KR20170030472A - 압력 레귤레이터 - Google Patents

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KR20170030472A
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윌리엄 에리그
대니얼 모건
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파커-한니핀 코포레이션
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Abstract

내부 챔버를 갖는 바디와, 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되는 열 실드를 구비한 압력 레귤레이터. 상기 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시킴으로써, 상기 압력 레귤레이터의 구성요소들의 온도는 상기 구성요소의 고장을 감소시키도록 증가되고, 상기 유체의 밀도는 상기 압력 레귤레이터의 흐름 용량을 개선하도록 증가된다.

Description

압력 레귤레이터{PRESSURE REGULATOR}
본 출원은 2014년 5월 5일자로 출원된 미국 가출원 제61/988,456호를 우선권으로 하며, 이는 본원에 참고로 편입된다.
본 발명은 일반적으로 압력 레귤레이터, 더욱 상세하게 차량 내의 압축 천연가스 시스템을 위한 압력 레귤레이터에 관한 것이다.
압축 천연가스와 같은 대체 연료는 차량의 내연기관을 동력하는데 이용될 수 있다. 압축 천연가스는 높은 실린더 압력에서 차량 상의 탱크 내에 저장될 수 있지만, 내연기관은 이와 같은 고압에서 작동할 수 없다. 탱크 내의 압축 천연가스의 압력을 내연기관으로의 전달을 위한 비교적 일관된 압력으로 조절하기 위해, 압력 제어 레귤레이터가 이용될 수 있다. 압축 천연가스의 압력은 약 3600 psi의 최대 입구 압력과, 약 120 psi의 일반적인 출구 압력을 가질 수 있다. 압력 레귤레이터는 압력이 감소되는 하나 이상의 스테이지를 가질 수 있으며, 상기 레귤레이터는 스프링, 다이아프램, 및 압력을 밸런싱하는 다른 구성요소를 구비할 수 있고, 압력 레귤레이터의 각종 스테이지에 걸쳐 유체가 흐른다.
본 발명은, 내부 챔버를 갖는 바디와, 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되는 열 실드를 구비한 압력 레귤레이터를 제공한다. 상기 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시킴으로써, 상기 압력 레귤레이터의 구성요소들의 온도는 상기 구성요소의 고장을 감소시키도록 증가되고, 상기 유체의 밀도는 상기 압력 레귤레이터의 흐름 용량을 개선하도록 증가된다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 입구, 출구, 내부 챔버, 상기 입구와 상기 내부 챔버 사이의 제1 유체 통로, 및 상기 내부 챔버와 상기 출구 사이의 제2 유체 통로를 갖는 바디; 상기 내부 챔버의 상류에서 상기 제1 유체 통로를 둘러싸는 밸브 시트; 상기 밸브 시트에 대해 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동가능한 포핏(poppet); 및 상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버에 들어가는 유체의 경로에서 상기 내부 챔버 내에 배치되는 열 실드(thermal shield)로서, 상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되는, 상기 열 실드를 구비하는, 압력 레귤레이터가 제공된다.
상기 압력 레귤레이터는 상기 개방 위치에서 상기 포핏을 바이어스하는 피스톤을 구비할 수 있다.
상기 피스톤은 하나 이상의 탄성 부재에 의해 상기 밸브 시트를 향해 제1 축방향으로 바이어스되고, 상기 피스톤에 작용하는 유체에 의해 상기 제1 축방향에 반대되는 제2 축방향으로 이동가능할 수 있다.
상기 피스톤은 하나 이상의 시일에 의해 상기 밸브 바디에 밀봉될 수 있다.
상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체로부터 상기 피스톤으로의 열전달을 감소시키도록 상기 피스톤보다 더 낮은 열전도율을 가질 수 있다.
상기 열 실드는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조될 수 있다.
상기 열 실드는 상기 포핏을 축방향으로 안내하도록 상기 포핏을 둘러쌀 수 있다.
상기 압력 레귤레이터는 상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버 내로 통하는 유체를 지향시키도록 상기 밸브 시트의 하류에 노즐 통로(nozzle passageway)를 더 구비할 수 있다.
상기 노즐 통로는 외측방향으로 나팔 형상을 이룰 수 있다.
상기 노즐 통로와 상기 밸브 시트는 일체로 형성될 수 있다.
상기 바디는 릴리프 밸브를 수용하도록 상기 내부 챔버와 유체 연통하는 릴리프 포트를 더 구비할 수 있다.
상기 열 실드는 상기 제1 흐름 통로로부터 상기 제2 흐름 통로로 연장되는 통로의 벽의 적어도 일부를 형성하는 내부면을 가질 수 있다.
상기 벽은 상기 제2 흐름 통로로의 유체를 직각으로 지향시키도록 서로 수직하는 제1 및 제2 세그먼트를 구비할 수 있다.
상기 열 실드의 내부면은 유체의 매끄러운 터닝을 위해 만곡될 수 있다.
상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 위치를 상기 바디에 대해 플로팅하게 하기 위해 상기 바디에 대해 운동하도록 상기 바디 내에 지지될 수 있다.
상기 밸브 시트는 제1 축방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스되며, 상기 제1 흐름 통로를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 제2 축방향으로 상측방향으로 이동가능할 수 있다.
상기 밸브 시트는 입구 압력을 증가시킴으로써 상기 제2 축방향으로 이동가능할 수 있다.
본 발명의 따른 관점에 의하면, 입구, 출구, 및 상기 입구와 상기 출구 사이에서 연장되는 흐름 통로를 갖는 바디; 상기 바디에 대한 운동을 위해 상기 바디 내에 지지되는 밸브 시트로서, 상기 밸브 시트의 위치를 상기 바디에 대해 플로팅하게 하고, 제1 방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스하며, 상기 흐름 통로를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 제2 방향으로 상측방향으로 이동가능한, 상기 밸브 시트; 및 상기 밸브 시트에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 상기 제2 방향으로 이동가능한 포핏을 구비하는, 압력 레귤레이터가 제공된다.
상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 하류에서 노즐 통로를 통해 흐르는 유체의 압력 강하를 감소시키도록 입구 압력을 증가시킴으로써 상기 제2 방향으로 이동가능할 수 있다.
상기 압력 레귤레이터는 상기 제1 위치에서 상기 포핏을 바이어스하는 피스톤을 더 구비할 수 있다.
상기 피스톤은 하나 이상의 탄성 부재에 의해 상기 제1 방향으로 바이어스되고, 상기 피스톤에 작용하는 유체에 의해 상기 제2 방향으로 이동가능할 수 있다.
상기 밸브 시트의 상기 제2 방향으로의 운동은 상기 피스톤의 상기 제2 방향으로의 운동에 영향을 줄 수 있다.
상기 압력 레귤레이터는 상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버 내로 통하는 유체를 지향시키도록 상기 밸브 시트의 하류에 노즐 통로를 더 구비할 수 있다.
상기 노즐 통로는 외측방향으로 나팔 형상을 이룰 수 있다.
상기 노즐 통로와 상기 밸브 시트는 일체로 형성될 수 있다.
상기 바디는 내부 챔버를 더 구비할 수 있고, 상기 유체 통로는 상기 입구와 상기 내부 챔버 사이의 제1 유체 통로와, 상기 내부 챔버와 상기 출구 사이의 제2 유체 통로를 구비한다.
상기 압력 레귤레이터는 상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버에 들어가는 유체의 경로에서 상기 내부 챔버 내에 배치되는 열 실드를 더 구비할 수 있다.
상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체로부터 상기 바디 내로의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되될 수 있다.
상기 열 실드는 상기 통로를 통해 상기 제1 흐름 통로부터 상기 제2 흐름 통로로 흐르는 유체를 터닝시키는 통로를 형성하는 내부면을 가질 수 있다.
상기 내부면은 상기 제2 흐름 통로로의 유체를 직각으로 지향시키도록 서로 수직하는 제1 및 제2 세그먼트를 구비할 수 있다.
상기 열 실드의 내부면은 유체의 매끄러운 터닝을 위해 만곡될 수 있다.
상기 밸브 시트는 상기 바디에 고정되는 노즐 리테이너 내에 지지되며, 상기 노즐 리테이너에 대해 이동가능할 수 있다.
상기 밸브 시트는 시일에 의해 상기 노즐 리테이너에 밀봉될 수 있다.
상기 노즐 리테이너는 상기 바디에 나사산식으로 연결되며, 시일에 의해 상기 바디에 밀봉될 수 있다.
상기 밸브 시트는 탄성 부재에 의해 바이어스될 수 있다.
상기 밸브 시트는 상기 탄성 부재의 일단부를 위한 시트로서 기능하는 외측 숄더를 갖고, 상기 노즐 리테이너는 상기 탄성 부재의 타단부를 위한 시트로서 기능하는 내측 숄더를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 압축 천연가스 시스템 내의 압력을 조절하기 위한 압력 레귤레이터가 제공된다. 상기 압력 레귤레이터는, 입구, 출구, 내부 챔버, 상기 입구와 상기 내부 챔버 사이의 제1 유체 통로, 및 상기 내부 챔버와 상기 출구 사이의 제2 유체 통로를 갖는 바디; 상기 바디에 대한 운동을 위해 상기 바디 내에 지지되는 밸브 시트로서, 상기 밸브의 위치를 상기 바디에 대해 플로팅하게 하는 밸브 시트; 상기 밸브 시트에 대해 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동가능한 포핏; 및 상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버에 들어가는 유체의 경로에서 상기 내부 챔버 내에 배치되는 열 실드를 구비한다.
상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조될 수 있다.
상기 밸브 시트는 제1 방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스되며, 상기 제1 흐름 통로를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 제2 방향으로 상측방향으로 이동가능할 수 있다.
상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 하류에서 노즐 통로를 통해 흐르는 유체의 압력 강하를 감소시키도록 입구 압력을 증가시킴으로써 상기 제2 방향으로 이동가능할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 전술한 특징과 다른 특징을 더욱 상세하게 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 압력 레귤레이터의 사시도,
도 2는 압력 레귤레이터의 또 다른 사시도,
도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 압력 레귤레이터의 단면도,
도 4는 도 3의 4-4에 대한 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 예시적인 압력 레귤레이터의 개방 위치에서의 단면도,
도 6은 도 5의 압력 레귤레이터의 폐쇄 위치에서 도시된 세부적인 단면도.
본 발명의 원리는 압축 천연가스 동력식 차량을 위한 압력 레귤레이터에 대해 특정한 적용을 가지므로, 본 명세서에서 주로 기술될 것이다. 물론, 본 발명의 원리는 압력을 조절하고자하는 다른 적용에 적용가능함이 이해될 것이다.
도면, 우선 도 1-3을 참조하면, 압력 레귤레이터는 참조부호 "10"으로 도시된다. 압력 레귤레이터(10)는 입구 포트(14), 출구 포트(16), 릴리프 포트(18), 밸브 포트(20), 피스톤 포트(22) 및 입구와 출구 열교환기 포트(미도시)를 갖는 바디(12)를 구비한다. 입구 포트(14)는, 나사산식 연결과 같은 임의의 적절한 방식으로 입구 포트(14)에 결합되며, o-링(32)과 같은 임의의 적절한 방식에 의해 입구 포트(14)에 밀봉되는 입구 피팅(30)을 수용한다. 입구 피팅(30)에는, 유체 도관(미도시)에 결합되도록 구성된 압축 피팅(34)이 결합되고, 입구 피팅(30)과 압축 피팅(34) 사이에는 페룰(36)이 제공될 수 있다. 입구 포트(14)와 마찬가지로, 출구 포트(16)는 나사산식 연결과 같은 임의의 적절한 방식으로 출구 포트(16)에 결합되며, o-링(42)과 같은 임의의 적절한 방식에 의해 출구 포트(16)에 밀봉되는 출구 피팅(40)을 수용한다. 출구 피팅(40)에는, 유체 도관(미도시)에 결합되도록 구성된 압축 피팅(44)이 결합되고, 출구 피팅(40)과 압축 피팅(44) 사이에는 페룰(46)이 제공될 수 있다.
릴리프 포트(18)는 릴리프 밸브(50)를 수용하며, 상기 릴리프 밸브(50)는 탄성 부재(54)에 의해 릴리프 밸브(50)의 내측 숄더에 대해 바이어스되며, o-링(56)과 같은 임의의 적절한 방식으로 숄더에 밀봉되는 포핏(52)을 구비할 수 있다. 포핏(52)과 탄성 부재(54)는, 예컨대 나사산식 연결에 의해 릴리프 밸브 내에 고정되는 가이드(58)와 같은 임의의 적절한 방식에 의해 릴리프 밸브(50) 내에 유지될 수 있다. 밸브 포트(20)는 압력 레귤레이터(10)를 통해 흐름 흐름을 허용/방지하도록 와이어(62)를 갖는 솔레노이드 밸브(60)와 같은 적절한 제어 밸브를 수용할 수 있다. 일 실시예에서, 솔레노이드 밸브(60)는 적절한 플러그에 의해 대체될 수 있다. 입구와 출구 열교환기 포트 각각은 적절한 피팅(70, 72)을 각각 수용하며, 이는 엔진 냉매로부터의 열을 유도하도록 바디(12) 내의 통로(74)와 같은 바디(12)를 통해 엔진 냉매를 순환시키는 각각의 유체 도관(미도시)에 결합된다. 엔진 냉매가 바디(12)를 가열하는데 도움을 주지만, 엔진 냉매는 엔진이 사전결정된 온도에 도달할 때까지 일반적으로 흐르지 않고, 냉매의 순환은 압력 레귤레이터(10)의 탄성중합체 요소의 고장을 방지할 수 없다.
피스톤 포트(22)는 나사산식 연결에 의해 바디에 고정되며 o-링(84)과 같은 임의의 적절한 방식에 의해 바디(12)에 밀봉되는 캡(82)과 같은 임의의 적절한 방식으로 바디(12)에 보유될 수 있는 적절한 피스톤 조립체(80)를 수용한다. 피스톤 조립체(80)는 o-링(92, 94)과 같은 임의의 적절한 방식으로 바디에 밀봉되는 피스톤(90)을 구비한다. 피스톤(90)은 제1 및 제2 스프링(96, 98)과 같은 하나 이상의 탄성 부재에 의해 제1 하측방향으로 바이어스되며, 제1 방향에 반대하는 제2 상측방향으로 이동가능하다. 제1 스프링(96)은 피스톤(90)과 캡(82) 상에 안착되고, 제2 스프링(98)은 피스톤(90)과 스프링 버튼(100) 상에 안착된다. 스프링 버튼(100)은 나사산식 연결과 같은 임의의 적절한 방식으로 바디(12)에 고정되는 스템(102)에 의해 소정 위치에 보유된다. 스템(102)은 스프링(94)의 부하를 조절하도록 바디(12)에 대해 이동가능하며, 로크 너트(104)와 같은 임의의 적절한 방식으로 조절될 수 있다. 자동차 적용에서, 스프링의 부하는 일반적으로 사전설정된다.
도 3을 다시 참조하면, 바디(12)는 또한, 피스톤(90)의 측부, 제1 유체 통로(112), 제2 유체 통로(114) 및 릴리프 밸브(50)와 연통하는 내부 챔버를 구비한다. 제1 유체 통로(112)는 입구 포트(14)로부터 내부 챔버(110)로 연장되고, 제2 유체 통로(114)는 내부 챔버(110)로부터 출구 포트(16)로 연장된다. 압축 천연가스와 같은 유체는 입구 피팅(30)을 통해 제1 유체 통로(112)로, 내부 챔버(110) 내로, 내부 챔버(110)를 통해 제2 유체 통로(114)로, 제2 유체 통로(114)를 통해 출구 피팅(40)으로, 그런 다음 엔진으로 흐른다.
도 4를 참조하면, 압력 레귤레이터는 내부 챔버(110)의 상류에서 제1 유체 통로(112)를 둘러싸는 밸브 시트(120), 밸브 시트에 대해 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동가능한 포핏(122), 및 내부 챔버(110) 내에 배치된 열 실드(124)를 추가로 구비한다. 열 실드(124)는 포핏을 제1 및 제2 방향으로 축방향으로 안내하도록 포핏(122)을 둘러싼다. 열 실드는, 열 실드가 제1 방향으로 이동하는 것을 방지하도록 내부 챔버(110)의 일부를 형성하는 바디(12)의 내벽에 인접하는 하부를 갖고, 열 실드가 제2 방향으로 이동하는 것을 방지하도록 바디(12) 내의 그루브(128) 내에는 스프링 장전식 리테이너 링과 같은 리테이너(126)가 보유된다.
열 실드(124)는 밸브 시트(120)를 통해 내부 챔버(110)에 들어오는 유체의 경로에서 내부 챔버(110) 내에 배치된다. 열 실드는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 재료로 제조되며, 이는 바디(12)로부터 내부 챔버(110) 내로 흐르는 유체로의 열전달을 감소시키도록 바디(12)의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는다. 또한, 열 실드(124)는 피스톤(90)으로부터 내부 챔버(110) 내로 흐르는 유체로의 열전달을 감소시키도록 피스톤(90)보다 더 낮은 열전도율을 갖는다. 열 실드(124)는 낮은 열전도율을 갖고 압축 천연가스와 같은 유체에 내성을 갖는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
유체와 바디(12) 및/또는 피스톤(90) 사이의 열전달을 감소시킴으로써, 구성요소, 특히 각종 구성요소를 밀봉하는 o-링의 온도가 증가된다. 압력 레귤레이터(10)를 통해 흐르는 유체의 온도가 열전달을 감소시킴으로써, 예컨대 약 70℉에서 -70℉로 강하할 수 있지만, 열 실드(124)는 탄성중합체 시일의 고장을 방지한다. 따라서, 유체와 바디(12) 및/또는 피스톤(90) 사이의 감소된 열전달로 인해, 유체의 밀도가 증가된다. 밀도를 증가시키면 압력 레귤레이터(10)의 흐름 용량을 개선시킴으로써, 더 낮은 입구 압력에서 더 높은 유량을 허용하고, 차량의 이동 용량을 증가시킨다.
열전달을 감소시키는데 조력하기 위해, 열 실드(124)는 제1 유체 통로(112)로부터 제2 유체 통로(114)로 유체를 신속하게 지향시키도록 유체의 매끄러운 터닝을 위해 만곡된 내부면(130)을 갖는다. 또한, 만곡된 내부면(130)은 유체의 속도를 유지하도록 열 실드(124)에 대한 유체 충격을 감소시킨다. 내부면(130)은 제1 유체 통로(112)로부터 제2 유체 통로(114)로 연장되는 통로(132)의 벽의 적어도 일부를 형성한다. 벽은 제2 흐름 통로(114)로의 유체를 직각으로 지향시키도록, 즉 제2 방향에 수직하는 제1 흐름 통로(112)로부터 제2 흐름 통로(114) 내로 제2 상측방향으로 흐르는 유체를 지향시키도록 서로 수직인 제1 및 제2 세그먼트(124, 126)를 구비한다. 또한, 열 실드(124)는 과도한 압력이 압력 레귤레이터(10)로부터 나오게 하도록 통로(132)로부터 릴리프 밸브(50)로의 통로(138)를 구비한다.
또한, 압력 레귤레이터(10)는 밸브 시트(120)를 통과하는 유체를 스로틀된 내부 챔버(110) 내로 지향시키도록 밸브 시트(120)의 하류에 노즐 통로(140)를 구비한다. 노즐 통로(140)는, 노즐 통로(140)를 통해 내부 챔버(110) 내로 흐름에 따라 팽창하고, 노즐 통로(140)로부터 만곡된 내부면(130)으로 매끄러운 전이부를 형성하기 위해 유체를 위한 만곡된 내부면(130)과 실질적으로 결합하도록 외측방향으로 나팔 형상을 이룰 수 있다. 노즐 통로(140)와 밸브 시트(120)는 바디(12)에 의해 형성될 수 있거나, 또는 도시한 바와 같이 노즐(142)에 의해 형성될 수 있다.
노즐(142)은 나사산식 연결과 같은 임의의 적절한 방식으로 제1 흐름 통로(112) 내에서 바디(12)에 결합되고, o-링(144)과 같은 임의의 적절한 방식으로 바디(12)에 밀봉될 수 있다. 노즐(142)은 포핏 가이드(148), 탄성 부재(150), 및 제1 흐름 통로(112)를 통해 흐르는 유체를 필터링하기 위한 적절한 필터(예컨대, 소결 필터)를 수용하는 밸브 시트(120) 상류에 있는 캐비티(146)를 구비한다. 포핏 가이드(148)는 상하 이동을 위한 평탄한 나선형 탄성 요소인 한편, 포핏(122)의 위치를 복귀시키도록 측방향 운동을 조력할 수 있다. 포핏 가이드(148)는 필터(152)와 노즐(142)의 내측 숄더 사이에 트랩되며, 포핏(122)에 인접하는 일측부와, 탄성 부재(150)의 일반부를 안착하는 타단부를 갖는다. 탄성 부재(150)의 타단부는 필터(152) 상에 안착된다. 필터(152) 및 그에 따른 포핏 가이드(148)와 탄성 부재(150)는 스프링 장전식 리테이너 링과 같은 적절한 리테이너(154)에 의해 캐비티(146) 내에 보유된다. 포핏(122)이 피스톤(90)에 의해 개방 위치에서 바이어스되면, 탄성 부재(150)는 압축되고, 포핏(122)이 제1 흐름 통로(112)로부터의 유체 압력에 의해 밸브 시트(120)에 대해 폐쇄 위치로 이동되면, 탄성 부재(150)는 포핏(122)을 안착한다.
압력 레귤레이터(10)의 작동 동안에, 레귤레이터(10)를 통해 유체가 흐르지 않으면, 포핏(122)은 개방 위치로 바이어스될 것이다. 유체가 압력 레귤레이터(10) 내로 지향되면, 예컨대 솔레노이드(60)가 개방되면, 유체는 제1 흐름 통로(112)를 통해 내부 챔버(110) 내로 흐르고, 피스톤(90) 아래에 압력이 형성된다. 압력이 형성됨에 따라, 포핏(122)은 폐쇄 위치로 이동된다. 하류의 밸브가 개방되어 유체가 압력 레귤레이터(10)에서 나오면, 유체는 제2 흐름 통로(114)를 통해 출구 포트(16) 외부로 흐르고, 피스톤 아래의 압력이 강하하여 포핏(122)이 개방 위치를 향해 이동하게 한다. 노즐 통로(140)를 통해 내부 챔버(110) 내로 흐르는 유체는 열 실드(124)의 만곡된 내부면(130)을 따라 흘러서, 바디(12)와 유체 사이의 열전달을 감소시키도록 슬리브(160) 내로 열 실드(124)에서 나온다. 그 다음, 유체는 슬리브(160)를 통해 출구 피팅(40)을 통해 압력 레귤레이터(10) 외부로 흐른다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 압력 레귤레이터의 예시적인 실시예가 참조부호 "210"로 도시된다. 압력 레귤레이터(210)는 상술한 압력 레귤레이터(10)와 실질적으로 동일하므로, 동일하지만 200으로 나타낸 참조부호가 압력 레귤레이터 내의 유사한 구조에 대응하는 구조를 지칭하는데 이용된다. 더욱이, 압력 레귤레이터(10)의 전술한 설명은 하기를 제외하고는 압력 레귤레이터(10)에 동일하게 적용가능하다.
압력 레귤레이터(210)는 입구 포트(214), 출구 포트(216), 릴리프 포트(218), 밸브 포트(220), 피스톤 포트(222), 및 입구와 출구 열교환기 포트(미도시)를 구비한다. 피스톤 포트는 제1 및 제2 스프링(296, 298)과 같은 하나 이상의 탄성 부재에 의해 제1 하측방향으로 바이어스되고, 제1 방향과는 반대인 제2 상측방향으로 이동가능한 피스톤(290)을 수용한다. 또한, 바디(212)는 피스톤(290)의 측부, 제1 유체 통로(312) 및 제2 유체 통로(314)와 연통하는 내부 챔버(310)를 구비한다.
압력 레귤레이터(210)는 내부 챔버(310)의 상류에서 제1 유체 통로(312)를 둘러싸는 밸브 시트(320), 밸브 시트(320)에 대해 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동가능한 포핏(322), 및 내부 챔버(310) 내에 배치된 열 실드(324)를 추가로 구비한다. 열 실드(324)는 밸브 시트(320)를 통해 내부 챔버(310)에 들어오는 유체의 경로에서 내부 챔버(310) 내에 배치된다. 열 실드(324)는 PTFE과 같은 적절한 재료로 제조되며, 이는 내부 챔버(310) 내로 흐르는 유체로부터 바디(212) 및/또는 피스톤(290)으로의 열전달을 감소시키도록 바디(212) 및/또는 피스톤(290)의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는다. 또한, 열 실드(324)는 제1 흐름 통로(312)로부터 제2 흐름 통로(314)로 유체를 신속하게 지향시키도록 유체의 매끄러운 터닝을 위해 만곡된 내부면(330)과, 과도한 압력이 압력 레귤레이터(210)에서 나오게 하도록 릴리프 밸브로의 통로(338)를 갖는다.
또한, 압력 레귤레이터(210)는 밸브 시트(320)를 통과하는 유체를 스로틀된 내부 챔버(310) 내로 지향시키도록 밸브 시트(320)의 하류에 노즐 통로(340)를 구비한다. 노즐 통로(340)는, 노즐 통로(340)를 통해 내부 챔버(310) 내로 흐름에 따라 팽창하고, 노즐 통로(340)로부터 만곡된 내부면(330)으로 매끄러운 전이부를 형성하기 위해 유체를 위한 만곡된 내부면(330)과 실질적으로 결합하도록 외측방향으로 나팔 형상을 이룰 수 있다. 노즐 통로(340)와 밸브 시트(320)는 바디(212) 내의 플로팅 시트(370)에 의해 형성될 수 있으며, 이는 시트(370)의 위치가 바디(212)에 대해 플로팅하게 하도록 바디(212)에 대한 운동을 위해 바디(212) 내에 지지된다. 시트(370)는 제1 방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스되고, 제1 흐름 통로(312)를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 제2 방향으로 상측방향으로 이동가능하다. 시트(370)는 웨이브 스프링(372)과 같은 탄성 부재에 의해 하측방향으로 탄성 바이어스되고, o-링(374)과 같은 적절한 시일에 의해 노즐 리테이너(342) 내에 지지되어 밀봉된다. 플로팅 시트(370)는 탄성 부재(372)의 일단부를 위한 시트로서 기능하는 외측 숄더를 갖고, 노즐 리테이너(342)는 탄성 부재(372)의 타단부를 위한 시트로서 기능하는 내측 숄더를 갖는다.
노즐 리테이너(342)는 나사산식 연결과 같은 임의의 적절한 방식으로 제1 흐름 통로(312) 내에서 바디(212)에 결합되고, o-링(344)과 같은 임의의 적절한 방식으로 바디(212)에 밀봉된다. 노즐 리테이너(342)는 플로팅 시트(370)가 지지되고, 포핏 가이드(348), 탄성 부재(350) 및 적절한 필터(352)를 수용하는 캐비티(346)를 구비한다.
입구 압력이 없거나 또는 낮을 때, 탄성 부재(372)는 플로팅 시트(370)를 하측방향으로 바이어스한다. 입구 유체 압력이 증가함에 따라, 시트(370)에 작용하는 힘이 증가하고, 시트(370)는 밸브 시트(320)의 하류에서 노즐 통로(340)를 통해 흐르는 유체의 압력 강하를 감소시키고, 피스톤(290)의 운동을 제2 방향으로 영향을 주도록 제2 방향으로 이동된다. 이로써, 플로팅 시트(370)는 높은 입구 압력에서의 출구 압력이 낮은 입구 압력 및 높은 흐름에서의 출구 압력과 유사해지게 하여 압력 제어 엔벨로프(pressure control envelope)를 감소시킴으로써, 압력 레귤레이터의 사이즈, 중량 및 비용을 감소시키고, 보다 큰 포핏이 이용되게 한다. 압력 레귤레이터(210)는 최대의 레귤레이터 출구 압력에서 차량 시동 문제점을 제거 또는 감소시키고, 최소의 출구 압력에서 증가된 마력이 전달되게 한다.
저압의 높은 흐름 유체가 노즐 통로(340)에서 나와 열 실드(324) 내로 흐름에 따라, 열 실드(324)를 둘러싸는 가스 분자는 유체의 높은 흐름 스트림에서 비말 동반함으로써, 열 실드(324) 둘레에 더욱 낮은 압력 영역을 초래할 것이다. 열 실드는 가스를 비말 동반하는 소용돌이를 형성하지 않고서 유체가 그 속도를 유지하도록 내부 프로파일을 갖는다. 이러한 벤츄리 효과는 피스톤(290) 아래에 저압 영역을 형성함으로써 압력 레귤레이터(210)의 흐름 곡선을 개선하도록 피스톤이 더욱 높은 유량으로 하측방향으로 이동할 것이다. 이에 따라, 특정한 입구 압력에서의 압력 강하에 대한 개선이 압력 레귤레이터의 사이즈를 증대시키지 않고서 성취될 수 있다.
본 발명이 소정의 실시예(들)에 대해 도시 및 기술되었지만, 본 명세서 및 도면으로부터 당업자에게 동등한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 명백하다. 특히, 상술된 요소(구성요소, 조립체, 장치, 조성 등)에 의해 수행되는 각종 기능에 관해, 이와 같은 요소를 기술하는데 이용되는 ("수단"을 포함하는) 용어는 달리 지시되지 않으면, 본 발명의 예시적인 실시예(들)에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동등하지 않더라도 개시된 요소의 특정 기능(즉, 기능적으로 동등)을 수행하는 임의의 요소에 대응하도록 의도된다. 더욱이, 본 발명의 특정한 특징이 몇 가지 기술된 실시예들 중 하나 이상에 대해서만 상술될 수 있지만, 이러한 특징은 임의의 소정 또는 특정 적용을 위해 바람직하고 유익할 수 있음에 따라 다른 실시예의 하나 이상의 다른 특징과 조합될 수 있다.

Claims (40)

  1. 압력 레귤레이터(pressure regulator)에 있어서,
    입구, 출구, 내부 챔버, 상기 입구와 상기 내부 챔버 사이의 제1 유체 통로, 및 상기 내부 챔버와 상기 출구 사이의 제2 유체 통로를 갖는 바디;
    상기 내부 챔버의 상류에서 상기 제1 유체 통로를 둘러싸는 밸브 시트;
    상기 밸브 시트에 대해 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동가능한 포핏(poppet); 및
    상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버에 들어가는 유체의 경로에서 상기 내부 챔버 내에 배치되는 열 실드(thermal shield)로서, 상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되는, 상기 열 실드
    를 포함하는,
    압력 레귤레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개방 위치에서 상기 포핏을 바이어스하는 피스톤을 더 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피스톤은 하나 이상의 탄성 부재에 의해 상기 밸브 시트를 향해 제1 축방향으로 바이어스되고, 상기 피스톤에 작용하는 유체에 의해 상기 제1 축방향에 반대하는 제2 축방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 피스톤은 하나 이상의 시일에 의해 상기 밸브 바디에 밀봉되는,
    압력 레귤레이터.
  5. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체로부터 상기 피스톤으로의 열전달을 감소시키도록 상기 피스톤보다 더 낮은 열전도율을 갖는,
    압력 레귤레이터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 실드는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조되는,
    압력 레귤레이터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 실드는 상기 포핏을 축방향으로 안내하도록 상기 포핏을 둘러싸는,
    압력 레귤레이터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버 내로 통하는 유체를 지향시키도록 상기 밸브 시트의 하류에 노즐 통로(nozzle passageway)를 더 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 노즐 통로는 외측방향으로 나팔 형상을 이루는,
    압력 레귤레이터.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 노즐 통로와 상기 밸브 시트는 일체로 형성되는,
    압력 레귤레이터.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디는 릴리프 밸브를 수용하도록 상기 내부 챔버와 유체 연통하는 릴리프 포트를 더 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 실드는 상기 제1 흐름 통로로부터 상기 제2 흐름 통로로 연장되는 통로의 벽의 적어도 일부를 형성하는 내부면을 갖는,
    압력 레귤레이터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 벽은 상기 제2 흐름 통로로의 유체를 직각으로 지향시키도록 서로 수직하는 제1 및 제2 세그먼트를 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 열 실드의 내부면은 유체의 매끄러운 터닝을 위해 만곡되는,
    압력 레귤레이터.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 위치를 상기 바디에 대해 플로팅하게 하기 위해 상기 바디에 대해 운동하도록 상기 바디 내에 지지되는,
    압력 레귤레이터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 상기 제1 축방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스되며, 상기 제1 흐름 통로를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 상기 제2 축방향으로 상측방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 입구 압력을 증가시킴으로써 상기 제2 축방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  18. 압력 레귤레이터(pressure regulator)에 있어서,
    입구, 출구, 및 상기 입구와 상기 출구 사이에서 연장되는 흐름 통로를 갖는 바디;
    상기 바디에 대한 운동을 위해 상기 바디 내에 지지되는 밸브 시트로서, 상기 밸브 시트의 위치를 상기 바디에 대해 플로팅하게 하고, 제1 방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스하며, 상기 흐름 통로를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 제2 방향으로 상측방향으로 이동가능한, 상기 밸브 시트; 및
    상기 밸브 시트에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 상기 제2 방향으로 이동가능한 포핏
    을 포함하는,
    압력 레귤레이터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 하류에서 노즐 통로를 통해 흐르는 유체의 압력 강하를 감소시키도록 입구 압력을 증가시킴으로써 상기 제2 방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 제1 위치에서 상기 포핏을 바이어스하는 피스톤을 더 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 피스톤은 하나 이상의 탄성 부재에 의해 상기 제1 방향으로 바이어스되고, 상기 피스톤에 작용하는 유체에 의해 상기 제2 방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 밸브 시트의 상기 제2 방향으로의 운동은 상기 피스톤의 상기 제2 방향으로의 운동에 영향을 주는,
    압력 레귤레이터.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버 내로 통하는 유체를 지향시키도록 상기 밸브 시트의 하류에 노즐 통로를 더 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 노즐 통로는 외측방향으로 나팔 형상을 이루는,
    압력 레귤레이터.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 노즐 통로와 상기 밸브 시트는 일체로 형성되는,
    압력 레귤레이터.
  26. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디는 내부 챔버를 더 구비하고,
    상기 유체 통로는 상기 입구와 상기 내부 챔버 사이의 제1 유체 통로와, 상기 내부 챔버와 상기 출구 사이의 제2 유체 통로를 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버에 들어가는 유체의 경로에서 상기 내부 챔버 내에 배치되는 열 실드를 더 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체로부터 상기 바디 내로의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되는,
    압력 레귤레이터.
  29. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 실드는 상기 통로를 통해 상기 제1 흐름 통로부터 상기 제2 흐름 통로로 흐르는 유체를 터닝시키는 통로를 형성하는 내부면을 갖는,
    압력 레귤레이터.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 내부면은 상기 제2 흐름 통로로의 유체를 직각으로 지향시키도록 서로 수직하는 제1 및 제2 세그먼트를 구비하는,
    압력 레귤레이터.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 열 실드의 내부면은 유체의 매끄러운 터닝을 위해 만곡되는,
    압력 레귤레이터.
  32. 제18항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 상기 바디에 고정되는 노즐 리테이너 내에 지지되며, 상기 노즐 리테이너에 대해 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 시일에 의해 상기 노즐 리테이너에 밀봉되는,
    압력 레귤레이터.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 노즐 리테이너는 상기 바디에 나사산식으로 연결되며, 시일에 의해 상기 바디에 밀봉되는,
    압력 레귤레이터.
  35. 제18항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 탄성 부재에 의해 바이어스되는,
    압력 레귤레이터.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 상기 탄성 부재의 일단부를 위한 시트로서 기능하는 외측 숄더를 갖고, 상기 노즐 리테이너는 상기 탄성 부재의 타단부를 위한 시트로서 기능하는 내측 숄더를 갖는,
    압력 레귤레이터.
  37. 압축 천연가스 시스템 내의 압력을 조절하기 위한 압력 레귤레이터에 있어서,
    입구, 출구, 내부 챔버, 상기 입구와 상기 내부 챔버 사이의 제1 유체 통로, 및 상기 내부 챔버와 상기 출구 사이의 제2 유체 통로를 갖는 바디;
    상기 바디에 대한 운동을 위해 상기 바디 내에 지지되는 밸브 시트로서, 상기 밸브의 위치를 상기 바디에 대해 플로팅하게 하는 밸브 시트;
    상기 밸브 시트에 대해 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동가능한 포핏; 및
    상기 밸브 시트를 통해 상기 내부 챔버에 들어가는 유체의 경로에서 상기 내부 챔버 내에 배치되는 열 실드
    를 포함하는,
    압력 레귤레이터.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 열 실드는 상기 내부 챔버 내로 흐르는 유체와 상기 바디 사이의 열전달을 감소시키도록 상기 바디의 재료보다 더 낮은 열전도율을 갖는 재료로 제조되는,
    압력 레귤레이터.
  39. 제37항 또는 제38항에 있어서,
    상기 밸브 시트는 제1 방향으로 하측방향으로 탄성 바이어스되며, 상기 제1 흐름 통로를 통해 흐르는 유체의 입구 압력의 함수로서 제2 방향으로 상측방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 밸브 시트는, 상기 밸브 시트의 하류에서 노즐 통로를 통해 흐르는 유체의 압력 강하를 감소시키도록 입구 압력을 증가시킴으로써 상기 제2 방향으로 이동가능한,
    압력 레귤레이터.
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