KR101476518B1 - 버터플라이 밸브의 밸브체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브체의 강성을 높이고, 또한 밸브의 조작 토크를 저감하여 밸브 조작을 용이하게 하는 버터플라이 밸브의 밸브체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
밸브체를 구성하는 원판형 기판의 중심에 직경 방향으로 연장되는 원통부를 기판의 표리면에 융기시켜 형성하고, 이 원통부에 밸브봉 삽입 구멍을 형성하며, 이 원통부와 교접하는 복수의 원형 리브를 기판의 표리면에 동심원형으로 융기시켜 형성한 것을 특징으로 한다. 또한, 최외주의 리브를 기판의 가장자리를 따라 설치하고, 원통부 중앙의 외경을 단부의 외경보다 크게 한 것을 특징으로 한다.

Description

버터플라이 밸브의 밸브체{VALVE ELEMENT OF BUTTERFLY VALVE}

본 발명은 배관계 내에서 물, 가스, 오일 등의 유체가 통과하는 관로의 개폐, 조절에 이용하는 버터플라이 밸브의 밸브체에 관한 것이다.

종래, 원통형의 밸브 박스 내에 원판형의 밸브체를 회동 가능하게 피봇 지지하고, 밸브 박스 내주면에 장착한 탄성 부재로 이루어지는 시트링과 밸브체 외주면과의 접리(接離)에 의해 관로를 개폐하도록 한 버터플라이 밸브는 구조가 간단하기 때문에 다양한 유체의 유량 제어에 널리 이용되고 있다. 일반적으로 버터플라이 밸브는 전동 모터, 압력 실린더 등의 액추에이터에 의해 밸브봉을 구동 회전하여 밸브체를 회동시킴으로써, 밸브 박스 내주에 장착한 시트링으로 밸브체 외주부를 접리시켜 관로를 개폐하고, 또한, 밸브체 외주부와 시트링의 간극의 대소에 따라 유로 면적을 변화시켜 유체의 유량을 조정하는 기능을 갖고 있다.

밸브 폐쇄는 밸브체 외주부와 탄성체인 시트링과의 압착에 의해 달성되지만, 밸브체 개폐의 과정에 있어서, 밸브체 외주부와 시트링의 접촉에 의한 상호 작용력이 밸브 조작 토크의 하나의 원인이 된다. 따라서, 이 상호 작용력을 감소시킴으로써, 밸브의 조작 토크가 저감되어 밸브 조작이 용이해진다. 또한, 밸브체는 관로를 통과하는 유체의 압력을 받고 있고, 유로를 완전 폐쇄한 위치에 있어서, 관로 내의 전체 유체압이 밸브체 표면에 부하되어, 밸브체에 가해지는 유체의 압력이 최대가 된다. 유체 압력을 받는 밸브체는 변형되기 때문에, 관로를 완전히 폐색시키기 위해서는 밸브체의 변형에 의한 밸브체와 시트링의 밸브 시트 시일 위치가, 최소한의 겹치는 부분(시일 벨트)이 필요하고, 밸브 시트 시일성을 유지하기 위해서는, 밸브체의 높은 강성이 요구된다.

밸브체의 강성을 높이는 방법으로는, 일반적으로 밸브체의 두께를 늘림으로써 대응할 수 있지만, 밸브체의 질량도 증가하기 때문에, 비용이 상승하고, 중량이 커지기 때문에, 취급에 불편을 초래한다. 그래서, 이 문제를 해결하기 위해서, 유체의 통과 방향을 따라 밸브체 표면에 리브를 설치하는 방법(특허문헌 1), 밸브체 내부를 중공(中空)으로 하여 구조 역학적으로 강성을 확보하는 방법(특허문헌 2) 등이 제안되어 있다. 그러나, 밸브체에 리브를 설치하는 방법에서는, 리브의 배치 방향의 응력에 대해서는 강성은 높지만, 리브에 대하여 정해진 각도를 갖는 방향에 대해서는, 밸브체의 강성이 낮아진다. 예컨대, 유체의 통과 방향과 동일 방향으로 밸브체에 리브를 배치한 경우는, 통과 방향과 상이한 방향(예컨대, 리브에 대하여 45°를 이루는 방향)으로부터 압력을 받으면, 밸브체가 휘고, 밸브체 외주부와 시트링의 시일 위치에 어긋남이 생겨, 밸브 시트 시일성이 저하될 우려가 있다. 또한, 버터플라이 밸브가 작은 경우에는, 밸브체의 크기가 제한되기 때문에, 밸브체 내부에 공동부(空洞部)를 형성하는 구조 역학적인 형상을 밸브체에 가할 수 없는 경우가 있다.

한편, 밸브체 외주부가 시트링에 압착 슬라이딩함으로써 발생하는 마찰력은 밸브체를 회동하는 밸브축의 회전 토크에 영향을 준다. 특히, 밸브체의 강성이 낮아 밸브체가 변형되기 쉬운 경우에는, 기밀성을 유지해야 하여 밸브체 외주부와 시트링의 접촉 면적을 크게 할 필요가 있기 때문에 마찰력이 증가하고, 회전 토크는 커진다. 따라서, 버터플라이 밸브의 조작성을 향상시켜 밸브축을 회전시키는 모터의 에너지를 저감하기 위해서는 밸브체의 강성을 향상시키고, 밸브체 외주부의 형상을 개선하여 시트링과의 마찰력을 저감함으로써 밸브축의 회전 토크를 억제하는 것이 중요하다. 그래서, 밸브체 외주면이 접촉하는 시트링의 내주면에 설치한 산형 시트부의 형상을 밸브봉이 관통하는 보스부 사이의 중앙을 향해 보스부를 기점으로 하는 코사인 함수의 곡선 형상으로 한 것이 제안되어 있다(특허문헌 3).

일본 특허 공개 제2004-239343호 공보 일본 특허 공개 평성 제9-60751호 공보 일본 특허 공개 소화 제55-142169호 공보

본 발명은 밸브체의 강성을 높이고, 또한, 밸브의 조작 토크를 저감하여 밸브 조작을 용이하게 하는 버터플라이 밸브의 밸브체를 제공하는 것을 과제로 한다.

제1 발명은, 버터플라이 밸브의 밸브체에 있어서, 밸브체를 구성하는 원판형 기판의 중심에 직경 방향으로 연장되는 원통부를 기판의 표리면에 융기시켜 형성하고, 이 원통부에 밸브봉 삽입 구멍을 형성하며, 이 원통부와 교접(交接)하는 복수의 원형 리브를 기판의 표리면에 동심원형으로 융기시켜 형성한 것을 특징으로 한다.

제2 발명은, 최외주의 리브를 기판의 가장자리를 따라 설치한 것을 특징으로 한다.

제3 발명은, 원통부 중앙의 외경(外徑)을 원통부의 단부의 외경보다 크게 한 것을 특징으로 한다.

제4 발명은, 기판 중심부의 두께를 가장 크게 하고, 외주부의 두께를 가장 작게 하며, 동심원형의 원형 리브에 의해 구획되는 기판 표면의 경사 각도를, 중심측에 인접하는 기판 표면의 경사 각도 이하로 한 것을 특징으로 한다.

밸브체의 외주부를 구면의 일부로 구성하고, 최외주의 원형 리브와 구면으로 구성되는 밸브체 외주부를 외주부의 최외 원주단의 접선과 30° 내지 50°의 각도를 갖는 직선으로 연결한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 밸브체를 구성하는 기판의 중심에 직경 방향으로 연장되는 원통부를 기판의 표리면으로부터 융기시켜 형성하기 때문에, 이 원통부가 밸브체의 강도를 부담하는 뼈대가 되고, 또한, 동심원형으로 연장되는 복수개의 원형 리브를 이 원통부에 교접시키면서 기판의 표리면에 융기시켜 형성하기 때문에, 밸브체의 밸브체 중심선에 대한 어떤 각도의 단면에 있어서나 거의 균일한 단면 계수를 얻을 수 있으며, 밸브체의 강성이 밸브체 전체에 있어서 거의 균일해지므로, 강성이 높은 밸브체를 얻을 수 있다. 원통부는 받는 압력에 대하여 원형 리브의 지점이 되기 때문에, 아주 미소한 변형에 그친다. 또한, 원통부와 밸브체 외주부의 원형 리브와의 교접에 의해 밸브봉 구멍 부근의 밸브체 외주부의 강성을 향상시킬 수 있기 때문에, 밸브봉 주위에서의 시트링의 시일 안정성을 개선할 수 있었다.

기판 중심부의 두께를 가장 크게 하고, 외주부의 두께를 가장 작게 하며, 동심원형의 원형 리브에 의해 구획되는 기판 표면의 경사 각도를, 중심측에 인접하는 기판 표면의 경사 각도보다 작게 함으로써, 밸브체의 평탄부의 경사는 각 리브 사이에 있어서 밸브체 중심으로부터 외주부를 향해 원추 형상이 되고, 게다가 그 경사는 중심이 가장 크고 외주부를 향해 점점 작아지기 때문에, 압력에 대한 단면 강도를 균등하게 하면서, 경량화가 가능해진다.

최외주의 원형 리브와 구면으로 구성되는 밸브체 외주부를 외주부의 최외 원주단의 접선과 30° 내지 50°의 각도를 갖는 직선으로 연결함으로써, 밸브체가 개방에서 폐쇄로, 또는 폐쇄에서 개방으로 움직일 때에, 시트링을 구성하는 탄성체를 누름으로써, 탄성체 표면의 돌출에 의한 밸브체의 저항을 없애어 밸브체와 시트링의 상호 작용에 의한 토크 저항을 저감할 수 있다. 또한, 밸브체의 에지부에 의해 탄성체가 끌리는 것에 따른 탄성체의 피로를 최소한으로 하여, 밸브의 개폐 내구성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 밸브체와 시트링의 접촉 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 만일, 시간 경과에 따른 밸브체와의 접촉에 의해 시트링에 변형이 생긴 경우에도 밀폐성을 유지할 수 있다.

도 1은 버터플라이 밸브의 정면도(A)와 Y-Y 단면도(B).
도 2는 제1 실시예의 밸브체 사시도.
도 3은 중심선을 따른 원통부의 중심 단면도.
도 4는 제1 실시예의 밸브체의 정면도.
도 5는 제1 실시예의 중심선에 대하여 90°의 밸브체의 중심 단면도.
도 6은 제1 실시예의 중심선에 대하여 45°의 밸브체의 중심 단면도.
도 7은 제1 실시예의 중심선에 대하여 30°의 밸브체의 중심 단면도.
도 8은 밸브체 회동 토크를 저감하기 위한 원리도.
도 9는 밸브체 외주부의 확대 단면도.
도 10은 제2 실시예의 밸브체 사시도.

본 발명의 실시형태를 도면을 이용하여 이하에 설명한다. 도 1에 있어서 부호 (1)은 버터플라이 밸브 본체로서, 중공 원통형의 유로를 가지며, 밸브봉(3, 4)에 의해 회동 가능하게 피봇 지지된 원판형의 밸브체(2)로 중공 원통형의 유로가 개폐된다. 밸브 본체(1)의 중공 원통부 내주면에는 탄성체로 이루어지는 시트링(5)이 장착되어 있고, 이 시트링(5)에 밸브체(2)의 외주면을 접리시켜 밸브를 개폐한다.

도 2를 참조하여, 밸브체(2)는 원판형의 기판(6)으로 구성되고, 기판(6)의 중심에 밸브봉을 삽입하는 원통부(7)를 갖는다. 원통부(7)는 기판(6)의 표리면으로부터 융기된 형상으로 한다. 이러한 원통부(7)의 형상은 밸브체 중심선(8) 방향의 단면 계수를 크게 하고, 밸브체 중심선(8)에 대하여 수직인 방향으로부터의 압력에 대한 밸브체의 강성을 향상시킬 수 있다. 원통부(7)는 일단에서 타단까지 중공으로 하거나 혹은 양단부를 중공으로 한다. 어떻게 하든, 이러한 원통부의 중앙은 주조상 성형하기 쉽다. 또한, 최소량의 재료로 충분한 강성을 얻을 수 있어, 밸브체의 경량화가 가능하다. 또한, 도 2는 기판(6)의 중심에 밸브봉을 삽입하는 원통부(7)를 갖는 형상이지만, 이 형상에 한정되지 않고, 밸브체 중심선(8)과 원통부의 중심선, 즉 밸브봉의 회전축이 일정 거리를 갖는, 소위 편심형의 밸브체여도 좋다.

도 3은 원통부(7)의 밸브체 중심선(8)을 따른 중심 단면도를 나타낸다. 원통부(7)의 단면 형상은 밸브체(2)의 강성을 향상시키기 위해서 코어부의 외경(9)은 밸브봉 삽입 구멍의 외경(10)보다 크게 되어 있고, 또한, 이것에 따라, 코어부의 내경(內徑; 11)은 밸브봉 삽입 구멍의 내경(12)보다 크게 되어 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 밸브체 중심선(8)에 대하여 90°의 밸브체 중심 단면도에서는, 원통부(7)의 단면적이 커서 밸브체 단면 계수가 크기 때문에, 중심선에 대하여 90° 방향(도 3에서는 위 또는 아래 방향)의 힘에 대하여 밸브체의 변형을 극히 미소하게 하는 것이 가능해진다. 또한, 압력에 대한 단면 강도가 균등해지기 때문에, 여분의 두께를 부가할 필요가 없어 밸브체의 경량화가 가능하다.

밸브체의 크기에 따라서는, 코어부의 외경은 밸브봉 삽입 구멍의 외경보다 작아지는 경우가 있다. 밸브체의 크기에 따라 코어부의 외경은 작아지지만, 밸브봉의 굵기는 강도의 관점에서 일정 이상 유지할 필요가 있기 때문이다. 이 경우는, 코어부의 내경도 밸브봉 삽입 구멍의 내경보다 작아지거나, 혹은 코어부의 공동부는 소실된다.

리브(13)는 기판(6)의 표리면에 동심원형으로 복수개 마련되고(도 2, 도 4), 각 리브(13)의 말단은 원통부(7)의 측면과 접합함으로써, 균일 강성의 밸브체가 된다. 도 5, 도 6, 도 7은 도 4의 밸브체의 밸브체 중심선에 대하여 30°, 45°, 90°의 중심 단면도를 나타내지만, 각 단면의 원통부 이외의 단면 계수는 근사하며, 밸브체(2)에 유체의 압력이 가해졌을 때, 밸브체(2)의 응력은 밸브체 전체에 있어서 균등해지기 때문에 밸브체가 변형되는 일은 없다.

최외주의 리브(13)를 기판(6)의 가장자리를 따라 마련하고, 리브의 말단을 원통부(7) 측면에 접합시킴으로써 밸브봉 삽입구 부근, 즉 밸브체를 회동하는 경우에 가장 힘이 가해지는 부분의 강성을 향상시킬 수 있어, 밸브체(2)와 시트링(5)의 시일 안정성을 향상시킬 수 있다.

이어서, 기판(6)의 형상에 대해서 도 5를 사용하여 설명한다. 도 5는 밸브체 중심선(8)에 대하여 90°의 밸브체 중심 단면도이다. 기판(6)의 단면 형상은 원통부(중심)에 가까울수록 두껍고, 가장자리 끝(외주)에 가까울수록 얇은 형상이다. 또한, 리브(13)에 의해 구획된 기판 표면을, 기판의 중심에 가까운 쪽에서부터 차례로 면 1, 면 2, …, 면 (n-1), 면 n이라 칭하고, 각 면의 기판 중심에 대한 경사 각도를 α1, α2, …, α(n-1), αn이라 하면, 기판의 경사 각도는 α1≥α2≥…≥αn-1≥αn이 되는 형상으로 한다. 이러한 형상으로 함으로써, 압력에 대한 단면 강도가 균등해져서 경량화가 가능해진다.

도 8은 밸브체 외주면의 에지 형상에 따른 밸브체의 회동 토크의 저감을 설명하는 원리도를 나타낸다. 밸브체는 화살표 방향으로 폐쇄 조작, 또는 반대 방향으로 개방 조작이 행해진다. 예컨대 도 8의 화살표 방향으로 밸브체를 폐쇄하는 조작을 행하는 경우에는, 밸브체의 에지부(15)로 눌려진 시트링을 구성하는 탄성체 표면은 돌출되어, 밸브체 폐쇄 동작의 저항이 된다. 본 발명의 밸브체 에지부(15)는 밸브체의 외주부(16)의 구면 가공부와 리브를 외주부(16)의 최외 원주단의 접선과 30° 내지 50°의 각도를 갖는 직선으로 연결함으로써, 밸브체 에지 뒤의 탄성체의 돌출을 억제하여, 탄성체의 돌출에 의한 저항을 최소한으로 하였다. 이에 따라, 밸브체에 대한 저항을 없애어 밸브체와 시트링의 상호 작용력에 의한 토크 저항을 저감하였다. 또한, 밸브체의 에지부에 의해 탄성체가 끌리는 것에 따른 탄성체의 피로를 최소한으로 하여 밸브의 개폐 내구성을 향상시켰다.

도 9는 밸브체 외주부의 확대 단면을 도시한 것이다. 밸브체의 외주부(16)의 구면 가공부와 리브를 외주부(16)의 최외 원주단의 접선과의 각도(α)가 30° 내지 50°인 직선에 의해 연결하는 형상을 나타낸 것이다. 각도(α)는 밸브체의 에지부(15)에 의해 탄성체의 돌출에 영향을 주는 것으로서, 이것을 30° 내지 50°로 함으로써, 밸브체의 기밀성을 유지하면서, 탄성체의 돌출에 따른 저항을 최소한으로 한 것이다. 즉, 30°보다 작으면 저항이 많아지고, 50°보다 크면 시일 안정성을 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 각도(α)는 45°인 것이 가장 바람직하다.

1 : 본체 2 : 밸브체
3 : 상 밸브봉 4 : 하 밸브봉
5 : 시트링 6 : 기판
7 : 원통부 8 : 밸브체 중심선
9 : 코어부의 외경 10 : 밸브봉 삽입 구멍의 외경
11 : 코어부의 내경 12 : 밸브봉 삽입 구멍의 내경
13 : 리브 14 : 시트링의 돌출부
15 : 에지부 16 : 외주부

Claims (5)

1. 밸브체를 구성하는 원판형 기판의 중심에 직경 방향으로 연장되는 원통부를 기판의 표리면에 융기시켜 형성하고, 이 원통부에 밸브봉 삽입 구멍을 형성하며, 이 원통부와 교접하는 복수의 원형 리브를 기판의 표리면에 동심원형으로 융기시켜 형성한 밸브체로서,
   기판 중심부의 두께를 가장 크게 하고, 외주부의 두께를 가장 작게 하며,
   동심원형의 상기 복수의 원형 리브에 의해 구획되는 복수의 기판 표면을, 상기 기판의 중심에 가까운 쪽에서부터 차례로 면 1, 면 2, …, 면 (n-1), 면 n이라 하고, 각 면의 기판 중심에 대한 경사 각도를 α1, α2, …, α(n-1), αn이라 하였을 때, 기판의 경사 각도는 α1≥α2≥…≥αn-1≥αn이 되는 형상으로 한 것을 특징으로 하는 버터플라이 밸브의 밸브체.
2. 제1항에 있어서, 최외주의 리브를 기판의 가장자리를 따라 설치한 것을 특징으로 하는 버터플라이 밸브의 밸브체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원통부 중앙의 외경을 원통부의 단부의 외경보다 크게 한 것을 특징으로 하는 버터플라이 밸브의 밸브체.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밸브체의 외주부를 구면의 일부로 구성하고, 최외주의 원형 리브와 구면으로 구성되는 밸브체 외주부를 외주부의 최외 원주단의 접선과 30° 내지 50°의 각도를 갖는 직선으로 연결한 것을 특징으로 하는 버터플라이 밸브의 밸브체.
5. 제3항에 있어서, 밸브체의 외주부를 구면의 일부로 구성하고, 최외주의 원형 리브와 구면으로 구성되는 밸브체 외주부를 외주부의 최외 원주단의 접선과 30° 내지 50°의 각도를 갖는 직선으로 연결한 것을 특징으로 하는 버터플라이 밸브의 밸브체.

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