KR20180059245A - 밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법 - Google Patents

밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치 및 운전 방법은, 유입통구가 형성되는 제1 밸브 플레이트; 상기 유입통구와 연통되도록 유출통구가 형성되는 제2 밸브 플레이트; 및 상기 제1 밸브 플레이트와 제2 밸브 플레이트 사이에 고정되는 고정부, 일단이 상기 고정부에서 연장되는 고정단을 이루고 타단이 자유단을 이루며 상기 유입통구와 유출통구 사이에 위치하여 상기 유입통구의 압력과 상기 유출통구의 압력 사이의 차이에 따라 펴져 상기 유입통구를 차단하거나 또는 휘어져 상기 유입통구를 개방시키는 개폐부를 가지는 밸브판체;를 포함하고, 상기 개폐부의 단부에는 상기 유입통공을 통과하는 유체를 상기 유출통구 방향으로 안내하도록 안내부가 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체가 제공된다. 이로써, 밸브 끝단에서 와류가 발생되는 것을 방지하는 동시에 작동유체가 정체되는 것을 방지하여 유속을 높일 수 있고 이를 통해 펌핑성능을 향상시킬 수 있다.

Description

밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법{VALVE ASSEMBLY AND PIEZOELECTRIC PUMP-HYDRULIC ACTUATOR HAVING THE SAME AND METHOD FOR DRIVING THEREOF}
본 발명은 밸브조립체 및 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 특히 압전펌프에 적용되는 밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 운전 방법에 관한 것이다.
현재 소형 비행물체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이러한 소형 비행물체에는 주로 고성능이면서 소형화가 가능한 집적형 하이브리드 구동장치가 사용되고 있다.
집적형 하이브리드 구동장치의 일종인 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치는 압전소자로 구동하는 유압펌프를 유압실린더와 서로 연결한 하이브리드 구동장치이다. 이에 적용되는 압전펌프(piezoelectric pump)는 초소형 경량화, 저가격화, 신뢰성 향상에 매우 유리하며 그 응용분야도 다양하다. 이러한 압전펌프는 크기가 작고 제어가 용이하면서도 큰 구동력과 높은 속도를 동시에 출력할 수 있는 장점이 있다.
이러한, 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치(이하, 구동장치)는 압전 소자에 인가하는 전기 신호만으로 작동유체를 이동시켜 유압 실린더와 유압 펌프를 구동하는 것으로, 작동 유체를 조절하는 것이 시스템의 전체 성능 측면에서 매우 중요하다.
종래의 구동장치에서는 주로 리드밸브가 적용된 밸브조립체가 사용되고 있다. 리드밸브는 그 밸브의 구조 자체가 단순하여 제작이 용이할 뿐만 아니라 압력차에 의해서 작동하게 되므로 별도의 동력이 필요 없어 그만큼 비용을 절감하는 동시에 장기간 사용할 수 있다.
그러나, 종래의 리드밸브는 그 특성상 후류에서 와류가 발생되는 문제점이 있었다. 즉, 리드밸브는 얇은 평판 형태의 개폐부가 외팔보 형태로 형성되어 양쪽 압력차에 따라 고정단을 중심으로 회전을 하면서 유로를 개폐하는 형태이다. 따라서, 개폐부가 열리는 과정에서 도 1과 같이 개폐부(1)의 단부에서 와류가 발생되고, 이 와류는 밸브홈(2)에서 정체되면서 유체의 유동속도를 크게 저하시킴으로써 유압 실린더와 유압 펌프를 효과적으로 동작시키지 못하여 시스템의 전체 성능이 저하될 수 있었다.
또, 종래의 구동장치는, 한 개의 압전펌프를 이용하여 유압 실린더와 같은 출력유닛을 작동시킴에 따라 출력유닛에서 발생되는 최대 구동속도와 최대 구동력을 높이는데 한계가 있다. 따라서, 단일 압전펌프를 이용한 구동장치를 가벼우면서도 고출력을 요구하는 항공기 또는 로켓 시스템에 적용하기에는 한계가 있었다.
본 발명의 목적은, 와류를 최소화할 수 있는 리드밸브를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 리드밸브가 채용된 압전펌프에서의 유동손실을 줄여 성능을 높일 수 있는 리드밸브를 구비한 압전펌프 및 집적형 하이브리드 구동장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 소형 비행물체나 로켓 시스템 등 비교적 가볍고 높은 출력을 요구하는 장비에 적용할 수 있도록 최대 구동속도와 최대 구동력을 높일 수 있는 밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 유입통구가 형성되는 제1 밸브 플레이트; 상기 유입통구와 연통되도록 유출통구가 형성되는 제2 밸브 플레이트; 및 상기 제1 밸브 플레이트와 제2 밸브 플레이트 사이에 고정되는 고정부, 일단이 상기 고정부에서 연장되는 고정단을 이루고 타단이 자유단을 이루며 상기 유입통구와 유출통구 사이에 위치하여 상기 유입통구의 압력과 상기 유출통구의 압력 사이의 차이에 따라 펴져 상기 유입통구를 차단하거나 또는 휘어져 상기 유입통구를 개방시키는 개폐부를 가지는 밸브판체;를 포함하고, 상기 개폐부의 단부에는 상기 유입통공을 통과하는 유체를 상기 유출통구 방향으로 안내하도록 안내부가 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체가 제공된다.
여기서, 상기 안내부는 상기 개폐부의 자유단에서 상기 고정단을 향해 굽혀져 형성된다.
그리고, 상기 안내부의 길이는 상기 유출통공의 직경보다 작거나 같게 형성된다.
그리고, 상기 안내부의 굽힘각은 그 안내부가 최대 열림높이에서 상기 안내부의 상면에 대한 길이방향 가상선과 상기 유출통공의 중심선이 이루는 각이 90도보다 작거나 같게 형성된다.
그리고, 상기 안내부는 상기 개폐부의 테두리를 따라 곡면지거나 또는 경사지게 형성된다.
여기서, 상기 제1 밸브 플레이트와 접하는 상기 제2 밸브 플레이트의 일측면에는 상기 개폐부가 휘어져 열릴 때 그 개폐부와 안내부가 수용되도록 소정의 넓이와 깊이를 가지는 밸브홈이 형성되고, 상기 밸브홈에 상기 유출통구가 형성된다.
그리고, 상기 제1 밸브 플레이트에는 제1 유입통구와 제1 유출통구가 형성되고, 상기 제2 밸브 플레이트에는 제2 유입통구와 제2 유출통구가 형성되며, 상기 밸브판체에는 상기 제1 유입통구와 제1 유출통구 사이에 위치하는 제1 개폐부 및 상기 제2 유입통구와 제2 유출통구 사이에 위치하는 제2 개폐부가 형성되고, 상기 제1 개폐부와 제2 개폐부에는 각각 제1 안내부와 제2 안내부가 형성되며, 상기 제1 안내부와 제2 안내부는 서로 반대방향으로 형성된다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 작동유체가 수용되는 작동공간이 구비되고, 그 작동공간으로 유입되는 작동유체의 압력차에 따라 발생되는 구동력을 외부로 전달하는 출력유닛; 상기 출력유닛에 연결되어 그 출력유닛의 작동공간에 작동유체를 안내하는 연결유닛; 상기 연결유닛의 중간에 결합되어 상기 작동유체의 유동방향을 전환하는 전환유닛; 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 제1 압전펌프; 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 동시에 상기 제1 압전펌프에 연결되는 제2 압전펌프; 및 상기 밸브조립체와 제1 압전펌프 그리고 제2 압전펌프를 제어하는 제어유닛;을 포함하고, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프에는 앞서 설명한 밸브조립체가 구비되는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치가 제공된다.
여기서, 상기 연결유닛은 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 출력유닛을 상기 제1 압전펌프 및 제2 압전펌프와 연결하는 복수 개의 메인 연결관과, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프 사이를 연결하는 서브 연결관으로 이루어진다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 전환유닛을 통해 한 개의 출력유닛에 연결되며, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프에 앞서 설명한 밸브조립체가 구비되는 집적형 하이브리드 구동장치에서, 상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 동일한 위상을 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치의 운전방법이 제공된다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 밸브조립체를 통해 한 개의 출력유닛에 연결되며, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프에 앞서 설명한 밸브조립체가 구비되는 집적형 하이브리드 구동장치에서, 상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 180도의 위상차를 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치의 운전방법이 제공된다.
본 발명에 의한 밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 운전 방법은, 펌핑공간으로 유입되거나 유출되는 작동유체가 밸브조립체의 밸브판체에 구비된 안내부를 타고 원활하게 유동을 하게 되어 와류를 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 이 유체가 정체되지 않고 신속하게 유입 또는 유출되면서 유속이 증가하여 펌핑성능이 향상될 수 있다. 이를 통해 구동장치의 효율이 향상되어 소형 비행물체나 로켓 시스템 등 비교적 가볍고 높은 출력을 요구하는 장비에 적용할 수 있다.
또, 복수 개의 압전펌프를 한 개의 출력유닛에 직렬 또는 복렬로 연결하되, 복수 개의 압전펌프를 동시구동 또는 교차구동하는 경우에는, 높은 최대 구동력과 최대 구동속도를 구현할 수 있고 이를 통해 항공기, 로켓 시스템과 같은 분야에 고출력 구동장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 리드밸브의 개방시 와류가 발생되는 현상을 설명하기 위해 보인 개략도,
도 2는 본 발명에 의한 압전펌프의 일실시예를 파단하여 보인 사시도,
도 3은 도 2에 따른 압전펌프에서 밸브조립체를 분해하여 보인 사시도,
도 4는 도 3의 밸브조립체를 조립하여 보인 단면도,
도 5는 도 4에 따른 밸브조립체에서 밸브판체의 안내부를 설명하기 위해 보인 개략도,
도 6은 밸브판체의 개폐부가 열리는 높이를 계산하기 위한 자유도,
도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 의한 밸브판체가 개폐되는 과정을 보인 단면도,
도 8은 본 실시예에 의한 밸브판체의 다른 실시예를 보인 사시도,
도 9는 도 8의 밸브판체를 밸브 플레이트 사이에 조립한 상태를 보인 단면도,
도 10은 본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치의 일실시예를 보인 계통도,
도 11a는 도 10에 따른 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치에서 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 11b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도,
도 12는 본 발명에 의한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치의 다른 실시예를 보인 계통도,
도 13a는 도 12에 따른 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치에서 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 13b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도.
이하, 본 발명에 의한 밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전 방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 압전펌프의 일실시예를 파단하여 보인 사시도이고, 도 3은 도 2에 따른 압전펌프에서 밸브조립체를 분해하여 보인 사시도이며, 도 4는 도 3의 밸브조립체를 조립하여 보인 단면도이고, 도 5는 도 4에 따른 밸브조립체에서 밸브판체의 안내부를 설명하기 위해 보인 개략도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 압전펌프(100)는 양단이 개구된 실린더 모양으로 펌프본체(111)가 형성되고, 펌프본체(111)의 양단에는 각각 상부캡(top cap)(112)과 하부캡(bottom cap)(113)이 고정 결합될 수 있다.
또, 펌프본체(111)의 내부공간에는 전기신호에 따라 팽창 또는 수축을 선택적으로 진행하는 압전스택(piezo stack)(120)이 종방향으로 설치되고, 압전스택(120)의 상단에는 그 압전스택(120)의 변화에 따른 펌핑력을 후술할 밸브조립체(160)에 전달하는 컨넥터(connector)(130)가 설치될 수 있다.
또, 컨넥터(130)는 로드부(131)가 상부캡(112)을 관통하여 미끄러지게 결합되고, 로드부(131)의 상단에는 후술할 펌핑공간(V)에서 왕복운동을 하면서 그 펌핑공간(V)의 체적을 가변시키는 펌핑피스톤(pumping piston)(140)이 결합될 수 있다.
여기서, 펌핑공간(V)은 펌핑피스톤(140)이 왕복운동을 하는 펌핑실린더(pumping cylinder)(150)의 내부에 형성될 수 있다. 펌핑실린더(150)는 복수 개의 실린더블록을 조립하여 형성되고, 복수 개의 실린더블록이 서로 접하는 면에 펌핑공간(V)이 형성될 수 있다. 따라서, 펌핑공간(V)은 실린더블록(150)과 펌핑피스톤(140) 그리고 후술할 밸브조립체(160)에 의해 형성될 수 있다.
또, 펌핑실린더(150)는 펌프본체(111)의 상부캡(112) 상단에 결합되는 하부 실린더블록(152)과, 하부 실린더블록(152)의 상단에 결합되는 상부 실린더블록(154)으로 이루어질 수 있다.
하부 실린더블록(152)에는 펌핑피스톤(140)이 왕복 운동을 하도록 피스톤공간(152a)이 형성되고, 상부 실린더블록(154)에는 하부 실린더블록(152)의 피스톤공간(152a)과 대응되어 밸브조립체(160)가 장착되는 밸브공간(154a)이 형성된다. 따라서, 피스톤공간(152a)과 밸브공간(154a)의 사이에 펌핑공간(V)이 위치하여, 펌핑피스톤(140)의 상면과 후술할 밸브조립체(160)의 저면 그리고 밸브공간(또는 피스톤공간)(V)의 내주면이 이루는 공간으로 형성될 수 있다.
또, 상부 실린더블록(154)에는 밸브공간(154a)에 연통되어 작동유체의 입출구를 이루는 유입구(inlet)(154b)와 유출구(outlet)(154c)가 형성될 수 있다.
한편, 밸브조립체((160)는 실린더블록(150)의 유입구(154b)와 유출구(154c)에 연통되도록 각각 연통구를 가지는 복수 개의 밸브 플레이트(valve plate)(162)(164) 사이에 상기 연통구를 개폐하는 밸브판체(166)가 구비되어 이루어질 수 있다.
복수 개의 밸브 플레이트(162)(164)는 펌핑피스톤(140)의 가압면에 대응하는 하부 플레이트(162)와, 상부 실린더블록(154)의 유입구(154b) 및 유출구(154c)와 대응하는 상부 플레이트(164)로 이루어질 수 있다.
하부 플레이트(162)와 상부 플레이트(164)는 모두 소정의 두께를 가지는 원판 모양으로 형성되고, 하부 플레이트(162)와 상부 플레이트(164)에는 각각 작동유체가 펌핑공간(V)으로 유입되도록 안내하는 유입측 연통구(164a) 및 작동유체가 펌핑공간(V1)에서 유출되도록 안내하는 유출측 연통구(162b)(164b)가 형성될 수 있다.
여기서, 유입측 연통구는 상부 플레이트(164)에만 형성되나, 경우에 따라서는 하부 플레이트(162)에도 형성될 수 있다. 하부 플레이트(162)에도 형성되는 경우에는 상부 플레이트(164)에 형성된 것을 제1 유입통구(164a), 하부 플레이트(162)에 형성된 것을 제2 유입통구라고 할 수 있다. 또, 유출측 연통구는 하부 플레이트(162)에 형성된 것을 제1 유출통구(162b), 상부 플레이트(164)에 형성된 것을 제2 유출통구(164b)라고 한다.
또, 하부 플레이트(162)의 상면(즉, 밸브면)에는 후술할 밸브판체(166)의 제1 개폐부(167)가 젖혀질 수 있는 공간을 이루도록 제1 밸브홈(162c)이 형성되고, 이 제1 밸브홈(162c)이 유입통구의 역할을 하게 된다. 그리고 상부 플레이트(164)의 저면(즉, 밸브면)에는 후술할 밸브판체(166)의 제2 개폐부(168)가 젖혀질 수 있는 공간을 이루도록 제2 밸브홈(164c)이 형성되고, 제2 밸브홈(164c)의 중앙부에 제2 유출통구(164b)가 형성될 수 있다.
제1 밸브홈(162c)과 제2 밸브홈(164c)의 넓이와 깊이는 서로 동일하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 밸브홈(162c)과 제2 밸브홈(164c)의 넓이는 각각 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)의 단면적보다는 크게 형성될 수 있고, 제1 밸브홈(162c)과 제2 밸브홈(164c)의 깊이는 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)가 열릴 때 젖혀지는 높이를 감안하여 각 개폐부(167)(168)가 젖혀지는 높이보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)의 적정 열림 높이는 다음과 같은 계산식을 통해 얻을 수 있다. 도 6은 밸브판체의 개폐부가 열리는 높이를 계산하기 위한 자유도이다. 이하에서는 제2 개폐부를 중심으로 살펴보고 제1 개폐부는 이에 준용한다.
여기서, 밸브판체에 사용되는 금속은 스테인레스 계열의 STS304이고, 두께 t는 0.1mm로 가정하였다. 도 6에서 a는 개폐부의 길이, b는 개폐부의 세로길이, x는 개폐부의 고정단에서 펌핑공간으로부터 압력을 받는 지점(제1 유출통구의 중심)까지의 거리이다. 이때, 개폐부의 관성모멘트(Ivalve)는 아래 식으로 표현할 수 있다. [수학식 1]
Figure pat00001
또, 개폐부는 균질하고 펌핑공간에서 받는 압력으로부터 선형 탄성적으로 거동을 하므로, 모멘트-곡률 관계식인 아래 식을 사용할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
이때, 는 탄성곡선상의 한 점에서의 곡률반경, M은 곡률반경이 인 점에서의 내부 모멘트, E는 재료의 탄성계수, I는 중심축에 대하여 계산된 관성모멘트이다. 외팔보 형태인 개폐부의 기울어진 정도를 다음 식으로 변형하여 계산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
이때, F는 개폐부에 가해지는 힘, θ는 개폐부가 열린 각도이다. 따라서, 식(3)을 이용하면 개폐부가 열리는 높이△h=atanθ로 구할 수 있다. 이렇게 구한 높이는 개폐부의 단부에 대한 최종 높이가 되므로, 이를 이용하여 적정한 밸브의 열림높이를 설정할 수 있다.
한편, 밸브판체(166)는 하부 플레이트(162)와 상부 플레이트(164)의 사이에 구비되어 제1 유입통구(164a)와 제1 밸브홈(162c)의 사이, 제1 유출통구(162b)와 제2 유출통구(164b)의 사이를 선택적으로 개폐하게 된다.
이를 위해, 밸브판체(166)는 얇은 원판 모양으로 형성되어 그 중앙부 양측에 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)가 절개 형성되고, 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)를 제외한 다른 부분은 서로 연결되어 일종의 고정부(169)를 형성하게 된다.
그리고 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)는 단순한 장방형의 평판 모양으로 형성될 수도 있다. 하지만, 이 경우 제1,2 개폐부(167)(168)가 열릴 때 그 제1,2 개폐부(167)(168)의 끝단에서 와류가 발생하면서 유체가 제1,2 밸브홈(162c)(164c)에서 정체되고, 이로 인해 압전펌프 및 이를 채용한 시스템의 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)의 자유단에서 소정의 각도만큼 굽혀져 소정의 길이만큼 연장되는 안내부(167e)(168e)가 연장 형성될 수 있다. 안내부(167e)(237)는 도 와 같이 각 개폐부(167)(168)의 단부를 반대방향, 즉 고정부(169)에 연결되는 고정단(167c)(168c)으로 굽혀 형성된다.
여기서, 제1 안내부와 제2 안내부의 형상, 예를 들어 안내부의 길이, 굽힘각, 열림 높이 등은 작동유체의 유동상태를 결정하는데 영향을 미칠 수 있다. 다만, 제1 밸브홈(162c)은 별도의 유입통공 없이 곧바로 펌핑공간에 연통되는 반면, 제2 밸브홈(164c)은 상대적으로 단면적이 작은 제2 유출통공(또는, 유출구)이 연통 형성된다. 따라서, 작동유체는 제1 밸브홈보다 제2 밸브홈에서 정체될 가능성이 더 높을 수 있으므로, 이하에서는 제2 안내부를 예로 들어 안내부의 형상을 살펴본다. 제2 개폐부는 제1 개폐부와 동일한 형상으로 형성되어 반대방향으로 개폐되는 것이므로, 기본적인 형상에 대한 설명은 제1 개폐부로 대신한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 개폐부(168)는 제1 유출통구(162b)를 개폐할 수 있도록 고정부(169)와 동일한 평면상에서 장방형으로 형성되고, 제2 개폐부(168)의 자유단 중간에는 그 제2 개폐부(168)의 자유단(168b)을 반대방향인 고정단(168c) 방향으로 굽혀지는 굽힘부(168d)가 형성되며, 굽힘부(168d)에서 연장되어 제2 밸브홈(164c)으로 작동유체를 안내하는 제2 안내부(168e)가 형성된다.
제2 개폐부(168)의 굽힘부(168d)의 굽힘각(α)은 제2 개폐부(168)가 열릴 때 작동유체가 제2 밸브홈(164c)을 향해 근거리로 유동할 수 있는 정도면 족하다. 즉, 제2 개폐부(168)의 굽힘부(168d)는 굽힘각(α)이 너무 크면 제2 개폐부(168)가 열릴 때 제2 안내부(168e) 단부가 제2 밸브홈(164c)과 간섭되어 제2 개폐부(168)의 열림량이 감소할 수 있다. 반대로, 굽힘부(168d)의 굽힘각(α)이 너무 작으면 유입되는 작동유체가 제2 안내부(168e)를 넘어 제2 개폐부(168)의 고정단(168c)까지 흘러가게 되고, 이 작동유체가 제2 밸브홈(164c)에서 정체되면서 유체의 유속이 크게 향상되지 않을 수 있다. 따라서, 굽힘부(168d)의 굽힘각(α1)은 제2 개폐부(168)가 열릴 때 제2 안내부(168e)이 제2 밸브홈(164c)에 간섭되지 않으면서 작동유체가 제2 밸브홈(164c)을 향해 안내될 수 있는 정도로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 제2 안내부(168e)의 굽힘각(α)은 제2 안내부(168e)의 상면 길이방향을 따라 형성되는 가상선이 제2 유출통구(164b)의 중심선(CL)과 90도보다 작은 경사각(β)을 이룰 수 있는 정도로 굽혀져 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
또, 제2 안내부(168e)의 길이(L1)는 제2 유출통구(164b)의 내경(D1)과 비교할 때 적어도 절반 이상이 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 제2 안내부(168e)의 길이(L1)는 제2 개폐부(168)가 열렸을 때 그 제2 안내부(168e)의 단부가 밸브조립체의 중심으로부터 제2 유출통구(164b)를 건너 반대쪽에 위치할 수 있을 정도까지 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다. 만약, 제2 안내부의 길이(L)가 너무 짧으면 작동유체가 제2 유출통구(164b)로 안내되기 전에 제2 안내부(168e)의 단부에서 와류가 발생될 수 있다. 하지만, 제2 안내부(168e)의 길이(L)가 너무 길면 제2 안내부(168e)를 포함한 제1 개폐부(167)의 무게가 증가할 뿐만 아니라 단부가 이웃하는 부재들, 예를 들면 상부 플레이트(164)의 제2 밸브홈(164c) 등에 걸려 제2 개폐부(168)의 열림량이 제한될 수 있다. 따라서, 제2 안내부(168e)의 길이(L)는 제2 개폐부(168)가 열릴 때 상부 플레이트(164)에 접촉되지 않으면서도 제2 유출통구(164b)와 중첩될 수 있는 길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
또, 제2 개폐부(168)의 열림 높이(H)는 제2 안내부(168e)의 상면 길이방향을 따라 형성되는 가상선이 제2 유출통구(164b)의 중심선(CL)과 90도보다 작은 경사각(β)을 이룰 수 있는 정도로 열리는 것이 바람직하다. 즉, 제2 개폐부(168)의 열림 높이(H1)가 너무 낮으면 유동저항이 증가하여 효율이 저하될 수 있고, 제2 개폐부(168)의 열림 높이(H)가 너무 높으면 제2 안내부(168e)의 가상선과 제2 유출통구(164b)의 중심선(CL) 사이의 각도가 직각을 이루거나 또는 그 보다 작은 예각을 이루게 되어 작동유체를 제2 유출통구 방향으로 원활하게 안내하지 못하게 될 수 있다. 따라서, 제2 개폐부(168)의 열림 높이(H)는 그 제2 개폐부(168)가 열렸을 때 제2 안내부(168e)가 제2 유출통구(164b)를 향해 기울어진 상태를 유지할 수 있을 정도로 열리는 것이 바람직하다.
도면중 미설명 부호인 167b은 자유단, 167c는 고정단, 167d는 굽힘부, 167e는 제1 안내부이다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 밸브판체가 압전펌프에 적용되는 경우 다음과 같은 작용효과를 갖는다. 도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 의한 밸브판체가 개폐되는 과정을 보인 단면도이다.
먼저, 도 7a와 같이, 압전스택(120)이 팽창되면 커넥터(130)를 통해 펌핑피스톤(140)이 상향으로 이동하게 된다. 그러면 펌핑공간(V)의 체적이 좁아지면서 그 펌핑공간(V)의 압력을 높이게 된다.
그러면 펌핑공간(V)의 압력이 제2 밸브홈(또는, 제2 유출통구)(164c)의 압력보다 높아지게 되면서 제2 개폐부(168)는 고정단(168c)을 중심으로 휘어져 제1 유출통구(162b)가 열리게 된다.
그러면 펌핑공간(V) 내 작동유체가 제2 개폐부(168)를 밀어내면서 제2 유출통구(164b)로 안내되고, 이 작동유체는 제2 유출통구(164b)를 통해 실린더블록(150)의 유출구(154c)로 이동하여 유출된다. 이때, 제1 개폐부(167)는 펌핑공간(V) 내 압력에 밀려 제1 유입통구(164a)를 차단한 상태를 유지하게 된다.
다음, 도 7b와 같이, 압전스택(120)이 수축되면 커넥터(130)를 통해 펌핑피스톤(140)이 하향으로 이동하게 된다..
그러면 펌핑공간(V)의 체적이 확대되면서 그 펌핑공간(V)의 압력이 제1 밸브홈(162c)의 압력보다 낮아지게 되고, 그러면 제1 개폐부(167)는 고정단(167c)을 중심으로 휘어지면서 제1 유입통구(164a)가 열리게 된다.
그러면 실린더블록(150)의 유입구(154b)를 통과하는 작동유체가 제1 개폐부(167)를 밀어내면서 제1 유입통구(164a)를 통해 제1 밸브홈(162c)으로 안내되고, 이 작동유체는 제1 밸브홈(162c)을 통해 펌핑공간(V)으로 이동하여 유입된다. 이때, 반대쪽의 제2 개폐부(168)는 복원되어 제1 유출통구(162b)를 차단하게 된다.
여기서, 제2 개폐부(168)가 젖혀지면서 펌핑공간(V)의 작동유체가 유출되는 과정이나 또는 제1 개폐부(167)가 젖혀지면서 펌핑공간(V)으로 작동유체가 유입되는 과정에서, 작동유체는 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)의 끝단에서 와류가 발생되거나 또는 각 개폐부(167)(168)의 고정단 방향으로 이동하여 각각의 밸브홈(162c)(164c)에서 정체되면서 유동속도가 저하될 수 있다.
하지만, 본 실시예와 같이 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)의 끝단에 제1 안내부(167e) 및 제2 안내부(168e)가 각각 연장 형성되는 경우에는 제1 유입통구(164a)나 제1 유출통구(162b)를 통과하는 작동유체가 각 개폐부(167)(168)의 끝단에서 연장되는 각각의 안내부(167e)(168e)를 타고 제1 밸브홈(162c) 또는 제2 유출통구(164b)로 안내된다. 이에 따라, 작동유체는 제1 개폐부(167)와 제2 개폐부(168)의 고정단 방향으로 이동하지 않고 각각의 안내부(167e)(168e)를 따라 제1 밸브홈(162c) 또는 제2 유출통구(164b)로 신속하게 이동하게 되어 유체의 유동속도가 향상될 수 있다.
이를 수치해석을 통해 확인하면 다음과 같다.
즉, 본 실시예에 대한 해석은 2차원 무빙메쉬(Moving Mesh) 해석으로 진행하였고, 편의상 구동장치의 유출측 밸브인 제2 개폐부에 대해 실시하였다. 작동유체는 비압축성의 DTE-24 항공유를 사용하였고, 작동유체의 속도는 제2 유출통구의 도입부를 지나는 유체의 속도를 검출한 결과이다.
해석 결과, 아래의 [표 1]과 같이 구동주파수와 관계없이 기존의 안내부가 없는 평판형 밸브에 비해 본 실시예의 안내부가 있는 굽은 밸브에서의 속도가 증가하는 것을 알 수 있다.
구동주파수[Hz] 평균 속도 [mm/s]
기존 밸브 굽은 밸브
50 6.52 7.1
250 31.4 34.9
특히, 구동주파수가 50Hz인 경우에는 유체의 속도가 대략 8%정도 향상되었으나, 구동주파수가 250Hz에서는 유체의 속도가 대략 10%정도 향상되는 결과를 얻었다. 즉, 구동주파수가 증가할수록 안내부가 있는 경우의 속도 향상이 더 높게 나타는 것을 알 수 있다. 이는, 고속운전시 높은 효율을 기대할 수 있다는 것을 예상할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 밸브판체의 안내부에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 개폐부의 끝단을 반대방향으로 굽혀 안내부가 형성되는 것이나, 본 실시예는 개폐부의 외주면을 따라 안내부가 곡면지거나 또는 경사지게 형성되도록 하는 것이다. 도 8은 본 실시예에 의한 밸브판체의 다른 실시예를 보인 사시도이고, 도 9는 도 8의 밸브판체를 밸브 플레이트 사이에 조립한 상태를 보인 단면도이다.
도 8과 같이, 본 실시예에 따른 밸브판체(266)는 원판모양으로 형성된 판체의 중앙부 양쪽에 각각 제1 개폐부(267)와 제2 개폐부(268)가 서로 마주보도록 절개되어 형성될 수 있다.
그리고, 제1 개폐부(267)와 제2 개폐부(268)는 각각 원판 모양으로 형성되되, 중앙부를 서로 반대방향으로 가압하여 각 개폐부(267)(268)의 가장자리가 곡면지거나 또는 경사진 제1 안내부(267e)와 제2 안내부(268e)가 형성되도록 한다. 이로써, 제1 안내부(267e)와 제2 안내부(268e)는 서로 반대방향으로 형성된다.
그리고, 제1 개폐부(267e)와 제2 개폐부(268e)는 전술한 실시예와 같이 서로 마주보도록 형성되고, 각 개폐부(267)(268)의 반대쪽 단부에는 고정부(269)에서 연장되는 각각의 탄성부(267f)(268f)가 각 개폐부 방향으로 갈수록 단면적이 좁게 형성된다. 이로써, 제1 개페부(267)와 제2 개폐부(268)는 고정단(267c)(268c)을 중심으로 휘어져 신속하게 개폐될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예의 경우에도 도 9와 같이 유입통구(164a) 또는 유출통구(162b)(164b)를 통과하는 작동유체가 각 개폐부(267)(268)의 테두리면에서 각각의 안내부(267e)(268e)를 따라 유동을 하게 됨에 따라, 각 개폐부(267)(268)의 테두리에서 와류가 발생되는 것을 억제할 수 있고 이를 통해 유체의 유동 속도를 높여 전체적인 시스템의 효율을 높일 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 실시예에 의한 압전펌프가 집적형 하이브리드 구동장치에 적용되는 경우는 다음과 같다.
도 10은 본 발명에 의한 집적형 하이브리드 구동장치의 일실시예를 보인 계통도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 구동장치는, 구동력을 외부로 전달하는 출력유닛(10), 출력유닛(10)에 작동유체를 안내하는 연결유닛(20), 연결유닛(20)의 중간에 구비되어 작동유체의 유동방향을 전환하는 전환유닛(30), 출력유닛(10)에 작동유체를 펌핑하는 복수 개의 압전펌프(40)(50), 전환유닛(30)과 복수 개의 압전펌프(40)(50)를 제어하여 각 압전펌프에서 펌핑되는 작동유체가 출력유닛(10)의 작동공간으로 교차 공급되도록 제어하는 제어유닛(60)을 포함할 수 있다.
출력유닛(10)은 작동유체가 수용되는 작동공간을 가지는 실린더(11)와, 실린더(11)의 작동공간에서 미끄러지게 결합되어 상기 작동공간에 채워지는 작동유체에 의해 직선으로 왕복운동을 하는 피스톤(15)으로 이루어질 수 있다. 피스톤(15)의 양측에는 외부로 구동력을 전달하도록 외부의 시스템과 결합되는 피스톤로드(16)가 구비될 수 있다.
실린더(11)의 작동공간은 피스톤(15)을 사이에 두고 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(13a)으로 구분될 수 있다. 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(13a)은 그 작동공간들 사이의 압력에 따라 움직이는 피스톤(15)에 의해 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(13a)의 체적이 가변될 수 있다.
또, 실린더(11)의 일측에는 제1 작동공간(12a)에 작동유체가 입 출되는 제1 입출구(12b)가 형성되고, 실린더(11)의 타측에는 제2 작동공간(13a)에 작동유체가 입 출되는 제2 입출구(13b)가 형성될 수 있다. 제1 입출구(12b)와 제2 입출구(13b)는 후술할 제1 메인관(21) 및 제2 메인관(22)의 각 일단이 연결될 수 있다.
여기서, 실린더(11)의 제1 입출구(12b)와 제2 입출구(13b)는 도 10에서와 같이 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(13a)에 각각 한 개씩만 구비될 수도 있지만, 경우에 따라서는 복수 개씩 구비될 수도 있다. 제1 입출구(12b)와 제2 입출구(13b)가 복수 개씩 구비될 경우에는 전환유닛(30) 역시 복수 개가 구비되어 각각의 전환유닛(30)이 한 개씩의 제1 입출구(12b) 및 제2 입출구(13b)와 한 쌍으로 연결될 수 있다.
연결유닛(20)은 전환유닛(30)을 사이에 두고 출력유닛(10)과 제1,2 압전펌프(40)(50)들 사이를 연결하는 메인 연결관과, 후술할 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50) 사이를 연결하는 서브 연결관으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1 압전펌프(40) 또는 제2 압전펌프(50)에서 압축되어 분출되는 작동유체는 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(13a)으로 이동함으로써 그 작동공간 내 압력을 높여 실린더(11) 내 피스톤(15)을 도면의 좌우 방향으로 왕복 이동시키게 된다.
메인 연결관은 실린더(11)의 제1 입출구(12b)와 후술할 전환유닛(30)의 제1 공통구(32a) 사이를 연결하는 제1 메인관(21)과, 실린더(11)의 제2 입출구(13b)와 후술할 전환유닛(30)의 제2 공통구(32b) 사이를 연결하는 제2 메인관(22)과, 후술할 전환유닛(30)의 제1 입출구(34a)와 제1 압전펌프(40)의 제1 유입구(41a) 사이를 연결하는 제3 메인관(23)과, 후술할 전환유닛(30)의 제2 입출구(34b)와 후술할 제2 압전펌프(50)의 제2 배출구(51b) 사이를 연결하는 제4 메인관(24)으로 이루어질 수 있다.
서브 연결관은 한 개의 서브관(25)으로 이루어져 제1 압전펌프(40)의 제1 배출구(41b)와 제2 압전펌프(50)의 제2 유입구(51a) 사이를 연결할 수 있다. 이로써, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 직렬 연결되어, 작동유체는 제1 압전펌프(40)의 펌핑공간(V1)에서 제2 압전펌프(50)의 펌핑공간(V2)으로 이동될 수 있다.
전환유닛(30)은 4방밸브로 된 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다. 전환유닛(30)은 후술할 밸브용 제어부(62)에 전기적으로 연결되고, 2개씩의 공통구(32a)(32b)와 입출구(34a)(34b), 그리고 상기 공통구와 입출구 사이를 움직이면서 작동유체의 유동방향을 전환하는 전환밸브(36)로 이루어질 수 있다.
제1 공통구(32a)는 제1 메인관(21)을 통해, 제2 공통구(32b)는 제2 메인관(22)을 통해 실린더(12)의 제1 입출구(12b) 및 제2 입출구(13b)에 각각 연결되고, 제1 유입구(34a)는 제3 연결관(23)을 통해, 제2 유입구(34b)는 제4 연결관(24)을 통해 후술할 제1 압전펌프(40)의 제1 유입구(41a) 및 제2 압전펌프(50)의 제2 배출구(51b)에 각각 연결될 수 있다. 이로써, 전환유닛(30)은 제1 압전펌프(40) 또는 제2 압전펌프(50)의 각 펌핑공간(V1)(V2)에서 배출되는 작동유체의 유동방향을 실린더(11)의 제1 입출구(12b) 또는 제2 입출구(13b) 방향으로 전환시킬 수 있다.
복수 개의 압전펌프는 서로 직렬 연결되는 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)로 이루어질 수 있다.
제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)는 앞서 설명한 도 2 내지 도 9의 실시예가 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 구동장치에 적용된 상태를 간략하게 살펴보면, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)는 제1,2 펌핑공간(V1)(V2)을 가지며, 제1,2 펌핑공간(V1)(V2)은 전환유닛(30)과 연통되어 각 펌핑공간(V1)(V2)에서 펌핑되는 작동유체를 입출시키는 제1,2 유입구(41a)(51a)와 제1,2 유출구(51a)(51b)가 제1,2 펌프본체(41)(51)에 각각 형성될 수 있다.
또, 제1,2 펌프본체(41)(51)에는 제1,2 압전스택(44)(54)이 설치되고, 제1,2 펌프본체(41)(51)의 일단에는 상기 펌핑공간(V1)(V2)이 형성되며, 펌핑공간(V1)(V2)과 유입구(41a)(51a) 및 유출구(41b)(51b) 사이에는 그 펌핑공간(V1)(V2)과 유입구(41a)(51a) 또는 펌핑공간(V1)(V2)과 유출구(41b)(51b) 사이를 선택적으로 개폐하는 밸브조립체((201)(202)가 각각 설치될 수 있다.
제1 압전스택(44)과 제2 압전스택(54)은 적층형 압전스택으로 이루어져 후술할 펌프용 제어부(64)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이로써, 제1,2 압전스택(44)(54)은 펌프용 제어부(64)에 의해 인가되는 전원에 의해 각각 팽창 또는 수축하면서 각 펌핑공간(V1)(V2)의 사이 또는 이와 연결되는 전환유닛(30)에서 작동유체를 펌핑하게 된다.
제어유닛(60)은 전환유닛(30)을 제어하는 밸브용 제어부(62)와, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)의 각 압전스택(44)(54)를 제어하는 펌프용 제어부(64)로 이루어질 수 있다.
밸브용 제어부(62)는 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)에 대한 운전 방식에 관계없이 동일하게 제어될 수 있다. 즉, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 각각 압축, 분출, 팽창, 흡입의 네 단계로 구성되는 1주기 동작을 위상차 없이 동시에 진행하는 "동시구동"은 물론, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 상기 네 단계를 180도의 위상차를 두고 진행하는 "교차구동"시에도 제1,2 압전스택(44)(54)이 1주기 동작을 1회 진행하는 동안 밸브조립체에서도 역시 1회 전환동작을 진행하도록 제어될 수 있다.
펌프용 제어부(64)는 밸브용 제어부(62)와 서로 연동되도록 구성될 수 있다. 즉, 펌프용 제어부(64)는 밸브용 제어부(62)와 함께 작동유체가 제1 작동공간(12a)과 제2 작동공간(13a)으로 교차 유입될 수 있도록 제1 압전스택(44)과 제2 압전스택(54)에 전류를 인가하여 팽창과 수축을 제어할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 구동장치는 다음과 같이 동작된다.
즉, 제1,2 압전펌프(40)(50)에 전원이 인가되면 제1, 2 압전스택(44)(54)이 각 펌핑공간(42a)(52a)에서 각각 팽창 또는 수축을 하면서 압축(compression), 분출(exhaustion), 팽창(expansion) 및 흡입(intake)의 네 개의 단계를 1주기로 하는 펌핑운동을 실시하게 된다.
그러면, 제1,2 압전펌프(40)(50)에서 펌핑되는 작동유체는 전환유닛(30)에 의해 실린더(11)의 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(13a)으로 유입되는 반면, 작동유체가 유입되지 않는 다른 쪽 작동공간의 작동유체는 전환유닛(30)에 의해 제1 압전펌프(40)의 제1 펌핑공간(V1) 또는 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2)으로 회수되는 일련의 과정을 반복하게 된다.
이때, 실린더(11)의 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(13a)으로 유입되는 작동유체에 의해 양쪽 작동공간 내 압력차가 발생되고, 이 압력차에 따라 출력유닛(10)의 피스톤(15)이 실린더(11)에서 왕복운동을 하면서 피스톤로드(16)를 통해 외부로 구동력을 전달하게 된다.
한편, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)는 두 압전펌프가 위상차 없이 동일한 위상으로 운전하는 "동시구동"방식으로 작동을 하거나, 또는 두 압전펌프가 180도의 위상차를 두고 운전하는 "교차구동"방식으로 작동을 할 수 있다. 도 11a는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 11b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도이다.
먼저, 도 11a와 같이, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 동시구동 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 동시에 압축-분출 단계를 진행함에 따라, 제2 압전펌프(50)의 제2 유입구(51a)를 개폐하는 밸브조립체(201)가 닫힌 상태를 유지하게 된다.
이에 따라, 제1 압전펌프(40)에서 펌핑되는 작동유체가 서브관(25)으로 이동을 하지만, 이 작동유체는 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2)으로 유입되지 못하게 된다. 이로써, 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2) 내 작동유체만 실린더(11)의 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(13a)으로 이동함에 따라, 실린더(11)의 작동공간측 압력은 단일 압전펌프의 경우와 크게 다르지 않게 된다. 이때, 복수 개의 압전펌프(40)(50)를 적용함에 따라 발생되는 압력 손실 등을 고려하면, 단일 압전펌프를 적용하는 경우보다 실린더 내 압력이 낮아질 수도 있다. 따라서, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 직렬로 연결되어 위상차 없이 동시에 구동하는 소위 "동시구동-직렬연결"되는 압전펌프 구동장치에서 최종 토출 압력과 유량은 아래와 같은 관계식으로 표현할 수 있다. 이하에서는, 제1 압전펌프(40), 제2 압전펌프(50)가 토출하는 압력을 각각 P1, P2라고 하고, 토출하는 유량을 각각 Q1, Q2라고 하며, 총 토출하는 압력과 유량을 Pd, Qd 라고 한다.
[수학식 4]
Pd-syn-series < P1 or P2
[수학식 5]
Qd-syn-series < Q1 or Q2
다음, 도 11b와 같이, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 직렬연결된 상태에서 180도의 위상차를 가지고 운전하는 소위 "교차구동-직렬연결" 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(40)의 제1 펌핑공간(V1)과 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2)이 팽창-흡입 단계와 압축-분출 단계를 번갈아 진행하게 된다. 이에 따라, 제1 압전펌프(40)의 제1 펌핑공간(V1)에서 펌핑되는 작동유체가 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2)으로 이동한 후, 그 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V1) 내 작동유체와 함께 실린더의 작동공간으로 이동하게 된다. 이에 따라, 실린더(11)의 작동공간(12a)(13a)으로 이동하는 작동유체의 압력은 단일 압전펌프의 경우에 비해 2배 가까이 된다. 다만, 압력손실을 고려하면 단일 펌프에서 토출하는 압력의 2배보다는 작을 수 있고, "교차구동-직렬연결"되는 압전펌프 구동장치의 최종 토출 압력을 식으로 보면 아래와 같다.
[수학식 6]
Pd-cross-series ≤ P1 ＋ P2
이때, "교차구동-직렬연결" 방식에 따른 각 압전펌프에서 배출하는 유량은 베르누이 방정식과 질량보존의 법칙에 의하면 다음과 같다.
[수학식 7]
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서 Cv는 유량계수, A는 유량 통과 면적, ρ는 유체 밀도이다. 만약 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 토출 능력이 같다면 그 관계식은 다음과 같다.
[수학식 8]
Figure pat00007
즉, 이상적인 상태에서 본 실시예에 따른 압전펌프 구동장치의 "교차구동-직렬연결" 방식에서 총 토출 압력은 단일 압전펌프 구동장치에서 토출되는 압력의 거의 2배 가까이 되고 유량은 약 1.4배가 될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 더블 압전펌프 구동장치에서 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 직렬로 연결되는 경우, 두 압전펌프(40)(50)를 동시에 구동하는 동시구동 방식에서는 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 압력과 유량이 종래의 단일 압전펌프 구동장치에 비해 향상되지 않는다. 하지만, 두 압전펌프를 일정 위상차를 두고 구동하는 교차구동 방식에서는 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 압력과 총유량이 각각 최대 2배 및 1.4배 증가되는 것을 알 수 있다. 따라서, 두 개의 압전펌프를 직렬로 연결하더라도 운전 방식에 따라서는 더블 압전펌프 구동장치의 성능이 크게 개선될 수 있다.
한편, 본 발명에 발명에 의한 더블 압전펌프 구동장치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 직렬 연결되는 것이었으나, 본 실시예는 도 12에서와 같이 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 병렬 연결되는 것이다.
이 경우, 더블 압전펌프 구동장치를 이루는 구성요소들은 대부분 동일하게 이루어진다. 다만, 서브연결관은 전술한 실시예와 달리 제1 서브관(26)과 제2 서브관(27)으로 이루어져, 제1 서브관(26)은 제3 메인관(23)의 중간에서 분관되어 제2 압전펌프(50)의 제2 유입구(51a)에 연결되고, 제2 서브관(27)은 제4 메인관(24)의 중간에서 분관되어 제1 압전펌프(40)의 제1 배출구(41b)에 연결될 수 있다.
상기와 같이 병렬 연결된 더블 압전펌프 구동장치의 경우에도 전술한 실시예와 같이 동시구동을 하거나 또는 교차구동할 수 있다. 도 13a는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 동시구동하는 과정을, 도 13b는 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 교차구동하는 과정을 각각 보인 계통도이다.
먼저, 도 13a와 같이, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 "동시구동-병렬연결" 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 동시에 압축-분출 단계를 진행함에 따라 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)에서 각각의 작동유체가 실린더(11)의 제1 작동공간(12a) 또는 제2 작동공간(13a)으로 이동을 하게 된다. 이에 따라, 실린더(11)의 작동공간으로 이동하는 작동유체의 압력은 단일 압전펌프 구동장치에서의 압력과 동일하지만, 유량은 2배 정도가 되거나 에너지 손실 등을 감안하면 2배보다 약간 적을 수 있다. 이와 같이 "동시구동-병렬연결" 방식에서의 최종 토출 압력과 유량을 식으로 보면 다음과 같다.
[수학식 9]
Pd-syn-paral < P1 or P2
[수학식 10]
Qd-syn-paral < Q1 ＋ Q2
다음, 도 13b와 같이, 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 "교차구동-병렬연결" 방식으로 운전을 하게 되면, 제1 압전펌프(40)의 제1 펌핑공간(V1)과 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2)이 팽창-흡입 단계와 압축-분출 단계를 번갈아 진행하게 된다. 이에 따라, 제1 압전펌프(40)의 제1 펌핑공간(V1) 내 작동유체와 제2 압전펌프(50)의 제2 펌핑공간(V2) 내 작동유체는 독립적으로 실린더(11)의 작동공간으로 이동하게 되어, 실린더(11)의 작동공간으로 유입되는 작동유체의 압력은 단일 압전펌프의 경우와 대략 동일할 수 있다. 다만, 이 경우에는 제4 메인관(24)과 제2 서브관(27)이 분관되는 지점에서 병목구간이 발생되어, 제1 압전펌프(40)에서 분출되는 작동유체와 제2 압전펌프(50)에서 분출되는 작동유체가 만나게 되고, 이로 인해 작동유체의 압력손실이 발생하여 최종 압력은 단일 압전펌프 구동장치의 경우와 같거나 낮아질 수 있다.
같은 원리로 "교차구동-병렬연결" 방식에서 더블 압전펌프 구동장치가 토출하는 유량은 단일 압전펌프 구동장치의 경우에 비해 대략 2배 정도가 될 수 있지만, 에너지 손실로 유량은 단일 압전펌프 구동장치의 경우에서의 유량보다 2배보다 작게 될 수 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 "동시구동-병렬연결" 방식의 경우에는 도 13a에서와 같이 제1 압전펌프(40)의 출구에서 충돌이 생기므로 "동시구동-병렬연결" 방식의 압력 및 유량은 "교차구동-병렬연결" 방식에서의 토출 압력 및 유량보다 작을 수 있다. 이를 식으로 보면 다음과 같다.
[수학식 11]
Pd-syn-paral < Pd-cross-paral ≤ P1 or P2
[수학식 12]
Qd-syn-paral < Qd-cross-paral ≤ Q1 ＋ Q2
상기와 같은 본 실시예에 따른 더블 압전펌프 구동장치에서 제1 압전펌프(40)와 제2 압전펌프(50)가 병렬로 연결되는 경우, 두 압전펌프를 동시에 구동하는 동시구동 방식에서는 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 유량은 종래의 단일 압전펌프 구동장치에 비해 2배 가까이 향상되지만 압력은 동일하거나 낮아질 수 있다. 하지만, 또, 두 압전펌프를 일정 위상차를 두고 구동하는 교차구동 방식에서도 전술한 "동시구동-병렬연결"의 경우와 같이 압전펌프에서 배출되는 작동유체의 압력은 동일하거나 낮아질 수 있으나 실린더로 유입되는 작동유체의 유량은 2배 가까이 증가될 수 있다. 따라서, 두 개의 압전펌프를 병렬로 연결하는 경우는 운전 방식에 관계없이 작동유체의 유량이 증가되는 것을 알 수 있다.
한편, 출력유닛에서 피스톤이 실린더 내에서 왕복운동을 함에 따라 피스톤의 왕복운동은 전체 시스템의 성능을 결정하게 된다. 따라서, 실린더의 직경은 시스템의 구동력과 구동 속도에 많은 영향을 끼치게 된다.
실린더의 적정 직경은 아래와 같은 수학적 모델링을 통해 얻을 수 있다. 본 실시예에서 수학적 모델링은 주로 압전 펌프와 유압 실린더에서 도출된 공식들을 사용하였다. 유체의 유효한 체적 탄성률의 공식은 아래와 같다.
[수학식 13]
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서, βeff는 유효 체적탄성률, βfluid 및 βair는 유체 및 공기의 체적탄성률, △P는 압력변화량, △V는 체적변화량, x는 공기 함유량 백분율, t는 유관의 두께, D는 유관의 직경, E는 유관의 탄성률을 나타낸다.
높은 유체탄성률은 유체 강성과 공진 주파수를 증가시키고 압력손실을 감소시킨다. 시스템의 체적탄성률이 줄어드는 주요 원인은 시스템 내부에 있는 공기를 완전히 제거하지 못하였기 때문이다. 이를 감안하여, 본 실시예에서는 내부 공기 등을 고려하여 체적탄성률을 0.2GPa로 설정하였다. 펌프본체의 유체 강성은 아래식으로 표현할 수 있다.
[수학식 14]
Figure pat00010
여기서, β는 체적탄성률, Achamber은 펌핑공간의 면적, Lchamber는 펌핑공간의 길이이다. 압전스택을 펌프본체에 넣을 때 실제 압전스택의 변위와 힘은 아래식으로 표시할 수 있다.
[수학식 15]
Figure pat00011
[수학식 16]
FO = Fb - δO ×Kstack
여기서, Kstack과 Kchamber은 압전스택과 펌프본체의 강성, δO는 하중상태에서 압전스택의 변위, δfree는 무하중 상태에서의 최대 변위, FO는 실제 펌핑공간 안에서 생성한 힘, Fb는 압전스택이 최대 힘이다. 따라서 단일펌프가 생성하는 압력은 아래식으로 표시할 수 있다.
[수학식 17]
Figure pat00012
실린더의 구동력과 속도는 각각 아래식으로 표시할 수 있다.
[수학식 18]
Fext = Ppump × Aext
[수학식 19]
Figure pat00013
여기서, Qpump 는 단일 펌프에서 토출하는 유량이다. 여기서 Aext는 실린더의 내부 횡단면적이며 아래식으로 표현 할 수 있다.
[수학식 20]
Aext = 0.25 × π(d2 cylinder - d2 shaft)
여기서 dcylinder과 dshaft는 각각 실린더와 피스톤로드의 직경이다. 유체의 점성, 관성, 마찰에 의한 손실 및 밸브에 의한 압력 손실은 고려하지 않았다.
이를 통해, 기타 조건이 일정할 때, [수학식 15] 및 [수학식 16]에서 실린더의 내부 횡단면적이 클수록 구동장치의 구동력이 커지고, 구동속도는 작아진다. 이를 통해 실린더의 직경이 시스템의 성능에 아주 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있다.
한편, "교차구동-직렬연결"의 경우 이상적인 조건에서 두 펌프(40)(50)가 토출하는 압력은 아래의 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 21]
Pd = 2×Ppump
여기서 Pd는 2개의 압전펌프를 적용한 압전펌프-유압 하이브리드 구동 장치(이하, 더블 압전펌프 구동장치)의 토출 압력이다.
이는, 1개의 압전펌프를 적용한 압전펌프-유압 하이브리드 구동장치(이하, 단일 압전펌프 구동장치)의 결과를 바탕으로 직경이 21mm인 실린더를 사용하면 더블 압전펌프 구동장치의 구동력이 단일 압전펌프 구동장치에 비해 두 배 정도가 될 수 있슴을 알 수 있다.
또, 교차구동-병렬연결에서 이상적인 조건하에 두 펌프가 토출하는 유량은 아래의 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 22]
Qd = 2 × Qpump
더블 압전펌프 구동장치에서 실린더의 속도가 단일 압전펌프 구동장치에서의 실린더 속도와 같다고 가정하면 다음 식을 얻을 수 있다.
[수학식 23]
Figure pat00014
[수학식 25]
Aext1 = 2×AAext
[수학식 26]
Aext1 = 0.25 ×π×(d2 cylinder1 - d2 shaft)
여기서 Aext1과 dcylinder1는 큰 실린더의 내부 횡단면적과 직경이다. [수학식 24], [수학식 25] 및 [수학식 20]를 이용하면 큰 실린더의 직경을 계산할 수 있는데 29.1mm 정도가 된다. 제작상의 편이를 위해 큰 실린더의 직경을 30mm로 설정할 수 있다.
그러면, "교차구동-직렬연결"에서는 더 큰 구동력을 얻기 위해 직렬연결에 직결 30mm의 실린더를 사용할 경우, 두 펌프를 연결하는데 사용하는 서브 연결관에서의 손실을 고려하면 [수학식 8], [수학식 22]에서처럼 직렬연결에서는
Figure pat00015
배, 병렬연결에서는 2배의 속도가 되지 않음을 알 수 있다.
한편, 단일 압전펌프의 최대 구동력과 최대 구동속도를 기반으로 하면 본 실시예에 따른 작동 모드의 성능을 예측할 수 있다. 이 경우, 위와 같은 수학적 모델링을 기반으로 LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 아래의 [표 2]와 같이 예측할 수 있다. [표 2]는 구동력과 구동속도의 성능예측 표이다. 예측 결과 교차구동-직렬연결-실린더직경21mm에서 최대 구동력은 1614N, 최대속도는 65.5mm/s로 계산되었고, 교차구동-병렬연결-실린더직경30mm에서의 최대 구동력은 1718N, 최대 구동속도는 42.1mm/s이며, 교차구동-직렬연결-실린더직경30mm의 최대구동력은 3444N, 최대 구동속도는 34mm/s임을 알 수 있다.
종류
 최대 구동력(N) 최대 구동속도(mm/s)
예측 실험 보상 예측 실험 보상
단일펌프(결과) 1691 807 40 54.0
교차-직렬(21mm) 3383 1614 57 65.5
교차-병렬(30mm) 3609 1718 38 42.1
교차-직렬30mm) 7212 3444 31 34.0
상기와 같이 복수 개의 압전펌프가 적용되어 교차-직렬, 교차-병렬 방식으로 운전되는 경우에도 앞서 설명한 도 2 내지 도 9의 압전펌프가 적용되면 밸브조립체에서의 와류를 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 유체가 정체되지 않고 신속하게 유입되나 유출되도록 할 수 있다. 이에 따라, 각 압전펌프에서의 유속이 증가하게 되면서 펌핑성능이 향상될 수 있고, 이를 통해 구동장치의 효율이 향상되어 소형 비행물체나 로켓 시스템 등 비교적 가볍고 높은 출력을 요구하는 장비에 적용할 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 복수 개의 압전펌프가 전환유닛을 통해 실린더와 연결되는 경우에 도 2 내지 도 9의 압전펌프가 적용되는 예를 살펴보았으나, 경우에 따라서는 한 개의 압전펌프가 전환유닛을 통해 실린더와 연결되는 경우에도 앞서 설명한 도 2 내지 도 9의 압전펌프가 적용될 수 있다. 이 경우에도 앞서 복수 개의 압전펌프가 적용되는 경우와 같은 효과를 기대할 수 있다.

Claims (11)

  1. 유입통구가 형성되는 제1 밸브 플레이트;
    상기 유입통구와 연통되도록 유출통구가 형성되는 제2 밸브 플레이트; 및
    상기 제1 밸브 플레이트와 제2 밸브 플레이트 사이에 고정되는 고정부, 일단이 상기 고정부에서 연장되는 고정단을 이루고 타단이 자유단을 이루며 상기 유입통구와 유출통구 사이에 위치하여 상기 유입통구의 압력과 상기 유출통구의 압력 사이의 차이에 따라 펴져 상기 유입통구를 차단하거나 또는 휘어져 상기 유입통구를 개방시키는 개폐부를 가지는 밸브판체;를 포함하고,
    상기 개폐부의 단부에는 상기 유입통공을 통과하는 유체를 상기 유출통구 방향으로 안내하도록 안내부가 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안내부는 상기 개폐부의 자유단에서 상기 고정단을 향해 굽혀져 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안내부의 길이는 상기 유출통공의 직경보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 안내부의 굽힘각은 그 안내부가 최대 열림높이에서 상기 안내부의 상면에 대한 길이방향 가상선과 상기 유출통공의 중심선이 이루는 각이 90도보다 작거나 같게 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안내부는 상기 개폐부의 테두리를 따라 곡면지거나 또는 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸브 플레이트와 접하는 상기 제2 밸브 플레이트의 일측면에는 상기 개폐부가 휘어져 열릴 때 그 개폐부와 안내부가 수용되도록 소정의 넓이와 깊이를 가지는 밸브홈이 형성되고,
    상기 밸브홈에 상기 유출통구가 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸브 플레이트에는 제1 유입통구와 제1 유출통구가 형성되고, 상기 제2 밸브 플레이트에는 제2 유입통구와 제2 유출통구가 형성되며,
    상기 밸브판체에는 상기 제1 유입통구와 제1 유출통구 사이에 위치하는 제1 개폐부 및 상기 제2 유입통구와 제2 유출통구 사이에 위치하는 제2 개폐부가 형성되고, 상기 제1 개폐부와 제2 개폐부에는 각각 제1 안내부와 제2 안내부가 형성되며,
    상기 제1 안내부와 제2 안내부는 서로 반대방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브조립체.
  8. 작동유체가 수용되는 작동공간이 구비되고, 그 작동공간으로 유입되는 작동유체의 압력차에 따라 발생되는 구동력을 외부로 전달하는 출력유닛;
    상기 출력유닛에 연결되어 그 출력유닛의 작동공간에 작동유체를 안내하는 연결유닛;
    상기 연결유닛의 중간에 결합되어 상기 작동유체의 유동방향을 전환하는 전환유닛;
    상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 제1 압전펌프;
    상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 연결유닛에 의해 상기 출력유닛에 연결되는 동시에 상기 제1 압전펌프에 연결되는 제2 압전펌프; 및
    상기 밸브조립체와 제1 압전펌프 그리고 제2 압전펌프를 제어하는 제어유닛;을 포함하고,
    상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프에는 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 밸브조립체가 구비되는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결유닛은 상기 밸브조립체를 사이에 두고 상기 출력유닛을 상기 제1 압전펌프 및 제2 압전펌프와 연결하는 복수 개의 메인 연결관과, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프 사이를 연결하는 서브 연결관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치.
  10. 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 전환유닛을 통해 한 개의 출력유닛에 연결되며, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프에 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 밸브조립체가 구비되는 집적형 하이브리드 구동장치에서,
    상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 동일한 위상을 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치의 운전방법.
  11. 제1 압전펌프와 제2 압전펌프가 작동가스의 유동방향을 전환하는 밸브조립체를 통해 한 개의 출력유닛에 연결되며, 상기 제1 압전펌프와 제2 압전펌프에 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 밸브조립체가 구비되는는 집적형 하이브리드 구동장치에서,
    상기 제1 압전펌프의 운전주기와 상기 제2 압전펌프의 운전주기가 180도의 위상차를 가지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 집적형 하이브리드 구동장치의 운전방법.
KR1020160158567A 2016-11-25 2016-11-25 밸브조립체 및 이를 구비한 집적형 하이브리드 구동장치 및 이의 운전방법 KR101878153B1 (ko)

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