1. 구동부의 종류
밸브 구동부는 손으로 작동하는 수동식과 외부로 부터 에너지를 받아 작동하는 자동식, 유체의 흐르는 힘과 밸브내에 설치되어있는 스프링이나 파이롯트 밸브 장치등에 의해 작동하는 자주식 밸브로 구분한다.
⑴ 수동식 밸브 (Manual Valve)
⒜ 레버식 : 대개 작은 크기의 버터플라이 밸브나 볼 밸브,플러그 밸브 등 90도 회전하는 밸브에 많이 사용한다.
⒝ 휠식 : 수직형으로 움직이는 게이트 밸브, 글로브밸브 가운데 사이즈가 큰 밸브에 사용한다.
⒞ 기어식 : 밸브 크기가 커서 직접 핸드휠로 작동이 곤란할 때 감속기를 사용, 휠로 작동한다.
⑵ 자동식 밸브 (Automatic Control Valve)
⒜ 공기식 다이야프램 구동부
⒝ 피스톤(실린더) 구동부
⒞ 전기 유압식 구동부
⒟ 고정도 서보 구동부(High performance servo actulator)
⒠ 일렉트로-메카니칼 엑추레이터
⒡ 자기식 구동부(솔레노이드)
③ 자력식 밸브 (Self Actuating Valve)
밸브 작동힘이 밸브내의 스프링과 흐르는 유체 압력이나 온도에 의하여 발생되는 힘에 의하여 작동한다. 자력식 밸브는 밸브에 일정한 압력 또는온도를 설정하여 설정치 내에서 자동 조절된다. 자동식 밸브와 다른점은 자력식 밸브는 설정치를 임의로 변경하기가 어렵고 정밀도가 떨어질 뿐만아니라 고압이나 고온에서 사용하기가 곤란하고 온도나 압력 변화 등 프로세스 변화가 심하면 사용할 수 없다. 종류로는 안전변, 감압변, 감온변, Steam Stap이 있다.
2. 구동부 선택
자동밸브에서 어떤 구동부를 사용할 것인가는 조절계기의 신호가 무엇인가에 따라 다르다. 계장에서 다루는 신호의 종류에는 전기신호와 공기신호유압신호가 있는데 이와 같은 신호는 제어하고자 하는 목표치와 측정량의 제어편차에 의해서 조작량 신호를 자동으로 출력한다.
구체적으로 구동부를 선택하기 위해서는 다음 사항을 검토해야 한다.
⑴ 구동부를 움직이는 에너지 공급원의 종류에 따라 구동부를 선정한다.
⑵ 구동부를 움직이는 최저의 힘에 따라 같은 크기의 구동부라면, 유압식이 가장 크고, 전기식이 가장 작다.
⑶ 공정 라인압력, 공정압력에 따라서 밸브를 제어하고자 하는 위치에서 스템을 견고하게 유지할 수 있는
힘이 되는 가를 검토한다.
⑷ 밸브를 제어하는데 필요로 하는 작동시간
⑸ 주위환경, 방폭지역 및 분진 지역등의 설치 환경의 검토
⑹ 밸브 안정도 및 신뢰도
⑺ 구동부 에너지원이 차단되었을때에 밸브위치가 오픈, 클로우즈, 홀드 포지션이 되어야 하는가를 검토한다.
⑻ 가격
실제적으로 현재 생산공정에 사용하는 대부분(90％ 이상)이 공기로 작동하는 다이야프램 구동부와 피스톤(실린더)식 구동부를 사용하고 있다. 이와 같이 공기작동식 구동부가 많이 사용되고 있는것은 구조가 간단하고 고장률이 적으며, 안정성이 높고, 강력한 힘을 발생 하면서도 가격은 다른 구동부에 비해 싸기 때문이다.
1) 다이야프램 엑츄레이터
두개로 된 철판또는 주물 챔버 내에 고무막이 들어있고, 고무막(Diaphragm) 위 아래 어느 부분이 밀폐로 되어 있어 이 챔버내 공기를 가하면,상하로 움직이도록 설계되어 있다. 대개 스프링이 다이야프램의 반대편에 있어 일정한 힘에 의하여 움직이도록 정해진 범위(Spring Range)가 있다. 조절계기 조작량 신호가 밸브에 흐르는 유체의 차압, 패킹 박스내 마찰력과 스프링으로 부터 반작용으로 나타나는 힘에 대하여 작용하게 된다. 압력 챔버가 다이야프램 위에 있어 공기를 넣으면 Stem이 아래 방향으로 움직이는 것을 정동작 (Direct action diaphragm)이라 하고, 압력 챔버가 다이야프램 아래에 있어, 공기를 가하면 Stem이 위쪽으로 움직이는 형식을 역동작 (Reverse action diaphragm) 엑츄레이터 라고 한다.
그러나 Motoyama나 Foxboro등의 엑츄레이터는 정/ 역동작을 따로 구분하지 않고 현장에서 즉시 교체가 가능한 엑츄레이터를 사용하고 있다. 구동부는 스프링 레인지와 다이야프램 크기에 따라서 힘이 다르다.구동부의 힘은 유체의 차압,밸브 및 구동부내의 마찰력 등을 충분히 이겨낼수 있는 것을 선택해야 한다. 따라서 구동부의 크기는 밸브 크기와는 관계없이 차압이 큰 고압밸브에는 밸브가 작더라도 많은 힘이 필요하므로 큰구동부를 사용해야 하며, 차압이 작은 저압용 밸브에서는 밸브가 크다해도작은 구동부를 사용할 수 있다. 그러나 제조회사는 각기 규격화하여 밸브 크기에 따라서 일정한 크기의 구동부를 사용하도록 규격화하는 것이 보통이다. 예를 들면, 글로브 밸브 Single Seat, Control plug에서 P1 = 15 ㎏/㎠, P2 = 10 ㎏/㎠, Port면적이 75㎠ 이라면, 최소한으로 밸브를 닫을 수 있는 힘은 5 ㎏/㎠ X 75 ㎠ = 375 ㎏ 이다. 따라서 조작량 신호가 0.2∼1.0 ㎏/㎠ 라면 0.2 ㎏/㎠에서 움직여야 하기 때문에 다이야프램 면적이 최소한 375 ㎏/0.2 ㎏/㎠ = 1875 ㎠ 이상은 되어야 한다. 그러나 공기압이 1.0 ㎏/㎠ 일때는 375 ㎠로서 이때는 1500 ㎏/㎠ 힘의 여분이 있는데 이것을 다이야프램 반대편에 스프링을 넣어 흡수한다. 만일 밸브 트레블이 25 ㎜라면 스프링이 25 ㎜ 수축할때 1875 ㎏ 힘이 있는 스프링을 넣어야 한다. 그러나 이론적으로 1875 ㎏이 필요하나 실제적으로는 밸브 Stem과 엑츄 레이터 Stem의 마찰이 있어 좀더 큰 엑츄레이터가 필요하다.
(a) 구동부와 밸브 동작 선정
구동부를 움직이는 에너지원 고장시 밸브의 위치 (Open,Close 또는 직전 위치에 Stop)는 전체 공정의 안전, 에너지 절감, 재가동시의 문제점 등을 고려할때, 대단히 중요한 사항으로 파이프내 유체를 차단할 것인가, 열이 계속 공급되어도 관계없는가, 압력 상태를 어떻게 할것인가에 따라 공정 전체의 안전성을 고려하여 결정한다. 다이야프램 엑츄레이터와 스프링 리턴 실린더는 스프링이 다이야프램과 실린더 반대편에 위치하여 보조 에너지가 고장시 구동부 Stem이 원위치로 돌아간다. 밸브를 기준으로 에너지원의 공급이 차단 되었을때(Air Fail) 밸브가 열리는 밸브를 정동작 밸브, 밸브가 닫히는 밸브를 역동작 밸브라 한다. 즉, 정동작 밸브는 Air Fail Open 또는 Air to Close, 역동작 밸브는 Air Fail Close 또는 Air to Open 이다. 밸브중 밸브 전체를 뒤집어 사용할 수 있는 Top & Bottom guide Globe 밸브나 로터리형 밸브외에는 현장에서 동작을 바꾸는 것이 불가능하므로 교환가능 구동부를 선정하는 것이 유리하다.
(b) 구동부와 밸브 유체방향 선택
Double Port나 Cage Trim 밸브에서는 Port 옆으로 유체가 들어간다. 그러나 제어형 Single Port인 경우는 Seat ring 밑에서 Plug 방향으로 흐르는 방법과 Plug 쪽에서 Seat ring 방향으로 흐르는 방법이 있다.
(c) 구동부의 크기 선정
구동부의 크기는 구매자가 제공하는 유체 조건에 따라서 밸브 제조회사에서 밸브내 가해지는 1)유체의 정지압과 밸브내에서 유체가 흐를때 발생 하는 2)운동 압력과 유체의 점성에 따른 마찰력 3)밸브 자체의 Packing box내의 마찰력등을 계산하여 충분한 힘이 있는 구동부를 선정하는 것이 통상적이다. 그러나 구매자가 제공하는 자료는 충분치 않을 때가 많아서 구동부 선정시 어려움이 많다. 이상적인 구동부는 이 정지압과 운동압 그리고 밸브내 마찰력을 충분히 충족할 수 있는 힘을 갖고 밸브가 어떠한 일정한 위치에서도 흔들림 없이 밸브 스템위치를 고정할 수 있어야 한다. 즉, 구동부는 충분한 힘, 힘의 안정성과 신호에 대하여 즉각적인 반응을 할 수 있는 응답특성 수요자 측면에서 생각하면 구동부 크기를 결정하기 위해 구동부 크기 선정에 필요한 자료 (최대 밸브 입구압력, 출구압력, 운전 허용범위등)를 제조회사에 제공하고 견적시 또는 사양상에 구동부 크기를 명시하게 하여 다른 상품과 구동부의 유효면적을 비교하고 중요한 밸브는 제조회사로 부터 계산 근거를 받아 독자적으로 계산하여 보는것이 좋다