KR20200110974A - 밸브 개폐용 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 개폐용 액추에이터에 관한 것으로, 평상 시 모터로 밸브의 개폐가 정상적으로 이루어지면서 필요할 때 모터 작동 여부에 상관없이 수동으로 밸브의 개폐가 가능함과 동시에, 정전 등이 비상 상황 발생 시 밸브를 설정된 개방 또는 폐쇄 상태로 자동 작동시켜, 밸브의 자동/수동 개폐 및 비상 상황 시 밸브의 작동 중 정지로 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있는 밸브 개폐용 액추에이터에 관한 것이다.

Description

밸브 개폐용 액추에이터{ACTUATOR FOR VALVE OPENING AND CLOSING}

본 발명은 밸브 개폐용 액추에이터에 관한 것으로, 평상 시 모터로 밸브의 개폐가 정상적으로 이루어지면서 필요할 때 모터 작동 여부에 상관없이 수동으로 밸브의 개폐가 가능함과 동시에, 정전 등이 비상 상황 발생 시 밸브를 설정된 개방 또는 폐쇄 상태로 자동 작동시켜, 밸브의 자동/수동 개폐 및 비상 상황 시 밸브의 작동 중 정지로 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있는 밸브 개폐용 액추에이터에 관한 것이다.

점차로 고도화되는 산업 구조의 개편에 따라 전 산업 분야에 걸쳐, 기존의 개별적인 유인 관리 시스템에서 통합화되고, 무인화된 통합운영체계로 발전을 함에 따라 이에 상응하여 효율적인 통합 운영체계의 구축이 이루어지고 있으며, 특히 유체의 흐름을 제어하는 밸브 관련 부분에서는 원격에서의 효율적인 제어가 가능한 자동 밸브 및 각종 자동 유량 제어장치의 보급이 급속도로 이루어지고 있다.

이러한 자동 유량 제어장치에 사용되는 전동 액추에이터는 밸브 및 조절용 댐퍼 등을 자동화하는데 꼭 필요한 구동장치로써, 제어부와 부속적인 기어장치, 모터 등으로 구성되어 있다.

이러한 종래 전동 액추에이터에 있어서 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동 중에 모터를 구동시키는 전원이 정전 등에 의하여 차단될 경우, 모터를 비롯한 작동수단이 동시에 정지됨에 따라 밸브는 개방 또는 폐쇄 동작 중 정지상태가 된다.

이러한 경우 밸브의 작동 정지 상태가 장시간 유지되면, 작동 중(또는 작동 완료 후) 정지된 밸브 또는 유체가 흐르는 파이프라인 등의 파손, 액추에이터의 각종 부품들의 고장 등으로 인한 유체의 누출, 설비 파괴 등의 안전사고가 발생할 위험이 있다.

따라서 대부분의 전동 액추에이터는 수동으로 밸브의 개폐를 조작할 수 있는 수동 핸들이 더 구비되어 비상 상황에 맞춰 밸브를 수동으로 작동시켜 안전사고가 발생하지 않도록 한다.

상기와 같은 수동 핸들을 구비한 전동 액추에이터에 관한 종래 기술로써, 대한민국 공개특허 제10-2008-0100887호(2008.11.21.) "액추에이터 비상구동장치"(이하 종래 기술 1이라 함.)가 있는데,

상기 종래 기술 1은 정전 시에도 액추에이터를 수동으로 작동하여 관로의 밸브를 작동시킬 수 있도록 하여 가스나 오일 등의 누출로 인한 사고를 신속히 대처할 수 있도록 된 액추에이터의 비상구동장치이다.

상기 종래 기술 1은 다수의 회전체, 회전축, 기어들의 연동으로 작동하는 밸브의 수동 조작을 위하여 회전 핸들이 고정된 제3회전축과, 다른 기어와 회전축을 일체로 회전되도록 결속시키거나 결속을 해제하는 결속수단을 포함하여 이루어진다.

이에 따라 상기 종래 기술 1은 정전 등의 비상 상황이 발생하여 액추에이터가 작동되지 않을 경우 작업자가 상기 결속수단을 통하여 회전 핸들이 고정된 제3회전축과, 밸브 작동에 직접적으로 연계되는 다른 기어와 회전축을 결속시킨 다음 회전핸들을 정역회전시켜 밸브를 수동으로 작동시킬 수 있다.

그러나 상기 종래 기술 1은 작업자가 직접 밸브를 수동으로 작동시켜야 하므로, 비상 상황 발생 시 빠른 대처가 이루어지지 않게 되면 안전사고로 확산될 위험이 크고, 밸브의 크기, 액추에이터의 구조 등에 따라 작업자가 손쉽게 수동으로 밸브를 작동시킬 수 없는 경우가 많기 때문에 전동 액추에이터의 안전장치로써 그 한계가 명확하며,

따라서 전원이 차단된 경우라 하더라도 비상 상황 발생 즉시, 자동으로 밸브의 개폐가 이루어지도록 하는 안전장치의 필요성이 대두되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로써, 대한민국 공개특허 제10-2004-0018063호(2004.03.02.) "전자밸브용 이머전시 액추에이터"(이하 종래 기술 2라 함.)가 있는데,

상기 종래 기술 2는 전원부의 전원이 갑자기 차단될 경우, 액추에이터를 작동시키는 마이크로 컨트롤러를 활성화시키기 위한 충전배터리가 즉각적으로 비상전원을 대체 공급하도록 하여 전원부의 전원 차단으로 인하여 발생될 수 있는 위급한 상황 내지는 손실을 미연에 방지할 수 있는 전자밸브용 액추에이터의 이머전시 액추에이터에 관한 것이다.

이를 위하여 상기 종래 기술 2는 전원 차단 시 비상전원을 공급받아 밸브체를 전체적으로 개방 또는 폐쇄시키는 풀오픈 상태/풀 클로즈상태, 그리고 전원부의 전원이 차단되기 이전의 상태로 유지시키는 페일스톱 상태 중 어느 하나의 상태로 마이크로 컨트롤러의 메모리에 페일모드 스위치를 이용하여 미리 설정 가능하게 함으로써, 전원부의 기능마비로 인한 상황을 유연하게 대처할 수 있으며, 전원부의 전원이 차단되어 충전 배터리의 전원이 대체되는 순간 비상접점이 동작되어 중앙 제어반에 긴급 상황의 시그널을 제공할 수 있도록 한다.

그러나 상기 종래 기술 2는 충전배터리를 이용하여 밸브의 제어가 전기적으로 이루어지므로, 장기간 사용에 따른 충전배터리의 기능 상실 또는 액추에이터의 전자적 결함 또는 액추에이터 자체의 화재 발생으로 인한 전원 차단 등의 비상 상황에서 상기한 밸브제어가 이루어질 수 없으므로 상기 종래 기술 2 또한 밸브 작동을 위한 액추에이터의 안전장치로써 완전하게 기능할 수 없는 한계가 있다.

이에 따라 기계 구조 설계를 통하여 어떠한 비상 상황이 발생하더라도 밸브의 개방 또는 폐쇄 작동이 자동으로 이루어지도록 하는 안전장치가 필요하다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

본 발명은 밸브 개폐용 액추에이터에 관한 것으로, 평상 시 모터로 밸브의 개폐가 정상적으로 이루어지면서 필요할 때 모터 작동 여부에 상관없이 수동으로 밸브의 개폐가 가능함과 동시에, 정전 등이 비상 상황 발생 시 밸브를 설정된 개방 또는 폐쇄 상태로 자동 작동시켜, 밸브의 자동/수동 개폐 및 비상 상황 시 밸브의 작동 중 정지로 발생할 수 있는 안전사고를 방지할 수 있는 밸브 개폐용 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터는,

양방향 회전을 통해 밸브를 개폐시키는 구동축;

상기 구동축을 양방향 회전시키는 제1 복합유성기어감속기;

상기 제1 복합유성기어감속기의 일측에 연결된 모터;

수동 핸들과 연결되고, 상기 제1 복합유성기어감속기의 타측에 연결된 제2 복합유성기어감속기;

상기 제2 복합유성기어감속기에 연결되되, 제2 복합유성기어감속기를 일방향으로 회전시키는 에너지가 축적되어 있는 탄성체 구비한 비상 제어부;를 포함하여,

평상 시, 상기 모터를 통한 밸브의 자동 개폐 또는 상기 수동 핸들을 통한 밸브의 수동 개폐가 가능하면서,

정전의 비상 상황 시에, 상기 탄성체에 의해 밸브가 개방 또는 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터에서,

상기 구동축은 웜기어이고, 상기 밸브와 연결된 피동축은 상기 웜기어에 치합된 웜휠인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터에서,

상기 탄성체는 태엽스프링으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터는,

평상 시 모터로 밸브가 정상 개폐되고, 필요 시 수동 핸들로 밸브를 임의 개폐할 수 있으며, 정전 등의 비상 상황이 발생하였을 때 밸브를 설정된 개방 또는 폐쇄 상태로 자동으로 동작시켜 안전사고의 발생을 미연에 방지하며,

특히 이중 복합유성기어감속기를 통해 모터, 수동 핸들, 비상 제어부에 의한 각각의 작동이 다른 작동에 간섭하지 않고 개별적으로 이루어져 입력되는 동력들이 서로 독립적으로 전달되어 작동 안정성이 뛰어나고, 특수 유성기어를 통해 2개 이상의 주동축으로 입력 전달이 가능하며,

기계적인 비상 복귀를 통해 어떠한 비상 상황에서도 즉각적인 대처가 가능함은 물론, 종래의 액추에이터에 비해 소형화, 경량화에 유리하면서 제조 단가를 절함할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액추에이터의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 모터에 의한 정상 작동 상태를 도시한 개념도.
도 3은 수동 핸들에 의한 수동 작동 상태를 도시한 개념도.
도 4는 비상 제어부를 통한 비상 작동 상태를 도시한 개념도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.

본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터를 설명함에 있어 편의를 위하여 엄밀하지 않은 대략의 방향 기준을 도 1을 참고하여 특정하면, 중력이 작용하는 방향을 하측으로 하여 보이는 방향 그대로 상하좌우를 정하고, 다른 도면과 관련된 발명의 상세한 설명 및 청구범위에서도 다른 특별한 언급이 없는 한 이 기준에 따라 방향을 특정하여 기술한다.

이하에서는 본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 개폐용 액추에이터는,

양방향 회전을 통해 밸브를 개폐시키는 구동축(D);

상기 구동축(D)을 양방향 회전시키는 제1 복합유성기어감속기(10);

상기 제1 복합유성기어감속기(10)의 일측에 연결된 모터(M);

수동 핸들과 연결되고, 상기 제1 복합유성기어감속기(10)의 타측에 연결된 제2 복합유성기어감속기(20);

상기 제2 복합유성기어감속기(20)에 연결되되, 제2 복합유성기어감속기(20)를 일방향으로 회전시키는 에너지가 축적되어 있는 탄성체를 구비한 비상 제어부;를 포함하여,

평상 시, 상기 모터(M)를 통한 밸브의 자동 개폐 또는 상기 수동 핸들을 통한 밸브의 수동 개폐가 가능하면서,

정전의 비상 상황 시에, 상기 태엽스프링(30)에 의해 밸브가 개방 또는 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.

상기 구동축(D)은 밸브(미도시)를 회전 개폐시키는 것으로, 상기 구동축(D)이 웜기어로 구성되고, 이에 대한 피동축(P)으로써 밸브가 연결된 윔휠이 구비되어, 구동축(D)에 의해 밸브의 회전 개폐가 이루어진다.

상기 제1 복합유성기어감속기(10)는 모터(M)에서 전달되는 동력을 감속시켜 전달하는 것으로, 링기어, 유성기어들이 조합된 특수 유성기어시스템으로써, 모터(M) 작동 중 제2 복합유성기어감속기(20)로부터 수동 동력이 전달될 경우 모터(M)와의 간섭이 발생하지 않는다.

구체적으로 상기 제1 복합유성기어감속기(10)는 모터(M)로부터 동력을 전달받는 썬기어(11), 썬기어(11)에 의해 회전하는 캐리어(12), 상기 캐리어(12)에 축설되어 회전을 통해 동력을 감속시키는 유성기어(13), 상기 유성기어(13)를 자체 회전시키는 링기어(14), 감속된 동력을 구동축(D)으로 전달하는 출력기어(15)를 포함한다.

미설명 도면부호는 상기 출력기어(15)를 구름 지지하는 베어링이다.

이러한 제1 복합유성기어감속기(10)의 구성은 제2 복합유성기어감속기(20)에도 동일하게 적요된다.

상기 모터(M)는 양방향 회전이 가능한 전동모터로써, 회전축과 제1 복합유성기어감속기(10)의 썬기어(11)가 스퍼기어(1)로 연결되어 모터(M)의 동력을 1차 감속시켜 제1 복합유성기어감속기(10)로 전달한다.

상기 제2 복합유성기어감속기(20)는 썬기어(21)에 연결된 수동 핸들(미도시)로부터 동력을 전달받아 제1 복합유성기어감속기(10)로 전달한다.

상기 비상 제어부는 탄성체에 축전된 에너지를 이용해, 상기 제2 복합유성기어감속기(20)로 회전 동력을 제공한다.

구체적으로 상기 탄성체는 태엽스프링(30)로 구성되어, 태엽스프링(30)이 일방향으로 권취되어 에너지가 축적된 상태에서, 정전 등에 의해 공급되던 전원이 차단되면 클러치(31)(솔레노이드)가 즉각적으로 스프링 고정핀의 락킹을 해제시켜 태엽스프링(30)의 축적된 에너지가 제2 복합유성기어감속기(20)로 전달되게 한다.

이하에서는 상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 액추에이터의 구체적인 작동을 설명한다.

먼저 전원 공급이 정상 유지되는 평상시에는, 도 2와 같이,

모터(M)에서 발생한 동력이 스퍼기어(1)를 지나면서 1차 감속되어 제1 복합유성기어감속기(10)로 전달되고, 제1 복합유성기어감속기(10)에서 전달받은 동력을 2차 감속시켜 구동축(D)이 양방향 회전함에 따라 밸브의 개폐가 자동으로 이루어진다.

그리고 정상 가동 중에 설비의 점검, 부품 교체 등을 이유로 밸브를 수동으로 개폐할 필요가 있을 경우, 모터(M)를 정지하지 않은 상태에서, 도 3과 같이,

작업자가 수동 핸들을 돌리면, 수동 동력이 썬기어(21)를 통해 제2 복합유성기어감속기(20)로 전달되어 1차 감속된 후, 제1 복합유성기어감속기(10)로 전달될 때 동력이 증속된 다음, 제1 복합유성기어감속기(10)에서 2차 감속된 동력이 구동축(D)으로 전달되어 밸브의 개폐를 수동으로 조작할 수 있다.

또한 정전 등의 발생으로 전원 공급이 차단되는 비상 상황이 발생하면, 주전원 상실 즉시 비상 모드로 전환되어, 도 4와 같이, 이를 감지한 클러치(31)가 작동하여 태엽스프링(30)의 작동을 제한하던 고정핀의 락킹을 풀고, 락킹 해제 즉시 태엽스프링(30)이 작동하면서 축적된 에너지가 제2 복합유성기어감속기(20)로 전달되며, 태엽스프링(30)의 동력이 제2 복합유성기어감속기(20)에서 제1 복합유성기어감속기(10)로 전달되면서 증속된 후, 제1 복합유성기어감속기(10)에서 동력이 감속된 상태로 구동축(D)으로 전달되어, 밸브가 미리 설정된 개방 또는 폐쇄 상태로 복귀한 후 정지한다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 밸브 개폐용 액추에이터를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

D : 구동축 P : 피동축
M : 모터 1 : 스퍼기어
10 : 제1 복합유성기어감속기 11 : 썬기어
12 : 캐리어 13 : 유성기어
14 : 링 기어 15 : 출력기어
16 : 베어링 20 : 제2 복합유성기어감속기
21 : 썬기어 30 : 탄성체
31 : 클러치

Claims (3)

1. 양방향 회전을 통해 밸브를 개폐시키는 구동축;
   상기 구동축을 양방향 회전시키는 제1 복합유성기어감속기;
   상기 제1 복합유성기어감속기의 일측에 연결된 모터;
   수동 핸들과 연결되고, 상기 제1 복합유성기어감속기의 타측에 연결된 제2 복합유성기어감속기;
   상기 제2 복합유성기어감속기에 연결되되, 제2 복합유성기어감속기를 일방향으로 회전시키는 에너지가 축적되어 있는 탄성체를 구비한 비상 제어부;를 포함하여,
   
   평상 시, 상기 모터를 통한 밸브의 자동 개폐 또는 상기 수동 핸들을 통한 밸브의 수동 개폐가 가능하면서,
   정전의 비상 상황 시에, 상기 탄성체에 의해 밸브가 개방 또는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 밸브 개폐용 액추에이터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동축은 웜기어이고, 상기 밸브와 연결된 피동축은 상기 웜기어에 치합된 웜휠인 것을 특징으로 하는 밸브 개폐용 액추에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 탄성체는 태엽스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 개폐용 액추에이터.

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