하지만, 상기 합성수지로 형성된 밸브용 기어구동장치의 케이싱에서는, 도장면의 박리 및 도장면이 박리한 부분의 부식문제는 해결할 수 있지만, 상온(常溫)고압 라인에서의 사용에 있어서, 금속제에 비하여 재료의 강도가 떨어지기 때문에 사용가능한 압력범위가 제한되어 있으며, 또한 고온 상압(常壓) 라인에서의 사용에 있어서, 경질염화비닐 등으로는 고온에서의 수지물성의 저하가 현저하며, 물성이 현저히 떨어진 케이싱에서는 밸브 개폐시에 케이싱에 따른 응력에 대항할 수 없어 파손될 우려가 있었다.
또한, 상기 합성수지로 형성된 버터플라이 밸브의 밸브상자에 있어서는, 라이닝의 박리 및 라이닝이 박리한 부분의 부식문제는 해결할 수 있지만, 상온고압 라인에서의 사용에서는 금속제에 비하여 재료의 강도가 떨어지기 때문에 사용가능 압력이 제한되어 있으며, 또한 고온상압 라인에서의 사용에 있어서는, 경질염화비닐로는 사용가능한 온도가 60℃ 정도로 제한되어, 60℃를 넘는 배관라인에서는 밸브상자가 파손되거나 누설사고가 발생할 우려가 있기 때문에, 사용할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 이상과 같은 종래기술의 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 고강도이며, 고온 분위기 안에서 사용가능한 동시에, 내약품성, 내식성이 뛰어난 경량의 밸브용 수지제 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구성은 상온에서의 인장강도가 80MPa~400MPa인 성형재료를 성형하여 이루어지는 것을 제 1 특징으로 하고, 120℃에서의 인장강도가 75MPa~350MPa인 성형재료를 성형하여 이루어지는 것을 제 2 특징으로 하며, -20℃부터 120℃에서의 노치 아이조드(notched Izod) 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2인 성형재료를 성형하여 이루어지는 것을 제 3 특징으로 하고, 밸브용 수지제 부재가 밸브구동부의 케이스인 것을 제 4 특징으로 하며, 밸브용 수지제 부재가 버터플라이 밸브의 밸브본체인 것을 제 5 특징으로 한다.
본 발명의 밸브용 수지제 부재에 사용되는 수지조성물의 성분인 수지는, 얻어지는 수지제 부재의 물성이 상기 물성값을 만족하는 것이면, 열가소성 수지, 열 또는 방사선 경화성 수지 등 어떠한 것이어도 되지만, 예를 들어 에폭시 아크릴레이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 엔지니어링 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지 등을 들 수 있으며, 특히 에폭시 아크릴레이트 수지와 폴리이소시아네이트 화합물의 조합이 바람직하다. 이들 중, 경화성 수지에 대해서는 경화제를 더할 수 있다. 더욱이, 상기 필요한 물성을 얻기 위하여 섬유강화제를 더하는 것도 바람직하다. 또한, 충전제 등 각종 첨가제를 더할 수도 있다.
본 발명의 밸브용 수지제 부재에 사용되는 수지조성물의 구성성분인 수지, 섬유강화재, 그 밖의 첨가제의 배합비율은, 아래 실시예의 배합비율을 참조하여 본 발명에 따른 밸브용 수지제 부재의 물성이 상기 물성값을 만족하도록 적절히 선택할 수 있다.
아래의 설명에서는 특정 에폭시 아크릴레이트 수지(A), 특정 폴리이소시아네이트 화합물(B), 경화제(C) 및 내부이형제(D)를 수지조성물로 하고, 또한 그것에 섬유강화재(E)를 더한 성형재료를 성형하는 밸브용 수지제 부재에 대하여 상세히 설명하는데, 상기와 같은 열가소성 수지(X)를 사용하는 경우, 그 수지(X) 자체와 내부이형제(D)가 수지조성물을 구성하게 된다. 또한, 섬유강화재, 충전제, 그 밖의 첨가제에 대해서도 마찬가지로 첨가가능하다.
또한, 수산기가 60~100의 에폭시 아크릴레이트 수지(A), 에폭시 아크릴레이트 수지(A)의 수산기 1개에 대하여 이소시아네이트기의 수가 0.1~1.5개가 되는 폴리이소시아네이트 화합물(B), 경화제(C), 및 내부이형제(D)를 포함하는 수지조성물에, 섬유강화재(E)를 20~70질량% 배합한 성형재료를 성형하여 이루어지는 것을 제 6 특징으로 하고, 더욱이 비늘조각형상의 충전재(F)를 에폭시 아크릴레이트 수지(A) 100 질량부에 대하여 5~50질량부 배합한 성형재료를 성형하여 이루어지는 것을 제 7 특징으로 하며, 성형재료를 시트형상 또는 벌크(bulk)형상으로 한 성형재료를 성형하여 이루어지는 것을 제 8 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 성형재료의 상온에서의 인장강도는 80MPa~400MPa의 범위에 있는 것이 바람직하고, 120MPa~300MPa 범위인 것이 보다 바람직하다. 배관라인의 사용에 있어서 충분한 강도를 얻기 위해서는, 인장강도가 80MPa 이상일 필요가 있다. 인장강도를 늘리면 노치 아이조드 충격강도(이하, '충격강도'라고 함)가 급격히 떨어져 쉽게 파손되는 경향이 있기 때문에, 충격강도를 유지하고, 인장강도를 유지하기 위해서는 400MPa 이하인 것이 바람직하다.
120℃에서의 인장강도는 75MPa~350MPa의 범위에 있는 것이 바람직하고, 90MPa~300MPa의 범위인 것이 보다 바람직하다. 고온 라인의 사용환경에서 충분한 강도를 얻기 위해서는 인장강도가 75MPa 이상일 필요가 있다. 고온에서는 상온에서와 비교하여 충격강도는 높아지지만, 인장강도를 늘리면 충격강도가 급격히 떨어져 파손되기 쉬운 경향이 있기 때문에, 충격강도를 유지하고, 또한 인장강도를 유지하기 위해서는 350MPa 이하인 것이 바람직하다.
또한, -20℃부터 120℃에서의 성형재료의 충격강도는 15KJ/m2~100KJ/m2의 범위인 것이 바람직하고, 30KJ/m2~65KJ/m2의 범위인 것이 보다 바람직하다. -20℃부터 120℃에서 밸브용 수지제 부재에 큰 충격이 가해져도 파손되지 않도록, 충격강도는 15KJ/m2 이상일 필요가 있다. 충격강도를 늘리면 인장강도가 급격히 떨어져 밸브용 부재로서 강성이 떨어지는 경향이 있기 때문에, 인장강도를 유지하고, 충격강도를 유지하기 위해서는 100KJ/m2 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 에폭시 아크릴레이트 수지(A)는 일반적으로 에폭시 수지와 불포화 일염기산의 반응으로부터 얻어진 에폭시 아크릴레이트에 중합성 비닐 단량체를 반응성 희석제로서 사용하는 것으로, 에폭시 수지성분으로서는 적어도 1분자중에 2개의 에폭시기를 가지는 화합물을 나타내고, 예를 들어 비스페놀 A, 비스페놀 F, 브롬화 비스페놀 A로 대표되는 비스페놀 화합물을 주골격으로 한 디글리시딜에테르형 에폭시 수지 등, 또한 페놀이나 크레졸 노볼락, 브롬화 페놀 노볼락으로 대표되는 다핵 페놀 화합물을 주골격으로 한 폴리글리시딜 에테르형 에폭시 수지 등, 또한 다이머산, 트리멜리트산으로 대표되는 유기다염기산을 주골격으로 하는 폴리글리시딜에스테르형 에폭시 수지 등, 또한 비스페놀 A 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드 부가 글리콜 및 물첨가 비스페놀 A 화합물을 주골격으로 한 글리시딜에테르형 에폭시 수지 등을 들 수 있으며, 단독 또는 병용으로 사용할 수 있다.
불포화 일염기산 성분으로는 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 소르브산(sorbic acid) 등을 들 수 있으며, 단독 또는 병용으로 사용할 수 있다.
또한, 에폭시 아크릴레이트 수지(A)에는 상기 에폭시 수지성분과 불포화 일염기산 성분을 반응시킨 후, 다염기산 무수물을 더욱 반응시켜, 분자중에 산을 펜던트로서 가지는 에폭시 아크릴레이트도 포함한다. 다염기산 무수물로서는 무수 말레산, 무수 프탈산, 무수 이타곤산(itaconic acid), 무수 시트라콘산(citraconic acid), 테트라히드로 무수프탈산, 테트라브로모 무수프탈산, 무수트리멜리트산, 3,6-엔드메틸렌 1,2,3,6-테트라히드로시스 무수프탈산 등을 들 수 있다.
또한, 물성 향상이나 점착성 개선 등을 목적으로 하여 폴리이소시아네이트 화합물(B)을 배합한다.
폴리이소시아네이트 화합물(B)로서는 2,4-톨루엔디이소시아네이트, 2,6-톨루엔디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트 등의 디이소시아네이트 혹은 다관능의 폴리이소시아네이트, 혹은 수산기를 가진 폴리에테르폴리올 또는 폴리에스테르폴리올과 디이소시아네이트 화합물과의 반응에 의해 얻어지는 말단에 이소시아네이트기를 가지는 이소시아네이트 프리폴리머 등을 들 수 있다.
폴리이소시아네이트 화합물(B)은 에폭시 아크릴레이트 수지(A)의 수산기 1개에 대하여 폴리이소시아네이트 화합물(B)의 이소시아네이트기의 수가 0.1~1.5개, 바람직하게는 0.5~1.2개의 범위이다.
기계적 물성을 향상시키고, 점착성이 남지않는 성형재료로 하기 위하여, 폴리이소시아네이트 화합물(B)의 이소시아네이트기의 수를 0.1개 이상으로 할 필요가 있다. 여분의 이소시아네이트기가 수분과 반응하여 발포하는 것을 방지하고, 성형후에 발포가 성형물 내부에 남지않게 하기 위하여, 폴리이소시아네이트 화합물(B)의 이소시아네이트기의 수를 1.5개 이하로 할 필요가 있다.
중합성 비닐 단량체는 작업성의 향상이나 내수성 등의 향상을 위하여 사용한다.
중합성 비닐 단량체로서는 일반적으로는 스틸렌이 사용되는데, 비닐톨루엔, α-메틸스틸렌, 클로로스틸렌, 디클로로스틸렌, 비닐나프탈렌, 에틸비닐에테르, 메틸비닐케톤, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 등의 비닐화합물 및 디아릴프탈레이트, 디아릴프말레이트, 디아릴석시네이트, 트리아릴시아누레이트 등의 아릴화합물 등 가교가능한 비닐모노머 혹은 비닐올리고머 등을 들 수 있으며, 단독 또는 병용으로 사용할 수 있다.
또한, 성형재료의 성형성 향상을 목적으로, 경화제(C)나 내부이형제(D)를 배합한다. 경화제(C)의 배합비율은 수지성분 100중량부에 대하여 0.5~2.0 중량부, 바람직하게는 0.8~1.2중량부이다. 내부이형제(D)의 배합비율은 수지성분 100중량부에 대하여 1.0~8.0중량부, 바람직하게는 3.0~5.0중량부이다.
경화제(C)로서는 벤조일퍼옥사이드, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 퍼옥시퍼벤조에이트, 큐멘하이드로퍼옥사이드, tert-부틸퍼벤조에이트, 퍼옥시케탈, 디쿠밀퍼옥사이드 등의 유기과산화물을 들 수 있다.
내부이형제(D)로서는 스테아린산 및 그 금속염 등과 같은 고급지방산이나 고급지방산 에스테르, 알킬인산에스테르, 카르나우바 왁스(carnauba wax) 등의 관용의 내부이형제 등을 들 수 있다.
또한, 성형재료의 강도 향상을 목적으로, 섬유강화재(E)를 배합한다.
섬유강화재(E)로서는 글라스 섬유, 비닐론 섬유, 탄소섬유, 페놀섬유, 아라미드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 탄소섬유와 아라미드 섬유 혹은 탄소섬유와 글라스 섬유를 조합한 하이브리드 등을 들 수 있으며, 단독 혹은 2종 이상의 조합으로 사용된다.
섬유강화재(E)는 (A)~(D)를 배합하여 이루어지는 수지조성물에 대하여 20~70질량% 배합할 필요가 있으며, 바람직하게는 30~60질량%의 배합이다. 섬유강화재(E)의 첨가량이 줄어드는 것에 의해 성형품의 강도에 편차가 발생하지 않도록 하기 위해서도 20질량% 이상일 필요가 있다. 첨가량이 많고 수지성분의 부분적인 감소에 의해 성형품의 강도가 저하되거나, 부분적으로 글라스 성분이 많아짐에 따라 취약 부분이 발생하는 것을 막기 위해서도 70질량% 이하일 필요가 있다.
또한, 섬유강화재(E)의 섬유길이는 3~50mm가 바람직하며, 6~25mm가 보다 바람직하다. 이는 섬유길이가 바람직한 범위보다 짧거나 길면, 성형방법에 따라서는 글라스 섬유의 분산상태에 편차가 발생하여 성형품 강도에 편차가 발생하기 때문에, 바람직한 범위내로 할 필요가 있다. 섬유는 막대형상 이외에도 촙매트(chop mat)나 직물형상으로 하여도 좋다.
또한, 상기 (A)~(E)를 배합하여 이루어지는 성형재료에는, 성형성의 향상이나 성형품의 내약품성 및 내수성의 향상을 목적으로 비늘조각형상 충전재(F)를 배합하여도 좋다. 비늘조각형상 충전재(F)는 에폭시 아크릴레이트 수지(A) 100질량부에 대하여 5~50질량부 배합할 필요가 있으며, 바람직하게는 10~30질량부 배합한다. 성형재료의 성형성을 향상시켜 성형품의 외관을 향상시키기 위하여 5질량부 이상일 필요가 있다. 점도가 너무 올라가 성형하기 어려워지지 않도록 50질량부 이하일 필요가 있다.
비늘조각형상 충전재(F)로서는 운모(mica), 비늘조각형상 흑연 등의 무기물질이나 비늘조각형상으로 성형 또는 경화시킨 수지조각 또는 필름조각 등을 들 수 있으며, 단독 또는 병용으로 사용할 수 있다.
더욱이 상기 (A)~(F)를 배합하여 이루어지는 성형재료에는 필요에 따라 저수축제(G), 다른 충전재(H), 및 증점제(I) 등을 첨가할 수도 있으며, 시트형상 또는 벌크형상으로 하여 사용하여도 좋다.
저수축제(G)로서는 폴리스틸렌, 폴리초산비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 스틸렌-부타디엔 블록코폴리머, 포화 폴리에스테르 등을 들 수 있다.
충전재(H)로서는 일반적으로는 탄산 칼슘이 사용되는데, 수산화 알루미늄, 활석(talc), 점토, 황산바륨, 알루미나, 규사, 실리카 파우더, 글라스 비즈, 글라스 가루, 글라스 벌룬(glass balloon), 화이트마블(white marble) 등을 들 수 있으며, 단독 또는 병용으로 사용된다.
증점제(I)로서는 폴리이소시아네이트 화합물, 금속 알콕시류, 2가 금속산화물, 2가 금속수산화물 등을 들 수 있다.
본 발명의 밸브용 수지제 부재는 상기 성형재료로 성형하는 방법으로서, MMD(메탈 매치 기초)성형, SMC(시트 몰딩 컴파운딩) 및 BMC(벌크 몰딩 컴파운딩) 등의 가열가압 성형 등이 사용된다. 특히, 시트형상 또는 벌크형상으로 한 성형재료를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이상 설명한 바와 같은 구조를 가지고 있어, 이것을 사용함으로써 아래의 뛰어난 효과를 얻을 수 있다.
(1) 밸브용 금속성 부재에서의 낮은 내약품성과 내식성 및, 중량이 무거운 문제, 도장이나 라이닝을 실시한 밸브용 금속성 부재에서의 도장이나 라이닝의 박리 발생 문제, 종래의 밸브용 수지제 부재에서의 낮은 인장강도나 충격강도 등의 물성강도의 문제 등을 보충할 수 있는 밸브용 수지제 부재를 얻을 수 있다.
(2) 고압 라인에 있어서 파손의 우려없이 사용할 수 있어, 수지의 특성에 따라 내약품성의 뛰어난 밸브용 수지제 부재를 얻을 수 있다.
(3) 120℃에서의 재료의 인장강도가 75MPa~350MPa이기 때문에, 고온 라인에서 파손의 우려없이 장기간 사용할 수 있다.
(4) -20℃부터 120℃에서의 재료의 노치 아이조드 충격강도가 15KJ/m2~ 100KJ/m2이기 때문에, 낙하나 워터햄머 등에 의한 급격한 충격이 가해지더라도 파손되지 않고 강도를 유지할 수 있다.
(5) 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용함으로써, 고온이나 저온에서도 높은 물성강도를 잃지 않고, 고압에 대해서도 장시간 사용에 충분히 견딜 수 있다. 또한, 산이나 알칼리에 대한 내약품성이 뛰어나 급격한 환경의 옥외에 노출시킨 상태에서 장기간 사용하여도 문제없는 부식에 강한 밸브용 수지제 부재를 얻을 수 있다.
(6) 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료에 비늘조각형상의 충전재를 첨가함으로써 성형성과 외관을 양호하게 할 수 있어, 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브용 수지제 부재의 내약품성과 내수성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명하는데, 본 발명이 본 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 밸브구동부의 케이스인 케이싱(이하, '케이싱'이라고 함)을 가지는 버터플라이 밸브의 닫힘상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 종단면도이다. 도 3은 도 1의 밸브구동부의 내부구조를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 종단면도이다. 도 5는 열림상태의 밸브구동부의 내부구조를 나타내는 평면도이고, 도 6은 도 5의 종단면도이다. 도 7은 도 1의 밸브구동부의 케이싱에 가해지는 응력분포를 나타내는 평면도이고, 도 8은 도 1의 밸브본체에 가해지는 응력분포를 나타내는 밸브본체의 사시도이다. 도 9는 본 발명에서의 제 2 실시예를 나타내는 밸브구동부의 케이싱을 가지는 버터플라이 밸브의 사시도이고, 도 10은 도 9의 종단면도이며, 도 11은 도 9의 밸브본체에 가해지는 응 력분포를 나타내는 밸브본체의 사시도이다.
이하, 도 1 내지 도 3에 따라 본 발명의 제 1 실시예인 케이싱을 가지는 밸브구동부가 부착된 버터플라이 밸브에 대하여 설명한다.
도면에서 1은 밸브구동부의 케이싱으로, 에폭시 아크릴레이트 수지(A)로서 니혼유피카 가부시키가이샤 제품의 상품명 '네오폴 8051'을 80질량부, 폴리이소시아네이트 화합물(B)로서 다우폴리우레탄니혼 가부시키가이샤 제품 'ISONATE 143L'을 20질량부, 경화제(C)로서 니혼유시 가부시키가이샤 제품 '퍼부틸'을 1.0질량부, 내부이형제(D)로서 사카이카가쿠고교 가부시키가이샤 제품 'SZ-2000'을 4.0질량부를 배합한 수지조성물에, 섬유강화재(E)로서 글라스 섬유를 상기 수지조성물에 대하여 60% 충전하여 조정한 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료에, 비늘조각형상의 충전재(F)로서 '운모(mica)'를 15질량부 첨가한 수지성형재료로 이루어진다. 밸브구동부에는 후술하는 웜 (6)이나 웜휠(worm wheel)(7)이 구동가능한 상태로 내장되어 있고, 케이싱(1)의 일측면에는 후술하는 핸들(4)에 설치되어 있는 샤프트(5)가 관통하기 위한 구멍이 마련되어 있으며, 상부케이싱(1a)과 하부케이싱(1b)으로 2분할되어 있고, 상부케이싱(1a)과 하부케이싱(1b)은 볼트(2), 너트(3)로 접합되어 있다. 케이싱(1a,1b)의 각각의 중심에는 후술하는 웜휠(7)의 축이 관통하기 위한 구멍이 형성되어 있다. 하부케이싱(1b)의 아랫면에는 케이싱(1)과 후술하는 버터플라이 밸브의 밸브본체(8)를 볼트(10)로 탑 플랜지(top flange, 9)를 통하여 나사부착시키기 위한 암나사부(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 한편, 케이싱(1)의 재료는 상온에서의 인장강도가 230MPa, 충격강도가 55KJ/m2인 에폭시 아크릴레이트 수지 성형재료제인데, 상온에서의 인장강도가 80MPa~400MPa인 성형재료이면 좋고, 또한 120℃에서의 인장강도가 75MPa~350MPa인 성형재료인 것이 바람직하며, 더욱이 상온부터 120℃에서의 충격강도가 15KJ/m2~ 100KJ/m2인 성형재료이면 더욱 바람직하다.
또한, 케이싱(1)은 수지제이므로, 금속제 케이싱에 비하여 내약품성이 좋기 때문에, 수지의 특성에 따라 각종 약액라인에서의 사용이 가능하다. 또한, 온도차가 심한 환경에서의 사용에 있어서, 열팽창과 열수축이 반복되어도 도장이 박리되지 않는다. 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 케이싱(1)의 경우, 염산이나 수산화 나트륨 용액 등에 대한 내약품성이 뛰어나고, 또한 내후성이 뛰어나기 때문에 실외에 노출된 상태에서 장기간 사용한 경우라도 열화의 우려가 없다. 더욱이, 금속에 비하여 중량이 가볍고, 경질염화비닐과 동등한 중량이기 때문에, 밸브구동부 안의 샤프트(5), 웜(6), 웜휠(7)이 금속제라고 하여도 밸브구동부 전체의 중량이 금속제 케이싱의 경우의 중량에 대하여 50% 정도가 되어, 케이싱(1)에 필요한 물성을 가진 경량의 밸브구동부를 얻을 수 있다.
4는 케이싱(1)의 일측면에 설치된 핸들이다. 핸들(4)에는 후술하는 샤프트(5)가 설치되어 있다.
5는 한 쪽 끝에 핸들이 설치되며, 다른 쪽 끝에는 후술하는 웜(6)이 일체 성형으로 설치되어 있는 아연 다이캐스팅(die-casting)제의 샤프트이다. 샤프트는 케이싱(1)의 일측면에 설치된 구멍에 관통된 상태에서 회전운동 가능하게 고정되어 있다.
6은 후술하는 웜휠(7)과 맞물려 케이싱(1) 안에 회전가능하게 배치되어 있는 아연 다이캐스팅제 웜이다.
7은 부채모양을 이루는 아연 다이캐스팅제 웜휠이다. 웜휠(7)은 케이싱(1)을 관통한 상태에서 회전운동 가능하게 케이싱(1)에 의해 지지되어 있다. 웜휠(7) 하부에는 후술하는 버터플라이 밸브의 스템(13)에 끼워맞추어지는 스템부쉬(Stem Bush, 15)가 끼워져 있으며, 스템부쉬(15)가 스템(13)과 끼워진 상태에서 케이싱(1)과 후술하는 버터플라이 밸브의 밸브본체(8)가 고정된다.
8은 케이싱(1)과 동일한 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료제의 버터플라이 밸브의 밸브본체이다. 밸브본체(8)의 상부에는 대략 원반형상의 탑 플랜지(9)가 설치되어 있다. 밸브본체(8)의 중앙부에는 대략 원통형상의 유로(11)가 형성되어 있으며, 유로(11)의 내주면에는 후술하는 시트링(16)이 끼워져있다. 또한 아랫쪽 부분에는 후술하는 스템(13)의 하단부가 끼워지는 축받이 오목부(12)가 설치되어 있다. 한편, 밸브본체(8)의 재료는 상온에서의 인장강도가 230MPa, 충격강도가 55KJ/m2인 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료제인데, 상온에서의 인장강도가 80MPa~400MPa인 성형재료이면 좋고, 또한 120℃에서의 인장강도가 75MPa~350MPa인 성형재료인 것이 바람직하며, 더욱이 -20℃부터 120℃에서의 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2인 성형재료이면 더욱 바람직하다.
또한, 밸브본체(8)는 수지제이므로 금속제 밸브본체와 비교하면 내약품성이 좋기 때문에, 수지의 특성에 따라 각종 약액라인에서의 사용이 가능하다. 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브본체(8)의 경우, 염산이나 수산화 나트륨 용액 등에 대한 내약품성이 뛰어나고, 또한 내후성이 뛰어나기 때문에 옥외에 노출된 상태에서 장기간 사용한 경우에도 열화에 대한 우려가 없다. 더욱이, 금속에 대하여 중량이 가볍고 경질염화비닐과 동등한 중량이기 때문에, 후술하는 스템(13)이나 다른 부품이 금속제라고 해도, 버터플라이 밸브 전체의 중량이 일반적인 금속제의 중량의 40% 정도가 되어, 밸브본체(8)에 필요한 물성을 가진 경량의 버터플라이 밸브를 얻을 수 있다.
13은 스템이다. 스템(13)의 상부에는 스템본체의 외경보다 작은 외경을 가지는 축소직경부(14)가 형성되어 있다. 축소직경부(14)의 상단부는 밸브본체(8)의 상부에 설치된 탑 플랜지(9)의 중앙으로부터 돌출하여 배치되며, 돌출한 축소직경부(14)의 상단부에 스템부쉬(15)가 끼워져 있다. 스템(13)은 윗쪽에는 O-링이 끼워지며, 밸브본체(8) 및 후술하는 시트링(16)에 회전운동 가능한 상태로 밀착되어 끼워져있다. 또한, 하단부는 O-링에 의해 회전운동 가능한 상태로 밀봉되어 축받이 오목부(12)에 끼워져 있다.
16은 밸브본체(8)의 유로(11) 내주면에 끼워져 있는 원고리형상의 시트링이다. 시트링(16)은 변형시킴으로써 밸브본체(8) 안에 끼워 조립할 수 있다.
17은 대략 원반형상의 밸브체이다. 밸브체(17)는 밸브본체(8)의 내부 중앙에 배치되어 있으며, 밸브체(17) 중앙을 관통한 스템(13)에 대하여 회전운동 불가능하게 지지되어 있다. 밸브체(17)는 스템(13)의 회전운동에 따라 밸브본체(8) 안에서 회전운동하여, 밸브체(17)의 외주부가 시트링(16)로부터 이간 또는 압접됨으로써 밸브를 개폐한다.
이어서, 제 1 실시예의 밸브구동부와 버터플라이 밸브의 작동에 대하여 도 3 내지 도 6에 따라 설명한다.
버터플라이 밸브가 닫힘상태(밸브구동부는 도 3, 도 4의 상태)에서, 핸들(4)을 열림방향으로 회전운동시키면, 핸들(4)의 중앙으로부터 연장된 샤프트(5)와 일체로 설치된 웜(6)이 회전운동하여, 웜(6)과 맞물리는 웜휠(7)이 회전운동한다. 웜휠(7)의 회전운동에 따라 웜휠(7)의 축에 연결된 밸브체(17)를 축지지하는 스템(13)이 회전운동하고, 밸브체(17)가 회전운동함으로써 밸브체(17)의 외주부가 시트링(16)으로부터 이간되어 유로(11)가 개방되고 밸브가 열림상태로 된다. 버터플라이 밸브가 열림상태(밸브구동부는 도 5, 도 6의 상태)에서, 핸들(4)을 닫힘방향으로 회전운동시키면, 상기와 반대방향의 회전운동력이 전달되어 밸브체(17)가 회전운동하고, 밸브체(17)의 외주부가 시트링(16)에 압접하여, 유로(11)가 차단되어 밸브는 닫힘상태가 된다.
이어서, 제 1 실시예의 밸브의 개폐동작에 따라 케이싱(1)에 가해지는 응력에 대하여 도 3 내지 도 8에 따라 설명한다.
밸브의 개폐작업에 있어서, 도 3의 닫힘상태에 있는 밸브에 대하여 핸들(4)을 열림방향으로 조작하는 경우, 케이싱(1)에는 도 3, 도 4의 화살표로 나타낸 방향으로 인장응력이 발생한다. 또한, 도 5의 열림상태에 있는 밸브에 대하여 핸들(4)을 닫힘방향으로 조작하는 경우에는, 케이싱(1)에 도 5, 도 6의 화살표로 나 타낸 방향으로 인장응력이 발생한다. 또한, 밸브를 중간 개구도로 사용하는 경우에는, 유체압력의 영향에 의해 밸브가 닫히는 방향으로 힘이 가해지기 때문에, 밸브를 열림방향으로 조작하는 경우와 같은 화살표로 나타낸 방향(도 3, 도 4 참조)으로 인장응력이 발생한다. 이 때문에, 밸브를 열림 혹은 닫힘으로 조작하는 경우나 중간 개구도 등으로 사용하는 경우, 도 7에서의 케이싱(1)의 A1, A2 영역에 응력이 집중적으로 발생한다. 도 7의 (A)는 도 1의 밸브구동부의 케이싱에 가해지는 응력분포를 나타내는 평면도이다. 그 오른쪽에 도 7의 (B)로서 도 7의 (A)의 X-X선에 따른 단면도를 나타낸다.
표준적인 인력(人力)으로 밸브구동부를 개폐조작하는 경우를 상정하고, 밸브구동부의 케이싱의 동작 하중에 대한 안전율을 감안하면, 케이싱(1)의 A1, A2 영역은 상온에서 80MPa의 인장응력에 견딜 수 있는 강도가 필요하다. 이 인장응력 80MPa란, 밸브구동부의 핸들(4)의 직경을 200mm으로 한 경우에 표준적인 인력으로 기어기구에 전달된 힘에 의해 A1, A2에 발생하는 인장응력이 약 40Mpa이며, 수지의 이 동적 하중에 대하여 본 실시예에 한해서는 최저한의 안전율로서 2배를 감안한 경우의 수치이다.
상온상압 라인에 사용한 경우, 본 발명의 케이싱(1)은 인장강도 80MPa~400MPa의 성형재료를 성형하여 이루어지는 것이기 때문에, 개폐작업시의 응력 집중에 의해 파손이 일어나지는 않는다. 또한, 최저한의 안전율 2배를 감안하였기 때문에, 돌발적으로 높은 응력이 가해지더라도 파손되지 않는다.
상온고압 라인에 사용한 경우에는, A1, A2 영역에 응력이 집중되기 때문에 케이싱(1)에는 뒤틀림이나 변형하려는 힘이 가해지는데, 인장강도 80Mpa~400MPa이면 변형이 억제되기 때문에, 케이싱의 뒤틀림이나 변형에 의해 기어의 맞물림이 나빠지거나, 백러시가 발생하기 쉬워지거나, 혹은 밸브 진동에 의한 이상음이 발생하는 등의 문제가 없어진다.
고온상압 라인에 사용한 경우에는, 케이싱(1)의 Al, A2 영역에서도 인장강도를 가지고 있기 때문에, 가령 고온라인의 온도까지 가열됨으로써 케이싱(1)의 인장강도가 1/2 정도로 내려갔다고 해도 배관재료로서 사용가능한 강도를 유지할 수 있다. 또한, 120℃에서의 인장강도가 75MPa~350MPa이면, 고온 분위기 안에서 사용할 수 있다.
고온고압 라인에 사용한 경우, 120℃에서의 인장강도가 75MPa~350MPa이면, 개폐조작시에 가해진다고 상정되는 약 40MPa에 대하여 최저한의 안전율의 약 2배 정도를 감안하였기 때문에, 파손되지 않고 고온고압 라인의 사용에도 견딜 수 있다. 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 케이싱(1)의 경우에는, 120℃에서의 인장강도가 135MPa이므로, 고온에서도 인장강도의 저하가 억제되어 높은 물성강도를 유지할 수 있기 때문에, 고온고압의 라인에서도 장시간의 사용에 충분히 견딜 수 있는 강도를 발휘할 수 있다.
이어서, 제 1 실시예의 케이싱(1)에 가해지는 충격강도에 대하여 설명한다.
수송시나 낙하시 등의 통상 상정되는 직접 충격이 가해진 경우에 대해, 본 발명의 케이싱(1)과 같은 형상은 응력해석을 하면, 파손을 방지하기 위해서는 적어 도 10KJ/m2 이상의 충격강도가 필요하며, 개폐작업이나 그 밖의 요인에 의해 급격한 충격이 가해진 경우에 파손되지 않게 하기 위해서는 10KJ/m2의 1.5배의 충격강도를 감안하는 것이 좋고, 더욱이 -20℃부터 120℃에서의 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2이면, 저온라인이나 고온라인에서 사용한 경우에 파손없이 사용할 수 있다.
저온 라인에 사용한 경우에는, 케이싱(1)이 저온 라인의 온도까지 식혀져 재질의 충격강도를 떨어뜨리는데, 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2이면 파손되지 않고 저온라인의 사용에 견딜 수 있다. 특히, 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 케이싱(1)의 경우, 저온에서도 충격강도의 저하가 억제되어 충격강도가 55KJ/m2이기 때문에, 예를 들어 -20℃의 저온에서 고압의 라인에서도 장시간의 사용에 충분히 견딜 수 있다.
이어서, 배관라인안에 설치된 제 1 실시예의 버터플라이 밸브에 대하여, 유체압의 내압을 받을 때 가해지는 응력에 대하여 도 8에 따라 설명한다.
버터플라이 밸브를 배관라인 안에 설치한 경우, 배관라인 안의 유체에 의해 받는 내압에 의해, 밸브본체(8)의 유로 중심으로부터 바깥쪽을 향하여 밸브본체(8) 내부가 팽창하는 방향으로 응력을 받는다. 이 때문에, 배관라인 안에 발생하는 압력에 대해서는 도 8의 밸브본체(8)의 B 영역에 인장응력이 집중적으로 발생한다.
일반적인 버터플라이 밸브의 사용압력인 1MPa의 유체압력에 대하여 밸브본체(8)가 받는 경우에는, 밸브본체(8)의 B 영역에는 38MPa 정도의 인장응력이 발생 한다. 이것에 최저한의 안전율 2배 정도를 감안하여, 상온에서 80MPa의 인장응력에 견딜 수 있는 설계가 필요하다.
본 발명의 버터플라이 밸브의 밸브본체(8)라면, 인장강도 230MPa의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 성형하여 이루어지는 것이기 때문에, 워터햄머 등에 의해 밸브본체(8)에 급격한 내압이 가해진 경우에도 파손없이 고압 라인에서의 사용도 가능하다. 또한, B 영역에 응력이 집중되기 때문에 밸브본체(8)에는 팽창이나 변형하려는 힘이 가해지는데, 인장강도 230MPa의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 성형하여 이루어지는 것이기 때문에, 변형이 억제되어 밸브본체(8)의 팽창이나 변형에 의해 유체의 누출이 발생할 우려가 없어진다.
이어서, 제 1 실시예의 버터플라이 밸브를 고온라인에 사용한 경우에 대하여 설명한다.
고온라인에 사용한 경우에 있어서는, 가령 고온라인의 온도까지 가열됨으로써 밸브본체(8)의 인장강도가 1/2정도로 내려갔다고해도 배관재료로서 사용가능한 강도를 유지할 수 있다. 더욱이 120℃에서의 인장강도가 75MPa~350MPa이면, 유체압의 영향에 의해 밸브본체(8)의 B 영역에 발생되는 38MPa를 웃도는 인장강도를 가지고 있기 때문에, 파손이나 누출 없이 고온라인의 사용에도 견딜 수 있다. 본 발명의 버터플라이 밸브의 밸브본체(8)라면, 120℃에서의 인장강도가 135MPa인 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 성형하여 이루어지는 것이기 때문에, 고온에서도 인장강도의 저하가 억제되어 높은 물성강도를 유지할 수 있어, 고온고압 라인에서도 장시간의 사용에 충분히 견딜 수 있는 강도를 발휘할 수 있다.
이어서, 제 1 실시예의 밸브본체(8)에 가해지는 충격강도에 대하여 설명한다.
수송시나 낙하시 등의 통상 상정되는 직접 충격이 가해진 경우에 대하여, 본 발명의 밸브본체(8)와 같은 형상은 응력해석을 하면, 파손을 방지하기 위해서는 적어도 10KJ/m2 이상의 충격강도가 필요하며, 워터햄머 등에 의한 급격한 충격이 가해진 경우에 파손시키지 않기 위해서는 10KJ/m2의 1.5배의 충격강도를 감안하는 것이 좋고, 더욱이 -20℃부터 120℃에서의 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2이면, 저온라인이나 고온라인에 사용한 경우, 파손되지 않고 사용할 수 있다.
저온라인에 사용한 경우에는, 밸브본체(8)가 저온라인의 온도까지 식어, 재질의 충격강도를 떨어뜨리는데, 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2이면, 파손이나 누출 없이 저온라인의 사용에 견딜 수 있다. 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브본체(8)의 경우, 저온에서도 충격강도의 저하가 억제되어 충격강도가 55KJ/m2이기 때문에, 예를 들어 -20℃의 저온에서 고압 라인에서도 장시간의 사용에 충분히 견딜 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예인 밸브구동부의 케이싱을 가지는 2분할 타입의 버터플라이 밸브에 대하여 도 9 내지 도 10에 따라 설명한다.
18은 제 1 실시예의 케이싱(1)과 같은 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료제의 버터플라이 밸브의 상부 밸브본체이다. 상부 밸브본체(18)의 상부에는 대략 원 반형상의 탑 플랜지(19)가 설치되어 있다.
20은 제 1 실시예의 케이싱(1)과 같은 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료제의 버터플라이 밸브의 하부 밸브본체이다. 하부 밸브본체(20)의 하랫쪽 부분에는 후술하는 스템(30)의 하단부가 끼워지는 축받이 오목부(21)가 설치되어 있다.
상부 밸브본체(18)는 하부 밸브본체(20)와 함께 중앙에 개구부를 형성한다. 상부 밸브본체(18)의 하단부, 하부 밸브본체(20)의 상단부에는 각각 수평방향으로 연장되어 나가 상부 밸브본체(18)에는 돌기부(22,23)가, 하부 밸브본체에는 돌기부(24,25)가 한 쌍씩 설치되며, 각각의 돌기부(22)와 돌기부(24), 돌기부(23)와 돌기부(25)에는 각각 볼트(26), 너트(27)로 체결되어 있다.
또한, 제 1 실시예와 마찬가지로, 두 밸브본체(18,20)가 수지제이므로 금속제의 밸브본체에 비하여 내약품성이 좋기 때문에, 수지의 특성에 따라 각종 약액라인에서의 사용이 가능하다. 특히, 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브본체(18,20)의 경우, 염산이나 수산화 나트륨 용액 등에 대한 내약품성이 뛰어나며, 또한 내후성이 뛰어나기 때문에 옥외에 노출된 상태에서 장시간 사용한 경우에도 열화의 우려가 없다. 더욱이 금속에 대하여 중량이 가볍고 경질 염화비닐과 동등한 중량이기 때문에, 스템이나 다른 부품이 금속제라고 하여도 버터플라이 밸브 전체의 중량이 일반적인 금속제 중량의 45% 정도가 되어, 밸브본체(18,20)에 필요한 물성을 가진 경량의 버터플라이 밸브를 얻을 수 있다.
28은 두 밸브본체(18,20)로 형성된 개구부의 내주면에 끼워져있는 원고리형상의 불소수지제 시트링이다. 시트링(28)의 양끝에는 직경방향으로 돌출된 대략 원 반형상의 차양부(29)가 설치되어 있다. 시트링(28)의 상부와 하부에는 후술하는 스템(30)이 관통하는 구멍이 설치되어 있으며, 시트링(28)의 차양부(29)와 두 밸브본체(18,20) 사이에는 O-링이 끼워져 있다.
본 실시예의 버터플라이 밸브는 높은 내식성이 요구되는 라인에 사용되는 것이기 때문에 시트링(28)의 재질은 불소수지로 형성된 것을 사용하고 있지만, 불소 수지제 시트링(28)은 고무제 시트링과 같이 변형시키기가 어려워, 무리하게 변형시킨 경우에는 시트링(28)에 미소한 클랙이 발생하고, 밸브 사용시 불소수지제 시트링(28)이 깨질 우려가 있기 때문에, 원고리형상의 시트링(28)의 차양부(29) 사이에 끼워맞추도록, 2분할된 버터플라이 밸브의 두 밸브본체(18,20)에서 시트링(28)을 끼워, 두 밸브본체(18,20)의 돌기부(22)와 돌기부(24), 돌기부(23)와 돌기부(25)를 각각 볼트(26), 너트(27)로 체결하여 사용함으로써 불소 수지제 시트링(28)을 변형시키지 않고 끼울 수 있다.
33은 대략 원반형상의 불소수지제 밸브체이다. 밸브체(33)는 두 밸브본체(18,20)의 내부중앙에 배치되어 있으며, 밸브체(33) 중앙을 관통한 스템(30)에 대하여 회전운동 불가능하게 지지되어 있다. 밸브체(33)는 스템(30)의 회전운동에 따라 두 밸브본체(18,20) 안에서 회전운동하여, 밸브체(33)의 외주부가 시트링(28)에 이간, 압접됨으로써 밸브를 개폐한다. 한편, 밸브체(33)의 재질은 불소수지이지만, 금속을 인서트한 것을 사용하여도 좋다. 이 경우, 인서트는 스템(30)과 연결되거나, 혹은 일체로 형성된다.
30은 스템이다. 스템(30)의 상부에는 스템(30) 본체의 외경보다 작은 외경을 가지는 축소직경부(31)가 형성되어 있다. 축소직경부(31)의 상단부는 상부 밸브본체(18)의 상부에 설치된 탑 플랜지(19)의 중앙으로부터 돌출하여 배치되며, 돌출한 축소직경부(31)의 상단부에 스템부쉬(32)를 끼워넣고 있다. 또한, 스템(30)은 윗쪽에는 O-링이 끼워지고, 상부 밸브본체(18), 하부 밸브본체(20) 및 시트링(28)에 회전운동 가능한 상태로 밀착되어 끼워져 있다. 또한, 하단부는 O-링에 의해 회전운동 가능한 상태로 밀봉되어 축받이 오목부(21)에 끼워져있다.
34는 제 1 실시예의 케이싱(1)과 같은 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료제의 밸브구동부의 케이싱이다. 케이싱(34)의 구성은 제 1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 배관로 안에 설치된 제 2 실시예의 버터플라이 밸브에 대하여, 유체압에 의해 내압을 받을 때 가해지는 응력에 관하여 도 11에 따라 설명한다.
버터플라이 밸브를 배관라인 안에 설치한 경우, 배관라인 안의 유체에 의해 받는 내압에 의해 인장응력이 발생하는 것은 제 1 실시예와 같지만, 2분할된 밸브본체(18,20)를 볼트(26), 너트(27)로 체결한 구조이기 때문에, 배관라인안에 발생하는 압력에 대해서는, 제 1 실시예와 마찬가지로 도 11의 밸브본체(18,20)의 C1 영역에 인장응력이 집중적으로 발생하는데, 볼트(26), 너트(27)로 체결한 돌기부(22,23,24,25)의 C2 영역에도 C1보다 높은 인장응력이 집중적으로 발생한다.
이 때문에, 2분할된 밸브본체(18,20)의 구조는 C1, C2 영역이 강도를 가지도록 설계를 할 필요가 있는데, 버터플라이 밸브는 일반적으로 배관로의 플랜지 사이에 끼워진 형상으로 시공되며, 또한 각종 다양한 시공규격에 대응할 필요가 있기 때문에, 설계상의 제약에 의해 C1, C2 영역에 인장응력이 집중되는 것에 대응하여 두께를 늘려 고강도화하는 것은 설계상 한계가 있다.
C1, C2 영역에 발생하는 인장응력을 일반적인 버터플라이 밸브의 사용압력인 1MPa의 유체압력에 대하여 밸브본체(18,20)가 받는 경우에 있어서, 유체압력이 연속적으로 크게 변화하는 맥동에 의한 충격응력도 고려하여 상정하면, 밸브본체(18,20)의 C1 영역에는 40MPa 정도의 인장응력이 발생하며, 더욱이 C2 영역에는 45MPa 정도의 인장응력이 발생하는 것이 상정된다. 밸브본체(18,20)에는 이 인장응력을 웃도는 인장강도를 가지는 재질을 사용하여야 한다.
본 발명의 버터플라이 밸브의 밸브본체(18,20)라면 인장강도가 230MPa인 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 성형하여 이루어지는 것이기 때문에, 2분할 타입의 밸브본체의 C2 영역에 인장응력의 집중이 발생하여도 파손되지 않는 강도를 유지하고 있다. 또한, C1, C2에 인장응력이 집중되기 때문에 밸브본체에는 팽창하거나 변형하려는 힘이 가해지는데, 인장강도가 230MPa인 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 성형하여 이루어지는 것이라면, 변형이 억제되어 밸브본체(18,20)의 팽창이나 변형에 의해 유체의 누출이 발생할 우려가 없어진다.
여기서, C2 영역에 발생하는 인장응력에는, 밸브의 사용시에 유체압력에 의해 발생하는 것과, 볼트(26), 너트(27)로 체결되는 것에 의한 응력도 포함된다. 이 볼트(26), 너트(27)로 체결되는 것이나 배관라인에 플랜지 접합으로 접속되는 것 등을 고려하여, 밸브본체에는 경도나 크리프(creep) 강도가 높은 성형재료를 사용하면, 보다 장기간의 사용에 적합하다.
이어서, 제 2 실시예의 버터플라이 밸브를 고온 라인에 사용한 경우에 대하여 설명한다.
고온상압 라인에 사용한 경우에 있어서, 고온에 의한 인장강도의 저하가 큰 성형재료의 경우에는 고온에서 사용하는 온도범위가 한정되는데, 120℃의 고온에서 인장강도는 75MPa~350MPa를 가지는 성형재료이면, 밸브본체(18,20)의 C1, C2 영역에 응력이 집중되었다고 해도 상정되는 인장응력 40~45MPa를 웃돌기 때문에, 파손이나 누출이 일어나지 않는 강도를 유지한다.
고온고압 라인에 사용한 경우에 있어서는, 120℃의 고온에서 인장강도는 75MPa~350MPa를 가지기 때문에 파손되지 않고 사용할 수 있다. 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브본체(18,20)의 경우, 120℃의 고온에서 인장강도가 135MPa이며 상정되는 인장응력의 2배 이상의 강도를 가져, 고온고압의 라인에서도 장시간의 사용에 충분히 견딜 수 있는 강도를 발휘할 수 있다. 또한, 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브본체(18,20)의 경우에는 충분한 경도와 크리프 강도를 가지고 있기 때문에, 볼트(26), 너트(27)로 꽉 죄어지는 돌기부(22,23,24,25) 부분에서는 재질의 장기간 크리프에 의한 변형도 적고, 볼트 체결에 의한 칫수 변화도 줄일 수 있다.
이어서, 제 2 실시예의 밸브본체(18,20)에 가해지는 충격강도에 대하여 설명한다.
수송시나 낙하시 등의 통상 상정되는 직접 충격이 가해진 경우, 본 발명의 밸브본체(18,20)와 같은 형상은 응력해석을 하면, 파손을 줄이기 위해 적어도 10KJ/m2 이상의 충격강도가 필요하며, 워터 햄머 등에 의한 급격한 충격이 가해진 경우에 파손시키지 않기 위해서는, 10KJ/m2의 1.5배의 충격강도를 감안하는 편이 좋고, 더욱이 -20℃부터 120℃에서의 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2이면, 저온 라인이나 고온 라인에 사용한 경우 파손없이 사용할 수 있다.
저온라인에 사용한 경우에 있어서는, 밸브본체(18,20)가 저온라인의 온도까지 냉각되어 재질의 충격강도를 떨어뜨리는데, 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2이면 파손이나 누출 없이 저온라인의 사용에 견딜 수 있다. 특히 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 사용한 밸브본체(18,20)의 경우, 저온에서도 충격강도의 저하가 억제되어 충격강도가 55KJ/m2이기 때문에, 예를 들어, -20℃의 저온에서 고압의 라인에서도 장시간의 사용에 충분히 견딜 수 있다.
케이싱(34)에 가해지는 응력에 대해서는 제 1 실시예와 마찬가지이기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 본 발명의 밸브용 수지제 부재에 사용하는 성형재료에 대해서 시험조각을 작성하여 물성값을 비교하였다. 얻어진 수지성형재료의 물성은 아래에 나타내는 방법에 따라 평가하였다.
(1) 인장강도
시험방법 JIS K 7127의 제1호 시험조각을 작성하고, 23±1℃의 분위기 안에서 JIS K 7127에 준거하는 인장시험을 하여, 인장강도를 측정하였다.
(2) 노치 아이조드 충격시험
시험방법 JIS K 7124의 제1호 시험조각을 작성하고, 23±1℃의 분위기 안에서 JIS K 7124에 준거하는 노치 아이조드 충격시험을 하여, 충격강도를 측정하였다.
(3) 열간 인장시험
시험방법 JIS K 7127의 제1호 시험조각을 작성하고, 80±1℃, 120±1℃의 분위기에서 JIS K 7127에 준거하는 인장시험을 하여, 인장강도를 측정하였다.
(4) 열·냉간 노치 아이조드 충격시험
시험방법 JIS K 7124의 제1호 시험조각을 작성하고, 120±1℃ 및 -20±1℃의 분위기에서 JIS K 7124에 준거하는 노치 아이조드 충격시험을 하여, 충격강도를 측정하였다.
(5) 내약품성 시험
35%의 염산 25℃ 및 20%의 수산화 나트륨 용액 25℃에 인장시험 조각과 아이조드 충격시험 조각을 7일 동안, 또한 60일 동안 각각에 침지한 후의 중량을 측정하고, 침지 전후의 중량변화율을 구하였다. 또한, 7일 동안과 60일 동안 각각에 침지한 후의 인장시험과 아이조드 충격시험을 하였다.
(6) 내후성 시험
인장시험의 시험조각을 JIS K 7350에 준거하는 크세논 아크광원에 의한 폭노시험을 하였다. 조사시간과 조사량은 100시간에서 20,940KJ/m2, 300시간에서 64,170KJ/m2, 1000시간에서 207,320KJ/m2, 1500시간에서 324,600KJ/m2이며, 조사후의 인장강도를 각각 측정하여 비교하였다.
(7) 성형성
에폭시 아크릴레이트 수지성형재료를 SMC 제조기에 의해 SMC로 하여, 프레스기에서 밸브구동부의 케이스를 성형하고, 성형과정에서의 성형성과 성형품의 외관을 육안으로 확인하였다.
실시예 1
(에폭시 아크릴레이트 수지)
에폭시 아크릴레이트 수지(A)로서 니혼유피카 가부시키가이샤 제품의 상품명 '네오폴 8051'을 80질량부, 폴리이소시아네이트 화합물(B)로서 다우폴리우레탄 니혼 가부시키가이샤 제품 'ISONATE 143L'을 20질량부, 경화제(C)로서 니혼유시 가부시키가이샤 제품 '퍼부틸 Z'를 1.0질량부, 내부이형제(D)로서 사카이카가쿠고교 가부시키가이샤 제품 'SZ-2000'을 4.0질량부 배합한 수지조성물에, 섬유강화재(E)로서 글라스 섬유를 상기 수지조성물에 대하여 60% 충전하여 조정하였다. 이 수지조성물을 SMC 제조기(츠키시마기카이 가부시키가이샤 제품 '슈퍼임플리')에 의해 SMC로 하고, 프레스기로 300×300mm, 두께 3mm의 판형상 성형물을 얻었다. 판형상 성형물로부터 절삭가공으로 시험조각을 제작하고, 얻어진 시험조각으로 인장시험, 아이조드 충격시험, 열간 인장시험, 열·냉간 아이조드 충격시험을 하여, 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 상기 시험조각을 사용하여 내약품 시험을 하고, 그 결과를 표 2에 나타낸다. 마찬가지로 내후성 시험을 하여, 그 결과를 표 3에 나타낸다.
표 1
|
분위기 (℃) |
실시예 1 에폭시 아크릴레이트 수지 |
실시예 2 폴리페닐렌 설파이드 수지 |
실시예 3 폴리아미드 수지 |
실시예 4 폴리 카보네이트 수지 |
비교예 1 염화비닐수지 |
인장강도 (MPa) |
23 |
230 |
167 |
246 |
157 |
50 |
열간 인장강도(MPa) |
80 |
170 |
- |
- |
- |
10 |
120 |
135 |
84 |
98 |
70 |
- |
아이조드 충격강도(KJ/m2) |
23 |
55 |
17 |
16 |
14 |
5 |
냉간 아이조드 충격강도 (KJ/m2) |
-20 |
55 |
15 |
11 |
12 |
2 |
열간 아이조드 충격강도 (KJ/m2) |
120 |
60 |
21 |
40 |
15 |
- |
표 2
|
실시예1(에폭시 아크릴레이트 수지) |
35% HCl |
20% NaOH |
인장강도 |
침지전 (MPa) |
230 |
230 |
7일동안 침지 (MPa) |
210 |
227.6 |
60일동안 침지 (MPa) |
183.1 |
142.5 |
충격강도 |
침지전 (KJ/m2) |
55 |
55 |
7일동안 침지 (KJ/m2) |
54.3 |
51.2 |
60일동안 침지 (KJ/m2) |
59.4 |
42 |
중량변화율 |
침지전 (%) |
100 |
100 |
7일동안 침지 (%) |
99.45 |
100.05 |
60일동안 침지 (%) |
99.25 |
100.32 |
표 3
|
실시예1(에폭시 아크릴레이트 수지) |
0시간후 |
100시간후 |
300시간후 |
1000시간후 |
1500시간후 |
인장강도(MPa) |
230 |
245.5 |
245.1 |
215.2 |
207.4 |
실시예 2
(폴리페닐렌 설파이드)
상온에서의 인장강도와 충격강도가 모두 높은 폴리페닐렌 설파이드로서, 강 화재로서 복합강화 글라스를 40질량% 첨가한 폴리플라스틱스 가부시키가이샤 제품 '포트론 1140 T11'을 사용하여 판형상 성형품을 성형하고, 얻어진 성형품으로부터 절삭가공으로 시험조각을 제작하여, 얻어진 시험조각으로 인장시험, 아이조드 충격시험을 하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 3
(폴리아미드)
상온에서의 인장강도와 충격강도가 모두 높은 폴리아미드로서, 강화재로서 글라스를 50질량% 첨가한 미츠비시 엔지니어링 플라스틱스 가부시키가이샤 제품 '레니 NXG 5050'을 사용하여 판형상 성형품을 성형하고, 얻어진 성형품으로부터 절삭가공으로 시험조각을 제작하여, 얻어진 시험조각으로 인장시험, 아이조드 충격시험을 하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 4
(폴리 카보네이트)
상온에서의 인장강도와 충격강도가 모두 높은 폴리 카보네이트로서, 강화재로서 복합강화 글라스를 40질량% 첨가한 미츠비시 엔지니어링 플라스틱스 가부시키가이샤 제품 'GSV 2040 R2'을 사용하여 판형상 성형품을 성형하고, 얻어진 성형품으로부터 절삭가공으로 시험조각을 제작하여, 얻어진 시험조각으로 인장시험, 아이조드 충격시험을 하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 1
(염화비닐수지)
평균분자량 800의 염화비닐 수지를 100질량부, 주석계 안정제를 1.5질량부, 에스테르계 왁스를 1.0질량부, 고분자계 왁스를 0.5질량부, 가공조제를 1.0질량부 배합하여 믹서로 혼합한 수지조성물을 사출성형기에 의해 가열용융하고, 사출성형에 의해 φ200mm, 두께 3mm의 원반형 성형물을 얻었다.
원반형 성형물로부터 시험조각을 제작하고, 얻어진 시험조각으로 인장시험, 아이조드 충격시험, 열간인장시험, 냉간 아이조드 충격시험을 하여, 그 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1로부터 알 수 있듯이, 인장강도에 있어서, 상온 분위기에서는 비교예 1의 50MPa에 대하여, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 및 실시예 4는 모두 실시예 1의 3배 이상의 강도를 가진다. 비교예 1에서는 밸브용 수지제 부재의 용도에 따라서는 사용가능하지만, 수지의 강성이 떨어지기 때문에 사용압력 등의 조건이 매우 한정된다. 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 및 실시예 4에서는 상온에서의 인장강도가 80MPa~400MPa의 범위이기 때문에, 밸브용 수지제 부재의 사용시에 발생하는 인장응력에 최저한의 안전율로서 2배를 감안한 인장강도를 가지고 있어, 파손이나 변형의 우려가 없고, 넓은 범위의 사용조건에서 사용할 수 있다.
80℃의 분위기에서는, 비교예 1은 상온시의 1/5정도로 인장강도가 떨어져 있어 고온 라인에서의 사용에 적합하지 않다.
120℃의 분위기에서는, 실시예 1은 고온 분위기 안에서 인장강도의 저하가 적어 고온 라인에 매우 적합하다. 실시예 2 및 실시예 3도 인장강도가 75MPa~350MPa의 범위이기 때문에 고온시 강도의 문제는 없다. 실시예 4는 인장강도 가 75MPa 미만으로, 고온라인에서의 사용에 대해서 약간 강도가 부족하다.
충격강도에 대해서는, 상온 분위기에서 비교예 1이 5KJ/m2로 밸브용 수지제 부재의 용도에 따라서는 사용가능하지만, 물성강도는 불안하다. 실시예 1에서는 충격강도가 비교예 1의 10배 이상이기 때문에, 파손의 우려가 없을 정도의 강도를 가지고 있으며, 넓은 범위의 사용조건에서 사용할 수 있다. 실시예 2에서는 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2의 범위이기 때문에, 밸브용 수지제 부재로서 사용하는데 문제는 없다. 실시예 3에서는 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2의 범위이지만, 흡수했을 때의 충격강도는 12KJ/m2까지 떨어져 버리기 때문에, 밸브용 부재로서 사용할 수는 있지만 충격강도가 약간 부족하다. 실시예 4에서는 충격강도가 15KJ/m2 미만이기 때문에, 밸브용 부재로서 사용할 수는 있지만 충격강도가 약간 부족하다.
120℃의 분위기에서는 실시예 1~4의 충격강도가 높아져 15KJ/m2~100KJ/m2의 범위이기 때문에, 밸브용 수지제 부재로서 사용하는데 문제없다.
-20℃의 분위기에서는, 비교예 1이 상온시의 1/2 이하로 충격강도가 떨어져 있어 낙하 충격 등으로 쉽게 파손될 우려가 있기 때문에, -20℃에서 밸브용 수지제 부재로서 사용하는데는 적합하지 않다. 실시예 1은 상온시와 같은 충격강도를 유지하고 있어 -20℃에서의 사용시에도 파손의 우려없이 사용할 수 있으며, 저온고압 라인에서의 사용에 매우 적합하다. 실시예 2에서는 충격강도가 15KJ/m2~100KJ/m2의 범위이기 때문에, 저온에서의 사용에 문제없는 강도를 가지고 있다. 실시예 3과 4에서는 충격강도가 15KJ/m2 미만으로, 약간 충격강도가 부족하여 저온라인에서의 사용에 적합하지 못하다.
이상으로부터, 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지로 성형되는 밸브용 수지제 부재는, 물성강도가 온도에 그다지 영향을 받지 않고 높은 강도를 유지할 수 있기 때문에, 고온에서 저온까지의 온도 조건에 대하여, 또한 유체의 내압이 높은 경우에도 장기간의 사용에 파손되지 않는 강도를 가지고 있어, 밸브용 수지제 부재에 가장 적합하다. 한편, 에폭시 아크릴레이트 수지 외에는 폴리페닐렌설파이드 수지 등이 사용하기에 적합하다.
표 2에서 알 수 있듯이, 35% 염산에 대하여는 침지 7일 동안에는 인장강도나 충격강도의 저하가 1할 이내이며, 중량변화율도 1% 미만이기 때문에 특별히 문제는 없다. 침지 60일에서는 인장강도의 저하가 2할 정도로 필요한 물성 80MPa는 여유롭게 웃돌고 있기 때문에 문제없으며, 충격강도의 저하는 1할 이내이고, 중량변화율도 1% 미만이기 때문에 문제는 없다. 20% 수산화 나트륨 용액에 대해서는 침지 7일 동안에서는 인장강도나 충격강도의 저하가 1할 이내이며, 중량변화율도 1% 미만이기 때문에 특별히 문제는 없다. 침지 60일에서는 인장강도의 저하가 4할 정도로 약간 저하가 크지만, 이 시점에서 필요한 물성 80MPa를 웃돌고 있기 때문에 내약품성은 충분하다. 또한 충격강도의 저하는 2할 정도로 필요한 물성 15KJ/m2는 여유롭게 웃돌고 있기 때문에 문제없으며, 중량변화율도 1% 미만이기 때문에 문제없다. 따라 서, 에폭시 아크릴레이트 수지 성형재료를 사용한 밸브용 수지제 부재는 35% 염산이나 20% 수산화 나트륨 용액에 장기간 침지하여도 물성의 저하가 억제되고 내약품성이 뛰어나다.
표 3에서 알 수 있듯이, 1500시간 조사후에 조사량 324,600KJ/m2의 인장강도는 조사전의 인장강도에 비하여 1할 정도로 억제되어 있으며, 인장강도도 200MPa 이상을 유지하고 있다. 또한, 외관도 색이 바래기는 하지만 특별히 문제는 보이지 않았다. 따라서, 에폭시 아크릴레이트 수지 성형재료를 사용한 밸브용 수지제 부재는 옥외에서 폭노한 상태에서 장기간 보유하여도 물성의 저하는 억제되며, 내후성이 뛰어나다.
이상으로부터, 본 발명의 에폭시 아크릴레이트 수지로 성형되는 밸브용 수지제 부재는, 산이나 알칼리에 대한 내성이 뛰어나기 때문에, 넓은 화학약품의 용도에서 사용할 수 있다. 더욱이 내후성도 뛰어나기 때문에, 험한 옥외 환경에 노출된 상태에서 장기간 사용하여도 문제되지 않는, 부식에 강한 밸브용 수지제 부재를 얻을 수 있다.
이어서, 본 발명의 밸브용 수지제 부재에 사용하는 성형재료에 대하여 비늘조각형상의 충전재가 첨가된 경우와 첨가되지 않은 경우의 성형품을 성형하여, 성형성과 외관을 비교하였다.
실시예 5
(비늘조각형상의 충전재 포함 에폭시 아크릴레이트 수지)
에폭시 아크릴레이트 수지(A)로서 니혼유피카 가부시키가이샤 제품의 상품명 '네오폴 8051'을 80질량부, 폴리이소시아네이트 화합물(B)로서 다우폴리우레탄니혼 가부시키가이샤 제품 'ISONATE 143L'을 20질량부, 경화제(C)로서 니혼유시 가부시키가이샤 제품 '퍼부틸 Z'를 1.0질량부, 내부이형제(D)로서 사카이카가쿠고교 가부시키가이샤 제품 'SZ-2000'을 4.0질량부 배합한 수지조성물에, 강화재(E)로서 글라스 섬유를 상기 수지조성물에 대하여 60% 충전하여 조정하였다. 또한, 비늘조각형상의 충전재(F)로서 '운모(mica)'를 15질량부 첨가하였다. 이 수지성형재료로 압축성형에 의해 버터플라이 밸브의 밸브본체를 성형하고 외관을 확인하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4
비늘조각형상 충전재 |
실시예 5 15질량부 |
실시예 6 0질량부 |
성형성 |
양호 |
어려움 |
외관 |
양호 |
나쁨 |
실시예 6
(비늘조각형상의 충전재 미포함 에폭시 아크릴레이트 수지)
실시예 1과 마찬가지의 수지성형재료에 대하여 (비늘조각형상의 충전재(F) 무첨가), SMC 제조기에 의해 버터플라이 밸브의 밸브본체를 성형하여 외관을 확인하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4에서 알 수 있듯이, 실시예 5의 비늘조각형상의 충전재(F)를 첨가한 경우, 성형재료의 유동성이 좋고 재료의 충전도 용이해져 성형성이 향상된다. 또한, 외관에 있어서도, 실시예 6의 비늘조각형상의 충전재(F)를 첨가하고 있지 않은 경 우가 표면이 거칠어 외관이 나쁘고, 표면 평활성이 그다지 좋지 않은데 대하여, 실시예 5의 경우에는 표면이 거칠지 않고 외관이 좋아 표면 평활성이 좋기 때문에, 외관이 향상된다. 이 때문에, 비늘조각형상의 충전재(F)를 첨가함으로써, 밸브용 수지제 부재의 성형성이나 외관을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면평활성에 대해서는, 표면평활성이 좋으면 표면평활성이 나쁜 경우에 비하여 약액의 침지하는 정도가 억제되기 때문에, 내약품성이나 내수성을 향상시킬 수 있다.
이상으로부터 본 발명의 비늘조각형상의 충전재를 첨가한 에폭시 아크릴레이트 수지로 성형되는 밸브용 수지제 부재는, 성형성과 표면 평활성이 좋아지기 때문에, 성형작업이 양호해져 성형품의 외관이 향상된다.
한편, 본 실시예에서는 통상의 버터플라이 밸브나 밸브본체를 2분할한 형상의 버터플라이 밸브였지만, 웨이퍼 타입, 래그 타입, 더블 플랜지 타입 등이어도 좋다. 또한, 버터플라이 밸브 이외에도, 볼 밸브, 다이어프램 밸브, 게이트 밸브, 스톱 밸브 등 어느 것이어도 좋고, 또한 밸브구동부의 케이스도 수동식 이외에 전동이나 유압이나 공기 작동이어도 좋다. 그 밖에도 본 발명의 밸브용 부재는 밸브 설치 전용 이음매나 밸브의 보호구 등 밸브용으로 사용되는 부재이면 특별히 한정되지 않는다.