KR101212003B1 - 삼방밸브의 급수경로 전환에 의한 변기의 세척수 분배장치 - Google Patents

Abstract

급수구(11)로부터 세척수를 공급받고, 회전식 밸브체(81)의 회전운동에 의해 림배수구(21)와 제트배수구(31)에 세척수를 번갈아 공급하도록 설정되는 삼방밸브(80)와, 삼방밸브를 제어하는 마이컴(70), 작동스위치(60), 삼방밸브 수동제어기(82), 필밸브 자동 및 수동제어기(44,45) 등을 포함하여 구성되는 세척수 분배장치와 이를 탑재하여 림배수관(20)과 제트배수관(30)에 세척수를 선택적으로 분배전환할 수 있는 변기가 개시된다.
본 발명은 작은 세척수량으로 짧은 고압분사식으로 작동하는 직수 세척식 변기 분야에서, 빠르고 기계적인 삼방밸브의 밸브경로 전환동작에 의해 림 배수와 제트 배수 간에 배수량을 효과적으로 전환/분배할 수 있는 변기의 세척수 분배장치에 관한 것으로서, 수밀성이 요구되는 세척수의 전체 급수 및 전체 단수에는 필요에 따라 필밸브 등 다이어프램 압력식 밸브를 이용하고 수밀성이 덜 요구되는 세척수의 중간 분배과정에서만 삼방밸브를 이용하여, 한 번의 버튼 조작으로 필밸브의 세척수 배수가 시작되고 이후 삼방밸브에서 림-제트-림 순서로 매끄러운 급수경로 전환이 이루어지고 난 필밸브가 닫히면서 자동적으로 배수 중단이 되게 할 수 있다.
본 발명에 의하면 개폐응답성이 느린 필 밸브에만 모든 분배과정을 전적으로 의존하여 세척수 분배 전환속도가 느렸었던 종래의 문제점을 매우 효과적으로 해결할 수 있다.

Description

삼방밸브의 급수경로 전환에 의한 변기의 세척수 분배장치{Water distributor of toilet which is operated by 3way valve switching}

본 발명은 작은 유량으로 짧게 작동하는 직수 세척식 변기 분야에서, 삼방밸브의 기계적 밸브경로 전환동작에 의해 림 배수와 제트 배수 간에 배수량의 전환 및 분배를 효과적으로 수행할 수 있는 변기의 세척수 분배장치에 관한 것이다.

탱크에 저장된 물을 변기의 도기 가장자리 부분인 림(Rim)측 배수구로 주로 배수시켜 오물을 배출하는 자연배수식 변기는 오물이 트랩을 넘어갈 만한 충분한 양의 세척수를 보울(Bowl) 내부 전체에 공급함으로써 좋은 세척감과 함께, 자연스러운 사이펀(siphon) 현상에 의한 오물 배출감도 뛰어나다. 따라서 가장 좋은 감성품질을 갖고 있으나 그만큼 요구되는 세척수량도 많다. 최근 적은 양의 세척수로도 자연배수식 변기와 유사한 성능과 감성품질을 달성하기 위해서 다양한 형태의 강제배수식 변기가 당해 기술분야에서 개발, 실시 중에 있다.

강제배수식 변기의 대표적인 세척 메커니즘은 건물 내 배관에 직접 변기를 연결하고, 보울 하부(트랩의 시작부)에 별도의 세척수 분사구(이하 제트구라 한다)를 두어 배관 수압에 의해 소량의 물을 강하게 분사하여 오물을 밀어내는 것이다. 이 방식은 적은 양의 물로도 오물이 변기 트랩을 넘어갈만한 사이펀 현상을 일으킬 수 있으므로 물 절약 성능은 우수하나, 보울 내부 세척감이 떨어지고 소음이 크며 오물이 튈 수 있는 등 단점도 적지 않다.

한편, 다이어프램 개폐작용을 이용한 필 밸브(Fill valve)와 솔레노이드 등 전기적 구동 메커니즘을 이용한 밸브 자동제어기를 결합하여 높은 수압의 세척수를 콘트롤할 수 있는 세척수 밸브기술은 현재 당 업계에서 강제배수 변기의 대표적인 전자식 배수제어장치로 널리 활용되고 있다. 대표적인 관련 공개기술로써 아래 소개한 (문헌1) 및 (문헌2)가 그것이다. 이러한 자동제어 기술은 공중화장실을 연상하게 하는 종래의 후레쉬밸브 손잡이를 전자식 버튼으로 대체할 수 있게 하므로, 강제배수식 변기의 디자인과 상품가치를 높이는데 큰 역할을 하였다.

상술한 세척수 밸브의 전기적 제어개념을 좀더 응용하여 강제배수식 변기의 떨어지는 세척감을 보완하고자 세척수의 분사방향을 두 군데로 나눠 전환시키는 노력도 꾸준히 시도되었다. (문헌3)과 (문헌4)가 그것인데, 비록 제트구 분사를 통한 오물 배출을 주된 작용으로 하고는 있지만 떨어지는 보울 내부 세척감을 보완하고 제트배수 후 적절한 양의 초기 담수량 확보를 위해서 세척수의 일부를 림배수 쪽에 할당하고 있다.

(문헌1) 일본특허공보 JP3707295 (2000.07.14. 공고) 전자식 회전 작동체와 다이어프램식 메인밸브 및 파일롯트 밸브를 이용한 압력수 개폐밸브 조립체. (문헌2) 일본공개특허공보 JP2006-185266 (2006.07.13 공개) 솔레노이드 왕복동 작동체로 파일롯트 밸브를 개폐하는 지수변(stop valve). (문헌3) 일본공개특허공보 JP1996-277567, (1996.10.22. 공개) 제트구에 세척수를 공급하기 전에 림에서 배수될 수 있도록 림 배수용 탱크에 별도의 세척수를 급수하는 전환밸브. (문헌4) 한국공개특허공보 10-2010-0029326 (2010.03.17. 공개) 필밸브 및 솔레노이드 밸브 결합체 작동에 의해 림배수구와 제트구에 세척수를 순차적으로 공급하는 직수 세척식 급수장치.

전기적으로 제어되는 복수의 필밸브를 이용한 세척수 분배장치에서, 고압으로 급수되는 세척수를 짧은 시간에 자유롭게 림-제트-림 순서로 전환시키기란 매우 어려운 일이다. 이를 좀더 자세히 살펴보면 강제 배수식 세척수를 컨트롤하는 필밸브가 다이어프램 압력실에 압력수를 채우고 있다가 조금씩 빼내는 방식으로 느리게 밸브를 열고, 다시 다이어프램 압력실에 압력수를 조금씩 채우는 방식으로 느리게 밸브를 닫을 수 밖에 없다는 본질적 한계에 기인한다.

(여기서 압력수란 특별한 고압상태에 있다기 보다는 수도관의 수압과 같은 물로써 수압이 해제되면서 배수되는 것이 아닌 다이어프램 압력실에 정체된 소량의 물을 의미하며, 필밸브의 파일롯트 작용(트리거 작용)을 수행하는 세척수를 말한다. 다시 말해 압력수와 직수, 수도관급수는 모두 같은 압력을 가지는 물이다. 그러나 이하에서는 설명의 편의상 필밸브의 압력실 파일롯트 작용에 관련된 세척수는 모두 일반 림배수, 제트배수와 구분하여 압력수라 칭한다.)

솔레노이드 등으로 동작하는 압력실 개폐밸브(파일롯트 밸브)는 압력수 배출관 단면적이 매우 작으므로 비록 압력수가 고압이라 하더라도 빠르게 여닫을 수 있으나, 필밸브 내 다이어프램은 수압이 작용하는 단면적이 꽤 크므로 직접 빠르게 여닫는 것이 불가능하며, 오직 작은 압력수 배출관으로 압력수가 다 빠져나가야 완전히 열리고 다이어프램 중앙의 작은 유입공(니들밸브)으로 압력수가 다 차올라야만 완전히 닫힐 수 있다. 다시 말해서 작은 수압으로 높은 수압을 제어하기 위해서 그 만큼 발생되는 동작시간의 지연은 일의 원리(Principle of work) 측면에서 필연적이다.

이와 같은 필밸브의 지연동작은 림이나 제트구 분사를 짧고 빠르게 끝내야만 제 성능을 발휘하는 강제배수식 변기의 기본 동작 요구패턴과 정확히 반대이다. 따라서 림-제트-림 배수 패턴으로 작동 시, 세척수 소모량은 물 탱크식 자연 배수량보다 오히려 많아질 수 있으며, 림에서 흘러내리는 세척수량이 일정하지 않아 물자국, 오물 등이 남거나 물이 튀는 등 추가적인 나쁜 현상도 유발될 수 있다.

(문헌3)은 이러한 모순점을 적절히 해결하기 위해, 림 배수만을 따로 떼어내서 탱크에 의한 자연배수로 대체하고 있다. 그러나 이 경우는 직수 밸브 구성과 탱크 밸브 구성까지 2개의 밸브와 밸브간 결합작동 콘트롤러까지 동시에 하나의 변기에 구비해야 하므로 구조가 복잡해지고 가격이 올라가며 여전히 림 배수는 한번 밖에 할 수 없다.

(문헌4)는 필밸브의 동작지연을 조금이나마 해소하기 위하여 다이어프램 압력실에 압력수를 강하고 빠르게 채워 넣는 일종의 채찍 구성을 도입하고 있는데 이 구성은 실린더 내부의 피스톤처럼 완전 밀폐식으로 작동하는 것도 아니며 기본적으로 압력수 보충관의 유량단면적이 작으므로 실질적인 동작시간 단축성능은 미미하다.

본 발명은 상술한 바와 같이 특유의 동작지연으로 인해 림-제트-림 순서의 바람직한 세척수 급수패턴을 제대로 구현하기 힘든 종래의 강제배수식 자동제어변기에서 밸브 개폐에 의존하지 않고 개방된 밸브경로를 기계적으로 전환하는 개념을 도입하여 세척수 절약성능 측면에서 가장 핵심적 요소가 되는 세척수 전환속도를 크게 향상시킨 것이다.

삼방밸브(3way valve)는 하나의 유입구와 2개의 유출구를 갖는 밸브로써 밸브하우징 내부의 밸브체 운동에 의해 유입되는 유체의 유출경로를 전환할 수 있는 밸브이다. 작동방식은 수동으로 직접 내부 밸브체를 조작하는 것도 가능하며, 주로 밸브체를 작동시키는 방식에 따라 모터를 이용한 전동식, 솔레노이드를 이용한 자력식, 유체 압력을 이용한 유압식 등으로 나눌 수 있는데, 이중 회전속도를 전원 주파수에 연동시켜 회전각 제어가 용이한 전동식 밸브는 동작이 빠르고 구조를 간단하게 할 수 있어 다양한 용도로 널리 사용되고 있다.

그러나 (주로 회전 운동하는) 내부 밸브체는 구조적으로 밸브하우징과 마찰이 큰 구조이며 특히 수밀성 향상을 위해 회전식 밸브체의 재료로 EPDM등 합성 고무를 주로 사용하고 있으므로 작동수압이 높을 경우 밸브체 변형 등으로 회전저항이 더욱 커지고 마모가 심해지는 단점이 있다.

이는 종종 밸브체 회전용 모터의 과부하에 따른 수명단축으로 이어진다. 따라서 삼방밸브는 보일러의 난방수/온수 전환 등 작동수압이 높지 않고, 조작회수가 많지 않으며, 밸브체 회전속도가 느려도 무방한 분야에 적합하다는 고정관념으로 이어져 왔다.

그러나 본 발명은 제트배수, 또는 림배수만 이루어지는 통상의 직수세척식 변기에서 수밀성이 요구되는 세척수의 급수/단수시에는 필요에 따라 필밸브 등 다이어프램 압력식 밸브를 이용하고, 수밀성이 덜 요구되는 세척수의 중간 분배과정에서만 삼방밸브를 이용하되 림-제트-림 배수전환이 충분히 가능하도록 밸브체 회전속도를 높여서 적용하였다.

또한 마이컴(MICOM: 마이크로 컴퓨터)을 이용하여 세척수 급수 및 단수용 필밸브의 압력수 자동제어기와 삼방밸브의 동기식 회전모터를 전자적으로 통합 제어함으로써 한 번의 버튼 조작으로 세척수 배수가 시작되고 이후 림-제트-림 순서로 빠르고 매끄러운 급수경로 전환이 이루어지고 난 다음 자동으로 배수 중단이 되게 하였다.

본 발명에 의하면 2개의 전자제어식 필밸브로 고압의 세척수를 림-제트-림 등의 순서로 전환하는데 있어 개폐응답성이 느린 필 밸브에만 모든 분배과정을 전적으로 의존하여 세척수 분배 전환속도가 느렸었던 종래의 문제점을 매우 효과적으로 해결할 수 있다.

그리고 전체 세척수 급수의 개시와 중지를 담당하는 1개의 전자제어식 필밸브와 결합된 본 발명의 경우, 삼방밸브 내부 회전식 밸브체의 수밀성능에 대해 비교적 자유로우므로, 밸브체와 밸브하우징 간에 마찰이 적은 저 수압형(낮은 수밀성)의 설계로 삼방밸브를 설계할 수 있다. 이는 다시 말해서 더욱 적은 동력으로 더욱 빠르게 세척수를 전환시킬 수 있음을 의미하며, 삼방밸브의 수명 또한 크게 연장되므로 결과적으로 극히 빈번하게 동작되어야 하는 변기의 사용조건 하에서도 신뢰성 있게 채택될 수 있다.

도 1은 본 세척수 분배장치 실시예의 평면도
도 2는 본 세척수 분배장치 실시예의 좌측면도
도 3은 본 세척수 분배장치 실시예의 정면도
도 4는 도 1~3의 세척수 분배장치 실시예가 탑재된 본 발명 변기
도 5는 도 1~3의 세척수 분배장치에서 필밸브 닫힘 작동상태도(작동 대기상태)
도 6은 도 1~3의 세척수 분배장치에서 림배수 작동상태도
도 7은 도 1~3의 세척수 분배장치에서 제트배수 작동상태도
도 8은 도 1~3의 세척수 분배장치에서 회전식밸브체가 중간각도에 위치한 양측 배수 작동상태도
도 9는 필밸브가 생략된 다른 세척수 분배장치 실시예의 필밸브 닫힘 작동상태도

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 기술적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래의 특정 실시예에서 특정 전문용어를 포함한 구성요소들과 이들의 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다.

도 1~3은 본 세척수 분배장치의 일 실시예를 나타낸 것이고 도 9는 본 세척수 분배장치의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 둘의 차이는 도 1~3의 경우 삼방밸브(80)에 세척수를 선택적으로 공급하는 메인 밸브로서 필밸브(42)를 더 설치한 것과 도 9의 경우 이를 생략하고 삼방밸브의 회전식 밸브체(81)가 급수경로의 전환은 물론 세척수 공급/차단을 수행하는 메인밸브의 기능까지 겸한 것이다.

상기 도면에서 삼방밸브(80)에 연결된 각부 구성을 살펴본다.

삼방밸브의 유입단은 급수구(11)이며 2개의 유출단은 각각 림배수구(21)와 제트배수구(31)이다.

림배수구(21)로 유출되는 물은 변기의 림배수관(20)을 따라 보울(50)쪽으로 배수되며, 제트배수구(31)로 유출되는 물은 변기의 제트배수관(30)을 따라 트랩 내의 사이펀 현상을 일으키는 핵심적 역할을 한다.(도 4참조) 한편 급수구(11)에는 급수관(10)으로부터 건물 내 배관의 고압수가 공급될 수 있거나 또는 저압의 변기 물탱크 저장수가 공급될 수 있다.

급수구(11)로부터 세척수를 공급받고, 림배수구(21)와 제트배수구(31)에 세척수를 번갈아 공급하는 것은 삼방밸브(80)내 회전식 밸브체(81)의 회전운동에 의해 이루어지는데 이는 이하의 도 5~9에서 자세히 설명한다.

도 4는 도 1~3의 세척수 분배장치 실시예가 탑재된 변기의 3면도를 도시한 것이다.

삼방밸브(80)를 제어하는 마이컴(70)과 마이컴(70)에 연결된 작동스위치(60)가 변기 일측에 추가 장착되고 필밸브(42)를 개폐하는 압력수 자동제어기(44) 역시 마이컴(70)에 연결되어 제어된다. 따라서 필밸브의 개방시점에 맞추어 삼방밸브 내 동기식 모터를 설정된 시간 동안 정,역회전 시킬 수 있으며 그에 따라 별도의 복잡한 조작 없이 사용자는 작동스위치(60)를 한번만 누르면 마이컴에 설정된 간단 제어회로가 동작하여 림배수 개시(필밸브 개방 및 삼방밸브 초기위치 유지)-제트배수(삼방밸브 다음위치 전환)-림배수 중단(필밸브 폐쇄 및 삼방밸브 초기위치 복귀)의 조작이 빠르고 매끄럽게 진행된다.

한편 변기의 사용신뢰성을 높이기 위한 추가 설계로서 각각의 주요 동작부에는 모두 수동제어기가 추가 설치되었다. 정전 또는 내부전원 고갈이나 마이컴, 삼방밸브모터, 압력수 자동제어용 솔레노이드 밸브 등의 고장 시, 사용자는 변기 뚜껑을 열고 수동제어기(82, 45)로 급수의 시작, 중지(필밸브 내 압력수 충전배출조작)와 세척수 경로 전환(삼방밸브의 회전식 밸브체(81) 회전조작)을 수동으로 자유롭게 조작할 수 있음은 물론이다.

도 5는 도 1~3의 실시예에서 필밸브 닫힘상태, 즉 작동 대기상태이며 도 6은 림배수 공급 중, 도 7은 제트배수 공급 중, 도 8은 회전식 밸브체(81)가 중간각도에 위치하여 림과 제트 배수전환의 중간 상태를 나타낸 것이다. 그리고 도 9는 필밸브가 생략된 다른 세척수 분배장치 실시예에서 회전식 밸브체로 급수구를 밀폐하고 있는 상태를 나타낸 것이다.

삼방밸브(80)에서 회전식 밸브체(81)는 주로 EPDM(ethylene propylene diene M-class rubber)과 같은 합성고무로 만들며 밸브하우징은 순동 또는 동합금으로 만들어진다. 그리고 밸브체 회전용 모터는 교류전원의 주파수에 동기하여 회전하는 동기식 모터(Synchronous Motor)를 주로 사용하는데, 회전속도가 전원주파수에 완전하게 대응하므로 유도식 모터에서와 같은 슬립이 없어 마이컴(70)에 의해 정확한 회전각을 구현할 수 있다.

그리고 회전식 밸브체(81)는 림측과 제트측의 세척수 공급이 서로 끊이지 않고 자연스럽게 연결되기 위해서(다시 말해 최소의 세척수량으로 사이펀 현상을 유도하기 위해서) 도 8과 같은 상태를 구현할 수 있도록 유체 경로를 설계하여야 한다.

한편 삼방밸브는 이미 생산된 기성품을 그대로 활용할 수도 있는데, 통상적인 220/240VAC 50/60Hz 전원을 사용하는 삼방밸브의 경우 최적 사용압력이 0.2~3 kg/㎠에 불과하고 한계 사용압력도 8kg/㎠에 그치며 동작시간은 10sec에 이를 정도로 느린 편이다. 따라서 일반적인 수도관의 사용압력이 10kg/㎠ 이고 시험압력은 15kg/㎠ 임을 감안하면 기성품 삼방밸브로 도 9와 같이 급수관 경로에 직접 배치하는 것은 어렵다.

그러나 기성품의 삼방밸브가 이처럼 낮은 동작한계를 보이는 주 원인은 앞서 기술한 바와 같이 자체적으로 수밀성을 확보하기 위해 동합금제 밸브하우징과 밀착성이 좋도록 변형가능한 합성고무로 회전식 밸브체(81)를 성형하였기 때문이다. 따라서 밸브 하우징과 약간의 간극을 두고 같은 동합금제로 강체형 회전식 밸브체를 설계한다면 고압의 분사에 충분히 견딜 수 있으며 유체윤활이 되는 상태이므로 회전모터에 걸리는 부하도 크게 낮아지게 된다. 즉 도 8과 같이 매끄러운 배수 전환을 위해서 마이컴이 의도적인 중간구간도 설정할 수 있음을 감안한다면 밸브체와 밸브하우징 간 간극에 의해 림배수 중에 제트배수 쪽으로의 약간의 누수나, 그 반대의 경우도 별로 문제되지 않는 것이다. 따라서 필밸브(42)에 의해 급수관을 개폐할 수 있다면 상기와 같이 변형 설계된 삼방밸브는 고압의 직수식 변기에도 사용 가능한 것이다.

물론 필요에 따라 저압의 물탱크식 변기에서 세척수량을 좀더 절약하기 위해 통상의 수밀성이 확보되는 삼방밸브로 도 9와 같이 필밸브 없이 세척수를 제어할 수도 있을 것이다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되지 않는다. 다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순 변경 및 간단 확장 사례를 구현할 수도 있으나, 이 또한 이하의 청구범위로 표현되는 본 발명 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.

10: 급수관 11: 급수구
20: 림배수관 21: 림배수구
30: 제트배수관 31: 제트배수구
42: 필밸브
43: 압력수 자동배출관
44: 압력수 자동제어기
45: 압력수 수동제어기
46: 압력수 수동배출관
47: 압력수 드레인관
50: 보울
60: 작동스위치
70: 마이컴
80: 삼방밸브
81: (삼방밸브의) 회전식 밸브체
82: (삼방밸브의) 수동제어기

Claims (3)

1. 삭제
2. 림배수관(20)과 제트배수관(30)에 세척수를 분배 공급하는 변기의 세척수 분배장치에 있어서,
   급수구(11)로부터 세척수를 공급받고, 회전식 밸브체(81)의 회전운동에 의해 림배수구(21)와 제트배수구(31)에 세척수를 번갈아 공급하도록 설정되는 삼방밸브(80)와, 상기 삼방밸브를 제어하는 마이컴(70) 및 상기 마이컴(70)에 연결된 작동스위치(60)를 포함하여 구성되고,
   상기 삼방밸브(80)는 수동조작에 의해 상기 회전식 밸브체(81)를 회전시키는 수동제어기(82)가 더 구비되며,
   상기 삼방밸브의 상기 급수구(11)쪽에는 급수관(10)으로부터 유입되는 세척수를 상기 삼방밸브에 선택적으로 공급하는 필밸브(42)가 더 구비되고,
   상기 필밸브(42)에는 상기 마이컴(70)에 의해 자동 제어되는 압력수 자동제어기(44)와 수동조작용 압력수 수동제어기(45)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 세척수 분배장치.
3. 제2항에 기재된 세척수 분배장치를 탑재한 변기.

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