KR20010101058A - 액체 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 몸체(6)의 보어(7) 내에서 축방향으로 변위 가능하며 일단부에서 밸브 폐쇄 부재(8)를 갖는 밸브 부재(2)를 포함하는 액체 제어 밸브에 관한 것이다. 상기 밸브 폐쇄 부재는 밸브(1)를 개방 및 폐쇄하기 위하여 밸브 몸체(6)에 제공된 시트(9, 10)와 상호 작용한다. 또한, 본 발명에 따른 밸브는 밸브 부재(2)를 작동시키기 위한 압전 유닛(3)과 이 압전 유닛(3)의 팽창 오차를 보상하기 위한 오차 보상 부품(22)을 포함한다. 상기 압전 유닛(3)의 운동은 전환 부품(20)을 통하여 밸브 부재(2)에 전달될 수 있으며, 또한 이 압전 유닛(3)은 실질적으로 밸브 부재(2)의 운동 방향을 따라서 전환 부품(20)의 길이방향 연장부 내에 위치하고, 상기 압전 유닛의 압전 헤드(17)를 통하여 밸브 부재를 향하여 전환되어 오차 보상 부품(22)에 의해서 밸브 부재에 연결된다. 또한, 상기 오차 보상 부품은 압전 유닛(3)과 나란하게 배치되며 오차와 관련된 동일한 형태의 길이 변환 거동을 갖는다.

Description

액체 제어 밸브{Valve for controlling liquids}

유럽특허 제 EP 0 477 400 A1 호에는 압전식 액츄에이터에 의해서 작동될 수 있는 상기 종류의 밸브가 이미 공지되어 있다. 이 공지된 밸브는 스트로크 방향을 따라서 압전식 액츄에이터의 경로를 전환할 수 있는 형태로 배치되어 적응성 기계 오차 보상을 실시할 뿐만 아니라 압전식 액츄에이터의 전환을 유압 챔버에 전달할 수 있다.

소위 유압 변환 부품으로서 작동하는 상기 유압 챔버는 이 유압 챔버를 제한하는 두 개의 피스톤들 사이에서 공통 보상 공간을 둘러싸며, 이 피스톤 중에서 작은 직경을 갖는 쪽 피스톤은 제어하고자 하는 밸브 부재와 결합하고 큰 직경을 갖는 다른쪽 피스톤은 압전식 액츄에이터와 결합한다.

또한, 상기 유압 챔버는 압전식 액츄에이터에 의해서 큰 직경쪽 피스톤이 소정의 경로만큼 움직일 때 하나 이상의 스프링에 의해 소정 위치에 유지된 밸브 부재를 작동시키는 작동 피스톤이 피스톤 직경의 변환비만큼 확장된 스트로크를 진행하는 형태로 양 피스톤들 사이에 고정된다. 이때, 밸브 부재와, 피스톤과, 압전식액츄에이터는 공통축 상에 나란히 배치된다.

한편, 상기 장치에 유압 챔버의 보상 공간을 설치함으로써 제어하고자 하는 밸브 부재의 위치를 변경하지 않고도, 부품 내의 온도 구배 또는 사용된 재료의 온도 팽창 계수, 혹은 필요한 경우에 설치 효과(setting effect)에 기초하여 오차가 보상될 수 있다.

상기 장치에서는 두 개의 피스톤들 사이에 배치된 유압 챔버를 통하여 압전식 액츄에이터, 밸브 부재 또는 밸브 하우징의 길이 변화를 보상하고 있지만, 고가의 구조와 누설 손실 및 유압 챔버의 반복 충진과 관련된 문제를 안고 있다.

본 발명은 청구항 제 1 항에 따른 액체 제어 밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예로서 내연기관의 연료 분사 밸브를 개략적이면서 절단 형태로 도시한 종단면도.

따라서, 본 발명의 목적은, 특히 압전 유닛 및 다른 밸브 부품의 길이 오차를 보상하기 위한 오차 보상 부품을 적은 부품수와 간단한 구조로 구현할 수 있는 압전식 액츄에이터를 구비한 액체 제어 밸브를 제공하고자 하는 것이다.

청구항 제 1 항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 밸브는 입력 주파수의 제곱에 해당하는 힘을 전환 부품에 의해서 직접 변환하기 때문에 액체 제어 밸브를 높은 주파수로 작동시킬 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 액체 제어 밸브에 있어서, 압전 유닛과, 전환 부품과 오차 보상 부품을 본 발명에 따라 배치함으로써 콤팩트한 구조를 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.

특히 온도 변환에 따른 길이 오차를 보상하기 위한 오차 보상 부품은 본 발명에 따라서 간단한 기계 수단을 이용함으로써 저렴하게 제작될 수 있다.

본 발명의 요지에 대한 다른 장점과 바람직한 일례들을 도면과 청구범위 및 실시예에서 설명한다.

본 발명에 따른 액체 제어 밸브의 실시예를 도면에 도시하며 이하에서 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 실시예에서는 자동차의 내연기관용 연료 분사 밸브(1)에 있어서 본 발명에 따른 밸브의 바람직한 사용 방법을 도시한다. 이 연료 분사 밸브(1)는 현재 디젤 연료를 분사하기 위한 공통 레일 분사기(common rail injector)의 형태로 사용된다.

연료 분사 밸브(1)의 동력비에 의해서 분사 시점과, 분사 시간 및 분사량을 조절하기 위하여, 밸브 부재(2)는 압전식 액츄에이터(4)를 구비한 압전 유닛(3)에 의해서 제어되며, 밸브 부재(2) 중 연소실로부터 이격된 쪽은 압전 챔버(5) 내에 배치되고 다시 이 압전 챔버는 밸브 몸체나 밸브 하우징(6) 내에 형성된다.

피스톤 형태의 밸브 부재(2)는 종방향 보어로서 형성된 밸브 몸체(6)의 보어(7) 내에서 축방향으로 변위 가능하게 배치되며 연소실측 단부에서 밸브 부재를 형성하는 밸브 헤드(8)를 갖는다. 이 밸브 부재(2)는 2/2-밸브로서 형성되며, 밸브 헤드(8)는 밸브 몸체(6)에 형성된 제 1 시트(9) 및 제 2 시트(10)와 협동한다. 이 밸브 헤드(8)가 들어 올려진 상태에서 외부로 개방되는 밸브 헤드(7)에 복원력을 작용하는 스프링 장치(12)에 의해서 스프링 챔버(11)와 결합한다.

물론, 다른 실시예에서는 밸브 부재가 중간 위치를 갖는 2/3 밸브로서 작동하도록 제공될 수도 있다.

상기 스프링 챔버(11)의 연소실측에는 밸브 제어 챔버(14)에 안내된 배출 스로틀(13)이 연결되는데, 다시 밸브 제어 챔버에는 도 1에서 단지 개략적으로 도시한 것으로서 모든 연료 분사 밸브들을 위해 사용되는 공통 고압 저장 챔버(16: 공통 레일)로부터 유도된 분사관(15)이 연결된다. 여기서, 고압 저장 챔버(16)에는 연료 고압 공급 펌프에 의해서 저장 탱크로부터의 고압 연료가 공지된 방식으로 충진된다.

상기 밸브 부재(2)를 작동시키기 위한 압전식 액츄에이터(4)는 복수의 얇은 층들로 구성되며, 압전식 액츄에이터 중 연소실을 향한 쪽에는 압전 헤드(17)가 제공되고 압전식 액츄에이터 중 연소실로부터 이격된 쪽에는 전기 접점(19)을 갖는 압전 레그가 제공된다. 상기 압전 헤드(17)에는 압전식 액츄에이터(4)의 팽창을 밸브 부재(2)에 전달할 수 있는 전환 부품(20)이 결합되며, 이 압전 유닛(3)은 압전 헤드를 통하여 밸브 부재(2)의 운동 방향을 따라서 압전 헤드를 향하여 전환 부품(20)의 길이방향 연장부 내에 배치된다. 이때, 상기 전환 부품(20)은 실질적으로 폐쇄되며 내부 챔버(21)를 제한하는 전환 슬리브를 형성한다.

상기 압전식 액츄에이터(4)는 압전 유닛(3)이나, 예를 들어 밸브 부재(2)나 밸브 몸체(6)와 같은 다른 밸브 부품의 길이 오차를 보상하기 위한 오차 보상 부품(22)에 의해서 전환 슬리브(21)와 결합한다. 여기서, 오차 보상 부품(22)은 압전 유닛(3)과 나란하게 배치되며, 한편으로 압전 헤드(17)와 결합하고 다른 한편으로 압전 레그(18)에 인접한 영역에서 전환 슬리브(20) 상에 배치된 지지대(23)와 결합한다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 오차 보상 부품(22)에는 압전 유닛(3)과 나란하게 연장된 두 개의 보상 볼트(24)가 형성되며, 지지대 측에서 압전식 액츄에이터(4)의 전체 직경에 걸쳐 있는 압전 헤드(17)에 고정된다.

물론, 다른 실시예에서 오차 보상 부품은 이 오차 보상 부품의 개수와는 다른 보상 볼트의 개수로 형성되거나, 예를 들어 슬리브 형태로 형성될 수도 있다.

상기 오차 보상 부품(22)은 밸브 부재(2)에 영향을 미치는 전환 부품(20)의 운동을 야기하지 않고도 압전 유닛(3)과 비교하여 오차에 대하여 동일한 길이 변환 거동을 갖는다. 이를 위하여, 오차 보상 부품(22)은 거의 압전식 액츄에이터(4)의 온도 팽창 계수와 길이를 갖는다.

온도 보상을 위하여 압전식 액츄에이터와 오차 보상 부품(22) 사이에서 양호한 전도대가 필요하기 때문에, 이 온도 보상 부품을 둘러싸는 전환 부품(20)의 내부 챔버(21)는 높은 열전도성을 갖는 열전도 매질(32)로 충진된다. 여기서, 전환부품(20)은 열전도 매질(32)을 저장하기 위한, 소위 저장 탱크로서 역할한다.

본 실시예에 있어서, 열전도 매질로서는 실리콘 오일로 구성된 열전도판이 선택되지만 다른 매질, 특히 합성 오일이 사용될 수도 있다.

상기 압전 유닛(3)은 밸브 부재(2)를 수용하는 보어(7)와 이 보어 내에 존재하는 연료에 대하여 밀봉되며, 이를 위하여 본 실시예에서는 밀봉판으로 형성된 밀봉 부품(25)이 제공되는데, 상기 위치에서 두 부품으로 제작된 밸브 몸체(6)가 지지된다. 상기 밀봉판(25)은 전환 부품(20)과 밸브 부재(2)를 접촉시키기 위하여 각각 O자형 링이나 멤브레인 형태로 이루어진 하나의 밀봉 장치(26)가 제공된 관통구(27)를 갖는다. 이 관통구(27)를 통과하여 전환 부품(2)에는 관통 볼트(28)가 보어(7) 내에 삽입된다.

상기 전환 부품(20)의 관통 볼트(28)를 접촉시키기 위하여, 밸브 부재(2)에는 판(29)이 형성되며, 이 판의 직경은 실질적으로 전환 부품(20)의 직경과 일치한다.

상기 밸브 부재(2)와 이 밸브 부재의 판(29)은 압전식 액츄에이터(4)가 작동하지 않은 상태에서 공기 틈새(30)에 의해서 전환 부품(20)으로부터 분리된다. 상기 공기 틈새(30)는 전환 부품이 작동할 때 최상의 온도 보상을 위하여 수 마이크로미터의 크기로 형성될 수 있다.

밀봉판(25)과 압전 헤드(17) 사이에는 스프링 장치(31)가 예비 인장 상태로 설치되며, 예비 인장 부품으로서 복수의 층으로 구성된 "다층" 구조가 형성된 압전식 액츄에이터(4)가 제공되어 이 액츄에이터가 여기될 때 층들이 분리되는 것을 방지한다.

이하에서, 도 1에 따른 연료 분사 밸브(1)의 작동 방식을 설명한다.

상기 연료 분사 밸브(1)가 폐쇄된 상태에서, 다시 말하면 압전식 액츄에이터(4)가 중단된 상태에서, 밸브 부재(2)의 밸브 헤드(8)는 해당 시트(9)와 밀착된 상태로 유지되며, 이 때문에 연료는 고압 저장 챔버(16)와 연결된 밸브 제어 챔버(14)로부터 종방향 보어(7) 내로 전달되지 않는다. 이때, 상기 압전식 액츄에이터(4)는 스프링 장치(31)를 통하여 압전 헤드(17)와 압전 레그(18) 사이에서 고정되며, 오차 보상 부품(20)에 의해서 압전 헤드(17)와 결합된 전환 부품(20)은 공기 틈새(30)를 통하여 밸브 부재(2)에 대하여 소정의 거리를 유지한다.

또한, 연료 분사 밸브가 천천히 작동하는 경우에, 다시 말하면 압전식 액츄에이터(4)의 길이가 온도에 따라 변화함으로써 연료 분사 밸브가 작동하면, 오차 보상 부품(22)의 보상 볼트(24)가 압전식 액츄에이터(4)와 동일한 방식으로 팽창하며, 이 때문에 전환 부품(20)은 운동하지 않거나 공기 틈새(3)의 폭보다 작게 최소로 팽창된다. 각 경우에, 상기 공기 틈새는 전체적으로 밸브 부재(2)와 연료 밸브(1)의 폐쇄 및 개방 위치에 영향을 미치지 않는다.

상기 연료 분사 밸브(1)에 의해서 분사가 실시되면, 압전식 액츄에이터(4)가 작동하고, 이로 인하여 이 압전식 액츄에이터는 축방향으로 팽창되어 급격하게 확장된다. 이와 같이 압전식 액츄에이터(4)가 급격하게 팽창하면, 압전 헤드(17)와결합된 전환 부품(20)은 밸브 부재(2)의 방향을 따라서 전환 부품(20)이 밸브 부재(2)의 판(29)과 충돌하며 다시 밸브 부재(2)는 제 1 시트(2)로부터 떨어지게 되어 개방 위치에서 제 2 시트(10)에 접근할 정도로 상승된다. 따라서, 밸브 제어 챔버(14)로부터 연료는 밸브 몸체(6)의 종방향 보어(7)내에 도달할 수 있으며, 이때 진입한 연료는 누설용 배출관(34)을 통과하여 다시 배출될 수 있다.

연료 보상 형태로 형성된 연료 분사 밸브(1)에 있어서, 상기 밸브 부재(2)는 밸브 제어 피스톤(33)이 밸브 제어 챔버(14) 내에서 위쪽으로 운동하면 연료가 개방된 분사 노즐을 통하여 추가로 도시하지 않은 연소실 내에 분사되는 형태로 개방된다.

상기 압전식 액츄에이터(4)가 중단되면, 이 액츄에이터의 길이는 초기 길이로 다시 수축되며 밸브 부재(2)는 스프링 장치(12)의 복원력에 의해서 밸브 몸체(6)에 형성된 제 1 시트(9)에 압착된다.

Claims (13)

1. 유체를 제어하기 위한 밸브로서, 밸브 몸체(6)의 보어(7) 내에서 축방향으로 변위 가능하며 일단부에서 밸브 폐쇄 부재(8)를 갖는 밸브 부재(2)와; 이 밸브 부재(2)를 작동시키기 위한 압전 유닛(3)과; 이 압전 유닛(3) 및 다른 밸브 부품(6)의 팽창 오차를 보상하기 위한 오차 보상 부품(22)을 포함하며, 상기 밸브 폐쇄 부재는 밸브(1)를 개방 및 폐쇄하기 위하여 밸브 몸체(6)에 제공된 시트(9, 10)와 상호 작용하는 액체 제어 밸브에 있어서,

   상기 압전 유닛(3)의 팽창 운동은 전환 부품(20)을 통하여 밸브 부재(2)에 전달될 수 있으며,

   상기 압전 유닛(3)은 밸브 부재(2)의 운동 방향을 따라서 전환 부품(20)의 종방향 연장부 내에 배치되며 상기 압전 유닛의 압전 헤드(17)와 함께 밸브 부재를 향하여 전환되어 오차 보상 부품(22)을 거쳐 밸브 부재에 연결되고,

   상기 오차 보상 부품은 압전 유닛(3)과 나란하게 배치되며, 밸브 부재(2)의 위치에 영향을 미치는 전환 부품(20)의 운동 없이도 오차와 관련된 동일한 형태의 길이 변환 거동을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 오차 보상 부품(20)은 하나 이상의 압전식 액츄에이터(4)를 포함하는 압전 유닛(3)의 길이와 온도 팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 오차 보상 부품(22)은 한편으로 압전 헤드(17)와 결합하고, 다른 한편으로 압전 레그(18)에 인접한 영역에서 전환 부품(20)에 배치된 지지대(23)와 결합하는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 유닛(3)과 오차 보상 부품(22)을 둘러싸는 영역(21)은 높은 열전도성을 갖는 열전도 매질(32)로 충진되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 열전도 매질(32)은 열전도판, 특히 합성 오일로 구성되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오차 보상 부품(22)은 압전 유닛(3)과 나란하게 연장된 보상 볼트(24)로 형성되며, 이 보상 볼트의 한쪽은 압전 유닛(3)의 전체 직경에 걸쳐 있는 압전 헤드(17)에 고정되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전환 부품(20)은 부분적으로 폐쇄되며 내부 챔버(21)를 제한하는 전환 슬리브로 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 유닛(8)은 밸브 부재(2)를 수용하는 보어(7)에 대하여 밀봉되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 압전 유닛(3)은 밸브 부재(2)를 수용하는 보어(7)에 대하여 밀봉 부품(25)에 의해 밀봉되며, 상기 전환 부품(20)을 밸브 부재(2)와 접촉시키기 위하여 하나 이상의 밀봉 관통구(27)를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 전환 부품(20)은 밀봉판으로서 형성된 밀봉 부품(25)을 통하여 밸브 부재(2)를 수용하는 보어(7) 내에 도달하며,

    상기 전환 부품(20)은 밀봉판을 통과하는 하나 이상의 관통구(27)의 영역에서 관통 볼트(28)를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 압전 유닛(3)의 예비 인장 부품으로서는 밀봉 부품(25)에 지지되는 스프링 장치(31)가 제공되는 것을 특징으로 하는액체 제어 밸브.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 부재(2)는 전환 부품(20)을 접촉시키기 위하여 판(29)으로 형성되며, 이 판의 직경은 전환 부품(20)의 직경과 동일한 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.
13. 제 1 항 내지 제 12 항에 있어서, 상기 액체 제어 밸브는 내연기관용 연료 분사 밸브, 특히 공통 레일 분사기의 구성 부품으로 사용되는 것을 특징으로 하는 액체 제어 밸브.