KR20090035056A - 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Shape Memory Alloy (형상기억합금 ;이하 SMA)의 온도 변화에 따른 상변화를 이용하여 난방용수의 유량을 조절해 난방에 사용하는 수온 감지식 난방용 밸브에 관한 것으로서 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

실내를 난방 하는 방법으로는 크게 공기온도를 감지하여 난방 하는 공기 감지식 난방법과 난방용수의 수온을 직접 감지하여 난방하는 수온 감지식 난방법으로 구별되는데, 본 발명은 난방용수의 수온에 따른 밸브의 자동 유량조절 기능을 이용한 수온 감지식 난방방법의 하나이다.

SMA는 특정한 온도에서 열처리하여 형상을 만들고 그 형상을 기억시키면 외력에 의해 형상이 변했을지라도 열처리했던 온도가 되면 다시 그 최초의 형상을 찾는 합금이다.

이러한 특성을 갖는 SMA를 이용하여 필요한 온도에서 스프링을 만들고 그 형상을 기억시켜 밸브의 일 측면에 설치하고 타 측면은 그에 대응하는 리턴스프링을 설치하여 난방용수의 수온에 따른 SMA스프링 회복력과 리턴스프링의 탄성력을 이용해 밸브가 자동개패 또는 유량이 조절되게 함으로서 실내 온도를 조절하게 하는 것이다.

난방용수의 수온이 SMA스프링 열처리 온도가 되면 최초 형상을 회복하기 위해 팽창하면서 밸브내의 스풀을 이동시켜 자동으로 난방용수의 유로가 차단되고 이렇게 차단된 고온의 난방용 온수는 오래 동안 실내에 체류하게 되고 바닥 및 실내 공기와 충분한 열 교환하면서 실내를 난방하게 된다.

난방이 끝나고 수온이 낮아져서 SMA스프링이 탄성을 잃게 되면 SMA스프링의 팽창력에 의해 압축되었던 반대 측의 리턴스프링이 팽창하면서 스풀을 이동시켜 난방용 온수의 유로를 개방하게 된다.

본 발명과 같은 구조를 가진 밸브는 난방하기에 충분한 온도를 가진 난방용 온수가 외부로 유출되던 것을 실내에 오래 동안 체류시켜 실내와 충분한 열 교환이 이루어지도록 함으로서 열손실을 최대한 줄일 수 있게 되어 에너지를 최대한 효율적으로 사용하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 난방용 온수의 압력과 스케일로부터도 별다른 영향을 받지 않고 작동함으로 주위 환경변화에 안정적으로 작동하게 되는 것이다.

밸브본체, SMA스프링, 리턴스프링, 스풀, 스풀안내봉, 유입구, 배출구

Description

형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브{An automatically flow control valve using shape memory alloy}

본 발명은 자기형상 기억합금을 이용한 자동유량조절 밸브(이하; 밸브)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필요한 온도에서 Shape Memory Alloy(자기형상 기억 합금 이하; SMA)를 열처리하여 스프링을 만들고 난방용 온수의 수온을 SMA스프링이 직접 감지하여 필요한 온도에서 밸브가 자동으로 난방용 온수의 유로를 차단 또는 개방되도록 함으로서 실내 난방온도를 조절하는 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 밸브를 이용하여 난방하는 수온감지식 종래의 난방용 밸브기술로는,

특허 "출원번호 10-2004-082330 실내 온도 조절이 가능한 유량조절밸브"

실용신안 "출원번호 20-2001-0009854 온도조절밸브"

실용신안 "출원번호 20-2003-003207 온수분배기"

특허 "출원번호 10-2004-0019547 수온감지식 자동 온도조절밸브" 등 다수가 있으나 이런 종류의 밸브들은 단일 유로에 SMA스프링과 이에 대응하는 리턴스프링을 동시에 설치함으로 유로를 차단했다가 리턴스프링에 의해 회복할 때 난방용 온 수의 유입구와 출구의 수압 차에 의해 회복이 되지 못하는 경우가 빈번하여 압력차에 의한 오동작이 많으며 이러한 단점을 보안하기 위해 개발된 "수온감지식 자동 온도조절밸브" 역시 하부 리턴스프링 안내공에 난방용 온수의 찌꺼기가 쌓이기 쉬운 구조로 찌꺼기가 쌓이면 리턴스프링이 작동하지 못하게 되며 이에 따라 연동으로 동작을 하는 SMA 스프링도 역시 작동하지 못하게 된다.

이러한 문제는 밸브 장착의 초기에는 문제점이 없으나 사용시간이 길어지면 반드시 발생되는 문제점으로 고장의 원인이 되고, 또한 아파트나 공동주택등의 고층과 저층은 설치된 위치에 따라 밸브에 발생하는 난방용 온수의 수압 차이가 발생하게 되는데 이러한 압력 차이에 따라 밸브 성능이 현격한 차이가 발생 할 수밖에 없는 구조이다.

본 발명은 이러한 종래의 기술적인 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

난방수 유입구와 출구의 압력차는 물론 찌꺼기로부터도 무관하게 작동할 수 있도록 하는 밸브를 제공하고, 난방용수의 온도가 고온인 경우에는 밸브가 닫히게 되고 저온인 경우에 개방되는 난방용수의 온도에 따라 난방용수의 유량을 자동제어 함으로서 난방 온도를 효율적으로 조절하여 난방의 균형을 유지하면서 열손실을 줄여 에너지를 절감하고 고장 없이 반영구적으로 사용할 수 있도록 하는 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 형상기억합금의 형상 회복력과 이에 대응하는 리턴 스프링을 이용하여 난방용수의 온도에 따른 형상기억합금의 형상 회복력과 리턴스프링의 팽창력이 스풀을 자동이동 시키면서 밸브를 개,패 시키고 난방용수의 유입구와 유출구의 수압에 의한 오동작을 스풀이 전압을 받도록 함으로서 미세한 힘으로도 작동할 수 있도록 하고 스케일의 적체 현상이 없도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 여러 개의 방을 난방할 경우 제일 먼저 난방온도에 도달한 밸브가 닫히게 되면 다른 방으로 흐르는 난방수 압력이 상승하게 되고 이에따라 난방용수의 유량이 더 많이 흐르게 되므로 자연히 여러 개의 방들이 골고루 더워지는 즉, 각 방의 난방 온도를 균등하게 잘 유지할 수 있으며 또한 충분한 열량을 가진 난방용수를 오래 동안 실내에 체류시킴으로 열효율을 높혀 에너지를 절감하게 되고 고층과 저층이 있는 공동주택 경우에도 난방용수의 공급압력과 스케일에 큰 영향을 받지 않으면서 주위 환경에 안정적으로 동작하기 때문에 고장없이 장시간 사용할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 대한 상기 목적을 달성하기 위하여 밸브의 각 부품들이 난방수의 온도에 따라 유로를 차단 또는 개방하는 연동작용을 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브(1이하; 밸브)에 대한 전체 밸브형상에 대한 사시도로 전체의 형상 모양을 표시하였다.

밸브(1)의 난방용 온수의 수온 변화에 따른 각 부품의 작용을 상세히 설명하기 위하여 밸브(1)을 절개한 단면도로 나타낸 도 2는 고온의 난방용수가 유입되어 SMA스프링(50) 형상이 회복되어 있는 상태로 SMA스프링(50)이 팽창되어 이에 대응하는 리턴스프링(60)을 밀어 스풀(70)을 좌측으로 이동, 유로를 차단시켜 공급된 난방용 온수가 실내난방을 하고 있고 유입구(100)로 유입된 온수의 압력이 스풀(70)의 전면에 균일하게 작용하고 있다.

도 3은 난방용 온수가 실내를 난방 하고 온도가 내려가면 SMA스프링(50)이 탄력성을 잃게 되고 이에 대응하여 수축되었던 타 측의 리턴스프링(60)이 팽창하면서 스풀(70)을 우측으로 밀어 난방용 온수의 유로가 개방된 상태의 도면이다.

리턴스프링(60)이 팽창하면서 스풀(70)을 스풀안내봉(40)을 따라 밀어 유출구(72)가 밸브본체(10)의 배출구멍(11)과 일치하게 되면 유입구(100)로 흘러들어온 난방용수는 스풀카바(80), 스풀카바a(80a)의 분배구(81)로 흘러들어가 최종적으로 스풀(70)에 형성된 유출구(72)와 배출구멍(11)를 통과하여 배출구(110)로 흘러나가게 된다.

흘러나간 저온의 난방용수가 보일러나 가열기를 통해 다시 가열되어 고온의 온수가 유입구(100)로 흘러들어오게 되면 도2와 같은 상태처럼 SMA스프링(50)이 다시 회복력을 얻어 팽창하면서 스풀(70)을 밀게 되고 유출구(72)와 배출구멍(11)이 서로 어긋나게 되면서 유로를 차단하게 되는 것이다.

이렇게 난방용수의 온도에 따라 자동으로 난방용 온수의 유로를 차단하거나 개방하게 되는 밸브(1)는 난방용 온수의 유입구(100)와 배출구(110)의 압력차에 영 향을 받지 않고 난방용 온수의 수온에 따라 스풀(70)이 작동하게 되며 도 4는 이러한 스풀(70)의 분해사시도로서 그 기능을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4의 스풀(70)은 내부가 비어 있는 원통형의 파이프 형태로서 원주면의 전 둘레에 홈(71)이 파져 있고 그 홈(71)중앙부의 원주면 둘레에 일정한 간격으로 스풀(70)의 내부와 관통되도록 유출구(72)를 뚫고 양 측면은 스풀카바(80)와 스풀카바a(80a)로 막는다.

스풀(70) 양 측면에 나사 체결된 스풀카바(80)와 스풀카바a(80a)는 난방용 온수의 유로를 형성하기 위한 분배구(81)가 측면 전체 면에 일정한 간격으로 관통해 뚫어져 있고 각각의 일 측면 중앙부에는 스풀안내봉(40)을 안내하는 스풀안내봉구멍(82)이 형성되어 있기 때문에 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)의 팽창 및 수축에 따라 스풀(70)은 스풀안내봉(40)을 따라 좌우로 이동하면서 난방용수의 유로를 개방 또는 차단하게 된다.

또한 스풀카바a(80a)의 측면에는 SMA스프링(50), 스풀카바(80)의 측면에는 리턴스프링(60)이 들어 갈 수 있는 단차(83)가 있다.

특히, 스풀카바(80) 끝단에는 스토파(84)를 만들어 유로가 개방된 상태를 정확하게 유지할 수 있도록 하였다.

유입구(100)을 통해 유입된 난방용 온수 온도가 핸들캡(95)에 의해 설정된 온도가 되어서 밸브(1)가 도 2와 같은 상태인 난방용 온수 유로를 차단하는 스풀(70)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

스풀(70)의 일 측면에 고정된 스풀카바a(80a)의 단차(83)에 끼워진 SMA스프 링(50)이 회복력을 얻어 팽창하게 되면 스풀(70)은 스풀안내봉(40)을 따라 SMA스프링(50)이 팽창하는 방향을 따라서 이동하는데 이렇게 스풀(70)이 이동되면 스풀(70)의 원주면에 있는 유출구(72)와 밸브본체(10) 배출구멍(11)이 서로 어긋나게 되면서 스풀(70)의 다른 원주면이 밸브본체(10)의 배출구멍(11)를 막게 되어 도 2와 같은 상태가 되면 난방용 온수는 차단되어 흘러가지 못하게 된다.

이렇게 유로가 차단된 고온의 온수는 난방을 하는데 사용되게 된다.

실내를 난방하고 수온이 내려가면 스풀(70)의 일 측면에서 스풀(70)을 밀고 있던 SMA스프링(50)이 탄력성을 잃게 되고 스풀(70)의 다른 측 스풀카바(80)에 장착되어 SMA스프링(50)의 팽창력으로 눌려있던 리턴스프링(60)이 팽창력을 회복하면서 스풀(70)을 스풀카바(80)의 스토파(84)가 밸브본체(10)에 닿을 때 까지 밀게 되면 배출구멍(11)과 스풀(70)의 유출구(72)가 일직선상으로 만나게 되고 도 3과 같이 유로가 개방된 상태가 된다.

이때, 스풀(70)은 전면에 난방용 온수의 균일한 압력을 받고 있기 때문에 유입구(100)와 배출구(110)의 압력차와 관계없이 리턴스프링(60)의 회복력만으로도 충분히 동작할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 실제 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)의 서로 팽창하려는 힘을 상쇄하고 나면 실제로 스풀(70)을 동작시킬 수 있는 힘은 적지만 스풀(70)에 작용하는 압력이 서로 상쇄하고 있으므로 아주 적은 힘으로도 높은 압력 하에서도 아무런 이상 없이 작동할 수 있는 것이다.

온도 조절을 위한 SMA스프링캡(20)과 리턴스프링캡(30)은 밸브본체(10)에 나 사로 고정하게 되는데 각각을 설명하면 다음과 같다.

SMA스프링캡(20)과 리턴스프링캡(30)은 중심에 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)가 삽입되고 회전시키면 나사를 따라 이동하게 된다.

그리고 원주면에 온도눈금(96)이 표시된 핸들캡(95)은 SMA스프링캡(20)과 리턴스프링캡(30)의 외부에 삽입하고 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)에 나사(92)로 고정한다.

온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)의 각각 일 측 중심에는 스풀안내봉(40)이 삽입 고정되어 있고 난방온수의 외부 유출을 막기 위해 스풀안내봉(40)에 오링 홈(93)을 형성하고 기밀용 오링(94)을 설치한다.

또한 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)의 일측면 중앙부에는 각각 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)의 들어갈 수 있는 스프링단차(97)를 만들고 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)을 삽입하게 되면 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)은 스풀카바(80) 및 스풀카바a(80a)의 단차(83)와 스프링단차(97)에 일직선상으로 위치하면서 이탈되지 않고 동일한 방향성을 유지하며 팽창과 수축을 하게 된다.

온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)는 유입되고 배출되는 난방수의 온도를 미세하게 조절하기 위한 것으로 온도조절볼트(90)는 SMA스프링(50)의 행정거리를, 장력조절볼트(91)는 리턴스프링(60)의 행정거리를 조절하게 함으로서 난방용 온수의 미세한 온도를 조절할 수 있게 되는 것이다.

이처럼 서로 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)이 연동하여 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)를 조절하면 미세한 온도차이 하에서도 난방용 온수를 차단 또 는 개방하게 되므로 실내 온도 역시 미세하게 자동으로 조절 할 수 있게 되는 것이다.

또한 밸브본체(10)의 하부에 쌓이는 찌거기를 제거 할 수 있도록 드레인(120)을 구성하고 장시간 사용할 경우 청소할 수 있는 구조를 갖는 밸브(1)를 제공함으로서 찌거기에 의한 고장도 간단히 수리할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 밸브의 전체 조립 사시도

도 2는 본 발명에 의한 밸브의 차단 상태의 단면도

도 3은 본 발명에 의한 밸브의 개방 상태의 단면도

도 4는 본 발명에 의한 스풀과 SMA스프링 및 리턴스프링 분해사시도

도 5는 본 발명에 의한 밸브의 분해 사시도

Claims (7)

1. 난방용수의 수온을 감지하여 유로가 개폐되는 밸브(1)의 밸브본체(10)에는 유입구(100), 배출구(110) 및 배출구멍(11)과 SMA스프링캡(20)과 리턴스프링캡(30)을 설치하는 나사부가 형성되어 있고, 난방용수의 유로를 차단 또는 개방하는 스풀(70)은 원주면에 홈(71)이 파져있으며 그 홈(71)의 원주면에 일정간격으로 유출구(72)가 스풀(70)내부와 관통되어 뚫려 있고 양 측면은 스풀카바(80),스풀카바a(80a)로 나사체결 되어 있다.

   스풀카바(80)와 스풀카바a(80a)의 일 측면에 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)이 단차(83)와 스프링단차(97)사이에 서로 일직선상으로 끼워져 있고 중앙부의 스풀안내봉구멍(82)으로 스풀안내봉(40)이 삽입되어 있어 SMA스프링(50) 또는 리턴스프링(60)의 움직임에 따라 스풀(70)이 스풀안내봉(40)의 중심축선상을 따라서 이동하면서 유입구(100)로 흘러들어온 난방용수를 분배구(81)와 유출구(72) 및 배출구멍(11), 배출구(110)로 형성되는 유로를 차단 또는 개방하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.
2. 상기 제 1항에 있어서,

   스풀(70)의 양 측면에 나사 체결된 스풀카바(80)와 스풀카바a(80a)의 측면에는 유로를 형성하기 위한 분배구(81)가 일정한 간격으로 관통해 뚫어져 있고 중심부에 스풀안내봉구멍(82)과 SMA스프링(50) 및 리턴스프링(60) 삽입용 단차(83)를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.
3. 상기 제 2항에 있어서,

   스풀카바(80)에 스토파(84)가 형성되어 있어 정확한 유로를 형성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.
4. 상기 제 1항에 있어서,

   스풀안내봉(40)은 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)의 중심에 삽입고정되고 스풀카바(80)와 스풀카바a(80a)의 중앙부에 형성된 스풀안내봉구멍(82)에 삽입되고 외면에 SMA스프링(50)과 리턴스프링(60)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.
5. 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)는 원주면에 오링홈(93)을 형성하고 오링(94)을 장착하여 SMA스프링캡(20)과 리턴스프링캡(30)에 나사로 고정된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.
6. 원주면에 온도눈금(96)이 표시된 핸들캡(95)이 SMA스프링캡(20)과 리턴스프링캡(30) 외면에 삽입 설치하고 온도조절볼트(90)와 장력조절볼트(91)에 나사(92)로 고정되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.
7. 밸브본체(10)의 하부에 드레인나사(120)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 자동유량조절밸브.

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