KR102535879B1

KR102535879B1 - 내구성이 향상된 플러그와 스템의 결합구조

Info

Publication number: KR102535879B1
Application number: KR1020220136898A
Authority: KR
Inventors: 권갑주; 황민웅
Original assignee: 브이아이브이인터내셔날 주식회사
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2023-06-26

Abstract

본 발명은 밸브의 내부에서 유체의 유동을 가감하거나 폐쇄하는 플러그(100)와, 밸브의 외부로 연장되는 스템(200) 간의 상호 결합 연결하는 구조에 관한 것으로, 구체적으로 밸브 내부에서 발생하는 진동(유체 유동 유발 진동, 공명 진동 등)에 의해 응력이 플러그(100)와 스템(200)의 결합부(230)에 응력이 일부분에 집중되지 않고 분산하는 구조를 가지는 플러그(100) 스템(200) 결합구조에 관한 것이다.
플러그(100)의 중심부에 구비된 결합공(111)은 스템(200)의 샤프트(210)가 구비되는 방향으로 직경이 커지도록 내면 전체에 제1테이퍼(111a)를 가지고, 상기 샤프트(210) 선단의 결합부(230)는 상기 결합공(111)에 대응되도록 외면에 제2테이퍼(231)가 형성되며, 상기 결합공(111)에 삽입된 상기 결합부(230)의 제2테이퍼(231)는 그 선단에 수나사가 형성된 상태로 상기 결합공(111)으로부터 돌출되어 플러그(100) 내부에서 너트(241)로서 체결된 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 플러그(100)와 스템(200)의 결합구조이다.

Description

내구성이 향상된 플러그와 스템의 결합구조{A PLUG AND STEM STRUCTURE WITH IMPROVED DUARABILTY}

본 발명은 밸브의 내부에서 유체의 유동을 가감하거나 폐쇄하는 플러그와, 밸브의 외부로 연장되는 스템 간의 상호 결합 연결하는 구조에 관한 것으로, 구체적으로 밸브 내부에서 발생하는 진동에 의해 응력이 플러그와 스템의 결합부 중 특정부위에 집중되지 않고 분산하는 구조를 가지는 플러그와 스템의 결합구조에 관한 것이다.

플러그는 배관 밸브의 내부에 설치되어 진퇴동작 등을 통해서 유체의 유량을 단속하거나 조절하는 것으로서, 플러그의 후단에는 동력을 제공하기 위해서 스템과 결합된 구조를 가진다. 통상 플러그의 직경과 스템의 직경의 차이가 크지 않을 경우 일체형으로 가공하여 사용할 수 있으나, 도 1의 종래기술에 도시된 바와 같이 밸브의 크기가 대형화될수록 스템(6)의 직경에 비해 플러그(4)의 직경이 매우 커지므로 플러그(4)와 스템(6)을 일체형으로 제작하지 않고, 따로 제작하여 조립/결합하여 사용한다.

플러그(4)와 스템(6)이 일체형이 아닌 경우 일반적으로 플러그(4)와 스템(6)을 스템(6)의 결합부(5)를 플러그(4)의 중심공에 삽입한 상태에서 선단부를 너트로 체결하여 사용하고 있다. 이와 같은 플러그과 스템의 결합구조를 가진 밸브를 사용하는 경우, 스템의 결합부(5)와 플러그(4)의 상면이 접촉하는 부위에서 응력이 집중되게 되고, 도 2와 같이 밸브를 통과하는 유체의 온도가 증가하거나 고속고압 유체의 유동에 의해서 플러그 진동이 발생하면 상기와 같이 플러그와 스템의 결합부에 응력이 집중되고 시간이 경과하면서 균열과 파단이 발생한다.

이에 본 발명의 발명자는 플러그의 상부면과 스템이 만나는 지점에서 응력집중이 완화될 수 있는 플러그와 스템의 결합구조를 착안하게 되었다.

선행문헌 : 대한민국 등록특허공보 10-1513088 (2015.04.13. 등록)

본 발명은 밸브 내부에 설치되어 유량의 단속 및 조절하는 플러그 및 플러그에 외력을 가하여 진퇴동작을 행하는 스템의 결합구조에 관한 것으로서, 열응력 및 진동에 의한 피로응력 등에 대해서 내구성을 가지는 플러그와 스템의 개선된 결합구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 플러그와 스템(200)의 결합구조는,

후단은 구동부에 연결되어 진퇴운동을 위한 동력을 전달하는 샤프트(210)부와 상기 샤프트(210)부의 선단에 일체로 연장되어 플러그(100)와 결합되기 위한 결합부(230)를 구비한 스템(200);

상기 스템(200)의 결합부(230)에 결합되도록 후단은 중심부에 결합공(111)과 상기 결합공(111) 주위에 복수의 유동공(112)을 구비된 결합판(110)을 구비하고, 선단은 개방부를 구비한 원통형태의 플러그(100);를 구비한 플러그(100)와 스템(200)의 결합구조에 있어서,

상기 플러그(100)의 결합공(111)은 샤프트(210)가 구비되는 방향으로 직경이 커지도록 내면 전체에 제1테이퍼(111a)를 가지고, 상기 샤프트(210) 선단의 결합부(230)는 상기 결합공(111)에 대응되도록 외면에 제2테이퍼(231)가 형성되며,

상기 결합공(111)에 삽입된 상기 결합부(230)의 제2테이퍼(231)는 그 선단에 수나사가 형성된 상태로 상기 결합공(111)으로부터 돌출되어 플러그(100) 내부에서 너트(241)로서 체결된 것이다.

바람직하게, 본 발명에서 상기 스템(200)의 결합부(230)는 테이퍼의 형태로 구성되되, 결합부(230) 테이퍼는 상기 결합공(111)의 테이퍼와 테이퍼 각도는 동일하되, 상기 결합부(230)의 테이퍼는 상기 결합공(111)의 테이퍼 보다 길게 형성되어 상기 결합부(230)의 제2테이퍼(231) 후단부가 상기 결합공(111)으로부터 소정 길이만큼 노출된 것이다.

본 발명은 밸브 내부에서 발생하는 고온 유체의 유동에 의한 열응력과, 고속 유체유동에 의한 진동에 의한 피로응력이 스템의 결합부의 테이퍼 구조에 의해서 분산되는 효과를 가지게 되어 결합판의 상부면에서 스템이 파단되는 것을 방지하게 된다.

본 발명은 밸브의 플러그와 스템의 결합 구조를 테이퍼 결합구조로 만들어 응력을 스템의 테이퍼 전 외주면에 분산하므로써 열하중과 진동하중으로 인해 스템이 파단되지 않도록 한다.

도 1은 종래의 플러그와 스템의 결합구조를 보여주는 도면
도 2는 종래의 플러그와 스템의 결합부위에서의 파단 사진
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플러그와 스템의 결합구조를 도시한 도면
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플러그의 단면도
도 5는 도 4의 스템과 플러그 각각의 분해도
도 6과 도 7은 종래기술(A)와 본 발명(B)에 따른 플러그와 스템의 결합부위에서의 각각 진동응력과 열응력의 상태를 보여주는 시뮬레이션

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 설명에서 사용되는 선단 또는 후단을 지칭할 때에는 스템(200)이 구동부에 결합되는 방향을 후단이라고 칭하고, 스템(200)이 플러그(100)와 결합된 방향을 선단이라고 칭한다.

도 3은, 본 발명에 따른 스템(200)과 플러그(100)를 결합구조에 대한 사시도를 도시한 것이다. 즉, 본 발명은 스템(200)과 플러그(100)가 결합된 형태로서, 스템(200)은 샤프트(210)부와 결합부(230)로 이루어지되, 상기 샤프트(210)부와 결합부(230)는 연결부(220)에 의해서 연결되어진다. 샤프부의 후단은 구동부에 연결되어 진퇴운동을 위한 동력을 전달하게 된다. 또한 상기 샤프트(210)부의 선단에 일체로 연장된 결합부(230)를 구비하며, 상기 결합부(230)는 플러그(100)와 결합된다.

상기 스템(200)의 결합부(230)에 결합되는 플러그(100)는 스템(200)이 결합되는 결합판(110)과 상기 결합판(110)의 외주를 따라서 원통체(120)가 구비된다. 상기 결합판(110)의 중심에는 결합공(111)을 구비하며, 상기 결합공(111)의 주위에는 유체의 유동을 위한 유동공(112)이 복수개 구비된다. 상기 스템(200)은 샤프트(210)부와 결합부(230) 사이에 렌치를 이용하여 회전시킬 수 있는 육각테두리(233)가 구비된다. 플러그(100)는 상기 결합판(110)과 상기 결합판(110) 주위를 따라서 원통체(120)를 구비한다. 상기 결합판(110)에 마주하는 상기 원통체(120)의 하단은 개방된 구조를 가진다.

또한 구체적으로 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 플러그(100)의 결합판(110) 중앙에 형성된 결합공(111)은 개방부를 향하여서 직경이 작아지도록 내면 전체에 제1테이퍼(111a)를 가지고, 상기 샤프트(210) 선단의 결합부(230)는 안쪽으로 제1테이퍼가 형성된 상기 결합공(111)에 대응되도록 외주면에 제2테이퍼(231)가 형성된다. 즉, 상기 플러그(100)의 결합판(110) 중앙에 구비된 결합공(111)은 결합판(110)의 상부면(113)에서 하부면(114) 방향으로 테이퍼가 형성된 것이다. 따라서 스템(200)의 선단에 구비된 결합부(230)는 상기 플러그(100)의 결합공(111)에 결합되되 제1테이퍼(111a)와 제2테이퍼(231)에 의해서 끼워 맞춰지게 된다. 또한 상기 결합부(230)는 결합공(111)에 대응하는 부분보다 더 길게 형성됨으로써, 연장테이퍼(232)가 형성된다. 따라서 결합부(230)는 플러그(100) 결합판(110)의 결합공(111)에 삽입된 상태에서 위쪽으로 더 길게 연장된 연장테이퍼(232)가 돌출된 형태로 구비된다. 여기에서 연장테이퍼(232)가 일정한 길이만큼 구비되어 있어야 연장테이퍼(232)의 직경이 커져 응력이 분산되는 효과가 증대될 수 있다. 특히, 상기 제1테이퍼(111a)와 제2테이퍼(231)의 경사각도는 약 10°를 이루는 것이 바람직하다. 구체적으로 열응력 하중에 대하여 플러그(100)와 스템(200)에 열팽창으로 인하여 테이퍼 구간 끝단에서 응력이 집중되므로 이러한 응력은 분산하기 위해서는 테이퍼의 각도를 10°이하를 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 테이퍼 결합 구조를 형성함에 있어 스템(200)의 응력 집중 분산을 위해 가능한 홈(Notch)을 형성하지 않아야 하고 단면적 변화부는 직각부가 없도록 곡면 처리한다. 나사부 너트(241) 체결 시에는 적정 토오크를 적용하고 너트(241) 풀림 방지를 위해 2군데 이상 태크용접(Tack Weld) 하는 것이 바람직하다. 즉, 태크용접은 체결부(240)와 너트(241) 사이에 용접이 이루어지고, 플러그(100)의 결합판(110)과 너트(241) 사이에 용접이 이루어지되, 태크용접 포인트의 사이 각도는 서로 180°를 이루도록 한다.

또한 샤프트(210)의 연결부(220)와 상기 연장테이퍼(232) 사이에는 육각테두리(233)가 구비됨으로써 상기 스템(200)의 결합부(230)를 상기 플러그(100)의 결합공(111)에 삽입한 상태에서 상기 육각테두리(233)에 렌치(스패너)를 이용하여 고정하고 너트(241)를 상기 스템(200)의 최선단에 구비된 체결부(240)를 너트(241)로 체결함에 있어서 체결과정에서 스템(200)의 회전을 방지할 수 있게 된다.

상기 스템(200)의 샤프트(210)부와 결합부(230)는 연결부(220)에 의해서 연장되되, 상기 연결부(220)는 상기 제2테이퍼(231) 각도와 역방향으로 제3페이퍼가 형성되도록 구비되되, 상기 제3테이퍼 각도는 약 30°로 한다.

도 6은 종래의 스템 결합구조와 본 발명의 스템 결합구조에 있어서, 진동환경 가운데서 발생하는 응력발생 위치와 응력크기를 시뮬레이션으로 나타낸 것이다.

<구조해석결과 비교>

구조해석	조건	비교예 (Psi)	실시예(Psi)	발명의 개선결과
열하중	- 플러그(100) 적용 온도 : 290℃, - 스템(200) 외부측 온도 : 25℃	1.7486E+5	9.4065E+4	약 46% 감소
진동하중	비틀림 모멘트 : 5g	3.3094E+3	2.4118E+3	약 27% 감소

도 6(A)는 도 1과 같이 플러그(100)의 결합판(110)과 스템이 고정된 상태에서 결합부(230) 전체에 대해서 진동에 의한 응력이 작용하는 것을 알 수 있다. 반면, 도 6(B)는 결합부(230) 중에서 최선단에 해당하는 체결부(240)와 너트(241)에 일부만 진동에 의한 응력이 작용하고 있는 것을 알 수 있다.

또한 도 7(A)와 도 7(B)에서도 마찬가지로 결합부위에서 열응력의 작용하는 위치와 크기를 보여준다.

이와 같이, 플러그와 스템이 테이퍼구조에 의해서 결합될 때, 그렇지 않은 결합구조에 비하여 진동과 열에 대해서 개선된 내구성을 가지는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 플러그, 110 : 결합판, 111 : 결합공, 111a : 제1테이퍼
112 : 유동공 120 : 원통체
200 : 스템 210 : 샤프트, 220 : 연결부, 230 : 결합부
231 : 제2테이퍼, 232 : 연장테이퍼, 233 : 육각테두리
240 : 체결부, 241 : 너트

Claims

후단은 구동부에 연결되어 진퇴운동을 위한 동력을 전달하는 샤프트(210)부와 상기 샤프트(210)부의 선단에 일체로 연장되어 플러그(100)와 결합되기 위한 결합부(230)를 구비한 스템(200);
상기 스템(200)의 결합부(230)에 결합되도록 후단은 중심부에 결합공(111)과 상기 결합공(111) 주위에 복수의 유동공(112)을 구비된 결합판(110)을 구비하고, 선단은 개방부를 구비한 원통형태의 플러그(100);를 구비한 플러그(100)와 스템(200)의 결합구조에 있어서,
상기 플러그(100)의 결합공(111)은 샤프트(210)가 구비되는 방향으로 직경이 커지도록 내면 전체에 제1테이퍼(111a)를 가지고, 상기 샤프트(210) 선단의 결합부(230)는 상기 결합공(111)에 대응되도록 외면에 제2테이퍼(231)가 형성되며,
상기 결합공(111)에 삽입된 상기 결합부(230)의 제2테이퍼(231)는 그 선단에 수나사가 형성된 상태로 상기 결합판(110)의 하면에서 너트(241)로서 체결되되,
상기 스템(200)의 결합부(230)는 테이퍼의 형태로 구성되되, 결합부(230) 테이퍼는 상기 결합공(111)의 테이퍼와 테이퍼 각도는 동일하되, 상기 결합부(230)의 테이퍼는 상기 결합공(111)의 테이퍼 보다 길게 형성되어 상기 결합부(230)의 제2테이퍼(231) 후단부가 상기 결합공(111)으로부터 소정 길이만큼 노출되도록 연장된 연장테이퍼(232)가 구비되며,
상기 샤프트(210)와 연결되는 상기 연장테이퍼 (232)의 후단부에는 육각테두리(233)가 구비되고,
상기 스템(200)의 샤프트(210)부와 결합부(230)는 연결부(220)에 의해서 연결되되, 상기 연결부(220)는 상기 제2테이퍼(231)와 역방향으로 제3테이퍼가 형성됨으로써 직경이 작은 샤프트를 연장테이퍼(232)와 연결하는 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 플러그와 스템의 결합구조.
삭제
제1항에 있어서,
상기 결합공(111)의 제1테이퍼(111a) 각도와 상기 결합부(230)의 제2테이퍼(231) 각도는 각각 10°이고, 상기 결합부의 선단에 구비된 수나사와 너트 사이에는 태크용접되되,
태크용접 포인트의 사이 각도는 서로 180°를 이루어 상기 결합판의 하부면과 너트 사이에 태크용접됨에 의해서 풀림방지된 것을 특징으로 하는 내구성이 향상된 플러그와 스템의 결합구조.