KR100721683B1 - 조리개식 가변밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유량이 수시로 변하면서 관속을 흐르는 유체(액체,기체)의 유압을 관의 내부 또는 관의 말단부에서 가변적으로 조절하기 위한 밸브이다. 일반적인 예로 운전상태(RPM)에 따라 배기가스의 유량이 변하는 자동차 배기시스템의 배압(대기압과의 차압, back-pressure) 등을 가변적으로 조절하는 방법과 장치에 관한 기술이다.

조리개의 작동원리는 초기에 스프링의 압축력에 의해 일정한 크기로 닫혀 있던 조리개에 배압이 작용하면 조리개의 출구 전후의 배압의 차로 인해서 조리개 면에 작용하게 되는 힘과 조리개 면을 구속하고 있는 스프링 힘의 상관관계에 따라 조리개가 벌어지게 된다.

본 발명인 조리개식 가변밸브는 종래의 원판식 가변밸브에 비하여 유량을 선형적으로 쉽게 조절할 수 있고, 생성되는 유동소음이 적다. 그리고, 우회 유로가 있을 경우 이 밸브의 스프링 장착 부분을 기계식이나 전자식 제어로 전환한다면 능동 유량제어밸브로 활용할 수 있다.

가변밸브, 조리개, 유량조절, 배압

Description

조리개식 가변밸브 {aperture type semi-active valve}

도 1은 원판형 가변밸브가 소음기에 장착된 형상이다.

도 2는 원판형 가변밸브의 일반적인 형상이다.

도 3은 조리개식 가변밸브가 관(파이프)에 장착된 형태이다.

도 4는 조리개의 면에 스프링이 장착된 조리개식 가변밸브이다.

도 5는 조리개의 연결부에 스프링이 장착된 조래개식 가변밸브이다.

도 6은 조리개식 밸브의 개방 면적을 제어할 수 있는 와이어를 구비한 조리개식 가변밸브이다.

도 7은 조리개식 밸브의 개방 면적을 제어할 수 있는 와이어를 구비한 조리개식 가변밸브가 관에 장착된 형태이다

본 발명은 유량이 수시로 변하면서 관속을 흐르는 유체(액체,기체)의 유압을 관의 내부 또는 관의 말단부에서 가변적으로 조절하기 위한 밸브이다. 일반적인 예로 운전상태(RPM)에 따라 배기가스의 유량이 변하는 자동차 배기시스템의 배압(대 기압과의 차압,back-pressure)을 가변적으로 조절하는 방법과 장치에 관한 기술이다.

가변밸브(semi-active valve)가 사용되는 구체적 예인 자동차 소음기에 장착된 원판형 가변밸브는 도 1과 같다. 자동차 소음기의 장착 목적은 엔진에서 연소된 고온 고압의 맥동성 배기가스를 대기중에 그대로 방출할 경우 급격한 압력의 변동으로 인해 매우 큰 소음이 발생하므로 이러한 배압을 단계적으로 낮추어 줌으로써 배기소음에 대한 환경규제치를 만족시키기 위한 것이다. 소음기를 배압이 높은 구조로 설계한다면 소음저항이 커져 배기소음이 완화되나 배기저항도 커져 엔진 출력이 저하되는 문제가 있다. 반대로 엔진 출력의 손실을 막기 위해 배기저항을 줄인다면 배기소음이 증가하여 환경규제치를 만족시키는데 어려움이 따른다. 따라서 가변밸브를 사용하여 배기소음이 문제가 되는 저속구간에서는 배압을 높여 주고 엔진출력이 문제가 되는 중고속구간에서는 배압을 낮추어 준다면 기존 소음기의 설계에서 흔히 고민하게 되는 상기의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

종래의 자동차용 소음기에 사용되는 원판형 가변밸브는 도 2에 도시된 바와 같이 밸브의 원판이 초기에는 스프링의 힘에 의해서 닫혀 있다가 유량이 증가함에 따라 배압이 스프링의 구속력을 이길 정도로 상승하게 되면 열리게 되는 구조로 되어있다. 가변밸브를 소음기에 적용하기 위해서는 유량에 따른 배압과 스프링 상수 간의 상관관계를 파악하는 것이 중요하다 그러나 기존의 원판형 가변밸브의 경우 원판이 열리는 각도에 따라 개방 면적이 선형적으로 증가하기 않기 때문에 이 개방 면적을 통해 빠져나가는 유량을 계산하기 매우 어렵다. 따라서 배압과 스프링 상수 간의 상관관계를 파악하기 위해 다양한 엔진에 대해 장착 직경별로 많은 실험을 통해 각각의 실험식을 찾아야 하므로 설계자가 원하는 가변밸브를 제작하기가 쉽지 않으며 제작된 가변밸브를 다른 소음기에 공용으로 사용하는 데도 제약이 따르게 된다.

또한, 원판형 가변밸브의 경우 밸브가 열리면서 유동이 편향되게 갈라지므로 유동의 교란으로 인해 급격히 유동(난류)소음이 발생한다. 따라서 이러한 가변밸브의 경우 엔진에서 발생한 맥동성 소음은 감소시킬 수 있으나 오히려 가변밸브에서 생성된 유동소음은 증가시키므로 전체적 배기소음의 개선효과가 그리 크지 않거나 나빠질 수 있다.

유량이 수시로 변하면서 관속을 흐르는 유체(액체,기체)의 유압을 가변적으로 조절하기 위한 밸브를 구성하기 위해서는 유압이 선형적으로 쉽게 조절되어야 하고, 유동소음의 생성이 적어야 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해서 가변밸브를 조리개식으로 구성하는 것이 가장 우수하다고 할 수 있다.

본 발명은 상기한 요구조건을 충족시킬 수 있는 조리개식 가변밸브의 가변조절 방법과 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명인 조리개식 가변밸브는 개방 면적이 가변적인 조리개 면을 형성하기 위한 다수개의 조리개 판, 이 조리개를 조절하기 위한 탄성체, 그리고 조리개 판을 힌지처럼 고정하게 되는 조리개 프레임으로 구성된다.

본 발명은 유량이 가변적으로 변하는 관에 있어서 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 관의 말단부, 또는 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 관의 내부에 장착할 수 있다.

본 발명의 한 실시 예는 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 일정한 곡면을 가지고 그 일단에 힌지 구멍을 가진 다수개의 조리개 판을, 힌지 역할을 할 수 있는 환형의 조리개 프레임(2)에 끼워, 전체적으로 노즐형상의 밸브를 형성하고, 이 조리개 판(1-1)이 겹쳐서 형성된 조리개의 면(1)에 환형 스프링(3)을 끼워서 조리개 판들이 오므라든 상태가 되도록 구속한다. 환형 스프링의 장착위치가 조리개의 출구 쪽을 갈수록 조리개 면의 단면적이 작아지므로 환형이 더 작은 스프링을 사용할 수 있으나 모멘트의 구속점이 힌지로 부터 멀어지므로 스프링 상수가 더 큰 스프링을 사용해야 한다. 따라서 스프링의 장착 위치는 상기 사항을 고려해서 결정해야 한다. 이 환형 스프링(3)은 조리개 면(1)에서 이탈되지 않도록 각각의 조리개 판의 가장자리에 걸림 턱을 형성하여 스프링을 그 사이에 끼우는 것이 좋다.

상기 밸브에서, 환형 스프링을 사용하여 조리개의 면을 한꺼번에 구속하는 대신, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 서로 인접한 조리개의 판 끼리 개별 인장 스프링(3-1)으로 각각 연결하여 전체 조리개의 면을 구속할 수도 있다.

또 다른 실시 예로는 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 조리개 판의 힌지 부위 에 탄성체로 클립형태의 스프링(3-2)을 구성 또는 설치하거나, 도 5의 (b)와 같이 압축코일 스프링(3-3)을 설치하여 조리개 판이 오므린 상태가 되도록 구속할 수 있다.

필요한 경우 상기한 수 종류의 스프링을 2개 이상 조합하여 구속력을 크게 할 수도 있다.

그리고, 사용 유체의 온도가 높지 않는 경우 등의 조건이 허락된다면, 탄성체는 스프링 대신에 천연고무, 합성고무 등을 사용할 수 있다.

본 가변밸브의 작동원리는 다음과 같다. 초기에 스프링(3, 3-1, 3-2, 3-3)의 구속력에 의해 일정한 개방 면적으로 닫혀 있던 밸브에 상류측(Up-Stream)으로 부터 배압이 작용하면, 조리개의 출구 전후의 배압의 차로 인해서 조리개의 면에 작용하게 되는 힘이 조리개의 면을 구속하고 있는 스프링에 의한 힘을 이기게 되고, 이 때 조리개 판들이 벌어지면서 밸브가 열리게 된다. 또한, 밸브가 연속적으로 열리다가 너무 많이 열리게 되면 밸브 출구 전후의 압력차가 적어지면서 반대로 스프링의 구속력이 조리개의 면에 작용하는 힘을 이기게 되고 이로 인해 밸브가 닫히게 된다. 즉 조리개의 면에 구속력을 주는 스프링을 스프링 상수를 고려해 적절히 선정해 사용한다면, 본 가변밸브는 유압을 자동으로 조절하는 가변밸브가 된다.

관속 유동에서 마찰에 의한 압력손실을 무시한다면 연속방정식과 베르누의 방정식을 이용해서 유량에 따른 조리개의 출구 전후의 배압의 차를 구할 수 있고 운동량 방정식과 힘의 평형방정식을 이용해서 유량에 따른 조리개의 면에 작용하는 힘을 구할 수 있다. 즉, 베르누의 방정식에 의하면 유량은 단면적 및 유속과 비례 관계가 있으며 유량이 일정할 때 단면적에 따라 유속이 변하게 되므로 이를 통해 조리개의 출구 전후의 유속의 차를 구할 수 있고 연속 방정식에 이를 대입하면 배압의 차를 구할 수 있다.

또한 힘의 평형방정식 내의 총 힘의 항을 운동량 방정식으로 치환한 다음 이 치환 식에다 상기에서 구한 유속의 차와 배압의 차를 대입하면 조리개의 면에 작용하는 힘을 구할 수 있으므로 유량에 따라 선형적으로 변하는 스프링 상수를 결정할 수 있다. 따라서 이러한 방법을 통해 유량에 따른 조리개의 개방 면적이 선형적으로 조절될 수 있으므로 배압도 선형적으로 조절될 수 있다.

조리개의 전체적 형태는 곡면의 수축부(contraction)를 가지는 노즐형태이다. 일반적으로 수축부는 교란된 유동(난류)을 안정화 시키는 작용을 하는 것으로 알려져 있다.

도 7에 도시한 한 바와 같이 우회 유로가 있을 경우, 가변 벨브는 도 6에 도시한 바와 같이, 밸브의 초기 상태가 최대로 열려 진 상태가 되도록, 조리개 판과 조리개 프레임의 연결부위에 스프링(3-4)을 장착하고, 조리개 면에 와이어(4)를 감은 다음, 이 와이어를 당겨 밸브의 개방 면적을 제어 함으로써 유량을 조절할 수 있다. 이 와이어에 기계식이나 전자식 제어 장치를 연결한다면, 유량 제어가 가능한 가변유량조절밸브로 사용할 수 있다.

본 발명인 조리개식 가변밸브는 종래의 원판형 가변밸브에 비하여 유압을 선 형적으로 쉽게 조절할 수 있고, 생성되는 유동소음이 적다.

본 발명인 조리개식 가변밸브는 관의 내부나 관의 말단부에 장착되어 유량이 수시로 변하면서 관속을 흐르는 유체의 유압을 가변적으로 조절할 수 있다.

그리고, 본 발명인 조리개식 가변밸브는 우회 유로가 있을 경우 이 밸브의 조리개 연결부위의 스프링은 반대로 장착하고 조리개 면의 스프링은 와이어로 대체해서 기계식이나 전자식 제어로 전환한다면 능동 유량제어 장치로 활용할 수 있다.

Claims (4)

1. 일정한 곡면을 가지고 그 일단에 힌지 구멍을 가진 다수개의 조리개 판(1);

   전체적으로 환형의 프레임으로서, 상기 조리개 판의 힌지 구멍들에 끼워져 힌지 역할을 할 수 있는 조리개 프레임(2);

   상기 조리개 판(1)들이 서로 겹쳐 형성된 조리개를 열린 상태가 되도록 구속시키는 것으로서, 상기 조리개 프레임(2)부위에 설치되는 클립형 스프링(3-2), 또는 코일 스프링(3-4)인 탄성체;

   그리고, 상기 조리개 판(1)으로 형성된 조리개 면에 감겨 설치되고, 그 끝단이 외부 제어 장치에 연결되는 와이어(4)를 구비하여,

   상기 와이어(4)를 당겼다 놓았다 하는 조작으로 밸브의 개방면적을 제어함으로써, 유량을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는, 조리개식 가변밸브.
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