KR20130056214A - 보상형 감압 장치 - Google Patents

Abstract

차량용 내연 기관에 가스를 공급하는 시스템을 위한 가연성 가스의 토출 압력을 감소시키기 위한 장치는 시트(5)의 개방 및 폐쇄를 위하여 다이아프램-작동하는 플러그 요소(6); 다이아프램 상에서 작동하는 스프링 장치(9); 플러그(6)와 다이아프램에 연결된 액추에이터 로드(11); 및 내부적으로 중공이고 양 축방향 종단 사이에서 축 방향으로 연장된, 벨로우즈 형태의 형상을 갖는 관형 몸체를 포함하는 압력 보상기 요소(12)를 포함하되, 관형 몸체의 양 축방향 종단 중 하나는 플러그(6)에 연결되고, 다른 하나는 감압기의 정지 구조체에 연결되며, 관형 몸체의 내부 캐비티(13)는 밀봉되어 몸체의 외부로부터 분리되고, 설정된 압력이 캐비티(13) 내에서 생성된다.

Description

보상형 감압 장치{Compensated pressure reducting device}

본 발명은 보상형 감압 장치에 관한 것으로서, 특히 청구항 1항의 전제부에 기재된 기능을 갖는, 차량용 내연 기관에 가스를 공급하기 위한 가연성 가스 시스템용 보상형 감압 장치에 관한 것이다.

감압 장치는 엔진에 압력을 공급하기 위하여 가연성 가스를 사용하는 차량용 엔진 분야에 널리 사용되고 있으며, 엔진에 공급되는 압력은 가스가 시스템의 저장 실린더 내에서 받는 압력에 대하여 적절하게 감소한다. 감압기에서 약 1 내지 10 바아(bar)의 값을 갖는 배출 압력으로의 유입 압력의 저하를 수반하는 일반적으로 15 내지 260 바아(bar)의 감압은 이들 응용을 위하여 일반적이다. 다이아프램 형태의 (조절 가능한 또는 조절 가능하지 않은) 제어 및 탄성 로딩을 갖는 감압기에서, 감압 시스템이 압력 하에 위치할 때, 가스는 플러그의 영역 내에서 감소된 압력을 가지며 배출 압력이 스프링의 탄성 부하에 대응하는 원하는 값에 도달할 때까지 감압기의 몸체 내로 유입되며, 그로 인하여 제어 유니트의 다이아프램이 플러그의 폐쇄 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 시스템은 스프링의 부하와 배출 압력 사이에서의 평형 수준(position of equilibrium)을 이루기 쉽다. 그러나, 배출 압력은 유속에 따라 변화하며 유입 압력의 영향을 받는 반면에, 배출 압력이 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 현저하게 감소된 밸브 시트의 부분의 구성을 위하여 공지된 해결책에 따른 준비가 있으며, 이는 결과적으로 플러그의 이동 경로를 증가시킨다. 이러한 방식에서, 플러그 상의 유입 압력으로 인한 힘의 영향은 무시되는 경향이 있다. 그러나, 요구되는 유속을 보장하기 위하여 시트를 개방시키는데 필요한 큰 이동 경로와 함께, (경로에 비례하는) 스프링의 탄성력은 전체 조절력에 관하여 실질적으로 되는 경향이 있다. 반대로, 상당히 감소된 플러그의 이동 경로와 함께, (실질적으로 일정한 스프링의 탄성력과 함께) 플러그의 위치의 영향은 무시되나, 시트의 매우 넓은 부분이 필요하게 되는 경우, 밀봉 시트에 작용하는 유입 압력에 의하여 생성된 힘의 영향은 유입 압력에 크게 좌우되며, 그로 인하여 위에서 언급된 문제점들은 해결되지 않은 상태로 남게 된다. 다른 분야에서, 가스가 사용 중일 때 압력의 상당한 감소가 요구되는 경우, 감압기의 유입부에서의 압력 변화의 영향을 실질적으로 무시할 수 있게 하는 압력 보상기 장치를 이용하는 것이 알려져 있다. 이 보상기는 밀봉 시트의 플러그에 고정된, 연장 가능한 벨로우즈 형태로 구성될 수 있으며, 유입 압력은 이 벨로우즈 상에 외부적으로 작용한다. 벨로우즈의 기하학적 형상 때문에, 플러그 상의 유입 압력의 작용은 플러그 자체 상의 압력으로 인한 힘을 무시해도 될 정도로 하며, 유입 압력으로 인한 힘의 큰 변화에 의한 메커니즘을 극복하게 하고, 결과적으로 넓은 부분(section)을 갖는 시트의 사용을 허용하게 한다. 그러나, 이러한 적용은 가연성 가스를 사용하는 차량용 내연 기관의 분야에서는 알려지지 않았다.

본 발명의 목적은 차량용 가스 연소 엔진을 위한 감압기, 특히 특정 기술 분야에서 직면할 수 있는 전형적인 조건인 감압기에서의 큰 감압 비율 및 유입 압력의 큰 변화를 갖는 단일 단계 감압기 내에서의 압력 보상기 장치의 사용을 개선하기 위한 것이다.

위의 목적은 첨부된 청구범위에 따라 구성된 본 발명의 감압 장치에 의하여 달성된다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 감압 장치의 개략적인 축방향 단면도.
도 2는 도 1의 감압 장치의 확대된 상세 사시도.
도 3은 본 발명에 따라 구성된 감압 장치와 관련된 일반적인 사시도.

본 발명의 다른 특징 및 이점들이 본 발명의 바람직한 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다. 그러나, 하기 설명은 첨부된 도면을 참고로 한 제한적인지 않은 예를 통하여 단지 설명된다.

언급된 도면을 참고하면, 감압 장치가 일반적으로 도면 부호 "1"로 지시되며, 본 발명에 따라 구성된 차량용 내연 기관에 가스를 공급하기 위한 가연성 가스 시스템을 대상으로 하고 있다.

감압기(1)의 몸체(1a) 내에 유입부(3)와 배출부(4) 사이에 연장된 가스 흐름 튜브(2)가 형성된다. 이 유입부와 배출부 사이에서, 밸브 시트(5)가 튜브 내에 제공되며, 도 1에서 "X"로 지시된 미리 정의된 축 방향을 따르는 시트의 개방/밀폐 이동 동안에 이동될 수 있는 플러그(6)는 이 밸브 시트와 관련된다.

다이아프램(7)을 갖고 있으며 또한 흐름 방향에 대하여 시트(5)의 하류에 제공된 제어 유니트는 플러그(6)에 연결되어 있다. 스프링 장치(9)의 축방향 종단들 중 하나의 축방향 종단(9a)이 작용하는 플레이트(8)는 도면부호 "7a"로 지시된 다이아프램의 측부에 붙어있다. 스프링 장치(9)의 다른 쪽 축방향 종단(9b)은 스프링 장치 자체를 수용하기 위한 챔버(10a)의 벽(10)에 접촉한다. 다이아프램 측부(7a)는 챔버(10a) 내의 존재하는 기준 압력, 일반적으로 엔진의 유입 매니폴드(inlet manifold)의 압력을 받는다. 도면 부호 "7b"로 지시된 다이아프램의 반대 측부는 배출부(4)의 영역 내의 플러그의 하류에 존재하는 배출 압력을 받는다.

다이아프램(7)은 축 방향(X)에 직교하는 평면 상에 위치한다. 다이아프램(7)은 또한 액추에이터 로드(11)에 의하여 플러그(6)에 작동적으로 연결된다. 여기서, 액추에이터 로드는 축 방향(X)으로 연장되고 그 종단(11a)에서 플러그(6)에 중심적으로 고정되어 있다. 또한, 액추에이터 로드의 다른 반대 종단(11b)은 밸브 시트로부터의 그리고 밸브 시트를 향한 축 방향(X)으로의 액추에이터 로드의 제어 이동 동안에 다이아프램(7)과 접촉될 수 있다. 감압 장치(1)는 도면 부호 "12"로 지시된 압력 보상 요소를 포함하며, 이 압력 보상 요소는 축 방향(X)으로 연장 가능하고 플러그(6)와 작동적으로 관련이 있는 벨로우즈(bellows) 형태를 갖는다. 보다 상세하게는, 보상기(12)는 원통형 범위를 갖는 관형 몸체 및 가요성 측벽에 의하여 한정된 내부 캐비티(13)에 의하여 형성된다. 여기서, 보상기의 가요성 측벽은 벨로우즈 형태의 이동, 즉 관형 벽의 축방향 단축 및 연장을 허용할 있는 우선적 굴곡 라인(preferential bending line)을 갖는 다수의 주름부(14)를 갖는다. 관형 몸체의 축방향 양 종단에, 관형 몸체를 밀폐하기 위한 종단(15, 16)이 제공되며, 이 종단 중에서 한 종단(15) 자체는 (로드(11)에 연관된 한 측부에 대하여 반대 측부에서) 플러그에 고정되어 있고, 다른 종단(16)은 감압기의 정지 구조체에 고정된다. 관형 몸체의 내부 캐비티는 밀폐 종단(15, 16)에 의하여 몸체의 외부를 향한 완전 밀봉 상태로 밀폐된다. 캐비티의 밀봉으로, 관형 캐비티에 가해지도록 의도된 압력이 미리 선택될 수 있다. 이 압력은 유리하게는 대기압과 동일하도록 선택될 수 있으나, 특정 요구 조건에 따라 다른 압력 값이 동일하게 미리 한정될 수 있다.

유리하게는, 벨로우즈형 보상기(12)는 금속 재료로 구성된다.

플러그(6) 상에 제공된 활성 보상기(12) 때문에 감속기의 유입부에서의 압력은 실질적으로 보상되며, 그로 인하여 플러그에 가해지는 압력 경도력(pressure force)은 실질적으로 무시해도 될 정도가 된다. 보상기의 기하학적 구조의 영향으로 인하여, 유입 압력은 주름부(14)에 의하여 영향을 받는 벨로우즈의 측벽 상에 작용하며, 그로 인하여 특히 방향 (X)으로 가해지는 합력(resultants of force)은 균형을 갖게 된다. 따라서, 이 보상은 유입 압력으로 인한 힘의 큰 변화로부터 시스템을 자유롭게 하며, 그로 인하여 실질적인 정도를 갖는 그리고 유속에 따른 배출 압력의 안정성 때문에 매우 유리하게 되는 밸브(5)의 부분의 사용을 허용한다. 외부에 대하여 밀봉되고 그리고 기밀적인 벨로우즈의 제공으로 인하여, 벨로우즈 내의 기준 압력은 감압기로부터의 배출 압력을 결정하는 시스템의 평형 상태를 갖고 일정하게 유지될 수 있다. 이 기준 압력은 위에서 지적한 바와 같이 대기압일 수 있으나, 다른 기준 압력이 미리 선택될 수도 있다.

요구되는 가스의 유속을 결정하기 위하여 매우 넓은 범위를 갖는 밸브 시트의 부분의 제공 가능성은 밸브 시트로부터의 그리고 밸브 시트를 향한 플러그의 작동적인 이동 경로의 실질적인 감소를 허용한다. 이동 경로의 이러한 감소는 벨로우즈가 받는 축방향 연장에 동일한 범위 내에서 반영된다. 벨로우즈의 감소된 연장은 유리하게는 일반적으로 사용되고 또한 큰 축 방향 연장의 존재 하에서 필요한 고무 재료에 대한 대안으로서 금속 재료로 다이아프램을 구성되는 것을 허용한다. 금속 재료로 이루어진 다이아프램은 일반적으로 사용된 고무 재료에 관한 화학적 관점으로부터 감소된 손상으로 인하여 보다 긴 수명이 얻어지는 것을 허용한다.

벨로우즈에서 얻어지는 압력 보상 효과 때문에, 감소된 압력 때문에 힘이 가해지는 플러그는 플라스틱 재료보다는 유리하게는 어떠한 보상 수단 없이 응용 제품 내에서 정상적으로 사용되는 것들과 같은 고무로 이루어질 수 있다. 여기서, 마모의 최종적인 큰 발생 및 밸브 시트의 밀봉에 대한 문제와 함께 압력 경도력(pressure force)로 인한 큰 부하가 존재한다.

본 발명에 따른 감압기의 전체 구조의 전체 도면과 관련된 도 3을 명확하게 참고하면, 본 발명의 형태의 보상 벨로우즈의 제공이 공지된 해결책의 이중 스테이지 감압기와 달리 실질적인 단일 스테이지 감압기의 구성으로 하여금 어떻게 전체의 공간적인 요구 조건의 명백한 감소를 야기하도록 하는지가 이해될 것이다. 이러한 특징 때문에 바람직하게는 도 3에서 도면 부호 "20" 및 "21"로 각각 지시된, 압력 센서와 가스를 위한 솔레노이드 밸브를 가스의 유입부(3)의 영역 내의 벨로우즈에 가까운 위치에 제공하는 것이 가능하며, 그로 인하여 위에서 언급한 구성 요소들이 감압의 2단계로 인한 공간 요구 조건에 대한 공간 요구 조건의 증가를 필연적으로 수반하는 공지된 해결책과 달리, (위에서 언급한 요소들을 구비할 때일지라도) 전체 감압기를 위한 감소된 전체적인 공간 요구 조건을 유지한다.

작동 동안에, 감압기가 휴지 상태에 있을 때, 가해지는 탄성 선행 하중에 의하여 스프링 장치(9)는 플레이트(8)와 다이아프램(7) 상에 작용하며, 플레이트와 다이아프램은 로드(11)를 통하여 플러그(6)를 개방 방식으로 이동시킨다. 시스템이 가압되어 작동을 시작할 때, 가스의 압력은 플러그(6)의 영역 내에서 감소하며, 배출 압력이 원하는 값에 도달할 때까지 가스는 밸브 시트(5)의 영역 하류로 유입된다. 그로 인하여, 스프링 장치(9)가 업로드(upload)되고 다이아프램(7)과 플레이트(8)가 반대 방향으로 이동하며, 플러그(6)가 폐쇄 위치로 이동한다. 시스템은 연속적으로 계속 작동하여 스프링 장치의 부하와 배출 압력 간의 평형이 구해진다.

그로 인하여 본 발명은 설정된 목적을 이루며 공지된 해결책에 대한 위에서 언급된 이점을 야기한다.

Claims (7)

1. 차량용 내연 기관에 가스를 공급하는 시스템을 위한, 가연성 가스의 토출 압력(delivery pressure)을 감소시키는 장치에 있어서,
   유입부(3)와 배출부(4) 사이에서 감압기의 몸체(1a) 내에 형성된 가스 흐름 튜브(2) 내에 위치하는 밸브 시트(5);
   밸브 시트(5)와 관련되며 시트(5)의 개폐 목적을 위하여 설정된 축 방향(X)을 따라 이동 가능한 다이아프램 작동 플러그 요소(6);
   다이아프램 상에서 작동하여 다이아프램에 설정된 탄성 부하를 가하는 스프링 장치(9);
   작동을 위하여 플러그(6)와 다이아프램에 연결된 액추에이터 로드(11); 및
   흐름 방향에 대하여 밸브 시트(5)의 상류에서 플러그(6)에 고정되며, 밸브 시트에 대한 플러그의 이동의 결과로서 축 방향(X)을 따라 축 방향으로 연장 가능한 압력 보상기 요소(12)를 포함하되,
   보상기 요소(12)는 내부적으로 중공(hollow)의 벨로우즈 형태이고 양 축 방향 종단 사이에서 축 방향으로 연장된 관형 몸체를 포함하며, 양 축 방향 종단 중 하나는 플러그(6)에 연결된 반면에, 다른 하나는 감압기의 정지 구조체에 연결되고, 관형 몸체의 내부 캐비티(13)는 밀봉되어 캐비티가 몸체의 외부와 분리되고 설정된 압력이 캐비티(13) 내에서 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 벨로우즈 형상의 보상기(12)의 관형 캐비티(13) 내의 설정된 압력은 대기압과 동일한 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 벨로우즈 형상의 보상기(12)의 축 방향으로 연장 가능한 관형 몸체는 금속 재료로 이루어진 장치.
4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 보상기(12)의 관형 몸체는 우선적 절곡 라인(preferential bending lines)을 갖는 다수의 주름부(14)를 구비한 얇은 벽의 실린더 형태로 형성되어 관형 벽의 축 방향 단축 및 연장을 허용하여 관형 벽이 밸브 시트(5)에 대한 플러그(6)의 축 방향 이동에 뒤따를 수 있어 밀봉체로서 작용하는 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 관형 캐비티(13)의 폐쇄 종단(15, 16)은 관형 몸체의 양 종단에 제공되고 관형 벽에 밀봉적으로 연결되어 관형 몸체 내에 형성된 내부 캐비티(13)가 양 종단 및 관형 벽에 의하여 기밀하게 밀봉된 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 다이아프램은 금속 재료로 이루어진 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 플러그(6)는 고무로 이루어진 장치.

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