KR100527918B1 - 유체 유동제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관통홈이 형성된 여러 개의 실린더를 삽입하여 실린더 조립체로 구성한 유체의 유동제어장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 실린더에 형성되는 관통홈들이 상호 조합되어 실린더 중첩체 사이로 유체의 유로를 형성하고 국부 유체 저항(Local Fluid Resistance)이 큰 유로 방향 급전환(Sudden Changes of the Stream Direction) 유로를 형성함으로써, 장치의 가용 체적내에서 유체의 유량률이 증대되도록 한 유체의 유동제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유체 유동제어장치는 실린더 중첩체의 내면과 외면 사이로 횡단면적의 급변화가 없는 유로를 형성하며 다수 회의 유로 방향 급전환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체의 유동제어장치이다.

Description

유체 유동제어장치{Device for controlling fluid flow}

본 발명은 복수의 실린더가 중첩되어 유로를 형성하는 실린더조립체를 포함한 유체의 유동제어장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 각 실린더의 원주면을 따라 형성한 관통홈들이 상호 조합되어 국부 유체 저항(Local Fluid Resistance)이 큰 방향 급전환(Sudden Changes of the Stream Direction) 유로를 형성함으로써, 유체유동제어장치에 작용하는 고차압 조건에서 유체가 유로를 통과할 때 유체의 운동에너지(Kinetic Energy)를 적정 수준으로 제어하여 유체의 압력을 부드럽게 감소시키고 장치의 가용 체적내에서 유체의 유량률이 증대되도록 한 유체의 유동제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 유체의 유동제어장치는 유체처리장치(예컨대, 밸브등)에 장착되어 이를 통과하는 유체의 운동에너지를 적절하게 제어하여 궁극적으로 유체의 압력, 속도, 유량, 소음, 캐비테이션 등을 적정 수준으로 제어하는 장치이다. 유체의 운동에너지는 유체의 유동속도에 따라 결정되며, 유체의 유동속도는 유동제어장치의 유입구 및 배출구 사이에 작용하는 유체의 압력 차이(차압), 유체의 밀도, 유로의 형태와 레이놀즈 수(Reynolds Number)에 의해 결정되는 국부 손실(다른 말로는 국부 유체 저항)과 직접적인 연관이 있다.

즉, 유체의 유체제어장치에서 유동속도는 장치 또는 유체 저항부에 부과되는 특정 차압 조건에서 유체 저항부가 갖는 손실 계수의 제곱근에 반비례하고, 유체의 운동에너지는 유동속도의 제곱에 비례하므로 유체의 운동에너지를 적정 수준으로 낮추기 위해서는 유체 저항부가 갖는 손실계수를 증가시켜야 한다. 이러한 유체역학적 이론의 배경이 되는 유동 속도(V), 운동에너지(KE) 및 유량률(w)은 다음과 같이 표현된다.

여기서 △P는 장치 또는 유체 저항부에 작용하는 차압, ρ₀는 유체의 밀도, A₀는 유로의 횡단면적, ξ는 유체 저항부에 대한 손실 계수, V는 속도이다.

결과적으로 유체의 유동제어장치에 작용하는 특정 차압 조건에서 유체의 운동에너지를 낮추기 위해서는 총 국부 유체 저항을 크게 하여야 하고, 유체의 운동에너지가 적절하게 제어되는 상태에서 유체의 유량률을 증대하기 위해서는 유로의 총 단면적을 크게 하여야 한다. 이러한 특성을 이용하면 유체의 유동제어장치를 보다 소형화할 수 있다.

한편, 일반적인 유동 조건에서는 유체의 유동제어장치의 배출구측 운동에너지가 480 kPa(물의 경우 30 m/s에 해당) 이하이면 유체에 의한 소음, 진동, 침부식 등의 부작용이 거의 발생하지 않게 되나, 운동에너지가 1,030 kPa 이상이 되면 장치와 이를 장착한 기기에 심각한 손상을 초래하게 된다. 특히 캐비테이션이 발생할 수 있거나 2상 유체의 조건에서는 이 운동에너지를 275 kPa(물의 경우 23 m/s) 이하로 제한하여야 하고, 진동에 민감한 시스템에서는 75 kPa(물의 경우 12 m/s) 이하로 제한하여야 하는 것으로 제시되고 있다.

또한, 유체처리장치는 소음에 대해서도 고려되어야 하는데, 주요 소음원은 공기역학적 소음으로, 이 소음에너지(Acoustic Power)의 정도는 질량 유량률, 상류측 절대압력과 하류측 절대압력에 의한 압력비, 기하학적 구조 및 유체의 물리적 특성과 관련되어 있으며, 특정부위에서 압력비가 크면 음속 유동(Sonic Flow) 또는 쵸크 유동(Chocked Flow)이 발생하여 높은 소음원이 되므로, 압력비를 제어함으로서 소음 발생을 감소 또는 억제할 수 있다는 것이 알려져 있다.

따라서 유체의 운동에너지는 기준 정도에 따라 그 이하로 유지되고, 유체의 압력은 급격한 변화가 생기지 않게 하여, 적정한 유동속도를 유지하는 것이 요구된다. 이를 해결하기 위한 여러 종래 기술이 제안되었다. 특히, 본 발명과 같이 실린더 형태를 기초로 하여 구성한 유체의 유동제어장치에 관한 여러 발명들이 제안되었는데, 이에는 크게 유로의 횡단면적의 크기를 변화하는 방법과, 유로의 방향을 급전환하는 방법으로 나눌 수 있다.

유로의 횡단면적의 크기를 변화하는 방법은 미합중국 특허 제4,921,014호(등록일자 : 1990. 5. 1), 미합중국 특허 제5,018,703호(등록일자 : 1991. 5. 28), 대한민국 특허 제10-0280893호(등록일자 : 2000. 11. 13) 및 미합중국 특허 제6,394,134 B1호(등록일자 : 2002. 5. 28), 미합중국 특허 제6,766,826 B2호(등록일자 : 2004. 7. 27) 등의 발명에 잘 나타나 있다.

대한민국 특허 제10-0280893호(등록일자 : 2000. 11. 13) 및 미합중국 특허 제6,394,134 B1호(등록일자 : 2002. 5. 28) 발명에서 유체의 유동제어장치를 살펴보면, 다수의 구멍과 턱이 축방향과 반경방향으로 일정하게 형성된 내측 원통, 축방향과 반경방향으로 일정하게 다수의 구멍을 가진 외측 원통, 내, 외측 원통 사이에 중첩 결합되어 축방향으로 직각단면 엘보우를 형성하는 다수의 요철홈에 다수의 구멍이 형성된 내부 원통, 축방향과 반경방향으로 일정하게 다수의 구멍을 가지며 내부 원통사이에 결합되는 또 다른 내부원통, 내,외측 원통과 내부원통들을 결합하는 상하단의 원반형 받침판으로 된 케이지를 구성함으로써, 유체의 통로가 축방향에 따라 나누어지고 각 통로에는 오리피스, 직각단면 엘보우 및 리세스 홈의 구조를 형성하는 홈이 유체의 흐름을 제어하는 구조로 구성되어 있다. 그러나, 이 발명은 국부 손실을 유도하는 부위에 오리피스와 같은 유로 횡단면적의 급격한 변화를 일으키는 방법을 채택함으로써, 국부적으로 유체의 유동속도 증가와 압력의 급변화를 발생시켜 소음, 진동, 침부식 등의 원인이 되고, 횡단면적이 좁아지는 부위에 이물질이 끼게 되어 장치의 성능이 저하되는 문제점을 가진다.

미합중국 특허 제6,766,826 B2호(등록일자 : 2004. 7. 27)의 발명에서 유체의 유동제어장치인 케이지는 한 개 이상의 창(Windows)과 한 개의 밸브 시트로 구성되어 있으며, 각 창은 세로 축(Longitudinal Axis)을 갖는 다수의 슬롯(Slot)으로 되어 있다. 각 슬롯의 세로 축은 케이지 통(Cage Bore) 축에서 직각인 참조 평면(Reference Plane)에 대해 평행하거나 작은 각도로 기울어져 있다. 이 슬롯들은 케이지 벽을 통한 너비가 테이퍼를 이루고 있으며, 바람직하게는 케이지 벽을 통해 반경이 증가할수록 너비가 증가한다. 액체의 제어에 적용하는 경우 액체의 유동 방향을 케이지 통 축으로 향하게 함으로써 슬롯은 유동을 가속하여 실린더의 안쪽 표면에서 가장 높은 속도에 도달하게 한다. 이것은 이 지점에서 정압이 액체의 증기압(Vapor Pressure)에 도달하게 하여 제트의 일부분이 기포화 하도록 한다. 이후 이 기포는 케이지 통 내에서 액체 유동으로 붕괴된다. 그러나 이 발명은 소음 발생을 감소시키지만 슬롯 상류측 압력과 하류측 압력에 대한 압력비가 과도하여 여전히 소음은 특정 운전 조건에서 문제점이 되고 있다. 더욱이 유체의 운동에너지를 가속하여 캐비테이션을 인위적으로 발생시킴으로써 특정 운전 조건에서는 소음과 진동이 발생하고 동 장치 및 인접 구조물에 캐비테이션 손상이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

유로의 방향을 급전환하는 방법 중 일례는 대한민국 특허 제10-0436634호(등록일자 : 2004. 6. 9)의 발명으로, 유체 입구와 유체 출구 사이에 설치된 밸브체 장착실에 내장된 케이지에 각각 독립된 복수 개의 연통 구멍이 마련되고, 이 연통 구멍이 케이지의 축과 동심의 원통면 내에서 굴절하는 통로를 갖도록 하며, 또한 표면에 굴절 홈을 형성한 원통체를 복수 개 접합시킴으로써 케이지를 구성함에 의하여 유체 경로에 많은 굴절을 부여하여 고압 유체의 에너지를 효과적으로 흡수하고, 소음이나 캐비테이션을 작게 하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이 발명은 실린더의 내외면에 작은 원형 관통홈과 더불어 원주면을 따라 굴절 형상의 홈 또는 관통홈을 형성하여 서로 연통하게 하여야 하므로 케이지의 제한된 체적을 감안할 경우 유체의 유량률이 작게 되는 결점이 있다. 따라서 유체의 운동에너지와 유량률을 적정 수준으로 제어하기 위해서는 상대적으로 이 장치의 크기가 커지게 되어, 장치가 점유하는 공간도 커질 뿐 아니라, 비용도 증가하게 되는 문제점을 가진다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고차압 조건과 한정된 가용 체적 내에서 유체를 적절한 운동에너지로 낮추어서 유체에 의해 발생할 수 있는 소음, 진동 및 케비테이션 등의 부작용을 억제하고, 정밀한 유체의 제어가 가능한 실린더조립체를 포함하는 유체의 유동제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로는 실린더가 갖는 원주면의 특징과 가공성을 최대한 활용하고 상기의 유체역학적 이론을 근거한 실린더조립체를 포함하는 유체유동제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 실린더가 중첩되어 유로를 형성하는 실린더조립체로 구성되는 유체유동제어장치에 있어서, 실린더 중심축으로부터 각도 θ( 0°< θ≤90°)인 가상평면과 실린더의 원주면과 교차하는 교차선을 따라 연장되는 축방향폭 a을 가지는 제 1 관통홈을 포함하는 제 1 실린더; 제 1 관통홈보다 큰 축방향폭 b(b>a)로 형성되고, 제 1관통홈의 외측 일구간에 연통되면서 제 1 관통홈 방향을 따라 연장되는 제 2 관통홈을 포함하는 상기 제 1 실린더에 외접하여 중첩되는 제 2실린더; 제 2 관통홈과 제 1 관통홈의 축방향폭 차이인 b-a로 축방향폭이 형성되고, 제 2 관통홈이 제 1 관통홈과 연통되지 않는 외측 타구간에 연통되면서 제 2 관통홈 방향을 따라 연장되는 제 3 관통홈을 포함하는 제 2 실린더에 외접하여 중첩되는 제 3 실린더;를 포함하는 실린더조립체로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 제 3 관통홈에 연통되며 상기 제 2 관통홈과 동일한 형상을 가지는 제 4 관통홈이 형성되는 제 4 실린더, 그리고 제 4 관통홈에 연통되며 제 3 관통홈과 동일한 형상을 가지는 제 5 관통홈이 형성되는 제 5 실린더가 차례로 더 외접하여 중첩되는 실린더조립체를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 실린더조립체 외면에는, 상기 제 1 실린더와 동일한 형상을 가지는 관통홈이 형성되는 A형실린더, 제 2 실린더와 동일한 형상을 가지는 관통홈이 형성되는 B형실린더 및 제 3 실린더와 동일한 형상을 가지는 관통홈이 형성되는 C형 실린더가 적어도 1개 이상 더 중첩되되, 중첩순서는 B형실린더→ A형실린더→ B형실린더→ C형실린더가 순환되는 순서이며, 각 실린더의 관통홈은 내측 실린더의 관통홈에 연통되도록 구성되는 실린더조립체를 포함하여 구성될 수 있다.

이 때, 상기 각 실린더들의 관통홈은 각 실린더의 교차선을 따라 유로지지구간을 형성하는 간격만큼 서로 이격되면서 적어도 2개 이상 실린더에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 각 실린더의 관통홈은 각 실린더의 축방향으로 소정의 간격으로 이격되어 적어도 1회 이상 반복되면서 각 실린더에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 제 1 실린더의 제 1 관통홈이 형성되는 주변부 일측에 유체가 유연하게 유입되도록 하는 유도턱이 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명은 연속하여 외접하는 세 개의 실린더에 원주면을 따라 일정한 폭의 관통홈을 형성하여 각 관통홈이 연통됨으로써 형성되는 유로를 단위 유로모듈로하여 형성되는 실린더조립체를 포함하는 유체유동제어장치로서, 실제 상기 단위모듈은 동일하게 수회 반복 또는 변형적으로 수회 반복하여 응용 적용된다.

도 1은 본 발명에서 형성되는 단위 유로모듈을 도시한 모식도이다. 이에 따르면, 유체는 유입부(in)에서 일정한 각도(θ)로 유입되어 축방향 상부로 1회 절곡되고, 다시 원래 유입방향으로 절곡되어 유출부(out)로 유출되는 유로를 형성한다. 이 때, 유입부(in)와 유출부(out)는 동일직선상에 놓여 있지 않도록 구성되어, 2회의 유로방향전환이 발생하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 유체유동제어장치는 공지의 어떠한 유체처리장치내에 응용되어 장착될 수 있는데, 도 2는 밸브에 설치된 본 발명에 따른 유체의 유동제어장치의 일 실시예를 보이는 사시도이다. 이에 따르면, 유체의 유동제어장치(10)는 유체 처리 장치의 일종인 밸브내에 유입구(20)와 유출구(30) 사이에 설치된다. 한편, 밸브내의 유입구(20) 및 유출구(30)의 방향은 밸브(10)의 특성에 맞게 바뀌어 질 수 있다. 또한, 밸브(10)의 유량은 스템(40)에 의해 연결된 플러그(50)가 상하운동에 따라서 조절된다. 즉, 플러그(50)가 상부로 이동할 경우, 유로를 개방하여 유량이 늘어나게 되고, 플러그(50)가 하부로 이동할 경우 유로를 폐쇄하여 유량이 줄어들게 된다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 유체유동제어장치의 실시예를 설명한다.

도 3a는 본 발명에 따른 유체유동제어장치에 포함되는 실린더 조립체의 제 1 실시예에 대한 부분절개 정면도이고, 도 3b는 도 3a의 I부분 확대도이다. 이에 따르면, 내측 제 1 실린더(120)와 외측 제9실린더(200)사이에는 제 1 실린더(120)로부터 원주면이 외접하면서 7개의 실린더즉, 제 2 실린더(130), 제 3 실린더(140), 제 4 실린더(150), 제 5 실린더(160), 제 6 실린더(170), 제 7 실린더(180), 제 8실린더(190)가 차례대로 삽입되어 있고, 실린더조립체(110)의 상부에는 실린더 고정홀(210)이 형성되어 있다.

본 실시예에서 제 1 실린더(120), 제 3 실린더(140), 제 5 실린더(160), 제 7 실린더(180), 제 9 실린더(200)의 관통홈(H)의 축방향폭은 각각 a이고, 제 2 실린더(130), 제 4 실린더(150), 제 6실린더(170), 제 8 실린더(190)의 관통홈의 축방향폭은 각각 b(= 2a)이다. 이 때, 설명의 편의상 제 2 실린더(130), 제 4 실린더(150), 제 6 실린더(170), 제 8 실린더(190)의 관통홈(H)의 축방향폭을 이루는 구간 중 상부폭(= a)는 상부구간(U), 하부폭(= a)은 하부구간(D)으로 표시하기로 한다. 또한, 실린더조립체(110)의 중심 방향을 내측, 실린더조립체(110)에서 외부로 향하는 방향을 외측으로 표시하기로 한다.

도 3 에 따르면, 실린더마다 축중심으로부터 각도 θ°( 0°< θ≤90°)인 가상평면과 실린더 원주면의 교차선을 따라 연장되는 일정한 폭을 가진 2개의 관통홈(H, H')들이 형성되고, 상기 각 관통홈(H, H')들은 일정한 간격으로 축방향으로 10 회 반복되어 형성된다. 즉, 각 실린더 마다 2 개의 관통홈(H, H')이 형성된 각 층이 10회 반복되며, 각 관통홈들은 서로 연통되게 중첩되어 유로를 형성하게 된다.

전술한 관통홈이 형성되는 것을 보다 상세히 설명하기 위해 도 4, 5, 6를 참조한다. 도 4는 도 3a의 A-A' 평단면도로서, 실린더의 단면은 실린더의 관통홈들이 형성되지 않고, 실린더를 지지하는 역할을 하는 두 개의 유로지지구간(205, 206)을 경계로 하여, 두 구간으로 분리된다. 상기 유로지지구간(205, 206)은 벽두께가 작게 형성되는(= a) 제 1, 3, 5, 7, 9 실린더(120, 140, 160, 170, 190, 200)의 관통홈과, 벽두께가 크게 형성되는(= 2a) 제 2, 4, 6, 8 실린더(130, 150, 170, 190)의 관통홈들이 서로 연통되면서 유로를 형성하는 구간으로, 좌측은 제 1 유로구간(203), 우측은 제 2 유로구간(204)이 형성된다. 한편, 본 제 1 실시예에서 제 1 유로구간 및 제 2 유로구간(203,204)은 중심으로부터 반경방향으로 점차 유로 폭이 확대되는 형상이지만, 특정 조건에 따라 반경방향으로 유로 폭을 일정하게 형성하거나 축 중심을 향해 유로 폭이 점차 축소되도록 할 수 도 있을 것이다.

도 5 및 도 6은 각각 제 8 실린더와 제 9 실린더의 부분절개한 횡단면을 보여주는 정면도이다. 관통홈(190H, 190H', 200H, 200H')들은 각 층에서 중심축으로부터 θ°( 0°< θ≤90°)인 가상평면 상에 2 개씩 형성되어 있어, 같은 층의 관통홈들은 서로 일직선상에 위치하게 된다. 한편, 실린더조립체(110)가 유체처리장치 내부에 장착되는 부분에 대한 설명은 당해 기술분야의 통상의 기술을 가진 자가 용이하게 처리할 수 있고, 이를 설명할 경우 본 발명에서 설명하고자 하는 요지를 모호하게 할 우려가 있으므로 생략한다.

또한, 각 실린더(190, 200)에는 가상평면의 특정 각도(θ)에 대한 기준위치를 제공하고 실린더들(190, 200)을 고정하기 위한 고정홀(210)이 형성된다. 각 실린더(190, 200)에서 가상평면의 특정 각도(θ)에 대한 기준위치는 고정홀(210) 대신 홈과 같은 마크로 대체할 수 있으며, 각 실린더는 핀 대신에 용접 또는 브레이징(Brazing) 등을 통해 고정할 수도 있다.

도 5 및 도 6이 제 8 실린더(190)와 제 9 실린더(200)만를 도시하였으나, 다른 실린더들도 이와 동일한 방식으로 관통홈들 및 고정홀이 형성된다.

다음에는 본 발명에 따른 유체유동제어장치가 형성하는 유로를 보다 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 실린더 조립체의 부분절개 사시도이다. 이에 따르면, 상술한 관통홈들은 서로 연통되면서 유로를 형성하는데, 즉, 제 1 실린더 관통홈(120H)의 외측과 제 2 실린더 관통홈 내측의 하부구간(130H,D)이 서로 연통되고, 제 2 실린더의 관통홈 외측의 상부구간(130H, U)과 제 3 실린더 관통홈(140H)의 내측이 서로 연통되고, 제 3 실린더 관통홈(140H)의 외측과 제 4 실린더 관통홈의 내측 상부구간(150H, U)이 서로 연통되고, 제 4 실린더 관통홈의 내측 하부구간(150H, D)과 제 5 실린더 관통홈(160H)의 내측이 연통되고, 제 5 실린더 관통홈(160H)의 외측과 제 6 실린더 관통홈 내측의 하부구간(170H, D)이 서로 연통되고, 제 6 실린더의 관통홈 외측의 상부구간(170H, U)과 제 7 실린더 관통홈(180H)의 내측이 서로 연통되고, 제 7 실린더 관통홈(180H)의 외측과 제 8 실린더 관통홈의 내측 상부구간(190H, U)이 서로 연통되고, 제 8 실린더 관통홈의 내측 하부구간(190H, D)과 제 9 실린더 관통홈(200H)의 내측이 연통되고 제 9 실린더 관통홈(200H)은 실린더 외측에 개방됨으로써 유로를 형성하게 된다.

이 때, 각 유로는, 일정한 원주방향 폭(가로 폭)과 축방향 폭(세로 폭)을 가진 관통홈이 축방향으로 일정한 간격마다 반복되어 원주면 전체에 형성되므로 유체의 유동제어장치에서 총 유로 면적은 매우 커지게 된다. 이와 같이 유체의 유동제어장치의 총 유로 면적이 커지면 장치에 부과되는 특정 유동 조건에서 유량률을 크게 할 수 있으므로 장치의 설계가 용이해지고 장치를 소형화하는데 매우 유용하다.

즉, 축방향으로 이동하는 플러그의 높이 변화에 따라 유량변동률을 다르게 제공하기 위해서는 실린더의 원주면을 따라 형성되는 관통홈의 원주방향 폭(가로 폭), 축방향 폭(세로 폭), 관통홈간의 축방향 간격에 대한 치수를 조절하면 된다.

예를 들면 실린더의 하부에서 상부까지 각 관통홈을 일정한 간격마다 형성하되, 각 관통홈의 축 방향 폭(세로 폭)은 일정하게 하고, 각 관통홈의 원주방향 폭(가로 폭)은 실린더 하부에서 상부로 갈수록 점차 확대되도록 하여 본 발명 장치를 구성하면 플러그가 하부에서 상부로 이동할수록 플러그 높이 변화에 따른 유량변동률은 점차 증대하게 된다.

본 실시예에서 전술한 유로는 각 층마다 2개의 관통홈이 형성되고, 10개의 층이 반복되므로, 총 20개의 유로가 형성되는데, 이 때, 유체는 장치의 내측에서 외측으로 또는 외측에서 내측으로 흐르게 되며, 유로 방향 급전환(Sudden Changes of the Stream Direction)이 8회 반복하여 이루어지는데, 즉, 최초 실린더 중심축으로부터 θ( 0°< θ≤90°)의 각도로 유입된 후 축방향 상부로 절곡되고, 다시 원래 유입방향으로 절곡되고, 다시 축방향 하부로 절곡된 후, 원래 유입방향, 축방향 상부, 원래 유입방향, 축방향하부, 원래유입방향 순서로 절곡된다.

이러한 예각과 둔각의 유로 방향 급전환은 유체의 운동에너지를 충분하게 낮추는데 효과적이며, 실린더 개수의 조절로 유로 방향 급전환 횟수를 조절하면 유체의 유동을 원하는 수준의 운동에너지로 제어할 수 있게 된다.

그러나 본 실시예에서와 달리, 유체에 따른 설계조건에 따라, 실린더의 갯수, 형성되는 관통홈의 수 또는 실린더의 벽두께의 변경에 따른 유로 횡단면적의 변경은 얼마든지 가능하다.

도 8a, 8b, 8c는 각각 실린더의 수를 3개, 5개, 7개로 구성하였을 하였을 경우에 유로의 형성상태를 보여주는 부분단면도이다. 이에 따르면, 도 8a에서는 유로의 방향 전환이 2회, 도 8b에서는 유로의 방향전환이 4회, 도 8c에서는 유로의 방향전환이 6회 이루어지고 있다. 즉, 유체의 유동제어장치에서 실린더 개수는 모두 홀수 개로 구성되며 유로 방향 급전환 횟수는 실린더 개수보다 1개 적은 회수로 형성됨을 알 수 있다. 이러한 특성을 고려하면 유체의 유동 조건에 적절한 유체의 유동제어장치(110)를 보다 쉽게 설계하고 변형할 수 있다.

또한, 도 8d는 실린더벽의 두께를 변경한 경우의 유로형성상태를 보여주는 부분단면도이다. 이 때, 유로는 도 8b의 실린더 수와 유로방향 급전환 횟수가 같으나 유로 방향 전과 후에 유로 횡단면적이 다르게 구성할 수 있음을 보여준다. 도시한 장치에서 유로 횡단면적 A, C, E의 크기는 서로 같고, 유로 횡단면적 B, D의 크기는 서로 같으며, 이 때 유로 횡단면적 A 크기보다 유로 횡단면적 B의 크기가 크도록 구성되어 있다.

도 8d와 같이 필요에 따라 각 유로는 유체 유입구에서 유체 배출구까지 유로 방향 급전환시마다 유로 횡단면적이 확대 및 축소가 반복되도록 하거나, 유체 유입구에서 유체 배출구까지 유체의 유출 방향으로 유로 횡단면적이 점차 확대되게 구성하는 경우, 보다 유체흐름의 저항을 크게 할 수 있다. 이 경우, 유체유출구의 횡단면적은 유체 유입구의 횡단면적보다 같거나 크도록 하여 유입된 이물질이 끼이지 않고 배출되도록 구성하여야 한다.

한편, 도 9a, 9b는 실린더에 각각 관통홈을 3개, 4개 형성한 경우의 실린더조립체의 부분절개 횡단면도이다. 이에 따르면, 도 9a에서는 관통홈 및 유로지지구간(310, 320, 330)이 각각 3개씩 형성되고, 도 9b에서는 관통홈 및 유로지지구간(340, 350, 360, 370)이 각각 4개씩 형성되어 있다. 이러한 실린더조립체의 유로지지구간은 유체 유동제어장치에 부과되는 유체의 조건에 따라 적절한 개수로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 반경방향 유로의 폭은 전술한 바와 같이 축중심으로부터 반경방향으로 일정하게 하거나, 점차 확대되도록 할 수 있거나, 또는 축 중심을 향해 점차 축소되도록 할 수 있다.

다음에는 제 1 실시예에서 플러그의 상하운동에 따른 유량조절하는 방식을 보다 상세히 설명한다. 도 10은 제 1 실시예의 제 1 실린더(120)와 이에 내접하면서 삽입된 플러그(50)에 대한 단면도이다. 제 1 실린더(120)는 실린더 축중심으로부터 특정 각도(θ)를 이루는 가상평면과 원주면의 교차선을 따라 제 1 관통홈(120H)과 제 2 관통홈(120H')을 형성하고, 축방향으로 반복되는 9개의 다른 가상평면 상의 원주면에 같은 방법으로 관통홈들이 층을 이루면서 반복 형성되어 있다.

이 때, 제 2 관통홈(120H') 상단(121)과 상부 층을 이루는 반대편 제 3 관통홈(120H'')의 하단(122)는 같은 높이에 위치하게 된다. 따라서 도시한 바와 같은 플러그 위치에서는 제 1 관통홈(120H)과 제 2 관통홈(120H')이 형성하는 유로는 개방되며, 그 상부의 관통홈(예컨데, 120H'')들이 형성하는 유로는 폐쇄된다. 이 상태에서 플러그(50)를 축방향 상부로 이동하게 되면 상부의 제 3 관통홈(120H'')이 형성하는 유로가 개방된다. 따라서, 플러그의 축방향 이동에 따라 축방향을 따라 관통홈들이 연속적으로 개폐되므로 정밀한 유량률 제어가 가능하게 된다.

도 11은 본 발명에 따른 유체유동제어장치에 포함되는 실린더조립체의 제 2실시예를 보이는 부분절개 단면도이다. 이에 따르면, 제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교할 때 관통홈들이 동일직선상에 위치하지 않고 있다는 특징이 있다. 즉, 각 실린더 각 층의 축중심으로부터 특정 각도(θ)를 이루는 가상평면과 실린더가 교차하는 교차선 상에 1 개씩의 관통홈만이 형성되므로, 층이 바뀜에 따라 유로지지구역을 중심으로 분할된 각 유로구간에 관통홈(H, H')들이 서로 번갈아 가며 형성된다. 이 경우에 있어서도, 단위 유로모듈, 유량조절방법, 유로의 구체적 형상은 제 1 실시예와 유사하여 해당기술의 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할 수 있을 것이 예상되므로 자세한 설명을 생략한다.

제 2 실시예는 제 1 실시예에 비하여 유체의 유동제어장치와 비교할 경우, 관통홈들이 축방향을 따라 우측과 좌측으로 교번되며 연속되므로 내접하는 플러그의 축방향 이동시 유체의 유량률 변화가 더욱 부드럽게 이루어지는 특성이 있다.

즉, 각 실린더의 축방향으로 반복되는 가상 평면들을 실린더 반경방향으로 2개 이상의 구역으로 분할하고, 실린더 축을 따라 나선 방향(시계방향 또는 반시계방향)으로 각 가상 평면의 한 구역에만 관통홈들을 형성함으로써 축방향을 따라 관통홈들의 위치가 중첩되거나 연속되게 하면, 상기한 축방향 관통홈의 배열 방법을 통해 유체의 유동제어장치에 내접하는 플러그의 축방향 이동시 장치를 통과하는 유체의 유량률 변화가 더욱 선형적으로 이루어지게 할 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 유체유동제어장치에 포함되는 실린더조립체의 제 3실시예를 보이는 부분절개 단면도이다. 제 3 실시예는 제 1 실시예에 비하여, 실린더 축중심으로부터의 각도(θ)가 90도인 가상평면상에 관통홈(H)이 형성되어 있고 또한 실린더의 관통홈(H) 상부마다 플러그의 바깥 원주면과 외접하는 유도턱(G)을 구비하고 있다.

도 13은 도 12의 J구간 확대도로서, 유도턱의 형상을 보다 상세히 보여준다.유도턱(G)은 축 중심을 향해 쐐기형 또는 테이퍼 형태로 구성되며, 플러그(미도시)와 내접하는 면(즉, 턱의 폭)을 좁게 하여 결과적으로 유량률의 변화를 부드럽게 해준다.

한편, 본발명은 그 기술적 사상을 일탈하지 않고 더욱 다양한 방법으로 변형실시될 수 있다. 예컨데, 본 발명에 따른 유체의 유동제어장치의 구성은 치수, 유로 표면의 거칠기, 유로 모서리 직각 정도, 유로 유동방향 전환 각도 등에 따라 쉽게 변경할 수 있으며, 이러한 유체 유동제어장치의 배치 방법, 배치 개수 등에 따라서도 고유 성능의 변화가 가능하므로 유체 특성에 따라 본 발명을 당업자가 용이하게 변경시키는 정도의 변형은 본 발명의 범주에서 제외되지 않을 것이다.

본 발명에 따른 유체 유동제어장치의 효과는 다음과 같다. 첫째, 실린더의 원주면을 따라 관통홈을 형성하고, 관통홈이 형성된 실린더를 순차적으로 중첩하여 제조되므로 종래 유동제어장치에 비해 손쉽고 저렴하게 제작될 수 있다.

둘째, 본 발명은 각 유로의 유체 저항 부위는 상류측과 하류측의 횡단면적 변화가 없도록 하여 소음원이 될 수 있는 과도한 압력비(상류측 유체 압력 대비 하류측 유체 압력)가 형성되지 않는다.

셋째, 본 발명은 유로의 전 구간을 걸쳐 횡단면적의 급축소 부위가 없으므로 장치에 유입된 이물질은 유로에서 막히지 않고 배출될 수 있다.

넷째, 본 발명은 반복적인 유로방향 급전환을 통해 국부 유체 저항이 크도록 하고 실린더의 원주면을 활용하여 종래 기술에 비해 횡단면적이 큰 다단 다중 유로(Multi-stage Multi-flow Path)를 형성함으로써 장치의 일정한 체적내에서 유체의 유량을 보다 크게 하여, 초고압 또는 고차압 조건에서도 용이하게 유체의 유동을 제어할 수 있고, 캐비테이션, 마모 및 침부식 등에 의한 손상을 억제할 뿐만 아니라, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

비록 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시 예에 관해 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있음은 전술한 바와 같다. 따라서, 다음의 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위내에 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

도 1은 본 발명에 따른 유체저항장치가 형성하는 유로의 모식도.

도 2는 본 발명에 따른 유체저항장치가 사용되는 밸브의 일실시예를 보이는 단면도.

도 3a은 본 발명에 따른 유체유동제어장치에 포함되는 실린더조립체의 제 1 실시예에 대한 부분절개 정면도.

도 3b는 도 3a의 I 부분 확대도.

도 4는 도 3a의 A-A' 평단면도.

도 5는 제 1 실시예의 제 8 실린더의 우측부분을 절개하여 단면을 보이는 정면도.

도 6은 제 1 실시예의 제 9 실린더의 우측부분을 절개하여 단면을 보이는 정면도.

도 7은 제 1 실시예에 따른 실린더 조립체의 부분절개 사시도.

도 8a, 8b, 8c는 실린더 수를 3개, 5개, 7개로 구성한 경우의 유로형성상태를 보여주는 부분단면도.

도 8d는 실린더 벽의 두께를 다르게 구성한 경우의 유로형성상태를 보여주는 부분단면도.

도 9a, 9b는 실린더에 각각 관통홈을 3개, 4개 형성한 경우의 실린더조립체의 부분절개 횡단면도.

도 10은 제 1 실시예의 제 1 실린더(120) 및 이에 삽입된 플러그(150)에 대한 종단면도.

도 11은 본 발명에 따른 유체유동제어장치에 포함되는 실린더조립체의 제 2실시예의 부분절개한 단면을 보이는 정면도.

도 12는 본 발명에 따른 유체유동제어장치에 포함되는 실린더조립체의 제 3실시예의 부분개한 단면을 보이는 정면도.

도 13은 도 12의 J 부분 확대도.

<도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명>

10 : 유체유동제어장치 20 : 유입구

30 : 유출구 40 : 스템

50 : 플러그 60 : 본네트

70 : 시트 110 : 실린더 조립체

120 : 제 1 실린더 130 : 제 2 실린더

140 : 제 3 실린더 150 : 제 4 실린더

160 : 제 5 실린더 170 : 제 6 실린더

180 : 제 7 실린더 190 : 제 8 실린더

200 : 제 9 실린더 203 : 제 1 유로구간

204 : 제 2 유로구간 205 : 제 1 유로지지구간

206 : 제 2 유로지지구간 210 : 고정 홀

Claims (6)

1. 실린더가 중첩되어 유로를 형성하는 실린더조립체로 구성되는 유체유동제어장치에 있어서,

   실린더 중심축으로부터 각도 θ( 0°< θ≤90°)인 가상평면과 실린더의 원주면과 교차하는 교차선을 따라 연장되는 축방향폭 a을 가지는 제 1 관통홈을 포함하는 제 1 실린더;

   상기 제 1 관통홈보다 큰 축방향폭 b(b>a)로 형성되고, 상기 제 1관통홈의 외측 일구간에 연통되면서 상기 제 1 관통홈 방향을 따라 연장되는 제 2 관통홈을 포함하는 상기 제 1 실린더에 외접하여 중첩되는 제 2실린더;

   상기 제 2 관통홈과 상기 제 1 관통홈의 축방향폭 차이인 b-a로 축방향폭이 형성되고, 상기 제 2 관통홈이 상기 제 1 관통홈과 연통되지 않는 외측 타구간에 연통되면서 상기 제 2 관통홈 방향을 따라 연장되는 제 3 관통홈을 포함하는 제 2 실린더에 외접하여 중첩되는 제 3 실린더;를 포함하는 실린더조립체로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체유동제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 3 관통홈에 연통되며 상기 제 2 관통홈과 동일한 형상을 가지는 제 4 관통홈이 형성되는 제 4 실린더, 그리고 상기 제 4 관통홈에 연통되며 상기 제 3 관통홈과 동일한 형상을 가지는 제 5 관통홈이 형성되는 제 5 실린더가 차례로 더 외접하여 중첩되는 실린더조립체로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체유동제어장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 실린더조립체 외면에는, 상기 제 1 실린더와 동일한 형상을 가지는 관통홈이 형성되는 A형실린더, 제 2 실린더와 동일한 형상을 가지는 관통홈이 형성되는 B형실린더 및 제 3 실린더와 동일한 형상을 가지는 관통홈이 형성되는 C형 실린더가 적어도 1개 이상 더 중첩되되, 중첩순서는 B형실린더→ A형실린더→ B형실린더→ C형실린더가 순환되는 순서이며, 각 실린더의 관통홈은 내측 실린더의 관통홈에 연통되도록 구비되는 실린더조립체로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체유동제어장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 각 실린더들의 관통홈은 각 실린더의 상기 교차선을 따라 유로지지구간을 형성하는 간격만큼 서로 이격되면서 적어도 2개 이상 실린더에 형성되는 것을 특징으로 하는 유체유동제어장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 실린더의 관통홈은 각 실린더의 축방향으로 소정의 간격으로 이격되어 적어도 1회 이상 반복되면서 각 실린더에 형성되는 것을 특징으로 하는 유체유동제어장치.
6. 청구항 5 에 있어서,

   상기 제 1 실린더의 제 1 관통홈이 형성되는 주변부 일측에 유체가 유연하게 유입되도록 하는 유도턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체유동제어장치.