KR101524634B1 - 고압밸브 - Google Patents

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KR101524634B1
KR101524634B1 KR1020097022275A KR20097022275A KR101524634B1 KR 101524634 B1 KR101524634 B1 KR 101524634B1 KR 1020097022275 A KR1020097022275 A KR 1020097022275A KR 20097022275 A KR20097022275 A KR 20097022275A KR 101524634 B1 KR101524634 B1 KR 101524634B1
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토드 더블유. 라르센
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테스콤 코포레이션
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Abstract

밸브가 폐쇄되었을 때, 쌍방향 밸브의 제어요소(160)는 출구압력(200)과 입구압력(180)과 유체 연통하여, 상기 제어요소에 가해지는 힘의 합은 밸브시트(240)에 대해서 상기 제어요소를 안착시키도록 하는 순힘이 된다. 상기 밸브는 상기 밸브시트(240)를 유지하는 밸브본체(120)를 포함한다. 상기 제어요소(160)는 상기 밸브시트의 출구 측에서 균형이 이루어져, 상기 출구압력이 상기 제어요소에 순힘을 거의 가하지 않는다. 이와 대조적으로, 상기 제어요소는 상기 밸브시트의 입구 측에서 불균형하게 되어, 입구압력이 상기 제어요소상에 순힘을 가하여, 상기 밸브시트(240)에 대하여 상기 제어요소가 안착하도록 편향시킨다.

Description

고압밸브 {HIGH-PRESSURE VALVE}
본 발명은 일반적으로 쌍방향 공기작동밸브(bi-directional air-operated valve)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 고압 쌍방향 공기작동밸브에 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 유동할 수 있는 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(psig) 이하에서 작 동하며, 한편 다른 공정에서는 비교적 높은 압력, 예를 들어 10,000psig 이상, 나아가 대략 최고 20,000psig에서 작동할 수 있다.
도 1은 종래의 쌍방향 제어밸브(10)의 일례를 나타낸다. 특히, 제어밸브(10)를 제어하기 위해 공기압 공급(pneumatic supply)이 이용된다는 점에서, 도 1의 쌍방향 제어밸브(10)는 공기작동 쌍방향 제어밸브(10)를 포함한다.
상기 종래의 쌍방향 제어밸브(10)는 일반적으로 밸브본체(12)와 액츄에이터 조립체(14)를 포함한다. 상기 액츄에이터 조립체(14)는 도 1에 도시된 폐쇄위치와 개방위치(미도시) 사이에서 상기 밸브본체(12) 내에서의 슬라이딩 변위를 위해 적합한 제어요소(16)를 포함한다.
특히, 상기 밸브본체(12)는 입구(18), 출구(20) 및 쓰로트(throat)(22)를 포함한다. 상기 쓰로트(22)는, 도시된 바와 같이, 밸브(10)를 폐쇄하기 위해 상기 제어요소(16)에 의해 결합되는 밸브시트(valve seat)(24)를 유지한다. 상술한 바와 같이, 상기 액츄에이터 조립체(14)는 제어요소(16)를 포함한다. 부가적으로, 상기 액츄에이터 조립체(14)는 하우징(26), 밸브 인서트(valve insert)(28) 및 스프링(30)을 포함한다. 상기 제어요소(16)는 일반적으로 스템(stem)부(32)와 피스톤(34)을 포함한다. 상기 스템부(32)는 상기 밸브본체(12)의 쓰로트(22)를 통하여 연장하며, 일반적으로 원뿔대 모양(frustoconical)의 안착표면(36)을 규정하는 감소직경부(32a)를 포함한다. 상기 안착표면(36)은, 상기 제어요소(16)가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 밸브시트(24)와 결합한다.
상기 밸브 인서트(28)는 316 스테인리스강으로 구성되며, 상기 제어요소(16) 의 스템부(32)의 일부를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어(bore)(38)를 규정한다. 종래의 밸브 인서트(28)의 보어(38)는, 상기 스템부(32)가 상기 보어(38) 내에서 자유롭게 왕복 운동할 수 있도록 상기 스템부(32)의 외경보다 약간 더 큰 직경을 포함한다. 그러나, 이에 더하여, 상기 보어(38)의 직경은 밸브본체(12)의 안내보어(48)와 실질적으로 동일하며, 상기 밸브시트(24)의 보어(25)보다 약간 작다. 예를 들면, 도시된 밸브(10)에 있어서, 밸브 인서트(28)의 보어(38) 및 밸브본체(12)의 안내보어(48)는 대략 100분의 25인치(0.25")의 직경을 가지며, 상기 밸브시트(24)의 보어(25)는 대략 1000분의 257인치(0.257")의 직경을 가진다.
상기 스프링(30)은 상기 밸브 인서트(28)와 피스톤(34) 사이에 배치되어, 상기 피스톤(34), 따라서, 상기 제어요소(16)를 도 1의 밸브(10)의 방향에 대해 위쪽으로 편향시키도록 하고, 폐쇄위치가 되게 한다. 도시된 종래의 밸브(10)에 있어서, 스프링은 대략 100분의 66인치(0.66")의 하중 높이 HL을 가질 수 있어, 폐쇄하는 방향으로 대략 70파운드힘(70lbf)을 발생시킬 수 있다. 상기 하우징(26)은 상기 밸브본체(12)와 나사결합으로 부착되며, 다른 구성요소의 위치 관계를 유지한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 제어요소(16)의 피스톤(34)은 상기 하우징(26)에 의해 규정된 피스톤 공동(cavity)(40) 내에서 슬라이드 가능하게 배치된다. 상기 하우징(26)은 추가로 공기압 공급원, 예를 들면, 대략 80psig 내지 대략 150psig 사이의 압력에서 공급되는 압축 숍-에어(compressed shop-air)원과 연결된 공급 라인(미도시)을 나사결합으로 수용하기 위한 나사 구멍(42)을 규정한다. 상기 피스톤(34)을 움직이는데 필요한 힘은 상기 피스톤(34)의 표면적의 함수이다. 개시된 종래의 밸브(10)에 있어서, 상기 피스톤(34)은 대략 1000분의 1375인치(1.375")의 직경을 가진다. 이는 요구시 압축 숍-에어가 상기 피스톤(34)을 변위시키는데 있어 충분한 표면적을 제공한다.
이와 같이 형성되어, 상기 제어밸브(10) 내의 제어요소(16)의 위치는 피스톤 공동(40) 내부로 압축된 공기를 도입함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 공동(40)에 공급된 압축 공기가 없는 경우에, 상기 스프링(30)은 도 1에 나타낸 위치로 피스톤(34)을 편향시켜, 스템부(32)의 안착표면(36)을 밀봉적으로 밸브시트(24)와 결합하도록 하여 상기 밸브(10)를 폐쇄시킨다. 그러나, 상기 공동(40) 내부로의 압축 공기의 도입은 상기 피스톤(34) 위의 공동(40) 내의 압력을 증가시켜서, 상기 피스톤(34) 및 전체 제어요소(16)를 도 1에 나타낸 밸브의 방향에 대해 아래쪽으로 변위시킨다. 따라서, 스템부(32)의 안착표면(36)은 상기 밸브시트(24)로부터 결합해제되고, 유체가 그를 통과하여 흐르도록 밸브(10)를 개방한다.
몇몇의 종래의 적용에 있어서, 상기 밸브(10)가 폐쇄될 때, 도 1에 나타낸 바와 같이, 유체 과정은 시스템 내에서 압력이 형성된 채 남아있게 된다. 따라서, 상기 밸브(10)는 제어밸브본체(12)의 입구(18)에서의 입구압력 P1 및 상기 밸브본체(12)의 출구(20)에서의 출구압력 P0를 받게 된다. 상기 입구압력 P1은 어떤 경우에서 또는 어떤 적용에 대해서 출구압력 P0와 같거나, 더 낮거나, 더 클 수 있다. 저압 적용에 대해서, 상기 입구 및 출구압력 P1, P0는 대략 10,000psig로 상승한다. 고압 적용에서는, 상기 입구 및 출구압력은 대략 10,000psig 내지 대략 20,000psig 사이로 상승한다. 그러므로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 제어밸브(10)는 상기 제어요소(16)의 스템부(32)의 둘레에 배치된 상부 O-링(O-ring)(44) 및 하부 O-링(46)을 더 포함한다.
상기 상부 O-링(44)은 스템부(32)와 밸브 인서트(28)의 보어(38) 사이의 어떠한 틈새를 폐쇄하고, 따라서, 유체 밀봉(fluid-tight seal)을 제공한다. 그러므로, 상기 상부 O-링(44)은 상기 보어(38)의 직경과 대략 동일한 외경, 즉, 100분의 25인치(0.25")의 외경을 가진다. 상기 하부 O-링(46)은 상기 스템부(32)와 상기 밸브본체(12)에 형성된 안내보어(48) 사이의 어떠한 틈새를 폐쇄한다. 그러므로, 상기 하부 O-링(46)은 상기 밸브본체(12)의 안내보어(48)의 직경과 실질적으로 동일한 외경, 즉, 100분의 25인치(0.25")의 외경을 가진다. 상기 상부 O-링(44)은 출구압력 P0로 압축된 상기 밸브본체(12)의 출구(20)에서의 유체가 상기 스템부(32)와 밸브 인서트(28) 사이에서 누출되는 것을 방지한다. 상기 하부 O-링(46)은 입구압력 P1으로 압축된 밸브본체(12)의 입구(18)에서의 유체가 상기 스템부(32)와 상기 밸브본체(12) 사이에서 누출되어, 안내보어(48)로 들어가는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이, 상기 하우징(26)의 피스톤 공동(40)에 공급되는 압축 공기가 없는 경우에, 상기 스프링(30)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 폐쇄위치로 상기 제어요소(16)를 편향시켜, 상기 안착표면(36)이 상기 밸브시트(24)에 대해서 안착한다. 그러므로, 상기 스프링(30)은 이러한 밀봉의 특성과 완전성을 이루는데 조력한다.
이에 더하여, 상기 입구압력 P1은 이러한 밀봉의 특성 및 완전성을 도울 수 있다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 입구압력 P1은 상기 밸브시트(24) 아래에 배치된 스템부(32)의 일부에 작용한다. 특히, 상기 스템부(32)는 상기 안착표면(36) 바로 아래에 배치된 쇼울더(shoulder)(50)를 더 포함한다. 상기 쇼울더(50)는 상기 스템부(32)의 세로축에 실질적으로 수직으로 배치된 링 모양 표면(51)을 규정한다. 상기 입구압력 P1은 이러한 쇼울더(50)에 작용하며, 도 1에서 상기 밸브(10)의 방향에 대해 위쪽으로의 힘을 상기 밸브 스템부(32)에 가한다. 그러므로, 이러한 힘은 상기 밸브시트(24)에 대해서 상기 스템부(32)의 안착표면(36)을 안착시키는 데 조력한다. 상기 입구압력 P1은 또한 하부 O-링(46)에 작용하여, 반대 방향, 즉 도 1에서 밸브(10)의 방향에 대해서 아래쪽 방향으로 상기 스템부(32)에 힘을 가한다. 그러나, 입구압력 P1에 의해 작용되는 이러한 쇼울더(50)의 면적이 상기 입구압력 P1에 의해 작용되는 하부 O-링(46)의 면적보다 크기 때문에, 상기 밸브시트(24) 아래의 스템부(32)에서의 입구압력 P1에 의해 발생되는 힘의 합은 상기 스템(32)에서 위쪽으로 가해지는 순힘(net force)이 된다.
그에 반해, 상기 밸브본체(12)의 출구(20)에서의 상기 출구압력 P0는 상기 밸브시트(24) 위의 상기 스템부(32)의 일부에 작용한다. 특히, 상술한 바와 같이, 상기 스템부(32)는 감소직경부(32a)를 포함한다. 이에 더하여, 상기 스템부(32)는 상기 안착표면(36)으로부터 감소직경부(32a)의 반대 측에 배치된 제2 원뿔대 모양의 표면(52)을 규정한다. 그러므로, 상기 출구압력 P0는 상기 밸브시트(24)의 보어(25) 내에 위치된 안착표면(36)의 일부에 작용하여, 상기 밸브(10)의 방향에 대하여 아래쪽 방향으로 상기 스템부(32)에 힘을 가한다. 또한 상기 출구압력 P0는 제2 원뿔대 모양의 표면(52)에 작용하여, 상기 밸브(10)의 방향에 대해서 위쪽 방향으로 상기 스템에 힘을 가한다. 더욱이, 상기 출구압력 P0는 상기 스템부(32)와 상기 밸브 인서트(28) 내의 보어(38) 사이에서 상기 스템부(32)에 의해 유지된 상부 O-링(44)의 일부에 작용한다. 상기 상부 O-링(44)에 작용하는 압력은 또한 위쪽 방향으로 상기 스템부(32)에서의 힘을 발생시킨다.
그러나, 상기 밸브 인서트(28)의 보어(38)의 직경이 상기 밸브시트(24)의 보어(25)의 직경보다 작기 때문에, 상기 제2 원뿔대 표면(52)과 상기 출구압력 P0에 의해 작용되는 상기 상부 O-링(44)과의 합친 면적은 출구압력 P0에 의해 작용되는 상기 밸브시트(24) 내에 배치된 안착표면(36)의 일부의 면적보다 작다. 그러므로, 상기 출구압력 P0는 도 1의 밸브(10)의 방향에 대해서 아래쪽 방향으로 상기 스템부(32)에 더 큰 힘을 가한다. 그러므로, 상기 출구압력 P0 및 입구압력 P1이 실질적으로 동일할 때, 출구압력 P0에 의해 발생된 아래쪽 방향의 힘은 상기 입구압력 P1에 의해 발생된 위쪽 방향의 힘을 적어도 부분적으로 부정한다. 따라서, 상기 스프링(30)은 상기 스템부(32)의 안착표면(36)이 상기 밸브시트(24)에 대해서 안착이 유지되는 것을 보증하기 위해 작용하는 유일한 요소이다.
전형적으로, 상기 스프링(30)은 이와 같은 기능을 제공하기에 충분하다. 그러나, 고압 상태하에서, 즉 대략 10,000psig 내지 대략 20,000psig 사이에서, 상기 입구 및 출구압력 P1, P0에 의해 발생되어 상기 스템(32)에 가해지는 힘의 차이 및 그것에 의해 발생한 영향은 중요한 사항이 될 수 있다. 이는 상기 스템부(32)와 밸브시트(24) 사이의 안착의 완전성을 손상시킬 수 있고, 그에 따라, 상기 밸브(10)의 성능을 손상시킬 수 있다.
본 발명의 한 관점은 고압유체 제어장치를 제공하는 것이다. 유체제어장치는 입구, 출구 및 상기 입구와 출구 사이에 배치된 쓰로트를 규정하는 밸브본체를 포함한다. 밸브시트는 상기 밸브본체의 쓰로트에 장착된다. 제어요소는 상기 밸브본체 내에 배치되며, 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 움직일 수 있다. 상기 제어요소는 감소직경부와 상기 감소직경부에 인접하게 배치된 안착표면을 규정하는 스템을 포함한다. 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 감소직경부의 적어도 일부는 밸브시트 내에 배치되어, 상기 안착표면이 밸브시트에 대해 안착하여 상기 안착표면과 감소직경부가 상기 출구와 유체 연통하게 된다. 밸브 인서트는 밸브본체에 의해 유지된다. 상기 밸브 인서트는 상기 제어요소의 스템의 일부를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어를 규정한다. 상기 밸브 인서트의 보어는 실질적으로 밸브시트의 직경과 동일한 직경을 가진다.
일실시예에서, 스프링은 상기 밸브 인서트에 의해 유지되며, 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시켜 상기 제어요소와 결합한다.
다른 실시예에서, 상기 스템은 제1 표면으로부터 감소직경부와 반대 측에 배치된 제2 표면을 포함한다.
일실시예에서, 상기 제1 표면은 상기 제2 표면과 대면하고 있다.
또 다른 실시예에서, 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 원뿔대 모양의 표면을 포함한다.
또 다른 실시예의 제어요소는 상기 스템에 의해 유지되는 제1 O-링을 포함하며, 상기 제1 O-링은 상기 스템과 밸브 인서트의 보어 사이에서 밀봉을 제공한다.
또 다른 실시예에서, 상기 스템의 안착표면은 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 제1 영역을 규정하며, 상기 스템과 상기 제1 O-링의 적어도 일부가 제2 영역을 규정하도록 조합된다. 상기 제1 영역은 상기 제2 영역과 실질적으로 동일하다.
일실시예에서, 상기 제어요소는 상기 제1 O-링으로부터 상기 밸브시트의 반대 측 위치에 상기 스템에 의해 유지되는 제2 O-링을 더 포함한다. 상기 제2 O-링은 입구와 유체 연통으로 배치되며, 상기 스템과 밸브본체 사이에서 밀봉을 제공한다.
일실시예에서, 상기 제2 O-링은 상기 제1 O-링의 외경보다 작은 외경을 가진다.
따라서, 적어도 일실시예에서, 고압유체 제어장치는 쌍방향 밸브를 포함한다. 상기 쌍방향 밸브의 제어요소는, 상기 밸브가 폐쇄될 때, 출구압력과 입구압력과 유체 연통되어, 상기 제어요소에 가해진 힘의 합이 밸브시트에 대해서 상기 제어요소를 폐쇄위치로 강제하는데 가해지는 순힘이 된다. 상기 제어요소는 밸브시트의 출구 측에서 균형을 이루어, 상기 출구압력은 상기 밸브시트 출구 측에서 제어요소에 순힘을 거의 가하지 않게 된다. 이와 대조적으로, 상기 제어요소는 상기 밸브시트의 입구 측에서 불균형하게 되어, 상기 입구압력은 상기 밸브시트의 입구 측에서 상기 제어요소에 순힘을 가하여, 상기 밸브시트에 대해서 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시킨다.
도 1은 종래의 공기작동 쌍방향 제어밸브의 측단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 공기작동 쌍방향 제어밸브의 일실시예의 측단면도이다.
도 3은 도 2의 원 III을 확대한 도 2의 제어밸브의 부분 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 공기작동 쌍방향 제어밸브(100)의 일실시예를 나타낸다. 상기 제어밸브(100)는 종래 기술에서의 문제점, 특히 고압 상태하에서의 문제점을 경감시키기 위해 설계되고 구성된다. 상기 제어밸브(100)의 이점 및 장점은 후술하는 상세한 설명으로부터 이해될 것이며, 본 발명에 따라 구성된 제어밸브의 일례가 나타내어져 있으나, 본원에 기재된 청구범위를 제한하려는 것은 아니다.
제어밸브(100)는 일반적으로 밸브본체(120)와 액츄에이터 조립체(140)를 포함한다. 상기 액츄에이터 조립체(140)는, 도 2에 도시된 폐쇄위치와 개방위치(미도시) 사이에서 상기 밸브본체(120) 내에서 슬라이딩 변위를 위해 적합한 제어요소(160)를 포함한다.
특히, 상기 밸브본체(120)는 입구(180), 출구(200), 쓰로트(220), 마우쓰(mouth)(202) 및 안내보어(480)를 포함한다. 상기 쓰로트(220)는, 도시된 바와 같이, 상기 밸브(100)를 폐쇄시키기 위해 상기 제어요소(160)에 의해 결합되도록 밸브시트(240)를 유지한다. 상기 밸브시트(240)는 보어(250)를 규정하는 통상적인 링 모양체이다. 개시된 실시예에 있어서, 상기 밸브시트(240)의 보어(250)는 대략 1000분의 257인치(0.257")의 직경 D1(도 3에 도시)을 가진다.
도 2로 돌아가 참조하면, 상기 액츄에이터 조립체(140)는 상기 밸브본체(120)의 마우쓰(202)에 장착되며, 상술한 바와 같이, 상기 제어요소(160)를 포함한다. 상기 제어요소(160)는 일반적으로 잠금부재(fastener)(324)에 의해 함께 고정된 스템(320), 스프링 시트(322) 및 피스톤(340)을 포함한다. 이에 더하여, 상기 액츄에이터 조립체(140)는 하우징(260), 밸브 인서트(280) 및 스프링(300)을 포함한다. 상기 하우징(260)은 스냅-링(snap-ring)(266)과 함께 고정된 본체(262)와, 단부판(端部板, end plate)(264)을 포함한다. 상기 본체(262) 및 단부판(264)은 피스톤 공동(400)과 스프링 공동(402)을 규정한다. 상기 피스톤 공동(400)은 상기 제어요소(160)의 피스톤(340)을 슬라이드 가능하게 지지한다. 상기 스프링 공동(402)은 상기 스프링(300), 스프링 시트(322) 및 잠금부재(324)를 수용한다. 상기 단부판(264)은 예를 들어 공기압 공급라인(미도시)과 연결하기 위한 나사 구멍(268)을 포함한다. 상기 공기압 공급라인은 상기 피스톤 공동(400)에 압축된 공기를 공급할 수 있도록 되어 있다. 상기 하우징(260)의 본체(262)는 상기 밸브본체(120)의 마우쓰(202)에 나사결합으로 부착된다. 그러므로, 상기 본체(262)는 상기 밸브본체(120)와 결합하여, 상기 액츄에이터 조립체(140)의 다른 구성요소의 위치 관계를 유지한다. 특히, 상기 본체(262)는 상기 밸브 인서트(280)와 결합하여, 상기 밸브 인서트(280)가 상기 밸브본체(120)의 마우쓰(202) 내에 위치결정된 채로 유지된다. 이에 의해, 상기 밸브 인서트(260)는 상기 스템(320)을 슬라이드 가능하게 지지함으로써 상기 제어요소(160)의 정렬을 유지하도록 작용한다.
상기 제어요소(160)의 스템(320)은 상기 액츄에이터 조립체(140)로부터 연장하여, 상기 밸브본체(120)의 쓰로트(220)를 통과한다. 상기 스템(320)은 일반적으로 상부(320a), 하부(320b) 및 상기 상/하부(320a, 320b) 사이에 배치된 넥(감소직경부)(326)을 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 스템(320)의 상부(320a)는 나사 보어(321)와 환형(環形) 홈(323)을 포함한다. 상기 나사 보어(321)는 상기 잠금부재(324)와 나사식으로 결합한다. 상기 환형 홈(323)은 상부 O-링(440)과 백업 링(442)을 수용한다. 상기 백업 링(442)은 상기 홈(323) 내에서 상기 상부 O-링(440)의 위치를 유지시키는 크기와 형상으로 이루어진 플라이스틱 링을 포함한다. 개시된 실시예에 있어서, 상기 상부 O-링은 대략 100분의 7인치(0.07")의 단면 직경을 가진다. 그러 나, 다른 실시예는 일반적으로 특정 적용에 적합한 어떤 크기의 O-링도 포함할 수 있다.
상기 스템(320)의 하부(320b)는 부분적으로 상기 밸브본체(120)의 안내보어(480) 내에 슬라이드 가능하게 배치된다. 따라서, 상기 안내보어(480)는 상기 스템(320)의 하부(320b)의 직경보다 큰 직경 D2를 가진다. 개시된 실시예에 있어서, 상기 안내보어(480)는 대략 100분의 25인치(0.25")의 직경 D2를 가진다. 상기 스템(320)의 하부(320b)는 환형 홈(325)을 규정한다. 상기 하부(320b)의 환형 홈(325)은 상기 하부 O-링(460)과 백업 링(462)을 수용한다. 상기 백업 링(462)은 상기 홈(325) 내에서 상기 하부 O-링(460)의 위치를 유지하는 크기와 형상으로 이루어진다. 상기 스템(320)의 하부(320b)는 상기 스템(320)의 하부(320b)의 환형 홈(325)과 상기 스템(320)의 넥(326) 사이에 배치된 쇼울더(500)를 더 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 쇼울더(500)는 상기 스템(320)의 세로축을 횡단하는 평면상에 배치된 링 모양의 표면(502)을 포함한다. 상기 세로축은 도 3의 참조부호 A로 식별된다. 개시된 실시예의 링 모양의 표면(502)은 상기 스템(320)의 세로축 A에 실질적으로 수직이다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 표면(502)은 세로축 A를 가로지르는, 즉 횡단하는 일반적인 어떤 각도로 배치된 평면에 배치될 수 있다.
상기 스템(320)의 넥(326)은 안착표면(360)과 제2 표면(352)에 의해 그 대향 축방향 단부와 인접해 있다. 상기 안착표면(360)은, 도시된 바와 같이, 상기 제어 요소(160)가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 밸브시트(240)에 대해서 안착된다. 개시된 실시예에서, 상기 안착표면(360)은 상기 스템(320)의 하부(320b)로부터 상기 넥(326)으로 수렴하는 일반적인 원뿔대 모양의 표면을 포함한다. 이에 대조적으로, 상기 제2 표면(352)은 상기 스템(320)의 상부(320a)로부터 넥(326)으로 수렴하는 원뿔대 모양의 표면을 포함한다. 상기 안착표면(360) 및 제2 표면(352)은 본원에서 원뿔대 모양의 표면을 포함하는 것으로 개시되지만, 다른 실시예는 일반적으로 어떤 형상의 표면도 포함할 수 있으며, 적어도 일부가 상기 스템(320)의 세로축 A를 가로지르는, 즉 횡단하는 평면상에 배치되는 표면을 포함한다. 이와 같이 형성하여, 상기 넥(326)은 상기 스템(320)의 나머지 부분의 직경 및/또는 상기 밸브시트(240)의 보어(250)의 직경 D1보다 작은 직경을 가진다. 그러므로, 개방위치(미도시)에서의 상기 밸브(100)에 있어서, 상기 넥(326)은 이 시스템 내의 유체가 상기 밸브본체(120)의 입구(180) 및 출구(200) 사이에서 이동할 수 있도록 상기 밸브시트(240)의 보어(250) 내에 배치된다.
도 3을 계속 참조하여, 상기 밸브 인서트(280)는 상기 제어요소(160)의 스템(320)의 상부(320a)를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어(380)를 규정한다. 상기 보어(380)는 적어도 상기 스템(320)의 상부(320a)의 외경보다 약간 크므로, 상기 스템(320)은 상기 밸브(100) 작동중에 상기 보어(380) 내에서 자유롭게 왕복 운동할 수 있다. 따라서, 도 3에서 참조부호 G로 식별되는 틈새는 상기 스템(320)과 보어(380) 사이에 배치된다. 상기 밸브(100)의 개시된 실시예에 있어서, 상기 보 어(380)는 대략 1000분의 256인치(0.256")의 직경 D3를 가진다. 따라서, 상기 밸브(100)의 본 실시예의 밸브 인서트(20)의 보어(380)의 직경 D3는, 상술한 바와 같이, 대략 1000분의 257인치(0.257")인 밸브시트(240)의 보어(250)의 직경 D1과 대략 같다. 이에 더하여, 상기 밸브시트(240) 및 밸브 인서트(280)의 보어(250, 380)의 직경 D1, D3는 각각 개시된 실시예에서, 상술한 바와 같이, 대략 100분의 25인치(0.25")인 상기 밸브본체(120)의 안내보어(480)의 직경 D2보다 크다.
도 2로 돌아가 참조하여, 상기 밸브(100)의 본 실시예의 스프링(300)은 상기 제어요소(160)의 밸브 인서트(280)와 스프링 시트(322) 사이에 배치된다. 그러므로, 상기 스프링(300)은 상기 제어요소(160)를 도 2의 밸브(100)의 방향에 대해서 위쪽으로, 그리고, 도시된 위치로 편향시킨다. 그러므로, 상술한 바와 같이, 상기 제어요소(160)의 피스톤(340)은 상기 하우징(260)의 본체(262)와 단부판(264)에 의해 규정된 피스톤 공동(400) 내에서 슬라이드 가능하게 배치된다.
이와 같이 형성하여, 상기 제어밸브(100) 내의 제어요소(160)의 위치는 나사 구멍(268)을 통하여 상기 피스톤 공동(400) 내로 압축 공기를 도입함으로써 제어된다. 상기 공동(400)에 공급되는 압축 공기가 없으면, 상기 스프링(300)은 도 2에 나타낸 위치로 피스톤(340)을 편향시켜, 상기 스템(320)의 안착표면(360)이 상기 밸브시트(240)에 대해서 안착하도록 하여, 상기 밸브(100)를 폐쇄시킨다. 그러나, 상기 공동(400) 내부로 공기를 도입하면, 공동(400) 내의 압력이 증가하여 상기 스프링(300)에 의해 발생된 힘을 넘어서, 상기 피스톤(340) 및 전체 제어요소(160)를 도 2에 나타낸 상기 밸브(100)의 방향에 대해서 아래쪽으로 변위시킨다. 따라서, 상기 스템(320)의 안착표면(360)은 상기 밸브시트(240)로부터 결합이 해제되어, 그를 통하여 유체가 흐르도록 상기 밸브(100)를 개방한다.
상기 밸브(100)가 폐쇄될 때, 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 상기 유체 과정은 시스템 내에 압력이 형성된 채 남아 있게 된다. 따라서, 상기 밸브(100)는 상기 밸브본체(120)의 입구(180)에서의 입구압력 P1과 상기 밸브본체(120)의 출구(200)에서의 출구압력 P0를 받게 된다. 상기 입구압력 P1은 어떤 경우에 또는 어떤 적용에 대해서 상기 출구압력 P0와 동일하거나, 더 작거나 또는 더 크거나 할 수 있다. 저압 적용에 대해, 상기 입구 및 출구의 압력 P1, P0는 대략 10,000psig로 상승한다. 고압 적용의 경우, 상기 입구 및 출구의 압력은 대략 10,000psig 내지 대략 20,000psig로 상승한다. 이렇게 가압된 적용에 있어서, 상기 상부 및 하부 O-링(440, 460)은 상기 밸브(100)의 상기 입구 및 출구(180, 200) 영역 내에 유체를 포함하여, 상기 밸브(100)의 성능에 영향을 미치는 누설을 방지하도록 작동한다.
특히, 상기 상부 O-링(440)은 상기 스템(320)과 상기 밸브 인서트(280) 내의 보어(380) 사이의 틈새 G를 폐쇄하고, 따라서 유체 밀봉을 제공한다. 상기 하부 O-링(460)은 스템(320)과 상기 밸브본체(120)에 형성된 안내보어(480) 사이에 유사한 틈새를 폐쇄하여 밀봉한다. 그러므로, 상기 상부 O-링(440)은 상기 출구압력 P0에서 압축된 상기 밸브본체(120)의 출구(200)에서의 유체가 상기 스템(320)과 밸브 인서트(280) 사이에서 누설되는 것을 방지한다. 상기 하부 O-링(460)은 상기 입구압력 P1으로 압축된 상기 밸브본체(120)의 입구(180)에서의 유체가 상기 스템(320)과 밸브본체(120) 사이에서 누설되어 상기 밸브본체(120)의 안내보어(480)로 들어가는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이, 상기 하우징(260)의 피스톤 공동(400)에 공급되고 있는 압축 공기가 없는 경우에, 상기 스프링(300)은 상기 제어요소(160)를 폐쇄위치로 편향시켜, 도 2에 나타낸 바와 같이, 안착표면(360)이 상기 밸브시트(240)에 대하여 안착한다. 그러므로 상기 스프링(300)은 이러한 안착의 특성 및 완전성을 이루는데 조력한다.
이에 더하여, 상기 입구압력 P1은 이러한 안착의 특성 및 완전성에 조력한다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 입구압력 P1은 상기 밸브시트(240) 아래에 배치된 스템(320)의 일부에 작용한다. 특히, 상기 입구압력 P1은 상기 쇼울더(500)에 인접하여 배치된 스템(320)의 표면(502)에 작용하고, 도 2 및 3의 밸브(100)의 방향에 대해서 상기 밸브 스템(320)에 위쪽으로의 힘을 가한다. 그러므로, 이러한 위쪽으로의 힘은 상기 밸브시트(240)에 대해서 상기 스템(320)의 안착표면(360)을 안착시키는 데 조력한다. 또한, 상기 입구압력 P1은 상기 하부 O-링(460)에 작용하여, 반대 방향, 즉 도 2 및 3의 밸브(100)의 방향에 대해서 아래 쪽 방향으로 상기 스템(320)에 힘을 가한다. 그러나, 상기 입구압력 P1에 의해 작용되는 표면(502)의 면적이 상기 입구압력 P1에 의해 작용되는 하부 O-링(460)의 면적보다 크기 때문에, 상기 입구압력 P1에 의해 가해지는 위쪽 및 아래쪽 방향으로의 힘의 합은 위쪽 방향으로의 상기 스템(320)상의 순힘이 된다.
상기 밸브본체(120)의 출구(200)에서의 출구압력 P0는 상기 밸브시트(240) 위의 스템(320)의 일부에 작용한다. 특히, 상기 출구압력 P0는 상기 밸브시트(240)의 보어(250) 내에 위치된 안착표면(360)의 일부에 작용하여, 상기 밸브(100)의 방향에 대해서 아래쪽 방향으로 상기 스템(320)에 힘을 가한다. 이와 대조적으로, 또한 상기 출구압력 P0는 제2 표면(352)에 작용하여, 상기 밸브(100)의 방향에 대해서 위쪽 방향으로 상기 스템(320)에 힘을 가한다. 게다가, 상기 출구압력 P0는 상기 스템(320)에 의해 유지되고 스템(320)과 상기 밸브 인서트(280)의 보어(380) 사이의 틈새 G 내에서 노출된 상부 O-링(440)의 일부에 작용한다. 상기 상부 O-링(440)에 작용하는 압력 역시 위쪽 방향으로 상기 스템(320)에서의 힘을 발생시킨다.
상술한 바와 같이, 상기 밸브 인서트(280)의 보어(380)의 직경 D3는 상기 밸브시트(240)의 보어(250)의 직경 D1과 실질적으로 동일하다. 그러므로, 상기 출구압력 P0에 의해 작용되고, 틈새 G 내에서 노출된 상기 제2 표면(352)과 상부 O-링(440)의 일부와의 합친 면적은, 상기 밸브시트(240)의 보어(250) 내에서 노출되 고, 상기 출구압력 P0에 의해 작용되는 안착표면(360)의 면적과 실질적으로 동일하다. 그러므로, 상기 출구압력 P0는 상기 밸브시트(240) 위에서 실질적으로 동일방향 및 반대방향으로 실질적으로 동일한 힘을 상기 스템(320)에 가하며, 이것에 의해 위쪽 또는 아래쪽 방향 중 어느 한 방향에서도 상기 출구압력 P0에 의해 상기 스템(320)에 순힘이 거의 가해지지 않게 된다. 따라서, 상기 입구압력 P1에 의해 발생되고, 상기 스템(320)의 쇼울더(500)의 표면(502)에 적용되는 위쪽으로의 순힘은 상기 밸브시트(240)에 대해서 안착된 안착표면(360)을 유지하도록 상기 밸브(100)의 본 실시예의 스프링(300)을 조력한다. 그러므로, 상기 스템(320)에서의 이러한 적극적인 위쪽으로의 힘은, 고압 상태 하에서, 즉 대략 10,000psig 내지 대략 20,000psig 사이에서 실질적인 이점을 제공한다.
또한, 본 발명의 밸브(100)의 다른 특성은 고압 상태 하에서의 실질적인 이점들을 제공한다. 예를 들면, 스프링(300)은 종래의 공기작동 쌍방향 밸브(10)의 스프링(30)보다 크게 할 수 있다. 특히, 상기 스프링(300)은, 종래의 70파운드힘(70lbf)과는 대조적으로, 대략 135파운드힘(135lbf)을 발생시키는 압축 코일 스프링을 포함할 수 있다. 따라서, 더 큰 스프링(300)은 더 높은 힘을 견딜 수 있고, 그것에 의해 상기 밸브시트(240)에 대해서 안착된 스템(320)을 유지할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 본 실시예의 제어요소(160)의 피스톤(340)의 직경은 종래 제어요소(16)의 피스톤(34)의 직경보다 크다. 특히, 본 발명의 본 실시예의 상기 제어요소(160)의 피스톤(340)은, 종래 피스톤(34)의 크기인 1000분의 1375인치(1.375")와 대조적으로, 대략 1000분의 1875인치(1.875")이다. 이와 같이 형성하여, 작용하는 압력에 대해 상기 피스톤(340)의 보다 큰 직경이 더 큰 표면적을 제공하기 때문에, 본 발명의 밸브(100)는 대략 80psig 내지 150psig 사이의 압력에서 상기 피스톤 공동(400)에 이송되는 표준 압축 숍-에어로 작동될 수 있고, 이것에 의해 동일한 공기 압력이 더 큰 스프링(300)을 극복하는 데 충분한 힘을 발생시키는 것을 가능하게 한다.
마지막으로, 상기 밸브(100)의 본 실시예의 밸브 인서트(280)는 종래의 밸브(10)의 밸브 인서트(28)보다 강한 재료로 구성될 수 있다. 특히, 일실시예에서, 상기 밸브 인서트(280)는, 종래 밸브 인서트(28)의 316 스테인리스강인 것과 대조적으로, 17-4 스테인리스강으로 구성될 수 있다. 보다 강한 스틸 밸브 인서트(280)는 고압상태하에서 변형 및/또는 열화에 견디므로, 상기 제어밸브의 사용 수명을 증가시킨다.
그러므로, 본 발명은, 제어하는 공기 압력을 공급하지 않는 경우에, 자연스럽게 시스템 내에서의 압력이 밸브를 폐쇄위치로 편향시키도록 하는 크기와 형상의 고압공기작동 쌍방향 제어밸브(100)를 제공한다. 특히, 본 발명은 쌍방향 밸브에 대해 제어요소와 밸브 인서트를 제공하여, 실질적으로 밸브시트 위에서 균형이 맞추어 지도록, 즉, 상기 밸브시트 위에서 출구압력에 의해 스템에 적용되는 힘의 합이 0이 되도록 하고, 상기 밸브시트 아래에서 안착 방향으로 순힘이 발생되도록 형성된다.
상술한 점에 비추어, 본원의 상세한 설명은 단지 본 발명의 원리에 따라 구 성된 공기작동 쌍방향 제어밸브의 예를 제공한 것임을 이해해야만 한다. 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한, 사용 재료에서의 변경을 포함하는 변형 및 개량은 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 쌍방향 공기작동밸브에 이용 가능하며, 특히, 고압 쌍방향 공기작동밸브에 이용 가능하다.

Claims (32)

  1. 고압유체 제어장치로서,
    입구, 출구 및 상기 입구와 출구 사이에 배치된 쓰로트(throat)를 규정하는 밸브본체;
    상기 밸브본체의 쓰로트에 장착되어 보어를 형성하는 밸브시트(valve seat);
    상기 밸브본체 내에 배치되고, 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 움직일 수 있는 제어요소로서, 상기 제어요소는, 상부와 하부, 상기 상부와 하부 사이의 감소직경부, 및 상기 감소직경부에 인접하여 배치된 안착표면을 가지는 스템(stem)을 포함하며, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 감소직경부의 적어도 일부는 상기 밸브시트의 보어 내에 배치됨으로써, 상기 안착표면이 밸브시트에 대해서 안착되어 상기 안착표면과 감소직경부가 상기 출구와 유체 연통 상태가 되는 상기 제어요소;
    상기 밸브본체에 의해 유지되는 밸브 인서트로서, 상기 밸브 인서트는 상기 제어요소의 스템의 상부를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어를 규정하고, 상기 밸브 인서트의 보어는 상기 밸브시트의 직경과 동일한 직경을 가지는 상기 밸브 인서트;
    상기 밸브본체에 형성되고, 상기 출구로부터 상기 쓰로트의 반대편에 배치되며, 상기 입구와 유체 연통하는 안내보어로서, 상기 안내보어는 상기 스템의 하부를 슬라이드 가능하게 수용하고, 상기 밸브 인서트에서의 보어의 직경보다 작은 직경을 가져, 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 밸브본체의 입구에서의 입구압력이, 상기 밸브본체의 출구에서의 출구압력에 의해 상기 스템에 가해지는 출구 힘 보다 큰 입구 힘을 상기 스템에 가하도록 하여, 폐쇄위치로 상기 제어요소를 편향시키는 상기 안내보어; 및
    상기 밸브 인서트에 의해 유지되어 상기 제어요소와 결합하여 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시키는 스프링을 포함하는 고압유체 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스템은 상기 안착표면으로부터 상기 감소직경부와 반대 측에 배치된 제2 표면을 포함하는 고압유체 제어장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 안착표면은 상기 제2 표면과 대면하는 고압유체 제어장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 안착표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 원뿔대 모양(frustoconically shape)의 표면을 포함하는 고압유체 제어장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어요소는 상기 스템에 의해 유지되는 제1 O-링을 더 포함하고, 상기 제1 O-링은 스템과 상기 밸브 인서트의 보어 사이에서 밀봉을 제공하는 고압유체 제어장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 스템의 안착표면은, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 출구와 연통하는 제1 영역을 규정하고, 상기 스템과 상기 제1 O-링의 적어도 일부는 조합하여, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 출구과 연통하는 제2 영역을 규정하며, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역과 면적이 동일한 고압유체 제어장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어요소는 상기 제1 O-링으로부터 상기 밸브시트 반대 측 위치에 상기 스템에 의해 유지되는 제2 O-링을 더 포함하고, 상기 제2 O-링은 입구와 연통하며, 상기 스템과 밸브본체 사이에서 밀봉을 제공하는 고압유체 제어장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 O-링은 상기 제1 O-링의 외경보다 더 작은 외경을 가지는 고압유체 제어장치.
  9. 고압유체 제어장치로서,
    입구, 출구 및 상기 입구와 출구 사이에 배치된 쓰로트를 규정하는 밸브본체로서, 상기 입구는 입구압력을 수용하도록 되어 있고, 상기 출구는 출구압력을 수용하도록 되어 있는 상기 밸브본체;
    상기 밸브본체의 쓰로트에 장착된 밸브시트; 및
    개방위치와 폐쇄위치 사이에서의 변위를 위해 상기 밸브본체 내에 배치된 제어요소로서, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 제어요소는, 출구와 유체 연통하는 제1 영역과, 상기 제1 영역과 대면하면서, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 출구와 유체 연통하는 제2 영역과, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 입구와 유체 연통하는 제3 영역 및 제4 영역을 규정하여, 입구압력이 상기 제3 영역에 제3 힘을 가하고, 상기 제4 영역에 제4 힘을 가하도록 하는 상기 제어요소를 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 제2 영역과 면적이 동일하여, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 출구압력이 상기 제1 및 제2 영역에 대하여 동일하고 반대 방향의 힘을 가하여,
    상기 제3 힘 및 제4 힘의 합이 상기 제1 영역 및 제2 영역에 가해지는 힘의 합 보다 커서, 상기 제3 힘 및 제4 힘의 합이 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시키는 고압유체 제어장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어요소는 감소직경부와, 상기 감소직경부의 대향 축방향 단부 상에 배치되는 제1 및 제2 표면을 포함하는 고압유체 제어장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 밸브본체에 의해 유지되는 밸브 인서트를 더 포함하고, 상기 밸브 인서트는 상기 제어요소를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어를 규정하는 고압유체 제어장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어요소는 상기 밸브 인서트의 보어와 밀봉식으로 결합되는 O-링을 더 포함하는 고압유체 제어장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 표면과 상기 O-링의 적어도 일부는 상기 제어요소의 제2 영역을 규정하고, 상기 제1 표면은 상기 제어요소의 제1 영역을 규정하는 고압유체 제어장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 밸브 인서트의 보어는 상기 밸브시트의 보어의 직경과 동일한 직경을 가지는 고압유체 제어장치.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어요소의 제1 표면은 상기 제어요소의 제2 표면과 대면하는 고압유체 제어장치.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 원뿔대 형상의 표면을 포함하는 고압유체 제어장치.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 밸브본체에 의해 유지되는 스프링을 더 포함하고, 상기 스프링은 상기 제어요소와 결합하여 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시키는 고압유체 제어장치.
  18. 고압유체 제어장치로서,
    입구 및 출구를 규정하며, 상기 입구는 입구압력을 수용하도록 적용되어 있고, 상기 출구는 출구압력을 수용하도록 되어 있는 밸브본체와;
    상기 밸브본체에 장착된 밸브시트와;
    개방위치와 폐쇄위치 사이에서 상기 밸브본체에 슬라이드 가능하게 배치되고, 감소직경부와, 상기 감소직경부의 대향 축방향 단부 상에 배치되는 제1 및 제2 표면을 규정하는 스템을 포함하고, 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 감소직경부 및 제1 및 제2 표면은 상기 출구와 유체 연통하며, 제3 표면 및 제4 표면은 상기 밸브본체의 입구와 유체 연통하여, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 입구압력이 상기 제3 표면 및 제3 표면에 제3 힘 및 제4 힘을 가하도록 하는 제어요소; 및
    상기 밸브본체에 유지되고, 상기 제어요소의 스템의 적어도 일부를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어를 규정하는 밸브 인서트를 포함하고,
    상기 밸브시트 및 상기 밸브 인서트의 보어는, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 출구압력이 상기 제어요소의 제1 표면 및 제2 표면에 동일하고 반대 방향의 제1 힘 및 제2 힘을 가하도록 하는 크기와 형상으로 이루어지고,
    상기 제3 힘 및 제4 힘의 합이 상기 제1 힘 및 제2 힘의 합 보다 커서, 상기 제3 힘 및 제4 힘의 합이 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시키는 고압유체 제어장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 밸브 인서트의 보어는 상기 밸브시트의 보어의 직경과 동일한 직경을 가지는 고압유체 제어장치.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 및 제2 표면은 상기 제어요소의 세로축을 횡단하도록 배치되는 고압유체 제어장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 제어요소의 제1 영역을 규정하고, 상기 제2 표면은 상기 제어요소의 제2 영역의 적어도 일부를 규정하고, 상기 제1 영역 및 제2 영역은 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 밸브본체의 출구와 유체 연통하고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역과 면적이 동일한 고압유체 제어장치.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 스템에 의해 유지되고, 상기 밸브 인서트의 보어와 밀봉식으로 결합하는 O-링을 더 포함하는 고압유체 제어장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 제어요소의 제2 표면과 상기 O-링의 적어도 일부는 상기 제2 영역을 규정하고, 상기 제1 표면은 상기 제1 영역을 규정하는 고압유체 제어장치.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 제어요소의 제1 표면은 상기 제어요소의 제2 표면과 대면하는 고압유체 제어장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 중 적어도 하나는 원뿔대 모양의 표면을 포함하는 고압유체 제어장치.
  26. 고압유체 제어장치로서,
    입구, 출구 및 상기 입구와 출구 사이에 배치된 쓰로트를 규정하며, 상기 입구는 입구압력을 수용하도록 되어 있고, 상기 출구는 출구압력을 수용하도록 되어 있는 밸브본체;
    상부, 하부, 및 상기 상부와 하부 사이에 배치되고, 제어요소의 대향하는 제1 및 제2 표면 사이에 배치된 감소직경부를 포함하는 제어요소로서, 상기 제어요소는 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 상기 밸브본체 내에 슬라이드 가능하게 배치되며, 상기 제1 및 제2 표면은 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 출구와 유체 연통으로 배치되어 있는 상기 제어요소;
    상기 밸브본체의 쓰로트에 장착되고 보어를 포함하는 밸브시트로서, 상기 밸브시트의 보어는, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 제어요소의 제2 표면에 의해 결합되며, 상기 출구와 유체 연통으로 배치되는 상기 밸브시트;
    상기 밸브본체에 의해 유지되는 밸브 인서트로서, 상기 밸브 인서트는 상기 제어요소의 상부를 슬라이드 가능하게 수용하는 보어를 규정하며, 상기 밸브 인서트의 보어는, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 출구와 유체 연통으로 배치되고, 상기 밸브 인서트의 보어는 상기 밸브시트의 보어의 직경과 동일한 직경을 가지는 상기 밸브 인서트; 및
    상기 밸브본체에 형성되고, 상기 출구로부터 상기 쓰로트의 반대편에 배치되며, 상기 입구와 유체 연통하는 안내보어로서, 상기 안내보어는 상기 제어요소의 하부를 슬라이드 가능하게 수용하고, 상기 밸브 인서트에서의 보어의 직경보다 작은 직경을 가져, 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 입구압력이, 상기 밸브본체의 출구에서의 출구압력에 의해 상기 제어요소에 가해지는 출구 힘 보다 큰 입구 힘을 상기 제어요소에 가하도록 하여, 상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시키는 상기 안내보어를 포함하는 고압유체 제어장치.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 제어요소는 상기 밸브 인서트의 보어와 밀봉식으로 결합되는 제1 O-링을 더 포함하는 고압유체 제어장치.
  28. 청구항 26에 있어서,
    상기 제어요소의 제1 표면은 상기 제어요소의 제2 표면과 대면하는 고압유체 제어장치.
  29. 청구항 26에 있어서,
    상기 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 원뿔대 모양의 표면을 포함하는 고압유체 제어장치.
  30. 청구항 27에 있어서,
    상기 제어요소의 제2 표면과 상기 제1 O-링의 적어도 일부는 상기 제어요소의 제2 영역을 규정하고, 상기 제1 표면은 상기 제어요소의 제1 영역을 규정하며, 상기 제1 및 제2 영역은 출구와 연통하여, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 출구압력이 상기 제어요소에 동일하고 반대 방향의 힘을 가하는 고압유체 제어장치.
  31. 청구항 26에 있어서,
    상기 제어요소를 폐쇄위치로 편향시키도록 상기 밸브본체에 의해 유지되고, 상기 제어요소와 결합되는 스프링을 더 포함하는 고압유체 제어장치.
  32. 청구항 27에 있어서,
    상기 제어요소는 상기 제1 O-링으로부터 상기 밸브시트 반대 측에 배치된 제2 O-링을 포함하고, 상기 제어요소가 폐쇄위치에 있을 때, 상기 제2 O-링은 상기 입구와 연통하며, 상기 제어요소와 밸브본체 사이에서 밀봉을 제공하는 고압유체 제어장치.
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