KR102044091B1 - 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 엔진에서 문제가 되고 있는 저온부식을 해결하기 위한 방안으로서 냉각수의 유량을 보다 정확하게 제어할 수 있도록 하는 3-way 전자밸브에 관한 기술로서, 상부에 개구부가 형성되며, 측면을 따라 90도 각도를 이루면서 세 개의 포트가 형성되는 바디; 상기 개구부에 결합되며 중심부에 상하 방향으로 천공되는 관통홀이 형성되는 본넷; 상기 본넷 위에 연결되는 액츄에이터 탑재대; 상기 액츄에이터 탑재대에 설치되는 액츄에이터; 상기 관통홀을 통해 삽입되며, 하단은 상기 바디에 구비되는 하단부쉬에 삽입되어 지지되며, 상단은 액츄에이터의 동력을 전달하는 어댑터가 결합되는 스템; 상기 스템에 연결되어 상기 바디 내부에 위치하게 되며 회전각도에 따라 상기 포트들에 대한 개폐가 이루어지게 하는 것으로, 부채꼴 형상을 이루며 꼭지부위에 상기 스템이 삽입되는 스템삽입구가 형성되고, 호부위에 복수의 함몰된 팩킹홈이 형성되는 로터; 상기 스템의 내부를 통해 형성되는 에어공급라인과 연결되어 상기 팩킹홈 저면을 통해 연결되는 에어분기관; 상기 팩킹홈에 결합되되, 저면에 함몰된 공기홈이 형성되어 상기 에어분기관을 통해 공급되는 에어가 상기 공기홈으로 공급됨으로써 팽창될 수 있는 팩킹; 상기 액츄에이터의 동작을 제어하여 상기 로터의 위치가 변경되게 함으로써 상기 포트에 대한 유량 제어가 이루어지게 하는 PID콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브{3-Way electronic valve with the function of the high performance of flow rate}

본 발명은 선박 엔진에서 문제가 되고 있는 저온부식을 해결하기 위한 방안으로서 냉각수의 유량을 보다 정확하게 제어할 수 있도록 하는 3-way 밸브에 관한 기술이다.

냉온수나 스팀기체, 오일, 냉매, 각종의 화학유체 또는 해수 등과 같은 유체의 흐름간에 개재되어 유량과 압력 및 온도 등을 계측하여 그 흐름을 제어하기 위해 개방/폐쇄 동작하는 전자밸브에 있어서는 해당되는 유체의 흐름 상태에 따라 2방변(Two-Way Valve)이나 3방변(Three-Way Valve)의 형태를 갖추고서 누수방지 및 압력손실치의 저하를 기하여 밸브 작동상의 장수명화를 도모할 수 있도록 설계된다.

이러한 전자밸브에서는 목적하는 유체의 흐름을 제어하는 개방/폐쇄동작의 개도치를 제어하여 밸브를 구동하기 위해, 모터의 회전동작에 의한 밸브 스핀들축의 상승/하강 회전상태에 따라 밸브를 개폐제어하는 액츄에이터시스템이 갖추어지는 바, 그 전자밸브용 액츄에이터시스템은 별도의 PCB(Printed Circuit Board) 기판상에 실장된 액츄에이터 제어처리장치와 신호적으로 결합되도록 되어 있고, 원칩의 마이컴이 내장된 디지털제어처리수단이나 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)와 같은 중앙제어처리시스템측으로부터는 목적하는 유체의 저장탱크나 유체로 상에 설치된 각종의 감지센서에서 각각의 센싱결과에 따라 인가되는 유량과 압력 및 온도 등의 계측치를 수집하고, 그 수집된 계측치에 의거하여 개도제어데이터를 전송하게 되면, 상기 액츄에이터제어처리장치측에서 그 개도제어데이터를 수신받아 모터의 구동정도를 결정하여 밸브를 개방 또는 폐쇄시키도록 하고 있다.

대형 선박의 엔진은 크게 두 가지 타입으로 대별되는데, MC(Man type Cam-shaft) 엔진과 ME(Man type Electronic) 엔진이 있다. 근래들어 오염물질 배출 최소화 및 경제성 향상 등의 이유로 선박의 엔진은 MC 엔진에서 ME 엔진으로 대체되고 있는 추세라 할 수 있다.

2000년 초 대중화되어 있던 선박용 MC 엔진의 경우, 선박의 가속, 감속에 따른 엔진 부하량이 일정함으로 인해 실린더 헤드와 실린더 중심, 실린더 하부의 온도가 일정함에 따라 온도상승을 감안한 실린더 라이너의 직경을 변화시킴으로써 실린더 내부의 온도를 일정한 수준으로 유지할 수 있었다.

ME 엔진의 경우 엔진 부하량 변화에 따라 적재적소에 연료가 분사됨으로써 연비가 크게 향상되었으나 실린더 내부의 온도가 일정하지 않음으로 인해 수증기가 발생하며 배출가스중 황과 반응하여 실린더 내부를 갉아먹는 저온부식이 발생되고 있다.

저온부식이 발생되는 인자는 크게 온도, 압력, 습기, 연료로 파악된다.

저온부식이 발생되는 직접적인 요인이 황이며, 황성분이 적은 MDO(Marine Diesel Oil)를 권장하고 있으나, 기존 사용중인 HFO(Heavy Fuel Oil)의 2배 이상의 가격으로 인해 경제적인 HFO를 여전히 사용함에 따라 황성분을 줄여서 저온부식을 막기에는 무리가 있다 할 것이다.

저온부식의 여러 인자 중 온도를 개선한 시스템이 엔진 실린더 내부에 2개 또는 그 이상의 라이너를 설치하여 엔진의 부하에 따라 라이너의 온도를 개별적으로 관리하는 LDCL(Load Dependent Cylinder Liner) JWCS이다.

기존 시스템과 LDCL(Load Dependent Cylinder Liner) JWCS의 차이점은 실린더 라이너가 최소 2개이며, Valve 및 펌프를 이용하여 라이너의 온도를 개별적으로 관리함으로써 저온부식을 막도록 한다는 점이다.

3-way 밸브는 LDCL JWCS에서 가장 중요한 요소라 할 수 있는데, 일반적인 3-way 밸브의 성격이 방향전환이므로 유량에 대해 크게 중점을 두지 않으나 해당 밸브는 냉각수량을 통해 실린더 내부의 온도를 제어하는 것이 목적이므로 정확한 유량값이 리니어(linear)값을 가지고 나와야 한다.

대한민국 등록특허 제10-0264220호

따라서 본 발명에서는 선박 엔진에 사용되는 3-way 밸브로서 단순 방향제어가 아닌 정확한 유량 제어가 가능하도록 하여 냉각수 유입량을 조절함으로써 실린더 내부 온도를 보다 정밀하게 유지관리하여 저온부식을 막을 수 있도록 하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명의 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브는, 상부에 개구부가 형성되며, 측면을 따라 90도 각도를 이루면서 세 개의 포트가 형성되는 바디; 상기 개구부에 결합되며 중심부에 상하 방향으로 천공되는 관통홀이 형성되는 본넷; 상기 본넷 위에 연결되는 액츄에이터 탑재대; 상기 액츄에이터 탑재대에 설치되는 액츄에이터; 상기 관통홀을 통해 삽입되며, 하단은 상기 바디에 구비되는 하단부쉬에 삽입되어 지지되며, 상단은 액츄에이터의 동력을 전달하는 어댑터가 결합되는 스템; 상기 스템에 연결되어 상기 바디 내부에 위치하게 되며 회전각도에 따라 상기 포트들에 대한 개폐가 이루어지게 하는 것으로, 부채꼴 형상을 이루며 꼭지부위에 상기 스템이 삽입되는 스템삽입구가 형성되고, 호부위에 복수의 함몰된 팩킹홈이 형성되는 로터; 상기 스템의 내부를 통해 형성되는 에어공급라인과 연결되어 상기 팩킹홈 저면을 통해 연결되는 에어분기관; 상기 팩킹홈에 결합되되, 저면에 함몰된 공기홈이 형성되어 상기 에어분기관을 통해 공급되는 에어가 상기 공기홈으로 공급됨으로써 팽창될 수 있는 팩킹; 상기 액츄에이터의 동작을 제어하여 상기 로터의 위치가 변경되게 함으로써 상기 포트에 대한 유량 제어가 이루어지게 하는 PID콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 관통홀에는 상단부쉬가 결합되고, 상기 상단부쉬의 내경부를 통해서 상기 스템이 지나가게 되고, 상기 하단부쉬 및 상기 상단부쉬의 내외경면에 하나 이상의 오링이 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 로터는, 부채꼴 형상을 이루며, 상기 꼭지부위에 상기 스템삽입구가 형성되는 루터; 상기 루터의 외주면에 호형상으로 벤딩되고, 외면에 상기 팩킹홈이 형성되는 씰링부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 루터는 이격거리를 두고 상하로 복수개가 구비되며, 상기 씰링부는 호형상으로 벤딩시킨 후 상기 루터에 용접 결합시키도록 하고 표면절삭가공을 통해 치수를 맞추도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브는 쓰리웨이 밸브의 내부 구조 변경을 통해서 누설량을 최소화 함으로써 보다 정확한 유량제어가 가능하도록 할 수 있다는 효과가 있다.

그리고 정밀한 유량제어가 가능한 본 발명의 쓰리웨이 전자밸브를 선박 엔진에 적용함으로써 저온부식을 예방하는데 도움을 줄 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브의 부분 단면도.
도 2는 도 1에서 바디의 확대 단면도.
도 3은 바디의 평면 단면도.
도 4는 로터의 평면도.
도 5는 로터의 단면도.
도 6은 루터의 평면도.
도 7은 일반적인 쓰리웨이 밸브에서 누설이 발생되는 원리를 보여주는 예시도.

이하 본 발명에 의한 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브에 대해 보다 상세한 설명을 하도록 하며, 첨부되는 도면을 참조하는 것으로 한다. 단, 제시되는 도면 및 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 기술적 사상에 따른 하나의 실시 가능한 예를 설명하는 것인 바, 본 발명의 기술적 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브의 부분 단면도이며, 도 2는 도 1에서 바디의 확대 단면도이며, 도 3은 바디의 평면 단면도이며, 도 4는 로터의 평면도이고, 도 5는 로터의 단면도를 나타낸 것이고, 도 6은 루터의 평면도이고, 도 7은 일반적인 쓰리웨이 밸브에서 누설이 발생되는 원리를 보여주는 예시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브는 그 구성요소로 바디(100), 본넷(200), 액츄에이터 탑재대(300), 액츄에이터(400), 스템(500), 로터(600), 에어분기관(700), 팩킹(800) 및 PID콘트롤러(미도시)를 포함하게 된다.

바디(100)의 상부에 개구부(110)가 형성되며, 측면을 따라 90도 각도를 이루면서 세 개의 포트(120)가 형성된다. 바디는 주물로 제작하도록 함이 바람직하다.

바디(100)에 형성되는 세 개의 포트(120) 중 어느 하나는 유입구 포트가 되며, 나머지 두 개는 유출구 포트가 된다. 유입구 포트를 통해 냉각수가 유입된 후 두 유출구 포트 중 어느 하나로 냉각수가 흐르게 된다.

바디(100)의 상측에 형성된 개구부(110)에 본넷(200)이 결합되며, 본넷(200)의 중심부에 상하 방향으로 천공되게 관통홀(210)이 형성된다.

관통홀(210)에는 상단부쉬(220)가 결합되며, 상단부쉬(220)의 내경부(221)를 통해 후술될 스템(500)이 삽입되어 지나가게 된다. 상단부쉬(220)의 수밀성을 높이기 위해 상단부쉬(220)의 내외경면을 따라 하나 이상의 오링(R)을 두도록 한다. 상단부쉬(220)의 내경부(221)에 삽입된 스템(500)은 회전 동작하는 부위이므로 수밀 특성을 높일 필요가 있는 바, 복수의 오링(R)을 상단부쉬(220)의 내경부(221)에 마련함은 물론이고, 관통홀(210)에 내접되는 상단부쉬(220)의 외경부에도 복수의 오링(R)을 설치하도록 한다.

본넷(200) 위에 액츄에이터 탑재대(300)가 연결되며, 액츄에이터 탑재대(300) 위에 액츄에이터(400)가 설치된다.

액츄에이터(400)는 전자식 액츄에이터로서 PID콘트롤러(미도시)의 제어에 의해 동작되어 스템(500)의 회전각을 조정하게 되고, 스템(500)에 연결된 로터(600)에 의한 냉각수의 흐름방향 및 유량을 제어할 수 있도록 한다.

PID콘트롤러로 엔진 내부의 온도를 측정하는 온도센서(미도시)의 온도값이 입력되며, 변화하는 엔진 내부의 온도값에 따라 PID콘트롤러는 설정된 로직에 따라 스템 및 로터를 회전시켜서 냉각수의 유량이 적절히 제어되도록 한다.

스템(500)은 길다란 샤프트로서, 액츄에이터 탑재대(300)와 본넷(200)을 관통하여 바디(100) 내부로 삽입되어 직립되게 설치되며, 회전이 가능하도록 장착된다.

바디(100) 내부 바닥면에 오목한 장착홈(130)이 형성되며, 장착홈(130)에 하단부쉬(140)가 삽입되고, 하단부쉬(140)의 내경부(141)로 스템(500)의 하단이 삽입되어 지지되는 상태가 된다. 하단부쉬(140)의 내경부(141) 및 외경부에 오링(R)이 설치되어 수밀이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

스템(500)의 상단에는 액츄에이터(400)의 동력을 전달하는 어댑터(510)가 결합되며, 어댑터(510)를 통해 회전력이 전달됨으로써 스템(500)은 정방향 혹은 역방향으로 회전하게 된다.

스템(500)의 중심부에 에어공급라인(520)이 형성되는데, 스템(500)을 중공축 형태로 할 수 있으며, 에어공급라인(520)을 통해 외부에서 압축공기를 공급할 수 있도록 한다.

스템(500)에 형성되는 에어공급라인(520)의 출구단(521)에 에어분기관(700)의 일단이 연결되며, 에어분기관(700)은 후술될 로터(600)에 형성되는 팩킹홈(602)의 갯수만큼 다수개로 분기되어 각각의 팩킹홈(602) 저면을 통해 연결되도록 한다.

에어공급라인(520)과 에어분기관(700)을 통해 공급되는 압축공기는 팩킹홈(602)으로 공급될 수 있으며, 팩킹홈(602)에 설치되는 팩킹(800)은 압축공기에 의해 팽창될 수 있다. 구체적으로 팩킹(800)의 저면에는 함몰된 공기홈(810)이 형성되며, 압축공기가 공기홈(810)으로 공급되면 팩킹(800)은 팽창하게 된다. 고압의 에어를 공급하여 팩킹(800)이 팽창되게 함으로써 확실한 밀폐가 이루어질 수 있도록 하여 정확한 유량을 공급하는데 도움을 줄 수 있다.

바디(100) 내부에 로터(600)가 마련되는데, 로터(600)는 스템(500)에 연결되어 스템(500)과 함께 회전 동작하게 된다. 로터(600)의 방향 및 회전 정도에 따라 유출구 포트의 개폐 여부 및 개폐 정도가 결정된다.

로터(600)는 부채꼴 형상을 이루며, 꼭지부위에 스템(500)이 삽입되는 스템삽입구(601)가 형성되고, 호부위에 복수의 팩킹홈(602)이 형성되고, 팩킹홈(602)에 팩킹(800)이 결합되도록 구성된다. 팩킹홈(602)에는 언급한 바와 같이 에어분기관(700)이 연결되며, 팩킹(800)의 저면에는 공기홈(810)이 형성되어 고압의 에어가 공기홈(810)을 채우면서 팩킹(800)이 팽창되게 한다.

보다 구체적으로 로터(600)는 크게 루터(610)와 씰링부(620) 두 개의 파트로 이루어질 수 있는데, 루터(610)가 부채꼴 형상을 이루게 되며 꼭지부위에 스템 삽입구(601)가 형성된다.

바람직하게 루터(610)는 동일 형상을 이루는 두 개 혹은 그 이상의 복수개가 이격거리를 두고 상하로 배치되도록 하며, 씰링부(620)는 소정 두께를 갖는 금속소재로 호형상으로 둥글게 벤딩시킨 후 루터(610)의 외측에 용접 결합시키도록 한다.

본 실시예의 경우 10t 두께의 금속소재를 소정의 형상으로 벤딩한 후 루터(610)에 용접 결합되게 하고, 표면절삭가공을 통해 9t 정도의 두께가 되도록 한다. 그리고 씰링부(620) 외면에는 다수의 함몰된 팩킹홈(602)이 형성되게 가공하여 팩킹홈(602)에 고무재질의 팩킹(800)을 설치하도록 한다. 그리고 팩킹홈(602)에 에어분기관(700)이 연결되게 한다.

본 실시예의 경우 씰링부(620)의 외면에 상하 방향으로 3개소에 팩킹홈(602)을 형성시켜서 팩킹(800)을 설치하도록 한다.

한편, 로터(600)를 스템(500) 외면에 고정시키기 위해 루터(610)의 후단에 스템삽입구(601)까지 관통되는 스크류홀(604)을 형성시켜서 스크류(미도시)를 이용하여 로터(600)를 스템(500)에 고정 연결시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브는 기본적으로 PID콘트롤러에서 수행되는 PID 제어로 정밀한 제어가 가능하며, 구조적으로 로터의 씰링부와 유출구 포트의 주변과의 간격이 최소화됨으로써 원하지 않는 유출구 포트의 누설량을 최소화하여 보다 정확하게 유량제어를 할 수 있게 된다.

도 7과 같이 로터와 바디의 내면간 간극이 많이 발생하게 되는 경우 누설되는 냉각수의 양이 많아지게 되는데, 누설량이 많을수록 정확한 유량제어가 불가능하게 된다.

따라서 본 발명과 같이 로터와 바디 내면간 간극이 최소화되어 불필요한 누설이 발생되지 않도록 함으로써 유량제어가 용이하고 보다 정확해질 수 있도록 하는 것이다.

특히, 본 발명에서는 보다 적극적으로 팩킹을 필요시에 팽창되게 함으로써 로터와 바디의 내면간 간극이 최소화될 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 특히 정확한 유량제어가 요구되는 산업설비나 장치 등에 활용될 수 있다.

100 : 바디
110 : 개구부 120 : 포트
130 : 장착홈 140 : 하단부쉬
141 : 내경부
200 : 본넷
210 : 관통홀 220 : 상단부쉬
221 : 내경부
300 : 액츄에이터 탑재대
400 : 액츄에이터
500 : 스템
510 : 어댑터 520 : 에어공급라인
521 : 출구단
600 : 로터
610 : 루터 620 : 씰링부
601 : 스템 삽입구 602 : 팩킹홈
604 : 스크류홀
R : 오링
700 : 에어분기관
800 : 팩킹 810 : 공기홈

Claims (4)

1. 상부에 개구부가 형성되며, 측면을 따라 90도 각도를 이루면서 세 개의 포트가 형성되는 바디;
   상기 개구부에 결합되며 중심부에 상하 방향으로 천공되는 관통홀이 형성되는 본넷;
   상기 본넷 위에 연결되는 액츄에이터 탑재대;
   상기 액츄에이터 탑재대에 설치되는 액츄에이터;
   상기 관통홀을 통해 삽입되며, 하단은 상기 바디에 구비되는 하단부쉬에 삽입되어 지지되며, 상단은 액츄에이터의 동력을 전달하는 어댑터가 결합되는 스템;
   상기 스템에 연결되어 상기 바디 내부에 위치하게 되며 회전각도에 따라 상기 포트들에 대한 개폐가 이루어지게 하는 것으로, 부채꼴 형상을 이루며 꼭지부위에 상기 스템이 삽입되는 스템삽입구가 형성되고, 호부위에 복수의 함몰된 팩킹홈이 형성되는 로터;
   상기 스템의 내부를 통해 형성되는 에어공급라인과 연결되어 상기 팩킹홈의 갯수만큼 다수개로 분기되어 각각의 상기 팩킹홈 저면을 통해 연결되는 에어분기관;
   상기 팩킹홈에 결합되되, 저면에 함몰된 공기홈이 형성되어 상기 에어분기관을 통해 공급되는 에어가 상기 공기홈으로 공급됨으로써 팽창될 수 있는 팩킹;
   상기 액츄에이터의 동작을 제어하여 상기 로터의 위치가 변경되게 함으로써 상기 포트에 대한 유량 제어가 이루어지게 하는 PID콘트롤러;를 포함하며,
   상기 PID콘트롤러로 엔진 내부의 온도를 측정하는 온도센서의 온도값이 입력되며, 변화하는 엔진 내부의 온도값에 따라 상기 PID콘트롤러는 설정된 로직에 따라 상기 스템 및 상기 로터를 회전시켜 냉각수의 유량을 제어하고,
   상기 관통홀에는 상단부쉬가 결합되고, 상기 상단부쉬의 내경부를 통해서 상기 스템이 지나가게 되고,
   상기 하단부쉬 및 상기 상단부쉬의 내외경면에 복수의 오링이 설치되며,
   상기 바디의 내부 바닥면에는 오목한 장착홈이 형성되며, 상기 장착홈에 상기 하단부쉬가 삽입되고, 상기 하단부쉬의 내경부로 상기 스템의 하단이 삽입되어 지지되며,
   상기 로터는,
   부채꼴 형상을 이루며, 상기 꼭지부위에 상기 스템삽입구가 형성되는 루터와,
   상기 루터의 외주면에 호형상으로 벤딩되고, 외면에 상기 팩킹홈이 형성되는 씰링부로 이루어지고,
   상기 루터는 이격거리를 두고 상하로 복수개가 구비되며,
   상기 씰링부는 호형상으로 벤딩시킨 후 상기 루터에 용접 결합시키도록 하고 표면절삭가공을 통해 치수를 맞추도록 하고,
   상기 로터를 상기 스템의 외면에 고정시키도록 상기 루터의 후단에 상기 스템삽입구까지 관통되는 스크류홀을 형성하여 스크류를 이용해 상기 로터를 상기 스템에 고정 연결시키는 것을 특징으로 하는 유량제어 특성이 우수한 쓰리웨이 전자밸브.
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