KR20040091248A - 전자기력 구동 유량 제어 밸브 및 그의 제조방법과 이를이용한 열 교환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기력 구동 유량 제어 밸브 및 그의 제조방법과 이를 이용한 열 교환 장치에 관한 것으로, 내부로 유체가 흐를 수 있는 유로관과; 상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과; 상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 유체가 흐르는 개구의 개방 면적을 조절하기 위한 영구 자석 밸브 마개(Valve member)와; 상기 유로관 내부면에 고정되어, 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가(Suspend)하는 지지수단과; 상기 영구 자석 밸브 마개가 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 적어도 하나 이상의 권선 코일(Wound coil)로 구성된다.
따라서, 본 발명은 유로관 외부면에 장착된 권선코일로 밸브 개도의 개방 면적을 선형적으로 조절하거나 밸브의 개방/폐쇄 동작을 수행할 수 있으며, 전자기력 구동 유량 제어 밸브를 열 교환 장치에 장착하여 냉방 효율을 용이하게 조절할 수 있으며, 장치를 보다 저렴하고, 소형화할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

전자기력 구동 유량 제어 밸브 및 그의 제조방법과 이를 이용한 열 교환 장치{Electromagnetically actuated valve for fluidic mass flow control, manufacturing method thereof and heat exchanger using the same}
본 발명은 전자기력 구동 유량 제어 밸브 및 그의 제조방법과 이를 이용한 열 교환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자기 코일에 인가되는 전류의 양을 조절하여 밸브 개도의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 선형 팽창밸브(linear expansion valve)로 이용할 수 있으며, 상기 전자기 코일에 인가되는 전류의 크기로 밸브의 개방/폐쇄 동작을 수행하는 개폐 밸브로 이용할 수 있는 전자기력 구동 유량 제어 밸브 및 그의 제조방법과 이를 이용한 열 교환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선형 유체 제어 밸브는 개도(Orifice)의 개방 정도를 조절하기 위해 바늘 형상의 밸브 로드(Valve rod)를 개구로부터 소정의 변위 만큼 이동하여 개구의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 동작한다.
이러한, 바늘 형상의 밸브 로드를 이동시키기 위해, 종래 기술에 따른 선형 유량 제어 밸브는 밸브 로드를 전동 스텝 모터(Stepping motor)의 회전 축(Rotor shaft)에 연결된 기어(Gear)에 연결하여, 스텝 모터에 인가되는 구동 전원의 펄스(Pulse) 수에 비례하는 축 방향 변위를 밸브 로드에 발생시키는 방식을 이용하고 있다.
그러나, 밸브 로드의 변위를 발생시키기 위한 모터는 가격이 고가이어서, 밸브 장치의 단가를 상승시키고, 모터 부품의 회전축과 밸브 로드가 위치하는 유로 관간의 기밀 접합(Hermetic sealing)이 필요하므로, 밸브 장치 제조 시, 조립 공정이 어렵고 공정 비용이 상승하게 된다.
한편, 또 다른 종래의 선형 유량 조절 밸브는 밸브 로드의 위치 조절을 위하여 밸브 로드의 일부에 박판인 다이아프램(Diaphragm) 또는 멤브레인(Membrane)을 연결하고, 밸브 로드가 연결된 다이아프램 이면에 압력 조절이 가능한 별도의 가압 공간을 마련하여, 이 가압 공간에 충진된 소정의 유체를 가열하여 발생된 팽창 압력에 의해 다이아프램을 변형시킴으로써, 밸브 로드에 변위를 발생시키는 방식이다.
이 다이아프램 밸브 역시 별도의 가압 공간을 마련하여야 하므로 밸브 장치의 소형화가 어렵고, 가압 공간의 가열에 의한 팽창 압력을 이용하므로 선형 동작을 위한 밸브의 응답 속도가 느리며, 발열에 의한 전력 소모가 큰 단점이 있다.
또한, 솔레노이드 구동기를 이용한 밸브는 개폐 동작에 국한된 용도에는 적합하나, 유체의 선형 제어에는 적합하지 않고 구성 부품이 복잡하며 개폐 동작 시 소음이 심하다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전자기 코일에 인가되는 전류의 양을 조절하여 밸브 개도의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 선형 팽창 밸브(linear expansion valve)로 이용할 수 있고, 상기 전자기 코일에 인가되는 전류의 크기로 밸브의 개방/폐쇄 동작을 수행하는 개폐 밸브로 이용할 수 있는 전자기력 구동 유량 제어 밸브를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 밸브의 개폐수단인 영구 자석 밸브 마개(Member)를 지지하는 지지수단을 반도체 일관 공정 및 마이크로머시닝 기술을 이용하여 대량으로 저렴하게 정밀 제작함으로써, 보다 저렴한 밸브를 균일하게 대량으로 제조할 수 있는 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전자기력 구동 유량 제어 밸브를 열 교환 장치의선형 팽창 밸브(Linear expansion valve)로 적용하여 냉방(또는 냉각) 성능을 용이하게 조절할 수 있으며, 장치를 보다 저렴하고, 소형화할 수 있는 열 교환 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 내부로 유체가 흐를 수 있는 유로관과;
상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과;
상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 유체가 흐르는 개구의 개방 면적을 조절하기 위한 영구 자석 밸브 마개(Valve member)와;
상기 유로관 내부면에 고정되어, 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가(Suspend)하는 지지수단과;
상기 영구 자석 밸브 마개가 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 적어도 하나 이상의 권선 코일(Wound coil)로 구성된 전자기력 구동 유량 제어 밸브가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 실리콘 기판의 양면에 상, 하부 식각 방지 마스크(Etch mask)용 박막을 형성하고, 상기 상부 식각 방지 마스크용 박막의 상부에 감광막을 도포한 다음, 사진 묘화 공정(Photolithography)을 수행하여 유로관 내부에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 연결되며, 탄성력이 있는 탄성 굴신 구조물(Elastic flexure)과, 상기 탄성 굴신 구조물에 연결되어 영구 자석 밸브 마개가 조립 장착될 수 있는 통공(Throughhole)이 가공되어 있는 미세 구조물로 이루어진 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단의 패턴을 상기 상 하부 식각 방지 마스크용 박막에 상호 대응되도록 형성하는 제 1 단계와;
상기 상, 하부 식각 방지 마스크용 박막의 패턴을 각각 마스킹하여 실리콘 기판을 식각하여 상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단을 형성하는 제 2 단계와;
상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단의 통공에 영구 자석 밸브 마개를 장착하는 제 3 단계와;
상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단을 유로관 내부에 고정시키고, 상기 유로관 외부에 적어도 하나 이상의 권선 코일을 장착하는 제 4 단계로 구성된 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 제조방법이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 또 다른 양태(樣態)는, 압축장치에서 압축된 냉매가 응결장치에서 액화되어 밸브로 주입되고, 상기 밸브에서 단열 팽창된 후, 기화장치에서 기화되어 냉각기능이 수행되고, 상기 기화된 냉매가 상기 압축장치로 다시 인입되어 반복적으로 순환되는 열 교환 장치에 있어서,
상기 밸브는,
상기 응결장치로부터 액화된 냉매를 주입받고, 상기 기화장치로 단열 팽창된 냉매를 출력하는 유로관과; 상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과; 상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 냉매가 흐르는 개구의 개방 면적을 임의로 조절하기 위한 영구 자석 밸브 마개(Valvemember)와; 상기 유로관 내부면에 고정되어, 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가(Suspend)하는 지지수단과; 상기 영구 자석 밸브 마개가 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 적어도 하나 이상의 권선 코일(Wound coil)로 구성된 밸브인 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브를 이용한 열 교환 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따라 단일 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 일부를 절단한 형상을 보여 주는 부분 절단 사시도
도 2는 도 1에 도시된 밸브의 개략적인 단면도
도 3은 도 1에 도시된 밸브의 분해사시도
도 4a와 4b는 본 발명에 따른 단일 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 동작되는 원리를 설명하기 위한 개략도
도 5a는 본 발명에 따라 두 개의 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 일부를 절단한 형상을 보여 주는 부분 절단 사시도
도 5b는 도 5a의 개략적인 단면도
도 6a와 6b는 본 발명에 따른 이중 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 동작되는 원리를 설명하기 위한 개략도
도 7a 내지 7g는 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가시키는 지지수단의 제조 공정 단면도 및 사시도
도 8은 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 조절 밸브가 팽창 밸브(Expansion valve)로 이용되도록 장착된 냉각 기기용 열 교환 장치(Heat exchanger)의 장치 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전자력 구동 유량 조절 밸븝 101 : 영구 자석 밸브 마개
102a,302a : 탄성 굴신 구조물 102b,302b : 미세 구조물
102c,302c : 고정부 105 : 개구
107,108a,108b : 권선코일 108 : 밀폐편
120,121,122,505 : 유로관 131,132 : 가스켓
321 : 실리콘 기판 322,323 : 식각 방지 마스크용 박막
322',323' : 식각마스크 패턴 324,325 : 감광막
501 : 압축장치 502 : 응결장치
503 : 임시저장용기 504 : 기화장치
506 : 냉매
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따라 단일 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 일부를 절단한 형상을 보여 주는 부분 절단 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 밸브의 개략적인 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 밸브의 분해사시도이다.
먼저, 본 발명의 전자기력 구동 유량 제어 밸브는 내부로 유체가 흐를 수 있는 유로관과; 상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과; 상기 유로관 내부면에 고정되며, 상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 유체가 흐르는 개구의 개방 면적을 전자기적으로 제어하기 위한 개폐 제어수단과; 상기 개폐 제어수단이 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 전자기력 인가수단으로 구성된다.
도 1을 참조하여, 상기 유로관(120)은 일측에 유체의 입력단(Inlet port)(111)이 형성되어 있고, 타측에 출력단(Outlet port)(112)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 밀폐수단은 상기 유로관(120) 내부에 형성되며, 상기 입력단(111)으로 주입되는 유체를 밀폐하는 밀폐편(108)으로 형성할 수 있으며, 그 밀폐편에 개구(Orifice)(105)를 형성하면 구현된다.
또한, 개폐 제어수단은 상기 개구(Orifice)(105)를 개폐하거나 유체가 흐르는 개구(105)의 개방 면적을 임의로 조절하기 위한 영구 자석 밸브 마개(Valve member)(101)로 구현할 수 있으며, 상기 영구 자석 밸브 마개(101)는 유로관(120) 내부면에 고정되어야 하며, 이를 위해 유로관(120)내의 소정 위치에 상기 영구 자석 밸브 마개(101)를 현가시킬 수 있는 지지수단(102)이 형성되는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 전자력 인가수단은 상기 영구 자석 밸브 마개(101)가 상기 개구(105)를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관(120) 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 권선 코일(Wound coil)(107)로 구현할 수 있다.
여기서, 상기 권선코일(107)에는 유로관 내에 자속밀도를 높이기 위한 요크 하우징(Yoke housing)이 덮여져 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유체는 기체 상태, 액체 상태, 기체 및 액체 상태가 혼재된 초임계(Super critical)상태 중 선택된 어느 하나의 유체이다.
또한, 상기 영구 자석 밸브 마개는 희토류(Rare earth) 자성체 물질을 용융한 후, 형상 틀(Mold)에서 성형 한 후 표면을 연마하여 형상이 가공하거나, 또는 원주형 막대(Cylindrical rod) 형태의 자성체를 회전 선반 가공 등에 의하여 테이퍼 선단부의 형상 및 외곽 치수를 정밀 가공하고, 상기 밸브 마개 지지용 부품의허브 구조물에 정밀 가공된 통공에 정렬 조립한 후, 상기 구조물의 외부에서 바늘 형상의 마개 부품의 축 방향으로 소정의 자계를 인가하는 자력 발생 장치 내에서 자화(Magnetization)된 영구 자석 밸브 마개이다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 유로관(120)을 입력 유로관(121)과 출력 유로관(122)으로 제작하고, 상기 출력 유로관(122)의 내측면에 지지수단 안착부(112a)를 형성하여 상기 지지수단 안착부(112a)에 상기 영구 자석 밸브 마개(101)를 현가시키는 지지수단(102)을 장착한 다음, 상기 입력 유로관(121)을 상기 출력 유로관(122)에 삽입시킨다.
이 때, 상기 입력과 출력 유로관(121,122)이 결합된 사이로 유체의 유실을 방지하도록, 상기 지지수단 안착부(112a)에 제 1 가스켓(131)을 안착시켜 고정시키고, 상기 제 1 가스켓(131)의 상부에 지지수단(102)을 안착시켜 고정시키며, 상기 지지수단(102) 상부에 제 2 가스켓(132)을 안착시켜 고정한다.
그리고, 상기 출력 유로관(122)의 외주면에는 권선코일(107)이 감겨져 있다.
여기서, 도 1에 도시된 상기 영구 자석 밸브 마개(101)를 현가시키는 지지수단(102)은 도 2와 같이, 유로관(120) 내부에 고정부(102c)에 의해 고정되며, 탄성력이 있는 탄성 굴신 구조물(Elastic flexure)(102a)과, 상기 탄성 굴신 구조물(102a)에 연결되어 상기 영구 자석 밸브 마개(101)가 조립 장착될 수 있는 통공(Through hole)이 가공되어 있는 미세 구조물(102b)로 구성하는 것이 바람직하다.
도 4a와 4b는 본 발명에 따른 단일 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량제어 밸브의 동작되는 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
먼저, 도 4a는 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 개방 동작 및 유량 조절 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 영구 자석 밸브 마개(101)가 유로관의 중심축을 따라 위쪽 방향으로 자화(Magnetization)되어 있고, 이 영구 자석의 자화의 크기(Intensity of magnetization)의 크기를 M 이라 가정한다.
이 때, 유로관 외부에 장착된 권선 코일(107)에 흐르는 전류의 방향을 도 4a와 같이 유로관의 축을 중심으로 시계 반대 방향이 되도록 인가하면, 자기 유도 법칙에 의해 코일이 위치한 유로관내에는 위쪽 방향의 자속밀도(Magnetic flux density) B u 가 유도되며, 유도 자계의 크기는 권선코일(107)에 인가되는 전류의 세기에 비례한다.
이 유도 자계에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)는 위쪽 방향의 구동력 F u 을 받게 되어 관내의 개구(105)를 열고 위쪽으로 이동하게 된다.
한편, 영구 자석 밸브 마개(101)가 고정되어있는 지지수단(102)도 동일하게 움직이며, 이에 따라 탄성 굴신 구조물(102a)은 굴신 변형이 야기되어 상기 변형에 비례한 복원력(Restoring force)을 밸브 마개 이동 방향의 반대 방향(도 4a에서는 개구(105)를 향한 방향)으로 작용하게 된다.
이 복원력은 영구 자석 밸브 마개(101)의 변위에 비례하여 증가한다.
또한, 상기 개구(105)가 열려 유체가 흐르게 되면, 유체의 유동 방향으로 압력 강하(Pressure drop)가 발생하므로, 이 압력 강하에 의해 상기 영구 자석 밸브마개(101)에도 구동 방향에 대해 소정의 힘이 가해지게 된다.
따라서, 유도 자계에 의한 구동력 F u , 탄성 굴신 구조물(102a)에 의한 복원력, 유체의 압력차에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)의 구동 방향으로 작용하는 힘 등이 평형을 이루는 지점에서 영구 자석 밸브 마개(101)의 위치가 결정된다.
그러므로, 권선 코일(107)에 인가하는 전류의 세기를 조절함으로써, 영구 자석 밸브 마개(101)의 유로관의 중심 축상에서의 위치를 임의로 조절할 수 있으며, 이를 통하여 개구(105)와 테이퍼진 영구 자석 밸브 마개(101) 간의 거리를 조절하여 유체가 흐르는 유효 면적을 조절할 수 있게 되므로, 개구(105)를 통해 흐르는 유량을 임의로 조절할 수 있게 되는 것이다.
도 4b는 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 폐쇄 동작 및 유량 조절 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 권선 코일(107)에 도 4b와 같이 유로관의 중심축을 기준으로 시계 방향의 전류를 인가하면, 아래쪽 방향의 유도 자계 B d 가 유로관내에 형성되고, 이 유도 자계에 의하여 영구 자석 밸브 마개(101)는 개구(105)를 닫는 방향 으로 구동력 F d 를 받게 된다.
이 경우에도 탄성 굴신 구조물(102a)의 복원력은 영구 자석 밸브 마개(101)의 이동 방향과 반대 방향의 복원력을 영구 자석 밸브 마개(101)에 가하며, 관내의 유체에 의한 압력차에 의한 힘도 영구 자석 밸브 마개에 작용하게 된다.
영구 자석 밸브 마게(101)의 폐쇄 동작은 앞서 설명한 개방 동작과는 상이하게 권선 코일(107)의 유도 자계 B d 에 의한 구동력 F d 및 탄성 굴신 구조물(103)의복원력, 유로관의 입출력단(111, 112)간의 압력차에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)에 가해지는 힘의 합력이 유체 출력단(112)방향(도 4a의 아래쪽 방향)으로 향하게 하여 밸브 마개(101)가 고정된 위치의 개구(105)를 막도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 유로관의 입력단의 유체 압력이 출력단에 비해 충분히 높도록 밸브를 형성하면, 본 발명의 밸브는 초기 전원이 없더라도 영구 자석 밸브 마게(101)가 개구(105)를 막을 수 있는 압력차가 유로관내에 형성되어 있으므로, 밸브 폐쇄 동작을 구현할 수도 있다.
그러나, 이 경우에도 밸브의 폐쇄를 위해 밸브 마개(101)가 개구(105)를 서서히 막을 수 있도록 코일인가 전류를 서서히 감소시킴으로써, 밸브 마개가 급격히 개구(105)에 부딪힘으로써 야기될 수 있는 밸브 마개(101)의 파손 가능성이나 소음 등을 방지하는 것이 바람직하다.
도 5a는 본 발명에 따라 두 개의 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 일부를 절단한 형상을 보여 주는 부분 절단 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 개략적인 단면도이다.
먼저, 도 5a는 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 제어 밸브에 있어, 영구 자석 밸브 막대(101)의 개구(105)의 단속을 위한 변위 조절용 유도 자기 구동력의 선형성(Linearity) 및 안정도를 보다 개선하기 위해, 유로관의 축을 중심으로, 영구 자석 밸브 마개(101)의 구동 방향의 양단에 유도 자계 발생을 위한 솔레노이드 형상의 두 개의 전자기 코일을 갖는 밸브를 구성한다.
여기서, 도 5a와 도 5b에 도시된 밸브의 구성은 전술된 단일 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브와 동일한 것이며, 다만, 두 개의 권선 코일(108a,108b)이 영구 자석 밸브 마개(101)의 자극 양단에 각각 하나씩 배치되어 있다는 차이가 있다.
이 때, 상기 권선 코일(108a,108b)의 위치는 유로관의 중심에 위치하는 영구 자석 밸브 마개(101)에 유도 자계에 의한 구동력이 최대화되도록 결정하는 것이 바람직하며, 각각의 권선 코일은 입력과 출력 유로관(111, 112)과 닿는 면의 반대쪽 외벽과 코일 상 하부 면에 요크 덮개(Yoke housing)로 덮어서 구성한다.
또한, 상기 영구 자석 밸브 마개(101)를 장착하기 위한 미세 구조물(102b)은 상기 영구 자석 밸브 마개(101)의 변위에 대응한 복원력을 제공하는 스프링 역할을 담당하는 탄성 굴신 구조물(102a)에 연결되고, 상기 탄성 굴신 구조물(102a)은 고정부(102c)에 연결되어 전체적으로는 일체로 구성된다.
도 6a와 6b는 본 발명에 따른 이중 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 동작되는 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
우선, 도 6a는 본 발명에 의한 이중 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 개방 동작 및 유량 조절 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 도 4a와 4b에 도시된 단일 권선 코일을 채용한 밸브 구동 원리와 유사하게 유로관 외부에 배치된 솔레노이드 형상의 상, 하부 코일에 의해 유도된 관내의 자계에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)가 구동력을 받게 되며, 상기 구동력은 영구 자석 밸브 마개(101) 주위에 형성된 유도 자계의 방향과 크기에 의해 조절된다.
두 개의 권선 코일은 구동력을 배가시키고, 구동력에 의한 영구 자석 밸브 마개(101) 변위 조절의 선형성(Linearity)을 향상시키기 위해 적용된다.
도 6a에 도시된 같이, 상기 영구 자석 밸브 마개(101)가 유로관의 중심축을 따라 위쪽 방향으로 자화(Magnetization)되어 있고, 이 영구 자석의 자화의 크기(Intensity of magnetization)의 크기를 M 이라 가정하면, 유로관 외부에 장착된 상부 코일(108a)에 유로관의 축을 중심으로 시계 반대 방향이 되도록 구동 전류를 인가하면, 자기 유도 법칙에 의해 코일이 위치한 유로 관내에는 위쪽 방향의 자속밀도(Magnetic flux density) B 1u 가 유도되며, 유도 자계의 크기는 상부 코일(108b)에 인가되는 전류의 세기에 비례한다.
이 유도 자속밀도 B 1u 는 영구 자석 밸브 마개(101)에 형성된 자극과의 인력(Attractive force)에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)가 개방되는 방향인 위쪽 방향으로 구동력을 미치게 되며, 이 때, 밸브 장치의 출력단 측에 장착된 하부 코일(108b)에 유로관의 축을 중심으로 시계 방향이 되도록 전류를 인가하면, 자기 유도 법칙에 의해 코일이 위치한 유로관내에는 아래쪽 방향의 자속밀도(Magnetic flux density) B 2d 가 유도되며, 이 유도 자속밀도 B 2d 는 영구 자석 밸브 마개(108a)에 형성된 자극과의 척력(Repulsive force)에 의해 영구 자석 밸브 마개(Valve member)(101)가 개방되는 방향인 위쪽 방향으로 추가의 구동력을 미치게 되어, 상기 두 개의 코일에 의한 유도 자속밀도 B 1u 및 B 2d 가 영구 자석 밸브 마개(101)에 가하는 전자기력의 합력이 영구 자석 밸브 마개(101)의 개방 구동을 위한 위쪽 방향으로의 전자기 구동력 F u 를 영구 자석 밸브 마개(101)에 작용하게 된다.
상기 영구 자석 밸브 마개(101)에 작용하는 구동력은 두 개의 코일에 흐르는 전류의 세기를 조절함으로써 임으로 조절 가능하며, 유도 자속밀도에 의한 구동력 F u , 탄성 굴신 구조물(102a)에 변형에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)의 구동 방향과 반대 방향으로 작용하는 복원력, 유체의 압력차에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)의 구동 방향으로 작용하는 힘 등이 평형을 이루는 지점에서 영구 자석 밸브 마개(101)의 위치가 결정된다.
반대로, 밸브의 폐쇄 작동을 위한 구동력을 얻기 위해서는 도 6b에 도시된 같이, 상부 코일(108a)에는 유로관의 중심축을 기준으로 시계 방향의 전류를 인가하고, 하부 코일(108b)에는 시계 반대 방향의 전류를 인가하게 되면, 위쪽 방향으로 자화되어 있는 영구 자석 밸브 마개(101)에 상부 코일(108a)에 의해 유도되는 자속밀도 B 1d 에 의한 척력(Repulsive force)과 하부 코일(108b)에 의해 유도되는 자속밀도 B 2u 에 의한 인력(Attractive force)의 합력인 전자기력 구동력 F d 가 작용하여 영구 자석 밸브 마개(101)가 개구(105)를 막도록 한다.
상기 영구 자석 밸브 마개(101)의 전자기 구동력 조절을 위해 두 개의 권선 코일(108a, 108b)을 적용한 전자기력 구동 유량 조절 밸브의 경우도 하나의 코일을 이용한 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 조절 밸브와 마찬가지로 밸브의 폐쇄 동작은 앞서 설명한 개방 동작과는 상이하게 전자기 코일에 의한 유도 자속밀도 B 1d 및 B 2u 에 의한 구동력 F d 및 탄성 굴신 구조물(102a)의 복원력, 유로관의 입출력단(111, 112)간의 압력차에 의해 영구 자석 밸브 마개(101)에 가해지는 힘의 합력이 유로관의 출력단(112) 방향(도 6b의 아래쪽 방향)으로 향하게 하여 영구 자석 밸브 마개(101)가 고정된 위치의 개구(105)를 막도록 하는 것이 바람직하다.
도 7a 내지 7g는 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가시키는 지지수단의 제조 공정 단면도 및 사시도로서, 실리콘 미세 가공(Silicon micromachining) 기술 및 반도체 일관 제조 공정을 이용한 상기 밸브 부품을 대량으로 제조하는 방법을 도시하고 있다.
여기서, 도 7a 내지 7g의 오른쪽의 도면은 공정 단계별 가공 형상의 사시도이고, 왼쪽의 도면은 오른쪽 도면의 A-B 가상선을 따라 절단한 공정 단면 개략도이며, 도면에서는 편의상 상기 구조물 하나에 대한 개략도를 표시하였으나, 실제의 제조 공정에는 복수개의 부품이 형성되는 웨이퍼(Wafer) 상태의 기판에서 공정이 진행되는 반도체 가공 공정을 이용하여 제조된다.
먼저, 도 7a에서, 웨이퍼(Wafer) 형태의 실리콘 기판(321)의 상, 하부면 각각에 식각 방지 마스크(Etch mask)용 박막(322, 323)을 형성한다.
이 때, 식각 방지 마스크용 박막의 재질은 이 후 진행되는 실리콘 식각 공정에서 식각 방법 및 식각 반응을 일으키는 화학 물질에 따라 실리콘과의 식각 선택도(Etch selectivity)가 높은 물질을 도포, 증착, 도금 등의 반도체 소자 일관 제조 공정의 기술로 형성한다.
그리고, 상기 식각 마스크 물질은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막 등의 유전체 박막과 소정의 두께로 도포(Coating)된 감광막(Photoresist)을 사진 묘화 공정(Photolithography)으로 패터닝(Patterning)할 수 있으며, 알루미늄, 크롬, 금 등의 다양한 금속 박막으로 사용할 수 있다.
그 후, 상기 실리콘 기판(321)의 상부면에 형성된 식각 마스크용 박막(322) 상에 감광막(324)을 도포하고 사진 묘화 공정(Photolithography)을 통하여 패터닝(Patterning)하고, 패터닝된 감광막(324) 사이로 드러난 상부 식각 마스크 박막(322)을 선택적으로 제거한 후, 상기 감광막(324)을 제거(Strip)하여 기판의 상부면 식각을 위한 식각 마스크 패턴(322')을 완성한다.(도 7b)
여기서, 상기 식각 마스크 패턴(322')은 유로관 내부에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 연결되며, 탄성력이 있는 탄성 굴신 구조물(Elastic flexure)과, 상기 탄성 굴신 구조물에 연결되어 영구 자석 밸브 마개가 조립 장착될 수 있는 통공(Through hole)이 가공되어 있는 미세 구조물로 이루어진 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단의 패턴이다.
그 다음, 상기 실리콘 기판(321)의 하부면에 형성된 식각 마스크용 박막(323)상에 감광막(325)을 도포하고, 기판(321) 상부면상에 형성된 식각 마스크 박막 패턴(322')과 정렬(Align)이 되도록 양면 정렬(Double side alignment) 사진 묘화 공정 기술을 이용하여 기판(321) 하부면의 실리콘 식각을 진행시켜 패터닝(Patterning)하고, 패터닝된 감광막(325) 사이로 드러난 하부 식각 마스크용 박막(323)을 선택적으로 제거한 후, 감광막(325)을 제거(Strip)하여 기판의 상부면식각을 위한 식각 마스크 패턴(323')을 완성한다.(도 7c)
그 후, 상기 실리콘 기판(321) 상부면 식각 마스크 패턴(322') 사이로 드러난 상부면 실리콘을 실리콘 이방성 식각(Anisotropic etching) 기술인 반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching) 등의 방법으로 소정의 깊이만큼 상부면 식각 마스크 패턴(322')을 전사(Transfer)한다.(도 7d)
이 공정에서, 영구 자석 밸브 마개가 삽입될 통공(Through hole), 탄성체 굴신(Flexure) 구조물의 기판 상부면 형상 및 굴신 구조물의 탄성 계수(Spring constant)를 결정짓는 상기 굴신 구조물의 두께가 결정된다.
연이어, 도 7e에서, 기판(321) 하부면 식각 마스크 패턴(323')사이로 드러난 실리콘을 실리콘 이방성 식각(Anisotropic etching) 기술인 반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching) 등의 방법으로 기판의 하부면으로부터 소정의 깊이만큼 하부면 식각 마스크 패턴(323')을 전사(Transfer)한다.
마지막으로, 상기 식각 마스크 패턴(322',323')을 제거하면, 영구 자석 밸브 마개가 삽입될 통공(Through hole)이 형성된 미세구조물(302b), 탄성체 굴신(Flexure) 구조물(302a)과 고정부(302c)를 포함하는 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가시키는 지지수단의 제조가 완성된다.
여기서, 도 7g에 도시된 바와 같이, 영구 자석 밸브 마개(101)를 통공에 삽입시킨 후, 조립면에 접착제(350)를 도포하여 두 부품간의 조립 강도를 향상시키는 것이 바람직하다.
이상과 같은 공정 단계를 거쳐 조립된 가동 밸브 마개 부품을 유로관의 입력단과 출력단 연결 부위에 가스켓을 삽입하여 장착하고, 유로관의 입, 출력단을 용접 등의 방법으로 기밀 봉합하고(이 때, 입출력 단 연결 부위에 나사 가공이 되어 있으면, 나사를 체결하여 봉합(Sealing)하는 방식도 가능하다.), 상기 입, 출력단으로 구성되는 유로관의 소정의 위치에 요크 덮개가 조립된 솔레노이드 형태의 하나 또는 두 개의 전자기 코일을 소정의 위치에 장착하여 조립하면, 본 발명에 의한 전자기력 구동 유체 밸브가 완성된다.
도 8은 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 조절 밸브가 팽창 밸브(Expansion valve)로 이용되도록 장착된 냉각 기기용 열 교환 장치(Heat exchanger)의 장치 구성도로서, 여기서는 이중 권선 코일을 이용한 전자기력 구동 유량 제어 밸브가 장착되어 있으며, 유체의 흐름을 따라 상기 열 교환 장치의 동작을 설명하기로 하겠다.
먼저, 압축 장치(Compressor)(501)에서 고압으로 압축된 기체 상태의 냉매(Refrigerant)가 유로관(Pipe)(505)을 통하여 응결 장치(Condenser)(502)에 흘러 들어 액체 상태로 응결(Condensation)된다.
이러한, 응결 과정에서 냉매로부터 방출되는 잠열(Latent heat)은 응결 장치를 통하여 외부 환경으로 발산된다.
상기 응결 장치(502)를 지나 액화된 냉매(506)는 유로관(505)을 통하여 냉매 임시 저장 용기(Receiver)(503)를 거쳐 팽창 밸브로 이용되는 본 발명에 의한 전자력 구동 유량 조절 밸브(100)로 인입된다.
도면에는 표시되지 않았지만, 상기 임시 저장 장치(503)는 냉매에 혼입되거나 냉매에서 생성될 수 있는 입자를 걸러내는 여과 장치(Filter), 상기 냉매에 혼입 되는 수분 등의 불순물 성분을 제거하기 위한 증발 장치(Drier) 등이 더 포함되어 구성된다.
그리고, 상기 전자기력 구동 유량 조절 밸브(100)의 입력단(Inlet port)(111)에 인입된 냉매는, 유로관 외부에 장착된 전자기 코일에 인가된 구동 전류에 의해 조절되는 영구 자석 밸브 마개(101)의 변위에 의해 조절되는 개구(105)의 개도(Open area)를 통하여 출력단(112)으로 흘러들게 되며, 고압의 입력단(111)으로부터 좁은 개구(105)를 통해 저압의 출력단측으로 분출되는 냉매는 유체의 단열 팽창 원리에 의해 온도가 급격히 낮아지고 밀도가 낮은 입자 상태로 변하게(atomize) 된다.
이 단열 팽창 작용은 전술한 바와 같이 본 발명에 의한 전자기력 구동 유량 조절 밸브(100)의 영구 자석 밸브 마개(101)의 변위를 선형적으로 조절함으로써 선형적으로 제어할 수 있게 되어, 냉각 효율을 용이하게 선형적으로 제어할 수 있는 기능을 제공하게 된다.
단열 팽창에 의해 입자화된(Atomized) 냉매는 유량 조절 밸브(100)의 출력 단측에 연결된 기화 장치(Evaporator)(504)로 이송되며, 이 기화 장치(504)에서는 입자화된 냉매가 기화 장치(504) 주변의 환경으로부터 열을 빼앗아 기화(Vaporize)가 진행됨으로써 냉각 기능을 수행하게 되는 것이다.
여기서, 기화 된 냉매는 유로관(505)을 통하여 다시 압축 장치(501)로 들어가며, 전술한 과정이 반복적으로 순환되는 냉각 장치용 유체 폐회로(Fluidiccircuit)가 완성된다.
이 순환 과정에서 전자기력 구동 유량 제어 밸브(100)를 통과하는 유량을 본 발명에 의한 전자기력 유량 조절 밸브로 조절하면, 냉방(또는 냉각) 효율을 용이하게 조절할 수 있게 되는 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 구성 부품 수가 적고, 가공 및 조립이 용이하므로 저렴하고 소형화가 용이한 밸브를 제공할 수 있는 효과가 있다.
특히, 전자기 코일에 인가되는 전류의 양을 조절하여 밸브 개도의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 선형 팽창 밸브(linear expansion valve)로 이용할 수 있으며, 상기 전자기 코일에 인가되는 전류의 크기로 밸브의 개방/폐쇄 동작을 수행하는 개폐 밸브로도 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 디지털화된 인가 전류의 주기 및 펄스 폭을 임의로 조절할 수 있는 펄스 폭 변조(PWM; pulse width modulation) 회로를 덧붙여 PWM 방식의 아날로그 유량 조절 밸브로도 이용할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 영구 자석 밸브 마개(Member)를 지지하는 지지수단을 반도체 일관 공정 및 마이크로머시닝 기술을 이용하여 대량으로 저렴하게 정밀 제작함으로써, 보다 저렴한 밸브를 균일하게 대량으로 제조할 수 있는 효과도 있다.
더불어, 본 발명의 유량 조절 밸브를 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 선형 팽창 밸브(Linear expansion valve)에 적용하여 유체 열 교환 장치를 제작하면, 냉방(또는 냉각) 성능을 용이하게 조절할 수 있으며, 유체 열 교환 장치를 보다 저렴하고, 소형화할 수 있는 효과가 발생한다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (12)

  1. 내부로 유체가 흐를 수 있는 유로관과;
    상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과;
    상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 유체가 흐르는 개구의 개방 면적을 조절하기 위한 영구 자석 밸브 마개(Valve member)와;
    상기 유로관 내부면에 고정되어, 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가(Suspend)하는 지지수단과;
    상기 영구 자석 밸브 마개가 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 적어도 하나 이상의 권선 코일(Wound coil)로 구성된 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로관은 입력 유로관과 상기 입력 유로관이 삽입된 출력 유로관으로 구성되며, 상기 출력 유로관의 내측면에는 지지수단 안착부가 형성되어 있으며, 상기 지지수단 안착부에는 상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단이 장착되고, 상기 지지수단에 상기 영구 자석 밸브 마개가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입력과 출력 유로관이 결합된 사이로 유체의 유실을 방지하도록, 상기 지지수단 안착부에 제 1 가스켓, 상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단과 제 2 가스켓이 순차적으로 안착되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단은,
    상기 유로관 내부에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 연결되며, 탄성력이 있는 탄성 굴신 구조물(Elastic flexure)과, 상기 탄성 굴신 구조물에 연결되어 상기 영구 자석 밸브 마개가 조립 장착될 수 있는 통공(Through hole)이 가공되어 있는 미세 구조물로 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 기체 상태, 액체 상태, 기체 및 액체 상태가 혼재된 초임계(Super critical)상태 중 선택된 어느 하나의 유체인 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구 자석 밸브 마개는,
    희토류(Rare earth) 자성체 물질을 용융한 후, 형상 틀(Mold)에서 성형 한 후 표면을 연마하여 형상이 가공하거나, 또는 원주형 막대(Cylindrical rod) 형태의 자성체를 회전 선반 가공 등에 의하여 테이퍼 선단부의 형상 및 외곽 치수를 정밀 가공하고, 상기 밸브 마개 지지용 부품의 허브 구조물에 정밀 가공된 통공에 정렬 조립한 후, 상기 구조물의 외부에서 바늘 형상의 마개 부품의 축 방향으로 소정의 자계를 인가하는 자력 발생 장치 내에서 자화(Magnetization)된 영구 자석 밸브 마개인 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구 자석 밸브 마개는,
    테이퍼진 원주형 막대(Rod) 형상인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일에 의해 유도되는 유로 관내 자계를 더욱 집속하기 위해 코일의 외곽 테두리에 요크 하우징(Yoke housing)이 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권선코일이 두 개의 코일일 경우,
    각 코일에 인가되는 전류의 방향 및 세기를 조절하고, 상기 영구 자석 밸브 마개에 가해지는 전자기 구동력을 보다 일정하게 유지하고, 코일인가 전류에 따른 영구 자석 밸브 마개의 변위를 보다 선형적으로 제어할 수 있으며, 상기 밸브의 동작시 상기 영구 자석 밸브 마개의 구동 방향에 맞추어 각각의 코일에 의해 유도되는 자계의 방향이 반대가 되도록, 상기 영구 자석 밸브 마개(Valve member) 양극 주위의 유로관 외주면에 권선 코일이 각각 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전자기 구동 유량 조절 밸브.
  10. 내부로 유체가 흐를 수 있는 유로관과;
    상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과;
    상기 유로관 내부면에 고정되며, 상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 유체가 흐르는 개구의 개방 면적을 전자기적으로 제어하기 위한 개폐 제어수단과;
    상기 개폐 제어수단이 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 전자기력 인가수단으로 구성된 전자기력 구동 유량 제어 밸브.
  11. 실리콘 기판의 양면에 상, 하부 식각 방지 마스크(Etch mask)용 박막을 형성하고, 상기 상부 식각 방지 마스크용 박막의 상부에 감광막을 도포한 다음, 사진 묘화 공정(Photolithography)을 수행하여 유로관 내부에 고정되는 고정부와, 상기고정부에 연결되며, 탄성력이 있는 탄성 굴신 구조물(Elastic flexure)과, 상기 탄성 굴신 구조물에 연결되어 영구 자석 밸브 마개가 조립 장착될 수 있는 통공(Through hole)이 가공되어 있는 미세 구조물로 이루어진 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단의 패턴을 상기 상 하부 식각 방지 마스크용 박막에 상호 대응되도록 형성하는 제 1 단계와;
    상기 상, 하부 식각 방지 마스크용 박막의 패턴을 각각 마스킹하여 실리콘 기판을 식각하여 상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단을 형성하는 제 2 단계와;
    상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단의 통공에 영구 자석 밸브 마개를 장착하는 제 3 단계와;
    상기 영구 자석 밸브 마개를 현가시키는 지지수단을 유로관 내부에 고정시키고, 상기 유로관 외부에 적어도 하나 이상의 권선 코일을 장착하는 제 4 단계로 구성된 전자기력 구동 유량 제어 밸브의 제조방법.
  12. 압축장치에서 압축된 냉매가 응결장치에서 액화되어 밸브로 주입되고, 상기 밸브에서 단열 팽창된 후, 기화장치에서 기화되어 냉각기능이 수행되고, 상기 기화된 냉매가 상기 압축장치로 다시 인입되어 반복적으로 순환되는 열 교환 장치에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 응결장치로부터 액화된 냉매를 주입받고, 상기 기화장치로 단열 팽창된냉매를 출력하는 유로관과; 상기 유로관 내부에 장착되고, 유체를 통과시키는 개구(Orifice)가 형성된 밀폐수단과; 상기 개구(Orifice)를 개폐하거나 냉매가 흐르는 개구의 개방 면적을 임의로 조절하기 위한 영구 자석 밸브 마개(Valve member)와; 상기 유로관 내부면에 고정되어, 영구 자석 밸브 마개를 유로관내의 소정 위치에 현가(Suspend)하는 지지수단과; 상기 영구 자석 밸브 마개가 상기 개구를 개폐할 수 있도록, 상기 유로관 외부면에 장착되어 전자기력을 인가하는 적어도 하나 이상의 권선 코일(Wound coil)로 구성된 밸브인 것을 특징으로 하는 전자기력 구동 유량 제어 밸브 를 이용한 열 교환 장치.
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