WO2018190475A1 - 밸브, 이를 포함하는 항공기, 발사체 및 자동차 - Google Patents

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poppet
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이중엽
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한국항공우주연구원
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Definitions

  • the present invention relates to an ultra-thin on-off valve having a large flow rate characteristics, and more particularly, to a valve having a thin size and excellent operating characteristics in terms of weight and shape compared to a ball valve or a glove valve, and a projectile to an aircraft or an automobile including the same. will be.
  • a valve is used to seal or open the pressure of the fluid
  • valves include ball valves, glove valves, solenoid valves, and the like.
  • Double solenoid valve is to seal the pressure of the fluid by the force of the elastic body, such as a spring, by applying power to the solenoid to pull the valve made of magnetic material with a stronger force than the elastic body to open the pressure.
  • the solenoid valve as described above must be continuously supplied with the solenoid to maintain the open state, it is not applicable to satellites, guided weapons, or projectiles where the use of the power is extremely limited, and the solenoid when the power is continuously applied. There is a problem that affects the peripheral equipment due to the heat generation problem.
  • Solenoid latch valve using the permanent magnet maintains the closed or open state of the valve by using the polarity of the permanent magnet, and instantaneously flows current to the coil to offset the magnetic flux of the permanent magnet.
  • the latch valve maintains the closed or open state of the valve by using the magnetic flux of the permanent magnet, it is not necessary to continuously apply the power, so it can be applied to a system with limited power supply, and the heat generation problem of the coil is also solved.
  • the latch valve as described above has a problem in that the stroke of the valve cannot be increased due to the structure characteristic using the magnetic flux of the permanent magnet, so that it cannot be applied to a high pressure large flow fluid.
  • the stroke is the distance traveled by the valve to seal or open.
  • the flow path of the valve must be enlarged. The larger the flow path, the greater the force to maintain the valve's closure and at the same time, a larger stroke is required. Because. Therefore, in order to control the high-pressure large flow fluid in the conventional manner, the solenoid constituting the latch valve must be large in order to generate a large force, and the weight of the solenoid has to increase.
  • a latch valve that uses a permanent magnet directly on the valve has a low flow rate like a small satellite and can only be used in a system for controlling low pressure fluids. Therefore, a large satellite or guided weapon using a high pressure and a large flow fluid is used. Or there is a problem that is difficult to apply to the projectile.
  • the body 10 of the ball valve is formed in a circular ring shape, a pair of seat ring 20 is inserted in close contact with the inside of the body 10, At this time, the pair of seat ring 20 is coalesced and the inner circumferential surface of the coalesced seat ring 20 is formed as a spherical surface, the material of the seat ring 20 is a soft material such as Teflon and polyether ether ketone (polyetherether Ketone, PEEP), metal seat (metal seat), etc. can be used a variety of materials to meet the conditions of use.
  • the ball 30 is placed on the inner circumferential surface of the coalesced seat ring 20, the ball 30 has a through hole 35 having the same inner diameter as the diameter of the transfer pipe (not shown) By forming, the through hole 35 formed in the ball 30 by the rotation of the ball 30 to open the fluid flow in the delivery pipe or the ball 30 blocks the fluid flow in the delivery pipe.
  • the flow coefficient is relatively large compared to other types of valves, but due to the characteristics of the ball valve, a large friction force is generated when the valve is operated, which requires a large torque for driving.
  • the force acting on the ball valve is large, and the friction force is considerable, so that the size of the actuator increases and the weight of the valve increases.
  • the present invention has been made in view of solving the above problems and has an object of providing a thin valve having a large flow rate and a small volume,
  • an object of the present invention is to provide a valve that can maintain a valve open state in a situation where a valve malfunction occurs in the projectile, aircraft or automobile, such that separate power transmission is impossible.
  • the inlet portion having an inlet for the fluid flow therein;
  • An outlet portion disposed perpendicular to the inlet portion and having an outlet through which fluid is discharged;
  • opening and closing portions 100 and 110 disposed to open and close the fluid flow in the longitudinal direction of the outlet portion, wherein the opening and closing portion opens and closes the outlet while advancing in the fluid flow direction at the outlet, and at one end opens and closes the outlet.
  • It has a poppet 130, the other end of the rod 110 having a piston 120 which is pressurized by the pilot gas;
  • a body (100) having a guide (140) for accommodating the rod therein to guide the retreat of the rod and pressurized spaces (S1, S2) into which the pilot gas is introduced;
  • a solenoid valve (S) to supply pilot gas to the pressurized space, wherein the opening and closing portion does not have a spring, and the diameter of the seat 170 in contact with the poppet in the outlet portion is the diameter of the guide 140. It is characterized by being larger than the diameter.
  • a donut-shaped pressing surface P is formed in an area excluding an area of a second circle having a diameter as much as the guide diameter from an area of a first circle having a diameter as much as the sheet diameter.
  • the poppet presses and seals the seat due to the difference between the fluid pressure of the inlet port and the fluid pressure of the outlet port acting on the pressing surface.
  • the sheet diameter and the guide diameter are preferably produced in a ratio of "0.88 ⁇ (guide diameter) / (sheet diameter) ⁇ 0.96".
  • the pressurized spaces S1 and S2 are separated into a first pressurized space and a second pressurized space by the piston, and the body first and second supplying pilot gas from the pilot to the first and second pressurized spaces. Two channels are formed.
  • the inner circumferential surface of the body 100 is provided with a friction portion 105 protruding toward the center in a ring shape to contact the outer circumferential surface of the rod, and the friction portion is provided with an O-ring 106.
  • the flow force of the fluid acting on the poppet is greater than the friction force acting on the rod, so that valve closing is prevented by the flow force even when all the pilot pressures are removed in case of valve malfunction. It is good.
  • the present invention also provides a projectile, an aircraft, and a vehicle including the valve described above.
  • the present invention has the effect that can be maintained in the open state of the valve even in the situation that the power transmission is impossible due to the valve malfunction occurs in the projectile or aircraft by the above configuration,
  • the valve according to the present invention has the advantage that the valve according to the present invention is a thin structure with a large amount of open and close flow rate, the volume of the valve itself,
  • valve according to the present invention does not have a spring as a component, the overall weight of the valve is light and there is an advantage that it can have a compact structure with a short stem.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the neutral state of the on-off valve according to the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an initial state of the on-off valve according to the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of the open state of the on-off valve according to the present invention.
  • Figure 6 is a closed state cross-sectional view of the on-off valve according to the present invention.
  • Figure 7 is an enlarged view of the seat and poppet portion of the on-off valve according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a pressing surface due to the difference between the seat and the guide diameter in the on-off valve according to the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the neutral state of the ultra-thin on-off valve according to the invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the initial state of the ultra-thin on-off valve according to the present invention
  • Figure 4 is a cross-sectional view of the open state of the ultra-thin on-off valve according to the invention
  • Figure 5 Is a state of maintaining the open state of the ultra-thin on-off valve according to the present invention
  • Figure 6 is a closed state cross-sectional view of the ultra-thin on-off valve according to the present invention.
  • the ultra-thin opening / closing valve of the present invention has an inlet part (IL) through which fluid is introduced, an outlet part (OL) through which fluid is discharged, and an opening / closing part (100, 110) which operates to open or close the fluid flow introduced from the inlet part. )
  • the inlet part (IL) has an inlet through which fluid is introduced
  • the outlet part (OL) has an outlet for discharging the fluid introduced from the inlet part, but the fluid is discharged by changing the direction and the inlet and
  • the outlet is formed at right angles.
  • the opening and closing part is arranged in the longitudinal direction of the outlet part, that is to be perpendicular to the inlet part to open and close the fluid flow, the opening and closing parts 100 and 110 are the body 100 and the body disposed in the longitudinal direction with the outlet part It is accommodated therein includes a rod 110 for opening and closing the outlet while advancing in the direction of fluid flow at the outlet.
  • One end of the rod 110 has a poppet 130 that opens and closes the outlet, and the other end of the rod is provided with a piston 120 that is pressurized by a pilot gas.
  • the body 100 has a guide 140 for receiving the poppet 130 which moves forward and backward and guides the forward and backward motion and pressurized spaces S1 and S2 into which the pilot gas flows.
  • the pressurized space is formed in the body 100 to receive the piston 120, the pressurized space (S1, S2) is the first pressurizing space (S1) and the second pressurizing space (S2) by the piston. Are separated.
  • the first pressurized space is a place where the pilot gas is introduced in the valve closing operation so that the pilot gas pressurizes the piston to one side so that the poppet blocks the outlet to close the fluid flow.
  • the second pressurization space is where the pilot gas is introduced in the valve opening operation, and the pilot gas pressurizes the piston to the other side so that the poppet opens the outlet to open the fluid flow.
  • the body has first and second channels C1 and C2 for supplying pilot gas from the pilot to the first and second pressurized spaces.
  • the on-off valve according to the present invention includes a solenoid valve S and a pilot 150 to supply a pilot gas to the pressurized space, but the open / close part does not have a spring.
  • the present invention is one of the biggest features that has a compact valve structure to maintain a normal close state without providing a spring as described above will be described later.
  • valve of the present invention includes a friction portion 105 protruding toward the center in a ring shape so as to contact the outer circumferential surface of the rod at the central portion of the rod, the inner peripheral surface of the body 100, the friction portion In contact with the O-ring 106 is provided.
  • the opening / closing valve of the present invention maintains a neutral state as a normal close (N.C) state due to a friction force between the O-ring 106 and the friction part 105.
  • N.C normal close
  • the shear pressure can maintain the airtight state by applying pressure to the poppet 130.
  • the state shown in FIG. 2 corresponds to the case where the on-off valve shear pressure is underpressure (compared to the size of the arrow of FIG. 3 and the underpressure), and thus the underpressure is a structure that presses the poppet 130, and thus the initial airtight state. I can keep it.
  • the state of the open / close valve shown in FIG. 2 is a valve neutral state, a state before pilot gas input, and the driving solenoid valve S is in an OFF state.
  • the diameter of the seat 170 is greater than or equal to the inner diameter of the guide 140, airtightness is maintained for the first time by the shear pressure.
  • Figure 7 is an enlarged view of the seat and poppet portion of the on-off valve according to the present invention
  • Figure 8 is a view showing a pressing surface due to the difference between the seat and the guide diameter in the on-off valve according to the present invention.
  • the radius of the seat 170 is denoted by R1
  • the radius of the guide 140 is denoted by R2
  • R1 has a shape slightly larger than that of R2.
  • the inlet part has a fluid (higher pressure than atmospheric pressure) to pass through the valve, and the outlet part of the outlet part has atmospheric pressure.
  • the pressing surface P is generated by an area excluding the guide diameter from the diameter of the sheet 170. That is, pressure acts on the pressing surface P of the donut-shaped area, and airtightness is maintained. At this time, the pressure acting on the pressing surface is a pressure corresponding to a difference from the pressure of the fluid of the inlet to the atmospheric pressure of the outlet, and this pressure presses the poppet toward the seat so that the valve is closed.
  • a donut surface pressure corresponding to the difference between R1 and R2 is formed in the poppet. That is, in the case of R1> R2, even if there is no separate spring in the valve, airtightness can be maintained by the surface pressure of the donut-shaped area.
  • the size of the pressing surface needs to be limited to some extent.
  • the seat diameter is formed to a size more appropriate than the guide diameter so that the pressure of the valve inlet fluid can pressurize the pressurization surface while opening the poppet sufficiently by the force of the actuator, thereby making the actuator light and compact. It is light and can make short stem.
  • R1> R2 is preferable.
  • an experiment was conducted to find an appropriate ratio between the diameter of the seat and the diameter of the guide. As a result, 0.88 ⁇ (guide diameter) / (sheet diameter) ⁇ 0.96 It can be seen that the case is the most preferable ratio. That is, the pressure applied to the actuator when the valve is opened while forcing a fluid pressure of 20 bar, 40 bar to 220 bar is applied to the inlet of the valve and changing the diameter of the seat and the guide, The diameter was found to be the desired behavior at 88% to 96% of the sheet diameter. That is, it is good that the said sheet diameter and guide diameter shall be 0.88 ⁇ (guide diameter) / (sheet diameter) ⁇ 0.96.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an initial state of the on-off valve according to the present invention.
  • a pilot gas blue in the drawing
  • the solenoid valve for driving is OFF.
  • the pilot gas is introduced into the first pressurized space and the pressure of the pilot gas pressurizes the piston, thereby increasing the poppet in terms of force balance. Due to the large force applied to 130, the closed state of the valve is more firmly maintained, and thus there is no leakage of fluid to the outlet side.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of the open state of the ultra-thin on-off valve according to the present invention.
  • the pilot gas flows into the second pressurizing space S2 to pressurize the piston in the valve opening direction (blue), and the driving solenoid valve S is in an ON state. That is, the driving solenoid valve is turned on to remove the pressure of the pilot gas applied to the upper part of the piston (the first pressurizing space), and the pressure of the pilot gas is pressurized to the lower part of the piston (the second pressurizing space).
  • the opening and closing valve of the present invention has a structure in which the diameter of the seat 170 can be opened even when a small pressure is applied to the piston of the force balance by forming the diameter of the guide 140 at an appropriate ratio as mentioned above.
  • FIG. 5 is a view of maintaining the open state of the ultra-thin on-off valve according to the invention.
  • This state means that the driving solenoid valve S is inoperable. That is, the valve according to the present invention maintains the open state even when the solenoid valve is inoperable for some reason and the pilot 120 cannot be pressurized.
  • the flow force acting on the poppet 130 is designed to be larger than the friction force acting on the friction part 105 and the rod 110 of the body to prevent the valve from closing itself in the open state. Keep your status. This allows an open valve to not be closed by flow force even if the system malfunctions for some reason and all pilot gas pressure is removed.
  • the pilot gas pressure supply is not made due to a malfunction of the power system in a projectile, an aircraft, or an automobile, or the valve open state can be continuously maintained even when all the gas pressures are removed.
  • Figure 6 is a closed state cross-sectional view of the on-off valve according to the present invention.
  • 6 is a state in which pilot gas (blue) flows into the upper portion (first pressurized space) of the piston 120 and pressurizes the piston in a closed direction, and the driving solenoid valve S is turned from an ON state to an OFF state. And the pressure of the pilot gas applied to the lower portion of the piston 120 (the second pressurized space) is removed, and the pilot pressure (blue) is input to the upper portion of the piston to block the flow of the fluid passing through the valve.
  • pilot gas blue
  • the valve according to the present invention has the following advantages according to the structure and operating principle described above.
  • the initial state airtightness can be maintained by making sheet diameter large enough to guide diameter inside.
  • By adjusting the ratio between the seat diameter and the guide inner diameter it is possible to stably open the valve by the pilot, which is an advantageous effect compared to the fact that in the case of a ball valve, the torque for driving in the presence of pressure at the front end of the valve is greatly required. .
  • Poppet remains open (valve open) even if the pilot gas is removed in the main flow path from the inlet to the outlet, so the valve remains open even if all pilot gas pressures are removed due to malfunction of the system. An advantageous effect occurs that can not be closed by the flow force.
  • the ultra-thin valve according to the present invention can be utilized in an aircraft or a projectile, and the like, since there will be a need for an ultra-thin valve in the automotive fuel system field in the light of the trend of vehicle weight reduction, the valve of the present invention will be usable in an automotive fuel system.

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Abstract

본 발명은, 내부에 유체가 유입되는 유입구를 갖는 인렛부(IL); 상기 인렛부에 수직으로 배치되고 유체가 배출되는 배출구를 갖는 아웃렛부(OL); 및 상기 아웃렛부의 길이방향으로 배치되어 유체흐름을 개폐하는 개폐부(100,110);로 이루어지는 밸브로서, 상기 개폐부는, 상기 배출구에서의 유체 흐름 방향으로 진퇴하면서 상기 배출구를 개폐하고, 일단에는 상기 배출구를 개폐하는 포핏(130)을 갖고, 타단에는 파일롯 가스의 가압을 받는 피스톤(120)을 갖는 로드(110); 상기 로드를 내부에 수용하여 상기 로드의 진퇴를 안내하는 가이드(140)와 상기 파일롯 가스가 유입되는 가압공간(S1,S2)을 갖는 몸체(100); 및 상기 가압공간으로 파일롯 가스를 공급하도록 솔레노이드 밸브(S);를 포함하고, 상기 개폐부는 스프링을 구비하지 않되, 상기 아웃렛부에서 상기 포핏과 접하는 시트(170)의 직경은 상기 가이드(140)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 밸브이다. 본 발명에 따른 밸브를 볼밸브 등과 비교하여 보면 본 발명에 따른 밸브는 개폐가능한 유량이 대량이면서도 밸브 자체의 부피는 작은 박형 구조인 장점이 있고, 또한, 본 발명에 따른 밸브는 구성 부품으로서 스프링이 존재하지 않으므로 밸브의 전체적인 무게가 가볍고 숏 스템으로 컴팩트한 구조를 가질 수 있는 장점이 있다.

Description

밸브, 이를 포함하는 항공기, 발사체 및 자동차
본 발명은 대유량 특성을 갖는 초박형 개폐밸브에 관한 것이며, 구체적으로는 볼 밸브나 글러브 밸브 대비 무게와 형상면에서 우수하고 작동 특성이 우수한 박형 사이즈의 밸브 및 이를 포함하는 발사체 내지 항공기 또는 자동차에 관한 것이다.
일반적으로 유체의 압력을 밀폐 또는 개방하기 위해 밸브가 사용되며, 밸브의 종류로는 볼밸브, 글러브밸브, 솔레노이드 밸브 등등 다양하다. 이중 솔레노이드 밸브는 유체의 압력을 스프링과 같은 탄성체의 힘으로 밀폐하게 되며, 솔레노이드에 전원을 인가시켜 자성체로 이루어진 밸브를 탄성체보다 강한 힘으로 당겨서 압력을 개방하게 된다.
위와 같은 솔레노이드 밸브는 개방상태를 유지하기 위해 계속해서 솔레노이드에 전원을 인가해야 하기 때문에, 전원의 사용이 극히 제약적인 인공위성이나 유도무기 또는 발사체 등에는 적용이 불가능하며, 전원을 계속적으로 인가 하였을 때 솔레노이드의 발열 문제로 인해 주변 장비에 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 영구자석을 이용하는 솔레노이드 래치밸브가 공시된 바 있다. 영구자석을 이용하는 솔레노이드 래치밸브(이하 래치밸브)는 영구자석의 극성을 이용하여 밸브의 밀폐 또는 개방 상태를 유지하게 되며, 영구자석의 자속을 상쇄시킬 수 있을 만큼의 전류를 순간적으로 코일에 흐르게 하여 밸브의 밀폐 또는 개방을 제어하게 된다. 위 래치밸브는 영구자석의 자속을 이용하여 밸브의 밀폐 또는 개방 상태를 유지하기 때문에 계속적인 전원 인가가 필요치 않아 전원 공급이 제한적인 시스템에도 적용이 가능하고, 코일의 발열 문제도 해결되는 장점이 있다.
그러나 위와 같은 래치밸브는 영구자석의 자속을 이용하는 구조 특성상 밸브의 스트로크를 크게 할 수 없기 때문에 고압 대유량의 유체에는 적용이 불가능한 문제점이 있었다. 스트로크란 밸브가 밀폐 또는 개방하기 위해 이동되는 거리를 말하는데 고압 대유량의 유체를 제어하기 위해서는 밸브의 유로를 크게 해야 하는데, 유로가 커지면 밸브의 밀폐를 유지하려는 힘이 커짐과 동시에 큰 스트로크가 필요하기 때문이다. 따라서 기존의 방식으로 고압 대유량의 유체를 제어하기 위해서는 래치밸브를 구성하는 솔레노이드가 큰 힘을 발생하기 위해 크기가 커져야 하며 커진 크기만큼 무게도 증가할 수밖에 없었다.
따라서 영구자석을 밸브에 직접 사용하는 래치밸브는 소형위성과 같이 유량이 적고, 저압의 유체를 제어하기 위한 시스템에 한정적으로 사용할 수밖에 없기 때문에 고압 및 대유량의 유체를 사용하는 대형 위성이나, 유도무기 또는 발사체에 적용하기 어려운 문제가 있다.
또한, 볼밸브와 글러브밸브도 있으나, 볼밸브의 경우 유량계수가 큰 반면 밸브 작동시 마찰력이 커서 구동토크가 커지는 문제가 있다.
도 1에서는 종래의 볼밸브를 도시하고 있는데, 볼밸브의 바디(10)는 원형 링 형상으로 형성되고, 상기 바디(10)의 내부에는 한 쌍의 시트링(20)이 밀착되도록 삽입되는바, 이때 상기 한 쌍의 시트링(20)은 합체되어 그 합체된 시트링(20)의 내주면이 구면으로 형성되며, 상기 시트링(20)의 재질은 테프론 등 소프트한 소재와 폴리에텔에텔 케톤(polyetherether ketone, PEEP), 메탈시트(metal seat) 등 사용조건에 맞는 다양한 재질을 사용할 수 있다.
그리고 상기 합체된 시트링(20)의 내주면에는 볼(30)이 작동가능토록 안치되며, 상기 볼(30)에는 이송관(미도시)의 구경(口徑)과 같은 안지름을 갖는 통공(35)을 형성함으로써, 상기 볼(30)의 회전에 의하여 볼(30)에 형성된 통공(35)이 이송관 내의 유체 흐름을 개방하거나 또는 상기 볼(30)이 이송관 내의 유체 흐름을 차단한다.
그런데, 이러한 볼밸브의 경우 다른 타입의 밸브에 비해 상대적으로 유량계수가 크나, 볼밸브의 특성상 밸브 작동 시 마찰력이 크게 발생하며 이에 구동을 위한 큰 토크가 필요하게 된다. 특히 압력차가 크게 작용하는 파이프 시스템에서 볼밸브에 작용하는 힘이 크고, 마찰력이 상당하기 때문에 그만큼 액추에이터의 사이즈가 커지고 밸브의 무게가 상승하는 단점이 있다.
또한, 글러브 밸브(Right Angle Valve)의 경우에는 유량계수가 볼밸브에 비해 작지만, 구동 시 마찰력이 작아 구동토크가 작게 작용하지만, 특성상 볼밸브에 비해 유량계수가 작아지는 문제가 있다. 그러므로, 발사체나 항공기 및 자동차 등에 사용할 수 있도록 대유량 특성을 가지면서도 박형 구조를 갖는 개폐밸브를 개발할 필요성이 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로 대유량 특성을 가지면서도 부피가 작은 박형 밸브를 제공하는 것을 목적으로 하며,
또한, 본 발명은 발사체나 항공기 또는 자동차 등에서 밸브 오작동이 발생하여 별도의 동력 전달이 불가능한 상황에서도 밸브 개방 상태를 유지할 수 있는 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 내부에 유체가 유입되는 유입구를 갖는 인렛부(IL); 상기 인렛부에 수직으로 배치되고 유체가 배출되는 배출구를 갖는 아웃렛부(OL); 및 상기 아웃렛부의 길이방향으로 배치되어 유체흐름을 개폐하는 개폐부(100,110);로 이루어지는 밸브로서, 상기 개폐부는, 상기 배출구에서의 유체 흐름 방향으로 진퇴하면서 상기 배출구를 개폐하고, 일단에는 상기 배출구를 개폐하는 포핏(130)을 갖고, 타단에는 파일롯 가스의 가압을 받는 피스톤(120)을 갖는 로드(110); 상기 로드를 내부에 수용하여 상기 로드의 진퇴를 안내하는 가이드(140)와 상기 파일롯 가스가 유입되는 가압공간(S1,S2)을 갖는 몸체(100); 및 상기 가압공간으로 파일롯 가스를 공급하도록 솔레노이드 밸브(S);를 포함하고, 상기 개폐부는 스프링을 구비하지 않되, 상기 아웃렛부에서 상기 포핏과 접하는 시트(170)의 직경은 상기 가이드(140)의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 포핏의 횡단면에는, 상기 시트 직경 만큼의 지름을 갖는 제1원의 면적에서 상기 가이드 직경 만큼의 지름을 갖는 제2원의 면적을 제외한 면적만큼 도넛 형태의 가압면(P)이 형성되고, 상기 가압면에 작용하는 유입구의 유체 압력과 배출구의 유체 압력의 차에 의해 상기 포핏이 상기 시트를 가압하여 밀폐하게 된다.
상기 시트 직경과 가이드 직경은 "0.88 < (가이드 직경)/(시트 직경) < 0.96" 의 비율로 제작되는 것이 좋다.
상기 가압공간(S1,S2)은 상기 피스톤에 의해 제1가압공간과 제2가압공간으로 분리되고, 상기 몸체에는 상기 파일롯에서 상기 제1 및 제2가압공간으로 파일롯 가스를 공급하는 제1 및 제2채널이 형성된다.
상기 몸체(100)의 내주면에는 상기 로드의 외주면과 접하도록 링형상으로 중심을 향해 돌출된 마찰부(105)가 구비되고, 상기 마찰부에는 오링(106)이 구비된다.
상기 포핏에 작용하는 유체의 유동력(flow force)은 상기 마찰부가 상기 로드에 작용하는 마찰력 보다 크게 구비되어, 밸브 오작동시 상기 파일롯 압력이 모두 제거된 상태에서도 상기 유동력에 의해 밸브 닫힘이 방지되는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 위에서 설명한 밸브를 포함하는 발사체, 항공기, 자동차를 제공한다.
본 발명은 상기 구성에 의해서 발사체나 항공기 등에서 밸브 오작동이 발생하여 동력 전달이 불가능한 상황에서도 밸브가 개방된 상태를 지속할 수 있는 효과가 있으며,
또한, 본 발명에 따른 밸브를 볼밸브 등과 비교하여 보면 본 발명에 따른 밸브는 개폐가능한 유량이 대량이면서도 밸브 자체의 부피는 작은 박형 구조인 장점이 있고,
또한, 본 발명에 따른 밸브는 구성 부품으로서 스프링이 존재하지 않으므로 밸브의 전체적인 무게가 가볍고 숏 스템으로 컴팩트한 구조를 가질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 볼 밸브의 구조이며,
도 2는 본 발명에 따른 개폐밸브의 중립상태 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 개폐밸브의 초기상태 단면도이며,
도 4는 본 발명에 따른 개폐밸브의 개방상태 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 개폐밸브의 개방상태를 유지하는 모습이며,
도 6은 본 발명에 따른 개폐밸브의 닫힘상태 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 개폐밸브의 시트와 포핏 부분의 확대도이며,
도 8은 본 발명에 따른 개폐밸브에서 시트와 가이드 내경 차이로 인한 가압면을 보여주는 그림이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 중립상태 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 초기상태 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 개방상태 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 개방상태를 유지하는 모습이며, 도 6은 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 닫힘 상태 단면도이다.
도 2를 보면, 본 발명의 초박형 개폐밸브는 유체가 유입되는 인렛부(IL)와 유체가 배출되는 아웃렛부(OL)와 인렛부에서 유입된 유체 흐름을 개방하거나 폐쇄하는 동작을 하는 개폐부(100,110)로 이루어진다.
상기 인렛부(IL) 내부에는 유체가 유입되는 유입구가 형성되고, 상기 아웃렛부(OL) 내부에는 인렛부에서 유입된 유체가 배출되는 배출구를 갖되 유체는 방향을 전환하여 배출되는 구조이며 상기 유입구와 배출구는 직각을 이루도록 형성된다. 상기 개폐부는 상기 아웃렛부의 길이방향으로, 즉 상기 인렛부와 수직을 이루도록 배치되어 유체흐름을 개폐하는 부분으로서, 상기 개폐부(100,110)는 상기 아웃렛부와 길이방향으로 배치되는 몸체(100)와 상기 몸체 내부에 수용되어 상기 배출구에서의 유체 흐름 방향으로 진퇴하면서 상기 배출구를 개폐하는 로드(110)를 포함한다.
상기 로드(110)의 일단에는 상기 배출구를 개폐하는 포핏(130)을 갖고, 상기 로드의 타단에는 파일롯 가스의 가압을 받는 피스톤(120)이 구비된다. 상기 몸체(100)의 내부에는 진퇴동작을 하는 포핏(130)을 내부에 수용하여 진퇴동작을 안내하는 가이드(140)와 파일롯 가스가 유입되는 가압공간(S1,S2)을 갖는다. 상기 가압공간은 몸체(100)에서 피스톤(120)을 수용하는 부위에 형성되고, 상기 가압공간(S1,S2)은 상기 피스톤에 의해 제1가압공간(S1)과 제2가압공간(S2)으로 분리된다. 제1가압공간은 밸브 밀폐동작에서 파일롯 가스가 유입되는 곳으로 이곳의 파일롯 가스가 피스톤을 일측으로 가압하여 포핏이 상기 배출구를 막아서 유체 흐름을 폐쇄하게 된다. 제2가압공간은 밸브 개방동작에서 파일롯 가스가 유입되는 곳으로 이곳의 파일롯 가스가 피스톤을 타측으로 가압하여 포핏이 상기 배출구를 개방하여 유체 흐름을 개방하게 된다. 상기 몸체에는 상기 파일롯에서 상기 제1 및 제2가압공간으로 파일롯 가스를 공급하는 제1 및 제2채널(C1,C2)이 형성된다.
그리고, 본 발명에 따른 개폐밸브는 상기 가압공간으로 파일롯 가스를 공급하도록 솔레노이드 밸브(S)와 파일롯(150)을 포함하되, 상기 개폐부는 스프링을 구비하지 않는다. 본 발명은 이렇게 스프링을 구비하지 않으면서도 N.C(normal close) 상태를 유지하도록 하여 컴팩트한 밸브 구조를 갖는 점이 가장 큰 특징 중의 하나인데 이점에 대해서는 후술한다.
그리고, 본 발명의 밸브는 상기 몸체(100)의 내주면에는 상기 로드의 가운데부분에서 상기 로드의 외주면과 접하도록 링형상으로 중심을 향해 돌출된 마찰부(105)가 구비되고, 상기 마찰부에는 로드에 구비되는 오링(106)과 접하게 된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 밸브가 동작하는 모습을 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 개폐밸브는 상기 오링(106)과 상기 마찰부(105) 사이의 마찰력에 의한 N.C(normal close) 상태로서 중립상태를 유지하고 있다. 이 초기 밸브 상태에서는 전단 압력이 포핏(130)에 압력을 가하여 기밀상태 유지할 수 있음을 알 수 있다. 도 2에 도시된 상태는 개폐밸브 전단 압력이 미압인 경우 해당하며(도 3의 화살표와 크기를 비교하면 미압임을 알 수 있다), 이렇게 미압이 포핏(130)을 가압해주는 구조이므로, 초기 기밀 상태 유지할 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 개폐밸브의 상태는 밸브 중립 상태로서, 파일롯 가스 입력 전 상태이며, 구동용 솔레노이드 밸브(S)가 OFF 상태이다. 그리고, 이 상태에서는 시트(seat 170)의 직경이 가이드(140) 내경 대비 크거나 같기 때문에 힘 평형상, 전단 압력에 의해 기밀이 최초로 유지된다.
상기 시트(170)의 직경과 상기 가이드(140)의 직경과 관계에 대해 도 7과 도 8을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 개폐밸브의 시트와 포핏 부분의 확대도이며, 도 8은 본 발명에 따른 개폐밸브에서 시트와 가이드 내경 차이로 인한 가압면을 보여주는 그림이다.
도 7을 보면, 상기 시트(170)의 반경을 R1으로 표기하고, 상기 가이드(140)의 반경을 R2로 표기하고 있으며, R1가 R2 보다 조금 더 큰 형상으로 이루어진다. 그리고, 인렛부의 유입구에는 밸브를 통과하려는 유체(대기압 보다 높은 압력)가 존재하며, 아웃렛부의 배출구에는 대기압 상태의 공기가 존재한다고 볼 수 있다.
도 7에서 R1=R2 인 경우라면,
상기 포핏(130)에 가해지는 힘과 상기 시트(170)에 가해지는 힘이 상쇄되고, 상기 포핏에는 유체의 압력으로 기밀을 유지할 수 있는 상태가 아니므로, 별도의 기밀 유지를 위한 스프링이 존재하여야 한다. 즉, 스프링의 힘이 포핏을 시트쪽으로 가압하여야 기밀이 유지될 수 있고, 만약, 스프링이 존재하지 않는다면 입구에서 출구로 누설이 발생된다. 그런데, 이렇게 스프링을 별도로 구비해야 한다면 밸브의 무게가 증가하고, 동시에 밸브가 롱 스템으로 되어 부피가 증가되는 등의 문제가 발생한다.
도 7에서 R1>R2 인 경우라면,
상기 시트(170)의 직경에서 상기 가이드 직경을 제외한 면적만큼의 가압면(P)이 발생한다. 즉, 도넛 모양 면적의 가압면(P)에 압력이 작용하여 기밀이 유지된다. 이때 가압면에 작용하는 압력은 유입구의 유체의 압력에서 유출구의 대기압과 차이에 해당하는 압력이며, 이 압력이 상기 포핏을 시트쪽으로 가압하여 밸브는 밀폐 상태가 된다. 도 8을 보면, R1과 R2의 차이 만큼에 해당하는 도넛 모양의 면압이 포핏에 형성된 것을 도시하고 있다. 즉, R1>R2 인 경우라면, 밸브에 별도의 스프링이 존재하지 않더라도, 해당 도넛 모양 면적의 면압만큼으로 기밀을 유지할 수 있는 것이다.
다만, 밸브에서 엑츄에이터가 적은 힘으로도 포핏을 개방할 수 있어야 하므로 상기 가압면의 크기는 어느 정도로 제한될 필요는 있다. 즉, 시트 직경을 가이드 직경 보다 적절한 크기로 형성하여 밸브 입구측 유체의 압력이 가압면을 가압하면서도 액추에이터의 힘으로 충분히 포핏을 개방할 수 있도록 하여 액추에이터가 가볍고 컴팩트하게 형성하고, 스프링이 없으므로 전체 무게가 가볍고, 숏 스템으로 할 수 있다.
도 7에서 R1>>R2 인 경우라면,
상기 포핏 직경에서 시트 직경을 제외한 모든 면적에서 힘이 가해지고 그 만큼의 면압이 발생하기 때문에 매우 강한 면압이 작용하게 된다. 즉, 밸브 입구측 압력과 큰 면압으로 인해, 그 만큼의 액추에이터에 큰 힘이 필요하므로 피스톤의 직경이 커지고 동시에 액추에이터의 압력을 증가시켜야만 포핏을 개방할 수 있게 되어 액추에이터의 사이즈 및 무게가 증가되는 문제가 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 밸브에서는 R1>R2 인 경우가 바람직하며, 구체적으로 시트의 직경과 가이드의 직경의 적절한 비율을 찾기 위해서 실험을 한 결과, 0.88 < (가이드 직경)/(시트 직경) < 0.96의 경우가 가장 바람직한 비율임을 알 수 있었다. 즉, 밸브의 유입구에 20 bar, 40 bar ~ 220 bar 등의 유체압을 강제로 적용하고, 시트의 직경과 가이드의 직경에 변화를 주면서, 밸브 열림 시 액추에이터에 인가된 압력을 조사한 결과, 가이드의 직경은 시트 직경의 88%에서 96%에서 바람직한 작동을 하는 것을 확인하였다. 즉, 상기 시트 직경과 가이드 직경은 0.88 < (가이드 직경)/(시트 직경) < 0.96 로 하는 것이 좋다.
도 3은 본 발명에 따른 개폐밸브의 초기상태 단면도이다. 도 3의 초기 상태는 파일롯 가스(도면의 파란색)가 상기 몸체(100) 내부의 제1가압공간(S1)으로 유입되어 상기 피스톤(120)을 가압하여 포핏이 시트에 밀착되도록 하여 밀폐상태를 이루고 있으며, 구동용 솔레노이드 밸브는 OFF 상태이다. 도 3의 초기 상태에서는 밸브 전단 즉 밸브의 유입구에 유체가 고압(굵은 화살표)을 형성하더라도, 파일롯 가스가 제1가압공간에 유입되어 파일롯 가스의 압력이 피스톤을 가압함에 따라 힘평형 측면에서 포핏(130)에 가해지는 힘이 큰 관계로 밸브가 닫힌 상태가 더 견고히 유지되고 따라서 배출구측으로 유체의 누설이 없다.
도 4는 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 개방상태 단면도이다. 본 개폐밸브의 개방 상태에서는 파일롯 가스가 상기 제2가압공간(S2)에 유입되어 피스톤을 밸브 개방 방향으로 가압한 상태(파란색)이며, 구동용 솔레노이드 밸브(S)는 ON 상태이다. 즉, 구동용 솔레노이드 밸브가 ON이 되어 피스톤 상부(제1가압공간)에 가해진 파일롯 가스의 압력은 제거되고, 피스톤 하부(제2가압공간)에 파일롯 가스의 압력이 가압된다. 이때 피스톤(120)과 연결된 포핏(130)이 완전 개방되고 이어서 유동이 형성되어 그림에서 상측의 유입구로 들어온 유체가 밸브를 통과하여 그림상 좌측 배출구로 배출된다. 그리고, 본 발명의 개폐밸브는 시트(170)의 직경이 가이드(140)의 직경을 위에서 언급한 바와 같이 적절한 비율로 형성함으로써, 힘평형상 피스톤에 작은 압력이 가해지더라도 개방될 수 있는 구조이다.
도 5는 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 개방상태를 유지하는 모습이다. 이 상태는 구동용 솔레노이드 밸브(S)가 작동 불능 상태를 의미한다. 즉, 상기 솔레노이드 밸브가 어떤 이유로 작동이 불능이어서 상기 파일롯(120)을 가압할 수 없는 상태에서도 본 발명에 따른 밸브는 개방상태를 유지하고 있는 것을 보여준다. 이때, 상기 포핏(130)에 작용하는 유동력(Flow Force)은 상기 몸체의 마찰부(105)와 상기 로드(110)에 작용하는 마찰력보다 크게 설계하여 밸브가 개방 상태에서 스스로 닫히는 것을 방지하여 개방 상태를 유지하도록 한다. 이를 통해서, 어떤 이유로 시스템에 오작동이 생겨서 파일롯 가스 압력이 모두 제거되더라도 개방된 밸브는 유동력에 의해 닫히지 않게 할 수 있는 것이다. 특히, 발사체나 항공기 또는 자동차 등에서 전력계통 등의 오작동으로 파일롯 가스 압력 공급이 이루어지지 않거나 가스 압력이 모두 제거된 상태에서도 밸브 개방 상태를 계속하여 유지할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 개폐밸브의 닫힘 상태 단면도이다. 도 6의 상태는 파일롯 가스(파란색)가 피스톤(120)의 상부(제1가압공간)에 유입되어 피스톤을 밀폐방향으로 가압한 상태이며, 구동용 솔레노이드 밸브(S)는 ON 상태에서 OFF 상태로 변하고, 피스톤(120) 하부(제2가압공간)에 가해진 파일롯 가스의 압력이 제거되고, 피스톤 상부에 파일롯 압력(파란색)을 입력하여 밸브를 통과하는 유체의 유동을 차단시키는 것이다.
본 발명에 따른 밸브는 위에서 설명한 구조 및 작동 원리에 따라 다음과 같은 장점이 있다.
1. 스프링이 없는 최적화 구조 및 초박형 형상이 가능하다. 즉, 스프링이 없는 관계로 초박형 구조(short stem)가 가능한 것이다. 일반적으로 개폐밸브의 경우 스프링을 장착하여 N.C 또는 N.O로 위치하나, 본 발명에 따른 초박형 개폐밸브의 경우 전단압력 힘 평형에 의한 포핏이 위치하는 구조로 스프링이 필요 없게 된다.
2. 시트 직경을 가이드 내경 대비 적절한 정도로 크게 함으로써, 초기 상태 기밀를 유지할 수 있다. 시트 직경과 가이드 내경의 비율을 조율함으로써, 파일롯에 의해 밸브 개방 시 안정적으로 개방할 수 있게 되며, 이것은 볼밸브의 경우에 밸브 전단에 압력 존재 시 구동을 위한 토크가 크게 필요한 점에 비해 유리한 효과이다.
3. 유입구에서 배출구로 이르는 메인 유로에 일정한 압력 존재 시 파일롯 가스를 제거하더라도 포핏이 개방(밸브 개방)되어 있는 상태로 유지할 수 있는 구조이어서 시스템에 오작동이 생겨서 파일롯 가스 압력이 모두 제거되더라도 개방된 밸브는 유동력에 의해 닫히지 않게 할 수 있는 유리한 효과가 발생한다.
본 발명에 따른 초박형 밸브는 항공기나 발사체 등에 활용될 수 있으며, 차량 경량화 추세에 비추의 자동차 연료계통분야에서 초박형 밸브의 필요성이 있을 것이므로 본 발명의 밸브는 자동차 연료계통에서 사용 가능할 것이다.
100 : 몸체, 110 : 로드
120 : 피스톤, 130 : 포핏
140 : 가이드, 150 : 파일롯
170 : 시트
S1, S2 : 가압공간, P : 가압면

Claims (9)

  1. 내부에 유체가 유입되는 유입구를 갖는 인렛부; 상기 인렛부에 수직으로 배치되고 유체가 배출되는 배출구를 갖는 아웃렛부; 및 상기 아웃렛부의 길이방향으로 배치되어 유체흐름을 개폐하는 개폐부;로 이루어지는 밸브로서,
    상기 개폐부는,
    상기 배출구에서의 유체 흐름 방향으로 진퇴하면서 상기 배출구를 개폐하고, 일단에는 상기 배출구를 개폐하는 포핏을 갖고, 타단에는 파일롯 가스의 가압을 받는 피스톤을 갖는 로드;
    상기 로드를 내부에 수용하여 상기 포핏의 진퇴를 안내하는 가이드와 상기 파일롯 가스가 유입되는 가압공간을 갖는 몸체; 및
    상기 가압공간으로 파일롯 가스를 공급하도록 솔레노이드 밸브;를 포함하고,
    상기 개폐부는 스프링을 구비하지 않되, 상기 아웃렛부에서 상기 포핏과 접하는 시트의 직경은 상기 가이드의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포핏의 횡단면에는, 상기 시트 직경을 지름으로 하는 제1원의 면적에서 상기 가이드 직경을 지름으로 하는 제2원의 면적을 제외한 면적만큼 도넛 형태의 가압면이 형성되고,
    상기 가압면에 작용하는 유입구의 유체 압력과 배출구의 유체 압력의 차에 의해 상기 포핏이 상기 시트를 가압하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트 직경과 가이드 직경은 아래와 같은 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 밸브.
    0.88 < (가이드 직경)/(시트 직경) < 0.96
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압공간은 상기 피스톤에 의해 제1가압공간과 제2가압공간으로 분리되고,
    상기 몸체에는 상기 제1 및 제2가압공간으로 파일롯 가스를 공급하는 제1 및 제2채널이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체의 내주면에는 상기 로드의 외주면과 접하도록 링형상으로 중심을 향해 돌출된 마찰부가 구비되고, 상기 마찰부와 접하는 상기 로드 부위에는 오링이 구비되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 포핏에 작용하는 유체의 유동력(flow force)은 상기 마찰부가 상기 로드에 작용하는 마찰력 보다 크게 구비되어, 밸브 오작동으로 상기 파일롯 가스의 압력이 모두 제거된 상태에서도 상기 유동력에 의해 밸브 닫힘이 방지되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 밸브를 포함하는 발사체.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 밸브를 포함하는 항공기.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 밸브를 포함하는 자동차.
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