KR102272284B1 - 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 관한 것으로서, 유체가 공급 및 배출될 수 있도록 인입구와 배출구가 형성되어 있으며 내부는 중공으로 이루어져 있어 각종 부재 및 유체를 수용할 수 있도록 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 형성되며 상기 인입구를 통해 인입되는 유체를 설정된 방향으로 배출시키는 유도관과, 상기 유도관의 상단에 형성되며 인입되는 유체의 압력에 따라 상기 유도관으로부터 이격되면서 개폐되어 유체를 배출시키는 포핏과, 상기 하우징의 내부에 형성되며 일단은 상기 포핏을 상기 유도관 방면으로 가압하여 상기 유도관으로부터 유체가 배출되지 않도록 막는 탄성부를 포함하며, 유체력이 포핏을 열리는 방향으로 작용시켜서 유체력이 스프링력을 상쇄시키며, 여러 개의 스프링을 사용하여 스프링의 유효 탄성 계수가 유체력 스프링의 탄성 계수에 부합시킴으로써 밸브의 압력 제어의 정밀도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브{pressure control valves using multi-step springs with precision pressure control}

본 발명은 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밸브 내부로 공급되는 유체의 유량이 증가됨에 따라 발생되는 압력변화를 감소시키고 일정하게 유지할 수 있는 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 관한 것이다.

일반적으로 압력제어밸브는 유압 회로 또는 기구 내의 압력을 일정하게 유지하거나 설정된 압력으로 유지시키고, 유압회로 또는 기구 내의 압력이 상승되어 과부하가 발생되는 것을 방지하기 위해 사용된다.

이러한 압력제어밸브는 릴리프밸브, 시퀀스밸브, 카운터밸런스밸브, 감압밸브 등이 존재하며, 이 중 릴리프밸브의 구조를 이용하여 압력제어밸브의 구조를 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 릴리프밸브의 내부 구조를 간략하게 도시한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 내부가 비어 있고 하부에는 유체가 인입되는 인입구(13)가 형성되고 측면에는 유체가 배출되는 배출구(14)가 형성된 하우징(10)과, 하우징(10)의 인입구(13)에 형성되며 인입구(13)에 밀착 또는 이격되면서 개폐되는 포핏(11)과, 포핏(11)의 상부에 형성되어 포핏(11)을 인입구(13) 방면으로 가압하는 스프링(12)으로 이루어져 있다.

포핏(11)은 유체의 압력이 스프링(12)의 탄성력보다 높은 경우 포핏(11)이 인입구(13)로부터 이격되면서 유체가 하우징(10) 내부로 유입되게 되는데, 포핏(11) 인근의 유체 흐름이 포핏(11)이 닫히는 방향으로 유체력이 작용하기 때문에 포핏(11)이 닫히려는 힘이 증가되면서 압력 상승을 유발하여 유압회로 또는 기구 내의 압력을 정밀하게 제어하지 못한다는 문제점이 있었다.

도 2는 유체의 흐름이 포핏(11)이 열리는 방향으로 유체력이 작용하도록 구조를 개선한 릴리프밸브를 도시한 것으로, 유체가 포핏(11) 내부로 유입되면서 포핏(11)을 밀어내도록 하여 유체력이 스프링(12)의 탄성력을 상쇄하도록 하여 정밀제어가 가능하도록 하는 점이 제시되어 있다.

그러나 도 2와 같은 구조에서도 스프링(12)의 탄성력이 유체가 흐르면서 발생되는 유체력과의 차이를 보이는 압력영역에서는 압력제어의 정밀도가 떨어지는 문제점이 있었다.

한국특허 공개번호 제10-2004-0009556호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스프링의 탄성력과 유체가 흐르면서 발생되는 유체력의 차이를 감소시켜 유압회로 또는 기구의 압력제어를 정밀하게 제어할 수 있는 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 유체가 흐르면서 발생되는 유체력에 따라 스프링의 탄성력을 결정함으로써 유체력에 의해 발생되는 오차 압력을 감소시키는 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브는 유체가 공급 및 배출될 수 있도록 인입구와 배출구가 형성되어 있으며 내부는 중공으로 이루어져 있어 각종 부재 및 유체를 수용할 수 있도록 형성되는 하우징과, 하우징의 내부에 형성되며 인입구를 통해 인입되는 유체를 설정된 방향으로 배출시키는 유도관과, 유도관의 상단에 형성되며 인입되는 유체의 압력에 따라 유도관으로부터 이격되면서 개폐되어 유체를 배출시키는 포핏과, 하우징의 내부에 형성되며 일단은 포핏을 유도관 방면으로 가압하여 유도관으로부터 유체가 배출되지 않도록 다단으로 스프링이 형성된 탄성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브는 하우징의 내부에 형성되며 다단으로 된 스프링의 타단을 지지하도록 형성되는 가압단과; 일단은 가압단과 연결되고 타단은 하우징 외부에 형성되어 회전 방향에 따라 가압단을 포핏을 향해 이동시켜 탄성부의 탄성력을 조절하는 조절나사를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 가압단은 탄성부의 다단으로 된 스프링을 지지할 수 있도록 내측 방면으로 원형으로 파여지는 다수 개의 고정홈을 더 포함하며, 고정홈은 다단으로 된 스프링 중 포핏과 접촉되지 않은 무부하 상태인 스프링의 위치를 고정시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 탄성부는 서로 다른 길이를 가진 다수 개의 스프링으로 이루어져 있으며, 다수 개의 스프링은 유입되는 유체의 흐름에 따라 압력이 증가되면 순차적으로 포핏에 접촉되면서 유체의 흐름에 의해 발생되는 압력을 감소시켜 일정한 압력 하에서 유체가 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 포핏은 유도관으로부터 유입되는 유체의 압력에 의해 유도관으로부터 이격될 수 있도록 하단 중앙에 유체의 압력이 작용되는 가압홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 포핏은 유체의 압력에 의해 유도관으로부터 이격되면 유체를 포핏과 유도관 사이에서 하부 방면으로 경사진 틈새로 흐르게 하여, 유체의 흐름에 의해 발생되는 유체력이 포핏을 열리는 방향으로 작용되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 탄성부는 다단으로 된 다수 개의 스프링을 이용하여 유체의 압력에 의해 변동되는 유체력 스프링의 탄성 계수에 따라 탄성부의 탄성계수가 변동되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 의하면, 스프링의 탄성력과 유체가 흐르면서 발생되는 유체력의 차이를 감소시켜 유압회로 또는 기구의 압력제어를 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 의하면, 유체가 흐르면서 발생되는 유체력에 따라 스프링의 탄성력을 결정함으로써 유체력에 의해 발생되는 오차 압력을 감소시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 릴리프밸브의 내부 구조를 간략하게 나타낸 도면.
도 2는 개선된 릴리프밸브의 내부 구조를 간략하게 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 포핏이 닫힌 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 포핏이 열리면서 제1스프링이 압축되고 제2스프링이 접촉된 모습을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 포핏이 열리면서 제1스프링 및 제2스프링이 압축되고 제3스프링이 접촉된 모습을 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 조절나사를 이용하여 제1스프링을 압축시키고 제2스프링이 포핏에 접촉되도록 하여 초기 설정압력을 높인 모습을 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 조절나사를 이용하여 제1스프링 및 제2스프링을 압축시키고 제3스프링이 포핏에 접촉되도록 하여 초기 설정압력을 높인 모습을 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 가압단의 형상을 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 A 부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 10은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 스프링의 탄성 계수와 유체력의 탄성 계수의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 유량에 따른 압력의 상관관계를 나타낸 그래프이며, 동시에 다단 스프링 압력제어밸브의 유량에 따른 압력의 상관관계를 도 1의 기존 압력제어밸브와 도 2의 개선된 압력제어밸브의 압력-유량상관관계와 비교한 그래프.

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 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밸브 내부로 공급되는 유체의 유량이 증가됨에 따라 발생되는 압력변화를 감소시키고 일정하게 유지할 수 있는 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.

도 3 내지 5는 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 포핏이 서서히 열리는 모습을 순차적으로 나타낸 단면도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 조절나사를 이용하여 초기 설정압력을 조절한 모습을 나타낸 단면도 이며, 도 8은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 가압단의 형상을 나타낸 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 A부분을 확대하여 나타낸 확대도이다.

도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브는 유체가 공급 및 배출될 수 있도록 인입구(110)와 배출구(120)가 형성되어 있으며 내부는 중공으로 이루어져 있어 각종 부재 및 유체를 수용할 수 있도록 형성되는 하우징(100)과, 하우징(100)의 내부에 형성되며 인입구(110)를 통해 인입되는 유체를 설정된 방향으로 배출시키는 유도관(300)과, 유도관(300)의 상단에 형성되며 인입되는 유체의 압력에 따라 유도관(300)으로부터 이격되면서 개폐되어 유체를 배출시키는 포핏(200)과, 하우징(100)의 내부에 형성되며 일단은 포핏(200)을 유도관(300) 방면으로 가압하여 유도관(300)으로부터 유체가 배출되지 않도록 다단으로 스프링이 형성된 탄성부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 하우징(100)의 내부에 형성되며 다단으로 된 스프링의 타단을 지지하도록 형성되는 가압단(500)과, 일단은 가압단(500)과 연결되고 타단은 하우징(100) 외부에 형성되어 회전 방향에 따라 가압단(500)을 포핏(200)을 향해 이동시켜 탄성부(400)의 탄성력을 조절하는 조절나사(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 포핏(200)은 유도관(300)으로부터 유입되는 유체의 압력에 의해 유도관(300)으로부터 이격될 수 있도록 하단 중앙에 유체의 압력이 작용되는 가압홈(210)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

포핏(200)은 유체의 압력에 의해 유도관(300)으로부터 이격되면 유체를 포핏(200)과 유도관(300) 사이에서 하부 방면으로 경사진 틈새로 흐르게 하여, 유체의 흐름에 의해 발생되는 유체력이 포핏(200)을 열리는 방향으로 작용되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.

하우징(100)은 내부에 각종 부재를 지지할 수 있도록 하기 위한 것으로, 내부가 비어있고 하부면에는 유체가 유입될 수 있도록 유입구가 형성되고, 측면에는 하우징(100) 내부로 유입된 유체가 외부로 배출될 수 있도록 배출홀이 형성되어 있다.

하우징(100)의 상부면에는 조절나사(600)의 일단이 하우징(100) 내부로 삽입될 수 있도록 관통홀이 형성되어 있는데, 관통홀에는 나사산이 형성되어 있어 조절나사(600)의 회전방향에 따라 조절나사(600)가 하우징(100) 내부로 삽입되거나 인입될 수 있게 된다.

포핏(200)은 탄성부(400)의 탄성력에 의해 유도관(300)에 밀착된 상태로 유지되며 유체가 설정된 압력에 도달되기 전에는 유도관(300)을 닫은 상태로 유지하여 유체가 하우징(100) 외부로 배출되는 것을 방지하게 된다.

유도관(300)은 유체가 하우징(100) 내부로 인입되는 인입구(110)에 형성되어 있으며, 인입구(110)로부터 유입되는 유체를 상부에 형성된 포핏(200) 중앙에 형성된 가압홈(210) 내부로 유입되도록 유도하게 된다.

유체는 유도관(300)을 통해 포핏(200)의 하단 중앙에 내측으로 파여진 가압홈(210)으로 유입되면서 포핏(200)을 가압하게 되며, 유체 압력이 증가되면 제1스프링(410)이 서서히 압축되면서 포핏(200)이 유도관(300)으로부터 이격되어 틈새가 발생되고 가압홈(210)으로 유입된 유체는 틈새를 통해 하우징(100) 내부로 이동될 수 있게 된다.

이때 포핏(200) 내부로 유입된 유체의 압력에 의해 포핏(200)이 유도관(300)으로부터 이격되면 유체가 포핏(200)과 유도관(300) 사이의 틈새로 빠져나올 때 유체력이 포핏(200)을 열리는 방향으로 작용시키기 위해 포핏(200)의 반대 방향으로 흐르게 하고, 적절한 열림 유체력을 형성하기 위해 포핏(200) 및 유도관(300) 사이의 틈새는 경사지게 형성된다.

즉, 유체가 포핏(200)을 열리는 방향으로 유체력을 발생시키기 위해서 가압홈(210)은 포핏(200)의 내부로 인입될수록 지름이 점진적으로 작아지는 제1경사면(220)이 형성되고, 유도관(300)의 상단 가장자리는 제1경사면(220)에 밀착될 수 있도록 제1경사면(220)에 대응되는 제2경사면(310)이 형성되도록 하여 배출되는 유체가 경사면을 따라 유체에 의해 가압되어 이동되는 포핏(200)의 반대 방향으로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.

탄성부(400)는 유압회로 또는 기구에서 발생되는 압력이 설정된 압력에 도달하기 전에는 포핏(200)이 유도관(300)의 상단에 밀착되도록 가압하여 유체가 외부로 배출구(120)를 통해 외부로 배출되지 않도록 포핏(200)을 가압하기 위한 것이다.

이때 탄성부(400)는 서로 다른 길이를 가진 다수 개의 스프링으로 이루어져 있으며, 다수 개의 스프링은 유입되는 유체의 흐름에 따라 압력이 증가되면 순차적으로 포핏에 접촉되면서 유체의 흐름에 의해 발생되는 압력을 감소시켜 일정한 압력 하에서 유체가 배출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

탄성부(400)에는 다수 개의 스프링이 다단으로 형성되어 있으며, 자유 상태에서 서로 다른 길이를 가지고 있어 유체가 하우징(100) 내부로 유입되는 압력에 따라 순차적으로 포핏(200)을 가압하게 된다.

본 발명에서는 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)으로 구성된 탄성부(400)를 이용하여 설명을 하며, 탄성부(400)를 구성하는 스프링은 유체가 투입되는 압력, 유체의 흐름에 따라 개수, 탄성계수, 길이가 달라질 수 있다.

또한 탄성부(400)는 다단으로 된 다수 개의 스프링을 이용하여 유체의 압력에 의해 변동되는 유체력 스프링의 탄성 계수에 따라 탄성부(400)의 탄성계수가 변동되는 것을 특징으로 한다.

도 3과 같이, 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)은 서로 다른 길이를 가지고 있기 때문에 무부하 상태에서는 제1스프링(410)만 포핏(200)에 접촉된 상태가 되며, 제2스프링(420), 제3스프링(430)은 포핏(200)으로부터 이격된 상태가 된다.

이때 제2스프링(420)은 포핏(200)의 상단으로부터 간극(G1)만큼 이격되어 있으며, 제3스프링(430)은 제2스프링(420)으로부터 간극(G2)만큼 이격되어 있다.

유체의 압력이 제1스프링(410)의 탄성력보다 증가되면 제1스프링(410)이 압축되면서 포핏(200)이 상부 방면으로 이동되고, 이로 인해 포핏(200)과 유도관(300) 사이의 틈새가 발생되면서 포핏(200)의 가압홈(210)에 유입된 유체가 틈새를 통해 하우징(100) 내부로 인입된 후 배출되게 된다.

투입되는 유체의 압력 자체가 증가되거나 유체의 흐름에 따라 압력이 증가되는 경우, 포핏(200)이 상부 방향으로 이동되면서 제2스프링(420)이 포핏(200)의 상단에 접촉되어 포핏(200)에 제1스프링(410)과 제2스프링(420)의 탄성력이 가해지게 된다.

즉, 제1스프링(410)의 탄성력보다 높은 압력이 발생되면 포핏(200)이 상부 방향으로 가압되어 이동되는데 제2스프링(410)의 일단에 포핏(200)이 접촉되면 제1스프링(410)과 제2스프링(420)의 탄성력 합보다 유체의 압력이 증가되어야 포핏(200)이 이동되게 된다.

또한 유체의 압력이 지속적으로 증가되면 포핏(200)은 제3스프링(430)의 일단에 접촉되게 되며, 이 경우 유체는 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)의 탄성력보다 높은 압력이 가해져야 포핏(200)이 이동되게 된다.

따라서 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)을 이용하여 유체가 배출되는 압력을 단계별로 제어할 수 있게 되며, 유체의 흐름에 의해 압력이 증가되는 현상이 발생하더라도 이를 보완할 수 있어 정밀하게 압력을 제어할 수 있게 된다.

즉, 탄성부(400)의 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)이 유체의 압력에 따라 순차적으로 작동되면서 탄성부(400)의 탄성계수가 유체력 스프링의 탄성계수에 맞춰서 변동될 수 있게 되는 것이다.

도 6 내지 도 7과 같이, 탄성부(400)의 탄성력을 조절하기 위해 가압단(500)은 하우징(100) 외부에 형성된 조절나사(600)와 연결되어 있으며, 조절나사(600)는 회전에 의해 가압단(500)을 포핏(200) 방면으로 이동시켜 스프링이 압축되도록 함으로써 스프링의 탄성력을 조절할 수 있고, 이를 통해 포핏(200)이 개폐되는 유체의 압력 범위를 조절할 수 있게 된다.

조절나사(600)는 하우징 내부에 형성된 가압단(500)과 연결되어 있는데, 가압단(500)은 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)의 타단을 가압할 수 있도록 형성되어 있다.

가압단(500)이 하강되면 포핏(200)과 접촉되어 있는 제1스프링(410)은 압축되고, 제2스프링(420) 및 제3스프링(430)이 포핏(200) 방면으로 이동하게 된다.

이때 제2스프링(420)과 포핏(200)의 상단 간격(G1)만큼 가압단(500)이 하강하면 포핏(200)의 상단에는 도 5와 같이 제2스프링(420)이 접촉된 상태로 유지되게 된다.

이 경우, 포핏(200)이 열리는 설정압력을 제1스프링(410) 및 제2스프링(420)의 탄성력보다 높은 압력이 투입되어야 포핏(200)이 열리게 되므로 유체가 배출되는 설정압력을 증가시킬 수 있게 된다.

또한 이 상태에서 가압단(500)이 제2스프링(420)과 제3스프링(430) 사이의 간격(G2)만큼 더 하강하면 제1스프링(410) 및 제2스프링(420)은 압축되고 제3스프링(430)은 포핏(200)의 상단에 접촉된 상태가 되어 배출되는 유체의 압력이 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)의 탄성력 합보다 높아야만 배출되도록 설정할 수 있게 된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 가압단(500)은 탄성부(400)의 다단으로 된 스프링을 지지할 수 있도록 내측 방면으로 원형으로 파여지는 다수 개의 고정홈(510)을 더 포함하며, 고정홈(510)은 다단으로 된 스프링 중 포핏(200)과 접촉되지 않은 무부하 상태인 스프링의 위치를 고정시키는 것을 특징으로 한다.

고정홈(510)은 가압단(500)의 하부면에서 제1스프링(410) 및 제2스프링(420)은 압축되고 제3스프링(430)이 삽입될 수 있도록 원형으로 파여진 것으로, 고정홈(510)에는 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)의 타단이 빠지지 않도록 고정되도록 하는 것이 바람직하다.

고정홈(510)을 통해 포핏(200)이 유체에 의해 가압되어 이동될 때 제1스프링(410), 제2스프링(420), 제3스프링(430)은 위치가 고정된 상태에서 압축될 수 있게 되므로 보다 안정적인 상태로 탄성력을 포핏(200)에 가할 수 있게 된다.

도 3 내지 도 9를 참조하여 세부적인 작동원리에 관하여 설명하고자 한다.

조절나사(600)를 회전시켜 가압단(500)이 포핏(200) 방면으로 이동되면 탄성부(400)가 압축되어 다단 스프링의 압축력이 높아지게 되고, 이를 통해 유체가 포핏(200)을 열기 위한 압력설정 값도 증가하게 된다.

하우징(100)의 인입구(110) 측의 압력이 증가되면 포핏(200)을 유도관(300)으로부터 열어주려는 방향으로 작용하는 힘도 증가하게 되고, 이러한 열림 힘이 탄성부(400)의 탄성력에 도달하게 되면 포핏(200)이 열리기 직전 상태가 된다.

이 순간의 압력을 크래킹 압력(cracking pressure)이라 호칭하며 사용자가 제어하고자 하는 설정 압력으로 생각할 수 있다.

포핏(200)이 열리기 직전인 크래킹 상태에서 정적 유압력(

)과 스프링력(

)은 서로 평형을 이루며, 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

(

: 크래킹 상태의 스프링력,

: 스프링 탄성계수,

: 스프링 초기 압축 변위,

: 크래킹 압력 ,

: 가압홈(210) 면적,

: 가압홈(210) 내부 지름,

: 정적 유압력)

이러한 크래킹 상태에서는 압력제어밸브를 통과하는 유량(

)이 영(0)이며, 유량이 증가하기 위해서는 포핏(200) 열림 변위(x)가 증가하여야 하는데, 그러한 관계식은 수학식 2와 같이 주어진다.

(

: 유량,

: 유량 계수,

: 포핏(200) 변위,

: 포핏(200) 부위의 유체 분출각,

: 유체 밀도,

: 포핏(200) 상류측 압력,

: 포핏(200) 하류측 대기압(

))

여기서 포핏(200)의 상류측은 가압홈(210) 안쪽 부근을 의미하고, 포핏(200)의 하류측은 가압홈(210)의 바깥쪽 부근을 의미한다.

유량의 증가와 포핏(200) 열림 변위(

)의 증가는 각각 유체력(flow force,

)과 스프링의 압축력(

)을 증가시키게 되는데, 각각 수학식 3과 수학식 4로 표현된다.

(

: 유체력,

: 유량,

: 유량 계수,

: 포핏(200) 변위,

: 포핏(200) 부위의 유체 분출각,

: 유체 밀도,

: 포핏(200) 상류측 흐름 단면적)

수학식 3의 둘째줄 두 번째 항에 기재된 (

) 항목은 포핏(200) 상류측 흐름 단면적

값이 포핏(200) 열림 면적(

)보다 매우 크기 때문에 무시될 수 있다.

(

: 스프링의 압축력,

: 스프링 탄성계수,

: 포핏(200) 변위)

포핏(200) 변위(

)와 밸브 통과 유량에 대하여 포핏(200)을 닫아주는 방향으로 작용하는 스프링력과 열어주는 방향으로 작용하는 유체력은 서로 평형을 이루게 되며, 다음의 수학식 5 및 수학식 6으로 표현된다.

(

: 크래킹 상태의 스프링력,

: 스프링의 압축력,

: 크래킹 상태에서 정적 유압력,

: 유체력)

(

: 스프링 탄성계수,

: 스프링 초기 압축 변위,

: 포핏(200) 변위,

: 유체 밀도,

: 가압홈(210) 면적,

: 유량 계수,

: 가압홈(210) 내부 지름,

: 포핏(200) 부위의 유체 분출각,

: 유체 스프링의 탄성계수)

수학식 6에서 유체력은 포핏(200) 변위

에 비례하여, 포핏(200)을 열어주는 방향으로 작용하는 유체 스프링으로 간주할 수 있으며, 유체 스프링의 탄성 계수(

)가 압력에 비례하여 변화한다.

수학식 6에서 스프링의 탄성 계수

를 유체 스프링의 탄성 계수

에 가깝게 설정할 수 있다면 포핏(200) 변위(

)와 밸브 유량(

)가 변화하더라도 압력(

)의 변화를 적게 할 수 있게 된다.

이러한 방법의 하나로써 기존의 압력제어밸브에서와 같이 하나의 스프링을 사용하는 것을 개선하여 여러 개의 스프링을 사용하여 압력 범위에 따라 유체 스프링의 탄성 계수에 가까운 다단계 스프링 탄성 계수를 얻는 방법을 고려할 수 있다.

즉, 탄성부(400)는 여러 개의 스프링을 사용하여 압력 범위에 따라 포핏을 열어주는 방향으로 작용하는 유체 스프링의 탄성 계수에 대응되도록 탄성 계수가 결정된다.

본 발명의 탄성부(400)에 형성되는 스프링을 다단으로 설계하는 방법에 대해 설명하고자 한다.

먼저 밸브의 적용 압력 범위를 분할할 단(step) 수(

)를 결정하고, 각 단의 스프링 탄성을 결정하기 위한 압력(

)을 선정한다.

각 단의 설계 기준 압력(

)에 대하여 대응하는 스프링의 탄성을 다음의 수학식 7로 계산한다.

(

: 각 단의 스프링 탄성 계수,

: 안전율,

: 유량 계수,

: 가압홈(210) 내부 지름,

: 각 단의 설계 기준 압력)

여기서

는 설계의 부정확성 등으로 유체력이 스프링력보다 더 큰 경우가 발생한다면 포핏(200)이 활짝 열리게 되는 불안정 현상을 방지하기 위한 안전율으로서 1.1~1.3 정도의 값으로 고려한다.

분할 단(step) 수(

)만큼의 스프링이 하우징(100) 내부에 설치되며, 한 단계 낮은 압력단의 등가 스프링에 현재 단의 스프링이 병렬로 작동한다.

즉, 현재 단의 등가 탄성 계수는 한 단계 낮은 압력단의 등가 스프링 탄성 계수에 현재 단의 스프링 탄성 계수를 더하여 다음 수학식과 같이 얻어진다.

(

:

번째 압력단의 단 번호,

:

번째 단의 등가 스프링 탄성 계수,

:

번째 단의 등가 스프링 탄성 계수,

번째 압력 단에서 작동하기 시작하는 스프링 탄성 계수)

각 단의 스프링 탄성

에 대한 선경

, 스프링의 직경

, 유효 권선수

등의 형상 수치와 스프링 재료의 물성치인 횡탄성계수

를 결정하거나 선택한다. 적용되는 관계식은 수학식 9로 주어진다.

(

: 각 단의 스프링 탄성,

: 각 단의 스프링 탄성에 대한 선경,

: 스프링의 직경,

: 유효 권선수,

: 횡탄성계수)

각 단에서 결정된 스프링의 선경

, 스프링의 직경

, 권선수

등의 형상 수치와 스프링 재료의 물성치인 허용응력

에 대하여 수학식 10의 조건을 만족 여부를 검토하는 안전성 검토를 수행하고, 불만족한 경우에는 수학식 9를 다시 적용한다.

(

: 와알 수정 계수,

: 스프링 나선 직경,

: 스프링의 선경,

: 각 단의 설계 기준 압력,

: 가압홈(210) 면적,

: 허용응력)

(

: 와알 수정 계수,

: 스프링 지수)

(

: 스프링 지수,

: 스프링 나선 직경,

: 스프링의 선경)

각 단의 압력 범위에 대응하는 변위(

)를 수학식 13으로부터 결정한다.

(

: 각 단의 압력 범위에 대응하는 변위,

: 각 단의 설계 기준 압력,

: 가압홈(210) 면적,

:

번째 단의 등가 스프링 탄성 계수)

각 단의 탄성

의 스프링의 자유 길이(

)를 수학식 14를 이용하여 결정한다.

(

: 각 단의 스프링의 자유 길이,

적절한 피치로 스프링 자유 길이 선택,

: 각 단의 압력 범위에 대응하는 변위)

각 단의 탄성

의 스프링의 피치(

)를 수학식 15를 이용하여 결정한다.

(

: 각 단의 스프링 피치,

: 각 단의 스프링의 자유 길이,

: 권선수)

3개의 설계 기준압력으로 70 bar(1bar = 100,000 N/m2), 140 bar, 210 bar을 선정한 후 상기의 설계 방법에 따라 설계한 각 단계별 스프링의 설계값이 아래와 같이 표 1과 2에 주어진다.

또한 표 1 및 표 2에 주어진 3단 스프링을 적용한 압력제어밸브의 제어 정밀도를 컴퓨터를 이용하여 가상적으로 실험(컴퓨터 시뮬레이션)을 수행하였으며, 시뮬레이션은 매트랩 언어로 프로그램 하였다.

도 10은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 스프링의 탄성 계수와 유체력의 탄성 계수의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

도 10에 도시된 바와 같이 3단 스프링의 유효 탄성 계수(

)와 기존의 단일 스프링의 탄성 계수(

)뿐만 아니라 유체 스프링의 탄성(

)을 함께 표현하였다.

3단 스프링의 탄성은 각 단계별로 소위 유체 스프링의 탄성과의 차이가 작은데 비교하여, 기존의 단일 스프링의 탄성(

)은 스프링 변위가 작은 영역(낮은 압력 영역)에서는 유체 스프링의 탄성(

)과 차이가 매우 크다.

즉, 3단 스프링으로 구성된 압력제어밸브의 크래킹 압력 혹은 설정 압력이 낮은 1단계와 2단계 영역에서는 포핏(200)을 닫아주려는 스프링력과 포핏(200)을 열어주려는 유체 스프링력이 유사하여 압력의 변화가 적은데 반하여, 기존의 단일 스프링 압력제어밸브에서는 스프링력과 유체 스프링력의 차이로 인하여 압력의 변화가 크게 발생할 것이다.

이러한 압력의 변화는 도 1과 같은 구조의 밸브에서는 유체력이 포핏(200)을 닫히는 방향으로 가하기 때문에 스프링과 더불어 압력의 상승을 더욱 크게 유발시키게 된다.

도 11은 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브의 유량에 따른 압력의 상관관계를 나타낸 그래프이며, 동시에 다단 스프링 압력제어밸브의 유량에 따른 압력의 상관관계를 도 1의 기존 압력제어밸브와 도 2의 개선된 압력제어밸브의 압력-유량상관관계와 비교한 그래프이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 3단 스프링으로 구성된 압력제어밸브, 단일 스프링 압력제어밸브, 도 1과 같은 포핏(200)이 유체력에 의해 닫히는 구조의 압력제어밸브의 제어정밀도가 각각 나타나 있다.

압력제어밸브의 제어정밀도는 유량의 변화에 대하여 압력의 변화가 적은 것이 정밀한 것이다.

도 11에서는 0~0.68 mm의 포핏(200) 열림량에 대한 밸브 유량과 압력의 특성을 보여준다.

밸브의 설정압력(혹은 크래킹 압력)이 50 bar로 1단계 낮은 압력 영역에서는 3단 스프링 밸브의 압력이 압력의 상승이 5 bar 정도로 매우 낮은데 반하여, 기존의 단일 스프링 밸브의 압력은 20 bar 정도로 크게 상승하였으며, 도 1과 같은 포핏(200)이 유체력에 의해 닫히는 구조의 밸브에서는 무려 40 bar 가까이 엄청나게 압력이 상승하였다.

밸브의 설정압력(혹은 크래킹 압력)이 100 bar로 2단계 중간 압력 영역에서는 3단 스프링 밸브의 압력 상승과 단일 스프링 밸브의 압력 상승의 차이가 감소하였으나 여전히 10 bar 정도의 차이를 보인다.

하지만 도 1과 같은 포핏(200)이 유체력에 의해 닫히는 구조의 밸브에서는 50 bar 가까이 압력이 상승하는 모습을 보인다.

밸브의 설정압력(혹은 크래킹 압력)이 150 bar로 3단계 높은 압력 영역에서는 3단 스프링 밸브의 압력 상승과 단일 스프링 밸브의 압력 상승이 정확히 일치하며, 정량적 압력상승도 적음을 알 수 있다.

이것은 3단 스프링의 등가탄성과 기존 단일 스프링의 탄성이 동일하게 설정되어 있기 때문이다.

도 1과 같은 포핏(200)이 유체력에 의해 닫히는 구조의 밸브에서는 스프링의 탄성이 동일하게 설정되어 있음에도 불구하고 여전히 매우 큰 폭의 압력 상승을 보인다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브에 의하면, 스프링의 탄성력과 유체가 흐르면서 발생되는 유체력의 차이를 감소시켜 유압회로 또는 기구의 압력제어를 정밀하게 제어할 수 있고, 유체가 흐르면서 발생되는 유체력에 따라 스프링의 탄성력을 결정함으로써 유체력에 의해 발생되는 오차 압력을 감소시키는 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.

10 : 하우징 11 : 포핏
12 : 스프링 13 : 인입구
14 : 배출구

100: 하우징 110 : 인입구
120 : 배출구 200 : 포핏
210 : 가압홈 220 : 제1경사면
300 : 유도관 310 : 제2경사면
400 : 탄성부 410 : 제1스프링
420 : 제2스프링 430 : 제3스프링
500 : 가압단 510 : 고정홈
600 : 조절나사

Claims (7)

1. 유체가 공급 및 배출될 수 있도록 인입구와 배출구가 형성되어 있으며 내부는 중공으로 이루어져 있어 각종 부재 및 유체를 수용할 수 있도록 형성되는 하우징과;
   상기 하우징의 내부에 형성되며 상기 인입구를 통해 인입되는 유체를 설정된 방향으로 배출시키는 유도관과;
   상기 유도관의 상단에 형성되며 인입되는 유체의 압력에 따라 상기 유도관으로부터 이격되면서 개폐되어 유체를 배출시키는 포핏과;
   상기 하우징의 내부에 형성되며 일단은 상기 포핏을 상기 유도관 방면으로 가압하여 상기 유도관으로부터 유체가 배출되지 않도록 다단으로 스프링이 형성된 탄성부;를 포함하며,
   상기 포핏은 상기 유도관으로부터 유입되는 유체의 압력에 의해 상기 유도관으로부터 이격될 수 있도록 하단 중앙에 유체의 압력이 작용되는 가압홈;을 더 포함하며,
   상기 가압홈은 상기 포핏 내부로 인입될수록 지름이 점진적으로 작아지는 제1경사면이 형성되어 있고,
   상기 유도관의 상단 가장자리는 상기 제1경사면에 밀착될 수 있도록 경사진 제2경사면이 형성되어 있고,
   상기 포핏은 유체의 압력에 의해 상기 유도관으로부터 이격되면 유체를 상기 포핏과 상기 유도관 사이에서 하부 방면으로 상기 제1경사면 및 제2경사면 사이로 흐르게 하여, 유체의 흐름에 의해 발생되는 유체력이 상기 포핏을 열리는 방향으로 작용되도록 유도하며,
   상기 하우징의 내부에 형성되며 다단으로 된 상기 스프링의 타단을 지지하도록 형성되는 가압단과;
   일단은 상기 가압단과 연결되고 타단은 상기 하우징 외부에 형성되어 회전 방향에 따라 상기 가압단을 상기 포핏을 향해 이동시켜 상기 탄성부의 탄성력을 조절하는 조절나사;를 더 포함하고,
   상기 탄성부는 서로 다른 길이를 가진 제1스프링, 제2스프링, 제3스프링으로 이루어져 있으며,
   상기 제1스프링, 상기 제2스프링, 상기 제3스프링은 유입되는 유체의 흐름에 따라 압력이 증가되면 순차적으로 상기 포핏에 접촉되면서 유체의 흐름에 의해 발생되는 압력을 감소시켜 일정한 압력 하에서 유체가 배출되도록 하고,
   상기 탄성부는 상기 조절나사에 의해 다단으로 된 상기 제1스프링, 상기 제2스프링, 상기 제3스프링이 순차적으로 압축되도록 하여 유체의 압력에 의해 변동되는 유체력 스프링의 탄성 계수에 맞춰 상기 탄성부의 탄성계수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는
   정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 가압단은 상기 탄성부의 다단으로 된 스프링을 지지할 수 있도록 내측 방면으로 원형으로 파여지는 다수 개의 고정홈;을 더 포함하며,
   상기 고정홈은 상기 다단으로 된 스프링 중 상기 포핏과 접촉되지 않은 무부하 상태인 스프링의 위치를 고정시키는 것을 특징으로 하는
   정밀 압력제어가 가능한 다단 스프링 압력제어밸브.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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