KR20110048009A - 유동 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

고온 금속 스트립 또는 플레이트를 위한 냉각 기계의 작동 요구를 충족하는 유동 제어 밸브에 관한 것이다. 유동 제어 밸브는 기준 신호 및 피드백 신호를 수용하는 전자 제어기와 관련하여 고 성능 공기압 비례 밸브의 이용에 의해 제어되는 공기압 액츄에이터에 의해 작동된다.

Description

유동 제어 밸브 {FLOW CONTROL VALVE}

본 발명은 밸브에 의한 유체 유동의 정밀하고 신속한 제어에 관한 것이다. 고온 금속 스트립 또는 플레이트의 제어 동안 물 유동의 제어에 특히 유용하지만 유체 유동의 정밀하고 신속한 제어가 요구되는 다른 영역에 이용된다.

산업에서 이용되는 매우 통상적인 타입의 밸브는 도 1에 도시된 버터플라이(butterfly) 타입 밸브이다. 밸브(1)의 바디는 파이프 내의 플랜지들 사이에 클램핑된다. 버터플라이(2)로서 알려진, 회전가능한 배리어는 밸브 및 이에 따른 파이프를 통한 유동을 제어하도록 샤프트(3)에 의해 회전된다.

샤프트(3)를 작동하는 가장 일반적이 방법은 공기압을 이용하는 것이다. 통상적인 설치가 도 2에 도시된다. 버터플라이 밸브의 샤프트는 커플링(coupling; 5)에 의해 공기 액츄에이터(4)에 연결된다.

시장에서 입수가능한 다수의 상이한 타입의 공기 액츄에이터가 있지만 통상적인 설계가 도 3에 도시된다. 피스톤(6 및 7)은 챔버(8, 9, 및 10) 내에서 공기 압력에 의해 운동한다. 챔버(9 및 10) 내의 공기 압력에 의한 피스톤 상의 힘이 챔버(8) 내의 공기 압력에 의한 피스톤 상의 힘 보다 큰 경우, 피스톤들은 근접된 위치를 향하여 움직이며, 그 반대도 가능하다. 피스톤의 운동은 랙(11 및 12) 및 피니온(13)(명료성을 위해 피니온 상의 치형부가 생략됨)에 의해 밸브를 작동시키는 샤프트로 전달된다.

밸브가 단지 단순히 유동의 온-오프(on-off) 제어를 위해 이용되는 경우, 액츄에이터 챔버(8, 9 및 10)로의 공기 압력은 예를 들면 솔레노이드 작동식 공기압 밸브를 이용하여 스위칭될 수 있다.

그러나, 유동 제어를 위해 밸브를 이용하도록, 버터플라이의 위치를 제어하는 것이 필요하다. 버터플라이의 위치를 제어하는 가장 통상적인 방법은 포지셔너(positioner)로서 공지된 전자-공기압 장치를 이용하는 것이다. 시장에서 입수가능한 다수의 상이한 설계의 포지셔너가 있지만 통상적인 설계가 도 4 및 도 5에 설계된다. 도 4는 포지셔너(14)가 액츄에이터(4) 상에 통상적으로 장착되는 방법을 보여주다.

도 5는 포지셔너의 통상적이 내부 배열을 도시한다. 유닛은 I/P 컨버터(즉, 전류 대 압력 컨버터)(도시 안됨)를 포함한다. 유닛은 전기 전류 입력 신호-통상적으로 4 내지 20 mA-를 받아서 전류 신호에 비례하는 공기 압력을 생성한다. I/P 컨버터로부터의 공기 압력은 다이아프램(15) 상에 작용한다. 이는 제어력이다. 다이아프램의 다른 측부 상에 피드백 스프링(16) 및 스풀(18)에 부착되는 밸런스 아암(17)이 있다. I/P 컨버터로부터의 공기 압력의 증가에 의해 다이아프램(15)이 피드백 스프링(16)에 대해 아래로 이동하도록 한다. 이는 밸런스 아암(17) 및 이에 따라 스풀(18)을 이용한다. 스풀의 운동은 공기가 액츄에이터의 일 측부 내로 그리고 액츄에이터의 다른 측부로부터의 유동을 허용하는 방식으로 포트를 개방한다.

스핀들(19) 및 캠(20)은 피드백 메카니즘을 제공한다. 스핀들(19)은 액츄에이터가 운동할 때 스핀들도 운동하도록 액츄에이터 샤프트의 연장부로 연결된다. 스핀들의 회전에 의해 캠(20)이 회전하고 이는 이어서 하부 아암(21)을 상방으로 이동하고 피드백 스프링으로부터 다이아프램 상으로의 힘을 증가시킨다. 하부 아암(21)은 스프링(31) 또는 다른 적절한 바이어싱 수단에 의해 캠(20)에 대해 바이어싱된다. 피드백력이 제어력과 균형이 맞을 때 다이어프램 및 밸런스 아암은 제로(zero) 위치로 후방으로 운동하는데, 제로 위치에서는 스풀이 폐쇄되고 액츄에이터의 운동이 중단된다. 상이한 캠(20)이 밸브의 위치 대 기준 신호에 대한 상이한 특성 곡선을 제공하기 위해 이용될 수 있다.

포시셔너의 상세한 설계가 상이한 공급자들 사이에서 변화될 수 있지만 일반적인 원리는 포지셔너가 메인 스풀(18)을 작동하도록 기계-공기압 힘을 이용하여, 밸브 위치의 기계적 피드백을 이용한다는 점에서 유사하다.

다수의 목적을 위해, 상술된 종래 기술 설계가 충족하지만, 많은 문제점을 포함한다:

● 밸브의 반응 시간이 배우 비선형적인 경향이 있다; 일반적으로 큰 운동에 대해 OK이지만 매우 작은 운동에 대해 매우 불충분하다.

● 반응 시간이 밸브의 개방 및 폐쇄 운동에 대해 상이한 경향이 있다.

● 작은 운동에 대한 불충분한 반응 및 기계적 피드백 배치때문에 밸브의 위치 제어가 상당한 이력 현상(hysteresis)을 가지는 경향이 있다.

● 포지셔너의 제로 및 전폭(span) 조정은 시간 소모적이고 시간에 걸쳐 드리프트(drift)되는 경향이 있다.

종래 기술 설계가 가진 또 다른 문제점은 반응 속도 및 정밀도를 위한 요구조건이 서로 충돌된다는 것이다. 밸브로부터 신속한 반응을 얻기 위해, 소형 액츄에이터(즉, 상대적으로 작은 직경의 피스톤을 가지는 액츄에이터)는 포지셔너로부터 주어진 공기 유동이 밸브의 신속한 운동을 발생하도록 이용되어야 한다. 불행하게도, 소형 액츄에이터의 이용은 또한 단지 제한된 액츄에이터의 힘이 이용가능하고 정밀한 운동을 달성하기가 어렵다는 것을 의미한다. 반대로, 밸브의 정밀한 위치설정을 달성하도록, 대형 액츄에이터는 포지셔너로부터의 공기 유동이 단지 밸브의 작은 운동을 초래하도록 이용될 수 있다.

종래 기술에서, 전자 위치 피드백 유닛이 포지셔너들 내로 내장되거나 주변 기기(add-on)로서 이용가능하다. 그러나, 이러한 전자 위치 피드백 유닛은 밸브의 폐쇄형 루프 위치 제어를 위해 이용되지 않으며; 전자 위치 피드백 유닛은 일반적으로 단지 모니터링 목적을 위해 이용된다.

종래 기술에서, 공기압으로 작동되고 배치되는 밸브가 가진 이러한 문제점들에 대한 유일한 해결책은 전자-기계적 작동 또는 유압 작동을 이용하는 것이었다.

솔레노이드 또는 스테퍼 모터 또는 유사한 기술을 이용하는 전자-기계적 작동은 소형 밸브 상에 유용한 성능을 달성할 수 있지만 대체로 이는 가능하지 않거나 알맞은 크기의 솔레노이드 또는 스테퍼 모터에 의해 발생될 수 있는 힘이 공기압 액츄에이터에 의해 발생될 수 있는 힘에 비해 작기 때문에 대형 밸브 상에서 비용이 많이 든다.

유압 유체가 공기 보다 압축성이 많이 작기 때문에 밸브의 유압 작동은 매우 신속한 반응 및 고 정밀도를 달성할 수 있다. 그러나, 유압 펌프 세트 플러스(plus) 유압 제어 밸브 및 액츄에이터의 비용은 공기압 보다 상당히 많다.

고 성능 공기압 비례 밸브-예를 들면 노그린 브이피60(Norgren VP60)이 본 기술분야에 공개된다.

http://wwww.norgren.com/virtualpresscentre/pressreleases/itemdetail.asp? ItemID =239

이러한 밸브는 입력 전기 신호에 대충 비례하는 공기 유동을 생성한다. 통상적으로, 이러한 밸브는 회전 속도 제어, 속도 제어 등을 위해 이용되며, 공기 유동이 전기 신호에 비례하는 사실은 공기압 모터 또는 액츄에이터의 속도가 전기 신호에 대충 비례할 수 있게 된다는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은 특히 반응 속도 및 정밀도에 대해 종래 기술에 대한 장점을 제공하는 유동 제어 밸브를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따라 유동 제어 밸브는 본 명세서에 첨부되는 청구항 1에서 제시된 특징을 포함한다.

바람직한 일 실시예에서, 피드백 신호를 발생하기 위한 수단은 위치를 측정하고 이를 나타내는 전기 신호를 발생하는 수단을 포함한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 위치를 측정하기 위한 수단은 공기압 액츄에이터와 샤프트 사이의 커플링의 배리어 측에 부착된다.

제어기는 유용하게는 피드백 신호, 기준 신호(reference signal) 및 제어 신호와 상기 기준 신호 사이의 차이 중 하나 이상의 비-선형 함수인 제어 신호를 제공하기 위해 배치될 수 있다.

밸브는 로터리 밸브일 수 있으며, 배리어는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 회전가능하며 배리어의 각도 위치를 표시하는 피드백 신호를 발생하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명은 특히 고온 금속 스트립 또는 플레이트의 냉각을 위한 물의 제어에 유용하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예에 의해 지금부터 설명된다.

도 1은 종래 기술에 따른 '버터플라이' 타입 유동 제어 밸브를 도시하며,
도 2는 공기압 액츄에이터 및 커플링을 포함하는 유동 제어 밸브의 설치를 나타내며,
도 3은 종래 기술에 따른 통상적인 공기압 액츄에이터의 메카니즘을 도시하며,
도 4 및 도 5는 버터플라이의 위치를 제어하기 위해 이용되는 통상적인 포지셔너 장치를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 유동 제어 밸브를 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 유동 제어 밸브에서 이용되는 제어기의 소정의 출력 특성을 도시한다.

본 발명은 본 기술분야에 널리 공개된 '버퍼플라이' 타입 밸브를 참조하여 본 명세서에서 설명된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명이 또한 기술분야에 널리 공개된 다른 타입의 밸브, 예를 들면 '게이트(gate)' 타입 밸브, 또는 유체 경로 내로 및 외부로의 위치들 사이의 배리어의 이동에 의해 작동하는 다른 타입의 밸브로 적용가능하다는 것이 본 기술분야의 기술자들에게 명백하게 될 것이다.

도 6을 참조하면, 밸브(1)는 밸브 샤프트에 직접 또는 커플링(5)에 의해 기계적으로 연결되는 종래의 공기압 액츄에이터(4)에 의해 작동된다. 액츄에이터용 브래킷 장착은 명료성을 위해 생략된다.

공기압 액츄에이터(4)는 공기압 파이프에 의해 공기압 비례형 밸브(22)로 연결된다. 이러한 밸브의 세부는 제조자 및 모델 타입 사이에서 변화되지만 일반적인 특성은 포지티브 제어 신호(23)가 밸브 스풀을 공기가 P로부터 A로 유동하는 동안 동시에 공기가 B로부터 배기 포트로 유동하는 것을 허용하도록 이동시키는 것이다. 제어 신호(23)는 통상적으로 에러 신호로부터 유도되는데, 이 에러 신호는 이어서 기준 신호와 피드백 신호 사이의 차이로부터 유도된다. 피드백 신호는 배리어 위치를 나타낸다. 음의 제어 신호(23)는 공기가 P로부터 B로 유동하는 동안 동시에 공기가 A로부터 배기 포트로 유동하도록 한다. 더욱이, 밸브의 개방은 신호의 크기가 클 수록 공기 유동이 더 많아 지도록 제어 신호(23)에 대충 비례한다.

엔코터(encoder)와 같은 각도 위치 측정 장치는 또한 "24"로 도시된 바와 같이 밸브에 부착된다. 선택적인 배열에서 각도 위치 측정 장치는 "25"로 도시된 바와 같이 액츄에이터 샤프트의 연장부 상에 장착될 수 있거나 "25a"로 도시된 밸브 및 액츄에이터 사이에 장착될 수 있다. 위치(24 및 25a)는 커플링(5) 또는 밸브와 액츄에이터 사이의 다른 연결에서의 소정의 틈(clearance)은 각도 위치 측정에 영향을 미치지 않는 장점을 가진다.

각도 위치 측정 피트백은 제어기(26)로 연결된다. 제어기에서, 기준 위치가 피드백 위치와 비교되고 제어 신호(23)가 기준 위치와 피드백 위치 사이의 소정의 에러를 제거하도록 밸브(22)를 이동시키기 위해 생성된다.

본 발명의 상당한 장점은 제어기(26)가 일렉트로닉(electronic)-통상적으로 PLC 또는 다른 마이크로-프로세서 기재 제어기라는 것이며 따라서 밸브의 성능을 개선하도록 비-선형 기능을 포함할 수 있다. 단순화된 도면이 도 7에 도시된다. 제어기의 이러한 단순화된 버젼은 본 예에서 에러 신호의 크기 및 부호(sign)의 함수인 비-선형 함수(28)에 의해 변형되는 비례 게인(proportional gain; 27)을 포함한다. 이러한 것을 이용함으로써 예를 들면 작은 에러(요구되는 밸브 세팅과 실제 밸브 세팅 사이의 모순)에 대한 더 높은 게인 및 큰 에러에 대한 낮은 게인을 가질 수 있으며, 또한 예를 들면 양 및 음의 에러에 대한 상이한 게인을 가질 수 있다. 이러한 예시적인 제어기는 또한 피드백 신호의 변화의 비율의 함수인 댐핑 항(damping term; 29)을 포함한다. 이러한 댐핑 항(29)은 또한 피드백 신호의 크기 및 부호의, 본 예에서, 함수인 비-선형 함수(30)에 의해 변형된다.

요약하면, 본 발명은 버퍼플라이 타입 유동 제어 밸브의 위치를 제어하도록 공기압 비례 타입 유동 제어 밸브 및 전자 제어기와 함께 밸브 위치의 전자 피드백을 이용한다. 밸브의 성능-특히 상이한 크기의 운동 및 상이한 운동 방향에 대한 반응을 개선하기 위해 제어기 내의 비-선형 항(non-linear terms)을 이용한다. 밸브와 액츄에이터 사이의 커플링 내의 소정의 틈이 피드백 위치 측정에 영향을 미치지 않도록 위치(24 또는 25a)에서 밸브 위치에 대한 전자 피드백 유닛이 장착된다.

제공되는 장점은 큰 운동 및 작은 운동 및 반대 방향으로의 운동에 대한 더욱 일치하는 반응 시간, 감소된 이력 현상, 더 용이한 설정(제로 및 전폭 조정이 전자적으로 이루어짐) 및 제로 또는 전폭의 무(no) 드리프트를 포함한다.

Claims (6)

1. 유동 제어 밸브로서,
   유체 도관을 형성하는 하우징;
   상기 하우징 내의 유체 유동으로 최대 임피던스(impedence)를 제공하는 제 1 위치와 상기 유체 도관 내의 유체 유동으로 최소 임피던스를 제공하는 제 2 위치 사이에서 가동되는 배리어;
   상기 배리어를 샤프트에 의해 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치를 포함하여 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이의 위치들로 구동하도록 배치되어 작동가능한, 공기압 액츄에이터;
   상기 공기압 액츄에이터로 공기 유동을 제공하기에 적절한 공기압 비례 밸브로서, 상기 공기 유동은 입력 전기 신호에 비례하고 두 개 이상의 유동 경로들 사이에서 스위칭가능한, 공기압 비례 밸브;
   상기 배리어의 위치를 나타내는 피드백 신호를 발생하기 위한 수단; 및
   요구된 배리어 위치에 따른 기준 신호 및 상기 피드백 신호를 수용하여 제어 신호를 상기 공기압 비례 밸브로 제공하도록 배치되는 제어기를 포함하는,
   유동 제어 밸브.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 피드백 신호를 발생하기 위한 수단은 위치를 측정하고 상기 위치를 표시하는 전기 신호를 발생하기 위한 수단을 포함하는,
   유동 제어 밸브.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 위치를 측정하기 위한 수단은 상기 공기압 액츄에이터와 상기 샤프트 사이의 커플링의 배리어 측에 부착되는,
   유동 제어 밸브.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 피드백 신호, 상기 기준 신호 및 상기 제어 신호와 상기 기준 신호 사이의 차이 중 하나 이상의 비-선형 함수로부터 제어 신호를 유도하기 위한 수단을 포함하는,
   유동 제어 밸브.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   로터리 밸브이며,
   상기 배리어가 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에서 회전가능하고, 상기 배리어의 각도 위치를 나타내는 피드백 신호를 발생하기 위한 수단을 포함하는,
   유동 제어 밸브.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 유동 제어 밸브를 제공하는 단계,
   고온 금속 스트립 또는 플레이트로 냉매 유동의 적용을 제어하도록 상기 밸브를 작동시키는 단계를 포함하는,
   고온 금속 스트립 또는 플레이트의 냉각 방법.

Images