KR102339628B1 - 밸브의 제어 플레이트 - Google Patents

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비스타델텍, 엘엘씨
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Abstract

비례 제어 밸브에서 우수한 차단을 달성하기 위한 제어 플레이트는 폐쇄될 때 대칭 밸브 축선에 대체로 수직인 편평한 표면을 갖는 이동가능 디스크 형상 요소를 포함하며, 좁은 립 또는 오리피스 리지에 의해 둘러싸이는 오리피스를 향해 또는 그로부터 멀어지는 방향으로 병진한다. 밸브 차단 조건에서의 향상된 누설 기밀성은 오리피스 리지를 구성하는 재료보다 연질인 제어 플레이트 재료에 선택적으로 통합됨으로써 달성된다.

Description

밸브의 제어 플레이트
본 출원은 2015년 7월 9일에 출원된 "CONTROL PLATE IN A VALVE"라는 제목의 미국 가출원 번호 62/190,478 및 2016년 2월 8일에 출원된 "CONTROL PLATE IN A VALVE"라는 제목의 미국 출원 번호 62/292,526에 대한 35 U.S.C. § 119(e) 및 PCT 8조 하의 이점을 주장하며, 이 문헌 각각은 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
본 발명은 통과되는 유체의 유동을 조정하기 위해서 극 개방 조건과 극 폐쇄 조건 사이의 어딘가에 능동적으로 위치설정될 수 있는 유체 제어 밸브의 이동가능 부분에 관한 것이다. 본 발명은 비례 제어와 더불어 완전 폐쇄 조건에서의 누설-기밀 차단을 동시에 요구하는 반도체 디바이스, 제약, 또는 정제 화학물질을 제조하는 산업 프로세스, 및 많은 유사한 고순도 유체 전달 시스템 내에서의 유체 전달의 비례 또는 조정 제어를 위해 의도된 밸브에서 특히 유용하다. 밸브 차단을 향상시키는 금속 및 엘라스토머 요소의 많은 조합이 본 기술분야에 알려져 있다.
출원인은 다양한 크기의 밸브 오리피스와 함께 사용하기에 적합한 이동가능 밸브 요소의 고유하게 제조가능한 구성을 발명하였다. 이동가능 디스크 형상 요소는 폐쇄될 때 대칭 밸브 축선에 대체적으로 수직인 편평한 표면을 가지며 좁은 립 또는 오리피스 리지에 의해 둘러싸이는 오리피스를 향해 또는 그로부터 멀리 병진한다. 이런 밸브 구조 조합은 때로는 유체 경로 요소 조합의 분출구 & 시트 부류인 것으로서 지칭된다. 본 개시내용에서, 오리피스를 둘러싸는 좁은 립(통칭으로 분출구)을 폐쇄하는 편평한 표면 요소(통칭으로 시트)는 종종 제어 플레이트로서 지칭된다. 밸브 차단 조건에서의 향상된 누설 기밀성은 오리피스를 둘러싸는 립 또는 리지를 구성하는 재료보다 연질인 제어 플레이트 재료에 선택적으로 통합됨으로써 제공된다. 오리피스 리지-립보다 연질인 제어 플레이트 재료는, 제어 플레이트 표면이 오리피스 리지-립에 대해 가압될 때 제어 플레이트 표면의 탄성 변형을 허용하며, 이에 의해 제어 플레이트와 오리피스 리지-립 사이에서 달성되는 밀봉을 향상시킨다. 개시된 배치는 고순도 유체 경로 내에 나사산부를 갖는 것과 연계된 문제를 회피하기 위해서 용접 또는 억지 가압 끼워맞춤 조각을 사용할 수 있다.
일 실시예는 폴리머 인서트의 외경과 시트 하우징 카운터보어의 내경 사이의 간극 안으로 가압된 금속 유지 링에 의해 제자리에 보유되는 폴리머 재료의 소직경 중앙 인서트를 갖는 금속 시트 하우징을 포함한다. 다른 실시예는 폴리머 링의 내경과 제어 플레이트의 도려낸 채널의 작은 내경 사이의 간극 안으로 가압된 금속 유지 링, 및 폴리머 링의 외경과 제어 플레이트의 도려낸 채널의 큰 내경 사이의 간극 안으로 가압된 금속 유지 링에 의해 제자리에 보유되는 폴리머 재료의 링을 포함한다. 다른 실시예는 더 큰 제어 플레이트에 용접됨으로써 전형적으로 유지되는 내식성 니켈 합금의 소직경 중앙 인서트를 포함한다. 다른 실시예는 다른 합금으로 선택적으로 구성되는 커버 조각과 내식성 니켈 합금으로 실질적으로 구성되는 제어 플레이트를 포함한다.
본 개시내용의 일 양태에서, 평면형 오리피스 리지에 의해 둘러싸이는 유체 도관 개구에 밀봉식으로 계합되도록 구성되는 밸브 제어 플레이트가 제공된다. 밸브 제어 플레이트는 밸브 제어 플레이트 본체 및 밸브 시트 인서트를 포함한다. 밸브 제어 플레이트 본체는 제1 경도를 갖는 제1 재료로 형성되고, 밸브 제어 플레이트 본체는 유체 도관 개구를 향해 대면하도록 구성되는 제1 표면을 갖는다. 밸브 제어 플레이트 본체는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성된 오목부를 갖는다. 밸브 시트 인서트는 제1 경도 미만의 제2 경도를 갖는 제2 재료로 형성되며, 밸브 시트 인서트는 유체 도관 개구를 향해 대면하고 평면형 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 제1 표면을 가지며, 밸브 시트 인서트는 오목부에 수용된다.
일부 실시예에서, 오목부는 카운터보어 또는 도려낸 홈 중 하나이다.
일부 실시예에서, 제2 재료의 부피는 제1 재료의 부피보다 작다.
일부 실시예에서, 제1 재료는 금속이고, 오목부는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성된 카운터보어이고, 제2 재료는 폴리머 재료이며, 밸브 시트 인서트는 밸브 시트 인서트의 외주연부에 위치된 유지 링에 의해 카운터보어에 유지된다. 예시적인 실시예에 따르면, 밸브 시트 인서트는 4mm 이하의 직경을 갖는 평면형 오리피스 리지에 계합하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 재료는 폴리머 재료이고, 오목부는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성된 도려낸 홈이고, 밸브 시트 인서트는 링 형상이며, 제1 재료는 금속이다. 일부 실시예에서, 밸브 시트 인서트는 밸브 시트 인서트의 내주연부에 위치된 내측 유지 링 및 밸브 시트 인서트의 외주연부에 위치된 외측 유지 링에 의해 도려낸 홈에 유지된다. 다른 실시예에서, 밸브 시트 인서트는 포스트, 컬럼 및/또는 브리지에 의해 도려낸 홈에 유지된다. 예시적인 실시예에 따르면, 밸브 시트 인서트는 4mm 이상의 직경을 갖는 평면형 오리피스 리지에 계합하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 재료는 제1 금속이고, 오목부는 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성된 카운터보어이고, 제2 재료는 제1 금속과 상이한 제2 금속이며, 밸브 시트 인서트는 제어 플레이트 본체에 밸브 시트 인서트를 용접함으로써 카운터보어에 유지된다. 예시적인 실시예에 따르면, 밸브 시트 인서트는 4mm 이하의 직경을 갖는 평면형 오리피스 리지에 계합하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 평면형 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합되는 밸브 시트 인서트의 제1 표면의 영역은 평면형이다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 제어 밸브 본체와 함께 사용하기 위한 밸브 보닛이 제공된다. 제어 밸브 본체는 제1 경도를 갖는 제1 재료로 형성되며 평면형 오리피스 리지에 의해 둘러싸이는 유체 도관 개구를 갖는다. 밸브 보닛은 보닛 본체, 밸브 다이어프램의 외주연부에서 보닛 본체와 밀봉 계합되어 있는 밸브 다이어프램, 다이어프램에 고정되는 제어 샤프트로서, 제어 샤프트로부터 돌출하는 섕크를 갖는 제어 샤프트, 및 밸브 제어 플레이트를 포함한다. 밸브 제어 플레이트는 섕크에 고정되고, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부가 제1 경도 미만의 제2 경도를 갖는 제2 재료로 형성되며, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부는 평면형 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부는 원형 및 비원형 중 하나인 평면형 오리피스 리지에 계합하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 밸브 다이어프램은 보닛 본체와 일체로 형성되며, 제어 샤프트는 다이어프램과 일체로 형성된다. 다른 실시예에서, 다이어프램은 보닛 본체와 별도로 형성되며 보닛 본체에 용접된다.
일부 실시예에서, 밸브 제어 플레이트는 추가로 밸브 제어 플레이트 본체에 형성된 도려낸 홈을 갖는 밸브 제어 플레이트 본체를 포함하며, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부는 도려낸 홈을 충전하는 밸브 시트 인서트이다. 일부 실시예에서, 밸브 시트 인서트는 도려낸 홈 안으로 몰딩되며, 일부 실시예에서 밸브 시트 인서트는 포스트, 컬럼 및/또는 브리지에 의해 도려낸 홈에 유지된다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 제어 밸브가 제공된다. 제어 밸브는 밸브 본체, 밸브 본체에 고정되는 보닛 본체, 밸브 다이어프램, 제어 샤프트, 및 밸브 제어 플레이트를 포함한다. 밸브 본체는 제1 유체 도관 개구에서 종료하는 유체 입구 도관, 제2 유체 도관 개구에서 시작하는 유체 출구 도관, 및 제1 경도를 갖는 제1 재료로 형성되고 제1 유체 도관 개구를 둘러싸는 오리피스 리지를 갖는다. 밸브 다이어프램은 밸브 다이어프램의 외주연부에서 보닛 본체와 밀봉 계합하고 있다. 제어 샤프트는 다이어프램에 고정되며, 섕크가 제어 샤프트로부터 돌출한다. 밸브 제어 플레이트는 섕크에 고정되고, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부가 제1 경도 미만의 제2 경도를 갖는 제2 재료로 형성되며, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부는 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 오리피스 리지는 원형 또는 비원형이다.
일부 실시예에서, 밸브 제어 플레이트는 밸브 제어 플레이트 본체에 형성된 도려낸 홈을 갖는 밸브 제어 플레이트 본체를 포함하며, 밸브 제어 플레이트의 적어도 일부는 도려낸 홈을 충전하는 밸브 시트 인서트이다. 일부 실시예에서, 밸브 시트 인서트는 도려낸 홈 안으로 몰딩되며, 일부 실시예에서 밸브 시트 인서트는 포스트, 컬럼 및/또는 브리지에 의해 도려낸 홈에 유지된다.
도 1은 폴리머 재료 인서트 및 최대 스팬의 작은 오리피스 리지를 갖는 제어 플레이트를 갖는 대표적인 밸브의 단면 사시도이다.
도 2는 폴리머 재료 인서트 및 전형적인 스팬의 큰 오리피스 리지를 갖는 제어 플레이트를 갖는 대표적인 밸브의 단면 사시도이다.
도 3은 연질 내식성 합금 인서트 및 최대 스팬의 작은 오리피스 리지를 갖는 제어 플레이트를 갖는 대표적인 밸브의 단면 사시도이다.
도 4는 연질 내식성 합금 본체 및 전형적인 스팬의 큰 오리피스 리지를 갖는 제어 플레이트를 갖는 대표적인 밸브의 단면 사시도이다.
도 5는 대안적인 설계의 연질 내식성 합금 제어 플레이트를 갖는 다른 대표적인 밸브의 단면 사시도이다.
도 6a는 대안적인 설계의 폴리머 인서트 제어 플레이트를 갖는 다른 대표적인 밸브의 단면 사시도이다.
도 6b는 폴리머 재료 인서트의 구성을 더 도시하기 위한 도 6a에 도시된 제어 플레이트의 확대된 사시 단면도이다.
도 6c는 폴리머 재료 인서트의 기하학적 형상을 더 도시하기 위한 금속 제어 플레이트 본체가 없는 몰딩된 폴리머 인서트의 도면이다.
도 6d는 폴리머 재료 인서트의 구성을 더 도시하기 위한 도 6a에 도시된 밸브에 사용하기 위한 대안적인 제어 플레이트의 확대 사시도이다.
도 6e는 폴리머 재료 인서트의 기하학적 형상을 더 도시하기 위한 금속 제어 플레이트 본체가 없는 몰딩된 폴리머 인서트의 도면이다.
도 6f는 폴리머 재료 인서트의 구성을 더 도시하기 위한 도 6a에 도시된 밸브에 사용하기 위한 다른 대안적인 제어 플레이트의 확대 사시도이다.
도 6g는 폴리머 재료 인서트의 기하학적 형상을 더 도시하기 위한 금속 제어 플레이트 본체가 없는 몰딩된 폴리머 인서트의 도면이다.
본 발명의 실시예는 그 용례에 있어서 이하의 설명에서 설명되거나 도면에 도시되는 구성요소의 구성 및 배치의 상세사항으로 제한되지 않는다. 본 발명의 양태는 다른 실시예로 가능하며 다양한 방식으로 실현되거나 실행될 수 있다. 또한, 본원에 사용되는 어법 및 용어는 설명을 위한 것으로 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. 본원의 "구비하는", "포함하는", 또는 "갖는", "수용하는", "수반하는" 및 그 변형의 사용은 이하에 나열되는 항목 및 그 동등물과 추가적인 항목을 포괄하는 것을 의미한다. 방향적 형용사 "내측", "외측", "상위", "하위" 등의 용어의 사용은 설계 요소 사이의 상대적인 관계의 이해를 보조하는 것을 의미하며 공간에 있어서의 절대적인 방향을 의미한다거나 제한적으로 간주되는 것으로 해석되어서는 안된다. 이하의 설계 설명에서, 유체 유동은 제1 유체 도관으로부터, 밸브의 제어부를 통해, 그 후 제2 유체 도관을 통해 진행하는 것으로 전형적으로 설명된다. 설계자는 물론 설명된 방향이 단지 설명 편의의 문제일 것이며, 유체 유동은 반대 순서로 진행할 수 있고 제한적인 것으로 고려되어서는 안된다.
가장 최근의 고순도 밸브 설계에서, 이동가능 밀봉 구조의 다이어프램 유형은 바람직한 접근법이다. 이동가능 제어 요소의 용이한 움직임을 허용하면서 제어된 유체를 수용하기 위해 다이어프램을 사용하는 것은 표준 관습이 되어 왔다. 많은 이러한 밸브 설계에서, 다이어프램은 이동가능 제어 요소로서의 역할을 하며, 밸브 차단은 유체 도관 개구를 둘러싸는 폴리머 재료의 좁은 링에 대해 다이어프램 자체를 가압하는 것에 의해 달성된다. 반도체 디바이스를 제조하는 산업 프로세스 내에서의 유체 전달의 비례 또는 조정 제어를 위해 의도된 밸브를 제조하는 설계자는 불충분하게 완만한 제어 커브를 갖는 직접 접촉식 다이어프램 밸브를 찾을 수 있다. 공지된 대안적인 설계의 한가지 유형은 유체 도관 개구를 둘러싸는 금속 립 또는 오리피스 리지를 향해 또는 그로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 실질적으로 편평한 제어 플레이트를 갖는다. 그러나, 다이어프램 자체가 밸브를 통한 유체 유동을 막는데 최적인 요소가 아닌 경우 혼란이 발생할 수 있고, 금속 구조에 대한 차단 밀봉이 문제가 될 수 있다.
도 1은 다이어프램 밀봉을 사용하며 또한 중앙 위치 유체 도관 개구(112)를 둘러싸는 오리피스 리지(118)에 맞닿는 제어 플레이트(140)를 갖는 비례 제어 밸브(100)의 대표적인 예를 도시한다. 비례 제어 밸브(100)는, 각각 밸브 챔버(150)에 또는 그로부터 유체를 연통시키는 제1 유체 도관(110) 및 제2 유체 도관(114)을 갖는 밸브 본체(119), 및 개스킷(165)에 의해 밸브 본체(119)에 대해 밀봉되는 밸브 보닛(보닛 본체)(169)을 포함하며, 보닛(169)은 밸브 챔버(150) 내에서의 부착된 제어 플레이트(140)의 이동을 허용하는 다이어프램(167)을 갖는다. 유체 유동을 제어하는 방식은, 유체 도관 개구(112)가 제1 유체 도관(110)과 유체 연통하며 오리피스 리지(118)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 제어 플레이트(140)의 적어도 일부가 유체가 제어가능하게 유동할 수 있는 작은 유격의 제어 간극(도시되지 않음)을 형성하기 위해 오리피스 리지(118)를 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것을 고려함으로써 더 이해될 수 있다. 제어가능한 유체 유동은 밸브 챔버(150) 안으로 이동할 수 있고, 밸브 챔버로부터 유체 유동은 제2 유체 도관(114)과 유체 연통하는 오프셋된 유체 도관 개구(116)를 통해 배출될 수 있다. 본 예시적인 밸브(100)에서, 액추에이터(도시되지 않음)는 제어 샤프트(182)에 퇴피력을 가하여 다이어프램(167)을 편향시키고 이에 의해 제어 간극을 변화시킴으로써 밸브를 통한 전도도를 조정할 수 있다. 본 도 1 도시에서, 밸브(100)는 유동 없는 조건에서 완전히 폐쇄되고, 그래서 제어 간극은 도시되어 있지 않다.
제어 플레이트(140)가 오리피스 리지(118)에 접촉할 때 누설 없는 밸브 차단을 달성하는 것은 어려울 수 있고, 또한 누설 없는 동작을 구성하는 기준은 설계 용례마다 상이할 수 있다. 예를 들어, 하나의 환경에서는 밸브 출구가 물에 잠겨있을 때 임의의 가스 버블을 생성하지 않는 것이면 충분할 수 있지만, 다른 상황에서는 10e-9sccm/sec 미만의 헬륨 가스 누설율을 갖는 것이 요구될 수 있다. 폐쇄 시에 폴리머 재료가 금속 재료에 접촉하는 밸브 설계가 차단 배치의 최고의 누설-기밀을 일반적으로 제공하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 폴리머 재료는 일반적으로 수분을 흡수하고, 결과적으로 고순도 용례에서는 제어된 유체에 노출되는 폴리머 재료의 총량을 최소화하는 것이 바람직하다. 대표적인 비례 제어 밸브(100)에서, 폴리머 함량을 감소시키는 이 목표는 비교적 작은 부피를 갖는 폴리머 재료의 인서트(130) 및 금속 제어 플레이트 본체(146)를 포함하는 제어 플레이트(140)를 형성함으로써 달성된다. 오리피스 리지(118)는 오리피스 리지가 인서트의 외주연부에 인접하는 폴리머 인서트(130)에 계합하는 점에서 폴리머 인서트에 대해 "최대 스팬"을 갖는 것으로서 고려될 수 있다.
제어 플레이트(140)의 금속 제어 플레이트 본체(146)는 중앙 유체 도관 개구(112)에 대면하도록 의도된 측면에 카운터보어(144)를 갖는 중앙 관통 구멍(142)을 갖는 편평한 디스크로서 기계가공될 수 있다. 카운터보어(144)는 금속 제어 플레이트 본체(146)가 시트 하우징으로서 기능하게 할 수 있을 것이고, 이에 의해 폴리머 시트 인서트(130)가 내부에 유지되어 감소된 부피의 더 유연한 밀봉 재료를 제공할 수 있다. 도시된 밸브 설계(100)를 제조하는데 있어서, 제어 플레이트 본체(146)는 제어 샤프트(182) 및 다이어프램(167)으로부터 돌출하며 중앙 관통 구멍(142)을 통과하는 섕크(181)에 배치된다. 섕크(181) 및 제어 플레이트 본체(146)는 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 중앙 관통 구멍(142) 계면에서 함께 용접될 수 있다. 임의의 결과적인 미소한 용접 비드 과잉물은 카운터보어(144)의 저부에 조화되도록 기계가공 제거될 수 있다. 폴리머 재료 인서트(130)는 후속하여 카운터보어(144) 안으로 배치되고, 카운터보어(144)의 외경 내의 폴리머 재료 인서트(130)의 외주연부 주위의 공간 안으로 금속 유지 링(132)을 삽입함으로써 제자리에 유치될 수 있다. 완전한 조립체는 그 후 양호한 밸브 기능을 위해 필요로 되는 바와 같은 편평도를 위한 최종 마무리(예를 들어, 랩핑에 의해)를 겪을 수 있다. 이 설계 접근법은 약 4mm 직경 이하의 오리피스 리지를 갖는 밸브에 특히 유리하다.
폴리머 재료 인서트(130)는 오리피스 리지(118)의 평면형 상위 단부에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 평면형 제1 표면을 포함한다.
도 2는 다이어프램 밀봉을 사용하며 또한 중앙 유체 도관 개구(212)를 둘러싸는 오리피스 리지(218)에 맞닿는 제어 플레이트(240)를 갖는 비례 제어 밸브(200)의 대표적인 예를 도시한다. 비례 제어 밸브(200)는, 각각 밸브 챔버(250)에 또는 그로부터 유체를 연통시키는 제1 유체 도관(210) 및 제2 유체 도관(214)을 갖는 밸브 본체(219), 및 개스킷(265)에 의해 밸브 본체(219)에 대해 밀봉되는 밸브 보닛(269)을 포함하며, 보닛(269)은 밸브 챔버(250) 내에서의 부착된 제어 플레이트(240)의 이동을 허용하는 다이어프램(267)을 갖는다. 유체 유동을 제어하는 방식은, 유체 도관 개구(212)가 제1 유체 도관(210)과 유체 연통하며 오리피스 리지(218)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 제어 플레이트(240)의 적어도 일부가 유체가 제어가능하게 유동할 수 있는 작은 유격의 제어 간극(도시되지 않음)을 형성하기 위해 오리피스 리지(218)를 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것을 고려함으로써 더 이해될 수 있다. 제어가능한 유체 유동은 밸브 챔버(250) 안으로 이동할 수 있고, 밸브 챔버로부터 유체 유동은 제2 유체 도관(214)과 유체 연통하는 오프셋된 유체 도관 개구(216)를 통해 배출될 수 있다. 본 예시적인 밸브(200)에서, 액추에이터(도시되지 않음)는 제어 샤프트(282)에 퇴피력을 가하여 다이어프램(267)을 편향시키고 이에 의해 제어 간극을 변화시킴으로써 밸브를 통한 전도도를 조정할 수 있다. 본 도 2 도시에서, 밸브(200)는 유동 없는 조건에서 완전히 폐쇄되고, 그래서 제어 간극은 도시되어 있지 않다.
대표적인 비례 제어 밸브(200)에서, 폴리머 함량을 감소시키는 목표는 비교적 작은 부피를 갖는 폴리머 재료의 링 형상 인서트(230) 및 금속 제어 플레이트 본체(246)를 포함하는 제어 플레이트(240)를 형성함으로써 달성된다. 오리피스 리지(218)는, 오리피스 리지가 인서트의 내주연부와 외주연부 사이에 위치되는 인서트(230)의 더욱 중앙 영역에 인접하는 인서트에 계합한다는 점에서 링 형상 인서트(230)에 대해 "전형적인 스팬"을 갖는 것으로서 고려될 수 있다. 도 2는 축척대로 도시되어 있지 않고, 폴리머의 부피는 적어도 일부 실시예에 도시된 것보다 작을 수 있다는 것을 인식해야 한다. 제어 플레이트(240)의 금속 제어 플레이트 본체(246)는 중앙 관통 구멍(242), 및 중앙 유체 도관 개구(212)에 대면하도록 의도된 측면의 도려낸(즉, 링 형상의) 홈(245)을 갖는 편평한 디스크로서 기계가공될 수 있다. 도려낸 홈(245)은 금속 제어 플레이트 본체(246)가 시트 하우징으로서 기능하게 할 수 있을 것이고, 이에 의해 폴리머 재료 인서트(230)가 내부에 유지되어 감소된 부피의 더 유연한 밀봉 재료를 제공할 수 있다. 도시된 밸브 설계(200)를 제조함에 있어서, 링 형상 폴리머 재료 인서트(230)는 도려낸 홈(245) 안으로 배치되고, 링 형상 폴리머 인서트(230)의 내경 내의 도려낸 홈(245)의 내경 주위의 공간 안으로 금속 내측 유지 링(234)을 삽입하고, 도려낸 홈(245)의 외경 내의 링 형상 폴리머 인서트(230)의 외주연부 주위의 공간 안으로 금속 외측 유지 링(236)을 삽입함으로써 제자리에 유지될 수 있다. 제어 플레이트(240)는 후속하여 제어 샤프트(282) 및 다이어프램(267)으로부터 돌출하며, 중앙 관통 구멍(242)을 통과하는 섕크(281) 안으로 배치된다. 섕크(281) 및 제어 플레이트 본체(246)는 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 중앙 관통 구멍(242) 계면에서 함께 용접될 수 있다. 임의의 결과적인 미소한 용접 비드 과잉물은 제어 플레이트(240) 표면으로부터 기계가공될 수 있고, 링 형상 폴리머 인서트(230) 상의 임의의 스플래터(splatter)도 기계가공될 수 있다. 완전한 조립체는 그 후 양호한 밸브 기능을 위해 필요로 되는 바와 같은 편평도를 위한 최종 마무리(예를 들어, 랩핑에 의해)를 겪을 수 있다. 이 설계 접근법은 약 4mm보다 큰 오리피스 리지 최대 스팬을 갖는 밸브에 특히 유리하다. 오리피스 리지 최대 스팬은 비원형 오리피스 리지 구조의 경우의 직경과 다를 수 있다는 것을 인식해야 한다.
폴리머 재료에 의한 수분 흡수에 관한 상술한 염려 외에, 많은 가스가 폴리머를 통해 확산할 것이라는 것이 또한 알려져 있다. 확산은 매우 낮은 속도로 발생하지만, 바람직하지 않거나 심지어 문제가 되는 것으로 고려되는 검출가능한 양에 달할 수 있다. 부가적으로, 핵 과학 용례에서, 방사성 가스의 문제의 확산은 또한 폴리머 재료의 동시 파괴로 이어질 수 있다. 금속 대 금속 밀봉을 갖는 밸브는 이런 염려가 없지만 이런 설계로 양호한 차단 성능을 달성하는 것은 어렵다. 또한, 매우 깨끗한 밸브 금속 구성요소 사이의 냉간 용접은 잠재적인 문제일 수 있다. 하나의 설계 접근법은 냉간 용접을 회피하고 또한 비유사 경도를 제공하여 차단을 향상시키기 위해서 2개의 비유사 금속 재료로 밸브를 제조하는 것이다. 도 3, 도 4 및 도 5는 금속 대 금속 밸브 설계를 구현하기 위한 제어 플레이트의 실시예를 도시한다.
폴리머 재료 인서트(230)는 오리피스 리지(218)의 평면형 상위 단부에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 평면형 제1 표면을 포함한다.
도 3은 다이어프램 밀봉을 사용하며 또한 중앙 유체 도관 개구(312)를 둘러싸는 오리피스 리지(318)에 맞닿는 제어 플레이트(340)를 갖는 비례 제어 밸브(300)의 대표적인 예를 도시한다. 비례 제어 밸브(300)는, 각각 밸브 챔버(350)에 또는 그로부터 유체를 연통시키는 제1 유체 도관(310) 및 제2 유체 도관(314)을 갖는 밸브 본체(319), 및 개스킷(365)에 의해 밸브 본체(319)에 대해 밀봉되는 밸브 보닛(369)을 포함하며, 보닛(369)은 밸브 챔버(350) 내에서의 부착된 제어 플레이트(340)의 이동을 허용하는 다이어프램(367)을 갖는다. 유체 유동을 제어하는 방식은, 유체 도관 개구(312)가 제1 유체 도관(310)과 유체 연통하며 오리피스 리지(318)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 제어 플레이트(340)의 적어도 일부가 유체가 제어가능하게 유동할 수 있는 작은 유격의 제어 간극(도시되지 않음)을 형성하기 위해 오리피스 리지(318)를 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것을 고려함으로써 더 이해될 수 있다. 제어가능한 유체 유동은 밸브 챔버(350) 안으로 이동할 수 있고, 밸브 챔버로부터 유체 유동은 제2 유체 도관(314)과 유체 연통하는 오프셋된 유체 도관 개구(316)를 통해 배출될 수 있다. 본 예시적인 밸브(300)에서, 액추에이터(도시되지 않음)는 제어 샤프트(382)에 퇴피력을 가하여 다이어프램(367)을 편향시키고 이에 의해 제어 간극을 변화시킴으로써 밸브를 통한 전도도를 조정할 수 있다. 본 도 3 도시에서, 밸브(300)는 유동 없는 조건에서 완전히 폐쇄되고, 그래서 제어 간극은 도시되어 있지 않다.
대표적인 비례 제어 밸브(300)에서, 차단 성능의 향상은 오리피스 리지(318)보다 경도가 작은 금속 제어 플레이트 본체(346) 및 금속 인서트(330)를 포함하는 제어 플레이트(340)를 형성함으로써 달성된다. 오리피스 리지(318)는 오리피스 리지가 인서트의 외주연부에 인접하는 금속 인서트에 계합하는 점에서 금속 인서트(330)에 대해 "최대 스팬"을 갖는 것으로서 고려될 수 있다. 제어 플레이트(340)의 금속 제어 플레이트 본체(346)는 중앙 유체 도관 개구(312)에 대면하도록 의도된 측면에 카운터보어(344)를 갖는 중앙 관통 구멍(342)을 갖는 편평한 디스크로서 기계가공될 수 있다. 카운터보어(344)는 금속 제어 플레이트 본체(346)가 시트 하우징으로서 기능하게 할 수 있을 것이고, 이에 의해 어닐링된 또는 바람직하게는 완전히 어닐링된 내식성 금속 합금 인서트(330)가 내부에 유지되어 더 유연한 밀봉 재료를 제공할 수 있다. 도시된 밸브 설계(300)를 제조하는데 있어서, 제어 플레이트 본체(346)는 제어 샤프트(382) 및 다이어프램(367)으로부터 돌출하며 중앙 관통 구멍(342)을 통과하는 섕크(381)에 배치된다. 섕크(381) 및 제어 플레이트 본체(346)는 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 중앙 관통 구멍(342) 계면에서 함께 용접될 수 있다. 임의의 결과적인 미소한 용접 비드 과잉물은 카운터보어(344)의 저부에 조화되도록 기계가공 제거될 수 있다. 어닐링된 또는 완전히 어닐링된 내식성 금속 합금 인서트(330)는 후속하여 카운터보어(344) 안으로 배치되고, 인서트(330)의 외주연부와 카운터보어(344)의 내경 주위에서의 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 제자리에 유지될 수 있다. 대안적으로, 금속 합금 인서트(330)의 외경과 카운터보어(344)의 내경 사이의 억지 끼워맞춤이 인서트(330)를 유지하는데 충분한 것으로 고려될 수 있다. 완성된 조립체는 그 후 양호한 밸브 기능을 위해 필요한 바와 같은 편평도를 위한 최종 마무리(예를 들어, 랩핑 또는 단일 점 다이아몬드 선삭에 의해)를 겪을 수 있다. 이 설계 접근법은 약 4mm 직경 이하의 오리피스 리지를 갖는 밸브에 특히 유리하다. 전형적인 용례에서, 오리피스 리지(318)는 하나의 합금으로 구성될 것이며, 금속 합금 시트 인서트(330)는 다른 합금으로 구성될 것이다. 재료의 하나의 유용한 선택은 오리피스 리지(318)에 대해서는 타입 316 스테인리스 및 인서트(330)에 대해서는 내식성 니켈 합금(예를 들어, Haynes International로부터 입수할 수 있는 Hastelloy® C-22®)이다.
금속 인서트(330)는 오리피스 리지(318)의 평면형 상위 단부에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 평면형 제1 표면을 포함한다.
도 4는 다이어프램 밀봉을 사용하며 또한 중앙 유체 도관 개구(412)를 둘러싸는 오리피스 리지(418)에 맞닿는 제어 플레이트(440)를 갖는 비례 제어 밸브(400)의 대표적인 예를 도시한다. 비례 제어 밸브(400)는, 각각 밸브 챔버(450)에 또는 그로부터 유체를 연통시키는 제1 유체 도관(410) 및 제2 유체 도관(414)을 갖는 밸브 본체(419), 및 개스킷(465)에 의해 밸브 본체(419)에 대해 밀봉되는 밸브 보닛(469)을 포함하며, 보닛(469)은 밸브 챔버(450) 내에서의 부착된 제어 플레이트(440)의 이동을 허용하는 다이어프램(467)을 갖는다. 유체 유동을 제어하는 방식은, 유체 도관 개구(412)가 제1 유체 도관(410)과 유체 연통하며 오리피스 리지(418)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 제어 플레이트(440)의 적어도 일부가 유체가 제어가능하게 유동할 수 있는 작은 유격의 제어 간극(도시되지 않음)을 형성하기 위해 오리피스 리지(418)를 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것을 고려함으로써 더 이해될 수 있다. 제어가능한 유체 유동은 밸브 챔버(450) 안으로 이동할 수 있고, 밸브 챔버로부터 유체 유동은 제2 유체 도관(414)과 유체 연통하는 오프셋된 유체 도관 개구(416)를 통해 배출될 수 있다. 본 예시적인 밸브(400)에서, 액추에이터(도시되지 않음)는 제어 샤프트(482)에 퇴피력을 가하여 다이어프램(467)을 편향시키고 이에 의해 제어 간극을 변화시킴으로써 밸브를 통한 전도도를 조정할 수 있다. 본 도 4 도시에서, 밸브(400)는 유동 없는 조건에서 완전히 폐쇄되고, 그래서 제어 간극은 도시되어 있지 않다.
대표적인 비례 제어 밸브(400)에서, 차단 성능의 향상은 오리피스 리지(418) 및 금속 커버 조각(430)보다 경도가 작은 금속 제어 플레이트 본체(446)를 포함하는 제어 플레이트(440)를 형성함으로써 달성된다. 오리피스 리지(418)는, 오리피스 리지가 제어 플레이트 본체(446)의 내주연부와 외주연부 사이에 위치되는 제어 플레이트 본체(446)의 더욱 중앙 영역에 인접하는 제어 플레이트 본체에 계합한다는 점에서 제어 플레이트 본체(446)에 대해 "전형적인 스팬"을 갖는 것으로서 고려될 수 있다. 제어 플레이트(440)의 금속 제어 플레이트 본체(446)는, 중앙 유체 도관 개구(412)에 대면하도록 의도된 측면의 카운터보어(444)와 함께 중앙 관통 구멍(442)을 갖는 편평한 디스크로서, 어닐링된 또는 바람직하게는 완전히 어닐링된 내식성 합금으로부터 기계가공될 수 있다. 카운터보어(444)는 이동가능 밸브 요소에 대한 접근을 제공함으로써 부착 프로세스를 가능하게 한다. 도시된 밸브 설계(400)를 제조하는데 있어서, 제어 플레이트 본체(446)는 제어 샤프트(482) 및 다이어프램(467)으로부터 돌출하며 중앙 관통 구멍(442)을 통과하는 섕크(481)에 배치된다. 섕크(481) 및 제어 플레이트 본체(446)는 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 중앙 관통 구멍(442) 계면에서 함께 용접될 수 있다. 임의의 결과적인 미소한 용접 비드 과잉물은 카운터보어(444)의 저부에 조화되도록 기계가공 제거될 수 있다. 적절한 금속 커버 조각(430)이 후속하여 카운터보어(444) 안으로 배치되고, 커버 조각(430)의 외주연부와 카운터보어(444)의 내경 주위에서의 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 제자리에 유지될 수 있다. 대안적으로, 금속 커버 조각(430)의 외경과 카운터보어(444)의 내경 사이의 억지 끼워맞춤이 커버 조각(430)을 유지하는데 충분한 것으로 고려될 수 있다. 완성된 조립체는 그 후 양호한 기능을 위해 필요한 바와 같은 편평도를 위한 최종 마무리(예를 들어, 랩핑 또는 단일 점 다이아몬드 선삭에 의해)를 겪을 수 있다. 이 설계 접근법은 약 4mm보다 큰 오리피스 리지 최대 스팬을 갖는 밸브에 특히 유리하다. 오리피스 리지 최대 스팬은 비원형 오리피스 리지 구조의 경우의 직경과 다를 수 있다는 것을 인식해야 한다. 전형적인 용례에서, 오리피스 리지(418)는 하나의 합금으로 구성될 것이며, 금속 제어 플레이트 본체(446)는 다른 합금으로 구성될 것이다. 재료의 하나의 유용한 선택은 오리피스 리지(418)에 대해서는 타입 316 스테인리스 및 제어 플레이트 본체(446)에 대해서는 내식성 니켈 합금(예를 들어, Haynes International로부터 입수할 수 있는 Hastelloy® C-22®)이다. 금속 커버 조각(430)은 오리피스 리지(418) 또는 제어 플레이트(440) 중 하나와 동일한 재료 또는 또 다른 상이한 합금으로 제조될 수 있다.
커버 조각(430) 및 제어 플레이트 본체(446)는 섕크(481)에 대한 제어 플레이트(440)의 개선된 용접을 허용하기 위해 도 4에서 별개의 구성요소로서 제공된다. 먼저, 제어 플레이트 본체(446)는 섕크(481)에 용접된다. 다음에, 커버 조각(430)은 제어 플레이트 본체(446)에 용접된다. 그 후, 커버 조각(430) 및 제어 플레이트 본체(446)는 편평도를 위한 마무리(예를 들어, 랩핑 또는 단일 점 다이아몬드 선삭, 또는 다른 방법에 의해)를 겪을 수 있다.
일부 실시예에서, 커버 조각(430)은 오리피스 리지(418)에 계합하도록 사용되지 않기 때문에, 도 4의 구조는 커버 조각(430) 없이 제공될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 커버 조각은 인서트 자체가 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하도록 사용되지 않는 인서트를 설명하기 위해 사용된다.
제어 플레이트 본체(446)는 오리피스 리지(418)의 평면형 상위 단부에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 평면형 제1 표면을 포함한다.
도 5는 다이어프램 밀봉을 사용하며 또한 중앙 유체 도관 개구(512)를 둘러싸는 오리피스 리지(518)에 맞닿는 제어 플레이트(540)를 갖는 비례 제어 밸브(500)의 대표적인 예를 도시한다. 비례 제어 밸브(500)는, 각각 밸브 챔버(550)에 또는 그로부터 유체를 연통시키는 제1 유체 도관(510) 및 제2 유체 도관(514)을 갖는 밸브 본체(519), 및 개스킷(565)에 의해 밸브 본체(519)에 대해 밀봉되는 밸브 보닛(569)을 포함하며, 보닛(569)은 밸브 챔버(550) 내에서의 부착된 제어 플레이트(540)의 이동을 허용하는 다이어프램(567)을 갖는다. 유체 유동을 제어하는 방식은, 유체 도관 개구(512)가 제1 유체 도관(510)과 유체 연통하며 오리피스 리지(518)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 제어 플레이트(540)의 적어도 일부가 유체가 제어가능하게 유동할 수 있는 작은 유격의 제어 간극(도시되지 않음)을 형성하기 위해 오리피스 리지(518)를 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것을 고려함으로써 더 이해될 수 있다. 제어가능한 유체 유동은 밸브 챔버(550) 안으로 이동할 수 있고, 밸브 챔버로부터 유체 유동은 제2 유체 도관(514)과 유체 연통하는 오프셋된 유체 도관 개구(516)를 통해 배출될 수 있다. 본 예시적인 밸브(500)에서, 액추에이터(도시되지 않음)는 제어 샤프트(582)에 퇴피력을 가하여 다이어프램(567)을 편향시키고 이에 의해 제어 간극을 변화시킴으로써 밸브를 통한 전도도를 조정할 수 있다. 본 도 5 도시에서, 밸브(500)는 유동 없는 조건에서 완전히 폐쇄되고, 그래서 제어 간극은 도시되어 있지 않다.
금속 제어 플레이트(540)는, 다이어프램(567)에 대면하도록 의도된 측면의 막힌 중앙 카운터보어(542)를 갖는 편평한 디스크로서, 오리피스 리지보다 경도가 작은, 어닐링된 또는 바람직하게는 완전히 어닐링된 내식성 합금으로 기계가공될 수 있다. 도시된 밸브 설계(500)를 제조함에 있어서, 제어 플레이트(540)는 제어 샤프트(582) 및 다이어프램(567)으로부터 돌출하는 섕크(581)에 가압 끼워맞춤될 수 있다. 대안적으로, 섕크(581) 및 제어 플레이트(540)는 제어 플레이트(540)의 얇은 중앙 부분(530)에 침투하고 이를 섕크(581)에 융합시키는데 적합한 전자 빔, 레이저, 또는 임의의 동등한 에너지 용접 프로세스를 사용하여 함께 용접될 수 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 섕크(581)는 용접 프로세스를 돕기 위해 예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 실시예보다 제어 플레이트(540) 안으로 더 깊이 연장할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 얇은 중앙 부분(530)은 추가로 제어 플레이트(540)의 중앙 부분(530)을 섕크(581)에 용접하기 위해 필요한 에너지 또는 시간의 양을 최소화하기 위해서 제어 플레이트의 중앙 부분(530)의 재료의 양을 감소시키기 위한 멈춤쇠 또는 다른 유형의 용접 준비물(도시되지 않은)을 포함할 수 있다. 임의의 결과적인 미소한 용접 비드 과잉물이 기계가공 제거될 수 있으며, 완성된 조립체는 그 후 양호한 밸브 기능을 위해 필요한 바와 같은 편평도를 위한 최종 마무리(예를 들어, 랩핑, 또는 단일 점 다이아몬드 선삭, 또는 다른 방법에 의해)를 겪을 수 있다. 이 설계 접근법은 보다 적은 수의 기계가공된 조각 및 다양한 오리피스 리지 크기 및 형상과의 사용에 대한 그 적합성으로 인해 특히 유리하다. 오리피스 리지 최대 스팬은 비원형 오리피스 리지 구조의 경우의 직경과 다를 수 있으며, 한 벌의 복수의 공면 오리피스 리지가 또한 고려된다는 것을 인식해야 한다. 전형적인 용례에서, 오리피스 리지(518)는 하나의 합금으로 구성될 것이며, 금속 제어 플레이트 본체(540)는 다른 합금으로 구성될 것이다. 재료의 하나의 유용한 선택은 오리피스 리지(518)에 대해서는 타입 316 스테인리스 및 제어 플레이트 본체(540)에 대해서는 내식성 니켈 합금(예를 들어, Haynes International로부터 입수할 수 있는 Hastelloy® C-22®)이다.
제어 플레이트 본체(540)는 오리피스 리지(518)의 평면형 상위 단부에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 평면형 제1 표면을 포함한다.
도 6a 및 도 6b는 다이어프램 밀봉을 사용하며 또한 중앙 유체 도관 개구(612)를 둘러싸는 오리피스 리지(618)에 맞닿는 제어 플레이트(640)를 갖는 비례 제어 밸브(600)의 대표적인 예를 도시한다. 비례 제어 밸브(600)는, 각각 밸브 챔버(650)에 또는 그로부터 유체를 연통시키는 제1 유체 도관(610) 및 제2 유체 도관(614)을 갖는 밸브 본체(619), 및 개스킷(665)에 의해 밸브 본체(619)에 대해 밀봉되는 밸브 보닛(669)을 포함하며, 보닛(669)은 밸브 챔버(650) 내에서의 부착된 제어 플레이트(640)의 이동을 허용하는 다이어프램(667)을 갖는다. 유체 유동을 제어하는 방식은, 유체 도관 개구(612)가 제1 유체 도관(610)과 유체 연통하며 오리피스 리지(618)에 의해 둘러싸이고, 이에 의해 제어 플레이트(640)의 적어도 일부가 유체가 제어가능하게 유동할 수 있는 작은 유격의 제어 간극(도시되지 않음)을 형성하기 위해 오리피스 리지(618)를 향해 또는 그로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것을 고려함으로써 더 이해될 수 있다. 제어가능한 유체 유동은 밸브 챔버(650) 안으로 이동할 수 있고, 밸브 챔버로부터 유체 유동은 제2 유체 도관(614)과 유체 연통하는 외측 유체 도관 개구(616)를 통해 배출될 수 있다. 본 예시적인 밸브(600)에서, 액추에이터(도시되지 않음)는 제어 샤프트(682)에 퇴피력을 가하여 다이어프램(667)을 편향시키고 이에 의해 제어 간극을 변화시킴으로써 밸브를 통한 전도도를 조정할 수 있다. 본 도 6a 도시에서, 밸브(600)는 유동 없는 조건에서 완전히 폐쇄되고, 그래서 제어 간극은 도시되어 있지 않다.
대표적인 비례 제어 밸브(600)에서, 폴리머 내용물을 감소시키는 목적은 금속 제어 플레이트 본체(646) 및 폴리머 재료의 몰딩된 인서트(630)를 포함하는 제어 플레이트(640)를 형성함으로써 달성된다. 도 6b에서 볼 수 있는 바와 같이, 제어 플레이트(640)의 금속 제어 플레이트 본체(646)는 중앙 관통 구멍(642), 및 내측 유체 도관 개구(612)에 대면하도록 의도된 측면의 복수의 동심 링 형상 홈(648)을 갖는 편평한 디스크로서 기계가공될 수 있다. 홈(648)은 금속 제어 플레이트 본체(646)가 시트 하우징으로서 기능할 수 있게 하며, 이에 의해 폴리머 재료 인서트(630)는 더 설명되는 바와 같이 내부에 유지되어 감소된 부피의 더 유연한 밀봉 재료를 제공할 수 있다. 제어 플레이트 본체(646)의 동심 홈(648) 사이의 잔여 금속(649)은 몰딩된 인서트(630)의 총 부피의 의미 있는 감소를 제공한다. 내측 유체 개구(612)로부터 멀어지는 방향을 향하는 디스크의 편평한 배면에 형성된 배출 구멍(644)이, 잔여 금속(649)의 대부분을 온전하게 남겨 두면서 인접하는 홈(648)의 저부에 교차하는 충분한 직경으로 충분히 깊게 홈(648) 사이에 중심맞춤되어 형성된다. 도시된 제어 플레이트(640)의 제조에 있어서, 폴리머 재료 인서트(630)는 알려진 방법에 의해 제어 플레이트 본체(646) 안으로 직접적으로 압축 몰딩(예를 들어 폴리클로로트리플루오로에텐(PCTFE) 분말로 시작하고 열 및 압력의 영향하에 중합됨)함으로써 형성될 수 있다. 몰딩 프로세스 동안, 폴리머 재료의 브리지(634)가 잔여 금속(649)의 부분을 둘러쌀 것이고 배출 구멍(644)을 충전할 것이다. 잔여 금속(649)을 둘러싸는 폴리머 재료 브리지(634)는 따라서 몰딩된 폴리머 인서트(630)를 금속 제어 플레이트 본체(646) 안에 고정시킨다. 도 6c는 몰딩된 폴리머 인서트(630)의 기하학적 형상을 도시하기 위해 도시되지 않은 금속 제어 플레이트 본체(646)와 함께 몰딩된 폴리머 인서트(630)의 사시도를 도시한다. 몰딩된 폴리머 인서트(630)는 홈(648)과 상보적이며 제어 플레이트 본체(646)에 형성된 홈(648)을 충전하는 복수의 환형 리지(638)를 갖는다.
몰딩된 폴리머 인서트(630)를 포함하는 금속 제어 플레이트 본체(646)를 포함하는 제어 플레이트(640)는 중앙 관통 구멍(642) 안으로의 가압 끼워맞춤에 의해 제어 샤프트(682) 및 다이어프램(667)으로부터 돌출하는 섕크(681)에 부착될 수 있다. 대안적으로, 상술한 몰딩 전에, 제어 플레이트 본체(646)는 먼저 섕크(681)에 배치되고 전자 빔, 레이저, TIG, 또는 임의의 동등한 용접 프로세스를 사용하여 중앙 관통 구멍(642)에서 함께 용접될 수 있다. 임의의 결과적인 미소한 용접 비드 과잉물은 인서트(630)를 제어 플레이트 본체(646) 안으로 몰딩하기 전에 제어 플레이트 본체(646) 표면으로부터 기계가공될 수 있다. 프로세스 순서 선택은 압축 몰딩 기술에서의 기술자의 선호에 의존할 것이다. 완전한 조립체는 그 후 양호한 밸브 기능을 위해 필요로 되는 바와 같은 편평도를 위한 최종 마무리(예를 들어, 랩핑에 의해)를 겪을 수 있다. 이 설계 접근법은 다양한 오리피스 리지 크기 및 형상을 갖는 밸브 본체와의 사용에 특히 유리하다. 오리피스 리지 최대 스팬은 비원형 오리피스 리지 구조의 경우의 직경과 다를 수 있다는 것을 인식해야 한다. 도 6a의 도시된 예의 신중한 검토에 의해 오리피스 리지(618)는 원형이지만 오리피스 리지는 직경이 상당히 크기 때문에 대응하여 큰 비원형 외측 유체 개구(617)를 수용하기 위해 다이어프램(667) 및 제어 플레이트(640)의 기하학적 중심으로부터 벗어나서 배치된다는 것이 드러났다.
대표적인 비례 제어 밸브(600)에 사용하기에 적합한 대안적인 제어 플레이트(660)가 도 6d에 도시되어 있다. 제어 플레이트(660)의 금속 제어 플레이트 본체(676)는 중앙 관통 구멍(672), 및 내측 유체 도관 개구(612)에 대면하도록 의도된 측면의 넓고 얕은 링 형상 홈(675)을 갖는 편평한 디스크로서 기계가공될 수 있다. 홈(675)은 금속 제어 플레이트 본체(676)가 시트 하우징으로서 기능할 수 있게 하며, 이에 의해 폴리머 재료 인서트(670)는 더 설명되는 바와 같이 내부에 유지되어 감소된 부피의 더 유연한 밀봉 재료를 제공할 수 있다. 내측 유체 개구(612)로부터 멀어지는 방향을 향하는 디스크의 편평한 배면에 형성된 복수의 관통 구멍(674)이 넓고 얕은 링 형상 홈(675)에 침투한다. 도시된 제어 플레이트(660)의 제조에 있어서, 폴리머 재료 인서트(670)는 알려진 방법에 의해 제어 플레이트 본체(676) 안으로 직접적으로 압축 몰딩(예를 들어 PCTFE 분말로 시작하고 열 및 압력의 영향하에 중합됨)함으로써 형성될 수 있다. 몰딩 프로세스 동안, 폴리머 재료의 복수의 컬럼(673)이 관통 구멍(674)을 충전할 것이고, 이에 의해 폴리머 재료를 금속 제어 플레이트 본체(676)에 형성된 홈(675) 안에 마찰식으로 고정시킨다. 몰딩 프로세스에 의해 형성되는 폴리머 재료 인서트(670)의 기하학적 형상이 도 6e에 도시되어 있으며, 제어 플레이트 본체(676)는 도시 목적을 위해 도시되어 있지 않다. 몰딩된 폴리머 인서트(670)를 포함하는 금속 제어 플레이트 본체(676)를 포함하는 제어 플레이트(660)는 중앙 관통 구멍(672) 안으로의 가압 끼워맞춤에 의해 제어 샤프트(682) 및 다이어프램(667)으로부터 돌출하는 섕크(681)에 부착될 수 있거나 전술한 바와 같은 다른 방식으로 부착될 수 있다.
대표적인 비례 제어 밸브(600)에 사용하기에 적합한 대안적인 제어 플레이트(680)가 도 6f에 도시되어 있다. 제어 플레이트(680)의 금속 제어 플레이트 본체(696)가 중앙 관통 구멍(692), 넓고 얕은 카운터보어(695), 및 내측 유체 도관 개구(612)에 대면하도록 의도된 측면의 카운터보어(695)의 저부 안으로 커팅된 복수의 쐐기 형상(대략 원형 영역임) 캐비티(697, 698)를 갖는 편평한 디스크로서 기계가공될 수 있다. 카운터보어(695) 및 복수의 캐비티(697, 698)는 금속 제어 플레이트 본체(696)가 시트 하우징으로서 기능할 수 있게 하며, 이에 의해 폴리머 재료 인서트(690)가 더 설명되는 바와 같이 내부에 유지되어 감소된 부피의 더 유연한 밀봉 재료를 제공할 수 있다. 제어 플레이트 본체(696)의 넓고 얕은 카운터보어(695) 내의, 복수의 쐐기 형상 캐비티(697, 698) 사이의 금속은 반경방향 리브(699)를 형성한다. 내측 유체 개구(612)로부터 멀어지는 방향을 향하는 디스크의 편평한 배면에 형성된 배출 구멍(691)이, 잔여 금속 리브(699)의 대부분을 온전하게 남겨 두면서 인접하는 쐐기 형상 캐비티(697, 698)의 저부에 교차하는 충분한 직경으로 충분히 깊게 반경방향 리브(699)에 걸쳐 중심맞춤되어 형성된다. 내측 유체 개구(612)로부터 멀어지는 방향을 향하는 디스크의 편평한 배면에 또한 형성된 복수의 관통 구멍(694)이 쐐기 형상 캐비티(697, 698)의 각각의 저부에 침투한다. 도시된 밸브 설계(600)의 제조에 있어서, 폴리머 재료 인서트(690)는 알려진 방법에 의해 제어 플레이트 본체(696) 안으로 직접적으로 압축 몰딩(예를 들어 PCTFE 분말로 시작하고 열 및 압력의 영향하에 중합됨)함으로써 형성될 수 있다. 몰딩 프로세스 동안, 폴리머 재료는 관통 구멍(694)을 충전할 것이고 배출 구멍(691)을 충전하도록 금속 반경방향 리브(699)를 둘러쌀 것이다. 몰딩된 폴리머 재료는 배출 구멍을 충전하도록 브리지(689)를 형성하고 관통 구멍(694)을 충전하도록 포스트(693)를 형성한다. 몰딩된 폴리머 재료는 또한 각각의 쐐기 형상 캐비티(697, 698)를 충전하도록 인서트(690)의 쐐기 부분을 형성한다. 금속 리브(699)를 둘러싸는 폴리머 재료는 따라서 몰딩된 인서트(690)를 금속 제어 플레이트 본체(696) 안에 고정시킨다. 몰딩 프로세스에 의해 형성되는 폴리머 재료 인서트(690)의 기하학적 형상이 도 6g에 도시되어 있으며, 제어 플레이트 본체(696)는 도시 목적을 위해 도시되어 있지 않다. 몰딩된 폴리머 인서트(690)를 포함하는 금속 제어 플레이트 본체(696)를 포함하는 제어 플레이트(680)는 중앙 관통 구멍(692) 안으로의 가압 끼워맞춤에 의해 제어 샤프트(682) 및 다이어프램(670)으로부터 돌출하는 섕크(681)에 부착될 수 있거나 전술한 바와 같은 다른 방식으로 부착될 수 있다.
도 6a 내지 도 6g 각각에서, 각각의 폴리머 재료 인서트(630, 670, 690)는 오리피스 리지(618)의 평면형 상위 단부에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 평면형 제1 표면을 포함한다.
도 6a 내지 도 6g에 도시된 특징부의 특정한 크기는 상이할 수 있으며 반드시 축척대로 도시되지 않는 다는 것을 인식해야 한다.
도 2를 참조하면, 링 형상 인서트(230)는 제어 플레이트(240)의 제어 플레이트 본체(246)에 몰딩될 수 있고 도 6a 내지 도 6g의 구조와 같은 특징부를 유지함으로써 제어 플레이트(240)의 제어 플레이트 본체(246) 내에 고정될 수 있다. 즉, 예를 들어 링 형상 인서트(230)는 도 6a 내지 도 6g와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 제어 플레이트 본체(246)에 형성된 관통 구멍에 위치설정되는 컬럼, 제어 플레이트 본체(246)에 형성된 관통 구멍에 위치설정되는 포스트, 및/또는 제어 플레이트 본체에 형성도니 배출 구멍에 위치설정되는 브리지를 가질 수 있다.
위에서 설명된 카운터보어 및 홈은 제어 플레이트 본체에 형성될 수 있는 오목부의 예이다. 일부 실시예에서, 인서트가 제어 플레이트 본체에 형성된 다른 유형의 오목부에 고정될 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 플레이트 본체에 형성된 하나 이상의 카운터보어 및/또는 하나 이상의 홈에 인서트를 유지하기 위해서 유지 기구가 사용된다. 유지 기구의 일부 예는 인서트의 외주연부에 위치되는 유지 링, 인서트의 내주연부에 위치되는 내측 유지 링, 및 인서트, 포스트, 컬럼, 브리지 및 용접부의 외주연부에 위치되는 외측 유지 링을 포함한다. 다른 유지 기구가 가능하다. 본 개시내용의 실시예는 제어 플레이트가 다이어프램 아래에 배치되고 이에 부착되거나 이와 일체로 형성되는 다이어프램 밀봉식 밸브와 관련하여 주로 설명되었지만, 본 개시내용의 양태는 미국 특허 번호 3,295,191에 기재된 것과 유사한 벨로우즈 밀봉식 밸브와 같은 다른 유형의 밸브와 사용되도록 용이하게 적응될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 또한, 본 개시내용의 실시예는 액추에이터가 오리피스 리지를 향해 그리고 이로부터 멀어지는 방향으로 제어 플레이트의 오리피스 리지 밀봉 표면을 이동시키기 위해 사용되는 제어 밸브와 관련하여 설명되었지만, 이런 이동은 제어 플레이트의 오리피스 리지 밀봉 표면에 걸쳐 균일할 필요는 없다. 예를 들어, 본 개시내용의 실시예는, 달리 획득되는 것보다 더 높은 전도도를 갖는 쐐기 형상 간극을 달성하기 위해 증폭기 디스크가 사용되는 미국 특허 공보 번호 US2016/0138730 A1에 개시된 것과 같은 밸브 스트로크 증폭 기구와 함께 용이하게 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 6a에 도시된 실시예는 모두 다이어프램(167, 267, 367, 467, 567, 667)이 보닛 본체와 일체로 형성되는 밸브 보닛 본체(169, 269, 369, 469, 569, 669)를 도시하는 것으로서 도시되어 있지만, 본 발명은 이와 같이 제한되지 않는 다는 것을 인식해야 한다. 실제로, 본 개시내용의 실시예는 본원에 도시되는 바와 같이 보닛 본체에 이후에 부착(예를 들어, 용접에 의해)되는 시트 금속의 조각으로부터 스탬핑되거나, 펀칭되거나, 커팅되는 다이어프램과, 다이어프램과 보닛 본체가 시작 재료의 단일 블록으로부터 일체로 형성되는 다이어프램을 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예의 이와 같이 설명된 몇몇 양태를 가지고, 다양한 변경, 변형 및 개선이 통상의 기술자에게 용이하게 나타날 것으로 인식된다. 이러한 변경, 변형 및 개선은 본 개시내용의 일부인 것으로 의도되며 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예이다.

Claims (24)

  1. 제어 밸브 본체와 함께 사용하기 위한 밸브 보닛이며, 제어 밸브 본체는 평면형 오리피스 리지에 의해 둘러싸이는 유체 도관 개구를 갖고, 밸브 보닛은,
    보닛 본체;
    밸브 다이어프램의 외주연부에서 보닛 본체와 밀봉 계합하는 밸브 다이어프램;
    밸브 다이어프램에 고정되는 제어 샤프트로서, 제어 샤프트로부터 돌출하는 섕크를 갖는, 제어 샤프트;
    섕크에 고정되는 밸브 제어 플레이트 본체로서, 밸브 제어 플레이트 본체는 제1 경도를 갖는 제1 재료로 형성되며, 밸브 제어 플레이트 본체는 유체 도관 개구를 향하도록 구성되는 제1 표면, 및 밸브 다이어프램을 향하는 반대측의 제2 표면을 갖고, 제2 표면은 밸브 다이어프램에 바로 인접하고, 섕크는 제2 표면을 관통하고, 밸브 제어 플레이트 본체는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성된 오목부, 및 오목부 내로부터 밸브 제어 플레이트 본체를 통해 연장되는 복수의 구멍을 갖는, 밸브 제어 플레이트 본체; 및
    제1 경도보다 작은 제2 경도를 갖는 제2 재료로 형성되는 밸브 시트 인서트로서, 밸브 시트 인서트는 유체 도관 개구를 향하고 평면형 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 제1 표면을 가지며, 밸브 시트 인서트는 오목부 안으로 몰딩되어 내부에 유지되며, 밸브 제어 플레이트 본체에 형성된 복수의 구멍 내로 연장하고 상기 복수의 구멍을 충전하여 밸브 시트 인서트를 밸브 제어 플레이트 본체 내에 고정하는, 밸브 시트 인서트에 형성된 포스트, 컬럼, 및 브리지 중 적어도 하나를 복수개 포함하고, 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면과 밸브 시트 인서트의 제1 표면은 서로 편평하도록 마무리되는, 밸브 시트 인서트를 포함하는, 밸브 보닛.
  2. 제1항에 있어서, 밸브 시트 인서트는 원형인 평면형 오리피스 리지에 계합하도록 구성되는, 밸브 보닛.
  3. 제1항에 있어서, 밸브 다이어프램은 보닛 본체와 일체로 형성되며, 제어 샤프트는 밸브 다이어프램과 일체로 형성되는, 밸브 보닛.
  4. 제1항에 있어서, 밸브 다이어프램은 보닛 본체와 별개로 형성되며 보닛 본체에 용접되는, 밸브 보닛.
  5. 제1항에 있어서, 오목부는 밸브 제어 플레이트 본체에 형성된 도려낸 홈이고, 밸브 시트 인서트는 도려낸 홈을 충전하는, 밸브 보닛.
  6. 제어 밸브이며,
    제1 유체 도관 개구와 유체 연통하는 제1 유체 도관, 제2 유체 도관 개구와 유체 연통하는 제2 유체 도관, 및 제1 유체 도관 개구를 둘러싸는 오리피스 리지를 갖는 밸브 본체로서, 제1 유체 도관과 제2 유체 도관 중 하나는 유체 입구 도관이고, 제1 유체 도관과 제2 유체 도관 중 다른 하나는 유체 출구 도관인, 밸브 본체;
    밸브 본체에 고정되는 보닛 본체;
    밸브 다이어프램의 외주연부에서 보닛 본체와 밀봉 계합하는 밸브 다이어프램;
    밸브 다이어프램에 고정되는 제어 샤프트와 제어 샤프트로부터 돌출하는 섕크;
    섕크에 고정되는 밸브 제어 플레이트 본체로서, 밸브 제어 플레이트 본체는 제1 경도를 갖는 제1 재료로 형성되며, 밸브 제어 플레이트 본체는 제1 유체 도관 개구를 향하도록 구성되는 제1 표면, 및 밸브 다이어프램을 향하는 반대측의 제2 표면을 갖고, 제2 표면은 밸브 다이어프램에 바로 인접하고, 밸브 제어 플레이트 본체는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성된 오목부, 및 오목부 내로부터 밸브 제어 플레이트 본체를 통해 연장되는 복수의 구멍을 갖는, 밸브 제어 플레이트 본체; 및
    제1 경도보다 작은 제2 경도를 갖는 제2 재료로 형성되는 밸브 시트 인서트로서, 밸브 시트 인서트는 제1 유체 도관 개구를 향하고 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하도록 구성되는 제1 표면을 가지며, 밸브 시트 인서트는 오목부 안으로 몰딩되고, 밸브 제어 플레이트 본체에 형성된 복수의 구멍 내로 연장하고 상기 복수의 구멍을 충전하여 밸브 시트 인서트를 밸브 제어 플레이트 본체 내에 고정하는, 밸브 시트 인서트에 형성된 포스트, 컬럼, 및 브리지 중 적어도 하나를 복수개 포함하고, 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면과 밸브 시트 인서트의 제1 표면은 서로 편평하도록 마무리되는, 밸브 시트 인서트를 포함하는, 제어 밸브.
  7. 제6항에 있어서, 오리피스 리지는 원형인, 제어 밸브.
  8. 제6항에 있어서, 오목부는 밸브 제어 플레이트 본체에 형성된 도려낸 홈이고, 밸브 시트 인서트는 도려낸 홈을 충전하는, 제어 밸브.
  9. 제6항에 있어서, 밸브 다이어프램은 보닛 본체와 일체로 형성되며, 제어 샤프트는 밸브 다이어프램과 일체로 형성되는, 제어 밸브.
  10. 제6항에 있어서, 밸브 다이어프램은 보닛 본체와 별개로 형성되며 보닛 본체에 용접되는, 제어 밸브.
  11. 제6항에 있어서, 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하는 밸브 시트 인서트의 제1 표면은 평면형인, 제어 밸브.
  12. 제6항에 있어서, 제1 재료는 금속인, 제어 밸브.
  13. 제12항에 있어서, 제2 재료는 중합된 폴리클로로트리플루오로에텐(PCTFE) 분말인, 제어 밸브.
  14. 제6항에 있어서, 제2 재료는 중합된 폴리클로로트리플루오로에텐(PCTFE) 분말인, 제어 밸브.
  15. 제1항에 있어서, 평면형 오리피스 리지에 밀봉식으로 계합하는 밸브 시트 인서트의 제1 표면은 평면형인, 밸브 보닛.
  16. 제1항에 있어서, 밸브 제어 플레이트 본체는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성되는 복수의 오목부를 가지며, 복수의 구멍 중 적어도 하나는 2개의 인접한 오목부 사이의 리브에 걸쳐 중심맞춤되되, 리브의 일부분을 온전하게 남겨 두면서 2개의 인접하는 오목부의 저부와 교차하는 충분한 직경으로 충분히 깊게 중심맞춤되고, 밸브 시트 인서트는 밸브 시트 인서트가 상기 리브의 일부분에 의해 밸브 제어 플레이트 본체에 고정되도록, 상기 리브의 일부분을 둘러싸도록 오목부와 구멍에 몰딩되는, 밸브 보닛.
  17. 제6항에 있어서, 밸브 제어 플레이트 본체는 밸브 제어 플레이트 본체의 제1 표면에 형성되는 복수의 오목부를 가지며, 복수의 구멍 중 적어도 하나는 2개의 인접한 오목부 사이의 리브에 걸쳐 중심맞춤되되, 리브의 일부분을 온전하게 남겨 두면서 2개의 인접하는 오목부의 저부와 교차하는 충분한 직경으로 충분히 깊게 중심맞춤되고, 밸브 시트 인서트는 밸브 시트 인서트가 상기 리브의 일부분에 의해 밸브 제어 플레이트 본체에 고정되도록, 상기 리브의 일부분을 둘러싸도록 오목부와 구멍에 몰딩되는, 제어 밸브.
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