속도가 낮아지고, 이로 인하여 작동가능한 주파수 영역이 좁아지는 등의 문제가 발생하게 된다.

따라서 본 발명의 일 실시예에서는 고온에서 오스테나이트로 상변화를 일으켜 강성이 커지는 형상기억합금을 스프링(170)에 적용하여 밸브가 고주파 영역에서 구동될 때는 스프링(170)을 고온으로 가열하여 강성을 크게 하고, 낮은 주파수 영역에서 구동될 때는 스프링(170)을 저온으로 만들어 강성을 낮게 하여 넓은 유량 제어 범위를 얻을 수 있는 밸브 시스템을 제공한다. 또한 형상기억 합금의 재료 조성비 조절을 통하여 온도 변화에도 성능변화가 적은 밸브 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서의 밸브 시스템은 압전 작동기(120), 레버(140), 힌지(130), 스풀(150) 및 스프링(170)으로 구성되며, 상기 스풀(150)은 슬리브(160)의 내에서 이동한다. 또한, 상기 구성 요소들은 하우징(100)에 수용된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스프링(170)을 형상기억합금으로 만들어 스프링(170)의 강성을 바꿀 수 있다. 이를 통하여 고주파 영역에서 구동될 때는 스프링(170)의 강성을 높게 하여 밸브 시스템의 응답성을 좋게 하며, 저주파 영역에서 구동될 때는 스프링(170)의 강성을 낮게 하여, 넓은 유량 제어 범위를 가지도록 하였다. 또한, 별도의 전원 공급부(180)을 통한 스프링(170) 강성 제어 없이, 밸브 작동 환경(온도) 변화에도 일정한 성능을 가지도록 하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 작동기(120)는 인가되는 전압의 크기에 비례하여 변위가 발생하고, 작동력이 크며 고주파 구동이 가능한 특성을 가지는 재료로 구성되며, 상기 레버(140)는 압전 작동기(120)에서 발생되는 변위를 증폭시키며, 이를 위하여 상기 레버(140)의 일부분은 힌지(130)에 고정되어 지지된다. 또한, 스풀(150)은 상기 레버(140)에 의해 증폭된 변위에 의해 유체(55)의 양 및 방향을 제어한다. 이때, 상기 스풀(150)과 레버(140)는 연결 로드(155)에 의해 연결된다.

본 발명의 일 실시예에서는 스프링(170)의 강성을 온도에 의해 조절하는데, 이를 위하여 스프링 끝단에 전선(181, 182)을 연결하고, 상기 전선(181, 182)에 전원 공급부(180)를 이용하여 전류를 흘림으로써 스프링(170)의 온도를 조절할 수 있도록 하였다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강성이 조절되는 스프링을 사용한 압전 구동식 밸브 시스템의 실시예들을 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동식 밸브 시스템 내부 개략도인데, 도 4를 참조하면, 압전 작동기에(120) 전압이 인가되면 압전 작동기(120)의 성질에 의하여 압전 작동기 끝단에 늘어나는 방향으로 변위가 발생하게 된다.

이는 변위확대기구, 즉 힌지(130)-레버(140)를 이용하여 변위가 증폭되어 연결 로드(155)에 의해 레버(140) 반대편에 위치한 스풀(150)의 변위를 발생시키게 된다. 또한, 압전 작동기(120)에 전압을 제거하면 스프링(170)의 복원력을 통하여 스풀(150)의 변위를 원래의 위치로 이동시키게 되며, 이러한 스풀(150)의 변위 제어를 통하여 밸브의 유량을 제어하게 된다. 이때, 상기 스프링(170)은 복원력 발생을 위한 구성이다.

만약, 작동 환경에 상관없이 일정한 강성을 갖고 스프링(170)을 사용한다면, 작동환경 변화에 대응하지 못하게 된다. 예를 들면, 높은 강성의 스프링을 사용했을 경우에는 넓은 작동 주파수 영역에서 사용이 가능하지만 작동기(120)가 발생시켜야 하는 힘이 커지고, 그에 따라 스풀(120)의 이동변위가 작아지는 단점이 있다. 반면, 낮은 강성의 스프링(170)을 사용했을 경우에는 작동기(120)가 발생시켜야 하는 힘이 적어져 스풀(150)이 넓은 위치 제어 범위를 가질 수 있지만, 밸브의 응답성이 떨어져 높은 주파수에서는 사용이 곤란해질 수 있다.

이에 본 발명의 일 실시예에서는 작동환경에 따라 강성이 조절되는 스프링(170)을 제안하였으며, 상기 스프링(170)을 형상기억합금으로 스풀(150)에 부착하였다. 일반적으로 형상기억합금은 온도가 높아짐에 따라 강성이 증가하는 성질을 가지며, 본 발명의 일 실시예에서는 이와 같은 특성을 이용하여 스프링의 강성을 조절하였다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 구동식 밸브 시스템은 동작 환경의 변화에 신속히 대응할 수 있고, 여러 환경에서 적용이 가능하다.

도 2 및 도 3에서의 화살표는 유체(55)의 흐름을 나타낸 것이다.

이상에서 설명된 압전 구동식 밸브 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 압전 작동기를 이용한 압전 구동식 밸브 시스템에 있어서,
   압전 작동기;
   일 지점에서 상기 압전 작동기에서 발생하는 변위를 전달받아 타 지점에서의 변위를 증폭시키는 레버;
   상기 일 지점과 타 지점 사이에 배치되어 상기 레버의 일부분을 지지하는 힌지;
   상기 레버에 의해 증폭된 변위에 의해 유량을 제어하는 스풀; 및
   상기 스풀의 복원력을 얻기 위하여 스풀에 부착되어진 반력 스프링을 포함하고,
   상기 스프링은 형상기억합금으로 이루어지고,
   상기 스프링에 전류를 흘려 스프링의 온도를 조절하는 전선 및 상기 전선에 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하며,
   밸브 시스템의 고속 응답성을 향상시키고자 하는 경우에는 상기 스프링의 온도를 높여 상기 형상기억합금의 강성을 증가시키고, 밸브 시스템의 고속 응답성을 낮추고자 하는 경우에는 상기 스프링의 온도를 낮추어 강성을 낮추는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 압전 작동기는 인가되는 전압의 크기에 비례하여 변위가 발생하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 스풀은 슬리브의 내주를 접촉하면서 이동하는 둘 이상의 스풀 랜드와, 상기 스풀 랜드를 서로 연결하여 일체로 형성되는 스풀 로드를 포함하며, 슬리브 내주를 왕복이동하는 것을 특징으로 하는 압전 구동식 밸브 시스템.
6. 삭제

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