KR200413339Y1 - 스마트밸브시스템 및 이를 이용한 수충격 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 고안은 스마트밸브시스템에 관한 것으로, 본 고안에 의한 스마트밸브시스템은 저수지 또는 댐과 연결된 토출관 상에 설치되며 개폐판의 회동에 의해 개폐되는 개폐밸브; 상기 개폐밸브의 전단에 구비되는 압력센서; 상기 개폐밸브를 유압에 의해 개폐시키는 개폐수단; 상기 개폐수단을 구동시키는 유압실린더 및 피스톤로드와, 유압펌프에 의해 상기 유압실린더에 유압을 공급하는 파워팩과, 상기 파워팩과 연결되며 상기 압력센서에 의해 저수지 방향에서 상기 개폐판에 작용하는 압력이 설정압력값 이상이 되면 개방되어 유압실린더의 피스톤로드를 구동시킴으로써 상기 개폐판을 개방시키는 솔레노이드 밸브가 구비된 제어부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 고안의 스마트밸브시스템은 삼중편심 버터플라이 밸브를 이용하여 밸브 개도, 관로의 조건과 상관없이 수충격 현상을 용이하게 제어할 수 있고, 고가의 수충격 완화 장비를 대체하여 매우 경제적인 장점이 있다.

수충격, 삼중편심 버터플라이 밸브, 스카치요크 구동방식

Description

스마트밸브시스템 및 이를 이용한 수충격 제어방법{Smart Valve System and Control Method for Water Hammering using it}

도 1은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템이 설치된 상태를 나타낸 도면.

도 2는 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 나타낸 측면도.

도 3은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 나타낸 정면도.

도 4는 본 고안에 의한 스마트 밸브시스템의 제어회로도.

도 5와 도 6은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템의 작동상태를 나타낸 작동도.

도 7은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 이용한 압력제어를 도시한 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1: 토출관 10: 개폐밸브

11: 개폐판 12: 시이트

20: 압력센서 30: 개폐수단

31: 회전축 32a: 장공

32: 회전판 33: 슬라이드너트

34: 유압실린더 35: 피스톤로드

36: 파워팩 37: 솔레노이드밸브

38: 유압펌프 39: 축압기

40: 게이트밸브 41: 스로틀밸브

42: 릴리프 밸브 43: 파이롯트 체크밸브

50: 제어부

본 고안은 스마트밸브시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관로에서 발생되는 수충격을 제어하기 위한 스마트밸브시스템에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 수충격(Water Hammer) 현상은 관로에서 밸브 개폐시 또는 펌프가 기동하거나 정지하는 등의 경우에 유체의 흐름에 변화가 생기면, 압력이 파동하며 유속도 급변하게 되는 현상이다.

특히 저수지 또는 댐의 토출측에 설치된 펌프의 경우에는 정전이 되면 펌프의 관성모멘트가 시간에 따라 감소하여 일정 시간 경과 후에는 토출관로 내 물이 역류하면서 펌프 토출측에 설치된 역지밸브를 급폐쇄시켜 "slamming 현상" 및 급속한 유속 변화로 "수충격(waterhammer)현상"을 발생시켜 높은 압력이 형성되어 밸브 또는 관로가 파괴되는 사고가 발생한다.

이러한 수충격현상으로 인한 관로의 압력상승으로 펌프, 밸브, 플랜지, 지지 물, 관로 등 설비가 파손을 일으키거나, 부압에 의해 관로가 압괴될 수 있으며, 수주분리가 생겨 재결합시에 발생하는 격심한 충격파에 의해 관로가 파손된다. 또한, 진동 및 소음이 발생하게 되며, 비정상적인 압력변동 때문에 자동제어계 등 압력 컨트롤을 하는 기기들이 난조(예를 들어, 펌프의 잦은 온오프작동 등)를 일으키게 된다.

이러한 관로 내 압력이 과도하게 저하되거나 상승되는 수충격현상을 방지하기 위해 에어챔버, 서지탱크, 또는 압력완화밸브와 같은 수충격 완화설비들을 사용하여야 한다.

이러한 수충격 완화설비는 고가의 장비이므로 설비비용의 증가를 가져오는 문제점이 있으며, 장치가 복잡하고 운영비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

압력을 제한하여 제어하는 방법을 사용하는 경우 관로 및 유동 조건 등에 따라 밸브 폐쇄 시간 및 개도를 달리 적용하여야 하고, 밸브 조정 시간 간격이 최소 1/100초 단위로서 상당히 정밀해야 정확하게 선형제어를 할 수 있게 되는데, 현장에서 밸브를 사용하는 조건은 정확하게 사전 프로그래밍 된 것과 정확하게 동작하지 않는 경우가 예상되고 밸브 개도가 약간의 오차가 발생하여도 밸브에서의 상승수두를 선형적으로 제어할 수 없는 단점이 있었다.

따라서, 본 고안은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 고안의 목적은 관로에서 발생되는 수충격현상을 제어하기 용이하도록 하는 스마트밸브시스템을 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 별도의 수충격 완화장비가 필요없이 수충격으로부터 기기를 보호할 수 있도록 하는 스마트밸브시스템을 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 밸브 개도에 따른 오차가 발생하지 않도록 하여 밸브에서의 상승수두를 선형적으로 제어할 수 있도록 하는 스마트밸브시스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 스마트밸브시스템은 저수지 또는 댐과 연결된 토출관 상에 설치되며 개폐판의 회동에 의해 개폐되는 개폐밸브; 상기 개폐밸브의 전단에 구비되는 압력센서; 상기 개폐밸브를 유압에 의해 개폐시키는 개폐수단; 상기 개폐수단을 구동시키는 유압실린더 및 피스톤로드와, 유압펌프에 의해 상기 유압실린더에 유압을 공급하는 파워팩과, 상기 파워팩과 연결되며 상기 압력센서에 의해 저수지 방향에서 상기 개폐판에 작용하는 압력이 설정압력값 이상이 되면 개방되어 유압실린더의 피스톤로드를 구동시킴으로써 상기 개폐판을 개방시키는 솔레노이드 밸브가 구비된 제어부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안의 상기 제어부는 상기 파워팩에 의해 발생된 압력을 저장하며 정전시에 상기 유압실린더를 구동시키도록 하는 축압기가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 고안의 상기 유압실린더 및 피스톤로드는 상부와 하부에 각각 구비되며, 상기 개폐수단은, 개폐밸브의 개폐판과 연동되도록 결합되는 회전축과, 상기 회전축의 일측 단부에 결합되어 연동되며 양측 소정부위에 장공이 각각 형성된 회전판과, 각각의 상기 유압실린더의 피스톤로드 단부를 각각의 상기 장공에 회전축을 중심으로 대칭되게 결합되도록 하며 피스톤로드의 섭동에 의해 상기 장공을 따라 슬라이드 이동되면서 상기 회전판을 회전시키는 슬라이드너트가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

본 고안의 수충격 제어방법은 a) 저수지와 연결된 토출관으로부터 토출되는 토출압력을 압력센서에 의해 감지하는 단계; b) 감지된 토출압력이 설정압력값 이상이 되면 유압펌프에 의해 발생된 유압을 공급하는 파워팩과 연결된 솔레노이드 밸브가 개방되는 단계; c) 개방된 솔레노이드 밸브로부터 전달된 유압에 의해 유압실린더의 피스톤로드가 구동되는 단계; d) 피스톤로드의 구동에 의해 개폐수단이 작동되어 개폐밸브가 개방되는 단계; 로 이루어지며, 상기 단계가 반복되도록 하여 설정압력값 이상의 토출압력에 의해 개폐판에 작용되는 수충격을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안은 b), c)단계에서, 정전시에 상기 유압펌프의 작동이 정지되면 상기 파워팩에 의해 발생된 압력을 저장하는 축압기에 의해 상기 유압실린더의 피스톤로드가 구동되는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 부정류 거동에서 압력파의 주기에 따라 개폐밸브에서 수두가 상 승, 하강하는 현상을 이용하여 밸브 토출측 직하류부에 압력센서를 설치하여 개폐밸브 폐쇄시 상승하는 수두를 감지하여 사용자가 원하는 크기만큼의 수두 LEFT ( H_a = TRIANGLE H RIGHT ) 를 상승시키도록 한 후 폐쇄동작을 정지시키면 다음 압력파 주기에서 밸브에서 압력이 저하되어 저수지 수위인 정상수두 LEFT ( H_W RIGHT ) 로 회복하면 다시 개폐밸브를 폐쇄하도록 하여 수충격을 제어하도록 하는 스마트 밸브시스템에 관한 것이다.

상기와 같은 방법으로 밸브 폐쇄 동작을 제어하기 위하여 사용자는 H_a 만 입력하면 된다. 이때 H_a 의 크기가 크면 밸브 폐쇄시간이 상대적으로 짧아지게 되고 반대로 H_a 의 크기가 작으면 밸브 폐쇄시간이 상대적으로 길어지게 된다.

H_max = H_W + H_a

이하, 첨부된 도면을 참조로 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템이 설치된 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 나타낸 측면도이며, 도 3은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 나타낸 정면도이며, 도 4는 본 고안에 의한 스마트 밸브시스템의 제어회로도이고, 도 5와 도 6은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템의 작동상태를 나타낸 작동도이며, 도 7은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 이용한 압력제어를 도시한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 본 고안에 의한 스마트밸브시스템은 저수지 또는 댐과 연결된 토출관(1) 상에 설치되는 개폐밸브(10); 상기 개폐밸브(10)의 전단에 구비되 는 압력센서(20); 상기 개폐밸브(10)를 유압에 의해 개폐시키는 개폐수단(30); 상기 개폐수단(30)을 설정압력값에 따라 개방시키는 제어부(50); 로 구성된다.

상기 개폐밸브(10)는 저수지 또는 댐과 연결된 토출관(1) 상에 설치되며 개폐판(11)의 회동에 의해 개폐되게 된다. 상기 개폐밸브(10)는 본인이 출원한 실용신안등록공보 제20-0242558호(고안의 명칭: 버터플라이 밸브)에 개시된 버터플라이 밸브의 구조와 유사한 구조로 되어 있다. 개폐판(11)은 경사진 시이트(12)와 면접촉할 수 있도록 되어 실링효과가 우수하며, 개폐판의 개폐작용이 용이하도록 회전축이 편심되어 있다.

상기 압력센서(20)는 상기 개폐밸브(10)의 전단에 구비되어 압력을 체크하게 되며, 체크된 압력이 설정된 압력이상이 되면 개폐판(11)을 개방시키도록 하며 체크된 압력이 설정된 압력이하가 되면 개폐판(11)을 폐쇄시키도록 상기 제어부(50)에 신호를 보내게 된다.

상기 개폐수단(30)은 상기 개폐밸브(10)를 유압에 의해 개폐시키는 역할을 하며, 회전축(31)과 장공(32a)이 구비된 회전판(32) 및 상기 회전판(32)을 회전시키는 슬라이드너트(33)로 구성된다.

상기 회전축(31)은 개폐밸브(10)의 개폐판(11)과 연동되도록 개폐판(11)과 결합된다.

상기 회전판(32)은 상기 회전축(31)의 일측 단부에 결합되어 상기 회전축(31)과 연동되며 양측 소정부위에 장공(32a)이 대칭되게 각각 형성되어 있다.

상기 슬라이드너트(33)는 각각의 상기 장공(32a)에 회전축(31)을 중심으로 대칭되게 결합되게 된다. 이때, 상기 슬라이드너트(33)는 상기 회전판(32)의 장공(32a)에 각각 결합되며, 유압실린더(34)의 피스톤로드(35) 단부가 결합되어 피스톤로드(35)의 섭동에 의해 상기 장공(32a)을 따라 슬라이드 이동되면서 상기 회전판(32)을 회전시키도록 하는 역할을 한다. 유압실린더(34)의 피스톤로드에 연결된 슬라이드 너트(33)는 스카치 요크 방식을 적용하며, 개폐밸브의 완전 폐쇄 시 최대 토크값을 가지게 된다.

상기 제어부(50)는 상기 개폐밸브(10)의 개폐작용을 제어하는 역할을 하며, 유압실린더(34), 피스톤로드(35), 파워팩(36) 및 솔레노이드밸브(37)를 포함하여 구성된다. 상기 제어부(50)는 압력센서(20)에서 감지된 압력이 사용자가 입력한 설정압력이상이 되면, 즉 설정된 수두 이상이 되면 개폐밸브(10)를 폐쇄하고, 설정압력이하가 되면, 즉 설정된 수두 이하로 내려가면 개폐밸브(10)를 개방시키게 된다. 즉, 제어부(50)는 개폐밸브(10)의 개폐를 제어하여 개폐판(11)으로 통과하는 유량 및 개폐판(11)에 작용하는 압력을 제어하게 된다.

상기 유압실린더(34) 및 피스톤로드(35)는 압력센서의 감지신호에 의해 상기 개폐수단(30)을 구동시키는 역할을 한다.

상기 피스톤로드(35)는 단부가 상기 개폐수단(30)의 회전판(32)에 형성된 장공(32a)에 결합되는 슬라이드너트(33)와 체결되어 상기 슬라이드너트(33)를 상기 장공(32a)을 따라 이동되도록 하면서 상기 회전판(32)을 회전시키는 역할을 한다. 이에 따라 상기 회전판(32)이 회전하게 되면 상기 회전판(32)과 연동되는 회전축(31)이 회전을 하게 되고 상기 회전축(31)과 연동되는 개폐판(11)이 회전하게 되어 개폐판(11)의 개폐작용을 하게 되는 것이다. 도 5는 개폐판(11)이 폐쇄된 상태를 나타내며, 도 6은 개폐판이 개방된 상태를 나타낸다.

상기 파워팩(36)은 유압펌프(38)에 의해 상기 유압실린더(34)에 유압을 공급하는 역할을 한다.

상기 솔레노이드밸브(37)는 상기 파워팩(36)과 연결되며 상기 압력센서(20)에 의해 저수지 방향에서 상기 개폐판(11)에 작용하는 압력이 설정압력값 이상이 되면 개방되어 유압실린더(34)의 피스톤로드(35)를 구동시킴으로써 상기 개폐판(11)이 개도각을 갖도록 개방시키는 역할을 한다. 솔레노이드밸브(37)가 개방되면 상기 유압실린더(34)의 피스톤로드(35)가 인출되는 방향으로 유압이 전달되며, 솔레노이드밸브(37)가 폐쇄되면 상기 유압실린더(34)의 피스톤로드(35)가 후퇴되는 방향으로 유압이 전달되게 된다.

상기 제어부(50)는 상기 파워팩(36)에 의해 발생된 압력을 저장하며 정전시에 상기 유압실린더(34)를 구동시키도록 하는 축압기(39)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이에 따라 정전시에 축압기(39)에 의해 유압실린더(34)를 구동하도록 함으로써 수충격현상에 의한 기기의 손상을 방지할 수 있게 된다. 미설명부호 40은 게이트밸브이고, 41은 스로틀밸브이며, 42는 릴리프밸브이며, 43는 파이롯트 체크밸브이다.

도 7은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 이용한 수충격 제어를 도시한 그래프이다.

점선은 종래의 개폐밸브 폐쇄시 개폐판에 작용하는 압력을 나타낸 것으로 개 폐밸브의 폐쇄시 저수지에서 유출되는 물에 의해 개폐판에 부딪혀 압력이 상승되고 다시 반동에 의해 압력이 저하되며 이를 반복적으로 되면 압력이 저하되어 결국 소모되는 것을 나타낸다.

실선은 본 고안에 의한 스마트밸브시스템을 이용하여 수충격을 제어하는 것을 도시한 것이다. 설정압력의 범위를 정하고 개폐밸브(10)를 폐쇄시킬 경우 압력이 상승하게 되면 개폐밸브(10)를 개방시켜 개폐판(11)에 작용하는 압력을 줄이고 압력이 하강하게 되면 개폐밸브(10)를 폐쇄시켜 개폐판(11)에 작용하는 압력을 줄이는 방식으로 개폐판(11)에 균등한 압력이 작용되도록 함으로써 수충격으로 인한 압력폭과 수충격시간을 줄일 수 있게 된다.

상기와 같은 구성으로 된 스마트밸브시스템을 이용하여 다음과 같은 방법으로 수충격을 제어하게 된다.

저수지 또는 댐과 연결된 토출관(1)으로부터 토출되는 토출압력을 압력센서(20)에 의해 감지한다. 감지된 토출압력이 설정압력값 이상이 되면 유압펌프(38)에 의해 발생된 유압을 공급하는 파워팩(36)과 연결된 솔레노이드밸브(37)가 개방되게 된다. 개방된 솔레노이드밸브(37)로부터 전달된 유압에 의해 유압실린더(34)의 피스톤로드(35)가 구동되게 된다. 상기 피스톤로드(35)가 구동하게 되면 상기 피스톤로드(35)의 단부가 상기 개폐수단(30)의 회전판(32)에 형성된 장공(32a)에 결합되는 슬라이드너트(33)가 상기 장공(32a)을 따라 이동되어 상기 회전판(32)을 회전시키게 되며, 상기 회전판(32)이 회전하게 되면 상기 회전판(32)과 연동되는 회전축 (31)이 회전하게 되고 상기 회전축(31)과 연동되는 개폐판(11)이 회전하게 되어 개폐판(11)이 개방되게 되어 개폐밸브가 개방되게 된다. 전술한 과정이 반복되도록 하여 설정압력값 이상의 토출압력에 의해 개폐판에 작용되는 수충격을 제어하게 되는 것이다. 이때, 정전시에는 상기 유압펌프(38)의 작동이 정지되면 개폐밸브(10)의 개폐가 이루어지지 않게 되므로 상기 파워팩(36)에 의해 발생된 압력을 저장하는 축압기(39)에 의해 상기 유압실린더(34)의 피스톤로드(35)가 구동되어 개폐밸브(10)를 개방시키게 된다.

본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

위에서 상술한 바와 같이 본 고안에 따른 스마트밸브시스템은 삼중편심 버터플라이 밸브를 이용하여 밸브 개도, 관로의 조건과 상관없이 수충격 현상을 용이하게 제어할 수 있고, 고가의 수충격 완화 장비를 대체하여 매우 경제적인 장점이 있다.

Claims (3)

1. 저수지 또는 댐과 연결된 토출관 상에 설치되며 개폐판의 회동에 의해 개폐되는 개폐밸브;

   상기 개폐밸브의 전단에 구비되는 압력센서;

   상기 개폐밸브를 유압에 의해 개폐시키는 개폐수단;

   상기 개폐수단을 구동시키는 유압실린더 및 피스톤로드와,

   유압펌프에 의해 상기 유압실린더에 유압을 공급하는 파워팩과,

   상기 파워팩과 연결되며 상기 압력센서에 의해 저수지 방향에서 상기 개폐판에 작용하는 압력이 설정압력값 이상이 되면 개방되어 유압실린더의 피스톤로드를 구동시킴으로써 상기 개폐판을 개방시키는 솔레노이드 밸브가 구비된 제어부;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트밸브시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 파워팩에 의해 발생된 압력을 저장하며 정전시에 상기 유압실린더를 구동시키도록 하는 축압기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 스마트밸브시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 유압실린더 및 피스톤로드는 상부와 하부에 각각 구비되며,

   상기 개폐수단은,

   개폐밸브의 개폐판과 연동되도록 결합되는 회전축과,

   상기 회전축의 일측 단부에 결합되어 연동되며 양측 소정부위에 장공이 각각 형성된 회전판과,

   각각의 상기 유압실린더의 피스톤로드 단부를 각각의 상기 장공에 회전축을 중심으로 대칭되게 결합되도록 하며 피스톤로드의 섭동에 의해 상기 장공을 따라 슬라이드 이동되면서 상기 회전판을 회전시키는 슬라이드너트가 더 구비된 것을 특징으로 하는 스마트밸브시스템.

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