KR100524403B1 - 자력식 유량조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고층건물 또는 고도 차가 있는 지역에 설치되어 냉난방수 또는 상수도 등을 공급토록 하는 배관의 연결부위 내에 직접 연결 설치하여 주어, 배관 내의 압력차 변동에 상관없이 유속과 유압을 일정하게 자동 조절하여 배관 내에 흐르는 유체 전체에 균등한 유속과 유압이 유지될 수 있도록 할 수 있고, 또한 설계와 제작 및 설치를 신속 용이하게 이룰 수 있도록 한 자력식 유량조절장치에 관한 것이다.

Description

자력식 유량조절장치{FLOW CONTROL APPARATUS OF SELF CONTROL TYPE}

본 발명은 배관 내에 흐르는 유체의 유속과 유압을 일정하게 유지해 줄 수 있도록 한 자력식 유량조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고층건물 또는 고도 차가 있는 지역에 설치되어 냉난방수 또는 상수도 등을 공급토록 하는 배관의 연결부위 내에 직접 연결 설치하여 주어, 배관 내의 압력차 변동에 상관없이 유속과 유압을 일정하게 자동 조절하여 배관 내에 흐르는 유체 전체에 균등한 유속과 유압이 유지될 수 있도록 할 수 있고, 또한 설계와 제작 및 설치를 신속 용이하게 이룰 수 있도록 한 자력식 유량조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 고층건물 또는 고도 차가 있는 지역에 설치되어 냉난방수 또는 상수도 등을 공급토록 하는 배관 내의 특정부위에는 유입된 유체의 압력 차에 따라 유로 면적을 자력으로 조절하여 유속과 유압을 일정하게 유지시켜 줄 수 있도록 하는 자력식(SELF CONTROL TYPE) 유량조절장치가 많이 이용되고 있다.

즉, 배관 내에 흐르는 유체의 량은 배관 계통의 압력 차의 제곱근과 유로 면적에 비례하며, 다음과 같은 식으로 나타난다. 여기서, 는 상수, 는 배관에 흐르는 유량, 는 유로면적, 는 압력차이다. 그러므로 배관 계통의 압력 차에 상관없이 유체의 일정한 유속과 유압을 유지시키기 위해서는 유체의 압력 차의 제곱근에 반비례하도록 유로 면적을 조절해 주어야 하는데 이때는 다음과 같은 식으로 나타낸다. 여기서, 는 상수로써 일정한 유량 를 포함한 값이다. 이 식을 그래프로 나타내면 아래의 그림1에서 그래프 번과 같다. 그래프 번은 유로면적이 일정한 고정된 오리피스를 통하여 유체가 흐를 때 압력 차에 따른 유량 변동을 보여주는 것이고, 그래프 번은 유로면적을 위의 식 즉, 그래프 과 같이 조절하였을 때 배관에 흐르는 유량으로써 압력 차에 관계없이 일정하다는 것을 보여준다. 그림 1 압력 차에 따른 유로면적과 유량 그래프

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참고로 종래의 자력식 유량조절장치 중 일 예를 발췌하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이 전, 후면에 배관(1)과 연결을 취할 수 있도록 형성되어 있되, 내주연 중앙에는 걸림돌기(2)가 형성되어 있고, 출측 내주연에는 이탈방지링(3)을 삽입 고정할 수 있는 걸림홈(4)이 형성되어 있는 몸체관(5)과, 상기 몸체관(5) 내부에 삽입 설치되어 있되, 외측에는 관통공(미도시하였음)이 수개 형성되어 있고, 하부에는 상기 걸림돌기(2)에 걸림이 취해지는 플랜지(6)가 일체로 형성되어 있으며, 내측에는 유로 면적 조절구(7)가 구비되어 있는 유로조절컵(8)과, 상기 이탈방지링(3)에 의해 몸체관(5) 내에서 설치되어 있는 스프링(9)으로 구성되어 있다.

이렇게 구성된 종래의 고안을 간단히 설명하면 상기 유로조절컵(8)이 전달되어 오는 유체의 압력 차에 반응하여 진퇴운동을 하며 유속과 유압을 유지시켜 주는 동작을 취하게 된다.

즉, 유로조절컵(8)의 진퇴운동에 따라 유로조절컵(8)의 주위에 형성되어 있는 유로 면적이 조절되기 때문이다.

이를 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유체의 전달 압력이 클 경우에는 이를 전달받는 유로조절컵(8)에 가해지는 유체의 압력 역시 크게 작용하므로 유로조절컵(8)이 스프링(9)을 누르며 하향 이동하여 유로 면적 축소를 통해 배관(10) 내의 유체 유속과 압력 차가 증가하는 현상을 방지한다.

반대로 유체의 전달 압력이 적을 경우에는 이를 전달받는 유로조절컵(8)에 가해지는 유체의 압력 역시 적게 작용하므로 유로조절컵(8)이 스프링(9)의 탄성복원력에 의해 상향 이동하며 초기위치로 복귀하여 유로 면적 확장을 통해 배관(1) 내의 유체 유속과 압력 차가 감소하는 현상을 방지한다.

그러나, 이와 같이 구성되어 상술한 바와 같은 동작을 취하는 종래의 고안은 여러 가지의 문제점이 있었다.

이를 순서에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

첫째, 실사용하는데 있어 작업 지연과 불편을 초래하는 문제점 있었다.

즉, 실사용시에는 상술한 바와 같이 배관들과의 연결을 전후에 일일이 이뤄야지만 사용할 수 있도록 별도의 몸체관을 통해 제작되어 있기 때문이다.

둘째, 설계와 제작이 매우 어렵고, 고장이 자주 발생하며, 고장 발생시 수리가 용이하지 못한 문제점이 있었다.

즉, 도시된 바와 같이 몸체관 내부에 유량 조절을 목적으로 다수의 구성물을 연결 설치하고 있는 복잡한 구조를 취하고 있기 때문이다.

셋째, 제작비용이 많이 드는 비경제적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제들을 감안하여 이를 해결하고자 안출한 것으로, 그 목적은 고층건물 또는 고도 차가 있는 지역에 설치되어 냉난방수 또는 상수도 등을 공급토록 하는 배관의 연결부위 내에 직접 연결 설치하여 주어, 배관 내의 압력차 변동에 상관없이 유속과 유압을 일정하게 자동 조절하여 배관 내에 흐르는 유체 전체에 균등한 유속과 유압이 유지될 수 있도록 할 수 있고, 또한 설계와 제작 및 설치를 신속 용이하게 이룰 수 있도록 한 자력식 유량조절장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,배관 내에 설치되어 유입된 유체의 유속 및 유압을 일정하게 유지시켜 주는 유량조절장치에 있어서,

교차 유로막과 유로면적조절구가 형성된 지지판과, 그 한쪽 면 위에 상기 지지판 전후의 차압 변동에 따라 수축팽창 운동을 하는 일정 두께의 스프링 선재를 하부외곽으로부터 일정부위 상부 중앙까지 특정간격으로 선회하는 원추형 스프링을 포함하여 구성되고, 상기 스프링 선재의 수축팽창 운동으로 상기 지지판의 유로면적조절구와 접하거나 떨어지면서 상기 유로면적을 조절하고, 상기 지지판의 유로면적조절구의 유로면적 조절변화가 지지판 전후의 차압의 제곱근에 반비례하도록 설계된 자력식 유량조절장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명의 구성을 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본원발명인 자력식 유량조절장치의 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명인 자력식 유량조절장치를 배관에 설치된 상태를 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명인 자력식 유량조절장치의 정밀한 유량조절기능을 위한 지지판의 교차 유로막과 유로면적조절구의 형상을 보여주는 사시도이다.여기서, 구체적으로, 도 2는 교차 유로막(22)과 유로면적조절구(24)로 형성된 지지판(14) 위에 일정 두께의 스프링 선재를 하부 외곽으로부터 일정부위 상부 중앙까지 특정간격으로 선회시킨 원추형 스프링이 부착된 상태이고, 도 4는 본 발명인 자력식 유량조절장치의 정밀한 유량조절기능을 위한 지지판(14)의 교차 유로막(22)과 유로면적조절구(24)의 형상을 보여주는 사시도로서, 유로면적조절구(24)의 형상이 중심으로부터 원의 반경을 변수로 하는 특정함수로 되어 있어 지지판(14) 전후의 차압 ΔP에 따라 원추형의 스프링이 수축팽창 운동에 따라 유로면적조절구(24)의 유로면적 A가 지지판(14) 전후의 차압 ΔP의 제곱근에 반비례하도록 정밀하게 조절하도록 구성된다. 이하, 본 발명의 작용을 구체적으로 설명한다.

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본 발명은 배관 내 유체의 조건 즉, 유속이나 압력 차의 변화를 감지 받는 기능과 감지된 변화에 따라 반응하는 기능을 원추형의 스프링(12)으로 가능하게 하였다는 것과 반응하는 원추형 스프링(12)의 거동에 따라 지지판(14)의 유로면적 A가 조절되도록 하였다는 것이 특징이다. 유속이나 압력차는 원추형 스프링에 전달되는 유체의 힘으로서 스프링을 변형시킨다. 유체의 힘과 스프링의 변형 량의 곱을 유체가 스프링에 한 일이라 하며 다음과 같은 식으로 나타낸다. 여기서, 는 유체가 스프링에 한 일, 는 유체의 힘, 는 스프링의 변형 량이다. 이때 유체가 스프링에 한 일은 스프링 내에 탄성 변형률 에너지로 저장된다. 스프링의 탄성 변형률 에너지는 다음과 같은 식으로 나타낸다. 여기서, 는 스프링의 탄성 변형률 에너지, 는 스프링 선재가 받는 비틀림 모멘트, 은 스프링 선재의 길이, 는 횡 탄성계수, 는 스프링 선재의 횡단면 극 관성모멘트, 는 스프링 선재가 받는 굽힘 모멘트, 는 종 탄성계수, 는 스프링 선재의 관성모멘트이다. 유체의 힘이 스프링에 한 일을 스프링이 탄성 변형률 에너지로 흡수하고 이때 스프링의 변형 량만큼 유로면적을 조절하여 유량을 일정하게 만들어준다. 아래의 그림2는 스프링에 가해진 유체의 힘 변화에 따라 스프링의 변형 형태와 변형 정도를 유한요소해석결과를 통해 보여주는 동시에 유로면적 변화를 그래프로 보여 준다. 그림 2 유체의 힘 변화에 따른 스프링 변형률과 유로면적 관계그림2에서와 같이 유체의 힘 즉 차압에 따라 원추형의 스프링의 변형은 원주가 큰 스프링 선재부터 바닥에 접하고 원주가 작은 스프링 선재는 나중에 접하게 된다. 이유는 앞에서 서술한 스프링 탄성변형율 에너지 U를 구하는 식으로부터 원주가 큰 스프링 선재가 작은 스프링 선재보다 비틀림 모멘트 T, 굽힘 모멘트 M이 커서 쉽게 변형하기 때문이다. 그러므로 차압변동에 상관없이 일정한 유량조절을 위해서는 지지판(14) 전, 후의 차압 ΔP의 변동에 의한 원추형 스프링의 의 변형에 따라 조절되는 유로면적 A가 차압 ΔP의 제곱근에 반비례되도록 지지판(14)의 유로면적조절구(24)의 형상을 설계하는 것이 본 발명의 핵심기술이다. 더욱 구체적으로 설명하면 먼저, 도 5a는 배관에 흐르는 유체의 전달 압력이 낮아서 지지판(14) 전, 후의 차압 ΔP = P1 - P2이 작으면 원추형 스프링(12)에 작용하는 유체의 힘이 작아서 탄성력에 의해 스프링이 팽창되어 있는 상태를 보여주며, 도 5b는 도 5a의 A-A'의 단면을 도시한다. 이때 유로면적조절구(24)가 형성되어 있는 지지판(14)의 외곽 한쪽 면 일부에만 원추형 스프링 선재가 접해 있어, 유체가 통과 할 수 있는 유로면적은 크다. 도 6a는 배관에 흐르는 유체의 전달 압력이 높아져 지지판(14) 전, 후의 차압 ΔP = P1 - P2가 커지면 원추형 스프링(12)에 작용하는 유체의 힘이 커져서 스프링이 가지고 있는 탄성력을 이기고 스프링을 수축시키는 상태를 보여주며, 도 6b는 도 6a의 A-A'의 단면을 도시한다. 이때는 유로면적조절구(24)가 형성되어 있는 지지판(14)의 외곽 한쪽 면으로부터 임의의 특정지점의 중심부까지 원추형 스프링 선재가 많이 접하게 되어 유체가 통과 할 수 있는 유로면적이 작아진다.배관에 흐르는 유체의 전달 압력이 높아지면 감소되는 유로면적은 지지판(14)의 전, 후 차압 ΔP = P1 - P2의 제곱근의 반비례만큼 작아져 있어야 하는데 이 관계는 앞에서 서술한 그림1에서 횡축을 지지판(14)의 전후 차압 ΔP = P1 - P2로 종축을 유로면적으로 하는 그래프 3번과 같은 함수로 설명할 수 있는데 이와 같이 차압 ΔP = P1 - P2를 변수로 하는 특정함수의 면적변화를 갖는 지지판(14)의 유로면적조절구(24) 형상을 설계하여 레이져 커팅, 와이어 커팅, 형상 프레스 펀칭 등의 작업에 의하여 제작할 수 있다.

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즉, 매우 단조로운 형태와 구조를 취하고 있으므로, 설계와 제작이 손쉽고 경제적이며, 실사용시 연결시키고자 하는 배관(10) 사이에 간단히 위치시킨 후 연결을 취하기만 하면 되기 때문이다.

그리고, 간단한 구조인데 반해 실사용시 유량 변화에 따른 유로 면적 조절작동을 장기적으로 고장 없이 원활히 이루므로 유지 관리가 손쉽고도 경제적이기 때문이다.

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참고로 본 발명은 다양하게 변형 실시될 수 있고, 여러 가지의 형태를 취할 수 있으나 상기 고안의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다.

그러므로, 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 인정되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서와 같이 별도의 타 구성물 없이 원추형 스프링과 유로면적조절구를 갖는 지지판만으로 배관 내의 압력차 변동에 상관없이 자력으로 유량을 일정하게 조절할 수 있어 제작 및 사용상의 편의성과 경제성은 물론 정밀하게 설계 제작된 지지판의 유로면적조절구로 인해 성능을 향상 시킬 수 있다.

도 1은 종래의 자력식 유량조절장치의 일 예를 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명인 자력식 유량조절장치의 다른 실시 예의 적용상태를 도시한 사시도이며,

도 3은 본 발명인 자력식 유량조절장치의 다른 실시 예의 설치상태를 도시한 사시도이고,

도 4는 본 발명인 자력식 유량조절장치의 다른 실시예의 변형된 예를 도시한 사시도이며,

도 5는 배관에 흐르는 유체의 전달압력이 낮은 경우를 도시하고,도6은 배관에 흐르는 유체의 전달압력이 높은 경우를 도시하고 있다.

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<도면 주요부분에 대한 부호의 설명>10 : 배관 12 : 원추형 스프링

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14 : 지지판 16 : 관통공

18 : 연결구 22 : 교차 유로막

24 : 유로면적조절구

Claims (5)

1. 배관 내에 설치되어 유입된 유체의 유속 및 유압을 일정하게 유지시켜 주는 유량조절장치에 있어서, 상기 유량조절장치는,

   교차 유로막과 유로면적조절구가 형성된 지지판과,

   상기 지지판의 한쪽 면 위에 상기 지지판 전후의 차압 변동에 따라 수축팽창 운동을 하는 일정 두께의 스프링 선재를 하부외곽으로부터 일정부위 상부 중앙까지 특정간격으로 선회하는 원추형 스프링을 포함하여 구성되고,

   상기 스프링 선재의 수축팽창 운동으로 상기 지지판의 유로면적조절구와 접하거나 떨어지면서 상기 유로면적을 조절하고, 상기 지지판의 유로면적조절구의 유로면적 조절변화가 지지판 전후의 차압의 제곱근에 반비례하도록 설계된 자력식 유량조절장치.
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