KR101363343B1 - 펌프제어밸브용 수충격 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펌프제어밸브용 수충격 방지장치에 관한 것으로, 송수관로내의 압력 변화에 대응하여 외부공기를 빠른 속도로 유입하고, 유입된 공기를 서서히 배출하면서 역류에 의한 디스크의 급격한 닫힘을 막아 수충격현상의 발생을 방지할 수 있도록 한 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 공기의 유입을 위한 흡기구와, 공기의 유출을 위한 가변배기구를 구비하되, 상기 흡기구의 개구면적은 가변배기구의 개구면적 보다 크게 형성된 몸체; 상기 흡기구를 통한 공기의 유입은 허용하되, 흡기구를 통하여 공기가 유출되는 것을 방지하도록 자동으로 닫히는 흡기밸브; 및 상기 가변배기구에 설치되어 가변배기구를 통해 몸체의 밖으로 배출되는 공기의 유량을 조절하는 배기유량조절밸브로 구성되며, 유체가 유동하는 송수관로와 연결되어 송수관로의 내부에 부압이 형성되면 흡기구를 통하여 외부 공기를 유입하고, 역류발생시 유입된 공기를 가변배기구를 통해 배출하는 것을 특징으로 하는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 제공한다.

Description

펌프제어밸브용 수충격 방지장치{Surge protection device for pump control Valve}

본 발명은 펌프제어밸브용 수충격 방지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펌프의 정상정지 또는 비상정지로 인하여 펌프제어밸브의 주변에 음압이 형성될 때, 송수관로의 내부로 외부 공기를 유입하고, 이후 송수관로에 역류가 발생함에 따라 송수관로에 흡입된 내부 공기를 외부로 서서히 배출하여 수충격의 발생을 방지하는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 수충격(Water hammer) 현상은 유체가 유동하는 송수관로에서 밸브가 유로를 순간적으로 폐쇄하거나, 가동중인 펌프의 정상정지 또는 비상정지로 인하여 유동중인 유체의 유속에 급격한 변화가 있는 경우 발생되는 현상이다.

보다 구체적으로, 정지하고 있는 펌프를 구동시키거나, 정상운전 중 정전으로 인하여 갑자기 펌프가 정지될 때, 혹은 밸브의 개도를 빠르게 변화시킬 때, 그 순간 송수관로내의 유속이 급격히 변하면서 압력도 크게 상승하거나 강하하게 되어 유체 과도현상(Hydraulic Transients)을 일으키게 된다. 관로내의 갑작스런 유속변화로 압력파가 상류단과 하류단 사이를 왕복할 때, 송수관로내의 압력은 관로형상에 따라 물의 포화증기압 이하로 떨어져 증기공동(Vapor Cavity)이 형성되며, 결국 수주분리(Column Separation) 현상이 발생한다. 관로내의 압력이 대기압보다 낮아지면 관로에 좌굴(Collapse)이 일어날 수 있으며, 증기공동으로 분리되었던 수주가 재결합할 때 높은 압력이 유발되어 관로가 파손될 염려가 있다.

이와 같은 수충격작용(Water hammer)에 의한 피해를 살펴보면, 압력상승으로 인하여 펌프, 밸브, 관로 및 부대시설이 파손되어 손상을 입기도 하며, 관로내의 압력 상승 및 강하에 의해 관로가 붕괴되거나 수주분리가 발생하여 관로가 파열되기도 한다. 또한 관로내의 주기적인 압력변동 때문에 자동제어계통에서 압력제어를 정확히 하기 어렵고, 심지어 구조물이 파손되는 사례가 발생하기도 한다.

따라서, 수충격 현상의 발생으로 인한 피해를 예방하기 위하여, 송수관로에 에어챔버나 서지탱크를 설치하여 관내의 압력변화를 보상하거나, 펌프에 플라이휠을 설치하여 펌프 회전부의 관성을 크게 함으로써 유량의 급격한 저하를 방지하거나, 펌프제어밸브에 공압 또는 유압장치를 설치하여 밸브가 유로를 폐쇄하는 속도를 조절하는 등 다양한 기술이 개발되어 사용되고 있다.

그러나, 상기 에어챔버 또는 서지탱크를 이용하는 방식은 탱크의 설치장소 에 제한이 따르고 설비비용이 증가하는 문제점이 있고, 상기 플라이휠을 이용한 방식은 상황에 따라 매우 큰 플라이휠이 요구되어 실제 적용이 불가능한 경우가 빈번하므로 적용이 매우 제한적인 문제점이 있으며, 마지막으로 공압 또는 유압장치를 이용한 방식은 장치구조가 복잡하고 매우 정밀한 제어가 요구되어 제작이나 구성이 용이하지 못한 문제점이 있다.

대한민국 등록실용신안공보 제0276992호 (2002.05.30) 대한민국 공개특허공보 10-2003-0010245 (2003.02.05)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 송수관로내의 압력 변화에 대응하여 외부공기를 빠른 속도로 유입하고, 유입된 공기를 서서히 배출하면서 역류에 의한 디스크의 급격한 닫힘을 막아 수충격현상의 발생을 방지할 수 있도록 한 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 공기의 유입을 위한 흡기구와, 공기의 유출을 위한 가변배기구를 구비하되, 상기 흡기구의 개구면적은 가변배기구의 개구면적 보다 크게 형성된 몸체; 상기 흡기구를 통한 공기의 유입은 허용하되, 흡기구를 통하여 공기가 유출되는 것을 방지하도록 자동으로 닫히는 흡기밸브; 및 상기 가변배기구에 설치되어 가변배기구를 통해 몸체의 밖으로 배출되는 공기의 유량을 조절하는 배기유량조절밸브로 구성되며, 유체가 유동하는 송수관로와 연결되어 송수관로의 내부에 부압이 형성되면 흡기구를 통하여 외부 공기를 유입하고, 역류발생시 유입된 공기를 가변배기구를 통해 배출하는 것을 특징으로 하는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 가변배기구에 설치되어 가변배기구를 통해 몸체의 밖으로 배출되는 공기의 유량을 조절하는 배기유량조절밸브를 더 포함하는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 송수관로에 설치되는 펌프제어밸브 또는 펌프제어밸브와 연결되는 흡입관 또는 펌프제어밸브와 연결되는 토출관 중 어느 하나의 관에 설치된 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 제공한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 송수관로내의 압력변화를 감지하는 센서 및 감지된 압력변화에 대응하는 동작을 구현하기 위한 액추에이터의 사용이 요구되지 않아 구조가 단순하고 콤팩트하여 설치장소에 제한을 받지 않으며, 최초 설비비용 및 유지보수비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치의 단면도,
도 2 는 본 발명의 흡기밸브로 사용 가능한 체크밸브의 일예를 나타낸 단면도,
도 3 은 본 발명에 흡기밸브로 사용 가능한 체크밸브의 일예를 나타낸 단면도,
도 4 는 본 발명에 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브의 흡입측에 설치된 상태를 보인 단면도,
도 5 는 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브의 토출측에 설치된 상태를 보인 단면도,
도 6 은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브와 연결된 흡입관에 설치된 상태를 보인 단면도,
도 7 은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브와 연결된 토출관에 설치된 상태를 보인 단면도,
도 8 은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 수충격의 발생을 억제하는 과정을 보인 예시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치의 단면도를, 도 2는 본 발명의 흡기밸브로 사용 가능한 체크밸브의 일예를 나타낸 단면도를, 도 3은 본 발명에 흡기밸브로 사용 가능한 체크밸브의 일예를 나타낸 단면도를, 도 4는 본 발명에 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브의 흡입측에 설치된 상태를 보인 단면도를, 도 5는 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브의 토출측에 설치된 상태를 보인 단면도를, 도 6은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브와 연결된 흡입관에 설치된 상태를 보인 단면도를, 도 7은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 펌프제어밸브와 연결된 토출관에 설치된 상태를 보인 단면도를 도시하고 있다.

본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치(100)는 송수관내의 압력변화에 따라 외부 공기를 유입하고 배출하면서 수충격의 발생을 방지할 수 있도록 한 것으로, 몸체(110)와 흡기밸브(120)로 구성된다.

상기 몸체(110)는 송수관로의 내부에 부압이 형성되는 경우 흡기밸브가 열리며 외부 공기가 유입되고, 역류가 발생하는 경우 유입된 공기가 외부로 서서히 배출되도록 하는 것으로, 공기의 유동을 위한 흡기구(111)와 가변배기구(112)가 형성된 것으로 구성된다.

한편, 상기 흡기구(111)는 몸체(110)의 내부로 외부 공기가 유입되는 통로를 형성하도록 몸체(110)의 상단부에 형성되고, 상기 가변배기구(112)는 송수관로 및 몸체(110) 내부의 공기를 몸체 외부로 배출하도록 몸체(110)의 측면에 형성된다.

이처럼 몸체(110)에 흡기구(111)와 가변배기구(112)를 형성함에 있어서, 흡기구(111)는 가변배기구(112)에 비하여 단위 시간 내에 보다 많은 양의 공기가 유동할 수 있도록 보다 큰 개구면적으로 형성된다. 다시 말해, 흡기구(111)의 개구면적은 가변배기구(112)의 개구면적 보다 크게 형성된다. 이러한 구조에 따르면, 송수관로의 내부에 부압이 형성되는 경우 신속하게 외부 공기를 유입할 수 있는 반면, 역류가 발생하게 되면 내부 공기를 서서히 배출시킬 수 있다.

한편, 상기 가변배기구(112)를 통하여 몸체(110)의 외부로 배출되는 공기의 양을 관리자가 조절할 수 있도록 하는 배기유량조절밸브(130)가 가변배기구(112)에 더 설치될 수 있으며, 이러한 배기유량조절밸브(130)는 공지의 스로틀 밸브로 구성될 수 있다.

이와 같이 구성되는 몸체(110)의 하단부에는 송수관로 또는 펌프제어밸브(140)와의 연결을 위한 플랜지(113)가 구비되어 있다.

상기 흡기밸브(120)는 흡기구(111)를 역지하도록 몸체(110)에 설치되어 흡기구(111)를 통한 공기의 유입은 허용하고, 흡기구(111)를 통한 공기의 유출은 방지하는 것이다. 이러한 흡기밸브(120)는 스프링(121)에 의해 탄성 지지된 밸브시트(122)가 몸체(110) 내부의 압력변화에 따라 흡기구(111)를 역지하는 공지의 체크밸브로 구성될 수 있다.

참고로, 도 1에는 몸체(110) 내부 압력 저하 시 밸브시트(122)가 하강하며 흡기구(111)를 개방하는 방식의 체크밸브를 이용한 흡기밸브(120)가 도시되어 있고, 도 2에는 흡기구(111)의 중심부에 마련된 회전축(S1)을 중심으로 양측 밸브시트(122a)가 회전하며 흡기구(111)를 역지하는 방식의 체크밸브를 이용한 흡기밸브가 도시되어 있으며, 도 3에는 흡기구(111)의 일측에 마련된 회전축(S2)을 중심으로 밸브시트(122b)가 회전하며 흡기구(111)를 역지하는 방식의 체크밸브를 이용한 흡기밸브가 도시되어 있다.

한편, 도 2 및 도 3의 미설명 부호 122c는 부합조건 해지 시 밸브시트(122a,122b)가 자동으로 흡기구(111)를 폐쇄하도록 하는 스프링이다.

상기와 같은 몸체(110)와 흡기밸브(120)로 구성되는 본 발명의 펌프제어밸브용 수충격 방지장치는 송수관로에 직접 설치되거나, 송수관로의 유로를 역지하도록 송수관로에 설치된 펌프제어밸브(140)에 설치되어 펌프제어밸브(140)를 통하여 송수관로와 연결될 수 있다.

이처럼 펌프제어밸브용 수충격 방지장치(100)를 송수관로 또는 펌프제어밸브(140)에 설치함에 있어서, 공기의 유출입은 허용하되, 물이 외부로 유출되는 것은 방지하는 공기밸브(150)를 펌프제어밸브용 수충격 방지장치(100)와 송수관로, 또는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치(100)와 펌프제어밸브(140)의 사이에 설치하게 된다.

참고로, 상기 언급된 공기밸브(150)는 공기의 유출입은 허용하되, 밸브의 내부로 물이 차오르는 경우, 플로트가 물에 의해 부유하며 공기가 유동하는 통로를 서서히 폐쇄함으로써, 물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 밸브로, 이러한 밸브는 대한민국 공개특허공보 10-2011-0035386호에 개시되어 있는 바, 구성에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

한편, 펌프제어밸브용 수충격 방지장치(100)를 펌프제어밸브(140)에 설치하는 경우, 펌프제어밸브(140)에 구비된 디스크(141)를 기준으로 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 흡입측 또는 토출측에 위치하도록 설치하게 된다.

예컨대, 전자와 같이 펌프제어밸브(140)의 흡입측에 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 구성하는 방식은 배수 펌프장과 같이 버티컬 펌프로부터 토출되는 유체가 유동하는 송수관로에 적용되고, 후자와 같이 펌프제어밸브(140)의 토출측에 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 구성하는 방식은 가압 펌프장과 같이 가압펌프로부터 토출되는 유체가 유동하는 송수관로에 적용된다.

이는 버티컬 펌프로부터 토출되는 유체가 유동하는 송수관로의 경우, 버티컬 펌프의 가동이 정지될 때 펌프제어밸브(140)의 흡입측에 진공이 발생하므로 흡입측의 관로 내부로 공기를 유입하여 유도관에서의 진공발생을 방지하고 배기시 배기속도를 조절하기 위함이며, 가압 펌프로부터 토출되는 유체가 유동하는 송수관로의 경우, 가압 펌프의 가동이 비상 정지될 때 펌프제어밸브(140)가 역류 의해 급작스럽게 닫히는 경우 토출측에 수충격 현상이 발생되기 때문이다.

이처럼 펌프제어밸브(140)에 수충격 방지장치를 구성함에 있어서, 송수관로에 적용되는 펌프의 종류를 고려하여 펌프제어밸브(140)의 흡입측 또는 토출측에 펌프제어밸브용 수충격 방지장치를 구성하게 된다.

물론, 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치(100)를 펌프제어밸브(140)와 연결되는 흡입관(11) 또는 토출관(12)에 설치할 수도 있다(도 6 및 도 7 참조).

도 8은 본 발명에 따른 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 수충격의 발생을 억제하는 과정을 보인 예시도를 도시하고 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 펌프제어밸브용 수충격 방지장치는 송수관로의 내부에 유체가 정상적으로 유동하는 경우, 유체의 유동에 아무런 영향을 미치지 않는다(도 8a 참조).

한편, 구동중인 펌프가 비상정지하고, 펌프제어밸브(140)에 의해 송수관로의 유로가 차단될 때, 송수관로의 내부를 유동하는 유체의 관성에 의하여 유체가 진행방향 또는 그 역방향으로 유동함에 따라 펌프제어밸브(140)의 토출측 또는 흡입측에 부압이 형성된다.

이하의 설명에서는 펌프제어밸브(140)의 토출측에 부압이 형성된 것으로 가정하고, 이러한 가정하에 펌프제어밸브용 수충격 방지장치가 수충격 현상의 발생을 억제하는 과정을 설명하도록 한다.

펌프제어밸브(140)의 토출측에 부압이 형성되면, 펌프제어밸브용 수충격 방지장치의 몸체(110) 내부에도 동일하게 부압이 형성되므로, 결국 몸체(110)의 내부와 외부의 압력차에 의하여 흡기밸브(120)가 개방되면서 흡기구(111)를 통하여 외부 공기가 몸체(110)의 내부로 빠르게 유입된다. 물론 가변배기구(112)도 개방되어 있으므로, 가변배기구(112)를 통해서도 외부 공기의 유입이 이루어질 수 있다.

이와 같은 외부 공기의 흡입은 몸체(110)의 내부와 외부의 압력차가 없어질 때까지 즉, 송수관로(10)의 부압이 없어질 때까지 이루어지게 된다(도 8b 참조).

한편, 펌프 토출방향으로의 유체의 관성이 사라진 후 유체가 다시 디스크(141)를 향하여 역류하게 되면, 송수관로(10)의 내부로 유입된 공기는 역류에 의해 계외로 배출되어야 하며, 이때 스프링에 의하여 흡기밸브(120)는 흡기구(111)를 폐쇄하고, 몸체(110) 내부의 공기는 가변배기구(112)를 통하여 외부로 배출되며, 이러한 공기의 배출은 흡기구(111)에 비하여 상대적으로 작은 개구면적을 갖는 가변배기구(112)로 인하여 서서히 이루어지게 된다. 물론 가변배기구(112)에 설치되는 배기유량조절밸브(130)를 이용하여 공기가 배출되는 속도를 조절할 수 있다.

이와 같이 송수관로(10)의 내부로 유입된 공기가 가변배기구(112)를 통하여 서서히 외부로 현장에 적합한 유속으로 배출되면서 완충작용을 함으로써, 역류에 의한 급격한 밸브의 닫힘을 막아 수충격 현상이 발생되는 것을 억제하게 된다.

이처럼 본 발명은 송수관로의 내부에 부압이 형성되는 경우, 외부 공기를 빠른 속도로 유입하고, 송수관로의 내부 압력이 다시 상승하는 경우, 유입된 공기를 서서히 배출시키는 방식으로 수충격의 발생을 억제하는 구조를 갖고 있는 바, 별도의 센서나 액추에이터와 같은 설비가 요구되지 않아 구조가 단순하고, 콤팩트하여 설치공간에 제한이 없으며, 별도의 제어가 요구되지 않아 유지관리가 용이한 이점이 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 몸체
111: 흡기구
112: 가변배기구
120: 흡기밸브
130: 배기유량조절밸브
140: 펌프제어밸브

Claims (3)

1. 공기의 유입을 위한 흡기구(111)와, 공기의 유출을 위한 가변배기구(112)를 구비하되, 상기 흡기구(111)의 개구면적은 가변배기구(112)의 개구면적 보다 크게 형성된 몸체(110); 및
   상기 흡기구(111)를 통한 공기의 유입은 허용하되, 흡기구(111)를 통하여 공기가 유출되는 것을 방지하도록 자동으로 닫히는 흡기밸브(120); 및
   상기 가변배기구(112)에 설치되어 가변배기구(112)를 통해 몸체(110)의 밖으로 배출되는 공기의 유량을 조절하는 배기유량조절밸브(130)로 구성되며,
   유체가 유동하는 송수관로와 연결되어 송수관로의 내부에 부압이 형성되면 흡기구(111)를 통하여 외부 공기를 유입하고, 역류 발생시 유입된 공기를 가변배기구(112)를 통해 배출하는 것을 특징으로 하는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 펌프제어밸브용 수충격 방지장치는 송수관로에 설치되는 펌프제어밸브(140) 또는 펌프제어밸브(140)와 연결되는 흡입관(11) 또는 펌프제어밸브(140)와 연결되는 토출관(12) 중 어느 하나의 관에 설치된 것을 특징으로 하는 펌프제어밸브용 수충격 방지장치.

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