KR102405584B1 - 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브 - Google Patents

유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 밀폐용기의 유통구에 구비되는 밸브로서 온도변화에 따라 유체가 열팽창함으로써 발생되는 자연대류에 의하여 자연스럽게 개폐가 이루어지도록 형성되는, 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브를 제공함에 있다.

Description

유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브 {Valve using fluid thermal expansion and natural circulation}
본 발명은 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밀폐용기의 유통구에 구비되는 밸브로서 온도변화에 따라 자연스럽게 개폐가 이루어지도록 형성되는 밸브에 관한 것이다.
밸브란 유체를 통하게 하거나 차단 또는 제어하기 위해 통로를 개폐할 수 있도록 한 가동 기구를 가진 기기를 총칭하는 것이다. 밸브는 용도, 구조상의 형식 등에 따라 여러 가지로 분류 또는 호칭되며, 수없이 다양한 종류가 있다. 단순하게는 수동으로 개폐가 조절되는 밸브도 널리 사용되며, 압력이나 온도 등에 따라 개폐가 자동으로 조절되는 밸브도 매우 다양한 형태로서 개발되어 사용되어 왔다.
이 중 온도에 따라 개폐를 조절하는 밸브 기술을 일부 살펴보면 다음과 같다. 한국특허등록 제1392938호("바이메탈을 이용한 유로제어 밸브", 2014.04.30., 이하 '선행문헌 1'이라 칭함)에는, 열팽창계수가 다른 두 개의 금속이 접합된 바이메탈을 유로 상에 적절하게 배치하고, 온도에 따라 바이메탈의 굽힘 방향 및 정도가 달라지는 것을 이용하여 유로나 유량을 조절하는 밸브가 개시된다. 실질적으로 온도변화를 이용하는 밸브의 경우 선행문헌 1에서처럼 바이메탈을 이용하는 것이 매우 일반적이다. 한국특허등록 제1982827호("온도에 따른 유량 제어 장치", 2019.05.21., 이하 '선행문헌 2'라 칭함)에는, 외측관 및 단면이 복잡한 다각형 형태로 형성되어 외측관 내부에 겹쳐 구비되는 내측관으로 이루어지는 밸브가 개시된다. 선행문헌 2의 밸브에서는, 외측관 및 내측관 사이에 유통되는 유체와 내측관 내부에 유통되는 유체 간에 온도차이에 반응하여 내측관의 단면 형상이 변화하며, 이에 따라 내측관의 단면 면적이 변화함으로써 유량이 조절되도록 하는 원리를 이용한다. 이처럼 온도변화에 따라 자동으로 개폐가 조절되는 밸브는 다양한 형태로 개시되어 있다.
한편 원자력 발전에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다. 원자력 발전은 핵분열 시 발생되는 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식으로 이루어진다. 압력용기(또는 원자로용기라고 칭함) 내의 핵연료가 핵분열함에 의해 엄청난 열에너지가 발생되는데, 이 열에너지는 압력 용기 내의 냉각재로 전달되며, 냉각재는 압력 용기로부터 배출되어 열교환기를 거쳐 다시 압력 용기로 유입되는 방향으로 순환된다. 냉각재가 가지고 있는 열에너지는 열교환기를 통과하면서 증기발생기로 전달되며, 증기발생기 내의 물은 열에너지에 의해 고온 고압의 증기로 상변화를 일으킨다. 이와 같이 발생된 고온 고압의 증기는 터빈으로 공급되며, 이 증기의 힘에 의해 터빈이 회전하며, 터빈과 연결되어 있는 발전기도 함께 회전함으로써 발전이 이루어진다. 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 상실한 증기는 다시 상변화를 일으켜 물이 되는데, 이 물은 증기발생기로 재유입됨으로써 역시 순환이 이루어지게 된다.
상술한 바와 같이 원자로에서는 엄청난 열에너지가 발생되며, 원자로에서 사고가 발생하여 정상적으로 작동하지 않을 경우 이 열에너지에 의해 원자로 시설 자체가 파괴되는 대형 사고가 발생할 위험성이 있다. 따라서 원자로에는 원자로의 손상이 발생했을 경우 원자로를 급속히 냉각해 주기 위한 다양한 안전계통들이 필수적으로 구비된다. 이러한 안전계통들은 원자로의 각부에 냉각수를 보충 공급하는 형태 및 냉각수를 적절한 유로를 따라 순환시켜 원자로의 각부로부터 열을 흡수하여 최종적으로는 외부의 히트 싱크(heat sink)에 버리는 형태로 이루어진다.
이러한 원자로 안전계통은 원자로 손상 발생과 같은 사고 상황에서 최대한 신속하고 효율적으로 이루어져야 함이 당연한데, 한편으로 원자로에서 발생되는 엄청난 방사능을 고려할 때 운전원이 직접 원자로 가까이에서 조작을 수행해야 되도록 장치가 꾸며질 경우 운전원이 사망에 이르게 되는 끔찍한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 완전히 방지하기 위하여 사고 발생 시 사람의 개입을 최소화할 수 있도록, 원자로 안전계통에는 운전원의 별도 제어 조작을 요구하는 수동밸브보다는 압력, 온도 등의 환경변화에 따라 자연스럽게 동작하는 자동밸브 등을 다양하게 활용하여 (초기에 약간의 과도기를 거치더라도) 결과적으로는 자연대류에 의해 순환하면서 지속적인 냉각이 이루어지도록 하는 구성이 다양하게 도입되어 사용된다.
앞서 설명한 바와 같이 냉각수를 적절히 순환시켜 냉각을 수행하는 안전계통의 경우 평소에 냉각수를 저장해 두는 냉각수저장용기를 반드시 포함한다. 이러한 냉각수저장용기는 당연히 대량의 냉각수를 내부에 저장하고 있으며, 많은 경우 히트싱크로서 작용하는 대량의 유체, 예를 들어 바닷물 등에 잠겨있도록 형성되기도 한다. 원자로 사고 발생 시 냉각수저장용기에 구비되는 밸브는 매우 대량의 냉각수를 신속하게 배출해 줄 수 있어야 하며, 한편으로는 평상시에는 불필요하게 냉각수가 배출되지 않도록 밀폐를 잘 유지하여야 한다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 원자로 안전계통에서의 냉각수 흐름이 자연대류에 의한 순환을 기조로 하고 있는 경우, 이러한 밸브는 온도 등과 같은 환경변화에 따라 자연대류에 의하여 자연스럽게 개폐가 이루어질 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
물론 앞서 설명한 바와 같이 이미 수없이 다양한 밸브 구조가 개발되어 사용되어 오고 있다. 그러나 상술한 바와 같은 조건들을 모두 만족시키기에는 어려움이 있으며, 특히 자연대류에 의하여 개폐가 이루어지도록 하는 경우는 거의 없는 실정이다. 따라서 이와 같은 조건에 최적인 밸브 구조를 새롭게 개발할 필요성이 있다.
1. 한국특허등록 제1392938호("바이메탈을 이용한 유로제어 밸브", 2014.04.30.) 2. 한국특허등록 제1982827호("온도에 따른 유량 제어 장치", 2019.05.21.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 밀폐용기의 유통구에 구비되는 밸브로서 온도변화에 따라 유체가 열팽창함으로써 발생되는 자연대류에 의하여 자연스럽게 개폐가 이루어지도록 형성되는, 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브(100)는, 유체가 채워진 외부용기(510) 내에 수용되며 내부에 유체가 채워지고 하측에 열원(520)이 구비되는 밀폐용기(500)의 상측 측면에 형성되는 유통구(530)에 구비되는 밸브(100)로서, 상기 유통구(530)의 개방공간을 상하방향으로 분리하는 유동분리판(110); 상기 유동분리판(110)에 힌지결합되어 회전함에 따라 상기 유통구(530)를 개폐하되, 힌지상측길이(L1)가 힌지하측길이(L2)보다 크게 형성되는 회전개폐판(120); 을 포함할 수 있다.
이 때 상기 밸브(100)는, 상기 열원(520)에 의하여 가열됨에 따라 고온이 된 상기 밀폐용기(500) 내 유체가 자연대류에 의해 상측으로 이동하면서 열팽창하고, 자연대류 및 열팽창한 유체에 의하여 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커짐에 따라 상기 회전개폐판(120)이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀리는 구동력을 인가받되, 상기 회전개폐판(120)의 힌지상측이 받는 구동력이 힌지하측이 받는 구동력보다 큼에 따라 힌지상측이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀림으로써 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되도록 형성될 수 있다.
또한 이 때 상기 밸브(100)는, 상기 회전개폐판(120) 개방 시, 상기 유동분리판(110) 상측으로 상기 밀폐용기(500) 내부의 유체가 외부로 배출되며, 상기 유동분리판(120) 하측으로 상기 밀폐용기(500) 외부의 유체가 내부로 유입되되, 상기 열원(520)에 의해 가열되어 고온이 된 유체가 배출되고, 상기 외부용기(510)에 저장되어 상대적으로 저온인 유체가 유입됨으로써 상기 밀폐용기(500) 내에서 상기 열원(520)에 의해 발생된 열이 제거될 수 있다.
또한 상기 밸브(100)는, 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)이 지지되도록 상기 유통구(530) 상단 또는 하단에 구비되는 회전방지턱(130); 을 포함할 수 있다.
이 때 상기 회전방지턱(130)은, 상기 유통구(530) 상단에 구비될 경우 상기 회전개폐판(120) 내측에, 상기 유통구(530) 하단에 구비될 경우 상기 회전개폐판(120) 외측에 구비될 수 있다.
또한 상기 밸브(100)는, 상기 밀폐용기(500)보다 상측에 구비되어 내부에 유체가 채워지며 상기 밀폐용기(500) 상단과 연통되는 압력완충부(140); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 밸브(100)는, 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하도록 구비되는 안전장치(200); 를 포함할 수 있다.
제1실시예에서, 상기 안전장치(200)는, 일단이 상기 유동분리판(110)의 상기 밀폐용기(500) 외측에 형성된 부분에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결되는 탄성체(211), 일단이 상기 밀폐용기(500) 내측 상단에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결되는 고정체(212)를 포함할 수 있다.
이 때 상기 안전장치(200)는, 상기 탄성체(211)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 인장상태로 구비되며, 상기 고정체(212)가 상기 탄성체(211)의 복원력보다 강하고 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면 파단되는 강성을 가지도록 형성될 수 있다.
또한 이 때 상기 안전장치(200)는, 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작으면, 상기 고정체(212)의 강성에 의하여 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하며, 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면, 상기 고정체(212)가 파단되며 상기 탄성체(211)가 복원됨에 따라 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되도록 형성될 수 있다.
제2실시예에서, 상기 안전장치(200)는, 일단이 상기 유동분리판(110)의 상기 밀폐용기(500) 외측에 형성된 부분에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결되는 제1탄성체(221), 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)의 연장방향으로 상기 회전개폐판(120)과 나란하게 상기 밀폐용기(500) 상측 내면에 함몰 형성되는 작동공간(222), 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 작동공간(222)과 연통되도록 상기 회전개폐판(120) 상단에 함몰 형성되는 개폐판홈(223), 상기 작동공간(222)에 상응하는 직경으로 형성되어 상기 작동공간(222) 내에서 상하이동가능하게 형성되는 헤드 및 상기 헤드 하면으로 돌출되되 상기 개폐판홈(223)에 상응하는 직경으로 형성되어 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 개폐판홈(223)에 걸리도록 형성되는 키를 포함하는 피스톤키(224), 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 하부공간 및 상기 밀폐용기(500) 내부공간을 연통시키는 내부연통로(225), 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 상부공간 및 상기 밀폐용기(500) 외부공간을 연통시키는 외부연통로(226), 일단이 상기 작동공간(222) 상측 내면에 연결되고 타단이 상기 피스톤기(224) 헤드 상면에 연결되는 제2탄성체(227)를 포함할 수 있다.
이 때 상기 안전장치(200)는, 상기 제1탄성체(221)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 인장상태로 구비되며, 상기 제2탄성체(222)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 원형상태로 구비될 수 있다.
또한 상기 안전장치(200)는, 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작으면, 상기 피스톤키(224)가 상기 개폐판홈(223)에 걸림으로써 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하며, 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면, 상기 피스톤키(224)가 상기 작동공간(222) 내에서 상측으로 이동함에 따라 상기 피스톤키(224) 및 상기 개폐판홈(223) 간의 걸림상태가 해제되며 상기 제1탄성체(221)이 복원됨에 따라 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 밀폐용기의 유통구에 구비되는 밸브가 온도변화에 따라 유체가 열팽창함으로써 발생되는 자연대류에 의하여 자연스럽게 개폐가 이루어지도록 하여, 외부의 제어신호 등을 필요로 하지 않고 환경조건만으로 쉽게 밸브 제어를 실현할 수 있는 효과가 있다. 특히 이러한 밸브는 원자로 안전계통 등과 같이 급격한 환경변화 발생 시 운전원의 제어신호가 없어도 반드시 작동되어야만 하는 설비에 구비되기에 매우 적절하다.
도 1은 폐쇄 시 본 발명의 밸브.
도 2는 개방 시 본 발명의 밸브.
도 3은 본 발명의 밸브의 안전장치 제1실시예.
도 4는 본 발명의 밸브의 안전장치 제2실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 유체 열팽창 및 자연대류를 이용하여 개폐되는 밸브를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 본 발명의 밸브의 기본구성
도 1 및 도 2는 본 발명의 밸브 구성을 도시한 것으로, 도 1은 폐쇄 시의 형태를, 도 2는 개방 시의 형태를 각각 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 밸브(100)는, 유체가 채워진 외부용기(510) 내에 수용되며 내부에 유체가 채워지고 하측에 열원(520)이 구비되는 밀폐용기(500)의 상측 측면에 형성되는 유통구(530)에 구비되어 상기 유통구(530)의 개폐를 조절한다. 상기 밸브(100)의 구성을 설명하기 전에, 상기 밀폐용기(500), 상기 외부용기(510), 상기 열원(520)의 기술적 의미에 대하여 좀더 설명하면 다음과 같다.
상기 외부용기(510)에 채워진 유체는 실제로는 히트싱크(heat sink)를 나타내는 것으로, 예를 들어 바닷물 등과 같이 기술적으로 무한에 가까운 공간에 채워진 유체 등이 될 수 있다. 즉 편의상 도면에서는 상기 외부용기(510)가 상기 밀폐용기(500)보다 조금 큰 것으로 도시되지만 실제로 상기 외부용기(510)의 크기제한은 없고, 경계면 등도 실질적으로는 특별히 한정되지 않는다고 생각하면 된다.
상기 밀폐용기(500) 및 상기 열원(520)은 예를 들어 각각 원자로의 냉각수저장용기 및 원자로노심으로부터 흡수된 열을 방출하는 열교환기 등이 될 수 있다. 따라서, 상기 열원(520)에서 열이 발생되면 자연스럽게 상기 유통구(530)가 개방되어 상기 밀폐용기(500) 내의 유체가 빠져나감으로써 궁극적으로는 상기 열원(520)에서 발생된 열이 제거되도록 하는 것이 도 1에 도시된 시스템의 목적이라고 할 수 있다.
이와 같은 시스템에서 상기 밸브(100)는, 별도의 사람의 제어 조작을 필요로 하지 않고도 상기 열원(520)에서 발생된 열을 효과적으로 제거할 수 있도록 구성되어야 한다. 이에 따라 상기 밸브(100)는, 상기 밀폐용기(500) 내의 유체가 자연대류에 의한 움직임 및 열팽창에 의한 부피변화에 잘 반응하여 작동될 수 있는 구성을 가진다. 도시된 바와 같이 상기 밸브(100)는 가장 기본적으로는 유동분리판(110), 회전개폐판(120)으로 이루어질 수 있으며, 여기에 상기 회전개폐판(120)이 원치않은 개방이 이루어지지 않도록 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 지지하는 회전방지턱(130)이 더 구비될 수 있다. 더불어 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 더욱 안정적으로 고정하는 안전장치(140) 등이 더 구비될 수 있다. [1]절에서는 상기 유동분리판(110), 상기 회전개폐판(120) 및 상기 회전방지턱(130), 즉 상기 밸브(100)의 기본구성에 대하여 설명하고, 이후 [2]절에서 상기 안전장치(140), 즉 상기 밸브(100)의 부가구성에 대하여 설명한다.
상기 유동분리판(110)은 상기 유통구(530)의 개방공간을 상하방향으로 분리하도록 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 유통구(530)는 상기 밀폐용기(500)의 상측 측면에 형성되며, 따라서 상기 유동분리판(110)은 도시된 바와 같이 상기 밀폐용기(500)의 외측 및 내측에 걸쳐 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 도면 상에서는 상기 유동분리판(110)이 수평방향으로 연장되는 것으로 도시되어 있으나, 필요에 따라 상기 유동분리판(110)이 수평방향에 대하여 경사지게 형성되어도 무방하며, 다만 상하방향으로 공간을 분리해 주기만 하면 된다.
상기 회전개폐판(120)은 상기 유동분리판(110)에 힌지결합되어 회전함에 따라 상기 유통구(530)를 개폐하도록 형성된다. 이 때 힌지상측길이(L1)가 힌지하측길이(L2)보다 크게 형성되는 형상을 가지도록 한다.
도 1은 상기 밸브(100)가 폐쇄되어 있는 초기상태를 도시한 것이다. 초기상태에서는 상기 열원(520)에서의 열 방출이 없으며, 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커질 요인이 없다. 이처럼 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작은 경우, 상기 밸브(100)는 폐쇄상태를 유지하며, 상기 밀폐용기(500) 내부 및 외부의 유체를 물리적으로 분리한다.
도 2는 상기 밸브(100)가 개방되는 과정을 도시한 것이다. 상기 열원(520)에서 열이 방출되면 상기 열원(520) 주변의 상기 밀폐용기(500) 내부의 유체가 가열된다. 이렇게 상기 열원(520)에 의하여 가열됨에 따라 고온이 된 상기 밀폐용기(500) 내 유체는, 자연대류에 의해 상측으로 이동하면서 열팽창하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 유통구(530)는 상기 밀폐용기(500)의 상측 측면에 형성되어 있으므로, 자연대류 및 열팽창한 유체는 상기 밀폐용기(500)의 상부, 즉 상기 유통구(530) 근처에 모이게 되며, 이에 따라 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 증가하게 된다.
이처럼 자연대류 및 열팽창한 유체에 의하여 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지게 되면, 상기 회전개폐판(120)이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀리는 압력, 즉 구동력을 인가받게 된다. 그런데, 역시 앞서 설명한 바와 같이 상기 회전개폐판(120)은 힌지를 기준으로 볼 때 힌지상측길이(L1)가 힌지하측길이(L2)보다 크게 형성되며, 따라서 힌지상측면적이 힌지하측면적보다 크다. 이에 따라 상기 회전개폐판(120)의 힌지상측이 받는 구동력이 힌지하측이 받는 구동력보다 크게 형성되며, 따라서 결과적으로 힌지상측이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀림으로써 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되게 된다.
이와 같이 상기 회전개폐판(120)이 개방되면, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 유동분리판(110) 상측으로 상기 밀폐용기(500) 내부의 유체가 외부로 배출되며, 상기 유동분리판(120) 하측으로 상기 밀폐용기(500) 외부의 유체가 내부로 유입된다. 이 때 상기 유동분리판(110) 상측으로 배출되는 유체는, 상기 밀폐용기(500) 내부에서 상기 열원(520)에 의해 가열되어 고온이 된 유체이다. 한편 상기 유동분리판(110) 하측으로 유입되는 유체는, 상기 밀폐용기(500) 외부에서 상기 외부용기(510)에 저장되어 있음으로써 상대적으로 저온인 유체이다. 즉 상기 회전개폐판(120)이 개방된 상태에서, 자연대류에 의하여 상기 밀폐용기(500) 내부의 고온유체는 지속적으로 외부로 배출되고 상기 밀폐용기(500) 외부의 저온유체가 지속적으로 내부로 유입됨에 따라, 궁극적으로 상기 밀폐용기(500) 내에서 상기 열원(520)에 의해 발생된 열이 자연스럽고 원활하게 제거될 수 있게 된다.
한편 상술한 바와 같은 원리로 상기 회전개폐판(120) 힌지상측이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀리는 방향으로 개방이 이루어져야 하는데, 예를 들어 상기 외부용기(510)에 채워진 유체가 바닷물인 경우 예기치 못한 해류 등에 의하여 상기 회전개폐판(120)이 설계된 개방방향이 아닌 반대방향으로 회전하게 될 수도 있다. 그런데 반대방향으로 개방될 경우 즉 상기 회전개폐판(120)의 힌지상측이 상기 밀폐용기(500) 내측으로 밀리는 방향으로 개방이 이루어질 경우, 상기 열원(520)에서 발생된 열로 인한 고온유체가 상기 회전개폐판(120)의 힌지상측에 걸려서 원활하게 외부로 배출되지 못하게 된다. 따라서 이처럼 상기 회전개폐판(120)이 설계된 개방방향의 반대방향으로 회전하는 것을 방지하기 위한 구조물이 필요하다.
상기 회전방지턱(130)은 바로 이를 위해 구비되는 것으로, 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)이 지지되도록 상기 유통구(530) 상단 또는 하단에 구비된다. 이 때 상술한 바와 같이 상기 회전개폐판(120)이 설계된 개방방향의 반대방향으로 회전하는 것을 잘 방지할 수 있도록, 도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 상기 회전방지턱(130)은 상기 유통구(530) 상단에 구비될 경우 상기 회전개폐판(120) 내측에, 상기 유통구(530) 하단에 구비될 경우 상기 회전개폐판(120) 외측에 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 밀폐용기(500) 및 상기 열원(520)은 예를 들어 각각 원자로의 냉각수저장용기 및 원자로노심으로부터 흡수된 열을 방출하는 열교환기 등이 될 수 있다. 이러한 경우를 상정할 때, 원자로 사고발생 시 상기 열원(520)에서는 매우 급격하게 고온의 열을 방출하게 되며, 따라서 상기 밀폐용기(500) 내부의 유체가 급격하게 가열 및 열팽창하게 된다. 따라서 상기 밀폐용기(500) 내부압력이 지나치게 빠르게 상승하게 될 수 있는데, 이는 상기 밸브(100)의 손상을 유발할 위험이 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 상기 밸브(100)는, 상기 밀폐용기(500)보다 상측에 구비되어 내부에 유체가 채워지며 상기 밀폐용기(500) 상단과 연통되는 압력완충부(140)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 상기 압력완충부(140)는 상기 밀폐용기(500)보다 상측에 구비되어 있으므로 고온유체가 자연대류에 의해 상승하면 상기 압력완충부(140)로 자연스럽게 유입된다. 따라서 상기 밸브(100)에 가해지는 압력을 다소 완충할 수 있으며, 앞서 설명한 상기 밸브(100)의 손상 위험성을 효과적으로 저감할 수 있다.
[2] 본 발명의 밸브의 부가구성
상기 밸브(100)가 개방된 상태에서, 상기 열원(520)에 의해 발생된 열로 가열된 고온유체가 계속 상기 밀폐용기(500) 상측, 즉 상기 유통구(530) 근처로 올라오고 있는 상태에서는, 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 큰 상태이므로 상기 회전개폐판(120)은 개방상태가 잘 유지된다. 시간이 지나 자연대류에 의하여 고온유체가 외부로 배출됨으로써 상기 밀폐용기(500) 내부의 열이 모두 제거되고 나면, 상기 밀폐용기(500)의 내부압력(Pin) 및 외부압력(Pout)은 동일해지게 된다. 즉 상기 회전개폐판(120)에 인가되는 구동력이 없어지게 되는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 회전개폐판(120)의 힌지상측이 기울어져 개방되어 있는 상태에서 압력조건이 이렇게 되면, 상기 회전개폐판(120)은 단지 중력의 영향만을 받게 되므로 기울어져 개방되어 있는 상태가 그대로 유지되게 된다.
앞서 설명한 바와 같은 원자로 냉각에 본 발명이 활용되는 경우, 원자로에서 사고가 한 번 발생되면 상기 밸브(100)가 원래대로 즉 폐쇄상태로 복귀하는 것은 전혀 의미가 없다. 만일 상기 열원(520)에서 대량의 열이 발생되어 한 번 개방되었던 상기 밸브(100)가 다시 닫히게 될 경우, 이후에 상기 열원(520)에서 약간의 잔열이 더 발생하였을 때 내부압력 및 외부압력 차이가 크지 않아서 상기 밸브(100)가 열리지 않아 잔열제거가 원활하게 이루어지지 못하게 될 수도 있다. 즉 상기 밸브(100)는 한 번 개방이 이루어진 후에는 계속 개방상태를 유지하는 것이 바람직한 것이다. 즉 상기 밸브(100)는, 초기상태 즉 폐쇄상태에서는 그 상태를 안정적으로 유지하되, 개방이 이루어진 후 개방상태에서는 또한 그 상태를 그대로 유지할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 안전장치(200)는 바로 이러한 목적으로 구비되는 것으로, 기본적으로는 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하되, 일단 한 번 상기 밸브(100)의 개방이 이루어지고 난 후에는 개방상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 하는 구성을 가진다.
도 3은 본 발명의 밸브의 안전장치 제1실시예를 도시한다. 제1실시예에서는,상기 안전장치(200)는 탄성체(211) 및 고정체(212)를 포함하는 매우 간소한 구성으로 이루어진다. 상기 탄성체(211)는 개방 후 개방상태 유지를 위해, 상기 고정체(211)는 개방 전 즉 초기에 폐쇄상태 유지 및 보강을 위해 구비되는 것이다.
제1실시예에 의한 상기 안전장치(100)의 각부 구성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 상기 탄성체(211)는 일단이 상기 유동분리판(110)의 상기 밀폐용기(500) 외측에 형성된 부분에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결된다. 또한 상기 고정체(212)는 일단이 상기 밀폐용기(500) 내측 상단에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결된다. 이 때 상기 탄성체(211)는 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 인장상태로 구비되며, 상기 고정체(212)가 상기 탄성체(211)의 복원력보다 강하고 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면 파단되는 강성을 가지도록 형성된다. 이러한 구성으로 된 제1실시예에 의한 상기 안전장치(100)의 동작원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작으면, (상기 고정체(212)가 버티는 힘이 상기 탄성체(211)의 복원력보다 크므로) 상기 고정체(212)의 강성에 의하여 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하게 된다.
상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면, 어느 시점에서 상기 고정체(212)의 강성보다 구동력이 더 강해지게 되며 따라서 상기 고정체(212)가 파단된다. 그러면 상기 회전개폐판(120)에 작용하는 힘은 압력차이에 의한 구동력에 상기 탄성체(211)의 복원력까지 더해지게 되어, 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되는 동작이 더욱 원활하게 이루어진다. 또한 이렇게 한 번 개방이 이루어진 뒤에는, 상기 탄성체(211)의 복원력에 의해 상기 회전개폐판(120)이 개방된 상태가 잘 유지될 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 밸브의 안전장치 제2실시예를 도시한다. 제2실시예에서는, 상기 안전장치(200)는 제1탄성체(221), 작동공간(222), 개폐판홈(223), 피스톤키(224), 내부연통로(225), 외부연통로(226), 제2탄성체(227)를 포함한다. 여기에서 상기 제1탄성체(221)는 제1실시예에서의 탄성체(211)와 마찬가지로 개방 후 개방상태 유지를 위해, 상기 작동공간(222) 내지 상기 제2탄성체(227) 구성은 제1실시예에서의 상기 고정체(211)와 마찬가지로 개방 전 즉 초기에 폐쇄상태 유지 및 보강을 위해 구비되는 것이다.
제2실시예에 의한 상기 안전장치(100)의 각부 구성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 상기 제1탄성체(221)는 (앞서 제1실시예의 상기 탄성체(211)와 동일하게) 일단이 상기 유동분리판(110)의 상기 밀폐용기(500) 외측에 형성된 부분에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결된다. 상기 작동공간(222)은 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)의 연장방향으로 상기 회전개폐판(120)과 나란하게 상기 밀폐용기(500) 상측 내면에 함몰 형성되는데, 이후 설명될 상기 피스톤키(224)가 상기 작동공간(222) 내에서 움직이게 된다. 상기 개폐판홈(223)은 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 작동공간(222)과 연통되도록 상기 회전개폐판(120) 상단에 함몰 형성된다. 상기 피스톤키(224)는, 상기 작동공간(222)에 상응하는 직경으로 형성되어 상기 작동공간(222) 내에서 상하이동가능하게 형성되는 헤드 및 상기 헤드 하면으로 돌출되되 상기 개폐판홈(223)에 상응하는 직경으로 형성되어 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 개폐판홈(223)에 걸리도록 형성되는 키를 포함하여, 폐쇄상태에서 키 부분이 상기 작동공간(222) 및 상기 개폐판홈(223)을 연결하여 걸려있게 된다. 상기 내부연통로(225)는 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 하부공간 및 상기 밀폐용기(500) 내부공간을 연통시키며, 상기 외부연통로(226)는 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 상부공간 및 상기 밀폐용기(500) 외부공간을 연통시킨다. 상기 제2탄성체(227)는 일단이 상기 작동공간(222) 상측 내면에 연결되고 타단이 상기 피스톤기(224) 헤드 상면에 연결된다. 이 때 상기 제1탄성체(221)는 제1실시예의 상기 탄성체(211)와 마찬가지로 상기 제1탄성체(221)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 인장상태로 구비되며, 상기 제2탄성체(222)는 상기 제2탄성체(222)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 원형상태로 구비된다. 이러한 구성으로 된 제2실시예에 의한 상기 안전장치(100)의 동작원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작으면, 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 하부공간은 상기 내부연통로(225)에 의해 상기 밀폐용기(500) 내부공간과 연통되어 있으므로 압력이 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)과 동일하며, 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 상부공간은 상기 외부연통로(226)에 의해 상기 밀폐용기(500) 외부공간과 연통되어 있으므로 압력이 상기 밀폐용기(500) 외부압력(Pout)과 동일하므로, 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤기(224) 헤드 하부공간의 압력이 상부공간의 압력과 동일하거나 작게 된다. 따라서 상기 피스톤키(224)는 상승할 요인이 전혀 없고 오히려 중력이나 외부압력에 의하여 하방으로 눌려 하강할 요인만을 가지고 있다. 즉 이 시점에서 상기 피스톤키(224)는 최대한 하방으로 이동하여 있는 상태가 되며, 따라서 상기 피스톤키(224)가 상기 개폐판홈(223)에 걸림으로써 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태가 잘 보강될 수 있게 된다. 또한 약간의 압력차이에 의하여 상기 피스톤키(224)가 약간 상승하게 될 경우, 상기 제2탄성체(227)가 눌리게 됨에 따라 복원력이 발생하여 상기 피스톤키(224)를 다시 하방으로 누르게 된다. 따라서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 상기 밸브(100) 개방을 위한 설계압력이 되기 전까지는, 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 약간 높아져 상기 피스톤키(224)가 약간 상승하더라도 상기 제2탄성체(227)가 상기 피스톤키(224)를 다시 눌러줌으로써 폐쇄상태가 더욱 공고히 유지될 수 있게 된다. 앞서 제1실시예의 경우 상기 고정체(212)의 강성만에 의존하여 폐쇄상태를 보강하였으나, 제2실시예에서는 상기 작동공간(222) 내에서 상기 피스톤키(224) 헤드 상하공간 간의 압력차이 및 상기 제2탄성체(227), 이 두 가지를 이용하여 폐쇄상태를 보강하므로, 제1실시예에서보다 더욱 안정적으로 폐쇄상태를 보강할 수 있게 된다.
상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면, 상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 하부공간의 압력이 상부공간의 압력보다 커진다. 따라서 상기 피스톤키(224)는 압력차이에 의하여 상승하게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이 압력차이가 그리 크지 않을 경우에는 상기 제2탄성체(227)의 복원력 때문에 상기 피스톤키(224)가 충분히 상승하지 못하여 폐쇄상태가 유지되겠지만, 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 상기 밸브(100) 개방을 위한 설계압력이 되어 압력차이가 충분히 커지면, 상기 피스톤키(224)가 상기 작동공간(222) 내에서 상측으로 이동함에 따라 상기 피스톤키(224) 및 상기 개폐판홈(223) 간의 걸림상태가 해제된다. 그러면 상기 회전개폐판(120)이 자유롭게 움직일 수 있는 상태가 되며, 제1실시예에서와 마찬가지로 압력차이로 인한 구동력에 더하여 상기 제1탄성체(221)이 복원됨에 따라 상기 회전개폐판(120)이 회전됨으로써 원활한 개방이 이루어지게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 밸브
110 : 유동분리판 120 : 회전개폐판
130 : 회전방지턱 140 : 압력완충부
200 : 안전장치
211 : 탄성체 212 : 고정체
221 : 제1탄성체 222 : 작동공간
223 : 개폐판홈 224 : 피스톤키
225 : 내부연통로 226 : 외부연통로
227 : 제2탄성체
500 : 밀폐용기
510 : 외부용기 520 : 열원

Claims (13)

  1. 유체가 채워진 외부용기(510) 내에 수용되며 내부에 유체가 채워지고 하측에 열원(520)이 구비되는 밀폐용기(500)의 상측 측면에 형성되는 유통구(530)에 구비되는 밸브(100)로서,
    상기 유통구(530)의 개방공간을 상하방향으로 분리하는 유동분리판(110);
    상기 유동분리판(110)에 힌지결합되어 회전함에 따라 상기 유통구(530)를 개폐하되, 힌지상측길이(L1)가 힌지하측길이(L2)보다 크게 형성되는 회전개폐판(120);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 밸브(100)는,
    상기 열원(520)에 의하여 가열됨에 따라 고온이 된 상기 밀폐용기(500) 내 유체가 자연대류에 의해 상측으로 이동하면서 열팽창하고, 자연대류 및 열팽창한 유체에 의하여 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커짐에 따라 상기 회전개폐판(120)이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀리는 구동력을 인가받되,
    상기 회전개폐판(120)의 힌지상측이 받는 구동력이 힌지하측이 받는 구동력보다 큼에 따라 힌지상측이 상기 밀폐용기(500) 외측으로 밀림으로써 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 밸브(100)는,
    상기 회전개폐판(120) 개방 시,
    상기 유동분리판(110) 상측으로 상기 밀폐용기(500) 내부의 유체가 외부로 배출되며, 상기 유동분리판(110) 하측으로 상기 밀폐용기(500) 외부의 유체가 내부로 유입되되,
    상기 열원(520)에 의해 가열되어 고온이 된 유체가 배출되고, 상기 외부용기(510)에 저장되어 상대적으로 저온인 유체가 유입됨으로써 상기 밀폐용기(500) 내에서 상기 열원(520)에 의해 발생된 열이 제거되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 밸브(100)는,
    상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)이 지지되도록 상기 유통구(530) 상단 또는 하단에 구비되는 회전방지턱(130);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 회전방지턱(130)은,
    상기 유통구(530) 상단에 구비될 경우 상기 회전개폐판(120) 내측에,
    상기 유통구(530) 하단에 구비될 경우 상기 회전개폐판(120) 외측에 구비되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 밸브(100)는,
    상기 밀폐용기(500)보다 상측에 구비되어 내부에 유체가 채워지며 상기 밀폐용기(500) 상단과 연통되는 압력완충부(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 밸브(100)는,
    상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하도록 구비되는 안전장치(200);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 안전장치(200)는,
    일단이 상기 유동분리판(110)의 상기 밀폐용기(500) 외측에 형성된 부분에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결되는 탄성체(211),
    일단이 상기 밀폐용기(500) 내측 상단에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결되는 고정체(212)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 안전장치(200)는,
    상기 탄성체(211)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 인장상태로 구비되며,
    상기 고정체(212)가 상기 탄성체(211)의 복원력보다 강하고 상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면 파단되는 강성을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 안전장치(200)는,
    상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작으면, 상기 고정체(212)의 강성에 의하여 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하며,
    상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면, 상기 고정체(212)가 파단되며 상기 탄성체(211)가 복원됨에 따라 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 안전장치(200)는,
    일단이 상기 유동분리판(110)의 상기 밀폐용기(500) 외측에 형성된 부분에 연결되며 타단이 상기 회전개폐판(120) 힌지상측에 연결되는 제1탄성체(221),
    상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 회전개폐판(120)의 연장방향으로 상기 회전개폐판(120)과 나란하게 상기 밀폐용기(500) 상측 내면에 함몰 형성되는 작동공간(222),
    상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 작동공간(222)과 연통되도록 상기 회전개폐판(120) 상단에 함몰 형성되는 개폐판홈(223),
    상기 작동공간(222)에 상응하는 직경으로 형성되어 상기 작동공간(222) 내에서 상하이동가능하게 형성되는 헤드 및 상기 헤드 하면으로 돌출되되 상기 개폐판홈(223)에 상응하는 직경으로 형성되어 상기 회전개폐판(120)이 상기 유통구(530) 폐쇄 시 상기 개폐판홈(223)에 걸리도록 형성되는 키를 포함하는 피스톤키(224),
    상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 하부공간 및 상기 밀폐용기(500) 내부공간을 연통시키는 내부연통로(225),
    상기 작동공간(222)의 상기 피스톤키(224) 헤드 상부공간 및 상기 밀폐용기(500) 외부공간을 연통시키는 외부연통로(226),
    일단이 상기 작동공간(222) 상측 내면에 연결되고 타단이 상기 피스톤키(224) 헤드 상면에 연결되는 제2탄성체(227)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 안전장치(200)는,
    상기 제1탄성체(221)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 인장상태로 구비되며,
    상기 제2탄성체(227)가 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태에서 원형상태로 구비되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 안전장치(200)는,
    상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)과 동일하거나 작으면, 상기 피스톤키(224)가 상기 개폐판홈(223)에 걸림으로써 상기 회전개폐판(120)의 폐쇄상태를 보강하며,
    상기 유통구(530) 근처에서 상기 밀폐용기(500) 내부압력(Pin)이 외부압력(Pout)보다 커지면, 상기 피스톤키(224)가 상기 작동공간(222) 내에서 상측으로 이동함에 따라 상기 피스톤키(224) 및 상기 개폐판홈(223) 간의 걸림상태가 해제되며 상기 제1탄성체(221)이 복원됨에 따라 상기 회전개폐판(120)이 회전되어 개방되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
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