KR20000035549A - 회전 밸브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 및 제 2 유입/배출 유로 및 하나 이상(바람직하게는 6 내지 8 개)의 유동 포트를 갖춘 회전 밸브로 구성된다. 밸브는 선택된 유동 포트에 제 1 및 제 2 유로를 동시에 상호 연결시키는 다수의 위치를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 밸브는 하우징을 가지며, 그리고 유동 포트가 하우징의 외측벽 상에 배치된다. 밸브는 다수의 위치 사이에서 움직이도록 종축선을 중심으로 회전 가능한 내부 회전 플러그, 및 유로를 유동 포트에 연결시키기 위한 개구부를 더 포함한다. 플러그는 서로에 대해 독립적으로 움직일 수 있거나 그렇지 않은 두 개의 챔버로 밸브 내에서 분할된다. 밸브는 하우징과 플러그 사이에 가동 시일을 더 포함하며, 플러그는 자유롭게 움직일 수 있도록 회수될 수 있다.
Description
본 발명은 공업 프로세스에 사용하기 위한 밸브에 관한 것이며, 특히 다중 유입 및 배출 포트를 갖춘 밸브, 더 상세하게는 세 개 이상의 포트를 갖춘 회전 밸브에 관한 것이다.
다수의 공업 프로세스에는 유동 스트림의 순환을 위한 밸브가 사용된다. 그러한 프로세스는 건조, 흡착, 기체 스위트닝(gas sweetening) 및 발연 소각(fume incineration)을 포함한다. 이들 프로세스는 기체 흐름을 적절한 시간에 적절한 용기로 향하게 하는데 필요한 다수의 밸브는 물론, 펌프, 송풍기 및/또는 압축기와 같은 어떤 유형의 유체 이동 설비를 일반적으로 사용한다.
순환 프로세스에 적절한 밸브를 선택하는 것은 여러 가지 기준에 따라 좌우된다. 이러한 기준에는 유동, 작동 및 밀봉 특성, 포트의 구성, 물리적 크기, 에너지 입력(예를 들면, 전기식, 유압식 또는 공압식), 및 비용이 포함된다. 그러한 프로세스는 통상적으로 비교적 낮은 압력(예를 들면, 1 psia 내지 100 psia 범위)을 이용하기 때문에, 유동의 체적이 커진다. 따라서, 이러한 상황에서는 0.05 psia 내지 2 psia의 낮은 압력 강하를 수반하는 것이 필요하다.
밸브의 작동 특성에는 0.25초 내지 2초의 급속한 개폐 시간이 포함된다. 밀봉 특성에는 완전 폐쇄 위치에 있는 동안의 누출을 방지하기 위한 시일의 종류, 결합면, 및 밸브의 개폐에 필요한 동력이 포함된다. 포트의 구성에 있어서는, 대다수의 밸브가 단일 유체를 사용하기 때문에 유체의 유입을 위한 하나의 포트와 유체의 유출을 위한 하나의 포트를 갖는다.
다수의 밸브를 필요로하는 속성 때문에, 이러한 유형의 밸브의 집합이 순환 프로세스를 제어하기 위해 사용되어 왔다. 따라서, 이들 밸브를 상호 연결시키는 것이 필요하기 때문에 광범위하게 상호 연결되는 배관이 요구된다. 이중-밸브를 사용하여 낮은 압력 강하를 유지하기 위하여, 밸브의 크기가 상대적으로 커야하기 때문에(예를 들면, 10인치(25.4cm) 이상의 직경을 가짐), 개방/폐쇄 시간이 상대적으로 느려지고 비용이 증가된다.
"Kice"의 미국특허 제 3,489,178호에는 회전축에 수직으로 유입구 및 배출구 방향을 갖는 밸브의 발명이 개시되어 있다. 이 발명에서는 밸브의 외경의 넓은 부분을 이용하지 않기 때문에, 밸브의 크기 및 비용이 증가된다.
"Tucker"의 미국특허 제 2,312,941호에는 다양한 압력을 갖는 포트를 밀봉시키기 위하여 매우 작은 간극을 갖는 밸브가 개시되어 있다. 이 밸브는 추가의 비용이 소요되는 특대 크기의 밸브 동체를 필요로 한다. 더욱이, 박막의 드럼에 관련되는 관성은 밸브 응답시간을 증가시키기 때문에 결국, 과도한 작동 비용이 들게 된다.
따라서, 당업계에서는 주기적인 서비스를 위한 모든 기준을 만족시킬 수 있는 개량된 밸브가 요구된다.
본 발명의 목적은 순환 프로세스에 유용한 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저압 분야에 사용되는 경우에도 비교적 낮은 압력 강하를 갖는 밸브를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 순환 프로세스에 필요한 배관의 양을 최소화시키기 위하여 다중 포트를 갖는 밸브를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회전 밸브의 개략도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 다중 포트 밸브의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 회전 밸브에 사용되는 밸브 시일의 개략도.
도 4는 본 발명의 실시에 유용한 밸브 시일 액츄에이터의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 3포트 회전 밸브의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 회전 밸브 2 : 밸브 케이스 또는 밸브 동체
3a, 3b : 유입 포트 4 : 플러그 또는 드럼
4a, 4b : 챔버 5 : 베어링
6 : 스트럿 7 : 샤프트
8 : 배관 엘보우 9 : 서보 모터
10 : 기어 박스 12a, 12b : 개구부
13a, 13b : 개구부 14, 15, 17 : 시일
19 : 노즐 20 : 시일 프레임
21 : 시일 22 : 실린더 액츄에이터
23 : 외측 유도부 24 : 내측 유도부
30 : 배관 플랜지 32 : 밸브 시일
본 발명은 하나 이상(바람직하게는 6 내지 8)의 유동 포트와 제 1 및 제 2 유입/배출 유로를 갖춘 회전 밸브로 구성된다. 이러한 밸브는 제 1 및 제 2 유로를 선택된 유동 포트에 동시 상호 연결시키는 다수의 위치를 갖는다. 따라서, 밸브는 제 1 위치에서 제 1 또는 제 2 유로와 제 1 유동 포트를 연결시킬 수 있으며, 제 2 위치에서 제 1 또는 제 2 유로와 제 2 유동 포트를 연결시킬 수 있다. 쉽게 알 수 있듯이, 유로를 유동 포트에 연결시키는데 다수의 위치가 가능하며, 이 위치의 개수는 유로의 수에 따라 증가한다.
바람직한 실시예에서, 밸브는 하우징을 가지며, 유동 포트는 이 하우징의 외측벽 상에 배치된다. 밸브는 위치들의 사이를 이동할 수 있도록 종축선을 중심으로 회전 가능한 내부 회전 플러그를 더 포함할 수 있으며, 이 플러그는 유로를 유동 포트에 연결시키는 개구부 또는 통로를 포함한다.
플러그는 밸브 내부에서 두 개의 챔버로 분할될 수 있으며, 이중 한 챔버는 제 1 밸브 부분에 상응하고 다른 챔버는 제 2 밸브 부분에 상응한다. 각각의 챔버는 서로에 대해 독립적으로 움직일 수거나, 또는 서로 연결되어 함께 움직일 수도 있다.
또한, 밸브는 하우징과 내부 플러그 부재 사이에 가동 시일을 더 포함할 수 있으며, 이 시일은 위치들 사이에서 플러그가 자유롭게 움직일 수 있도록 후퇴될 수 있다.
본 발명의 기타 목적, 특징 및 이점들은 첨부된 도면 및 하기의 바람직한 실시예에 대한 설명으로부터 명백하여질 것이다.
본 발명은 주기적 서비스에서의 작동에 알맞은 밸브를 제공하는 것이다. 본 발명의 밸브는 낮은 압력 강하(저압 서비스(예를 들면, 30 psia)에서 사용되는 경우에 0.5 psia 이하, 바람직하게는 0.2 psia 이하의 배출 포트(C 내지 J: 후술됨)의 출구로 유입 포트(3a 또는 3b: 후술됨)의 입구로부터 측정됨)를 갖는다. 밸브는 자체 몸체 부분들을 과도하게 제한하지 않고서도 500 cfm 만큼 작거나 100,000 cfm 만큼 큰 유동을 위해 설계될 수도 있다. 더욱이, 본 발명의 밸브가 다중 포트를 갖기 때문에, 시스템 내의 상호 연결 배관의 양이 최소화된다. 포트의 수는 밸브의 동체의 외측면 상의 이용 가능한 물리적 공간 및 포트의 크기에 의해서만 제한된다. 따라서, 세 개, 네 개 혹은 그 이상의 포트가 밸브의 각각의 챔버의 설계에 구체화될 수도 있다. 포트는 필요한 임의의 방법으로 밸브의 외부에 매니폴드를 가질 수도 있다.
회전 밸브(1)의 기계적 구조가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 밸브 동체인 외측 밸브 케이스(2; 예를 들면, 하우징)는 원통형이며 외측면을 따라서 다수의 유동(배출) 포트(C 내지 J)를 포함한다(E 및 G는 도시 안함). 밸브 케이스(2)는 0.3 inch(0.762 cm) 이하, 바람직하게는 0.2 inch(0.508 cm) 이하의 두께를 갖는다. 밸브는 밸브 동체의 양 단부에 두 개의 유입/배출 포트(3a 및 3b)를 갖는다. 이들 유입/배출 포트는 서로 바뀔 수 있다.
플러그(4)는 비교적 박막의 드럼(예를 들면, 약 0.2 inch(0.508 cm) 이하, 바람직하게는 0.1 inch(0.254 cm) 이하의 두께를 가짐)으로 구성된다. 이러한 박막의 이점은 밸브가 비교적 낮은 질량을 갖는다는 것이다. 이에 따라, 고속의 작동이 가능해진다(즉, 포트당 1초 이하, 또는 심지어 포트당 0.5초 이하로 변화됨).
플러그는 상당히 낮은 중량, 고 인장강도 및 높은 영 계수(Young's modulus)를 갖는 재료로 제조되어야 한다. 그러한 재료의 예로는 고강도 강, 알루미늄 또는 탄소섬유가 있다.
플러그(4)는 밸브 동체의 양 단부에서 중심에 위치되는 베어링(5)에 의해 지지된다. 베어링(5)은 밸브 케이스(2)의 내측면까지 연장되는 스트럿(6)에 의해 지지된다. 플러그(4)의 제어 샤프트(7)는 플러그(4)의 위치가 샤프트(7)의 회전에 의해 정해질 수 있도록 밸브의 양 단부를 관통 연장한다. 밸브 케이스(2)의 일 단부 또는 양 단부는 배관 엘보우(8)에 끼워지며, 이 배관 엘보우(8)를 통해 플러그(4)의 샤프트(7)는 기어 박스(10)를 통해 구동하는 서보 모터(9) 등과 같은 공압식 또는 유압식 제어장치의 부착이 용이하도록 연장될 수 있다. 플러그(4)의 작동은 임의의 바람직한 순서로 작용하도록 컴퓨터 프로그래밍될 수 있다.
플러그(4)의 중앙은 적어도 하나의 칸막이(11)에 의해 분할될 수 있어서, 둘 이상의 독립적인 스트림을 처리할 수 있도록 둘 이상의 원통형 챔버(4a 및 4b)를 형성한다. 플러그(4)는 이들 챔버가 독립적으로 또는 일제히 작동하도록 설계될 수 있다. 챔버(4a)는 유입 포트(3a)에 면하는 단부에 개구부(12a)를 가지며, 외측면 상에 개구부(12a)와 내부 연통되는 개구부(13a)를 갖는다. 유사하게, 챔버(4b)는 공급 공기 유입 포트(3b)에 면하는 단부에 개구부(12b)를 가지며, 외측면 상에 개구부(12b)와 내부 연통되는 개구부(13b)를 갖는다. 플러그(4)의 회전시, 외측 개구부(13a, 13b)는 포트와 연통하고 있는 시스템 구성요소로 진공 및/또는 공급 공기를 유동시키기 위하여 소정의 포트(C-J)와 정렬될 수 있다.
시일(14; 후술됨)이 누출을 방지하고 플러그(4)를 작동하는데 필요한 토크를 최소화하기 위하여 제공된다. 또한, 시일은 마모를 최소화하도록 설계된다.
도시된 바와 같이, 두 개의 유입 포트중 한 유입 포트(3b)는 엘보우(8)와 연결되며, 다른 유입 포트(3a)는 밸브의 대향 단부와 연결된다. 두 세트의 4배출 포트는 밸브 케이스(2)에 부착된다. 도 1은 배출 포트(D, F, H 및 J)의 위치를 도시하고 있다(배출 포트(C 및 I)는 도면에 대해 수직임). 배출 포트(E 및 G)(배출 포트(C 및 I)와 대향으로 위치함)는 도 1에 도시되지 않았다. 그러나, 밸브의 작동은 유체를 포트(C) 및 포트(I)로 통과시키는 위치에서 나타난다. 따라서, 밸브를 통과하는 유체의 유동은 유체가 축방향으로 밸브 동체에 (유입 포트(3a 및 3b)를 통해) 유입되고 포트(C-J)를 통해 방사상으로 배출됨으로써 이루어진다. 시일(14) 및 시일(15; 도 2 참조)은 누출 방지를 위하여 플러그(4) 내의 각각의 개구부를 둘러싼다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 밸브에 대한 단면도이다. 참고로, 도 2 내지 도 5에 있어서 도 1에 사용된 공통의 참조부호 및 문자는 공통의 특징을 나타낸다. 본 발명의 회전 밸브의 본 실시예는 공통의 유입/배출 포트로부터 90도씩 위치되는 두 세트의 4포트를 포함한다. 다중 포트 회전 밸브중공 원통형 플러그(4)를 내포하는 원통형 밸브 케이스(2)를 갖는다. 밸브 케이스(2)는 배관 플랜지가 부착되는 다수의 포트(C, D, E, F 및 G, H, I, J)를 포함한다. 플러그는 밸브 동체 내의 포트와 일치하는 개구부(13a)를 갖는다. 플러그는 중심축을 중심으로 회전할 수 있다. 플러그는 반시계 방향으로 회전하는 것으로 도시되어 있지만, 필요에 따라 시계 방향이나 반시계 방향 중의 한 방향으로 회전할 수 있다. 또한, 도 2는 종방향 시일(17)의 위치를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 밸브의 시일에 의하여 종래 기술의 난점이 해결된다. 마모, 작동의 용이성, 및 작업 속도와 같은 통상적인 문제점 외에도, 박막 플러그가 뒤틀리는 문제가 존재한다. 이러한 문제를 처리하기 위하여, 본 발명의 회전 밸브를 위한 독특한 시일이 개발되었다. 이러한 시일이 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 비교적 강성의 시일 프레임(20)이 비교적 연성의 시일(21)을 갖는다. 이러한 시일 조립체는 외측 케이스(2)와 내측 드럼(4) 사이에 많아야 0.25 inch(0.635 cm)의 전체 휨, 바람직하게는 약 0.125 inch(0.3175 cm)의 휨을 수용할 수 있어야 한다. 시일 프레임(20)은 가요성 고무 또는 상표명 "TEFLON" 트립 시일을 갖는 강철로 제조된다. 이 조립체는 밸브 동체의 밸브 포트의 내부에 놓여진다. 공압식 실린더 액츄에이터(22)는 밸브 드럼이 회전하기 전에 시일 조립체를 회수하고 회전이 정지된 이후에 시일 조립체를 내민다. 이러한 방식에서, 충분한 가요성을 갖춘 포지티브 시일이 드럼의 뒤틀림에 수반될 뿐만 아니라, 시일(21)과 밸브 플러그(4)간의 활주 마모를 없앰으로써 시일의 마모도 방지된다. 플러그의 움직임 동안에 밸브 동체와 플러그간에 마찰이 없기 때문에 플러그의 작용이 촉진된다. 이러한 발명의 또 다른 중요한 이점은 시일의 주변 길이를 최소화시켜 시일을 통한 누출 영역을 최소화시킨다는 것이다. 시일의 재료는 뛰어난 내구성, 밀봉성, 및 성형성을 가져야 한다. 이러한 재료의 예로는 "VICON ", "TEFLON", 우레탄 등이 있다.
시일 활성화 시스템의 작동에 사용되는 설비가 도 4에 도시되어 있다. 실린더 액츄에이터(22)가 장착되는 밸브 케이스 또는 동체(2)가 단면도로 도시되어 있다. 액츄에이터(22)는 공압식 또는 유압식으로 작동될 수 있다. 액츄에이터(22) 및 외측 유도부(23)는 노즐(19)에 용접되거나 볼트로 체결된다. 외측 유도부(23) 및 내측 유도부(24)는 시일 프레임(20) 및 시일(21)의 왕복 운동의 통로를 형성한다. 시일(21)과 밸브 드럼(플러그)(4) 사이에, 그리고 시일(21)과 외측 유도부(23) 사이에 밀봉이 발생된다. 시일(21)의 밀봉면은 매끄럽거나, 또는 개선된 작동을 위하여 라비린스(labyrinth) 타입의 홈을 가질 수 있다. 개방된 시일과 플러그 사이의 작동 간극은 통상적으로 약 0.5 inch(1.27 cm) 내지 0.1 inch(0.254 cm), 바람직하게는 약 0.25 inch(0.635 cm), 보다 바람직하게는 약 0.125 inch(0.3175 cm)이다. 플러그의 외벽과 케이스의 내벽 사이의 유지 간극은 통상적으로 약 0.5 inch(1.27 cm) 내지 0.1 inch(0.254 cm), 바람직하게는 약 0.25 inch(0.635 cm), 보다 바람직하게는 약 0.125 inch(0.3175 cm)이다.
이러한 밸브는 심한 반복 서비스를 가능하게 하며, 여기서는 마모성이 극히 중요하다. 비마모성과 함께 낮은 질량을 갖는 플러그는 신속한 밸브 작동(약 0.5초 이하), 매우 짧은 주기(예를 들면, 1.0초 내지 0.1초, 바람직하게는 0.2초 내지 0.6초, 보다 바람직하게는 0.3초 내지 0.5초), 및 낮은 관리비를 가능하게 한다. 실제로, 고빈도의 작동과 명확한 위치선정은 기본적으로 시일이 밸브 동체에 대하여 마모되거나, 미끄러지거나, 또는 지지되지 않는 것을 요구한다. 본 발명의 밸브는 이러한 모든 특성을 갖는다.
전술된 발명과 관련된 수많은 변형예가 있을 수 있다. 예를 들어, 세 개 이상의 포트를 갖는 밸브가 사용될 수 있다. 도 5는 밸브 케이스 또는 동체(2)의 외측의 세 개의 개구부 내로 축방향 유로가 유도되는 설계를 도시하고 있다. 밸브의 플러그(4)는 단일 회전 요소로서 설계되거나, 또는 두 개의 독립 작동식 축방향 플러그(각각 자체 액츄에이터에 의해 작동함)로서 설계될 수 있다.
또한, 플러그의 회전 방향은 시계 방향이나, 반시계 방향이나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 배관 플랜지(30)를 포함하는 밸브의 세 개의 포트(K, L 및 M)는 특정 공정 계획에 의해 요구되는 바와 같은 임의의 방법으로 서로 분기될 수 있다. 포트의 간격 및 크기는 통상적으로 프로세스의 요구사항에 따라 결정되지만, 통상적으로 50 입방인치 내지 2000 입방인치의 범위 내에 있게 된다.
도 5를 다시 참조하면, 플러그(4)는 스트럿(6) 및 베어링(5)에 의해 지지된다. 플러그(4) 내의 개구부는 밸브 시일(32; 도 4의 시일(21)에 상응함)에 의해 포트(L)에서 밀봉된다. 플러그(4)의 작동은 공압식이나 유압식으로, 또는 기어를 통한 모터에 의하여 제어될 수 있다.
작업비용은 물론 시스템의 비용을 감소시키려고 노력하는 당업자에게 있어서, 본 발명의 가치는 명백하다. 시스템의 비용은 밸브와 액츄에이터의 숫자를 감소시키고 연결 배관을 단순화시킴으로써 더욱 낮출 수 있다.
또한, 본 발명자는 구동 모터와 기어박스의 비용, 손실을 감소시키는데 필요한 최소 주기, 및 밀봉 요건들간에 관계성이 있음을 발견하였다. 특히, 드럼의 벽이 자체 관성을 감소시키도록 비교적 얇게 유지된다면, 조립체에 작업 압력이 가해질 때 큰 휨이 일어난다. 밸브 드럼(4; 도 1 참조)의 벽은 뒤틀리게 되고 샤프트(7; 도 1 참조)는 자체 원위치로부터 휘게 된다. 물론, 벽두께와 샤프트 지름을 증가시키면 휨은 감소하지만, 작동 비용 및/또는 주기가 상당히 증가하게 된다. 본 발명자는 바람직한 밸브 드럼의 벽 두께가 대체로 밸브 직경의 10% 이하, 바람직하게는 0.5% 내지 5% 임을 발견하였다.
본 발명의 밸브는 공기 분리, 공기 예비정화 및 기체(즉, CO2, H2및 Ar) 정화 등을 포함하는 다양한 분야에 사용될 수 있다. 산소 제조를 위한 압력 요동 흡착법(PSA)에 사용하는 것이 바람직하다. 그러한 시스템은 하루에 100 내지 400톤의 산소를 생산하는 용량을 가질 수 있다. 일반적으로, 밸브의 크기는 12 inch(30.48 cm) 내지 48 inch(121.92 cm)의 공칭 직경을 가지며, 포트의 길이는 12 inch(30.48 cm) 내지 60 inch(152.4 cm)일 수 있다. 바람직한 PSA 프로세스는 동시계류 중인 본 출원의 양수인의 미국 출원번호 제 호에 개시되어 있다.
전술한 상세한 설명은 단지 본 발명을 예시할 목적으로 기술된 것이다. 다양한 변형예, 실시예 및 다른 프로세스 조건(예를 들면, 작업 압력 범위)들이 본 발명의 요지에서 벗어나지 않고도 있을 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 목적은 순환 프로세스에 유용하며, 저압 분야에 사용되는 경우에도 비교적 낮은 압력 강하를 가지고, 순환 프로세스에 필요한 배관의 양을 최소화시키기 위하여 다중 포트를 갖는 밸브를 제공하는 것이다.
Claims (10)
- 제 1 및 제 2 유로 및 하나 이상의 유동 포트를 갖춘 회전 밸브에 있어서,선택된 유동 포트에 상기 제 1 및 제 2 유로를 동시에 상호 연결시키는 다수의 위치를 가지는 회전 밸브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 회전 밸브가 하우징을 가지며, 그리고 상기 유동 포트가 상기 하우징의 외측벽 상에 배치되는 회전 밸브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 위치 사이에서 움직이도록 종축선을 중심으로 회전 가능한 내부 회전 플러그, 및 상기 유로를 상기 유동 포트에 연결시키기 위한 개구부를 더 포함하는 회전 밸브.
- 제 1 항에 있어서, 상기 플러그가 두 개의 챔버로 분할되는 회전 밸브.
- 제 4 항에 있어서, 상기 챔버들이 서로에 대해 독립적으로 움직일 수 있는 회전 밸브.
- 제 4 항에 있어서, 상기 챔버들이 서로에 대해 독립적으로 움직일 수 없는 회전 밸브.
- 제 3 항에 있어서, 상기 하우징과 상기 플러그 사이에 회수 가능한 시일을 더 포함하는 회전 밸브.
- 제 7 항에 있어서, 상기 시일은 상기 플러그가 회전하지 않고 있을 때에 상기 플러그와 접촉하는 회전 밸브.
- 제 3 항에 있어서, 상기 플러그가 베어링에 의해 상기 밸브의 어느 한 쪽면 상에 지지되는 회전 밸브.
- 제 3 항에 있어서, 상기 하우징과 상기 플러그 사이에 간극이 존재하는 회전 밸브.
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