KR101876302B1 - 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈 - Google Patents

Abstract

내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램 방식 밸브 모듈은 유로를 가지는 밸브, 상하 이동하는 스템을 통하여 상기 밸브 내 유로를 개폐하는 공압 작동기 및 상기 공압 작동기의 내부에 설치되어 상기 공압 작동기에 제공되는 유체의 압력에 의하여 상기 스템을 이동시키는 다이아프램을 포함한다. 상기 다이아프램은, 탄소 섬유를 포함하는 보강층 및 상기 보강층의 양면을 커버하는 수지층을 포함한다.

Description

내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈{PNEUMATIC CYLINDER AND VALVE HAING THE SAME}

본 발명은 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압 작동기의 내부에 설치된 다이아프램의 내압성능을 개선하여 공압 작동기의 장기간 사용에도 내부 기밀성을 유지할 수 있는 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈에 관한 것이다.

배관 내 유체의 유량, 압력을 조절하기 위한 목적으로 유체의 통로를 열거나 닫도록 하는 장치를 일반적으로 밸브(valve)라 하고, 이러한 밸브에 연결되어 외부로부터 전기적, 물리적 동력을 공급받아 밸브의 개폐를 제어하는 장치를 작동기(actuator)라고 한다.

작동기는 밸브를 통과하는 유체의 압력과 마찰에 의하여 발생하는 밸브 개폐를 위한 동력원에 따라 전동식 작동기, 공압식 작동기, 유압식 작동기 등으로 분류된다. 이중 공압식 작동기는 외부로부터 힘을 받아 스스로 작동하는 밸브에 가장 많이 사용되는 작동기로서 다른 작동기에 비하여 구조가 간단하고, 고장율이 낮으며, 동작속도가 빠르며 기타 방식에 비해 안전성이 우수한 장점이 있다.

한편 상기 작동기는 외부에서 공급되는 공기의 압력을 밸브의 개폐를 위해 사용하기 위해서 반드시 외부 동력을 기계적 운동에너지로 전환하여 스템에 전달하는 장치를 요구하게 된다.

예를 들어, 공압 작동기는 다이아프램(diaphragm) 방식 및 실린더(cylinder) 방식으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 다이아프램 방식의 공압 작동기는 공압 작동기 내부로 공급된 압축 공기가 다이아프램에 압력을 가하면 다이아프램의 변형에 의해 작동기 스템이 직선운동을 하며 공압 작동기에 연결 설치된 밸브 유로를 열게 되며, 압축 공기가 빠져나가면서 스프링에 의하여 작동시 스템이 복귀하면서 밸브를 닫게 된다.

실린더 방식의 공압 작동기는 매우 경제적인 구동장치로 알려져 있는데 외부에서 공압 작동기 내부로 공급되는 공기압에 의해 피스톤이 왕복 운동하여 외부 동력을 기계적 출력으로 전환한다. 한편 다이아프램 방식의 공압 작동기는 나일론에 합성 고무를 덧씌운 유연한 재질로 제작되는 다이아프램을 작동기 내부에 결합시켜 공압 작동기 내부로 공기가 출입하면 공기압에 의해 다이아프램이 상승/하강 운동하여 외부 동력을 기계적 출력으로 전환한다.

다만, 실린더 방식의 경우 다이아프램 방식에 비해 민첩성이 낮고 큰 공기압을 요구하므로, 따라서 공기압 변화에 신속하게 반응하여 밸브의 정밀한 제어가 요구되는 설비에는 다이아프램 방식의 공압 작동기가 적합하다.

다이아프램 방식의 공압 작동기는 다이아프램의 작동방식에 따라 다이렉트 타입(direct type)과 리버스 타입(reverse type)으로 분류되며, 다이렉트 타입은 외부장치로부터 작동기 내부로 동력의 공급이 없는 정상 상태에서 열린 상태를 유지하는 방식을 말하고, 리버스 타입은 정상 상태에서 닫힘 상태를 유지하는 방식을 말한다.

다이아프램은 나일론에 합성 고무를 덧씌운 유연한 재질로 제작되어, 기밀성을 유지하여 공기압에 의하여 상승 및 하강 운동을 하는데 반복적인 운동에 의하여 고무 재질이 파손되거나 나일론 섬유의 경우 충분한 내압 성능을 가지지 못하여 고압의 조건에서 다이아프램이 파손되는 문제가 발생한다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0277487호

본 발명의 실시예들은 공압 작동기의 내부에 설치된 다이아프램의 강도를 증가시켜 내압특성을 개선하여 다이아프램의 사용기간을 향상시킬 수 있으며, 고압 하에서도 안정적인 운영이 가능한 다이아프램 방식 밸브 모듈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈은, 유로를 가지는 밸브, 상하 이동하는 스템을 통하여 상기 밸브 내 유로를 개폐하는 공압 작동기 및 상기 공압 작동기의 내부에 설치되어 상기 공압 작동기에 제공되는 유체의 압력에 의하여 상기 스템을 이동시키는 다이아프램을 포함하며, 상기 다이아프램은, 탄소 섬유를 포함하는 보강층 및 상기 보강층의 양면을 커버하는 수지층을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다이아프램의 하면에 배치되는 탄소 필름층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강층은 직조 방향이 가로, 세로 및 사선 방향이고 상기 탄소 섬유를 이용하여 직조된 직물을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강층은 제1 보강층 및 제2 보강층을 포함하며, 상기 제1 보강층은 직조 방향이 가로 및 세로 방향이고 상기 탄소 섬유를 이용하여 직조된 직물을 포함하고, 상기 제2 보강층은 상기 제1 보강층의 직조 방향에 대하여 양 사선 방향으로 직조된 직물을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다이아프램의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공압 작동기는 상부 및 하부 케이스를 포함하며, 상기 다이아프램의 에지부에 형성된 결합홀을 통하여 상기 상부 및 하부 케이스와 동시에 나사 결합되고, 상기 다이아프램의 중앙에 상기 스템이 삽입되는 삽입홀이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 다이아프램 방식 밸브 모듈에 있어서, 탄소 섬유를 이용하여 공압 작동기 내부에 설치된 다이아프램의 강도를 증가시켜 다이아프램의 내압특성을 개선할 수 있다.

또한, 상기 다이아프램은 하측에 탄소 필름을 부착하여 밸브 측에서 전달되는 온도 등의 환경에서 다이아프램의 파손을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램 방식 밸브 모듈을 설명하기 위한 정면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램 방식 공압 작동기를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램을 설명하기 위한 평면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 다이아프램을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 다이아프램의 보강층을 설명하기 위한 사시도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램 방식 밸브 모듈을 설명하기 위한 정면도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램 방식 공압 작동기를 설명하기 위한 단면도들이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램을 설명하기 위한 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 모듈(1000)은 밸브(100) 및 공압 작동기(200)를 포함한다.

상기 밸브(100)는 내부에 형성된 유로를 가진다. 상기 공압 작동기(200)는 상하 이동하는 스템(210)을 통하여 상기 밸브(100) 내 유로를 개폐한다.

상기 밸브 모듈(1000)은 다이아프램(300)을 포함하며, 상기 다이아프램(300)은 상기 공압 작동기(200)의 내부에 설치되어 상기 공압 작동기(200)에 제공되는 유체의 압력에 의하여 상기 스템(210)을 이동시킨다.

여기서, 본 발명의 공압 작동기(200)는 다이렉트 타입의 공압 작동기로 설명 및 도시하였으나, 리버스 타입의 경우에도 용이하게 변형 및 적용이 가능하다. 따라서 리버스 타입에 관한 설명은 생략하도록 한다.

예를 들어, 상기 공압 작동기(200)는 상기 다이아프램(300)의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 상부 플레이트(310) 및 하부 플레이트(320)를 포함할 수 있다.

상기 다이아프램(300)의 작동시 상기 상부 플레이트(310) 및 상기 하부 플레이트(320)는 같이 상승 및 하강을 하게 된다. 상기 다이아프램(300)은 유연한 소재, 예를 들어, 탄소 섬유 또는 나일론으로 이루어져 작업시 다이아프램(300)의 반복적인 굽힘 등에 의하여 파손이 쉽게 일어날 수 있으나, 상기 상부 및 하부 플레이트(310, 320)를 배치하여 공기압에 의한 상기 다이아프램(300)의 변형을 최소화시켜 파손을 방지 내지 최소화할 수 있다.

상기 공압 작동기(200)는 상부 케이스(201) 및 하부 케이스(202)를 포함한다.

예를 들어, 상기 다이아프램(300)의 에지부에 형성된 결합홀(301)을 통하여 상기 상부 및 하부 케이스(201, 202)와 동시에 나사 결합될 수 있다. 또한, 상기 다이아프램(300)의 중앙에 상기 스템(210)이 삽입되는 삽입홀(302)이 형성될 수 있다.

상기 다이아프램(300)의 하부, 예를 들어, 상기 하부 플레이트(320)의 하면에는 스프링 등과 같은 탄성체를 배치하여 상기 하부 케이스(202)의 내측과 상기 하부 플레이트(320)를 지지하여, 공기압에 의하여 상기 다이아프램(300)의 상승 및 하강을 지지할 수 있다. 예를 들어, 상기 다이아프램(300)의 하강 후, 공기가 빠져나가게 되면, 상기 탄성체의 복귀력에 의하여 상기 다이아프램(300)을 원상태로 복귀시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램을 설명하기 위한 평면도이다. 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 다이아프램을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 상기 다이아프램(300)은, 탄소 섬유를 포함하는 보강층(330) 및 상기 보강층(330)의 양면을 커버하는 수지층(340)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보강층(330)은 탄소 섬유를 포함할 수 있다.

기존에는 보강층(330)으로 예를 들어, 나일론 내지 테프론 등을 적용하여 왔으나, 이들 대부분의 소재들이 인장강도(tensile strength)가 약 1,000MPa 이하 정도로 충분한 강도를 갖지 못하여 다이아프램의 반복적인 사용 및 공기압의 증가시 다이아프램이 터지는 등 파손이 발생하여 부품의 교체 주기가 짧은 문제점이 있었다. 기존의 보강층을 적용한 다이아프램의 경우 공압 작동기에 3bar를 초과하는 공기압이 주입되는 경우 장시간 작동시 다이아프램이 파손되는 문제점이 있으며, 이에 일반적으로 다이아프램 방식의 공압 작동기의 한계는 약 3bar로 알려져 있다.

상기 보강층(330)은 인장강도(tensile strength)의 범위가 3,500 내지 6,000 MPa 이고, 인장탄성율(tensile modulus)의 범위가 200 내지 600 MPa 인 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 보강층(330)을 이용한 다이아프램을 적용한 공압 작동기의 경우 5 내지 6 bar에서도 안정적으로 작동할 수 있다. 이는 후술할 바와 같이, 탄소 섬유 및 보강층 구성을 통하여 달성할 수 있다.

상기 보강층(330)은 탄소 섬유를 이용하여 직조한 직물(fabric)로서, 2 이상의 탄소 섬유를 교차하여 엮어 제조된다.

도 5를 참조하면, 예를 들어, 상기 보강층(330A)은 탄소 섬유 2개를 날실 및 씨실로 하여 서로 교차하도록, 즉 직조 방향이 가로 및 세로 방향이 되도록 직조될 수 있다. 상기 보강층(330A)은 단일 층을 구성할 수 있다.

이와 달리, 도 6을 참조하면, 상기 보강층(330B)은 복층 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어, 상기 보강층(330)은 제1 보강층(331) 및 제2 보강층(332)을 포함한다. 2개의 보강층들은 서로 동일 또는 상이한 직조 방향을 가지는 직물일 수 있다.

후술할 바와 같이 상기 제1 보강층(331) 및 상기 제2 보강층(332)은 서로 다른 직조 방향을 가져 가로세로 방향 뿐만 아니라 사선 방향까지 응력을 견디도록 하는 것이 바람직하다. 뿐만 아니라, 상기 보강층들의 직조 방향이 동일하다고 하더라도 다이아프램(300)의 제조시 상기 제1 보강층(331) 및 상기 제2 보강층(332)의 직조 방향이 45° 기울어지도록 재단(裁斷) 및 배치하여 직조 방향이 상이한 보강층을 적층한 것과 동일 내지 유사한 효과를 달성할 수도 있다.

도 7을 참조하면, 상기 다이아프램(300C)은 상기 다이아프램(300C)의 하면에 배치되는 탄소 필름층(350)을 포함한다.

상기 탄소 필름층(350)은 상기 다이아프램(300C)의 하면, 즉 상기 수지층(340)의 하면에 부착되어 있다. 예를 들어, 고온 고압에서 사용되는 밸브(100)의 경우 밸브 측에서 열이 상기 공압 작동기(200)로 전달되는데, 이와 같은 환경에서 수지층(340)에 변형이 일어나게 되고, 이에 다이아프램(300)이 파손되어 다이아프램(300)의 기밀성을 유지할 수 없게 된다.

이에, 탄소 필름을 상기 다이아프램(300C)의 하면에 부착하여 다이아프램에 온도 및 습도 등이 전달되는 것을 차단 내지 최소화하여 상기 다이아프램(300)의 파손을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 필름층(350)은 1 내지 10mmt의 두께를 가지는 탄소 필름을 접착제를 통하여 상기 수지층(340)의 하면에 부착될 수 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 다이아프램의 보강층을 설명하기 위한 사시도이다.

상기 다이아프램(300)은 상기 공압 작동기(200)에 제공되는 공기압에 의하여 공기 주입 반대 방향을 향하여 상기 스템(210)을 밀어낸다. 이때, 상기 다이아프램(300)은 상기 스템(210)과 함께 변형이 일어나게 되고, 위와 같이 가로 및 세로로 직조된 직물을 포함하는 보강층의 경우 가로 및 세로 방향으로는 탄소 섬유가 존재하여 다이아프램에 가하여지는 응력을 견디어 낼 수 있으나, 그 사선 방향으로도 변형이 일어나나 사선 방향으로 다이아프램에 가하여지는 응력은 충분히 견디어 낼 수 없다.

도 5 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아프램(300)의 보강층(330A)은 직조 방향이 가로, 세로 및 사선 방향이고 상기 탄소 섬유를 이용하여 직조된 직물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 보강층(330A)의 사선 방향의 실은 1 또는 2방향으로 직조될 수 있다.

도 6 및 도 9를 참조하면, 상기 보강층(330B)은 제1 보강층(331) 및 제2 보강층(332)을 포함한다.

여기서, 상기 제1 보강층(331)은 직조 방향이 가로 및 세로 방향이고 상기 탄소 섬유를 이용하여 직조된 직물을 포함하고, 상기 제2 보강층(332)은 상기 제1 보강층(331)의 직조 방향에 대하여 양 사선 방향으로 직조된 직물을 포함할 수 있다.

일반적으로 다이아프램의 제조시, 수지층(340)을 구성하기 위한 수지층 재료, 예를 들어, 합성 고무판을 두고 그 위에 보강층의 재료가 되는 천을 배치한 후, 합성 고무판을 겹쳐 배치한 후 가압 성형하여 다이아프램을 제조한다. 본 발명에 있어서 보강층(330A)이 하나인 경우 위와 동일 또는 유사하게 다이아프램을 제조하며, 본 발명의 실시예 중 제1 보강층(331) 및 제2 보강층(332)을 포함하는 보강층(330B)의 경우에는, 수지층 재료, 제1 보강층, 수지층 재료, 제2 보강층 및 수지층 재료를 순차적으로 적층한 후 가압 성형하여 제조할 수 있다. 이때, 제1 보강층 및 제2 보강층의 적층 순서는 필요에 따라 선택적으로 변형 가능하며, 적층되는 수지층 재료의 두께를 조절하여 다이아프램 두께를 용이하게 관리할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

1000: 밸브 모듈 100: 밸브
200: 공압 작동기 210: 스템
300: 다이아프램 310: 상부 플레이트
320: 하부 플레이트 330: 보강층
340: 수지층 350: 탄소 필름층

Claims (6)

1. 유로를 가지는 밸브;
   상하 이동하는 스템을 통하여 상기 밸브 내 유로를 개폐하는 공압 작동기; 및
   상기 공압 작동기의 내부에 설치되어 상기 공압 작동기에 제공되는 유체의 압력에 의하여 상기 스템을 이동시키는 다이아프램을 포함하며,
   상기 다이아프램은, 보강층 및 상기 보강층의 양면을 커버하는 수지층을 포함하며,
   상기 보강층은 제1 보강층 및 제2 보강층을 포함하며,
   상기 제1 보강층은 직조 방향이 가로 및 세로 방향으로 직조된 직물을 포함하고, 상기 제2 보강층은 상기 제1 보강층의 직조 방향에 대하여 양 사선 방향으로 직조된 직물을 포함하며,
   상기 보강층은 수지층 재료, 제1 보강층, 수지층 재료 및 제2 보강층을 적층한 후 가압 성형하여 제조되는 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다이아프램의 하면에 배치되는 탄소 필름층을 포함하는 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 다이아프램의 상면 및 하면에 접하여 배치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 포함하는 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 공압 작동기는 상부 및 하부 케이스를 포함하며,
   상기 다이아프램의 에지부에 형성된 결합홀을 통하여 상기 상부 및 하부 케이스와 동시에 나사 결합되고, 상기 다이아프램의 중앙에 상기 스템이 삽입되는 삽입홀이 형성된 내압성능이 개선된 다이아프램 방식 밸브 모듈.
   

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