KR101576523B1 - 극 미세유량 조절밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체의 통과량을 설계와 같이 정확하면서도 미세하게 제어할 수 있도록 한 것으로서, 유체공급홀과 유체배출홀을 형성한 밸브바디와, 상기 밸브바디 내부에서 유체공급홀과 유체배출홀을 연통시키는 제어홀과, 상기 밸브바디의 상부에 결합되는 본넷을 관통하는 밸브스템과, 상기 밸브스템 하단에 결합되어 제어홀을 개폐하는 밸브시트와, 상기 밸브스템의 상부와 연결되어 밸브스템을 상,하 방향으로 움직이는 작동기로 구성되는 극 미세유량 조절밸브에 있어서;
상기 제어홀은, 유체배출홀과 연결되면서 밸브시트가 작동할 수 있게 형성되는 작동홀과 유체공급홀 사이를 종방향으로 형성하고, 상기 밸브스템의 하단에 제어홀과 결합되어 제어홀의 상,하방향으로 움직여 유체의 유통량을 결정하는 제어핀을 일체로 더 형성하고, 상기 제어홀과 제어홀에 결합된 제어핀 사이의 갭과 제어홀과 제어핀의 길이방향에 대한 저항으로 유량을 미세하게 제어하도록 하는 것이 특징이다.

Description

극 미세유량 조절밸브{MICRO CONTROL VALVE}

본 발명은 극 미세유량 조절밸브에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 극 미세유량을 정확하고 정밀하게 제어하여 유체를 사용하여 작동하는 장치의 정밀도를 높이면서 원활한 작동성을 보장할 수 있도록 한 새로운 형태의 극 미세유량 조절밸브의 제공에 관한 것이다.

유체를 통과시키거나 막거나, 제어하기 위하여 통로를 개폐할 수 있는 가동 기구를 가지는 기계나 시스템에 있어 밸브(Valve)는 필수적인 구성요소이며, 이러한 밸브는 유체의 흐름과 제어하는 방식에 따라 그 종류나 형태가 매우 다양하다.

기술과 산업이 발전하고 점점 정밀화되어 감에 따라 사용하거나 제어해야 할 유체의 종류가 다양해짐은 물론, 고온 고압 등 고에너지의 유체제어가 산업의 안전과 더불어 고도로 요구되고 있는 실정이며 이에 따라 밸브의 중요성이 날로 부각되고 있다.

아울러 밸브(Valve) 자체의 구조도 점점 발전하여 밸브의 구동에 솔레노이드 또는 작동기와 같은 자동제어 개념이 도입되어 정밀하게 제어되고 있는 실정이며, 작동기와 함께 밸브의 내부구조를 개선하여 정밀하면서도 미세하게 유체를 제어할 수 있도록 하는 형태의 것들이 요구되고 있는 실정이다.

상기와 같이 유체의 극 미세유량을 제어할 수 있는 밸브가 요구되고 있는 곳으로는 연료전지 제조라인, 원자력발전소 등과 같이 미세한 양의 유체(가스, 에어, 등)를 공급하여야하거나, 미세한 유체의 양으로 액추에이터 등을 작동시켜야 하는 정밀한 곳에 장착되어 사용되어 진다.

상기와 같은 목적과 용도에 적합하게 종래에도 다양한 종류의 미세유량 조절밸브가 다수 개발되어 사용되고 있는 실정이며, 대표적인 예를 도 7을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

종래 기술이 적용되는 미세유량 조절밸브(1)는, 밸브바디(2)에 유체공급홀(3)과 유체배출홀(4)을 형성하고, 상기 유체공급홀(3)과 유체배출홀(4)은 밸브바디(2) 내부에서 제어홀(5)에 의하여 연통되도록 한다.

상기 제어홀(5)은 유제공급홀(3)과 유체배출홀(4) 사이에 소정의 두께(통상적으로는 1㎜ 정도)를 가지는 제어판(6)의 중앙에 원형상으로 형성하고, 상기 제어홀(5)의 상방에는 밸브바디(2)와 기밀을 유지한 밸브시트(7)가 결합된다.

상기 밸브시트(7)는 밸브바디(2)와 결합되는 글랜드(8)를 관통하고 콘트롤러에 의하여 밸브바디(2)의 상,하방향으로 움직이는 밸브스템(9)과 연결되어 제어홀(5)과 연접 정도를 달리하여 유체의 유량을 제어할 수 있도록 구성하고 있다.

특허출원 제 10 - 2012 - 0043293 호 특허 제 10 - 0738973 - 0000 호 특허 제 10 - 0934995 - 0000 호 특허 제 10 - 0941632 - 0000 호

상기와 같은 종래기술이 적용되는 미세유량 조절밸브는, 밸브시트가 제어홀과 연접된 상태에서는 유체가 통과하지 못하게 되나, 밸브시트가 제어홀을 벗어나기 시작하면서부터는 급격하게 유량이 증가하는 형태가 되기 때문에 정밀하고 정량상태의 유량을 제어하는 것이 현실적으로 불가능하게 된다.

즉, 제어홀을 차단하고 있는 밸브시트가 제어홀과 이격되면서 제어홀의 단면적이 급격하게 증가하게 되므로 개방 초기에는 미세하게 유량을 공급하는 것이 가능하게 될 것이나, 밸브시트의 개방 상태가 커지면서는 밸브시트의 개방에 비례하여 제어홀을 통과하는 유량이 일정하게 증가하지 않고 급격하게 증가하게 되므로 제어하는 것이 쉽지 않게 된다.

상기와 같은 종래 기술이 적용되는 미세유량 조절밸브는, 콘트롤러에 의하여 작동기가 정밀하게 밸브스템을 상,하방향으로 움직여 밸브시트를 제어홀과 연접 및 이탈되도록 작동시키더라도 개방 초기와 완전개방상태에서의 유량이 큰 차이를 보이기 때문에 유량을 정밀하게 제어하는 것이 힘들게 된다.

즉, 밸브시트를 개방하는 초기인 약 10％의 제어홀이 개방되기 전 까지는 소량의 유량의 개방 정도에 맞게 비례하여 증가 되는 형태를 보이게 되나, 밸브시트의 개방이 10％를 넘어서게 되면 제어홀의 개방 정도가 밸브시트의 개방에 대한 제곱형태로 개방되기 때문에 극 미세유량을 제어하는 데에는 한계가 발생하게 된다.

이와 같이 종래 기술에서는 유체의 소량 유통상태와 대량 유통상태의 유체의 량편차가 거의 없는 대등한 상태이기 때문에 정밀한 유량 제어는 현실적으로 불가능하게 되므로 일반적으로 사용되는 통상적인 볼밸브와 같이 유체를 유통시키고 또는 차단하는 기능을 수행하는 단순한 개,폐 작동에 지나지 않기 때문에 효용성이 높지 않게 되는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 유체공급홀과 유체배출홀을 형성한 밸브바디와, 상기 밸브바디 내부에서 유체공급홀과 유체배출홀을 연통시키는 제어홀과, 상기 밸브바디의 상부에 결합되는 본넷을 관통하는 밸브스템과, 상기 밸브스템 하단에 결합되어 제어홀을 개폐하는 밸브시트와, 상기 밸브스템의 상부와 연결되어 밸브스템을 상,하 방향으로 움직이는 작동기로 구성되는 극 미세유량 조절밸브에 있어서;

상기 제어홀은, 유체배출홀과 연결되면서 밸브시트가 작동할 수 있게 형성되는 작동홀과 유체공급홀 사이를 종방향으로 형성하고, 상기 밸브스템의 하단에 제어홀과 결합되어 제어홀의 상,하방향으로 움직여 유체의 유통량을 결정하는 제어핀을 일체로 더 형성하고, 상기 제어홀과 제어홀에 결합된 제어핀 사이의 갭과 제어홀과 제어핀의 길이방향에 대한 저항으로 유량을 미세하게 제어하도록 함으로서;

유체의 통과량을 설계와 같이 정확하면서도 미세하게 제어할 수 있어 산업전반에 효율적으로 사용할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 유체의 양을 극 미세하게 조절하여 유통시킬 수 있도록 함으로서 정밀 산업분야에서 목적하는 유량을 용이하게 제어하여 유체장비의 원활한 작동성을 보장하는 것은 물론, 급격한 유체 량의 변화로 야기될 수 있는 생산성의 저하와 생산제품의 불량발생을 최소화하면서, 안전사고의 우려를 배제할 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 외관 사시도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 일부 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 A - A선 단면도.
도 4는 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 B - B선 단면도.
도 5는 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브의 C부위를 발췌하여 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브의 밸브 개도별 유량특성을 도시한 그래프도.
도 7은 종래 기술이 적용된 미세유량 조절밸브를 도시한 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 외관 사시도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 일부 분해 사시도, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 A - A선 단면도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브를 도시한 B - B선 단면도, 도 5는 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브의 C부위를 발췌하여 도시한 단면도, 도 6은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브의 밸브 개도별 유량특성을 도시한 그래프도로서 함께 설명한다.

통상적인 극 미세유량 조절밸브(100)는, 밸브바디(101)에 유체공급홀(102)과 유체배출홀(103)을 형성하고, 상기 유체공급홀(102)과 유체배출홀(103)은 밸브바디(101) 내부에서 제어홀(105)에 의하여 연통 되도록 한다.

상기 제어홀(105)은 밸브바디(101)의 상부에 기밀을 위한 패킹(104)과 스프링(106) 및 글랜드(107)를 가지고 결합되는 본넷(Bonnet, 108)을 관통하여 밸브스템(109)의 하단에 결합되는 밸브시트(110)에 의하여 개폐되도록 한다.

상기 밸브스템(109)은 유체공급홀(102)로 공급되는 유체의 양과 유체배출홀(103)을 통하여 배출되는 유체의 양을 감지하여 설정된 양과 비교하여 콘트롤러에 의하여 작동하는 작동기(111)와 연결하여 항상 설정된 유량으로 제어할 수 있도록 구성된다.

본 발명에서는 상기 제어홀(105)과 밸브시트(110)를 개선하여 제어홀(105)과 밸브시트(110)의 길이방향 저항으로 유체의 양을 미세하게 조절하여 유통시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어홀(105)은, 유체배출홀(103)과 연결되면서 밸브시트(110)가 작동할 수 있게 형성되는 작동홀(115)과 유체공급홀(102) 사이를 밸브스템(109)의 축 중심과 일치되게 밸브바디(101)의 종방향으로 형성한다.

상기 제어홀(105)의 직경(D)에 비하여 작동홀(115)과 유체공급홀(102)을 연결하는 제어홀(105)의 길이(L)가 상대적으로 더 길게(본 발명에서는 약 15㎜ 이상) 형성하고, 상기 밸브시트(110)는 밸브스템(110)의 하방에 형성되는 나사부(116)에 금속, 테프론 등과 같이 대상 유체에 따라 달리 채용되는 시트(117)와 시트하우징(118)을 너트(119)로 고정한다.

상기 시트(117)는 밸브시트(110) 미개방시 작동홀(115)에 일체로 형성되는 기밀림(120)과 밀착되어 유체가 유체공급홀(102)에서 제어홀(105)과 작동홀(115)을 통하여 유체배출홀(103)로 누출되는 것을 원천 차단할 수 있도록 한다.

상기 밸브스템(110)의 하단에는 제어홀(105)에 삽입되어 제어홀(105)의 상,하방향으로 움직여 유체의 유통량을 결정하기 위한 제어핀(125)을 일체로 더 형성한다.

상기 제어홀(105)의 직경(D)과 제어핀(125)의 직경(D1)은 극 미세유량을 제어하는 것임을 감안하여 본 발명의 도면에 예시된 제어홀(105)은 2㎜의 직경을 가지고 제어핀(125)은 이보다 작은 1.8㎜의 직경을 가지도록 구성하고 있다.

물론, 상기 제어홀(105)로 공급하고자 하는 유체의 양이나 종류 또는 유체를 공급받는 곳의 설비나 제품의 종류에 따라 제어홀(105)의 직경(D)과 제어핀(125)의 직경(D1)사이의 갭(Gap)은 달라질 수 있을 것이므로 특정한 치수에 한정하는 것은 아니며, 제어홀(105)보다 제어핀(125)의 직경이 작은 것이면 족하다.

상기 제어핀(125)은, 유체가 이동할 수 있도록 제어홀(105)의 직경(D)보다 작은 직경(D1)을 가지도록 하고, 제어홀(105)의 길이(L)보다 긴 길이(L1)를 가지도록 형성하여 밸브시트(110)가 미개방 위치에서는 제어핀(125)의 하단이 제어홀(105)의 하단으로 노출되도록 한다.

상기 밸브시트(110)가 완전개방 위치로 전환하였을 때에도 제어핀(125)의 하단이 제어홀(105)의 상단부 외측으로 노출되지 않도록 하는 것이 바람직한데, 이는 제어핀(125)이 제어홀(105)의 상단부 외측으로 완전하게 이탈될 경우에는 유체의 압력과 유량에 의하여 길고 소직경의 제어핀(125)이 제어홀(105)로 진입하는 것이 쉽지 않게 되므로 다음 작동이 불가능하게 될 소지가 있기 때문이다.

다른 이유로서는 제어핀(125)이 제어홀(105)을 완전히 벗어날 경우 미개방 상태와 완전개방상태의 유량차이가 종래와 같이 급격하게 차이 나는 것을 방지하여 미세한 조절을 가능하게 하기 위함이다.

상기와 같이 긴 길이를 가지는 제어홀(105)과 상기 제어홀(105)에 결합된 제어핀(125) 사이의 갭과 제어홀(105)과 제어핀(125)의 길이방향에 대한 저항을 이용하여 유량을 미세하게 제어할 수 있도록 한다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 극 미세유량 조절밸브(100)의 작동상태를 살펴보면 다음과 같다.

유체공급홀(102)과 유체배출홀(103)에 유체라인을 연결한 후 유체를 공급하여 유체배출홀(103)을 통하여 배출되는 유체의 양을 감지하여 콘트롤러(미도시)로 인가하면, 콘트롤러는 설정된 값과 비교하여 유량이 적으면 밸브스템(109)과 연결된 작동기(111)로 하여금 밸브스템(109)을 상승시키고, 유량이 많으면 밸브스템(109)을 하강시켜 설정된 유량에 맞게 제어하는 형태로 이루어지게 된다.

이와 같이 유량이 조절되는 과정에서 밸브스템(109)이 하강 또는 상승하게 되는 데, 밸브스템(109)이 최대하강하면 밸브시트(110)가 작동홀(115)에 일체로 형성되는 기밀림(120)과 밀착되어 유체공급홀(102)의 유체가 작동홀(115)로 넘어오는 것을 차단하게 되므로 유체는 제로(0) 상태가 되고 누설현상이 없게 된다.

그리고, 유량을 증가시키기 위하여 밸브스템(109)을 상승시키면서 제어핀(125)이 제어홀(105)에 위치하는 길이를 달리하게 됨으로써 유체가 제어홀(105)과 제어핀(125)과의 갭 사이로 유통하게 되고, 결국에는 제어홀(105)과 제어핀(125)이 연접하고 있는 길이만큼의 저항에 따라 유체의 유통량이 달라지게 된다.

즉, 제어핀(125)이 제어홀(105)과 결합된 길이가 긴 경우에는 유체가 제어홀(105)과 제어핀(125) 사이의 갭을 통과하여야 하는 길이가 길어지게 되고 결국에는 저항이 많이 발생하게 되므로 유체량이 적게 되고, 제어핀(125)이 제어홀(105)과 결합된 길이가 짧은 경우에는 유체가 제어홀(105)과 제어핀(125) 사이의 갭을 통과하여야 하는 길이가 짧아지게 되므로 저항이 줄어들어 유체의 통과량이 많아지게 되는 것이다.

또한, 밸브스템(109)을 체대 개방위치로 두어도 제어핀(125)이 제어홀(105)을 벗어나지 않도록 하기 때문에 제어홀(105)과 제어핀(125)의 직경이 작아도 안정된 상태의 작동을 가능하게 할 수 있고, 작동과정에서 제어핀(125)의 파손이나 변형이 없기 때문에 유지 보수로 야기될 수 있는 문제점을 해소할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 제어홀의 길이 방향에 대한 제어핀의 결합위치에 따른 저항에 의하여 유량이 제어되고, 제어홀에 대하여 제어핀이 완전하게 이탈되지 않기 때문에 유체의 통과량을 설계와 같이 정확하게 제어할 수 있는 특성이 있어 고정밀을 요구하는 산업 전반에 효율적으로 활용할 수 있는 장점을 가진다.

100; 극 미세유량 조절밸브
101; 밸브바디
102; 유체공급홀
103; 유체배출홀
105; 제어홀
110; 밸브시트
115; 작동홀
117; 시트
118; 시트하우징
125; 제어핀

Claims (5)

1. 유체공급홀(102)과 유체배출홀(103)을 형성한 밸브바디(101)와;
   상기 밸브바디(101) 내부에서 유체공급홀(102)과 유체배출홀(103)을 연통시키는 제어홀(105)과;
   상기 밸브바디(101)의 상부에 패킹(104)과 스프링(106) 및 글랜드(107)를 가지고 결합되는 본넷(Bonnet, 108)을 관통하는 밸브스템(109)과;
   상기 밸브스템(109) 하단에 결합되어 제어홀(105)을 개폐하는 밸브시트(110)와;
   상기 밸브스템(109)의 상부는 유체공급홀(102)로 공급되는 유체의 양과 유체배출홀(103)을 통하여 배출되는 유체의 양을 감지하여 설정된 양과 비교하여 콘트롤러에 의하여 작동하는 작동기(111)와 연결하여 설정된 유량으로 제어할 수 있도록 구성되는 극 미세유량 조절밸브에 있어서;
   상기 제어홀(105)은, 유체배출홀(103)과 연결되면서 밸브시트(110)가 작동할 수 있게 형성되는 작동홀(115)과 유체공급홀(102) 사이를 밸브스템(109)의 축 중심과 일치되게 밸브바디(101)의 종방향으로 형성하고;
   상기 밸브시트(110)는, 밸브스템(109)의 하방에 형성되는 나사부(116)에 너트(119)로 고정하는 시트(117) 및 시트하우징(118)과;
   상기 밸브스템(109)의 하단에 일체로 형성하여 제어홀(105)에 삽입되어 제어홀(105)의 상,하방향으로 움직여 유체의 유통량을 결정하는 제어핀(125)을 포함하고;
   상기 제어홀(105)과 제어홀(105)에 결합된 제어핀(125) 사이의 갭과 제어홀(105)과 제어핀(125)의 길이방향에 대한 저항을 이용하여 유량을 미세하게 제어하는 것을 특징으로 하는 극 미세유량 조절밸브.
2. 제 1 항에 있어서;
   상기 제어홀(105)의 직경(D)에 비하여 작동홀(115)과 유체공급홀(102)을 연결하는 제어홀(105)의 길이(L)가 상대적으로 더 길게 형성하는 것을 특징으로 하는 극 미세유량 조절밸브.
3. 제 1 항에 있어서;
   상기 제어홀(105)의 직경(D)보다 제어핀(125)의 직경(D1)이 더 작은 것을 특징으로 하는 극 미세유량 조절밸브.
4. 제 1 항에 있어서;
   상기 제어핀(125)의 길이(L1)는 제어홀(105)의 길이(L)보다 길게 형성하는 것을 특징으로 하는 극 미세유량 조절밸브.
5. 제 1 항에 있어서;
   상기 제어핀(125)은 밸브시트(110)가 완전개방 위치로 전환하였을 때에도 제어핀(125)의 하단이 제어홀(105)의 상단부 외측으로 노출되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 극 미세유량 조절밸브.

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