KR101738321B1 - 내부 밀봉 장치를 구비한 볼 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 액추에이터(2)와, 샤프트 베어링(5)을 갖는 샤프트(3)와, 볼 관통 채널(16)을 갖는 볼(4)과, 냉매 연결부(15)를 갖는 밸브 하우징(13)을 포함하는, 특히 자동차 냉매 회로에 사용하기 위한, 내부 밀봉 장치를 갖는 볼 밸브(1)에 관한 것으로서, 볼(4)은 밸브 하우징(13) 내에 플로팅 지지되어 있고, 이를 위해 볼(4)은 두 개의 볼 밀봉 시트들(9) 사이에 배치되며, 이때 하나의 볼 밀봉 시트(9)는 밸브 하우징(13)에 의해 형태 결합식으로 수용되어 밸브 하우징 쪽으로 밀봉 시트 링(10)에 의해 밀봉 지지되어 있고, 밸브 하우징(13)에서 반대쪽에 위치하는 제2 볼 밀봉 시트(9)는 폐쇄 부품(17)에 의해 형태 결합식으로 수용되어 폐쇄 부품 쪽으로 밀봉 시트 씰(10)에 의해 밀봉 지지되어 있으며, 폐쇄 부품(17)은 폐쇄 부품 씰(22)에 의해 밸브 하우징(13)에 대해 밀봉 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

내부 밀봉 장치를 구비한 볼 밸브{BALL VALVE WITH INTERNAL SEAL ARRANGEMENT}

본 발명은 특히 자동차 냉매 회로에 사용하기 위한 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, 예를 들면 가열 펌프가 통합되는 것과 같이, 냉매 시스템의 개별 구성부품들에 대한 까다로운 요구와 연관되는 새로운 기능들이 점점 더 증가하고 있다. 또한, 새로운 밸브를 통합시키는 것이 요구되고, 사용되는 구성부품들에, 특히 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.

이에 반해 외부 밀봉성은, 회전 가능하게 지지된 샤프트에 의해 제어될 유체의 배출을 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, 밸브의 내부 밀봉과 관련하여 높은 밀봉성을 갖는 밸브를 제공하는 것이다.

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

상기 과제는 내부 밀봉 장치를 갖는 본 발명에 따른 볼 밸브에 의해 해결되는데, 상기 장치는 자동차 냉매 회로에 사용하기에 적합하기 때문이다. 상기 볼 밸브는 실질적으로 액추에이터와, 샤프트 베어링을 갖는 샤프트와, 볼 관통 채널을 갖는 볼과, 유체 연결부 및 특히 냉매 연결부를 갖는 밸브 하우징으로 구성된다. 본 발명에 따른 볼 밸브의 특징은, 볼이 밸브 하우징 내에 플로팅(floating) 지지되어 있고, 이를 위해 볼이 두 개의 볼 밀봉 시트들(ball sealing seats) 사이에 배치되어 있다는 데 있다. 하나의 볼 밀봉 시트는 밸브 하우징에 의해 형태 결합식으로 수용되어 밸브 하우징 쪽으로 밀봉 시트 씰에 의해 밀봉 지지된다. 또한, 밸브 하우징에서 반대쪽에 위치하는 제2 볼 밀봉 시트는 폐쇄 부품에 의해 형태 결합식으로 수용되어 폐쇄 부품 쪽으로 밀봉 시트 씰에 의해 밀봉 지지된다. 상기 폐쇄 부품은 폐쇄 부품 씰에 의해 밸브 하우징에 대해 밀봉 지지된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 볼 밀봉 시트는 중공 원통형 링으로서 형성되는데, 상기 링의 내측면은 적어도 부분적으로 대향하는 볼(4)의 형태에 상보적인 형태를 갖도록 형성되는 볼 밀봉면을 포함한다. 볼 밀봉면의 이러한 부분은 볼 구역으로 지칭되고 두 개의 평행한 평면에 의해 볼 면으로부터 커팅 제거된다. 볼의 “폐쇄” 위치에서 볼 관통 채널은 밸브의 관류 방향에 대해 횡방향으로 배치되고, 볼에 대해 볼 밀봉면은, 서로 중첩되어 위치하는 상응하는 면들에 의해 볼과 볼 밀봉 시트의 볼 밀봉면 사이에 유체가 전혀 통과할 수 없는 방식으로 위치한다.

바람직하게, 밀봉 시트 씰은 각각 축 방향으로 볼 밀봉 시트와 밸브 하우징 또는 폐쇄 부품 사이에 배치된다. 이로써, 볼 밸브의 내부 밀봉성은 관류 방향에서 축 방향으로 작용하는 가압력에 의해 직접 제어될 수 있다. 작용하는 가압력 및 재료의 변형 가능성뿐만 아니라 밀봉 시트 씰의 두께에 따라, 볼은 축 방향으로 볼의 한계 내에서 변위 가능하게 지지되며, 이는 플로팅 베어링으로 지칭된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 밀봉 부재들의 축 방향 배치와는 다르게 폐쇄 부품 씰은 반경 방향으로 밸브 하우징과 폐쇄 부품 사이에 배치된다. 이로써, 폐쇄 부품과 밸브 하우징 사이에서 냉매의 축 방향 관류를 반경 방향으로 배치된 씰이 저지한다.

바람직한 실시예에 따르면, 이는 폐쇄 부품이 외부 나사산에 의해 밸브 하우징의 상응하는 내부 나사산에 배치됨으로써 해결된다.

축 방향으로 볼의 운동을 가능하게 하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 샤프트에 돌기가 배치되고, 상기 돌기는 샤프트(3)의 회전 운동을 볼 내의 맞물림 홈에 의해 볼에 전달한다. 여기서 돌기의 형태 및/또는 맞물림 홈의 구조는, 돌기의 맞물림 시 관류 방향에 대해 돌기의 수직 위치에서 유격이 제공되는 방식으로 형성된다.

볼 밸브의 바람직한 실시예에 따르면, 볼은 볼 관통 채널 이외에 확장 챔퍼(expansion chamfer)를 포함하고, 상기 확장 챔퍼는 볼의 외부면에서 볼 관통 채널로부터 멀어져 챔버(chamber) 쪽으로 연장되고, 볼 밸브를 관류하는 유체의 팽창을 위한 밸브의 유로 단면적이 상기 확장 챔퍼에 의해 감소될 수 있다.

바람직하게 상기 확장 챔퍼의 단면은 볼 관통 채널로부터 멀수록 감소함으로써, “폐쇄” 위치로부터 “개방” 위치로의 볼의 회전을 통해 우선 밸브의 유로 단면적이 확장 챔퍼의 단면으로 제한되며, 상기 확장 챔퍼는 밸브의 내부에서 가장 작은 유로 단면적을 갖는 위치를 나타낸다. 이러한 위치에서 냉매는 냉매 연결부로부터 볼의 표면에서 확장 챔퍼를 거쳐 밸브 하우징 내부의 챔버로 유동하고, 볼 관통 채널 내로 유입되어, 반대쪽에 위치하는 챔버와 확장 챔퍼를 거쳐 냉매 연결부에 도달한다. 확장 챔퍼는 해당되는 조정 운동을 따라 밸브의 자유 유로 단면적을 제한하고, 이로써 최소 관류율 및 볼 밸브를 관류하는 유체의 팽창을 조정할 수 있게 된다. 따라서, 볼 밸브의 관류 특성을 샤프트의 조정 각도에 따라 바람직하게 작은 관류율 쪽으로 그리고 가장 작은 관류율 쪽으로 변경하는 것이 달성된다.

이에 반해 종래 기술에 따른 볼 밸브의 관류 특성은, 볼 밸브의 구조 유형으로 인해 관류율에 대한 샤프트의 조정 각도의 작용이 너무 커서 관류율의 미세한 조정 가능성이 쉽게 이루어지지 않는다는 특징이 있다. 작은 조정 각도에서도 이미 볼 관통 채널은 밸브 바디 내에서, 즉 볼 내에서 크게 개방되어, 작은 관류율의 미세한 조정을 위한 가능성은 거의 없어지게 된다. 한편, 확장 챔퍼는 볼 밸브를 통한 관류율의 미세한 조정을 일정한 범위의 조정 각도 또는 0° 내지 70° 사이의 볼의 스위칭 위치에서 가능하게 한다. 이로써 특히 바람직한 방식으로, 볼 밸브는 구조의 공지된 견고성을 가지면서 관류율의 미세한 조정 가능성이 개선되는 구조적 해결을 통해 냉매 시스템을 위한 확장 밸브로서 사용될 수 있는 것이 달성된다.

확장 챔퍼는 65° 내지 70°의 볼의 조정 각도에 이르기까지 상응하게 형성되는 것이 특히 바람직하다.

우선적으로 본 발명의 컨셉은 두 개의 볼 밀봉 시트들 사이에서 볼의 플로팅 베어링에 의해 볼 밸브의 내부 밀봉을 구현하고, 이때 볼 밀봉 시트는 밀봉 시트 씰에 의해 밀봉되게 지지되는 것에 있다.

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

밸브 유형은 액추에어터의 변형 및 볼-기하구조의 변형을 통해 2방/2방-밸브, 3방/2방-밸브 및 4방/2방-밸브를 구현하기에 적합하다.

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 밸브 하우징과 100% 관통 위치의 밸브 바디의 단면도이며;
도 3은 확장 위치의 볼 밸브의 단면도이고;
도 4는 볼 밸브와 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 볼(4)과 연결되고, 이때 돌기(20)는 볼(4)에서 맞물림 홈(21) 내로 맞물린다. 이때 맞물림 홈(21)의 폭은 돌기(20)가 맞물림 홈 내에서 유격을 갖도록 설계되며, 이로써 볼(4)은 유동 방향의 축에서 일정한 한계 내에서 변위 가능하게 배치될 수 있으며, 이는 볼(4)의 플로팅 베어링을 위해 바람직한 구현예가 된다.

볼(4) 내에는 볼 관통 채널(16)이 형성되며, 볼 밸브(1)의 개방된 밸브 위치에서 유체는 상기 볼 관통 채널을 통해 밸브의 유입부로부터 밸브의 배출부로 유동하게 된다. 냉매 시스템을 위한 볼 밸브(1)의 도시된 구조에서 밸브의 유입부 및 배출부는 냉매 연결부(15)로서 형성된다.

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(8)의 밀봉 시스템은, 샤프트 베어링(5) 내에서 샤프트(3)의 유격에 의해 볼 밸브(1)를 통과하는유체의 배출을 방지하기 위한 것이다. 또한, 상기 밀봉 시스템은 외부 이중 밀봉시스템으로도 지칭되고 볼 밸브(1)의 외부 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)와 폐쇄 부품(17)은 각각 밀봉 시트 링(10)에 의해 축 방향으로 플로팅 지지된다. 달리 결정되지 않는 한, 축 방향은 밸브 바디(13)의 종축을 의미하며, 상기 축을 따라 볼 밸브(1)의 관류가 이루어진다.

도 2 및 도 3에는 냉매 연결부(15), 밸브 하우징(13), 및 해당 밀봉 시트 씰(10)을 갖는 밀봉 시트(9)와 함께 밸브의 주요 구성부품이 상이한 작동 상황 또는 스위칭 위치에서 도시되어 있다.

도 2에는 볼 밸브의 밸브 하우징(13)의 단면도가 유체 통과 경로에 대한 평면도로 도시되어 있다. 통과 경로의 양쪽 측면에 대한 냉매 연결부(15)는 유체 유입부일뿐만 아니라 유체 배출부일 수 있고 유체를 위한 2방향 관류가 가능하다. 밸브 하우징(13)은 챔버(12)의 형태로 리세스(recess)를 갖고, 상기 챔버 내에 볼(4)이 배치된다. 볼(4)은 볼 관통 채널(16)을 갖고, 상기 채널은 도 2에 따른 상응하는 스위칭 시, 밸브를 통해 최대 유로 단면적을 갖는다. 볼(4)은 양쪽 측면에서 볼 밀봉 시트(9)에 의해 밀봉되도록 유지되고, 볼 밀봉 시트는 밸브 하우징(13)에 대해 그리고 폐쇄 부품(17)에 대해 각각 밀봉 시트 링(10)에 의해 밀봉되고 지지된다. 밀봉 시트 링(10)은 축 방향으로 응력을 받으며, 이는 밀봉력이 축방향으로 작용하여 밀봉 시트 링(10)이 각각 두개의 반경 방향 원형 링면들 사이에서 볼 밀봉 시트(9)의 단부에 가압되거나 예비 인장되는 것을 의미한다. 따라서,축 방향과 반경 방향으로 밀봉이 이루어진다. 볼 밀봉 시트(9)는 축 방향으로 안내되면서 밸브 하우징(13)에 의해 형태 결합식으로 수용되고 반대쪽의 볼 밀봉 시트(9)는 축 방향으로 안내되면서 폐쇄 부품(17)에 의해 형태 결합식으로 수용된다.

중공 원통형 폐쇄 부품(17)은 외부 나사산에 의해 밸브 하우징(13) 내로 상응하는 내부 나사산과 나사 결합됨으로써, 나사산 기울기에 따라 미세하게 위치될 수 있다. 폐쇄 부품(17)의 나사 결합에 의해 밀봉력은 볼 밀봉 시트(9)의 단부에 배치된 밀봉 시트 씰(10)에 제공된다. 폐쇄 부품(17)의 외부 원주에는 폐쇄 부품(17)을 밸브 하우징(13)에 대해 밀봉하는 폐쇄 부품 씰(22)이 제공된다. 상기 폐쇄 부품 씰(22)이 폐쇄 부품(17)의 원주에 배치됨으로써, 부품들이 서로 밀봉되는 동시에 밸브 하우징(13) 내에서 폐쇄 부품(17)의 축 방향 변위가 가능하게 된다.

볼(4)에서는 확장 챔퍼(14)가 볼의 표면에 형성되어 있는데, 상기 확장 챔퍼는 볼(4)의 회전면에서 원주를 따라 볼 관통 채널(16)로부터 가늘어지게 형성된다.

도 3에서는, 관류 챔퍼로도 지칭되는 확장 챔퍼(14)의 제한된 영역으로 밸브의 유로 단면적이 축소되는 방식으로 볼(4)이 챔버(12) 내에서 회전되어 있다. 여기서 알 수 있는 바와 같이 챔버(12)는 밸브를 관류하는 유체의 유체 시스템 압력을 갖는다.

도 3에 따른 밸브 위치에서 냉매는 냉매 연결부(15)로부터 확장 챔퍼(14)를 통해 챔버(12) 내로 유동하여, 볼 관통 채널(16)을 통해 채널(16)의 다른 쪽 단부의 반대쪽 챔버(12)와 확장 챔퍼(14) 쪽으로 흐르고, 상기 확장 챔퍼를 통해 밸브의 다른 쪽 측면의 냉매 연결부(15)의 배출부로 유동한다.

도 4에는 확장 위치에 있는 볼 밸브(1)가 도시되어 있다. 주요 구성부품들인 액추에이터(2)와, 밸브 하우징(13)과, 돌기(20)를 갖는 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. 폐쇄 부품 씰(22)은 볼 밸브(1)의 도시된 구성부품들을 완결시킨다.

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 확장 챔퍼
15 냉매 연결부
16 볼 관통 채널
17 폐쇄 부품
20 돌기
21 맞물림 홈
22 폐쇄 부품 씰

Claims (7)

1. 챔버 및 제 1 유체 연결부를 갖는 밸브 하우징;
   제 2 유체 연결부를 가지고 폐쇄 부품 씰에 의해 상기 밸브 하우징에 대해 밀봉 지지되는 폐쇄 부품;
   볼 관통 채널을 가지고 상기 챔버 내에 수용되는 볼;
   샤프트 베어링을 가지고, 상기 볼에 결합되어 회전 운동을 전달하는 샤프트; 및
   상기 샤프트를 구동시키는 액추에이터;를 포함하고,
   제 1 볼 밀봉 시트는 상기 밸브 하우징에 수용되어 제 1 밀봉 시트 씰에 의해 상기 밸브 하우징에 대해 밀봉 지지되고, 제 2 볼 밀봉 시트는 상기 폐쇄 부품에 수용되어 제 2 밀봉 시트 씰에 의해 상기 폐쇄 부품에 대해 밀봉 지지되는 볼 밸브에 있어서,
   상기 볼은 상기 제 1 볼 밀봉 시트 및 상기 제 2 볼 밀봉 시트 사이에 배치되어 상기 밸브 하우징 내에 플로팅 지지되고,
   상기 볼은 상기 볼의 외부면에서 볼 관통 채널로부터 멀어져 상기 챔버 쪽으로 연장되는 확장 챔퍼를 포함하고, 상기 확장 챔퍼의 단면은 볼 관통 채널로부터 멀어질수록 감소하며,
   상기 챔버는 밸브가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에 있을 때 상기 확장 챔퍼와 상기 볼 관통 채널을 유체 연통시키는 공간을 갖고,
   제 1 유체 연결부로부터 유입된 냉매는 확장 챔퍼를 통해 챔버의 공간으로 유입되고, 그리고 상기 볼 관통 채널을 통해 상기 볼 관통 채널의 반대쪽 단부와 인접한 챔버의 공간 및 반대쪽 확장 챔퍼 쪽으로 흐르고, 상기 반대쪽 확장 챔퍼를 통해 제 2 유체 연결부로 유출됨으로써 상기 볼이 상기 밸브 하우징 내에 플로팅 지지되고,
   상기 샤프트 베어링은 외부 샤프트 씰, 내부 샤프트 씰, 및 막을 갖는 유체 샤프트 씰을 포함하고, 상기 유체 샤프트 씰은 상기 외부 샤프트 씰과 상기 내부 샤프트 씰 사이에 배치되는, 볼 밸브.
2. 제1항에 있어서,
   볼 밀봉 시트는 중공 원통형 링으로 형성되고, 상기 링의 내측면은 적어도 부분적으로 볼에 대해 대응하도록 형성된 볼 밀봉면을 포함하고, 상기 볼 밀봉면은 볼 구역으로서 형성되는 볼 밸브.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   밀봉 시트 씰은 축 방향으로 볼 밀봉 시트와 밸브 하우징 또는 폐쇄 부품 사이에 배치되는 볼 밸브.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   폐쇄 부품 씰은 반경 방향으로 밸브 하우징과 폐쇄 부품 사이에 배치되는 볼 밸브.
5. 제4항에 있어서,
   폐쇄 부품은 외부 나사산에 의해 밸브 하우징 내에서 상응하는 내부 나사산에 배치되는 볼 밸브.
6. 제1항에 있어서,
   샤프트에는 돌기가 형성되어 있고, 상기 돌기는 샤프트의 회전 운동을 볼 내의 맞물림 홈에 의해 볼에 전달하는 것을 특징으로 하는 볼 밸브.
7. 제6항에 있어서,
   맞물림 홈은 돌기의 맞물림 시 관류 방향에 대한 수직 위치에서 유격이 제공되는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브.
   

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