펄스-폭-조절 밸브

펄스-폭-조절 밸브{PULSE-WIDTH-REGULATING VALVE}

본 발명은 유량 및/또는 유압의 제어를 위한 펄스-폭-조절 밸브에 관한 것이다. 또한 본 발명은 펄스-폭-조절 밸브를 작동시키는 방법도 포함한다.

순환 방식에서 하나 또는 그 이상의 밸브가 유량을 제어하는 경우에, 전기 펄스-폭 변조는 유체 유동과 유사한데, 상기 밸브는, 상기 밸브가 개방위치에 있을 때, 가능한 가장 낮은 압력 강하가 달성되는 방식으로 작동된다. 이상적으로는, 펄스-폭 변조 내에서 사용되는 밸브가 단지 두 상태로 이루어지는데, 이는 바로 완전히 개방되는 상태(on) 또는 완전히 폐쇄되는 상태(OFF)이다. 이는 또한 전기 펄스-폭 변조에 따른 것인데, 이 경우의 전기 스위치는 일반적으로 트랜지스터 형태로서 완전히 상태이거나 완전히 OFF 상태이다. 가변 유동은 변화되는 개방시간과 폐쇄시간과의 관계에 의하여 달성되지만, 주파수는 대체적으로 일정하게 유지된다. 상기 개방상태 내의 시간과 폐쇄상태 내의 시간과의 관계는 듀티 사이클(duty cycle)이라고 지칭하고, 통상 기호 'D'로 표시하며, 퍼센트로 나타낸다. 주어진 작동 주파수에서의 순환 동작 동안, 상기 듀티 사이클은 그에 영향을 받지 않으며 상기 언급한 오프/온 시간과의 관계에 대해서만 중요한 의미를 갖는다. 상기 얻어진 유체 유동은 주로 밸브의 듀티 사이클에 비례하는데, 이는 전기적인 의미로 스위치의 듀티 사이클에 해당하는 것을 의미한다. 듀티 사이클이 0 %에서는(D=0%), 상기 밸브가 완전히 폐쇄되고, 그 결과 유체 유동은 없다. D=50%에서는, 전체 유체 유동의 50 %가 달성되는데, 이는 회로 내에서의 잔류저항과 공급압력 등에 따라 달라질 수 있다.

제1도는 상이한 듀티 사이클을 갖는 펄스-폭-변조된 회로를 위한 기능 다이아그램을 도시한다.

유량의 가변 조정을 위해, 일반적으로 한 형태의 초크(choke)/스로틀(throttle) 밸브를 사용한다. 초크 밸브를 사용하면, 그것이 부분적으로 열려있을 때, 비교적 큰 손실을 수반한다. 이러한 손실은 일반적으로 유체 통로에서 좁거나 다른 유체-흐름-억제 통로 때문에 발생하는 난류 현상으로부터 야기되는 자유 팽창 및/또는 마찰 및 엔탈피 압력강하 형태로 나타나고, 이 모든 것은 유체와 스로틀(throttling)의 특성에 달려있다. 밸브는, 밸브 개구가 크고 전체 유체에 걸쳐 밸브 전체의 압력강하가 작을 때에만, 최소한의 손실을 발생시키면서 작동한다. 포트 개구들과 단순한 온/오프 밸브의 가능한 밸브요소 슬롯/개구는 예상한 유량이나 또는 필요한 유량에 따라 치수가 정해지고, 그럼으로써 그 밸브는 완전히 개방되었을 때 최소 손실을 나타내지만, 반면 가변유량을 제공하기 위하여 설계된 하나의 비례(proportional) 밸브 또는 다른 종류의 밸브에 대해서는, 부분 유동에서 항상 상당한 손실이 발생하는데, 이는 밸브의 위치가 완전히 개방된 상태와 완전히 폐쇄된 상태 사이에 있는 경우를 의미한다.

소량의 유량을 필요로 하는 경우, 이는 반드시 문제가 되지는 않는다. 문제는 큰 유량 때문에 압력강하의 형태로 높은 손실이 일어날 때만 발생하고, 이러한 경우, 펄스-폭-변조된 밸브를 사용하는 것은 큰 장점이 될 수 있는데, 이는 상기 밸브가 상기 설명에 따라 현저하게 작은 손실을 발생시키기 때문이다.

열기관, 특히 증기기관이나 그들의 변형 엔진에서, 펄스-폭 변조/조절의 형태, 종종 차단-변조된 주입(cut-off-regulated injection)으로 정의되는 형태를 사용하는 것은 일반적이다. 이러한 형태의 펄스-폭 변조는 동작 유체(때때로 스팀)를 팽창 챔버(때때로 실린더 챔버) 내로, 상기 챔버가 특정 부피에 도달할 때까지, 전체 압력 하에서 주입된다. 그러면 상기 증기 공급은 차단(컷오프)되고, 실린더 챔버가 전체 박출량(stroke volume)에 거의 도달하여 상기 배기밸브가 개방될 때까지, 상기 증기는 단열팽창을 계속한다. 이러한 방식으로, 상기 증기공급은 특정의 스로틀(throttling) 없이도 조절될 수 있는데, 그렇지 않으면 상당한 손실을 수반했을 것이다.

종래 기술에도 이와 같은 방법을 제어하기 위한 다양한 밸브 솔루션이 있다. 종전의 증기기관에서, 상기 공급밸브의 듀티 사이클을 제공하는 차단 점(cut-off point)은 이동하는 방향으로 조정가능한 슬라이드 밸브의 스트로크에 의해 조절되었고, 이러한 방법으로 조절가능한 차단(cut-off)이 달성되었다. 앞에서 설명하였듯이, 이는 스로틀 밸브에 기초한 엔진에 큰 이득을 주었다. 이러한 엔진은 또한, 단순하게, 적합한 밸브기어 메커니즘을 사용함으로써 가역될 수 있었다. 제어가능한 차단 조정과 가역공정을 모두 제공할 수 있는 밸브기어 메커니즘의 한 예가 스티븐슨(Stephenson) 메커니즘이다. 이것은 월세트식(Walschaerts) 메커니즘, 콜리스(Corliss) 메커니즘, 및 더 나아가 최근에는, 캐프로티(Caprotti) 메커니즘과 같이, 일반적으로 증기 기관차 및 다른 무수한 기계장치를 만드는데 사용되어 왔다. 엔진의 유형에 따라, 이러한 것들은 슬라이드 밸브를 비롯하여 변수차단과 가역공정 기능을 구비한 부분적으로 회전하는 밸브 및 시트 밸브(seat valve)까지 모두 제어할 수 있게 되었다.

상기와 같은 메커니즘들의 문제점은 상태 변환시에 밸브요소의 충분히 빠른 가속 또는 충분히 짧은 개방/폐쇄 시간을 달성하는 것이었다. 특별한 설계 솔루션으로 인해, (개방/폐쇄) 스위칭 지점 주변의 밸브 이동은 정지상태(standstill)에서 출발하거나 정지상태에서 종결되었는데, 다시 말하면 이들 영역에서 밸브요소는 느린 속도를 갖고, 결국 스위칭 상태에서 일정 기간 동안 상당한 스로틀링을 제공하게 되었다.

몇몇의 밸브기어 메커니즘에서는, 밸브들이 거의 셧-오프 상태인 순환 작동 상태의 경우, 상기 밸브의 전체 개구에 상당한 스로틀링이 존재한다. 이는, 밸브 메커니즘이 펄스-폭 조절에 대하여 실용적인 접근을 하는 경우라 하더라도, 폐쇄상태와 개방상태 사이에서 스위칭이 이루어지는 경우에 상기 밸브는 그들이 나타내는 스로틀링으로 인해 상당한 손실을 가진 채 실제 작동된다는 것을 의미한다.

또한, 듀티 사이클에서 충분히 낮은 바닥 한계(bottom limit)를 달성하는 것도 어려운 과제이다. 다시 말해, 손실을 동반하는 스로틀링 요소 없이, 컷-오프 및 결과적으로 0%로 하향하는 듀티 사이클을 달성하는 것이 어렵다는 것이다. 특히, 예를 들어 5 내지 10 % 이하로 조절되는 컷-오프 포인트의 달성이 어려운데, 이는 낮은 전력 드로우를 위하여 스팀 엔진을 조절하는 것이 어렵고, 부분적으로는 불가능하다는 것을 말한다.

본 발명의 목적은 종래 기술이 보였던 적어도 하나의 결점을 개선하거나 감소시키기 위한 것으로, 종래 기술 대비 유용한 대안을 제공하는 것이다.

이러한 발명의 목적은 하기에 설명되는 본 발명의 상세한 내용 및 특허청구범위의 기재 내용을 통해 달성된다.

직렬로 연결된 2개의 밸브, 보다 구체적으로 유입 밸브(inflow valve) 및 컷-오프 밸브(cut-off valve)로 구성된 펄스-폭-조절 밸브가 제공되고, 상태 변화 시 밸브 유닛 각각의 속도를 증가시키는 단계가 행해짐으로써, 스팀 엔진의 기구 밸브 및 그와 유사한 기구의 개폐시 발생하는 주요 문제를 해결하는 방법이 제공된다.

공개문헌 SAE 740296 및 SAE 750068은 시트 밸브(seat valves)와 함께 실행되는 솔루션을 개시하는데, 주요 내용을 살펴보면, 바람직한 낮은 컷-오프 포인트(다시 말해, 짧은 개방 간격) 및 0%에 근접한 수치가 달성된다. 이 시트 밸브를 사용할 경우 폐쇄상태에 근처에서 상대적으로 높은 스로틀링을 여전히 나타나는데, 이는 시트 밸브의 특성이자 단점이다.

직렬로 연결된 2개의 밸브 유닛을 사용함으로써, 2개 밸브에 대한 상태 변환은 양 방향(개방/폐쇄)에서 반드시 빠르게 일어날 필요가 없는데, 그 이유는 일반적으로 유입밸브는 개방시 빠른 스위칭을 보이고, 컷-오프 밸브(cut-off valve)는 폐쇄시 빠른 스위칭을 보이기 때문이다. 이러한 방식으로 단지 어느 한 방향에서 스위칭 기능의 속도가 증가될 수 있고, 동시에 상기 밸브의 전체 기능 역시 빠른 스위칭 특성을 보일 수 있다. 한 방향에서만 높은 속도를 제공해야 하는 것은 몇 가지 장점을 갖는다. 예를 들어, 전기 작동 밸브에서, 해당 밸브는 일반적으로 어느 한 방향에서, 통상 솔레노이드에 의해 제어되는 방향에서, 최고 속도를 나타내는데, 이는 상기 솔레노이드의 척력 또는 인력에 반대되는 방향에서 스프링 리턴을 갖는 밸브의 문제로 간주된다.

폐쇄 이동속도가 개방 이동속도보다 전형적으로 훨씬 더 빠른 밸브의 비대칭 속도 제어는; 서플라이/인젝션 밸브에 의해서 빠른 셧-오프(shut-off)/컷-오프를 제공하는 트립-기어(trip-gear)를 사용하는 것과 같은 종래의 설계에서 실행되어 왔다. 이러한 설계는 스로틀링이 최소화된다는 장점이 있으나, 밸브요소의 가속을 증가시킬 필요가 있기 때문에 마모 문제를 발생시키는 단점을 갖는다. 이러한 메커니즘은, 예를 들어 약 200 rpm 정도의 낮은 속도의 작동에서는 만족스럽게 기능을 발휘한다. 좀 더 빠르게 회전하는 엔진의 경우, 좀 더 빠른 메커니즘이 요구되고, 그리고 예를 들어 슬라이드와 같은 단일의 밸브요소에 의해 실행되는 경우, 필요한 가속은 현실적이지 못한 수준, 또는 최악의 경우에는 실행 불가능할 정도로 높아진다.

제1도는 펄스-폭-조절 회로에 대한 일반화된 기능 다이어그램을 나타낸다. 기본적으로, 해당 도면은 전기회로 및 유체회로 모두에 대해 적용될 수 있으나, 이하에서는 유체회로에 적용되는 것으로 가정한다. 유체 유동의 비례적인 조절이 가능한, 즉 선형 유체회로의 경우, 밸브 스트로크 및 그로 인한 순간적인 유체 유동 사이에는 유사한 관계(analogous relationship)가 있기 때문에, 상기 밸브를 통해 유체 유동의 유사한 분리(break up)가 달성될 수 있다. 제1도는 기능면에서는 등가이지만, 순간적인 유체 유동에 관해서는 개별적인 특성을 갖는, 다시 말해 상기 유체 유동이 완전히 정지하거나 또는 최대로 정지하고, 대체로 중간레벨이 존재하지 않는 경우를 도시한다. 개방 및 폐쇄 상태의 주기 사이의 관계를 조절함으로써, 유사하게 변화하는 평균적인 유동을 달성할 수 있고, 이런 방식으로 펄스-폭이 조절된 회로가 선형 조절된 회로를 대체할 수 있는 것이다. 펄스-폭이 조절된 회로에서, 어큐뮬레이터(accumulator)와 같은 압력 및 유동 평형장치(equalizing units)가 필요할 수 있고, 이로써 결과적인 유체 유동이 작은 변화만을 나타내고, 빠르게 변화하는 압력과 유동 수준으로 인해 시스템에 가해지는 큰 변형(strain)을 회피하는데 필요하다.

실제 실행되는 펄스-폭 조절 회로에서, 무한히 높은 가속을 나타내는 물리적 시스템은 존재할 수 없기 때문에, 폐쇄상태와 개방상태 사이에서 스위칭 포인트와 연관된 특정 상승시간 및 특정 하강시간이 존재한다. 실제로, 스위칭 포인트에서의 기능 곡선은 제1도에 도시된 것보다 더 대각선(diagonal) 형태를 나타낼 것이다. 그러한 대각선 부분은 얼마의 손실을 가져올 것이지만, 펄스-폭 조절된 회로의 순이득(net gain)은 선형으로 제어되는 회로보다 훨씬 더 클 것이다.

제2도는 직렬로 위치한 2 개의 밸브 유닛이, 상-조절 유닛(phase-regulation unit)을 사용함으로써 서로에 대해 상변환되는 캠샤프트 프로파일(camshaft profiles)을 구비한 2 개의 캠샤프트에 의해 어떻게 작동되는지를 개략적으로 도시한다. 대안적으로, 2 개의 프로파일을 갖는 하나의 캠샤프트가 사용될 수 있는데, 상기 캠샤프트 프로파일은 적절한 상-조절 유닛을 사용함으로써 상기 캠샤프트 위에서 서로에 대해 상변환된다. 상기 상-조절 유닛은 다양한 방법으로 형성되고 조절될 수 있다. 종래에는 기계적인 원리가 상 조절을 위해 사용될 수 있었지만, 최근에는 유압방식, 전기 유체식, 및 전기기계적인 조절 원리가 주로 사용된다. 본 발명은 상-조절 유닛의 최신 변형 및 방법을 사용할 수 있고, 특정 방식에 국한되지 않기 때문에, 본 발명의 명세서에는 이와 관련하여 특정 방식을 강조하지 않을 것이다. 상기 상-조절 유닛에 포함되는 액츄에이터(actuator)들은 다양한 특성을 보일 수 있다. 기계적, 수압을 이용한 액츄에이터뿐만 아니라 전기 액츄에이터가 사용될 수 있는데, 이에 대해서는 제2도 및 제3도에 도시하였다.

밸브 유닛 자체의 경우, 개방속도와 폐쇄속도 중 무엇이 달성될 수 있느냐와 관련하여 서로 다른 유형의 밸브는 서로 다른 특성을 나타낸다는 점이 중요하다. 예를 들어, 시트 밸브는 정지상태로부터 항상 가속되어야만 한다. 다시 말해서, 상기 시트 밸브요소가 밸브 시트와 접촉하고 유체에 대한 기밀성을 보이는 경우 폐쇄된 상태가 존재한다는 사실에 의해, 시트 밸브요소가 개방 시퀀스를 시작할 때에 그 속도는 제로이다. 상기 시트 밸브가 개방되는 경우, 개방 시퀀스의 제1 주기에서, 상기 밸브가 충분히 개방되고 상기 밸브에 대한 압력강하가 감소될 때까지 상대적으로 높은 유동저항이 발생한다. 폐쇄 시퀀스의 마지막 상태도 유사한데, 이 때, 예를 들어 그에 적합한 밸브기어 수단을 사용하여 달성되는 감속상태에서, 상기 시트 밸브요소가 상기 밸브 시트에 접근한다. 낮은 개방속도 및/또는 폐쇄속도는 일반적으로 밸브를 통한 커다란 유동이 필요한 경우에 불리하게 작용하는데, 이는 이들 상(phases)에서 발생하는 유동 채널의 스로틀링이 상당한 압력저하 및 이어지는 손실을 야기하기 때문이다.

이러한 압력 저하의 단점은 스위칭 속도가 빠른 유형의 밸브를 도입함으로써 제한될 수 있다. 한 가지 방법은 글라이딩 포트 트랜지션(gliding port transitions)을 구비한 밸브를 사용하는 것이다. 글라이딩 포트 트랜지션을 구비한 밸브의 예로는 볼 밸브, 슬라이드 밸브, 피스톤 밸브 또는 원통형 디자인의 회전 밸브 및 방사형 포트를 구비한 회전 밸브를 들 수 있다. 이들 밸브의 경우, 손실이 가장 결정적인 상전이(phase transition)에 앞서 상기 밸브요소의 가속이 일어날 수 있다. 이후, 상기 밸브요소는 그 폐쇄상태 또는 개방상태에 다다르기에 앞서 높은 속도를 달성할 수 있고, 이러한 방식으로 바람직하지 않은 전이 주기의 지속시간이 제한될 수 있고, 발생가능한 손실에 상응하는 감소를 수반한다. 그 결과, 양 방향에서, 즉 개방 및 폐쇄 방향 모두에서, 상기 밸브가 충분히 더 빠르게 개방되고 폐쇄된다.

열기관에서 밸브를 통한 유동 손실의 감소를 위한 그러한 최적화는 기관의 전체 수행능력에 대한 결정적인 결과를 가질 수 있는데, 이는 하나의 유익한 구체예와 유익하지 않은 구체예 사이에서의 차이를 의미하기 때문이다.

제어되는 2개 상(two-phase)의 유체 유동(액체와 가스의 혼합물)의 경우로서, 액체 및 가스가 서로 분리되어 보관되고, 상기 액체가 가능하면 효율적인 방식으로 끓는(boiled) 경우에 있어서, 펄스-폭 조절기에 연결된 사이클론(cyclone)이 사용될 수 있고, 컷-오프 밸브가 폐쇄된 경우조차 소량인 유체의 제어되는 유출(outflow)(leakage)을 위하여 상기 펄스-폭 조절기에는 구동-흐름 포트(driving-flow port)가 함께 배열된다. 이것은 주된 흐름(main flow)이 차단되는 경우에서 조차 상기 사이클론 범위 내에서 격렬한 흐름(cyclonic flow)을 유지하는데 도움을 준다. 제13도 및 제14도 각각은 하향류의 사이클론이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우의 원리를 도시한다. 구동-흐름 포트는 밸브간 용적으로 향하는 개별적인 채널로서, 또는 유체 저수지로부터 밸브간 용적으로 향하는 다른 종류의 경로로서, 컷-오프 밸브요소 그 자체 내에 배열될 수 있다. 대체로, 상기 구동-흐름 포트는 일반적으로 유체 유동을 제어하기 위한 스로틀링과 유체 유동 속도에서 측정되는 조절된 주된 흐름의 일부인 비구동 흐름을 포함한다.

내부 열교환기 및 구동-유체 주입 특히 액체 주입을 갖는 열기관에서는, 구동-흐름 포트를 갖는 펄스-폭 조절기가 선호되는데, 이는 구동 흐름의 경우 주된 흐름이 차단된 이후라 하더라도 상당한 대류를 유지하고, 이는 내부 열교환기 및 구동유체 사이의 열교환에 대해서 매우 긍정적인 효과를 제공하기 때문이다. 제15도는 그러한 구성을 도시한다.

상기 설명된 밸브의 기능에 의해 작동 범위가 D=100 %까지 달성되고, 그리고 D=100 %를 포함하는 작동 범위가 달성되는 경우, 병렬로 연결된 2 개 이상의 밸브가 사용될 수 있다. 180° 개방 간격에서 50 %까지의 듀티 사이클(D)을 나타내는 2 개의 밸브 각각은 원하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 개별적인 개방주기는 180°에서부터 감소되고, 그리고 하나의 구체예에서, 컷-오프 밸브는 유입밸브의 개방간격과는 상이한 개방간격을 갖기 때문에, 원하지 않는 누수가 제한되거나 감소될 수 있다.

본 발명의 제1 구체예에서, 본 발병은 유체 압력 및/또는 유체 유동의 조절을 위한 펄스-폭-조절 밸브에 관한 것으로, 유입밸브와 직렬로 연결된 컷-오프 밸브를 포함하고, 상기 유입밸브 및 상기 컷-오프 밸브 중 적어도 하나에는 축 방향에서 이동가능하거나 회전가능한 밸브요소가 제공되고, 상기 밸브요소는 상기 밸브요소의 출발 위치로부터 이격된 위치에서 개방위치 및/또는 폐쇄위치를 갖는다.

상기 유입 밸브 및 상기 컷-오프 밸브 중 적어도 하나는 쉘 밸브(shell valve), 슬라이드 밸브(slide valve), 및 완전 또는 부분 회전 밸브로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

상기 컷-오프밸브는 폐쇄속도보다 빠른 개방속도를 보이고, 그리고 상기 유입밸브는 개방속도보다 빠른 폐쇄속도를 보일 수 있다.

상기 유입 밸브 및 상기 컷-오프 밸브 중 적어도 하나는 밸브 기어 장치(valve gear device)에 연결될 수 있다.

상기 밸브기어 장치는, 기계밸브 액츄에이터(mechanical valve actuator), 유압밸브 액츄에이터(hydraulic valve actuator), 공압밸브 액츄에이터(pneumatic valve actuator), 전기기계 밸브 액츄에이터, 전기유압 밸브 액츄에이터 및 전기공압 밸브 액츄에이터로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 한 개 유형의 액츄에이터를 이용하여 형성될 수 있다.

상기 밸브기어 장치는 밸브 싱크로나이저(synchronizer)에 연결될 수 있다.

상기 밸브 싱크로나이저는 적어도 상기 2 개의 밸브 사이에서 개방 및 폐쇄 움직임을 위한 작동 위상 관계를 제어하기 위해 배열될 수 있다.

본 발명의 펄스-폭-조절 밸브는 적어도 하나의 유입 포트에 제공되는 밸브 하우징, 적어도 하나의 유출 포트, 및 적어도 하나의 중개-경로 포트를 포함하고, 각 밸브-요소 개구를 갖는 상기 적어도 2 개인 밸브요소 각각은 상기 적어도 하나의 중개-경로 포트를 통해 상기 적어도 하나인 유입 포트로부터 상기 적어도 하나인 유출 포트로의 방향을 갖는 유체 유동을 각각 개방하고 차단할 수 있도록 배열될 수 있다.

상기 밸브 하우징에는 적어도 하나의 누수 포트가 제공될 수 있다.

상기 유입 포트 중 적어도 하나, 상기 유출 포트 중 적어도 하나, 및 상기 중개-경로 포트(14) 중 적어도 하나는 적어도 하나인 상기 밸브요소의 개구와는 실질적으로 상이한 구경을 갖고, 이로써 적어도 하나인 밸브요소의 전체 이동영역 중 확장된 영역에 대한 최대 밸브 개구를 유지할 수 있다.

상기 밸브요소는 적어도 하나의 누수 채널을 구비하여 형성되고, 이로써 상기 밸브요소가 그 출발 위치에 존재하는 경우 유체 유동을 유지할 수 있다.

상기 밸브요소의 제1 및 제2 말단면(end face)으로부터, 밸브 스템(valve stems)이 상기 밸브 하우징 내에 배열된 각각의 밸브 씰(valve seals)(18)을 통해 돌출할 수 있다.

상기 제1 및 제2 말단면은 동일 크기의 축-압력 면(axial-pressure faces)을 형성할 수 있다.

상기 밸브요소는 축방향으로 예비부하를 받을 수 있는데, 이 예비부하 요소는 제1 및 제2 말단면에 대향하여 압축력을 제공한다.

본 발명의 제2 구체예는 상기 제1 구체예에 따른 펄스-폭-조절 밸브를 작동시키는 방법에 관한 것인데, 이 방법은,

적어도 2 개의 변위 곡선에 따라 밸브 싱크로나이저를 사용하여 밸브기어 장치를 조절하는 단계; 및

하나 이상의 밸브 액츄에이터를 사용하여 상기 펄스-폭-조절 밸브에 배열된 대응하는 밸브요소를 변위시키거나 회전시키는 단계로 이루어진다.

상기 방법은 적어도 2 개의 변위 곡선 사이에서 상 관계(phase relationship)를 연속적으로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 구체예는 열기관, 열펌프, 컴프레서, 확장기 및 펄스-폭-조절 수계 또는 압축 공기 회로에서 상기 제1 및 제2 구체예에 따른 펄스-폭-조절 밸브를 사용하는 구체예에 관한 것이다.

상기 열기관은 열병합 및 전력 발전소에 배열될 수 있다.

이하에서는, 도면과 함께 본 발명의 구체예를 설명한다.

제1도는 펄스-폭 주기가 각각 15, 30, 45, 60, 75 및 90 %인 펄스-폭-조절 장치에 관한 기능 다이어그램을 도시한다.

제2도는 밸브요소들이 제 1 구체예의 밸브기어에 연결된 펄스-폭-조절 밸브를 도시한다.

제3도는 제2 구체예의 밸브기어를 구비한 펄스-폭-조절 밸브를 도시한다.

제4도는 슬라이드 또는 피스톤 밸브에 기반한 펄스-폭-조절 밸브의 부분적인 단면도이다.

제5도는 상-변화 커브와 연관된 펄스-폭-조절 밸브에 대한 기능 다이어그램을 도시한다.

제6도는 인젝터로서 사용되는 펄스-폭-조절 밸브의 흐름 시퀀스를 개략적으로 도시한다.

제7도는 펄스-폭-조절 밸브의 기계요소들의 원리를 도시한다.

제8도는 제7도에 도시된 밸브요소에 대응하는 도면으로, 하나의 요소가 하나의 구동-흐름 채널을 갖는 것을 도시한다.

제9도는 2 개의 완전한 사이클을 동작하는 동안 상기 펄스-폭-조절 밸브의 기능을 도시한다.

제10도는 열 동력 엔진, 특히 피스톤 엔진을 위하여 사용되는 펄스-폭-조절 밸브의 일례를 도시한다.

제11도는 다중-팽창 엔진(multiple-expansion engine), 특히 컴파운드 엔진을 위하여 사용되는 펄스-폭-조절 밸브의 일례를 도시한다.

제12도는 증기기관 또는 이에 상응하는 기관에 대한 일반적인 PV 다이어그램이다.

제13도는 구동-흐름 포트(누수-흐름 포트)를 구비한 펄스-폭-조절 밸브에 대한 스케치이다.

제14도는 회전 유체 유동이 일어나는 제13도의 펄스-폭-조절 밸브를 도시한다.

제15도는 내부 열교환기를 갖는 열 동력 엔진에서 구동-유체 인젝터로서 사용되는 제13도의 펄스-폭-조절 밸브를 도시한다. 상기 구동 유체는 회전하면서 열 동력 엔진의 작업 챔버로 주입될 수 있다.

제16a도는 회전가능한 밸브요소를 구비하는 펄스-폭-조절 밸브의 방사단면을 도시한다.

제16b도는 제16a도의 밸브에 관한 축방향 단면을 도시하는 것으로, 상기 밸브요소는 제16a도의 밸브를 90° 가량 회전시킨 것이다.

제17a도 및 제17b도는 회전가능한 밸브요소에 대한 서로 상이한 회전 메커니즘을 도시한다.

제1도, 제5도 및 제9도의 기능 다이어그램에서, 기호 'a' 및 'b' 각각은 개방 및 폐쇄 펄스-폭-조절 플로우 서킷을 나타낸다. 제5도 및 제9도의 상-변환 곡선에서 기호 "O" 및 "C"는 개방 및 폐쇄 밸브요소를 각각 나타낸다. 기호 "D"는 듀티 사이클이라고도 불리는, 밸브 개방상태 시간과 폐쇄상태 시간 사이의 관계를 나타낸다.

제2도 내지 제6도 및 제10도 내지 제11도의 기호 "q"는 유체 유동을 나타낸다.

제6도의 기호 "Φ"는 크랭크샤프트, 밸브 드라이브 샤프트 또는 그와 등가 요소에 대한 회전각을 나타낸다.

제15도에서, 기호 "m"은 동작 유체의 특정 양을 나타내고, "QI1"은 외부 열원으로부터 동작 유체에 대한 열에너지의 공급을 나타내고, "QI2"는 팽창챔버 내 내부 열교환으로부터 동작 유체로의 열에너지 공급을 나타낸다.

제2도는 제1 및 제2 밸브요소(10a, 10b)가 제공되는 밸브 유닛(10)을 포함하는 펄스-폭-조절 밸브를 도시한다. 상기 밸브 유닛(10)을 위하여 밸브기어(2)가 배열된다. 제1 밸브요소(10a)는 유체 유동 'q'의 공급을 차단하기 위하여 사용되기 때문에 컷-오프 밸브라고 불린다. 제2 밸브요소(10b)는, 예를 들어 열기관(100)(제10도, 제11도 및 제15도)과 같은 하향류 수요자에게 유체 유동 공급을 개방하기 위해 사용되기 때문에 유입밸브로 불린다. 상기 컷-오프 밸브요소(10a) 및 상기 유입 밸브요소(10b)는 유체 유동에 있어서 반대되는 순서로 배열될 수 있다. 상기 밸브기어(2)는 제1 및 제2 밸브 액츄에이터(20, 20')를 포함하고 그리고 이중 캠샤프트(cam shaft)로서 도시되는데, 구동 밸브는 제1 및 제2 캠샤프트(22a, 22b)의 동기화된 회전을 제공하는 샤프트(2a)를 작동시키고, 그리고 밸브 싱크로나이저(23)는 원하는 상변화와 함께 작동하기 위한 밸브 액츄에이터(20, 20')를 제공한다. 상기 밸브 액츄에이터(20, 20')는 예를 들어 로드(rod)와 같은 밸브-액츄에이터 연결(20a)을 사용하여 밸브요소(10a, 10b) 각각에 연결된다.

제3도의 밸브기어(2)는 밸브 싱크로나이저(23)를 사용함으로써 동시에 작동되고 상-변화가 이루어지는 전기기계, 수력 또는 공기압 액츄에이터 형태인 밸브 액츄에이터(20, 20')를 구비한다. 일반적으로 서보(servo)가 밸브 액츄에이터(20, 20')로서 사용될 수도 있다.

제4도는 밸브 제1 및 제2 부분(19a 및 19b) 각각에 슬라이드 형태로 배열된 2 개 밸브요소(10a, 10b)를 구비한 펄스-폭-조절 밸브를 상세하게 도시한다. 상기 밸브요소(10a, 10b)는 상기 설명한 바와 같이 밸브기어(2)에 연결된다. 밸브 하우징(19)은 제1 밸브요소(10a)에 연결된 유입 포트(12), 제2 밸브요소(10b)에 연결된 유출 포트(13), 및 밸브 하우징(19)의 제1 및 제2 부분(19a, 19b) 사이에서 연결을 형성하는 중개-경로 포트(14)를 포함한다. 상기 유입, 유출 및 중개-경로 포트(12, 13, 14)는 상기 밸브요소(10a, 10b)의 이동에 의해 폐쇄 및 개방된다. 밸브요소(10a, 10b) 각에는 유체 통로(11a 및 11b)가 제공된다.

밸브 밸브요소(10a, 10b) 앞에서의 의도하지 않은 누수로 인한 압력증가를 방지하기 위하여 누수 포트(16)가 제공된다.

해당 구체예에서 상기 유출 포트(13)는 밸브요소(10a, 10b)의 상기 유체 통로(11a, 11b)에 대한 거대한 단면을 갖는다는 점에 주목해야 한다. 그리고, 상기 밸브요소(10a, 10b)는 가장 높은 이동속도가 나타나는 경우에 개방 및 폐쇄위치 사이에서 스위칭한다. 이는 개방 및 폐쇄와 관련된 유체 손실을 감소시킨다.

제5도는 밸브요소(10a, 10b) 사이에서 서로 다른 상변화의 효과를 도시한다. 파선(broken line)은 상기 컷-오프 밸브요소(10a)에 대한 변위 곡선(9a)이고, 실선(solid line)은 유입밸브요소(10b)에 대한 변위 곡선(9b)이다. 그 결과인 밸브-기능 곡선(8)은 각각 개방 및 폐쇄상태(a 및 b) 사이에서 펄스-폭-조절 밸브(1)를 스위칭하는 것을 나타낸다. 곡선은 35 % 및 6 %의 듀티 사이클에 대해서 도시된다.

제6도는 펄스-폭-조절 밸브(1)를 위한 결과적인 밸브-기능 곡선(8)을 도시하는데, 상기 유입 밸브요소(10b)가 개방위치에 존재하는 한 유체 유동(q2)의 구동을 제공하는 구동-흐름 채널이 상기 컷-오프 밸브요소(10a)에 제공된다. 상기 구동-흐름 채널 및 그 효과는 하기에 기술한다. 상기 컷-오프 밸브요소(10a) 및 상기 유입 밸브요소(10b)가 개방되어 있는 한, 상기 밸브(1)는 주요 유체 유동(q1)을 산출한다. 이에 대응하여, 상기 유입 밸브요소(10b) 내 구동-유체 채널(driving-fluid channel)의 효과는 상기 주요 유체 유동(q1)이 뒤따르는 상기 구동 유체 유동(q2)을 제공한다.

제7도는 기본적인 상기 펄스-폭-조절 밸브(1)를 도시하고, 제8도는 컷-오프 밸브요소(10a)에 구동-흐름 채널(11c)이 제공되는 것을 제외하고 제7도와 동일한 펄스-폭-조절 밸브(1)를 도시한다. 해당 밸브는 열교환기가 제공된 팽창챔버 내 일정량의 대류/강제 유동을 제공할 수 있다. 이는 유체에서 상기 팽창챔버와 통신하는 구동-흐름 채널(11c)의 사용에 의해 제공될 수 있다. 해당 원리는 제13도 및 제14도에서 개략적으로 도시되는데, 구동-흐름 채널(11c)에는 스로틀링(throttling)이 제공되는 구동-흐름 포트(15)를 포함한다. 구동-흐름 채널(11c)은, 유입 밸브요소(10b)를 통해 또는 밸브 하우징(19) 재료 내에서 다양한 방법으로, 제14도에 사이클론(101')으로 개략적으로 도시된 유체 수신기(fluid receiver)로 이어질 수 있다. 제8도에 도시된 바와 같이, 또는 (도시되지 않았으나) 중개 밸브 공간으로 이어지는 개별 포트로서, 상기 구동-흐름 포트(11c)가 컷-오프 밸브요소(10a) 내에서 형성될 수 있다.

제9도는 대응하는 변위 곡선(9a, 9b) 및 35% 듀티 사이클에 대한 밸브 기능 곡선(8)과 관련한 2개의 완전한 듀티 사이클 중에서 서로 다른 위치에 있는 컷-오프 밸브 및 유입 밸브요소(10a, 10b)를 도시한다.

제10도는 피스톤 엔진(100)에 대하여 배열된 펄스-폭-조절 밸브(1)의 구체예를 도시한다.

제11도는 피스톤 엔진(100)(다중-팽창 엔진)에서 제1 및 제2 팽창챔버(101, 102)를 위하여 배열된 제1 및 제2 펄스-폭-조절 밸브(1, 1')를 도시한다.

제12도는 스팀 엔진 또는 이에 상응하는 기관에 관한 일반적인 PV 다이어그램(1100)을 도시하는데, 여기서 부호(1110)는 작동 스트로크를, 부호(1110a)는 유입 경로를, 부호(1110a')는 본 발명에 의해 달성되는 개선된 유입 경로를, 부호(1110b)는 근-단열 팽창 경로를, 그리고 부호(1110c)는 유출(소진)의 시작을 나타낸다. 그리고 부호(1110d)는 유출 경로를, 부호(1110e)는 전-압축(pre-compression)을, 부호(1110e)는 초기 유입 경로/최초 유입을 나타낸다.

제15도는 펄스-폭-조절 밸브(1)가 어떻게 열 엔진에서 구동-유체 회로에 배열되는지를 간략하게 나타낸다.

제16a도 및 제16b도는 회전가능한 밸브요소(10a, 10b)를 구비한 펄스-폭-조절 밸브(1)를 도시하는데, 해당 도면에서 유체 통로(11a, 11b) 각각은 방사방향에서 확장하는 구경(11a', 11b')을 갖고, 상기 구경(11a', 11b')은 상기 밸브요소의 중앙 축방향으로 감소한다. 유입 포트(12)의 구경은 부호(12')로 표시된다. 유출 포트(13)의 구경은 부호(13')로 표시된다.

제17a도 및 제17b도는, 회전하는 캠샤프트(22a, 22b)와 함께, 밸브-액츄에이터와의 연결부재(20a)를 통하여 밸브 액츄에이터(20)의 진동운동(oscillating motion)이 밸브요소(10a, 10b)의 회전운동(rotary motion)으로 전환되는 것에 관한 서로 다른 원리를 나타낸다. 즉, 제17a도에 관한 구체예는 피치-랙 부분(20a')을 통하여 푸쉬 로드(20a)의 진동운동을 밸브요소(10a, 10b)의 밸브 스템(10c)(가능하다면, 10d) 상에 배열된 톱니 휠(103)로 전달하는 것이고, 제17b도에 관한 구체예는 푸쉬 로드(20a)의 진동운동을 밸브요소(10a, 10b)의 밸브 스템(10c)(가능하다면, 10d) 상에 배열된 밸브 암(103')으로 전달하는 것이다.

개략적으로 도시된 바와 같이, 밸브 싱크로나이저(23)는, 캠샤프트(22a, 22b)의 회전이 상변이(phase-shifted)가 될 수 있는 방식으로 상기 밸브기어(2)를 위하여 배열된다.

밸브요소(10a, 10b)의 대칭성, 다시 말해 밸브요소(10a, 10b)의 양쪽 말단부가 밸브 씰(18)을 통해 각각 돌출하는 밸브 스템(10c, 10d)을 형성한다는 사실은, 동일한 크기의 밸브 씰(18)을 마주하는 제1 및 제2 말단면(104, 104')에 의해, 상기 밸브요소(10a, 10b) 위로 균형잡힌 축압력 부하를 제공할 수 있게 한다. 이로써, 밸브요소(10a, 10b)와 밸브 씰(18) 사이의 마찰력(frictional forces)이 감소된다. 그리하여, 상기 밸브요소(10a, 10b)를 이동시키는데 작은 힘이 요구된다. 일반적으로 밸브(1)에는 제자리에 위치한 밸브 씰(18)을 고정하는 말단 플레이트(end plates)(미도시)가 제공된다. 또한, 하나 이상의 밸브 씰(18)이 각 밸브 스템(10c, 10d)을 위하여 배열될 수 있는데, 이 경우 밸브(1)에 상응하는 여분의 말단 플레이트가 자연스럽게 제공된다.(도시되지 않음).

조절가능한 상변이를 수반하는 개방위치 및 폐쇄위치 사이에서의 밸브요소(10a, 10b) 사이의 스위칭은 충분히 가변적인 밸브 기능을 제공하는데, 이러한 기능은 끊임없이 유체로 채워지는 중개-경로 포트(14)에 의해 형성되는 중개 밸브 용적(intermediate valve volume)에 의해 결정된 최소 레벨에 기인한다.

상기 언급된 구체예에서는 회전하는 밸브요소에 대해 언급하였으나, 본 발명의 상기 개시된 효과는 말단 위치 사이에서 개방위치를 나타내는 슬라이드 밸브의 사용에 의해서도 달성될 수 있다.

밸브 하우징(19) 내 밸브요소 부싱(17)의 사용은 밸브(1)의 수명과 기능에 매우 중요한데, 이러한 유형의 장치의 경우 그 수명은 적어도 10,000 시간이다.

도시되지는 않았으나, 특히 워터 인젝션(water injection)에서, 제1 밸브 유닛(la)의 바로 앞에서 어큐뮬레이터(accumulator)를 사용하는 것이 좋고, 가스 인젝션(gas injection)의 경우에도 사용하는 것이 중요한데, 이는 상기 밸브(1)가 ORC(Organic Rankine Cycle) 엔진에서 사용되는 것을 의미한다. 상기 유체가 주입되는 경우 압력 피크의 위험을 감소시키고, 초기 주입 동안에 압력 강하를 감소시킨다. 바람직한 어큐뮬레이터의 유형으로는 예를 들어 180℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 금속-벨로우즈 어큐뮬레이터(metal-bellows accumulator)를 들 수 있다.

유리하게는 밸브요소 개구(11a, 11b)의 주변 너비가 약 6 mm인 경우에, 밸브요소(10a, 10b)는 일반적으로 24 mm 가량의 상대적으로 큰 직경을 갖는다. 큰 직경은 주어진 회전 속도에서 작은 직경보다 더 큰 주변 속도(circumferential speed)를 수반하고, 그리하여 밸브가 개방에서 폐쇄로 또는 그 반대로 작동하는 경우에 높은 스위칭 속도가 달성될 수 있는데, 이는 큰 압력강하 및 그로 인한 스위칭 상에서의 손실을 회피하는데 있어서 중요하다. 반대로, 밸브 스템(10c, 10d)의 직경은 약 8 내지 10 mm로, 24 mm인 밸브요소의 직경보다 상대적으로 작다.

바람직하게 밸브요소 개구(11a, 11b)는, 예를 들어 2/10 내지 4/10인 밸브요소의 개구 높이와 비교할 때 작은 너비를 나타낼 수 있다(즉, 밸브요소(10a,10b)의 이동방향에서 확장된 것을 의미함). 상기 설명된 차원의 밸브요소(10a, 10b)에서, 너비/길이 비율은 일반적으로 4/14이다. 이러한 특징은 큰 너비와 함께 빠른 개방 및 폐쇄 특징을 제공한다.

본 발명의 또 다른 구체예의 경우, 캠샤프트(22)(제17a도 및 제17b도)를 갖는 충분히 회전하는 밸브기어(2)를 제공하는데, 기계적 밸브기어는 실현가능한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 충분히 회전하는 밸브기어는 간단하고 가격이 저렴하다는 장점을 갖는다. 다른 한편으로, 캠샤프트(22)를 구비한 밸브기어(2)는 특정 프레임 범위 내에서 조정될 수 있는 밸브의 속도 프로파일을 갖는 장점이 있다. 캠 기어(cam gear)를 구비한 경우, 상변환(switching phase) 다시 말해, 밸브요소(10a, 10b)가 개방위치에서 폐쇄위치로 또는 그 반대로 이동하는 경우에, 빠른 속도가 달성될 수 있다. 동시에, 충분히 개방된 위치에 다다르는 경우, 상기 밸브는 대략 움직이지 않는 상태에 있을 수 있다. 이것은 밸브(1)를 가로지르는 압력 강하에 대해 긍정적인 영향을 끼쳐, 손실을 줄인다. 충분히 회전하는 밸브 기어를 위하여, 상기 밸브(1) 포트(12, 13)의 크기가 크게 구성됨으로써 어느 경우에도 압력강하가 상대적으로 낮게 되는 상황을 생각해 볼 수 있고, 이 역시 간단한 구성을 제공하면서도 본 발명의 장점을 달성시킬 수 있다.

유체 주입(liquid injection)의 경우, 중개-경로 포트(14)에 의해 나타나는 중개 밸브 용적과 관련된 상황이 발생하는데, 해당 상황에서 유입밸브(lb)가 폐쇄되고 상기 컷-오프 밸브(la)가 개방되며, 상기 중개밸브 체적이 유체로 채워진다. 이로 인해 원하지 않는 압력 피크(공동화)를 야기한다. 따라서, 캠 기어를 통해 달성되는 컷-오프 밸브(1a)의 '부드러운' 개방('soft' opening)이 이로운데, 반면에 이와 상응하는 컷-오프 밸브(1a)의 폐쇄는 스로틀링 손실을 감소시키기 위하여 빠르게 일어나야만 한다. 이러한 조합은 적절히 개조된 캠 프로파일(cam profile)을 사용함으로써 만족될 수 있다. 이러한 효과는 고정된 속도를 갖는 완전히 회전하는 밸브기어로는 달성하기 어렵다.

상기 밸브(1)의 요소, 즉 요소(10a, 10b), 밸브요소 부싱(17) 및 그 외의 구성은 인젝터를 통해 동력이 낭비되지 않도록 하기 위하여 동작 유체의 최소 온도와 거의 동일한 온도를 갖는다. 이는 이동하는 부분과 정지해 있는 부분 사이의 기계적 고장이나 증가되는 마찰력의 위험을 감소시키는데 유리하다. 상기 위험은 가열된 열유동의 순환을 위하여 가능한 밸브 하우징(19)에 의해 채널이 제공되거나, 또는 채널이 확립된 기존의 열 교환기와의 열적 연결에 의해 해결될 수 있다. 상기 밸브 하우징(19)은 절연 처리가 될 수 있다.

제16b도에 도시된 구체예에 따를 때, 상기 회전가능한 밸브요소(10a, 10b)는 밸브요소(10a, 10b)의 축 위치를 결정하기 위하여 축방향에서 예비부하를 받을 수 있다. 일반적으로 O형 링(O-rings)의 형태를 갖는 예비부하 요소(18b)는 밸브 씰(18) 및 고온저항 플라스틱 재료로 형성된 슬라이드 디스크(18a) 사이에 배열되는데, 상기 고온저항 플라스틱 재료는 밸브요소(10a, 10b) 및 연속적인 예비부하를 받는 상기 슬라이드 디스크(18a) 사이에서 발생하는 마찰력을 최소화 한다.

펄스-폭-조절 밸브(1)는 열기관(100)에서 하나 이상의 작업 챔버(101, 102)와 유체 통신(fluid communication)을 할 수 있는데, 제10도 및 제11도에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 상기 열기관으로 용적기관(displacement engine)이 사용될 수 있다. 일반적으로 상기 용적기관은 피스톤 엔진(piston engine), 스크롤 엔진(scroll engine)(나선형 엔진(spiral engine)), 윙 엔진(wing engine), 기어 엔진(gear engine), 또는 스크루 엔진(screw engine)일 수 있다. 피스톤 엔진이 유압실린더(hydraulic cylinder)를 의미할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.