KR101852081B1 - 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브 - Google Patents

선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 엔진의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템에 구성되며, 반원기둥 형태의 디스크가 회전 운동하면서 배관을 통한 선박 엔진으로의 냉각유체의 공급을 제어하는 3웨이 로터리 밸브에 관한 것으로, 본 발명에 따른 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브는, 유체가 유입 또는 배출되는 복수의 포트를 구비한 밸브 몸체와; 상기 밸브 몸체 내부에 회전축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 일측면이 곡면으로 이루어진 기둥 형태로 되어 상기 복수의 포트를 선택적으로 개폐하는 디스크와; 상기 디스크의 곡면으로 된 외면에 원형으로 형성되며, 다각형 단면 형태를 갖는 수용홈과; 상기 수용홈 내측에 삽입되어 설치되며, 상기 포트의 가장자리 외측면에 밀착되면서 수밀 작용을 하는 유연한 수지 재질의 패킹링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브{3way Rotary Valve for Temperature Control in Shipping Engine}
본 발명은 선박 엔진용 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 엔진의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템에 구성되며, 반원기둥 형태의 디스크가 회전 운동하면서 배관을 통한 선박 엔진으로의 냉각유체의 공급을 제어하는 3웨이 로터리 밸브에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 엔진은 동작시 사용 온도가 정해져 있고, 이 온도를 유지해야 엔진의 이상없이 원하는 성능을 구현할 수 있다. 이러한 선박 엔진의 온도 유지를 위해 선박의 엔진이 설정된 온도 범위 이상으로 상승하게 되면 냉각수를 공급하는 온도 제어 시스템이 채용되고 있다.
선박 엔진의 온도 제어 시스템은 도 1에 도시한 것과 같이 엔진의 온도를 실시간으로 측정하는 센서와 엔진에 냉각유체를 공급하는 냉각기(Cooler), 상기 냉각기를 통해 냉각된 유체 및 엔진에서 배출된 고온의 유체를 선택적으로 엔진으로 공급하도록 유체의 흐름을 제어하는 3웨이 로터리 밸브(3way Rotary Valve), 상기 센서로부터 전송된 온도 정보에 따라 상기 3웨이 로터리 밸브의 디스크를 작동시키는 컨트롤러(controller) 등으로 이루어진다.
이러한 온도 제어 시스템의 3웨이 로터리 밸브는 대략 반원통형으로 된 디스크가 회전하면서 배관을 통한 냉각수의 유동을 제어한다.
그런데, 종래의 온도 제어 시스템의 3웨이 로터리 밸브는 디스크가 회전할 때 발생하는 마찰로 인한 구조상의 문제 때문에 디스크와 밸브의 몸체(body) 사이에 약 0.5~0.7㎜ 정도의 간극을 두고 있으며, 이로 인하여 디스크와 밸브 몸체 사이의 간극을 통해 냉각수의 누설이 발생하여 정확한 온도 제어가 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 도 2에 도시한 것과 같이 디스크(1)의 외면에 고무와 같은 탄성이 있는 수지 재질로 된 원형의 패킹링(packing ring)(3)을 설치하여 상기 패킹링(3)이 밸브 몸체(미도시)와 밀착되게 함으로써 수밀을 유지하여 정확한 온도 제어가 이루어질 수 있도록 하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 패킹링을 적용한 3웨이 로터리 밸브는 상기 패킹링(3)이 삽입되는 수용홈(2)이 패킹링(3)의 단면과 대응하는 원형으로 이루어지며, 패킹링(3)이 수용홈(2) 내측에 높은 충전률(약 65% 이상)로 끼워져 있기 때문에 패킹링(3)이 밸브 몸체에 밀착되었을 때 수용홈(2) 내측에서 잘 변형되지 않고 디스크(1)의 면과 밸브 몸체 사이에 꽉 끼이게 된다.
따라서 디스크가 회전할 때 패킹링(3)이 수용홈(2)에서 빠져서 수밀을 유지할 수 없을 뿐만 아니라 디스크(1)의 회전 동작에 문제가 발생할 가능성이 높다.
등록특허 제10-1480433호 공개특허 제10-2007-0085025호 등록특허 제10-0944387호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 패킹링이 삽입되는 디스크의 수용홈의 형태를 최적화하여 패킹링이 밸브 몸체에 밀착되었을 때 패킹링이 수용홈 내측에서 충분히 변형되어 채워짐으로써 디스크의 회전시 패킹링이 수용홈에서 이탈되는 현상을 방지함과 동시에 패킹링이 밸브 몸체의 면에 높은 압력으로 밀착됨으로써 수밀성을 유지하여 선박 엔진의 온도 제어를 정확하게 수행할 수 있는 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브는, 유체가 유입되거나 배출되는 복수의 포트를 구비한 밸브 몸체와; 상기 밸브 몸체 내부에 회전축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 일측면이 곡면으로 이루어진 기둥 형태로 되어 상기 복수의 포트를 선택적으로 개폐하는 디스크와; 상기 디스크의 곡면으로 된 외면에 원형으로 형성되며, 다각형 단면 형태를 갖는 수용홈과; 상기 수용홈 내측에 삽입되어 설치되며, 상기 포트의 가장자리 외측면에 밀착되면서 수밀 작용을 하는 유연한 수지 재질의 패킹링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 형태에 따른 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브는, 유체가 유입되거나 배출되는 복수의 포트를 구비한 밸브 몸체와; 상기 밸브 몸체 내부에 회전축을 중심으로 회전하도록 설치되며, 일측면이 곡면으로 이루어진 기둥 형태로 되어 상기 복수의 포트를 선택적으로 개폐하는 디스크와; 상기 디스크의 곡면으로 된 외면에 원형으로 형성되며, 하단부의 양측 모서리가 곡면으로 이루어지며 상부보다 하부의 폭이 더 큰 삼각형 또는 사다리꼴 단면 형상을 갖는 수용홈과; 상기 수용홈 내측에 삽입되어 설치되며, 상기 포트의 가장자리 외측면에 밀착되면서 수밀 작용을 하는 유연한 수지 재질의 패킹링;을 포함하고, 상기 디스크의 곡면으로 된 외면은 중심으로부터 양측 방향으로 일정 각도 범위(α)까지는 일정한 곡률을 갖는 곡면부로 이루어지며, 상기 곡면부의 양측 끝단부에서부터 양측 방향으로 일정 각도 범위(β)까지는 직선형으로 된 평면부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 3웨이 로터리 밸브는 패킹링이 장착되는 디스크의 외면의 수용홈이 상부보다 하부가 넓은 다각형 형태를 갖기 때문에 패킹링이 밸브 몸체에 밀착되었을 때 충분히 압축 변형되면서 수용홈 내측에 채워짐과 동시에 밸브 몸체의 면에 강한 접촉 면압으로 밀착되어 우수한 수밀 작용을 할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 선박 엔진의 온도 제어 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 종래의 선박 엔진의 온도 제어 시스템 구성된 3웨이 로터리 밸브의 패킹링 설치 구조를 나타낸 요부 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브를 나타낸 횡단면도로, 도 3은 밸브 몸체의 3개의 포트가 개방된 상태를 나타내고, 도 4는 밸브 몸체의 1개의 포트가 완전히 폐쇄된 상태를 나타낸다.
도 5는 도 3에 도시된 3웨이 로터리 밸브의 디스크를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 디스크의 평면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 3웨이 로터리 밸브의 작동례를 나타낸 요부 단면도이다.
도 8은 도 3에 도시된 3웨이 로터리 밸브의 다른 작동례를 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 3에 도시된 3웨이 로터리 밸브의 또 다른 작동례를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 8의 대응도로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3웨이 로터리 밸브를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3웨이 로터리 밸브는, 제1포트(11)와 제2포트(12)와 제3포트(13)를 구비한 밸브 몸체(10)와, 상기 밸브 몸체(10) 내부에 회전축(21)을 중심으로 회전하도록 설치되어 상기 제1포트(11)와 제2포트(12)와 제3포트(13)를 선택적으로 개폐하는 반원통형의 디스크(20)와, 상기 디스크(20)의 곡면으로 된 외면에 원형으로 형성되는 다각형 단면 형태의 수용홈(30)과, 상기 수용홈(30) 내측에 삽입되어 상기 밸브 몸체(10)의 내면에 밀착하면서 수밀 작용을 하는 고무와 같은 유연한 수지 재질의 패킹링(40)을 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 밸브 몸체(10)의 제1포트(11)는 유체가 배출되는 배관, 즉 유체의 사용처(엔진)와 연결된 배관과 연결되며, 상기 제2포트(12) 및 제3포트(13)는 유체를 공급하는 배관에 각각 연결된다. 예를 들어 상기 제1포트(11)는 선박 엔진의 온도 제어 시스템(도 1 참조)의 엔진과 연결되어 엔진으로 유체를 공급하는 배관과 연결되고, 상기 제2포트(12)는 냉각된 유체를 공급하는 냉각기(cooler)와 연결되어 냉각 유체를 공급받으며, 제3포트(13)는 엔진의 유체 배출구와 연결된 배관과 연결되어 엔진에서 배출된 고온 또는 상온의 유체를 공급받는다.
상기 제1포트(11)와 제2포트(12)와 제3포트(13)는 원형의 구멍으로 형성되며, 각각의 가장자리 외측의 면에 상기 패킹링(40)이 밀착된다.
상기 디스크(20)는 일측면이 곡면으로 이루어진 반원기둥 또는 1/4원기둥 형태 등 다양한 기둥 형태를 가지며, 상기 밸브 몸체(10)를 관통하는 회전축(21)과 결합되어 회전축(21)을 중심으로 일정 각도로 회전하면서 제1포트(11)와 제2포트(12)와 제3포트(13)를 선택적으로 개폐한다.
상기 디스크(20)는 무게를 경감하기 위하여 복수의 중공부(23)를 구비할 수 있으며, 일측면 중앙부에 상기 회전축(21)이 끼워지는 축삽입홀(22)이 길이방향을 따라 관통되게 형성되어 있다.
상기 디스크(20)의 곡면으로 된 면에는 상기 패킹링(40)이 삽입되어 장착되는 수용홈(30)이 원형으로 형성되어 있다. 상기 수용홈(30)은 상기 패킹링(40)과 일치하는 직경을 가지며, 디스크(20)의 작동 시 패킹링(40)의 이탈을 방지함과 동시에 패킹링(40)이 밸브 몸체(10)와 충분한 접촉 면압을 가지면서 유로를 폐쇄할 수 있도록 하기 위한 다각형의 단면 형상을 갖는다.
이 실시예에서 상기 수용홈(30)은 하단부의 양측 모서리가 곡면으로 된 대략 삼각형 또는 사다리꼴 형태의 단면 형상을 갖는다. 이와 같이 수용홈(30)의 폭이 상부보다 하부가 큰 삼각형 단면 형상 또는 사다리꼴 단면 형상을 갖게 되면, 원형 단면을 갖는 패킹링(40)의 하부와 수용홈(30)의 하부 사이에 충분한 여유 공간이 확보되어, 패킹링(40)이 밸브 몸체(10)와 밀착되어 외력을 받게 되면 패킹링(40)의 하부가 수용홈(30) 내측에서 충분히 변형되어 수용홈(30) 내부에 채워질 수 있게 되며, 패킹링(40)의 상부(수용홈의 외측으로 튀어 나온 부분)가 밸브 몸체(10)의 포트의 외측에 충분한 접촉 면압으로 밀착될 수 있게 된다.
상기 패킹링(40)이 수용홈(30) 내측에 채워진 정도를 나타내는 충전률과 패킹링(40)이 수용홈(30) 내측에서 압축되는 정도를 나타내는 압축률은 일정한 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 충전률은 수용홈(30)의 단면적에 대한 수용홈(30) 내에 삽입된 패킹링(40)의 단면적의 비율로 나타내며, 충전률이 너무 낮으면 패킹링(40)이 수용홈(30) 내에서 움직여서 문제가 되며, 반대로 기존의 로터리밸브와 같이 충전률이 너무 높으면 패킹링(40)이 수용홈(30)에서 빠져나와 파손되거나 충분히 압축되지 못하여 누설이 발생하게 된다.
Figure 112016083324494-pat00001
또한 수용홈(30) 내에서 패킹링(40)이 압축되는 비율인 압축률이 너무 낮으면 패킹링(40)이 충분한 반발력을 얻을 수 없어 누설의 문제가 발생하고, 압축률이 너무 높으면 패킹링(40)의 파손 가능성이 높다.
Figure 112016083324494-pat00002
이와 같이 최적의 충전률과 압축률을 얻기 위해서는 상기 수용홈(30)의 양측 모서리 부분의 곡률 반경(r)과 양측 변부의 각도(θ), 높이(h)를 적절한 크기로 조절하면 된다.
상기 패킹링(40)은 원형의 링 형태로 된 O-링(O-ring)으로서 그 단면 형태는 원형으로 된 것이 바람직하다.
또한 상기 디스크(20)의 곡면으로 된 면은 도 10에 도시한 것과 같이 전체가 일정한 곡률의 곡면으로 이루어질 수도 있으나, 도 6 및 도 8에 도시한 것과 같이 상기 디스크(20)의 곡면으로 된 외면은 중심으로부터 양측 방향으로 일정 각도 범위(α)까지는 일정한 곡률을 갖는 곡면부(24)로 이루어지며, 상기 곡면부(24)의 양측 끝단부에서부터 양측 방향으로 일정 각도 범위(β)까지는 직선형으로 된 평면부(25)로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서 상기 평면부(25)는 곡면을 반경방향 내측으로 깍아낸 형태로 이루어진다. 상기 패킹링(40)의 양측부는 상기 평면부(25)에 배치된다.
이와 같이 디스크(20)의 곡면이 가운데 부분의 곡면부(24)와 곡면부(24) 양측의 평면부(25)로 이루어지면, 디스크(20)가 제2포트(12)와 제3포트(13)를 동시에 개방한 상태에서 유체의 유선(stream line)이 패킹링(40)에 직접적으로 영향을 주는 현상이 최소화되므로 패킹링(40)이 유체의 압력에 의해 수용홈(30)에서 이탈되는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 도 10에 도시한 것과 같이 디스크(20)의 곡면이 전체가 일정한 곡률의 곡면으로 이루어지게 되면 유체의 유선(stream line)이 패킹링(40)에 직접적으로 영향을 주기 때문에 패킹링(40)이 유체의 압력에 의해 수용홈(30)에서 이탈되는 현상이 발생할 수 있으나, 도 8에 도시한 것처럼 패킹링(40)의 외측부가 직선형의 평면부(25)로 이루어지면 평면부(25)에서 곡면부(24)로 유동하는 유체가 평면부(25)의 끝단에서 패킹링(40)과 접촉하지 않고 넘어가게 되므로 패킹링(40)의 측면에 가해지는 유체의 압력을 최소화할 수 있고, 따라서 유체의 압력에 의한 패킹링(40)의 이탈을 방지할 수 있다.
또한 도 9에 도시한 것과 같이 디스크(20)가 포트(11, 12, 13)를 폐쇄한 상태에서 회전하여 개방 상태로 전환되는 초기에, 패킹링(40)과 밸브 몸체(10)의 외면 사이에 발생하는 저항을 감소시켜 패킹링(40)이 수용홈(30)에서 빠져 버리는 현상을 방지할 수 있다. 만약 디스크(20) 전체가 일정한 곡률의 곡면으로 이루어지면(도 8 참조), 패킹링(40)이 포트(11, 12, 13)를 폐쇄한 상태에서 회전하여 개방 상태로 전환될 때 패킹링(40)이 디스크(20)의 외면과 밸브 몸체(10)의 면 사이에 끼어서 큰 저항력이 발생하게 되어 패킹링(40)이 수용홈(30)에서 빠져 버릴 우려가 있지만, 도 8 및 도 9에 도시한 것과 같이 패킹링(40)의 외측에 평면부(25)가 형성되면 디스크(20)가 회전할때 패킹링(40)이 디스크(20)의 외면과 밸브 몸체(10) 사이에 끼이는 현상을 방지할 수 있어 패킹링(40)이 수용홈(30)에서 빠지는 현상을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 3웨이 로터리 밸브는 상기 디스크(20)가 제1,2,3포트(11, 12, 13) 중 어느 하나를 폐쇄했을 때, 상기 패킹링(40)이 포트(11, 12, 13)의 가장자리 외측면에 밀착되면서 수밀 작용을 하게 된다. 이 때 수용홈(30) 내측에 삽입된 패킹링(40)의 하부는 압축되면서 변형되는데, 전술한 것과 같이 수용홈(30)의 하부는 상부보다 폭이 큰 형태를 가지며 수용홈(30)의 하단부 양측부와 패킹링(40)의 하부 사이에 충분한 여유 공간이 존재하기 때문에 패킹링(40)의 하부가 수용홈(30)의 내측에서 충분히 변형되면서 채워지게 된다. 따라서 패킹링(40)의 상부가 포트(11, 12, 13)의 가장자리 외측면에 충분한 접촉 면압으로 밀착되어 수밀 작용을 할 수 있게 됨과 더불어, 디스크(20)가 회전할 때 패킹링(40)과 밸브 몸체(10) 사이에 발생하는 마찰력에 의해 패킹링(40)이 수용홈(30) 내측에서 빠져버리는 현상을 방지할 수 있다.
또한 디스크(20)의 곡면부(24)의 양측부에 직선형으로 깍아진 평면부(25)가 형성되면, 디스크(20)가 개방되었을 때 밸브 몸체(10) 내부의 유로를 통해 유동하는 유체의 유선(stream line)에 의한 영향을 최소화하여 패킹링(40)의 이탈을 방지할 수 있으며, 또한 도 9에 도시한 것과 같이 디스크(20)가 포트(11, 12, 13)를 폐쇄한 상태에서 회전하여 개방 상태로 전환될 때 패킹링(40)이 밸브 몸체(10)의 외면과 접촉되는 힘을 감소시켜 패킹링(40)이 수용홈(30)에서 빠져 버리는 현상을 방지할 수 있다.
전술한 것과 같이 본 발명의 3웨이 로터리 밸브는 상기 패킹링(40)이 장착되는 디스크(20)의 외면의 수용홈(30)이 상부보다 하부가 넓은 다각형 형태를 갖기 때문에 패킹링(40)이 밸브 몸체(10)에 밀착되었을 때 충분히 압축 변형되면서 수용홈(30) 내측에 채워짐과 동시에 밸브 몸체(10)의 면에 강한 접촉 면압으로 밀착되어 우수한 수밀 작용을 할 수 있게 된다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3웨이 로터리 밸브를 나타낸 것으로, 이 실시예의 3웨이 로터리 밸브는 디스크(20)가 1/4원기둥 형태를 가지며, 패킹링(40)의 양측 단부는 디스크(20)의 곡면의 양측 단부에 배치된다.
또한 이 실시예에서 밸브 몸체(10)의 제1포트(11)는 엔진의 유체 배출구와 연결된 배관과 연결되어 엔진에서 배출된 고온 또는 상온의 유체를 공급받으며, 제2포트(12)는 냉각된 유체를 공급하는 냉각기(cooler)와 연결되어 냉각 유체를 공급받으며, 제3포트(13)는 선박 엔진의 온도 제어 시스템(도 1 참조)의 엔진과 연결되어 엔진으로 유체를 공급하는 배관과 연결되어 상기 제1포트(11) 및/또는 제2포트(12)에서 유입된 유체를 배출하는 통로가 된다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 밸브 몸체 11,12,13 : 제1~3포트
20 : 디스크 21 : 회전축
24 : 곡면부 25 : 평면부
30 : 수용홈 40 : 패킹링

Claims (6)

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  5. 엔진으로 유체를 공급하는 배관과 연결되는 제1포트(11)와, 냉각된 유체를 공급하는 냉각기(cooler)와 연결되어 냉각 유체를 공급받는 제2포트(12)와, 엔진의 유체 배출구와 연결된 배관과 연결되어 엔진에서 배출된 고온 또는 상온의 유체를 공급받는 제3포트(13)를 구비하는 밸브 몸체(10)와;
    상기 밸브 몸체(10) 내부에 회전축(21)을 중심으로 회전하도록 설치되며, 일측면이 곡면으로 이루어진 반원기둥 형태로 되어 상기 제1포트(11)와 제2포트(12)와 제3포트(13)를 선택적으로 개폐하는 디스크(20)와;
    상기 디스크(20)의 곡면으로 된 외면에 원형으로 형성되며, 하단부의 양측 모서리가 곡면으로 이루어지며 상부보다 하부의 폭이 더 큰 삼각형 또는 사다리꼴 단면 형상을 갖는 수용홈(30)과;
    상기 수용홈(30) 내측에 삽입되어 설치되며, 상기 제1포트(11)와 제2포트(12)와 제3포트(13)의 가장자리 외측면에 밀착되면서 수밀 작용을 하는 유연한 수지 재질의 패킹링(40);
    을 포함하고,
    상기 디스크(20)의 곡면으로 된 외면은 회전축(21)의 중심으로부터 양측 방향으로 일정 각도 범위(α)까지는 일정한 곡률을 갖는 곡면부(24)로 이루어지며, 상기 곡면부(24)의 양측 끝단부에서부터 양측 방향으로 일정 각도 범위(β)까지는 직선형으로 된 평면부(25)로 이루어지고,
    상기 패킹링(40)의 양측부는 상기 평면부(25)에 배치되는 것을 특징으로 하는 선박 엔진의 온도 제어 시스템용 3웨이 로터리 밸브.
  6. 삭제
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