KR102179514B1

KR102179514B1 - 로터리식 3방향 밸브

Info

Publication number: KR102179514B1
Application number: KR1020180074343A
Authority: KR
Inventors: 임중혁; 채성복
Original assignee: 명성테크놀로지 주식회사
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-11-17
Also published as: KR20200001410A

Abstract

로터리식 3방향 밸브가 개시된다. 개시된 로터리식 3방향 밸브는, 중앙에 내부 공간이 마련되고, 내부 공간과 유체 이동 가능하게 연결되는 3개의 포트(port)를 구비한 밸브 하우징, 밸브 하우징의 내부 공간에 회전 가능하게 배치된 것으로, 회전 각도에 따라 3개의 포트를 연계하여 개폐하는 밸브 보디, 및 밸브 보디가 회전하도록 회전 동력을 생성 전달하고 밸브 보디의 회전 각도를 제어하는 밸브 액추에이터를 구비한다. 밸브 액추에이터는, 케이스와, 케이스 내부에 설치된 것들로서, 회전 동력을 생성하는 브러시리스 스텝 모터, 스텝 모터에서 생성된 회전 동력을 밸브 보디에 전달하는 적어도 하나의 동력 전달 기어, 및 스텝 모터의 동작을 제어하는 제어 회로가 형성된 PCB를 구비한다. 스텝 모터의 모터 축선, 케이스 내부의 모든 동력 전달 기어의 기어 축선, 및 밸브 보디의 회전 축선은 모두 서로 평행하다.

Description

로터리식 3방향 밸브{Rotary type 3 way valve}

본 발명은 보다 상세하게는 하우징(housing) 내부에 배치된 밸브 보디(valve body)가 회전하면서 유체의 출입 포트(port)를 선택적으로 개폐하는 로터리식 3방향 밸브에 관한 것이다.

3방향 밸브는 3 방향으로 유체가 출입 가능한 포트(port)를 가지고 유체의 유로를 선택적으로 제어하는 밸브이다. 3방향 밸브 중에서 로터리식 3방향 밸브는, 서로 다른 3 방향으로 개방된 3개의 포트를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 회전 가능하게 배치된 밸브 보디를 구비한다. 상기 밸브 보디의 회전 각도에 따라 3개의 포트가 선택적으로 개폐되면서 유체의 흐름 방향과 유량이 제어된다. 상기 로터리식 3방향 밸브는 예컨대, 차량의 냉각수 순환 회로에 적용될 수 있다.

종래의 로터리식 3방향 밸브는 밸브 보디를 회전시키는 동력을 공급하는 수단으로 모터 축선 방향의 길이가 긴 직류 모터를 사용한다. 상기 직류 모터는 브러시(brush)와 정류자편을 구비한 정류자를 구비하는데, 상기 브러시와 정류자편 간의 회전 마찰로 인한 소음이 발생하는 문제가 있다. 또한, 밸브 보디의 회전 각도를 정확하고 빠르게 제어하기 어렵다는 문제가 있다.

한편, 밸브 보디에 큰 회전력을 전달할 수 있는 용량이 큰 직류 모터는 모터 축선 방향으로 길이가 긴데, 용량이 큰 직류 모터를 사용하면서도 로터리식 3방향 밸브를 콤팩트(compact)하게 구성하기 위하여, 구체적으로 로터리식 3방향 밸브의 상하 방향 높이를 줄이기 위하여, 직류 모터는 자신의 모터 축선이 상기 밸브 보디의 회전 축선과 직교하도록 눕혀져 설치된다. 이에 따라, 상기 직류 모터의 회전 동력을 상기 밸브 보디에 전달하기 위하여 로터리식 3방향 밸브에 웜 기어 또는 헬리컬 기어가 설치된다. 이로 인해, 상기 밸브 보디의 동작에 에러(error)가 발생할 때 로터리식 3방향 밸브를 쉽게 점검하고 재작동시킬 수 없는 문제가 있다. 즉, 직류 모터에 전원 공급을 차단하고 작업자가 자력(自力)으로 밸브 보디를 회전시키게 되면 상기 웜 기어 또는 헬리컬 기어가 파손되기 때문에 상기 로터리식 3방향 밸브에 구비된 동력 전달용 부품들을 하나하나 분해하고 다시 조립해야 하는 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0078140호

본 발명은, 모터 작동으로 인한 소음이 감소되고, 별도의 측정 센서 없이도 밸브 보디의 회전 각도가 정확하고 빠르게 제어되며, 콤팩트하게 설계 가능한 로터리식 3방향 밸브를 제공한다.

또한 본 발명은, 동작 에러가 발생하더라도 쉽게 점검하고 재작동할 수 있는 로터리식 3방향 밸브를 제공한다.

본 발명은, 중앙에 내부 공간이 마련되고, 상기 내부 공간과 유체 이동 가능하게 연결되는 3개의 포트(port)를 구비한 밸브 하우징(valve housing), 상기 밸브 하우징의 내부 공간에 회전 가능하게 배치된 것으로, 회전 각도에 따라 상기 3개의 포트를 연계하여 개폐하는 밸브 보디(valve body), 및 상기 밸브 보디가 회전하도록 회전 동력을 생성 전달하고 상기 밸브 보디의 회전 각도를 제어하는 밸브 액추에이터(valve actuator)를 구비하고, 상기 밸브 액추에이터는, 케이스(case)와, 상기 케이스 내부에 설치된 것들로서, 회전 동력을 생성하는 브러시리스 스텝 모터(brushless step motor), 상기 스텝 모터에서 생성된 회전 동력을 상기 밸브 보디에 전달하는 적어도 하나의 동력 전달 기어(gear), 및 상기 스텝 모터의 동작을 제어하는 제어 회로가 형성된 PCB(printed circuit board)를 구비하고, 상기 스텝 모터의 모터 축선, 상기 케이스 내부의 모든 동력 전달 기어의 기어 축선, 및 상기 밸브 보디의 회전 축선은 모두 서로 평행한 로터리식 3방향 밸브를 제공한다.

상기 밸브 하우징 내부 공간에 상기 밸브 보디가 삽입되도록 상기 밸브 하우징의 상측은 개방되고, 상기 로터리식 3방향 밸브는, 상기 밸브 하우징의 개방된 상측을 폐쇄하는 밸브 캡(valve cap)을 더 구비하고, 상기 밸브 캡은 하향 돌출된 회전 가이드(guide)를 구비하고, 상기 회전 가이드는 상기 밸브 보디의 회전 축선이 상기 밸브 하우징 내부 공간에서 기울어지지 않도록 상기 밸브 보디의 상단부에 접촉되어 상기 밸브 보디의 회전을 안내할 수 있다.

상기 스텝 모터는, 상기 모터 축선을 중심으로 회전 가능한 것으로, 상기 적어도 하나의 동력 전달 기어 중 하나에 치합되는 기어부(gear portion)를 구비한 로터 코어(rotor core)와, 상기 로터 코어에 고정된 영구자석을 구비한 로터(rotor), 및 상기 로터의 주변에 배치되며 전기 에너지 공급에 의해 자화되는 스테이터(stator)를 구비하고, 상기 로터는 상기 자화된 스테이터와 상기 영구자석 간의 간섭에 의해 상기 모터 축선을 중심으로 회전하며, 상기 스테이터 및 상기 영구자석은 상기 PCB의 아래에 배치되고, 상기 로터 코어의 기어부는 상기 PCB의 위에 배치될 수 있다.

상기 스텝 모터는, 상기 모터 축선을 따라 연장되고 상기 PCB를 관통하며 상기 케이스에 지지된 모터 핀(pin)을 더 구비하고, 상기 로터 코어는, 상기 모터 핀에 지지되는 원통형의 샤프트부(shaft portion), 및 상기 샤프트부에서 방사 방향(radial direction)으로 확장된 부분으로 외주면에 상기 영구자석이 고정 지지되는 플랜지부(flange portion)를 더 구비하고, 상기 로터 코어의 기어부는 상기 로터 코어의 샤프트부 상측에 마련되며 상기 모터 핀에 지지될 수 있다.

상기 밸브 보디는 상기 밸브 보디의 회전 축선을 따라 상향 돌출되고 다각형의 단면 형상을 갖는 상향 돌출 샤프트(shaft)를 구비하고, 상기 적어도 하나의 동력 전달 기어에는 상기 상향 돌출 샤프트에 연결되는 밸브 보디 연결 기어가 포함되고, 상기 밸브 보디 연결 기어는, 상기 상향 돌출 샤프트의 다각형 단면 형상에 대응되는 다각형 단면 형상의 하단부 홀(hole)이 형성된 샤프트를 구비하고, 상기 밸브 보디 연결 기어의 하단부 홀에 상기 상향 돌출 샤프트가 압입되며, 상기 케이스는 분리 가능하게 결합되는 베이스(base)와 커버(cover)를 구비하고, 상기 베이스에는 상기 상향 돌출 샤프트가 관통하는 샤프트 관통공이 형성될 수 있다.

상기 적어도 하나의 동력 전달 기어에는, 상기 로터 코어의 기어부에 치합되어 상기 로터의 회전에 종동 회전하는 제1 연결 기어, 상기 제1 연결 기어에 치합되어 상기 제1 연결 기어의 회전에 종동 회전하는 제2 연결 기어, 및 상기 제2 연결 기어에 치합되어 상기 제2 연결 기어의 회전에 종동 회전하는 제3 연결 기어가 더 포함되고, 상기 밸브 보디 연결 기어는 상기 제3 연결 기어에 치합되어 상기 제3 연결 기어의 회전에 종동 회전할 수 있다.

상기 제1, 제2, 및 제3 연결 기어는 각각, 자신의 기어 축선을 따라 연장된 기어 핀(pin), 및 상기 기어 핀에 동축(同軸) 체결되고 외주면에 기어치가 형성된 한 쌍의 기어 휠(gear wheel)로서 상대적으로 직경이 큰 메인 기어 휠(main gear wheel)과 서브 기어 휠(sub gear wheel)을 구비하고, 상기 제1 연결 기어의 기어 핀은 상기 PCB를 관통하고, 상기 제1 연결 기어의 메인 기어 휠 및 서브 기어 휠은 상기 PCB의 위에 배치될 수 있다.

제1, 제2, 및 제3 연결 기어의 기어 핀(pin)의 양 단부, 및 상기 밸브 보디 연결 기어의 샤프트의 양 단부는 상기 베이스 및 커버에 지지될 수 있다.

상기 로터 코어의 기어부, 상기 제1, 제2, 및 제3 연결 기어, 및 상기 밸브 보디 연결 기어는 평기어(spur gear)일 수 있다.

본 발명의 로터리식 3방향 밸브는, 정류자로서 브러시(brush)를 포함하는 직류 모터를 사용하지 않고 브러시가 없는 스텝 모터를 사용하므로, 브러시 마찰 등에 기인한 모터 작동 소음이 감소된다.

상기 스텝 모터는 예컨대, PWM(pulse width modulation)과 같이 펄스(pulse) 형태의 전기 신호에 의해 회전 방향 및 회전 각도가 제어되므로 별도의 회전 각도 측정 센서 없이도 밸브 보디의 회전 각도가 정확하고 빠르게 제어된다. 따라서, 로터리식 3방향 밸브의 제조 원가가 절감된다.

본 발명의 로터리식 3방향 밸브에 구비된 스텝 모터는 모터 축선 방향의 높이가 낮은 납작한 형태이고, 스텝 모터의 스테이터와 로터를 동력 전달 기어와 PCB로부터 밀봉 격리하는 별도의 스텝 모터 하우징을 구비하지 않는다. 따라서, 로터리식 3방향 밸브는 콤팩트(compact)하게, 구체적으로 낮은 높이를 갖도록 설계하기 용이하다.

본 발명의 로터리식 3방향 밸브는 스텝 모터의 모터 축선, 동력 전달 기어의 기어 축선, 및 밸브 보디의 회전 축선이 모두 서로 평행하므로 모든 기어에 평기어를 적용할 수 있다. 이에 따라, 밸브 보디의 동작에 에러(error)가 발생하는 경우 작업자가 로터리식 3방향 밸브를 쉽게 점검하고 재작동할 수 있다. 부연하면, 밸브 보디의 동작에 에러가 발생한 경우 작업자는 전원 공급 및 유체 공급을 차단하고 밸브 액추에이터의 동력 전달용 부품들을 하나하나 분해하고 다시 조립하는 것 대신에, 동력 전달용 부품이 조립된 상태에서 손 또는 도구를 이용하여 밸브 보디를 수동으로 회전시키는 것만으로 쉽게 로터리식 3방향 밸브를 재작동시킬 수 있다. 또는, PCB의 메모리(memory)에 밸브 보디의 동작 에러 발생시 스텝 모터의 대응 동작에 대한 프로그램(program)이 저장되어 있으면, 밸브 보디의 동작 에러 발생시 작업자가 밸브 보디를 수동 회전시키지 않더라도 상기 프로그램에 의해 밸브 보디가 특정 회전 각도, 예컨대, 초기 각도(default angle)로 복귀할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 로터리식 3방향 밸브를 이용한 작업의 속도 및 능률이 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리식 3방향 밸브의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 로터리식 3방향 밸브의 분해 사시도로서, 도 2는 위에서 본 도면이고, 도 3은 아래에서 본 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 회로 기판, 모터, 및 복수의 기어를 도시한 분해 사시도로서, 도 4는 위에서 본 도면이고, 도 5는 아래에서 본 도면이다.
도 6은 도 1을 VI-VI에 따라 절개 도시한 횡단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 로터리식 3방향 밸브를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리식 3방향 밸브의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 로터리식 3방향 밸브의 분해 사시도로서, 도 2는 위에서 본 도면이고, 도 3은 아래에서 본 도면이며, 도 4 및 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 회로 기판, 모터, 및 복수의 기어를 도시한 분해 사시도로서, 도 4는 위에서 본 도면이고, 도 5는 아래에서 본 도면이며, 도 6은 도 1을 VI-VI에 따라 절개 도시한 횡단면도이다. 도 1 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로터리식 3방향 밸브(10)는 밸브 하우징(valve housing)(11), 밸브 보디(valve body)(24), 밸브 캡(valve cap)(34), 및 밸브 액추에이터(valve actuator)(40)를 구비한다.

밸브 하우징(11)은 중앙에 상측이 개방된 내부 공간(12) 마련된 부재로서, 상기 내부 공간(12)과 유체 이동 가능하게 연결되는 3개의 포트(port)(15, 17, 20)를 구비한다. 상기 3개의 포트(15, 17, 20)는 밸브 하우징(11)의 중심 축선(CL)에 대해 등각도 간격, 즉 120° 간격으로 이격되게 배치된다. 상기 3개의 포트(15, 17, 20) 중 하나의 포트(15)는 유체가 상기 내부 공간(12)으로 유입되도록 형성된 제1 인렛 포트(inlet port)이고, 다른 하나의 포트(17)는 제1 인렛 포트(15)를 통해 유입되는 유체와 구별되는 유체가 상기 내부 공간(12)으로 유입되도록 형성된 제2 인렛 포트이며, 나머지 하나의 포트(20)는 유체가 상기 내부 공간(12)에서 밸브 하우징(11) 외부로 유출되도록 형성된 아웃렛 포트(outlet port)이다.

상기 내부 공간(12)은 횡단면 형상이 원형인 내주면(13)에 의해 한정된다. 상기 내주면(13)에는 상기 제1 인렛 포트(15)에 이어지게 개방된 제1 인렛 개구(16), 상기 제2 인렛 포트(17)에 이어지게 개방된 제2 인렛 개구(18), 및 상기 아웃렛 포트(20)에 이어지게 개방된 아웃렛 개구(21)가 형성된다. 밸브 하우징(11)은 그 상단에 방사 방향(radial direction)으로 확장된 플랜지(flange)(14)를 구비한다.

밸브 보디(24)는 밸브 하우징(11)의 내부 공간(12)에 회전 가능하게 배치된다. 밸브 보디(24)의 회전 축선은 상기 밸브 하우징의 중심 축선(CL)과 일치한다. 상기 회전 축선(CL)을 중심으로 한 밸브 보디(24)의 회전 각도에 따라서 3개의 포트(15, 17, 20)가 연계하여 개폐된다. 구체적으로, 밸브 보디(24)는, 상측에 원반(disk) 형상의 루프(roof)(25)와, 상기 루프(25)의 외주에서 아래로 연장된 아웃스커트(outskirt)(26)와, 상기 루프(25)에서 상기 회전 축선(CL)을 따라 상향 돌출되고 육각형의 횡단면 형상을 갖는 상향 돌출 샤프트(shaft)(31)를 구비한다. 상기 아웃스커트(26)에 의해 그 내부에 밸브 보디 내부 공간(30)이 한정된다.

상기 아웃스커트(26)에는 제1 인렛 개구 개방 통공(27), 제2 인렛 개구 개방 통공(28), 및 아웃렛 개구 개방 통공(29)이 서로 이격되게 형성된다. 제1 및 제2 인렛 개구 개방 통공(27, 28)의 횡방향 폭은 제1 및 제2 인렛 개구(16, 18)의 횡방향 폭과 크기가 같고, 아웃렛 개구 개방 통공(29)의 횡방향 폭은 아웃렛 개구(21)의 횡방향 폭보다 크기가 크다. 상기 아웃스커트(26)의 원주 방향으로 제1 인렛 개구 개방 통공(27)과 제2 인렛 개구 개방 통공(28) 사이의 최단 간격은, 아웃렛 개구 개방 통공(29)과 제1 인렛 개구 개방 통공(27) 사이의 최단 간격, 및 아웃렛 개구 개방 통공(29)과 제2 인렛 개구 개방 통공(28) 사이의 최단 간격의 크기보다 크다.

이와 같은 형상으로 인해 밸브 보디(24)가 회전 축선(CL)을 중심으로 도 6에 도시된 회전 각도로 회전하여 정지하면, 제1 인렛 포트(15)는 폐쇄되고, 제2 인렛 포트(17)와 아웃렛 포트(20)는 개방된다. 이 경우에 유체는 제2 인렛 포트(17)를 통해 밸브 보디 내부 공간(30)으로 유입되고, 아웃렛 포트(20)를 통해 밸브 하우징(11) 밖으로 유출된다. 도 6에 도시된 밸브 보디(24)의 자세로부터 밸브 보디(24)가 회전 축선(CL)을 중심으로 반시계 방향으로 회전함에 따라 제1 인렛 포트(15)는 점차 개방되고 반대로 제2 인렛 포트(17)는 점차 폐쇄되며, 아웃렛 포트(20)는 개방된 상태가 유지된다. 이러한 추세에 따라 제1 인렛 포트(15)가 완전히 개방되고 제2 인렛 포트(17)가 완전히 폐쇄되면, 유체는 제1 인렛 포트(15)를 통해 밸브 보디 내부 공간(30)으로 유입되고, 아웃렛 포트(20)를 통해 밸브 하우징(11) 밖으로 유출된다.

한편, 도 6에 도시된 밸브 보디(24)의 자세로부터 밸브 보디(24)가 회전 축선(CL)을 중심으로 시계 방향으로 회전함에 따라 제2 인렛 포트(17)와 아웃렛 포트(20)는 점차 폐쇄되고, 제1 인렛 포트(15)는 폐쇄된 상태가 유지된다. 이러한 추세에 따라 제1 및 제2 인렛 포트(15, 17))와 아웃렛 포트(20)가 모두 완전히 폐쇄되면, 로터리식 3방향 밸브(10)를 통한 유체 이동은 정지된다. 이 자세가 로터리식 3방향 밸브(10)에 전기 에너지가 공급되어 동작하기 전에 밸브 보디(24)의 최초 각도(default angle) 혹은 최초 자세일 수 있다.

밸브 캡(34)은 밸브 보디(24)가 밸브 하우징(11)의 내부 공간(12)에 삽입 안착된 후에 상기 밸브 하우징(11)의 개방된 상측을 폐쇄한다. 밸브 캡(34)의 중앙에는 밸브 보디(24)의 상향 돌출 샤프트(31)가 관통하는 샤프트 관통공(35)이 형성된다. 밸브 캡(34)은 그 하측면에 상기 샤프트 관통공(35)을 중심으로 하는 원 궤도를 따라 링(ring) 형상으로 하향 돌출된 회전 가이드(guide)(36)를 구비한다. 상기 회전 가이드(36)는 밸브 보디(24)의 회전 축선(CL)이 상기 밸브 하우징 내부 공간(12)에서 기울어지지 않도록, 다시 말해서 밸브 보디(24)가 회전하면서 틸팅(tilting)되거나 진동하지 않도록, 밸브 보디(24)의 상단부, 즉 루프(25)에 접촉되어 밸브 보디(24)의 회전을 안내한다.

밸브 액추에이터(40)는 밸브 보디(24)가 회전 축선(CL)을 중심으로 회전하도록 회전 동력을 생성하여 밸브 보디(24)에 전달하고 밸브 보디(24)의 회전 각도를 제어한다. 밸브 액추에이터(40)는, 케이스(case)(41)와, 상기 케이스(41) 내부에 설치된 것들로서, 회전 동력을 생성하는 스텝 모터(step motor)(80)와, 상기 스텝 모터(80)에서 생성된 회전 동력을 상기 밸브 보디(24)에 전달하는 복수의 동력 전달 기어(55, 60, 63, 67)와, 상기 스텝 모터(80)의 동작을 제어하는 제어 회로가 형성된 PCB(printed circuit board)(72)를 구비한다.

상기 케이스(41)는 분리 가능하게 결합되는 베이스(base)(45)와 커버(cover)(42)를 구비한다. 상기 베이스(45)는 상기 스텝 모터(80), 복수의 동력 전달 기어(55, 60, 63, 67), 및 PCB(72)가 수용되는 컨테이너부(container portion)(46a)와, 상기 컨테이너부의 아래에 일체로 형성된 판(plate) 형상의 플랜지 결합부(46b)를 구비한다. 상기 플랜지 결합부(46b)는 밸브 캡(34)이 노출되지 않도록 덮으면서 상기 밸브 하우징(11)의 플랜지(14)에 착탈 가능하게 결합된다. 베이스(45)에는 밸브 보디(24)의 상향 돌출 샤프트(31)가 관통하는 샤프트 관통공(46)이 형성된다. 베이스(45)의 샤프트 관통공(46)과 밸브 캡(34)의 샤프트 관통공(35)은 회전 축선(CL)을 따라 겹쳐지게 형성된다.

한편, 베이스(45)의 컨테이너부(46a)에는 후술할 스텝 모터(80)의 모터 핀(pin)(110) 하단부가 끼워져 지지되는 모터 핀 보스(boss)(48)와, 후술할 제1, 제2, 및 제3 연결 기어(60, 63, 67)의 기어 핀(61, 64, 68) 하단부가 끼워져 끼워져 지지되는 제1, 제2, 및 제3 기어 핀 보스(50, 51, 52)와, 후술할 밸브 보디 연결 기어(55)의 샤프트 하단부가 끼워져 지지되는 밸브 보디 연결 기어 보스(47)가 형성된다. 커버(42)에도 스텝 모터(80)의 모터 핀(pin)(110) 상단부가 끼워져 지지되는 모터 핀 보스와, 제1, 제2, 및 제3 연결 기어(60, 63, 67)의 기어 핀(61, 64, 68) 상단부가 끼워져 끼워져 지지되는 제1, 제2, 및 제3 기어 핀 보스와, 밸브 보디 연결 기어(55)의 샤프트 상단부가 끼워져 지지되는 밸브 보디 연결 기어 보스(43)가 형성된다.

스텝 모터(80)는 상기 모터 핀(110)에 지지되는 로터(rotor)(90)와, 상기 로터(90) 주변에 배치된 스테이터(stator)(81)를 구비한다. 스테이터(81)는 로터(90)를 에워싸도록 배치된 스테이터 프레임(frame)(82)과, 상기 스테이터 프레임(82)에 마련된 3개의 계자 철심(field core)(미도시)에 권선된 코일(coil)(87)을 구비한다. 상기 3개의 계자 철심은 모터 핀(110)을 중심으로 등각도 간격으로 배치되고, 각 계자 철심과, 이에 권선된 코일(87)은 솔레노이드(solenoid)를 구성한다. 상기 솔레노이드에 전기 에너지가 공급되면, 다시 말해 상기 코일(87)에 전류가 흐르면 3개의 솔레노이드는 자화(磁化)된다.

로터(90)는 모터 핀(110)이 끼워져 모터 핀(110)에 지지되는 로터 코어(rotor core)(94)와, 상기 로터 코어(94)의 외주부에 고정된, 링(ring) 형상의 영구자석(91)을 구비한다. 상기 권선된 코일(87)에 전류가 흘러 3개의 솔레노이드가 자화되면, 상기 자화된 스테이터(81)와 영구자석(91) 간의 간섭에 의해 상기 영구자석(91)을 구비한 로터(90)가 모터 축선(ML)을 중심으로 회전한다. 상기 각각의 솔레노이드는 클립(clip)(88)에 의해 스테이터 프레임(82) 위에 배치된 PCB(72) 및 베이스(45)의 컨테이너부(46a)에 지지된다.

PCB(72)에 형성된 제어 회로는 코일(87)에 입력되는 전류를 제어한다. 부연하면, 상기 PCB(72)에 의해 코일(87)에 입력되는 전류의 방향, 전류 크기, 및 전류 입력 시간이 제어되며, 이에 따라 로터(90)의 회전 방향, 회전 속도, 및 회전 각도가 제어된다. 예를 들어, 코일(87)에 입력되는 전류는 PWM(pulse width modulation) 방식으로 변조된 전기 신호일 수 있다. 이 경우에 상기 펄스 형태의 전기 신호에 의해 로터(90)의 회전 방향, 회전 속도, 및 회전 각도가 제어되므로, 별도의 회전 각도 측정 센서 없이도 로터(90) 및 이에 연결된 밸브 보디(24)의 회전 각도가 정확하고 빠르게 제어된다. 따라서, 로터리식 3방향 밸브(10)의 제조 원가가 절감된다. 한편, 도면에 명확히 도시되진 않았지만, PCB(72)에는 외부의 전력 공급기(power supply)(미도시)와 통전 가능하게 연결되는 커넥터(connector)가 탑재된다.

상기 로터 코어(94)는 모터 핀(110)이 끼워져서 모터 핀(110)에 의해 지지되는 원통형의 샤프트부(shaft portion)(95), 샤프트부(95)에서 방사 방향으로 확장된 부분으로, 외주면에 상기 영구자석(91)이 고정 지지되는 플랜지부(flange portion)(105), 및 상기 샤프트부(95)와 마찬가지로 모터 핀(110)이 끼워져서 모터 핀(110)에 의해 지지된 기어부(gear portion)(97)를 구비한다. 상기 기어부(97)의 외주면에는 기어치가 가공 형성된다. 상기 기어부(97)는 상기 샤프트부(95) 상측에 마련되고 상기 샤프트부(95)에 고정된다. 상기 로터(90)가 회전함에 따라 상기 기어부(97)도 모터 축선(ML)을 중심으로 같은 방향, 같은 회전 각도, 같은 회전 속도로 회전하게 된다.

스테이터(81), 로터 코어(94)의 샤프트부(95)와 플랜지부(105), 및 영구자석(91)은 PCB(72) 아래에 배치되고, 로터 코어(94)의 기어부(97)는 PCB(72) 위에 배치된다. 상기 PCB(72)에는 모터 핀(11)과 로터 코어(94)의 기어부(97)가 관통하는 모터 핀 관통공(73)이 형성된다. 상기 기어부(97)의 직경보다 상기 모터 핀 관통공(73)의 내경의 크기가 더 커서 모터 축선(ML)을 중심으로 하는 기어부(97)의 회전이 방해 받지 않는다.

로터 코어(94)는 샤프트부(95)의 하단부에 모터 핀(11)의 외주면을 탄성 가압하는 복수의 가압 핑거(finger)(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기 복수의 가압 핑거는 모터 축선(ML)을 중심으로 등거리 및 등각도 간격으로 배치될 수 있다. 상기 복수의 가압 핑거는 샤프트부(95)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 로터 코어(94)는 예컨대, 플라스틱(plastics) 소재로 형성될 수 있다. 복수의 가압 핑거의 내측면이 모터 핀(110) 외주면에 안정적으로 접촉하여, 로터(90)가 모터 축선(ML)을 중심으로 회전할 때 편심과 공차로 인한 진동과 소음이 감소된다.

한편, 플랜지부(105)의 상측면 및 하측면에는 로터 코어(94)의 강성을 유지하면서도 무게를 경량화하기 위한 복수의 그루브(groove)(107, 18)가 형성된다. 상기 복수의 그루브(107, 108)로 인하여 로터(90)의 회전으로 인해 소모되는 회전 동력이 감소되므로, 결과적으로 밸브 보디(24)에 전달되는 회전 토크가 증가되고, 밸브 보디(24)의 회전 속도도 더 빨라질 수 있다.

복수의 동력 전달 기어(55, 60, 63, 67)에는, 로터 코어(94)의 기어부(97)에 치합되어 상기 로터(90)의 회전에 종동 회전하는 제1 연결 기어(60), 상기 제1 연결 기어(60)에 치합되어 상기 제1 연결 기어(60)의 회전에 종동 회전하는 제2 연결 기어(63), 상기 제2 연결 기어(63)에 치합되어 상기 제2 연결 기어(63)의 회전에 종동 회전하는 제3 연결 기어(67), 상기 제3 연결 기어(67)에 치합되어 상기 제3 연결 기어(67)의 회전에 종동 회전하는 밸브 보디 연결 기어(55)가 포함된다. 상기 밸브 보디 연결 기어(55)는 밸브 보디(24)의 상향 돌출 샤프트(31)에 연결된다.

구체적으로, 제1 연결 기어(60)는 제1 기어 축선(RL1)을 따라 연장된 기어 핀(pin)(61), 및 상기 기어 핀(61)에 동축(同軸) 체결되고 외주면에 기어치가 가공 형성된 한 쌍의 기어 휠(gear wheel)로서 상대적으로 직경이 큰 메인 기어 휠(main gear wheel)(62)과 서브 기어 휠(sub gear wheel)(63)을 구비한다. 상기 메인 기어 휠(62)과 서브 기어 휠(63)은 서로 결합되어 함께 회전하고, 메인 기어 휠(62)이 서브 기어 휠(63)의 아래에 위치한다. PCB(72)에는 제1 연결 기어(60)의 기어 핀(61)이 관통하는 기어 핀 관통공(74)이 형성되고, 상기 메인 기어 휠(62)과 서브 기어 휠(63)은 상기 기어 핀(61)에 꿰어서 PCB(72) 위에 배치된다. 상술한 바와 같이 상기 기어 핀(61)의 상하 단부는 커버(42)와 베이스(45)에 지지된다.

제2 연결 기어(63)는 제2 기어 축선(RL2)을 따라 연장된 기어 핀(64), 및 상기 기어 핀(64)에 동축(同軸) 체결되고 외주면에 기어치가 가공 형성된 한 쌍의 기어 휠로서 상대적으로 직경이 큰 메인 기어 휠(65)과 서브 기어 휠(66)을 구비한다. 상기 메인 기어 휠(65)과 서브 기어 휠(66)은 서로 결합되어 함께 회전하고, 메인 기어 휠(65)이 서브 기어 휠(66)의 위에 위치한다. 상기 메인 기어 휠(65)과 서브 기어 휠(66)은 상기 기어 핀(64)에 꿰어 지지되고, 상술한 바와 같이 상기 기어 핀(64)의 상하 단부는 커버(42)와 베이스(45)에 지지된다.

제3 연결 기어(67)는 제3 기어 축선(RL3)을 따라 연장된 기어 핀(68), 및 상기 기어 핀(68)에 동축(同軸) 체결되고 외주면에 기어치가 가공 형성된 한 쌍의 기어 휠로서 상대적으로 직경이 큰 메인 기어 휠(69)과 서브 기어 휠(70)을 구비한다. 상기 메인 기어 휠(69)과 서브 기어 휠(70)은 서로 결합되어 함께 회전하고, 메인 기어 휠(69)이 서브 기어 휠(70)의 위에 위치한다. 상기 메인 기어 휠(69)과 서브 기어 휠(70)은 상기 기어 핀(68)에 꿰어 지지되고, 상술한 바와 같이 상기 기어 핀(68)의 상하 단부는 커버(42)와 베이스(45)에 지지된다.

밸브 보디 연결 기어(55)는 밸브 보디 연결 기어 축선(CL)을 따라 연장된 샤프트와 상기 샤프트와 동축 형성되고 외주면에 기어치가 가공 형성된 기어 휠을 구비한다. 상기 밸브 보디 연결 기어 축선(CL)은 밸브 보디(24)의 회전 축선(CL)과 일치한다. 상기 밸브 보디 연결 기어(55)의 샤프트 하단부에는 상향 돌출 샤프트(31)의 육각형 횡단면 형상에 대응되는 육각형 횡단면 형상의 하단부 홀(hole)(56)이 형성된다. 밸브 캡(34)과 베이스(45)의 샤프트 관통공(35, 46)을 관통하여 상향 돌출된 밸브 보디(24)의 상향 돌출 샤프트(31)가 상기 밸브 보디 연결 기어(55)의 하단부 홀(56)에 압입 체결된다. 상술한 바와 같이 상기 밸브 보디 연결 기어(55)의 샤프트의 상하 단부는 커버(42)와 베이스(45)에 지지된다.

상기 스텝 모터(80)의 모터 축선(ML), 제1, 제2, 제3 연결 기어(60, 63, 67)의 기어 축선(RL1, RL2, RL3), 밸브 보디 연결 기어(55)의 기어 축선(CL), 및 밸브 보디(24)의 회전 축선(CL)은 모두 Z축과 평행하고 서로 평행하다. 그리고, 상기 로터 코어(94)의 기어부(97), 제1, 제2, 및 제3 연결 기어(60, 63, 67)의 기어 휠, 및 밸브 보디 연결 기어(55)의 기어 휠은 모두 평기어(spur gear)이다.

스텝 모터(80)의 로터(90)가 회전하여 로터 코어(94)의 기어부(97)가 회전하면, 기어부(97)에 치합된 제1 연결 기어(60)의 메인 기어 휠(62)이 종동 회전하고, 상기 제1 연결 기어 메인 기어 휠(62)에 고정된 제1 연결 기어(60)의 서브 기어 휠(63)이 함께 회전하고, 상기 제1 연결 기어 서브 기어 휠(63)에 치합된 제2 연결 기어(63)의 메인 기어 휠(65)이 종동 회전하고, 상기 제2 연결 기어 메인 기어 휠(65)에 고정된 제2 연결 기어(63)의 서브 기어 휠(66)이 함께 회전하고, 상기 제2 연결 기어 서브 기어 휠(66)에 치합된 제3 연결 기어(67)의 메인 기어 휠(69)이 종동 회전하고, 상기 제3 연결 기어 메인 기어 휠(69)에 고정된 제2 연결 기어(67)의 서브 기어 휠(70)이 함께 회전하고, 상기 제3 연결 기어 서브 기어 휠(70)에 치합된 밸브 보디 연결 기어(55)의 기어 휠이 종동 회전한다. 그리고, 상기 밸브 보디 연결 기어(55)의 샤프트에 동축(同軸) 체결된 밸브 보디(24)가 밸브 보디 연결 기어(55)의 회전 방향, 회전 각도, 및 회전 속도와 같은 회전 방향, 회전 각도, 및 회전 속도로 회전한다.

이상에서 설명한 로터리식 3방향 밸브(10)는, 정류자로서 브러시(brush)를 포함하는 직류 모터를 사용하지 않고, 브러시가 없는 스텝 모터(80)를 사용한다. 따라서, 직류 모터에서 발생하는 소음, 즉 브러시와 정류자편이 마찰하면서 발생하는 소음과 같은 모터 작동 소음이 감소된다.

상기 로터리식 3방향 밸브(10)에 구비된 스텝 모터(80)는 모터 축선(ML) 방향의 높이가 낮은 납작한 형태이고, 스텝 모터(80)의 스테이터(81)와 로터(90)를 동력 전달 기어(55, 60, 63, 67)와 PCB(72)로부터 밀봉 격리하는 별도의 스텝 모터 하우징을 구비하지 않는다. 따라서, 상기 로터리식 3방향 밸브(10)는 콤팩트(compact)하게, 구체적으로 낮은 높이를 갖도록 설계하기 용이하다.

상술한 바와 같이 상기 로터리식 3방향 밸브(10)에서 스텝 모터(80)의 모터 축선(ML), 동력 전달 기어(55, 60, 63, 67)의 기어 축선(CL, RL1, RL2, RL3), 및 밸브 보디(24)의 회전 축선(CL)이 모두 서로 평행하므로 모든 기어에 평기어를 적용할 수 있다. 이에 따라, 밸브 보디(24)의 동작에 에러(error)가 발생하는 경우 작업자가 로터리식 3방향 밸브(10)를 쉽게 점검하고 재작동할 수 있다. 부연하면, 밸브 보디(24)의 동작에 에러가 발생한 경우 작업자는 전원 공급 및 유체 공급을 차단하고 밸브 액추에이터(40)의 동력 전달용 부품들을 하나하나 분해하고 다시 조립하는 것 대신에, 동력 전달용 부품이 조립된 상태에서 손 또는 도구를 이용하여 밸브 보디(24)를 수동으로 회전시키는 것만으로 쉽게 로터리식 3방향 밸브(10)를 재작동시킬 수 있다. 또는, PCB(72)의 메모리(memory)에 밸브 보디의 동작 에러 발생시 스텝 모터의 대응 동작에 대한 프로그램(program)이 저장되어 있으면, 밸브 보디(24)의 동작 에러 발생시 작업자가 밸브 보디(24)를 수동 회전시키지 않더라도 상기 프로그램에 의해 밸브 보디(24)가 특정 회전 각도, 예컨대, 초기 각도(default angle)로 복귀하게 된다. 결과적으로, 상기 로터리식 3방향 밸브(10)를 이용한 작업의 속도 및 능률이 향상된다.

한편, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 로터리식 3방향 밸브(10)는 2개의 인렛 포트(15, 17)와 1개의 아웃렛 포트(20)를 구비하는 것이나, 본 발명의 로터리식 3방향 밸브가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 1개의 인렛 포트와 2개의 아웃렛 포트를 구비하는 로터리식 3방향 밸브도 본 발명에 속할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 로터리식 3방향 밸브 11: 밸브 하우징
24: 밸브 보디 34: 밸브 캡
40: 밸브 액추에이터 41: 케이스
72: PCB 80: 스텝 모터

Claims

중앙에 내부 공간이 마련되고, 상기 내부 공간과 유체 이동 가능하게 연결되는 3개의 포트(port)를 구비한 밸브 하우징(valve housing); 상기 밸브 하우징의 내부 공간에 회전 가능하게 배치된 것으로, 회전 각도에 따라 상기 3개의 포트를 연계하여 개폐하는 밸브 보디(valve body); 및, 상기 밸브 보디가 회전하도록 회전 동력을 생성 전달하고 상기 밸브 보디의 회전 각도를 제어하는 밸브 액추에이터(valve actuator);를 구비하고,
상기 밸브 액추에이터는, 케이스(case)와, 상기 케이스 내부에 설치된 것들로서, 회전 동력을 생성하는 브러시리스 스텝 모터(brushless step motor), 상기 스텝 모터에서 생성된 회전 동력을 상기 밸브 보디에 전달하는 복수의 동력 전달 기어(gear)들, 및 상기 스텝 모터의 동작을 제어하는 제어 회로가 형성된 PCB(printed circuit board)를 구비하고,
상기 스텝 모터는 모터핀에 지지되는 로터와, 상기 로터 주변에 배치된 스테이터를 구비하고,
상기 스테이터는 상기 로터를 에워싸도록 배치된 스테이터 프레임과, 상기 스테이터 프레임에서 상기 로터를 향하여 연장된 3개의 계자 철심에 권선되는 코일을 구비하고, 상기 3개의 계자 철심은 모터 핀을 중심으로 등각도 간격으로 배치되고,
상기 로터는 상기 모터 핀에 지지되는 로터 코어와, 상기 로터 코어 외주부에 고정된 링 형상의 영구자석을 구비하고,,
상기 동력 전달 기어들은, 상기 로터의 기어부에 치합되어 상기 로터의 회전에 종동 회전하는 제1 연결 기어, 상기 제1 연결 기어에 치합되어 상기 제1 연결 기어의 회전에 종동회전하는 제2 연결 기어, 제2 연결 기어에 치합되어 상기 제2 연결 기어의 회전에 종동회전하는 제3 연결 기어, 및 제3 연결 기어에 치합되어 상기 제3 연결 기어의 회전에 종동회전하는 밸브 보디 연결 기어를 구비하고,
상기 스텝 모터의 모터 축선, 상기 케이스 내부의 제1 연결 기어의 축선, 제2 연결 기어의 축선, 제3 연결 기어의 축선 및 밸브 보디 연결 기어의 기어 축선, 및 상기 밸브 보디의 회전 축선은 모두 서로 평행하고,
상기 제1, 제2, 및 제3 연결 기어는 각각, 자신의 기어 축선을 따라 연장된 기어 핀(pin), 및 상기 기어 핀에 동축(同軸) 체결되고 외주면에 기어치가 형성된 한 쌍의 기어 휠(gear wheel)로서 상대적으로 직경이 큰 메인 기어 휠(main gear wheel)과 서브 기어 휠(sub gear wheel)을 구비하고,
상기 제1 연결 기어의 기어 핀은 상기 PCB를 관통하고, 상기 제1 연결 기어의 메인 기어 휠 및 서브 기어 휠은 상기 PCB의 위에 배치되며,
상기 로터 코어의 기어부, 상기 제1, 제2, 및 제3 연결 기어, 및 상기 밸브 보디 연결 기어는 평기어(spur gear)인 것을 특징으로 하는 로터리식 3방향 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 밸브 하우징 내부 공간에 상기 밸브 보디가 삽입되도록 상기 밸브 하우징의 상측은 개방되고,
상기 로터리식 3방향 밸브는, 상기 밸브 하우징의 개방된 상측을 폐쇄하는 밸브 캡(valve cap);을 더 구비하고,
상기 밸브 캡은 하향 돌출된 회전 가이드(guide)를 구비하고,
상기 회전 가이드는 상기 밸브 보디의 회전 축선이 상기 밸브 하우징 내부 공간에서 기울어지지 않도록 상기 밸브 보디의 상단부에 접촉되어 상기 밸브 보디의 회전을 안내하는 것을 특징으로 하는 로터리식 3방향 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 스텝 모터는, 상기 모터 축선을 중심으로 회전 가능한 것으로, 상기 적어도 하나의 동력 전달 기어 중 하나에 치합되는 기어부(gear portion)를 구비한 로터 코어(rotor core)와, 상기 로터 코어에 고정된 영구자석을 구비한 로터(rotor), 및 상기 로터의 주변에 배치되며 전기 에너지 공급에 의해 자화되는 스테이터(stator)를 구비하고,
상기 로터는 상기 자화된 스테이터와 상기 영구자석 간의 간섭에 의해 상기 모터 축선을 중심으로 회전하며,
상기 스테이터 및 상기 영구자석은 상기 PCB의 아래에 배치되고, 상기 로터 코어의 기어부는 상기 PCB의 위에 배치된 것을 특징으로 하는 로터리식 3방향 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 스텝 모터는, 상기 모터 축선을 따라 연장되고 상기 PCB를 관통하며 상기 케이스에 지지된 모터 핀(pin)을 더 구비하고,
상기 로터 코어는, 상기 모터 핀에 지지되는 원통형의 샤프트부(shaft portion), 및 상기 샤프트부에서 방사 방향(radial direction)으로 확장된 부분으로 외주면에 상기 영구자석이 고정 지지되는 플랜지부(flange portion)를 더 구비하고,
상기 로터 코어의 기어부는 상기 로터 코어의 샤프트부 상측에 마련되며 상기 모터 핀에 지지되는 것을 특징으로 하는 로터리식 3방향 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 밸브 보디는 상기 밸브 보디의 회전 축선을 따라 상향 돌출되고 다각형의 단면 형상을 갖는 상향 돌출 샤프트(shaft)를 구비하고,
상기 적어도 하나의 동력 전달 기어에는 상기 상향 돌출 샤프트에 연결되는 밸브 보디 연결 기어가 포함되고,
상기 밸브 보디 연결 기어는, 상기 상향 돌출 샤프트의 다각형 단면 형상에 대응되는 다각형 단면 형상의 하단부 홀(hole)이 형성된 샤프트를 구비하고,
상기 밸브 보디 연결 기어의 하단부 홀에 상기 상향 돌출 샤프트가 압입되며,
상기 케이스는 분리 가능하게 결합되는 베이스(base)와 커버(cover)를 구비하고, 상기 베이스에는 상기 상향 돌출 샤프트가 관통하는 샤프트 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 로터리식 3방향 밸브.
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제5 항에 있어서,
제1, 제2, 및 제3 연결 기어의 기어 핀(pin)의 양 단부, 및 상기 밸브 보디 연결 기어의 샤프트의 양 단부는 상기 베이스 및 커버에 지지되는 것을 특징으로 하는 로터리식 3방향 밸브.
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