KR20200136602A

KR20200136602A - 고차압용 다단감압밸브

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Publication number: KR20200136602A
Application number: KR1020190062340A
Authority: KR
Inventors: 김칠성; 김재우; 김영대; 우주복; 김형태; 박범준; 김효림
Original assignee: 신우밸브 주식회사
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-12-08
Also published as: KR102190800B1

Abstract

본 발명은 다단감압밸브에 관한 것으로, 건물 급수라인에 연결되어 급수압을 감압시킬 수 있도록 다이어프램을 포함한 스프링형 감압밸브로 이루어진 제2감압부와; 상기 제2감압부의 입구 측에 하나 이상 직렬로 연결되어 상기 제2감압부를 통과하기 전에 급수압을 감압시키는 제1감압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고차압용 다단감압밸브를 제공하고, 상기한 구성의 고차압용 다단감압밸브를 이용하는 급수시스템에 있어서, 건물에 구비되어 상수도관을 통해 공급되는 물을 저수하는 단일의 저수조와; 상기 저수조에 연결되어 최고층까지 이어지는 단일의 급수라인과; 상기 저수조의 출구 측 급수라인에 구비되어 상기 급수라인을 따라 고압력으로 물을 공급하는 단일의 고압펌프와; 상기 건물의 각 층에 구비되어 상기 급수라인에 연결되는 각각의 개별라인과; 상기 개별라인에 각각 구비되어 급수압력을 감압시키는 고차압용 다단감압밸브를 포함하여 상기 고압펌프에 의해 급수되는 10kgf/cm²이상의 급수압력을 상기 고차압용 다단감압밸브에 의해 8kgf/cm²이하의 급수압력으로 각 층에 개별적으로 급수하는 것을 특징으로 하는 고차압용 다단감압밸브를 이용한 급수시스템을 제공하여 건물의 급수에 적용하되 하나의 고압펌프와 급수라인으로 구성하여 설비 비용을 절감할 수 있으며, 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적한 급수 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

고차압용 다단감압밸브 {Multi-stage pressure reducing valve for high differential pressure }

본 발명은 다단감압밸브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 건물의 급수에 적용하되 하나의 고압펌프와 급수라인으로 구성하여 설비 비용을 절감할 수 있으며, 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적한 급수 공급할 수 있는 고차압용 다단감압밸브에 관한 것이다.

일반적으로, 감압밸브는 건물에 급수하는데 있어서, 높이에 따라 발생하는 차압을 최소화 하여 각 층에 원활한 급수를 수행할 수 있다.

최근 많은 고층 빌딩이 건설되고 있으며 이 건물들의 급수시스템은 대부분 부스터 펌프를 이용한 조닝방식을 택하고 있다.

도 1에 의하면, 건물의 층수가 높아질수록 배관이 복잡해지는데 높은 층으로 급수를 공급하기 위해서 높은 압력의 부스터 펌프가 필요하며 구역이 많이 나뉠수록 펌프의 수와 배관의 구역이 많아지므로 시설비용이 증가되는 문제점이 있다.

도 1을 참조하면, 배관과 펌프의 수가 층수가 높을수록 많아지는 것을 볼 수 있으며 이는 하나의 고압펌프로 저층부터 고층까지 사용한다면 저층부에는 고압이 공급되어 안정적인 급수공급이 불가능하기 때문이다.

또한, 고압을 저압으로 감압시킬 때 많은 문제점이 발생 하는데 이중 가장 큰 문제점은 캐비테이션에 의한 진동과 소음발생이다.

캐비테이션(공동현상)이란 액체가 관을 따라 흐를 때 오리피스와 같이 좁은 목부를 흐르는 경우 베르누이의 정리에 의해 압력이 저하 되는데 압력이 액체 온도의 포화증기압 이하로 떨어지면 물속에 기체가 발생하는 현상을 말한다.

기체가 고압의 영역에 이르면 강제로 없어지고 액체속에 포함되지만 강제로 없어짐과 동시에 심한 충격, 소음 그리고 진동을 일으켜 배관 및 부속물품을 파손시키고 거주자에게 소음과 진동으로 인한 심한 스트레스를 주는 문제가 발생하고 있다.

KR 10-2008-0054301 A

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 급수의 흐름에 따라 다단으로 압력을 감압시킴으로써 캐비테이션을 방지하면서도 배관 및 펌프 설비를 간략화하여 비용을 절감가능한 고차압용 다단감압밸브를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은 건물의 높이에 따라 감압밸브의 개수를 다양하게 적용할 수 있어 하나의 고압펌프와 급수라인으로 구성하여 설비 비용을 절감할 수 있으며, 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적한 급수 공급할 수 있는 고차압용 다단감압밸브 및 그를 이용한 급수시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 급수를 공급하는 급수라인에 연결 가능하며 상기 급수의 급수압을 감압시킬 수 있는 제1감압부 및 상기 제1감압부에 연결되며, 상기 제1감압부를 통과한 급수의 급수압을 감압시킬 수 있는 제2감압부를 포함하며, 상기 제1감압부는 중공으로 관통되어 상기 급수의 입구 및 출구를 갖는 제1감압하우징와; 상기 제1감압하우징의 출구 측에 결합되며, 내부에 중공부가 형성되고, 상기 제1감압하우징로부터 돌출 가능하게 구비되는 감압피스톤과; 상기 감압피스톤의 입구 측 단부에 구비되어 상기 제1감압하우징으로부터 좌우로 작동하여 유로의 개폐 정도를 조절하는 기능을 갖는 제1감압디스크를 포함하여 구성된 피스톤형 감압밸브이며, 상기 제1감압디스크의 단면적은 상기 감압피스톤의 출구 측 단부의 단면적보다 작고, 상기 제2감압부은 상기 급수가 통과할 수 있도록 상기 급수의 입구 및 출구를 포함한 유로를 갖는 제2감압하우징; 상기 제2감압하우징 내에 구비되며 승하강 작동에 의하여 상기 급수의 유로를 개폐가능한 스탬유닛; 상기 스탬유닛의 상부에 구비된 다이어프램; 및 상기 다이어프램의 상부에 구비되어 상기 다이어프램을 가압하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 고차압용 다단감압밸브를 제공한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 본 발명은 급수의 흐름에 따라 다단으로 압력을 감압시킴으로써 캐비테이션을 방지하면서도 배관 및 펌프 설비를 간략화하여 비용을 절감가능한 효과가 있다.

또한 건물의 높이에 따라 감압밸브를 필요한 압력 강하 정도에 따라 감압 정도를 다양하게 변화시켜 적용할 수 있어 고압펌프와 급수라인, 저수조를 대폭적으로 간략하게 구성하여 설비 비용을 절감할 수 있으며, 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적한 급수 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한 캐비테이션을 방지할 수 있기 때문에 부품 파손이나 고장의 발생 가능성이 줄어들어 추후 급수시스템의 관리 및 유지 보수 비용도 절감될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 급수시스템을 나타내는 개략도.
도 2는 유체가 밸브 및 오리피스를 통과할 때 발생하는 거리에 따른 압력 변화 상관관계를 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 급수시스템 변화를 나타내는 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브를 나타내는 단면구성도.
도 5는 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브에서 제2감압부의 작동상태를 나타내는 단면구성도.
도 6은 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브에서 제1감압부의 작동상태를 나타내는 단면구성도.
도 7은 캐비테이션 차트를 통해 본 종래의 감압밸브와 본 발명의 고차압용 다단감압밸브의 캐비테이션 위험도를 나타내는 차트.
도 8은 종래의 감압밸브와 본 발명의 고차압용 다단감압밸브를 통해 각각 감압시 거리에 따른 압력하강을 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브를 나타내는 다른 실시예 단면구성도.
도 10는 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브 및 거리에 따른 압력하강 그래프.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 고차압용 다단감압밸브 및 그를 이용한 급수시스템은 도 3 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 건물의 높이에 따라 스프링형 감압밸브 및 피스톤형 감압밸브(1201)를 연속적으로 연결한 고차압용 다단감압밸브(1000)를 적용하여 종래보다 간략화된 구성으로 압력펌프(4000)와 급수라인(3000)을 구성하여 설비 비용을 절감할 수 있으며, 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적하게 급수를 공급할 수 있는 급수시스템을 제공하고자 한다.

도 2를 참조하면, 급수가 밸브를 통과하며 감압될 때, 마치 오리피스 관을 흐르는 것과 같은 현상이 일어나며, 감압밸브는 좁은 면적을 통과하며 압력을 낮추는 원리를 이용하는데 압력 강하가 클수록 캐비테이션이 발생하게 된다.

감압밸브를 사용하여 압력(P₁)을 필요한 압력(P₂)으로 감압할 때, 압력은 목부가 가장 좁은곳(Vena Contracta)에서 최대속도로 흐르면서 압력이 급격하게 떨어지며, 이때, 포화증기압력(Pv)이하로 압력이 떨어지게 되면 캐비테이션이 발생하게 되는데 P1과 P2의 압력차이가 클수록 캐비테이션 발생 확률이 높아진다.

이 때 캐비테이션 지수나 차트를 이용하여 감압시 압력강하를 알맞게 조절하여 급수 내의 캐비테이션 발생을 방지할 수 있다.

식1)

배관 압력과 필요한 설정 압력이 정해져 있다면 식1의 캐비테이션 지수 계산법을 이용하여 캐비테이션 발생여부를 예측할 수 있다.

일반적으로 캐비테이션 지수가 0.5이하면 심각한 캐비테이션 발생 가능성을, 0.8이하면 캐비테이션에 의한 소음 발생 가능성을 예측된다.

도 7의 (a)와 같이, 캐비테이션 영역(Cavitation Zone), 소음발생 영역(Noisy Zone) 그리고 안전 영역(Safety Zone) 3가지 영역으로 나누어져 1, 2차측 사이의 압력차이가(감압) 클수록 캐비테이션 및 소음발생 확률이 높아진다. 즉, 도 7의 (a)에 위치한 빨간 점과 같이 캐비테이션 영역에 위치할 확률이 커진다.

이런 이유로 감압을 할 때 1단 감압보다는 다단감압을 이용하여 배관 내 압력을 서서히 낮추는 것이 캐비테이션 발생을 예방하여 배관 및 부속품 보호에 유리하다.

도 4 내지 도 6에 도시와 같이, 상기 고차압용 다단감압밸브(1000)는 건물 급수라인(3000)에 연결되어 급수압을 감압시킬 수 있도록 다이어프램을 포함한 스프링형 감압밸브로 이루어진 제2감압부(1100)와; 상기 제2감압부(1100)의 입구 측에 하나 이상 직렬로 연결되어 상기 제2감압부(1100)를 통과하기 전에 급수압을 감압시키는 제1감압부(1200)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1감압부(1200)는 상기 제2감압부(1100)에 연결되는 제1감압하우징(1210)과, 이 제1감압하우징(1210)의 내부에 구비되는 감압피스톤(1220) 및 제1감압디스크(1230)를 포함하는 피스톤형 감압밸브(1201)로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 제2감압부(1100)는 스프링형 감압밸브로 구성될 수 있다.

일 실시예로서, 스프링형 감압밸브에 피스톤형 감압밸브(1201)가 한 개가 연결되거나 또는 한 개 이상이 연속적으로 연결되어 본 발명의 고차압용 다단감압밸브(1000)를 구성할 수 있다.

상기 피스톤형 감압밸브(1201)는 제1감압하우징(1210)과, 이 제1감압하우징(1210)의 내부에 구비되는 감압피스톤(1220) 및 제1감압디스크(1230)를 포함할 수 있으며, 상기 제1감압부(1220)는 한 개 또는 한 개 이상의 상기 피스톤형 감압밸브(1201)를 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 제1감압하우징(1210)은 양단 둘레에 관이음 가능하게 체결 결합되도록 나사부(1211)가 형성되고, 중공으로 관통되어 내측에 공간부(1213)가 형성되며 급수의 입구 및 출구를 갖는다.

상기 감압피스톤(1220)은 상기 제1감압하우징(1210)의 출구 측에 삽입으로 결합되며, 중공부(1221)가 관통 형성되고, 상기 제1감압하우징(1210)의 내벽을 따라 이동 가능하게 구비될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 감압피스톤(1220)의 외형은 길이 방향을 따라 단차 형성되어 전단 부분은 상기 제1감압하우징(1210)의 출구 측에 삽입되고, 후단 부분은 제1감압하우징(1210)의 외부로 노출 되도록 형성되며, 상기 감압피스톤(1220)의 전단 부분에 둘레에는 급수의 누수 방지를 위해 전단오링(1222) 및 전단백업링(1223)이 구비되고, 후단 부분에 둘레에는 급수의 누수 방지를 위해 후단오링(1224) 및 후단백업링(1225)이 구비될 수 있다.

그리고, 상기 제1감압디스크(1230)는 상기 공간부(1213)에 수용됨과 아울러, 상기 감압피스톤(1220)의 단부에 일체로 구비되어 상기 제1감압하우징(1210)의 입구 측의 유로에서 좌우로 작동하여 유로의 개폐 정도를 조절하며 압력을 조절할 수 있다. 상기 감압피스톤(1220)의 입구 측(전단 부분) 단면적은 상기 감압피스톤(1220)의 출구 측 단부(후단 부분)의 단면적보다 작게 형성된다.

파스칼의 원리에 의해 급수의 힘은 적용 압력과 적용 단면적의 곱으로 나타낼 수 있으며 급수의 힘에 의해 피스톤이 움직이면서 압력이 조절될 수 있다.

즉, 상기 피스톤형 감압밸브(1201)에 파스칼의 원리를 적용하면 상기 입구 측을 통과하는 급수의 압력(P1)과 상기 제1감압디스크(1230)의 면적(A1)을 곱한 값(입구 측 힘; F1)과 상기 출구 측을 통과하는 급수의 압력(P2)과 감압피스톤(1220)의 출구 측 단부(후단 부분)의 면적(A2)을 곱한 값(출구 측 힘; F2)이 동일할 때는 양측의 힘이 평형상태로 감압피스톤(1220)이 움직이지 않는다. 상기 피스톤형 감압밸브(1201)의 입구 측 힘(F1)이 출구 측 힘(F2)에 비해 상대적으로 크면 제1감압디스크(1230)가 입구 측 유로를 개방하고, 상기 피스톤형 감압밸브(1201)의 입구 측 힘(F1)이 출구 측 힘(F2)에 비해 상대적으로 작으면 제1감압디스크(1230)가 입구 측 유로를 폐쇄하는 피스톤 작동을 통해 급수의 압력을 감압할 수 있다.

도 6을 참조하여 상기 피스톤형 감압밸브(1201)의 작동원리를 상세히 설명한다. 감압피스톤(1220)에서 급수가 유입되는 제1감압디스크(1230) 부분의 직경 또는 감압피스톤(1220)의 입구측(전단 부분) 직경을 D1이라 하고, 급수가 감압되어 나가는 감압피스톤(1220)의 출구측(후단 부분) 직경을 D2로 정의하고, 감압되기 전의 급수의 압력을 P1, 제1감압디스크(1230)를 지나 감압 된 급수의 압력을 P2라고 정의한다.

이 때 상기 감압피스톤(1220)의 입구측 직경 또는 상기 제1감압디스크(1230) 부분의 직경(D1)에 대한 면적(A1)과 상기 감압피스톤(1220)의 출구측 직경 직경(D2)에 대한 면적(A2)비로 상기 피스톤형 감압밸브(1201)의 감압비가 정해진다. 즉 D1과 D2의 직경비 또는 A1과 A2의 면적비를 조정함으로써 피스톤형 감압밸브(1201)의 감압비를 용이하게 설정할 수 있다.

즉, 감압피스톤(1220)에 적용되는 힘이 P1 × A1 = P2 × A2일 때 힘이 평형상태로 감압피스톤(1220)이 움직이지 않는다.

감압피스톤(1220)의 출구측 단부 또는 제1감압디스크(1230)를 지난 급수의 압력(P2)이 높아져서 P1 × A1 < P2 × A2 상태가 되면 힘이 입구측 방향으로 작용하여 도 6의 오른쪽 그림과 같이 제1감압디스크(1230)또는 감압피스톤(1220)의 입구측 단부가 급수의 입구 유로를 폐쇄하면서 P2의 압력을 낮아지게 한다.

반대로, P2의 압력이 낮아져 P1 × A1 > P2 × A2 상태가 되면 힘이 P1의 방향으로 작용하고 도 6의 왼쪽과 같이 제1감압디스크(1230)가 열리면서 P2의 압력을 높아지게 된다.

이와 같은 작용으로 1차적인 감압은 감압피스톤(1220)의 직경비에 의해 감압비가 정해지며 직경을 변경하여 감압비율을 조절할 수 있다.

또한, 상기 제1감압부(1200)는 상기 피스톤형 감압밸브(1201)가 1개 또는 2개 이상 연속적으로 연결되어 구성될 수 있다.

즉, 건물(6000)의 최하층에서는 압력펌프(4000)의 급수압이 상대적으로 높으므로 제1감압부(1200)의 피스톤형 감압밸브(1201)를 2개 이상 다수개 연속적으로 연결 설치하여 높은 감압비를 얻고, 반대로 건물(6000)의 상층으로 갈수로 압력펌프(4000)의 급수압이 떨어지게 되므로 피스톤형 감압밸브(1201)를 연결 개수를 적어지도록 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 제2감압부(1100)는 스프링형 감압밸브로 급수가 통과할 수 있도록 입구 및 출구를 포함한 유로를 갖는 제2감압하우징(1110)을 포함하고, 상기 제2감압하우징(1110)에의 내부에는 승하강 작동에 의하여 상기 유로를 개폐가능한 스탬유닛(1120)과, 상기 스탬유닛(1120)의 상부에 구비된 다이어프램(1140), 그 상부에 다이어프램(1140)을 가압하는 스프링(1130)을 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 제2감압부(1100)는 상기 스프링(1130)을 커버하는 스프링하우징(1150)과, 볼트와 너트 조임으로 스프링(1130)의 탄성력을 조절하는 조절부(1160)를 더 포함할 수 있다.

일 실시예로서, 도 4를 참조하면 상기 스탬유닛(1120)은 상기 제2감압하우징(1110)의 입구측 내부에 구비되며, 상단에는 다이어프램(1140)이 하단에는 제2감압디스크(1170)가 각각 결합되는 스탬(1121)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 스탬유닛(1120)은 상기 스탬(1121)의 승하강 운동을 가이드하는 스탬가이드(1122), 상기 제2감압디스크(1170)가 결합되는 디스크홀더(1123), 2차감압시트(1124)를 더 포함할 수 있다.

상기 스탬가이드(1122)는 상기 제2감압하우징(1110)의 내부에 고정되며, 상기 스탬(1121)의 승하강을 가이드한다.

상기 디스크홀더(1123)는 상기 스탬(1121)의 하단에 구비되는 제2감압디스크(1170)를 파지한다.

상기 2차감압시트(1124)는 상기 스탬가이드(1122)와 부착되어 상기 제2감압하우징(1110)의 입구측 내부에 구비되며 여과망(1125)을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 다이어프램(1140) 및 제2감압디스크(1170)의 고정을 위해 상기 스탬(1121)의 상/하단에 한 쌍의 스탬고정너트(1126)가 체결된다.

상기 스탬가이드(1122)와 제2감압하우징(1110)의 사이에는 급수가 상부의 다이어프램(1140)으로 누수되는 것을 방지하는 스탬가이드오링(1127)이 구비될 수 있다.

한편, 상기 다이어프램(1140)의 상부에는 상기 스프링(1130)의 접촉에 의해 다이어프램(1140) 파손을 방지하는 다이어프램플레이트(1128)가 구비되고, 상기 다이어프램(1140)의 테두리를 따라 스프링하우징(1150)에 결합되어 스프링하우징(1150)이 체결됨에 따라 다이어프램(1140)이 회전하지 않도록하는 다이어프램가이드(1129)가 구비될 수 있다.

또한, 상기 조절부(1160)는 조절볼트(1161), 조절너트(1163), 스프링시트(1165)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 조절볼트(1161)는 상기 스프링하우징(1150)의 상단에 체결로 관통 결합되어 회전 방향에 따라 승하강 작동할 수 있다.

상기 조절너트(1163)는 상기 스프링하우징(1150)의 상단에 상/하 대응으로 구비됨과 아울러, 상기 조절볼트(1161)에 체결 결합되어 상기 조절볼트(1161)의 높이를 고정할 수 있다.

상기 스프링시트(1165)는 상기 스프링(1130)과 상기 조절볼트(1161)의 하단 사이에 구비되어 상기 조절볼트(1161)에 의한 가압을 상기 스프링(1130)에 전달할 수 있다.

도 5를 참조하면, 왼쪽은 스탬유닛(1120)의 제2감압디스크(1170)가 제2감압하우징(1110) 내의 급수의 유로를 개방시켜 급수를 통과시키고, 오른쪽은 스탬유닛(1120)의 제2감압디스크(1170)가 제2감압하우징(1110) 내의 급수의 유로를 폐쇄하여 급수의 흐름를 차단하는 도면이다. 제2감압부(1100)에서의 2차 감압은 스프링(1130)의 힘에 따라 설정되는 것으로 상기 조절부(1160)의 조절 정도에 따라 상기 스프링(1130)을 누르면 스프링(1130)의 탄성력에 의해 다이어프램(1140)을 가압하는 힘이 발생하게 된다.

상기 스프링(1130)의 누르는 힘을 Fs라고 정의하고, 이 Fs는 스탬유닛(1120)을 통해 제2감압디스크(1170)를 누르는 힘으로 전달된다.

급수가 제2감압디스크(1170)를 지나면서 2차 감압이 이루어지는데 이때의 압력(P3)이라고 하면, 제2감압하우징(1110)의 감지관(1111)을 통해 압력 P3가 다이어프램(1140) 하부에 감지된다.

따라서, P3와 다이어프램(1140)의 유효직경(D3)에 대한 면적(A3)의 곱으로 다이어프램(1140)을 들어 올리는 힘이 전달되고 스탬유닛(1120)을 통해 제2감압디스크(1170)가 들어 올려지게 된다.

즉, 스프링(1130)에 의해 누르는 힘과 다이어프램(1140)이 들어올리는 힘으로 제2감압디스크(1170)가 유로를 개방하고 폐쇄하면서 2차 감압이 조절되는데 이때 P3 × A3 가 Fs와 같으면 힘이 평형이 유지되어 제2감압디스크(1170)가 움직이지 않는다.

상기 제2감압디스크(1170)를 지나는 압력(P3)이 높아져서 작용하는 힘이 P3 X A3 > Fs 상태가 되면, 상기 다이어프램(1140)이 올라가면서 도 5의 오른쪽과 같이 제2감압디스크(1170)가 상승하여 유로가 차단되어 P3가 낮아지게 된다.

반대로, P3가 낮아져 작용하는 힘이 P3 × A3 < Fs 상태가 되면 도 5의 왼쪽 그림과 같이 스프링(1130)의 누르는 힘에 의해 스탬유닛(1120)이 하강하여 제2감압디스크(1170)가 유로를 개방하게 된다.

상기 조절부(1160)를 조절하여 누르면 스프링(1130)의 탄성력이 훅의 법칙(스프링의 탄성력 = 스프링상수 X 스프링길이변화)에 의해 커진다.

따라서, 탄성력이 커지면 제2감압디스크(1170)를 닫기 위해서 더 큰 힘이 필요하게 되는데 다이어프램(1140)의 유효직경(D3)은 변하지 않기 때문에 P3가 커지게 된다.

따라서, 제2감압부(1100)의 2차 감압은 스프링(1130)의 탄성력(눌림양)에 의해 설정압력을 쉽게 조절할 수 있고, 이에 따라 제2감압부(1100)에서의 감압비를 용이하게 조절할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브는 상기 감압피스톤(1220)의 입구 측 단부의 단면적과 상기 감압피스톤(1220)의 출구 측 단부의 단면적의 비율과 상기 스프링(1130)의 탄성력을 함께 또는 각자 조절함으로써 급수의 감압비를 용이하게 조절가능하다.

상기와 같이 구성된 고차압용 다단감압밸브(1000)를 건물(6000)의 급수라인(3000)에 적용한다면 도 3과 같이 압력펌프(4000)와 급수라인(3000)을 기존(도 3의 왼쪽) 대비 간략하게 구성하여도(도 3의 오른쪽) 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적한 급수공급이 가능하게 할 수 있다.

즉, 기존에는 펌프의 캐비테이션을 방지하기 위하여 저층부에서는 낮은 압력, 고층부는 높은 압력으로 공급하는 등 별도의 펌프를 설비하여야 하고 때로는 건물 중층에 별도의 저수조와 펌프를 다시 구비해야 하는 설계상의 어려움이 있었지만, 본 발명의 고차압용 다단감압밸브(1000)를 이용한 급수시스템은 급수를 다단 감압하여 캐비테이션을 방지하기 때문에 도1과 같은 복잡한 구성의 저수조 및 펌프 설비가 없더라도 건물(6000)에 구비되어 상수도관(7000)을 통해 공급되는 물을 저수하는 저수조(2000)로 충분할 수 있다.

상기 저수조(2000)에는 최고층까지 이어지는 급수라인(3000)이 연결될 수 있으며, 상기 저수조(2000)의 출구 측 급수라인(3000)에는 상기 급수라인(3000)을 따라 설정된 압력으로 물을 공급하는 압력펌프(4000)가 구비될 수 있다.

상기 건물(6000)의 각 층에는 상기 급수라인(3000)에 연결되는 각각의 개별라인(5000)이 각각 구비될 수 있다.

그리고, 상기 개별라인(5000)에는 급수압력을 감압시키는 본 발명에 따른 고차압용 다단감압밸브(1000)가 각각 구비될 수 있다.

일 실시예로서, 급수시스템은 상기와 같이 구성되어 상기 고압펌프(4000)에 의해 급수되는 10kgf/cm²이상의 급수압력을 상기 고차압용 다단감압밸브(1000)에 의해 8kgf/cm²이하의 급수압력으로 각 층에 개별적으로 급수할 때 캐비테이션이 발생하지 않으면서 안정적으로 감압시킬 수 있다.

이하 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 고차압용 다단감밸브(1000)에서 캐비테이션이 발생하지 않는 원리를 설명한다.

일반적으로 감압밸브에 급수가 흐를 때 밸브의 가장 좁은 목부(Vena contracta)에서 유속이 빨라지기 때문에 베르누이 원리에 의하여 밸브의 입구 또는 출구보다 압력이 더 낮아지는 현상이 발생한다.

감압밸브의 입구와 출구를 통과하면서 급수의 감압을 할 때 압력 그래프는 도 8과 같이 그려진다.

도 8의 (a)와 같이, 기존의 감압밸브를 통한 압력하강 그래프를 보면 밸브 목부(Vena contracta)에서 순간적으로 포화증기압 이하로 압력이 낮아지는 현상이 발생하고 이때 캐비테이션이 발생함을 보여준다.

반면에, 도 8의 (b)와 같이 본 발명에 따른 2단 감압을 할 때에 대한 압력 하강 그래프를 참조하면, 다단감압을 이용하여 1차 감압 및 2차 감압시에 밸브 목부에서도 포화증기압 이하로 압력이 하강하는 것이 방지됨을 보여준다.

따라서, 본 발명과 같이 다단으로 감압하는 경우 캐비테이션 발생을 예방하여 급수를 더 안정적으로 사용할 수 있도록 한다.

예를 들어, 20kgf/cm²의 고압펌프(4000)를 사용하고 3kgf/cm²이하로 감압하여 사용하는 건물(6000)의 세대에서는 1단 감압만 수행하는 경우 심한 캐비테이션이 발생하게 된다.

이를 해결하기 위하여 기존에는 각 층별로 구역을 나누어 캐비테이션 발생을 방지하도록 배관 설계를 해야 했다.

즉, 도 7의 (a)와 같이 1단 감압만 수행하는 경우 20kgf/cm²을 3kgf/cm²로 단일 감압할 때는 캐비테이션 차트에서의 위험도 위치에 해당되며, 만일 1단 감압비가 5:2이고, 2단 감압 출구에서 설정 압력이 3kgf/cm²로 설정 된다면, 1단 감압에서 20kgf/cm²의 압력이 8kgf/cm²로 감압되고, 2단 감압에서 8kgf/cm²의 압력을 3kgf/cm²로 감압하게 되어 도 7의 (b)와 같이, 캐비테이션 표를 살펴보면 캐비테이션 발생으로부터 안정적인 구간(Safety Zone)에 속하기 때문에 배관을 구역별로 나누어 별도의 저수조나 펌프 등을 설치할 필요가 없어 설비 비용을 절감할 수 있다.

즉, 도 7의 (b)에서 표현된 바와 같이, 20kgf/cm²을 3kgf/cm²로 다단 감압할 때 캐비테이션 차트에서의 위험도 위치에서 벗어나 고차압에서 사용 가능한 고차압 다단감압밸브(1000)는 급수라인(3000)을 단순화 하여 불필요한 설비비용을 줄이고 캐비테이션 발생 방지하여 쾌적한 주거환경을 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예로서, 감압밸브에 입력되는 압력과 출구 측의 설정압력의 차이가 커지면 도 9 및 도 10과 같이 감압 단수를 늘려 다단감압을 구현할 수 있다.

입구측과 출구측의 압력 차이가 높아지면 캐비테이션이 발생할 확률이 높아지게 되므로 감압하는 횟수를 늘려 밸브 목부(Vena contracta)에서 압력이 낮아질 때 포화증기압 이하로 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

도 9를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1감압부(1200)는 상기 피스톤형 감압밸브(1201)가 2개 이상 연속적으로 연결되어 구성된다. 따라서 상기 피스톤형 감압밸브(1201)의 감압비가 중첩되어 적용됨으로써 감압 효과를 증가시킬 수 있다. 제1감압하우징(1210)은 일체로 형성될 수도 있으며, 또는 복수개가 연결가능하도록 형성될 수도 있다. 기타 본 실시예의 다른 구성요소들은 실질적으로 도 4와 동일하므로 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 10의 상단부분은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3단 감압 밸브의 형상이고 도 10의 하단 부분은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3단 감압밸브에서의 압력 변화를 그래프로 표현한 것이다.

도 10의 도시와 같이, 1개의 스프링형 감압밸브와 2개의 피스톤형 감압밸브(1201)를 포함하여 3단으로 구성된 다단감압밸브 단면도(A)와 거리에 따른 압력 분포그래프를 참조하면 2단에 비해 보다 높은 압력 차이의 경우에도 캐비테이션 발생없이 감압을 수행할 수 있음을 알 수 있다. 또한 피스톤형 감압밸브를 더 적용함으로써 3단 이상의 감압밸브도 구성이 가능하며, 더 높은 압력차이를 감압가능하게 된다.

또한, 상기 건물(6000)의 높이에 따라 각 층별로 상기 고차압용 다단감압밸브(1000)에 연결되는 피스톤형 감압밸브(1201)의 연결 개수를 차등 하여 적용할 수 있다. 예를 들면, 건물의 1층에서는 n단, 층수가 올라갈수록 단수를 감소시키며 적용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 건물의 높이에 따라 감압밸브의 개수를 다양하게 적용할 수 있어 압력펌프와 급수라인의 구성을 간략화하여 설비 비용을 절감할 수 있으며, 저층부부터 고층부까지 안정적이고 쾌적한 급수 공급할 수 있는 효과가 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1000: 고차압용 다단감압밸브
1100: 제2감압부
1110: 제2감압하우징
1111: 감지관
1120: 스탬유닛
1121: 스탬
1122: 스탬가이드
1123: 디스크홀더
1124: 2차감압시트
1125: 여과망
1126: 스탬고정너트
1127: 스탬가이드오링
1128: 다이어프램플레이트
1129: 다이어프램가이드
1130: 스프링
1140: 다이어프램
1150: 스프링하우징
1160: 조절부
1161: 조절볼트
1163: 조절너트
1165: 스프링시트
1170: 제2감압디스크
1200: 제1감압부
1210: 제1감압하우징
1211: 나사부
1213: 공간부
1201: 피스톤형 감압밸브
1220: 감압피스톤
1221: 중공부
1222: 전단오링
1223: 전단백업링
1224: 후단오링
1225: 후단백업링
1230: 제1감압디스크
2000: 저수조
3000: 급수라인
4000: 압력펌프
5000: 개별라인
6000: 건물
7000: 상수도관
A1, A2, A3: 면적
D1, D2, D3: 직경
F1, F2, Fs: 힘
P1, P2, P3: 압력

Claims

급수를 공급하는 급수라인에 연결 가능하며 상기 급수의 급수압을 감압시킬 수 있는 제1감압부(1200); 및
상기 제1감압부(1200)에 연결되며, 상기 제1감압부(1200)를 통과한 급수의 급수압을 감압시킬 수 있는 제2감압부(1100)를 포함하며,
상기 제1감압부(1200)는,
중공으로 관통되어 상기 급수의 입구 및 출구를 갖는 제1감압하우징(1210)과;
상기 제1감압하우징(1210)의 출구 측에 결합되며, 내부가 중공으로 관통 형성되고, 상기 제1감압하우징(1210)의 내벽을 따라 이동 가능하게 구비되는 감압피스톤(1220)과;
상기 감압피스톤(1220)의 입구 측 단부에 구비되어 상기 제1감압하우징(1210)의 입구측의 유로의 개폐 정도를 조절 가능한 제1감압디스크(1230)를 포함하여 구성된 피스톤형 감압밸브(1201)이며,
상기 감압피스톤(1220)의 입구 측 단부의 단면적은 상기 감압피스톤(1220)의 출구 측 단부의 단면적보다 작고,
상기 제2감압부(1100)는,
상기 급수가 통과할 수 있도록 상기 급수의 입구 및 출구를 포함한 유로를 갖는 제2감압하우징(1110);
상기 제2감압하우징(1110) 내에 구비되며 승하강 작동에 의하여 상기 유로를 개폐가능한 스탬유닛(1120);
상기 스탬유닛(1120)의 상부에 구비된 다이어프램(1140); 및
상기 다이어프램(1140)의 상부에 구비되어 상기 다이어프램(1140)을 가압하는 스프링(1130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고차압용 다단감압밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 제1감압부(1200)는,
상기 피스톤형 감압밸브(1201)가 2개 이상 연속적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고차압용 다단감압밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 감압피스톤(1220)의 입구 측 단부의 단면적과 상기 감압피스톤(1220)의 출구 측 단부의 단면적의 비율 또는 상기 스프링(1130)의 탄성력을 조절함으로써 상기 급수의 감압비를 조절하는 것을 특징으로 하는 고차압용 다단감압밸브.