KR100780469B1 - 수온감지식 벨로우즈 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수온감지식 벨로우즈 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유량의 온도에 따른 SMA 스프링의 탄성력과 벨로우즈 튜브의 복원력의 차이에 의해서 밸브의 개폐여부가 자동적으로 결정되는 수온감지식 벨로우즈 밸브에 관한 것이다.

본 발명은 유입구, 분기부, 및 출입구가 형성되어 있는 밸브몸체; 상기 밸브몸체의 분기부를 개폐시키는 밸브디스크(valve disk); 상기 밸브디스크의 상하운동의 축으로 되는 밸브스템(valve stem); 상기 밸브몸체의 일측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제1 스템가이더(the first stem guider); 상기 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 안착되어 탄력 설치되는 SMA스프링(SMA spring); 상기 SMA 스프링의 내측에 위치되며, 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 설치되는 벨로우즈 튜브(bellows tube) 상기 밸브몸체의 타측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제2 스템가이더(the second stem guider); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따른 본 발명은 밸브스템의 상하운동을 원시적으로 차단하고, 제1 스템가이더측에 SMA 스프링과 벨로우즈 튜브를 구비하도록 함으로써 상기 SMA 스프링의 탄성력과 벨로우즈 튜브의 복원력의 차이에 의해 밸브의 개폐여부가 결정되도록 하였다. 이에 따라 밸브의 안정적인 작동을 도모할 수 있으며. 수격현상(water hammering)을 감소 또는 제거할 수 있는 효과가 있다.

밸브몸체, 밸브디스크, 밸브스템, 제1 스템가이더, SMA스프링, 벨로우즈 튜브, 제2 스템가이더.

Description

수온감지식 벨로우즈 밸브{A bellows valve according to water temperature}

도 1은 종래의 수온감지식 자동 유량조절밸브의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 제2의 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 제3의 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 제4의 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도.

본 발명은 수온감지식 벨로우즈 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유량의 온도에 따른 SMA 스프링의 탄성력과 벨로우즈 튜브의 복원력의 차이에 의해서 밸브의 개폐여부가 자동적으로 결정되는 수온감지식 벨로우즈 밸브에 관한 것이다.

기온감지식 밸브가 탄생하게 된 동기는 우리나라가 1980년대말 에너지 파동을 겪게 되면서 난방에너지를 절감코자 하는 데에서 기인한다. 그러나 기온감지식 밸브는 실내온도를 제어하는 시스템으로서 온돌난방에서의 방바닥온도를 조절하는 데는 부적합하다. 이러한 난제를 해결코자 SMA 스프링을 이용한 수온감지식 온도조절밸브를 개발하게 되었으며 예상보다 훌륭한 조절로 온도조절의 목적 외에 사용연료절감이라는 획기적인 성과를 창출하게 되면서 수온감지식밸브에 대한 지대한 연구가 시작되었다.

상기 기온감지식과 수온감지식밸브를 대별해보면, 먼저 기온감지식밸브는 "타력식"으로서 난방수가 순환되며 방바닥을 덮히면 실내온도가 상승하여 실내온도감지기에 의해 보일러 또는 작동밸브를 ON/OFF하며 실내온도를 조절하는 방식이다.

이러한 방식은 보일러에서 덮혀진 난방수가 방바닥밑의 배관을 타고 이동하면서 방바닥의 몰탈층에 열이 전도되어 바닥온도가 상승되고 다시 실내공기와 열교환이 되어 방안의 온도가 상승하면 방바닥으로부터 1.2m높이의 벽면에 부착된 보일러온도조절기 또는 실내온도조절기(room con')의 센서에 열원이 감지되는데 적정온도에 도달하면 개별난방의 경우에는 보일러를 정지시키고 중앙난방 및 지역난방의 경우는 캐피러리 튜브나 전원에 의해 ON/OFF되거나 비례적으로 개/폐되는 방식을 이용하여 분배기에 설치된 작동밸브를 닫아 열원의 공급을 차단하였다가 다시 온도가 하강하면 보일러를 재가동하거나 작동밸브를 열어 난방수가 순환하며 온도를 조절한다.

이러한 기온감지식 밸브는 실내온도가 상승하여 밸브를 차단하게 될 때까지 방바닥의 배관내부를 고온의 난방수가 순환, 또는 통과되어야 하므로 비경제적이며, 설치시 전선이나 캐피러리 튜브를 매설해야 하고, 수시로 온도를 조절해야 하는 사용상의 불편함이 있다. 또한, 단전시 냉방이나 과열을 피할 수 없으며, 장기 사용시 잠열 또는 화학적 반응에 의해 파라핀액 등 화학성 물질이나 전기코일의 손상으로 불량발생이 발생한다는 문제점이 있다.

다음으로 수온감지식 밸브는 "자력식"으로서 난방수가 순환되어 분배기에 도달하면 회수부의 수온감지식 밸브가 자동으로 비례조절되며 난방수의 회수온도를 조절하는 방식이다.

이 수온감지식 밸브는 방바닥에 깔린 난방라인의 재질 상(석유화학제품-일명XL-PIPE) 열 교환이 빠르게 이루어 질수가 없기 때문에 열 교환을 위한 체류시간을 주기위한 목적이 있고 분배기에 불필요한 흐름을 차단하여 노출된 난방배관들의 열손실을 방지할 수가 있게 되며, 특히 지역난방이나 중앙집중형 난방방식들에 달려져있는 열량계의 특성상 열에 관계없이 물량에 의한 요금부과를 하는 곳에 난방비를 절약 할 수 있는 것이다.

이러한 방식은 실내온도와는 전혀 상관없이 통과되는 난방수의 온도에 따라 SMA센서가 신속하고 정확하게 수온과 직접 열교환되며 힘과 길이의 변화를 가짐으로서 비례적으로 디스크를 이동하여 유량을 줄이고 유속을 늦추어 보일러의 탱크내부에 열원을 저장하게 되어 보다 짧은 시간에 적은 열량으로 난방 수 온도를 올릴 수 있고 보일러 정지 시에도 순환수량이 적어 탱크내부의 난방수가 느리게 식으므로 결과적으로 보일러의 가동시간과 가동횟수를 줄여 불필요한 열원의 낭비를 막아 사용연료를 절감한다.

또한 여러 개의 방을 사용 할 경우에 먼저 회수온도에 도달한 방이 먼저 개 폐가 되므로 나머지의 방으로 압력이 상승하여 급속 난방을 할 수가 있는 이점이 생긴다.

이러한 수온감지식밸브는 몸체, 구동부, 연결부로 나누어지며 구조를 보면 몸체의 내부에는 분기부, 상하 시-트 등으로 구성되어있고 외측으로는 유입로, 유출로, 덮개연결부, 하부캡 연결부 등으로 나뉘어져 있다. 구동부는 스탬, 패킹, SMA스프링, 디스크, 리턴스프링, 고정너트 등과 같이 실제 작동에 필요한 요소로 이루어져 있다. 구동부의 기능에는 여러 가지가 있지만 본 밸브에 적용된 방법은 압력상쇄방식이다. 압력상쇄방식이란 입구를 이중의 유로로 형성하고 각 유로에 개폐부를 두어 두개의 시-트를 동시에 개폐하는 이중의 디스크를 한 몸체로 형성하므로서 압력의 전달시 닫으려는 힘과 열려는 힘이 서로 상쇄되어 디스크에 미치는 압력의 영향을 최소화한 것이다. 압력상쇄방식은 SMA와 같이 작은 힘으로 높은 압력을 제어코자 할 때 반드시 필요하다. 실제 수온감지식 밸브에 적용된 SMA스프링의 최고온도 60℃에서의 힘은 20kgf/㎠미만이며 리턴스프링과의 힘을 상쇄하고 나면 순수한 힘은 3.5kgf/㎠를 넘을 수 없으나 실제 시험에서와 같이 15kgf/㎠의 압력 하에서도 아무런 이상없이 작동할 수 있는 것은 압력상쇄방식에 의한 것이다. 추가로 수온감지식밸브는 핸들위에 있는 키캡을 적당히 빼낸 후, 키캡을 시계방향으로 돌리면 세팅온도가 하강하고 시계반대방향으로 회전하면 세팅온도가 상승하도록 밸브대를 핸들중심의 외부로 돌출시켜 스플라인에 의해 회전조작을 할 수 있게 구성하였다.

도 1에 도시한 바와 같이, 이러한 수온감지식 밸브가 등록특허 제 10-0514470 호 (발명의 명칭 : 수온감지식 자동 온도조절밸브) 및 등록특허 제 10-0514469 호 (발명의 명칭 : 수온감지식 자동 온도조절밸브)에 개시된바 있다.

상기 등록특허는 연료 절감면에서 상당한 개선을 가져온 것은 사실이나, 상기 등록특허에 있어서 유체가 유동하면서 유체의 찌꺼기가 하부안내공(110)에 적체되면서 일정시간이 경과한 후에는 상기 밸브들의 작동이 되지 않는 등 상당한 불편을 초래하게 되었다. 또한, 상기 밸브들은 유입되는 분기부(120)의 단부가 직각으로 형성되어 있으며, 밸브디스크(130)의 구조가 원통형으로 되어 있어 수격현상(water hammering)이 발생되고 있었다. 이러한 수격현상(water hammering)은 관로내에 충만된 물의 운동상태를 갑자기 변화시킴에 따라 생기는 물의 압력변화의 현상이다. 즉, 밸브가 갑자기 열리면 압력이 저하되고 밸브가 갑자기 닫히면 흐르는 물의 속도에너지가 압력에너지로 변하여 밸브의 직전에서 갑자기 수압이 상승하기 때문이다. 이러한 수격현상에 의해 물은 비압축성이고 관성력이 크므로 급격한 압력변화가 관속에 바로 전달되기 때문에 진동과 충격음을 내며 심할 때에는 배관계, 접속기기의 고장의 원인될 수 있다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 밸브스템의 상하운동을 원시적으로 차단하고, 제1 스템가이더측에 SMA 스프링과 벨로우즈 튜브를 구비하도록 함으로써 상기 SMA 스프링의 탄성력과 벨로우즈 튜브의 복원력의 차이에 의해 밸브의 개폐여부가 결정되도록 하기 위함이다. 또한, 본 발명은 수격현상(water hammering)을 감소 또는 제거하기 위함이다.

상기한 과제를 해결하기위한 본 발명은 난방온수가 유입되는 유입구, 유입되는 온수를 분기시키는 분기부, 상기 분기부에서 토출되어 합류후 배출되는 출입구가 형성되어 있는 밸브몸체; 상기 밸브몸체의 분기부를 개폐시키는 밸브디스크(valve disk); 상기 밸브디스크의 상하운동의 축으로 되는 밸브스템(valve stem); 상기 밸브몸체의 일측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제1 스템가이더(the first stem guider); 상기 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 안착되어 탄력 설치되는 SMA스프링(SMA spring); 상기 SMA 스프링의 내측에 위치되며, 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 설치되는 벨로우즈 튜브(bellows tube) 상기 밸브몸체의 타측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제2 스템가이더(the second stem guider); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브스템(valve stem)과 제1 스템가이더(upper stem guider)사이에 구비되며, 그 외주면에 나사산이 구비되어 상기 밸브 디스크에 작용되는 SMA 스프링의 탄성력을 조절시킬 수 있는 수동 스템가이더를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브몸체의 분기부를 형성하는 선단부에 완만한 라운드(round)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 밸브디스크는 중간부가 오목하게 들어간 장구(janggu)형상과 유사하되, 그 하부가 외부로 돌출된 반구형 캡 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참고로 상술하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 제2의 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 제3의 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도이다. 마지막으로 도 5는 본 발명에 따른 제4의 수온감지식 벨로우즈 밸브의 단면도이다.

상기한 과제를 해결하기위한 본 발명은 난방온수가 유입되는 유입구, 유입되는 온수를 분기시키는 분기부, 상기 분기부에서 토출되어 합류후 배출되는 출입구가 형성되어 있는 밸브몸체; 상기 밸브몸체의 분기부를 개폐시키는 밸브디스크(valve disk); 상기 밸브디스크의 상하운동의 축으로 되는 밸브스템(valve stem); 상기 밸브몸체의 일측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제1 스템가이더(the first stem guider); 상기 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 안착되어 탄력 설치되는 SMA 스프링(SMA spring); 상기 SMA 스프링의 내측에 위치 되며, 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 설치되는 벨로우즈 튜브(bellows tube); 및 상기 밸브몸체의 타측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제2 스템가이더(the second stem guider); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 밸브 몸체(10)의 경우 상기 분기부(12)를 구비하여 2개의 유로를 형성함으로써 밸브디스크(20)가 개폐될 때 상기 밸브디스크(20)의 상단과 하단에 유입구(11)로부터 유입되는 유체의 압력이 동일하게 작용하여 어떠한 압력의 변화에도 관계없이 SMA 스프링(60)이 정상적으로 작동할 수 있게 된다.

다음으로, 밸브 디스크(20)의 경우 이하 상술할 밸브 스템(30)을 따라 SMA 스프링(60)의 탄성력과 벨로우즈 튜브(70)의 복원력의 차이에 의해 상하운동을 하게 된다. 이러한 밸브 디스크(20)는 분기부(12)의 상부에 접하는 면에 고무링(21)을 더 구비하여 밸브가 닫힌 경우에 유체가 유출구(13)측으로 유입되지 않도록 함이 바람직하다.

다음으로, 밸브 스템(30)은 상기 밸브 디스크(20)의 상하운동을 가이드하는 축으로서 본 발명에서는 하기할 제1스템가이더(40a, 40b) 및 제2스템가이더(50)에 의해 고정되어 있는 것이 특징이다.

다음으로, 제1 스템가이더(40a)는 상기 밸브 스템(30)을 지지하는 역할을 하며, 그 외주면에 손잡이(80)를 일체로 형성하거나, 제1 스템가이더(40a)의 외주면과 손잡이(80)의 내주면을 암수 체결할 수 있는 구조로 됨이 바람직하다. 또는 또 다른 제1 스템가이더(40b)의 경우에는 그 외주면에 스파이럴 형태의 나사산을 구비 하며, 수동스템가이더(40c)와 치합된 형태로 되어 있다. 또한 입구측으로 유입되는 유체가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 제1 스템가이더(40a, 40b)의 외주면에 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 다수개의 고무링(81)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 스템가이더(50)는 단순히 밸브 스템(30)을 지지할 수 있는 구조로 됨이 바람직하며 이를 위하여 중앙부에 상기 밸브 스템(30)이 안착될 수 있도록 홀이 형성된 것이 바람직하다.

또한 SMA 스프링(Shape Memory Alloy spring, 60)은 유입되는 온수의 특정온도(약 65℃)이상에서 팽창하며 상기 온도이상이 되면 상기 스프링(60)의 탄성력이 급격히 증가하는 특성을 갖는다. 이에 따라 하기할 벨로우즈 튜브(70)의 복원력보다 커져 본 발명에 따른 밸브가 닫히게 된다.

마지막으로 벨로우즈 튜브(bellows tube, 70)는 특정온도이하에서 상기 SMA 스프링의 탄성력보다 커져 본 발명에 따른 밸브가 열리게 된다. 또한 도 2내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 벨로우즈 튜브(70)는 상기 밸브디스크(20)의 상부면과 상기 밸브스템(30)의 외주면에 접착되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상호 용접을 할 수도 있을 것이다.

또한, 상기 밸브스템(valve stem)과 제1 스템가이더(the first stem guider)사이에 구비되며, 그 외주면에 나사산이 구비되어 상기 밸브 디스크에 작용되는 SMA 스프링의 탄성력을 조절시킬 수 있는 수동 스템가이더를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 3 내지 도5에 도시된 바와 같이 상기 수동 스템가이더(40c)의 경우에는 그 외주면에 스파이럴 형태의 나선을 구비하며, 상기 수동 스템가이더(40c)와 상호 접하고 온도를 조절하는 손잡이(80)를 돌림으로써 수동으로 상기 밸브 디스크(20)에 작용하는 SMA 스프링(60)의 탄성력을 조절할 수 있다. 즉 상기 손잡이(80)를 오른쪽으로 회전(열림방향)하면 SMA 스프링의 탄성력이 감소하게 될 것이다. 이러한 구성에 의해 온수의 평균온도(약 60℃~65℃)보다 낮은 경우에도 밸브 디스크(20)가 열릴 수 있게 된다. 반면, 상기 손잡이(80)를 왼쪽으로 회전(닫힘방향)하면 SMA 스프링의 탄성력이 증가하게 되며, 이러한 구성에 의해 온수의 평균 온도보다 높은 경우에 상기 밸브 디스크(20)가 열리게 된다. 이러한 구성으로 인하여 입구측으로 유입되는 온수의 온도를 조절할 수 있는 기능을 수행하게 된다.

또한, 상기 밸브몸체의 분기부를 형성하는 선단부에 완만한 라운드(round)가 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 밸브디스크는 중간부가 오목하게 들어간 장구(janggu)형상과 유사하되, 그 하부가 외부로 돌출된 반구형 캡 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 분기부(12)의 선단부(14)에 라운드(round)를 형성하는 것과, 밸브디스크(20)의 형상을 장구(janggu)형상으로 구비하는 것은 상술한 바와 같으며, 이는 수격현상(water hammering)을 방지하기 위함이다.

상기한 구성에 따른 본 발명은 밸브스템의 상하운동을 원시적으로 차단하고, 제1 스템가이더측에 SMA 스프링과 벨로우즈 튜브를 구비하도록 함으로써 상기 SMA 스프링의 탄성력과 벨로우즈 튜브의 복원력의 차이에 의해 밸브의 개폐여부가 결정되도록 하였다. 이에따라 밸브의 안정적인 작동을 도모할 수 있으며. 수격현상(water hammering)을 감소 또는 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 난방온수가 유입되는 유입구, 유입되는 온수를 분기시키는 분기부, 상기 분기부에서 토출되어 합류후 배출되는 출입구가 형성되어 있는 밸브몸체;

   상기 밸브몸체의 분기부를 개폐시키는 밸브디스크(valve disk);

   상기 밸브디스크의 상하운동의 축으로 되는 밸브스템(valve stem);

   상기 밸브몸체의 일측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제1 스템가이더(the first stem guider);

   상기 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 안착되어 탄력 설치되는 SMA스프링(SMA spring);

   상기 SMA 스프링의 내측에 위치되며, 제1 스템가이더와 상기 밸브디스크의 상면에 설치되는 벨로우즈 튜브(bellows tube)

   상기 밸브몸체의 타측에 체결되며 온수가 유출되지 않도록 밀폐시키는 제2 스템가이더(the second stem guider);

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수온감지식 벨로우즈 밸브.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 밸브스템(valve stem)과 제1 스템가이더(upper stem guider)사이에 구비되며, 그 외주면에 나사산이 구비되어 상기 밸브 디스크에 작용되는 SMA 스프링 의 탄성력을 조절시킬 수 있는 수동 스템가이더를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수온감지식 벨로우즈 밸브.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 밸브몸체의 분기부를 형성하는 선단부에 완만한 라운드(round)가 형성되는 것을 특징으로 하는 수온감지식 벨로우즈 밸브.
4. 제 3 항에 있어서,

   밸브디스크는 중간부가 오목하게 들어간 장구(janggu)형상과 유사하되, 그 하부가 외부로 돌출된 반구형 캡 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수온감지식 벨로우즈 밸브.

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