KR200269119Y1 - 볼 밸브 - Google Patents

Abstract

본 고안의 볼 밸브는, 관로(6)상에 설치되고 밸브에 작용하는 내부 압력에 대한 충분한 강도를 지니고 있는 몸통(2); 상기 몸통의 내부에 설치되어 볼과 함께 유체를 개폐시키는 한쌍의 밸브시트(3); 상기 밸브시트 상에서 90도 회동자재 하면서 유로를 개폐시키는 볼(4) 및 상기 밸브시트 상에서 볼의 회동을 조작하는 작동부(5)로 구성하여서 된 볼 밸브에 있어서,

상기 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하여서 볼 밸브에 있어 유로를 개폐 작동시키는 볼과 밸브시트의 내열성 및 내마모성이 뛰어나고, 밸브시트 상에서 볼의 잦은 여닫음에도 불구하고 유체에 함유된 이물질에 의해 볼과 밸브시트의 손상 및 마모현상을 극소화하며, 볼과 밸브시트의 마찰계수를 줄여 작동부의 회전토크가 줄어들어서 엑츄에이터의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 볼과 밸브시트의 수밀작용을 극대화하면서 내산성, 내염기성, 내부식성 및 내산화성이 매우 우수하여 밸브 수명을 오래 유지할 수 있도록 한 것이다.

Description

볼 밸브{A ball valve}

본 고안은 각종 관로 상에 설치되어 유체의 흐름을 개폐시키는 볼 밸브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 볼 밸브를 구성하는 핵심 구성요소인 볼과 밸브시트의 외부면에 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층을 형성하여서 볼 밸브에 있어 유로를 개폐 작동시키는 볼과 밸브시트의 내열성 및 내마모성이 뛰어나고, 밸브시트 상에서 볼의 잦은 여닫음에도 불구하고 유체에 함유된 이물질에 의해 볼과 밸브시트의 손상 및 마모현상을 극소화하며, 볼과 밸브시트의 마찰계수를 줄여 작동부의 회전토크가 줄어들어서 엑츄에이터의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 볼과 밸브시트의 수밀작용을 극대화하면서 내산성, 내염기성, 내부식성 및 내산화성이 매우 우수하여 밸브 수명을 오래 유지할 수 있도록 한 신규한 형태의 볼 밸브에 관한 것이다.

볼 밸브는, 각종 관로 상에 설치되어서 유체의 흐름을 자동 또는 수동으로 단속하는 90도 회전밸브로서, 매우 양호한 기밀유지 특성을 갖고 있다. 소프트 시트인 경우는 기밀성능이 매우 양호하여 완전차단까지 가능하나 금속시트는 내열성이 우수하지만 차단성능은 소프트 시트에 비해서 떨어진다.

볼을 감싸고 있는 밸브시트는 기밀을 확실하게 하고, 또한 비교적 적은 운전토크를 갖고 있다. 볼의 유로현상이 원형으로 밸브 입구 및 출구의 형상과 같은 모양이기 때문에 유로저항도 매우 적다. 이는 범용의 밸브 중에서 특히 저압의 상온 유체를 차단하고 제어하는 특성을 갖고 있다는 것이다.

따라서 거의 모든 볼 밸브는 연결배관의 호칭 직경보다 작은 구경의 유로직경을 갖는다. 볼 밸브에 있어서 가장 핵심적인 요소는 볼과 밸브시트 사이를 밀폐시키는 시링 수단 이다. 대부분의 볼 밸브는 탄력성이 좋은 PTEE(polytrafluore ethylene)가 가장 널리 쓰이고 유체의 부식특성에 따라서 특별한 용도로 나이론, 성형흑연 및 PTEE에 성형 흑연분말을 함침한 시링 재료가 있다. 볼 밸브의 시링 재료에 있어 볼과 시링 재료가 금속인 경우가 가장 이상적이다.

볼 밸브가 점점 콘트롤 밸브로 사용되는 추세에 있는데 지금까지 문제는 밸브시트의 재질 때문에 고온 고압에 사용의 제한이 있었으며, 밸브시트의 재질을 향상시켜 메탈 밸브시트가 개발되고 있다.

볼 밸브는 같은 호칭 직경을 가진 타 종류의 밸브보다도 간단한 구조, 보수의 용이성, 제작성의 편리성 등 경제적인 측면이 많은 반면 밸브시트 구조의 치밀성, 밸브시트 재료의 제한 및 배관 계통의 설치시 주의 사항 등 단점도 있다.

결국 사용상의 제약은 볼을 잡아주고, 볼과 밸브 몸체의 기밀을 유지하는 밸브시트의 시일(seal) 구조의 재질 사양에 달렸다.

이러한 볼 밸브가 설치되는 곳은, 배관재료의 선정과 특성에 따라 건축배관과 공업배관으로 구분되어 지고, 건축배관의 종류에는 급수배관, 급탕배관, 냉.난방배관, 배수.배기배관으로 구분되며 이송물체는 대체로 물, 기름, 증기, 도시 가스 등으로 한정되고, 관의 재질은 배관용 탄소 강관이나 합성 수지관, 주철관, 콘크리트관, 동관 등이 사용되며, 관의 지름은 공업배관에 비해 가는 편이고, 이음의 방법도 강관의 경우 나사 이음을 많이 하는 것이다.

그리고 공업배관의 종류에는 원유수송배관, 화학공장 내 배관, 집진장치 배관, 발전소 배관 등으로 구분되며, 이송물체는 각종의 산, 알카리, 기타 유,무기물질 등의 액체나 기체이며, 관의 재질은 탄소 강관, 합금 강관, 스텐레스 강관, 동관, 동 합금관, 알루미늄관 및 그 합금관, 합성수지관, 연관 등 실로 다양한 가운데서 각각의 상황에 알맞은 것을 선택하여 시공하여야 한다.

이러한 볼 밸브의 구조는, 도 1 내지 도 3 에 도시한 바와 같이 관로(6)상에 설치되고 밸브에 작용하는 내부 압력에 대한 충분한 강도를 지니고 있는 몸통(2)과, 상기 몸통의 내부에 설치되어 볼과 함께 유체를 개폐시키는 한쌍의 밸브시트(3)와, 상기 밸브시트 상에서 90도 회동자재 하면서 유로를 개폐시키는 볼(4) 및 상기 밸브시트 상에서 볼의 회동을 조작하는 작동부(5)로 구성되어 있다.

그러므로 상기 볼 밸브에 있어 가장 중요한 구성은 볼(4)과, 볼의 양쪽에 긴밀히 맞닿아 유체를 개폐시키는 한 쌍의 밸브시트(3)에 있어 이들 볼과 밸브시트의 외부면에 일정 두께의 코팅층을 형성하여서 볼의 개폐 시 볼과 밸브시트가 맞닿는 부위를 긴밀히 밀폐시키고, 볼의 잦은 여닫음에도 이들 볼과 밸브시트의 소재 노후화 및 파손을 방지하는데 있는 것이다.

종래 기술에 의한 볼과 밸브시트의 외부면을 코팅하는 방법을 살펴보면, 볼 밸브를 구성하는 볼과 밸브시트의 외부면에 니켈, 크롬, 텅스텐 및 코발트 등의 미립자로 된 금속혼합물을 분사시켜서 일정 두께의 코팅층을 형성하거나 PVD코팅(TiN, TiAlN)을 한 후, 후 가공으로 코팅층의 외부면을 표면 연마하여 된 것으로서, 상기 볼과 밸브시트의 외부면에 코팅된 코팅층의 단점은 도 8 에 도시한 바와 같이 밸브시트 상에서 볼의 잦은 여닫음으로 인하거나 이송되는 유체가 고온일 경우 볼 밸브의 온도가 상승하게 되고, 고온 시 이들 부위가 팽창하여서 박리현상이 일어나며, 코팅층의 외부면을 표면 연마한 후 필히 후 가공 공정을 거쳐야 하고, 볼과 밸브시트의 외부면 만을 코팅할 수 있어 볼과 밸브시트의 내부면을 전혀 코팅할 수 없는 단점을 지니고 있다.

그러므로 종래 기술에 의한 볼 밸브는 볼 밸브에 있어 볼과 밸브시트의 외부면에 일반적인 금속혼합물을 분사하여 일정 두께의 코팅층을 형성하거나 또는 PVD코팅층을 형성하는 기술은, 볼과 밸브시트의 내열성 및 내마모성이 현저히 떨어져서 볼 밸브의 수명이 단축되고, 볼과 밸브시트의 마찰계수가 증가하여 작동부의 회전토크가 커지게 되므로 엑츄에이터를 소형화할 수 없을 뿐만 아니라, 코팅층의 외부면을 매끄럽게 가공하는 후 가공 공정을 거쳐야 하므로 생산성이 저하되는 단점이 있는 것이다.

본 고안은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로서, 본 고안의볼 밸브는, 볼 밸브에 있어 볼과 밸브시트의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층을 형성하므로서, 볼 밸브에 있어 볼과 밸브시트의 내열성 및 내마모성이 뛰어나고, 밸브시트 상에서 볼의 잦은 여닫음에도 불구하고 유체에 함유된 이물질에 의해 볼과 밸브시트의 손상 및 마모현상을 극소화하며, 볼과 밸브시트의 마찰계수를 줄여 작동부의 회전토크가 줄어들어서 엑츄에이터의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 상기 볼과 밸브시트의 수밀작용을 극대화하면서 내용착마모성, 내산성, 내염기성, 내부식성 및 내산화성이 매우 우수하여 밸브 수명을 오래 유지할 수 있도록 하는 것이다.

도 1 은 본 고안의 양호한 실시예를 보인 볼 밸브의 설치상태 사시도

도 2 는 도 1 의 볼 밸브의 중앙 종단면도

도 3 은 도 1 의 볼 밸브의 다른 실시예를 보인 중앙 종단면도

도 4 는 본 고안의 볼 밸브의 구성요소인 볼의 사시도

도 5 는 도 4 의 A- A 선을 절단한 단면도

도 6 은 도 4 의 볼이 안치되는 밸브시트의 사시도 및 일부분 단면도

도 7 은 본 고안의 볼 밸브에 있어, 볼을 플라즈마코팅 챔버 속에 고정하여 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층을 형성하는 과정을 도시한 개략적인 설명도

도 8 은 종래 기술에 의한 볼 밸브에 있어, 볼과 밸브시트 소재의 노후화 및 파손되는 상태를 나타내는 설명도

도 9 는 본 고안의 볼 밸브에 있어, 볼과 밸브시트의 소재의 노후화 및 파손되는 상태를 나타내는 설명도

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＊

1 : 볼 밸브 2 : 몸통

3 : 밸브시트 4 : 볼

5 : 작동부 6 : 관로

7 : 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층 8 : 플라즈마코팅 챔버

9 : 지그

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 볼 밸브는, 관로상에 설치되고 밸브에 작용하는 내부 압력에 대한 충분한 강도를 지니고 있는 몸통; 상기 몸통의 내부에 설치되어 볼과 함께 유체를 개폐시키는 한쌍의 밸브시트; 상기 밸브시트 상에서 90도 회동자재 하면서 유로를 개폐시키는 볼 및 상기 밸브시트 상에서 볼의 회동을 조작하는 작동부로 구성하여서 된 볼 밸브에 있어서,

상기 볼 밸브를 구성하는 밸브시트와 볼의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층을 형성하여서 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 볼 밸브를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3 에서, 부호 1 은 본 고안의 볼 밸브를 표시한 것으로서, 본 고안의 볼 밸브(1)는 관로(6)상에 설치되고 밸브에 작용하는 내부 압력에 대한 충분한 강도를 지니고 있는 몸통(2)과, 상기 몸통의 내부에 설치되어 볼과 함께 유체를 개폐시키는 한쌍의 밸브시트(3)와, 상기 밸브시트 상에서 90도 회동자재 하면서 유로를 개폐시키는 볼(4) 및 상기 밸브시트 상에서 볼의 회동을 조작하는 작동부(5)로 구성되어 있다.

비록, 본 실시예에서는 볼 밸브를 바람직한 실시예로 하여 도시하고 설명하고 있으나 다른 실시예로서 듀얼 플레이트(Dual plate)를 구비하는 첵크밸브에도 동일하게 적용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.

상기와 같은 본 고안의 볼 밸브에 있어 본 고안의 특징적인 구성은, 도 4 내지 도 7 에 도시한 바와 같이 상기 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하여서 된 것이다.

DLC(Diamond Like Carbon)란 다이아몬드와 유사한 탄소의 약칭으로서, 고진공에 의한 복합가스의 치환 기술로 금속 및 비철금속의 표면처리에 의하여 소재의 표면강도를 높이고, 상대적으로 낮은 마찰계수를 가지며 내한, 내열적 특성이 높으며 내산성, 내알카리성의 비전도성 표면화 처리의 첨단 기술이다.

상기와 같이 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하므로서, 밸브시트와 볼의 외부면이 기존의 금속혼합물에 의한 코팅층이나 PVD코팅층 보다 본 고안의 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)은 마모율이 20배 이상 감소되는 장점이 있으며, 표면처리 후의 미세 경도가 3,000HV, 마찰계수가 0.02 ~ 0.1 이고, 코팅 두께는 1 ~ 6㎛(이보다 더 두꺼우면 크랙이 발생하는 단점이 있다), 최대 적용온도는 -200℃ ~ +600℃ 이고, 코팅 후 색상은 흑자색이며, 코팅 후 내마모성, 내용착마모성, 내산성, 내염기성, 내부식성 및 내산화성이 매우 우수하여서 관로(6) 내에 이송되는 유체가 솔벤트나 화공약품 등을 이송하는데 적용할 수도 있는 것이다.

뿐만 아니라 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하므로서 볼과 밸브시트의 외부면에 코팅층을 형성한 후 종래와 같이 이들의 외부면을 후 가공하는 후 가공 공정이 불필요하고, 볼과 밸브시트의 내부면에도 코팅이 가능하며, 코팅된 상태에서 볼과 밸브시트의 외부면에 자연상태의 흑자색 고광택을 유지할 수 있는 특징이 있다.

플라즈마라는 말을 물리학 용어로 처음 사용한 사람은 미국의 물리학자 랑뮈어(Langmuir)로서, 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띤 양이온과 전자들의 집단을 플라즈마라 하고, 그 물리적인 성질을 연구하는 것이 플라즈마 물리학이다. 물질 중 가장 낮은 에너지 상태는 고체이다. 이것이 열(에너지)을 받아서 차츰 액체로 되고 그 다음에는 기체로 전이를 일으킨다. 기체에 더 큰 에너지를 받으면 상전이 와는 다른 이온화된 입자들, 즉 양과 음의 총 전하 수는 거의 같아서 전체적으로는 전기적인 중성을 띄는 플라즈마 상태로 변환한다.

플라즈마라는 용어가 일반인들에게는 생소하게 들릴지는 모르지만 각 가정에서 조명등으로 사용하고 있는 형광등이나, 길거리에서 흔히 볼 수 있는 네온사인, 한 여름에 소나기가 쏟아지면서 자주 발생하는 번갯불과 같은 것들이 플라즈마 상태라고 하면 이해하기 쉬울 것이다.

플라즈마는 수만도 이상의 고온에서 물질이 이온화된 상태로 고체, 액체, 기체를 뒤이은 제4의 물질상태로 불린다. 이와 같이 고온에서는 충돌에 의하여 원자나 분자로부터 음전기를 뛴 전자로 분리되며, 전자와 양전기를 뛴 이온이 혼돈상태로 섞여 있는 것을 플라즈마라고 하고, 수만도 이상의 온도와 밀도를 갖는 저온 글로우 방전 플라즈마와 수천만도 이상의 온도와 밀도를 갖는 초고온 핵융합 플라즈마로 크게 구별할 수 있다.

이중 공업적으로 이용이 활발한 플라즈마는 저온 글로우 방전 플라즈마로서 반도체 공정에서 플라즈마 식각 및 증착, 신물질의 합성 등에서 이용되고 있으며, 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다.

상기 본 고안에서와 같이 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하므로서, 볼과 밸브시트의 외부면에 내마모성, 내부식성, 내염기성, 내산성 및 내산화성 등의 성질을 크게 개선할 수가 있다. 플라즈마를 이용한 화학증착 방법을 사용할 경우 부착력이 좋고, 증착 온도가 낮아질 수 있어서, 종래의 방법에서와 같이 볼과 밸브시트의 코팅 시 고온 가열이 필요하여 이에 수반되는 모재의 변형, 변성을 줄일 수 있는 등의 장점이 있다. 이와 관련하여 도 9 에 그림으로 자세히 도시하였다.

상기 본 고안에 있어 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하는 방법은, 도 7 에도시한 바와 같이 고온의 플라즈마코팅 챔버(8) 속에 설치된 지그(9) 상에 볼(4)이나 밸브시트(3)를 고정시킨 후, 플라즈마코팅 챔버(8) 속에 전자파로 플라즈마를 발생하여 2 ~ 4시간 동안 코팅하므로서 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하게 되는 것이다.

상기 플라즈마코팅 챔버(8) 속에 전자파로 플라즈마를 발생하는 가장 중요한 작업은 효율적으로 필요한 양의 전자파를 플라즈마코팅 챔버 속에 집어넣는 작업이다. 플라즈마코팅 챔버의 모양과 크기를 잘 조정하면 공명에 의하여 많은 양의 전자파를 작은 부피에 넣을 수 있다.

플라즈마코팅 챔버 속에 플라즈마를 발생하는 데 드는 전자파의 출력 P는 플라즈마코팅 챔버 속의 기체입자의 밀도 n의 자승에 비례하는 것이다. 다시 말하면, P ∝ n2 라는 수식으로 표시할 수 있다.

또한, PVD 등 다른 코팅 방법에 비해 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 쉽게 코팅할 수 있을 뿐만 아니라, 경비절감과 수명연장 효과도 동시에 얻는데 매우 중요한 기여를 하고 있다.

이상과 같이 본 고안에 따른 볼 밸브를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 고안은 이에 한정되지 않으며, 본 고안의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

이상과 같은 본 고안의 볼 밸브는, 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하므로서, 볼 밸브에 있어 볼(4)과 밸브시트(3)의 내열성 및 내마모성이 뛰어나고, 밸브시트 상에서 볼의 잦은 여닫음에도 불구하고 유체에 함유된 이물질(미크론단위의 입자)에 의해 볼과 밸브시트의 손상 및 마모현상을 극소화하며, 볼과 밸브시트의 마찰계수를 줄여 작동부의 회전토크가 줄어들어서 엑츄에이터의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 상기 볼과 밸브시트의 수밀작용을 극대화하면서 내용착마모성, 내산성, 내염기성, 내부식성 및 내산화성이 매우 우수하여 밸브 수명을 오래 유지할 수 있도록 하는 등의 장점이 있다.

그리고 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하므로서 볼과 밸브시트의 외부면에 코팅층을 형성한 후, 이들의 외부면을 후 가공하는 후 가공 공정이 불필요하며, 볼과 밸브시트의 내부면에도 코팅이 가능하고, 코팅된 상태에서 볼과 밸브시트의 외부면에 자연상태의 흑자색의 고광택을 유지할 수 있는 등의 제반 특, 장점이 있다.

Claims (3)

1. 관로(6)상에 설치되고 밸브에 작용하는 내부 압력에 대한 충분한 강도를 지니고 있는 몸통(2); 상기 몸통의 내부에 설치되어 볼과 함께 유체를 개폐시키는 한쌍의 밸브시트(3); 상기 밸브시트 상에서 90도 회동자재 하면서 유로를 개폐시키는 볼(4) 및 상기 밸브시트 상에서 볼의 회동을 조작하는 작동부(5)로 구성하여서 된 볼 밸브에 있어서,

   상기 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하여서 된 것이 특징인 볼 밸브.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)의 외부면에 화학증착 방식에 의한 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하되, 상기 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)의 코팅 두께가 1 ~ 6㎛ 이내가 되도록 한 것이 특징인 볼 밸브.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 볼 밸브를 구성하는 밸브시트(3)와 볼(4)을 고온의 플라즈마코팅 챔버(8) 속에 설치된 지그(9) 상에 고정시킨 후, 플라즈마코팅 챔버(8) 속에 전자파로 플라즈마를 발생하여 2 ~ 4시간 동안 코팅하여서 밸브시트와 볼의 외부면에 소정 두께의 플라즈마-CVD(DLC) 코팅층(7)을 형성하여서 된 것이 특징인 볼 밸브.