KR101595266B1 - 볼 밸브의 시트 리테이너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압용 볼 밸브의 내부 누수방지를 위해 시트 리테이너의 구조 형상을 비대칭적인 구조로 설계하여 실링 기능을 향상시키 위한 것으로서, 볼 밸브의 볼이 유로관을 차단하고 있을 때 고압의 유체에 의해 볼이 구조적으로 비대칭 병형이 발생되어 누수 발생 우려가 있는데, 본 발명은, 시트 리테이너를 원주 방향을 따라 홈을 형성하고, 시트부의 두께를 달리하여 비대칭적으로 변형할 수 있도록 구성한 것이다. 이에 따라 시트 리테이너는 원주방향을 따라 비균일한 형상 변형이 가능하게 되므로, 볼이 어떠한 형상으로 변형하더라도 이와 동일하게 변형할 수 있도록 세밀히 설계/가공할 수 있어 실링의 완벽성을 기하게 된다.

Description

볼 밸브의 시트 리테이너{Seat Retainer for Ball Valve}

본 발명은 고압용 볼 밸브의 내부 누수방지를 위해 시트 리테이너(Seat Retainer)의 구조 형상을 원주 방향을 따라 두께를 달리하도록 설계하여 볼의 비대칭 변형에서도 접촉부의 원호를 따라 균일하게 접촉 하중을 받아 실링 효과를 높이고 제품의 수명을 증가시킬 수 있도록 한 볼 밸브의 시트 리테이너에 관한 것이다.

일반적으로 볼 밸브는 유로를 개폐하기 위하여 2개 이상의 유로와 연통되는 챔버 내에 볼이 회전하게 설치되어, 볼의 회전에 의하여 유로를 선택적으로 개폐하도록 작동한다.

볼 밸브는 중앙을 관통하는 유로가 형성된 구면을 갖는 볼이 밸브 몸체의 중앙부 챔버 내에 설치되어, 개방 상태에서는 볼에 형성된 관통공을 통해 유로를 서로 연통시키고, 폐쇄 상태에서는 볼이 개방 상태로부터 회전하여 볼의 구면으로 유로를 막아 차단시키도록 구성된다.

폐쇄 상태에서 실링 성능을 향상시키기 위하여, 볼의 주변에 시트 리테이너가 설치되고, 시트 리테이너와 볼의 사이에는 시트링이 개재된다. 이와 같이 종래의 볼 밸브에 대해서는 한국공개특허 2014-0018512호에 개시되어 있다.

그런데, 시트링을 삽입 개제하여 실링하는 볼 밸브에서의 시트링의 수명 한계로 인한 실링에 문제가 발생 될 수 있다는 문제점이 있었다.

이를 개선하기 위하여 시트 리테이너에 일체형으로 시트링을 가공 형성한 메탈시트를 사용한다. 메탈 시트인 경우, 시트 리테이너의 시트링이 볼에 밀착되도록 설계되어 있으나 대구경의 볼 밸브는 고압의 유체에 의해 큰 힘을 받게 되므로, 볼에 변형이 발생되어 볼과 시트 리테이너의 시트링 사이에 틈이 생겨 누수가 발생하게 된다.

특히 볼의 중심부에 관통공이 형성되어 있기 때문에 볼의 측면부가 상내적으로 상하부에 비해 변형량이 커지면서 비대칭적인 변형이 발생 되면서 시트링과의 틈이 생겨 누수가 발생 된다.

한국공개특허 10-2014-0018512호(2014.02.13)

본 발명은 고압용 볼 밸브의 시트 리테이너에 있어서, 볼의 변형에 대응하여 시트 리테이너가 원주방향을 따라 형상 변형이 가능하게 홈을 형성함과 아울러 비대칭적으로 두께를 다르게 형성함으로써, 볼이 어떠한 형상으로 변형하더라도 접촉부의 원호를 따라 균일하게 접촉하중을 받아 실링의 효과를 높이고 제품 수명을 증가시킬 수 있도록 한 볼 밸브의 시트 리테이너를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은, 볼 밸브의 볼과 실링을 위한 접촉이 이루어지는 시트링가 일체형으로 형성된 시트 리테이너에 있어서,

상기 시트 리테이너는,

상기 시트링의 하부에 시트 리테이너의 원주방향을 따라 홈을 형성하고,

볼의 측면부 영역에 대응되는 제1영역과, 볼의 상하부 영역에 대응되는 제2영역에서 상기 홈과 시트 리테이너의 상면 사이의 시트부 두께를 서로 다르게 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 제1영역의 시트 리테이너의 상면을 파내는 요홈부를 형성하여 상기 제2영역의 두께보다 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 요홈부는 양끝 부분이 라운드진 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 시트 리테이너의 상면을 제1영역과 제2영역의 깊이가 다르게 파내어 요홈부를 형성하되, 상기 제1영역과 제2영역의 요홈부가 원주 둘레를 따라 부드럽게 변화되어 서로 이어지는 부분이 선형적으로 또는 비선형적으로 자연스럽게 연결되는 형태로 요홈부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 요홈부를 형성하는 대신에 상기 제1영역의 시트 리테이너의 상면 모서리부를 깍아내서 상기 제2영역의 시트부 모서리 두께보다 제1영역의 시트부 모서리 두께가 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제1영역의 홈과 상면 사이의 시트부 두께(d1)는 상기 제2영역의 홈과 상면 사이의 시트부 두께(d)의 50% ~ 99% 두께인 것을 특징으로 한다.

상기 제1영역은, 시트 리테이너의 중심점을 지나는 수평축을 중심으로 상하로 각각 10 ~ 50°의 원호각에 해당되는 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 시트 리테이너는,

시트 리테이너에 볼과 접촉되는 시트링이 일체형으로 이루어진 메탈 시트 또는 시트 리테이너와 시트링이 분리 구성된 소프트 시트에도 그대로 적용됨을 특징으로 한다.

본 발명은 밸브 차단 시 고압의 압력에 의해 볼의 변형이 발생되면 시트 리테이너의 시트부 영역이 볼의 변형에 추종하여 시트부가 변형되어 실링이 유지되며, 특히 볼에 형성된 관통공으로 인하여 볼의 측면부와 상면부가 비대칭적으로 변형되는데 이에 대응하여 볼의 측면부에 대응되는 영역의 시트부 두께를 얇게 형성함으로써, 시트 리테이너의 시트부도 비대칭적으로 변형이 이루어져 고압의 유체에 의해 볼이 어떠한 형상으로 변형하더라도 볼의 변형형상을 추종할 수 있도록 시트 리테이너가 설계되므로 실링 기능을 향상시키게 된다.

도 1은 본 발명이 적용되는 볼 밸브의 구성을 보인 단면도.
도 2는 본 발명을 설명하기 위한 압력에 의한 볼 변형 설명도
도 3은 본 발명에 의한 시트 리테이너의 구성을 보인 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 시트 리테이너의 구성을 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 시트 리테이너의 다른 실시 예를 보인 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 시트 리테이너의 비대칭 영역 설명도.
도 7의 (가) 및 (나)는 본 발명에 의한 시트 리테이너의 변형 설명도.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 볼 밸브의 구성을 보인 단면도이다.

본 발명에 적용되는 볼 밸브는, 도 1에 도시된 바와 같이, 중앙 관통공(10a)이 형성된 구면을 갖는 볼(10)과, 볼(10)과의 접촉되어 실링시키는 시트링(20a)이 일체형으로 형성된 시트 리테이너(20)와, 상기 볼(10)이 내부 챔버 내에서 회동가능하게 설치되는 밸브 몸체(30)와, 상기 밸브 몸체(30)의 좌우측에서 결합되어 유로를 형성하는 클로저(40)와, 상기 볼(10)의 상단부에 결합되어 상기 밸브 몸체(30)의 상부로 인출되어 볼(10)을 회동시키기 위한 스템(50)과, 상기 밸브 몸체(30)와 볼(10) 사이에 설치되어 볼(10)을 지지하는 볼 서포터(60)와, 상기 스템(50)과 연결되어 스템(50)을 회동시키기 위한 오퍼레이터 플랜지(70)와, 상기 시트 리테이너(20)와 클로저(40) 사이에 설치되어 시트 리테이너(20)의 시트부 후면을 볼(10)의 방향으로 탄력지지하는 복수의 시트 스프링(80)을 포함하여 구성된다.

본 발명이 적용되는 볼 밸브는, 중앙 관통공(10a)이 형성된 볼(10)의 좌우측에 시트 리테이너(20)가 설치된다. 시트 리테이너(20)에 시트링(20a)이 일체형으로 형성된 메탈시트를 예시한 것이다. 본 발명의 실시 예 도면에서는 시트링이 일체형으로 형성된 메탈 시트를 실시 예로 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명은 시트 리테이너와 시트링이 분리 구성되어 시트링이 삽입 설치되는 소프트 시트에도 그대로 적용된다.

이와 같이 구성되는 볼 밸브는, 클로저(40)의 유로와 볼(10)의 중앙관통공(10a)이 일치되어 밸브 열림 상태가 되고, 스템(50)을 통해 볼(10)을 회동시켜 밸브 담힘 상태로 조정함으로써 볼 밸브를 개폐시키게 된다.

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 압력에 의한 볼 변형 설명도이다.

볼(10)의 중앙 관통공(10a)과 클로저(40)의 유로가 서로 직각상태인 밸브 닫힘 상태에서는 유체의 진행방향에서 시트 리테이너(20)와 볼(10)에 압력이 가해진다. 대형의 고압 볼 밸브인 경우 시트 리테이너(20)와 볼(10)에 가해지는 압력이 매우 큰 힘으로 가해질 수 있다. 이와 같이 큰 힘의 유체 압력이 볼(10)에 가해지는 경우 볼(10)의 변형이 발생 될 수 있다.

볼의 변형이 발생 될 때, 시트 리테이너(20)에 형성된 홈(21)에 압력이 가해져서 시트부(23)가 변형이 발생 되면서 볼(10)의 변형에 대응하게 된다.

그런데, 볼(10)의 중심에 중앙 관통공(10a)이 형성된 구조이므로, 밸브 닫힘 상태에서 시트 리테이너(20)의 내측에 노출된 볼의 측면부(11)가 상하부에 비해 두께가 얇다. 이로 인하여 고압의 압력이 가해졌을 때 볼(10)은 상하부에 비해 측면부(11)의 변형이 커지면서 비대칭적 변형이 발생 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 밸브 닫힘 상태에서 볼의 비대칭적 변형에 대응하여 시트 리테이너(20)의 시트부가 비대칭적 변형이 발생 될 수 있는 구조를 제공하고자 하는 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 시트 리테이너의 구성을 보인 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 시트 리테이너의 구성을 보인 단면도이고, 도 5는 다른 실시 예를 보인 단면도이며, 도 7은 비대칭 영역 설명도이다. 이에 도시된 바와 같이,

본 명에 의한 시트 리테이너(20)는, 시트링(20a)의 하부에 시트 리테이너(20)의 원주 방향을 따라 홈(21)을 형성하고, 상기 홈(21)과 시트 리테이너(20)의 상면 사이의 시트부(23) 두께를 비균일하게 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 볼(10)의 측면부 영역에 대응되는 제1영역(S1)과, 볼(10)의 상하부 영역에 대응되는 제2영역(S2)에서의 상기 홈(21)과 시트 리테이너(20)의 상면 사이의 시트부(23) 두께를 서로 다르게 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 제1영역(S1)의 시트 리테이너(20)의 상면을 파내는 요홈부(22)를 형성하여 상기 제2영역(S2)의 시트부(23) 두께(d) 보다 제1영역(S1)의 시트부(23) 두께(d1)가 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 요홈부(23)는 양끝 부분이 라운드진 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 시트 리테이너(20)의 상면을 제1영역(S1)과 제2영역(S2)의 깊이가 다르게 파내어 요홈부(22)를 형성하되, 상기 제1영역(S1)과 제2영역(S2)의 요홈부(22)가 원주 둘레를 따라 부드럽게 변화되어 서로 이어지는 부분이 선형적으로 또는 비선형적으로 자연스럽게 연결되는 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

이는 제1영역(S1)의 중심부가 가장 깊게 홈을 파고, 제2영역(S2)의 중심부는 홈을 형성하지 않는 형태로 요홈부를 형성하되, 제1영역(S1)에서 제2영역(S2)으로 이어지는 요홈이 자연스럽게 깊이가 변화되는 형태로 형성한다.

또한 본 발명은, 제1영역(S1)과 제2영역(S2)의 홈의 깊이는 원주 둘레를 따라 부드럽게 변화될 수 있다. 이때 서로 이어지는 부분은 선형적으로 또는 비선형적으로 자연스럽게 연결되는 형태로 홈이 형성된다

한편, 본 발명은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1영역(S1)의 시트 리테이너(20)의 상면 모서리부를 깍아내서 상기 제2영역(S2)의 시트부(23) 모서리 두께(d) 보다 제1영역(S1)의 시트부(23) 모서리 두께(d1)가 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은, 도 4와 같이 시트부(23)의 상면에 요홈부(22)를 형성하거나, 또는 도 5와 같이 시트부(23)의 상면 모서리부를 깍아내어 두께 차등시키는 방법으로 구현할 수 있다. 이는 홈(21) 속에서 같은 유체 압력을 받을 때 시트부(23)가 벌어지려는 방향으로 변형되는데, 상하부와 측변부의 변형량에 비대칭변형이 되게 하기 위한 것이다.

상기 요홈부(22)를 형성하거나, 모서리부를 깍아내서 시트부(23)의 두께에 차등을 주는데, 상기 제1영역(S1)의 홈(21)과 상면 사이의 시트부(23) 두께(d1)는, 상기 제2영역(S2)의 홈(21)과 상면 사이의 시트부(23) 두께(d)의 50% ~ 99% 두께인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1영역(S1)은, 시트 리테이너의 중심점을 지나는 수평축(X축)을 중심으로 상하로 각각 10 ~ 50°의 원호각에 해당되는 범위인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 볼(10)의 변형에 대응하여 시트 리테이너(20)의 시트부(23)가 변형될 수 있도록 시트링(20a)의 하부에 원주방향을 따라 홈(21)을 형성한다. 홈(21)을 형성하게 되면, 밸브 닫힘 상태에서 유체 압력에 의해 볼(10)의 변형이 발생 될 때, 홈(21) 속으로도 동일한 유체 압력이 가해지는 상태이므로 홈(21)의 외측부 즉, 시트부(23)가 변형되면서 시트링(20a)이 볼(10)에 밀착된 상태를 유지하게 된다.

그런데, 도 2를 참조해 설명한 바와 같이, 큰 힘의 유체압력이 가해지는 경우 볼(10)의 중앙부에 비해 두께가 얇은 측면부(11)가 더 큰 변형이 발생되어 볼이 오목한 형태로 변형을 일으킬 수 있다. 결국 유체의 진행방향 정면에서 볼 때 좌우 양측면부(11)가 밀려 들어가 시트 리테이너(20)의 시트링(20a)과 볼(10)의 접촉부분에 틈이 발생 되어 누수가 발생 될 우려가 있다.

시트 리테이너(20)에 균일한 깊이로 홈(21)을 형성하였을 때, 볼(10)의 측면부에 대응하는 제1영역(S1)에서 더 큰 변형이 발생 되어야 하므로, 본 발명에서는 시트 리테이너(20)의 상면부에 요홈부(22)를 형성하여 시트부(23)의 두께를 다르게 형성한다.

볼(10)의 상하부에 대응되는 제2영역(S2)의 시트부(23) 두께(d)에 비해 볼(10)의 측면부에 대응되는 제1영역(S1)의 시트부(23)의 두께를 얇게 형성하기 위하여 제1영역(S1)의 시트 리테이너(20) 상면에 요홈부(22)를 형성하여 두께(d1)를 얇게 형성한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 요홈부(22) 대신에 도 5에 도시된 바와 같이, 상면 모서리부를 깍아내서 제1영역(S1)과 제2영역(S2)의 시트부(23) 두께에 차등을 주는 방법으로 구성할 수 있다. 모서리부의 두께를 다르게 구성함으로써, 홈(210 속에 작용되는 유체압력에 의해 비대칭 변형이 발생될 수 있다. 이로 인해 볼의 비대칭 변형발생시 이에 추종되어 시트 리테이너의 시트부도 비대칭 변형이 발생되어 접촉부의 원호를 따라 균일하게 접촉하중을 받아 실링 효과를 향상시킬 수 있다.

도 7의 (가) 및 (나)는 본 발명을 설명하기 위한 볼과 시트 리테이너의 변형에 설명도이다.

도 7의 (가)에 도시된 바와 같이, 밸브 닫힘 상태에서는 시트 리테이너(20)의 시트링(20a)이 볼(10)의 표면에 전면 밀착 상태에 있게 된다. 이때 유로를 통해 가해지는 유체압력이 볼(10)의 표면과 시트 리테이터(20)의 내측 표면에 가해진다. 즉, 시트 리테이너(20)에 형성된 홈(21) 속에도 동일한 유체 압력이 가해진다.

밸브 담힘 상태에서 가해지는 큰 힘의 유체 압력에 의해 볼(10)이 변형을 일으킬 수 있는데, 도 8의 (나)와 같이 볼(10)의 관통공(10a)이 형성된 볼 측면부에서 변형이 발생되어 측면부가 안쪽으로 밀려 들어가는 형태로 변형된다.

시트 리테이너(20)의 홈(21) 속에으로 동일한 유체압력이 가해지므로, 시트링(20a)이 접촉되던 볼(10)의 측면부가 밀려들어가는 변형이 발생되면, 시트 리테이너(20)도 홈(21)의 우측 즉, 시트링(20a)이 형성된 시트부(23)가 볼(10)이 변형된 만큼 함께 변형되어 시트링(20a)은 볼(10)의 표면에 밀착된 상태를 유지하면서 실링을 확실하게 유지한다. 결국 볼(10)의 변형량 만큼 홈(21)의 우측 시트링(20a)이 형성된 시트부(23)가 외측으로 벌어지면서 시트링(20a)이 변형된 볼(10)의 표면에 밀착상태를 유지하는 것이다.

본 발명에 의해 시트부(23)의 두께를 다르게 형성한다. 볼(10)의 측면부에 대응하는 제1영역(S1)의 시트부(23) 두께(d1)가 볼(10)의 상하부에 대응되는 제2영역(S2)의 시트부 두께(d) 보다 얇게 형성한 것이다. 그러므로, 제1영역(S1)의 시트부(23)가 제2영역(S2)의 시트부(23)에 비해 쉽게 변형이 발생 될 수 있으므로 볼(10)의 측면부 변형에 대응하여 시트부(23)가 비대칭 변형이 발생 되면서 시트링(20a)이 볼 표면에 균일하게 밀착상태를 유지하게 하는 것이다.

결국, 고압의 유체에 의해 볼(10)의 비대칭적인 변형이 발생되더라도 시트 리테이너(20)에 형성된 홈(21)과 비균일하게 형성된 시트부(23)의 두께 차이에 의해 비대칭적인 변형이 발생되어 볼(10)과 시트링(20a)이 밀착상태를 유지하게 되어 실링 효과가 향상되는 것이다.

10 : 볼 10a : 관통공
20 : 시트 리테이너 20a : 시트링
21 : 홈 22 : 요홈부
23 : 시트부 30 : 밸브 몸체
40 : 클로저 50 : 스템
60 : 볼 서포터 70 : 오퍼레이터 플랜지
80 : 시트 스프링

Claims (10)

1. 볼(10)과 접촉되는 시트링(20a)이 일체형으로 이루어진 볼 밸브의 시트 리테이너(20)에 있어서,
   상기 시트링(20a)의 하부에 시트 리테이너(20)의 원주 방향을 따라 홈(21)을 형성하고,
   상기 홈(21)과 시트 리테이너(20)의 상면 사이의 시트부(23) 두께를 비균일하게 형성하되,
   볼의 측면부 영역에 대응되는 제1영역(S1)과, 볼의 상하부 영역에 대응되는 제2영역(S2)에서의 상기 홈(21)과 시트 리테이너(20)의 상면 사이의 시트부(23) 두께(d)를 서로 다르게 형성한 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1영역(S1)의 시트 리테이너(20)의 상면을 파내는 요홈부(22)를 형성하여 상기 제2영역(S2)의 시트부(23) 두께 보다 제1영역(S1)의 시트부(23) 두께가 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 요홈부(22)는 양끝 부분이 라운드진 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 시트 리테이너(20)의 상면을 제1영역(S1)과 제2영역(S2)의 깊이가 다르게 파내어 요홈부(22)를 형성하되, 상기 제1영역(S1)과 제2영역(S2)의 요홈부(22)가 원주 둘레를 따라 부드럽게 변화되어 서로 이어지는 부분이 선형적으로 또는 비선형적으로 자연스럽게 연결되는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1영역(S1)의 시트 리테이너(20)의 상면 모서리부를 깍아내서 상기 제2영역(S2)의 시트부(23) 모서리 두께보다 제1영역(S1)의 시트부(23) 모서리 두께가 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
7. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 제1영역(S1)의 홈(21)과 상면 사이의 시트부(23) 두께는,
   상기 제2영역(S2)의 홈(21)과 상면 사이의 시트부(23) 두께의 50% ~ 99% 두께인 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
8. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 제1영역(S1)은,
   시트 리테이너(20)의 중심점을 지나는 수평축(X축)을 중심으로 상하로 각각 10 ~ 50°의 원호각에 해당되는 범위인 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 시트 리테이너.
   
9. 삭제
10. 삭제

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