KR101459710B1 - 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에 관한 것으로,
보다 상세하게는 정유시설, 발전소, 저수지, 펌프장, 수료용 수문, 댐 등에서 유체의 흐름을 개폐하는 밸브를 작동시키는 액추에이터에 있어서, 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 중에 전원이 차단될 경우 밸브를 작동 이전 상태로 자동으로 비상 복귀시켜, 밸브가 작동 중 정지됨으로써 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있도록 하는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에 관한 것이다.

Description

밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터{FAIL-SAFE SYSTEM FOR ACTUATOR}

본 발명은 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에 관한 것으로,

보다 상세하게는 정유시설, 발전소, 저수지, 펌프장, 수료용 수문, 댐 등에서 유체의 흐름을 개폐하는 밸브를 작동시키는 액추에이터에 있어서, 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 중에 전원이 차단될 경우 밸브를 작동 이전 상태로 자동으로 비상 복귀시켜, 밸브가 작동 중 정지됨으로써 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있도록 하는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에 관한 것이다.

점차로 고도화되는 산업 구조의 개편에 따라 전 산언 분야에 걸쳐, 기존의 개별적인 유인 관리 시스템에서 통합화되고, 무인화된 통합운영체계로 발전을 함에 따라 이에 상응하여 효율적인 통합 운영체계의 구축이 이루어지고 있으며, 특히 유체의 흐름을 제어하는 밸브 관련 부분에서는 원격에서의 효율적인 제어가 가능한 자동 밸브 및 각종 자동 유량 제어장치의 보급이 급속도로 이루어지고 있다.

이러한 자동 유량 제어장치에 사용되는 전동 액추에이터는 밸브 및 조절용 댐퍼 등을 자동화하는데 꼭 필요한 구동장치로써, 제어부와 부속적인 기어장치, 모터 등으로 구성되어 있다.

상기 전동 액추에이터의 구조를 간단하게 설명하면, 전원 인가에 따라 회전하는 모터의 회전축 끝단부에 웜기어가 구비되며, 기어 설치부에 상기 웜기어와 맞물리면서 회전하는 웜휠과, 이와 연동하는 감속기어들로 구성된 각종 중개기어가 설치되며, 상기 중개기어를 통하여 토크가 향상되어 전달되는 회전력에 의하여 밸브와 연결된 종동축이 작동함에 따라 밸브의 개폐가 이루어진다.

그런데 이러한 종래 전동 액추에이터에 있어서 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 중에 모터를 구동시키는 전원이 정전 등에 의하여 차단될 경우, 모터를 비롯한 작동수단이 동시에 정지됨에 따라 밸브는 개방 또는 폐쇄 동작 중 정지상태가 된다.

이러한 경우 밸브의 작동 정지 상태가 장시간 유지되면, 작동 중(또는 작동 완료 후) 정지된 밸브 또는 유체가 흐르는 파이프라인 등의 파손, 액추에이터의 각종 부품들의 고장 등으로 인한 유체의 누출, 설비 파괴 등의 안전사고가 발생할 위험이 있다.

따라서 대부분의 전동 액추에이터는 수동으로 밸브의 개폐를 조작할 수 있는 수동 핸들이 더 구비되어 비상 상황에 맞춰 밸브를 수동으로 작동시켜 안전사고가 발생하지 않도록 한다.

상기와 같은 수동 핸들을 구비한 전동 액추에이터에 관한 종래 기술로써, 대한민국 공개특허 제10-2008-0100887호(2008.11.21.) "액추에이터 비상구동장치"(이하 종래 기술 1이라 함.)가 있는데,

상기 종래 기술 1은 정전 시에도 액추에이터를 수동으로 작동하여 관로의 밸브를 작동시킬 수 있도록 하여 가스나 오일 등의 누출로 인한 사고를 신속히 대처할 수 있도록 된 액추에이터의 비상구동장치이다.

상기 종래 기술 1은 다수의 회전체, 회전축, 기어들의 연동으로 작동하는 밸브의 수동 조작을 위하여 회전 핸들이 고정된 제3회전축과, 다른 기어와 회전축을 일체로 회전되도록 결속시키거나 결속을 해제하는 결속수단을 포함하여 이루어진다.

이에 따라 상기 종래 기술 1은 정전 등의 비상 상황이 발생하여 액추에이터가 작동되지 않을 경우 작업자가 상기 결속수단을 통하여 회전 핸들이 고정된 제3회전축과, 밸브 작동에 직접적으로 연계되는 다른 기어와 회전축을 결속시킨 다음 회전핸들을 정역회전시켜 밸브를 수동으로 작동시킬 수 있다.

그러나 상기 종래 기술 1은 작업자가 직접 밸브를 수동으로 작동시켜야 하므로, 비상 상황 발생 시 빠른 대처가 이루어지지 않게 되면 안전사고로 확산될 위험이 크고, 밸브의 크기, 액추에이터의 구조 등에 따라 작업자가 손쉽게 수동으로 밸브를 작동시킬 수 없는 경우가 많기 때문에 전동 액추에이터의 안전장치로써 그 한계가 명확하며,

따라서 전원이 차단된 경우라 하더라도 비상 상황 발생 즉시, 자동으로 밸브의 개폐가 이루어지도록 하는 안전장치의 필요성이 대두되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로써, 대한민국 공개특허 제10-2004-0018063호(2004.03.02.) "전자밸브용 이머전시 액추에이터"(이하 종래 기술 2라 함.)가 있는데,

상기 종래 기술 2는 전원부의 전원이 갑자기 차단될 경우, 액추에이터를 작동시키는 마이크로 컨트롤러를 활성화시키기 위한 충전배터리가 즉각적으로 비상전원을 대체 공급하도록 하여 전원부의 전원 차단으로 인하여 발생될 수 있는 위급한 상황 내지는 손실을 미연에 방지할 수 있는 전자밸브용 액추에이터의 이머전시 액추에이터에 관한 것이다.

이를 위하여 상기 종래 기술 2는 전원 차단 시 비상전원을 공급받아 밸브체를 전체적으로 개방 또는 폐쇄시키는 풀오픈 상태/풀 클로즈상태, 그리고 전원부의 전원이 차단되기 이전의 상태로 유지시키는 페일스톱 상태 중 어느 하나의 상태로 마이크로 컨트롤러의 메모리에 페일모드 스위치를 이용하여 미리 설정 가능하게 함으로써, 전원부의 기능마비로 인한 상황을 유연하게 대처할 수 있으며, 전원부의 전원이 차단되어 충전 배터리의 전원이 대체되는 순간 비상접점이 동작되어 중앙 제어반에 긴급 상황의 시그널을 제공할 수 있도록 한다.

그러나 상기 종래 기술 2는 충전배터리를 이용하여 밸브의 제어가 전기적으로 이루어지므로, 장기간 사용에 따른 충전배터리의 기능 상실 또는 액추에이터의 전자적 결함 또는 액추에이터 자체의 화재 발생으로 인한 전원 차단 등의 비상 상황에서 상기한 밸브제어가 이루어질 수 없으므로 상기 종래 기술 2 또한 밸브 작동을 위한 액추에이터의 안전장치로써 완전하게 기능할 수 없는 한계가 있다.

이에 따라 기계 구조 설계를 통하여 어떠한 비상 상황이 발생하더라도 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동이 자동으로 이루어지도록 하는 안정장치가 필요하다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 다양한 종류의 모든 액추에이터에 적용 가능하여 범용성 및 효용성을 증대시키고, 전원 차단 시 별도의 후속 조치를 취하지 않더라도 밸브의 개방 또는 폐쇄가 자동으로 이루어지도록 하는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전원 차단이 발생하는 즉시, 밸브가 자동으로 작동 이전의 상태로 복귀하도록 함으로써, 작동 중 밸브 정지에 따른 안전사고를 방지할 수 있도록 밸브를 개폐시키는 구동축을 회전시키는 스크류 축과, 상기 스크류 축의 일방향 회전에 따른 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 시 전원이 차단될 경우 상기 스크류 축을 반대 방향으로 회전시켜 밸브가 작동 이전 상태로 복귀하도록 하는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 상기 비상 복귀 시스템을 단순 구조 설계를 통해 구현함으로써, 제조 용이성 확보 및 제조 단가를 절감할 수 있고, 액추에이터의 종류에 상관없이 액추에이터의 모든 부위에 밸브의 비상 복귀 시스템의 적용, 설치가 가능하도록 함으로써 액추에이터의 사용 안전성을 증대시킬 수 있도록 비상 복귀 수단으로써, 상기 스크류 축의 나사산과 치합되는 대응나사산이 구비되어 스크류 축의 회전에 의하여 하우징에서 일측 방향으로 전진 이동되는 스크류 너트와, 상기 하우징에서 상기 스크류 너트를 타측 방향으로 탄성, 지지하는 탄성체를 도입하여, 전원 차단 시 상기 탄성체의 탄성력에 의하여 스크류 너트가 타측 방향으로 자동 복귀 이동하면서 스크류 축을 최초 회전 반대 방향으로 회전되도록 하는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 밸브의 비상 복귀 시스템의 작동 안정성 확보 및 내구성 향상을 보장하고, 스크류 축의 나사산 사이로 탄성체가 끼어서 탄성체의 압축 및 스크류 너트의 전진 이동이 간섭되는 것을 방지할 수 있도록 상기 탄성체로써, 상기 스크류 축을 감싸도록 결합된 복수의 디스크 스프링이 적층되어 구성되는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 스크류 너트가 상기 스크류 축의 회전에 따라 동반 회전되지 않도록 함으로써, 스크류 너트의 전, 후진 이동 안정성을 확보할 수 있도록 상기 하우징과 상기 스크류 너트 사이에는 암수 결합 구조를 통해 상기 스크류 너트를 구속하는 안내부재를 포함하여 이루어지는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 스크류 축과 구동축의 결합 용이성 확보 및 전동모터에 의한 동반 회전을 안정적으로 보장할 수 있도록 스크류 축에 구비된 다각 형상의 결합돌기가, 상기 구동축에 구비된 동일 형상의 결합홈에 삽입되어 이루어지는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터는

하우징;

상기 하우징에 내장되며 전동모터의 의하여 회전하는 스크류 축;

상기 스크류 축과 연결되어 동반 회전하면서 밸브가 개폐되도록 하는 구동축; 및

상기 스크류 축의 일방향 회전에 의한 상기 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 시 전원이 차단될 경우 상기 스크류 축을 타방향 회전시켜 상기 밸브가 작동 이전 상태로 복귀하도록 하는 비상 복귀 수단;을 포함하여 이루어지되,

상기 비상 복귀 수단은

내주면에 상기 스크류 축의 나사산에 치합되는 대응나사산이 구비되어, 상기 스크류 축의 회전 시 상기 하우징에서 일측 방향으로 이동하도록 설치되어 있는 스크류 너트와,

상기 하우징에서 상기 스크류 너트를 타측 방향으로 탄성, 지지하는 탄성체를 포함하여 이루어짐으로써,

전원 차단 시 일측 방향으로 이동된 스크류 너트가 상기 탄성체의 탄성력에 의하여 타측 방향으로 이동함에 따라 상기 스크류 축이 최초 회전의 반대 방향으로 회전되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에서 상기 탄성체는 상기 스크류 축을 감싸도록 결합된 복수의 디스크 스프링이 적층되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

나아가 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에서 상기 하우징과 상기 스크류 너트 사이에는 암수 결합 구조를 통해 상기 스크류 너트가 상기 스크류 축과 동반 회전되지 않도록 구속하는 안내부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

이어서 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터에서 상기 스크류 축은 상기 구동축과 접하는 단부에 다각 형상으로 돌출된 결합돌기가 구비되고, 상기 구동축은 상기 스크류 축과 접하는 단부에 상기 결합돌기가 삽입되는 다각 형상의 결합홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 액추에이터는 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 시 전원이 차단될 경우 밸브가 작동 이전 상태로 복귀하도록 하는 밸브의 비상 복귀 수단을 도입함에 따라 정전 등의 비상 상황에서 별도의 후속 조치를 즉시 행하지 않더라도 밸브가 자동으로 개방 또는 폐쇄되므로, 밸브의 제어 이상에 따른 안전사고를 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 액추에이터는 전동모터의 회전력을 구동축으로 전달하는 스크류 축의 나사산에 치합되어 위치가 변위되는 스크류 너트와, 상기 스크류 너트를 탄성, 지지하는 탄성체로 구성된 밸브의 비상 복귀 수단을 도입하여 밸브의 비상 복귀 수단이 간단한 구조 설계를 통해 이루어지므로 액추에이터의 종류에 상관없이 액추에이터의 동력 전달 부위 어디에나 적용하여 설치할 수 있으므로 범용성 및 효용성이 뛰어나다.

나아가 본 발명에 따른 액추에이터는 복수의 디스크 스프링이 적층되어 구성된 탄성체를 도입하여 스크류 축의 회전 시 탄성체가 나사산 사이에 끼이거나, 스크류 축 및 구동축의 회전을 간섭하는 것을 방지할 수 있으므로 밸브의 비상 복귀 수단의 작동 안정성 확보 및 내구성 확보에 매우 유리하다.

또한 본 발명에 따른 액추에이터는 하우징의 안내부재를 따라 스크류 너트가 슬라이딩되면서 위치 변위가 이루어지므로 스크류 너트의 동반 회전을 방지하고, 스크류 너트가 상기 안내부재에 의하여 안내되면서 위치 변위가 이루어지므로 탄성체의 탄성력에 의한 위치 복귀 및 이로 인한 스크류 축의 복귀 회전이 안정적으로 구현된다.

나아가 본 발명에 따른 액추에이터는 다각 형상으로 돌출된 결합돌기를 통해 스크류 축과 구동축의 연결이 이루어지므로 상기 축들간의 회전 안정성 확보에 유리하며, 특히 밸브의 개폐 작동에 따른 압력 저항에 의하여 스크류 축과 구동축의 연결이 단절되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1a, 도 1b는 본 발명에 따른 액추에이터의 비상 복귀 수단의 실시예를 도시한 종단면도.
도 2는 본 발명에 따른 액추에이터의 밸브 비상 복귀 수단의 작동을 설명하기 위한 작동 흐름 단면도들.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 액추에이터의 비상 복귀 수단을 구성하는 각각의 부품들을 개별적으로 도시한 사시도 및 단면도들.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.

본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 설명함에 있어 편의를 위하여 엄밀하지 않은 대략의 방향 기준을 도 1을 참고하여 특정하면, 중력이 작용하는 방향을 하측으로 하여, 보이는 방향 그대로 상하좌우를 정한다.

특히 도 1에서 구동축(30)이 구비된 방향을 전방으로 하여 전, 후를 정하고, 설명의 편의를 위하여 스크류 너트(41)의 위치 변위를 전, 후진 이동 또는 승하강 변위로 혼용하여 설명하고, 다른 도면과 관련된 발명의 상세한 설명 및 청구범위에서도 다른 특별한 언급이 없는 한 이 기준에 따라 방향을 특정하여 기술한다.

이하에서는 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

우선 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터는 크게 전동 모터의 회전력을 전달하는 스크류 축(20)과, 상기 스크류 축(20)과 연결되어 밸브의 개폐 작동이 이루어지도록 하는 구동축(30) 및 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 중 정전 등의 이유로 전동 모터에 공급되는 전원이 차단될 경우 밸브를 작동 이전 상태로 자동으로 복귀시키는 비상 복귀 수단(40)을 포함하여 이루어진다.

도면에 도시되지 않았으나, 본 발명의 액추에이터는 전동모터의 회전축에 구비된 웜기어와, 상기 웜기어에 맞물리면서 회전하는 웜휠과, 이와 연동하여 회전하면서 토크값을 증가시키는 감속기어들로 구성된 각종 중개기어가 설치되어 있으며,

상기 중개기어를 통하여 밸브와 연결된 종동축이 작동하여 액추에이터의 본체 외부, 즉 유체가 이송되는 파이프 관 등에 설치된 밸브의 개폐가 이루어진다.

그리고 본 발명의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터가 설치되는 설치 대상인 밸브는 밸브의 종류에 따라 다회전용(Multi-Turn), 90˚회전용(Quarter-Turn), 수직용(Linear) 등으로 구분될 수 있고, 밸브의 형태에 따라 볼, 버터플라이 플러그 밸브 등을 통해 설치대상의 유체 흐름을 제어, 개폐하는 기능을 갖는다.

이러한 밸브의 작동을 위한 각종 기어, 축 등으로 이루어진 액추에이터의 작동 메커니즘은 실용신안등록 제0415405호 또는 특허등록 제0501246호에서와 같이 수동 자동 전환 수단을 이루는 수동 자동 전환 레버, 클러치 그리고 수동 핸들을 포함하여 이루어지며, 이와 관련된 공지된 구성에 대한 상세한 설명은 설명의 편의를 위하여 본 명세서에서 생략한다.

따라서 본 발명에서 도시되지 않은 전동 모터의 동력은 전동 모터의 회전축(미도시)에서 출발하여, 상기 회전축의 끝단부 외주면에 형성된 웜기어(미도시)와 맞물리는 웜휠(미도시)이 선회됨에 따라 상기 웜휠과 결합된 감속기어(들)(G)가 연동하여 회전되고, 감속기어의 회전이 상기 종동축을 거쳐 밸브의 개폐가 이루어진다.

이러한 작동 메커니즘을 갖는 밸브의 액추에이터에서 특정 중개기어의 형태는 전동 모터의 동력을 최종적으로 밸브로 전달할 때 적절한 방향전환과 회전속도의 증감(통상적으로는 감속)을 위한 것이어서, 통상의 기술자가 다양한 교차축기어, 엇갈림축기어, 그리고 평행축기어를 취사 선택하여 조합하여 변형할 수 있는 것이므로 이에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

이에 따라 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단(40)은 각종 축들이 연결 구간(부위)에 부가적으로 추가 설치되는 것으로, 액추에이터의 종류, 형태 등에 따라 설치 구간(부위)에 적용될 수 있는 것인데,

비상 복귀 수단(40)의 설치 안정성 및 밸브의 자동 복귀 안정성 확보를 위하여 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단(40)은 밸브의 개폐 구동력이 최종적으로 전달되는 축 결합부, 예를 들어 전동 액추에이터로써, 하나의 전동 모터가 설치되고, 중개기어로써, 두 개의 감속 기어를 이용하여 밸브와 연결된 종동축이 회전함에 따라 밸브의 개폐 작동이 이루어지는 경우 마지막 감속기어와 종동축 사이의 결합부에 설치되는 것이 바람직하며, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 도시되지 않은 2차 감속기어(G)에 본 발명의 비상 복귀 수단(40)이 설치된 것을 가정하고, 이에 따라 2차 감속기어(G)에 의하여 회전하는 스크류 축(20)과, 상기 스크류 축(20)의 회전력을 전달받아 밸브를 작동시키는 구동축(30)을 대표하여 설명한다.

따라서 본 발명의 구동축(30)은 밸브와 직접 연결된 종동축 그 자체이거나, 다른 감속 기어들과 연결된 중개축(미도시)이거나, 밸브의 제작 형태에 따라 종동축(미도시)과 구동축(30)이 복수의 부재가 결합된 형태로 구현될 수 있으며, 이에 따라 종국적으로 밸브에 전동 모터의 회전력을 전달한다는 점에서 밸브와 직접 연결된 종동축 또는 중개축은 구동축(30)과 본질적으로 동일 또는 이에 상응하는 유사 개념임을 밝힌다.

이에 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 액추에이터 본체의 한 구성 부품으로써,

하우징(10)과,

상기 하우징(10)에 내장되며 전동모터(미도시)에 의하여 회전하는 스크류 축(20)과,

상기 스크류 축(20)과 연결되며 동반 회전하면서 밸브(미도시)가 개폐되도록 하는 구동축(30) 및

상기 스크류 축(20)의 일방향 회전에 의한 상기 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 시 전원이 차단될 경우 상기 스크류 축(20)을 타방향 회전시켜 상기 밸브가 작동 이전 상태로 복귀하도록 하는 비상 복귀 수단(40)을 포함하여 이루어진다.

상기 감속 기어의 외주면에는 기어부(G1)가 구비되어 다른 기어(미도시)와 맞물리면서 전동 모터의 회전력이 전달되어 회전되는데, 이 경우 스크류 축(20) 자체가 2차 감속기어로 기능하거나, 도면에 도시된 바와 같이, 2차 감속기어(G)와 스크류 축(20)이 별도 부재로써 감속기어와 스크류 축의 몸통부(25; 도 4 참고.)가 상호 결합되어 감속기어(G)를 통해 토크 값이 증가된 회전력이 구동축(30)으로 전달되도록 할 수 있다.

상기 하우징(10)은 내측 수용부(11)에 상기 스크류 축(20)이 배치되어 회전되도록 하며, 하부 커버(10A)를 관통하는 구동축(30)의 상단부가 상기 스크류 축(20)과 결합되어 스크류 축(20)과 구동축(30)이 동반 회전되도록 설치된다.

이를 위하여 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스크류 축(20)은 상기 구동축(30)과 접하는 단부에 다각 형상으로 돌출된 결합돌기(23; 도 4 참고.)가 구비되고,

상기 구동축(30)은 상기 스크류 축(20)과 접하는 단부에 상기 결합돌기(23)가 삽입되는 다각 형상의 결합홈(33; 도 1 참고)이 구비된다.

따라서 상기 결합돌기(23)가 상기 결합홈(33)에 삽입됨에 따라 다각 형상으로 인하여 스크류 축(20)과 구동축(30)이 동반하여 회전하게 된다.

이때 상기 구동축(30)은 별도의 클러치 수단(미도시) 또는 래칫 수단(미도시) 등을 통해 일방향 회전에 대하여 밸브가 연계되어 개폐 작동되도록 설치될 수 있는데,

예를 들어 클러치 수단에 의하여 밸브의 개방 또는 폐쇄가 선택된 상태에서 구동축의 일방향 회전 시 해당 동작이 각각 이루어지도록 하는 방식,

또는 래칫 수단에 의하여 밸브의 [개방-폐쇄]가 연속하여 순차적으로 선택됨에 따라 구동축의 일방향 회전 시 해당 동작(개방)이 이루어진 후 다음 구동축의 일방향 회전 시에는 다른 동작(폐쇄)이 이루어지는 방식 등으로 설치될 수 있다.

따라서 이하에서는 설명의 편의를 위하여 전동 모터의 작동에 따라 구동축이 회전할 때 밸브가 개방 작동됨을 대표하여 설명하며, 후술하는 메커니즘에 따라 밸브가 폐쇄 작동 시에도 본 발명의 밸브 비상 복귀 수단이 동일하게 작동됨은 자명하고, 이러한 구성은 당업자라면 충분히 예측하여 재현할 수 있을 것이다.

이어서 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)의 내측 수용부(11)에 밸브의 비상 복귀 수단(40)이 내장, 설치되는데,

상기 비상 복귀 수단(40)은

내주면에 상기 스크류 축(20)의 나사산(21)에 치합되는 대응나사산(43)이 구비되어, 상기 스크류 축(20)의 회전 시 상기 하우징(10)에서 일측 방향으로 이동하도록 설치되어 있는 스크류 너트(41)와,

상기 하우징(10)에서 상기 스크류 너트(41)를 타측 방향으로 탄성, 지지하는 탄성체(45)를 포함하여 이루어진다.

우선 도 1a, 도 3a, 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 스크류 축(20)의 봉체부(26) 외주면에는 일방향(도면에서는 오른 나사 방향)으로 형성된 나사산(21)이 구비되고, 상기 스크류 너트(41)의 관통공(42) 내주면에는 상기 나사산(21)에 치합되는 대응나사산(43)이 구비되어 있다.

그리고 상기 스크류 너트(41)는 외주면에 이동 방향, 즉, 수직방향으로 함몰 형성된 안내홈(44)이 구비되어 있으며,

상기 하우징(10)의 내주면에는 상기 안내홈(44)에 상응하는 수용홈(14)이 함몰 형성되어 있고, 상기 수용홈(14)에 안내부재(13)가 수용되면서 각각의 나사공(13a)(14a)을 통해 볼트 결합되면(도 1 및 도 3 참고.),

상기 하우징(10)의 내측으로 돌출된 상기 안내부재(13)가 상기 안내홈(44)에 삽입되도록 결합됨에 따라

상기 스크류 너트(41)는 상기 안내부재(13)에 의하여 구속되어 회전하지 않고 상기 안내부재(13)를 따라 전, 후진, 즉 도면상 승하강 변위만이 이루어지게 된다.

이때 상기 안내부재(13)를 통한 스크류 너트의 구속 결합 구조는 도 1b, 도 3b, 도 5b에 도시된 바와 같이, 반대의 형태로도 구현 가능하다.

즉, 상기 스크류 너트(41)는 외주면에 이동 방향, 즉 수직방향으로 함몰 형성된 수용홈(44')이 구비되고, 상기 수용홈(44')에 안내부재(13')가 수용되면서 볼트부재(B)를 통해 볼트 결합되고,

상기 하우징(10)의 내주면에는 상기 수용홈(44')에 상응하는 안내홈(14')이 함몰 형성되어 있으면,

상기 하우징(10)의 내주면(외측)을 향해 돌출된 상기 안내부재(13')가 상기 안내홈(14')에 삽입되도록 결합됨으로써,

상기 스크류 너트(41)의 회전을 방지하는 구속 결합 구조가 구현될 수 있다.

이러한 변형은 속칭 암수 결합 구조를 서로 반대로 구성하는 것인데,

도 1a, 도 3a, 도 5a의 제1 결합방식을 따를 경우 안내부재(13)를 하우징(10)의 길이에 상응하도록 구비할 수 있으므로 스크류 너트(41)의 구속력이 강화되면서 보다 안정적인 승하강 이동을 보장할 수 있는데 반하여, 도 3b와 같이 하우징(10)이 소정 길이 이상으로 구현될 경우 안내부재(13)가 이에 상응하여 소정 길이 이상으로 길어지지 않으면 스크류 너트(41)가 안내부재(13)에서 이탈하여 구속이 해제됨에 따라 스크류 너트(41)가 회전하게 되므로 비상 복귀 작동의 구현이 불가능하므로, 안내부재(13) 제작을 위한 재료의 낭비가 수반되는 단점이 있고,

반대로 도 1b, 도 3b, 도 5b의 제2 결합방식을 따를 경우 하우징(10)의 길이에 상관없이 안내부재(13')가 안내홈(14')에서 이탈될 위험이 없지만, 안내부재(13')와 안내홈(14')과의 접촉 면적이 좁아지는 만큼 이에 따른 구속력 저하가 발생할 위험이 있다.

따라서 본 발명의 액추에이터가 설치되는 밸브의 종류나 특성 또는 요구 사양에 따라 상술한 장단점을 고려하여 상기한 결합방식을 선택하는 것이 바람직하다.

그리고 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 스크류 너트(41) 하부에는 탄성체(45)가 배치되어, 상기 스크류 너트(41)가 상측 방향으로 탄성, 지지되도록 설치된다.

따라서 도 2에 도시된 바와 같이, 액추에이터에 전원이 인가된 상태에서 밸브의 개방(또는 폐쇄)을 위하여 전동 모터를 작동시키면 전동모터에서 전달된 회전력으로 인해 감속기어(G; 도 1 참고.)가 회전하면서 상기 스크류 축(20)이 동시에 일방향 회전(도면 상 시계 반대 방향)으로 회전하게 되고,

오른 나사 형태의 나사산(21)이 회전하면서, 결국 안내부재(13)에 의하여 구속된 스크류 너트(41)는 동반하여 회전할 수 없으므로, 스크류 너트(41)의 대응나사산(43)이 스크류 축(20)의 나사산(21)에 대하여 풀리게 됨에 따라 스크류 너트(41)가 하측으로 전진 이동하게 된다(도 2의 [A], [B] 참고.).

이와 동시에 스크류 축(20)과 연결된 구동축(30) 역시 일방향 회전하면서 밸브가 개방(또는 폐쇄) 작동이 이루어진다.

이때 밸브의 작동 중(또는 작동 완료 시점)에 정전 등의 이유로 전원 공급이 차단되면, 상기 전동모터가 작동되지 않게 되어 회전력이 상실된다.

따라서 상기 스크류 축(20)의 회전력에 의하여 스크류 너트(41)가 상기 탄성체(45)를 압축하면서 전진된 상태에서 회전력이 상실됨에 따라 상기 탄성체(45)의 탄성력이 하우징(10) 상측 방향으로 발휘되게 되고,

상기 스크류 너트(41)는 하우징(10)에 대하여 구속된 상태이므로, 스크류 너트(41)가 직선 후진 이동됨에 따라 스크류 축(20)의 나사산(21)이 스크류 너트(41)의 대응나사산(43)에 감기면서 스크류 축(20)이 타방향(도면 상 시계 방향)으로 회전하게 된다(도 2의 [C], [D] 참고.).

이에 따라 일방향으로 회전된 구동축(30) 역시 타방향으로 회전되어 종국적으로 밸브의 작동 이전 상태, 즉 밸브가 파이프 관을 폐쇄(또는 개방)시키는 상태로 자동으로 복귀하게 된다.

본 발명은 상기한 메커니즘으로 작동하는 밸브 복귀 수단을 도입함에 따라 전원 차단 시점에서 즉시, 밸브가 작동 이전 상태로 복귀하게 되므로, 후속하여 작업자가 수동 핸들을 조작하여 밸브의 개방 또는 폐쇄를 적절하게 조작하여 안전사고를 방지할 수 있다.

즉, 상기 밸브 복귀 수단이 구비되지 않을 경우, 밸브의 작동 중, 즉 각종 중개기어와 축들이 회전 중에 멈추게 되면 일방향으로 가해지던 회전력에 의하여 치합된 부위가 서로 맞물린 상태가 강제되어 작업자가 수동 핸들을 이용해 밸브를 조작하기 위하여 중개기어와 축들을 회전시키는데 많은 힘이 필요함에 비하여,

본 발명은 상기 스크류 너트(41)가 자동으로 복귀되면서 각종 중개기어와 축들이 원상태로 복귀하면서 가해지던 회전력이 상실되게 되므로 작업자가 적은 힘만을 사용하여 수동 핸들을 쉽게 조작함으로써, 밸브의 개폐 제어가 쉽게 이루어지도록 할 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스크류 너트(41)의 복귀 이동을 위하여 탄성력이 발휘되는 탄성체(45)는 일방향으로 탄성력을 발휘하는 다양한 종류의 스프링(예를 들어 스크류 축(20)의 외주면을 감싸는 코일 스프링)으로 차용 가능한데,

스크류 축(20)의 회전 및 스크류 너트(41)의 직선 이동 시 탄성체(45)에 의한 간섭을 최소화할 수 있도록 상기 탄성체(45)로써, 상기 스크류 축(20)을 감싸도록 결합된 복수의 디스크 스프링(46)이 적층되어 구성되는 것이 바람직하다.

도 1에서 본 발명의 종단면도로 도시됨에 따라 디스크 스프링(46)이 스크류 축(20)을 둘러싸면서 날개부(46a)의 방향이 서로 반대되도록 적층되어 탄성력이 작용하도록 설치되는 것을 확인할 수 있고, 디스크 스프링(46)의 구체 형태는 도 1의 일점쇄선 원내 사시도 및 단면도에 도시된 바와 같고, 디스크 스프링(46)의 중공부(46A)에 스크류 축(20)이 관통하도록 결합된다.

즉, 도면에 도시되지 않은 코일 스프링으로 상기 탄성체(45)가 구비될 경우 스프링 압축 시 스크류 축(20)의 나사산(21)에 코일 스프링이 끼이거나, 스크류 축(20)의 회전에 따라 코일 스프링이 동반 회전하게 되어 스프링이 꼬이게 되면 탄성력이 상실될 여지가 많은데 비하여,

본래 디스크 스프링(46)이 볼트와 너트의 결합 시 엇갈림 단부(46a)가 서로 압축되면서 나사산들의 마찰, 인장력을 증대시켜 볼트와 너트의 풀림을 방지하는 것을 감안할 때,

나사산들의 풀림 방향으로 탄성력이 발휘되는 복수개의 디스크 스프링(46)이 적층되어 본 발명의 탄성체(45)로써 기능할 경우,

스크류 축(20)에 의하여 디스크 스프링(46)이 회전되면서 꼬이거나 끼이는 것이 사전에 차단됨과 동시에 스크류 축(20)의 회전력이 상실된 상태에서는 탄성력이 강하게 발휘되어 스크류 너트(41)가 스크류 축의 나사산(21)을 타고 상승 변위되도록 하는데 보다 적합하다.

또한 탄성체(45)로써 복수의 디스크 스프링(46)를 사용하게 되면, 액추에이터의 종류에 따른 스크류 너트(41)의 변위 폭(즉, 나사산들의 피치, 리드 폭)에 맞게 디스크 스프링(46)의 개수를 달리하여 설치할 수 있으므로 제조 용이성 관점에서도 보다 유리하다.

이상으로 본 발명에 따른 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 설명함에 있어, 설명의 편의를 위하여 액추에이터 중 2차 감속기어(G)에 연계되어 설치되는 밸브의 비상 복귀 수단(40)을 대표하여 설명하였으나, 상기한 바와 같이 본 발명은 전동 액추에이터에서 밸브의 작동을 위하여 연계되는 각종 기어, 축들간의 축 결합부 어디에든 적용, 배치될 수 있는 것이고, 이러한 설계 변경은 액추에이터가 설치되는 밸브의 종류, 작동 방식 등에 따라 당업자가 쉽게 수정하여 적용할 수 있는 것으로 본 발명의 권리 해석이 제한되어서는 안 될 것이다.

또 이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 밸브의 비상 복귀 수단을 구비한 액추에이터를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 하우징 11 : 수용부
13, 13': 안내부재 14, 44': 수용홈
20 : 스크류 축 21 : 나사산
23 : 결합돌기
30 : 구동축 33 : 결합홈
40 : 비상 복귀 수단 41 : 스크류 너트
42 : 관통공 43 : 대응나사산
44, 14': 안내홈 45 : 탄성체
46 : 디스크 스프링

Claims (4)

1. 하우징;
   상기 하우징에 내장되며 전동모터의 의하여 회전하는 스크류 축;
   상기 스크류 축과 연결되어 동반 회전하면서 밸브가 개폐되도록 하는 구동축; 및
   상기 스크류 축의 일방향 회전에 의한 상기 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 시 전원이 차단될 경우 상기 스크류 축을 타방향으로 회전시켜 상기 밸브가 작동 이전 상태로 복귀하도록 하는 비상 복귀 수단;을 포함하여 이루어지되,
   상기 비상 복귀 수단은
   내주면에 상기 스크류 축의 나사산에 치합되는 대응나사산이 구비되어, 상기 스크류 축의 일방향 회전에 따라 상기 하우징의 일측으로 이동하도록 설치된 스크류 너트와,
   상기 하우징에서 상기 스크류 너트를 탄성, 지지하는 탄성체를 포함하여 이루어짐으로써,
   전원 차단 시 상기 하우징의 일측으로 이동된 스크류 너트가 상기 탄성체의 탄성력에 의하여 상기 하우징의 타측으로 이동함에 따라 상기 스크류 축이 최초 회전의 반대 방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄성체는 상기 스크류 축을 감싸도록 결합된 복수의 디스크 스프링이 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징과 상기 스크류 너트 사이에는 암수 결합 구조를 통해 상기 스크류 너트가 상기 스크류 축과 동반 회전되지 않도록 구속하는 안내부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스크류 축은 상기 구동축과 접하는 단부에 다각 형상으로 돌출된 결합돌기가 구비되고,
   상기 구동축은 상기 스크류 축과 접하는 단부에 상기 결합돌기가 삽입되는 다각 형상의 결합홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
   
   

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