KR20200086043A - 편심 볼밸브 - Google Patents

Abstract

본 밸브시트의 연접면 반경을 볼의 반경보다 크게 형성하여 볼이 연접면의 어느 한 지점에서 선접촉상태를 지속적으로 유지하여 기밀을 높이면서 마찰을 줄이도록 하고, 볼의 잠금영역에서 해제영역 방향으로 편심을 주어 잠금영역에서는 기밀을 유지하고 해제영역으로는 마찰을 줄여 작동성을 높이면서 손상과 마모의 우려를 배제할 수 있도록 한 것으로서;
개폐핸들(101)로 작동되는 작동축(102)과 유입구(106)를 가지는 메인바디(103) 내부에 설치되는 볼(105)과, 상기 볼(105)의 상부 중앙에 형성하여 작동축(102)과 결합되는 축결합홈(104)과, 배출구(108)를 가지고 메인바디(103) 일측에 결합되는 서브바디(107)와, 상기 볼(105)의 양측에 메인바디(103)와 서브바디(107)에 개재되어 기밀을 유지하면서 볼(105)의 작동성을 보장하는 밸브시트(110)를 포함하는 볼밸브(100)에 있어서;
상기 볼(105)과 연접되는 밸브시트(110)의 연접면(111) 반경(R)을 볼(105)의 반경(R1)보다 크도록 형성하여 볼(105)과 연접면(111)이 면 접촉되지 않고 선접촉상태를 유지할 수 있게한 것이 특징이다.

Description

편심 볼밸브{BALL VALVE}

본 발명은 편심 볼밸브에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 볼과 밸브시트가 선접촉이 이루어지도록 하고, 볼의 편심을 통하여 해제영역에서는 마찰이 없도록 함으로서 마모현상을 배제하여 원활한 작동성을 보장하면서 기밀성을 높일 수 있도록 개선한 볼밸브용 밸브시트의 제공에 관한 것이다.

일반적으로 관로를 통과하는 유체의 흐름을 제어하기 위한 제어수단은 여러 가지가 있으나, 설치의 편의성과 구조적 안전성 및 작동의 편리성과 신뢰성 등이 우수한 볼밸브, 플러그밸브, 버터플라이밸브 등이 주로 사용되고 있으며, 이 중에서 가장 보편적으로 사용되는 볼밸브는 밸브바디의 상부에 위치하는 핸들을 회전 조작하게 되면 핸들과 스템으로 연결되어 밸브바디 내부에 설치된 개폐볼이 밸브시트에 접촉된 상태로 회전하면서 밸브바디를 통과하는 유체의 흐름을 허용하거나 차단하는 구조로 구성되어 있다.

상기와 같은 용도로 사용되는 밸브시트의 보편적인 기술내용을 특허문헌을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

특허문헌 1은, 밸브본체(1)의 유입구와 유출구에 각각 설치되며 상기 유입구와 상기 유출구를 연통시키기 위해 볼(2)에 형성된 통공(21) 및 상기 볼(2)의 외주면에 밀착되는 볼밸브용 밸브시트에 있어서,

스테인리스강으로 성형된 상기 볼(2)의 외주면에 밀착되는 밸브시트(3)의 면접부(31)를 만곡지게 형성시키는 것을 특징으로 하고, 상기 밸브시트(3)는 내열성, 내마모성 및 유연성을 가진 테프론 수지로 형성되며, 만곡지게 형성된 상기 밸브시트(3)의 면접부(31)는, 상기 볼(2)의 볼록한 외주면에 밀착되도록 오목하게 형성되고, 상기 면접부(31)의 끝단이 상기 볼(2)의 통공(21) 방향으로 일부 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 밸브시트(3)의 외부 일측에는 상기 볼(2)에 의한 압력이 상기 면접부(31)에 가해지면 볼(2)의 외주면을 따라 기울어지도록 경사절단면(32)이 형성되되, 경사절단면(32)은 15도 내지 30도의 경사각을 이루고 경사절단면(32)의 너비는 상기 밸브시트(3)의 너비보다 절반 이하의 길이를 가지도록 형성되며, 상기 면접부(31)의 표면을 따라 소결층(311)이 1mm 내지 3mm 두께로 추가적으로 형성됨에 있어서, 상기 볼(2)의 볼록한 외주면에 밀착되도록 오목하게 형성되고, 상기 소결층(311)은 내식성이 우수하며 고온에서 강도를 유지하고 저온에서 인성과 연성을 유지하는 니켈분말을 소결 성형시켜서 생성된 것을 특징으로 하고 있다.

특허문헌 2는, 밸브본체의 유입구측과 유출구측에 각각 설치되어 볼의 외주면이 접촉하는 볼밸브용 시트로서, 박강판과 그라파이트박판이 교호로 다층 적층되어 상기 밸브본체의 내주면에 고정되는 고정단부와 상기 박강판의 측연부와 그라파이트박판의 측연부가 교호로 노출되어 상기 볼이 접촉되는 볼접촉부를 가지는 링형으로 형성된 시트부재로 구성된 것을 특징으로 하고 있다.

특허문헌은, 볼과 밸브 바디(valve body) 사이에 배치되는 환형의 메탈 볼 밸브용 시트링(seat ring)에 있어서,

상기 시트링을 관통하는 유로를 구비한 환형의 시트링 본체; 상기 시트링 본체를 지탱하기 위해 상기 시트링 본체의 적어도 일부에 설치되는 지지 부재; 및 상기 지지 부재의 적어도 일부를 감싸는 캡(cap);을 포함하고, 상기 시트링 본체는, 상기 밸브 바디와 접촉하는 상기 시트링 본체의 제1 접촉면부터 상기 볼과 접촉하는 상기 시트링 본체의 제2 접촉면까지 상기 시트링 본체를 유로 방향으로 관통하는 공간을 포함하되, 상기 지지 부재는 상기 공간에 삽입되어 있고, 상기 캡은, 상기 지지 부재의 상기 볼 또는 상기 밸브 바디에 접촉되는 부분을 감싸고, 상기 시트링 본체의 접촉면보다 돌출되어 형성되어 있고, 상기 시트링 본체는, 스테인리스 강(stainless steel)으로 제조되거나 혹은, 탄화 텅스텐(tungsten carbide) 또는 탄화 크롬(chrome carbide)으로 도금된 것을 특징으로 하고 있다.

특허 제 10 - 0249682 - 0000 호 특허 제 10 - 1520782 - 0000 호 특허 제 10 - 1850373 - 0000 호

없슴.

특허문헌 1은, 밸브시트의 면접부에 소결층을 형성하여 내마모성을 높일 수 있도록 하는 것이고, 특허문헌 2는 시트홀더에 볼접촉부를 형성하여 내마모성을 높이고 고온 및 고압에 대응할 수 있도록 한 것이며, 특허문헌 3은 시트링 본체에 흑연재질의 지지부재를 설치하여 마찰을 저감시키면서 고온에 견딜 수 있도록 한 것임을 확인할 수 있다.

상기와 같은 선행기술들에서는 밸브시트의 내구성을 높이면서도ㅎ 마찰력을 저감시킬 수 있도록 하는 것이 주된 목적이나, 볼과 밸브시트가 항상 면접촉상태를 유지하기 때문에 실질적인 마찰력이 저감되지 않고 있는 실정이며, 과도한 면접촉으로 인하여 볼 또는 밸브시트의 마모(손상)가 발생하는 것은 막지 못하고 있는 실정이다.

이는, 볼과 접촉하는 밸브시트의 접촉면이 볼과 동일한 반경으로 가공되어 볼과 밀착되고, 밸브시트의 접촉면에 다른 접촉수단을 내장하더라도 이 접촉수단의 접촉면 또는 볼과 동일한 반경으로 가공되기 때문에 볼과 밸브시트 또는 접촉수단은 항상 면접촉상태를 유지하게 되는 것이다.

이와 같이 볼과 밸브시트가 면접촉 상태를 유지하여 볼이 개폐작동하게 되므로 과도한 작동력이 필요하게 되어 액츄에이터가 비대하여지게 되는 원인을 제공하고, 원활한 작동력을 확보하는 것이 힘들게 되는 문제점으로부터 자유롭지 못하게 된다.

특히 밸브시트를 가공하는 과정에서 압력에 의하여 밸브시트가 밀리게 될 경우 또는 볼과 밸브시트를 장착한 상태에서 고압의 유체에 의하여 볼 또는 밸브시트가 밀리는 현상이 있을 경우에는 밸브시트의 접촉면이 볼과 긴밀한 상태의 밀착을 이루지 못하고 다중접촉면을 가지게 되는 경우가 빈번하게 일어나고, 이러한 상태에서 볼을 개폐 작동하는 과정에서 볼이 밸브시트를 갉아먹게 되거나 밸브시트가 볼을 갉아먹게 되는 현상이 발생하여 결국에는 기밀을 유지하지 못하게 되는 문제를 야기하게 되는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 개폐핸들(101)로 작동되는 작동축(102)과 유입구(106)를 가지는 메인바디(103) 내부에 설치되는 볼(105)과, 상기 볼(105)의 상부 중앙에 형성하여 작동축(102)과 결합되는 축결합홈(104)과, 배출구(108)를 가지고 메인바디(103) 일측에 결합되는 서브바디(107)와, 상기 볼(105)의 양측에 메인바디(103)와 서브바디(107)에 개재되어 기밀을 유지하면서 볼(105)의 작동성을 보장하는 밸브시트(110)를 포함하는 볼밸브(100)에 있어서;

상기 볼(105)과 연접되는 밸브시트(110)의 연접면(111) 반경(R)을 볼(105)의 반경(R1)보다 크도록 형성하여 볼(105)과 연접면(111)이 면 접촉되지 않고 선접촉상태를 유지할 수 있게하고;

상기 볼(105)은, 중심(P2)을 기준으로 밸브시트(110)가 연접되는 부분을 편심(UA)을 주어 잠금영역(CA)에서는 밸브시트(110)가 긴밀한 상태의 선접촉을 수행하여 기밀을 유지하도록 하고; 해제영역(OA)에서는 밸브시트(110)가 편심(UA)만큼 이격되어 개방과정에서 접촉저항을 최소화할 수 있게하여;

밸브시트의 연접면 반경을 볼의 반경보다 크게 형성하여 볼이 연접면의 어느 한 지점에서 선접촉상태를 지속적으로 유지하여 기밀을 높이면서 마찰을 줄이도록 하고, 볼의 잠금영역에서 해제영역 방향으로 편심을 주어 잠금영역에서는 기밀을 유지하고 해제영역으로는 마찰을 줄여 작동성을 높이면서 손상과 마모의 우려를 배제할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 볼과 접촉하는 밸브시트를 개선하여 볼과 선 접촉상태를 유지하여 마찰을 최소화 함으로서 원활한 작동력을 확보할 수 있도록 하는 것은 물론, 작동과정에서 볼 또는 밸브시트의 마모와 손상을 최소화하여 내구성과 품질향상에 기여할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명은 볼과 밸브시트가 선접촉을 통하여 접촉면적을 최소화할 수 있도록 하지만 유체의 누출을 방지하기 위한 기밀성을 충분하게 확보하여 밸브 본연의 기능을 수행하는 데 지장이 없도록 함으로서 사용과정에서 잦은 유지보수로 야기될 수 있는 전반적인 문제를 해소할 수 있다.

본 발명은 볼을 편심되게 구성하여 밸브시트와 연접되는 잠금영역에서는 기밀을 유지하고 해제영역에서는 마찰이 없게하여 원활한 작동성과 마모로 인한 손상을 예방할 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술인 편심 볼밸브를 도시한 예시적인 단면 구성도.
도 2는 본 발명의 기술인 편심 볼밸브에 적용되는 밸브시트를 발췌하여 도시한 단면 구성도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 편심 볼밸브의 밸브시트와 볼의 접촉상태를 발췌하여 도시한 구성도.
도 4는 도 3에 도시된 밸브시트와 볼의 접촉부위인 A부위를 발췌하여 도시한 구성도.
도 5는 본 발명의 기술이 적용된 편심 볼밸브의 볼을 발췌하여 도시한 잠금상태의 단면도.
도 6은 본 발명의 기술이 적용된 편심 볼밸브의 볼을 발췌하여 도시한 해제상태의 단면도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술인 편심 볼밸브를 도시한 예시적인 단면 구성도, 도 2는 본 발명의 기술인 편심 볼밸브에 적용되는 밸브시트를 발췌하여 도시한 단면 구성도, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 편심 볼밸브의 밸브시트와 볼의 접촉상태를 발췌하여 도시한 구성도, 도 4는 도 3에 도시된 밸브시트와 볼의 접촉부위인 A부위를 발췌하여 도시한 구성도, 도 5는 본 발명의 기술이 적용된 편심 볼밸브의 볼을 발췌하여 도시한 잠금상태의 단면도, 도 6은 본 발명의 기술이 적용된 편심 볼밸브의 볼을 발췌하여 도시한 해제상태의 단면도로서 함께 설명한다.

통상적인 볼밸브(100)는, 개폐핸들(101)로 작동되는 작동축(102)의 끝단이 메인바디(103)의 내부에 설치된 유로 개폐용 볼(105)의 상부 중앙에 형성된 축결합홈(104)과 결합 되어 개폐핸들(101)의 조작에 따라 볼(105)이 회동하여 메인바디(103)의 유입구(106)로 유입된 유체를 메인바디(103)의 일측에 결합 된 서브바디(107)에 형성된 배출구(108)를 통하여 유통할 수 있게 한다.

상기 볼(105)의 양측에는 메인바디(103)와 서브바디(107)에 개재되어 기밀을 유지하면서 볼(105)의 작동성을 보장할 수 있도록 밸브시트(110)가 개재되어 구성된다.

본 발명에서는 상기 밸브시트(110)를 개선하여 볼(105)과 선접촉을 통하여 마찰면적을 최소화 하여 마모와 손상을 방지면서 안정적으로 기밀을 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 밸브시트(110)는, 볼(105)과 연접되는 연접면(111)의 반경(R)은 볼(105)의 반경(R1)보다 크도록 형성하여 볼(105)과 연접면(111)이 면 접촉되지 않고 선접촉상태를 유지할 수 있도록 한다.

상기 볼(105)과 연접면(111)의 선접촉위치는 도 4에서와 같이 볼(105)의 우측과 밸브시트(110)의 우측이 연접되는 것을 예시로 할 때, 밸브시트(110)의 축중심(P)을 기준으로 상측위치의 반경(R) 기준점(P1)은 연접면(111) 길이(L) 중간위치(C)에서 볼(105)의 중심(P2)을 경유하여 볼(105)의 중심(P2) 보다 좌측방향 아래쪽에 위치하도록 한다.

물론, 밸브시트(110)의 축중심(P)을 기준으로 하측위치 반경(R) 기준점(P3)은 연접면(111) 길이(L) 중간위치(C)에서 볼(105)의 중심(P2)을 경유하여 볼(105)의 중심(P2)보다 좌측방향 위쪽에 위치하도록 하는 것은 당연할 것이다.

그리고 상기 볼(105)의 좌측과 밸브시트(110)의 좌측이 연접되는 경우에는 앞서 언급한 우측과 대칭이 되는 형태가 될 것이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상기 볼(105)과 밸브시트(110)의 연접면(111)이 연접되는 위치는 연접면(111)의 길이(L) 중 어느 곳이 연접되어도 무방할 것이나 가급적이면 연접면(111) 길이(L)의 중간위치(C)에 위치하도록 하는 것이 보다 유체의 압력에 의하여 어느 한 방향으로 편중됨이 없이 안정된 밀착상태를 유지할 수 있을 것이므로 바람직하다 할 것이다.

이과정에서 밸브시트(110)의 연접면(111)의 반경(R)의 크기를 크게 하고자 할 경우에는 반경(R)기준점(P1)이 볼(105)의 중심(P2) 보다 멀어어지게 될 것이며, 반경(R)의 크기를 작게 하고자 할 경우에는 반경(R) 기준점(P1)이 볼(105)의 중심(P2)에 근접하게 될 것이므로, 이는 볼(105)이 밸브시트(110)의 크기 등을 고려하여 설계당시 수학적인 계산에 의하여 산출될 것이므로 본 발명에서는 구체적인 언급은 생략하도록 한다.

상기 볼(105)은, 볼(105)의 중심(P2)을 기준으로 밸브시트(110)가 연접되는 부분을 편심(UA)을 주어 잠금영역(CA)에서는 밸브시트(110)가 긴밀한 상태의 선접촉을 수행하여 기밀을 유지하도록 하고, 해제영역(OA)에서는 밸브시트(110)가 편심(UA)만큼 이격되어 개방과정에서 접촉저항을 최소화할 수 있도록 한다.

상기 편심(UA)량은 본 발명의 도면에서는 이해를 돕기 위하여 시각적으로 식별될 수 있도록 하고 있으나, 실질적으로서 1밀리미터 이내이기 때문에 도면과 같이 큰 단차를 가지는 형태는 아니다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 볼밸브(100)의 밸브시트(110) 사용은 볼밸브(100) 내부에 장착되어 개폐핸들(101)과 연결되어 개폐핸들(101)을 90도 방향으로 움직여주면 볼(105)이 90도 방향으로 회전하면서 볼(105) 형성된 유체홀(120)이 유입구(106) 및 배출구(108)와 일치되어 유체를 통과시키거나, 비일치되어 유체를 차단하는 작동이 이루어지는 것은 주지의 사실이다.

본 발명에서는 메인바디(103)와 서브바디(107) 내부 양측에 위치하여 볼(105)을 지지하면서 유통되는 유체가 누출되는 것을 방지하는 기능을 수행하는 밸브시트(110)가 볼(105)과 선접촉된 상태를 유지하게 되므로 마찰면적이 줄어들어 원활한 작동성을 보장할 수 있게 된다.

상기 볼(105)과 밸브시트(110)의 연접면(111)이 선접촉된 상태를 유지하게 되므로 마찰을 줄여 볼(105)과 밸브시트(110)가 서로 갉아먹은 마모와 손상을 방지하게 되므로 내구성을 높이면서 기밀성을 높일 수 있게 되는 것이다.

특히 볼(105)과 밸브시트(110)의 연접면(111)이 면 접촉할 경우에는 전체면에 대하여 고르게 접촉되지 않을 경우에는 기밀유지가 어렵게 되는 것은 물론 마모을 유발하고 작동과정에서 소음 등을 유발하는 원인이 되나, 선접촉의 경우에는 유체가 유총하는 과정에서 압력이 발생하게 되거라도 볼(105)이 연접면(111)의 길이(L) 범위 안의 어느 한 지점에서 선접촉하게 되므로 기밀성을 보장할 수 있게 되는 것이다.

또한 본 발명의 볼(105)은 밸브시트(110)가 양측에 연접되어 단속을 수행하는 잠금영역(CA)과 유체를 유통시키기 위한 해제영역(OA)이 잠금영역(CA)에서 해제영역(OA) 방향으로 편심되게 구성함으로서 밸브시트(110)가 잠금영역(CA)에 위치하고 있을 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 긴밀한 상태의 선접촉을 이루어 기밀을 유지할 수 있게 된다.

그리고, 볼(105)을 해제위치로 전환하게 되면 볼(105)이 잠금영역(CA)에서 해제영역(OA)으로 이동하면서 편심에 의하여 점차적으로 마찰이 즐어들면서 볼(105)의 외표면과 밸브시트(110)의 연접면(111)이 이격되기 때문에 마찰이 없어져 원활한 작동성을 보장할 수 있게 되고, 마찰로 야기될 수 있는 마모와 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다.

이러한 본 발명은 밸브시트의 연접면 반경을 볼의 반경보다 크게 형성하여 볼이 연접면의 어느 한 지점에서 선접촉상태를 지속적으로 유지하여 기밀을 높이면서 마찰을 줄이도록 하고, 볼의 잠금영역에서 해제영역 방향으로 편심을 주어 잠금영역에서는 기밀을 유지하고 해제영역으로는 마찰을 줄여 작동성을 높이면서 손상과 마모의 우려를 배제할 수 있는 등의 장점을 가진다.

100; 볼밸브
103; 메인바디
105; 볼
107; 서브바디
110; 밸브시트
111; 연접면
R; 연접면의 반경
R1; 볼의 반경
P; 밸브시트의 축중심
P1; 밸브시트 상측위치 반경 기준점
P2; 볼의 중심
P3; 밸브시트 하측위치 반경 기준점
L; 연접면의 길이
C; 연접면 길이 중간위치
CA; 잠금영역
OA; 해제영역

Claims (2)

1. 개폐핸들(101)로 작동되는 작동축(102)과 유입구(106)를 가지는 메인바디(103) 내부에 설치되는 볼(105)과, 상기 볼(105)의 상부 중앙에 형성하여 작동축(102)과 결합되는 축결합홈(104)과, 배출구(108)를 가지고 메인바디(103) 일측에 결합되는 서브바디(107)와, 상기 볼(105)의 양측에 메인바디(103)와 서브바디(107)에 개재되어 기밀을 유지하면서 볼(105)의 작동성을 보장하는 밸브시트(110)를 포함하는 볼밸브(100)에 있어서;
   상기 볼(105)과 연접되는 밸브시트(110)의 연접면(111) 반경(R)을 볼(105)의 반경(R1)보다 크도록 형성하여 볼(105)과 연접면(111)이 면 접촉되지 않고 선접촉상태를 유지할 수 있게 하고;
   상기 볼(105)의 우측과 밸브시트(110)의 우측이 연접시 볼(105)과 연접면(111)의 선접촉위치는;
   밸브시트(110)의 축중심(P)을 기준으로 상측위치의 반경(R) 기준점(P1)은 연접면(111) 길이(L) 중간위치(C)에서 볼(105)의 중심(P2)을 경유하여 볼(105)의 중심(P2) 보다 좌측방향 아래쪽에 위치하도록 하고;
   밸브시트(110)의 축중심(P)을 기준으로 하측위치 반경(R) 기준점(P3)은 연접면(111) 길이(L) 중간위치(C)에서 볼(105)의 중심(P2)을 경유하여 볼(105)의 중심(P2)보다 좌측방향 위쪽에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 편심 볼밸브.
2. 제 1 항에 있어서;
   상기 볼(105)은, 중심(P2)을 기준으로 밸브시트(110)가 연접되는 부분을 편심(UA)을 주어 잠금영역(CA)에서는 밸브시트(110)가 긴밀한 상태의 선접촉을 수행하여 기밀을 유지하도록 하고;
   해제영역(OA)에서는 밸브시트(110)가 편심(UA)만큼 이격되어 개방과정에서 접촉저항을 최소화할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 편심 볼밸브.

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