KR100486135B1 - 직접작용안전밸브및이안전밸브를구비한왕복피스톤연소엔진 - Google Patents

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Abstract

직접작용 안전밸브는, 밸브하우징(1), 밸브시트(36), 밸브보디(2), 매체의 압력과 상관없는 시팅력(seating force)을 발생하는 밸브스프링(5), 매체의 압력에 의하여 압축될 수 있고, 밸브보디(2)에 연결되어 매체의 압력에 따른 시팅력을 발생하는 중공보디(3), 및 분취(blow­off)압력을 설정하기 위한 제2 밸브스프링(7)을 포함한다. 매체의 압력에 의하여 발생된 시팅력으로 인하여, 작은 시트면적이 형성될 수 있고, 따라서 밸브는 정확하게 한정된 매체의 압력에서 구동된다.

Description

직접작용 안전밸브 및 이 안전밸브를 구비한 왕복피스톤 연소엔진
본 발명은 특허청구범위의 청구항 1의 전제부에 따른 직접작용 안전밸브 및 이 직접작용 안전밸브를 구비한 왕복피스톤 연소엔진에 관한 것이다.
이러한 종류의 안전밸브는 공지되어 있으며, 입구 및 출구개구를 가진 밸브하우징, 입구개구 영역에 형성된 밸브시트, 밸브시트와 함께 동작하는 밸브보디, 및 밸브보디를 밸브시트에 대하여 바이어스하는 밸브스프링과로 이루어진다.
따라서, 고압매체에 대하여는 보다 큰 시트면적이 형성되어, 무압력상태의 시팅면이 스프링의 바이어스력으로 인하여 손상되는 것이 방지된다.
직접작용 안전밸브의 개폐에러는 시트면적 대 이 면적에 부하된 압력의 비율에 따른다는, 즉 면적이 크면 에러가 크게 발생한다는 것은 공지되어 있으며, 이것이 결점이다. 일반적으로 공지의 안전밸브는 복수회의 분취(blow­off) 후, 또한 밸브의 폐쇄중 높은 임팩트스피드로 인하여 부정확하게 기능한다는 사실이 또한 결점이다.
본 발명의 목적은 전술한 결점이 해소되고, 정확하게 한정된 매체압력으로 개폐되는 직접작용 안전밸브를 제공하려는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따른 청구항 1의 특징부에 의하여 충족된다.
시팅력(seating force)에 따른 압력으로 인하여, 차력(差力) F5이 한편으로는 어떤 경우에도 매우 큰 시트압력이 방지되고, 다른 한편으로는 충분한 밀폐가 영구적으로 확보되는 범위내에 유지되는 작은 시트면적이 형성될 수 있다. 압축된 면적이 크게 선택되므로, 작은 스트로크, 예를 들면 0.1 mm가 발생된다. 따라서, 폐쇄프로세스중 밸브보디의 임팩트스피드는 작다. 이것은 밸브가 신속하게 반응하고, 밸브플레이트에 의하여 시트의 과부하가 방지되어 밸브의 수명이 길어진다는 이점이 있다.
밸브의 최대 스트로크는 약 0.1 mm이므로, 매체내에 포함된 0.1 mm 이상 크기의 입자는 개방된 밸브를 통과할 수 없다. 밸브시트의 아래로 유입된 보다 작은 입자는 개구를 통하여 쓸려 나가거나 또는 폐쇄력이 크고, 밸브시트부가 견고하기 때문에 밸브의 폐쇄 중에 분쇄된다. 밸브스트로크가 작으므로 밸브는 오염에 민감하지 않다.
튜브 및 중간부의 벽은 실질적으로 동일한 길이가 바람직하다. 튜브와 중간부 사이의 공간이 링형 갭이고, 이 갭내에 열전달용 매체가 배설되어 중간부와 튜브의 온도는 및 이들의 종축방향으로의 팽창이 동일하면, 과다한 시트압력이 회피된다. 이 목적을 위하여 최소한 중간부는 외측에 절연층을 가질 수 있다. 밸브보디는 멤브레인에 의하여 밸브하우징내에 정확하게 동심으로 지지되고, 이로써 매체가 충전될 수 있는 체임버가 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 중공보디는 복수의 부분으로 형성된다. 중공보디의 부분들은 압축매체로 압축될 체임버를 밀폐하면서 스크류에 의하여 멤브레인형 섹션에서 서로 연결되기 때문에, 중공보디는 종축방향으로 크게 신장되고, 밸브의 구조적 길이는 짧아도 되는 이점이 있다.
체크밸브를 입구영역에 배설할 때, 이의 문제없는 기능이 확보되므로 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 경감될 매체를 수용하는 체적을 매우 소형으로 제조할 수 있어 워밍이 압력진동으로 거의 발생하지 않고, 이것은 안전밸브의 개방압력에 바람직한 효과를 가진다.
매체로 충전될 수 있는 체임버는 밸브하우징의 나머지 부분에 대하여 기밀밀봉, 즉 매체로 충전된 갭이 없으므로, 바람직하게 밸브는 건조된 매체에 의하여 차단되지 않는다.
시팅력에 따른 압력 때문에, 밸브는 왕복피스톤 연소엔진용으로는 절대적은 아니지만 특히 적합하다.
다음에, 본 발명에 대하여 첨부도면에 따라서 상세히 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 안전밸브는 필수적으로 밸브하우징(1), 밸브보디(2), 중공보디(3), 멤브레인(4), 밸브스프링(5), 지지 또는 정지(靜止)부재(6), 제2 밸브스프링(7), 및 세팅부재(8)를 포함한다. 밸브하우징(1)은 실린더식으로 실행되고, 연결부(11), 중간부(12) 및 터미널부(13)를 포함한다. 연결부(11)는 컵형태로 실행되고, 개방단부에 숄더(14)가 형성된다. 연결부(11)는 매체용의 입구개구(15) 및 출구개구(16)를 가지고, 입구개구는 베이스(17)의 중심에, 출구개구는 벽(18)에 형성된다. 중간부(12)는 일단부면에서 개방되고, 타단부면에서 중심공(23)을 가진 벽(22)에 의하여 부분적으로 폐쇄된다. 또한, 중간부는 내측으로 향하는 링형부(24)를 가진다. 터미널부(13)는 컵형상으로 실행되고, 베이스(26)에 나사홈을 가진 개구(25)를 가진다. 밸브보디(2)는 그 단부면이 밸브플레이트(28)를 형성하는 원통형의 제1 섹션(27) 및 그 단부면이 중공보디(3)를 폐쇄하는 플랜지(29)를 가진 제2 섹션을 가진다. 또한, 밸브보디(2)는 축관통공(30)을 가진다. 중공보디(3)는 벽두께가 중간부(12)의 벽두께보다 실질적으로 작은 튜브(31) 및 이 튜브(31)를 일단부에서 폐쇄하는 폐쇄부(32)로 이루어진다. 튜브(31)의 타단부는 밸브보디(2)에 연결되고, 따라서 매체에 의하여 압축될 수 있는 체임버(33)를 가진 블로킹유니트가 형성된다.
이 블로킹유니트는, 밸브보디(2)가 그 단부면(28)으로 입구개구(15)를 폐쇄하고, 중공보디(3)가 중심공(23)내로 향하도록 밸브하우징(1)에 배설된다. 멤브레인(4)은 연결부(11)와 중간부(12) 사이에 배설되고, 블로킹유니트를 밸브하우징(1)에 연결하여 매체에 의하여 압축가능한 체임버(35)를 형성한다. 밸브스프링(5)은 링형부(24)와 플랜지(29)사이에 배설되고, 밸브보디(2)를 연결부(11) 내측의 입구개구(15) 영역에 형성된 밸브시트(36)에 대하여 압착한다. 정지부재(6), 제2 밸브스프링(7) 및 세팅부재(8)는 밸브하우징(1)의 터미널부(13)에 배설되고, 정지부재(6)는 하우징 중간부(12)의 벽(22)과 접한다. 블로킹유니트는 종축으로 배설되어 정지부재(6)와 중공보디(3)사이에 공간이 존재한다.
도 4 및 도 5는 중공보디의 폐쇄에 대한 실시예를 나타낸다.
다음에, 직접작용 안전밸브의 기능모드에 대하여 도 1 ∼ 도 3을 참조하여 설명한다.
밸브스프링(5)은 매체압력과는 상관없는 폐쇄력 F2을 발생하고, 제2 스프링(7)은 폐쇄력 F2과 함께 원하는 응답압력에 대응하는 폐쇄력 F4을 발생한다. 동작중에, 매체압력과 표면적(28)의 적(積)에 대응하는 힘 F1이 밸브플레이트(28)에 작용한다. 또한, 매체가 체임버(33)내에 흐르므로, 벽이 얇은 튜브(31)는 내압 F3이 증가할 때 변형되어 팽창된다. 이 팽창은 갭(34)이 없어진 후에 비교적 벽이 두꺼운 밸브하우징(1)에 의하여 제한된다. 힘 F3이 축방향으로 증가하여 튜브의 변형에 대한 제한이 증대되고, 이로써 매체압력에 따른 시팅력 F2 ＋ F3이 발생한다(도 2 참조). 이 시팅력 F2 ＋ F3은 매체압력에 밸브플레이트(28)의 면적을 곱하여 구한 힘 F1에 대하여 작용한다. 튜브벽 두께의 대응하는 선택에 의하여, 힘 F3의 상태는 힘 F1의 상태와 실질적으로 평행으로 작용하도록 결정된다(도 3 참조). 따라서, 힘 F2과 F3의 합으로부터 힘 F1을 뺀 차에 대응하는 시팅압력 F5은 밸브의 동작압력 이상으로 실질적으로 일정하게 되고, 따라서 밸브는 매체압력의 전체 범위에 걸쳐서 문제없이 밀폐된다. 따라서 밸브의 불침투성이 유지되는 구성은, 압력진동이 공칭압력을 초과하는 시스템내에 발생할 때 달성되는 것이 바람직하다. 이로써 너무 낮은 시팅압력으로, 밸브가 시간이 흐르면서 누출되고, 또한 밸브시트에서의 부식 때문에 매체가 계속해서 흐르는 상태가 방지된다. 매체압력이 원하는 응답압력에 도달하면, 벽이 얇은 튜브(31)내의 힘 F3이 스프링(7)에 의하여 발생된 힘 F4에 대응하고, 폐쇄부재(32)를 가진 중공보디(3)가 정지부재(6)를 들어올린다. 매체압력이 계속 증가하면, 힘 F1은 제2 스프링(7)의 힘 F4보다 더 커진다. 따라서 제2 스프링은, 스프링(7)의 강성이 튜브(31)의 강성보다 훨씬 낮기 때문에, 신속하게 함께 압착되고, 정지부재(6)는 받침으로서의 밸브하우징(1)의 중간부(12)의 벽(22)으로부터 들어올려지고, 밸브는 분취를 시작한다. 이 경우에 축방향으로 견고하게 벽이 두꺼운 하우징이 벽이 얇은 튜브(31)보다 더 유연하게 작용한다.
도 6은 내장된 상태의 안전밸브의 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 안전밸브는 필수적으로 밸브하우징(41), 밸브보디(42), 중공보디(43), 제1 밸브스프링(44), 지지부재(45), 제2 밸브스프링(46), 위치결정부재(47), 체크밸브(48), 및 플러그(49)와로 이루어진다. 밸브하우징(41)은 스크류(53)에 의하여 연결되는 하반부(51) 및 상반부(52)로 이루어진다. 하반부(51)에는 제1 원통형 요부(54), 제2 원통형 요부(55), 및 이 제1 요부와 제2 요부를 연결하는 원통형 채널(56)이 형성된다. 채널내의 요부들은 중심축(도시하지 않음)상에 위치하도록 배열된다. 반경방향의 개구(57)가 상반부(52)로 전이하는 영역의 하반부(51)의 벽에 형성되고, 이것이 분취개구가 된다. 내부 나사홈섹션(58)이 제2 요부 벽의 단부면에 형성된다. 상반부 및 하반부를 중심에 위치하도록, 상반부(52)에는 하반부(51)의 제1 요부(54)내로 돌출하는 스피곳(59)을 가지고, 스피곳의 자유면(60)이 제1 요부(54)를 폐쇄한다. 상반부(52)에는 3개의 섹션(62, 63, 64)으로 이루어지는 제3 요부(61)가 형성된다. 제1 섹션(62)은 스피곳(59)의 자유면(60)내로 개방되고, 이로써 형성된 단부가 밸브시트(65)를 형성한다. 제2 섹션(63)은 제1 섹션에 비하여 내경이 크고, 제1 섹션에 인접하여 형성된다. 제2 섹션의 벽에는 반경방향의 개구가 형성되어 밸브입구(66)를 형성한다. 제3 섹션(64)에는 내부 나사홈이 배설된다.
밸브보디(42)는 실질적으로 원통형상이며, 밸브시트(65)에 착탈가능한 원추형 돌출부(71)를 가진다. 반경방향으로 돌출하는 2개의 멤브레인형 섹션(73)을 가진 원통형 중공섹션(72)이 원추형 돌출부(71) 아래에 형성되고, 이 멤브레인형 섹션(73)은 2개의 폐쇄된 체임버를 형성하여 밸브보디를 밸브시트에 대하여 중심에 위치하게 한다. 디스크형 섹션 대신에, 적절한 수단에 의하여 돌출부에 고정되는 2개의 멤브레인을 사용할 수 있다고 지적된다. 인접하는 원추형 돌출부(71) 위에는, 원통형 섹션(74) 및 이에 이어서 원통형 중공섹션(75)이 형성된다. 밸브보디(42)내에 개구(76)가 형성되어 원통형 중공섹션(72)내의 요부를 원통형 중공섹션(75)에 연결한다.
중공보디(43)는 다수의 부분으로 구성되고, 밸브보디(42)의 원통형 중공섹션(72)내에 밀폐상태로 배설되고, 디스크형 멤브레인형 섹션(82)을 가지는 연결부(81), 멤브레인형 섹션(82, 84)을 각각 그 단부에 가지는 중간부(83), 및 멤브레인형 섹션(84)을 일단부에 가지는 터미널부(85)로 구성된다. 멤브레인형 섹션은 2개의 대향면 사이에 공간이 있도록 형성된다. 이 공간은 서로 접하는 에지부에 의하여 경계를 이룬다. 부분(81, 83, 85)들은 스크류(86) 및 또한 와셔(87)와 나사홈부(88)(도 7 및 도 8)에 의하여 모듈로 연결된다. 중심공(89)이 연결부(81) 및 중간부(83)에 형성되어, 상호간 및 밸브보디(42)내의 개구(76)와 연통하여 제1 공간을 형성한다. 개구(76)는 체크밸브(48)에 의하여 원통형 중공섹션(75)측에서 폐쇄된다. 개구(76, 89)에 의하여 형성된 제1 공간은, 배출될 매체에 대하여 고밀도 또는 상이한 농도를 가진 매체로 충전된다. 예를 들면, 배출될 매체가 중유이면, 중공공간은 글리세린으로 충전된다. 중간부(83) 및 또한 연결부(81, 85)의 외주에는 열전달용 매체로 충전되는 제2 공간이 형성되도록 구성된다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 체크밸브(48)는 밸브보디(42)의 원통형 중공섹션(75)의 에지부에 형성된 제1 밸브시트(101), 관통공(102)이 배설되어 제1 밸브시트(101)와 함께 동작하는 제1 밸브보디(103), 제1 밸브보디(103)를 폐쇄위치에 지지하는 제1 밸브스프링(104), 제1 밸브스프링(104)이 지지되고, 제1 밸브보디(103)의 스트로크를 제한하는 받침부재(105), 볼로서 형성되고, 제2 밸브시트(107)와 함께 동작하는 제2 밸브보디(106), 및 밸브보디(42)의 원통형 중공섹션(75)의 베이스상에 일단부가 지지되고, 타단부는 볼(106)과 접하는 제2 밸브스프링(108)을 포함한다.
이 체크밸브(48)는 2방향으로 개방되고, 또한 매체압력이 상승하면 볼(106)은 밸브시트(107)로부터 들어올려지며, 압력이 하강하면 제1 밸브보디(103)가 밸브시트(101)로부터 들어올려진다. 상기 실시예를 참조하면, 이 체크밸브는 제1 공간(76, 89)으로부터 글리세린의 배출 방지 및 중유 분취시에는 중유와 글리세린의 혼합물의 배출을 방지한다. 체크밸브(48)는 고온의 입구(66)영역에 배설된다. 이것은 체크밸브의 반응이 확보되는 이점을 가진다. 비교적 저온, 특히 중유로는 체크밸브의 동작이 실패할 수 있다.
직접작용 안전밸브는, 밸브하우징(1), 밸브시트(36), 밸브보디(2), 매체의 압력과 상관없는 시팅력을 발생하는 밸브스프링(5), 매체의 압력에 의하여 압축될 수 있고, 밸브보디(2)에 연결되어 매체의 압력에 따른 시팅력을 발생하는 중공보디(3), 및 분취압력을 설정하기 위한 제2 밸브스프링(7)을 포함한다.
매체의 압력에 의하여 발생된 시팅력으로 인하여, 작은 시트면적이 형성될 수 있고, 따라서 밸브는 정확하게 한정된 매체의 압력에서 구동된다.
도 1은 본 발명에 따른 직접작용 안전밸브의 실시예의 종단면도.
도 2는 힘을 매체압력함수로서 나타낸 도표.
도 3은 밸브시트에서의 힘을 매체압력함수로서 나타낸 도표.
도 4 및 도 5는 중공보디의 실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 직접작용 안전밸브의 제2 실시예의 종단면도.
도 7은 중공보디내에 배설된 지지링의 평면도.
도 8은 중공보디내에 배설된 나사홈부의 평면도.
도 9는 도 6의 “A”의 상세확대도.

Claims (15)

  1. 압력 매체용 입구 개구(15, 66)와 출구 개구(16, 57)를 가진 하우징(1, 41), 밸브 시트(36, 65), 밸브 보디(2, 42), 및 압력 매체의 압력과 무관하게 안착력(seating force)을 생성하는 밸브 스프링(5, 44)을 포함하고, 상기 밸브 보디(2, 42)와 동작 가능하게 접촉하고, 상기 압력 매체의 압력에 따라 압축됨으로써 상기 압력 매체의 압력에 따른 안착력을 발생하며, 상기 압력 매체의 압력을 제한하는 장치(3, 6, 7, 8; 43, 45, 46, 47)를 포함하는 직접 작용 안전 밸브로서,
    상기 압력을 제한하는 장치는, 상기 압력 매체에 의하여 압축가능하고 탄성적으로 변형되어 신장가능한 중공보디(3, 43) 및 상기 압력 매체의 압력을 한정하는 수단(6, 7, 8)을 가지는 직접 작용 안전 밸브.
  2. 제1항에서, 상기 장치는 밸브 하우징(1, 41)내에 설치되는 직접 작용 안전 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에서, 상기 밸브 하우징(1)은 강성(剛性)의 중간부(12)를 가지는 직접 작용 안전 밸브.
  4. 제1항 또는 제2항에서, 상기 하우징(1)을 밸브 보디(2)에 연결하는 하나 이상의 멤브레인(4)을 포함하고, 상기 멤브레인은 밸브하우징(1)내에서 상기 압력 매체에 의해 압축되는 체임버(35)를 형성하는 직접 작용 안전 밸브.
  5. 제1항 또는 제2항에서, 상기 중공 보디(3, 43)는, 원통형상이고, 일다닝 밸브보디(2, 42)와, 타단이 폐쇄부재(32, 85)와 경계를 이루고 있는 직접 작용 안전 밸브.
  6. 제1항 또는 제2항에서, 상기 밸브 보디(2, 42)는 평면형 또는 원추형 시트와, 상기 중공 보디(3, 43)를 상기 압력 매체로 압축하기 위한 축방향 관통공(30, 76)을 가지는 직접 작용 안전 밸브.
  7. 제1항 또는 제2항에서, 상기 중공 보디(3)는 탄성적으로 변형가능한 얇은 벽의 튜브(31)를 가지는 직접 작용 안전 밸브.
  8. 제7항에서, 상기 튜브(31)의 벽과 상기 밸브 하우징의 중간부(12)의 벽은 실질적으로 동일한 길이를 가지는 직접 작용 안전 밸브.
  9. 제1항 또는 제2항에서, 상기 중공 보디(43)는 복수 부분으로 이루어지는 직접 작용 안전 밸브.
  10. 제1항 또는 제2항에서, 상기 중공 보디(3, 43)는 입구 개구(15)와 통하는 제1 공간(76, 89)을 포함하는 직접 작용 안전 밸브.
  11. 제10항에서, 상기 제1 공간은 배출될 매체와 상이한 매체로 충전되어 있는 직접 작용 안전 밸브.
  12. 제1항 또는 제2항에서, 상기 중공보디(43)는 열전달용 매체를 수용하기 위한 제2 공간을 가지는 직접 작용 안전 밸브.
  13. 제1항 또는 제2항에서, 상기 압력 매체의 입구 영역에 체크 밸브(48)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 직접작용 안전밸브.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 안전밸브를 구비하여 압력 매체의 압력을 제어하는 분사 시스템.
  15. 제1항 또는 제2항에 따른 안전밸브를 포함하는 왕복 피스톤 연소엔진.
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