KR101065216B1 - 구멍배열구조의 복수 케이지를 갖는 캐비테이션 방지 트림 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브의 입구와 출구의 압력차이가 크고 출구의 압력이 사용유체의 증발압력과 차이가 작아 캐비테이션(Cavitation) 발생의 가능성이 큰 밸브에 적용하는 캐비테이션 방지 기능의 트림에 관한 것이다. 보다 상세하게는 트림 내부에 트림 부품의 하나인 케이지를 구비하고 케이지에 순차적인 압력강하를 유도하는 수단(관통공)을 두어 캐비테이션 방지 기능을 수행하게 한다. 즉, 복수의 케이지를 구비하여 각 케이지에 구비된 관통공이 연통되어 유체가 흐르는 감압공을 형성하되, 인접한 케이지 중 내측 케이지의 관통공의 사이즈가 외측 케이지의 관통공 사이즈보다 작게하는 것을 반복하여 전체적으로 점차 단면적을 크게 하여 최종 단계의 압력강하가 출구 압력과 같게 함으로써 캐비테이션 방지 기능을 수행하도록 하는 압력제어형 캐비테이션 방지 트림에 관한 것이다.
보사 상세하게는 감압공에서 유로단면적의 증가율이 2배수의 관통공 단면적으로 증가하고, 2배수의 유로경로 가지 수가 많아지는 특징의 캐비테이션 방지 기능의 트림에 관한 것이다.

Description

구멍배열구조의 복수 케이지를 갖는 캐비테이션 방지 트림{Anti-Cavitation Trim of Hole Array's Plurality Cage}

본 발명은 밸브의 입구와 출구의 압력차이가 크고 출구의 압력이 사용유체의 증발압력과 차이가 작아 캐비테이션(Cavitation) 발생의 가능성이 큰 밸브에 적용하는 캐비테이션 방지 기능의 트림에 관한 것이다. 보다 상세하게는 트림 내부에 트림 부품의 하나인 케이지를 구비하고 케이지에 순차적인 압력강하를 유도하는 수단(관통공)을 두어 캐비테이션 방지 기능을 수행하게 한다. 즉, 복수의 케이지를 구비하여 각 케이지에 구비된 관통공이 연통되어 유체가 흐르는 감압공을 형성하되, 서로 인접한 케이지들 중에서 내측 케이지의 관통공과 외측 케이지의 관통공이 케이지와의 각도에 따라 형성된 관통공 또는 겹침 면적을 작게 하여 이를 반복함으로써 유체통과 단면적의 감소-증가를 반복하여 유체가 가지고 있는 에너지를 오리피스 손실로 감쇄하여 최종 단계의 압력강하가 출구 압력과 같게 함으로써 캐비테이션 방지 기능을 수행하도록 하는 압력제어형 캐비테이션 방지 트림에 관한 것이다.

종래 캐비테이션 방지와 관련해서는 유체 흐름상의 단면적은 감소와 증가를 반복하면서 점차적으로는 크게 하여 최종 단계의 압력강하가 출구압력과 같게 함으로써 캐비테이션 방지 기능을 수행하도록 하는 압력제어형 캐비테이션 방지 수단이 있었다.

이러한 압력제어형 캐비테이션 방지 기능은 압력강하와 일부의 압력회복을 반복하여 최종 압력이 밸브의 낮은 출구 압력과 거의 동등한 수준이 되도록 하는 방식을 사용한다. 이러한 압력강하는 유체 에너지의 소멸(Dissipation)을 뜻하며 유체에 적절한 저항을 주어 출구 압력과 동등한 수준의 영구적인 압력강하를 유도함으로써 캐비테이션 발생을 방지하여 배관 또는 밸브의 손상을 막는 수단이다.

이와 다른 형태의 캐비테이션 방지 기능으로 속도제어형 방식이 있으며, 이는 케이지 내부의 유체 흐름 경로상에 초기에 유체 도입부에는 유로 단면적을 작게하고 각 경로 과정 중에 유로 단면적을 순차적으로 넓히면서 유로의 방향을 계속적으로 바꾸어주어 단계적으로 압력강하를 유도하여 최종 압력이 밸브의 낮은 출구 압력과 거의 동등한 수준이 되도록 하는 복잡한 미로의 유로 형태를 갖는 캐비테이션 방지 기능의 트림이 있었다. 이러한 캐비테이션 방지 기능의 구조를 라비린스(Labyrinth) 트림 또는 토추어스(Tortuous) 트림이라고 한다.

본 발명은 캐비테이션 방지 기능 트림의 일종이며, 상세하게는 상기 두 타입 중 압력 제어형 트림의 일종에 해당한다. 이러한 압력제어형 트림의 일종으로 가장 대표적인 것이 미국 특허 US4,249,574(이하, '미국등록특허'라 함)이며, 이는 도 1에 도시된다.

도 1에서 보듯이, 상기 미국등록특허는 복수 개의 케이지(11')를 구비하고 케이지(11')에는 유체가 통과하여 흐르도록 관통구(12')를 구비한다. 케이지의 관통구(12')을 구비함에 있어 일정한 패턴을 갖도록 구비되며, 가장 안쪽의 케이지(111')는 케이지 내부에 위치한 플러그(plug, 미도시)의 이동(stroke)에 따라 유로 개방의 정도가 결정된다. 이를 통하여 유량을 조절하게 됨으로써 케이지(111')의 구멍 배열은 원하는 유량이 산출되도록 배열하여야 하며, 유로 개방에 따라 유량이 연속적으로 변화하도록 배열하는 것이 바람직하다. 각 케이지의 관통구(12') 배열은 같은 패턴으로 구비되며, 보다 상세하게는 안쪽 케이지에서 바깥쪽 케이지로 갈수록 관통구의 직경 크기는 점차적으로 크게 구비되도록 한다. 그리고, 내측 케이지와 인접하는 외측케이지는 중심선을 기준으로 일정각도를 갖고 회전하여 구비되며, 회전 각도는 케이지와 케이지에 구비된 관통구들이 상호 겹쳐질 정도로 한다. 관통구와 관통구가 겹쳐진 부분은 관통구 단면적보다 작게 되도록 하며, 유로(감압공) 상에서 구간별로 유체의 흐름 단면적이 축소(Contraction)되어 오리피스(Orifice)의 역할을 하게 되어 구간별 압력강하가 이루어진다. 이러한 축소된 단면적은 다음 구멍에서 확대(Expantion)되게 되며, 일부 압력이 회복하게 된다. 이러한 단계적이고 순차적인 단면적의 축소와 증가는 유체가 가지고 있는 에너지를 감쇄(Dissipation)하여 단계적으로 압력강하를 유도한다.

이러한 형태의 트림은 대부분 구간별로 압력강하 이후에 일부 압력회복을 갖는 특징이 있으며, 이러한 압력강하 구간(Stage)에서 다음의 일부 압력회복 구간(Stage)의 압력강하의 정도는 유로 단면적의 감소와 증가의 정도에 따라 결정되며, 케이지와 케이지가 틀어진 각도에 따라 결정됨으로 구간별 압력강하의 최종 누계가 목표하는 전체 압력강하와 동일하도록 한다. 일부 구간에서 지나친 압력강하가 일어나는 경우에는 유체의 압력이 증발압력 이하로 하강하여 압력회복이 일어나 캐비테이션이 트림 내부에서 발생하는 결과가 될 수 있으며, 또한 유량의 감소를 가져올 수 있다. 또한, 구간별 압력강하가 너무 작아서 트림의 전체적인 압력강하 누계가 배관의 출구 압력보다 너무 큰 경우에는 영구적인 손실이 작은 경우 밸브의 출구나 배관에서 캐비테이션이 발생하는 결과가 될 수 있으므로 주의가 요구된다.

이러한 형태의 트림에서는 초기 단계의 압력강하 구간은 다른 구간에 비해 압력강하가 크게 작용하도록 하며, 후반부로 갈수록 압력강하의 폭이 작도록 구성하는 것이 바람직하다. 초기 단계의 압력강하 구간에서 다른 구간에 비해 압력강하가 크게 작용하도록 하는 것은 전체적인 압력강하를 이루기 위해서 필요한 단계의 수를 줄이는 효과가 있으며, 후반부로 갈수록 압력강하의 폭이 작도록 구성하는 이유는 후반부의 압력강하의 폭이 전반부의 압력 강하 폭과 동등하거나 비교적 차이가 없으면 밸브의 출구 압력은 증발압력과 차이가 작은 경우 자칫 증발압력 이하로 떨어지기 쉬워 캐비테이션 발생 또는 플러싱 발생의 여지가 있기 때문이다.

가장 내측에 위치하는 케이지의 관통구(121') 배열은 케이지(111')의 내면을 따라 이동하는 밸브트림의 일종인 플러그의 이동(Stroke)에 따라 유체 흐름의 개방부인 관통구의 위치에 따라 유량이 변화하므로 플러그의 이동에 따른 유량 변화가 불연속적하지 않게 하려면 이동(Stroke)에 따른 관통구의 간격(Pitch)을 구멍 직경의 70% 이상이 중첩되도록 배열하는 것이 좋다.

이러한 캐비테이션 방지 기능의 압력제어형 트림은 가장 안쪽에 위치한 케이지의 관통구(121')부터 순차적으로 연통되는 케이지들의 관통구들(12')과 하나하나의 개별적 유로(감압공)를 구비하게 되며, 이러한 유로의 수량이 필요한 전체 필요한 유량이 산출되도록 구비되어야 한다. 하나의 개별적인 유로는 여러 단계의 압력강하를 거치게 되며, 이러한 단계적인 압력강하는 차압의 정도에 따라 그 단계의 수가 결정되게 되며, 이러한 단계의 수에 따라 케이지의 수량이 결정되고, 열림의 정도에 따라 유량이 산출되도록 개별적 유로(감압공, 117')의 수량이 확보되어야 한다.

하지만, 필요한 압력강하 단계의 수(즉, 필요한 케이지의 수량, 케이지의 관통공의 크기, 배열 가능한 수량)는 밸브의 크기에 제한을 받는다. 특히, 캐비테이션 방지 기구의 트림은 차압이 크면 클수록 보다 많은 케이지의 수량을 요구하며, 감쇄(Dissipation)의 양 또한 커짐으로 유량의 확보 측면에서 제약이 크다. 나아가, 케이지의 관통공 크기는 가장 안쪽의 케이지에서 바깥쪽으로 갈수록 점차적으로 커지도록 구성되어야 한다. 이는 유체에너지의 감쇄(Dissipation)인 회복할 수 없는 압력강하가 축소손실과 확대손실에 의해 이루어지며(이들은 각각 축소손실계수(K_c : Contraction Loss) 및 확대손실계수(K_e : Expantion Loss)로 정량화), 오리피스(orifice)에서 관통공과 관통공의 직경의 비율(ß= d₂ /d₁)에 대해 확대손실계수가 축소손실계수의 거의 2배이고, 회복할 수 없는 압력강하는 유입되는 유체 유속의 제곱근과 손실계수(K₀)에 비례하기 때문이다. 이는, 하기의 [표 1]에서 알 수 있다.

이에 따르면 효율적으로 회복할 수 없는 압력강하(Unrecoverable pressure loss)가 이루어지기 위해서는 관통공의 크기를 내측 케이지에서 외측 케이지로 갈수록 점차 크게 하는 것이 바람직하다. 가장 외측에 위치하는 케이지의 관통공은 케이지가 가장 큰 직경을 갖기 때문에 내측의 케이지에 비해 상대적으로 큰 관통공을 배열할 수 있다. 하지만, 가장 외측에 위치하는 케이지에 가장 큰 관통공의 크기는 제한적일 수 있으며 실제로 가장 큰 제약이 된다. 이러한 이유로 압력제어형의 캐비테이션 방지 기구는 복잡하고 협소한 유로들로 형성되는 속도제어형의 소위 라비린스(Labyrinth) 트림에 비해 적용할 수 있는 차압이 작으며, 이에 비해 라비린스(Labylinth) 트림은 복잡한 경로와 협소한 유로로 저항이 커서 높은 차압에 적용이 적합한 반면, 유량이 큰 곳에서는 적용이 적합하지 못하다.

나아가, 캐비테이션 방지 트림은 케이지의 관통공과 인접하는 케이지의 관통공이 하나의 감압공(유로)으로 배열 구성되며, 압력강하를 유도하기 위해서는 관통공과 인접하는 관통공에 이르는 구간에서 유로 단면적은 관통공과 관통공이 겹쳐지는 부분의 단면적(Overlap Area)이 되며, 감압공의 축소구간이 됨으로써 필요한 압력강하가 이루어지도록 구성되어야 한다.

이러한 감압공의 축소구간은 케이지와 케이지가 이루는 각도에 의해 결정된다. 따라서, 겹쳐지는 부분의 단면적을 원하는 크기로 얻기 위해서는 겹쳐지는 케이지 상호 간의 관계를 바탕으로 계산하는 것이 가능하다.

도 9는 상기 겹쳐지는 부분의 단면적을 산출한 것의 일례를 보여주는 것으로, 케이지의 바깥지름이 46.0mm이고 케이지에 구비된 관통공의 구멍 직경이 5.0mm이며, 인접하는 케이지의 관통공 직경이 6.0mm인 경우에, 인접하는 케이지 상호 간에 이루는 각도에 대한 단면적(Overlap Area)은 1) 0~1.3°에서는 관통공 직경 5.0mm의 단면적의 변화가 없으며, 2) 약 2~7°에서는 1°의 변화에 대해 관통공 직경 5.0mm 단면적의 약 10% 정도씩 감소하고, 3) 7°이후에는 감소 폭이 줄어들어, 4) 13.7°에 이르면 더 이상 겹쳐지는 구간이 없어 단면적의 감소가 0 이 된다.

이에 따르면, 케이지와 케이지가 이루는 각도 1°변화에 대해 약 10~5%의 단면적의 변화가 있으므로, 필요한 단면적을 얻기 위해서는 1/10°의 각도 정밀도를 요구하게 된다. 이러한 정밀도를 맞추기 위해서는 높은 정밀도의 각도 관리가 요구되며, 케이지의 사용 개수 별 각도를 계산하여야 하므로 실현이 용이하지 않다. 또한, 필요로 하는 축소 단면적(Overlap Area)은 주로 축소손실을 고려한 사항이기 때문에 축소손실계수가 확대손실계수에 비해 작은 것을 고려한다면 이에 대해 많은 관심을 두기보다 확대손실에 대해 중점을 두는 것이 바람직하다. 확대손실을 중점으로 하면 케이지의 관통공 직경의 정밀도와 위치 정밀도를 관리하는 것으로 전자의 것에 비해 용이한 측면이 있다. 하지만, 관통공의 크기를 확대하는 것은 상술한 바와 같이 밸브의 크기 나아가 케이지의 크기에 제약을 받게 되므로 이러한 캐비테이션 방지 기능의 트림 설계의 한계점에 이르게 된다.

복수의 케이지를 사용하고 케이지의 관통공을 배열하여 오리피스의 역할을 하도록 하여 캐비테이션 방지 기능을 하는 종래 기술의 문제점은 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 기술적 한계 중의 하나는 초기의 유체 도입부에 해당하는 관통공에서부터 최종 유체 유출부의 관통공에 이르는 유체 흐름 경로인 감압공의 과정에서 관통공의 크기가 점차 커져야 하는 제약 조건이 작용하여 상대적으로 가장 내측의 케이지의 관통공 크기가 작아져야 하는 제약 조건으로 작용하여 동일한 크기의 일반적인 플러그에 비해 유량이 상대적으로 작아질 수 있다.

둘째, 이러한 캐비테이션 방지 기능을 하는 플러그는 개도(OPEN%)에 따른 유량 특성에서 선형유량 특성(플러그의 오픈 퍼센트(%)에 따라 동일한 퍼센트(%)의 유량이 증가하는 특성)을 나타내도록 하는 데는 별다른 문제가 없으나, 플러그의 오픈 퍼센트(%)에 대해 그때의 유량에 대해 동일한 유량 증가율(EQ%)로 유량이 증가하도록 하는 것에는 적합하지 않다.

즉, EQ% 유량 특성은 플러그의 개도(OPEN%)에 대해 그때의 유량에 대해 거의 같은 유량 증가율을 보여야 하는 것으로 개도(OPEN%)에 대해 연속적인 유량이 산출되도록 하기 위해서는 미로형 트림인 경우에는 개도 단계별로 유량이 산출되는 디스크 스택(Disc stack)을 설계하여야 하며, 그 가공방법이 용이하지 않은 관계로 매우 어렵다. 또한, 복수의 케이지를 사용하고 케이지의 관통공 배열을 오리피스의 역할을 하도록 하여 캐비테이션 방지 기능을 수행하게 하는 트림에서는 저개도 구간에서의 가장 내측의 케이지 관통공의 크기를 열림 시작 위치에서 가장 작게 하고 개도(OPEN%) 증가에 따라 관통공의 크기를 증가시켜야 하는데, 연속적으로 유량이 증가하도록 관통공과 관통공의 배열되도록 하는 다단계로 겹쳐지는 케이지의 배열이 매우 곤란하다. 즉, 가장 내측에 위치되는 하나의 케이지 자체에서 하부에서 상부로 갈수록 관통공의 크기를 크게 하여야 한다면, 상기 가장 내측에 위치되는 케이지에 다단으로 겹쳐지는 외측의 케이지들은 상부에 위치하는 관통공의 크기도 점차 커져야 하므로 이러한 구성을 구비하도록 케이지를 만드는 것은 쉽지 않은 것이다. 결과적으로 외측의 케이지로 갈수록 관통공의 최대 지름이 더욱 커져야 하므로 매우 작은 유량의 트림에만 적용할 수 있게 된다.

종래 기술에서 복수 개의 케이지를 사용하고 케이지의 관통공을 배열하여 오리피스의 역할을 하도록 하여 캐비테이션 방지 기능을 하는 트림으로 사용하였는데, 본 발명에서는 상기에서와 같이 제한되는 사항을 해결할 수 있는 케이지와 케이지의 구멍 배열을 제공하고자 한다.

즉, 동일한 차압 조건에서 효율적으로 압력 강하를 유도하여 필요 압력강하 단계수를 줄이고, 이에 따라 케이지의 수가 감소되도록 한다.

또한, 케이지와 케이지간의 관통공을 배열하고 구성함에 있어 관통공의 최대 직경 제한을 회피하고 유로 단면적을 확대하는 해결방법을 적용하고자 한다.

나아가, 종래 기술에서는 적용이 어려웠던 동일한 유량 증가율(EQ%) 유량 특성 적용이 가능한 트림을 제공하고자 한다.

본 발명은 일측으로 밸브입구(1)가 형성되고 타측으로 밸브출구(2)가 형성되며 상기 밸브입구(1) 및 밸브출구(2)를 연결하는 유로(3)가 형성된 밸브몸체(10)의 내부에 상하로 승강되면서 밸브의 유로(3)를 개폐하는 플러그(4)가 구비되고, 상기 유로(3)에 연결되고 유체가 통과하는 복수의 감압공(110)이 형성되어 상기 밸브몸체(10)에 맞닿는 유체의 압력을 저감시키는 감압부(100)가 형성된 유체용 밸브에 있어서, 상기 감압부(100)는 각각 직경을 달리하면서 다단으로 결합되는 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)로 구성되고, 상기 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 외측면에 서로 대응되게 관통되어 형성되는 복수의 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)이 형성되며, 상기 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)이 서로 중심을 달리하여 어긋나게 배열되면서 상기 감압공(110)을 형성하되, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 2개 이상이 겹치도록 구성되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 방지용 트림을 제공한다.

(여기서, n=1보다 큰 자연수, m=1보다 크고 n보다 작은 자연수)

여기서, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n) 중 가장 내측의 케이지(C₁)부터 소정 번째의 케이지(C_m)까지는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 2개 이상이 겹치도록 구성되고, 소정 번째의 케이지(C_m)부터 가장 외측의 케이지(C_n)까지는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 한 개가 겹치도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

(여기서, n=1보다 큰 자연수, m=1보다 크고 n보다 작은 자연수)

또한, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 각 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)의 직경은 유체의 유입구 측보다 유출구 측이 더 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 각 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)의 직경은 단차(S₁)..(S_m)..(S_n)를 중심으로 유체 유출구 측이 유체 유입구 측보다 더 크게 이분된 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 케이지(C)의 관통공(H)의 유체 유출구 측의 직경은 각각의 케이지의 관통공에 대해 일정한 크기를 가질 수 있으며, 선형 유량 특성으로 유량이 증가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 케이지(C)의 관통공(H) 유체 유출구 측의 직경은 상기 플러그(4)에 의해 유로(3)가 오픈되기 시작하는 부분인 하단에서 상단으로 갈수록 점차 커지는 것을 특징으로 한다. 상기 케이지(C)의 관통공(H)의 유체 유출구 측 직경의 크기 증가는 상기 플러그(4)에 의해 유로가 오픈될수록 동일한 유량 증가율(EQ%)로 유량이 증가되도록 증가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 이용하면, 관통공으로 흐르는 유체가 2^m-1개의 유로로 분리되어 흐르게 되어 2^m-1개의 유로 경로를 갖게되며, 2^m-1개의 관통공 유로 단면적으로 증가하게 된다. 따라서 동일한 차압 조건에서 효율적으로 압력 강하를 유도하여 필요 압력강하 단계수를 줄이고, 이에 따라 케이지의 수가 감소되도록 하는 것이 가능하다.

또한, 케이지와 케이지간의 관통공을 배열하고 구성함에 있어 관통공의 최대 직경 제한을 회피하고 유로 단면적을 확대하는 것이 가능하다.

또한, 케이지의 관통공은 이분된 직경으로 가공이 가능하며 가공함으로써 유체 유출구 측의 직경을 조정하여 필요한 압력강하량으로 조절할 수 있다.

나아가, 이러한 이분된 유체 유출구 측의 관통공의 크기를 밸브 OPEN%에 맞추어 조정 가능하여 종래 기술에서는 적용이 어려웠던 동일한 유량 증가율(EQ%)로 유량이 증가되는 유량 특성의 적용이 가능한 캐비테이션 방지 기능의 트림 제공이 가능하다.

도 1은 종래 기술에 따른 캐비테이션 방지 수단인 케이지의 구성과 배열구조를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비테이션 방지 수단이 구비된 밸브를 나타내는 종단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 캐비테이션 방지 수단의 배열구조 사시도(a) 및 횡단면도(b)이고,
도 4는 본 발명에 따른 EQ% 적용 케이지의 일예로 관통공의 내측 및 외측 사이즈가 상이한 것을 보여주는 사시도이며,
도 5는 본 발명에 따른 캐비테이션 방지 수단을 나타낸 압력 강하 곡선이고,
도 6은 본 발명에 따른 케이지의 배열에서 케이지 간의 관통공들의 상관도이며,
도 7은 본 발명의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화와 종래기술의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화를 비교한 그래프이고(하나의 감압공에 대한 것),
도 8은 본 발명의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화와 종래기술의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화를 비교한 그래프이며(전체 감압공에 대한 것),
도 9는 종래 기술에서 케이지의 회전 각도에 따른 겹침 단면적의 예를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비테이션 방지 수단이 구비된 밸브를 나타내는 종단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 캐비테이션 방지 수단의 배열구조 사시도(a) 및 횡단면도(b)이고, 도 4는 본 발명에 따른 EQ% 적용 케이지의 일예로 관통공의 내측 및 외측 사이즈가 상이한 것을 보여주는 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 캐비테이션 방지 수단을 나타낸 압력 강하 곡선이고, 도 6은 본 발명에 따른 케이지의 배열에서 케이지 간의 관통공들의 상관도이며, 도 7은 본 발명의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화와 종래기술의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화를 비교한 그래프이고(하나의 감압공에 대한 것), 도 8은 본 발명의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화와 종래기술의 압력강하 구간별 감압공 단면적의 변화를 비교한 그래프이다(전체 감압공에 대한 것).

도 2에서 보듯이, 본 발명은 본 발명은 밸브몸체(10)의 내부에 상,하로 승강되면서 밸브의 유로(3)를 개폐하는 플러그(4)가 구비된 캐비테이션 방지용 트림에 있어서, 내측에 상기 플러그(4)가 시트로부터 상승되면서 케이지 내면에 유체가 흐르는 공간부가 형성되어 상기 유로(3) 상에 고정되는 원통형의 감압부(100)가 구비되고, 상기 감압부(100)에는 유체가 흐르는 다수의 감압공(110)이 형성되되 감압공(110)의 내측면은 유체의 흐름 방향을 따라 여러 개의 계단 형상으로 다단을 이루며, 밸브를 통과하는 유체가 계단 형상의 감압공(110)을 통해 유체의 압력이 점차적으로 저하된 상태로 공간부로 이동되며, 감압공(110)을 통해 흘러나가도록 한 것이다.

상기 밸브몸체(10)는 일측으로 유체가 밸브의 내부로 유입되도록 하는 밸브입구(1)가 형성되고, 타측으로는 밸브를 통과한 유체가 배출되는 밸브출구(2)가 형성되며, 밸브몸체(10)의 내측에 밸브입구(1) 및 밸브출구(2)를 연결하는 유로(3)를 형성하여 밸브입구(1)와 밸브출구(2)에 유체가 흐르는 배관이 연결된 상태에서 유체가 흐르도록 한다.

또한, 밸브를 작동시키는 액츄에이터와 작동 핸들 등과 연결되는 스템(5)과 결합되어 스템(5)의 승강에 따라 승강되면서 유로(3)를 개폐시키는 플러그(4)을 구비하여 스템(5)의 상,하 직선운동을 조절하여 밸브를 통과하는 유체의 양 및 유속이 조절되거나, 유체의 흐름을 단속할 수 있도록 한다.

상기 감압부(100)는 유로(3)에 유입되는 유체의 압력이 저감되도록 하는 것으로서, 밸브 내부의 유로(3) 상에 고정되고 다수의 감압공(110)을 형성하여 밸브입구(1)를 통해 유입된 유체가 감압공(110)을 통과하면서 유체의 압력이 점진적으로 저하되어 트림의 내부, 밸브 몸체 및 배관부에서 증발압력 이하로 감압되었다가 증발압력 이상으로 회복할 때 발생하는 캐비테이션(CAVITATION) 현상의 발생이 억제되도록 한다.

또한, 상기 감압부(100)의 중앙에는 상기 플러그(4)가 삽입되는 공간부를 형성하여 플러그(4)의 원활한 승강 및 개폐작동이 이루어지도록 할 뿐만 아니라, 밸브입구(1) 측에서 유입된 유체의 압력이 감압공(110)을 통해 출구압력유체를 보내려고 하는 장치 또는 용기의 압력과 동등한 수준으로 감압되어 흘러나온 유체가 밸브출구(2)로 빠져나가도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 3의 (a) 및 (b)에서 보듯이, 본 발명에 따른 감압부(100)는 각각 직경을 달리하면서 다단으로 결합되는 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)로 구성되고, 상기 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 외측면에 서로 대응되게 관통되어 형성되는 복수의 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)이 형성되며, 상기 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)이 서로 중심을 달리하여 어긋나게 배열되면서 상기 감압공(110)을 형성하게 된다.

여기서, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 2개 이상이 겹치도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

즉, 복수의 케이지가 다단으로 겹쳐져서 각 케이지에 구비된 관통공이 서로 어긋나게 연통되면서 유체가 흐를 수 있는 유로인 감압공을 형성하게 되는데, 상기 다단으로 겹쳐지는 복수의 케이지는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 2개 이상이 연통되도록 구성하는 것이다.

도 1에 도시된 종래기술에서는 가장 안쪽에 위치한 케이지(111')와 그 다음의 케이지(112')가 이루는 각도는 가장 안쪽의 케이지(111')의 관통구(121')를 기준으로 하여 다음에 오는 케이지(112')의 관통구(122')가 이루는 각도를 의미하며, 시계방향으로 회전시키거나 반시계방향으로 회전시키도록 하며, 압력 강하의 요구에 맞추어 회전각을 결정하고 순차적으로 하나의 관통구와 다음에 오는 관통구가 일정 각도를 갖도록 구성된다. 따라서 각 케이지의 관통구들은 케이지 간의 같은 위치에 구비된 관통구들이 연통되어 하나의 유로를 형성하게 된다. 여기서, 상기 종래기술에서는 가장 안쪽에 위치한 케이지(111')와 그 다음의 케이지(112')가 이루는 각도를 산정하여 항상 동일한 각도의 회전을 한 후 고정할 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 고정홀(h)을 구비한다. 상기 고정홀(h)은 복수 개의 케이지를 다단으로 겹친 후에 상기 고정홀(h)에 고정막대(미도시)를 끼워 전체적으로 하나로 결합시켜 항상 일정한 각도로 각 케이지가 회전된 상태를 유지하게 된다.

본 발명에서 일정 각도의 회전 위치는 케이지의 관통구들의 배열이 오른 나사의 진행방향으로 구비한 경우에 가장 안쪽에 위치한 케이지(C₁)와 그 다음의 케이지(C₂)가 이루는 각도는 반시계 방향으로 회전하여 결합되며, 가장 안쪽에 위치한 케이지(C₁)의 첫 번째 구멍(가장 아랫쪽에 위치하는 관통공)이 다음에 위치한 케이지(C₂)의 첫 번째 구멍(가장 아랫쪽에 위치하는 관통공)과 두 번째 구멍(가장 아래에서 두 번째 위치하는 관통공) 사이에 위치하도록 한다. 그리고, 가장 안쪽에 위치한 케이지(C₁)의 첫 번째 구멍이 다음에 위치한 케이지(C₂)의 첫 번째 구멍과 겹치는 축소 단면적(Overlap Area)은 두 번째 구멍과 겹치는 축소 단면적(Overlap Area)과 같도록 한다(이하, 이를 2중 겹침 방식이라 한다). 그리고, 그 이후에 배열되는 구멍들도 동일한 방식으로 2중 겹침 방식을 갖도록 한다.

나아가, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n) 중 가장 내측의 케이지(C₁)부터 소정 번째의 케이지(C_m)까지는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 2개 이상이 겹치도록 구성되고, 소정 번째의 케이지(C_m)부터 가장 외측의 케이지(C_n)까지는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 한 개가 겹치도록 구성될 수 있다(여기서, n=1보다 큰 자연수, m=1보다 크고 n보다 작은 자연수).

즉, 복수의 케이지가 다단으로 겹쳐져서 각 케이지에 구비된 관통공이 서로 어긋나게 연통되면서 유체가 흐를 수 있는 유로인 감압공을 형성하게 되는데, 상기 다단으로 겹쳐지는 복수의 케이지 중, 가장 내측에서 소정 번째까지의 케이지는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 2개가 연통되도록 구성하고, 소정 번째 부터는 내측 케이지의 관통공 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공 1개가 연통되도록 구성하는 것이다.

이는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 가장 내측의 케이지(C₁)에서 네 번째 겹쳐지는 케이지(C₄)까지는 내측에 위치하는 케이지는 관통공 하나에 인접하여 외측에 위치하는 케이지의 관통공 두 개가 연통되는 것을 알 수 있으며, 네 번째 겹쳐지는 케이지(C₄)부터 여섯 번째 겹쳐지는 케이지(C₆)까지는 각각 일대일로 관통공이 연통되는 것을 알 수 있다. 물론, 겹쳐지는 관통공은 상호 중심을 엇갈리게 하여 연통된다.

여기서, 상기 각 케이지(C)의 관통공(H)은 각 케이지의 외주면을 따라 나선형 배열을 이루며 복수 개가 형성되는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 각 케이지(C)는 복수 개가 겹쳐서 다단으로 형성되게 되므로 각 케이지의 직경은 상이하게 구성되는데, 상기 복수의 케이지를 다단으로 겹쳤을 때 케이지는 중심선을 기준으로 같은 중심을 갖고, 각 케이지에 구비되는 관통공(H)은 케이지의 중심선을 기준으로 같은 높이에 대응 위치하여 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 도 4에서 보듯이, 상기 복수 개의 감압공(110)이 형성하는 나선형 배열은 상기 감압부(100)의 외측면을 따라 복수 개로 구비될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 HL₁ 과 HL₂는 각각 케이지에서 가장 하부에 위치되는 관통공을 도시한 것으로, HL₁ 과 HL₂는 케이지의 중심을 기준으로 일정 각도 회전시켜 동일한 위치(동일 높이)에 구비되도록 한 것이다.

이는, 케이지의 관통공을 구성함에 있어 상기 복수 개의 감압공(110)이 형성하는 나선형 배열로 관통공을 구비하는데, 관통공의 배열이 시작되는 위치가 유량의 흐름이 시작되는 위치에 구비되도록 하기 위함이며, 시작되는 관통공의 개수는 필요로 하는 유량에 맞추어 구비하게 된다. 가령, 3개의 관통공으로 시작하는 경우에는 상기 플러그(4)이 상승하면서 3개의 관통공에서 동시에 유체의 유입이 시작되게 된다. 이러한 경우에는 케이지를 1/3으로 각도 분할하여 가장 하부에 위치하는 관통공(HL)이 위치하도록 하고, 이 위치에서 다음 관통공은 케이지의 중심선의 평행한 방향으로 일정 피치(Pitch) 또는 간격으로 이동한 위치에 원주 회전 방향으로 일정 각도 위치에 관통공들을 배열하게 된다. 여기서 일정 피치 또는 간격은 간격 간의 케이지의 관통공들의 위치에 따라, 즉, 플러그(4)의 이동에 따라 케이지의 관통공들의 유로를 열어주는 역할을 하기 때문에 플러그(4)의 이동에 따른 유량의 변화가 단계적으로 증가하지 않고 연속적으로 증가하도록 배치하는 것이 바람직하다.

가장 안쪽에 위치한 케이지의 구멍들 배열은 일정 각도로 회전하고 일정 피치를 갖도록 구성하되 그 개수는 필요한 유량에 적합하도록 선정할 수 있으며, 플러그(4)의 행정거리 내에 배열되도록 한다. 다음에 오는 케이지의 관통공 배열은 그 피치와 회전각도 위치가 처음에 오는 케이지의 관통공 배열 위치와 같으며 이러한 방식으로 필요한 압력강하에 맞추어 케이지를 필요 수량으로 구비한다.

상기와 같이 구비된 케이지들은 중심축을 기준으로 일정 각도 회전하여 조립한다. 정해진 각도 위치에서 결합하여야 하므로 케이지의 특정위치에 기준 관통공이 구비되는 것이 바람직하며, 회전 각도에 맞추어 기준 관통공의 각도 위치를 구성하도록 한다.

나아가, 도 6에서 보듯이, 상기 내측 케이지의 관통공(H_m) 하나에 인접하는 외측 케이지의 관통공(H_{m +1}) 2개 이상이 겹치도록 구성되는 경우에는, 상기 내측 케이지의 관통공이 각각 인접하는 외측 케이지의 관통공과 겹치는 면적(Overlap Area)(A₁)(A₂)이 동일한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에서 일정 각도의 회전 위치는 케이지의 관통공들의 배열이 오른나사의 진행방향으로 구비한 경우에는 가장 내측의 케이지(C₁)와 그 다음의 케이지(C₂)가 이루는 각도는 반시계 방향으로 회전하여 결합되며, 가장 내측 케이지의 첫 번째 관통공이 그 다음 케이지의 첫 번째 관통공과 두 번째 관통공의 사이에 위치하도록 하고, 가장 내측의 케이지의 첫 번째 관통공이 다음에 위치한 케이지의 첫 번째 관통공과 겹치는 축소 단면적(Overlap Area)은 두 번째 관통공과 겹치는 축소 단면적(Overlap Area)과 같도록 한다.

또한, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)에 구비되는 각 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)의 직경은 가장 내측 케이지(C₁)에서 가장 외측 케이지(C_n)로(즉, 유체의 흐름 방향으로) 갈수록 점차 커지는 것을 특징으로 한다. 이는 본 발명에서 기본적으로 갖추어야 하는 조건으로 압력강하를 이루기 위한 기본 조건이다.

또한, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n) 중 가장 내측의 케이지(C₁)의 관통공(H₁) 직경은 유체의 유입구 측보다 유출구 측이 더 큰 것으로 할 수 있다. 나아가, 상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n) 중 가장 내측의 케이지(C₁)부터 소정 번째의 케이지(C_m)의 바로 이전 케이지(C_m-1)까지 구비되는 각각의 관통공(H₁)..(H_{m -1}) 직경은 유체의 유입구 측보다 유출구 측이 더 큰 것으로 할 수 있다.

여기서, 도 4에서 보듯이, 상기 관통공(H)에서 유체의 유입구 측보다 유출구 측의 직경이 더 크게 하는 방식으로 관통공(H)의 내부에 단차(S)를 둬서 관통공(H)의 직경이 2개 이상으로 이루어지도록 하는 것이다. 즉, 이 경우에는 1차적으로 관통공을 가공 구비하고, 케이지의 바깥직경 쪽에서 1차로 구비한 관통공보다 큰 구멍을 일정 깊이로 가공하여 2차로 관통공을 구비하는 것이다. 이러한 2단의 관통공은, 2차로 구비된 큰 직경의 관통공은 겹쳐지는 축소 단면적(Overlap Area)이 지나치게 작은 경우 필요 이상의 압력강하가 일어나는 경우에 실시할 수 있다.

상기에서 2차로 구비된 큰 직경의 관통공은 각 케이지 내에서 일정한 직경을 갖게 하는 경우에는 선형 유량 특성에 적용된다.

나아가, 상술한 2단의 관통공의 큰 직경의 구멍은 또한 선형 유량 특성이 아닌 EQ% 유량 특성인 경우에 케이지 상에서 스타트 위치에 있는 관통공에서부터 케이지의 개방(OPEN%) 스트로크 방향으로 갈수록 크게 하여 EQ%의 유량 특성을 갖도록 점차적으로 크게 가공할 수 있다. 여기서 2단의 관통공은 큰 직경의 구멍은 유량의 통과 단면적을 크게 하여 많은 유량이 흐르도록 하는 것이며, 개방(OPEN%) 정도에 따른 압력강하의 양을 줄이는 것으로 상술한 2중 겹침 방식(관통공 하나에 2개의 관통공이 겹치도록 구성하는 방식)으로 배열되는 내측의 케이지에 2단의 관통공의 큰 직경의 관통공이 구비되도록 할 수 있다.

이러한 2단의 관통공의 큰 직경의 구멍은 상기 플러그(4)에 의해 유로(3)가 오픈되기 시작하는 부분인 하단에서 상단으로 갈수록 점차 커지는 것을 특징으로 한다. 나아가, 상기 케이지(C)의 관통공(H) 직경의 크기 증가는 상기 플러그(4)에 의해 유로(3)가 오픈될수록 동일한 유량 증가율(EQ%)로 유량이 증가되도록 증가시킬 수 있다. 이 경우에는 2단 관통공의 큰 직경의 크기가 상부로 갈수록 커지는 2단의 관통공이 구비되도록 하여, 단순히 2단이 아닌 단일 관통공의 크기를 크게 하는 종래의 방법으로 기인되는 밸브의 크기에서 오는 한계를 보완하는 것으로 구성할 수 있다.

상기와 같이 서술된 본 발명의 실시예에서 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)에 구성한 관통공(H)들은 모든 케이지가 같은 패턴으로 즉, 같은 피치(Pitch)를 가지며, 일정 각도 위치에 관통공(H)들이 배열되어 있으며, 모든 케이지의 관통공(H)들은 도 6에서와 같이 같은 높이에 위치하는 것을 전제로 한다. 하지만 일례로 가장 내측에 위치한 케이지(C₁)의 시작위치 관통공에 대해 이에 인접한 케이지(C₂)의 시작위치 관통공의 위치는 케이지가 갖는 일정 피치(Pitch)의 1/2길이 아래에 위치하도록 하면, 2중 겹침방식에서 나타나는 2개의 축소단면적이 같도록 하기 위해서 케이지(C₁)과 케이지(C₂)가 이루는 각도는 관통공 배열의 일정각도의 1/2임은 자명한 사실이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.

1 : 밸브입구
2 : 밸브출구
3 : 유로
4 : 플러그
10 : 밸브몸체
100 : 감압부
110 : 감압공
C(C₁..C_m..C_n): 케이지
H(H₁..H_m..H_n): 관통공
S(S₁..S_m..S_n): 단차
h : 고정홀

Claims (6)

1. 일측으로 밸브입구(1)가 형성되고 타측으로 밸브출구(2)가 형성되며 상기 밸브입구(1) 및 밸브출구(2)를 연결하는 유로(3)가 형성된 밸브몸체(10)의 내부에 상하로 승강되면서 밸브의 유로(3)를 개폐하는 플러그(4)가 구비되고, 상기 유로(3)에 연결되고 유체가 통과하는 복수의 감압공(110)이 형성되어 상기 밸브몸체(10)에 맞닿는 유체의 압력을 저감시키는 감압부(100)가 형성된 유체용 밸브에 있어서,
   상기 감압부(100)는 각각 직경을 달리하면서 다단으로 결합되는 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)로 구성되고, 상기 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 외측면에 서로 대응되게 관통되어 형성되는 복수의 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)이 형성되며, 상기 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n)이 서로 중심을 달리하여 어긋나게 배열되면서 상기 감압공(110)을 형성하되,
   상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n) 중 가장 내측의 케이지(C₁)부터 소정 번째의 케이지(C_m)의 이전 번째 케이지(C_m-1)까지는 각각 그 케이지에 형성된 관통공 하나에 그 케이지의 외주면에 인접하는 외측 케이지에 형성된 관통공 2개 이상이 겹치도록 구성되고,
   상기 소정 번째의 케이지(C_m)부터 가장 외측의 케이지(C_n)의 이전 번째 케이지(C_n-1)까지는 각각 그 케이지에 형성된 관통공 하나에 그 케이지의 외주면에 인접하는 외측 케이지의 관통공 한 개 이상이 겹치도록 구성되는 것을 특징으로 하고,
   상기 복수의 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 각 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n) 중 일부 또는 전부는 직경이 단차(S₁)..(S_m)..(S_n)를 중심으로 유체 유출구 측이 유체 유입구 측보다 더 크게 이분된 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 방지용 트림.
   (여기서, n=1보다 큰 자연수, m=1보다 크고 n보다 작은 자연수)
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 케이지(C₁)..(C_m)..(C_n)의 외측면에 형성되는 복수의 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n) 각각은 그 직경이, 상기 플러그(4)에 의해 유로(3)가 오픈되기 시작하는 부분인 하단에서 상단으로 갈수록 점차 커지는 것을 특징으로 하고,
   상기 복수의 관통공(H₁)..(H_m)..(H_n) 각각의 직경의 크기 증가는 상기 플러그(4)에 의해 유로가 오픈될수록 동일한 유량 증가율(EQ%)로 유량이 증가되도록 증가하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 방지용 트림.
   
6. 삭제

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