KR200390699Y1 - 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 형상기억합금의 수축력으로 각종 기체나 액체등의 차단이나 통과가 가능하도록 하기 위한 밸브를 개폐할 수 있도록 한 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 개시한다.

본 고안은 충분한 길이의 형상기억합금을 사용하면서도 꺽인 부분이 발생하지 않도록 함과 아울러, 그 부피가 최소화되도록 할 수 있는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 제공하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 고안은 밸브 개폐를 위하여 승강되는 스템의 상방에 형상기억합금의 수축력으로 회동하는 회동부재를 구비하여서 된 공지의 것에 있어서, 회동 부재의 외주면에 형상기억합금을 권취하여서 된 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 제안한다. 이에 따라, 본 고안은 길이가 충분히 긴 형상기억합금을 적용할 수 있으면서도 각 부분의 응력이 균일하여 안정된 품질의 제품을 제작할 수 있고, 그 부피를 최소화할 수 있으며, 구조의 단순화를 도모할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치{Valve Operating Apparatus Using Shape Memory Alloy}

본 고안은 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상기억합금의 수축력으로 각종 기체나 액체등의 차단이나 통과가 가능하도록 하기 위한 밸브를 개폐할 수 있도록 한 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 밸브 개폐장치는 관 속을 흐르는 각종 기체 또는 액체의 유입, 유출을 단속하기 위하여 사용되는 것으로, 그 기능에 따라 여러 가지 구조로 된 것인 바, 이러한 밸브 개폐장치는 수동 또는 자동으로 조작되는 것이다.

또한, 근래에는 자동화 설비가 보편화되면서, 자동으로 작동되는 여러 종류의 밸브 개폐장치가 제안되었으며, 본 출원인은 이러한 추세에 부응하여 특허 제0367152호(발명의 명칭:밸브 개폐장치; 이하 "인용발명1"이라 함)를 제안하였으며, 이를 도1로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 인용발명1은 도시된 바와 같이 제어부(100) 및 전원부(112)에 의하여 작동되는 형상기억부재(113)와, 형상기억부재(113)의 수축력이 스프링(110)의 탄력을 초과할 시 유로(111) 개폐를 위하여 소정의 거리만큼 이동하도록 하는 밸브 부재(115)가 구비된 공지의 것에 있어서, 상기 형상기억부재(113)의 일단과 연결되고 하단이 스템(114)과 연결되며, 상기 제2하우징(116)에 고정축(117)으로 고정된 절곡부(118)를 갖는 작동 부재(119)이며, 상기 형상기억부재(113)의 타단이 고정보스(120)에 스크류(121)로 고정되는 것이다.

이와 같은 밸브 개폐장치는 제어부(100)에서 전원부(112)에 전류를 인가하도록 제어 신호가 전송되면 전원부(112)에서 형상기억합금(113)에 전류를 흘려 주어 형상기억합금(113)이 가열되면서 형상기억합금(113) 고유 특성에 의해 점선으로 보인 처짐 상태에서 수축되어 직선인 긴장 상태로 변형됨으로써 작동 부재(119)가 고정축(117)을 중심으로 좌측으로 회동되어 스템(114)이 상방으로 상승하면서 밸브 부재(115)가 상승하여 유로(111)를 차단함으로써 유체 흐름이 차단된다.

이와 반대로 제어부(100)에서 전류 차단 신호를 전원부(112)에 전송하면 전원부(112)에서 전류를 차단하게 되어 형상기억부재(113)는 긴장된 상태에서 늘어진 상태로 복귀되고, 이에 따라 작동 부재(119)는 고정축(117)을 중심으로 시계방향으로 회동되어 초기 상태로 복귀하므로, 밸브 부재(115)가 밸브 시트와 이격되어 유로(111)가 열리게 된다.

이와 같은 인용발명1은 1개의 형상기억부재에 의하여 밸브의 개폐가 가능하게 되고, 저가의 최소화된 부품으로 밸브의 개폐를 이룰 수 있으나, 반면에 형상기억부재(113)의 제한된 짧은 길이에 의하여 수축되는 길이 변화량 역시 작아 원활한 개폐 작동이 어렵게 되는 것이다.

그러므로, 본 출원인은 대한민국 특허출원 제2004-95830호(발명의 명칭: 형상기억합금의 테스트 장치, 이하 '인용발명2'라 함)를 제안한 바 있으며, 이를 도2로 도시하였다.

이러한 인용발명2에서는 도2로 도시한 바와 같이 제한된 크기를 가지는 케이스(200)와, 상기 케이스(200) 내부에 고정되고 그 상면에 형상기억합금(201)이 지나는 다수개의 고정롤러(202)를 고정하며 전원 케이블에 연결된 접속단자(203)가 체결되는 고정받침대(204)와, 상기 고정받침대(204)와 일정 거리만큼 이격된 위치에 서로 대향되어 그 하부에 결합된 회전축(205)을 중심으로 회동되며 상면에 다수개의 고정롤러(206)를 고정한 회동받침대(207)와, 상기 회동받침대(207)의 하부에 탄력 설치되는 스프링(208)으로 구성된 형상기억합금(201)에 의한 수축력으로 스템등을 구동할 수 있는 구성예가 도시되어 있다.

그러므로, 이러한 인용발명2에서는 대향되게 설치된 고정받침대(204)와 회동받침대(207)의 고정롤러(202,206)에 지그재그 형태로 고정된 형상기억합금(201)에 접속단자(203)를 통하여 전원을 인가시키게 되면 발열저항에 의하여 형상기억합금(201)이 가열되어 형상 변형 온도에 도달함으로써 수축하게 되고, 이러한 수축에 의하여 회동받침대의 하부에 설치된 스프링(208), 스템등을 가압하여 밸브 개폐등의 동작이 가능하게 되는 것이다.

이와 같은 인용발명2는 형상기억합금(201)이 지그재그 형태로 고정된 것이어서 길이가 충분히 길게 되므로, 작동시 수축되는 길이 변화량도 충분하게 되어, 밸브 개폐등을 위하여 원활하게 사용할 수 있게 된다. 반면에 이러한 인용발명2는 고정롤러(202,206)에 의하여 수개소가 꺽인 상태로 감겨져 되어 있으므로, 꺽인 부분을 경계로 하여 각 부분의 응력(stress)이 다른 상태가 되며, 그 결과 각 제품의 길이 변화량 편차가 심하게 되는 문제점이 있으며, 다수개의 고정롤러 (202,206)를 평판상으로 설치하여야 하므로, 그 부피가 커지게 되는 문제점이 있는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 고안의 목적은 충분한 길이의 형상기억합금을 사용하면서도 꺽인 부분이 발생하지 않도록 함과 아울러, 그 부피가 최소화되도록 할 수 있는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 밸브 개폐를 위하여 승강되는 스템의 상방에 형상기억합금의 수축력으로 회동하는 회동부재를 구비하여서 된 공지의 것에 있어서, 회동 부재의 외주면에 형상기억합금을 권취하여서 된 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 제안한다. 이에 따라, 본 고안은 길이가 충분히 긴 형상기억합금을 적용할 수 있으면서도 각 부분의 응력이 균일하여 안정된 품질의 제품을 제작할 수 있고, 그 부피를 최소화할 수 있으며, 구조의 단순화를 도모할 수 있게 되는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 설명한다.

밸브 개폐를 위하여 밸브시트(1)에 접리되는 밸브부재(2)가 하단에 고정된 스템(3)의 상방에 형상기억합금 선재(14)의 수축력으로 회동하는 회동부재(4)를 구비하여서 된 공지의 것에 있어서, 고정축(5)으로 일측이 고정된 회동부재(4)의 외주면에 안내요홈(6)과, 안내요홈(6)에 권취되는 형상기억합금 선재(14)로 된 권취부(7)를 구비하여서 된 것이다.

이러한 본 고안은 평상시에는 스템(3)이 바이어스 스프링(8)등에 의하여 상방으로 탄력 지지되어 있는 상태이며, 형상기억합금 선재(14)로 된 권취부(7)는 전류가 전혀 흐르지 않는 상온 상태이므로, 수축력이 발생하지 않는 이완된 상태이어서, 회동부재(4)는 고정축(5)을 중심으로 그 하단이 스템(3)에 의하여 상방으로 들려져 있는 상태로 있게 된다. 이러한 상태에서 제어부(도면에는 미도시함)에 의하여 전류가 형상기억합금 선재(14)에 공급되면, 형상기억합금 선재(14)의 고유저항에 의하여 흐르는 전류량에 비례한 발열이 이루어 지게 된다. 이러한 발열에 의하여 형상기억합금 선재(14)의 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 형상기억합금 선재(14)는 소정 온도 대역(예: 60℃ 내지 65℃)에서 변태점에 이르므로, 상온에서의 길이에 비하여 단축되는 수축력이 발생한다. 이러한 수축력에 의하여 회동부재(4)는 고정축(5)을 기준으로 도면상 시계방향으로 회전하게 되며, 이러한 상태를 도4의 이점쇄선으로 도시하였다.

이에 따라, 스템(3)의 상단을 회동부재(4)의 하단이 눌러주는 결과가 되고, 스템(3)이 하강하여 그 하단의 밸브부재(2)가 밸브시트(1)와 분리되므로, 이를 통하여 유로(9)가 개통되어 기체나 액체등의 물질이 통과가능한 열림 상태가 되는 것이다.

이러한 상태에서 제어부에 의하여 형상기억합금 선재(14)에 공급되던 전류가 차단되면 형상기억합금 선재(14)는 다시 상온으로 냉각되고, 이에 따라 대기 상태로 복귀하면서 수축력을 상실하여 바이어스 스프링(8)의 탄력으로 상승되는 스템(3)에 의하여 회동부재(4)가 반시계방향으로 회동하게 되는 것이며, 이러한 상태를 실선으로 도시하였다.

이에서 보인 바와 같이, 본 고안은 회동부재(4)를 2개 사용할 수도 있고, 필요에 따라서는 회동부재(4)를 1개 사용하고, 이와 케이싱 일측의 고정부재(11)에 형상기억합금 선재(14)가 권취되는 도 5로 보인 바와 같은 형태로 실시할 수도 있다.

그러나, 본 고안에서의 바람직한 실시예는 형상기억합금 선재(14)의 권취부(7)가 원형으로 되는 것이 각 부분의 응력 편차가 최소화되는 상태이므로, 이를 위하여 3개 정도의 회동부재(4)를 설치하되, 그 외주면의 안내요홈(6)들이 전체적으로 원형 단면상으로 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 도6으로 보인 바와 같이 회동부재(4)를 2개 사용하되, 그 사이에 탄성체인 고정된 굴곡형 가이드(12)를 설치하여 줌으로써, 횡단면이 진원에 가깝도록 함으로써, 각 부분의 응력 편차를 완전히 해소하도록 할수도 있다.

아울러, 본 고안은 밸브의 작동 구조에 따라 형상기억합금 선재(14)의 수축시에 스템(3)을 들어 올리도록 한 구조의 밸브 개폐장치를 사용할 수도 있다. 이러한 실시예를 도7로 도시하였다. 이에서 볼 수 있는 실시예에서는 형상기억합금 선재(14)의 수축력으로 회동하는 회동부재(4)외에 고정축(5)으로 고정된 중간부재(10)를 사용하여 회동부재(4)가 형상기억합금 선재(14)의 수축력으로 작동되면 중간 부재(10)의 일단이 반시계방향으로 회동하여 스템(3)의 상단을 들어올릴 수 있는 구조로 함으로써, 도4로 보인 평시 닫힘(Normal Close)구조와 반대의 동작을 행하는 평시 열림(Normal Open)구조로 작동될 수 있는 것이다.

아울러, 본 고안에서는 형상기억합금 선재(14)의 각 선이 모두 안내요홈(6)에 끼워져 안정된 상태로 작동되도록 하는 바, 경우에 따라서는 형상기억합금 선재(14)의 권취부(7)가 접착제에 의하여 회동부재(4)에 고정되도록 할 수도 있다.

또한, 본 고안에서는 특히 회동부재(4)가 도전성 금속인 경우에는 반드시 도8로 보인 바와 같이 형상기억합금 선재(14)의 외주면에 합성수지로 된 절연층(13)을 형성하여 줌으로써, 전기 누전을 방지하여야 하여야 한다.

또한, 본 고안에서는 도시하고 설명된 실시예외에도 본 고안의 주요한 특징에서 벗어남이 없이 다양한 형태로 적용할 수 있다.

이와 같은 본 고안은 회동부재(4)에 감긴 형상기억부재가 꺽임이 없이 둥글게 권취된 상태이므로, 응력이 균일하게 분포되어 작동시 균일한 작동 특성을 제공할 수 있으므로, 균일한 품질의 제품을 제조할 수 있게 되는 것이며, 권취부(7)를 인용발명2와 같은 평판상으로 된 것이 아니므로, 부피가 최소화되어 컴팩트화할 수 있게 되는 것이다. 또한, 이러한 본 고안에서는 인용발명2에 비하여 고정롤러등이 불필요하므로, 제조가 용이하여 생산성이 향상되고, 제조원가의 절감을 도모할 수 있게 되는 유용한 고안이다.

도1,2는 종래의 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 보인 설명도.

도3은 본 고안에 의한 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치를 보인 요부 절개 사시도.

도4는 본 고안에 의한 밸브 개폐장치의 작동 상태를 보인 종단면도.

도5,6는 본 고안에 의한 다른 실시예에 따른 밸브 개폐장치의 작동 상태를 보인 종단면도.

도7은 본 고안에 의한 다른 실시예로서, 권취 상태의 진원도를 높이기 위한 구성을 보인 횡단면도.

도8은 본 고안에 의한 형상기억합금 선재의 구조를 보인 종단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 밸브시트 2: 밸브부재

3: 스템 4: 회동부재

5: 고정축 6: 안내요홈

7: 권취부 8: 스프링

9: 유로 10: 중간부재

11: 고정부재 12: 굴곡형 가이드

13: 절연층 14: 형상기억합금 선재

Claims (7)

1. 밸브 개폐를 위하여 승강되는 스템(3)의 상방에 형상기억합금 선재(14)의 수축력으로 회동하는 회동부재(4)를 구비하여서 된 공지의 것에 있어서, 반원형 외주면을 갖는 회동부재(4)의 외주면에 형상기억합금 선재(14)를 권취하여서 된 권취부(7)가 구비됨을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.
2. 제1항에 있어서, 전기 회동부재(4)의 외주면에 안내요홈(6)을 형성하며, 이에 형상기억합금 선재(14)가 권취된 권취부(7)가 구비됨을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.
3. 제1항에 있어서,

   전기 회동부재(4)는 1개임을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.
4. 제1항에 있어서,

   전기 회동부재(4)는 2개 이상임을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.
5. 제1항에 있어서,

   회동부재(4)를 2개 사용하되, 그 사이에 고정된 탄성체인 굴곡형 가이드(12)를 설치함을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.
6. 제1항에 있어서,

   스템(3)의 상단과 회동부재(4) 사이에 중간부재(10)를 구비함을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.
7. 제1항에 있어서,

   형상기억합금 선재(14)의 외주면에 합성수지로 된 절연층(13)을 구비함을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 밸브 개폐장치.