KR19980058930U - 압력완화방식의 밸브장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 밸브의 개도를 조절하는 디스크(disc)가 밸브에 유입되는 유체의 압력에 의한 영향을 덜 받을 수 있도록 고안된 것이다.

본 고안에서의 디스크는 단지 형태를 하고 있으며 밑면에 수개의 구멍을 형성하고 있다. 또한 측면은 상측벽, 중측벽, 하측벽으로 구분되며 중측벽은 상측벽과 하측벽보다 적은 지름으로 형성되어 유체의 흐름을 좋게 구성되었다. 디스크의 상측벽과 하측벽은 밸브몸통과 닿은 상태에서 슬라이딩 할 수 있게 되어 있다. 밸브몸통에는 상부측벽, 중부측벽, 하부측벽이 구성되어 있으며 상부측벽은 요철로 구성되어 요부를 통해 유체가 흐를 수 있게 구성되었다. 즉, 본 고안에서는 2곳의 개구부를 갖고 있으며 그 하나는 상부측벽과 중부측벽의 경계이며 다른 하나는 중부측벽과 하부측벽의 경계이다.

즉, 본 고안은 디스크(4)에 구멍(4-4)을 뚫어 밸브 내에 유입된 유체가 디스크(4)의 구멍을 통과할 수 있게 함으로써, 디스크(4) 하측벽(4-3)을 빠져나가는 흐름과 구멍을 통해 디스크(4) 상측벽(4-1)을 빠져나가는 흐름으로 나뉘게 하여, 각각의 흐름이 디스크(4)의 밑면과 윗면에 각각 유압을 분산하게 함으로서 디스크(4)에 미치는 유압의 영향이 적게 하도록 고안된 밸브를 말한다.

Description

밸브의 압력순화장치

제 1 도는 기존 밸브의 예시도로서, 압력순화에 대한 설계가 없는 밸브, (나)는 압력순화에 대한 설계가 되어 있는 밸브의 단면도.

제 2 도는 본 고안의 단면도로서, (가)는 본 고안의 밸브의 단면도, (나)는 밸브 몸통의 단면도, (다)는 디스크가 들어있는 밸브 몸통을 상측에서 본 상태도, (라)는 디스크의 단면도.

제 3 도는 본 고안의 예시도로서, 형상기억합금과 바이어스 스프링을 결합한 온도조절밸브로서의 실시예 단면도.

제 4 도는 본 고안의 실시예로서, 몸통 상부측벽과 하부측벽의 지름이 서로 다른 경우의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 유체유입구2 : 유체출구

3 : 개구부3-1 : 상부개구부

3-2 : 하부개구부4 : 디스크

4-1 : 디스크 상측부4-2 : 디스크 중측부

4-3 : 디스크 하측부4-4 : 구멍

5 : 몸통5-1 : 상부측벽

5-1` : 상부측벽 철부5-1`` : 상부측벽 요부

5-2 : 중부측벽5-3 : 하부측벽

6 : 밸브대7 : 덮개

8 : 핸들9 : 너트

10 : 패킹11 : 형상기억합금 스프링

12 : 바이어스 스프링13 : 하부캡

14 : 스프링 너트

본 고안은 밸브의 개도를 조절하는 디스크(disc)가 밸브에 유입되는 유체의 압력에 의한 영향을 덜 받을 수 있도록 고안된 것이다.

밸브는 유체가 통과하는 오리피스와 오리피스를 막는 디스크 사이의 위상에 의해 통과하는 유량을 조절하는 구조를 하고 있다. (디스크의 원뜻은 원형판을 의미하지만 본 고안에서는 디스크는 포트형태를 하고 있다. 하지만 일반적인 용어인 '디스크'라는 단어를 그대로 사용하며 이는 원뜻과는 관계없이 오리피스를 막아 개도를 조절하는 부품을 의미한다. 또한 디스크가 앉는 자리는 일반적으로 씨트라 표현하지만 일반적인 의미의 씨트와 오리피스의 개념을 합하여 이하 '개구부'라 표현한다.)

일반적인 밸브의 형태는 첨부도면 제 1 도와 같다.

제 1 도의 (가)는 디스크(4)가 내려오면 개구부(3)가 막히는 가장 일반적인 형태의 예시도이다. 이 구조는 개구부(3) 밑으로부터 유체가 유입될 경우 디스크(4)가 수압을 직접 받는 구조이기 때문에 디스크(4)로 개구부(3)를 막기 위해서는 수압보다 큰 힘이 필요하다. 또한, 유체의 흐름이 개구부(3) 윗쪽에서 아래쪽으로 향할 때 디스크(4)를 닫는데 소요되는 힘은 적으나 닫혀 있는 디스크(4)를 열기 위해서는 많은 힘이 소요된다. 따라서, 적은 구경의 밸브로 소용량을 제어할 때 많이 사용하며, 제어방법도 수동에 의한 용도로 널리 사용된다. 제어의 방법으로 수동이 아닌 그 어떤 엑츄에이터를 사용할 경우에는 상기의 방법은 잘 사용하지 않는다. 엑츄에이터는 밸브의 가격을 가름하는 주요 부품이기 때문에 보다 작은 엑츄에이터로도 움직일 수 있도록 구조적인 압력순화 방법이 모색된 밸브를 사용하기 때문이다.

제 1 도의 (나)는 압력을 순화시키는 방법이 모색된 밸브의 예시도이다. 두개의 오리피스(즉 개구부)와 두개의 디스크(4)를 갖는 방식이다. 밸브 내에 유입된 유체는 하나의 흐름에서 둘로 나뉘게 되며, 유체의 흐름중 하나는 개구부(3-2) 밑에서 위쪽으로 올라오면서 디스크를 위로 밀게 되고, 유체의 흐름 중 다른 하나는 개구부(3-1) 위에서 밑쪽으로 내려가면서 디스크를 아래로 밀게 된다. 이들 두 가지 다른 방향의 유체의 흐름이 서로 역방향으로 힘을 작용하기 때문에 이상적인 경우 디스크(4)에 미치는 수압의 작용은 없을 수도 있다. 하지만, 실제에 있어서 두 가지 흐름이 디스크(4)에 미치는 힘이 똑같을 수는 없기 때문에 디스크(4)는 어느 한쪽으로 힘을 받게 된다. 하지만, 두방향으로 나뉘어진 유체의 흐름이 어느 한쪽으로만 작용했을 때와는 비교가 안될 정도로 충분히 압력이 순화된 구조이다. 즉, 압력순화란 디스크(4)로 밸브의 유량을 제어함에 있어서 수압에 의해 받는 영향을 최소화하는 것을 말한다.

밸브에 있어서 압력순화 설계는 앞서 설명한 대로 엑츄에이터를 사용하는 방식에서는 필요성이 증대된다. 압력순화가 되지 않을 경우 수압을 이기면서 밸브를 개폐하기 위해서는 보다 큰 힘을 가진 엑츄에이터를 선정해야 하기 때문이다. 또한, 엑츄에이터가 장착된 밸브가 ON-OFF식이 아닌 비례제어식인 경우 압력순화에 대한 필요성은 더욱 증대된다. 예를 들어 열팽창물질을 주름관에 넣고 봉하여 열팽창에 의한 디스크(4)의 상하운동에 의해 제어를 수행하는 온도조절밸브라 하자. 이 경우 유입되는 유체의 온도에 따라 밸브의 개도를 조정해야 한다고 할 때 디스크(4)가 수압에 영향을 받으면 정확한 제어를 할 수 없으며 밸브의 감도는 떨어질 수 밖에 없다.

상기와 같은 필요성에 의해 압력순화밸브는 다각도로 모색되어 왔으며, 과연 수압이 디스크(4)에 미치는 영향을 얼만큼 줄였느냐의 문제와 밸브의 구조를 얼마나 단순하게 구성하였느냐의 문제가 압력순화밸브의 효율적 성패를 가늠한다. 즉, 압력순화를 완벽하게 하기 위해 밸브의 구조가 지나치게 복잡하게 된다면 상용할 수 있는 밸브로서의 필요성은 저하될 수 밖에 없다.

본 고안은 지극히 단순한 구조로 압력순화를 이룩하여 저렴한 가격으로 산업현장에 동 구조에 의한 밸브 보급함으로써 산업의 효율성을 증대하기 위해 고안된 것으로 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 제 2 도는 본 고안의 밸브에 대한 것으로 (가)는 밸브의 단면도, (나)는 밸브몸통의 단면도, (다)는 디스크(4)가 삽입된 몸통을 상부측에서 본 상태도, (라)는 디스크(4)의 단면도이다.

첨부도면 제 2 도의 (나)에서 보듯이 밸브의 측면벽은 상부측벽(5-1), 중부측벽(5-2), 하부측벽(5-3)으로 나뉠 수 있다. 특히 상부측벽에는 제 2 도의 (다)에서 나타난 바와 같이 4개의 요부(5-1``)(凹部)와 4개의 철부(5-1`)(凸部)로 구성되어 있다. 상부측벽(5-1)의 철부(5-1`)와 중부측벽(5-2) 하부측벽(5-3)은 똑같은 지름을 하고 있어 디스크(4)의 옆면이 닿은 상태로 미끄럼을 할 수 있는 면이며, 상부측벽(5-1)의 요부(5-1``)는 디스크 구멍을 통해 위로 올라온 유체의 흐름을 좋게 하기 위해 마련된 것이다.

첨부도면 제 2 도의 (라)에서 보듯이, 디스크(4)의 측면 역시 상측벽(4-1), 중측벽(4-2), 하측벽(4-3)으로 구성되어 있다. 상측벽(4-1)과 하측벽(4-3)은 몸통(5)의 측벽과 닿은 상태로 미끄럼을 하게 되는 부분이며 중측벽(4-2)은 물의 흐름을 좋게 하기 위해 상측벽(4-1)이나 하측벽(4-3) 보다 적게 설계되었다.

동 고안에서 몸통(5)은 2개의 개구부 갖고 있다. 2개의 개구부 중 한곳(상부 개구부)은 몸통 상부측벽(5-1)과 중부측벽(5-2)의 경계이며 개구부의 다른 한곳(하부 개구부)은 중부측벽(5-2)과 하부측벽(5-3)의 경계이다.

즉, 상부 개구부(3-1)로 통과하는 물의 흐름을 좋게 하기위해 상부측벽(5-1)은 요철로 구성하였으며, 따라서 디스크의 구멍을 통해 올라온 유체는 몸통(5)의 상부측벽(5-1)의 요부(5-1``)와 디스크(4)의 상측벽(4-1) 사이로 통과하여 내려간다.

본 고안에서의 디스크(4)는 밑면에 수개의 구멍을 갖은 단지 형태를 하고 있어, 밸브에 유입된 유체의 일부가 구멍을 통과하게 함으로써, 디스크 하측벽(4-3)과 하부 개구부(3-2) 사이를 통과하는 유체의 흐름과 디스크 구멍을 통과하여 디스크 상측벽(4-1)과 상부 개구부(3-1) 사이를 통과하는 유체의 흐름을 - 2가지로 나뉜다.

즉, 본 고안에서 밸브내로 유입된 하나의 흐름이 두방향으로 나뉘며, 하나의 흐름은 위에서 아래쪽으로 다른 하나의 흐름은 아래에서 윗쪽으로 흐르면서 2 곳의 개구부를 통과하게 된다는 점에서 첨부도면 제 1 도의 (나)에서 제시한 기존의 밸브와 유사한 구조를 가지고 있다.

하지만, 밸브 몸통의 구조는 상이하다. 첨부도면 제 1도의 (나)에 제시된 밸브는 주물에 의한 방식으로 가능하나, 본 고안에서의 몸통(5)은 구조가 간단하기 때문에 주물, 단조, 플라스틱 사출 등 제조기법이 다양할 수 있으며, 그만큼 가격면에서 저렴해질 수 있다.

본 고안에서 디스크 밑면을 위쪽으로 밀려고 하는 수압은 디스크 밑면 구멍을 통해 디스크 윗면쪽으로 전달된다. 디스크(4)의 밑면 넓이와 디스크(4)의 윗면 넓이차가 없다면 디스크(4) 개폐에 필요한 최소의 힘은 디스크(4)의 무게 정도로 아주 적은 것이다.

즉, 본 고안은 밸브에 유입된 유체의 흐름을 2방향으로 나누어 개구부(3)를 통과하게 구성되는 밸브에 있어서, 디스크(4)에 구멍(4-4)을 뚫어 - 디스크 하측벽(4-3)을 빠져나가는 흐름과 구멍(4-4)를 통해 디스크 상측벽(4-1)을 빠져나가는 흐름 - 2 가지 흐름으로 개구부(3)를 통과하게 함으로써, 각각의 흐름이 디스크(4)의 밑면과 윗면에 각각 유압을 분산하여 디스크(4)에 미치는 유압의 영향이 적도록 고안된 밸브를 말한다.

본 고안에 의한 밸브를 비례제어식 온도조절밸브에 적용할 경우 첨부도면 제 3도와 같다. 첨부도면 제 3도는 온도감지 및 작동소자로 형상기억합금 1방향성 코일스프링(11)을 사용했으며 형상기억합금 스프링(11)의 작동 반복을 위하여 바이어스 스프링(12)도 사용하였다. 즉, 온도변화에 따른 양스프링의 응력차이에 의해 디스크(4)를 제어하는 동 밸브는 압력순화에 대한 설계가 없다면 적은 수압에도 디스크(4)가 밀리게 되어 정확한 제어를 수행할 수 없으므로 상기와 같은 압력순화 설계가 불가피한 구조이다.

상기와 같은 구조의 단점은 밸브가 닫았을 때 완전 차단이 안되며 극히 적은 양이지만 유체가 흐른다는 것이며 측정에 의하면 밸브 구경 15㎜에서 입구(1)측과 출구(2)측 차압이 1㎏f/㎠일 때 1 분당 0.8 리터 정도가 흘러나간다. 이 정도의 유량은 15㎜ 밸브의 완전 개방시 통과유량이 상기와 같은 조건하에서 1 분당 20 리터 이상임을 볼 때 극히 적은 양이므로 대부분의 경우 문제가 되지 않는다. 하지만, 극히 적은 양일지라도 문제가 될 수 있는 경우도 충분히 가상할 수 있다. 그러한 경우 첨부도면 제 4 도에서와 같은 구조로 하면 디스크(4) 폐쇄시 유체의 흐름을 완전히 차단할 수 있다. 첨부도면 제 4 도를 보면 상부측벽(5-1)의 철부(5-1`)가 중부측벽(5-2)보다 큰 지름을 하고 있으며 중부측벽(5-2)은 하부측벽(5-3)보다 큰 지름을 하고 있다. 디스크(4) 역시 상측벽(4-1)이 하측벽(4-3)보다 크게 설계되어 있다. 이와 같은 구조는 상부 개구부(3-1)와 하부 개구부(3-2)가 동시에 닫히는 구조이면서 첨부도면 제 1 도에서의 디스크와 씨트 구조처럼 디스크가 몸통(5)에 마련된 씨트에 앉으면서 양면이 서로 압착할 수 있는 구조이므로 완전 폐쇄가 가능하다.

하지만, 첨부도면 제 4 도의 경우 디스크(4)의 상측벽(4-1) 지름이 하측벽(4-3)보다 크므로 디스크(4)가 개구부를 닫아가면서 디스크(4) 상부측의 압력이 하부측보다 크게 된다. 이러한 경우 디스크(4)와 개구부 사이의 간격이 적어지면 유체가 디스크(4)와 개구부 사이의 간격을 좁히는 쪽으로 작용하며 빨리듯 닫히게 된다.

이러한 현상을 줄이기 위해 디스크 상측벽(4-1)과 하측벽(4-3)의 지름 차를 충분히 좁혀야 한다. (상측벽의 지름을 15.0㎜, 하측벽의 지름을 14.9㎜로 하였을 때 폐쇄시 유체의 흐름은 폐쇄되었다.)

상기와 같이 디스크(4)가 빨리는 현상을 줄이는 다른 한 방법은 디스크(4) 밑면에 뚫린 구멍의 면적을 적게 하여 상부 개구부(3-1)로 통과하는 유체의 양을 줄이는 방법이다. 동 구조의 유체의 흐름에 대한 적절한 설계에 의해 디스크(4)의 구멍면적을 적절히 설정하면 디스크(4)의 빨림 현상을 현저히 줄일 수 있다.

첨부도면 제 4 도의 경우와 같이 디스크의 상측벽(4-1)과 하측벽(4-3) 지름이 다른 경우 문제점은 상기 설명한 바이지만 실제에 있어 그렇게 많은 문제를 야기시키는 것은 아니다. 첨부도면 제 3 도에 설명된 형상기억합금과 바이어스의 결합구조에서 디스크(4)의 상측벽(4-1)이 하측벽(4-3)보다 다소 커서 디스크(4)가 빨리는 현상을 갖는다 하여도 바이어스 스프링에 의해 충분히 견재되어 있기 때문이다.

이와 같이 구성된 본 고안은 밸브 몸통(5)의 구조에 있어서 매우 간단한 구조를 하고 있다. 따라서, 몸통(5)을 제조하는 방식도 프라스틱사출, 다이케스팅사출, 단조, 주물 등으로 다양화할 수 있으며, 단순 구조에 의한 원가감소요인이 현저할 뿐 아니라, 부품수도 타 제품에 현저히 작아 산업 전반에 있어 범용으로 사용되어질 수 있다. 건축 및 산업 다분야에서 자동조절변의 필요성은 절실하나 가격이나 동작의 정확성 면에서 많은 문제가 있어 에너지절약의 극대화를 모색하는데 걸림돌이 되어온게 사실이다. 본 고안에 의한 밸브는 첨부도면 제 3 도에서 설명한 실시예에서 보듯이 부피가 적고 지극히 단순한 구조로 완벽에 가까운 제어를 수행할 수 있게 고안되어 있어, 산업 다분야에 걸쳐 동 구조에 의한 밸브의 활발한 사용이 기대된다.

Claims (1)

1. 본 고안은 밸브에 유입된 유체의 흐름을 2방향으로 나누어 개구부(3)를 통과하게 구성되는 밸브에 있어서, 디스크(4)에 구멍(4-4)을 뚫어 - 디스크 하측벽(4-3)을 빠져나가는 흐름과 구멍(4-4)를 통해 디스크 상측벽(4-1)을 빠져나가는 흐름 - 2 가지 흐름으로 개구부(3)를 통과하게 함으로써, 각각의 흐름이 디스크(4)의 밑면과 윗면에 각각 유압을 분산하여 디스크(4)에 미치는 유압의 영향이 적도록 고안된 밸브를 말한다.