KR101496350B1

KR101496350B1 - 고압유체 제어장치

Info

Publication number: KR101496350B1
Application number: KR1020107000845A
Authority: KR
Inventors: 토드 더블유. 라르센
Original assignee: 테스콤 코포레이션
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2015-02-26
Also published as: BRPI0812709A2; WO2009005916A3; RU2009147675A; CN101743420B; WO2008157392A1; CA2690099A1; CA2690099C; JP5580195B2; ATE529674T1; AU2008265997B2; US8991427B2; JP2010530050A; WO2009005916A2; US20080308163A1; CN101743420A; RU2516049C2; AU2008265997A1; KR20100049013A; EP2165097B1; NO339246B1

Abstract

고압 쓰리-웨이(three-way) 제어밸브는 제어요소를 통하여 서로 선택적으로 유체 연통하게 배치된 제1, 제2 및 제3 포트를 규정하는 밸브본체를 포함한다. 상기 제어요소는 상기 제1 및 제2 포트 사이에서 또는 제1 및 제3 포트 사이에서 유체의 방향을 선택적으로 제어하도록 제1 안착위치와 제2 안착위치 사이에서 움직일 수 있다. 이와 같이 구성으로, 상기 제어밸브는 종래 서로 연결된 2개의 밸브가 요구되는 기능을 발휘한다.

Description

고압유체 제어장치{HIGH PRESSURE FLUID CONTROL DEVICE}

2007년 6월 15일자로 출원된 미국 가특허출원 번호60/944,407의 우선권 이익이 본원에 청구되며, 그 전체 내용은 참고로 본 명세서에 합체된다.

본 발명은 일반적으로 공기작동식 밸브에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 고압 3-웨이 공기작동식 밸브에 관한 것이다.

플랜트와 공장은 공정 중에 유체의 흐름을 제어하기 위해 공정제어장치를 이용하며, 여기서 "유체"란, 파이프를 통하여 유동할 수 있는 액체, 가스 또는 그들의 어떤 혼합물을 포함할 수 있다. 연료, 식품 및 의류와 같은 소비자 제품 또는 상품을 생산하는 제조공정은 유체유동을 제어하고 조정하기 위해 제어밸브를 필요로 한다. 중간 규모의 공장이라도 공정을 제어하기 위해서는 수백 개의 제어밸브가 사용될 수 있다. 제어밸브는 1세기가 넘도록 사용되어 오고 있으며, 그동안 밸브 설계자들은 제어밸브의 작동성능을 지속적으로 개선시켜 왔다.

공정 설계시, 설계자들은 많은 설계요구 및 설계제약에 직면한다. 예를 들면, 어떤 공정제어적용(process control application)에서는 흔히 쌍방향 유동밸브라고 불리는 두 방향으로 유동 가능케 하는 밸브가 요구된다. 설계제약의 다른 예로서, 공정 내에서 작동되는 유체의 압력을 들 수 있다. 예를 들면, 어떤 공정에서는 비교적 낮은 압력, 예를 들어, 대략 제곱인치 당 10,000파운드 게이지압(psig) 이하에서 작동하며, 한편 다른 공정에서는 비교적 높은 압력, 예를 들어 10,000psig 이상, 나아가 대략 최고 20,000psig에서 작동할 수 있다.

어떤 환경에서는, 2방향 또는 쌍방향 밸브가 시스템의 선택된 일부에 원하는 기능성을 발휘하는 데에 불충분할 수 있다. 따라서, 3-웨이 기능성을 가진 공정 시스템이 장착되길 희망하는 설계자들은 동일한 시스템 내에서 서로 연결된 2개의 분리된 이방향 또는 쌍방향 밸브를 사용하는 것을 채택하고자 한다.

고압유체 제어장치는, 제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 규정하는 밸브본체; 상기 밸브본체 내에 배치되고, 상기 각각의 제1, 제2 및 제3 포트와 유체 연통하는 쓰로트(throat); 상기 밸브본체의 쓰로트에 장착된 제1 및 제2 밸브시트(seat); 상기 밸브본체의 쓰로트 내에 배치되고, 제1 시팅표면 및 제2 시팅표면을 가지며, 상기 제1 시팅표면이 상기 제1 밸브시트에 안착되는 제1 위치와, 상기 제2 시팅표면이 상기 제2 밸브시트에 안착되는 제2 위치 사이에서 움직일 수 있는 제어요소를 포함하고, 상기 제1 및 제2 포트는 상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 제2 유로를 따라 상기 쓰로트를 통하여 서로 유체 연통하며, 상기 제1 및 제3 포트는 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 제1 유로를 따라 상기 쓰로트를 통하여 서로 유체 연통한다.

서로 연결된 2개의 이방향 또는 쌍방향 밸브를 사용할 수 있는 기능을 발휘하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 삼방향 또는 3-웨이 공기작동식 제어밸브의 평면개략도로서, 3포트의 상대 위치를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따라 조립된 도 1의 2-2선에 따른 3-웨이 공기작동식 제어밸브의 일실시예의 측단면도로서, 제1 위치에서의 제어요소를 나타낸다.
도 3은 도 1의 3-3선에 따른 3-웨이 공기작동식 제어밸브의 다른 측단면도이다.
도 4는 도 2와 유사한 측단면도로서, 제2 위치에서의 제어요소를 나타낸다.
도 5a 및 5b는, 각각, 제1 및 제2 위치에서의 제어요소를 가진 제1 예시적인 유동패턴을 도식화한 유동 다이어그램을 나타낸다.
도 6a 및 6b는, 각각, 제1 및 제2 위치에서의 제어요소를 가진 제2 예시적인 유동패턴을 도식화한 유동 다이어그램을 나타낸다.
도 7a 및 7b는, 각각, 제1 및 제2 위치에서의 제어요소를 가진 제3 예시적인 유동패턴을 도식화한 유동 다이어그램을 나타낸다.
도 8a 및 8b는, 각각, 제1 및 제2 위치에서의 제어요소를 가진 제4 예시적인 유동패턴을 도식화한 유동 다이어그램을 나타낸다.

여기서, 도 1 ~ 4를 참조하여 보면, 본 발명의 교시에 따라 조립된 공기작동식 삼방향 또는 3-웨이 제어밸브(10)가 나타내어져 있다. 상기 제어밸브(10)는 일반적으로 밸브본체(12), 제1 내지 제3 관통포트(14, 16, 18) 및 상기 제1 내지 제3 관통포트(14, 16, 18)를 통과하는 유동을 제어하기 위한 액츄에이터 조립체(20)를 포함하며, 더욱 상세한 설명은 후술한다. 상기 포트들(14, 16, 18)의 상대위치의 일례는 도 1에 개략적으로 나타낸다.

도시된 바와 같이, 제1 포트(14)는 제3 포트(18)와 직각으로 배치되고, 상기 제2 포트(16)는 제3 포트(18)와 직각으로 배치되며, 그리고 상기 제1 및 제2 포트(14, 16)는 서로 180도로 배치된다. 상기 포트들(14, 16, 18)의 상대위치는 어떤 적절한 형태를 취할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 상기 액츄에이터 조립체(20)는 공기공급원(22)(도 2에 개략적으로 나타냄)에 의해 작동된다. 상기 공기공급원(22)은 제어포트 또는 공기공급포트(24)에 연결된다. 상기 액츄에이터 조립체(20)는 상기 밸브본체(12) 내에 장착되고, 쓰러스트 핀(thrust pin) 또는 제어 포펫(poppet)이라고도 불릴 수 있는 제어요소(26)를 포함한다. 상기 개시된 실시예에서, 상기 제어요소(26)는 각각의 포트(14, 16, 18)에 직각인 축(1)을 따라 배치된다. 상기 제어요소(26)는 도 2 및 3에 도시된 제1 위치(26A)와 도 4에 도시된 제2 위치(26B) 사이에서 상기 축(1)을 따라 움직이거나 변위하도록 되어 있다.

상기 밸브본체(12)는 상기 제어요소(26)의 둘레에 틈새 또는 여유공간(30)을 형성할 수 있는 크기로 이루어진 내부 구멍 또는 쓰로트(throat)(28)를 포함한다. 상기 쓰로트(28)는 제1 내지 제3 포트(14, 16, 18)의 각각과 유체 연통하게 되어 있다. 이후 상세하게 기술하는 바와 같이, 상기 제어요소(26)는 상기 공기공급포트(24)에서의 압력변화에 따라 움직이므로, 상기 제어요소(26)는 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 변환할 수 있다.

상기 밸브본체(12)는 상부(34) 및 하부(36)를 가지는 중심부 또는 베이스(32)를 더 포함하며, 상기 쓰로트(28)는 상기 베이스(32)를 관통하여 연장하는 구멍(38)에 의해 형성된다. 개시된 실시예에서, 상기 포트들(14, 16, 18)은 상기 베이스(32)에 형성된다. 특히, 도 2 및 3에 나타내는 바와 같이, 상기 제1 포트(14)는 상기 밸브본체(12)의 베이스(32)를 관통하여 연장하는 일반적인 직선 모양의 통로를 포함하는 데 반하여, 상기 제2 및 제3 포트(16, 18)는 방향전환부(turns)를 포함한다. 예를 들면, 상기 제2 포트(16)는 제1 부분(16a), 제2 부분(16b) 및 제3 부분(16c)을 포함한다. 이와 유사하게, 상기 제3 포트(18)는 제1 부분(18a), 제2 부분(18b) 및 제3 부분(18c)을 포함한다. 개시된 실시예에서, 상기 제2 및 제3 포트(16, 18)의 제2 부분(16b, 18b)은 상기 제1 및 제3 부분(16a, 16c, 18a, 18c)과 직각으로 배치된다. 그러나, 다른 실시예에서는 다르게 구성될 수 있다.

상기 베이스(32)의 상부(34)는 상부 밸브인서트(40)를 수용할 수 있는 크기로 이루어지고, 상기 베이스(32)의 하부(36)는 하부 밸브인서트(42)를 수용할 수 있는 크기로 이루어진다. 상기 상부 밸브인서트(40) 및 상기 베이스(32)의 상부(34)는 상기 쓰로트(28)의 상부 챔버(44)를 형성할 수 있는 크기로 이루어지며, 상기 하부 밸브인서트(42) 및 상기 베이스(32)의 하부(36)는 상기 쓰로트(28)의 하부 챔버(46)를 형성할 수 있는 크기로 이루어진다. 바람직하게, 상기 밸브인서트(40, 42)는 316 스테인리스강으로 구성된다. 상기 상부 챔버(44)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기 제어요소(26)가 하강 또는 제2 위치에 있을 때, 상기 쓰로트(28)와 연통하게 되며, 상기 하부 챔버(46)는, 도 2 및 3에 나타내는 바와 같이, 상기 제어요소(26)가 상승 또는 제1 위치에 있을 때, 상기 쓰로트(28)와 연통하게 된다. 개시된 예에서, 상술한 바와 같이 일반적인 직선 모양의 상기 제1 포트(14)는 구멍(48)을 통하여 상기 쓰로트(28)와 유체 연통하게 된다. 상술한 바와 같이 상기 제2 포트(16)의 제1, 제2 및 제3 부분(16a, 16b, 16c)을 포함하는 상기 제2 포트(16)는 구멍(50)을 통하여 상기 상부 챔버(44)와 유체 연통하게 된다. 마지막으로, 상술한 바와 같이 상기 제3 포트(18)의 제1, 제2 및 제3 부분(18a, 18b, 18c)을 포함하는 상기 제3 포트(18)는 구멍(52)을 통하여 상기 하부 챔버(46)와 유체 연통하게 된다. 개시된 예에 따르면, 상기 제1 포트(14)는 선택적으로, 도 4의 제2 위치로 상기 제어요소(26)를 변위시킴으로써 상기 제2 포트(16)와 유체 연통하거나, 또는, 도 2 및 3의 제1 위치로 상기 제어요소(26)를 변위시킴으로써 상기 제3 포트(18)와 유체 연통할 수 있다.

상기 상부 밸브인서트(40)는 상부 캡(54)에 의해 고정되고, 상기 하부 밸브인서트(42)는 하부 캡(56)에 의해 고정된다. 바람직하게, 상기 상부 밸브인서트(40)는 씰(seal)(60)과 백업링(62)을 가지는 외부채널(58)을 포함한다. 또한, 바람직하게, 상기 하부 밸브인서트(42)는 씰(66)과 백업링(68)을 가지는 외부채널(64)을 포함한다. 상기 상부 밸브인서트(40)는 상기 제어요소(26)의 상부(72)를 수용할 수 있는 크기로 이루어진 구멍(70)을 포함한다. 바람직하게, 상기 제어요소(26)의 상부(72)는 씰(76)과 백업링(78)을 수용할 수 있는 크기로 이루어진 채널(74)을 포함한다. 이와 유사하게, 상기 하부 밸브 인서트(42)는 상기 제어요소(26)의 하부(82)를 수용할 수 있는 크기로 이루어진 구멍(80)을 포함한다. 바람직하게, 상기 하부(82)는 씰(86)과 백업링(88)을 수용할 수 있는 크기로 이루어진 채널(84)을 포함한다. 따라서, 상기 제어요소(26)는 상기 밸브본체(12) 내에서 변환 가능한 슬라이딩 동작을 하도록 각각의 밸브인서트의 구멍(70, 80)에 의해 안내된다. 상기 백업링은 바람직하게 알맞은 채널에 상응하는 씰의 위치를 유지할 수 있는 크기와 형상으로 이루어진 플라스틱 링을 포함한다.

상기 제어요소(26)에 더하여, 상기 액츄에이터 조립체(20)는 상기 상부 캡(54)과 상기 상부 밸브인서트(40)의 상부(94) 사이에 형성된 피스톤 챔버(92) 내에 슬라이딩 가능하게 배치된 피스톤(90)을 포함한다. 상기 피스톤 챔버(92)는 상기 공기공급포트(24)와 유동 연통하게 되므로, 상기 피스톤(90)은 상기 피스톤(90) 위쪽 영역(96)에서의 압력변화에 따라 상기 피스톤 챔버(92) 내에서 움직인다. 상기 피스톤(90)의 하부(98)는 적절한 커플링에 의해 상기 제어요소(26)의 상부(72)와 결합된다. 개시된 예에서, 상기 피스톤(90)의 카운터싱크(countersunk) 구멍에 배치된 조절 캡 스크류(100)는 상기 피스톤(90)을 상기 제어요소에 고정시킨다. 상기 캡 스크류(100)는 제거 가능한 커버(102)에 의해 가려질 수 있다. 스프링(91)이 상기 피스톤(90)을 위쪽으로 가압함으로써, 또한 도 2 및 3의 제1 위치 방향으로 상기 제어요소(26)를 가압한다.

상기 제어요소는 또한 상기 제어요소(26)의 상하부(72, 82)의 두께 또는 직경에 비해 확장되는 두께 또는 직경을 가지는 중심부(104)를 포함한다. 상기 중심부(104)는 테이퍼형상의 상하부 시팅표면(106, 108)에 의해 양단부에서 경계지어 진다. 상기 시팅표면(106, 108)은 테이퍼형상이며, 더욱 바람직하게는 원뿔대 형상이다. 각각의 상기 시팅표면(106, 108)은 각각 협소부분(110, 112)으로 천이한다. 상기 시팅표면(106)은 상기 베이스(32)에 의해 지지되고 쓰로트(28)의 일부를 둘러싸는 상부 밸브시트(114)에 안착할 수 있는 크기로 이루어져 위치되며, 상기 시팅표면(108)은 상기 베이스(32)에 의해 지지되고 쓰로트(28)의 일부를 둘러싸는 하부 밸브시트(116)에 안착할 수 있는 크기로 이루어져 위치된다. 개시된 실시예에서, 상기 상부 밸브시트(114)는 제1 포트(14)와 상기 제2 포트(16)의 제3 부분(16c) 사이에 배치된다. 이에 더하여, 상기 하부 밸브시트(116)는 제1 포트(14)와 상기 제3 포트(18)의 제3 부분(18c) 사이에 배치된다. 바꾸어 말하면, 상기 제1 포트(14)는 상기 상하부 밸브시트(114, 116) 사이의 위치에서 상기 밸브본체(12)의 쓰로트(28)와 연통한다. 상기 제2 포트(16)는 상기 제1 포트(14)로부터 상기 상부 밸브시트(114) 반대 위치에서 상기 쓰로트(28)와 연통한다. 상기 제3 포트(18)는 상기 제1 포트(14)로부터 상기 하부 밸브시트(116)의 반대 위치에서 상기 쓰로트(28)와 연통한다.

도 2 - 4를 계속 참조하여, 상기 제어요소(26)는 협소부분(110)의 타측에 상기 시팅표면(106)과 반대 측에 형성된 다른 테이퍼형상부(107)를 포함한다. 이와 유사하게, 상기 제어요소(26)는 상기 좁아진 부분(112)으로부터 상기 시팅표면(108)과 반대 측에 형성된 또 다른 테이퍼형상부(109)를 포함한다. 개시된 예에 따라, 상기 시팅표면(106)의 노출된 면적은 상기 테이퍼형상 부분(107)의 노출된 면적과 동일하다. 따라서, 상기 제어요소(26)가 도 2 및 3의 제1 위치에 있을 때, 동일하게 노출된 면적에 작용하는 압력은 동일하고, 그러므로 상기 제어요소(26)는 효율적으로 균형이 맞춰진다. 상기 제어요소(26)가 도 4의 제2 위치에 있을 때, 상기 시팅표면(108)의 노출된 면적도 상기 테이퍼형상 부분(109)의 노출된 면적과 동일하다. 그 결과, 상기 동일한 노출 면적에 작용하는 압력은 동일하다.

상기 공기공급포트(24)는 바람직하게 공압공급부에 연결된 공급라인(미도시)을 나사결합으로 수용한다. 상기 공압공급부는, 예를 들면, 대략 80psig 내지 대략 150psig 사이의 압력으로 공급된 압축 숍-에어(compressed shop-air)원일 수 있다. 상기 피스톤(90)을 작동시키는 데 필요한 힘은 상기 피스톤(90)의 표면적의 함수이다.

앞서 서술한 것에 기초하면, 상기 제어밸브(10) 내의 제어요소(26)의 위치는 상기 피스톤공동(92) 내부로 압축된 공기를 도입함으로써 제어될 수 있는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 상기 공동(92)에 공급된 압축 공기가 없는 경우, 상기 스프링(91)은 도 2 및 3에 도시된 상승된 제1 위치로 상기 피스톤(90)을 가압하여, 상기 시팅표면(106)이 상기 밸브시트(114)와 밀폐적으로 맞닿게 된다. 그러나, 상기 피스톤 위쪽 영역으로의 압축공기의 도입은 상기 피스톤(90)의 상부에 작용하는 압력을 증가시킨다. 상기 스프링(91)의 가압력을 극복하는 데에 충분한 압력이 적용되었을 때, 상기 피스톤(91)과, 이로 인한 상기 제어요소(26)는 도 2 및 3에 나타낸 위치로부터 도 4에 나타낸 위치로 아래쪽으로 움직인다. 따라서, 상기 시팅표면(106)은 상기 시트(114)로부터 떨어지며, 상기 시팅표면(108)은 상기 시트(116)에 접촉한다.

상기 포트들(14, 16, 18)과 상술한 챔버들 및 구멍들은 경로 1(도 2 및 3)로 표기된 제1 유로 및 경로 2(도 4)로 표기된 제2 유로를 규정하도록 배열된다. 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 경로 1은 포트(14), 구멍(48), 쓰로트(28), 상기 시팅표면(108)과 상기 하부 밸브시트(116) 사이(상기 제어요소(26)가 상승 또는 제1 위치에 있기 때문에)를 통과하고, 상기 하부 챔버(46)를 지나, 구멍(52)를 거쳐, 포트(18)를 통과하도록 연장된다. 따라서, 포트(14, 18)를 통과하여 연장된 상기 제1 유로(경로 1)의 적어도 일부는 상기 제어요소(26)의 축(1)에 직각으로 배치된다. 더욱 상세하게 후술하는 바와 같이, 상기 포트들(14, 16, 18) 중 어느 것이 압력을 받는지에 따라, 유체는 여러 가지 다른 방향으로 유동할 수 있다.

다음으로, 상기 제어요소(26)가 도 4에 도시된 하강 또는 제2 위치로 변환되었을 때, 경로 2는 포트(14), 구멍(48), 쓰로트(28), 상기 시팅표면(106)과 상기 상부 밸브시트(114) 사이(상기 제어요소(26)가 이제는 하강 또는 제2 위치에 있기 때문에)를 통과하고, 상부 챔버(44)를 지나, 구멍(50)을 거쳐, 포트(16)를 통과하도록 연장된다. 따라서, 상기 포트(14, 16)를 통과하여 연장된 제2 유로(경로 2)의 적어도 일부는 상기 제어요소(26)의 축(1)과 직각으로 배치된다.

그러나, 고압이 적용된 경우에, 상기 포트들(14, 16 또는 18) 중 어느 하나 또는 그 이상에서의 압력은 대략 10,000psig 내지 대략 20,000psig 사이로 상승할 수 있다. 상기 포트들(14, 16, 18) 중 어느 것이 압력하에 있는지에 따라, 상기 압력이 상기 제어요소(26)의 테이퍼형상의 시팅표면(106, 108) 중 하나에 작용하여, 상기 제어요소(26)를 위쪽 또는 아래쪽으로 움직이도록 한다는 것을 알 수 있을 것이다.

이와 같이 하면, 본 발명의 밸브(100)는 대략 80psig 내지 150psig 사이의 압력으로 공기공급포트(24)를 통하여 상기 피스톤(90) 영역으로 이송된 표준 압축 숍-에어로 작동될 수 있다. 상기 피스톤(90)의 직경은 상기 시팅표면(106 또는 108)의 노출된 표면적보다도 더 큰 표면적을 제공하기 때문에, 비교적 낮은 압력의 숍-에어는 상기 스프링(91)의 힘 또는 공정시스템의 유체 압력에 기인한 어떤 위쪽 방향의 힘을 극복하는 데 충분한 힘을 발생시키기에 충분하다.

개시된 예에 따라, 상기 제어밸브(10)는 몇 가지의 예시동작모드로 이용될 수 있다. 제1 예시동작모드는 도 5a(상기 제어요소(26)가 제1 위치에 있음) 및 5b(상기 제어요소(26)가 제2 위치에 있음)에 도시된다. 도 5a에서, 포트(14)가 가압되어, 압력이 상기 제1 유로(경로 1)를 따라 상기 제어밸브(10)를 통해 흘러서, 포트(18)를 통해 배출된다. 포트(16)는 닫혀 있다. 상기 제어요소(26)가 제2 위치로 변환될 때, 압력이 포트(14)로부터 포트(16)로 경로 2를 따라 유동하며, 포트(18)는 닫혀 있다.

제2 예시동작모드는 도 6a(상기 제어요소(26)가 제1 위치에 있음) 및 6b(상기 제어요소(26)가 제2 위치에 있음)에 도시되어 있다. 압력이 포트(16)로 공급되고, 상기 제어밸브(10)는 이 압력이 다른 2개의 포트(14 또는 18)로 흐르지 않도록 효과적으로 폐쇄된다. 상기 제어요소(26)가 제2 위치로 변환되었을 때, 압력은 제2 유로(경로 2)를 따라 흘러 포트(16 및 14) 사이로 유동할 것이다. 포트(18)는 닫혀 있다. 상기 제어요소(26)가 제1 위치로 되돌아 올 때, 상기 유동은 포트(16)로부터 폐쇄되지만, 포트(14)에서의 압력은 포트(18)로 흐른다. 이와 같은 경우, 포트(18)는 포트(14)용 배출포트이다.

제3 예시동작모드는 도 7a(상기 제어요소(26)는 제1 위치에 있음) 및 7b(상기 제어요소(26)는 제2 위치에 있음)에 도시되어 있다. 압력이 포트(18)로 적용되어, 압력이 포트(18)로부터 포트(14)로 경로 1을 따라 유동한다. 상기 제어요소(26)가 제2 위치로 변환되었을 때, 포트(18)로부터 포트(14)로의 유동은 닫혀 지지만, 포트(14)로부터 포트(16)로의 유동은 허용한다. 이러한 상태에서, 포트(16)는 포트(14)에 대한 배출포트이다. 도 6a, 6b, 7a 및 7b의 예는 충전-배출밸브(또는 배출 쓰리-웨이 밸브)의 모든 형태이다. 또한, 도 6a 및 6b의 예는 정상적으로 폐쇄된 쓰리-웨이 밸브이며, 도 7a 및 7b의 예는 정상적으로 개방된 쓰리-웨이 밸브이다.

제4 예시동작모드는 도 8a(상기 제어요소(26)는 제1 위치에 있음) 및 8b(상기 제어요소(26)는 제2 위치에 있음)에 도시되어 있다. 공급부는 포트(16)에 접속되어 있고, 다른 공급부는 포트(18)에 접속되어 있다. 상기 제어요소(26)가 제1 위치에 있을 때, 유동은 포트(18)로부터 포트(14)로 흐른다. 포트(16)는 폐쇄된다. 상기 제어요소(26)가 제2 위치로 변환될 때, 유동은 포트(16)로부터 포트(14)로 흐른다. 포트(18)는 닫혀 있다.

각각의 포트들(14, 16, 18)이 상기 제어요소(26)의 축(1)과 직각인 것이 여기에 개시되어 있지만, 대안적인 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 포트들(14, 16, 18)이 상기 제어요소(26)의 축(1)에 대해서 일반적으로 소정 각도로 넓혀질 수 있다.

여기까지 본 개시는 고압 적용에 대한 제어밸브(10)의 상세한 설명이 포함되어 있지만, 본 밸브(10)는 또한 압력 적용을 조정할 수도 있다.

앞서 설명한 것을 고려하면, 본 상세한 설명은 본 발명의 원리에 따라 구성된 공기작동식 쌍방향 제어밸브의 예를 단지 제공한 것에 지나지 않는 것으로 인식되어야 한다. 사용되는 재료의 변경을 포함하여 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는 변경 및 변형은 첨부된 청구범위의 범위 내에 들어가는 것으로 의도된다.

Claims

고압유체 제어장치로서,
제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 규정하는 밸브본체;
상기 밸브본체 내에 배치되고, 상기 각각의 제1, 제2 및 제3 포트와 유체 연통하는 쓰로트(throat);
상기 밸브본체의 쓰로트에 장착된 제1 및 제2 밸브시트(seat);
상기 밸브본체의 쓰로트 내에 배치되고, 제1 테이퍼형상 시팅표면 및 제2 테이퍼형상 시팅표면을 가지며, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면이 상기 제1 밸브시트에 안착되는 제1 위치와, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면이 상기 제2 밸브시트에 안착되는 제2 위치 사이에서 움직일 수 있는 제어요소를 포함하고,
상기 제1 및 제2 포트는 상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 제2 유로를 따라 상기 쓰로트를 통하여 서로 유체 연통하고,
상기 제1 및 제3 포트는 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 제1 유로를 따라 상기 쓰로트를 통하여 서로 유체 연통하며,
상기 제어요소는, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면의 반대 측에 형성된 제1 테이퍼형상부, 및 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면의 반대 측에 형성된 제2 테이퍼형상부를 포함하고, 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면의 노출된 면적은 상기 제1 테이퍼형상부의 노출된 면적과 동일하고, 상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면의 노출된 면적은 상기 제2 테이퍼형상부의 노출된 면적과 동일하여, 상기 제어요소가 균형이 맞춰지도록 되는 고압유체 제어장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어요소는 제1 직경감소부 및 제2 직경감소부를 포함하고, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면은 상기 제1 직경감소부로 천이하며, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면은 제2 직경감소부로 천이하는 고압유체 제어장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 제1 직경감소부는 상기 제2 유로의 일부를 형성하며, 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 상기 제2 직경감소부는 상기 제1 유로의 일부를 형성하는 고압유체 제어장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 직경감소부는 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면에 인접하여 배치되고, 상기 제2 직경감소부는 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면에 인접하여 배치되며, 상기 제어요소는 상기 제1 및 제2 직경감소부 사이에 확장부를 포함하고, 상기 쓰로트는 여유공간을 형성하도록 상기 확장부보다 크게 이루어지는 고압유체 제어장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 밸브시트는 상기 제1 및 제2 포트 사이에 배치되고, 상기 제2 밸브시트는 상기 제1 및 3 포트 사이에 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 포트는 상기 제어요소가 상기 제1 및 제2 위치 사이에서의 움직임에 따른 축과 직각으로 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 및 제2 유로의 적어도 일부는 상기 제어요소가 상기 제1 및 제2 위치 사이에서의 움직임에 따른 축과 직각으로 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 7에 있어서,
상기 밸브본체는 상부 밸브캡에 의해 고정된 상부 밸브인서트(insert) 및 하부 밸브캡에 의해 고정된 하부 밸브인서트를 수용할 수 있는 크기로 이루어진 베이스를 포함하고, 상기 제2 유로는 상기 베이스의 상부와 상기 상부 밸브인서트 사이에 형성된 상부 챔버를 포함하며, 상기 제1 유로는 상기 베이스의 하부와 상기 하부 밸브인서트 사이에 형성된 하부 챔버를 포함하는 고압유체 제어장치.
청구항 8에 있어서,
상기 상부 밸브캡에 형성되고 공기공급원과 연통하도록 배열된 제어구멍을 더 포함하고, 또한, 상기 상부 밸브캡에 형성된 피스톤공동에 배치된 제어피스톤을 포함하며, 상기 제어피스톤은 상기 제어요소에 작동 가능하게 연결되어 상기 피스톤공동에서의 압력변화에 따라 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 상기 제어요소를 변환하도록 배열되는 고압유체 제어장치.
고압유체 제어장치로서,
제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 규정하는 밸브본체;
상기 밸브본체 내에 형성된 쓰로트;
상기 밸브본체의 쓰로트에 장착된 제1 및 제2 밸브시트로서, 상기 제1 밸브시트는 상기 제1 및 제2 포트 사이에 배치되고, 상기 제2 밸브시트는 상기 제1 및 제3 포트 사이에 배치되는 상기 제1 및 제2 밸브시트; 및
상기 밸브본체의 쓰로트 내에 배치되고, 제1 테이퍼형상 시팅표면과 제2 테이퍼형상 시팅표면을 포함하며, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면이 상기 제1 밸브시트에 안착되는 제1 위치와, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면이 상기 제2 밸브시트에 안착되는 제2 위치 사이에서 움직일 수 있는 제어요소를 포함하고,
상기 제어요소 및 상기 쓰로트는 상기 제어요소가 제1 위치에 있을 때, 제1 유로를 따라 상기 제1 및 제3 포트 사이에서 선택적인 유체 연통을 허용하도록 배열되고, 또한, 상기 제어요소가 제2 위치에 있을 때, 제2 유로를 따라 상기 제1 및 제2 포트 사이에서 선택적인 유체 연통을 허용하도록 배열되며,
상기 제어요소는, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면의 반대 측에 형성된 제1 테이퍼형상부, 및 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면의 반대 측에 형성된 제2 테이퍼형상부를 포함하고, 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면의 노출된 면적은 상기 제1 테이퍼형상부의 노출된 면적과 동일하고, 상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면의 노출된 면적은 상기 제2 테이퍼형상부의 노출된 면적과 동일하여, 상기 제어요소가 균형이 맞춰지도록 되는 고압유체 제어장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제어요소는 제1 직경감소부 및 제2 직경감소부를 포함하고, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면은 상기 제1 직경감소부로 천이하며, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면은 상기 제2 직경감소부로 천이하는 고압유체 제어장치.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 직경감소부는 상기 제어요소가 제2 위치에 있을 때 상기 제2 유로의 일부를 형성하고, 상기 제2 직경감소부는 상기 제어요소가 제1 위치에 있을 때 상기 제1 유로의 일부를 형성하는 고압유체 제어장치.
청구항 12에 있어서,
상기 제1 직경감소부는 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면과 인접하여 배치되고, 상기 제2 직경감소부는 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면과 인접하여 배치되며, 상기 제어요소는 상기 제1 및 제2 직경감소부 사이에 확장부를 포함하고, 상기 쓰로트는 여유공간을 형성하도록 상기 확장부보다 크게 이루어지는 고압유체 제어장치.
청구항 13에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 포트는 상기 제어요소가 상기 제1 및 제2 위치 사이에서의 움직임에 따른 축과 직각으로 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 및 제2 유로의 적어도 일부는 상기 제어요소가 상기 제1 및 제2 위치 사이에서의 움직임에 따른 축과 직각으로 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 15에 있어서,
상기 밸브본체는 상부 밸브캡에 의해 고정되는 상부 밸브인서트와, 하부 밸브캡에 의해 고정된 하부 밸브시트를 수용할 수 있는 크기로 이루어진 베이스를 포함하고, 상기 제2 유로는 상기 베이스의 상부와 상기 상부 밸브인서트 사이에 형성된 상부 챔버를 포함하며, 상기 제1 유로는 상기 베이스의 하부와 상기 하부 밸브인서트 사이에 형성된 하부 챔버를 포함하는 고압유체 제어장치.
청구항 16에 있어서,
상기 상부 밸브캡에 형성되고, 공기공급원과 연통하도록 배열된 제어구멍을 더 포함하고, 상기 상부 밸브캡에 형성된 피스톤공동에 배치된 제어피스톤을 포함하며, 상기 제어피스톤은 상기 제어요소와 작동 가능하게 연결되어, 상기 피스톤공동에서의 압력변화에 따라 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 상기 제어요소를 변환하도록 배열되는 고압유체 제어장치.
고압유체 제어장치로서,
제1 포트, 제2 포트 및 제3 포트를 규정하는 밸브본체;
상기 밸브본체 내에 배치되고, 각각의 상기 제1, 제2 및 제3 포트와 유체 연통하는 쓰로트;
상기 밸브본체의 쓰로트에 장착된 제1 및 제2 밸브시트;
상기 밸브본체의 쓰로트 내에 배치되고, 상기 제1, 제2 및 제3 포트와 직각으로 배치된 축을 포함하며, 상기 제1 밸브시트와 맞닿는 제1 위치와, 상기 제2 밸브시트와 맞닿는 제2 위치 사이에서 상기 축을 따라 움직일 수 있는 제어요소를 포함하고,
상기 제1 및 제3 포트는 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 제1 유로를 따라 상기 쓰로트를 통하여 서로 유체 연통하며,
상기 제1 및 제2 포트는 상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 제2 유로를 따라 상기 쓰로트를 통하여 서로 유체 연통하며,
상기 제어요소는, 제1 테이퍼형상 시팅표면의 반대 측에 형성된 제1 테이퍼형상부, 및 제2 테이퍼형상 시팅표면의 반대 측에 형성된 제2 테이퍼형상부를 포함하고, 상기 제어요소가 상기 제1 위치에 있을 때, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면의 노출된 면적은 상기 제1 테이퍼형상부의 노출된 면적과 동일하고, 상기 제어요소가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면의 노출된 면적은 상기 제2 테이퍼형상부의 노출된 면적과 동일하여, 상기 제어요소가 균형이 맞춰지도록 되는 고압유체 제어장치.
청구항 18에 있어서,
상기 제1 및 제2 유로의 적어도 일부는 상기 제어요소의 축과 직각으로 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 18에 있어서,
상기 제1 밸브시트는 상기 제1 및 제2 포트 사이에 배치되고, 상기 제2 밸브시트는 상기 제1 및 제3 포트 사이에 배치되는 고압유체 제어장치.
청구항 18에 있어서,
상기 제어요소는 제1 직경감소부 및 제2 직경감소부를 포함하고, 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면은 상기 제1 직경감소부로 천이하며, 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면은 상기 제2 직경감소부로 천이하는 고압유체 제어장치.
청구항 18에 있어서,
상기 제어요소는 제1 직경감소부 및 제2 직경감소부를 포함하며, 상기 제1 직경감소부는 상기 제어요소가 제2 위치에 있을 때 제2 유로의 일부를 형성하고, 상기 제2 직경감소부는 상기 제어요소가 제1 위치에 있을 때 상기 제1 유로의 일부를 형성하는 고압유체 제어장치.
청구항 22에 있어서,
상기 제1 직경감소부는 상기 제1 테이퍼형상 시팅표면과 인접하여 배치되고, 상기 제2 직경감소부는 상기 제2 테이퍼형상 시팅표면과 인접하여 배치되며, 상기 제어요소는 상기 제1 및 제2 직경감소부 사이에 확장부를 포함하고, 상기 쓰로트는 여유공간을 형성하도록 상기 확장부보다 크게 이루어지는 고압유체 제어장치.
청구항 18에 있어서,
상기 밸브본체는 상부 밸브캡에 의해 고정된 상부 밸브인서트와, 하부 밸브캡에 의해 고정된 하부 밸브인서트를 수용할 수 있는 크기로 이루어진 베이스를 포함하고, 상기 제2 유로는 상기 베이스의 상부와 상기 상부 밸브인서트 사이에 형성된 상부 챔버를 포함하며, 상기 제1 유로는 상기 베이스의 하부와 상기 하부 밸브인서트 사이에 형성된 하부 챔버를 포함하는 고압유체 제어장치.
청구항 24에 있어서,
상기 상부 밸브캡에 형성되고, 공기공급원과 연통하도록 배열되는 제어구멍을 더 포함하고, 또한, 상기 상부 밸브캡에 형성된 피스톤공동에 배치된 제어피스톤을 포함하며, 상기 제어피스톤은 상기 제어요소에 작동 가능하게 연결되어, 상기 피스톤공동에서의 압력변화에 따라 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 상기 제어요소를 변환시키도록 배열되는 고압유체 제어장치.
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