KR101758705B1 - 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 볼 밸브의 실링 효과를 높이고 실링면의 분포 하중을 분산시킬 수 있도록 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입구(112)와 배출구(114) 사이를 연결하는 내부유로(116)를 가지는 밸브 몸체(110)와, 상기 내부유로(116) 상에 설치되어 스템(125)에 의한 회전에 의해 상기 내부유로(116)를 개폐하는 볼 부재(120) 및 상기 볼 부재(120)의 유로 방향으로 적어도 어느 일측에 설치되어 상기 볼 부재(120)의 구면을 환형 형태로 밀착하는 메탈 타입의 시트 리테이너(130)를 포함하고, 상기 시트 리테이너(130)는 상기 볼 부재(120)를 향하는 곡률 반경을 서로 다르게 형성하여 반경 방향으로 배열되는 다중의 실링면(300)이 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브에 관한 것이다.

Description

다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브{BALL VALVE WITH SEALING STRUCTURE OF MULTIPLE CURVATURE TYPE}

본 발명은 볼 밸브의 고압 환경에서 실링 효과를 높이고, 실링면에 대한 하중 및 응력의 집중을 분산시킬 수 있도록 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 볼 밸브는 2개 이상의 배관(PIPE)에 연결되어 배관에 연결된 직선 유로를 폐쇄 요소의 1/4 회전에 의하여 유체(FLUID)의 흐름을 정지 또는 개시하는 단순 개폐용 회전밸브로서 널리 사용되고 있다.

이와 같은 볼 밸브는 유로를 개폐하기 위하여 밸브 몸체 내부에 2개 이상의 유로와 연통되는 챔버 내에 구형의 폐쇄 요소인 볼 부재가 유로에 직각인 축을 중심으로 회전하도록 설치되어, 볼 부재의 회전에 의하여 유로를 선택적으로 개폐하도록 작동된다.

볼 밸브는 구형의 폐쇄 요소인 볼 부재의 포트(PORT) 형태에 따라 배관의 내경과 동일한 치수를 가지며 직선 유로가 형성된 풀 포트 볼 밸브, L자 또는 T자 형상으로 유로가 형성된 쓰리웨이 볼밸브와 포웨이 볼밸브, 사용되지 않는 볼 부재의 일부 형상을 제거한 세그먼트 볼 밸브 등으로 나뉜다. 그리고 볼 부재를 지지하는 방식에 따라 볼 부재를 상하에서 고정하는 부가적인 지지 구조를 갖는 트러니언 마운티드 볼 밸브와 트러니언 없이 시트나 유체에 의해 고정되는 플로팅 볼 밸브로 나뉜다.

종래에는 쉽고 저렴하게 제조할 수 저압의 플로팅 볼 밸브가 널리 사용되었으나, 최근에는 고온 고압용 트루니언 마운티드 풀 포터 볼 밸브를 요구하는 곳이 많아지고 있는 추세이다.

이러한 볼 밸브의 일예로서, 선 특허출원에 의해 공개된 공개특허공보 제10-2011-0097663호에 기재된 볼 밸브를 들 수 있다. 공개특허공보 제10-2011-0097663호(도 2 및 도 5)를 참조하면, 볼 밸브는 중앙을 관통하는 유로가 형성된 구면을 갖는 볼 부재가 밸브 몸체의 중앙부 챔버(CHABER) 내에 설치되어, 개방 상태에서는 볼 부재에 형성된 볼 구멍을 통해 유로를 서로 연통시키고, 폐쇄 상태에서는 볼 부재가 개방 상태로부터 회전하여 볼의 구면으로 유로를 막아 차단시키도록 구성된다.

상기한 챔버 내에는 볼 작동 공간이 형성되며, 하우징 내부에 설치되는 스템(STEM)에 의해 볼 부재가 챔버 내에서 대략 90°로 회전하여 유로를 개폐한다.

또한, 볼 밸브는 유로를 폐쇄한 상태에서 실링 성능을 향상시키기 위하여, 볼 부재의 주변에 시트 리테이너가 설치되고, 시트 리테이너와 볼 부재의 사이에는 시트링이 개재된다.

이러한, 시트 리테이너는 볼 부재의 양쪽에 스프링에 의해 지지되어 스프링의 지지력과 유로관을 통과하는 유체의 힘을 이용하여 실링 기능을 수행한다. 즉, 볼 부재와 인접하는 부분의 시트링이 볼 부재에 완전히 밀착하여야 누수 또는 누기를 차단할 수 있는데 시트링의 밀착력은 스프링에 의해 1차적으로 유지되고, 밸브 내 유체의 압력이 커질수록 그 유체의 압력을 시용하여 시트링이 볼 부재를 밀착하여 실링을 수행하도록 설계된다.

참고로, 상기한 시트링은 소프트 타입으로 구성되어 시트 리테이너에 의해 지지되도록 형성되거나, 메탈 타입으로 제작될 수 있으며, 메탈 타입으로 제작될 경우 시트 리테이어와 시트링이 일체로 형성되는 것이 일반적이다.

이와 같이 구성되는 볼 밸브는 볼 부재가 유체 흐름을 차단한 상태에서 볼 밸브 내부의 유체의 압력이 증가함에 따라 볼 부재의 살이 얇은 곳에서는 곡률 반경이 감소하는 형태로 변형이 발생된다.

도 1은 종래의 볼 밸브의 시트 리테이너(30)와 볼 부재(20) 간의 설치 구조를 나타낸 것으로, 종래의 볼 밸브의 시트 리테이너(30)는 볼 부재(20)의 구면 부위를 환형 형상으로 밀착할 수 있도록 하는 실링면(32)이 형성되는데, 이러한 실링면(32)은 볼 부재(20)에 밀착되는 구면 부위와 동일한 단일의 곡률 반경을 갖도록 형성된다.

이러한 단일 곡률 형상의 실링면(32)은 볼 밸브의 내부 유체 압력이 낮은 경우에는 볼 부재(20)에 효과적으로 밀착이 될 수 있지만, 볼 밸브의 내부 유체 압력이 증가할 시에는 볼 구멍(22)에 의해 형성되는 살이 얇은 부위에서 곡률의 변형이 발생됨으로써, 시트 리테이너(30)의 실링면(32)과 볼 부재(20)와의 곡률 반경이 서로 상이해져서 밀착 면적이 감소하게 되고, 이에 따라 실링 효과가 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 시트 리테이너(30)의 일측에 탄성력을 제공하기 위한 홈(34)을 형성하여, 볼 밸브 내부의 압력 환경의 변화에 따라 밀착력이 조절되도록 구성하고 있지만, 이러한 홈(34)을 형성하는 것만으로는 상기한 실링면(32)의 효과적인 실링을 보장하기에는 큰 한계가 있다.

따라서, 종래의 볼 밸브는 내부 유체 압력의 증가에 따른 볼 부재(20)의 변형이 발생될 경우 실링면(32)과 볼 부재(20)간에 밀착되는 면적이 줄어들어 최종적으로는 선접촉을 하게 되거나, 틈이 발생하여 누수 및 누기가 발생하게 된다. 뿐만 아니라, 볼 밸브 내의 최고 압력 하에서 시트 리테이너(30)의 실링면(32)과 볼 부재(20)의 접촉부에 하중 및 응력의 집중이 발생하고, 심할 경우에는 항복 응력을 넘어 소성이 이루어지게 되는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제2011-0097663호(2011.08.31)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 밸 브 내부의 고압 환경 하에서 발생되는 볼 부재의 부분적인 곡률의 변형을 추종하여 시트 리테이너에 형성된 실링면의 밀착 면적을 더욱 증가시킬 수 있도록 함으로써, 볼 밸브의 실링 효과를 높일 수 있도록 하는 동시에 실링면의 극소 부위에 하중 및 응력이 집중되는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브를 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 유입구와 배출구 사이를 연결하는 내부유로를 가지는 밸브 몸체와, 상기 내부유로 상에 설치되어 스템에 의한 회전에 의해 상기 내부유로를 개폐하는 볼 부재 및 상기 볼 부재의 유로 방향으로 적어도 어느 일측에 설치되어 상기 볼 부재의 구면을 환형 형태로 밀착하는 메탈 타입의 시트 리테이너를 포함하고, 상기 시트 리테이너는 상기 볼 부재를 향하는 곡률 반경을 서로 다르게 형성하여 반경 방향으로 배열되는 다중의 실링면이 구비되고, 실링면은 상기 시트 리테이너의 반경 방향의 일측으로 점차 곡률 반경이 감소되는 적어도 2 이상의 다중으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 실링면은 상기 시트 리테이너의 내주측에 위치되는 제1실링면과, 상기 시트 리테이너의 외주측에 위치되는 제2실링면으로 이루어지고, 상기 제2실링면의 곡률 반경이 상기 제1실링면의 곡률 반경보다 더 작게 형성될 수 있다.

상기 제2실링면의 반경 방향의 길이가 상기 제1실링면의 반경 방향의 길이보다 더 길게 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 밸브 내의 고압 환경에서 시트 리테이너의 실링면과 볼 부재 간의 밀착 면적을 증가시켜 실링 효과를 향상시킴으로써, 유체의 누수 및 누기를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 밸브 내의 고압 환경에서 시트 리테이너의 실링면과 볼 부재 간의 밀착 면적의 감소함에 따라, 실링면의 극소 부위에 하중 및 응력이 집중하는 현상을 방지하여 시트 리테이너의 내구성을 대폭 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 볼 밸브의 일요부 형상을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 볼 밸브의 일부를 절개하여 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼 밸브의 일요부 형상을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 볼 밸브의 저압 상태의 작용을 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 볼 밸브의 중압 상태의 작용을 나타낸 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 볼 밸브의 고압 상태의 작용을 나타낸 단면도이다.

이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명에 따른 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 볼 밸브의 일부분이 절개된 형상을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 볼 밸브 내부의 시트 리테이너를 절개하여 나타낸 사시도이다.

본 발명의 볼 밸브(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 고압 환경에서 사용하여 실링 효과를 높일 수 있도록 내부유로(116)를 갖는 밸브 몸체(110)와, 밸브 몸체(110)의 내부유로(116)를 개폐하는 볼 부재(120)와, 볼 부재(120)를 밀착하여 실링을 수행하는 메탈 타입의 시트 리테이너(130)를 포함하여 이루어진다.

밸브 몸체(110)는 일측으로 유체를 유입하는 유입구(112)와, 상기 유입구(112)로 유입된 유체를 외부로 배출하는 배출구(114)가 구비된다. 이러한 유입구(112)와 배출구(114)측에는 각각 볼 밸브(10)를 설치하기 위한 배관의 각 단부에 결합되기 위한 플렌지(112a, 114a)가 각각 형성된다. 유입구(112)와 배출구(114)는 밸브 몸체(110)의 내부에 형성되는 내부유로(116)에 의해 서로 연결되며, 내부유로(116)의 중앙에는 볼 부재(120)를 설치하여 작동이 이루어질 수 있도록 하는 공간이 형성된다.

볼 부재(120)는 상기한 밸브 몸체(110)의 내부유로(116) 상의 공간에 설치되어, 내부유로(116)의 상측으로부터 밸브 몸체(110)의 외부로 이어지는 스템(125)의 일단에 고정되어 일체로 회전이 이루어진다.

또한, 볼 부재(120)는 밸브 몸체(110)의 내부유로(116)의 구경과 동일한 안지름을 가지는 볼 구멍(122)이 형성된다. 상기한 스템(125)은 볼 부재(120)의 타단이 밸브 몸체(110)의 외부로 연장되어, 밸브 몸체(110)의 외부에서 스템(125)을 회전시도록 하는 조작기구(미도시함)에 연결된다. 이때, 조작기구는 사람이 수동으로 잡고 회전력을 가할 수 있도록 하는 레버나, 전/자동으로 회전력 가할 수 있는 모터 또는 액츄에이터로 구성될 수 있다.

상기한 조작기구를 통해 스템(125)을 회전시키면 스템(125)에 고정된 볼 부재(120)가 함께 회전을 하여, 볼 부재(120)에 형성된 볼 구멍(122)이 향하는 위치에 따라서 내부유로(116)의 유체 흐름을 개방하거나, 또는 차단하도록 작동된다.

시트 리테이너(130)는 밸브 몸체(110)의 내부유로(116) 상에 위치되는 볼 부재(120)의 유로 방향의 양측 면을 가압하여 볼 부재(120) 사이의 틈새로 유체가 새는 것을 방지한다. 이러한 시트 부재(130)는 볼 부재(120)의 유로방향의 양측에 각각 설치되는 것이 바람직하지만, 어느 1개 면에만 설치될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 상기한 시트 리테이너(130)는 유로 방향의 일측에 위치되는 볼 부재(120)의 구면을 환형 형태로 밀착하여 실링하는 실링면(300)이 구비되되, 이러한 실링면(300)은 볼 부재(120)를 향하는 곡률 반경이 서로 다르게 이루어져, 시트 리테이너(130)의 반경 방향으로 다중으로 형성된다.

구체적으로, 상기한 실링면(300)은 시트 리테이너(130)의 내주측에 위치되는 제1실링면(300a)과, 시트 리테이너(130)의 외주측에 위치되는 제2실링면(300b)으로 이루어질 수 있다. 제1실링면(300a)은 볼 부재(120)의 구면과 동일한 곡률 반경으로 형성되며, 제2실링면(300b)은 볼 밸브(10) 내부 압력의 증가 시 볼 부재(120)의 특정 부위의 곡률이 변형되는 것을 추종하여 밀착 면적을 증가시킬 수 있도록 제1실링면(300a)과 서로 다른 곡률 반경을 갖는다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 볼 부재(120)는 유체를 통과시키기 위해 형성되는 볼 구멍(122; 도 2를 참조)으로 인해 시트 리테이너(130)의 외주측에 가깝게 위치되는 일측은 살의 두께가 작게 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기한 볼 부재(120)를 통해 볼 밸브(10) 내부의 유체 흐름을 차단하여 높은 압력이 형성되면, 볼 부재(120)는 살이 얇은 부위의 곡률 반경이 감소하는 형태로 변형이 발생한다. 따라서, 시트 리테이너(130)의 외주측에 가깝게 위치되는 제2실링면(300b)은 이러한 볼 부재(120)의 곡률 변형을 추종할 수 있도록 제1실링면(300a) 보다 작은 곡률 반경으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 제2실링면(300b)의 곡률 반경이 상대적으로 작게 형성되는 구성에 한정되는 것은 아니며, 볼 부재(120)의 살이 얇은 부분이 위치되는 형태에 따라 시트 리테이너(130)의 내주측에 가깝게 위치되는 제1실링면(300a)의 곡률 반경이 더 작은 형태로도 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 설명에서는 상기한 실링면(300)이 제1실링면(300a)과 제2실링면(300b)의 2 중 구조로 이루어진 구성을 중점적으로 설명하고 있으나, 이러한 실링면(300)은 적어도 2 이상의 다중으로 형성될 수 있다. 또한, 2 이상의 다중으로 형성되는 실링면(300)은 시트 리테이너(130)의 반경 방향의 일측으로 연속해서 점차 곡률 반경이 감소하도록 형성될 수도 있다.

또한, 제2실링면(300b)의 반경 방향의 길이가 상기 제1실링면(300a)의 반경 방향의 길이보다 더 길게 형성될 수 있다.

이하에서는 도 4 및 도 6을 참조하여 본 발명에 다른 볼 밸브의 작용을 구체적으로 설명한다.

도 4는 볼 밸브(10) 내부가 저압인 상태에서 시트 리테이너(130)와 볼 부재(120)가 밀착된 상태를 나타내고, 도 5는 볼 밸브(10) 내부가 중압인 상태에서 시트 리테이너(130)와 볼 부재(120)가 밀착된 상태를 나타내며, 도 6은 볼 밸브(10) 내부가 고압인 상태에서 시트 리테이너(130)와 볼 부재(120)가 밀착된 상태를 나타낸다.

먼저, 도 4와 같이, 볼 밸브(10)의 내부 유체의 압력이 작은 상태에서는 저압의 유체에 의해 볼 부재(120)가 거의 변형되지 않으며, 살이 얇은 부위의 곡률 반경도 거의 동일하게 유지된다. 따라서, 시트 리테이너(130)는 스프링의 탄성력과 저압의 유체 힘만으로 볼을 가압하게 되며, 볼 부재(120)는 곡률 반경의 크기가 동일하게 형성된 시트 리테이너(130)의 제1실링면(300a)에만 접촉이 이루어지며 실링을 하게 된다.

한편, 도 5와 같이, 볼 밸브(10)의 내부 유체 압력이 증가하는 중압의 환경에서는 볼 밸브(10) 내에 유체 압력에 의해 볼 부재(120)가 점차 변형하기 시작하여, 살이 얇은 부위는 미세하게 오목하게 변형하여 곡률 반경이 작아지는 형태가 된다. 그리고, 시트 리테이너(130)는 스프링의 탄성력에 중압의 유체의 힘이 더해져 볼 부재(120) 측으로 더욱 가압이 되는데, 볼 부재(120)는 변형으로 인해 시트 리테이너와 처음 접하고 있던 제1실링면(300a)이 차츰 떨어지지만, 곡률 반경이 작게 형성된 제2실링면(300b)이 볼 부재(120)의 외측 부위와 곡률이 같은 곳에서 접촉이 이루어진다.

또한, 볼 밸브(10) 내의 압력이 설계 최대 압력까지 도달하는 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 볼 부재(120)는 고압의 유체의 힘을 받아 살이 얇은 부위에서는 시트 리테이너(130)의 최초 실링면으로부터 이탈될 정도로 오목하게 형태로 변형하여 곡률반경이 작아지게 된다. 이때, 시트 리테이너의 제1실링면(300a)은 변형된 볼 부재(120)의 곡률 반경을 추종하지 못하고 떨어지게 되지만, 외측에 형성되어 있는 곡률반경이 작은 제2실링면(300b)이 완전히 밀착되게 된다. 시트 리테이너 (130)를 볼 부재 (120) 측으로 미는 고압의 유체의 힘은 스프링의 탄성력 보다 10배 이상 커져 지배적인 힘으로 작용하는데 시트 리테이너는 (130) 이 힘을 이용하여 제2실링면 (300b)의 밀착력을 유지한다.

이와 같이, 볼 밸브(10) 내부가 고압인 상태에서 볼 부재(120)의 곡률이 변형되면 종래의 볼 밸브는 단일 곡률을 갖는 실링면(32: 도 1을 참조)이 형성되므로, 볼 밸브 내부 고압에 의해 변형된 볼 부재의 곡률 반경이 실링면의 곡률 반경과 서로 상이하여 밀착 면적이 작아질 수 밖에 없다.

그러나, 본 발명의 볼 밸브(10)는 상기한 바와 같이 고압에 의해 볼 부재(120)의 곡률이 부분적으로 변형되는 것을 추종할 수 있도록 서로 다른 곡률 반경을 갖는 다중의 실링면이 적용됨으로써, 볼 밸브(10)의 시트 리테이너(130)의 실링 면적을 증가시켜 효과적인 실링을 달성할 수 있다.

또한, 밸브 내의 고압 환경에서 추가 밀착되는 제2실링면(300b)은 반경 방향으로의 길이가 제1실링면(300a) 보다 상대적으로 길게 형성하여, 저압 환경일 경우에 비해 고압 환경에서 실링면(300a, 300b)의 전체 밀착 면적을 크게 향상시킴으로써, 실링 효과가 극대화될 수 있도록 하였다.

더 나아가, 본 발명은 밸브 내의 고압 환경에서 실링면(300a, 300b)과 볼 부재(120) 간의 극소 부위의 접촉에 의한 하중 및 응력 집중 문제를 해소할 수 있는 등의 해결 방안을 동시에 제시할 수 있을 것이다.

지금까지 본 발명에 따른 볼 밸브(10)는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 볼 밸브
110: 밸브 몸체
112: 유입구
114: 배출구
116: 내부유로
120: 볼 부재
125: 스템
130: 시트 리테이너
300: 실링면
300a: 제1실링면
300b: 제2실링면

Claims (4)

1. 유입구(112)와 배출구(114) 사이를 연결하는 내부유로(116)를 가지는 밸브 몸체(110)와; 상기 내부유로(116) 상에 설치되어 스템(125)에 의한 회전에 의해 상기 내부유로(116)를 개폐하는 볼 부재(120); 및 상기 볼 부재(120)의 유로 방향으로 적어도 어느 일측에 설치되어 상기 볼 부재(120)의 구면을 환형 형태로 밀착하는 메탈 타입의 시트 리테이너(130); 를 포함하고,
   상기 시트 리테이너(130)는, 상기 볼 부재(120)를 향하는 곡률 반경을 서로 다르게 형성하여 반경 방향으로 배열되는 다중의 실링면(300)이 구비되고,
   상기 실링면(300)은, 상기 시트 리테이너(130)의 반경 방향의 일측으로 연속해서 곡률 반경이 감소되는 적어도 2 이상의 다중으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 실링면(300)은, 상기 시트 리테이너(130)의 내주측에 위치되는 제1실링면(300a)과, 상기 시트 리테이너(130)의 외주측에 위치되는 제2실링면(300b)으로 이루어지고,
   상기 제2실링면(300b)의 곡률 반경이 상기 제1실링면(300a)의 곡률 반경보다 더 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2실링면(300b)의 반경 방향의 길이가 상기 제1실링면(300a)의 반경 방향의 길이보다 더 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 곡률형 실링 구조를 갖는 볼 밸브.

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