KR101259451B1 - 볼 밸브 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체가 개방된 유로를 통해 일방향으로 유동될 때 상기 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼이 닫히는 정도를 감지하여, 상기 감지된 볼의 변동분에 따라 볼의 개방제어 여부를 결정하여 실제로 볼의 개방정도를 실시간으로 제어함으로써 빈번한 볼 밸브의 제어를 방지하고, 안정적으로 유체의 흐름을 유지할 수 있는 볼 밸브 제어장치 및 그 제어방법을 제공한다.

Description

볼 밸브 제어장치 및 그 제어방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING BALL VALVE}

본 발명은 유속 또는 압력에 의한 점진적인 볼 닫힘 현상을 실시간으로 보상할 수 있는 볼 밸브 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 볼 밸브는 나사에 의해 소정 형상의 볼을 밸브 시트에 밀착하여 회전함으로써 유로를 개폐하거나 유체의 흐름을 조절하는 밸브이다. 상기 볼 밸브는 밸브의 개폐 속도가 빠르고 내압성이 있어 상수관이나 가스관등에 주로 사용되고 있다.

상기 볼 밸브는 내장된 볼의 형상에 따라 구의 형태를 갖는 구형 밸브, 볼에 노치가 형성된 노치형 밸브 및 반구의 형태를 갖는 반구형 밸브로 구별된다.

도 1은 종래 수동 볼 밸브의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와같이, 일반적인 볼 밸브는 핸들(12)과 볼(10)이 샤프트 (11)을 통해 연결되어 있으며, 상기 볼(10)은 상기 본체(50)의 내부에 마련된 볼 안착구에 구비된다.

상기 핸들(12)이 회전되면 그 회전력이 샤프트(11)를 통해 볼(10)에 전달된다. 따라서, 상기 볼(10)이 90도 회전되어 볼(10)의 중심에 형성된 구멍(2a)의 중심선이 본체(50)에 형성된 유로(1a, 1b)의 중심선과 일치되면 유로가 개방되고, 그 반대로 볼(10)에 형성된 구멍(2a)의 중심선이 본체(50)에 형성된 유로(1a, 1b)의 중심선과 90도 각을 이루게 되면 유로가 차단된다.

이와같이 종래의 수동 볼 밸브는 핸들(12)로 볼(10)의 회전을 조절하여 유로를 개방 또는 차단함으로써 유로(1a, 1b)를 통해 흐르는 유체의 흐름을 단속한다.

자동 볼 밸브(Automatic Ball Valve)는 볼 밸브에 엑츄에이터를 결합하여 유체 유로의 온오프(On/Off)를 동력(전동식, 공압식, 유압식)에 따라 제어하는 볼 밸브를 말한다.

도 2는 종래 자동 볼 밸브의 정면도이고, 도 3은 자동 볼 밸브의 바디와 액츄에이터간의 결합도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와같이, 종래의 자동 볼 밸브는 바디(101)와 캡(102)의 결합체인 하우징(100)의 상부에 압축 공기 또는 압축 가스를 이용하여 볼(110)을 회전시키기 위한 제어부재 즉 액츄에이터(150)가 결합되는 구조를 갖는다.

상기 하우징(100)과 액츄에이터(150)는 브라켓(130)을 통해 연결되고, 상기 하우징(100)내의 스템(120)은 볼(110)을 회전시키기 위해 일단은 볼(110)과 연결되고 타단은 축(140)을 통해 액츄에이터(150)와 연결된다. 이때, 상기 브라켓(130)과 축(140)은 결합부재(180)로 칭한다. 또한, 상기 브라켓(130)과 바디(101)는 볼트 및 너트와 같은 고정수단(170)에 의해 결합되고, 그랜드 플렌지(160)은 바디(101)와 결합된다.

따라서, 유체 압력과 마찰에 의해 밸브에 조작 부하가 발생되면 액츄에이터 (150)는 구동력을 발생하여 일단에 연결된 스템(120)을 회전시키고, 스템(120)의 회전에 의해 스템(120)의 타단에 연결된 볼(110)이 회전하여 밸브가 개방된다. 그 결과 상기 밸브의 개방에 의해 유로가 개방되어 내부의 유체가 상기 개방된 유로를 통하여 일방향으로 유동된다.

그런데, 상기 유체가 개방된 유로를 통하여 일방향으로 유동되면 유속 또는 압력에 의해 볼(110)이 서서히 닫히는 현상이 발생된다. 이러한 현상은 유체의 유속 및 압력이 높을수록 빈번하게 발생하게 되어 유체의 유동 속도를 저하시키는 원인이 된다.

이와같이 유속 또는 압력에 의해 발생하는 볼(110)의 닫힘 현상은 짧은 시간내에 정확하게 보상하는 것이 볼 밸브의 성능을 좌우한다. 하지만, 종래의 볼 밸브 제어장치는 단순히 액츄에이터(150)를 통해 볼(110)의 개방 또는 개폐만 제어할 뿐 실시간으로 정밀한 제어를 수행하지 못하는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 유속 또는 압력에 의한 볼의 닫힘 현상을 실시간으로 보상할 수 있는 볼 밸브 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 볼의 개방정도를 정밀하게 제어할 수 있는 볼 밸브 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 볼 밸브 제어장치는, 유로 개폐용 볼이 장착된 바디; 및 상기 볼의 개폐를 제어하고, 볼 개방 상태에서 유로를 유동하는 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼 닫힘 현상이 발생하면 볼의 회전각 변화에 연동하여 볼의 회전축을 제어하여 실시간으로 상기 볼 닫힘 현상을 보상하는 볼 개폐 제어수단;을 포함한다.

상기 볼 개폐 제어수단은, 유로 개폐용 볼이 장착된 바디; 상기 볼에 연결되어 제어신호에 따라 볼을 회전시키는 회전축; 상기 회전축상에 장착되어 유로를 유동하는 유체의 유속 또는 압력에 의한 상기 볼의 회전각 변화를 감지하는 볼 변위 감지수단; 상기 볼의 개방을 제어하기 위한 초기 제어신호를 출력하고, 상기 변위 감지수단에서 감지된 볼의 회전각 변화에 따라 볼의 개방을 제어하기 위한 보상신호를 출력하는 포인터 설정수단; 및 상기 포인터 설정수단에서 출력된 신호에 따라 회전축을 회전시켜 상기 볼의 개방을 조절하는 볼 작동 수단;을 포함한다.

상기 볼 변위 감지수단은 실시간 또는 소정 주기에 따라 볼의 회전각 변화를 감지한다.

상기 볼 변위 감지수단은 포지셔너(Positioner)이다.

상기 포인터 설정수단은 변위 감지수단에서 감지된 볼의 회전각 변화가 소정 임계값이상일 때만 보상신호를 출력한다.

상기 포인터 설정수단은 볼 변위 감지수단에서 출력된 볼의 회전각 변화를 전달하는 솔레노이드; 및 볼의 개방을 제어하기 위한 초기 제어신호 및 임계값을 설정하고, 상기 솔레노이드를 통해 전달된 볼의 회전각 변화와 임계값을 비교하여 볼의 개방 제어여부를 결정 및 보상신호를 생성하는 포텐셔미터;로 구성된다.

상기 볼 작동 수단은 전동식 액츄에이터, 공압식 액츄에이터 또는 유압식 액츄에이터 중 하나로 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 볼 밸브 제어방법은 볼 개방을 제어하기 위한 기준값 및 임계값을 설정하는 단계; 기준값으로 회전축을 회전시켜 볼의 개방을 제어하는 단계; 볼 개방상태에서 유로를 유동하는 유체의 유속 또는 압력에 따른 볼의 회전각 변화를 감지하는 단계; 및 감지된 볼의 회전각 변화에 따라 회전축을 회전시켜 볼의 개방을 보상하는 단계;를 포함한다.

상기 볼의 회전각 변화는 실시간 또는 소정 주기에 따라 감지된다.

상기 볼은 회전각 변화가 소정 임계값이상일 때만 개방이 보상된다.

상기 볼의 개방을 보상하는 단계는 볼 변위 감지수단에서 출력된 볼의 회전각 변화를 수신하는 단계; 및 상기 솔레노이드를 통해 전달된 볼의 회전각 변화를 임계값을 비교하여 볼의 개방 제어여부를 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명은 유체가 개방된 유로를 통해 일방향으로 유동될 때 상기 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼이 닫히는 정도를 감지하여, 상기 감지된 볼의 변동분에 따라 볼의 개방제어 여부를 결정하여 실제로 볼의 개방정도를 실시간으로 제어함으로써 빈번한 볼 밸브의 제어를 방지하고, 유체의 흐름을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 수동 볼 밸브의 단면도.
도 2는 종래 자동 볼 밸브의 정면도.
도 3은 자동 볼 밸브의 바디와 액츄에이터간의 결합도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 볼 밸브 제어장치의 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 포인터 설정수단의 상세 구성도.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 볼 밸브 제어장치의 일 예로서, 유압식 볼 작동수단을 구비한 볼 밸브 제어장치의 부분 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 볼 밸브의 제어방법을 나타낸 순서도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 볼의 개방 정도를 정밀하게 설정하여 제어하고, 개방된 유로를 통해 유체가 유동할 때 유체의 유속 또는 압력에 의해 발생하는 볼의 닫힘 현상을 실시간으로 보상할 수 있는 볼 밸브의 개폐 제어장치를 제공한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 볼 밸브의 개폐 제어장치의 구성도이다. 도 5는 도 4에 도시된 포인터 설정수단(200)의 일 구성도이고, 도 6a 내지 도 6c는 도 4에 의해 구현한 볼 밸브의 개폐 제어장치의 일 예이다.

도 4 및 도 6a 내지 6c에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 볼 밸브는 볼 밸브의 바디(몸체)(203)에 연결되어, 유로(10a, 10b)를 흐르는 유체의 유속 또는 압력에 의한 볼의 회전을 감지하여 자동으로 볼의 담힘을 조절하는 볼 개폐 제어수단 (300)이 연결된 구조를 가지고 있다.

상기 볼 개페 제어수단(300)은 포인터 설정수단(200), 볼 작동수단(201) 및 볼 변위 감지수단(202)을 포함한다. 본 발명은 설명의 편의를 위하여 도 1를 예로들었으나 이에 한정되지 않고, 상기 제어수단은 모든 형태의 볼 밸브에 적용된다.

상기 포인터 설정수단(200)은 사용자가 볼(204)의 개방 정도를 수동으로 설정하는 부분으로, 사용자는 표시수단(미도시)으로 확인하면서 특정 포인터를 이용하여 개방정보의 기준값을 설정한다. 또한, 상기 포인터 설정수단(200)은 볼 변위 감지수단(202)에서 제공된 볼(204)의 회전 각 변위에 따라 볼(204)의 개방상태를 파악하여, 상기 수동으로 설정된 기준값과 비교하여 볼 작동수단(201)으로 보상신호를 출력한다.

상기 볼 작동 수단(201)은 실제로 볼을 회전을 제어하는 부분으로, 상기 포인터 설정수단(200)에서 출력된 제어신호에 따라 회전축(205)을 제어하여 볼(204)의 개방정도(각도)를 제어하고, 이후 볼 닫힘 현상에 의해 볼(204)의 회전각이 변동되면 포인터 설정수단(200)에서 출력된 보상신호에 따라 회전축(205)을 제어하여 실시간으로 볼(204)의 개방정도(각도)를 재차 제어함으로써 볼(204)의 닫힘 현상을 보상한다.

상기 볼 작동수단(201)은 액츄에이터(Actuator)로서, 전동식 액츄에이터, 공압식 액츄에이터 또는 유압식 액츄에이터 중의 하나로 구성된다.

상기 볼 변위 감지수단(202)은 포지셔너(Positioner)로 구성되어 상기 회전축(205)상에 위치하며, 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼(204)이 닫히게 되면 해당 볼(204)의 변위에 연동되어 움직여, 상기 볼(204)의 회전 각 변위(변동)를 감지한다. 특히 상기 볼 변위 감지수단(202)은 스템 또는 스템 조립체상에 위치할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 포인터 설정수단(200)의 일 구성도이다.

도 5를 참조하면, 포인터 설정 수단(200)은 볼(204) 개방의 기준값을 설정하여 볼 작동수단(201)으로 출력하고, 볼(204)의 회전각이 변동되면 기준값과 비교하여 보상신호를 출력하는 포텐셔미터(Potentiometer)(20)와, 상기 포인터 설정수단 (200)에서 감지된 볼(204)의 회전각 변동에 따라 소정의 저항값을 상기 포텐셔미터 (20)로 출력하는 솔레노이드(21)로 구성된다.

도 6a 내지 도 6c는 도 4에 도시된 볼 밸브의 개폐 제어장치의 일 예를 나타낸 부분 단면도이다. 특히 도 6a 내지 도 6c는 볼 작동 수단(201)을 유압식 액츄에이터로 구성한 예이다.

이와같이 구성된 볼 밸브의 개폐 제어장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 볼 밸브의 제어방법을 나타낸 순서도이다.

도 7에 도시된 바와같이, 사용자는 포인터 설정수단(200)을 통해 볼(204)의 개방정도를 제어하기 위한 기준값과 함께 볼(204)의 회전각의 변동 허용범위를 나타내는 임계값을 설정한다(S10). 사용자는 볼 밸브에 구비된 표시수단(미도시)를 통해 시각적으로 확인하면서 수동으로 기준값 및 임계값을 설정한다. 상기 기준값 및 임계값은 %로 설정되는데, 예를들면, 기준값은 100%로 설정되고, 임계값은 1%~5%로 설정된다. 상기 설정된 기준값 및 임계값을 저장수단(미도시)에 저장된다.

일단 기준값 및 임계값이 설정되면 포인터 설정수단(200)은 상기 기준값에 해당하는 기준 제어신호를 볼 작동수단(201)으로 출력하고, 상기 볼 작동 수단 (201)은 기준 제어신호에 따라 액츄에이터를 가동하여 회전축(205)를 회전시킴으로써 회전축에 연결된 볼(204)을 예를들면 100%로 개방한다(S11). 이때, 상기 볼 작동수단(201)은 액츄에이터가 전동식 액츄에이터인 경우에는 전동기를 구동하여 회전력(Torque)과 추력(Thrust)를 발생하여 상기 회전축(205)를 회전시키고, 공압식 액츄에이터인 경우에는 압축공기 또는 압축가스를 사용하여 실린더를 작동시켜 회전축(205)을 회전시킨다. 또한, 상기 액츄에이터가 유압식 액츄에이터인 경우 볼 작동수단 (201)은 압축 오일의 물리적 에너지를 사용하여 회전축 (205)를 회전시킨다.

따라서, 상기 개방된 볼(204)에 의해 유로(10a, 10b)가 개방되어 내부의 유체가 개방된 유로(10a, 10b)를 통하여 일방향으로 유동된다. 그런데, 상기 내부의 유체가 개방된 유로를 통하여 일방향으로 유동될 때 상기 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼(204)이 회전하여 유로가 서서히 닫히게 된다.

상기 볼(204)이 회전하면 회전축(205)상에 위치하는 볼 변위 감지수단(202)도 연동되어 회전하기 때문에 상기 볼 변위 감지수단(202)은 회전각 변화를 상기 볼(204)의 회전각이 변동으로 감지한다(S12). 이러한 감지동작은 실시간으로 또는 주기적으로 수행될 수 있다.

상기 볼 변위 감지수단(202)에서 감지된 볼(204)의 회전각 변동은 포인터 설정수단(200)으로 피드백된다. 상기 포인터 설정수단(200)은 솔레노이드(21)를 통해 볼 변위 감지수단(202)에서 출력된 회전각 변화를 저항값으로 제공받을 수 있다. 포인터 설정수단(200)의 포텐셔미터(20)는 솔레노이드(21)로부터 전달된 저항값을 근거로 볼(204)의 개방 변동값(%)를 파악한 후 상기 개방 변동값이 임계값을 초과하는지 체크한다(S13). 즉, 볼(204)의 회전각 변동을 근거로 볼(204)의 개방을 제어할지 또는 제어하지 않을지 결정한다. 이러한 결정 동작은 너무 빈번하게 볼(204)의 제어동작을 수행하는 것을 방지할 수 있다.

체크결과, 상기 볼(204)의 회전각 변동 즉, 개방변동값(%)이 임계값(예;1%)을 초과하지 않으면 포인터 설정수단(200)은 볼이 안정적으로 닫혀 있다고 인식하고 볼(204)의 개방을 제어하지 않고 다시 상기 단계(S11)을 수행한다. 반면에, 상기 볼(204)의 회전각 변동이 임계값을 초과하면, 포인터 설정수단(200)은 볼(204)의 개방을 제어하기 위한 보상신호를 생성하여 볼 작동 수단(201)으로 출력하고(S14), 상기 볼 작동 수단(201)은 보상 제어신호에 따라 액츄에이터를 가동하여 회전축(205)를 회전시켜 볼(204)의 개방을 보상한다(S15). 상기 보상신호는 현재의 소정 닫힌 상태를 100% 개방상태로 만들기 위한 제어값이다.

상기와 같은 일련의 동작은 볼 밸브의 동작이 종료될 때까지 반복적으로 수행되고, 상기 볼 밸브의 동작이 종료되면 모든 제어과정이 종료된다(S16).

상술한 바와같이 본 발명은 유체가 개방된 유로를 통해 일방향으로 유동될 때 상기 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼이 닫히는 정도를 감지하여, 상기 감지된 볼의 변동분에 따라 볼의 개방제어 여부를 결정하여 실제로 볼의 개방정도를 실시간으로 제어함으로써 빈번한 볼 밸브 제어를 방지하고, 안정적으로 유체의 흐름을 유지할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같이 설명된 볼 밸브의 개폐 제어장치 및 그 제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

20 : 포텐셔미터 21 : 솔레노이드
200 : 포인터 설정 수단 201 : 제어수단
202 : 볼 변위 감지수단 204 : 볼
205 : 회전축 300 : 볼 개폐 제어수단

Claims (11)

1. 유로 개폐용 볼이 장착된 바디;
   상기 볼에 연결되어 구동신호에 따라 볼을 회전시키는 회전축;
   상기 회전축상에 장착되어 유로를 유동하는 유체의 유속 또는 압력에 의해 볼이 회전할 때 볼의 회전각 변화를 감지하는 볼 변위 감지수단;
   상기 볼의 개방을 제어하기 위한 초기 제어신호를 출력하고, 상기 볼 변위 감지수단에서 감지된 볼의 회전각 변화에 따라 볼의 개방 제어 여부를 결정하여, 상기 볼의 회전각 변화에 해당하는 보상 제어신호를 출력하는 포인터 설정수단; 및
   상기 포인터 설정수단에서 출력된 제어신호에 대응되는 구동신호로 회전축을 회전시켜 볼의 개방을 조절하는 볼 작동 수단;을 포함하며,
   상기 포인터 설정수단은
   표시수단을 구비하여 사용자 입력에 따라 볼의 개방을 제어하기 위한 기준값과 볼의 회전각의 변동 허용범위를 나타내는 임계값을 저장하며, 상기 볼 변위 감지수단에서 감지된 볼의 회전각 변화가 임계값이상일 때만 보상신호를 출력하여 볼의 개방을 제어하는 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제어장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 볼 변위 감지수단은
   실시간 또는 소정 주기에 따라 볼의 회전각 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제어장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 볼 변위 감지수단은
   포지셔너(Positioner)인 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제어장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 포인터 설정수단은
   볼 변위 감지수단에서 출력된 볼의 회전각 변화를 전달하는 솔레노이드; 및
   볼의 개방을 제어하기 위한 초기 제어신호 및 임계값을 설정하고, 상기 솔레노이드를 통해 전달된 볼의 회전각 변화와 임계값을 비교하여 볼의 개방제어 여부를 결정 및 보상신호를 생성하는 포텐셔미터(Potentiometer);로 구성된 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제어장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 볼 작동 수단
   전동식 액츄에이터, 공압식 액츄에이터 또는 유압식 액츄에이터 중의 하나인 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제어장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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