KR19980032929A - 삼방 밸브 및 이를 이용한 배기 가스 처리 장치 - Google Patents

Abstract

고온 기체의 흐름 방향을 절환하는 삼방 밸브의 완전 폐쇄성을 향상시키고, 또, 이 삼방 밸브의 내구성을 향상시켜서 제어 대상의 기체가 엔진의 배기 가스에 있어서도 누설의 증가가 억제되도록 하는 것이다.

밸브실(4) 내에 설치하는 밸브 기구(5)를 지지축(6)을 지지점으로 하여 회전하는 아암(7)과 이 아암의 밸브 누름부에 설치하는 지지봉(8)과 아암(7) 양측에 지지봉(8)으로 경사 자유도를 갖도록 지지하여 설치하는 2개의 밸브 부재(9)로 구성하고, 이 밸브 부재(9)의 시일면(9a)과 이를 안착시키는 분기로 입구의 밸브 시트(10)를 평면으로 하여 시일이 면 접촉으로 행해지도록 하였다.

Description

삼방 밸브 및 이를 이용한 배기 가스 처리 장치

본 발명은 부식 성분이나 미립자 등을 포함하는 고온 기체, 예를 들면 엔진의 배기 가스 등의 흐름을 절환하는 데 이용하는 삼방 밸브와, 이것을 사용하여 엔진의 배기 가스를 정화 처리하는 장치에 관한 것이다.

디젤 엔진의 배기 가스 내에는 대기 오염의 원인이 되는 각종 성분이 함유되어 있다. 그 성분의 하나로 카본을 주체로 하는 가연성 미립자가 있다. 그 미립자는 입자형 재료(이하 PM이라 기록하는)라 불려지고 있다. 이 PM을 제거하기 위해 엔진의 개선도 물론 진행되고 있지만, 보다 확실한 제거 방법으로서, 배기 시스템의 도중에 트랩퍼를 설치하고, PM을 트랩퍼로 포집하는 정화 장치가 고려되어(일본 특허 공개 소58-51235호 공보) 일부에서 이미 실용화되고 있다.

이 장치는 포집한 PM을 정기적으로 연소시켜서 트랩퍼를 재생할 필요가 있지만, 연소 재생은 엔진으로부터 배기 가스가 도입되고 있을 때는 조건적으로 어렵고, 또 엔진을 도중에서 멈추게 할 수는 없으므로 배기로를 도중에서 2개로 분기하여 각 분기로에 각각 트랩퍼를 설치하고, 그 2개의 트랩퍼로 PM의 포집과 연소 재생을 교대로 행하는 방법이 채용되고 있다.

이 방법을 채용하는 경우, 연소 재생을 행하는 측의 분기로를 차단하여 PM 포집을 행하는 측의 분기로에 배기 가스를 유도하는 밸브가 필요하다. 그런데, 엔진의 배기 가스는 고온의 부식성 가스이며, 이 분위기 내에서는 윤활유 등의 윤활제도 사용할 수 없으므로, 통상의 개폐 밸브나 절환 밸브는 사용할 수 없다.

그래서, 일본 특허 공개 소56-92318호는 2개의 분기로의 중앙에 회전 지지점을 갖는 플랩 밸브를 설치하여 그 플랩 밸브로 2개의 분기로를 교대로 개폐하는 미립자 포집 장치를 제안하고 있다.

또, 일본 특허 공개 평7-224633호는 도6에 도시한 삼방 밸브를 이용하여 배기 가스의 흐름을 절환하는 배기 정화 장치를 제안하고 있다. 도6의 삼방 밸브는 2개의 분기로(31, 32)의 중앙에 회전 지지점을 갖는 아암(33)을 갖고, 그 아암(33)에 구면의 시일면(34)을 갖는 2개의 밸브 부재(35)를 상반하는 쪽으로 부착하고, 아암(33)의 회전으로 한 쪽 밸브 부재(35)를 한 쪽 분기로의 입구 에지에 다른 쪽 밸브 부재를 다른 쪽 분기로의 입구 에지에 교대로 맞닿도록 하고 있다.

이들 장치는 분기로 입구의 개방, 폐색을 신속히 행할 수 있는 이점을 갖지만, 그 한편으로, 재생측의 분기로를 폐쇄하여 이 상태에서 포집한 PM을 히터로 가열하여 연소시키므로 산소 부족으로 연소가 불완전해질 우려가 있다. 이 때문에, 일본 특허 공개 소56-92318호의 장치는 플랩 밸브에 오리피스 구멍을 개방하여 배기 가스의 일부가 재생측 분기로에 도입되도록 하고 있다. 또, 일본 특허 공개 평7-224633호 장치는 에어 공급 수단을 부가하여 재생측의 분기로 내에 외부로부터 공기를 강제적으로 송입하도록 하고 있다.

일본 특허 공개 소56-92318호 공보에 나타내는 장치는 플랩 밸브를 이용하고 있으므로, 이 밸브와 트랩 용기 사이의 완전 폐쇄성이 불충분해진다. 또, 이 때문에, 재생측 분기로에 대해 오리피스 구멍에서만이 아닌 시일부에서도 배기 가스가 유입하고, 산소 보급의 컨트롤이 어렵게 된다. 산소 보급이 불안정해지면 PM 연소도 불안정해지며, 그 결과, 트랩퍼의 재생이 불안정해지며 재생 불균일 등이 발생한다.

또, 일본 특허 공개 평7-224633호 공보에 개시된 장치는 구면의 시일면이 분기로 입구 에지에 선접촉하여 유로의 차단이 행해지므로, 시일부의 면압이 커지며, 밸브 부재의 시일면이나 접촉 상대의 에지가 쉽게 손상을 입는다. 또, 선 접촉에 의한 시일에서는 구형 시일면의 가공 불량, 배기 가스에 의한 시일면의 부식, PM 부착에 의한 시일면의 부상 등으로 시일성이 손상되는 것도 고려되고, 충분한 신뢰성을 얻을 수 없다.

본 발명은 상술한 종래 장치의 결점을 해소할 수 있는 봉지 신뢰성이 높은 삼방 밸브와, 이것을 이용한 배기 가스 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

도1은 본 발명의 삼방 밸브의 실시 형태를 도시한 단면도.

도2는 밸브 부재에 기체 유도용 오목부를 설치한 삼방 밸브의 단면도.

도3은 밸브 부재에 오리피스 구멍을 부가한 삼방 밸브의 단면도.

도4는 도1 또는 도2의 삼방 밸브를 이용하여 구성되는 본 발명의 배기 가스 처리 장치의 시스템도.

도5는 도3의 삼방 밸브를 이용하여 구성되는 본 발명의 배기 가스 처리 장치의 시스템도.

도6은 삼방 밸브의 종래예의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 101 : 삼방 밸브

2 : 주 유로

3 : 분기로

4 : 밸브실

5 : 밸브 기구

6 : 지지축

7 : 아암

8 : 지지봉

9 : 밸브 부재

9a : 시일면

9b : 볼록 구면 배면

9c : 오목 구면 오목부

10 : 밸브 시트

11 : 오리피스 구멍

20 : 배기 가스 처리 장치

21 : 엔진

22 : 배기관

23 : 분기관

24 : 트랩퍼

25 : 개폐 밸브

본 발명의 삼방 밸브는 제1, 제2 분기로의 중앙에 회전 지지점을 갖는 아암과, 이 아암의 밸브 누름부에 설치하는 지지봉과, 상기 밸브 누름부의 일면과 다른 면에 등을 마주보도록 부합시켜 각각이 경사 자유도를 가진 상태로 상기 지지봉으로 지지하는 2개의 밸브 부재와, 제1, 제2, 분기로의 입구부에 각각 설치하는 평면의 밸브 시트를 갖고, 각 밸브 부재는 밸브 시트에 면 접촉하는 평면 시일면을 갖고, 상기 아암의 회전으로 한 쪽 밸브 부재가 제1 분기로를, 다른 쪽 밸브 부재가 제2 분기로를 각각 폐쇄하도록 구성된 밸브이다.

이 삼방 밸브는 밸브 누름과 밸브 부재를 구면 접촉하는 구조로 해 두면 보다 바람직하다.

또, 이 삼방 밸브에서, 엔진의 주요 배기관으로부터 분기시킨 제1, 제2의 분기관을 교대로 개폐하도록 하고, 제1, 제2 분기관의 각각에 배기 가스 내의 PM을 포집하여 정기적으로 소각하는 트랩퍼를 설치하면, 본 발명의 배기 가스 처리 장치가 가능하다.

본 처리 장치는 삼방 밸브와 트랩퍼 사이에 있어서, 삼방 밸브에 폐색된 측의 분기관 내에 외부로부터 공기를 정량적으로 공급하는 공기 도입 수단을 부가하거나 또는 그 공기 도입 수단 대신에 삼방 밸브의 각 밸브 부재에 오리피스 구멍을 설치하고, 이 오리피스 구멍을 통해서 삼방 밸브에 폐색되고 있는 측의 분기관에 배기 가스의 일부를 유입시키는 구성으로 해 두면, 재생 성능이 양호해진다.

본 발명의 삼방 밸브는 밸브 부재의 시일면과 밸브 시트가 함께 평면으로 되어 있으며, 이 양자가 면 접촉하여 유로의 완전 폐쇄가 행해지므로, 부식에 대한 시일면의 내구성이 선 접촉 시일 방식의 것보다도 높고, 또 시일면에 PM이 부착해도 시일 면적이 넓으므로 영향이 적다. 또, 밸브 누름 부재와 밸브 부재가 구면 접촉하는 것은 밸브 부재가 어느 방향으로도 자유로이 경사지므로, 시일면의 전영역에 균등하게 압력이 가해지며, 보다 안정된 시일이 행해진다.

이 삼방 밸브를 이용한 본 발명의 배기 가스 처리 장치는 트랩퍼 재생을 행하는 쪽의 분기관이 확실히 폐색되므로, 폐색측 분기관에 외부로부터 공기를 도입하여 PM 연소를 촉진할 경우, 혹은 밸브 부재에 오리피스 구멍을 설치하여 그곳으로부터 배기 가스의 일부를 의도적으로 도입하여 PM 연소를 촉진할 경우 모두 공급되는 공기나 배기 가스를 정량화하여 연소 조건, 연소 온도를 각부에서 균일화할 수 있고, 불균일이 없는 재생이 가능해진다.

또, PM 연소의 촉진을 배기 가스의 일부로 행하는 것은 외부로부터의 공기 도입 수단을 구비하는 데 비해 장치의 간소화면에서 유리함은 물론이다.

도1에 본 발명의 삼방 밸브의 실시 형태를 도시한다. 이 삼방 밸브(1)는 주 유로(2)와 분기 유로(3A, 3B)(A, B는 동일 요소를 구별하기 위해 편의상 붙인다. 이하도 같음.) 사이에 밸브실(4)을 갖고, 그 밸브실(4) 내에 밸브 기구(5)를 설치하여 구성되어 있다. 밸브 기구(5)는 분기로(3A, 3B)의 중앙부에 설치하는 외부 조작이 가능한 지지축(6)과, 일단부를 지지축(6)에 부착한 아암(7)과, 이 아암(7)의 밸브 누름부(분기로의 중심부로 오는 부분)에 관통시켜서 부착하는 지지봉(8)과, 이 지지봉(8)에 부착하여 밸브 압박부의 양측에 설치하는 2개의 밸브 부재(9)로 이루어진다.

밸브 부재(9)는 금속이나 세라믹 등, 내열성이 있는 재료로 만들어져 있다. 이 밸브 부재(9)는 중심에 관통시킨 지지봉(8) 사이에 유격(간극)을 발생시키고, 또 볼록 구면의 배면(9b)을 밸브 누름부의 표면에 맞닿게 해 360。 전방향으로 경사 자유도를 갖게 하고 있다. 이 밸브 부재(9)에는 평면의 시일면(9a)이 설치되고, 또, 분기로(3A, 3B)의 입구부에는 시일면(9a)을 묜 접촉시키는 평면 밸브 시트(10)가 설치되어 있다.

또, 시일면(9a)과 밸브 시트(10)는 접촉값(d)이 1㎜ 이상 확보되도록 해 두는 것이 바람직하다. 접촉값이 지나치게 작으면 선 접촉 시일과 큰 차가 없게 되며, 발명의 효과가 작다.

이와 같이 구성한 삼방 밸브(1)는 지지축(6)을 회전시키면 아암(7)이 회전하여 밸브 부재(9)가 도면의 실선 위치로부터 쇄선 위치로 이동하고, 주 유로(2)에 대한 분기로의 접속 상태가 변하여 주 유로로부터의 기체가 분기로(3A)로 흐른다. 또, 지지축(6)을 역회전시키면 밸브 부재(9)가 원래의 실선 위치로 복귀하여 분기로(3A)가 폐쇄되고, 주 유로로부터의 기체가 분기로(3B)로 흐른다.

밸브 부재(9)에 의한 분기로의 폐색은 시일면(9a)이 밸브 시트(10)에 면 접촉하여 행해진다. 이 때 시일면압은 밸브 부재(9)가 경사 자유도를 가지므로 전영역에서 균일해지며, 따라서, 시일부로부터의 기체 누설은 제로 또는 근소하게 억제된다. 또 그 기체가 엔진의 배기 가스이면 가스 내에 포함되는 PM이 시일면(9a)이나 밸브 시트(10)에 부착하지만, 이 PM은 시일면(9a)과 밸브 시트(10)에 끼어서 찌그러지고 시일 부재의 역할을 하게 되므로, 시일성은 오히려 강화된다.

도2는 제2 실시 형태이다. 이 삼방 밸브(1)는 밸브 부재(9)의 전면에 오목 구면의 오목부(9c)를 설치하고 있으며, 그 오목부(9c)에 의한 유도 효과로 주 유로(2)로부터의 기체가 해방측의 분기로에 원활하게 흐르는 이점이 있다. 기타 구성은 도1과 마찬가지로 되어 있다.

도3의 삼방 밸브는 도1의 삼방 밸브의 밸브 부재(9)에 오리피스 구멍(11)을 부가한 것이다. 이 삼방 밸브(101)는 폐색된 분기로에 배기 가스의 일부를 유입시킬 필요가 있을 때 이용한다. 오리피스 구멍(11)의 설치점, 설치수, 크기는 주 유로와 분기로의 접속각 등을 고려하여 폐색 분기로에 대해 요구되는 양의 배기 가스가 도입되도록 결정한다.

도4는 도1 또는 도2의 삼방 밸브(1)를 이용하여 구성되는 배기 가스 처리 장치의 일례를 도시하고 있다. 이 배기 가스 처리 장치(20)는 엔진(21) 배기관(22)의 도중에 삼방 밸브(1)를 조립하고 있다. 또, 도1, 도2의 분기로(3A, 3B)에 상당하는 분기관(23A, 23B)의 각각에 트랩퍼(24A, 24B)를 설치하고, 또, 삼방 밸브(1)와 각 트랩퍼 사이에 있어서 분기관(23A, 23B)에 외부로부터 정량의 공기를 도입하는 개폐 밸브(25A, 25B)를 구비한 관을 접속하고 있다.

트랩퍼(24)는 케이스 내에 PM 여과용 필터와 포집한 PM을 가열, 연소시키는 전기 히터를 수납하여 구성되어 있다.

이 트랩퍼(24)는 필터를 발포 금속이나 금속 부직포(모든 내열성, 내식성에 우수한 것)로 형성하여 필터의 열전도성을 향상시키고, 열점에 의한 필터 파괴를 방지한 것, 필터 사이의 공간에 면형 히터를 삽입하여 재생 성능을 높인 것 등이 여러 가지 개발되어 있다. 그들 중에서 바람직한 것을 선택하여 이용하면 된다.

이상과 같이 구성한 배기 가스 처리 장치는 디젤 엔진 등의 엔진(21)으로부터 배출된 가스가 배기관(22)을 통해 밸브실(4)로 유입하고, 도면의 케이스에서는 밸브실(4)로부터 분기로(32A)로 흐른다. 그리고 이 배기 가스 내의 PM이 트랩퍼(24A)에 포집되고(이 때 밸브(25A)는 폐쇄되어 있다), 그 사이에 트랩퍼(24B)의 재생이 행해진다. 그 재생은 밸브(25B)를 개방하고, 분기관(23B)에 외부로부터 정량의 공기를 도입하여 PM 연소를 촉진시키면서 행해진다. 또, 트랩퍼(24A)에 의한 PM 포집이 한계에 달하면, 삼방 밸브(1)가 절환하여 트랩퍼(24B)에 의한 PM 포집과 트랩퍼(24A)의 재생이 이루어지고, 이상의 동작이 교대로 반복된다.

도5는 도3의 삼방 밸브(101)를 이용하여 배기 가스의 일부를 폐색측의 분기관에 흘리고, 이 도입 가스 내의 산소를 이용하여 PM 연소를 촉진시키도록 한 장치이다. 이 장치는 외부로부터의 공기 도입 수단을 생략할 수 있고, 간소화가 도모된다.

도2에 도시한 구조의 본 발명의 삼방 밸브와 일본 특허 공개 평7-224633호에 도시되는 도6의 삼방 밸브를 이용하여 완전 폐쇄성의 비교 시험을 행하였다.

우선, 2개의 삼방 밸브에 대해서 작동 전에 20 kPa의 공기를 공급하여 밸브의 누설을 조사한 바, 양자 모두 누설량은 0.1ℓ/min 였다.

다음에, 각 삼방 밸브의 아암 회전 지지점에 에어 실린더를 부착하여 밸브의 개폐 동작을 1만회 행해 그 후에 작동 전과 같은 20 kPa의 압력 공기를 흘린바, 도6의 비교품은 밸브의 누설량이 0.85ℓ/min로 증가했다. 이에 반해 본 발명의 삼방 밸브는 누설량이 0.13ℓ/min로 억제되어 있으며, 시일성의 저하가 매우 작았다.

위의 실험 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 삼방 밸브는 묜 접촉에 의한 시일이 안정되어 행해지도록 하였으므로, 시일성, 내구성에 우수, 보수의 어려운 점에 채용하는 데 적합하다.

또, 이 삼방 밸브를 이용한 본 발명의 배기 가스 처리 장치는 트랩퍼 재생시의 PM 연소 조건이 안정되고, 불균일이 없는 재생이 확실히 행해지고 재생 효율이 향상한다는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 유로의 접속 상태를 절환하여 주 유로로부터의 기체를 제1 분기로와 제2 분기로에 선택적으로 흘리는 삼방 밸브로서, 제1, 제2 분기로의 중앙에 회전 지지점을 갖는 아암과, 이 아암의 밸브 누름부에 설치하는 지지봉과, 상기 밸브 누름부의 일면과 다른 면에 등을 마주보도록 부합시켜 각각이 경사 자유도를 가진 상태로 상기 지지봉으로 지지하는 2개의 밸브 부재와, 제1, 제2 분기로의 입구부에 각각 설치하는 평면 밸브 시트를 갖고, 각 밸브 부재는 밸브 시트에 면 접촉하는 평면의 시일면을 갖고, 상기 아암의 회전으로 한 쪽 밸브 부재가 제1 분기로를, 다른 쪽의 밸브 부재가 제2 분기로를 각각 개폐하도록 하고 있는 것을 특징으로 하는 삼방 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 누름부와 밸브 부재를 구면 접촉하는 구조로 된 것을 특징으로 하는 삼방 밸브.
3. 엔진의 배기관 도중에 설치하는 배기 가스 처리 장치로서, 제1항 또는 제2항 기재의 삼방 밸브와 이 밸브로 교대로 개폐하는 제1, 제2의 분기관을 갖고, 삼방 밸브의 하류에 접속되는 그 제1, 제2 분기관의 각각에 배기 가스 내의 가연성 미립자를 포집하여 정기적으로 소각하는 트랩퍼를 설치하여 구성되는 배기 가스 처리 장치.
4. 제3항에 있어서, 삼방 밸브와 트랩퍼 사이에 있어서, 삼방 밸브에 폐색된 측의 분기관 내에 외부로부터 공기를 정기적으로 공급하는 공기 도입 수단을 부가한 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
5. 제3항에 있어서, 삼방 밸브의 각 밸브 부재에 오리피스 구멍을 설치하고, 이 오리피스 구멍을 통해 삼방 밸브에 폐색되어 있는 측의 분기관에 배기 가스의 일부를 유입시키도록 한 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.