KR20050118689A - 분할밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 유입구 흐름을 복수의 유출구 흐름으로 분할하는 분할밸브(splitter valve)에 관한 것이다. 상기 분할밸브는 유입구(31) 및 각 유출구 흐름에 대해 하나씩인 복수의 유출구를 갖는다. 외부 슬리브(sleeve)는 각 흐름에 대해 하나씩인 복수의 제 1 유출구 오리피스(32,33)를 갖는다. 내부소자(30)는 상기 외부 슬리브 내에 이동가능하게 보유되고, 유입구와 각 흐름에 대해 하나씩인 복수의 제 2 유출구 오리피스(32,33)를 갖는다. 상기 각각의 유출구로 전송된 유입구 흐름의 상대비율은 상기 내부소자 및 외부 슬리브의 상대위치에 의해 결정된다. 상기 제 1 및 제 2 유출구 오리피스는 각각의 유출구를 지나는 흐름이 상기 내부소자 및 외부 슬리브의 상대위치에 따라 실질적으로 선형적으로 변하도록 형성된다.

Description

분할밸브{A Splitter Valve}
본 발명은 하나의 유입구 흐름을 복수의 유출구 흐름으로 분할하는 분할밸브(splitter valve)에 관한 것이다.
본 발명은 특히 리니어 프리 피스톤(linear free piston) 스털링 엔진을 사용하는 가정용 열병합(dchp) 시스템의 가스 흐름용으로 디자인되었다. 그러나, 본 발명은 유체 흐름이 2이상의 흐름으로 분할되는 어떤 상황에도 적용될 수 있는 것으로 여겨진다.
리니어 프리 피스톤 스털링 엔진을 사용하는 dchp 시스템에서, 상기 엔진은 가정용 열병합 요건 중 일부를 제공한다. 그러나, 엔진의 열출력을 보조하기 위해, 보조버너를 제공하는 것이 필수적이다. 장치의 비용 및 공간을 줄이기 위해, 그리고 또한 기생 전력소비를 줄이기 위해, 하나의 팬에 의해 스털링 엔진버너와 보조보너 모두에 대한 공기 흡기가 이루어진다. 그런 후 단일 팬으로부터의 공기가 연료와 결합된 후 2개의 버너에 공급되는 2개의 흐름으로 분할된다.
이전에는 (PCT/GB02/005775에서와 같이) 플랩밸브(flap valve)를 사용하여 흐름을 분할하는 것이 제안되었다. 종래 플랩밸브의 사용으로는, 상기 플랩이 접합부의 중심을 가로질러 이동할 때 각 유출구에서의 유량이 거의 변하지 않는 것을 발견하였다. 유량에 있어 총 변화의 약 80%가 플랩밸브 위치의 선단 20%를 통해 발생한다. 각 유출구 파이프에서 나온 유량이 팬 속도 및 플랩 위치의 조합을 통해 정확하게 제어되면, 밸브내의 플랩이동의 전 범위에 걸쳐 정확한 유량제어가 가능해지는 것이 필연적이다.
유량 제어의 문제는 GB 0305566.2에 설명된 바와 같이 유량경로 사이의 접합부에 등고를 이루는 오리피스(orifice)의 사용으로 극복된다. 이는 양쪽 버너에 대한 가장 중요한 동작영역에서 가장 큰 제어의 해결방안을 허용한다.
그러나, 플랩밸브의 존재로 또한 몇가지 내재적인 문제가 있게 된다. 베인(vane)이 유입하는 유량을 "마주하기" 때문에, 베인을 구동시키는 모터가 큰 유량비로 베인을 이동시킬 때, 특히, 이동의 양단에서(즉, 어느 한면을 향해서) 큰 하중을 받는다. 이는 모터가 상당히 큰 전류를 인출하게 하며, 또한 큰 하중으로 인해 베인 구동의 고장 위험성을 증가시킨다. 이러한 상황하에서, 모든 유량이 한 버너 또는 다른 버너로 방향이 전환될 수 있어, 최악의 경우 기기에 손상을 야기할 수 있다.
따라서, 등고를 이루는 오리피스의 이점을 제공하는 한편 플랩밸브의 단점을 피하는 분할밸브가 요구된다.
첨부도면을 참조로 본 발명에 따른 분할밸브의 예를 설명한다:
도 1은 분할밸브가 사용되도록 의도된 가스 트레인의 개략도이다;
도 2는 외부 슬리브의 사시도이다;
도 3은 동일한 내부 슬리브의 사시도이다; 그리고
도 4는 5개의 유출구를 갖는 분할밸브의 사시도이다.
본 발명의 제 1 태양에 따르면, 유입구; 각 유출구 흐름에 대해 하나씩인 복수의 유출구; 각 흐름에 대해 하나씩인 복수의 제 1 유출구 오리피스를 갖는 외부 슬리브(sleeve); 및 상기 외부 슬리브 내에 이동가능하게 보유되고, 유입구와 각 흐름에 대해 하나씩인 복수의 제 2 유출구 오리피스를 갖는 내부소자를 구비하고, 상기 각각의 유출구로 전송된 유입구 흐름의 상대비율은 상기 내부소자 및 외부 슬리브의 상대위치에 의해 결정되며, 상기 제 1 및 제 2 유출구 오리피스는 각각의 유출구를 지나는 흐름이 상기 내부소자 및 외부 슬리브의 상대위치에 따라 실질적으로 선형적으로 변하도록 형성되는, 유입구 흐름을 복수의 유출구 흐름으로 분할하는 분할밸브가 제공된다.
외부 슬리브 및 내부소자의 배열은 플랩밸브보다 상당히 더 튼튼하며 단부위치에서의 유량 방향에 대하여 직접적으로 작동하지 않기 때문에 더욱더 일정한 전력수요로 동작될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 유출구 오리피스는 슬리브의 상대위치 및 유출구를 지나는 유량 사이에 실질적인 선형관계를 제공하도록 형성되므로, 등고를 이룬 오리피스를 갖는 플랩밸브에 의해 제공된 정확한 제어가 유지된다.
내부소자 및 슬리브는 서로에 대해 선형으로 이동될 수 있거나, 나사산 맞물림을 가질 수 있으므로 상대운동은 회전 및 선형이동의 조합이다. 그러나, 바람직하게는, 이러한 운동이 중개연결이 없는 간단한 모터로 발생될 수 있기 때문에 상기 내부소자 및 슬리브가 서로에 대해 회전될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 내부소자를 이동시킬 용도로 전자기 장치가 외부 슬리브내에 제공된다. 이러한 장치는 밸브 케이싱의 내부에 제공될 수 있기 때문에, 어떠한 밀봉문제도 없으며 따라서 고비용의 밀봉장치를 필요로 함이 없이 연소가스 유량을 처리하는데 사용될 수 있다.
유출구는 슬리브의 주축 주위로 원주상으로 배열될 수 있다. 그러나, 바람직하기로, 상기 유출구는 슬리브의 축을 따라 이격되어 있다. 이는 상기 유출구가 나란히 배열되며 동일방향으로 향할 수 있기 때문에 더 컴팩트한 구조를 형성한다.
내부소자는 요구되는 방식으로 제 1 유출구 오리피스를 선택적으로 덮을 수 있는 임의의 소자일 수 있다. 예를 들어, 판 또는 활모양부의 슬리브일 수 있다. 그러나, 바람직하기로, 내부소자는 슬리브이다.
본 발명은 또한 유입구 흐름을 공급하는 팬; 상기 유입구 흐름을, 각 버너에 하나씩인, 복수의 유출구 흐름으로 분할하기 위한 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 분할밸브; 각 버너에 연소가스를 공급하는 수단; 및 상기 팬의 속도와 각 버너의 수요에 따라 제 1 및 제 2 슬리브의 상대위치를 제어하는 제어기를 구비하는, 2이상의 버너로 가스를 공급하기 위한 가스 트레인으로 확장된다.
선형의 자유 피스톤 스털링 엔진에 기초한 가정용 열병합 발전 어셈블리용 가스 트레인(gas train)이 도 1에 도시되어 있다.
상기 장치는 2개의 버너, 즉, 스털링 엔진버너(1) 및 보조버너(2)를 구비한다. 스털링 엔진버너(1)는 가정내 열(heat) 수요에 따라 점화된다. 부산물로서, 이는 또한 전기를 발생시킨다. 그러나, 모든 가정내 열부하(heat load)를 공급하는데 충분한 용량을 확보하기 위해, 보조버너가 제공된다. 따라서, 2개 버너가 가정내 열 필요조건에 따라 조절된다. 하나의 팬(3)으로부터 공기가 버너로 공급된다. 이 흐름은 하기에 더 상세히 설명된 분할밸브(4)에서 분할된다. 연소가스가 가스/공기비 제어기(5)의 제어하에서 각각의 공기 흐름에 더해진다. 버너(1,2)의 수요에 대한 정보가 팬(3) 및 분할밸브(4)로의 제어라인(6)을 따라 전해진다. 따라서, 팬(3)의 속도 및 분할밸브(4)의 위치가 제어되므로, 2개의 버너의 요건이 별개로 충족될 수 있다. 예를 들어, 엔진버너(1)가 완전히 동작되고 보조버너가 유휴상태인 경우, 팬은 중간속도로 동작되며 분할밸브는 (가능한 정화된 유량임을 전제로) 모든 공기가 엔진버너로 급송되게 확실히 한다. 양 버너가 완전히 동작되는 경우, 팬은 최대속도로 동작되며 분할밸브는 상기 버너의 수요에 따라 상기 2개 버너 사이에 유량을 분할하게 된다.
도 2 및 도 3을 참조로 분할밸브를 더 상세히 설명한다. 도 2는 외부 슬리브(outer sleeve)(20)를 도시한 반면에, 도 3은 사용시 외부 슬리브(20)내에 회전가능하게 수용되는 내부 슬리브(inner sleeve)(30)를 도시하고 있다. 외부 슬리브(20)는 팬(3)과 소통하는 유입구 포트를 형성하는 나사산 연결부(screw threaded connection)(21)를 갖는다. 제 1 유출구(24) 및 제 2 유출구(25)에 대응하는 2개의 동일한 나사산 포트(22 및 23)가 2개의 버너(1,2)로 이끄는 도관용 연결부를 형성한다. 2개의 유출구(24,25)는 슬리브를 따라 축상으로 이격되며 상기 유출구는 원주상으로 오프셋될 수 있지만 모두가 슬리브의 동일 측면상에 있다. 각각의 유출구는 외부 슬리브(20)의 벽에 있는 개구를 통해 축상으로 뻗어있는 길쭉한 직사각형인 제 1 유출구 오리피스(26,27)를 갖는다.
이들 제 1 유출구 개구(26,27)는 간결히 하기 위해 도 3에서 점선으로 도시되어 있다.
도 3에서는, 내부 슬리브(30)가 도시되어 있다. 상기 슬리브는 동공이며 팬(3)으로부터 공기를 받아들이기 위해 유입구 포트(21)에 해당하는 단부에 유입구(31)를 갖는다. 제 2 유출구 오리피스(32,33)는 외부 슬리브(30)의 벽에 있는 오리피스를 통해 일반적으로 길쭉한 삼각형이다. 가스 씰(gas seal)(미도시)이 제 2 유출구 오리피스 사이의 내부 슬리브(30)의 외벽에 있는 환형 그루부(34)에 제공된다. 이는 외부 슬리브(20) 및 내부(30) 슬리브 사이에서 한 유출구에서 다른 유출구로의 유량을 방지한다.
내부 슬리브(30)는 유입구(31)에 마주보는 단부로부터 축상으로 뻗어있는 스핀들(spindle)(35)을 구비한다. 이는 내부 슬리브(30)가 축(36)에 대해 회전되게 하는 모터(미도시)에 연결된다. 대안으로, 내부 슬리브의 회전은 외부 슬리브(20)내에 포함된 솔레노이드/전자석에 의해 영향받을 수 있다. 솔레노이드/전자석을 포함한 외부 슬리브의 선택은 밸브에 자체적으로 포함되게 할 수 있으며 따라서 분할밸브(4)가 도 1에 도시된 바와 같이 상류보다는 가스 도입지점의 하류에 사용되게 할 수 있는 연료/공기 혼합물을 사용하는데 적합할 수 있다. 상기 솔레노이드/전자 장치(electro-magnet arrangement)는 도 4에서 40으로 도시되어 있다.
특히 상부 유출구(24)를 참조로 밸브의 동작을 설명한다. 내부 슬리브가 화살표 X 방향으로 축(36)에 대해 회전됨에 따라, 제 2 오리피스(32)가 제 1 오리피스(26)와 점점 더 크게 점차적으로 중첩된다. 내부 슬리브(30)의 회전 위치와 중첩면적 사이에 비선형 관계가 있으므로 제 1 및 제 2 오리피스간의 초기 상호작용동안 (제 2 오리피스가 제 1 오리피스의 형태와 동일한 직사각형 형태를 가지는 경우에 비하면) 중첩면적이 비교적 작음을 알게 된다. 정확한 관계는 내부 슬리브(30)의 회전위치와 외부 유량 사이에, 가능한 한 거의, 선형관계가 있음을 확실히 하기 위해 기능적으로 결정된다. 유출구의 예시된 배열은 특정 용도에 적합한 배열이다. 그러나, 등고는 각각의 특정한 적용에 따라 약간 변경되며, 이러한 변경은 특정한 기능의 요건에 의해 결정되는 것으로 고찰된다.
오리피스의 크기 및 양쪽 흐름의 유량분배 사이의 관계에 대한 더 상세한 논의가 본 출원인의 선출원 GB 0305566.2에 제시되어 있다.
도 3으로부터 명백한 것은 슬리브(30)가 X방향으로 회전함에 따라, 더 큰 비율의 유량이 제 1 유출구(24)로 안내되는 반면에, 반대쪽인 Y방향으로 이동은 많은 유량이 제 2 유출구(25)쪽으로 전환되게 한다는 것이다.
제 1 및 제 2 오리피스가 바꿔질 수 있으므로, 직사각형 오리피스가 내부 슬리브상에 그리고 삼각형 슬리브가 외부 슬리브상에 형성될 수 있음이 명백해진다. 대안으로, 양 오리피스는 비선형 형태로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 유입구 유량을 2이상의 오리피스로 돌리는 가능성까지도 열어두고 있다. 도 4는 5개의 유출구(40,41,42,43,44)를 개략적으로 도시한 것이다. 제 2 오리피스(45)가 내부 슬리브(46)상에 그리고 제 1 오리피스(46)가 외부 슬리브(47)상에 형성된다. 밸브의 하우징 하단에 있는 솔레노이드(49)는 내부 슬리브(46) 및 외부 슬리브(47) 사이에 상대적인 회전운동을 제공한다. 이러한 밸브의 구조 및 동작은 도 2 및 도 3의 밸브 구조 및 동작과 대체적으로 유사하므로, 여기서는 상세한 설명이 필요치 않다. 그러나, 유의할 것은 각각의 경사진 에지로 된 제 2 오리피스(45)가 직사각형의 제 1 오리피스와는 다른 각도로 오프세트되어 있어 상기 내부 슬리브(46) 및 외부 슬리브(47)의 각각의 상대적인 각회전은 각가의 유출구에 다른 유량을 제공한다. 오리피스의 제 1 및 제 2 세트 사이의 고정된 관계로 인해, 유출구 흐름에 대한 별개 제어가 불가능하다. 그러나, 이러한 관계는, 예를 들어, 다단계 버너에 적합하다. 예컨대, 제 1 유출구(40)가 엔진버너(1)에 제공되는 한편 제 2 유출구(41) 내지 제 5 유출구(44)가 보조버너로부터 다른 열출력 레벨을 제공하도록 잇달아 점화되는 것이 필요로 하는 보조버너(2)의 각 단계에 제공될 수 있다. 이는 GB 0316289.8[대리인 참조번호: 62345WO00]을 기초로 계류중인 PCT 출원에 더 상세히 개시되어 있다.
더 큰 개별성이 유출구 유량으로부터 요구되는 경우, 내부 슬리브(46)는 2이상의 별도로 이동가능한 내부 슬리브로 분할될 수 있다.
본 발명의 상세한 내용에 포함됨.

Claims (7)

  1. 유입구;
    각 유출구 흐름에 대해 하나씩인 복수의 유출구;
    각 흐름에 대해 하나씩인 복수의 제 1 유출구 오리피스를 갖는 외부 슬리브(sleeve); 및
    상기 외부 슬리브 내에 이동가능하게 보유되고, 유입구와 각 흐름에 대해 하나씩인 복수의 제 2 유출구 오리피스를 갖는 내부소자를 구비하고,
    상기 각각의 유출구로 전송된 유입구 흐름의 상대비율은 상기 내부소자 및 외부 슬리브의 상대위치에 의해 결정되며,
    상기 제 1 및 제 2 유출구 오리피스는 각각의 유출구를 지나는 흐름이 상기 내부소자 및 외부 슬리브의 상대위치에 따라 실질적으로 선형적으로 변하도록 형성되는, 유입구 흐름을 복수의 유출구 흐름으로 분할하는 분할밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부소자 및 외부 슬리브는 서로에 대해 회전될 수 있는 분할밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유출구는 상기 슬리브의 축을 따라 이격되어 있는 분할밸브.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유출구는 상기 슬리브의 축 주위로 이격되어 있는 분할밸브.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부소자는 슬리브인 분할밸브.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부소자를 이동시킬 용도로 상기 외부 슬리브내에 전자기 장치를 더 구비하는 분할밸브.
  7. 유입구 흐름을 공급하는 팬;
    상기 유입구 흐름을, 각 버너에 하나씩인, 복수의 유출구 흐름으로 분할하기 위한 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 분할밸브;
    각 버너에 연소가스를 공급하는 수단; 및
    상기 팬의 속도와 각 버너의 수요에 따라 제 1 및 제 2 슬리브의 상대위치를 제어하는 제어기를 구비하는, 2이상의 버너로 가스를 공급하기 위한 가스 트레인.
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