KR101888235B1 - 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

제어 밸브는, 유체가 통과하는 시트부와, 시트부에 대해 이동하는 포핏 밸브부와, 시트부를 통과한 유체를 그 내주면에 의해 유도하는 가이드 실린더부와, 가이드 실린더부의 내주면에 미끄럼 접촉하여 포핏 밸브부를 지지하는 포핏 가이드부와, 포핏 가이드부의 외주면에 형성되고, 유체의 흐름을 정류하는 정류 슬릿을 구비한다.

Description

제어 밸브 {CONTROL VALVE}

본 발명은, 유체의 흐름을 제어하는 제어 밸브에 관한 것이다.

고압 연료 가스의 공급원으로부터 연료 가스를 취출하여 연료 탱크에 충전하는 연료 충전 시스템에 있어서, 연료 가스가 통로를 고속으로 흐르는 경우에, 통로에 개재 장착된 역지 밸브 등의 제어 밸브로부터 소음이 발생하는 경우가 있다.

이 대처 방법으로서, JP2001-99340A에는, 밸브체의 내부에 에어 댐퍼를 구비하고, 에어 댐퍼가 부여하는 저항에 의해 밸브체의 진동을 억제하는 역지 밸브가 개시되어 있다.

JP2011-80571A에는, 밸브체의 축부에 미끄럼 접촉하는 가이드 링을 구비하고, 가이드 링이 부여하는 미끄럼 이동 저항에 의해 밸브체의 진동을 억제하는 역지 밸브가 개시되어 있다.

그러나, 이러한 제어 밸브에서는, 고압, 대유량의 가스가 고속으로 흐르는 경우에, 밸브체의 하류측에 와류가 발생하여, 가스 흐름 자체로부터 소음이 발생하는 경우가 있다.

본 발명은, 제어 밸브의 소음을 저감시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에 의하면, 유체의 흐름을 제어하는 제어 밸브이며, 유체가 통과하는 시트부와, 시트부에 대해 이동하는 포핏 밸브부와, 시트부를 통과한 유체를 그 내주면에 의해 유도하는 가이드 실린더부와, 가이드 실린더부의 내주면에 미끄럼 접촉하여 포핏 밸브부를 지지하는 포핏 가이드부와, 가이드 실린더부의 내주면과 포핏 가이드부의 외주면 중 적어도 한쪽에 형성되는 정류 슬릿을 구비한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브의 측면도이다.
도 2c는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브의 저면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 정류 슬릿의 개구 폭과 제어 밸브의 소음 레벨의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브의 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브의 측면도이다.
도 4c는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브의 저면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1에 도시하는 제어 밸브(100)는, 공급원으로부터 공급되는 고압의 연료 가스(이하, 가스라 함)를 연료 탱크에 충전하는 연료 충전 시스템에 있어서, 연료 가스의 통로에 개재 장착되는 역지 밸브로서 사용된다.

제어 밸브(100)는, 가스가 통과하는 환 형상의 시트부(11)를 갖는 밸브 하우징(10)과, 시트부(11)에 대해 이동하는 포핏 밸브부(51)를 갖는 포핏(50)과, 시트부(11)에 접촉하는 밸브 폐쇄 방향으로 포핏 밸브부(51)를 가압하는 스프링(70)을 구비한다.

제어 밸브(100)의 개방 작동시에는, 공급원으로부터 유도되는 가스 압력이 높아지는 것에 따라서 포핏(50)이 스프링(70)의 가압력에 저항하여 도 1 중 하부 방향으로 이동한다. 이에 의해, 포핏 밸브부(51)가 시트부(11)로부터 이격되어, 공급원으로부터의 가스가 도 1 중 화살표로 나타내는 바와 같이 흐른다.

제어 밸브(100)는, 그 케이싱으로서, 원통 형상의 밸브 하우징(10)과, 밸브 하우징(10)의 개구 단부를 폐색하는 원반 형상의 커버(20)를 구비한다. 밸브 하우징(10)과 커버(20) 사이에 포핏(50) 및 스프링(70)이 수용된다.

원통 형상의 밸브 하우징(10)의 내측에는, 원통면 형상의 입구 포트(13), 원뿔면 형상의 시트부(11), 가이드 실린더부(15)의 원통면 형상의 내주면(16)이, 각각 중심축 O를 중심으로 하는 동축 형상으로 형성된다. 입구 포트(13)는, 공급원으로부터 가스가 유도되는 입구 유로(29)를 구획 형성한다. 시트부(11)는, 하류측으로 가스를 유도하는 포핏 유로(30)를 포핏 밸브부(51)와의 사이에서 구획 형성한다. 가이드 실린더부(15)의 내주면(16)은, 포핏 유로(30)의 하류측에 있어서, 가스를 유도하는 포핏 하부 유로(31)를 포핏 밸브부(51)와의 사이에서 구획 형성한다. 이와 같이, 가이드 실린더부(15)의 내주면(16)은, 포핏 하부 유로(31)를 구획 형성하여, 시트부(11)를 통과한 가스를 유도한다.

원반 형상의 커버(20)는, 밸브 하우징(10)의 내벽부(17)의 개구 단부에 끼워 맞춤되어 고정된다. 커버(20)는, 그 중앙부에 개구되는 가이드 구멍(25)과, 출구 유로(33)를 구획 형성하는 복수의 출구 포트(23)를 갖는다. 가이드 구멍(25)은, 중심축 O를 중심으로 하는 원통면 형상으로 형성된다. 각 출구 포트(23)는, 중심축 O를 중심으로 하는 원주 상에 균등한 간격으로 설치된다.

포핏(50)은, 원뿔 형상의 포핏 밸브부(51)와, 포핏 밸브부(51)의 하류측에 연접하여 형성되는 원반 형상의 포핏 가이드부(55)와, 포핏 가이드부(55)의 하류측에 연접하여 형성되는 원기둥 형상의 로드부(69)를 갖는다. 이 포핏 밸브부(51), 포핏 가이드부(55), 로드부(69)는, 중심축 O를 중심으로 하여 동축 형상으로 형성된다.

포핏(50)의 포핏 가이드부(55)는, 밸브 하우징(10)의 가이드 실린더부(15)에 미끄럼 이동 가능하게 삽입된다. 포핏(50)의 로드부(69)는, 커버(20)의 가이드 구멍(25)에 미끄럼 이동 가능하게 삽입된다. 이에 의해, 포핏(50)은, 밸브 하우징(10)에 대해 중심축 O가 연장되는 포핏(50)의 축 방향을 따라 이동하도록 지지되어, 시트부(11)에 대한 포핏 밸브부(51)의 동축도가 확보된다.

코일 형상의 스프링(70)은, 포핏 가이드부(55)와 커버(20) 사이에 압축되어 개재 장착되고, 포핏(50)을 밸브 하우징(10)의 시트부(11)에 압박한다. 이와 같이 하여 포핏 가이드부(55)는, 스프링(70)의 가압력을 받는 기능을 갖는다.

제어 밸브(100)에서는, 통과하는 가스의 유량을 제어하기 위해, 시트부(11)와 포핏 밸브부(51) 사이에 환 형상의 포핏 유로(30)가 구획 형성된다. 포핏(50)이 중심축 O 방향을 따라 변위되는 것에 수반하여, 포핏 유로(30)의 유로 단면적이 증감하여, 포핏 유로(30)를 통과하는 가스의 유량이 제어된다.

시트부(11)와 포핏 밸브부(51)는, 각각 종단면이 중심축 O를 중심으로 하는 테이퍼 형상으로 형성되어, 상류측으로부터 하류측을 향해 직경 확장되도록 형성된다.

도 1에 도시하는 중심축 O를 포함하는 종단면도상에 있어서, 시트부(11)는 포핏 밸브부(51)보다 큰 각도로 중심축 O로부터 경사져 직경 확장되도록 형성된다. 입구 포트(13)에 연접하는 시트부(11)의 상류 단부에는, 환 형상의 시트부 상류 단부(12)가 형성된다.

제어 밸브(100)의 폐쇄시에는, 포핏 밸브부(51)가 시트부 상류 단부(12)에 착좌함으로써, 입구 유로(29)와 포핏 유로(30)가 폐색된다.

제어 밸브(100)의 개방시에는, 포핏 밸브부(51)가 시트부(11)로부터 이격됨으로써, 공급원으로부터의 가스가 포핏 유로(30)로 유도된다.

여기서, 일반적으로, 제어 밸브에 있어서, 고압, 대유량의 가스가 유도되는 경우에는, 시트부와 포핏 밸브부의 사이를 통과하는 과정에서 가스의 유속이 상승한 후에 하강한다. 이로 인해, 가스의 흐름이 흐트러져, 포핏 밸브부의 하류측에 와류를 포함하는 분류(噴流)가 발생하는 경우가 있다. 이러한 분류로부터 고주파의 소음이 발생하거나, 와류에 기인하여 포핏 밸브부가 시트부에 반복 충돌하여 소음이 발생하는 경우가 있다.

이 대처 방법으로서, 제어 밸브(100)에는, 포핏 가이드부(55)의 외주면(59)과 가이드 실린더부(15)의 내주면(16) 사이에 있어서, 와류가 발생하는 것을 억제하는 홈 형상의 정류 슬릿(32)이 형성된다.

포핏 가이드부(55)는, 포핏 밸브부(51)의 하류 단부로부터 포핏(50)의 중심축 O에 직교하여 확대되는 원반 형상으로 형성된다. 포핏 가이드부(55)는, 가이드 실린더부(15)에 미끄럼 접촉하는 외주면(59)(도 2a, 도 2b, 도 2c 참조)과, 외주면(59)에 개구되는 복수의 유로 홈(60)을 갖는다. 유로 홈(60)과 가이드 실린더부(15)의 사이에는, 편평한 유로 단면 형상을 갖는 복수의 정류 슬릿(32)이 구획 형성된다.

도 2a, 도 2b, 도 2c에 도시하는 바와 같이, 복수의 정류 슬릿(32)은, 주위 방향으로 균등한 간격을 갖고 포핏 가이드부(55)에 형성된다. 이에 의해, 정류 슬릿(32)에 발생하는 가스의 유체 압력이 포핏 가이드부(55)의 주위에 균일하게 분포되어, 가이드 실린더부(15)에 대한 포핏 가이드부(55)의 미끄럼 이동 저항을 저감시킬 수 있다.

유로 홈(60)의 홈 저면(61)은, 포핏 가이드부(55)의 중심축 O를 중심으로 하여 가이드 실린더부(15)와 동축 원통면 형상으로 형성된다. 이에 의해, 포핏 가이드부(55)의 직경 방향을 따른 정류 슬릿(32)의 폭인 개구 폭 W가, 포핏 가이드부(55)의 주위 방향에 대해 일정해진다. 개구 폭 W는, 바꾸어 말하면, 가이드 실린더부(15)의 내주면(16)과 유로 홈(60)의 홈 저면(61) 사이에 있어서의 간극의 크기이다.

유로 홈(60)의 홈 측면(62)은, 포핏(50)의 중심축 O 방향을 따라 형성된다. 주위 방향에 있어서의 정류 슬릿(32)의 길이인 개구 길이 S는, 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 일정하고, 직경 방향의 개구 폭 W의 크기보다 커지도록 임의로 설정된다.

정류 슬릿(32)은, 주위 방향의 개구 길이 S가 임의로 설정됨으로써, 요구되는 유로 단면적이 얻어진다. 이로 인해, 정류 슬릿(32)을 통과하는 유체의 흐름에 부여하는 저항이 충분히 낮게 억제된다. 정류 슬릿(32)의 유로 단면적은, 포핏 유로(30)의 최대 유로 단면적보다 커지도록 설정된다. 이에 의해, 포핏 유로(30)를 통과하는 가스의 흐름에 대해, 정류 슬릿(32)이 부여하는 저항(압력 손실)은, 포핏 유로(30)가 부여하는 저항보다 작게 억제된다.

정류 슬릿(32)은, 축 방향을 따른 길이 L이 시트부(11)의 최소 개구 직경 D(도 1 참조)보다 길어지도록 형성된다. 이에 의해, 정류 슬릿(32)은, 충분한 유로 길이 L을 갖는 것으로 되어, 가스가 가이드 실린더부(15)의 내주면(16)과 유로 홈(60)의 홈 저면(61)을 따라 흐르는 유로 길이가 확보된다. 따라서, 가스에 와류가 발생하는 것을 억제하는 정류 작용이 얻어진다.

이하, 제어 밸브(100)의 작동에 대해 설명한다.

공급원으로부터 입구 유로(29)로 유도되는 가스의 압력이, 설정된 밸브 개방압보다 낮은 상태에서는, 포핏 밸브부(51)가 스프링(70)의 가압력에 의해 시트부(11)에 접촉하여, 입구 유로(29)와 포핏 유로(30) 사이를 폐색한다.

공급원으로부터 입구 유로(29)로 유도되는 가스의 압력이, 밸브 개방압을 초과하여 상승하면, 포핏 밸브부(51)가 스프링(70)의 가압력에 저항하여 시트부(11)로부터 이격되어, 입구 유로(29)와 포핏 유로(30)가 개통된다. 이에 의해, 공급원으로부터의 가스가, 도 1 중 화살표로 나타내는 바와 같이, 입구 유로(29), 포핏 유로(30), 포핏 하부 유로(31), 정류 슬릿(32), 출구 유로(33)를 통해 흐른다.

포핏(50)의 개방도가 작아, 포핏 유로(30)를 흐르는 가스의 유속이 빠른 조건에서는, 포핏 하부 유로(31)에 와류를 포함하는 분류가 발생한다.

포핏 하부 유로(31)로 유입된 분류는, 포핏 하부 유로(31)로부터 가이드 실린더부(15)와 유로 홈(60) 사이에 형성된 정류 슬릿(32)을 흐름으로써, 그 분류에 포함되는 와류가 정류된다.

포핏 유로(30)의 하류측에 발생하는 와류가 정류 슬릿(32)에서 정류됨으로써, 분류로부터 고주파의 소리가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 와류에 의한 압력 변동에 의해 포핏(50)이 진동하는 것을 억제할 수 있어, 포핏 밸브부(51)가 시트부(11)에 반복 충돌하여 소음을 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 3은, 정류 슬릿(32)의 개구 폭 W를 바꾸어 제어 밸브(100)의 소음 레벨을 측정한 실험 결과를 나타내는 특성도이다. 이 특성도로부터, 정류 슬릿(32)의 개구 폭 W를, 0.5㎜보다 작게 해 가면, 점차 소음 레벨이 저하되는 것을 알 수 있다. 도 3의 특성도에 있어서, 가장 좌측에 나타내는 비교적 높은 소음 레벨의 측정값은, 0.5㎜의 개구 직경을 갖는 오리피스를 정류 슬릿(32) 대신에 개재 장착한 비교예이다.

상기 실험 결과에 기초하여, 정류 슬릿(32)의 개구 폭 W는, 0.5㎜ 이하의 범위에 들어가는 것을 조건으로 하여, 유로 홈(60)을 형성하는 가공 범위 내에 있어서 가능한 한 작은 치수로 설정된다.

이상의 제1 실시 형태에 의하면, 이하에 나타내는 작용 효과를 발휘한다.

〔1〕 제어 밸브(100)는, 가스(유체)가 통과하는 시트부(11)와, 시트부(11)에 대해 이동하는 포핏 밸브부(51)와, 시트부(11)를 통과한 가스를 그 내주면(16)에 의해 유도하는 가이드 실린더부(15)와, 가이드 실린더부(15)의 내주면(16)에 미끄럼 접촉하여 포핏 밸브부(51)를 지지하는 포핏 가이드부(55)와, 포핏 가이드부(55)의 외주면(59)에 형성되는 정류 슬릿(32)을 구비한다. 이로 인해, 시트부(11)와 포핏 밸브부(51) 사이를 통과하는 가스의 흐름에 발생하는 와류가 정류 슬릿(32)을 통과함으로써 정류된다. 이에 의해, 와류에 기인하는 제어 밸브(100)의 소음을 저감시킬 수 있다.

〔2〕 정류 슬릿(32)은, 포핏 가이드부(55)의 직경 방향의 개구 폭 W가 포핏 가이드부(55)의 주위 방향의 개구 길이 S보다 작게 형성된다. 이로 인해, 제어 밸브(100)는, 직경 방향의 개구 폭 W를 작게 설정함으로써 와류를 정류하는 작용이 얻어지는 것과, 주위 방향의 개구 길이 S를 크게 설정함으로써 가스의 흐름에 부여하는 저항을 낮게 하는 것을, 양립할 수 있다.

〔3〕 정류 슬릿(32)에서는, 포핏 가이드부(55)의 축 방향의 길이 L이 시트부(11)의 최소 개구 직경 D보다 커지도록 형성된다. 이로 인해, 제어 밸브(100)에서는, 정류 슬릿(32)을 흐르는 유체가 정류되기 위해 필요한 유로 길이가 확보되어, 포핏 유로(30)로부터 하류측으로 유출되는 분류에 와류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

〔4〕 정류 슬릿(32)은, 복수 형성되고, 주위 방향으로 균등한 간격을 갖고 포핏 가이드부(55)에 형성된다. 이로 인해, 제어 밸브(100)에서는, 각 정류 슬릿(32)에 발생하는 압력이 포핏 가이드부(55)의 주위에서 균일하게 분포되어, 가이드 실린더부(15)에 대한 포핏 가이드부(55)의 미끄럼 이동 저항을 저감시킬 수 있다.

(제2 실시 형태)

다음으로, 도 4a, 도 4b, 도 4c를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태를 설명한다. 이하에서는, 상기 제1 실시 형태와 다른 점을 중심으로 설명하고, 상기 제1 실시 형태의 제어 밸브와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.

상기 제1 실시 형태에 관한 제어 밸브(100)에서는, 정류 슬릿(32)의 주위 방향의 개구 길이 S가 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 일정해지도록 형성되어 있다. 이에 반해, 제2 실시 형태에 관한 제어 밸브에서는, 정류 슬릿(35)의 주위 방향의 개구 길이 S가 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 커지도록 형성된다.

정류 슬릿(35)을 구획 형성하는 유로 홈(80)은, 원통면 형상의 홈 저면(81)과, 홈 저면(81)의 양단부에 연접하여 포핏 가이드부(55)의 외주면(59)으로 연장되는 한 쌍의 홈 측면(82)을 갖는다.

유로 홈(80)의 홈 측면(82)은, 포핏 가이드부(55)의 중심축 O에 대해 경사지도록 형성된다. 정류 슬릿(35)은, 포핏 가이드부(55)의 주위 방향의 개구 길이 S가 축 O 방향에 대해 변화된다. 이에 의해, 정류 슬릿(35)의 포핏 가이드부(55)의 중심축 O에 직교하는 유로 단면적은, 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 커진다.

이상의 제2 실시 형태에 의하면, 제1 실시 형태와 마찬가지로 상기 〔1〕∼〔4〕의 작용 효과를 발휘함과 함께, 이하에 나타내는 작용 효과를 발휘한다.

〔5〕 정류 슬릿(35)의 유로 단면적은, 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 커진다. 이로 인해, 제어 밸브에서는, 정류 슬릿(35)을 흐르는 유체의 압력이 점차 저하되어, 유체의 흐름을 정류하는 효과가 높아짐과 함께, 가스의 흐름에 부여하는 저항을 억제할 수 있다.

제2 실시 형태에 있어서, 정류 슬릿(35)에 있어서의 주위 방향의 개구 길이 S가 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 커지도록 설정하였지만, 개구 길이 S를 일정하게 하고, 정류 슬릿(35)에 있어서의 직경 방향의 개구 폭 W가 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 커지도록 해도 된다. 즉, 정류 슬릿(35)은 포핏 가이드부(55)의 중심축 O에 직교하는 유로 단면적이 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 커지도록 설정되면 된다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.

예를 들어, 상기 각 실시 형태에서는, 정류 슬릿(32, 35)을 구획 형성하는 유로 홈(60, 80)이 포핏 가이드부(55)에 형성된다. 이것에 한정되지 않고, 정류 슬릿을 구획 형성하는 유로 홈은, 가이드 실린더부(15)에 형성되어도 된다.

또한, 상기 각 실시 형태의 제어 밸브(100)는, 연료 충전 시스템에 있어서, 연료 가스의 통로에 개재 장착되는 역지 밸브로서 사용된다. 이것에 한정되지 않고, 다른 기계, 설비에 있어서, 고압, 대유량의 가스가 흐르는 회로에 개재 장착되는 역지 밸브 또는 릴리프 밸브로서 사용되어도 된다. 또한, 제어 밸브(100)를 흐르는 유체는, 연료 가스에 한정되지 않고, 다른 기체나 액체여도 된다.

본원은 2013년 7월 23일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2013-152577에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (6)

1. 고압 연료 가스의 흐름을 제어하는 제어 밸브이며,
   고압 연료 가스가 통과하는 시트부와,
   상기 시트부에 대해 이동하는 포핏 밸브부와,
   상기 시트부와 상기 포핏 밸브부 사이에 구획 형성되는 포핏 유로와,
   상기 시트부를 통과한 고압 연료 가스를 그 내주면에 의해 유도하는 가이드 실린더부와,
   상기 가이드 실린더부의 내주면에 미끄럼 접촉하여 상기 포핏 밸브부를 지지하는 포핏 가이드부와,
   상기 가이드 실린더부의 내주면과 상기 포핏 가이드부의 외주면 중 적어도 한쪽에 형성되는 정류 슬릿을 구비함과 함께,
   상기 시트부는 원뿔면 형상으로 형성되고, 상기 포핏 밸브부는 상기 시트부에 대해 축 방향으로 이동하고, 상기 포핏 유로는 축 방향과 직각을 이루는 레이디얼 방향으로 겹치는 상기 시트부와 상기 포핏 밸브부 사이에 형성되고, 상기 정류 슬릿은 복수 형성됨과 함께, 복수의 정류 슬릿의 합계 유로 단면적은, 상기 포핏 유로의 최대 유로 단면적보다 큰, 제어 밸브.
2. 제1항에 있어서,
   직경 방향을 따른 상기 정류 슬릿의 개구 폭은, 주위 방향에 있어서의 상기 정류 슬릿의 개구 길이보다 작은, 제어 밸브.
3. 제1항에 있어서,
   축 방향을 따른 상기 정류 슬릿의 길이는, 상기 시트부의 최소 개구 직경보다 큰, 제어 밸브.
4. 제1항에 있어서,
   상기 정류 슬릿은, 주위 방향에 대해 균등한 간격으로 형성되는, 제어 밸브.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 정류 슬릿의 합계 유로 단면적은, 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 점차 확대되는, 제어 밸브.
6. 삭제

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