KR101277693B1 - 유체 흐름 제어 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체 흐름 제어 밸브에 관한 것으로서: 공급관과의 연결을 위한 입구(E); 배출관과의 연결을 위한 출구(S); 휴지 상태에서 상기 입구(E)를 출구(S)로부터 격리시키도록 밸브 시트(2)에 지지되는 밸브 부재(1); 및 상기 밸브 부재(1)를 움직이게 하는 작동 수단(5, C)을 포함하며, 상기 작동 수단은: 정해진 단면을 갖는 구멍(11)을 매개로 상기 입구(E)와 소통하고, 상기 밸브 부재를 시트에 밀착시키도록 밸브 부재(1)의 시트 반대쪽에 배치되는 챔버(C); 및 상기 챔버(C)를 출구(S)에 연결하는 바이패스(5)로서, 유체를 통과시키는 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 제어될 수 있으며, 개방되면 챔버 내 압력이 떨어지도록 상기 구멍(11)의 관통 단면보다 큰 관통 단면을 가지는 바이패스(5);를 포함하는 유체흐름 제어 밸브에 있어서, 상기 제어 밸브는 상기 밸브 부재로부터 하류로의 누출을 탐지하는 유체누출 탐지 수단(4, 5, 6)이 통합된 것을 특징으로 한다.
유체 흐름 제어 밸브, 밸브 부재, 밸브 시트, 작동 수단, 탐지 수단, 바이패스

Description

유체 흐름 제어 밸브{FLUID FLOW CONTROL VALVE}
본 발명은 유체 공급라인에 설치하는 유체 흐름 제어 밸브에 관한 것이다. 상기 유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 상기 밸브는 유체를 흐르게 하거나 막는 방식으로 제어된다. 이러한 유체 흐름 제어 밸브는 임의의 유체가 라인을 통해 다른 곳으로 전달되는 수많은 응용 분야에서 사용될 수 있다. 여기서, "라인"이라는 용어는 관, 튜브 등과 같은 임의의 공급 또는 전달 수단을 의미하는 것이다.
이와 같은 유체 흐름 제어 밸브는 일반적으로: 공급관에 연결하기 위한 입구; 배출관에 연결하기 위한 출구; 휴지(rest) 상태에서 입구를 출구로부터 격리시키도록 밸브 시트에 지지되는 제어 밸브 부재; 및 입구와 출구 사이에서 유체를 전달하기 위해 밸브 부재를 이동시키는 작동 수단으로 구성된다. 이러한 구성은 유체흐름 제어 밸브의 전형적인 구성이다. 이러한 밸브 중에, 정해진 단면을 갖는 구멍을 통해 입구와 연결되는 챔버를 포함하는 유형의 솔레노이드 밸브가 이미 공지되었으며, 상기 챔버는 밸브 부재를 시트에 밀착시키도록 밸브 부재의 시트 반대편에 배치된다. 상기 솔레노이드 밸브는 또한 챔버를 출구와 연결하는 바이패스를 포함 하고, 바이패스는 유체가 흐르는 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 제어될 수 있으며, 바이패스가 개방될 때 챔버 내 압력이 떨어지도록 상기 구멍의 관통 단면보다 더 큰 관통 단면을 가진다. 챔버 내 압력 강하는 바이패스를 통해 흐르는 챔버 내 유체가 상기 정해진 크기의 구멍을 통해 챔버 내로 들어올 수 있는 유체보다 더 빨리 흐르게 되어 일어난다. 또한 밸브 부재는 입구 유체의 압력을 받아 상승하여 시트로부터 떨어지며, 이로 인해 유체 소통 통로가 개방되어 유체가 출구에 도달할 수 있다. 이 작동원리는 솔레노이드 밸브에 전형적인 것이다. 이러한 제어 밸브는 유체 흐름의 2가지(작동/꺼짐) 제어로 구성되는 단 하나의 기능만을 수행한다.
본 발명의 목적은 상기한 제어 밸브에, 제어 밸브가 설치되는 라인의 확실하고 안전한 작동에 유용한 또 다른 기능을 부여하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 제어 밸브에는 상기 밸브 부재로부터 하류로의 누출을 탐지하는 유체누출 탐지 수단이 통합된다. 누출 탐지 수단은 종래 제어 밸브에 단순히 부가되는 것이 아니라, 단일 유닛을 형성하도록 통합된 부품을 형성한다. 즉, 누출 탐지 수단은 제어 밸브에서 분리될 수 없다. 따라서 이와 같은 본 발명의 제어 밸브는 2가지 기능: 유체의 흐름을 차단하는 전형적인 기능; 및 누출을 탐지하는 추가적인 기능;을 수행한다. 누출 탐지 수단이 통합된 이러한 밸브는 관, 튜브, 파이프 등에서 유체를 전달하고 탐지하는데 사용될 수 있다. 또한 용기, 그릇, 탱크, 저장소 등의 기밀도(leaktightness)를 시험하는데 사용될 수 있다.
EP 0 964 235 A1은 압력차의 영향을 받을 때 이동할 수 있는 탄성 플러그를 포함하는 유체누출 탐지기를 개시한다. 행정(stroke)의 끝에서, 탄성 플러그는 바이패스를 활성화하는 접촉을 하고, 이는 탐지기의 입구와 출구 사이의 압력이 균형을 이루도록 한다. 그러나, 상기 유럽공개공보의 탐지기는 어떤 상황에서는 누출이 탐지될 때 유체의 흐름을 차단할 수 없다. 이를 위하여, 탐지기가 구비된 공급 라인에 안전 밸브를 설치할 필요가 있다. 따라서, 누출 탐지기는 안전 밸브에 결코 통합되지 않는다.
바람직한 실시 형태에서, 밸브가 누출탐지 모드일 때 작동 수단이 탐지 수단의 통합된 부품을 형성하도록, 탐지 수단은 밸브 부재의 작동 수단에 연결된다. 따라서 밸브 부재의 작동 수단은 첫째로 밸브 부재를 제어하는데, 둘째로 유체 누출을 탐지하는데 사용된다. 이러한 밸브 부재 구동 수단의 이원적 사용은 본 발명의 유용한 주요 특징을 구성한다.
상술한 바와 같이 챔버와 바이패스를 포함하는 작동 수단을 이용한 제어 밸브에서, 누출 탐지 수단이 입구와 출구 사이의 압력차에 민감하게 반응하는 탐지 부재를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 탐지 부재는 챔버내 압력과 출구내 압력의 영향을 받는다. 탐지 부재는 바람직하게는 밸브 부재에 고정되는 앵커 링, 탄성적으로 변형가능한 막, 및 상기 링으로부터 떨어져 있는 엔드피스(endpiece)를 포함하고, 이 엔드피스는 막을 변형시킴으로써 링에 대해 축방향으로 이동가능하며, 또한 엔드피스에는 엔드피스의 예정된 위치를 탐지할 수 있고 바이패스가 열린 상태가 되도록 바이패스에 트리거(trigger) 신호를 전송할 수 있는 탐지 수단이 구비된다. 본 발명의 특히 유리한 특징에 따르면, 바이패스가 엔드피스에 설치된다. 엔드피스는 바람직하게는 챔버를 출구와 연결하는 관통 오리피스가 형성되어 있고, 바이패스는 솔레노이드 내에서 미끄러져 이동가능한 강자성 코어를 포함하며, 상기 코어는 솔레노이드가 작동하지 않을 때 엔드피스의 관통 오리피스를 폐쇄할 수 있고, 또한 코어에는 코어의 예정된 위치의 탐지와 코어가 엔드피스로부터 떨어져 관통 오리피스를 개방하도록 솔레노이드에 전원을 공급하는 신호를 전송할 수 있는 탐지 수단이 구비된다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 밸브 부재는 출구를 챔버 내에 배치된 이동가능한 탐지 부재 내부와 연결하는 통로를 형성한다.
실제적인 실시 형태에서, 밸브 부재는 외측 둘레가 고정 지지되어 탄성적으로 변형가능한 와셔를 포함하며, 와셔의 한쪽 면은 입구와 출구 모두와 면하고 시트에 지지되는 반면 다른쪽 면은 상기 챔버와 면하며, 상기 구멍이 와셔의 한쪽 면에서 다른쪽 면으로 관통한다. 바람직하게는, 밸브 부재는 출구를 이동가능한 탐지 부재의 내부와 연결하는 통로가 형성된 단단한 부싱을 더 포함하고, 이동가능한 탐지 부재는 부싱에 고정되며, 부싱은 와셔를 시트에 누르도록 스프링에 의해 밀착된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에서, 제어 밸브는 출구 내에 유량 제어 수단을 더 포함하며, 이 유량 제어 수단은 유량이 예정값에 도달하면 누출 탐지 수단으로부터 차단 신호를 전송한다.
요약하면, 입구와 출구 사이의 압력차는 출구에서의 누출, 더 일반적으로는 밸브 부재로부터 하류로의 누출을 나타내는 것이라 할 수 있다. 탐지 부재가 일 측면에서는 입구 압력의 작용을 받고 다른 측면에서는 출구 압력의 작용을 받아, 압력차가 누출 탐지 수단의 탐지 부재에 작용한다. 매우 작은 누출 또는 더 큰 누출에 대응하는 매우 다양한 범위의 압력차는 탐지 부재 민감도의 함수로 탐지할 수 있다. 매우 큰 누출을 고려할 때 누출 탐지 수단을 유량계로 사용하는 것도 가능하다. 매우 큰 누출이 밸브의 표준 흐름 상태에 해당할 수도 있다. 이동가능한 탐지 부재에서, 탐지 부재가 예정된 위치에 도달하면 밸브 부재의 양 측면 압력의 균형을 이루도록 작동 수단에 신호가 주어진다. 실제로, 이는 바이패스를 개방함으로써 수행된다. 밸브 부재의 양 측면에서 압력의 균형이 이루어지질 때, 바이패스는 닫힌다. 압력의 균형은 탐지 부재가 어떠한 압력차도 받지 않는 처음의, 휴지 상태로 동시에 복귀하도록 할 수 있다. 누출이 지속된다면, 이동가능한 탐지 부재는 또다시 발생한 압력차로 인해 다시 변형한다. 이동가능한 탐지 부재가 다시 예정된 위치에 도달하면, 압력의 균형을 이루도록 바이패스가 열리고, 탐지 부재는 그 휴지 상태로 복귀한다. 따라서, 바이패스가 연속적 및/또는 정기적으로 작동되는지 관찰함으로써, 밸브 부재로부터 하류로의 누출이 있는지를 추정할 수 있다. 그리고, 예를 들면 유량의 측면에서 누출량은 바이패스, 또는 더 일반적으로는 밸브 부재 작동 수단의 동작 빈도수의 함수로 측정할 수 있다. 바이패스가 몇 번 작동한 후, 이동가능한 탐지 부재가 그 예정된 위치에 도달할 때 바이패스가 더이상 응답하지 않도록 결정할 수 있으며, 이로써 이후에는 밸브가 닫힌 위치로 차단된다. 이와 같이 누출을 탐지할 뿐만 아니라, 지속적인 누출이 탐지될 때 밸브를 통한 흐름을 차단하는 것도 가능하다. 이동가능한 탐지 부재 대신, 압력차를 탐지하는 탐지 셀(detector cell)을 사용하는 것도 가능하다.
물론, 누출 탐지 수단이 민감하게 반응하는 압력차가 밸브 부재를 개방시킬 수 있는 압력차보다 낮아야 한다.
EP 0 964 235 A1에 나타난 유체누출 탐지기와 비교할 때, 본 발명의 탐지 수단은 전형적인 유체 흐름 제어 밸브에 합체 또는 통합되고, 또한 그 작동 수단을 사용한다. 상기한 유럽공개공보에서, 탐지 수단은 제어 밸브가 장착될 수도 있는 공급 라인에 설치하기 위한 것이어서, 탐지 수단은 제어 밸브에서 완전히 분리된다. 본 발명에서는, 제어 밸브와 탐지 수단이 단일 유닛을 형성하도록 통합되며, 지속적인 누출이 탐지될 때에도 탐지 수단을 유체의 흐름을 차단하기 위해 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 비제한적인 두 개의 실시예를 통하여 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어 밸브의 휴지 상태를 도시한 종단면도;
도 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 및 2F는 6단계 작동 주기 동안 도 1의 밸브를 도시한 도면; 및,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제어 밸브의 종단면도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 유체흐름 제어 밸브의 구조를 상세히 설명하기 위해 먼저 도 1을 참조한다. 이 밸브는 솔레노이드 타입의 밸브로서, 즉 그 작동을 제어하기 위해 전기로 동력이 공급된다. 이는 특히 아래에서 상세히 설명되는 타입의 솔레노이드 밸브이다.
종래의 방식에서, 밸브는 시트(2)에 받쳐진 밸브 부재(1)에 의해 분리된 입구(E) 및 출구(S)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같은 휴지 상태에서, 밸브 부재(1)는 밀폐식으로 시트(2)에 지지되므로, 입구와 출구 사이의 모든 유체 전달을 차단한다. 따라서, 밸브는 닫힌 상태에 있다. 입구(E)는 임의의 종류의 공급관(도시되지 않음)과 연결된다. 또한, 출구는 마찬가지로 임의의 종류의 배출관 또는 유출관(도시되지 않음)과 연결된다. 이 실시예에서, 밸브 부재(1)는 두 부분, 즉 탄성적으로 변형가능한 와셔(10) 및 단단한 부싱(12)으로 만들어진다. 탄성적으로 변형가능한 와셔(10)는 그 외측 둘레가 고정 방식으로 지지되고, 중앙에는 모서리를 갖는 개구가 형성되어 있다. 부싱(12)은 와셔(10) 개구의 모서리에 체결되며, 통로(13)가 존재한다. 부싱(12)은 와셔(10)의 상당 부분에 지지된다: 그러나, 와셔(10)는 그 외측 둘레와 부싱(12)이 접촉하는 위치 사이의 영역에서 탄성적으로 변형될 수 있다. 밸브 부재(1)는 복귀 스프링(14)에 의해 휴지 위치로 조여지며, 휴지 위치에서 와셔(10)는 밀폐식으로 시트(2)에 지지된다. 본 발명에서, 와셔(10)에는 미리 정해진 작은 단면의 구멍(11)이 뚫려있다.
따라서, 밸브 부재가 휴지 위치에 있을 때, 와셔(10)의 바닥면은 입구(E) 및 출구(S) 모두와 면한다: 와셔의 바닥면은 그 외측 둘레에서 입구(E)와 접하며, 통로(13)가 형성되어 있는 그 중앙 부분에서 출구(S)와 접한다. 와셔(10)의 바닥면과 시트(2) 사이의 기밀성(leaktight) 접촉에 의해, 입구와 출구는 분리된다.
본 발명에서, 출구(S)에는 복귀 스프링(31)에 의해 밸브 부재(1)로 조여지는 예컨대 부표 형태의 유량 탐지 수단(3)이 제공될 수 있다. 유량은 부표(3) 위치의 함수로서 측정될 수 있다. 측정된 유량 값은 유량을 표시하거나, 아래에 설명된 바와 같이 밸브의 특유한 작용을 유발하는데 사용될 수 있다.
상기 밸브(1)는 구멍(11)을 매개로 입구(E)와 연통하는 챔버(C)를 한정한다. 와셔(10)의 상부면은 챔버(C) 및 부싱(12)과 면한다고 할 수 있다. 따라서, 휴지 위치에서, 구멍(11)을 매개로 유체가 통하므로, 챔버(C)는 입구(E)와 동일한 압력을 받는다.
본 발명에서, 챔버(C)는 자체적으로 펴졌다 접혔다 할 수 있는 일반적인 변형가능한 벨로우즈(bellows) 형태의 탐지 부재(4)를 포함한다. 변형가능한 탐지 부재(4)는, 부싱(12)에 고정되는 앵커(41); 탄성적으로 변형가능한 막(42); 상부 고정 목부(43), 및 상기 목부(43)에 체결되는 엔드피스(44)를 포함한다. 엔드피스(44)는 목부(43), 막(42), 및 앵커(41)와 일체로 제조될 수도 있다. 엔드피스(44)는 내부에 관(45)이 형성되어 있으며, 관의 상단부에는 관통 오리피스(46)가 있다. 변형가능한 탐지 부재(4)는 챔버(C) 내에 배치되고 챔버의 상당 부분을 차지한다. 변형가능한 탐지 부재(4)의 내부는 밸브 부재(1)에 형성된 통로(13)를 매개 로 출구(S)와 연통하는 공간(40)을 한정한다. 이 공간(40)은 상단부에서 관(45)과 관통 오리피스(46)를 통하여 챔버(C)와 소통한다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 휴지 위치에서, 관통 오리피스(46)는 스토퍼(54)에 의해 닫혀있다. 따라서, 휴지 위치에서 공간(40)은 챔버(C)와 소통하지 않는다. 챔버(C)는 입구(E)와 동일한 압력이 주어지고 공간(40)은 출구(S)와 동일한 압력이 주어지므로, 변형가능한 탐지 부재(4)는 입구(E)와 출구(S) 사이에 존재하는 압력차에 민감한 경계면을 구성한다. 휴지 위치에서, 입구(E)의 압력은 보통 출구(S)의 압력과 동일하여 압력차가 없다. 따라서, 변형가능한 탐지 부재(4)는 어떠한 압력차도 받지 않는다. 이에 반해, 입구와 출구 사이에 압력차가 존재한다면, 변형가능한 탐지 부재(4)는 이 압력차의 영향을 받게 되고, 이 압력차의 영향하에서 변형하게 된다. 물론, 변형가능한 탐지 부재(4)가 변형하는 정도는 탐지 부재의 강성에 따라 좌우된다: 따라서, 탐지 부재(4)의 강성이 클수록 작은 압력차에 덜 민감하고, 탐지 부재(4)의 강성이 낮을수록 작은 압력차에 더 민감하다. 이런 식으로, 챔버(C) 내 압력이 공간(40) 내 압력보다 클 때, 변형가능한 탐지 부재(4)는 접힘으로써 엔드피스가 통로(13)를 향해 아래쪽으로 이동된다. 접힐 때, 공간(40)의 부피는 줄어들고 챔버(C)의 부피는 증가한다. 스토퍼(54)가 엔드피스(45)의 이동을 따라가는 한, 관통 오리피스(46)는 닫힌 상태로 유지된다. 그러나, 스토퍼(54)가 오리피스(46)에서 떨어져 들리면, 공간(40)과 챔버(C) 사이에 유체 소통이 이루어져, 입구(E)의 압력과 출구(S)의 압력이 균형잡히게 된다. 여기서, 구멍(11)의 단면이 관통 오리피스(46)의 단면보다 상당히 작고, 통로(13)의 단면보다 상당히 작다는 점을 주목해야 한다.
벨로우즈 형태의 변형가능한 탐지 부재 대신에, 스프링 또는 기타 복귀 수단에 의해 휴지 위치로 조여지는 피스톤을 사용하는 것도 가능하다. 즉, 탐지 부재(4)는 적용예에 따라 이동 또는 변형할 수 있다.
압력차를 탐지하기 위해 탐지 셀(detector cell)을 사용하는 것도 가능하다.
밸브는 또한 코일 또는 솔레노이드(52) 내부에 체결되는 코어(51)를 포함하는 바이패스 형태의 제어 수단(5)을 포함한다. 코어(51)는 솔레노이드에 전원이 공급될 때 솔레노이드(52) 내에 유도된 장(field)에 민감하게 반응하는 강자성 물질로 만들어진다. 스토퍼(54)는 솔레노이드(52)에 전원이 공급될 때 이동할 수 있도록 코어(51)의 바닥 끝에 설치된다. 복귀 스프링(53)이 코어(51)를 아래쪽으로 눌러, 스토퍼(54)가 엔드피스(45)에 형성된 관통 오리피스(46)에 지지되도록 한다. 따라서, 휴지 위치에서 스토퍼(54)는 관통 오리피스(46)에 밀폐식으로 밀착되며, 이는 변형가능한 탐지 부재(4)가 접힐 때에도 계속된다.
제어 수단과 함께, 챔버(C)는 밸브 부재(1)를 작동시키기 위한 작동 수단을 형성한다. 솔레노이드(52)를 활성화하여 관통 오리피스(46)를 개방함으로써, 챔버(C) 내 압력이 떨어지고, 따라서 입구(E) 압력이 밸브 부재(1)를 시트에서 들어올릴 수 있다.
본 발명의 밸브는 또한 솔레노이드(52) 내 코어(51)의 위치를 탐지할 수 있는 탐지 수단(6)도 포함한다. 예를 들면, 탐지 수단은 코어(51)의 상단부에 설치된 자석(61)까지의 거리를 측정하는 거리 탐지 수단이다. 탐지 수단은 솔레노이드(52) 내 코어(51)의 예정된 위치를 탐지할 수 있고, 결과적으로 스토퍼(54)의 위치를 탐 지할 수 있다. 코어(51)가 예정된 위치에 도달했을 때, 트리거(trigger) 또는 제어 신호가 솔레노이드(52)에 전송되어 솔레노이드(52)에 전원이 공급되며, 이에 의해 코어(51)가 솔레노이드(52) 내에서 복귀 스프링(53)의 힘에 대항하여 위쪽으로 이동한다.
본 발명 제어 밸브의 전체적 디자인이 밸브 부재, 밸브 부재 뒤에 위치하는 챔버, 및 밸브 부재의 작동을 제어하는 바이패스를 사용하는 종래 솔레노이드 밸브의 디자인과 같다는 점을 주목해야 한다. 이는 도 2A 내지 도 2F를 참조하여 아래에서 기술한다. 그러나, 본 발명의 밸브는 작동 수단, 즉 챔버(C) 및 바이패스(5)와 결합된 이동 또는 변형가능한 탐지 부재(4)로 구현되는 누출 탐지 수단을 통합하고 있다는 점에서 종래의 밸브와 다르다. 탐지 수단을 이루는데 유용한 구성 요소로부터 밸브의 구성 요소들을 분리해내는 것은 불가능하다. 이것이 탐지 수단이 밸브에 통합되어 있다고 할 수 있는 이유이다.
도 2A는 입구(E)와 챔버(C) 내에 유체를 갖고 공간(40)과 출구(S) 내에는 유체를 갖고 있지 않은 개방 전 휴지 상태의 도 1의 밸브를 도시한다. 입구(E) 및 챔버(C) 내의 유체는 아직 압력을 받지 않는다. 따라서, 입구(E)와 출구(S) 사이에는 압력차가 없고, 변형가능한 탐지 부재(4)는 응력을 받지 않는다. 따라서 밸브는 휴지 상태로 유지된다. 관통 오리피스(46)는 코어(51)의 복귀 스프링으로 오리피스에 가압되는 스토퍼(54)에 의해 닫혀있다. 밸브 부재는 닫혀 있고, 그 시트(2)에 밀폐식으로 지지된다.
이제 도 2B에 관해 설명한다. 입구(E) 내 유체에 압력이 가해지면, 그 압력 은 오리피스(11)를 거쳐 챔버(C)에도 도달한다. 반면, 출구(S)는 대기압 상태로 남아있다. 그 결과, 챔버(C) 내에 큰 압력차가 발생되고, 이로 인해 탐지 부재(4)는 변형되어 압축된다. 따라서 공간(40)은 최소 부피가 된다. 탐지 부재(4)의 엔드피스는 밸브 부재와 접할 수도 있다. 관통 오리피스(46)는 여전히 코어(51)에 의해 가압되는 스토퍼(54)로 닫혀있다. 밸브는 계속 닫혀진 상태로 남아있다.
도 2C에 관해 설명한다. 솔레노이드(52)에 전원이 공급되면, 코어(51)는 복귀 스프링(53)의 힘에 대항하여 위쪽으로 이동한다. 이에 의해 스토퍼(54)가 관통 오리피스(46)에서 떨어져 들어올려지며, 그 결과 챔버(C)와 공간(40) 사이에 유체 전달이 이루어진다. 따라서 유체는 관통 오리피스(46), 공간(40), 및 통로(13)를 통해 흐를 수 있다. 그러나, 오리피스(46) 및 통로(13)의 단면이 구멍(11)의 단면보다 상당히 크게 주어지므로, 챔버(C) 및 공간(40) 내 압력은 급격히 떨어지며, 이로 인해 밸브 부재가 상승하여 시트(2)에서 떨어져 들어올려진다.
이는 도 2D에서 도시되어 있으며, 와셔(10)가 시트(2)에서 떨어져 들어올려지고, 관통 오리피스(46)가 마개(54)에 의해 닫혀 있지 않은 것을 명백히 볼 수 있다. 따라서 유체는 열린 밸브 부재를 통해 입구(E)에서 출구(S)로 흐를 수 있다. 이는 밸브의 정상적인 개방 위치에 해당한다. 부표(3)가 입구(E)에서 유입되는 유체 흐름의 영향을 받아 아래쪽으로 이동된다는 점을 주목해야 한다. 부표(3)는 도 2C에서보다 도 2D에서 더 낮다: 이는 밸브가 개방되었을 때 유량이 더 크다는 사실에 의해 설명된다.
도 2A 내지 도 2D는 본 발명의 제어 밸브의 정상적인 동작 주기의 예시이고, 밸브 부재를 작동시키는 바이패스와 함께 밸브 부재 뒤에 위치하는 챔버를 이용하는 전형적인 밸브 또는 솔레노이드 밸브의 정상적인 동작 주기의 예시이다.
아래에서는 도 2E 및 도 2F를 참조하여 밸브가 누출 탐지 모드에서 어떻게 작동하는지를 설명한다. 도 2D에서, 솔레노이드(52)에 전력 공급을 차단함으로써 밸브는 닫힌다. 이는 코어(51)를 해방시키고, 스토퍼(54)가 오리피스(46) 위에 배치되어 오리피스를 닫도록 한다. 그 순간부터, 챔버(C) 내 압력은 다시 입구(E) 내 압력과 동일해지고, 공간(40) 내 압력은 출구(S) 내 압력과 동일해진다. 결과적으로, 복귀 스프링(14)은 와셔(10)가 시트(2)에 누출 없이 접하게 하는 휴지 위치로 밸브 부재를 밀어준다. 이는 도 2E에 해당한다. 출구(S)에서 누출이 없을 때에는, 밸브는 닫힌 상태로 유지된다.
이에 반해, 출구(S)에서 누출이 탐지되면(도 2F에서 F로 표시됨), 압력차가 발생되고 변형가능한 탐지 부재(4)는 상술한 바와 같이 압력차의 영향을 직접적으로 받게 된다. 그 결과, 챔버(C) 내 압력이 공간(40) 내 압력보다 더 커져, 변형가능한 탐지 부재(4)는 도 2B에서와 같이 접혀진다. 따라서, 변형가능한 탐지 부재(4)는 어떤 예정된 상태에 도달할 때까지 이와 같이 변형된다. 예정된 상태는 관통 오리피스(46)가 움직인 거리의 함수로서 용이하게 측정될 수 있다. 코어(51)가 오리피스(46)의 이동을 따르므로, 변형가능한 탐지 부재(4)의 막의 예정된 변형 상태는 코어(51)의 이동에 의해 측정될 수 있다. 코어(51) 위에 설치된 자석(61)으로부터의 거리를 측정하여 코어(51)의 예정된 위치를 측정하기 위해 여기서는 탐지 수단(6)이 사용된다. 따라서, 자석(61)이 탐지 수단(6)으로부터 예정된 거리만큼 떨어졌을 때, 제어 신호가 솔레노이드(52)로 전송되어 전원이 공급되며, 이로 인해 도 2C와 같이 스토퍼(54)가 오리피스(46)에서 떨어져 들어올려진다. 그러나, 누출(F)에 의해 발생한 압력차는 매우 작아서 밸브 부재가 시트에서 떨어져 들어올려지게 할 수는 없다. 따라서, 밸브는 닫힌 상태로 유지되고 압력은 단지 바이패스에 의해서, 즉 오리피스(46)를 개방함으로써 상쇄된다. 압력차가 제거되었을 때, 즉 입구 압력이 출구 압력과 균형을 이루었을 때, 솔레노이드(52)는 전력 공급이 중단되고 스토퍼(54)는 오리피스(46)와 누출 없이 접하도록 복귀된다. 도 2F에 도시된 위치는 한번 더 도달한다. 솔레노이드는 약 몇 밀리초의 시간 간격동안 전력이 공급될 것이다. 누출(F)이 계속된다면, 변형가능한 탐지 부재(4)는 다시 한번 변형되고 코어(51)와 자석(61)이 움직일 것이다. 자석(61)이 예정된 탐지 위치에 도달할 때, 새로운 제어 신호가 솔레노이드(52)에 전송되고, 이에 따라 스토퍼(54)는 오리피스(46)에서 떨어져 들어올려질 것이다. 압력은 다시 한번 균형을 이루고, 결국 압력차는 사라진다. 이와 같이 솔레노이드(52)는 누출(F)이 계속되는 동안 주기적으로 되풀이하여 전원이 공급된다. 따라서 밸브의 바이패스의 반복적이고 주기적인 활성화를 탐지함으로써 출구(S) 내 누출(F)을 탐지할 수 있다.
출구(S) 압력이 항상 균형잡히지는 않도록 하기 위해, 몇 번, 예를 들면 10번 또는 20번의 활성화 후 바이패스에 전원 공급을 차단하도록 구성될 수도 있다. 따라서 누출(F) 양은 최소화된다.
몇 밀리초보다 큰, 예컨대 몇 초의 주기 동안 솔레노이드에 전원을 공급하도록 구현될 수도 있다. 물론 솔레노이드에 전원 공급이 차단되는 시간과 다음 전원 이 공급되는 시간 사이의 주기를 측정할 수 있다. 이는 솔레노이드의 작동 빈도수(frequency)를 나타내며, 이 빈도수는 유량에 해당하는 값을 제공하기 위하여 이동가능한 탐지 부재의 부피 변화와 관련될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 밸브에서, 밸브의 전형적인 작동 수단은 또한 누출 탐지 수단에 의해 작은 압력차 이후 압력을 균형잡도록 사용된다는 점을 주목해야 한다. 더 상세하게는, 전형적인 밸브의 바이패스는 챔버(C) 내에 위치된 변형가능한 탐지 부재(4)로 구성되는 탐지 수단의 통합된 부품을 형성한다. 바이패스는 변형가능한 탐지 부재(4)의 엔드피스 및 밸브의 작동 수단 모두에 의해 형성된다고도 할 수 있다. 따라서 탐지 수단은 서로 분리될 수 없는 방식으로 밸브에 밀접하게 통합된다. 본 발명의 유리한 특성이 바로 이 측면에 있다.
아래에서는 바이패스가 변형가능한 탐지 부재(4)에 설치되지 않는 제2 실시예를 도시한 도 3에 관해 설명한다. 이 실시예에서, 변형가능한 탐지 부재(4)의 엔드피스(44)는 예컨대 탐지기 유닛(6)에 의해 탐지되는 자석(61) 형태의 위치 탐지 수단을 직접 구비하고 있다. 엔드피스(44)의 위치에 관한 데이타는 바이패스로 전송되는데, 이 실시예에서도 바이패스는 스프링(53)의 작용에 대항하여 솔레노이드(52) 내부에서 미끄러지듯 움직이는 코어(51)로 형성된다. 따라서, 출구(S)에서 누출이 탐지되면 변형가능한 탐지 부재(4)는 접혀지고, 이로 인해 엔드피스 및 이에 결합된 자석(61)이 하강하게 된다. 탐지 수단(6)에 의해 엔드피스(44)의 예정된 위치가 탐지될 때, 이 데이타는 바이패스에 전송되어, 코어(51)를 움직이게 하도록 솔레노이드(52)에 전원을 공급하며, 따라서 입구와 출구 사이에 소통이 이루어진 다. 도 3의 실시예의 목적은 밸브 부재의 바이패스 또는 제어 수단(5)이 반드시 탐지 수단의 변형가능한 탐지 부재(4) 위에 직접 연결되거나 설치될 필요가 없음을 인지시키기 위한 것이다. 그러나, 이 실시예의 바이패스(5)도 주기적이고 반복적인 동작에 의해 누출 유무를 탐지를 가능하게 하기 때문에, 탐지 수단의 통합된 부품을 형성한다.
누출 탐지 수단은 비교적 작은, 실로 매우 작은 압력차 값에만 효과적임을 인지해야 한다. 따라서, 밸브를 통한 평균 유량이 매우 높을 때에도, 누출 또는 아주 작은 누출을 탐지할 수 있다. 누출 탐지 범위는 우선 탐지 부재(4)의 민감도에 의해 결정되고, 밸브 부재(1), 더 상세하게는 탄성적으로 변형가능한 와셔(10)의 강성도(stiffness)에 의해 결정된다. 도 2B 및 도 2C와 같이 압력차가 매우 높을 때에는, 밸브 부재가 개방되고, 이러한 제한을 탐지할 필요가 없다. 이 경우에는, 엔드피스(44)의 예정된 위치를 탐지하는 탐지 수단이 바이패스에 제어 신호를 전송하지 못하게 하면서도, 밸브를 개방된 상태로 유지하도록 계속하여 전원이 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 일 예로서, 유량 제어 수단처럼 작용하는 부표 수단(3)에 의해 예정된 유량 값을 탐지함으로써 그러한 신호가 전송되는 것을 막을 수 있다. 일 예로서, 부표(3)에 센서를 설치할 수도 있으며, 이 센서는 누출 탐지 수단에 의해 전송된 신호에 따를 필요가 없음을 지시하도록 바이패스에 전송되는 신호를 발생시킨다. 따라서, 밸브는 어떤 임계값보다 큰 압력차 또는 유량 값에서는 전형적인 밸브로서 작용하고, 어떤 임계값 이하의 압력차 및 유량 값에서는 누출 탐지기로서 작용한다. 따라서, 전형적인 밸브 개폐 기능 및 누출 탐지 기능 모 두를 이루기 위해 몇몇 부재를 공유하는 다기능 밸브가 얻어진다.
전형적인 밸브 부재는 200밀리바의 압력차부터 개방되도록 적용된다. 따라서, 탐지 부재(4)는 0 내지 최대 200밀리바에서 반응하도록 선택될 수 있다.
상술한 기술 중에서는 압력차가 사용되었다. 그러나, 예를 들면 변형가능한 막과 같은 이동가능한 탐지 부재를 위한 부피차 파라미터도 사용될 수 있다. 막의 부피가 예정 값, 예를 들면 몇 입방 밀리비터(㎣)로 줄어들었을 때, 솔레노이드에 전원을 공급하는 신호가 전송될 수 있다. 이는 솔레노이드가 기동하는 빈도수로부터 누출량을 측정할 수 있게 한다.

Claims (10)

  1. ㆍ공급관과의 연결을 위한 입구(E);
    ㆍ배출관과의 연결을 위한 출구(S);
    ㆍ휴지 상태에서 상기 입구(E)를 출구(S)로부터 격리시키도록 밸브 시트(2)에 지지되는 밸브 부재(1); 및
    ㆍ상기 밸브 부재(1)를 움직이게 하는 작동 수단(5, C)을 포함하며,
    상기 작동 수단은:
    ㆍ정해진 단면을 갖는 구멍(11)을 매개로 상기 입구(E)와 소통하고, 상기 밸브 부재를 시트에 밀착시키도록 밸브 부재(1)의 시트 반대쪽에 배치되는 챔버(C); 및
    ㆍ상기 챔버(C)를 출구(S)에 연결하는 바이패스(5)로서, 유체를 통과시키는 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 제어될 수 있으며, 개방되면 챔버 내 압력이 떨어지도록 상기 구멍(11)의 관통 단면보다 큰 관통 단면을 가지는 바이패스(5);를 포함하는 유체흐름 제어 밸브에 있어서,
    상기 밸브 부재로부터 하류로의 누출을 탐지하는 유체누출 탐지 수단(4, 5, 6)이 통합된 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탐지 수단은 밸브 부재의 작동 수단(5, C)에 연결되어, 상기 작동 수단 은 밸브가 누출탐지 모드일 때 탐지 수단의 통합된 부품을 형성하는 제어 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 누출 탐지 수단은 입구와 출구 간 압력 차이에 민감하게 반응하는 탐지 부재(4)를 포함하고, 상기 탐지 부재는 챔버(C)내 압력과 출구(S)내 압력의 영향을 받는 제어 밸브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탐지 부재(4)는 밸브 부재(1)에 고정되는 앵커 링(41), 탄성적으로 변형가능한 막(42), 및 상기 앵커 링으로부터 떨어져 있는 엔드피스(endpiece)(44)를 포함하고, 상기 엔드피스는 막을 변형시킴으로써 링에 대해 축방향으로 이동가능하며, 엔드피스(44)의 예정된 위치를 탐지할 수 있고 바이패스가 열린 상태가 되도록 바이패스(5)에 트리거(trigger) 신호를 전송할 수 있는 탐지 수단(6)이 엔드피스에 구비되는 제어 밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바이패스(5)는 엔드피스(44)에 설치되는 제어 밸브.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔드피스(44)에는 챔버(C)를 출구(S)와 연결하는 관통 오리피스(46)가 형성되어 있고, 상기 바이패스(5)는 솔레노이드(52) 내에서 미끄러져 이동가능한 강자성 코어(51)를 포함하며, 상기 코어(51)는 솔레노이드(52)가 작동하지 않는 동안 엔드피스(44)의 관통 오리피스(46)를 폐쇄할 수 있고, 코어의 예정된 위치를 탐지할 수 있고 코어가 엔드피스로부터 떨어져 관통 오리피스를 개방하도록 솔레노이드에 전원을 공급하는 신호를 전송할 수 있는 탐지 수단(6)이 코어(51)에 구비되는 제어 밸브.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 밸브 부재(1)가 출구(S)를 챔버(C) 내에 배치된 탐지 부재(4) 내부로 연결하는 통로(13)를 형성하는 제어 밸브.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밸브 부재(1)는 외측 둘레가 고정 방식으로 지지되는 탄성적으로 변형가능한 와셔(10)를 포함하며, 상기 와셔의 한쪽 면은 입구(E) 및 출구(S)와 면하고 상기 시트(2)에 지지되는 반면, 다른쪽 면은 상기 챔버(C)와 면하며, 상기 구멍(11)이 와셔의 한쪽 면에서 다른쪽 면으로 관통하는 제어 밸브.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밸브 부재(1)는 출구(S)를 탐지 부재(4)의 내부와 연결하는 통로(13)가 형성된 단단한 부싱(12)을 더 포함하고, 상기 탐지 부재는 부싱(12)에 고정되며, 상기 부싱은 와셔를 시트(2)에 누르도록 스프링(14)에 의해 밀착되는 제어 밸브.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 출구(S)내에 유량 제어 수단(3)을 더 포함하고, 상기 유량 제어 수단은 유량이 예정값에 도달하면 상기 누출 탐지 수단으로부터 차단 신호를 전송하는 제어 밸브.
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