KR200377010Y1 - 유체저항장치 및 이를 장착한 유체처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 환형디스크를 적층하여 구성되는 유체저항장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환형디스크 상에 수두손실이 큰 유체이동통로를 따라 유체가 이동되게 함으로써 가용체적 내의 유체의 유량률을 크게 하고, 운동에너지는 적정수준으로 제어할 수 있는 유체저항장치에 관한 것이다. 본 고안에 따른 유체저항장치의 유동모듈은 유체가 환형디스크로 유입되는 유입부(101)와, 유입부(101)로 유입된 유체가 절곡되며 원주방향으로 연장되어 양 단부를 구비하는 분할부(102)와, 분할부(102)의 양 단부(103)에서 수직으로 연통되는 전달부(104)와, 전달부(104)의 각 단부에서 연장되어 각각 절곡되는 방향전환부(105)와, 각 방향전환부(105)가 연장되어 통합되는 통합부(106)와, 통합부(106)에서 수직으로 연통되는 유출부(107)와, 유출부(107)의 단부에서 양측으로 연장되어 형성되며, 환형디스크의 유체유출방향으로 개방되는 유출분할부(108)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유체저항장치 및 이를 장착한 유체처리장치{fluid resistance device and fluid control device using it}

본 고안은 환형디스크를 적층하여 구성되는 유체저항장치 및 이를 장착한 유체처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고차압하에서도 환형디스크 상에 수두손실이 큰 유체이동통로를 따라 유체가 이동되게 함으로써 유체의 속력을 감소하여 유체의 운동에너지를 적절히 제어할 수 있으면서도 한정된 가용체적 내에 설치될 수 있는 유체저항장치 및 이를 장착한 유체처리장치에 관한 것이다.

유체의 압력 또는 유량 조절은 유체를 유동시키는 공정상 유체저항장치가 필수적으로 사용되고 있다. 그러나, 유체저항장치는 캐비테이션, 소음, 마모 등의 여러 문제점을 발생시키므로, 유체저항장치 설계시에는 유체의 배출구측 운동에너지, 유동속도, 압력 등의 요소가 고려된다.

이 때, 유체역학적 이론의 배경이 되는 운동에너지(KE)와 속도(V) 및 유량률(w)와의 상관관계는,

(여기서 △P는 장치 또는 유체 저항부에 작용하는 차압, ρ₀는 유체의 밀도, A₀는 유로의 횡단면적, ξ는 유체 저항부에 대한 손실 계수, V는 속도)

이며, 일반적인 유동 조건에서 밸브의 트림(Trim) 출구의 운동에너지가 480 kPa(물의 경우 30m/s에 해당)가 이하이면 문제점이 거의 발생하지 않게 되나, 캐비테이션이 발생할 수 있으므로 2상 유체의 조건에서는 이 운동에너지를 275 kPa(물의 경우 23m/s) 이하로 제한하여야 하고, 진동에 민감한 시스템에서는 75 kPa(물의 경우 12 m/s) 이하로 제한하여야 하는 것으로 제시되고 있다.

또한 유동속도는 장치의 전단과 후단에 부가되는 유체의 압력차, 유로의 형태와 레이놀즈 수(Reynolds Number)에 의해 결정되는 총 저항계수 및 유체의 밀도와 직접적인 연관이 있으므로, 바꾸어 말하면, 유체의 압력강하량은 총저항(손실)계수, 유체의 밀도, 유동속도의 제곱에 비례하므로, 유로의 방향전환부에서 국부저항을 크게하여 총저항(손실)계수가 커지게 함으로써, 유체의 속도와 압력을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

또한, 유체처리장치의 주요 소음원은 공기역학적 소음으로, 이 소음에너지(Acoustic Power)의 정도는 질량유량률, 상류측 절대압력과 하류측 절대압력에 의한 압력비, 기하학적 구조 및 유체의 물리적 특성과 관련되어 있으며, 특정부위에서 압력비가 크면 음속 유동(Sonic Flow) 또는 쵸크 유동(Chocked Flow)이 발생하여 높은 소음원이 되므로, 압력비를 제어함으로서 소음발생을 감소 또는 억제할 수 있다는 것이 알려져 있다.

따라서 유체의 배출구측 운동에너지는 기준정도에 따라 그 이하로 유지되고, 유체의 압력은 급격한 변화가 생기지 않게 하여, 적정한 유동속도를 유지하는 것이 요구된다. 이를 해결하기 위한 여러 종래기술이 고안되었다. 특히, 본 고안과 같이 환형디스크를 적층하여 구성되는 유체저항장치에 관한 여러 고안들이 제안되었는데, 이에는 크게 유로의 횡단면적의 크기를 변화하는 방법과, 유로의 방향을 전환하는 방법이 있다.

전자의 일례는 미국특허번호 제6,701,957호의 고안으로, 디스크의 중심으로부터 나선형 유로를 형성하고, 이 나선형 유로에는 유로 횡단면적의 급변화를 유도하는 오리피스형태의 유동저항부를 구비하는 방법으로, 이 유동저항부에서 유체의 수두가 감소하도록 하였다.

그러나, 상기 고안은 유로저항부에 오리피스와 같은 유로 횡단면적의 급격한 변화를 일으키는 방법을 채택함으로써, 국부적으로 유동속도증가와 압력의 급변화를 발생시켜 소음, 진동,부식 등의 원인이 되었으며, 횡단면적이 좁아지는 부위에 이물질이 끼어게 되어 장치성능이 저하되는 문제점을 가진다.

후자의 일례는 미국특허번호 제6,095,196호의 고안으로, 디스크의 중심으로부터 반경방향으로 꼬불꼬불한 홈을 형성하여 유로의 방향이 단순하게 전환되는 형태의 유동저항부를 구비하여 유체의 수두가 감소하도록 하고 있다.

그러나 상기 고안에 있어서도, 유동저항부가 단순하게 형성되므로, 유체의 압력과 유량을 제어하기 위해서는 상대적으로 유체저항장치의 크기가 커지게 되어, 장치가 점유하는 공간이 커질 뿐아니라, 비용도 증가하게 되는 문제점이 있다.

상술한 바와 같이 양자 모두 문제점을 노정하고 있으나, 초고압 또는 고차압의 조건의 유체를 제어하기 위해서는 장치의 부피 또는 크기가 매우 커지는 문제점이 있어, 현재는 유로의 방향을 전환하는 방법이 많이 연구되고 있으며, 특히, 다수의 디스크로 형성되는 다단 다중유로(multi-stage and multi-flow)를 유체가 흐르게 하는 방법이 선호되고 있다.

이에 본 출원인이 유로를 변화하는 방식으로 고안하여 특허등록받은 한국특허번호 제 438047 호의 고안을 종래기술로 설명하여, 본 고안을 더욱 명확하게 설명하고자 한다.

도 1은 유체의 속도 및 압력강하 제어용 저항장치를 이루는 다수의 디스크와 두 개의 끝판(8, 9)이 결합되는 형태의 분해 사시도이다.

상기 디스크는 6개의 유체유입구(43)를 가지는 T자형 직각방향 유로용 유입관통구멍(44)과 6개의 유체의 배출구(48)를 가지는 배출관통구멍(47)이 있다. 또한, 상기 디스크는 내경부와 외경부를 가지고 있으며, 디스크 중심의 한 각도를 기준으로 하여 내경부에 T-자형 직각방향전환 유로(21) 형성용 유체유입구(43)가 형성되어 있고, 이에 반경방향으로 인접하여 두 번째와 세 번째의 T-자형 직각방향전환 유로용 관통구멍(45, 46)이 형성되어 있고, 이에 인접하여 유체의 배출구(48)를 가지는 배출 관통구멍(47)이 형성되어 있다. 이와 같은 4개의 디스크가 특정각도 만큼 반복적으로 적층되어 유체의 유동방향이 90°로 바뀌는 굴곡이 18회 발생하게 된다.

한편, 도 1은 상기 디스크들이 6개만으로 결합되어 저항장치를 구성하는 것을 보이고 있는데, 상기 저항장치의 끝판(8, 9)은 서로 동일하게 만든 것으로, 가운데 구멍의 크기와 끝판(8, 9)의 외경이 디스크(15)과 동일하다. 끝판(8)에는 다수의 디스크들을 볼트로 결합시키기 위해서 디스크의 볼트 체결구멍들과 같은 위치에 90°각도마다 4개의 턱이 있는 볼트체결 구멍(83, 84, 85, 86)을 형성한다.

디스크들과 끝판들의 연결과정을 보다 상세하게 설명하면, 하부 끝판(9)의 볼트 체결구멍(89)를 기준으로 할때 첫 번째 디스크(71)의 볼트 체결구멍(61), 두 번째 디스크(72)의 볼트체결구멍(58), 세 번째 디스크(73)의 볼트 체결 구멍(59), 네 번째 디스크(74)의 볼트 체결구멍(60), 다섯 번째 디스크(75)의 볼트 체결구멍(61), 여섯 번째 디스크(76)의 볼트체결구멍(58), 그리고 상부 끝판의 볼트체결구멍(86)을 일직선으로 정열하여 볼트로 결합하면 되며, 나머지 세군데의 볼트 결합도 동일하다. 이러한 볼트를 이용한 결합대신에 용접등으로 결합하는 것도 가능하다.

이와 같이 이루어진 종래의 기술은 초고압하에서도 유체의 압력을 급격하게 강하하기 위해 사용할 수 있는 고성능의 효과가 있었다. 그러나, 상기 종래의 기술은 유로방향 전환각도가 동일하고, 유로 횡단면적의 크기가 일정하여 국부저항값이 크지 않아 보다 국부저항값을 크게 하여야 할 개선점을 가짐과 아울러 유로 횡단면적의 크기가 일정하여 일단 유입구를 통과한 이물질이라도 다시 유출구에서 걸리게 되고, 유체 흐름에 따르는 소음이 발생하는 문제점이 있었다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 유로의 각 방향 전환부에서의 국부저항을 크게 하여 총 저항계수를 크게함으로써 유체의 운동에너지, 속도 및 압력을 효과적으로 제어하고, 유로 전역에 걸쳐 유체속도 및 압력의 급변화가 없도록 하여, 소음, 진동, 침부식등의 문제점이 발생하지 않고, 다중 다단구조방식으로 구성되어 보다 소형화된 유체저항장치 및 이를 장착한 유체처리장치를 제공하는 것이다.

특히, 수두손실을 극대화하기 위하여 첫째, 유로의 구조를 특징화하여 유체의 상호작용에 의한 국부저항을 크게 하고, 둘째, 다수의 디스크를 사용하여 입체적인 유로를 형성하여 국부저항을 더욱 크게 하며, 셋째, 유동방향의 전환각도가 서로 다른 유로 전환부를 기하적으로 배치하여 국부저항을 크게 하고, 넷째, 유동방향 전환 전후 유로 횡단면적의 크기를 다르게 하여 국부저항을 크게 하는 유체저항장치를 제공하는 것이다.

본 고안에 따른 유체저항장치는 환형디스크를 적층하여 유로를 형성하는 유체저항장치에 있어서, 상기 유로가 유체가 상기 환형디스크로 유입되는 유입부와, 상기 유입부로 유입된 유체가 절곡되며 원주방향으로 연장되어 양 단부를 구비하는 분할부와, 상기 분할부의 양 단부에서 수직으로 연통되는 전달부와, 상기 전달부의 각 단부에서 연장되어 각각 절곡되는 방향전환부와, 상기 각 방향전환부가 연장되어 통합되는 통합부와, 상기 통합부에서 수직으로 연통되는 유출부와, 상기 유출부의 단부에서 양측으로 연장되어 형성되며, 환형디스크의 유체유출방향으로 개방되는 유출분할부를 포함하여 구성되는 유동모듈을 포함하여 구성되어, 유체가 유동시 다수의 유로변경을 일으키면서, 분할 및 통합되도록 구성되는 것을 특징으로하는 것이다.

이 때, 유입부로 유입된 유체는 상기 분할부에서 90° 이상의 각도인 180-θ°(0 < θ< 90°)로 절곡되고, 상기 방향전환부에서는 θ°의 각도로 절곡되어 유로가 급전환되도록 구성되도록 하는 것이 바람직하다.

이 때, 유로의 횡단면적의 크기가 전체적으로 일정하게 유지되게 하거나, 유로의 횡단면적의 크기가 전체적으로 유체의 유출방향으로 점차 커지도록 구성할 수 있다. 그러나, 유체의 방향전환부에서 통합부사이의 구간에서는 유로의 횡단면적의 크기를 작게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 유출부에는 기저에서 유체유출방향으로 향하는 돌출부가 형성되어, 유출부에 유로가 다수 개로 분지되도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 유로는 적층된 환형디스크 내에 복수개로 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 고안에 따른 실시예를 설명한다. 그러나 본 고안에 따른 유체저항장치의 구성은 치수, 유로표면의 거칠기, 유로모서리 직각정도, 유로유동방향 전환 각도 등에 따라 쉽게 변경할 수 있으며, 이러한 유체저항장치의 배치방법, 배치 개수 등에 따라서도 고유성능의 변화가 가능하므로 유체특성에 따라 본 고안을 당업자가 용이하게 변경시키는 정도의 변형은 본 고안의 범주에서 제외되지 않는다.

도 2는 밸브에 설치된 본 고안에 따른 유체저항장치의 일실시예를 보이는 사시도이다. 이에 따르면, 유체저항장치(110)은 환형디스크(200) 및 격판디스크(400 ; 400a, 400b)를 포함하여 구성되며, 상기 유체저항장치(110)는 밸브(100)내에 유입구(120)와 유출구(130) 사이에 설치되어, 상기 디스크(200, 400)에 형성된 체결공을 통과하는 디스크 결합볼트(113a) 및 너트(113b)에 의해 고정된다. 한편, 밸브(100)내의 유입구(120) 및 유출구(130)의 방향은 밸브(100)의 특성에 맞게 바뀌어 질 수 있다. 또한, 밸브(100)의 유량은 스템(140)에 의해 연결된 플러그(150)가 상하운동에 따라서 조절된다.

이와 같이 유체처리장치 내에 본원고안에 따른 유체저항장치가 장착되어 작동하는 방식은 본 실시예에 한정되지 않음은 물론, 공지의 어떠한 유체처리장치내에 응용되어 장착될 수 있다.

도 3은 본 고안에 따른 유체저항장치의 유동모듈을 나타내는 도식도이다. 이에 의하여 본 고안에 따른 유체의 유동경로를 상세히 살펴보면 유입구에서 유입된 유체는 유입부(101)를 통과하여 분할부(102)에 도착한다. 분할부(102)를 거치면서 유체는 90° 이상의 각도인 180-θ°(0 < θ< 90°)로 방향전환을 하고, 유량이 반으로 분할된 유체는 분할부의 단부(103 ; 103a, 103b)로 이동하여, 다시 수직으로 방향전환하여 연통되는 전달부(104; 104a, 104b)에 도달한다. 전달부(104)에 도달한 유체는 다시 방향전환부(105; 105a, 105b)를 거치면서 θ°의 방향의 전환을 하며, 통합부(106)에 도달한다.

통합부(106)에서 분할된 유량이 다시 통합된 유체는 수직으로 방향을 전환하면서 연통되는 유출부(107)를 통하여 유출분할부(108)에 도착하여 최종적으로 환형디스크 외부로 이탈하게 된다.

이와 같이 본 고안에 따른 유체저항장치는 유입된 유체가 분할부(102), 전달부(104), 방향전환부(105), 통합부(106), 유출부(107), 유출분할부(108)를 거치면서 총6회의 방향전환이 이루어지는 유동모듈을 가지게 된다. 상기 유동모듈에 따르면 디스크 사이를 이동하면서 이루어지는 방향전환이 6곳이므로, 두개의 디스크를 통해 입체적인 유로구조가 형성되고 유로진행방향이 전환되도록 구성되어, 전환되지 않는 것보다 국부저항 값은 170%까지 증가하게 된다. 또한, 유체가 분할 및 통합되는 상호작용 과정을 거치게 되어 더욱 극대화된 국부저항을 받게 된다.

상기 유동모듈은 유체저항장치내에서 1번 또는 그 이상 적용되거나 도시된 바와 달리 유로가 먼저 수직 아래로 절곡된 뒤 다시 상부로 절곡되도록 구성될 수 있음은 물론이며, 이하에서는 상기한 유동모듈이 적용된 본 고안에 따른 여러 실시예를 살펴보도록 한다.

도 4는 본 고안에 따른 환형디스크의 일실시예를 나타내는 평면도이다. 환형디스크(210)에는 유체가 유체저항장치내로 유입되는 유입관통홈(310), 유체가 유체저항장치로(110)부터 유출되는 유출관통홈(320), 유체가 유동되는 제 1유동관통홈(330)과 제 2유동관통홈(340)이 형성되어 있다(설명의 편의상 이들이 형성하는 열을 A열이라 하고, A열이 형성된 구간을 A구간이라 한다. 한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소의 명칭은 유사기능을 하는 구성요소간에 동일성을 기하기 위하여 제 1, 2 등의 용어를 사용하였으나 이는 순서를 나타내는 것이 아니라 각 구성요소의 고유한 명칭이다).

또한, A열의 일측부 구역에는 유체가 전달되는 제 1 전달관통홈(350), 제 1 유동관통홈(330)의 유체가 전달되는 제 2전달관통홈(360), 그리고 제 2 유동관통홈(340)의 유체가 전달되는 제 3전달관통홈(370)이 형성되어 있다(설명의 편의상 이들이 형성하는 열을 B열이라 하고, B열이 형성된 구간을 B구간이라 한다). 이 때,B구간의 폭은 A구간의 폭과 동일하다.그리고 B열이 형성되는 B 구간의 일측부에는 B구간의 폭만큼 어떠한 홈도 형성되지 않는 격판구간(C)이 형성된다.

본 고안에서 형성되는 유로는 입체적인 유로로서, 하나의 환형디스크의 A열과 그 상부에 적층되는 동일한 형상의 다른 환형디스크의 B열이 연통되어 유로를 형성하므로, 이하에서는 A열을 먼저 설명하고, B열을 다른 환형디스크에 있는 것으로 가정하고 설명하며, 하나의 유로를 형성하는 두 개의 환형디스크를 서로에 대해서 각각 인접 환형디스크라 칭한다.

본 실시예의 환형디스크(210)는 유체가 내주(內周)에서 외주(外周)방향으로 흐르는 밸브에 설치되는 것이므로, 유입관통홈(310)은 환형디스크(210)의 내주에 형성되고, 유출관통홈(320)은 환형디스크(210)의 외주에 형성되며, 제 1유동관통홈(330) 및 제 2유동관통홈(340)은 유체의 유동순서대로 유입관통홈(310)과 유출관통홈(320)사이에 형성된다.

유입관통홈(310)은 외부의 유체가 유입되도록 내주면에서 외부로 개방되고 일정한 진입구간이 형성된 제 1 유입부(311)를 구비하고 있다. 또한, 유체에 대한 국부저항을 크게 하기위하여 제 1 유입부(311)에서 원주방향의 양쪽으로 연장되어 형성되는 단부(315; 315a, 315b)를 구비한 제 1 분할부(313)를 구비하고 있으며, 제 1유입부(311)와 제 1분할부(313)의 단부(315; 315a, 315b)가 이루는 각은 90° 이하의 각도로 형성된다.

따라서, 제 1 유입부(311)로 진입한 유체는 제 1 분할부(313)에서 90° 이상의 각도인 180-θ°(0 < θ< 90°)로 가파르게 방향을 전환하게 되는데, 이는 유체유동방향 전환 각도에 의한 국부저항이 방향 전환 각도가 감소할수록 지수함수적으로 증가하는 특성을 이용하기 위함이다. 예컨데, 방향 전환 각도가 90°인 경우를 기준으로 할 때, 120°로 전환할 경우에 국부저항값은 약190% 증가하고, 60°로 전환할 경우에는 약60% 감소한다. 따라서, 유체의 유로를 전환함에 있어서, 90°로 두 번 전환하는 것보다 제 1분할부(313)에서 120°로 전환한 후 다시 제 1 방향전환부(353; 353a, 353b)에서 60°로 전환하게 하면, 총국부저항값은 250%가 되어 50%의 이득을 가지기 때문이다.

제 1 유입부(311)와 제 1 분할부(313)를 포함하는 유입관통홈(310)은 환형디스크(210)의 원주방향으로 복수개로 반복되면서 형성된다.

유입관통홈(310)의 구심방향 중심선상에는 외주면에서 외부로 개방되고, 상기 유입관통홈(310)으로부터 일정간격 이격되어 형성되는 유출관통홈(320)이 구비된다. 유출관통홈(320)은 외부로 유체가 유출되도록 아래에서 설명될 제 1 전달관통홈(350)의 제 1 통합부(355)에 연통되며 일정한 진입구간이 형성된 유출부(321)와, 유체가 외부로 유출되도록 외주면에서 외부로 개방되는 유출분할부(323)를 구비하고 있어, 유출되는 유체가 인접 구조물 또는 장치(예컨데, 밸브의 몸체, 플러그 등)와 이격거리를 유지하는 동시에 유출구측 유체의 운동에너지를 낮추거나 제한할 수 있도록 유로의 횡단면적이 급확장되는 구조를 가지고 있다.

유입관통홈(310)과 유출관통홈(320) 사이에는 차례로 제 1 유동관통홈(330) 및 제 2 유동관통홈(340)이 형성된다. 제 1 유동관통홈(330) 및 제 2 유동관통홈(340)의 형상은 동일한 형상으로 형성되어 있다.

제 1 유동관통홈(330)은 아래에서 설명될 인접 환형디스크의 제 1 전달관통홈(350)에 연통되어 제 1전달관통홈(350)으로부터 유체를 유입하는 제 2유입부(331)와, 제 2유입부(331)에서 원주방향의 양쪽으로 연장되어 형성되는 제 2분할부(333)를 포함하여 구성된다. 이 때, 제 2유입부(331)에서 제 2분할부(333)의 단부로 굽어지는 각도는 90°이상으로 하는 것이 바람직하다.

제 2유동관통홈(340)은 아래에서 설명될 인접 환형디스크의 제 2전달관통홈(360)에 연통되어 제 2전달관통홈(360)으로부터의 유체를 유입하는 제 3유입부(341)와, 제 3유입부(341)에서 원주방향의 양쪽으로 연장되어 형성되는 제 3분할부(343)를 포함하여 구성된다. 이 때, 제 3유입부(341)에서 제 3분할부(343)의 단부로 굽어지는 각도도 90° 이상으로 하여 저항을 상승시키는 것이 바람직하다.

한편 환형디스크(210)에 형성되는 유입관통홈(310), 제 1유동관통홈(330), 제 2유동관통홈(340), 유출관통홈(320)은 모두 구심을 향하는 중심선이 일치하게 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 유입관통홈(310)에서 유출관통홈(320)을 향할수록 점점 상기 유로의 횡단면적이 커지도록 구성하는 것이 바람직하다. 유동방향을 전환할 때마다 유로 횡단면적의 크기를 점차 커지도록 함으로써, 유동방향이 전환될 때마다 유체의 속도가 감소하게 되기 때문이다. 따라서, 유체저항장치(110)를 통과하는 유체의 속도와 운동에너지를 적절한 상태로 제어할 수 있게 하며, 유체가 기체나 증기일 경우에는 유동 진행에 따라 적절한 횡단면적의 확장을 통해 유체의 체적팽창을 수용할 수 있도록 한다.

또한, 환형디스크(210)의 B열에는, 인접 환형디스크(210)의 제 1분할부(313)의 각 단부(315 ; 315a, 315b)와 연통되도록 형성되는 한 쌍의 제 1전달부(351 ; 351a, 351b)와, 제 1전달부(351; 351a, 351b)에서 외주방향으로 연장되어 유체의 방향을 일정각도 θ( 0°＜ θ＜ 90°)로 전환시키는 한 쌍의 제 1방향전환부(353; 353a, 353b)와, 제 1방향전환부(353; 353a, 353b)에서 연장되어 인접 환형디스크의 제 2유입부(331)와 연통되도록 형성되는 제 1통합부(355)를 포함하는 제 1전달관통홈(350)이 형성된다.

제 1방향전환부(353; 353a, 353b) 에서 유체는 θ각도의 방향의 전환이 이루어지는 동시에 제 1방향전환부(353; 353a, 353b)를 기준으로 유로 횡단면적이 축소되도록 형성된다. 즉, 제 1전달부(351; 351a, 351b)로부터 제 1방향전환부(353; 353a, 353b)까지의 유로 횡단면적 보다 방향전환부(353; 353a, 353b)에서 제 1통합부(355)까지의 유로 횡단면적은 작게 형성되는데, 이는 방향전환 후 유로의 횡단면적의 크기를 작게 하면 국부저항값이 매우 커지는 특성을 이용한 것이다. 이 때, 유체에 포함된 이물질 유입에 의해 유로의 막힘이 발생하지 않도록 방향전환 후 축소되는 횡단면적의 크기가 제 1유입부(311)의 횡단면적의 크기보다는 크게 유지되도록 해야 함에 유의해야 한다.

또한, 제 1전달관통홈(350)에 이격하여 유체유출방향으로 제 2전달 관통홈(360)이 형성되고, 제 2전달 관통홈(360)에 이격하여 유체유출방향으로 제 3전달 관통홈(370)이 형성된다.

제 2전달관통홈(360)은 인접 환형디스크의 제 1유입부(311), 제 1분할부(313), 본 환형디스크(210)의 제 1전달부(351; 351a, 351b), 제 1방향전환부(353; 353a, 353b), 제 1통합부(355), 인접 환형디스크의 제 2유입부(331), 제 2분할부(333)를 차례로 유동한 유체가 다시 인접 환형디스크의 제 3유입부(341)와 제 3분할부(343)로 유동될 수 있도록, 제 2분할부(333)의 단부(335; 335a, 335b)와 연통되도록 형성되는 한 쌍의 제 2전달부(361; 361a, 361b)와, 제 2전달부(361; 361a, 361b)에서 연장되어 유체의 방향을 전환시키는 제 2방향전환부(363; 363a, 363b)와, 제 2방향전환부(363; 363a, 363b)에서 연장되어 상기 인접 환형디스크(210)의 제 3유입부(341)와 연통되도록 형성되는 제 2통합부(365)를 포함하여 구성된다. 제 2방향전환부(363; 363a, 363b)에서도 유체는 θ각도의 방향의 전환이 이루어지는 동시에 제 2방향전환(363; 363a, 363b)부를 기준으로 유로 횡단면적의 크기가 축소되도록 형성된다.

또한 제 3전달관통홈(370)은 인접 환형디스크의 제 1유입부(311), 제 1분할부(313), 본 환형디스크(210)의 제 1전달부(351; 351a, 351b), 제 1방향전환부(353; 353a, 353b), 제 1통합부(355), 인접 환형디스크(221)의 제 2유입부(331), 제 2분할부(333), 본 환형디스크(210)의 제 2전달부(361; 361a, 361b)와, 제 2방향전환부(363; 363a, 363b), 제 2통합부(365), 인접 환형디스크(210)의 제 3유입부(341), 제 3분할부(343)를 차례로 유동한 유체가 다시 환형디스크(210)의 유출부(321)로 유동될 수 있도록, 제 3분할부(343)의 단부(345; 345a, 345b)와 연통되도록 형성되는 한 쌍의 제 3전달부(371; 371a, 371b)와, 제 3전달부(371; 371a, 371b)에서 연장되어 유체의 방향을 전환시키는 한 쌍의 제 3방향전환부(373; 373a, 373b)와, 제 3방향전환부(373; 373a, 373b)에서 연장되어 상기 환형디스크(210)의 유출부(321)와 연통되도록 형성되는 제 3통합부(375)를 포함하여 구성된다. 제 3방향전환부(373; 373a, 373b)에서도 유체는 θ각도의 방향의 전환이 이루어지는 동시에 상기 제 3방향전환부(373; 373a, 373b)를 기준으로 유로 횡단면적의 크기가 축소되도록 형성된다.

한편, 제 1전달관통홈(350)과 제 2전달관통홈(360), 제 3전달관통홈(370)은 모두 구심을 향하는 중심선이 일치하게 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1전달관통홈(350)에서 제 3전달관통홈(370)을 향할수록 상기 유로의 횡단면적은 커지도록 구성하는 것이 바람직하다. 이 경우 유동방향이 전환될 때마다 유체의 속도가 더욱 감소하게되기 때문이다. 따라서, 유체저항장치를 통과하는 유체의 속도와 운동에너지를 적절한 상태로 제어할 수 있게 하며, 유체가 기체나 증기일 경우에는 유동 진행에 따라 적절한 횡단면적의 확장을 통해 유체의 체적팽창을 수용할 수 있도록 한다.

한편, B열이 형성되는 구간(B 구간)의 일측부에는 B 구간의 폭 만큼 어떠한 홈도 형성되지 않는 격판구간(C)이 형성되는데, 이 격판구간에는 어떤 홈도 형성되지 않기 때문에 환형디스크와 인접 환형디스크가 적층되어 형성하는 관통홈들의 상하부를 막아 관통홈들이 유로로 형성되게 한다.

본 실시예에서는 유체저항장치가 입체적인 유로를 형성함으로써 유입된 유체는 총18회의 방향전환이 이루어지게 될 뿐만 아니라, 분할 및 통합되는 상호작용 과정을 통해 극대화된 국부저항을 받게 된다.

한편, 도 4에서는 환형디스크에 형성되는 유동관통홈은 2개, 전달관통홈은 3개에 대한 실시예를 설명하였으나, 유동관통홈 및 전달관통홈은 유체의 성질에 따라 혹은 감압의 필요성에 따라, 형성하지 않거나 1개 이상의 어떤 개수로 형성하여도 본 고안의 범주에 포함되는 것은 자명하다.

도 5a는 환형디스크로 적층되는 본 고안의 일실시예에 따른 유체저항장치의 사시도이고, 도 5b는 환형디스크 적층된 모습을 보이는 부분투시평면도이고, 도 5c은 환형디스크가 적층된 모습을 보이는 절개사시도이다. 이에 따라 환형디스크(210)가 적층되는 방법을 상세하게 설명하면, 최하층에 격판디스크(400a)가 제공되고, 그 상부에 환형디스크(210)가 적층되며, 유체가 입체적으로 유동될 수 있도록 환형디스크(210)의 A열이 형성된 구간(A)의 상부에 다른 환형디스크(210)의 B열이 형성된 구간(B)이 위치하도록 적층되며, 그 상부에 다시 또 다른 환형디스크의 빈 간격을 형성하는 격판구간(C)이 위치하도록 적층되며, 상기 적층방식으로 밸브의 크기나 유량에 적합하도록 환형디스크(210)를 다수로 적층한다. 상기의 적층이 완료되면 마지막으로 격판디스크(400b)가 적층됨으로써 환형디스크 적층체(270)가 완성된다.

상기와 같은 적층방식에 의할 때 다수의 유입구(281)와 유출구(283)를 구비하는 다수의 유체유로(280)를 형성하게 되는데, 본 실시예에서는 8개의 유체유로가 형성되며, 유입구(281)를 통하여 유입된 유체는 다른 디스크에 형성된 유출구(283)를 통하여 배출되는 구조를 가진다.

이 때 환형디스크 적층체(270)의 결속을 위하여 각 디스크에는 체결공(271)등을 형성하여 밸브(압력제어밸브, 유량제어밸브, 감압밸브), 배압장치, 소음기, 확산기 또는 이와 유사한 유체의 유동량을 증감 또는 조절하는 모든 유체 처리장치에 장착될 수 있도록 하는 것은 당업자의 통상적 창작범위 내에 속하며, 여러 방식으로 장착될 수 있다.

도 5b는 환형디스크의 각 홈들이 인접 환형디스크의 홈들이 서로 상하부로 중첩되면서 연통되어 유로가 형성되는 것을 보다 상세히 도시한다. 즉, 유입관통홈(310)의 제 1분할부(313)의 양 단부(315; 315a, 315b)는 제 1전달관통홈(350)의 제 1전달부(351; 351a, 351b)와 중첩되면서 연통되고, 제 1전달관통홈(350)의 제 1통합부(355)는 제 1유동관통홈(330)의 제 2유입부(331)로 중첩되면서 연통되며, 제 1유동관통홈(330)의 제 2분할부(333)의 양 단부(335; 335a, 335b)는 제 2전달관통홈의(360)의 제 2전달부(361; 361a, 361b)와 중첩되면서 연통되고, 제 2전달관통홈(360)의 제 2통합부(365)는 제 2유동관통홈(340)의 제 3유입부(341)와 중첩되면서 연통되고, 제 2유동관통홈(340)의 제 3분할부(343)의 단부(345; 345a, 345b)는 제 3전달관통홈(370)의 제 3전달부(371; 371a, 371b)와 중첩되면서 연통되고, 제 3전달관통홈(370)의 제 3통합부(375)는 유출관통홈(320)의 유출부(321)로 중첩되면서 연통된다.

도 5c에서는 인접 환형디스크가 적층되어 각 환형디스크에 형성된 A열 또는 B열이 연통되면서 중첩되어 유로를 형성하는 형상을 보다 입체적으로 보여준다. 이 때, 상기 유로를 통과하는 유체는 총 18회의 방향전환을 함을 보다 명확히 알 수 있다.

도 6은 본 고안에 따른 환형디스크의 다른 실시예를 보이는 부분평면도이다. 본 실시예에서 환형디스크(210)의 유출관통홈(320)의 유출부(321)에는 기저로부터 유체유출방향으로 연장돌출되는 돌출부(325)가 형성되어 있어, 결과적으로 유출부(321)가 이루는 유로는 두개로 형성된다. 돌출부(325)는 본 실시예에서는 두 개가 형성되어 있지만, 형성되는 유출부(321)의 유로 횡단면적이 유체 유입부(311)에서 형성되는 유로의 횡단면적보다 크지 않아서 유입된 이물질이 막힐 우려가 없다면, 다수개 형성되는 것도 가능하다.

유출부(321)의 유로를 다수개 형성할 경우, 소음의 첨두주파수가 높은 쪽으로 이전하게 되므로, 사람의 가청주파수 범위를 넘어서게 되어, 장치에서 소음이 감소하게 된다.

한편, 본 고안에 따른 유체저항장치에 장착되는 유체의 물성이나 밸브 구조에 따라, 도 4의 실시예와는 반대로 유체의 유입구와 유출구가 배치될 수 있다. 도 7은 이 경우의 환형디스크의 일실시예를 나타내는 평면도이다. 도 4에서의 유입관통홈(310)과는 반대로 환형디스크(210)의 유입관통홈(310)은 외주면에서 외부로 개방되는 일정한 진입구간이 형성된 제 1유입부(311)와, 제 1유입부(311)에서 원주방향의 양쪽으로 연장되어 형성되는 단부(315; 315a, 315b)를 구비하는 제 1분할부(313)를 구비하고 순서대로 제 1유동관통홈(330), 제 2유동관통홈(340), 유출관통홈(320)이 도 4에서 설명한 방식으로 형성되어 A열을 이루며, 인접 환형디스크의 제 1분할부(313)의 각 단부(315; 315a, 315b)와 연통되는 제 1전달관통홈(350)을 구비하고 내주방향 순서대로 제 2전달관통홈(360), 제 3전달관통홈(370)이 도 4에서 설명한 방식으로 형성되어 A열이 형성된 구간의 측부 일구간에 B열을 이룬다. 또한, 상기 B열이 형성된 구간의 일측부에는 각 구간의 폭만큼 어떠한 홈도 형성되지 않는 격판구간(C)이 형성된다.

도 7에서 설명하는 실시예에 따른 유체저항장치에 있어서도, 도 5와 같이 적층하여 유로저항장치를 구성하며, 도 6와 같이 유출부(321)의 기저에서 유체유출방향으로 향하는 적어도 하나 이상의 돌출부(325)를 형성시켜, 유출부(321)가 이루는 유로가 다수 개로 형성하도록 구성하는 것은 본 명세서의 기재에 의해 자명하게 도출될 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이 때 환형디스크 적층체(270)의 결속을 위하여 각 디스크에는 체결공(271)을 형성하여 볼트와 너트로 밸브 등에 장착될 수 있도록 하는 것은 당업자의 통상적 창작범위 내에 속하며, 여러 방식, 예컨데, 용접 또는 핀 등으로 장착될 수 있다.

상기한 구성의 본 고안에 따른 유체저항장치 및 이를 장착한 유체처리장치의 효과는 다음과 같다.

첫째, 유체저항장치 내의 환형디스크에 압력의 급격한 변화없이 유체의 수두손실을 크게 하는 입체적 유로구조를 형성함으로써, 일정한 체적내에서 유체의 유량을 보다 크게 하여, 초고압 또는 고차압 조건에서도 용이하게 유체의 유동을 제어할 수 있고, 캐비테이션, 마모 및 침부식 등에 의한 손상을 억제할 뿐만 아니라, 유체저항장치의 소형화를 도모할 수 있다.

둘째, 유로의 횡단면적이 종래 기술에 비해 크게 형성되어, 이물질에 의한 유로막힘 현상이 제거된다.

셋째, 환형디스크에 형성되는 홈들이 유체유출방향으로 점차 커지도록 형성되고, 일정구간에는 다시 축소되는 구간을 형성함으로써, 국부저항이 극대화되는 효과가 있다.

넷째, 유출부의 유로를 다수 형성하여 유체 유동시 발생하는 주파수를 가청주파수 이상으로 함으로써 소음을 감소시킬 수 있다.

비록 고안이 상기에서 언급된 바람직한 실시예에 관해 설명되어졌으나, 고안의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 고안의 진정한 범위내에 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

도 1은 종래기술에 따른 유체저항장치의 분해 사시도.

도 2는 본 고안에 따른 유체저항장치가 사용되는 밸브의 일실시예를 보이는 단면도.

도 3은 본 고안에 따른 유체저항장치의 유동모듈을 보이는 도식도.

도 4는 본 고안에 따른 유체저항장치의 환형디스크의 일실시예를 보이는 평면도.

도 5a는 본 고안에 따른 유체저항장치의 환형디스크 적층체의 일실시예를 보이는 평면도.

도 5b는 본 고안에 따른 유체저항장치의 환형디스크의 적층체의 일실시예를 보이는 부분투시평면도.

도 5c는 본 고안에 따른 유체저항장치의 환형디스크의 일실시예를 보이는 절개사시도.

도 6은 본 고안에 따른 유체저항장치의 환형디스크의 다른 실시예를 보이는 부분평면도.

도 7은 본 고안에 따른 유체저항장치의 환형디스크의 또 다른 실시예를 보이는 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 유입구 102 : 분할부

103(103a, 103b) : 분할부 단부 104(104a, 104b) : 전달부

105(105a, 105b) : 방향전환부 106 : 통합부

107 : 유출구 108 : 유출분할부

200, 210 : 환형디스크 310 : 유입관통홈

311 : 제 1유입부 313 : 제 1분할부

315 : 제 1분할부 단부 320 : 유출관통홈

321 : 유출부 323 : 유출분할부

330 : 제 1유동관통홈 331 : 제 2유입부

333 : 제 2분할부 335 : 제 2분할부 단부

340 : 제 2유동관통홈 341 : 제 3유입부

343 : 제 3분할부 345 : 제 3분할부 단부

350 : 제 1전달관통홈 351 : 제 1전달부

353 : 제 1방향전환부 355 : 제 1통합부

360 : 제 2전달관통홈 361 : 제 2전달부

363 : 제 2방향전환부 365 : 제 2통합부

370 : 제 3전달관통홈 371 : 제 3전달부

373 : 제 3방향전환부 375 : 제 3통합부

400a, 400b : 격판디스크

Claims (17)

1. 환형디스크를 적층하여 유로를 형성하는 유체저항장치에 있어서,

   상기 유로는 유체가 상기 환형디스크로 유입되는 유입부와, 상기 유입부로 유입된 유체가 절곡되며 원주방향으로 연장되어 양 단부를 구비하는 분할부와, 상기 분할부의 양 단부에서 수직으로 연통되는 한 쌍의 전달부와, 상기 전달부의 각 단부에서 연장되어 각각 절곡되는 한 쌍의 방향전환부와, 상기 한 쌍의 방향전환부가 각각 연장되어 통합되는 통합부와, 상기 통합부에서 수직으로 연통되는 유출부와, 상기 유출부의 단부에서 양측으로 연장되어 형성되며, 환형디스크의 유체유출방향으로 개방되는 유출분할부를 포함하여 구성되는 유동모듈을 포함하여 구성되고,

   상기 유체가 유동시 적어도 하나 이상의 상기 유동모듈을 순차적으로 통과하면서 반복적으로 분할 및 통합되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 유입부로 유입된 유체는 상기 각 분할부에서 진행방향의 180-θ°(0 ＜ θ＜ 90°)의 각도로 절곡되고, 상기 각 방향전환부에서는 진행방향의 θ의 각도로 절곡되어 유로가 급전환되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 유로의 횡단면적의 크기가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 유로의 횡단면적의 크기가 유체의 유출방향으로 점차 커지는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유로는 상기 방향전환부로부터 상기 통합부사이까지의 구간에서 횡단면적의 크기가 상기 전달부에서 상기 방향전환부까지의 구간에서의 횡단면적의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유출부에는 기저에서 유체유출방향으로 향하는 적어도 하나 이상의 돌출부가 형성되어, 상기 유출부에 유로가 다수 개로 분지되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유로는 적층된 환형디스크 내에 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
8. 환형디스크를 적층하여 유로를 형성하는 유체저항장치에 있어서,

   상기 환형디스크는,

   상기 환형디스크에 유체가 유입되는 방향으로 개방되는 제 1 유입부와, 상기 제 1유입부에서 연장되어 원주방향으로 절곡되는 양 단부를 구비하는 제 1분할부를 포함하는 유입관통홈과, 상기 제 1분할부로부터 반경방향으로 이격되어 형성되는 소정길이의 유출부와, 상기 유출부에서 연장되어 원주방향으로 절곡되는 양 단부를 구비하며, 상기 환형디스크의 유체유출방향으로 개방되는 유출분할부를 포함하여 구성되며, 상기 유입관통홈의 구심방향 중심선상에 좌우대칭으로 위치되는 유출관통홈이 형성되는 A 구간;

   상기 A구간의 일측부에 반경방향으로 소정길이로 연장되는 한 쌍의 제 1전달부와, 상기 한 쌍의 제 1전달부에서 각각 연장되어 절곡되는 한 쌍의 제 1방향전환부와, 상기 제 1방향전환부가 각각 연장되어 통합되는 제 1통합부를 포함하여 구성되어, 상기 유입관통홈이 형성되는 구간의 측부에 형성되는 제 1전달관통홈이 형성되는 B 구간; 및

   상기 B 구간 일측부에 상기 B구간과 같은 폭으로서, 홈이 형성되지 않는 격판구간;을 포함하여 구성되고,

   상기 환형디스크들은, 제 1환형디스크의 A 구간 아래에 제 2환형디스크의 B 구간이 위치되고, 상기 제 2환형디스크의 B 구간 아래에 제 3환형디스크의 격판구간이 위치되도록 적층되어,

   상기 제 1전달관통홈의 제 1분할부의 단부와 제 2환형디스크의 제 1전달부가 연통되고, 상기 제 2환형디스크의 상기 제 1통합부가 상기 제 1환형디스크의 유출부에 연통되는 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 A 구간, B 구간 및 격판구간은 적층된 환형디스크 내에 원주방향을 따라 반복적으로 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 환형디스크에는,

    상기 유입관통홈과 상기 유출관통홈 사이에 위치하며, 반경방향으로 소정길이로 연장되는 제 2유입부와, 상기 제 2유입부에서 연장되어 원부방향으로 절곡되는 양단부를 구비하는 제 2분할부를 포함하여 구성되며 상기 유입관통홈의 구심방향 중심선상에 좌우대칭으로 형성되는 제 1유동관통홈; 및

    상기 제 1전달관통홈으로부터 반경방향으로 소정 간격으로 이격하여 위치되며, 반경방향으로 소정길이로 연장되는 한 쌍의 제 2전달부와, 상기 제 2전달부에서 연장되어 유체의 방향을 전환시키는 한 쌍의 제 2방향전환부와, 상기 제 2방향전환부에서 연장되는 제 2통합부를 포함하여 구성되며, 상기 제 1전달관통홈의 구심방향 중심선상에 좌우대칭으로 형성되는 제 2전달관통홈;이 더 구비되어,

    상기 제 1환형디스크의 제 1분할부의 단부와 제 2환형디스크의 제 1전달부가 연통되고, 상기 제 2환형디스크의 상기 제 1통합부가 상기 제 1환형디스크의 제 2유입부에 연통되며, 상기 제 1환형디스크의 제 2분할부의 단부와 제 2환형디스크의 제 2전달부가 연통되고, 상기 제 2환형디스크의 상기 제 2통합부가 상기 제 1환형디스크의 유출부에 연통되어 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 환형디스크에는 제 1유동관통홈이 형성되는 방식으로 하나 또는 그 이상의 유동관통홈이 더 구비되고, 제 2전달관통홈이 형성되는 방식으로 하나 또는 그 이상의 전달관통홈이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
12. 청구항 8 내지 청구항 11중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유입부로 유입된 유체는 상기 각 분할부에서 진행방향의 180-θ°(0 ＜ θ＜ 90°)의 각도로 절곡되고, 상기 각 방향전환부에서는 진행방향의 θ의 각도로 절곡되어 유로가 급전환되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
13. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유로의 횡단면적의 크기가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
14. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유로의 횡단면적의 크기가 유체의 유출방향으로 점차 확대되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
15. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유출부에는 기저에서 유체유출방향으로 향하는 적어도 하나 이상의 돌출부가 형성되어, 상기 유출부에 유로가 다수 개로 분지되어 형성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
16. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 유로는 상기 각 방향전환부로부터 통합부까지의 구간에서 횡단면적의 크기가 상기 각 전달부로부터 상기 각 방향전환부까지의 구간에서의 횡단면적의 크기보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체저항장치.
17. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 유체저항장치를 장착한 유체처리장치.