KR20180121881A - 유체용 다이오드 체크 밸브 - Google Patents

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키이스 햄프턴
데이비드 이. 플레처
브라이언 엠. 그레이첸
제임스 에이치. 밀러
매튜 시. 길머
앤드류 디. 니이더트
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데이코 아이피 홀딩스 엘엘시
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Abstract

입구 및 출구를 한정하는 하우징과, 입구와 출구 사이에 눈물방울 모양의 거울상 파티션들에 의해 형성된 분할된 유체 통로를 갖는 유체 다이오드가 개시되며, 거울상 파티션들은 일정한 폭의 제1 유체 경로에 의해 서로로부터 제1 거리 이격되고 하우징의 내벽으로부터 제2 거리 이격되어 일정한 폭의 제2 유체 경로를 형성하고, 출구 쪽으로 향해진 팁을 가진다. 입구로부터 출구로의 유동은 제1 유체 경로를 통과하고, 제2 유체 경로를 통과하는 약간의 추가적인 유동이 출구 근처에서 제1 유체 경로와 결합하여 동일한 방향으로 함께 유동하며, 출구로부터 입구까지 제2 유체 경로를 통과한 유동은 입구 근처에서 제2 유체 경로를 나가서 제1 유체 경로의 유동과 실질적으로 반대인 방향으로 제1 유체 경로 내로 유동한다.

Description

유체용 다이오드 체크 밸브
관련 출원
본 출원은 2016년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/303,076호의 이익을 주장하며, 이 문헌은 본 명세서에서 그 전체가 참고로 포함된다.
기술 분야
본 출원은 체크 밸브로서 동작하는 유체 다이오드에 관한 것이며, 보다 상세하게는 출구(outlet)로부터 입구(inlet)를 향해 유체 흐름을 유도하는 압력차가 입구와 출구를 가로 질러 부과될 때 유동 제한이 크고 압력차가 역전될 때 유동 제한이 작은 유체 다이오드에 관한 것이다.
한 방향으로는 유동을 제한하는 반면 반대 방향으로는 유체의 용이한 유동을 허용하는 수단이 필요한 많은 상황이 있다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 체크 밸브를 사용하는 것이다. 체크 밸브는 일반적으로 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 구성 요소(예컨대, 밀봉 부재)를 유체 유동 경로에 포함하며, 상기 밀봉 부재는 폐쇄 위치에서는 한 방향으로의 유동을 차단하고 개방 위치에서는 그것을 통한 유동을 허용한다.
이들 전통적인 스타일의 체크 밸브와 관련된 비용, 복잡성 및 기타 문제없이 이런 방식으로 유동을 제어할 수 있는 수단이 필요하다.
여기서는, 종래 스타일의 체크 밸브를 대체하는, 즉 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 움직일 수 있는 밀봉 부재가 없는, 유체 다이오드가 개시된다. 대신에, 유체 다이오드를 통과하는 내부 경로의 모양 및 구성은 그것을 통과하는 유체 유동 자체만을 사용하여 체크 밸브로서 작동한다. 모든 양태에서, 본 발명의 유체 다이오드는 입구 및 출구를 형성하는 하우징과, 상기 입구와 상기 출구 사이에 대략 눈물방울 모양의 거울상 파티션들(mirror image partitions)에 의해 형성된 분할된 유체 통로를 구비하고, 상기 거울상 파티션들은 일정한 폭의 제1 유체 경로에 의해 서로로부터 제1 거리만큼 이격되고 하우징의 내벽으로부터 제2 거리만큼 이격되어 일정한 폭의 제2 유체 경로를 형성하고, 상기 거울상 파티션들은 대체로 출구로 향해진 팁(tip)을 가진다. 입구에서 출구로의 유체 유동은 제1 유체 경로를 통과하고, 제2 유체 경로를 통과하는 약간의 추가 유동이 출구 근처에서 제1 유체 경로와 결합하여 동일한 방향으로 함께 유동하며, 제2 유체 경로를 통과하는 출구로부터 입구로의 유동은 입구 근처에서 제2 유체 경로를 나가서 제1 유체 경로의 유동과 실질적으로 반대인 방향으로 제1 유체 경로 내로 유입된다.
모든 양태에서, 상기 거울상 파티션들 각각은 약 4mm 내지 약 6mm의 길이를 갖는 2개의 직선 측면을 가지며, 상기 직선 측면들은 약 1 내지 약 2의 반경을 갖는 제1 아치형 측면에 의해 연결된다.
상기 거울상 파티션들 각각의 상기 팁은 약 0 내지 약 0.1의 반경을 갖는 제2 아치형 측면을 포함한다.
모든 양태에서, 상기 출구는 상기 입구보다 치수적으로 더 크고, 상기 입구의 치수에 대한 상기 출구의 치수는 약 4:1 내지 약 2:1의 비율을 가지며, 상기 입구의 폭은 상기 일정한 폭의 제1 유체 경로의 폭과 실질적으로 동일하다.
본 명세서에 개시된 유체 다이오드는 엔진 내부, 더 구체적으로는 엔진의 서브유닛, 예를 들면 연료 증기 퍼지 시스템, 더 구체적으로는 연료 증기 퍼지 방출기 내부, 또는 엔진의 흡기 매니폴드 내부, 또는 더욱 구체적으로는 엔진 체적 효율을 증가시키기 위해, 또는 주기적 유동을 갖는 임의의 시스템 또는 서브시스템 내의 유체 유동을 작동 가능하게 제어한다. 엔진 시스템 내 유체 다이오드는 본 명세서에 기재된 임의의 또는 모든 특징을 가질 수 있다.
청구된 주제는 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 각 도면에 대한 간단한 설명이 아래에 제공된다. 각 도면에서 동일한 참조 번호를 갖는 요소는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 유체 다이오드의 일 실시 예의 사시도이다.
도 2는 도 1의 유체 다이오드의 종방향 단면(coronal plane)을 따른 단면도로서, 제1 유체 경로와 정렬된 횡방향 평면(midsagittal plane)을 가로지른다.
도 3은 입구로부터 출구로의 유체 유동의 흐름도이다.
도 4는 출구로부터 입구로의 유체 유동의 흐름도이다.
도 5는 상이한 차압 강하가 유체 다이오드에 걸쳐 발생할 때의 유체 다이오드의 체크 밸브의 성능 그래프이다.
도 6은 유체 다이오드에 걸쳐 압력 강하를 증가시키면 입구로의 유동의 비율이 증가하여 출구 측으로 유동시키는 것을 나타내는 그래프이다.
이하의 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 예시할 것이며, 그 예들은 첨부된 도면에 추가로 도시된다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
또한, 도 1 및 도 2는 이동하는 밀봉 부재 없이 체크 밸브로서 기능을 하는 유체 다이오드를 도시하는데, 이것은 유체 유동 자체를 효과적으로 사용함으로써 바람직하지 않은 방향(B)(출구(18)에서 입구(16)로)의 유동을 정지시키거나 또는 현저히 감소시키는 반면, 원하는 방향(A)(입구(16)에서 출구(18)로)의 유동을 허용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 다이오드(10)는 횡방향 평면(M) 및 종방향 평면(C)을 갖는다. 횡방향 평면(M)은 제1 유체 경로(22)의 중심 종축과 정렬되고, 종방향 평면(C)은 횡방향 평면(M)을 가로지른다. 유체 다이오드(10)는 하우징(12)을 가지며, 이 하우징의 입구(16) 및 출구(18)는 하우징 내에 형성된 분할된 유체 통로(20)에 의해 그 사이의 유체 소통을 위해 연결되어 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 분할된 유체 통로(20)는 거울상 파티션들(mirror image partions)에 의해 형성되고, 파티션들 각각은 일정 폭의 제1 유체 경로(22)에 의해 서로 이격된 거리에 배치되고 하우징의 내벽(28)으로부터 이격된 거리에 배치되며, 또한, 상기 하우징은 일정 폭의 제2 유체 경로(24)를 각 파티션(14)과 하우징의 내벽(28) 사이에 형성한다. 각각의 거울상 파티션들(14)은 대체로 눈물방울 모양의 종방향 평면 단면을 가지며, 그 팁(30)은 대체로 출구(18)를 향하고 있다. 파티션들(14)은 각각 팁(30)으로부터 연장되는 2개의 대체로 직선인 측면(32)을 가지며, 측면들은 각각 약 4 mm 내지 약 6 mm의 길이를 가지고, 약 1 내지 약 2의 반경을 갖는 제1 아치형 측면(34)에 의해 서로 연결된다. 각 파티션의 팁(30)은 약 0 내지 약 0.1의 반경을 갖는 제2 아치형 측면일 수 있다.
예시적인 목적으로, 이하의 수치 및 범위는 연료 증기 퍼지(purge) 시스템의 일부로서의 유체 다이오드에 대한 것이고, 연료 증기 퍼지 시스템 내의 유체 흐름을 작동 가능하게 제어하기 위한 것이다. 입구(16)와 출구(18)는 상이한 치수를 가지며, 바람직하게는도 2에 도시된 바와 같이 출구가 입구보다 치수가 더 크다. 입구의 치수와 비교하여 출구의 치수는 통상적으로 약 4:1 내지 약 1.5:1의 비율 내로 선택된다. 입구에서 출구까지의 유체 장치에 걸친 압력 강하가 약 2 kPa 내지 약 10 kPa의 범위에 있을 때, 입구의 치수에 대한 출구의 치수의 비율은 약 1.8:1 내지 약 3.4:1이고, 더욱 바람직하게는 약 1.9:1 내지 약 2.5:1이며, 더욱 더 바람직하게는 약 2:1 내지 약 2.2:1이다. 하나의 예에서, 상기 비율을 결정하기 위해 사용되는 치수는 입구의 폭(WI) 및 출구의 폭(WO)이거나, 또는 입구에 의해 한정된 면적과 출구에 의해 한정된 면적일 수 있다.
또 다른 양태에서, 입구(16)의 폭(WI)은 일정 폭의 제1 유체 경로(22)의 폭(W1)과 실질적으로 동일하고, 또한, 도 4의 화살표(W2, W1)로 지시된 바와 같이, 제1 유체 경로(22)의 폭(W1)은 제2 유체 경로(24)의 폭(W2)과 실질적으로 동일하다. 폭과 관련하여 본 명세서에서 사용된 실질적으로 동일하다는 것은, 폭이 서로의 1% 내지 3% 이내인 것을 의미한다. 또 다른 양태에서, 입구(16)의 폭(WI)은 일정 폭의 제1 유체 경로(22)의 폭(W1) 미만이다. 폭과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 미만이라는 것은 폭(WI)이 폭(W1)의 약 70 % 내지 약 90 %인 것을 의미한다. 입구로부터 출구로의 유체 장치에 걸친 압력 강하가 약 2 kPa 내지 약 10 kPa 범위인 경우, 폭(WI) 대비 폭(W1)의 비는 약 1:2.4 내지 약 1:1.5, 더욱 바람직하게는 약 1:1.9 내지 약 1:1.5, 및 더욱 더 바람직하게는 약 1:1.75 내지 약 1:6이다.
도 5을 참조하면, 체크 밸브 성능을 입증하기 위해, 상이한 델타(delta) 압력에 대해서 유체 다이오드의 출구 영역 대비 입구 영역의 비율에 대한 출구(B 방향)로의 유동 대비 입구로의 유동(A 방향)의 비율이 도시된다. 2 kPa, 4 kPa, 6 kPa, 8 kPa 및 10 kPa의 각 압력 강하에 대해, 출구 면적 대비 입구 면적의 피크 비율이 약 48 %에서 나타난다. 즉, 입구의 면적 치수는 출구의 면적 치수의 48% 크기이어야 한다. 예를 들어, 출구가 직사각형(2mm × 5mm)이고 면적이 10 mm2인 경우, 입구의 면적은 바람직하게는 4.8 mm2이다.
도 6은 다이오드에 걸친 압력 강하를 증가시키면 출구로의 유동 대비 입구로의 유동의 비율이 증가하는 나타내는 그래프이다. 작동 시에, 유체 다이오드(10)는 원하지 않는 방향으로의 유동을 유도하는 압력차가 부과될 때 유동이 발생하려고 하는 바람직하지 않은 방향(B)에서 높은 유동 제한을 가진다. 높은 유동 제한이란 용어는 유동 B(도 4) 대비 유동 A(도 3)의 비로 정량화될 수 있는데, 여기서 A/B의 비율이 2보다 클 경우 높은 유동 제한이 존재한다. 유체 다이오드(10)의 구조(construction)가 출구 내에 유동하는 유체가 제1 유체 경로(22)뿐만 아니라 제2 유체 경로(24)를 통해 동일한 방향으로 흐르게 함으로써 이러한 효과를 제공하지만, 제2 유체 경로(24)를 통한 유동은 입구(16) 근처에서 제1 유체 경로(22) 내로 나가지만 제1 유체 경로 내의 유동과 실질적으로 반대의 유동 방향으로 향하게 된다. 상기 높은 유동 제한은 도 4의 흐름도에 예시되어 있다.
유체 다이오드(10)는 입구(16) 및 출구(18)에 대해 부과된 적절한 압력차에 기초하여 원하는 방향(A)에서 낮은 유동 제한을 갖는다(즉, 높은 유동 통과가 발생한다). 낮은 유동 제한은 도 3에 도시된 흐름도에 예시되어 있다. 도 3 및 도 4의 비교에서, 화살표의 길이는 유체 다이오드(10)를 통과하는 유체의 유속에 비례한다. 유체 다이오드(10)의 구조(construction)는 입구(16)에서 유입되는 유체가 유동에 대한 저항이 없는 상태로 제1 유체 경로(22)를 통해 직접 출구(18) 쪽으로 흐르게 하여 원하는 방향(A)에 대한 낮은 유동 제한을 제공하며; 또한, 제2 유체 경로(24)를 통한 약간의 추가 유동은 출구(18) 근처에서 제1 유체 경로(22)와 결합하여 동일한 방향으로 함께 유동한다.
전술한 치수 및 수치는 연료 증기 퍼지 방출 시스템에 대한 것이지만, 비슷한 크기(폭 및/또는 면적) 비율을 갖는 다른 기하학적 구조(즉 더 크거나 작은 기하학적 구조)라도 유동을 점검하는데 여전히 효과적일 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 형상의 대형 유체 다이오드는 엔진 체적 효율을 증가시키기 위해 엔진 매니폴드 내, 즉 흡기 또는 배기 매니폴드의 어느 하나 또는 양쪽에 장착되거나, 엔진의 크랭크케이스 환기 시스템 내, 예를 들면 미국 특허출원 제14/015,456호에 개시된 위치들에 장착될 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 유체 다이오드는 주기적인 흐름을 갖는 임의의 시스템 또는 서브시스템에 부가될 수 있는데, 예를 들어, 기계식 과급기, 자동차 통기 장치(positive crankcase ventilation)용 공기 펌프 또는 공기 압축기, 캐니스터 퍼지, 공압식 브레이크 등이다.
도면에 도시되고 전술한 본 발명의 실시 예들은 첨부된 청구항의 범위 내에서 이루어질 수 있는 수많은 실시 예의 예시이다. 개시된 접근법을 이용하면 유체 다이오드의 다수의 다른 구성이 생성될 수 있다는 것이 고려된다. 간단히 말해서, 본 명세서로부터 도출되는 특허의 범위는 첨부된 특허 청구항들의 범위에 의해서만 제한된다는 것이 출원인의 의도이다.

Claims (16)

  1. 유체 다이오드로서,
    입구 및 출구와 내부에 형성된 분할된 유체 통로를 가지는 하우징을 포함하고,
    상기 분할된 유체 통로는 거울상 파피션들에 의해 형성되며, 상기 거울상 파티션들은 일정한 폭의 제1 유체 경로에 의해 서로로부터 제1 이격된 거리에 위치되고, 각 파티션과 내벽 사이에 일정한 폭의 제2 유체 경로를 형성하는 상기 하우징의 상기 내벽으로부터 제2 이격된 거리에 위치되며;
    상기 거울상 파티션들 각각은 종방향 평면 단면(coronal plane cross-section)에서 보았을 때 대체로 눈물방울 모양이고, 대체로 상기 출구 쪽으로 향해진 팁을 가지며;
    상기 입구로부터 상기 출구로의 유동은 상기 제1 유체 경로를 통과하고, 상기 제2 유체 경로를 통과하는 약간의 추가적인 유동이 상기 출구 근처에서 제1 유체 경로와 결합하여 동일한 방향으로 함께 유동하며;
    상기 출구로부터 상기 입구까지 제2 유체 경로를 통과한 유동은 상기 입구 근처에서 제2 유체 경로를 나가서 상기 제1 유체 경로의 유동과 실질적으로 반대인 방향으로 제1 유체 경로 내로 유동하는, 유체 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 거울상 파티션들 각각은 약 4mm 내지 약 6mm의 길이를 갖는 2개의 직선 측면들을 가지며,
    상기 직선 측면들은 약 1 내지 약 2의 반경을 갖는 제1 아치형 측면에 의해 연결되는, 유체 다이오드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 거울상 파티션들 각각의 상기 팁은 약 0 내지 약 0.1의 반경을 갖는 제2 아치형 측면을 포함하는, 유체 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구는 상기 입구보다 치수적으로 더 큰, 유체 다이오드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입구의 치수에 대한 상기 출구의 치수는 약 4:1 내지 약 2:1의 비율을 갖는, 유체 다이오드.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 입구의 폭은 상기 일정한 폭의 제1 유체 경로의 폭과 실질적으로 동일한, 유체 다이오드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 입구의 치수에 대한 상기 출구의 치수는 약 4:1 내지 약 2:1의 비율을 갖는, 유체 다이오드.
  8. 제 1 항에 따른 유체 다이오드를 포함하는, 엔진 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 거울상 파티션들 각각은 약 4mm 내지 약 6mm의 길이를 갖는 2개의 직선 측면을 가지며,
    상기 직선 측면들은 약 1 내지 약 2의 반경을 갖는 제1 아치형 측면에 의해 연결된, 엔진 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 거울상 파티션들 각각의 상기 팁은 약 0 내지 약 0.1의 반경을 갖는 제2 아치형 측면을 포함하는, 엔진 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 출구는 상기 입구보다 치수적으로 더 큰, 엔진 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체 다이오드는 연료 증기 퍼지 시스템 내 유체 흐름을 작동 가능하게 제어하는, 엔진 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 입구의 치수에 대한 상기 출구의 치수는 약 4:1 내지 약 2:1의 비율을 갖는, 엔진 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 입구의 폭은 상기 일정한 폭의 제1 유체 경로의 폭과 실질적으로 동일한, 엔진 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 입구의 치수에 대한 상기 출구의 치수는 약 4:1 내지 약 2:1의 비율을 갖는, 엔진 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체 다이오드는 엔진 매니폴드, 크랭크케이스 환기 시스템, 과급기, 자동차 통기 장치(positive crankcase ventilation)용 공기 펌프 또는 공기 압축기, 캐니스터 퍼지 시스템, 또는 공압식 브레이크 시스템의 유체 유동을 작동 가능하게 제어하는, 엔진 시스템.
KR1020187022316A 2016-03-03 2017-03-03 유체용 다이오드 체크 밸브 KR102258253B1 (ko)

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