KR101425705B1 - 밸브 어셈블리 - Google Patents

Abstract

유체 작동 기계의 작동 챔버와 유체 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하는데 적합한 밸브 어셈블리가 제공된다. 밸브 어셈블리는 밸브 시트를 포함하는 밸브 몸체, 밸브 몸체를 통해 연장되는 유체 통로, 및 밸브 부재를 포함하는 이동 부재를 포함하며, 밸브 부재는 밸브 부재가 밸브 시트로부터 이격되며 유체가 유체 통로를 통해 흐를 수 있는 개방 위치와 밸브 부재가 밸브 시트와 밀봉 접촉하여 유체가 유체 통로를 통해 흐르는 것을 차단하는 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하다. 밸브 어셈블리는 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 부재와 밸브 시트 사이와 유체 통로 내를 통과하는 유체 흐름 경로를 한정한다. 밸브 어셈블리는 좁은 흐름 영역을 포함하는 유체 흐름 경로를 한정하며 이동 부재의 제1 표면과 좁은 흐름 영역 모두와 연통되는 감소 압력 챔버를 더 포함하며, 유체가 좁은 흐름 영역을 통과하여 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 중일 때 감소 압력 챔버의 압력 감소에 의해 이동 부재에 힘을 가하도록 배치되며 힘이 밸브의 폐쇄에 저항하도록 작용하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 밸브 부재를 지나는 유체의 흐름에 기인한 밸브 부재에 작용하는 힘에 대항하는 힘이 발생된다.

Description

밸브 어셈블리{VALVE ASSEMBLY}

본 발명은 전자 제어 가능한 밸브 어셈블리들을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는, 유체 작동 기계의 작동 챔버와 유체 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하는데 적합한 밸브 어셈블리의 분야에 관한 것이다.

유체 작동 기계들은 펌프들, 모터들과 같은 유체 피동 및/또는 유체 구동 기계들 및 상이한 작동 모드에서 펌프나 모터로 기능을 할 수 있는 기계들을 포함한다. 비록 본 발명은 유체가, 일반적으로 비압축성 유압 액체와 같은, 액체인 적용들을 참조하여 설명될 것이지만, 유체는 그 대신에 기체일 수 있다.

유체 작동 기계가 펌프로 작동될 때, 저압 매니폴드는 일반적으로 유체의 네트 소스(net source)로 작용하며 고압 매니폴드는 일반적으로 유체에 대한 네트 싱크(net sink)로 작용한다. 유체 작동 기계가 모터로 작동될 때, 고압 매니폴드는 일반적으로 유체의 네트 소스로 작용하며 저압 매니폴드는 일반적으로 유체에 대한 네트 싱크로 작용한다. 이 설명과 첨부된 특허청구범위의 내에서, 용어 "고압 매니폴드"와 "저압 매니폴드"는 서로에 대해 더 높으며 더 낮은 압력을 가지는 매니폴드들을 가리킨다. 고압 매니폴드와 저압 매니폴드 사이의 압력 차이, 및 고압 매니폴드와 저압 매니폴드에서 압력의 절대 값들은 적용에 의존할 것이다. 유체 작동 기계는 하나 이상의 저압 매니폴드를 가질 수 있으며 하나 이상의 고압 매니폴드를 가질 수 있다.

본 발명은 유체 작동 기계의 작동 챔버와 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하는데 사용하기에 적합한 밸브 어셈블리들에 관한 것이다. 밸브 어셈블리들은 밸브 부재와 밸브 시트를 포함하며, 따라서, 대면 안착된다(face-seating). 본 발명에 따른 밸브 어셈블리들은 광범위한 타입의 유체 작동 기계에 유용할 수 있다. 그러나, 본 발명과 관련된 문제점들이 기계를 통과하는 유체의 순수 처리량을 결정하기 위해, 매 사이클에 기초하여 작동 챔버 체적의 사이클들에 대한 위상 관계에 있는, 작동 챔버들을 통과하는 유체의 이동이 전자 제어 가능한 밸브들에 의해 조절되는, 주기적으로 변하는 체적의 복수의 작동 챔버들을 포함하는 공지된 유체 작동 기계들에 사용하기에 적합한 밸브 어셈블리들의 특정한 예를 참조하여 지금 논의될 것이다.

예를 들어, 유럽특허 EP 0 361 927은 펌프의 개개의 작동 챔버들과 저압 매니폴드 사이의 유체 연통을 조절하기 위해, 작동 챔버 체적의 사이클들에 대한 위상 관계에 있는, 전자 제어 가능한 포펫 밸브들을 개방하며/개방하거나 폐쇄함으로써 멀티챔버 펌프를 통과하는 유체의 순수 처리량을 제어하는 방법을 개시하였다. 그 결과로, 개개의 챔버들은 미리 결정된 고정 체적의 유체를 이동시키거나 유체의 순수 이동이 없는 아이들 사이클(idle cycle)을 받게 하기 위해, 매 사이클에 기초하여, 컨트롤러에 의해 선택 가능하며, 그에 의해 펌프의 순수 처리량이 요구에 동적으로 매칭되는 것을 가능하게 한다. 유럽특허 EP 0 494 236은 이 원리를 개발하였으며 개개의 작동 챔버들과 고압 매니폴드 사이의 유체 연통을 조절하는 전자 제어 가능한 포펫 밸브들을 포함하였으며, 그에 의해 다른 작동 모드에서 펌프나 모터로 기능을 하는 유체 작동 기계의 제공을 촉진하였다. 유럽특허 EP 1 537 333는 요구에 보다 양호하게 매칭하기 위해 개개의 작동 챔버들의 개개의 사이클들이 복수의 상이한 체적의 유체 중의 어느 것을 이동시키는 것을 허용하는 부분 사이클들의 가능성을 소개하였다.

이 타입의 유체 작동 기계들은 저압 매니폴드로부터 나와서 작동 챔버로 들어가며 작동 챔버로부터 나와서 저압 매니폴드로 들어가며, 몇몇 실시예들에서, 고압 매니폴드로부터 나와서 작동 챔버로 들어가며 작동 챔버로부터 나와서 고압 매니폴드로 들어가는 유체의 흐름을 조절할 수 있으며 신속하게 개방하고 폐쇄하는 전자 제어 가능한 밸브들을 필요로 한다. 작동 챔버와 저압 매니폴드 사이의 유체 흐름을 조절하는 전자 제어 가능한 밸브는 일반적으로 유체가 저압 매니폴드로 배출되는 배출 행정 중에 밸브 부재(예를 들어, 포펫 밸브 헤드)가 밸브 시트를 통과하는 유체 흐름의 방향과 동일한 방향으로 이동되도록 배향된다. 이전의 흡입 행정에서 저압 매니폴드로부터 받아들여진 유체가 저압 매니폴드로 반송되는 아이들 배출 행정(idle exhaust stroke) 중에, 유체 흐름의 피크 속도는 매우 높다. 이런 상황에서, 지금 설명될 적어도 네 개의 상이한 현상으로부터 발생되는 힘은 밸브 시트를 향하여 포펫 밸브 헤드에 힘을 가한다.

1. 최소의 에너지 손실로 빠른 유체 흐름을 촉진하면서 동시에 포펫 헤드가 이동해야 하는 거리를 최소화하기 위해, 유체 흐름 경로의 단면적을 최대화하며, 밸브 시트와 포펫 헤드 사이의 틈을 최소화하며, 포펫 헤드의 나머지 부분의 주위에 있는 유체 체적을 최대화하는 것이 유리하다. 이는 유체가 포펫 헤드와 밸브 시트 사이의 틈에서 가장 빠르게 흐른다는 것을 의미한다. 그 결과로, 포펫 밸브 헤드와 밸브 시트 사이에서 (최소의 유체 압력에 이르는) 이의 최대치에 있는, 운동 에너지에 관련된 압력 강하가 있으며 이 힘은 밸브를 폐쇄하는 작용을 한다. 운동 에너지에 관련된 힘들은 유체 밀도와 유체 속도의 제곱에 비례하며 이 힘은 흡입 행정과 배출 행정 중에 가해진다.

2. 포펫 밸브 헤드의 표면에 걸쳐 있는 유체의 흐름으로부터 발생되는 점성 저항(Viscous drag)은 포펫 헤드 표면에 대한 접선에 작용한다. 항상 폐쇄 방향으로 포펫 헤드 표면 접선의 성분이 있으며, 그래서 점성 저항은 배출 행정 중에 폐쇄된 포펫 밸브를 당기도록 작용한다. 점성 저항은 유체 속도와 유체 점성의 곱에 비례하며 특히 저온에서 중요하다.

3. 유체가 분할되고 포펫 밸브 헤드의 전방을 지나서 우회될 때에 이는 이의 형상이 변하므로 내부에서 전단되어야 한다. 이는 포펫 밸브 헤드의 상류 표면에 있는 고압 영역과 (우회된 흐름이 다시 결합되는) 내부 표면에 있는 저압 영역에 이르게 한다. 결과로 나오는 압력 차이는 포펫 밸브를 폐쇄하도록 작용한다. 전단력은 유체 속도와 유체 점성의 곱에 비례하며, 또한 특히 저온에서 중요하다.

4. 유체 질량은 또한 포펫 밸브 헤드의 주위로 우회되도록 흐름의 축에 수직으로 가속되어야 한다. 가속은 포펫에서 유체 내의 압력을 상승시키며 그에 따라 또한 주위로 유체가 우회되는 면에 법선인 힘을 가한다(소위 '제트 효과(jet effect)'로 불림). 이런 힘은 포펫 밸브 헤드에 영향을 끼치게 되며, 포펫 밸브 헤드가 일반적으로 전단력을 감소시키기 위해 원뿔이나 탄환 형상의 상류 면을 가지기 때문에, 결과로 나오는 힘은 포펫의 폐쇄 방향의 성분을 가진다. 이런 가속 관련 힘은 유체 밀도와 유체 점성의 곱에 비례한다.

결과로 나오는 힘의 크기는 온도, 유체 점성, 순간 유속 및 밸브의 외형에 따라 바뀐다. 예를 들어, 몇몇 밸브들에서, 유체는 이 힘의 상대적인 크기에 영향을 미치는, 상류 표면보다는 오히려, 밸브 부재와 밸브 시트 사이로 흐르기 전에 밸브 부재의 측면에 작용한다.

이 힘의 결과로서, 컨트롤러에 의해 요구되지 않은 유체가 이동되는, 비자발적인 펌핑 행정 발생의 위험이 있을 수 있다. 이는 특히 저온에서 유체 작동 기계의 성능에 크게 영향을 끼칠 수 있으며 위험할 수 있다. 이는 밸브의 동력 소비를 증가시키며 밸브의 해제를 느리게 할 것이기 때문에 개방 상태로 밸브를 유지하기 위해 단순히 더 강한 자기장을 제공함으로써 이 힘을 극복하는 것은 실용적이지 않다.

밸브 부재가 밸브를 폐쇄하기 위해 밸브 시트를 향해 이동하는 것과 동일하게 유체가 적어도 몇몇 작동 상황 중에 밸브 시트를 통해 흐르는 경우에 유사한 문제점들이 다른 타입의 유체 작동 기계에서 일어날 수 있다.

유럽특허 EP 0 361 927, 유럽특허 EP 0 494 236, 및 유럽특허 EP 1 537 333

본 발명의 목적은 이 네 개의 힘의 일부 또는 모두의 영향이 완화되거나 제거되는, 유체 작동 기계의 작동 챔버와 유체 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하는데 적합한 밸브 어셈블리를 제공하는 것이다. 이는 밸브 어셈블리를 통해 흐르는 유체의 작용에 의해 발생되는 대항하는 힘을 제공하고 그에 의해 이 네 개의 힘의 일부 또는 모두의 영향을 완화시키거나 제거함으로써 몇몇 실시예들에서 달성된다. 국제특허 WO 01/69114(Morton 및 Lodge), 영국특허 GB 2,016,168(Copes Vulcan) 및 미국특허 US 3,921,668(Self)은 저압 영역이 유체 흐름에 대한 제한의 결과로 발생하는 밸브들을 개시한다. 그러나, 이런 밸브들은 유체 작동 기계의 작동 챔버와 유체 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하는데 적합하지 않으며 저압 영역은 밸브들의 폐쇄를 방지하도록 작용하는 힘을 발생시키는데 사용되지 않는다.

이 네 개의 힘의 일부 또는 모두의 영향을 완화시킴으로써, 잘못된 시간의 밸브 폐쇄의 가능성이 감소되며, 밸브 어셈블리의 동력 소비가 몇몇 상황에서 감소될 수 있다. 밸브는 또한 그렇지 않은 경우보다 긴 작동 수명을 가질 수 있다.

본 발명의 제1 양상에 따라 유체 작동 기계의 작동 챔버와 유체 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하기 위한 밸브 어셈블리가 제공되며, 밸브 어셈블리는 밸브 시트를 포함하는 밸브 몸체, 밸브 몸체를 통해 연장되는 유체 통로, 및 밸브 부재를 포함하는 이동 부재를 포함하며, 밸브 부재는 밸브 부재가 밸브 시트로부터 이격되며 유체가 유체 통로를 통해 흐를 수 있는 개방 위치와 밸브 부재가 밸브 시트와 밀봉 접촉되어 유체가 유체 통로를 통해 흐르는 것을 차단하는 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하며, 밸브 어셈블리는 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 부재와 밸브 시트 사이와 유체 통로 내를 통과하는 유체 흐름 경로를 한정하며, 유체 흐름 경로는 좁은 흐름 영역을 포함하며 밸브 어셈블리는 이동 부재의 제1 표면과 좁은 흐름 영역 모두와 연통되는 감소 압력 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

좁은 흐름 영역은 좁은 흐름 영역의 상류에 있는 유체 흐름 경로보다 유체가 흐르는 더 작은 단면적을 가지며 일반적으로 또한 좁은 흐름 영역의 하류에 있는 유체 흐름 경로보다 유체가 흐르는 더 작은 단면적을 가지는, 유체가 흐르는, 도관의 영역을 가리킨다. 따라서, 좁은 유체 영역에서 유체의 압력은 벤투리 효과에 의해, 좁은 흐름 영역의 상류에 있으며, 일반적으로 또한 하류에 있는, 유체에 비해 감소될 것이다. "유체가 흐르는 단면적"을 지칭할 때, 유체가 주위로 흐르지만, 통과하지 않는 어떤 부재의 단면적을 배제한다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 유체가 관통될 수 없으며, 이의 주위에 유체가 흐르는 밸브 스템이나 다른 부재는 유체 통로와 같은 도관의 내부에 위치할 수 있으며, 그에 의해 흐름을 감소시킨다.

감소 압력 챔버가 좁은 흐름 영역과 연통될 때, 감소 압력 챔버의 내부의 압력은, 또한 유체가 유체 흐름 경로를 통해 흐르는 중일 때, 좁은 흐름 영역의 상류에 있으며, 일반적으로 또한 좁은 흐름 영역의 하류에 있는 받아들여진 유체의 압력 아래로 감소될 것이다. 따라서, 힘이 밸브의 폐쇄에 저항할 수 있는 이동 부재에 가해진다. 일반적으로, 감소 압력 챔버는 좁은 흐름 영역을 통과하여, 유체가 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 중일 때 감소 압력 챔버에서의 압력 감소에 의해 이동 부재에 힘을 가하도록 배치되며 힘이 밸브의 폐쇄에 저항하도록 작용한다.

감소 압력 챔버는, 예를 들어, 밸브의 몸체와 이동 부재의 제1 표면에 의해 한정되는 챔버인, 출구 압력보다 낮은 유체 압력을 유지할 수 있는 챔버를 가리킨다. 밸브 몸체와 이동 부재는 일반적으로 금속으로 형성되며 그래서 감소 압력 챔버는 (출구 압력에 비해) 저압을 유지할 수 있으며 이동 부재에 상당한 힘을 가한다. 일반적으로, 이동 부재에 의해 한정되는 부분 이외에, 감소 압력 챔버는 적절한 위치에 고정된다(예를 들어, 밸브 몸체에 일체화되거나 고정되게 설치된다). 이는 감소 압력 챔버가 이동 가능한 부분에 의해 주로 한정된 경우보다 더 큰 힘이 가해지는 것을 가능하게 한다.

일반적으로, 이동 부재는 감소 압력 챔버로부터 멀어지는 이동 부재의 제1 표면의 이동이 적어도 밸브가 개방될 때 개방 위치로부터 폐쇄 위치를 향하는 밸브 부재의 이동에 결합되도록 밸브 부재에 결합된다(예를 들어 기계적으로 결합된다). 따라서, 사용 중에 감소 압력 챔버에서 발생되는 감소된 압력은 밸브의 폐쇄에 저항하도록 작용하는 힘을 가한다. 이동 부재의 제1 표면은 밸브 부재에 견고히 결합될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이동 부재의 제1 표면과 밸브 부재 사이에 유연 커플링, 또는 맞물림 가능한 커플링이 있는 경우에 적용 가능하다. 예를 들어, 이동 부재는 제1 표면을 가지는, 강성이 있는 스템을 포함할 수 있으며 강성이 있는 스템은 밸브 부재에 탄성적으로 결합될 수 있다. 따라서, 밸브는 좁은 흐름 영역, 감소 압력 챔버 및 밸브 부재의 제1 표면을 포함하는 밸브 폐쇄 제한 메커니즘을 포함한다. 이런 부분들은 감소 압력 챔버에서 결과로 나오는 압력의 감소와 이동 부재에 의해 밸브 부재에 작용하는 결과로 나오는 힘에 의해, 유체가 좁은 흐름 영역을 통해 흐르는 중에 밸브 부재의 폐쇄가 제한되도록 배치된다.

일반적으로, 밸브 어셈블리는 또한 유체 흐름의 방향이 반대로 되는 제2 유체 흐름 모드를 가질 것이다. 하류와 상류라는 용어는 제1 유체 흐름 모드에서 유체 흐름 경로에 대해 일반적으로 각각 동일한 방향, 및 반대 방향인, 방향들을 가리키기 위해 여기에서 사용된다. 밸브 어셈블리는 바람직하게는 이를 통해 유체가 제1 유체 흐름 모드에서 받아들여지는 유체 입구를 포함한다. 밸브 어셈블리는 바람직하게는 이를 통해 유체가 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 어셈블리를 떠나는 유체 출구를 포함한다. 입구와 출구는 각각 하나 이상의 구멍들을 포함할 수 있다. 입구 및/또는 출구의 구멍(들)은 일반적으로 밸브 부재가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동되는 방향에 평행하게, 밸브 어셈블리의 외벽을 통해 연장된다.

좁은 흐름 영역은, 예를 들어, 유체 흐름 경로가 연장되는 밸브에 대한 입구의 단면적의 60%를 초과하지 않으며, 바람직하게는 25%를 초과하지 않는 단면적을 가질 수 있다. 따라서, 감소 압력 챔버 내부의 압력은 일반적으로 유체가 유체 흐름 경로를 통해 흐르는 중일 때 밸브 어셈블리에 의해 받아들여진 유체의 압력보다 낮다.

일반적으로, 감소 압력 챔버와 밸브 어셈블리에 의해 받아들여진 유체 사이의 압력 차이는 증가된 속도의 유체 흐름으로 증가될 것이다. 따라서, 본 발명의 배경기술에서 위에 열거된 힘들이 가장 클 때, 감소 압력 챔버의 압력 감소로부터 초래되는 이동 부재의 제1 표면에 대해 작용하는 힘은 유체 흐름 속도가 증가함에 따라 증가되는 경향이 있을 것이다. 따라서, 사용 중에 밸브 부재를 지나는 유체의 흐름에 의해 발생되며, 위에 열거된 힘들의 영향을 완화시키거나 제거하는, 밸브 시트에 대한 힘에 대항하는 힘이 발생된다.

밸브 어셈블리는, 적어도 하나의 작동 조건에서, 밸브 부재가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동되는 방향이 밸브 시트를 통과하는 유체의 흐름(제1 유체 흐름 모드)과 동일한 방향이 되도록 밸브 어셈블리가 배향되는 상황에 특히 유용하다. 이런 맥락에서, "동일한 방향"이란, 밸브 시트를 통과하는 유체의 흐름이 밸브 부재를 폐쇄하기 위한 개방 위치에서부터 폐쇄 위치로의 밸브 부재의 이동의 방향에, 역행하기 보다는 오히려, 평행한 성분을 가져야 한다는 것을 의미한다. 많은 실시예들에서 밸브 시트를 통과하는 유체의 흐름은 밸브 부재를 폐쇄하기 위한 개방 위치에서부터 폐쇄 위치로의 밸브 부재의 이동의 방향에 일반적으로 평행할 것이다.

몇몇의 대면 안착 밸브 어셈블리들에서 밸브를 통과하는 유체 흐름의 전체적인 방향은 유체가 밸브 시트를 통해 흐르는 방향과 일반적으로 동일하다. 그러나, 이는 이런 경우가 될 필요는 없다. 예를 들어, 유체가 밸브 어셈블리에 반경방향으로 들어가거나 나오는 밸브 어셈블리들이 사용될 수 있다. 환형의 밸브 어셈블리들에서, 입구를 통해 받아들여진 유체는 유체가 밸브 어셈블리로 받아들여지는 방향에 일반적으로 반대되는 방향으로 하나 이상의 밸브 시트들을 통해 흐를 수 있다.

일반적으로, 이동 부재의 제1 표면은 면의 법선이 밸브 부재가 폐쇄 위치에서부터 개방 위치로 이동되는 방향으로 일반적으로 향하게 되며, 대체로 이 이동되는 방향에 평행한 면에 위치한다. 감소 압력 챔버는 일반적으로 이동 부재의 제1 표면에 의해 일부분이 한정된다. 일반적으로, 이동 부재의 제1 표면은 밸브 시트를 통해 유체 통로로 들어오는 유체가 제1 유체 흐름 모드에서 유체 통로를 통해 흐르는 방향에 대한 상류 방향에 대면한다.

이동 부재는 밸브 부재가 설치되는 밸브 스템을 포함할 수 있다. 이동 부재의 제1 표면은 밸브 스템으로부터 연장되는 측면 부재의 표면일 수 있다. 이동 부재의 제1 표면은 밸브 부재에 견고하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 이동 부재는 제1 표면, 밸브 스템 및, 예를 들어, 금속의 연속적인 강체와 같은 통합된 유닛으로 형성되는 밸브 부재를 포함하는 측면 부재를 포함할 수 있다.

그러나, 이동 부재는 밸브 부재를 포함하는 제1 부분 및 이의 위에 제1 표면을 가지는 제2 부분을 포함할 수 있으며, 제1 부분 및 제2 부분은 서로에 대해 이동 가능하지만 적어도 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때 제2 부분의 제1 표면에 작용하는 힘이 밸브 부재에 작용하도록, 적어도 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때, 연결되거나 맞물릴 수 있다. 제2 부분의 표면은 밸브가 개방 위치에 있을 때 제1 부분의 협력하는 표면에 대하여 지지될 수 있으며 그에 의해 제1 표면과 밸브 부재 사이에 힘을 전달한다. 유리하게도, 제2 부분은 전자석에 의해 작동될 수 있는 전기자를 포함할 수 있으며, 그 결과로 밸브 어셈블리는 (전자적으로 작동되는 밸브의 일 예인) 전자기로 작동되는 밸브이다.

밸브 어셈블리는 밸브가 개방 위치에 있을 때 밸브 부재의 주위로 연장되는 유체 흐름 경로를 한정할 수 있다. 이는 유체 흐름 때문에 밸브 부재에 작용하는 힘이 특히 높아질 수 있는 구성이다. 밸브 어셈블리는, 제1 유체 흐름 모드에서, 밸브 부재가 밸브 부재를 폐쇄하기 위해 밸브 시트를 향해 이동하는 것과 동일한 방향으로, 밸브가 개방 위치에 있을 때 유체 흐름 경로의 일부분이 밸브 부재의 외면을 따라 연장되도록 구성될 수 있다.

유체 통로가 좁은 흐름 영역을 포함하며 감소 압력 챔버가 유체 통로의 좁은 흐름 영역과 연통되는 것이 있을 수 있다. 이런 경우에, 좁은 흐름 영역을 통과하는 유체의 흐름은 일반적으로 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동 부재의 이동의 방향과 대체로 평행하다.

그러나, 좁은 흐름 영역은 밸브 부재의 상류에 있을 수 있다. 밸브 어셈블리는 밸브 어셈블리에 (예를 들어, 밸브 몸체에) 고정되게 부착되며 배리어와 이동 부재의 중간에 감소 압력 챔버를 한정하도록 배치되는, 배리어를 포함할 수 있다. 이런 경우에 배리어와 밸브 부재의 중간에 감소 압력 챔버가 한정될 수 있다. 배리어는 일반적으로 이동 부재(바람직하게는 밸브 부재)의 상류에 위치하며 이런 경우에 감소 압력 챔버는 일반적으로 이동 부재(바람직하게는 밸브 부재)의 상류에 형성된다. 배리어가 구비되는 경우에, 밸브 어셈블리는 바람직하게는 밸브 부재와 밸브 시트에 인접한 밸브 몸체 사이에 연장되는 유체 흐름 경로를 한정하며, 밸브 부재와 밸브 시트에 인접한 밸브 몸체 사이의 적어도 일부분의 영역이 배리어와 밸브 부재의 중간에 있는 감소 압력 챔버와 연통되는 좁은 흐름 영역으로 기능을 한다. 유체 흐름 경로는 배리어와 밸브 몸체 사이에 연장될 수 있으며 좁은 흐름 영역은 배리어와 밸브 몸체의 중간에 위치할 수 있다.

배리어가 구비되는 경우의 밸브 어셈블리의 다른 바람직하며 선택적인 특징들은 아래에서 본 발명의 제2 양상과 관련하여 논의된다.

일반적으로, 감소 압력 챔버는 감소 압력 챔버와 연통되는 제1 표면의 단면적의 10% 이하의 단면적을 가지는 통로를 통해 적어도 하나의 좁은 흐름 영역과 연통된다. 이는 주어진 유체 흐름의 속도에 대한 감소 압력 챔버의 압력에 의해 이동 부재의 제1 표면에 가해질 수 있는 최대 힘을 증가시킨다.

일반적으로, 유체 흐름 경로는 좁은 흐름 영역보다 더 큰 단면적을 가지는 고압 흐름 영역을 더 포함하며 밸브 어셈블리는 이동 부재의 제2 표면과 고압 흐름 영역 모두와 연통되는 상승 압력 챔버를 더 포함한다.

바람직하게는, 밸브 어셈블리는 전자적으로 작동 가능하다. 전자적으로 작동 가능하다는 것은, 예를 들어, 압력 차이에 의해 사용 중에 수동적으로 개방되거나 폐쇄되지만, 능동적으로 개방될 수 있거나, 능동적으로 폐쇄될 수 있거나, 능동적으로 래치 개방(actively latched open)될 수 있거나, 또는 능동적으로 래치 폐쇄될 수 있는 밸브 어셈블리들을 포함한다.

일반적으로, 밸브 어셈블리는 포펫 밸브이며 밸브 부재는 포펫 밸브 헤드이다. 그러나, 밸브 어셈블리는, 예를 들어, 환형 밸브일 수 있다.

밸브 어셈블리가 밸브 스템을 포함하는 경우에, 밸브 스템은 유체 흐름 경로가 연장되는 중공 연결 로드를 포함할 수 있다. 중공 연결 로드는 감소 압력 챔버가 좁은 흐름 영역으로 기능을 하는 중공 연결 로드의 내부의 일부분과 연통되는 구멍을 포함할 수 있다. 중공 연결 로드는 밸브 몸체의 구멍의 내부에 슬라이딩 가능하게 설치되는 것이 있을 수 있다.

밸브 어셈블리는 밸브 부재의 상류에 있는 배리어를 더 포함할 수 있으며, 배리어는 그렇지 않으면 밸브 시트를 향하여 밸브 부재를 이동시키기 위한 유체의 흐름의 결과로서 밸브 부재에 작용할 수 있었을 하나 이상의 힘을 감소시키기 위해 형성되며 배치된다.

바람직하게는, 배리어는 그렇지 않으면 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 시트를 향하여 밸브 부재에 힘을 가하기 위한 유체의 흐름의 결과로서 밸브 부재에 작용하였을, 밸브 부재의 표면에 접선방향의, 밸브 부재의 표면에 걸쳐 있는 점성 저항력을 감소시키거나 제거하기 위해 형성되며 배치된다.

바람직하게는, 배리어는 그렇지 않으면 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 시트를 향해 밸브 부재에 힘을 가하기 위한 유체의 흐름의 결과로서 밸브 부재에 작용하였을, 밸브 부재의 상류에 있는 유체의 전단(shearing)에 의해 생성되는 압력 차이로부터 발생한 힘을 감소시키거나 제거하기 위해 형성되며 배치된다.

바람직하게는, 배리어는 그렇지 않으면 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 시트를 향해 밸브 부재에 힘을 가하기 위한 유체의 흐름의 결과로서 밸브 부재에 작용하였을, 유체가 밸브 부재의 주위로 우회하도록 흐름의 축에 수직인 성분을 가지는 유체의 가속으로부터 발생한 가속 관련 힘을 감소시키거나 제거하기 위해 형성되며 배치된다.

바람직하게는, 배리어는 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때 바로 밸브 부재의 상류에 배치된다. 따라서, 적어도 일부의 이런 힘들이 밸브 부재보다 오히려 배리어에 가해질 수 있다. 바람직하게는, 배리어는 밸브 어셈블리에 고정되게 설치된다. 일반적으로, 배리어는 밸브 몸체에 고정되게 설치된다.

바람직하게는, 배리어는 그렇지 않으면 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 시트를 향해 밸브 부재에 가해지는 힘을 가했을, 유체 흐름으로부터 밸브 부재의 표면(일반적으로 밸브 부재의 모두 또는 일부분의 상류 표면)을 차폐하기 위해 배치된다. 따라서, 유체 흐름이 없거나 최소인 영역이 일반적으로 배리어의 존재의 결과로서 밸브 부재의 상류 측에 형성된다. 배리어는 유체 흐름 경로가 밸브 부재의 상류 표면의 일부분을 가로질러 연장되지 않도록 형성되어 배치될 수 있다.

밸브 어셈블리는, 제1 유체 흐름 모드에서, 받아들여진 유체가 배리어를 향해 흐르며 배리어에 의해 밸브 부재의 외면의 주위로 우회되도록 배치될 수 있다.

일반적으로, 배리어는 밸브 부재의 전체 상류 대면 표면 영역을 가로질러 연장된다. 그러나, 유체 흐름에 기인한 약간의 힘의 감소가 밸브 부재의 상류 대면 표면 영역의 일부분을 가로질러 연장되는 배리어를 사용함으로써 달성될 수 있다.

배리어는 밸브 부재의 외면의 주위에 적어도 부분적으로 연장되는 배리어 림(barrier rim)을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 밸브 부재와 배리어는 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때, 그리고 일반적으로 밸브 부재가 폐쇄 위치에 있을 때, 이들 사이에 유체를 포함하는 체적을 한정하기 위해 형성되며 배치된다. 바람직하게는, 밸브 부재와 배리어는, 그렇지 않으면 밸브 어셈블리의 개방을 제한할 수 있었을, 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때 밸브 부재와 배리어의 협력하는 면들 사이에 압착 막(squeeze film)의 형성을 회피하기 위해 형성되며 배치된다.

밸브 어셈블리는 일반적으로 제1 유체 흐름 모드에서 유체가 받아들여지는 입구를 포함한다. 배리어는 입구와 밸브 부재의 중간에 위치할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예들에서, 배리어는 입구의 상류로 연장된다.

배리어는 스탬핑된 금속 시트로 형성될 수 있다.

배리어는 이동 부재(바람직하게는, 밸브 부재)와 협력하며 이를 안내하기 위해 배치되는 (구멍과 같은) 이동 부재 안내 장치를 포함할 수 있다.

밸브 부재는 일반적으로 이의 적어도 일부분이 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트에 접촉시키는데 사용 가능한 하류 표면을 포함한다. 배리어, 밸브 부재 및 밸브 몸체는 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 밸브 부재가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 적어도 80°이며, 바람직하게는 적어도 85°이며, 보다 바람직하게는 적어도 90°이며, 가장 바람직하게는 90°보다 큰 각도로 하류 표면을 지나서 흐르도록 형성될 수 있으며 배치될 수 있다. 따라서, 밸브 부재가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동되는 방향에 평행하게 작용하며 밸브 부재의 하류 표면을 지나서 흐르는 유체에 의해 밸브 부재에 가해지는 전단력의 성분은 감소되거나 제거되거나, 이 각도가 90°보다 큰 경우에, 개방 위치를 향해 밸브 부재에 힘을 가하기 위해 작용한다.

밸브 어셈블리는 밸브 부재는 이 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 적어도 80°의 각도로 밸브 부재의 하류 표면에 입사되도록 형성될 수 있으며 배치될 수 있다.

바람직하게는, 밸브 어셈블리는 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 적어도 85°이며, 보다 바람직하게는 적어도 90°의 각도로 밸브 부재의 하류 표면에 입사되도록 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 밸브 어셈블리는 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 90°보다 큰 각도로 밸브 부재의 하류 표면에 입사되도록 형성된다.

따라서, 밸브 부재의 하류 표면에 작용하는 전단력은 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 평행하는, 단지 낮거나, 없거나, 음의 성분을 가지며, 그에 의해 폐쇄 위치를 향해 밸브 부재에 힘을 가하는 유체 전단으로부터 발생되는 힘을 감소시키거나 제거한다.

밸브 시트에 인접한 밸브 몸체는 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 적어도 80°의, 적어도 85°의, 적어도 90°의, 또는 90°보다 큰 각도로 밸브 부재의 하류 표면에 입사되도록 구성될 수 있다.

유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 적어도 80°의, 적어도 85°의, 적어도 90°의, 또는 90°보다 큰 각도로 밸브 부재의 하류 표면에 입사되도록 구성되는 배리어가 밸브 부재의 상류에 구비될 수 있다.

유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 먼저 입사되는 밸브 부재의 하류 표면은 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이를 이동하기 위해 작동 가능한 방향에 대해 적어도 80°의, 적어도 85°의, 적어도 90°의, 또는 90°보다 큰 각도로 배향될 수 있다.

본 발명은 주기적으로 변하는 체적의 작동 챔버, 고압 매니폴드와 저압 매니폴드, 및 고압 매니폴드 또는 저압 매니폴드로부터 작동 챔버로 또는 작동 챔버로부터 고압 매니폴드 또는 저압 매니폴드로 유체의 공급을 조절하는 본 발명의 제1 양상에 따른 밸브 어셈블리를 포함하는 유체 작동 기계로 제2 양상에서 확대되며, 유체는 작동 챔버 체적의 적어도 일부 사이클들의 적어도 일부분 중에 밸브 어셈블리의 밸브 부재가 밸브 어셈블리를 폐쇄하기 위해 밸브 시트를 향해 이동하는 것과 동일한 방향으로 밸브 시트를 통해 작동 챔버로부터 흘러나오도록 작동 가능하다.

복수의 작동 챔버들이 구비될 수 있다. 유체 작동 기계는 매 사이클에 기초하여 상기 또는 각각의 작동 챔버에 의한 유체의 순수 이동량을 결정하며, 그에 의해 작동 기계나 더 많은 그룹의 작동 챔버들 중의 하나에 의한 유체의 시간당 평균 순수 이동량을 결정하기 위해, 작동 챔버 체적의 사이클들에 대해 위상 관계에 있는, 밸브 어셈블리 및 선택적으로 하나 이상의 다른 밸브들을 능동적으로 제어하기 위해 작동 가능한 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 유체 작동 기계는 이것이 작동 챔버 체적의 사이클들에 대한 위상 관계에 있는 밸브 어셈블리를 능동적으로 제어하는 것을 허용하기 위해 작동 챔버 위상 센서 또는 체적 센서를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 고압 매니폴드와 저압 매니폴드사이의 압력 차이와 밸브 어셈블리를 통한 유체의 처리량은, 제1의 밸브가 밸브 헤드와 밸브 시트 사이의 유체 흐름으로부터 발생되는 힘 때문에 너무 빠르게 폐쇄될 때, 제1 표면과 연통되는 감소 압력 챔버(및 배리어를 더 포함하는 실시예들에서 배리어)가 존재하지 않는다면 유체 작동 기계가 적어도 몇몇 작동 조건에서 올바르게 기능을 하지 못하게 한다.

바람직하게는, 작동 챔버의 체적은 적어도 20 헤르츠의 주파수로 순환된다. 바람직하게는, 밸브 어셈블리는 10ms보다 작거나, 5ms보다 작은 시간에, 개방하거나 폐쇄하기 위해 작동 가능하다. 바람직하게는, 저압 매니폴드와 고압 매니폴드 사이의 압력 차이는 적어도 20 bar이다. 바람직하게는, 작동 챔버의 체적은 1cc보다 크거나, 5cc보다 크거나, 또는 보다 바람직하게는 10cc보다 크다.

유체 작동 모터는 단지 모터로서, 또는 단지 펌프로서 기능을 할 수 있다. 또는, 유체 작동 모터는 다른 작동 모드에서 모터 또는 펌프로서 기능을 할 수 있다.

본 발명의 예시적인 일 실시예는 다음의 도면들을 참조하여 지금 설명될 것이며:
도1은 본 발명에 따른 밸브 어셈블리의 부분 단면도이며;
도2는 밸브 어셈블리를 포함하는 유체 작동 기계의 개략도이며;
도3은 본 발명에 따른 다른 밸브 어셈블리의 부분 단면도이며;
도4는 본 발명에 따른 다른 밸브 어셈블리의 단면도이며;
도5는 다른 밸브 어셈블리의 입구와 밸브 부재의 단면도이며;
도6은 다른 밸브 어셈블리의 입구와 밸브 부재의 단면도이며;
도7은 다른 실시예에 따른 밸브 어셈블리의 단면도이다.

도1을 참조하면, 밸브 어셈블리(1)는 밸브 시트(4)와, 밸브가 개방될 때, 유체가 작동 챔버(도시되지 않음)로부터 받아들여지는 입구(8)로부터 출구(10)까지 연장되는 유체 통로(6)를 한정하며, 강철로 만들어지는 밸브 몸체(2)를 포함한다. 포펫 밸브 헤드(12) (밸브 부재로 기능함)는 유체가 유체 통로를 통해 입구와 출구 사이로 흐르는 것을 허용하기 위해 밸브 헤드가 밸브 시트로부터 이격되는 개방 위치와, 밸브 헤드가 밸브 시트와 밀봉 접촉으로 고정되며, 그에 의해 밸브 시트를 통과하는, 유체 통로의 내로 또는 외로의 유체 흐름을 차단하는 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하다.

입구와 출구라는 용어는 유체가 포펫 밸브 헤드가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동되는 것(제1 유체 흐름 모드)과 동일한 방향으로 밸브 시트를 통해 유체 통로로 흐르는 밸브 어셈블리를 통과하는 유체 흐름 경로의 반대쪽의 단부들에 있는 구멍들을 가리킨다. 많은 실제적인 적용들에서, 유체는 다른 시간에 반대 방향으로 유체 통로를 통해 흐를 것이다(제2 유체 흐름 모드). 이 예시적 실시예에서, 밸브 어셈블리는 유럽특허 EP 0 361 927, 유럽특허 EP 0 494 236 및 유럽특허 EP 1 537 333에 개시된 타입의 유체 작동 기계에 포함되며, 작동 챔버로부터 저압 매니폴드로 배출되는 유체가 제1 유체 흐름 모드에서 밸브 어셈블리를 통과하도록 배향된다. 그럼에도 불구하고, 작동 챔버로, 또는 작동 챔버들 이외의 도관들이나 챔버들의 내외로의 유체의 흐름을 조절하기 위해 유체가 제1 흐름 모드에서 흐르는 밸브 어셈블리의 다른 실제적인 적용들이 있을 것이다.

포펫 밸브 헤드는 튜브형 연결 로드(16)를 통해 환형 전기자(14)에 연결된다. 포펫 밸브 헤드, 전기자 및 (밸브 스템으로 기능을 하는) 중공 튜브형 연결 로드는 강성이 있으며 싱글 유닛으로 이동하는 이동 부재를 함께 형성한다. 이동 부재의 구성 부품들이 항상 싱글 유닛으로 이동되지는 않는 다른 밸브 장치들도 가능하다. 예를 들어, 전기자는 연결 로드에 탄성적으로 설치될 수 있다. 그러나, 밸브의 폐쇄에 대항하는 방향의 힘이 전기자로부터 연결 로드를 통해 포펫 밸브 헤드로 전달된다.

밸브 어셈블리는 전자석(18)을 더 포함한다. 자기 회로는 밸브 몸체, 플럭스 브리지(flux bridge)(20), 전기자 및 강자성 플러그(22)에 의해 형성된다. 전류가 전자석을 통과할 때에, 힘이 튜브형 연결 로드를 끌어 당기며 그에 따라 밸브 시트를 향해 포펫 밸브 헤드에 힘을 가하기 위해 전기자에 작용한다. 전류가 존재하지 않을 때에, 전기자는 환형 영구 자석(26)에 의해, 또는 스프링(도시되지 않음)에 의해 정지부(24)를 향해 끌어 당겨지며 이에 대하여 고정된다. 전자석, 전자석을 통과하는 피크 전류, 자기 회로의 구성 및 영구 자석의 강도와 위치는 전류가 전자석을 통과할 때에 전기자에 작용하는 순수 힘이 영구 자석에 기인한 힘을 대체로 초과하도록 선택된다.

밸브 몸체는 연결 로드에 있는 구멍(30)을 통해 유체 통로와 유체로 연통되는 제1 챔버(28)(감소 압력 챔버로 기능함)를 더 한정한다. 제1 챔버는 전기자(이동 부재의 제1 표면으로 기능함)의 입구 대면 표면(32)과 직접 접촉한다. 전기자의 반대쪽의, 출구 대면 표면(34)은 플러그를 통과하는 통로(38)에 의해 밸브 어셈블리의 출구와 유체로 연통되는 제2 챔버(36)와 직접 접촉한다.

도2는 저압 매니폴드(102)와 작동 챔버(104) 사이에 유압 유체의 흐름을 조절하는 저압 밸브로서 예시적인 밸브 어셈블리(1)를 포함하는, 도면번호 "100"으로 전체적으로 도시되는, 유체 작동 기계의 개략도이다. 저압 밸브는 포펫 밸브 헤드가 개방 위치에서부터 폐쇄 위치로, 다시 말해서, 제1 유체 흐름 모드에서, 유체 작동 기계가 모터로서 기능을 하는 각각의 배출 행정 중에 그리고 유체 작동 기계가 펌프로서 기능을 하는 아이들 배출 행정 중에 이동되는 것과 동일한 방향으로 작동 챔버에서부터 저압 매니폴드로 배출되는 유체가 밸브 시트를 통해 흐르도록 배향된다.

작동 챔버는 실린더(106)의 내부 및 적당한 기계적인 링크(112)에 의해 크랭크샤프트(110)의 회전에 기계적으로 연결되며, 작동 챔버의 체적을 주기적으로 변화시키기 위해 실린더의 내부에서 왕복 운동되는 피스톤(108) 에 의해 한정된다. 고압 밸브(114)는 고압 매니폴드(116)와 작동 챔버 사이의 유압 유체의 흐름을 조절한다. 예시적인 유체 작동 기계는 적당한 위상 차이로, 동일한 크랭크샤프트의 회전에 기계적으로 연결되는 복수의 작동 챔버들을 포함한다. 샤프트 위치 및 속도 센서(118)는 샤프트의 순간 각도 위치와 회전 속도를 감지하며, 컨트롤러(120)에 샤프트 위치와 속도 신호를 전달하며, 이는 컨트롤러가 각각의 개별적인 작동 챔버의 사이클들의 순간 위상을 결정하는 것을 가능하게 한다. 컨트롤러는 일반적으로 사용 중에 저장된 프로그램을 실행하는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러이다. 저압 밸브는 전자적으로 작동 가능하며, 고압 밸브 및/또는 저압 밸브의 개방 및/또는 폐쇄가 컨트롤러의 능동 제어 하에 있다.

예시적인 유체 작동 기계는 다른 작동 모드에서 펌프나 모터로 기능을 하기 위해 작동 가능하다. 펌프로서 작동될 때, 저압 유체는 저압 매니폴드로부터 받아들여지며, 고압 밸브를 통해 고압 매니폴드로 배출된다. 그러므로 샤프트 동력은 유체 동력으로 변환된다. 모터로 작동될 때, 고압 유체는 고압 매니폴드로부터 받아들여지며, 저압 밸브를 통해 저압 매니폴드로 배출된다. 그러므로 유체 동력은 샤프트 동력으로 변환된다.

컨트롤러는 기계를 통과하는 유체의 순수 처리량을 결정하도록, 작동 챔버 체적의 사이클들에 대한 위상 관계에 있는, 매 사이클에 기초하여, 각각의 작동 챔버를 통한 유체의 이동을 결정하기 위해 저압 밸브와 고압 밸브의 개방 및/또는 폐쇄를 조절한다. 따라서, 유체 작동 기계는 이의 내용이 이 참조문헌에 의해 여기에 포함되는, 유럽특허 EP 0 361 927, 유럽특허 EP 0 494 236, 및 유럽특허 EP 1 537 333에 개시되는 원리에 따라 작동된다.

아이들 배출 행정 중에, 작동 챔버의 내에 있는 유체는 저압 밸브를 통해 저압 매니폴드로 배출된다. 이는 일반적으로 수 밀리초(millisecond)의 이내에 일어나며 그러므로 밸브 시트와 유체 통로를 통과해서, 포펫 밸브 헤드를 지나는 유체 유동의 피크 속도는 매우 높다. 결과적으로, 위의 배경기술에 설명된 힘(1) 내지 힘(4)은 포펫 밸브 헤드에 작용하며, 밸브 시트를 향해 포펫 밸브 헤드에 힘을 가한다.

도1을 참조하면, 유체는 밸브 부재를 통과하며 통로(40)를 따라, 유체 통로에 들어간다. 튜브형 연결 로드의 내부 채널은 작동 챔버로부터 나오는 출구, 또는 밸브 어셈블리에 인접한 저압 매니폴드보다 상당히 더 작은 단면적을 가진다. 따라서, 튜브형 연결 로드의 내부 채널은 좁은 흐름 영역으로 기능을 한다. 따라서, 튜브형 연결 로드의 내부 채널의 내부의 압력은 벤투리 효과에 의해 작동 챔버나 저압 매니폴드의 내부의 압력 아래로 떨어진다. 제1 챔버가 튜브형 연결 로드의 내부 채널과 유체로 연통될 때, 제1 챔버의 내부의 압력은 또한 작동 챔버나 저압 매니폴드의 내부의 압력 아래로 떨어진다. 제1 챔버와 작동 챔버 및 저압 매니폴드 사이의 압력 차이는 유체 흐름 속도와 함께 증가한다. 동시에, 전기자의 반대쪽 측면에 있는 제2 챔버의 내부의 압력은 저압 매니폴드의 압력과 대체로 동일하게 유지된다. 제1 챔버와 제2 챔버 사이의 압력 차이의 결과로서, 순수 힘이 밸브 부재가 폐쇄 위치에서부터 개방 위치로 이동되는 방향에 일반적으로 평행한 방향으로 전기자에 작용하며, 그에 의해 밸브를 폐쇄하기 위해 작용하는 밸브 부재를 지나는 유체 흐름으로부터 발생되는 힘에 대항하며, 시트에 대하여 전기자를 유지하며 개방 위치에 밸브를 유지한다. 플럭스 브리지 또는 정지부(24)는 서로로부터 제1 챔버와 제2 챔버를 적어도 대체로 밀봉하기 위한 밀봉부로 작동된다.

압력 차이의 결과로서 전기자에 작용하는 힘은 그에 의해 밸브의 폐쇄에 저항하기 위해 작용한다. 전기자에 작용하는 이 대항력은 유체 흐름의 속도와 함께 증가하며, 밸브 부재를 지나는 유체 흐름으로부터 발생되는 힘이 가장 큰 것과 대략 동일한 시간에 가장 크다.

유럽특허 EP 0 361 927, 유럽특허 EP 0 494 236에 개시된 타입의 유체 작동 기계들에서, 개방되거나 폐쇄되는 밸브에 걸친 압력 차이가 최소이며 유체 흐름의 속도가 영(폐쇄된 밸브가 개방되는 경우)이거나 대략 영(개방된 밸브가 폐쇄되는 경우)일 때, 밸브 어셈블리들은 일반적으로 상사점이나 하사점에서, 또는 이들의 근처에서, 개방되거나 폐쇄된다. 비록, 예를 들어, 유럽특허 EP 1 537 333에 개시되는 부분적인 실린더 펌핑 행정을 실행하기 위해, 밸브들의 개방 및 폐쇄의 타이밍에 얼마간의 유연성이 있을 수 있지만, 밸브에 걸친 압력 차이가 최소이며 (만약 밸브가 개방된다면) 유체 흐름의 속도가 최소인 시간에 밸브들을 개방시키거나 폐쇄시키는 것이 일반적으로 바람직하다. 상당한 압력 차이에 대항하여 개방될 수 있거나 개방된 상태로 유지될 수 있는 밸브들이 본 기술분야에서 숙련된 사람에 의해 설계될 수 있고 제조될 수 있으며, 이들은 일반적으로 밸브의 이동 과정에서나 흐름에 기인한 힘에 대항하여 밸브를 정지 상태로 유지하는 과정에서 상당한 양의 에너지를 소비한다. 따라서, 이 메커니즘은 밸브를 통과하는 유체 흐름이 최소이거나 없을 때 밸브의 개방 또는 폐쇄에 최소의 영향을 끼치거나 영향을 끼치지 않는 것이 유리하다.

도3에 도시된, 밸브 어셈블리의 다른 실시예에서, 환형 이동 부재는 유체 통로의 길이의 일부분을 따라 축방향으로 연장되는 밸브 스템을 포함한다. 앞에서와 같이, 밸브 어셈블리는 도2를 참조하여 설명된 바와 같이 유체 작동 기계에 사용하는데 적합하며 작동 챔버와 저압 매니폴드 사이의 유체의 흐름을 조절하는데 사용되며, 유체가 작동 챔버로부터 저압 매니폴드로 배출될 때, 밸브 시트를 통과하는 유체 흐름의 통로(42)는 밸브 부재가 개방 위치에서부터 폐쇄 위치로 이동되는 것과 동일한 방향에 있도록 배향된다. 전기자는 밸브 스템으로부터 연장되는 측면 아암의 일부분이다. 제1 챔버와 제2 챔버는 앞에서와 같이 전기자의 반대쪽 측면들에 구비된다. 전기자의 입구 측에 위치하는 제1 챔버는 연결 통로(44)를 통해 유체 통로(42)의 좁은 흐름 영역과 연통된다. 좁은 흐름 영역은 이의 제한된 내부 원주와 외부 원주에 의해 좁아진다. 그 내부의 밸브 스템은 흐름 면적을 증가시키며 이를 지나서 흐르는 유체에 의한 밸브 스템에 대한 저항을 감소시키기 위해 부분적으로 제거될 수 있다. 전기자의 출구 측에 위치하는 제2 챔버는 더 큰 외부(및/또는 내부) 원주를 가지기 때문에 좁은 흐름 영역보다 더 큰 단면적을 가지는 유체 통로(46)의 다른 부분과 연통된다. 이런 예시적인 실시예에서, 스프링(48)이 전기자와 그에 따른 전체 이동 부재를 입구를 향해 편향되게 하기 위해 구비된다. 게다가, 유체가 유체 통로를 통해 흐를 때, 좁은 흐름 영역의 압력은 입구에서의 압력보다 낮으며, 제1 챔버의 압력은 제2 챔버의 압력보다 낮으며 그에 따라 힘이 개방 위치로 밸브 부재를 이동시키기 위해 이동 부재에 작용한다.

도4는 도2를 참조하여 설명된 유체 작동 기계와 같은 유체 작동 기계에 사용하는데 적합한 밸브 어셈블리의 다른 실시예를 도시한다. 앞에서와 같이, 밸브 어셈블리(200)는 적당한 경우에 작동 챔버로부터 유체를 받아들이기 위한 입구(202)와 출구(204)(이 경우에 복수의 반경방향으로 연장되는 구멍들에 이르게 하는)를 포함한다. 이동 부재는 밸브 스템(208)과 일체로 형성되는 전기자(206) 및 포펫 밸브 헤드(210)를 포함한다. 포펫 밸브 헤드는 도4에 도시된 개방 위치와 밸브 시트(212)에 대하여 밀봉되는 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하다. 전자석(214)이 컨트롤러의 능동 제어 하에 밸브를 폐쇄하는데 사용될 수 있으며 리턴 스프링(216)이 전자석으로부터 멀어지게 이동 부재를 편향시키며 그에 따라 포펫 밸브 헤드를 개방 위치로 편향시키기 위해 구비된다. 예를 들어, 아이들 배출 행정 중에, 제1 유체 흐름 모드에서, 유체는 통로(218)를 따라 흐른다. 따라서, 위의 본 발명의 배경기술에 설명된 네 개의 힘들이 밸브 시트를 향해 포펫 밸브 헤드에 힘을 가하기 위해 작용한다. 만약 이 힘들이 리턴 스프링에 의해 이동 부재에 가해지는 힘을 초과한다면, 비자발적인 펌핑 행정이 컨트롤러의 제어의 한계를 넘어서, 일어날 것이다.

그러나, 밸브 어셈블리는 유체가 이들 사이에 흐를 수 있는 반경방향 연결 아암들(222)에 의해 밸브 어셈블리에 고정되며, 밸브 시트로부터 분리되게, 밸브 헤드의 상류 측에 있는 배리어(220)를 더 포함한다. 배리어는 밸브 부재의 외면의 주위에 있는 좁은 흐름 영역(226)과 연통되는 감소 압력 챔버(224)를 한정한다. 따라서, 흐름 경로(218)를 따라 유체가 밸브 어셈블리를 통해 흘러 나갈 때, 압력은 좁은 흐름 영역에서 떨어지며 그에 따라 또한 감소 압력 챔버에서 떨어진다. 포펫 밸브 헤드의 반대쪽의 밀봉 표면(228)에 작용하는 압력은 유체 흐름 경로의 단면적이 더 커짐에 따라 더 커진다. 따라서, 포펫 밸브 헤드(여기서 이동 부재로 기능함)는 그러므로 밸브 시트로부터 떨어지게 밸브 부재를 이동시키는 힘의 영향을 받는다. 이 힘은 유체 흐름 속도와 함께 증가하며, 밸브 시트를 향해 밸브 부재에 가해지는 힘이 가장 큰 것과 대략 동일한 시간에 가장 큰 힘을 제공한다.

이동 부재는 배리어에 있는 구멍(230)을 통해 포펫 밸브 헤드를 넘어서 연장되며 배리어와 포펫 밸브 헤드 사이의 챔버에 적어도 얼마간의 유체가 항상 있도록 밸브 시트로부터 떨어지는 포펫 밸브 헤드의 이동을 제한하기 위해 구멍의 외면과 협력하는 플랜지(232)를 포함한다. 이는 폐쇄에 대한 불필요하게 강한 저항을 제공하며, 밸브 어셈블리의 동력 소비를 증가시키며 작동 속도를 감소시킬 수 있는 압착 막의 형성을 막는다.

게다가, 배리어는 밸브 부재의 상류 측의 전체 표면 영역을 가로질러 연장되며 또한 위에 있는 본 발명에 대한 배경 기술에서 언급된 제2 내지 제4 힘들로부터 포펫 밸브를 차폐하는 기능을 한다. 배리어는 포펫 밸브 헤드로부터 멀어지게 작용하는 적어도 전단력 및 가속 관련 힘을 만날 것이지만, 배리어가 밸브 어셈블리의 몸체에 고정되게 설치되므로 이 힘들은 밸브 어셈블리의 몸체로 전달될 것이며 포펫 밸브 헤드에 영향을 끼치지 않을 것이다.

배리어는 포펫 밸브 헤드의 외면의 주위에 하류 방향으로 배리어로부터 연장되는 립(324)을 포함하며, 그에 의해 적어도 점성 저항력을 더 감소시킨다. 몇몇 실시예들에서, 배리어는 포펫 밸브 헤드의 표면 영역의 단지 일부분을 커버할 수 있으며 이 경우에 밸브를 폐쇄시키는 힘은 이런 메커니즘에 의해 여전히 감소되지만, 보다 적은 정도로 감소될 것이다.

도5를 참조하면, 다른 밸브 어셈블리는 앞에서와 같이 밸브 몸체(302) 및 밸브 스템(304)과 포펫 밸브 헤드(306)를 포함하는 작동되는 이동 부재를 포함한다. 배리어(308)는 포펫 밸브 헤드의 상류에 배치되지만, 배리어, 밸브 시트(312)에 인접한 밸브 몸체, 및 포펫 밸브 헤드의 하류 표면(314)이 형성되고 배치되며 그래서 유체 흐름 경로(310)가 포펫 밸브 헤드가 개방 위치에서부터 폐쇄 위치로 이동할 수 있는 방향에 대해 약 90°로 포펫 밸브 헤드의 하류 표면에 입사된다. 따라서, 포펫 밸브 헤드의 하류 표면에 작용하는 전단력은 반경방향 내측으로 유도되며 폐쇄 위치로 포펫 밸브 헤드를 이동시키기 위해 작용하는 힘에 기여하지 않거나 최소로 기여한다. 도6에 도시된 다른 실시예에서, 밸브 시트에 인접한 밸브 몸체는 유체 흐름 경로를 따라 흐르는 유체가 포펫 밸브 헤드가 개방 위치에서부터 폐쇄 위치로 이동될 수 있는 방향에 대해 90°보다 큰 각도로 포펫 밸브 헤드의 하류 표면에 입사되도록 구성된다. 이 예들에서, 포펫 밸브 헤드의 하류 표면은 포펫 밸브 헤드가 이동하였을 방향에 평행한 법선을 가진다. 그러나, 포펫 밸브 헤드는 다른 외형을 가질 수 있다. 예를 들어, 포펫 밸브 헤드의 하류 표면은 오목하거나 약간 볼록할 수 있다.

도7에 도시된, 밸브 어셈블리(400)의 다른 실시예에서, 밸브 부재는 전자석(408)으로 작동될 수 있는 이동 극(moving pole)(전기자)(406)에 중공 밸브 스템(404)을 통해 부착되는 환형 밸브 부재(402)에 의해 형성된다. 리턴 스프링(410)은 폐쇄 위치를 향해 밸브를 편향시킨다. 도7에 도시된, 제1 흐름 모드에서, 유체는 고압 매니폴드에 연결되는 포트들(412)을 통해 반경방향 내측으로 흘러 들어가며, 작동 챔버(414)에서 흘러나온다. 배리어는 밸브 부재의 몸체(418)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 원형 플랜지(416)에 의해 형성된다. 배리어는 환형 밸브 부재의 외부 엣지와 겹치며 밸브 스템에 있는 중앙 밸브 부재 구멍(420)을 통해 환형 밸브 부재의 내부 엣지의 주위로 유체를 우회시키며, 그에 의해 그렇지 않으면 폐쇄 위치로 환형 밸브 부재가 이동하게 하였을 운동력을 감소시킨다. 더구나, 밸브 부재에 바로 인접한 포트들을 통과하는 유체 흐름이 감소되는 좁은 흐름 영역(422)이 형성되며, 저압 영역(424)이 좁은 흐름 영역과 유체로 연통된다. 따라서, 유체의 흐름에 대응하여 밸브를 개방된 상태로 유지하는데 요구되는 전자석의 전류 소비가 배리어가 없는 밸브와는 대비하여 감소된다.

이런 밸브는 유체 작동 기계 컨트롤러의 능동 제어 하에, 고압 매니폴드에서부터 주기적으로 변하는 체적의 작동 챔버로의 유체의 흐름을 조절하기 위한, 유체 작동 기계의 고압 밸브로 특히 유용하다.

다른 변형들 및 변경들이 청구된 본 발명의 범위의 내에서 만들어질 수 있다.

Claims (17)

1. 유체 작동 기계(100)의 작동 챔버(104, 414)와 유체 매니폴드(102, 116) 사이의 유체의 흐름을 조절하기 위한 밸브 어셈블리(1, 200, 300, 400)로서, 상기 밸브 어셈블리는 밸브 시트(4, 212, 312)를 포함하는 밸브 몸체(2, 302, 418), 상기 밸브 몸체를 통해 연장되는 유체 통로(6), 및 밸브 부재(12, 210, 306, 402)를 포함하는 이동 부재(12, 14, 16)(206, 208, 210)(304, 306)(402, 404, 406)를 포함하며, 상기 밸브 부재는 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트로부터 이격되며 유체가 상기 유체 통로를 통해 흐를 수 있는 개방 위치와 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트와 밀봉 접촉되어 유체가 상기 유체 통로를 통해 흐르는 것을 차단하는 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하며, 상기 밸브 어셈블리는 제1 유체 흐름 모드에서 상기 밸브 부재와 상기 밸브 시트 사이와 상기 유체 통로 내를 통과하는 유체 흐름 경로(40, 218, 310)를 한정하는 상기 밸브 어셈블리에 있어서,
   상기 유체 흐름 경로는 좁은 흐름 영역(42, 226, 422)을 포함하며 상기 밸브 어셈블리는 상기 이동 부재의 제1 표면(32)과 상기 좁은 흐름 영역 모두와 연통되는 감소 압력 챔버(28, 224, 424)를 더 포함하며,
   유체가 좁은 흐름 영역을 통해 흐를 때에 감소 압력 챔버 내의 압력 감소에 의해 이동 부재 상에 힘이 가해지고, 이 힘이 밸브 부재의 폐쇄에 저항하도록 작용하는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이동 부재(12, 14, 16)(206, 208, 210)(304, 306)(402, 404, 406)의 제1 표면(32)은 일반적으로 상기 밸브 부재(12, 210, 306, 402)가 폐쇄 위치에서부터 개방 위치로 이동되는 방향으로 향하는 법선을 구비하는 면에 위치하는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 이동 부재(12, 14, 16)(206, 208, 210)(304, 306)(402, 404, 406)의 상기 제1 표면(32)은 상기 밸브 부재(12, 210, 306, 402)에 견고하게 연결되는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 이동 부재(12, 14, 16)(206, 208, 210)(304, 306)(402, 404, 406)는 상기 밸브 부재(12, 210, 306, 402)를 포함하는 제1 부분 및 이의 위에 상기 제1 표면(32)을 가지는 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 부분과 제2 부분은 서로에 대해 이동 가능하지만 상기 제2 부분의 상기 제1 표면에 작용하는 힘이 적어도 상기 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때 상기 밸브 부재에 작용하도록 적어도 상기 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때 연결되거나 맞물림 가능한 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
5. 제1항에 있어서,
   상기 밸브 어셈블리는 전자석(18)을 포함하며, 상기 이동 부재(12, 14, 16)는 전기자(14)를 포함하며, 상기 이동 부재의 상기 제1 표면(32)은 상기 전기자의 상류 표면인 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
6. 제1항에 있어서,
   상기 밸브 어셈블리(1, 200, 300)는 상기 밸브 부재가 개방 위치에 있을 때 상기 밸브 부재의 주위로 연장되는 유체 흐름 경로(40, 218, 310)를 한정하는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유체 통로(6)는 좁은 흐름 영역(42)을 포함하며 상기 감소 압력 챔버는 상기 유체 통로의 상기 좁은 흐름 영역과 연통되는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
8. 제1항에 있어서,
   상기 좁은 흐름 영역은 상기 밸브 부재의 상류에 있는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
9. 제1항에 있어서,
   상기 밸브 어셈블리(200, 300)는 배리어(220, 308)를 포함하고, 상기 배리어는 상기 밸브 어셈블리에 고정되게 부착되며 상기 배리어와 이동 부재(206, 208, 210)(304, 306) 사이에 상기 감소 압력 챔버(224)를 한정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
10. 제1항에 있어서,
    상기 감소 압력 챔버(28)는 상기 감소 압력 챔버와 연통되는 상기 제1 표면(32)의 단면적의 10% 이하의 단면적을 가지는 통로(30, 44)를 통해 적어도 하나의 좁은 흐름 영역과 연통되는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
11. 제1항에 있어서,
    상기 유체 흐름 경로는 상기 좁은 흐름 영역보다 더 큰 단면적을 가지는 고압 흐름 영역(10)을 더 포함하며 상기 밸브 어셈블리는 상기 이동 부재(12, 14, 16)의 제2 표면(34)과 상기 고압 흐름 영역 모두와 연통되는 상승 압력 챔버(36)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
12. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리(1, 400)는 밸브 스템(16, 404)을 포함하며, 상기 밸브 스템은 상기 유체 흐름 경로(40)가 연장되는 중공 연결 로드로 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
13. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 어셈블리(1, 200, 400)는 전자적으로 작동 가능한 것을 특징으로 하는 밸브 어셈블리.
14. 주기적으로 변하는 체적의 작동 챔버(104, 414), 고압 매니폴드(116)와 저압 매니폴드(102), 및 상기 고압 매니폴드나 상기 저압 매니폴드에서 상기 작동 챔버로 또는 상기 작동 챔버에서 상기 고압 매니폴드나 상기 저압 매니폴드로 유체의 공급을 조절하는, 제1항에 따른 밸브 어셈블리(1, 200, 300, 400)를 포함하는 유체 작동 기계(100)로서,
    유체는 작동 챔버 체적의 적어도 일부 사이클들의 적어도 일부분 중에 상기 밸브 어셈블리의 상기 밸브 부재(12, 210, 306, 402)가 상기 밸브 어셈블리를 폐쇄하기 위해 상기 밸브 시트를 향해 이동하는 것과 동일한 방향으로 상기 밸브 시트(4, 212, 312)를 통해 상기 작동 챔버로부터 흘러나오도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 유체 작동 기계.
15. 제14항에 있어서,
    상기 유체 작동 기계(100)는 매 사이클에 기초하여 작동 챔버에 의한 유체의 순수 이동량을 결정하며, 상기 유체 작동 기계(100)에 의한 유체의 시간당 평균 순수 이동량을 결정하기 위해, 작동 챔버 체적의 사이클들에 대해 위상 관계에 있는, 상기 밸브 어셈블리(1, 200, 300, 400)를 능동적으로 제어하기 위해 작동 가능한 컨트롤러(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 작동 기계.
16. 제14항에 있어서,
    상기 고압 매니폴드(116)와 상기 저압 매니폴드(102) 사이의 압력 차이 및 상기 밸브 어셈블리(1, 200, 300, 400)를 통과하는 유체의 처리량은 상기 제1 표면(32)과 연통되는 상기 감소 압력 챔버(28, 224, 424)가 존재하지 않는다면 상기 유체 작동 기계가 적어도 몇몇 작동 조건에서 올바르게 기능을 하지 못할 정도인 것을 특징으로 하는 유체 작동 기계.
17. 제14항에 있어서,
    주기적으로 변화하는 체적의 복수 개의 작동 챔버(104, 414)를 더 포함하고,
    상기 유체 작동 기계는 매 사이클에 기초하여 작동 챔버에 의한 유체의 순수 이동량을 결정하며, 상기 작동 기계(100) 또는 하나 이상의 그룹의 상기 작동 챔버에 의한 유체의 시간당 평균 순수 이동량을 결정하기 위해, 작동 챔버 체적의 사이클들에 대해 위상 관계에 있는, 상기 밸브 어셈블리(1, 200, 300, 400)와 하나 이상의 다른 밸브를 능동적으로 제어하기 위해 작동 가능한 컨트롤러(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 작동 기계.

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