KR102653987B1 - 안전 밸브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제어 전압을 생성하기 위한 전자 제어 유닛 (2), 제어 전압을 이용하여 작동 위치와 안전 위치 사이에서 작동 가능한 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 를 포함하는 전기 유체 예비 스테이지 (3) 로서, 압전 굽힘 트랜스듀서는 위치 종속적으로 2 차 제어 유체 스트림의 유동에 작용하는, 상기 전기 유체 예비 스테이지 (3), 및 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 작용하기 위한 작용 장치 (6) 를 포함하는 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 로서, 작용 장치 (6) 는 메인 스테이지 (5) 의 제어 공간 (10) 안으로 유입되는 2 차 제어 유체 스트림을 이용하여 작동 가능한, 상기 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 를 포함하는 안전 밸브 (1) 에 관한 것이다. 제어 유닛 (2) 은 소정의 시간 간격의 경과 후에 전기 유체 예비 스테이지 (3) 의 기능 시험 (3) 을 전자동으로 반복적으로 재수행하도록 구성되고, 기능 시험의 범위 내에서 제어 전압의 적합한 변동 하에, 한편으로 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 실제 편향 운동을 결정함과 동시에 압전 굽힘 트랜스듀서의 올바른 기능 방식을 점검할 수 있고, 다른 한편으로 메인 스테이지 (5) 에 의해 1 차 작동 유체 스트림의 유동이 영향 받지 않는 방식으로, 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 단시간 및/또는 근소한 위치 변화가 야기된다.
Description
본 발명은 제어 전압을 생성하기 위한 전자 제어 유닛, 제어 전압을 이용하여 작동 위치와 안전 위치 사이에서 작동 가능한 압전 굽힘 트랜스듀서를 포함하는 전기 유체적 예비 스테이지로서, 상기 압전 굽힘 트랜스듀서는 위치 종속적으로 2 차 제어 유체 스트림의 유동에 작용하는, 상기 전기 유체 예비 스테이지, 및 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 작용하기 위한 작용 장치를 포함하는 유체 기계적 메인 스테이지로서, 상기 작용 장치는 메인 스테이지의 제어 공간 안으로 유입되는 2 차 제어 유체 스트림을 이용하여 작동 가능한, 상기 유체 기계적 메인 스테이지를 포함하는 안전 밸브에 관한 것이다.
이와 같은 2 개 스테이지로 구성되는 안전 밸브는 선행 기술로부터 충분히 공지되어 있다. 이러한 안전 밸브는 특정한 방식으로 유체 스위칭, 제어 및 조정 장치의 매우 효율적이고 정확한 작동을 위해 적합하고 특히 모듈식으로 구성될 수 있다. 특히 유체 매질 스트림은 메인 스테이지의 작동을 담당하는 2 차 제어 유체 스트림, 및 1 차 작동 유체 스트림으로 분할되는 것이 유효한 것으로 확인되었다. 이러한 각각의 유체 또는 매질 스트림에는 작용 장치 (밸브) 가 배정된다. 본 발명의 기초를 이루며 기술 분야에 따르는 안전 밸브에서 예비 스테이지의 작용 장치는 압전 굽힘 트랜스듀서에 의해 형성되는데, 이러한 압전 굽힘 트랜스듀서는 간접적 또는 직접적으로 별도의 밸브 부재를 위한 액추에이터로서 2 차 제어 유체 스트림을 이후에 배치되는 메인 스테이지의 제어 공간 방향으로 제어한다. 메인 스테이지의 작용 장치는 유리하게는 유체적으로 작동되는 밸브 부재를 가리키는데, 이러한 밸브 부재를 이용하여 1 차 작동 유체 스트림의 유동이 적합한 방식으로 제어된다.
이러한 2 개의 작용 장치는 우선 이러한 장치들에 각각 공급되는 작동 에너지의 방식과 관련하여 구분되는데, 예비 스테이지의 작용 장치는 전기적으로 작동되고 메인 스테이지의 작용 장치는 유체적으로 (2 차 제어 유체에 의해) 작동된다.
예비 스테이지와 메인 스테이지 사이에서 에너지 변속 비율을 적합하게 선택함으로써, 현저하게 낮은 에너지의 전기 제어 신호 (제어 전압) 를 이용하여 높은 에너지의 1 차 작동 유체 스트림에 영향을 미칠 수 있다. 메인 스테이지의 작용 장치를 작동시키기 위해 필요한 에너지 차이는 - 예비 스테이지의 압전 굽힘 트랜스듀서의 스위칭 상태에 따라 적합한 방식으로 메인 스테이지의 제어 공간으로 안내되거나 차단되는 - 2 차 유체 스트림의 압력 매질에 의해 제공된다.
이와 같이 유체적으로 예비 제어되는 시스템의 특별한 이점은, 제어 유닛 및 예비 스테이지로 구성되는 전기 유체적 인터페이스가 1 차 작동 유체 스트림에 작용하기 위한 메인 스테이지의 실제 에너지 수요와 무관하게 오로지 2 차 제어 유체 스트림에 작용하기 위한 제한된 전기 작동 에너지를 사용한다는 것이다.
그러한 전기 유체적 인터페이스는 기본적으로 매우 상이한 전기 기계적 트랜스듀서 원리에 기초할 수 있다 (예: 전기 기계적, 자기 변형, 전열성, 전기 유변성, 용량성, 압전성 등). 산업용 사용을 위해 이제까지 예비 스테이지를 위해 특히 전자기 및 압전 액추에이터 기구가 유효한 것으로 확인되었다. 에너지 효율과 관련하여 특히 압전 액추에이터 기구가 유리하므로, 본 발명은 이를 기초로 한다.
높은 작동 경로 및 높은 최소 액추에이터 힘의 제공을 요구하는 사용 분야에서 압전 액추에이터로서 특히 소위 스트립 또는 플레이트 형상의 압전 활성 재료를 포함하는 압전 굽힘 트랜스듀서가 유효한 것으로 확인되었으며, 이러한 압전 굽힘 트랜스듀서는 평면으로 형성되는 저압축성 압전 비활성 캐리어층 상에 힘에 의한 결합 방식으로 배치된다. 이러한 압전 굽힘 트랜스듀서에서 압전 활성 재료의 전기적 여기에 의해 유도되는 가역적 형상 변화는 힘에 의해 결합되는 저압축성 캐리어층과 상호작용하여 압전 굽힘 트랜스듀서의 기하학적 절곡을 야기하고, 따라서 이러한 압전 굽힘 트랜스듀서는 제어 전압의 여기에 의해 (통상적으로 안전 위치를 나타내는) 정지 위치로부터 (통상적으로 작동 위치를 나타내는) 편향된 위치로 이동될 수 있다. 최적의 출력 소모를 위해 평면으로 형성되는 압전 굽힘 트랜스듀서는 일반적으로 길고 슬림하게 형성된다. 이때 통상적으로 압전 굽힘 트랜스듀서의 종방향을 따라 힘이 배출되고, 짧게 형성되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 횡 연장부는 이러한 힘 조성을 지원한다.
압전 재료는 이러한 압전 재료의 체적/형상 변화 능력과 관련하여 물리적으로 한정된 한계를 포함한다. 통상적으로 주어진 조건 하에 압전 활성 고출력 재료에서는 정지 치수의 1/10,000 미만인 연신이 유도될 수 있다. 이는 압전 굽힘 트랜스듀서의 제조 범위 내에서 제조 측에서 높은 수준의 정확도를 필요로 한다. 압전 활성 재료의 결정 구조 및/또는 기하학적 치수 또는 압전 굽힘 트랜스듀서의 층 구성에서 이미 근소한 오류가 있으면, 필요한 안전성을 포함하지 않는 해당 굽힘 트랜스듀서는 안전성이 중요한 적용예에서 (지속) 사용을 위해 적합하지 않을 수 있다. 또한 압전 재료는 비교적 높은 재료 비용을 포함하므로, 이미 경제적 이유를 고려하여 사용되는 재료는 적절하고 신중하게 취급되어야 한다.
그 외에도, 이를 배경으로 하여, 일반적으로 제한된 예비 출력을 포함하여 대량 생산되는 압전 제품은 올바르게 취급되어야 하고, 즉, 특히 기술분야에 따르는 안전 밸브에서 압전 굽힘 트랜스듀서는 주로 거의 제조 기술적으로 실현할 수 있는 출력 한계의 임계까지 이동되는 것을 언급해 둔다.
필요한 제품 특성을 보장하기 위해 이제까지 2 개의 전략이 매우 성공적인 것으로 확인되었다.
제 1 전략은 제조 측에서 특히 전체 제조 공정 체인에 걸쳐 적합한 품질 보장 조처 및 정밀 절차를 적용하여 출력 손실을 야기할 수 있는 전체 인자를 최소화하는 것으로, 이로써 특정한 출력 기준을 충족하는 압전 굽힘 트랜스듀서의 제조 범위 내에서 가급적 낮은 불량이 발생한다. 품질 보장의 범위 내에서 기술분야에 따르는 안전 밸브 및 이러한 안전 밸브의 압전 굽힘 트랜스듀서는 경우에 따라서 극한 환경 조건에서도 (예: 적합하게 규정할 수 있는 기준 구동 범위의 임계에서) 사용될 수 있어야 하고, 지속 구동에서 환경 조건 (예: 온도 및/또는 대기 종속적) 에 따라 경우에 따라서 서로 상이한 정도로 나타나는 완화 또는 시효 효과가 발생할 수 있으므로, 매우 면밀한 제조 방법에도 불구하고 현재 특정한 수준의 생산 불량은 피할 수 없다.
제 2 전략은, 예컨대 DE 10 2016 213 228 A2로부터 공지되어 있는 바와 같이, 예컨대 압전 굽힘 트랜스듀서 또는 압전 굽힘 트랜스듀서를 포함하는 예비 스테이지가 추가적 센서 장치를 구비함으로써 제품 내 상태 진단 및 바람직하게는 이에 대한 전기적 보상에 의해 제조 및/또는 마모 조건적인 출력 제한을 개별적으로 균등화하는 것이다.
일반적으로, 전술한 2 개의 전략 또는 이러한 전략의 조합을 이용할 시 폭 넓은 적용 분야에 걸쳐 기술적 출력 한계에 이를 수 있다.
제 1 전략은 제조 및 품질 보장 절차 및 공정에서 투자 비용 증대를 요구하고, 매우 정밀한 생산 절차에도 불구하고 특히 - 기술분야에 따른 안전 밸브에서 일반적인 경우와 같이 - 높은 수준의 불량 안전성이 보장되어야 할 때 일부 현저한 생산 불량을 결국 피할 수 없다.
반면, 제 2 전략에서 제품과 관련된 제조 비용은 현저하게 증가하는데, 이를 위해 추가적 센서장치, 데이터메모리 또는 평가장치가 기술분야에 따른 안전 밸브의 예비 스테이지에서 사용될 필요가 있기 때문이다. 따라서 최소화 및 가장 필요한 정도로 낮춘 해결 방안에 따르는 생산 접근 방식에 비해 상반되는 경우가 종종 발생한다.
이를 배경으로 하여 본 발명의 과제는 서두에 언급한 종류의 기술분야에 따르며 가급적 범용적으로 사용 가능한 안전 밸브를 개선하여, 비교적 간단하게 구현할 수 있는 안전 기능에 의하여 구동 시 안전 밸브의 신뢰성을 향상시키는 것이다.
이러한 과제는 제 1 항에 따르는 안전 밸브에 의하여 해결된다. 이러한 안전 밸브는 서두에 언급한 특징들 외에, 제어 유닛이 전기 유체적 예비 스테이지의 기능 시험을 소정의 시간 간격 경과 후에 반복적으로 전자동 방식으로 재수행하도록 구성된다는 것을 특징으로 하는데, 이러한 기능 시험의 범위 내에서 제어 전압이 적합하게 변경되는 동안, 한편으로 압전 굽힘 트랜스듀서의 실제 편향 운동을 결정함과 동시에 압전 굽힘 트랜스듀서의 올바른 기능 방식을 점검할 수 있고, 다른 한편으로 결코 메인 스테이지에 의해 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 영향을 미치지 않도록 하는 방식으로 압전 굽힘 트랜스듀서의 위치 변화가 단시간에 및/또는 근소하게 야기된다.
본 발명을 이용하여, 안전성이 중요한 적용 경우에서조차 제조 기술적으로 바람직한 표준 파라미터의 근소한 편차로 인하여 이제까지 불량으로 간주되었던 압전 굽힘 트랜스듀서가 본 발명에 따르는 안전 밸브에서 사용될 수 있는데, 이러한 압전 굽힘 트랜스듀서는 지속 구동을 확보하기 위해 보장되어야 할 제품 특성의 임계 내에 있기 때문이다. 본 발명에 따르는 안전 밸브는 본 발명에 따라 구현되는 기능 시험에 기반하여 항상, 예비 스테이지의 액추에이터로 역할하는 압전 굽힘 트랜스듀서가 올바르게 기능하거나 압전 굽힘 트랜스듀서의 측에서 경우에 따라서 존재하는 또는 임박한 기능 장애가 인식되는 것을 보장할 수 있어서, 이에 상응하는 대응 조처 (예: 본 발명에 따르는 안전 밸브 또는 종합적으로 이러한 안전 밸브의 예비 스테이지의 교환) 가 취해질 수 있다.
하나 이상의 기능 시험에서 압전 굽힘 트랜스듀서의 기준 기능 방식에 대한 관련 편차, 예컨대 특히 압전 굽힘 트랜스듀서의 기능성의 만성적 변화/불량화에서 존재할 수 있는 편차가 발생할 시, 조작자는 적합하게 출력될 알람 또는 오류 신호에 의해 안전 밸브의 올바른 기능 방식이 더 이상 제공되지 않거나 경우에 따라서 곧 더 이상 제공되지 않을 것임을 확인할 수 있다. 또한, 필요 시 반복적으로 수행되는 기능 시험의 측정 결과의 데이터가 적절하게 저장됨으로써, 안전 밸브 또는 안전 밸브 내에 장착되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 예비 스테이지가 결함 없는 상태에 있는 것이 기록될 수 있다.
이상, 본 발명에 따라 재수행될 기능 시험의 범위 내에서 압전 굽힘 트랜스듀서의 올바른 기능 방식에 관한 판단이 이루어지는 것으로 설명된 바와 관련하여, 특히 적합한 측정에 의해, 제어 전압의 변화에 의해 예상되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 편향 운동이 소정의 표준 범위 내에 있는지가 점검된다. 압전 굽힘 트랜스듀서의 실제 운동 거동 또는 실제로 수행되는 편향 운동을 측정하는 것은 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 매우 바람직한 방식으로 본래 센서 특성을 가지는 압전 활성 재료를 이용하여 추가 센서장치 없이 압전 굽힘 트랜스듀서를 포함하는 예비 스테이지에서 구현될 수 있고, 이는 제조 기술적으로 매우 유리하다.
기본적으로, 본 발명의 범위 내에서, 안전 밸브에서 반복적으로 재수행해야 할 기능시험을 구현하는 것은 기본적으로 이미 공지되어 있음을 더 언급해 둔다. 한편 이러한 기능 시험은 대부분, 예컨대 WO 01/59346 A1, WO 2008/005967 A2 또는 WO 2016/149590 A1 에 따르는 선행 기술에서와 같이 소위 "Partial Stroke Test (부분 스트로크 시험)" 또는 "부분 스트로크 테스트"를 가리키고, 이러한 시험을 이용하여 항상 안전 밸브의 기능성은 종합적으로 1 차 작동 유체 스트림에 작용하는 중에 점검된다. 또한 WO 2008/000459 A1 으로부터 액추에이터로 역할하는 복수의 공정 제어 부재를 포함하는 터보기계가 이미 공지되어 있고, 이러한 터보기계에서는 기능 시험 중에 2 개의 공정 제어 부재가 쌍방간에 조절되긴 하나 이러한 조절이 이후에 연결되는 공정값에 실질적으로 영향을 미치지 않음으로써 제 1 공정 제어 부재의 기능 방식이 이후에 연결되는 공정값에 영향을 미치지 않고 점검되는데, 이는 액추에이터로 기능하는 압전 굽힘 트랜스듀서만을 포함하는 본원의 청구된 방식의 안전 밸브에서 가능하지 않을 것이다.
본 발명의 제 1 유리한 실시 변형예에서 특히, 유체 기계적 메인 스테이지의 작용 장치는 제어 공간의 체적, 주어진 압력비 및/또는 이러한 작용 장치의 작동을 위해 필요한 에너지가 적합하게 규정됨으로써 오로지 긴 시간 지연을 포함하여 제어 공간 내에 유입되는 2 차 제어 유체에 의해 작동되는 것이 고려될 수 있어서, 압전 굽힘 트랜스듀서는 기능 시험의 범위 내에서 제어 전압의 단시간 차단에 의해 이러한 트랜스듀서의 작동 위치로부터 안전 위치로 그리고 다시 역으로 이동될 수 있고, 이때 메인 스테이지에 의해 1 차 작동 유체 스트림의 유동이 영향 받지 않는다.
바꾸어 말하면, 본 발명에 따른 안전 밸브는 유리한 방식으로, 예비 스테이지 및 메인 스테이지의 각각의 스위칭 또는 반응 시간이 압전 굽힘 트랜스듀서가 기능 시험의 범위에서 신속하게 (완전하게) 작동 위치로부터 안전 위치로 그리고 다시 역으로 스위칭될 수 있도록 책정되어, 이를 위해 필요한 시간 스팬이 메인 스테이지의 소정의 시간 지연보다 짧도록 형성될 수 있고, 따라서 메인 스테이지 또는 메인 스테이지의 작용 장치는 압전 굽힘 트랜스듀서의 스위칭 위치의 단시간 교환에 의해 작동되지 않으며, 결과적으로 안전 밸브에 의해 1 차 작동 유체가 영향 받지 않는다.
제 2 실시 변형예에서, 압전 굽힘 트랜스듀서가 기능 시험 중에 제어 전압의 적합한 감소에 의해 근소한 정도로만 작동 위치로부터 편향되고 특히 이를 통해 메인 스테이지의 제어 공간 내의 압력에 미치는 영향이 낮게 유지되는 방식으로 편향됨으로써, 메인 스테이지의 시간 지연의 도달 또는 초과 시에도 메인 스테이지의 작용 장치의 작동에 의해 1 차 작동 유체의 유동이 영향을 받는 일은 일어나지 않는 것이 고려될 수 있다. 또한 이러한 방식으로 압전 굽힘 트랜스듀서의 실제 편향 운동이 감지됨과 동시에 기능 시험의 범위 내에서 요구되는 압전 굽힘 트랜스듀서 또는 예비 스테이지의 올바른 기능 방식에 대한 추론이 수행될 수 있으며, 이때 메인 스테이지 또는 메인 스테이지의 작용 장치가 작동하지 않는다.
기본적으로 본 발명에 대하여, 본 발명에 따르는 안전 밸브는 각각의 고객 요구에 따라 구체적 형성방식이 상당히 변경될 수 있고 상이한 복잡성을 포함할 수 있음을 더 언급해 둔다.
기본적으로, 2 차 제어 유체 스트림과 1 차 작동 유체 스트림 사이에 매질 분리가 일어날 수 있다. 이를 통해, 1 차 및 2 차 유체는 종류, 유속 또는 압력 면에서 동일할 필요가 없다. 적합한 설계에 의해 바람직하게는 에너지 최적화된 2 차 제어 유체 스트림을 통해 에너지적으로 상당한 편차가 있는 1 차 유체 스트림이 제어될 수 있다.
유체적 작동 장치를 예비 스테이지 및 메인 스테이지로 분할하면, 동일하게 형성되는 전자 제어 유닛 및 동일한 (압전 굽힘 트랜스듀서가 장착된) 예비 스테이지는 적용예와 관련하여 적합하게 선택 가능한 메인 스테이지와 함께 구성 키트 시스템 방식으로 조합될 수 있고, 특히 메인 스테이지의 작용 장치로서 기능하는 작동 밸브의 기본 기능성과 관련하여 조합될 수 있다. 메인 스테이지의 미작동 개방 (NO) 또는 미작동 폐쇄 (NG) 작용 장치를 포함하는 유연한 시스템 구성에 의하여, 전체 구성에서는 (압전 굽힘 트랜스듀서의 소정의 작동 위치 및 안전 위치와 연동하여) 전기 또는 유체 에너지 캐리어의 불량 시 소정의 안전 거동이 나타날 수 있다. 이는 특히 안전 관련 적용 경우에 사용 시 결정적인데, 이러한 적용예는 오류 경우 시 추가적인 보조 에너지 없이 소정의 안전 상태에 있어야 하는 경우이다.
선행 기술에서와 같이 본 발명에 따르는 안전 밸브는 정상 모드에서 지속 작동되는 스위칭 밸브로서 사용될 수 있고, 이러한 스위칭 밸브는 안전 경우에 소기의 안전 위치로 되돌아간다. 본 발명을 이용하여 이와 같은 밸브의 안전 특성값은 지속적으로 개선된다. 이는 특히, 본 발명에 따라 구현되는 기능 시험이 작동된 안전 밸브에서 구동 중에 수행될 수 있음으로써 달성되고, 각각의 반복적 기능 시험 중에 안전 장치의 공정 저하 및 일시적 휴지상태는 발생하지 않는다.
압전 굽힘 트랜스듀서를 포함하는 예비 스테이지 (바람직하게는 짧은 스위칭 시간 포함) 를 이후에 배치되는 메인 스테이지 (스위칭 지연 포함) 와 조합하여 2 개 스테이지로 구성되는 전술한 밸브 구성의 사용 시, 2 개의 스테이지를 연결하는 체적/압력비를 적합하게 설계함으로써 안정적인 시간 종속적 이행 영역이 생성될 수 있고, 이러한 이행 영역 내에서 압전 굽힘 트랜스듀서를 작동시키는 제어 스트림의 단시간 편차가 메인 스테이지 또는 메인 스테이지에 의해 영향 받는 1 차 유체 스트림에 영향을 미치지 않고 유지된다.
기능 시험 중에 진단 목적을 위해 사용 가능한 시간적 이행 영역의 최대 시간 스팬은 기능 시험 중에 수행될 예비 스테이지의 스위칭 절차의 지속 시간 및 이후에 배치되는 작동 스테이지가 입력 신호의 변화를 따를 때의 시간 지연으로부터 계산된다. 이러한 이행 영역은 공급되는 2 차 제어 유체 스트림, 메인 스테이지의 제어 공간의 불용체적 및 메인 스테이지의 작용 장치를 조작하기 위해 필요한 작동 에너지 사이의 직접적 연관관계를 형성한다. 마지막으로 언급한 2 개의 특성값은 다시, 분리된 1 차 및 2 차 유체 스트림 간의 유체 변속비와 연관된다. 일반적 연관관계로서, 유체 변속비가 증가하면 시간적 이행 영역도 증대되는데, 이는 본 발명의 범위 내에서 적합하게 고려될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서 매우 바람직한 방식으로 안전 밸브의 모듈식 구성이 고려될 수 있고, 이러한 안전 밸브에서 전자 제어 유닛, 전기 유체 예비 스테이지 및/또는 유체 기계적 메인 스테이지는 각각 별도의 모듈로 형성된다. 이때 오로지 제어 유닛만 적합한 방식으로 예비 스테이지 또는 예비 스테이지 내에 포함된 압전 굽힘 트랜스듀서와 전기적으로 접촉되어야 하고, 예비 스테이지로부터 메인 스테이지의 제어 공간으로 안내될 2 차 제어 유체를 위해 적합한 유동 경로가 제공되어야 한다. 각각의 모듈은 바람직하게는 적합한 하우징을 포함하고, 본 발명에 따르는 안전 밸브의 조립 시 이러한 하우징은 바람직하게는 서로 이웃하여 배치된다. 예비 스테이지와 메인 스테이지를 유체를 안내하는 방식으로 연결하는 유체 경로는 유리하게는 상호 대응하는 하우징 관통부들을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 압전 굽힘 트랜스듀서에 제어 전압을 공급하기 위해 필요한 전기 도체를 제외하고 전기 유체 예비 스테이지가 기타 전기 및/또는 전자 컴포넌트를 포함하지 않는 것이 매우 유리한 것으로 확인되었는데, 이로써 특히 본 발명에 따른 안전 밸브의 부품 비용이 합리적 수준으로 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 제어 유닛은 제어 전압을 안내하는 도체에 관한 진단 목적을 위해 기능 시험 중에 압전 굽힘 트랜스듀서에서 평가 가능한 전기 측정 신호, 특히 적합한 진폭을 갖는 교류 전압을 변조하도록 구성되는 것이 고려될 수 있다. 이때 유리하게는, 제어 유닛이 측정 신호에 의해 야기되는 응답 신호의 감지 및 평가를 위해 구성되어, 실제로 수행되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 편향 운동을 결정하는 것이 더 고려될 수 있다.
측정 신호는 유리하게는 교류 전압을 가리킬 수 있어서, 측정 신호 및 이를 통해 응답 신호로서 유도되는 교류 전류 사이에 위상 이동을 평가하며 압전 굽힘 트랜스듀서의 임피던스 변화가 산출 가능하고, 이러한 임피던스 변화는 압전 굽힘 트랜스듀서의 실제 편향 운동에 대응한다.
본 발명의 이러한 바람직한 실시형태는 다음의 숙고를 기초로 한다: 압전 굽힘 트랜스듀서는 기계적 접촉점에서 멀어지거나 근접할 시 자유 이동 가능한 중간 위치에 비해 임피던스가 변화한다. 따라서 진단 목적을 위해 압전 굽힘 트랜스듀서에서 특히 압전 굽힘 트랜스듀서의 편향을 위해 필요한 문턱 전압에 (더) 미치지 못하는 진폭을 포함하는 교류 전압은 변조되고, 이와 동시에 편향을 담당하는 직류 전압 신호 (제어 전압) 가 감소될 수 있다. 교류 전압의 흐름 및 이를 통해 유도되는 교류 전류 사이의 위상 이동 변화로 인하여, 매우 간단한 방식으로, 이를 위해 예비 스테이지에서 추가 센서를 필요로 하지 않고 압전 굽힘 트랜스듀서에서 실제 수행되는 편향 운동이 확실하게 증명될 수 있거나 이로써 어떤 시점에 압전 굽힘 트랜스듀서가 (통상적으로 스토퍼에 의해 확정되는) 작동 위치 및/또는 안전 위치를 점유하거나 벗어나는지에 관하여 판단될 수 있다.
제어 전압의 (단시간) 감소 또는 차단이 수행된 후, 그리고 메인 스테이지의 작용 장치의 임계 시간 지연 도달 전에, 예비 스테이지를 형성하는 파일럿 밸브는 이후에 다시 작동 위치를 점유하기 위해 필요한 제어 전압을 인가 받고 안전 밸브는 메인 스테이지 또는 메인 스테이지에 의해 영향 받는 1 차 작동 유체 스트림에 영향을 미치지 않고 기준 구동 모드로 리셋된다.
그러나 본 발명의 범위 내에서 물론 실제로 수행되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 편향 운동을 결정하기 위해 다른 측정 방법이 이용될 수 있고, 특히 압전 굽힘 트랜스듀서의 공진 거동 변화 및/또는 용량 측정이 고려되고, 이는 마찬가지로 예비 스테이지에서 추가 센서 부재를 이용하지 않고도 가능하다. 물론, 기본적으로 전기적으로 측정 가능하며 위치 종속적으로 변화하는 다른 영향 인자가 간단한 방식으로 압전 굽힘 트랜스듀서의 실제 편향 운동을 결정하기 위해 평가될 수 있다.
다시, 본 발명의 바람직한 발전에서, 제어 유닛이 압전 굽힘 트랜스듀서의 양질을 나타내는 양질값에 따라 2 개의 기능 시험 간에 시간 간격의 길이를 결정하도록 더 구성되는 것이 고려될 수 있는데, 이러한 양질값은 바람직하게는 제어 유닛에 배정되는 (즉 바람직하게는 제어 유닛 내에 배치되는) 메모리 유닛에 저장된다.
이러한 양질값은 예컨대 논의되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 품질에 대해 품질 관리의 범위 내에서 또는 캘리브레이션 절차에서 산출되는 측정값을 가리킬 수 있어서, 고품질 굽힘 트랜스듀서를 위해 예컨대 서로 연속하는 2 개의 기능 시험 사이에 더 긴 시간 간격이 규정될 수 있고, 이에 반해 저품질 굽힘 트랜스듀서를 위해 각 2 개의 기능 시험 사이에 더 짧은 시간 간격이 규정될 수 있다. 그 외에, 본 발명의 범위 내에서 2 개의 기능 시험 사이에 통상적인 시간 간격은 유리하게는 8 시간과 72 시간 사이의 범위에 있을 수 있다.
또한, 제어 유닛은 이전에 수행되는 기능 시험의 측정값에 따라 양질값 (및 이로부터 얻어지는 2 개의 기능 시험 간의 시간 간격의 길이) 을 동적으로 조정하도록 구성되는 것이 유리하다.
따라서 예컨대 2 개의 기능 시험 사이의 시험 간격은, 이전에 수행되는 하나 이상의 기능 시험에서, 압전 굽힘 트랜스듀서가 작동 위치에 유지되기 위해 필요한 제어 전압이 증가하였거나 - 이와 균등하여 -, 작동 위치로부터 시작하여 이미 제어 전압의 근소한 감소를 위해 충분함으로써, 압전 굽힘 트랜스듀서가 작동 위치로부터 안전 위치를 향한 방향으로 이동하거나, 또는 이러한 운동이 제어 전압의 상당한 감소 후에 비로소 유도될 수 있을 시, 단축될 수 있다. 그러한 거동으로, 압전 굽힘 트랜스듀서의 양질 불량화를 명백하게 추론할 수 있다.
또한, 매우 적합한 방식으로, 제어 유닛이 압전 굽힘 트랜스듀서의 작동을 위해 필요한 제어 전압을 이전에 수행된 기능 시험의 측정값에 따라 (및/또는 양질값에 따라) 동적으로 조정하도록 구성되는 것이 고려될 수 있다.
이는 특히 통상적으로 지속 사용으로 구동되는 압전 굽힘 트랜스듀서의 구동 부하를 감소시키기 위해 사용될 수 있는데, 최대 편향을 위해 낮은 제어 전압으로도 이미 충분한 고양질 압전 굽힘 트랜스듀서에서, 편향된 작동 위치를 유지하기 위해 제공되는 제어 전압이 각각 현재의 필요한 최소 전압으로 목적한 바에 맞게 감소되는 방식으로 사용될 수 있다.
또한, 압전 굽힘 트랜스듀서가 적합한 기하학적 형상 및 적합한 재료의 선택에 의해, 압전 굽힘 트랜스듀서의 전기 용량이 -40℃ 내지 +80℃ 의 허용 구동 온도 범위에 걸쳐 항상 170 nF 미만, 바람직하게는 100 nF 미만이도록 형성되는 것이 매우 유리한 것으로 확인되었다. 또한, 전기 유체 예비 스테이지가 DIN EN 60079-11 에 따라 폭발성 분위기에서 사용 시 바람직하게는 본질적인 안전성으로 형성된 유닛으로 구현되는 것이 유리하다.
압전 굽힘 트랜스듀서의 최대 용량을 폭발 임계 한계 미만의 값으로 적절하게 제한 시, 전기 유체 예비 스테이지는 추가 조처 없이 전체의 산업 통상적 구동 온도 범위에 걸쳐 본질 안전성 제품으로서 폭발성 환경에서 사용될 수 있다. 전술한 폭발 지침 (예: 전기 도체를 위한 적합한 공기 거리 및 연면 거리 등) 을 철저하게 준수하고 전기 유체 예비 스테이지 내에 통합되는 각각의 기타 에너지 변환 전자 장치 또는 센서 장치를 생략함으로써, 파일럿 밸브의 고유 안전성은 적용 경우와 무관하게 추가 비용 없이 보장될 수 있다. 전기 유체 예비 스테이지를 마찬가지로 방폭 지침에 따라 설계될 수 있는 (유리하게는 고유 하우징을 갖는 별도 모듈로 형성되는) 전자 제어 유닛에 전기적으로 연결하는 것은 2 개의 와이어 기술을 이용하여 매우 간단한 방식으로 수행되는데, 전기적 연결은 바람직하게는 충분히 큰 상호 연결된 거리들을 포함하는 플러그 콘택들을 이용하여 보장될 수 있다.
압전 굽힘 트랜스듀서는 방폭 지침을 충족하기 위해 기하학적 및 재료 측면에서 특히, 이러한 트랜스듀서가 -40℃ 내지 +80 ℃의 온도 범위에 걸쳐 결코 50 μJ 를 초과하는 전기 에너지를 저장하지 않도록 형성될 수 있다. 이는, 최대 허용 전기 제어 전압이 24 VDC 로 규정될 시, 이미 앞에서 매우 바람직한 실시형태로 언급된 바와 같이, 굽힘 트랜스듀서 용량 (C) 이 각 구동 상태에서 170 nF 라는 최대값을 유지함으로써 보장될 수 있다.
또한, 본 발명의 범위 내에서 바람직하게는, 제어 유닛이 (적합한 표준의) 상위 범주의 제어, 조정, 진단 및/또는 통신 장치 및 시스템과 통신하기 위한 인터페이스를 포함하고 반복적 기능 시험 중에 산출되는 데이터의 능동 또는 수동 전송을 위해 구성되는 것이 더 고려될 수 있다.
또한, 안전 밸브의 제어 유닛 및/또는 상위 범주의 제어, 조정 또는 진단 시스템은 특히, 수행되는 기능 시험의 측정값에 따라, 이와 관련하여 규정 가능한 유지보수 문턱의 도달 시, 특히 양질값이 점차적으로 불량화될 시, 예방적 서비스 또는 수리 조처를 수행하기 위한 전자동 요건을 출력하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 특히 사용할 압전 굽힘 트랜스듀서와 관련하여 유리하게 고려될 수 있는 다른 양태 및 발전은 이하의 참조사항으로부터 더 알 수 있다:
압전 활성 재료가 압전 비활성 캐리어층의 상측 및 하측에서 힘에 의한 결합 방식으로 각각 적어도 하나의 층상으로 배치되는 압전 굽힘 트랜스듀서는 매우 도전성이 있는 것으로 입증되었다. 매우 유리하게는, 압전 재료는, 전기적 여기와 동시에 상측의 적어도 하나의 층의 형상 변화가 하측의 형상 변화와 정확히 반대로 변화하도록 선택된다. 하나의 층에서 압전 활성층의 팽창 시작과 동시에 이에 대향하는 층에서 비활성 캐리어층의 수축은 굽힘 트랜스듀서의 절곡 효과를 더욱 증대시킨다.
평면으로 형성되는 압전 비활성 캐리어층을 위해, 압전 활성 재료와 유사한 종류이며 유사한 열 거동을 갖는 세라믹 재료의 선택이 매우 유리한 것으로 입증되었다. 이와 같은 재료는 섬유 보강 재료로 보강된 수지 침지 재료에 견줄 수 있는데, 이러한 재료의 강성은 선택된 섬유 배향 및 기하학적 형상에 따라 공간적으로 배향되어 영향을 받을 수 있고, 이는 마찬가지로 유리할 수 있다. 전기 전도성, 섬유 보강 재료 및/또는 수지계로 구성된 층을 사용하는 것이 매우 유리한 것으로 입증되었는데, 이러한 층은 동시에 섬유 복합재에 배정되는 압전 활성 재료 소재의 층과 전기 접촉될 수 있다. 이러한 층은 해당 층에 통합되는 수지계를 통해 관련된 압전 활성 재료의 근소한 기하학적 두께 편차에서 허용 가능한 공차 보상을 제공하고 힘에 의한 결합을 더 확실하게 보장한다.
압전 굽힘 트랜스듀서는 서로 상이한 물리적 특성들을 갖는 재료로 구성되는 층 방식의 구성에 기반하여 특히 열에 의한 고유 휨과 관련하여 바이메탈 방식의 거동 경향을 보인다. 압전 굽힘 트랜스듀서가 예컨대 적합한 재료 균일도 및 두께 쌍을 보장하는 것과 같은 적합한 조처에 의해 공정 안정적으로 제한되지 않는다면, 열에 의한 고유 휨의 치수는 압전에 의해 유도되는 소기의 절곡 영역을 현저하게 약화시킬 수 있다. 굽힘 트랜스듀서 생산 공정 이후에 배치될 수 있는 유리한 보상 조처로서, 열적으로 상이한 보상 재료로 구성되는 적합한 (얇은 층의) 보상면 또는 보상 구조물을 목적에 맞게 적치하는 것이 유효한 것으로 확인되었다. 굽힘 트랜스듀서 상측 또는 하측에서 그러한 추가적 보상면 또는 보상 구조물이 적치됨으로써 열에 의해 유도되는 굽힘 모멘트가 인가될 수 있고, 이러한 굽힘 모멘트는 열에 의한 고유 휨에 반작용하여 이를 보상한다. 유리하게는, 보상면 또는 보상 구조물의 물리적 특성은, 이러한 보상면 또는 보상 구조물이 한편으로 전술한 열 보상 효과를 충족하나, 다른 한편으로 출력을 결정하는 (특히 유휴 시 편향 및 블로킹 힘의) 액추에이터 특성값에 최소로만 영향을 미치도록 선택된다.
일반적으로 스트립 형상의 압전 굽힘 트랜스듀서의 종방향으로 제공되는 액추에이터 출력을 최적으로 활용하기 위해, 이러한 액추에이터는 매우 유리하게는 스트립의 제 1 기하학적 단부에 근접하여 전체 폭 상에서 기계적으로 단단하게 클램핑된다. 2 차 제어 유체 스트림에 작용하기 위해 필요한 액추에이터 운동 및 액추에이터 힘은 유리하게는 대향하는 제 2 단부에 근접하여 탭된다. 이러한 클램핑 및 탭 영역들은 기계적 고정으로 인하여 편향에 기여하지 않으므로, 이 영역들의 종방향 치수가 최소화된다. 따라서 기계적 클램핑은 바람직하게는 평면으로 또는 선형으로 굽힘 강성 나이프 에지 베어링의 형태로 수행된다. 액추에이터 운동 또는 액추에이터 힘의 탭은 유리하게는 선형으로 또는 점형으로 수행된다. 비틀림에 의해 경우에 따라 발생할 출력 손실을 방지하기 위해, 이러한 탭은 유리하게는 굽힘 트랜스듀서 중심선을 따라 수행된다.
본 발명에 따른 압전 굽힘 트랜스듀서를 포함하는 안전 밸브가 습한 환경에서 사용되어야 할 시, 전기 활성 부재는 단락 및 부식 방지를 위해 습기로부터 보호되어야 할 것이다. 이는 유리하게는 예컨대 방습 래커와 같은 평면의 도포층들을 통해 또는 방습 호일 코팅에 의한 봉지를 이용하여 이루어진다. 경우에 따라 발생할 힘 전달 손실을 방지하기 위해, 클램핑 영역에서 방습부는 중간층 없이 직접적인 기계적 클램핑이 보장될 수 있는 방식으로 선택적으로 생략되는 것이 유리하다. 반면, 탭에서, 방습부는 추가적 기능 구조물과 조합되는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로 예컨대 밸브에서 밀봉 특성 또는 예컨대 콘택 부재들 또는 댐핑 부재들에서 부착 방지 특성을 포함하는 선택적 콘택면들은 최소의 분리력을 포함하여 구현될 수 있다.
압전 재료는 특정한 한계 내에서 전기적 또는 기계적 지속 부하를 받을 시 전기적 또는 기계적 완화 경향을 보인다. 이때 열은 이러한 효과를 증대시키는 역할을 한다. 완화 효과의 절대적 영향은 이러한 완화 효과의 시간 종속성에 의해, 발생하는 특성값의 작용 시간에 따라 감소된다. 압전 활성 재료는 특정한 범위의 완화에 의해 제조 공정 중에 이러한 재료에 인가되는 분극 또는 기계적 고유 응력을 상실한다. 이를 배경으로 하여, 전기적 제어 신호(즉 제어 전압)는 편향을 위해 필요한 전압 범위에 한정될 수 있고, 이는 이미 앞에서 설명된 바와 같다.
기계적 클램핑의 조립 중에 기계적 장애 영향은 유리하게는 클램핑 지점과 탭 지점 사이에 최적의 배향을 통해 최소화될 수 있거나 적합한 조정 장치를 사용하여 저응력 접합 공정 및 이후의 위치 보정이 수행될 수 있다.
압전 굽힘 트랜스듀서의 압전 활성층의 전기적 여기를 위해, 이러한 압전 활성층은 유리하게는 매우 균일한 전기장에 노출되는 것이 필요하다. 전극면의 제조를 위해 압전 호일 재료는 이를 위해 제조 공정에서 양측에 얇은 면으로 금속화될 수 있다. 예컨대 톱질, 스크라이빙 및 파단과 같은 적합한 트리밍 공정을 이용하여 개별 호일 부재들의 분리 후, 압전 호일 재료는 양측에 제공될 포인트 콘택을 이용하여 전기적으로 전면적이 여기될 수 있다. 상측 및 하측에서 각각 하나의 압전 활성층, 및 전기 전도성 캐리어층을 포함하여 대칭으로 구성되는 굽힘 트랜스듀서를 위해, 소자는 매우 간단하게 접촉될 수 있다. 이때 캐리어층 및 외부 전극면을 각각 하나의 전기 포인트 콘택을 통해 연결하는 것으로 충분하다.
압전 활성층의 전기적 여기를 위해, 이러한 압전 활성층의 양측 전극면은 전기 제어 전압의 여기를 필요로 한다. 전기적 제어 전압은 중간에 위치한 압전 활성 재료에 균일한 전기장을 인가한다. 압전 활성 재료의 절연 특성은 각 전류 안내를 방지함으로써, 오로지 전극면의 충전 또는 재충전 절차를 위해서 전류가 흐른다.
압전 굽힘 트랜스듀서의 전기적 용량은 실질적으로 관련된 압전 활성 부재의 개수, 이러한 압전 활성 부재의 전극면 및 압전 활성 재료의 유전율로부터 얻어진다. 전기적 완화를 최소화하기 위해, 압전 굽힘 트랜스듀서에서, 재충전 절차는 변경 방향의 부호가 동일 방향인 단사이클 전기 여기 임펄스를 통해 시작되고, 유지 전압 및 이를 통해 시작되는 전기장은 압전 재료를 통하여 신규의 기준 위치 도달 후에 허용 수준으로 감소되는 것이 유리하며, 이를 통해 위치 변화가 다시 시작되지 않는다.
본 발명에 따르는 안전 밸브의 설계 및 제조의 범위 내에서 경제적 숙고를 기반으로 하여 적용예에 따라 좌우되는 스케일 효과를 최적으로 활용하기 위해, 전자 제어 유닛 및 전기 유체적 예비 스테이지로 구성되는 전기 유체 인터페이스를 물리적 제품 특성과 관련하여 본질적 특성들에서 표준화하는 것이 매우 중요하다. 이로부터, 매우 에너지 효율적인 적용을 위해 전기에 의해 작동되는 액추에이터로서, 폭 넓은 사용을 위해 본 발명의 구현 범위 내에서 매우 유리한 것으로 간주되는 다음의 제품 특성이 얻어진다:
ㆍ 최대 허용 전기적 제어 전압을 산업 통상적인 24 VDC 로 제한함.
ㆍ 압전 굽힘 트랜스듀서에 저장될 수 있는 전기 에너지를 본질 안전성 액추에이터를 위해 최대 50 μJ 로 제한함. 이로부터 24 VDC 의 최대 전압에서 압전 액추에이터의 유리한 전기적 최대 용량은 170 nF 으로 나타남.
ㆍ 통상적 공압 단위 신호를 표준으로 하여 2 차 제어 유체를 위한 작동 압력을 1.2 bar 로 규정함.
ㆍ-40℃ 내지 80℃ 의 공정 산업 표준 사용 온도 범위를 위해 인터페이스를 설계함.
이미 앞에서 상세하게 더 설명한 컴포넌트 외에, 본 발명에 따르는 안전 밸브, 특히 모듈 방식으로 구성될 수 있는 안전 밸브는 결국 압력 매질 준비 모듈을 더 포함할 수 있고, 이러한 압력 매질 준비 모듈은 적용에 부합하게 2 차 제어 매질 스트림을 준비하는 역할을 한다. 필터 부재 외에, 안전 밸브는 2 차 제어 유체 스트림에서 제공된 공급 압력의 과부하 방지를 위해 예비 압력 조정기를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따르는 안전 밸브 또는 안전 밸브 내에 사용될 수 있는 컴포넌트의 일 실시예는 도면을 참조로 더 상세히 설명된다.
도 1 은 본 발명에 따르는 안전 밸브의 일 실시예의 전체 컴포넌트를 일부 횡단면으로 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따라 구현되는 기능 시험 중에 통상적 신호 및 압력 흐름을 도시한 도면이다.
도 3 은 압전 굽힘 트랜스듀서의 위치 함수로서 입력 신호와 응답 신호 사이에 위상 이동의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따라 구현되는 기능 시험 중에 통상적 신호 및 압력 흐름을 도시한 도면이다.
도 3 은 압전 굽힘 트랜스듀서의 위치 함수로서 입력 신호와 응답 신호 사이에 위상 이동의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 1 은 본 발명에 따라 모듈식으로 형성되는 안전 밸브 (1) 의 일 실시예를 도시한다. 이러한 안전 밸브는 제어 전압을 생성하기 위한 전자 제어 유닛 (2), 제어 전압을 이용하여 작동 위치와 안전 위치 사이에서 작동 가능한 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 를 포함하는 전기 유체 예비 스테이지 (3) 로서, 이러한 압전 굽힘 트랜스듀서가 위치 종속적으로 화살표 (S1, S2, S3) 로 표시되는 2 차 제어 유체 스트림의 유동에 작용하는, 상기 전기 유체 예비 스테이지 (3) 및 화살표 (P1, P2) 로 표시되는 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 작용하기 위한 작용 장치 (6) 를 포함하는 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 를 포함한다.
본원에서 메인 스테이지 (5) 는 NG 변형예(NG = 정상 폐쇄)로서 작동된 상태에서 형성된다. 메인 스테이지는 하우징 (7), 1 차 작동 유체 스트림을 위한 유체 유입부 (8) 및 유체 유출부 (9), 2 차 유체 스트림 (S2) 을 위한 연결부 (11) 를 포함하는 제어 공간 (10) 으로서, 이러한 연결부는 멤브레인 (12) 에 의해 분리되는, 상기 제어 공간 (10), 스프링 (13) 을 이용하여 복귀되는 (및 본원에서 스프링 힘에 반하여 편향되는) 작동 부재 (14) 및 작동 부재에 고정되는 밀봉 부재 (15) 를 포함하고, 이러한 밀봉 부재는 작동 부재 (14) 가 위쪽으로 이동될 시 밀봉 시트 (15a) 를 이용하여 메인 스테이지 (5) 를 통한 1 차 작동 유체 스트림을 차단한다. 종방향으로 이동 가능한 작동 부재 (14) 는 멤브레인 (12) 과 연결되는 멤브레인 디스크 (14a) 및 이에 고정되는 샤프트 (14b) 로 구성되고, 샤프트는 1 차 유동 안으로 연장되며 샤프트의 자유 단부에는 밀봉 부재 (15) 가 고정된다. 예비 스테이지 (3) 와 메인 스테이지 (5) 사이의 변속은 실질적으로 밀봉 부재 (15) 에 대한 멤브레인 디스크 (14a) 의 면적비에 의해 결정된다.
예비 스테이지 (3) 는 압전 밸브로 형성되고, 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 는 작동된 작동 상태 (실선) 및 안전 위치 (파선) 에서 표시되어 있다. (제어 전압이 제공되지 않을 시) 안전 위치를 점유하는 것은 압전 굽힘 트랜스듀서에 의해 안전 위치를 향한 방향으로 사전 응력 받은 스프링 (16) 에 의해 강제된다. 2 개의 부재 (즉 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 및 스프링 (16)) 는 예비 스테이지 (3) 의 하우징 (17) 내에 위치하고, 하우징은 (압력을 받는 2 차 제어 유체를 위한) 공급 연결부 (18), 배출 연결부 (19) 및 메인 스테이지 (5) 의 제어 공간 (10) 으로/으로부터 안내되는 2 차 유체 스트림을 위한 연결부 (20) 를 포함하고, 이러한 2 차 유체 스트림을 위한 연결부는 적합한 방식으로 메인 스테이지 (5) 의 하우징 (7) 에서의 상부 연결부 (11) 와 연결된다.
압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 작동 위치에서 공급 입구 (18) 와 메인 스테이지 (5) 쪽으로 안내되는 예비 스테이지 (3) 의 출구 (20) 사이에 유체 경로가 구성되는 반면, 배출 연결부 (19) 는 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 자유 단부에 의해 가려지거나 차단된다.
반면, 파선으로 표시되는 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 안전 위치에서 공급 입구 (18) 는 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 자유 단부에 의해 가려짐으로써, 이 위치에서 연결부 (20) 및 배출 연결부 (19) 사이에 유체 경로가 구성되고, 이는 메인 스테이지의 제어 공간 (10) 의 배출을 야기함으로써, 메인 스테이지 (5) 의 작용 장치 (6) 는 스프링 사전 응력에 기반하여 1 차 작동 유체 스트림을 차단하는 최종 위치로 이동된다.
압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 에 제어 전압을 공급하기 위해 필요한, 예비 스테이지의 전기 도체들 (21, 22) 은 하우징 (7) 을 통해 바깥쪽으로 안내되고, 이 위치로부터 이러한 전기 도체들은 일반적 방식으로 - 예컨대 적합한 플러그를 이용하여 - 케이블 (23) 을 이용하여 이에 대응하는 제어 유닛 (2) 의 연결부들 (24, 25) 에 연결되고, 이를 위해 주어진 실시예에서는 2 개의 와이어 연결부들의 가장 단순한 변형예가 선택되어 있다.
일반적 방식으로 안전 밸브 (1) 를 제어하기 위해, 특히 제어 전압을 생성하기 위해 적합하게 구성되는 제어 유닛 (2) 은 오로지 개략적으로 도시되어 있다. 제어 유닛은 본 발명에 따른 방식으로 반복적으로 재수행되는 예비 스테이지 (3) 의 기능 시험을 수행하도록 구성되는 (미도시된) 제어 전자장치 외에 조작 부재 (26), 표시 부재 (27), 및 상위 범주의 제어, 조정, 진단 및/또는 통신 장치 및 시스템과의 통신, 및 반복적 기능 시험 중에 산출되는 데이터의 능동 또는 수동 전송을 위해 적합한 연결부 또는 인터페이스 (미도시) 를 포함한다. 또한, 밸브를 제어하기 위해 경우에 따라 필요한 측정 신호를 위해 적합한 신호 입력부가 구비될 수 있다.
적합한 방식으로 2 차 제어 유체 스트림을 위해 형성되는, 예비 스테이지 및 메인 스테이지 (3, 5) 에서 연결부들 (20, 11) 사이의 연결은 이중 화살표로 표시되어 있다. 따라서 메인 스테이지 (5) 의 작용 장치 (6) 는 메인 스테이지 (5) 의 제어 공간 (10) 안으로 유입되는 2 차 제어 유체 스트림을 이용하여 작동 가능하고, 도 1 에 도시된 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 작동 위치에서 예비 스테이지 (3) 의 공급 연결부 (18) 에 도달하는 압력은 메인 스테이지 (5) 의 제어 공간 (10) 에 공급됨으로써, 도시된 바와 같이 메인 스테이지 (5) 의 작용 장치 (6) 는 1 차 작동 유체 스트림을 해제하는 스위칭 상태를 점유한다.
이제 제어 유닛 (2) 을 이용하여 제어 전압을 차단 또는 감소시킴으로써 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 가 도 1에 파선으로 표시되는 안전 위치로 이동되거나 이러한 방향으로 편향되면, (배출 연결부 (19) 의 개방에 기반하여) 제어 공간 (10) 내에서 압력이 감소되는데, 왜냐하면 이러한 제어 공간 내에서 압력을 받는 2 차 제어 유체는 도로 예비 스테이지 (3) 쪽으로 흐르고 화살표 (S3) 를 따라 배출구 (19) 를 통해 유출될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따르는 안전 밸브 (1) 의 제어 유닛 (2) 은 소정의 시간 간격 (예: 8 시간 내지 72 시간) 의 경과 후 전기 유체 예비 스테이지 (3) 의 기능 시험을 전자동으로 반복적으로 재수행하도록 구성되고, 기능 시험의 범위 내에서 제어 전압의 적합한 변경 하에, 한편으로 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 실제 편향 운동을 결정함과 동시에 압전 굽힘 트랜스듀서의 올바른 기능 방식을 점검할 수 있고, 다른 한편으로 메인 스테이지 (5) 에 의해 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 영향을 미치지 않는 방식으로, 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 단시간 및/또는 근소한 변화가 야기된다.
도 2 는 본 발명에 따라 구현되는 기능 시험 중 신호 및 압력 흐름을 예시적으로 도시하는데, 이러한 기능 시험에서 제어 전압은 측정 신호를 변조하고 이를 통해 유도되는 (교류) 전류는 응답 신호로 측정된다.
좌측 열의 그래프는 공칭 제어 전압 (Unom) 에서, 즉 작동 위치에서 신호 흐름을 나타낸다.
우측 열의 그래프는 감소된 제어 전압에서 각각의 신호 흐름을 나타내는데, 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 는 이미 최종 위치를 벗어났다.
상부 열의 그래프는 각각 제어 전압 (U) 을 나타내는데, 이러한 제어 전압은 낮은 진폭의 교류 전압을 측정 신호로서 변조한다. 중간 열은 응답 신호로 각각 측정되는 전류 신호 (I) 를 도시하고, 하부 열은 (메인 스테이지 (5) 의 제어 공간 (10) 쪽으로 안내되는) 예비 스테이지 (3) 의 출구 (20) 에서 발생하는 압력 (p) 을 도시한다.
변조된 전압 신호는 도시한 경우에, 최종 위치에서 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 공진 주파수에 근접하고 또한 약간 초과하는 주파수를 포함한다.
작동 위치에서 예비 스테이지 (3) 의 출구 (20) 에서 압력은 일정하다. 전압과 전류 사이에 낮은 정 위상 이동이 나타난다.
이제 제어 전압이 감소되면, 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 는 최종 위치를 벗어나고 압력은 약간 감소하고, 본 발명에 따라 구현되는 기능 시험의 범위 내에서 제어 공간 (10) 의 체적, 주어진 압력비 및/또는 메인 스테이지 (5) 의 작용 장치 (6) 의 작동을 위해 필요한 에너지 (이는 예컨대 메인 스테이지 (5) 의 스프링 (13) 의 복원력에 의해 결정됨) 를 적합하게 규정함으로써, 어느 시점이든 압력이 메인 스테이지 (5) 의 작용 장치 (6) 의 작동을 위해 필요한 스위칭 압력 (pSW) 을 초과하게 하는 것이 바람직하다. 이를 통해 예비 스테이지의 기능 시험은 1 차 작동 유체 스트림에 영향을 미치지 않고 구현될 수 있다.
최종 위치를 벗어남으로써 응답 신호에서 위상 위치 및 진폭이 변화하여, 공급 전압을 변조하는 측정 신호와 (전류 흐름으로 측정되는) 응답 신호 사이에서 위상 이동이 작동 위치에서 주어지는 위상 이동과 상이하게 존재하는 경우 최종 위치로부터 압전 굽힘 트랜스듀서의 실제 편향 및 이로 인한 압전 굽힘 트랜스듀서의 올바른 기능 방식이 추론될 수 있다. 전류와 전압 사이의 위상 이동은 이제 주어진 예시에서 -180°이다 (도 2 의 우측 열에서 상부 2 개의 그래프에 도시된 신호 흐름 참조).
도 3 은 주어진 실시예를 위해 작동 위치로부터 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 (참조) 위치/편향의 함수로서 위상 이동의 흐름을 최종적으로 도시하는데, 1 의 값은 압전 굽힘 트랜스듀서가 안전 위치로 이동된 것에 해당한다.
도 3 에 도시된 그래프는 도 2 에 관한 설명을 참조 시 매우 자명하다. 위상 이동의 정확한 흐름은 변조된 신호의 주파수에 따라 좌우된다. 다시, 최종 위치에서 압전 굽힘 트랜스듀서의 공진 주파수에 근접하고 또한 약간 초과하는 주파수에 적용되는 경우가 도시되어 있다.
Claims (15)
- 안전 밸브 (1) 로서,
- 제어 전압을 생성하기 위한 전자 제어 유닛 (2),
- 상기 제어 전압을 이용하여 작동 위치와 안전 위치 사이에서 작동 가능한 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 를 포함하는 전기 유체 예비 스테이지 (3) 로서, 상기 압전 굽힘 트랜스듀서는 위치 종속적으로 2 차 제어 유체 스트림의 유동에 작용하는, 상기 전기 유체 예비 스테이지 (3), 및
- 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 작용하기 위한 작용 장치 (6) 를 포함하는 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 로서, 상기 작용 장치 (6) 는 상기 메인 스테이지 (5) 의 제어 공간 (10) 안으로 유입되는 상기 2 차 제어 유체 스트림을 이용하여 작동 가능한, 상기 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 를 포함하고,
상기 제어 유닛 (2) 은 소정의 시간 간격의 경과 후 상기 전기 유체 예비 스테이지 (3) 의 기능 시험을 전자동으로 반복적으로 재수행하도록 구성되고, 상기 기능 시험의 범위 내에서 상기 제어 전압의 적합한 변동 하에, 한편으로 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 실제 편향 운동을 결정함과 동시에 상기 압전 굽힘 트랜스듀서의 올바른 기능 방식을 점검할 수 있고, 다른 한편으로 상기 메인 스테이지 (5) 에 의해 상기 1 차 작동 유체 스트림의 유동에 영향을 미치지 않는 방식으로 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 단시간 및 근소한 위치 중 하나 이상의 변화가 야기되는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 의 상기 작용 장치 (6) 는 상기 제어 공간 (10) 의 체적, 주어진 압력비 및 이를 작동하는데 필요한 에너지 중 하나 이상을 적합하게 규정함으로써 오로지 긴 시간 지연으로 상기 제어 공간 내에 유입되는 2 차 제어 유체에 의해 작동되어, 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 는 상기 기능 시험의 범위 내에서 상기 제어 전압의 단시간 차단에 의해 상기 압전 굽힘 트랜스듀서의 작동 위치로부터 안전 위치로 그리고 다시 역으로 이동될 수 있고, 이때 상기 메인 스테이지 (5) 에 의해 상기 1 차 작동 유체 스트림의 유동이 영향 받지 않는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 는 상기 기능 시험 중에 상기 제어 전압의 적합한 감소에 의해 근소한 정도로만 상기 압전 굽힘 트랜스듀서의 작동 위치로부터 편향되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛 (2), 상기 전기 유체 예비 스테이지 (3) 및 상기 유체 기계적 메인 스테이지 (5) 중 하나 이상은 각각 별도의 모듈로 설계되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 전기 유체 예비 스테이지 (3) 는 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 에 상기 제어 전압을 공급하기 위해 필요한 전기 도체들 (21, 22) 을 제외하고 기타 전기 및 전자 컴포넌트 중 하나 이상을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 5 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 상기 기능 시험 중에 진단 목적으로 상기 제어 전압을 안내하는 상기 도체들 (21, 22) 을 통해 평가 가능한 전기 측정 신호를 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 에 대해 변조하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 6 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 상기 측정 신호에 의해 야기되는 응답 신호의 감지 및 평가를 위해 구성되어, 실제로 수행되는 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 편향 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 6 항에 있어서,
상기 측정 신호는 교류 전압이고, 또한 상기 측정 신호와 응답 신호로서 유도되는 교류 전류 사이에서 위상 이동을 평가하는 중에 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 임피던스 변화가 결정되고, 이는 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 실제 편향 운동에 대응하는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 실제 편향 운동을 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 용량 및 공진 거동 중 하나 이상의 변화를 측정함으로써 감지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 2 개의 기능 시험 간의 시간 간격의 길이를 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 품질을 나타내는 품질값에 따라 결정하도록 구성되고, 상기 품질값은 결과적으로 상기 제어 유닛 (2) 에 배정되는 메모리 유닛에 저장되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 10 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 상기 품질값 및 이로부터 얻어지는 2 개의 기능 시험 간의 시간 간격의 길이를 이전에 수행된 기능 시험의 측정값들에 따라 동적으로 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 작동을 위해 필요한 상기 제어 전압을 이전에 수행된 기능 시험의 측정값들에 따라 동적으로 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 는 상기 압전 굽힘 트랜스듀서 (4) 의 전기 용량이 -40℃ 내지 +80℃의 허용 구동 온도 범위에 걸쳐 항상 170 nF 미만이도록 적합한 기하학적 형상 및 적합한 재료를 선택함으로써 설계되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 유체 예비 스테이지 (2) 는 DIN EN 60079-11에 따라 폭발성 분위기에서 사용하기 위해 본질적으로 안전한 유닛으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 유닛 (2) 은 상위 범주의 제어, 조정, 진단 및 통신 장치 중 하나 이상과 시스템과 통신하기 위한 인터페이스를 포함하고 반복적 기능 시험 중에 산출되는 데이터의 능동 또는 수동 전송을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 안전 밸브 (1).
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