KR20190047277A

KR20190047277A - Epm 스위칭 방식 전자제어밸브

Info

Publication number: KR20190047277A
Application number: KR1020170140969A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-08

Abstract

본 발명은 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 스위칭방식 전자제어밸브에 관한 것으로, 자기밀도는 같으나 보자력이 다른 두 개의 영구자석의 보자력 차이를 이용하여, 상대적으로 보자력이 아주 약한 영구자석에 코일을 감아 전류를 흘려 자극을 바꾸는 스위치로 동작 하게하여 자기장을 ON/OFF 하는 원리에 의해 밸브의 잠김과 열림을 제어하는 것이다.

Description

EPM 스위칭 방식 전자제어밸브{ Electric control valve use by Switchable EPM(Electro-Permanent Magnetic) }

본 발명은 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 스위칭방식 전자제어밸브에 관한 것이다.

일반적으로 코아에 코일을 감아 코일에 전류를 흘려서 자기장을 발생시켜, 전류제어에 의해 자기장 ON/OFF를 제어하는 방법으로 밸브의 잠김과 열림을 제어한다.

그러나, 본 발명은 자기밀도는 같으나 보자력이 다른 두 개의 영구자석의 보자력 차이를 이용하여, 상대적으로 보자력이 아주 약한 영구자석에 코일을 감아 전류를 흘려 자극을 바꾸는 스위치로 동작 하게하여 자기장을 ON/OFF 하는 원리에 의해 밸브의 잠김과 열림을 제어하는 것이다.

물, 공기, 기름 등의 유체의 흐름을 전자적으로 제어하는 솔레노이드 밸브가 가정용 전자기기 뿐 아니라 산업용으로 광범위하게 사용되는데, 솔레노이드 밸브란 솔레노이드 코일을 이용한 전자밸브로 코일에 전기가 흐르면 코일이 끼워져 있던 봉 부분인 마그네틱 코아가 전자석으로 바뀌게 되고 이로 인해 밸브의 유로부분을 막고 있던 플런저가 자력으로 인해 들려지면서 유체가 흐르게 된다.

솔레노이드 밸브에 있어서, 코일에서 발생하는 자기력에 의해 작동하여 유체의 흐름을 제어할 수 있도록 하는 자성재질의 플런저가 선반에 의한 기계가공으로 제조되었던 것으로, 봉형상의 쾌삭강을 선반에 물려 플런저의 형태로 일일이 절삭가공함에 따라 생산성이 저하되고 대량생산에 어려움이 있다.

또한, 연자성이 좋은 순철 재질 원재료를 절삭 가공하여 플런저를 생산할 경우, 가공 과정에서 발생하는 열과 냉각조건에 따라 연자기 특성(연자성)이 악화되는 문제가 있고 내구성도 약하여 플런저를 사용하는 솔레노이드 밸브에서의 유출구 제어 압력이 시간이 지나면서 초기에 비해 변화되는 양상을 보인다.

밸브의 개폐가 오일 압력 및 온도와는 무관하게 고속으로 이루어 질 수 있는 고속 솔레노이드밸브(한국공개특허 10-2014-0079627)에 관한 종래 공지된 기술에서 언급한 바는, 솔레노이드 밸브의 코일에 전류가 흐르지 않으면, 자장이 형성되지 않기 때문에 높은 오일압에 의해 밸브가 역으로 가압 받으면서 스프링의 기계적인 힘만으로 유로를 폐쇄하기 때문에, 전류를 OFF하여 밸브를 닫는 성능은 오일압력 및 온도의 영향에 의해 느릴 수 밖에 없다. 플런저에 영구자석을 삽입하는 안을 제안하고 있다.

가정용, 사무용기기용 뿐 아니라 산업용에 다양하게 적용하고 있는 솔레노이드밸브에서의 고전류에 의해 솔레노이드코일에서 생성되는 자장의 세기만으로 밸브의 개폐를 제어하면서 생기는 약한 자기장의 세기와 열과 소음, 고전류의 문제와 코일에서 발생하는 자기력에 의해 작동하여 유체의 흐름을 제어할 수 있도록 하는 자성재질의 플런저의 가공상의 어려움에 따른 제작비용 상승 및 성능저하 문제와 약한 자기장의 세기로 인해 밸브 OFF시 유체경로를 폐쇄하기 위한 스프링도 힘이 약할 수 밖에 없어, 오일압력 및 온도의 영향에 따라 밸브 OFF 성능이 느려지는 단점으로 인해 고속 솔레노이드밸브 제작에 어려움이 있다.

본 발명은 코아에 코일을 감아 코일에 전류를 흘려서 자기장을 발생시키는 것이 아니라, 자기밀도는 같으나 보자력이 다른 영구자석의 보자력 차이를 이용하여, 보자력이 작은 영구자석에 코일을 감아 자극을 바꾸는 스위치로 동작하게 하여 자기장을 ON/OFF 시키는 방법으로 밸브의 개폐를 제어한다.

자기밀도가 매우 높은 두 개의 영구자석 중 보자력이 약한 영구자석을 스위치로 사용하여, 자기장을 제어하는 방법을 사용하기 때문에 아주 작은 전류로 제어할 수 있으면서도 높은 자기밀도에 의해 기기의 소형화와 저전력화가 가능해져, 다양한 분야에 다양한 형태의 전자제어밸브를 제공할 수 있다.

본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브는 한 실험에 의하면, 0.2g의 EPM 디바이스의 최대 홀딩력이 4.4N, 5mJ의 에너지를 사용하여 300usec의 스위칭 속도를 보여준다. 또한, 전원이 OFF된 상태에서도 EPM은 밸브 ON/OFF 상태를 유지할 수 있다.

본 발명의 EPM(Electro-Permanent Magnetic) 스위칭 방식 전자제어밸브는 현재의 솔레노이드밸브의 문제점을 해결하여 초소형화, 저전력소비 등이 가능해져 가정용, 사무용 뿐 만 아니라, 가전분야, 설비, 발전소 등 다양한 산업분야에 광범위하게 적용될 수 있다.

도1. 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 개념도.
도2. 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 시스템 구성도
도3. 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 다른 실시 예
도4. 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 또 다른 실시 예

도1은 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 개념도 이다.

본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브의 밸브모듈(100)은 하우징(101)내에 두 개의 자극단자(124,125) 사이에 하드자기코아(123)과 자기밀도는 같으나 상대적으로 보자력이 아주 약한 세미하드자기코아(121)에 코일(122)을 감아, 코일(122)에

전류를 흘려 역자기장을 만들어 세미하드자기코아(121)의 자기방향을 바꾸어, 자기장을 ON/OFF하는 자기스위치로 사용한다.

여기서, 하드자기코아(123)는 네오디움(NdFeB) 영구자석을 사용하고, 세미하드자기코아(121)는 알니코(AlNiCo) 영구자석을 사용한다.

네오디움(NdFeB) 영구자석과 알니코(AlNiCo) 영구자석은 같은 잔류자기밀도(약 1.3T)를 가지고 있으나, 네오디움(NdFeB) 영구자석의 순수 보자력(Coercivity)이 1120kA/m 인데 반해, 알니코(AlNiCo)는 50kA/m의 아주 낮은 보자력을 갖는다.

따라서, 알니코(AlNiCo)영구자석인 세미하드자기코아(121)에 코일(203)을 감아, 세미하드자기코아(121)의 자기장 방향과 반대 방향으로 전류를 흘려 자기장을 발생시키면 극성를 바꿀 수 있고, 이런 성질을 이용하여 세미하드자기코아(121)를 스위치로 활용하여 자기장을 ON/OFF 하는 방법으로 밸브의 개폐동작을 제어할 수 있다.

이렇게 함으로서, 아주 작은 전류로도 큰 자기장밀도를 갖는 자기장을 발생 시킬 수 있고, 이로 인해 밸브모듈(100)의 저전력화, 초소형화가 가능하다.

도1의 (a),(b)는 코일(122)에 전류가 인가될 때, 밸브의 유로가 열리는 밸브모듈(100)이고, 도1의 (c),(d)는 전류가 인가될 때, 밸브의 유로가 폐쇄되는 밸브모듈(100)을 나타낸다.

상세한 구조를 보면, 하우징(101) 내부에 자기코아모듈(120)과 전자제어회로부 회로기판(102), 밸브개폐봉헤더(103)이 설치되어 있고, 유체입구(109)와 유체출구(110)사이의 유체경로상에 밸브몸체(108)이 설치되고, 밸브몸체(108)내의 유체경로를 개폐하는 밸브개폐봉(107)과 하우징(101)내의 밸브개폐봉헤더(103)이 스프링(106)이 설치된 로드(105)에 연결된다.

두 개의 자극단자(124, 125)사이에 하드자기코아(123)와 세미하드자기코아(121)가 설치되고, 코일(122)이 감긴 자기코아모듈(120)이 구성되고, 두 개의 자극단자(124,125)가 밸브개폐봉헤더(103)가 마주보게 설치된다.

도1의 (a)는 자기코아모듈(120)의 두 개의 자기코아의 자기극성이 반대 방향으로 설치되어, 자기장은 자기코아모듈(120) 내부에 갇혀서, 외부로의 자기장은 OFF 상태가 되어, 밸브개폐봉헤더(103)와 로드(105)로 연결된 밸브개폐봉(107)이, 스프링힘에 의해 유체경로를 폐쇄한다. 코일(122)에 전류가 흐르면 밸브개폐봉헤더(103)과 두 개의 자극단자(124,125) 사이에 자기장에 의한 인력이 작용하여 스프링(106)의 힘을 이기고 밸브개폐봉(107)을 들어올려 도1의 (b)에서 보는 바와 같이 유체경로를 열게된다.

도1의 (c)는 자기코아모듈(120)의 두 개의 자기코아의 자기극성이 같은 방향으로 설치되어, 전류가 OFF 된 상태에서도, 외부로의 자기장은 ON 상태가 되어, 유체경로가 열린다. 코일(122)에 전류가 흐르면, 도1 (d)에서와 같이 유체경로가 폐쇄된다.

일반적인 솔레노이드 밸브와 같이 전류가 흘러 자기장이 발생해야만 밸브가 열리는데 반해, 본 발명의 전자제어밸브는 전류가 흐르지 않는 상태에서도 유체경로의 개폐 상태를 유지할 수 있다.

도2는 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 시스템 구성도 이다.

본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브는 밸브모듈(100)로 펄스전류를 인가하기 위한 펄스전류발생회로(212), 전원부(215)로 부터의 전원을 승압하여 펄스전류발생회로(212)로 공급하는 전원승압회로(216), 외부와의 유무선 통신을 통해 제어신호를 송수신 하기위한 유무선통신부(214), 저장부(117)에 저장되어 있는 프로그램을 실행하여 상기 회로들을 연산, 제어처리하는 제어연산처리부(211)로 전자제어회로부(210)를 구성한다.

유무선통신부(214)의 유선통신은 LAN이나 RS232와 같은 시리얼통신 등이 될 수 있고, 무선통신은 NFC, WiFi,블루트스 등 이 될 수 있다.

전원부(215)는 자체 배터리를 내장하거나 외부단자(218)로 부터의 외부전원이나 밸브 ON/OFF 신호를 전원으로 사용할 수 있다.

밸브모듈(100)내에 설치된 스위치(111)로 부터 밸브의 개폐 여부를 센싱할 수 있다.

전자제어회로부(210)은 밸브모듈(100)의 전자제어회로부 회로기판(102)에 형성되어 밸브모듈(100)내에 내장될 수 있다.

이 경우, 전자제어회로부 회로기판(102)의 그라운드는 밸브모듈(100)의 밸브몸체(108)로 접지할 수 있다.

도3은 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 다른 실시 예이다.

두 개의 자극단자(324,325)사이에 코일(322)이 감긴 하드자기코아(323)와 세미하드자기코아(321)가 설치되고, 두 개의 자극단자(324, 325) 중 한 측(325)이 밸브개폐봉헤더(303)가 마주보는 형태로 구성되어 하우징(301) 내부에 설치된다.

코일(322)이 두 개의 자기코아(321,323)에 감겨, 전류가 흘러도 하드자기코아(323)는 보자력이 매우 커서 영향을 받지않고, 세미하드자기코아(321)만 자극이 바뀌는 스위치로 동작하여 자기장 ON/OFF에 의해 밸브 개폐를 제어하게 된다.

도3의 (a),(b)는 코일(322)에 전원이 흐르지 않는 상태에서 유체경로가 폐쇄된 상태로 있는 경우이고, 도3의 (c),(d)는 코일(322)에 전원이 흐르지 않는 상태에서 유체경로가 형성되어 있는 경우이다.

도4는 본 발명의 EPM 스위칭 방식 전자제어밸브 또 다른 실시 예이다.

본 발명의 경우는 두 개의 전극단자(424,425)에 코일(422)이 감긴 세미하드자기코아(421)이 위치하고, 도3의 밸브개폐봉(303) 부분이 두 개의 전극단자(424’,425’)사이에 하드자기코아(423)이 설치되어 두 개의 전극단자중 한측(424’)이

로드에 연결되고, 타측(425’)이 상단의 세미하드자기코아(421)의 전극단자(425)와 마주보는 형태로 설치되어 있다.

도4의 (a),(b)는 코일(422)에 전류가 흐를때 상단의 세미하드자기코아(421)의 극성이 바뀌어 두 개의 자기코아(421,423) 사이에 인력이 작용하여 유체경로를 열게 된다.

도4의 (c),(d)는 코일(422)에 전류가 흐를때 두 개의 자기코아(421, 423) 사이에 척력이 작용하여 유체경로를 폐쇄하게 된다.

100 : 밸브모듈
101,301,401 : 하우징
102 : 전자제어회로부 회로기판
103,303 : 밸브개폐봉헤더
104 : 바디접지
105 : 로드
106 : 스프링
107 : 밸브개폐봉
108 : 밸브몸체
109 : 유체입구
110 : 유체출구
111 : 밸브개폐센서
120 : 자기코아모듈
121,321,421 : 세미하드자기코아
122,322,422 : 코일
123,323,423 : 하드자기코아
124,125,324,325,424,424’,425,425’ : 자극단자
200 : 전자제어밸브시스템
210 : 전자제어 회로부
218 : 전원단자

Claims

두 개의 자극단자 사이에 하드자기코아와 상대적으로 보자력이 약한 세미하드자기코아를 위치시키고, 코일을 감아 코일에 흐르는 전류에 의해 세미하드자기코아의 자극방향을 바꾸는 방법에 의해 자기장 ON/OFF를 제어하여 밸브의 유체의 흐름을 제어함을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 1항에 있어서, 두 개의 자극단자 사이의 하드자기코아와 세미하드자기코아의 자기극성을 서로 반대방향으로 위치시켜, 코일에 전류가 흐를 때 자기장이 ON 상태가 되어, 유체경로가 형성됨을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 1항에 있어서, 두 개의 자극단자 사이의 하드자기코아와 세미하드자기코아의 자기극성을 같은 방향으로 위치 시켜, 코일에 전류가 흐를 때 자기장이 OFF 상태가 되어, 유체경로가 폐쇄됨을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 1항에 있어서, 자기장 ON/OFF 제어를 위해 자극단자와의 인력과 척력에 의해 움직이는 밸브개폐봉헤더와 자극단자와 하드자기코아, 세미하드자기코아, 코일로 구성된 자기코아모듈이 내부에 설치된 하우징;과
유체입구와 유체출구 사이의 유체경로를 개폐하는 밸브개폐봉과 밸브개폐봉과 밸브개폐봉헤더를 연결하는 로드와 로드에 설치된 스프링을 포함하여 유체경로상에 설치된 밸브몸체;

상기와 같이 하우징과 밸브몸체가 결합되어 밸브모듈을 구성함을 특징으로 하는
전자제어밸브.
청구항 4항에 있어서, 두개의 자극단자가 밸브개폐봉헤더와 마주보도록 두 개의 자기코아를 평행하게 설치한 자기코아모듈을 구비함을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 4항에 있어서, 두 개의 자기코아가 밸브개폐봉헤더와 수직이 되도록 설치되어 두 개의 자기코아 양단의 자극단자 중 하나가 밸브개폐봉헤더와 마주보도록 설치된 자기코아모듈을 구비함을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 1항에 있어서,

코일에 펄스전류를 공급하는 펄스전류발생회로;와
전원부로 부터의 전원을 승압해서 펄스전류발생회로에 인가하는 전원승압회로;와
프로그램을 실행하는 중앙 처리부인 제어연산처리부를 포함하여 전자제어회로부를 구성함을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 7항에 있어서, 외부로부터의 밸브제어신호를 전원으로 활용하는 전원부를 구비함을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 7항에 있어서, 유무선통신부를 더 구비하여 외부와 제어신호를 송수신함을 특징으로 하는 전자제어밸브.
청구항 4항에 있어서, 두 개의 자극단자 사이에 코일이 감긴 세미하드자기코아로만 구성된 자기코아모듈과, 두 개의 자극단자 사이에 하드자기코아가 위치하고, 자극단자 한측이 로드와 연결되고, 타 측은 자기코아모듈의 자극단자 한 측을 마주보도록 구성한 밸브개폐봉헤더를 구비함을 특징으로 하는 전자제어모듈.