KR101595143B1 - 임펄스로 작동되는 밸브 - Google Patents

Abstract

한정된 영역으로부터 형성되는 경로를 따라 가압 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브에 있어서, 유체통로가 제공되고 상기 유체 경로 내에 장착되는 밸브몸체, 상기 통로를 통과하는 유체유동에 대해 정상적인 차단(normal blocking)상태로 있고 상기 밸브몸체에 형성된 전환 굽힘 파열 디스크를 포함하며, 상기 디스크가 일반적인 볼록표면과 오목 표면을 가진 팽창된 중앙부분을 가지며, 상기 볼록표면은 가압유체를 향하고, 디스크의 중앙부분의 볼록표면과 근접한 위치에 배열되고 몸체에 형성되며 선택적으로 작동될 수 있는 장치를 포함하며, 상기 디스크는 유체통로를 통해 유체가 유동하도록 천공없이 상기 통로 내에서 가압유체에 의해 디스크 중앙부분의 전환이 개시될 정도로 파열된다.

Description

임펄스로 작동되는 밸브{IMPULSE ACTUATED VALVE}

본 발명은, 제한된 영역으로부터 발생되는 가압유체의 유동을 제어하고 과압상태를 완화시키고 압력완화명령에 응답하여 밸브의 경로를 따라 유체의 유동을 허용하도록 작동하기 위한 밸브에 관한 것이다. 상기 밸브는, 유체경로 내에 장착되고 유체통로가 제공된 밸브몸체를 포함한다. 상기 밸브몸체내부의 역 굽힘 파열(reverse buckling rupture) 디스크가 정상적으로, 유체통로를 통과하는 유체유동을 차단하는 상태에 있다. 상기 디스크의 볼록표면이 가압유체를 향하도록 방향이 설정된 상기 디스크는, 정해진 과압상태에서 전환 (reversing)할 수 있다. 상기 볼록표면 근처에 밸브몸체에 구성되고 선택적으로 작동할 수 있는 장치가 천공작용없이, 디스크를 파열시켜서, 밸브몸체의 통로를 유체가 유동할 수 있도록 상기 디스크의 전환운동이 가압유체에 의해 개시된다.

따라서, 상기 밸브는 이중 기능을 가지는 것이 선호되어, 상기 디스크가 전환되고 정해진 유체과압 상태를 완화시키며, 동시에 디스크가 전환되고 선택된 낮은 유체압력에서 가압유체가 밸브몸체를 통과하도록 선택적으로 작동한다.

한정된 영역으로부터 형성된 도관들과 용기내에 존재하는 과압(overpressure) 상태를 완화하기 위해, 볼록-오목한 중앙부분을 가지는 전환작동(reverse acting)식 파열 디스크를 포함한 과압보호장치들이 오랜 동안 이용되어 왔다. 파열 디스크의 볼록한 표면이, 유체압력을 향하게 배열된다. 정해진 과압상태에 도달하면, 전환되어 개방된 디스크의 중앙부분은 가압유체가 상기 한정된 영역으로 탈출하는 것을 허용한다. 일부 경우에 있어서, 디스크가 완전히 개방되는 것을 보장하기 위해, 디스크가 전환되면서 디스크의 중앙부분을 절단하도록 하나 이상의 칼이 상기 디스크의 오목한 표면 근처에 제공된다. 상기 디스크의 파열된 중앙부분을 위한 다양한 예비(backup) 부품들이, 연결될 준비된 디스크의 오목한 표면에 대해 중앙에서 과압장치내에 장착되고 디스크 주변부에 위치한 플랜지 부분으로부터 디스크의 전환 중앙부분이 분리되는 것을 최소화한다.

종래기술을 따르는 상기 장치들은, 정해진 과압상태를 완화시키도록 작동하고 디스크의 중앙부분이 가지는 저항압력(withstand pressure)보다 상당히 작은 정해진 유체압력에서 선택적으로 전환되고 개방되도록 작동하지 않는다.

종래기술을 따르는 밸브들은, 디스크를 개방하기 위해 파열 디스크를 관통하기 위한 변환가능한 장치(shiftable device)를 이용하고 다음에 한정된 영역으로부터 가압유체를 방출한다. 미국특허 제 2,206,818호, 제 2,441,011호, 제 3,134,390호, 제 3,913,604호, 제 3,938,704호, 제 4,566,476호, 제 4,830,052호, 제 5,010,911호, 제 5,076,312호, 제 5,257,819호, 제 6,672,616호, 제 6,748,743 호, 제 6,834,885호 및 제 6,938,421호에 공개된 장치들의 예에서와 같이 디스크와 연결되고 관통하는 화살 형상체 또는 뾰족한 부재들이 포함된다. 디스크를 파열하기 위해 파열 디스크내부로 이동하고 관통하는 피스톤 형상의 부재들이 제공된다. 피스톤형상의 액츄에이터들이 미국특허 제 1,671,368 호, 제 2,417,082 호, 제 3,027,903 호, 제 3,101,733 호, 제 3,129,716 호, 제 Re.29,614 호, 제 4,006,780 호, 제 4,421,005 호, 제 4,542,761 호, 제 4,630,682호, 제 5,345,876 호, 제 6,234,522 호, 제 6,755,439 호, 제 7,140,381 호, 제 7,143,775 호 및 제 7,143,776 호 및 미국특허출원 공개 제 2006/0137742 호에 공개된다. 다른 밸브들은, 파열 디스크를 개방하기 위해 폭발 충진물을 이용한다. 폭발에 의해 작동하는 밸브들이 미국특허 제 2,766,832 호, 제 3,604,511 호, 제 3,811,511 호, 제 4,046,156 호, 제 4,084,602 호, 제 4,263,971 호, 제 4,779,683 호 및 제 6,240,948 호에 공개된다.

한정된 영역으로부터 형성되는 경로를 따라 가압 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브가 제공된다. 상기 제어밸브는 유체통로가 제공되고 상기 유체 경로 내에 장착되는 밸브몸체를 포함한다. 전환 굽힘(reverse buckling)( 또는 반대로 작동하는) 파열 디스크가 밸브몸체의 상기 통로를 통과하는 유체유동에 대해 정상적인 차단(normal blocking)상태로 있고 상기 밸브몸체내에 장착된다. 전환 굽힘 파열 디스크가 일반적으로 마주보는 볼록표면과 오목 표면을 가진 팽창된 중앙부분(bulged central section)을 가진다. 상기 볼록표면은 가압유체를 향해 배열된다. 선택적으로 작동될 수 있는 장치가, 디스크의 중앙부분의 볼록표면과 근접한 위치에 배열되고 몸체에 형성된다.

유체통로 내부의 가압유체에 의해 디스크 중앙부분의 전환이 개시되어 가압유체가 상기 밸브몸체를 통해 자유롭게 유동할 정도로 디스크를 천공없이 파열하도록 선택적으로 작동할 때 상기 선택적으로 작동될 수 있는 장치가 작동할 수 있다.

선택적으로 작동될 수 있는 장치가 상기 디스크의 중앙부분 볼록표면으로부터 이격되고 중앙부분의 천공없이 디스크를 기계적으로 파열하고 볼록표면과 연결하기 위해 정해진 변위를 통해 이동가능한 부재를 포함한다. 상기 이동가능한 부재가 뭉뚝한 단부를 가진 로드(rod)이며, 상기 로드가 상기 디스크의 팽창된 중앙부분의 볼록표면과 연결되도록 배열된다.

폭발식 충전물이 상기 이동가능한 부재와 연결되고 충전물이 점화될 때 정해진 변위를 통해 상기 부재를 이동시키도록 작동한다. 상기 디스크의 중앙부분은, 디스크 중앙부분이 전환되기 개시될 때 디스크를 향한 부재의 운동보다 빠른 속도로 전환(reverse)된다. 상기 이동가능한 부재는 디스크의 볼록면의 중심표면에 대해 각을 이루며 직선 운동경로를 따라 이동하거나 곡선경로를 따라 이동할 수 있다. 대부분의 경우, 상기 이동가능한 부재는 약 6 mm 내지 약 12 mm만큼 운동경로를 따라 이동할 수 있다.

본 발명의 선호되는 실시예에서, 전환굽힘 파열 디스크는 한 부분의 금속이며, 상기 디스크의 팽창된 중앙부분은 구분된 영역을 형성하는 세그먼트를 형성한다. 상기 세그먼트내에서 상기 세그먼트의 금속은 디스크 중앙부분의 나머지부분의 금속보다 더 큰 잔류응력을 나타내는 그레인 구조(grain structure)를 변경시킨다. 상기 디스크의 중앙부분은 디스크의 구분영역에서 전환되기 시작한다. 상기 디스크 중앙부분의 볼록 표면과 오목표면은, 상대적으로 큰 잔류응력을 가지는 구분영역을 형성하는 세그먼트를 포함한 디스크의 전체 영역에 걸쳐서 매끄럽고 중단되지 않는 구조를 가진다. 구분된 영역에서 디스크의 중앙부분이 파열되도록 상기 작동가능한 부재는 높은 응력의 영역과 연결되도록 배열된다.

도 1은, 한정된 영역으로 형성되는 경로를 따라 가압유체의 유동을 제어하기 위한 밸브의 한쪽 측부를 도시하는 사시도.
도 2는, 도 1에 도시된 밸브의 다른 한쪽 측부를 도시한 사시도.
도 3은, 밸브의 평면도.
도 4는, 도 3의 선 4-4을 따라 화살표방향으로 본 밸브의 수직단면도.
도 5는 도 3의 선 5-5를 따라 화살표방향으로 본 밸브의 수직단면도.
도 6은, 도 4의 선 6-6을 따라 화살표방향으로 본 밸브의 수평단면도.
도 7은, 파열 디스크가 제거된 상태일 때, 도 6의 밸브를 도시한 수평 단면도.
도 8은, 도 4와 유사한 밸브를 도시하는 수직단면도로서, 디스크를 천공하지않고 디스크를 파열하여 디스크의 중앙부분의 전환을 개시하며 선택적으로 작동할 수 있는 장치를 도시한다.
도 9는, 도 4에 도시된 밸브를 도시하는 수직단면도로서, 이동가능한 부재에 의해 디스크의 중앙부분이 파열되어 팽창 전환 굽힘 파열 디스크의 중앙부분을 도시한다.
도 10은, 전환 굽힘 파열 디스크, 상기 파열 디스크와 연결되고 디스크의 전환과 개방시 디스크의 중앙부분과 연결되도록 위치한 백업 세그먼트를 가진 백업 링 및 상기 백업링과 연결된 고정 링을 도시한 분해도.
도 11은, 도 4에 도시된 것과 같이 디스크의 볼록면과 연결되도록 이동가능한 이동 부재를 가지고 선택적으로 작동가능한 장치를 도시한 부분 단면도.
도 12는 작동위치에 있는 이동가능한 부재를 도시하고 선택적으로 작동가능한 장치를 도시한 부분 단면도.
도 13은, 도 4에 도시된 구조의 일부분을 도시하고 파열 디스크의 볼록면과 연결되도록 이동하기 전에 이동가능한 부재의 상태를 부분적으로 확대 도시한 수직 단면도.
도 14는, 천공없이 디스크의 중앙부분을 전환하기 위해 디스크를 파열하기 위해 피봇운동하며 선택적으로 작동가능한 장치를 도시하고 밸브몸체를 도시한 부분 수직 단면도.
도 15는, 도 14와 유사하고 디스크 파열위치에 배열된 피봇 장치(pivotal device)를 도시한 부분 수직 단면도.
도 16은, 밸브의 부품들을 도시하고 밸브를 도시한 분해 사시도.
도 17은, 작동하지 않는 위치에 배열된 스프링 액츄에이터를 포함한 본 발명의 선택적 실시예를 도시한 수직 단면도.
도 18은, 스프링 액츄에이터의 작동을 도시하고 도 17의 밸브를 도시한 수직 단면도.
도 19는, 완전히 작동하는 위치에 배열된 스프링 액츄에이터를 도시하고 도 17의 밸브를 도시한 수직 단면도.

하기 설명은, 본 발명을 따르는 실시예들을 공개한다. 그러나 상기 실시예들은 설명을 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 전체 범위에 관한 제한으로서 고려하지 않는다.

도 1과 도 2를 참고할 때, 본 발명의 밸브(20)는 상기 압력이 정해진 값을 초과할 때 한정된 영역으로부터 압력을 방출하고 명령에 따라 가압유체를 선택적으로 방출하기 위한 다수의 용도를 가진다. 도면들에 도시된 것처럼, 특히 밸브(20)의 한 가지 형태는, 종래기술에 따라 직립위치로 도시된 용기(24)에 구성되고 내부에 나사를 가진 네크(neck)(22)와 연결되고, 상기 용기는 화재 또는 폭발 억제제와 같은 가압유체의 공급원을 포함한다. 그러나 상기 용기(24)는 직립 이외에 다른 방향을 가질 수 있다. 상기 밸브(20)와 용기(24)사이에 유체 유출방지(fluid tight)의 밀봉을 보장하기 위해 O링(25)이 제공된다. 밸브(20)는 전반에 걸쳐 26으로 도시된 두 부분들의 몸체를 포함하고, 상기 몸체(26)는 원통형 상측 몸체부분(28)과 별도의 원통형 하측몸체부분(30)을 가진다. 하측몸체부분(30)은 상기 용기(24)의 네크(22)내부로 나사체결되고 외측에 나사구조를 가진 하측부분(32)을 가진다. 상기 밸브(20)의 상측 몸체부분(28)에 형성된 외측나사구조의 하측부분(34)이, 하측몸체부분(30)의 내측나사구조의 상측 세그먼트(36)내부로 나사체결된다. 상측몸체부분(28)의 상측세그먼트(38)가, 종래기술의 파이핑 등을 통해 억제 전달라인(suppressant delivery line)에 연결되고 각각의 억제 전달라인들에 도달한다.

밸브(20)의 하측몸체부분(30)는, 밸브몸체부분(28)을 통해 유체유동통로(42)와 축방향으로 정렬되고 하측몸체부분을 통과하는 유체유동통로(40)를 가지며, 유체유동통로(42)는 통로(40)와 동일한 직경을 가진다. 도 4에 도시된 것과 같이, 밸브몸체(26)의 억제전달 세그먼트(38)는 통로(42)와 연결되어 작용하는 통로(44)를 가지며 더 작은 직경을 가진다.

전환 굽힘(reverse buckling) 파열 디스크(46)는 정상상태에서, 통로(40,42)에 대해 막힌 상태로 위치한다. 파열 디스크(46)는, 상측밸브몸체부분(28)과 하측밸브몸체부분(30)사이에 포착된 둘레 플랜지(48)를 가진다. 파열 디스크(46)는 중앙의 오목-볼록한 팽창(concavo-convex bulged) 부분(52)을 가지고, 팽창부분(52)내에서 볼록 표면(54)은 용기(24)내부의 가압유체를 향한다. 본 발명의 실시예에서, 파열 디스크(46)의 팽창중앙부분(52)은, 구분된 영역을 형성하는 세그먼트(56)(도 3)를 가진다. 구분된 영역에서 세그먼트(56)의 금속은 파열 디스크(46)의 팽창부분(52)의 나머지부분의 금속보다 큰 잔류응력을 나타내는 그레인구조(grain structure)를 변경시킨다. 세그먼트(56)의 잔류응력 특성을 가진 팽창부분(52)의 상대적으로 작은 직경의 영역이, 본 출원에서 참고로 제시된 미국특허 제 6,945,420호에 상세히 설명되고 도시된다. 세그먼트(56)는, 팽창부분(52)과 플랜지(48)사이에서 원주방향으로 연장되는 전이영역과 파열 디스크(46) 중심의 중간에 위치한다.

파열 디스크(46)의 플랜지(48) 및 상측몸체부분(28)의 하측 원형변부사이에 원형 고정링(50)과 백업(backup) 링(51)이 위치한다. 백업 링(51)은 팽창부분(52)을 위한 지지부로서 작동하고 내측으로 연장되는 플랜지(53) 및 특히 "힌지연결된" 부분(즉, 디스크가 파열될 때 플랜지(48)에 부착된 상태로 유지되는 팽창부분(52)의 일부분)을 제공하고 하기에서 상세히 설명된다. O링(55)은, 파열 디스크 플랜지(48)와 하부밸브몸체 부분(30)사이에서 유체 밀봉상태를 용이하게 형성하도록 하부밸브몸체부분(30)내에 형성된 둘레채널(57)내에 제공된다. 밸브몸체(26)내에 설치될 때 링(50,51)들과 파열 디스크(46)의 적합한 방향설정을 보장하기 위해, 위치설정핀(49)은 링(50, 51)내에 형성된 해당 요홈(43,45,47)들 및 디스크 플랜지(48)와 함께 작동한다.

밸브(20)의 하부몸체 섹션(30)은 통로(40)의 축에 대해 각을 이루는 일체구조의 원통형 돌출부(58)를 가진다. 돌출부(58)내부에 위치하고 외측을 향해 개방된 통로(60)는 하부몸체부분(30)내에서 통로(40)까지 연장되며 상대적으로 작은 직경의 통로(62)와 상호작용한다. 액츄에이터 조립체(64)는 통로(60,62)내에 수용되고 지지클립(66)에 의해 돌출부(58)에 고정된다. 액츄에이터 조립체(64)는 추력기구(70)가 수용되는 일반적으로 원통형 액츄에이터 몸체(68)를 포함한다. 추력기구(70)는 노벨 엔터프라이즈(Nobel Enterprises)사로부터 구입할 수 있는 메트론(METRON) 액츄에이터 또는 다른 유사한 형태의 장치일 수 있다. 일부 실시예에서, 폭발식으로 점화(pyrotechnically fired)되는 추력기구(70)는 작동속도가 중요하지 않은 적용예드에서 솔레노이드 형태의 추력기구로 교체될 수 있다. 상기 액츄에이터 조립체(64)는 통로(62)를 통해 하부몸체부분(30)내에에서 통로(40)를 통해 연장되는 기다란 로드 또는 타격 핀(72)을 포함한다. 도 4에 도시된 것과 같이, 타격핀(72)은 뭉뚝한 외측보드 팁(outboard tip)(74)을 제공한다. 상기 외측보드 팁은 핀(72)은 정상적으로, 비작동위치에 배열될 때 파열 디스크(46)의 볼록표면(54)과 떨어진 위치에 있더라도 볼록표면과 근접하게 위치한다.

추력기구(70)는 나사(76)들에 의해 제위치에 고정되고 액츄에이터 몸체(68)내에 수용된다. 상기 타격핀(72)의 운동(throw)은, 나사를 통해 돌출부(58)내에 수용된 리테이너(78)에 의해 제한된다. O링(84)은, 용기(24)내부의 유체가 통로(62)를 통해 밸브를 탈출하는 것을 방지하도록 타격핀(72)의 오목한 부분내에 배열된다.

도 11에 도시된 것처럼, 추력기구(70)는 발사핀(88)이 배열되는 원통형 챔버(86) 및 가연성 폭발식 충전물(90)을 포함한다. 상기 챔버(86)는 패킹 플러구(92)에 의해 한쪽 단부에서 밀봉되고, 패킹 플러구(92)를 통해 한 쌍의 리드와이어(lead wire)(94,96)들이 연장된다. 추력기구(70)가 작동할 때, 챔버(86)내에 배열된 리드와이어(94,96)의 노출된 단부들이 폭발식 충전물(90)을 점화한다. 점화물(90)의 점화는 발사핀(88)을 도 12에 도시된 위치로 이동시킨다. 일부 실시예에서 발사핀(88)의 운동 또는 선형 변위는 약 6 내지 약 12 mm 또는 약 9 mm 인 것이 선호된다. 하기 설명과 같이, 작동할 때, 발사핀(88)은 타격핀(72)의 단부(100)에 접촉 및/또는 작동하여, 타격핀(72)을 작동위치로 이동시키고 파열 디스크(46)를 타격한다.

하부밸브 몸체부분(30)은 또한 외측으로 그리고 비스듬하게 연장되는 측부 포트(102)를 제공한다. 측부포트(102)는, 쉬라더(shrader) 밸브(106)가 배열되는 원추형 통로(104)를 제공한다. 통로(104)는, 상대적으로 큰 직경을 가진 보어(108)와 연결되어 작용한다. 도 4에 도시된 것처럼, 플러그(110)는 보어(108)내에 나사체결되어 수용된다. 그러나 보어(108)는 또한 압력게이지에 조립되어, 통로(40)와 용기(24)내부의 유체압력이 감시될 수 있다.

하부밸브몸체부분(30)는 또한 측면으로 연장되는 충진 포트(112)를 제공하고, 상기 충진 포트는 밸브(20)가 용기위에 설치된 후에 원하는 유체를 용기에 충진하기 위해 이용된다. 도 5에 도시된 것처럼, 충진 포트(112)는 원통형 구멍(114)을 포함하고, 구멍내에서 충진 포트 인서트(116)와 충진 포트 플러그(118)가 나사체결되어 고정되고 정상적으로 배열된다. 충진 포트 인서트(116)는 필수적으로 체크밸브이고, 상기 체크밸브는 제 2 통로(122)와 연결되어 작용하는 제 1 통로(120)를 제공하며, 상기 제 1 통로(120)는 제 2 통로의 직경보다 작은 직경을 가진다. 제 1 통로(120)의 직경보다 큰 직경을 가진 볼(124)이, 상기 충진 포트 인서트(116)내에 배열되고 통로(40)와 용기(24)내부의 유체압력이 제 1 통로(120)내부의 유체압력보다 클 때 제 1 통로(120)와 제 2 통로(122)사이의 작용을 방해하도록 작동한다. 따라서, 충진 포트 인서트(116)에 의해 상기 충진포트구멍(114)으로 상기 하부밸브몸체부분의 통로(40)내부로 유체가 단지 일방향으로만 유동하게 한다. 용기(24)가 충진되는 동안 볼(124)이 제 2 통로(122)을 탈출하는 것을 방지하기 위해 플러그(118)와 마주보는 구멍(114)의 단부에 제공된다.

보조 포트(128)가 하부밸브몸체 부분(30)으로부터 외측으로 연장되고 하부밸브몸체 부분을 통과하고 일반적으로 원통형인 구멍(130)을 제공한다. 도 5에 도시된 것처럼, 플러그(132)는 구멍(130)내부에 정상적으로 나사체결되어 수용된다. 그러나, 보조압력게이지와 같은 보조장치가 플러그(132)대신에 포트(128)에 연결될 수 있다. 통로(134)는, 하부밸브몸체 통로(40)와 보조 구멍(130)과 충진포트구멍(114)에 연결되어 작용한다.

밸브(20)는, 파열 디스크(46)의 전환과 파열이 능동적으로 개실되어 한정된 공간으로부터 가압유체를 방출하도록 이용될 수 있다. 과압상태가 존재해야 한다면, 밸브(20)는 또한, 파열 디스크(46)의 전환과 파열을 통해 용기(24)내부의 위험한 과압상태에 대해 수동적인 보호기능을 제공한다. 따라서, 전환굽힘 파열 디스크(46)는 용기(24)내부에서 상대적으로 낮은 정상적인 유체압력을 견디지만 가압유체가 방출되어야 할 때 선택적으로 개방될 수 있다. 본 발명의 일부실시예에서, 압력완화 명령에 응답하여 억제제가 통과하는 것을 허용하기 위해 발사 또는 폭발 억제장치의 유동경로 내에 밸브(20)가 장착된다. 일부 실시예에서, 압력완화명령은 억제장치가 설치되는 공간내에 위치한 감지기 또는 센서에 의해 자동으로 발생되지만 상기 명령은 사용자에 의해 주어질 수 있다.

도 13에 도시된 정상적인 비작동 구조에서, 타격핀(72)은 파열 디스크(46)의 볼록표면(54)과 근접하지만 떨어져 있다. 상기 설명과 같이, 일부 실시예에서, 상기 파열 디스크(46)은, 디스크 팽창부분(52)의 나머지를 제외한 변경된 그레인 구조를 가지고 예비응력을 가지며 구분된 세그먼트(56)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 타격핀 팁(74)은 세그먼트(56)와 근접하게 배열되지만 접촉하지 않는다. 작동될 때 팁(74)은 파열 디스크(46)를 전환개시하기 위해 세그먼트(56)와 연결된다. 밸브(20)의 비작동구조에서, 파열 디스크(46)는 통로(42)의 유동경로를 차단하여 통로(40)와 용기(24)내에 존재하는 가압유체를 효과적으로 구속한다.

가압유체의 방출을 요구하는 (용기(24)내부의 과압상태를 제외한) 상태를 감지할 때, 전기신호가 액츄에이터 조립체(64)로 전달되고 특히, 리드와이어(94,96)를 통해 추력기구(70)로 전달된다. 전기신호는 챔버(86)내에 포함된 폭발식 충전물(90)을 점화하여, 도 12에 도시된 연장위치를 향해 발사핀(88)을 전진시킨다. 일부 실시예에서, 발사핀이 전진하는 속도가 음속보다 작고, 1100 피트/초이하인 것이 선호된다. 상기 방법에 의해 속도를 제한하면, 파열 디스크(46)가 개방될 때 디스크의 조각으로 파손 및 파열 디스크(46)의 천공이 더욱 신뢰성있게 회피된다. 발사핀(88)이 타격핀 단부(100)와 접촉하여, 타격핀이 파열 디스크의 볼록 표면(54)를 향해 직선경로를 따라 전진하고 접촉한다. 타격핀의 팁(74)은 날카로운 점으로 모이는 대신에 둥근 형상을 가진다. 따라서 타격핀(72)이 정해진 변위를 이동할 때, 볼록표면(54)과 접촉은 파열 디스크(46)의 천공없이도 디스크를 파열시킬 정도로 충분하게 이루어진다. 도 8에 도시된 것과 같이, 타격핀(72)이 디스크의 팽창부분(52)을 기계적으로 파열시키고 변형시키지만 파열 디스크(46)를 천공하지 못한다.

상기 타격핀(74)이 형성된 개구부에 단지 플러그되어, 통로(42)내부로 유체유동을 차단하며 디스크가 개방되지 못하게 한다.

타격핀(72)은 충분한 운동에너지를 디스크의 팽창부분(52)에 전달하여, 디스크의 볼록 표면(54)에 작용하는 유체의 하중과 함께 파열 디스크(46)는 전환되고 개방된다. 더욱 특히, 가압유체에 의해 작용하는 하중과 함께 타격핀(72)의 충격에 의해 팽창부분(52)에 작용하는 하중은, 파열 디스크(46)의 전환과 개방을 개시할 정도로 충분하다. 일부 실시예에서, 팽창부분(52)이 전환을 개시할 때 타격핀(72)이 파열 디스크(46)를 향해 운동하는 속도보다 빠르게 중앙 팽창부분(52)이 전환한다. 따라서, 디스크의 분류(rated)된 파손(burst)압력 (즉, 디스크가 ±5%의 허용오차를 가지고 액츄에이터 조립체(64)의 도움없이 자동으로 전환되고 파열되는 압력)의 20% (1/5)에 해당하는 유체압력상태에서 파열 디스크(46)가 완전히 개방된다. 그러나 일부 실시예에서, 유체압력이 분류된 파손압력의 단지 약 1/2일 때 디스크가 완전히 개방된다. 또 다른 실시예에서, 디스크의 분류된 파손압력의 약 25% 내지 75%사이 또는 디스크의 분류된 파손압력의 약 33%에서 상기 디스크가 완전히 개방된다. 본 발명을 따르는 일부 실시예에서, 파열 디스크(46)는 5 내지 10 msec로 완전히 개방된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 돌출부(58)와 액츄에이터 조립체(64)는 통로(40,42)를 통과하는 유체유동경로에 대해 비스듬한 각도로 배열된다. 그러나, 상기 돌출부(58)와 액츄에이터 조립체(64)가 상기 유동경로와 수직이거나 평행한 것은 본 발명의 범위내에 있다. 또한, 액츄에이터 조립체(64)는, 타격핀(72)이 디스크의 볼록표면(54)의 모든 부분에서 파열 디스크(46)와 접촉하도록 구성된다. 일 실시예에서, 타격핀(72)은 볼록표면(54)과 접선을 이루며 중앙 팽창부분(52)을 향해 이동한다. 또 다른 실시예에서, 타격핀(72)은 볼록표면(54)과 수직을 이루며 중앙 팽창부분(52)을 향해 이동한다. 관련운동 방향과 무관하게, 디스크를 가장 취약한 위치에서 타격하는 것이 유리하다. 파열 디스크(46)의 경우에, 팽창부분(52)내에 형성된 예비응력상태의 세그먼트(56)와 근접한 위치에서 디스크와 접촉하는 타격핀(72)이 도시된다. 해당 세그먼트(56)를 제공하지 않는 다른 디스크들에 있어서, 타격핀(72)은, 팽창부분의 피크(peak)를 향하고 디스크 재료가 가장 약한 위치에서, 디스크와 접촉할 수 있다. 디스크의 가장 취약한 위치 또는 근접한 위치에서 디스크를 타격하면, 상대적으로 적은 에너지가 요구되어 타격핀(72)이 디스크를 천공할 가능성을 감소시킨다. 디스크를 성공적으로 선택개방하기 위해 액츄에이터 조립체의 어떠한 구조가 선택되든지, 가압유체에 의해 제공되는 하중 벡터(vector)와 동일한 방향으로 디스크상에 작용하고 타격핀(72)에 의해 제공되는 하중벡터는 파열 디스크(46)의 전환과 개방을 개시하기에 충분하다.

(도 10을 참고할 때) 플랜지(48)와 팽창부분(48)사이에서 전이영역(138)과 근접하게 위치한 취약선(line of weakness) 또는 반원형 스코어(score)선이 전환굽힘 파열 디스크(46)에 제공된다. 타격핀(72)고 디스 볼록표면(54)사이의 접촉과 액츄에이터 조립체(64)가 작동할 때, 디스크의 팽창부분(56)은 취약선의 근접한 위치에서 개방되고 플랜지(46)와 접촉하는 단지 작은 힌지부분(140)을 남긴다. 디스크가 개방될 때, 힌지부분(140)은 백업 링(51)의 플랜지(53)에 의해 지지된다. 통로(40,42)에 의해 제공된 유동통로를 통해 용기(24)를 탈출한 유체에 의해 상기 파열 디스크(46)는 도 9에 도시된 것처럼 플랜지(53)주위에 접히게 된다. 상기 방법에 의해, 플랜지(53)는 파열 디스크(46)의 불필요한 파쇄(fragmentation)를 방지한다. 다른 형태의 파쇄없는 전환굽힘 파열 디스크는 개방시 복수 개의 페탈(petal)들을 형성하는 디스크들과 같이 상이한 스코어 라인 구조를 가진다.

본 발명의 선택적 실시예가 도 14와 도 15에 도시된다. 일반적으로, 밸브(20)는 상기 구조를 가진다. 그러나 액츄에이터 조립체(64)는 스윙(swing)운동하는 아암 액츄에이터(142)로 교체된다. 액츄에이터(142)는, 파열 디스크(46)의 볼록표면(54)과 접촉하지만 천공하지 않도록 구성되고 측면방향으로 연장되는 토오 세그먼트(toe segment)(144)을 포함한다. (도면에 도시되지 않은) 래치와 스프링 기구 또는 액츄에이터(142)가 이동하고 토오 세그먼트(144)가 볼록표면(54)에 충격을 주기위해 당업자에게 공지된 다른 수단에 의해 곡선 경로를 따라 액츄에이터(142)가 이동할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예가 도 17 내지 도 19에 도시된다. 상기 실시예는, 스프링 액츄에이터 기구(146)가 액츄에이터 조립체(64)와 돌출부(58)사이에 배열되는 것을 제외하곤, 도 1 내지 도 9와 도 16에 도시된 실시예와 매우 유사하다. 스프링 액츄에이터(146)의 한 가지 기능은, 추력기구(70)에 의해 발생되는 하중을 타격핀(72)에 작용하는 훨씬 더 큰 하중으로 변환하는 것이다. 따라서, 추력기구(70) 자체에 의해 타격핀(72)이 원하는 정도의 하중으로 파열 디스크 팽창부분(54)과 접촉하기에 충분하지 못한 적용예들에 대해 상기 스프링 액츄에이터(146)이 특히 적합하다. 스프링 액츄에이터(146)를 이용하여, 상대적으로 큰 운동하중이, 상대적으로 작은 하중 입력에 의해 발생될 수 있다. 스프링 액츄에이터(146)는 하중 출력 하우징(150)에 나사체결에 의해 고정된 하중입력 하우징(148)을 포함한다. 입력하우징(148)은 액츄에이터 몸체(68)에 연결되고 지지클립(152)에 의해 고정된다. 출력 하우징(150)은, 지지클립(66)에 의해 돌출부(58)에 고정된다. 작동 피스톤(actuation piston)(154)이 프로파일 피스톤(156)과 근접한 위치에서 입력하우징(148)내에 포함된다. 프로파일 피스톤(156)은, 입력하우징(148)과 출력하우징(150)사이에서 플런저(160)의 원형영역내부로 연장된다. 프로파일 피스톤(156)은, 볼(164)을 수용하도록 구성된 복수 개의 요홈 부분(162)들을 포함한다. 프로파일 피스톤(156)의 헤드(head)는, 스프링(168)이 수용되는 중공 부분(166)을 포함한다. 프로파일 피스톤(156)과 플런저(160)를 떨어져 편향시키기 위해 스프링(168)은 플런저(160)와 연결된다. 상기 프로파일 피스톤(156)은 원형 영역(158)내에서 지지링(170)에 의해 유지된다. 와셔(172)가 링(170)위에 배열되고 효과적으로 원형 영역(158)을 밀폐한다. 프로파일 피스톤(156)주위에 코일형상으로 감겨진 메인 스프링(176)이 타격핀(172)을 향해 플런저(160)를 편향시키는 하중을 발생시키는 표면들을 제할 때 와셔(172)와 함께 작동하도록 제 2 와셔(174)가 제공된다. 볼(164)들은, 비작동위치에 있을 때 플런저(160)의 원형영역(158)내에 형성된 오리피스(178)들내에 위치한다. 볼(164)들은 시트(180)들에 배열되어, 메인스프링(176)에 의해 작용하는 하중에 응답하여 플런저(160)의 운동을 방지한다.

도 18에 도시된 것처럼, 추력기구(170)가 작동할 때, 발사핀(88)은 작동피스톤(154)과 접촉하여, 작동피스톤(154)을 밸브몸체(26)를 향해 이동시킨다. 작동피스톤(154)의 이동에 의해, 상기 프로파일 피스톤(156)은 또한 동일한 방향으로 이동한다. 상기 프로파일 피스톤(156)의 운동은 스프링(168)을 압축하고 오리피스(178)가 요홈부분(162)과 정렬된다. 상기 정렬에 의해, 시트(180)는 볼(164)들을 요홈부분(162)내부로 가압하고 시트들과 연결상태로부터 벗어나게 한다. 상기 구조에서 볼(164)들이 프로파일 피스톤(156)과 플러저(160)사이의 상태운동을 방지하기 위해 이들을 서로 효과적으로 구속한다. 또한, 상기 볼(164)들이 시트(180)와 분리된 상태일 때, 이 시점에서 압축상태에 있는 메인 스프링(176)이, 결합된 프로파일 피스톤(156) 및 플러저(160) 조립체에 작용하여 밸브몸체(26)를 향해 이동하고 타격핀(72)과 접촉한다.

도 19는, 완전히 전개된 위치에 있는 스프링 액츄에이터(146)를 도시한다. 도시된 것과 같이, 작동피스톤(154)과 프로파일 피스톤(156)은 더 이상 서로 접촉하지 못한다. 타격핀(72)은 파열 디스크(46)의 팽창부분(52)과 접촉하여 디스크의 전환 및 개방을 개시한다.

스프링 액츄에이터(146)는, 폭발식 충전물을 이용하는 추력기구(70)이외의 수단에 의해 작동된다. 스프링 액츄에이터(146)는, 압축된 공기 또는 질소와 같은 가압유체의 공급원과 연결될 수 있는 복수 개의 유체포트(182)들을 가진다. 밸브(20)의 작동을 요구하는 상대를 감지할 때, 가압유체는 포트(182)로 전달된다. 상기 포트(182)들은 통로(184)들을 통해 입력 하우징(148)의 내부와 상호작용한다. 가압유체는 작동 피스톤(154)상에 작용하여 피스톤은 밸브몸체(26)를 향해 이동한다. 작동피스톤(154)에 배열된 O 링(186,188)들은, 가압유체가 스프링 액츄에이터(146)의 다른 부분들로 탈출하는 것을 방지한다.

당업자들은, 예를 들어, 솔레노이드를 이용하는 것과 같은 스프링 액츄에이터(146)의 다른 작동수단을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은, 상기 실시예들로 한정되지 않는다.

작동후에, 스프링 액츄에이터(146)는 돌출부(58)로부터 분리되고 재사용을 위해 재설정된다. 재설정과정동안, 플런저(160)는 출력 하우징(150)내부로 다시 이동하여, 메인 스프링(176)을 가압한다. 일단 플런저(160)와 프로파일 피스톤(156)가 입력하우징(148)을 향해 충분히 이동하고 볼(164)들이 시트(180)들을 통과하면, 볼(164)들은 요홈부분(162)으로부터 이동하여, 플런저(160)와 프로파일 피스톤(156)을 분리시킨다. 스프링(168)은 프로파일 피스톤(156)을 이동시켜 작동피스톤(154)과 접촉하고 피스톤(154,156)들은 도 17에 도시된 최초위치로 귀환한다.

20....밸브,
42....통로,
66....지지클립,
86....챔버,
88....발사핀

Claims (19)

1. 한정된 영역으로부터 형성되는 경로를 따라 가압 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(20)에 있어서,
   유체통로(40)가 제공되고 상기 경로 내에 장착되는 밸브몸체(26),
   상기 유체통로(40)를 통과하는 유체유동에 대해 정상적인 차단(normal blocking)상태로 있고 상기 밸브몸체(26)에 형성된 전환 굽힘 파열 디스크(46)를 포함하며, 상기 파열 디스크(46)가 볼록표면(54)과 오목 표면을 가진 팽창된 중앙부분(52)을 가지며, 상기 볼록표면(54)은 가압유체를 향하고,
   파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면(54)과 근접한 위치에 배열되고 밸브몸체(26)에 형성되며 선택적으로 작동될 수 있는 장치를 포함하며, 상기 파열 디스크(46)는 유체통로(40)를 통해 유체가 유동하도록 천공없이 상기 유체통로(40) 내에서 가압유체에 의해 디스크의 중앙부분(52)의 전환이 개시될 정도로 파열되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 장치가 상기 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면(54)으로부터 이격되고 중앙부분(52)의 천공없이 디스크를 기계적으로 파열하고 볼록표면(54)과 연결하기 위해 변위를 통해 이동가능한 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
3. 제2항에 있어서, 상기 이동가능한 부재가 뭉뚝한 단부(74)를 가진 로드(72)이며, 상기 로드가 상기 파열 디스크(46)의 팽창된 중앙부분(52)의 볼록표면(54)과 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
4. 제2항에 있어서, 충전물(90)의 점화 시에 부재의 변위를 통해 부재가 이동하도록 작동하는 폭발식(pyrotechnic) 충전물(90)이 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
5. 제2항에 있어서, 중앙부분(52)의 천공없이 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면(54)을 파열할 수 있는 정해진 변위를 통해 부재가 이동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
6. 제2항에 있어서, 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)은 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)이 전환하기 시작할 때 파열 디스크(46)를 향한 부재의 운동보다 더 빠르게 전환되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
7. 제2항에 있어서, 상기 부재는 직선 운동경로를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
8. 제2항에 있어서, 상기 부재는 곡선 운동경로를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
9. 제2항에 있어서, 상기 부재가 6 mm 내지 12 mm의 운동경로를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
10. 제1항에 있어서, 파열 디스크(46)는 한 부분의 금속이고, 상기 파열 디스크(46)의 팽창된 중앙부분(52)은 구분된 영역을 형성하는 세그먼트(56)이고, 상기 영역내에서 상기 세그먼트의 금속은 그레인구조를 변경하며, 상기 그레인 구조는 디스크 중앙부분의 나머지 부분의 금속보다 큰 잔류응력을 가지고, 디스크 중앙부분의 전환은 상기 구분된 영역에서 개시되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
11. 제10항에 있어서, 상기 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면과 오목표면은, 팽창된 중앙부분(52)의 상기 구분영역을 형성하는 세그먼트(56)를 포함한 전체 영역에 걸쳐서 매끄럽고 중단없는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
12. 제10항에 있어서, 상기 구분된 영역의 중앙부분이 파열되기 시작하도록 상기 장치는 상기 파열 디스크(46)의 구분된 영역과 연결되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
13. 한정된 영역으로부터 형성되는 경로를 따라 가압 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브(20)에 있어서,
    유체통로(40)가 제공되고 상기 경로 내에 장착되는 밸브몸체(26),
    상기 유체통로(40)를 통과하는 유체유동에 대해 정상적인 차단(normal blocking)상태로 있고 상기 밸브몸체(26)에 형성된 전환 굽힘 파열 디스크(46)를 포함하고, 상기 디스크의 중앙부분(52)은 정해진 제 1 유체압력상태에서 디스크의 전환 및 파열에 저항하도록 작동하고, 상기 파열 디스크가 가압유체를 향하도록 볼록표면(54)에 배열되며,
    파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면(54)과 근접한 위치에 배열되고 밸브몸체(26)에 형성되며 선택적으로 작동될 수 있는 장치를 포함하며, 유체통로(40)를 통해 유체가 유동할 수 있도록 정해진 상기 제 1 유체압력보다 작은 정해진 제 2 유체압력에서 디스크의 중앙부분(52)의 전환이 개시될 정도로 천공없이 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)을 기계적으로 파열하도록 작동할 때 디스크가 작동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
14. 제13항에 있어서, 상기 장치가 상기 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면(54)으로부터 이격되고 중앙부분(52)의 천공없이 디스크를 파열하고 볼록표면(54)과 연결하기 위해 변위를 통해 이동가능한 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
15. 제14항에 있어서, 상기 부재가 파열 디스크(46)의 볼록표면(54)에 대해 접선방향으로 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)을 향해 이동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
16. 제14항에 있어서, 상기 부재가 파열 디스크(46)의 볼록표면(54)에 대해 수직방향으로 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)을 향해 이동하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
17. 한정된 영역으로부터 형성되는 경로를 따라 가압 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 방법에 있어서,
    상기 경로 내에 원통형 밸브몸체(26)를 장착하는 단계,
    상기 경로를 따르는 유체유동에 대해 정상적인 차단 상태로 있고 상기 몸체에 전환 굽힘 파열 디스크(46)를 제공하는 단계 - 상기 파열 디스크(46)는 볼록한 표면(54)과 오목한 표면을 가진 팽창된 중앙부분(52)을 가지며 상기 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)은 정해진 제 1 압력에서 디스크 중앙부분의 전환과 파열을 견디도록 작동하고 상기 파열 디스크는 가압유체를 향하여 디스크의 볼록표면(54)을 배열함 - , 및
    유체통로(40)를 통해 유체가 유동할 수 있도록 정해진 제 1 압력보다 작은 정해진 제 2 압력에서 디스크의 전환을 개시하기 위해 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 천공없이 볼록표면(54)을 기계적으로 파열하기 위하여 파열 디스크(46)의 중앙부분(52)의 볼록표면(54)과 근접한 위치에 선택적으로 작동될 수 있는 장치를 배치하는 단계를 포함하는 제어 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 제 2 압력은 상기 정해진 제 1 압력의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 제 2 압력은 상기 정해진 제 1 압력의 1/5 이하인 것을 특징으로 하는 제어 방법.

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