KR101596811B1 - 밸브 제어 장치 및 밸브 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 밸브 제어 장치 및 밸브 시스템에 관한 것으로서, 밸브에 일단이 삽입된 스템 바디를 포함하며, 회전 각도에 따라 밸브를 통과하는 유체의 흐름을 조절하는 스템과, 스템에서 밸브에 삽입되지 않은 부분과 연결되어 스템과 동일한 각도로 회전하고, 자신의 회전각 정보를 외부로 전달하는 회전각 전달부와, 외부로부터 전달된 동력을 이용하여 스템을 회전시키는 동력 전달부를 포함하며, 동력 전달부는, 중심에 형성된 홀을 통해 조립된 스템 바디를 회전시키는 캐리어, 캐리어에 조립되어 상기 캐리어에 토크를 전달하는 제1 기어 및 제1 기어에 조립되어 제1 기어에 토크를 전달하는 제2 기어를 포함하며, 캐리어, 제1 기어 및 제2 기어는 액츄에이터 바디의 내부에 위치함으로써, 스템 각도의 변화가 정밀하게 반영되어 정밀하게 밸브를 제어할 수 있다.

Description

밸브 제어 장치 및 밸브 시스템 {Apparatus for valve control and valve system}

본 발명은 밸브 제어 장치 및 밸브 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 밸브는 액체, 분말, 가스 등의 유체가 흐르는 유체의 이동 통로 등에 위치하고 관의 내부를 흐르는 유체의 흐름을 차단 또는 유통시키기 위하여 관을 개방 또는 폐쇄시키는 데에 사용된다.

이와 같은 유체의 이동 통로에 위치하는 밸브는 내부의 작동원(예를 들어, 관을 밀폐 또는 유통시키는 것을 구현하는 나이프, 디스크 또는 볼 등이 내장되는 형태)에 따라, 게이트 밸브, 버터 플라이 밸브, 볼 밸브, 디스크 밸브 등으로 나눠질 수 있다.

여기서, 버터 플라이 밸브나 볼 밸브 등은 유체의 이동 통로를 회전시켜 유체의 이동 통로를 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다. 따라서, 밸브를 통과하는 유체의 정밀 제어를 위해, 유체의 이동 통로의 회전각을 정밀하게 제어할 수 있는 수단이 요구된다.

본 발명의 일 실시예는, 밸브내 유체 이동 통로의 회전각을 정밀하게 제어할 수 있는 밸브 제어 장치 및 밸브 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치는, 밸브에 일단이 삽입된 스템 바디를 포함하며, 회전 각도에 따라 상기 밸브를 통과하는 유체의 흐름을 조절하는 스템; 상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되지 않은 부분과 연결되어 상기 스템과 동일한 각도로 회전하고, 자신의 회전각 정보를 외부로 전달하는 회전각 전달부; 및 외부로부터 전달된 동력을 이용하여 상기 스템을 회전시키는 동력 전달부; 를 포함하며, 상기 동력 전달부는, 중심에 형성된 홀을 통해 조립된 상기 스템 바디를 회전시키는 캐리어, 상기 캐리어에 조립되어 상기 캐리어에 토크를 전달하는 제1 기어 및 상기 제1 기어에 조립되어 상기 제1 기어에 토크를 전달하는 제2 기어를 포함하며, 상기 캐리어, 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어는 액츄에이터 바디의 내부에 위치할 수 있다.

또한, 상기 스템은, 원통 형태이고 일단이 밸브에 삽입되는 스템 바디; 스템 바디보다 지름이 작은 원통 형태이고, 일단은 각각 스템 바디의 타단과 연결된 핀; 및 핀의 타단의 끝부분을 둘러싸고, 내부에 마그네트가 고정된 홀더; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되는 부분은 볼(ball) 형태, 디스크(disk) 형태 및 실린더(cylinder) 형태 중에 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템은, 유체의 이동 통로에 위치하여 상기 유체의 흐름을 조절하는 밸브; 상기 밸브에 일단이 삽입된 스템 바디를 포함하며, 회전 각도에 따라 상기 밸브를 통과하는 유체의 흐름을 조절하는 스템; 토크를 상기 스템에 전달하는 동력 전달부; 상기 스템에서 밸브에 삽입되지 않은 부분과 연결되어 상기 스템과 동일한 각도로 회전하는 회전각 전달부; 상기 회전각 전달부의 회전각을 감지하는 자기장 감지부; 및 상기 자기장 감지부에서 감지한 회전각을 기초로 상기 스템의 회전을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 동력 전달부는, 중심에 형성된 홀을 통해 조립된 상기 스템 바디를 회전시키는 캐리어, 상기 캐리어에 조립되어 상기 캐리어에 토크를 전달하는 제1 기어 및 상기 제1 기어에 조립되어 상기 제1 기어에 토크를 전달하는 제2 기어를 포함하며, 상기 캐리어, 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어는 액츄에이터 바디의 내부에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 서로 연결되어 동일한 각도로 회전하는 스템 및 회전각 전달부를 포함함으로써, 스템 각도의 변화가 정밀하게 반영되어 정밀하게 밸브를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치에 포함된 동력 전달부는, 스템을 둘러싸서 각도를 정밀하게 제어할 수 있다.

도1 내지 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치의 분해도이다.
도6 내지 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치에 포함된 스템을 나타낸 도면이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템을 나타낸 도면이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템에 포함된 밸브를 나타낸 도면이다.
도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템에 포함된 자기장 감지부를 나타낸 도면이다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템의 보정 동작에 따른 파라미터의 변화를 나타낸 그래프이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1 내지 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 밸브 제어 장치는 스템(1), 회전각 전달부(4), 자기장 감지부(5) 및 동력 전달부(6’)를 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 스템(1)은 스템 바디(1’) 및 핀(2)를 포함할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 스템(1)은 스템 바디(1’) 및 홀더(3)를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 스템(1)은 스템 바디(1’), 핀(2) 및 홀더(3)를 포함할 수 있다.

스템(stem)(1)은, 밸브에 일부분이 삽입된 상태에서 회전 각도에 따라 상기 밸브를 통과하는 유체의 흐름을 조절할 수 있다. 상기 스템(1)의 동작에 대한 내용은 도 10을 참조하여 후술된다. 이하 상기 스템(1)의 구조에 대해 설명한다.

여기서, 상기 스템(1)은 스템 바디(1’), 핀(2)은 및 홀더(3)를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 스템(1)은 일단이 밸브에 삽입되고, 타단이 마그네트(4)와 연결된 일체형 구조일 수 있다.

도 2를 참조하면, 스템 바디(1’)는 원통 형태이고 일단이 상기 밸브에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 핀(2)은 상기 스템 바디(1’)보다 지름이 작은 원통 형태이고, 상기 핀(2)의 일단은 상기 스템 바디(1’)의 타단과 연결되고, 상기 핀(2)의 타단은 상기 회전각 전달부(4)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 스템(1)은 2단 분리 구조일 수 있다.

도 3을 참조하면, 스템 바디(1’)는 원통 형태이고 일단이 상기 밸브에 삽입될 수 있다. 스템 바디(1’)의 타단은 상기 회전각 전달부(4)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 홀더(3)는 상기 스템 바디(1’)의 타단 및 상기 회전각 전달부(4)를 감싸고, 내부에 상기 마그네트가 고정될 수 있다. 즉, 상기 스템(1)은 2단 분리 구조일 수 있다.

여기서, 상기 스템 바디(1’)와 핀(2)은 스크루(screw)구조로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 스템 바디(1’)와 핀(2)은 동일한 각도로 회전할 수 있다.

도 4를 참조하면, 스템 바디(1’)는 원통 형태이고 일방향의 끝부분이 상기 밸브에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 핀(2)은 상기 스템 바디보다 지름이 작은 원통 형태이고, 일방향은 각각 상기 스템 바디의 일방향의 반대방향의 끝부분과 연결될 수 있다. 예를 들어, 홀더(3)는 핀의 일방향의 반대방향의 끝부분을 감싸고, 내부에 상기 마그네트가 고정될 수 있다. 즉, 상기 스템(1)은 3단 분리 구조일 수 있다.

즉, 상기 스템(1)은 마그네트(4)와 직접 연결됨으로써, 스템(1)의 회전 각도와 회전각 전달부(4)의 회전 각도는 동일해질 수 있다.

회전각 전달부(4)는, 스템(1)에서 밸브에 삽입되지 않은 부분과 연결되어 스템(1)과 동일한 각도로 회전할 수 있고, 자신의 회전각 정보를 외부로 전달할 수 있다.

예를 들어, 상기 회전각 전달부(4)는 마그네트(magnet) 또는 코일(미도시) 등을 포함하여 자기장을 출력하여 회전각 정보를 전달할 수 있다. 즉, 상기 회전각 전달부(4)는 비접촉 방식으로 회전각 정보를 전달할 수 있다.

예를 들어, 상기 회전각 전달부(4)는 저항의 저항값 변화를 이용하여 전기적으로 회전각 정보를 전달할 수 있다. 즉, 상기 회전각 전달부(4)는 접촉 방식으로 회전각 정보를 전달할 수 있다.

상기 회전각 전달부(4)와 스템(1)이 동일한 각도로 회전함으로써, 상기 회전각 전달부(4)에서 출력되는 자기장의 변화는 스템(1)의 각도의 변화를 정확하게 반영할 수 있다.

자기장 감지부(5)는, 상기 회전각 전달부(4)의 회전에 따라 변화하는 자기장을 감지할 수 있다. 여기서, 상기 회전각 전달부(4)는 스템(1)과 동일하게 회전한다. 따라서, 상기 자기장 감지부(5)가 아래에 위치한 회전각 전달부(4)의 회전을 감지함으로써, 스템(1)의 회전각은 정밀하게 감지될 수 있다. 예를 들어, 자기장 감지부(5)와 회전각 전달부(4)의 근접 거리는 1~3mm일 수 있다. 상기 자기장 감지부(5)에 대한 구체적인 내용은 도 9 및 도 11을 참조하여 후술된다.

동력 전달부(6’)는 외부로부터 전달된 동력을 이용하여 스템(1)을 회전시킬 수 있다. 즉, 동력 전달부(6’)는 스템(1)의 회전각을 제어할 수 있고, 스템(1)의 회전각의 변화에 따라 스템(1)이 삽입된 밸브를 통해 흐르는 유체의 흐름도 변화하게 된다. 또한, 스템(1)의 회전에 따라 회전각 전달부(4)도 동일한 각도로 회전함으로써, 회전각 전달부(4)에 의해 발생되는 자기장이 변화하며, 자기장 감지부(5)를 통해 감지한 상기 자기장의 변화를 피드백하여 상기 동력 전달부(6’)가 외부로부터 받는 동력을 조정함으로써, 상기 스템(1)의 회전각을 정밀하게 제어할 수 있다. 이에 따라, 스템(1)이 삽입된 밸브를 통해 흐르는 유체의 흐름은 정밀하게 제어될 수 있다.

또한, 상기 동력 전달부(6’)는 스템(1)과 접촉되어 상기 스템(1)의 회전방향으로 감싸고, 자신이 회전하여 스템(1)을 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 동력 전달부(6’)는 스템(1)을 정밀하게 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 동력 전달부(6’)는 캐리어(6), 제1기어(7) 및 제2기어(8)를 포함할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 5를 참조하여 후술된다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치의 분해도이다.

도5를 참조하면, 스템 바디(1’)는 밸브(10)에 수직방향으로 삽입될 수 있다. 상기 밸브(10)를 통해 유체가 수평방향으로 흐를 수 있다. 상기 스템 바디(1’)가 회전함으로써, 상기 밸브(10)를 통해 흐르는 유체의 흐름이 제어될 수 있다.

캐리어(6)는, 스템 바디(1’)에 조립될 수 있다. 상기 캐리어(6)는 토크를 최종적으로 상기 스템 바디(1’)에 전달할 수 있다. 여기서, 상기 캐리어(6)는 중심이 뚫려 있을 수 있다. 상기 캐리어(6)에서 뚫린 공간을 통해 스템(1)이 관통할 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어(6)와 스템(1)은 서로 밀착할 수 있다. 이에 따라, 상기 캐리어(6)는 스템(1)의 회전각을 정밀하게 조절할 수 있다.

제1기어(7)는, 상기 캐리어(6)에 조립될 수 있다. 상기 제1기어(7)는 캐리어(6)와 제2기어(8)의 사이에서 동력을 전달할 수 있다.

제2기어(8)는, 상기 제1기어(7)에 조립될 수 있다. 여기서, 상기 제2기어(8)는 외부에서 입력 받은 토크를 더 강한 토크로서 상기 제1기어(7)에 전달할 수 있다.

한편, 캐리어(6), 제1기어(7) 및 제2기어(8)는 엑츄에이터 바디(11)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 엑츄에이터 바디(11)는 밸브(10) 및 엑츄에이터 커버(12)와 조립될 수 있다. 상기 엑츄에이터 바디(11) 및 엑츄에이터 커버(12)에 의해, 스템(1) 및 동력 전달부(6’) 등은 외부의 불필요한 힘 또는 신호로부터 보호될 수 있다.

도6 내지 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 장치에 포함된 스템을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되는 부분은 볼(ball) 형태일 수 있다. 즉, 스템(1)에서 볼 형태의 부분을 통해 유체가 흐를 수 있다. 볼에는 복수의 구멍이 뚫려있을 수 있다. 따라서, 상기 볼의 회전 각도에 따라 휴체가 흐를 수 있고 막힐 수도 있다.

도 7을 참조하면, 상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되는 부분은 디스크(disk) 형태일 수 있다. 즉, 스템(1)에서 디스크 형태의 부분을 통해 유체가 흐를 수 있다. 상기 디스크의 회전 각도에 따라 휴체가 흐를 수 있고 막힐 수도 있다.

도 8을 참조하면, 상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되는 부분은 실린더(cylinder) 형태일 수 있다. 즉, 스템(1)에서 실린더 형태의 부분을 통해 유체가 흐를 수 있다. 상기 실린더의 회전 각도에 따라 휴체가 흐를 수 있고 막힐 수도 있다.

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템을 나타낸 도면이다.

도9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템은 밸브(110), 스템(120), 마그네트(121), 자기장 감지부(130), 연산제어부(141) 및 동력전달부(142)를 포함할 수 있다.

밸브(110)는, 유체의 이동 통로에 위치하여 상기 유체의 양이나 흐르는 방향, 압력 등을 조절할 수 있다. 여기서, 유체는 물, 기름 등의 액체일 수 있고, 가스 등의 기체일 수 있다.

스템(120)의 회전각에 따라, 상기 밸브(110)의 밸브용량계수는 조절될 수 있다. 여기서, 밸브용량계수는 Cv나 Kv를 쓸 수 있다. Cv의 크기는 Kv의 크기의 약 1.17배이므로, Cv와 Kv 는 서로 환산될 수 있다. 따라서, 이하 밸브용량계수는 Kv를 기준으로 설명되지만, Cv까지 포함될 수 있다.

스템(120)은, 밸브(110)에 삽입되어 회전할 수 있다. 상기 스템(120)의 끝에는 자기장을 출력하는 마그네트(121)와 연결될 수 있다. 여기서, 상기 스템(120)은 유체의 이동 통로 및 밸브(110)의 회전 방향을 평면으로 한 법선(normal line)을 축으로 하여 상기 밸브(110)에서 회전할 수 있다. 상기 스템(120)은 원통 축의 형태일 수 있다. 이를 통해, 동력전달부(142)로부터 회전력을 전달받아 상기 밸브(110)를 제어할 수 있다.

도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 상기 스템(120)과 마그네트(121)는 동일한 각도로 회전할 수 있다. 상기 마그네트(121)와 스템(120)이 동일한 각도로 회전함으로써, 상기 마그네트(121)에서 출력되는 자기장의 변화는 각도의 변화를 정확하게 반영할 수 있다.

자기장 감지부(130)는, 마그네트(121)에서 출력되는 자기장을 감지할 수 있다. 예를 들어, 스템(120)과 연결된 마그네트(121)가 회전할 경우, 자기장 감지부(130)가 감지하는 자기장의 크기 및 방향은 변화될 수 있다. 이처럼, 자기장 감지부(130)가 자기장을 감지함으로써, 상기 스템(120)의 회전각이 확인될 수 있다. 상기 스템(120)의 회전각 확인을 통해, 상기 자기장 감지부(130)는 밸브(110)의 개폐도 확인될 수 있다. 상기 자기장 감지부(130)는 감지한 자기장을 기초로 스템(120)의 회전각에 대응되는 전압을 출력할 수 있다.

예를 들어, 상기 자기장 감지부(130)는 감지한 자기장을 기초로 스템(120)의 회전각에 대응되는 펄스신호의 폭을 변조하여 변조된 펄스신호를 출력할 수 있다. 여기서, 상기 펄스신호는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식으로 변조될 수 있다. 예를 들어, 상기 스템(120)의 회전각이 0도(밸브 개도율 0%)이면, 상기 펄스신호의 듀티비(duty rate)는 0%일 수 있다. 마찬가지로, 상기 스템(120)의 회전각이 90도(밸브 개도율 100%)이면, 상기 펄스신호의 듀티비(duty rate)는 100%일 수 있다.

상기 펄스신호가 펄스 폭 변조 방식일 경우, 상기 펄스신호는 노이즈에 둔감해질 수 있다. 예를 들어, 마그네트(121)에서 출력되는 자기장의 변화가 미약할 수 있고, 상기 스템(120) 등의 기계적인 동작으로 인해 자기장 감지부(130)와 근접한 영역에서 노이즈가 심하게 발생될 수 있다. 따라서, 상기 펄스신호가 노이즈에 둔감해질 경우, 상기 자기장 감지부(130)는 상기 스템(120)의 회전각을 더욱 정밀하게 감지할 수 있다.

자기장 감지부(130)는, 스템(120)이 원통의 형태일 경우, 상기 스템(120)의 축에 수직인 평면에 위치하는 복수의 홀 센서(131)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 복수의 홀 센서(131)는 상기 법선을 축으로 하여 서로 90도의 각도로 이격된 지점에 위치하여 상기 스템(120)의 회전각을 감지할 수 있다. 상기 복수의 홀 센서(131)가 스템(120)의 회전각을 감지하는 구체적인 내용은 도11을 참조하여 후술된다.

연산제어부(141)는 외부로부터 입력된 입력신호와 자기장 감지부(130)로부터 입력된 감지신호를 비교하여, 제어신호를 동력전달부(142)로 출력할 수 있다. 여기서, 입력신호는 스템(120)의 각도를 제어하는 신호이다. 상술한 바와 같이, 자기장 감지부(130)는 감지한 자기장을 기초로 스템(120)의 회전각에 대응되는 감지신호를 출력할 수 있다.

또한, 상기 연산제어부(141)는 자기장 감지부(130)에서 감지된 자기장을 기초로 스템(120)의 회전각에 대응되는 출력신호를 외부로 출력할 수 있다. 이를 통해, 밸브(110)의 개폐상태가 확인될 수 있다.

또한, 상기 연산제어부(141)는 출력신호(감지신호)와 입력신호를 서로 비교할 수 있다. 여기서, 상기 연산제어부(141)는 출력신호의 크기와 입력신호의 크기의 차이값을 동력전달부(142)로 보내줄 수 있다.

예를 들어, 상기 연산제어부(141)는 펄스신호의 폭을 카운트하여 폭에 대응되는 출력신호를 출력하고 입력신호와 비교할 수 있다. 상기 펄스신호의 진폭이 일정하다면, 상기 펄스신호의 폭은 상기 펄스신호의 평균크기와 비례한다. 따라서, 상기 펄스신호의 폭을 카운트함으로써, 상기 펄스신호의 평균크기를 확인할 수 있다. 예를 들어, 상기 입력신호가 구형파가 아닌 크기가 일정한 신호일 경우라 하더라도, 상기 입력신호는 펄스 폭 변조된 출력신호와 비교할 수 있다.

또한, 상기 연산제어부(141)가 펄스신호의 폭을 카운트할 경우, 출력신호는 디지털 값이 될 수 있다. 예를 들어, 상기 연산제어부(141)는 카운터(counter)를 이용하여 디지털 값을 출력할 수 있다. 따라서, 밸브 제어 장치(100)는 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 추가가 필요하지 않으므로, 전체 구성이 간단해질 수 있다.

또한, 상기 연산제어부(141)는 출력신호의 크기가 밸브(110)의 밸브용량계수의 제곱근에 비례하도록 상기 출력신호의 크기를 보정할 수 있다. 상기 출력신호의 크기 보정의 구체적인 내용은 도12를 참조하여 후술된다.

동력전달부(142)는, 출력신호의 크기와 입력신호의 크기의 차이값에 대응되는 토크를 스템(120)에 가할 수 있다. 예를 들어, 상기 동력전달부(142)는 캐리어(6), 제1기어(7) 및 제2기어(8)를 포함할 수 있다.

연산제어부(141)는, 외부로부터 입력신호를 입력받을 수 있다. 또한, 상기 연산제어부(141)는 자기장 감지부(130)에서 감지한 자기장에 대응되는 출력신호를 외부로 출력할 수 있다. 즉, 출력신호는 밸브(110)를 제어하는데 이용될 수 있고, 상기 밸브(110)의 회전각 정보를 외부로 알리는데 이용될 수도 있다.

예를 들어, 동력전달부(142)는, 스템(120)를 회전시키는 스텝 모터 및 스텝 모터의 회전력을 증폭시키는 기어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스텝 모터는 연산제어부(141)에서 입력받은 신호 크기의 차이값에 대응되는 회전력을 기어에 가할 수 있다. 이때, 기어는 회전속도를 감속시킴으로써, 입력받은 회전력을 증폭시켜 스템(120)에 가할 수 있다. 이를 통해, 동력전달부(142)는 스템(120)에 가하는 토크를 정밀하게 제어할 수 있다.

도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템에 포함된 밸브를 나타낸 도면이다.

도10을 참조하면, 상기 밸브(110)와 유체 이동 통로는 회전각에 따라 순서대로 도시되고, 하단에는 유체의 이동 방향에서 보여지는 밸브(110)의 개도 상태가 도시된다.

도10의 좌측에는 밸브 개도율0%일 때의 밸브(110)가 도시된다. 이는 스템(120)의 회전각이 0도(또는 180도)임을 의미할 수 있다. 이때, 유체 이동 통로가 완전히 막히므로 유량이 최소값이다.

반면, 도10의 우측에는 밸브 개도율100%일 때의 밸브(110)가 도시된다. 이는 스템(120)의 회전각이 90도(또는 270도)임을 의미할 수 있다. 이때, 유체 이동 통로가 완전히 열리므로 유량이 최대값이다.

한편, 도10의 중앙에는 밸브 개도율0%~100%일 때의 밸브(110)가 도시된다. 이는 스템(120)의 회전각이 0도(또는 180도)에서 90도(또는 270도)임을 의미할 수 있다. 이때, 유체 이동 통로가 일부만 막힌다. 여기서, 스템(120)의 회전각과 유량은 선형적인 관계가 아닐 수 있다. 예를 들어, 상기 스템(120)의 회전각이 45도일 때, 유체의 유량은 최대값의 절반보다 작을 수 있다. 일반적으로, 스템(120)의 회전각과 유체의 유량은 2차함수에 가까운 관계가 될 수 있다. 스템(120)의 회전각과 유체의 유량과의 관계에 대한 구체적인 내용은 도12를 참조하여 후술된다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템에 포함된 자기장 감지부를 나타낸 도면이다.

도11을 참조하면, 상기 자기장 감지부(130)는 좌측 상단에 도시되고, 자기장 감지부가 감지하는 자기장을 출력하는 마그네트(121)는 우측 상단에 도시되고, 스템(120)의 회전각에 따른 마그네트(121)와 자기장 감지부(130)의 배치는 하단에 도시된다.

자기장 감지부(130)에 포함된 복수의 홀 센서(131)는 홀효과(hall effect)를 이용하여 마그네트(121)의 N극 및 S극의 위치를 감지할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 홀 센서(131)는 중심에서 X축 방향으로 향하는 직선 및 Y축 방향으로 향하는 직선상에 각각 배치될 수 있다. 이하 스템(120)의 회전각을 4가지로 나눠서 설명한다.

스템(120)의 회전각이 0도 또는 180도인 경우, X축에 배치된 홀 센서는 오른쪽 방향 또는 왼쪽 방향으로 향하는 자기장을 감지할 수 있고, Y축에 배치된 홀 센서는 상대적으로 미약한 자기장을 감지할 수 있다. 여기서, Y축에 배치된 홀 센서가 감지한 자기장의 크기에서 X축에 배치된 홀 센서가 감지한 자기장의 크기를 감산한 값은 기준값(최소값)이 될 수 있다. 또한, 홀 센서가 자기장의 방향을 감지할 경우, 상기 홀 센서는 상기 스템(120)의 회전각이 0도인지 180도인지 구분할 수 있다.

스템(120)의 회전각이 90도 또는 270도인 경우, Y축에 배치된 홀 센서는 위쪽 방향 또는 아래쪽 방향으로 향하는 자기장을 감지할 수 있고, X축에 배치된 홀 센서는 상대적으로 미약한 자기장을 감지할 수 있다. 여기서, Y축에 배치된 홀 센서가 감지한 자기장의 크기에서 X축에 배치된 홀 센서가 감지한 자기장의 크기를 감산한 값은 최대값이 될 수 있다. 또한, 홀 센서가 자기장의 방향을 감지할 경우, 상기 홀 센서는 상기 스템(120)의 회전각이 90도인지 270도인지 구분할 수 있다.

이처럼, 복수의 홀 센서(131)가 각각의 홀 센서가 감지한 자기장의 차이값을 감지함으로써, 자기장 감지부(130)는 상기 복수의 홀 센서(131)와 마그네트(121)사이의 거리(자기장 감지부의 법선방향) 변화에 영향을 거의 받지 않을 수 있다. 따라서, 상기 자기장 감지부(130)는 스템(120)의 변위 변화에 영향을 거의 받지 않고 상기 스템(120)의 회전각을 확인할 수 있다.

또한, 자기장 감지부(130)는 스템(120)나 밸브(110)의 회전각을 0도에서 360도까지 연속적으로 확인할 수 있다. 따라서, 상기 자기장 감지부(130)는 안정적으로 동작할 수 있고, 광각이나 협각 등의 다양한 각도 변화를 원활하게 감지할 수 있다. 저항값의 변화를 감지하는 포텐션미터는 회전각도가 제한적이며, 온도변화에 민감하여 오작동의 문제점을 가지고 있다. 따라서, 상기 포텐션미터와 비교하여 상기 자기장 감지부(130)를 이용하는 자기장 감지 방법은 더욱 안정적이다.

한편, 자기장 감지부(130)는 스템(120)이나 밸브(110)와 직접 접촉하지 않고도 회전각을 확인할 수 있다. 즉, 상기 자기장 감지부(130)와 스템(120) 사이에 기계적인 접촉이 없으므로, 밸브 시스템 전체의 내구성, 온도 특성 및 측정값 신뢰도 등이 향상될 수 있다.

도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템의 보정 동작에 따른 파라미터의 변화를 나타낸 그래프이다.

도12를 참조하면, 그래프의 가로축은 연산제어부(141)가 입력 받는 입력 전류(입력신호)의 크기일 수 있다. 그래프의 세로축은 밸브(110)를 통해 흐르는 유량을 나타내는 밸브용량계수일 수 있다.

예를 들어, 상기 입력 전류가 4mA일 때, 밸브(110)의 회전각(개도율)이 0도(0%)일 수 있다. 또한, 상기 입력 전류가 20mA일 때, 밸브(110)의 회전각(개도율)이 90도(100%)일 수 있다. 여기서, 상기 입력 전류와 상기 밸브(100)의 회전각은 선형적인 관계일 수 있다.

또한, 밸브(110)의 회전각과 유체의 유량을 나타내는 밸브용량계수는 2차함수에 가까운 관계가 될 수 있다. 즉, 연산제어부(141)가 입력 받는 입력 전류(입력신호)와 밸브(110)의 밸브용량계수는 이상적으로 도12의 실선과 같이 2차함수에 가까운 관계가 될수 있다.

상기 연산제어부(141)가 출력신호의 크기를 보정함으로써, 밸브 시스템은 밸브(110) 및 스템(120)의 회전각뿐만 아니라, 유체의 양이나 흐르는 방향, 압력 등 까지도 정밀하고 간단하게 조절할 수 있다.

도12를 참조하면, 점선은 연산제어부(141)가 출력신호의 크기를 보정하기 전의 관계를 나타내며, 실선은 연산제어부(141)가 출력신호의 크기를 보정한 후의 관계를 나타낸 것으로 등가 개방형 유량 특성 곡선에 해당하며, 곡선의 형태는 표준으로 정해져 있지 않다.

상기의 등가 개방형(Equal Percentage) 특성뿐만 아니라, 선형 비례형(Linear), 급속 개방형(Fast Opening)의 특성에 따라 얻고자하는 밸브 용량 계수의 곡선에 맞춰 임의 보정 가능하다.

여기서, 출력신호의 보정값은 유체의 종류, 밸브 제어 장치(100)의 설계 및 재질에 따라 달라질 수 있다.

한편, 상기 출력신호의 보정값은 유체의 종류에 따라서 달라진다.

예를 들어 상기 유체가 액체일 경우, 밸브용량계수는 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, Q는 유량(m3/h), G는 액체의 비중(물일경우 = 1), ?P는 압력손실(bar), Kv는 밸브 용량 계수이다.

또한 상기 유체가 기체일 경우, 밸브용량계수는 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, W는 증기의 양(kg/h), P1은 1차 절대압력(bara), P2는 2차 절대압력(bara), X는 압력강하율((P1-P2)/P1), Kv는 밸브 용량 계수이다.

즉, 연산제어부(141)는 유체가 액체일 때와 유체가 기체일 때를 구분하여 출력신호의 보정값을 다르게 설정할 수 있다. 이를 통해, 밸브 제어 장치(100)는 유체의 양이나 흐르는 방향, 압력 등을 원활하게 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 벨브 시스템은, 비접촉 방식으로 밸브의 회전각을 확인할 수 있어, 기계적인 접촉이 줄어들고, 내구성, 온도 특성 및 측정값 신뢰도 등이 향상될 수 있다.

또한 상기 벨브 시스템은, 스템의 변위 변화에 영향을 거의 받지 않고 상기 스템 및 밸브의 회전각을 확인할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예는, 스템 및 밸브의 회전각을 0도에서 360도까지 연속적으로 확인할 수 있어, 광각이나 협각 등의 다양한 각도 변화를 원활하게 안정적으로 감지할 수 있다.

또한 상기 벨브 시스템은, 출력신호의 크기를 보정함으로써, 밸브 및 스템의 회전각뿐만 아니라 유체의 양이나 흐르는 방향, 압력 등 까지도 정밀하고 간단하게 조절할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

1: 스템 1’: 스템 바디
2: 핀 3: 홀더
4: 회전각 전달부 5: 자기장 감지부
6: 캐리어 6’: 동력전달부
7: 제1기어 8: 제2기어
10: 밸브 11: 엑츄에이터 바디
12: 엑츄에이터 커버
110: 밸브 120: 스템
121: 마그네트 130: 자기장 감지부
131: 홀 센서 141: 연산제어부
142: 동력전달부

Claims (10)

1. 밸브에 일단이 삽입된 스템 바디를 포함하며, 회전 각도에 따라 상기 밸브를 통과하는 유체의 흐름을 조절하는 스템;
   상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되지 않은 부분과 연결되어 상기 스템과 동일한 각도로 회전하고, 자신의 회전각 정보를 외부로 전달하는 회전각 전달부; 및
   외부로부터 전달된 동력을 이용하여 상기 스템을 회전시키는 동력 전달부; 를 포함하며,
   상기 동력 전달부는, 중심에 형성된 홀을 통해 조립된 상기 스템 바디를 회전시키는 캐리어, 상기 캐리어에 조립되어 상기 캐리어에 토크를 전달하는 제1 기어 및 상기 제1 기어에 조립되어 상기 제1 기어에 토크를 전달하는 제2 기어를 포함하며,
   상기 캐리어, 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어는 액츄에이터 바디의 내부에 위치하는 밸브 제어 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전각 전달부는, 상기 스템 바디의 타단에 배치되는 밸브 제어 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 스템은,
   일단은 상기 스템 바디의 타단과 연결되고 타단은 상기 회전각 전달부와 연결된 핀; 을 포함하고,
   상기 스템 바디와 핀은 스크루(screw)구조로 연결된 밸브 제어 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 스템은,
   상기 스템 바디의 타단 및 회전각 전달부를 감싸는 홀더; 를 포함하는 밸브 제어 장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 스템은,
   일단은 상기 스템 바디의 타단과 연결된 핀; 및
   상기 핀의 타단 및 회전각 전달부를 감싸는 홀더; 를 포함하는 밸브 제어 장치.
   
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전각 전달부는 자신의 회전각 정보를 자기장을 이용하여 전달하는 마그네트(magnet)를 포함하고,
   상기 동력 전달부는 상기 스템과 접촉되어 상기 스템의 회전 방향으로 감싸고, 자신이 회전하여 상기 스템을 회전시키는 밸브 제어 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 스템에서 상기 밸브에 삽입되는 부분은 볼(ball) 형태, 디스크(disk) 형태 및 실린더(cylinder) 형태 중에 하나인 밸브 제어 장치.
   
8. 유체의 이동 통로에 위치하여 상기 유체의 흐름을 조절하는 밸브;
   상기 밸브에 일단이 삽입된 스템 바디를 포함하며, 회전 각도에 따라 상기 밸브를 통과하는 유체의 흐름을 조절하는 스템;
   토크를 상기 스템에 전달하는 동력 전달부;
   상기 스템에서 밸브에 삽입되지 않은 부분과 연결되어 상기 스템과 동일한 각도로 회전하는 회전각 전달부;
   상기 회전각 전달부의 회전각을 감지하는 자기장 감지부; 및
   상기 자기장 감지부에서 감지한 회전각을 기초로 상기 스템의 회전을 제어하는 제어부;를 포함하며,
   상기 동력 전달부는, 중심에 형성된 홀을 통해 조립된 상기 스템 바디를 회전시키는 캐리어, 상기 캐리어에 조립되어 상기 캐리어에 토크를 전달하는 제1 기어 및 상기 제1 기어에 조립되어 상기 제1 기어에 토크를 전달하는 제2 기어를 포함하며,
   상기 캐리어, 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어는 액츄에이터 바디의 내부에 위치하는 밸브 시스템.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 스템은,
   일단은 상기 스템 바디의 타단과 연결된 핀; 및
   상기 핀의 타단 및 회전각 전달부를 감싸는 홀더; 를 포함하고,
   상기 회전각 전달부는 자신의 회전각 정보를 자기장을 이용하여 전달하는 마그네트(magnet)를 포함하는 밸브 시스템.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 자기장 감지부는 상기 스템의 축을 법선(normal line)으로 하는 평면에 위치하여 교차 축방향의 자력선을 측정하는 복수의 홀 센서를 포함하고,
    상기 복수의 홀 센서는 상기 법선을 축으로 하여 서로 90도의 각도로 이격된 지점에 위치하여 상기 마그네트의 회전각을 감지하고,
    상기 제어부는,
    상기 마그네트의 회전각에 대응되는 출력신호를 출력하고 입력신호와 비교하는 연산제어부를 포함하고,
    상기 연산제어부는 상기 입력신호의 크기와 상기 스템에 가하는 토크의 관계가 급속 개방형(Fast Opening), 선형 비례형(Linear) 또는 등가 개방형(Equal Percentage) 특성이 되도록 상기 입력신호의 크기를 보정하는 밸브 시스템.
    

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