KR20010108014A - 강유전성 유량 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

소정 시간 간격 동안 유체의 흐름을 증진시키고 나머지 시간 간격 동안 밸브를 확실히 폐쇄시키기 위해 강유전성 액츄에이터에 대한 외부의 전기적 활성화에 의해 제어 및 구동되는 능동 밸브가 제공된다. 본 발명의 밸브는 유체 흐름 방향에서 개선된 흐름을 제공하며 흐름의 반대 방향에서 확실한 폐쇄를 제공한다. 액츄에이터는 돔 형상의 내부적으로 초기응력이 가해진 액츄에이터로서, 곡률을 가지며, 테두리와 정점, 그리고 평면에서 상기 테두리를 지나 정점까지 측정될 때 상기 액츄에이터의 내부표면과 외부표면 사이에 가해진 전압에 따라 변화하는 돔의 높이를 가진다.

Description

강유전성 유량 제어 밸브{FERROELECTRIC FLUID FLOW CONTROL VALVE}

유량 제어 응용 분야에서 소정 시간 간격 동안 유체의 지체없는 통과를 허용하고 다른 시간 간격 동안에는 유체의 흐름을 없게 하는 밸브가 종종 사용되고 있다. 이와 같은 밸브의 예로는 "체크 밸브"라고도 알려진 일방향 밸브를 들 수 있다. 이 일방향 밸브는 한 방향(흐름 방향)으로 유체의 지체없는 통과를 허용하고, 그 반대방향(흐름의 역방향)에서 유체의 통과를 허용하지 않는다.

현재의 체크 밸브는 밸브 동작을 활성화 시키기 위해 유체 흐름의 반전 작용을 이용하고, 또한 전자석이나 다른 밸브 동작 활성장치를 사용한다. 이러한 수동적 체크 밸브는 밸브 동작을 활성화 시키기 위해서 유체의 흐름을 필요로 한다. 밸브를 활성화 시키기 위한 유체의 사용은 유체 흐름에 대해 상당히 바람직하지 않은 저항을 만들어 낼 수 있다. 이는 펌프에서 해결해야할 불필요한 작업이다. 또한, 유체에 의한 밸브의 폐쇄는 (역방향 흐름에서) 바람직하지 않은 유체의 용량를 필요로 한다. 이러한 "사장된" 용량은 펌프가 낭비되어질 유체 흐름 량을 배출해야 할 것을 요구한다. 현재 이용가능한 능동 체크 밸브는 외부의 전기적 작동이 이루어지게 할 수 있는 복잡한 기구를 필요로 한다.

본 발명은 본 출원인 명의의 공동 계류중인 "강유전성 펌프(Ferroelectric Pump)"라는 제하의 PCT 출원 US98/26389호에 관련된다.

이하에 기술된 본 발명은 미합중국 정부의 종업원에 의해 창안된 것이며 본 발명에 대한 특허권 사용료의 지불없이 미합중국 정부에 의해 제조 및 사용될 수 있음을 밝혀둔다.

본 발명은 유량 제어 밸브에 관한 것이며, 특히 소정 시간 간격 동안 유체의 흐름을 증진시키고 나머지 시간 간격 동안 밸브의 능동적인 폐쇄를 제공하는 강유전성의 능동적인 유체 흐름 제어 밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량 제어 밸브의 분해도.

도 2는 본 발명에 따른 전기 접촉 링을 나타낸 도면.

따라서, 본 발명의 목적은 외부의 전기적 활성장치에 의해 제어 및 구동되는 능동 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 소정 시간 간격 동안 유체의 지체없는 통과를 허용하고, 다른 시간 간격 동안 유체의 통과를 허용하지 않는 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 밸브 동작을 활성화시키기 위해 유체의 흐름을 요구하지 않는 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 유체 흐름을 개폐하기 위해 강유전성 성분을 이용하는 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 테두리 및 정점을 가지며 평면에서 테두리를 지나 정점까지 측정된 높이가 내부면과 외부면 사이에 가해진 전압에 따라 변화하는, 곡률을 가진 돔 형상의 내부적으로 프리스트레스된 강유전성 액츄에이터를 이용하는 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플로팅 현상이 일어나기 전에 높은 주파수에서 동작할 수 있는 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 화학물질 그리고 오염으로부터 유리될 수 있는 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 상기한 목적 및 다른 목적은 소정 시간 간격 동안 유체의 흐름을 증진시키고 나머지 시간 간격 동안 밸브를 확실히 폐쇄시키기 위해 외부의 전기적 활성화 장치에 의해 제어 및 구동되는 능동 밸브를 제공함에 의해 달성된다. 본 발명의 밸브는 유체 흐름 방향에서 개선된 흐름을 제공하며 흐름의 반대 방향에서 확실한 폐쇄를 제공한다.

본 발명의 부가적인 목적과 장점들은 이하의 첨부도면과 상세설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 강유전성 유량 제어 밸브의 분해도이다. 유체의 흐름은 상부 덮개(10)에 장착된 튜브-파이프 고정 입구(12)를 통해 밸브로 유입된다. 유체는 입구(12)로부터 밸브 스톱(16)으로 흐른다. 적절한 밀봉 개스킷(14)이 상부 덮개(10)와 하우징(18) 사이에 위치된다. 분리막(22)은 유체에 적합한 것이어야 하며, 예를 들어 라텍스와 같이 어느 정도 탄성을 가진다. 분리막(22)은 강유전성 액츄에이터(26)의 전체 표면을 덮을 수 있게 신장된다. 이로써, 분리막(22)은 사용시 항상 가동 액츄에이터(26)의 표면과 접촉 상태로 있게 된다.

분리막(22)은 여러가지 기능을 수행한다. 분리막(22)은 밀봉재로서 역할을 수행하여 유체를 액츄에이터(26)와 전기적 및 화학적으로 격리시킨다. 액츄에이터(26)의 동작 중에 분리막(22)은 접촉 후 밸브 스톱(16)의 주위에서 분리되는 것에 의해 원통형 간극을 생성하거나 분리막과 밸브 스톱(16) 사이의 원통형 간극을 막아버린다.

액츄에이터(26)는 곡률을 가진 반구형의 내부적으로 초기응력이 가해진 강유전성 액츄에이터이며, 이 액츄에이터는 테두리와 정점, 그리고 평면에서 테두리를 지나 정점까지 측정될 때 돔 형상 액츄에이터의 내부표면과 외부표면 사이에 가해진 전압에 따라 변화하는 돔의 높이를 가진다. 이와 같은 액츄에이터의 일 예로는 오라 세라믹스(Aura Ceramics)로부터 구입할 수 있고 본 명세서에 참고로 결합되어 있는 "단일 프리스트레스 세라믹 장치를 제조하는 방법"이라는 제하의 미합중국 특허 제 5,471,721호와, 역시 본 명세서에 참고로 결합되어 있는 "박막 복합 단일형태의 강유전성 드라이버 및 센서"라는 제하의 미합중국 특허 제 5,632,841호에서 찾아 볼 수 있다.

강유전성 액츄에이터에 전압을 가하면 액츄에이터의 표면 사이에서 전장이 발생되고 이에 반응하여 액츄에이터의 모양이 변화한다. 액츄에이터는 인가된 전압의 극성에 따라 평평하게 되거나 솟아오르게 된다. 이러한 형태의 강유전성 액츄에이터는 본질적으로 기계적 운동 범위와 출력되는 힘 범위 사이에서 양호한 균형을나타낸다. 강유전성 액츄에이터의 크기 및 인가되는 전압 및 주파수의 선택은 고유의 운동량과 생성되는 힘의 크기를 결정한다. 이 강유전성 액츄에이터는 수백 퍼센트 까지의 변형을 가질 수 있으며 적어도 10 파운드의 부하를 떠받칠 수 있다. 펌프의 일 용량은 공통 다기관 상에 장착된 복합 강유전성 액츄에이터를 사용함에 의해 증가될 수 있다.

테두리와 테두리를 대향시켜 조가비 형상으로 적층한 한 쌍의 액츄에이터에 의해 2배나 큰 편위운동 진폭을 얻을 수 있다. 더 큰 편위 운동이 필요할 경우는 수 개의 위와 같은 액츄에이터를 직렬접속하여 사용할 수 있다. 이와 같은 배치 구조는 "단일 프리스트레스 세라믹 장치를 제조하는 방법"이라는 제하의 미합중국 특허 제 5,471,721호와, 역시 본 명세서에 참고로 결합되어 있는 "박막 복합 단일형태의 강유전성 드라이버 및 센서"라는 제하의 미합중국 특허 제 5,632,841호에 기재되어 있다.

상기 액츄에이터(26)의 변위에 반응하여 상기 원통형 간극이 개방 및 폐쇄된다. 원통형 간극이 개방되는 시간 간격 동안 유체 흐름은 하우징의 출구(19)를 통해 밸브에서 유출된다. 상기 튜브-파이프 고정 입구(12)와 밸브 스톱(16)의 내경은 액츄에이터(26)의 변위에 의해 생성된 간극을 통해 유체가 흐르게 될 때 유체의 유속이 일정하게 되도록 크기가 정해진다. 이는 바람직하지 않은 압력 저하를 방지한다. 현존하는 밸브와는 달리 다이어프램을 작동시키기 위해 공기 액츄에이터 또는 솔레노이드가 필요하지 않다. 이 액츄에이터 및 관련 구조물들은 다이어프램 및 공기 액츄에이터/솔레노이드 양쪽 기능 모두를 수행한다.

강유전성 액츄에이터(26)의 장착은 액츄에이터(26)를 유체로부터 분리하고, 액츄에이터(26)에 전압이 인가될 수 있는 통로를 제공하고, 인가된 전압에 반응하여 액츄에이터(26) 전체가 변위되게 하면서 액츄에이터(26)를 능동적으로 속박하는 방식으로 이루어진다. 하우징(18)은 상부 덮개(10)와 저부 덮개(34) 사이에 배설된다. 액츄에이터 고정 수단은 2개의 비도전성 밀봉 개스킷(20, 32), 전기 절연재(분리막: 22), 2개의 전기 접촉 링(24, 30), 액츄에이터 스페이서(28), 및 액츄에이터(26)를 포함한다. 여기서, 스페이서(28)은 액츄에이터(26)과 동일한 두께를 가진다. 액츄에이터(26)은 그 둘레가 스페이서(28)의 내측 둘레와 접촉하는 식으로 스페이서(28)내에 위치한다. 또한 전기 접촉 링(24, 30)은 스페이서(28)의 양면에 접촉관계로 위치하여 액츄에이터(26)과 전기적 접촉을 허용한다. 전기 절연재(분리막: 22)는 상부 전기 접촉 링(24)의 바깥쪽 표면에 인접하게 위치하는 동시에 액츄에이터(26)과 동심원상에 위치한다. 전기 절연재(22)는 펌핑된 유체와 걸맞는 재료로 구성되며, 예를 들어 라텍스와 같이 어느 정도 탄성을 가진다. 실리콘 액체와 같은 비도전성 유체가 절연재(22)와 액츄에이터(26) 사이에서 사용된다. 이 유체는 다른 물질에 대해 화학적으로 안정해야 하고 절연재(22)와 액츄에이터(26)를 함께 지지할 수 있도록 적절한 점도를 가진 것을 사용한다. 이에 의해 에어 포켓 (air pocket)이 제거되어 밸브 효율 및 능력을 증진시킨다. 상기 전기 접촉 링(24)의 구멍과 동심원상에 있는 구멍을 가진 밀봉 개스킷(20)은 절연재(22)와 인접하게 위치된다. 밀봉 개스킷(20)은 고무와 같은 비도전성 물질로 만들어진다. 액츄에이터 조립체는 세트 스크류와 같은 고정 수단을 포함한다. 필요한 잠금력은 단지 조립체를 적절하게 유지할 정도의 최소한의 힘이면 충분하다. 프리스트레스는 필요하지 않다.

상기 구성예는 액츄에이터의 수, 두께 또는 크기에 제한을 받지 않는다. 각 특정한 실시예에서 예를 들어 액츄에이터의 변위량 및 액츄에이터 힘 발생력과 같은 요소 파라메터를 고려하여 설계될 수 있다.

전기 도선(36)은 하우징(18)에 드릴링된 구멍을 통해 하우징(18) 내에 위치된다. 도선(36)은 하우징(18) 내에 위치한 세트 스크류 스프링(38)과 접촉한다. 세트 스크류 스프링(38)은 전기 접촉 링(24)과 접촉하여 공급 전압이 접촉 링(24)에 인가되게 한다.

전기 접촉 링(24)은 스페이서(28)와 액츄에이터(26) 양자의 일부분과 겹쳐진다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 전기 접촉 링(24)는 알루미늄 박과 같은 전기 도체인 액츄에이터와 겹쳐지는 부분(40)을 가진다. 또한, 액츄에이터와 겹쳐지는 전기 접촉 링(24)의 바깥쪽 부분(42)은 비도전성 재료로 구성되고 상기 세트 스크류 스프링(38)과 접촉하는 도전성 부분(44)을 갖는다. 비도전성 재료의 한가지 예는 마스킹 테이프이다. 원형의 액츄에이터와 이와 결합되는 원형의 장착 부품들이 바람직하지만, 다른 형태의 것들도 이용가능하다.

액츄에이터(26)에 인가되는 정 및 부 전압 레벨은 액츄에이터의 두께에 따라 변화된다. 매우 큰 전압은 액츄에이터를 가로질러 아크를 발생시킨다.

다른 실시예에서, 전술한 분리막(22)는 액츄에이터(26)와 일체로 구성할 수 있다. 여기서, 액츄에이터(26) 전체, 즉 액츄에이터 양 표면과 모서리는 폴리머 코팅으로 캡슐화 되어진다.

본 발명의 강유전성 액츄에이터 밸브 기구는 전자석 및 공기압 기구에 비해 적은 양을 가지므로 프로팅 현상이 일어나기 전에 높은 주파수에서 동작할 수 있다. 본 발명의 밸브는 현존하는 밸브, 특히 수동 밸브에서 발견되는 사장된 용량을 제거하고, 종래보다 더 간단하고 힘에서 효율적인 밸브를 제공한다.

상술한 바와 같은 개시에 비추어 본 발명에 대한 많은 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위 내에서 상기한 실시예와는 달리 본 발명이 실시될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 하우징과;

   상기 하우징을 관통하여 설치된 유체 입구 수단과;

   상기 하우징을 관통하여 설치된 유체 출구 수단과;

   곡률을 가지며, 테두리와 정점, 그리고 평면에서 상기 테두리를 지나 상기 정점까지 측정될 때 그 내부표면과 외부표면 사이에 가해진 전압에 따라 변화하는 돔의 높이를 가지는 돔 형상의 내부적으로 초기응력이 가해진 강유전성 액츄에이터와;

   상기 액츄에이터를 상기 하우징에 고정하는 동시에 상기 액츄에이터를 유체로부터 분리하고, 상기 액츄에이터에 전압이 인가될 수 있는 통로를 제공하고, 상기 인가된 전압에 반응하여 액츄에이터 전체가 변위되게 하면서 액츄에이터를 능동적으로 속박하는 장착 수단과; 그리고

   상기 액츄에이터의 변위가 유체를 상기 출구 수단으로 유출시키는 원통형 유체 영역을 개방 및 폐쇄시키도록 상기 입구 수단과 상기 장착 수단을 조화시키는 밸브 스톱 수단을 포함하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.
2. 제 1항에 있어서, 상기 입구 수단은 튜브-파이프 고정 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.
3. 제 1항에 있어서, 상기 출구 수단은 상기 하우징을 관통하는 통로인 것을 특징으로 하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하우징은 상부 덮개와 저부 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.
5. 제 1항에 있어서, 상기 원통형 유체 영역은 상기 입구 수단에서 상기 출구 수단에 걸쳐 일정한 유속을 유지하도록 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.
6. 제 1항에 있어서, 상기 장착 수단은:

   제 1의 스페이서 평면 및 제 2의 스페이서 평면과 중앙 개구를 가지며, 이 개구내에 그 바깥 주위가 상기 개구 주위와 접촉하는 식으로 상기 액츄에이터가 위치하는 스페이서와;

   제 1의 전기 접촉 링은 상기 제 1의 스페이서 평면의 일부와 인접하게 위치하고 제 2의 전기 접촉 링은 상기 제 2의 스페이서 평면의 일부와 인접하게 위치하여 상기 액츄에이터와 전기적 접촉을 이루도록 각각 중앙에 개구를 갖는 2개의 전기 접촉 링과;

   제 1의 분리 평면 및 제 2의 분리 평면을 가지며, 상기 제 1의 분리 평면이 동심원상으로 상기 제 1의 접촉 링의 바깥쪽 표면의 일부분에 인접하게 위치하는동시에 상기 액츄에이터와 동심원상에 위치하는 분리막과;

   상기 액츄에이터와 분리막 사이에서 사용되고 상기 분리막과 액츄에이터를 함께 지지할 수 있도록 적절한 점도를 가진 비도전성 유체와;

   상기 분리막과 동심원상으로 형성된 중앙 개구를 가지며 상기 분리막과 인접하게 위치하는 비도전성 밀봉 개스킷과;

   상기 제 2의 접촉 링과 동심원상으로 인접하게 설치되는 비도전성 밀봉 개스킷과; 그리고

   상기 스페이서, 상기 전기 접촉 링, 상기 분리막, 및 상기 비도전성 밀봉 개스킷들을 상기 하우징에 고정시키기 위한 고정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전압의 인가 수단은:

   상기 하우징에 설치되는 전기 도선과,

   상기 전기 도선과 접촉하는 한편 상기 장착 수단과 접촉하는 세트 스크류 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전성 능동 유량 제어 밸브.