KR100811857B1 - 완충형 로터리 밸브 - Google Patents

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KR100811857B1
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pressure
valve head
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KR1020060115281A
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정상권
정제헌
황규완
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 완충형 로터리 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축기로부터 입력되는 고압과 저압의 유체를 냉동기로 공급하기 위한 로터리 밸브에 완충기를 추가 설치함으로써, 불필요하게 소모되는 공급 유량을 완화시켜 냉동 시스템의 효율을 높이는 특징이 있다.
이에 따라, 본 발명은 압축기와 연결된 로터리 밸브에 있어서, 외부에 형성된 압축기의 공급과 복귀 포트에 각각 연결되도록 외부면에 고압포트 및 저압포트가 형성되고, 하단부에는 외부에 형성된 냉동기와 연결되도록 맥동압력포트가 다수개 형성된 압력용기와; 상기 압력용기의 내부에 형성된 구동모터에 연결되어 상기 구동모터에 의해 회전하는 밸브헤드와; 상기 밸브헤드의 하단부에 형성되어 상기 밸브헤드의 회전에 의해 고압과 저압을 번갈아서 냉동기에 전달하는 밸브시트와; 상기 밸브시트의 외주면에 형성되어 번갈아서 냉동기에 공급되는 고압과 저압 사이에 완충압력을 공급하는 완충기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
완충기, 로터리밸브, 밸브헤드. 밸브시트, 냉동기, 압축기

Description

완충형 로터리 밸브{Buffered rotary valve}
도 1은 종래에서 일반적인 로터리 밸브의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2는 종래에서 로터리 밸브의 밸브시트를 나타낸 사시도이고,
도 3은 종래에서 로터리 밸브의 밸브헤드를 나타낸 사시도이고,
도 4는 종래에서 로터리 밸브를 이용해서 구성한 냉동 시스템을 나타낸 구성도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 완충형 로터리 밸브를 나타낸 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브시트를 나타낸 사시도이고,
도 7은 도 6의 밸브시트를 나타낸 부분 사시도이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브헤드를 나타낸 사시도이고,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 완충형 로터리 밸브를 이용하여 구성한 냉동 시스템을 나타낸 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 완충형 로터리 밸브 110 : 압력용기
120 : 밸브시트 130 : 밸브헤드
131 : 상부밸브헤드 132 : 하부밸브헤드
140 : 압축기 150 : 냉동기
160 : 완충기
본 발명은 완충형 로터리 밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축기로부터 입력되는 고압과 저압의 유체를 냉동기로 공급하기 위한 로터리 밸브에 완충기를 추가 설치함으로써, 불필요하게 소모되는 공급 유량을 완화시켜 냉동 시스템의 효율을 높이는 완충형 로터리 밸브에 관한 것이다.
일반적으로 로터리 밸브는 압축기에서 발생되는 고압과 저압의 가스를 주기적으로 번갈아 가면서 냉동기에 공급하는 역할을 수행하도록 구성된 장치로, GM(Gifford-MacMahon) 냉동기 또는 GM형 맥동관(Pulse tube) 냉동기와 같은 재생식(regenerative) 극저온 냉동기의 구성 요소로 사용된다.
도 1은 종래에서 일반적인 로터리 밸브의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 종래에서 로터리 밸브의 밸브시트를 나타낸 사시도이고, 도 3은 종래에서 로터리 밸브의 밸브 헤드를 나타낸 사시도이고, 도 4는 종래에서 로터리 밸브를 이용해서 구성한 냉동 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1은 일반적인 로터리 밸브의 작동 구조를 도시한 그림이다. 일반적으로 로터리 밸브는 도 1과 같이 밸브 헤드(1), 밸브 시트(2), 구동 모터(3) 및 압력 용기(4)의 네 가지 구성 요소로 이루어진다. 압력 용기에는 고압 포트(4a), 저압 포트(4b) 및 맥동 압력 포트(4c)의 세 가지 외부 포트가 나 있다. 고압 포트(4a)와 저압 포트(4b)는 압축기의 공급과 복귀 포트에 각각 연결되며 맥동 압력 포트(4c)는 냉동기에 연결된다.
상기 압력 용기(4)의 내부 구조상 고압 포트(4a)는 압력 용기 내부 구동 모터(3)가 위치한 빈공간으로 이어져 고압으로 채워지게 되고, 저압 포트(4b)는 밸브 시트(2)에 나 있는 저압 통로(5)로 이어져 상기 저압 통로(5)를 저압으로 채운다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 밸브 시트(2)는 저압 통로(5)와 맥동 압력 포트로 연결되는 출력 통로(6)가 뚫려 있고, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 밸브 헤드(1)는 고압 홈(7)과 저압 홈(8)이 형성되어 있으며 모터 축 끼우개(9)가 있어 구동 모터(3)와 연결될 수 있는 구조로 되어 있다.
여기서, 상기 밸브 헤드(1)는 모터 축 끼우개(9)에 의해 구동 모터(3)와 연결되고 구동 모터(3)에 의해 밸브 시트(2) 위를 회전하면서 밸브 시트(2)에 나 있는 출력 통로(6)로 고압과 저압을 교대로 공급하게 된다. 이 과정을 좀 더 자세히 살펴보면 밸브 헤드(1)의 고압 홈(7)이 압력 용기(4) 내부의 고압에 노출될 때는 출력 통로(6)를 통해 고압을 공급시키다가 모터에 의해 90˚ 회전한 후에는 밸브 헤드(1)의 고압 홈(7)은 밸브 시트(2)에 막히고 밸브 헤드의 저압 홈(8)이 밸브 시트(2)의 저압 통로(5)와 밸브 시트(2)의 출력 통로(6)를 연결시켜 저압을 냉동기로 공급하게 된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 도 4의 (가)와 같이 압축기(10)에 연결된 로터리 밸브(11)에서 냉동기로 공급되는 압력과 유량은 도 4의 (나)에서와 같이 관찰되는데, 압력이 순간적으로 변하는 과정에서 큰 유량이 로터리 밸브(11)와 냉동기 사이에 발생하며, 이 순간적인 유량 펄스는 냉동기 내에서 냉동에 기여하지 못한다. 따라서 열역학적 관점에서 압축기가 공급해주는 가스의 질량을, 냉동기에서 모두 냉동에 사용하지 못하게 되므로, 전체 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
압축기로부터 입력되는 고압과 저압의 유체를 냉동기로 공급하기 위한 로터리 밸브에 완충기를 추가 설치함으로써, 불필요하게 소모되는 공급 유량을 완화시켜 냉동 시스템의 효율을 높이는데 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 압축기와 연결된 로터리 밸브에 있어서, 외부에 형성된 압축기의 공급과 복귀 포트에 각각 연결되도록 외부면에 고압포트 및 저압포트가 형성되고, 하단부에는 외부에 형성된 냉동기와 연결되도록 맥동압력포트가 다수개 형성된 압력용기와; 상기 압력용기의 내부에 형성된 구동모터에 연결되어 상기 구동모터에 의해 회전하는 밸브헤드와; 상기 밸브헤드의 하단부에 형성되어 상기 밸브헤드의 회전에 의해 고압과 저압을 번갈아서 냉동기에 전달하는 밸브시트와; 상기 밸브시트의 외주면에 형성되어 번갈아서 냉동기에 공급되는 고압과 저압 사이에 완충압력을 공급하는 완충기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 밸브헤드는 구동모터의 축에 연결되어 회전하도록 형성된 상부밸브헤드와, 상기 상부밸브헤드의 하부와 밸브시트의 상부면에 설치되는 하부밸브헤드로 구성되고, 상기 상부밸브헤드는 상부면 중앙부에 구동모터의 축이 내측으로 삽입되도록 홈이 형성된 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부를 중심으로 대칭되게 원형의 상부 고압홀이 다수개 형성되며, 상기 하부밸브헤드는 상부밸브헤드에 형성된 다수개의 상부 고압홀과 동일한 위치에 하부 고압홀이 다수개 형성되고, 상기 상부 고압홀과 하부 고압홀 사이에 막대형의 저압홈이 형성되며, 상기 저압홈의 끝단부와 하부 고압홀 사이에 다수개의 완충홈이 형성된다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 더불어 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 완충형 로터리 밸브를 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 완충형 로터리 밸브(100)는 외관으로 형성된 압력용기(110)와, 상기 압력용기(110)의 내부에 형성된 구동모터(115)에 의해 회전하는 밸브헤드(130)와, 상기 밸브헤드(130)의 하단부에 형성되는 밸브시트(120)와, 상기 밸브시트(120)의 외주면에 연결되는 형성된 완충기(160)로 구성된 다.
상기 압력용기(110)는 외부에 형성된 압축기(140)의 공급과 복귀 포트에 각각 연결되도록 외부면에 고압포트(111) 및 저압포트(112)가 형성되고, 하단부에는 외부에 형성된 냉동기(150)와 연결되도록 맥동압포트(113)가 다수개 형성된다.
여기서, 상기 압력용기(110)는 원통형으로 형성되어 외주면 일단부에 완충기(160)와 연결되도록 완충포트(114)가 더 형성되며, 내부 상부에 구동모터(115)가 형성되고, 상기 완충기(160)는 압축기(140)에서 발생하는 고압과 저압 외에 완충압력을 공급하여 압력을 원활히 공급하는 역할을 수행한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브시트를 나타낸 사시도이고, 도 7은 도 6의 밸브시트를 나타낸 부분 사시도이다.
도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 밸브시트(120)는 압력용기(110)의 내부 하단부에 형성되고, 상부에 밸브헤드(130)가 형성되어 상기 밸브헤드(130)의 회전에 의해 고압과 저압 및 완충압력을 번갈아가면서 냉동기(150)에 공급하며, 상기 압력용기(110)에 맞춰 원통형으로 형성된다.
여기서, 상기 밸브시트(120)에는 압력용기(110)의 외주면에 형성된 저압포트(112)의 위치에 맞춰서 저압통로(121)가 밸브시트(120)의 외주면 일단부에서부터 상부면 중앙부까지 관통 형성되고, 상기 압력용기(110)의 하단부에 형성된 맥동압포트(113)의 위치에 맞춰서 출력통로(122)가 밸브시트(120)의 하부면에서부터 상부면까지 관통되어 다수개로 형성되며, 상기 압력용기(110)의 외주면에 형성된 완충 포트(114)의 위치에 맞춰서 완충통로(123)가 밸브시트(120)의 외주면 일단부에서부터 상부면 일단부까지 관통되어 다수개로 형성된다.
그렇듯이, 상기 밸브시트(120)의 상부면에는 중앙부에 저압통로(121)가 형성되고, 상기 저압통로(121)를 중심하여 양방향으로 대칭되게 출력통로(122)가 형성되고, 상기 저압통로(121)를 중심하여 양방향으로 출력통로(122)에서 일정간격 이격되어 완충통로(123)가 형성된다.
그리고, 상기 저압통로(121)는 밸브시트(120)의 외주면에서 상부면으로 과통되도록 단면이 "ㄴ" 형태인 직각을 이루거나 꺾어진 부위의 캐비테이션(cavitation) 현상을 방지하기 위해 곡면으로 이루어지며, 상기 출력통로(122)는 단면상 "｜" 형태를 취하며, 상기 완충통로(123)는 저압통로(121)와 마찬가지로 단면이 "ㄴ" 형태인 직각을 이루거나 꺾어진 부위의 캐비테이션(cavitation) 현상을 방지하기 위해 곡면으로 이루어진다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브헤드를 나타낸 사시도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상기 밸브헤드(130)는 구동모터(115)의 축에 연결되어 회전하도록 형성된 상부밸브헤드(131)와, 상기 상부밸브헤드(131)의 하부와 밸브시트(120)의 상부면에 설치되는 하부밸브헤드(132)로 구성된다.
도 8의 (a)를 참고하여, 상기 상부밸브헤드(131)는 상부면 중앙부에 구동모터(115)의 축이 내측으로 삽입되도록 홈이 형성된 돌출부(133)가 형성되고, 상기 돌출부(133)를 중심으로 대칭되게 원형의 상부 고압홀(134)이 다수개 형성된다.
도 8의 (b)를 참고하면, 상기 하부밸브헤드(132)는 상부밸브헤드(131)에 형성된 다수개의 상부 고압홀(134)과 동일한 위치에 하부 고압홀(137)이 다수개 형성되고, 상기 상부 고압홀(134)과 하부 고압홀(137) 사이에 막대형의 저압홈(135)이 형성되며, 상기 저압홈(135)의 끝단부와 하부 고압홀(137) 사이에 다수개의 완충홈(136)이 형성된다.
여기서, 상기 완충홈(136)은 막대형의 저압홈(135) 양끝단부를 중심하여 원주방향으로 45°각도에 다수개 형성되고, 상기 다수개의 완충홈(136)은 저압홈(135)을 중심으로 방사상 상호 대칭되게 막대형으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 완충홈(136)은 고압과 저압을 냉동기(150) 쪽으로 교대로 공급하는 사이에 출력통로(122)와 완충통로(123)를 연결시켜 완충기(160)의 내부를 적절한 완충압력으로 충전함과 동시에 완충압력을 냉동기(150)로 공급하는 역할을 수행하도록 한다.
상기에서 기술한 밸브시트와 밸브헤드의 작동에 의한 작용을 설명하도록 하겠다.
상기 압력용기(110)의 고압포트(111)를 통해 투입된 고압은 상기 상,하부밸브헤드(131,132)에 형성된 상,하부 고압홀(134,137)을 통해 냉동기로 이송되는데, 이때, 상기 상,하부 고압홀(134,137)은 밸브시트(120)의 출력통로(122)의 위치와 동일하게 형성되어 구동모터(115)에 의해 밸브헤드(130)가 회전하면서 상,하부 고압홀(134,137)이 출력통로(122)에 겹쳐져 고압이 냉동기(150)에 이송된다.
그리고, 상기 압력용기(110)의 저압포트(112)를 통해 밸브시트(120)의 저압 통로(121)를 관통하여 이송된 저압은 상기 하부밸브헤드(132)에 막대형 형성된 저압홈(135)을 통해 냉동기(150)로 이송되는데, 이때, 상기 저압홈(135)은 양끝단부가 밸브시트(120)의 출력통로(122)의 위치와 통일하게 형성되어 구동모터(115)에 의해 밸브헤드(130)가 회전하면서 저압홈(135)이 출력통로(122)와 저압통로(121)에 겹쳐지고, 상기 출력통로(122)와 저압통로(121)가 저압홈(135)에 의해 관통됨으로써 저압이 출력통로(122)를 통해 냉동기(150)에 전달된다.
또한, 상기 압력용기(110)의 완충포트(114)를 통해 밸브시트(120)의 완충통로(123)를 관통하여 이송된 완충압은 하부밸브헤드(132)의 중심에서 방사상 막대형으로 형성된 완충홈(136)을 통해 냉동기로 이송되는데, 이때, 상기 완충홈(136)은 밸브헤드(130)의 완충통로(123)와 출력통로(122)에 동시에 겹쳐지고, 상기 완충통로(123)와 출력통로(122)가 완충홈(136)에 의해 관통됨으로써, 완충압이 출력통로(122)를 통해 냉동기(150)에 전달된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 완충형 로터리 밸브를 이용하여 구성한 냉동 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 9의 (a)를 참고하여, 상기 완충형 로터리 밸브(100)를 이용해서 구성한 냉동 시스템에서는 압축기(140)로부터 공급되는 고압과 저압 이외에도 완충기(160)로부터 공급되는 완충압을 완충형 로터리 밸브(100)를 통해 냉동기(150)로 공급하게 된다. 상기 완충형 로터리 밸브(100)를 통해 냉동기(150)로 공급되는 압력과 유량은 도 9의 (b)와 같이 묘사된다.
도 4의 (b)에서 볼 수 있는 일반 로터리 밸브의 작동 특성과는 달리, 고압과 저압이 공급되는 중간 과정에 완충기(160)로부터 완충 압력을 공급함으로써, 압력이 변하는 순간 공급되는 유량의 일부를 완충기(160)에서 제공하도록 한다. 부차적으로 완충형 로터리 밸브(100)를 이용한 시스템에서는 갑자기 많은 유량이 한꺼번에 흐르는 것이 아니라, 작은 유량을 두 번에 나누어 보내기 때문에 유체의 흐름 중에 발생하는 압력 손실도 줄일 수 있어 냉동 시스템의 성능을 더욱 향상시키는데 기여한다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 완충형 로터리 밸브는 압축기로부터 입력되는 고압과 저압의 유체를 냉동기로 공급하기 위한 로터리 밸브에 완충기를 추가 설치함으로써, 불필요하게 소모되는 공급 유량을 완화시켜 냉동 시스템의 효율을 높이는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 압축기와 연결된 로터리 밸브에 있어서,
    외부에 형성된 압축기(140)의 공급과 복귀 포트에 각각 연결되도록 외부면에 고압포트(111) 및 저압포트(112)가 형성되고, 하단부에는 외부에 형성된 냉동기(150)와 연결되도록 맥동압포트(113)가 다수개 형성된 압력용기(110)와;
    상기 압력용기(110)의 내부에 형성된 구동모터(115)에 연결되어 상기 구동모터(115)에 의해 회전하는 밸브헤드(130)와;
    상기 밸브헤드(130)의 하단부에 형성되어 상기 밸브헤드(130)의 회전에 의해 고압과 저압을 번갈아서 냉동기(150)에 전달하는 밸브시트(120)와;
    상기 밸브시트(120)의 외주면에 형성되어 번갈아서 냉동기(150)에 공급되는 고압과 저압 사이에 완충압력을 공급하는 완충기(160);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브헤드(130)는 구동모터(115)의 축에 연결되어 회전하도록 형성된 상부밸브헤드(131)와, 상기 상부밸브헤드(131)의 하부에 일체형으로 형성되어 상기 밸브시트(120)의 상부면에 접촉되는 하부밸브헤드(132)로 구성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 상부밸브헤드(131)는 구동모터(115)에 의해 회전하도록 상부면 중앙부에 구동모터(115)의 축이 내측으로 삽입되도록 홈이 형성된 돌출부(133)가 형성되고, 상기 돌출부(133)를 중심으로 대칭되게 원형의 상부 고압홀(134)이 다수개 형성된 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 하부밸브헤드(132)는 상부밸브헤드(131)의 하부에 일체형으로 형성되어 회전하고, 상기 상부밸브헤드(131)의 상부 고압홀(134)과 동일한 위치에 하부 고압홀(137)이 다수개 형성되고, 상기 상부 고압홀(134)과 하부 고압홀(137) 사이에 막대형의 저압홈(135)이 하부면에 형성되며, 상기 저압홈(135)의 끝단부와 하부 고압홀(137) 사이에 다수개의 완충홈(136)이 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 완충홈(136)은 막대형의 저압홈(135) 양끝단부를 중심하여 원주방향으로 45°각도에 다수개 형성되고, 상기 다수개의 완충홈(136)은 저압홈(135)을 중심 으로 방사상 상호 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 압력용기(110)는 원통형으로 형성되어 외주면 일단부에 완충기(160)와 연결되도록 완충포트(114)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브시트(120)는 압력용기(110)의 내부 하단부에 형성되도록 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  8. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 밸브시트(120)에는 압력용기(110)의 외주면에 형성된 저압포트(112)의 위치에 맞춰서 형성된 저압통로(121)가 밸브시트(120)의 외주면 일단부에서부터 상부면 중앙부까지 관통 형성되고, 상기 압력용기(110)의 하단부에 형성된 맥동압포트(113)의 위치에 맞춰서 형성된 출력통로(122)가 밸브시트(120)의 하부면에서부터 상부면까지 관통되어 다수개로 형성되며, 상기 압력용기(110)의 외주면에 형성된 완충포트(114)의 위치에 맞춰서 형성된 완충통로(123)가 밸브시트(120)의 외주면 일단부에서부터 상부면 일단부까지 관통되어 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 밸브시트(120)의 상부면에는 중앙부에 저압통로(121)가 형성되고, 상기 저압통로(121)를 중심하여 양방향으로 대칭되게 출력통로(122)가 형성되고, 상기 저압통로(121)를 중심하여 양방향으로 출력통로(122)에서 일정간격 이격되어 완충통로(123)가 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 상,하부밸브헤드(131,132)에 형성된 상,하부 고압홀(134,137)은 밸브시트(120)의 출력통로(122)의 위치와 동일하게 형성되어 구동모터(115)에 의해 밸브헤드(130)가 회전하면서 밸브시트(120)에 형성된 출력통로(122)와 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 하부밸브헤드(132)에 형성된 저압홈(135)은 막대형으로 형성되어 양끝단부가 밸브시트(120)의 출력통로(122)의 위치와 통일하게 형성되고, 상기 구동모터(115)에 의해 밸브헤드(130)가 회전하면서 저압홈(135)이 출력통로(122)와 저압통로(121)에 겹쳐져 상기 출력통로(122)와 저압통로(121)가 관통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 하부밸브헤드(132)에 형성된 완충홈(136)은 하부밸브헤드(132)의 중심에서 방사상으로 막대형으로 형성되어 구동모터(115)에 의해 밸브헤드(130)가 회전하면서 완충홈(136)에 의해 상기 밸브헤드(130)의 완충통로(123)와 출력통로(122)에 겹쳐져 상기 완충통로(123)와 출력통로(122)가 관통되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 완충형 로터리 밸브.
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