KR20070109299A - 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브 - Google Patents

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KR20070109299A
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강종윤
윤석진
이경우
소형종
김홍희
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한국과학기술연구원
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Abstract

압전 액츄에이터를 이용하여 유로의 개구면적을 가변시켜 유량을 비례적으로 제어할 수 있는 유량 제어 밸브를 제공한다. 하부 본체에는 유체 유입구, 유체 유입구와 연통되고 그 상면에 형성되는 노즐, 노즐을 둘러싸며 형성되는 유로, 유로와 연통되는 유체 유출구가 구비된다. 하부 본체의 상면에는 전압이 인가되면 팽창과 수축변형을 일으키는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터가 노즐과 유로를 커버하도록 위치한다. 하부 본체의 상측에 상부 본체가 결합되어 압전 액츄에이터의 테두리를 고정시키고, 하부 본체와 대향하는 상부 본체의 하면에는 압전 액츄에이터의 변형을 허용하는 공간부가 구비된다.
유량, 밸브, 압전 액츄에이터, 압전 세라믹, 탄성체

Description

압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브{Flow Control Valve Using Piezoelectric Actuator}
도 1은 종래의 솔레노이드 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브의 작동상태를 보인 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 유량 제어 밸브 110: 하부 본체
112: 유입구 114: 유출구
116: 유로 117: 노즐
118: 안착턱 120: 상부 본체
122: 공간부 124: 탄성부재
130: 압전 액츄에이터 132: 압전 세라믹
134: 탄성체 136: 절연재
140: 구동회로
본 발명은 유량 제어 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전세라믹을 이용한 압전 액츄에이터의 변위를 이용하여 유량을 비례적으로 조절할 수 있는 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 관한 것이다.
도 1은 종래의 솔레노이드 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 유량 제어 밸브(1)는 일측에 유체 유입구(12)와 유체 유출구(14)를 가지는 본체(10)와, 솔레노이드 액츄에이터(20)와, 솔레노이드 액츄에이터(20)에 연결되어 연동하고 유입구(12)와 유출구(14)를 연통시키는 유로(16)를 개방 또는 차단시키기 위한 스풀(18)로 크게 이루어진다.
이미 알려진 바와 같이, 솔레노이드 액츄에이터(20)는 코일(22)과, 고정자(24)와, 가동자(26)를 포함하고, 코일(22)에 전류가 인가되면 코일(22)을 통하여 고정자(24)가 자화되고, 자화된 상태에서 가동자(26)가 직선이동하여 스풀(18)을 동작시켜 유로(16)를 개폐시킨다.
그러나, 상기와 같은 구성의 종래의 유량 제어 밸브는 솔레노이드 액츄에이터(20)를 구성하는 주요 부품인 코일(22)과 고정자(24)의 제조방법과 결합구조에 수반되는 제약조건, 즉 코일(22)을 감는 횟수와 그 횟수에 따른 크기 및 고정자(24)와 코일(22)간에 발생하는 자화에 의해 발생하는 가동자(26)의 힘과 변위를 크게 하면서 유량 제어 밸브를 원하는 크기 이하로 제조하는 것이 매우 복잡하고 어렵거나 심지어 불가능할 수도 있는 문제점이 있다.
또한, 종래의 유량 제어 밸브는 코일(22)에 전류를 인가하여 코일(22)과 고정자(24)를 자화시켜서 동작시키는 구조를 가지므로, 가연성 가스를 사용하는 공정에서는 코일(22)에서 발생하는 열이나 각 부품에서 발생하는 전기적 접촉에 의해 화재의 원인이 될 수 있으므로 사용하기가 쉽지 않고, 코일(22)에 전류를 인가할 때 전류비를 조절하는 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조)방식을 이용하여 비례적으로 유체의 양을 제어하게 되므로 전력소모가 많은 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 압전 액츄에이터를 이용하여 유로의 개구면적을 가변시켜 유량을 비례적으로 제어할 수 있는 유량 제어 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전압구동방식을 따르는 압전 액츄에이터를 이용하여 에너지 절감과 응답특성이 향상되고, 가공과 제작이 쉬워 설치공간 등에 제약을 받지 않는 유량 제어 밸브를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브는 유체 유입구, 유체 유입구와 연통되고 그 상면에 형성되는 노즐, 노즐을 둘러싸며 형성되는 유로, 유로와 연통되는 유체 유출구를 가지는 하부 본체; 하부 본체의 상면에서 노즐과 유로를 커버하도록 위치되고, 전압이 인가되면 팽창과 수축변형을 일으키는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터; 그리고 하부 본체의 상측에 결합되어 압전 액츄에이터의 테두리를 고정시키고, 압전 액츄에이터의 변형을 허용하는 공간부를 가지는 상부 본체로 이루어진다.
바람직하게는 압전 액츄에이터는 압전 세라믹의 저면에 부착되는 탄성체를 더 포함하고, 전기절연성과 내부식성을 가지는 절연재로 감싸진다.
하부 본체의 상면에 압전 액츄에이터의 테두리부가 안착되는 안착턱이 형성되고, 상부 본체의 공간부에 압전 액츄에이터를 노즐을 향해 편의시키기 위한 탄성부재가 구비된다.
탄성부재는 압전 액츄에이터가 변형할 때 생기는 힘보다 작고 유체 유입구를 통해 유입되는 유체가 압전 액츄에이터를 노즐로부터 밀어내는 압력에 대항할 수 있는 강성을 가진다.
바람직하게는, 탄성부재는 코일 스프링이고, 압전 액츄에이터와 대향하는 상부 본체의 공간부의 표면에 코일 스프링에 삽입되어 코일 스프링을 고정시키기 위한 돌기가 형성된다.
하부 본체의 상면에 실링부재가 노즐 주위를 감싸며 구비된다. 바람직하게는, 실링부재는 오링이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브를 보인 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 제어 밸브(100)는 외관을 형성하는 본체의 내부에 유로를 개폐하기 위한 디스크 형상의 압전 액츄에이터(130)가 설치되는 구성을 갖는다. 본체는 상하 결합되는 상부 본체(120)와 하부 본체(110)로 구분된다.
하부 본체(110)의 일측(본 실시예에서는 하면 중심부)에 외부로부터 유체가 유입되는 유입구(112)가 형성되고, 상면 중심부에는 노즐(117)이 형성된다. 유입구(112)와 노즐(117)은 유입로(113)에 의해 상호 연통된다. 하부 본체(110)의 상면에는 유로(116)가 노즐(117)을 둘러싸며 대략 환형상으로 형성된다. 유로(116)는 하부 본체(110)의 상면으로부터 소정 깊이로 파여져 형성된다. 하부 본체(110)의 일측(본 실시예에서는 측면)에는 유체를 외부로 배출시키기 위한 유출구(114)가 형성되며, 유출구(114)는 유출로(115)에 의해 유로(116)와 연통된다. 따라서, 유입구(112)를 통해 유입된 유체는 유입로(113)를 거쳐 노즐(117)을 통해 분출되고, 노즐(117)로부터 분출된 유체는 유로(116)와 유출로(115)를 거쳐 유출구(114)를 통해 외부로 배출된다.
상부 본체(120)와 대향하는 하부 본체(110)의 상면에는 상기 압전 액츄에이터(130)의 테두리가 안착되는 안착턱(118)이 형성되어 있다. 안착턱(118)은 압전 액츄에이터(130)가 노즐(117)과 유로(116)를 모두 커버할 수 있는 크기에 적합하도록 형성된다.
압전 액츄에이터(130)는 노즐(117)과 유로(116)를 모두 커버할 수 있는 원형의 디스크형상으로 형성되고, 하부에 놓인 탄성체(134)와 탄성체(134) 상에 고정되는 압전 세라믹(132)으로 이루어진다. 압전 세라믹(132)은 이미 알려진 바대로, 인 가되는 전압에 따라 팽창,수축변형을 일으키는 성질을 가지는 것이다. 탄성체(134)는 압전 세라믹(132) 자체의 취성(재료가 갑작스럽게 파괴되는 성질)에 의하여 유량 제어 밸브(100)의 내구성이 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것이지만, 압전 세라믹(132)의 변형에 의한 유로 개폐 기능을 발휘하는데 있어 필수적인 것은 아니다. 전기적 접촉 방지와 부식성 유체에 의한 손상을 방지하기 위하여 탄성체(134)와 압전 세라믹(132)은 절연재(예를 들면, 고무)(136)에 의해 감싸진다. 절연재(136)를 포함한 압전 액츄에이터(130)의 전체 두께는 하부 본체(110)의 상면에 형성된 안착턱(118)의 깊이와 완전히 동일하거나 약간 크게 형성하는 것이 바람직하다. 압전 액츄에이터(130)와 노즐(117) 사이의 밀봉효과를 증대시키기 위해 하부 본체(110)의 상면에는 노즐(117) 주위로 오링(O-ring) 등과 같은 실링부재(119)가 구비된다. 부호 119a는 실링부재(119)가 끼워지는 삽입홈이다.
노즐(117)과 유로(116)를 모두 커버하도록 하부 본체(110)의 안착턱(118) 상에 압전 액츄에이터(130)를 안착시킨 상태에서 하부 본체(110)의 상측에 상부 본체(120)를 결합시킨다. 하부 본체(110)와 대향하는 상부 본체(120)의 하면에는 압전 액츄에이터(130)가 충분한 변위를 일으킬 수 있도록 허용하는 공간부(122)가 형성된다. 공간부(122)의 둘레는 상부 본체(120)의 하면에서 하부 본체(110)의 안착턱(118) 상에 위치하는 압전 액츄에이터(130)의 테두리부를 눌러 고정시킬 수 있는 정도의 영역을 제외한 나머지 영역으로 한정되어진다.
압전 액츄에이터(130)가 가지는 히스테리시스(hysteresis)를 최소화하기 위해 상부 본체(120)의 공간부(122) 내에는 압전 액츄에이터(130)를 하부 본체(110) 에 형성된 노즐(117)을 향해 편의시키기 위한 탄성부재(124)가 구비된다. 탄성부재(124)는 인가되는 전압에 따라 압전 액츄에이터(130)가 변형할 때 생기는 힘보다는 작고, 유입구(112)를 통해 유입되는 유체가 압전 액츄에이터(130)를 노즐(117)로부터 밀어내는 압력에 대항할 수 있는 정도의 강성을 갖도록 설정되어야 한다.
본 실시예에서는 탄성부재(124)로서 코일 스프링을 적용하였고, 코일 스프링(124)의 고정과 조립상의 편의를 위해 공간부(122) 내의 상부 본체(120)의 하면에는 코일 스프링(124)의 중심에 삽입되는 돌기(126)가 형성된다. 상부 본체(120)의 일측에는 압전 액츄에이터(130)의 압전 세라믹(132)에 전압을 인가하기 위한 구동부(140)로부터 연장되어 압전 세라믹(132)에 연결되는 전선(142)이 통과되는 관통로(128)가 형성된다.
이하, 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 유량 제어 밸브의 작동 및 작용효과를 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터(130)의 압전 세라믹(132)에 전압이 인가되지 않은 비작동상태에서는 압전 액츄에이터(130)가 평평한 상태를 유지하며 하부 본체(110)의 상면에 밀착되어 노즐(117)을 폐쇄하여 유입구(112)를 통해 유입로(113)를 지나는 유체가 유로(116)로 유동하지 못하도록 한다. 이 때, 압전 액츄에이터(130)를 노즐(117)측으로 편의시키는 코일 스프링(124)의 작용과 노즐(117) 주위에 구비되는 오링(119)에 의해 노즐(117)의 밀봉은 확실하게 확보될 수 있다.
상술한 바와 같은 도 2의 비작동상태에서, 구동부(140)로부터 전선(142)을 통해 압전 액츄에이터(130)의 압전 세라믹(132)에 전압이 인가되면, 압전 세라믹(132)이 변형을 일으켜 노즐(117)로부터 이격됨으로써 노즐(117)과 유로(116)를 연통시킨다. 도 3을 참조하여 상세히 설명하면, 전압 인가시 압전 세라믹(132)의 분극 방향과 압전 세라믹(132)에 가해지는 전계의 방향이 반대일 때, 압전 세라믹(132)은 x방향으로는 팽창하고, z방향으로는 수축된다. 이에 따라, 테두리부가 상,하부 본체(120, 110)사이에 끼워져 고정되는 압전 세라믹(132)과 탄성체(134)는 코일 스프링(124)의 탄성력에 대항하여 코일 스프링(124)을 압축시키면서 위로 볼록한 단면형상을 가지도록 변형된다. 따라서, 압전 액츄에이터(130)는 노즐(117)로부터 이격되고, 유입로(113) 내의 유체는 노즐(117)을 통해 분출된 후, 유로(116)와 유출로(115)를 차례로 경유하여 유출구(114)를 통해 밸브 외부로 배출된다.
통상, 유량은 유체통과면적과 유동압력의 곱으로 나타내어지는데, 압전 액츄에이터(130)는 이미 잘 알려진 바와 같이 인가되는 전압에 따라 거의 선형적으로 비례하여 변형이 발생되기 때문에 노즐(117)의 개도 및 유체통과면적 또한 비례적으로 변화하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같은 작동상태에서 압전 액츄에이터(130)의 압전 세라믹(132)에 인가되던 전압이 차단되면, 압전 세라믹(132)과 이에 부착된 탄성체(134)는 최초의 형태로 수축 변형되어 하부 본체(110)의 상면에 접촉하면서 노즐(117)을 폐쇄하여 더 이상 유체가 유출구(114)를 통해 유출되지 않도록 한다. 이때, 노즐(117)을 통과하는 유체의 압력이 압전 액츄에이터(130)에 계속 작용하여 압전 액츄에이터(130)를 노즐(117)로부터 이격되는 방향으로 밀고 있던 상태이므 로, 이러한 유체압력에 의해 전원을 차단한 시점부터 압전 액츄에이터(130)가 원상태로 변형되어 노즐(117)을 완전히 폐쇄하기까지는 소정의 시간차가 생기게 된다. 이러한 현상과 압전 액츄에이터(130) 고유의 히스테리시스에 의한 작동오차는 상부 본체(120)와 압전 액츄에이터(130) 사이에 구비되어 압전 액츄에이터(130)를 노즐(117)측으로 편의시키는 코일 스프링(124)의 탄성복원력에 의해 보상된다. 더욱이, 이러한 코일 스프링(124)의 작용과 함께 오링(119)에 의해 노즐(117)에 대한 밀봉효과는 증대된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 제어 밸브는 인가되는 전압의 양에 따라 변위가 거의 선형적으로 비례하여 변화하는 압전 액츄에이터의 특성을 이용하여 유체가 흐르는 노즐을 개폐하므로 유체를 비례적으로 제어할 수 있고, 전압에 의해 구동되어 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 압전 액츄에이터의 구조 및 작동방식이 간단하므로 밸브를 형성하는 부품수가 적어지고, 부품의 조립에서 오는 제약조건이 없어 원하는 크기로의 밸브 가공과 제조가 용이할 뿐만 아니라, 가연성 가스를 이용한 공정에서도 발화가능성이 전혀 없어 사용환경에 대한 제약을 받지 않는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 유체의 유량을 조절하기 위한 유량 제어 밸브에 있어서,
    유체 유입구, 상기 유체 유입구와 연통되고 그 상면에 형성되는 노즐, 상기 노즐을 둘러싸며 형성되는 유로, 상기 유로와 연통되는 유체 유출구를 가지는 하부 본체;
    상기 하부 본체의 상면에서 상기 노즐과 유로를 커버하도록 위치되고, 전압이 인가되면 팽창과 수축변형을 일으키는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터; 그리고
    상기 하부 본체의 상측에 결합되어 상기 압전 액츄에이터의 테두리를 고정시키고, 상기 압전 액츄에이터의 변형을 허용하는 공간부를 가지는 상부 본체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는 상기 압전 세라믹의 저면에 부착되는 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 액츄에이터는 전기절연성과 내부식성을 가지는 절연재로 감싸지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하부 본체의 상면에 상기 압전 액츄에이터의 테두리부 가 안착되는 안착턱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 본체의 공간부에 상기 압전 액츄에이터를 상기 노즐을 향해 편의시키기 위한 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 탄성부재는 상기 압전 액츄에이터가 변형할 때 생기는 힘보다 작고 상기 유체 유입구를 통해 유입되는 유체가 상기 압전 액츄에이터를 상기 노즐로부터 밀어내는 압력에 대항할 수 있는 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 탄성부재는 코일 스프링이고,
    상기 압전 액츄에이터와 대향하는 상기 상부 본체의 공간부의 표면에 상기 코일 스프링에 삽입되어 상기 코일 스프링을 고정시키기 위한 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하부 본체의 상면에 실링부재가 상기 노즐 주위를 감싸며 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
  9. 제8항에 있어서, 상기 실링부재는 오링인 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸 브.
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KR1020060042085A KR20070109299A (ko) 2006-05-10 2006-05-10 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브

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