KR101029356B1 - 극저온유체 유량제어 밸브장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온유체가 흐르는 밸브몸체(1)와 극저온유체의 유량을 제어할 수 있도록 폐쇄위치와 개방위치 사이로 밸브부재를 이동시키는 제어봉(3)에 연결되면서 도관에 배치된 밸브부재(2)로 이루어진 극저온유체 유량제어 밸브장치에 관한 것으로, 추가로 이 장치는 제어봉(3)에 연결된 피스톤(42)을 포함하는 챔버(41)를 갖춘 공압 액츄에이터(4)를 구비하되, 챔버(41)에는 소정의 위치에 피스톤을 위치시키는 제어가스가 공급된다. 액츄에이터의 온도와 결과적으로 제어가스의 온도가 밸브몸체와 대기온도 사이의 중간이 되는 온도에서 유지되도록 밸브몸체로부터 액츄에이터를 열적으로 분리하는 방법으로, 액츄에이터는 액츄에이터(4)와 밸브몸체(1) 사이에 끼워진 챔버(51)에 의해서 밸브몸체에 고정된다. 챔버(51)는 외부로부터의 침투를 방지하고 어떤 가능한 누출도 장치내로 배출되도록 대기압보다 높은 압력에 있게 된다.

Description

극저온유체 유량제어 밸브장치{Cryogenic valve device}

도 1a는 폐쇄위치에서 공압으로 작동되는 제1실시예의 단면도이고,

도 1b는 개방위치에서 공압으로 작동되는 제1실시예의 단면도,

도 2는 도 1a에 도시된 밸브의 한 부분의 변형예를 도시하는 단면도,

도 3은 본 발명에 따라서 공압으로 작동되는 제2실시예의 사시도,

도 4는 도 3의 밸브의 평면 Ⅲ에서의 평면도이다.

본 발명은 극저온 유체의 유량을 제어하기 위한 밸브장치에 관한 것으로, 더 특별하게는 이와 같은 밸브장치를 구동하기 위해서 제어가스로 공압 액츄에이터를 작동시키는 것에 관한 것이다.

극저온 밸브장치를 구동하기 위해서 압축공기나 압축질소와 같은 제어유체를 사용하는 공압 액츄에이터는 이와 같은 액츄에이터의 작동온도가 대기온도에 가깝게 유지하기 위해서, 극저온에 있는 밸브몸체로부터 열적으로 오프셋(offset)되어 있다. 따라서, 제어가스를 대기온도에 가깝게 유지하여서, 액츄에이터에서 제어가스의 액화나 결정이 형성되는 위험을 피할 수 있게 되고, 극저온이 아닌 유체에 사 용되는 것과 같은 형태의 액츄에이터를 사용하는 것을 가능하게 한다.

그러나, 충분한 정도로 제어될 수 있도록 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 열적인 관계를 감소시키기 위해서, 그리고 기계적인 연결로 유량을 제어하는 이동부를 제공하기 위해서 일반적으로 실시되는 해법은 액츄에이터와 밸브몸체 사이에 제어봉를 끼우는 것이다. 이 제어봉은 절연덮개(insulating sheath)로 둘러싸여 있다. 제어봉은 제어력을 전달하기 위해서 충분히 강한 반면에 충분한 열저항성을 제공할 수 있도록 비교적 길고, 이 길이는 보통 미터 단위이다. 제어봉을 연장하면, 액츄에이터 자체의 높이가 된다. 이것은 비극저온(non-cryogenic) 밸브용에서 필요한 것보다 더 큰 밸브장치의 크기를 요구한다. 또한, 액츄에이터와 파이프웍(pipework)의 축사이의 거리는 예컨대 밸브장치가 진동원이나 충격원 또는 가속원에 의해서 교란된 환경에 놓여질 때 파이프웍에 작용되는 상당한 양의 힘을 발생시킬 수 있다.

또한 근래의 시스템에서는, 절연덮개의 바깥쪽에 위치된 봉의 일부분이 이와 관련된 밀봉시스템처럼 주변환경에 노출되게 된다. 이것은 노출된 부분이 손상되는 위험을 낳아서 결과적으로 밸브동작이 저하된다.

이와 같은 결점을 피하기 위해서, 밸브몸체에 바로 인접한 극저온용 공압 액츄에이터를 상상할 수 있으나, 액츄에이터에서 제어가스의 액화의 위험을 방지하기 위해서 다음의 2개의 해법 중 하나 이상을 사용할 필요가 있다.

제1해법은 공압용 유체의 제어압력을 밸브의 온도에서 제어가스의 포화압력보다 낮게 한정하는 것이다. 예컨대, 약 111켈빈(K)의 온도에서 액화천연가스(liquefied natural gas; 이하 LNG)의 유동을 위해서 파이프에 장착되 고, 111K에서 포화압력이 1.55MPa인 건조질소에 의해서 작동되는 밸브를 고려하면, 액츄에이터에서 질소가 액화되지 않도록 하기 위해서, 제어압력이 상기 값보다 낮아야할 필요가 있다. 이 제한은 액츄에이터의 작동표면의 면적에 직접적인 영향을 주어 이의 크기와 질량 및 비용을 증가시키기 때문에 곤란하다.

제2해법은 액츄에이터 내에서 제어가스의 액화를 방지하기 위해서 공압용 유체를 이의 액화온도가 밸브몸체의 온도보다 더 낮은 유체로 하는 것이다. 대부분의 극저온 장치에서 이 요구를 만족하는 단지 하나의 해법은 비교적 비싸고 어떤 경우에는 위험한 헬륨이나 수소 또는 네온과 같은 가스를 사용하는 것이다. 따라서 이 해법은 비용을 고려하는 것보다 질량과 체적을 감소하는 요구가 더 중요한 예컨대 우주용 장치에 제한된다.

또한, 밸브몸체에 인접한 공압 액츄에이터를 사용하면, 제어가스와 극저온유체가 누출되는 문제가 액츄에이터와 밸브몸체 사이와 이 둘 중 하나와 외부환경 사이에 나타난다. 액츄에이터가 몸체와 가깝기 때문에, 극저온유체가 액츄에이터에 침투할 수 있다. 이와 같은 침투도 액츄에이터 내의 온도를 떨어뜨려서 액츄에이터내에서 제어유체와 극저온유체 사이의 불필요한 혼합을 발생시킨다. 유사하게, 액츄에이터에 사용된 공압용 유체의 일부분이 밸브몸체에 침투하여 극저온유체와 혼합되는 위험이 있다. 이와 같은 제어유체에 의한 극저온유체의 오염도 불필요하다. 따라서, 제어유체나 극저온유체가 장치내에서 확산(즉, 누출)하는 경우에는, 이 유체는 안으로 흘러서 외부로 누출되고, 이러한 현상은 특별한 환경(예컨대, 폭발위험성이 있는 환경)에서는 매우 위험할 수 있다.

본 발명은 전술된 결점을 해결하여 감소된 제조비용과 작동비용을 가지는 소형 조립체로 형성되고 공압적으로 작동하는 극저온유체 유량제어 밸브장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적은 극저온유체이송용 도관으로 이루어진 밸브몸체와, 도관내에 위치되고 도관을 폐쇄하는 폐쇄위치와 극저온유체가 도관을 따라서 자유롭게 유동하는 개방위치 사이에서 이동할 수 있도록 제어봉과 연결되어 극저온유체의 유량을 제어하는 셔터부재(shutter element)로 이루어져 있는 극저온유체 유량제어 밸브장치와, 제어봉과 연결되어 있는 피스톤을 포함하되, 피스톤이 셔터부재의 폐쇄위치와 개방위치 사이의 어느 위치에도 위치될 수 있도록 제어가스가 공급되는 2개의 캐비티부를 형성하는 챔버로 이루어져 있는 공압 액츄에이터로 달성될 수 있다. 액츄에이터는 챔버에 의해서 밸브몸체에 고정되고, 이 챔버는 밸브몸체의 온도와 대기온도 사이의 중간의 온도로 액츄에이터의 온도를 유지하기 위해서 그리고 주위환경으로부터 장치의 내부의 전체를 절연하기 위해서 주위와 비교하여 높은 압력이 된다.

포화온도나 임계온도가 도관내에 있는 극저온유체의 온도와 같거나 그 이상인 제어가스를 사용하는 것과, 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 옵셋(offset)을 제한하면서 이와 같이 하는 것이 가능하다. 더 정확하게, 액츄에이터와 밸브몸체 사이에 끼워진 중간챔버의 존재에 의해서 제공된 열적인 분리때문에, 액츄에이터의 온도를 액츄에이터 내에 가스가 액화하는 위험을 제거하는 온도로 유지하는 것이 가 능하다. 특히, 만약 제어가스의 온도가 이의 임계온도 이상으로 유지된다면, 제어가스의 압력은 요구되는 값까지 상승할 수 있어서, 액츄에이터의 크기를 상당한 범위로 감소시키는 것이 가능하다.

액츄에이터와 밸브몸체 사이에 위치된 중간챔버는 밸브몸체로부터 제어가스가 누출되는 것을 방지할 수 있고 역으로 액츄에이터로부터 극저온가스가 누출되는 것을 방지할 수 있는 제한된 체적으로 구성된다. 이와 같은 상황을 가능하게 하기 위해서, 챔버는 오염이나 폭발 등의 위험이 없거나 민감하지 않거나 안전한 영역에 누출된 가스를 이송시키기 위한 도관에 연결된 밸브장치의 부근에서 누출된 것을 회복시키기 위한 장치에 선택적으로 연결된 통로를 가질 수 있다. 누출회복장치는 유량을 측정하기 위해서 또는 밸브나 액츄에이터의 고장을 검출하기 위해서 가스의 화학성분을 분석하기 위한 장치와 연결될 수 있다.

대류에 의해서 열적인 분리를 제공하도록 된 중성유체로 상기 챔버를 청소하기 위해서 2개의 통로가 중간챔버의 양쪽에 하나씩 제공될 수 있다. 그러므로, 중간챔버로 누출되는 경우 과도한 압력이 또한 방지된다.

본 발명의 특징에 따르면, 중간챔버는 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 열적인 분리를 증가시키기 위해서 단열스페이서(spacer)로 이루어져 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 액츄에이터는 액츄에이터로 열이 유입되는 것을 증가시키기 위해서 이의 외부표면에 수단을 구비하고 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 액츄에이터는 액츄에이터와 외부 사이의 열전달을 제한하기 위해서 이의 외부표면에 단열재를 구비한다.

본 발명의 제1실시예에서, 공압 액츄에이터는 밸브부재의 형태로 된 셔터부재를 작동시키기 위해서 선형액츄에이터의 형태이고, 상기 액츄에이터의 피스톤은 밸브부재가 도관에 구비된 밸브시트(seat)와 접촉하는 폐쇄위치와 밸브부재가 상기 밸브시트로부터 일정한 거리로 수직하게 상승하는 개방위치 사이에서 밸브부재를 이동시키기 위해서 밸브부재와 연결된 제어봉으로 선형운동을 전달하기 위한 커플링수단에 의해서 제어봉과 연결된 봉을 갖는다.

이러한 경우에, 밸브장치는 액츄에이터와 셔터부재(이 경우에는 밸브부재)사이의 열전달을 감소시키기 위해서 제어봉과 커플링수단 부근의 피스톤봉 사이에 위치된 단열스페이서를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에서, 공압 액츄에이터는 나비형 부재(butterfly)나 플러그(plug)형태의 셔터부재를 작동시키기 위한 선회 액츄에이터형태이고, 피스톤은 나비형 부재가 폐쇄위치에서 개방위치 사이에서 선회하도록 하는 방법으로 나비형 부재에 연결된 제어봉에 선회운동을 전달하기 위한 크랭크에 의해서 제어봉과 연결되어 있다.

이러한 경우에, 밸브몸체는 액츄에이터와 셔터부재 사이의 열전달을 감소시키기 위해서 제어봉과 크랭크 사이와 제어봉과 나비형 부재 사이에 위치된 단열스페이서를 더 구비할 수 있다.

셔터부재(밸브부재나 나비형 부재)의 열적인 분리는 셔터부재와 액츄에이터의 피스톤 사이에 직접적인 열전도경로를 가지는 것을 방지하도록 한다.

또한, 피스톤은 피스톤이 액츄에이터와 셔터부재 사이의 열전달을 감소시키기 위해서 크랭크와 연결된 곳의 양쪽에 각각 제1단열스페이서와 제2단열스페이서를 구비할 수 있다. 크랭크는 또한 단열재로 만들어질 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 액츄에이터는 제어가스를 공급하기 위한 배관을 더 구비하고, 이 배관은 제어가스가 액츄에이터에 주입될 때 제어가스의 갑작스런 압력강하를 방지하기 위해서 액츄에이터나 밸브몸체와 열교환기를 형성한다.

제어가스는 특별한 가스원으로부터 얻을 수 있거나 또는 예컨대 LNG설비에서와 같은 도관내에서 유동하는 극저온유체로부터 직접 얻어질 수 있다. 이러한 경우에, 밸브장치는 도관과 제어가스를 챔버에 공급하기 위한 통로 사이에 연결된 극저온유체가 흐르는 파이프를 더 포함하고, 이 파이프는 극저온유체를 증발시키기 위한 수단과, 챔버의 제어가스 출구통로와 도관사이에 연결된 제어가스를 재주입하는 다른 파이프를 가지며, 이 다른 파이프는 배출된 가스를 응축하기 위한 수단을 구비한다.

액츄에이터에 사용된 제어가스는 예컨대 건조질소나 건조공기 등이 될 수 있다.

본 발명의 다른 특징과 장점은 다음의 실시예에 한정되지 않으면서 도면을 참조로 하여 본 발명의 특별한 실시예의 다음의 설명으로부터 알 수 있는 것이다.

본 발명의 제1실시예에서, 도1a는 극저온유체가 흐르는 도관(10)에 의해서 구성되는 밸브몸체(1)와, 도관의 상부에 고정되는 케이싱(30)으로 이루어지는 밸브장치를 도시한다. 도관(10)은 밸브부재(2)에 의해서 분리된 상류부(12)와 하류부(13)로 이루어져 있다. 밸브부재(2)를 밸브부재가 도관에 형성된 밸브시트(11)에 얹혀있는 폐쇄위치와 밸브부재가 밸브시트위로 수직하게 상승하는 개방위치(도1b) 사이에서 이동시키기 위해서 가이드베어링(35,36)에서 수직하게 미끄러지는 제어봉(3)에 밸브부재(2)가 연결된다. 이러한 구성은 극저온유체의 유동이 도관을 따라 유동하게 한다.

제어봉(3)에 제어운동을 전달하기 위해서, 밸브장치는 공압 액츄에이터(4: 이하 간단히 '액츄에이터'라고 함)를 포함한다. 액츄에이터(4)는 피스톤(42)이 이동가능한 챔버(41)를 한정하는 케이싱(40)에 의해서 형성된다.

피스톤(42)은 피스톤의 위치의 함수로서 변하는 2개의 캐비티(421,422)를 한정하기 위해서 챔버(41)내에 밀봉"경계"를 형성한다. 피스톤의 위치를 제어하기 위해서, 챔버(41)는 제어가스가 챔버(41)로 유입되거나 챔버로부터 유출될 수 있도록 챔버의 양쪽에 각각 형성된 2개의 통로(410,411)를 가진다. 이 목적을 위해서, 각 통로(410,411)는 제어가스를 고려하여 챔버 캐비티를 채우거나 비우기 위해서 예컨대 솔레노이드밸브에 연결된다. 더 자세하게, 통로(410)는 압력하에서 제어가스를 공급하기 위해서 파이프(P_in)에 연결되고, 제어가스를 배출시키기 위해서 파이프(P_out)에 각각 연결된 2개의 솔레노이드밸브(18,19)와 함께 작동한다. 유사하게, 통로(411)는 가압된 제어가스를 공급하기 위해서 파이프(P_in)에 연결되고 제어가스를 배출시키기 위해서 파이프(P_out)에 각각 연결된 솔레노이브밸브(16,17)와 함께 작동한다.

밸브는 솔레노이드밸브(16내지 19)를 조종하여 제어된다. 도 1a에서, 밸브는 폐쇄되는 방향(화살표 F)으로 즉, 밸브부재(2)가 도관(10)을 따라서 유체의 유동을 감소시키기 위해서 밸브시트(11)를 향하여 내려지는 방향으로 작동된다. 이 동작은 솔레노이드밸브(17,18)를 열어서 수행되고, 압력하에서 솔레노이드밸브(18)에 의해서 챔버(41)의 캐비티(421)에 제어가스가 공급되는 것을 가능하게 하고, 캐비티(422)내의 제어가스 압력이 솔레노이드밸브(17)에 의해서 배출될 수 있도록 한다.

도 1b에 도시된 것처럼(화살표 O), 밸브를 개방하는 방향으로 작동시키기 위해서는 솔레노이드밸브에 적용된 개방명령과 폐쇄명령을 바꾸는 것으로 충분하다. 따라서, 먼저 제어압력으로 캐비티(422)에 공급하고 다음에 피스톤(42)이 챔버(41)의 상부를 향하여 이동하고 밸브시트(11)를 떠나서 밸브부재(2)를 상승시키기 위해서 캐비티(421)를 비우기 위해서 솔레노이드밸브(16,19)가 개방되어 있는 동안에 솔레노이드밸브(17,18)는 폐쇄된다.

폐쇄위치에서 개방위치 사이의 임의의 중간위치가 밸브장치로 솔레노이드밸브나 다른 동등한 수단을 사용하여 각 캐비티(421,422)내의 압력을 조정하여 얻어질 수 있다. 솔레노이드밸브를 적절하게 제어하여, 유체유량을 조정하기 위해서 폐쇄위치와 개방위치 사이의 임의의 위치에 피스톤을 위치하는 것이 가능하다.

피스톤(42)은 가이드베어링(45)을 통해서 실제적으로 제어봉(3)의 축을 따라서 밸브몸체(1)쪽으로 수직하게 뻗는 봉(43)을 가진다. 피스톤봉(43)의 자유단은 밸브의 축과 수직한 평면에서 2개의 병진운동과 2개의 회전운동을 조정하는 커플링 장치(44)에 의해서 제어봉(3)의 단부와 연결된다.

액츄에이터를 제어하기 위해서 사용된 공압용 유체는 특별한 가스원에 의해서 공급된 가스일 수 있거나 예컨대 LNG설비에서 가능한 것처럼 밸브도관에서 유동하는 유체로부터 직접 얻을 수 있다. 이러한 경우와 도 1a에 도시된 것처럼, 밸브장치는 밸브로부터 상류로 도관(10)내에서 흐르는 유체의 일부분이 유동하는 제1분기관(60)을 가진다. 유체는 솔레노이드밸브(61)의 제어아래에서 얻어진다. 유체가 액체상태이기 때문에, 얻어진 유체의 일부분은 솔레노이드밸브(16또는18)에 의해서 챔버(41;Pin)내로 주입되기 전에 액체를 기체로 바꾸기 위해서 증발기(62)를 통과한다. 증발에 의해서 유체의 압력은 상승되고 제어가스처럼 사용될 수 있다. 역으로, 다른쪽(P_out)에서는 배출된 가스가 제2분기관(63)에 의해서 밸브로부터 하류로 도관(10)내로 재주입된다. 이의 유동은 재주입하기 전에 가스를 액체로 바꾸기 위해서 상류에 위치된 응축기(65)를 가지는 솔레노이드밸브(64)에 의해서 제어된다. 예로서, 111K의 온도와 10bar의 최대압력에서 도관(10)내에서의 LNG유체의 유동을 위해서, 제어가스가 증발에 의해서 80bar의 압력에 도달할 수 있는 상태에서 메탄의 임계온도보다 더 높은 온도에서 유지되는 액츄에이터를 제공하는 것이 가능하다.

소형의 공압적으로 작동되는 극저온 밸브장치를 만들기 위해서, 밸브몸체와 액츄에이터 사이의 열전달량을 제어할 수 있는 것 뿐만 아니라, 장치내의 유체의 단열과 외부입구에 대한 장치의 단열을 제어할 수 있는 것이 필요하다. 만약 액츄 에이터의 온도가 포화온도(주어진 압력에서)나 사용된 제어가스의 임계온도의 아래인 극저온 온도로 떨어지면, 액츄에이터내에 가스의 응축과 액화의 위험이 있고, 이것은 이의 작동을 교란한다. 또한, 액츄에이터로부터 밸브몸체로 제어가스가 누출되는 것을 방지하는 것이 필요하고, 역으로 액츄에이터내로 어떤 극저온유체가 누출되는 것을 방지하는 것이 필요하다. 액츄에이터로 유입되는 극저온유체는 제어가스의 온도를 떨어뜨린다.

이 목적을 위해서, 본 발명의 밸브장치는 케이싱(50)에 의해서 형성된 중간챔버(51)를 포함한다. 도 1a와 도 1b는 상기와 같은 밸브를 가지는 밸브장치를 도시한다. 챔버(51)는 이러한 2개의 부재를 열적으로 분리하는 방법으로 액츄에이터의 케이싱(40)과 밸브몸체의 케이싱(30) 사이에 끼워진다. 따라서, 액츄에이터와 외부 사이의 열전달 때문에, 액츄에이터는 밸브몸체와 대기온도 사이의 중간온도에서 위치되고, 이 중간온도는 액츄에이터를 제어하기 위해서 사용된 포화온도나 임계온도의 위에 있다.

챔버(51)는 제어가스가 누출되거나 극저온유체가 그 안으로 유입되거나 챔버에 연결된 외부이송장치(도시되지 않음)에 의해서 압력아래에서 유지된다. 이 대기압보다 높은 압력은 외부환경으로부터 장치를 보호하고 특별하게는 그 안으로 습기가 침투하는 것을 막기 위해서 장치를 보호한다.

제1밀봉배리어(26, sealing barrier)는 중간챔버(51)와 밸브몸체의 케이싱(30) 사이에 위치될 수 있고, 제2밀봉배리어는 챔버(51)와 피스톤챔버(41)의 케이싱(40) 사이에 위치될 수 있다.

챔버(51)는 챔버내에서 대기압보다 높은 압력의 어떤 실패를 완화하도록 하는 첵밸브(check valve)를 가지는 오리피스에 의한 공기의 누출과 같은 누출회복장치(53)에 선택적으로 연결될 수 있다. 따라서, 누출의 경우에 초과된 압력은 방지될 수 있다. 제어가스나 극저온유체가 누출과 직면할 때, 외부환경이 민감하지 않거나 어떤 위험(오염이나 폭발의 위험)에 있지 않다면, 통로(52)나 누출회복장치(53)는 밸브장치의 부근에서 열릴 수 있다. 그렇지 않으면, 통로나 누출회복장치는 누출된 가스를 민감하지 않거나 위험하지 않는 영역으로 이송시키기 위해서 도관과 연결되어야만 한다. 또한, 누출회복장치가 밸브나 액츄에이터 또는 양 장치 모두의 고장을 감지하기 위해서 유량을 측정하거나 가스의 화학조성을 분석하기 위한 장치와 연결하는 것이 가능하다.

그러므로, 장치로부터 누출된 공기를 이송하는 것이 가능한 상태에서 밸브몸체와 액츄에이터 사이에 장착된 중간챔버에 의해서, 액츄에이터에서의 유체유동이 밸브에서의 유체유동으로부터 분리된다.

도 2에 도시된 바와 같이 중간챔버의 변형예에 있어서, 이 중간챔버는 2개의 통로(54,55)를 구비한다. 이러한 실시예에서는 대기압 보다 약간 높은 압력과 대기온도에서 중성액체로 중간챔버를 청소할 수 있다. 이는 액츄에이터와 밸브에서 개별적으로 흐르는 유체가 혼합되는 것을 방지할 뿐만 아니라 밸브와 액츄에이터 사이에서 청소용 중성액체가 강제대류를 생성할 수 있어서 밸브와 액츄에이터 사이의 열적분리현상을 증대시킨다.

또한, 중간챔버(51)는 열적 단열스페이서(5)를 구비할 수 있다. 단열스페이 서(5)는 액츄에이터와 밸브몸체 사이에서 열적분리현상을 증대시킬 수 있다. 스페이서의 두께와 재료는 주어진 사용조건(극저온유체의 온도, 제어가스의 임계온도 혹은 포화온도, 열적누출, 기타등등)에서 얻고자 하는 열적분리의 함수로 결정된다.

또한, 추가의 단열스페이서(7)는 커플링장치(44)에서 제어봉(3)과 피스톤봉(43) 사이에 배치될 수 있다.

주변환경에 따라서, 액츄에이터의 외벽은 액츄에이터와 외부 사이의 열교환을 증가시키기 위하여 핀(fin)이나 라디에이터(radiator)등과 같은 장치(6)로 덮여질 수 있거나, 이와는 반대로 액츄에이터와의 열교환을 제한하는 단열층(8)으로 덮여져서 서리가 형성되는 것을 방지한다.

그러므로, 밸브몸체와 액츄에이터 사이의 열적분리에 의해서, 중간챔버에 필요한 두께를 무시할 정도로 액츄에이터가 밸브몸체에 인접하게 놓여 있기 때문에, 밸브부재와 액츄에이터 사이의 제어봉의 길이를 상당히 줄일 수 있다.

열적분리는 소정의 범위내에서 액츄에이터의 온도를 유지하기 위해서 액츄에이터와 외부 사이의 열교환과 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 열교환의 장점을 갖게 하는 것을 가능하게 한다. 액츄에이터의 온도범위는 중간챔버높이의 함수로서 주변환경에 따라서 그리고 가능하다면 스페이서(5)와 추가의 스페이서(7)의 영향에 따라서 조정된다. 마지막으로, 액츄에이터와 외부와의 열교환을 각각 증가시키거나 감소시키도록 하는 장치(6) 또는 단열층(8)의 영향은 액츄에이터의 온도범위를 조정가능하도록 한다.

제한되지 않는 예에 의해서 대략 111K 온도에서 액화천연가스(이하 LNG)를 흐르게 하는 배관에 장착된 극저온용 밸브에 대한 고려가 있고, 이 상황에서는 건조질소로 제어되도록 요구되어 진다. 만약 액츄에이터의 온도가 밸브몸체의 온도에 가까우면, 제어압력은 질소의 액화를 방지하기 위해서 1.5MPa로 제한되어야 한다.

이와 비교하여 만약 임의의 중간챔버(51)가 존재한다면, 질소의 임계온도인 126K 보다 높게 액츄에이터의 온도를 유지할 수 있다. 결과적으로, 압력에 관계없이 질소의 액화는 방지될 수 있다. 밸브와 액츄에이터 조립체의 크기와 무게는 밸브로부터 거리를 두고 액츄에이터를 위치시킨 종래기술과 비교하면 상당히 감소시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명에서, 액츄에이터는 극저온용으로 될 수 있어서 즉 챔버(51)에 의해서 밸브에 바로 인접하게 배치될 수 있어서 밸브 제어봉의 길이를 상당히 줄일 수 있다. 또한, 제어압력이 제어가스 액화의 위험에 의해서 더 이상 제한되지 않기 때문에 액츄에이터는 높은 제어압을 사용하여 소형화될 수 있다.

도 3은 나비형 밸브(butterfly valve)와 같은 회전식 셔터부재를 갖는 유형의 밸브장치에 적용된 본 발명의 제2실시예를 도시한 것으로, 밸브장치는 극저온유체 유동배관에 연결되기 위해서 도관(110)을 형성한 밸브몸체(101)로 이루어져 있다. 셔터부재 혹은 나비형 부재(102)는 도관(110)내에 배치된다. 나비형 부재(102)는 폐쇄위치에 있을 때 도관을 막기 위해서 도관(110)의 내경과 실제적으로 동일한 크기로 되어 있다. 도관(110)내의 유체유량은 나비형 부재(102)가 개방되는 정도의 함수로 제어된다.

폐쇄위치와 개방위치 사이에서 나비형 부재(102)를 움직일 수 있도록, 나비 형 부재는 이에 선회운동을 부가하는 제어봉(103)에 연결되어, 이 봉은 나비형 부재의 선회축을 형성한다.

나비형 부재(102)를 제어하기 위해서 선회하도록 제어봉을 구동하기 위해서 공압 액츄에이터(104: 이하 간단히 '액츄에이터'라고 함)가 밸브몸체(101)에 인접하게 배치된다. 액츄에이터(104)는 피스톤(142)이 움직이는 챔버(141)를 한정하는 원통형 몸체(109)에 의해서 형성된다.

도 4에 도시한 바와 같이 챔버(141)를 2개의 캐비티(1421,1422)로 분리하고 이 캐비티는 피스톤의 위치의 함수로 그 용적이 가변될 수 있다. 전술된 밸브장치와 동일한 방법으로, 피스톤(142)의 이동은 캐비티(1421,1422)로 공급하거나 이로부터 배출되어 제어된다. 이를 위하여, 챔버(141)는 제어가스를 챔버(141)의 각 캐비티로 공급하거나 배출시킬 수 있도록 챔버의 양쪽에 각각 형성된 2개의 통로(1410,1411)를 가진다. 선택적으로 챔버의 일부분을 가압된 제어가스 공급파이프(P_in)나 제어가스 배출파이프(P_out)와 연통하기 위해서 각각의 통로(1410,1411)는 한 쌍의 솔레노이드밸브(118,119;116,117)와 연결된다.

따라서, 밸브는 솔레로이드밸브(116 내지 119)를 조정하여 제어되는 바, 유체의 유량을 제어하기 위해서 나비형 부재가 도관내에서 개방되는 각도를 결정하도록 한다. 액츄에이터의 중심부의 양쪽에서, 캐비티(1421,1422) 사이의 누출을 방지하기 위해서 피스톤과 몸체(109)의 내벽 사이에 가스켓(111,112)이 있다.

액츄에이터를 제어하기 위해서 사용된 공압용 유체는 특별한 가스원에 의해 서 이송된 가스일 수 있거나, LNG설비에서 가능한 것과 같이 밸브의 도관에 흐르는 유체로부터 직접 얻을 수 있다. 이 경우에, 도 1a에 도시된 밸브장치를 참조로 하여 설명된 바와 같이, 도관으로부터 유체를 얻고 도관으로 유체를 재주입하기 위한 시스템(증발기, 응축기, 솔레로이드밸브)은 현재 설명되고 있는 밸브장치와 같은 방법으로 실현될 수 있다.

피스톤(102)의 이동은 피스톤의 직선왕복운동을 회전운동으로 변환하도록 하는 크랭크(103A)에 의해서 나비형 부재(102)의 제어봉(103)에 전달된다. 이러한 목적을 위해서, 크랭크(103A)의 단부는 피스톤의 위치를 탐지하고 반대쪽 단부에서 제어봉에 선회운동을 전달하기 위해서 하우징(120)내에서 이동가능한 부재(115)를 구비할 수 있다.

액츄에이터(104)를 밸브몸체(101)로부터 열적으로 분리하기 위해서 케이싱(150)에 의해서 형성된 도 1a와 도 1b 및 도 2에 도시된 밸브장치와 같은 경우와 같이, 중간챔버(151)가 액츄에이터와 밸브(도 3참조) 사이의 접촉영역에 끼워진다. 결과적으로, 액츄에이터와 외부 사이의 열교환 때문에, 액츄에이터의 온도는 밸브몸체의 온도와 대기온도 사이의 중간의 온도에서 유지될 수 있다. 챔버(151)는 전술된 바와 같이 대기압보다 높은 압력으로 유지된다. 유사하게, 선택적으로 이송용 도관에 연결된 통로와 누출회수장치를 구비할 수 있다. 또한, 챔버(151)는 전술된 것과 동일한 방법으로 중성유체로 청소될 수 있어서, 액츄에이터와 밸브 사이에 강제대류를 생성한다.

액츄에이터와 외부 사이의 열교환은 챔버(151)내에서 단열재(105)의 스페이 서를 위치시켜서 또한 제한될 수 있다.

단열스페이서의 두께를 수 밀리미터정도로 증가시켜도, 전체 크기의 관점에서는 무시할 정도의 손실이 존재하며, 피스톤(142)과 챔버(141) 사이의 밀봉가스켓(111,112)에서 사용하기에 적당한 재료의 선택범위를 넓히는 것이 가능한 수준까지 액츄에이터의 온도를 높일 수 있다. 또한, 스페이서의 두께는 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 열경로를 연장할 수 있어서, 액츄에이터로부터 밸브몸체까지의 열유입을 줄인다.

필요하다면, 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 단열스페이서(105)의 효과는 액츄에이터와 밸브몸체 사이의 접촉영역 내에 끼워지는 스페이서(106)와 같은 하나 이상의 단열스페이서를 추가하여 강화될 수 있는데, 액츄에이터와 나비형 부재(102)사이의 열교환을 줄이기 위해서 스페이서(107A)는 제어봉(103)과 나비형 부재(102) 사이에 끼워지고, 스페이서(107B)는 크랭크(103A)와 제어봉(103) 사이에 끼워진다.

액츄에이터와 외부 사이의 열교환은 액츄에이터의 외주면에 단열재(108)를 위치시켜서 추가로 제한될 수 있다.

또한, 도 1a에 도시된 제1실시예의 액츄에이터(4)와 같이, 라디에이터(radiator)나 핀과 같은 장치는 액츄에이터로의 열의 유입을 증가시키기 위해서 구비될 수 있다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤(142)은 피스톤과 크랭크(103A) 사이의 기계적인 링크의 양쪽에 배치된 단열스페이서(122)와 끼워맞춰진다.

필요하다면, 크랭크(103A)는 단열재로 될 수 있다.

또한, 주입될 가스의 온도를 액츄에이터의 온도로 상승시키는 것이 요구되어 진다면, 상기 가스가 액츄에이터나 밸브몸체와 접촉하는 열교환기를 통해 지나가는 것이 가능하다. 도 3에서, 코일형태의 2개의 열교환기(123,124)는 액츄에이터 몸체(104)에 각각 배치되어, 제어가스가 액츄에이터로 유입되기 전에 점진적으로 냉각될 수 있도록 한다.

이 열교환기 장치는 제어가스가 챔버내로 주입될 때에 주입된 온도의 하강으로 인해 제어가스의 압력이 강하되는 것을 방지한다. 이러한 열교환기 장치는 또한 도 1a와 도 1b에 도시된 밸브장치의 액츄에이터(4)와 함께 사용된다.

따라서, 본 발명은 극저온에서 작동하는 밸브를 공압적으로 제어하기 위해서 질소나 건조공기와 같은 가스를 사용하는 것이 가능하고, 액츄에이터를 밸브몸체로부터 일정한 거리로 위치시킬 필요없이 가능하다. 이 해법은 건조질소가 장비를 세척하거나 불활성으로 만들 필요가 있는 이송용, 저장용, 혹은 액화용 가스를 위한 대부분의 설비에서와 같이, 이런 유형의 가스가 이미 유용한 설비에서 특히 바람직하다.

예컨대, 가스의 일반적인 비등온도가 111K인 LNG설비를 고려할 수 있다. 질소의 경우에, 이 온도는 1.55MPa의 포화압력과 대응되고, 만약 액츄에이터가 LNG의 온도에서 밸브몸체와 직접 열접촉하고 있다면, 제어가스를 위한 제한압력은 액츄에이터에서 액화하기 시작하는 압력의 바로 아래가 된다. 밸브의 셔터부재를 구동하기 위해서 필요한 힘을 전달할 수 있도록 충분히 큰 공압면적이 존재할 필요가 있 기 때문에 압력제한은 액츄에이터의 설계에 직접적인 영향을 준다.

그러나, 본 발명에 따라서, 액츄에이터가 질소의 임계온도인 126.2K보다 더 높은 온도로 유지되면, 가스가 사용된 제어압력과 무관한 초임계상태에 있기 때문에, 액츄에이터 내에서 응축하는 제어가스의 위험은 없다. 액츄에이터가 밸브몸체와 직접적인 열접촉 상태에 있을 때 상기한 상황은 상승될 제어압력이 제한압력보다 위에 있게 할 수 있다. 결과적으로, 밸브의 셔터부재에 같은 힘을 작용하면서 액츄에이터의 질량과 크기를 상당히 감소시키는 것이 가능하다.

전술된 본 발명의 밸브장치의 다른 관점은 외부에 대하여 누출되지 않는 단일 유니트를 형성하는 케이싱에 장치의 모든 부재 즉, 밸브몸체와 액츄에이터 그리고 중간챔버가 적절한 부재등이 모두 넣어진다는 사실에 있다. 장치와 주변 매개물 사이의 누출억제는 유체가 외부로 누출되지 않는 장치에 존재한다는 것을 의미한다. 설비가 천연가스와 같은 폭발성이나 가연성이 있는 가스를 내포하고 있을 때, 예컨대 본 발명의 밸브장치는 화재의 위험이 없는 다른 장치 근처에 위치될 수 있다. 또한, 밸브장치의 내부와 외부 사이의 이러한 누출억제 때문에, 밸브는 부식상태나, 장치의 작동에 위험이 없는 다른 환경에 위치되어 질 수 있다. 또한, 누출억제는 고정된 밀봉상태에 의해 제공되어서, 동적인 밀봉에 의존하는 시스템과 비교하여 장치의 신뢰성을 높인다.

LNG의 적용가능함과 함께, 본 발명은 예컨대 질소 혹은 산소와 같은 다른 극저온유체에 적용될 수 있다.

Claims (20)

1. 극저온유체 이송용 도관(10)을 형성하는 밸브몸체(1)와, 상기 도관(10) 내에 설치된 셔터부재(2)를 포함하고서, 이 셔터부재(2)가 상기 도관(10)을 폐쇄하는 폐쇄위치와 상기 극저온유체가 상기 도관(10)을 따라 자유로이 이동하도록 하는 개방위치 사이에서 이동하도록 제어봉(3)에 연결되어 극저온유체의 유량을 제어하도록 된 극저온유체 유량제어 밸브장치에 있어서,

   2개의 캐비티(421, 422)와 이들 2개의 캐비티(421, 422) 내부에 설치되어 상기 제어봉(3)과 연결된 피스톤(42)으로 이루어져 상기 캐비티(421, 422)에 제어가스가 공급되어 상기 피스톤(42)이 상기 셔터부재(2)의 폐쇄위치와 개방위치 사이의 임의의 위치에 위치하도록 하는 챔버(41)와, 공압 액츄에이터(4)와 상기 밸브몸체(1) 사이에 배치되고서 주변의 압력에 비해 높은 압력을 가져 상기 밸브몸체(1)로부터 상기 공압 액츄에이터(4)를 열적으로 분리함으로써 상기 공압 액츄에이터(4)를 주위환경과 격리시키는 중간챔버(51)를 포함하는 공압 액츄에이터(4)가 더 갖춰진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 중간챔버(51)가 단열스페이서(5)로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어봉(3)에 상기 피스톤(42)으로부터 상기 셔터부재(2)를 열적으로 분리하는 단열스페이서(7)가 더 갖춰진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)와 중간챔버(51) 및 밸브몸체(1)가 각각 케이싱(40, 50, 30)을 갖추어, 이들 케이싱(40, 50, 30)이 제어가스와 극저온유체가 상호 밸브장치 내에 밀봉되어 저장될 수 있도록 상호 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 중간챔버(51)에 누출회복장치(53)로 연결되는 통로(52)가 갖춰진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 누출회복장치(53)가 상기 밸브장치나 공압 액츄에이터의 기능이 완전하지 못함을 검출하는 계측장치로 연결된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 중간챔버(51)에 상기 챔버(41)를 통해 극저온유체가 흐르도록 하는 제1 및 제2통로(54, 55)가 갖춰진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)의 외주면에 외부에서 공압 액츄에이터(4)로 열교환되는 것을 촉진하기 위한 수단(6)이 형성된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)의 외주면이 이 공압 액츄에이터(4)와 외주면 사이의 열교환이 제한되도록 단열재(8)로 형성된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)가, 밸브부재를 형성하는 셔터부재(2)를 동작시키는 선형 액츄에이터 형식으로서, 상기 공압 액츄에이터(4)의 피스톤(42)이 커플링수단(44)에 의해 상기 제어봉(3)에 연결된 봉(43)을 갖고서 피스톤(42)을 선형으로 이동하도록 함으로써, 상기 밸브부재가 상기 도관(10)에 형성된 밸브시트(11)에 닿는 페쇄위치와 상기 밸브부재가 상기 밸브시트(11)로부터 떨어져 수직으로 세워지는 개방위치 사이를 이동할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(104)가, 나비형의 축선회셔터부재(102)를 동작시키는 축선회 액츄에이터 형식으로서, 상기 피스톤(142)이 크랭크(103A)에 의해 상기 나비형 축선회셔터부재(102)로 연결된 제어봉(103)으로 축선회시키면 상기 나비형 축선회셔터부재(102)가 폐쇄위치와 개방위치 사이의 임의의 위치에 위치할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 제어봉(103)과 상기 크랭크(103A) 사이에 단열스페이서(107A)가 끼워져 상기 공압 액츄에이터와 상기 축선회셔터부재(102) 사이의 열교환이 줄어들 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 제어봉(103)과 상기 축선회셔터부재(102) 사이에 단열스페이서(107A)가 끼워져 상기 공압 액츄에이터와 상기 축선회셔터부재(102) 사이의 열교환이 줄어들 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
14. 제11항에 있어서, 상기 크랭크(103A)와 피스톤(142) 사이 연결점 양쪽에 각각 제1 및 제2단열스페이서(22)가 설치되어 상기 공압 액츄에이터와 상기 셔터부재 사이의 열교환이 줄여지도록 구성된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
15. 제11항에 있어서, 상기 크랭크(103A)가 단열재로 만들어진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)에 제1 및 제2제어가스이송배관이 더 갖춰져, 이들 제어가스이송배관이 상기 공압 액츄에이터(104) 또는 밸브몸체(101)와 열을 교환하는 열교환기를 이루도록 된 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
17. 제1항에 있어서, 수집된 극저온유체를 증발시키는 증발수단(62)을 갖고서 상기 도관(10)과 상기 챔버로 들어가는 제어가스공급용 통로(410) 사이에 연결되어 극저온가스를 수용하는 파이프(60)와, 배기가스를 응축시기는 응축수단(65)을 갖고서 챔버의 제어가스배출용 통로(411)와 상기 도관(10) 사이에 연결되어 제어가스를 다시 주입하는 파이프(63)가 더 갖춰진 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)에 사용되는 제어가스가, 상기 도관 내에 내장된 극저온유체의 온도와 대체로 같거나 그보다 높은 포화온도나 임계온도를 갖도록 된 것임을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)에 사용되는 제어가스가 건조질소인 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.
20. 제18항에 있어서, 상기 공압 액츄에이터(4)에 사용되는 제어가스가 건조공기인 것을 특징으로 하는 극저온유체 유량제어 밸브장치.

Images