KR100496650B1 - 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브 및 이를 이용한 유압밸브, 공압 밸브, 3웨이 제어 밸브, 4웨이 제어 밸브 - Google Patents

유동력 보상이 가능한 스풀 밸브 및 이를 이용한 유압밸브, 공압 밸브, 3웨이 제어 밸브, 4웨이 제어 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스풀 로드의 외주부로서 슬리브의 공급 유로측에 유동력 보상 돌출링이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브 및 이를 이용한 유압 밸브, 공압 밸브, 3웨이 방식의 밸브, 4웨이 방식의 밸브를 제시함으로써, 슬리브 자체의 구조 변형을 요구하지 않고 스풀의 간단한 구조 변화에 의해 유동력을 보상할 수 있도록 한다.

Description

유동력 보상이 가능한 스풀 밸브 및 이를 이용한 유압 밸브, 공압 밸브, 3웨이 제어 밸브, 4웨이 제어 밸브{FLOW FORCE COMPENSATING SPOOL VALVE AND HYDRAULIC VALVE, PNEUMATIC VALVE, THREE-WAY CONTROL VALVE, FOUR-WAY CONTROL VALVE USING IT}
본 발명은 스풀 밸브(spool valve)에 관한 것으로서, 상세하게는, 스풀 로드(spool rod)의 형상을 변형시킴으로써 슬리브(sleeve) 내의 스풀에 작용하는 유동력(flow force)을 보상시킬 수 있는 스풀 밸브의 구조에 관한 것이다.
스풀 밸브란, 슬리브 내에서 축선 방향으로 운동하는 스풀에 의해 유로를 개폐하는 밸브를 말한다.
도 1은 종래의 일반적인 스풀 밸브의 구조를 도시한 횡단면도이다.
도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 스풀 밸브는 공급 유로(11) 및 귀환 유로(12)가 형성된 슬리브(10)와, 복수개의 스풀 랜드(21)가 스풀 로드(22)에 의해 일체로 연결되는 구조의 스풀(20)을 구비하며, 슬리브(10)의 내부에서 스풀(20)이 축선방향으로 왕복구동을 함으로써, 상기 유로(11,12)를 개폐하는 구조를 취하고 있다.
슬리브(10)에는 경우에 따라 하나 또는 둘의 제어 유로(13)가 형성되는데, 전체 유로의 개수에 따라 3웨이 제어 밸브 또는 4웨이 제어 밸브라 칭한다.
여기서, 스풀 밸브를 통과하여 유동하는 유체의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
공급 유로(11)를 통해 공급된 유체는 공급유로(11)의 단부와 스풀 랜드(21) 사이의 좁은 공간에 의해 형성되는 메터링 오리피스(metering orifice)를 통과하면서 고속 유동을 형성하고, 이러한 고속 유동은 스풀 로드(22)에 반사되어 제어 유로(13) 또는 귀환 유로(12)를 통해 유출된다.
유체에 의해 스풀(20)에 작용하는 유동력의 크기는 스풀 랜드(21)의 벽면에 작용하는 압력에 의한 힘의 크기와 같으며, 그 유동력의 방향은 스풀이 움직이는 방향과 반대방향(메터링 오리피스를 폐쇄하는 방향)이 된다.
도 1에 도시된 스풀 밸브의 각 부분(A,B,C,D,E)에 작용하는 힘에 의해 유동력을 표현하면 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
이러한 유동력의 크기가 커지게 되면, 밸브의 스풀을 움직이는데 요구되는 힘도 커지게 되므로, 밸브 전체의 크기가 증대되거나 구동모터의 용량이 커져야 한다는 문제점이 제기된다.
따라서, 정상상태(steady-state)의 유동력(flow force)을 감소 또는 소멸시키기 위하여 많은 방안이 제시되어 왔다. 그러나, 이러한 방안 중 일부만이 성공적인 결과를 낳았을 뿐, 나머지 대부분은 완전히 불가능하거나 실용적이지 못한 것이었다.
미국특허 제4,220,178호는 스풀(spool)에 작용하는 많은 종류의 동적인 힘(dynamic force)이 상호 균형을 맞추도록 스풀과 고압 유체 상호간의 운동량 교환을 변화시키기 위해 유압제어밸브(hydraulic control valve)의 스풀의 생크(shank : 스풀 로드)의 형상을 변형시키는 방안을 제시하고 있다.
생크는 스풀에 발생할 수 있는 고속유동을 제거하기 위해 흐름의 진입각에 비해 작은 각을 갖도록 형성되어 있다.
이러한 방법은 종래의 스풀의 구조에 비해 스풀 랜드(spool land)의 최대 직경이 증가한다는 불이익을 수반하고, 유출로(exit ramp)의 형상의 정확한 제작이 어렵다는 문제점을 갖는다.
또한, 미국특허 제5,944,042호에는 재순환 랜드(recirculation land)를 이용하여 유동력을 보상하는 방안이 제시되어 있다.
슬리브 내부에는 유체정역학적 베어링(hydrostatic bearing)이 형성되고, 스풀 랜드에는 그루브(groove)가 형성된 구조로써, 이에 의해 발생하는 와류에 의해 유동력을 보상하는 방식을 채택하고 있다.
그러나, 이러한 방식도 슬리브 자체의 구조 변형을 요구하는 것이므로, 제조 비용이 과도하게 증가하고 정확한 제작이 어렵다는 문제점을 갖는다.
또한, 미국특허 제3,123,335호에는 스풀 랜드에 노치(notch)를 형성함으로써, 유동력을 보상하는 방안이 개시되어 있으나, 이 경우도 슬리브 자체의 구조 변형이 요구되는 것이므로, 제조 비용이 과도하게 증가하고 정확한 제작이 어렵다는 문제점을 갖는다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 슬리브 자체의 구조 변형을 요구하지 않고 스풀의 간단한 구조 변화에 의해 유동력을 보상할 수 있는 스풀 밸브를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 공급 유로 및 귀환 유로가 형성된 슬리브와; 복수개의 스풀 랜드가 스풀 로드에 의해 일체로 연결되는 구조의 스풀을; 구비함과 아울러 상기 슬리브의 내부에서 축선방향으로 왕복구동하는 상기 스풀에 의해 상기 유로들을 개폐하는 스풀 밸브에 있어서, 상기 스풀 로드의 외주부로서 상기 공급 유로를 개폐하는 스풀 랜드의 내측에는 유동력 보상 돌출링이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브를 제공한다.
삭제
또한, 상기 유동력 보상 돌출링은 축선방향 단면이 방형인 것이 바람직하다.
또한, 상기 유동력 보상 돌출링의 단부에는 모따기가 형성될 수도 있고, 상기 유동력 보상 돌출링의 공급 유로측 면에는 홈파기가 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 상기 스풀 밸브를 이용한 유압 밸브 및 공압 밸브를 제시한다.
나아가, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 상기 스풀 밸브를 이용함과 아울러 제어 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 3웨이 방식의 밸브 및 2개의 제어 유로를 구비한 4웨이 방식의 밸브를 제시한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시례에 관하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 의한 스풀 밸브의 구조를 도시한 것으로서, 도 2는 좌측 공급 유로가 개방된 상태를 도시한 종단면도, 도 3은 우측 공급 유로가 개방된 상태를 도시한 종단면도, 도 4는 스풀의 구조를 도시한 사시도, 도 5는 또 다른 실시례의 구조를 도시한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스풀 밸브는 기본적으로 공급 유로(11) 및 귀환 유로(12)가 형성된 슬리브(10)와, 복수개의 스풀 랜드(21)가 스풀 로드(22)에 의해 일체로 연결되는 구조의 스풀(100)을 구비하며, 슬리브(10)의 내부에서 스풀(20)이 축선방향으로 왕복구동하면서 상기 유로(11,12)를 개폐하는 구조를 취하고 있다는 점에서 종래 기술과 동일하다.
그러나, 스풀 로드(22)의 외주부로서 공급 유로(11) 측에는 유동력 보상 돌출링(30)이 일체로 형성된 점에서 특징을 갖는다.
본 발명에 의한 스풀 밸브를 통과하여 유동하는 유체의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이 좌측 공급 유로가 개방된 경우, 공급 유로(11a)를 통해 공급된 유체는 공급 유로(11a)의 단부와 스풀 랜드(21) 사이의 좁은 공간에 의해 형성되는 메터링 오리피스(metering orifice)를 통과하면서 고속 유동을 형성하는데, 이러한 고속 유동은 스풀 로드(22)에 직접 충돌하지 않고, 유동력 보상 돌출링(30)의 곡면(b)에 충돌한 후, 반사되어 제어 유로(13a)를 통해 유출된다.
따라서, 스풀 랜드의 벽면(a1)에만 유동이 발생하고, 유동력 보상 돌출링의 벽면(a2)에는 유동이 발생하지 않는다.
또한, 유동력 보상 돌출링(30)에 의해 반사된 유체가 곧바로 제어 유로(13a)를 통해 배출되므로, 스풀 랜드의 벽면(c1,c2) 주위에도 유동이 발생하지 않는다. 따라서, 스풀 랜드의 벽면(a2)에 작용하는 압력에 의한 힘의 크기는 스풀 랜드의 벽면(c2)에 작용하는 압력에 의한 힘의 크기 정도로 증가하게 되므로, 결국 전체적으로 스풀(100)에 작용하는 유동력의 크기가 감소하게 되는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이 우측 공급 유로(11b)가 개방된 경우도 상기와 같은 효과를 기대할 수 있다.
즉. 공급 유로(11b)를 통해 공급된 유체는 공급 유로(11b)의 단부와 스풀 랜드(21) 사이의 좁은 공간에 의해 형성되는 메터링 오리피스(metering orifice)를 통과하면서 고속 유동을 형성하고, 이러한 고속 유동은 스풀 로드(22)에 직접 충돌하지 않고, 유동력 보상 돌출링(30)의 곡면(f)에 충돌한 후, 반사되어 제어 유로(13b)를 통해 유출된다.
따라서, 스풀 랜드의 벽면(e1)에만 유동이 발생하고, 유동력 보상 돌출링의 벽면(e2)에는 유동이 발생하지 않는다.
또한, 유동력 보상 돌출링(30)에 의해 반사된 유체가 곧바로 제어 유로(13b)를 통해 배출되므로, 스풀 랜드의 벽면(d1,d2) 주위에도 유동이 발생하지 않는다. 따라서, 스풀 랜드의 벽면(e2)에 작용하는 압력에 의한 힘의 크기는 스풀 랜드의 벽면(d2)에 작용하는 압력에 의한 힘의 크기 정도로 증가하게 되므로, 결국 전체적으로 스풀(100)에 작용하는 유동력의 크기가 감소하게 되는 것이다.
본 발명에 의한 스풀 밸브에 작용하는 유동력의 크기는 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 좌측 공급 유로가 개방된 경우에는 Fa2 와 Fc2의 크기가 같고, 부호가 반대이므로 서로 상쇄될 수 있고, 우측 공급 유로가 개방된 경우에는 Fd2 와 Fe2의 크기가 같고, 부호가 반대이므로 서로 상쇄될 수 있다.
따라서, 종래의 스풀 밸브의 경우와 비교해 볼 때, 본 발명에 의한 스풀 밸브에 작용하는 유동력은 좌측 공급 유로(11a)가 개방된 경우는 유동력 보상 돌출링의 벽면(a2)에 작용하는 압력에 의한 힘만큼, 우측 공급 유로(11b)가 개방된 경우는 유동력 보상 돌출링의 벽면(e2)에 작용하는 압력에 의한 힘만큼 감소됨을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상을 구현하기 위한 구체적 실시례로서 다음과 같은 여러가지 예가 제시될 수 있다.
즉, 유동력 보상 돌출링(30)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 스풀 랜드(21)의 내측면에 일체로 형성될 수도 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 스풀 랜드(21)의 내측면과 소정 이격되어 형성될 수도 있다.
또한, 유동력의 보상을 위해서는 돌출링의 벽면(a2,e2)이 형성되어야 하므로, 유동력 보상 돌출링(30)의 축선방향 단면은 방형(方形)인 것이 바람직하다.
또한, 유동력 보상을 위해 스풀 랜드(21)와 돌출링(30) 및 스풀 로드(22)의 단면이 계단형 구조를 취하기만 하면 되므로, 유동력 보상 돌출링(30)의 단부에는 모따기가 형성될 수도 있고, 유동력 보상 돌출링(30)의 공급 유로(11)측 면(b,f)에는 홈파기가 형성되어도 관계없다.
한편, 본 발명에 의한 스풀 밸브의 구조는 유압 밸브 및 공압 밸브에 모두 적용될 수 있고, 1 또는 2개의 제어 유로가 형성된 3웨이 제어 밸브 및 4웨이 제어 밸브에 모두 적용될 수 있다.
본 발명은 슬리브 자체의 구조 변형을 요구하지 않고 스풀의 간단한 구조 변화에 의해 유동력을 보상할 수 있는 스풀 밸브를 제공한다.
도 1은 종래의 일반적인 스풀 밸브의 구조를 도시한 횡단면도
도 2 내지 도 5는 본 발명에 의한 스풀 밸브의 구조를 도시한 것으로서,
도 2는 좌측 공급 유로가 개방된 상태를 도시한 종단면도
도 3은 우측 공급 유로가 개방된 상태를 도시한 종단면도
도 4는 스풀의 구조를 도시한 사시도
도 5는 또 다른 실시례의 구조를 도시한 종단면도
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10 : 슬리브 11 : 공급 유로
12 : 귀환 유로 13 : 제어 유로
21 : 스풀 랜드 22 : 스풀 로드
30 : 유동력 보상 돌출링 100 : 스풀

Claims (10)

  1. 공급 유로 및 귀환 유로가 형성된 슬리브와; 복수개의 스풀 랜드가 스풀 로드에 의해 일체로 연결되는 구조의 스풀을; 구비함과 아울러 상기 슬리브의 내부에서 축선방향으로 왕복구동하는 상기 스풀에 의해 상기 유로들을 개폐하는 스풀 밸브에 있어서,
    상기 스풀 로드의 외주부로서 상기 공급 유로를 개폐하는 스풀 랜드의 내측에는 유동력 보상 돌출링이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유동력 보상 돌출링은
    상기 스풀 랜드의 내측면과 소정 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동력 보상 돌출링은
    축선방향 단면이 방형인 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동력 보상 돌출링의 단부에는 모따기가 형성된 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 유동력 보상 돌출링의 공급 유로측 면에는 홈파기가 형성된 것을 특징으로 하는 유동력 보상이 가능한 스풀 밸브.
  7. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스풀 밸브를 이용한 유압 밸브.
  8. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스풀 밸브를 이용한 공압 밸브.
  9. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스풀 밸브를 이용한 것으로서,
    상기 슬리브는 제어 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 3웨이 제어 밸브.
  10. 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스풀 밸브를 이용한 것으로서,
    상기 슬리브는 2개의 제어 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 4웨이 제어 밸브.
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