KR100800413B1 - 유체 에너지 감소 장치 - Google Patents

Abstract

특히 유동 제어 밸브를 위한 유체 에너지 감소 장치는 트림 스택(trim stack)의 형태인 복수의 적층 플레이트(13)에 의해 분리되는 유체 입구(11) 및 유체 출구(12)를 갖는다. 상기 스택의 각 플레이트(15)는 상기 스택에 있는 플레이트 위로 연장하는 별도의 이격된 컬럼의 복수 열을 갖는다. 상기 트림 스택을 유동하는 유체는 상기 컬럼에 의해 방해를 받고 복수의 하부 유동 통로로 강제 분기된다. 컬럼의 열은 컬럼의 제1 열 유체 하류가 다음 열의 컬럼에 직접 도달되도록 엇갈린다. 이러한 배열은 캐비테이션, 소음 또는 진동 없이 유체의 완만한 압력 강하 및 에너지 감소를 제공한다.

유체, 에너지, 압력, 밸브, 트림 스택, 유동 통로, 플레이트, 하부 통로

Description

유체 에너지 감소 장치 {FLUID ENERGY REDUCTION DEVICE}

본 발명은 유체 에너지 감소 장치, 및 이러한 장치에 의해 자신의 내부에 통과하는 유체의 압력을 강하시키고 에너지를 감소시키는 밸브 또는 레귤레이터에 관한 것이다.

고압의 유체 유동 제어 시스템은 자신의 내부를 통과하는 유체의 압력을 강하시키도록 설계된 제어 장치를 갖는 것이 공지되어 있다. 이러한 장치를 통해 주어진 유체에 대하여 압력을 강하하기 위해서는 유체 속도의 증가가 따르며 이것은 신중히 다루어져야 한다. 또한 밸브 등의 고속 유동 속도에서 발생하는 압력 강하는 일반적으로 부식, 소음, 진동, 및 캐비테이션과 같은 다른 문제를 수반한다.

전술한 문제를 해결하기 위한 일반적인 해결책은 상기 각각의 비틀어진 통로의 형태인 복수의 하부 통로로 향하도록 유동을 분기시키는 장치에 의한 것이다. 유체의 압력 및 에너지는 이러한 통로를 따라 분산되어 통로의 벽들 사이의 마찰, 유동 방향의 급격한 변화, 및 챔버의 팽창이나 수축에 의한 손실을 낳는다.

이러한 장치를 제어하는 유체 제어 밸브는 일반적으로 적층된 원판 또는 복수의 동심 원통 슬리브 형태를 갖는다. 전자의 설계는 유체 통로가 인접한 원판의 한쪽 또는 양쪽 대면하는 표면으로 기계 가공된 비틀림 관로로 되어 있다. 후자의 설계에서 슬리브는 인접한 슬리브에 엇갈리게 반경 방향으로 천공되어 유체가 비틀린 통로로 유동되도록 한다. 이들 슬리브는 환형의 중간 통로에 의해 분리될 수 있어서 유체가 이를 통과하기 전 보다 팽창하고 수축하여 다음 슬리브의 천공을 통과할 수 있도록 한다. 이러한 설계의 특별한 기하학적 배열은 원하는 대로 각 하부 통로의 유체의 압력을 비교적 작은 증분 및 많은 단계로 강하시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

전술한 유형의 유체 제어 장치에 대한 예시가 US-RE-32,197, GB-A-2335054, 및 US-A-5390896에 기재되어 있다.

전술한 유형의 밸브에는 일반적으로 원판에 또는 동심 슬리브의 가장 내측 내부에 형성된 중앙 원통형 공동 내에서 이동할 수 있는 플러그가 끼워져 있다. 이 플러그는 공동 내부에서 축 방향으로 이동할 수 있어서 출구를 개폐하여 사용자가 요구하는 유동 특성에 따른 유동에 대하여 가용한 통로를 다양하게 한다.

이러한 유체 제어 장치는 효과적이지만 구성이 복잡하고 이에 따라 제조 및 조립 또한 복잡하고 비용이 많이 든다. 또한 날카롭게 구부러진 비틀림 통로가 존재하기 때문에 유체 유동 내에 미립자(먼지, 모래, 자갈 등)가 존재함으로써 클로깅(clogging) 및 부식이 증가하는 경향이 있다.

본 발명의 목적은 전술한 단점을 방지하거나 경감시키기 위한 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 유체 에너지 감소 장치는 유체 유동 통로로 형성된 복수의 인접한 쌍의 적층 플레이트 사이에서 분리되는 유체 입구 및 유체 출구를 포함하며, 이들 통로 중 적어도 하나는 인접한 플레이트 사이에서 연장하는 복수 열의 분리되어 이격된 유동 방해 부재에 의해 하부 통로로 분기된다.

유동 방해 부재를 사용함으로써 유체는 여러 개의 선택적인 통로로 유동되고, 유체가 재순환하는 영역을 갖는 하나의 비틀림 통로가 존재하지 않아서 유체 유동 내의 미립자에 의한 부식 문제를 감소 또는 제거한다.

유동 방해 부재는 임의의 편리한 단면 형태를 가질 수 있고, 바람직한 실시예에서 플레이트의 단면이 다양한 형상이 될 수도 있지만 유체 유동 통로 내의 차단 부재의 표면의 적어도 일부는 만곡되어 차단 부재 둘레의 유체 유동을 부드럽게 할 수 있다. 이격되고 분리된 차단 부재는 별도의 분기관으로 유입되어 차단 부재 주변을 통과하는 유입 유체를 분리하고 후속 열에 있는 차단 부재로 유입되었을 때 다시 분리되기 전에 하류를 재결합하는 역할을 한다. 통상적인 마찰 드래그 효과에 의한 유동의 분리 및 통합은 완만한 압력 강하를 일으켜서 유체의 에너지를 감소시킨다. 열의 수를 증가시킴으로써 분리 및 통합의 반복은 압력 강하를 더욱 크게 해준다.

바람직한 실시예에서, 하나의 열에 있는 유동 방해 부재는 유체 유동 방향으로 인접한 열의 차단 부재와 횡 방향으로 엇갈린다. 이러한 배열은 하나의 열로부터 유동하는 유체의 하류가 다음 열의 차단 부재로 직접 유입되도록 설계되는 것을 보장한다.

유동 방해 부재는 각 플레이트의 표면상에 형성될 수 있고 거기에서 모일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 플레이트 및 유동 방해 부재는 기다란 부재의 조립체 로 형성될 수 있으며, 이러한 구성은 유동 방해 부재를 구비한 기다란 부재의 길이를 따라 축 방향으로 산재되는 플레이트 부재를 포함하고, 상기 기다란 부재가 조립되는 경우에는 기다란 부재 근처의 플레이트 부재가 조합되어 상기 플레이트를 형성한다.

바람직한 일 실시예에서, 유동 방해 부재는 대개 단면이 원형이고 유체 유동의 입구 쪽으로부터 출구 쪽 방향으로 열과 열을 지나면서 단면적이 감소한다. 다른 바람직한 실시예에서, 유동 방해 부재는 입구 쪽으로부터 출구 쪽으로 단면적이 증가한다.

각 플레이트는 자체에 형성된 복수의 이격된 유동 통로를 가질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 플레이트는 환형이고 중앙에 원형의 구멍을 갖는다. 유동 방해 부재의 열은 환형이고 동심 구성으로 배열된다. 플레이트는 일정한 각도로 이격되고 반경 방향으로 뻗는 복수의 유동 통로로 분할될 수 있다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 전술한 유형의 유체 에너지 감소 장치를 포함하고 이 장치에 밸브 제어 부재가 배치되는 유체 제어 밸브가 제공된다.

이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 특정한 실시예를 설명할 것이며, 이것은 단시 예시적이다.

도 1은 본 발명의 유체 에너지 감소 장치에 끼워진 유체 제어 밸브의 종단면도.

도 2는 도 1의 밸브 트림 스택(valve trim stack)의 사시도.

도 3은 도 2의 밸브 트림 스택의 절개부에 대한 사시도.

도 4는 도 2의 트림 스택의 디스크 일부분을 통한 유체 유동을 나타내는 도면.

도 5는 트림 스택의 디스크를 통한 유체 유동의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 6은 트림 스택의 디스크를 통한 유체 유동의 다른 실시예를 나타내는 도면.

도 7은 트림 스택의 다른 실시예에서 절개부에 대한 사시도.

도 8은 도 7의 트림 스택에서 디스크에 대한 평면도.

도 9는 본 발명에 따른 트림 스택의 디스크에 대한 대안적인 실시예의 평면도.

도 10은 도 9의 디스크의 일부분을 확대한 도면.

도 11은 도 9에 도시한 복수의 디스크를 사용하는 트림 스택의 일부분에 대한 구성을 나타내는 사시도.

도 1을 참조하면, 제어 밸브는 사용 중에 자신과 유체를 주고받는 관(미도시)에 연결되는 입구 및 출구 도관(11, 12)을 형성하는 밸브 몸체(10)를 포함한다. 밸브는 양 방향으로 의도되어서 유체의 유동 방향이 도시한 것과 반대로 될 수도 있다. 유체 유동 방향의 선택은 특정한 응용에 따라 좌우된다.

입구 및 출구 도관(11, 12) 사이에서 하우징은 대개 원형인 중앙 챔버를 형성하고 그 내부에 트림 스택(trim stack)(13)이 제거 가능하게 수용된다. 스택(13)은 밸브 시트(14) 상에 배치되고 동일한 크기의 복수의 동축 판형 디스크(15)(이하에서 상세히 설명함)를 포함한다. 밸브 몸체(10)에는 볼트(18)에 의해 밸브 커버(17)가 고정되어 챔버를 폐쇄하고 스택(13)을 제자리에 유지하도록 한다.

디스크 스택의 조합은 원통형 보어(19)를 형성하며 그 내부에 왕복동 플러그(20)가 슬라이드식으로 배치된다. 플러그(20)는 커버(17)의 보어(22)를 통해 가이드 실(23)을 거쳐 위쪽으로 뻗는 기다란 스템(21)의 일 단부에 부착되고, 스템(21)의 타단부에 그리고 밸브 커버(17)의 외부에 연결된 액추에이터(미도시)에 의해 왕복동된다.

플러그(20)는 유체가 밸브를 통해 트림 스택(13)을 통과하여 입구로부터 출구 도관(11, 12)으로 유동하는 완전 개방 포지션과, 밸브 시트(14)와 맞닿아 스택(13)을 통과하는 유동을 차단하는 폐쇄 포지션 사이에서 축 방향으로 선택적으로 이동할 수 있다. 이러한 2가지 포지션 사이에서 플러그(20)는 소정량의 유체 유동만을 허용함으로써 조절기로서 작용하여 밸브 성능의 특성을 결정하도록 한다.

트림 스택(13)은 도 2에 더욱 상세하게 나타난다. 적층된 디스크(15)는 밸브 시트(14) 및 밸브 몸체(10)의 대응하는 표면에 끼워지도록 구성된 상부 및 하부 스택 플레이트(24, 25) 사이에서 유지된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 스택(13) 내의 각 디스크(15)는 복수의 반경 방향 유동 통로(26)를 가지며 이들은 그 표면 둘레에 등각으로 이격된다. 덕트의 바닥면으로부터 복수의 별개로 이격된 컬럼(27)이 돌출되어 동심의 환형 열(28)로 디스 크(15)와 통합되어 형성된다. 도 3에 도시한 예시적인 실시예에서, 컬럼(27)은 단면이 원형이고 유체의 유동 방향(화살표로 나타냄)으로 열과 열을 지나면서 단면적이 감소한다. 컬럼(27)은 임의의 특정한 열(28)이 선행 및 후속 열과 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그로 배열된다. 디스크(15)는 기계 가공되거나 주조되어 이러한 형태로 될 수 있다.

트림 스택(13)으로의 유체 유동은 도 4에 도시한 바와 같이, 각 통로(26)의 컬럼(27) 중에서 제1 열(28)로 향하고 인접한 컬럼(27) 사이로 지나는 복수의 더 작은 유동 통로(29)로 분리된다. 유체가 후속 열(28)로 전진함에 따라 컬럼(27)의 전방 근처를 지나도록 다시 강제로 분리된다. 그러나 컬럼(27)의 하류에는 작은 잔류(convergence) 유동이 발생한다. 인접한 열 사이에서 컬럼을 지그재그로 배열하는 것은 하류의 유체 유동을 하나의 열에 있는 컬럼 사이로부터 다음 열에 있는 컬럼의 통로로 보내도록 하기 위한 설계이다. 이러한 연속적인 유체 유동의 분리, 후속의 재통합, 및 유체와 컬럼(27)의 굴곡면 사이의 마찰 드래그는 에너지를 감소시키는 역할을 하고, 이로 인해 트림 스택(13)을 지나면서 이러한 단계에 있는 유체의 압력이 완만하게 강하된다.

트림 스택 디스크(15)의 고유한 설계는 필요에 따라 특정한 적용, 유동 방향, 및 유동 특성에 따라 변화될 수 있다. 도 5 및 도 6에는 각각 4개 및 6개의 반경 방향 통로를 가진 디스크의 예시를 도시하였다. 컬럼(27) 사이의 간격은 응용 시에 유동 통로(26)를 통과하는 유체 유동 영역을 증가시킬 필요가 있으면 열과 열 사이를 증가시킬 수 있다.

도 7 및 도 8에 디스크의 표면 구성에 대한 대안적인 실시예를 도시하며, 도 3 및 도 4에 나타낸 부분과 동일한 것에 대하여는 100을 더한 참조 부호로 표시하였고, 서로 상이하지 않는 한 설명을 생략한다. 본 실시예에서는 유체 유동 방향이 역전된다. 디스크(115) 표면은 별도의 통로로 분할되지 않고, 컬럼(127)은 디스크(115)의 전체 표면에 걸쳐서 배치된다. 컬럼(127)의 단면 형상은 열과 열(128)을 지나면서 변화하고, 디스크(115)의 외주 쪽 원주 방향으로 갈수록 점점 길어진다(마름모꼴 형상으로). 컬럼(127)의 배열 및 이들의 비틀림은 필요한 유동 영역을 유지하고 트림 스택(13)을 지탱하도록 설계된다.

도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 플러그(20)가 중앙 보어(19)에서 상하로 이동함에 따라 각 디스크(15)의 유동 통로(26)를 개폐하여 입구 및 출구 도관(11, 12) 사이의 유체 연통을 증감시키게 된다.

도 9 내지 도 11에 또 다른 대안적인 실시예를 도시하며, 트림 스택에 있는 유동 통로는 복수의 기계 가공된 바(bar)로 각각 형성된다. 도 3 및 도 4에 나타낸 부분과 동일한 것에 대하여는 200을 더한 참조 부호로 표시하였고, 서로 상이하지 않는 한 설명을 생략한다. 각 바(200)는 수직 배열에서 원통형 컬럼(227)에 의해 산재되는 복수의 6각형 세그먼트(201)를 포함한다. 바(200)가 군으로 조립되는 경우, 각 바의 주어진 수직 높이에서 유체 덕트(226)의 기초 벽을 형성하도록 조합되어, 주어진 층의 스택(213) 및 컬럼(227)이 도 3 내지 도 6과 관련하여 전술한 것과 동일한 기능을 제공하도록 한다. 각각의 6각형 세크먼트(201)의 두께는 전술한 유동 덕트(26)에 있는 디스크(15)의 두께와 동일하다. 바(200)의 군은 4각형 블록(202)으로 조립되며 금속의 단단한 원통형 세그먼트(203)가 개재되어 트림 스택(213)을 완성하도록 한다. 전체 조립체는 케이지(cage)에 의해 함께 유지된다.

당업자들은 특허청구범위의 청구항에 정의한 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 설계에 대하여 다양한 변형이 가해질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 트림 스택이 첨부한 도면과 같이 대개 원통형으로 묘사되었지만 다른 형상이 사용될 수도 있다. 또한 실시예의 임의의 컬럼은 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수 있고 임의의 개수의 별도 통로로 분리될 수 있다. 각 디스크 상의 컬럼의 열 수는 트림 스택을 지나면서 필요한 압력 강하에 따라 결정되고, 높은 압력 강하는 트림 스택 내에서 안전하게 에너지를 분산시킬 수 있도록 더욱 많은 열을 필요로 한다. 컬럼은 디스크와 통합될 필요는 없지만 대안적으로 디스크 표면의 보어 또는 폐쇄공(blind hole)을 통해 수용되는 핀 또는 못을 포함할 수 있다. 하나의 핀 또는 못은 하나 이상의 디스크를 통과할 수 있어서 스택 내의 하나 이상의 디스크와 공통인 컬럼을 제공하도록 한다.

Claims (15)

1. 복수의 적층된 플레이트의 인접한 플레이트 쌍 사이에서 상기 복수의 적층된 플레이트에 의해 분리되는 유체 입구(11) 및 유체 출구(12)를 포함하고, 상기 인접한 플레이트 쌍의 사이에 유체 유동 통로(26)가 형성되며, 각각의 플레이트 상에는 복수의 이격된 유동 통로가 형성되고, 상기 통로 중 하나 이상의 통로가 인접한 플레이트 사이로 뻗는, 별도로 이격된 복수의 유동 방해 부재(27)의 열(row, 28)에 의해 하부 통로(29)로 분기되는 유체 에너지 감소 장치.
2. 제1항에 있어서,

   하나의 열의 상기 유동 방해 부재는, 유체 유동 통로의 방향에 있는 인접한 열의 유동 방해 부재와 유체 유동 통로의 방향에 수직인 방향으로 엇갈리는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 유동 통로 내의 상기 유동 방해 부재의 표면의 적어도 일부분이 만곡되어 근처의 유체 유동이 완만하게 통과하도록 해주는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 유동 방해 부재는 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 유동 방해 부재의 단면적은 입구 쪽 열로부터 출구 쪽 열로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 유동 방해 부재의 단면적은 입구 쪽 열로부터 출구 쪽 열로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 유동 방해 부재는 각 플레이트의 표면상에 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 플레이트 및 상기 유동 방해 부재는 바(bar)들의 조립체로 형성되고, 각각의 바는 길이 방향을 따라 형성되는 복수의 플레이트 부재를 가지며, 상기 바가 조립될 때 상기 인접한 바의 플레이트 부재가 결합되어 상기 플레이트를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 바(bar)는 평행하게 조립되는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 플레이트는 환형이고 원형의 중앙 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 환형의 플레이트는 복수의 유동 통로를 포함하고, 상기 유동 통로는 상기 환형의 플레이트의 중심에 대해 일정한 각도로 이격되어 반경 방향으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 에너지 감소 장치.
12. 제1항에 따른 유체 에너지 감소 장치, 및 상기 유체 에너지 감소 장치 내에 왕복동식으로 배치되는 밸브 제어 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 제어 밸브.
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