KR102039532B1 - 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 수소 스테이션 - Google Patents

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Abstract

조작 시에서의 저토크성을 실현하면서, 실링성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 내구성(耐久性)을 향상시킨 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 수소 스테이션을 제공한다. 보디 본체 내에 회전 가능하게 설치한 볼과 실링 접촉하는 실링 기구(機構)를 볼의 양측 위치에 배치하고, 실링 기구는, 볼면과 실링 접촉하는 실링면을 가지는 시트 리테이너와, 실링면 측에 탄발력을 부여하기 위해 장착한 스프링 부재와, 시트 리테이너의 외주면에 장착한 실링 부재로 이루어지는 트러니언형 볼 밸브에 있어서, 적어도 실링면과 볼면의 양쪽에 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅층을 형성하여 슬라이딩 이동성과 밀봉성을 발휘하도록 했다.

Description

고압용 트러니언형 볼 밸브 및 수소 스테이션{TRUNNION BALL VALVE FOR HIGH PRESSURE, AND HYDROGEN STATION}
본 발명은, 볼 밸브(ball valve)에 관한 것이며, 특히, 수소 등의 고압 유체(流體)가 흐르는 수소 스테이션 등의 설비에 바람직한 고압용 트러니언형 볼 밸브(trunnion ball valve) 및 수소 스테이션에 관한 것이다.
최근, 에너지 정책의 재검토에 따라, 연료 전지 자동차용 수소 스테이션의 공급 인프라의 보급이 강하게 추진되고 있다. 수소 스테이션 등의 고압 유체가 흐르는 배관 설비에서는, 예를 들면, 수소의 압력의 경우, 80 MPa 이상의 고압으로 되기 때문에, 고압 유체용의 밸브가 사용된다. 이와 같은 고압 유체를 흐르게 하기 위한 밸브로서, 예를 들면, 특허 문헌 1의 니들 밸브가 알려져 있다. 니들 밸브는, 니들의 왕복이동에 의해 유로(流路)를 개폐하는 구조로 되어 있다.
한편, 유량을 확보하면서 유로를 온 오프하는 경우에 적절한 밸브로서, 트러니언형 볼 밸브를 사용하는 경우가 있다. 이 종류의 볼 밸브로서, 예를 들면, 특허 문헌 2의 트러니언형 볼 밸브가 알려져 있다. 이 트러니언형 볼 밸브는, 보디 내에 스템과 트러니언(로워 스템)을 통하여 금속제의 볼 밸브체가 회전 가능하게 장착되고, 이 볼 밸브체의 양측에 실링용의 볼 시트(ball seat)가 장착된 시트 리테이너(seat retainer)가 장착된 구조로 되어 있다. 이와 같은 고압용의 밸브에서는, 누출을 확실하게 방지하기 위해 높은 밀봉성을 유지할 것이 요구되고 있다. 또한, 고압 하에 있어서 밸브의 조작성을 확보하기 위해, 스템과 시트측과의 슬라이딩성도 만족시킬 필요도 있다.
볼과 시트와의 밀봉성을 향상시키도록 한 고압 가스용의 트러니언형 볼 밸브로서는, 예를 들면, 특허 문헌 3의 볼 밸브가 개시되어 있다. 이 볼 밸브에서는, 고압 하에 있어서 볼과 시트와의 밀봉성을 향상시키기 위해, 볼에서의 시트와의 접촉 표면에, 다이아몬드 라이크 카본(diamond―like carbon: DLC)이 증착(蒸着)되어 있다.
또한, 다이아몬드 라이크 카본으로 피막을 형성한 밸브로서, 특허 문헌 4의 전자(電磁) 밸브가 개시되어 있다. 이 전자 밸브에서는, 밸브 케이스의 내주면과 밸브체의 외주면 중 적어도 한쪽의 슬라이딩 이동면에 코팅막이 형성되고, 이 코팅막으로서 다이아몬드 라이크 카본이 사용되고, 이로써, 슬라이딩성을 높이도록 하고 있다.
일본 특표 2007―535648호 공보 일본 공개특허 제2012―13141호 공보 일본 공개특허 제2004―76884호 공보 일본 공개특허 제2011―174569호 공보
그러나, 수소 스테이션에서 특허 문헌 1과 같은 니들 밸브를 사용하여 수소를 흐르게 하려고 하는 경우, 이 수소가 고압이면 압력 손실이 커지므로, 수소의 충전에 시간이 걸린다는 문제가 생긴다.
한편, 고압 유체용의 트러니언형 볼 밸브에서는, 특히 볼과 시트측과의 슬라이딩성 및 밀봉성의 양쪽을 향상시키는 것이 중요하게 된다. 이 경우, 특허 문헌 2의 볼 밸브에 있어서, 슬라이딩성을 확보하기 위해 일반적으로 사용되고 있는 PEEK(폴리에테르에테르케톤)나 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 등의 수지 재료를 시트측의 재료에 사용하면, 이 연질의 수지 재료가 고압 하에서는 손상되기 쉬워지므로, 밀봉성을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 이와 같이, 고압 하에서는 밀봉성을 확보하기 위해서는 내구성(耐久性)의 점에서도 실링부 또는 실링면의 경도를 높일 필요가 있다.
특허 문헌 3에서는, 볼의 시트와의 접촉 표면에만 다이아몬드 라이크 카본을 증착함으로써 내구성을 향상시키고, 고압 가스를 흐르게 할 때의 실링성(밀봉성)을 유지하려고 하고 있지만, 이 볼 밸브에서는 실링성을 향상시키는 대신에, 볼과 시트와의 밀착성의 상승에 의해 이들 간의 슬라이딩성이 악화될 우려가 있다.
특허 문헌 4의 전자 밸브에서는, 밸브 케이스의 내주면, 밸브체의 외주면의 슬라이딩 이동면에 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅막을 형성하여 슬라이딩성을 높이고 있지만, 이 전자 밸브에서는 밸브 시트의 밀봉성의 향상에 대해서는 개시 내지 시사되어 있지 않다.
또한, 고압 유체용의 밸브에서는, 고압 유체에 의해 볼이 2차측에 강하게 가압되는 상태로 된다. 예를 들면, 90 MPa의 유체압을 부가한 경우, 호칭 직경(nominal diameter) 9/16(포트 직경 6.4㎜)의 볼 밸브에서는 약 1t의 하중이 볼에 가해진다. 이 경우, 볼에는 스템이 접속되어 있고, 이 스템은 패킹으로 실링되어 있다. 따라서, 볼이 2차측으로 강하게 가압되었을 때, 볼과 스템이 대략 일체로 접속되어 있는 구조에서는 스템까지 2차측으로 경사질 우려가 있어, 패킹에 의한 실링성이 손상될 염려가 있다.
또한, 특허 문헌 2와 같이 볼의 상하에 원기둥형의 축을 설치한 구조에 있어서는, 축의 외주를 적층한 베어링(볼베어링)으로 회전 가능하게 지지하고 있다. 그런데, 90 MPa와 같이 고압의 유체를 부가한 경우, 볼의 구형부(球形部) 부근이 가장 강하게 2차측으로 가압되고, 그 결과, 구형부 근방에 배치된 볼베어링이 파손될 우려가 있었다.
본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 특히, 고압 유체용으로 적합하고, 밸브체측과 밸브 시트측과의 슬라이딩성을 높여 조작 시에서의 저토크성을 실현하면서, 밀봉성을 향상시킴으로써 극히 높은 실링 성능을 발휘하여 그 실링성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 내구성을 향상시킨 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 수소 스테이션을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 제1항에 관한 발명은, 보디 본체 내에 회전 가능하게 설치한 볼과 실링 접촉하기 위한 실링 기구(機構)를 볼의 양측 위치에 배치하고, 실링 기구는, 볼의 볼면과 실링 접촉하는 실링면을 가지는 시트 리테이너와, 실링면 측에 탄발력을 부여하기 위해 장착한 스프링 부재와, 시트 리테이너의 외주면에 장착한 실링 부재로 이루어지는 트러니언형 볼 밸브로서, 적어도 시트 리테이너의 실링면과 이 실링면과 접촉하는 볼면의 양쪽에 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅층을 형성하여 슬라이딩성과 밀봉성을 발휘하도록 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제2항에 관한 발명은, 시트 리테이너의 실링면을, 볼면의 구경 중심으로부터 편위(偏位)시킨 위치에서, 또한 볼면의 반경보다 약간 긴 반경으로 설정하고, 실링면의 볼면과의 실링 위치를 상기 실링면의 대략 중앙 위치로 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제3항에 관한 발명은, 시트 리테이너의 실링면은, 볼면의 구경 중심점에서 볼의 유로 방향인 X축과 교차하는 Y축 방향으로 소정 거리 편위된 점으로부터, 편위된 측과는 반대 방향으로 180°의 각도로 볼면보다 약간 긴 반경으로 각각 형성한 반구면(半球面)의 일부를 궤적면으로 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제4항에 관한 발명은, 시트 리테이너의 모재(母材) 경도를 볼의 모재 경도보다 높게 설정한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제5항에 관한 발명은, 시트 리테이너의 모재를 BeCu 합금으로 하고, 볼의 모재를 스테인레스강으로 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제6항에 관한 발명은, 실링면과 볼면 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 코팅층 표면에 순응층(conforming layer)을 형성한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제7항에 관한 발명은, 볼에는, 상부 축부(軸部)와 하부 축부를 일체로 설치하고, 이 상하 축부의 외주에 래디얼 베어링을 통하여 회전 가능하게 설치하고, 또한 볼을 축부에 접합한 스템의 회전력을 통하여 회전 가능하게 설치하는 동시에, 스템의 하단부에 형성한 평행 2면홈에 축부의 상단에 설치한 평행 2면부를 연동 가능하게 접합하고, 밸브 폐쇄 시에 있어서의 고압 유체로 볼을 압압했을 때, 상하 축부를 가지는 볼을 2차측 방향에 수직인 상태로 지지하도록 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제8항에 관한 발명은, 래디얼 베어링은, 강성(剛性) 통체의 내주면에 폴리테트라플루오로에틸렌을 코팅한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제9항에 관한 발명은, 스템의 상단부에 수동 조작용 핸들을 장착시켜 수동 조작용 볼 밸브로 하거나, 또는 스템의 상단부를, 보디 본체에 탑재한 자동 조작용 액추에이터에 연결하여 자동 조작용의 볼 밸브로 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제10항에 관한 발명은, 고압 수소의 공급 라인에 고압용 트러니언형 볼 밸브를 설정한 수소 스테이션이다.
제1항에 관한 발명에 의하면, 특히, 고압 유체용에 적합한 트러니언형 구조의 볼 밸브를 제공할 수 있고, 적어도 시트 리테이너의 실링면과 볼면의 양쪽에 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅층을 형성함으로써, 밸브체측과 밸브 시트측과의 슬라이딩성을 높여 조작 시의 저토크성을 실현하면서, 밀봉성을 향상시킴으로써 극히 높은 실링 성능을 발휘하여 그 실링성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 내구성을 향상시킬 수 있고, 고압 하에 있어서, 이들 양쪽의 특성을 겸비하면서 밸브체를 조작할 수 있다. 이로써, 스프링 부재의 스프링 상수(常數)를 작게 한 경우라도, 고압 유체용의 트러니언 구조의 볼 밸브에 의해 자긴력(自緊力을 발휘하여 확실하게 고압 유체의 누출을 방지하면서, 우수한 조작성에 의해 수동으로 간단하게 밸브체를 조작할 수도 있다.
제2항 또는 제3항에 관한 발명에 의하면, 볼면과 실링면을 진동 폭을 허용한 선접촉 또는 면접촉으로 맞닿게 하여 실링하는 것이 가능해져, 필요 최소한의 접촉 면적에 의해 볼면과 실링면과의 밀봉성을 확실하게 유지하면서, 저토크성을 높일 수 있다. 또한, 실링면의 볼면과의 실링 위치를 상기 실링면의 중앙 위치로 하고 있으므로, 실링면에 균압 상태로 볼면을 압력접촉시켜 실링성을 향상시켜, 누출을 확실하게 방지할 수 있다.
제4항에 관한 발명에 의하면, 다이아몬드 라이크 카본의 층을 유지하고, 특히 시트 리테이너의 경도가 높아짐으로써 내구성이 향상되고, 이 시트 리테이너가 얇은 통형(筒形)인 경우에도 상흔의 발생을 방지하여 높은 실링성을 유지할 수 있다. 또한, 만일 다이아몬드 라이크 카본이 감소한 경우라도, 모재의 경도차에 의해 최저한의 슬라이딩성이 확보되고, 실링성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있어, 내구성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 다이아몬드 라이크 카본의 코팅층의 아래에 경도가 높은 시트 리테이너를 설정하고 있으므로, 페일-세이프(fail―safe) 기능이 발휘되어 고압 수소의 누출이 확실하게 방지된다.
제5항에 관한 발명에 의하면, 시트 리테이너의 모재를 동기(銅基) 합금으로 이루어지는 BeCu 합금으로 함으로써 수소에 대한 내구성을 향상시키면서, 이 시트 리테이너의 강도가 높아짐으로써 다이아몬드 라이크 카본의 건전성에 기여하고, 슬라이딩성과 밀봉성과의 양쪽을 높일 수 있다. 또한, 시트 리테이너와 모재와의 경도차를 최적의 상태로 설정함으로써, 만일, 다이아몬드 라이크 카본의 코팅층이 감소한 경우에도, 시트 리테이너의 베릴륨층에 의해 누출을 방지할 수 있는 동시에, 이 시트 리테이너가 동(銅) 합금인 것으로부터, 볼에 의한 시트 리테이너의 깍임을 방지하여 작동 불량을 회피할 수 있다.
제6항에 관한 발명에 의하면, 실링면과 볼면 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 코팅층 표면에 순응층을 형성함으로써, 실링면과 볼면과의 순응성을 높여 마찰에 의한 소모를 방지하면서 슬라이딩성을 향상시킬 수 있다. 순응층에 의해 밀착도도 높이므로, 실링성도 향상된다.
제7항에 관한 발명에 의하면, 스템 실링용의 패킹인 내경(內徑) 실링 부재의 정위치(定位置)를 확실하게 유지하여, 유효하게 실링 기능이 발휘된다. 즉, 상하 축부를 가지는 볼을 2차측 방향에 수직 상태로 지지하도록 했으므로, 볼이 평행 2면홈을 따라 유로 방향을 따라 약간 평행 이동 가능해지고, 밸브 폐쇄 시에 고압력이 가해져 볼이 유로 방향으로 하중을 받았을 때 약간 평행 이동, 또는 고하중을 지지볼이 불균일한 경우에도 경사 현상이 확실하게 방지된다. 그러므로, 볼의 회전 조작을 반복 행한 경우에도 내구성이나 토크성을 유지할 수 있어, 내경 실링 부재에 의한 스템이 높은 실링성을 유지할 수 있다.
제8항에 관한 발명에 의하면, 고압 유체에 의해 래디얼 방향의 과대한 힘이 볼에 가해진 경우에도, 래디얼 베어링에 의해 토크성을 확보하고, 반복 회전 동작 한 경우에도 연성의 폴리테트라플루오로에틸렌에 의해 슬라이딩 이동 저항이 적어, 더욱 슬라이딩성이 높아짐으로써, 볼의 내구성을 향상시켜 열화를 억제할 수 있다.
제9항에 관한 발명에 의하면, 수동 조작 또는 자동 조작에 의해 볼을 회전 조작할 수 있어, 고압 유체의 압력이나 종류, 설치 장소 등의 사용 조건에 따라서 적절한 조작을 선택하면서 설치할 수 있다.
제10항에 관한 발명에 의하면, 조작 시의 저토크성을 실현하면서, 밀봉성을 향상시킴으로써 극히 높은 실링 성능을 발휘하여 그 실링성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 내구성을 향상시킬 수 있는 고압용 트러니언형 볼 밸브를 구비하고, 고압 하에 있어서, 이들 양쪽의 특성을 겸비하면서 조작할 수 있다. 이로써, 볼 밸브에 의해 자긴력을 발휘하여 확실하게 고압 유체의 누출을 방지하면서, 우수한 조작성에 의해 자동이나 수동으로 간단하게 밸브체 조작하여 유로를 전환하여 소정량의 수소를 공급 또는 정지할 수 있다. 특히, 수소 스테이션의 유지보수 빈도를 현저하게 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 일실시형태를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 분리 단면도(斷面圖)이다.
도 3은 시트 리테이너를 나타낸 종단면도이다.
도 4는 볼과 시트 리테이너와의 실링 상태를 나타낸 주요부 확대도이다.
도 5는 도 1의 일부 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 다른 실시형태를 나타낸 종단면도이다.
도 7은 도 6의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 밸브 폐쇄 상태를 나타낸 주요부 확대 단면도이다.
도 8은 도 7의 A―A확대 단면도이다.
도 9는 도 6의 볼 밸브와 액추에이터를 나타낸 분리 사시도이다.
도 10은 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 다른 실시형태를 나타낸 종단면도이다.
도 11은 수소 스테이션을 나타낸 블록도이다.
이하에, 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 실시형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1에 있어서는, 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 일실시형태를 나타내고, 도 2에 있어서는, 도 1의 분리 단면도를 나타내고 있다.
도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서의 볼 밸브 본체(이하, 밸브 본체라고 함)(10)는, 내부에 스템(11)을 통하여 밸브체인 볼(12)이 회전 가능하게 설치되고, 이 볼(12)을 실링 접촉시키기 위한 실링 기구(13)가 볼(12)의 양측 위치에 배치되어 있고, 특히 고압 유체를 흐르게 하는 경우에 바람직한 트러니언형 볼 밸브의 구조이다.
밸브 본체(10)는 보디 본체(14)에 의해 구성되며, 이 보디 본체(14)는, 보디(15)와, 이 보디(15)의 1차측과 2차측에 각각 설치된 캡부재(16, 16)로 되어 있다. 보디 본체(14) 내에는, 볼(12), 실링 기구(13)가 내장되어 있다. 여기서, 본 실시형태에 있어서의 고압이란, 예를 들면, 35 MPa 이상이며, 수소 스테이션용의 배관 설비에서는 70∼105 MPa, 구체적으로는 90 MPa를 상정하고 있다.
보디(15)는, 대략 사각형상으로 형성되고, 이 보디(15)의 양측에 개스킷(17)을 협착(挾着)한 상태에서 캡부재(16, 16)가 나사장착부(16a)를 통하여 나사장착되어 보디 본체(14)가 구성된다. 캡부재(16)의 내주면에는 시트 리테이너(18) 장착용의 장착공(19)이 형성되고, 이 장착공(19)에 시트 리테이너(18)가 끼워져 삽입 가능하게 설치되어 있다. 또한, 장착공(19)에는 실링 부재(20)를 장착 가능하게 되어 있다.
또한, 장착공(19)에는, 이 장착공(19)보다 확경(擴徑)된 확경 홈부(23)가 형성되고, 이 확경 홈부(23)와 후술하는 스프링 부재(22)와의 사이에 대략 통형으로 형성된 스페이서(25)가 장착되어 있다. 스페이서(25)와 시트 리테이너(18)와의 사이에는, 스프링 부재(22)가 탄발 상태로 장착된다. 장착공(19)의 다른 쪽에는, 암나사부(24)가 연통되어 형성되고, 이 암나사부(24)에는 도시하지 않은 외부 조인트를 나사장착 가능하게 되어 있다. 그리고, 캡부재(16)는, 접착이나 용착(溶着) 등의 접합 수단에 의해 보디(15)와 일체화하는 것도 가능하다.
볼(12)은, 예를 들면, SUS316 등의 스테인레스강을 모재로 하여 형성되고, 볼면(12a)을 가지고, 이 볼면(12a)에 시트 리테이너(18)가 실링 가능하게 되어 있다. 이 볼(12)은, 상부측의 축부(상부 축부)(12b)와, 하부측의 트러니언(하부 축부)(12c)을 가지고, 이 상부 축부(12b)와 하부 축부(12c)가 보디(15)의 장착공(15a)에 장착됨으로써 회동(回動) 가능하게 되어 있다. 볼(12)을 스템(11)에 의해 회동 조작한 경우, 볼(12) 내부에 형성된 연통공(12d)과 시트 리테이너(18) 내에 형성된 내부 유로(28)가 연통되었을 때 유체가 흐르는 것이 가능하게 되어 있다. 볼(12)의 모재를 SUS316으로 했을 때는, 비커스 경도(Vickers hardness)가 Hv200 이하로 된다. 볼(12)을 스테인레스강으로 형성하는 경우, 이 볼(12)이 접액 부위이므로, 수소 취화(脆化)가 없는 소재를 재료로 하는 것이 바람직하다.
볼(12)의 상부 축부(12b)의 내부에는, 연통공(12d)으로부터 볼의 상면측과 연통되는 균압공(12e)이 형성되고, 이 균압공(12e)에 의해 밸브 개시의 캐비티 내의 압력을 빼는 것이 가능하게 되어 있다.
실링 기구(13)는, 시트 리테이너(18), 스프링 부재(22), 실링 부재(20)로 되어 있다.
시트 리테이너(18)는, 예를 들면, BeCu 합금(베릴륨 동 합금) 등의 동기 합금을 모재로 하여 형성된다. 시트 리테이너(18)의 모재로서, 특히, BeA―25(베릴륨 동)에 용체화(溶體化) 처리＋냉간(冷間) 가공＋경화 처리(열처리)를 행한 것을 사용한 경우, 스테인레스강 SUS630 이상의 강도를 가지면서, 비교적 연질인 동(銅) 성분의 함유에 의한 실링성을 발휘할 수 있다. 시트 리테이너(18)의 모재를 베릴륨 동으로 한 경우, 열처리 후의 비커스 경도는 Hv 360∼450로 되고, 그 기계적 성질로서는, 예를 들면, 인장 강도가 1200∼1500 MPa, 0.2% 내력(耐力)이 1000∼1400 MPa로 된다. 시트 리테이너를 동기 합금으로 형성한 경우, 수소에 의한 취화도 방지된다.
시트 리테이너(18)의 형성 시에는, 볼면(12a)의 접촉측인 실링면(18a)에 있어서, 연마 가공을 행하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 있어서, 시트 리테이너(18)의 모재 경도는, 볼(12)의 모재 경도보다 높게 설정되고, 「다이아몬드 라이크 카본의 경도」>「시트 리테이너의 모재 경도」>「볼의 모재 경도」의 관계를 가지고 있다. 이로써, 만일, 후술하는 다이아몬드 라이크 카본이 소모된 경우라도, 볼면(12a)의 DLC와 시트 리테이너(18)의 모재와의 경도차, 또는 볼면(12a)의 DLC가 소모된 경우라도, 볼과 시트 리테이너의 각 모재의 경도차에 의해, 이른바 "깍임"이 생기지 않아, 최저한의 슬라이딩성이 확보되어, 실링성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있어, 내구성이 있는 볼 밸브로 된다. 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이 시트 리테이너(18)에 BeCu를 사용하고 있으므로, 보다 실링성을 유지할 수 있다. 즉, DLC를 형성하고 있는 것, 시트 리테이너(18)의 모재와 볼(12)의 모재와의 사이에 경도차를 설정하고 있는 것, 시트 리테이너(18)의 모재를 BeCu 합금으로 하고 있는, 이중, 삼중의 설정에 의해, 고압의 수소가 누출되지 않도록 페일 세이프를 행하고 있다.
그리고, 목적에 따라, 볼의 모재 경도를 시트 리테이너의 모재 경도와 동등, 또는 높게 설정해도 된다.
시트 리테이너(18)의 구체적 형상으로서는, 볼(12) 측에 대향 배치되는 확경부(擴徑部)(26)와, 이 확경부(26)보다 축경(縮徑)된 통부(27)가 설치된다. 전술한 바와 같이, 확경부(26)에서의 볼(12)과의 대향면 측에 실링면(18a)이 형성되고, 이 실링면(18a)과 볼면(12a)이 실링 접촉될 수 있도록 되어 있다. 시트 리테이너(18)의 모재는, 슬라이딩 이동 부품으로서의 기능을 발휘 가능하면 알루미늄 브론즈 등의 동 합금이나, 동기 합금 이외의 재료라도 된다. 본 실시형태에서는, 내압(耐壓) 슬라이딩 이동 부품인 시트 리테이너(18)의 통부가 소경(小徑)이면서 얇으므로, 변형을 방지하기 위해 기계적 성질이 높은 BeCu 합금을 사용하고 있다.
도 3에 있어서, 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)을 형성하는 경우를 설명한다. 도면에 있어서, 볼면(12a)의 구경 중심점(P)으로부터 볼(12)의 유로 방향으로 X축, 이 X축과 교차하는 Y축을 설치한다. 구경 중심점(P)으로부터 Y축 방향으로 소정 거리 H의 사이를 두고, 2개소의 편위점(오프셋 점)(Q, Q)을 설정한다. 각 오프셋 점(Q, Q)으로부터 편위(오프셋) 측과는 반대 방향으로 180°의 각도로 볼면(12a)의 반경 RB보다 약간 긴 반경 R로 반구면(S, S)을 각각 형성함으로써, 이 반구면(S)의 일부를 궤적면으로 한 실링면(18a)이 구성된다. 즉, 도 4에 있어서, 실링면(18a)은, 소정 거리 H의 오프셋 점(Q, Q)으로부터 그려진 볼면(12a)의 약간 긴 반경 R의 궤적의 일부이며, 이 실링면(18a)은 반경 R으로 그려지게 된다.
이 때, 실링면(18a)의 볼면(12a)과의 실링 위치(T)가 상기 실링면(18a)의 대략 중앙 위치로 되도록 오프셋 점(Q)의 소정 거리 H를 설정한다. 일례로서, 도 1에서의 볼(12)의 내부 유로 직경 dN이 10㎜로서, 볼면(12a)의 구경 DB가 φ20㎜(반경 RB이 10㎜)일 때는, 약간 긴 반경 R(반경 RB＋Δr)로서, 거리 H를 Δh로 한 오프셋 점(Q)을 설정하고, 이 오프셋 점(Q)으로부터 궤적면을 그리도록 하면 된다. 오프셋 점(Q)의 구경 중심점(P)으로부터의 소정 거리 H는, 볼면(12a)의 구경에 따라, 적절히 변경할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, Δr>Δh의 관계가 되도록 설정하고 있다.
만일, 오프셋 점(Q)을 설정하지 않고, 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)을 볼면(12a)보다 약간 긴 반경으로 설정하여 해버리면, 볼(12)이 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)의 내주 에지 부위와 맞닿아 버린다. 그러면, 내주 에지 부위가 볼면(12a)에 극소적(極所的)으로 맞닿게 되어, DLC가 파손될 우려가 높아진다. 이것을 회피하기 위해 내주 에지 부위를 라운드하게 하여, 극소적인 접촉을 피하는 기술도 생각할 수 있지만, 볼(12)의 위치가 X축 방향으로 어긋나게 되어, 볼(12) 상부의 축부 등을 가늘게 하지 않을 수 없는 등의 새로운 문제가 생긴다.
본 실시형태에서는, 오프셋 점(Q)을 설정함으로써, 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)과 상기 볼면(12a)과의 실링 위치를 상기 실링면의 대략 중앙 위치로 되도록했다. 그에 더하여, DLC를 형성하기 전의 마무리 가공(fine―processing)을 볼(12)에 행함으로써, 시트 리테이너(18)와 볼(12)을 면접촉 실링에 의해 실링시키도록 하고 있다.
본 발명은, 선접촉 또는 면접촉으로 맞닿게 한 실링면을 가지고, 선접촉이라고 해도, 실제로는 소정의 폭을 가진 접촉 실링면을 형성하고 있다. 예를 들면, 면접촉 실링의 폭은, Y축과 대략 평행하게 형성되는 환형(環形)의 밀착 부위이며, 예를 들면, 0.5㎜ 정도의 폭으로 되도록 한다. 본 실시형태의 트러니언형 볼 밸브는 고압용이므로, 볼(12)은 유체압에 의해 미소량 변위되지만, 면접촉 실링 폭을 전술한 바와 같이 설정함으로써, 환형의 밀착 부위가 유지된다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 실링 위치(T)는, 상기 실링면(18a)의 대략 중앙 위치에 설정되어 있으므로, 볼 밸브의 사용 중에 이 실링 위치(T)의 위치가 약간 어긋난 경우에도 환형의 밀착 상태가 유지된다.
시트 리테이너(18)의 통부(27)에는, 실링 부재(20)와 후술하는 백업 링(29, 30)이 설치되어 있다. 이 통부(27)가 캡부재(16)의 장착공(19)에 끼워져 삽입됨으로써, 시트 리테이너(18)가 유로 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 통부(27)의 외주면에는 실링 부재(20)가 밀착 상태로 장착되고, 시트 리테이너(18)의 유로 방향으로의 이동 시에는, 이 실링 부재(20)에 의해 통부(27)와 장착공(19)이 실링된다. 또한, 시트 리테이너(18)의 내측에는 고압 유체가 흐르는 내부 유로(28)가 형성되어 있다.
시트 리테이너(18)와 볼(12)에 의한 실링 부위를 구성할 때는, 적어도 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)과, 이 실링면(18a)과 접촉하는 볼면(12a)의 양쪽에, 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅층(31)을 형성하여, 시트 리테이너(18)와 볼(12)에서의, 슬라이딩성과 밀봉성을 발휘할 수 있도록 했다.
이 경우, 실링면(18a)과 볼면(12a) 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 코팅층(31) 표면에는, 순응층(32)이 형성되어 있다.
DLC는, 주로 탄화수소, 혹은 탄소의 동(同) 소체(素體)로 이루어지는 아몰퍼스의 경질막이며, 고경도로서, 윤활성, 내마모성, 표면 평활성, 화학적 안정성 등의 특성이 우수하다. DLC를 형성하는 경우의 제법으로서는, 플라즈마 CVD법이나 PVD법에 의해 성막할 수 있다.
플라즈마 CVD법으로 DLC를 형성하는 경우, 아세틸렌 등의 탄화수소 가스를 사용하여 챔버 내에서 원료 가스를 플라즈마화하여, 기상(氣相) 합성한 탄화수소를 부품 표면에 증착한다. 이 경우, 원료에 수소가 포함되므로, DLC에도 수소가 함유되게 된다.
한편, PVD법에 의해 DLC를 형성하는 경우, 예를 들면, 스퍼터링법이나 이온 플레이팅법이 있다. 이 경우, 원료로 되는 흑연을 진공 중에서 이온 빔, 아크 방전, 글로 방전 등으로 조사(照射)하여, 흩날린 탄소 원자를 부품 표면에 부착시킨다. 이 방법의 경우에는, 탄소만으로 DLC를 형성할 수 있어, 수소 프리의 DLC를 형성하는 것도 가능하게 된다.
볼 밸브의 유로에 고압 유체인 수소가 흘렀을 때는, 코팅층(31)의 DLC 내부에 수소 유체가 침입하는 경우가 있지만, 본 실시형태의 DLC에는 수소가 함유되어 있고, 이 DLC가 모재로부터 박리될 우려는 없다.
DLC를 형성하는 경우, 볼(12)에 볼면(12a) 전체면, 시트 리테이너(18)에는 도 3에 나타낸 굵은 선 부분에 DLC 처리를 행한다. 이 경우, 비커스 경도를 시트 리테이너나 볼의 모재에 비하여 충분히 높은 경도, 예를 들면, HV 1500∼3000까지의 범위로 하는 것이 바람직하고, 막 두께 2∼3㎛ 정도로 처리면에 균등한 두께로 형성하도록 한다. 순응층(32)은, 필요에 따라, 적절한 두께로 형성된다.
DLC의 코팅층(31)을 형성한 부품은, 고면압 슬라이딩 이동 부품으로서 사용 가능해지고, 또한 순응층(32)을 형성하고 있으므로 초기 친숙 성능이 향상된다.
실링 기구에서의 스프링 부재(22)는, 예를 들면, 코일 스프링으로 이루어지고, 장착공(19)에 끼워삽입된 시트 리테이너(18)의 확경부(26)와 스페이서(25)와의 사이에 장착되고, 스프링 부재(22)에 의해 시트 리테이너(18)의 실링면(18a) 방향으로 탄발력이 부여된다. 스프링 부재(22)는, 접시 스프링이라도 된다.
실링 부재(20)는, 예를 들면, 고무제의 O링으로 이루어지고, 백업 링(29, 30)과 함께 장착공(19)에 장착되고, 이로써, 보디 본체(14) 측의 장착공(19)과 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)과의 사이에 설치된다. 실링 부재(20) 측에 설치되는 백업 링(29)은, 예를 들면, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)에 의해 형성되고, 이 백업 링(29)의 외측에 설치되는 백업 링(30)은, 예를 들면, PEEK(폴리에테르에테르케톤)에 의해 형성된다.
실링 부재(20)와 백업 링(29, 30)은, 각각 상기 이외의 다른 재질의 재료에 의해 형성되어 있어도 되지만, 이 경우에도, 고무나 PTFE와 같은 정도의 연질 재료를 각각 사용하는 것이 바람직하고, 연질 재료를 사용함으로써 장착공(19)에 변형시켜 장착하기 용이해진다. 실링 부재(20)는, 양측에 백업 링(29, 30)이 배치된 상태로 장착공(19)에 장착되고, 이 백업 링(29, 30)에 의해 양측이 보호되어 있다.
상기한 볼(12)과 실링 기구(13)에 의한 실링 기능에 의해, 밸브 본체(10)는 스프링 부재(22)가 시트 리테이너(18)에 부여하는 탄발력과, 실링 부재(20)의 내경측(內徑側)에 설정된 유체압에 의해 실링 기구(13)에 의한 압압력(押壓力)을 발휘하게 함으로써 자긴력에 의한, 이른바 2중 실링 방식에 의해 고압 유체를 봉지(封止)할 수 있는 구성으로 되어 있다.
스템(11)의 외주측에는, 하측 패킹 와셔(33), 내경 실링 부재(34), 외경(外徑) 실링 부재(35), 스러스트(thrust) 베어링(36), 하측 패킹 와셔(33)의 상방측으로부터 끼워넣어질 수 있는 상측 패킹 와셔(37), 그라운드(38), 부싱(39)이 설치되어 있고, 스템(11)은, 이들을 통하여 보디(15) 내에 회동 가능하게 장착된다.
하측 패킹 와셔(33)는, 스템(11)과의 사이를 실링하는 내경 실링 부재(34)가 수납되는 원통부(40)와, 내경 실링 부재(34)를 탑재하기 위한 바닥부(41)를 가지고 있다. 원통부(40)의 외주측에는 환형 홈(42)이 형성되고, 이 환형 홈(42)에 외경 실링 부재(35)가 장착된다. 이와 같이, 내경 실링 부재(34), 외경 실링 부재(35)가, 스템(11)과 하측 패킹 와셔(33), 하측 패킹 와셔(33)와 보디(15)와의 사이에 각각 장착되어 있으므로, 스템(11)의 축장착 부분으로부터의 고압 유체의 누출이 방지되어 있다.
하측 패킹 와셔(33)는, 스러스트 베어링(36)을 통하여 스템(11)의 상부측에 설치되고, 이로써, 스템(11)이 스러스트 베어링(36)을 통하여 내경 실링 부재(34), 상측 패킹 와셔(37)에 대하여 회동 가능하게 된다.
그라운드(38)는, 대략 통형으로 형성되고, 내측에 상측 패킹 와셔(37), 하측 패킹 와셔(33)를 끼워넣을 수 있는 환형 플랜지부(flange portion)(43)와, 상측 패킹 와셔(37)를 위쪽으로부터 피(被)커버하는 커버부(45)를 가지고 있다. 그라운드(38)는, 상측 패킹 와셔(37)의 상방측보다, 보디(15)에 형성한 장착 오목부(46)에 나사장착에 의해 장착되고, 내경 실링 부재(34)를 수납하고, 외경 실링 부재(35)가 장착된 상측, 하측 패킹 와셔(37, 33)를 스러스트 베어링(36) 방향으로 압압하고 있다. 그라운드(38)의 내주측에는 부싱(39)이 장착되고, 이 부싱(39)에 의해 상측 패킹 와셔(37)가 하측 패킹 와셔(33) 측으로 가압된다. 부싱(39)은, 예를 들면, PEEK를 재료로 하여 설치된다.
이와 같은 구성에 의해, 밸브 본체(10) 내로 고압 유체가 흘러, 도 1에 있어서 외기와의 차압(差壓)에 의해 스템(11)이 상승하는 방향의 힘이 가해진 경우에도, 상측, 하측 패킹 와셔(37, 33)에 의해 내경 실링 부재(34)가 보호되어 있으므로, 이 내경 실링 부재(34)가 축 방향으로 붕괴되는 것이 방지되고, 실링성의 저하를 방지하여 확실하게 고압 유체의 누출이 방지된다. 그러므로, 내경 실링 부재(34)의 소모를 방지하여 스템(11)의 조작성의 저하를 억제하는 것도 가능하게 되어 있다.
또한, 밸브 본체(10)의 보디(15)에는 커버(50)가 장착되고, 이 커버(50)를 통하여 핸들 캡(51), 수동용 핸들(52)이 장착되어 있다.
커버(50)는, 대략 원판형으로 형성되고, 그 바닥면 측에는 보디(15) 상면측에 형성된 환형 돌출부(53)에 끼워맞춤 가능한 칼라형(collar type)의 측면부(54)가 설치되고, 이 측면부(54)에는, 카운터보어부(counter bored portion)(55)와, 절결부(切缺部)(56)가 90°의 간격으로 서로 다르게 2개씩 형성되어 있다. 커버(50)의 중앙부에는, 핸들 캡(51)을 삽입하기 위한 구멍 부분(57)이 형성되고, 이 구멍 부분(57)에는, 도시하지 않은 규제편이 돌출 형성되고, 이 규제편에 의해 스템(11)의 회전이 90°의 범위로 규제된다.
핸들 캡(51)은, 그라운드(38)와 대략 같은 직경의 대략 원기둥형으로 형성되고, 그 외주측에는 커버(50)의 규제편에 걸림 가능한 걸림편(59)이 돌출 형성되어 있다. 핸들 캡(51)의 바닥면 측에는, 스템(11)의 상단부에 형성된 평행부(11a)가 끼워맞춤 가능한 결합공부(51a)가 형성되고, 핸들 캡(51)은, 이 결합공부(51a)와 평행부(11a)와의 끼워맞춤에 의해 스템(11)에 일체화된다. 또한, 핸들 캡(51)에는 장착공부(60)가 형성되고, 한편, 핸들(52)의 장착 부위는, 이 장착공부(60)에 끼워넣을 수 있는 외경으로 설치되어 있다.
그리고, 보디(15)의 환형 돌출부(53)에서의 측면의 카운터보어부(55)와 절결부(56)가 대응하는 위치에는 암나사(61)가 형성되고, 이 암나사(61)에 고착 볼트(62), 도시하지 않은 멈춤 나사가 나사장착 가능하게 되어 있다.
핸들 캡(51)은, 결합공부(51a)와 평행부(11a)와의 끼워맞춤에 의해 스템(11)에 대하여 소정의 방향으로 장착되고, 이 상태에서 커버(50)가 핸들 캡(51) 위로부터 환형 돌출부(53)에 끼워맞춤 장착된다. 또한, 고착 볼트(62), 멈춤 나사가, 각각 커버(50)의 카운터보어부(55), 절결부(56)를 통하여 암나사(61)에 나사장착되는 것에 의해 핸들 캡(51)이 고정되고, 이 핸들 캡(51)의 장착공부(60)에 핸들(52)을 끼워넣어 고정용 볼트(64)로 고정시킴으로써, 스템 상단측에 핸들(52)이 조작 가능하게 장착된다. 핸들(52)의 회전 조작 시에는, 걸림편(59)이 규제편과 맞닿아 규제되고, 스템(11)을 90°의 회전 각도로 회전 규제하면서 개폐 조작 가능하게 된다.
이와 같이, 스템 상단측에 수동용 핸들(52)을 장착함으로써, 밸브 본체(10)는 수동식의 밸브로서 설치되어 있다.
그리고, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 전술한 바와 같이 수동용의 핸들을 장착하는 것 이외에도, 후술하는 바와 같이 공기압식 액추에이터 등의 자동 조작용 액추에이터에 의해 자동화할 수도 있다.
이어서, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 상기 실시형태에 있어서의 작용을 설명한다.
본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 적어도 시트 리테이너(18)의 실링면(18a)과 이 실링면(18a)과 접촉하는 볼면(12a)의 양쪽에 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅층(31)을 형성하여 슬라이딩성과 밀봉성을 발휘하도록 하고 있으므로, 고압 수소 가스 등의 고압 유체가 흐를 때 고면압에 의한 슬라이딩성을 확보하여, 시트 리테이너(18)와 볼(12)과의 어느 쪽의 측에도 상흔이 발생하는 것을 방지하면서, 저토크성과 실링성을 확보하여 누출을 확실하게 방지하면서 조작성을 향상시킬 수 있다. DLC를 2∼3 ㎛의 막 두께의 코팅층(31)으로 형성함으로써, 진구도(眞球度)나 마무리 거칠기 등의 모재의 초정밀 가공을 코팅 후에도 유지할 수 있다.
볼면(12a)의 구경 중심점(P)으로부터 볼(12)의 유로 방향인 X축과 교차하는 Y축 방향으로 소정 거리 H로 오프셋한 오프셋 점(Q)으로부터, 오프셋 측과 반대 방향으로 180°의 각도로 볼면(12a)의 반경 RB보다 약간 긴 반경 R로 각각 형성한 반구면(S)의 일부를 궤적면으로 한 실링면(18a)을 구성하고 있으므로, 실링면(18a)의 볼면(12a)과의 실링 위치(T)를 상기 실링면(18a)의 대략 중앙 위치로 하고, 볼면(12a)과 실링면(18a)이 경사진 상태로 맞닿는 것을 방지하여, 실링면(18a)에 볼면(12a)을 균압 상태로 압력접촉시켜 실링성을 향상시켜, 확실하게 누출을 방지하고 있다.
만일 DLC가 감소한 경우라도, 시트 리테이너(18)의 모재 경도를 볼(12)의 모재 경도보다 높게 설정하고 있으므로, 시트 리테이너(18)의 내구성을 향상시켜 볼(12)의 회전에 의한 깍임 등에 의한 상흔이 생기는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 높은 실링성을 발휘한다.
또한, 시트 리테이너(18)의 모재를 BeCu 합금으로 하고, 볼(12)의 모재를 스테인레스강으로 하고 있으므로, 이 메탈 시트의 채용에 의해 수소 온도 변화의 영향을 거의 받지 않게 되어 내구성이 향상된다. DLC의 코팅층(31)이 감소한 경우에도, 시트 리테이너(18)의 모재의 BeCu 합금에 의한 베릴륨층에 의해 누출을 회피할 수 있다.
실링면(18a)과 볼면(12a) 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 코팅층(31) 표면에 순응층(32)을 형성하고 있으므로, 실링면(18a)과 볼면(12a)과의 순응성을 높여 마찰에 의한 소모를 방지하면서 슬라이딩성을 향상시킬 수 있다. 또한, 순응층(32)에 의해 밀착도도 높이므로, 실링성도 향상된다.
본 발명의 밸브 본체(10)는, 실링 기구(13)의 시트 리테이너(18)의 내경측에서 유체압을 설정하고 있으므로, 다음과 같은 자긴력을 얻을 수가 있다.
도 1, 도 5에 있어서, 만일 시트 리테이너(18)의 좌측을 1차측, 우측을 2차측으로 한 경우, 도 1의 화살표에 나타낸 바와 같이, 1차측으로부터 2차측으로 유체가 흐를 때, 실링면(18a)의 내경 φA, 실링 부재(20)의 내경 φD, 실링면(18a)의 외경 φC, 실링 부재(20)의 외경 φB로 하면, 내경 φD < 내경 φA < 외경 φC < 외경 φB의 관계로 설정하고 있다. 따라서, 1차측의 자긴력에 관하여는, 밸브 폐쇄 시에 내경 φD ―내경 φA의 면적에 가해지는 유로 중의 유체압에 의해, 시트 리테이너(18)가 볼(12)에 압압된다.
한편, 2차측의 자긴력에 관하여는, 외경 φC―내경 φD의 면적에 가해지는 캐비티 내의 유체압에 의해, 시트 리테이너(18)가 볼(12)에 압압된다.
이로부터, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 전술한 스프링 부재(22)의 탄발력과 자긴력과의 2중 실링 방식의 상승효과에 의해, 우수한 자봉력(自封力)을 발휘하여 확실하게 고압 유체를 봉지할 수 있다.
도 6에 있어서는, 본 발명에서의 트러니언형 볼 밸브의 제2 실시 형태를 나타내고, 도 7에 있어서는 도 6의 주요부, 도 8에 있어서는, 도 7에서의 A―A 단면(斷面)으로서, 스템과 볼과의 끼워맞추어진 상태를 나타내고 있다. 그리고, 이 실시형태에 있어서, 상기 실시형태와 동일 부분은 동일 부호에 의해 나타내고, 그 설명을 생략한다.
이 실시형태의 고압용 트러니언형 볼 밸브에 있어서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 볼(12)에 상기 실시형태와 마찬가지로 상부 축부(12b)와 하부 축부(12c)가 일체로 설치되고, 이 상하 축부(12b, 12c)의 외주에 래디얼 베어링(110, 110)을 통하여 볼(12)이 회전 가능하게 설치되어 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 래디얼 베어링(110)은, 예를 들면, 스테인레스강 등의 강성 통체(110a)의 내주면에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 연성 부재(110b)가 코팅되어 있다. 이와 같이 래디얼 베어링(110)으로 볼(12)을 지지함으로써, 고압 유체에 의해 볼(12)에 래디얼 방향의 큰 힘이 가해진 경우에도, 토크성을 유지하여 내구성도 높이는 것이 가능하게 되어 있다. 이 경우, 볼(12) 상부 축부(12b), 하부 축부(12c)를, 한 쌍의 상기 원기둥형 래디얼 베어링(110, 110)으로 지지한다. 이 래디얼 베어링(110)은, 볼(12)의 구형부 근방으로부터 스템 접속부 근방까지를 지지하는, 장척(長尺) 형상으로 설정하고 있다. 이로써, 볼(12)의 구형부 부근에 가해지는 하중을, 장척형의 래디얼 베어링(110)에 의해 스템 접속부 근방까지 분산되는 것에 의해, 베어링의 파손을 방지하고 있다. 그러므로, 내구성이 있는 고압용 볼 밸브를 얻을 수 있다. 본 실시형태는, 볼(12)을 보디(15)의 상부로부터 삽입하는 탑 엔트리형의 구조이지만, 볼(12)을 보디(15)의 하부로부터 삽입하는 보텀 엔트리 타입라도, 본 발명은 적용할 수 있다.
볼(12) 상부 축부(12b)에는 스템(11)이 접합되어, 이 스템의 회전력을 통하여 볼(12)이 회전 가능하게 설치되어 있다. 스템(11)은, 스러스트 방향의 슬라이딩 이동면(103)을 가지고, 이 슬라이딩 이동면(103)과 하측 패킹 와셔(33)와의 사이에 스러스트 베어링(105)이 장착되어 있다. 스러스트 베어링(105)은, 도시하지 않은 박판형(薄板形)의 스테인레스판 등의 강성판(剛性板)에 PTFE가 피복되고, 스템(11)의 슬라이딩 이동면(103)이나 하측 패킹 와셔(33)에는 이 PTFE가 맞닿는다. 스템(11)은, 이 스러스트 베어링(105)을 통하여 스러스트 방향으로도 축지지되어 있다.
도 7, 도 8에 나타낸 바와 같이, 스템(11)의 하단부에는 평행 2면홈(102)이 형성되고, 이 평행 2면홈(102)은, 볼(12)의 밸브 폐쇄 시의 하중을 받는 방향, 즉 도 7에 있어서 좌우의 방향으로 절결되어 있다. 한편, 볼(12) 상부 축부(12b)의 상단에는 평행 2면홈(102)에 접합 가능한 평행 2면홈부(101)가 형성되어 있다. 스템(11)과 볼(12)은, 접합 상태의 평행 2면홈(102)과 평행 2면홈부(101)에 의해 연동 가능하게 설치되고, 밸브 폐쇄 시에서의 고압 유체로 볼(12)을 가압했을 때, 상하 축부(12b, 12c)를 가지는 볼(12)을 래디얼 베어링(110)을 통하여 2차측 방향에 수직 상태로 지지하도록 되어 있다.
밸브 폐쇄 시에 있어서, 볼(12)에 고압 유체의 압력이 가해졌을 때는, 전술한 바와 같이, 볼(12)이 상부 축부(12b), 하부 축부(12c)가 래디얼 베어링(110)으로 지지하고 있지만, 평행 2면홈부(101)와 평행 2면홈(102)을 통하여 스템(11)에 대하여 약간 평행 이동한다. 이것에 의해, 스템(11)을 실링하는 패킹인 내경 실링 부재(34)의 위치 어긋남을 방지하여 정위치를 유지하고, 스템(11)의 경사를 방지할 수 있다. 그러므로, 내경 실링 부재(34)에 의한 스템(11) 외주측의 실링 기능이 유효하게 발휘된다. 따라서, 고압 유체에 의한 스템(11) 측으로부터의 누출을 확실하게 방지하여, 볼(12)의 회전 동작을 반복하여 행했다고 해도, 밸브로서의 내구성이나 토크성, 내경 실링 부재(34), 외경 실링 부재(35)에 의한 실링성을 유지할 수 있다.
스러스트 베어링(105), 래디얼 베어링(110)은, 보디(15)에 나사장착되는 그라운드(38)에 의해, 상방측으로부터 압압되어 위치 결정 고정된다. 이 때, 스템(11)의 상부측이 그라운드(38)의 내주측에 장착된 압압용의 부싱(39)에 의해 지지하고, 내경 실링 부재(34), 외경 실링 부재(35)가 정위치에 장착된다.
그리고, 이 실시형태에서는, 스템(11)에 오목형의 평행 2면홈(102), 볼(12)에 볼록형의 평행 2면홈부(101)를 형성한 경우를 설명하였으나, 이 요철(凹凸) 관계는 역이라도 되고, 즉 스템(11)에 볼록형의 평행 2면홈부, 볼(12)에 오목형의 평행 2면홈을 형성하도록 해도 된다.
또한, 이 고압용 트러니언형 볼 밸브에서는, 도 6, 도 9에 나타낸 바와 같이, 스템 상단부(11b)에 자동 조작용의 공압(空壓) 액추에이터(82)가 장착되어 있다.
본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 전술한 바와 같이 스템(11)의 상단부(11b)에 수동 조작용 핸들(52)을 장착시켜 수동 조작용 볼 밸브로 하거나, 또는 스템(11)의 상단부(11b)를, 보디(15)에 탑재한 자동 조작용 액추에이터(82)에 연결하여 자동 조작용의 볼 밸브로 하는 것이 가능하게 되어 있다.
액추에이터(82)는, 커버(50)를 통하여 보디(15)에 장착된다. 이 액추에이터(82)에 의해, 2차측 방향으로 수직 상태로 지지된 볼(12)을 소정의 토크로 정확하게 회전 제어할 수 있다.
커버(50)는, 장착 개구부(83)를 가지는 기판(84)과 수하(垂下) 측판(85)으로 이루어지고, 기판(84)에는 볼트 안내공(86)이 형성되고, 수하 측판(85)에는 위치결정용 홈(87), 카운터 보링공(88)이 각각 90°의 간격으로 서로 다르게 형성되어 있다. 이로써, 위치결정용 홈(87), 카운터 보링공(88)이 수하 측판(85)에 대하여 각각 2개소씩 설치되어 있다.
볼 밸브 본체(10)의 보디(15)의 축장착부(80) 상부의 외주측은 환형으로 절결 형성되고, 이로써, 환형 돌출부(90)가 형성되어 있다. 환형 돌출부(90)의 외주면에는, 밸브 고정용 볼트(91), 장착핀(92)이 나사결합 가능한 암나사부(93)가 대략 90°의 간격으로 4개소에 균등 분할 정렬되어 있다. 환형 돌출부(90)의 상면에는 수납홈(94)이 형성되고, 이 수납홈(94)에는, 액추에이터(82)에 커버(50)를 고정시키기 위한 액추에이터 고정 볼트(95)의 헤드부(96)를 수납 가능하게 되어 있다.
액추에이터(82)의 하부측에는, 커버(50)에 형성된 장착 개구부(83)에 끼워넣을 수 있는 환형 볼록부(97)가 형성되고, 액추에이터(82)의 바닥면 측에는, 액추에이터 고정 볼트(95)를 나사장착 가능한 도시하지 않은 암나사가 형성되어 있다.
액추에이터(82)를 볼 밸브 본체(10)에 장착하는 경우에는, 먼저, 축장착부(80)의 암나사부(93)에 장착핀(92)을 나사장착한다. 이 경우, 90° 간격으로 형성된 4개소의 암나사부(93) 중, 대향하는 2개소의 암나사부(93)에 대하여 장착핀(92, 92)을 각각의 도면에 나타낸 바와 같이 고정시킨다.
한편, 장착 개구부(83)에 액추에이터(82)의 환형 볼록부(97)를 끼워넣어 위치 결정시키고, 또한 볼트 안내공(86)보다 액추에이터 고정 볼트(95)를 통해 이 액추에이터 고정 볼트(95)를 암나사에 나사결합시킴으로써, 액추에이터(82)의 소정의 장착 위치에 커버(50)를 나사장착한다.
다음에, 액추에이터(82)와 일체화한 커버(50)를 볼 밸브 본체(10)에 장착한다. 이 경우, 위치결정용 홈(87)에 축장착부(80) 상부의 외측면에 설치한 장착핀(92)을 걸리게 하여 위치 결정 고정시키면서, 수하 측판(85)의 내주측에 환형 돌출부(90)를 끼워맞추고, 커버(50)를 축장착부(80)의 상면에 탑재시킴으로써, 액추에이터(82)가 축장착부(80)의 소정 위치에 탑재된다. 이 때, 액추에이터(82)에 설치된 출력축(120)의 하단측에 형성된 오목형부(121)에, 스템(11)의 상단측에 형성된 볼록형부(122)를 끼워맞추어 출력축(120과 스템(11)을 접속한다. 또한, 액추에이터 고정 볼트(95)의 헤드부(96)는, 축장착부 상면의 수납홈(94)에 수납된다.
이 상태에서, 수하 측판(85)로부터 암나사부(93)에 밸브 고정용 볼트(91)를 나사장착함으로써, 커버(50)를 볼 밸브 본체(10)에 위치 결정 고정시킬 수 있어, 이 커버(50)를 통하여 액추에이터(82)를 볼 밸브 본체(10)의 소정 위치에 정확하게 위치 결정 고정할 수 있다. 액추에이터(82)의 제작 시에는 정확하게 볼(12)을 개폐 조작할 수 있다. 그리고, 위치결정핀 대신에 밸브 고정용 볼트(91)를 4개소로 할 수도 있다.
액추에이터(82)는, 이른바 스프링 리턴형이며, 내부에는 스프링 부재(115)가 장착되고, 이 스프링 부재(115)의 튀어나옴 방지용의 리테이너 부재(116)가 설치되어 있다. 리테이너 부재(116)에는, 돌출형의 맞닿음부(117)가 형성되고, 내부에 설치된 피스톤(118)이 실린더(119) 내를 왕복 이동할 때 이 맞닿음부(117)가 실린더(119)의 내부 양측과 맞닿는다. 이것에 의해, 피스톤(118)의 도시하지 않은 스트로크를 규제하고, 출력축(120)의 회전 각도를 소정 각도, 즉 90°로 규제하고 있다.
도 11에 있어서는, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브를 설정한 수소 스테이션을 나타내고 있다. 수소 스테이션은, 축압기(70), 압축기(71), 디스펜서(72), 프리쿨(precool) 열교환기(73), 신속 조인트(74), 충전 호스(75), 충전 노즐(76), 차량탑재 탱크(77)를 가지고, 이들은 고압 수소의 공급 라인(78)으로서 시스템을 구성하고 있다.
본 발명의 볼 밸브는, 압력 손실이 작으므로, 축압기(70)의 2차측에 설치하거나, 그 외의 공급 라인에 설치함으로써, 시스템 전체의 압력 손실이 적아져, 도 10에 나타낸 시스템에 바람직하다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 수소 스테이션의 각 유닛의 접속 부위에 수동 밸브(81)를 설정하고, 각 유닛의 1차측 또는 2차측에 적절하게 자동 밸브(80)를 설정하여 개폐 제어하고 있다.
축압기(70)의 내부는, 복수의 탱크로 나누어져 있고, 각각의 탱크와 압축기(71)를 접속하는 밸브(80), 및 각각의 탱크와 디스펜서(72)를 접속하는 밸브(80)를 적절히 전환함으로써, 소정 압력에 달한 탱크로부터 수소를 디스펜서에 공급하는 한편, 소정의 하한값압을 하회한 탱크에는, 압축기(71)로부터 수소를 상기 소정 압력에 이르기까지 충전한다.
도 6의 수소 스테이션의 블록도의 공급 라인(78)에 나타낸 바와 같이, 소정의 프로그램에 의해 시스템에서의 수소 공급을 제어하거나, 차량 공급량에 따라, 적절하게 수소를 공급 제어하도록 하고 있다.
도 10은, 고압용 트러니언형 볼 밸브의 다른 실시형태를 나타낸 종단면도이다.
도 1은 탑 엔트리 타입의 볼 밸브를 나타낸 것이며, 도 10은 보텀 엔트리 타입의 볼 밸브를 나타낸 것이다. 도 10에 나타낸 볼 밸브 구조는, 도 1∼도 9에 나타낸 볼 밸브의 구조와 동일 구조를 포함하고 있으므로, 그 동일 부분은 동일 부호로 나타내고, 그 설명을 생략한다.
동 도면에 있어서, 보디(150)의 1차측과 2차측에 각각 캡부재(16, 16)가 나사장착부(16a)를 통하여 나사장착 고정되어 있다. 또한, 보디(150)의 장착공(150a)에 스템(11)과 상부 축부(12b)와 하부 축부(12c)를 가지는 볼을 보디(150)의 보텀 측으로부터 삽입하고, 보디(150)의 돌출부(203)에 나사장착부(200)를 통하여 고정부(201)를 가지는 고정 나사(202)와 고정하여 보텀 엔트리 타입의 볼 밸브를 구성한다. 이 경우, 스템(11)과 볼(12)을 삽입한 장착공(150a)과의 간극(間隙)에는, 예를 들면, 단면이 대략 U자형 등의 패킹(206), 금속제 부싱(205), 베어링(204), 래디얼 베어링(110)[110a, 110b]이 장착되어 있고, 도면 중 "207"은 공간을 나타내고 있다.
본 예에서의 보텀 엔트리 타입의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 탑 엔트리 타입에 비하여 스템(11)의 실링 구조를 간소화하는 것이 가능해져, 보다 컴팩트하며 견고한 볼 밸브를 제공할 수 있다.
[ 실시예 ]
본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 볼(12), 시트 리테이너(18)에 대하여 수소 내구(耐久) 시험을 실시하고, 그 내구성을 비교했다. 이 때, 상온(常溫), 저온(―40℃), 고온(85℃)의 온도 하에 있어서, 열사이클이 ―40℃∼85℃까지의 온도의 고압 유체를 흐르게 하면서 볼(12)을 개폐 조작하는 것으로 하였다. 고압 유체로서는, 수소 가스를 사용하였다.
이 조건 하에 있어서, 볼(12)을 4만회 개폐 조작한 바, 슬라이딩성, 밀봉성의 양쪽 모두 이상(異常)은 보여지지 않았다. 고압 유체를 흘렸을 때 압력차 90 MPa가 생겼으나, 이 때의 조작 토크를 액추에이터의 정격 압력이다, 예를 들면, 9.4 N·m으로 억제할 수 있어, 높은 조작성을 유지할 수 있다고 할 수 있다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명은, 특히, 연료 전지에서 사용되는 고압 유체의 수소 등이 흐르는 수소 스테이션 등의 배관 설비에 바람직하지만, 고압 유체가 흐르는 관로(管路)이면 우수한 실링성과 토크성을 발휘할 수 있고, 예를 들면, CNG(Compressed Natural Gas: 압축 천연 가스) 스테이션에서의 밸브나, 혹은, 파이프라인용 밸브 등의 각종 고압 유체가 흐르는 장소에서 사용되는 고압용 볼 밸브로서 적합하다.
10 볼 밸브 본체
11 스템
12 볼
12a 볼면
12b 축부(상부 축부)
12c 트러니언(하부 축부)
13 실링 기구
14 보디 본체
18 시트 리테이너
18a 실링면
18b 외주면
20 실링 부재
22 스프링 부재
31 코팅층(다이아몬드 라이크 카본)
32 순응층
52 핸들
82 액추에이터
101 평행 2면홈부
102 평행 2면홈
103 슬라이딩 이동면
110 래디얼 베어링
110a 강성 통체
H 거리
P 구경 중심점
Q 오프셋 점
R 시트
RB 볼면의 반경
S 반구면
T 실링 위치

Claims (10)

  1. 보디 본체 내에 회전 가능하게 설치된 볼과 실링 접촉시키기 위한 실링 기구(機構)를 상기 볼의 양측 위치에 배치하고, 상기 실링 기구는, 상기 볼의 볼면과 실링 접촉하는 실링면을 가지는 통형상의 시트 리테이너(seat retainer)와, 상기 실링면 측에 탄발력을 부여하기 위해 장착된 스프링 부재와, 상기 시트 리테이너의 외주면에 장착된 실링 부재로 이루어지는 트러니언형 볼 밸브(trunnion ball valve)로서,
    적어도 상기 시트 리테이너의 실링면과, 상기 실링면과 접촉하는 상기 볼면의 양쪽에 다이아몬드 라이크 카본(diamond―like carbon: DLC)에 의한 코팅층을 형성하여 슬라이딩성과 밀봉성을 발휘하도록 하고,
    상기 시트 리테이너의 실링면을, 상기 볼면의 구경 중심으로부터 편위(偏位)시킨 위치에서, 또한 상기 볼면의 반경보다 긴 반경으로 설정하고, 상기 실링면의 상기 볼면과의 실링 위치를 상기 실링면의 중앙 위치로 한,
    고압용 트러니언형 볼 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시트 리테이너의 실링면은, 상기 볼면의 구경 중심점에서 상기 볼의 유로(流路) 방향인 X축과 교차하는 Y축 방향으로 소정 거리 편위된 점으로부터, 편위된 측과는 반대 방향으로 180°의 각도로 상기 볼면보다 긴 반경으로 각각 형성한 반구면(半球面)의 일부를 궤적면으로 한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시트 리테이너의 모재(母材) 경도를 상기 볼의 모재 경도보다 높게 설정한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시트 리테이너의 모재를 BeCu 합금으로 하고, 상기 볼의 모재를 스테인레스강으로 한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실링면과 상기 볼면 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 상기 코팅층 표면에 순응층(conforming layer)을 형성한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 볼에는, 상부 축부와 하부 축부(軸部)를 일체로 설치하고, 상기 상부 축부의 외주와 하부 축부의 외주에 래디얼 베어링을 통하여 회전 가능하게 설치하고, 또한 상기 볼을 상기 상부 축부에 접합한 스템의 회전력을 통하여 회전 가능하게 설치하는 동시에, 상기 스템의 하단부에 형성한 평행 2면홈에 상기 상부 축부의 상단에 설치한 평행 2면홈부를 연동 가능하게 접합하고, 밸브 폐쇄 시에 있어서의 고압 유체(流體)로 상기 볼을 가압했을 때, 상기 상부 축부와 하부 축부를 가지는 볼을 2차측 방향에 수직 상태로 지지하도록 한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 래디얼 베어링은, 강성(剛性) 통체의 내주면에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 코팅한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스템의 상단부에 수동 조작용 핸들을 장착시켜 수동 조작용 볼 밸브로 하거나, 또는 상기 스템의 상단부를, 상기 보디 본체에 탑재한 자동 조작용 액추에이터에 연결하여 자동 조작용의 볼 밸브로 한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  9. 고압 수소의 공급 라인에 제1항에 기재된 고압용 트러니언형 볼 밸브를 설치한 수소 스테이션.
  10. 삭제
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