KR101567739B1

KR101567739B1 - 외부 밀봉 장치를 구비한 볼 밸브

Info

Publication number: KR101567739B1
Application number: KR1020147018042A
Authority: KR
Inventors: 꼬린느 르 펠레끄
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2015-11-20
Also published as: DE102012111467A1; WO2013079692A1; CN104094026A; DE102012111467B4; CN104094026B; US20140306137A1; KR20140098228A; US9441741B2

Abstract

본 발명은, 액추에이터(2)와, 샤프트 베어링(5)을 갖는 샤프트(3)와, 볼 관통 채널(16)을 갖는 볼(4)과, 밸브 하우징(13)을 포함하는, 특히 자동차 냉매 회로에 사용하기 위한 볼 밸브(1)에 관한 것으로서, 상기 볼 밸브는, 샤프트 베어링(5)에서 유체 샤프트 씰(8)이 상부 샤프트 씰(6)과 하부 샤프트 씰(7) 사이에 배치되고, 상기 유체 샤프트 씰(8)은 내부에 밀봉 유체가 제공되어 있는 중공 챔버(18)로 형성되며, 상기 밀봉 유체는 밀봉 영역(19)에서 샤프트(3)와 접촉함으로써, 밀봉 유체에 의해 축 방향으로 밀봉 작용이 발생하고, 상기 중공 챔버(18)는 적어도 부분적으로 막(11)에 의해 형성되어 샤프트(3)에서 샤프트 씰(6, 7)에 의해 제한되며, 상기 막(11)은 유체의 반대쪽 측면에 대해 압력이 가해질 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

외부 밀봉 장치를 구비한 볼 밸브{BALL VALVE HAVING AN EXTERNAL SEAL ARRANGEMENT}

본 발명은 볼 밸브에 관한 것이다.

볼 밸브는 샤프트 베어링에 지지된 샤프트를 구동시키는 액추에이터를 포함하며, 상기 샤프트는 볼 관통 채널을 갖는 볼로 형성된 밸브 부재에 회전 운동을 전달한다. 상기 구성부품들은 밸브 하우징 내에 지지되고, 볼 밸브는 견고하고 비용상 저렴한 것으로 여겨지며 다양한 용도를 위해 사용된다.

자동차 에어컨디셔닝 시스템을 위한 최근의 냉매 시스템에는, 각각의 냉매 시스템의 개별 구성부품들에 대한 까다로운 요구와 연관되는 최신 기능들이 증가되어 통합된다. 예를 들면, 자동차 냉매 시스템의 구성 시 가열 펌프 기능이 통합되는 것이 요구된다. 또한, 사용되는 구성부품들에, 특히 밸브 및 확장 부재에 확대된 기능을 부여하는 것이 요구된다. 이는 특히, 밸브를 통한 냉매 유동과 관련하여 밸브가 양방향으로 사용될 수 있고, 상기 시스템이 이동식 적용에서 냉매 시스템에 대한 특히 까다로운 밀봉 요구도 충족시키는 것을 필요로 한다.

지금까지 종래 기술에는 적합한 구성부품들이 실제로 제공되지 못하여, 입증된 구성부품들을 변형시켜 새로운 과제에 맞게 적응시키는(match) 것이 필요하다.

종래 기술에는, 예를 들면 DE 24 30 409 A1에 따른 볼 밸브가 공지되어 있는데, 상기 볼 밸브는 유체-라인 배치를 위한 구성 부재로서, 밀봉성과 조립 친화성 및 개별 구성부품들의 개수의 최적화와 관련된 요구를 충족시키기 위해 특별히 이에 맞게 적응되어 있다.

볼 밸브의 경우, 밸브에 의해 제어될 유체의 관류와 관련되는, 소위 내부 밀봉성과 연관된 밀봉성의 문제는 매우 일반적으로 공지되어 있다. 외부 밀봉성은, 제어될 유체의 배출을 회전 가능하게 지지된 샤프트에 의해 방지하기 위해, 밸브 바디의 조정 운동을 위한 가동 샤프트가 주변에 대해 밀봉되어야 하기 때문에, 밸브의 주변에 대한 밸브의 밀봉도와 연관된다.

냉매 시스템의 경우, 구성부품들이 매우 높은 온도차 및 압력차로 부하되기 때문에, 밸브에 대해 다른 추가의 요구가 부여된다. 특히 이와 관련하여 씰(seal)은 발생하는 열 응력 및 재료 수축 또는 팽창에 의해 매우 까다로운 요구에 맞게 적응되어야 한다. 또한, 예를 들면 자동차와 같은 이동식 적용에 사용되는 경우 냉매를 안내하는 시스템에 대한 요구가 특히 까다롭기 때문에, 문제는 더욱 심각해 진다. 이로써, 냉매가 주변으로 배출되는 것을 최소화하기 위해, 이동식 적용의 경우 구성부품의 매우 긴 수명기간 및 기능성을 기대하게 된다.

그러므로 본 발명의 과제는 자동차 에어컨디셔닝 시스템을 위한 냉매 시스템에 사용하기에 적합한, 주변에 대한 밸브의 외부 밀봉과 관련하여 높은 밀봉성을 갖는 밸브를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구범위 제1항에 따른 볼 밸브의 특징부에 의해 해결된다. 다른 실시예들은 종속항에 기재된다.

특히 상기 과제는 외부 밀봉 장치를 갖는, 자동차 냉매 회로에 사용하기에 적합한 볼 밸브에 의해 해결된다. 상기 볼 밸브는 실질적으로 액추에이터와, 샤프트 베어링을 갖는 샤프트와, 볼 관통 채널을 갖는 볼과, 밸브 하우징으로 구성된다. 본 발명에 따른 볼 밸브의 특징은, 샤프트 베어링에서 유체 샤프트 씰이 상부의 기계적 샤프트 씰과 하부의 기계적 샤프트 씰 사이에 배치되고, 상기 유체 샤프트 씰은 내부에 밀봉 유체가 제공되어 있는 중공 챔버로 형성된다는 것이다. 상기 밀봉 유체는 밀봉 영역에서 샤프트를 둘러싼다. 따라서, 밀봉 유체는 샤프트와 접촉하여, 밀봉 유체에 의해 샤프트의 축 방향으로 밀봉 작용이 발생한다. 밀봉 유체를 위한 상기 중공 챔버는 적어도 부분적으로 막(membrane)에 의해 형성되어 샤프트에서 샹부 샤프트 씰과 하부 샤프트 씰인 샤프트 씰들에 의해 제한된다. 상기 막은 유체의 반대쪽 측면에 대해 압력이 가해질 수 있도록 형성됨으로써, 압력은 유연한 막에 의해 밀봉 유체 챔버의 외부로부터 밀봉 유체에 전달되므로 막의 양쪽 측면에는 동일한 압력이 존재한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브 하우징 내에는 챔버가 형성되어 있고, 상기 챔버의 벽은 부분적으로 막에 의해 형성되며, 상기 챔버는 볼 밸브를 관류하는 유체의 시스템 압력으로 가압된다. 이에 의해 특히 바람직한 방식으로, 챔버 내에 존재하는, 관류 유체의 압력은 상기 막에 의해 밀봉 유체에 전달되고, 이로써 밀봉 유체와 볼 밸브를 관류하는 유체는 동일한 압력을 갖는 것이 보장된다.

중공 챔버 내의 유체로서 폴리알킬렌클리콜이 배치되는 것이 냉매 회로를 위해 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 내부 샤프트 씰은 O-링으로서 형성되고 볼 밸브를 관류하는 유체와 밀봉 유체로부터 매질 분리를 위한 압력 편차 없이 형성된다. 따라서, O-링의 양쪽 측면에 대해 동일한 압력을 갖는 유체들, 즉 볼 밸브를 관류하는 유체와 밀봉 유체가 존재한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 외부 샤프트 씰은 O-링 또는 성형 씰로서 구현되고 밀봉 유체와 주변으로부터 매질 분리를 위한 압력 편차를 두고 형성될 수 있다.

이는, 특히 유리한 방식으로 간단하게 조립될 수 있고 수리 시에도 쉽게 교체될 수 있는, 볼을 위한 내부 밀봉 구조의 합리적인 제조를 가능하게 한다.

우선적으로 본 발명의 컨셉은, 내포된 밀봉 유체 리시버(receiver)를 갖는 이중 밀봉 시스템에 의해 볼 밸브의 외부 씰이 구현되는 것에 있으며, 이는 밀봉 유체로서 오일이 냉매와 주변 사이에 중간 씰로서 제공되는 것을 의미한다. 중공 챔버로도 지칭되는 밀봉 유체 리시버는 적어도 부분적으로 막으로서 형성된다. 따라서, 밸브를 관류하는 유체의 압력에 맞게 밀봉 유체 챔버의 압력이 적응되는 또 다른 추가의 특별한 효과가 상기 막에 의해 구현된다.

바람직하게 밀봉 유체는, 사용된 냉매에 대해 조절되고 냉매에 적합한 오일이며, 상기 오일은 이로써 밀봉 시스템 내부에서 밀봉 누출이 있는 경우에도 냉매 시스템에 손상을 유발하지 않는다.

본 발명의 또 다른 장점은, 볼 밸브의 경우 액추에이터가 샤프트에 의한 거리에 의해 밸브 바디로부터 충분히 멀리 위치하여 국소화됨으로써, 액추에이터의 전기 구성부품들의 열에 의한 부하가 최소화될 수 있고 이에 의해 높은 온도 레벨에서의 기능이 각각 낮은 온도 레벨에서도 양호하게 보장된다는 것이다.

밀봉 유체로서 오일은 밀봉 유체를 위한 중공 챔버를 갖는 오일 백(oil back)의 형태로 중간 씰을 형성하며, 상기 중공 챔버는 부분적으로 막에 의해 형성된다. 밸브 유형은 액추에어터의 변형 및 볼-기하구조의 변형을 통해 2방/2방-밸브, 3방/2방-밸브 및 4방/2방-밸브를 구현하기에 적합하다.

모터 기어 및 전자 장치를 갖는 액추에이터는, 예를 들면 밸브 하우징에 대한 액추에이터의 거리에 의해, 예컨대 세라믹과 같은 열 전도율이 낮은 재로로 형성되는 절연 샤프트에 의해, 또는 내열성 플라스틱으로 이루어진 특수 연결 부재에 의해 밸브로부터 열적으로 분리되고 이로써 사실상 주변 온도를 갖는다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 막은 링 성형품으로서 형성된다. 상기 링 성형품은 상부의 칼라 돌출부(collar bulge)에 의해 그리고 접촉면으로도 지칭되는 하부의 접촉링에 의해 축 방향으로 제한되며, 이때 상기 칼라 돌출부는 반경 방향으로 넓은 직경을 갖고, 상기 접촉링은 좁은 직경을 갖는다.

막의 상부 칼라 돌출부와 하부 접촉면은 축 방향 재킷면(jacket surface)과 반경 방향 하부 링 디스크에 의해 서로 연결된다.

밀봉 유체를 수용하기 위한 중공 챔버는 샤프트, 상부 칼라 돌출부, 축 방향 재킷면, 반경 반향 링 디스크 및 하부 접촉링 사이에 형성된다.

바람직하게, 축 방향 재킷면으로부터 반경 방향 하부 링 디스크로의 전환부는 외측으로 곡면 처리되어 형성되어 있다.

링 성형품은 밀봉 유체를 위한 중공 챔버를 반경 방향으로는 축방향 재킷면에 의해, 축 방향 하부로는 재킷면과 하부 접촉면의 연결에 의해 제한한다.

본 발명의 구성에 관한 추가의 세부 사항, 특징 및 장점은 해당되는 도면을 참조로 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 제시된다.

도 1은 볼 밸브의 단면도이고;
도 2는 볼 밸브의 샤프트 씰의 확대도이며;
도 3a는 막의 축 방향 단면도이고;
도 3b는 막의 평면도이며;
도 4는 볼 밸브와 볼 밸브의 주요 구성부품의 분해도이다.

도 1에는 주요 구성부품과 함께 볼 밸브(1)의 단면도가 도시되어 있다. 볼 밸브(1)는 밸브의 원하는 관류 정도에 따라 샤프트(3)를 회전시키는 액추에이터(2)를 갖는다. 샤프트(3)는 돌기(20)에 의해 연결되고, 이때 상기 돌기는 볼(4)의 맞물림 홈(14) 내로 맞물린다. 볼(4) 내에는 볼 관통 채널(16)이 형성되고, 볼 밸브(1)의 개방된 밸브 위치에서 유체는 상기 볼 관통 채널을 통해 밸브의 유입부로부터 밸브의 배출부로 유동한다.

샤프트(3)는 샤프트의 축을 중심으로 회전 가능하게 샤프트 베어링(5) 내에 지지된다. 샤프트 베어링(5)은 외부 샤프트 씰(6)과 내부 샤프트 씰(7)을 갖고, 이들 두 샤프트 씰들 사이에는 유체 샤프트 씰(8)이 형성된다. 외부 샤프트 씰(6), 내부 샤프트 씰(7) 및 중간에 위치하는 유체 샤프트 씰(6)의 밀봉 장치는, 샤프트 베어링(5) 내에서 샤프트(3)의 유격에 의해 볼 밸브(1)를 관류하는 유체의 배출을 방지하기 위한 것이다. 또한, 상기 밀봉 시스템은 외부 이중 밀봉 시스템으로도 지칭되고 볼 밸브(1)의 누출율을 위해 중요하다.

볼(4)은 내부 씰과 관련하여 두 개의 볼 밀봉 시트들(9) 내에 또는 이들 사이에 지지되고, 이때 밸브 하우징(13) 내에서 볼 밀봉 시트(9)는 밀봉 시트 링(10)에 의해 플로팅 지지된다. 밸브 하우징에는 냉매를 안내하는 라인을 위한 냉매 연결부(15)가 제공된다.

도 2에는 볼 밸브 중 샤프트(3)의 샤프트 베어링(5) 영역이 확대된 단면도로 도시되어 있다. 본 도면에는 밀봉 장치가 외부 샤프트 씰(6)과, 내부 샤프트 씰(7)과, 이들 두 씰 사이에 위치하는 유체 샤프트 씰(8)로 구성된 것이 도시된다. 유체 샤프트 씰(8)은 밀봉 유체로 충전된 중공 챔버(18)에 의해 형성되며, 상기 챔버는 적어도 부분적으로 막(11)에 의해 제한된다. 상기 막(11)은 밸브 하우징(13)과 샤프트 베어링(5) 사이에서 단부에 유지되어 있고 커프스(cuff) 형태로 형성된다. 샤프트(3)의 밀봉 영역(19)은 밀봉 유체로 습윤된다(wetting). 볼(4)의 베어링 영역 내에는, 밸브를 관류하는 유체로 충전된 챔버(12)가 형성된다. 볼 밸브(1)를 관류하는 유체, 특히 냉매 회로의 냉매는 각각 냉매 시스템의 사용 위치 및 작동 상태에 따라 특정 압력을 갖고, 상기 압력은 볼 밸브(1)의 챔버(12) 내에도 존재한다. 밀봉 유체로 충전된 중공 챔버(18)와 챔버(12) 사이에 상기 막(11)이 위치하고, 이로써 각각 유체로 충전된 인접한 공동(cavity)에서 챔버(12)와 중공 챔버(18)의 유체들의 압력은 서로 균형을 이룬다. 따라서, O-링으로서 형성된 내부 샤프트 씰(7)은 양쪽 측면에서 동일한 압력의 상이한 유체로 둘러싸인다. 내부에 볼 밸브(1)가 배치되어 있는 구역의 상응하는 압력의 냉매를 갖는 챔버(12) 측면으로부터 그리고 이에 상응하게 내부 샤프트 씰(7)의 다른 측면으로부터, 냉매 적합성 오일로서 형성되는 밀봉 유체는 상술된 바와 같이 막(11)에 의해 냉매와 동일한 압력을 갖는다.

그러므로, 외부 밀봉 장치는 두 유체들 사이의 제1 무압 씰과, 주변에 대한 냉매 시스템의 압력차를 갖는 주변에 대한 유체의 제2 씰로 구성된다. 외부 샤프트 씰(6)은 언급된 바와 같이 O-링 또는 성형 씰로서 구현되고, 볼 밸브를 둘러싸는 대기의 주변 압력에 대한 밀봉 유체에 부하된 시스템 압력의 압력차로 압력을 받는다.

도 3a 및 도 3b에는 막(11)이 도시되어 있다. 도 3a는 막(11)의 축 방향 단면(A-A)을 도시하고, 막은 링 커프스로서 회전 대칭형으로 형성된다. 축 방향으로 링 커프스의 상부는 칼라 돌출부(21)에 의해 종결된다. 칼라 돌출부는 O-링 유형으로 형성되고 샤프트 베어링(5)의 상응하는 그루브(groove) 내에 형태 결합식으로 맞물린다. 칼라 돌출부(21)의 외부 원주에는 축 방향으로 축 방향 재킷면(23)이 이어지고, 상기 재킷면은 원통형 표면으로서 하단부에서 반경 방향 링 디스크(24)로 전환된다. 원통형 재킷면(23)의 반경 방향 링 디스크(24)로 전환되는 영역은 곡면 처리되어 형성된다. 반경 방향 링 디스크(24)는 접촉링(22)으로 전환되며, 상기 접촉링은 샤프트 베어링(5)을 위한 원통형 접촉면으로서 형성된다. 반경 방향 링 디스크(24)는 축 방향으로 링 커프스의 하부 종결부를 형성하고, 접촉링(22)은 상부로 연장된다. 이로써, 밀봉 유체를 수용하는 백(bag) 형태의 단면 윤곽이 생성된다. 밀봉 유체로 충전된 중공 챔버(18)는 칼라 돌출부(21)와 원통형 접촉링(22)에 의해 샤프트 베어링(5)에 대한 밀봉이 이루어진다. 밀봉 유체로 충전된 중공 챔버(18)는 샤프트(3)의 재킷면에 의해 제한되고, 이는 샤프트(3)의 유체 샤프트 씰(8)의 밀봉 영역(19)으로도 지칭된다. 주변에 대해서는 외부 샤프트 씰(6)에 의해, 볼 밸브(1)를 관류하는 유체에 대해 서는 내부 샤프트 씰(7)에 의해 샤프트(3) 쪽으로의 밀봉이 구현된다.

도 3b에는 막(11)이 평면도로 도시되고 상부 칼라 돌출부(21)와 하부 접촉링(22)의 단부면이 도시되어 있다. 상부 칼라 돌출부(21)는 접촉링(22)의 직경에 비해 더 큰 직경을 갖도록 형성됨으로써, 칼라 돌출부(21)는 더 넓게 도시되고 하부 접촉링(22)은 더 좁게 도시된다.

도 4에는 볼 밸브(1)가 분해도로 도시되어 있다. 주요 구성부품들인 액추에이터(2)와, 밸브 하우징(13)과, 샤프트(3)와, 볼(4)은 샤프트 베어링(5)과, 해당되는 외부 및 내부 샤프트 씰(6 및 7)과, 막(11)을 갖는 유체 샤프트 씰(8)을 구비한 샤프트(3)를 위한 베어링 구성부품들에 의해 보충된다. 볼(4)은 도시된 도면에서 서로 반대쪽에 위치하는 볼 밀봉 시트(9)에 의해 지지되고, 상기 볼 밀봉 시트는 밀봉 시트 씰(10)에 의해 밸브 하우징(13)에 대해 또는 다른 쪽 측면에서는 폐쇄 부품(17)에 대해 밀봉되게 지지된다.

샤프트 베어링(5) 내에는 칼라 돌출부(21)와 접촉링(22)을 위한 상응하는 수용부가 형성되어 있다.

[도면부호 리스트]

1 볼 밸브

2 액추에이터

3 샤프트

4 볼

5 샤프트 베어링

6 외부 샤프트 씰

7 내부 샤프트 씰

8 유체 샤프트 씰

9 볼 밀봉 시트

10 밀봉 시트 씰

11 막

12 챔버

13 밸브 하우징

14 맞물림 홈

15 냉매 연결부

16 볼 관통 채널

17 폐쇄 부품

18 밀봉 유체로 충전된 중공 챔버

19 밀봉 영역

20 돌기

21 칼라 돌출부

22 접촉링

23 축 방향 재킷면

24 반경 방향 링 디스크

Claims

액추에이터(2)와, 샤프트 베어링(5)을 갖는 샤프트(3)와, 볼 관통 채널(16)을 갖는 볼(4)과, 밸브 하우징(13)을 포함하는 외부 밀봉 장치를 구비한 볼 밸브(1)에 있어서,
샤프트 베어링(5)에서 유체 샤프트 씰(8)이 상부 샤프트 씰(6)과 하부 샤프트 씰(7) 사이에 배치되고, 상기 유체 샤프트 씰(8)은 내부에 밀봉 유체가 제공되어 있는 중공 챔버(18)로 형성되며, 상기 밀봉 유체는 밀봉 영역(19)에서 샤프트(3)와 접촉함으로써, 밀봉 유체에 의해 축 방향으로 밀봉 작용이 발생하고, 상기 중공 챔버(18)는 적어도 부분적으로 막(11)에 의해 형성되어 샤프트(3)에서 샤프트 씰(6, 7)에 의해 제한되며, 상기 막(11)은 상기 중공 챔버(18)의 외측에 대해서 압력을 가할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제1항에 있어서, 밸브 하우징(13) 내에는 챔버(12)가 형성되어 있고, 상기 챔버의 벽은 부분적으로 막(11)에 의해 형성되며, 상기 챔버(12)는 볼 밸브(1)를 통과하는 유체의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 중공 챔버(18) 내에는 유체로서 폴리알킬렌클리콜이 배치되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제1항에 있어서, 하부 샤프트 씰(7)은 O-링으로서 형성되고 그 양쪽 측면에 대해서 볼 밸브(1)를 관류하는 유체와 밀봉 유체가 각각 동일한 압력을 가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제1항에 있어서, 상부 샤프트 씰(6)은 O-링 또는 성형 씰로서 구현되고 밀봉 유체와 주변으로부터 매질 분리를 위한 압력 편차를 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제1항에 있어서, 샤프트(3)는 열 전도율이 낮은 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제1항에 있어서, 막(11)은 상부의 넓은 칼라 돌출부(21)와 하부의 좁은 접촉링(22)을 갖는 링 성형품으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제7항에 있어서, 막(11)의 상부 칼라 돌출부와 하부 접촉링은 축 방향 재킷면과 반경 방향 하부 링 디스크에 의해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제8항에 있어서, 중공 챔버(18)는 샤프트(3), 상부 칼라 돌출부, 축 방향 재킷면, 반경 반향 링 디스크 및 하부 접촉링 사이에 밀봉 유체를 수용하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).
제8항에 있어서, 축 방향 재킷면으로부터 반경 방향 하부 링 디스크로의 전환부는 외측으로 곡면 처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브(1).