KR20150106871A - 밸브제어 피스톤 액추에이터 및 피스톤 액추에이터 작동 방법 - Google Patents

밸브제어 피스톤 액추에이터 및 피스톤 액추에이터 작동 방법 Download PDF

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매트 길머
제임스 에이치. 밀러
키스 헴프턴
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데이코 아이피 홀딩스 엘엘시
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Abstract

피스톤 액추에이터들은 그 안에 피스톤을 구비하는 챔버를 형성하는 하우징 및 피스톤을 개시 위치로 편향시키도록 피스톤에 대해 장착된 스프링을 포함한다. 상기 피스톤은 강자성 재료, 자석 또는 강자성 재료와 자석 모두를 포함하며, 그리고 상기 피스톤과 제1 자성/강자성 쌍을 형성하며 상기 피스톤을 제2 위치에 유지시키도록 위치된 제2 자석 또는 강자성 재료를 포함한다. 상기 피스톤과 제2 자성/강자성 쌍을 형성하는 제3 자석 또는 강자성 재료는 상기 피스톤을 상기 개시 위치에 유지시키는 스프링을 지원할 수 있다. 작동 동안, 스프링(또는 제3 자석 또는 강자성 재료)의 힘을 극복하기에 충분한 유체량을 챔버로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하는 것은, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력이 상기 피스톤을 상기 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킨다.

Description

밸브제어 피스톤 액추에이터 및 피스톤 액추에이터 작동 방법{PISTON ACTUATOR CONTROLLING A VALVE AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 출원은 2013년 1월 14일에 출원된 미국 가출원 제61/752,291호 및 2013년 10월 22일에 출원된 미국 가출원 제61/894,159호의 우선권을 주장한다.
본 출원은 온(ON) 위치와 오프(OFF) 위치 사이에서 스냅되는 피스톤 액추에이터, 특히 내연기관에서 사용되는 밸브의 작동을 위해, 상기 위치들 사이에서 지체(lag) 또는 "플로팅(floating)" 없이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브를 이동시키도록, 압력 활성화되며 자기적으로 지원된 피스톤 액추에이터에 관한 것이다.
현재의 액추에이터에 있어서, 공압 장치의 ON/OFF 동작은 전기식 솔레노이드로 달성된다. 솔레노이드가 "ON"일 때에만 진공력이 액추에이터에 인가되며, 그리고 진공력이 충분히 높은 경우에만 액추에이터는 그의 전체 이동 길이를 이동할 수 있다. 대안적으로, 액추에이터의 진공에 대한 노출을 제어하는 솔레노이드가 없는 경우에는, 모든 조건들에서 진공력에 노출된 액추에이터는 온 위치와 오프 위치 사이에서 "플로팅(float)"될 것이다. 이러한 플로팅은 바람직하지 않고, 비효율적이며, 액추에이터에 부착된 밸브의 불량한 제어를 제공한다.
전기식 솔레노이드를 사용하지 않고 밸브를 제어하는데 효과적인 것은 에너지 효율적인 액추에이터를 필요로 한다. 솔레노이드의 제거는 장치의 전력 소모, 중량, 비용 및 복잡성을 감소시킨다.
본 발명의 액추에이터들은 솔레노이드를 사용하지 않지만, 여전히 온-오프 기능을 갖는, 밸브 제어에 대한 것이다. 임계 힘(threshold force)이 그 안의 피스톤에 인가될 때까지, 액추에이터들은 부착된 밸브에 대한 개방 위치 또는 폐쇄 위치 중 어느 하나에 대응될 수 있는, 개시 위치에 머물 것이다. 임계 힘에 도달하면, 피스톤은 그 개시 개방 위치 또는 개시 폐쇄 위치로부터 다른 위치로 밸브를 이동시키는 그의 제2 위치로 그의 전체 이동 길이로 이동하고, 그리고 하부 임계 힘에 도달할 때까지 상기 제2 위치에 유지될 것이며, 하부 임계 힘에 도달할 때 피스톤은 그의 전체 이동 길이를 다시 이동함으로써 그 개시 위치로 되돌아갈 것이다. 액추에이터들은, 챔버를 형성하고 이 챔버와 유체 연통하는 포트를 구비하는 하우징, 챔버에 수용된 피스톤 및 피스톤을 개시 위치로 편향시키도록 피스톤에 대해 장착된 스프링을 포함한다. 피스톤은 하나 이상의 강자성 재료 또는 하나 이상의 자석을 적어도 부분적으로 포함한다. 제1 자석 또는 제1 강자성 재료는 피스톤을 개시 위치에 유지시키는 스프링을 지원하도록 위치되며, 제2 자석 또는 제2 강자성 재료는 피스톤이 제2 위치로 이동할 때 피스톤을 제2 위치에 유지시키도록 위치된다.
피스톤의 그 개시 위치로부터 제2 위치로의 이동은 "스냅(snap)" 이동으로 기술될 수 있다. 이 "스냅"은 위치들 사이에 피스톤의 지체 또는 플로팅 없이 개시 위치와 제2 위치 사이의 그의 전체 이동 길이로의 피스톤의 빠른, 거의 순간 이동(instantaneous movement)이다. 액추에이터가 개시 위치와 제2 위치 사이를 이동할 때의 액추에이터의 "스냅" 작용은, 상기 두 개의 위치 사이에서 피스톤을 끌어당기고 잡아당기는 자석들의 존재에 의해 용이해진다. 이러한 작용은, 액추에이터의 구성에 따라 부착된 밸브의 "온" 또는 "오프" 위치로 될 수 있는, 피스톤이 다른 위치에 도달하는 것처럼 피스톤이 하우징에 접촉할 때 들릴 수 있는 노이즈, 즉 스냅 소리(snap-like sound)를 감소시키기 위한 범퍼들이 없는 빠른 이동이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 피스톤 액추에이터는, 챔버를 형성하고 이 챔버와 유체 연통하는 포트를 포함하는 하우징, 챔버 내에 위치하고 강자성 재료, 자석 또는 강자성 재료와 자석 모두를 포함하는 피스톤, 피스톤을 개시 위치로 편향시키도록 피스톤에 대해 장착된 스프링 및 피스톤과 제1 자성/강자성 쌍을 형성하며 피스톤이 제2 위치로 이동하면 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키도록 위치된 제2 자석 또는 강자성 재료를 포함한다. 작동 동안, 스프링의 힘을 극복하기에 충분한 유체량(amount of fluid)을 챔버로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하는 것은, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력이 상기 피스톤을 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킬 수 있다. 그 후, 챔버로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거된 유체량이 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력을 극복하기에 충분할 때까지, 제1 자성/강자성 쌍은 피스톤을 제2 위치에 유지시킨다. 제1 자성/강자성 쌍의 인력이 극복되면, 스프링은 피스톤을 개시 위치로 이동시킨다.
다른 실시예에 있어서, 전술한 액추에이터는 피스톤과 제2 자성/강자성 쌍을 형성하는 제3 자석 또는 강자성 재료를 또한 포함한다. 상기 제3 자석 또는 강자성 재료는 피스톤을 개시 위치에 유지시키는 스프링을 지원하도록 위치된다. 따라서, 작동 동안, 스프링 및 제2 자성/강자성 쌍의 힘을 극복하기에 충분한 유체량을 챔버로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하는 것은, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력이 상기 피스톤을 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킬 수 있다. 그 후, 챔버로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거된 유체량이 제1 자성/강자성 쌍 사이의 인력을 극복하기에 충분할 때까지, 제1 자성/강자성 쌍은 피스톤을 제2 위치에 유지시킨다. 제1 자성/강자성 쌍의 인력이 극복되면, 스프링 및 제2 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력은 피스톤을 개시 위치로 이동시킨다.
피스톤 액추에이터 작동 방법이 본 명세서에서 개시된다. 상기 방법은, 전술한 피스톤 액추에이터들 중의 하나를 제공하는 단계 및 상기 피스톤을 개시 위치에 유지시키는 스프링의 힘, 또는 스프링 힘과 제2 자성/강자성 쌍(존재한다면) 사이의 인력을 극복하기에 충분한 유체량을 첫 번째로 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하고, 이에 의해, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력이 상기 피스톤을 상기 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킨 후에, 상기 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은, 유체량을 첫 번째로 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하는 상기 단계와는 반대로, 제2 자성/강자성 쌍 사이의 인력을 극복하기에 충분한 유체량을 후속적으로 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거함으로써 스프링 및 제2 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력은 상기 피스톤을 상기 개시 위치로 스냅 이동으로 이동시키는 단계를 포함한다.
도 1은 스냅 액추에이터 및 밸브의 일 실시예의 정면 사시도이다.
도 2는 도 1의 스냅 액추에이터 및 밸브의 단면도로서, 밸브가 개시 위치에 있을 때 밸브의 도관부(conduit portion)의 종방향 축을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 1의 스냅 액추에이터 및 밸브의 단면도로서, 밸브가 개시 위치에 있을 때 게이트 부재(gate member)가 통과하는 도관의 종방향 축에 대한 횡단면도이다.
도 4는 도 1의 스냅 액추에이터 및 밸브의 단면도로서, 밸브가 제2 위치에 있을 때 게이트 부재가 통과하는 도관의 종방향 축에 대한 횡단면도이다.
도 5는 스냅 액추에이터 및 밸브의 다른 실시예의 정면 사시도이다.
도 6a는 환형 자석의 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 환형 자석의 종단면도이다.
도 7은 스냅 액추에이터의 일 실시예의 종단면도이다.
도 8은 스냅 액추에이터의 다른 실시예의 종단면도이다.
이하의 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리들을 나타내며, 본 발명의 실시예들은 첨부한 도면들에 부가적으로 나타나 있다. 도면들에 있어서, 유사한 참조 부호들은 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 "유체"라는 용어는 임의의 액체, 부유물(suspension), 콜로이드(colloid), 가스, 플라즈마 또는 이들의 조합을 의미한다.
도 1 내지 도 4는 내연기관에서 사용하기 위한 장치(100)의 일 실시예를 도시한다. 일 실시예에 있어서, 장치(100)는 브레이크 진공 부스트 시스템 내에 포함된다. 장치(100)는 내부 챔버(103)(도 2 참조)를 형성하고 이 챔버(103)와 유체 연통하는 포트(108)를 구비하는 용기부(130) 및 캡(132)을 포함하는 하우징(102)을 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 포트(108)는 용기부(130)를 통하여 하우징(102)으로 도입된다. 그러나, 도 5에 도시된 대안적인 실시예에 있어서, 하우징(102')은 용기부(130) 및 캡(132)을 다시 포함하지만, 도 5에서 포트(108')는 캡(132)을 통하여 하우징(102')으로 도입된다. 바람직하게는, 캡(132)은 양 실시예들에서 용기부(130)에 밀봉식으로 연결된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 챔버(103) 내에는, 밸브 메커니즘(120)에 연결 가능한 스템(114)을 구비하는 피스톤(110)을 포함하는 액추에이터(104)가 수용된다. 스템(114)은 밸브 메커니즘(120)에 근접한 근위 단부(152)와 밸브 메커니즘(120)으로부터 먼 원위 단부(154)를 구비한다(도 2 참조). 이 실시예에 있어서, 밸브 메커니즘(120)은 밸브 개구부(124) 및 포켓(126)을 구비하며, 상기 포켓(126) 내에 적어도 부분적으로 수용 가능하며 통로(129)를 갖는 게이트 부재(128)를 포함하는 도관(122)을 포함한다. 포핏 밸브(poppet valve), 버터플라이 밸브(butterfly valve) 또는 다른 공지의 밸브들과 같은 다른 밸브들이 액추에이터(104)에 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도관(122)은, 양 단부(156, 157)로부터 밸브 개구부(124)를 향하여 연속적으로 점진적으로 테이퍼지거나 또는 좁아짐으로써 밸브 개구부(124)에서 최소 내부 치수를 갖는 보어(123)를 구비하는 튜브일 수 있다. 보어는 임의의 원형 형상, 타원형 형상 또는 어떤 다른 다각형 형태일 수 있으며, 점진적으로 연속적으로 테이퍼지는 내부 치수는 쌍곡면(hyperboloid) 또는 원뿔을 형성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 밸브 개구부(124)에 중심이 맞춰진 보어(123)의 이러한 모래시계형(hour glass-shaped) 단면(125)은 요구된 게이트 이동(gate travel)을 감소시킨다. 다른 실시예에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 도관(122)은 그의 전체 길이를 따라 균일한 내경(127)을 가질 수 있다.
도 1 내지 도 4의 실시예에 있어서, 게이트 부재(128)를 구비하는 밸브 메커니즘에서, 게이트 부재(128)는 레일 시스템(160)에 의해 피스톤(110)에 연결되며, 도 3 및 도 4로부터 가장 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 이 레일 시스템은 도관(122)의 종방향 축(A)(도 2 참조)을 따라 게이트 부재(128)의 슬라이딩 이동을 제공함으로써 도관(122) 내의 압력에 반응하여 도관(122) 내에 시일을 형성한다. (도 3 및 도 4에 가장 잘 도시된) 레일 시스템(160)은 스템(114)의 근위 단부(152) 가까이에 가이드 레일(162)을 포함한다. 가이드 레일(162)은 그 대향 측면 상에 궤도 홈(164)을 포함한다. 게이트 부재(128)는 가이드 레일(162) 위에 끼워맞춰지고 궤도 홈(164)에 합치되는 형상 및 구성을 갖는 슬라이더(slider)(166)를 포함한다.
액추에이터(104)는 도 2 내지 도 4에서, 피스톤(110)의 이동에 의해, 밸브 메커니즘(120), 특히 게이트 부재(128)의 개폐를 제어한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤(110)은 개시 위치(140)(도 3 참조)와 제2 위치(142)(도 4 참조) 사이에서 이동할 수 있다. 이 실시예(도 3)에서의 개시 위치(140)는 밸브 메커니즘(120)의 개방 위치이다. 다른 실시예들에 있어서, 개시 위치는 밸브의 폐쇄 위치일 수 있다. 피스톤(110)은 자기-인력 재료(111), 또한 강자성 재료로서 언급되는 재료를 적어도 부분적으로 포함하며, 이에 따라 피스톤(110)은 제1 자석(116)과 제2 자석(118)(도 2의 단면 참조)으로 끌어당겨질 수 있다. 스프링(112)은 피스톤(110)을 대체로 개시 위치(140)(도 2 및 도 3 참조)로 편향시키도록 피스톤(110)에 대해 장착되며, 제1 자석(116)은 피스톤(110)을 개시 위치(140)에서 유지시키는 스프링(112)을 지원하도록 위치된다. 제2 자석(118)은, 피스톤(110)이 제2 위치(142)로 이동할 때, 피스톤(110)을 제2 위치(142)에서 유지시키도록 위치된다.
피스톤의 스템(114)은 밸브 메커니즘으로부터 반대방향으로 또한 연장될 수 있으며, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 캡(132) 내의 가이드 채널(146)에 수용된다. 캡(132)은 스프링(112)용 시트(148)를 또한 포함할 수 있다. 캡(132)의 이들 특징은 액추에이터에 대한 정렬을 제공하며, 스프링과 피스톤의 비틀림 및/또는 휘어짐을 방지한다.
액추에이터(104)는 개시 위치(140)(도 2 및 도 3 참조)에 도달했을 때 피스톤(110)과 하우징(102) 사이의 노이즈를 감소시키도록 위치된 제1 범퍼(138), 및 제2 위치(142)(도 4 참조)에 도달했을 때 피스톤(110)과 하우징(102) 사이의 노이즈를 감소시키도록 위치된 제2 범퍼(139)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, (하우징(102)과 밸브 메커니즘(120) 사이의) 개구부(150)는 대체로 절두원추형 표면에 의해 형성될 수 있으며, 제1 범퍼(138)는 개구부(150)에 근접하여 배치될 수 있다. 제1 및 제2 범퍼(138, 139)는 하우징(102) 내의 환형 홈 내에 장착되거나 또는 스템(114)과 같은 피스톤(110)의 구성요소 상에 장착될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 다시 참조하면, 피스톤(110)은 챔버(103)의 내부면에 대하여 립 시일(lip seal)로서, 그 외주부에 대한 실링 부재(134)를 또한 포함할 수 있다. 피스톤(110)의 외주부는 실링 부재(134)를 장착하기 위한 환형 홈(136)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 실링 부재(134)는 O-링, V-링 또는 X-링일 수 있다. 대안적으로, 실링 부재(134)는 다른 부재에 대한 실링 맞물림을 위한 실링 재료로 제조된 임의의 다른 환형 시일일 수 있다.
작동 시에, 액추에이터(104)는 포트(108)를 통한 챔버(103)로의 유체의 도입 또는 챔버로부터의 유체의 제거에 의해, 그리고 자석(116, 118)과 스프링(112)의 지원에 의해 피스톤(110)을 이동시킨다. 피스톤(110)은 개시 위치(140)(도 3 참조)에 놓여져 있으며, 피스톤(110)에 부여된 임계 힘이 스프링 힘과 제1 자석(116)의 자력을 극복할 때까지, 부착된 밸브에 대한 개방 위치 또는 폐쇄 위치 중 어느 하나에 대응될 수 있는 이 위치에서, 스프링 힘과 제1 자석(116)의 자력에 의해 유지된다. 이 임계 힘에 도달하면, 피스톤(110)은 제2 자석(118)의 자력의 지원에 의해 그의 제2 위치(도 4 참조)로 그의 전체 이동 길이를 이동한 후, 피스톤(110)은 제2 위치(142)에 유지된다. 그의 전체 이동 길이를 통한 피스톤(110)의 이동은 그 사이에 실질적으로 중단이 없는, 즉, 개시 위치(140)와 제2 위치(142) 사이에서의 피스톤의 지체 또는 플로팅이 없는 빠른, 거의 순간 이동이며, 이는 피스톤의 "스냅(snap)" 이동으로 기술될 수 있다. 가청음(audible sound)을 일으키는 범퍼가 없는 이 "스냅"은 피스톤(110)을 제2 자석(118)으로 끌어당기고, 그리고 제2 자석과 접촉시키는 제2 자석(118)의 자력의 결과이며, 피스톤을 제2 위치(142)로 빠르게 이동시키도록 작용한다. 그 후, 제2 자석(118)은 하부 임계 힘에 도달할 때까지 피스톤(110)을 제2 위치에 홀딩시키거나 또는 유지시키며, 하부 임계 힘에 도달할 때, 피스톤은 스냅 이동으로서 그의 전체 이동 길이를 다시 이동하는 것에 그의 개시 위치(140)로 되돌아간다.
일 실시예에 있어서, 제1 자석(116) 및 제2 자석(118) 모두는 하나 이상의 개별 자석일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 자석(116), 제2 자석(118) 또는 이들 모두는 하나의 환형 자석일 수 있다.
도 6a 내지 도 7에 있어서, 도 2의 제2 자석(118)의 위치에 있는 환형 자석(218)이 도시되어 있지만, 이는 제1 자석(116)에도 동일하게 적용될 수 있다. 환형 자석(218)은 내경 "ID"과 외경 "OD"를 가지며, 전형적으로 균일한 두께 또는 높이를 갖는다. 이들 치수 중 임의의 하나 이상은 피스톤을 끌어당기기 위한 자력 작용을 변경하도록 선택적으로 변화될 수 있다. 환형 자석(218)은 그 외부 표면(222, 224)에 적용된 내부식성 코팅을 포함할 수 있다. 환형 형상의 자석의 결과로써, 자석에 의해 생성된 자력은 피스톤에 대하여 원주적으로 균일하며, 이는 자석 면의 단위 면적 당 자속 또는 자력이 제1 또는 제2 자석(116, 118)이 하나 이상의 개별 자석 요구되는 자속 또는 자력보다 적게 요구될 수 있다. 이는 제1 자석을 더 얇게 할 수 있으며, 또한 비용을 유익하게 감소시킨다.
도 7에 도시된 실시예에 있어서, 액추에이터(100)의 하우징(102)의 상부는 캡의 일부일 수 있으며, 또한 환형 자석(218)을 포함하며, 선택적으로, 피스톤(110)에 가장 근접하는 제1 표면(222)에 대향하는 환형 자석(218)의 제2 표면(224)에 인접하여 배치된 플레이트(226)일 수 있다. 플레이트(226)는 피스톤(110) 상에 작용하는 전체 인력(attractive force)을 증가시키도록 환형 자석(218)(또는, 도 2 및 도 3에 도시된 하나 이상의 자석)으로부터 방사되는 자속이 액추에이터의 내부를 향하도록 하우징(102)의 외부 표면에 대해 장착되며, 상기 플레이트는 자속을 지향시키기에 적합한 재료로 구성되어야 한다. 일 실시예에 있어서, 플레이트(226)는 내경, 외경, 및 두께 또는 높이를 갖는 환형 플레이트일 수 있다. 플레이트(226)의 크기 및 형상은 전술한 바와 같이 자속에 작용하도록 선택되며, 그 크기 및 형상을 변경함으로써 조정될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 플레이트(226)는 강으로 제조된 환형 링이다. 선택적인 플레이트(226)의 추가는, 피스톤(110)을 향하여 다시 지향되는 자속에 대한 자기적 전도성 경로를 제공함으로써 피스톤(110) 상에 작용할 수 있는, 자석에 의해 생성된 전체 힘을 증가시킨다. 이는, 자력을 증가시키고 또한 피스톤(110)이 환형 자석(218)(또는, 하나 이상의 자석)으로부터 떨어져 이동함에 따른 자력의 변화율(rate of change)을 증가시킨다. 이는, 액추에이터 내에 더 작은 및/또는 값이 더 싼 자석들을 포함하는 이점을 갖는다.
도 7에 도시된 바와 같이, 환형 자석(218)의 두께는 이 환형 자석이 존재하는 하우징 부분의 높이와 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 이 실시예에 있어서, 실질적으로 동일한 두께는, 하우징 내에 포함되는 환형 자석(218)의 두께가 하우징 두께의 적어도 90%인 것을 의미한다. 환형 자석(218)은 압력 밀폐 시일(pressure tight seal)을 제공하는 방식으로 하우징(102)의 일부로서 포함되며, 이에 따라 피스톤(110) 위의 챔버(103)에 진공이 형성될 수 있다.
환형 자석(218)은 사출 성형기의 몰드 내로 위치될 수 있으며, 플라스틱 재료가 사출 성형기에서 사출성형된다. 몰드는 플라스틱이 환형 자석(218)의 내경의 내부면 뿐만 아니라 외경을 형성하는 그의 외부면 둘레를 사출 성형하도록 구성될 수 있다. 환형 자석(218)은 사출 성형된 플라스틱 재료와 환형 자석의 재료 사이의 결합을 강화하기 위한 표면 형상(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 환형 자석(218)은 세라믹 또는 페라이트 자기 재료(ferrite magnetic material)의 고체 링일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 환형 자석(218)은 플라스틱 재료와 같은 결합제(binder)와 네오디뮴, 페라이트 또는 이들의 혼합물(이에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 자성 분말의 혼합물을 사출 성형함으로써 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 결합제는 네오디뮴 철 붕소(neodymium iron boron, NdFeB)와 같은 네오디뮴 재료가 혼합된 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 12 또는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)일 수 있다. 사출 성형된 네오디뮴 철 붕소(NdFeB) 자석들은 정밀하고 균질한 자성 부품을 생산하는, 사전 혼합된 자성 분말과 열가소성 결합제의 사출 공정에 의해 제조될 수 있다. 이 방법의 장점은 자석의 다양한 형상을 액추에이터의 구성요소 내로 또는 이 구성요소 위로 직접적으로 성형함으로써 조립 시에 몇 가지 단계를 제거할 수 있다는 것이다. 사출 성형 공정에 의해, 매우 엄격한 허용 오차와 넓은 범위의 자기 특성 및 특징들을 갖는 매우 복잡한 형상의 자석들이 달성될 수 있다. 사출 성형된 자석들은 물 및 산업용 용매에서 양호한 내식성을 갖기 때문에 또한 유익하다. 일 실시예에 있어서, 사출 성형 방법은 자석 분말의 폐기물/스크랩을 최소화하기 위한 핫 러너 시스템(hot runner system)을 포함한다. 이 프로세스가 단지 환형 자석(218)을 제조하는데 사용되는 경우에는, 환형 자석을 액추에이터의 부품 내로 구축하거나 또는 부품 상에 구축하는 것보다는, 성형 후에, 자석은 사출 성형기 내의 하우징(102) 형상의 몰드 또는 그의 부분으로 이동되어 선택된 사출 성형 재료로 오버 몰드된다.
대안적인 실시예에 있어서, 환형 자석(218)은 소결 공정에서 전술한 자성 분말들 중의 하나로부터 형성될 수 있으며, 성형 후에, 자석은 사출 성형기의 하우징(102) 형상의 몰드로 이동되어 선택된 사출 성형 재료로 오버 몰드된다. 전술한 사출 성형과 같이, 자석은 사출 성형 재료와 자석 사이의 결합을 증가시키기 위한 표면 형상(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
도 7을 다시 참조하면, 환형 자석(218)의 제1 표면(222)은 환형 자석이 포함되는 부분에서의 하우징(102)의 제1 내부 표면(105)과 동일 높이이다. 이 제1 내부 표면(105)은 피스톤의 상부면(171) 위에 배치된 벽이다. 이러한 구성은 환형 자석(218)의 제1 표면(222)이 피스톤의 상부면(171)과 물리적으로 접촉하도록 하며, 피스톤이 자석과 접촉할 때 자석에 의해 생성된 힘을 증가시키고 또한 진공에 대한 시일을 제공한다. 그 결과, 적은 자기 재료가 자석에 사용되지만, 여전히 실질적인 자력을 갖는다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예들에서의 자석들의 표면 형상들은 돌기, 디텐트(detent), 오목부 등과 같은 표면 질감 및/또는 다른 요철을 그의 표면에 포함할 수 있으며, 이에 따라 사출 성형 재료가 자석에 단단하게 부착된다.
본 명세서의 실시예들은 하우징 내에 자석들을 구비하고, 피스톤의 일부로서 강자성 재료를 구비하는 것으로 도시되고 설명되었지만, 반대의 구성도 또한 적합하다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이와 같은 하나 이상의 자석 또는 환형 자석(317)은 피스톤(110) 내에 포함될 수 있으며, 강자성 재료(311)는 하우징의 일부일 수 있다. 참조부호 "300"으로 나타낸 액추에이터는 다른 실시예들에 관하여 전술한 바와 같이 여전히 작동된다.
본 발명의 액추에이터의 장점은 조정 가능하다는 점이다. 임계 힘은 제1 및 제2 자석의 자력, 스프링 힘과 탄성률, 피스톤 직경에 동조될 수 있으며, 피스톤과 밸브에 작용하는 마찰력과 중력에 대해 균형이 맞춰진다.
바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하였으며, 첨부하는 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변형 및 변경이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 챔버를 형성하고 상기 챔버와 유체 연통하는 포트를 포함하는 하우징;
    강자성 재료, 자석 또는 강자성 재료와 자석 모두를 적어도 부분적으로 포함하며, 상기 챔버 내에 배치된 피스톤;
    상기 피스톤을 개시 위치로 편향시키도록 상기 피스톤에 대해 장착된 스프링; 및
    상기 피스톤과 제1 자성/강자성 쌍을 형성하며, 상기 피스톤이 제2 위치로 이동하면, 상기 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키도록 위치된 제2 자석 또는 강자성 재료를 포함하며,
    상기 포트를 통한 상기 챔버 내로의 유체의 도입 또는 챔버로부터의 제거가 상기 피스톤을 상기 개시 위치에 유지시키는 상기 스프링의 힘을 극복할 때, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력은 상기 피스톤을 상기 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킨 후에, 상기 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키는, 피스톤 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤과 제2 자성/강자성 쌍을 형성하며, 상기 피스톤을 상기 개시 위치에 유지시키는 스프링을 지원하도록 위치된 제3 자석 또는 강자성 재료를 더 포함하며,
    상기 포트를 통한 상기 챔버 내로의 유체의 도입 또는 챔버로부터의 제거가 상기 피스톤을 개시 위치에 유지시키는 상기 스프링의 힘 및 제2 자성/강자성 쌍 사이의 인력을 극복할 때, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력은 상기 피스톤을 상기 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킨 후에, 상기 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키는, 피스톤 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 포트를 통한 상기 챔버 내로의 유체의 도입 또는 챔버로부터의 제거가 제2 자성/강자성 쌍 사이의 인력을 극복할 때, 제2 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 스프링 및 인력은 상기 피스톤을 상기 개시 위치로 스냅 이동으로 이동시키는, 피스톤 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 캡을 포함하며,
    상기 포트는 상기 캡을 통하여 상기 챔버로 도입되는, 피스톤 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤은 그 외주부에 실링 부재를 포함하는, 피스톤 액추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치들 중 어느 하나에 상기 피스톤이 도달함으로써 생성된 노이즈를 감소시키기 위해 상기 개시 위치 또는 상기 제2 위치에서 상기 피스톤을 접촉하도록 위치된 하나 이상의 범퍼를 더 포함하는, 피스톤 액추에이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤에 작동적으로 연결된 밸브를 더 포함하는, 피스톤 액추에이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브는 도관 및 게이트 부재를 포함하는 게이트 밸브인, 피스톤 액추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 게이트 부재는 도관의 종방향 축을 따라 상기 게이트 부재의 슬라이딩 이동을 제공함으로써 상기 도관 내에 실링을 형성하는 레일 시스템에 의해 상기 피스톤에 연결되는, 피스톤 액추에이터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 도관은 양 단부로부터 밸브 개구부를 향하여 테이퍼지며, 이에 의해 상기 도관이 상기 밸브 개구부에서 최소 직경을 갖는, 피스톤 액추에이터.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브는 포핏 밸브 또는 버터플라이 밸브인, 피스톤 액추에이터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 내의 자석들 및 상기 제2 자석 중 적어도 하나는 대체로 환형 자석인, 피스톤 액추에이터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 내의 자석들 및 상기 제2 자석 중 적어도 하나는 사출성형된 자석인, 피스톤 액추에이터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤은 강자성 재료를 포함하고,
    상기 하우징은 제2 자석을 포함하고,
    상기 제2 자석은 상기 피스톤 근방의 제1 주 표면 및 상기 제1 주 표면에 대향하는 제2 주 표면을 구비하며,
    상기 피스톤 액추에이터는 상기 제2 자석의 상기 제2 주 표면에 인접하여 배치됨으로써 상기 피스톤을 향하여 내측으로 자속을 배향시키는 플레이트를 더 포함하는, 피스톤 액추에이터.
  15. 챔버를 형성하고 상기 챔버와 유체 연통하는 포트를 포함하는 하우징;
    강자성 재료, 자석 또는 강자성 재료와 자석 모두를 적어도 부분적으로 포함하며, 상기 챔버 내에 배치된 피스톤;
    상기 피스톤을 개시 위치로 편향시키도록 상기 피스톤에 대해 장착된 스프링; 및
    상기 피스톤과 제1 자성/강자성 쌍을 형성하며, 상기 피스톤이 제2 위치로 이동하면, 상기 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키도록 위치된 제2 자석 또는 강자성 재료를 포함하는, 피스톤 액추에이터를 제공하는 단계; 및
    상기 피스톤을 상기 개시 위치에 유지시키는 상기 스프링의 힘을 극복하기에 충분한 유체량을 첫 번째로 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하고, 이에 의해, 제1 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력은 상기 피스톤을 상기 제2 위치로 스냅 이동으로 이동시킨 후에, 상기 피스톤을 상기 제2 위치에 유지시키는 단계를 포함하는, 피스톤 액추에이터 작동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 피스톤과 제2 자성/강자성 쌍을 형성하며, 상기 피스톤을 상기 개시 위치에 유지시키는 스프링을 지원하도록 위치된 제3 자석 또는 강자성 재료를 더 포함하며,
    유체량을 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하는 상기 단계는, 상기 피스톤을 개시 위치에 유지시키는 스프링의 힘 및 제2 자성/강자성 쌍 사이의 인력을 극복하기에 충분한 유체량을 포함하는, 피스톤 액추에이터 작동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    유체량을 첫 번째로 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거하는 상기 단계와는 반대로, 제2 자성/강자성 쌍 사이의 인력을 극복하기에 충분한 유체량을 후속적으로 상기 챔버 내로 도입하거나 또는 챔버로부터 제거함으로써, 스프링 및 제2 자성/강자성 쌍의 부재들 사이의 인력은 상기 피스톤을 상기 개시 위치로 스냅 이동으로 이동시키는 단계를 더 포함하는, 피스톤 액추에이터 작동 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 피스톤 액추에이터는 상기 위치들 중 어느 하나에 상기 피스톤이 도달함으로써 생성된 노이즈를 감소시키기 위해 상기 개시 위치 또는 상기 제2 위치에서 상기 피스톤을 접촉하도록 위치된 하나 이상의 범퍼를 더 포함하는, 피스톤 액추에이터 작동 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 피스톤 액추에이터는 상기 피스톤에 작동적으로 연결된 밸브를 더 포함하는, 피스톤 액추에이터 작동 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 밸브는 게이트 밸브, 포핏 밸브 또는 버터플라이 밸브인, 피스톤 액추에이터 작동 방법.
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