KR20120088739A - 밸브 시트체 및 밸브 장치 - Google Patents

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Abstract

밸브 장치(20)는, 밸브체(4)와 밸브 시트체(5)를 구비하고 있다. 밸브 시트체(5)는, 축선 방향(Z)으로 연장하는 두꺼운 원통 형상을 이루고, 그 외주에 둘레 방향으로 연속하는 밀폐 그루브(59)를 구비하고, 그 내주에 축선 방향(Z)으로 연속하는 대경부(51) 및 소경부(52)를 갖고, 대경부(51)와 소경부(52) 사이에 밸브체(4)가 안착하는 밸브 시트부(54)를 구비한다. 밀폐 그루브(59)의 축선 방향(Z)의 위치는, 밸브 시트부(54)의 축선 방향(Z)의 위치와 같거나 그보다 고압측에 있다.

Description

밸브 시트체 및 밸브 장치{VALVE SEAT BODY AND VALVE DEVICE}
본 발명은, 고압 유체를 막는 밸브 시트체(valve seat body) 및 이 밸브 시트체를 구비한 밸브 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 밸브 장치는, 하우징(housing) 내에 형성된 밸브실(弁室)에, 밸브 시트와, 밸브 시트에 대하여 근접 및 이격하는 방향으로 이동 가능한 밸브체를 구비하고 있다. 밸브 시트는, 하우징과는 별도의 부재인 밸브 시트체로서 형성되어 밸브실 내에 배치되는 경우가 있다. 상기 밸브 장치는, 유체의 경로가 밸브실을 통과하도록 유로(예를 들면, 배관 등)와 접속되어 밸브의 개폐에 따라 유로의 개폐를 행하거나 유체의 흐름을 억제하기 위하여 사용된다.
도 16은 종래의 밸브 장치의 개략 구성을 도시한 단면도이다. 도 16에 도시한 종래의 일반적인 밸브 장치(100)는, 하우징(21)에 형성된 밸브 통로 내에 밸브 시트체(5)와 밸브체(4)를 구비하고 있다. 밸브 통로는, 일차 통로(32), 이차 통로(33), 및 일차 통로(32)와 이차 통로(33) 사이에 설치된 밸브실(31)로 구성되어 있다. 밸브실(31)의 이차 통로(33)와의 접속 부분에, 두께가 두꺼운 원통 형상을 가진 밸브 시트체(5)가 배치되어 있다. 밸브 시트체(5)의 외주(外周)와 밸브실(31)의 내벽 사이는, 밀폐 부재(58)로 밀봉되어 있다. 밸브 시트체(5)의 내주(內周)에는 밸브실(31)과 이차 통로(33)를 연통하는 연통로(50)가 형성되며, 연통로(50)의 일차 통로(32)측의 개구연에 밸브 시트부(54)가 형성되어 있다. 밸브체(4)는, 밸브 시트부(54)에 대하여 진퇴할 수 있도록 밸브실(31) 내에 배치되어 있다. 상기 구성의 밸브 장치(100)에 있어서, 밸브체(4)가 밸브 시트부(54)에 안착함에 따라 밸브가 폐쇄되고, 밸브체(4)가 밸브 시트부(54)에서 이격됨에 따라 밸브가 개방된다.
종래의 밸브 장치에 있어서, 통상적으로, 하우징 및 밸브체는 금속제이며, 높은 강성을 구비하고 있다. 한편, 하우징과는 별도의 부재로 구성된 밸브 시트체는, 합성수지제(특허문헌 1 참조)나 금속제이며, 밸브 시트부에 수지 등의 연질 재료제인 시트(seat) 부재가 접착된 것(특허문헌 2 참조)이 알려져 있다. 이와 같이 밸브 시트체에 있어서 적어도 밸브 시트부가 수지로 구성됨에 따라 밸브의 기밀성이 높아진다.
일본특허공개 특개 2005-307972호 공보 일본특허공개 특개 2006-2861호 공보
밸브 시트체에 사용되는 수지의 하나로서, 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic)이라고 불리는 강도가 우수한 합성수지가 알려져 있다. 엔지니어링 플라스틱 재질의 밸브 시트체는, 일반적으로, 밸브가 막는 유체의 최대압이 고압(예를 들면, 35㎫) 이하 범위의 밸브 장치에 사용된다. 바꾸어 말하면, 종래의 엔지니어링 플라스틱제의 밸브 시트체는 상기 고압을 초과하는 유체압에 견뎌낼 수 있는 강도를 구비하고 있지 않다.
도 16에 도시한 종래의 밸브 장치(100)에 있어서, 밸브 폐쇄 때의 밸브 시트체(5) 중에서, 일차 통로(32)측의 단면과 일차 통로(32)측의 단부에서 밀폐 부재(58)와 접촉하고 있는 부분까지의 외주면에, 일차 통로(32) 내의 유체압(일차압(P1))이 작용한다. 마찬가지로, 밸브 시트체(5) 중에서, 내주면과, 이차 통로(33)측의 단면과, 이차 통로(33)측의 단부에서 밀폐 부재(58)와 접촉하고 있는 부분까지의 외주면에 2차 통로(33) 내의 유체압(이차압(P2))이 작용한다. 따라서 밸브 시트체(5)에는 내주면측에서 반경 방향으로 가해지는 압력(내압)과 외주면측에서 반경 방향으로 가해지는 압력(외압)이 균형을 이루지 못하는 부위(도 16에, 흑색으로 칠하여 나타낸 부위)가 존재한다. 이 부위에 작용하는 내압과 외압의 차이가 커지면 밸브 시트체가 변형되거나 파괴되거나 한다. 따라서, 종래의 밸브 시트체는 밸브 장치에 대해 설정된 최대 유체압 보다 고압인 유체를 막을 때에, 강도 부족으로 인하여 변형되거나 파괴되거나 한다.
상술한 바와 같이 밸브 시트체의 강도가 부족할 경우에, 수지제의 밸브 시트체를 대신하여 특허문헌 2에 도시된 바와 같은 금속제의 밸브 시트체를 사용하면 강도 부족을 해소할 수 있다. 그러나 금속제의 밸브 시트체라고 하더라도 강도 부족을 해소하기 위해서는 그 두께를 두껍게 하는 등의 대책이 필요하게 된다.
본 발명은 상기한 내용을 감안하여 간단한 구조로 고압 유체를 막을 수 있는 밸브 시트체 및 이 밸브 시트체를 구비한 밸브 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 밸브 시트체는, 밸브체가 안착하는 밸브 시트부를 가진 두꺼운 원통형 밸브 시트체로, 상기 밸브 시트체의 외주에 형성된 제1 밀폐 부재 배치부와, 상기 밸브 시트체의 내주에 형성된 대경부 및 소경부와, 상기 대경부와 상기 소경부 사이에 형성된 밸브 시트부를 구비하며, 상기 대경부는 상기 밸브체가 축선 방향에서 진입 가능하도록 해당 대경부에 진입하는 상기 밸브체의 외경보다 큰 내경을 가지고, 상기 소경부는 상기 밸브체의 외경보다 작은 내경을 가지며, 상기 제1 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치는, 상기 밸브 시트부의 상기 축선 방향의 위치와 중복하거나 그 중복하는 위치보다 고압측에 있다. 한편, 여기서, 「밸브체의 외경」이란, 밸브 시트체의 내주에 삽입되는 밸브체의 부분의 최대 외경이다. 밸브 시트체의 내주에 삽입되는 밸브체의 부분의 외경이 변화하는 경우, 예를 들면, 밸브체의 밸브 시트체의 내주에 삽입되는 부분이 대경부와 그보다 선단측의 소경부를 가지고, 이 대경부와 소경부 사이에 밸브 시트체의 밸브 시트부에 안착하는 밸브부가 설치되어 있는 것과 같은 경우는, 밸브 시트체의 대경부는 밸브체의 대경부보다 큰 내경을 가지고, 밸브 시트체의 소경부는 밸브체의 대경부보다 작고 또한 밸브체의 소경부보다 큰 내경을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 밸브 장치는 하우징과, 상기 하우징에 수용된 상기 밸브 시트체와, 상기 밸브 시트체의 상기 밸브 시트부에 안착하는 폐쇄 위치와 상기 안착부에서 이격된 개방 위치 사이를 상기 축선 방향으로 이동 가능하게 설치된 밸브체와, 상기 밸브 시트체의 상기 제1 밀폐 부재 배치부에 설치되어 상기 하우징과 상기 밸브 시트체 사이를 밀폐하는 제1 밀폐 부재를 구비한 것이다.
상기에 있어서, 「제1 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치」란, 제1 밀폐 부재 배치부에 배치되는 밀폐 부재에 의해 밸브 시트체와 해당 밸브 시트체를 수용하고 있는 부재를 밀폐하고 있는 부분의 축선 방향의 위치를 지칭한다. 또한, 「축선 방향의 위치」란, 기준축선을 z축으로 하고, z축 상의 어느 점을 원점으로 하였을 때의 z좌표를 말한다. 한편, 「고압측」이란, 유체 속에 놓여진 밸브 시트체 또는 밸브 장치가 밸브 폐쇄 상태가 되었을 때에, 밸브 시트체의 상류측 또는 하류측 중 고압이 되는 측을 말한다.
상기 구성의 밸브 시트체 및 밸브 장치에 있어서, 제1 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치가 밸브 시트부의 축선 방향의 위치와 중복하면, 제1 밀폐 부재 배치부에 배치된 제1 밀폐 부재에 의해 밸브 시트체와 그 외주에 배치되는 부재(하우징)가 밀폐되는 위치와, 밸브 시트부에 안착한 밸브체에 의해 밸브 시트체와 밸브체가 안착하는 위치가 축선 방향으로 중복된다. 따라서 밸브 시트체에 밸브체가 안착하여 밸브 폐쇄 상태가 되었을 때에, 밸브 시트체의 내주측에서 반경 방향으로 작용하는 압력(내압)과, 외주측에서 반경 방향으로 작용하는 압력(외압)이 축선 방향에 걸쳐 거의 균형을 이룬다. 이에 따라, 밸브 시트체가 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 밸브 시트체에 작용하지 않고 밸브 시트체의 변형이나 파괴가 억제된다. 또한 상기 구성의 밸브 시트체 및 밸브 장치에 있어서, 제1 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치가 밸브 시트부의 축선 방향의 위치보다 고압측이면, 밸브 시트체의 제1 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치에서 밸브 시트부의 축선 방향의 위치까지의 영역은, 밸브 폐쇄 상태에 있어서 외압보다 높은 내압이 작용하고, 내압 부하의 조건이 된다. 이와 같이 밸브 시트체에 내압과 외압이 불균형인 영역이 존재하지만 내압 부하의 조건이 되므로 밸브 시트체에 작용하는 내압과 외압의 차이가 현저하게 커져도 밸브 시트체의 변형이나 파괴가 억제된다. 따라서 본 발명에 따른 밸브 시트체 및 밸브 장치에 따르면, 밸브 시트체의 내압성을 두께를 크게 하거나 보다 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고 밸브 시트체의 형상에 의해 높일 수 있다.
상기 밸브 시트체에 있어서, 상기 제1 밀폐 부재 배치부에 배치되는 제1 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 해당 제1 밀폐 부재의 상기 밸브 시트체의 외주와의 접촉부의 상기 축선 방향의 위치와, 상기 밸브 시트부의 상기 축선 방향의 위치가 중복하도록 구성되어도 좋다.
또한, 상기 밸브 시트체에 있어서, 상기 제1 밀폐 부재 배치부에 배치되는 제1 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 해당 제1 밀폐 부재의 상기 축선 방향의 높이 범위 내에, 상기 밸브 시트부의 상기 축선 방향의 위치가 포함되도록 구성되어도 좋다.
또는, 상기 밸브 시트체에 있어서, 상기 밸브 시트체에서의 상기 제1 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치가, 상기 밸브 시트체에서의 상기 밸브 시트부와, 상기 밸브 시트체에서의 고압측 단부 사이에 있도록 구성되어도 좋다.
또한, 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 하우징은 두꺼운 원통 형상을 이루고, 그 내주에 형성된 상기 밸브 시트체의 수용부와, 그 외주에 둘레 방향으로 연속하여 형성된 제2 밀폐 부재 배치부를 구비하고, 상기 제2 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치는, 상기 제1 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치와 중복하거나 그 중복하는 위치보다 고압측에 있는 것이 좋다.
상기 구성의 밸브 장치에 있어서, 제2 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치가, 제1 밀폐 부재의 축선 방향의 위치와 중복하면, 제2 밀폐 부재 배치부에 배치된 제2 밀폐 부재에 의해 하우징과 그 외주에 배치되는 부재가 밀폐되는 위치와, 제1 밀폐 부재 배치부에 배치된 제1 밀폐 부재에 의해 하우징과 밸브 시트체가 밀폐되는 위치가 축선 방향으로 중복한다. 따라서 밸브 시트체에 밸브체가 안착하여 밸브 폐쇄 상태가 되었을 때에, 밸브 시트체의 내주측에서 반경 방향으로 작용하는 압력(내압)과, 외주측에서 반경 방향으로 작용하는 압력(외압)이 축선 방향에 걸쳐 거의 균형을 이룬다. 이에 따라, 하우징이 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 하우징에 작용하지 않고 하우징의 변형이나 파괴가 억제된다. 또한, 상기 구성의 밸브 장치에 있어서, 제2 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치가 제1 밀폐 부재의 축선 방향의 위치보다 고압측이면, 하우징의 제2 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치에서 제1 밀폐 부재 배치부의 축선 방향의 위치까지의 영역은, 밸브 폐쇄 상태에 있어서 외압보다 높은 내압이 작용하여 내압 부하의 조건이 된다. 이와 같이 하우징에 내압과 외압이 불균형인 영역이 존재하지만 내압 부하의 조건이 되므로 하우징에 작용하는 내압과 외압의 차이가 현저하게 커져도 하우징의 변형이나 파괴가 억제된다. 따라서 본 발명에 따른 밸브 장치에 따르면, 하우징의 내압성을, 두께를 크게 하거나 보다 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고 하우징의 형상에 의해 높일 수 있다.
상기 밸브 장치에 있어서, 상기 제2 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 해당 제2 밀폐 부재의 상기 축선 방향의 높이 범위와, 상기 제1 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 해당 제1 밀폐 부재의 상기 축선 방향의 높이 범위가 적어도 일부 중복하도록 구성되어 있어도 좋다.
또한, 상기 밸브 장치에 있어서, 상기 하우징에서의 상기 제2 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치가, 상기 밸브체부에서의 상기 제1 밀폐 부재 배치부와 상기 하우징에서의 고압측 단부 사이에 있도록 구성되어 있어도 좋다.
본 발명에 따른 밸브 시트체 또는 밸브 장치에 따르면, 밸브 폐쇄 상태에 있어서, 밸브 시트체의 축선 방향 전역에 걸쳐 밸브 시트체에 작용하는 내압과 외압이 균형을 이루거나, 일부 균형을 이루지 못하는 부분이 존재하더라도 밸브 시트체가 변형이나 파괴되는 크기의 응력이 밸브 시트체에 작용되지 않는다. 요컨대, 두께를 크게 하거나 보다 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고도 밸브 시트체의 형상에 의해 밸브 시트체의 내압성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 밸브 장치(밸브 개방 상태)의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 밸브 장치(밸브 폐쇄 상태)의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 밸브 시트체의 밀폐 부재 배치부의 다른 태양을 도시한 도면이다.
도 4는 밸브체의 밸브부의 다른 태양을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 밸브 시트체의 수치 계산 모델의 단면도이다.
도 6은 비교예에 따른 밸브 시트체의 수치 계산 모델의 단면도이다.
도 7은 두꺼운 원통에 내압과 외압이 가해졌을 때에 작용하는 응력을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 밸브 시트체의 변형예의 수치 계산 모델의 단면도이다.
도 9는 실시예 1에 따른 밸브 장치의 기준축선에 평행한 단면도이다.
도 10은 실시예 2에 따른 밸브 장치(밸브 개방 상태)의 기준축선에 평행한 단면도이다.
도 11은 도 10에 도시한 밸브 장치(밸브 폐쇄 상태)의 기준축선에 평행한 단면도이다.
도 12는 도 10에 도시한 밸브 장치의 변형예를 도시한 도면이다.
도 13은 실시예 3에 따른 밸브 장치의 기준축선에 평행한 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시한 밸브 장치의 변형예 1을 도시한 도면이다.
도 15는 도 13에 도시한 밸브 장치의 변형예 2를 도시한 도면이다.
도 16은 종래의 밸브 장치의 개략 구성을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 한편, 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일 또는 상응하는 요소에는 동일 참조부호를 부여하고 그 중복하는 설명을 생략한다.
도 1 및 도 2는 모두 본 발명에 따른 밸브 장치(20)의 개략적인 단면도이고, 도 1은 밸브 개방 상태, 도 2는 밸브 폐쇄 상태를 각각 도시하고 있다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 밸브 장치(20)는 밸브부(41)를 가진 밸브체(4)와, 밸브 시트부(54)를 가진 밸브 시트체(5)를 구비하고 있다. 밸브 장치(20)는, 일차측(공급측)에서 이차측(배출측)으로 흐르는 유체의 유로에 설치되어 있고, 밸브체(4)의 밸브부(41)가 밸브 시트체(5)의 밸브 시트부(54)에 안착하거나 밸브부(41)가 밸브 시트부(54)에서 이격됨에 따라서 유체의 흐름이 제어된다. 밸브 장치(20)는 기준축선(L)을 가지며, 밸브체(4)와 밸브 시트체(5)는 그 축선이 기준축선(L)과 일치하도록 배치되어 있다. 이하에서는, 기준축선(L)에 따른 축선 방향(Z)에 있어서, 도면의 상부측을 「Z1방향」 또는「Z1측」이라고 하고, 도면의 하부측을 「Z2방향」 또는 「Z2측」이라고 한다.
밸브 시트체(5)는 기준축선(L)을 중심선으로 하는 두꺼운 원통 형상을 가진다.밸브 시트체(5)는 엔지니어링 플라스틱제의 일체형 부재이다. 여기서, 엔지니어링 플라스틱이란, 일반적으로 내열온도가 100℃ 이상이고, 인장강도가 500㎏f/㎠ 이상이며, 또한 휨 탄성율이 20000㎏/㎠ 이상인 기계적 강도와 내열성이 우수한 합성수지이다. 단, 밸브 시트체(5)는 엔지니어링 플라스틱 등의 합성수지제에 한정되지 아니 하고 금속제여도 좋다.
밸브 시트체(5)는 밸브 시트체(5)의 외주 형상과 합치하는 내주 형상을 가진 수용부(9)에 수용되어 있다. 수용부(9)는, 예를 들면, 하우징에 형성된 밸브 통로의 일부를 구성한다. 밸브 시트체(5)의 외주에는 밀폐 부재 배치부로서의 밀폐 그루브(seal groove)(59)가 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)는 밸브 시트체(5)의 외주에 있어서 둘레 방향으로 연속하는 링(ring)형 오목부이다. 도 1 및 도 2에 있어서 밀폐 부재 배치부는 밀폐 그루브(59)로서 밸브 시트체(5)의 축선 방향(Z)의 중간에 설치되어 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이 밸브 시트체(5)의 Z1측 단부와 Z2측 단부 사이에 형성되는 단차부로서 설치되어 있어도 좋다. 밀폐 그루브(59)에는 링형 밀폐 부재(58)가 배치되고, 밀폐 부재(58)에 의해 수용부(9)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주 사이의 유체 유통이 저지된다. 이와 같이 밀폐 부재(58)에 의해 밀폐되어 있는 수용부(9)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주의 사이를 「제2밀폐부(S2)」라고 부르기로 한다.
밸브 시트체(5)의 두꺼운 원통의 내주에는, Z1측의 대경부(51)와 Z2측의 소경부(52)가 형성된다. 대경부(51) 내부는 밸브체(4)가 수용되는 밸브체실(55)의 일부가 형성되어 있고, 밸브체실(55)은 일차측과 연통하고 있다. 대경부(51)는, 밸브체(4)가 Z1측에서 대경부(51)로 진입할 수 있도록 밸브체(4)의 외경보다 큰 제1유로 직경(D1)을 가진다. 또한, 소경부(52) 내부는 밸브체실(55)과 이차측을 접속하는 연통로(50)이다. 소경부(52)는 제1유로 직경(D1) 보다 작고 또한 밸브체(4)의 외경보다 작은 제2유로 직경(D2)을 가진다. 대경부(51)와 소경부(52)는 축선 방향(Z)으로 연속하고, 대경부(51)에서 소경부(52)로 내경이 변화하는 Z1 방향의 단차면(53)에 밸브 시트부(54)가 형성되어 있다. 밸브 시트부(54)의 축선 방향(Z)의 위치는 밀폐 그루브(59)의 축선 방향(Z)의 위치와 중복되어 있다. 더욱이, 여기서 「축선 방향(Z)의 위치」란, 기준축선(L)을 z축으로 하고, z축 상의 어느 점을 원점으로 하였을 때의 z좌표를 말한다. 또한, 여기서 「밸브체의 외경」이란, 밸브 시트체(5)의 내주에 삽입되는 밸브체(4)의 부분의 최대 외경이다. 밸브 시트체(5)의 내주에 삽입되는 밸브체(4)의 부분의 외경이 변화할 경우, 예를 들면, 밸브체(4)의 밸브 시트체(5)의 내주에 삽입되는 부분이 대경부와 그것으로부터 선단측인 소경부를 가지고, 이 대경부와 소경부 사이에 밸브 시트체(5)의 밸브 시트부(54)에 안착하는 밸브부(41)가 형성되어 있는 것과 같은 경우에는, 밸브 시트체(5)의 대경부는 밸브체(4)의 대경부 보다 큰 내경을 갖고, 밸브 시트체(5)의 소경부는 밸브체(4)의 대경부 보다 작고 또한 밸브체(4)의 소경부보다 큰 내경을 가진다.
밸브체(4)는 축선 방향(Z)으로 연장하는 기둥 형태를 가진다. 밸브체(4)의 Z2측 단부는, 밸브 시트체(5)의 대경부(51) 내에서 Z1측으로부터 삽입된다. 밸브체(4)에는 밸브 시트체(5)의 밸브 시트부(54)에 안착하는 밸브부(41)가 형성되어 있다. 밸브체(4)는, 밸브부(41)가 밸브 시트부(54)에 안착하여 밸브 통로가 폐쇄되는 밸브 폐쇄 위치와, 밸브부(4)가 밸브 시트부(54)에서 이격되어 밸브 통로가 개방되는 밸브 개방 위치 사이에서, 밸브체실(55) 안을 축선 방향(Z)으로 왕복 이동 가능하다. 밸브체(4)가 밸브 폐쇄 위치에 있을 때에, 밸브 시트부(54)에 안착한 밸브부(41)에 의해 밀폐되어 있는 밸브 시트체(5)와 밸브체(4)의 사이를 「제1밀폐부(S1)」라고 부르기로 한다. 밸브 시트체(5) 측의 제1밀폐부(S1)는 밸브 시트부(54)이고, 밸브체(4)측의 제1밀폐부(S1)는 밸브부(41)이다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 밸브 장치(20)에서는, 밸브 시트체(5)의 내주 단차면(53)의 내주연에 밸브 시트부(54)가 형성되고, 밸브체(4)의 Z2측 단면의 접한 둘레에 밸브부(41)가 형성된다. 단, 밸브 시트부(54)와 밸브부(41)의 형상 조합은 이에 한정되지 아니하고, 예를 들면 도 4에 도시한 바와 같이 밸브 시트체(5)의 단차면(53)에 밸브 시트부(54)가 형성되고, 밸브체(4)의 Z2측 단면에 돌출 성형된 둥근 고리형 립(lip) 선단에 밸브부(41)가 형성되어 있어도 좋다. 이 경우에는, 밸브 시트체(5)의 단차면(53)의 밸브부(41)가 접촉하는 부분이 밸브 시트체(5) 측의 제1밀폐부(S1)이고, 밸브체(4)측의 제1밀폐부(S1)는 밸브부(41)이다.
상기 밸브 장치(20)에 있어서, 제2밀폐부(S2)에서는, 수용부(9)의 내주와 밀폐 부재(58)의 외주가 접촉하고 있는 외주측 접촉부와, 밸브 시트부(5)의 외주와 밀폐 부재(58)의 내주가 접촉하고 있는 내주측 접촉부에서 수용부(9)와 밸브 시트체(5)의 사이가 실질적으로 밀폐된다. 밀폐 부재(58)는 고무제 링(ring)이고, 밸브 장치(20)의 사용 상태에 있어서는 유체압을 받아서 압축 변형되어 있다. 압력으로 변형된 밀폐 부재(58)는, 밸브 시트체(5)의 외주면 및 수용부(9)의 내주면의 선보다 넓은 폭으로 접촉하고 있는 경우가 있고, 또한 외주측 접촉부와 내주측 접촉부가 축선 방향(Z)으로 어긋나 있는 경우가 있다. 상기 사정을 고려하여 밀폐 그루브(59)에 배치되는 밀폐 부재(58)가 유체압을 받아서 압축 변형되었을 때의 밀폐 부재(58)의 축선 방향(Z)의 높이 범위를 「밀폐 대역(SL) 」이라고 하고, 이 밀폐 대역(SL)에 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치가 포함되는 때에 「제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복되어 있다」고 한다.
밸브 장치(20)에 있어서, 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복되어 있다. 더욱이, 가장 바람직하게는, 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치가 중복되어 있고, 밀폐 그루브(59)에 배치된 밀폐 부재(58)가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 밀폐 부재(58)의 축선 방향(Z)의 중앙 위치와 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치가 중복되어 있다.
도 2에서는, 밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20)에 있어서, 밸브 시트체(5)에 작용하는 일차측 압력이 일차압(P1)의 화살표로 표시되고, 밸브 시트체(5)에 작용하는 2차측 압력이 이차압(P2)의 화살표로 표시되어 있다. 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)의 외주 중에서, 제2밀폐부(S2) 보다 Z1측에는 일차압(P1)이 작용하고, 제2밀폐부(S2)보다 Z2측에는 이차압(P2)이 작용하고 있다. 또한, 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)의 내주 중에서, 제1밀폐부(S1)보다 Z1측의 대경부(51)에는 일차압(P1)이 작용하고, 제1밀폐부(S1)보다 Z2측의 소경부(52)에는 이차압(P2)이 작용하고 있다. 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복되어 있거나 또는 매우 근접되어 있으므로 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)에 있어서 내주면에서 반경 방향으로 작용하는 압력(이하, 「내압」이라고도 한다)과 외주면에서 반경 방향으로 작용하는 압력(이하, 「외압」이라고도 한다)이 축선 방향(Z)에 걸쳐 거의 균형을 이루고 있다. 이 결과, 밸브 시트체(5)에 밸브 시트체(5)를 변형이나 파괴시키는 것과 같은 응력이 작용하지 않거나, 발생하였다고 하여도 밸브 시트체(5)를 변형시키거나 파손시킬 만큼의 크기가 되지 못한다.
상기와 같이, 밸브 시트체(5)는, 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치가 중복하거나 또는 근접하는 형상을 가짐으로써 밸브 폐쇄 상태의 내압성이 높아진다. 요컨대, 밸브 시트체(5)의 내압성이 두께를 두껍게 하거나 보다 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고도 밸브 시트체(5)의 형상에 의해 높아지는 것이다. 게다가 이와 같은 밸브 시트체(5)의 형상은 특수한 가공이 불필요한 단순 형상으로, 종래의 수지 성형 가공이나 절삭 가공에 의해 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 이와 같이 높은 내압성을 구비한 밸브 시트체(5)를 구비하는 밸브 장치(20)는, 종래보다 고압인 유체 흐름 안에 배치하는 것이 가능하다. 예를 들면, 엔지니어링 플라스틱제의 밸브 시트체(5)를 구비한 밸브 장치(20)를, 종래의 고압(35㎫ 정도)을 초과하는 초고압(예를 들면, 70㎫ 정도)의 유체를 막기 위하여 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 구성의 밸브 장치(20)의 밸브 시트체(5)의 강도를 예증하기 위하여 행하였던 수치계산 1과 2의 결과를 설명한다.
(수치계산 1)
수치계산 1에서는, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)와 비교예에 따른 밸브 시트체(105)를 각각 모델(model)화하고, 밸브 폐쇄 상태에서 각 밸브 시트체에 작용하는 응력의 크기를 계산하였다. 도 5는, 본 발명에 따른 밸브 시트체의 수치계산 모델의 단면도, 도 6은 비교예에 따른 밸브 시트체의 수치계산 모델의 단면도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)의 수치계산 모델은, 대소 2개의 내경을 가진 두꺼운 원통체로, 소경부(52)의 내경(반경)을 r1으로 하고, 대경부(51)의 내경(반경)을 r1'로 하고, 밸브 시트체(5)와 접촉하고 있는 밀폐 부재(58)의 최소경(반경)을 r2로 하였다. 한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 비교예인 종래의 밸브 시트체(105)의 수치계산 모델은, 두꺼운 원통체로, 내경(반경)을 r1으로 하고, 밸브 시트체(105)와 접촉하고 있는 밀폐 부재(58)의 최소경(반경)을 r2로 하였다. 비교예에 따른 밸브 시트체(105)에서는, 밸브 시트부(54)는 밸브 시트체(105)의 Z1측 단부에 배치되고, 밀폐 그루브(seal groove)(59) 및 밀폐 부재(58)는 밸브 시트부(54)보다 Z2측에 배치되어 있다. 이러한 비교예에 따른 밸브 시트체(105)에서는, 제1밀폐부(S1)가 제2밀폐부(S2) 보다 Z1측에 위치하고 있다.
밸브 시트체(5)에서는, 제1, 2밀폐부(S1, S2)보다 Z1측에 있는 내주면 상의 제1부위(k1) 및 외주면 상의 제2부위(k2)와, 제1, 2밀폐부(S1, S2)보다 Z2측에 있는 내주면 상의 제3부위(k3) 및 외주면 상의 제4부위(k4)를 계산 대상 부위로 하였다. 한편, 비교예에 따른 밸브 시트체(105)에서는, 제1밀폐부(S1)보다 Z2측에 또한 제2밀폐부(S2)보다 Z1측에 있는 내주면 상의 제1부위(k1) 및 외주면 상의 제2부위(k2)와, 제1, 2밀폐부(S1, S2) 보다 Z2측에 있는 내주면 상의 제3부위(k3) 및 외주면 상의 제4부위(k4)를 계산 대상 부위로 하였다. 밸브 시트체(5)의 각 계산 대상 부위(k1, k2, k3, k4)와 비교예에 따른 밸브 시트체(105)의 각 계산 대상 부위(k1, k2, k3, k4)는 대응 관계에 있고, 계산 대상 부위(k1, k2)의 축선 방향(Z)의 위치는 거의 동일하고, 계산 대상 부위(k3, k4)의 축선 방향(Z)의 위치는 거의 동일하다.
또한, 밸브 시트체(5, 105)의 각 계산 대상 부위(k1, k2, k3, k4)에 대해서, r2 ＝ 2 × r1이라고 가정하고, 반경 방향의 응력(σr), 둘레 방향의 응력(σθ) 및 최대 주 전단 응력(τ)을, 일차압(P1)이 p1이고 이차압(P2)이 0인 경우(이하, 「케이스(case) 1」이라고 한다)와 일차압(P1)이 0이고 이차압(P2)이 p2인 경우(이하, 「케이스(case) 2」라고 한다)에 대하여 각각 산출하였다.
밸브 시트체(5, 105)의 수치계산 모델에 작용하는 응력의 크기 계산에서는, 일반적인 두꺼운 원통의 응력 계산식을 이용하였다. 도 7은 두꺼운 원통에 내압과 외압이 가해졌을 때에 작용하는 응력을 설명하는 도면이다. 밸브 시트체(5, 105)를 도 7에 도시한 바와 같은 내주 반경이 r1이고 외주 반경이 r2인 두꺼운 원통으로 설정하고, 두꺼운 원통에 내압(α1)과 외압(α2)이 작용하고 있다고 가정하고, 반경(r) 또한 각도(θ)에 위치하는 부위에 작용하는 반경 방향의 응력(σr), 둘레 방향의 응력(σθ), 최대 주 전단 응력(τ)을 각각 산출하였다. 두꺼운 원통에 작용하는 반경 방향의 응력(σr)은 아래에 나타내는 수학식 1을, 둘레 방향의 응력(σθ)은 아래에 나타내는 수학식 2를, 최대 주 전단 응력(τ)은 아래에 나타내는 수학식 3을 각각 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pct00001
[수학식 2]
Figure pct00002
[수학식 3]
Figure pct00003
[표 1]
Figure pct00004
상기 표 1에는, 수치계산 1의 계산 결과를 나타내고 있다. 케이스 1에 있어서, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)에서는, 제1부위(k1)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제2부위(k2)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)은 균형을 이루고 있다. 마찬가지로, 제3부위(k3)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제4부위(k4)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)이 균형을 이루고 있다. 이 계산 결과로부터, 케이스 1에 있어서, 밸브 시트체(5)에 작용하는 내압과 외압은 균형을 이루고 있다는 것을 알 수 있다.
한편, 케이스 1에 있어서, 비교예에 따른 밸브 시트체(105)에서는, 제1부위(k1)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제2부위(k2)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)이 균형을 이루고 있지 못하다. 반면에, 제3부위(k3)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제4부위(k4)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)은 균형을 이루고 있다. 따라서 케이스 1에 있어서, 밸브 시트체(105)의 제2밀폐부(S2)보다 Z1측에 작용하는 내외압의 불균형이 발생한다는 것을 알 수 있다.
또한, 케이스 2에 있어서, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)에서는, 제1부위(k1)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제2부위(k2)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)은 균형을 이루고 있다. 마찬가지로, 제3부위(k3)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제4부위(k4)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)은 균형을 이루고 있다. 이 계산 결과로부터, 케이스 2에 있어서, 밸브 시트체(5)에 작용하는 내압과 외압이 균형을 이루고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 케이스 2에 있어서, 비교예에 따른 밸브 시트체(105)에서는, 제1부위(k1)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제2부위(k2)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)이 균형을 이루고 있지 못하다. 반면에, 제3부위(k3)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)과, 제4부위(k4)에 작용하는 반경 방향의 응력(σr) 및 둘레 방향의 응력(σθ)은 균형을 이루고 있다. 이 계산 결과로부터, 케이스 2에 있어서, 밸브 시트체(105)의 제2밀폐부(S2)보다 Z1측에 작용하는 내외압의 불균형이 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.
상기 수치계산 1의 결과로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)는, 밸브 폐쇄 상태에서 축선 방향(Z)에 걸쳐 내압과 외압이 균형을 이룬다. 이에 따라 밸브 시트체(5)가 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 밸브 시트체에 작용하지 않아서, 밸브 시트체(5)의 변형이나 파괴가 억제된다. 이와 같이 밸브 시트체(5)는 두께를 크게 하거나 더 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고도 밸브 시트체(5)의 형상에 의해 내압성이 향상되어 있다. 반대의 관점에서는, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)와 비교예에 따른 밸브 시트체(105)에 동일한 유체압에 견딜 수 있는 사양이 요구될 때에, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)는 비교예에 따른 밸브 시트체(105) 보다 강도가 낮은 재료로 구성하거나 두께를 얇게 할 수 있다.
(수치계산 2)
상기 수치계산 1에서는, 본 발명에 따른 밸브 시트체(5)의 제1, 2밀폐부(S1, S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복되어 있다. 단, 밸브 시트체(5)의 형상에 제약이 있는 경우 등에는, 제1, 2밀폐부(S1, S2)의 축선 방향(Z)의 위치를 비켜 놓아야 하는 경우도 있다. 따라서, 수치계산 2에서는, 제1, 2밀폐부(S1, S2)의 축선 방향(Z)의 위치가 어긋나 있는 밸브 시트체(5)에 대하여 응력 계산을 행하였다. 도 8에 도시한 밸브 시트체(5)의 수치 계산 모델에서는, 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치는 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치보다 Z2측에 있다. 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 근접하여 있고, 제2밀폐부(S2)는 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치와 밸브 시트체(5)의 고압측(여기서는 Z1측) 단부의 축선 방향(Z)의 위치 사이에 있다. 여기서, 밸브 시트체(5)의 제2밀폐부(S2)에서 제1밀폐부(S1)까지의 축선 방향(Z)의 사이 영역을 「내외압 불균형 영역(△L)」이라고 한다. 밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20)에 있어서, 밸브 시트체(5)의 내외 불균형 영역(△L)에서는 내주면에 일차압(P1)이 작용하고, 외주면에 이차압(P2)이 작용한다. 일차압(P1)이 이차압(P2)보다 높은 경우에 영역(△L)은 내압 부하의 상태가 되고, 일차압(P1)이 이차압(P2)보다 낮은 경우에 영역(△L)은 외압 부하의 상태가 된다.
수치계산 2에서는, 밸브 시트체(5)의 내외압 불균형 영역(△L)이 내압 부하인 경우와 외압 부하인 경우에서, 밸브 시트체(5)에 가해진 응력의 크기를 각각 계산하였다. 도 8에 도시한 바와 같이, 밸브 시트체(5)의 수치 계산 모델은, 대소 2개의 내경을 가진 두꺼운 원통체이며, 대경부(51)의 내경(반경)이 r1이고, 밀폐 부재(58)의 최소경(반경)이 r2이고, r2 ＝ 2 × r1이다. 이 밸브 시트체(5)의 수치 계산 모델의 제2밀폐부(S2)는 제1밀폐부(S1)보다 Z1측에 위치하고 있다. 또한, 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2) 사이의 내외압 불균형 영역(△L)에서 내주면에 위치하는 제5부위(k5) 및 외주면에 위치하는 제6부위(k6)를 계산 대상 부위로 하였다. 각 계산 대상 부위에 관하여 내외압 불균형 영역(△L)이 내압 부하(일차압(P1)이 p1이고 이차압(P2)이 0)인 경우와, 내외압 불균형 영역(△L)이 외압 부하(일차압(P1)이 0이고 이차압(P2)이 p2)인 경우에 대해서, 반경 방향의 응력(σr), 둘레 방향의 응력(σθ) 및 최대 주 전단 응력(τ)을 각각 산출하였다. 응력 크기 계산에서는, 전술한 수치계산 1과 마찬가지로, 밸브 시트체(5)를 도 7에 도시한 바와 같은 내주 반경이 r1이고 외주 반경이 r2인 두꺼운 원통으로 설정하고, 수학식1 ~ 수학식3에 나타낸 식을 이용하였다. 아래의 표 2에서는, 상기 수치계산 2의 계산 결과를 나타내고 있다.
[표 2]
Figure pct00005
상기 계산 결과에 있어서, 내압 부하 때의 일차압(P1)과 외압 부하 때의 이차압(P2)이 같다고 가정하였을 때에, 외압 부하 때의 쪽이 내외압 불균형 영역(△L)에 큰 압축 응력이 작용한다. 따라서 제1, 2밀폐부(S1, S2)의 축선 방향(Z)의 위치를 Z1측 또는 Z2측으로 크게 비켜 놓을 경우에는, 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)에 작용하는 내압과 외압이 불균형한 부분에서 내압이 외압보다 커지는 것을 조건이 된다. 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)에서 내외압 불균형 영역(△L)이 내압 부하가 되기 위해서는, 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치가 제1밀폐(S1)의 축선 방향(Z)의 위치보다 고압측(일차압측)인 것이 좋다. 더욱이, 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치가 근접하여 있는 것이 좋다. 제1, 2밀폐부(S1, S2)의 축선 방향(Z)의 위치의 변위량은, 밸브 시트체(5)에 가해질 수 있는 최대 유체압, 밸브 시트체(5)의 구성 재료 등에 따라 밸브 시트체(5)의 내외압 불균형 영역(△L)에 작용하는 내압과 외압의 차이에 의해 밸브 시트체(5)가 변형이나 파괴되지 않는 범위 내에서 적절히 정해진다. 더욱이, 외압 부하가 되는 경우라도 밸브 시트체(5)의 구성 재료가 고려된 다음에 내외압 불균형 영역(△L)이 충분하게 작게 설정되면 밸브 시트체(5)에 작용하는 내압과 외압의 차이로 인하여 발생하기 때문에 충분한 강도를 가질 수 있다.
(실시예1)
여기서, 도 9를 참조하면서 본 발명에 따른 밸브 장치(20)의 바람직한 실시예 1에 관하여 설명한다. 도 9는 실시예 1에 따른 밸브 장치의 기준축선에 평행한 단면도이다. 실시예 1에 따른 밸브 장치(20A)는, 공급측에서 배출측으로 흐르는 유체의 유로에 설치되고, 공급측에서 공급되는 일차측 유체의 이차측으로의 배출을 제어하는 전자식 개폐 밸브이다.
밸브 장치(20A)는 하우징(21)과, 밸브체(4)와, 전자(電磁) 구동 기구(23)와, 밸브 시트체(5)를 구비하고 있다. 밸브 장치(20A)는 기준축선(L)을 가지고, 하우징(21), 밸브체(4), 전자 구동 기구(23), 및 밸브 시트체(5)는 그 축선이 기준축선(L)과 일치하도록 배치되어 있다. 이하에서는, 기준축선(L)에 따르는 축선 방향(Z)에 있어서, 도 9의 지면 위쪽을 「Z1 방향」 또는 「Z1측」, 지면 아래쪽을 「Z2 방향」 또는 「Z2측」이라고 말한다.
하우징(21)에는 밸브실(31), 일차 통로(32), 및 이차 통로(33)가 형성되어 있다. 밸브실(31)은 기준축선(L)을 따라 형성된 원기둥 형태의 공간으로, Z1 방향으로 개방된 개구(21a)를 가진다. 이 개구(21a)를 통하여 밸브실(31)로 밸브체(4)가 삽입되어 있다. 밸브실(31)에는 일차 통로(32)의 하류측이 접속되어 있다. 일차 통로(32)는 기준축선(L)과 교차하는 방향으로 연장하도록 형성되어 있다. 일차 통로(32)의 상류측 개구는 일차 포트(32A)에서 공급측과 연통되어 있다. 한편, 밸브실(31)의 Z2측 단면에는 이차 통로(333)의 상류측이 접속되어 있다. 이차 통로(33)는 기준축선(L)을 따라 연장하도록 형성되어 있고, 그 구멍 직경은 밸브실(31)의 구멍 직경보다 소경이다. 이차 통로(33)의 하류측 개구는 이차 포트(33A)에서 배출측과 연통되어 있다. 상기 구성의 일차 통로(32), 밸브실(31) 및 이차 통로(33)에 의해 일차 포트(32A)와 이차 포트(33A)를 연결하는 밸브 통로가 형성되어 있다.
밸브 시트체(5)는 엔지니어링 플라스틱제로, 기준축선(L)을 중심선으로 하는 두꺼운 원통 형상을 가진 일체형 부재이다. 밸브 시트체(5)는, Z2측 단면이 밸브실(31)의 Z2측 단면과 접촉하고 또한 외주면이 밸브실(31)의 내주면과 근접하도록 밸브실(31) 내에 배치되어 있다. 밸브 시트체(5)는 밸브실(31)의 내경과 거의 같은 외경을 가지고 있다. 밸브 시트체(5)의 외주면에는, 밀폐 부재 배치부로서의 밀폐 그루브(59)가 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)는 밸브 시트체(5)의 외주면에 있어서 둘레 방향으로 연속하고, 밸브 시트체(5)의 외주면의 Z1측을 밸브 시트체(5)의 축선 방향(Z)의 중간부까지 절개되어 단차부로서 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)에는 밀폐 부재(58)가 배치되고, 상기 밀폐 부재(58)에 의해 밸브 시트체(5)의 외주면과 밸브실(31)의 내주면이 밀폐되어 있다. 이와 같이 밀폐 부재(58)에 의해 밀폐되어 있는 밸브실(31)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주 사이를 「제2밀폐부(S2)」라고 부르기로 한다.
밸브 시트체(5)의 두꺼운 원통의 내주에는, Z1측의 대경부(51)와, Z2측의 소경부(52)가 축선 방향(Z)으로 연속하여 형성되어 있다. 밸브 시트체(5)의 대경부(51) 안은, 밸브체(4)가 수용되는 밸브체실(55)의 일부분을 형성하고 있고, 일차 통로(32)측과 연통되어 있다. 또한, 밸브 시트체(5)의 소경부(52) 안은, 밸브체실(55) 안과 이차 통로(33)측과 연통되어 있는 연통로(50)이다. 대경부(51)에서 소경부(52) 쪽으로 내경이 변화하는 단차면(53)의 내주연에 밸브 시트부(54)가 형성되어 있다. 밸브 시트부(54)의 축선 방향(Z)의 위치는, 밀폐 그루브(59)의 축선 방향(Z)의 위치와 중복하고 있거나 또는 근접하여 있다.
밸브체(4)는 축선 방향(Z)으로 연장하는 기둥형 부재로, 축선 방향(Z)으로 변위 가능하게 밸브실(31)에 삽입되어 있다. 밸브체(4)는, 축선 방향(Z)에 있어서, 밸브실(31)과 일차 통로(32)가 접속되어 있는 주변부에서 직경이 감축된다. 또한, 밸브체(4)는 밸브 시트체(5)의 대경부(51) 내에 진입하여 있고, 밸브체(4)에는 밸브 시트체(5)의 밸브 시트부(54)에 안착하는 밸브부(51)가 형성되어 있다. 밸브체(4)는, 밸브부(41)가 밸브 시트부(54)에 안착하여 밸브 통로를 폐쇄하는 밸브 폐쇄 위치와, 밸브부(4)가 밸브 시트부(54)에서 이격하여 밸브 통로가 개방되는 밸브 개방 위치 사이에서 이동할 수 있다.
밸브체(4)는, 밸브부(41)가 형성된 밸브체부(25)와, 그 밸브체부(25)의 Z1측에 접합된 가동 철심부(26)로 구성되어 있다. 밸브체부(25)는 비자성 재료, 예를 들면 비자성 스테인레스강으로 구성되어 있다. 한편, 가동 철심부(26)는 자성 재료, 예를 들면 내부식성이 우수한 전자(電磁) 스테인레스강 등으로 구성되어 있다.
상기 구성의 밸브체(4)는 원통 형상의 가이드 부재(30)에 내삽되어 있다. 가이드 부재(30)는 하우징(21)에 대하여 기준축선(L)을 축으로 하여 상대 회동 불가능하도록 밸브실(31) 내에 나사 체결되어 있다. 가이드 부재(30)의 Z2측 단면은 탄성 부재(62) 및 균압 부재(61)를 사이에 두고 밸브 시트체(5)의 Z1측 단면을 압압하고 있다. 이와 같이 밸브 시트체(5)가 밸브실(31)의 바닥면과 사이드 부재(30) 사이에 끼워짐으로써 밸브실(31) 내에서 밸브 시트체(5)의 위치가 유지된다. 가이드 부재(30)는 하우징(21)의 개구(21a)에서 Z1 방향으로 돌출되어 있고, 이 돌출 부분을 포위하도록 전자 구동 기구(23)가 설치되어 있다.
전자 구동 기구(23)는, 가이드 부재(30)에 외감(外嵌)된 보빈(bobbin)(35)과, 보빈(35)에 감겨진 코일(36)과, 보빈(35) 및 코일(36)을 외주측에서 피복하는 솔레노이드 케이싱(27)과, 강자성체로 이루어진 고정 자극(29)을 구비하고 있다. 코일(36)의 내측에는 밸브체(4)의 가동 철심부(26)가 위치하고 있다. 고정 자극(29)은 가이드 부재(30) 쪽으로 Z1측에서 삽입되어 있고, 고정 자극(29)의 Z2측 단면은 밸브체(4)의 Z1측 단면과 대향하고 있다. 대향하는 고정 자극(29)과 가동 철심부(26)는 간격을 두고 배치되고, 이들 사이에는 압축 코일 스프링(37)이 설치되어 있다. 압축 코일 스프링(37)은 가동 철심부(26)를 Z2 방향으로 압축하고 있다. 이에 따라, 밸브체부(25)의 선단부에 위치하는 밸브부(41)가 밸브 시트체(5)의 밸브 시트부(54)에 눌려진다.
상기 구성의 밸브 장치(20A)에서는, 코일(36)에 전류가 흐르면, 전기력을 발생하여 가동 철심부(26) 및 고정 자극(29)이 자화된다. 이에 따라, 가동 철심부(26)가 고정 자극(29)에 자기 흡인되어 밸브체(4)가 가이드 부재(30)에 안내되면서 Z1 방향으로 이동한다. 이윽고 밸브체부(22a)가 밸브 시트부(54)에서 이탈하여 밸브 통로가 개방된다. 나아가, 밸브체(4)는 Z1측 단면이 고정 자극(29)에 맞닿는 개방 위치까지 Z1 방향으로 계속 이동한다. 코일(36)에 흐르고 있었던 전류를 중지하면, 고정 자극(29) 및 가동 철심부(26)에 작용하고 있었던 자기력이 없어져 압축 코일 스프링(37)의 부세력에 의해 밸브체(4)가 밸브 시트부(54)를 향하여 압축된다. 이에 따라, 밸브체(4)가 Z2 방향으로 이동하고 이윽고 밸브부(41)가 밸브 시트부(54)에 안착하여 밸브 통로가 폐쇄된다. 밸브체(4)가 밸브 폐쇄 위치에 있을 때에, 밸브 시트부(54)에 안착했던 밸브부(41)에 의해 밀폐되어 있는 밸브 시트체(5)와 밸브체(4)의 사이를 「제1밀폐부(S1)」라고 부르기로 한다.
밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20A)에 있어서, 밸브 시트체(5)의 외주 중에서, 제2밀폐부(S2) 보다 Z1측에는 일차압(일차 포트(32A) 측의 유체압)이 작용하고, 제2밀폐부(S2)보다 Z2측에는 이차압(이차 포트(33A) 측의 유체압)이 작용한다. 또한, 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)의 내주 중에서, 제1밀폐부(S1)보다 Z1측의 대경부(51)에는 일차압이 작용하고, 제1밀폐부(S1)보다 Z2측의 소경부(52)에는 이차압이 작용한다. 밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20A)에서는, 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복하거나 또는 근접하고 있으므로 밸브체(5)에 작용하는 내압과 외압이 축선 방향(Z)에 걸쳐 균형을 이루고 있다. 이 결과, 밸브 시트체(5)에, 밸브 시트체(5)를 변형이나 파괴시킬 응력이 발생하지 않거나, 발생하였다고 하여도 밸브 시트체(5)를 변형이나 파괴시킬만큼의 크기가 되지 못한다.
상술한 실시예 1에서는, 밸브 장치(20A)는 전자력에 의해 밸브체(4)를 이동시키도록 구성된 전자 밸브이지만, 밸브 장치(20A)는 전자 밸브에 한정되지 아니 한다. 예를 들면, 밸브 장치(20A)는 모터로 구동되는 전동 밸브이어도 무방하다. 또는, 상술한 실시예에서는, 밸브 장치(20A)는 전자식 개폐 밸브이지만, 본 발명에 따른 밸브 장치는 전자식 개폐 밸브에 한정되지 아니 한다. 예를 들면, 전자식 개폐 밸브와는 다른 유체 제어 밸브에, 본 발명에 따른 밸브 장치를 적용시킬 수도 있다. 나아가, 상술한 실시예에서는, 밸브 장치(20A)에 있어서, 밸브 시트체(5)의 공급측(일차 포트(32A) 측)에 밸브체(4)를 설치하고 있지만, 밸브 시트체(5)의 배출측(이차 포트(33A) 측)에 밸브체(4)를 설치하는 구성으로 하여도 좋다. 게다가 상술한 실시예에 있어서, 공급측(일차 포트(32A) 측)과 배출측(이차 포트(33A) 측)이 바뀐 구성으로 하여도 좋다.
(실시예 2)
계속하여, 도 10 및 도 11을 참조하면서 본 발명에 따른 밸브 장치(20)의 바람직한 실시예 2에 관하여 설명한다. 도 10은 실시예 2에 따른 밸브 장치(밸브 개방 상태)의 기준축선에 평행한 단면도이고, 도 11은 도 10에 도시한 밸브 장치(밸브 폐쇄 상태)의 기준축선에 평행한 단면도이다. 실시예 1에 따른 밸브 장치(20A)는 전자식 개폐 밸브에 적용되어 있지만, 실시예 2에 따른 밸브 장치(20B)는 과류 방지 밸브에 적용되어 있다. 과류 방지 밸브는, 통상시에는 밸브를 개방하여 유체를 일차측에서 이차측으로 유출시키는 반면, 소정 유량 이상의 유체가 흘렀을 경우에는 밸브를 폐쇄하여 유체의 유출을 차단하는 유량 제어 밸브이다. 밸브 장치(20B)는, 예를 들면, 가스 봄베(bomb)에 가압 상태로 저장되어 있는 가스를 가스 사용 기기에 공급하는 가스 통로에 설치되고, 밸브 장치(20B)는 가스 봄베(99)의 개구부(99a)에 삽입되어 있다. 가스 사용 기기의 일 예는 연료 전지이며, 이 경우, 가스 봄베에는 초고압(최대 70㎫ 정도)의 수소 가스가 저장되어 있다.
밸브 장치(20B)는 밸브체(4), 밸브 시트체(5), 덮개체(6) 및 부세체(7)를 구비한다. 밸브 장치(20B)는 기준축선(L)을 가지며, 밸브체(4), 밸브 시트체(5), 덮개체(6) 및 부세체(7)는 그 축선이 기준축선(L)과 일치하도록 배치되어 있다. 이하에서는, 기준축선(L)을 따르는 축선 방향(Z)에 있어서, 도 10의 도면 오른쪽을 「Z1 방향」 또는 「Z1측」, 도면 왼쪽을 「Z2 방향」 또는 「Z2측」이라고 한다. 한편, 유체는 Z1측에서 Z2측으로 흐르고, Z1측이 일차측(공급측), Z2측이 이차측(배출측)이 된다.
밸브 시트체(5)는 금속제의 나사형 부재로, 기준축선(L)을 중심선으로 하는 두꺼운 원통 형상을 가진다. 밸브 시트체(5)는 가스 봄베(99)의 개구부(99a)에 Z1 방향으로 끼워 넣어져 있다. 밸브 시트체(5)의 외주에는, 밀폐 부재 배치부로서의 밀폐 그루브(59)가 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)는 밸브 시트체(5)의 외주에서 둘레 방향으로 연속하는 링형 오목부로 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)에는 밀폐 부재(58)가 배치되고, 밀폐 부재(58)에 의해 하우징(8)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주 사이의 가스 유통이 저지된다. 이와 같이 밀폐 부재(58)에 의해 밀폐되어 있는 개구부(99a)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주 사이를 「제2밀폐부(S2)」라고 부르기로 한다. 나아가, 본 실시예에 따른 밀폐 부재(58)는 오링(O-ring)이다.
밸브 시트체(5)의 두꺼운 원통의 내주면에는 Z1측의 대경부(51)와, Z2측의 소경부(52)가 형성되어 있다. 대경부(51)와 소경부(52)는 축선 방향(Z)으로 연속되어 있고, 대경부(51)에서 소경부(52)로 내경이 변화하는 단차면에 밸브체(4)의 밸브부(41)가 안착하는 밸브 시트부(54)가 형성되어 있다. 밸브 시트부(54)의 축선 방향(Z)의 위치는 밀폐 그루브(59)의 축선 방향(Z)의 위치와 중복하고 있다. 밸브 시트체(5)의 대경부(51) 안은 밸브체(4)가 수용되는 밸브체실(55)의 일부분을 형성한다. 또한, 밸브 시트체(5)의 소경부(52) 안은 밸브체실(55)과 이차측을 접속하는 연통로(50)이다.
밸브 시트체(5)의 Z1측 단면에는, Z2 방향으로 덮개체(6)가 끼워 넣어져 있다. 덮개체(6)는, 밸브 시트체(5)의 Z1측 단면으로 개구된 대경부(51)에 마개를 형성하는 형태로 끼워 넣어져 있고, 밸브 시트체(5)와 덮개체(6)에 의해 형성되는 내부 공간에 밸브체(4)를 수용하는 밸브체실(55)이 형성되어 있다. 덮개체(6)의 기준축선(L)이 통과하는 부분에는 일차측에서 밸브체실(55) 안으로 유체를 유입시키는 유입구(66)가 형성되어 있다.
밸브체(4)는 밸브 시트체(5)와 덮개체(6)에 의해 형성된 밸브체실(55)에 축선 방향(Z)으로 슬라이딩 가능하게 수용되어 있다. 밸브체(4)는 축선 방향(Z)을 축 방향으로 하는 원주체(圓柱)로, Z2측 단면에 밸브체(5)에 형성된 밸브 시트부(54)에 안착하는 밸브부(41)가 형성되어 있다. 밸브체(4) 안에는 덮개체(6)의 유입구(66)와 연속하는 내부 통로(42)가 형성되어, 유체를 내부 통로(42)에서 밸브체실(55)로 유입시킨다. 또한, 밸브체(4)의 외주에는 밸브체실(55) 안에서 연통로(50)를 향하여 유체를 통과시키는 외부 통로(43)(그루브)가 형성되어 있다. 밸브체(4)는, 부세체(7)에 의해 Z1 방향으로 부세되어 있다. 요컨대, 밸브체(4)는, 부세 부재인 부세체(7)에 의해 밸브를 개방하는 방향으로 부세되어 있다. 더욱이, 본 실시예에 있어서, 부세체(7)로서 압축 코일 스프링이 사용되고 있다.
상기 구성의 밸브 장치(20B)에 있어서, 덮개체(6)에 형성된 유입구(66)에서 소정 유량 미만의 유체가 유입하고 있을 경우에는, 밸브체(4)의 외부 통로(43)를 유체가 통과함으로써 발생하는 압력 손실이 작기 때문에, 밸브체실(55) 안에 설치된 밸브체(4)는 부세체(7)의 부세력에 의해 밸브 시트부(54)에는 안착하지 않는다. 요컨대, 유입구(66)와 연통로(50)가 연통된 밸브 개방 상태(비동작 상태)로 되어 있다. 밸브 개방 상태에서는, 유입구(66)에서 유입된 유체는 밸브체(4)의 내부 통로(42)를 통하여 밸브체실(55) 안으로 유입되고, 밸브체(4)의 외부 통로(43)를 통과하여 연통로(50)로 유입되고, 연통로(50)를 통하여 외부로 유출된다. 한편, 밸브 장치(20B)에 있어서, 유입구(66)에서 소정 유량 이상의 유체가 유입되었을 경우에는 밸브체(4)의 외부 통로(43)를 유체가 통과함으로써 발생하는 압력 손실이 커지기 때문에, 밸브체실(55) 안에 설치된 밸브체(4)는 부세체(7)의 부세력에 대항하여 Z2 방향으로 이동하여 밸브부(41)가 밸브 시트부(54)에 안착한다. 이에 따라, 유입구(66)와 연통로(50)는 비연통이 된다 즉, 밸브 폐쇄 상태(동작 상태)가 된다. 밸브 장치(20B)가 밸브 폐쇄 상태인 때에, 밸브 시트부(54)에 안착한 밸브부(41)에 의해 밀폐되어 있는 밸브 시트체(5)와 밸브체(4)의 사이를 「제1밀폐부(S1)」라고 부르기로 한다.
밸브 장치(20B)가 밸브 폐쇄 상태인 때에, 이차측 압력(이차압)은 대기압 정도까지 저하되지만, 반면에 일차측 압력(일차압)은 고압이 유지된다. 밸브 장치(20B)가 밸브 폐쇄 상태인 때에, 밸브 시트체(5)의 내주 중에서, 제1밀폐부(S1)보다 Z1측인 대경부(51)에는 일차압이 작용하고, 제1밀폐부(S1)보다 Z2측인 소경부(52)에는 이차압이 작용한다. 또한, 밸브 시트체(5)의 외주 중에서, 제2밀폐부(S2)보다 Z1측에는 일차압이 작용하고, 제2밀폐부(S2)보다 Z2측에는 대기압이 작용한다. 밸브 장치(20B)에서는, 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복하거나 또는 근접하고 있다. 따라서 밸브 폐쇄 상태의 밸브 시트체(5)에서는, 내압과 외압이 축선 방향(Z)에 걸쳐 균형을 이루고 있다. 이 결과, 밸브 시트체(5)가 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 밸브 시트체(5)에 작용하지 않고, 밸브 시트체(5)의 변형이나 파괴가 억제된다. 이와 같이 두께를 크게 하거나 특별한 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고도 밸브 시트체(5)의 내압성을 밸브 시트체(5)의 형상에 의해 높일 수가 있다. 그리고 이와 같이 높은 내압성을 가진 밸브 시트체(5)를 구비하는 밸브 장치(20B)는, 종래보다 고압인 유체의 흐름에 배치하는 것이 가능하다.
상기 실시예에서는 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)가 축선 방향(Z)으로 중복하는 위치에 설치되어 있지만, 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치를 비켜 놓아도 밸브 시트체(5)가 내고압성을 가진 경우가 있다. 도 12는 도 10에 도시한 밸브 장치의 변형예를 도시한 도면이다. 예를 들면, 도 12에 도시한 밸브 장치(20B)에서는, 제2밀폐부(S2)의 축선 방향(Z)의 위치가 제1밀폐부(S1)의 축선 방향(Z)의 위치보다 Z1측(고압측)에 있다. 따라서 밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20B)에서는, 축선 방향(Z)에 있어서 밸브 시트체(5)의 제1밀폐부(S1)와 제2밀폐부(S2) 사이에 내외압 불균형 영역(△L1)이 형성된다. 이 내외압 불균형 영역(△L1)에 있어서, 밸브 시트체(5)의 내주면에 일차압이 작용하고, 외주면에 이차압이 작용한다. 일차압은 이차압과 비교하여 현저하게 높으므로 내외압 불균형 영역(△L1)에서는 내압 부하의 상태가 된다. 밸브 시트체(5)에 내외압 불균형 영역(△L1)이 존재하지만, 밸브 폐쇄 상태의 내외압 불균형 영역(△L1)이 내압 부하인 점과, 밸브 시트체(5)의 내경과 외경에 직경 차이가 있는 점과, 밸브 시트체(5)의 주위는 강성이 높은 부재로 둘러싸여 있는 점으로부터 밸브 시트체(5)에 작용하는 내압과 외압의 차이가 현저하게 커져도 밸브 시트체(5)가 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 밸브 시트체(5)에 작용하지 않고 밸브 시트체(5)의 변형이나 파괴가 억제된다.
(실시예 3)
계속하여, 도 13을 참조하면서 본 발명에 따른 밸브 장치(20)의 바람직한 실시예 3에 대하여 설명한다. 도 13은 실시예 3에 따른 밸브 장치의 기준축선에 평행한 단면도이다. 실시예 3에 따른 밸브 장치(20C)는, 실시예 2에 따른 밸브 장치(20B)와 마찬가지로, 과류 방지 밸브에 적용되어 있다. 밸브 장치(20C)는, 예를 들면, 가스 봄베에 가압 상태로 저장되어 있는 가스를 가스 사용 기기로 공급하는 가스 통로에 설치되고, 밸브 장치(20C)는 가스 봄베(99)의 개구부(99a)에 삽입되어 있다. 가스 사용 기기의 일 예는 연료 전지이며, 이 경우, 가스 봄베에는 초고압(최대 70㎫ 정도)의 수소 가스가 저장되어 있다.
밸브 장치(20C)는 밸브체(4), 밸브 시트체(5), 덮개체(6), 부세체(7), 및 하우징(8)을 구비하고 있다. 밸브 장치(20C)는 기준축선(L)을 갖고, 밸브체(4), 밸브 시트체(5), 덮개체(6) 및 부세체(7)는 그 축선이 기준축선(L)과 일치하도록 배치되어 있다. 이하에서는, 기준축선(L)을 따르는 축선 방향(Z)에 있어서, 도 13의 도면 오른쪽을 「Z1 방향」 또는 「Z1측」, 도면 왼쪽을 「Z2 방향」 또는 「Z2측」이라고 한다. 한편, 유체는 Z1측에서 Z2측으로 흐르고, Z1측이 일차측(공급측), Z2측이 이차측(배출측)이 된다.
하우징(8)은 기준축선(L)을 중심선으로 하는 두꺼운 원통 형상을 가지고 있다. 하우징(8)은, 가스 봄베(99)의 개구부(99a)에 Z1 방향으로 끼워 넣어져 있다. 하우징(8)의 외주에는, 밀폐 부재 배치부로서의 밀폐 그루브(89)가 형성되어 있다. 밀폐 그루브(89)는, 하우징(8)의 외주에 있어서 둘레 방향으로 연속하는 링형 오목부에 형성되어 있다. 밀폐 그루브(89)에는 밀폐 부재(88)가 배치되고, 밀폐 부재(88)에 의해 개구부(99a)의 내주와 하우징(8)의 외주 사이의 가스 유통이 저지되어 있다. 이와 같이 밀폐 부재(88)에 의해 밀폐되어 있는 개구부(99a)의 내주와 하우징(8)의 외주 사이를 「제3밀폐부(S3)」라고 부르기로 한다. 한편, 본 실시예에 따른 밀폐 부재(88)는 오링(O-ring)이다.
하우징(8)의 두꺼운 원통의 내주면에는 Z1측의 대경부(81)와, Z2측의 소경부(82)가 형성되어 있다. 대경부(81)와 소경부(82)는 축선 방향(Z)으로 연속하고 있다. 하우징(8)의 대경부(81) 안은, 밸브 시트체(5)가 수용되는 밸브 시트실(83)이다. 또한, 하우징(8)의 소경부(82) 안은, 밸브 시트실(83)과 이차측을 접속하고 있는 연통로(84)이다.
밸브 시트체(5)는 금속제의 나사형 부재로, 기준축선(L)을 중심선으로 하는 두꺼운 원통 형상을 가진다. 밸브 시트체(5)는, 하우징(8)의 대경부(81)에 Z2 방향으로 끼워 넣어져 있다. 밸브 시트체(5)의 외주에는, 밀폐 그루브(59)가 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)는 밸브 시트체(5)의 외주에 있어서 둘레 방향으로 연속하는 링형 오목부에 형성되어 있다. 밀폐 그루브(59)의 축선 방향(Z)의 위치는 하우징(8)의 밀폐 그루브(89)의 축선 방향(Z)의 위치와 중복하거나 또는 매우 근접하고 있다. 밀폐 그루브(89)에는 밀폐 부재(58)가 배치되고, 밀폐 부재(58)에 의해 하우징(8)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주 사이의 가스 유통이 저지된다. 이와 같이 밀폐 부재(58)에 의해 밀폐되어 있는 하우징(8)의 내주와 밸브 시트체(5)의 외주 사이를 「제2밀폐부(S2)」라고 부르기로 한다. 한편, 본 실시예에 따른 밀폐 부재(58)는 오링(O-ring)이다.
밸브 시트체(5)의 두꺼운 원통의 내주면에는 Z1측의 대경부(51)와, Z2측의 소경부(52)가 형성되어 있다. 대경부(51)와 소경부(52)는 축선 방향(Z)으로 연속하고 있고, 대경부(51)에서 소경부(52)로 내경이 변화하는 단차면에 밸브체(4)의 밸브부(41)가 안착하는 밸브 시트부(54)가 형성되어 있다. 밸브 시트부(54)의 축선 방향(Z)의 위치는 밀폐 그루브(89,59)의 축선 방향(Z)의 위치와 중복하거나 또는 매우 근접하고 있다. 밸브 시트체(5)의 대경부(51) 안은, 밸브체(4)가 수용되는 밸브체실(55)의 일부분을 구성하고 있다. 또한, 밸브 시트체(5)의 소경부(52) 안은, 밸브체실(55)과 이차측(밸브 시트실(83))을 접속하는 연통로(50)이다.
밸브 시트체(5)의 Z1측 단면에는, Z2 방향으로 덮개체(6)가 끼워 넣어져 있다. 덮개체(6)는, 밸브 시트체(5)의 Z1측 단면으로 개구된 대경부(51)에 마개를 형성하는 형태로 끼워 넣어져 있고, 밸브 시트체(5)와 덮개체(6)에 의해 밸브체(4)를 수용하는 밸브체실(55)이 형성되어 있다. 덮개체(6)의 기준축선(L)이 통과하는 부분에는 일차측에서 밸브체실(55) 안으로 유체를 유입시키는 유입구(66)가 형성되어 있다.
밸브체(4)는 밸브 시트체(5)와 덮개체(6)에 의해 형성된 밸브체실(55)에, 축선 방향(Z)으로 슬라이딩 가능하게 수용되어 있다. 밸브체(4)는 축선 방향(Z)을 축 방향으로 하는 원 기둥 부재로, Z2측 단면에 밸브 시트체(5)에 형성된 밸브 시트부(54)에 안착하는 밸브부(41)가 형성되어 있다. 밸브체(4) 안에는, 덮개체(6)의 유입구(66)와 연속하는 내부 통로(42)가 형성되어 있고, 유체를 내부 통로(42)에서 밸브체실(55) 안으로 유입시킨다. 또한, 밸브체(4)의 외주에는, 밸브체실(55) 안에서 연통로(50)를 향하여 유체를 통과시키는 외부 통로(43)(그루브)가 형성되어 있다. 밸브체(4)는, 부세체(7)에 의해 Z1 방향으로 부세되어 있다. 요컨대, 밸브체(4)는, 부세 부재인 부세체(7)에 의해 밸브를 개방하는 방향으로 부세되어 있다. 더욱이, 본 실시예에 있어서, 부세체(7)로서 압축 코일 스프링이 사용되고 있다.
상기 구성의 밸브 장치(20C)에 있어서, 덮개체(6)에 형성된 유입구(66)에서 소정 유량 미만의 유체가 유입하고 있을 경우에는, 밸브체(4)의 외부 통로(43)를 유체가 통과함으로써 발생하는 압력 손실이 작기 때문에, 밸브체실(55) 안에 설치된 밸브체(4)는 부세체(7)의 부세력에 의해 밸브 시트부(54)에는 안착하지 않는다. 요컨대, 유입구(66)와 연통로(84)가 연통된 밸브 개방 상태(비동작 상태)로 되어 있다. 밸브 개방 상태에서는, 유입구(66)에서 유입된 유체는, 밸브체(4)의 내부 통로(42)를 통하여 밸브체실(55) 안으로 유입되고, 밸브체(4)의 외부 통로(43)를 통과하여 연통로(50)로 유입되고, 연통로(50)를 통과하여 밸브체실(83)로 유입되고, 연통로(84)를 통하여 외부로 유출된다. 한편, 밸브 장치(20C)에 있어서, 유입구(66)에서 소정 유량 이상의 유체가 유입되었을 경우에는, 밸브체(4)의 외부 통로(43)를 유체가 통과함으로써 발생하는 압력 손실이 커지기 때문에, 밸브체실(55) 안에 설치된 밸브체(4)는 부세체(7)의 부세력에 대항하여 Z2 방향으로 이동하여 밸브부(41)가 밸브 시트부(54)에 안착한다. 이에 따라, 유입구(66)와 연통로(84)는 비연통이 된다 즉, 밸브 폐쇄 상태(동작 상태)가 된다. 밸브 장치(20C)가 밸브 폐쇄 상태인 때에, 밸브 시트부(54)에 안착한 밸브부(41)에 의해 안착되어 있는 밸브 시트체(5)와 밸브체(4)의 사이를 「제1안착부(S1)」라고 부르기로 한다.
밸브 장치(20C)가 밸브 폐쇄 상태인 때에, 이차측 압력(이차압)은 대기압 정도까지 저하되지만, 반면에 일차측 압력(일차압)은 고압이 유지된다. 밸브 장치(20C)가 폐쇄 밸브 상태인 때에, 하우징(8)의 내주 중에서, 제2밀폐부(S2) 보다 Z1측의 대경부(81)에는 일차압이 작용하고, 제2밀폐부(S2)보다 Z2측의 대경부(81) 및 소경부(82)에는 이차압이 작용한다. 또한, 하우징(8)의 외주 중에서, 제3밀폐부(S3)보다 Z1측의 대경부(81)에는 일차압이 작용하고, 제3밀폐부(S3)보다 Z2측에는 대기압이 작용한다. 마찬가지로, 밸브 시트체(5)의 내주 중에서, 제1밀폐부(S1)보다 Z1측의 대경부(51)에는 일차압이 작용하고, 제1밀폐부(S1)보다 Z2측의 소경부(52)에는 이차압이 작용한다. 또한, 밸브 시트체(5)의 외주 중에서, 제2밀폐부(S2)보다 Z1측에는 일차압이 작용하고, 제2밀폐부(S2)보다 Z2측에는 이차압 또는 대기압이 작용한다.
밸브 장치(20C)에서는, 제1, 2, 3밀폐부(S1, S2, S3)가 축선 방향(Z)으로 중복하는 위치에 배치되어 있다. 따라서 밸브 폐쇄 상태의 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)에서는, 내압과 외압이 축선 방향(Z)에 걸쳐 균형을 이루고 있다. 이 결과, 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)가 변형되거나 파괴되는 크기의 응력이 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)에 작용하지 않고, 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)의 변형이나 파괴가 억제된다. 이와 같이 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)의 내압성을, 두께를 크게 하거나 특별한 고강도 재료를 사용하거나 하지 않고도 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)의 형상에 의해 높일 수 있다. 그리고 이와 같이 높은 내압성을 가진 하우징(8) 및 밸브 시트체(5)를 구비한 밸브 장치(20C)는, 종래보다 고압인 유체의 흐름에 배치하는 것이 가능하다.
상기에서는, 제1, 2, 3밀폐부(S1, S2, S3)가 축선 방향(Z)으로 중복하는 위치에 설치되어 있지만, 이들의 축선 방향(Z)의 위치를 비켜 놓아도 밸브 장치(20C)가 내압성을 가진 경우가 있다. 이하, 실시예 3에 따른 밸브 장치(20C)의 변형예 1, 2에 대하여 설명한다.
도 14는 도 13에 도시한 밸브 장치의 변형예 1을 도시한 도면이다. 도 14에 도시한 밸브 장치(20C)에서는, 제1, 2밀폐부(S1, S2)의 축선 방향(Z)의 위치는 중복하고 있지만, 제3밀폐부(S3)의 축선 방향(Z)의 위치는 그것들보다 Z1측(고압측)에 있다. 따라서 밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20C)에서는, 축선 방향(Z)에 있어서 하우징(8)의 제3밀폐부(S3)와 제2밀폐부(S2) 사이의 영역이 내외압 불균형 영역(△L2)이 된다. 하우징(8)의 내외압 불균형 영역(△L2)에서는, 내주면에 일차압이 작용하고, 외주면에 이차압이 작용한다. 일차압은 이차압과 비교하여 현저하게 높으므로 내외압 불균형 영역(△L2)에서는 내압 부하의 상태가 된다. 이와 같이 하우징(8)에 내외압 불균형 영역(△L1)이 존재하지만, 밸브 폐쇄 상태의 내외압 불균형 영역(△L1)이 내압 부하인 점과, 하우징(8)의 내경과 외경에 직경 차이가 있는 점과, 하우징(8)의 주위가 강성이 높은 부재로 둘러싸여 있는 점으로부터 하우징(8)에 작용하는 내압과 외압의 차이가 현저하게 커져도 하우징(8)이 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 하우징(8)에 작용하지 않고 하우징(8)의 변형이나 파괴가 억제된다.
도 15는 도 13에 도시한 밸브 장치의 변형예 2를 도시한 도면이다. 도 15에 도시한 밸브 장치(20C)에서는, 제3밀폐부(S3)가 제2밀폐부(S2)보다 Z2측에 배치하고, 제2밀폐부(S2)보다 제1밀폐부(S1)가 Z2측에 배치하고 있다. 요컨대, 밸브 장치(20C)의 밀폐부는 내측에서 외측을 향하여 차례로 Z1측(고압측)에 어긋나 배치되어 있다. 따라서 밸브 폐쇄 상태의 밸브 장치(20C)에서는, 축선 방향(Z)에 있어서 하우징(8)의 제3밀폐부(S3)와 제2밀폐부(S2) 사이의 영역이 내외압 불균형 영역(△L3)이 된다. 하우징(8)의 내외압 불균형 영역(△L3)에서는, 내주면에 일차압이 작용하고, 외주면에 이차압이 작용한다. 마찬가지로, 축선 방향(Z)에 있어서 밸브 시트체(5)의 제2밀폐부(S2)와 제1밀폐부(S1) 사이의 영역이 내외압 불균형 영역(△L4)이 된다. 이 밸브 시트체(5)의 내외압 불균형 영역(△L4)에서는, 내주면에 일차압이 작용하고, 외주면에 이차압이 작용한다. 일차압은 이차압과 비교하여 현저하게 높으므로 내외압 불균형 영역(△L3,△L4)은 모두 내압 부하의 상태가 된다. 이와 같이 밸브 시트체(5)와 하우징(8)에 내외압 불균형 영역(△L3, △L4)이 존재하지만, 밸브 폐쇄 상태의 내외압 불균형 영역(△L3, △L4)이 모두 내압 부하인 점과, 밸브 시트체(5) 및 하우징(8)의 내경과 외경에 직경 차이가 있는 점과, 밸브 시트체(5) 및 하우징(8)의 주위는 강성이 높은 부재로 둘러싸여 있는 점으로부터 밸브 시트체(5) 및 하우징(8)에 작용하는 내압과 외압의 차이가 현저하게 커져도 밸브 시트체(5) 및 하우징(8)이 변형되거나 파괴되거나 하는 크기의 응력이 밸브 시트체(5) 및 하우징(8)에 작용하지 않고 밸브 시트체(5) 및 하우징(8)의 변형이나 파괴가 억제된다.
이상으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하고 특허청구범위에 기재된 한계에서 다양한 설계 변경을 하는 것이 가능하다.
예를 들면, 상술한 실시예 1에서는, 밸브 시트체(5)는 엔지니어링 플라스틱으로 구성되어 있다. 단, 실시예1에 따른 밸브 시트체(5)는 엔지니어링 플라스틱 이외의 합성수지로 구성되어 있어도 좋다. 이런 경우라도, 밸브 시트체(5)는 그 형상에 의해 종래의 밸브 시트체(105)와 비교하여 밸브의 폐지 때에 높은 유체압에 견디어낼 수 있다. 바꾸어 말하면, 밸브 시트체(5)와 종래의 밸브 시트체(105)를 같은 압력 조건에서 사용할 경우, 밸브 시트체(5)를 보다 강도가 낮은 수지로 구성하는 것이 가능해져 기밀성 확보와 비용의 절감을 양립할 수 있다.
본 발명은, 고압 유체를 밀폐하는 수지제의 밸브 시트체를 구비한 밸브 장치에 적용시킬 수 있다.
S1: 제1밀폐부
S2: 제2밀폐부
S3: 제3밀폐부
4: 밸브체
41: 밸브부
5: 밸브 시트체
6: 덮개체
7: 부세체
9: 하우징
20, 20A, 20B, 20C: 밸브 장치
21: 하우징
23: 전자 구동 기구
31: 밸브실
32: 일차 통로
33: 이차 통로
50: 연통로
51: 대경부
52: 소경부
53: 단차면
54: 밸브 시트부
55: 밸브체실
58, 88: 밀폐 부재
59, 89: 밀폐 그루브(밀폐 부재 배치부)

Claims (8)

  1. 밸브체가 안착하는 밸브 시트부를 가진 두꺼운 원통형 밸브 시트체로,
    상기 밸브 시트체의 외주에 형성된 제1 밀폐 부재 배치부와,
    상기 밸브 시트체의 내주에 형성된 대경부 및 소경부와,
    상기 대경부와 상기 소경부 사이에 형성된 밸브 시트부를 구비하며,
    상기 대경부는 해당 대경부에 축선 방향에서 진입하는 상기 밸브체의 외경보다 큰 내경을 구비하고,
    상기 소경부는 상기 밸브체의 외경보다 작은 내경을 구비하며,
    상기 제1 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치는, 상기 밸브 시트부의 상기 축선 방향의 위치와 중복하거나 그 중복하는 위치보다 고압측에 있는 것을 특징으로 하는 밸브 시트체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밀폐 부재 배치부에 배치되는 제1 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 상기 제1 밀폐 부재의 상기 밸브 시트체의 외주와의 접촉부의 상기 축선 방향의 위치와, 상기 밸브 시트부의 상기 축선 방향의 위치가 중복하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밀폐 부재 배치부에 배치되는 제1 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 상기 제1 밀폐 부재의 상기 축선 방향의 높이 범위 내에, 상기 밸브 시트부의 상기 축선 방향의 위치가 포함되는 것을 특징으로 하는 밸브 시트체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 시트체에서의 상기 제1 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치가, 상기 밸브 시트체에서의 상기 밸브 시트부와, 상기 밸브 시트체에서의 고압측 단부 사이에 있는 것을 특징으로 하는 밸브 시트체.
  5. 하우징과,
    상기 하우징에 수용된 청구항 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 밸브 시트체와,
    상기 밸브 시트체의 상기 밸브 시트부에 안착하는 폐쇄 위치와 상기 밸브 시트부에서 이격된 개방 위치 사이를 상기 축선 방향으로 이동 가능하게 설치된 밸브체와,
    상기 밸브 시트체의 상기 제1 밀폐 부재 배치부에 설치되어 상기 하우징과 상기 밸브 시트체 사이를 밀폐하는 제1 밀폐 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하우징은, 두꺼운 원통 형상을 이루고, 그 내주에 형성된 상기 밸브 시트체의 수용부와, 그 외주에 둘레 방향으로 연속하여 형성된 제2 밀폐 부재 배치부를 구비하고,
    상기 제2 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치는, 상기 제1 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치와 중복하거나 그 중복하는 위치보다 고압측에 있는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 밀폐 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 해당 제2 밀폐 부재의 상기 축선 방향의 높이 범위와, 상기 제1 밀페 부재가 유체압을 받아서 압축 변형하였을 때의 해당 제1 밀폐 부재의 상기 축선 방향의 높이 범위가 적어도 일부 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하우징에서의 상기 제2 밀폐 부재 배치부의 상기 축선 방향의 위치가, 상기 밸브체부에서의 상기 제1 밀폐 부재 배치부와 상기 하우징에 있어서의 고압측 단부 사이에 있는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
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