KR100661446B1 - 맥동 댐핑 조립체 및 방법 - Google Patents

Abstract

가요성 다이어프램(33)은 작동 유체의 맥동을 댐핑하기 위해 작동 유체와 가스 충진된 챔버(56) 사이의 조립체에 배치된다. 다이어프램(33)은 가스 챔버 내의 압력에 의해 완전히 팽창되었을 때 평평한 천공식 원형 금속 시트(25)에 대하여 위치한 평평한 기부를 갖는다. 천공식 금속 시트(25)는 시트가 가압된 다이어프램에 의한 연장시키는 힘에 의해 영구 변형되는 것을 방지하는 평평한 표면(22)으로부터 근접하게 이격된다. 후면 내에 형성된 환형 채널(23)은 천공식 금속 시트와 접하는 작업유체를 위치시킨다. 작동 유체의 압력은 천공식 금속 시트(25)로부터 멀게 위치시킨다. 가스 챔버 내의 평평한 보유 벽(55)은 금속 시트로부터 다이프램이 멀어지는 것을 제한한다. 작동 유체의 압력 맥동은 다이어프램을 보유 벽들 사이에서 전후로 이동시킨다. 천공부(27)를 통해 전후로 맥동하는 유체와 가스 챔버 내에서의 가스의 압축은 댐핑 효과를 위해 펄스의 에너지를 분산시킨다. 상이한 충진 압력에서 작동하는 복수의 맥동 댐퍼는 넓은 작동 유체 압력 범위를 위해 높은 댐핑 비의 증가된 범위로 사용될 수 있다.

압력 맥동 댐퍼, 작동 유체, 가스 챔버, 천공식 금속 시트, 가요성 다이어프램

Description

맥동 댐핑 조립체 및 방법{Pulsation Damping Assembly and Method}

본 발명은 유체 시스템의 압력 맥동 댐핑에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 출력, 변속 또는 제어 시스템 내의 댐핑 압력을 위한 가스 충진식 맥동 댐핑 조립체에 관한 것이다.

출력, 변속 및 제어 시스템에서 사용되는 작동 유체에는 주기적이며 급격하게 증가 및 감소하는 압력이 가해진다. 본 명세서에서 사용되는 "작동 유체"는 기계류를 모니터하거나 출력하거나 조절하는데 사용되는 유동적인 또는 정적인 액체 및 가스와 파이프를 통해 이동하는 유체 또는, 정적인 또는 동적 시스템 내의 유효한 또는 실제적인 다른 유체를 언급한다.

전체적으로 "맥동"으로 언급되는 작동 유체 내의 이러한 압력 변동은 시스템의 작동을 손상시키거나 방해할 수 있다. 압력 맥동은 시스템에 합체된 용적형 펌프에 의해 자주 유도된다. 맥동을 댐핑하기 위해 다양한 장치들이 개발되었다. 통상적인 맥동 댐핑 기술은 작동 유체의 압력을 맥동의 진폭을 감소시키는 에너지 흡수 장치에 대해 가해지도록 한다.

통상적으로, 유동하는 유체의 맥동 댐핑에 사용되는 "관형" 디자인은 시스템 유체 유동 라인의 소정의 섹션 내에 포함된 환형 가스-압력식 다이어프램을 통해 중앙으로 연장되는 천공식 튜브 섹션을 채용한다. 이러한 디자인은 미국 특허 제4,759,387호에 개시되어 있다. 천공식 튜브를 통해 유동하는 작동 유체(보통은 액체)의 맥동은 다이어프램이 반경 방향의 외부로 팽창됨에 의해 댐핑된다. 이러한 동작은 작동 유체를 튜브 내의 천공부를 통해 반경 방향으로 유동하도록 튜브 안으로 작동 유체를 가압하여, 유동의 시스템 손실 또는 작동 유체의 압력을 떨어뜨림없이 맥동 에너지를 소산시킨다.

보통, 종래 기술로 개시된 디자인을 사용한 맥동 댐핑 시스템은 사실상 다이어프램이 응력을 받지 않는 비교적 협소한 압력 범위 내에서 작동하도록 한 것이다. 시스템이 최적의 압력 범위 밖에서 사용된다면, 작동 유체의 맥동에 의한 가스 가압 및 압력 서지(surge)는 탄성 다이어프램을 신장시켜 응력을 유발시킬 수 있다. 사실상 이러한 디자인에 의해, 종래 기술의 맥동 댐핑 시스템은 비교적 크고, 시스템의 성능 및 효율은 다이어프램에 대해 동작하는 가스 압력 충진의 함수에 따라 변하게 된다. "관형" 디자인으로 개시된 맥동 댐핑 장치의 종래 기술 중의 하나는 가스 충진(작동 유체 압력에 대한 소정의 퍼센트로 한정된)이 작동 유체의 작동으로 증가될 때 댐핑 비율이 급격히 감소하는 것을 보인다.

상기 "관형" 맥동 댐핑 시스템은 팽창식 다이어프램을 아래에 두고 지지하는 천공식 관형 섹션의 제조를 필요로 한다. 이러한 시스템의 몇몇은 천공식 튜브가 가압된 다이어프램에 의한 압축력에 의해 붕괴되는 것을 방지하기 위해 추가적인 지지 구조 재료를 필요로 한다. 상기 천공식 튜브 및 연관된 지지 구조 재료는 특히, 외국산 금속의 합금이며, 내식성 또는 고강도 재료로 인해, 제조하기에는 크고 비용이 많이 든다.

다른 종래의 기술의 맥동 댐핑 디자인은 댐핑되어질 작동 유체와 연통하는 서지 챔버 내에 배치된 벨로우즈 또는 피스톤-실린더 장치를 사용한다. 미국 특허 제5,205,326호는 이러한 타입의 맥동 댐퍼를 개시한다. 맥동 중 서지 챔버 내의 작동 유체의 압력이 증가할 때, 벨로우즈는 가압하거나 피스톤은 실린더로 안으로 구동된다. 압축 가스 또는 기계적인 스프링은 유체 맥동에 의해 가해진 압축력에 저항하도록 사용된다. 관형 맥동 댐핑 시스템을 사용시, 벨로우즈 및 피스톤-실린더 장치의 댐핑 효율은 압력 수용 요소에 대한 내부 가스 충진과 스프링력에 따라 변한다. 상기 종래 기술의 시스템의 벨로우즈 및 피스톤-실린더 부재는 비교적 큰 부품을 필요로 하며 제조하기에 비싸다.

또한, 종래 기술은 다이어프램을 충진하는 가스 압력이 작동 유체의 압력 보다 충분히 클 때, 돔(dome)형 천공식 지지부에 놓여지는 비교적 두꺼운 가요식 다이어프램을 채용하는 맥동 댐퍼 디자인를 교시한다. 상기 디자인은 작동 유체의 압력과 가스 충진 압력 사이에 큰 압력 차가 존재할 때, 다이어프램의 파열을 방지한다. 이러한 디자인의 일예는 가스 충진된 다이어프램을 지지하기 위해 컵 또는 접시형 모양을 갖는 천공식 판을 채용한 미국 특허 제2,563,257호에서 볼 수 있다. 이러한 다이어프램은 신장되거나 응력을 받지 않고 큰 챔버 내의 최대 가압 위치와 가압 해제 위치 사이를 이동 가능하다. 이러한 다이어프램은 중앙 장착점으로부터 양 방향 중 어느 하나로 전체 길이를 이동시킬 수 있기 때문에, 상기 특허에 개시된 맥동 흡수기는 다이어프램 높이의 사실상 2배의 응력을 받지 않는 축방향 변위를 갖는 챔버를 필요로 한다. 상기 특허의 컵 또는 접시 형태는 아치형으로 작동하고 천공부를 위해 큰 영역을 제공한다는 점에서 평면의 천공식 판인 것이 바람직하다.

특히 금속 합금 또는 고강도 재료로 구성해야 할 때, 상술한 맥동 댐핑 시스템이 관형 다이어프램과 벨로우지 또는 피스톤-실린더 장치를 사용하는 것과 같이, 돔형 컵 또는 접시형 디자인의 벨로우즈 또는 피스톤-실린더 장치는 제조하기에 비교적 크고 비싸다. 또한, 이러한 시스템의 댐핑 효율은 작동 유체 내의 압력 변화의 범위에 따라 넓게 변할 수 있다.

가요성 다이어프램은 맥동 댐퍼를 형성하기 위해 작동 유체와 가스 충진된 챔버 사이에 배치될 수 있다. 가스 챔버 내의 압력에 의해 완전히 팽창될 때, 다이어프램은 평평하게 천공된 원형 금속 시트에 대해 놓여지는 평평한 기부를 갖는다. 천공식 금속 시트는 가압된 다이어프램에 의해 가해진 힘으로 인해 영구히 변형되는 것을 방지하기 위한 평평한 후면으로부터 근접하게 이격된다. 후면 내에 형성된 환형 채널은 천공식 금속 시트와 접촉하는 작동 유체를 위치시키고 천공식 시트가 평평한 후면을 결합할 때 유체가 조립체를 통해 유동하는 것을 허용한다. 작동 유체의 압력 맥동은 다이어프램을 천공식 금속 시트로부터 멀게 변위시킨다. 가스 챔버 내의 평평한 보유 벽은 금속 시트에서 멀어지는 다이어프램의 이동을 제한한다. 댐핑 효과를 이루기 위해 천공부를 통한 맥동 작동 유체의 전후방으로의 유동과 가스 챔버 내의 가스 압축은 맥동 에너지를 소산시킨다.

다이어프램은 평평한 금속 시트와 평평한 보유 벽 사이의 이동 중에는 비응력 상태로 유지된다. 다이어프램은 댐퍼 조립체의 본체 내의 장착부로부터 어느 한 방향으로만 이동하며, 이것은 다이어프램의 마모를 감소시키고 댐핑 조립체의 총 높이를 감소시킨다. 컵형 다이어프램의 측벽은 다이어프램의 기부에 비해 비교적 얇다. 얇은 벽 구조는 작동 유체의 압력 변동에 대한 다이어프램의 반응을 향상시키며 두꺼운 기부는 천공식 디스크와의 결합과 그 위로의 이동에 의해 발생될 수 있는 손상으로부터 다이어프램을 보호한다.

본 발명의 부품의 제한된 이동에 관한 디자인과, 다이어프램의 비응력 상태에서의 작업 범위는 작동 유체 압력에 대한 퍼센트가 심지어 작동 유체 압력의 100 퍼센트에 이를 때에도, 댐핑 비 대 가스 챔버 충진 사이에 선형적인 관계를 나타내는, 제조 단가가 낮고 수명이 긴 조립체를 제조할 수 있게 한다.

본 발명의 맥동 댐퍼의 요소는 쉽게 구할 수 있는 재료로 용이하고 단가가 낮게 제조될 수 있다. 천공식 금속 시트용 평면, 시트 뒤로의 후면 및 가스 챔버 내의 보유 벽의 사용은 보유 부재 및 이에 따르는 다이어프램의 제조 단가를 낮춘다. 천공식 금속 시트 뒤의 평평한 후면은 시트와 근접한 접촉을 유지하는 소정의 유로를 제공하도록 용이하게 기계 가공 또는 밀링된다. 시스템의 전체 작업 범위에 걸쳐, 시스템 디자인이 결합된 다이어프램 내의 제한된 이동 거리와 응력이 없는 구성은 가스 압력 충진이 작동 유체의 작동 압력에 이를 때에도 긴 수명과 효율적인 작업을 가능하게 한다.

또한, 본 발명의 압력 댐퍼의 디자인은 압력 조절 시스템 내의 제어 요소와 용이하게 합체될 수 있는 비교적 크기가 작은 조립체의 제조를 가능하게 한다.

본 발명의 압력 댐핑 조립체의 향상된 작동 효율과 작은 크기는 압력 감지 제어 시스템 및 파일롯 작동식 압력 릴리프 밸브와 같은 다른 종류의 압력 감지 장치의 사용에 대한 적합성을 향상시킨다. 파일롯 작동식 압력 릴리프 밸브는 초과된 시스템 압력을 릴리프하여, 작동 압력 수준을 유지할 필요가 있을 때 자동으로 개폐되도록 설정된다. 릴리프 밸브의 "설정 압력"은 전형적으로 릴리프 밸브와 관련된 배관 및 장치의 최대 허용 가능한 작업 압력 이하의 어떤 퍼센트로 설정된다.

화학 플랜트의 예와 같은 많은 상용 시스템에서는 배관 및 관련 장치의 안전 작업 수준 내에서, 될 수 있으면 고압으로 "공정"을 작동시키는 것이 바람직하다. 고압에서의 작업은 공정으로부터 고효율 및 고수율을 가능하게 한다. 파일롯 작동식 압력 릴리프 밸브는 파일롯의 "설정점"이 초과되면 시스템 내의 초과 압력을 릴리프하여 배관 및 부착된 장치를 보호한다. 댐핑이 없다면, 작동 유체의 압력 맥동의 최고치는 파일롯 및 압력 릴리프 밸브를 기동시키고 또는 파일롯 내에 과도한 마모를 일으킬 정도로 높다. 릴리프 밸브의 기동 및 파일롯의 수명 감소를 방지하기 위해, 플랜트는 공정의 압력을 감소시켜야 하므로 효율과 수율이 감소된다. 본 발명의 맥동 댐퍼를 추가하는 것은 작동 압력을 릴리프 밸브의 설정 압력에 근접하도록 상승시키는 공정을 가능하게 한다. 본 발명의 맥동 댐퍼는 공정 작동 압력의 100 퍼센트에 근접하는 가스 충진 압력의 높은 효율을 높은 정도로 달성시킨다.

본 발명의 방법에서, 복수의 맥동 댐퍼는 동시에 작동 유체에 노출된다. 맥동 댐퍼에는 작동 유체의 넓은 압력 범위 내에서 더욱 효과적으로 맥동을 댐핑될 수 있도록 상이한 가스 충진이 제공된다.

상기의 관점에서, 본 발명의 주요 목적은 용이하게 구할 수 있는 재료로부터 값싸게 제조할 수 있고 비교적 작은 치수를 갖는 효과적인 맥동 댐퍼를 제공하는 것이다.

본 발명의 주요 목적은 댐퍼 내의 가스 충진 압력을 댐핑되어질 유체의 압력에 근접시켜 증가된 댐핑 비를 보이고, 작동 유체의 압력 맥동 댐핑을 위해 소형화된 맥동 댐퍼를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 댐퍼 내의 가스 충진이 모니터 되는 유체의 압력에 근접할 때 조립체의 댐핑 비가 선형적으로 증가하는, 모니터 되는 유체의 맥동을 댐핑하기 위한 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 관련된 목적은 장치의 댐핑 비가 모니터된 유체 압력의 90 퍼센트를 넘어 확장되는 가스 충진의 전 영역에 걸쳐 선형적으로 증가하는 모니터된 유체의 압력 맥동을 댐핑하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 압력 감지형 시스템에서 사용될 수 있고, 압력 감지 시스템의 작동이 최적화된 작고, 제조 단가가 싼 댐핑 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 특별한 목적은 압력 릴리프 밸브에 의해 보호되는 공정 시스템의 효율 및 수율의 향상을 가능하게 하는 파일롯 작동식 압력 릴리프 밸브와 함께 사용될 수 있는 작고 제조 단가가 싼 효율적인 댐핑 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 상기한 목적, 특성 및 이점은 다음의 도면, 명세서 및 청구범위를 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다.

도1은 본 발명의 맥동 댐퍼의 수직 단면도이다.

도2는 도1의 2-2 선을 따라 취한 단면도이다.

도3은 본 발명의 댐핑 구조물을 상세하게 도시한 도1의 작은 영역에 대한 확대 단면도이다.

도4는 본 발명의 맥동 댐퍼의 수정된 형태를 도시하는 부분 단면 입면도이다.

도5는 본 발명의 맥동 댐퍼를 구비한 파일롯 작동식 압력 밸브의 사시도이다.

도6은 본 발명에 의한 것과 종래 기술에 의한 맥동 댐퍼의 작동 효율을 비교한 그래프이다.

본 발명의 맥동 댐핑 조립체는 도1에 전체적으로 도면부호 10으로 도시된다. 댐핑되는 작동 유체는 입구 포트(15)를 통해 유입되며 출구 포트(17)를 통해 나간다. 포트는 원통형 스틸 커플링(20)으로 형성되며 압력 시스템으로 연결되는 나사식 피팅으로의 연결을 위해, 각각 내부에 나사식 리셉터클(15a, 17a)을 구비한다.

도1, 도2 및 도3에서 연결부가 가장 잘 도시된, 커플링(20)은 평평하게 리세스된 축방향 단부 표면(22)을 갖는 축방향으로 연장된 원통형 본체이다. 표면(22) 내에 형성된 환형 홈(23)은 입구 포트(15)와 출구 포트(17) 사이의 유체 연통이 가능하도록 포트(15, 17)와 연결된다.

복수의 천공부(27)를 갖는 원형 금속 디스크(천공식 본체)(25)는 스틸 커플링(20)의 표면(22) 주위에 형성된 환형 릿지(29; ridge) 상에 장착된다. 릿지(29) 상에 디스크(25)를 장착하는 것은 맥동 댐퍼의 작동 중 작동 유체가 유동하는 디스크(25)와 표면(22) 사이의 축방향 및 반경 방향 연장 공간(제1 챔버)(30)을 만든다. 하기에 설명하는 바와 같이, 공간(30) 내의 유체는 공간(30)과 디스크(25)의 대향측 상에 형성된 축방향 및 반경 방향의 제2 공간(31) 사이의 천공부(27)를 통해 전후로 유동하도록 가압된다.

가요성의 평평한 바닥형 다이어프램(33)은 디스크(25)와 결합할 수 있는 저부(34)에 위치된다. 다이어프램(33)은 감소된 두께를 가지며 비교적 두꺼운 평평한 다이어프램 저부(34)와 다이어프램의 마우스(mouth)에 있는 확장된 환형 장착 립(37; lip) 사이로 연장되는 환형 벽 섹션(36)을 갖는다. 감소된 두께의 환형 벽 섹션(36)은 커플링(20)의 릿지(29) 상에 위치되는 환형 스틸 링(40)에 대해 지지된다. 링(40)과 릿지(29) 사이에 위치된 환형 엘라스토머 O-링 밀봉부(41)는 두 개의 부품들 사이의 압력 밀봉을 유지한다.

다이어프램이 디스크(25)를 커플링(20) 내의 환형 홈(23)으로 밀 때까지 이동시켜 다이어프램(33)에 부드럽고 낮은 마찰 표면을 제공하기 위해 상표명 테프론[Teflon(등록상표); 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) "PETE"]으로 제조된 얇고 평평한 링(45)이 링(40)과 디스크(25) 사이에 클램핑되어, 다이어프램이 천공부 내로 압출되거나 천공부의 에지 상에서 컷팅되는 것을 방지한다.

커플링(20)은 스틸 주 원통형 본체(50) 내의 내부 나사식 원통형 개구(47) 내에 수용된다. 외부 나사식 스틸 보유 링(51)은 커플링(20)을 본체(50) 내에 확실하게 결합하여 보유하기 위해 원통형 개구(47) 내에 위치된다. 렌치(wrench) 리세스(52)가 본체(50)의 원통형 개구(47) 내로 커플링(20)을 확실하게 안착시키기 위한 링과 본체(50) 사이의 나사부를 구성하기 위해 링을 회전시키는데 사용될 수 있는 토크 렌치(도시 생략)와의 결합을 위해 링의 단부(51)에 제공된다. 반경 방향 개구(53)는 본체(50)의 측벽을 통해 원통형 개구(47)로 연장되며, 다이어프램 또는 O-링의 고장 표시를 용이하게 보이기 위한 "눈물 구멍(weep hole)"으로서 작용한다.

본체(50)가 본체(50)의 중심축으로부터 측방으로 연장되는 평평한 보유 벽(55)에 제공된다. 벽(55)은 가스 압력 챔버(제2 챔버)(56)를 둘러싸기 위한 보유면을 형성하기 위해 가요성 다이어프램(33)과 협동한다. 가스 압력 충진이 가스 챔버 충진 밸브(60)를 경유하여 챔버(56)에 공급된다. 건식 질소, 또는 다른 적절한 가스가 챔버(56)를 충진하는데 사용될 수 있다. 통상적으로, 밸브(60)는 챔버(56)의 제한된 영역으로 고압의 가스를 충진하는 일방향 적용례를 가능하게 작동한다. 둥근 상부 퍼펫(61)은 모니터된 유체의 압력이 보유 벽(55)에 대하여 다이어프램을 붕괴시킬 때 포트를 향하는 다이어프램(33)의 변위를 방지하기 위해 보유 벽(55)을 통해 챔버(56)로 연장되는 입구 포트를 커버한다. 퍼펫(61)의 만곡된 레그(61a; leg)는 밸브(60)로부터 챔버(56)로 가스 충진을 유동하기 위한 퍼펫 헤드의 충분한 이동을 허용할 때 퍼펫을 제 자리에 위치시킨다.

도3의 상세도는 표면(22)과 디스크(25) 사이에 형성된 축방향 및 반경방향 연장 공간(30)을 도시한다. 맥동 댐퍼의 작동 중, 유체는 화살표(A)로 지시된 경로를 따라 조립체의 입구(15)로부터 출구(17)로 유동한다. 입구와 출구 사이의 다음 경로에서, 유체는 축방향 공간(30, 31) 사이의 디스크(25) 내의 천공부(27)를 통해 유동하도록 가압된다. 천공부(27)와 다이어프램(33)의 압축을 통한 전후로의 유체의 유동은 유체의 압력 맥동을 댐핑한다.

본 발명의 댐핑 장치의 작동에 있어, 다이어프램(33)의 어느 한 쪽 상에서 감당된 다양한 후면 및 지지면은 다이어프램을 가로질러 가해지는 압력차의 방향 또는 크기에 상관없이 다이어프램이 손상되지 않도록 보호한다. 댐핑 조립체(10)는 처음에 충진 밸브(60)를 통해 가스 충진이 제공되고, 공간(30, 31) 내에 압력이 없는 것은 다이어프램(33)이 링(40), 테프론(등록상표) 링(45) 및 디스크(25)에 대해 완전히 확장되는 것을 허용한다. 디스크(25)는 챔버(56) 내의 압력이 충분히 높을 때 표면(22)에 대해 밀려질 수 있다. 또한, 작업 중 챔버(56) 내에서 다이어프램의 완전한 팽창은 챔버(56) 내의 압력이 댐핑되는 유체의 압력보다 충분히 큰 작업 중 어느 때나 발생할 수 있다.

조립체(10)의 디자인은 챔버(56) 내의 비교적 고압에 해당하는 주기 중의 천공식 디스크의 손상을 방지한다. 즉, 표면(22)과 디스크(25) 사이의 작은 공간은 디스크 재료의 항복 응력 이하로 천공식 디스크의 축방향 이동을 제한하여 디스크가 후면에 대해 밀려졌을 때 디스크가 영구히 변형되는 것을 방지한다. 테프론(등록상표) 링(45)은 다이어프램(33)의 재료가 천공부(27)를 통해 컷팅되거나 압출되어지는 것을 방지하기 위해 환형 홈(23) 위로 추가적인 후면 지지를 제공한다.

비정상적인 작업 압력이 가해지거나 챔버(56) 내의 압력 부족으로 인해 발생할 수 있는, 작동 유체의 압력이 챔버(56) 내의 압력을 충분히 초과한 경우, 다이어프램(33)은 보유 벽(55)에 대해 가압된다. 손상으로부터 다이어프램을 보호하기 위해, 보유 벽(55)은 다이어프램(33)의 축방향 이동 및 팽창을 제한한다. 다이어프램 상에 높은 작동 유체 압력이 작용할 때, 둥근 헤드의 퍼펫(61)은 다이어프램의 재료가 충진 포트로 압출되는 것을 방지한다.

정상적인 작동 조건에서, 챔버(56)는 댐핑될 작동 유체의 작동 압력으로 한정된 소정의 압력으로 충진된다. 가스 챔버의 초기 충진은 댐핑되어질 유체의 소정의 작동 압력의 60 퍼센트 내지 90 퍼센트 일 수 있다. 정상 작동 중, 시스템 유체에 노출되었을 때, 다이어프램(33)은 평균 가스 충진 압력 및 댐핑되는 유체의 평균 압력이 사실상 동일하도록 디스크(25)로부터 멀어지는 방향으로부터 표면(22)과 보유 벽(55) 사이의 영역으로 배치된다.

작동 유체의 압력 맥동은 다이어프램이 보유 벽(55)과 디스크(25) 사이의 영역 내에서 전후로 이동하면서 챔버(56) 내에서 가스 충진을 교대로 압축 및 압축 해제한다. 이러한 동작은 디스크(25) 내의 천공부(27)를 통해 작동 유체가 전후로 유동하도록 가압하면서, 맥동 에너지를 소산시킨다. 작동 유체는 환형 홈(23)과, 디스크(25)와 표면(22) 사이의 공간(30) 내에 형성된 큰 표면 영역의 조합된 동작에 의해 천공부의 큰 영역에 노출된다. 시스템의 디자인은 환형 벽 섹션(36)의 축방향 높이의 길이 만큼만 이동해야 하는 다이어프램(33)으로 유체가 댐핑되게 한다. 다이어프램(33)은 본체에 장착점을 넘어서 축방향으로 이동할 수 없어서, 다이어프램의 역방향 휨을 방지한다.

도6은 댐핑 비와 작동 유체의 압력에 대한 퍼센트로서 댐핑 비와 가스 챔버 내의 가스 충진 사이의 관계를 도시한 본 발명에 의한 맥동 댐퍼와 종래 기술에 의한 맥동 댐퍼의 작업 효율을 나타내는 그래프이다. 도6의 곡선은 분당 회전수 150의 속도와 작업 또는 "선압(line pressure)"이 6.895 MPa [1000 제곱 인치당 파운드(psi)] 인 삼중식(triplex) 펌프를 사용하여 만들어졌다. 수직축으로 나타낸 댐핑 비는 댐핑 전후의 작동 유체의 맥동 진폭 비이다. 수평축은 작업 선압의 퍼센트로 나타낸 압력 충진을 나타낸다.

도6의 곡선(70)은 금속 부품이 스테인레스 316으로 구성된 본 발명에 따른 댐핑 조립체(10)를 사용하여 얻어졌다. 디스크(25)는 두께 0.381 mm(0.015 인치)이며, 천공부는 지름 0.838 mm(0.033 인치)를 갖는다. 다이어프램(33) 및 O-링은 가요성 플로오르카본(fluorocarbon) 재료인 상표명 비톤(등록상표 Viton)으로 구성된다. 다이어프램(33)의 얇은 부분(36)은 두께 0.432 mm(0.017 인치)이며 저부(34)는 두께 0.838 mm(0.033 인치)이다. 평평한 테프론(등록상표) 링(45)은 두께 0.254 mm(0.010 인치)를 갖는다. 챔버(56)를 충진하기 위해 1.379 MPa(200 psi)와 6.205 MPa(900 psi) 범위의 압력을 갖는 건식 질소가 채용된다. 본체(50)의 바깥 지름은 82.55 mm(3.25 인치)이며, 본체(50)와 커플링(20)을 중심을 가로질러 측정된 조립체의 축 길이는 68.58 mm(2.7 인치)이다. 충진 밸브(60)를 포함하여 본체(50)를 가로지르는 측방의 최종 치수는 124.46 mm(4.9 인치)이다. 조립체(10)의 디자인과 재료의 구성 및 치수에 따른 맥동 댐핑 조립체 프로토타입은 2.722 Kg(6 파운드)의 무게가 나가며, 최대 섭씨 204.6도(화씨 400도)의 온도에서 최대 작동 압력 34.475 MPa(5000 psi)의 등급이 된다.

도6의 곡선(71)은 윌키스-맥린(Wilkes-McLean) 사에서 제조된 종래 기술의 "관형" 맥동 흡수기(억제기) 장치를 사용하여 얻어졌다. 미국 특허 제4,759,387호에 상세히 개시된 디자인을 채용한 윌키스-맥린 억제기는 1.379 MPa(200 psi)와 6.205 MPa(900 psi) 사이의 건식 질소 가스 충진 압력 범위에서 작동된다. 종래 기술의 억제기는 63.5 mm(2.5 인치)의 관 지름 및 174.625 mm(6.875 인치)의 관 길이와 107.95 mm(4.25 인치)의 관 지름과 높이를 가진 충진 밸브를 결합한다. 상기 장치는 대략 2.948 Kg(6.5 파운드)의 무게를 갖는다.

댐핑 조립체(10)의 주요 특성은 조립체의 댐핑 비가 챔버(56) 내의 가스 충진이 작동 유체를 포함하는 작업 선압에 접근할 때 연속적인 선형으로 증가하는 것이다. 이러한 특성은 도6의 직선(70)으로부터 명백히 알 수 있다. 곡선(71)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 통상적인 종래 기술의 댐핑 조립체는 조립체의 가스 충진이 선압의 충진에 접근할 때, 상부 작동 범위에서 댐핑 비가 감소하는 것을 보인다. 필요시, 본 발명의 댐핑 조립체(10)는 단순히 출구 포트를 막고 정적인 작동 유체를 입구 포트(15)에 가함으로써 정적인 유체 시스템의 압력 맥동을 댐핑하는데 사용될 수 있다. 예로써, 이러한 시스템은 압력 게이지 내의 압력 변동을 댐핑하는데 사용될 수 있다.

도5는 전체적으로 도번 100으로 지시된 파일롯 작동식 압력 릴리프 밸브의 파일롯 작동 시스템 내에 설치된 본 발명의 압력 댐퍼(10)를 도시한다. 조절되거나 모니터된 시스템(101) 내의 가압된 작동 유체가 밸브(100)의 입구(102)로 제공된다. 시스템(101) 내의 초과 압력은 밸브(100)를 통해 출구(105)로 배기된다.

댐퍼 조립체(10)는 보조 브라켓(107)을 갖는 밸브(100)에 고정된다. 댐퍼 조립체(10)는 밸브(100)의 입구에서의 압력이 댐퍼 조립체(10)를 통해 파일롯 제어부(111)의 감지 입력부와 연통하도록 파일롯 감지 선 섹션(109a, 109b)들 사이에 배관된다. 방출 압력선(112)은 파일롯 제어부(111)를 통해 출구부(105)로 유동하는 유체를 방출한다. 파일롯 제어 선(115)은 밸브(100)의 개폐를 조절하기 위해 파일롯(111)으로부터 릴리프 제어부(100)로 연장된다. 파일롯 제어부(111)의 방향으로 개방되었을 때, 밸브(100)는 밸브(100)를 통해 시스템(101)으로부터 유체가 유동하여 출구(105)를 통해 나가도록 한다.

도5의 압력 대 시간 차트(120)는 시스템(101) 내에 함유된 작동 유체의 압력 변동을 도시한다. 도5의 유사한 차트(125)는 맥동 댐퍼(10)가 유체를 처리한 후 시스템 유체 내의 변동이 댐핑된 것을 도시한다. 차트(120, 125)에서 압력 맥동 진폭의 차이를 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 감지 선(109b) 내의 압력 유체 내의 맥동은 사실상 감소되었다. 맥동 진폭의 감소는 시스템(101) 내의 유체의 작업 압력을 파일롯 작동식 압력 릴리프 밸브(100)의 개구 또는 설정점에 근접하도록 상승시킬 수 있게 한다.

본 발명의 변경된 맥동 댐퍼가 전체적으로 도면 부호 210으로 도4에 도시된다. 시스템(210)은 작동 유체의 높은 범위의 램핑을 넓은 압력 비로 효과적으로 연장되게 한다. 맥동 댐퍼(210)는 각각 작동에 있어 맥동 댐퍼(10)와 유사한 두 개의 대칭적으로 정렬된 댐퍼 섹션(211, 212)을 포함한다. 섹션(211, 212)은 댐퍼를 통해 유동하는 작동 유체의 맥동 댐핑 효과를 증가시키기 위해 결합된다. 시스템(210)의 주요한 특성은 두 개의 가스 충진 챔버 각각이 시스템(10)과 비교하여 큰 압력 범위에 걸쳐 압력 맥동을 수용하고 효과적으로 댐핑하도록 상이한 가스 충진 압력으로 충진될 수 있는 것이다.

섹션(212)과 대칭적으로 동일하게 구성된 맥동 댐퍼 섹션(211)은 맥동 댐퍼(10) 내의 해당 부품 보다 200 이 높은 도번으로 나타내었다. 두 개의 댐퍼 섹션(211, 212)은 구성 및 작동이 유사하기 때문에, 섹션(211) 만을 상세히 설명한다. 댐퍼 섹션(212)의 부품은 댐퍼 섹션(211) 내의 대응하는 부품과 대칭적으로 동일한 방식에 의해 작동되는 것을 알 수 있다.

시스템(200)에 의해 댐핑되는 작동 유체는 본체(250)의 일 단부에 형성된 입구 포트(215)에 유입된다. 작동 유체는 댐퍼(200)를 통해 유동하고 본체(250)의 대향 측에 형성된 출구 포트(217)를 통해 나간다. 스틸 보유 링(51)을 갖는 본체(250) 상에 유지된 스틸 커플링(220)은 댐퍼 섹션(211) 내의 가스 충진 챔버(256a)를 형성한다. 대칭적으로 대응하는 가스 챔버(256b)는 댐퍼 섹션(212)의 맥동 댐퍼에 인접하여 형성된다.

가스는 가스 충진 밸브(260)를 통해 챔버(256a)로 공급된다. 스프링이 얹어진 퍼펫(261)은 충진 밸브로부터 챔버(256)로의 접근 개구를 커버한다. 퍼펫(261)은 다이어프램(233)의 변위을 제한하기 위한 평평한 보유 벽(255)과 협동한다. 다이어프램(233)은 작동 유체와 연통하는 공간(231)으로부터 가스 챔버(256a)를 차단한다. 공간(231) 내의 천공식 디스크(225)는 본체(250) 상에 형성된 평평한 후면(222)으로 기계 가공된 환형 홈(223)과 연통한다. 후면(222)은 가스 충진이 입구(215)에서의 유체 압력을 상당히 초과할 때 다이어프램(233)의 변위를 제한한다. 조립체(10)에서와 같이, 조립체(210) 내의 작동 유체에 의한 가스 충진된 챔버의 압축은 유체의 압력 맥동을 댐핑하기 위해 포트(215)로 유입되는 유체를 천공식 디스크(225) 내의 천공부를 통해 전후로 유동하게 한다.

작동에 있어, 챔버(256a, 256b)는 각각 상이한 압력으로 충진된다. 낮은 압력(제2 기설정력)으로 충진된 챔버는 낮은 평균 압력을 효과적으로 댐핑하고 높은 압력(제1 기설정력)으로 충진된 댐퍼는 높은 평균 압력의 맥동을 더욱 효과적으로 댐핑한다. 또한, 두 개의 챔버 디자인은 하나의 챔버가 고장났을 때 맥동 댐핑 작업을 연속적으로 할 수 있도록 백업을 제공한다. 충진된 챔버(256a, 256b)에 의해 제공된 맥동 댐핑 효과는 스프링이 얹어진 피스톤-실린더의 힘 흡수 장치 또는 압력 맥동 에너지를 흡수하는 다른 장치와 같은 동등한 장치에 의해 제공된다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 맥동 댐퍼의 바람직한 실시예가 명세서에 상세히 개시되었으나, 본 발명의 다른 형태가 다음의 청구 범위에서 설명하는 본 발명의 범위와 기술 사상에서 시행될 수 있다.

Claims (25)

1. 작동 유체의 압력 맥동 댐핑용 장치이며,

   조립체와,

   댐핑되는 작동 유체를 수용하기 위한 조립체 내의 제1 챔버와,

   가압된 충진 유체를 수용하기 위한 조립체 내의 제2 챔버와,

   상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 압력 분리부를 형성하기 위해 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 배치되며, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 존재하는 압력 차에 반응하여 제1 챔버 및 제2 챔버 내에서 이동 가능한 가요성 다이어프램과,

   상기 가요성 다이어프램이 제2 챔버로부터 멀어지는 방향으로의 이동을 제한하기 위한 제1 챔버 내의 평평한 후면과,

   상기 후면과 가요성 다이어프램 사이에서 조립체의 제1 챔버에 배치되고, 복수의 천공부를 가지는 것으로, 이로써 다이어프램이 상기 제1 챔버와 제2 챔버 내에서 이동할 때 본체 내의 천공부를 통해 작동 유체가 유동하게되는 천공식 본체를 포함하는 압력 맥동 댐핑용 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 천공식 본체는 가요성 다이어프램과 결합하기 위한 평면을 갖는 압력 맥동 댐핑용 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 평평한 후면은 천공식 본체 재료의 항복 응력을 넘는 값으로 인해 평평한 후면 방향으로 천공식 본체가 절곡되는 것을 방지하는 거리만큼 천공식 본체로부터 이격된 압력 맥동 댐핑용 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 챔버는 각각 제1 챔버 내로 그리고, 작동 유체를 안내시키기 위한 입구 및 출구를 포함하는 압력 맥동 댐핑용 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 입구와 출구 사이에서 작동 유체를 연통하기 위해 평평한 후면 내에 리세스되고 입구와 출구 사이에서 연장되는 유로를 더 포함하는 압력 맥동 댐핑용 장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 가요성 다이어프램에는 천공식 본체의 평면과 결합하기 위한 평평한 기부가 제공되는 압력 맥동 댐핑용 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 작동 유체의 압력 맥동을 동시에 댐핑하기 위한 제2 장치를 더 포함하며, 상기 제2 장치는 상기 제2 챔버 내의 유체의 압력과 상이한 압력으로 가압된 유체를 수용하기 위한 가압식 챔버를 가짐으로써, 작동 유체의 높은 평균치의 맥동이 증가된 댐핑 비의 범위 이상으로 댐핑될 수 있는 압력 맥동 댐핑용 장치.
8. 작동 유체의 압력 맥동 댐핑용 맥동 댐퍼이며,

   상기 작동 유체의 압력 맥동에 반응하기 위한 제1 조립체와,

   상기 제1 조립체와 함께 작동 유체의 압력 맥동에 동시에 반응하기 위한 제2 조립체와,

   상기 작동 유체의 압력 맥동에 저항하기 위한 제1 조립체 내의 제1 기설정력과,

   상기 작동 유체의 압력 맥동에 저항하기 위한 제2 조립체 내의 제2 기설정력을 포함하고, 제1 기설정력은 제2 기설정력 보다 큰 맥동 댐퍼.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 조립체 및 제2 조립체는 각각 제1 및 제2 기설정력을 제공하기 위한 제1 가스 충진 압력 및 제2 가스 충진 압력을 갖는 제1 가스 충진 챔버 및 제2 가스 충진 챔버를 포함하는 맥동 댐퍼.
10. 제9항에 있어서, 상기 제1 가스 충진 챔버 및 제2 가스 충진 챔버로부터 각각 작동 유체를 분리하며, 작동 유체의 압력 맥동에 응답하여 이동 가능한 제1 가요성 다이어프램 및 제2 가요성 다이어프램을 더 포함하는 맥동 댐퍼.
11. 제10항에 있어서, 상기 작동 유체 내에 배치되며, 제1 및 제2 다이어프램이 이동될 때 이를 통해 작동 유체가 유동하게 되는 제1 및 제2 천공식 디스크를 더 포함하는 맥동 댐퍼.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 천공식 디스크 및 제2 천공식 디스크는 평평한 제1 보유면 및 제2 보유면에 의해 근접하게 지지되어 상기 보유 작동은 각각 제1 디스크 및 제2 디스크의 이동을 제한하는 맥동 댐퍼.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1 다이어프램 및 제2 다이어프램은 각각 제1 천공식 디스크 및 제2 천공식 디스크와 결합 가능한 평평한 제1 바닥부와 제2 바닥부를 갖는 맥동 댐퍼.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 다이어프램 및 제2 다이어프램은 각각 제1 가스 충진 챔버와 제2 가스 충진 챔버를 형성하기 위해 평평한 제1 바닥부와 제2 바닥부와 연결되고, 각각 제1 다이어프램 및 제2 다이어프램을 제1 조립체 및 제2 조립체로 연결하는 제1 환형 벽 및 제2 환형 벽을 갖는 맥동 댐퍼.
15. 제14항에 있어서, 상기 평평한 제1 바닥부 및 제2 바닥부는 제1 환형벽 및 제2 환형벽보다 두꺼운 맥동 댐퍼.
16. 작동 유체의 맥동 댐핑용 장치이며,

    중심 축을 따라 연장되는 조립체와,

    작동 유체를 수용하기 위해 중심 축을 따라 연장되는 조립체 내의 제1 챔버와,

    가압된 충진 유체를 수용하기 위해 중심 축을 따라 연장되는 조립체 내의 제2 챔버와,

    상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 압력 분리부를 형성하기 위해 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 중심 축을 따라 연장되고, 상기 제1 챔버와 제2 챔버의 압력 차에 대응하여 제1 챔버와 제2 챔버 사이에서 이동 가능하고, 축 벽의 높이와 기부에 대향한 환형 벽의 일 단부에 있는 환형 장착 립을 축방향으로 연장시키는 환형 벽에 연결되는 기부를 더 갖는 컵형 가요성 다이어프램과,

    상기 가요성 다이어프램의 이동을 제한하기 위한 제1 챔버 내의 후면 및 제2 챔버 내의 보유 벽과,

    상기 후면과 가요성 다이어프램 사이의 조립체의 제1 챔버에 배치된 천공식 본체를 포함하며, 상기 천공식 본체는 복수의 천공부를 가짐으로써 다이어프램이 제1 챔버 및 제2 챔버 내에서 이동될 때 작동 유체가 본체 내의 천공부를 통해 유동하는 맥동 댐핑용 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 천공식 본체는 가요성 다이어프램과 대면하는 평평한 면을 구비하는 맥동 댐핑용 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 후면은 천공식 본체가 자신의 항복 굽힘 반경을 넘어 절곡되는 것을 방지하기에 충분한 거리 만큼 천공식 본체로부터 이격된 맥동 댐핑용 장치.
19. 제17항에 있어서, 상기 다이어프램의 환형 벽은 다이어프램의 기부보다 얇은 맥동 댐핑용 장치.
20. 제16항에 있어서, 상기 작동 유체의 압력 맥동을 동시에 댐핑하기 위한 것으로서, 상기 제2 챔버 내의 유체 압력과 상이한 압력으로 가압된 유체를 수용하기 위한 가압된 챔버를 갖는 제2 맥동 댐퍼를 더 포함하는 맥동 댐핑용 장치.
21. 작동 유체의 맥동 댐핑용 장치이며,

    중심 축을 따라 연장되는 조립체와,

    댐핑되는 작동 유체를 수용하기 위해 중심 축을 따라 연장되는 조립체 내의 제1 챔버와,

    가압된 충진 유체를 수용하기 위해 중심 축을 따라 연장되는 조립체 내의 제2 챔버와,

    상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 압력 분리부를 형성하기 위해 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 중심 축을 따라 연장되고, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 압력 차에 대응하여 제1 챔버와 제2 챔버 사이에서 이동 가능하고, 기부를 갖고 축 벽의 높이와 환형 벽의 일단부에 있는 환형 장착 립을 축방향으로 연장시키고, 상기 기부보다 얇은 두께를 갖는 환형 벽 및 장착 립에서 조립체에 고정되는 컵형 가요성 다이어프램과,

    상기 제1 챔버 내의 후면과, 상기 중심 축을 따라 가요성 다이어프램의 이동을 제한하기 위한 제2 챔버 내의 보유 벽과,

    상기 후면과 가요성 다이어프램 사이의 조립체의 제1 챔버에 배치되고, 복수의 천공부를 가짐으로써, 작동 유체가 다이어프램이 제1 챔버와 제2 챔버 내에서 이동될 때 본체 내의 천공부를 통해 유동하는 천공식 본체를 포함하는 맥동 댐핑용 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 가요성 다이어프램의 기부는 평평하며 천공식 본체는 다이어프램의 기부를 결합하기 위한 평평한 천공식 면을 포함하는 맥동 댐핑용 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 후면은 천공식 본체가 후면을 향해 이동할 때 천공식 본체가 영구 변형되는 것을 방지하도록 천공식 본체로부터 충분한 거리로 근접 이격된 평면을 포함하는 맥동 댐핑용 장치.
24. 제21항에 있어서, 상기 다이어프램은 하나 또는 다른 후면 및 보유 벽에 인접한 장착 립에 고정되어 다이어프램의 축방향 이동이 축방향 벽 높이 만큼의 거리로 제한되는 맥동 댐핑용 장치.
25. 작동 유체의 압력 맥동 댐핑 방법이며,

    상기 작동 유체의 압력 맥동에 대한 제1 반응을 갖게 되는 제1 맥동 댐퍼로 유체를 가하는 단계와,

    상기 작동 유체의 압력 맥동에 대한 제2 반응을 갖게 되는 제2 맥동 댐퍼로 유체를 동시에 가하여, 단일 맥동 댐퍼를 사용하여 얻어진 댐핑 비와 비교할 때 넓은 범위의 압력에서 높은 댐핑 비가 얻어지는 압력 맥동 댐핑 방법.

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