KR20110014193A

KR20110014193A - 과열 저감기 분무 노즐

Info

Publication number: KR20110014193A
Application number: KR1020107027756A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 지. 프라이타스; 오리 디. 셀저; 레이몬드 알. 뉴톤
Original assignee: 콘트롤 컴퍼넌츠 아이엔씨
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US7654509B2; ES2396938T3; EP2304315A1; KR101441171B1; WO2009136967A1; CN102066839A; CA2722990A1; CN102066839B; US20090278266A1; CA2722990C; MX2010012053A; JP2011519726A; JP5542123B2; EP2304315B1; EP2304315A4

Abstract

본 발명은 대체로 균일하게 분배된 분무 패턴으로 과열된 스팀의 유동으로 냉각수를 분무하도록 구성된 스팀 과열 저감 장치의 분무 노즐 조립체를 위한 향상된 밸브 요소에 관한 것이다. 이러한 밸브 요소는 밸브 바디에 일체로 부착되며 이로부터 축방향으로 연장하는 세장형 밸브 스템 및 밸브 바디를 포함한다. 밸브 바디 그 자체는 밸브 스템에 일체로 연결된 노즐 원뿔체를 포함하고, 외부면을 형성한다. 돌출하는 다수의 립을 가진 허브는 노즐 원뿔체의 바닥면 상에 일체로 형성된다. 대체로 원형의 분열링은 립의 각각에 일체로 연결된다. 분열링은 바닥면을 에워싸는 노즐 원뿔체의 하부 엣지에 대해 이격된 관계로 배치된다. 이러한 관점에서, 일련의 윈도우는 밸브 바디에 형성되고, 각각의 윈도우는 노즐 원뿔체의 하부 엣지의 세그먼트, 립의 인접 쌍, 분열링의 상부 엣지의 세그먼트에 의해 프레임된다.

Description

과열 저감기 분무 노즐 {DESUPERHEATER SPRAY NOZZLE}

본 발명은 일반적으로 스템 과열 저감기에 관한 것이고, 특히 스팀 과열 저감기 장치를 위한 분무 노즐 조립체에서의 이용을 위해 고유하게 구성된 밸브 요소에 관한 것이다. 노즐 조립체는 온도를 감소시키기 위해 과열된 스팀의 유동으로 분무하기 위해 냉각수의 거의 균일하게 분배된 분무를 생성하도록 특히 이루어진다.

많은 산업 설비는 과열된 스팀으로 작동하고, 이러한 과열된 스팀은 주어진 압력에서 포화 온도보다 높은 온도를 갖는다. 과열된 스팀은 터빈 또는 다른 하류 구성요소에 손상을 일으킬 수 있기 때문에, 스팀의 온도를 제어하는 것이 필요하다. 과열 저감은 낮은 온도로 과열된 스팀의 온도를 감소시키고, 의도된 것처럼 시스템의 작동을 허용하며, 시스템 보호를 보장하고, 규정된 작동 온도 설정 포인트로부터 의도되지 않은 편차에 대해 교정하는 프로세스를 지칭한다.

스팀 과열 저감기는 스팀 파이프를 통과하는 과열된 스팀의 유동으로 냉각수를 분무함에 의해 과열된 스팀의 온도를 낮출 수 있다. 냉각수가 과열된 스팀의 유동으로 일단 분무되면, 냉각수는 과열된 스팀과 혼합하고 증발하며, 스팀으로부터 열에너지를 추출하고 그 온도를 낮춘다. 냉각수가 매우 미세한 드롭렛 또는 미스트(mist)로서 과열된 스팀 파이프로 분무되면, 이후 과열된 스팀과 냉각수의 혼합이 스팀 유동을 통해 더욱 균일하게 된다.

한편, 냉각수가 흐름 패턴으로 과열된 스팀 파이프 안으로 분무된다면, 이후 냉각수의 증발은 크게 감소된다. 또한, 냉각수의 흐름 분무는 과열된 스팀 유동을 통과할 것이고 스팀 파이프의 대향 측부와 충돌하며, 이에 의해 워터 빌드업(water buildup)을 초래한다. 이러한 워터 빌드업은 구조적 파괴를 유도할 수 있는 스팀 파이프에서의 부식 및 열적 응력을 일으킬 수 있다. 그러나, 과열된 스팀에 노출된 냉각수 분무의 표면 구역이 커진다면, 이는 매우 미세한 드롭렛 크기의 의도된 결과이고, 증발의 효율은 크게 증가된다.

또한, 과열된 스팀과 냉각수의 혼합은 균일한 기하학적 유동 패턴으로 스팀 파이프로 냉각수를 분무함에 의해 향상될 수 있고, 이에 의해 냉각수의 효과는 스팀 유동을 통해 균등하게 분배된다. 반대로, 냉각수의 불균일 분무 패턴은 과열된 스팀의 유동을 통해 균등하지 못하고 잘 제어되지 않는 온도 감소를 초래할 것이다. 이러한 라인을 따라, 과열된 스팀 유동에서 효과적으로 증발시키기 위한 냉각수 분무의 무능력은 스팀 파이프 내에서 냉각수의 축적을 초래할 수 있다. 이러한 냉각수의 축적은 물과 과열된 스팀 사이의 불균일한 열교환에서 궁극적으로 증발할 것이고, 결과적으로 잘 제어되지 못한 온도 감소를 초래한다.

다양한 과열 저감기 장치는 이전에 언급된 요구를 언급하기 위한 시도에서 종래 기술에서 개발되었다. 이러한 종래 기술 장치는 미국 특허 제 6,746,001호(명칭: 과열 저감기 노즐), 및 미국 특허 제 7,028,994호(명칭: 압력 블래스트 예비-필름밍 분무 노즐), 및 미국 특허 공보 제 2006/0125126호(명칭: 압력 블래스트-예비-필름밍 분무 노즐)에서 개시된 것을 포함하고, 이러한 명세서는 여기서 참조로 인용된다. 본 발명은 이러한 및 다른 종래 기술의 해법을 넘는 향상을 나타내고, 과열된 스팀의 유동으로 냉각수를 분무하기 위한 과열 저감기 장치를 제공하고, 이는 비교적 적은 구성요소로 간단한 구성을 가지며, 유지보수의 최소량을 요구하고, 과열된 스팀의 유동 내에서 더욱 효과적인 증발을 위해 매우 작은 드롭렛으로 미세한 미스트에서의 냉각수를 분무할 수 있고, 과열된 스팀의 유동을 통해 더욱 균등한 혼합을 위해 기하학적으로 균일한 유동 패턴으로 냉각수를 분무할 수 있다. 다양한 신규한 본 발명의 특징은 이하에서 더욱 자세하게 논의될 것이다.

본 발명에 따르면, 대체로 균일하게 분배된 분무 패턴으로 과열된 스팀의 유동으로 냉각수를 분무하도록 구성된 스팀 과열 저감기 장치의 분무 노즐 조립체를 위한 향상된 밸브 요소가 제공된다.

노즐 조립체는 노즐 하우징에 대해 이동 가능하게 인터페이스되는 밸브 요소 및 노즐 하우징으로 이루어진다. 밸브 핀틀(pintle) 또는 밸브 플러그로서 공통적으로 지칭되는 밸브 요소는 노즐 하우징을 통해 연장하고, 닫힌 위치 및 개방 (유동) 위치 사이에서 축방향으로 슬라이드 가능하다. 노즐 하우징은 하우징 입구 및 하우징 출구를 갖는다. 하우징 입구는 노즐 하우징의 상부에 위치한다. 하우징 출구는 노즐 하우징의 하부에 위치한다. 노즐 하우징의 상부는 하우징 입구로부터 내각수를 받기 위한 하우징 챔버를 형성한다. 노즐 하우징의 하부는 노즐 하우징의 중간부에 의해 하우징 챔버로부터 분리된 예비-밸브 갤러리를 형성한다. 밸브 스템 보어는 중간부를 통해 축방향으로 형성된다.

다수의 하우징 통로는 밸브 갤러리(즉, 하우징 출구)와 하우징 챔버(즉, 하우징 입구)를 유체적으로 상호 연결시키기 위해 중간부에 형성되고, 이에 의해 밸브 요소가 개방 위치로 변위되거나 또는 구동될 때 하우징 출구에서 하우징 조립체를 빠져나가기 이전에 냉각수는 하우징 입구로 들어가고 하우징 챔버 안으로 하우징 통로를 통해 그리고 예비-밸브 갤러리 안으로 유동할 수 있다.

밸브 요소는 밸브 바디와 밸브 바디에 일체로 부착되며 이로부터 축방향으로 연장하는 세장형(elongated) 밸브 스템을 포함한다. 밸브 스템은 밸브 바디로부터 축방향으로 연장하고 노즐 하우징의 밸브 스템 보어를 통해 전진되며, 밸브 스템 보어 내에서 축방향으로 슬라이딩 핏을 제공하도록 구성되고 크기를 가지며, 이에 의해 밸브 요소는 개방 위치 및 닫힌 위치 사이에서 왕복 운동할 수 있다. 노즐 하우징의 하부는 밸브 바디와 밀봉 체결을 위해 그 주위에 형성된 밸브 시트를 포함한다. 밸브 시트는 밸브 바디에 상보적으로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서, 밸브 바디 그 자체는 밸브 스템에 일체로 연결된 노즐 원뿔체를 포함하고, 곡선의 타원형 프로파일을 구체적으로 갖도록 형상화된 외부면을 형성한다. 4개의 코너 영역 중 각각의 하나로부터 돌출하는 4개의 립을 가진 대체로 사각형의 허브가 노즐 원뿔체의 바닥면 상에 일체로 형성된다. 대체로 원형의 분열링은 립의 각각에 일체로 연결된다. 립의 외측 단부는 노즐 원뿔체의 외부면 및 분열링의 외부면 모두와 연속적이고, 노즐 원뿔체의 외부면, 립, 및 분열링은 밸브 바디를 위해 뾰족해진 프로파일을 집합적으로 형성한다.

밸브 바디에서, 분열링은 바닥면을 에워싸는 노즐 원뿔체의 하부 엣지에 대해 이격된 관계로 배치된다. 이러한 관점에서, 일련의 윈도우가 밸브 바디에 형성되고, 각각의 윈도우는 노즐 원뿔체의 하부 엣지의 세그먼트, 립의 인접 쌍, 및 분열링의 상부 엣지의 세그먼트에 의해 프레임된다. 윈도우의 엣지는 노즐 원뿔체의 외부면을 떠나는 시이트 유동을 절단하도록 날카롭고, 날카로운 엣지는 밸브 요소로부터 그리고 노즐 조립체로부터 드롭렛 크기를 감소시키는데 중요하다.

밸브 바디의 분열링은 델타 웨지 단면 구성을 갖고, 이러한 웨지의 정점은 노즐 원뿔체의 하부 엣지로부터 접선을 교차하는 것이 바람직하다. 유사하게, 립의 각각은 델타 웨지 단면 구성을 갖는 것이 바람직하고, 립이 노즐 원뿔체의 바닥면 상에 형성된 허브에 궁극적으로 연결될 때까지 립의 정점은 밸브 요소의 축을 향해 내부로 연속된다. 허브 및 노즐 원뿔체에 대한 립의 일체화 연결은 립에 일체화되어 연결된 분열링 및 립의 기계적 강도를 크게 향상시킨다. 립, 분열링, 허브 및 노즐 원뿔체에 의해 형성된 밸브 바디의 내부면은 사각형 코너 또는 교차부를 갖지 않고, 그 제거는 밸브 요소를 떠나는 시이트 유동에서의 스트리크의 형성을 방지한다. 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 차례로 이러한 스트리크의 생성은 낮은 노즐 유동 속도로 바람직하지 못한 큰 드롭렛을 생성함을 이해할 것이다.

본 발명의 밸브 요소의 다른 실시예에 따르면, 립의 각각의 외부 단부면은 노즐 원뿔체의 하부 엣지에 대해 단이질(stepped) 수 있다. 이는 인-라인 프로파일인 이전에 언급된 실시예와 반대이고, 분열링의 외부면, 립의 외부면, 및 노즐 원뿔체의 외부면은 상기에서 나타난 것처럼 서로 거의 연속적이거나 또는 동일 높이에 있다. 계단식(stepped) 프로파일로, 분열링 및 립의 외부면은 서로 거의 동일 높이에 있거나 또는 연속적인 동안 노즐 원뿔체의 외부면에 대해 약간 예각에 있고, 따라서 동일한 것 아래의 단에서 노즐 원뿔체를 교차시킨다. 계단식 프로파일의 목적은 낮은 유동 속도로 분리된 시이트 유동을 생성하는 것이다. 시이트 유동을 분열링에서 분할하고, 차등각은 반경 방향으로 외부로 유동의 일부의 방향을 바꾸며, 따라서 분무의 원뿔 구역을 증가시킨다. 반대로, 인-라인 프로파일로, 분열링, 립 및 노즐 원뿔체의 접선 또는 연속적인 외부면은 특히 낮은 노즐 유동 속도로 시이트 유동에 대한 분열을 최소화한다.

본 발명의 밸브 요소의 또 다른 실시예에 따르면, 분열링은 연속적인 갭 또는 채널에 의해 노즐 원뿔체로부터 분리된다. 이러한 특별한 실시예에서, 립은 노즐 원뿔체의 바닥면에 일체로 연결된 대체로 원형의 허브 부분에 일체로 연결된다.

본 발명에 따라 구성된 밸브 요소의 다소 복잡한 기하구조에 불구하고, 이러한 밸브 요소는 매우 간단하게 제작될 수 있다. 내부로 뾰족한 프로파일 및 프로파일의 굽은 타원형 경로는 CNC 기계 상에서 간단한 뾰족한 프로파일 툴로 밸브 바디를 기계가공함에 의해 생성된다. 이는 성능 및 강도를 고려하지 않고 제작하기 너무 어려운 종래 기술의 밸브 요소 설계를 넘는 상당한 향상을 나타낸다.

본 발명의 밸브 요소의 각각의 실시예에서, 노즐 원뿔체의 외부면의 일부는 노즐 조립체의 밸브 시트에 대해 상보적으로 구성되고, 이에 의해 노즐 하우징의 하부에 의해 형성된 밸브 시트에 대한 노즐 원뿔체의 외부면의 체결은 밸브 요소가 닫힌 위치에 있을 때 노즐 조립체 밖으로 냉각수의 유동을 효과적으로 차단한다. 반대로, 밸브 요소가 닫힌 위치로부터 개방 위치로 축방향으로 이동할 때, 냉각수는 밸브 시트 및 노즐 원뿔체의 외부면에 의해 집합적으로 형성된 환형 갭을 통해 아래 방향으로 유동할 수 있다. 원뿔형 밸브 시트 및 원뿔형 외부면의 조합은 밸브 요소가 개방 위치에 있을 때 환형 갭을 빠져나가는 냉각수를 위한 원뿔형 분무 패턴을 유도하는데 효과적이다. 냉각수의 필름이 밸브 바디의 노즐 원뿔체의 외부면을 넘어 아래 방향으로 유동하기 때문에, 냉각수 시이트의 일부는 분열링에 악영향을 미치고, 모든 냉각수는 스팀 파이프를 통과하는 과열된 스팀의 유동으로 궁극적으로 들어간다.

본 발명의 각각의 실시예에 따라 구성된 밸브 요소의 구조적 및 기능적 특성의 결과로, 냉각수 드롭렛 크기는 최소로 유지되며, 따라서 냉각수의 공간적 분배를 향상시킬 뿐만 아니라 과열된 스팀의 유동 내에서 냉각수의 흡수 및 증발 효율을 향상시킨다. 이러한 관점에서, 본 발명에 따라 구성된 밸브 요소의 구조적 및 기능적 특성은 밸브 요소가 개방 위치에 있을 때 분무 노즐 조립체로부터 생성된 냉각수를 위한 원뿔형 분무 패턴을 유도하도록 작동하고, 분열링을 넘어 냉각수 시이트의 일부의 통과는 상기 설명된 바람직한 하부 드롭렛 크기 특성을 제공한다.

본 발명의 첨부된 도면과 함께 읽을 때 이하의 상세한 설명을 참고하여 가장 잘 이해된다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 특징은 도면을 참고하여 더욱 분명하게 나타날 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 구성된 밸브 요소를 가진 노즐 조립체를 통합한 과열 저감기 장치(desuperheater device)의 종방향 단면도이다.
도 2a는 닫힌 위치에서 제 1 실시예의 밸브 요소를 도시하는 도 1의 노즐 조립체의 종방향 단면도이다.
도 2b는 개방 위치에서 제 1 실시예의 밸브 요소를 도시하는 도 1의 노즐 조립체의 종방향 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예의 밸브 요소의 측면 입면도이다.
도 4는 제 1 실시예의 밸브 요소의 바닥부 평면도이다.
도 5는 도 4의 라인 5-5를 따른 제 1 실시예의 밸브 요소의 부분적 단면도이다.
도 6은 도 4의 라인 6-6을 따른 제 1 실시예의 밸브 요소의 부분적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 구성된 밸브 요소의 측면 입면도이다.
도 8은 도 7에서 도시된 에워싸인 영역(8)의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 구성된 밸브 요소의 측면 입면도이다.
도 10은 도 9에서 도시된 제 3 실시예의 밸브 요소의 단면도이다.
도 11은 제 3 실시예의 밸브 요소의 바닥부 평면도이다.
도 12는 도 11의 라인 12-12를 따른 제 3 실시예의 밸브 요소의 부분적 단면도이다.
도 13은 도 11의 라인 13-13을 따른 제 3 실시예의 밸브 요소의 부분적 단면도이다.
공통 도면 부호는 유사한 요소를 지칭하도록 도면 및 상세한 설명을 통해 이용되었다.

이제 도면을 참고하면, 도면은 오직 본 발명의 바람직한 실시예를 도시할 목적이고, 동일한 것을 제한하는 목적은 아니며, 도 1은 노즐 조립체(20) 내의 향상된 핀틀(pintle) 또는 밸브 요소(78)를 포함하는 예시적 과열 저감기 장치(10)를 도시한다. 밸브 요소(78)는 노즐 조립체(20)를 통해 연장하고, 닫힌 위치 및 개방 위치 사이에서 축방향으로 슬라이드 가능하다. 도 1에서 볼 수 있는 것처럼, 상승 압력에서 과열된 스팀의 유동은 스팀 파이프(12)를 통과하고, 여기로 노즐 조립체(20)는 용접 및 이와 유사한 것에 의해서와 같이 적절한 수단에 의해 부착될 수 있다. 노즐 홀더(18)는 노즐 조립체(20)로 냉각수의 적절한 공급을 제공하기 위해, 냉각수 주입 라인(16)을 노즐 조립체(20)와 연결시킨다.

냉각수 주입 라인(16)은 냉각수 제어 밸브(14)에 연결된다. 냉각수 제어 밸브(14)는 높은 압력 물 공급부(미도시)에 유체적으로 연결될 수 있다. 제어 밸브(14)는 노즐 조립체(20)의 하류에서 스팀 파이프(12)에 장착된 온도 센서(미도시)에 대한 반응으로 냉각수 주입라인(16)으로 냉각수의 유동을 제어하도록 작동된다. 제어 밸브(14)는 냉각수 주입라인(16)을 통한 유동을 변경시킬 수 있고, 이에 의해 노즐 조립체(20)에서 변하는 물 압력을 만든다.

노즐 조립체(20)의 냉각수 압력은 스팀 파이프(12)에서 과열된 스팀의 상승 압력보다 클 때, 노즐 조립체(20)는 스팀 파이프(12) 안으로 냉각수의 분무를 제공한다. 도 1은 스팀 파이프(12)에 연결된 단일 노즐 조립체(20)를 도시하지만, 과열 저감기 장치(10)의 효율을 최적화하기 위한 스팀 파이프(12)의 둘레 주위로 이격된 노즐 조립체(20)의 숫자일 수 있다. 각각의 노즐 조립체(20)는 스팀 파이프(12)를 에워싸는 다기관(미도시)으로 냉각수 주입 라인(16)을 통해 연결될 수 있고, 냉각수 제어 밸브(14)에 연결될 수 있다. 이하에서 설명될 것처럼, 노즐 조립체(20)의 밸브 요소(78)는 과열된 스팀의 유동으로 분무하기 위한 냉각수의 거의 균일하게 분포된 분무를 생성하도록 특징적으로 이루어지고, 이에 의해 그 온도를 감소시킨다.

도 2a 및 2b로 다시 돌아가면, 도 1의 과열 저감기 장치(10)의 노즐 조립체(20)의 단면도가 도시된다. 도 2a 및 2b에서, 노즐 조립체(20)는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 구성된 것과 같이 노즐 하우징(22) 및 밸브 요소(78)로 이루어진다. 제 1 실시예의 밸브 요소(78)는 도 3-6에서 도시된다. 밸브 요소(78)의 특정 구성 및 특징은 아래에서 더욱 자세하게 설명될 것이다. 노즐 조립체(20)는 닫힌 위치에 배치된 밸브 요소(78)와 함께 도 2a에서 도시된다. 도 2b는 개방 위치에 배치된 밸브 요소(78)를 도시한다. 노즐 하우징(22)은 하우징 입구(28) 및 하우징 출구(30)를 갖는다. 하우징 입구(28)는 노즐 하우징(22)의 상부(24)에 위치한다. 하우징 출구(30)는 노즐 하우징(22)의 하부(26)에 위치한다. 상부 및 하부(24, 26)는 단일 구조로 일체화될 수 있다.

대안적으로, 노즐 하우징(22)은 도 2a 및 2b에서 도시된 것처럼 상부(24) 및 하부(26)를 포함한 두 개의 개별 구성요소로서 제작될 수 있다. 상부(24)는 하부(26)에 이들 사이의 접촉부(40)에 나사산적으로 부착될 수 있고, 이에 의해 밸브 요소(78) 및 하부(26)는 상부(24)로부터 제거될 수 있으며, 동일한 구성 또는 대안적인 구성의 밸브 요소(78) 및 하부(26)로 교체될 수 있다. 따라서, 밸브 요소(78)는 교체 가능할 수 있고, 이 경우 밸브 요소(78)의 대안적인 실시예는 제 1 실시예로 교체될 수 있다. 이러한 관점에서 도 7 및 8은 본 발명의 본 발명의 제 2 실시예에 따라 구성된 밸브 요소(78a)를 도시한다. 도 9-13은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 구성된 밸브 요소(106)를 도시한다. 또한, 밸브 요소(78)의 제 2 및 제 3 실시예의 특정 구성 및 특징은 이하에서 상세하게 설명될 것이다.

도 2a를 참고하면, 노즐 하우징(22)의 상부(24)는 하우징 입구(28)로부터 냉각수를 받기 위한 하우징 챔버(32)를 형성할 수 있다. 노즐 하우징(22)의 하부(26)는 노즐 하우징(22)의 중간부(76)에 의해 하우징 챔버(32)로부터 분리된 예비-밸브 갤러리(34)를 형성할 수 있다. 하우징 챔버(32) 및 예비-밸브 갤러리(34) 모두는 환형으로 형상화될 수 있다. 밸브 스템 보어(valve stem bore; 42)는 노즐 하우징(22)의 중간부(76)를 통해 축방향으로 형성될 수 있다. 다수의 하우징 통로(36)는 예비 밸브 갤러리(34)(즉, 하우징 출구(30))와 함께 하우징 챔버(32)(즉, 하우징 입구(28))를 유체적으로 상호연결시키도록 중간부(76)에 형성되고, 이에 의해 냉각수는 하우징 입구(28)로부터 하우징 챔버(32) 안으로 하우징 통로(36)를 통해, 그리고 밸브 요소(78)가 개방 위치로 변위 또는 구동될 때 하우징 출구(30)에서 노즐 조립체(20)를 빠져나가기 이전에 예비-밸브 갤러리(34) 안으로 유동할 수 있다.

도 2a에서 도시된 것처럼, 하우징 통로(36)는 하우징 입구(28)로부터 하우징 출구(30)로의 방향을 따라 밸브 스템 보어(42)에 대해 내부적으로 각질 수 있다. 이러한 하우징 통로(36)가 내부적으로 각 짐에 의해 노즐 조립체(20)의 전체 크기에서의 일반적인 감소를 허용할 수 있다. 또한, 이러한 하우징 통로(36)의 내부적으로 각 짐은 노즐 조립체(20)로부터 방출되는 냉각수의 거의 균일한 분무 패턴의 형성을 촉진시킬 수 있다. 하우징 통로(36)는 밸브 스템 보어(42) 주위에 동심원적으로 배치될 수 있다. 그러나, 하우징 통로(36)는 어떠한 숫자의 구성으로도 구성될 수 있다. 예를 들면, 하우징 통로(36)는 거의 동일한 원형 단면 형상으로 구성될 수 있고, 밸브 스템 보어(42)와 축방향으로 정렬될 수 있다.

또한, 하우징 통로(36)는 서로에 대해 등간격으로 이격된 중간부(76)를 통해 축방향으로 연장하는 다수의 거의 아치형상의 슬롯으로서 구성될 수 있다. 하우징 통로(36)는 밸브 스템 보어(42) 주위로 이격되고, 이에 의해 스트림 분무 패턴으로 노즐 조립체(20)를 빠져나가는 냉각수의 경향을 제거한다. 이러한 관점에서, 하우징 통로(36) 및 밸브 요소(78)의 기하학적 구조의 조합은 스팀 파이프(12) 안으로 냉각수의 기하학적으로 균일한 분무 패턴을 제공하도록 상호작용하도록 구성된다. 이러한 특정 기하학적 배열, 크기 및 형상과 무관하게, 이하에서 더욱 자세하게 설명될 것처럼, 밸브 요소(78)가 개방 위치로 이동될 때 하우징 입구(28)로부터 하우징 출구(30)로의 냉각수의 유동을 제공하도록 구성된다.

노즐 조립체(20)의 구조적 그리고 기능적 속성을 설명하였고, 밸브 요소(78)의 특정 기능적 그리고 구조적 속성은 도 3-6을 특히 참고하여 논의될 것이다. 특히, 밸브 요소(78)는 밸브 바디(80)에 일체화되어 부착되며 이로부터 축방향으로 연장하는 세장형 밸브 스템(82) 및 밸브 바디(80)를 포함한다. 밸브 스템(82)은 일반적으로 원형 단면 구성을 갖고, 말단부(84)를 형성한다. 말단부(84)로 연장하는 밸브 스템(82)의 말단부는 노즐 조립체(20)의 나머지에 대한 밸브 요소(78)의 작동 인터페이스를 촉진시킬 목적으로 외부적으로 나사선이 형성될(threaded) 수 있다. 밸브 스템(82)은 노즐 하우징(22)의 밸브 스템 보어(42)를 통해 슬라이드 가능하게 전진 가능하도록 구성되고 크기를 갖는다. 이러한 관점에서, 밸브 스템(82)은 축방향으로 슬라이딩 장착이 이들 사이에 제공되도록 밸브 스템 보어(42)에 상보적으로 구성되고 크기를 가질 수 있다. 이는 밸브 스템(82) 및 밸브 요소(78)가 밸브 스템 보어(42) 내에서 왕복 운동하는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 밸브 요소(78)는 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것처럼 개방 및 닫힌 위치 사이에서 이동될 수 있다.

밸브 요소(78)의 밸브 바디(80)는 밸브 스템(82)에 일체로 연결된 노즐 원뿔체(nozzle cone; 86)를 포함하고, 밸브 요소(78)의 축을 따라 연장하기 때문에 굽은 타원형 프로파일을 갖도록 특정적으로 형상화된 원뿔형 외부면(88)을 형성한다. 외부면(88)에 부가하여, 노즐 원뿔체(86)는 일반적으로 원형의 둘레 하부 엣지(92)에 의해 포위된 바닥면(90)을 형성한다. 일반적으로 사각형 허브(94)는 노즐 원뿔체(86)의 바닥면(90) 상에서 일체로 형성된다. 허브(94)에 의해 형성된 4개의 코너 영역의 각각의 하나로부터 돌출하는 다수의 (예를 들어 4개의) 립(96)이 일체로 허브(94)에 연결된다. 도 6에서 도시된 것처럼, 립(96)은 또한 노즐 원뿔체(86)의 바닥면(90)에 일체로 연결된다. 노즐 원뿔체(86)에 대해 이격되어 배치된 일반적으로 원형의 또는 환형의 분열 링(fracture ring; 98), 및 특히 하부 엣지(92)는 립(96)의 각각에 일체로 연결된다. 밸브 바디(80)에서, 립(96)의 외부 단부 및 외부 단부면은 도 3에서 잘 도시된 것처럼 분열 링(98)의 외부면 및 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)과 거의 동일 높이이거나 또는 연속적이다. 결과적으로, 노즐 원뿔체(86)의 외부면, 립(96)의 외부 단부면, 및 분열 링(98)의 외부면은 밸브 바디(80)에 대해 뾰족해지는 형상을 집합적으로 형성한다.

밸브 요소(78)에서, 밸브 바디(80)의 분열 링(98)은 노즐 원뿔체(86)의 둘레 하부 엣지(92)에 대해 이격되어 배치되며, 이는 상기에서 나타난 것처럼 바닥면(90)을 에워싼다. 또한, 분열 링(98)은 도 5에서 도시된 델타(delta) 웨지(wedge) 단면 구성을 갖는 것이 바람직하고, 이러한 웨지의 정점(apex)은 분열 링(98)의 상부 엣지(102) 또는 리딩 엣지를 형성하며, 이러한 상부 엣지(102)는 노즐 원뿔체(86)의 하부 엣지(92)로부터 접선을 교차하는 것이 바람직하다. 유사하게, 도 6에서 가장 잘 도시된 것처럼, 립(96)의 각각은 델타 웨지 단면 구성을 갖는 것이 바람직하고, 각각의 립(96)의 정점은 노즐 원뿔체(86)로부터 멀어지는 방향으로 바닥부 엣지(104)를 형성한다. 밸브 요소(78)에서, 각각의 립(98)의 정점 또는 바닥부 엣지(104)는, 립(96)이 노즐 원뿔체(86)의 바닥면(90) 상에 형성된 상기 설명된 허브(94)에 궁극적으로 연결될 때까지 밸브 요소(78)의 축을 향해 내부적으로 계속된다.

상기에서 나타난 것처럼, 밸브 바디(80)에서, 분열 링(98)은 노즐 원뿔체(86)의 하부 엣지(92)에 대해 이격되어 배치된다. 결과적으로, 다수의(예를 들어 4개의) 윈도우(100)가 밸브 바디(80)에 형성되고, 각각의 윈도우는 노즐 원뿔체(86)의 하부 엣지(92)의 세그먼트, 립(96)의 인접 쌍, 및 분열 링(98)의 상부 엣지(102)의 세그먼트에 의해 프레임된다. 윈도우(100)의 엣지, 및 특히 분열 링(98)의 상부 엣지(102)는 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)을 떠나는 시이트 유동(sheet flow)을 절단하도록 날카롭고, 날카로운 엣지는 밸브 요소(78) 및 노즐 조립체(20)로부터 드롭렛(droplet) 크기를 감소시키는데 중요하다.

밸브 요소(78)에서, 허브(94) 및 노즐 원뿔체(86)의 일체화된 연결은 립(96)에 일체로 연결된 분열 링(98) 및 립(96)의 기계적 강도를 상당히 향상시킨다. 또한, 립(96), 분열 링(98), 허브(94) 및 노즐 원뿔체(86)에 의해 형성된 밸브 바디(80)의 내부면은 각각 밸브 요소(78)를 넘어 유동하는 냉각수가 사각형 코너 또는 교차부에 노출되지 않도록 형성되는 것이 바람직하고, 이러한 제거는 시이트 유동에서의 스트리크(streak)의 형성이 밸브 요소(78)를 떠나는 것을 막는다. 이러한 관점에서, 도 3에서 도시된 것처럼, 분열 링(98)의 상부 엣지(102) 및 각각의 립(96) 사이의 변이는 각각의 립(96)의 아치형 섹션(95)의 대향 쌍에 의해 부분적으로 형성된다. 이와 같이, 각각의 윈도우(100)는 립(96)의 인접 쌍 중 각각의 하나 상에 포함된 두 개의 아치형 섹션(95)에 의해 부분적으로 형성된다. 또한, 도 4에서 보는 것처럼, 분열 링(98)의 내부면 및 립(96)의 각각의 대향부 표면 사이의 전이는 각각의 립(96)의 아치형 섹션(97)의 대향 쌍에 의해 형성된다. 상기에서 나타난 것처럼, 립(96)의 아치형 섹션(95, 97)에 의해 생성된 둥근 코너는 밸브 요소(78)를 떠나는 시이트 유동에서의 스트리크의 감소 또는 제거에 도움이 된다.

상기에서 나타난 것처럼, 밸브 스템(82)은 밸브 스템 보어(42)를 통해 슬라이드 가능하게 전진되고 노즐 하우징(22)에 작동적으로 커플링되며, 이에 의해 밸브 요소(78)가 개방 및 닫힌 위치 사이에서 왕복 운동하도록 이동하는 것을 가능하게 한다. 노즐 조립체(20)에서, 하우징 출구(30)에서의 노즐 하우징(22)의 하부(26)는 환형 밸브 시트(44)를 형성하고, 이러한 시트는 밸브 바디(80), 및 특히 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)의 일부와 밀봉 체결되도록 이루어진다. 밸브 시트(44)는 도 2a 및 2b에서 도시된 것처럼 거의 원뿔형 구성으로 일반적으로 각진다. 바람직하게, 밸브 바디(80)에서 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)은, 밸브 요소(78)가 닫힌 위치에 있을 때 밸브 시트(44)에 대해 외부면(88)의 체결이 노즐 조립체(20)의 외부의 냉각수의 유동을 효과적으로 차단하도록 밸브 시트(44)에 대해 상보적이 되도록 구성되고 크기를 갖는다. 반대로, 밸브 요소(78)가 닫힌 위치로부터 개방 위치로 축방향으로 이동할 때, 냉각수는 도 2b에서 도시된 방식으로 밸브 시트(44) 및 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)에 의해 수집적으로 형성된 환형 갭(56)을 통해 아래 방향으로 유동할 수 있다.

바람직하게, 밸브 바디(80)의 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)은, 절반각(half angle)이 밸브 시트(44)의 절반각과 상이하도록 구성된다. 더욱 구체적으로, 외부면(88)의 절반각은 밸브 시트(44)의 절반각보다 작거나 또는 크도록 구성되는 것이 바람직하다. 추가적으로, 외부면(88)의 절반각 및 밸브 시트(44)의 절반각이 약 20도 내지 약 60도인 것이 바람직하다. 또한, 도 2a에서 보는 것처럼, 노즐 하우징(22)에 대해 밸브 요소(78)의 구성 및 크기는, 노즐 원뿔체(86)의 둘레 엣지(92), 윈도우(100), 립(96) 및 분열링(98)이 밸브 요소(78)가 닫힌 위치에 있을 때에도 노즐 하우징(20)의 하부(26)의 외부에 장착되도록(outboard) 각각 배치된다.

밸브 요소(78)는 도 2b에서 도시된 것처럼 개방 위치로 구동될 때, 원뿔형 밸브 시트(44) 및 노즐 원뿔체(86)의 원뿔형 외부면(88)의 조합은 환형 갭(56)을 빠져나가는 냉각수를 위한 원뿔형 분무 패턴을 포함하는데 효과적이다. 냉각수 필름이 밸브 바디(80)의 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)을 따라 유동하기 때문에, 원뿔형 형상에 대해 기인 가능한 노즐 원뿔체(86)의 점진적으로 증가하는 지름은 냉각수의 시트 두께를 점진적으로 감소시키도록 작동되며, 따라서 원뿔형 분무 패턴에서 드롭렛의 크기의 최초 감소를 촉진시킨다. 추가적으로, 분열링(98) 및 노즐 원뿔체(86) 사이의 공간은 밸브 요소(78)로부터 냉각수의 원뿔형 분무 패턴 또는 시이트의 적어도 일부를 부분적으로 분리시키도록 작용한다. 원뿔형 분무 패턴 또는 시이트가 분열 링(98)의 상부 엣지(102)와 충돌할 때, 분열링(98)의 상부 엣지(102)는 냉각수의 원뿔형 시이트를 쪼개고, 따라서 미립화(atomization)의 제 2 단계를 제공한다. 분열링(98)의 기능성은 르페브르(Lefavre) 원리에 기초하고, 이러한 원리는 냉각수가 밸브 요소(78)를 넘어 통과한 이후 냉각수의 드롭렛 크기가 냉각수의 시이트 두께에 비례하도록 지지한다. 냉각수의 드롭렛 크기는 분열링(98)의 상부 엣지(102)에 대해 냉각수 시이트를 충돌시킴에 의해 효과적으로 감소된 이후, 냉각수는 스팀 파이프(12)를 통과하는 과열된 스팀의 유동으로 들어간다. 유리하게, 밸브 요소(78)의 구조적 및 기능적 속성은 냉각수 드롭렛 크기를 최소로 효과적으로 감소시키고, 따라서 냉각수의 공간적 분배를 향상시킬 뿐만 아니라 과열된 스팀의 유동 내에서 냉각수의 흡수 및 증발 효율을 향상시킨다.

도 2a 및 2b로 다시 돌아가면, 노즐 조립체(20)는 하나 이상의 밸브 스프링(58)을 포함할 수 있고, 이러한 스프링은 밸브 시트(44)에 대해 밀봉 체결되도록 밸브 요소(78)를 바이어스하기 위해 밸브 요소(78)에 작동적으로 커플링된다. 밸브 스프링(58)은 노즐 하우징(22)의 하우징 쇼울더(shoulder; 38)과 접하고, 밸브 바디(80)를 밸브 시트(44)에 대해 밀봉 체결되도록 바이어스한다. 바이어싱 힘은 백-투-백 배열로(back-to-back arrangement) 밸브 스템(82) 상에 슬라이드 가능하게 장착된 벨빌(belleville) 워셔(washer)의 하나 이상의 쌍에 의해 제공될 수 있다. 추가적으로 벨빌 워셔로서 도시되었지만, 밸브 스프링(58)은 다양한 대안적인 구성으로 구성될 수 있다. 스페이서(60)는 또한 노즐 조립체(20)에 포함될 수 있고, 스페이서(60)는 밸브 스프링(58)과 접한 밸브 스템(82) 상에 장착된다. 도 2a 및 2b에서 도시된 스페이서(60)는 일반적으로 원통형 구성을 갖는다. 스페이서(60)의 두께는 노즐 하우징(22) 내에서 밸브 요소(78)의 압축 특성을 제한하도록 선택적으로 조정 가능할 수 있고, 이에 의해 밸브 요소(78)가 닫힌 위치로부터 개방 위치로 이동하는 포인트는 조정 가능할 수 있다. 이러한 관점에서, 노즐 조립체(20)의 주어진 구성에 대해, 다양한 두께의 스페이서(60)는 밸브 요소(78)의 축방향 이동, 궁극적으로는 밸브 요소(78)가 개방 위치에 있을 때 환형 갭(56)의 크기에 관하여 일정한 정도의 제어 가능성을 제공하도록 교체될 수 있다.

밸브 요소(78)의 밸브 스템(82) 상에 장착된 밸브 정지부(62)는 노즐 조립체(20)에 또한 포함된다. 밸브 정지부(62)는 관통하여 형성된 스프링 보어(미도시)를 포함하는 노즐 하우징(22)의 구성에 대한 스페이서(60)의 지름을 넘어 연장하도록 구성될 수 있다. 스프링 보어를 포함한 이러한 구성에서, 밸브 정지부(62)는 밸브 요소(78)의 축방향 이동을 제한할 수 있다. 도 2a 및 2b에서, 밸브 정지부(62)는 밸브 스템(82) 상에 장착된 정지부 워셔로서 구성되고 스페이서(60)와 접촉하여 배치된 것으로 도시된다. 정지부 워셔는 밸브 요소(78)의 축방향 이동을 제한하기 위해 스프링 보어(포함된다면)의 지름보다 큰 지름을 가질 수 있고, 이에 의해 환형 갭(56)의 크기는 제한될 수 있다.

도 2a 및 2b에서 추가적으로 도시된 것처럼, 노즐 조립체(20)는 상기 설명된 밸브 스템(82)의 외부로 나사선이 형성된 말단부에 나사식으로 부착된 로드 너트(load nut; 64)를 포함할 수 있다. 로드 너트(64)는 스페이서(60) 및 하우징 쇼울더(38) 사이에서 밸브 스프링(58)을 압축하도록 서로에 대해 축방향으로 밸브 스템(82) 및 스페이서(60)를 이동시킴에 의해 밸브 스프링(58)에 대해 스프링 예비로드(preload)를 인가하도록 조정될 수 있다. 스페이서(60)를 포함하지 않는 노즐 조립체(20)의 구성에 대해, 로드 너트(64)의 조정은 하우징 쇼울더(38) 및 밸브 정지부(62) 사이에서 밸브 스프링(58)을 압축한다. 밸브 정지부(62)를 포함하지 않는 노즐 조립체(20)의 구성에 대해, 로드 너트(64)의 조정은 로드 너트(64) 및 하우징 쇼울더(38)(또는 포함된다면 스프링 보어) 사이에서 밸브 스프링(58)을 압축한다. 임의의 경우에, 로드 너트(64)는 밸브 시트(44)에 대해 밸브 바디(80)로 압축력을 인가하도록 조정될 수 있다. 밸브 바디(80)에 대해 예비-밸브 갤러리(34)에서의 냉각수의 압력이 밸브 바디(80)에 대해 과열된 스팀의 상승 압력 및 스프링 예비로드의 조합된 압력을 극복하는 포인트를 조절하도록 선택적으로 조정 가능할 수 있다. 따라서, 스프링 예비로드는 밸브 시트(44)에 대해 밸브 바디(80)로 전달된다. 밸브 스프링(58)에 의해 밸브 시트(44) 상에 가해진 선형의 닫히는 힘의 양의 밸브 스템(82)의 나사선이 형성된 부분을 따라 로드 너트(64)의 축방향 위치에 의해 조정된다. 도시되지는 않았지만, 노즐 조립체(20)는 로드 너트(64)의 조정 동안 회전에 대해 밸브 요소(78)를 지지하는 방식으로 밸브 요소(78)와 인터페이스 하도록 이루어진 구조적 특징을 가진 채로 아웃핏될(outfitted) 수 있고, 추가적으로 조정 이후 로드 너트(64)의 회전을 방지하도록 이루어진다.

작동시, 과열된 스팀 및 상승 압력의 유동은 스팀 파이프(12)를 통과하고, 노즐 하우징(22)은 도 1에서 도시된 것처럼 스팀 파이프(12)에 부착된다. 냉각수 주입 라인(16)은 노즐 조립체(20)로 냉각수의 공급을 제공한다. 제어 밸브(14)는 노즐 조립체(20)에서 물의 압력을 제어하기 위해 냉각수 주입 라인(16)을 통한 유동을 변경시킨다. 냉각수 주입 라인(16)을 빠져나가는 냉각수는 하우징 입구(28)에 인접한 하우징 챔버(32) 안으로 통과한다. 냉각수는 노즐 하우징(22)의 하우징 통로(36)를 통해 유동하고 하우징 출구(30)에 인접한 예비-밸브 갤러리(34) 안으로 유동한다. 하우징 통로(36)는 스팀 분무시 노즐 조립체(20)를 빠져나가는 냉각수에 대한 경향을 최소화하거나 또는 제거한다. 밸브 요소(78)가 도 2a에서 도시된 것처럼 닫힌 위치에 있을 때 예비-밸브 갤러리(34)에서의 냉각수는 밸브 요소(78)의 밸브 바디(80)에 대해 걸린다(bear against).

상기에서 표시된 것처럼, 로드 너트(64)의 조정은 밸브 스프링(58)을 압축하고, 이에 의해 밸브 시트(44)에 대해 밸브 바디(80)로 압축력을 인가한다. 이러한 관점에서, 스프링 예비로드는 도 2a에서 도시된 것처럼 닫힌 위치에서 밸브 요소(78)를 최초로 지지하도록 작용한다. 밸브 스프링(57)에 의해 밸브 시트(44) 상에 가해진 선형 닫힘력(closing force)의 양은 밸브 스템(82)의 외부로 나사선이 형성된 부분을 따라 로드 너트(64)를 회전시킴에 의해 조정된다. 로드 너트(64)는 밸브 바디(80)에 대해 예비-밸브 갤러리(34)의 냉각수의 압력이 밸브 바디(80)에 의해 형성된 밸브 요소(78)의 내부면에 대해 작용하는 과열된 스팀의 상승 압력 및 스프링 예비로드의 조합된 압력을 극복하는 포인트를 조절하도록 선택적으로 조정 가능하다.

밸브 바디(80)에 대한 냉각수의 압력이 과열된 스팀의 상승 압력 및 스프링 예비하중의 조합된 압력을 극복할 때, 밸브 바디(80)는 밸브 시트(44)로부터 멀어지도록 축방향으로 이동하며, 도 2b에서 도시된 것처럼 환형 갭(56)을 개방한다. 냉각수는 이후 환형 갭(56)을 통해 유동할 수 있고, 과열된 스팀의 유동을 포함한 스팀 파이프(12) 안으로 유동할 수 있다. 제어 밸브(14)가 온도 센서로부터의 신호에 응답하여 냉각수 주입 라인(16)을 통한 물 유동을 증가시킬 때, 밸브 바디(80)에 대한 냉각수 압력의 증가가 일어나고, 밸브 시트(44)로부터 추가적으로 축방향으로 멀어지도록 밸브 바디(80)에 힘을 가하며 추가적으로 환형 갭(56)의 크기를 증가시킨다. 차례로 이는 많은 양의 냉각수가 환형 갭(56)을 통과하여 과열된 스팀의 유동 안으로 가는 것을 허용한다. 노즐 원뿔체(86)의 원뿔형 외부면(88)을 따라 유동하는 냉각수에 대해, 상기 설명된 것과 같은 외부면(88)의 굽은 타원형 형상은 편향각을 생성하고, 이러한 편향각은 갭(56)을 통한 냉각수의 유동 특성을 최적화하는 것을 돕는다.

상기에서 설명된 것처럼, 밸브 요소(78)의 구조적 및 기능적 속성의 결과로, 밸브 요소(78)를 넘어 통과하는 원뿔형 시이트로부터의 냉각수 드롭렛의 크기는 최소화되고, 따라서 냉각수의 공간적 분배를 향상시키는 것에 부가하여 과열된 스팀의 유동 내에서 냉각수의 흡수 및 증발 효율을 향상시킨다. 이러한 관점에서, 냉각수는 매우 작은 물 드롭렛으로 이루어진 대체로 균일한 미세한 미스트(mist) 분무 패턴의 원뿔 형상의 패턴으로 스팀 파이프(12)로 들어간다. 균일한 미스트 분무 패턴은 과열된 스팀 유동과 냉각수의 완전하고 균일한 혼합을 보장한다. 또한, 균일한 분무 패턴은 냉각수 분무의 표면 구역을 최대화하고, 따라서 냉각수의 증발 속도를 향상시킨다.

이제 도 7 및 8을 참고하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따라 구성된 밸브 요소(78a)가 도시된다. 밸브 요소(78a)는 상기 설명된 밸브 요소(78)에 대해 구조 및 기능에서 거의 유사하고, 밸브 요소(78, 78a) 사이의 유일한 구별은 이하에서 강조된다.

밸브 요소(78, 78a) 사이의 유일한 구별은 노즐 원뿔체(86a)의 하부 엣지(92a)에 대해 단이진(stepped) 밸브 요소(78a)에서의 립(96a)의 각각의 외부 단부 표면에 있다. 이는 밸브 요소(78)에 반대이고, 이는 인-라인(in-line) 프로파일이며 이 경우 분열링(98)의 외부면, 립(96)의 외부 단부면, 및 노즐 원뿔체(86)의 외부면(88)은 상기에서 나타난 것처럼 서로에 대해 거의 동일 높이에 있거나 또는 연속적이다. 도 8에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 계단식 프로파일로, 분열링(98a) 및 립(96a)의 외부면은 서로에 대해 거의 동일 높이에 있거나 또는 연속이면서, 노즐 원뿔체(88)의 외부면(88a)에 대해 약간 예각에 있고, 따라서 노즐 원뿔체(86a) 아래의 계단(99a)에서 노즐 원뿔체(86a)와 교차한다. 이러한 계단식 프로파일의 목적은 낮은 유동 속도에서 분리된 시이트 유동을 생성하는 것이다. 이러한 관점에서, 밸브 요소(78a)에서, 시이트 유동은 여전히 분열링(98a)에서 분할(split)되지만, 계단(99a)에 기인한 이탈각(differential angle)은 반경 방향으로 외부로 유동의 일부의 방향을 변화시키고, 따라서 분무의 원뿔형 구역을 증가시킨다. 반대로, 밸브 요소(78)와 관계에서 상기 설명된 인-라인 프로파일로, 분열링(98), 립(96) 및 노즐 원뿔체(86)의 접선적인 또는 연속적인 외부면은 특히 낮은 노즐 유동 속도로 시이트 유동에 대한 분열을 최소화한다.

도 9-13을 이제 참고하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따라 구성된 밸브 요소(106)가 도시된다. 밸브 요소(106)는 밸브 바디(108)에 일체로 부착되며 이로부터 축방향으로 연장하는 세장형 밸브 스템(110) 및 밸브 바디(108)를 포함한다. 밸브 스템(110)은 대체로 원형 단면 구성을 갖고, 말단부(112)를 형성한다. 말단부(112)로 연장하는 밸브 스템(110)의 말단부는 상기 설명된 노즐 조립체(20) 안으로 밸브 요소(106)의 작동적 인터페이스를 촉진시킬 목적으로 외부적으로 나사선이 형성될 수 있다. 밸브 요소(78)의 밸브 스템(82)과 같은 밸브 스템(110)은 노즐 하우징(22)의 밸브 스템 보어(42)를 통해 슬라이딩 가능하게 전진 가능하도록 구성되며 크기를 갖는다. 이러한 관점에서, 밸브 스템(110)은 밸스 스템 보어(42)에 상보적으로 구성되며 크기를 갖고, 이에 의해 축방향으로 슬라이딩하는 핏(fit)이 그 사이에 제공된다. 이는 밸브 스템(110) 및 밸브 요소(106)가 밸브 스템 보어(42) 내에서 왕복 운동하는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 밸브 요소(106)는 노즐 조립체(20) 내에서 개방 위치 및 닫힌 위치 사이에서 이동될 수 있다.

밸브 요소(106)의 밸브 바디(108)는 노즐 원뿔체(114)를 포함하고, 이러한 원뿔체는 밸브 스템(110)에 일체화되도록 연결되고, 밸브 요소(106)의 축을 따라 연장할 때 굽은 타원형 프로파일을 갖도록 구체적으로 형상화된 외부면(116)을 형성한다. 외부면(116)에 부가하여, 노즐 원뿔체(114)는 거의 원형의 둘레 하부 엣지(120)에 의해 에워싸인 바닥면(118)을 형성한다. 원형의 거의 원통형 허브(122)는 노즐 원뿔체(114)의 바닥면(118) 상에 일체로 형성된다. 다수의(예를 들어 4개의) 립(124)은 허브(122)에 일체화되도록 연결된다. 립(124)은 대략 90도의 등간격으로 이격된 간격으로 허브(122)로부터 반경 방향으로 외부로 돌출한다. 거의 원형의 또는 환형의 분열링(126)은 립(124)의 각각의 말단부에 일체화되도록 연결된다.

밸브 요소(106)에서, 밸브 바디(108)의 분열링(126)은 상기 표시된 것처럼 바닥면(118)을 에워싸는 노즐 원뿔체(114)의 둘레의 하부 엣지(120)에 대해 이격되도록 배치된다. 또한, 분열링(126)은 도 12 및 13에서 도시된 것처럼 델타 웨지 단면 구성을 갖는 것이 바람직하고, 이러한 웨지의 정점은 분열링(126)의 상부 엣지(128)를 형성하며, 이러한 상부 엣지(128)는 노즐 원뿔체(114)의 하부 엣지(120)로부터 접선 라인을 교차하는 것이 바람직하다. 유사하게, 도 12에서 가장 잘 보는 것처럼, 립(124)의 각각은 델타 웨지 단면 구성을 갖는 것이 바람직하고, 각각의 립(124)의 정점은 노즐 원뿔체(114)로부터 멀어지는 방향으로 배향된 바닥부 엣지(130)를 형성한다. 밸브 요소(106)에서, 립(124)이 노즐 원뿔체(114)의 바닥면(118) 상에 형성된 상기 설명된 허브(122)에 궁극적으로 연결될 때까지, 각각의 립(124)의 바닥부 엣지(130)의 정점은 밸브 요소(106)의 축을 향해 내부로 연속된다.

밸브 요소(106)의 밸브 바디(108)에서, 분열링(126)은 노즐 원뿔체(114) 및 특히 그 하부 엣지(120)에 이격된 관계로 배치된다. 결과적으로, 연속적인 채널 또는 갭(132)은 노즐 원뿔체(114) 및 분열링(126) 사이에, 그리고 더욱 구체적으로는 노즐 원뿔체(114)의 하부 엣지(120) 및 분열링(126)의 상부 엣지(128) 사이에 형성된다. 분열링(126)의 상부 엣지(128)는 노즐 원뿔체(114)의 외부면(116)을 떠나는 시이트 유동을 절단하도록 날카롭고, 이러한 날카로운 엣지는 노즐 조립체(20) 안으로 일체화된다면 밸브 요소(106)로부터 드롭렛을 크기를 감소하는데 중요하다.

밸브 요소(106)에서, 허브(122)에 대한 립(124)의 일체화된 연결은 립(124)과 립(124)에 일체화되어 연결된 분열링(126)의 기계적 강도를 크게 향상시킨다. 부가적으로, 립(124), 분열링(126), 허브(122) 및 노즐 원뿔체(114)에 의해 형성된 밸브 바디(108)의 내부면은, 밸브 요소(106) 위로 유동하는 냉각수가 사각형 코너 또는 교차부에 노출되지 않도록 각각 형성되는 것이 바람직하며, 그 제거는 밸브 요소(106)를 떠나는 시이트 유동에서의 스트리크의 형성을 방지하는 것을 돕는다.

노즐 조립체(20)의 나머지에 대한 밸브 요소(106)의 작동적 부착은 노즐 조립체(20)의 나머지 안으로 밸브 요소(78)의 인터페이스에 대해 상기 설명된 것과 동일한 방식으로 일어난다. 노즐 원뿔체(114)의 외부면(116)은, 밸브 요소(106)가 닫힌 위치에 있을 때 노즐 하우징(22) 및 밸브 요소(106) 사이에서 규정된 밀봉 체결을 촉진시키기 위해 필요한 것처럼 밸브 시트(44)의 절반 각과 외부면의 절반각이 상이하도록 추가적으로 구성된다. 밸브 요소(106)가 밸브 요소(78)로 교체되고, 도 2b에서 도시된 것과 유사한 개방 위치로 구동된다면, 노즐 원뿔체(114)의 원뿔형 외부면(116) 및 원뿔형 밸브 시트(44)의 조합은 환형 갭(56)을 빠져나가는 냉각수에 대한 원뿔형 분무 패턴을 유도하는데 효과적이다. 냉각수 필름이 밸브 바디(108)의 노즐 원뿔체(114)의 외부면(116)을 따라 유동함에 따라, 원뿔형 형상에 대해 기인 가능한 노즐 원뿔체(114)의 점진적으로 증가하는 지름은 냉각수의 시이트 두께를 점진적으로 감소시키도록 작동되고, 따라서 원뿔형 분무 패턴에서 드롭렛의 크기의 최초 감소를 촉진시킨다. 또한, 분열링(126) 및 노즐 원뿔체(114) 사이의 공간은 밸브 요소(106)로부터 냉각수의 시이트 또는 원뿔형 분무 패턴을 일시적으로 분리시키도록 작용한다. 원뿔형 분무 패턴 또는 시이트가 분열링(126)의 상부 엣지(128)와 충돌할 때, 분열링(126)의 상부 엣지(128)는 냉각수의 원뿔형 시이트를 분할하고, 이에 의해 밸브 요소(78)와의 관계에서 설명된 것과 유사한 미립화의 제 2 단계를 제공한다. 따라서, 밸브 요소(106)의 구조적 및 기능적 성질은 냉각수 드롭렛 크기를 최소로 효과적으로 감소시키고, 따라서 냉각수의 공간적 분배를 향상시키는 것에 부가하여 과열된 스팀의 유동 내에서 냉각수의 흡수 및 증발 효율을 향상시킨다.

본 명세서는 본 발명의 예시적 실시예를 제공한다. 본 발명의 범위는 이러한 예시적 실시예에 의해 제한되지 않는다. 구조, 치수, 물징의 유형 및 제조 프로세스에서의 변화와 같이 명세서에 의해 암시된 또는 명세서에 대해 분명하게 제공된 다양한 변화는 이 명세서의 관점에서 당업자에 의해 구현될 수 있다.

Claims

노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소로서,
대체로 원뿔형인 밸브 바디; 및
밸브 요소 축을 따라 상기 밸브 바디로부터 축방향으로 연장하며 상기 밸브 바디에 일체로 연결되는 세장형 밸브 스템을 포함하고,
상기 밸브 바디는,
둘레 하부 엣지에 의해 에워싸인 바닥면 및 외부면을 형성하는 노즐 원뿔체로서, 상기 외부면은 상기 하부 엣지를 향해 상기 밸브 스템으로부터 연장함에 따라 대체로 타원형 프로파일(profile)을 갖는, 노즐 원뿔체;
상기 노즐 원뿔체의 바닥면에 일체로 연결된 허브;
상기 허브에 일체로 연결된 하나 이상의 립; 및
상기 노즐 원뿔체에 이격된 관계로 배치되며 상기 립에 일체로 연결된 분열링(fracture ring)을 포함하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 립은 상기 허브에 일체로 연결된 다수의 립을 포함하고, 상기 분열링은 상기 립의 각각에 일체로 연결되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 2 항에 있어서,
상기 허브는 대체로 사각형 구성을 갖고,
4개의 립은 상기 허브에 의해 형성된 4개의 코너 영역 중의 각각으로부터 돌출하며 이에 일체로 연결되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 2 항에 있어서,
상기 허브는 대체로 원통형 구성을 갖고, 4개의 립은 상기 허브로부터 반경 방향으로 외부로 연장하고 이에 일체로 연결되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 4 항에 있어서,
상기 립은 대략 90°의 등간격으로 이격된 간격으로 배열되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 2 항에 있어서,
상기 립의 각각은 상기 노즐 원뿔체의 바닥면에 추가적으로 일체로 연결되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 2 항에 있어서,
상기 립의 각각은 대체로 웨지-형상의 단면 구성을 갖고, 상기 노즐 원뿔체로부터 멀어지는 방향으로 배향된 하부 정점(apex)을 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 2 항에 있어서,
상기 립의 각각은 상기 노즐 원뿔체의 외부면과 거의 연속적인 외부 단부면을 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 8 항에 있어서,
상기 립의 각각의 외부 단부면은 상기 노즐 원뿔체의 바닥면의 둘레부에 의해 형성된 계단(step)에 의해 상기 노즐 원뿔체의 하부 엣지로부터 분리되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 8 항에 있어서,
상기 분열링은 상기 립의 각각의 외부 단부면과 거의 동일한 높이인 외부면을 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 1 항에 있어서,
상기 분열링은 대체로 웨지-형상의 단면 구성을 갖고, 상기 노즐 원뿔체의 하부 엣지에 대해 이격된 관계로 배치되며 이를 향한 방향으로 배향된 상부 정점을 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 11 항에 있어서,
상기 노즐 원뿔체의 하부 엣지, 상기 분열링의 상부 정점, 및 상기 립은 상기 밸브 바디 내부에 배치된 다수의 윈도우를 집합적으로 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소로서,
대체로 원뿔형인 밸브 바디; 및
밸브 요소 축을 따라 상기 밸브 바디로부터 축방향으로 연장하며 상기 밸브 바디에 일체로 연결된 세장형 밸브 스템을 포함하고,
상기 밸브 바디는,
둘레 하부 엣지에 의해 에워싸인 바닥면 및 외부면을 형성하는 노즐 원뿔체;
상기 노즐 원뿔체의 바닥면에 일체로 연결된 허브;
상기 허브에 일체로 연결되며 상기 노즐 원뿔체의 외부면과 거의 연속적인 외부 단부면을 형성하는, 하나 이상의 립; 및
상기 노즐 원뿔체에 이격된 관계로 배치되며 상기 립에 일체로 연결되고 상기 립의 상기 외부 단부면과 거의 연속적인 외부면을 갖는, 분열링을 포함하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 13 항에 있어서,
상기 노즐 원뿔체의 외부면은 상기 밸브 스템으로부터 상기 하부 엣지를 향해 연장함에 따라 대체로 타원형 프로파일을 갖는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 2 항에 있어서,
상기 허브가 대체로 사각형 구성을 갖고, 4개의 립은 상기 허브에 의해 형성된 4개의 코너 영역 중의 각각으로부터 돌출하며 이에 일체로 연결되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 15 항에 있어서,
상기 립의 각각은 상기 노즐 원뿔체의 바닥면에 추가적으로 일체로 연결되는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 15 항에 있어서,
상기 립의 각각은 대체로 웨지-형상의 단면 구성을 갖고, 상기 노즐 원뿔체로부터 멀어지는 방향으로 배향된 하부 정점을 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 13 항에 있어서,
상기 분열링은 대체로 웨지-형상의 단면 구성을 갖고, 상기 노즐 원뿔체의 하부 엣지에 대해 이격된 관계로 배치되며 하부 엣지를 향한 방향으로 배향된 상부 정점을 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
제 18 항에 있어서,
상기 노즐 원뿔체의 하부 엣지, 상기 분열링의 상부 정점, 및 상기 립이 상기 밸브 바디 내에 배치된 다수의 윈도우를 집합적으로 형성하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소로서,
대체로 원뿔형인 밸브 바디; 및
밸브 요소 축을 따라 상기 밸브 바디로부터 축방향으로 연장하며 상기 밸브 바디에 일체로 연결된 세장형 밸브 스템을 포함하고,
상기 밸브 바디는,
둘레 하부 엣지에 의해 에워싸인 바닥면 및 외부면을 형성하는 노즐 원뿔체;
상기 노즐 원뿔체의 바닥면에 일체로 연결된 허브;
상기 허브에 일체로 연결되며 상기 노즐 원뿔체의 바닥면의 둘레부에 의해 형성된 계단에 의해 상기 노즐 원뿔체의 하부 엣지로부터 분리된 외부 단부면을 형성하는, 하나 이상의 립; 및
상기 노즐 원뿔체에 이격된 관계로 배치되며 상기 립에 일체로 연결되고 상기 립의 상기 외부 단부면과 거의 연속적인 외부면을 갖는, 분열링을 포함하는,
노즐 조립체로 일체화되기 위한 밸브 요소.