KR102172201B1

KR102172201B1 - 직선 이동식 유량제어밸브

Info

Publication number: KR102172201B1
Application number: KR1020190053050A
Authority: KR
Inventors: 김보경; 양시원
Original assignee: 주식회사 현대케피코
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2020-10-30

Abstract

본 발명의 직선 이동식 유량제어밸브(1)는 유로 바디(3)의 유량통로(3-1)를 가로질러 밸브 하우징(5)의 하우징 밸브 공간(5-2)에 진입하는 밸브이동궤적으로 밸브 개도량을 형성하는 리니어 밸브(30)로 리니어 모션 밸브 유닛(10)이 구성됨으로써 선형유량커브를 추종하는 유량통로(3-1)의 유량 변화로 약 60~80%의 밸브 중간개도 영역에 대한 밸브제어학습 및 제어의 용이성이 확보되고, 특히 곡률이나 직선의 밸브 형상을 이용한 밸브 레이아웃 최적화 및 기어나 틸팅 바 구조를 이용한 밸브 동작 다양화로 설계 자유도도 크게 높일 수 있는 특징으로 갖는다.

Description

직선 이동식 유량제어밸브{Liner Movement Type Air Flow Control Valve}

본 발명은 유량제어밸브에 관한 것으로, 특히 유로단면을 가로질러 밸브 개도량을 형성하는 리니어 밸브가 적용된 직선 이동식 유량제어밸브에 관한 것이다.

일반적으로 유량제어밸브는 유량 공급을 제어하는데 적용된다.

상기 유량제어밸브의 예로, 정/역회전되는 모터와 이를 통해 회전되는 감속기로 회전되어 밸브 개도량을 형성하도록 개폐되는 플랩 밸브가 적용된 플랩 밸브타입 유량제어밸브가 있다.

특히 상기 플랩 밸브타입 유량제어밸브는 전개(Fully Open)와 전폐(Fully Close)의 동작이 모터에 의한 밸브회전으로 이루어짐으로써 통상 회전식 버터플라이 밸브(Butterfly Valve)로 특징 된다.

그러므로 상기 플랩 밸브타입 유량제어밸브는 구조가 간단하고 밸브 개폐 토크도 작다는 장점을 갖고 있고, 이러한 장점으로 차량 엔진이나 연료전지스택 등이 요구하는 공기유량을 공급하는데 주로 적용된다.

일례로 ETC(Electronic Throttle Control)는 엔진에 공기유량을 공급하여 주는 플랩 밸브타입 유량제어밸브의 한 예이고, ACV(Air Cut Off Valve)는 연료전지스택에 공기유량을 공급하여 주는 플랩 밸브타입 유량제어밸브의 한 예이다.

일본특개 2014-9645(2014.1.20)

하지만, 상기 유량제어밸브는 전폐(Fully Close)(예, 0°)와 전개(Fully Open)(예, 90°)의 위치 변화를 위한 플랩 밸브의 회전이 유량 통로 내부에서 발생됨으로써 플랩 밸브의 밸브 개도량에 따른 유량변동 커브가 선형적이지 않은 특징을 갖고 있다.

그러므로 상기 유량제어밸브는 밸브제어학습에 비선형 유량변동 커브의 변동특성을 반영하여야 하는 어려움을 갖고있다.

이러한 이유는 상기 비선형 유량 변동은 밸브 중간개도 영역(예, 약 60~80%의 전개 위치)에서 심해지는 소폭의 밸브 개도량 대비 큰 폭의 유량 변화 현상을 발생함으로써 상기 밸브제어학습도 플랩 밸브의 전폐와 전개에 대한 각도 구간별 유량을 학습하는 절차에 더하여 약 60~80%의 전개 위치를 낮은 개도영역과 높은 개도영역으로 구분해 플랩 밸브의 제어 값(예, 듀티(Duty))을 다르게 학습하는 절차가 필요해지기 때문이다.

이와 같이 상기 유량제어밸브는 플랩 밸브로 인해 구조가 간단하고 밸브 개폐 토크도 작다는 장점을 갖는 반면 비선형 유량 변동으로 인해 밸브제어학습이 어렵다는 단점을 함께 갖고 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 유량통로 단면을 가로지르는 밸브이동궤적으로 밸브 개도량에 따른 유량 변화가 선형유량커브를 유사하게 추종함으로써 비선형 유량변동 커브 대비 밸브 중간개도 영역에 대한 밸브제어학습 및 제어의 용이성을 확보할 수 있고, 특히 밸브 곡률 형상을 이용한 밸브 레이아웃 최적화 및 기어 회전이나 틸팅 바 각운동 방식에 의한 밸브 동작 다양화로 설계 자유도도 크게 높일 수 있는 직선 이동식 유량제어밸브의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유량제어밸브는 유량 흐름을 형성하는 유량통로가 구비된 밸브 몸체, 상기 유량 흐름을 조절하는 밸브 개도량이 상기 유량통로의 유로단면을 가로지르도록 움직이는 리니어 밸브를 갖춘 리니어 모션 밸브 유닛이 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 리니어 밸브는 곡률을 형성하고, 상기 밸브 개도량이 상기 유량통로를 벗어난 위치를 중심으로 하는 밸브이동궤적 반경으로 형성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 밸브 개도량은 전폐(Fully Close)와 전개(Fully Open) 사이에서 최소한의 유량 공급이 가능하도록 상기 유량통로를 최소 열림으로 만들어 주는 림프 홈 전개(Limp Home Open)로 구현하고, 상기 전개(Fully Open)는 상기 리니어 밸브가 상기 유량통로에서 벗어나도록 이동된다.

바람직한 실시예로서, 상기 리니어 모션 밸브 유닛은 상기 리니어 밸브를 이동시켜주는 기어, 상기 기어를 회전시켜주는 모터 및 상기 리니어 밸브를 지지하는 베어링으로 구성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 기어는 상기 모터로 회전되는 모터 기어, 상기 모터 기어로 회전되어 상기 리니어 밸브를 이동시켜 주는 2단 기어로 구성된다. 상기 2단 기어는 상기 모터 기어와 외접되는 대구경 기어, 상기 리니어 밸브를 이동시키도록 상기 대구경 기어와 일체화되어 회전되는 소구경 기어로 구성된다. 상기 소구경 기어는 상기 리니어 밸브의 기어치와 맞물린다.

바람직한 실시예로서, 상기 베어링은 볼 베어링이며, 상기 리니어 밸브가 지나가는 이동 경로에서 상기 리니어 밸브의 위/아래쪽을 지지해주고, 밸브 하우징에 고정된 베어링 축으로 지지되어 자유 회전된다.

바람직한 실시예로서, 상기 기어는 스프링을 구비하고, 상기 스프링은 상기 기어의 회전으로 스프링 복원력을 형성해 주는 태엽 스프링이다.

바람직한 실시예로서, 상기 기어와 상기 리니어 밸브는 틸팅 바로 연결되고, 상기 틸팅 바는 상기 기어의 회전으로 상기 리니어 밸브를 이동시켜준다.

바람직한 실시예로서, 상기 밸브 몸체는 상기 유량통로를 형성한 유로 바디, 상기 유로 바디를 벗어난 상기 리니어 밸브가 위치되는 밸브 하우징으로 구성되고, 상기 밸브 하우징은 상기 리니어 모션 밸브 유닛가 수용되는 하우징 밸브 공간을 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 밸브 하우징은 밸브 제어기와 결합되고, 상기 밸브 제어기는 상기 리니어 밸브의 밸브 개도량을 제어해 주며, 상기 리니어 밸브의 각도 구간별 유량을 학습하는 밸브제어학습로직과 상기 밸브 개도량을 전폐(Fully Close) 모드, 전개(Fully Open) 모드, 림프 홈(Limp Home) 모드로 구분하는 밸브구동로직을 구비한다.

이러한 본 발명의 유량제어밸브는 유로단면을 가로질러 밸브 개도량을 형성하는 직선 이동식 리니어 밸브가 적용됨으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.

첫째, 선형유량커브를 추종하는 유량변화로 유량제어밸브의 밸브 개도에 대한 밸브제어학습이 용이하게 이루어지면서 특히 약 60~80%의 전개(Open) 위치인 중간개도 영역에 대한 밸브제어학습 및 제어의 용이성을 확보할 수 있다. 둘째, 일반 판재 플레이트 밸브 대비 곡률 판재 플레이트 밸브를 적용하여 밸브 레이아웃 축소 및 최적화가 가능하다. 셋째, 기어에 의한 밸브 움직임을 직선 이동 궤적으로 함으로써 3단 이상의 기어 사용 대비 2단 기어 사용으로 원가 절감이 가능하다. 넷째, 직선 이동 궤적을 위한 밸브 움직임이 틸팅 바(bar)를 이용할 수 있어 기어 맞물림 대비 무치형 밸브 구조가 가능하면서 밸브 설계 자유도가 크게 높아질 수 있다. 다섯째, 전기적 문제로 인한 밸브 전원 차단 시 스프링 탄성을 이용해 밸브 전폐가 방지됨으로써 최소한의 공기공급이 가능한 림프 홈 모드(Limp Home Mode)를 구현할 수 있다. 여섯째, 밸브 이동을 볼 베어링으로 안내함으로써 밸브 이동 과정에서 외부 지동에 의해 발생될 수 잇는 밸브 틸팅 현상이 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직선 이동식 유량제어밸브를 구성하는 밸브 몸체와 리니어 모션 밸브 유닛의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 리니어 모션 밸브 유닛이 조립되는 밸브 몸체의 구성 예이고, 도 3은 본 발명에 따른 밸브 이동궤적 반경을 형성하기 위한 밸브 몸체의 구조이며, 도 4는 본 발명에 따른 리니어 모션 밸브 유닛을 구성하여 밸브 이동궤적 반경으로 움직이는 리니어 밸브의 선형유량커브 예이고, 도 5는 본 발명에 따른 리니어 모션 밸브 유닛을 구성하는 리니어 밸브와 기어 및 베어링의 레이아웃 구성 예이며, 도 6은 본 발명에 따른 기어에 스프링 탄성력을 부여해 주는 스프링의 예이고, 도 7은 본 발명에 따른 직선 이동식 유량제어밸브의 동작 시 리니어 밸브의 밸브 개도량 제어 상태이며, 도 8은 본 발명에 따른 리니어 밸브가 직선형상의 플랫 바디로 구성된 예이고, 도 9는 본 발명에 따른 기어가 틸팅 바로 구성된 예이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 유량제어밸브(1)는 밸브 몸체(2)와 밸브 제어기(7)와 함께 유량통로(3-1)의 유로단면을 가로지르는 밸브이동궤적으로 밸브 개도량이 형성되는 리니어 모션 밸브 유닛(10)을 포함한다. 특히 상기 유량제어밸브(1)는 리니어 모션 밸브 유닛(10)의 리니어 밸브(30)를 통해 유량통로(3-1)의 유량변화를 선형유량커브로 추종함으로써 회전식 플랩 밸브의 비선형유량커브가 갖는 문제점 들를 해소하는 직선 이동식 유량제어밸브로 특징된다.

구체적으로 상기 밸브 몸체(2)와 상기 밸브 제어기(7)의 구성은 하기와 같다.

일례로 상기 밸브 몸체(2)는 유로 바디(3)와 밸브 하우징(5)으로 구성되고, 상기 유로 바디(3)와 상기 밸브 하우징(5)은 일체형으로 이루어진다. 상기 유로 바디(3)는 전/후 개방된 유로단면의 유량통로(3-1)를 형성한다. 상기 밸브 하우징(5)은 내부 공간과 연통되는 하우징 입구(5-1)를 하우징 측면에 형성하고, 유량통로(3-1)의 위쪽에서 리니어 모션 밸브 유닛(10)의 리니어 밸브(Linear Valve)(30)가 이동하는 하우징 밸브 공간(5-2)을 내부공간에 형성한다. 상기 밸브 제어기(7)는 밸브 하우징(5)의 측면에서 리니어 모션 밸브 유닛(10)의 모터(20)와 전기적으로 연결되도록 결합된다.

특히 상기 유로 바디(3)는 유량통로(3-1)의 유로단면을 가로지르는 움직임으로 리니어 밸브(30)가 전폐 시 유량통로(3-1)를 닫아주고 반면 전개 시 유량통로(3-1)를 열어준다. 또한 상기 밸브 하우징(5)은 유로 바디(3)와 구분되는 경계부위로 리니어 밸브(30)의 폭 크기에 맞춰진 밸브 슬릿(5-3)을 천공한다.(도 3 참조)

그리고 상기 밸브 제어기(7)는 모터(20)의 구동을 위한 PWM 듀티(Pulse Width Modulation DUTY)를 제어 신호로 출력한다.

일례로 상기 밸브 제어기(7)는 리니어 밸브(30)의 밸브 위치 및 밸브 개도량, 유량통로(3-1)의 공기량(Air Flux), 모터 회전수 등이 포함된 밸브 개도량 정보 신호를 입력 데이터로 검출하고, 리니어 밸브(30)의 각도 구간별 유량을 학습하는 밸브제어학습로직과 함께 전폐(Fully Close) 모드, 전개(Fully Open) 모드, 림프 홈(Limp Home) 모드(도 7 참조)로 구분된 밸브구동로직을 구비한다.

그러므로 상기 밸브 제어기(7)에는 밸브제어학습로직과 밸브구동로직을 프로그램으로 탑재하는 메모리가 구비되고, PCB(Printed Circuit Board)로 이루어진 제어 회로를 구비한다. 특히 상기 밸브 제어기(7)는 밸브 하우징(5)의 측면으로 위치되어 밸브 몸체(2)의 커버로 작용한다.

구체적으로 상기 리니어 모션 밸브 유닛(10)은 밸브 하우징(5)의 내부 공간에 수용되는 모터(20), 리니어 밸브(30), 기어(40), 스프링(50), 베어링(60) 및 고정부재(70)를 포함하고, 그 구성은 하기와 같다.

일례로 상기 모터(20)는 밸브 하우징(5)의 내부 공간에서 밸브 제어기(7)와 전기적으로 연결되고, 기어(40)의 구동기어(41)에 토크로 전달하여 준다. 상기 리니어 밸브(30)는 유량통로(3-1)의 유로 단면을 열거나 닫아주도록 하우징 밸브 공간(5-2)으로 이동하여 밸브 개도량을 형성하여 준다. 상기 기어(40)는 모터(20)의 회전력으로 리니어 밸브(30)를 움직여 준다. 상기 스프링(50)은 2단 기어(43)에 스프링 탄성력을 부여한다. 상기 베어링(60)은 리니어 밸브(30)를 지지하여 리니어 밸브(30)의 움직임을 안정적으로 유지한다. 상기 고정부재(70)는 밸브 하우징(5)과 모터 하우징에 체결되어 모터(20)를 고정한다.

특히 상기 모터(20)는 밸브 제어기(7)의 PWM DUTY로 구동되어 발생된 회전력을 모터 축(21)을 이용하여 모터 기어(41)를 회전시켜준다. 이 경우 상기 모터(20)는 DC(Direct Current) 모터를 적용하나 필요시 스텝 모터일 수 있다. 그리고 상기 리니어 밸브(30)는 금속 또는 수지를 재질로 적용하고, 유량통로(3-1)의 유로 단면을 100% 닫아주는 전폐(Fully Close)와 유량통로(3-1)의 유로 단면을 100% 열어주는 전개(Fully Open) 및 유량통로(3-1)의 유로 단면을 약 10% 이내로 열어주는 림프 홈 전개(Limp Home Open)로 작동한다. (도 7 참조).

특히 상기 기어(40)는 모터 기어(41), 2단 기어(43) 및 기어 축(45)으로 구성된다. 상기 모터 기어(41)는 모터(20)의 모터 축(21)에 결합되어 모터 축(21)을 통해 모터(20)의 회전력을 전달받는다. 상기 2단 기어(43)는 모터 기어(41)와 외접을 이루는 대구경 기어(43-1), 대구경 기어(43-1)의 한쪽 측면에 구비되어 리니어 밸브(30)의 밸브 치(33)와 내접되는 소구경 기어(43-2)로 구분된다. 상기 기어 축(45)은 2단 기어(43)의 축 홀을 관통한 좌우 엔드부위가 밸브 하우징(5)으로 지지됨으로써 2단 기어(43)가 자유 회전되도록 한다. 이 경우 상기 기어 축(45)의 좌우 엔드부위에는 롤러 베어링과 같은 베어링 지지될 수 있다.

특히 상기 스프링(50)은 소구경 기어(43-2)(또는 대구경 기어(43-1))에 고정되어 스프링 탄성력을 제공하고, 상기 스프링 탄성력은 림프 홈 전개 시 소구경 기어(43-2)을 회전시켜 리니어 밸브(30)가 림프 홈 유로(K)(도 7 참조)를 형성하도록 작용한다. 그리고 상기 베어링(60)은 볼 베어링을 적용한다. 또한 상기 고정부재(70)는 볼트와 너트를 적용하거나 또는 스크류를 적용하거나 또는 용접 적용 시 사용하지 않을 수 있다.

한편 도 3 및 도 4는 밸브 이동궤적 반경(R)에 대한 레이아웃을 예시한다.

도 3을 참조하면, 상기 밸브 하우징(5)은 하우징 입구(5-1)가 뚫려진 내부공간으로 리니어 모션 밸브 유닛(10)을 내장하고, 유량통로(3-1)의 유로 단면에서 이어지는 하우징 밸브 공간(5-2)으로 리니어 밸브(30)의 밸브 이동궤적 반경(R)을 안내한다. 특히 상기 하우징 내부 공간(5-2)은 밸브 이동궤적 반경(R)에 맞춘 리니어 밸브(30)의 전개를 가능하게 함으로써 유량통로(3-1)의 유로 단면이 100%로 열어질 수 있다.

특히 상기 밸브 하우징(5)은 밸브 슬릿(5-3)을 형성함으로써 유량통로(3-1)와 하우징 밸브 공간(5-2)을 연통함으로써 밸브 이동궤적 반경(R)이 형성되도록 한다. 이하에서 상기 밸브 이동궤적 반경(R)의 경로는 리니어 밸브(30)와 구분되도록 실제적인 크기보다 과장되게 표현된다.

그러므로 상기 유로 바디(3)와 상기 밸브 하우징(5)은 유량제어밸브(1)의 통상적인 구성요소와 동일하고, 다만 상기 밸브 하우징(5)은 하우징 밸브 공간(5-2)을 위한 내부 공간을 충분하게 형성하고, 밸브 하우징(5)이 유로 바디(3)와 구분되는 경계부위에 밸브 슬릿(5-3)이 천공된다는 차이를 갖는다.

도 4를 참조하면, 상기 리니어 밸브(30)의 커브 바디(31)가 기존 플랩 밸브의 비선형유량커브와 달리 선형유량커브를 추종하는 유량-밸브개도량 선도가 예시된다.

도시된 바와 같이, 기존 플랩 밸브가 유로 바디(3)의 유량통로(3-1)에 위치된 상태에서 0~90°회전이 이루어지는 밸브 움직임 대신 리니어 밸브(30)는 커브 바디(31)가 하우징 밸브 공간(5-2)을 이용하여 유량통로(3-1)를 완전히 빠져나가는 0~90°의 각 운동으로 움직인다.

그러므로 상기 리니어 밸브(30)의 선형유량커브(파선)는 상기 기존 플랩 밸브의 비선형유량커브(실선)에 비해 상대적으로 선형을 형성한다. 이 경우 상기 선형유량커브(파선)는 이론적인 예측 형상이므로 실제적으로 선형유량커브(파선)는 완전한 직선과 다소 차이가 있을 수 있다.

특히 상기 선형유량커브(파선)의 밸브 중간개도 영역(즉, 약 60~80% 전개)은 소폭적인 밸브 개도량 증가 대비 큰 폭의 유량 변화를 발생시키지 않음으로써 비선형유량커브(실선)에서 요구되던 낮은 개도영역과 높은 개도영역에 대한 구분 절차 없이도 밸브 제어 값 학습이 가능함을 예시한다.

이로부터 본 발명의 우량제어밸브(1)는 리니어 밸브(30)의 선형유량커브(파선) 추종성을 이용함으로써 밸브제어학습이 전폐와 전개의 각도 구간별 유량으로 용이하게 이루어질 수 있다.

한편 도 5 및 도 6은 리니어 모션 밸브 유닛(10)을 구성하는 리니어 밸브(30)와 기어(40), 스프링(50) 및 베어링(60)의 레이아웃 구성을 예시한다.

도 5를 참조하면, 상기 리니어 밸브(30)는 기어(40)로 한쪽 면이 맞물려짐으로써 기어(40)의 회전방향에 따라 좌우로 이동하면서 베어링(60)으로 양쪽 면이 지지됨으로써 좌우 이동 시 틸팅(Tilting)(즉, 커브 바디(31)의 좌우 유동)이 없는 안정적인 슬라이드(Slide)가 가능하다.

이를 위해 상기 리니어 밸브(30)는 밸브 이동궤적 반경(R)에 맞춘 바디 곡률로 호 형상을 이루는 커브 바디(31), 커브 바디(31)의 한쪽 면에 형성되어 기어(40)의 소구경 기어(43-2)와 맞물리는 밸브 치(Valve Tooth)(33)로 이루어진다. 특히 상기 밸브 치(33)는 커브 바디(31)에 대한 베어링(60)의 안내를 방해하지 않도록 소구경 기어(43-2)의 폭 넓이에 맞춰 형성되고, 소구경 기어(43-2)와 맞물려 회전됨으로써 리니어 밸브(30)를 전폐(Fully Close)/전개(Fully Open)/림프 홈 전개(Limp Home Open)로 움직여 준다. (도 7 참조)

특히 상기 커브 바디(31)는 리니어 밸브(30)의 전개 시 밸브 슬릿(5-3)과 밀착되어 유량통로(3-1)를 지나는 공기 흐름을 분산시키지 않도록 끝부위에 기밀엔드 형상(또는 기밀부재)를 형성할 수 있다.

또한 상기 기어(40)는 모터 기어(41)와 대구경 기어(43-1) 및 소구경 기어(43-2) 간 기어비를 전폐(Fully Close)와 전개(Fully Open)를 위한 리니어 밸브(30)의 이동거리에 맞춰 설정한다. 이를 위해 상기 대구경 기어(43-1)는 모터 기어(41)의 1회전 당 소정 각도로 회전되도록 모터 기어(41)보다 많은 기어치와 큰 직경을 형성하고, 상기 소구경 기어(43-2)는 대구경 기어(43-1)의 1회전 당 수회로 회전되도록 대구경 기어(43-1)보다 적은 기어치와 작은 직경을 형성한다.

그리고 상기 베어링(60)은 리니어 밸브(30)가 지나가는 이동 경로에서 리니어 밸브(30)의 위/아래쪽을 지지해주는 3개의 베어링으로 구성된다. 이를 위해 상기 상단 베어링(61)은 서로 간격을 두고 배열되어 커브 바디(31)의 외면을 지지하는 전방 베어링(61-1)과 후방 베어링(61-2)으로 2개로 구성되고, 상기 하단 베어링(63)은 전방 베어링(61-1)과 후방 베어링(61-2)의 중간 부위에서 커브 바디(31)의 내면을 지지하는 1개로 이루어진다. 또한 상기 전/후방 베어링(61-1,61-2)과 상기 하단 베어링(63)의 각각은 베어링 축(65)으로 지지되어 자유 회전되고, 상기 베어링 축(65)의 양쪽 끝부위는 밸브 하우징(5)의 내부 공간에서 하우징 바디로 고정된다.

그러므로 상기 베어링(60)은 전방 베어링(61-1)과 후방 베어링(61-2) 및 하단 베어링(63)으로 구분된 3개의 볼 베어링이 커브 바디(31)의 내/외면을 각각 지지함으로써 리니어 밸브(30)가 밸브 이동궤적 반경(R)으로 이동하는 과정에서 하우징 내부 공간(5-2)으로부터 틸팅(Tilting)되지 않고 하우징 내부 공간(5-2)을 통해 안정적으로 슬라이드(Slide)되도록 안내할 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 스프링(50)은 소구경 기어(43-2)를 감싸면서 대구경 기어(43-1)의 한쪽 측면에 위치됨으로써 소구경 기어(43-2)에 스프링 탄성력을 부여하고, 상기 스프링 탄성력은 모터(20)의 구동 중단 시 소구경 기어(43-2)애 반대 방향 회전력을 가함으로써 리니어 밸브(30)가 초기 위치로 복귀되도록 한다.

이를 위해 상기 스프링(50)은 한 바퀴 이상으로 회전되는 소구경 기어(43-2)의 회전 특성에 맞춰 태엽 스프링(예, spiral spring)을 적용한다. 특히 상기 스프링(50)은 소구경 기어(43-2)(또는 대구경 기어(43-1))에 고정되도록 안쪽으로 내측 엔드(51)를 형성하고, 밸브하우징(5)에 고정되도록 바깥쪽으로 외측 엔드(53)를 형성한다.

한편 도 7은 리니어 모션 밸브 유닛(10)의 동작 시 리니어 밸브(30)가 구현하는 밸브 개도량 변화를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 리니어 모션 밸브 유닛(10)의 작동은 리니어 밸브(30)의 밸브 개도량을 전폐(Fully Close), 전개(Fully Open), 림프 홈 전개(Limp Home Open)로 변화시켜준다. 상기 전폐(Fully Close)는 밸브 제어기(7)의 듀티 출력이 없는 “DUTY = 0”으로 인해 모터(20)와 기어(40)가 정지 상태이므로 리니어 밸브(30)의 전폐(Fully Close)로 인해 유량통로(3-1)가 커브 바디(31)로 완전히 막혀진다.

이와 같이 상기 전폐(Fully Close)는 유량제어밸브(10)의 유량 공급이 중단된 상태이다.

그리고 상기 전개(Fully Open)는 밸브 제어기(7)의 듀티 출력이 발생되는 “DUTY > 0”로 인해 모터(20)가 회전되고, 모터 기어(41)가 모터(20)의 모터 축(21)을 통해 회전되며, 대구경 기어(43-1)가 외접된 모터 기어(41)로 회전되며, 소구경 기어(43-2)가 대구경 기어(43-1)로 회전된다. 그러면 상기 소구경 기어(43-2)의 회전력이 이와 맞물린 밸브 치(33)를 통해 커브 바디(31)로 전달됨으로써 커브 바디(31)가 밸브 슬릿(5-3)을 통해 유량 통로(3-1)에서 하우징 밸브 공간(5-2)으로 들어가므로 리니어 밸브(30)의 움직임이 형성된다.

이어 밸브 제어기(7)는 “DUTY = MAX”로 듀티 출력을 최대로 인가함으로써 모터(20)의 회전이 증가되고, 모터 회전 증가로 인해 모터 기어(41)와 대구경 기어(43-1)가 회전을 지속함으로써 소구경 기어(43-2)가 커브 바디(31)를 밸브 하우징(5)의 하우징 밸브 공간(5-2)으로 더욱 밀어내고, 그 결과 상기 커브 바디(31)가 밸브 이동궤적 반경(R)에 맞춰 하우징 밸브 공간(5-2)에서 완전하게 이동됨으로써 리니어 밸브(30)가 전개(Fully Open)의 상태로 전환된다.

이때 스프링(50)은 소구경 기어(43-2)의 회전에 의해 감겨져 스프링 반력을 축적함으로써 전폐(Fully Close) 또는 림프 홈 전개(Limp Home Open) 시 소구경 기어(43-2)에 스프링 탄성력을 가함으로써 리니어 밸브(30)의 원복 과정을 원활하게 하여 준다. 또한 상기 커브 바디(31)는 전/후방 베어링(61-1,61-2)과 하단 베어링(63)으로 지지됨으로써 하우징 밸브 공간(5-2)을 빠져나오는 과정에서 틸팅(Tilting)되지 않고 안정적으로 슬라이드(Slide)된다. 또한 상기 커브 바디(31)의 끝부위에 형성된 기밀엔드 형상(또는 기밀부재)는 밸브 슬릿(5-3)과 밀착됨으로써 되어 유량통로(3-1)를 지나는 공기 흐름을 분산시키지 않도록 작용한다.

이와 같이 상기 전개(Fully Open)는 유량제어밸브(10)의 유량 공급이 최대로 이루어지는 상태이다.

반면 상기 림프 홈 전개(Limp Home Open)는 밸브 제어기(7)에 의한 전개(Fully Open)도중 모터(20)의 이상에 따른 스프링(50)을 통해 구현된다. 즉, 스프링(50)이 소구경 기어(43-2)의 회전으로 감아져 스프링 탄성력을 축적한 상태에서 소구경 기어(43-2)의 정지 시 소구경 기어(43-2)를 역회전시켜 주도록 풀어지고, 소구경 기어(43-2)의 역회전은 리니어 밸브(30)가 유량 통로(3-1)로 원복되도록 한다.

그 결과 상기 리니어 밸브(30)는 유로 통로(3-1)에서 림프 홈 유로(K)를 형성한 상태에서 멈춰짐으로써 유로 통로(3-1)는 최소한으로 유량 공급을 할 수 있다. 이때 상기 림프 홈 유로(K)는 유량제어밸브(1)가 최소 유량을 공급할 수 있는 디폴트 값(Default Value)으로 설정된다.

이와 같이 상기 림프 홈 전개(Limp Home Open)는 밸브 제어기(7) 또는 모터(20) 또는 기타 유량제어밸브(1)의 작동과 관련된 시스템 에러 상황에서도 유량제어밸브(1)가 최소한의 유량을 공급할 수 있도록 작용한다.

한편 도 8 및 도 9는 리니어 밸브(30)와 기어(40)의 변형 예를 각각 나타낸다.

도 8을 참조하면, 상기 리니어 밸브(30)는 플랫 바디(31-1)와 밸브 치(33)로 이루어진다.

구체적으로 상기 플랫 바디(31-1)는 직선으로 이루어지고, 상기 밸브 치(33)는 플랫 바디(31-1)의 한쪽 면에 형성되어 모터(20)의 회전 시 리니어 밸브(30)가 이동되도록 소구경 기어(43-2)와 맞물린다.

그러므로 상기 플랫 바디(31-1)는 밸브이동 시 커브 바디(31) 대비 밸브이동거리를 크게 형성함으로써 밸브 하우징(5)의 하우징 밸브 공간(5-2)에 대한 공간 점유율이 다소 커지고, 이러한 공간 점유율은 커브 바디(31)의 밸브하우징 높이(h) 대비 플랫 바디(31-1)의 밸브하우징 높이(H)를 더 크게 함으로써 밸브 몸체(2)의 레이아웃을 다소 불리하게 할 수 있으나 리니어 밸브(30)의 선형유량커브 추종 효과를 보다 개선할 수 있다.

도 9를 참조하면, 상기 기어(40)는 모터 기어(41)와 틸팅 바(47) 및 코일 스프링(50-1)로 구성된다.

구체적으로 상기 모터 기어(41)는 모터(20)의 모터 축(21)에 결합되어 모터 축(21)을 통해 모터(20)의 회전력을 전달받는다. 상기 틸팅 바(47)는 모터 기어(41)의 측면에 한쪽 엔드부가 고정되고 리니어 밸브(30)의 커브 바디(31)에 반대쪽 엔드부가 고정됨으로써 모터 기어(41)의 회전에 의한 각 운동으로 커브 바디(31)의 밸브이동궤적을 형성한다. 이 경우 상기 틸팅 바(47)는 모터 기어(41)와 커브 바디(31)에 각각 용접 고정되거나 또는 스크류 고정된다. 상기 코일 스프링(50-1)은 틸팅 바(47)에 한쪽 엔드부가 고정되고 밸브 하우징(5)에 반대쪽 엔드부가 고정됨으로써 틸팅 바(47)에 스프링 탄성력을 가하여 준다.

그러므로 상기 기어(40)는 틸팅 바(47)가 모터 기어(41)의 회전으로 커브 바디(31)를 직접 각 운동시켜 줌으로써 커브 바디(31)는 기어치(33)를 형성하지 않아도 된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 직선 이동식 유량제어밸브(1)는 유로 바디(3)의 유량통로(3-1)를 가로질러 밸브 하우징(5)의 하우징 밸브 공간(5-2)에 진입하는 밸브이동궤적으로 밸브 개도량을 형성하는 리니어 밸브(30)로 리니어 모션 밸브 유닛(10)이 구성됨으로써 선형유량커브를 추종하는 유량통로(3-1)의 유량 변화로 약 60~80%의 밸브 중간개도 영역에 대한 밸브제어학습 및 제어의 용이성이 확보되고, 특히 곡률이나 직선의 밸브 형상을 이용한 밸브 레이아웃 최적화 및 기어나 틸팅 바 구조를 이용한 밸브 동작 다양화로 설계 자유도도 크게 높일 수 있다.

1 : 유량제어밸브 2 : 밸브 몸체
3 : 유로 바디 3-1 : 유량통로
5 : 밸브 하우징 5-1 : 하우징 입구
5-2 : 하우징 밸브 공간 5-3 : 밸브 슬릿
7 : 밸브 제어기
10 : 리니어모션 밸브 유닛 20 : 모터
21 : 모터 축 30 : 리니어 밸브(Linear Valve)
31 : 커브 바디 31-1 : 플랫 바디
33 : 밸브 치 40 : 기어
41 : 모터 기어 43 : 2단 기어
43-1 : 대구경 기어 43-1 : 소구경 기어
45 : 기어 축 47 : 틸팅 바
50 : 스프링 50-1 : 코일 스프링
51 : 내측 엔드 53 : 외측 엔드
60 : 베어링 61 : 상단 베어링
61-1,61-2 : 전후방 베어링 63 : 하단 베어링
65 : 베어링 축 70 : 고정부재

Claims

유량 흐름을 형성하는 유량통로가 구비된 밸브 몸체,
상기 유량 흐름을 조절하는 밸브 개도량이 상기 유량통로의 유로단면을 가로지르도록 움직이는 리니어 밸브를 갖춘 리니어 모션 밸브 유닛이 포함되며;
상기 리니어 모션 밸브 유닛은 상기 리니어 밸브를 이동시켜주는 기어, 상기 기어를 회전시켜주는 모터 및 상기 리니어 밸브를 지지하는 베어링으로 구성되고;
상기 기어는 상기 모터로 회전되는 모터 기어, 상기 모터 기어에 외접되어 회전되는 대구경 기어와 일체화 된 소구경 기어의 회전으로 상기 리니어 밸브를 이동시켜 주는 2단 기어로 구성되는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 리니어 밸브는 곡률을 형성하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 리니어 밸브는 상기 밸브 개도량을 상기 유량통로를 벗어난 위치를 중심으로 하는 밸브이동궤적 반경으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 3에 있어서, 상기 밸브 개도량은 전폐(Fully Close)와 전개(Fully Open) 사이에서 최소한의 유량 공급이 가능하도록 상기 유량통로를 최소 열림으로 만들어 주는 림프 홈 전개(Limp Home Open)로 구현하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 4에 있어서, 상기 전개(Fully Open)는 상기 리니어 밸브가 상기 유량통로에서 벗어나도록 이동되는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
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청구항 1에 있어서, 상기 소구경 기어는 상기 리니어 밸브의 기어치와 맞물리는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 베어링은 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 10에 있어서, 상기 베어링은 상기 리니어 밸브가 지나가는 이동 경로에서 상기 리니어 밸브의 위/아래쪽을 지지해주고, 베어링 축으로 지지되어 자유 회전되는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 기어는 스프링을 구비하고, 상기 스프링은 상기 기어의 회전으로 스프링 복원력을 형성해 주는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 12에 있어서, 상기 스프링은 태엽 스프링인 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 기어와 상기 리니어 밸브는 틸팅 바로 연결되고, 상기 틸팅 바는 상기 기어의 회전으로 상기 리니어 밸브를 이동시켜주는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 1에 있어서, 상기 밸브 몸체는 상기 유량통로를 형성한 유로 바디, 상기 유로 바디를 벗어난 상기 리니어 밸브가 위치되는 밸브 하우징으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 15에 있어서, 상기 밸브 하우징은 하우징 밸브 공간을 형성하고, 상기 하우징 밸브 공간은 상기 리니어 모션 밸브 유닛을 수용하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 15에 있어서, 상기 밸브 하우징은 밸브 제어기와 결합되고, 상기 밸브 제어기는 상기 리니어 밸브의 밸브 개도량을 제어해 주는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.
청구항 17에 있어서, 상기 밸브 제어기는 상기 리니어 밸브의 각도 구간별 유량을 학습하는 밸브제어학습로직과 상기 밸브 개도량을 전폐(Fully Close) 모드, 전개(Fully Open) 모드, 림프 홈(Limp Home) 모드로 구분하는 밸브구동로직을 구비하는 것을 특징으로 하는 유량제어밸브.