KR100856495B1 - 컨트롤 밸브의 케이지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 유체가 유동 되는 밸브몸체 내부에 구비되며, 원통형상으로 외측에는 복수개의 유동구멍이 n등분된 위치에 상태로 플러그의 상하 이송에 따른 개폐 정도에 따라 유량이 조절되도록 순차적으로 배열된 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법에 있어서, 케이지의 최하측 유동구멍의 개수를 선정하는 단계와; 컨트롤 밸브의 사양에 따라 유량계수(Cv)를 산출하는 단계와; 케이지의 최하측 유동구멍의 개수와 유량계수(Cv)를 이용하여 케이지에 형성된 유동구멍의 총단면적(Amax)을 산출하는 단계와; 케이지를 길이방향으로 n등분 분할하는 케이지 분할 단계; 및 케이지 분할 단계의 n등분 분할 위치중 하측에서 m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적 Am = Amax еc(x-1) 인 복수개의 제 m번째 유동구멍을 형성하는 유동구멍형성단계를 포함하는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법이 개시된다. 개시된 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법에 의하면 지수함수를 이용하여 요구되는 유량특성에 근접하도록 케이지 상에 유동구멍을 배열함으로써 불연속적인 유량특성을 최소화시키고, 보다 정교한 유량제어를 가능하게 한다.
컨트롤 밸브, 케이지, 유동구멍

Description

컨트롤 밸브의 케이지 및 그 제조방법{Control valve cage and its manufacturing method}
도 1은 종래의 컨트롤 밸브를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 컨트롤 밸브의 사시도,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 케이지의 사시도 및 전개도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100...컨트롤 밸브 200...본체
210...엑추에이터 300...밸브몸체
310...밸브시트 400...플러그
410...밸브스템 500...케이지
510...유동구멍
본 발명은 컨트롤 밸브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체가 유동 되는 케이지에 유동구멍을 배열하여 이를 통과하는 유체의 유량 특성이 지수함수적 유량제어(EQ%) 특성의 목표곡선에 근접하도록 형성되는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 컨트롤 밸브는 트림의 형태에 따라 플러그 스로틀링 트림(plug throttling trims)과 포트 스로틀링 트림(port throttling trims)으로 나눌 수 있다.
여기서, 플러그 스로틀링 트림은 시트와 케이지로 구성되어 플러그에 형상에 의해 유량을 조절하는 것으로서, 밸브의 크기가 작고 유량제어가 일반적인 곳에 주로 사용된다.
그리고 포트 스로틀링 트림은 플러그 스로틀링 트림에 비해 비교적 큰 밸브에 주로 적용되며, 케이지에 형성된 유동구멍의 크기와 형태에 따라 유량을 조절하게 되는 것으로서 도 1에 도시된 바와 같은 구조가 일반적으로 사용된다.
도면을 참조하면, 종래의 컨트롤 밸브(10)는 제어부(미도시)와 연결된 엑추에이터가(20)와, 상부에 연결통로가 형성되어 상기 엑추에이터(20)에 하부에 연결되며, 내부로 유체가 유동 되는 몸체(30)가 구비된다.
그리고 상기 엑추에이터(20)에 연결되는 스템(40)과, 상기 스템(40)에 연결되어 상하 이송되는 플러그(50)와, 상기 몸체(30) 내부에 구비되며, 중앙이 관통되어 유체통로를 형성하는 밸브시트(60)가 구비된다.
또한, 중앙이 관통된 상태로 복수개가 겹쳐지며, 상기 몸체(30)의 연결통로에 구비되어 중앙의 관통공으로 상기 플러그(50)가 이송되며, 외측에는 복수개의 유동구멍(71)이 형성된 케이지(70)가 구비된다.
여기서, 상기 케이지(70) 외측에 형성된 복수개의 유동구멍(71)은 일정한 크 기와 일정한 간격을 가진 상태로 배열된다.
이러한, 상기 컨트롤 밸브(10)는 상기 몸체(30)로 유체가 유동 되면 상기 엑추에이터(20)에 의해 작동되는 상기 플러그(50)가 상하 이송되면서 상기 밸브시트(60)와의 사이공간이 형성되어 유체가 유동하게 된다.
여기서, 상기 플러그(50)와 밸브시트(60)의 사이공간을 통과한 유체는 상기 플러그(50)의 상하 이송에 의해 상기 케이지(70)에 형성된 유동구멍(71)의 개방정도에 따라 유량을 조절하게 된다.
그러나 종래의 상기 컨트롤 밸브(10)는 유량이 조절되는 케이지(70)의 외측에 형성된 유동구멍(71)이 개방되는 위치에서 일정개수의 구멍 또는 일정한 각도로 배분되며, 각 유동구멍(71) 간의 간격이 유동구멍(71)의 직경 보다 크게 형성되면서 유량의 변화가 불규칙적이고 정밀한 유량제어가 되지 못하는 문제점이 발생한다.
이러한, 문제점을 일부 해결하기 위하여, 종래의 컨트롤 밸브를 제조하는 경우에는 수차례 실험을 통하여 케이지의 유동 구멍의 직경 및 위치를 조절하여 컨트롤 밸브를 제조하여 왔다.
그러나 밸브 제조시마다 수차례의 실험을 통하여 케이지의 유동구멍의 위치 및 직경을 설계한다는 것은 작업의 효율성이 상당히 떨어질 뿐만 아니라, 소요 시간도 오래 소요된다는 문제점을 발생하게 된다.
이에 따라, 리니어 타입의 유동 특성을 가지는 컨트롤 밸브의 경우에는 몸체 의 구조 및 트림의 종류에 따라 여러번의 반복 실험을 통하여 데이터를 확보하고, 이 데이터를 이용하여 컨트롤 밸브를 생산함으로써 다수의 실험을 매번 실시하지 아니하고, 컨트롤 밸브를 생산하게 된다.
그러나, 지수함수적 유동특성을 가지는 컨트롤 밸브는 상기 리니어 타입의 실험결과를 그대로 이용할 수 없고, 지수함수의 특성에 따라 케이지의 유동구멍 배열에 따른 유량변화의 불확실성이 상당하여, 컨트롤 밸브 제조 시에 반복적으로 실험을 하여 적절한 유동특성을 가지는 컨트롤 밸브를 제조할 수 밖에 없는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 설계단계에서의 시행착오를 줄이면서도, 밸브 유량특성에 맞고, 또한 정밀한 유량 제어특성을 가지는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법은, 유체가 유동 되는 밸브몸체 내부에 구비되며, 원통형상으로 외측에는 복수개의 유동구멍이 n등분된 위치에 상태로 플러그의 상하 이송에 따른 개폐 정도에 따라 유량이 조절되도록 순차적으로 배열된 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법에 있어서, 상기 케이지의 최하측 유동구멍의 개수를 선정하는 단계와; 상기 컨트롤 밸브의 사양에 따라 유량계수(Cv)를 산출하는 단계와; 상기 케이지의 최하측 유동구멍의 개수와 상기 유량계수(Cv)를 이용하여 상기 케이지에 형성된 상기 유동구멍의 총단면적(Amax)을 산출하는 단계와; 상기 케이지를 길이방향으로 n등분 분할하는 케이지 분할 단계; 및 상기 케이지 분할 단계의 n등분 분할 위치중 하측에서 m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적 Am = Amax еc(x-1) 인 복수개의 제 m번째 유동구멍을 형성하는 유동구멍형성단계를 포함한다.
여기서, 상기 케이지의 최하측 유동구멍은, 밸브의 손상을 가져오는 케비테이션(Cavitation)이나 플러싱(Flushing)을 방지할 수 있도록 적어도 3개 이상을 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 유동구멍은, 제 m번째 등분 위치에 형성된 유동구멍과 제 m+1번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 사이간격이 각 유동구멍의 반지름의 합보다 작은 값으로 가지며, 상기 케이지의 길이방향에 대하여 나선방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 컨트롤 밸브를 나타낸 사시도 이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 컨트롤 밸브(100)는 제어부(미도시)가 구비된 본체(200)와, 상기 본체(200) 상부에 결합 되는 엑추에이터(210)를 구비하며, 상기 본체(200) 하부에는 밸브몸체(300)를 구비하고 있다.
그리고 상기 엑추에이터(210)와 밸브스템(410)에 의해 연결되는 플러그(400)와, 상기 플러그(400)가 이송되도록 중앙이 관통되는 케이지(500)를 구비하고 있다.
상기 본체(200)는 컨트롤 밸브(100)의 유체 흐름을 개폐하고 유량을 제어하는 부재이다.
이러한, 상기 본체(200)는 일측에 상기 컨트롤 밸브(100)의 유체 흐름과 유량을 제어하는 제어부가 구비되며, 상부에는 제어부의 제어에 따라 작동되는 엑추에이터(210)가 구비된다.
상기 밸브몸체(300)는 내부공간을 형성하여 유체가 유동 되는 부재이며, 내부에는 유체가 유동 되도록 밸브시트(310)가 구비된다.
그리고 상기 밸브몸체(300) 일측에는 유체가 내부공간으로 유입되는 유입구 가 형성되며, 타측에는 내부공간으로 유입된 유체가 배출되는 배출구가 형성된다.
상기 플러그(400)는 상기 밸브몸체(300) 내부로 유동 되는 유체의 흐름을 차단하거나 개방하는 부재이다.
이러한, 상기 플러그(400)는 밸브스템(410)에 의해 상기 엑추에이터(210)에 연결되어 상하 이송하게 된다.
여기서, 상기 플러그(400)의 일단부는 상기 엑추에이터(210)의 작동에 따라 상하 이송되면서 상기 밸브시트(310)에 접촉되거나 이격 되면서 유체의 흐름을 개폐하게 된다.
상기 케이지(500)는 상기 밸브몸체(300) 내로 흐르는 유체의 유량을 제어하는 부재이다.
이러한, 상기 케이지(500)는 양단부가 개구된 원통형상이며, 상기 밸브몸체(300)에 삽입된 상태로 상기 플러그(400)가 상기 케이지(500)의 관통된 중앙으로 상하 이송된다.
또한, 상기 케이지(500) 외측에는 상기 밸브몸체(300) 내부로 유동 되는 유체가 통과 되도록 유동통로를 형성하는 복수개의 유동구멍(510)이 길이방향으로 n등분된 위치에 형성된다.
따라서, 상기 밸브몸체(300) 내부를 유동하는 유체는 상기 플러그(400)의 상하 이송에 따라 상기 케이지(500)의 유동구멍(510)을 개방하거나 차단하여 유량을 조절하게 된다.
여기서, 상기 컨트롤 밸브(100)의 상기 케이지(500) 제조방법을 설명하면 다 음과 같다.
먼저, 상기 케이지(500)의 최하측 유동구멍(510)의 개수를 선정하게 되는데, 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 상기 유동구멍(510)을 5개 형성한다.
이때, 상기 케이지(500) 유동구멍(510)의 개수는 5개로 한정되지 않으나, 밸브의 손상을 가져오는 케비테이션(Cavitation)이나 플러싱(Flushing)이 일어나지 않도록 적어도 3개 이상을 형성하는 것이 바람직하다.
그 후, 컨트롤 밸브에 따른 유량계수(Cv)를 결정한다.
본 실시예에서는, 상기 컨트롤 밸브(100)를 가혹형 타입(type)으로 4" with 2-1/2" 선정하였고, 이에 따라 유량계수(Cv)는 82로 결정되었다.
여기서, 상기 케이지(500) 최하측의 유동구멍(510) 개수(3S,4S,5S,6S)와, 상기 유량계수(Cv)로 지수함수적 유량특성을 나타낸 데이터를 이용하여 유동구멍의 총 단면적(Amax)을 산출한다.
따라서, 본 실시예의 유동구멍은 5개로 형성되었기 때문에 하기의 표에 표시된 5S A Group; y = 0.0402x-13.252의 선도를 선택하여 y 항목인 유량계수(Cv) 82를 대입하여 x 항목인 상기 유동구멍(510)의 총 단면적(Amax) 2369.45㎟을 산출하게 된다.
Figure 112006083276691-pat00001
그리고 상기 케이지(500)를 길이방향으로 n등분으로 분할하게 되는데, 본 실시예에서는 도 3b에 도시한 바와 같이 10등분으로 형성한다.
여기서, 본 실시예에서는 상기 케이지(500)를 분할하는 등분이 컨트롤 밸브의 규격에 따라 변경되어 형성될 수 있다.
그런 다음, 상기 케이지(500)의 분할단계에서 10등분된 위치중 하측에서 m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(Am)을 지수함수인 Am = Amax еc(x-1)를 이용하여 m번째 등분된 위치에 복수개의 유동구멍을 형성하게 된다.
여기서, 상기 총단면적(Am)의 c는 상수를 의미하는 것으로서, 본 실시예에서는 4로 선택하였으며, 이는 컨트롤 밸브의 유동특성에 따라 변화될 수 있음을 이해하여야 한다.
그리고 상기 케이지(500)의 유동구멍은 닫힘 위치에서 개방 정도를 단계별로 나타내며, 개방정도에 따른 개방단계(x)를 백분율(%)로 나타내게 된다.
따라서, 상기 케이지(500)가 10등분으로 분할된 상태로 최하측의 유동구멍이 개방되면 상기 케이지(500)의 총단면적(Amax) 2369.45㎟을 상기의 지수함수 Am = Amax е4(x-1) 에 대입하게 되며, 개방단계(x)는 개방정도 10%인 0.1을 대입하여 첫번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(A1) 64.74219㎟을 산출하게 된다.
그리고 첫번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(A1)을 구멍의 개수에 맞게 나누어 주면 첫번째 개방되는 상기 케이지(500) 유동구멍(510)의 각 단면적이 나오게 되고 각 단면적에 따른 직경이 산출되게 된다.
여기서, 상기 케이지(500)의 m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(Am)은 첫번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 총단면적(A1′)에서 m번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 총단면적(Am′)까지의 합으로 산출된다.
즉, m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(Am)은 Am = (A1′+ A2′+ A3′+...+ Am′)으로 나타낼 수 있다.
따라서, 상기 케이지(500)의 m번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 총단면적(Am′)은 Am′= Am - (Am-1)으로 나타낸다.
여기서, 첫번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(A1)이 64.74219㎟로 산출된 상태에서 두번째 등분 위치의 개방정도(x) 20%인 0.2를 상기의 지수함 수식 Am = Amax е4(x-1)에 대입하면 두번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총 단면적(A2) 96.5840㎟이 산출된다.
따라서, 두번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총 단면적(A2) 96.5840㎟ 에서 그 전단계의 등분 위치인 첫번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적(A1) 64.74219㎟을 빼줌으로써 두번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 총단면적(A2′) 31.8418㎟이 산출되는 것이다.
마찬가지로, 세번째 등분 위치의 개방정도(x) 30%인 0.3을 상기의 지수함수식에 대입하여 계산하면 세번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총 단면적(A3) 114.0864㎟를 산출하게 된다.
그런 다음, 두번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총 단면적(A2) 96.5840㎟를 빼면 세번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 총단면적(A3′) 47.5024㎟이 산출된다.
여기서, 상기 유동구멍(510) 간의 간격은 제 m번째 유동구멍과 m+1번째 유동구멍의 각 반지름의 합보다 작은 값을 가지며, 상기 케이지(500)의 길이 방향에 대하여 나선방향으로 형성된다.
이와 같이, 상기 컨트롤 밸브(100)는 상기 케이지(500) 외측에 형성되는 유동구멍의 개수를 선정한 후, 상기 유동구멍(510)을 형성하고, 이를 단계적으로 개 방함으로써 지수함수와 동일한 유동제어 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 컨트롤 밸브(100)는 최하측의 유동구멍을 3개 이상으로 형성함으로써, 캐비테이션(Cavitation) 이나 플러싱(Flushing)이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
기 확보된 리니어 타입 밸브의 유량 특성 데이터를 이용하여 지수함수 유동특성을 가지는 컨트롤 밸브의 케이지 유동구멍을 형성함으로써, 유동특성이 지수함수적 유동 제어특성과 근접한 컨트롤 밸브를 수회의 실험이 필요치 아니하는 간단한 방법으로 생산할 수 있다.
이에 따라, 지수함수적 유량 특성을 가지는 컨트롤 밸브의 작업효율 향상을 도모할 수 있으며, 생산공정 시간이 대폭 단축된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명 되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

  1. 유체가 유동 되는 밸브몸체 내부에 구비되며, 원통형상으로 외측에는 복수개의 유동구멍이 n등분된 위치에 상태로 플러그의 상하 이송에 따른 개폐 정도에 따라 유량이 조절되도록 순차적으로 배열된 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법에 있어서,
    상기 케이지의 최하측 유동구멍의 개수를 선정하는 단계와;
    상기 컨트롤 밸브의 사양에 따라 유량계수(Cv)를 산출하는 단계와;
    상기 케이지의 최하측 유동구멍의 개수와 상기 유량계수(Cv)를 이용하여 상기 케이지에 형성된 상기 유동구멍의 총단면적(Amax)을 산출하는 단계와;
    상기 케이지를 길이방향으로 n등분 분할하는 케이지 분할 단계; 및
    상기 케이지 분할 단계의 n등분 분할 위치중 하측에서 m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총단면적 Am = Amax еc(x-1) 인 복수개의 제 m번째 유동구멍을 형성하는 유동구멍형성단계를 포함하고,
    상기 총단면적(Am)의 c는 컨트롤 밸브의 유동특성에 따라 정해지는 상수를 의미하며, 상기 총단면적(Am)의 x는 유동구멍의 개방단계에 따른 개방정도를 나타내는 것을 특징으로 하는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 케이지의 최하측 유동구멍은, 밸브의 손상을 가져오는 케비테이 션(Cavitation)이나 플러싱(Flushing)을 방지할 수 있도록 적어도 3개 이상을 형성하는 것을 특징으로 하는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유동구멍은, 제 m번째 등분 위치에 형성된 유동구멍과 제 m+1번째 등분 위치에 형성된 유동구멍의 사이간격이 각 유동구멍의 반지름의 합보다 작은 값으로 가지며, 상기 케이지의 길이방향에 대하여 나선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유동구멍형성단계는,
    상기 케이지 하측에서 m번째 등분 위치까지의 모든 유동구멍의 총 단면적(Am)을 첫번째 등분된 위치에 형성된 유동구멍의 총 단면적(A1′)에서 m번째 등분된 위치에 형성된 유동구멍의 총 단면적(Am′)까지의 합으로 나타내며, m번째 등분 된 위치에 형성된 유동구멍의 총 단면적(Am′)은 Am′= Am - (Am-1)로 산출되는 것을 특징으로 하는 컨트롤 밸브의 케이지 제조방법.
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