KR102493448B1 - 유체감압장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브(10)의 내부에 구비되어 유체흐름을 제어하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 밸브(10) 입구의 유체 압력과 출구의 유체 압력차가 큰 조건에서 밸브(10) 내부에 설치되어 제1포트(410)측의 고압 유체의 흐름을 억제함으로써 감압 및 감속시켜 제2포트(510)측의 유체 속도를 낮추는 장치이다.
본 발명은 유체의 유동을 억제함으로써 밸브(10) 내부의 플러그(13)를 향해 충돌하는 유체에 의한 플러그(13)의 손상을 방지하기 위한 장치이다.

Description

유체감압장치{FLUID PRESSURE REDUCING DEVICE}

본 발명은 일반적으로 밸브의 내부에 설치되어 유체의 압력을 제어하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 유입구측의 유체 압력과 배출구측의 유체 압력차가 큰 조건에서 유입구로부터의 고압 유체의 흐름을 억제함으로써 감압 및 감속시켜 배출구 측의 유체 압력과 속도를 낮추는 장치이다.

통상적으로 배관 설비에는 밸브를 이용하여 배관을 통과하는 유체의 흐름을 차단하거나 유체의 유량을 조절하게 된다. 배관 설비는 배관의 일단에서 타단으로 유체의 이송 구동력과 효율을 높이기 위해 액체의 경우에는 펌프, 기체의 경우에는 압축기와 같은 동력장치로 배관 일단에서 유체의 압력을 높게 형성한다.

높은 압력을 이용하여 유체는 빠른 속도로 이송되게 된다. 하지만 유체를 너무 빠른 속도로 이송하면 진동과 소음이 발생하며, 곡관 부위에서 수격작용(water hammering)과 캐비테이션(cavitation)을 발생하게 한다. 따라서 배관설비에서 일반적으로 기체 유속은 75m/s 이하로, 액체의 유속은 5 m/s 이하로 설계한다.

밸브 중에서 제어밸브는 유체의 유량을 조절하는 밸브이며 플러그를 진퇴 이동시켜 통과되는 유량을 조절한다. 일반적으로 높은 압력 조건에서 작동하는 밸브는 플러그를 이용한 유량 조절을 용이하게 하기 위해 플러그 주위에는 유체의 유통분할장치(즉, 유체감압장치 또는 케이지 cage라 칭한다)가 구비된다. 플러그의 위치를 진퇴 이동시켜 유체감압장치를 통과하는 유체의 유동량을 조절함으로써 밸브를 통과하는 전체 유체의 유량을 조절하게 된다.

밸브의 유량은 고압상태의 유체가 유입되는 유입구와 저압상태로 유출되도록 하는 배출구 사이에서 유체감압장치가 구비되어 유체의 감압을 실행한다. 밸브는 바디와 상기 바디 내부에 장착된 유체감압장치와 상기 유체감압장치 내주면을 따라서 진퇴운동을 하는 플러그로 이루어진다. 플러그가 상기 유체감압장치 내주면을 따라서 진퇴운동을 하게 됨으로써 유체감압장치의 유출구 측 유체의 흐름을 개폐하는 역할을 한다. 특히 수백 바(bar)의 고압유체가 흐르는 유입구에서 대기압과 같은 저압의 상태로 유체가 흐르는 배출구 사이에서 유체의 흐름에 저항을 제공하여 유체의 감압을 유도하게 된다.

다만 밸브에서 압력 강하로 인해 생성된 유체의 높은 운동에너지는 캐비테이션, 플래싱(flashing), 소음 및 진동과 같은 문제를 발생시킨다. 이로 인해 밸브의 주요 부품인 유체감압장치, 시트링(seat ring), 플러그 등이 손상된다.

일반적으로 입구측의 유체 압력이 낮은 경우 유체감압장치는 유체가 직통할 수 있는 구멍으로 만들어져 있으나, 유체의 입구압력이 높고 출구 압력이 낮아 차압이 큰 경우에는 유체의 감압과 속도를 낮추기 위해 유체감압장치의 유로는 방향이 전환되는 구조를 가지게 된다.

밸브의 입구와 출구의 압력 차이가 큰 경우에 유로가 꼬불꼬불한 구조 또는 유로가 수축, 팽창 또는 와류를 반복하는 구조의 유체감압장치가 종래의 기술로 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 10-1233653(유동 유체의 감압 및 감속 장치)의 종래기술 1은 관통공을 갖는 원판들이 중심축 방향으로 적층되며, 상기 적층된 원판에는 상기 적층된 원판 사이로 유로가 형성되도록 디스크에 형성된 관통공이 직각 형상을 가지고 있으며 연접한 다른 디스크의 직각 형상의 관통공이 연통하고 있다.

도 1(A)은 본 발명의 유체감압장치가 장착된 상태의 밸브 단면도를 도시한 것이고, 도 1(B)는 종래의 유체감압장치의 기본구성에 대한 사시도를 도시한 것이다. 유체감압장치는 유체처리장치의 일종인 밸브 내부에 설치된다. 밸브는 유입구트와 배출구를 갖는 바디, 상기 몸체 내부에 설치되는 유체감압장치, 상기 유체감압장치 내주면에 밀착되도록 진퇴운동을 하며, 유입구와 배출구 사이에서 유체의 유동량을 조절하도록 스템에 연결된 플러그, 바디와 플러그 사이에서 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링을 포함한다.

한편, 밸브 내의 유입구 및 배출구의 방향은 밸브의 특성 및 사용되는 유체의 종류에 따라서 변경될 수 있다. 또한 밸브를 통해서 흐르는 유체의 유량은 스템에 의해서 연결된 플러그가 유체감압장치의 내경을 따라서 진퇴운동을 수행함에 따라서 조절된다. 도 1(A)의 중심선을 기준으로 우측과 같이 플러그가 상부로 이동할 경우, 유로를 개방하여 유량이 증가하고, 도 1(A)의 중심선을 기준으로 좌측과 같이 플러그가 하부로 이동할 경우 유로를 폐쇄하여 유량은 감소하게 된다.

도 1(B)는 종래 유체감압장치의 일예를 도시한 것이다. 유체감압장치는 중심에 중심공을 갖는 복수의 원판을 적층하여 소정의 두께를 가지는 형태이고, 최우측의 원판과 최좌측의 원판에는 각각 덮개판이 배치된다. 복수의 원판으로 구성된 유체감압장치는 용접, 핀, 볼트 또는 블레징을 통해서 일체와 같이 결합된다. 그리고 각각의 원판에는 소정의 패턴을 가지도록 패턴공이 형성되어 있기 때문에, 적층된 복수의 원판들에 의해서 형성된 유체감압장치는 반복 형성되는 패턴공들에 의해서 유로가 형성되되, 외주면과 중심공의 내주면 사이에 방사상으로 유로가 형성되게 된다.

도 1(B)를 통해서 보다 상세히 설명하면, 유체감압장치는 제1원판에는 반지름방향으로 복수개의 제1패턴공이 구비되고, 제2원판에도 반지름방향으로 복수개의 제2패턴공이 구비된다. 제1원판과 제2원판은 제1패턴공과 제2패턴공이 반지름방향으로 유로를 형성하도록 적층되되, 제1원판과 제2원판의 각 외측에는 서로 다른 원판이 적층되되 소정의 각도만큼 차이를 두어서 패턴공이 형성되지 않은 면이 적층되도록 한다. 그러나 이러한 구조는 유로가 직각 방향으로 전환되면서 유로의 유체저항이 발생하도록 하는 형상으로 되어 있기 때문에 감압을 위한 유로의 유체 저항이 작아 원하는 감압과 유속을 만들기 위해서는 장치를 크게 만들어야 하는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1513328(직접 금속 레이저 소결된 유동 제어 요소)의 종래기술 2는 관통하여 형성된 보어를 구비하고 안쪽 둘레 표면을 한정하는 요소 몸체를 포함하는 유동 제어요소로서, 평면에 직각방향으로 꼬불꼬불하게 반복 형성된 유로를 구비하여 유로의 유체 저항을 형성하므로, 상기 종래기술 1과 같이 유로의 유체 저항이 작아 원하는 감압과 유속을 만들기 위해서는 장치를 크게 만들어야 하고 분말화된 재료의 소결로 인해 제작시간과 제작비가 많이 소요되는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-2139969의 종래기술 3에는 디스크의 와류홀에 유체가 유입되어 슬릿을 거쳐 인접한 디스크의 와류홀로 유체가 유입되는 과정을 반복하면 서 와류홀에 유입되는 유체가 와류(vortex)가 발생하고 유속이 감소하는 방법을 사용하고 있다. 이 장치는 유로를 형성하는 슬릿에서 원형홀로 유체가 확산되는 것을 반복하는 것으로서 유체에 대한 작은 유체저항으로 인해 원하는 수준의 유동저항을 얻기 위해서는 슬릿과 와류홀을 여러 개 형성해야 하므로 이 역시도 장치를 크게 만들어야 하는 단점이 있다.

도 2(A)는 플러그가 조합된 유체감압장치에 있어서, 유체와의 충돌에 의해서 플러그의 손상상태를 보여주는 사진이다. 이와 같은 플러그 손상이 발생하는 것은 도 2(B)에서와 같이 플러그가 유체감압장치 내주면을 따라서 밀착되어 진퇴하며 이동함에 따라서 유체감압장치의 유출구를 개폐하게 되는데, 밸브 바디의 유입구로 유입된 유체는 유체감압장치의 유입구, 감압유로, 유출구를 따라 유체감압장치 내주면의 플러그 쪽으로 유출된다. 유체감압장치의 유출구가 플러그 하단보다 아래에 있을 경우에 유체는 유체감압장치 유출구를 통해서 시트링을 통과하여 배출구로 흐르게 된다. 유체감압장치의 유출구가 플러그 외주면과 마주하고 있으면 유체는 유체감압장치를 통과하는 유체는 유체감압장치의 유출구에서 플러그 원주면과 충돌하면서 플러그와의 틈새를 통해서 플러그 원주면 하단방향으로 흐르게 된다. 유체감압장치에 대한 플러그 위치에 따라서 틈새를 통과하는 유속은 다르게 된다. 이것은 유체가 흘러 갈 수 있는 유로의 길이와 저항에 의한 것이다. 유체감압장치의 유출구에 있어서 상부쪽보다 하부쪽에서 유속이 높아진다.

이때 유체감압장치와 플러그 하단 경사면의 공간이 하부로 갈수록 확장되므로 유출되는 유체의 유속은 공간이 좁은 틈새의 유속보다 공간이 확장되는 곳의 유속이 훨씬 높다. 이것은 공간 확장부의 압력이 낮아지게 되어 유속이 증가하기 때문이다. 플러그 하단 경사면을 따라 아래로 갈수록 유체의 속도는 크게 높아지고 충격의 크기는 플러그 하단의 경사면 하부가 더 크다. 이에 따라 플러그 경사면 하부로 갈수록 유체에 의한 침식부가 크게 형성된다. 따라서 유체감압장치에서 유출되는 유체의 속도를 낮추어야만 플러그 경사면의 침식을 방지할 수 있다.

앞에서 살핀 바와 같이 종래의 유체감압장치는 유로의 유체저항이 작아 장치를 크게 만들어야 하는 단점이 있는 것으로서, 본 발명의 발명자는 이러한 종래기술의 한계를 개선하기 위해 유로에서 유체의 확산, 급확대, 충돌, 급축소, 방향 급전환이 동시에 이루어지는 단위 모듈을 이용한 감압효과가 증대된 유체감압장치를 착안하게 되었다.

선행문헌 1 : 대한민국 등록특허 10-1233653(2013년2월8일 등록) 선행문헌 2 : 대한민국 등록특허 10-1513328(2015년4월13일 등록) 선행문헌 3 : 대한민국 등록특허 10-2139969(2020년7월27일 등록)

본 발명은 작은 면적에서도 유로의 유체저항을 현저하게 높게 할 수 있는 유로의 유닛을 포함하는 유체감압장치를 제공하는 것으로 목적으로 한다.

구체적으로 본 발명은 유압감압장치의 입구축과 출구측 사이에 작용하는 높은 차압에 의해서 유체감압장치와 플러그 사이 틈새의 유속이 과도하게 증가하지 않도록 정해진 체적 내에서 유로의 저항을 효과적으로 높인 유체감압장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유체감압장치는,

고압의 유체가 유입되는 유입관(11a)과 저압의 유체가 배출되는 배출관(11b)을 구비하는 유체처리장치에 장착되어 유체감압을 유도하는 유체감압장치에 있어서,

외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 A(100);와

상기 디스크A와 동일한 크기로 외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 B(200);를 한 쌍 디스크로 결합하되,

상기 디스크 A(100)에는 외주면(400)에서 내주면(500)을 향하여 복수개의 디퓨저셀이 통공되어 반지름방향으로 일렬로 디퓨저 a(110)를 형성하고, 디스크 B(200)에는 외주면(400)에서 내주면(500)을 향하여 복수개의 디퓨저셀이 통공되어 반지름방향으로 일렬로 디퓨저 b(210)를 형성하되 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)는 상호 반지름방향으로 소정간격으로 이격되어 구비됨으로써,

상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)가 교차하여 상하로 연결되어 감압유로를 형성한 것이다.

본 발명의 유체감압장치는 각 디퓨저 셀에 의해서 형성되는 감압유로에서 유체가 헤드부의 확산면을 통해 확산 유동, 바디부를 통해 급확대 유동, 측면 부위에서 재순환유동, 바닥면과의 충돌유동, 방향전환부로의 급축소, 상층 또는 하층으로의 방향 급전환이 동시에 이루어지되 반복적으로 이루어짐으로써 유체감압의 효과가 현저하게 증대되는 것이다.

본 발명의 유체감압장치는 제1포트로부터 제2포트로 유체 확산구조를 구비함으로써, 유체의 감압과 더불어 유체의 유속을 현저하게 낮출 수 있는 것으로, 플러그 원주면에 충돌할 때 충격을 감소시킬 수 있어 플러그 원주면의 침식을 방지할 수 있고, 플러그가 내주면에 구비된 제2포트를 정밀하게 개폐 제어할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 유체감압장치가 장착된 밸브의 예와 유체감압장치의 예를 도시한 것이다.
도 2는 일반적으로 유체감압장치에 발생하는 플러그의 손상 사진 및 플러그 근처에서의유체 유동의 개념도
도 3은 본 발명에 따른 디스크 A와 디스크 B에 형성된 디퓨저 구조도
도 4는 본 발명에 따른 디스크 A와 디스크 B 의 결합도
도 5는 본 발명에 따른 유체감압장치 예시도
도 6은 디스크 A 디퓨저 셀과 와 디스크 B의 디퓨저 셀에 의한 유로 설명도
도 7은 본 발명에 따른 디퓨저 셀의 결합 확대도
도 8은 본 발명에 따른 디퓨저 셀에서의 유동 설명도
도 9은 본 발명에 따른 제2포트에서의 유동 설명도
도 10은 본 발명에 따른 디스크 A와 디스크 B에 형성된 다른 실시예의 디퓨저 구조도

이하에서는 본 발명에 따른 유동 유체를 위한 감압장치는 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다. 이하의 실시예에서는 유체처리장치로서 밸브(10)에 내장된 유체감압장치를 예시하여 설명하지만, 이는 밸브(10)에 한정되지 않고 유입관(11a) 측과 배출관(11b) 측에 고차압이 적용되는 조건이 부여되는 다른 장치에 적용된 경우에도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 설명하는 디스크는 외경과 내경을 가지는 환형태의 디스크로서, 상기 디스크에 디퓨저 셀이 외경에서 내경방향으로 복수개가 형성되어 일렬의 디퓨저를 형성하게 된다. 하기에서는 외경을 외주면(400)이라고 칭하고, 내경을 내주면(500)이라고 칭한다. 또한 외주면(400)으로 향하는 방향을 상부, 윗방향으로 칭하고, 내주면(500)으로 향하는 방향을 하부, 아랫방향으로 칭한다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 유체감압장치는,

고압의 유체가 유입되는 유입관(11a)과 저압의 유체가 배출되는 배출관(11b)을 구비하는 유체처리장치에 장착되어 유체감압을 유도하는 유체감압장치에 있어서,

외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 A(100);와

상기 디스크A와 동일한 크기로 외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 B(200);를 한 쌍 디스크로 결합하되,

상기 디스크 A(100)에는 외주면(400)에서 내주면(500)을 향하여 복수개의 디퓨저셀이 반지름방향으로 통공되어 일렬로 디퓨저 a(110)를 형성하고, 디스크 B(200)에는 외주면(400)에서 내주면(500)을 향하여 복수개의 디퓨저셀이 반지름방향으로 통공되어 일렬로 디퓨저 b(210)를 형성하되 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)는 상호 반지름방향으로 소정간격으로 이격되어 구비됨으로써,

상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)가 교차하여 상하로 연결되어 감압유로를 형성한다.

디스크 A(100)와 디스크 B(200)는 모두 디스크 판에 방사상으로 디퓨저 셀이 통공의 형태로 형성된 구조를 가진다.

디퓨저 셀은 반지름방향으로 통공형성된 일련의 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)를 지칭하는 것으로서, 디스크 A(100)와 디스크 B(200)에는 복수개의 디퓨저 셀이 구비되되 각각 이격되어 구비되되 디스크 A(100)와 디스크 B(200)가 동심으로 중첩될 때 디스크 A(100)의 디퓨저 셀과 디스크 B(200)의 디퓨저 셀이 상호 위 아래로 유체의 유동방향이 전환되면서 흐를 수 있는 유로를 형성하게 된다. 즉,

본 발명에서 디스크 A(100)의 디퓨저 a(110)는,

디스크 A(100)의 외주면(400)에 인접하여 구비되어 유체의 제1포트(410)을 형성하는 상부개방셀(310),

상기 디스크 A(100)의 내주면(500)에 인접하여 구비되어 유체의 제2포트(510)을 형성하도록 구비된 하부개방셀(330)과,

상기 상부개방셀(310)과 하부개방셀(330) 사이에 적어도 하나 이상의 밀폐셀(320)이 구비되되,

상기 상부개방셀(310), 밀폐셀(320)과 하부개방셀(330)이 소정간격을 두고 반지름방향으로 일렬로 정렬되어 구비된 것으로 상기 디스크 A(100)에 원주방향으로 소정각도로 이격되어 원형 패턴을 형성하며,

디스크 B(200)의 디퓨저 b(210)는,

디스크 B(200)의 외주면(400)과 내주면(500) 사이에 복수개의 밀폐셀(320)이 소정간격을 두고 일렬로 반지름방향으로 형성되되 상기 디스크 B(200)에 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개가 형성됨으로써,

상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 상기 디스크A의 디퓨저 셀과 상기 디스크 B(200)의 디퓨저 셀이 상하로 일부 중첩 구성되어 외주면(400)에서 내주면(500)방향으로 감압유로를 형성한다.

디스크 A(100)를 통해서 디스크 외주의 제1포트(410)으로 유입된 유체는 디스크 A의 디퓨저셀과 디스크 B(200)의 디퓨저셀을 상하로 반복하여 통과하면서 확산과 수축 과정을 겪게 된다. 이로 인해서 유체의 압력은 감소되고 최종적으로 디스크 A(100)의 제2포트(510)를 통해 유체감압장치의 내주면(500) 공간으로 유출되도록 한다. 이 때 유체가 드나드는 디퓨저셀의 상단부가 이루는 확산각(301d)α는 유동 확산과 박리를 이용한 압력 손실과 관련이 있으며 바람직하게 약 45~60°로 형성하는 것이 효율적이다.

도 6 내지 도 9는 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심결합에 의해서 형성되는 유로의 형태와 유체의 흐름을 시각화하여 도시한 것이다. 도 6과 같이, 디스크 A(100)가 1층이라면 디스크 B(200)는 2층에서의 유로를 담당하는 것으로, 디스크 A(100)의 디퓨저 셀과 디스크 B(200)의 디퓨저 셀은 상호 중첩되어서 상하로 유로를 형성하게 된다. 물론 디스크 A(100)와 디스크 B(200)는 상호 교대로 중첩되므로 제1의 세트는 동일한 각도로 중첩되지만, 인접하는 다른 한 쌍의 제2세트는 이격된 다른 각도로 중첩된다. 이에 따라 제1세트의 디스크는 인접한 제2세트와 제3세트의 디스크에 의해서 양측면(302b)이 이격된 각도로 중첩되므로, 디퓨저에 의해서 구성되는 유로는 상하가 차단되게 된다.

구체적으로 상기 디퓨저 셀은 하향하여 상협하광의 사다리꼴 형상을 가지는 것으로서, 확산면(301c)을 가지는 헤드부(301)와 상기 헤드부(301)의 하단에 인접하여 결합되는 사각형상의 바디부(302)로 이루어진 것으로, 마치 머리를 포함하는 사람의 상체와 같은 모양을 하고 있다.

상기 디스크 A(100)의 상부개방셀(310)은 외주면(400)에 대해서 절개된 상단개방헤드(311)과 상기 상단개방헤드(311)에 연속적으로 형성되되 확대 형성된 개방바디(312)로 이루어진 것으로, 상기 상단개방헤드(311)의 절개부를 통해서 유체가 유입되는 제1포트(410)을 형성하고,

상기 디스크 A(100)의 하부개방셀(330)은 내주면(500)에 대해서 절개된 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방헤드(331)에 연속적으로 형성되되 확대 형성된 하단개방바디(332)로 이루어진 것으로, 상기 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방바디(332)를 통해서 유체가 유출되는 제2포트(510)을 형성하며,

상기 상부개방셀(310)과 상기 하부개방셀(330) 사이에 구비된 밀폐셀(320)은 밀폐헤드(321)와 밀폐바디(322)가 일체로 결합되어 유로를 형성한다.

이와 같은 구조에 의해서 본 발명에서 유체는 디스크 A(100)의 외주면(400)에 인접하여 절개되어 형성된 제1포트를 통해서 상부개방셀(310)로 유입되고, 상기 상부개방셀(310)로 유입된 유체는 디스크 B(200)의 밀폐셀(320)로 유입되며, 다시 디스크A의 밀폐셀(320)로 유입된다. 이와 같이 반복되는 구조를 통해서 외주면(400)의 제1포트(410)을 통해서 유입된 유체는디스크 A(100)의 디퓨저셀과 디스크 B(200)의 디퓨저 셀을 위 아래로 반복하여 오가면서 흐르게 된다.

디퓨저 셀들은 일반적으로 널리 사용하고 있는 레이저 가공기, 워터젯 가공기 등을 이용하여 디스크에 쉽고 빠르게 제작하고 할 수 있다. 이러한 방법으로 동일하게 제작된 디스크들을 적층하고 볼트, 용접, 브레이징 등의 방법으로 결합시켜 유체감압장치를 재작할 수 있다.

유입관(11a)을 통해서 밸브(10) 바디에 유입된 유체는 디스크 A(100)의 외주면(400)에 연결되도록 형성된 디퓨저 셀의 제1포트(410)을 통해서 유입되고, 디스크 A(100)의 디퓨저셀과 디스크 B(200)의 디퓨저 셀을 반복적으로 통과한 후 제2포트(510)를 통해 유출되며, 이후 유체감압장치의 내주면(500)과 플러그(13)가 이루는 틈새를 통해 시트링을 거쳐 밸브(10)바디의 배출관(11b)으로 배출된다.

특히 도 8은 디스크 A(100)와 디스크 B(200)가 중첩되어 결합된 상태에서 디퓨저들에 의해서 형성된 감압유로 내에서 흐르는 고압유체의 흐름을 도시한 것이다.

본 발명의 유체감압장치는, 상기 헤드부(301)를 통해서 유입된 유체는 헤드부(301)를 통과하면서 중심부에서 하방으로 강하게 흐르는 주유동(701), 양측의 확산면(301c)과 상기 확산면에 연장된 바디부의 확산가상면(304)을 따라서 흐르는 확산유동(702), 상기 바디부(302)의 어깨면(302a)과 측면(302b) 사이에서 발생하는 재순환 유동(705), 그리고 주유동(701)이 바닥면(302c)에서 일으키는 충돌유동(703), 충돌유동이 발생한 후에 방향전환부로 회전되는 회전유동(704), 상기 바디부(302)에 중첩된 디퓨저 셀의 헤드부(301), 즉 방향전환부(305)를 통과하면서 상층 또는 하층의 디퓨저 셀로 전환되어 유입되어 흐르는 방향전환유동(706)을 형성하게 된다.

특히, 디퓨저 셀의 입구을 통해서 유입된 유체는 확산면(301c)을 통해서 급격하게 확산되기 때문에 유동박리가 일어나며 분출되고 주유로를 형성하며 확산부의 확산각(301d)의 외곽에서는 재순환 유동(705)이 발생하게 되는데, 이로 인해 주유로 면적은 줄어들면서 주유동로를 흐르는 유체유동 속도는 증가하게 된다. 확산각(301d)이 커질수록 재순환 유동(705)의 최대속도는 더 증가하게 된다. 재순환 유동(705) 영역의 속도 증가는 유로 내의 에너지 손실을 더욱 증가시키므로 더 큰 압력 손실이 발생하게 된다.

디퓨저 셀의 헤드부(301)의 확산면(301c)을 통해서 확산유동을 하는 유체는 바디부(302)의 바닥면(302c)에서 강하게 충돌한 이후 방향전환부(305)에서 적층된 다른 디스크의 디퓨저 셀로 상층 또는 하층 방향으로 급격하게 전환되는데, 상층 또는 하층의 디퓨저 셀에 진입하기 전에 양방향에서 강하게 대칭형으로 회전운동을 하는 회전유동이 발생하며 이는 레이놀즈 응력에 의해 강한 대류 및 유동 편중을 유발시켜 에너지와 압력손실이 증가한다. 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)에 의해 형성되는 유로는 이러한 유동 특성을 형성하여 단위 체적당 에너지와 압력손실이 큰 효율적인 유체감압장치를 형성하게 된다.

디퓨저 셀에 의한 에너지 손실 및 감압능력은 ζd = f (α, n, Re)로 표현될 수 있다. 여기에서 α는 디퓨저셀의 확산각(301d)의 각도, n은 디퓨저의 확산 단면적 비율로서, 디퓨저 헤드부(301) 입구횡단면(301a)의 면적과 헤드부(301) 출구횡단면(301b)의 면적의 비율이며, Re는 레이놀즈 수이다. 에너지 손실 및 감압 능력은 α, n, Re가 커질수록 증가하게 되는데, 유체감압장치는 이 세 가지 변수를 조합하여 콤팩트하게 만들 수 있다. 디퓨저셀의 확산각(301d)의 각도(α)가 증가할수록 유체의 감압 능력은 증가하지만 65°에 도달하면 증가율이 현저히 낮아진다. 따라서 디퓨저의 각도는 45°에서 60°정도가 바람직하다. 디퓨저 확산 단면적 비율(n)이 증가할수록 유체의 감압능력이 증가된다. 또한 레이놀즈 수(Re)가 증가할수록 유체의 감압 능력은 증가되나, 4 X 10⁵ 이상이 되면 감압 능력은 더 이상 증가하지 않는다. 따라서 유체감압장치의 디퓨저 셀은 디퓨저의 확산각(301d)의 각도(α), 확산 단면적 비율(n), 레이놀즈 수(Re)를 적절하게 조절하면 주어진 체적에서 감압능력이 증가하고 콤팩트한 유체감압장치를 설계하여 만들 수 있다. 이러한 유체감압장치로 유입된 유체는 디퓨저 셀을 여러 차례로 통과하면서 유체의 압력이 감소되고 유속도 미리 설정한 속도가 된다.

도 9는 유체감압장치에 구비된 디퓨저셀의 제2포트(510) 구조 및 제2포트(510)에서의 유출흐름을 도시한 것이다. 제2포트(510)는 확산통로를 구비하되, 상기 확산통로는 가상선(332b)으로 표시된 것처럼 디퓨저셀의 일부로서, 유체감압장치에서 최종 제2포트(510)을 형성한다. 이 제2포트(510)은 유체의 확산을 위해 확산되는 방향으로 통로가 넓어진다. 유속은 유로의 횡단면적을 유량률으로 나눈 것으로서, v= q/A 로 표현된다. 여기서 v는 유속, A는 유로의 횡단면적, q는 유량률이다. 제2포트(510)에서의 운동에너지는 KE = 1/2×(ρv²/M) 이다. 여기서 KE(Kinetic Energy)는 운동에너지, ρ는 유체의 밀도, v는 유속, M은 상수이다. 따라서 동일한 유량률에서 유속과 운동에너지를 낮추기 위해서는 유로의 횡단면적을 크게 하면 된다. 도 9와 같이 제2포트(510)는 하단개방헤드(331)와 하단개방바디(332)로 이루어진 디퓨저 셀에 의해서 구현되는 것으로서, 디퓨저 셀의 횡단면적을 크게 하기 위해서 출구 방향으로 하단개방바디(332)의 측면(302b)에 확산각(301d)을 주어 양측으로 확대하여 하단확산면(332a)을 형성한 것이다. 이를 통해 제2포트(510)에서의 유속과 운동에너지를 크게 낮추어 유체감압장치의 내주면(500)에 위치하고 있는 플러그(13)의 원주면에 작용하는 충돌력을 크게 낮출 수 있게 되어 플러그(13) 원주면의 피로 손상과 침식을 방지할 수 있다. 하단확산면(332a)에 의해서 유로를 확대하는 것은 제2포트(510)에서 유속과 운동에너지를 크게 낮출 수 있다.

본 발명의 유체감압장치는 각 디퓨저 셀에 의해서 형성되는 감압유로에서 유체가 헤드부의 확산면(301c)을 통해 확산 유동(701), 바디부를 통해 급확대 유동(702), 바닥면과의 충돌유동(703)), 측면 부위에서 재순환유동(705), 방향전환부로 급축소되면서, 상층 또는 하층으로의 방향 급전환 유동(704)이 동시에 이루어지되 반복적으로 이루어짐으로써 유체감압의 효과가 현저하게 증대되는 것이다. 구체적으로, 유체의 유동이 확산될 때는 유동박리로 인해 분출되고 확산되는 측면에 재순환 유동(705)이 일어난다. 이로 인해 주유로 면적은 줄어들면서 주유동의 속도는 증가하게 된다. 확산각이 커질수록 재순환 유동(705)의 최대속도는 더 증가하게 된다. 재순환 유동(705) 영역의 속도 증가는 유로 내의 에너지 손실을 더욱 증가시키므로 더 큰 압력 손실이 발생하게 된다. 유체의 유동이 벽면에서의 충돌과 급격한 방향 전환이 있을 때 강한 대칭형의 2차 유동이 발생하며 이는 레이놀즈 응력에 의해 강한 대류 및 유동 편중을 유발시켜 매우 복잡한 유동현상과 전단류가 형성된다. 또한 주유동(701)이 벽면에 충돌하면서 급격한 방향전환은 강한 회전운동(704)을 발생시키고 이는 레이놀즈 응력 증가로 에너지와 압력손실이 증가한다. 이러한 유동 특성을 이용하면 보다 효과적인 유체 감압 및 유동 확산 장치의 구조를 만들 수 있다.

본 발명의 유체감압장치는 제2포트에 유체 확산구조를 구비함으로써, 유체의 감압과 더불어 유체의 유속을 현저하게 낮출 수 있는 것으로, 플러그 원주면에 충돌할 때 충격을 감소시킬 수 있어 플러그 원주면의 침식을 방지할 수 있고, 플러그가 내주면에 구비된 제2포트를 정밀하게 개폐 제어할 수 있게 된다.

도 10은 다른 실시예에 대한 것으로서, 내주면을 통해서 외주면 방향으로 유체가 관통할 수 있도록 유로를 형성한 것이다.

즉, 복수의 디퓨저 셀로 이루어지는 디스크 A(100)의 디퓨저 a(110)는,

디스크 A(100)의 내주면(500)에 인접하여 구비되어 유체의 제1포트(510)을 형성하는 상부개방셀(310),

상기 디스크 A(100)의 외주면(400)에 인접하여 구비되어 유체의 제2포트(410)을 형성하도록 구비된 하부개방셀(330)과,

상기 상부개방셀(310)과 하부개방셀(330) 사이에 적어도 하나 이상의 밀폐셀(320)이 구비되되,

상기 상부개방셀(310), 밀폐셀(320)과 하부개방셀(330)이 소정간격을 두고 반지름방향으로 일렬로 정렬되어 구비된 것으로 상기 디스크 A(100)에 대해서 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개를 형성하며,

복수의 디퓨저 셀로 이루어지는 디스크 B(200)의 디퓨저 b(210)는,

디스크 B(200)의 내주면(500)으로부터 외주면(400) 방향으로 복수개의 밀폐셀이 소정간격을 두고 일렬로 반지름방향으로 형성되는 것으로 밀폐셀의 밀폐헤드(321)가 내주면(500)을 향하도록 배치되되 상기 디스크 B(200)에 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개가 형성됨으로써,

상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 상기 디스크A의 디퓨저셀과 상기 디스크 B(200)의 디퓨저셀이 상하로 일부 중첩 구성되어 외주면(400)에서 내주면(500)방향으로 감압유로를 형성하는 것이다.

이에 따라서, 상기 디스크 A(100)의 상부개방셀(310)은 내주면(500)에 대해서 절개된 상단개방헤드(311)과 상기 상단개방헤드(311)에 일체로 형성되되 확대 형성된 개방바디(312)로 이루어진 것으로, 상기 상단개방헤드(311)의 절개부를 통해서 유체가 유입되는 제1포트(410)을 형성하고,

상기 디스크 A(100)의 하부개방셀(330)은 외주면(400)에 대해서 절개된 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방헤드(331)에 연속적으로 형성되되 확대 형성된 하단개방바디(332)로 이루어진 것으로, 상기 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방바디(332)를 통해서 유체가 유출되는 제2포트(410)을 형성하며,

상기 상부개방셀(310)과 상기 하부개방셀(330) 사이에 구비된 밀폐셀은 밀폐헤드(321)와 밀폐바디(322)가 일체로 결합되어 유로를 형성한다.

이와 같은 실시예에서도 앞에서 설명한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은 당연하다. 일반적으로 이와 같이 내주면에서 외주면방향으로 감압유동을 유도하는 것은 기체유동에 적용되는 경우가 많다. 즉, 고압의 기체는 내주면의 유입구를 통해서 유입되고 감압유로를 거쳐 팽창하면서 유출구를 통해서 유출되게 된다. 내주면을 통해서 외주면 방향으로 감압유동을 유도하는 것은 앞에서 설명한 것과 반대되는 것일 뿐, 그 작용에 있어서는 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

100 : 디스크 A, 110 : 디퓨저 a
200 : 디스크 B 210 : 디퓨저 b
300 : 디퓨저 셀,
310 : 상부개방셀, 320 : 밀폐셀, 330 : 하부개방셀
400 : 외주면, 410 : 제1포트
500 : 내주면, 510 : 제2포트

Claims (5)

1. 고압의 유체가 유입되는 유입관과 저압의 유체가 배출되는 배출관을 구비하는 유체처리장치에 장착되어 유체감압을 유도하는 유체감압장치에 있어서,
   
   외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 A(100);와
   상기 디스크A와 동일한 크기로 외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 B(200);를 한 쌍의 디스크로 결합하는 것으로,
   상기 디스크 A(100)에는 외주면(400)과 내주면(500)사이에 복수개의 디퓨저 셀이 통공되어 반지름방향으로 일렬로 디퓨저 a(110)를 형성하고, 디스크 B(200)에는 외주면(400)과 내주면(500) 사이에 복수개의 디퓨저 셀이 통공되어 반지름방향으로 일렬로 디퓨저 b(210)를 형성하되 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)는 상호 반지름방향으로 소정간격으로 이격되어 구비되되,
   상기 디퓨저 셀은 하향하여 확산면(301c)을 가지도록 상협하광의 사다리꼴 형상의 헤드부(301)와 상기 헤드부(301)의 하단에 인접하여 결합되는 사각형상의 바디부(302)로 이루어지며, 상기 디스크 A(100)의 디퓨저 셀의 바디부(302)는 상기 디스크 B(200)의 디퓨저 셀의 헤드부(301)와 연결되고, 상기 디스크 B의 바디부(302)는 상기 디스크 A의 디퓨저 셀의 헤드부(301)와 연결되도록 적층되도록 상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)가 교차하여 상하로 연결되어 감압유로를 형성하는 것으로,
   
   복수의 디퓨저 셀로 이루어지는 디스크 A(100)의 디퓨저 a(110)는,
   디스크 A(100)의 외주면(400)에 인접하여 구비되어 유체의 제1포트(410)을 형성하는 상부개방셀(310),
   상기 디스크 A(100)의 내주면(500)에 인접하여 구비되어 유체의 제2포트(510)을 형성하도록 구비된 하부개방셀(330)과,
   상기 상부개방셀(310)과 하부개방셀(330) 사이에 적어도 하나 이상의 밀폐셀(320)이 구비되되,
   상기 상부개방셀(310), 밀폐셀(320)과 하부개방셀(330)이 소정간격을 두고 반지름방향으로 일렬로 정렬되어 구비된 것으로 상기 디스크 A(100)에 대해서 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개를 형성하며,
   
   복수의 디퓨저 셀로 이루어지는 디스크 B(200)의 디퓨저 b(210)는,
   디스크 B(200)의 외주면(400)으로부터 내주면(500)방향으로 복수개의 밀폐셀(321)이 소정간격을 두고 일렬로 반지름방향으로 형성되는 것으로 밀폐셀의 밀폐헤드(321)가 외주면(400)을 향하도록 배치되되 상기 디스크 B(200)에 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개가 형성됨으로써,
   상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 상기 디스크A의 디퓨저셀과 상기 디스크 B(200)의 디퓨저셀이 상하로 일부 중첩 구성되어 외주면(400)에서 내주면(500)방향으로 감압유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체감압장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 디스크 A(100)의 상부개방셀(310)은 외주면(400)에 대해서 절개된 상단개방헤드(311)과 상기 상단개방헤드(311)에 일체로 형성되되 확대 형성된 개방바디(312)로 이루어진 것으로, 상기 상단개방헤드(311)의 절개부를 통해서 유체가 유입되는 제1포트를 형성하고,
   상기 디스크 A(100)의 하부개방셀(330)은 내주면(500)에 대해서 절개된 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방헤드(331)에 연속적으로 형성되되 확대 형성된 하단개방바디(332)로 이루어진 것으로, 상기 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방바디(332)를 통해서 유체가 유출되는 제2포트를 형성하며,
   상기 상부개방셀(310)과 상기 하부개방셀(330) 사이에 구비된 밀폐셀은 밀폐헤드(321)와 밀폐바디(322)가 일체로 결합되어 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체감압장치.
   
3. 고압의 유체가 유입되는 유입관과 저압의 유체가 배출되는 배출관을 구비하는 유체처리장치에 장착되어 유체감압을 유도하는 유체감압장치에 있어서,
   
   외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 A(100);와
   상기 디스크A와 동일한 크기로 외경과 내경을 가지도록 형성된 환형의 디스크 B(200);를 한 쌍의 디스크로 결합하는 것으로,
   상기 디스크 A(100)에는 외주면(400)과 내주면(500)사이에 복수개의 디퓨저 셀이 통공되어 반지름방향으로 일렬로 디퓨저 a(110)를 형성하고, 디스크 B(200)에는 외주면(400)과 내주면(500) 사이에 복수개의 디퓨저 셀이 통공되어 반지름방향으로 일렬로 디퓨저 b(210)를 형성하되 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)는 상호 반지름방향으로 소정간격으로 이격되어 구비되되,
   상기 디퓨저 셀은 하향하여 확산면(301c)을 가지도록 상협하광의 사다리꼴 형상의 헤드부(301)와 상기 헤드부(301)의 하단에 인접하여 결합되는 사각형상의 바디부(302)로 이루어지며, 상기 디스크 A(100)의 디퓨저 셀의 바디부(302)는 상기 디스크 B(200)의 디퓨저 셀의 헤드부(301)와 연결되고, 상기 디스크 B의 바디부(302)는 상기 디스크 A의 디퓨저 셀의 헤드부(301)와 연결되도록 적층되도록 상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 디퓨저 a(110)와 디퓨저 b(210)가 교차하여 상하로 연결되어 감압유로를 형성하는 것으로,
   
   복수의 디퓨저 셀로 이루어지는 디스크 A(100)의 디퓨저 a(110)는,
   디스크 A(100)의 내주면(500)에 인접하여 구비되어 유체의 제1포트를 형성하는 상부개방셀(310),
   상기 디스크 A(100)의 외주면(400)에 인접하여 구비되어 유체의 제2포트를 형성하도록 구비된 하부개방셀(330)과,
   상기 상부개방셀(310)과 하부개방셀(330) 사이에 적어도 하나 이상의 밀폐셀(320)이 구비되되,
   상기 상부개방셀(310), 밀폐셀(320)과 하부개방셀(330)이 소정간격을 두고 반지름방향으로 일렬로 정렬되어 구비된 것으로 상기 디스크 A(100)에 대해서 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개를 형성하며,
   
   복수의 디퓨저 셀로 이루어지는 디스크 B(200)의 디퓨저 b(210)는,
   디스크 B(200)의 내주면(500)으로부터 외주면(400) 방향으로 복수개의 밀폐셀이 소정간격을 두고 일렬로 반지름방향으로 형성되는 것으로 밀폐셀의 밀폐헤드(321)가 내주면(500)을 향하도록 배치되되 상기 디스크 B(200)에 원주방향으로 소정각도로 이격되어 복수개가 형성됨으로써,
   상기 디스크 A(100)와 디스크 B(200)의 동심상 결합에 의해서 상기 디스크A의 디퓨저셀과 상기 디스크 B(200)의 디퓨저셀이 상하로 일부 중첩 구성되어 외주면(400)에서 내주면(500)방향으로 감압유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체감압장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 디스크 A(100)의 상부개방셀(310)은 내주면(500)에 대해서 절개된 상단개방헤드(311)과 상기 상단개방헤드(311)에 일체로 형성되되 확대 형성된 개방바디(312)로 이루어진 것으로, 상기 상단개방헤드(311)의 절개부를 통해서 유체가 유입되는 제1포트를 형성하고,
   상기 디스크 A(100)의 하부개방셀(330)은 외주면(400)에 대해서 절개된 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방헤드(331)에 연속적으로 형성되되 확대 형성된 하단개방바디(332)로 이루어진 것으로, 상기 하단개방헤드(331)와 상기 하단개방바디(332)를 통해서 유체가 유출되는 제2포트를 형성하며,
   상기 상부개방셀(310)과 상기 하부개방셀(330) 사이에 구비된 밀폐셀은 밀폐헤드(321)와 밀폐바디(322)가 일체로 결합되어 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체감압장치.
   
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