KR101266962B1 - 3차원 유로를 갖는 고차압 제어밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밸브를 통과하는 유체의 유동을 수평유로와 수평유로를 동시에 형성함과 아울러 이를 회전형으로 형성함으로써 유로의 길이를 길게 하여 유체의 감압 효과를 극대화할 수 있는 고차압 제어밸브를 제공함에 그 목적이 있다. 이를 구현하기 위한 본 발명은, 다수의 원형디스크가 적층되어 이루어진 디스크적층체가 유체 통로 상에 구비되어 상기 디스크적층체를 통과하는 유체의 압력을 감압하는 고차압 제어밸브에 있어서, 상기 다수의 원형디스크는, 유체가 유입되는 상부유입유로와 하측에서부터 유입되어 온 유체를 배출시키는 상부배출유로가 각 디스크에 원주 둘레를 따라 각각 다수 개 형성된 복수의 디스크; 상기 상부유입유로의 단부와 연통하는 하향연결유로가 각각 형성되고, 상기 상부배출유로의 단부와 연통하는 상향연결유로가 각각 형성되며, 상기 하향연결유로와 상향연결유로는 각각의 단부들끼리 서로 연통되어 유체가 각 디스크의 원주 둘레를 따라 회전하면서 점점 하측방향 및 상측방향으로 각각 흐르도록 형성된 복수의 디스크; 상기 하향연결유로의 단부와 연통되어 유체를 배출시키는 하부배출유로와 유체가 유입되는 하부유입유로가 각 디스크에 원주 둘레를 따라 각각 다수 개 형성된 복수의 디스크를 포함한다.

Description

3차원 유로를 갖는 고차압 제어밸브{HIGH PRESSURE DROP CONTROL VALVE HAVING THREE DIMENSIONAL FLOW PATH}
본 발명은 환형디스크 적층식 구조로 이루어진 3차원 유로를 갖는 고차압 제어밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환형디스크를 적층하여 구성된 디스크적층체에 수평유동과 적층된 상하 디스크간의 수직유동을 동시에 형성함으로써 유로를 길게 하고 유체의 차압 범위를 크게 할 수 있는 3차원 유로를 갖는 고차압 제어밸브에 관한 것이다.
산업현장에서 유체의 압력을 감압시킬 필요가 있는 경우는, 상대적으로 낮은 동력으로 고압, 대유량의 유체를 쉽게 제어하고자 하는 경우와, 1대의 압력원으로부터 여러 단계의 감압된 압력을 필요로 하는 시스템들이 사용되는 경우가 있다.
전자인 고압, 대유량의 유체를 밸브로 직접 제어하는 경우는 유체의 압력에 견딜 수 있는 내구성을 갖춘 밸브를 만들어야 하며, 이를 위해서는 대형의 밸브가 필요하며, 밸브의 개도를 제어하는 액추에이터 또한 엄청난 파워를 필요로 하게 된다. 따라서, 고압, 대유량의 유체를 적은 파워의 액추에이터로 제어하거나 혹은 밸브의 개도 조절을 자유롭게 하기 위하여 밸브의 전단에 별도의 감압기구를 설치하게 된다.
후자의 경우는 제한된 공간내에서 1대의 파워 발생장치만이 사용되는 경우에 적용되는 기술로서, 일례로 부유식 원유 생산 저장 하역 설비(FPSO : Floating Production Storage and Offloading)에 있어서 본선에는 350bar로 구동되는 고압 머드 펌프(High Pressure Mud Pump)가 설치되어, 비중이 상대적으로 큰 머드(비중 : 2.3~3)와 해수(비중 : 1.02)를 순차로 걸러내고 상대적으로 비중이 작은 원유(비중 : 0.8)를 최종적으로 얻게 되는데, 이러한 부유식 원유 생산 저장 하역 설비에서 선체 부양 및 세척을 하기 위해서는 350bar의 고압을 대략 125bar의 압력으로 강하시켜야 한다.
이와 같이 입구 압력 350bar를 출구 압력 125bar로 하여 차압을 225bar 정도 수준으로 감압시키는 방안에 대한 많은 연구 결과들이 도출되고 있는데, 단순한 오리피스 방식이나 튜브 형식을 이용하는 방식에서 기계적인 피드백을 이용하는 방식, 고성능 전기 모터 혹은 솔레노이드 액추에이터를 이용하는 방식을 통한 제어 방안들이 소개되고 있다.
그러나 해수의 밀도를 1000㎏/㎥으로 가정하였을 때, 유량이 4000lpm 이상에서 200bar 이상의 감압을 만들어 내는 것과 같이 고유량·고차압 조건에서는 전술한 방법들로서는 현실적으로 달성하기 어려운 것이 현실이다.
이러한 고유량·고차압 조건에서는 압력제어시 밸브에서의 압력손실량이 매우 커지게 되어 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압 이하로 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는 과정에서 생기는 캐비테이션(Cavitation) 현상에 의해 순간적으로 기포가 생성되고 다시 압력 회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압이 발생하여 밸브에 손상을 가하게 되고, 심한 진동과 소음이 유발되어 심한 경우에는 밸브 구동부까지 손상시키는 경우가 있으며, 또는 고차압으로 감압시 밸브 후단에서 유체의 압력이 증기압 이하로 계속 유지되면서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 유지되어 유속이 크게 증가되는 플래싱(Flashing) 현상에 의해 밸브를 침식 손상시키는 문제가 있기 때문이다.
이와 같은 유체의 차압을 크게 하여 감압시킬 경우에 발생하는 캐비테이션 혹은 플래싱 현상에 의한 밸브의 파손과 유동의 불안정성을 해결하기 위한 방안으로, 근래에는 적층형 디스크 혹은 실린더 방식으로 이루어져 그 내부에 다단 오리피스 구조의 유로를 형성함으로써 유로를 통과하는 유체의 압력을 감압하는 감압밸브를 사용하고 있다.
적층형 디스크 방식의 감압밸브의 선행기술로 공개특허 제10-2010-0033796호에는 밸브몸체의 통로 상에 배치되고 복수의 오리피스가 형성되는 케이지와의 사이에 케이지의 오리피스를 통과한 유체가 확산되는 공간이 마련되도록 케이지의 둘레로부터 소정의 간격으로 이격 배치되며, 상기 공간에서 확산된 유체가 통과하는 복수의 유로가 형성되는 차압조절부재를 포함하는 적층형 디스크 방식의 유체제어장치가 개시되어 있고, 실린더 방식의 감압밸브의 선행기술로 등록특허 제10-0740665호에는 밸브몸체 내부의 유체 통로 상에 유체가 흐르는 내측면이 유체의 흐름 방향을 따라 계단 형상으로 감압공이 형성되어 밸브몸체에 맞닿는 유체의 압력을 저감시키는 감압부를 구비한 유체용 밸브가 개시되어 있다.
상기 공개특허 제10-2010-0033796호의 유체제어장치의 경우 차압조절부재에 형성된 복수의 유로가 반경방향으로 복수의 연통홈이 오리피스 구조를 갖도록 형성되어 있으나, 복수의 연통홈이 각각 독립적으로 형성되어 있어 큰 차압을 얻는데 한계가 있으며, 상기 등록특허 제10-0740665호의 유체용 밸브의 경우 실린더 방식으로 이루어져 있어 디스크 적층 방식에 비해 감압부의 가공이 용이하지 않아 제조비용이 상승하고 생산성 측면에서 상대적으로 불리한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수의 디스크를 적층하여 구성된 디스크 적층식 고차압 밸브에서 밸브를 통과하는 유체의 유로를 회전형상의 수평유로와 상하 디스크 사이에 형성되는 수직유로를 동시에 형성함으로써 유로의 길이를 길게 하면서도 유체의 감압 효과를 극대화할 수 있는 디스크 적층식 3차원 유로를 갖는 고차압 제어밸브를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 고차압 제어밸브는, 다수의 원형디스크(210~290)가 적층되어 이루어진 디스크적층체(200)가 유체 통로 상에 구비되어 상기 디스크적층체(200)를 통과하는 유체의 압력을 감압하는 고차압 제어밸브에 있어서, 상기 다수의 원형디스크(210~290)는, 유체가 유입되는 상부유입유로(221,231,241)와 하측에서부터 유입되어 온 유체를 배출시키는 상부배출유로(225,235,245)가 각 디스크에 원주 둘레를 따라 각각 다수 개 형성된 복수의 디스크(220,230,240); 상기 상부유입유로(221,231,241)의 단부와 연통하는 하향연결유로가 각각 형성되고, 상기 상부배출유로(225,235,245)의 단부와 연통하는 상향연결유로가 각각 형성되며, 상기 하향연결유로와 상향연결유로는 각각의 단부들끼리 서로 연통되어 유체가 각 디스크의 원주 둘레를 따라 회전하면서 점점 하측방향 및 상측방향으로 각각 흐르도록 형성된 복수의 디스크(230,240,250,260,270,280); 상기 하향연결유로의 단부와 연통되어 유체를 배출시키는 하부배출유로(271,281,291)와 유체가 유입되는 하부유입유로(275,285,295)가 각 디스크에 원주 둘레를 따라 각각 다수 개 형성된 복수의 디스크(270,280,290)를 포함한다.
이 경우 상기 하향연결유로는, 상기 상부유입유로(221,231,241) 각각에 연결된 제1하향연결유로(232,242,252,262)와 제2하향연결유로(243,253,263,273) 및 제3하향연결유로(254,264,274,284)로 이루어지고; 상기 상향연결유로는, 상기 하부유입유로(275,285,295) 각각에 연결된 제1상향연결유로(238,248,258,268)와 제2상향연결유로(247,257,267,277) 및 제3상향연결유로(256,266,276,286)로 이루어지며; 상기 제1 내지 제3하향연결유로와, 제1 내지 제3상향연결유로는 각각 디스크의 반경방향으로 동심 구조를 이루는 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 제1 내지 제3하향연결유로는 각 디스크의 중심에서부터 외측방향으로 이격되어 순차 배치되고, 상기 제1 내지 제3하향연결유로는 각 디스크의 외측에서부터 중심방향으로 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루는 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 상부유입유로(221,231,241)와 제1 내지 제3하향연결유로(232,242,252,262,243,253,263,273,254,264,274,284)의 유체가 흐르는 부분은 소정 깊이 파인 홈 형상으로 이루어지고, 각 유로의 유체 배출측 단부는 디스크 몸체를 관통하도록 연결구멍이 형성되어 인접한 디스크의 연결되는 유로와 상호 연통되고; 상기 하부유입유로(275,285,295)와 제1 내지 제3상향연결유로(238,248,258,268,247,257,267,277,256,266,276,286)의 유체가 흐르는 부분은 소정 깊이 파인 홈 형상으로 이루어지고, 각 유로의 유체 유입측 단부는 관통하도록 연결구멍이 형성되어 인접한 디스크의 연결되는 유로와 상호 연통되는 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 각 디스크의 연결구멍과 연결되는 인접한 디스크의 유로는 그 연결된 부분의 통과면적이 좁아지도록 상기 연결구멍의 일부면적만 중첩되는 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 하향연결유로는 각 디스크의 내측에, 상향연결유로는 각 디스크의 외측에 각각 위치하고; 상기 하향연결유로와 상향연결유로는 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치된 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 상부유입유로(221,231,241)와 하부유입유로(275,285,295)는 각 디스크의 가장자리에서 중심방향으로 나선형상으로 이루어진 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 디스크적층체(200)의 상부유입유로(221,231,241)를 통해 유입된 유체는 상기 디스크적층체(200)의 중심축을 기준으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 상기 디스크적층체(200)의 상측에서부터 하측으로 흐른 후 상기 하부배출유로(271,281,291)를 통해 배출되도록 하향흐름유로가 형성되고, 상기 디스크적층체(200)의 하부유입유로(275,285,295)를 통해 유입된 유체는 상기 디스크적층체(200)의 중심축을 기준으로 상기 하향흐름유로와 반대방향으로 회전하면서 상기 디스크적층체(200)의 하측에서부터 상측으로 흐른 후 상기 상부배출유로(225,235,245)를 통해 배출되도록 상향흐름유로가 형성되는 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 하향흐름유로와 상향흐름유로는 각 디스크의 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치되어 있는 것으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 고차압 제어밸브에 의하면, 디스크적층체 내부의 한정된 공간에 수평유동과 수직유동을 동시에 형성시킴과 아울러 상기 유동을 시계방향과 반시계방향으로 상향 흐름과 하향 흐름을 동시에 형성시킴으로써 유체의 유동중 에너지손실량을 높여 압력 저감 효과를 극대화함과 동시에 유로의 길이를 길게 할 수 있어 압력 감소가 점진적으로 이루어지도록 구성하여 유압의 급격한 변화에 의해 초래되는 캐비테이션과 플래싱 현상을 방지함으로써 밸브의 내구성 및 유체의 유동 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 고차압 제어밸브의 구조를 보여주는 단면도
도 2는 본 발명에 따른 디스크적층체의 사시도
도 3은 본 발명의 디스크적층체의 분해 사시도
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 디스크적층체를 구성하는 디스크를 보여주는 평면도
도 6(a)는 도 4의 A-A단면도
도 6(b)는 도 4의 B-B단면도
도 6(c)는 도 4의 C-C단면도
도 7은 본 발명의 디스크에 형성된 연결구멍이 인접하는 디스크의 연결유로와 중첩되는 다른 실시예를 보여주는 도면
도 8은 유체가 제2디스크의 유입유로를 통해 유입된 후 디스크적층체의 내측공간으로 배출되는 과정을 보여주는 도면
도 9는 유체가 제3디스크의 유입유로를 통해 유입된 후 디스크적층체의 내측 공간으로 배출되는 과정을 보여주는 도면
도 10은 유체가 제9디스크의 유입유로를 통해 유입된 후 디스크적층체의 내측공간으로 배출되는 과정을 보여주는 도면
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 고차압 제어밸브의 구조를 보여주는 단면도이다. 본 발명에 따른 하이브리드 고차압 제어밸브는, 유체의 입구(110)와 출구(120)가 양측으로 형성되고, 그 사이에 유체의 유동 통로가 마련된 밸브몸체(100)와, 상기 밸브몸체(100)의 유동 통로 상에 배치되고 내부에는 유체의 감압을 위한 다단의 오리피스 구조의 유로가 마련되도록 다수의 환형디스크가 적층되어 중공의 원통 형상으로 이루어진 디스크적층체(200)와, 상기 디스크적층체(200)의 내부의 중공부에 삽입되어 길이방향으로 왕복이동함에 따라 디스크적층체(200)의 유로를 개방 또는 폐쇄시켜 유량을 조절하는 플런저(130)와, 상기 플런저(130)의 상부에 결합되어 플런저(130)의 이동을 위한 구동력을 전달하는 스템(140)을 포함하여 구성된다.
본 발명에서는 상기 디스크적층체(200)를 통과하는 유체의 통과 전후의 압력 저감 효과를 극대화할 수 있도록 유로를 디스크적층체 내부에서 3차원 형상으로 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 고차압 제어밸브에 구비되는 디스크적층체(200)의 구성 및 작용을 실시예에 따라 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 디스크적층체의 사시도, 도 3은 본 발명의 디스크적층체의 분해 사시도, 도 4와 도 5는 본 발명에 따른 디스크적층체를 구성하는 디스크를 보여주는 평면도, 도 6(a)는 도 4의 A-A단면도, 도 6(b)는 도 4의 B-B단면도, 도 6(c)는 도 4의 C-C단면도이다.
본 발명에 따른 디스크적층체(200)는, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 중앙부가 중공된 원형디스크(210 ~ 290)가 상하로 다수 적층된 구조로 이루어진 것으로, 최상부의 원형디스크(210)를 제외한 나머지 원형디스크(220~290)의 상면에는 유체가 통과하는 유로 형성을 위한 홈과 구멍이 형성되고, 그 이면은 평평한 형상으로 이루어져 있다.
따라서 상측에 위치한 환형디스크의 하면과 그 하측에 적층된 환형디스크의 홈 사이에 마련된 공간을 통해 디스크적층체(200)의 외측과 내부공간(201)이 소통되는 유로가 형성된다.
상기 디스크적층체(200)를 구성하는 디스크(220~290)에서 유입유로(221,231,241,275,285,295)와, 배출유로(225,235,245,271,281,291)와, 하향연결유로(232,242,243,252,253,254,262,263,264,273,274,284)와, 상향연결유로(238,247,248,256,257,258,266,267,268,276,277,286)는 각 디스크의 상면으로부터 소정 깊이 파인 홈 형상으로 되어 있고, 각 유로의 단부에 형성된 연결구멍(221a,225a,231a,232a,235a,238a,241a,242a,243a,245a,247a,248a,252a,253a,254a,256a,257a,258a,262a,263a,264a,266a,267a,268a,273a,274a,276a,277a,284a,286a)은 각 디스크 몸체를 상부에서 하부까지 관통하여 형성된다. 도 6에는 홈과 연결구멍이 나타나 있는데, 디스크(220,230)에는 유로를 형성하기 위해 소정 깊이로 파인 홈 형상의 연결유로(232,238)가 형성되어 있고, 그 유로의 단부에 형성되어 상하부 디스크 사이에 유체를 연통시키기 위해 디스크 몸체를 관통하는 연결구멍(221a,231a,232a,235a,238a)이 형성되어 있다.
이와 같이 홈과 연결구멍으로 유로를 형성하면 인접하는 상,하부 디스크 사이에 유로가 중첩되더라도 유체가 상호 혼합되는 유로가 발생하는 것을 방지할 수 있어, 디스크 몸체를 절개하여 구성한 형상에 비하여 많은 개수의 유로를 형성할 수 있어 유로 길이를 최대화시킬 수 있다.
상기 디스크적층체(200) 중 가장 상부에 위치하는 제1디스크(210)는 상하면이 모두 평평한 형상으로서 유로를 형성하는 홈이 형성되어 있지 않다.
상기 제1디스크(210)의 하부에 적층된 제2디스크(220)에는, 디스크적층체(200)의 외부에서부터 유체가 유입될 수 있도록 제1상부유입유로(221)가 형성되어 있다.
상기 제1상부유입유로(221)의 배출측 단부에는 하부에 적층된 제3디스크(230)의 제1하향연결유로(232)와 연통하도록 연결구멍(221a)이 디스크 몸체를 관통하도록 형성되어 있고, 제1상부유입유로(221)의 유입측 단부에는 제1디스크(210)의 하면과의 사이에 형성되는 공간으로서 유체가 유입되는 유입구(221b)가 형성되어 있으며, 상기 유입구(221b)에서부터 연결구멍(221a)까지의 유로 구간은 홈 형상으로 이루어져 있다. 상기 연결구멍(221a)은 디스크의 중심에 가까운 위치에 형성된다.
상기 제1상부유입유로(221)는 제2디스크(220) 상에서 원주 둘레를 따라 일정 간격으로 4군데 형성되어 있고, 각각의 제1상부유입유로(221)는 제2디스크(220)의 가장자리에서 중심방향으로 나선형상으로 되어 있어 유로 길이를 최대화시킬 수 있다.
한편, 상기 제1상부유입유로(221)들 사이에는 제1상부배출유로(225)가 원주 둘레를 따라 일정 간격으로 4군데 형성되어 있다. 상기 제1상부배출유로(225)는 디스크적층체(200)의 하부에서부터 유입되어 올라온 유체가 배출되는 유로로서, 유체가 유입되는 올라오는 유입측에는 제2디스크(220) 몸체를 관통하여 형성된 연결구멍(225a)이 형성되어 있고, 상기 연결구멍(225a)을 통해 올라온 유체가 통과하도록 홈 형상의 유로 구간이 형성되어 있으며, 제1상부배출유로(225)를 통과한 유체가 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출되도록 배출구(225b)가 형성되어 있다. 상기 배출구(225b)는 디스크의 가장자리에 가까운 위치에 형성된다.
상기 제1상부유입유로(221)는 디스크적층체(200)의 외부에서 유입되어 온 유체가 디스크의 중심을 향해 반시계방향으로 회전하면서 흐르도록 배치되어 있는 반면, 상기 제1상부배출유로(225)는 디스크적층체(200)의 하부에서 올라온 유체가 디스크의 중심을 향해 시계방향으로 회전하면서 흐르도록 배치되어 있다.
상기 제2디스크(220)의 하부에 적층된 제3디스크(230)에는, 외부에서 유체가 유입되는 제2상부유입유로(231), 상기 제1상부유입유로(221)와 연결된 제1하향연결유로(232), 디스크적층체(200)의 하부에서 올라온 유체가 배출되는 제2상부배출유로(235), 및 상기 제1상부배출유로(225)와 연결된 제1상향연결유로(238)가 형성되어 있다.
상기 제2상부유입유로(231)는, 제2디스크(220)에 형성된 제1상부유입유로(221)과 동일하게 나선형상으로 되어 있고, 유체가 유입되는 유입구(231b)와 유체가 하부로 배출되는 배출측의 연결구멍(231a)이 형성되어 있다. 상기 제2상부유입유로(231)는 파인 홈 형상으로 이루어져 있고, 상기 연결구멍(231a)은 디스크(230)의 몸체를 관통하도록 형성되어 상기 제3디스크(230)의 하부에 적층된 디스크(240)의 연결유로(243)와 연통하도록 되어 있다.
상기 제1하향연결유로(232)는 디스크의 중심을 기준으로 일정한 반경을 가지는 띠 모양으로 디스크의 상면으로부터 소정 깊이 파인 홈 형상으로 형성되어 있고, 일측단은 상기 제2디스크(220)의 연결구멍(221a) 하부에 위치함으로써 제1상부유입유로(221)와 연결되고, 타측단에는 디스크 몸체를 관통하여 형성됨으로써 하부의 제4디스크(240)의 연결유로(242)와 연통하도록 연결구멍(232a)이 형성되어 있다.
상기 제2상부배출유로(235)는 디스크의 외측에서부터 중심방향으로 나선형상으로 연장되는 띠 모양으로 파인 홈 형상으로 되어 있고, 일측단은 제4디스크(240)를 통과하여 온 유체가 유입되어 올라올 수 있도록 관통된 통과구멍(235a)이 형성되어 있고, 타측단에은 유체가 배출되는 배출구(235b)가 형성되어 있다.
상기 제1상향연결유로(238)는 디스크의 중심을 기준으로 일정한 반경을 가지는 띠 모양으로 파인 홈 형상으로 형성되어 있고, 디스크적층체(200)의 하부에서부터 올라온 유체가 유입되는 측에는 관통된 연결구멍(238a)가 형성되어 있으며, 디스크의 가장자리에서 가까운 내측에 위치하고 있다.
상기 제2상부유입유로(231)와 제2상부배출유로(235)는 제3디스크(230) 상에서 원주 둘레를 따라 일정 간격으로 4군데씩 형성되어 있고, 제3디스크(230)의 가장자리에서 중심방향으로 나선형상으로 되어 있다. 상기 제2상부유입유로(231)는 유체가 디스크의 중심을 향해 반시계방향으로 회전하면서 흐르는 반면, 제2상부배출유로(235)는 유체가 디스크의 중심을 향해 시계방향으로 회전하면서 흐르도록 배치되어 있다.
상기 제3디스크(230)의 하부에 적층된 제4디스크(240)에는, 외부에서 유체가 유입되는 제3상부유입유로(241), 상기 제3디스크(230)의 제1하향연결유로(232)와 연결된 제1하향연결유로(242), 상기 제3디스크(230)의 제2상부유입유로(231)와 연결된 제2하향연결유로(243), 디스크적층체(200)의 하부에서 올라온 유체가 배출되는 제3상부배출유로(245), 상기 제2상부배출유로(235)와 연결된 제2상향연결유로(247), 및 상기 제3디스크(230)의 제1상향연결유로(238)와 연결된 제1상향연결유로(248)가 형성되어 있다.
상기 제1하향연결유로(242)와 제2하향연결유로(243)는 디스크의 중심으로부터 외측방향으로 소정 거리 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루도록 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성되어 있다.
또한 제1상향연결유로(248)와 제2상향연결유로(247)는 디스크의 외측으로부터 중심방향으로 소정 거리 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루도록 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성되어 있다.
상기 하향연결유로(242,243)와 상향연결유로(247,248)는 디스크의 내측과 외측에 각각 위치하고, 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치되어 있다.
상기 제3상부유입유로(241)와 제3상부배출유로(245)는 제4디스크(240) 상에서 원주 둘레를 따라 일정 간격으로 4군데 형성되어 있고, 제4디스크(220)의 가장자리에서 중심방향으로 나선형상으로 되어 있다. 상기 제3상부유입유로(241)는 유체가 디스크의 중심을 향해 반시계방향으로 회전하면서 흐르는 반면, 제3상부배출유로(245)는 유체가 디스크의 중심을 향해 시계방향으로 회전하면서 흐르도록 배치되어 있다.
상기 제4디스크(240)의 하부에 적층된 제5디스크(250)에는, 상기 제4디스크(240)의 제1하향연결유로(242)와 제2하향연결유로(243)와 각각 연결된 제1하향연결유로(252)와 제2하향연결유로(253), 상기 제3상부유입유로(241)에 연결된 제3하향연결유로(254), 상기 제4디스크(240)의 제1상향연결유로(248)와 제2상향연결유로(247)에 각각 연결된 제1상향연결유로(258)와 제2상향연결유로(257), 상기 제3상부배출유로(245)에 연결된 제3상향연결유로(256)가 형성되어 있다.
상기 제1하향연결유로(252)와 제2하향연결유로(253) 및 제3하향연결유로(254)는 디스크의 중심으로부터 외측방향으로 소정 거리 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루도록 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성되어 있다.
또한 제1상향연결유로(258)와 제2상향연결유로(257) 및 제3상향연결유로(256)는 디스크의 외측으로부터 중심방향으로 소정 거리 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루도록 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성되어 있다.
상기 하향연결유로(252,253,254)와 상향연결유로(256,257,258)는 디스크의 내측과 외측에 각각 위치하고, 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치되어 있다.
상기 제5디스크(250)의 하부에 적층된 제6디스크(260)에는, 상기 제5디스크(250)의 제1하향연결유로(252)와 제2하향연결유로(253) 및 제3하향연결유로(254)에 각각 연결된 제1하향연결유로(262)와 제2하향연결유로(263) 및 제3하향연결유로(264), 상기 제5디스크(250)의 제1상향연결유로(258)와 제2상향연결유로(257) 및 제3상향연결유로(256)에 각각 연결된 제1상향연결유로(268)와 제2상향연결유로(267) 및 제3상향연결유로(266)가 형성되어 있다.
상기 제6디스크(260)의 하향연결유로(262,263,264)와 상향연결유로(266,267,268)는 상기 제5디스크(250)의 하향연결유로(252,253,254)와 상향연결유로(256,257,258)와 대비하여 각 유로의 형상 및 배치가 동일하게 형성되어 있다.
상기 제6디스크(260)의 하부에 적층된 제7디스크(270)에는, 상기 제6디스크(260)의 제2하향연결유로(263)와 제3하향연결유로(264)에 각각 연결된 제2하향연결유로(273)와 제3하향연결유로(274), 상기 제6디스크(260)의 제2상향연결유로(267)와 제3상향연결유로(266)에 각각 연결된 제2상향연결유로(277)와 제3상향연결유로(276)가 형성되어 있다.
상기 제2하향연결유로(273)의 내측에는 상기 제6디스크(260)의 제1하향연결유로(262)에 연결되는 제1하부배출유로(271)가 형성되어 있고, 상기 제2상향연결유로(277)의 외측 가장자리에는 상기 제6디스크(260)의 제3상향연결유로(266)에 연결된 제1하부유입유로(275)가 형성되어 있어 디스크적층체(200) 외부의 유체가 상기 제1하부유입유로(275)를 통해 유입된다.
상기 제2하향연결유로(273) 및 제3하향연결유로(274)는 디스크의 중심으로부터 외측방향으로 소정 거리 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루도록 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성되어 있고, 상기 제2상향연결유로(277) 및 제3상향연결유로(276)는 디스크의 외측으로부터 중심방향으로 소정 거리 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루도록 소정의 폭을 갖는 띠 모양으로 형성되어 있다.
상기 제1하부배출유로(271)는 상기 제2하향연결유로(273) 내측에 나선형상으로 형성되어 있고, 상기 제1하부유입유로(275)는 상기 제2상향연결유로(277) 외측에 나선형상으로 형성되어 있다.
상기 제1하부배출유로(271)와 하향연결유로(273,274)는 유체의 하향흐름유로를 구성하면서 디스크의 중심에 가까운 내측에 위치하고, 상기 제1하부유입유로(275)와 상향연결유로(276,277)는 유체의 상향흐름유로를 구성하면서 디스크의 중심으로부터 먼 외측에 위치한다. 상기 하향흐름유로와 상향흐름유로는 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치되어 있다.
상기 제7디스크(270)의 하부에 적층된 제8디스크(280)에는, 상기 제7디스크(270)의 제2하향연결유로(273)와 제3하향연결유로(274)에 각각 연결된 제2하부배출유로(281)와 제3하향연결유로(284), 상기 제7디스크(270)의 제3상향연결유로(276)와 제2상향연결유로(277)에 각각 연결되는 제3상향연결유로(286)와 제2하부유입유로(285)가 형성되어 있다.
상기 제3하향연결유로(284)와 제3상향연결유로(286)는 일정한 반경으로 소정의 폭을 갖는 띠 모양의 홈으로 이루어져 있고, 상기 제2하부배출유로(281)는 상기 제3하향연결유로(284)의 내측에 나선형상으로 형성되어 있으며, 상기 제2하부유입유로(285)는 상기 제3상향연결유로(286)의 외측에 나선형상으로 형성되어 있다.
하향흐름유로를 구성하는 상기 제2하부배출유로(281)와 제3하향연결유로(284)는, 상향흐름유로를 구성하는 상기 제3상향연결유로(286)와 제2하부유입유로(285)와 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치되어 있다.
상기 제8디스크(280)의 하부에 적층된 제9디스크(290)에는, 상기 제8디스크(280)의 제3하향연결유로(284)에 연결된 제3하부배출유로(291), 상기 제8디스크(280)의 제3상향연결유로(286)에 연결된 제3하부유입유로(295)가 형성되어 있다.
상기 제3하부배출유로(291)는 유로방향이 반시계방향으로 회전하도록 나선형상으로 원주 둘레를 따라 4개 배치되어 있고, 상기 제3하부유입유로(295)는 유로방향이 시계방향으로 회전하도록 나선형상으로 원주 둘레를 따라 상기 제3하부배출유로(291)와는 원주방향으로 엇갈리도록 지그재그형태로 4개 배치되어 있다.
도 7은 본 발명의 디스크에 형성된 연결구멍이 인접하는 디스크의 연결유로와 중첩되는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
각 디스크(220~280)에 형성된 유로에는 해당 유로의 단부에 연결구멍이 디스크 몸체를 관통하는 형상으로 형성되어 있다. 일례로 제2디스크(220)의 제1상부유입유로(221)의 단부에 형성된 연결구멍(221a)은 제3디스크(230)의 제1하향연결유로(232)의 일측 단부와 연통하도록 되어 있다.
이 경우 도 7에 나타난 바와 같이 연결구멍(221a)은 소정의 직경을 갖는 원형으로 이루어져 있고, 빗금친 부분(232b)과 같이 연결구멍(221a)의 일부 면적만 제1하향연결유로(232)의 단부와 중첩되도록 하게 되면 유체가 통과하는 면적이 좁아져 오리피스 구조를 구현할 수 있으므로 보다 큰 폭의 압력 저감 효과를 기대할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 디스크적층체(200) 내부에 형성된 유로를 유체가 통과하면서 압력이 감압되는 과정을 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한다.
도 8은 유체가 제2디스크의 유입유로를 통해 유입된 후 디스크적층체의 내측공간으로 배출되는 과정을 보여주는 도면이고, 도 9는 유체가 제3디스크의 유입유로를 통해 유입된 후 디스크적층체의 내측 공간으로 배출되는 과정을 보여주는 도면이고, 도 10은 유체가 제9디스크의 유입유로를 통해 유입된 후 디스크적층체의 내측공간으로 배출되는 과정을 보여주는 도면이다.
디스크적층체(200)의 외부로부터 내부 공간으로 유체가 유입되는 경우 그 유체는 디스크적층체(200)의 상부에 형성된 제1 내지 제3상부유입유로(221,231,241)와 하부에 형성된 제1 내지 제3하부유입유로(275,285,295)를 통해 유입된다.
도 8을 참조하면, 제2디스크(220)의 제1상부유입유로(221)를 통해 유입된 유체는 제1상부유입유로(221)의 배출측 단부에 형성된 연결구멍(221a)을 통해 유로방향이 하방향으로 변경되어 제3디스크(230)의 제1하향연결유로(232)의 일측 단부로 흐르게 된다. 이와 같이 유체는 제1상부유입유로(221)를 통과하면서 유로의 내측면과의 유동마찰에 의해 일부 감압이 이루어지고, 유체가 제1상부유입유로(221)의 수평방향 내벽에 충돌함과 동시에 상기 연결구멍(221a)을 통해 유로 방향이 하방향으로 변경되면서 유체의 운동에너지가 충돌에너지로 변환 및 소실되어 유체의 압력이 감소된다.
상기 제3디스크(230)의 제1하향연결유로(232)를 따라 반시계방향으로 흐르는 유체는 제1하향연결유로(232)의 단부에 형성된 연결구멍(232a)를 통해 제4디스크(240)의 제1하향연결유로(242)로 유입된 후, 제5디스크(250)의 제1하향연결유로(252)와 제6디스크(260)의 제1하향연결유로(262)를 반시계방향으로 회전하면서 순차 거친 후 제7디스크(270)의 제1하부배출유로(271)를 통해 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출됨으로써 소정의 압력으로 감압된다.
도 9를 참조하면, 제3디스크(230)의 제2상부유입유로(231)를 통해 유입된 유체는, 제2상부유입유로(231)의 연결구멍(231a)을 거쳐 제4디스크(240)의 제2하향연결유로(243) 및 연결구멍(243a), 제5디스크(250)의 제2하향연결유로(253) 및 연결구멍(253a), 제6디스크(260)의 제2하향연결유로(263) 및 연결구멍(263a), 제7디스크(270)의 제2하향연결유로(273) 및 연결구멍(273a)을 반시계방향으로 회전하면서 순차 거친 후 제8디스크(280)의 제2하부배출유로(281)를 통해 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출됨으로써 소정의 압력으로 감압된다.
이와 마찬가지로, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 제4디스크(240)의 제3상부유입유로(241)를 통해 유입된 유체는, 제3상부유입유로(241)의 연결구멍(241a)을 거쳐 제5디스크(250)의 제3하향연결유로(254) 및 연결구멍(254a), 제6디스크(260)의 제3하향연결유로(264) 및 연결구멍(264a), 제7디스크(270)의 제3하향연결유로(274) 및 연결구멍(274a), 제8디스크(280)의 제3하향연결유로(284) 및 연결구멍(284a)을 반시계방향으로 회전하면서 순차 거친 후 제9디스크(290)의 제3하부배출유로(291)를 통해 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출됨으로써 소정의 압력으로 감압된다.
이상에서는 유체의 하향흐름을 도 8과 도 9를 참조하여 설명하였고, 이하에서는 유체의 상향흐름을 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 제9디스크(290)의 제3하부유입유로(295)를 통해 유입된 유체도, 제8디스크(280)의 연결구멍(286a) 및 제3상향연결유로(286), 제7디스크(270)의 연결구멍(276a) 및 제3상향연결유로(276), 제6디스크(260)의 연결구멍(266a) 및 제3상향연결유로(266), 제5디스크(250)의 연결구멍(256a) 및 제3상향연결유로(256)를 시계방향으로 회전하면서 순차 거친 후 제4디스크(240)의 연결구멍(245a) 및 제3상부배출유로(245)를 통해 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출됨으로써 소정의 압력으로 감압된다.
이와 마찬가지로, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 제7디스크(270)의 제1하부유입유로(275)를 통해 유입된 유체는, 제6디스크(260)의 연결구멍(268a) 및 제1상향연결유로(268), 제5디스크(250)의 연결구멍(258a) 및 제1상향연결유로(258), 제4디스크(240)의 연결구멍(248a) 및 제1상향연결유로(248), 제3디스크(230)의 연결구멍(238a) 및 제1상향연결유로(238)를 시계방향으로 회전하면서 순차 거친 후 제2디스크(220)의 연결구멍(225a) 및 제1상부배출유로(225)를 통해 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출됨으로써 소정의 압력으로 감압된다.
또한 제8디스크(280)의 제2하부유입유로(285)를 통해 유입된 유체도, 제7디스크(270)의 연결구멍(277a) 및 제2상향연결유로(277), 제6디스크(260)의 연결구멍(267a) 및 제2상향연결유로(267), 제5디스크(250)의 연결구멍(257a) 및 제2상향연결유로(257), 제4디스크(240)의 연결구멍(247a) 및 제2상향연결유로(247)를 시계방향으로 회전하면서 순차 거친 후 제2디스크(230)의 연결구멍(235a) 및 제2상부배출유로(235)를 통해 디스크적층체(200)의 내부 공간으로 배출됨으로써 소정의 압력으로 감압된다.
상기와 같은 구조에 의하면 유체가 흐르는 유로는 디스크 상면으로부터 소정 깊이로 파인 홈 형상으로 하고, 그 유로의 단부에는 디스크 몸체를 관통하여 형성된 연결구멍을 형성시킴으로써 상하 적층된 디스크 상의 유로를 상호 독립적으로 하면서도 많은 유로를 만들 수 있을 뿐만 아니라 유로의 길이를 길게 형성할 수 있어 유체의 감압 효과를 극대화할 수 있다. 또한 하나의 디스크를 통해 유입된 유체는 그 디스크 상면에 형성된 유로를 따라 흐르는 수평방향 유동에 의해 유체의 에너지가 손실될 뿐만 아니라 그 디스크에 인접하여 적층된 디스크의 유로로 수직 위치가 변경되는 수직방향 유동에 의해 많은 에너지 손실을 유발시킬 수 있어 감압효과를 보다 더 증대시킬 수 있다.
상기에서는 유체가 유입되는 유입유로와 배출유로를 상부유입유로(221,231,241)와 하부유입유로(275,285,295)와 상부배출유로(225,235,245) 및 하부배출유로(271,281,291)를 각각 3개씩 구성하는 것으로 하였으나, 이는 예시에 불과하고 적층되는 디스크의 개수, 각 디스크에 형성된 연결유로의 폭, 상기 연결유로의 형상 등을 변경함으로써 유입유로의 개수 및 배출유로의 개수는 변경 가능하다.
또한 유로를 길게 형성할 수 있어 그 유로를 따라 유체가 유동하면서 유체의 급격한 변동을 방지하고 결과적으로는 큰 차압을 얻을 수 있게 되므로 유압의 급격한 변화에 의해 초래되는 캐비테이션 및 플래싱 현상을 최소화함으로써 밸브의 내구성 및 유체의 유동 안정성을 향상시키고 진동 및 소음 발생을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
100 : 밸브몸체 110 : 입구
120 : 출구 130 : 플러그
140 : 스템 200 : 디스크적층체
210 : 제1디스크 220 : 제2디스크
221 : 제1상부유입유로 225 : 제1상부배출유로
230 : 제3디스크 231 : 제2상부유입유로
235 : 제2상부배출유로 240 : 제4디스크
241 : 제3상부유입유로 245 : 제3상부배출유로
250 : 제5디스크 260 : 제6디스크
270 : 제7디스크 271 : 제1하부배출유로
275 : 제1하부유입유로 280 : 제8디스크
281 : 제2하부배출유로 285 : 제2하부유입유로
290 : 제9디스크 291 : 제3하부배출유로
295 : 제3하부유입유로 232,242,252,262 : 제1하향연결유로
238,248,258,268 : 제1상향연결유로
243,253,263,273 : 제2하향연결유로
247,257,267,277 : 제2상향연결유로
254,264,274,284 : 제3하향연결유로
256,266,276,286 : 제3상향연결유로
221a,225a,231a,232a,235a,238a,241a,242a,243a,245a,247a,248a,252a,253a,254a,256a,257a,258a,262a,263a,264a,266a,267a,268a,273a,274a,276a,277a,284a,286a : 연결구멍

Claims (9)

  1. 다수의 원형디스크(210~290)가 적층되어 이루어진 디스크적층체(200)가 유체 통로 상에 구비되어 상기 디스크적층체(200)를 통과하는 유체의 압력을 감압하는 고차압 제어밸브에 있어서,
    상기 다수의 원형디스크(210~290)는,
    유체가 유입되는 상부유입유로(221,231,241)와 하측에서부터 유입되어 온 유체를 배출시키는 상부배출유로(225,235,245)가 각 디스크에 원주 둘레를 따라 각각 다수 개 형성된 복수의 디스크(220,230,240);
    상기 상부유입유로(221,231,241)의 단부와 연통하는 하향연결유로가 각각 형성되고, 상기 상부배출유로(225,235,245)의 단부와 연통하는 상향연결유로가 각각 형성되며, 상기 하향연결유로와 상향연결유로는 각각의 단부들끼리 서로 연통되어 유체가 각 디스크의 원주 둘레를 따라 회전하면서 점점 하측방향 및 상측방향으로 각각 흐르도록 형성된 복수의 디스크(230,240,250,260,270,280);
    상기 하향연결유로의 단부와 연통되어 유체를 배출시키는 하부배출유로(271,281,291)와 유체가 유입되는 하부유입유로(275,285,295)가 각 디스크에 원주 둘레를 따라 각각 다수 개 형성된 복수의 디스크(270,280,290)를 포함하되,
    상기 하향연결유로는, 상기 상부유입유로(221,231,241) 각각에 연결된 제1하향연결유로(232,242,252,262)와 제2하향연결유로(243,253,263,273) 및 제3하향연결유로(254,264,274,284)로 이루어지고;
    상기 상향연결유로는, 상기 하부유입유로(275,285,295) 각각에 연결된 제1상향연결유로(238,248,258,268)와 제2상향연결유로(247,257,267,277) 및 제3상향연결유로(256,266,276,286)로 이루어지며;
    상기 제1 내지 제3하향연결유로와, 제1 내지 제3상향연결유로는 각각 디스크의 반경방향으로 동심 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3하향연결유로(232,242,252,262,243,253,263,273,254,264,274,284)는 각 디스크의 중심에서부터 외측방향으로 이격되어 순차 배치되고, 상기 제1 내지 제3하향연결유로(238,248,258,268,247,257,267,277,256,266,276,286)는 각 디스크의 외측에서부터 중심방향으로 이격되도록 순차 배치되어 동심 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부유입유로(221,231,241)와 제1 내지 제3하향연결유로(232,242,252,262,243,253,263,273,254,264,274,284)의 유체가 흐르는 부분은 소정 깊이 파인 홈 형상으로 이루어지고, 각 유로의 유체 배출측 단부는 디스크 몸체를 관통하도록 연결구멍이 형성되어 인접한 디스크의 연결되는 유로와 상호 연통되고;
    상기 하부유입유로(275,285,295)와 제1 내지 제3상향연결유로(238,248,258,268,247,257,267,277,256,266,276,286)의 유체가 흐르는 부분은 소정 깊이 파인 홈 형상으로 이루어지고, 각 유로의 유체 유입측 단부는 관통하도록 연결구멍이 형성되어 인접한 디스크의 연결되는 유로와 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각 디스크의 연결구멍과 연결되는 인접한 디스크의 유로는 그 연결된 부분의 통과면적이 좁아지도록 상기 연결구멍의 일부면적만 중첩되는 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하향연결유로는 각 디스크의 중심방향인 내측에, 상향연결유로는 각 디스크의 가장자리인 외측에 각각 위치하고; 상기 하향연결유로와 상향연결유로는 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치된 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 상부유입유로(221,231,241)와 하부유입유로(275,285,295)는 각 디스크의 가장자리에서 중심방향을 향하는 나선형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 디스크적층체(200)의 상부유입유로(221,231,241)를 통해 유입된 유체는 상기 디스크적층체(200)의 중심축을 기준으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 상기 디스크적층체(200)의 상측에서부터 하측으로 흐른 후 상기 하부배출유로(271,281,291)를 통해 배출되도록 하향흐름유로가 형성되고, 상기 디스크적층체(200)의 하부유입유로(275,285,295)를 통해 유입된 유체는 상기 디스크적층체(200)의 중심축을 기준으로 상기 하향흐름유로와 반대방향으로 회전하면서 상기 디스크적층체(200)의 하측에서부터 상측으로 흐른 후 상기 상부배출유로(225,235,245)를 통해 배출되도록 상향흐름유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하향흐름유로와 상향흐름유로는 각 디스크의 원주 방향으로 엇갈리도록 지그재그 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고차압 제어밸브.
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