KR20170072832A

KR20170072832A - 트러니언형 볼 밸브

Info

Publication number: KR20170072832A
Application number: KR1020167017726A
Authority: KR
Inventors: 마사즈미 후나토; 마사히로 가자마
Original assignee: 가부시키가이샤 기츠
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-06-27
Also published as: BR112016015755A2; EP3098491A1; US20160319940A1; WO2016067737A1; CN107110385B; EP3098491B1; KR101956090B1; ES2813378T3; EP3098491A4; CN107110385A; US10018276B2; BR112016015755B1

Abstract

시트 리테이너로부터의 볼 시트의 탈락을 방지하고, 볼 시트의 마모를 회피하면서 캐비티 내의 이상 승압을 완화하고, 부품수의 증가를 억제하여 구조를 간략화하면서 강도를 확보하여 가공성이나 조립성을 향상시키고, 고압 시에서도 볼 시트와 밸브체의 실링성을 향상시켜 누출을 방지하여 볼 시트의 내구성을 향상시킬 수 있는 트러니언형 볼 밸브를 제공한다.
보디(11) 내에 형성된 관통공(12a)을 가지는 볼(12)의 한쪽 또는 양쪽에 볼 시트(15)를 장착한 시트 리테이너(14)를 설치하고, 볼(12)을 스템(13)을 통하여 회동 가능하게 설치하고, 볼 시트(15)는, 시트 리테이너(14)에 형성한 장착 홈(32) 내에 돌출을 방지하고, 또한 자유로운 상태로 장착하였다. 완전 폐쇄 시 또는 완전 개방 시의 캐비티(35) 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력을, 이 압력을 이용한 자체 텐션에 의해 시트 리테이너(14)를 볼(12)과는 반대 방향으로 이동시키고, 또한 장착 홈(32) 내의 볼 시트(15)의 이면 측에 유입된 잉여 압력으로 볼 시트(15)를 볼(12) 측에 압출하여 볼 시트(15)의 내주면(27)과 장착 홈(32) 사이에 설치한 연통부(40)를 통하여 유로 내로 완화하게 하였다.

Description

트러니언형 볼 밸브{TRUNNION-TYPE BALL VALVE}

본 발명은 트러니언형 볼 밸브에 관한 것이며, 상세하게는, 고압 유체에 대해서도 높은 실링성(sealing characteristic)을 발휘할 수 있는 볼 시트와 시트 리테이너(seat retainer)의 장착 구조에 관한 것이다.

트러니언형 볼 밸브는 특히 고압 유체에 적합한 밸브로서 알려지고, 통상, 밸브 시트로 되는 볼 시트가 시트 리테이너에 유지된 상태로 보디에 장착되고, 이 볼 시트가 코일 스프링의 탄발력에 의해 밸브체 방향으로 탄발(彈發)되어, 볼 시트가 가압되는 것에 의해 1차측(상류 측) 볼 시트로 유체가 봉지(封止)되는 구조로 설치되어 있다.

이와 같이, 볼 시트와 시트 리테이너가 별개로 되어 있는 경우, 시트 리테이너로부터 볼 시트의 탈락이 방지된 구조로 설치되고, 예를 들면, 특허 문헌 1의 볼 밸브에서는, 시트에 암나사, 씰링(seal ring)에 수나사가 각각 설치되고, 이들 암나사와 수나사를 통하여 씰링이 시트에 장착된다. 시트 배면에는 접시 스프링이 장착되고, 이 접시 스프링에 의해 시트 및 씰링이 밸브체 방향으로 가압되고 있다. 이로써, 씰링은 서로의 나사산(thread ridge) 단부를 접촉시켜, 헐거움에 의한 시트로부터의 돌출이 방지된 상태에서, 배면 측에 장착된 압축 코일 스프링에 의해 밸브체에 압접(壓接)되고, 상기 씰링과 밸브체의 접촉면의 간극이 막아지고 있다.

또한, 상기 볼 밸브에서는, 씰링의 내경(內徑) 측에는 실링 부재가 설치되고, 이 실링 부재에 의해 배면 측으로의 압력의 침입이 방지되고, 배압(背壓) 작용에 의한 씰링의 돌출에 기인하는 씰링 배면으로의 압력 침입이 방지되어 있다.

특허 문헌 2의 볼 밸브에서는, 패킹 라이너에 톱니형 요철부(凹凸部)가 형성되고, 이 톱니형 요철부에 시트 패킹이 들어감으로써, 시트 패킹이 패킹 라이너에 결합된다. 시트 패킹은, 이 상태에서 배면이 패킹 라이너에 압입(壓入)된 상태로 고정되어 있고, 이로써 유체압의 배압 작용에 의한 돌출이 방지되고 있다. 또한, 시트 패킹의 패킹 라이너로의 압입에 의하여, 시트 패킹으로부터의 뒤쪽 누출(back-leakage)도 방지되어 있다.

특허 문헌 3의 볼 밸브에서는, 밸브 시트의 배면 측 외주에 밸브 시트 유지 링이 걸어맞추어지고, 이 밸브 시트 유지 링의 걸어맞춤면에 원주형으로 유체 연통 홈이 설치되어 있다. 이 유체 연통 홈으로부터 유체 연통공을 통하여, 입구측 유로 부 압력과 포켓부 압력 사이의 압력차를 동등하게 함으로써, 밸브 시트를 정상(正常)인 위치에 되돌리도록 한 것이다. 이로써, 밸브 시트의 돌출이나 변형, 파손을 방지하려고 하고 있다.

한편, 도 14에 나타낸 볼 밸브(1)에 있어서는, 시트 리테이너(2)로부터 볼 시트(3)의 탈락이 방지된 상태로 설치되고, 또한 볼 시트(3)가 시트 리테이너(2)에 대하여 자유로운 상태로 장착된 구조로 되어 있다.

또한, 이러한 종류의 볼 밸브에서는, 볼 시트의 탈락 방지에 더하여, 볼 시트와 밸브체가 높은 실링성을 유지하면서 개폐 가능한 것이 요구되는 경우도 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1의 볼 밸브에서는, 상기한 씰링의 돌출 방지에 더하여, 실링성을 확보하기 위해, 볼 시트의 실링면이 밸브체의 실링면과 동일한 곡률로 설치되고, 이들 동일한 곡률의 볼 시트와 밸브체의 실링면이 서로 전체 주위에 걸쳐 밀착되도록 설치되어 있다.

도 14의 볼 밸브에 있어서도, 특허 문헌 1과 마찬가지로, 볼 시트(3)에 형성되는 1차측 실링부(4)에서 2차측 실링부(5)까지의 범위의 실링면(6)이, 볼 밸브체(7) 외주의 밸브체 실링면(8)과 동일한 곡률로 설치되어 있다.

즉, 이들 볼 밸브에서는, 도 14에 있어서, 볼 시트(3)의 탈락을 방지하고, 또한 볼 밸브체(7)의 구형과 볼 시트(3)의 실링면(6)의 형상이 동일 치수로 설치되어 있고, 이로써 저압 시부터 고압 시까지, 밸브체 실링면(8)에 실링면(6)이 1차측 실링부(4)에서 2차측 실링부(5)까지의 범위에서 항상 면접촉한 상태로 되어 있음으로써, 유체 압력이 봉지되도록 되어 있다.

특허 문헌 4에 있어서는, 시트 유지부에 볼 시트가 주위 방향으로 회전 가능한 상태로 유지되고, 볼의 회전에 따라 주위 방향으로 회전함으로써 볼 시트의 편마모(偏魔耗)를 방지하여 실링성의 저하를 방지하고자 하는 볼 밸브가 개시되어 있다.

특허 문헌 5의 볼 밸브에 있어서는, 시트 링의 바닥면과, 시트 유지 수단인 시트 링 유지 홈의 바닥면과의 공간이 외경이 될 정도로 볼 측에 경사지면서 넓어지도록 설치되고, 시트 링에 압압력(押壓力)이 가해졌을 때의 압압 변형이 공간에 흡수되는 것에 의하여, 실링부의 위치가 변경되는 것을 방지하여 실링성을 유지하도록 하는 것이다.

전술한 각 트러니언형 볼 밸브에서는, 일반적으로 수지 재료가 볼 시트로서 사용되고, 이 경우, 유체 압력이 고온으로 되면 그 압력에 따라 볼 시트가 탄성 변형되면서 유체를 실링한다.

특허 문헌 1 : 일본공개특허 평9-133225호 공보 특허 문헌 2 : 일본공개실용신안 평2-124377호 공보 특허 문헌 3 : 일본등록실용신안 제2577156호 공보 특허 문헌 4 : 일본특허 제3815669호 공보 특허 문헌 5 : 일본특허 제4812091호 공보

특허 문헌 1의 볼 밸브에서는, 시트 리테이너로부터 볼 시트의 탈락을 방지하고자 한 것이지만, 이 볼 밸브는, 씰링, 시트에 더하여, 접시 스프링, 압축 코일 스프링, 실링 부재를 가지고 있으므로, 부품수가 많아지게 되어 구조도 복잡하게 된다. 씰링의 내경 측에는 실링 부재가 배치되고, 씰링 배면 측에는 압축 코일 스프링이 설치되어 있으므로, 조립성도 불량하다. 이 경우, 씰링에는 부품 장착용 홈이나 패임(dent)이 많이 형성됨으로써 씰링 전체의 강성(剛性)이 저하되기 쉬워지고, 이를 해소하기 위해서는 씰링 재료로서 고강도 재료를 사용할 필요가 생기는 경우도 있다.

또한, 상기 볼 밸브에서는, 캐비티 내에 이상 승압이 생긴 경우의 완화(relief)가 고려되어 있지 않고, 이와 같은 볼 시트가 코일 스프링에 의해 탄발되는 구조의 경우, 캐비티 내에 이상 승압이 생겼을 때는, 볼 시트가 시트 리테이너와 함께 1차측으로 이동하여 시트와 밸브체 사이로부터 압력을 완화하기 때문에, 시트의 밸브체와의 접촉면의 마모가 격심해진다. 그 결과, 실링 포인트가 불안정하게 되어 릴리프 압력에 불균일이 생긴다. 완화 시에는, 시트의 접촉부를 억지로 개방하도록 압력이 빠지기 때문에, 접촉면에 손상이 가해지기 쉽다는 문제도 생긴다.

특허 문헌 2의 볼 밸브에 있어서도, 시트 패킹의 돌출을 방지하고자 한 것이지만, 시트 패킹이 패킹 라이너에 압입되어 일체로 되어 있으므로, 시트 패킹이 고온으로 되면, 팽창에 의해 패킹 라이너로부터 튀어나올 가능성이 있다. 상기 시트 패킹은, 누설 방지 구조로서 배면 부근에 테이퍼가 설치되고, 쐐기 효과에 의해 패킹 라이너와 일체화하려고 하는 구조이므로, 이들 패킹 라이너와 시트 패킹의 치수 설정도 곤란하게 된다. 또한, 이 요철(凹凸) 구조에 의해 시트 패킹을 패킹 라이너에 압입하는 경우, 그 조립 작업도 곤란하게 되고, 예를 들면, 시트 패킹이 소정의 상태로 변형되지 않을 때는, 조립 시 및 밸브 작동 시에 시트 패킹이 패킹 라이너의 소정 위치에 수용되지 않아 편마모될 가능성이 있다. 이것을 방지하기 위하여, 압입 후에 시트 면을 가공할 필요가 생기는 경우도 있다.

이에 더하여, 캐비티 내의 이상 승압의 완화에 의하여, 시트 패킹이 소모되기 쉽다는 문제도 있다.

특허 문헌 3의 볼 밸브에서는, 밸브체의 회동(回動) 시에 유체 연통 홈 및 유체 연통공을 통하여 압력차를 줄이고, 밸브 시트의 돌출이나 변형을 방지하고자 한 것이지만, 캐비티 내의 이상 승압에 대한 대처가 고려되어 있지 않다.

또한, 전술한 특허 문헌 1이나 도 14의 구조의 볼 밸브에서는, 조립 후 및 저압 시의 상태에서 유로 측으로부터 고압이 가해진 경우, 도 15의 화살표로 나타낸 바와 같이 수지제의 볼 시트(3)가 시트 리테이너(2)와의 인접부(9)를 중심으로 외측으로 개방되는 방향으로 탄성 변형된다. 이와 같이 볼 시트(3)가 탄성 변형되었을 때, 인접부(9)가 1차측 실링부(4)보다 도 14에 있어서 외경 측에 있으므로, 이 1차측 실링부(4)가 인접부(9)를 중심으로 한 볼 시트(3)의 외측으로 개방되는 회전 작용에 의해 볼 밸브체(7)에 가까워지는 방향으로 이동한다. 그 결과, 도 15에 나타낸 바와 같이, 볼 밸브체(7)와 볼 시트(3)의 실링이 1차측 실링부(4)로부터 2차측 실링부(5)까지의 면접촉에서 1차측 실링부(4) 측의 선접촉으로 변화되고, 이 선접촉의 실링에 의해 1차측 실링부(4)의 실링 면압이 국부적으로 상승하고, 볼 시트(3)가 부분적으로 변형될 우려가 있다. 이 상태에서 밸브를 회전 조작하면, 1차측 실링부(4)가 면압에 견디지 못하고 편마모를 발생시켜 유체의 누설로 쉽게 이어진다.

또한, 도 15에 있어서, 볼 시트(3)와 인접부(9)를 기점으로 회전 작용이 생기고, 봉지부로 되는 1차측 실링부(4)가 2차측 실링부(5)보다 볼 밸브체(7)에 가까워진 위치 관계로 되고, 2차측 실링부(5)에 의한 볼 밸브체(7)의 실링이 곤란하게 되어 1차측 실링부(4)에 의한 국부 면압의 상승의 회피가 곤란해진다. 이 현상은, 밸브의 직경이 커짐에 따라 보다 현저해지고, 고압 시의 실링 성능이 현저하게 저하됨으로써 저압으로부터 고압까지의 실링성의 확보가 곤란하게 된다.

특허 문헌 4에 대해서는, 볼 시트의 탈락을 방지하면서, 주위 방향의 회전에 의해 편마모를 방지하려고 하고, 특허 문헌 5에서는, 볼 시트의 탈락을 방지하면서, 시트 링의 압압 변형을 흡수하여 실링부의 위치의 변화를 방지하려고 하고 있다. 그러나, 어떠한 경우에도, 유체가 고압인 경우에는, 도 14의 볼 밸브와 마찬가지로, 볼 시트가 개방되는 방향으로 탄성 변형되어 볼 밸브체로의 접촉이 면접촉에서 선접촉에 가까워지게 변화되고, 실링면에 편마모가 생겨 실링 성능이 저하될 가능성이 있다.

본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 개발한 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 시트 리테이너로부터의 볼 시트의 탈락을 방지하고, 볼 시트의 마모를 회피하면서 캐비티 내의 이상 승압을 완화하고, 부품수의 증가를 억제하여 구조를 간략화하면서 강도를 확보하여 가공성이나 조립성을 향상시키고, 고압 시에도 볼 시트와 밸브체의 실링성을 향상시켜 누출을 방지하여 볼 시트의 내구성(耐久性)을 향상시킬 수 있는 트러니언형 볼 밸브를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 제1항에 관한 발명은, 보디 내에 설치된, 관통공을 가진 볼의 한쪽 또는 양쪽에 볼 시트를 장착한 시트 리테이너를 설치하고, 볼을 스템을 통하여 회동 가능하게 설치하고, 볼 시트는, 시트 리테이너에 형성된 장착 홈 내에 돌출이 방지되면서 또한 자유로운 상태로 장착된 볼 밸브에 있어서, 완전 폐쇄(full close) 시 또는 완전 개방(full open) 시의 캐비티 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력을, 이 압력을 이용한 자체 텐션(self-tension)에 의해 시트 리테이너를 볼과는 반대 방향으로 이동시키고, 또한 장착 홈 내의 볼 시트의 이면 측에 유입된 잉여 압력으로 볼 시트를 볼 측에 압출하여, 볼 시트의 내주면과 장착 홈 사이에 설치한 연통부를 통하여 유로 내로 완화되도록 한 트러니언형 볼 밸브이다.

제2항에 관한 발명은, 장착 홈의 내주의 개구 측에 설치한 걸어맞춤부에 볼 시트의 외주 장착 측에 설치한 걸어멈춤부를 삽입 방향으로 걸어멈춤 가능하게 대향시켜 시트 리테이너의 장착 홈으로부터의 볼 시트의 돌출을 방지하고, 볼 시트를 장착 홈에 자유로운 상태로 장착한 트러니언형 볼 밸브이다.

제3항에 관한 발명은, 장착 홈의 내주에 설치한 암나사부를 걸어맞춤부로 하고, 이 암나사부에 볼 시트의 수나사부를 걸어멈춤부로 하여 나사결합하고, 수나사부의 후단(後端) 측과 암나사부의 후단 측을 걸어멈출 수 있게 설치하여 볼 시트의 돌출을 방지한 트러니언형 볼 밸브이다.

제4항에 관한 발명은, 암나사부 안쪽 끝의 나사산과 수나사부의 바깥쪽 끝의 나사산을 걸어멈추어 볼 시트의 돌출을 방지한 트러니언형 볼 밸브이다.

제5항에 관한 발명은, 볼 시트의 내주면, 또는 이 내주면에 대향하는 시트 리테이너의 장착 홈에, 연통부를 구성하는 적어도 하나의 릴리프 홈을 형성한 트러니언형 볼 밸브이다.

제6항에 관한 발명은, 볼 시트의 배면 실링의 지지점 위치인 A부의 내경 치수를 볼 시트의 실링 부위보다 내경 가까이에 설치하고, 고압 시의 볼 시트가 A부를 지지점으로 하여 개방되도록 탄성 변형되어 실링 부위를 외경 측으로부터 내경 측을 향하여 적어도 면접촉 상태로 실링하도록 한 트러니언형 볼 밸브이다.

제7항에 관한 발명은, 지지점 위치인 A부와 실링 부위인 봉지부 B 및 봉지부 C의 위치 관계를, 내경 치수에 대하여 A< C< B로 한 트러니언형 볼 밸브이다.

제8항에 관한 발명은, 조립 초기 및 유체 압력이 저압인 경우, 봉지부 B가 선접촉 상태를 유지하고, 또한 봉지부 C가 볼의 면에 비접촉 상태인 트러니언형 볼 밸브이다.

제9항에 관한 발명은, 볼 시트의 실링 부위를 구형 면으로 형성하고, 이 구형 면은, 그 중심을 볼의 중심과 마찬가지로 보디 내의 유로 축심(軸芯) 상에 배치하고, 또한 그 내경을 볼의 구형보다 축경하여 형성한 트러니언형 볼 밸브이다.

제10항에 관한 발명은, 장착 홈의 내주면과 볼 시트의 실링면 측의 외주면 사이에 소정의 클리어런스를 두고, 고압 시에 볼 시트가 개방되도록 하고, 또한 과도한 개방을 억제하도록 한 트러니언형 볼 밸브이다.

제11항에 관한 발명은, 장착 홈에 형성한 걸어멈춤부 내주면과 볼 시트의 외주면측 사이에 클리어런스를 둔 트러니언형 볼 밸브이다.

제1항에 관한 발명에 의하면, 시트 리테이너의 장착 홈 내에 돌출을 방지하면서 볼 시트를 장착하고, 고압 유체가 흘렀을 경우나 밸브가 약간 개방된 경우에도 볼 시트의 탈락을 방지하면서 높은 실링성을 발휘할 수 있다. 볼 시트를 자유로운 상태에서 시트 리테이너에 장착하고, 완전 폐쇄 시 또는 완전 개방 시에 이상 승압이 생긴 경우라도, 캐비티 내의 압력을 이용하는, 이른바 자체 텐션에 의해 시트 리테이너를 볼과 반대 방향으로 이동시키고, 또한 캐비티 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력을 볼 시트의 내주면과 장착 홈 사이의 연통부를 통하여 유로 내에 완화시킴으로써, 이상 승압에 의한 잉여 압력의 완화 시에 볼 시트의 볼과의 접촉면의 마모를 방지한다. 그러므로, 밸브 폐쇄 실링 시의 릴리프 포인트를 안정시켜 이상 승압을 확실하게 회피할 수 있고, 밸브 폐쇄 시에는 높은 실링성을 유지하여 고압 유체에 대해서도 누출을 회피한다. 또한, 볼 시트와 시트 리테이너에 의해 릴리프 기구(機構)를 구성할 수 있고, 이로써 부품수의 증가를 억제하여 내부 구조를 간략화하고, 홈이나 패임이 증가하지 않고 강도를 확보하면서 볼 시트를 장착하여, 가공성이나 조립성도 향상시킬 수 있다.

제2항에 관한 발명에 의하면, 볼 시트를 시트 리테이너의 장착 홈에 자유로운 상태로 장착하고 있음으로써, 볼 시트에 튀어나오는 방향의 힘이 가해졌을 때, 볼 시트가 시트 리테이너에 대하여 가동하고, 볼 시트의 배면 측과 시트 리테이너 사이의 유체를 2차측으로 흐르게 하면서, 대향한 걸어맞춤부와 걸어멈춤부에 의해 볼 시트의 돌출을 방지할 수 있다.

제3항에 관한 발명에 의하면, 암나사부를 걸어맞춤부, 수나사부를 걸어멈춤부로 하여 이들을 삽입 방향으로 걸어멈춤 가능하게 설치하고 있는 것에 의하여, 이들의 나사결합을 이용하여 용이하게 볼 시트를 시트 리테이너에 장착할 수 있고, 나사결합 후에는 대향한 수나사부의 후단 측과 암나사부의 후단 측의 걸어맞춤에 의하여, 볼 시트의 돌출을 확실하게 방지할 수 있다.

제4항에 관한 발명에 의하면, 볼 시트와 시트 리테이너의 재(再)나사결합을 방지하여 볼 시트의 자유로운 상태를 유지하면서, 나사산끼리의 걸어멈춤에 의해 볼 시트의 돌출을 확실하게 방지한다. 또한, 제작 시에는 복잡한 가공을 행하지 않고 용이하게 나사산을 형성할 수 있고, 조립도 간단하다.

제5항에 관한 발명에 의하면, 릴리프 홈에 의해 캐비티와 유로 측이 연통 가능해지고, 자체 텐션에 의해 시트 리테이너와 볼 시트이 상반되는 방향으로 이동하고, 볼 시트의 배면이 시트 리테이너로부터 이격되었을 때, 릴리프 홈을 통하여 캐비티 내의 압력을 배출하여 이상 승압을 해소할 수 있다.

제6항에 관한 발명에 의하면, 시트 리테이너로부터의 볼 시트의 탈락을 방지하면서, 장착 홈 내에 자유로운 상태로 볼 시트를 장착하고, 이 볼 시트는, 유체 압력이 저압인 경우에는 실링 부위의 외경 측이 볼에 선접촉하고, 고압인 경우에는 A부를 지지점으로 하여 개방되도록 탄성 변형되어 실링 부위가 면접촉 상태로 볼에 실링됨으로써, 직경이 큰 밸브에 고압 유체가 흐르는 경우에도, 볼 시트와 밸브체의 실링성을 향상시켜 누출을 확실하게 방지할 수 있다. 볼에 대한 실링 부위의 접촉을 최소한으로 억제하면서 봉지할 수 있고, 이로써 저압 시에 실링부 내경 측이 볼의 회동으로 깎이는 것을 방지하면서 봉지 부분의 국부 면압의 발생을 방지할 수 있고, 이로써, 볼 시트의 마모를 막아 내구성도 향상시킬 수 있다.

제7항에 관한 발명에 의하면, 유체 압력이 저압인 경우에는, 지지점 위치인 A부가 배면 실링한 상태에서 봉지부 C의 볼에 대한 접촉을 방지하면서 봉지부 B가 볼에 접촉하고, 이 봉지부 B에 의한 선접촉 실링에 의해 볼 시트의 마모를 막으면서 누출을 방지할 수 있다. 유체 압력이 고압인 경우에는, 지지점 위치의 A부를 중심으로 볼 시트가 볼에 대하여 개방하는 방향으로 탄성 변형됨으로써, 봉지부 C 측이 볼에 접촉하여 외경 측의 봉지부 B로부터 내경 측의 봉지부 C 부근까지를 실링 부위로 한 면접촉으로 된다. 이로써, 국부 면압의 발생을 방지하여 실링 부위의 편마모를 막으면서, 실링성을 향상시켜 누출을 확실하게 방지할 수 있다.

제8항에 관한 발명에 의하면, 유체 압력이 저압인 경우에는, 봉지부 B가 볼에 접촉하는 것을 방지하여 불필요한 마모를 억제하면서, 유체의 누출을 방지할 수 있는 실링성을 확보할 수 있다.

제9항에 관한 발명에 의하면, 유체 압력이 고압인 경우에는, 볼 시트가 볼에 대하여 개방되도록 탄성 변형되고, 실링 부위의 구형 면이 볼의 외주에 면접촉 상태로 되고, 이로써 실링 부위의 편마모를 막으면서 실링성을 향상시킬 수 있다.

제10항에 관한 발명에 의하면, 고압 시에 볼 시트의 변형을 억제하지 않고 클리어런스 측에 탄성 변형시켜 높은 봉지성을 유지하고, 볼 시트로의 장착 홈의 접촉에 의한 불필요한 응력의 전달을 회피함으로써 그 유연성을 유지할 수 있다. 한편, 클리어런스를 통하여 볼 시트의 과도한 개방을 방지함으로써, 고압 시에서의 면접촉의 실링 상태를 유지하여 누출을 방지할 수 있다.

제11항에 관한 발명에 의하면, 걸어멈춤부에 의해 시트 리테이너로부터의 돌출을 방지한 상태에서 볼 시트를 자유로운 상태로 장착하여 저압 시부터 고압 시까지 볼에 실링 가능하게 탄성 변형시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제1 실시형태를 나타낸 종단면도이다.
도 2는, 도 1에서의 F-F 확대 단면(斷面) 약도이다.
도 3은, 도 1에서의 J-J 단면도이다.
도 4는, 볼 시트의 조립 공정을 나타낸 종단면도이다.
도 5는, 이상 승압 발생 시의 상태를 나타낸 일부 확대 단면도이다.
도 6은, 도 5의 볼 시트가 이동한 상태를 나타낸 일부 확대 단면도이다.
도 7은, 도 3의 영역 E에서의 볼의 미세한 개방 상태를 나타낸 일부 확대 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제2 실시형태의 주요부 확대 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제3 실시형태의 주요부 확대 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제4 실시형태의 주요부를 나타낸 사시도이다.
도 11은, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제5 실시형태를 나타낸 일부 확대 종단면도이다.
도 12는, 도 11의 볼 시트가 실링된 상태를 나타낸 확대 단면도이다.
도 13은, 볼과 볼 시트의 관계를 나타낸 일부 생략 확대 단면도이다.
도 14는, 종래의 트러니언형 볼 밸브의 1차측부 부근을 나타내는 주요부 단면도이다.
도 15는, 도 14의 볼 시트가 실링된 상태를 나타낸 주요부 단면도이다.

이하에, 본 발명에서의 트러니언형 볼 밸브의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1에 있어서는, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 일 실시형태를 밸브개방 상태로 나타내고, 도 3에 있어서는, 도 1에서의 J-J 단면도, 즉 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 중앙 횡단면도를 나타내고 있다.

도 1의 트러니언형 볼 밸브[이하, 밸브 본체(10)라고 함]는, 보디(11), 볼(12), 스템(13), 시트 리테이너(14), 볼 시트(15)를 가지고, 특히, 직경이 크며, 클래스[호칭 압력(nominal pressure)] 150∼2500 정도의 고압 유체용으로서 사용하는 경우에 적합하다.

보디(11)는, 환형 보디(20)와 양측의 환형 캡(21, 21)을 가지고, 이들은 탄소강이나 스테인레스 재료 등에 의해 형성되고, 볼트 너트(22)에 의해 일체화된다.

보디(11) 내에는, 상측 스템(13a), 하측 스템(13b)으로 이루어지는 스템(13)을 통하여 볼(12)이 회동할 수 있게 설치되고, 이 볼(12)의 양쪽, 즉 상하류 측에 시트 리테이너(14)가 배치되고, 이 시트 리테이너(14)에 볼 시트(15)가 장착된다. 볼(12)은 스테인레스강을 재료로서 형성되고, 밸브 본체(10) 내의 유로(23)와 연통 가능한 관통공(12a)이 설치된다. 본 실시형태에서는, 볼(12)의 상하류 측에 볼 시트(15), 시트 리테이너(14)가 장착되어 있지만, 이들은 상하류 측의 한쪽 또는 양쪽에 설치되어 있으면 된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상하류 측에 볼 시트(15), 시트 리테이너(14)가 장착되어 있는 볼 밸브 본체(10)의 경우, 도면에 있어서 우측 또는 좌측 중 어느 쪽을 1차측으로 해도 상관없다.

볼 시트(15)는, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)나 나일론, PEEK(폴리에테르에테르케톤) 등의 수지 재료에 의해 탄성 변형 가능한 환형으로 형성되고, 볼(12)의 인접 측에는 실링면(25)이 설치되고, 이 실링면(25)에 계속하여 원환형(圓環形)의 내주면(27)이 볼 시트(15)의 배면(15a) 측까지 설치된다.

볼 시트(15)의 외주의 시트 리테이너(14) 장착 측에는 수나사부(30)가 걸어멈춤부로서 설치되고, 이 수나사부(30)는, 볼 시트(15)의 장착 방향의 두께에 대하여 대략 절반 정도의 길이까지 설치된다.

도 3, 도 4에 있어서, 볼 시트(15)의 내주면(27)에는 적어도 하나의 릴리프 홈(31)이 형성된다. 릴리프 홈(31)은, 소정의 깊이로 내주면(27)의 실링면(25)과의 경계 부근으로부터 볼 시트(15)의 배면(15a) 측에 걸쳐 설치되고, 상기 릴리프 홈(31)은, 시트 리테이너(14)로의 장착 후의 볼 시트(15)의 내주면(27) 측과 외주면 측[수나사부(30) 측] 사이에 설치되는 연통부(40)를 구성할 수 있게 설치된다. 릴리프 홈(31)은, 볼 시트의 내주면(27)의 복수 개소에 균등 간격으로 설치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이 릴리프 홈(31)은, 내주면(27)에 대향하는, 시트 리테이너(14)의 후술하는 장착 홈(32)으로 설치해도 된다.

도시하지 않지만, 사이즈 10B 이상의 직경이 큰 밸브에 대해서는, 볼 시트(15)의 외주에 체결 지그에 의해 체결 또는 분리 가능해지는 홈이나 구멍이 형성되어 있어도 되고, 이 경우, 볼 시트(15)의 조립이 용이하게 된다.

한편, 시트 리테이너(14)는, 탄소강 또는 스테인레스 재료 등의 금속 재료에 의해 대략 원통형으로 설치되고, 볼 시트(15)의 장착 측이 약간 확경(擴徑)되도록 형성되고, 그 내부에는 볼 시트(15)를 삽입 가능한 환형의 장착 홈(32)이 설치된다. 장착 홈(32)의 내주의 개구 측에는 수나사부(30)와 나사결합 가능한 암나사부(33)가 돌출형의 걸어맞춤부로서 설치된다. 암나사부(33)는, 개구 측으로부터 장착 홈(32)의 길이의 대략 절반 정도까지 설치되고, 그 나사산(33a)은, 사이즈 3B의 밸브 본체(10)인 경우, 볼 시트(15)의 수나사부(30)의 나사산(30a)과 같은 사양으로 된다. 암나사부(33)보다 안쪽에는, 수나사부(30)의 외경보다 큰 직경을 가지는 바닥이 있는 구멍(34)이 설치되고, 이 바닥이 있는 구멍(34)의 깊이는 수나사부(30)의 길이보다 크게 형성되고, 바닥이 있는 구멍(34)의 내경은 수나사부(30)의 외경보다 약간 크게 형성된다.

암나사부(33)에는 수나사부(30)가 나사결합되고, 수나사부(30)가 바닥이 있는 구멍(34)에 수용된 상태에서, 상기 볼 시트(15)가 장착 홈(32)에 삽입된다. 수나사부(30)와 암나사부(33)의 나사결합 후에는, 수나사부(30)의 후단 측과 암나사부(33)의 후단 측이 수나사부(30)의 삽입 방향으로 걸어멈춤 가능하게 대향함으로써, 볼 시트(15)의 장착 홈(32)으로부터 돌출이 방지되고, 이 볼 시트(15)가 자유로운 상태, 즉 장착 홈(32)에 대하여, 적어도 유로 중심축(O)의 방향으로 가동하는 상태로 장착된다.

볼 시트(15)의 장착 후에는, 도 5에 있어서, 완전 폐쇄 시 또는 완전 개방 시의 밸브 본체(10)의 캐비티(35) 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력이 생겼을 때, 즉, 유로(23) 내의 유체압을 초과하여 캐비티(35) 내에 고압이 생겼을 때는, 이 고압을 이용한 자체 텐션에 의해 시트 리테이너(14)가 볼(12)과는 반대 방향으로 이동되고, 또한 장착 홈(32) 내의 볼 시트(15)의 배면(15a) 측에 유입된 상기한 잉여 압력으로 상기 볼 시트(15)가 볼(12) 측에 압출되고, 이 때, 연통부(40)를 통하여 캐비티(35) 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력이 유로(23) 내로 완화되도록 되어 있다. 여기서, 캐비티(35) 내의 이상 승압이란, 유체의 온도가 상승하거나, 밸브 본체(10)가 설치되어 있는 환경이 고온으로 되는 것에 의하여, 밸브 폐쇄 상태의 밸브 본체(10)에 있어서, 보디(11)나 볼(12), 볼 시트(15), 시트 리테이너(14) 등에 의해 둘러싸인, 폐쇄된 공간[캐비티(35)] 내의 압력이 상승하는 현상을 말한다. 또한, 볼 시트(15)가 볼(12) 측에 압출된다는 것은, 볼 시트(15)의 위치가 볼(12) 측으로 이동하는 상태에 한정되지 않고, 적어도 볼 시트(15)가 시트 리테이너(14)에 추종하지 않고, 볼(12)에 압압되는 상태를 말한다.

여기서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 볼 시트(15)의 배면(15a) 측에 압력이 가해졌을 때는, 이 볼 시트(15)에 발생하는 압출 하중이 나사산(30a, 33a)에 작용하므로, 이 배면(15a)에 가해지는 압력에 대하여 볼 시트(15)의 돌출을 방지하는 재료 강도(나사산의 전단 강도)를 확보할 수 있는 나사산 높이로 설정하도록 볼 시트(15), 시트 리테이너(14)를 설치할 필요가 있다. 이 경우, 나사 산(30a, 33a)에 걸리는 힘이 볼 시트(15)의 재료의 항복점(yield point)을 초과하는 것을 방지하고, 밸브 본체(10)의 최저 사용 온도를 고려하여 저온 시에 볼 시트(15)가 수축한 경우라도 나사산이 서로 걸리는 치수 설정으로 한다.

나사산(30a, 33a)는 가는눈 나사(fine thread)인 것이 바람직하고, 이 경우, 나사 길이를 최대한 짧게 하여 나사산의 수를 확보하면서 나사산의 높이를 조정할 수 있다. 또한, 가는눈 나사는 피치가 짧아서, 원주 방향에 있어서 불완전한 나사로 되는 부분이 적어지는 점에서도, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브에 있어서는 바람직하다.

본 실시형태에서는, 사이즈 3B의 밸브 본체(10)인 경우, 볼 시트 재질: PTFE, 나사산 높이: 약 0.8㎜, 나사 피치: 1.5㎜(가는눈 나사를 사용)로 하고, 최저 사용 온도: -46℃, 볼 시트의 직경 방향의 수축량: 약 0.5㎜, 여유(Allowance): 약 0.6㎜(금속 측의 열수축도 고려)로 되도록 한다.

시트 리테이너(14)에 볼 시트(15)를 장착하는 경우, 도 4의 (a)에 있어서, 장착 홈(32)에 수나사부(30)를 위치시키면서, 볼 시트(15)를 나사삽입 방향으로 회전시키고, 화살표 방향으로 고정되게 한다. 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 나사산(30a)이 나사산(33a)으로부터 벗어날 때까지 볼 시트(15)를 고정했을 때 이들의 나사결합이 분리되고, 볼 시트(15)가 시트 리테이너(14)에 대하여 이탈 방지된 상태에서 자유로운 상태로 된다.

이 때, 상기한 바와 같이 바닥이 있는 구멍(34)의 깊이가 수나사부(30)의 길이보다 크기 때문에, 나사산(30a)이 나사산(33a)의 영역을 확실하게 넘어, 수나사부(30)가 바닥이 있는 구멍(34)에 수용될 때까지 삽입 가능해지고, 이들 나사산(30a, 33a) 사이에, 도 5에 나타낸 바와 같이 삽입 방향[도 1의 유로 중심축(O)의 방향]의 클리어런스(CL)를 둔다. 바닥이 있는 구멍(34)의 내경이 수나사부(30)의 외경보다 약간 크게 되어 있음으로써, 이들 사이에는 직경 방향의 간극(G)도 형성되고, 이 간극(G)에 의해 볼 시트(15)가 시트 리테이너(14)의 클리어런스(CL)의 범위에서, 슬라이딩 저항이 적은 상태에서 진퇴 가능해진다. 이들 클리어런스(CL), 간극(G)의 크기 등의 치수 설정은, 조립 시의 환경 온도나, 조립 장소의 상이에 의한 한난차(寒暖差)를 고려하여 설정된다. 본 실시형태의 경우, 하계에 최고 40℃, 동계에 최저 10℃의 조립 온도에 대응할 수 있도록 설치되어 있다.

조립 후에는, 볼 시트(15)를 나사삽입 방향과는 반대 방향으로 회전시키고, 이 볼 시트(15)가 다시 나사결합하거나, 탈락하지 않은 것을 확인한다. 이 경우, 시트 리테이너(14)의 나사산(33a)과 볼 시트(15)의 나사산(30a)의 가장 높은 부분(완전 나사부)이 서로 걸어멈추는 상태까지 볼 시트(15)를 회전시키고, 나사 끝의 개시 부 분간(불완전 나사부의 선단측간)의 위치를 만나지 않게 한다. 이로써, 볼 시트(15)의 시트 리테이너(14) 장착 후의 재나사결합을 막아, 볼 시트(15)가 확실하게 가동하게 된다.

여기서, 나사 끝의 개시 부분은, 도 2에 있어서 나사산(30a)을 시계에 비유한 경우, 3시의 위치 x를 피하여 배치하는 것이 바람직하다. 이것은, 밸브 폐쇄 상태의 밸브 본체(10)를, 스템(13)을 반시계 방향으로 회전하여 밸브 개방 상태로 할 때, 볼(12)에 의해 폐쇄되어 있었던 유로(23)는 3시의 위치 x로부터 개방되기 시작하기 때문에, 이 밸브의 개방 개시에서의 유속이 빠른 경우, 볼 시트(15)가 튀어나오기 쉽기 때문이다. 구체적으로는, 시트 리테이너(14)의 나사산(33a)과 볼 시트(15)의 나사산(30a)의 가장 높은 부분들을, 상기 3시의 위치에 배치하는 것이 바람직하다.

상기 실시형태에서는, 볼 시트(15)의 외주 측에 수나사부(30), 시트 리테이너(14)에 암나사부(33)를 설치하고 있지만, 볼 시트(15)의 내주 측에 암나사부, 시트 리테이너(14)에 수나사부를 설치하고(모두 도시하지 않음), 상기와 마찬가지로 이들을 나사결합하면서 볼 시트(15)를 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32)에 자유로운 상태로 장착해도 된다.

또한, 걸어멈춤부(30), 걸어맞춤부(33)는, 각각 나사 이외이어도 되고, 걸어멈춤부(30)와 걸어맞춤부(33)가 서로 걸어멈추어 볼 시트(15)의 시트 리테이너(14)로부터의 돌출을 방지하고, 또한 볼 시트(15)를 장착 홈(32)에 자유로운 상태로 장착할 수 있는 것이면, 이들을 각종 형상으로 설치할 수 있다.

다음에, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 상기 실시형태에서의 작용을 설명한다.

본 발명의 트러니언형 볼 밸브는, 도 5에 있어서, 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32) 내에서 돌출을 방지하고, 자유로운 상태로 장착한 볼 시트(15)에 의해 고압 유체를 봉지 가능하도록 하고 있으므로, 부품수를 최소한으로 억제하면서 구조 도 단순화할 수 있고, 또한 볼 시트(15)를 시트 리테이너(14)에 나사로 조이는 것만으로 장착할 수 있다.

이 조립 시에는, 수나사부(30)와 암나사부(33)를 나사결합하여 볼 시트(15)를 바닥이 있는 구멍(34)까지 삽입할 수 있으므로, 무리한 힘을 가하지 않고, 마모되거나 손상되거는 것을 방지하면서 적은 조립 공정수로 소정 위치까지 정확하고 또한 용이하게 장착할 수 있다. 그 때, 특별한 치공구(治工具) 등을 필요로 하지 않고, 시트 리테이너(14)와 볼 시트(15) 사이에 충분한 클리어런스(CL) 및 간극(G)을 두면서 장착할 수 있고, 조립의 초기 상태로부터 여분의 응력의 발생을 막아, 작동 시의 내구성도 양호하다. 또한, 환경 온도의 영향을 쉽게 받지 않는 상태에서 조립할 수 있다.

또한, 볼 시트(15)의 나사조임에 의해, 압입에 의한 장착을 회피하고 있음으로써, 시트 재료의 선택지가 많고, 예를 들면, 저온용 재료나 고온용 재료, 또는 저강도 재료나 고강도 재료의 각종 재료를 사용할 수 있고, 고강도 재료로 볼 시트(15)를 설치한 경우에도 장착이 용이해진다. 볼 시트(15)를 완전히 나사조임한 후에는, 이 볼 시트(15)를 바닥이 있는 구멍(34) 측에 공전하는 상태로 장착할 수 있으므로, 헐거움 방지용의 부재를 별도 설치하지 않고 볼 시트(15)의 자연스러운 헐거움이나 탈락을 방지할 수 있다.

밸브 본체(10)가 완전 폐쇄 상태인 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 볼 시트(15)는 코일 스프링(41)에 의해 시트 리테이너(14)를 통하여 볼(12)에 압압되어 있고, 이로써, 볼 시트(15)의 실링면(25)이 전체 주위에 걸쳐 볼(12)에 밀착 실링됨으로써 누출을 방지한다. 이 경우, 시트 리테이너(14)와 캡(21) 사이는, O링(42)이나 패킹(43)에 의해 실링되어 있다.

볼 시트(15)의 배면(15a)은, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 가장 안쪽 직경 위치의 실링 포인트 P에서 시트 리테이너(14)와 밀착되어 있고, 이 부위로부터 유로(23) 내의 유체가 캐비티(35)에 통과하는 것을 방지하고 있다.

밸브 본체(10)를 개방 동작하여 미세 개방 상태로 되었을 경우에는, 전술한 바와 같이 볼(12)에 압압되어 있었던 볼 시트(15)는, 볼(12)의 회전 이동에 의해 압압 대상이 없어지므로, 연통부(40)를 통하여 흘러든 유체압이 볼 시트(15)의 배면(15a)의 실링 포인트 P 부근에 있어서의 면취(chamfer) 부분 (도시하지 않음)에 가해져, 볼 시트(15)는, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이 볼(12) 측에 순간적으로 압출된다.

이 때, 수나사부(30)의 나사산(30a)과 암나사부(33)의 나사산(33a)의 후단 측이 서로 맞닿음(걸어멈춤)으로써, 볼 시트(15)의 돌출이 방지된다. 볼 시트(15)의 배면(15a)에 가해지는 압력과 캐비티(35) 내의 압력이 같은 압력으로 되었을 때, 볼 시트(15)가 볼(12) 측에 압출되는 힘이 없어진다.

밸브 본체(10)가 완전 개방 상태로 되면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 볼 시트(15)의 실링면(25)은, 다시 전체 주위에 걸쳐 볼(12)에 밀착 실링한다.

이상 승압에 의해 캐비티(35) 내의 압력이 높아졌을 때는, 도 5에 나타낸 바와 같이 볼 시트(15)가 이 압력에 가압되어 도면 중의 화살표로 나타낸 바와 같이 내경측으로 기울어진다. 이 변형에 의해, 볼 시트(15)와 볼(12)는, 이상 승압 발생 전의 실링 포인트보다 약간 소경의 실링 포인트 R에서 실링 직경 φdR에 의해 실링되고, 볼 시트(15)와 시트 리테이너(14)는, 실링 포인트 P에서 배면 실링 직경 φdP에 의해 실링되어 있다.

이 볼 시트(15)에는, 캐비티(35) 내의 압력(캐비티압)이 실링면(25) 측과 배면(15a) 측의 양쪽에 가해진다. 여기서 실링면(25) 측과 배면(15a) 측에서는, 각 실링 포인트가 실링 직경 φdR> 배면 실링 직경 φdP의 관계로 되도록, 실링 직경에 차이(S)가 형성되어 있다. 이 직경의 차이(S)를 이용하여, 캐비티압에 의해 볼 시트(15)의 배면 측에 가해지는 힘이 볼(12) 측에 가해지는 힘보다 커지도록 하고, 볼 시트(15)가 볼(12) 측에 압출되도록 설정하고 있다.

이 압출력은,

[캐비티압 PR]×[볼 시트(6)의 배면에서의 캐비티압의 수압(受壓) 면적 M]

으로 나타낼 수 있다.

또한, 수압 면적 M은,

수압 면적 M=(φdR-φdP)²×π×4

으로 나타낼 수 있다.

한편, 시트 리테이너(14)에는, 캐비티압이 캡(21) 측과 볼 시트(15)의 장착 홈(32) 측의 양쪽에 가해진다. 이 시트 리테이너(14)는, 캡(21) 측에 있어서, O링(42)에 의해 캡(21)의 내주와 실링되어 있다. 본 실시형태에서는, 이 실링 포인트를 D로 나타내고, 이 실링 직경을 리테이너 실링 직경 φD로 나타내고 있다.

여기서, 캡(21) 측과 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32) 측에서는, 각 실링 포인트가 φdD> φdR

의 관계로 되도록, 실링 직경에 차이(T)를 형성하고 있다. 이 직경의 차이(T)를 이용하여, 캐비티압에 의해 시트 리테이너(14)가 코일 스프링(41)의 탄발력에 저항하여, 볼(12)과는 반대 측으로 되돌려지도록(pull-back) 설정하고 있다.

이 풀백 포스(pull-back force)는, 자체 텐션이라고도 하고,

[캐비티압 PR]×[볼 시트(15)의 장착 홈(32)에서의 캐비티압의 수압 면적 N]

으로 나타낼 수 있다. 또한, 수압 면적 N은,

수압 면적 N=(φdP-φdR)²×π×4

으로 나타낼 수 있다.

볼 시트(15)가 캐비티압에 의해 볼(12) 측에 압출된 상태를, 도 6에 나타낸다. 이와 같이, 장착 홈(32) 내의 볼 시트(15)의 수나사부(30)와 시트 리테이너(14)의 암나사부(33와의 간극(G)에 유입된 캐비티(35)로부터의 잉여 압력이 볼 시트(15)를 볼(12) 측에 압출하고, 볼 시트(15)의 내주면(27)과 장착 홈(32) 사이의 연통부(40)로부터 릴리프 홈(31)을 통하여 캐비티(35) 내의 잉여 압력을 볼(12)의 1차측의 유로 내로 완화시킨다.

그리고, 시트 리테이너(14)도 전술한 바와 같이 캐비티압에 의해 볼(12)과는 반대측으로 되돌려지므로, 압출되는 볼 시트(15)로 함께 신속하게 볼 시트(15)의 배면(15a)과 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32) 사이에 간극(G)을 형성할 수 있고, 캐비티(35) 내의 잉여 압력을 볼 시트(15)의 배면(15a)으로부터 연통부(40)를 통하여 1차측의 유로(23)로 완화할 수 있다.

이와 같이, 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32)을 볼 시트(15)가 자유로운 상태로 이동하고, 어떠한 요인으로 캐비티(35) 내가 이상 승압한 경우에도, 이 압력을 유로 측으로 발산할 수 있는 기구에 설치함으로써, 이른바 셀프 릴리프(self-relief) 기능을 발휘하고, 배면 측의 실링 포인트 P의 위치가 항상 일정하게 되어 이 셀프 릴리프 기능을 안정시켜, 확실하게 이상 승압을 해소하고, 또한 셀프 릴리프의 방향성도 용이하게 제어할 수 있게 된다.

고압 유체에 의해 볼 시트(15)가 팽창하여 체적이 증가하는 경우에도, 이 체적 증가분을 클리어런스(CL) 내에서 완화하여, 볼 시트(15)의 빠져나감이나 볼(12) 측으로의 팽출에 의한 실링면(25)의 마모를 회피할 수 있다.

이 경우, 유체압의 배압 작용에 의한 볼 시트(15)의 돌출은, 나사산의 전단 강도와 볼 시트 배압의 관계로 제어 가능하며, 즉 재료 강도와 배면 측의 압력 작용 면적의 관계를 조정하면서 볼 시트(15)를 형성하면, 확실하게 돌출을 방지할 수 있다.

도 8에 있어서는, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제2 실시형태를 나타내고 있다. 그리고, 이 실시형태 이후에서 상기 실시형태와 동일 부분은 동일 부호로 표시하고, 그 설명을 생략한다.

여기서, 도 8에 나타낸 바와 같이, 볼 시트(15)가 볼(12)에 압압되었을 때는, 이 압압에 의해 볼 시트(15)의 특히 실링면 측에는, 화살표로 나타낸 볼(12)의 구면을 따라 확경 방향으로 변형되는 힘이 가해진다. 그러면, 볼 시트(15)와 볼(12)의 실링 위치가 어긋날 우려가 있다.

또한, 볼 시트(15)가 확경되어, 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32)에 설치된 암나사부(33)에 과도하게 압압되면, 볼 시트(15)가 손상될 우려가 있다. 이와 같은 볼 시트(15)의 확경 현상은, 도 7에 나타낸 바와 같은 밸브 본체(10)의 미세 개방 상태에 있어서, 볼(12)와 볼 시트(15)의 협소한 공간에, 흐름이 빠른 유체가 침입했을 때에 보다 현저해진다.

이들을 방지하기 위하여, 본 실시형태에서는, 암나사부(33)의 나사산(33a) 선단 측을 절결하고, 볼 시트(15)의 외주와 평행한 면(33b)을 설치한 것이다. 이로써, 나사산(33a)과 볼 시트(15)의 인접 부위에서의 응력 집중을 완화하고, 볼 시트(15)의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 평행면(33b)의 내경을, 볼 시트(15)의 외경에 가까운 치수로 설정함으로써, 볼 시트(15)의 확경을 억제하고, 볼 시트(15)와 볼(12)의 실링 위치의 어긋남을 저감할 수 있다.

도 9에 있어서는, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제3 실시형태를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 볼 시트(15)의 배면(15a) 측에, 내경을 향해 경사지게 한 경사면(15b)을 형성함으로써, 이 경사면(15b)의 가장 내경에 가까운 위치의 실링 포인트 P에서 볼 시트(15)의 배면(15a)과 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32) 사이의 실링을 행하도록 하고 있다. 이로써, 도 1에 나타낸 완전 개방 상태, 또는 도 3에 나타낸 완전 폐쇄 상태에 있어서, 볼 시트(15)의 배면(15a)에는, 유로(23)로부터의 유체압이 침입하지 않도록 하고 있다.

또한, 전술한 도 8에 있어서, 볼 시트(15)의 배면(15a)을, 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32)의 바닥면과 병행하며 도 1의 유로 중심축(O)과 직교하는 면으로 하면서, 가장 내경에 가까운 위치의 실링 포인트 P에 환형 돌출부(45)를 설치하도록 해도 된다. 이 경우, 볼 시트(15)의 배면(15a)의 가장 안쪽 직경 측의 상기 환형 돌출부(45)에 의하여, 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32)과의 사이를 실링할 수 있다.

도 10에 있어서는, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제4 실시형태에서의 시트 리테이너, 볼 시트를 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 시트 리테이너(14)에 있어서 장착 홈의 내주에 설치하는 암나사부 대신, 원주 방향으로 2∼4개소의 절결부(切缺部)(50)를 가지는 환형 에지부(51)를 설치하고, 한편, 볼 시트(15)의 외주에 설치하는 수나사부 대신, 원주 방향으로 상기 절결부(50)에 대응하는 2∼4개소의 환형 돌출부(52)를 설치한 것이다.

볼 시트(15)를 시트 리테이너(14)에 장착할 때는, 도 10의 (b)에 나타낸 바와 같이 환형 돌출부(52)를 절결부(50)의 위치에 맞춘 상태에서 볼 시트(15)를 시트 리테이너(14)에 삽입하고, 이어서, 도 10의 (c)에 나타낸 환형 돌출부(52)가 환형 에지부(51)에 대향하는 위치로 될 때까지, 볼 시트(15)를 시트 리테이너(14)에 대하여 도 10의 (b)의 화살표 방향으로 회전시키도록 한다. 이로써, 도 10의 (c)에 있어서 환형 에지부(51)에 환형 돌출부(52)가 걸어맞추어지고, 이 회전 걸어맞춤에 의해 볼 시트(15)를 자유로운 상태, 즉 장착 홈(32)에 대하여 가동하는 상태로 장착하면서, 그 탈락을 방지할 수 있다.

도 11에 있어서는, 본 발명의 트러니언형 볼 밸브의 제5 실시형태를 나타내고 있다.

본 실시형태에서는, 볼 시트(15)의 장착 홈(32) 측에는 A부가 환형으로 돌출되게 형성되고, 이 A부는, 장착 홈(32)에 맞닿아 배면 실링 가능하며, 지지점 위치로 되도록 설치되어 있다. 볼 시트(15)는, 장착 홈(32)으로부터 돌출 방지되고, 또한 지지점 위치 A부를 중심으로 볼(12) 측이 개구되는 방향으로 탄성 변형 가능한 상태에서, 도 12의 밸브 본체(10)의 유로 축심(유로 중심축) O의 방향으로 이동 가능한 자유로운 상태로 장착되어 있다.

이 경우, A부의 내경 치수 L1은, 볼 시트(15)의 실링 부위인 실링면(25)보다 내경 가까이에 설치되고, 이와 같이 A부가 환형으로 돌출되게 형성되어 있음으로써, 볼 시트(15)와 장착 홈(32)의 바닥이 있는 구멍(34) 사이에는 간극(H)이 형성된다. 볼 시트(15)는, 고압 시에 A부를 지지점으로 하여 개방되도록 탄성 변형되어, 실링면(25)을 외경으로부터 내경 측을 향해 볼(12)에 적어도 면접촉 상태로 실링하도록 설치된다. 그 때, 간극(H)을 형성하고 있음으로써, 이 간극(H)도 볼 시트(15)가 개방되도록 탄성 변형될 때의 회전 작용에 기여하고 있다.

실링면(25)은, 볼(12) 외주에 면접촉 가능한 구형 면인 구면부에 의해 형성되고, 실링면(25)의 유로(23) 방향에서의 1차측에 봉지부 C, 2차측에 봉지부 B가 형성되고, 저압 시에 봉지부 B가 볼(12)에 선접촉될 수 있도록 설치되어 있다.

지지점 위치인 A부와, 실링면(25)인 봉지부 B 및 봉지부 C의 위치 관계는, 봉지부 B의 내경 치수를 L2, 봉지부 C의 내경 치수를 L3으로 했을 때, A부, 봉지부 B, 봉지부 C의 내경 치수에 대하여 A< C< B로 되도록, 내경 치수 L1< 내경 치수 L3< 내경 치수 L2로 되도록 설치된다.

또한, 볼 시트(15)가 장착 홈(32)에 장착된 조립 초기, 및 유체압이 저압 일 때는, 실링면(25)의 봉지부 C로부터 봉지부 B까지의 내경 φDS가 볼(12)의 구경(球徑) φDB와 달리, 이들이 상이한 직경 치수로 되도록 형성된다. 본 실시형태에 있어서는, 내경 DS가 볼의 구경 φDB보다 축소된 형상, 즉 실링부 내경 φDS< 볼의 구경 φDB의 관계로 되도록 형성되어 있다. 이들의 내경 φDS의 중심(Q1), 볼의 구경 φDB의 중심(Q2)은, 도 12에 나타낸 바와 같이, 모두 밸브 본체(10)의 유로 중심축(O) 상에 배치되어 있다.

이들에 의해, 조립 초기 및 유체 압력이 저압인 경우, 봉지부 B의 볼(12)로의 접촉이 선접촉 상태로 유지되고, 또한 봉지부 C가 볼면(16)에 비접촉 상태로 된다.

장착 홈(32)의 내주면(32a)과 볼 시트(15)의 실링면 측의 외주면(15c) 사이에는, 소정의 클리어런스(CL)를 두어, 고압 시에는 이 클리어런스(CL) 측에 볼 시트(15)가 개방되도록 하고, 또한 과도한 개방이 억제되도록 되어 있다.

볼 시트의 외주면(15c)에는, 장착 홈(32)의 안쪽에, 돌기형의 걸어맞춤부(60)가 볼 시트(15)의 장착 방향의 두께로 대하여 대략 절반 정도의 길이로 형성된다. 한편, 시트 리테이너(14)의 장착 홈(32)에는, 돌기형의 걸어멈춤부(61)가 개구 측으로부터 장착 홈(32)의 길이의 대략 절반 정도까지 형성된다. 적어도 걸어멈춤부(61)의 내주면(32a)과, 볼 시트(15)의 걸어맞춤부(60)보다 볼(12) 측인 외주면(15c) 측 사이에, 상기한 클리어런스(CL)를 둔다.

시트 리테이너(14)의 걸어멈춤부(61)의 안쪽에는, 걸어맞춤부(60)의 외경보다 직경이 큰 바닥이 있는 구멍(34)이 설치되고, 이 바닥이 있는 구멍(34)의 깊이는 걸어맞춤부(60)의 길이보다 크게 형성되고, 바닥이 있는 구멍(34)의 내경은 걸어맞춤부(60)의 외경보다 약간 크게 형성된다.

시트 리테이너(14)에는, 걸어맞춤부(60)가 바닥이 있는 구멍(34)에 수용된 상태에서 볼 시트(15)가 장착 홈(32)에 장착된다. 볼 시트(15)의 장착 후에는, 걸어맞춤부(60)의 후단 측과 걸어멈춤부(61)의 후단 측이 걸어맞춤부(60)의 삽입 방향으로 걸어멈춤 가능하게 대향함으로써, 볼 시트(15)의 장착 홈(32)으로부터의 돌출이 방지되면서, 볼 시트(15)가 자유로운 상태로 된다.

볼 시트(15)의 시트 리테이너(14)로의 장착 후에는, 볼 시트(15)의 내주면(27) 측과 외주 측[걸어맞춤부(60) 측] 사이에 캐비티(35)와 볼(12)의 상류 측을 연통하는 연통부(40)가 설치된다. 이로써, 완전 폐쇄 시 또는 완전 개방 시의 밸브 본체(10)의 캐비티(35) 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력이 생겼을 때, 즉 유로(23) 내의 유체압을 초과하여 캐비티(35) 내에 고압이 생겼을 때는, 이 고압을 이용한 자체 텐션에 의해 시트 리테이너(14)가 볼(12)과는 반대 방향으로 이동되고, 또한 장착 홈(32) 내의 볼 시트(15)의 배면(15a) 측에 유입된 상기 잉여 압력으로 이 볼 시트(15)가 볼(12) 측에 압출되고, 이 때, 연통부(40)를 통하여 캐비티(35) 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력이 유로(23) 내로 완화되도록 되어 있다.

본 실시형태에서의 트러니언형 볼 밸브는, 8인치 이상의 직경이 큰 경우에 매우 적합하고, 본 실시형태에서는, 예를 들면, 클래스 600의 사이즈 12B인 밸브 본체(10)의 경우, 볼 시트 재질: PTFE, 볼의 구경: φ460㎜, 실링부의 내경 φDS가 볼의 구경 φDB에 대하여 3%에서 5% 정도 축소되고, 봉지부 C의 내경(내경 치수 L3)과 지지점 위치인 A부의 내경(내경 치수 L1)의 치수 차: 2㎜ 이하(반경 방향에 있어서 1㎜ 이하), 봉지부 B의 내경(내경 치수 L2)과 봉지부 C의 내경(내경 치수 L3)의 치수 차: 2㎜ 이상(반경 방향에 있어서 1㎜ 이상)으로 하면 된다. 이 경우, 고압 부하 시의 볼 시트(15)의 볼(12) 측으로의 개구되는 탄성 변형을 1° 정도 확경된다고 상정하기로 한다.

그리고, 볼 시트(15)의 실링면(25)은, 볼(12)으로의 실링 부근에 설치되고, 유체압의 높이에 따라 볼(12)에 선접촉 내지 면접촉하여 실링 가능하면 구면부 이외의 형상이어도 되고, 예를 들면, 테이퍼형이나 원호면형으로 형성되어 있어도 된다.

시트 리테이너(14)에 볼 시트(15)를 장착하는 경우에는, 걸어멈춤부(61)에 대하여 걸어맞춤부(60)를 압입하도록 볼 시트(15)를 장착 홈(32) 방향으로 개구 측으로부터 삽입하도록 한다. 걸어맞춤부(60)가 바닥이 있는 구멍(34)에 도달했을 때 볼 시트(15)의 장착이 완료되고, 볼 시트(15)가 시트 리테이너(14)에 대하여 이탈 방지되고, 자유로운 상태로 장착된다. 이 때, 상기한 바와 같이 바닥이 있는 구멍(34)의 깊이가 걸어맞춤부(60)의 길이보다 크고, 이로써, 이 걸어맞춤부(60)가 걸어멈춤부(61)의 영역을 확실하게 넘어, 걸어맞춤부(60)가 바닥이 있는 구멍(34)에 수용된다.

볼 시트(15)의 삽입 후에는, 장착 홈(32)과의 사이에 클리어런스(CL)가 형성되고, 이 클리어런스(CL)에 의해 볼 시트(15)의 볼(12) 측이 지지점 위치로 되는 A부를 중심으로 개구되는 방향으로 탄성 변형 가능하게 된다.

걸어맞춤부(60)와 걸어멈춤부(61) 사이의 도 11에 나타낸 바와 같이 삽입 방향(도 1의 유로의 축심 O의 방향)에는, 공간(U)이 형성된다. 바닥이 있는 구멍(34)의 내경이 걸어맞춤부(60)의 외경보다 약간 크게 설치되어 있으므로, 이들의 사이에는 직경 방향의 간극(G)도 형성된다. 이 간극(G)에 의하여, 볼 시트(15)가 시트 리테이너(14)의 공간(U)의 범위에서, 슬라이딩 저항이 적은 상태에서 진퇴 가능해진다.

클리어런스(CL), 공간(U), 간극(G)의 크기 등의 치수 설정은, 조립 시의 환경 온도나, 조립 장소의 상이에 의한 한난차를 고려하여 설정된다. 본 실시형태의 경우, 하계에 최고 40℃, 동계에 최저 10℃의 조립 온도에 대응할 수 있도록 설치되어 있다.

밸브 본체(10)에 있어서, 유로(23)의 상류 측의 유체압이 저압인 경우에는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 볼 시트(15)의 A부가 장착 홈(32)의 바닥면 측에 맞닿은 상태에서 봉지부 B가 볼(12)에 선접촉하여 실링된 상태를 유지한다. 이 선접촉에 의한 실링은 면접촉의 실링과 비교하여 실링력은 저하되지만, 유체가 저압이므로 볼 시트 재질의 항복점까지 도달하지 않고, 이로써, 실링 성능을 손상시키는 마모가 생기지 않아, 이 저압 시의 누출을 확실하게 방지한다.

고압의 유체압이 가해지는 경우에는, 시트 리테이너(14)에는 코일 스프링(41)의 탄발력에 더하여, 고압의 유체압을 이용한 힘이 가해지므로, 볼 시트(15)는 볼(12) 측으로 더 가압되고, 도 13에 나타낸 바와 같이 유체압의 높이에 따라 볼 시트(15)가 A부를 중심으로 볼(12) 측이 개구되는 방향으로 탄성 변형하고, 실링면(25)을 외경 측으로부터 내경 측을 향해 볼(12)에 대하여 적어도 면접촉 상태로 실링함으로써, 고압의 유체를 확실하게 봉지할 수 있다.

이 경우, 도 11에 있어서, 지지점 위치인 A부와 실링 부위인 봉지부 B 및 봉지부 C의 위치 관계를, 내경 치수에 대하여 A< C< B로 하고, A부보다 외경 측에 봉지부 B가 위치하고 있음으로써, 도 13의 회전 작용에 있어서 봉지부 B 측이 확실하게 볼(12)로부터 이격되는 방향으로 이동하도록 좌측 회전하고, 이 회전에 의해 그때까지 볼(12)로부터 이격되어 있었던 봉지부 C 측이 볼(12)에 확실하게 면접촉한다.

장착 홈(32)과 볼 시트(15) 사이에 소정의 클리어런스(CL)를 둠으로써, 실링면(25) 측이 개구 방향으로 변형될 때의 동작이 저해되는 것이 방지되고, 또한 볼 시트(15)의 외주면(15c)이 장착 홈(32)의 내주면(32a)에 접촉함으로써, 볼 시트(15)의 과도한 개방을 억제하여 볼(12)에 대한 실링 상태를 확보할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세히 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재되어 있는 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위에서, 각종 변경이 가능한 것이다.

10 : 밸브 본체
11 : 보디
12 : 볼
12a : 관통공
13 : 스템
14 : 시트 리테이너
15 : 볼 시트
15a : 배면
16 : 볼면
25 : 실링면(실링 부위)
27 : 내주면
30 : 수나사부(걸어멈춤부)
30a : 나사산
31 : 릴리프 홈
32 : 장착 홈
32a : 내주면
33 : 암나사부(걸어맞춤부)
33a : 나사산
35 : 캐비티
40 : 연통부
A부 : 지지점 위치
B, C : 봉지부
CL : 클리어런스
L1, L2, L3 : 내경 치수
O : 유로 중심축(유로 축심)

Claims

보디 내에 설치된, 관통공을 가진 볼의 한쪽 또는 양쪽에 볼 시트를 장착한 시트 리테이너(seat retainer)를 설치하고, 상기 볼을 스템을 통하여 회동(回動) 가능하게 설치하고, 상기 볼 시트는, 돌출이 방지되면서 또한 자유로운 상태로 상기 시트 리테이너에 형성한 장착 홈 내에 장착되고,
완전 폐쇄(full close) 시 또는 완전 개방(full open) 시의 캐비티 내의 이상 승압에 의한 잉여 압력을, 해당 압력을 이용한 자체 텐션(self-tension)에 의해 상기 시트 리테이너를 볼과는 반대 방향으로 이동시키고, 또한 장착 홈 내의 볼 시트의 이면(裏面) 측에 유입된 상기 잉여 압력으로 볼 시트를 볼 측에 압출하여, 볼 시트의 내주면과 장착 홈 사이에 설치한 연통부를 통하여 유로 내로 완화되도록 하는,
트러니언형 볼 밸브.
제1항에 있어서,
상기 장착 홈의 내주의 개구 측에 설치한 걸어맞춤부에 상기 볼 시트의 외주 장착 측에 설치한 걸어멈춤부를 삽입 방향으로 걸어멈춤 가능하게 대향시켜 상기 시트 리테이너의 장착 홈으로부터의 상기 볼 시트의 돌출을 방지하면서 또한 상기 볼 시트를 상기 장착 홈에 자유로운 상태로 장착한, 트러니언형 볼 밸브.
제2항에 있어서,
상기 장착 홈의 내주에 설치한 암나사부를 걸어맞춤부로 하고, 상기 암나사부에 상기 볼 시트의 수나사부를 걸어멈춤부로 하여 나사결합하고, 상기 수나사부의 후단 측과 상기 암나사부의 후단 측을 걸어멈춤 가능하게 설치하여 상기 볼 시트의 돌출을 방지한, 트러니언형 볼 밸브.
제3항에 있어서,
상기 암나사부의 안쪽 끝의 나사산(thread ridge)과 상기 수나사부의 바깥쪽 끝의 나사산을 걸어멈추어지도록 하여 상기 볼 시트의 돌출을 방지한, 트러니언형 볼 밸브.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼 시트의 내주면, 또는 상기 내주면에 대향하는 시트 리테이너의 장착 홈에, 상기 연통부를 구성하는 적어도 하나의 릴리프 홈을 형성한, 트러니언형 볼 밸브.
제1항에 있어서,
상기 볼 시트의 배면 실링의 지지점 위치인 A부의 내경(內徑) 치수를 상기 볼 시트의 실링 부위보다 내경 가까이에 형성하고, 고압 시의 볼 시트가 A부를 지지점으로 하여 개방되도록 탄성 변형되어 상기 실링 부위를 외경 측으로부터 내경 측을 향해 적어도 면접촉 상태로 실링하도록 한, 트러니언형 볼 밸브.
제6항에 있어서,
상기 지지점 위치인 A부와 상기 실링 부위인 봉지부(封止部) B 및 봉지부 C의 위치 관계를, 내경 치수에 대하여 A< C< B로 한, 트러니언형 볼 밸브.
제7항에 있어서,
조립 초기 및 유체 압력이 저압인 경우, 상기 봉지부 B가 선접촉 상태를 유지하고, 또한 상기 봉지부 C가 볼 면에 비접촉 상태로 있는, 트러니언형 볼 밸브.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼 시트의 실링 부위를 구형 면으로 형성하고, 상기 구형 면은, 그 중심을 상기 볼의 중심과 동일하게 상기 보디 내의 유로 축심(軸芯) 상에 배치하고, 또한 그 내경을 상기 볼의 구형보다 축경하여 형성한, 트러니언형 볼 밸브.
제6항에 있어서,
상기 장착 홈의 내주면과 상기 볼 시트의 실링면 측의 외주면 사이에 소정의 클리어런스를 두어, 고압 시에 볼 시트가 개방되도록 하면서 또한 과도한 개방을 억제하도록 한, 트러니언형 볼 밸브.
제10항에 있어서,
상기 장착 홈에 형성한 걸어멈춤부 내주면과 상기 볼 시트의 외주면측 사이에 클리어런스를 둔, 트러니언형 볼 밸브.