KR102274138B1 - 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유체가 흐르는 중에 배관에 급격한 압력 변동이 발생할 경우 밸브가 개방 또는 폐쇄되는 속도를 정속(定速)으로 연속적으로 작동시키지 않고, 밸브 개폐작동 시간을 제어하여 단계적이고 점진적으로 작동시키면서 개도(開度)를 조정하여 밸브를 개폐시키도록 한, 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.

Description

밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터{Electric actuator with valve step control function}

본 발명은 전동 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유체가 흐르는 중에 배관에 급격한 부하 변동이 발생할 경우 밸브를 미리 정해 놓은 일정 속도로 개방 또는 폐쇄시키지 않고 단계적으로 개도(開度)를 조정하면서 개폐시키도록 한, 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터에 관한 것이다.

수로(水路), 하수처리장, 발전소, 정유공장 또는 각종 화학공장 등 다양한 플랜트 시설과 설비에는 유체가 흐르는 유로를 개방 또는 폐쇄하기 위한 다양한 종류의 밸브가 설치되어 있고, 또한 이들 밸브를 개폐시키기 위한 전동 액츄에이터가 사용되고 있다. 전동 액츄에이터(Electric Actuator)는 내부에 설치되어 있는 모터가 외부로부터 전기를 인가받아 전동기를 돌려 회전력(Torque)과 추력(Thrust) 등의 기계적 출력으로 변환하여, 유체 압력과 마찰에 의하여 발생하게 되는 밸브 부하에 대해 원격제어, 자동제어 또는 현장제어할 수 있도록 하는 밸브의 구동부라고 할 수 있다.

액츄에이터에는 원활한 운전을 위하여 토크스위치와 리미트스위치 등이 구비되어 있고, 과부하가 걸리지 않도록 기준 토크가 설정되어 있는데, 밸브를 개폐시키는 운전중에 이물질 등이 유입되어 갑작스런 유량 변동이 발생하여 과대한 토크가 감지될 경우 작동을 중지시키도록 구성되어 있다. 예를 들면, 특허등록 제683622호 "전동 액츄에이터용 제어장치"에는 전동액츄에이터를 구동하기 위한 구동원에 높은 부하가 걸리는 경우에, 구동원에 공급되는 전류가 기준전류를 초과하지 않도록 구동원에 공급되는 전류를 제한하는 전류 제한수단이 구비된 제어장치를 게시하고 있다.

상기 특허를 포함하여 지금까지 출현했던 모든 전동 액츄에이터가 갖고 있는 문제점은, 첫째, 작동중 측정된 토크가 설정치를 넘을 경우 곧바로 액츄에이터의 작동을 정지시키고 관리자에게 이상 유무를 알려 주도록 되어 있어서, 관리자가 현장에 직접 가서 과부하의 원인을 찾아 조치를 하거나 수리를 해야 하므로, 관리자의 조치가 끝날 때까지 액츄에이터의 작동을 중지해야 한다는 문제가 있다.

둘째, 유체가 흐르는 중에 급격한 압력 변동이 발생하면 그 원인이 무엇인지에 상관없이 밸브를 개방하거나 폐쇄하도록 제어되고 있기 때문에 특히 밸브를 급격하게 개방하거나 폐쇄시키면 유체의 흐름에 급격한 변화가 생기면서 밸브 전후에 현저한 압력 차이로 인하여 수격작용(water hammering) 등이 발생하여 밸브는 물론 배관 등에 무리가 가해져서 파손될 수 있다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 유체가 흐르는 중에 배관에 급격한 압력 변동이 발생할 경우 밸브가 개방 또는 폐쇄되는 속도를 정속(定速)으로 연속적으로 작동시키지 않고, 밸브 개폐작동 시간을 제어하여 단계적이고 점진적으로 작동시키면서 개도(開度)를 조정하여 밸브를 개폐시키도록 한, 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터는, 유로(流路)에 설치된 밸브를 개폐시키게 되는데, 액츄에이터는, 구동력을 발생시키는 모터와, 밸브를 개폐시키기 위해 모터의 회전력을 샤프트에 전달하는 기어부 및 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고; 밸브가 설치된 유로 상에 밸브 전후로 제1 및 제2 압력게이지가 각각 설치되어 있고, 밸브를 개방 또는 폐쇄시킬 때 상기 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 설정된 값보다 작으면 밸브를 개방 또는 폐쇄시키는 제어가 정속(定速)으로 연속적으로 이루어지며; 상기 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 설정된 값을 초과하면 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)가 단계적으로 조정되면서, 각 단계에서의 개도(開度)를 일정 시간동안 유지하여, 일정 시간 내에 밸브 양측의 압력이 균등해지면 다음 단계로 개도(開度)를 조정하여 개방 또는 폐쇄시키도록 제어되고, 일정 시간이 경과해도 밸브 양측의 압력 차이가 설정된 값을 초과하면 밸브의 작동을 정지시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)는, 밸브체가 회전하면서 개폐되는 밸브는, 회전 각도가 15∼20°단위로 점진적으로 개폐되도록 단계적으로 제어된다.

바람직하게는, 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)는, 게이트가 상하로 이동하면서 개폐되는 밸브는 15∼20%씩 점진적으로 개폐되도록 단계적으로 제어된다.

바람직하게는, 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력은 각각 컨트롤 룸에 전송되어, 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 설정된 값을 초과하면, 컨트롤 룸 내에 알람(alarm)수단을 더 구비하여 관리자가 시각적 또는 청각적으로 인지할 수 있도록 해준다.

본 발명에 따른 전동 액츄에이터는 유체가 흐르는 중에 배관에 급격한 압력 변동이 발생하여 밸브 전후의 압력 차이가 설정된 값 이상일 경우 정상적인 유체의 흐름에서와 같이 밸브의 개폐를 정속(定速)으로 연속적으로 작동시키지 않고, 특정 개도(開度)에서 밸브의 양측에 걸리는 압력 차이가 일정 범위 내로 균등해져서 평압을 회복한 후에 다음 단계로 개폐시킴으로써 단계적이고 점진적으로 개도(開度)를 조정하면서 작동하도록 제어된다. 즉 밸브가 일정 범위만 개방(또는 폐쇄)된 상태로 일정시간 유지하다가 밸브 전후의 압력 차이가 균등의 범위 내로 회복된 다음 개방(또는 폐쇄)된 범위를 달리하여 또 일정시간을 유지하는 방식을 반복하면서 제어되게 되므로, 밸브의 급격한 개방(또는 폐쇄)으로 인해 유체의 흐름에 급격한 변화가 생기면서 밸브 전후의 압력차로 인하여 수격작용(water hammering) 등이 발생하는 것을 최대한 방지할 수 있어서 밸브나 배관 등에 무리가 가해져서 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 액츄에이터의 일부를 절개하고 밸브를 연결시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 액츄에이터의 단면도이다.

본 발명에 따른 전동 액츄에이터의 가장 큰 기술적 특징은, 배관에 급격한 압력 변동이 발생할 경우 밸브의 개방(또는 폐쇄) 작동을 연속적으로 시키지 않고 작동시간을 제어하여 단계적이고 점진적으로 개도(開度)를 조정하면서 밸브가 개폐하도록 함으로써, 밸브의 급격한 작동으로 인하여 발생하는 수격작용 등으로부터 밸브나 배관 등을 보호할 수 있도록 했다는 점이다.

본 발명의 명세서에서 '스텝제어'란 밸브의 개도(開度)를 조정함에 있어서 미리 정해 놓은 일정 속도로 밸브를 연속적으로 개방하거나 폐쇄하는 것이 아니라 밸브가 일정 각도만큼 개방된 상태에서 일정시간 유지하다가 개방된 각도를 달리하여, 또 일정시간을 유지하는 방식을 반복하면서 제어하는 방식을 말한다.

본 발명의 전동 액츄에이터(10)는 수로(水路), 하수처리장, 수처리장 및 각종 화학공장 등 다양한 플랜트 시설과 설비 등에서 유체가 이송되는 유로(流路)에 설치된 밸브를 개폐시켜 주기 위한 것인데, 구동력을 발생시키는 모터(11)와, 모터(11)의 구동력을 전달하는 기어부(12) 및 액츄에이터(10)의 작동을 제어하는 제어부(15)를 기본적인 구성으로 포함하여 구성된다.

기어부(12)는 모터(11)의 회전력을 밸브(20)를 개폐하기 위한 샤프트에 전달하는 동력전달 기능을 하는 구성이다. 모터(11)의 회전력은 웜기어에 의하여, 즉 샤프트기어(122)와 링기어(121)의 치합을 통해 수평방향으로 전달된 회전력이 수직방향으로 설치된 밸브(20)를 개폐하는 샤프트로 전달되어 회전력의 방향이 바뀌게 되는데, 샤프트기어(122)는 모터(11)의 회전축 선단(先端)에 수평방향으로 장착되어 있고, 링기어(121)는 중심부분에 밸브(20)를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고 샤프트기어(122)와 치합되어 작동하게 된다.

샤프트가 회전하여 밸브(20)가 개폐 작동을 하게 되면, 액츄에이터(10) 및 밸브(20)에 관한 정보를 표시부(16)에 디스플레이해 준다. 샤프트에는 링 형상의 카운팅웜기어(123)가 결합되게 되는데, 링 형상의 중심부분에 밸브를 개폐하기 위한 샤프트가 삽입되어 결합되고, 링 형상의 하면 또는 상면에는 기어가 형성되어 구성되며, 카운팅웜기어(123)는 링기어(121)의 하부에 위치하게 되며, 카운팅웜기어(123)는 피니언기어(124)와 치합되게 된다.

카운팅웜기어(123)와 피니언기어(124)는 베벨기어와 같은 형상으로 치합하여 작동하게 되며, 일단(一端)에 피니언기어(124)가 형성된 부재는 피니언기어(124)의 회전량에 따라 밸브(20)의 개도(開度)를 인식하게 되고, 제어부(15)의 제어에 의해 표시부(16)에 정보를 디스플레이 하게 된다. 미설명 부호 13은 스트레인게이지인데, 모터(11)의 회전축에 장착되어 토크를 감지하기 위한 구성이고, 미설명 부호 151은 현장에서 관리자가 직접 조작할 수 있는 제어스위치이다.

본 발명의 액츄에이터(10)는 수동으로도 작동할 수 있는데, 만일 어떤 원인에 의해 액츄에이터(10)를 수동으로 작동시키려고 할 경우, 수동전환레버(14)를 회전시켜 수동작동으로 전환시키면, 클러치(17)가 상승하면서 링기어(121)와 클러치(17)가 분리되게 되어 모터(11)는 공회전을 하게 되고, 밸브(20)를 개폐하는 샤프트와 모터(11)의 동력 연결이 차단되므로 수동운전핸들(141)의 조작에 의해 밸브(20)를 개폐시키게 된다.

본 발명의 가장 특징적인 기술은 밸브(20) 전후의 압력 차이가 일정 이상일 경우에는 밸브의 파손을 방지하기 위하여 밸브(20)의 개도(開度)를 단계적으로 조정하면서 개방 또는 폐쇄시킨다는 부분이다. 이하에서 구체적으로 설명한다.

밸브(20) 전후의 압력 차이를 측정하기 위해 밸브가 설치된 유로 상에 밸브 전후로 제1 및 제2 압력게이지(미도시)가 각각 설치되어 있어야 한다. 밸브를 개방 또는 폐쇄시킬 때는 유로 상에 설치된 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력의 차이가 미리 설정된 값보다 작으면 정상적인 상황에서 밸브를 작동시키는 것이므로 밸브(20)를 개방 또는 폐쇄시키는 제어가 정속(定速)이면서 연속적으로 이루어지도록 제어된다.

한편, 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력의 차이가 설정된 값을 초과하면 정상적인 상황에서 밸브를 작동시키는 것이 아니므로, 이런 상황에서 밸브를 연속적으로 개방또는 폐쇄시키게 되면 밸브 전후의 압력차에 의해 수격작용(water hammering) 등이 발생하여 밸브나 배관 등에 무리가 가해져서 파손될 가능성이 많다. 따라서 이와 같은 비정상적인 상황에서는 밸브 양측의 압력차를 해소시켜 주기 위하여 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)가 단계적으로 조정되게 된다. 구체적으로 설명하면, 각 단계에서의 개도(開度)를 일정 시간(예를 들면, 3∼10초)동안 유지하여, 일정 시간 내에 밸브 양측의 압력이 일정 범위 내로 균등해져서 평압이 회복되면 다음 단계로 개방 또는 폐쇄시키는 개도(開度)를 조정하여 일정 시간동안 유지하면서 개방 또는 폐쇄시키도록 제어되고, 일정 시간이 경과해도 밸브 양측의 압력 차이가 설정된 값을 계속 초과하면 모터(11)가 정지되면서 밸브(20)의 작동도 정지시키도록 제어된다. 이와 같이 밸브를 개폐시킬 때 밸브 전후의 압력차를 해소시켜 줌으로써 밸브 전후의 압력차에 의해 발생하게 되는 수격작용 등의 발생을 방지하여 밸브나 배관 등의 파손을 방지할 수 있다.

밸브(20)의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)는, 버터플라이 밸브와 같이 밸브체가 회전하면서 개폐되는 밸브는, 밸브가 개폐되는 각도 즉 밸브체의 회전 각도가 15∼20°단위로 점진적으로 개폐되어 단계적으로 제어되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 게이트 밸브와 같이 게이트가 상하로 이동하면서 개폐되는 밸브는, 밸브가 개폐되는 범위 즉 게이트가 개폐되는 높이를 기준으로 15∼20%씩 점진적으로 개폐되어 단계적으로 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

유로 상에 밸브 전후에 각각 설치된 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 정보는 각각 컨트롤 룸(시스템 관리실)으로 전송되도록 하고, 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 미리 설정된 값을 초과하면, 컨트롤 룸(시스템 관리실) 내에 알람(alarm)수단을 더 구비하여 관리자가 시각적 또는 청각적으로 인지할 수 있도록 알려주는 것을 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 액츄에이터 11 : 모터
12 : 기어부 121 : 링기어
122 : 샤프트기어 123 : 카운팅웜기어
124 : 피니언기어 13 : 스트레인게이지
14 : 수동전환레버 141 : 수동운전핸들
15 : 제어부 151 : 제어스위치
16 : 표시부 17 : 클러치
20 : 밸브

Claims (4)

1. 유로(流路)에 설치된 밸브를 개폐시키는 전동 액츄에이터에 있어서,
   상기 액츄에이터는, 구동력을 발생시키는 모터와, 밸브를 개폐시키기 위해 모터의 회전력을 샤프트에 전달하는 기어부 및 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고,
   밸브가 설치된 유로 상에 밸브 전후로 제1 및 제2 압력게이지가 각각 설치되어 있고, 밸브를 개방 또는 폐쇄시킬 때 상기 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 설정된 값보다 작으면 밸브를 개방 또는 폐쇄시키는 제어가 정속(定速)으로 연속적으로 이루어지고,
   상기 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 설정된 값을 초과하면 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)가 단계적으로 조정되면서, 각 단계에서의 개도(開度)를 일정 시간동안 유지하여, 일정 시간 내에 밸브 양측의 압력이 균등해지면 다음 단계로 개도(開度)를 조정하여 개방 또는 폐쇄시키도록 제어되고, 일정 시간이 경과해도 밸브 양측의 압력 차이가 설정된 값을 초과하면 밸브의 작동을 정지시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터.
   
2. 제1항에 있어서,
   밸브체가 회전하면서 밸브를 개폐하는 버터플라이 밸브의 경우, 상기 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)는 밸브체의 회전 각도가 15∼20°단위로 점진적으로 개폐되도록 단계적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터.
   
3. 제1항에 있어서,
   게이트가 상하로 이동하면서 밸브를 개폐하는 게이트 밸브의 경우, 상기 밸브의 개방 또는 폐쇄되는 개도(開度)는 게이트가 개폐되는 높이를 기준으로 15∼20%씩 점진적으로 개폐되도록 단계적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력은 각각 컨트롤 룸에 전송되어, 제1 및 제2 압력게이지에서 각각 측정된 압력 차이가 설정된 값을 초과하면, 컨트롤 룸 내에 알람(alarm)수단을 더 구비하여 관리자가 시각적 또는 청각적으로 인지할 수 있도록 해주는 것을 특징으로 하는 밸브의 스텝제어 기능을 구비한 전동 액츄에이터.

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