KR19990037203A - 일체화된 압력 제어기를 가진 유동 제어 밸브 - Google Patents

일체화된 압력 제어기를 가진 유동 제어 밸브 Download PDF

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빌리 빌트
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토니올로 쿠르트
일렉트로와트 테크놀로지 이노베이션 악티엔게젤샤프트
뉜리스트 한스
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Abstract

유동 제어 밸브는 연속적으로 배열된 두개의 쓰로틀 위치를 가진다. 제 1 쓰로틀 위치는 통과 유동에 대한 조절 부재의 역할을 한다. 제 2 쓰로틀 위치는 제 1 쓰로틀 위치를 가로지르는 압력 편차를 일정한 값으로 제어한다. 제 1 쓰로틀 위치는 밸브 하우징(6)에 고정되게 연결된 밸브 삽입부(7)의 제 1 밸브 시이트(5)와 함께 작동하는 제어 부재(4)에 의해 형성된다. 제 2 쓰로틀 위치는 밸브 삽입부(7)의 제 2 밸브 시이트(10)와 함께 작동하는 압력 조절 부재(9)에 의해 형성된다. 제어 부재(4)와 압력 조절 부재(9)는 동일한 방향(12)에서 변위될 수 있으며 탄성적인 다이아프램(13)에 의해 연결된다. 유입 챔버(1)는 다이아프램(13)과 압력 조절 부재(9)에 작용하는 압력 챔버(15)와 연통한다. 유입 챔버(1)에서 획득되는 압력(p1)을 압력 조절 부재(9)에 전달하는 작동 표면은, 두개의 쓰로틀 위치 사이에서 획득되는 압력(p2)을 압력 조절 부재(9)에 전달하는 제 2 작동 표면과 대략적으로 같다. 그러한 장치에서 유동 매체는 쓰로틀 위치를 통해서 회전 방향으로 대칭적으로 유동한다.

Description

일체화된 압력 제어기를 가진 유동 제어 밸브
본 발명은 청구 범위 제 1 항에 기재된 종류인, 일체화된 압력 제어기를 가진 유동 제어 밸브에 관한 것이다.
유럽 특허 EP 677 708 에 기재된 바에 따르면, 그러한 유동 제어 밸브는 예를 들면 복수개의 가열체가 적어도 하나의 라인으로 함께 유체 연결되어 있는 온수 가열 시스템에서 가열체 밸브로서 사용되는데 적당하다. 그러한 유동 제어 밸브로써, 다른 가열체의 작동에 의해 영향을 받는 각각의 우세한 압력 강하에 대하여 독립적으로, 개별적인 가열체는 동일하게 유지되는 가열 출력의 레벨로 작동될 수 있다. 이러한 것은 유동 매체의 통과 유동을 제어하는 제어 부재와 제어 부재에서의 압력 강하를 조절하는 압력 조절 부재에 의해서 공지의 방식으로 달성된다.
청구 범위 제 1 항에 기재된 종류의 유동 제어 밸브는 미국 특허 제 3 344 805 호로부터 공지되어 있다. 산업용 설비를 위해서 설계된 유동 제어 밸브는, 밸브를 통해 유동하는 유동 매체가 불규칙적으로 배출될때, 즉, 일측에 배출될때 압력 조절 부재상에 작용하는 압력이 비대칭적이고, 더욱이 압력 조절 부재의 개방 정도가 증가하는 것과 함께, 제어 부재에서의 압력 강하가 표면 면적을 변환시키는 것에 의해, 즉, 표면 면적을 변경키는 것에 의해 상응하는 우세 압력이 힘을 제어 부재 및 압력 조절 부재에 적용하는 것으로써 더이상 만족스럽게 조절될 수 없다는 단점을 감수한다. 더욱이, 제어 부재의 구동 바(drive bar)와 압력 조절 부재 사이에 배치된 O 링 형태의 시일은 상대적으로 높은 마찰력을 구비함으로써 이러한 밸브가 자동 온도 조절 밸브로서 적합하지 않다.
다른 유동 제어 밸브는 유럽 특허 출원 EP 751 448 에 개시되어 있다. 상대적으로 큰 그러한 밸브도 가열체 밸브로서 사용되기에는 적절하지 않다.
프랑스 특허 출원 FR 2 740 544 는 단일의 쓰로틀 위치를 가지는 밸브를 개시하는데, 여기에서 통과 유량은 대략 압력 강하에 대해 독립적이다. 그러나 이러한 유니트는 통과 유량을 조절하기 위한 조절 수단, 즉, 제어 부재를 가지지 아니한다.
본 발명은 치수가 보다 집약적이어서 압력 히스테러시스(hystereis)의 레벨을 감소시키기 위하여 제어 밸브의 압력 조절 부재가 가능한한 용이하게 움직일 수 있고 그리고 밸브는 가열체 밸브로서 사용하기에 적당한 방식으로, 특정한 종류의 유동 제어 밸브를 향상시키는 문제에 기초하고 있다.
도 1은 본 발명의 원리를 도시하는 도면이다.
도 2는 두개의 쓰로틀 위치를 가진 유동 제어 밸브의 단면도이다.
도 3은 제 1 쓰로틀 위치의 특정한 형상을 도시한다.
도 4는 제 1 쓰로틀 위치의 단면도이다.
도 5는 스핀들 장착용 구멍의 단면도이다.
도 6은 라디에이터 배관 설비에서 용이한 설치에 적절한 유동 제어 밸브의 단면도이다.
도 7은 두개의 쓰로틀 위치를 가진 유동 제어 밸브의 다른 구현예에 대한 단면도이다.
* 도면의 주요부호에 대한 부호의 설명
1. 유입 챔버 3. 유출 챔버
4. 제어 부재 5. 제 1 밸브 시이트
6. 밸브 하우징 7. 밸브 삽입부
8. 개구부 9. 압력 조절 부재
13. 다이아프램 15. 압력 챔버
16. 압력 조절 부재 17. 베인
본 발명은 청구 범위 제 1 항의 특징에 의해 상기 문제를 해결한다. 다른 유리한 구성들은 첨부된 청구 범위에 기재되어 있다.
본 발명은, 유입 챔버, 두개의 연속적으로 배열된 쓰로틀 위치 및, 유출 챔버를 구비하고 유동 매체의 통과 유동을 제어하는 유동 제어 밸브를 개시하는데, 여기에서 제 1 쓰로틀 위치는 통과 유동에 대한 조절 부재의 역할을 하고, 제 1 쓰로틀 위치를 가로지르는 압력 편차는 제 2 쓰로틀 위치에 의해 일정한 값으로 제어된다. 그러한 배치에 있어서, 제 1 쓰로틀 위치는 통과 유량을 제어하는 제 1 밸브 시이트와 함께 작동하는 제어 부재에 의해 공지의 방식으로 형성되는 반면에, 제 2 쓰로틀 위치는 압력 편차를 제어하는 제 2 밸브 시이트와 함께 작동하는 압력 조절 부재에 의해 형성된다.
유동 매체가 유입 챔버와 압력 챔버 사이에서 자유롭게 순환될 수 있는 한, 즉, 특히 유입 챔버에서와 같은 압력이 압력 챔버에서 획득되는 한, 유입 챔버는 적어도 부분적으로 압력 조절 부재에 작용하는 압력 챔버와 연통된다. 그러한 점에 있어서, 유입 챔버에서 획득된 압력을 압력 조절 부재에 전달하는 제 1 작동 표면은 두개의 쓰로틀 위치 사이에서 획득된 압력을 압력 조절 부재에 전달하는 제 2 작동 표면과 대략 같으며, 압력 조절 부재는 제 2 쓰로틀 위치의 하류측으로 유출 챔버의 회전 방향으로 대칭적인 형상에 의해, 그리고 회전 방향으로 대칭적인 구조에 의해 유동 매체의 회전 방향으로 대칭적인 통과 유동을 허용한다.
압력 조절 부재와 밸브 하우징은 탄성적인 다이아프램(diaphragm)에 의해 연결되며, 여기에서 압력 조절 부재가 제어 부재의 구동측에 설치되었을때 다이아프램은 제어 부재에도 연결된다. 그러한 방식으로 제어 부재와 압력 조절 부재는 동일한 제 1 방향에서 변위될 수 있는 탄성의 다이아프램에 의해서 연결된다. 탄성적인 다이아프램은 압력 조절 부재를 움직일 수 있게 장착하고 압력 챔버를 시일하는 역할을 한다. 압력 조절 부재는 밸브 하우징과 제어 부재 사이에서 다이아프램에 의해 현수됨으로서 자유롭게 움직일 수 있는데, 상기 제어 부재는 구동부에 의해 변위될 수 있지만 그렇지 않으면 고정되어 있다. 그러한 점에서 다이아프램은 쓰로틀 위치 사이의 챔버 또는 공간과 관련하여 압력 챔버를 시일하는 방식으로 제어 부재 또는 구동 바 또는 제어 부재 구동용 스핀들에 고정된다. 그러한 것은 그 어떤 O 링 시일도 배제하며, 제어 부재가 매우 용이한 운동으로써 변위되는 것과 그리고 압력 조절 부재도 제어 부재에 대한 마찰이 거의 없이 움직이는 것을 장치가 보장한다. 더욱이, 다이아프램은 밸브의 개별적인 챔버내에서 압력 강하를 방지하도록 개별적인 부재의 운동에 대하여 독립적인 신뢰성 있는 시일링의 완전성을 보장한다. 압력 조절 부재가 제어 부재에 대하여 구동부로부터 이격된 측에 설치되었을때, 압력 조절 부재는 다이아프램에 의해 밸브 하우징에 직접적으로 연결된다.
압력 조절 부재와 제어 부재는, 유동 매체에 대한 유체 역학의 관점에서 가능한한 유리한 형상을 보장하기 위하여, 원추형이거나 또는 적어도 부분적으로 원추 형상인 것이 바람직스럽다.
압력 조절 부재, 제어 부재 및, 상응하는 연결부와, 그리고 특히 그 부재에 대하여 상응하는 밸브 시이트도 다이아프램에 의해서, 유입 챔버에서 획득되는 압력을 제 1 방향으로 제어 부재에 전달하는 제 3 작동 표면이 유입 챔버에서 획득되는 압력을 제 1 방향과 반대인 방향에서 제어 부재로 전달하는 제 4 작동 표면과 대략 같게 되는 그러한 특성을 가진다. 그러한 상황에 있어서, 제 3 작동 표면은 유입 챔버를 향하는 제어 부재측에 배치되고, 제 4 작동 표면은 압력 챔버를 향하는 제어 부재측에 배치된다. 제 1 작동 표면과 제 4 작동 표면의 합은 제 2 작동 표면과 제 3 작동 표면의 합과 대략적으로 같으며, 여기에서 작동 표면들은 "맞물림 표면"으로부터 발생하는데, 상기 맞물림 표면은 도면에서 y 방향으로 식별되는 제 1 방향에서 상응하는 압력에 의해 야기되는 힘의 발생 또는 전달을 허용한다.
유출 챔버에서 획득되는 압력에 기인하여 제 1 방향에서 최소한 부분적으로 압력 조절 부재에 작용하는 힘이, 유출 챔버에서 획득되는 압력에 기인하여 제 1 방향(12)에 반대인 방향에서 최소한 부분적으로 압력 조절 부재에 작용하는 힘 또는 힘들에 상응하도록, 압력 조절 부재의 형상이 이루어진다.
유출 챔버에서 획득되는 압력에 의해 야기되는 힘과, 유입 챔버 및 압력 챔버에서 획득되는 압력과 쓰로틀 위치 사이에서 획득된 압력에 의해 야기된 힘과, 그리고/또는 적어도 제 2 쓰로틀 위치를 통하는 유동 매체의 유동에 의해 야기된 힘은, 밸브내에서 상응하는 가동 부재상에 대칭적으로 각각 작용하며, 압력 조절 부재의 형상 및, 위에 언급된 구성에 기인하여, 다이아프램, 제어 부재 및, 추축 회전 연결부 또는 안내 수단과 쓰로틀 위치에 작용한다. 대칭적인 관계로 작용하는 힘에 의해서, 밸브는 가열체 밸브로서 사용되도록 작은 유니트로서 대략 동일한 크기의 작동 표면으로 디자인될 수 있다.
제 2 쓰로틀 위치 둘레의 영역에서, 제 1 방향과 대략 평행한 관계로 배열되고 그리고 압력 조절 부재의 낮은 마찰의 안내를 제공하는 역할을 하는 베인(vane) 또는 리브(rib)에 의해서, 압력 조절 부재는 제 1 방향에 대략적으로 평행하지 않은 방향에서 유동 매체의 유동을 방직하는 유동 챔버를 동시에 형성한다. 더욱이, 압력 조절 부재의 질량을 증가시키는 수단이 제공되는데, 이러한 수단은 그것의 자유로운 가동성 및 장치를 통해 유동하는 매체에 의하여 압력 조절 부재의 진동 또는 공명 진동을 유동 챔버와 함께 방지한다.
제 2 쓰로틀 위치는 예리한 모서리의 상응 부분과 함께 작동하는 원추형 표면에 의해 형성됨으로써, 매우 작은 표면 면적의 결과로, 압력 조절 부재(9)상에서 베르누이의 법칙에 따라 유동에 의해 발생된 힘들은 가능한한 낮게 유지된다. 더욱이, 제어 부재는 제 1 밸브 시이트로 제 1 쓰로틀 위치를 형성하는 고무 부분을 가지는 것이 바람직스러우며, 상기 고무 부분은 제 1 의 쓰로틀 위치를 통해 유동 매체의 통과 유동을 부채꼴로 한정하는 시일용 립(lip)을 가진다.
바람직스럽게는, 압력 챔버내로 들어가는 회로 밖으로의 적체된 통과 없이, 유동 매체의 교환에 기인하여 발생할 수 있는 그 어떤 행정 운동을 용이하게 하기 위하여, 완전한 행정 변화에 의해 압력 챔버내에서 발생된 체적에서의 변화의 최소한 절반인 체적을 가진 챔버를 제어 부재가 가진다.
바람직스럽게는, 유동 제어 밸브의 기능과 관련된 모든 부품과 함께 밸브 하우징이 유입 챔버 및 유출 챔버를 형성하는 파이프 또는 하우징에 해제 가능하게 연결됨으로써, 밸브는 예를 들면 가열 파이프의 설치 이후에만 설치될 수 있다.
본 발명의 구현예는 도면을 참고하여 이후에 보다 상세하게 설명될 것이다. 도 1은 본 발명의 원리를 나타내고 있으며 도 2에 도시된 밸브를 용이하게 설명하는 역할을 한다. 사용된 참조 번호는 서로 상응한다. 도 1은 개별적인 챔버내의 상응하는 압력을 도 1의 하부 부분에 도시된 다이아프램 구동부(36) 또는 "압력 제어 용기"로 통과시키는 부가적인 선 또는 도관(41,42,43)을 도시한다. 또한 주목되어야할 것은 도 1의 우측 가장 자리에서 제 1 방향(12)으로 도시된 힘들이다. 그러한 점에서 모터(35)는 제어 원추부(4)를 구동시킨다.
도 2는 도 1에 도시된 원리에 기초하여 작동하는 유동 제어 밸브를 도시하는데, 그 밸브의 유입 챔버(1)를 통해서 x 방향(2)으로 유동하는 유동 매체는 유동 제어 밸브내로 통과되고, 유동 매체는 화살표에 의해 표시되기도 한 동일한 x 방향(2)으로 그 밸브의 유출 챔버(3)를 통해서 유동 제어 밸브를 떠나게 된다. 두개의 직렬 연결된 쓰로틀 위치는 유입 챔버(1)와 유출 챔버(3) 사이에 배치되어 있다. 제 1 쓰로틀 위치는 제 1 밸브 시이트(5)와 함께 작동하는 제어 부재(4)에 의해서 형성되는데, 여기에서 밸브 시이트(5)는 예를 들면 제 1 의 조절 가능 개구부(8)를 형성하는 밸브 하우징(6)에 안정되게 연결되어 있는 밸브 삽입부(7)일 수 있다. 개구부(8)가 유동 제어 밸브의 폐쇄 상태에서 시일되게 폐쇄되도록 제어 부재(4)가 시일 요소(4a)를 가진다. 제 2 쓰로틀 위치는 제 2 의 조절 가능 개구부(11)를 형성하는, 예를 들면 밸브 삽입부(7)의 제 2 밸브 시이트(10)와 함께 작동하는 압력 조절 부재(9)에 의해 형성된다. 유입 챔버내의 압력은 p1으로 표시되고, 두개의 쓰로틀 위치 사이의 압력은 p2로 표시되며, 유출 챔버내 압력은 p3로 표시된다. 이러한 압력들은 도 1에 도시된 선 또는 도관(41,42,43)을 통해서 이후에 보다 상세하게 설명될 다이아프램 구동부(36)로 통과된다.
제 1 쓰로틀 위치는 통과 유동에 대한 조절 부재로서의 역할을 하는 반면에, 제 2 쓰로틀 위치의 기능은, 통과 유동이 유동 제어 밸브를 가로질러 획득되는 압력 편차(p1-p3)에 독립적이도록, 제 1 쓰로틀 위치를 가로지르는 압력 편차(p1-p2)를 일정하게 유지하는 것이다. 유동 매체는 x 방향(2)에서 유동 제어 밸브를 통해 유동한다. 제어 부재(4)와 압력 조절 부재(9)는 x 방향(2)에 대하여 직각으로 배향된 y 방향(12)을 따라서 변위될 수 있다. 제어 부재(4)의 y 위치는 제 1 개구부(8)의 개방 정도를 결정하며, 따라서 통과 유동을 결정한다. 제어 부재(4)는 기준값 설정 장치에 의해 작동되는데, 이것은 예를 들면 원격 제어되는 전기 모터 장치(35)이거나 또는 자동 온도 조절 구동부이다.
압력 조절 부재(9)는 탄성적인 다이아프램(13)에 의해서 제어 부재(4)와 그리고 밸브 하우징(6)에도 모두 연결된다. 다이아프램(13)은 제 2 밸브 시이트(10)에 대하여 압력 조절 부재(9)의 위치를 제어함으로써 제 2 개구부(11)의 개방 정도를 제어하는 유체 구동부의 일부이다. 한편으로는 입력 압력(p1)과 다른 한편으로는 쓰로틀 위치 사이에 작용하는 압력(p2)이 다이아프램(13)에 작용한다는 사실에 의해서 제어 작용이 가능하다. 그러한 효과를 발생시키기 위하여, 유입 챔버(1)는 제어 부재(4)내의 구멍(14)을 통해서 다이아프램(13)과 압력 조절 부재(9)에 작용하는 압력 챔버(15)에 연결된다. 따라서 압력(p1)은 압력 조절 부재(9a)상에 음의 y 방향(12)으로 작용하는 힘(F1)을 가한다. 다른 한편으로, 압력(p2)은압력 조절 부재(9a)상에 양의 y 방향(12)으로 작용하는 힘(F2)을 가한다. 압력(p1)이 다이아프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)에 작용하는 작동 표면은, 압력(p2)이 다이아프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 유효 표면과 같은 크기이다. 결과적인 힘(F1-F2)은 따라서 편차 압력(p1-p2)에 직접적으로 비례한다. 밸브 삽입부(7)와 압력 조절 부재(9) 사이에서 응력을 받는 제어 스프링(16)은 압력 조절 부재(9)상에서 양의 y 방향(12)으로 작용하는 힘(FR)을 가한다. 개구부(11)의 개방 정도는 힘(F1-F2)과 힘(FR)이 같은 크기이도록 설정된다.
제어 스프링(16)은 이것이 비록 밸브 특성과 관련하여 허용될 수 있는 약간의 손상을 포함할지라도 압력 조절 부재(9)와 제어 부재(4) 사이에 작동되게 배치될 수도 있다.
압력(p1)이 다이아프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 작동 표면(A1)은 밸브 부재의 y 방향(12)의 중심선(B) 둘레에서 중심을 두고 회전상 대칭적인 관계로 실질적으로 두개의 정점(S1)과 (S2) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 압력(p2)이 다이아프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)에 작용하는 작동 표면(A2)은 실질적으로 다이아프램(13)의 정점(S1)으로부터 제 2 밸브 시이트(10)까지 반경 방향으로 연장한다. 따라서 밸브 시이트(10)와 정점(S2)은 대략 y 방향(12)에 대하여 평행인 선상에 있다. 여기에서 주목되어야 할 바로서, y 선(12)에 대한 정점(S1과 S2)의 간격은 제어 부재(4)의 위치와 압력 조절 부재(9)의 위치에 약간 의존한다.
제어 부재(4)의 상부 영역에서 압력 챔버(15)의 압력(p1)에 노출되고 중심선(B)과 정점(S1) 사이에 실질적으로 반경 방향으로 연장된 작동 표면(A4)이 제 1 쓰로틀 위치의 직경 또는 제 1 밸브 시이트(5)에 대한 중심선(B)의 간격으로부터 초래된 작동 표면(A3)에 대략 상응하도록, 제어 부재(4)의 형상이 이루어진다. 따라서 그러한 것은 힘의 균형을 보장하는데, 이러한 힘의 균형은 제어 부재를 움직이는데 필요한 힘이 최소화되도록 제어 부재(4)를 넘어 연장되고, 또한 유출 챔버의 압력(p3)에 무관한 제 1 쓰로틀 위치의 통과 유동에 대한 소기의 압력 안정성을 충족시키도록 압력 조절 부재(9)를 넘어 연장되기도 한다.
전체 유동 제어 밸브의 회전상 대칭적인 구조가 의미하는 것은, 제어 작용에 필요한 압력 조절 부재(9)의 행정 운동이 결과적으로 최소가 되도록 물이 제 2 쓰로틀 위치를 통해서 360。의 전체 각도 범위로 유동한다는 것이다. 따라서 유출 압력 편차(p1-p3)에서의 변화의 결과로서 압력 조절 부재(9)의 위치에서 변화는 행정에서 가능한 가장 작은 변화를 초래하며, 그리고 제어 스프링(16)에 의해서 압력 조절 부재(6)에 적용되는 힘(FR)에서 가능한 가장 작은 변화 및, 통과 유동을 한정하는 작동 압력(p1-p2)에서 가능한 가장 작은 변화를 초래한다.
탄성 다이아프램(13)은 y 방향(12)을 따라서 제어 부재(4) 및, 또한 압력 조절 부재(9)의 실질적으로 마찰이 없는 운동을 허용한다. y 방향에서의 압력 조절 부재(9)에 대한 안내는 밸브 삽입부(7) 또는 밸브 부재(6) 자체와 함께 작동하는 베인 또는 리브(17)에 의해 보장된다. 작은 유동 챔버가 베인(17) 사이에서 형성되도록, 압력 조절 부재(9)는 y 방향(12)에 평행하게 형성되고 베인(17)을 연결하는 원통형 케이싱 부분(18)을 가지는 것이 바람직스럽다. 이제, x 방향(2)에서의 압력 조절 부재(9)의 그 어떤 운동이 의미하는 것은 일부 유동 챔버들이 작아지고 다른 것들은 커진다는 것이다.
그러나 유동 챔버가 유동 매체의 x 방향(2) 유동을 더욱 곤란하게 하기 때문에 그러한 상황에서 필요한 유동 매체의 재 분배는 더욱 곤란하다. 압력 조절 부재(9)의 진동은 만약 완전하게 방지되지 않는다면 그러한 방식으로 크게 감쇠된다.
압력 조절 부재(9)의 질량은, 예를 들면 황동, 구리 또는, 시일된 납으로 구성되어 압력 조절 부재(9)상에 끼워진 링(19)의 수단에 의해 증가될 수 있으며, 그러한 방식으로 가능한 진동의 공명 진동수가 낮아질 수 있다. 결과적으로, 공명 진동수는 유동에 의해 야기되는 여기 진동수보다 낮다.
압력(p3)은 다이아프램(13)에 작용하며 압력 조절 부재(9)상에 양의 y 방향(12)으로 작용하는 힘(F3)을 발휘한다. 그러한 힘(F3)을 보상하도록, 음의 y 방향(12)으로 배향된 힘(F4)도 압력 조절 부재(9)에 작용하는 방식으로 압력(p3)에 의해 작용하는 연장 부분(20)이 압력 조절 부재(9)에 제공된다. 여기에서 주목되어야할 바로서, 압력(p3)도 제 2 밸브 시이트(10)의 영역에서 연장 부분(20)에 작용하며, 양의 y 방향(12)에서 압력 조절 부재(9)에도 작용하는 힘(F5)을 발휘한다. 그러한 연장 부분(20)의 작동 표면 면적은, 힘(F3, F4, 및 F5)이 서로에 대하여 보상하도록 압력(p3)이 다이아프램(13)상에 작용하는 작동 표면과 크기가 같다. 유출 챔버(3)에서의 압력(p3)은 압력 조절 부재(9)의 위치에 아무런 영향을 미치지 아니한다.
제 2 밸브 시이트(10)의 영역에서, 압력 조절 부재(9)는 단면상 경사진 가장자리로서 나타나는 원추형 표면(21)을 가진다. 제 2 밸브 시이트(10)는 예리한 모서리의 형상이며, 여기에서 모서리(22)는 제 2 쓰로틀 위치가 폐쇄되었을때 원형의 선을 따라서 압력 조절 부재(9)의 원추형 표면(21)과 접촉한다. 통과 유동에 대하여 작동하는 단면적은 개구부(11)의 인정한 영역에서 가장 낮으며, 따라서 유동 매체의 유량은 거기에서 최고이다. 따라서, 베르누이의 법칙에 따라서 압력은 거기에서 감소된다. 이러한 결과는 개구부(11)의 인접부에서 압력(p2또는 p3)이 압력 조절 부재(9)에 작용하지 않지만, 압력(p2또는 p3)에 대하여 각각 감소되는 압력이 작용한다는 것이다. 그러한 결과는 압력 조절 부재(9)상에 전체에 걸쳐 작용하는 힘(F2)의 감소를 초래한다. 힘(F2)에서의 감소는 표면적에서의 상응하는 증가에 의해 부분적으로 보상될 수 있는데, 상기 표면에서 압력(p2)은 압력 조절 부재(9)에 작용한다.
그러나 지금 유동 제어 밸브의 작동 범위내에서 힘(F2)의 감소는 일정하지 않고 개구부(11)의 개방 정도에 의존하기 때문에, 통과 유동에 관하여 유동 제어 밸브를 가로질러 획득되는 압력 편차(p1-p2)에 여전히 약간 의존하게 된다. 그러나 만약 밸브 시이트(10)가 설명된 바와 같이 예리한 모서리의 형상이 아니고 원추형 표면(21)과 평행하게 배치된 표면이 제공된다면, 압력 조절 부재(9)에 작용하는 것이 더 이상 압력(p2)이 아니고 더 낮은 압력인 범위가 훨씬 커진다. 이것이 의미하는 것은 유동 제어 밸브를 가로질러 획득되는 압력 편차(p1-p3)에 대한 통과 유동의 의존성도 보다 현저하게 된다는 것이다.
연장 부분(20)상에 작용하는 압력(p3)에서 유동의 결과로서 야기되는 감소는 힘(F5)의 크기에서의 감소로 나타난다. 힘(F5)의 감소는 유동 속도 및, 따라서 통과 유동에 의존한다. 그러한 효과를 최소화하기 위하여, 연장 부분(20)은 내측 가장자리에 의해 한정된 밸브 시이트(10)를 지나서 가능한한 작게 반경 방향으로, 즉, 불가피한 공차의 결과로서 필요한 정도로만 연장된다.
챔버(23)가 제어 부재(4)내에 제공되는데, 챔버(23)의 체적은 이상적인 상황에서 전체 행정 변화에 의해 야기되는 압력 챔버(15)의 체적 변화와 적어도 같으며, 바람직스럽게는 적어도 그 절반이다. 제어 부재(4) 또는 압력 조절 부재(9)의 행정 운동의 경우에, 압력 챔버(15)의 체적은 변화하며, 그 결과로서 압력 챔버(15)와 유입 챔버(5) 사이에는 유동 매체의 교환이 있어야만 한다. 압력 챔버(15)와 유입 챔버(1) 사이에서의 교환이 제어 부재(4)에 대한 큰 행정 변화의 경우에만 발생하도록, 챔버(23)는 유동 매체의 그러한 얼마간의 양을 전체적으로 또는 최소한 부분적으로 수용할 수 있다. 따라서 압력 챔버(15) 또는 챔버(23)와 압력 챔버(15) 사이의 구멍의 오염의 위험은 감소된다.
도 3은 형상에 관련된 세부 사항이 여기에서 보다 상세히 도시될 수 있도록 도 1 또는 도 2 보다 큰 축척으로 제 2 쓰로틀 위치를 도시한다. 도 3은 또한 제 1 쓰로틀 위치의 구현예를 도시하는데, 여기에서 고무 부분(24)은 제어 부재(4)상으로 끼워져서 제 1 밸브 시이트(5)와 함께 작동한다. 고무 부분(24)은 제 1 밸브 시이트(5)에 대하여 측방향으로 유지됨으로써 시일링의 완전성을 보장하는 시일링 립(sealing lip, 25)을 가진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 시일링 립(25)은 예를 들면 120。 또는 270。일 수 있는 어떠한 각도(ψ)도 받아들이며, 따라서 제 1 쓰로틀 위치를 통하는 유동을 부채꼴로 한정한다. 제 1 쓰로틀 위치의 개방 단면은 제어 부재(4)의 행정과 케이스 안에 형성된 갭 개구부의 주면에 의존한다. 갭 개구부의 주면과, 따라서 양적인 통과 유동은 시일링 립(25)과 함께 행정의 함수로서 감소한다. 이러한 구성이 가지는 장점은 양적인 통과 유동이 제어될 수 있는 범위가 하향으로 확대되며, 먼지와 더러운 입자에 기인한 폐쇄의 위험성이 감소되는 것이다. 시일링 립(25)은 좁고 그 두 단부에는 아래 부분의 절단 형상을 가진다. 쓰로틀 위치가 완전히 작동될 수 있는 것을 보장하도록 의도된 고무 부분(24)의 가능한 팽창의 경우에, 제어 부재(4)의 행정 변화에 작용하는 힘은 그 어떤 문제 없이 시일링 립(25)이 행정 변화를 수행하기에 충분하거나 또는 제어 부재(4)가 행정 변화를 이행하기에 충분하며, 이러한 경우에 밸브 시이트(5)에 달라붙은 시일링 립(25)은 다음에 변형된다는 점을 이해하여야 한다. 오물 또는 석회의 그 어떤 퇴적물도 고무 부분(24)이 달라붙게 할 수 없도록 시일링 립(25)의 상부에는 상대적으로 넓은 공동(26, 도 3)이 제공된다.
시일링 립(25)과 제 1 밸브 시이트(5) 사이에 마찰을 최소화하도록, 다른 공동(33)이 시일링 립(25)의 뒤에도 제공되는 것이 바람직스러우며, 공동(33)은 시일링 립(25)이 반경 방향으로 항복하는 것을 허용한다.
고무 부분(24)은 방수성 고무를 구비한다. 따라서, 유동 제어 밸브를 통해서 유동하는 매체의 오일 오염의 경우에, 고무 부분(24)이 팽창할 수 있다. 설명된 구조는 그럼에도 불구하고 유동 제어 밸브가 신뢰성있게 작동하는 것을 보장한다.
제어 부재(4)는 스핀들(27)에 연결되는데, 상기 스핀들(27)은 개구부(8)를 조절하도록 (도시되지 아니한) 구동부에 의해 또는 수동으로 작동될 수 있다. 스핀들(27)은 장착 부분(29)에서 구멍(28)을 통해 통과하는데 이것은 스핀들(27)을 안내하고 지지하는 역할을 한다. O 링(30)은 외부에 대하여 압력 챔버(15)를 시일하는 역할을 한다. 도 5는 구멍(28)을 단면으로 도시한다. 구멍(28)은 원형이 아니지만, 스핀들(27)과 장착 부분(29) 사이에 복수개의 갭이 잔류하여, 그 갭을 통해서 일반적으로 가열된 물인 매체가 장착 부분(29)의 두개 측 사이에서 그 어느때라도 자유롭게 순환될 수 있도록, 구멍(28)은 원형의 형상으로부터 반경상 외측으로 배향된 요부(31)를 가진다. 그러한 것은 고체의 성분이 구멍(28)내에서 결정화되는 것을 방지함으로써 스핀들(27)이 움직이지 않게 되는 것을 방지한다. 그럼에도 불구하고 구멍(28)은 원형 구멍의 경우에서와 같이 스핀들(27)의 만족스러운 안내가 보장되는 형상이다. 제어 부재(4)(도 1)가 양의 y 방향(12)에서 지체 없이 스핀들(27)의 운동을 따라갈 수 있도록, 양의 y 방향(12)으로 작용하는 힘을 제어 부재(4)상에 발휘하는 제 2 스프링이 공지의 방식으로 제어 부재(4)와 밸브 하우징(6) 사이에 작동 가능하게 배치된다.
도 6은 라디에이터 배관 장치(32)에서의 간단한 설치에 적당한 유동 제어 밸브의 구현예를 도시한다. 이러한 밸브의 경우에, 가열된 물의 공급 및 배출은 방향(12)을 따라서 동축선상으로 발생하며, 여기에서 제어 부재(4)와 압력 조절 부재(9)는 변위 가능하다. 도면은 두개의 상이한 변형으로 이러한 수정예를 도시한다. 제어 부재(4)상에 장착된 것은 시일링 요소(4a)이며, 시일링 요소는 제어 밸브를 신뢰성있게 시일하는 역할을 하고, 그리고 유동 매체를 부채꼴의 통과 유동으로 조절하는 시일링 립(25)이 선택적으로 제공될 수 있다. 스핀들(27)의 상부 부분은 스핀들(27)을 안내하고 지지하는, 도 5에 도시된 구멍(28)과 마개(37, gland)를 통과한다. O 링(30)이 고장나는 경우나 또는 누설이 발생될 경우에, 마개(37)는 두개의 다른 O 링(39,40)으로 제어 밸브의 시일의 완전성을 보장하는 보조 마개(38)로 교체될 수 있다. 그러한 것은 흠결이 있는 O 링(30)을 교체하기 위해서 제어 밸브를 제거하고 해체하는 것을 불필요하게 한다.
도 7은 본 발명에 따른 유동 제어 밸브의 다른 구현예를 도시하는데, 여기에서 제어 부재(4)용의 구동부(미도시)는 압력 조절 부재(9)로부터 이격된 제어 부재(4)의 측에 있다. 이는 구동부, 즉, 예를 들면 스핀들(27)이 더이상 압력 조절 부재(9)와 압력 챔버(15)를 통과할 필요가 없고, 따라서 쓰로틀 위치들 사이의 공간과 압력 챔버(15) 사이의 공간에서와 같은 상기의 시일링 문제가 더 이상 발생하지 않기 때문에, 보다 단순한 설계 형상의 제어 밸브를 초래한다.
또한 여기에는 유입 챔버(1)가 도시되어 있는데, 유입 챔버(1)를 통해서 x 방향(2)으로 유동하는 유동 매체는 유동 제어 밸브와 유출 챔버(3)내로 통과되고, 유출 챔버(3)를 통해서 유동 매체는 다시 동일한 x 방향(2)으로 유동 제어 밸브를 떠난다. 또한 유입 챔버(1)와 유출 챔버(3) 사이에 배치된 것은 다시 위에 설명된 두개의 쓰로틀 위치이며, 이들은 직렬로 연결된다. 제 1 쓰로틀 위치는 제어 부재(4)에 의해 형성되어 제 1 밸브 시이트(5)와 함께 작동한다. 제 2 쓰로틀 위치는 압력 조절 부재(9)에 의해 형성되어 밸브 삽입부(7)의 제 2 밸브 시이트(10)와 함께 작동한다. 유입 챔버내의 압력은 p1으로 식별되고, 두개의 쓰로틀 위치 사이의 압력은 p2로 식별되며, 유출 챔버내의 압력은 p3로 식별된다.
압력 조절 부재(9)는 탄성 다이아프램(13)에 의해 밸브 하우징(6)에 연결된다. 이러한 경우에 쓰로틀 위치 사이에 작용하는 압력의 제어는, 한편으로는 입력 압력(p1)과 다른 한편으로는 쓰로틀 위치 사이에 작용하는 압력(p2)이 다이아프램(13)에 작용한다는 사실에 의해서 가능하게 이루어진다. 그러한 효과를 달성하려면, 유입 챔버(1)는 밸브 하우징내의 구멍(34)을 통해서 다이아프램(13)과 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 압력 챔버(15)와 연통한다. 따라서 압력(p1)은 압력 조절 부재(9)상에 음의 y 방향(12)으로 작용하는 힘(F1)을 발휘한다. 압력(p1)이 다아이프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)상에 작용하게 되는 작동 표면(A1)은, 압력(p2)이 다아이프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)상에 작용하게 되는 작동 표면(A2)과 같은 크기이다. 따라서 결과되는 힘(F1-F2)은 편차 압력(p1-p2)에 직접적으로 비례한다. 밸브 삽입부(7)와 압력 조절 부재(9) 사이에 작동 가능하게 배치된 제어 스프링(16)은 양의 y 방향(12)에서 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 힘(FR)을 발휘한다. 개구부(11)의 개방 정도는 따라서 힘(F1-F2과 FR)이 원칙적으로 도 1을 참조하여 설명된 것과 같은 크기이도록 설정된다.
압력(p1)이 다이아프램(13) 또는 압력 조절 부재(9)에 작용하는 작동 표면(A1)은 실질적으로 두개의 정점(S1과 S2) 사이에서 반경 방향으로 연장된다.
전체적인 유동 제어 밸브의 회전 방향으로 대칭적인 구조가 의미하는 것은, 제어 작용에 필요한 압력 조절 부재(9)의 행정이 결과적으로 최소화가 되도록 물이 제 2 쓰로틀 위치를 통해서 360。의 전체 각도 범위로 유동하는 것이다. 따라서 외측 압력 편차(p1-p3)에서의 변화의 결과로서 압력 조절 부재(9)의 위치 변화는 가능한 가장 작은 행정 변화를 야기하고, 따라서 제어 스프링(16)에 의해 압력 조절 부재(9)에 적용되는 가장 작은 힘(FR)의 변화를 야기하며, 통과 유동을 결정하는 작동 압력(p1-p2)에서 가능한 가장 작은 변화를 야기한다.
y 방향에서의 압력 조절 부재(9)의 안내는 한편으로는 밸브 삽입부(7)와 함께 작동하는 베인 또는 리브(17)에 의해, 다른 한편으로는 베인 또는 리브에 의하거나 또는 단순히 압력 조절 부재(9)의 다른 단부에서 실린더형 연장 부분에 의해 보장되는데, 이것은 밸브 하우징(9)내의 요부내에 맞물리고 유동 매체가 그 둘레에서 유동하면서 가능한한 마찰이 없이 그곳에서 지지된다.
압력 조절 부재(9)의 질량은 압력 조절 부재(9)에 고정된, 예를 들면 황동, 구리 또는 시일된 납으로 구성된 링(19)에 의해 증가될 수 있으며, 따라서 가능한 진동의 공명 진동수가 감소될 수 있다. 그 결과로서 공명 진동수는 유동에 의해 발생되는 여기 진동수보다 낮다.
압력(p3)도 다이아프램(13)에 작용하며 양의 y 방향(12)에서 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 힘(F3)을 적용한다. 그러한 힘(F3)을 보상하도록, 압력 조절 부재(9)는 연장 부분(20)을 가지는데, 위에서 이미 설명된 바와 같이 그 연장 부분(2)에서 압력(p3)은 그러한 힘을 보상한다.
도 7에 도시된 구현예는 낮은 구조적 깊이가 필요한 가열 시스템에 특히 적절하다. 이는 예를 들면 열교환기에 유익하다. 만약 제어 부재(4)에 대한 구동이 예를 들면 각도 전달에 의해 측방향으로 취해지거나 또는 자기 구동이 사용된다면 (도 6에서 제 1 제어 밸브에 대하여 도시된 바와 같이) 여기에서도 유동 매체의 수직 공급이 가능하다.
본 발명에 따른 유동 제어 밸브는 다양한 유동 시스템에서 유동을 효과적으로 제어할 수 있다.

Claims (19)

  1. 유입 챔버(1), 두개의 연속적으로 배열된 쓰로틀 위치 및, 유출 챔버(3)를 구비하고, 제 1 쓰로틀 위치는 통과 유동에 대한 조절 부재의 역할을 하고, 제 1 쓰로틀 위치를 가로지르는 압력 편차(p1-p2)는 제 2 쓰로틀 위치에 의해 일정한 값으로 제어 가능하고,
    제 1 쓰로틀 위치는 제 1 밸브 시이트(5)와 함께 작동하는 제어 부재(4)에 의해 형성되고,
    제 2 쓰로틀 위치는 제 2 밸브 시이트(10)와 함께 작동하는 압력 조절 부재(9)에 의해 형성되고, 그리고,
    유입 챔버(1)는 적어도 부분적으로 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 압력 챔버(15)와 연통하는, 유동 매체의 통과 유동을 제어하는 유동 제어 밸브에 있어서,
    유입 챔버(1)에서 획득되는 압력(p1)을 압력 조절 부재(9)에 전달하는 제 1 의 작동 표면(A1)은, 두개의 쓰로틀 위치 사이에서 획득되는 압력(p2)을 압력 조절 부재(9)에 전달하는 제 2 작동 표면(A2)과 대략적으로 같고, 그리고,
    압력 조절 부재(9)는 유동 매체의 반경 방향으로 대칭적인 통과 유동을 허용하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 압력 조절 부재(9)와 밸브 하우징(6)은 탄성적인 다이아프램(13)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 유입 챔버(1)에서 획득되는 압력(p1)을 제 1 방향(12)으로 제어 부재(4)에 전달하는 제 3 작동 표면(A3)은, 유입 챔버(1)에서 획득되는 압력(p1)을 제 1 방향(12)의 반대 방향으로 제어 부재(4)에 전달하는 제 4 작동 표면(A4)과 대략적으로 같은 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 3 작동 표면(A3)은 유입 챔버(1)를 향하는 제어 부재(4)의 측에 배치되며, 제 4 작동 표면(A4)은 압력 챔버(15)를 향하는 제어 부재(4)의 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제 1 작동 표면(A1)과 제 4 작동 표면(A4)의 합은, 제 2 작동 표면(A2)과 제 3 작동 표면(A3)의 합과 대략 같은 크기인 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제어 부재(4)와 압력 조절 부재(9)는 탄성적인 다이아프램(13)에 의해서 연결되며 동일한 제 1 방향(12)으로 변위될 수 있는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  7. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 탄성적인 다이아프램(13)은 압력 조절 부재(9)를 움직일 수 있게 장착하고 그리고 압력 챔버(15)를 시일링하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  8. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 유출 챔버(3)에서 획득되는 압력(p3)에 의해 제 1 방향(12)에서 적어도 부분적으로 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 힘(F3)은, 유출 챔버(3)에서 획득되는 압력(p3)에 기인하여 제 1 방향(12)의 반대 방향에서 적어도 부분적으로 압력 조절 부재(9)에 작용하는 힘(F4, F5)에 상응하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  9. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 유출 챔버(3)에서 획득된 압력(p3), 유입 챔버(1)와 압력 챔버(15)에서 획득된 압력(p1) 및, 쓰로틀 위치 사이에서 획득된 압력(p2), 그리고/또는 적어도 제 2 쓰로틀 위치를 통한 유동 매체의 유동에 의해 야기되는 힘(F1-F5)은 압력 조절 부재(9) 및, 제어 부재(4)상에 대칭적으로 작용하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  10. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 압력 조절 부재(9)는 제 1 방향(12)에 대략 평행하게 배열된 베인(17)에 의해서 제 2 쓰로틀 위치 둘레의 영역에 유동 챔버를 형성하고, 상기 유동 챔버는 제 1 방향(12)에 대략 평행하지 아니한 방향에서 유동 매체가 유동하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  11. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 압력 조절 부재(9)의 질량을 증가시키는 수단(19)이 있는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  12. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 압력 조절 부재(9)상에 작용하는 압력에서 베르누이 법칙에 따른 유동의 결과로서 야기된 감소가 가능한한 작도록, 제 2 쓰로틀 위치(9,10)는 예리한 모서리의 상응하는 부분과 함게 작동하는 원추 표면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  13. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제어 부재(4)는 고무 부분(24)을 가지고, 고무 부분(24)으로써 제 1 밸브 시이트(5)가 제 1 쓰로틀 위치를 형성하며, 고무 부분(24)은 유동 매체의 유동을 제 1 쓰로틀 위치를 통해 부채꼴로 한정하는 시일링 립(sealing lip, 25)을 가지는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  14. 제 13 항에 있어서, 오염 또는 팽창 현상이 유동 매체의 통과 유동을 부정적으로 손상시키지 않도록 시일링 립(25)은 유연한 특성인 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  15. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제어 부재는 챔버(23)를 가지며 챔버(23)의 체적은 완전한 행정 변화에 의해 야기되는 압력 챔버(15)에서의 체적 변화의 적어도 절반의 크기인 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  16. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제어 부재(4)는 수동으로 또는 구동부에 의해 작동될 수 있는 스핀들(27)에 연결되며, 스핀들(27)은 장착 부분(29)에서 구멍(28)을 통해 통과하고, 구멍(28)은 원형이 아닌 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  17. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 외부에 대하여 압력 챔버(15)를 시일하는 보조 마개(gland,38)는 스핀들(27)의 상단부에 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  18. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 제 1 밸브 시이트(5)와 제 2 밸브 시이트(10)는 밸브 하우징(6)에 고정되게 연결된 밸브 삽입부(7)에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
  19. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 밸브 하우징(6)은 파이프 또는 하우징에 해제가능하게 연결되어 유입 챔버(1) 또는 유출 챔버(3)를 형성하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 밸브.
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