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KR102027399B1 - 면적차에 의해 연속 작동되는 피스톤과 절환 밸브가 내장된 선형 유체 펌프 - Google Patents

면적차에 의해 연속 작동되는 피스톤과 절환 밸브가 내장된 선형 유체 펌프 Download PDF

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KR102027399B1
KR102027399B1 KR1020190060574A KR20190060574A KR102027399B1 KR 102027399 B1 KR102027399 B1 KR 102027399B1 KR 1020190060574 A KR1020190060574 A KR 1020190060574A KR 20190060574 A KR20190060574 A KR 20190060574A KR 102027399 B1 KR102027399 B1 KR 102027399B1
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primary piston
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맥스엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 연속적으로 공급되는 1차 유체의 압력을 이용해 1차 피스톤(201)과 2차 피스톤(221)의 단면적비만큼 가압된 2차 유체의 연속적인 토출을 달성하는 선형 유체 펌프의 구조에 관한 것으로,
더욱 상세하게는 좌우 단면적에 차이에 의해 진행 방향이 결정되는 절환 밸브 조립체(100)가 1차 피스톤(201) 내부에 위치됨에 따라 구조가 간단하고, 하우징 조립체(310) 내부에 위치한 1차 피스톤의 위치에 의해 행정 방향이 결정되는 원리로 구조가 간단하고 기계적 충격 없이 작동되는 선형 유체 펌프에 관한 것이다.

Description

면적차에 의해 연속 작동되는 피스톤과 절환 밸브가 내장된 선형 유체 펌프 {Linear fluid pump with differential area piston and built-in valve}
본 발명은 유입된 유체의 압력을 입력측 1차 피스톤과 출력측 2차 피스톤의 면적비에 따라 2차측 유체를 가압시켜 연속 토출시키는 선형 펌프 (reciprocating linear pump)에 관한 것이다. 더 상세하게는 면적 차에 의해 빠른 응답 시간으로 충격 없이 자동으로 작동되는 1차 피스톤과 구조를 간단하게 하기 위해 1차 피스톤 내부에 내장된 면적 차에 의해 작동하는 절환 밸브의 구조 및 그 응용 분야에 관한 것이며, 가장 대표적인 응용 분야는 증압기(intensifier 또는 booster) 시스템이다.
관련 선행 기술의 가장 대표적인 응용 분야는 출력측 피스톤 단면적이 입력측 피스톤 단면적보다 항상 작은 증압기(intensifier 또는 booster)이다.
종래 기술 중 특허 10-0435618의 도1a와 같이 고압 플런저(1a-113)가 증압 피스톤(1a-112) 내부에 위치하고 증압 밸브(1a-105)가 외장형으로 배치된 구조이고, 증압 피스톤과(1a-112) 고압 플런저(1a-113) 단면적 비에 의해 증압비가 결정되며 증압된 토출 유체는 배관(a)를 통해 작업 실린더의 피스톤(1a-117)을 미는 구조이다.
종래 기술 중 실용신안 20-0266015의 도1b와 같이 절환 밸브(1b-300)가 증압 피스톤(1b-200) 내부에 위치되어 있고, 절환 밸브의 움직임에 따라 형성되는 유로의 방향에 따라 증압 피스톤의 진행 방향이 결정되며, 증압 피스톤(1b-200)과 고압 플런저(1b-400) 단면적 차이 대 고압 플런저 단면적 비에 의해 증압비가 결정된다.
특허 10-0435618 2004. 6. 2, 3쪽, 9-37줄, 도면2 실용신안 20-0266015 2002. 2. 15, 4쪽, 1-10줄, 도면2
관련 선행 기술의 가장 대표적인 응용 분야는 출력측 피스톤 단면적이 입력측 피스톤 단면적보다 작게 하여 단면적비 만큼 증압된 2차 유체를 연속적으로 토출하는 증압기다.
종래 기술 중 특허 특허 10-0435618의 경우 도1a과 같이 증압 밸브(1a-105)가 외장형으로 구조가 복잡하여 생산 원가가 높고 유지 보수가 힘들다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 고압 플러저(1a-113)와 증압피스톤(1a-112)이 행정 말단까지 진행 한 후에 행정 방향이 바뀌는 구조이므로 장치에 충격이 가해지는 단점도 있다.
종래 기술 중 실용신안 20-0266015 의 경우 도1b와 같이 절환 밸브(1b-100)가 증압 피스톤(1b-200) 내부에 위치하여 구조를 간단히 하였으나, 증압피스톤(1b-200)이 실린더 본체(1b-110)의 좌우 각 행정말단에 반드시 닿아야만 절환밸브(1b-200)가 작동되는 구조이므로 증압피스톤과 실린더 본체와의 충격으로 인해 소음과 진동이 발생하고 발열로 인해 에너지 손실이 있으며 절환밸브의 늦은 응답으로 맥동이 발생되어 추가적인 진동이 발생된다.
또한, 본체에 1개의 공급포트(1b-107)와 2개의 귀환포트(1b-108, 1b-109)가 나란히 배열되고 3개의 반지모양의 체임버(1b-107a, 1b-108b, 1b-109a)가 내측 원주면에 형성되어야 하는 구조를 가지고 있으므로 피스톤 본체의 길이가 길어지고 절환밸브의 행정거리가 길어지므로 응답속도가 추가적으로 느려지고 제품이 커지는 단점이 있다. 또한 3개의 포트(1b-107, 1b-108, 1b-109) 구성으로 유압원으로부터의 배관이 복잡해지고 하우징의 체임버로 인해 유압 씰(Seal)을 사용할 수 없는 구조이며 피스톤과 본체가 직접 마찰하는 구조이기 때문에 가공이 까다로울 뿐만 아니라 체적 효율이 낮아지는 단점 또한 있다.
본 발명은 절환 밸브를 1차 피스톤 내부에 구성하고, 행정 방향의 전환을 각 행정의 끝단이 아닌 본체 하우징과 1차 피스톤의 위치에 의해서 결정되도록 좌우 단면적 차를 이용하는 간단한 구조로 한다.
또한, 1차 피스톤 좌행정 및 우행적 가압부를 입력측 포트에 가장 근접하게 구성하되 유압 실(Seal)을 사용할 수 있도록 구성하며, 출력 포트도 1개만 구성될 수 있도록 한다.
본 발명은 1차 피스톤 내부에 절환 밸브가 위치하기 때문에 구조가 간단하고, 1차 피스톤의 위치에 따라 빠르게 진행 방향이 결정되기 때문에 응답이 빨라 기계적 충격과 소음이 없고 맥동은 최소화 할 수 있다.
더불어, 유압 씰(Seal)을 기준으로 좌우로 1차 피스톤의 가압부가 구성되기 때문에 응답이 빨라지며 체적 효율이 100%에 가깝게 되며, 입력 및 출력 포트가 각각 1개씩만 구성되기 때문에 구조가 간단하며, 유압원으로부터 배관을 간단하게 할 수 있다. 이와 같이 간단한 구조와 높은 효율, 그리고 용이한 설치 배관으로 생산, 설치 및 유지비가 최소화되는 효과가 있다.
도1a: 관련 선행 기술에 의한 장치 단면도
도1b: 관련 선행 기술에 의한 장치 단면도
도2: 본 발명에 의한 선형 펌프에서 피스톤 조립체가 우측으로 진행할 때의 작동 상태를 나타내는 단면도
도2a: 각 부품에 압력이 적용하는 면적을 비교할 수 있는 도2의 측면도
도2b: 도2의 절환 밸브의 구조를 나타낸 확대 단면도
도2c: 도2의 1차 피스톤의 구조를 나타낸 확대 단면도
도3: 본 발명에 의한 선형 펌프에서 피스톤 조립체가 우측 행정 말단까지 이동 한 후 절환 밸브가 우측으로 이동한 상태를 나타내는 단면도
도3a: 본 발명에 의한 선형 펌프에서 피스톤 조립체가 좌측으로 이동하는 상태를 나타내는 단면도
도3b: 본 발명에 의한 선형 펌프에서 피스톤 조립체가 좌측 행정 말단까지 이동한 후 절환 밸브가 좌측으로 이동한 상태를 나타내는 단면도
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2에서 보듯이, 본 발명의 구조는 크게 나누어 절환 밸브 조립체(100), 피스톤 조립체(210) 및 하우징 조립체(310)로 구성되어 있다.
절환 밸브 조립체(100)는 밸브 포핏(110) 및 밸브 스풀(120)로 구성되어 있고, 원통형 피스톤 조립체(210)는 1차 피스톤(201), 2차 피스톤(221) 및 밸브 가이드(202)로 구성되어 있으며, 하우징 조립체(310)는 1차 피스톤 하우징(301) 및 2차 피스톤 하우징(321)으로 구성되어 있다.
도2는 피스톤 조립체(210)가 우측으로 진행하며 우측 2차 피스톤 압력실(C21)에 있는 유체를 가압하는 상태를 도시하고 있다. 도2b는 절환 밸브 조립체(100)의 확대 단면도이고, 도 2c는 1차 피스톤(201)의 확대 단면도이다.
1차 입력 포트(V31)을 통해 유입된 1차 유체는 1차 피스톤 중앙 압력실(C12)을 가압함과 동시에 1차 피스톤의 방사형 유로(H11)로 유입되어 절환 밸브 조립체(100)를 지나 1차 피스톤 좌 압력실(C11)을 가압한다. 이 때 1차 피스톤(201)의 우행정 가압 면적(A11)과 좌행정 가압 면적(A12)의 차이인 순 면적(A13)에 비례하는 힘이 우측으로 가해진다. 이 때 저압실(C13)의 유체는 1차 출력 포트(V32)를 통해 항상 유압 탱크에 연결되어 0에 가까운 압력을 유지하게 된다. 피스톤 조립체를 통해 전달된 이 힘은 2차 피스톤(221)의 피스톤 면적(A21)에 상당하는(P21=F/A21) 압력을 생성하게 되고, 가압된 유체는 출력 체크 밸브(342)를 개방 해 우측 2차 출력 포트(V36)로 토출된다. 이 때, 압력비는 1차 피스톤 순 면적(A13)과 2차 피스톤(221)의 면적(A21) 비율에 따라 결정된다. 이와 동시에, 좌측 입력 체크 밸브(341)가 열려 좌측 2차 피스톤 압력실(C21)에 유체가 충진된다. 이 동작 상태에서, 절환 밸브 스풀 시트(L12)가 1차 피스톤의 우측 시트(L21)에 항상 밀착된 상태를 유지하는데, 이는 절환 밸브 조립체(100)를 좌측으로 밀도록 작용하는 면적의 합(A02+A04+A05)이 우측으로 밀도록 작용하는 면적의 합(A01+A03)보다 크기 때문이다.
도3은 피스톤 조립체(210)가 우행정 말단에 도달하고 절환 밸브가 우측으로 이동한 상태를 도시하고 있다. 1차 피스톤 파일럿 유로(H13)가 1차 하우징(301) 내부 행정 결정부(L30)의 끝부분인 우행정 결정점(L32)을 지나는 순간, 절환 밸브 스풀 파일럿 면적(A05)에 가해졌던 일정 압력이 0에 가깝게 떨어지게 된다. 이 때, 우측으로 밀도록 작용하는 면적의 합(A01+A03)이 좌측으로 밀도록 작용하는 면적의 합(A02+A04+A05)보다 커져 절환 밸브 조립체(100)를 우측으로 밀게 되고, 절환 밸브 포핏 시트(L11)가 1차 피스톤(201)의 좌측 시트부(L22)에 밀착하여 중앙 압력실(C12)과 좌 압력실(C11) 간의 유체의 흐름을 차단하게 된다. 이 상태에서의 피스톤 조립체(210)의 1차 피스톤 압력면과 2차 피스톤 압력면 모두 하우징(310)에 직접 접촉이 없는 상태이며 행정의 크기는 행정 결정부(L30)의 길이에 따라 결정된다.
도3a는 절환 밸브 조립체(100)가 우측 말단에 안착된 상태에서 1차 입력측 압력(P31)이 1차 피스톤 우측 가압면(A12)에 작용하여 피스톤 조립체(210)가 좌측으로 진행하는 상태를 도시하고 있다. 이는 좌 압력실(C11)내의 유체가 절환 밸브 조립체(100)를 지나 1차 피스톤 우실 유로(H15)를 통해 빠져 나가므로, 1차 피스톤 좌측 가압면(A11)에 작용하는 압력이 중앙 압력실(C12) 및 1차 출력 작동압(P32)과 동일한 0에 가까운 저압이 되기 때문이다. 이 작동 상태에서 우측 입력 체크 밸브(341)를 통해 2차 유체가 충진되고, 좌측 출력 체크 밸브(342)를 통해 일정 압력(P21=F/A21)으로 가압된 2차 유체가 토출된다.
도3b에서 도시하듯이, 피스톤 조립체의 파일럿 유로(H13)가 좌행정 결정점(L31)을 지나는 순간 중앙 압력실(C12)과 파일럿 유로(H13)와 절환 밸브 조립체(100)에 가해지는 모든 압력이 동일해지므로 압력면의 차이에 의해서만 이동 방향이 결정되게 된다. 그러므로 절환 밸브는 좌측으로 이동하게 되고 절환 밸브 스풀 시트(L12)가 1차 피스톤의 우측 시트(L21)에 밀착하게 되며 이 위치를 계속 유지하게 된다. 이 때 형성된 유로에 의해, 도2에서 도시하듯이, 1차 피스톤(201) 좌측면 압력이 가해져 피스톤 조립체(210)의 진행방향이 우측으로 바뀐다.
2차 피스톤의 단면적(A21)과 1차 피스톤의 순 단면적과의 비를 크게 구성하여 큰 힘이 필요한 작업용 유압 장비의 증압에 이용될 수 있으며, 단면적 비를 최소화 시켜 2차 유체의 출력 유량을 최대화시켜서 다양한 유체의 송출용 펌프로 이용할 수 있다.
A05: 절환 밸브 스풀 파일럿 면적
A11: 1차 피스톤 우행정 가압 면적
A12: 1차 피스톤 좌행정 가압 면적
A13: 1차 피스톤 순 면적
A21: 2차 피스톤 순 면적
H13: 1차 피스톤 파일럿 유로
C11: 1차 피스톤 좌 압력실
C12: 1차 피스톤 중앙 압력실
C13: 1차 피스톤 저압실
C21: 2차 피스톤 압력실
P31: 1차 입력 압력
P32: 1차 출력 압력
V31: 1차 입력 포트
V32: 1차 출력 포트
V33: 좌측 2차 입력 포트
V34: 좌측 2차 출력 포트
L11: 밸브 포핏(poppet) 시트
L12: 밸브 스풀(spool) 시트
L20: 1차 피스톤 접촉부
L21: 1차 피스톤 우측 시트
L22: 1차 피스톤 좌측 시트
L30: 1차 피스톤 하우징 행정 결정부
100: 절환 밸브 조립체
201: 1차 피스톤
202: 밸브 가이드
210: 피스톤 조립체
310: 하우징 조립체
410: 1차 피스톤 씰

Claims (2)

1차 입력 포트(V31)를 통해 연속적으로 공급되는 1차 유체의 압력(P31)을 이용해 1차 피스톤(201)과 2차 피스톤(221)의 단면적비만큼 가압된 2차 유체(P21)의 연속적인 토출을 좌행정 및 우행정 시 달성하는 선형 유체 펌프에 있어서,
상기 선형 유체 펌프는 하우징 조립체(310)와 피스톤 조립체(210)을 포함하고,
상기 하우징 조립체는 1차 피스톤 하우징과 상기 1차 피스톤 하우징의 양측에 각각 결합되는 2차 피스톤 하우징들을 포함하고,
상기 피스톤 조립체는,
상기 1차 피스톤 하우징의 내부에서 왕복운동하도록 형성되는 원통형 1차 피스톤(201);
상기 1차 피스톤(201)의 중앙 내부에 위치하는 절환 밸브 조립체(100);
상기 1차 피스톤의 좌우측으로 나사식으로 결합되고, 상기 2차 피스톤 하우징(321) 내경과 접촉운동하며 다양한 면적비를 구성할 수 있도록 외경 크기 달리할 수 있는 2차 피스톤(221); 및
일측이 상기 2차 피스톤에 결합되고, 타측이 상기 절환밸브 조립체(100) 내주와 접촉하는 밸브 가이드(202)를 포함하고,
상기 1차 피스톤 하우징(301)은,
상기 1차 피스톤(201) 외경과 접촉 운동하면서 상기 1차 피스톤 하우징(301)의 내주로부터 돌출되도록 형성된 하우징 행정 결정부(L30)와, 상기 1차 피스톤 하우징의 내부를 외부와 연통시키는 상기 1차 입력 포트(V31) 및 출력 포트(V32)를 구비하고, 상기 내부 좌측에 좌 압력실(C11)과 상기 내부 우측에 저압실(C13) 및 상기 좌 압력실과 상기 저압실 사이에 형성되는 중앙 압력실(C12)을 구비하고, 상기 1차 입력 포트(V31)는 상기 외부와 상기 중앙 압력실(C12)을 연통시키고, 상기 출력 포트(V32)는 상기 외부와 상기 저압실(C13)을 연통시키고,
상기 2차 피스톤 하우징(321)은,
상기 2차 피스톤(221)의 외경과 접촉하며 그 외경 크기에 따라 내경 크기를 달리하도록 형성되고,
상기 절환 밸브 조립체(100)는,
외주가 상기 1차 피스톤(201)의 내주와 접촉하도록 형성되고, 양측면을 구비한 링 형상으로 형성되는 밸브 포핏(110); 및
상기 밸브 포핏(110)의 내주에 결합되도록 외주에 나사산이 형성되는 몸통부와, 상기 몸통부에 일단이 결합되고 양측면을 구비한 머리부를 포함하여 중공의 볼트 형상으로 형성되는 밸브 스풀(120)을 포함하고,
상기 밸브 포핏(110)의 양측면 중 좌측면은 상기 중앙 내부에 노출되어 상기 밸브 포핏(110)의 좌측 가압 면적(A01)을 형성하고, 우측면은 상기 밸브 포핏(110)의 우측 가압 면적(A02)을 형성하고,
상기 밸브 스풀(120)의 상기 머리부에 형성된 양측면 중 좌측면은 상기 밸브 포핏(110)의 우측면을 대면하는 부분으로서 상기 밸브 스풀(120)의 좌측 가압 면적(A03)을 형성하고, 우측면은 내부에 형성된 제1 우측 가압 면적(A04)과 상기 중앙 내부에 노출되는 제2 우측 가압 면적(A05)을 포함하여 상기 밸브 스풀(120)의 우측 가압 면적(A04+A05)을 형성하고,
양쪽에 동일한 압력이 가해질 때 좌측으로 이동할 수 있도록, 상기 밸브 포핏(110)의 좌측 가압 면적(A01)과 상기 밸브 스풀(120)의 좌측 가압 면적(A03)의 합(A01+A03)이 상기 밸브 포핏(110)의 우측 가압 면적(A02)과 상기 밸브 스풀(120)의 우측 가압 면적(A04+A05)의 합(A02+A04+A05) 보다 작게 형성되고,
상기 1차 피스톤(201)은 상기 중앙 압력실에 노출되고 상기 1차 피스톤의 우측면인 좌행정 가압 면적(A12)이 상기 좌 압력실에 노출되고 상기 1차 피스톤의 좌측면인 우행정 가압 면적(A11)과 상기 저압실(C13)에 노출되고 상기 1차 피스톤의 우측면인 순 가압 면적(A13)의 합과 동일하게 하여 좌행정 및 우행정 힘을 동일하게 하는 면적비를 가지고,
상기 1차 피스톤(201)은,
상기 좌 압력실(C11)을 향해 개방된 좌실 유로(H12); 상기 저압실(C13)을 향해 개방된 우실 유로(H15); 및 위치에 따라 상기 하우징 행정 결정부(L30) 좌우에 형성된 상기 중앙 압력실(C12) 또는 상기 저압실(C13)에 연통될 수 있도록 상기 1차 피스톤 하우징 측으로 개방된 파일럿 유로(H13)를 포함하고,
상기 1차 피스톤(201)의 방사형 유로(H11), 상기 좌실 유로(H12) 및 상기 파일럿 유로(H13)는 상기 중앙 내부로 연결되고,
상기 파일럿 유로(H13)는 상기 1차 피스톤(201) 내부에 형성된 관(H14)을 통해 상기 좌실 유로(H12)와 연통되는 것을 특징으로 하는 선형 유체 펌프.
제 1항에 있어서, 체적 효율을 최대화 시킬 수 있도록 유압 씰(410)이 장착된 1차 피스톤(201)을 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 유체 펌프.
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