KR20130048049A - 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 밸브와 같은 유체처리장치의 유입구측과 배출구측에 고차압이 적용되는 조건에서 유체의 유동 폐쇄 근접 위치에 대해 상기 유체처리장치를 통과하는 유체의 유동 속도를 제한하여 유체에 의해 발생할 수 있는 소음, 진동 및 캐비테이션(Cavitation), 침식 등의 부작용을 억제할 수 있는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 관한 것이다. 본 발명은, 유입구(11)와 배출구(13)를 갖는 몸체(10)와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 상기 유입구(11)와 상기 배출구(13) 사이에서 이동되는 플러그(30)와, 상기 플러그(30)와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링(40)과, 상기 플러그(30)의 외주면에 밀착되고 유체가 흐를 수 있는 다수의 구멍이 형성된 케이지(50)를 포함하는 유체처리장치에 구비되는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 있어서, 상기 플러그(30), 시트링(40)과 케이지(50) 중 하나 이상에는, 상기 플러그(30), 시트링(40)과 케이지(50) 중 2개의 구성요소가 대면하는 부위에 원주방향을 따라 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52)이 함몰 형성된다.

Description

유체의 유속을 제한하는 유동저항장치{FLUID FLOW-RESISTANT DEVICE LIMITING FLOW VELOCITY}
본 발명은 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 밸브와 같은 유체처리장치의 유입구측과 배출구측에 고차압이 적용되는 조건에서 유체의 유동 폐쇄 근접 위치에 대해 상기 유체처리장치를 통과하는 유체의 유동 속도를 제한하여 유체에 의해 발생할 수 있는 소음, 진동 및 캐비테이션(Cavitation), 침식 등의 부작용을 억제할 수 있는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 관한 것이다.
밸브와 같은 유체처리장치에는 전단과 후단에 압력차를 형성하여 유체가 유동할 수 있는 구동력을 제공하게 된다. 이 구동력은 유체의 유동속도를 제공하며 결과적으로 유체의 유량이 결정된다. 특히 유체처리장치에 작용하는 전단압력과 후단압력의 차이가 아주 큰 경우에 유체의 유동 폐쇄 근접 위치에 대해 상기 유체처리장치를 통과하는 유체의 유동속도가 매우 빠르게 되어 소음, 진동 및 캐비테이션, 침식 등의 부작용이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 저감하기 위해서는 유체처리장치를 통과하는 유체의 유동속도는 제한되는 것이 바람직하다. 유체의 유동속도는 유체의 유동 통로에 해당하는 유동부의 저항에 의해 영향을 받는다. 따라서 유체처리장치 또는 유체의 유속을 조절하는 장치의 전단압력과 후단압력 차이가 아주 큰 경우에는 유체의 유동속도가 매우 빠르게 되므로, 유체의 유동에 대응하는 저항을 크게 부여하면 유동속도를 제한하거나 감소시킬 수가 있다.
이러한 유동 저항은 유동부의 형상, 거칠기, 단면적, 유동부 간의 거리, 유동부가 이루는 유로의 방향 등 기하학적 구조에 의해 결정되므로 이것들을 효과적으로 이용하면 유체의 유동속도를 필요한 수준으로 조절할 수 있다. 이러한 관계를 간단히 식으로 나타내면 다음의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
이러한 [수학식 1]을 ξ에 대해 정리하면 [수학식 2]로 된다.
Figure pat00002
여기서 ω는 유체의 유동속도, △P는 장치의 전단과 후단에 작용하는 유체의 압력차, ρ는 유체의 밀도, ξ는 장치의 유동부에 대한 총 손실계수, ξ'는 틈새 입구 가장자리 형태의 영향을 고려한 계수, z는 래비린스 형상 계수, ao 및 b1은 래비린스 홈의 상대적 길이에 따른 계수, ξfr은 틈새의 마찰계수이다.
상기 식에 의하면, 유동부의 거칠기, 장치 전후단의 압력차, 횡단면적, 유동부 특정형상 등을 적절히 조절하면 유체의 유동 속도를 원하는 수준으로 만들 수 있음을 알 수 있다.
또한, 유체의 유속을 제한하는 장치는 소음에 대해서도 고려하여야 하는데 주요 소음원은 공기역학적 소음으로 이 소음 에너지의 정도는 질량유량률, 상류측의 절대압력 대비 하류측의 절대압력에 의한 압력비, 기하학적 구조 및 유체의 물리적 특성과 관련된다. 특정 부위에서 압력비가 크면 음속유동 또는 플래싱(Flashing)으로 인한 쵸크유동(Choke Flow)이 발생하여 높은 소음과 진동의 원인이 되므로 압력비를 제어함으로써 소음 발생률을 제한 또는 억제할 수 있다는 것이 알려져 있다. 따라서 이러한 압력비를 저감하는 방법으로는 앞에서 설명한 것처럼 특정부위 즉, 유동부의 구조를 유동속도가 저하될 수 있는 기하학적 구조로 형성하는 것이다.
따라서, 이러한 유체처리장치의 전단압력과 후단압력의 높은 압력 차이에 의해 발생하는 유체의 유동 속도를 제한하기 위해서 꼬불꼬불한 유로 구조의 유동저항장치가 종래기술로 개시되었다. 즉, 본 발명에 따른 유체의 유동저항장치와 같이 유체의 유동 폐쇄 근접 위치에서의 유속을 제한하는 종래기술로는 대한민국 등록특허 제0280893호(2000. 11. 13. 등록)와 미국 등록특허 제6,805,162호(2004. 10. 19. 등록)에 잘 나타나 있다.
보다 상세히 설명하면, 대한민국 등록특허 제0280893호에는 유입구와 배출구를 갖는 몸체와, 유체 흐름을 제어하기 위하여 유입구와 배출구 사이에서 이동하는 플러그와, 플러그가 내측에 밀착되어 이동되는 다수개의 구멍과 홈으로 형성된 케이지를 포함하는 밸브의 구성에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형으로 되고, 유체의 흐름 통로인 여러 개의 구멍(1a)과 돌출홈(1b), 턱(1c)이 다단으로 형성된 유체흐름 저항장치(1)와 일체로 된 시트(2)와, 상기 돌출홈(1b)과 턱(1c)에 부합되어 원주방향으로 틈새(4)를 가지고 삽입될 수 있는 홈(3a)과 턱(3b)을 가진 플러그(3)를 포함하는 구조로 되어 있다.
이러한 구조는 상술한 바와 같이, 유체 저항장치(1)에 꼬불꼬불한 유로를 형성하여 압력 차이로 구동력에 대한 유동저항을 높이기 위하여 채택되었다. 그러나 상기 종래기술은 유체에 대한 작은 유동저항으로 인해 원하는 수준의 유동저항을 얻기 위해서는 꼬불꼬불한 유로를 여러 개 형성해야 하므로 장치의 크기가 커지는 단점이 있었다.
또한, 미국 등록특허 제6,805,162호의 발명에서는 밸브 하우징(Housing), 밸브 시트(Seat) 및 밸브 플러그로 이루어진 밸브 조립체에서, 밸브 하우징은 내부 챔버(Chamber)와 유체가 유입되는 개구부와 토출될 수 있는 개구부로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시트링(5)이 밸브 하우징에 장착되며 각도가 있는 밀봉 표면(5a)이 형성되어 있고, 이 밀봉 표면(5a)과 밸브 하우징 사이에서 공간이 있는 유로를 형성한다. 밸브 플러그(6)는 내부 챔버에서 축방향으로 미끄러지고 시트링 밀봉 표면(5a)과 접촉하여 유체를 밀봉할 수 있도록 형성되어 있다. 또한 밸브 플러그(6)는 시트링(5)과 조합되어 유로를 형성하는 돌출부(6a)가 형성하고, 시트링(5)에는 상기 돌출부(6a)에 대응하는 채널(5b)이 형성되어 있어 상기 돌출부(6a)와 채널(5b)에 의해 밸브 플러그 밀봉 표면(6b)이 시트링 밀봉 표면(5a)에서 떨어지면 유체의 유동속도 감소를 위한 꼬불꼬불한 유로가 형성된다.
도 2에서 미설명된 도면번호 '7'은 밸브 케이지(Cage)이다.
그런데 이러한 종래기술도 대한민국 등록특허 제0280893호와 유사하게 유체에 대한 작은 유동저항으로 인해 원하는 수준의 유동저항을 얻기 위해서는 꼬불꼬불한 유로를 여러 개 형성하는 구조이므로 장치의 크기와 장치가 점유하는 공간도 커지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은, 밸브와 같은 유체처리장치의 유입구측과 배출구측에 고차압이 적용되는 조건에서 유체의 유동 폐쇄 근접 위치에 대해 상기 유체처리장치를 통과하는 유체의 유동 속도를 제한할 수 있는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 밸브와 같은 유체처리장치 내부의 가용 체적 내에서 컴팩트하게 구비될 수 있는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치를 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 관한 것으로, 유입구와 배출구를 갖는 몸체와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 상기 유입구와 상기 배출구 사이에서 이동되는 플러그와, 상기 플러그와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링과, 상기 플러그의 외주연에 밀착되고 유체가 흐를 수 있는 다수의 구멍이 형성된 케이지를 포함하는 유체처리장치에 구비되는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 있어서, 상기 플러그, 시트링과 케이지 중 하나 이상에는, 상기 플러그, 시트링과 케이지 중 2개의 구성요소가 대면하는 부위에 원주방향을 따라 래비린스 홈이 함몰 형성된다.
그리고 상기 플러그가 대면하는 상기 시트링의 일단에는 상기 시트링의 축방향으로 돌출된 돌출부가 형성된다.
이때 상기 시트링의 일단에 대면하는 상기 플러그의 일단에는 상기 돌출부가 삽입될 수 있도록 상기 돌출부의 형상에 대응하여 함몰된 홈부가 형성된다.
또한 상기 시트링의 일단에 대면하는 상기 플러그의 일단에는, 상기 돌출부의 외곽으로 연장되는 연장부가 형성되고, 상기 시트링의 일단과 상기 플러그의 일단에서 유체의 흐름을 밀봉하도록 서로 밀착되는 밀봉부는 상기 연장부의 하단에 대해 상대적으로 상부에 위치된다.
그리고 상기 래비린스 홈 중 하나 이상의 내부에는, 래비린스 홈에서의 마찰계수를 증대시키기 위하여 거칠기 가공되거나, 표면이 거친 부재가 부착될 수 있다.
또한 상기 래비린스 홈 중 하나 이상의 내부에는, 유체의 흐름에 대한 저항을 증대시키기 위하여 요철부가 형성될 수 있다.
아울러, 상기 래비린스 홈은 유체의 흐름방향을 따라 복수개로 형성되고, 원주방향을 따라 연속 형성된 링 형태로 이루어지거나, 원주방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 의하면, 밸브와 같은 유체처리장치의 유입구측과 배출구측에 고차압이 적용되는 조건에서 유체의 유동 폐쇄 근접 위치에 대해 상기 유체처리장치를 통과하는 유체의 유동 속도를 제한할 수 있으므로, 유체에 의해 발생할 수 있는 소음, 진동 및 캐비테이션(Cavitation), 침식 등의 부작용을 억제할 수 있는 효과가 있다.
즉, 플러그의 원주면을 따라 케이지와 플러그에 다수의 환형 공간(래비린스 홈)을 형성하므로 빠른 속도의 유체 흐름이 환형 공간 안에서 불규칙한 와류를 발생시키는 난류 유동을 형성하므로, 유체의 유동저항으로 인한 속도수두손실(Velocity Head Loss)로 유동속도가 감소 또는 유지되므로 상기에 기술한 높은 유속으로 인한 부작용을 최대한 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 종래기술에서의 단점인 꼬불꼬불한 유로를 여러 개 형성하는 구조로 인한 장치의 크기가 커지는 현상을 보완하므로써 보다 콤팩트한 유체처리장치의 제작이 가능하게 되는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도,
도 3은 본 발명에 따른 유동저항장치가 설치되는 밸브의 구성을 도시한 종단면도,
도 4는 도 3의 A부분을 확대하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도,
도 5 내지 도 7은 제1실시예에 따른 유동저항장치의 작용을 설명하기 위한 종단면도,
도 8은 제1실시예에 따른 래비런스 홈에 표면이 거친 부재가 장착된 상태를 도시한 종단면도,
도 9는 제1실시예에 따른 래비런스 홈에 요철부가 형성된 상태를 도시한 부분단면 사시도,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도,
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도,
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다. 이하의 실시예에서는 유체처리장치로서 밸브를 예시하여 설명하지만, 이는 밸브에 한정되지 않고 유입구측과 배출구측에 고차압이 적용되는 조건이 부여되는 다른 장치도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
<제1실시예>
도 3은 본 발명에 따른 유동저항장치가 설치되는 밸브의 구성을 도시한 종단면도이고, 도 4는 도 3의 A부분을 확대하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도이며, 도 5 내지 도 7은 제1실시예에 따른 유동저항장치의 작용을 설명하기 위한 종단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유체의 유동저항장치는 유체처리장치의 일종인 밸브(100) 내에 유입구(11)와 배출구(13) 사이에 설치된다. 한편, 밸브(100) 내의 유입구(11) 및 배출구(13)의 방향은 밸브(100)의 특성 및 사용되는 유체의 종류에 따라 변경 가능하다. 또한, 밸브(100)의 유량은 스템(20)에 의해 연결된 플러그(30)가 상하운동에 따라서 조절된다. 즉, 도 3의 중심선을 기준으로 우측과 같이 플러그(30)가 상부로 이동할 경우, 유로를 개방하여 유량이 증가하고, 도 3의 중심선을 기준으로 좌측과 같이 플러그(30)가 하부로 이동할 경우 유로를 폐쇄하여 유량은 감소하게 된다.
본 실시예에 따른 밸브(100)는, 유입구(11)와 배출구(13)를 갖는 몸체(10)와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 유입구(11)와 배출구(13) 사이에서 이동되는 플러그(30)와, 플러그(30)와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링(40)과, 플러그(30) 원주 바깥으로 밀착되는 다수의 구멍이 형성된 케이지(50)를 포함한다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 케이지(50)의 내주면에서 플러그(30)와 맞닿는 면에는 원주방향으로 래비린스 홈(Labyrinth Seal)(51, 52)이 2개 형성된다. 또한 플러그(30)의 하단에서 시트링(40)과 맞닿는 면에도 원주방향으로 래비린스 홈(31, 32)이 2개 형성된다.
이때 케이지(50)의 내주면에 형성되는 래비린스 홈(51, 52)은 상기 케이지(50)의 내주면에서 원주방향으로 형성되면서, 2개의 래비린스 홈(51, 52)이 일정간격을 두고 형성되되, 케이지(50)에서 2개의 래비린스 홈(51, 52)이 완전한 형태로 형성되지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 래비린스 홈(51, 52) 중 하부에 위치한 두번째 래비린스 홈(52)의 일면은 시트링(40)의 상면의 도움을 받아 형성될 수도 있다.
그리고 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)은 원주방향을 따라 환형 공간을 형성하여 링 형태로 이루어질 수도 있지만, 단속된 형태의 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)이 원주방향을 따라 등간격으로 형성될 수도 있다.
또한 본 실시예에서는 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)이 케이지(50)와 플러그(30) 사이에는 케이지(50)의 내주면에만, 그리고 플러그(30)와 시트링(40) 사이에는 플러그(30)의 하단에만 형성된 것으로 예시되었지만, 케이지(50)와 플러그(30) 사이에서 케이지(50)와 플러그(30) 모두에, 그리고 플러그(30)와 시트링(40) 사이에도 플러그(30)와 시트링(40) 모두에 형성될 수도 있다.
이러한 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)은 유체의 미세 흐름 통로 상에 부피가 증대되는 환형 공간을 형성하여 고압의 유체가 미세 흐름 통로를 통과할 때 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)에 의해 유체의 유속이 감소되게 하는 기능을 수행한다.
또한 [수학식 2]에서 확인한 바와 같이, 유체의 유동통로에서의 손실계수를 보다 증대시키는 방안으로 상기 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)에 마찰계수를 증대시킬 수도 있음을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 래비런스 홈에는 마찰계수를 증대시키기 위한 거칠기 가공이 되거나, 도 8에 도시된 바와 같이, 표면이 거친 부재(53)가 부착되어 있을 수 있다. 그리고 도 8에는 케이지(50)에 형성된 래비린스 홈(51, 52) 중 하나에만 상기 거친 부재(53)가 부착된 것으로 도시되어 있지만, 도 8에 도시된 모든 래비린스 홈(31, 32, 51, 52)에 상기 거친 부재(54)가 부착될 수도 있다.
아울러, 유체 흐름의 통로인 유동부의 형상을 조절하여 유체의 흐름에 대한 저항을 증대시키기 위하여 도 9에 도시된 바와 같이 래비런스 홈(31, 32, 51, 52)의 내부에 요철부(54)가 형성되어 있을 수 있다. 이때 유체의 흐름방향을 변경하면서 유체의 흐름을 제한하기 위하여 요철부(54)는 물결 형태로 이루어질 수도 있다. 그리고 도 9는 편의상 케이지(50)에 형성된 래비린스 홈(51, 52) 중 하나에만 요철부(54)가 형성된 것으로 예시되어 있다.
한편, 상기 플러그(30)에 형성된 래비린스 홈(31, 32)에 대응되는 시트링(40)의 상단은 상기 시트링(40)의 축방향으로 돌출된 돌출부(43)가 형성된다. 그리고 상기 시트링(40)의 상단에 대면하는 상기 플러그(30)의 하단에는, 상기 돌출부(43)의 외곽으로 연장되는 연장부(33)가 형성되고, 상기 시트링(40)의 상단과 상기 플러그(30)의 하단에서 유체의 흐름을 밀봉하도록 서로 밀착되는 밀봉부(34, 41)는 상기 연장부(33)의 하단에 대해 상대적으로 상부에 위치된다.
이는 밸브(100)의 전후단에 작용하는 압력의 차이가 큰 경우, 유체의 높은 유동에너지로 인해 플러그(30)에 형성된 밀봉부(34)의 침부식 등을 방지하기 위함이다. 즉, 플러그(30)에 형성된 밀봉부(34)가 연장부(33)에 의해 유체의 유동에너지를 직접 받지 않도록 하여 유체의 유동에너지로부터 밀봉부(34)를 보호하는 것이다.
이하에서는 도 5 내지 도 7을 토대로 제1실시예에 따른 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치의 작용에 대해 설명한다. 도 5 내지 도 7에서 화살표는 유체의 흐름을 표시한 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 유동저항장치의 플러그 미소 열림상태에서의 유체 유동패턴을 나타낸 유체 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 케이지(50)의 유로에서 분출되는 높은 압력의 유체가 케이지(50)와 플러그(30) 사이의 틈새에서 수축되어 케이지(50) 일단의 첫 번째 래비린스 홈(51)으로 이동하고, 래비린스 홈(51)에서 유체는 급팽창되어 래비린스 홈(51) 내에서 와류를 발생시켜 회오리 유동 패턴을 형성하고 다시 케이지(50)와 플러그(30) 사이의 틈새로 이동하는 일련의 과정이 케이지(50) 일단의 2개의 래비린스 홈(51, 52)에서 두 차례 반복된다.
이렇게 2개의 래비린스 홈(51, 52)을 통과한 유체는 플러그(30) 하단의 연장부(33)에서 플러그(30) 내측으로 그 흐름이 90도 방향으로 급격히 변경된 후, 플러그(30)의 연장부(33)와 시트링(40)의 돌출부(43) 사이의 틈새를 따라 이동하면서 또다시 상부로 90도 방향을 급격히 변경한다. 그리고 시트링(40)의 돌출부(43)와 대응하는 플러그(30) 하단에 형성된 2개의 래비린스 홈(31, 32)에서 또다시 유체는 급팽창과 수축되는 과정을 두 차례 반복한다.
이러한 과정을 통하여 최초 틈새 진입시 유체의 높은 속도와 압력이 균일하게 저하되므로 밸브의 미소 열림 상태에서의 플러그의 밀봉부(34) 및 시트링의 밀봉부(41)에서 높은 유속으로 인한 캐비테이션 및 햄머링 등과 같이 밸브의 손상을 유발할 수 있는 현상들의 발생을 억제할 수 있다.
다음으로, 도 6은 도 5에서 플러그 하단의 위치가 케이지 일단의 두 번째 래비린스 홈까지 열림상태에서의 유동패턴을 나타낸 유체 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 케이지(50)의 유로에서 분출되는 높은 압력의 유체가 케이지(50)와 플러그(30) 사이의 틈새에서 수축되어 케이지(50) 일단의 첫 번째 래비린스 홈(51)으로 이동하고, 래비린스 홈(51)을 지나는 유체는 급팽창되어 래비린스 홈(51) 내에서 와류를 발생시켜 회오리 유동패턴을 형성하게 되고, 다시 케이지(50)와 플러그(30) 사이의 틈새를 통과하면서 수축되어 케이지(50) 일단의 두 번째 래비린스 홈(52)으로 이동된다.
이때 플러그(30) 하단, 정확히는 연장부(33)의 일단의 위치가 케이지(50) 일단의 두 번째 래비린스 홈(52)까지 열림상태이므로, 플러그(30) 하단과 시트링(40) 사이에서 연장부(33)와 돌출부(43)에 의한 추가의 래비린스 홈(55)이 발생된다. 따라서 케이지(50)와 플러그(30) 사이의 틈새를 수축되어 통과한 유체의 유동은 케이지(50) 일단의 두 번째 래비린스 홈(52)과 플러그(30)와 시트링(40) 사이에 추가로 발생된 래비린스 홈(55)으로 양분되어 두 공간에 와류를 발생시켜 회오리 유동패턴을 형성하게 된다.
이후 유체의 유동은 시트링(40)의 돌출부(43)와 대응하는 플러그(30) 하단의 보다 확장된 2개의 래비린스 홈(31, 32)에서 또다시 급팽창과 수축되는 과정을 두 차례 반복하면서 유체의 높은 속도와 압력이 균일하게 저하되므로 밸브의 미소 열림 상태에서의 플러그의 밀봉부(34) 및 시트링의 밀봉부(41)에서 높은 유속으로 인한 캐비테이션 및 햄머링 등과 같은 밸브의 손상을 유발할 수 있는 현상들의 발생을 억제할 수 있다.
다음으로, 도 7은 도 6에서 플러그 하단의 위치가 유체가 분출되는 케이지 유로까지 열림상태에서의 유동패턴을 나타내는 유체 흐름도이다.
일반적으로, 밸브(100)에 작용하는 전단과 후단 압력의 차이가 큰 경우 케이지(50)의 유로에서 분출되는 유체의 유동에너지는 매우 크게 나타나며, 이러한 높은 유동에너지로 인한 플래싱(Flashing)과 캐비테이션(Cavitation) 현상으로 플러그(30) 및 시트링(40)에 침부식 등의 부작용이 발생될 수 있다.
따라서 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 케이지(50) 유로에서 분출되는 높은 유동에너지로 인한 플러그(30)의 손상을 방지하기 위한 구조를 채택하고 있다. 즉, 밸브 내부에서 유체 흐름을 밀봉하기 위한 시트링(40)과 플러그(30)가 맞닿는 각 밀봉부(34, 41)에서 특히 플러그(30)의 밀봉부(34)를 플러그(30) 하단 가장자리에서 연장된 연장부(33)의 내측에 위치하게 함으로서, 상기에서 기술한 케이지(50)의 유로에서 분출되는 매우 빠른 유체의 유동에너지로부터 시트링(40)과 맞닿는 플러그(30)의 밀봉부(34)가 보호되게 한다. 다시 말해 플러그(30)의 밀봉부(34)가 연장부(33)에 의해 유체의 직선 흐름 동선에서 벋어나게 배치되므로, 높은 유체의 유동에너지가 플러그(30)의 밀봉부(34)에 직접 작용하지 않도록 하여 밀봉부(34)를 보호하는 것이다.
<제2실시예>
다음으로 본 발명에 따른 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치의 제2실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는 제1실시예와 대응되는 구성에 대해 동일한 도면번호를 사용하기로 한다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서도 제1실시예와 마찬가지로, 유입구(11)와 배출구(13)를 갖는 몸체(10)와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 유입구(11)와 배출구(13) 사이에서 이동되는 플러그(30)와, 플러그(30)와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링(40)과, 플러그(30) 원주 바깥으로 밀착되는 다수의 구멍이 형성된 케이지(50)를 포함하는 밸브(100)에 설치된다.
다만, 본 실시예에서는 시트링(40) 상단에는 시트링(40)의 밀봉부(41) 원주 외측에 시트링(40) 축과 평행한 방향으로 돌출된 돌출부(43)가 형성되고, 플러그(30) 하단에는 원주방향으로 시트링(40)의 돌출부(43)와 대응하는 래비린스 홈(31, 32)이 형성된다. 즉, 제1실시예에서 케이지(50)에 형성된 래비린스 홈이 본 실시예에서는 생략되어 있다.
본 실시예에서는 제1실시예보다 래비린스 홈이 감소되어 있으므로, 유체의 높은 속도와 압력 저하의 정도가 제1실시예에서 보다는 다소 감소하지만, 유체의 급격한 방향 전환 및 래비린스 홈에서의 와류는 그대로 적용되므로 높은 유속으로 인한 캐비테이션, 플래싱 및 햄머링 등과 같이 밸브의 손상을 유발할 수 있는 현상들의 발생을 억제할 수 있다.
또한 래비린스 홈(31, 32)이 플러그(30) 하단에만 형성되므로, 보다 단순한 구성으로 상기와 같은 효과를 달성할 수 있으며, 플러그(30)와 시트링(40)에 대한 형상 변경만 이루어지면 가능하므로 현재 사용되고 있는 밸브(100)에도 쉽게 적용될 수 있는 장점을 갖게 된다.
그 외의 구성 및 작용은 제1실시예에서와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
<제3실시예>
다음으로 본 발명에 따른 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치의 제3실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는 제1실시예와 대응되는 구성에 대해 동일한 도면번호를 사용하기로 한다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서도 제1실시예와 마찬가지로, 유입구(11)와 배출구(13)를 갖는 몸체(10)와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 유입구(11)와 배출구(13) 사이에서 이동되는 플러그(30)와, 플러그(30)와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링(40)과, 플러그(30) 원주 바깥으로 밀착되는 다수의 구멍이 형성된 케이지(50)를 포함하는 밸브(100)에 설치된다.
다만, 본 실시예에서는 케이지(50)의 내주면에서 플러그(30)와 맞닿은 부분에만 래비린스 홈(51, 52)이 형성되고, 제1실시예에서 플러그(30)에 형성된 래비린스 홈은 생략되어 있다.
그리고 플러그(30)에 형성된 래비린스 홈은 생략되어 있지만, 시트링(40) 상단에는 돌출부(43)가 형성되어 있으므로, 플러그(30) 하단에는 상기 돌출부(43)가 삽입될 수 있도록 상기 돌출부(43)의 형상에 대응하여 함몰된 홈부(35)가 형성된다.
본 실시예에서는 제1실시예보다 래비린스 홈이 감소되어 있으므로, 유체의 높은 속도와 압력 저하의 정도가 제1실시예에서 보다는 다소 감소하지만, 연장부(33), 돌출부(43) 및 홈부(35)에 의한 유체의 급격한 방향 전환 및 래비린스 홈(51, 52)에서의 와류는 그대로 적용되므로 높은 유속으로 인한 캐비테이션 및 햄머링 등과 같이 밸브의 손상을 유발할 수 있는 현상들의 발생을 억제할 수 있다.
또한 래비린스 홈(51, 52)이 케이지(50)의 내주면에만 형성되므로, 보다 단순한 구성으로 상기와 같은 효과를 달성할 수 있게 된다.
그 외의 구성 및 작용은 제1실시예에서와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
<제4실시예>
다음으로 본 발명에 따른 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치의 제4실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는 제1실시예와 대응되는 구성에 대해 동일한 도면번호를 사용하기로 한다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 유동저항장치를 도시한 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서도 제1실시예와 마찬가지로, 유입구(11)와 배출구(13)를 갖는 몸체(10)와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 유입구(11)와 배출구(13) 사이에서 이동되는 플러그(30)와, 플러그(30)와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링(40)과, 플러그(30) 원주 바깥으로 밀착되는 다수의 구멍이 형성된 케이지(50)를 포함하는 밸브(100)에 설치된다.
다만, 본 실시예에서는 케이지(50)의 내주면에서 플러그(30)와 맞닿은 부분에만 래비린스 홈(51, 52)이 형성되고, 제1실시예에서 플러그(30)에 형성된 래비린스 홈은 생략되어 있다. 그리고 시트링(40) 상단의 돌출부도 생략되어 있다.
본 실시예에서는 제1실시예보다 래비린스 홈이 감소되어 있으므로, 유체의 높은 속도와 압력 저하의 정도가 제1실시예에서 보다는 다소 감소하지만, 래비린스 홈에서의 와류는 그대로 적용되므로 높은 유속으로 인한 캐비테이션 및 햄머링 등과 같이 밸브의 손상을 유발할 수 있는 현상들의 발생을 억제할 수 있다.
또한 래비린스 홈(51, 52)이 케이지(50)의 내주면에만 형성되므로, 보다 단순한 구성으로 상기와 같은 효과를 달성할 수 있게 된다.
그 외의 구성 및 작용은 제1실시예에서와 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10 : 몸체 20 : 스템
30 : 플러그 31, 32 : 래비린스 홈
33 : 연장부 34 : 밀봉부
35 : 홈부 40 : 시트링
41 : 밀봉부 43 : 돌출부
50 : 케이지 51, 52 : 래비린스 홈
100 : 밸브

Claims (9)

  1. 유입구(11)와 배출구(13)를 갖는 몸체(10)와, 유체의 유동량을 조절하기 위하여 상기 유입구(11)와 상기 배출구(13) 사이에서 이동되는 플러그(30)와, 상기 플러그(30)와 밀착되어 유체의 흐름을 차단하는 시트링(40)과, 상기 플러그(30)의 외주면에 밀착되고 유체가 흐를 수 있는 다수의 구멍이 형성된 케이지(50)를 포함하는 유체처리장치에 구비되는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치에 있어서,
    상기 플러그(30), 시트링(40)과 케이지(50) 중 하나 이상에는, 상기 플러그(30), 시트링(40)과 케이지(50) 중 2개의 구성요소가 대면하는 부위에 원주방향을 따라 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52)이 함몰 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플러그(30)가 대면하는 상기 시트링(40)의 일단에는 상기 시트링(40)의 축방향으로 돌출된 돌출부(43)가 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시트링(40)의 일단에 대면하는 상기 플러그(30)의 일단에는 상기 돌출부(43)가 삽입될 수 있도록 상기 돌출부(43)의 형상에 대응하여 함몰된 홈부(35)가 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 시트링(40)의 일단에 대면하는 상기 플러그(30)의 일단에는, 상기 돌출부(43)의 외곽으로 연장되는 연장부(33)가 형성되고,
    상기 시트링(40)과 상기 플러그(30)의 일단에서 유체의 흐름을 밀봉하도록 서로 밀착되는 밀봉부(34)는 상기 연장부(33)의 하단에 대해 상대적으로 상부에 위치되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52) 중 하나 이상의 내부에는, 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52)에서의 마찰계수를 증대시키기 위하여 거칠기 가공되거나, 표면이 거친 부재(54)가 부착되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52) 중 하나 이상의 내부에는, 유체의 흐름에 대한 저항을 증대시키기 위하여 요철부(54)가 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52)은 유체의 흐름방향을 따라 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52)은 원주방향을 따라 연속 형성된 링 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 래비린스 홈(31, 32, 51 ,52)은 원주방향을 따라 등간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체의 유속을 제한하는 유동저항장치.
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