KR19990023619A - 전기 유동 유체용 압력 모터 - Google Patents

Abstract

2개의 작동 챔버(A, B)를 둘러싸고 있는 하우징(1), 하우징(1) 내에서 운동할 수 있는 피스톤(3), 전기 유동 유체를 공급하기 위한 입구 채널(22)과 방출하기 위한 출구 채널(23) 및 각각의 경우에 작동 챔버(A 및 B)를 입구 채널(22) 또는 출구 채널(23)에 연결하며 그 경계면이 전기장 발생을 위한 전극을 형성하는 환상 틈새(8)를 포함하는 전기 유동 밸브(1a, 1b, 2a, 2b)로 구성되는 전기 유동 유체용 압력 모터에서, 전기 유동 밸브(1a, 1b, 2a, 2b)는 길이 방향으로 하우징 벽을 관통하는 구멍(6)과 이 구멍(6)에 배열되고 하우징(1)으로부터 격리된 멘드릴(7)에 의해 형성되고, 상기 구멍(6)과 멘드릴(7)이 일정 틈새 폭의 환상 틈새(8)를 함께 한정하고 멘드릴(7)이 고전압에 연결될 수 있고 상기 하우징(1)이 접지된다.

Description

전기 유동 유체용 압력 모터

본 발명은 2개의 작동 챔버를 둘러싸고 있는 하우징, 하우징 내에서 운동할 수 있고 작동 챔버를 서로 분리하는 피스톤, 고압 영역으로부터의 전기 유동 유체를 공급하는 입구 채널, 전기 유동 유체를 저압 영역으로 방출하는 출구 채널, 각각의 경우에 작동 챔버를 입구 채널이나 출구 채널에 연결하고 그 경계면이 전기장 발생을 위한 전극을 형성하는 환상 틈새를 포함하는 전기 유동 밸브로 구성되는 전기 유동 유체용 압력 모터에 관한 것이다.

전기 점성 유체라고도 불리는 전기 유동 유체는 이들 노출되는 전기장의 세기에 따라 점성이 변한다. 전기장의 영향하에서 전기 유동 유체는 점성을 갖게 되거나 굳은 상태로 되기도 한다. 유압 시스템의 작동 유체로서 전기 유동 유체를 사용함으로써 전기 유동 밸브를 이용한 유압 작용의 직접적인 전기적 제어가 가능하다고 알려져 있다.

미국 특허 제4, 840, 112 A에는, 항공기용 서보 모터로서 마련되고 전기 유동 유체로 작동되는 특이한 실린더 형태의 압력 모터가 개시되어 있다. 실린더에 합체된 전기 유동 밸브에 의하여 제어가 이루어진다. 4개의 밸브는 2개 튜브를 실린더에 삽입함으로써 형성되는 환상 틈새들로 이루어져 있다. 실린더의 피스톤은 내측 튜브를 통해 연장된다. 전기 유동 유체는 실린더의 두 단부측 사이에서 실린더 벽 중앙에 배열된 연결 편을 통해 공급 및 방출된다. 밸브와 실린더 챔버간의 짧은 연결의 결과로, 상기 공지의 구조에서 전기 유동 유체의 높은 응답 속도를 이용할 수 있다. 필요한 4개 밸브의 구성을 위하여, 공지된 장치에서는 튜브에 의해 형성되는 2개 환상 틈새를 세분하여 각각의 경우에 환상 틈새당 2개 밸브가 실린더 길이를 따라 수용되도록 할 필요가 있다. 환상 틈새의 길이는 얻을 수 있는 압력차와 그로 인한 압력 모터의 조절력을 의미하므로 실린더는 긴 전장을 갖게 된다. 또한, 피스톤 직경은 환상 틈새의 원주와 그로 인한 환상 틈새로의 유체 입력 단면과 관련이 있으므로, 환상 틈새의 필요한 기하학적 치수는 실질적으로 고정되어 있고 예를 들어 고전압의 제어와 같은 여러 원칙에 따라 더 이상 최적화 될 수 없다. 또다른 단점으로는 점성 마찰의 결과로 내측 환상 틈새에서 발생하는 열이 직접적인 금속 열전도를 통해 외부로 방출되지 못한다는 것이 있다. 따라서, 특히 피스톤 운동이 빈번할 때는 내측 환상 틈새 내의 전기 유동 유체에서 심한 열이 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은, 두 작동 챔버 사이의 높은 압력차와 그로 인한 비교적 높은 조절력을 허용하고, 우수한 동적 응답을 얻으며, 직접적인 금속 열전도에 의해 양호한 열방출이 가능한, 소형의 일체형 밸브를 구비한 서두에 언급한 압력 모터를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 압력 모터의 블록 선도.

도2는 원통형 하우징 및 이 하우징에 합체된 환상 틈새 밸브들을 포함하는 본 발명에 따른 전기 유동 유체용 압력 모터를 관통하는 길이 방향 단면 E - E의 단면도.

도3은 도2에 도시된 압력 모터의 단면 A - A의 단면도.

도4는 도2에 도시된 압력 모터의 단면 B - B의 단면도.

도5는 도2에 도시된 압력 모터의 단면 C - C의 단면도.

도6은 도2에 도시된 압력 모터의 단면 D - D의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

A, B : 작동챔버 1a, 1b, 2a, 2b : 전기 유동 밸브

7 : 맨드릴 22 : 입구 채널

23 : 출구 채널

상기 목적은, 전기 유동 밸브가 길이 방향으로 하우징 벽을 관통하는 구멍 및 이 구멍에 배열되어 있고 하우징으로부터 격리된 소자들로 구성되고, 상기 구멍과 소자가 일정 틈새 폭의 환상 틈새를 함께 한정하며 상기 소자가 고전압에 연결되고 하우징이 접지되어 있는 본 발명에 따라 성취된다.

본 발명에 따른 압력 모터의 설계에서, 전기 유동 밸브의 전극 틈새는 하우징의 전 길이를 따라 연장될 수 있으므로 압력 모터의 전장을 따라 측정했을 때 높은 압력차를 얻을 수 있다. 모든 환상 틈새는 금속으로 제작될 수 있는 하우징 벽과 직접 접촉하고 있어서, 우수한 열 방출을 보증한다. 각각의 밸브는 고전압 소자를 지닌 다수의 구멍으로 형성된다. 따라서 밸브의 큰 단면적과 그로 인한 압력 모터의 큰 체적 유량 및 높은 동적 응답을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 압력 모터의 설계는 또한 4개 밸브를 구성하기 위해서 동일한 부품 즉, 동일한 크기의 구멍 및 소자를 포함하는 기계적으로 단순한 구성을 가능케한다. 간단한 실시예에서 소자는 원통형 로드나 맨드릴로 구성될 수 있을 뿐 아니라 구멍을 따라 연장된 코일의 형태를 가질 수도 있다.

본 발명에 따르면, 구멍으로부터 돌출된 소자의 단부는 하우징의 단부면에 고정되어 있고 우수한 절연 물질, 예를 들어 PPS나 세라믹과 같은 산업용 열가소성수지로 제작된 단부 캡에 장착된다. 또한, 단부 캡은 밸브의 환상 틈새가 입구 채널 및 출구 채널 또는 작동 챔버에 연결되는 것에 의하여 챔버들을 형성한다. 이로 인해 전체 환상 틈새 단면을 입력 단면으로 이용할 수 있는 이득이 있다. 4개 밸브는 단부 캡 내의 챔버들을 거쳐 작동 챔버와 입구 채널 및 출구 채널에 2개의 다른 경로로 연결된다. 일 실시예에서, 입구 채널과 출구 채널은 하우징의 한 단부측 상에 설치되고 밸브들은 하우징의 다른 단부측을 거쳐 작동 챔버에 연결된다. 이 실시예는 모터, 펌프 및 탱크 또는 저장 용기를 포함하는 유니트를 압력 모터의 한 단부면에 플랜지 부착할 수 있으므로, 예를 들어 정밀 위치 설정을 위한 산업용 로보트에 또는 차량이나 트럭용 조향 보조 기구로써 사용될 수 있는, 전반적으로 매우 소형인 기계적 구조의 조립체로 되는 이점이 있다. 전기 유동 유체는 일반적으로 1ms의 매우 높은 응답 속도를 가지므로, 위와 같은 조립체는 재료 시험용 고주파 실린더로서도 사용될 수 있다.

두 번째 실시예에서 입구 채널과 출구 채널은 또 다른 밸브의 환상 틈새에 각각 연결된 하우징의 양 단부측 상에 챔버를 만든다. 이는 4개 밸브 모두의 경우에서 해당 작동 챔버로의 가장 짧은 연결 경로를 만든다.

본 발명의 양호한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 전기 유동 유체로 작동되며 다음에 자세히 설명될 압력 모터의 작동 모드를 도시한다. 선은 전기 유동 작동 유체가 펌프(P)로부터 미가압 상태의 컨테이너(T)로 이송되게 되는 유동 채널을 지시한다. 2개의 평행한 유동 채널은 펌프(P)와 컨테이너(T) 사이에서 연장된다. 유동 방향에 따라 본 각각의 경우에 있어, 상부 채널은 원형 영역으로 표시된 연속적으로 설치된 환상 틈새 밸브(1a 및 2b)를 포함하며, 반면에 하부 유동 채널은 환상 틈새 밸브(2a 및 1b)를 포함한다. 환상 틈새 밸브(1a 및 2b) 사이에서는 압력 모터의 한 작동 챔버(A)가 상부의 유동 채널에 연결되어 있고, 반면에 환상 틈새 밸브(2a 및 1b) 사이에서는 압력 모터의 다른 작동 챔버(B)가 하부 유동 채널에 연결되어 있다. 작동 챔버(A, B)를 분할하는 피스톤이 챔버 A의 방향으로 움직이면, 환상 틈새 밸브(1a, 1b)는 고전압과의 접속에 의해 차단되는데, 즉 고전압에 의해 환상 틈새에 발생하는 전기장으로 인하여 환상 틈새 내의 전기 유동 작동 유체의 점성이 증가하여서, 이송된 유량중 소량만이 합성 유동 저항을 극복하여 환상 틈새 밸브(1a, 1b)를 통과할 수 있다. 이것은 펌프 출력부와 개방 상태로 절환된 환상 틈새 밸브(2a)를 통해 이에 연결된 작동 챔버(B)의 압력을 증가시킨다. 그러나 작동 챔버(A) 내의 압력은 밸브(2b)가 개방되었을 때와 마찬가지로 컨테이너(T)의 낮은 수위에서 유지된다. 작동 챔버(B)와 작동 챔버(A) 간의 압력차로 인하여 피스톤은 작동 챔버(A)의 방향으로 운동한다.

피스톤이 작동 챔버(B)의 방향으로 운동하면, 환상 틈새 밸브(2a, 2b)는 고전압과의 접속에 의해 차단되고 환상 틈새 밸브(1a, 1b)는 에너지가 감소되어서 개방 상태로 절환된다. 밸브가 이리저리로 급히 절환되면, 피스톤이 절환 주파수에 따라 진동할 수 있다.

도2 내지 도6에 도시된 압력 모터는 금속으로 된 원통형 하우징(1)을 구비한다. 하우징(1)은 피스톤 로드(4)를 구비한 피스톤(3)이 축방향으로 운동할 수 있도록 장착되는 중앙에 위치한 연속적인 원통형 구멍(2)을 포함한다. 피스톤(3)은 미끄럼 시일(5)에 의해 원통형 구멍(2)의 벽으로부터 밀봉되어 있고 원통형 구멍(2)을 두개의 작동 챔버(A, B)로 세분한다. 하우징(1)을 완전히 관통하는 균일한 직경의 일련의 원통형 구멍(6)이 하우징(1)의 벽에 원통형 구멍(2)과 평행하게 마련되어 있다. 구멍(6)보다 작은 직경을 갖고 구멍에 대해 중심에 있는 금속 원통형 멘드릴(7)은 구멍(6)을 통하여 연장된다. 이 배열은 구멍(6)의 벽과 멘드릴(7) 간의 일정 틈새 폭의 환상 틈새(8)를 발생시킨다. 구멍(6)으로부터 돌출된 멘드릴(7)의 단부는 하우징(1)의 양단부면에 억지 끼움 방식으로 고정된 단부 캡(9, 10)에 장착되어 있다. 단부 캡(9, 10)은, 예를 들어 유리 섬유와 같은 충전물로 강화될 수 있는 PPS나 폴리카보네이트 등의 절연 물질로 이루어져 있다. 단부 캡(9, 10)은 각각의 경우에 원통형 구멍(2)의 단부에 결합되어 이 구멍을 폐쇄하는 원통형 돌기부(11)를 중심에 포함하고 있다. 또한 단부 캡(9, 10)은 피스톤 로드(4)가 안내되고 밀봉되게 되는 중심 관통 구멍(12)을 구비한다.

단부 캡(9, 10)은 하우징(1)에 면하는 측면 상에서, 각각의 반경방향 벽(17, 18)에 의해 서로 분리되는 두개의 반원통형 챔버(13, 14 및 15, 16)를 각각 포함하고 있다. 벽들(17, 18)은 이들의 중심 평면들이 서로에 대하여 직각으로 연장되도록 서로 정렬되어 있다. 하우징(1)의 대응 실린더 반부에 배열된 환상 틈새(8)는 챔버(13 내지 16)로 통한다. 챔버(15, 16)에 대해 100°회전된 위치에 챔버(13, 14)가 배열되어 있으므로, 원통형 하우징(1)의 사분면에 위치한 4개의 환상 틈새(8)만이 하우징(1)의 대향 단부측 상에 설치된 2개 챔버를 연결한다. 결과적으로 이것은 각각의 경우에 다른 유로를 형성하는 4개 그룹의 환상 틈새(8)를 생기게 한다. 4개 환상 틈새 그룹 각각은 전기 유동 환상 틈새 밸브(1a, 1b, 2a, 2b)를 형성한다. 각 환상 틈새 밸브의 멘드릴(7)들은 고전압 분배기(19)에 의해 단부 캡(9)에서 서로 연결되어 있고, 다른 환상 틈새 밸브의 멘드릴과 별개로 고전압원에 연결될 수 있다. 하우징(1)은 접지되어 있다. 고전압이 환상 틈새 밸브의 멘드릴(7)에 인가되면, 이 환상 틈새 밸브의 환상 틈새(8)에 전기장이 발생되고 이 밸브의 환상 틈새(8)에 있는 전기 유동 작동 유체의 점성이 증가한다.

도1과 관련하여 설명한 제어 기능을 얻기 위해서, 챔버(16)는 하우징(1)의 채널(20)을 통해 작동 챔버(A)에 연결되고 챔버(15)는 하우징(1)의 채널(21)을 통해 작동 챔버(B)에 연결된다. 챔버(14)는 입구 채널(22)에 연결되고 챔버(13)는 출구 채널(23)에 연결된다. 입구 채널(22)을 통해 챔버(14)로 공급되는 작동 유체는 환상 틈새 밸브(1a)를 통해 챔버(16)로 유입되거나 환상 틈새 밸브(2a)를 통해 챔버(15)로 유입될 수 있다. 따라서, 작동 유체는 각각의 경우에 있어 챔버(16)로부터 환상 틈새 밸브(2a)를 통해서 또한 챔버(15)로부터 환상 틈새 밸브(1b)를 통해서 챔버(13)로 방출되고, 챔버(13)로부터 출구 채널(23)로 방출될 수 있다.

상기에 설명한 본 발명은 자기 유동 작동 유체로 작동되는 압력 모터에도 동일하게 적용된다. 이 경우에는 전기장 대신에, 적절한 코일을 이용하여 환상 틈새 내에 자기장이 형성된다.

본 발명에 따른 압력 모터의 설계에서, 전기 유동 밸브의 전극 틈새는 하우징의 전 길이를 따라 연장될 수 있으므로 압력 모터의 전장을 따라 측정했을 때 높은 압력차를 얻을 수 있다. 모든 환상 틈새는 금속으로 제작될 수 있는 하우징 벽과 직접 접촉하고 있어서, 우수한 열 방출을 보증한다. 각각의 밸브는 고전압 소자를 지닌 다수의 구멍으로 형성된다. 따라서 밸브의 큰 단면적과 그로 인한 압력 모터의 큰 체적 유량 및 높은 동적 응답을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 압력 모터의 설계는 또한 4개 밸브를 구성하기 위해서 동일한 부품 즉, 동일한 크기의 구멍 및 소자를 포함하는 기계적으로 단순한 구성을 가능케한다. 간단한 실시예에서 소자는 원통형 로드나 맨드릴로 구성될 수 있을 뿐 아니라 구멍을 따라 연장된 코일의 형태를 가질 수도 있다.

Claims (7)

1. 2개의 작동 챔버를 둘러싸고 있는 하우징, 하우징 내에서 운동할 수 있고 작동 챔버를 서로 분리하는 피스톤, 전기 유동 유체를 고압부로부터 공급하는 입구 채널, 전기 유동 유체를 저압부로 방출하는 출구 채널, 각각의 경우에 작동 챔버를 입구 채널이나 출구 채널에 연결하고 그 경계면이 전기장 발생을 위한 전극을 형성하는 환상 틈새를 포함하는 전기 유동 밸브로 구성된 전기 유동 유체용 압력모터에 있어서,

   전기 유동 밸브(1a, 1b, 2a, 2b)가 길이 방향으로 하우징 벽을 관통하는 구멍(6)과 이 구멍(6)에 배열되고 하우징(1)으로부터 격리된 소자(멘드릴, 7)에 의해 형성되고, 상기 구멍(6) 및 소자(멘드릴, 7)가 함께 일정 틈새 폭의 환상 틈새(8)를 한정하고 상기 소자(멘드릴, 7)가 고전압에 연결될 수 있고 상기 하우징(1)이 접지될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.
2. 제1항에 있어서, 구멍으로부터 돌출된 소자(멘드릴, 7)의 단부가, 하우징(1)의 단부면에 고정되고 우수한 절연 물질로 제작된 단부 캡(9, 10)에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단부 캡(9, 10)이 밸브(1a, 1b, 2a, 2b)의 환상 틈새(8)가 입구 채널(22)과 출구 채널(23) 또는 작동 챔버(A, B)에 연결되게 해주는 챔버(13, 14, 15, 16)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.
4. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 입구 채널(22)과 출구 채널(23)이 각각의 경우에 있어서 두 밸브들(1a, 2a 및 1b, 2b)에 연결되게 되는 하우징(1)의 일 단부측 상에 배열되어 있고, 밸브들(1a, 1b, 2a, 2b)이 하우징(1)의 다른 단부측 상에서 작동 챔버(A, B)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.
5. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 모터, 펌프 및 탱크 및/또는 저장 용기로 구성된 유니트가 압력 모터의 단부면에 플랜지 부착된 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.
6. 제1항 내지 제3항중 한 항에 있어서, 입구 채널(22)과 출구 채널(23)이 각각의 경우에 있어서 또 다른 밸브의 환상 틈새에 연결되게 되는 하우징(1)의 양 단부측으로 통하는 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.
7. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 모터가 자기 유동 유체용으로 구성되고 밸브가 하우징과 소자들 사이에서 자기장이 발생될 수 있는 자기 유동 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 유동 유체용 압력 모터.