KR20080004221A

KR20080004221A - 압전 액츄에이터를 이용한 유체 제어 밸브

Info

Publication number: KR20080004221A
Application number: KR1020060062970A
Authority: KR
Inventors: 강종윤; 윤석진; 이경우; 소형종; 김홍희
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-01-09
Also published as: KR100844432B1

Abstract

개시된 유체 제어 밸브는 유체 유입구, 유체 유입구와 연통되는 유로, 유로와 연통되는 노즐이 내측 단부에 형성된 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체와, 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 노즐을 커버할 수 있도록 위치되며, 인가된 전압에 의해 형상이 변형되는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어진다. 여기서 압전 액츄에이터는 적어도 2개가 병렬식으로 구비되며 노즐을 커버하는 기밀패드에 의해 타측 단부가 서로 연결된다. 이러한 유제 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, 특별한 제어기가 없어도 병렬로 연결된 복수의 압전 액츄에이터를 통해 히스테리시스를 감소시킬 수 있어 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.

유량, 밸브, 압전 액츄에이터, 병렬, 히스테리시스, 탄성부재, 가압부재

Description

압전 액츄에이터를 이용한 유체 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 밸브에 채용된 압전 액츄에이터를 보인 부분 단면 사시도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터의 히스테리시스를 보인 그래프.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브의 작동상태를 보인 단면도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 밸브본체 110 : 하부본체

111 : 유체 유입구 112 : 유체 유출구

112a : 노즐 113 : 하부유로

114 : 안착턱 115 : 제2 결합홈

116 : 제3 결합홈 120 : 상부본체

121 : 상부유로 122 : 전원연결공

123 : 제1 결합홈 124 : 요철 돌기

130 : 제1 실링부재 140 : 제2 실링부재

150 : 가압부재 160 : 탄성부재

200 : 압전 액츄에이터 201 : 탄성체

202 : 압전 세라믹 210 : 기밀패드

S : 전선

본 발명은 유량 제어 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 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, 고정 자(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.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브는 유체 유입구, 유체 유입구와 연통되는 유로, 유로와 연통되는 노즐이 내측 단부에 형성된 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체와; 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 노즐을 커버할 수 있도록 위치되며, 인가된 전압에 의해 형상이 변형되는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어진다.

바람직하게는 압전 액츄에이터는 적어도 2개가 병렬식으로 구비되며 노즐을 커버하는 기밀패드에 의해 타측 단부가 서로 연결된다.

압전 액츄에이터는 압전 세라믹의 저면에 부착되는 탄성체를 더 포함한다.

또한, 압전 액츄에이터는 전기절연성과 내부식성을 갖는 절연체로 감싸진다.

유로는 상기 노즐 주위를 둘러싸도록 형성되어 압전 액츄에이터의 변형을 허용하게 된다.

밸브본체와 압전 액츄에이터 사이에 구비되어 상기 압전 액츄에이터의 일측 단부를 가압하는 가압부재가 구비된다.

유로에 구비되어 압전 액츄에이터의 타측 단부를 노즐 측으로 가압하는 탄성부재가 구비된다.

바람직하게는, 탄성부재는 코일 스프링이며, 압전 액츄에이터와 대향되는 상기 상부본체 표면에 마련된 요철돌기에 삽입되어 고정된다.

상부본체와 하부본체 사이에는 기밀을 유지하기 위한 실링부재가 구비된다.

기밀패드와 접하는 유체 유출구의 내측면에는 노즐 주위를 둘러싸는 실링부재가 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 밸브는 외관을 이루는 밸브본체(100)와, 이 밸브본체(100)의 내부에 유로를 개폐하기 위해 설치되는 압전 액츄에이터(200)로 이루어진다.

밸브본체(100)는 하부본체(110)와 상부본체(120)로 구분된다. 하부본체(110)는 일측(본 실시예에서는 측면)에 외부로부터 유체가 유입되는 유체 유입구(111)가 형성되고, 타측(본 실시예에서는 하면 중심부)에 유입된 유체가 배출되는 유체 유출구(112)가 형성된다. 유체 유출구(112)의 상측 단부에는 유체 유출구(112)와 연통되는 노즐(112a)이 형성된다. 유체 유입구(111)와 노즐(112) 사이에는 하부유로(113)가 마련되어 유체 유입구(111)와 노즐(112a)을 상호 연통되게 연결한다. 하부유로(113)는 하부본체(110)의 상면에서부터 노즐(112a)을 둘러싸는 대략 월뿔형의 환형상으로 파여져 형성된다. 상부본체(120)와 맞닿는 하부본체(110)의 일측 단부에는 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부가 안착되는 안착턱(114)이 마련된다. 안 착턱(114)은 노즐(112a)의 상부면과 유사한 높이를 가지도록 하여 안착턱(114)에 안착된 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부가 노즐(112a)을 커버하는 위치에 위치될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상부본체(120)는 하부본체(110)의 상부로 결합되어 안착턱(114)에 안착된 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부를 고정하게 된다. 상부본체(120)의 하부면에는 하부유로(113)와 대응되는 상부유로(121)가 마련되고, 상부면 일측에는 전원연결공(122)이 마련된다. 상부유로(121)는 상부본체(120)의 하부면에서부터 소정 깊이로 파여져 형성되며 하부유로(113b)와 상호 연통된다. 이러한 상부유로(121)는 유체의 원활한 유통과 압전 액츄에이터(200)의 형상 변형을 허용하기 위한 것이다. 전원연결공(122)은 안착턱(114)에 안착되어 고정된 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부에 외부 전원과 연결된 전선(S)을 용이하게 연결하여 전압을 인가할 수 있도록 하기 위한 것으로 상부본체(120)의 상부면 일측을 관통하여 안착턱(114)의 외측 단부와 연통되게 형성된다. 하부본체(110)와 상부본체(120) 사이에는 밀폐효과를 증대시키기 위해 오링(O-ring) 등과 같은 제1 실링부재(130)가 결합된다. 제1 실링부재(130)는 상부본체(120)의 하부면에 상부유로(121)의 주위를 둘러싸도록 형성된 제1 결합홈(123)에 끼움 결합된다. 이러한 구성의 밸브본체(100)는 유체가 유체 유입구(111), 하부유로(113), 노즐(112a), 유체 유출구(112)를 순차적으로 거쳐 유통되도록 하고, 노즐(112a)을 커버하도록 압전 액츄에이터(200)를 구비하여 압전 액츄에이터(200)를 통해 유량을 조절할 수 있도록 한 것이다.

압전 액츄에이터(200)는 인가된 전압에 의해 그 형상이 변형되는 것으로 도 면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터를 보인 부분 단면 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터(200)는 소정 길이로 연장된 판 형상으로 형성되며, 하부에 놓인 탄성체(201)와 탄성체(201) 상에 고정되는 압전 세라믹(202)으로 이루어진다. 압전 세라믹(202)은 이미 알려진 바와 같이, 인가되는 전압에 따라 팽창 및 수축하여 형상 변형을 일으키는 성질을 가지는 것이다. 탄성체(201)는 압전 세라믹(202) 자체의 취성에 의하여 밸브의 내구성이 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 전기적 접촉 방지와 유체에 의한 부식을 방지하기 위하여 탄성체(201)와 압전 세라믹(202)은 절연재(203)에 의해 감싸진다. 이러한 압전 액츄에이터(200)는 적어도 2개가 병렬 배치되며 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부에 결합된 기밀패드(210)에 의해 서로 연결된다. 즉, 병렬 배치된 복수의 압전 액츄에이터(200)는 밸브본체(100)에 의해 일측 단부가 고정되고, 기밀패드(210)에 의해 타측 단부가 연결되어 인가된 전압에 의해 서로 연동하여 형상 변형됨으로써 노즐(112a)을 개폐하게 되는 것이다. 기밀패드(210)는 노즐(112a)을 덥어 커버하는 것으로 탄성 재질로 형성되며 폴리머 계열의 접착제를 통해 압전 액츄에이터(200)와 결합되는 것이 바람직하다. 이러한 압전 액츄에이터(200)의 병렬식 구성은 압전 액츄에이터(200)가 가지는 히스테리시스(hysteresis)가 서로 연동되는 복수의 압전 액츄에이터(200)를 통해 최소화될 수 있도록 한 것이다.

압전 액츄에이터(200)의 히스테리시스를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브에 채용된 압전 액츄에이터의 히스테리시스를 보인 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 참조 부호 'A'는 복수의 압전 액츄에이터(200) 중 어느 하나의 압전 액츄에이터(200a, '제1 압전 액츄에이터'라 칭함)의 히스테리시스를 보인 것이고, 참조 부호 'B'는 다른 하나의 압전 액츄에이터(200b, 제2 압전 액츄에이터'라 칭함)의 히스테리시스를 보인 것이며, 참조 부호 'C'는 제1 및 제2 압전 액츄에이터(200a, 200b)의 히스테리시스(A, B)가 서로 상쇄되어 발생된 히스테리시스을 보인 것이다. 이와 같이, 복수의 압전 액츄에이터(200a, 200b)를 병렬식으로 연결하여 서로 연동시키게 되면 각각의 압전 액츄에이터(200a, 200b)의 히스테리시스(A, B)는 서로 상쇄되어 개선된 새로운 히스테리시스(C)를 발생시키게 되는 것이다. 이에 따라 압전 액츄에이터(200)의 히스테리시스를 최소화할 수 있는 것이다.

다시 도 2을 참조하면, 압전 액츄에이터(200)에 의한 노즐(112a)의 밀폐성을 증대시키기 위해 제2 실링부재(140)와 가압부재(150), 탄성부재(160)가 더 구비된다. 오링 등과 같은 제2 실링부재는(140) 하부본체(110)의 노즐(112a)과 하부유로(113) 사이 둘레에 마련된 제2 결합홈(115)에 끼움 결합되어 노즐(112a)과 기밀패드(210) 사이의 밀폐성을 증대시키게 된다. 가압부재(140)는 안착턱(114) 일측에 마련된 제3 결합홈(116)에 끼움 결합되어 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부를 가압하게 된다. 이러한 가압부재(150)는 압전 액츄에이터(200)의 형상 변형 스트레스 를 흡수하여 압전 액츄에이터(200)의 손상을 방지하고, 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부를 지렛대 원리로 눌러 기밀패드(210)와 노즐(112a)을 더욱 밀착시키게 된다. 탄성부재(160)는 상부유로(121)에 구비되어 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부를 노즐(112a) 측으로 가압함으로써 노즐(112a)의 밀폐성을 증대시키기 위한 것으로 본 실시예에서는 탄성부재(160)로서 코일 스프링을 적용하였으며 압전 액츄에이터(200)의 형상 변형에 의해 코일 스프링이 뒤틀어지는 것을 방지하기 위해 상부유로(121)의 표면에 요철 돌기(124)를 형성하고 코일 스프링을 삽입하여 고정하였다.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 유량 제어 밸브의 작동 및 작용효과를 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 액츄에이터를 이용한 유량 제어 밸브의 작동상태를 보인 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터(200)의 압전 세라믹(202)에 전압이 인가되지 않은 비작동상태에서는 압전 액츄에이터(200)가 평평한 상태로 유지된다. 이에 따라 압전 액츄에이터(200)의 기밀패드(210)는 하부본체(110)의 상면에 밀착되어 노즐(112a)을 폐쇄하여 유로(113)의 유체가 유체 유출구(112)로 유통되지 못하도록 한다. 이때 노즐(112a) 주위의 제2 실링부재(140)와 압전 액츄에이터(200)의 일측 단부를 가압하는 가압부재(150), 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부를 가압하는 탄성부재(160)를 통해 노즐(112a)의 밀봉은 확실하게 확보될 수 있다.

상술한 바와 같은 비동작상태에서 압전 액츄에이터(200)의 압전 세라믹에 전 압이 인가되면, 압전 세라믹이 변형을 일으켜 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부가 가압부재(150)와 탄성부재(160)의 가압력에 대항하여 탄성부재(160)를 압축시키면서 상부로 구부러지게 변형된다. 따라서 압전 액츄에이터(200)의 타측 단부에 결합된 기밀패드(210)는 노즐(112a)로부터 이격되고, 유로(113) 내의 유체는 노즐(112a)을 통해 유체 유출로(112)로 유통되어 외부로 배출된다.

상기와 같은 작동상태의 압전 액츄에이터(200)의 압전 세라믹에 다시 전압이 차단되면, 압전 액츄에이터(200)는 최초의 형태로 복원되어 기밀패드(210)가 하부본체(110)의 상면과 접촉하면서 노즐(112a)을 폐쇄하여 더 이상 유체가 유통되지 않게 되는 것이다. 이때 압전 액츄에이터(200)에 발생되는 히스테리시스는 상기에서 상술한 바와 같이 병렬로 연결된 복수의 액츄에이터(200)가 서로 연동함으로써 상쇄시켜 최소화하게 되는 것이다.

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, 특별한 제어기가 없어도 병렬로 연결된 복수의 압전 액츄에이터를 통 해 히스테리시스를 감소시킬 수 있어 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

유체의 유량을 조절하기 위한 유체 제어 밸브에 있어서,

유체 유입구, 상기 유체 유입구와 연통되는 유로, 상기 유로와 연통되는 노즐이 내측 단부에 형성된 유체 유출구를 가지며, 상부와 하부로 나누어진 밸브본체;

상기 상부본체와 하부본체 사이에 일측 단부가 고정되어 상기 노즐을 커버할 수 있도록 위치되며, 인가된 전압에 의해 형상이 변형되는 압전 세라믹을 포함하는 압전 액츄에이터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 압전 액츄에이터는 적어도 2개가 병렬식으로 구비되며 상기 노즐을 커버하는 기밀패드에 의해 타측 단부가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 압전 액츄에이터는 상기 압전 세라믹의 저면에 부착되는 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 압전 액츄에이터는 전기절연성과 내부식성을 갖는 절연체로 감싸지는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 유로는 상기 노즐 주위를 둘러싸도록 형성되어 상기 압전 액츄에이터의 변형을 허용하는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 밸브본체와 상기 압전 액츄에이터 사이에 구비되어 상기 압전 액츄에이터의 일측 단부를 가압하는 가압부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 유로에 구비되어 상기 압전 액츄에이터의 타측 단부를 노즐 측으로 가압하는 탄성부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제7항에 있어서,

상기 탄성부재는 코일 스프링이며,

상기 압전 액츄에이터와 대향되는 상기 상부본체 표면에 마련된 요철 돌기에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 상부본체와 상기 하부본체 사이에는 기밀을 유지하기 위한 실링부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제1항에 있어서,

상기 기밀패드와 접하는 상기 유체 유출구의 내측면에는 상기 노즐 주위를 둘러싸는 실링부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 실링부재는 오링인 것을 특징으로 하는 유량 제어 밸브.