KR20220138476A - 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브 - Google Patents

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김민서
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주식회사 케이브이엔텍
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Abstract

본 발명에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브는 밸브바디(100), 샤프트(300), 디스크(500), 바디시트(700) 및 디스크시트(900)를 포함하고, 상기 샤프트(300)는 삼중 편심된 위치에 형성되며,
상기 디스크시트(900)는 상기 디스크(500)와 이동마진을 갖도록 형성되어 상기 디스크(500)의 회전에 따라 상기 디스크시트(900)가 상기 바디시트(700)와 접촉 내지 이격되면, 상기 디스크시트(900)가 수평방향으로 왕복이동가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 개폐 동작에 따른 디스크시트 및 바디시트의 상호 접촉 또는 이격에 따라, 상기 디스크 시트가 상기 이동마진 내에서 왕복 이동 되면서 회전 중심의 편심에 따른 시트면에 가해지는 힘의 불균형을 해소함으로서,
양방향의 기밀성능이 구현되도록 하는 효과가 있으며 이를 통해, 고온 고압의 환경이나 극저온 환경에서도 사용될 수 있도록 한다.

Description

양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브{Triple offset type butterfly valve for bi-directional sealing}
본 발명은 버터플라이 밸브에 관한 것으로, 특히 초고압 환경에서도 사용될 수 있는 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브에 관한 것이다.
버터플라이 밸브는 원판형 디스크가 샤프트를 중심으로 일정 각도로 회전하여 관로를 개폐하는 밸브로서, 주로 저압의 유체를 통제하는 데 사용되어왔다.
버터플라이 밸브는 개폐 동작이 단순하여 그 제작이 매우 용이하고 다양한 구조에도 쉽게 설치가 가능한 장점이 있다.
이러한 버터플라이 밸브의 장점을 십분 활용하면서도 버터플라이 밸브가 고온, 고압의 환경에서도 사용될 수 있도록 당업계에서는 다양한 연구가 진행되어 왔으며 이에 따라 삼중 편심형 버터플라이 밸브가 개발되기에 이르렀다.
도 1을 참조하면, 종래의 편심형 버터플라이 밸브는 디스크의 회전 중심이 관로의 중심에서 X축, Y축으로 설정거리만큼 어긋나도록(Aa, Ab)하는 이중 편심형 버터플라이 밸브로부터,
디스크와 밸브바디의 상호 접촉이 발생되는 시트면이 비대칭형으로 제작되는, 즉, 시트면의 연장선이 교차하는 교차점이 관로의 단면 중심선과 어긋나도록(Ac)하는 삼중 편심형 버터플라이 밸브가 개발되었다.
이러한 버터플라이 밸브의 삼중 편심을 통해 중간 개도에서는 일절 접촉이 일어나지 않고 실링포인트에서는 완전 기밀을 형성하는, 즉, 디스크의 회전에 따른 가장자리와의 충돌이 없이 부드러운 개폐동작이 가능하도록 하면서도 기밀성을 유지할 수 있는 밸브가 개발되었다.
다만, 이러한 종래의 삼중 편심형 버터플라이 밸브의 경우에는 양방향 기밀성능에는 단점이 있으며, 이러한 양방향 기밀상의 단점으로 인해 고온 고압의 환경 또는 극저온 환경에서는 그 사용에 한계가 있다.
특히, 회전 중심이 편심됨에 따라 회전 중심으로부터 가장자리까지의 거리가 동일하게 형성되지 않음으로서, 시트에 반복적으로 가해지는 하중의 크기도 시트의 구역별로 차이가 나며,
그로 인해, 불균일한 시트마모 및 시트교체주기 단축 등이 발생하는 문제가 있어왔다.
나아가, 불균일한 시트마모에 의해 초기 설정된 실링포인트가 계속 변경되므로, 사용에 따른 기밀저하가 가속되는 문제도 발생해 왔다.
한편, 선행발명으로 디스크는 금속소재로 하고, 시트는 탄성 성질을 갖는 이종소재로 하여 이러한 시트의 탄성력을 통해 양방향 기밀 성능을 확보하기 위한 것들이 다수 제안된 바 있으나,
탄성 성질을 갖는 이종소재는 대부분 수입에 의존하게 되어 제작 단가에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 안정적인 가격으로 해당 소재를 수급하는 것에도 한계점이 있다.
대한민국, 등록특허공보 제10-1926673호(등록일: 2018.12.03.) 대한민국, 등록특허공보 제10-1916006호(등록일: 2018.11.01.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 양방향 기밀성능을 구현하여, 고온 고압의 환경이나 극저온 환경에서 사용될 수 있는 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.
본 발명에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브는 유로가 형성된 밸브바디(100), 상기 유로를 가로지르도록 상기 밸브바디(100)에 결합된 샤프트(300), 상기 샤프트(300)를 중심으로 회전가능하도록 결합되어 상기 유로를 개폐하는 디스크(500), 상기 유로에 결합되는 환형상으로서, 내주면 기울기가 연속적으로 변하여 단면 형상이 비대칭인 경사면을 이루는 바디시트(700) 및 외주면이 상기 바디시트(700)의 내주면에 형합되는 형상으로서, 상기 디스크(500)에 결합되는 디스크시트(900)를 포함하며, 상기 샤프트(300)가 상기 디스크(500)의 수평 중심에서 소정거리만큼 수평방향으로 이격되는 1차 편심(Aa), 상기 디스크시트(900)가 결합된 위치에서 소정거리만큼 수직방향으로 이격되는 2차 편심(Ab) 및 상기 바디시트(700)의 내주면으로부터 연장선을 그어 형성되는 원뿔의 꼭지점이 상기 디스크(500)의 수평 중심에서 수직방향으로 연장한 연장선으로부터 소정거리만큼 이격되는 3차 편심(Ac)되어 삼중 편심점(A)에 위치하여상기 삼중 편심(A)을 통해 상기 디스크(500)가 상기 밸브바디(100)로부터 부드럽게 회전되도록 하는 삼중 편심 버터플라이 밸브에 있어서, 상기 디스크(500)는 일면에 상기 샤프트(300)가 관통되는 샤프트결합부(511)가 형성되고, 타면에 상기 디스크시트(900)가 결합되는 시트고정부(513)가 형성되는 디스크상판(510) 및 판상으로서 상기 시트고정부(513)와 접촉되며 디스크체결구(550)로 상기 디스크상판(510)과 결합되는 디스크하판(530)을 포함하는 구성으로 이루어지며,
상기 디스크시트(900)에는 상기 디스크체결구(550)가 관통되는 시트체결공(910) 및 상기 시트고정부(513)에 삽입되는 상판삽입공(930)이 형성되되, 상기 시트체결공은 상기 디스크체결구(550)와 제1 이동마진(Ba)을 갖도록 형성되고, 상기 상판삽입공(930)은 상기 시트고정부(513)와 제2 이동마진(Bb)을 갖도록 형성되어, 상기 디스크(500)의 회전에 따라 상기 디스크시트(900)가 상기 바디시트(700)와 접촉 내지 이격되면, 상기 디스크시트(900)가 수평방향으로 왕복이동가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바디시트(700)는 상기 유로와 제3 이동마진(Bc)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로도 한다.
그리고, 상기 디스크시트(900)는 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로도 한다.
본 발명에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브는 디스크 시트와 디스크가 체결됨에 있어서 이동마진이 형성되도록 설계되어,
개폐 동작에 따른 디스크시트 및 바디시트의 상호 접촉 또는 이격에 따라, 상기 디스크 시트가 상기 이동마진 내에서 왕복 이동 되고,
이에 따라 디스크시트 및 바디시트의 접촉 시 발생되는 충격을 완화시키는 효과가 있으며, 회전중심으로부터 시트면 까지의 거리가 변경되면서 회전 중심의 편심에 따른 시트면에 가해지는 힘의 불균형을 해소되도록 하는 효과가 있다.
이를 통해, 양방향의 기밀성능이 구현되도록 하는 효과가 있으며, 고온 고압의 환경이나 극저온 환경에서도 사용될 수 있도록 한다.
또한, 상술한 바와 같은 이동마진에 의한 양방향 기밀 성능 구현은 금속소재으로만 구성이 가능한 것이므로, 저렴한 제작 단가 및 안정된 가격으로 해당 소재를 수급 가능하므로 그 제작에 용이성이 있다.
도 1은 종래의 삼중 편심 버터플라이 밸브의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브의 전체 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브의 삼중 편심에 따른 토크 거리의 차이를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브의 이동마진을 나타내기 위한 확대도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브를 상세히 설명한다. 이러한 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 전달하기 위한 것으로서 제시된 실시 예만으로 한정되는 것은 아니며,
본 발명의 기술적 사상을 보다 명확하게 하기 위하여, 도면상에서 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하거나 구성의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있도록 하였다.
먼저, 도 2를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브는 밸브바디(100), 샤프트(300), 디스크(500), 바디시트(700) 및 디스크시트(900)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
밸브바디(100)에는 유로가 형성되며, 상기 밸브바디(100)에는 상기 유로를 가로지르도록 설치되는 샤프트(300)가 구비된다. 디스크(500)는 상기 디스크(500)의 상측에 돌출 형성된 샤프트결합부(511)에 상기 샤프트(300)가 결합되며,
상기 밸브바디(100)의 일측에 마련된 구동모듈(미도시)에 의해 상기 샤프트(300) 및 샤프트(300)에 결합된 디스크(500)가 샤프트(300)를 회전중심으로 회전 구동 되면서 유로의 개폐 동작을 수행한다.
여기서, 기밀 향상을 위하여 시트가 구비되며, 상기 밸브바디(100)에는 상기 유로를 따라 바디시트(700)가 결합되고, 상기 디스크(500)에는 디스크시트(900)가 결합된다.
상기 바디시트(700)는 상기 유로를 따라 결합되는 환형상으로서, 내주면 기울기가 연속적으로 변하여 단면 형상이 비대칭인 경사면을 이룬다. 또한, 상기 디스크시트(900)는 외주면이 상기 바디시트(700)의 내주면에 형합되는 형상으로 구성된다.
이에 따라, 상기 바디시트(700) 및 상기 디스크시트(900)가 접촉 또는 이격되면서 유로가 개폐되며, 유로 상의 유체의 흐름 및 유량 조절 또는 차단된다.
여기서, 상기 샤프트(300)는 삼중 편심된 위치에 설치되며, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 디스크(500)의 수평 중심에서 소정거리만큼 수평방향으로 이격되는 1차 편심(Aa),
상기 디스크시트가 결합된 위치에서 소정거리만큼 수직방향으로 이격되는 2차 편심(Ab) 및 상기 바디시트(700)의 내주면으로부터 연장선을 그어 형성되는 원뿔의 꼭지점이 상기 디스크(500)의 수평 중심에서 수직방향으로 연장한 연장선으로부터 소정거리만큼 이격되는 3차 편심(Ac)되어 삼중 편심점(A)에 위치함으로서,
상기 삼중 편심점(A)을 회전 중심으로 회전되면, 중간 개도에서는 바디시트(700) 및 디스크시트(900)가 상호 접촉되지 않고 구동되며, 실링포인트에서는 완전히 접촉이 이루어 지도록 회전 반경이 형성되는 것이므로,
이러한 삼중 편심 구조를 통해 시트 마찰에 의한 마모가 최소화되어 부드러운 동작성능이 구현되면서도, 실링포인트에서는 완전한 기밀 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상술한 삼중 편심 구조의 효과를 구현하면서도 도 2에 도시된 바와 같은 중심거리(Ca, Cb)의 차이에 따라 시트면에 작용되는 하중의 불균형으로 인해 발생되는 "시트의 불균일한 마모현상", "마모에 따른 초기위치의 변경"으로 인한 기밀 성능의 저하를 늦추기 위하여,
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브는 디스크(500)와 디스크시트(900)가 이동마진을 갖도록 형성되어,
중심거리(Ca, Cb)의 차이에 따른 힘의 불균형으로 인해 발생되는 시트의 불균일한 마모현상과, 마모에 따른 초기위치의 변경으로 인한 기밀 성능 저하를 늦출 수 있도록 한다.
자세하게는, 디스크(500)는 디스크상판(510) 및 디스크하판(530)을 포함하는 분리된 구성으로 이루어지며,
상기 디스크상판(510)은 일면에 상기 샤프트(300)가 관통 및 결합되는 샤프트결합부(511)가 돌출 형성되고, 타면 중앙에는 소정 두께로 시트고정부(513)가 돌출 형성된다.
상기 디스크하판(530)은 원판상으로서 상기 디스크상판(510)의 타면에 체결되며, 상기 디스크상판(510) 및 하판(530)의 사이에는 디스크시트(900)가 결합된다.
여기서, 상기 디스크상판(510), 디스크시트(900) 및 디스크하판(530)을 관통하여 방사방향으로 복수개 배열되는 디스크체결구(500)는 상기 디스크상판(510) 및 디스크하판(530)이 고정되도록 결합된다.
상기 디스크시트(900)는 중앙에 상판삽입공(930)이 형성되고, 상기 디스크상판(510)에 돌출 형성된 상기 시트고정부(513)가 상기 상판삽입공(930)에 삽입되며, 방사 방향으로 복수개 형성된 시트체결공(910)에 상기 디스크체결구(550)가 관통된다.
여기서, 도 3을 참조하면 상기 상판삽입공(930) 및 시트체결공(910)은 이동마진을 갖도록 설계되며, 각각 상기 시트체결공(910)은 상기 디스크체결구(550)와 제1 이동마진(Ba)을 갖도록 형성되고, 상기 상판삽입공(930)은 상기 시트고정부(513)와 제2 이동마진(Bb)을 갖도록 형성된다.
따라서, 상기 디스크(500)의 회전에 따라 상기 디스크시트(900)가 상기 바디시트(700)와 접촉 내지 이격되면, 상기 디스크시트(900)는 상기 이동마진(Ba, Bb) 내에서 수평방향으로 왕복이동된다.
자세하게는, 도 4의 (a)를 참조하면 디스크(500)가 일 방향으로 회전하면 디스크시트(900)와 바디시트(700)가 접촉되는 일측 경사면 상에 발생되는 반력에 의해서 상기 디스크시트(900)가 일 방향으로 이동하게 되며,
도 4의 (b)를 참조하면 디스크(500)가 타 방향으로 회전하여 디스크시트(900)와 바디시트가(700)가 접촉되는 타측 경사면 상에 발생되는 반력에 의해서 상기 디스크시트(900)가 타 방향으로 이동하게 되면서,
상기 디스크상판(510)에 형성된 회전 중심으로부터 일측 경사면까지의 거리가 변경되고, 회전 중심으로부터 일측 경사면에 작용되는 압력과 타측 경사면에 작용되는 압력이 균일하게 작용되도록 한다.
또한, 고압 환경에서는 유체 방향의 역방향인 압력이 작용되는 바, 디스크(500)가 완전히 닫힌 상태에서 가스 등에 의한 유체 방향의 역방향 압력이 강하게 작용될 수 있고,
이에 따라, 디스크(500)가 완전히 닫힌 상태에서 역방향 압력에 의해 바디시트(700)에 불균일한 하중이 지속적으로 작용되면 시트마모속도가 빨라지고 시트교체주기가 짧아지게 되는바,
디스크가(500)가 완전히 닫힌 상태에서 역방향 압력이 가해지면 상술한 바와 같이 디스크시트(900)가 수평방향으로 이동되면서 시트면에 반복적으로 가해지는 하중이 균일하게 작용될 수 있도록 된다.
즉, 시트면에 반복적으로 가해지는 하중의 크기도 시트면의 구역별로 균일하게 분포되도록 하며, 시트마모속도를 늦추고 시트교체주기를 단축시키는 효과가 발생된다.
본 발명의 다른 일 실시예로서 상기 바디시트(700)가 상기 유로와 제3 이동마진(Bc, 도번 미표시)을 갖도록 형성될 수 있다. 이를 통해 디스크시트(900) 및 바디시트(700)의 접촉 시 발생되는 충격이 완화되는 효과가 발생된다.
이상과 같이 본 발명은 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브를 제공하는 것을 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예들은 각각 일 실시 예에 불과한 것으로, 본 발명의 진정한 권리범위는 청구범위에 기재된 청구항들에 의해 결정되어야 할 것이다.
100: 밸브바디
300: 샤프트
500: 디스크
510: 디스크상판
511: 샤프트결합부
513: 시트고정부
530: 디스크하판
550: 디스크체결구
700: 바디시트
900: 디스크시트
910: 시트체결공
930: 상판삽입공
A: 삼중 편심점(회전중심)
Ba: 제1 이동마진
Bb: 제2 이동마진
Bc: 제3 이동마진

Claims (3)

  1. 유로가 형성된 밸브바디(100), 상기 유로를 가로지르도록 상기 밸브바디(100)에 결합된 샤프트(300), 상기 샤프트(300)를 중심으로 회전가능하도록 결합되어 상기 유로를 개폐하는 디스크(500), 상기 유로에 결합되는 환형상으로서, 내주면 기울기가 연속적으로 변하여 단면 형상이 비대칭인 경사면을 이루는 바디시트(700) 및 외주면이 상기 바디시트(700)의 내주면에 형합되는 형상으로서, 상기 디스크(500)에 결합되는 디스크시트(900)를 포함하며,
    상기 샤프트(300)가,
    상기 디스크(500)의 수평 중심에서 소정거리만큼 수평방향으로 이격되는 1차 편심(Aa), 상기 디스크시트(900)가 결합된 위치에서 소정거리만큼 수직방향으로 이격되는 2차 편심(Ab) 및 상기 바디시트(700)의 내주면으로부터 연장선을 그어 형성되는 원뿔의 꼭지점이 상기 디스크(500)의 수평 중심에서 수직방향으로 연장한 연장선으로부터 소정거리만큼 이격되는 3차 편심(Ac)되어 삼중 편심점(A)에 위치하여상기 삼중 편심(A)을 통해 상기 디스크(500)가 상기 밸브바디(100)로부터 부드럽게 회전되도록 하는 삼중 편심 버터플라이 밸브에 있어서,
    상기 디스크(500)는,
    일면에 상기 샤프트(300)가 관통되는 샤프트결합부(511)가 형성되고, 타면에 상기 디스크시트(900)가 결합되는 시트고정부(513)가 형성되는 디스크상판(510); 및
    판상으로서 상기 시트고정부(513)와 접촉되며 디스크체결구(550)로 상기 디스크상판(510)과 결합되는 디스크하판(530);을 포함하는 구성으로 이루어지며,
    상기 디스크시트(900)에는,
    상기 디스크체결구(550)가 관통되는 시트체결공(910) 및 상기 시트고정부(513)에 삽입되는 상판삽입공(930)이 형성되되,
    상기 시트체결공은 상기 디스크체결구(550)와 제1 이동마진(Ba)을 갖도록 형성되고, 상기 상판삽입공(930)은 상기 시트고정부(513)와 제2 이동마진(Bb)을 갖도록 형성되어,
    상기 디스크(500)에 유체 압력 또는 역압이 작용되면 상기 디스크시트(900)가 상기 이동마진(Ba, Bb) 내에서 이동되면서 상기 바디시트(700)에 작용되는 압력이 균일하게 분포되도록 하는 것을 특징으로 하는 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 바디시트(700)는,
    상기 유로와 제3 이동마진(Bc)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 디스크시트(900)는 금속 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양방향 기밀을 위한 삼중 편심 버터플라이 밸브.
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