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KR101567434B1 - 페일 세이프티 냉각수조절밸브 - Google Patents

페일 세이프티 냉각수조절밸브 Download PDF

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KR101567434B1
KR101567434B1 KR1020140097880A KR20140097880A KR101567434B1 KR 101567434 B1 KR101567434 B1 KR 101567434B1 KR 1020140097880 A KR1020140097880 A KR 1020140097880A KR 20140097880 A KR20140097880 A KR 20140097880A KR 101567434 B1 KR101567434 B1 KR 101567434B1
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South Korea
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valve
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valve housing
rotation
cooling water
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KR1020140097880A
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장석윤
김준우
김서규
손재영
박창현
강동준
Original Assignee
인지컨트롤스 주식회사
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Publication date
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Priority to US14/412,748 priority patent/US9803764B2/en
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Abstract

본 발명은 각 포트부 냉각수의 온도를 적절하게 제어하기 위하여 밸브하우징으로 유입되는 냉각수를 분배하기 위한 장치로서 엑츄에이터의 고장 또는 이상 고온 발생 시에 적어도 어느 하나의 유출포트를 일정 부분 이상 개방하여 밸브의 페일 세이프티 기능을 안정되게 수행할 수 있는 페일 세이프티 냉각수조절밸브에 관한 것이다.
본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브는, 외면에 적어도 2개의 포트를 가지고, 상기 포트와 소통하는 내부공간을 가진 밸브하우징; 상기 밸브하우징의 내부공간에 회전가능하게 설치되어 상기 포트를 개폐하는 밸브부재; 상기 밸브부재를 회전구동시키는 엑츄에이터; 및 상기 엑츄에이터의 고장 또는 냉각수의 이상 고온 발생 시에 상기 밸브하우징 내의 냉각수 온도를 감지하여 상기 밸브부재를 회전시켜 밸브하우징의 적어도 한 포트를 개방시키는 개방유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

페일 세이프티 냉각수조절밸브{FAIL SAFETY COOLANT CONTROL VALVE}
본 발명은 각 포트부 냉각수의 온도를 적절하게 제어하기 위하여 밸브하우징으로 유입되는 냉각수를 분배하기 위한 냉각수조절밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엑츄에이터의 고장 또는 이상 고온 발생 시에 적어도 어느 하나의 유출포트를 일정 부분 이상 개방하여 페일 세이프티 기능을 안정되게 수행할 수 있는 페일 세이프티 냉각수조절밸브에 관한 것이다.
각종 산업분야에는 다양한 냉각수의 흐름방향을 여러경로로 전환하도록 제어하는 밸브장치가 사용되고 있다.
특히, 차량은 그 내부에 다양한 종류의 밸브장치가 설치되며, 이러한 밸브장치는 구동원(내연기관 차량의 엔진 또는 전기자동차의 배터리)의 냉각, 실내공간의 냉방 및 난방, 배기가스 재순환(EGR시스템) 등과 같은 용도에 따라 다양한 종류의 냉각수에 대한 흐름을 분배, 제어 내지 단속할 수 있도록 구성된다.
예컨대, 구동원(엔진 또는 배터리)의 냉각을 위한 냉각수조절밸브는 엔진의 출력 및 연비 향상 등을 위한 트랜스미션의 온도를 최적화시키도록 냉각수의 흐름을 제어하도록 구성된다.
이러한 냉각수의 흐름 제어를 위한 냉각수조절밸브의 구체적인 작동을 살펴보면, 냉간 시동 시에 구동원의 워밍업을 위해 엔진에서 배출되는 냉각수를 바이패스라인(라디에이터를 우회하는 우회라인)에 의해 엔진으로 재유입시킴으로써 엔진을 적정온도로 가열할 수 있다. 그리고, 구동원이 과열된 경우에 냉각라인을 통해 냉각수를 라디에이터로 공급하고, 라디에이터에서 냉각된 냉각수는 엔진으로 유입되어 엔진의 과열을 방지할 수 있다. 또한, 냉간 시동 시에 냉각수의 일부를 오일쿨러로 공급하여 트랜스미션 오일을 가열한다.
이러한 밸브장치는 적어도 2개의 포트를 가진 밸브하우징(valve housing)과, 밸브하우징 내에서 회전하여 포트를 개폐하는 밸브부재와, 밸브부재를 회전시키는 엑츄에이터(actuator) 등을 포함한다. 여기서, 엑츄에이터는 구동모터 및 구동모터에 연결된 전동기어열을 가지고, 구동모터의 구동력이 전동기어열을 통해 밸브부재의 회전축을 전달되어 밸브부재가 회전하며, 이러한 밸브부재의 회전에 의해 밸브하우징의 포트가 적절히 개폐될 수 있다.
한편, 이러한 밸브장치는 제어회로의 오류, 구동모터의 고장, 전동기어열의 손상 등이 발생한 경우에 밸브부재의 회전축에 마련된 리턴스프링에 의해 원위치로 복귀하는 페일 세이프티(fail safety) 기능을 수행하도록 구성된다.
하지만, 종래의 밸브장치는 리턴스프링의 탄성력을 극복하도록 구동모터에 소요되는 전력이 과도하게 소요됨으로 인해 대용량의 구동모터가 설치되므로 제조단가가 상승하는 단점이 있었다. 또한, 대용량의 구동모터가 설치됨으로 인해 부품의 소형화 및 경량화가 불가능한 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 창출한 것으로, 엑츄에이터의 고장 또는 냉각수의 이상 고온 발생 시에 밸브하우징 내의 냉각수 온도를 감지하여 밸브부재의 회전을 유도하여 적어도 어느 하나의 유출포트를 일정 부분 이상 개방함으로써 밸브의 페일 세이프티 기능을 안정되게 수행할 수 있는 페일 세이프티 냉각수조절밸브를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브는,
외면에 적어도 2개의 포트를 가지고, 상기 포트와 소통하는 내부공간을 가진 밸브하우징;
상기 밸브하우징의 내부공간에 회전가능하게 설치되어 상기 포트를 개폐하는 밸브부재;
상기 밸브부재를 회전구동시키는 엑츄에이터; 및
상기 엑츄에이터의 고장 또는 냉각수의 이상 고온 발생 시에 상기 밸브하우징 내의 냉각수 온도를 감지하여 상기 밸브부재를 회전시켜 밸브하우징의 적어도 한 포트를 개방시키는 개방유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 개방유닛은,
상기 밸브하우징의 내부공간으로 유입되는 냉각수의 온도를 감지하여 수축 및 팽창하는 왁스(wax) 및 상기 왁스의 수축 및 팽창에 의해 상하방향으로 직선운동하는 감온 실린더를 가진 서모스탯(thermostat); 및
상기 밸브부재의 일측에 동일체로 형성되어, 상기 감온 실린더의 상하방향 직선운동을 밸브부재의 회전운동으로 유도하는 회전유도부;를 포함하고,
상기 엑츄에이터의 고장 또는 냉각수의 이상 고온 발생 시에 상기 서모스탯이 냉각수의 온도가 과열됨을 감지하여 회전유도부의 회전 유도에 의해 상기 밸브부재를 회전시켜 밸브하우징의 적어도 한 포트를 개방하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전유도부는 왁스의 팽창에 의해 하향 직선운동하는 감온 실린더의 하단과 접촉가능한 경사면을 가지고, 상기 경사면은 상사점 및 상기 상사점 보다 낮은 위치에 배치된 하사점을 가지며,
상기 감온 실린더의 하단이 경사면을 타고 상사점에서 하사점의 범위 내에서 하향 직선운동함에 따라 상기 회전유도부는 상기 밸브부재의 회전을 유도하여 상기 밸브하우징의 적어도 한 포트의 개방이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 회전유도부는 하사점의 좌우 양측에 2개의 상사점이 대칭적으로 배치됨으로써 하사점을 기준으로 좌우 양측에 2개의 경사면이 대칭적으로 형성된 오목형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 회전유도부는 상사점의 좌우 양측에 2개의 하사점이 대칭적으로 배치됨으로써 상사점을 기준으로 좌우 양측에 2개의 경사면이 대칭적으로 형성된 볼록형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 감온 실린더의 하단에는 회전유도부의 경사면과 구름접촉하는 구름부재가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 회전유도부는 상부에서 바라볼 때 상기 밸브부재의 회전방향에 대응하는 원호 형상으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브하우징의 하부에는 상기 밸브부재의 하단을 지지하는 지지체가 설치되고, 상기 지지체는 하나 이상의 개구를 가지며,
상기 밸브부재의 하단과 지지체 사이에는 복수의 회전지지볼이 개재되고, 상기 복수의 회전지지볼은 밸브부재의 하단에서 균일한 간격으로 배치되어 밸브부재의 하단을 회전지지하는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브부재의 하단에는 각 회전지지볼이 수용되는 복수의 수용홈이 형성되고, 상기 수용홈은 밸브부재의 원주방향을 따라 원호상으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 엑츄에이터의 고장 시에는 밸브하우징 내의 냉각수 온도를 감지하여 밸브부재를 회전시켜 적어도 하나의 포트를 일정 부분 이상으로 개방하는 페일 세이프티 기능을 안정적으로 수행할 수 있고, 특히 본 발명은 종래기술의 리턴스프링을 적용하지 않으므로 리턴스프링의 탄성력을 극복할 필요가 없어 소용량의 구동모터를 적용할 수 있고, 이러한 소용량 구동모터의 적용을 통해 부품의 소형화 및 경량화를 효과적으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 서모스탯의 감온 실린더가 상하방향으로 직선운동함에 대응하여 회전유도부가 특정방향(적어도 한 포트의 개방방향)으로 회전하여 밸브부재의 회전을 유도함으로써 밸브부재에 의한 적어도 하나의 포트에 대한 개방이 매우 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 밸브하우징 내의 냉각수 온도를 감지하여 왁스가 팽창할 경우 감온 실린더가 하향 직선운동하도록 구성되며, 감온 실린더의 하향 직선운동 시에 감온 실린더의 하단이 회전유도부의 경사면을 타고 하향 이동함에 따라 회전유도부는 특정방향으로 그 회전이 유도되어 적어도 하나의 포트에 대한 개방이 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 회전유도부가 2개의 경사면을 가진 오목형 또는 볼록형 구조로 이루어짐에 따라 엑츄에이터의 고장으로 인해 밸브부재가 어떠한 위치에서 그 동작이 중지될 경우에라도 밸브부재를 회전시켜 적어도 하나의 포트에 대한 일정 부분 이상의 개방이 보다 확실하고 안정적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 감온 실린더의 하단에 마련된 구름부재가 회전유도부의 경사면과 구름접촉함에 따라 감온 실린더의 하향 직선운동에 대응한 회전유도부에 의한 밸브부재의 회전 유도작동이 매우 원활하고 정확하게 이루어질 수 있고, 이를 통해 밸브부재에 의한 적어도 하나의 포트에 대한 개방이 보다 정확하고 안정되게 진행되는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 감온 실린더의 하단이 회전유도부의 경사면을 타고 하향 이동할 때, 회전유도부가 밸브부재의 회전방향에 대응한 원호상으로 이루어져 있으므로 회전유도부는 밸브부재의 회전을 보다 정확하고 안정되게 유도할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은, 복수의 회전지지볼이 밸브부재의 하단을 균일하게 회전지지함에 따라 밸브부재의 회전작동이 원활하게 이루어질 뿐만 아니라 서모스탯 및 회전유도부에 의한 밸브부재의 회전유도 작동 시에 발생하는 밸브부재의 편하중으로 인한 구름저항을 감소시켜, 밸브부재의 변형 내지 파손 등을 확실하게 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은, 수용홈 내에서 수용된 회전지지볼이 밸브부재의 회전에 따라 회전지지체의 상면에서 구름운동함으로써 밸브부재의 하단에 대한 회전지지를 매우 원활하게 할 수 있고, 더불어 밸브부재의 편하중으로 인한 저항을 더욱 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페일 세이프티 냉각수조절밸브를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페일 세이프티 냉각수조절밸브를 도시한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브를 도시한 정면도이다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 B-B선을 따라 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4의 C-C선을 따라 도시한 단면도이다.
도 7은 도 5의 화살표 D 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 8은 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브의 밸브하우징 및 밸브부재의 상부를 절개하여 회전유도부를 상세하게 나타낸 부분절개도이다.
도 9는 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브에서 서모스탯의 팽착작동 전의 상태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브에서 서모스탯의 팽착작동에 의해 밸브부재가 회전한 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 도 4의 E-E선을 따라 도시한 단면도이다.
도 12는 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브의 밸브부재 및 회전지지체 사이에 개재된 회전지지볼의 구성을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브가 엔진 냉각시스템의 일 예에 적용된 상태를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브에서 밸브부재의 회전각에 따른 유출포트들의 선택적인 개방도를 예시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 페일 세이프티 냉각수조절밸브를 도시한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브(100)는 2 이상의 포트(10a, 15)를 가진 밸브하우징(10)과, 밸브하우징(10) 내에 회전가능하게 설치된 밸브부재(20)와, 밸브하우징(10)의 포트(10a, 15)에 설치된 실링유닛(30)과, 밸브부재(20)를 회전구동시키는 엑츄에이터(40)와, 밸브하우징(10) 내의 냉각수 온도가 과열됨을 감지하여 밸브부재(20)를 회전시켜 적어도 하나의 포트(10a)를 일정 부분 이상으로 개방하는 개방수단(50, 60)을 포함한다.
밸브하우징(10)은 도 5에 도시된 바와 같이, 그 외면에 형성된 2 이상의 포트(15, 10a)를 가지고, 이러한 포트(15, 10a)는 냉각수가 유입되는 유입포트(15) 및 냉각수가 유출되는 하나 이상의 유출포트(10a)로 이루어진다. 도 1 및 도 2에서는 밸브하우징(10)의 하단에 유입포트(15)가 형성되고, 밸브하우징(10)의 측면에 3개의 유출포트(10a)가 형성됨이 예시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않고 포트의 갯수 및 위치 등을 보다 다양하게 구성할 수 있다.
그리고, 밸브하우징(10)은 그 내부에 포트(15, 10a)와 소통하는 내부공간을 가진다.
밸브하우징(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 그 외면에서 돌출된 복수의 플랜지(12, 13, 14)를 가지고, 각 유출포트(10a)는 도 3 내지 도 5와 같이 각 플랜지(12, 13, 14)의 내부에 개별적으로 형성된다. 밸브바디(10)의 플랜지(12, 13, 14)에 파이프 또는 튜브 형태로 이루어진 포트 피팅(16, 17, 18; valve fitting)의 플랜지부(16a, 17a, 18a)가 개별적으로 결합된다.
밸브부재(20)는 밸브하우징(10)의 내부공간에 밸브축(25)에 의해 회전가능하게 설치되고, 밸브축(25)의 상단은 밸브바디(10)의 상면을 관통하여 돌출하며, 밸브축(25)의 돌출된 상단에 엑츄에이터(40)가 연결됨에 따라 밸브부재(20)는 엑츄에이터(40)의 구동력에 의해 회전할 수 있다.
밸브부재(20)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 그 외면에 형성된 하나 이상의 개구(21, 22, 23)를 가지고, 밸브부재(20)는 밸브하우징(10)의 내면에 대응하는 원통형 구조로 이루어지며, 밸브부재(20)의 외면은 곡면지게 형성되어 있다.
밸브부재(20)는 그 중심부에 밸브축(25)이 설치되고, 밸브축(25)을 통한 밸브부재(20)가 회전함에 따라 밸브부재(20)의 개구(21, 22, 23)가 밸브바디(10)의 각 유출포트(10a)와 선택적으로 소통함으로써 밸브바디(10)의 각 유출포트(10a)는 선택적으로 개폐될 수 있다.
또한, 밸브부재(20)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 그 내부 중간에 수평방향으로 형성된 구획 칸막이(24)를 가지고, 이러한 구획 칸막이(24)에 의해 밸브부재(20)의 내부 공간이 2개의 중공부(20a, 20b)로 구획될 수 있다. 그리고, 구획 칸막이(24)에는 하나 이상의 개구(24a)가 형성되며, 이러한 개구(24a)를 통해 2개의 중공부(20a, 20b)가 서로 소통하도록 구성된다.
실링유닛(30)은 밸브하우징(10)의 유출포트(10a) 또는 유입포트(15) 내에 설치될 수 있고, 이러한 실링유닛(30)에 의해 하나 이상의 유출포트(10a) 또는 유입포트(15)에 대한 밀봉성을 확보할 수 있다.
실링유닛(30)은 유출포트(10a)의 내면에 기밀하게 설치되는 실링부재(31)와, 실링부재(31)의 일단에 동일체로 마련된 하나 이상의 탄성요소(32)를 포함한다.
실링부재(31)는 그 내부에 냉각수가 관류하도록 형성된 중공부(31a) 및 포트(10a)의 내면에 대응하는 외면을 가진 원통형 구조로 이루어진다. 이에 실링부재(31)의 외면은 유출포트(10a)의 내면에 기밀하게 밀착될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이 실링부재(31)는 그 일단에 동일체로 형성된 하나 이상의 탄성요소(32) 및 밸브부재(20)의 외면과 기밀하게 접촉하는 실링면(34)을 가진다.
탄성요소(32)는 실링부재(31)의 일단에 일체로 성형되어 실링부재(31)와 동일체로 구성될 수 있다. 이에, 탄성요소(32)는 실링부재(31)에 탄성력을 축선방향으로 인가함에 따라 실링부재(31)의 실링면(34)은 밸브부재(20)의 외면에 밀착되게 접촉됨이 안정되게 유지될 수 있다.
특히, 탄성요소(32)는 실링부재(31)의 일단에 하나 이상의 산(32a)과 하나 이상의 골(32b)이 연속되게 형성된 주름관 구조로 이루어짐으로써 실링부재(31)에 대한 탄성력 및 복원력을 부여하고, 이를 통해 탄성요소(32)는 실링부재(31)를 보다 높은 탄성력으로 가압함으로써 실링부재(31)에 의한 밀봉성을 보다 높일 수 있는 장점이 있다.
탄성요소(32)는 실링부재(31)와 동일한 재질로 이루어져 탄성요소(32)와 실링부재(31)는 사출성형에 의해 동일체로 형성될 수도 있고, 탄성요소(32)는 실링부재(31)와 달리 탄성력이 높은 재질로 이루어져 이중 사출성형에 의해 동일체로 형성될 수도 있다.
실링부재(31)는 그 타단에 밸브부재(20)의 외면과 밀착되게 접촉되는 환형의 실링면(34)를 가진다. 도 7에 도시된 바와 같이, 실링면(34)은 밸브부재(20)의 곡면진 외면에 대응하여 곡면지게 형성된 제1밀착면(34a)과, 밀착면(34a)의 내측에 단턱지게 형성된 제2밀착면(34b)으로 이루어진다.
이에 의해, 조립 초기에는 실링면(34)의 제1밀착면(34a)만이 밸브부재(20)의 외면과 접촉함에 따라 실링면(34)의 전체적인 접촉면적을 상대적으로 줄여줄 수 있으므로 동적 마찰 시에 실링부재(31)의 마모를 대폭 줄일 수 있다. 그리고, 조립된 이후에 일정 기간이 경과하면 실링면(34)의 제1밀착면(34a)과 제2밀착면(34b)이 단턱지게 형성된 구조에 의해 실링면(34)이 보다 유연하게 변형되어 실링면(34)의 제1밀착면(34a)과 제2밀착면(34b) 모두가 밸브부재(20)의 외면에 보다 밀착되게 접촉될 수 있으므로 그 밀봉성이 대폭 높아질 수 있다.
한편, 실링부재(31)는 폴리테트라플루오로에틸렌((Polytetrafluoroethylene, PTFE) 등과 같이 마찰계수가 낮고, 내화학성이 양호한 재질로 이루어진다. 이와 같이 실링부재(31)가 마찰계수가 낮은 재질로 이루어짐에 따라 밸브부재(20)의 외면과 실링부재(31) 사이이 회전접촉(동적 부하) 시에 그 동적 마찰부하를 감소시켜 실링부재(31)의 마모를 대폭 줄일 수 있다.
그리고, 실링부재(30)의 외면에는 환형의 립 씰(36, lip seal)이 설치되는 환형 홈(35)이 형성되고, 립 씰(36)은 환형 홈(35)의 내면에 밀착되게 끼움결합되는 환형의 끼움몸체(36a)와, 끼움몸체(36a)의 양측에 변형가능하게 외측으로 연장된 제1 및 제2 립부(36b, 36c; lip portion)를 가진다.
립 씰(36)은 보다 기밀한 밀봉성을 확보하도록 EPDM(ethylene propylene diene monomer) 등과 같이 탄성적 변형이 용이한 재질로 이루어진다.
이러한 립 씰(36)의 구성에 의해, 환형 홈(38) 내에 끼움몸체(36a)가 끼워질 경우에는 제1립부(36b)는 탄성적으로 변형되면서 그 단부가 유출포트(10a)의 내면과 기밀하게 접촉할 수 있다.
그리고, 제2립부(36c)는 끼움몸체(36a)가 환형 홈(35)에 끼워질 경우에 환형 홈(35)의 바닥면에 탄성적으로 변형되어 끼움몸체(36a)를 환형 홈(38)의 외경방향으로 탄성적으로 밀어낼 수 있고, 이를 통해 제1립부(36b)의 단부는 보다 기밀하게 유출포트(10a)의 내면과 접촉할 수 있다.
또한, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 포트 피팅(16, 17, 18)의 플랜지부(15a, 17a, 18a)에는 환형의 밀봉링(19)이 설치되는 수용홈(19a)이 형성되고, 환형의 밀봉링(19)은 실링유닛(30)의 외경방향에 배치되어 실링유닛(30)에 의한 밀봉성을 대폭 보강할 수 있다.
엑츄에이터(40)는 밸브하우징(10)의 상부에 설치되어 밸브부재(20)를 회전시키도록 구성된다.
이러한 엑츄에이터(40)는 구동모터(41)와, 구동모터(41)의 구동력을 전달하는 전동기어열(42)을 가진다.
구동모터(41)는 밸브하우징(10)의 일측에 안정적으로 설치된다. 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이 밸브하우징(10)의 일측에 모터 수용부(10d)가 동일체로 형성되며, 이러한 모터 수용부(10d)에 구동모터(41)가 안정적으로 설치된다.
전동기어열(42)은 구동모터(41)의 출력축에 설치된 구동기어(42a) 및 2 이상의 피동기어(42b, 42c)가 치합되어 구성되고, 최종 피동기어(42c)에는 밸브부재(20)의 회전축(25)이 결합된다. 이에, 구동모터(41)의 구동력이 전동기어열(42)의 기어비로 밸브부재(20)의 회전축(25)에 원활하게 전달된다.
또한, 구동모터(41)와 전동기어열(42)의 상부에는 커버(45)가 설치됨으로써 안정적으로 보호될 수 있고, 이러한 커버(45)는 밸브하우징(10)의 상면에 복수의 체결구를 통해 견고하게 결합된다.
개방수단(50, 60)은 제어회로의 고장, 구동모터(41)의 고장, 전동기어열(42)의 파손 등과 같은 엑츄에이터(40)의 고장 또는 냉각수의 이상 고온 발생 시에, 밸브하우징(10) 내의 냉각수 온도가 과열됨을 감지하여 밸브부재(20)를 회전시켜 적어도 하나의 유출포트(10a)를 개방시키도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 개방수단(50, 60)은 도 4에 도시된 바와 같이 밸브하우징(10)의 내부공간으로 유입되는 냉각수의 온도를 감지하여 수직방향으로 직선운동하는 감온 실린더(52)를 가진 서모스탯(50)과, 서모스탯(50)의 감온 실린더(52)의 수직방향 직선운동을 밸브부재(20)의 회전운동으로 유도하는 회전유도부(60)를 포함한다.
서모스탯(50)은 도 4에 도시된 바와 같이 밸브하우징(10)의 내부공간으로 유입되는 냉각수의 온도를 감지하여 수축 및 팽창하는 왁스(51, wax)와, 왁스(51)의 수축 및 팽창에 의해 수직방향으로 직선운동하는 감온 실린더(52)와, 감온 실린더(52)를 탄성적으로 지지하는 탄성스프링(53)을 가진다.
특히, 감온 실린더(52)는 밸브하우징(10)의 상부에 수직방향으로 직선운동하도록 설치되고, 감온 실린더(52)의 내부에는 냉각수의 온도를 감지하여 수축 및 팽창하는 왁스(51)가 내장되며, 이러한 왁스(51)의 수축 및 팽창에 의해 감온 실린더(52)는 수직방향 직선운동하도록 구성된다. 그리고, 탄성스프링(53)은 감온 실린더(52)의 외주면에는 감온 실린더(52)의 수직방향 직선운동을 탄성적으로 지지하도록 설치되고, 스프링(53)은 브라켓(54)에 의해 밸브하우징(10)에 대해 지지되도록 설치된다.
이러한 서모스탯(50)의 작동을 보다 구체적으로 살펴보면, 밸브하우징(10) 내의 냉각수 온도가 상승하면 왁스(51)가 이를 감지하여 수직방향으로 팽창하고, 이러한 왁스(51)의 팽창에 의해 감온 실린더(52)는 하향으로 직선운동한다. 이때, 감온 실린더(52)의 하향 직선운동은 스프링(53)의 탄성력을 극복하면서 진행된다.
이와 반대로, 밸브하우징(10) 내의 냉각수 온도가 하강하면 왁스(51)가 이를 감지하여 수직방향으로 수축하고, 이러한 왁스(51)의 수축에 의해 감온 실린더(52)는 상향으로 직선운동한다. 이때, 감온 실린더(52)은 탄성스프링(53)의 탄성력에 의해 그 상향 직선운동이 보다 안정되게 진행될 수 있다.
회전유도부(60)는 밸브부재(20)의 일측에 일체로 돌출되게 형성되고, 왁스(51)의 팽창에 대응하여 감온 실린더(52)가 하향 직선운동할 경우에 회전유도부(60)는 감온 실린더(52)의 하단과 접촉가능하도록 배치된다.
특히, 회전유도부(60)는 도 4, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 밸브부재(20)의 구획 칸막이(24)에 형성되어 서모스탯(50)의 감온 실린더(52)의 하단과 마주보게 배치될 수 있다.
회전유도부(60)는 왁스(51)의 팽창에 의해 하향 직선운동하는 감온 실린더(52)의 하단과 접촉하는 경사면(61)을 가지며, 경사면(61)은 하나 이상의 상사점(62a) 및 상사점(62a) 보다 낮은 위치에 배치된 하사점(62b)을 가진다.
이러한 구성에 의해, 왁스(51)가 밸브하우징(10) 내의 냉각수 온도가 상승함을 감지하여 감온 실린더(62)가 하향 직선운동하면, 도 9와 같이 감온 실린더(62)의 하단은 회전유도부(60)의 경사면(61)의 상사점(62a) 또는 그에 인접한 일측과 접촉하기 시작한다. 그 이후에, 감온 실린더(62)가 계속해서 하향 직선운동(도 9의 화살표 L방향 참조)함에 따라 감온 실린더(62)의 하단은 회전유도부(60)의 경사면(61)을 하향으로 밀어내고, 이러한 감온 실린더(62)의 하향 직선운동이 계속 진행되면 도 10과 같이 감온 실린더(62)의 하단은 회전유도부(60)의 경사면(61)의 하사점(62b)과 접촉할 때까지 감온 실린더(62)는 하향 직선운동한 이후에 정지된다. 이러한 감온 실린더(62)의 하향 직선운동에 따라 회전유도부(60)는 경사면(61)의 경사방향과 반대방향으로 회전(도 9의 화살표 R방향 참조)함으로써 밸브부재(20)는 도 10의 상태까지 그 회전이 유도된다. 즉, 밸브부재(20)는 적어도 하나의 유출포트(10a)가 일정 부분 이상으로 개방하는 위치로 그 회전이 유도된다.
여기서, 도 10의 상태까지 밸브부재(20)가 회전하면, 밸브하우징(10)의 적어도 하나의 포트(10a)가 개방된다. 예컨대, 모든 유출포트(10a)가 개방된 상태일 수도 있고, 어느 하나의 유출포트(10a) 특히, 라디에이터와 소통하는 유출포트만이 일정 부분 이상으로 개방된 상태일 수도 있다.
그리고, 감온 실린더(52)는 상사점(62a)에서 하사점(62b) 사이의 수직길이 내에서 하향 직선운동함에 따라 회전유도부(60)에 의한 밸브부재(20)의 회전이 안정적으로 유도되고, 이를 통해 밸브하우징(10)의 적어도 하나의 유출포트(10a)는 일정 부분 이상이 개방되어 페일 세이프티 기능이 효과적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 개방수단(50, 60)은 밸브하우징(10) 내의 냉각수 온도가 상승할 때 서모스탯(50)의 왁스(51)가 이를 감지하여 팽창함에 따라 감온 실린더(62)가 하향 직선운동하도록 구성되고, 감온 실린더(62)의 하향 직선운동 시에 감온 실린더(52)의 하단이 회전유도부(60)의 경사면(61)과 접촉하면서 하향 이동함에 따라 회전유도부(60)는 밸브부재(20)의 회전을 안정되게 유도하여 밸브하우징(10)의 적어도 한 유출포트(10a)가 일정 부분 이상으로 개방됨이 용이하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
일 실시예에 따르면, 회전유도부(60)는 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 하사점(62b)이 경사면(61)의 중심부에 위치하여 하사점(62b)의 좌우 양측에 2개의 상사점(62a)이 대칭적으로 배치됨으로써 하사점(62b)을 기준으로 좌우 양측에 2개의 경사면(61)이 대칭적으로 형성된 오목형 구조로 이루어질 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 회전유도부(60)는 상사점(62a)이 경사면(61)의 중심부에 위치하고, 상사점(62a)의 좌우 양측에 2개의 하사점(62b)이 대칭적으로 배치됨으로써 상사점(62a)을 기준으로 좌우 양측에 2개의 경사면(61)이 대칭적으로 형성된 볼록형 구조로 이루어질 수도 있다.
이와 같이, 회전유도부(60)가 대칭적인 2개의 경사면(61)을 가진 오목형 또는 볼록형 구조로 이루어짐에 따라 엑츄에이터(40)의 고장으로 인해 밸브부재(20)가 어떠한 위치에서 그 동작이 중지될 경우에라도 밸브하우징(10)의 적어도 하나의 유출포트(10a)가 보다 확실하고 안정적으로 개방될 수 있는 장점이 있다.
또한, 감온 실린더(52)의 하단에는 회전유도부(60)의 경사면(61)과 구름접촉하는 볼형상의 구름부재(55)가 설치되고, 이러한 구름부재(55)가 회전유도부(60)의 경사면(61)과 구름접촉함에 따라 감온 실린더(52)의 하향 직선운동에 따른 회전유도부(60)의 회전 유도작동이 매우 원활하고 정확하게 이루어질 수 있고, 이를 통해 밸브하우징(10)의 적어도 하나의 유출포트(10a)가 보다 확실하고 안정적으로 개방될 수 있는 장점이 있다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 회전유도부(60)는 상부에서 바라볼 때 밸브부재(20)의 회전방향(원주방향)에 대응하는 원호 형상으로 연장된다. 이러한 원호 형상의 회전유도부(60)에 의해, 감온 실린더(52)의 하단이 회전유도부(60)의 경사면(61)을 타고 하향 이동할 때, 회전유도부(60)의 회전 유도에 의해 밸브부재(20)는 그 회전이 보다 정확하고 안정되게 유도될 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 밸브부재(20)의 구획 칸막이(24)에 한 쌍의 회전유도부(60)가 대칭적으로 형성될 수 있고, 이에 서모스탯(50)의 위치를 보다 다양하게 설정할 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 밸브하우징(10)의 하부 즉, 밸브하우징(10)의 유입포트(15)에는 지지체(26)가 설치되고, 지지체(26)는 밸브부재(20)의 하단을 지지하도록 설치된다.
지지체(26)는 하나 이상의 개구(26a)를 가지고, 밸브부재(20)의 하단과 지지체(26) 사이에는 복수의 회전지지볼(71)이 개재되며, 복수의 회전지지볼(71)은 밸브부재(20)의 하단을 균일하게 회전지지할 수 있다.
복수의 회전지지볼(71)은 밸브부재(20)의 하단을 균일하게 회전지지하도록 밸브부재(20)의 원주방향을 따라 균일한 간격으로 배치된다.
이와 같이, 복수의 회전지지볼(71)이 밸브부재(20)의 하단을 균일하게 회전지지함에 따라 밸브부재(20)의 회전작동이 원활하게 이루어질 뿐만 아니라 서모스탯(50) 및 회전유도부(60)에 의한 밸브부재(20)의 회전유도 작동 시에 발생하는 밸브부재(20)의 편하중으로 인한 구름저항을 감소시켜, 밸브부재(20)의 변형 내지 파손 등을 확실하게 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 밸브부재(20)의 하단에는 각 회전지지볼(71)이 수용되는 복수의 수용홈(72)이 형성되고, 수용홈(72)은 밸브부재(20)의 원주방향을 따라 원호상으로 연장된다. 이와 같이, 수용홈(72) 내에 수용된 회전지지볼(71)은 밸브부재(20)의 회전에 따라 지지체(26)의 상면에서 구름운동함으로써 밸브부재(20)의 하단에 대한 회전지지를 매우 원활하게 할 수 있고, 더불어 밸브부재(20)의 편하중으로 인한 저항을 더욱 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명은 냉각수의 이상고온 발생 또는 엑츄에이터(40)의 고장 시에는 서모스탯(50)이 냉각수의 온도를 감지하여 회전유도부(60)에 의해 감온 실린더(52)의 상하방향 직선운동을 밸브부재(20)의 회전운동으로 변환시킴으로써 밸브부재(20)를 특정방향(적어도 하나의 유출포트(10a)를 개방하는 방향)으로 회전시키고, 이를 통해 밸브하우징(10)의 적어도 한 유출포트(10a)가 일정 부분 이상으로 개방되는 페일 세이프티(fail safety) 기능을 효과적으로 수행할 수 있다.
특히, 본 발명은 밸브부재(20)의 회전유도 시에 종래기술의 리턴스프링이 적용되지 않으므로 리턴스프링의 탄성력을 극복할 필요가 없어 소용량의 구동모터를 적용할 수 있고, 이러한 소용량 구동모터의 적용을 통해 부품의 소형화 및 경량화를 효과적으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 13은 본 발명에 의한 페일 세이프티 냉각수조절밸브(100)가 엔진의 냉각시스템에 적용된 일 예를 도시한다.
도 13에 예시된 바와 같이, 밸브바디(10)의 유출포트(10a)는 3개의 유출포트(A, B, C)로 지칭되고, A 유출포트는 라디에이터(6)와 소통하는 제1출력라인(1)에 접속되며, B 유출포트는 오일 쿨러(7)와 소통하는 제2출력라인(2)에 접속되고, C 유출포트는 실내히터(8)와 소통하는 제3출력라인(3)에 접속된다.
이러한 밸브바디(10)의 유출포트(A, B, C)에 대한 개도량(%)은 도 14에 예시된 바와 같이, 밸브부재(20)의 회전각(°)에 따라 밸브바디(10)의 유출포트(A, B, C)에 대한 개도량이 서로 다르게 설정됨을 알 수 있다. 즉, 밸브부재(20)의 회전각에 따라 밸브바디(10)의 각 유출포트(A, B, C)의 개도량(%)이 매우 다양하게 설계될 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 밸브하우징 20: 밸브부재
30: 실링유닛 40: 엑츄에이터
50: 서모스탯 51: 왁스
52: 감온 실린더 53: 탄성스프링
60: 회전유도부 61: 경사면
62a: 상사점 62b: 하사점

Claims (5)

  1. 외면에 적어도 2개의 포트를 가지고, 상기 포트와 소통하는 내부공간을 가진 밸브하우징;
    상기 밸브하우징의 내부공간에 회전가능하게 설치되어 상기 포트를 개폐하는 밸브부재;
    상기 밸브부재를 회전구동시키는 엑츄에이터; 및
    상기 엑츄에이터의 고장 시에 상기 밸브하우징 내의 냉각수 온도가 과열됨을 감지하여 상기 밸브부재를 회전시켜 밸브하우징의 적어도 한 포트를 개방시키는 개방유닛;을 포함하고,
    상기 개방유닛은,
    상기 밸브하우징의 내부공간으로 유입되는 냉각수의 온도를 감지하여 수축 및 팽창하는 왁스(wax) 및 상기 왁스의 수축 및 팽창에 의해 상하방향으로 직선운동하는 감온 실린더를 가진 서모스탯(thermostat); 및
    상기 밸브부재의 일측에 동일체로 형성되어, 상기 감온 실린더의 상하방향 직선운동을 밸브부재의 회전운동으로 유도하는 회전유도부;를 포함하며,
    상기 엑츄에이터의 고장 또는 냉각수의 이상 고온 발생 시에 상기 서모스탯이 냉각수의 온도가 과열됨을 감지하여 회전유도부의 회전 유도에 의해 상기 밸브부재를 회전시켜 밸브하우징의 적어도 한 포트를 개방하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프티 냉각수조절밸브.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전유도부는 왁스의 팽창에 의해 하향 직선운동하는 감온 실린더의 하단과 접촉가능한 경사면을 가지고, 상기 경사면은 상사점 및 상기 상사점 보다 낮은 위치에 배치된 하사점을 가지며,
    상기 감온 실린더의 하단이 경사면을 타고 상사점에서 하사점의 범위 내에서 하향 직선운동함에 따라 상기 회전유도부는 상기 밸브부재의 회전을 유도하여 상기 밸브하우징의 적어도 한 포트의 개방이 이루어지는 것을 특징으로 하는 페일 세이프티 냉각수조절밸브.
  4. 외면에 적어도 2개의 포트를 가지고, 상기 포트와 소통하는 내부공간을 가진 밸브하우징;
    상기 밸브하우징의 내부공간에 회전가능하게 설치되어 상기 포트를 개폐하는 밸브부재;
    상기 밸브부재를 회전구동시키는 엑츄에이터; 및
    상기 엑츄에이터의 고장 시에 상기 밸브하우징 내의 냉각수 온도가 과열됨을 감지하여 상기 밸브부재를 회전시켜 밸브하우징의 적어도 한 포트를 개방시키는 개방유닛;을 포함하고,
    상기 밸브하우징의 하부에는 상기 밸브부재의 하단을 지지하는 지지체가 설치되고, 상기 지지체는 하나 이상의 개구를 가지며,
    상기 밸브부재의 하단과 지지체 사이에는 복수의 회전지지볼이 개재되고, 상기 복수의 회전지지볼은 밸브부재의 하단에서 균일한 간격으로 배치되어 밸브부재의 하단을 회전지지하는 것을 특징으로 하는 페일 세이프티 냉각수조절밸브.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 감온 실린더의 하단에는 회전유도부의 경사면과 구름접촉하는 구름부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 페일 세이프티 냉각수조절밸브.
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