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기획특집 체크밸브(Check Valve)를 체크(Check)하라

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 21회 작성일 20-11-17 12:07

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1. 서 론

일반적으로 유체의 방향을 단순하게 한 방향으로만 제어하는 경우에 있어서는 체크밸브가 가장 많이 사용되고 있다. 일반 산업용에서 건설 중장비에 이르기까지 다양한 형상으로 응용되고 있는데, 크게 콘 형태와 볼 형태가 많이 쓰이고 있다. 구조적으로 단순한 형상을 가지고 있기 때문에 밸브 관련자뿐만 아니라 비전문가라고 하더라도 쉽게 선정이 가능하고, 사용하는데 특별한 문제가 없다. 이러한 이유로 인하여, 밸브의 성능 향상을 위한 연구들이 많이 이루어지지 않는 것 또한 특징이다. 포핏 형태든 볼 형태든 체크밸브라고 명명되어지는 밸브가 가져야 하는 가장 기본적인 특성은 누설 특성과 P-Q 특성이다. 밸브 공학적으로 표현하면, 밸브 표면과 밸브 시트가 정밀하게 가공이 이루어져야 하고, 블로우 다운 동작 시에 재현성 있는 안착 성능을 가져야 한다. 밸브에 누설이 발생한다고 하여 밸브 스프링을 조이는 것만으로는 체크밸브의 고유한 기능을 잘 활용하지 못하는 결과를 낳는다. P-Q 특성이 있기 때문이다.

체크밸브는 설계 초기에 크래킹 압력이 주어지고, 이 크래킹 압력을 시작으로 밸브마다 고유한 P-Q 특성을 가지게 되는데, 밸브 스프링을 조작하여 초기 스프링 압축 변위를 변경시키면, 전체적으로 P-Q 특성이 바뀌게 된다. 따라서, 초기 밸브 선정 시에 밸브가 가지고 있던 특성이 변해서 원하는 제어 유량을 얻을 수가 없다. 다른 하나는 유체력 보상이다. 진동, 소음 문제로 밸브에서 가장 많이 논의되고 있는 주제 중의 하나이며, 어떻게 보상을 하여 밸브의 진동 특성을 개선할 것이냐에 대해서는 많은 연구들이 이루어져 왔으며, 이와 관련해서는 상당한 수준의 연구 결과들이 보고되고 있고, 동시에 산업계에 많이 응용되고 있다. 체크밸브의 성능 향상 연구 주제의 다른 하나는 유체 흐름을 원활히 하는 구조를 설계하여 캐비테이션을 줄이는 동시에 유량 특성을 개선하여 차압을 줄이는 것이다. 이 경우에 있어서, 체크밸브가 사용되어질 공간이 이미 정해져 있기 때문에 유로를 변경하는 것은 매우 어려운 과제이기는 하나, 단순한 부분의 구조를 변경하는 것만으로도 밸브의 자체적인 성능 향상을 꾀할 수 있다.

본고에서는 체크밸브 출구부에 설치되어 있는 유로의 형상을 변경하여 유동 특성을 개선하는 연구가 이루어진다. 유동 특성 향상뿐만 아니라 동시에 가공비 절약 측면까지 고려하여 개선 방안을 제시하고자 한다(본고는 해석 결과를 설명하고 있기 때문에 논문 형식으로 작성되었으며, 다소 딱딱한 느낌이 들 것으로 예상되는 바, 독자의 양해를 구함).

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2. 밸브의 일반

그림 1은 저자가 강의 혹은 논문 발표용으로 많이 사용하는 내용으로, 이 세상에 존재하는 유공압 밸브, 공정용 밸브, 특수 밸브 모두 이 방법을 이용하여 쉽게 분류할 수 있다. 정리하면, 밸브로 제어하는 대상은 대상 작동기의 속도, 방향 및 힘이기 때문에 유량 제어, 방향 제어 및 압력 제어 밸브로 나눌 수 있으며, 유량, 방향 및 압력을 제어하는 밸브 요소는 포펫 및 스풀임을 의미한다. 또한 포펫 및 스풀을 구동시키는 요소로서는 수동, 솔레노이드, 전기모터, 지능형 소자이며, 이 때문에 수동 밸브, 온오프 솔레노이드 밸브, 비례 솔레노이드 밸브, 전기 구동 밸브, 지능형 밸브라 불리기도 한다.

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3. 체크밸브 성능 개선 대책

(1) 체크밸브 기호
그림 2는 우리 모두가 알고 있는 체크밸브의 기호이다. 그림 2의 2)로부터 체크밸브는 1에서 2로의 흐름은 허용하지만, 2에서 1로의 흐름은 허용하지 않는 특징을 가지고 있다. 이 때문에 매우 쉽고도 단순하게 한 방향 흐름을 제어할 수 있으며, 밸브의 선정이나 설계/제작 또한 쉬운 것이 사실이다.

그림 3은 체크밸브의 응용 형태를 보이는 예로서 1)은 셔틀밸브, 2)는 파이로트 체크밸브를 나타낸다. 셔틀밸브인 경우에 있어서는 유체가 들어오는 방향은 좌우측 모두 가능하나, 유체가 토출되는 방향은 언제나 밸브의 중앙에 있는 통로를 통하게 된다. 다시 말해서, 유체가 들어오는 방향은 양방향이지만 토출되는 방향은 하나라는 의미다. 그림 3의 2)는 파이로트 체크밸브를 나타내는 것으로, 굴삭기의 실린더 과주 방지를 하는 회로에 많이 채용되는 밸브이다. 좌측 유체 통로의 아래쪽으로부터 유체가 유입되면, 유체의 주 흐름은 볼(혹은 포핏)을 통하여 이루어지는데, 우측에 있는 체크밸브는 스스로 열리지 못하기 때문에 좌측에 있는 파이로트 압력을 통하여 우측의 밸브를 강제로 여는 역할을 한다.
그림 4는 스프링이 있는 체크밸브의 내부 구조를 보인다. 입구 측에서 유체가 유입되면, 유입된 유체는 스프링 초기 압축 거리에 해당되는 힘을 이기는 압력을 발생시키며, 출구 측으로 흐른다. 그림 4에 보이는 바와 같이, 매우 간단한 밸브이나 밸브 시트와의 안착성, 블로우 다운 특성 및 유체력 특성이 매우 중요한 인자로 작용한다. 또 우리가 일반 산업 현장에서 볼 수 있는 체크밸브의 누설 및 진동/소음 특성은 모두가 위에서 서술하는 인자에 기인한다.

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(2) 해석 대상 체크밸브 모델링
그림 5는 본고에서 대상으로 하는 포핏형 체크밸브의 해석 모델을 보이는 것으로, 일반 산업계에 쓰이는 가장 일반적인 구조의 밸브이다. 그림 4는 볼 체크를 이용하는 방식이었으나, 여기에서는 포핏 체크밸브를 이용하는 방식이며, 포핏 체크밸브 몸체를 관통하여 유체가 흐르는 구조이다. 그림 6은 포핏 출구부에 설치되어 있는 홀의 구조를 보이는 것으로, 일반적인 구조는 모두 수직 0° 형태로 단순하게 가공하고 있지만, 본고에서 노리는 유동 특성 향상을 위하여 가공 각도를 각각 30° 및 60°로 한 경우이다.

그림 7은 해석 모델의 격자 생성 및 경계조건 설정을 보이는 것이고, 해석 조건은 표 1에 기록하였다. 이때 유체 밀도 조건은 890kg/㎥이며, 해석 동안에는 일정하다는 조건을 두었다.

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(3) 해석 결과
아래에 제시하는 그래프는 해석 조건을 통하여 얻어진 것들이며, 각각 밸브 출구 유로 각도 0°, 30° 및 60°일 때, 포핏의 변위가 0.25mm, 0.5mm, 1mm 및 2mm일 때의 해석 결과들을 압력과 속도 분포로 나타내고 있다. 그림 8에서 그림 11은 밸브 출구각도가 0°이고, 각각 포핏의 변위가 0.25mm. 0.5mm,1.0mm및 2mm일 때의 압력과 속도 분포를 보이는 것으로, 출구부 통로에 소용돌이가 발생하고, 캐비테이션의 영향으로 유동특성이 원활하지 못하다는 것을 알 수 있다.
그림 12에서 그림 15는 밸브 출구각도가 30°이고, 각각 포핏의 변위가 0.25mm. 0.5mm,1.0mm 및 2mm일 때의 특성을 보이는 것이다.

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그림 16에서 그림 19는 밸브 출구각도가 60°이고, 각각 포핏의 변위가 0.25mm. 05mm,1.0mm 및 2mm일 때의 특성을 보이는 것이다.

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4. 결과 및 고찰

그림 20은 밸브 출구각도가 각각 0°, 30° 및 60°일 때, 포핏 변위와 토출 유량 결과를 보이는 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 압력에 비례하여 유량이 일정하게 상승하고 있으며, 출구각도가 커질수록 유량도 비례적으로 커지고 있음을 예측할 수 있다. 그러나 밸브 출구각도가 30°를 벗어나게 되면, 유량 상승 정도가 뚜렷하게 나타나고 있지 않는 것을 알 수 있다. 이는 이 연구 모델 밸브의 크기 및 이 밸브가 설치되는 조건하에서는 밸브 출구각도를 30° 이상으로 하는 것은 무의미하다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로, 가공 정도를 고려하면, 각도를 크게 할수록 가공이 어려운 동시에 가공비가 상승하는 결과를 초래하기 때문에 본고의 연구 모델 체크 밸브인 경우는 유량 특성 향상과 동시에 가공비를 절약하는 최적 범위가 30°임을 알 수 있다. 또한, 이 범위에서는 캐비테이션으로 인한 밸브의 진동과 소음을 동시에 개선할 수 있는 여지가 있음을 예측할 수 있다.


5. 결 론

본고에서는 일반 산업에서 건설 중장비에 이르기까지 널리 응용되고 있는 가장 기본적인 체크밸브에 대하여, 유동 특성 향상 연구가 이루어졌다.

이 연구를 통하여 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
1) 체크밸브의 성능 개선하는 방안으로 제안되는 누설 및 P-Q 특성 향상을 위하여 초기 설계나 혹은 초기 선정 시에 반드시 체크할 필요가 있다.
2) 이 연구의 대상으로 하는 체크밸브의 유동해석 모델을 완성하였으며, 적절한 해석이 이루어졌다.
3) 해석을 통하여, 주어진 밸브 크기 및 밸브가 응용되는 공간을 고려했을 때, 최적의 밸브 출구각도를 가지는 영역이 있음이 확인되었다.
4) 연구 대상으로 하는 밸브는 밸브 출구각도가 30°일 때 최대의 유량 특성을 가지고 있고, 동시에 캐비테이션 개선 효과도 있음이 확인되었다.
5) 이 연구의 대상으로 하는 밸브는 가공성을 고려할 때, 30°의 밸브 출구각도일 때, 최적의 상태임을 해석을 통해서 확인되었다.

<참고문헌>

1) Kui-Ming Li, Yoo-Hwan Choi, Ill-Yeong Lee, Yeon-Won Lee, “Study of the Fluid Flow on Proportional valve in Spool Displacement using CFD”, J. of the KSPSE, Vol. 19, No. 2, pp. 22~26, 2015
2) Byunghoon Kim, Minchul Lee and Hyungkeun Ji,"Analysis the specific characters of cone shaped solenoid valve by numerical method“,  Scholar thesis of Hayang Univ. 2012-1
3) Node Data, “Flow simulation for flow discharge”, BS solidworks, 2012
4) Sung Jin KIm, Sung Yuen Jung, Daug Ju Kim and Chul Kim, “Study on Flow Characteristics and Discharge Coefficient of Safety Valve for LNG/LNG-FPSO Ships”, J. of KSME-A, Vol. 35, No. 5, pp. 487~494, 2011


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