KR102205609B1

KR102205609B1 - 이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브

Info

Publication number: KR102205609B1
Application number: KR1020190117172A
Authority: KR
Inventors: 김한술; 김형진
Original assignee: (주)솔텍
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-01-21

Abstract

본 발명 이중 코일 구조의 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 하방에 구비되어 전원 인가 시 자화된 코어 측으로 수직 이동되는 플런저; 상기 플런저 둘레에 구비되어 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 밀어 탄성 지지하는 리턴 스프링; 상기 플런저 하단부에 구비되어 플런저의 수직이동에 따라 유로를 선택적으로 개방하는 메인 밸브 및 밸브 씰; 및 상기 밸브 씰에 의해 압입 폐쇄된 상태로 전원 인가 시 밸브 씰의 상승에 따라 선택적으로 유로가 개방되는 밸브 시트;를 포함하여 구성되며, 상기 보빈에는 제1 직경을 갖는 제1 코일 및 상기 제1 코일 위에 제2 직경을 갖는 제2 코일이 겹쳐진 구조의 이중 코일이 구비되되, 상기 제1 및 제2 코일은 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브 {High pressure solenoid valve with dual coil structure}

본 발명은 고압 솔레노이드 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소와 같은 고압 기체의 온오프(On-Off) 제어에 이용되는 고압 솔레노이드 밸브의 구조를 이중 코일 구조로 개선함과 함께 장시간 작동하여도 발열에 의한 오작동이나 열적 데미지가 최소화되며, 솔레노이드 밸브의 크기가 축소된 컴팩트한 구성을 가지면서도 내구성이 획기적으로 개선되는 이중 코일 구조를 갖는 고압 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 온오프(On-Off) 또는 비례제어 솔레노이드 밸브는, 수소 봄베에 장착되어 연료전지로 수소를 공급 또는 차단하거나 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.

종래 일반적인 솔레노이드 밸브에서는 단일 코일을 사용하여 플런저를 구동한다.

그러나, 수소 등의 고압 유체에 이용되는 고압 솔레노이드 밸브의 경우에는 고압에 의해 눌러져 밸브가 폐쇄된 상태에서 플런저를 구동시켜 고압을 극복하고 밸브를 개방하기 위해서는 초기 구동 시 큰 전자기력이 필요하게 되고, 이에 따라 전자기력을 충분히 확보하기 위해 솔레노이드의 크기를 크게 해야만 했다.

하지만 최근 수소 자동차 등의 소형경량화 요구가 증가함에 따라 솔레노이드 밸브도 소형 경량화에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 솔레노이드 밸브를 소형경량화하기 위해 결국 솔레노이드의 크기를 작게 하는 것이 필요한데 이 때에도 고압을 제어할 수 있는 큰 힘은 유지해야만 한다.

이를 위해 종래에는 직경이 큰 코일을 사용함으로써 코일의 저항을 낯춰 큰전류가 흐르게 함으로써 큰 힘을 발생시키는 방법이 시도되고 있다. 그러나, 상기와 같이 직경이 큰 코일을 이용하면 코일의 저항이 낮아지므로 높은 전류가 흘러 일단 전자기력은 증대되나, 코일에 흐르는 높은 전류에 따른 발열량이 증가되어 이로 인해 결국에는 코일의 절연 피막 파손으로 쇼트가 발생되고, 이로 인해 컨트롤러와 같은 회로상의 타 부품 손상이나 나아가 화재 등의 심각한 안전사고를 유발할 수 있는 문제점이 있었다.

한편, 상기 단일 코일의 다른 대안으로 솔레노이드의 코일을 이중으로 구성하고, 초기 밸브의 구동과 초기 구동 후 작동상태를 유지 시에 각각 다른 코일에 전류를 인가하는 방식의 이중 코일 구조의 솔레노이드 밸브가 개발된 바 있다.

이러한 이중 코일 구조 솔레노이드 밸브의 한가지 예가 한국등록특허 제0743919호(이하, ‘선행문헌’이라 함)에 상세히 개시되어 있다.

이하 첨부된 도 1을 참조하면, 선행문헌에 개시된 종래 이중 코일 구조의 솔레노이드 밸브는 원통형 이단인발 형상의 케이스(5) 내부에 보빈(8)이 동축상에 위치하고, 이 보빈(8)에 큰 전류에 해당되는 풀링 코일(10)과 낮은 전류에 해당되는 홀딩 코일(11)이 이중으로 감겨 있으며, 이 풀링 코일(10)과 홀딩 코일(11) 사이에 절연을 위한 절연 테이프(9)가 테이핑되어 있다. 상기 보빈(8) 내경부에 원통형상의 가이드(6)가 있고, 이 가이드(6) 내경부 상단에 이동 철심인 플런저(4)가 내입되며, 이 플런저(4) 상단 내경부에 로드(1)가 조립되어 있다.

상기 보빈(8) 하단부에는 고정 철심인 코어(16)가 결합되고, 이 코어(16)와 플런저(4) 하단부 사이에 스프링(12)이 장착되어 전원 비인가시 플런저(4)를 도면에서처럼 초기위치 상태로 유지시켜 준다.

그러나, 상기 선행특허에 개시된 종래 이중 코일 구조의 솔레노이드 밸브는 풀링 코일과 홀딩 코일에 별도의 컨트롤러를 사용하여 초기 구동 시에는 폴링 코일에만 전원을 인가하고, 초기 구동 후 동작유지 시에는 홀딩 코일에만 전원을 나누어서 인가하는 방식으로 이를 위해 별도의 컨트롤러를 구비해야만 하는 등 회로 구성이 복잡해 질 뿐만 아니라 밸브의 크기도 커지는 문제점이 있었다.

또한 초기 구동을 위해 제어 시 폴딩 코일에만 단독으로 전원이 인가됨에 따라 상기 폴딩 코일에 발열이 일어나기 쉽고, 상기 발열로 인해 코일의 절연피복이 손상되어 쇼트에 의해 오동작이 발생되거나 화재 등 안전사고의 우려가 여전히 남아있어 개선이 시급한 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 솔레노이드의 크기를 줄여 컴팩트한 구성을 가지면서도 고압 환경에서 초기 구동을 위한 피크(Peak) 모드에서 큰 힘을 발휘함과 함께 초기 구동 후에는 안정적으로 홀드(Hold) 모드로 전환되며, 이로 인해 과전류에 의한 솔레노이드의 손상, 오작동, 코일의 발열 및 화재 등 안전사고 문제를 미연에 방지할 수 있는 고압 솔레노이드 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예에 따라, 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 하방에 구비되어 전원 인가 시 자화된 코어 측으로 수직 이동되는 플런저; 상기 플런저 둘레에 구비되어 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 밀어 탄성 지지하는 리턴 스프링; 상기 플런저 하단부에 구비되어 플런저의 수직이동에 따라 유로를 선택적으로 개방하는 메인 밸브 및 밸브 씰; 및 상기 밸브 씰에 의해 압입 폐쇄된 상태로 전원 인가 시 밸브 씰의 상승에 따라 선택적으로 유로가 개방되는 밸브 시트;를 포함하여 구성되며, 상기 보빈에는 제1 직경을 갖는 제1 코일 및 상기 제1 코일 위에 제2 직경을 갖는 제2 코일이 겹쳐진 구조의 이중 코일이 구비되되, 상기 제1 및 제2 코일은 전기적으로 직렬 연결된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 제2 코일의 직경이 제1 코일의 직경보다 크게 형성된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 코일의 직경은 각각 0.5mm 이하로 형성된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 또는 제2 코일 중 어느 하나에는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자가 병렬 결합되어 상기 PCT 소자의 저항 변화에 따라 인가되는 전류가 제어된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 PTC 소자는 보빈의 상단부에 일체로 설치된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 PTC 소자는 제1 코일에 병렬 연결되고, 상기 PTC 소자 및 제1 코일의 출력단은 제2 코일에 직렬 연결된다.

또한 바람직한 실시예에 따라, 상기 PTC 소자는 코일 피복이 절연파괴가 시작되는 온도와 같은 특정 작동환경 온도 이하의 큐리온도를 갖는다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 플런저 내부에는 하단으로부터 상방을 따라 일정 깊이로 공간부가 형성됨과 함께 상기 공간부에는 파일럿 밸브 구조체가 삽입된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 파일럿 밸브 구조체는, 플런저의 공간부 상단에 하방을 향해 고정 설치되는 파일럿 밸브 시트; 및 내부에 중공의 유로가 형성됨과 함께 상기 유로의 상단부를 구성하는 파일럿 밸브 오리피스가 상기 파일럿 밸브 시트의 저면에 압입 폐쇄된 상태로 전원 인가 시 선택적으로 개방되는 파일럿 밸브;를 포함한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 솔레노이드의 크기를 줄여 컴팩트한 구성을 가지면서도 고압 환경에서 초기 구동을 위한 피크(Peak) 모드에서 큰 힘을 발휘함과 함께 초기 구동 후에는 안정적으로 홀드(Hold) 모드로 자동 전환되므로 과전류에 의한 오작동, 코일의 발열 및 이로 인한 화재 등의 안전사고 발생을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 온오프 솔레노이드 밸브의 일 실시예를 보인 단면도
도 2는 본 발명 이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브의 전체적인 외관을 보인 예시도
도 3은 도 2의 요부 확대도
도 4a는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 전원 오프 상태에서의 작동 상태도
도 4b는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 전원 온 상태에서의 작동 상태도
도 5a는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 초기 구동 시 피크(Peak) 모드에서의 제어 회로도
도 5b는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 초기 구동 후 홀드(Hold) 모드에서의 제어 회로도

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 이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브의 구성 및 작동 관계를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브의 전체적인 외관을 보인 단면도이고, 도 3은 도 2의 요부 확대도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 구성은 먼저 일정길이 및 단면 형상을 갖는 봉상의 코어(Core, 540)의 내부에 중공(540a)이 형성된 구조를 갖는다. 상기 코어(540)는 솔레노이드 밸브에서 전류 인가 시 자화되어 후술할 하방의 플런저(Plunger, 600)를 상방으로 이동시키는 역할을 하는 부품이다.

또한 상기 코어(540)의 상부 및 측면, 하부를 완전히 감싸도록 밸브 가이드(Valve guide, 560)가 끼워져 결합되는데, 이 때 상기 밸브 가이드(560)는 코어(540)를 완전히 감싸 밀폐된 구조를 가지므로 수소와 같은 유체의 고압에도 견딜 수 있게 되며, 또한 코어(540) 내부의 높은 기밀성이 유지되도록 한다.

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

여기서, 상기 솔레노이드 코일은 이중 코일 구조를 갖는 바, 이하 상기 솔레노이드 코일의 구성을 일 실시예에 따라 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저 상기 보빈(520)의 안쪽에는 제1 직경(코일 한 가닥의 직경)을 갖는 제1 코일(531)이 감겨지고, 상기 제1 코일(531) 위에는 제2 직경(코일 한 가닥의 직경)을 갖는 제2 코일(532)이 겹쳐진 구조로 감겨져 이중 코일 구조를 형성하되, 상기 제1 및 제2 코일(531, 532)은 전기적으로 직렬로 연결된다.

이 때, 상기 제1, 2 코일(531, 532)의 직경(코일 한 가닥의 직경)은 큰 전자기력을 발생시키면서도 너무 큰 전류가 흘러 코일이 발열되어 상기 발열로 인한 문제가 발생되지 않도록 대략 0.5mm 이하로 형성될 수 있다.

보다 구체적으로는, 일 실시예에 따라, 상기 제1 코일(531)의 직경은 0.3mm, 저항값은 8.5Ω을 갖고, 제2 코일(532)은 제1 코일(531)의 직경보다 더 큰 0.45mm, 저항값은 1.5Ω을 갖도록 설정할 수 있다.

한편, 상기 보빈(520)의 상단부에는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(900)가 일체로 설치되는데, 상기 PTC 소자(900)는 제1 코일(531)에 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결된 PTC 소자(900) 및 제1 코일(531)의 출력단에는 제2 코일(532)이 다시 직렬 연결된 구조를 갖는다. (도 5a, b 참조)

일반적으로 상기 PTC 소자(900)는 일정 온도(큐리온도)에 도달하면 상전이(Phase Transition)에 의해 급격히 저항값이 증가하는 성질을 갖는데, 본 발명에서는 이러한 PTC 소자의 특성 중 전류-시간특성(I-T)을 이용하여 상기 PTC 소자(900)에 일정값 이상의 전류가 흐르면 주울(Joule)열에 상당하는 자기발열에 의해서 저항값이 급격히 증가하여 전류를 제한하도록 구성된다.

일 실시예에 따라, 본 발명에서는 상기 PTC 소자(900)는 약 2.2Ω의 초기 저항값을 갖는다. 또한 상기 PTC 소자(900)는 코일 피복이 절연파괴가 시작되는 온도(예컨대, 150℃)와 같은 특정 작동환경 온도 이하의 큐리온도를 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상기 보빈(520)과 코일(530), 요크(510)의 둘레에는 전체적으로 자기 회로를 구성하는 자성체의 커버(Cover, 420)가 감싸지고, 상기 커버와 요크(510) 외곽부에는 다시 플라스틱 사출물인 오버몰드(Over mold, 410)가 전체적으로 완전히 감싸져 밸브의 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) 에 단단하게 고정한다.

이 때, 상기 코어(540)의 중공(540a)은 밸브 내로 공급된 고압의 유체가 충전되는 공간부로서, 그 틈새로 특정량 이하의 유체 누설이 되도록 직경이 정밀하게 설정된다.

한편, 상기 코어(540)의 중공(540a)을 통해 누설된 유체는 플런저(600)의 외경과 밸브 가이드(560) 사이의 틈새로 누설되며, 상기 플런저(600)의 중단부에는 상기 누설된 유체가 플런저(600) 내부 공간부(600a)로 유입될 수 있도록 누설공(600b)이 형성된다.

이 때, 상기 플런저(600) 내부 공간부(600a)의 최상단에는 파일럿 밸브 시트(700)가 하방을 향해 고정 결합되며, 상기 파일럿 밸브 시트의 하방에는 파일럿 밸브(720)가 삽입된 상태로 상기 파일럿 밸브의 최상단이 돔(Dome) 형상의 구조를 가지며, 상기 돔 형상의 중앙부에 형성된 파일럿 밸브 오리피스(721)가 상기 파일럿 밸브 시트(700)에 압입됨으로써 유로가 폐쇄된다.

또한 상기 파일럿 밸브(720)의 중단부에는 요홈(부호 미표기)이 형성됨과 함께 상기 요홈에는 플런저(600)를 관통하여 걸림핀(740)이 끼워지고, 상기 플런저의 외향지게 절곡된 끝단부와 밸브 가이드(560) 사이에는 리턴 스프링(610)이 개재되어 있음에 따라 상기 리턴 스프링(610)이 플런저(600) 및 이와 걸림핀(740)에 의해 결속된 파일럿 밸브(720)를 하방(밸브 밀폐 방향)으로 탄력적으로 밀어 지지하게 된다.

이 때, 도 3에서와 같이 전원이 오프(Off)된 상태에서 상기 걸림핀(740)과 파일럿 밸브(720)의 요홈 간에는 파일럿 밸브 스트로크(Pilot valve stroke)만큼 일정한 간격을 유지한다.

또한 상기 파일럿 밸브(720)의 하단부에는 메인 밸브(710)가 일체로 결합되고, 상기 메인 밸브(710)의 하단부에는 밸브 씰(620)이 구비됨과 함께 상기 밸브 씰의 하방에는 밸브 시트(570)가 구비되어 있음에 따라 결국 리턴 스프링(730)의 반발력에 의해 상기 밸브 씰(620)도 하방으로 누르게 된다. 이에 따라 상기 밸브 씰에 의해 밸브 시트(570)의 중앙부에 형성된 메인 밸브 오리피스(571)가 압입됨으로써 유로가 폐쇄된 상태이다.

이 때, 상기 밸브 씰(620)의 구성을 보다 자세히 살펴보면, 먼저 메인 밸브(710)의 하단 중공(710a) 주위를 감싼 고무 또는 우레탄 등의 고탄성재로 이루어진 제1 씰부(621)와, 상기 제1 씰부의 둘레를 감싸 고정하는 PEEK, PTFE 등의 고내열성 수지류로 이루어진 제2 씰부(622)로 구성된다. 이에 따라 고탄성을 가지는 제1 씰부(621)가 밸브 시트(570)를 탄력적으로 압입함에 따라 기밀성이 향상되는 한편, 내구성을 갖는 제2 씰부(622)가 밸브 시트(570)에 추가적으로 압박됨에 따라 상기 제1 씰부(621)와 제2 씰부(622)에 의한 이중 씰링 구조에 의해 밸브의 기밀성 및 내구성이 대폭 향상된다.

또한 상기 플런저(600)의 상방에는 스토퍼(550)가 고정 설치되어 있어서, 전원 인가 시 플런저(600)가 전자력에 의해 상승할 때 플런저의 최대 상승높이를 차단하게 된다.

또한 밸브 바디(500)의 측면 중단부 둘레에는 수소 등 고압 유체가 유입될 수 있도록 적어도 하나 이상의 공급홀(501)이 형성됨과 함께 하단면에는 배출홀(502)이 형성되어 있어서, 상기 공급홀(501)을 통해 수소 등 고압 유체를 공급하고 밸브의 개폐 동작을 제어함에 따라 배출홀(502)을 통한 고압 유체의 배출량을 제어하게 된다.

또한 상기 밸브 시트(570)의 상단 외주면에는 나사가 형성되거나 강제 압입되도록 구성됨에 따라 밸브 가이드(560)의 하단에 끼워져 나사 결합되거나 압입되며, 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(도면 미도시)이 구비된다.

이하 첨부된 도 4를 참조하여 본 발명 이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브의 작동 관계에 대해 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명 고압 솔레노이드 밸브는 수소 등 고압 유체의 압력이 밸브가 닫히는 방향으로 작용하는 상시 닫힘형 타입(Normal Close Type)의 솔레노이드 밸브로서, 예컨대, 12V 직류 전원을 인가하여 밸브를 온오프(On-Off) 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 이중 코일 구조의 솔레노이드에 의한 밸브의 온오프 제어 동작관계에 대해서는 후술하는 도 5에서 자세하게 설명하기로 한다.

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 4a는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브에 전원이 오프된 상태에서의 작동 상태도이다.

도 4a를 참조하여 먼저 본 발명 고압 솔레노이드 밸브가 폐쇄(솔레노이드 밸브가 닫힌 상태)된 상태를 살펴보면, 이 때 밸브가 온오프 제어 상태인 경우 코일(530)에 인가되는 전압이 없으며, 코어(540)와 플런저(600)에 어떠한 전자력도 발생하지 않은 상태이다.

그러므로 상기와 같이 전원이 오프된 상태에서는 코어(540)와 플런저(600) 사이에 구비된 리턴 스프링(730)의 반발력만이 존재하므로 상기 스프링의 반발력에 의해 플런저(600)와 파일럿 밸브(720), 메인 밸브(710)가 밸브 시트(570) 쪽으로 눌려 전진되고, 이에 따라 상기 메인 밸브(710)의 하단에 결합된 밸브 씰(620)이 그 하방에 지지된 밸브 시트(570)의 메인 밸브 오리피스(571)를 하방으로 눌러 유로가 폐쇄된 상태가 된다.

즉, 리턴 스프링(730)의 반발력에 의해서 결국 상기 메인 밸브(710)의 하단부에 결합되어 있는 밸브 씰(620)이 밸브 시트(570)의 메인 밸브 오리피스(571) 상면을 눌러 유로를 폐쇄함으로써 결국 메인 밸브(710)의 유로가 완전히 차단된 상태가 된다.

이 때, 상기 플런저(600)의 상면에는 상기 리턴 스프링(730)의 반발력뿐만 아니라, 밸브 시트(570)의 메인 밸브 오리피스(571)를 기준으로 상방의 고압부(공급압)와 하방의 저압부(제어압) 간의 압력 차에 의한 힘(즉, 밸브 시트(570)의 메인 밸브 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 밸브 씰(620)을 하방으로 누름으로써 메인 밸브(710)의 유로를 상시(전원 오프 시)에 견고하게 폐쇄하는 상태가 된다.

한편, 각 부품들을 조립한 후 나사 조정이나 압입 깊이 조정에 의한 밸브 시트(570)의 위치를 승하강시킴으로써 플런저(600)의 위치와 메인 밸브 스프링(610)의 압축력 조정이 가능하게 되어 솔레노이드 밸브의 기밀 특성이나 제어 특성 등이 조정가능하게 된다.

도 4b는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 전원 온(On) 상태에서의 작동 상태도이다.

도 4b에서와 같이 전원 공급 터미널(800)을 통하여 솔레노이드 코일(530)에 전원이 인가되면 상기 코일(530)에 의해 코어(540)와 플런저(600)가 자화되면서 강한 자력이 발생되고, 이에 따라 플런저(600)는 고정된 코어(540) 쪽으로 리턴 스프링(730)을 압축시키며 급격히 상방으로 이동된다.

이 때, 플런저(600)를 상방으로 이동시키기 위해 플런저(600)에 작용하는 전자력은 리턴 스프링(730)의 압축에 대한 반발력 및 파일럿 밸브(720)의 파일럿 밸브 오리피스(721) 단면적에 작용하는 차압(공급압-제어압)에 의해 누르는 힘의 합보다 커야 한다.

일단 상기 플런저(600)가 상방으로 이동되면 플런저(600)의 요홈 및 상기 요홈에 의해 구속된 걸림핀(740)도 상방으로 이동되게 되는데, 이 때 상기 플런저(600)의 요홈 및 걸림핀(740) 사이에는 파일럿 밸브 스트로크(Pilot valve stroke, 도 3 참조)만큼 간격이 있으므로 플런저 및 걸림핀이 상승하더라도 파일럿 밸브(720) 및 메인 밸브(710)는 그대로 있고 플런저(600) 및 걸림핀(740)만 파일럿 밸브 스트로크만큼 상승되면서 이 때 파일럿 밸브 시트(700)도 상방으로 살짝 들어 올려짐으로써 결국 파일럿 밸브 오리피스(721)의 유로가 개방된다.

이에 따라 플런저(600)의 상면 및 내부 공간부(600a)에 작용하던 고압(공급압)의 유체가 파일럿 밸브 오리피스(721) 및 하부 중공(710a), 그리고 메인 밸브 오리피스(571)을 통하여 하방으로 배출됨으로써 결국 메인 밸브(710) 및 밸브 씰(620)을 강하게 누르던 고압(공급압)의 분위기가 해소된다.

즉, 상기 플런저(600)의 이동에 따라 파일럿 밸브 시트(700)의 상승으로 파일럿 밸브(720)의 유로가 개방되고 파일럿 밸브 작동부에 작용하던 고압(공급압) 분위기가 해소되면 결국 상술한 바와 같이 플런저(600)를 하방으로 누르고 있던 메인 밸브 오리피스(571)의 단면적에 작용하던 고압(공급압)과 저압(제어압)의 압력차에 의한 힘이 해소됨으로써 결국 메인 밸브(710) 및 밸브 씰(620)도 함께 상방으로 플런저(600)에 연동및 압력차에 의하여 급격하게 들려짐으로써 결국 메인 밸브 오리피스(571)가 개방되어진다.

이하 첨부된 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 이중 코일 솔레노이드의 온오프 제어 작동관계에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 5a는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 초기 구동 시 피크(Peak) 모드에서의 제어 회로도이다.

상기 도 5a를 참조하면, 상기 밸브를 최초 개방 시에는 고압에 의해 눌려진 밸브를 강한 전자기력을 인가하여 개방하여야 하는데, 이때는 상기 이중 코일 구조의 솔레노이드가 피크(Peak) 모드에서 구동된다.

이 때, 병렬 연결된 제1 코일(531) 및 PTC 소자(900)에 일정 전압(예컨대, 12V)을 동시에 인가함에 따라 상기 제1 코일(531)의 저항값(예컨대, 8.5Ω) 및 PTC 소자(900)의 초기 저항값(예컨대, 2.2Ω)을 통해 병렬저항(R_병렬)은 다음과 같이 계산된다.

R_병렬 =

=

= 1.75Ω

그리고 상기 병렬저항(R_병렬)에 직렬 연결된 제2 코일(532)의 저항값(예컨대, 1.5Ω)을 더해 합성저항을 계산하면 회로의 피크(Peak) 저항은 최종적으로 3.25Ω가 도출된다.

다음으로 옴의 법칙(V=IR)에 의해 제2 코일(532) 출력단의 전류값(I₂)을 계산하면 약 3.69A가 도출된다. 이 때, 제1 코일(531) 출력단의 전류값(I₁)은 약 0.76A가 된다.

그러므로 상기 피크(Peak) 모드에서는 제1 코일(531)과 제2 코일(532)에 각각 0.76A(I₁)와 3.69A(I₂)의 전류가 작용하여 상기 제1, 2 코일(531, 532) 모두에서 동시에 전자기력이 발생되므로 큰 힘이 발생되고, 따라서 앞서 도 4에서 살펴본 바와 같이 상기 제1, 2 코일(531, 532)의 전자기력을 합한 힘에 의해 고압에 의해 눌려있던 플런저(4)가 상승되면서 결국 밸브가 개방(On)되는 것이다.

한편, 도 5b는 본 발명 고압 솔레노이드 밸브의 초기 구동 후 홀드(Hold) 모드에서의 제어 회로도이다.

상기 도 5b를 참조하면, PTC 소자(900)에 일정시간 전류가 흘러 소자가 발열되면 큐리온도에 도달하게 되고, 상기 PTC 소자(900)가 큐리온도에 도달한 경우 상기 PTC 소자(900)의 저항값(R_PTC)은 무한대(∞)로 증가된다. 즉, 상기 PTC 소자(900)는 도 5b의 회로도에서처럼 단선된 것과 같은 상태가 된다.

이 때, 회로도 상에서 상기 PTC 소자(900)를 단선된 상태라고 가정하면 제1 코일(531)과 제2 코일(532)은 직렬 연결된 상태와 같아지게 되므로 상기 제1 코일(531)의 저항값(R₁=8.5Ω)과 제2 코일(532)의 저항값(R₂=1.5Ω)을 더한 회로의 홀드(Hold) 저항값은 최종적으로 10Ω이 된다.

그러므로, 상기한 홀드 모드에서 제2 코일(532) 출력단의 전류값(I₂)은 옴의 법칙에 의해서 약 1.2A로 감소하게 된다. 이 때, 제1 코일(531) 출력단의 전류값(I₁)도 약 1.2A가 된다.

그러므로 상기 홀드 모드에서는 제1 코일(531)과 제2 코일(532)에 각각 1.2A의 전류가 작용하여 상기 제1, 2 코일(531, 532)에서는 피크(Peak) 모드에서보다 작은 전자기력이 발생되므로 상기 작은 전자기력만을 이용하여 초기 구동 후 작동유지 상태인 홀드 모드에서 솔레노이드 밸브를 충분히 온오프(On-Off) 제어할 수가 있게 된다.

이에 따라 상기 솔레노이드의 제1, 제2 코일(531, 532)에 과전류가 인가됨이 방지되므로 불필요한 발열을 최소화하여 상기 발열에 따른 쇼트 등의 오작동, 솔레노이드의 손상 또는 화재 등의 안전사고를 방지할 수가 있게 되는 것이다.

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 531: 제1 코일
532 : 제2 코일 540 : 코어
550 : 스토퍼 560 : 밸브 가이드
570 : 밸브 시트 600 : 플런저
620 : 밸브 씰 700 : 파일럿 밸브 시트
710 : 메인 밸브 720 : 파일럿 밸브
730 : 리턴 스프링 740 : 걸림핀
800 : 터미널 900 : PTC 소자

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 하방에 구비되어 전원 인가 시 자화된 코어 측으로 수직 이동되는 플런저;
상기 플런저 둘레에 구비되어 유로를 폐쇄하는 방향으로 상기 플런저를 밀어 탄성 지지하는 리턴 스프링;
상기 플런저 하단부에 구비되어 플런저의 수직이동에 따라 유로를 선택적으로 개방하는 메인 밸브 및 밸브 씰; 및
상기 밸브 씰에 의해 압입 폐쇄된 상태로 전원 인가 시 밸브 씰의 상승에 따라 선택적으로 유로가 개방되는 밸브 시트;를 포함하여 구성되며,
상기 보빈에는 제1 직경을 갖는 제1 코일 및 상기 제1 코일 위에 제2 직경을 갖는 제2 코일이 겹쳐진 구조의 이중 코일이 구비되되 상기 제1 및 제2 코일은 전기적으로 직렬 연결되고,
상기 제1 또는 제2 코일 중 어느 하나에는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자가 병렬 결합되어 상기 PTC 소자의 저항 변화에 따라 인가되는 전류가 제어되고,
상기 플런저 내부에는 하단으로부터 상방을 따라 일정 깊이로 공간부가 형성됨과 함께 상기 공간부에는 파일럿 밸브 구조체가 삽입되되,
상기 파일럿 밸브 구조체는,
플런저의 공간부 상단에 하방을 향해 고정 설치되는 파일럿 밸브 시트; 및
내부에 중공의 유로가 형성됨과 함께 상기 유로의 상단부를 구성하는 파일럿 밸브 오리피스가 상기 파일럿 밸브 시트의 저면에 압입 폐쇄된 상태로 전원 인가 시 선택적으로 개방되는 파일럿 밸브;를 포함하고,
상기 플런저의 상방에는 스토퍼가 고정 설치되어 있음에 따라 전원 인가 시 전자력에 의해 플런저가 상승할 때 상기 플런저의 최대 상승높이를 차단하며,
상기 코일에 전원이 인가되지 않은 상태(상시)에서 플런저의 상방으로 유입된 수소 등 고압 유체가 플런저 및 파일럿 밸브 시트를 하방으로 눌러 상기 수소 등 고압 유체의 압력에 의해 밸브가 상시 닫힘형 타입(Normal Close Type)으로 작용하는 것을 특징으로 하는,
이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 코일의 직경이 제1 코일의 직경보다 큰,
이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 코일의 직경은 각각 0.5mm 이하인,
이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브.
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제 1 항에 있어서,
상기 PTC 소자는 보빈의 상단부에 일체로 설치되는,
이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 PTC 소자는 제1 코일에 병렬 연결되고, 상기 PTC 소자 및 제1 코일의 출력단은 제2 코일에 직렬 연결되는,
이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브.
제 1 항에 있어서,
상기 PTC 소자는 코일 피복이 절연파괴가 시작되는 온도와 같은 특정 작동환경 온도 이하의 큐리온도를 갖는,
이중 코일 구조를 갖는 고압 솔레노이드 밸브.
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