KR20230055570A - 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템 - Google Patents

작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 관한 것으로서, 내부에 작동유체를 밀폐시켜 보관할 수 있도록 형성되는 가압식탱크와, 상기 가압식탱크와 연결되며 외부 공기를 압축시켜 공급하여 상기 가압식탱크 내부 압력을 일정하게 유지시키는 가압유닛과, 상기 가압식탱크 내부와 연결되어 구동유닛의 구동상태에 따라 상기 가압식탱크에 저장된 상기 작동유체를 흡입하기 위한 흡입관로와, 상기 가압식탱크 내부와 연결되어 상기 구동유닛의 구동상태에 따라 배출되는 상기 작동유체가 상기 가압식탱크로 유입되도록 하는 귀환관로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템{Tank pressurization system to prevent cavitation of working fluid}
본 발명은 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 작동유체가 저장된 탱크의 압력을 대기압 이상으로 증가시켜 작동유체가 공급될 때 고속으로 작동되는 구동장치에 의한 토출유량 감소, 진동 및 소음 발생을 감소시킬 수 있는 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템을 제공하는 것이다.
일반적으로 작동유체는 공작기계, 산업기계, 차량 및 항공기 등의 각종 유압장치의 동력을 전달하기 위한 매체로 널리 사용되고 있으며, 작동유체는 파스칼의 원리에 의해서 힘을 확대할 수 있는 점을 이용하고 있다.
도 1은 일반적으로 사용되고 있는 기존의 대기압탱크(10)를 나타낸 것으로, 내부에는 구동유닛(20)을 작동시키기 위한 작동유체가 저장되어 있고 상부에는 외부 대기가 자유롭게 출입할 수 있도록 홀이 형성되어 있다.
이 홀에는 에어브리더(11)가 결합되어 외부 공기가 유입되어 탱크 내부 압력이 대기압 상태로 유지되도록 구성하고 있다.
또한 대기압탱크(10)는 구동유닛(20)과 연결되어 구동유닛(20)의 작동에 의해 내부에 저장된 작동유체를 구동유닛(20)으로 공급하거나 누설 또는 작동에 의해 배출된 작동유체를 저장할 수 있도록 형성되어 있다.
그러나 대기압탱크(10)의 경우 구동유닛(20)의 펌프, 유압모터, 실린더(40) 등에 공급된 작동유체는 액체상태를 유지하지 못하고 기체상태로 변화하는 공동화(cavitation) 현상이 발생하는 가능성이 높은 문제점이 있었다.
특히 펌프를 구동하는 모터의 속도가 4000 rpm 이상으로 매우 높은 경우에는 펌프 흡입부의 압력이 대기압력 이하로 과도하게 떨어질 수 있으며, 흡입부의 압력이 상온 상태의 액체가 더 이상 액체 상태로 존재하지 못하고 기체 상태로 변화하게 되는 경계 압력인 증기압 이하로 저하할 경우에 이러한 공동화 현상이 발생된다.
이러한 펌프 흡입부 공동화 현상은 오일을 사용하는 유압 펌프보다 물을 사용하는 물 펌프의 경우에 더 공동화 발생 가능성이 더 높으며, 펌프 흡입부에서 공동화 현상이 발생하면 토출 유량이 감소하고, 진동과 소음 등이 발생된다.
펌프 흡입부 이외에도 다양한 경우에 공동화 현상이 발생하게 되는데, 예를 들어 도 2의 유압모터브레이크 회로에서 브레이크가 작동될 때 유압모터는 펌프처럼 작동하는데, 이러한 펌프 작동에서 흡입이 일어나는 체크밸브(30) 인근 부위에서 공동화 현상이 발생될 수 있다.
또 다른 예로서 도 3의 전기-정유압 액추에이터(electro-hydrostatic actuator)의 경우 실린더(40)의 한 쪽 방향으로만 피스톤로드(41)가 존재하게 되는데, 실린더(40)가 작동될 때 실린더(40) 양 쪽의 유량은 불균형이 발생되며, 이로 인해 대기압탱크(10)로부터 체크밸브(30) 인근 부위로 작동유체 공급이 원활하지 못하여 공동화 현상이 발생할 가능성이 높다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 작동유체가 저장되는 탱크 내부 압력을 증가시켜 고속 작동에 의한 공동화 현상을 방지시킬 수 있는 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 공동화 방지가 가능하여 고속회전이 필요한 항공기 또는 전기자동차의 유압장치에 적용하여 유압장치의 출력 용량을 높일 수 있는 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 현재 사용되고 있는 중장비 또는 이와 관련된 유압장치에 호환하여 설치 및 사용이 가능한 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템은 내부에 작동유체를 밀폐시켜 보관할 수 있도록 형성되는 가압식탱크와, 상기 가압식탱크와 연결되며 외부 공기를 압축시켜 공급하여 상기 가압식탱크 내부 압력을 일정하게 유지시키는 가압유닛과, 상기 가압식탱크 내부와 연결되어 구동유닛의 구동상태에 따라 상기 가압식탱크에 저장된 상기 작동유체를 흡입하기 위한 흡입관로와, 상기 가압식탱크 내부와 연결되어 상기 구동유닛의 구동상태에 따라 배출되는 상기 작동유체가 상기 가압식탱크로 유입되도록 하는 귀환관로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템은 상기 가압식탱크의 일측에 독립적으로 형성되며 상기 구동유닛으로부터 누설된 상기 작동유체를 수용할 수 있도록 형성되며 내부 압력이 대기압으로 유지되는 대기압탱크와, 상기 가압식탱크와 상기 대기압탱크를 서로 연결하여 상기 대기압탱크에 저장된 상기 작동유체를 상기 가압식탱크로 공급하는 순환유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템의 상기 가압유닛은 가압모터의 회전력에 의해 작동되어 외부 공기를 가압하는 압축기와, 상기 압축기로부터 가압된 공기를 저장하는 공기탱크와, 상기 가압식탱크 상부에 연결되어 상기 공기탱크에 저장된 가압된 공기를 공급하는 가압관로와, 상기 가압관로에 형성되며 상기 가압식탱크 내부 압력을 측정하는 압력계와, 상기 가압관로에 형성되며 상기 가압식탱크 내부 압력에 따라 상기 공기탱크에 저장된 가압된 공기를 공급하거나 상기 가압식탱크 내부 공기를 배출하여 압력을 조절하는 압력조정기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템의 상기 순환유닛은 상기 대기압탱크와 상기 가압식탱크에 각각 연결되어 있는 순환배관과, 상기 순환배관에 형성되며 순환모터의 회전력에 의해 상기 대기압탱크에 저장된 상기 작동유체를 흡입하여 상기 가압식탱크로 공급하는 순환펌프와, 상기 대기압탱크 내부에 형성되어 상기 대기압탱크 내부에 저장된 상기 작동유체의 수위를 측정하여 상기 순환펌프를 작동시키는 수위센서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템의 상기 대기압탱크 내부와 연결되어 구동 중 누설되는 상기 작동유체를 상기 대기압탱크로 유입되도록 하는 누설관로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템의 상기 가압식탱크의 상부에 탈부착 되도록 형성되며 탈착된 상태에서는 상기 가압식탱크 내부에 상기 작동유체를 보충하거나 점검할 수 있도록 형성되고 부착된 상태에서는 상기 가압식탱크를 밀폐시키는 밀폐식캡과, 상기 대기압탱크의 상부에 형성되며 외부 공기가 유입되거나 내부 공기가 배출되도록 형성되어 있어 내부 압력을 대기압상태로 유지시키는 에어브리더를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 의하면, 작동유체가 저장되는 탱크 내부 압력을 증가시켜 고속 작동에 의한 공동화 현상을 방지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 의하면, 공동화 방지가 가능하여 고속회전이 필요한 항공기 또는 전기자동차의 유압장치에 적용하여 유압장치의 출력 용량을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 의하면, 현재 사용되고 있는 중장비 또는 이와 관련된 유압장치에 호환하여 설치 및 사용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 대기압 탱크와 구동유닛의 연결관계를 나타낸 도면.
도 2는 유압모터 브레이크 회로를 나타낸 도면.
도 3은 전기-정유압 액추에이터 회로를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템의 가압식탱크의 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압시스템의 압력조정기의 동작을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템의 가압식탱크와 대기압탱크를 함께 병행하여 사용되는 모습을 나타낸 도면.
도 7은 유압모터 구동용 폐회로 시스템에 적용된 브레이크회로를 나타낸 도면.
도 8은 대형 유압 프레스의 유량 제어 회로를 나타낸 도면.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 작동유체가 저장된 탱크의 압력을 대기압 이상으로 증가시켜 작동유체가 공급될 때 고속으로 작동되는 구동장치에 의한 토출유량 감소, 진동 및 소음 발생을 감소시킬 수 있는 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템을 제공하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 작동유체(L)의 공동화 현상을 방지하기 위한 가압 시스템의 가압식탱크(100)의 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압시스템의 압력조정기의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 작동유체(L)의 공동화 현상을 방지하기 위한 가압 시스템은 내부에 작동유체(L)를 밀폐시켜 보관할 수 있도록 형성되는 가압식탱크(100)와, 가압식탱크(100)와 연결되며 외부 공기를 압축시켜 공급하여 가압식탱크(100) 내부 압력을 일정하게 유지시키는 가압유닛(200)과, 가압식탱크(100)와 연결되며 작동상태에 따라 작동유체(L)를 흡입 또는 배출하도록 형성되는 구동유닛(300)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 가압식탱크(100)의 상부에 탈부착 되도록 형성되며 탈착된 상태에서는 가압식탱크(100) 내부에 작동유체(L)를 보충하거나 점검할 수 있도록 형성되고 부착된 상태에서는 가압식탱크(100)를 밀폐시키는 밀폐식캡(110)을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
가압식탱크(100)는 내부가 비어 있어 작동유체(L)를 저장할 수 있도록 형성되어 있으며, 가압식탱크(100)는 내부 압력이 대기압 이상으로 가압된 상태를 유지하기 위해 밀폐된 상태로 유지되게 된다.
이때 가압식탱크(100)는 내부에 저장된 작동유체(L)를 공급하거나 점검하기 위해 상부에 홀이 형성되어 있으며 홀에는 밀폐식캡(110)이 결합되어 가압식탱크(100) 내부에 저장된 작동유체(L)나 공기가 외부로 유출되지 않도록 밀폐시킬 수 있게 된다.
밀폐식캡(110)을 이용하여 가압식탱크(100)는 내부가 밀폐된 상태가 되며, 내부에 저장된 작동유체(L)가 구동유닛(300)으로 흡입되면서 내부 압력이 저하되는 경우 가압유닛(200)에 의해 가압된 공기가 유입되면서 가압식탱크(100) 내부를 설정된 압력으로 유지시킬 수 있게 된다.
또한 가압식탱크(100) 내부에 저장된 작동유체(L)의 용량이 부족하거나 작동유체(L)의 점도 또는 품질을 확인하기 위하는 경우 밀폐식캡(110)을 가압식탱크(100)로부터 분리시킨 후 작동유체(L)를 추가로 공급 또는 점검할 수 있게 된다.
또한 작동유체(L)는 액체로 구성되어 있으며 구동유닛(300)이 수압장치로 이루어진 경우 물, 구동유닛(300)이 유압장치로 이루어지는 경우 오일로 사용될 수 있게 된다.
가압유닛(200)은 외부 공기를 고압으로 압축하여 가압된 공기를 밀폐된 가압식탱크(100) 내부로 공급함으로써 가압식탱크(100) 내부의 작동유체(L) 압력을 대기압보다 높이고, 구동유닛(300)의 작동에 따라 가압식탱크(100)의 내부 압력을 증가시켜 작동유체(L)가 구동유닛(300)으로 흡입될 때 또는 구동유닛(300)이 구동될 때 압력이 저하되는 것을 방지하여 공동화가 발생되지 않도록 방지하게 된다.
가압유닛(200)은 기본적으로 외부 공기를 압축하여 공급하도록 구성되어 있으나 필요에 따라 불활성 기체를 압축시켜 가압식탱크(100) 내부로 공급할 수도 있으며, 본 발명에서는 공기를 기준으로 설명하기로 한다.
또한 가압유닛(200)은 가압모터(213)의 회전력에 의해 작동되어 외부 공기를 가압하는 압축기(210)와, 압축기(210)로부터 가압된 공기를 저장하는 공기탱크(220)와, 가압식탱크(100) 상부에 연결되어 공기탱크(220)에 저장된 가압된 공기를 공급하는 가압관로(250)와, 가압관로(250)에 형성되며 가압식탱크(100) 내부 압력을 측정하는 압력계(240)와, 가압관로(250)에 형성되며 가압식탱크(100) 내부 압력에 따라 공기탱크(220)에 저장된 가압된 공기를 공급하거나 가압식탱크(100) 내부 공기를 배출하여 압력을 조절하는 압력조정기(230)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
가압유닛(200)은 가압식탱크(100) 상부에 형성되어 있으며, 압축된 공기를 가압식탱크(100) 상부에 공급함으로써 가압식탱크(100) 내부에 저장된 작동유체(L)가 주입된 압축공기에 의해 가압되어 설정된 압력 상태로 유지될 수 있게 된다.
압축기(210)는 가압모터(213)의 회전력에 의해 동력을 전달받아 외부공기를 흡입하여 고속 고압으로 가압하게 되며, 가압된 공기는 배관을 통해 공기탱크(220)로 공급되어 공기탱크(220)에 저장되게 된다.
이때 공기탱크(220) 내부에 저장된 고압의 공기가 압축기(210)로 역류하는 것을 방지하기 위해 압축기(210)와 공기탱크(220) 사이에는 가압체크밸브(211)가 형성되어 있어 압축기(210)에서 공기탱크(220) 방향으로만 공기가 흐를 수 있도록 형성되고, 공기탱크(220)에서 압축기(210)로는 공기가 흐르지 않도록 방지하는 것이 바람직하다.
가압관로(250)는 일단은 가압식탱크(100) 상부에 연결되고 타단은 공기탱크(220)와 연결되어 있어 공기탱크(220)에 저장된 가압된 공기를 가압식탱크(100) 내부로 이동시킬 수 있게 된다.
이때 가압관로(250)에는 가압식탱크(100) 내부 압력을 측정하기 위한 압력계(240)가 형성되어 있어 가압식탱크(100) 압력을 수치로 확인할 수 있게 된다.
압력조정기(230)는 가압식탱크(100) 내부의 압력이 저하되는 경우 공기탱크(220)에서 가압된 공기를 가압식탱크(100)로 공급하거나 가압식탱크(100)의 내부 압력이 설정된 압력보다 큰 경우 가압식탱크(100) 내부의 공기를 외부로 배출시켜 가압식탱크(100) 내부 압력을 일정하게 유지하기 위해 사용된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 압력조정기(230)는 자동으로 가압식탱크(100) 내부 압력에 따라 가압식탱크(100) 내부로 공기를 공급하거나 가압식탱크(100) 내부 공기를 외부로 배출시킬 수 있게 된다.
압력조정기(230)는 직동형 감압 밸브로 구성될 수 있으며, 상부에는 설정압력을 조정하기 위한 핸들(2321)이 형성되어 있으며, 핸들(2321)의 회전에 따라 내부에 형성된 조절스프링(2322)의 탄성력을 조절할 수 있게 된다.
압력조정기(230) 내부 상단에는 가압식탱크(100) 내부 압력이 설정된 압력 이상이 되면 가압식탱크(100) 내부 공기를 외부로 배출시키는 릴리프밸브(232)와, 내부 하단에 형성되어 가압식탱크(100)의 압력이 저하되면 공기탱크(220)에 저장된 압축공기를 공급하는 감압밸브(231)를 포함하고 있다.
이때 공기탱크(220)와 연결된 부위를 1차측이라 하고, 가압식탱크(100)와 연결된 부위를 2차측이라 칭한다.
핸들(2321)이 완전히 풀려져 있어 조절스프링(2322)이 압축되지 않은 상태에서는 1차측에 들어간 공기는 감압밸브에 의해 2차측으로 통하는 통로가 닫히므로 통과하지 못하고 1차측에 머물게 된다.
여기서 핸들(2321)을 돌려 조절스프링(2322)을 압축하여 설정 압력을 조절하면 조절스프링(2322)에서 발생하는 힘이 다이어프램(2323)을 통해 감압밸브(231)의 스템(2311)을 아래로 밀어 통로를 개구시킬 수 있게 된다.
감압밸브(231)가 개방됨에 따라 1차측의 공기가 2차측으로 유입될 수 있게 되며 이때 다이어프램(2323)의 아래면에 2차압이 발생되면서, 다이어프램(2323)에는 조절스프링(2322)에 대항하는 힘이 발생하게 된다.
즉, 감압밸브(231)는 핸들(2321)에 의해 상시 개방된 상태가 되며, 2차측에 형성된 가압식탱크(100)의 압력이 핸들(2321)에 의해 가압된 조절스프링(2322)의 압축력보다 높아지면 2차측 공기가 다이어프램(2323)을 상부로 가압하면서 감압밸브(231)에 형성된 스템(2311)과 다이어프램(2323)이 서로 분리되어 공기가 릴리프밸브(232)의 배기구(2324)를 통해 외부로 배출될 수 있게 된다.
또한 가압식탱크(100) 내부 압력이 증가되어 다이어프램(2323)이 상부로 상승되면 감압밸브(231)의 스템(2311)은 하부에 형성된 지지스프링(2312)에 의해 상승되어 1차측과 2차측을 연결하는 통로를 닫아 공기탱크(220)에서 공기가 배출되지 않도록 방지할 수 있게 된다.
또한 가압유닛(200)에는 가압모터(213)를 자동으로 작동하기 위해 압력에 따라 스위칭 되는 압력스위치(212)를 더 포함하며, 압력스위치(212)는 공기탱크(220) 내부 압력이 설정 압력보다 낮은 경우 압력 변화에 따라 스위치의 접점이 켜짐 상태로 유지되어 가압모터(213)를 자동으로 작동시키게 된다.
구동유닛(300)은 수압장치 또는 유압장치로 구성되어 있으며 산업현장에서 사용되는 작동에 따라 그 구성이 상이하므로 생략하기로 하며, 가압식탱크(100)와 연동되는 부위만 설명하기로 한다.
구동유닛(300)은 가압식탱크(100) 내부와 연결되어 구동상태에 따라 가압식탱크(100)에 저장된 작동유체(L)를 흡입하기 위한 흡입관로(320)와, 가압식탱크(100) 내부와 연결되어 구동상태에 따라 배출되는 작동유체(L)가 가압식탱크(100)로 유입되도록 하는 귀환관로(330)와, 가압식탱크(100) 내부와 연결되어 구동 중 누설되는 작동유체(L)를 가압식탱크(100)로 유입되도록 하는 누설관로(340)로 이루어져 있다.
흡입관로(320)는 구동유닛(300)에서 필요한 작동유체(L)를 가압식탱크(100)로부터 공급하기 위해 사용되는 것으로, 흡입관로(320)에는 작동유체(L)를 흡입하여 배출하기 위한 공급펌프(310)가 마련되어 있고, 공급펌프(310)는 구동모터(311)와 연결되어 구동모터(311)의 동력에 의해 작동되게 된다.
흡입관로(320)를 통해 구동유닛(300)으로 공급되는 작동유체(L)는 구동유닛(300)의 작동에 따라 귀환관로(330)를 통해 다시 가압식탱크(100)로 유입되게 된다.
또한 일부 작동유체(L)의 경우 구동유닛(300)이 작동될 때 누설되는 작동유체(L)는 구동유닛(300)에 형성된 누설관로(340)를 통해 가압식탱크(100) 내부로 유입될 수 있게 된다.
즉, 작동유체(L)는 흡입관로(320), 귀환관로(330), 누설관로(340)를 통해 가압식탱크(100)에서 구동유닛(300)으로 공급되거나 구동유닛(300)에서 가압식탱크(100)로 배출되어 순환하게 된다.
이때 누설관로(340)는 가압식탱크(100) 내부로 직접 연결되는 것이 아닌 귀환관로(330)에 연결되도록 하여 귀환관로(330)를 통해 누설된 작동유체(L)가 가압식탱크(100)로 유입되도록 구성할 수도 있다.
이하 가압식탱크(100)의 작동원리에 대해 설명하기로 한다.
가압식탱크(100) 내부의 압력이 대기압인 초기 상태에서 공기탱크(220)의 공기 압력이 압력스위치(212)의 설정 압력보다 낮은 상태이면 스위치 접점이 켜짐(ON) 상태로 유지되며, 가압모터(213)가 구동되어 압축기(210)를 가동하여 공기를 압축하며, 압축된 공기를 공기탱크(220) 쪽으로 공급한다.
가압체크밸브(211)는 공기탱크(220)로부터 압축기(210) 방향으로 공기가 역류하는 것을 방지하게 되며, 압축공기가 누적 충진됨에 따라 공기탱크(220)의 압력이 상승하게 되며, 압력이 압력스위치(212)에 설정된 압력에 도달하였을 때 압력스위치(212)가 꺼짐(OFF) 접점 상태로 전환하게 되어 가압모터(213)의 작동이 멈추고 압축기(210)도 멈추게 된다.
공기탱크(220) 내부의 압축공기가 압력조정기(230)를 통하여 가압식탱크(100) 쪽으로 배출하게 되는데, 이러한 작동 과정 중에 공기탱크(220)의 내부 공기압이 압력스위치(212)의 설정 압력 이하로 낮아지면 다시 압력 스위치 접점은 켜짐 상태로 전환하며, 가압모터(213)가 구동되고 압축기(210)가 가동하는 상태를 반복하게 된다.
이러한 작동을 되풀이하면서 공기탱크(220)의 압력이 압력스위치(212)의 높은 설정압력과 낮은 설정압력의 사이의 값으로 유지된다.
압력조정기(230)의 설정 압력이 공기탱크(220) 내부의 압력 이하로 설정된 상태에서 공기탱크(220) 내부의 압축 공기가 압력조정기(230)를 통과하여 가압식탱크(100) 내부로 유입되면서, 가압식탱크(100) 내부의 압력이 상승하게 된다.
가압식탱크(100) 내부의 압력이 압력조정기(230)의 설정 압력에 도달하면 압력조정기(230) 내부의 감압밸브(231)가 닫히고, 가압식탱크(100) 내부로 압축공기의 유입이 차단되며 압력이 일정하게 유지된다.
구동유닛(300)의 구동모터(311)가 작동하면 공급펌프(310)가 연동되어 가압식탱크(100) 내부의 작동유체(L)가 흡입관로(320)로 흐르게 되며, 이와 연동되어 귀환관로(330)를 통하여 이전에 공급된 작동유체(L)가 가압식탱크(100) 내부로 유입하게 된다.
또한 구동유닛(300)의 종류에 따라 공급된 작동유체(L)의 일부가 누설관로(340)를 통하여 가압식탱크(100) 내부로 유입되는 경우도 존재한다.
흡입관로(320)의 유량이 귀환관로(330)의 유량에 누설관로(340)의 유량을 합한 유량보다 큰 경우에는 가압식탱크(100) 내부의 액체 부피가 감소하며 이로 인해 가압식탱크(100) 내부 압력도 낮아진다.
이 경우에 압력조정기(230) 내부의 감압밸브(231)가 열리고 압축 공기가 가압식탱크(100) 내부로 유입되면서 가압식탱크(100) 내부 압력이 상승하여 압력조정기(230) 설정압에 이르게 되고, 그 상태로 유지되게 된다.
반대로 흡입관로(320)의 유량이 귀환관로(330)의 유량에 누설관로(340)의 유량을 합한 유량보다 작은 경우에는 가압식탱크(100) 내부의 액체 부피가 증가하면서 가압식탱크(100) 내부 압력이 높아진다.
이 경우에 압력조정기(230) 내부의 릴리프밸브(232)가 열리고, 가압식탱크(100) 내부의 공기가 릴리프밸브(232)에 형성된 배기구멍으로 유출되면서 가압식탱크(100) 내부 압력이 하강하여 압력조정기(230) 설정압에 이르게 되고 그 상태로 유지된다.
이상에서 설명한 작동이 반복되면서 가압식탱크(100) 내부의 압력은 압력조정기(230)의 설정 압력으로 유지되어진다.
상기와 같은 방식으로 구성되는 가압식탱크(100)를 이용하게 되면 펌프 흡입부의 공동화 발생이 우려되는 경우, 펌프보다 크게 낮은 위치에 탱크를 설치해야하는 경우, 차량, 항공기 등의 유압장치에서 적은 무게로 높은 출력을 얻기 위해 8000 rpm 이상으로 펌프 구동용 모터의 회전속도가 매우 높은 경우에 적용이 가능하다.
또한 도 2의 유압모터 브레이크 회로에서 체크밸브(30) 인근부위에서 공동화 현상이 발생될 수 있는데 대기압탱크(10)를 가압식탱크(100)로 변경하는 경우 공동화 현상을 방지할 수 있게 된다.
또한 도 3의 전기-정유압 액추에이터에서 실린더(40)의 한 쪽 방향으로만 피스톤로드(41)가 존재하여 실린더(40) 양 쪽의 유량이 불균형이 발생되게 되는데, 이 경우 대기압탱크(10)로부터 체크밸브(30) 인근부위로 작동유체(L) 공급이 원활하지 못하여 공동화 현상이 발생할 가능성이 높다.
이 경우 대기압탱크(10)를 가압식탱크(100)로 교체함으로써 공동화 현상을 해결할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 작동유체(L)의 공동화 현상을 방지하기 위한 가압 시스템의 가압식탱크(100)와 대기압탱크(400)를 함께 병행하여 사용되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6에 기재된 가압식탱크(100), 가압유닛(200), 구동유닛(300)에 대한 설명은 도 4에서 이미 설명한 것이므로 생략하기로 하며, 추가 또는 변경된 부분에 대해서만 설명하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 작동유체(L)의 공동화 현상을 방지하기 위한 가압 시스템은 가압식탱크(100)의 일측에 독립적으로 형성되며 구동유닛(300)으로부터 누설된 작동유체(L)를 수용할 수 있도록 형성되며 내부 압력이 대기압으로 유지되는 대기압탱크(400)와, 가압식탱크(100)와 대기압탱크(400)를 서로 연결하여 대기압탱크(400)에 저장된 작동유체(L)를 가압식탱크(100)로 공급하는 순환유닛(500)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 대기압탱크(400)의 상부에 형성되며 외부 공기가 유입되거나 내부 공기가 배출되도록 형성되어 있어 내부 압력을 대기압상태로 유지시키는 에어브리더(410)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
구동유닛(300)은 가압식탱크(100) 내부와 연결되어 구동상태에 따라 가압식탱크(100)에 저장된 작동유체(L)를 흡입하기 위한 흡입관로(320)와, 가압식탱크(100) 내부와 연결되어 구동상태에 따라 배출되는 작동유체(L)가 가압식탱크(100)로 유입되도록 하는 귀환관로(330)와, 대기압탱크(400) 내부와 연결되어 구동 중 누설되는 작동유체(L)를 대기압탱크(400)로 유입되도록 하는 누설관로(340)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
구동유닛(300)의 경우 밸브, 모터, 펌프 등의 부품이 대기압상태에서 작동되도록 설계된 경우 가압식탱크(100)의 높은 압력에 누설관로(340)를 연결하게 되면 정상 작동조건을 벗어나 부품의 수명감소 및 오작동이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
이를 위해 대기압탱크(400)를 형성한 후 누설관로(340)를 연결하여 대기압 상태에서 작동되는 부품으로부터 누설되는 작동유체(L)를 회수할 필요성이 있으며, 구동유닛(300)에 형성된 누설관로(340)는 대기압탱크(400)와 연결되게 된다.
대기압탱크(400)는 가압식탱크(100)와 병렬로 설치되며 내부 공간은 독립적으로 분리되어 있으며, 누설관로(340)를 통해 유입되는 작동유체(L)를 임시로 저장한 후 순환유닛(500)을 통해 가압식탱크(100)로 작동유체(L)를 공급하기 위해 사용된다.
이때 대기압탱크(400)는 가압식탱크(100)와 일체형으로 형성된 후 내부에 격벽을 형성시켜 내부 공간만 분리되도록 형성할 수도 있다.
대기압탱크(400)에 연결되는 누설관로(340)는 구동유닛(300)에서 누설된 작동유체(L)를 회수하여 배출하기 위해 사용되는데, 누설된 작동유체(L)의 원활한 회수를 위해 누설관로(340) 및 대기압탱크(400)도 대기압 상태로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 대기압탱크(400)는 대기 공기가 자유롭게 출입할 수 있도록 상부에 홀이 형성되어 있으며, 이 홀에는 공기가 대기압탱크(400) 내부로 유입되거나 외부로 배출시켜 대기압탱크(400)의 압력이 대기압상태로 유지되도록 하는 에어브리더(410)가 형성되게 된다.
에어브리더(410)를 통해 대기압탱크(400)의 내부 압력은 대기압으로 유지될 수 있게 되며 대기압탱크(400)에 저장된 유체가 가압식탱크(100)로 이동될 때에도 에어브리더(410)에 의해 배출된 작동유체(L)만큼 공기가 유입되어 대기압상태로 유지될 수 있게 된다.
순환유닛(500)은 누설관로(340)를 통해 대기압탱크(400) 내부로 유입된 작동유체(L)를 가압식탱크(100)로 배출함으로써 가압식탱크(100)와 연결된 흡입관로(320)를 통해 구동유닛(300)으로 재공급될 수 있도록 하기 위해 사용된다.
이때 순환유닛(500)은 대기압탱크(400)와 가압식탱크(100)에 각각 연결되어 있는 순환배관(513)과, 순환배관(513)에 형성되며 순환모터(512)의 회전력에 의해 대기압탱크(400)에 저장된 작동유체(L)를 흡입하여 가압식탱크(100)로 공급하는 순환펌프(510)와, 대기압탱크(400) 내부에 형성되어 대기압탱크(400) 내부에 저장된 작동유체(L)의 수위를 측정하여 순환펌프(510)를 작동시키는 수위센서(530)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
순환배관(513)은 일단은 대기압탱크(400)의 내부와 연결되고 타단은 가압식탱크(100)의 내부와 연결되어 대기압탱크(400)에 저장된 작동유체(L)가 가압식탱크(100)로 이동될 수 있도록 하는 통로역할을 하게 된다.
이때 작동유체(L)가 이동할 수 있는 동력을 부여하기 위해 순환배관(513)에는 순환펌프(510)가 형성되어 있으며, 순환펌프(510)는 순환모터(512)의 회전력에 의해 구동되어 대기압탱크(400)에 저장된 작동유체(L)를 가압식탱크(100)로 이동시킬 수 있게 된다.
또한 순환배관(513)의 타단에는 순환체크밸브(511)가 형성되어 있어 순환펌프(510)를 통해 대기압탱크(400)로부터 가압식탱크(100) 방향으로만 작동유체(L)가 흐를 수 있도록 형성되어 있어 가압식탱크(100)의 내부 압력에 의한 역류 및 저항을 방지하는 것이 바람직하다.
수위센서(530)는 대기압탱크(400) 내부에 형성되어 있으며 저장된 작동유체(L)의 수위에 따라 순환모터(512)와 연결된 레벨스위치(520)를 작동시켜 대기압탱크(400) 내부 수위가 일정하게 유지되도록 하기 위해 사용된다.
수위센서(530)는 레벨스위치(520)와 연동되어 있으며, 누설관로(340)를 통해 유입되어 저장되는 작동유체(L)의 수위가 설정된 수위보다 낮은 경우에는 레벨스위치(520)가 작동되지 않으며, 설정된 수위보다 높은 경우에는 레벨스위치(520)가 작동되어 순환펌프(510)가 작동될 수 있도록 순환모터(512)에 전원을 공급하게 된다.
즉, 수위센서(530)에 의해 측정된 수위에 따라 순환모터(512)에 의해 순환펌프(510)가 작동되게 되며 대기압탱크(400) 내부에 저장되는 작동유체(L)는 항상 일정한 범위 내에서 수위를 유지할 수 있게 된다.
이하 가압식탱크(100) 및 대기압탱크(400)의 작동원리에 대해 설명하기로 한다.
가압식탱크(100)의 작동원리는 도 4에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 하며, 구동유닛(300)의 누설관로(340)가 대기압탱크(400)로 연결된다는 점만 차이가 있다.
대기압탱크(400)의 수위가 레벨스위치(520)의 상한 수위에 도달하게 되면 레벨스위치(520)의 전기 접점이 변화하면서 순환모터(512)와 순환펌프(510)가 작동하고, 대기압탱크(400) 내부의 작동유체(L)가 가압식 탱크로 이동하고, 대기압탱크(400)의 수위는 낮아진다.
순환모터(512)와 순환펌프(510)가 작동하는 상태에서 대기압탱크(400)의 수위가 레벨스위치(520)의 하한 수위에 도달하게 되면 레벨스위치(520)의 전기 접점이 차단되면서 순환모터(512)와 순환펌프(510)의 작동을 정지하고 대기압탱크(400)의 수위가 더 이상 낮아지지 않는다.
구동유닛(300)에 형성되는 부품들로부터 누설되는 작동유체(L)는 누설관로(340)를 통해 대기압탱크(400)로 유입하며, 대기압탱크(400)의 수위가 서서히 상승하게 된다.
또 다시 대기압탱크(400)의 수위가 레벨스위치(520)의 상한 수위에 도달하게 되면 순환모터(512)와 순환펌프(510)가 작동하고 대기압탱크(400)의 수위가 낮아지는 과정을 반복하면서, 레벨스위치(520)의 하한 수위와 상한 수위의 사이를 유지하게 된다.
도 7은 유압모터 구동용 폐회로 시스템에 적용된 브레이크회로를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 유압모터 구동용 폐회로 시스템의 경우 폐회로에서 누설되는 작동유체(L)를 보충하도록 형성되어 있는데, 누설되는 유체를 보충하는 용도의 보조펌프와 보조펌프의 출구 측에 설치되는 낮은 설정 압력의 릴리프밸브로 이루어지는 회로를 추가해야 하므로 장치 구성 비용이 높아지게 되고, 보조펌프는 출구측 릴리프밸브(232)의 설정압력으로 구동유닛(300)의 작동시간 내내 작동하기 때문에 에너지 손실과 운전비용 손실이 크다.
이러한 문제점을 해결하는 방법으로 보조펌프와 릴리프밸브(232)를 도 4 또는 도 6에 기재된 가압식탱크(100)로 교체함으로써 해결할 수 있으며, 가압식탱크(100)의 압축기(210)는 압력이 낮은 설정 압력에 도달할 때마다 간헐적으로 작동하기 때문에 에너지 손실 비용이 크지 않다.
도 8은 대형 유압 프레스의 유량 제어 회로를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 대형 유압 프레스의 유량 제어 회로에서 금형(W)이 하강하는 동작의 경우 프리필 밸브(prefill valve)(60)를 열어 대기압탱크(10)로부터 작동유체(L)를 공급받게 되는데 실린더(40) 내부로 액체 유입이 원활하기 못하여 공동화 현상이 발생될 수 있다.
이 경우 프리필 밸브 상부에 위치하는 대기압탱크(10)를 가압식탱크(100)로 교체함으로써 해결할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템에 의하면, 작동유체가 저장되는 탱크 내부 압력을 증가시켜 고속 작동에 의한 공동화 현상을 방지시킬 수 있고, 공동화 방지가 가능하여 고속회전이 필요한 항공기 또는 전기자동차의 유압장치에 적용하여 유압장치의 출력 용량을 높일 수 있으며, 현재 사용되고 있는 중장비 또는 이와 관련된 유압장치에 호환하여 설치 및 사용이 가능한 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명은, 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.
L : 작동유체 10 : 대기압탱크
11 : 에어브리더 20 : 구동유닛
21 : 공급펌프 22 : 구동모터
23 : 흡입관로 24 : 귀환관로
25 : 누설관로 30 : 체크밸브
40 : 실린더 41 : 피스톤로드
50 : 보조펌프 60 : 프리필밸브
100 : 가압식탱크 110 : 밀폐식캡
200 : 가압유닛 210 : 압축기
211 : 가압체크밸브 212 : 압력스위치
213 : 가압모터 220 : 공기탱크
230 : 압력조정기 231 : 감압밸브
2311 : 스템 2312 : 지지스프링
232 : 릴리프밸브 2321 : 핸들
2322 : 조절스프링 2323 : 다이어프램
2324 : 배기구 232 : 릴리프밸브
240 : 압력계 250 : 가압관로
300 : 구동유닛 310 : 공급펌프
311 : 구동모터 320 : 흡입관로
330 : 귀환관로 340 : 누설관로
400 : 대기압탱크 410 : 에어브리더
500 : 순환유닛 510 : 순환펌프
511 : 순환체크밸브 512 : 순환모터
513 : 순환배관 520 : 레벨스위치
530 : 수위센서

Claims (6)

  1. 내부에 작동유체를 밀폐시켜 보관할 수 있도록 형성되는 가압식탱크와;
    상기 가압식탱크와 연결되며 외부 공기를 압축시켜 공급하여 상기 가압식탱크 내부 압력을 일정하게 유지시키는 가압유닛과;
    상기 가압식탱크 내부와 연결되어 구동유닛의 구동상태에 따라 상기 가압식탱크에 저장된 상기 작동유체를 흡입하기 위한 흡입관로와;
    상기 가압식탱크 내부와 연결되어 상기 구동유닛의 구동상태에 따라 배출되는 상기 작동유체가 상기 가압식탱크로 유입되도록 하는 귀환관로;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가압식탱크의 일측에 독립적으로 형성되며 상기 구동유닛으로부터 누설된 상기 작동유체를 수용할 수 있도록 형성되며 내부 압력이 대기압으로 유지되는 대기압탱크와;
    상기 가압식탱크와 상기 대기압탱크를 서로 연결하여 상기 대기압탱크에 저장된 상기 작동유체를 상기 가압식탱크로 공급하는 순환유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가압유닛은
    가압모터의 회전력에 의해 작동되어 외부 공기를 가압하는 압축기와;
    상기 압축기로부터 가압된 공기를 저장하는 공기탱크와;
    상기 가압식탱크 상부에 연결되어 상기 공기탱크에 저장된 가압된 공기를 공급하는 가압관로와;
    상기 가압관로에 형성되며 상기 가압식탱크 내부 압력을 측정하는 압력계와;
    상기 가압관로에 형성되며 상기 가압식탱크 내부 압력에 따라 상기 공기탱크에 저장된 가압된 공기를 공급하거나 상기 가압식탱크 내부 공기를 배출하여 압력을 조절하는 압력조정기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 순환유닛은
    상기 대기압탱크와 상기 가압식탱크에 각각 연결되어 있는 순환배관과;
    상기 순환배관에 형성되며 순환모터의 회전력에 의해 상기 대기압탱크에 저장된 상기 작동유체를 흡입하여 상기 가압식탱크로 공급하는 순환펌프와;
    상기 대기압탱크 내부에 형성되어 상기 대기압탱크 내부에 저장된 상기 작동유체의 수위를 측정하여 상기 순환펌프를 작동시키는 수위센서;로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 대기압탱크 내부와 연결되어 상기 구동유닛의 구동 중 누설되는 상기 작동유체를 상기 대기압탱크로 유입되도록 하는 누설관로;로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 가압식탱크의 상부에 탈부착되도록 형성되며 탈착된 상태에서는 상기 가압식탱크 내부에 상기 작동유체를 보충하거나 점검할 수 있도록 형성되고 부착된 상태에서는 상기 가압식탱크를 밀폐시키는 밀폐식캡과;
    상기 대기압탱크의 상부에 형성되며 외부 공기가 유입되거나 내부 공기가 배출되도록 형성되어 있어 내부 압력을 대기압상태로 유지시키는 에어브리더;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    작동유체의 공동화 현상을 방지하기 위한 탱크 가압 시스템.

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