KR20030013402A - 유체 유동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 유체 유동 제어 장치(10)는 중앙 통로(4)를 형성하는 환형 디스크(15)의 스택과, 유체 유동을 제어하기 위해 통로 내에서 왕복가능한 플러그(16)를 포함한다. 스택 내의 인접 디스크(15)는 인접 디스크의 접촉 주요 면에 의해 폐쇄된 하나의 디스크의 주요 면(22A) 내에 형성된 하나 이상의 유체 통로(21A)를 구비한다. 유체 통로(21A)는 시계 방향으로 연장되며, 그리고 선형 입구부(23A) 및 곡선형 출구부(24A)를 구비한다. 입구부(23A)는 일정한 단면적을 가지며, 출구부(24A)는 유체 유동 방향으로 증가하는 단면을 가진다. 디스크 및/또는 유체 통로의 다른 구성이 개시되어 있다.

Description

유체 유동 제어 장치{FLUID FLOW CONTROL DEVICE}

이러한 장치의 일반적인 유형은 가변 유체 제한기 제어 밸브로서 종종 알려져 있으며, 마찰 통로(frictional passageways)를 가지는 셀프(Self)의 USP 3,451,404 및 3,514,074와, 그리고 복수의 돌발적인 각 선회 통로(multiple abrupt, angular turn passageways)를 구비하는 셀프의 USP 3,513,864에 예시되어 있다.

고압 유체를 유동시키는 조정에 있어서, 고압 유체는 에너지 손실 또는 고압 저하를 달성하도록 고속 단축 목부(high velocity short throat section)를 가지는 오리피스 수단들을 통상적으로 이용해 왔다. 유체가 이러한 오리피스 또는 밸브 개구부의 하류측에서 액체 상태로 있고 순간 증발해 버리기 쉽다면 즉, 가스 상태로 증기화 또는 변화한다면, 유체는 내파로(implosively) 응집되고 충격파 손상(damaging shock waves)을 야기시키며, 부식 등을 발생시킨다. 또한, 밸브 내에서의 유체의 속도가 라인 내의 유체의 속도를 초과할 때, 몇 가지의 장애작용(disturbing reactions)이 발생한다.

가장 심각한 문제는 액체와 그 내부에 부유하는 임의의 외계 입자의 직접 부딪힘에 의해 밸브 표면이 빠르게 부식한다는 것이다. 캐비테이션(cavitation)에 의해 추가의 부식이 발생한다. 캐비테이션은 밸브 몸체 및 밸브 제어 유동의 내부 부분에 대한 증기의 고속 내파(implosion)로서 정의될 수 있다.

부식으로 발생하는 심각한 문제에 추가로, 증가된 속도도 밸브의 유동 특성을 예기치 못하게 하고 비정상적으로 만든다.

밸브 내에서의 고속의 유체에 의해 발생되는 다른 문제들은 심한 소음 발생, 트림 피로(trim fatigue), 및 폴리머와 같은 유동하는 유체 물질의 질저하의 가능성이다.

제어 밸브의 하류에서의 유체 소음(fluid-borne noise)은 종종 상당히 크다. 이러한 소음을 파이프 내부에서 처리하거나 또는 억제하지 못 한다면, 밸브 출구로부터 대략 0.9m(3피트(feet))에서 110 내지 170 dB의 음압 레벨(sound pressure level)을 발생시킬 수 있다. 이러한 크기의 소음원(sound sources)은 개인에게 유해하고, 종종 지역 거주자들로부터 불만을 가져오게 된다.

머플러 및 소음기는 전형적으로 유체 소음을 20 내지 30dB 상쇄시키기만 한다. 따라서, 원하는 음압 레벨을 얻을 때 머플러 및 소음기에 의해 부분적인 성공만이 달성되었다. 또한, 전형적인 경로 처리 시스템 즉, 머플러, 래깅 지지 구조체(lagging support structure) 등은 상당히 거추장스럽고 고비용이 들며, 종종, 소음을 위한 경로 처리의 총 비용이 밸브 비용의 수십 배 이상을 초과할 수 있다.

상술한 문제들을 극복 또는 개선하기 위해, 속도 및 충격파 작용을 증가시키지 않고 고압 유체 내에 에너지 손실을 가져오는 장치가 도입되었다. 이것은 유체 내에 압력 강하 및 마찰을 생성시키는 돌발적인 선회부를 가지는 작고 기다란 복수의 통로 안으로 유동을 세분화하고, 이로써 시설 내의 손상 및 부식을 피함으로써 달성된다. 이러한 장치는 예컨대 재발행 공보 USP 32197에 개시되어 있다.

이러한 통로는 복수의 개별 통로 홈(grooves)을 둘러싸는 접촉 표면(abutting surface)을 구비하는 개별 부재들의 환형 스택(annular stack) 내에 제공된다. 통로 홈은 스택의 입구와 출구 사이에서 환형이어서, 유체를 선회시키고, 스택의 입구단과 출구단 사이에서 보다 실질적으로 긴 유동 길이를 제공한다. 스택은 밸브 하우징의 유체 통로 내에 장착되고, 환형 구조체 내에서 이동가능한 밸브 플러그(valve plug)는 유체가 통과해서 유동할 수 있는 스택 내의 통로의 수를 제어한다.

이러한 유형의 변경된 장치가 GB-A-2,273,579 내에 개시되어 있는데, 디스크의 부재들의 스택 내의 하나 이상의 통로는 디스크의 입구 영역과 출구 영역 사이의 공극(void)을 포함하며, 이러한 공극은 에너지 손실 통로의 단면적을 확장시킨다.

USP 5,687,763에서 본 출원인은 개선된 에너지 손실 통로를 구비하는 구조체를 설명하고 권리를 주장한 바 있는데, 이러한 구조체는 유체가 유동할 수 있는 일련의 실질적으로 방사상 통로가 병합되는 강성 구조체를 형성하는 복수 쌍의 환형 디스크를 포함하는 유체 유동 제어 장치이다. 상기 쌍의 각각의 디스크는 2개의주표면(major surface)과, 상기 주표면 사이의 상기 디스크를 통해 완전히 연장되지만 부분적으로만 반경 방향으로 연장되는 통로를 구비한다. 각 쌍의 디스크들은 실질적으로 동일하며, 다른 디스크의 주요 표면과의 직접 접촉부에 하나의 디스크의 주요 면(major face)으로서 서로 정렬되어 있다. 상기 하나의 디스크 내의 통로는 거의 동일한 디스크의 쌍을 통해 유체가 유동하는 것을 제공하도록 상기 쌍의 다른 디스크 내의 통로와 서로 연결되어 있다.

본 발명은 유체 유동 제어 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 유체 및 가스의 유동을 제어하는데 사용되고, 예컨대, 고압 유동 유체의 속도를 제어하는데 사용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 유동 제어 장치를 이용하는 밸브의 종방향 단면도이다.

도 2 내지 도 17은 본 발명에 사용하기 위한 상이한 16가지의 디스크의 입면도이다.

도 18은 본 발명의 편평한 디스크의 스택의 종방향 단면도이다.

도 19는 도 18과 유사한, 본 발명의 접시형 또는 원추형 디스크의 스택의 종방향 단면도이다.

본 발명의 목적은 보다 개선된 유동 제어 장치 및 이러한 장치 내에 사용되는 부재들을 달성하는 것이다. 본 발명의 바람직한 목적은 표면의 부식이 감소될 수 있는 유체 제어 장치를 제공하는 것이다.

따라서, 한 양상에서, 본 발명은 유동 제어 장치용 환형 디스크의 스택을 제공하며, 이러한 디스크는 유체 유동용 일련의 통로를 병합하는 구조체를 형성하고, 인접 디스크(adjacent discs)는 그 사이에 상기 통로를 형성하도록 접촉 주요 표면을 구비하며, 디스크들 중 일부 이상은 외부 둘레로부터 내부 둘레로 연장되는 통로를 각각 구비하고, 상기 통로는 적어도 부분적으로만 디스크의 두께 안으로 연장되는 깊이로 형성되어 있으며, 통로의 길이의 적어도 일부분은 곡선형이고, 통로의 곡선형 부분은 상기 둘레 중 하나에서 시작되고 및/또는 통로의 길이의 적어도 일부분은 상기 둘레의 다른 하나에서 시작된다.

바람직하게, 통로는 디스크의 2개의 주요 면 중 하나 이상에 형성된 홈 또는 채널이며, 인접 디스크의 접촉 주요 면(abutting major faces)에 의해 통로의 양단부 외에는 폐쇄되어 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 유체 유동 제어 장치 내에 병합하기 위한 환형 디스크를 제공하며, 이러한 장치는 환형 디스크의 스택을 포함하고, 디스크는 내부 둘레 및 외부 둘레와, 주요 면 중 하나에 형성된 하나 이상의 홈 통로를 구비하고, 통로의 길이의 적어도 일부분은 곡선형이며, 이러한 통로의 곡선형 부분은 상기 둘레 중 하나에서 시작하고 및/또는 통로의 길이의 적어도 일부분은 선형이고, 통로의 선형 부분은 상기 둘레 중 다른 하나에서 시작한다.

복수의 디스크는 디스크의 중앙 개구(central aperture)가 왕복식 플러그용 중앙 통로를 형성하는 스택을 형성한다. 디스크에 의해 형성된 유체 유동 통로는 스택을 통과하는 유체 유동의 방향에 따라 중앙 통로 안으로 인도되거나 또는 중앙 통로로부터 인도된다. 플러그는 중앙 통로 내에 위치가능해서, 일극단에서 유체 유동을 완전히 폐쇄시키고 다른 극단에서 모든 디스크 통로를 통해 유체 유동을 허용하게 한다. 이들 양 극단 사이의 플러그의 위치는 완전 폐쇄와 완전 개방 사이에서 원하는 유량을 허용하도록 즉, 디스크의 보다 적은 또는 보다 많은 수의 통로를 통해 원하는 대로 유동할 수 있게 한다.

다른 양상에서, 본 발명은 환형 디스크의 스택과, 이러한 스택의 종방향으로 연장되는 중앙 통로를 형성하는 환형 디스크의 중앙 개구와, 중앙 통로 내부에서 왕복으로 이동가능한 플러그와, 완전 폐쇄된 위치로부터 부분적 개방 위치를 통해 완전 개방 위치로 장치를 통과하는 유체 유동을 제어하도록 요구되는 바에 따라 플러그를 이동시키기 위한 액츄에이터를 병합하는 유체 유동 제어 장치를 제공하며,인접 디스크들은 디스크의 내부 둘레와 외부 둘레 사이에서 연장되는 하나 이상의 유체 통로를 형성하는 접촉 주요 면을 구비하고, 상기 통로는 상기 둘레 중 하나에서 시작하는 그 길이의 적어도 일부분에 대해 곡선형이고 및/또는 상기 둘레 중 다른 하나에서 시작하는 그 길이의 적어도 일부분에 대해 선형이다.

일실시예에서, 디스크를 가로질러 유체 통로를 통과하는 유동은 디스크의 외부 둘레로부터 내부 둘레로 즉, 중앙 통로 안으로 흐른다. 이후, 중앙 통로가 유체에 대한 출구에 연결된다.

다른 실시예에서, 디스크를 가로질러 유체 통로를 통과하는 유동은 디스크의 내부 둘레로부터 외부 둘레로 즉, 중앙 통로 외부로 흐른다. 이후, 중앙 통로가 유체용 입구에 연결된다.

상술한 양 실시예에서, 유체 통로는 입구단에서 시작하는 초기 선형 부분과, 출구단에서 종결되는 디스크를 가로지르는 곡선형 부분을 구비한다. 바람직하게, 선형 부분은 유입의 지점 즉 디스크 둘레와 통로의 접합점에서의 접선에 대해 90° 미만의 각도로 경사져 있다. 예컨대, 선형 부분이 상술한 접선에 대해 5° 내지 30°로 경사질 수도 있다.

유체가 중앙 통로 안으로 유동할 때, 그 지점에서의 반경에 대해 경사진 통로에 유입되어, 중앙 통로의 부식과 밸브 플러그의 부식이 감소된다.

통로는 그 길이를 따라 단면적이 일정할 필요가 없으며, 실제로, 통로의 입구단과 출구단 사이에서 단면적이 증가 또는 감소하는 것이 바람직하다. 통로를 통해 이동하는 유체에 발생하는 에너지 손실을 최대화하기 위해, 또는 압축가능한매체에 의해 발생할 수 있는 유체 체적에서의 증가를 허용하기 위해, 통로가 그 출구단을 향하는 방향으로 단면적이 증가하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 단면적 변화는 일정한 폭의 통로의 깊이를 변화시킴으로써 달성될 수도 있지만, 일정한 깊이의 통로의 폭을 변화시키는 것이 바람직하다. 대안으로, 통로의 폭 및 깊이 모두를 변화시킴으로써 단면적이 변화될 수도 있다.

입구단으로부터 연속적으로 확장되는 영역을 갖춘 유동 통로는 입구의 부식에 의한 심각한 유동 용량 증가를 보일 것이다. 따라서, 균일한 단면적의 초기의 선형 부분을 가지는 통로를 구성하고, 초기 부분 내에서 일정한 통로의 용량을 유지하는 것이 유리하며, 이로써, 초기 부분이 내부식성이 보다 향상된다.

단일 디스크는 그 외부 둘레와 내부 둘레 사이에 하나 이상의 통로를 보유할 수 있다. 따라서, 예컨대, 하나, 둘 또는 세개의 독립적인 통로가 디스크의 하나의 주요 면을 가로지른다.

디스크는 하나의 주요 면 내에만 형성된 유체 통로(들)를(을) 가질 수 있고, 다른 주요 면은 인접 디스크의 통로를 폐쇄시키기 위한 평면이다. 대안으로, 디스크는 각 측면 상에 인접 디스크의 평면 주요 면을 접촉시킴으로써 폐쇄되는 양 주요 면 내에 형성된 유체 통로를 가질 수도 있다.

디스크 및 그 통로(들)를(을) 평면으로 볼 때, 통로(들)는(은) 디스크를 가로질러 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 확장될 수 있다. 디스크가 하나 이상의 통로를 구비할 때, 통로는 동일한 방향으로 바람직하게 확장된다. 그러나, 일부 응용 분야에서는, 시계 방향 통로 및 반시계 방향 통로의 조합체가유용하다는 것을 알았다.

상술한 바와 같이, 유체 유동의 바람직한 방향은 통로 단면적의 증가의 방향일 것이다. 따라서, "시계 방향" 및 "반시계 방향" 통로에 대한 기준은 여기에서 이들 통로를 통과하는 유체 유동의 의도된 방향을 기준으로 한다.

바람직한 실시예에서, 디스크는 디스크의 스택에서 시계 방향 통로가 반시계 방향 통로와 교대로 배열될 수도 있다. 이러한 배열체는 장치 출구 내의 와류 생성을 감소시키거나 제거하는 유동 분열을 허용할 수 있다.

대안으로, 원한다면, 와류는 통로의 적절한 배열에 의해 출구 안으로 구성될 수 있다. 예컨대, 디스크는 동일한 방향으로 연장되는 모든 통로와 정렬될 수도 있다.

디스크는 편평하지만, 반드시 필수적인 것은 아니며, 원추형 또는 접시형 디스크의 스택을 사용하는 것이 유용할 수도 있음을 알았다. 디스크의 접시형의 결과, 디스크로부터 배출되거나 또는 디스크로 프로세스 유체가 유입될 때 그 유체에 축방향 벡터를 제공하며, 플러그 스로틀링 엣지(plug throttling edge)에서 임팩트의 각도를 보다 감소시킬 수 있다.

실례에 의해서만, 내부 둘레에서 부터 외부 둘레로 약 4,75인치의 총 직경과 약 1.12인치의 반경 크기의 환형 디스크에 대해, 통로의 선형 부분은 0.5 내지 2.0인치 연장될 수 있고, 통로의 곡선형 부분은 0.5 내지 2.0인치의 가변 곡률 반경 상에서 1 내지 4인치 연장될 수 있다.

디스크는 유체 제어 장치가 사용되는 밸브 요건과, 특히 유체의 성질과 유체의 온도, 압력 및 속도에 따라 임의의 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 디스크는 텅스텐 카바이드 또는 세라믹 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.

통로는 임의의 편리한 수단에 의해 디스크를 가로질러 형성될 수도 있으며, 당업자는 선택된 디스크 재료에 따라 적합한 수단들을 용이하게 선택할 수 있을 것이다. 텅스텐 카바이드 또는 세라믹 재료로 이루어진 디스크 내에 통로들을, 디스크가 완전히 경화되기 전 그린 상태(green state)에서 기계가공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 본 발명은 스택 내에 배열된 복수의 환형 디스크를 포함하는 유동 제어 장치를 제공하며, 각각의 디스크는 외부 둘레 및 내부 둘레를 구비하고, 스택 내의 인접 디스크는 외부 둘레에서 내부 둘레로 연장되는 하나 이상의 유체를 제공하는, 대향하는 접촉 주요 표면을 구비하며, 통로는 내부 및 외부 둘레에서 시작하는 선형 부분, 및/또는 다른 외부 및 내부 둘레에서 시작하는 곡선형 부분을 구비한다.

바람직하게, 통로는 하나의 디스크의 주요 표면 내에 형성되며, 디스크의 두께 내에 부분적으로만 연장되는 깊이를 가지고, 그리고, 인접 디스크의 접촉 주요 표면에 의해 그 단부들이 아닌 곳에서 폐쇄되어 있다.

유리하게, 통로의 입구단에 선형 부분이 제공되고, 통로의 출구단에 곡선형 부분이 제공된다. 바람직하게, 이러한 선형 부분은 일정한 단면적을 가지며, 곡선형 부분은 유체 유동의 방향으로 단면적이 증가한다. 유리하게, 선형 부분은 디스크이 둘레에서의 접선에 대해 90°미만의 각도로 연장된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 디스크의 스택을 포함하는 유체 제어 장치용 환형 디스크를 제공하고, 이러한 디스크는 외부 둘레 및 내부 둘레를 구비하며, 내부 둘레는 중앙 개구를 형성하고, 그리고 디스크는 디스크의 일측 상의 주요 면 내에 유체 통로를 제공하는 하나 이상의 통로를 구비하며, 이러한 홈은 외부 둘레와 내부 둘레 사이에 연장되고 일단부의 선형 부분 및/또는 타단부의 곡선형 부분을 구비한다.

선형 부분은 유체 통로의 입구단에 제공될 수도 있으며, 일정한 단면적을 가지고, 및/또는 선택적으로 디스크의 둘레에서의 접선에 대해 90°미만의 각도로 연장되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 스택 내에 배열된 복수의 환형 디스크를 포함하는 유동 제어 장치를 제공하고, 각각의 디스크는 외부 둘레 및 내부 둘레를 구비하며, 스택 내의 인접 디스크는 외부 둘레에서 내부 둘레로 연장되는 하나 이상의 유체를 제공하는, 대향하는 접촉 주요 표면을 구비하며, 이들 디스크들은 원추형을 가진다.

원추형상의 디스크를 사용함으로써, 어떤 응용 분야에 대해 유용할 수도 있는 통로를 통과하는 유체 유동에 축방향 벡터가 제공된다.

바람직하게, 통로는 디스크의 주요 표면 내에 형성되고 디스크의 두께 안으로 부분적으로만 연장되며, 그리고 통로는 인접 디스크의 접촉 주요 표면에 의해 양 단부들 이외에서는 폐쇄되어 있다.

유리하게, 통로의 입구단에는 선형 부분이 제공되고, 통로의 출구단에는 곡선형 부분이 제공된다. 바람직하게, 선형 부분은 일정한 단면적을 가지고, 곡선형 부분은 유체 유동의 방향으로 증가하는 단면적을 가진다. 유리하게, 선형 부분은 디스크의 둘레에서의 접선에 대해 90°미만의 각도로 연장된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 디스크의 스택을 포함하는 유체 유동 장치용 환형 디스크를 제공하며, 디스크는 원추형상이며, 외부 둘레 및 내부 둘레를 가지고, 내부 둘레는 중앙 개구를 형성하고, 그리고 디스크는 디스크의 일측 상의 주요 면 내에 유체 통로를 제공하는 하나 이상의 홈을 구비하며, 이러한 홈은 외부 둘레와 내부 둘레 사이에서 연장되고 디스크의 두께 미만의 깊이를 가진다.

바람직하게, 홈은 유체 통로의 입구단에 제공된 선형 부분을 가지며, 선형 부분은 일정한 단면적일 수도 있으며 및/또는 선택적으로 디스크의 둘레에서의 접선에 대해 90°미만의 각도로 연장될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 스택내에 복수의 환형 디스크가 배열된 유동 제어 장치를 제공하고, 각각의 디스크는 외부 둘레 및 내부 둘레를 가지며, 스택 내의 인접 디스크는 외부 둘레에서 내부 둘레로 연장되는 하나 이상의 유체를 제공하는, 대향하는 접촉 주요 표면을 구비하며, 스택은 시계 방향 통로와 반시계 방향 통로가 교대로 배열되는 디스크를 구비한다.

교대하는 시계방향 통로 및 반시계 방향 통로를 사용함으로써, 통로로부터 나타나는 유체는 와류 생성이 감소되거나 또는 제거된 상태로 분열된다.

바람직하게, 인접 디스크 사이의 통로는 하나의 디스크의 주요 표면 내에 형성되고 디스크의 두께 안으로 부분적으로만 연장되는 깊이를 가지며, 통로는 인접 디스크의 접촉 주요 표면에 의해 양 단부들 이외에는 폐쇄되어 있다.

유리하게, 통로의 입구단에 선형 부분이 제공되고, 통로의 출구단에 곡선형 부분이 제공된다. 바람직하게, 선형 부분은 일정한 단면적을 가지며, 곡선형 부분은 유체 유동의 방향으로 증가하는 단면적을 가진다. 유리하게, 선형 부분은 디스크의 둘레에서의 접선에 대해 90°미만의 각도로 연장된다.

바람직하게, 교대 디스크의 통로는 인접 디스크의 통로에 대해 내부 둘레에서 각방향으로 오프셋되고, 내부 둘레에서 축방향으로 정렬된다.

본 발명의 또 다른 양상에서, 본 발명은 디스크의 스택의 포함하는 유체 제어 장치용 환형 디스크를 제공하고, 이러한 디스크는 외부 둘레 및 내부 둘레를 구비하며, 내부 둘레는 중앙 개구를 형성하고, 디스크는 디스크의 일측 상의 주요 면 내에 유체 통로를 제공하는 하나 이상의 홈을 구비하며, 이러한 홈은 외부 둘레 및 내부 둘레 사이에 연장되고 입구단에서는 일정한 단면적의 선형 부분과, 출구단에서는 유체 유동의 방향으로 증가하는 단면적의 곡선형 부분을 가진다.

바람직하게, 선형 부분은 예컨대, 디스크의 둘레에서의 접선에 대해 5° 내지 30°의 범위에서 90°미만의 각도로 연장되고, 디스크를 평면으로 볼 땔 통로는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 연장된다.

이제, 단지 첨부 도면을 참조하여 실례를 통해 본 발명의 실시예들을 설명한다.

도 1은 예컨대, 가스, 액체 및 고체를 함유하는 3 상 슬러리(phase slurries)일 수 있는 부식성 슬러리의 배출을 위해 사용하기에 특히 적합한 밸런스 밸브 조립체를 도시한다.

이러한 밸런스 밸브 조립체(10)는 입구(12) 및 출구(13)를 갖춘 밸브 몸체(11)를 구비하며, 출구(13)는 점진적으로 증가하는 체적을 제공하도록 테이퍼(taper)형태를 가져서, 슬러리 유량을 감소시키고, 이로써 슬러리가 밸브를 떠날 때 부식 효과를 감소시킨다. 입구(12)와 출구(13) 사이에는 중심 챔버 또는 통로(14)가 놓여 있는데, 이러한 통로(14)는 환형 디스크(15)의 강성 스택의 각각의 중앙 개구에 의해 형성된다.

이 디스크(15)는 입구와 출구 사이에 통로를 제공하고, 커넥팅 로드(17)에 작용하는 종래의 작동 수단(도시 안함)에 의해 도시된 바와 같은 완전 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 왕복 밸브 플러그(16)가 이동가능하다. 완전 폐쇄 위치에서, 플러그는 그 하단부(18)가 최하단 환형 디스크(15') 아래에 이를 때 까지 하강해서, 밸브를 통과하는 유동을 차단시킨다.

플러그(16)는 완전 개방 위치와 완전 개방 위치 사이의 소망의 중간 위치로 이동되어, 플러그의 하단부(18) 아래로 디스크들을 통해 적절한 정도의 유동을 개방시킨다는 것이 이해될 것이다.

도시된 완전 개방 위치에서, 플러그(16)는 볼트(20)에 의해 밸브 몸체의 상부면에 클램핑(clamping)된 상부 케이싱(19) 내에 제공된 공간(24)으로 위로 이동해서, 공간(24)을 감소시킨다.

상이한 위치 사이에서 플러그(16)를 이동시키도록 액츄에이터가 가해야만 하는 힘을 최소화하기 위해, 챔버(14)와 공간(24) 사이의 유체 소통을 위한 한 쌍의 통로(21)에 의해 유압(fluid pressure)이 플러그를 가로질러 균형이 잡힌다. 액츄에이터는 알려진 방식으로 시스템 제어 신호들에 응답한다.

도 1 내의 디스크(15)는 도 2 내지 도 17을 참조하여 아래에 기재된 하나 이상의 유형의 디스크일 수도 있다.

아래의 상세한 설명에서, "시계 방향" 및 "반시계 방향"에 대한 기준은, 실제로 어떤 환경에서 유동을 반대 방향으로 유동할 수 있게 하는 것이 바람직한 것으로 이해될 수 있지만, 디스크를 통과하는 유체의 의도된 유동 방향에 관해서이다.

도 2 내지 도 9, 도 16 및 도 17의 디스크들은 편평한 디스크이지만, 도 10 내지 도 15의 디스크들은 접시형 상부면 및 대응하는 원추형 하부면을 가지며, 이러한 상부면 내로 홈(groove) 또는 통로가 형성되어 있다. 디스크 내의 유사한 부재들은 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 2 및 도 3은 각각의 상부면(12A,12B) 내에 단일 통로(11A)를 각각 구비하는 한 쌍의 환형 디스크(10A,10B)를 도시하는데, 이러한 통로는 내부 둘레(18A,18B)로부터 외부 둘레(17A,17B)로 연장된다.

디스크(10A)의 통로(11A)의 입구(14A)는 그 통로의 출구(13A)보다 협소하며, 이러한 통로는 대체로 시계 방향으로 연장된다. 따라서, 아래에 기재된 모든 디스크들에 대해 그대로, 통로의 깊이가 그 길이 전체에 걸쳐 일정할 때, 출구(13A)로부터 내측으로 연장되는 선형 부분(15A)을 제외하고, 통로의 단면적은 입구(14A)로부터 출구(13A)를 향해 증가한다. 알 수 있듯이, 통로는 선형 부분(15A)을 제외하고 곡선형이다.

유사하게, 디스크(10B)의 통로(11B)의 출구(13B)는 입구(14B)보다 넓고, 이 경우, 통로는 대체로 반시계 방향으로 연장된다. 다시, 통로(11B)는 출구(13B)로부터 내측으로 연장되는 선형부(15B)를 가지며, 통로의 나머지 부분은 곡선형이다.

이들 실시예에서, 유체가 보다 넓은 입구로부터 보다 협소한 출구로 즉, 상술한 방향과 반대 방향으로 유동하게 한 후, 통로의 선형 부분이 통로의 처음 즉 입구에서 시작하는 것이 바람직함을 이해할 것이다.

여기에 도시되고 설명되는 여러 특정 실시예에서, 통로의 다른 부분들은 통로의 수, 유동 영역, 디스크의 내경 및 외경, 및 다른 변수들에 따라 선형 또는 곡선형일 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 특히 바람직한 실시예를 도시하는데, 이들은 상부면(22A,22B) 내에 각각 단일 통로(21A,21B)를 구비하는 다른 한 쌍의 환형 디스크(20A,20B)이다. 이들 디스크에 있어서, 출구(24A,24B)는 입구(23A,23B)보다 넓고, 디스크(20A)는 시계 방향 통로를 구비하며, 디스크(20B)는 반시계 방향 통로를 구비한다. 각각의 통로는 선형 일정 영역 부분(25A,25B)을 가지는 입구로부터 시작한 후, 확장 영역 곡선형 통로로서 출구로 계속된다.

도 6 및 도 7은 상부면(32A,32B) 내에 2개의 통로(31A,31B)를 각각 구비하는 한 쌍의 디스크(30A,30B)를 도시한다.

각각의 통로(31A)의 입구(34A)는 각각의 출구(33A) 보다 협소하고, 양 통로는 대체로 반시계 방향으로 연장된다. 각각의 통로(31A)는 출구(33A)로부터 연장되는 최종 선형 부분(35A)을 구비하며, 통로의 나머지 부분은 연속적인 곡선이다.

유사하게, 각각의 통로(31B)의 출구(33B)는 각각의 입구(34B)보다 넓지만, 이 경우 통로들은 시계 방향으로 연장된다. 다시, 각각의 통로(31B)는 출구(33B)로부터 연장되는 선형 부분(35B)을 구비하며, 이후 통로는 연속적인 곡선으로서 입구까지 이어진다.

도 8 및 도 9는 다른 한 쌍의 환형 디스크(40A,40B)를 도시하는데, 이들 디스크는 그 상부면(42A,42B)에 각각 2개의 통로(41A,41B)를 구비한다. 이들 디스크에 있어서, 출구(44A,44B)는 통로의 입구(43A,43B)보다 넓고, 디스크(40A)는 시계 방향 통로를 가지며, 디스크(40B)는 반시계 방향 통로를 가진다. 각각의 통로는 초기의 선형 부분(45A,45B)을 가지며, 이후 출구까지 연속적인 곡선으로서 계속된다.

도 10 및 도 11은 한 쌍의 원추형 또는 접시형 환형 디스크(50A,50B)를 도시하는데, 이들 디스크는 하부 원추형 또는 접시형 면(56A,56B)을 각각 구비하며, 그리고 대응하는 접시형 상부면(52A,52B)을 각각 구비한다. 각각의 디스크는 그 상부면에 단일 통로(51A,51B)를 구비하는데, 이러한 통로는 편평한 디스크로서, 외부 둘레(57A,57B)로부터 내부 둘레(58A,58B)로 연장된다. 양 디스크 모두 출구(54B)보다 협소한 입구(53A,53B)를 구비하는데-출구(54A)는 도 10에서 보이지 않는다. 디스크(50A)의 통로(51A)는 디스크 상에서 시계 방향으로 뻗어 있는 반면, 디스크(50B)의 통로(51B)는 반시계 방향으로 뻗어 있다. 다시, 통로(51A,51B)는 그 입구단에 초기의 선형 부분(55A,55B)을 각각 구비하며, 그 출구까지 곡선형 통로로서 연속된다.

도 12 및 도 13은 상부 접시형 면(62A,62B)에 2개의 통로(61A 또는 61B)를 각각 구비하는 다른 한 쌍의 원추형 디스크(60A,60B)를 도시한다. 각각의 통로는 출구(64A,64B)보다 협소한 입구(63A,63B)를 구비하고(하나의 출구만이 각각의 도면에서 보여진다), 각각 그 출구로부터 시작되는 초기의 선형 부분(65A,65B)을 구비한다. 통로(61A)는 대개 시계 방향으로 연장되고, 통로(61B)는 반시계 방향으로 연장된다.

도 14 및 도 15는 그 상부면(72A,72B)에 3개의 통로((71A 또는 71B)를 각각 구비하는 다른 한 쌍의 원추형 디스크(70A,70B)를 도시한다. 통로는 그 출구(74A,74B)보다 입구(73A,73B)에서 보다 협소하다(모든 입구가 도면에서 보이는 것은 아니다). 상술한 바와 같이, 각각의 통로는 초기의 선형 부분(75A,75B)을 구비하며, 디스크(70A) 내의 통로들은 시계 방향으로 뻗어 있는 한편, 디스크(70B) 내의 통로들은 반시계 방향으로 뻗어 있다.

도 16 및 도 17은 각각 편평한 디스크인 다른 한 쌍의 환형 디스크(80A,80B)를 도시한다. 각각의 디스크는 상부변(82A,82B)에 3개의 통로(81A 또는 81B)를 구비한다. 디스크(80A)의 통로는 그 입구(83A)로부터 출구(84A)로 시계 방향으로 연장되고, 디스크(80B)의 통로는 그 입구(83B)로부터 그 출구(84B)로 반시계 방향으로 연장된다. 입구(83A,83B)는 출구(84A,84B)보다 협소하다. 상술한 바와 같이, 각각의 통로는 그 입구로부터 연장되는 초기의 선형 부분(85A,85B)을 구비하며, 곡선형 통로로서 출구로 연속된다.

도 18은 편평한 환형 디스크(91)의 스택(90)의 단면을 도시하며, 각각의 디스크가 예컨대, 디스크의 하부 주요 표면(93)에 의해 위로부터 폐쇄되는 2개의 유체 통로 홈(grooves)이 상부 주요 표면(92) 내에 가지는, 도 6 내지 도 9를 참조하여 도시되고 설명된 유형 중 하나일 수 있다.

이러한 홈은 서로에게로 180°에서의 중앙 개구 안으로 개방되며, 인접 디스크(91)는 서로에 대해 90°를 통해 회전되어, 인접 디스크(91)의 출구(94)가 서로에 대해 오프셋(offset) 되고 다른 디스크(91)의 출구(94)가 축방향으로 정렬된다. 통로의 출구(94)만이 본 단면에서 가시화되고, 각각의 출구(94)는 적층된 디스크에 의해 형성된 중앙 통로(95) 안으로 인도된다.

상부 평면 환형 디스크(96)는 중앙 통로의 상단부를 폐쇄시키고, 유동은 화살표로 도시되어 있듯이, 각각의 디스크(91)의 외부 둘레로부터 중앙 통로(95)안으로 이동한후, 통로(95)의 외측으로 하방으로 유동한다.

스택(90)의 각각의 디스크(91)는 도 2 내지 도 5와, 도 16 및 도 17에 도시된 임의의 유형일 수 있으며, 인접 디스크가 적절하게 회전하여, 인접 디스크의 유체 통로가 내부 둘레에서 각위치로 오프셋되며, 다른 디스크의 유체 통로가 축방향으로 내부 둘레에서 정렬된다. 요구되는 유동 특성을 제공하도록 다른 배열체의 디스크가 사용될 수도 있다.

도 19는 접시형 환형 디스크(101)의 스택(100)의 유사한 단면 흐름을 도시하며, 각각의 디스크가 예컨대, 디스크의 하부 주요 표면(103)에 의해 위로부터 폐쇄되는 2개의 유체 통로 홈을 상부 주요 표면102) 내에 가지는, 도 12 및 도 13를 참조하여 도시되고 설명된 유형 중 임의의 하나일 수 있다.

이러한 홈은 서로에게로 180°에서의 중앙 개구 안으로 개방되며, 인접 디스크(101)는 서로에 대해 90°를 통해 회전되어, 인접 디스크의 출구(104)가 서로에 대해 오프셋(offset) 되고 다른 디스크(101)의 출구(104)가 축방향으로 정렬된다. 다시, 통로의 출구(104)만이 본 단면에서 가시화되고, 각각의 출구(104)는 적층된 디스크에 의해 형성된 중앙 통로(105) 안으로 인도된다.

상부 홈없는 접시형 환형 디스크(96)가 중앙 통로의 상단부를 폐쇄시키고, 유동은 다시 화살표로 도시된 바와 같이, 각각의 디스크(101)의 외부 둘레로부터 중앙 통로(105) 안으로 그리고 통로(105)의 하방으로 이동한다.

스택(100)의 각각의 디스크(101)는 도 10, 도11, 도 14 및 도 15에 도시된 유형들 중 임의의 것일 수 있으며, 인접 디스크들이 적절하게 회전해서, 인접 디스크의 유체 통로가 내부 둘레에서 각위치로 오프셋되고, 다른 디스크의 유체 통로가 축방향으로 내부 둘레에 정렬된다는 것을 이해할 것이다. 필요한 유체 특성을 제공하도록 다른 배열체의 디스크가 사용될 수도 있다.

도 18 및 도 19는 전체적 유동 도해만을 위한 것이고, 사실상, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같은 플러그 및 출구 배열체는 장치의 작동을 위해 필요할 것이다.

본 발명의 유동 제어 장치는 매우 다양한 유동 조건에 적합하기 위해 매우 다양한 디스크 구성을 가지도록 배열될 수 있으며, 이러한 구성 각각은은 장치 부품 상의 마모 및 파손을 감소시키도록 구성될 수 있음을 또한 이해할 것이다.

여기에 설명한 예시적인 실시예는 본 발명의 다양한 범위를 설명하고자 함이며, 실시예의 구성들은 임의의 원하는 유동 제어 장치를 생산하도록 개별적으로, 또는 동일한 또는 상이한 실시예의 다른 구성과 결합되어 사용될 수도 있음을 이해할 것이다.

또한, 설명되고 도해된 디스크의 특정 형상 및/또는 구성은 본 발명에 대해 현재 알려진 최상의 수단을 나타냄이 분명하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고, 청구범위의 요지 및 범위 내에서 다양한 변경 및 향상이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (30)

1. 환형 디스크의 스택과, 상기 스택의 종방향으로 연장되는 중앙 통로를 형성하는 상기 환형 디스크의 중앙 개구와, 장치를 통과하는 유체 유동을 제어하도록 상기 중앙 통로 내에서 왕복 이동가능한 제어 부재와, 상기 디스크의 내부 둘레와 외부 둘레 사이에 연장되는 하나 이상의 유체 통로를 형성하는 접촉 주요 표면을 가지는 인접 디스크를 포함하고,

   상기 통로는 상기 둘레 중 하나에서 시작하는 적어도 일부분의 길이에 대해 곡선형이고, 및/또는 상기 둘레 중 다른 하나에서 시작하는 적어도 일부분의 길이에 대해 선형인 유체 유동 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인접 디스크 사이의 상기 유체 통로를 통과하는 유동은 상기 디스크의 상기 외부 둘레로부터 상기 내부 둘레로 이동하는 유체 유동 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인접 디스크 사이의 상기 유체 통로를 통과하는 유동은 상기 디스크의 상기 내부 둘레로부터 상기 외부 둘레로 이동하는 유체 유동 제어 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 인접 디스크 사이의 상기 유체 통로는일단부 바람직하게, 입구단에서 시작되는 선형 부분과, 타단부 바람직하게, 출구단에서 종결되는 곡선형 부분을 구비하는 유체 유동 제어 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 선형 부분은 유입의 지점에서의 접선에 대해 90°미만의 각도로 경사지며, 예컨대, 상기 접선에 대해 5° 내지 30°로 경사질 수 있는 유체 유동 제어 장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 인접 디스크 사이의 상기 유체 통로는 상기 통로의 입구와 출구 사이에서 단면적이 증가하거나 또는 감소하는 유체 유동 제어 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 통로는 출구단을 향하는 방향으로 단면적이 증가하고, 예컨대, 일정한 폭의 통로의 깊이를 변화시킴으로써, 일정한 깊이의 통로의 폭을 변화시킴으로써, 또는 통로의 폭 및 깊이 모두를 변화시킴으로써 단면적이 변화할 수 있는 유체 유동 제어 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 인접 디스크 사이의 상기 통로의 선형 부분은 균일한 단면적이며, 상기 통로의 곡선형 부분은 가변 단면적인 유체 유동 제어 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 쌍의 인접 디스크의 외부 둘레와 내부 둘레 사이에 복수의 개별 유체 통로가 제공되어 있는 유체 유동 제어 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 평면으로 보았을 때, 인접 디스크 사이의 통로가 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 하나로 연장되어 있는 유체 유동 제어 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 디스크는 디스크의 스택에서 시계 방향 통로가 반시계 방향 통로와 번갈아 교대하도록 배열되어 있는 유체 유동 제어 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스크가 편평한 유체 유동 장치.
13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스크가 원추형 또는 접시형인 유체 유동 장치.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스크는 텅스텐 카바이드 또는 세라믹 물질로 이루어지는 유체 유동 제어 장치.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 부재는 완전 폐쇄 위치로부터 부분적으로 개방된 위치의 범위를 통해 완전히 개방된 위치로 상기 중앙 통로 내에서 왕복가능한 플러그를 포함하는 유체 유동 제어 장치.
16. 첨부된 도면의 도 1과 관련하여 상술된 바와 실질적으로 같은 유동 제어 장치로서, 첨부된 도면의 도 2 내지 도 17에 도시된 디스크 중 임의의 하나를 포함하는 유동 제어 장치.
17. 유체 제어 장치내에 병합하기 위한 환형 디스크로서, 상기 장치는 환형 디스크의 스택을 포함하고, 상기 디스크는 내부 둘레 및 외부 둘레와, 그 주요 표면 중 하나에 형성된 하나 이상의 홈 통로를 구비하며, 상기 통로는 길이의 적어도 일부분에 대해 곡선형이며, 상기 통로의 상기 곡선형 부분은 상기 둘레들 중 하나에서 시작되고 및/또는 길이의 일부분에 대해 선형이며, 상기 선형 부분은 상기 둘레의 다른 하나에서 시작되는 환형 디스크.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 디스크의 상기 외부 둘레로부터 상기 내부 둘레로 연장되는 상기 통로는 상기 디스크의 외부 둘레에서 시작되는 선형 부분을 구비하는 디스크.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 디스크의 상기 외부 둘레로부터 상기 내부 둘레로연장되는 상기 통로는 상기 디스크의 내부 둘레에서 시작되는 선형 부분을 구비하는 디스크.
20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 통로의 선형 부분은 상기 통로와 상기 통로와의 접합에서 상기 둘레의 접선에 대해 90°미만의 각도, 바람직하게 5° 내지 30°의 각도로 경사져 있는 디스크.
21. 제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로는 길이를 따라 단면적이 증가하거나 또는 감소하는 디스크.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 단면적의 증가 또는 감소는 그 깊이가 일정하게 유지되는 동안 상기 통로를 변화시킴으로써 달성되는 디스크.
23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주요 표면 중 하나를 가로질러 2 또는 3개의 독립적인 통로가 제공되어 있는 디스크.
24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로는, 상기 디스크를 평면으로 바라볼 때 상기 디스크를 가로질러 대체로 시계 방향으로 연장되어 있는 디스크.
25. 제 17 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로는, 상기 디스크를 평면으로 바라볼 때 상기 디스크를 가로질러 대체로 반시계 방향으로 연장되어 있는 디스크.
26. 제 17 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 원추형 또는 접시형 구성인 디스크.
27. 제 17 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 텅스텐 카바이드 또는 세라믹 물질로 이루어지는 디스크.
28. 첨부된 도면의 도 2 내지 도 19를 참조하여 상술된 바와 실질적으로 같은 유체 제어 장치 내에 병합되는 환형 디스크.
29. 제 17 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 디스크를 포함하는 환형 디스크의 스택.
30. 제 29 항에 있어서, 대체로 시계 방향으로 연장되는 통로 또는 통로들을 갖춘 디스크는 대체로 반시계 방향으로 연장되는 통로 또는 통로들을 갖춘 디스크와 번갈아 교대되는 스택.