KR100361200B1 - 개선된자동재순환밸브 - Google Patents

Abstract

자동 재순환 밸브 (10) 는 몸체 (12), 이 몸체 (12) 안에 결합된 중앙 허브 (60), 입구 (16) 및 재순환 출구 (20) 를 갖는다. 상기 입구 (16) 로 부터 메인 출구 (18) 로 향하는 유동에 반응하는 메인 밸브요소 (28) 는 재순환 유체가 통과하게 되는 바이패스 밸브부재 (32) 를 형성하는 중공 스템 (42) 를 포함한다. 밸브 스템 (42) 을 둘러싸는 샤프트 안내부싱 (56) 과 바이패스 출구 (20) 에 있는 바이패스 아답터 (58) 는 재순환 유체 통로를 이루게 되며 또한 재순환 출구 (20) 를 빠져나가는 재순환 유체에 스월 운동을 유발시킴으로써, 밸브몸체 (12) 와 하류의 파이핑을 손상으로 부터 보호하게 된다.

Description

개선된 자동 재순환 밸브

재순환 밸브는 펌프의 과열을 막고 또한 유압 안정성을 유지하기 위해 원심 펌프에서 흔히 사용되고 있다. 펌프의 과열은, 펌프에 의해 발생된 열 에너지가 이 펌프를 통과하는 유체에 전달됨으로써 생기는 것이다. 적절히 설계된 시스템에서 정상 작동조건 (펌핑된 유체에 대한 정상 하류 유동량) 이 유지되는 동안에, 전달된 열 에너지를 흡수하여 제거함으로써 과열을 방지하기에 충분한 유체유동이 펌프에서 일어난다. 그러나, 저유동이 요구되는 기간에서는, 느린 속도로 유동하거나 심지어는 정체된 유체가 펌프에서 주재하는 동안에 더욱 많은 양의 열을 흡수하게 되어, 결과적으로 펌프내의 유체 온도가 상승하게 된다. 펌프내의 유체온도가 상승함에 따라 이 유체의 증기압도 높아지게 되고, 그 결과 펌프의 임펠러와 하우징을 손상시킬 수 있는 공동 (cavitation) 이 발생하게 된다.

또한, 낮은 유동 조건도 일반적으로 내부 재순환이라고 알려진 현상을 유발할 수 있다. 저유동 조건하에서는 수력이상 (hydraulic anomalies) 이 펌프내부에 발생할 수 있다. 이러한 유압이상은 낮은 유량에서 펌프의 내부 형상이 최적으로되지 않은 경우에 유체에 발생하는 현상으로서, 일반적으로 펌프 하우징 토출부 근처의 임펠러에서 유체가 유출되는 영역에서 발생하게 된다. 내부 재순환이라고 알려진 이러한 현상은 펌프 임펠러에 손상을 줄 수 있는 공동을 발생시키게 된다.

재순환 밸브는 이차 경로 - 저 하류 유동이 요구되는 기간에 펌프는 이 이차경로를 통해 충분한 유체 유동을 유지시킬 수 있다 - 를 제공함으로써 펌프 과열을 방지하고 또한 수력 안정성을 유지시키는 것이다. 일반적인 형태의 재순환 밸브의 일예로서, 미국특허 제 4,095,611 호, 미국특허 제 4,941,502 호 및 미국특허 제 5,333,638 호에 개시되어 있는 모듈레이팅 유동밸브를 들 수 있다. 이들 특허에 개시된 밸브들은 입구, 메인 출구, 재순환 출구, 메인 유동요소 및 슬롯형 오리피스가 있는 바이패스 요소를 가지고 있다. 이러한 밸브는 펌프의 하류에 설치된다. 유체는 펌프로부터 입구를 통해 밸브로 유입해서, 하류 유동량을 만족시키기 위해 메인 출구를 통해 상기 밸브를 나간다. 상기 재순환 출구는, 메인출구에서 저유동이 요구되는 기간에 유체가 향하게 되는 저압 수조 또는 펌프 입구와 같은 이차 유체경로에 연결된다.

상기 메인 밸브요소는 밸브입구와 메인 출구 사이에서 유량을 측정한다. 정상 하류 유동량이 필요한 기간에 메인 밸브의 양쪽에서의 압력차로 인하여, 이 메인 밸브요소가 개방되고 메인 출구로 유동이 일어나며, 동시에 바이패스 밸브요소는 닫히게 되어 유체는 재순환 출구로 흐르지 못하게 된다. 역으로, 저 하류 유동이 요구되는 기간에는, 상기 메인 밸브요소가 폐쇄위치 (안착 위치) 로 복귀하며 이로써 바이패스 요소가 개방되어 유체가 재순환 출구를 통해 이차 경로로 흐르게된다. 또한, 메인 밸브요소가 닫히는 경우에, 이 밸브요소는 펌프의 작동이 중지되었을 때 펌프 임펠러의 역회전을 방지하는 체크 밸브로서의 역할을 하게 된다.

개선된 원심펌프의 설계에 있어, 더 많은 재순환 유동이 일어나게 하는 것이 더욱 필요하게 되었다. 더 많은 재순환 유량에 대한 요구가 증가함에 따라, 더욱 격렬한 난류유동에 의해 유발될 수 있는 공동 및 다른 손상으로부터 재순환 밸브와 재순환 파이핑을 보호하는 것이 필요하게 되었다.

본 발명은 자동 재순환 밸브에 관한 것으로, 구체적으로 말하면, 원심 펌프에서 바이패스 재순환 유동을 조정하기 위한 재순환 밸브에 관한 것이다.

도 1 은 메인 밸브부재의 폐쇄위치와 바이패스 요소의 완전 개방위치를 보여주는 본 발명에 따른 재순환 밸브의 단면도.

도 2 는 본 발명의 개선된 형태의 바이패스 아답터에 대한 횡단면도.

도 3 은 바이패스 아답터에 배치된 스월발생 베인을 도시하는 바이패스 아답터의 평면도.

본 발명의 자동 재순환 밸브는 본 출원인이 이미 출원한 미국 특허 제 5,333,638 호에 개시된 자동 재순환 밸브를 개선한 것으로, 이 특허출원의 내용은 이후 본 발명의 상세한 설명에서 참고로 관련되어 있다.

따라서, 본 발명의 한 목적은 개선된 재순환 밸브를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 더욱 유연한 성능을 발휘하는 바이패스 밸브를 갖춘 재순환 밸브를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은, 바이패스를 통해서 바이패스 또는 재순환 파이핑으로 가는 유체유동을 제어함으로써 더욱 신뢰성이 있는 성능을 얻을 수 있고 바이패스 밸브와 파이핑을 손상으로부터 보호할 수 있는 재순환 밸브를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 이점 및 특징은 다음의 상세한 설명에 부분적으로 제시되어 있으며, 다른 사항들은 당 기술분야에 관련된 사람들에 있어 하기의 내용으로부터 명백할 것이며 또는 본 발명의 실행으로부터도 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적과 이점들은 청구항들에 기재된 사항들 또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다.

본 발명에 따르면, 과열 또는 유체의 불안정으로 인한 손상으로부터 원심 펌프를 보호할 수 있는 개선된 자동 재순환 밸브가 제공된다. 본 발명의 밸브는 입구, 메인 출구, 재순환 출구, 상기 입구와 메인 출구 사이의 유동에 따라 작동하는 메인 밸브요소 및, 상기 입구와 재순환 출구 사이의 유체유동을 제어하기 위해 메인 밸브요소에 따라 작동하는 바이패스 요소를 포함한다. 이 바이패스 요소는 바이패스 부싱과 재순환 유체가 통과하는 바이패스 아답터를 포함한다. 상기 부싱은 재순환 밸브의 내부를 손상으로부터 보호하며, 바이패스 아답터는 공동에 의한 재순환 파이핑에 대한 손상을 방지하기 위해 스월 운동을 일으키면서 재순환 유체를 상기 파이핑으로 유도하게 되며, 이로써 개선된 재순환 밸브가 얻어지는 것이다.

위와 같은 본원 발명의 개요와 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 통해서 더욱 잘 알 수 있을 것이다. 본 발명을 도시하기 위한 목적으로 도면에 한 바람직한 실시예가 제시되어 있지만, 본 발명은 이에만 한정되는 것은 아니다.

도 1 을 참조하면, 본 발명에 따라 주몸체 (12) 와 이 주몸체 (12) 에 부착된 본넷 부재 (14) 를 포함하는 모듈레이팅 재순환 제어밸브 (10) 가 도시되어 있다. 상기 본넷 부재 (14) 는 나사결합, 스크류 결합, 볼트결합을 포함하는 적절한 방법으로 주몸체 (12) 에 부착될 수 있다. 재순환 밸브 (10) 는 펌핑된 유체를 받아들이기 위해 원심펌프의 하류측에 연결되는 입구 (16) 와, 하류 펌프 유동량의 수원부 (source) 로 유체가 유동할 때 통과하는 메인 출구 (18) 및, 펌핑된 유체가 저 하류 펌프 유동이 요구되는 기간에 저압 용기로 향할 때 또는 펌프 입구로 복귀할 때 통과하는 재순환 출구 (20) 를 구비하고 있다. 상기 입구와 두 개의 출구를 위해 플랜지형 접속이 보여지고 있지만, 다른 적절한 파이프 접속도 가능하다.

상기 입구 (16) 와 메인 출구 (18) 사이에는 메인 유체통로 (22) 가 형성되어 있는데, 이 유체 통로는 뒤에서 설명할 메인 밸브요소 (28) 에 의해 서로 분할된 하부 메인 유동로 (24) 와 상부 유동로 (26) 로 이루어진다. 바이패스 통로 (30) 는 하부 유동로 (24) 로부터 재순환 출구 (20) 까지 형성되어 있으며 뒤에서 설명할 바이패스 밸브요소 (32) 에 의해 하부유동로 (24) 와 분리되어 있다.

재순환 유동은 내부 밸브요소로 조절되며, 이 내부 밸브요소는, 유체통로 (22) 안에 위치하여 이 통로를 지나는 유체유동에 따라 움직이게 되는 메인 밸브요소 (28) 와, 이 메인 밸브요소 (28) 의 운동에 응하여 하부 메인 유동로 (24) 와 재순환 통로 (30) 사이의 유체유동을 제어하도록 위치하는 바이패스 요소 (32) 를 갖고 있다.

상기 메인 밸브요소 (28) 는 하부 시일링 면을 지니고 있는 원형 밸브 디스크 (34) 를 갖고 있는데, 메인 밸브요소 (28) 가 완전히 폐쇄된 위치에 있을 때 상기 시일링 면은 밸브 시이트 (40) 와 접촉하여 상기 메인 밸브요소를 시일링하게 된다. 도시된 바와 같이 상기 밸브 시이트 (40) 는 메인 밸브몸체 (12) 의 일부분으로 형성되지만, 교체가능한 다른 시이트 요소로 이루어질 수도 있다.

실린더형 샤프트 (42) 를 갖는 바이패스 밸브요소 (32) 는 메인 밸브요소 (28) 에 부착되어 그와 함께 움직인다. 상기 샤프트 (42) 는 하부 메인 유동로 (24) 내부에서 밸브 (10) 의 수직 중심축선을 따라 위치한다. 이 샤프트 (42) 는 두 개의 중공 챔버, 즉 하부 샤프트 챔버 (46) 와 상부 샤프트 챔버 (48) 로 이루어지며, 이들 두 챔버는 벽 (50) 으로 분리되어 있으며 그들의 양 단부에서 시일링된다. 하부 샤프트 챔버 (46) 는 슬롯형 오리피스 (52a) 를 통해 하부 메인 유동로 (24) 와 연통하며, 또한 원형 구멍 (52b) 을 통해 재순환 유동로 (30) 와 연통하고 있다. 하부 샤프트 챔버와는 반대이지만 유사하게 상부 샤프트 챔버 (48) 는 원형 구멍 (54b) 을 통해 하부 메인 유통로 (24) 와 연통하고 슬롯형 오리피스 (54a) 를 통해서는 재순환 유동로와 연통하고 있다.

본 발명에 따르면, 샤프트 안내부싱 (56) 과 바이패스 아답터 (58) 는 각각 바이패스 밸브를 지나 재순환 도관 (도시안됨) 으로 가는 유체의 유동을 제어하게 된다. 이 재순환 도관은 상기 바이패스 아답터 (58) 의 바이패스 출구 (20) 의 직경과 실질적으로 같거나 또는 그보다 크면서 동심을 이루는 내경을 갖게 된다.

도 1 에서 보는 바와 같이, 상기 샤프트 안내부싱 (56) 은 밸브 몸체와 일체로 형성되어 있는 중앙 허브 (60) 안에 고정되어 있다. 이 샤프트 안내부싱은 일반적으로 실린더형으로 되어 있으며, 바이패스 밸브 샤프트 (42) 를 둘러싸는 중앙 바이패스 유체 챔버 (62) 및 바이패스 출구 (20) 와 대향하는 유출구 (64) 를 갖고 있다. 상부 및 하부 부싱표면 (66, 68) 각각은 메인 밸브와 바이패스 밸브의 운동을 유도하기 위해 바이패스 밸브 샤프트 (42) 에 근접하여 이를 둘러싸고 있다. 상기 샤프트 안내부싱 (52) 은 리테이닝 링 (70) 과 스프링 와셔 (72) 에 의해 허브에 고정된다.

상기 바이패스 아답터 (58) 는 리테이닝 스크류 (74) 에 의해 바이패스 출구 안에 고정된다. 이 아답터 (58) 도 중공의 실린더형으로 되어 있으며 그의 내측면은 바이패스 통로 (30) 의 일부를 이룬다. 아답터 (58) 의 내단부와 윤곽은 안내부싱 출구 (64) 를 밀접히 둘러싸 이에 대해 시일링되도록 만들 수도 있다. 바이패스 출구 (20) 를 빠져나가는 바이패스 유체에 빠른 스월 (swirl) 운동을 부여하기 위해 상기 아답터의 전단부에는 일련의 헬리컬 베인 (76) 들이 마련되어 있다. 이와 같은 유체의 스월 운동 때문에, 내포된 어떠한 기체방울도 하류 파이핑 (piping) 의 내측 표면에서 내파 (imploding) 되는 것이 방지되므로 하류 파이핑은 공동 (cavitation) 과 부식으로부터 보호된다. 상기 샤프트 안내부싱 (56) 과 바이패스 아답터 (58) 는 재순환 유체유동에 의한 손상을 받지 않기 위해 ASTM A564 Type 630 및 ASTM A276 Type 316 와 같은 스테인레스강으로 각각 만들어지는 것이 바람직하다.

도 2, 3 에는 개선된 형태의 바이패스 아답터 (58a) 가 도시되어 있다. 이 아답터는 재순환 유체를 받아들이기 위한 플레어형 (flared) 입구 (58b)를 가지고있고 밸브 몸체 안에서 부싱 인서트 (56) 에 못 미쳐 이르고 있다. 베인 (76a) 들은 개별적인 인서트로서 형성된다. 도시된 실시예에서, 인서트는 네 개의 베인을 포함하며, 각각의 베인은 인서트의 내측 및 외측 단부에서 부싱 인서트의 양 반대편에서 끝난다. 각 베인은 헬리컬 모양이며 인서트 출구에 있는 베인 블레이드의 에지는 인서트 입구에 있는 베인 블레이드의 에지로부터 90 도 나아가게 된다. 이로 인해, 베인을 지나가는 재순환 유체에는 빠른 스월운동을 하게 된다. 베인들은 예컨대 각 베인 블레이드의 선단 및 후단 에지에 택 (tack) 용접되어 인서트안에 고정된다.

바이패스 요소 (32) 의 수직운동은 바이패스 요소 (32) 가 부착되는 메인 밸브 요소 (28) 의 운동에 따른다. 이 메인 밸브 요소 (28) 는 시일링 면이 밸브 시이트 (40) 와 접촉하게 되는 완전 폐쇄위치와, 상부 메인 유동로 (26) 에 배치되어 본넷 부재 (14) 에 부착되어 있는 본넷 허브 (78) 에 상면 (36) 이 접근 또는 그와 접촉하게 되는 완전 열림위치 사이에서 움직일 수 있다. 도시된 바와 같이, 본넷 허브 (76) 는 본넷 부재 (14) 의 일부로서 형성된다.

한 단부에서 본넷 허브 (76) 에 연결되고 다른 단부에서는 메인 밸브 요소 (28) 에 연결되어 있는 헬리컬 스프링 (80) 은 압축되어 메인 밸브 요소 (28) 를 완전 폐쇄위치로 가압하게 된다.

밸브 (10) 의 특성과 성능은 각 적용의 특정 요건에 맞게 변할 수 있다. 밸브 디스크 (34) 와, 유체가 통과하는 밸브몸체 (12) 의 내벽 사이의 간격을 조정하기 위해 환상의 밸브 인서트 (도시안됨) 를 추가로 제공할 수 있다. 이것은 밸브요소 (28) 를 지나는 유체의 유량에 대하여 밸브요소 (28) 의 운동을 제어하게 된다. 상기 인서트는 특정 요건에 맞게 형성될 수 있으며 시이트 금속과 같은 어떠한 적절한 재료로도 만들 수 있다. 또한 밸브 (10) 는 바이패스 아답터 (58) 의 출구 직경을 변경함으로써 재순환 유동로 (30) 에서의 특정 유체 압력 및/또는 유량에 대하여 그 크기를 조정할 수 있다.

이상으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니고, 다음의 청구범위내에서 다양한 변형이 가능하다.

Claims (6)

1. 통과하는 유체유동을 감지하고 재순환 유체의 유동을 제공하기 위한 자동 재순환 밸브에 있어서,

   밸브몸체 및 이 밸브몸체 내부에 결합되는 중앙 허브;

   상기 밸브몸체 내부에 형성된 것으로 재순환 유체가 통과하는 바이패스통로;

   상기 밸브몸체에 있는 입구;

   상기 밸브몸체에 있는 메인 출구;

   상기 밸브몸체에 있는 재순환 출구;

   상기 입구와 메인 출구 사이에서의 유체유동에 따라 작동하는 메인 밸브요소;

   상기 입구와 재순환 출구 사이에서의 재순환 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 메인 밸브요소의 운동에 따라 작동하는 바이패스 밸브요소;

   상기 허브를 관통하며 재순환 유체가 상기 바이패스 통로안으로 유동할 때 통과하는 바이패스 밸브 스템;

   상기 밸브 스템을 둘러싸는 중앙 허브 내부에 고정되는 샤프트 안내부싱;

   상기 밸브 스템으로부터 재순환 유체가 유입하는 곳으로서, 상기 샤프트 안내부싱 내부에 위치하며 유출구를 갖는 샤프트 안내부싱 챔버;

   유체가 통과하게 되는 제 1, 2 개방단부를 가지면서 상기 재순환 출구안에 고정되고, 상기 안내 부싱 유출구를 둘러싸아 이 유출구에 대하여 시일링되고, 상기 제 1 개방단부는 상기 샤프트 안내부싱 유출구와 연통하며 제 2 개방단부는 재순환 출구와 연통하는, 일반적으로 실린더형으로 된 중공 바이패스 아답터; 그리고

   재순환 유체가 재순환 출구를 떠날 때 이 유체에 스월 운동을 유발시키기 위해 상기 바이패스 아답터의 제 2 개방단부 내부에 제공되는 베인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 재순환 밸브.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 베인들은 헬리컬 모양인 것을 특징으로 하는 자동 재순환 밸브.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 샤프트 안내부싱은 상기 입구와 메인 출구쪽으로 각각 향하는 두 개의 대향 단부와,

   유체가 상기 대향 단부들을 통하여 샤프트 안내부싱 챔버안으로 유입 및 그로부터 유출하는 것을 막기 위해 상기 대향 단부에 위치하는 벽부재들을 갖는 것을 특징으로 하는 자동 재순환 밸브.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 대향 벽부재들은 상기 바이패스 밸브의 운동을 유도하기 위해, 바이패스 밸브 샤프트를 둘러싸는 부싱표면을 제공하는 것을 특징으로 하는 자동 재순환 밸브.
5. 제 4 항에 있어서, 재순환 유체가 재순환 출구를 떠날 때 이 유체에 스월 운동을 유발시키기 위해 상기 바이패스 아답터의 제 2 개방단부 내부에 베인들이 제공되는 것을 특징으로 하는 자동 재순환 밸브.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 베인들은 헬리컬 모양인 것을 특징으로 하는 자동 재순환 밸브.

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