KR102137405B1

KR102137405B1 - 고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브

Info

Publication number: KR102137405B1
Application number: KR1020190064326A
Authority: KR
Inventors: 김한술
Original assignee: (주)솔텍
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-07-24

Abstract

본 발명 고압 비례제어 기능을 구비한 솔레노이드 밸브는, 전원 인가 시 자기장을 발생시키는 코일이 감긴 보빈; 상기 보빈의 일단에 결합되어 자기 회로를 구성하는 요크; 상기 보빈의 중앙부 상단측에 결합되어 자기장에 의해 자화되는 코어; 상기 코어의 중앙부에 형성된 가이드 홀에 상단의 가이드 부가 끼워진 상태로 수직방향으로 이동가능하게 구비되는 소정 직경의 비자성체 가이드 핀; 내부에 소구경, 중구경 및 대구경의 다단의 직경을 갖는 관통 홀이 형성되고 상기 관통 홀의 상단에 상기 가이드 핀의 하단이 삽입되어 전원 인가 시 자화된 코어 측으로 상기 가이드 핀에 의해 수직방향으로의 이동이 안내되는 플런저; 상기 플런저 내부의 가이드 핀 둘레에 구비되어 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 밀어 탄성 지지하는 메인 밸브 스프링; 상기 플런저의 외주면을 감싼 상태로 보빈의 코어 하부에 배치되어 자기 회로를 구성하는 밸브 가이드; 상기 코어의 하단부 및 밸브 가이드의 상단부 외주면을 감싸 기밀을 유지하는 튜브; 상기 밸브 가이드의 하단에 결합되어 전체 밸브의 하단부 외관을 형성하는 밸브 바디; 상기 밸브 바디 내의 플런저 하단부에 설치되어 플런저의 수직이동에 따라 유로를 선택적으로 개방하는 메인 밸브 씰; 상기 밸브 바디 내의 메인 밸브 씰 하부에 구비되어 상단부에 형성된 오리피스가 상기 메인 밸브 씰의 저면에 압입된 상태로 메인 밸브 씰의 상승에 따라 선택적으로 유로가 개방되는 밸브 시트; 및 상기 플런저 내부의 메인 밸브 씰 상방에 구비되어 상기 메인 밸브 씰에 앞서 유로를 선택적으로 개방함으로써 유로의 고압 유체를 배출하여 고압분위기를 해소하는 파일럿 밸브 구조체를 포함하되, 상기 파일럿 밸브 구조체는, 플런저 내부에서 가이드 핀의 하단에 직접 접촉 및 지지되도록 구비되어 플런저의 이동에 따라 수직방향으로 이동되는 파일럿 밸브 씰; 플런저 내부에서 상기 파일럿 밸브 씰의 하단에 상단의 가이드 부가 선택적으로 압입됨에 따라 유로가 폐쇄되는 파일럿 밸브 바디; 및 플런저 내부에서 상기 플런저와 파일럿 밸브 바디 사이에 개재되어 파일럿 밸브 바디를 탄성 지지하는 파일럿 밸브 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브 {Solenoid valve with function of variable force for high pressure}

본 발명은 솔레노이드 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소와 같은 고압 기체를 작은 전자력으로 온오프(On-Off) 제어 혹은 비례제어에 모두 이용할 수 있도록 파일럿 밸브(Pilot valve)가 내장된 고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브에 관한 것이다.

일반적으로, 솔레노이드 밸브는 자동차의 엔진을 포함하는 파워트레인(power train)에 설치되어 연료, 오일 등 유체의 흐름을 단속하거나 압력을 제어하는 역할을 한다. 예를 들어, 연료계통에서는 연료의 공급 및 분사를 제어하고, 냉각계통에서는 윤활 및 냉각을 위한 유체의 순환을 제어하며, 동력전달계통에서는 압력을 제어하는 등 다양한 역할을 한다.

종래 수소 등 고압 유체를 제어하기 위한 비례제어 솔레노이드 밸브는, 연료전지 시스템의 제트펌프와 수소탱크 사이를 연결하는 유로 상에 제트펌프의 노즐 입구압력을 변화시키는 동시에 수소 공급 유량을 조절하도록 제트펌프의 입구 측에 장착되며, 일반적으로 외부에서 공급된 유체의 이송을 위한 유로가 형성된 밸브바디와, 솔레노이드에 의해 상승 또는 하강하는 플런저와, 플런저의 하단에 마련되어 유로를 개방 또는 폐쇄하는 밸브체와, 유로를 폐쇄하는 방향으로 플런저를 가압하는 스프링 등을 포함하여 구성된다.

이러한 종래 수소 등의 유체 공급유로 상에 설치되는 비례제어 솔레노이드 밸브의 한가지 예가 한국등록특허 제1930466호(이하, ‘선행문헌’이라 함)에 상세히 개시되어 있다.

이하 첨부된 도 1을 참조하면, 선행문헌에 개시된 종래 비례제어 솔레노이드 밸브는 전원 인가 시 자기장을 발생시키는 코일이 감긴 보빈(120), 상기 보빈의 일단에 결합되어 자기장을 유도하는 요크(150), 상기 보빈의 타단에 결합되어 자기장에 의해 자화되는 코어(140), 상기 요크의 내부에 이동 가능하게 설치되고 전원 인가시 자화된 상기 코어 측으로 이동하는 플런저(160), 상기 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 탄성 지지하는 스프링(190), 상기 플런저의 일단에 설치되어 상기 유로를 밀봉하는 밸브체(170, 180), 상기 보빈과 상기 코어 사이에 고정되고 상기 요크를 거쳐 외측으로 연장된 가이드, 및 상기 가이드의 일단에 결합되고 상기 밸브체의 둘레를 감싸며 일단이 내측으로 굴절되어 상기 플런저(160)의 이탈을 방지하는 가이드커버를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

그러나, 이러한 구성의 종래 비례제어 솔레노이드 밸브는, 플런저의 외주면이 가이드 및 가이드커버를 통해 수직 왕복운동을 지지하면서 플런저의 이탈을 방지하는 구성을 가지기 때문에 일정기간 마찰이 지속된 경우 약간이라도 편심이 발생되게 되면 밸브체의 기밀성이 급격히 저하될 우려가 있었다.

또한 종래 비례제어 솔레노이드 밸브는 단일의 스프링력 만을 이용하여 밸브체의 폐쇄 상태를 유지하기 때문에 밸브가 닫혔을 때 온도 변화등 외부 환경 변화에 따른 수소 원압의 압력 변화시 기밀성이 취약할 우려가 있으며, 기본적으로 원압의 작용방향이 밸브가 열리는 방향으로 작용하고 있기 때문에 기밀유지에 더 큰 스프링력이 필요하게 되고, 이에 상기 더 큰 스프링력을 이기고 밸브를 구동시키기 위해서는 더 큰 솔레노이드가 필요하게 되어 결과적으로 전체 밸브의 크기가 과도하게 커지는 단점이 있었다.

이에 따라 최근 수소 자동차의 개발 노력에 부응하여 수소 등 고압 유체의 순환계통에 적용하기 위해 작은 사이즈의 컴팩트한 구성을 가지면서도 작은 전자력(electric magnetic force)으로 보다 안정적으로 작동할 수 있는 신뢰성있는 비례제어 솔레노이드 밸브의 개발 요구가 여느 때보다 높아지고 있는 상황이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 온오프(On-Off) 제어 혹은 비례제어에 모두 이용될 수 있으며, 기본적으로 수소 등 고압 유체의 원압(공급압)이 밸브가 닫히는 방향으로 작용하는 한편, 작은 사이즈의 컴팩트한 구성을 가지면서도 보다 작은 전자력을 이용하여 수소 등의 고압 유체를 보다 안정적으로 비례제어할 수 있도록 효율적인 파일럿 밸브 구조가 적용된 솔레노이드 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전원 인가 시 자기장을 발생시키는 코일이 감긴 보빈; 상기 보빈의 일단에 결합되어 자기 회로를 구성하는 요크; 상기 보빈의 중앙부 상단측에 결합되어 자기장에 의해 자화되는 코어; 상기 코어의 중앙부에 형성된 가이드 홀에 상단의 가이드 부가 끼워진 상태로 수직방향으로 이동가능하게 구비되는 소정 직경의 비자성체 가이드 핀; 내부에 소구경, 중구경 및 대구경의 다단의 직경을 갖는 관통 홀이 형성되고 상기 관통 홀의 상단에 상기 가이드 핀의 하단이 삽입되어 전원 인가 시 자화된 코어 측으로 상기 가이드 핀에 의해 수직방향으로의 이동이 안내되는 플런저; 상기 플런저 내부의 가이드 핀 둘레에 구비되어 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 밀어 탄성 지지하는 메인 밸브 스프링; 상기 플런저의 외주면을 감싼 상태로 보빈의 코어 하부에 배치되어 자기 회로를 구성하는 밸브 가이드; 상기 코어의 하단부 및 밸브 가이드의 상단부 외주면을 감싸 기밀을 유지하는 튜브; 상기 밸브 가이드의 하단에 결합되어 전체 밸브의 하단부 외관을 형성하는 밸브 바디; 상기 밸브 바디 내의 플런저 하단부에 설치되어 플런저의 수직이동에 따라 유로를 선택적으로 개방하는 메인 밸브 씰; 상기 밸브 바디 내의 메인 밸브 씰 하부에 구비되어 상단부에 형성된 오리피스가 상기 메인 밸브 씰의 저면에 압입된 상태로 메인 밸브 씰의 상승에 따라 선택적으로 유로가 개방되는 밸브 시트; 및 상기 플런저 내부의 메인 밸브 씰 상방에 구비되어 상기 메인 밸브 씰에 앞서 유로를 선택적으로 개방함으로써 유로의 고압 유체를 배출하여 고압분위기를 해소하는 파일럿 밸브 구조체를 포함하되, 상기 파일럿 밸브 구조체는, 플런저 내부에서 가이드 핀의 하단에 직접 접촉 및 지지되도록 구비되어 플런저의 이동에 따라 수직방향으로 이동되는 파일럿 밸브 씰; 플런저 내부에서 상기 파일럿 밸브 씰의 하단에 상단의 가이드 부가 선택적으로 압입됨에 따라 유로가 폐쇄되는 파일럿 밸브 바디; 및 플런저 내부에서 상기 플런저와 파일럿 밸브 바디 사이에 개재되어 파일럿 밸브 바디를 탄성 지지하는 파일럿 밸브 스프링을 포함하여 구성된다.

또한 바람직하게는, 상기 가이드 핀의 가이드 부 외경(d1)과 밸브 시트의 오리피스 직경(d2)이 일치된다.

또한 바람직하게는, 상기 밸브 시트의 오리피스 직경(d2)과 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 외경(d3)이 일치된다.

또한 바람직하게는, 상기 메인 밸브 스프링의 스프링 상수가 파일럿 밸브 스프링의 스프링 상수보다 크게 형성된다.

또한 바람직하게는, 상기 파일럿 밸브 씰은, 전체적으로 원통형의 몸체를 갖고, 상기 몸체의 상면과 저면에 각각 원형의 요입홈이 형성되며, 상기 각 요입홈은 원통형 몸체의 겉면을 따라 요설된 적어도 하나 이상의 유체 이동채널에 의해 연결된다.

또한 바람직하게는, 상기 플런저의 하단에는 플런저가 상승할 때 파일럿 밸브 바디를 걸림하여 동반 상승하기 위한 파일럿 밸브 스토퍼가 설치되며, 전원 오프 상태에서 상기 파일럿 밸브 바디와 파일럿 밸브 스토퍼는 파일럿 밸브 스트로크의 갭만큼 서로 이격된 상태를 유지한다.

또한 바람직하게는, 상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부를 기준으로 플런저의 관통 홀(600a) 위아래 부분이 상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 외경(d3)보다 확장된 직경(600b, 600c)을 갖는다.

또한 바람직하게는, 상기 가이드 핀의 하단부는 플런저 관통 홀의 확장된 직경(600b)에 근접하도록 확장부가 형성되고, 코어와 상기 가이드 핀의 확장부 사이 공간부에는 메인 밸브 스프링이 개재된다.

또한 바람직하게는, 상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 중단 이하에 형성된 플런저의 관통 홀은 상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 외경(d3)보다 확장된 직경(600c)을 갖고, 상기 관통 홀의 확장 전 직경부(600a 영역)와 그 아래의 확장된 직경부(600c 영역) 사이 공간부에는 파일럿 밸브 스프링이 개재된다.

또한 바람직하게는, 상기 밸브 시트는 밸브 바디의 하부에 나사 결합 또는 압입되고, 상기 밸브 시트를 선택적으로 회전시켜 밸브 시트를 승하강시키거나 압입되는 깊이를 조정함에 따라 플런저의 위치와 메인 밸브 스프링의 작용력이 조정되어 밸브의 비례제어 특성이나 기밀 특성을 조정할 수 있도록 된다.

또한 바람직하게는, 고압 유체의 공급이 상시 파일럿 밸브 구조체와 메인 밸브 씰이 닫히는 방향으로 작용함에 따라 전원이 인가되지 않은 상태에서는 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력차에 의한 힘이 메인 밸브 씰을 눌러 기밀성이 유지된다.

또한 바람직하게는, 상기 가이드 핀의 내부를 따라서는 유체 누설을 위한 중공이 길이방향을 따라 관통 형성된다.

또한 바람직하게는, 상기 플런저의 대구경 관통 홀(600d)의 상부 단차면과 상기 관통 홀에 끼워진 파일럿 밸브 바디의 단차면이 서로 접촉 지지되므로 상기 단차면들이 메인 밸브 스프링의 압축력 및 압력차(공급압-제어압)에 의한 힘에 의해 파일럿 밸브 씰이 과도하게 눌러지지 않도록 스토퍼 역할을 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은 원압이 밸브가 닫히는 방향에서 작용하는 파일럿 방식의 솔레노이드 밸브 구조를 채용함으로써 수소 등 고압 유체의 제어에 높은 기밀성을 유지할 수 있으며, 파일럿 밸브를 작은 전자력만으로 작동시켜 고압 유체를 온오프 제어하거나 파일럿 밸브가 열릴 때 플런저 및 파일럿 밸브 바디에 작용하는 압력차에 의한 힘이 평형이 되게 함으로써 유량 또는 압력을 비례제어하는 용도로 모두 이용할 수 있는 장점이 있다.

또한 플런저의 승하강을 안내하는 내부 가이드 핀의 외주면을 통해 유체가 누설되어 파일럿 밸브의 작동부로 유입되도록 구성함으로써 종래 플런저의 외주면을 통해 유체가 누설되는 구조 대비, 유체의 누설면적을 크게 축소할 수 있다. 이에 따라 밸브 작동 시 파일럿 밸브 작동부로 누설되어 유입된 고압을 배출하는 파일럿 밸브의 오리피스 직경을 줄일 수 있기 때문에 오리피스 직경이 감소되면 솔레노이드 밸브를 초기 구동하기 위한 전자력도 감소시킬 수 있으므로 종래 솔레노이드 밸브 대비 솔레노이드의 크기도 대폭 줄일 수 있다.

또한 종래에는 플런저 가이드 외주면을 초정밀 가공하여 튜브나 밸브 가이드에 가이드되고 그 미세 틈새를 누설 통로로 이용하였으나, 본 발명은 플런저에 압입된 가이드 핀이 상기 코어에 형성된 가이드 홀에 조립되어 동작하고 그 가이드 홀과 가이드 핀의 미세 틈새와 플런저의 관통 홀과 파일럿 밸브 바디의 가이드 부의 외경 사이의 미세 틈새를 누설 통로로 이용하기 때문에 종래 구조 대비 종래 구조 대비 제조공정이 매우 간단해 질뿐만 아니라 생산 단가를 대폭 절감할 수 있는 효과도 있다.

또한 본 발명은 플런저의 관통 홀 중단부의 최소 내경의 상단 부분이 파일럿 밸브 씰을 하방에서 지지하는 홀더의 기능을 수행하므로 별도의 파일럿 밸브 씰 홀더의 부품이 필요치 않아 구성이 더욱 간단해 지고 제조비용을 추가로 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 고압 비례제어 솔레노이드 밸브의 일 실시예를 보인 단면도
도 2는 본 발명 고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브의 전체적인 외관을 보인 입체도
도 3은 도 2의 내부 구성을 보인 단면도
도 4는 도 3의 요부 확대도
도 5는 본 발명에 따른 파일럿 씰을 확대하여 보인 사시도
도 6은 본 발명 솔레노이드 밸브의 전원 오프 상태에서의 작동 상태도(듀티율 0%)
도 7은 본 발명 솔레노이드 밸브의 전원 온 상태에서의 작동 상태도(듀티율 100%)
도 8은 본 발명 솔레노이드 밸브의 전원 온 직후(온오프 제어 시) 혹은 저듀티 영역(비례 제어 시)에서 파일럿 밸브만 개방된 작동 상태도

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 내지 "구비하다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브의 구성 및 작동 관계를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브의 전체적인 외관을 보인 입체도이고, 도 3은 도 2의 내부 구성을 보인 단면도이며, 도 4는 도 3의 요부 확대도이고, 도 5는 본 발명에 따른 파일럿 씰을 확대하여 보인 사시도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명 솔레노이드 밸브 구성은 먼저 일정길이및 단면 형상을 갖는 봉상의 코어(Core, 540)의 내부에 형성된 가이드 홀(590)에 상기 코어보다 작은 단면적을 갖는 비자성체(nonmagnetic) 재질의 가이드 핀(Guide pin, 550)이 삽입된 구조를 갖는다. 상기 코어(550)는 솔레노이드 밸브에서 전류 인가 시 자화되어 후술할 하방의 플런저(Plunger, 600)를 상방으로 이동시키는 역할을 하는 부품이다.

또한 상기 코어(540)의 하부에는 밸브 가이드(Valve guide, 560)가 끼워져 결합되는데, 이 때 상기 밸브 가이드(560) 상부와 코어(540)의 하부는 다시 튜브(580)가 감싸진 상태로 상기 튜브(580)의 상단이 코어(540)의 외주면 일측에 용접되고, 상기 튜브(580)의 하단은 밸브 가이드(560)의 외주면 일측에 용접됨으로써 수소와 같은 유체의 고압에도 견딜 수 있게 되며, 또한 코어(540) 내부의 높은 기밀성이 유지되도록 한다.

한편 상기 코어(540)의 중단부 둘레에는 솔레노이드 코일(Coil, 530)이 권취된 보빈(Bobin, 520)이 끼워져 결합되는데, 상기 보빈(520)의 상면에는 코일(530)에 전류 인가 시 유도된 자속이 흐르는 자기 회로를 구성하기 위한 원반상의 요크(Yoke, 510)가 구비된다.

또한 상기 보빈(520)과 코일(530), 요크(510)의 하부와 둘레에는 전체적으로 자기 회로를 구성하는 자성체의 커버(Cover, 420)가 감싸지고, 상기 커버와 요크(510) 외곽부에는 다시 플라스틱 사출물인 오버몰드(Over mold, 410)가 감싸져 외관을 보호한다.

또한 상기 코어(540)의 상단에는 반구상의 캡(400)이 탈부착가능하게 나사 결합되어 플라스틱 오버몰드(410)에 의해 감싸진 코일(530) 뭉치를 밸브 가이드(560) 어셈블리에 단단하게 고정한다.

이 때 상기 코어(540)의 가이드 홀(590)은 가이드 핀(550)의 상단부가 정밀하게 조립되어 가이드되며 작동될 수 있으며, 또한 그 틈새로 특정량 이하의 유체 누설이 되도록 직경이 설정된다.

한편 상기 가이드 핀(550)의 내부에는 밸브 작동 시 상기 코어(540)의 가이드 홀(590) 내부로부터 가이드 핀(550)을 통해 고압 유체가 파일럿 밸브 쪽으로 배출될 수 있도록 유체의 누설 통로로서 중공(550a)이 관통 형성됨과 함께 가이드 핀(550)의 하단부는 직경이 확장된 확장부(551)가 일체로 형성된다.

상기 확장부(551)는 플런저(600)의 내부 중앙 상단부에 형성된 중구경의 관통 홀(600b)에 강제 압입되어 플런저(600)가 수직방향으로 승하강될 때 일체로 동작되며, 이 때 상기 확장부(551)의 상단부인 가이드 핀(550)이 코어(540)의 가이드 홀(590)에 조립되어 플런저(600)를 가이드한다.

또한 상기 플런저(600)에 강제 압입된 가이드 핀(550)의 확장부(551)와 코어(540) 사이에는 메인 밸브 스프링(610)이 개재되어 있음에 따라 상기 가이드 핀(550)의 확장부(551)가 압입된 플런저(600)를 밸브 밀폐 방향으로 탄력적으로 밀어 지지하게 된다.

이 때, 상기 플런저(600)의 소구경, 중구경 및 대구경의 다단의 관통 홀(600a, 600b, 600c, 600d)은 수직방향을 따라 먼저 중단부에 최소 직경을 갖는 소구경의 관통 홀(600a)이 형성되고, 상기 소구경의 관통 홀 상단부에 보다 확장된 직경의 중구경의 관통 홀(600b)이 형성된다. 또한 상기 소구경의 관통 홀(600a)의 아래쪽은 점차 직경이 확장되는 형태로 중구경의 관통 홀(600c)과 대구경의 관통 홀(600d)이 관통 형성된 구조를 갖는다.

따라서, 상기 플런저(600)의 상단 중구경의 관통 홀(600b)에는 먼저 원통형의 파일럿 밸브 씰(Pilot valve seal, 700)의 외주면이 관통 홀(600b)의 내경과 접촉되도록 조립된 후, 이어서 상기 파일럿 밸브 씰(700)의 상부에 가이드 핀(550) 하단에 형성된 확장부(551)가 강제 압입으로 정밀하게 끼워져 조립됨으로써 상기 파일럿 밸브 씰(700)을 고정한다. 또한 상기 확장부(551)의 아래 관통 홀(600a) 및 그 하부의 관통 홀(600c, 600d) 내에는 파일럿 밸브 구조체(700, 720, 730, 740)가 전체적으로 삽입된 상태로 수직방향으로 이동가능하게 배치된다.

상기 파일럿 밸브 구조체(700, 720, 730, 740)는 먼저 상기 플런저(600)의 중단에 형성된 최소 직경의 소구경 관통 홀(600a)에 파일럿 밸브 바디(Pilot valve body, 720)의 상단에 형성된 가이드 부(721, 이 때 상기 가이드 부의 외경은 d3임)가 정밀하게 삽입된 상태로 상기 파일럿 밸브 씰(700)의 저면에 압입 배치된다.

이 때, 상기 플런저의 소구경 관통 홀(600a) 아래의 중구경 관통 홀(600c)의 상단 단차면과 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721) 하단의 단차면 사이 공간부에는 파일럿 밸브 스프링(730)이 개재됨에 따라 상기 파일럿 밸브 스프링이 플런저(600)와 파일럿 밸브 바디(720)를 서로 밀어내는 방향으로 탄력 지지한다.

또한 상기 플런저(600)의 하단에는 플런저가 전자력에 의해 상승할 때 파일럿 밸브 바디(720)를 걸림하여 동반 상승하기 위한 파일럿 밸브 스토퍼(740)가 설치되며, 상기 파일럿 밸브 바디(720)와 파일럿 밸브 스토퍼(740)는 전원이 오프(Off)된 초기 상태에서 파일럿 밸브 스트로크(pilot valve stroke, 도 4 참조)의 갭만큼 서로 이격된 상태를 유지한다.

한편, 파일럿 밸브 바디(720)는 수직방향을 따라 플런저의 각 다단의 관통 홀(600a, 600c, 600d) 직경에 상응하도록 내부에 다단으로 각각 상이한 직경을 갖는 외경 및 그 내부에 유로(하방으로 갈수록 단면적이 점점 넓어지는 구조)가 형성되는데, 하단부 유로는 가장 큰 단면적을 갖고 메인 밸브 씰(620)의 내부 유로와 연결되어 있으며, 중단부 유로는 상기 하단부 유로보다 보다 작은 단면적을 가지며, 상단부의 유로는 가이드 부(721)의 내부에 형성된 오리피스로서 파일럿 밸브 씰(700)과 접촉됨에 의해 유로를 선택적으로 개폐할 수 있도록 구성된다.

또한 플런저(600)의 대구경 관통 홀(600d) 상단의 단차면과 상기 관통 홀에 상응하여 조립되는 파일럿 밸브 바디(720)의 단차면이 서로 접촉되게 구성됨으로써 밸브 오프(Off) 상태에서 파일릿 밸브 씰(700)이 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721) 상부 끝단에 의해 과도하게 눌러 손상되지 않도록 상기 단차면들이 스토퍼(Stopper) 역할을 하게 된다.

또한 밸브 가이드(560)의 하단부에는 밸브 바디(500)가 나사 결합됨과 함께 상기 밸브 바디(500)의 중단부 둘레에는 수소 등 고압 유체가 유입될 수 있도록 적어도 하나 이상의 공급홀(501)이 형성되어 밸브 내부의 유로(502)에 연결된 구조를 갖는다.

또한 상기 메인 밸브 씰(620)의 하단에는 밸브 시트(Valve seat, 570)가 구비되는데, 상기 밸브 시트(570)의 중공 상단부는 메인 밸브 씰(620)의 유로와 선택적으로 연결되도록 작은 단면적의 밸브 시트 오리피스(571)가 형성되며, 하단부는 보다 큰 단면적의 배출유로가 형성된다.

이 때, 상기 밸브 시트(570)의 상단 외주면에는 나사가 형성되거나 강제 압입되도록 구성됨에 따라 밸브 바디(500)의 하단에 끼워져 나사 결합되거나 압입된다. 예컨대 상기 밸브 시트(570)의 하단면에는 조정공구 삽입홈(570a)이 형성되어 있으므로 밸브 어셈블리를 모두 조립한 후 시험작동 시 상기 조정공구 삽입홈(570a)에 공구를 삽입하여 밸브 시트(570)를 일방향으로 조이거나 풀면 결국 플런저(600)의 위치도 상하로 조정되며, 강제 압입의 경우 밸브 시트를 일정한 힘으로 밀어 넣어 압입 정도를 조정함으로써 결국 밸브의 비례제어 특성이나 기밀 특성을 조정할 수 있게 된다.

한편 상기 유로를 제외한 밸브 가이드(560)와 밸브 바디(500) 사이, 밸브 시트(570)와 밸브 바디(500) 사이 및 캡(400) 등에는 밸브의 유체 누설을 방지하기 위해 각각 다수의 오링들(501, 561)이 구비된다.

도 5를 참조하여 파일럿 밸브 씰(700)의 구성을 보다 자세히 살펴보면, 상기 파일럿 밸브 씰(700)은 원통형의 몸체(701)가 구비되고, 상기 몸체의 상면과 저면에는 원형으로 일정 깊이 함몰된 요입홈(702)이 각각 형성되며, 상기 각 요입홈(702)은 유체가 흘러 지나갈 수 있도록 복수의 유로 채널(703)이 형성되어 상기 유로 채널이 몸체의 상면과 하면에 형성된 각 요입홈(702)에서 서로 연결된 구조를 갖는다.

이 때, 상기 몸체(701)의 상면과 저면에 형성된 각 요입홈(702)은 서로 동일한 구조와 형상을 갖는데, 상기 저면의 요입홈(702)은 파일럿 밸브 바디(720)의 상단 오리피스(721)가 선택적으로 접촉함으로써 파일럿 밸브의 유로를 개폐하는 기능을 하게 된다.

이하 첨부된 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명 솔레노이드 밸브의 작동 관계에 대해 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명 솔레노이드 밸브는 수소 등 고압 유체의 압력이 밸브가 닫히는 방향으로 작용하는 상시 닫힘형 타입(Normal Close Type)의 솔레노이드 밸브로서, 예컨대, 12V 혹은 24V 직류 전원이나 정해진 주파수의 구형파 듀티(Duty) 제어신호와 같은 비례제어 신호에 의해 밸브를 온오프(On-Off) 혹은 비례제어기능으로 솔레노이드 밸브를 구동할 수 있으며, 이 때 앞서 상술한 바와 같이 자기 회로 상의 코일(530)과 코어(540)로부터 플런저(600)를 상방으로 이동시키기 위한 전자력(electric magnetic force)이 유도됨은 이해 가능하다.

도 6은 본 발명 솔레노이드 밸브에 전원이 오프된 상태에서의 작동 상태도이다.

도 6을 참조하여 먼저 본 발명 솔레노이드 밸브가 폐쇄(솔레노이드 밸브가 닫힌 상태)된 상태를 살펴보면, 이 때 온 오프 제어인 경우 코일(530)에 인가되는 전압이 없거나, 비례제어인 경우 비례제어 신호의 듀티율이 0%(Duty Rate 0%)로, 코어(540)와 플런저(600)에 어떠한 전자력도 발생하지 않은 상태이다.

그러므로 상기와 같이 전원이 오프된 상태에서는 코어(540)와 플런저(600) 사이에 구비된 메인 밸브 스프링(610)의 반발력만이 존재하므로 상기 스프링의 반발력에 의해 가이드 핀(550)의 확장부(551)와 파일럿 밸브 씰(700)이 조립된 플런저가 밸브 시트(570) 쪽으로 눌려 전진되고, 이에 따라 상기 파일럿 밸브 씰이 그 하방에 지지된 플런저(600)와 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부 및 오리피스 상단에 먼저 접촉되어 일정량 압축되어 폐쇄되며 이 후 플런저의 대구경 관통 홀(600d)의 상단 단차면이 상기 관통 홀(600d)에 조립된 파일럿 밸브 바디(720)의 단차면에 접촉함으로써 파일럿 밸브 바디(720)를 하방으로 누르게 된다.

따라서, 메인 밸브 스프링(610)의 반발력에 의해서 결국 상기 파일럿 밸브 바디(720)의 하단부에 결합되어 있는 메인 밸브 씰(620)이 밸브 시트(570)의 오리피스(571) 상면을 눌러 폐쇄함으로써 결국 메인 밸브의 유로가 완전히 차단된 상태가 된다.

이 때, 상기 플런저(600)의 상면에는 상기 메인 밸브 스프링(610)의 반발력뿐만 아니라, 밸브 시트(570)의 상단 오리피스(571)를 기준으로 상방의 고압부(공급압)와 하방의 저압부(제어압) 간의 압력 차에 의한 힘(즉, 밸브 시트(570)의 상단 오리피스 단면적에 작용하는 고압과 저압의 압력 차에 의한 힘)도 상기 메인 밸브 스프링(610)의 반발력에 더해 하방으로 함께 작용함으로써 상기 두 힘의 합력이 동시에 메인 밸브 씰(620)을 하방으로 누름으로써 메인 밸브의 유로를 상시(전원 오프 시)에 견고하게 폐쇄하는 상태가 된다.

이 때, 상기 메인 밸브 스프링(610)의 압축력은 파일럿 밸브 스프링(730)의 압축력보다 크기 때문에 파일럿 밸브 스프링(730)이 압축되면 이에 따라 파일럿 밸브 씰(700)도 파일럿 밸브 바디(720)의 상단 가이드 부(721)의 오리피스를 막아 파일럿 밸브 구조체(700, 720, 730, 740)도 완전히 폐쇄된 상태가 된다.

한편, 플런저(600) 하부의 대구경 관통 홀(600d)의 상단 단차면과 상기 관통 홀에 조립된 파일럿 밸브 바디(720)의 중단부 단차면이 서로 접촉 지지되므로 메인 밸브 스프링(610)의 압축력 및 압력차(공급압-제어압)에 의한 힘에 의해 파일럿 밸브 씰(700)이 과도하게 눌러지지 않도록 상기 단차면들이 스토퍼(Stopper) 역할을 하게 된다. 이로 인해 파일럿 밸브 씰(700)의 눌림량을 일정하게 제한함으로써 과도한 눌림에 의한 파일럿 밸브 씰(700)의 파손을 방지 및 밸브의 내구성이 보다 향상되도록 함은 물론, 각 부품들을 조립한 후 나사 조정이나 압입 깊이 조정에 의한 밸브 시트(570)의 위치를 승하강시킴으로써 플런저의 위치와 메인 밸브 스프링(610)의 압축력 조정이 가능하게 되어 솔레노이드 밸브의 기밀 특성이나 제어 특성 등이 조정가능하게 된다.

상술한 전원 오프(Off) 시 밸브의 작동순서를 간략히 정리하면 다음과 같다.

하나, 메인 밸브 스프링(610)의 반발력에 의해 플런저(600)가 하방으로 눌림

둘, 메인 밸브 씰(620)이 밸브 시트(570)에 접촉

셋, 파일럿 밸브 스프링(730)이 압축됨과 함께 파일럿 밸브 씰(700)이 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721) 오리피스와 접촉

넷, 플런저(600)의 대구경 관통 홀(600d)의 상단 단차면이 상기 관통 홀에 조립된 파일럿 밸브 바디(720)의 중단부 단차면에 접촉 및 지지

다섯, 메인 밸브 스프링(610)의 반발력 및 고압부(공급압)와 저압부(제어압) 간의 압력차에 의해 플런저(600) 내부에 구비된 파일럿 밸브 바디(720)가 눌러지며, 상기 파일럿 밸브 바디(720)의 상방에 지지된 파일럿 밸브 씰(700)도 압축되면서 파일럿 밸브 내의 유로를 폐쇄하여 기밀이 유지됨

도 7은 본 발명 솔레노이드 밸브의 전원 온(On) 상태(듀티율 100%)에서의 작동 상태도이다.

도 7에서와 같이 전원 공급 터미널(도면 미도시)을 통하여 솔레노이드 코일(530)에 전원이 인가되면(듀티율 100%) 상기 코일(530)에 의해 코어(540)와 플런저(600)가 자화되면서 강한 자력이 발생되므로 이에 따라 플런저(600)는 고정된 코어(540) 쪽으로 메인 밸브 스프링(610)을 압축시키며 급격히 상방으로 이동된다.

이 때, 플런저(600)를 상방으로 이동시키기 위해 플런저(600)에 작용하는 전자력은 메인 밸브 스프링(610)의 압축에 대한 반발력 및 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721) 오리피스 단면적에 작용하는 고압(공급압)에 의해 누르는 힘의 합보다 커야 한다.

일단 상기 플런저(600)가 상방으로 이동되면 파일럿 밸브 바디(720)의 작동 스트로크(Pilot valve stroke, 도 4 참조)만큼 간격을 둔 상태에서 이 때 파일럿 밸브 바디(720)는 그대로 있고 플런저(600)만 파일럿 밸브 스트로크만큼 상방으로 이동되면서 상기 플런저(600)에 압입되어 있던 파일럿 밸브 씰(700)도 상방으로 살짝 들어 올림으로써 결국 상기 파일럿 밸브의 유로가 개방된다.

이에 따라 파일럿 밸브 작동부(파일럿 밸브 구조체)에 작용하던 고압(공급압)의 유체가 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721) 오리피스 및 하부 유로, 그리고 메인 밸브 씰(620) 내부에 형성된 유로를 통하여 하방으로 배출됨으로써 파일럿 밸브 씰(700)을 누르던 고압(공급압)의 분위기가 해소된다.

이 때, 상기 플런저(600)의 이동에 따라 파일럿 밸브 씰(700)의 상승으로 파일럿 밸브가 개방되고 파일럿 밸브 작동부에 작용하던 고압(공급압) 분위기가 해소되면 결국 상술한 바와 같이 플런저(600)를 하방으로 누르고 있던 밸브 시트 오리피스(571) 단면적 만큼에 작용하던 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력차에 의한 힘이 해소됨으로써 파일럿 밸브 스토퍼(740)에 의해 플런저(600)에 구속된 상태의 파일럿 밸브 바디(720)와 그 하방에 조립된 메인 밸브 씰(620)도 함께 상방으로 플런저(600)에 연동하여 들려짐으로써 결국 메인 밸브 씰(620)이 개방되어진다.

한편, 상기 파일럿 밸브 스프링(730)은 파일럿 밸브 구조체의 작동 스트로크(Pilot valve stroke, 도 4 참조)만큼 팽창되면 상기 파일럿 밸브를 다시 닫히지 않게 유지함과 함께 플런저(600)와 파일럿 밸브 바디(720)가 함께 탄력적으로 연동될 수 있도록 탄력 지지하게 된다.

한편, 본 발명은 플런저(600)에 압입되어 코어(540)에 형성된 가이드 홀(590)에 조립되어 작동하는 가이드 핀(550)의 외경(d1) 치수를 설계 변경함으로써 플런저(600)의 상면에 작용하는 고압(공급압)에 의해 누르는 힘의 세기를 조정할 수 있다. 일례로 온오프(On-Off) 용도로만 밸브를 이용하는 경우 가이드 핀(550)의 외경(d1)을 밸브 시트(570)의 오리피스(571) 직경(d2)보다 크게 함으로써 플런저(600)를 하방으로 누르는 힘이 작용하는 직경(플런저의 직경-d1)은 작아지게 되고, 이에 따라 결국 플런저를 하방으로 누르는 힘을 작게 조정할 수 있다.

즉, 가이드 핀(550)의 외경(d1)이 커지게 되면 상대적으로 파일럿 밸브 작동 시 플런저(600)의 상면에 고압 유체가 작용할 수 있는 면적은 하부의 밸브 시트(570)의 오리피스(571) 면적을 제외한 면적보다 작아지게 되므로 결국 플런저(600)에 작용하는 고압 유체에 의해 하방으로 작용하는 힘을 상방으로 작용하는 힘보다 작게 조정할 수 있게 된다. 반대로 가이드 핀(550)의 외경(d1)을 작게 하면 플런저(600) 상면에서 고압 유체가 작용할 수 있는 면적은 커지게 되므로 이에 따라 결국 플런저(600)에 작용하는 압력에 의한 하방으로 작용하는 힘은 크게 조정될 수 있다.

따라서, 필요에 따라 가이드 핀(550)의 외경(d1)을 밸브 시트(570)의 오리피스(571) 직경(d2)보다 크게 함으로써 파일럿 밸브의 동작 시 플런저(600)를 누르는 고압부(공급압)에 작용하는 힘을 약화시켜 플런저(600)가 급격하게 들리도록 설정할 수 있고, 이에 따라 작은 전자력을 인가하여서도 대유량의 온오프 제어가 가능하게 된다.

또한 고압부(공급압)에 작용하는 힘의 정도를 조정해 플런저(600)의 작동 시 충격에 의한 소음이나 스프링이나 코어(540)의 손상도 방지할 수 있는 이점이 있다. 즉, 상술한 가이드 핀(550)의 외경을 변경한다 함은 가이드 핀의 외경뿐만 아니라 상기 가이드 핀(550)의 외경에 조립되어 플런저(600)를 가이드하는 코어(540)의 가이드 홀(590) 직경도 동일하게 변경됨으로써 설정된 틈새가 기밀하게 유지됨을 의미한다.

상술한 전원 온(On) 시의 작동순서를 간략히 정리하면 다음과 같다.

하나, 전원터미널을 통해 전원 인가

둘, 플런저(600)가 파일럿 밸브의 스트로크(도 4 참조)만큼 상승되며, 이 때 메인 밸브 스프링(610)이 압축되면서 파일럿 밸브 씰(700)이 함께 상승

셋, 파일럿 밸브 개방

넷, 파일럿 밸브 스프링(730) 팽창

다섯, 파일럿 밸브 내의 고압유체 배출 및 고압분위기 해소

여섯, 플런저(600)가 추가 상승됨에 따라 파일럿 밸브 스토퍼(740)에 의해 파일럿 밸브 바디(720)도 함께 상승되어 메인 밸브 개방(이 때, 참고로 가이드 핀의 외경 치수를 변경함으로써 파일럿 밸브 개방 시 메인 밸브가 급격히 열리게도 설정 가능함)

도 8은 본 발명 솔레노이드 밸브의 전원 온 이후 파일럿 밸브만 개방되어 고압 비례제어 모드로 전환된 작동 상태도이다.

도 8을 참조하여 본 발명 솔레노이드 밸브를 비례제어 밸브로 이용하는 경우에 대해 살펴보면, 먼저 전원으로 인가되는 전류는 사전 설정된 주파수(400Hz-1000Hz)의 구형파나 특정의 파형으로 인가하며, 이 때 상기 구형파의 온 오프 펄스폭 크기의 비인 듀티율(Duty율)을 제어함으로써 인가되는 듀티 신호에 비례하여 선형적으로 전자력이 증가되도록 한다.

일정 크기의 구동신호(듀티율)가 전원공급터미널(도면 미도시)을 통하여 솔레노이드 밸브에 인가되면 코일(530)에 의해 유도된 전자력에 의해 플런저(600)가 메인 밸브 스프링(610)을 압축시키며 상승하게 되는데, 이때 상기 파일럿 밸브 씰(700)을 들어올리기 위한 펄스폭 변조는 약 40%이하의 듀티율로 이 구간에서 파일럿 밸브가 열릴 수 있는 전자력이 발생되도록 설정한다.

이 때, 플런저(600)를 상승시키기 위해 필요한 전자력은 파일럿 밸브 씰(700)이 개방될 때의 메인 밸브 스프링(610)의 압축에 대한 반발력과 파일럿 밸브 바디의 (720)의 가이드 부(721) 외경(d3)에 해당하는 단면적(또는 오리피스 단면적)에 작용하는 고압(공급압)과 저압(제어압)에 의해 누르는 힘의 합력보다 커야 한다.

또한 파일럿 밸브 씰(700)이 개방되면 파일럿 밸브 구조체 내의 고압 유체가 파일럿 밸브 오리피스(721)를 통해 저압부(제어압)로 배출됨에 따라 결국 밸브 시트(570)의 오리피스(571) 직경(d2)만큼의 면적에 작용하던 압력에 의한 힘도 해소되면서 메인 밸브 내에 작용하던 유체의 압력 차이에 의한 힘이 평형을 이루게 된다.

따라서, 이 때 플런저(600)에는 오직 메인 밸브 스프링(610)의 압축력과 듀티율에 의해 비례하여 발생되는 전자력만이 플런저(600)의 승하강 제어를 위한 변수로 작용되므로 이 상태에서 인가되는 듀티율을 제어함(예컨대, 20%-90% 범위에서 듀티율을 제어할 수 있음)으로써 플런저(600)를 비례 상승 또는 하강시켜 파일럿 밸브 스토퍼(740)에 의해 플런저(600)에 의해 구속된 파일럿 밸브 바디(720)와 그 하단에 조립된 메인 밸브 씰(620)을 연동시켜 비례적으로 승하강시킴으로써 결국 밸브가 유량이나 압력을 비례제어할 수 있게 되는 것이다.

이 때, 바람직하게는 가이드 핀(550)의 외경(d1)은 밸브 시트(570)의 오리피스(571) 직경(d2)과 동일하게 구성되고 가이드 핀(550)의 외경(d1)은 코어(540)의 가이드 홀(590)과 최소한의 누설이 되는 틈새 간격에서 작동되도록 구성하여야 하며, 이에 따라 상기 직경(d1, d2)의 일치에 따라 파일럿 밸브 개방 시 고압(공급압) 및 저압(제어압)이 상호 작용하는 면적이 같아져 결국 플런저(600)에 작용하는 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력차에 의한 힘이 평형을 이룰 수 있게 된다.

또한 상기 고압(공급압)과 저압(제어압)의 작용력의 차이에 의해 발생될 수 있는 플런저(600)의 의도치 않은 급격한 들림 현상이나 눌림 현상을 방지할 수 있다.(한편, 비례제어 모드에서는 듀티율에 의한 전자력과 메인 스프링 압축력 외에 다른 힘은 제거되어야 함)

또한 파일럿 밸브 씰(700)의 하단에 압입되어 가이드되는 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721) 외경(d3)도 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력차에 의한 힘의 평형을 위해 상술한 메인 밸브 바디(720)의 오리피스(571) 직경(d2)과 모두 동일하게 형성함이 바람직하다.

만약 상술한 직경(d2, d3)의 불일치로 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력에 의한 힘이 평형을 이루지 못한 상황에서는 파일럿 밸브 씰(700)의 개방 시 파일럿 밸브 바디(720)가 급격하게 들려 파일럿 밸브 씰(700)이 다시 폐쇄되고, 이에 따라 개방되어 있던 메인 밸브 씰(620)도 파일럿 밸브 씰(700)의 폐쇄에 따른 고압(공급압)에 의한 힘의 영향으로 다시 폐쇄되는 폐단이 발생될 수 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력에 의한 힘의 평형을 이룬 상태에서는 플런저(600)가 파일럿 밸브의 작동 스트로크(파일럿 밸브 스트로크)까지만 상승하되 메인 밸브 씰(620)이 여전히 폐쇄된 상태를 유지하고, 반면 파일럿 밸브 스프링(730)은 팽창하여 파일럿 밸브 씰(700)이 열림 상태를 유지할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

그러므로 상기 파일럿 밸브 스프링(730)은 상술한 비례제어 모드에서 파일럿 밸브 바디(720)가 파일럿 밸브 스토퍼(740)에 의해 적당한 힘으로 탄력 지지되면서 연동될 수 있도록 간격을 유지하는 역할을 한다.

한편, 이 때 비례 제어되는 유량(또는 압력)은 파일럿 밸브 바디(720)를 통하여 배출되는 유량(또는 압력)이 되며, 이 경우 파일럿 밸브 작동부(구조체) 내로 유입되는 유체의 유량보다 파일럿 밸브 바디(720)의 가이드 부(721)를 통해 배출되는 유량이 크도록 오리피스 직경을 구성해야한다

파일럿 밸브 작동 후, 원하는 유량이나 압력을 달성하도록 구동신호의 듀티율을 더 증가시키면 플런저(600)에 파일럿 밸브 스토퍼(740)에 의해 구속되어 파일럿 밸브 스프링(730)에 의해 탄력 지지되는 파일럿 밸브 바디(720)가 듀티율의 증가에 따라 상승하게 된다. 이 때, 제어 가능 구간 사이에서는 듀티율에 따라 전자력이 선형적으로 증가 되고, 그에 따른 플런저 상승에 따라 메인 스프링 압축력과의 평형이 유지됨으로써 결국 상기 듀티율의 증감을 제어함에 따라 파일럿 밸브 바디(720) 하단에 조립된 메인 밸브 씰(620)의 열림량을 제어됨으로써 밸브의 유량(또는 압력)을 선형적으로 비례 제어할 수 있게 된다.

상술한 고압 비례제어 시의 작동순서를 간략히 정리하면 다음과 같다.

하나, 구동신호 인가

둘, 구동신호 듀티율 제어

셋, 플런저(600) 상승 및 메인 밸브 스프링(610) 압축

(이 때, 플런저 상승에 필요한 힘은 메인 밸브 스프링의 압축 반발력 및 파일럿 밸브 바디의 오리피스 단면적에 작용하는 고압에 의한 힘과의 합력임)

넷, 파일럿 밸브 씰(700) 상승 (파일럿 밸브 개방)

다섯, 파일럿 밸브 내 고압유체가 배출되면서 플런저(600)에 작용하던 고압에 의한 힘 해소 및 압력 작용력 평형상태 도달

(이 때, 플런저에 작용하는 힘은 메인 밸브 스프링의 압축 반발력과 구동신호의 듀티율에 의한 전자력만이 변수로 작용함)

여섯, 구동신호의 듀티율을 원하는 유량의 설정값만큼 더 증가시킴에 따라 플런저가 추가 상승되면서 파일럿 밸브 스토퍼에 의해 메인 밸브 씰이 상승되어 메인 밸브가 개방

(이 때, 파일럿 밸브 스프링은 파일럿 밸브의 스트로크만큼 팽창하여 파일럿 밸브 바디와 플런저 사이를 규정된 힘으로 벌려 유지하고, 이 후 밸브의 비례제어 시 플런저와 파일럿 밸브가 함께 일체로 연동되도록 함)

일곱, 이후 듀티율을 제어함에 따라 플런저(600)와 함께 메인 밸브 씰(620)의 승하강 높이를 제어함으로써 밸브 시트(570)의 오리피스(571)를 통해 배출되는 고압유체의 배출 개도를 제어해 최종적으로 유량이나 압력을 비례제어함

요컨대, 본 발명은 밸브의 초기 작동 시 파일럿 밸브가 먼저 개방되어 플런저에 작용하는 고압을 먼저 해소한 다음 메인 밸브를 작동하게 되는데, 이 때 메인 밸브가 작동되면 플런저 내부의 파일럿 밸브 구조체로 누설되어 들어오는 유체량보다 파일럿 밸브를 통해 배출되는 유체량이 많아야 파일럿 밸브가 작동된 상태를 유지할 수 있다.

만약 들어오는 유체량이 더 많은 경우 파일럿 밸브는 솔레노이드 힘이 약할 경우 유체의 압력차에 의한 힘으로 다시 닫혀 버리거나 제어가 되지 않을 가능성이 크다. 이런 구조를 가진 종래 솔레노이드 밸브에서는 통상 플런저 외주면을 통해 유체가 파일럿 밸브 작동부(구조체)로 누설되어 들어가게 되는데, 상기 플런저의 직경이 큰 경우 유체의 누설량이 많아지게 되므로 이를 위해 플런저 외주면과 상기 플런저 외주면에 접하는 플런저 가이드 사이의 간격을 굉장히 정밀하게 가공 및 유지하여야 하는 어려움이 발생된다.

본 발명의 경우 코어 내부에서 가이드 기능을 하는 가이드 핀의 외주면(보다 정확하게는, 가이드 핀의 외주면과 코어의 가이드 홀 사이 틈새)을 통해 유체가 누설되어 파일럿 밸브 작동부(구조체)로 들어가도록 구성함으로써 종래 플런저의 외경을 전적으로 유로로 이용했던 구조와 대비 본 발명은 직경이 훨씬 작은 가이드 핀의 외경과 가이드 핀 내부의 중공을 유로로 이용함으로 인해 고압 유체의 누설 면적을 최소화할 수 있고, 이로 인해 원하는 누설량 제어를 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라 작은 누설량에 따라 파일럿 밸브 바디 내부의 오리피스 직경도 작게 설계할 수 있어 밸브의 치수 및 크기뿐만 아니라 필요한 밸브 작동력을 줄일 수 있다.

또한 전자력을 발생시키는 솔레노이드의 크기를 줄일 수 있음과 함께 종래 솔레노이드 밸브에서처럼 플런저의 외주면을 초정밀 가공할 필요가 없으므로 제조공정이 단순해 질 뿐만 아니라 제조비용도 절감할 수 있는 등 종래 구성 대비 여러 가지 이점이 있다.

아울러 본 발명은 단지 앞서 기술된 일 실시예에 의해서만 한정된 것은 아니며, 장치의 세부 구성이나 개수 및 배치 구조를 변경할 때에도 동일한 효과를 창출할 수 있는 것이므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.

400 : 캡 410 : 오버몰드
420 : 커버 500 : 밸브 바디
510 : 요크 520 : 보빈
530 : 코일 540 : 코어
550 : 가이드 핀 560 : 밸브 가이드
570 : 밸브 시트 580 : 튜브
590 : 가이드 홀 600 : 플런저
600a, 600b, 600c : 관통 홀 610 : 메인 밸브 스프링
700 : 파일럿 밸브 씰 720 : 파일럿 밸브 바디
730 : 파일럿 밸브 스프링 740 : 밸브 스토퍼

Claims

전원 인가 시 자기장을 발생시키는 코일이 감긴 보빈;
상기 보빈의 일단에 결합되어 자기 회로를 구성하는 요크;
상기 보빈의 중앙부 상단측에 결합되어 자기장에 의해 자화되는 코어;
상기 코어의 중앙부에 형성된 가이드 홀에 상단의 가이드 부가 끼워진 상태로 수직방향으로 이동가능하게 구비되는 소정 직경의 비자성체 가이드 핀;
내부에 소구경, 중구경 및 대구경의 다단의 직경을 갖는 관통 홀이 형성되고 상기 관통 홀의 상단에 상기 가이드 핀의 하단이 삽입되어 전원 인가 시 자화된 코어 측으로 상기 가이드 핀에 의해 수직방향으로의 이동이 안내되는 플런저;
상기 플런저 내부의 가이드 핀 둘레에 구비되어 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 밀어 탄성 지지하는 메인 밸브 스프링;
상기 플런저의 외주면을 감싼 상태로 보빈의 코어 하부에 배치되어 자기 회로를 구성하는 밸브 가이드;
상기 코어의 하단부 및 밸브 가이드의 상단부 외주면을 감싸 기밀을 유지하는 튜브;
상기 밸브 가이드의 하단에 결합되어 전체 밸브의 하단부 외관을 형성하는 밸브 바디;
상기 밸브 바디 내의 플런저 하단부에 설치되어 플런저의 수직이동에 따라 유로를 선택적으로 개방하는 메인 밸브 씰;
상기 밸브 바디 내의 메인 밸브 씰 하부에 구비되어 상단부에 형성된 오리피스가 상기 메인 밸브 씰의 저면에 압입된 상태로 메인 밸브 씰의 상승에 따라 선택적으로 유로가 개방되는 밸브 시트; 및
상기 플런저 내부의 메인 밸브 씰 상방에 구비되어 상기 메인 밸브 씰에 앞서 유로를 선택적으로 개방함으로써 유로의 고압 유체를 배출하여 고압분위기를 해소하는 파일럿 밸브 구조체를 포함하되,
상기 파일럿 밸브 구조체는,
플런저 내부에서 가이드 핀의 하단에 직접 접촉 및 지지되도록 구비되어 플런저의 이동에 따라 수직방향으로 이동되는 파일럿 밸브 씰;
플런저 내부에서 상기 파일럿 밸브 씰의 하단에 상단의 가이드 부가 선택적으로 압입됨에 따라 유로가 폐쇄되는 파일럿 밸브 바디; 및
플런저 내부에서 상기 플런저와 파일럿 밸브 바디 사이에 개재되어 파일럿 밸브 바디를 탄성 지지하는 파일럿 밸브 스프링을 포함하며,
고압 유체의 공급이 상시 파일럿 밸브 구조체와 메인 밸브 씰이 닫히는 방향으로 작용함에 따라 전원이 인가되지 않은 상태에서는 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력차에 의한 힘이 메인 밸브 씰을 눌러 기밀성이 유지되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 가이드 핀의 가이드 부 외경(d1)과 밸브 시트의 오리피스 직경(d2)이 일치되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 2 항에 있어서,
상기 밸브 시트의 오리피스 직경(d2)과 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 외경(d3)이 일치되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 메인 밸브 스프링의 스프링 상수가 파일럿 밸브 스프링의 스프링 상수보다 큰,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 파일럿 밸브 씰은,
전체적으로 원통형의 몸체를 갖고, 상기 몸체의 상면과 저면에 각각 원형의 요입홈이 형성되며, 상기 각 요입홈은 원통형 몸체의 겉면을 따라 요설된 적어도 하나 이상의 유체 이동채널에 의해 연결되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 플런저의 하단에는 플런저가 상승할 때 파일럿 밸브 바디를 걸림하여 동반 상승하기 위한 파일럿 밸브 스토퍼가 설치되며, 전원 오프 상태에서 상기 파일럿 밸브 바디와 파일럿 밸브 스토퍼는 파일럿 밸브 스트로크의 갭만큼 서로 이격된 상태를 유지하는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 3 항에 있어서,
상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부를 기준으로 플런저의 관통 홀(600a) 위아래 부분이 상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 외경(d3)보다 확장된 직경(600b, 600c)을 갖는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 7 항에 있어서,
상기 가이드 핀의 하단부는 플런저 관통 홀의 확장된 직경(600b)에 근접하도록 확장부가 형성되고, 코어와 상기 가이드 핀의 확장부 사이 공간부에는 메인 밸브 스프링이 개재되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 7 항에 있어서,
상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 중단 이하에 형성된 플런저의 관통 홀은 상기 파일럿 밸브 바디의 가이드 부 외경(d3)보다 확장된 직경(600c)을 갖고,
상기 관통 홀의 확장 전 직경부(600a 영역)와 그 아래의 확장된 직경부(600c 영역) 사이 공간부에는 파일럿 밸브 스프링이 개재되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브 시트는 밸브 바디의 하부에 나사 결합 또는 압입되고, 상기 밸브 시트를 선택적으로 회전시켜 밸브 시트를 승하강시키거나 압입되는 깊이를 조정함에 따라 플런저의 위치와 메인 밸브 스프링의 작용력이 조정되어 밸브의 비례제어 특성이나 기밀 특성을 조정할 수 있도록 된,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 가이드 핀의 내부를 따라서는 유체 누설을 위한 중공이 길이방향을 따라 관통 형성되는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 플런저의 대구경 관통 홀(600d)의 상부 단차면과 상기 관통 홀에 끼워진 파일럿 밸브 바디의 단차면이 서로 접촉 지지되므로 상기 단차면들이 메인 밸브 스프링의 압축력 및 압력차(공급압-제어압)에 의한 힘에 의해 파일럿 밸브 씰이 과도하게 눌러지지 않도록 스토퍼 역할을 하는,
고압 비례제어기능을 구비한 솔레노이드 밸브.