KR20130113342A - 선형 중공 스풀 밸브 - Google Patents

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KR20130113342A
KR20130113342A KR20127033414A KR20127033414A KR20130113342A KR 20130113342 A KR20130113342 A KR 20130113342A KR 20127033414 A KR20127033414 A KR 20127033414A KR 20127033414 A KR20127033414 A KR 20127033414A KR 20130113342 A KR20130113342 A KR 20130113342A
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valve
energy recovery
hollow spool
axial position
pressure ports
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KR20127033414A
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토드 알랜 앤더슨
마노즈 램프래새드 샤
필립 폴 베오챔프
라모한 라오 칼루리
수마 메마리아 나라야나 바트
하리쉬 쿠마르 레디 코메팔리
Original Assignee
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

에너지 회수 시스템(100)의 압력 교환기 튜브용 밸브 시스템(200)이 제공된다. 밸브 시스템은 밸브 하우징(304), 유동 분배기(310), 중공 스풀(302), 및 밀봉 시스템을 포함한다. 상기 밸브 하우징은 한 세트의 고압 포트(306) 및 한 세트의 저압 포트(308)를 포함한다. 상기 유동 분배기는 상기 밸브 하우징 내에서 상기 한 세트의 고압 포트 및 상기 한 세트의 저압 포트 내외로 유동을 분배시킨다. 상기 중공 스풀은 상기 밸브 하우징과 상기 유동 분배기 사이에서 반경방향 틈새 내에서 축방향으로 왕복운동하도록 구성될 수 있다. 상기 중공 스풀은 상기 고압 포트 또는 상기 저압 포트와 유체 연통되는 상기 압력 교환기 튜브를 연결시킬 수 있다. 상기 밀봉 시스템은 상기 중공 스풀에 대해 실질적으로 유압 방식의 균형을 부여하기 위해 밸브 하우징 내에 제공될 수 있다.

Description

선형 중공 스풀 밸브 {LINEAR HOLLOW SPOOL VALVE}
본 발명의 실시예는 에너지 회수 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예는 에너지 회수 시스템용 밸브 시스템에 관한 것이다.
에너지 회수 시스템은 저압에서 유체를 가압하기 위해 고압에서 다른 유체 스트림을 이용하는 장치이다. 에너지 회수 시스템은 고압 농축물을 이용함으로써 피드 스트림(feed stream)을 가압하기 위해 해수 담수 설비(desalination plants)에 일반적으로 사용된다.
에너지 회수 시스템은 압력 교환기 튜브와, 압력 교환기 튜브 내에서 왕복운동하는 피스톤을 포함할 수 있다. 더욱이, 밸브 시스템은 압력 교환기 튜브 내로 공급수의 유동과, 압력 교환기 튜브로부터 농축물의 유동을 제어할 수 있다. 에너지 회수 시스템의 일 형태는 2개 이상의 압력 교환기 튜브를 포함할 수 있다. 다양한 밸브 시스템, 예를 들어, 회전 밸브 시스템 및 선형 밸브 시스템이 당 분야에 알려져 있다.
밸브 시스템은 2개의 압력 교환기 튜브에 일반적으로 연결되고, 2개의 피스톤의 움직임과 동기화된다. 이러한 밸브 시스템은 일반적으로 복잡하고, 무거우며, 값비싸고, 고장나기 쉽다. 더욱이, 압력 교환기 튜브의 독립적 작동이 가능하지 않을 수 있다.
작동 중 밸브 시스템은 다양한 유압 부하, 예를 들어, 반경방향 부하 및 축방향 부하에 노출된다. 이러한 유압 부하 중 일부는 균형을 이루지 못하여서, 인가되는 액추에이팅 부하에 반할 수 있다. 결과적으로, 밸브 시스템을 작동시키는데 더 높은 액추에이션 에너지가 필요할 수 있다. 이는 밸브 시스템 액추에이팅의 비용을 증가시킬 수 있고, 에너지 회수 시스템의 효율을 또한 감소시킬 수 있다. 또한, 불균형 부하가 밀봉 시스템의 전체 수명을 감소시킬 수 있다.
더욱이, 알려져 있는 압력 교환기 튜브 및 밸브 시스템은 다양한 수단, 예를 들어, 전자기식, 유압식, 공압식, 등에 의해 액추에이팅될 수 있다. 유압식 또는 공압식 수단의 경우에, 하나 이상의 샤프트가 별도의 밀봉 시스템을 통해 압력 교환기 튜브 및 밸브 시스템 내로 통과하여야 할 수 있다. 이는 에너지 회수 시스템의 비용 및 복잡도를 증가시킬 수 있다. 밀봉 시스템 자체는 누설에 취약할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점 및 다른 관련 문제점들을 극복하는, 에너지 회수 시스템의 압력 교환 튜브용 밸브 시스템이 필요하다.
본 발명은 상술한 단점들을 극복하는 에너지 회수 시스템의 압력 교환기 튜브용 밸브 시스템을 제공한다. 상기 밸브 시스템은 고압 포트 및 저압 포트를 적절히 액추에이팅시켜서 압력 교환을 가능하게 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 밸브 시스템은 밸브 하우징, 유동 분배기, 중공 스풀(hollow spool), 및 밀봉 시스템을 포함한다. 상기 밸브 하우징은 한 세트의 고압 포트 및 한 세트의 저압 포트를 포함한다. 상기 유동 분배기는 상기 밸브 하우징 내에서 상기 한 세트의 고압 포트 및 상기 한 세트의 저압 포트 내외로 유동을 분배시킨다. 상기 중공 스풀은 상기 밸브 하우징과 상기 유동 분배기 사이에서 반경방향 틈새 내에서 축방향으로 왕복운동하도록 구성될 수 있다. 상기 중공 스풀은 상기 고압 포트 또는 상기 저압 포트와 유체 연통되는 상기 압력 교환기 튜브를 연결시킬 수 있다. 상기 밀봉 시스템은 상기 중공 스풀을 실질적으로 유압 방식으로 균형을 잡도록 구성될 수 있다. 축방향 유압 방식 균형으로 인해, 중공 스풀의 움직임을 제어하는데 작은 액추에이션 힘이 요구될 수 있다. 따라서, 낮은 액추에이션 힘은, 압력 교환기 튜브 또는 밸브 본체를 통과하는 액추에이터에서의 과거의 문제점들을 극복하는, 외부적으로 구동되는 중공 스풀을 이용할 수 있게 한다.
이와 같은, 그리고 그외 다른 장점 및 특징은 첨부 도면과 연계하여 제공되는 발명의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 시스템의 사시 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 축 위치에 중공 스풀을 갖는 밸브 시스템의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 3 축 위치에 중공 스풀을 갖는 밸브 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 축 위치에 중공 스풀을 갖는 밸브 시스템의 단면도를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시예는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 이러한 실시예는 이러한 구체적 세부사항 전부 또는 일부없이 실시될 수 있다. 다른 예에서, 잘 알려져 있는 공정 단계 또는 요소들은, 발명의 설명을 불필요하게 흐리지않도록 하기 위해 세부적으로 설명되지 않는다. 다음의 예시적인 실시예 및 그 형태들은 장치, 방법, 및 시스템과 연계하여 설명 및 도시되며, 이들은 예시적인 예에 불과할 뿐 범위를 제한하지 않는다.
본 발명은 에너지 회수 시스템의 압력 교환기 튜브용 밸브 시스템을 제공한다. 에너지 회수 시스템은 하나의 서브-시스템으로 다른 서브-시스템으로 에너지의 효과에 의해 전체 시스템에 대한 에너지의 입력을 최소화시키기 위해 서브-시스템의 폐-스트림(waste stream)을 이용하는 장치이다. 해수 담수 시스템에서, 에너지 회수 시스템은 역삼투 시스템의 유입 및 유출 유동 사이에서 압력을 전달하는데 이용될 수 있다. 특히, 고압 농축물 용액으로부터 압력이 추출되어 저압 공급수에 전달될 수 있고, 이에 따라, 해수 담수 시스템 에너지 효율이 개선될 수 있다. 따라서, 에너지 회수 시스템을 이용함으로써 휴대용 식수의 생산 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 에너지 회수 시스템(100)의 개략도이다. 에너지 회수 시스템(100)은 도 1에 도시되는 바와 같이 2개의 압력 교환기 튜브(102, 104)를 포함할 수 있다. 압력 교환기 튜브는 비교적 높은 압력의 유체 스트림으로부터 비교적 낮은 압력의 유체 스트림까지 유압 압력을 교환하는데 일반적으로 사용된다. 더욱이, 피스톤(106, 108)은 튜브의 벽체 밀봉 및 슬라이딩 가능 배열로 압력 교환기 튜브(102, 104) 내에 각각 배치될 수 있다. 피스톤(106, 108)은 압력 교환기 튜브(102, 104) 각각 내에 종방향으로 움직이도록 구성될 수 있다. 피스톤(106, 108)은 다양한 액추에이팅 수단, 예를 들어, 전자기적 수단, 공압식 수단, 및 유압식 수단에 의해 액추에이팅될 수 있다. 당 업자는 다른 액추에이션 수단이 제한될 수 있고 상술한 예는 비-제한적인 세트임을 이해할 것이다. 공압식 수단은 피스톤(106, 108)을 액추에이팅하기 위한 시일(seal)을 갖는 샤프트의 이용을 포함할 수 있다. 에너지 회수 시스템(100)은 압력 교환기 튜브(102, 104) 내외로의 유체 유동을 제어하기 위한 4개의 밸브(110, 112, 114, 116)(각각의 압력 교환기 튜브(102, 104)에 대해 두 개씩)를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 각각의 밸브의 하우징(도시되지 않음)은 2개의 고압 포트 및 2개의 저압 포트를 포함할 수 있다. 에너지 회수 시스템(100)은 다양한 가능한 구조로 배열되는 하나 이상의 압력 교환기 튜브를 가질 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 에너지 회수 시스템(100)은 해수 담수 설비에 이용될 수 있다. 해수 담수 시스템에서, 에너지 회수 시스템(100)은 방출 농축물 용액(비교적 고압)과 공급수(비교적 저압) 사이에서 압력 교환을 달성하는데 이용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 압력 교환기 튜브(102, 104)의 일 측부 상에서, 일 라인이 밸브(110, 112)를 통해 농축물 용액 라인에 연결될 수 있고, 다른 라인은 배출부(drain)에 연결될 수 있다. 압력 교환기 튜브(102, 104)의 다른 일 측부 상에서, 일 라인이 공급수 라인에 연결될 수 있고, 다른 일 라인은 역삼투 서브시스템의 고압측에 연결될 수 있다. 하나의 압력 교환 사이클에서 압력 교환기 튜브(102)의 작동은 도 1을 참조하여 아래에서 설명된다.
최초에, 피스톤(106)은 압력 교환기 튜브(102) 내부의 최좌측 위치에 놓일 수 있고, 밸브(110, 114)의 모든 포트들은 닫힐 수 있다. 이러한 위치에서, 압력 교환기 튜브(102)는 농축물 용액으로 충전된다. 밸브(110, 114)의 저압 포트가 그 후 열릴 수 있다. 밸브(110)의 저압 포트의 열림으로 인해, 공급수(비교적 저압)가 압력 교환기 튜브(102) 내로 유입될 수 있다. 공급수는 피스톤(106)을 좌측 측부로부터 밀어내고, 농축물 용액을 배출한다. 따라서, 피스톤(106)은 최우측으로 이동하고, 압력 교환기 튜브(102)는 공급수로 이제 충전된다. 피스톤(106)이 최우측 위치에 도달할 때, 밸브(110, 114)의 저압 포트가 닫힌다. 이는 최좌측 위치로부터 최우측 위치로 피스톤(106)의 움직임을 포함하는, 압력 교환 사이클의 첫 번째 절반을 완료시킨다.
압력 교환 사이클의 두 번째 절반에서, 밸브(110)의 고압 포트가 열릴 수 있다. 농축물 용액은 피스톤(106)을 고압의 좌측을 향해 밀어낼 수 있다. 공급수가 비압축성임에 따라, 압력 교환기 튜브(102) 내의 공급수의 압력이 농축물 용액의 압력까지 증가할 수 있다. 밸브(114)의 고압 포트가 그 후 열릴 수 있다. 전자기력에 의해 피스톤(106)에 추가적인 부스트가 제공될 수 있다. (비교적 고압의) 농축물 용액은 추가적인 부스트와 함께, 밸브(114)의 고압 포트로부터 공급수를 구동시켜서, 피스톤(106)을 최좌측 위치로 이동시킨다. 최우측 위치로부터 최좌측 위치로 피스톤(106)의 움직임은 압력 교환 사이클의 두 번째 절반을 형성한다. 따라서, 압력이 고압 농축물 용액으로부터 저압 공급수로 교환된다. 더욱이, 이러한 단계들은 매 사이클마다 압력 교환을 달성하도록 반복될 수 있다. 압력 교환기 튜브(104)는 압력 교환기 튜브(102)와 유사한 방식으로 작동할 수 있다.
에너지 회수 시스템(100)으로부터 공급수의 연속적 유동을 유지하기 위해, 압력 교환기 튜브(102, 104)의 피스톤(106, 108)은 약 180도의 위상차를 갖고 이동하도록 동기화될 수 있다. 구체적으로, 피스톤(106) 및 피스톤(108)은 180도의 위상차를 갖고 액추에이팅될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수 시스템(100)용 밸브 시스템(200)의 사시도를 도시한다. 밸브 시스템(200)은 해수 담수 시스템에 사용될 수 있다. 코일(202)은 에너지 회수 시스템(100)의 압력 교환기 튜브(102) 주위로 감길 수 있다. 더욱이, 코일(202)에 공급되는 전류를 제어하기 위해 컨트롤러가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 전자기적 액추에이팅 수단을 이용하여 피스톤(106)을 제어할 수 있다. 압력 교환기 튜브(102) 내에 배치되는 피스톤(106)은, 피스톤(106)의 원주 주위로 감긴 영구 자석(204)으로 구성될 수 있다. 따라서, 피스톤(106)은 영구 자석(204)의 자기장과 전류를 운반하는 코일(202)의 상호작용에 의해 발생되는 축방향 힘을 받을 수 있다. 코일(202)에 공급되는 전류는 압력 교환기 튜브(202) 내에서 피스톤(106)의 움직임을 제어하기 위해 제어될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 공압식 수단 및 유압식 수단과 같은 선형 모션 액추에이팅 수단을 이용하여 피스톤(106)의 움직임을 제어할 수 있다. 더욱이, 저압 유체 스트림과 고압 유체 스트림의 혼합을 최소화시키기 위해 압력 교환기 튜브(102)의 벽으로 피스톤(106)을 밀봉시키도록 시일(206)이 제공될 수 있다. 시일(206)은 피스톤(106)이 압력 교환기 튜브(102) 내에서 슬라이딩하고 있을 때 중량, 마찰, 및 기타 부하와 같은 다른 부하를 또한 지닐 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 밸브 시스템(200)은 밸브의 열림/닫힘을 제어하기 위한 밸브 액추에이터(208)를 포함할 수 있다. 더욱이, 피스톤(106)의 위치를 감지하기 위해 센서가 사용될 수 있다. 밸브 액추에이터(208)는 피스톤(106)의 감지되는 위치에 따라 밸브의 열림/닫힘을 제어할 수 있다. 구체적으로, 피스톤(106)의 끝단 위치 도달 및 밸브의 열림/닫힘 타이밍은 밸브 액추에이터(208)에 의해 제어될 수 있다. 도 1을 참조하면, 밸브 시스템(200)은 에너지 회수 시스템(100)의 밸브(110, 112, 114, 116) 중 적어도 하나에서 구현될 수 있다. 압력 교환기 튜브(102)에 대응하는 밸브 시스템(200)은 압력 교환기 튜브(104)용의 유사 밸브 시스템에 독립적으로 제어될 수 있다. 다양한 구조로 밸브 시스템(200)의 구성 및 작동이 도 3, 도 4, 도 5와 연계하여 세부적으로 설명된다. 구체적으로, 제 1, 제 2, 제 3 축방향 위치에서 중공 스풀(hollow spool)을 포함하는 밸브 시스템(200)의 작동이 도 3, 도 5, 도 4와 각각 연계하여 설명된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제 1 축방향 위치에서 중공 스풀(302)을 갖는 밸브 시스템(200)의 단면도를 도시한다. 밸브 시스템(200)은 밸브 하우징(304)을 포함한다. 밸브 하우징(304)은 관형 형상을 가질 수 있고, 압력 교환기 튜브에 연결된다. 더욱이, 밸브 하우징(304)은 한 세트의 고압 포트(306) 및 한 세트의 저압 포트(308)를 포함할 수 있다. 한 세트의 고압 포트(306)는 적어도 2개의 반경방향 고압 포트를 포함할 수 있다. 2개의 반경방향 고압 포트 사이의 원주적 이격은 약 360/(고압 포트의 수)도일 수 있다. 마찬가지로, 한 세트의 저압 포트(308)는 약 360/(저압 포트의 수)도에 의해 원주적으로 분리되는 적어도 2개의 반경방향 저압 포트를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 밸브 하우징(304)은 약 180도에 의해 원주적으로 분리되는 2개의 고압 포트(306)와, 약 180도에 의해 원주적으로 분리되는 2개의 저압 포트(308)를 포함할 수 있다.
도 3이 특정 구현예를 도시하지만, 고압 포트 및 저압 포트의 위치가 상호교환될 수 있다. 구체적으로, 포트(306)가 저압 포트일 수 있고 포트(308)가 고압 포트일 수 있다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 밸브 시스템은 유동 분배기(310)를 포함할 수 있다. 유동 분배기(310)는 관형의 중공 형상일 수 있고, 밸브 하우징(304) 내부에 위치할 수 있다. 유동 분배기(310)는 고압 포트(306) 및 저압 포트(308) 내외로의 유동을 분배하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 유동 분배기(310)는 고압 포트(306)와 축방향으로 정렬되는 제 1 세트의 원주 개구부(310)와, 저압 포트(308)와 축방향으로 정렬되는 제 2 세트의 원주 개구부(314)(도 5에 도시됨)를 포함할 수 있다. 본 발명의 대안의 실시예에서, 유동 분배기(310)는 고압 포트(306)로부터 저압 포트(308)로 연장되는 단 한 세트의 원주 개구부를 포함할 수 있다. 원주 개구부(312, 314)는 고압 포트(306) 및 저압 포트(308) 내외로의 유동을 촉진시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 밸브 시스템은 중공 스풀(302)을 더 포함한다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 중공 스풀(302)은 밸브 하우징(304)과 유동 분배기(310) 사이의 반경방향 틈새에서 축방향으로 왕복운동하도록 구성될 수 있다. 중공 스풀(302)은 고압 포트(306) 또는 저압 포트(308)와 유체 연통하는 압력 교환기 튜브를 선택적으로 연결할 수 있다. 제 1 축방향 위치에서, 중공 스풀(302)은 고압 포트(306)와 압력 교환기 튜브 사이에서 유체 연통할 수 있도록 하는 방식으로 축방향으로 정렬될 수 있다. 구체적으로, 중공 스풀(302)은 도 3에 도시되는 바와 같이 고압 포트(306)와 원주 개구부(312) 사이에서 유체 연통을 촉진시키도록 축방향으로 정렬될 수 있다. 따라서, 고압 유체 스트림은 고압 포트(306)를 통해 압력 교환기 튜브 내로 유동할 수 있다. 더욱이, 제 1 축방향 위치에서, 중공 스풀(302)은 저압 포트(308)와 압력 교환기 튜브 사이의 유체 연통을 또한 배제할 수 있다. 다시 말해서, 중공 스풀(302)은 저압 포트(308)와 원주 개구부(314) 사이의 유체 연통을 배제하도록 축방향으로 정렬될 수 있다. 중공 스풀(302)은 축방향 단부 근처에 반경방향 개구부를 가질 수 있고, 이는 중공 스풀(302)에 실질적 유압 균형을 제공할 수 있다. 고압 포트(306) 또는 저압 포트(308)의 2개의 포트 사이의 180도의 원주적 분리는 중공 스풀(302)의 기계적인 반경방향 힘 균형을 가능하게 할 수 있다.
밸브 액추에이터(208)는 중공 스풀(302)의 움직임을 제어한다. 본 발명의 일 실시예에서, 밸브 액추에이터(208)는 액추에이터 하우징(316), 액추에이터 피스톤(318), 및 액추에이터 샤프트(320)를 포함한다. 액추에이터 하우징(316)은 관 형상일 수 있고, 밸브 하우징(304)에 연결된다. 액추에이터 코일(322)은 액추에이터 하우징(316) 주위로 감긴다. 더욱이, 액추에이터 피스톤(318)은 액추에이터 하우징(316) 내에서 왕복운동할 수 있다. 액추에이터 피스톤(318)은 중공 형상일 수 있다. 더욱이, 액추에이터 샤프트(320)는 중공 스풀(302)의 움직임을 제어하기 위해 중공 스풀(302)에 액추에이터 피스톤(318)을 연결할 수 있다. 중공 스풀(302)은 액추에이터 샤프트(320)를 수용하기 위해 일 단부에서 연결 부재를 가질 수 있다. 더욱이, 유동 분배기(310)는 중공 스풀(302)의 (제 1 축방향 위치와 제 2 축방향 위치 사이의) 다양한 위치 사이에서 중공 스풀(302)의 연결 부재를 왕복운동시키는 개구부를 가질 수 있다. 액추에이팅 수단을 이용하여 액추에이터 피스톤(318)의 움직임을 제어할 수 있다. 액추에이팅 수단은 예를 들어, 전자기적 수단, 공압식 수단, 유압식 수단, 등을 포함할 수 있다. 당 업자라면 다른 액추에이션 수단이 제한될 수 있고 앞서 언급한 예는 비-제한적인 세트임을 이해할 것이다.
액추에이팅 수단은 밸브 시스템(200)의 열림/닫힘을 제어하기 위해 압력 교환기 튜브 내에서 슬라이딩하는 피스톤의 위치를 이용할 수 있다. 센서를 이용하여 피스톤의 위치를 얻을 수 있다. 감지되는 위치를 이용하여, 고압 포트(306) 및 저압 포트(308)의 열림/닫힘을 제어할 수 있다. 피스톤이 압력 교환기 튜브의 어느 한 단부의 끝단에 도달하고 고압 포트(306) 및 저압 포트(308)가 열리고 닫히는 타이밍이 동기화될 수 있도록, 액추에이터 피스톤(318)의 움직임을 제어하기 위해 액추에이팅 수단에 의해, 피스톤의 감지되는 위치가 이용될 수 있다.
더욱이, 밸브 시스템(200)은 밸브 하우징(304) 내부에 제공되는 밀봉 시스템을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 밀봉 시스템은 도 3에 도시되는 바와 같이 유동 분배기(310)의 양 단부에서 축방향 시일(326)을 포함할 수 있다. 축방향 시일(326)은 접촉 면적을 최소화시킬 수 있고, 중공 스풀(302)의 유압 불균형을 감소시킬 수 있다. 또한, 밀봉 시스템은 축방향 시일(326)과 함께, 또는 축방향 시일(326)없이, 반경방향 시일(328)을 포함할 수 있다. 반경방향 시일(328)은 중공 스풀(302)이 제 1 축방향 위치 또는 제 2 축방향 위치에 있을 때 한 세트의 고압 포트(306)와 한 세트의 저압 포트(308) 사이의 유체 유동을 최소화시킬 수 있다. 더욱이, 반경방향 시일(328)은 고압 포트(306)와 저압 포트(308) 사이의 유체 연통을 실질적으로 방지할 수 있다. 반경방향 사일(328)은 하나 이상의 밀봉 링을 포함할 수 있다. 더욱이, 반경방향 시일(328)은 밀봉 링과 함께 가이드 링(330)을 포함할 수 있다. 밀봉 시스템은 축방향으로 중공 스풀(302)을 유압 방식으로 균형잡을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제 3 축방향 위치에 중공 스풀(302)을 갖는 밸브 시스템(200)의 단면도를 도시한다. 제 3 축방향 위치에서, 중공 스풀(302)은 고압 포트(306) 및 저압 포트(308)를 차단한다. 제 3 축방향 위치에서, 중공 스풀은 중공 스풀(302)의 중심을 통해 단부 면 사이의 유체 연통을 통해 축방향으로 유압 방식으로 균형이 잡힐 수 있다. 중공 스풀(302)은 제 3 축방향 위치에 도달하기 위해 제 1 축방향 위치로부터 좌측을 향해 이동할 수 있다. 제 3 축방향 위치에서 중공 스풀(302)은, 고압 포트(306)와 압력 교환기 튜브 사이의, 그리고 또한, 압력 교환기 튜브와 저압 포트(308) 사이의 유체 연통을 배제할 수 있다. 구체적으로, 중공 스풀(302)은, 고압 포트(306)와 원주 개구부(312) 사이의, 그리고 또한, 저압 포트(308)와 원주 개구부(314) 사이의 유체 연통을 배제하도록, 축방향으로 정렬될 수 있다. 그 후 중공 스풀(302)은 제 2 축방향 위치에 도달하기 위해 제 3 축방향 위치로부터 좌측을 향해 이동할 수 있다. 제 3 축방향 위치는 실질적으로 중공 스풀의 제 1 축방향 위치와 제 2 축방향 위치 사이에 있을 수 있다. 제 3 축방향 위치는, 중공 스풀(302)이 고압 포트(306) 및 저압 포트(308)를 차단하도록, 제 1 축방향 위치와 제 2 축방향 위치 사이의 위치 범위로부터의 일 위치일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제 2 축방향 위치에서 중공 스풀(302)을 갖는 밸브 시스템(200)의 단면도를 도시한다. 제 2 축방향 위치에서, 중공 스풀(302)은, 저압 포트(308)와 압력 교환기 튜브 사이에서 유체 연통 가능하도록, 축방향으로 정렬될 수 있다. 구체적으로, 중공 스풀(302)은, 도 5에 도시되는 바와 같이, 저압 포트(308)와 원주 개구부(314) 사이의 유체 연통을 촉진시키도록 축방향으로 정렬될 수 있다. 따라서, 저압 유체 스트림은 저압 포트(308)를 통해 압력 교환기 튜브로부터 유동한다. 더욱이, 제 2 축방향 위치에서, 중공 스풀(302)은 고압 포트(306)와 압력 교환기 튜브 사이의 유체 연통을 배제할 수 있다. 다시 말해서, 중공 스풀(302)은 고압 포트(306)와 원주 개구부(312) 사이의 유체 연통을 배제하도록 축방향으로 정렬될 수 있다. 따라서, 중공 스풀(302)은 제 1 축방향 위치와 제 2 축방향 위치 사이에서 왕복운동할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 중공 스풀(302)과 관형 밸브 하우징(304) 사이의 반경방향 틈새는, 중공 스풀(302)이 제 1 축방향 위치로부터 제 2 축방향 위치로 또는 그 역으로 천이되고 있을 때, 고압 포트(306)와 저압 포트(308) 사이의 유체 유동을 실질적으로 감소시키기 위해, 최소화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 중공 스풀(302)은 축방향 단부 근처에 반경방향 개구부를 가질 수 있고, 이는 중공 스풀(302)이 제 1 축방향 위치 또는 제 2 축방향 위치에 있을 때 중공 스풀(302)에 실질적 유압식 균형을 제공할 수 있다. 고압 포트(306)와 저압 포트(308) 사이에 누설 경로가 제공될 수 있다. 누설 경로는 고압 유체 스트림과 저압 유체 스트림을 혼합시킬 수 있어서, 중공 스풀(302)에 유압식 균형을 제공할 수 있다. 누설 경로의 존재는 중공 스풀(302)의 실질적으로 모든 위치에서 중공 스풀(302)에 유압식 균형을 제공할 수 있다. 중공 스풀(302)의 각각의 단부 상에서의 힘이 균형을 이루기 위해 유체 연통이 가능한 것이지만, 고압 포트(306) 및 저압 포트(308) 내외로의 누설은 밀봉 시스템을 통해 최소화될 수 있다. 반경방향 시일(328)은, 중공 스풀(302)이 제 1 축방향 위치 또는 제 2 축방향 위치에 있을 때 한 세트의 고압 포트(306)와 한 세트의 저압 포트(308) 사이의 유체 유동을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 밸브 시스템(200)은 에너지 회수 시스템(100)과 연계하여 설명되었고, 피스톤(106, 108)은 공급수의 압력을 부스팅하도록 구성되었다. 그러나, 당 업자라면 밸브 시스템(200)이 임의의 역삼투 시스템, 예를 들어, 수동형 압력 교환기 튜브를 갖고 부스터 펌프를 이용하는 에너지 회수 시스템을 가진 역삼투 시스템에 또한 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 단지 설명을 위한 용도로 여러 실시예를 들어 설명되었다. 당 업자라면 발명이 설명된 실시예에 제한되지 않고, 그러나, 첨부된 청구범위의 사상 및 범위에 의해서만 제한되는 수정예 및 변경예로 실시될 수 있음을 당 업자가 본 설명으로부터 인지할 것이다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 압력 교환기 튜브를 갖는 에너지 회수 시스템용 밸브 시스템에 있어서,
    상기 밸브 시스템은 관형 밸브 하우징, 중공 관형 유동 분배기, 중공 스풀, 및 밀봉 시스템을 포함하며,
    상기 관형 밸브 하우징은 상기 압력 교환기 튜브에 연결되고, 상기 관형 밸브 하우징은 한 세트의 고압 포트 및 한 세트의 저압 포트를 포함하며, 상기 한 세트의 고압 포트는 대략 360/(반경방향 포트 수)도에 의해 원주적으로 분리되는 적어도 2개의 반경방향 고압 포트를 포함하고, 상기 한 세트의 저압 포트는 대략 360/(반경방향 포트 수)도에 의해 원주적으로 분리되는 적어도 2개의 반경방향 저압 포트를 포함하며,
    상기 중공 관형 유동 분배기는 상기 관형 밸브 하우징 내부에 위치하고, 상기 관형 밸브 하우징 내의 상기 한 세트의 고압 포트 및 상기 한 세트의 저압 포트 내외로 유동을 분배하도록 구성되며,
    상기 중공 스풀은 상기 관형 밸브 하우징과 상기 중공 관형 유동 분배기 사이에서 반경방향 틈새 내에서 축방향으로 왕복운동하도록 구성되어, 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 한 세트의 저압 포트와 유체 연통되는 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브를 선택적으로 연결시킬 수 있고, 상기 중공 스풀은 상기 에너지 회수 시스템의 작동 중 실질적으로 유압 방식으로 균형을 이루며,
    상기 밀봉 시스템은 상기 중공 스풀의 모든 위치에서 축방향으로 상기 중공 스풀을 실질적으로 유압 방식으로 균형을 잡는 상기 관형 밸브 하우징 내부에 제공되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 스풀은 제 1 축방향 위치와 제 2 축방향 위치 사이에서 축방향으로 왕복운동하도록 구성되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 축방향 위치에서, 상기 중공 스풀은 상기 한 세트의 저압 포트와 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브 사이의 유체 유동을 배제하도록, 그리고, 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브 사이의 유체 유동을 허용하도록, 축방향으로 정렬되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 축방향 위치에서, 상기 중공 스풀은 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브 사이의 유체 유동을 배제하도록, 그리고, 상기 한 세트의 저압 포트와 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브 사이의 유체 유동을 허용하도록, 축방향으로 정렬되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 축방향 위치에서, 상기 중공 스풀은 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브 사이의, 그리고, 상기 적어도 하나의 압력 교환기 튜브와 상기 한 세트의 저압 포트 사이의, 유체 유동을 배제하도록 축방향으로 정렬되고, 상기 제 3 축방향 위치는 상기 제 1 축방향 위치와 상기 제 2 축방향 위치 사이에 있는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 관형 유동 분배기는 상기 한 세트의 고압 포트 및 상기 한 세트의 저압 포트와 함께 축방향으로 정렬되는 한 세트 이상의 원주 개구부를 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 축방향 위치에서, 상기 중공 스풀은 상기 한 세트의 고압 포트와 제 1 세트의 원주 개구부 사이의 유체 유동을 배제하도록 축방향으로 정렬되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 축방향 위치에서, 상기 중공 스풀은 제 2 세트의 원주 개구부와 상기 한 세트의 저압 포트 사이의 유체 유동을 배제하도록 축방향으로 정렬되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 3 축방향 위치에서, 상기 중공 스풀은 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 제 1 세트의 원주 개구부 사이의, 그리고, 제 2 세트의 원주 개구부와 상기 한 세트의 저압 포트 사이의, 유체 유동을 배제하도록 축방향으로 정렬되고, 상기 제 3 축방향 위치는 상기 제 1 축방향 위치와 상기 제 2 축방향 위치 사이에 놓이는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공 스풀과 상기 관형 밸브 하우징 사이의 반경방향 틈새는, 상기 중공 스풀이 상기 제 1 축방향 위치로부터 상기 제 2 축방향 위치로, 또는 그 역으로, 천이할 때, 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 한 세트의 저압 포트 사이의 유체 유동을 실질적으로 감소시키기 위해, 최소화되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공 스풀은, 상기 중공 스풀이 상기 제 1 축방향 위치 또는 상기 제 2 축방향 위치에 있을 때 상기 중공 스풀을 실질적으로 유압 방식으로 균형을 잡기 위해, 축방향 단부에 인접한 반경방향 개구부를 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 시스템은 상기 관형 밸브 하우징의 양 단부에서 축방향 시일을 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 시스템은 상기 한 세트의 고압 포트와 상기 한 세트의 저압 포트 사이의 유체 유동을 실질적으로 배제하는 반경방향 시일을 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    밸브 액추에이터를 더 포함하며,
    상기 밸브 액추에이터는,
    상기 관형 밸브 하우징에 연결된 관형 액추에이터 하우징과,
    상기 관형 액추에이터 하우징 내부에서 왕복운동하는 액추에이터 피스톤과,
    상기 중공 스풀에 상기 액추에이터 피스톤을 연결하기 위한 액추에이터 샤프트를 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 액추에이터 피스톤은 전자기적 수단에 의해 액추에이팅되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 액추에이터 피스톤은 공압식 수단에 의해 액추에이팅되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 액추에이터 피스톤은 유압식 수단에 의해 작동되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 중공 스풀은 상기 액추에이터 샤프트를 수용하기 위해 연결 부재를 더 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 중공 관형 유동 분배기는 상기 중공 스풀의 연결 부재를 제 1 축방향 위치와 제 2 축방향 위치 사이에서 왕복운동시키기 위해, 적어도 하나의 개구부를 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  20. 적어도 하나의 압력 교환기 튜브를 갖는 에너지 회수 시스템용 밸브 시스템에 있어서,
    상기 밸브 시스템은,
    상기 압력 교환기 튜브에 연결되는 관형 밸브 하우징과,
    상기 관형 밸브 하우징 내부에 위치하는 중공 관형 유동 분배기와,
    상기 관형 밸브 하우징과 상기 중공 관형 유동 분배기 사이에서 반경방향 틈새 내에서 축방향으로 왕복운동하도록 구성되는 중공 스풀과,
    밸브 액추에이터를 포함하며,
    상기 밸브 액추에이터는,
    상기 관형 밸브 하우징에 연결되는 관형 액추에이터 하우징과,
    상기 관형 액추에이터 하우징 내부에서 왕복운동하는 액추에이터 피스톤과,
    상기 중공 스풀에 액추에이터 피스톤을 연결하기 위한 액추에이터 샤프트를 포함하는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시스템이 해수 담수 시스템용으로 구성되는
    에너지 회수 시스템용 밸브 시스템.
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