KR20200089271A - 가변 벤투리 보조 압력 조절기 - Google Patents

Abstract

압력 조절기는 밸브 본체를 통한 유체 유동을 위한 입구 및 출구를 형성하는 밸브 본체, 입구부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브 본체 내에서 이동 가능한 포핏, 및 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 포핏의 위치를 제어하는 압력 조절 메커니즘을 포함한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램 및 압축 스프링을 포함하고, 다이어프램과 압축 스프링 사이의 힘 균형은 포핏의 위치를 결정한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램에 정압을 가하도록 구성된 정압 탭과, 다이어프램에 동압을 가하도록 구성된 동압 탭을 더 포함한다. 동압 탭은 포핏에 인접한 환형 개구에 위치되고, 환형 개구의 면적은 다이어프램에 가해지는 동압을 변화시키기 위해 포핏의 위치에 따라 변한다.

Description

가변 벤투리 보조 압력 조절기

관련 출원

본 출원은 2017년 11월 29일자로 제출된 미국 가출원 제62/591,830호의 이익을 청구하고, 그 내용은 본 출원에 참조로서 포함된다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 압력 조절기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 유량에서 작동하는 천연 가스 및 유사한 가스 전달 시스템을 위한 압력 조절기에 관한 것이다.

압력 조절기는 더 높은 압력의 입구 가스를 조절기 출구에서의 사용 가능한 압력으로 감소시키고, 제어하기 위해 사용된다. 이는 가요성 다이어프램(diaphragm) 또는 피스톤으로 출구 압력을 감지함으로써 달성될 수 있고, 이 가요성 다이어프램 또는 피스톤은 이 압력을 F= P_(출구) X 면적_(유효) 관계에 기초하여 힘으로 변환시킨다. 이 결과적인 힘은 이후에 압축 스프링과 균형화된다. 요구되는 유량이 증가함에 따라, 출구 정압은 강하할 것이다. 이는 스프링 하중의 힘과 균형을 이루는 힘을 감소시킨다. 그러면, 다이어프램의 위치는 새로운 힘 균형이 이뤄질 때까지 하향 이동하여 스프링의 하중을 감소시킬 것이다.

상대적으로 높은 유량과 함께 낮은 압력이 채용될 때, 종래의 압력 조절기 구성은 불충분해진다. 이러한 시스템의 예는 정적 엔진에서 통상적으로 이용되는 고 유량 천연 가스 전달 시스템이다. 일부 적용예들에서 천연 가스 전달 가능 시스템들은 약 230 psig(1,585 kPag) 만큼의 높은 입구 압력에서 작동 가능할 것이나, 더 낮은 입구 압력에서도 작동한다. 예를 들어, 이러한 시스템은 약 25 psig(172 kPag)의 상대적으로 낮은 입구 압력에서 2500 L/min 정도의 유량으로 작동할 수 있다. 더 높은 입구 압력[예컨대, 약 230 psig(1,585 kPag)]에서 작동하는 압력 조절기는, 높은 입구 압력에서 조절기 포핏(poppet)의 스트로크(stroke)가 그다지 크지 않기 때문에 유동에 대한 정적 출구 압력의 더 적은 압력 강하를 나타낼 것이고, 따라서 조절기 스프링 하중에 의한 압력 강하가 적다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같은 더 낮은 입구 압력[예컨대, 약 25 psig(172 kPag)]의 더 높은 유량에서, 정적 출구 압력의 압력 강하는 수용 불가해진다. 예를 들어, 엔진 천연 가스 전달 시스템의 경우, 전달 출구 압력은 전형적으로 약 5 psig(34 kPag), 최대로 약 6 psig(41 kPag)까지 여야만 한다. 하지만, 낮은 입구 압력 조건 하에서 종래의 구성에서는 약 3 psig(20 kPag)까지 출구 정압 강하가 발생하며 이는 통상적으로 필요한 유량의, 가스 전달에 유용한, 원하는 출구 압력보다 낮다.

따라서, 비교적 낮은 입구 압력에서 작동하는 적용예에 대해 유동에 대한 출구 압력의 강하가 수용 불가능한 경우가 있다. 이들 적용예는 통상적으로 6 psig(41 kPag) 미만의 매우 낮은 조절기 출구 압력을 요구하고, 유동 요구가 가스에 대해 2000 L/min를 초과하여 상승할 때 안정적인 압력을 제공하여야 한다. 현재의 압력 조절기에서 발생하는 압력 강하는 이러한 상황 하에서는 수용될 수 없다.

이러한 문제를 다루기 위한 종래의 시도들은 단점이 있다. 종래의 시도된 해결책들의 예는, 탄성력을 증가시키기 위해 외부 기준 압력을 돔(dome) 내로 공급하는 파일럿 작동식 압력 조절기(pilot operated pressure regulators); 압력 센서의 판독에 응답하여 밸브 시트를 개방 또는 폐쇄하는 전자식 조절기; 밸브 개방의 구동을 돕기 위한 링키지(linkages)를 갖는 대형 다이어프램 조절기; 및 일정 벤투리(constant Venturi) 보조 조절기를 포함한다. 이러한 해결책은 복잡하고, 고가이다. 파일럿 작동식 조절기는 유동 증가에 따라 계속적으로 증가하는 파일럿 압력을 필요로 하고, 그 후 그 신호를 조절기의 돔에 공급한다. 전자식 조절기는 전력, 압력 센서 및 제어 시스템을 필요로 하며, 이는 특히 고가의 접근법이다. 큰 다이어프램이 연결된 조절기는 통상적으로 매우 좁은 범위의 입구 압력에 걸쳐 작동하고, 매우 고가이다. 일정 벤투리 보조 방식은 부스트 압력(boost pressure)을 제공하기 위해 링키지 구동 조절기와 함께 사용되어 왔다. 이는 낮은 입구 압력에서 출구 압력 강하를 경감시킬 수 있지만, 더 높은 입구 압력에서 작동될 때 바람직하지 않은 압력 상승을 초래할 것이고, 따라서 많은 적용예에 대해 부적합하다.

본 개시 내용은 특히, 낮은 입구 압력[예컨대, 약 25 psig(172 kPag)]에서 종래의 구성에 비해 비용 효율적인 방식으로 유동에 대한 출구 압력의 바람직하지 않은 강하를 제거하는 향상된 압력 조절기 구성을 설명한다. 이는 종래의 정압 탭(static pressure tap)에 추가하여, 밸브 포핏 주위의 고유동 영역에 동압 탭을 유리하게 배치함으로써 달성된다. 동압 탭의 추가는 입구 압력에 따라 자가 조정되는, 압력 조절에 대한 가변 벤투리 보조를 제공한다.

일반적으로, 가스가 장치를 통해 유동할 때 장치 내의 압력은 전체 압력으로 지칭되는, 정압 및 동압의 조합이다. 따라서, 주어진 국소 영역에서, 가스 속도가 증가함에 따라, 동압이 증가하고, 전체 압력이 일정하게 유지되므로 동압의 증가는 정압의 감소를 초래하게 된다. 만약, 이러한 감소된 정압이 다이어프램으로 보내지면, 조절기의 힘 균형이 변경될 것이다. 이러한 방식으로, 정압 탭 주위의 국소적 정압은 유동이 증가됨에 따라 벌크 출구 압력(bulk outlet pressure)보다 더 낮은 압력에 있게 된다. 종래의 정압 탭을 단독으로 사용하는 것은, 특히 비교적 낮은 입구 압력의 존재 시에, 전술한 바와 같이 유동이 증가할 때 높은 압력 강하로 이어진다. 이러한 바람직하지 않은 압력 강하는 추가적인 동압 탭의 유리한 배치에 의해 제거된다. 적절하게 배치되면, 이러한 동압 탭의 추가는 에너지 보존에 의해 유량이 증가할 때 정압 탭에서 더 낮은 압력을 초래한다. 가스의 운동 에너지가 증가함에 따라, 동일한 전체 가스 에너지를 유지하기 위해 정압으로서 저장된 에너지는 감소할 것이다.

예시적인 실시예에서, 동압 탭은 고속 유동이 존재하는 밸브 포핏에 인접하여 위치된다. 유동이 증가함에 따라, 포핏 스트로크는 증가하고, 포핏은 증가된 스트로크와 함께 동압 탭의 부근에서 포핏 주위의 환형 개구의 면적을 감소시키도록 모양이 만들어진다. 벤투리 효과로 인해, 감소된 환형 개구는 동압 탭을 지나 유동하는 가스의 속도를 증가시키고, 이는 압력을 감소시킨다. 동압 탭에서의 감소된 압력은 본질적으로 출구 정압이 유지될 때에도, 다이어프램이 개방되도록 당길 것이다. 환형 개구의 크기 및 이에 따른 벤투리 효과의 규모가 포핏 스트로크에 따라 변하기 때문에, 동압 탭의 위치 조정은 입구 압력에 따라 자가 조정되는, 압력 조절에 대한 가변 벤투리 보조를 제공한다. 따라서 출구 압력은, 천연 가스 전달 시스템에서 일반적인, 심지어 높은 유량과 조합된 낮은 입구 압력에서도 유지된다.

동압 탭이 높은 입구 압력에서 발생하는 낮은 포핏 스트로크에서 보다 낮은 입구 압력에서 발생하는 높은 포핏 스트로크에서 더 효과적이기 때문에, 출구 압력을 유지하기 위한 이러한 메커니즘은 종래의 구성보다 더 효율적이다. 그 결과는 비용 및 복잡성의 상당한 증가 없이, 조절기 성능의 상당한 개선이다.

따라서, 본 발명의 한 양태는 높은 유량의 비교적 낮은 입구 압력에서 바람직하지 않은 압력 강하를 제거하기 위해 가변 벤투리 효과를 이용하기 위한, 전형적인 정압 탭과 조합하여 유리하게 배치된, 동압 탭을 갖는 압력 조절기이다. 예시적인 실시예에서, 압력 조절기는 밸브 본체를 통한 유체 유동을 위한 입구 및 출구를 형성하는 밸브 본체, 입구부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브 본체 내에서 이동 가능한 포핏, 및 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 포핏의 위치를 제어하는 압력 조절 메커니즘을 포함한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램 및 압축 스프링을 포함하고, 다이어프램과 압축 스프링 사이의 힘 균형은 포핏의 위치를 결정한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램에 정압을 가하도록 구성된 정압 탭, 및 다이어프램에 동압을 가하도록 구성된 동압 탭을 더 포함한다. 동압 탭은 포핏에 인접한 환형 개구에 위치되고, 환형 개구의 면적은 다이어프램에 가해지는 동압을 변화시키기 위해 포핏의 위치에 따라 변한다.

본 발명의 이러한 특징들 및 추가적인 특징들은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조로 더욱 분명해질 것이다. 상세한 설명 및 도면에서, 본 발명의 특정 실시예는 본 발명의 원리가 채용될 수 있는 몇몇 방식을 지시하도록 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 그 범위에 상응하여 제한되지 않는 것으로 이해된다. 오히려, 본 발명은 본원에 첨부된 특허청구범위의 사상 및 용어에 포함되는 모든 변형례, 개조물 및 균등물을 포함한다. 일 실시예에 대해 설명 및/또는 도시된 특징들은 하나 이상의 실시예와 동일 또는 유사한 방식으로 및/또는 다른 실시예의 특징들과 조합되거나 그를 대신하여 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 압력 조절기의 단면도를 도시하는 도면이며, 단면은 정압 탭의 위치를 나타내기 위해 제1 평면에 있다.
도 2는 도 1의 예시적인 압력 조절기의 단면도를 도시하는 도면이며, 단면은 동압 탭의 위치를 나타내기 위해 제2 평면에 있다.
도 3은 높은 입구 압력, 높은 유량의 조건 하에서 동압 탭을 나타내기 위한 압력 조절기의 일부의 근접도를 도시하는 도면이다.
도 4는 낮은 입구 압력, 높은 유량의 조건 하에서 동압 탭을 나타내기 위한 압력 조절기의 일부의 근접도를 도시하는 도면이다.
도 5는 조절기 출구 압력의 예를, 오직 정압 탭만을 채용하는 종래의 압력 조절기에 대한 유량의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 6 은 조절기 출구 압력의 예를, 본 발명의 실시예에 따른 동압 탭을 채용하는 압력 조절기에 대한 유량의 함수로서 도시하는 그래프이다.

이제 도면을 참조로 본 발명의 실시예가 설명될 것이며, 전체적으로 유사한 도면부호는 유사한 요소를 지칭하도록 사용된다. 도면은 반드시 실제 축척인 것은 아닌 것으로 이해될 것이다.

본 개시 내용은 종래의 구성에 비해 비용 효율적인 방식으로 유동에 대한 출구 압력의 바람직하지 않은 강하를 제거하는, 향상된 압력 조절기 구성을 설명한다. 특히 압력 조절기 구성은 전술한 천연 가스 전달 시스템에서와 같이, 비교적 높은 유량의 낮은 입구 압력을 채용하는 적용예에 대해 종래의 구성에서 발생하는 바람직하지 않은 압력 강하를 제거한다. 성능은 동압 탭의 추가에 의해 개선되며, 동압 탭은 입구 압력에 따라 자가 조정되는, 압력 조절에 대한 가변 벤투리 보조를 제공하도록 위치된다.

일반적으로, 가스가 장치를 통해 유동할 때 장치 내의 압력은 전체 압력으로 지칭되는, 정압 및 동압의 조합이다. 전체 압력은 다음과 같이 주어진다.

P_total = 일정 = P_Dyn + P_static = ½ ρ v² + P_static

여기서: P_Dyn = 동압

ρ= 밀도

v = 속도

P_static = 정압

따라서, 당업계에 공지된 바와 같이, 주어진 국소 영역에서, 가스 속도가 증가함에 따라 동압이 증가하고, 이는 전체 압력이 일정하게 유지될 때, 정압의 감소를 초래해야 한다. 이러한 압력 작동은 벤투리 효과로 인해 발생한다. 통상적인 정압 탭과 조합하여, 유리하게 배치된 동압 탭의 추가는 종래의 구성에서 발생하는 바람직하지 않은 압력 강하를 제거하기 위해 가변 벤투리 효과의 작동을 이용한다.

도 1은 예시적인 압력 조절기(10)의 단면도를 도시하는 도면이며, 단면은 정압 탭(12)의 위치를 나타내기 위해 제1 평면에 있다. 도 2는 도 1의 예시적인 압력 조절기(10)의 단면도를 도시하는 도면이며, 단면은 동압 탭(14)의 위치를 나타내기 위해 제2 평면에 있다. 압력 조절기(10)는 예컨대 천연 가스와 같은 밸브 본체를 통한 유체 유동을 위한 입구(18) 및 출구(20)를 형성하는 밸브 본체(16)를 포함한다.

일반적으로 가스 전달을 위해, 입구 압력이 벌크 수송에 더 적합하고, 반면에 출구 압력은 사용에 더 적합하기 때문에 입구 압력이 출구 압력보다 높은 것이 바람직하다. 따라서, 밸브 조립체(10)는 입구 압력을 출구 압력으로 변환하는 압력 조절 메커니즘을 채용한다. 입구부터 출구로의 유체 유동은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 포핏(22)의 위치에 의해 제어된다. 압력 조절 메커니즘은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 포핏(22)의 위치를 제어한다. 압력 조절 메커니즘은 가요성 다이어프램(24) 및 압축 스프링(28)을 포함하고, 다이어프램과 압축 스프링 사이의 힘의 균형은 포핏의 위치를 결정한다. 더 구체적으로, 출구 압력은 가요성 다이어프램(24)으로 출구 압력을 감지함으로써 조절되고, 가요성 다이어프램은 이 압력을 F= P_(출구) X 면적_(유효)의 관계에 기초하여 힘으로 변환한다. 다이어프램(24)은 압축 스프링(28)에 연결되는 다이어프램 판(26)에 의해 지지된다. 그러므로, 상기 힘 관계에 따른 다이어프램의 결과적인 힘은 압축 스프링(28)의 스프링 하중에 의해 균형을 이루고, 압축 스프링(28)에 대한 다이어프램(24)의 위치는 입구 압력에서 출구 압력으로의 원하는 변환을 달성하도록 포핏을 위치시키기 위해 이러한 힘의 균형을 이룬다. 스프링 하중은 원하는 출구 압력 및 유동을 달성하도록 포핏을 적절하게 위치시키기 위해 링키지 메커니즘(30)을 통해 포핏(22)으로 전달된다.

압력 조절기(10)의 작동 중에, 만약 유체가 조립체를 통해 유동하지 않으면, 포핏(22)은 스프링 하중에 의해 개방 위치에 편향될 것이고, 그 방향은 도 1에 도시된다. 유체가 압력 조절기(10) 내로 유도될 때, 유체가 입구(18)를 통하여 포핏에 인접한 내부 공동(32) 내로 유동한다. 압력은 캐비티(32) 내에 축적되고, 포핏(22)은 폐쇄 위치로 이동된다. 하류 밸브가 개방되어 유체가 출구(20)를 통해 압력 조절기(10)를 빠져나가면, 공동(32) 내의 압력은 강하하여 포핏(22)을 개방 위치로 이동하게 한다. 압력 강하는 다이어프램을 아래로 당기고, 궁극적으로 압축 스프링(28)의 스프링 하중에 의해 힘 균형이 달성되어 압력 조절기를 통한 유동을 제어한다.

일반적으로, 본 발명의 한 양태는 높은 유량의 비교적 낮은 입구 압력에서 바람직하지 않은 압력 강하를 제거하기 위해 가변 벤투리 효과를 이용하기 위한, 전형적인 정압 탭과 조합하여 유리하게 배치된, 동압 탭을 갖는 압력 조절기이다. 예시적인 실시예에서, 압력 조절기는 밸브 본체를 통한 유체 유동을 위한 입구 및 출구를 형성하는 밸브 본체, 입구부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브 본체 내에서 이동 가능한 포핏, 및 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 포핏의 위치를 제어하는 압력 조절 메커니즘을 포함한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램 및 압축 스프링을 포함하고, 다이어프램과 압축 스프링 사이의 힘 균형은 포핏의 위치를 결정한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램에 정압을 가하도록 구성된 정압 탭, 및 다이어프램에 동압을 가하도록 구성된 동압 탭을 더 포함한다. 동압 탭은 포핏에 인접한 환형 개구에 위치되고, 환형 개구의 면적은 다이어프램에 가해지는 동압을 변화시키기 위해 포핏의 위치에 따라 변한다.

위에서 언급된 것과 같이, 도 1은 정압 탭(12)의 위치를 나타내기 위해 제1 평면 내의 단면을 나타낸다. 정압 탭(12)은 저유동 영역(34)과 유체 연통하여 위치되어, 정압을 유체 경로(36)를 통해 다이어프램(24)으로 전달한다. 이는 본질적으로 다이어프램(24)에 정압 감지 신호를 제공한다. 전술한 바와 같이 종래의 구성은 이러한 정압 탭을 사용하여 압력 감지를 위한 다이어프램에 압력을 인가함으로써 스프링과의 힘 균형을 달성하고 차례로 출구 압력을 달성한다. 그러나, 역시, 정압 탭의 단독 사용은 천연 가스 전달 시스템에서와 같이, 비교적 높은 유량의 낮은 입구 압력을 채용하는 적용예에서 바람직하지 않게 큰 압력 강하를 발생시킨다. 이러한 결함을 극복하기 위해, 압력 조절기(10)의 압력 조절 메커니즘은 도 2에 도시된 바와 같이 동압 탭(14)을 추가로 채용한다.

본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 주어진 국소 영역에서 가스 속도가 증가함에 따라, 동압은 증가하고, 이는 전체 압력이 일정하게 유지됨에 따라 정압의 감소를 초래해야 한다. 종래의 구성에서 수행되는 바와 같이 이러한 감소된 정압이 다이어프램으로 안내되면, 조절기의 힘 균형이 변경될 것이다. 이러한 방식으로, 정압 탭 주위의 국소적 정압은 유동이 증가됨에 따라 벌크 출구 압력보다 낮은 압력이다. 종래의 정압 탭을 단독으로 사용하는 것은, 전술한 바와 같이 유동 증가에 따른 높은 압력 강하를 초래한다. 이 바람직하지 않은 압력 강하는 추가적인 동압 탭(14)의 유리한 배치에 의해 제거된다. 적절하게 배치되면, 이러한 동압 탭의 추가는 에너지 보존에 의해, 유량이 증가할 때 정압 탭에서의 더 낮은 압력을 초래한다. 가스의 운동 에너지가 증가함에 따라, 동일한 전체 가스 에너지를 유지하기 위해 정압으로서 저장된 에너지는 감소할 것이다.

전술한 바와 같이, 도 2는 동압 탭(14)의 위치를 나타내기 위한 제2 평면에서의 압력 조절기(10)의 단면을 나타낸다. 동압 탭(14)은 유체 경로(40)를 통해 다이어프램(24)으로 동압을 전달하기 위해, 포핏(22) 주위 또는 그 부근에 있는, 공동(32)의 고유동 환형 영역(38)과 유체 연통하도록 위치된다. 이는 본질적으로 다이어프램(24)에 동압 감지 신호를 제공한다. 동압 탭(14)을 도시하는 도 2와 정압 탭(12)을 도시하는 도 1을 비교하면, 동압 탭에서의 환형 개구(38)를 통한 유체 유동은 정압 탭(12)이 위치되는 저유동 영역에 비하여 고유동 영역이다. 저유동 영역과 고유동 영역에 서로 다른 압력 탭을 위치시키기 위해, 저유동 영역에 정압 탭(12)을 위치시키기 위해, 정압 탭(12)은 동압 탭(14)에 비해 포핏(22)으로부터 더 멀리 이격된다.

예시적 실시예에서, 포핏은 경사진 측면을 갖는 쐐기 형상 단부(23)를 갖는다. 일반적으로, 동압 탭(14)은, 동압 탭(14)에 인접한 고유동 환형 영역(38)의 면적이 이러한 쐐기 형상으로 인해 포핏(22)의 위치에 의존하도록, 포핏(22)에 대해 위치된다. 이러한 방식으로, 쐐기 형상 단부는 포핏의 위치에 기초하여 환형 개구의 면적을 변화시키도록 작동한다.

도 3은 높은 입구 압력[예컨대, 약 230 psig(1,585 kPag)] 및 높은 유량의 조건 하에서 동압 탭(14)을 나타내기 위한 압력 조절기(10) 일부의 근접도를 도시하는 도면이다. 높은 입구 압력, 높은 유량에서, 유량을 달성하기 위해 매우 작은 포핏 스트로크가 요구되고, 포핏(22)은 폐쇄 위치를 향해 위치된다. 환형 영역(38)은 동압 탭에 비교적 큰 환형 개구를 구성한다. 이는 높은 입구 압력의 존재 시 감소된 벤투리 효과 또는 최소의 벤투리 효과를 초래한다. 그 결과, 다이어프램에 대한 동압의 기여도는 최소이고, 전체 압력이 일정하게 유지됨에 따라, 다이어프램에서 감지된 압력은 정압 탭(12)에서의 압력에 가까워진다. 따라서 높은 입구 압력 및 높은 유량의 조건 하에서, 압력 조절기(10)는 단지 정압 탭만을 채용하는 종래의 구성과 유사하게 작동한다.

작동은 높은 유량의 낮은 입구 압력[예컨대, 약 25 psig(172 kPag) 정도로 낮음]이 있을 때 변화한다. 도 4는 낮은 입구 압력 및 높은 유량의 조건 하에서 동압 탭을 나타내기 위한 압력 조절기 일부의 근접도를 도시하는 도면이다. 낮은 입구 압력, 높은 유량에서, 더 큰 포핏 스트로크(최대 포핏 스트로크까지)가 유량을 달성하기 위해 요구되고, 포핏(22)은 개방 위치를 향해 위치된다. 포핏(22)의 쐐기 형상 단부(23)로 인해, 낮은 입구 압력 동안에 포핏의 위치는 동압 탭(14)에서 환형 개구(38)를 감소시킨다. 이는 낮은 입구 압력의 존재 시에 증가된 벤투리 효과를 초래한다. 결과적으로, 다이어프램에 대한 동압 기여도 또한 최대 포핏 스트로크와 함께 최대로 증가되고, 전체 압력이 일정하게 유지됨에 따라, 정압 탭(12)으로부터 다이어프램에서 감지되는 압력의 기여도가 최소화된다.

최대 입구 압력과 최소 입구 압력 사이에서, 동압 탭은 포핏 위치에 기초하여 입구 압력의 전체 범위에서 적절한 작동을 제공하기 위해, 가변 벤투리 효과를 제공하도록 자가 조정한다. 따라서, 포핏의 위치는 입구 압력이 감소함에 따라 환형 개구의 면적이 감소하도록 입구 압력에 기초하여 변한다. 달리 말하면, 입구 압력이 감소함에 따라 환형 개구의 면적을 감소시키기 위해서, 입구 압력이 감소함에 따라 포핏 스트로크는 증가한다. 따라서, 동압 탭(14)은 압력 조절기의 가변 벤투리 보조 작동을 제공한다. 포핏의 위치는 입구 압력에 의존하고, 이것은 결국 포핏의 쐐기 형상 단부로 인해 동압 탭(14)에서 환형 개구(38)의 면적을 변화시킨다. 이러한 면적이 변함에 따라, 벤투리 효과의 수준이 변하고, 따라서 압력 조절에서의 동압 탭의 보조가 결국 변화한다.

동압 탭을 사용한 제어는 종래의 구성과는 상당히 상이하다. 동압 탭의 위치는 포핏의 낮은 스트로크에 대응하는 높은 입구 압력에서, 동압 탭에 인접한 환형 영역의 유동 면적이 비교적 크고 동압 탭의 압력 기여도가 최소화되도록 이루어진다. 높은 입구 압력에서, 포핏 스트로크가 매우 작아서 압력 강하가 거의 없기 때문에, 동압 탭으로부터의 보조가 요구되지 않는다. 대조적으로, 낮은 입구 압력에서는, 포핏은 유동 요구를 만족시키기 위해서 더 개방되어야 한다. 이는 동압 탭에 인접한 환형 개구의 유동 면적을 감소시키고, 이는 압력을 조절하는 동압 탭의 보조를 증가시킨다. 감소된 환형 개구는 동압 탭을 지나 유동하는 가스의 속도를 증가시키고, 이는 환형 개구에서의 압력을 감소시킨다. 동압 탭에서 감소된 압력은 출구 정압이 유지될 때에도, 본질적으로 다이어프램을 더 개방되도록 당길 것이다. 출구 압력을 유지하기 위한 이러한 메커니즘은, 동압 탭이 높은 입구 압력에서 발생하는 낮은 포핏 스트로크에서보다 낮은 입구 압력에서 발생하는 높은 포핏 스트로크에서 더 효과적이기 때문에, 종래의 구성보다 더 효율적이다. 그 결과는 비용 및 복잡성의 상당한 증가 없이 조절기 성능의 상당한 개선이다.

압력 조절기(10)의 향상된 성능은 도 5 및 도 6에 나타나 있다. 도 5는 단지 정압 탭만을 채용하는 종래의 압력 조절기에 대해 유량의 함수로서 조절기 출구 압력의 예를 도시하는 그래프이다. 이 예는 예시적인 천연 가스 전달 시스템에 적용가능하다. 높은 입구 압력에서의 작동 하에서, 종래의 압력 조절기는 출구 압력에서 작은 압력 강하가 발생하지만, 일반적으로 출구 압력은 사용 가능한 수준에서 지속된다. 이는 낮은 입구 압력에서의 작동 하에서는 그렇지 않다. 대신, 채용될 수 있는 더 높은 유량에서 출구 압력은 4 psig(27 kPag) 내지 약 3 psig(20 kPag) 미만으로 떨어지고, 이는 부적절한 성능을 초래한다. 따라서, 종래의 구성은 천연 가스 전달 시스템에서 사용될 수 있는 높은 유량의 낮은 입구 압력에서는 불충분하다.

대조적으로, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 유리하게 위치된 동압 탭을 채용하는 압력 조절기에 대해, 유량의 함수로서 조절기 출구 압력의 비교 가능한 예를 도시하는 그래프이다. 동압 탭의 가변 벤투리 보조에 의해, 출구 압력은 통상적인 유량의 전체 범위에 걸쳐, 특히, 더 높은 최종 유량에서, 높은 입구 압력 및 낮은 입구 압력의 조건 모두에 대해 대체로 일정하고, 유용한 수준에서 유지된다. 따라서, 본 개시 내용의 압력 조절기는 종래의 구성에 비해 향상된 결과를 달성한다.

따라서, 본 발명의 한 양태는 높은 유량의 비교적 낮은 입구 압력에서 바람직하지 않은 압력 강하를 제거하기 위해 가변 벤투리 효과를 이용하는, 전형적인 정압 탭과 조합하여 유리하게 배치된, 동압 탭을 갖는 압력 조절기이다. 예시적인 실시예에서, 압력 조절기는 밸브 본체를 통한 유체 유동을 위한 입구 및 출구를 형성하는 밸브 본체; 입구부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브 본체 내에서 이동 가능한 포핏; 및 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 포핏의 위치를 제어하는 압력 조절 메커니즘을 포함하고, 압력 조절 메커니즘은 다이어프램 및 압축 스프링을 포함하고, 다이어프램과 압축 스프링 사이의 힘 균형은 포핏의 위치를 결정한다. 압력 조절 메커니즘은 다이어프램에 정압을 가하도록 구성된 정압 탭, 및 다이어프램에 동압을 가하도록 구성된 동압 탭을 추가로 포함한다. 동압 탭은 포핏에 인접한 환형 개구에 위치되고, 환형 개구의 면적은 다이어프램에 가해지는 동압을 변화시키기 위해 포핏의 위치에 따라 변한다. 압력 조절기는 개별적으로 또는 조합하여, 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

압력 조절기의 예시적인 실시예에서, 정압 탭이 저유동 영역에 위치되는 데 비해, 동압 탭에서의 환형 개구를 통한 유체 유동은 고유동 영역이다.

압력 조절기의 예시적인 실시예에서, 정압 탭은 정압 탭을 저유동 영역에 위치시키기 위해 동압 탭에 비해 포핏으로부터 더 멀리 이격된다.

압력 조절기의 예시적인 실시예에서, 포핏은 포핏의 위치에 기초하여 환형 개구의 면적을 변화시키기 위한 쐐기 형상 단부를 갖는다.

압력 조절기의 예시적인 실시예에서, 포핏의 위치는 입구 압력이 감소함에 따라 환형 개구의 면적이 감소하도록 입구 압력에 기초하여 변한다.

압력 조절기의 예시적인 실시예에서, 입구 압력이 감소함에 따라 환형 개구의 면적을 감소시키기 위해, 입구 압력이 감소함에 따라 포핏 스트로크가 증가한다.

압력 조절기의 예시적인 실시예에서, 압축 스프링은 개방 위치를 향해 포핏을 편향시킨다.

본 발명이 특정한 실시예 또는 실시예들에 관하여 도시되고 설명되었지만, 이러한 설명서와 첨부된 도면을 읽고 이해하는 본 기술의 숙련자는 균등한 변형과 변경을 실시할 수 있음이 분명하다. 특히, 전술된 구성 요소들(부품, 조립체, 장치, 복합재 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 이러한 구성 요소를 설명하는데 사용된 용어("수단"에 대한 언급을 포함하는)는 별도로 지시되지 않는 한, 본원 발명의 실시예들 또는 본원에 나타난 예시적인 실시예에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 균등하지 않은 경우에도 상술된 구성 요소(즉, 기능적으로 균등한)의 구체적 기능을 수행하는 임의의 구성 요소에 대응하도록 의도되었다. 또한, 본원 발명의 특정한 특징은 몇몇 도시된 실시예들 중 단지 하나 또는 그 이상에 관하여 전술되었을 수도 있지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정한 용도에 바람직하고 유리할 수 있도록 다른 실시예의 하나 이상의 다른 특징과 조합될 수 있다.

Claims (7)

1. 압력 조절기이며,
   밸브 본체를 통한 유체 유동을 위한 입구 및 출구를 형성하는 밸브 본체;
   입구로부터 출구로의 유체 유동을 제어하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밸브 본체 내에서 이동 가능한 포핏; 및
   개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 포핏의 위치를 제어하는 압력 조절 메커니즘으로서, 다이어프램과 압축 스프링을 포함하고, 다이어프램과 압축 스프링 사이의 힘 균형은 포핏의 위치를 결정하는 압력 조절 메커니즘을 포함하고,
   압력 조절 메커니즘은 다이어프램에 정압을 가하도록 구성된 정압 탭, 및 다이어프램에 동압을 가하도록 구성된 동압 탭을 더 포함하고,
   동압 탭은 포핏에 인접한 환형 개구에 위치되고, 환형 개구의 면적이 다이어프램에 가해지는 동압을 변화시키기 위해 포핏의 위치에 따라 변화하는, 압력 조절기.
2. 제1항에 있어서, 정압 탭이 저유동 영역에 위치되는 데 비해, 동압 탭에서의 환형 개구를 통한 유체 유동은 고유동 영역인, 압력 조절기.
3. 제2항에 있어서, 정압 탭은 저유동 영역에 정압 탭을 위치시키기 위해 동압 탭에 비해 포핏으로부터 더 멀리 이격되는, 압력 조절기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 포핏은 포핏의 위치에 기초하여 환형 개구의 면적을 변화시키기 위해 쐐기 형상 단부를 갖는, 압력 조절기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 압력이 감소함에 따라 환형 개구의 면적이 감소하도록 포핏의 위치가 입구 압력에 기초하여 변하는, 압력 조절기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 압력이 감소함에 따라 환형 개구의 면적을 감소시키기 위해 포핏 스트로크가 입구 압력이 감소함에 따라 증가하는, 압력 조절기.
7. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 스프링은 포핏을 개방 위치를 향해 편향시키는, 압력 조절기.

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