KR102613654B1 - 컴팩트 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체의 순환을 제어하기 위한 밸브로서, 밸브 본체(2)와, 고정자 및 로터로 구성된 전기 모터, 니들, 밀봉 벨, 및 고정 스크류 또는 고정 너트를 포함하는 하우징을 가지고, 상기 고정 스크류 또는 상기 고정 너트는 상기 밸브 본체에 고정되고, 상기 고정자는 상기 하우징을 통해 밸브 본체에 고정되며, 상기 밀봉 벨은 스크류/너트 방식으로 상기 로터와 상기 고정자 사이의 계면에 위치되고, 상기 로터와 상기 니들은 상기 벨 내에 있으며, 상기 유체에 침지되고, 상기 고정자는 상기 유체로부터 격리되며, 상기 로터는 너트 또는 스크류의 기능을 가지고, 상기 고정 스크류 또는 상기 고정 너트에 의해 부여되는 나선 방향 운동을 가지며, 상기 니들을 축 방향으로 구동시키고, 상기 모터는 방사 방향 주 자속을 갖는 브러시리스 다상 모터인 것을 특징으로 하는 제어 밸브에 관한 것이다.

Description

컴팩트 제어 밸브

본 발명은 공조(air conditioning) 회로의 압력 조절기 등에 사용되고, 브러시리스(brushless) 전기 모터에 의해 작동되는, 컴팩트 제어 밸브에 관한 것이다.

본 발명은 바람직하게는 공조 또는 배터리 냉각 회로용 흐름 제어 밸브 분야를 위한 것이지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 시스템의 특성은 열 전달 유체를 밀봉된 회로에서 유지할 필요성이 있는 것이다. 지속적으로 작동되도록 하면서 이러한 밀봉을 보장하기 위하여, 브러시리스 전기 모터 또는 일반적으로 모터의 고정자인 솔레노이드의 유체가 담겨있지 않은 고정 부품을 유체 회로에서의 움직이는 이동 부재로부터 밀봉된 비-자성(non-magnetic) 부재에 의해 분리시키는 것이 일반적이다. 그에 따라, 냉동 회로의 밀봉에 영향을 주지 않고, 유체의 흐름을 제어할 수 있게 된다. 이러한 조절 시스템은 매우 컴팩트하고 에너지 효율적이면서 제어가 매우 정확할 필요가 있고, 유체 회로의 다양한 기계적 구성에 적용될 수 있어야 한다.

새로운 환경 기준과, 명백한 편의성, 효율성 및 때로는 위험에 관련된 요구 때문에, 전체 공조 시스템의 관리에서 정밀도 및 안전에 대한 요구가 증가함에 따라, 이 팽창 밸브의 제어 니들(needle)의 위치에 대한 피드백에 대한 요청이 촉발되었다. 또한, 에너지 효율에 대한 요구 때문에, 제어 중에는 밸브의 활성 부분의 위치를 감지해야 할 필요성이 존재한다.

제어 중에 필요한 힘은 시스템의 체적에 비해 상대적으로 높으며, 열 전달 유체 회로가 폐쇄되고, 니들이 밸브 시트에 있을 때 최대가 된다. 니들의 가능한 잔류 변위에서, 힘은 감소하고, 유체 통로 섹션은 점점 커진다. 따라서, 최적화된 전기 소비를 위해 밸브의 활성 부분의 위치에 따라 힘을 조정하는 것이 이점이 있다.

마지막으로, 이러한 시스템은 산업 또는 주택 분야뿐만 아니라, 컴팩트한 통합이 필요한 자동차 분야에도 존재한다. 따라서, 액추에이터를 밸브 본체에 실용적이고 통합적으로 고정시킬 필요가 있다.

가장 오래된 문헌에서, 방사 방향 자속(radial flux) 전기 모터를 포함하는 팽창 밸브는 미국특허 제4650156호에 개시되어 있다. 로터 너트는 스크류-너트 시스템에 의해 유도되는 작동 중에 나선 방향으로 변위되며, 스크류 부분은 로터에 고정되고, 너트부는 열 전달 유체 회로에 고정되고 연결된다. 로터의 나선 방향 운동은 니들에 전달되는 선형 변위에 의해서만 유용하며, 기체 상(phase)을 통과해야 하는 유체의 흐름 및 결과적으로 시스템의 냉각 레벨을 제어 가능하도록 한다. 밀봉은 유체에 잠긴 고정자와 로터를 통합한 시스템에 의해 달성된다.

동일한 문헌에서, 로터의 축 길이는 고정자의 축 길이보다 짧다. 변위 동안, 자석을 지지하는 로터 부분은 고정자의 자기 전도성 물질에 대향하게 유지되어서, 전기 기계에 의해 생성된 토크는 전체 스트로크에 걸쳐 일정하게 유지된다. 따라서, 발생되는 힘은 액추에이터 스트로크에 걸쳐 일정하다. 이 실시예는 고정자의 축 방향 높이가 로터보다 크다는 사실 및 로터의 양 측에 대한 안내가 필요한 축 방향 치수의 관점에서 문제를 제기한다.

또한, 이 종래 기술에 관하여, 일본특허 제996210733호에는 열 전달 유체의 통과를 위한 기계 부품에 스크류를 통한 전기 부품 생성 변환의 직접 고정 방법이 개시되어 있다. 이는 소정 각도 위치에서 간단하고 자유로운 방식으로 전기 어셈블리의 설치를 허용하지만, 비-원형 형상을 갖는 직접 작동 솔레노이드에만 적용된다. 따라서, 치수 및 성능이 최적화된 것이 아니고, 기계적 기능의 축 방향 적층을 부여하는 연결 부품들의 존재가 여전히 어셈블리의 소형화를 저해한다.

보다 최근에는 미국특허공개 제2009/0294713호에서는 상술한 문제들을 해결하고자 모터의 로터 내에 고정 스크류 및 가이드를 도입하였으나, 횡 방향 자속을 갖는 모터의 사용이 어셈블리의 손상을 유발하였다. 횡 방향 자속 기계는 축 방향으로 중첩된 2개의 전기 위상들을 갖는다. 로터의 축 방향 변위는 각 위상에 의해 생성된 토크의 점진적인 불균형을 유도하여, 전체 토크의 규칙성 및 성능이 저하된다. 또한, 횡 방향 모터 위상의 적층은 축 방향 소형화에 불리한 점이 있다.

횡 방향 자속가 있는 모터에는 운동의 주 축에 평행한 축을 갖는 원형 토러스를 나타내는 두 개의 코일들이 있으며, 이 부분들은 스크류-너트 변환과 관련된다. 냉각제 유입구와 관련된 부분에 연결된 고정 스크류는 흐름 제어 니들이 통과할 수 있도록 주요 운동 축을 따라 회전체의 형태로 비어 있으며, 너트는 모터의 로터에 기계적으로 연결되어 있다. 팽창 밸브의 작동 중에 모터의 로터가 나선 방향으로 변위된다. 미국특허 제4650156호에 개시된 바와 같이, 로터의 축 길이는 고정자 부분의 축 길이보다 짧다는 점을 유의해야 한다.

보다 최근에, 미국특허 제9525373호에는 횡 방향 자속를 갖는 모터가 장착된 밸브와 관련된 각도 센서가 기술되었는데, 고정된 부분은 밀봉 벨을 둘러싸고 밸브의 축에 대해 동축인 토로이드형 회전축 형상을 나타내며, 측면에 출구를 갖는다. 그러나, 이 센서는 센서의 이동 부분과 액추에이터의 로터 부분 사이의 동기화의 손실에 의한 정지를 검출하는데만 유용하며, 로터의 절대적인 각도 위치의 측정을 위한 것은 아니다. 기술된 홀 효과 센서에 대한 모터 코일의 강한 영향이 주어짐에 따라, 센서 성능의 저하가 예상될 수밖에 없다.

이 장치들의 목적은 메카트로닉(mechatronic) 시스템을 유체 회로와 연관시킴으로써, 유체의 흐름 예를 들어 열 전달 유체를 선형으로 제어하는 것의 일반적인 문제를 해결하는 것이다.

그러나, 전술한 장치들은 항상 운동의 변형과, 전기 모터의 어느 한쪽에 축 방향으로 위치된 가이드 부재들을 가져 큰 축 방향 치수로 이르게 되는 구조, 또는 2개의 겹쳐진 코일들을 유도하는 횡 방향 자속(transverse flux) 전기 모터의 구성을 갖는다.

아날로그 위치 센서를 갖는 것, 즉 변위에 비례하는 정보를 제공하는 것의 축면에서, 횡 방향 자속을 갖는 모터를 사용하는 것은, 코일들에 의해 생성된 자속이 모터 위로 크게 누출되어서, 자기감응(magnetosensitive) 센서를 사용하는 경우 센서 성능을 방해하기 때문에 이상적이지 않다. 또한, 이 특허들 중 어느 하나에서 니들 또는 로터의 축 방향 변위를 측정하기 위한 센서는 사용되지 않는다. 일본특허 제996210733호 및 미국특허공개 제2009/0294713호의 전자기 솔루션은 모두 변위 축을 따라 자기장을 생성하고, 임의의 자기감응 센서를 방해하는 축 방향 자속을 갖는 자기 토폴로지이다.

미국특허 제4650156호에는 센서의 사용은 기술되지 않았으며, 사용되는 솔루션에 의해 권장되지 않는다. 전체 모터가 유체에 잠기고, 센서, 제어 회로 및 인쇄 회로를 추가하면 누출 및 연결 출력 문제들이 발생할 수 있다.

솔루션의 크기 측면에서, 축 방향 자속을 갖는 모터를 사용하는 솔루션은 일반적으로 큰 접촉 면적과 큰 치수를 유도하는 측면 출력 커넥터를 가진다. 위치 센서가 니들의 축 근처에 사용되는 경우, 상이한 구성요소의 전기적 및 기계적 연결은 두 구성요소의 커넥터 간의 거리 때문에 문제가 될 수 있다.

본 발명은 종래 기술보다 더 작고 효율적인 액추에이터를 제조함으로써, 종래 기술의 단점을 극복하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은 모터에 통합된 위치 센서가 선택적으로 사용될 수 있도록 하여, 니들의 선형 위치를 결정 가능하게 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 모터에 통합된 위치 센서가 사용될 수 있도록 하여, 모터의 로터의 각도 위치를 결정할 수 있게 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 용접을 사용하지 않고 제한된 치수로 모터를 밸브 본체에 용이하고 견고하게 고정시킬 수 있도록 하는 것이다.

특정 실시예에 따르면, 본 발명은 완전히 원통형이 아닌 전기 모터를 포함하는 장치에 관한 것으로서, 전기 모터의 코일을 방해하지 않으면서 고정 부재가 통합될 수 있는 영역을 청소할 수 있게 한다.

다른 특정 실시예에 따르면, 본 발명은 완전히 원통형이 아닌 전기 모터를 포함하는 장치에 관한 것으로서, 전기 모터의 코일을 방해하지 않으면서 고정 부재들이 전기 모터의 코일 없이 통합될 수 있고, 고정자 부품이 구비되는 하우징에 의해 기술되는 볼륨의 외부의 영역들을 청소하는 것이 가능하게 된다. 그에 따라, 외부 유체의 돌출부에 대향하는 전기 모터의 밀봉이 촉진된다.

또한, 본 발명은 니들 위치 센서의 구현과, 외부에는 자기 측정 프로브가 위치되는 자기장을 발생시키는 부품이 위치되어 있는, 밀봉 벨 사이에 열 전도성 부재를 도입함으로써 유체의 온도 변화에 따라 축 센서의 정확도를 증가시키기 위한 솔루션에 관한 것이다. 후자는 내부 구조에 의해 온도 보상(compensation)될 수 있지만, 고정자로부터 로터를 분리하는 벨 외부의 하우징에 의해 기술되는 볼륨에 위치되며 유체의 온도와 다른 온도를 경험할 수 있다. 프로브와 자기장을 생성하는 부재 사이의 온도 구배가 최소일 때 가장 높은 정확도가 얻어지며, 온도 보상은 더욱 정확하게 알려진 자기장의 변화 상에서 이루어진다.

본 발명은, 더욱 상세하게는 밸브 본체(2)와, 고정자 및 로터로 구성된 전기 모터, 니들, 밀봉 벨, 및 고정 스크류 또는 고정 너트를 포함하는 하우징을 갖는 유체의 순환을 제어하기 위한 밸브로서, 상기 고정 스크류 또는 상기 고정 너트는 상기 밸브 본체에 고정되고, 상기 고정자는 상기 하우징을 통해 밸브 본체에 고정되며, 상기 밀봉 벨은 스크류/너트 방식으로 상기 로터와 상기 고정자 사이의 계면에 위치되고, 상기 로터와 상기 니들은 상기 벨 내에 있으며, 상기 유체에 침지되고, 상기 고정자는 상기 유체로부터 격리되며, 상기 로터는 너트 또는 스크류의 기능을 가지고, 상기 고정 스크류 또는 상기 고정 너트에 의해 부여되는 나선 방향 운동을 가지며, 상기 니들을 축 방향으로 구동시키고, 상기 모터는 방사 방향 주 자속을 갖는 브러시리스 다상(brushless polyphase) 모터인 것을 특징으로 하는 제어 밸브에 관한 것이다.

바람직하게는, 상기 벨 외부에서 하우징에 고정되고 자기장의 축 성분을 검출하는 자기감응 프로브 및 상기 벨 내에서 상기 니들 또는 상기 로터에 고정되고 상기 자기장을 생성하는 적어도 하나의 자기 소자로 구성되는 니들 선형 위치 센서를 가진다. 잘못된 위치선정에 대한 감도를 허용하기 위해, 상기 센서는 벨 외부에 프로브에 연결된 자석을 가질 수 있으며, 자석의 자화(magnetization) 방향은 니들의 축 방향 변위 방향에 있고, 자기 소자의 방향과 동일하다.

니들 선형 위치 센서는, 다른 구현에서, 상기 벨의 외부에서 상기 하우징에 고정되고, 자기장의 축 방향 성분을 검출하는 자기감응 프로브, 상기 벨의 외부에서 상기 프로브에 고정되고 상기 자기장을 생성하는 적어도 하나의 자석 및 연성의 강자성(ferromagnetic) 소자의 형태로 상기 니들에 고정되고 상기 벨 내에 위치되며, 상기 프로브의 레벨에서 상기 자석에 의해 방출되는 자기장의 특성(강도, 방향 등)을 변형시키는 자기 소자로 구성된 니들 선형 위치 센서를 가진다.

이러한 센서 솔루션들에서, 대안적으로, 상기 프로브는 벨 근처에 위치되고 열 전도성 부재는 상기 프로브와 상기 벨 사이의 계면에 위치된다.

밸브는, 대안적으로, 자기장의 두 개의 직교 성분들, 또는 니들의 축 방향 변위 축에 직교하고 모터의 회전 축 근처의 평면 상의 자기 벡터의 위상을 검출 및 처리하고, 상기 벨의 외부에 위치되는 자기감응 프로브, 상기 자기장을 생성하고 상기 벨 내에 위치되는 상기 로터에 고정되는 적어도 하나의 자기 소자로 구성되는 구성된 로터 각도 위치 센서를 갖는다.

이 경우에, 상기 자기장을 방출하는 자기 소자는, 예를 들어 축 방향 양극성(bipolar) 자석이다.

본 발명은, 액추에이터가 밸브 본체에 고정될 수 있도록 하기 위해, 평평한 수용면 및 축 방향 고정 부재에 의해 상기 수용면 상의 상기 밸브 본체에 고정된 하우징을 갖는 밸브 본체에 관한 것이며, 상기 고정자는 삼각형 형상을 가지고, 적어도 하나의 고정 부재가 상기 삼각형의 꼭지점들 사이에 위치된다.

이 경우에, 고정 부재들은 삼각형의 상기 꼭지점들을 통과하는 원 내에 적어도 부분적으로 교대로 위치되거나, 그렇지 않으면 고정자는 적어도 부분적으로 원형인 외형을 가지며, 적어도 하나의 고정 부재는 상기 모터의 상기 고정자 부분의 외부에 위치되고, 적어도 부분적으로는 고정자 상에 새겨진 원 내에 위치된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점들은 각각을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 실시예들을 읽을 때 나타날 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서 본 발명에 따른 밸브의 사시도이다.
도 2는 커버가 없는 도 1의 장치의 평면도이다.
도 3은 부분 확대도를 갖는 도 1에 도시된 장치의 종 방향 단면도이다.
도 4는 도 1의 장치의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 5는 전기 모터가 제 1 실시예와 비교하여 더 많은 코일을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밸브의 도면이다.
도 6은 도 5의 장치의 평면도 및 단면도이다.
도 7은 본 발명에 사용된 위치 센서에 대한 대안을 갖는 솔루션의 종 방향 단면도 및 상세 단면도이다.
도 8은 로터가 스크류를 형성하고 사용된 센서가 유도 물리적 원리인 대안적인 실시예의 종 방향 단면도 및 상세 단면도이다.

도 1은 열 전달 유체를 위한 순환 경로를 생성하는 전기 작동 어셈블리 및 기계 어셈블리를 결합시키는 본 발명에 따른 밸브의 제 1 실시예의 등각도이다. 따라서, 밸브는 특히 변위 축(3)을 따라 전기 모터를 사용하여 니들(미도시)을 변환 설정하는 전기 액추에이터(1)로 구성된다. 액추에이터(1)는 그 흐름이 상기 니들에 의해 관리되는 열전달 유체의 통로 채널(25)들을 포함하는 밸브 본체(2)에 고정된다. 전기 액추에이터(1)는 상부에 커버(24)를 포함하고, 스크류 또는 볼트와 같은 축 방향 고정 부재들(4)에 의해 밸브 본체(2)에 고정된다.

도 2는 커버가 없는 제 1 실시예의 평면도이며, 본 발명에서 전형적으로 사용되는 방사 방향 자속(radial magnetic flux)을 갖는 전기 액추에이터를 이해할 수 있도록 한다. 이 액추에이터(1)는 적층 코어 형성 톱니에 의해 형성된 고정자(6)를 가지며, 이들 중 일부에는 전기 코일(8)들이 배치되는데, 3개의 코일이 서로에 대해 120°를 이루도록 배치된다. 본원에서 삼각형인, 고정자의 특정 형상은 밸브 본체(2) 상에서 액추에이터의 전체 접촉 면적을 증가시키지 않으면서, 축 방향 고정 부재(4)를 수용할 수 있게 한다. 이들 부재의 각도의 자유도는 전체 공조 시스템 상의 필요에 따라 액추에이터, 특히 커넥터(5)의 배향을 용이하게 한다. 밸브 본체(2)의 단순한 평평한 접촉 영역은, 회전 대칭이 없는 액추에이터가 수용되도록 한다. 특히, 고정자(6)의 삼각형 형상에 새겨진 원(7)은 가상으로 고정 부재(4)와 축 방향 투영에서 교차하고 있다. 액추에이터(1)는 액추에이터(1)가 내부에 배치되거나, 아니면 액추에이터(1)에 플라스틱 재료로 오버 몰딩된 것일 수 있는 하우징(9)으로 둘러싸여 있다. 커버(24)가 제거된 도시에서, 액추에이터(1)의 로터 및 변위될 니들이 그 내부에 배치되는 밀봉 벨(16)의 존재를 알 수 있으며, 이 부재들은 열 전달 유체에 침지된다. 열 전달 유체로부터 격리되는 고정자(6) 및 코일(8)은 상기 벨 외부에 존재한다.

도 3은 이러한 제 1 실시예에 따른 밸브의 종 방향 단면도이다. 액추에이터(1)는 고정 부재(4)를 사용하여 밸브 본체(2)에 스크류로 고정된다. 밸브 본체(2)는 열 전달 유체 입구 및 출구 순환 채널(25)을 갖는다. 유체 통로는, 니들(11)의 단부가 니들 시트(17)로부터 더 가까이 또는 더 멀어지도록, 전기 액추에이터(1)에 의해 축(3)을 따라 관리되는 니들(11)의 단부의 위치에 의해 관리된다. 로터(12)는 너트부(14)로 구성되며, 본 특정 실시예에서는 로터(12)가 영구 자석(13)의 요크 및 지지부를 형성하며, 로터는 여기에서 고정되어 있으나 계면(미도시)에서의 스프링에 의해 간접적으로 연결될 수 있는 연결을 통해 니들(11)을 작동으로 설정한다. 너트부(14)는 자석(13)의 자속의 안내를 허용하기 위해 강자성(ferromagnetic)일 수 있고, 운동 변환의 실행 가능성을 보장하기 위해 기계적 기능을 갖는다. 로터(12)와 니들(11)의 운동은 나선형 궤적을 따라 움직이며, 따라서 로터(12)와 고정자(6)에 의해 형성된 전기 기계의 회전과 너트부(14)를 (여기에서)고정 스크류(15)에 스크류로 조여 밸브 본체(2)에 고정시키는 변환이 결합되게 된다. 상기 운동은 나선 방향이지만, 오직 변환 구성요소만이 회전 기하를 가진 니들을 구비하는 밸브를 제어하는데 기계적으로 중요하다.

이 실시예에서, 로터(12)의 축 방향 높이는 적층 코어(10)의 축 높이보다 낮으므로, 로터의 나선 방향 운동에서의 변위와 도 3 및 도 7에 도시된 선형 스트로크(S) 동안, 로터는 항상 방사 방향으로 고정자와 대향하게 된다. 도 3의 경우에, 밸브는 폐쇄 위치로 도시되어 있고, 그에 따라 로터는 고정자와의 사이에서 서로 마주 보는 활성 표면들을 변경하지 않으면서 고정자 내로 되돌아갈 수 있다. 따라서, 모터에 의해 생성된 토크와 그에 따라 니들(11)에 가해지는 힘은 변위 중에 영향을 받지 않는다. 활성 높이를 최적화하고자 한다면, 자석의 높이를 도 7에 도시된 바와 같이 고정자(6)의 적층 코어(10)의 높이 이상으로 증가시켜서, 선택적으로 동일한 전기 제어 전류에 대해 힘이 변조될 수 있게 하는 것을 고려할 수 있음에 유의해야 한다. 니들(11)이 상승되면, 로터와 고정자 사이의 활성 표면들은 확장 가능해지며, 이는 밸브가 열릴 때 가변적인 힘을 만들어 액추에이터가 니들(11)에 가하는 압력을 감소시키도록 구성될 수 있다.

본원에 제시되는 구성은, 특히 적층 코어(10)의 활성 높이에 완전히 제공되는 안내를 가지며, 축 방향에서 컴팩트하며, 이러한 안내는 너트(14)와 함께 협동하는 스트류(15) 및 고정 스크류의 내부 표면과 함께 하는 니들(11)의 본체에 의해 이루어진다.

도 3의 이러한 구성에는, 방사 방향 자속 액추에이터의 사용은 이를 더욱 용이하게 하기 때문에, 니들(11) 위치 센서가 도시되어 있다. 이와 같은 자기 원리 센서는 밸브 상단의 로터(12) 위에 위치된다. 자화된 자기 소자(20a)는 너트부(14)에 연결되어, 로터(12) 및 니들(11)에 연결되게 된다. 또한, 축(3)을 따라 축 방향 자화를 갖는 이 자석은 벨(16) 내에 침지된다. 로터(12)의 나선 방향 변위 동안, 이 자기 소자(20a)는 벨(16)의 바닥으로부터 멀어지거나 바닥에 더 가깝게 이동한다. 축(3)에 위치된 벨(16)의 외부 및 벨(16)의 반대쪽에, 자기 소자(20a)에 의해 방출된 축(3) 상의 자기장의 축 성분의 진폭을 검출하는 자기감응 프로브(19)가 있다. 따라서, 자기감응 프로브(19)에 대한 이 자기 소자(20a)의 멀어짐 또는 가까워짐은 프로브(19)에 의해 검출되는 자기장의 진폭을 변조하고, 니들(11)의 위치 이미지를 제공하는 것을 가능하게 한다. 방사 방향 자속을 갖는 모터는, 축(3)에서 횡 방향 자속을 갖는 모터에 의해 생성되는 자기장보다 축 방향 성분이 훨씬 낮은 자기장을 생성하기 때문에, 프로브(19)의 축 방향 감도의 축에 중요성이 부여된다. 본원에서 생성되는 축 방향 성분은, 종래 기술의 모터에서 축 방향 성분이 주요 경로인 반면에, 단지 누출된 것일 뿐이다.

프로브(19)는 커버(24) 아래의 벨(16) 위에 위치한 인쇄 회로(18)에 구비된다. 또한, 이 인쇄 회로(18)에는 다상 전기 모터를 제어하는데 필요한 전기 부품뿐만 아니라, 액추에이터(1)의 코일(8)에 대한 연결점들이 구비된다. 또한, 인쇄 회로(18)는 프로브(19) 주위에 영점 가우스(gauss) 주변의 평균 유도 레벨을 제어하고, 센서의 온도 거동을 개선하는데 사용될 수 있는 보상(compensation) 자석(21)을 지지한다. 이 경우, 보상 자석은 자기 소자(20a)의 자화 방향과 동일한 방향으로 축 방향 자화의 방향을 가질 것이다.

축 방향 자기장을 발생시키는 자기 소자(20a)는 네오디뮴-철-붕소(neodymium-iron-boron), 페라이트(ferrite) 또는 사마륨-코발트(samarium-cobalt) 자석들에 의해 생성된다. 후자의 재료는 온도에 따른 자기 특성의 변화가 적은 이점을 가지므로, 센서 신호의 드리프트를 최소화하고, 유체와 자기장 측정 프로브 사이의 온도 구배의 영향을 최소화한다.

자기감응 프로브(19)와 벨(16)의 외부 및 내부에 각각 위치되어 자기장을 방출하는 자기 소자(20a) 사이의 온도 균일성을 개선하기 위해, 그리고 더욱 효율적인 온도 보상이 이루어지도록 하기 위해, 열 전도성 부재(22)는 벨(16)과 프로브(19) 사이의 계면에 배치되어, 프로브(19)의 온도가 벨 내의 온도에 가깝게 되게 함으로써, 자기 소자(20a)의 온도에 가깝도록 할 수 있다.

도 4는 제 1 실시예의 부분 단면도이며, 스크류(15) 및 전술한 구성요소, 특히 위치 센서의 실시예를 더욱 상세하게 이해할 수 있도록 한다. 이 위치 센서는, 예를 들어 폐쇄 루프에서 모터를 제어하거나 니들의 위치를 확인하고 원하는 위치에 있는지 확인하는 데 사용될 수 있다. 이를 위해, 프로브(19)는, 로터의 유일한 각도 위치를 결정하기 위해, 변위 축에 직교하는 자기장의 두 성분들의 진폭에 대한 자기 감도나, 또는 축의 직교하는 자기장의 벡터의 위상에 대한 감도를 가질 수 있다. 또한, 프로브(19)는, 로터의 각도 위치와 축 방향 위치를 모두 결정하기 위하여, 변위 축과 직교하고 변위 축을 따르는 평면에서의 자기장의 3가지 성분들의 진폭 각각에 대한 자기 감도 또는 자기 소자(20a)의 자기 벡터의 위상에 대한 감도를 가질 수 있다. 예를 들어, MLX90363 유형의 프로브를 사용하면, 이 3가지 자기장 성분들을 측정할 수 있다. 이 고안된 솔루션은 프로브(19)에서 로터(12)까지의 축 방향 거리를, 이 거리에 비례하는 유형의 출력과 함께, 바람직하게는 축에 있는 자기장의 축 방향 성분, 선반 상의 로터(12)의 절대 회전 위치, 그리고 축 방향 성분에 직교하는 성분들을 갖는 주기적인 사인/코사인 유형의 출력을 갖도록 측정할 것을 제안한다. 또한, 자기장의 두 성분의 진폭이 측정될 수 있는 솔루션은 변위 축에서 동일 평면 상의 두 성분들의 모듈러스(modulus)를 계산함으로써, 축 방향 위치로의 간접적인 접근을 제공하는 것으로 고려되어야 한다. 이 모듈은 자기 소자(20a)와 프로브(19) 사이의 거리에 따라 달라진다. 자기장을 발생시키는 자석은, 예를 들어 축 방향 양극성 자화를 갖는 자기 소자(20a)일 수 있다. 자기장의 벡터의 2개 또는 3개의 성분 또는 위상을 이용하기 위해, 프로브(19)의 측정 지점은 자기 소자(20a)에 대해 신중하게 배치될 것이다. 선반 상의 로터(12)의 절대 위치를 알면 폐 루프에서 이것을 조종하는 것을 고려할 수 있게 되며, 로터(12)의 축 방향 위치를 알면 로터에 연결된 니들의 개/폐를 관리 할 수 있게 된다. 로터의 위치를 아는 것만으로도, 순수 스테퍼 모드(pure stepper mode)보다 더 강력한 FOC 또는 정현파 제어가 가능하게 된다.

고정자에 의해 생성된 자기장을 더욱 완전히 극복하기 위해, "이중 다이(double die)" 프로브, 즉 2개의 이웃하는 자기감응 소자를 이용하는 것이 차동 측정의 틀 내에서 고려될 수 있다. 코일에 의해 방출된 스트레이 필드(stray field)를 단락시키기 위해 및/또는 프로브에 근접하기 위해 코일 근처에 위치된 차폐는 더욱 강력한 솔루션을 구성한다.

도 5에는 모터에 3개보다 많은(본원에는 6개로 도시됨) 복수개의 전기 코일들이 사용되어, 고정자의 외부 접촉 영역들이 변경된 제 2 실시예가 도시되어 있다. 이 구성은 유체 회로의 다양한 부재들 사이의 압력 차이로 인해, 유체의 제어와 관련된 힘 요건이 중요한 경우에 유리하다. 코일 개수의 증가는 액추에이터의 입력에 주어지는 전력을 위해 액추에이터에 의해 생성되는 힘 계수를 증가시킨다.

또한, 이 제 2 실시예는 하우징(9)이 고정 부재(4)를 사용하여 고정이 이루어지도록 하기 위해, 주변에 2개의 축 방향 클라이언스들(26)을 갖는 일반적으로 관형 형상을 갖는다는 점에서 제 1 실시예와 구별된다.

도 6은 액추에이터(1)의 자기 회로와, 고정자의 외부에 새겨진 새겨진 원(23) 내에 위치되며 이 고정자 부분의 6개의 코일(8)들 사이에 위치된 고정 부재(4)들의 상세도가 도시되어 있다. 고정 부재(4)들의 수는 제한되지 않는다. 도 6에는 2개로 도시되어 있으나, 2개 이상이 고려될 수 있다. 따라서, 고정 부재(4)와 액추에이터의 총 접촉 면적은 밸브 본체 및 그 직사각형 형상에서 최소화된다. 다시, 커넥터(5)의 방향은 위치 결정 원리 및 선택된 고정 부재에 따라 달라질 수 있다.

프로브(19)는 변위 축(미도시) 상의 바람직한 위치에서 이 고정자 위에 격리된 것으로 도시되어 있다.

도 7에는 위치 센서의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 센서의 이 실시예에서, 자기 소자(20b)는 자기장을 방출하지 않지만, 프로브(19)를 둘러싸는 센서(21)의 자석에 의해 방출되고 상기 자기 소자(20b)의 축 방향 이동 동안 프로브(19)의 레벨에서 검출되는 자기장의 세기를 변경하는 연성의 강자성 소자이다. 자기 소자(20b)는 인쇄 회로(18)의 어느 한 쪽에, 항상 벨(16) 외부에 위치될 수 있다. 이 솔루션의 장점은 프로브(19)와 센서(21)의 자석을 병치시킴으로써, 온도에 따른 자기장 변화의 보상이 개선되도록 하는 것이다.

일반적으로, 이전 실시예에서 설명된 센서는 로터에 통합되어 있지만, 본 발명은 자기 소자(20a 또는 20b)가 니들(11)의 상단부에 통합된 경우에도 적용된다.

도 8에는 사용될 수 있는 센서의 대안적인 실시예로서, 유도 원리의 센서가 도시되어 있다. 후자는 벨 내에서 로터에 고정된 수동 자기 소자(20b)와 2개의 전기 코일들(27, 28)로 구성된다. 유도 센서의 일반적인 원리는 다음과 같다:

-제 1 코일(27)은 가변 자기장을 방출하고,

-제 2 코일(28)은 유도 결합(inductive coupling)에 의해 가변 자기장을 수신하고,

-자기 소자(20b)는 코일들(27, 28)로부터 멀어지거나 축 방향으로 코일들(27, 28)에 더 가깝게 이동될 때 코일들(27, 28) 사이의 유도 결합을 변경한다. 이러한 유도 결합의 수정은, 검출된 신호 및 위치를 관련시킬 수 있도록 하는 코일(28)의 레벨에서 (예를 들어, 검출된 신호의 위상 또는 진폭의 측면에서)상이한 응답을 유도한다.

또한, 도 8에는 밸브 본체(2)와 로터의 결합의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 이 예에서, 로터는 밸브 본체(2)에 연결된 고정 너트(29)와 협동하는 스크류(30)를 형성하는 니들(11)에 부착된다. 이는 로터가 너트를 형성하고, 로터가 밸브 본체(2)에 연결된 고정 스크류 부분과 협동하는 이전의 예들과는 상이하다. 본 발명은 로터에 의해 또는 밸브 본체(2)의 레벨에서 수행될 수 있는 스크류/너트 기능의 측면에서 제한되지 않는다.

전체가 아닌 본원에 제시된 모든 예에서, 센서 솔루션들은 로터 또는 밸브 본체(2)의 레벨에서 스크류 또는 너트의 사용을 선택하는 것은 제한되지 않으며, 센서 솔루션을 취하거나 센서 솔루션을 기계적 솔루션들 중 하나에 적용하는 것이 고려될 수 있음이 명백하다.

Claims (10)

1. 유체의 순환을 제어하기 위한 밸브로서,
   밸브 본체(2)와, 고정자(6) 및 로터(12)로 구성된 전기 모터, 니들(11), 밀봉 벨(16), 및 고정 스크류 또는 고정 너트(15)를 포함하는 하우징(9)을 가지며,
   상기 고정 스크류 또는 상기 고정 너트(15)는 상기 밸브 본체(2)에 고정되고, 상기 고정자는 상기 하우징을 통해 밸브 본체(2)에 고정되며,
   상기 밀봉 벨(16)은 스크류/너트 방식으로 상기 로터(12)와 상기 고정자(6) 사이의 계면에 위치하고,
   상기 로터(12)와 상기 니들은 상기 밀봉 벨(16) 내에 있어서 상기 유체에 침지되고, 상기 고정자(6)는 상기 유체로부터 격리되며,
   상기 로터(12)는 너트 또는 스크류의 기능을 가지고, 상기 고정 스크류 또는 상기 고정 너트(15)에 의해 부여되는 나선 방향 운동을 가지며, 상기 니들을 축 방향으로 구동시키고,
   상기 모터는 방사 방향 주 자속을 갖는 브러시리스 다상 모터이며,
   상기 밀봉 벨(16)의 외부에서 상기 하우징에 고정된 자기감응 프로브(19), 및 상기 밀봉 벨 내에서 상기 니들 또는 상기 로터(12)에 고정되고 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 자기 소자(20a)로 구성된 니들 선형 위치 센서를 가지며;
   상기 자기감응 프로브(19)는, 니들의 위치를 알려주기 위하여, 자기 소자(20a)에 의해 방출되는 자기장의 축 성분의 진폭을 검출하거나, 로터의 각도 위치만을 결정하기 위하여 변위의 축에 대해 직교하는 자기장의 두 성분의 진폭에 대한 자기 감도 또는 축에 대해 직교하는 자기장의 벡터의 위상에 대한 감도를 가지거나, 로터의 각도 위치와 축방향 위치를 모두 결정하기 위하여 변위 축을 따르는 평면 및 변위 축에 대해 직교하는 평면에서의 자기장의 세 가지 성분들의 진폭 각각에 대한 자기 감도 또는 자기 소자(20a)의 자기 벡터의 위상에 대한 감도를 가지는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   자기감응 프로브(19)는 자기장의 축 방향 성분을 검출하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   자기장의 축 방향 성분을 검출하는 자기감응 프로브(19), 상기 밀봉 벨의 외부에서 상기 프로브에 고정되고 상기 자기장을 생성하는 적어도 하나의 자석, 및 연성의 강자성 소자의 형태로 상기 니들에 고정되고 상기 밀봉 벨 내에 위치되며, 상기 프로브의 레벨에서 상기 자석에 의해 방출되는 자기장의 특성을 변형시키는 자기 소자로 구성된 니들 선형 위치 센서를 가지는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 센서는 상기 밀봉 벨 외부의 상기 프로브에 고정된 자석(21)을 가지며, 상기 자석(21)의 자화 방향은 상기 니들의 축 방향 변위 방향에 있고 상기 자기 소자(20a)의 방향과 동일한 방향인 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 프로브는 상기 밀봉 벨 근처에 위치되며, 열 전도성 부재(22)는 상기 프로브와 상기 밀봉 벨 사이의 계면에 위치되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   자기장의 두 개의 직교 성분들, 또는 니들의 축 방향 변위의 축에 직교하며 모터의 회전 축 근처에 있는 평면에서의 자기 벡터의 위상을 검출 및 처리하고, 상기 밀봉 벨의 외부에 위치되는 자기감응 프로브(19), 및
   상기 자기장을 생성하고 상기 밀봉 벨 내에 위치되는 상기 로터(12)에 고정되는 적어도 하나의 자기 소자(12a)로 구성되는 로터(12) 각도 위치 센서를 갖는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 자기장을 방출하는 상기 자기 소자는 축 방향 양극성 자석인 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밸브 본체(2)는 평평한 수용면을 가지며,
   상기 하우징은 축 방향 고정 부재들(4)에 의해 상기 수용면 상의 상기 밸브 본체(2)에 고정되고,
   상기 고정자(6)는 삼각형 형상을 가지며,
   적어도 하나의 고정 부재가 상기 삼각형 형상의 꼭지점들 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 고정 부재들은 상기 삼각형 형상의 꼭지점들을 통과하는 원(23) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 본체(2)는 평평한 수용면을 가지며,
    상기 하우징은 축 방향 고정 부재들(4)에 의해 상기 수용면 상의 상기 밸브 본체(2)에 고정되고,
    상기 고정자(6)는 적어도 부분적으로 원형인 외부 형상을 가지며,
    적어도 하나의 상기 고정 부재는 상기 모터의 상기 고정자 부분의 외부에 위치되고, 적어도 부분적으로는 상기 고정자(6) 상에 새겨진 원(23) 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.