KR20160046868A - 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션 - Google Patents

고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션 Download PDF

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로날드 귄터
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가부시키가이샤 기츠
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Abstract

특히 고압 유체에 적합하고, 고압 하에 있어서도 밸브 시트 실링성을 확보하면서, 스템으로의 스러스트 하중을 억제하여 저토크성을 실현하고, 또한, 대략 일정하게 안정된 조작 토크에 의해 개폐 조작할 수 있고 소형화 가능한 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션을 제공한다. 커버 부재(2)를 가지는 보디(3) 내에 회전 가능하게 설치한 볼(10)과, 이 볼(10)과 실링 접속하는 시트 리테이너(11)와, 이 시트 리테이너(11)를 실링 측에 탄발력을 부여하는 스프링 부재(12)와, 시트 리테이너(11)의 외주면에 장착한 실링 부재(13)로 이루어진다. 볼(10)의 상하로 동일 직경의 상부 스템(50)과 하부 스템(51)을 각각 연장하여 볼 부재(52)를 구성하고, 상하부 스템(50, 51)에는, 볼(10)을 중심으로 대칭 위치에 동일 구조의 축 장착 실링 기구(20)를 장착하여 밸런스 구조로 함으로써 스러스트 하중을 회피하도록 했다.

Description

고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션{HIGH-PRESSURE TRUNNION BALL VALVE AND HYDROGEN STATION USING SAME}
본 발명은, 볼 밸브에 관한 것이며, 특히, 수소 등의 고압 유체가 흐르는 수소 스테이션 등의 설비에 바람직한 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션에 관한 것이다.
최근, 에너지 정책의 수정에 수반하여, 연료 전지 자동차용 수소 스테이션의 공급 인프라의 보급이 강하게 추진되고 있다. 수소 스테이션 등의 고압 유체가 흐르는 배관 설비에서는, 예를 들면, 수소의 압력의 경우에는 80 MPa 이상의 고압이 되는 것이 있고, 경우에 따라서는 약 103 MPa(15000 psi) 정도의 고압 수소 가스에 대응할 필요가 생기는 것도 있다. 그러므로, 고압 유체의 유량(流量)을 확보하면서 유로(流路)를 온(on) 또는 오프(off)하기 위해, 고압용의 트러니언형 볼 밸브가 사용되는 경우가 많다.
고압용 트러니언형 볼 밸브에서는, 밸브체에 높은 유체압(流體壓)이 가해져, 이 밸브체로부터 스템(stem) 축 장착부에 유로 방향으로 힘이 작용하는 것으로 조작 시의 토크가 크게 되기 쉽다. 그러므로, 특히 이 종류의 밸브에서는, 고압 하에 있어서도 밸브 시트 실링성(sealing characteristic)을 유지하면서, 조작 시에는 저토크성을 확보하면서 조작성을 안정시키는 것이 요구되고 있다.
이 종류의 볼 밸브로서, 예를 들면, 특허 문헌 1의 고압 볼 밸브가 개시되어 있다. 이 고압 볼 밸브는, 볼 부분의 상하부에 각각 스템이 설치되고, 볼 부분은 이들 스템을 통하여 보텀 엔트리 구조에 의해 보디 내에 장착되어 있다. 동 문헌 1의 도 5, 도 6에 있어서는, 볼 부분의 상하부에 일체로 원기둥형의 스템이 연장설치되고, 또한, 이 스템의 볼을 중심으로 하는 대칭 위치에 각각 O링이 배치된 구조로 설치되어 있다.
한편, 특허 문헌 2의 볼 밸브는, 볼부에 원기둥형의 상부 스템과 하부 스템이 일체화된 트러니언형 볼 밸브이며, 이 볼 밸브의 상부 스템, 하부 스템의 볼부를 중심으로 하는 대칭 위치에 래디얼 베어링이 배치되고, 상부 스템에 접속되어 있는 조작 축에 스러스트(thrust) 베어링이 배치된 구조로 되어 있다.
일본특공 평4-8669호 공보 일본공개특허 제2008-286228호 공보
그러나, 전자(前者)의 특허 문헌 1의 고압 볼 밸브는, 2500 psi(약 17 MPa)나 6000 psi(약 41 MPa)의 유체 압력에 대응하는 기술에 머물고, 더 이상의 고압 유체에 대응하는 것은 어렵다.
그리고, 특허 문헌 1의 축 실링(shaft seal)에 채용되고 있는 O링과 백업 링과의 조합에 의한 실링 부재에서는, 상기와 같은 고압 유체를 봉지하는 것이 어렵고, O링 홈으로부터 O링이 튀어나올 우려가 있다. 이 O링이 튀어나오는 것을 방지하기 위해서, 강성(剛性)을 올린 실링 부재를 채용하는 것도 생각할 수 있지만, 특허 문헌 1은 실링 부재(O링)를 스템 외주(外周)에 설치한 홈에 장착하는 구조이므로, 실링 부재의 강성을 올리면 홈으로의 장착이 곤란하게 된다.
이 고압 볼 밸브의 밸브체에 고압 유체가 가해지면, 밸브체로부터 스템에 래디얼 방향(스템 축과 직교 방향)의 힘이 작용함으로써, 밸브체 개폐 시의 조작 토크가 커진다.
또한, 상부 스템이 분할 구조이며, 밸브체로부터 분할된 조작 스템에 래디얼 방향의 베어링이나 스러스트 방향(스템 축 방향)의 베어링을 설치하고 있으므로, 구조가 복잡하게 되어, 밸브의 조립이나 유지보수에 수고를 필요로 하는 문제도 있다.
한편, 후자의 특허 문헌 2의 볼 밸브는, 축 실링을 상부 스템과 별개의 조작축만으로 행하고 있으므로, 캐비티 내의 고압 유체에 의해 이 조작 축에는 큰 스러스트 하중이 가해져, 밸브의 조작 토크가 커진다. 이 조작 토크를 확실하게 전달하기 위해서는 스러스트 베어링을 필요로 하는 것 외, 볼이나 스템의 축을 굵게 설치할 필요가 있고, 특히, 볼과 스템과의 끼워맞춤부의 강도가 축 전체의 최약점이 되는 것을 방지하기 위해, 이 부근의 축을 굵게 설치할 필요가 있다.
그러나, 축을 굵게 설치하면, 이에 따라 밸브 본체의 내구성(耐久性)을 높이도록 밸브 본체의 두께를 두껍게 하지 않으면 안 되므로, 이 경우, 밸브 전체가 크고 무겁게 된다.
본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위해 개발한 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 특히 고압 유체에 적합하고, 고압 하에 있어서도 밸브 시트 실링성을 확보하면서, 특히 스템으로의 스러스트 하중을 억제하여 저토크성을 실현하고, 또한, 대략 일정하게 안정된 조작 토크에 의해 개폐 조작할 수 있고 소형화 가능한 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 제1항에 관한 발명은, 커버 부재를 가지는 보디 내에 회전 가능하게 설치한 볼과, 이 볼과 실링 접속하는 시트 리테이너(retainer)와, 이 시트 리테이너를 실링 측에 탄발력을 부여하는 스프링 부재와, 시트 리테이너의 외주면(外周面)에 장착한 실링 부재로 이루어지는 트러니언형 볼 밸브로서, 볼의 상하로 동일 직경의 상부 스템과 하부 스템을 각각 연장설치해 볼 부재를 구성하고, 이 상하부 스템에는, 볼을 중심으로 대칭 위치에 동일 구조의 축 장착 실링 기구(機構)를 장착하여 밸런스 구조로 함으로써 스러스트 하중을 회피하도록 한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제2항에 관한 발명은, 상하부 스템의 볼 근방 위치에 플랜지부(flange portion)를 설치하고, 이 플랜지부로 상하부 스템의 외주에 설치한 베어링의 볼 측을 유지한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제3항에 관한 발명은, 축 장착 실링 기구는, 볼 측에 U링 실링을 설치하고, 이 U링 실링에 백업 링을 적층하고, 외주 위치에 내주 직경을 약간 돌출하여 설치된 금속 링을 설치한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제4항에 관한 발명은, 보디의 보텀 측으로부터 볼 부재를 장입(裝入)하여 보디 내에 설치하고, 보디의 보텀 측으로부터 커버 부재로 피복하고, 이 커버 부재에 하부 스템을 축 장착한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제5항에 관한 발명은, 커버 부재에는, 하부 스템의 하부와 연통되는 릴리프공(relief hole)을 뚫어형성한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제6항에 관한 발명은, 보디와 커버 부재가 맞닿는 면에, 회동(回動) 방지 판재를 장착한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제7항에 관한 발명은, 보디의 유로 방향의 양측 위치에 유입부와 유출부를 고정장착(固着)하는 동시에, 보디의 유로 방향과 교차하는 외주면을 플랫 면으로 형성하고, 이 플랫 면에 내부와 연통되는 리크 포트를 형성한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제8항에 관한 발명은, 상하부 스템에 확경(擴徑) 슬라이딩 이동부를 각각 일체로 설치하고, 이 확경 슬라이딩 이동부를 보디의 축 장착 구멍에 슬라이딩 이동 가능하게 설치한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제9항에 관한 발명은, 볼 부재와 확경 슬라이딩 이동부의 표면에 다이아몬드 라이크(diamond like) 카본에 의한 코팅층을 형성한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제10항에 관한 발명은, 상하부 스템에 별개의 슬라이딩 이동 통체를 장착하고, 이 슬라이딩 이동 통체를 보디의 축 장착 구멍에 슬라이딩 이동 가능하게 설치한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제11항에 관한 발명은, 확경 슬라이딩 이동부 또는 슬라이딩 이동 통체에 볼 측과 축 장착 실링 기구 측을 연통시키는 연통부를 설치한 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제12항에 관한 발명은, 연통부는, 확경 슬라이딩 이동부의 외주면을 관통하는 연통공, 또는 슬라이딩 이동 통체의 외주에 축 방향으로 형성한 연통홈인 고압용 트러니언형 볼 밸브이다.
제13항에 관한 발명은, 고압 수소의 공급 라인에 고압용 트러니언형 볼 밸브를 사용하여 구성한 수소 스테이션이다.
제1항에 관한 발명에 의하면, 실링 부재를 장착한 시트 리테이너를 스프링 부재로 실링 측에 탄발(彈發)시켜 볼을 실링하는 트러니언형으로 하고 있으므로, 특히 고압 유체에 적합하고, 상하부 스템을 동일 직경으로 하고, 이 상하부 스템에 볼을 중심으로 하여 대칭 위치에 동일 구조의 축 장착 실링 기구를 장착하여 밸런스 구조로 함으로서, 특히 스러스트 하중의 발생을 회피하도록 하고 있으므로, 스러스트 하중에 의한 마찰력이 발생하지 않고, 또한, 고압 하에 있어서도 볼이 실링 부재에 대하여 어긋나는 것을 방지하고, 밸브 시트 실링성을 유지할 수 있어, 확실하게 누출을 방지할 수 있고, 상하부 스템으로 양호한 밸런스로 균등하게 볼을 지지함으로써 저토크성을 실현한다. 이와 같이, 스러스트 하중의 발생을 회피함으로써, 스러스트 베어링을 사용할 필요가 없어지고, 또한, 축 장착 실링 기구를 스러스트 하중으로부터 보호하는 구조도 불필요하므로, 부품수의 삭감도 가능해진다.
제2항에 관한 발명에 의하면, 플랜지부에 의해 베어링의 볼 측으로의 튀어나오는 것을 막고, 이 베어링의 밸런스를 유지하면서 볼을 유지하고, 볼을 중심으로 대칭 위치에 장착된 베어링에 의해 볼이 유체압에 의해 받는 힘을 균등하게 받아, 밸브를 밸브 폐쇄나 밸브 개방 조작할 때, 특히 밸브 폐쇄 위치 근방의 밸브 조작을 원활하게 행할 수 있다.
제3항에 관한 발명에 의하면, U링 실링으로 슬라이딩 이동 저항을 적게 하면서 실링성을 발휘할 수 있다. U링 실링에 백업 링을 적층함으로써, 고실링성을 유지하면서 U링의 밀려나옴(flying-out)을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 내주 직경을 약간 돌설시킨 금속 링을 외주 위치에 설치하고 있으므로, 이 금속 링을 이용하여 U링 실링 등의 실링 부품을 파괴하지 않고 간단하게 보디로부터 인출할 수 있다. 또한, 이들 U링 실링, 백업 링, 금속 링, 베어링 등의 부품의 내경(內徑)을 일치시킴으로써, 상하부 스템을 각각 심플한 한 개 축으로 할 수 있어, 가공의 용이화, 고정밀도화가 가능하게 된다.
제4항에 관한 발명에 의하면, 보디의 보텀(bottom) 측으로부터 볼 부재를 장입하여 내장하는 보텀 엔트리 구조이므로, 보디의 탑(top) 측으로부터 내장하는 것이 곤란한 경우라도 용이하게 내장 작업할 수 있다. 이로써, 예를 들면, 상부 스템의 상부에 조작용 액추에이터나 핸들이 설치되는 경우도 이들 조 부재와 커버 부재가 간섭하지 않고, 간단하게 조립할 수 있다. 또한, 보디의 탑 측으로부터 볼 부재를 장입하는 탑 엔트리 구조에 비하여, 밸브의 크기를 작게 할 수 있다.
제5항에 관한 발명에 의하면, 커버 부재에 공기가 내봉(內封)되는 것을 막으면서, 이 커버 부재에 내삽(內揷)된 축 장착 실링 기구에 하부 스템을 삽입할 수 있다.
제6항에 관한 발명에 의하면, 보디와 커버 부재의 맞닿는 면에 회동 방지 판재를 장착하고 있으므로, 커버 부재의 느슨함을 방지하여 볼의 위치 결정 상태를 유지할 수 있어, 고압 유체의 누출을 막으면서 확실하게 실링성과 조작성을 발휘할 수 있다.
제7항에 관한 발명에 의하면, 보디의 유로 방향으로 유입부와 유출부를 고정장착하여 유로를 확보하는 동시에, 보디에 플랫 면을 형성함으로써 여분의 두께를 줄여 전체를 컴팩트화하고, 또한, 플랫 면에 리크 포트를 형성하고 있으므로, 이 리크 포트를 용이하게 설치할 수 있다.
제8항에 관한 발명에 의하면, 상하부 스템에 확경 슬라이딩 이동부를 각각 일체로 설치함으로써 볼 측의 축 직경이 굵어지고, 유체에 의한 부하가 큰 경우에도, 강도를 확보하면서 확경 슬라이딩 이동부와 축 장착 구멍과의 클리어런스를 저감할 수 있으므로, 볼 부재 전체의 굴곡 방향으로의 변형을 방지할 수 있다. 이로써, 고압 유체가 흐르는 경우에도, 볼 부재의 굴곡 변형에 의한 래디얼 하중의 상승을 저지하여 축 실링성, 밸브 시트 실링성 및 조작 시의 저토크성을 확보하고, 확경 슬라이딩 이동부를 설치한 볼 부재에 의해 밸런스 구조를 유지함으로써 스러스트 하중도 회피할 수 있다.
제9항에 관한 발명에 의하면, 다이아몬드 라이크 카본에 의한 코팅층을 형성함으로써 볼 부재 및 확경 슬라이딩 이동부의 표면 평활성이나 윤활성의 특성이 향상되고, 상하부 스템의 베어링 기능이 높아져 우수한 슬라이딩 이동성을 발휘하면서 원활하게 볼 부재를 조작 가능하게 된다.
제10항에 관한 발명에 의하면, 스트레이트 형상의 상하부 스템에 별개의 슬라이딩 이동 통체를 장착함으로써, 상하부 스템과 축 장착 구멍과의 클리어런스를 저감하고, 볼 부재 전체의 굴곡 방향의 변형을 방지할 수 있다. 이로써, 103 MPa 이상의 초고압 유체가 흐르는 경우에도, 래디얼 하중의 상승을 저지하여 축 실링성, 밸브 시트 실링성 및 조작 시의 저토크성을 확보하고, 밸런스 구조를 유지할 수 있어, 스러스트 하중도 회피 가능해진다.
제11항 및 제12항에 관한 발명에 의하면, 상하부 스템의 확경 슬라이딩 이동부에 설치한 연통공으로 이루어지는 연통부를 통하여, 볼 측과 축 장착 실링 기구 측을 연통시켜 캐비티 내의 압력을 균일하게 확보하고, 축 장착 실링 기구를 사용한 축 실링성을 유지하여 밸런스 구조를 유지하면서 밸브를 개폐 조작할 수 있다. 또한, 상하부 스템에 별체로 설치한 슬라이딩 이동 통체에 대하여, 연통홈으로 이루어지는 연통부를 설치함으로써, 이 연통홈을 통하여 볼 측으로부터의 유체를 축 장착 실링 기구 측에 통과시켜, 유체압으로 슬라이딩 이동 통체가 밸브 외측으로 이동하는 것을 방지하는 것이 가능해지고, 밸런스 구조를 유지할 수 있는 동시에 이 슬라이딩 이동 통체의 접촉에 의한 축 장착 실링 기구의 손상을 회피할 수 있다.
제13항에 관한 발명에 의하면, 특히 고압 유체에 적합하고, 고압 하에 있어서도 축 장착 부분의 밀봉성을 유지하면서, 스템으로의 스러스트 하중을 억제하여 저토크성을 실현하고, 대략 일정하게 안정된 조작 토크에 의해 개폐 조작 가능한 고압용 트러니언형 볼 밸브를 구비하고 있고, 이 볼 밸브에 의해 고압 유체의 누출을 확실하게 방지하면서, 우수한 토크성에 의해 자동이나 수동으로 밸브체를 조작하여 소정량의 수소를 공급 또는 정지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 실시형태를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 확대 단면도(斷面圖)다.
도 3의 (a)는, 도 2의 밸브 개방 상태에서의 주요부 확대 단면도이다. (b)는 (a)의 A-A 단면도이다.
도 4는 도 2의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 일부 절결(切缺) 측면도이다.
도 5는 도 2의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 일부 절결 평면도이다.
도 6은 도 2의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 일부 생략 저면도이다.
도 7은 시트 리테이너를 나타낸 종단면도이다.
도 8은 수동 핸들을 분리한 고압용 트러니언형 볼 밸브를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 다른 실시형태를 나타낸 종단면도이다.
도 10은 도 9에서의 볼 부재를 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 또 다른 실시형태를 나타낸 단면도이다.
도 12는 도 11에서의 볼 밸브의 분리 사시도이다.
도 13은 수소 스테이션을 나타낸 블록도이다.
이하에, 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브 및 이것을 사용한 수소 스테이션의 실시형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1에 있어서는, 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 일 실시형태를 나타내고, 도 2에 있어서는, 도 1의 확대 단면도를 나타내고 있다.
도면에 있어서, 본 발명에서의 볼 밸브 본체(이하, 밸브 본체라고 함다)(1)는, 특히, 고압 유체를 흐르게 하는 경우에 바람직한 트러니언 구조로 이루어지고, 커버 부재(2)를 가지는 보디(3)와, 이들의 내부에 볼(10), 시트 리테이너(11), 스프링 부재(12), 실링 부재(13), 스프링 누름 부재(14), 보조 링(15), 축 장착 실링 기구(20)를 가지고 있다. 본 실시형태에서의 고압이란, 예를 들면, 35 MPa 이상이며, 수소 스테이션용의 배관 설비용 밸브로서 70~105 MPa, 구체적으로는 103 MPa 정도의 고압을 상정하고 있다. 그리고, 본 발명에서의 밸브 본체(1)는, 예를 들면, -50℃ ~ 85℃까지의 유체의 온도 변화에 대응 가능하도록 되어 있다.
밸브 본체(1)의 보디(3)는, 예를 들면, 스테인레스강(SUS)으로 이루어지고, 이 보디(3)에 있어서, 내부의 유로 방향(도 2에서의 수평 방향)에는 구멍 형상의 장착부(21)가 설치되고, 보디(3) 상부측의 볼(10)의 축 장착 방향[도 2에서의 연직(沿直) 방향]에 축 장착 구멍(22)이 설치되고, 보디(3)의 하부 측(보텀 측)에 장입 구멍(23)이 설치되고, 이 장입 구멍(23)의 내주(內周)의 일부에는 암나사부(24)가 설치되어 있다. 밸브 본체(1)는, 예를 들면, 2.5 kg정도의 무게로 설치된다.
도 2에 나타낸 커버 부재(2)는, 예를 들면, SUS에 의해 커버 상태로 형성되고, 암나사부(24)에 나사결합하는 수나사부(25)를 가지고, 이 수나사부(25)를 통하여 보디(3)의 보텀 측으로부터 착탈(着脫) 가능하게 설치된다. 커버 부재(2)의 내부에는 보디(3)의 축 장착 구멍(22)과 같은 직경의 축 장착 구멍(26)이 설치되고, 또한, 이 축 장착 구멍(26)에 계속하여 바닥면 측에는 후술하는 하부 스템(51)의 하부와 연통되는 릴리프공(28)이 뚫어형성(穿設)되어 있다. 이 릴리프공(28)은, 밸브 본체(1)의 조립 시의 부품 삽입 시의 공기 빼내기의 기능을 발휘하고, 조립 후에는, 리크 포트 부위의 기능을 발휘한다. 암나사부(24)의 안쪽(볼 측)에는, 예를 들면, 구리제로 이루어지는 환형(環形) 개스킷(31)을 장착하여, 보디(3)와 커버 부재(2)와의 사이를 실링(sealing)하고 있다.
도 2, 도 5에 있어서, 보디(3)의 장착부(21)에는 볼(10)이나 시트 리테이너(11) 등이 장착 가능하게 설치되고, 이들을 통하여 보디(3) 내에는 유로(30)가 형성된다. 또한, 보디(3)의 양측에는 암나사(3a)가 설치되고, 이 암나사(3a)에, 예를 들면, SUS로 이루어지는 캡형(cap shape)의 유입부(32)와 유출부(33)에 각각 설치된 수나사(32a, 33a)가 나사장착되어, 이 유입부(32), 유출부(33)가 각각 보디(3)에 고정장착된다. 암나사(3a)의 안쪽(볼 측)에는, 예를 들면, 구리제로 이루어지는 환형 개스킷(31)이 장착되고, 보디(3)와 유입부(32), 유출부(33)와의 사이가 실링된다. 본 실시형태에 있어서는, 전술한 보디(3)와 커버 부재(2)와의 사이를 실링하는 개스킷과 동일 치수, 동일 재질의 개스킷(31)이 사용된다.
유입부(32), 유출부(33)의 보디 접속 측에는 스텝형(段狀)의 장착 구멍(34, 34)이 각각 형성되고, 이들 장착 구멍(34, 34)에 각각 시트 리테이너(11), 스프링 부재(12), 실링 부재(13), 스프링 누름 부재(14), 보조 링(15)이 장착된다. 유출부(32), 유입부(33)에서의 장착 구멍(34)의 다른 쪽에는 각각 암나사(35, 35)가 형성되고, 이들 암나사(35, 35)를 통하여 도시하지 않은 외부의 배관이 접속 가능하게 설치되어 있다.
보디(3) 내에서의 유입 측, 유출 측과도 같은 밸브 시트 실링 구조, 즉 도 2에 있어서 좌우 대칭 구조로 설치되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 보디(3)에서의 유로 방향과 교차하는 외주면은, 플랫 면(36)에 형성되고, 이 플랫 면(36)에는 내부와 연통되는 리크 포트부(37a)가 리크 포트(37)의 하나로서 뚫어형성되어 있다.
도 2에서의 보디(3) 내의 시트 리테이너(11)는, 예를 들면, BeCu 합금[베릴륨 구리 합금(beryllium copper alloy)] 등의 동기합금(copper-based alloy)을 모재(母材)로서 형성되고, 이 모재에 적절한 열처리를 행함으로써, 예를 들면, 비커스 경도(Vickers hardness) Hv360~450 정도로 설치된다. 시트 리테이너(11)를 동기합금으로 형성한 경우에는, 수소에 의한 취화(脆化)가 방지된다.
시트 리테이너(11)는, 볼(10)과 실링 접속 가능하게 설치되고, 볼(10) 측에 향 배치되는 확경부(擴徑部)(40)와, 이 확경부(40)보다 축경(縮徑)된 통부(41)를 가지고 있다. 확경부(40)의 볼(10) 측과의 대향면에는 실링면(42)이 설치되고, 도 7에 있어서 이 실링면(42)에는, 예를 들면, DLC(다이아몬드 라이크 카본)에 의한 코팅층(42a)이 행해진다. DLC는, 주로 탄화수소, 혹은 탄소의 동소체(同素體)로 이루어지는 아몰퍼스의 경질막(硬質膜)이며, 고경도(高硬度)로서, 윤활성, 내마모성, 표면 평활성, 화학적 안정성 등의 특성이 우수하다. DLC를 행할 때의 제법으로서는, 예를 들면, 플라즈마 CVD법이나 PVD법 등의 성막법이 있다.
여기서, 도 7에 있어서, 시트 리테이너(11)의 실링면(42)을 설치하는 경우를 설명한다. 도면에 있어서, 볼(10)의 볼면(10a)의 구경 중심점(P)으로부터 볼(10)의 유로 방향으로 X축, 이 X축과 교차하는 Y축을 설치한다. 구경 중심점(P)으로부터 Y 축 방향으로 소정 거리(H)의 사이를 두고 2개소의 편위(偏位) 점(오프셋 점)(Q, Q)을 설치한다. 각 오프셋 점(Q, Q)으로부터 편위(오프셋) 측과 반대 방향으로 180°의 각도로 볼면(10a)의 반경(RB)보다 약간 긴 반경(R)으로 반구면(半球面)(S, S)을 각각 그리는 것으로, 이 반구면(S)의 일부를 궤적면으로 한 실링면(42)이 구성된다. 즉, 도 7에 있어서, 실링면(42)은, 소정 거리(H)의 오프셋 점(Q, Q)으로부터 그려진 볼면(10a)의 약간 긴 반경(R)의 궤적의 일부이며, 이 실링면(42)은 반경(R)으로 그려지게 된다.
이때, 실링면(42)의 볼면(10a)과의 실링 위치(T)가 상기 실링면(42)의 대략 중앙 위치가 되도록 오프셋 점(Q)의 소정 거리(H)를 설정한다. 일례로서, 도 3에서의 볼(10)의 내부 유로 직경 dN이 10㎜로서, 볼면(10a)의 구경 φD가 φ20㎜[반경(RB)이 10㎜]일 때는, 약간 긴 반경(R)[반경(RB)＋Δr]으로서, 거리(H)를 Δh로 한 오프셋 점(Q)을 설정하고, 이 오프셋 점(Q)으로부터 궤적면을 그리도록 하면 된다. 오프셋 점(Q)의 구경 중심점(P)으로부터의 소정 거리(H)는, 볼면(10a)의 구경에 따라, 적절히 변경할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, Δr>Δh의 관계가 되도록 설정하고 있다.
만일, 오프셋 점(Q)을 설치하지 않고, 시트 리테이너(11)의 실링면(42)을 볼면(10a)보다 약간 긴 반경으로 설정해버리면, 볼(10)이 시트 리테이너(11)의 실링면(42)의 내주 에지 부위와 맞닿아 버린다. 그러면, 내주 에지 부위가 볼면(10a)에 극소(極所)적으로 맞닿게 되어, DLC가 파손할 우려가 높아진다. 이것을 회피하기 위해 내주 에지 부위를 둥그렇게 하여 극소(極所)적인 접촉을 피하는 기술도 생각할 수 있지만, 볼(10)의 위치가 X축 방향으로 어긋나게 되어, 이 볼(10) 상부의 축부(軸部) 등을 가늘게 하지 않을 수 없는 등의 새로운 문제가 생긴다.
본 실시형태에서는, 오프셋 점(Q)을 설치함으로써, 시트 리테이너(11)의 실링면(42)과 상기 볼면(10a)과의 실링 위치를 상기 실링면의 대략 중앙 위치로 되도록 했다. 또한, DLC를 행하기 전의 마무리 가공(fine-processing)을 볼(10)에 행함으로써, 시트 리테이너(11)와 볼(10)을 면 접촉 실링에 의해 실링되도록 하고 있다.
이 경우, 선(線) 접촉 또는 면(面) 접촉으로 맞닿게 된 실링면을 가지고, 선 접촉이라고 해도, 실제로는 소정의 폭을 가진 접촉 실링면을 형성하고 있다. 예를 들면, 면 접촉 실링의 폭은, Y축과 대략 평행하게 형성되는 환형의 밀착 부위이며, 예를 들면, 0.5㎜ 정도의 폭이 되도록 한다. 본 실시형태의 트러니언형 볼 밸브는 고압용이므로, 볼(10)은 유체압에 의해 미소량 변위하지만, 면 접촉 실링 폭을 전술한 바와 같이 설정함으로써, 환형의 밀착 부위가 유지된다. 또한, 실링 위치(T)는, 실링면(42)의 대략 중앙 위치에 설정되어 있으므로, 볼 밸브의 사용 중에 이 실링 위치(T)의 위치가 약간 어긋난 경우에도 환형의 밀착 상태가 유지된다. 그리고, 시트 리테이너(11)는, DLC 이외의 표면 처리를 행하거나, 오프셋 점(Q) 이외의 형상이어도 되고, 또한, 시트 리테이너(11)에 별도, 수지 등의 볼 시트를 내장하는 구조를 채용해도 된다.
도 2, 도 5에 나타낸 바와 같이, 통부(41)의 외주에는 스프링 부재(12), 스프링 누름 부재(14), 실링 부재(13), 보조 링(15)이 장착되고, 이 상태에서 장착 구멍(34)에 장입됨으로써 시트 리테이너(11)가 유로 방향으로 이동 가능하도록 되어 있다.
스프링 부재(12)는, 예를 들면, SUS에 의해 코일 스프링 형상으로 설치되고, 시트 리테이너(11)의 확경부(40)와 스프링 누름 부재(14)와의 사이에 탄발 상태로 장착된다. 이로써, 스프링 부재(12)에 의해 시트 리테이너(11)에 대하여 볼(10)을 실링하는 측에 탄발력이 부여된다. 스프링 부재(12)는, 코일 스프링에 한정되지 않고, 예를 들면, 도시하지 않은 접시 스프링이어도 된다. 접시 스프링을 스프링 부재로서 설치하는 경우, 적절한 스프링 계수의 접시 스프링을 복수 개 설치함으로써, 코일 스프링과 대략 동등한 스페이스로 고하중을 얻을 수 있고, 특히 볼 밸브의 유입 측과 유출 측이 저차압(差壓) 상태 하에서의 실링성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
스프링 누름 부재(14)는, 예를 들면, SUS에 의해 대략 통형(筒形)으로 형성되고, 확경 환형부(45)와 이 확경 환형부(45)보다 축경된 삽입 통부(46)를 가지고 있다. 스프링 누름 부재(14)의 확경 환형부(45)의 내주측에는 상기 스프링 부재(12)가 장착되고, 삽입 통부(46)는 장착 구멍(34)의 축경 측의 축경 구멍부(47)에 장착된다.
실링 부재(13)는, 예를 들면, 에틸렌 프로필렌 고무 등의 고무제의 O링으로 이루어지고, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)나 PEEK(폴리에테르에테르케톤)에 의해 형성되고, 백업용의 보조 링(15)의 사이에 협지된 상태로 통부(41)와 축경 구멍부(47)와의 사이에 장착된다. 이 장착 구조에 의해, 실링 부재(13)는, 보조 링(15)과 양측이 보호된 상태로 시트 리테이너(11)의 외주면에 장착된다.
도 2~도 4에 있어서, 볼(10)은, 예를 들면, SUS로 이루어지고, 이 볼(12)의 상하에는 적어도 후술하는 축 장착 실링 기구(20)로 실링되는 부위가 동일 직경의 상부 스템(50)과 하부 스템(51)이 각각 연장설치되고, 이들에 의해 볼 부재(52)가 구성되어 있다.
도 3 상부 스템(50)과 하부 스템(51)의 외경(外徑)(φd)은, 볼(10)의 구경(φD)보다 소경(小徑)으로 설정되어 있다. 이로써, 보디(3)의 축 장착 구멍(22)이나 장입 구멍(23)의 직경도 각각 작게 설정할 수 있어, 유체의 내압(耐壓)에 필요한 보디(3)나 커버 부재(2)의 두께를 얇게 할 수 있어, 밸브 본체(1)의 크기를 작게 할 수 있다. 상부 스템(50), 하부 스템(51)의 외경이 작아지는 것에 의해, 이들 상부 스템(50), 하부 스템(51)의 축심(軸心)으로부터 베어링(58)과의 접촉면까지의 거리[모멘트 암(arm)]이 작아지므로, 상하부 스템(50, 51) 회전 시의 슬라이딩 이동 저항이 억제되어 조작 토크의 상승을 방지할 수 있다. 볼 구경(φD)으로서는, 예를 들면, φD=20㎜로 하면 된다. 만일, 상하 측의 스템 외경이 볼 구경(球徑)보다 큰 경우에는, 그 스템 외경에 수반하여 보디가 커지는 동시에, 상기한 모멘트 암이 커지고, 슬라이딩 이동 저항이 증가하여 조작 토크도 커지게 되지만, 상기에 의해 이것을 방지하는 것이 가능하도록 되어 있다.
볼(10)은, 보디(3)의 보텀 측으로부터 장입 가능하게 설치되고, 이로써, 보디(3) 내의 축 장착 구멍(22)에 상부 스템(50)이 축 장착되어 이 상태에서 보디(3)의 보텀 측이 커버 부재(2)로 피복되어, 이 커버 부재(2)의 축 장착 구멍(26)에 하부 스템(51)이 축 장착됨으로써, 볼(10)이 보디(3) 내의 소정 위치에 설치 가능하도록 되어 있다.
상하부 스템(50, 51)의 외주의 축 장착 구멍(22, 26)에는, 각각 축 장착 실링 기구(20, 20)가 장착되고, 이 축 장착 실링 기구(20)를 통하여 볼 부재(52)가 보디(3) 내에 회전 가능하게 설치된다. 볼(10)은, 상부 스템(50)에 의해 회동 조작되고, 이 볼(10) 내부에 형성된 연통공(10a)과 시트 리테이너(11)의 내부 유로(11a)가 연통되었을 때, 밸브 본체(1) 내에 유체가 흐르도록 되어 있다. 상하부 스템(50, 51)의 볼(10) 근방 위치에는 각각 플랜지부(53)가 설치되어 있다.
축 장착 실링 기구(20)는, U링 실링(55), 백업 링(56), 금속 링(57)을 가지고 있고, 이들의 각 부품의 내경, 외경 치수는, 대략 동일하게 설정되어 있다.
축 장착 실링 기구(20)에 있어서, 볼(10) 측에 U링 실링(55)이 설치되고, 이(U)링 실링(55)에 백업 링(56)이 적층되고, 이 백업 링(56)의 외주 위치[볼(10)로부터 본 외주측의 위치]에 금속 링(57)이 적층되어 있다.
U링 실링(55)은, 예를 들면, 폴리에틸렌제의 외주부(55a)와 심금(芯金)(스프링)(55b)으로 이루어지고, 실링 기능을 발휘하게 하기 위해, 그 내경이 상부 스템(50)의 외경보다 약간 작고, 외경이 축 장착 구멍(22)의 내경보다 약간 크게 설정되어 있다.
본 실시형태에서의 U링 실링(55)은, 시판 중인 U패킹과 동등하게 설치된다. 이 U링 실링(55)은, U자형 단면(斷面)의 외주부(55a)가 립부(lip member)가 되고, 이 립부가 유체압에 의해 확경하고, 상하부 스템(50, 51)과 보디(3), 커버 부재(2)를 실링하는 구조로 되어 있다. 따라서, O링과 같이 압압력(押壓力)을 가하는 구조의 실링 부품에 비해 실링 영역을 작게 할 수 있고, 슬라이딩 이동 저항을 작게 할 수 있다. 이와 같은 U링 실링(55)은, 립(lip) 패킹이라고도 한다.
백업 링(56)은, 예를 들면, 폴리에틸렌으로 이루어지고, U링 실링(55)과 금속 링(57)과의 사이에 개재(介在)되어, U링 실링(55)의 축 장착 구멍(22) 중심 측으로의 밀려나옴을 방지하고, 또한, U링 실링(55)과 금속 링(57)과의 사이에서 쿠션의 역할을 수행하고 있고, 캐비티 측으로부터의 고압에도 견딜 수 있도록 되어 있다. 이 백업 링(56)의 재질이나 구조를 변경함으로써, 베어링으로서의 기능을 발휘하게 하는 것도 가능해진다.
금속 링(57)은 알루미늄 구리 합금으로 되어 있다. 금속 링(57)이 배치되는 보디(3)에는, 축 장착 구멍(22)의 상부에는 소경부(小徑部)(22a)가 설치되고, 이 소경부(22a)에 의해 스텝부(段部)(22b)가 형성되어 있다. 금속 링(57)은, 이 스텝부(22b)에 의해 상면이 걸린다. 금속 링(57)의 내경은, 상하부 스템(50, 51)의 외경보다 약간 크고, 소경부(22a)의 내경보다 작게 설정된다. 이로써, 금속 링(57)의 내경측(內徑側)을 소경부(22a)의 위쪽으로부터 육안 관찰 가능하도록 되어 있다. 금속 링(57)에는, 스러스트 베어링으로서의 기능은 불필요하게 되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 소경부(22a)에는 O링(54)이 장착된다. O링(54)은, 유체압을 실링하기 위해 설치된 것이 아니고, 소경부(22a)로의 물이나 먼지의 침입을 막거나 후술하는 리크 포트(37)의 기능을 보조하기 위해 장착된다.
보디(3) 측, 커버 부재(2) 측의 각 축 장착 구멍(22, 26)에 있어서, 축 장착 실링 기구(20)로부터 볼(10) 측의 상하부 스템(50, 51)의 외주에는 베어링(58)이 설치되고, 이 베어링(58)은, 예를 들면, PTFC와 심금으로 이루어지는 내주측의 래디얼 베어링(59)과, 알루미늄 구리 합금으로 이루어지는 외주측의 스페이서(60)에 의해 구성된다.
베어링(58)에는 실링 기능이 없고, 내경측, 외경측과 함께 유체가 통과 가능하도록 되어 있다. 이로써, 베어링(58)의 상면, 바닥면에는 유체압이 가해지지만, 각 면의 면적은 대략 동일하므로, 유체압에 의해 각 면에 가해지는 하중은, 대략 동일하게 되고, 또한, 하중을 받는 방향이 대향하므로, 이들이 상쇄된다.
따라서, 그 상면, 바닥면 사이에 차압(差壓)이 가해지지 않기 때문에, 베어링(58)은, 유체압에 의해 이동하지 않고, 플로팅 상태로 축 장착 구멍(22)과, 상부 스템(50) 또는 하부 스템(51)과의 사이에 내장되고, 상하의 베어링(58, 58)으로 래디얼 방향의 하중을 양호한 밸런스로 균등하게 받도록 되어 있다.
이와 같이, 하여, 베어링(58)은 축 장착 구멍(22)에 걸릴 필요가 없기 때문에, U링 실링(55) 등의 실링 부품에 연속하여 베어링(58)을 장착할 수 있고, 밸브의 구조가 심플하며, 조립이나 유지보수가 용이해져, 스러스트 베어링도 불필요해진다.
또한, 베어링(58)의 상면에 유체압을 충분히 전달하기 위하여, 도 3에 나타낸 바와 같이, 축 장착 구멍(22)의 베어링(58)과의 대향 위치에, U링 실링(55)의 바로 앞까지 축 방향의 유체 도입홈(導入溝)(69)을 설치해도 된다. 이 경우, 유체 도입홈(69)에 의해 유체압을 U링 실링(55)에 충분히 전달할 수도 있어 확실하게 축 실링을 행할 수도 있다.
베어링(58)은, 상하부 스템(50, 51)의 플랜지부(53)로 볼(10) 측이 유지되어 있다. 이로써, 베어링(58)이 자중에 의해 볼(10) 측으로 이동하는 것이 규제된다. 본 실시형태에서의 플랜지부(53)는, 베어링(58)의 외주를 구성하는 스페이서(60)를 유지할 수 있는 외경으로 형성되어 있다. 하부 스템(51) 측의 베어링(58)은, 자중에 의해 U링 실링(55)의 상면과 맞닿아도 된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 베어링(58)을 구성하는 상기 스페이서(60)의 U링 실링(55) 측 단면(端面)은, 단면이 대략 L자 형상으로 형성되어 있다. 이로써, 스페이서(60)의 내경 측에 장착되는 래디얼 베어링(59)이 단면이 대략 L자 형상 부위에 걸려, 스페이서(60)와 래디얼 베어링(59)이 임시 조립하기 쉽게 되어 있다. 대략 L자 형상 부위의 내경 선단측은, 래디얼 베어링(59)의 내경보다 약간 확경되도록 형성되고, 이로써, 이 내경 선단 측이 상하부 스템(50, 51)에 접촉하지 않고, 스페이서(60)의 파손 등이 방지된다.
축 장착 실링 기구(20)는, 상기한 구성에 의해 볼(10)을 중심으로 대칭 위치에 동일 구조로 되도록 상하부 스템(50, 51)에 장착된다. 여기서, 동일 구조란, 적어도 실링 부재[본 실시형태에 있어서는 U링 실링(55)]의 실링 직경이 동일한 것을 말한다. 볼(10)에 있어서 전술한 바와 같이 상부 스템(50)과 하부 스템(51)과는 동일 직경이며, 이 상부 스템(50)과 하부 스템(51)에 축 장착 실링 기구(20)가 장착됨으로써 밸런스 구조로 설치된다. 이 밸런스 구조에 의해, 스러스트 하중이 회피되도록 되어 있다.
밸런스 구조란, 유체압이 가해진 경우라도, 볼(10)이 스러스트 방향(스템 축 방향)으로 이동하려고 하는 하중을 상하 대칭으로 함으로써 상쇄하는 구조를 말한다. 밸런스 구조는, 볼(10)과 상부 스템(50), 하부 스템(51)을 일체화하고, 또한, 각 스템(50, 51)에 실링 부재를 장착함으로써 얻어진다. 본 실시형태에 있어서, 실링 부재는, U링 실링(55)이 된다.
밸런스 구조를 얻기 위해서는, 상하부 스템(50, 51)의 U링 실링(55, 55)의 실링 직경이 일치하고 있을 필요가 있고, 이로써, 볼(10)의 스러스트 방향으로의 이동이 저지된다. 이 경우, 볼(10)로부터 U링 실링(55)의 실링 위치까지의 거리가 상하로 일치하고 있을 필요는 없다. 즉, 상하의 U링 실링(55, 55)의 실링 직경이 동일하면, 볼(10)로부터 실링 위치까지가 같은 거리 또는 상이한 거리라도, 밸런스 구조에 의해 스러스트 하중을 상쇄 가능하게 된다. 예를 들면, 상부 스템(50), 하부 스템(51)에 스텝부가 형성되어 있었다고 해도, 상하 U링 실링(55, 55)의 실링 직경이 같으면 밸런스 구조에 의한 기능이 발휘된다. 한편, 볼(10)로부터 U링 실링(55)의 상하의 실링 위치까지가 같은 거리라도, 상하 U링 실링(55, 55)의 실링 직경이 상이하도록 되어 있으면 밸런스 구조에 의한 기능이 발휘되는 것이 어려워진다.
축 장착 실링 기구(20, 20) 중, 하부 스템(51)에 장착되는 축 장착 실링 기구(20)는, 커버 부재(2)에 내삽된다. 이 커버 부재(2)는, 밸브 본체(1)의 내측(볼 측)이 최소 경부로 되도록 형성되고, 이 최소 직경부에 베어링(58)이 내삽되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 최소 직경부를 볼(10)의 볼 직경보다 약간 크고 형성함으로써, 최소 직경부에 대응하는 커버 부재(2)의 장입 구멍(23)의 안쪽부(23a)를 통하여 볼(10)을 밸브 본체(1) 내에 내삽하도록 하고 있다.
리크 포트(37)는, 리크 포트부(37a), 리크 포트공(leak port hole)(37b)과 릴리프공(28)(relief holes), 리크 포트 구멍(37c)의 3개로 대별된다. 상기한 리크 포트부(37a)는, 환형의 개스킷 부재(31)의 실링성의 확인용으로서 설치되고, 커버 부재(2)나 유입부(32), 유출부(33)와 밸브 본체(1)와의 실링 부분에 장착된다. 이 리크 포트부(37a)를 통하여, 개스킷 부재(31)로부터의 누출의 유무를 확인 가능하도록 되어 있다.
도 1, 도 4에 있어서, 보디(3)의 금속 링(57) 장착 부위 부근에 리크 포트공(37b)이 형성되고, 이 리크 포트공(37b)과, 상기한 릴리프공(28)에 의해, 상하부 스템(50, 51)에 장착된 U링 실링(55)으로부터의 누출의 유무를 확인 가능해진다. 특히, 상부 스템(50) 측의 리크 포트공(37b)은, 금속 링(57)에 대향하는 위치에 설치되고, 이로써, 축 장착 실링 기구(20)의 구성 부품이 고압의 유체에 의해 이 리크 포트공(37b)에 밀려나오거나 파손하지 않게 되어 있다. 이 경우, 금속 링(57)이므로 밀려나옴이나 파손이 확실하게 방지되어 있고, 예를 들면, 금속 링(57) 대신에 폴리에틸렌 수지 등의 수지제 링을 설치한 경우, 고압에 견디지 못하고 파열 등이 생길 우려가 있다.
리크 포트 구멍(37c)은, 배관과 접속 부위와의 실링성을 확인하기 위해, 외부 배관과의 접속 부위 부근에 설치된다. 이 리크 포트 구멍(37c)에 의해, 유입부(32), 유출부(33)에서의, 배관과의 도시하지 않은 실링 부분으로부터의 누출의 유무를 확인 가능해진다.
도 4, 도 6에 나타낸 바와 같이, 보디(3)와 커버 부재(2)와의 맞닿는 면에는, 회동 방지 판재(61)가 장착된다. 회동 방지 판재(61)는, 예를 들면, 보디(3)나 커버 부재(2)와 동 재료인 SUS에 의해 대략 환형으로 형성되고, 도 2에 있어서, 중앙에 커버 부재(2)의 수나사부(25)가 장입 가능한 관통공(62)이 설치되고, 외형은, 커버 부재(2)의 육각면(2a)보다 부분적으로 돌출되도록 형성되고, 이 돌출부가 절곡되어 육각면을 따르도록 설치된다. 이로써, 장착 후의 커버 부재(2)는 보디(3)에 대하여 느슨해지기 어렵게 되어 있고 커버 부재(2)에 견고하게 일체화된다.
또한, 회전 방지 판재(61)에는, 멈춤 부재(retaining member)가 되는 고정장착 볼트(63) 장착용의 장착 구멍(64)이 설치되고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 회전 방지 부재(61)는, 고정장착 볼트(63)에 의해 보디(3)에 고정된다. 이로써, 회전 방지 부재(61)는, 보디(3)에 대하여 회전하기 어려워져, 커버 부재(2)가 한층 느슨해지기 어렵게 되어 있다. 그리고, 볼트(63) 대신에, 미리 도 3과 같이 벤딩 가공을 행하여 돌기 부위를 설치한 회전 방지 부재(61)를 사용해도 된다. 이 경우, 장착 구멍(64)은 나사가 아니고, 돌기 부위를 걸림 가능한 구멍이면 된다.
이 실시형태에 있어서는, 보디(3)와 커버 부재(2)를 설치하고, 이들의 내부에 각각 형성한 축 장착 구멍(22, 26)에 장착한 축 장착 실링 기구(20)에 의해 상부 스템(50)과 하부 스템(51)을 지지하는 구성이지만, 도시하지 않은 일체 구조의 보디 내의 상하 부에 축 장착 실링 기구를 배치하도록 해도 된다. 이 경우, 상하부 스템을 일체 구조의 보디로 지지하여 볼을 보디 내부에 고정밀도로 장착할 수 있으므로, 회전 방지 판재나 지지 부재가 불필요하면서, 볼에 대한 리트 리테이너의 어긋남이나 볼 부재의 축 어긋남을 방지하면서 전체를 일체로 할 수 있다.
도 1에 있어서는, 밸브 본체(1)에 수동 핸들(65)을 장착한 상태를 나타내고 있다. 수동 핸들(65)은, 상부 스템(50)의 상단부에 착탈 가능하게 장착 가능하게 설치되고, 볼(10) 회전 조작용의 파지부(把持部)(66)가 설치되어 있다. 도시하지 않지만, 이 파지부(66)의 선단측에는 돌출부가 설치되어 있다.
도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 보디(3) 상면에는 복수의 스토퍼부(67)가 일체로 돌설 형성되고, 이 스토퍼부(67)에 회전 조작 시의 핸들(65)의 돌출부가 접촉 가능하도록 되어 있다. 이와 같이, 스토퍼부(67)와 돌출부가 맞닿음으로써, 핸들(65)의 회전을 소정의 조작 각도로 규제할 수 있다. 이로써, 스토퍼부(67)를 90°간격으로 형성하여 두면, 핸들(65)을 90°회전 조작하여 소정의 밸브 폐쇄 또는 밸브 개방 상태로 할 수 있다. 또한, 밸브 개방·밸브 폐쇄용의 스토퍼부(67)를 복수 조(組) 설치하고 있는 것에 의해, 조작 방향이나 밸브 본체(1)에 대한 방향을 변경하면서 핸들(65)을 장착 가능하도록 되어 있다.
밸브 본체(1)에는, 도시하지 않은 액추에이터를 탑재하여 자동으로 밸브 개폐 조작을 행할 수도 있다. 이 경우, 도 8의 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 액추에이터가 탑재되는 보디(3)의 상면측에, 적절한 높이 치수의 원통 부재(68)를 탑재하고, 이 원통 부재(68)를 통하여 액추에이터의 도시하지 않은 출력축과 상부 스템(50)을 접속하면 된다. 이와 같이, 원통 부재(68)를 개재시킴으로써, 스토퍼부(67)가 액추에이터 탑재의 방해가 되지 않고, 또한, 액추에이터와 밸브 본체(1)에 대하여 소정 간격으로 탑재하는 것이 가능하게 된다. 또한, 원통 부재(68)의 높이를 적절히 설정함으로써, 각종 규격에 대응한 액추에이터의 탑재도 가능해진다.
다음에 본 발명에서의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 상기 실시형태에서의 작용을 설명한다.
본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 스프링 부재(12)에 의해 1, 2차측의 시트 리테이너(11, 11)를 각각 실링 측에 탄발한 트러니언형 밸브이므로, 볼(10)에 대하여 시트 리테이너(11)를 밀착시킨 상태로 개폐 조작할 수 있고, 예를 들면, 103 MPa 정도의 수소 등의 고압 유체를 흐르게 하는 경우라도, 이 고압 유체를 이용하여 볼(10)에 대하여 시트 리테이너(11)를 압압(押壓)하는 자긴력(自緊力)을 이용하여 봉지성(封止性)을 확보하는 것으로 누출을 확실하게 방지한다.
이때, 볼(10)의 상하로 동일 직경의 상부 스템(50)과 하부 스템(51)을 각각 연장설치하여 볼 부재(52)를 구성하고, 상하부 스템(50, 51)에는, 볼(10)을 중심으로 대칭 위치에 동일 구조의 축 장착 실링 기구(20)를 장착하고 있으므로, 볼(10)에 유체압이 부하되었을 때의 상부 스템(50), 하부 스템(51)에 가해지는 스러스트 방향[각 스템(50, 51)의 축심 방향]의 하중을 동일하게 하여 상쇄할 수 있다. 이와 같이, 밸런스 구조로 설치하고 있으므로, 스러스트 하중의 발생을 회피할 수 있다.
구체적으로는, 상부 스템(50)과 하부 스템(51)에 각각 장착된 축 장착 실링 기구(20), 특히 U링 실링(55)의 내경이 동일 치수로 설정되어 있다. 이로써, 상부 스템(50)과 하부 스템(51)에서의 축 실링 직경이 동일해지므로, 유체압에 의해 각 스템(50, 51)이 밸브 외측에 받는 힘(F)이 동일하게 되어, 이들이 상쇄된다.
따라서, 유체압을 받아도 스러스트 하중의 발생이 회피되어 볼(10)은 상하 이동하지 않고, 시트 리테이너(11)의 실링면(42)과의 밸브 시트 실링성이 유지된다. 축 장착 실링 기구(20)는, 볼(10)을 중심으로 대칭 위치에 배치하고 있으므로, 각 축 장착 실링 기구(20)의 볼(10) 측에 장착하는 베어링(58)도, 볼(10)을 중심으로 대칭 위치에 배치할 수 있다. 상하부 스템(50, 51)은, 볼(10) 측이 유체압에 의한 래디얼 방향으로의 변위가 커지게 되므로, 이 부위를 베어링(58)으로 지지함으로써, 상기한 변위가 억제된 상하부 스템(50, 51)을 축 장착 실링 기구(20)에 의해, 확실하게 실링할 수 있다.
또한, 베어링(58)도 볼(10)을 중심으로 대칭 위치에 동일 구조로 되도록 상부 스템(50), 하부 스템(51)에 각각 장착되어 있다. 이로써, 볼(10)이 유체압에 의해 받는 힘을 상하부 스템(50, 51)에 장착된 베어링(58)으로 균등하게 받을 수 있다.
특히, 밸브 폐쇄 상태에서는, 볼(10)은 상기 유체압에 의한 래디얼 방향(스템의 직경 방향)의 하중에 의해 2차측으로 이동하도록 한다. 이것을 볼(10)에 일체로 형성한 상하부 스템(50, 51)을 통하여 각 베어링(58, 58)으로 상하 균등하게 지지하므로, 밸브를 밸브 폐쇄나 밸브 개방 조작할 때, 특히 밸브 폐쇄 위치 근방의 밸브 조작을 원활하게 행할 수 있다.
이로써, 볼(10)의 상하 이동을 방지할 수 있고, 이 볼(10)이 시트 리테이너(11)에 대하여 어긋날 우려가 없다. 그러므로, 볼(10)에 시트 리테이너(11)가 적절한 실링 위치에 의해 균압 상태로 접하고, 안정된 밸브 시트 실링성을 확보하여 누출을 방지한다. 볼(10)의 회전 조작시에는, 이 볼(10)에 대하여 스러스트 하중에 의한 마찰 저항력의 발생을 방지하여, 시트 리테이너(11)를 통하여 상하부 스템(50, 51)과 볼 부재(52)를 균등하게 지지하여 저토크성을 발휘하고, 가벼운 힘으로 개폐 조작할 수 있으므로 수동 조작도 용이해진다. 이때, 토크 불균일(torque fluctuation)도 억제하여, 대략 일정하게 안정된 조작 토크로 조작 가능해진다.
상하부 스템(50, 51)의 볼(10) 근방 위치에 설치한 플랜지부(53)로 베어링(58)의 볼(10) 측을 유지하고 있으므로, 이 베어링(58)이 볼(10) 측으로 튀어나오는 것을 막아, 이 베어링(58)으로 상하부 스템(50, 51)의 소정 위치를 지지할 수 있다. 그러므로, 베어링(58)의 시트 리테이너(11)나 볼(10)로의 간섭을 막아, 고실링성을 유지할 수 있다.
축 장착 실링 기구(20)를 U링 실링(55), 백업 링(56), 금속 링(57)의 각 부재에 의해 구성하고 있으므로, 볼(10) 회전 시의 슬라이딩 이동성과 실링성을 양립하면서, 유지보수 시에도 용이하게 이들 각 부재의 교환 등을 행할 수 있다. 구체적으로는, 금속 링(57)의 내주 직경은, 축 장착 구멍(22)의 중앙 측으로 약간 돌출되어 있으므로, 이 축 장착 구멍(22)의 외측으로부터 적절한 지그를 사용하여 금속 링(57)을 압출하도록 하면, 이 금속 링(57), U링 실링(55), 백업 링(56)을 볼(10) 장착 위치 부근까지 이동시켜 용이하게 보디(3)의 측방으로부터 분리할 수 있어, 각 부재의 파손도 없다.
이때, 보디(3) 측, 커버 부재(2) 측의 축 장착 구멍(22, 26)은 맞닿는 구조가 아니고 연통된 구조이므로, 축 장착 실링 기구(20)의 각 부재를 인출하기 쉽다. 축 장착 실링 기구(20)의 각 부재는, 축 장착 구멍(22)의 외측으로부터 적절한 지그에 의해 걸어 빼내는 것에 의해 분리할 수도 있다.
축 장착 실링 기구(20)는, 베어링(58)에 근접 배치되어 있으므로, 플랜지부(53)로 위치 유지된 베어링(58)에 의해 축 장착 실링 기구(20)의 축 방향의 이동이 저지되어, 상부 스템(50), 하부 스템(51)의 실링 위치가 어긋나는 것이 방지된다. 이들의 근접에 의해 밸브 본체(1)의 높이도 낮아지고 있다.
보디(3)의 보텀 측으로부터 볼 부재(52)를 장입하여 커버 부재(2)로 피복된 보텀 엔트리 구조로 하고 있으므로, 밸브 본체(1)의 상방 측으로 볼 부재(52)의 빼내기용의 구조를 설치할 필요가 없고, 밸브 본체(1)의 상방 측을 수동 핸들(65)나 액추에이터의 장착용으로서 높은 자유도에 의해 임의의 구조로 설치하는 것도 가능해진다. 커버 부재(2)를 보디(3)로부터 분리해 낸 때는, 이 보디(3)의 보텀 측이 크게 개구(開口)하는 것으로, 밸브 본체(1)의 분해·조립하기 쉽다. 이와 같이, 보텀 측에 개구 부위를 설치하고 있으므로, 예를 들면, 본 실시형태에 있어서, 볼(10)의 구경 20㎜, 축 실링 부위의 외경 18㎜일 때, 개구 측을 축 실링 부위의 외경에 맞추어 작게 하지 않고 크게 개구된 것으로 용이하게 조립 가능하게 하면서, 보디(3)를 두껍게 형성하여 고압용 밸브로서 필요한 두께를 확보하여 강도를 향상시킬 수 있다.
밸브 본체(1)의 조립 시에는, 보디(3)의 축 장착 구멍(22)에 상부 스템(50)에 장착하는 상방 측의 축 장착 실링 기구(20)의 구성 부품을 순차적으로 내삽한다. 이 단계에 있어서, 도 2에 나타낸 O링(54)을 소경부(22a)의 홈형 부위에 장착하여 둔다.
이와 같은 축 장착 실링 기구(20)가 내삽된 축 장착 구멍(22)에, 볼(10)이나 하부 스템(51)이 일체로 성형된 상부 스템(50)을 삽입하고, 보디(3) 내의 소정 위치에 수납한다. 이 때, 상부 스템(50)의 상부에는, 핸들(65)이 끼워맞추어지는 끼워맞춤 부위와의 스텝부(50a)가 있지만, 이 스텝부(50a)는 테이퍼형으로 형성되어 있으므로, 상부 스템(50)을 축 장착 실링 기구(20)에 원활하게 삽입할 수 있다.
한편, 커버 부재(2)에는, 미리 하부 스템(51)에 장착되는 하방 측의 축 장착 실링 기구(20)를 보디(3)의 경우와 마찬가지로 내삽해 둔다. 그리고, 이 커버 부재(2)를, 보디(3)에 수납된 볼(10)에 일체로 성형한 하부 스템(51)에 꽂으면서, 수나사부(25)와 암나사부(24)를 나사장착하여 보디(3)의 장입 구멍(23)에 장착한다. 이 때, 커버 부재(2)에 릴리프공(28)이 개방되어 있으므로, 커버 부재(2)에 공기가 내봉되는 것을 막으면서, 이 커버 부재(2)에 내삽된 축 장착 실링 기구(20)에 하부 스템(51)을 삽입할 수 있다. 그 후, 하부 스템(51)을 삽입한 커버 부재(2)를 보디(3)에 나사장착 고정시킨다. 이 상태에서, 볼(10)은 상하부 스템(50, 51)의 축심(軸芯) 방향으로 구속되어 있지 않고, 상하 이동 가능하도록 되어 있다.
이어서, 이들의 축 장착 실링 기구(20)를 내부에 장착하면서 일체화한 보디(3)와 커버 부재(2)에 대하여, 시트 리테이너(11), 스프링 부재(12), 스프링 누름 부재(14), 실링 부재(13), 보조 링(15)으로 이루어지는 밸브 시트 실링 부품을 내삽한 유입부(32), 유출부(33)를, 수나사(32a, 33a), 암나사(3a, 3a)의 나사장착에 의해 각각 장착하여 일체화한다. 이와 같은 수순에 따라, 조립 후에는 볼(10)의 유입 측, 유출 측이 각각 스프링 부재(12)에 의해 탄발된 시트 리테이너(11)에 의해 유지되고, 볼(10)과 각 시트 리테이너(11)가 정확하게 조심(調心)된 상태로 밸브 본체(1)가 설치된다.
이 밸브 본체(1)의 상부 스템(50)의 상단부에 대하여, 핸들(65)을 장착하도록 하면, 볼(10)을 수동 조작에 의해 개폐하는 것이 가능해지고, 액추에이터를 탑재하여 자동으로 밸브 개폐 조작을 행할 수도 있다.
밸브 본체(1)의 수리나 유지보수 시에는, 기본적으로는 조립 방법이 반대의 수순에 따라 실시된다. 이때, 특히 상부 스템(50)에 장착된 축 장착 실링 기구(20)의 각 부품을, 도 2에 있어서, 축 장착 구멍(22)의 외측으로부터 원통형의 지그에 의해 보디(3)의 아래쪽[볼(10) 측]으로 압출할 수 있으므로, 분리가 용이해진다.
밸브 본체(1)는 고압용 밸브이므로, 커버 부재(2)의 수나사부(25)와 보디(3)의 암나사부(24)를 길게 해 나사장착 강도를 높이는 것이 필요하게 되어 있지만, 이 암나사부(24)가 축 장착 실링 기구(20)와 병렬되도록 설치되어 있으므로, 커버 부재(2)가 축 방향으로 필요 이상으로 커지는 것을 방지하여 최소한의 길이로 할 수 있어, 전술한 축 장착 실링 기구(20)와 베어링(58)과의 근접 구조와 더불어 밸브 본체(1)의 높이가 낮아지고 있다. 또한, 보디(3)의 유로 방향과 교차하는 외주면을 플랫 면(36)으로 형성하고 있으므로, 보디(3)의 유로 방향의 폭을 짧게 할 수 있고, 이들에 의해 보디(3) 전체를 컴팩트화하여 좁은 장소로의 설치에도 대응한다.
커버 부재(2)에 하부 스템(51)의 하부와 연통되는 릴리프공(28)을 뚫어형성하고 있으므로, 상부 스템(50) 측의 축 장착 부분과 하부 스템(51) 측의 축 장착 부분과의 사이에 압력차가 생긴 경우에, 이 릴리프공(28)을 통하여 리크를 검지할 수 있다. 또한, 보디(3)의 플랫 면(36)으로 형성된 리크 포트부(37a)로부터도 리크되어, 밸브 본체(1) 내의 내부 압력이 높아지는 것을 해소하여 밸브 시트 실링성이나 조작성이 손상되는 것을 회피한다. 리크 포트부(37a)를 플랫 면(36)에 뚫어형성하고 있으므로, 이 리크 포트부(37a)를 보디(3)의 소정 위치에 정확하게 위치결정하면서 형성 가능해진다.
보디(3)와 커버 부재(2)와의 맞닿는 면에는, 멈춤 부재(63)를 통하여 회동 방지 판재(61)를 장착하고 있으므로, 보디(3)와 커버 부재(2)를 견고하게 일체로 할 수 있어, 이들 보디(3)와 커버 부재(2)로 상부 스템(50)과 하부 스템(51)을 소정 위치에서 지지하고, 볼(10)과 시트 리테이너(11)를 위치결정하여 실링 상태를 유지하여 스러스트 하중을 회피할 수 있다.
도 9에 있어서는, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 그리고, 이 실시형태 이후에 있어서, 상기 실시형태와 동일 부분은 동일 부호에 의해 나타내고, 그 설명을 생략한다.
도 2의 실시형태에서는, 베어링(58)의 내주 측에, 심금에 PTFC 등의 수지가 코팅된 래디얼 베어링(59)이 사용되고 있다. 수지는, 슬라이딩 이동성의 유지에 바람직한 재료이지만, 밸브의 개폐 빈도가 많은 경우 등, 사용 조건에 따라서는 마모되는 경우가 있다. 수지 코팅이 마모되면, 베어링(58)과 상하부 스템(50, 51)과의 간극(클리어런스)이 넓어지므로, 초고압 유체를 받는 볼(10)이 하류 측으로 가압되어 이동하는 양이 약간 증가하고, 이에 따라 상하부 스템(50, 51)이 볼(10)을 중심으로 한
Figure pct00001
(dogleg)의 글자모양(字形)으로 기울어지고, 축 장착 실링 기구(20)에 의한 실링성이 저하될 우려가 있다. 또한, 베어링(58)과 상하부 스템(50, 51)과의 클리어런스가 넓어지므로, 상하부 스템(50, 51)과 래디얼 베어링(59)과의 면 접촉이 손상되고, 상하부 스템(50, 51)의 스러스트 하중이 증가될 염려도 있다.
이것을 회피하기 위해, 이 실시형태에서의 밸브 본체(90)에서는, 볼 부재(91)의 상하부 스템(50, 51)에, 이들보다 확경된 확경 슬라이딩 이동부(100)가 일체로 설치되어 있다. 확경 슬라이딩 이동부(100)는, 보디(3)에 같은 직경으로 설치된 축 장착 구멍(22, 26)에 밀착 가능한 외경에 형성되고, 볼 부재(91)를 보디(3)에 장착했을 때, 축 장착 구멍(22, 26)에 밀착 상태로 슬라이딩 이동 가능하게 설치된다.
이로써, 상하부 스템(50, 51)과 축 장착 구멍(22, 26)과의 클리어런스는, 확경 슬라이딩 이동부(100)와 축 장착 구멍(22, 26)과의 사이에만 저감되고, 또한, 확경 슬라이딩 이동부(100)가 볼(10) 부근에 설치되어 있으므로, 볼 부재(91) 중앙 부근의 강도가 향상된다. 그러므로, 볼(10)에 대하여 103 MPa 이상의 이른바 초고압 유체가 흐르는 경우에도, 상하부 스템(50, 51)이 볼(10)을 중심으로 한
Figure pct00002
(dogleg)의 글자모양(字形)으로 휘기 어려워진다. 따라서, 볼 부재(91)로부터 축 장착 구멍(22, 26)으로의 래디얼 하중의 상승이 저지되어 조작 시의 토크의 상승이 회피되는 동시에, 상하부 스템(50, 51)과 축 장착 실링 기구(20)와의 실링성도 확보된다. 볼(10)을 중심으로 한 상하 측에 있어서, 동일 구조의 축 장착 실링 기구(20, 20)의 대향 위치에, 동일 직경의 상하부 스템(50, 51)이 설치되어 있으므로, 그 밸런스 구조가 유지되어 스러스트 하중의 상승도 회피된다.
확경 슬라이딩 이동부(100)를 설치한 볼 부재(91)의 표면에는, 시트 리테이너(11)의 경우와 마찬가지로, 다이아몬드 라이크 카본(DLC)에 의한 코딩층(101)이 설치된다. 볼 부재(91)는, 예를 들면, BeCu 합금을 재료로서 형성되고, 이 볼 부재(91)의 확경 슬라이딩 이동부(100)를 포함하는 상하부 스템(50, 51), 및 볼(10)을 포함하는 부위의 표면에 DLC에 의한 피복 처리가 행해진다.
이와 같이, DLC의 코팅층(101)이 볼 부재(91)에 설치되어 있는 경우에는, 볼 부재(91)의 표면 평활성이나 윤활성, 내마모성 등이 향상된다. 그러므로, 확경 슬라이딩 이동부(100)가 설치된 상하부 스템(50, 51) 측에는 우수한 베어링 기능이 발휘되면서 축 장착 구멍(22, 26)으로의 밀착성이 높아지고, 클리어런스가 더욱 억제된 상태로 슬라이딩 이동성이 확보되고, 볼 부재(91)의 원활한 조작이 가능해진다. 볼(10) 측에 있어서는, 시트 리테이너(11)와의 실링성이 높아져 누출이 확실하게 방지된다.
여기서, 예를 들면, 확경 슬라이딩 이동부(100)와 축 장착 구멍(22)이, 상부 스템(50)에 있어서 유체를 실링하는 정도로 전체 주위에 걸쳐 밀착된 경우에는, 축 장착 실링 기구(20)로 실링하고 있는 하부 스템(51)에 대하여 실링 직경이 커지고, 그 결과, 스러스트 방향의 하중의 크기가 상부 스템(50) 측으로 치우치므로, 밸런스 구조가 없어져 버린다. 이로써, 볼(10)이 상부 스템(50) 측으로 이동하여 버려, 밸브 시트 실링성이 없어질 우려가 있다.
그래서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상하부 스템(50, 51)의 각각의 확경 슬라이딩 이동부(100)에는, 볼(10) 측과 축 장착 실링 기구(20)를 연통시키는 연통부(110)가 설치된다. 연통부(110)는, 확경 슬라이딩 이동부(100)의 중심축과 교차하는 방향에 관통하는 연통공로 이루어지고, 도 9에 있어서, 볼 부재(91)가 보디(3)에 장착되었을 때, 확경 슬라이딩 이동부(100)의 외주의 대향 위치에 경사상태로 형성된다. 연통부(110)는, 볼(10) 측과 축 장착 실링 기구(20) 측을 연통 가능하면, 그 경사 방향이나 구멍 직경을 적절히 변경 가능하고, 또한, 곡선형이나 절결형(切缺形), 혹은 축 방향으로 설치하는 것도 가능하다. 본 실시형태와 같이 연통부를 연통공(110)으로서 경사형으로 설치한 경우에는, 확경 슬라이딩 이동부(100)의 상면 및 하면에 구멍 직경을 크게 확보하면서 상하부 스템(50, 51)의 강도를 저하시키지 않고 연통 가능해지고, 이 연통공(110)을 형성하기 위한 스페이스의 점에서도 제약이 적어진다.
이와 같이, 확경 슬라이딩 이동부(100)에 감압용(pressure relief)의 연통부(110)가 설치되어 있으므로, 볼(10) 측으로부터 축 장착 실링 기구(20) 측으로 유체압이 빠져 캐비티 내가 균압 상태로 되고, 또한, 축 장착 실링 기구(20)에 의한 축 실링성이 유지된다. 그러므로, 유체압에 의한 상하부 스템(50, 51)으로의 스러스트 하중이 변화하지 않고, 이들 상하부 스템(50, 51) 측이 균등한 압력으로 유지되어, 볼 부재(91)의 상하의 밸런스 상태가 확보된다. 이로부터, 전술한 확경 슬라이딩 이동부(100)와 축 장착 구멍(22, 26)과의 클리어런스를 극한까지 작게 한 경우에도, 확경 슬라이딩 이동부(100)에 볼(10) 측으로부터 유체압이 가해지려고 했을 때도 축 방향으로의 어긋남이 방지되고, 축 장착 실링 기구(20)를 장착한 밸런스 구조가 유지되어 스러스트 하중의 치우침 확실하게 회피된다.
그리고, 이 실시형태에서는, 시트 리테이너(11)에 복수의 접시 스프링(111)이 스프링 부재로서 장착되어 있다. 이와 같이, 접시 스프링(111)을 사용한 경우, 볼(10) 방향으로의 탄발력이 높아져 실링성이 향상된다. 또한, 확경 슬라이딩 이동부(100)의 직경은, 상하부 스템(50, 51)에서 각각 상이해도 된다.
도 11에 있어서는, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브의 또 다른 실시형태를 나타내고, 도 11의 (a)는, 고압용 트러니언형 볼 밸브의 종단면도, 도 11의 (b)는, 도 11의 (a)의 B-B 단면도를 나타내고 있다.
있다.
이 실시형태의 밸브 본체(120)에서는, 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이, 볼 부재(121)의 상하부 스템(50, 51)보다 확경되고 축 장착 구멍(22, 26)에 밀착 가능한 외경에 설치된 슬라이딩 이동 통체(130)가 별체로 형성되고, 이 슬라이딩 이동 통체(130)가 상하부 스템(50, 51)에 각각 장착되어 있다. 상하부 스템(50, 51)의 직경은, 슬라이딩 이동 통체(130)에 대향하는 위치 및 축 장착 실링 기구(20)에 대향하는 위치에서도 동일 직경을 채용하고 있다.
슬라이딩 이동 통체(130)는, 상하부 스템(50, 51)의 플랜지부(53)로 볼(10) 측이 유지되어 있다. 이로써, 슬라이딩 이동 통체(130)가 볼(10) 측으로 이동하는 것이 규제된다. 본 실시형태에서의 플랜지부(53)는, 슬라이딩 이동 통체(130)를 유지할 수 있는 외경으로 형성되어 있다. 하부 스템(51) 측의 슬라이딩 이동 통체(130)는, 자중에 의해 U링 실링(55)의 상면과 맞닿아도 된다.
슬라이딩 이동 통체(130)는, 예를 들면, 알루미늄 브론즈(aluminum bronze)를 재료로서 한층의 태양(態樣)으로 형성되고, 볼 부재(121)의 보디(3)로의 장착 시에, 축 장착 구멍(22, 26)에 슬라이딩 이동 가능하게 설치된다. 이로써, 전술한 밸브 본체(1)에 비하여 상하부 스템(50, 51)과 축 장착 구멍(22, 26)과의 사이의 각각의 클리어런스가 저감되고, 103 MPa 이상의 초고압 유체가 흐르는 경우에도, 볼(10)의 이동이나 상하부 스템(50, 51)의 기울어짐을 방지하여 조작 시에서의 저토크성과 축 실링성이 확보된다.
이 경우, 볼 부재(121)는, 예를 들면, 스테인레스 재료에 의해 형성되고, 이 볼 부재(121)의 상하부 스템(50, 51)에 대하여 슬라이딩 이동 통체(130)가 장착된다.
또한, 도시하지 않지만, 별체로 설치한 슬라이딩 이동 통체(130) 중 적어도 내주에는, 일체로 설치한 경우와 마찬가지로, DLC에 의한 코팅층이 형성되어 있어도 된다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 각 슬라이딩 이동 통체(130)에는, 볼(10) 측과 축 장착 실링 기구(20)를 연통시키는 연통홈으로 이루어지는 연통부(140)가 설치된다. 연통홈(140)은, 슬라이딩 이동 통체(130)의 외주에 축 방향을 따라 2조 형성된다. 이 연통홈(140)에 의해, 도 11의 (b)에 있어서, 슬라이딩 이동 통체(130)와 축 장착 구멍(22, 26)과의 사이에 유체 유로가 설치되고, 슬라이딩 이동 통체(130)의 상하로 차압이 발생하는 것을 방지하는 것에 의해, 연통홈(140)을 통하여 슬라이딩 이동 통체(130)가 유체압을 받아 밸브 외측으로 이동하려고 하는, 이른바 피스톤 현상의 발생이 방지된다. 그러므로, 각 슬라이딩 이동 통체(130)의 상하 측에 배치되어 있는 축 장착 실링 기구(20)의 U링 실링(55)의 손상이 회피되어 축 장착 실링 기구(20)에 의한 축 장착 실링력이 유지된다. 이 경우, 피스톤 현상이 발생하기 쉬운 이오닉 리퀴드(liquid) 등의 비압축성 유체가 흐르는 경우라도, 연통홈(140)에 의해 피스톤 현상이 확실하게 회피된다. 그리고, 상기한 연통홈(140)에 더하여, 각 슬라이딩 이동 통체(130)의 외주에 대향하는 축 장착 구멍(22, 26)에, 전술한 볼 밸브 본체(1)와 마찬가지로 유체 도입홈을 형성해도 된다.
또한, 연통홈(140)이 슬라이딩 이동 통체(130) 외주의 대향 위치에 2개 설치되어 있는 것에 의해, 어느 한쪽의 연통홈(140)에 의한 유체 유로가 쓰레기 등에 의해 좁아지거나 막혔을 경우에도, 다른 쪽의 연통홈(140)을 통하여 유체가 흐르므로, 캐비티 내의 균압 상태가 확실하게 유지된다. 이상의 구성에 의해, 상하부 스템(50, 51)에 있어서 축 장착 실링 기구(20)에 의한 실링성이 유지되고, 전술한 밸런스 구조가 유지된다.
도 13에 있어서는, 본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브를 설치한 수소 스테이션을 나타내고 있다. 수소 스테이션에는 전술한 밸브 본체(1)가 접속되고, 이 밸브 본체(1)는, 예를 들면, 수소 스테이션의 고압 수소의 공급 라인에 사용된다.
수소 스테이션은, 축압기(70), 압축기(71), 디스펜서(72), 프리쿨(precool) 열교환기(73), 신속 조인트(74), 충전 호스(75), 충전 노즐(76), 차량탑재 탱크(77)를 가지고, 이들은 고압 수소의 공급 라인(78)으로서 시스템을 구성하고 있다.
본 발명의 고압용 트러니언형 볼 밸브는, 압력 손실이 작으므로, 축압기(70)의 2차측에 설치하거나, 그 외의 공급 라인에 설치함으로써, 시스템 전체의 압력 손실이 작아지게 되어, 도 13에 나타낸 시스템에 바람직하다. 도면에 나타낸 바와 같이, 수소 스테이션의 각 유닛의 접속 부위에 수동 밸브(81)를 설치하고, 각 유닛의 1차측 또는 2차측에 적절하게 자동 밸브(80)를 설치하여 개폐 제어하고 있다.
축압기(70)의 내부는, 복수의 탱크로 나누어져 있고, 각각의 탱크와 압축기(71)를 접속하는 밸브(80), 및 각각의 탱크와 디스펜서(72)를 접속하는 밸브(80)를 적절히 전환함으로써, 소정 압력에 이른 탱크로부터 수소를 디스펜서에 공급하는 한편, 소정의 하한값 압을 하회한 탱크에는, 압축기(71)로부터 수소를 상기 소정 압력에 이르기까지 충전한다.
도 13의 수소 스테이션의 블록도의 공급 라인(78)에 나타낸 바와 같이, 소정의 프로그램에 의해 시스템에서의 수소 공급을 제어하거나, 차량 공급량에 따라, 적절하게 수소를 공급 제어 가능하게 된다.
그리고, 상기한 수소 스테이션에서는 밸브 본체(1)를 설치하고 있지만, 밸브 본체(90, 120)에 대해서도, 마찬가지로 수소 스테이션에 사용할 수 있다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명은, 특히, 연료 전지로 사용되는 고압 유체의 수소 등이 흐르는 수소 스테이션 등의 배관 설비에 바람직하지만, 고압 유체가 흐르는 관로(管路)이면 우수한 실링성과 토크성을 발휘할 수 있고, 예를 들면, CNG(Compressed Natural Gas: 압축 천연 가스) 스테이션에서의 밸브나, 혹은, 파이프라인용 밸브 등의 각종 고압 유체가 흐르는 장소에서 사용되는 고압용 볼 밸브로서 적합하다.
1, 90, 120: 볼 밸브 본체(밸브 본체)
2: 커버 부재
3: 보디
10: 볼
11: 시트 리테이너
12: 스프링 부재
13: O링(실링 부재)
20: 축 장착 실링 기구
28: 릴리프공
32: 유입부
33: 유출부
36: 플랫 면
37: 리크 포트
50: 상부 스템
51: 하부 스템
52: 볼 부재
53: 플랜지부
55: U링 실링
56: 백업 링
57: 금속 링
58: 베어링
61: 회동 방지 판재
63: 고정장착 볼트(멈춤 부재)
78: 공급 라인
100: 확경 슬라이딩 이동부
101: 코팅층
110: 연통공(연통부)
130: 슬라이딩 이동 통체
140: 연통홈(연통부)

Claims (13)

  1. 커버 부재를 가지는 보디(body) 내에 회전 가능하게 설치한 볼(ball)과, 상기 볼과 실링 접속하는 시트 리테이너(seat retainer)와, 상기 시트 리테이너를 실링 측에 탄발력(彈發力)을 부여하는 스프링 부재와, 상기 시트 리테이너의 외주면(外周面)에 장착한 실링 부재로 이루어지는 고압용 트러니언형(trunnion type) 볼 밸브로서,
    상기 볼의 상하로 동일 직경의 상부 스템(stem)과 하부 스템을 각각 연장설치하여 볼 부재를 구성하고, 상기 상부 스템과 하부 스템에는, 상기 볼을 중심으로 대칭 위치에 동일 구조의 축 장착 실링 기구(shaft-attaching seal mechanisms)를 장착하여 밸런스 구조로 함으로써 스러스트(thrust) 하중을 회피하도록 한,
    고압용 트러니언형 볼 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 스템과 하부 스템의 볼 근방 위치에 플랜지부(flange portion)를 설치하고, 상기 플랜지부로 상기 상부 스템과 하부 스템의 외주(外周)에 설치한 베어링의 볼 측을 유지한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 축 장착 실링 기구는, 볼 측에 U링 실링을 설치하고, 상기 U링 실링에 백업 링(backup ring)을 적층하고, 외주 위치에 내주 직경을 약간 돌설시킨 금속 링(metal ring)을 설치한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보디의 보텀(bottom) 측으로부터 상기 볼 부재를 장입(裝入)하여 상기 보디 내에 설치하고, 상기 보디의 보텀 측으로부터 상기 커버 부재로 피복하고, 상기 커버 부재에 상기 하부 스템을 축 장착한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 부재에는, 상기 하부 스템의 하부와 연통되는 릴리프공(relief hole)을 형성한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보디와 상기 커버 부재와의 맞닿는 면에는, 회동 방지 판재(revolution-preventing plate member)를 장착한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보디의 유로(流路) 방향의 양측 위치에 유입부와 유출부를 고정장착하는 동시에, 상기 보디의 유로 방향과 교차하는 외주면을 플랫 면으로 형성하고, 상기 플랫 면에 내부와 연통되는 리크 포트(leak port)를 형성한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  8. 제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 스템과 하부 스템에 확경 슬라이딩 이동부(diameter-expanding sliding portion)를 각각 일체로 설치하고, 상기 확경 슬라이딩 이동부를 상기 보디의 축 장착 구멍에 슬라이딩 이동 가능하게 설치한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 볼 부재와 상기 확경 슬라이딩 이동부의 표면에 다이아몬드 라이크 카본(dsiamond-like carbon)에 의한 코팅층을 형성한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 스템 및 하부 스템에 별개의 슬라이딩 이동 통체(sliding cylindrical body)를 장착하고, 상기 슬라이딩 이동 통체를 상기 보디의 축 장착 구멍에 슬라이딩 이동 가능하게 설치한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확경 슬라이딩 이동부 또는 상기 슬라이딩 이동 통체에 상기 볼 측과 상기 축 장착 실링 기구 측을 연통시키는 연통부를 설치한, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연통부는, 상기 확경 슬라이딩 이동부의 외주면을 관통하는 연통공, 또는 상기 슬라이딩 이동 통체의 외주에 축 방향으로 형성한 연통홈인, 고압용 트러니언형 볼 밸브.
  13. 고압 수소의 공급 라인에 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 고압용 트러니언형 볼 밸브를 사용하여 구성한, 수소 스테이션.
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