KR102451830B1 - 전체-유동 개방 위치와 제한-유동 개방 위치를 갖는 2-위치 게이트 및 스프렁 게이트 밸브 - Google Patents

전체-유동 개방 위치와 제한-유동 개방 위치를 갖는 2-위치 게이트 및 스프렁 게이트 밸브 Download PDF

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매튜 시. 길머
제임스 에이치. 밀러
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데이코 아이피 홀딩스 엘엘시
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Abstract

2-위치 게이트 밸브는, 폐쇄 위치를 형성하지 않고, 관통하는 전체-유동 통로를 형성하고 관통하는 제한-유동 통로를 형성하는 게이트를 갖는다. 전체-유동 통로는 제1 면적을 갖는 입구와 제2 면적을 갖는 출구를 가지며, 제2 면적은 제1 면적보다 작으며, 전체-유동 통로는 입구부터 출구까지 계속 가늘어진다. 제한-유동 통로는 제3 면적을 갖는 입구와 제4 면적을 갖는 출구를 가지며, 제4 면적은 제1 면적, 제2 면적 및 제3 면적보다 작으며, 제한-유동 통로는 출구부터 입구까지 계속해서 가늘어진다. 전체-유동 통로를 통과하는 유동은 제1 방향이고, 제한 유동 통로를 통과하는 유동 또한 제1 방향이며, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 5 내지 15의 범위이다.

Description

전체-유동 개방 위치와 제한-유동 개방 위치를 갖는 2-위치 게이트 및 스프렁 게이트 밸브
본 출원은 2-위치 게이트 및 스프렁 게이트(sprung gate) 밸브에 관한 것으로, 특히 폐쇄 위치가 없고, 전체-유동(full-flow) 개방 위치 및 제한-유동(restricted-flow) 개방 위치를 갖는 밸브에 관한 것이다.
자동차 엔진에서, 진공 생성기 및/또는 액세서리의 온/오프 작동은, 밸브를 통한 유체(이 예시적인 응용에서는 공기)의 유동을 막기 위해 강성 게이트(rigid gate)가 도관을 가로질러 배치되는 게이트 밸브에 의해 자주 제어된다. 자동 또는 "제어형(commanded)" 밸브 내에서, 게이트는 일반적으로 솔레노이드에 의해 작동되고 솔레노이드 코일에 적용된 전류에 따라 열리거나 닫힌다. 이러한 솔레노이드 구동식 게이트 밸브는 또한 코일 스프링, 다이어프램, 또는 게이트를 전원이 공급되지 않는 '평상시 개방(normally open)' 또는 '평상시 폐쇄(normally closed)' 위치로 편향시키는 기타 편향 요소를 포함하는 경향이 있다.
엔진 크랭크케이스 내의 압력은 이상적으로는 대기압 근처(ATM 압력 +/- 5 kPa)에서 유지된다. 또한, 과도한 오염 물질이 대기로 배출되는 것을 방지하도록 크랭크케이스 가스가 적절하게 관리되는 것을 보장하기 위해 크랭크케이스 환기 시스템(모든 유동 통로 및 통로 연결을 포함하여 신선한 공기부터 매니폴드까지의 경로)에서의 모든 누출을 감지할 수 있어야 한다.
이러한 조건을 달성하기 위해서는, 크랭크케이스 내로 공기의 자유로운 유동(최소 제한)을 허용하도록 평상시 개방되고, 압력 무결성 검사를 수행하기 위해(그리고 크랭크케이스 내에 과도한 부압을 생성하지 않기 위해) 제한된 개방으로 전환될 수 있는 밸브가 필요하다.
모든 양태에서, 폐쇄 위치를 형성하지 않고, 관통하는 전체-유동 통로를 형성하고 관통하는 제한-유동 통로를 형성하는 게이트를 갖는 2-위치 게이트 밸브가 본 명세서에 개시된다. 2-위치 게이트 밸브는 포켓에 의해 제1 섹션과 제2 섹션으로 분리된 도관을 포함하며, 이 경우 상기 게이트는 상기 포켓 내에서 전체-유동 위치와 제한-유동 위치 사이의 이동을 위해 작동 가능하게 연결된 액추에이터에 의해 선형적으로 이동 가능하다. 상기 전체-유동 통로는 제1 면적(area)을 가진 입구와 제2 면적을 가진 출구를 구비하고, 제2 면적은 제1 면적보다 작으며, 상기 전체-유동 통로는 상기 입구부터 상기 출구까지 연속해서 가늘어진다. 상기 제한-유동 통로는 제3 면적을 가진 입구와 제4 면적을 가진 출구를 구비하고, 제4 면적은 제1 면적, 제2 면적 및 제3 면적보다 작으며, 상기 제한-유동 통로는 그것의 입구로부터 출구까지 연속해서 가늘어진다. 상기 전체-유동 통로를 통과하는 유동은 제1 방향이고 상기 제한-유동 통로를 통과하는 유동 역시 제1 방향이며, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 5 내지 15의 범위에 있다.
모든 양태에서, 전체-유동 통로의 입구 및 출구는 각각의 길이 방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이다. 또한, 제한-유동 통로의 입구는 그 길이 방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이고, 제한-유동 통로의 출구는 그 주축(major axis)이 유동 방향을 가로질러 배향된 타원형이거나 길이방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이다.
또 다른 양태에서, 폐쇄 위치를 형성하지 않고, 관통하는 전체-유동 통로를 형성하고 관통하는 제한-유동 통로를 형성하는 스프렁 게이트 조립체를 갖는 2-위치 게이트 밸브가 본 명세서에 개시된다. 2-위치 게이트 밸브는, 상기 게이트가 전체-유동 위치와 제한-유동 위치 사이의 이동을 위해 작동 가능하게 연결된 액추에이터에 의해 선형적으로 이동 가능한 포켓에 의해, 제1 섹션과 제2 섹션으로 분리된 도관을 포함한다. 스프렁 게이트 조립체는 개방 공간을 형성하는 내부 둘레를 갖는 무단 탄성 밴드, 전체-유동 출구 및 제한-유동 출구를 형성하는 제1 게이트 부재, 및 제1 면적을 가진 입구 및 제2 면적을 가진 출구가 있는 전체-유동 통로를 형성하고 제3 면적을 가진 입구 및 제4 면적을 가진 출구가 있는 제한-유동 통로를 형성하는 제2 게이트 부재를 가진다. 상기 전체-유동 통로와 제한-유동 통로 모두 그 입구부터 출구까지 연속해서 가늘어지며, 제4 면적은 제1 면적, 제2 면적, 제3 면적보다 작으며, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 5 내지 15 범위이다. 상기 무단 탄성 밴드는 전체-유동 통로 및 제한-유동 통로가 그 개방 공간 내에 수용된 상태로 제1 및 제2 게이트 부재 사이에 끼워진다. 여기서, 제1 및 제2 게이트 부재는, 폐쇄 위치를 형성하지 않고, 전체-개방 위치와 제한-유동 위치를 공동으로 형성한다. 상기 전체-유동 통로를 통한 유동은 제1 방향이고 상기 제한-유동 통로를 통한 유동 또한 제1 방향이다.
모든 양태에서, 전체-유동 출구 및 제한-유동 출구는 둘 다 제1 방향과 평행하게 배향되고 제1 방향과 반대 방향으로 연장하는 플랜지를 가지며, 제한-유동 통로는, 제1 게이트를 향해 연장되고 그 말단이 제한-유동 출구의 환형 플랜지 내에 안착된 제1 세장형 목부(elongate throat)이고, 전체-유동 통로는, 제1 게이트를 향해 연장되고 그 말단이 전체-유동 출구의 환형 플랜지 내에 안착된 제2 세장형 목부이다. 제1 및 제2 세장형 목부는 각각 제2 게이트 부재의 외부 표면으로부터 제1 게이트 부재의 외부 표면까지의 거리보다 더 작은 길이를 가지며, 이에 의해 제1 및 제2 세장형 목부 각각의 말단에서 간극을 형성한다. 상기 간극은 전체-유동 출구 또는 제한-유동 출구 중 어느 하나의 플랜지 길이보다 최소 0.5 mm 작다.
스프렁 게이트 조립체의 모든 양태에서, 상기 무단 탄성 밴드는 대략 8자 형상이고, 벨로우즈가 제1 방향을 가로질러 배향된 벨로우즈형 탄성 밴드일 수 있다. 제1 및 제2 게이트 부재는 각각 상기 무단 탄성 밴드가 안착되는 트랙을 포함한다.
모든 양태에서, 상기 전체-유동 통로의 입구 및 출구는 각각의 길이방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이다. 또한, 제한-유동 통로의 입구는 그 길이방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이고, 제한-유동 통로의 출구는 그 주축이 유동 방향을 가로질러 배향된 타원형이거나 그 길이방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이다.
모든 양태에서, 제1 및 제2 게이트 부재 각각 공동으로 다수-부분(multi-part) 소켓을 형성하는 그 후단부(trailing end)로부터 돌출하는 연결 부재를 포함하며, 여기서 상기 다수-부분 소켓은 스프렁 게이트가 360도 이상 그 길이방향 중심 축선에 대해 회전할 수 있도록 한다.
도 1은 액추에이터 하우징 및 밸브기구를 포함하는 밸브의 사시도이다.
도 2는 밸브기구의 도관의 길이방향 축선과 유동 방향을 따라 취해진 도 1의 밸브의 단면도이며, 게이트는 능동적으로 전원이 공급된 개방 위치에 있다.
도 3은 밸브기구의 도관의 길이방향 축선을 따라 취해진 도 1 및 도 2의 밸브의 단면도이며, 밸브는 전원이 공급되지 않은 폐쇄 위치에 있다.
도 4는 밸브기구의 도관의 길이방향 축선과 유동 방향을 따라 취해진, 밸브의 유사한 실시 예의 단면도이며, 게이트는 능동적으로 전원이 공급된 폐쇄 위치에있다.
도 5는 밸브기구의 도관의 길이방향 축선에 수직인 평면을 따라 취해진 도 4의 밸브의 단면도이며, 게이트는 전원이 공급되지 않는 개방 위치에 있다.
도 6은 흡인기-기반 진공 생성기 및 파워 브레이크 부스터 조립체와 관련된 불특정 실시 예의 개략도이다.
도 7 내지 9는 각각 스프렁 게이트 조립체의 일 실시 예의 측면 사시도, 저면도 및 측면 분해 사시도이다.
도 10 내지 11은 각각 스프렁 게이트 조립체의 다른 실시 예의 측면 사시도 및 측면 분해 사시도이다.
도 12 내지 14는 각각 변형 스프렁 게이트 부재의 정면도, 변형 스프렁 게이트 조립체의 측 단면도, 변형 스프렁 게이트 조립체의 상부 사시도이다. 한 쌍의 래치(281)가 도 12에 도시되어 있다.
도 15 내지 17은 스프렁 게이트 조립체의 또 다른 실시 예의 측면 사시도, 정면도 및 종단면도이다.
도 18은 벨로우즈형 무단 탄성 밴드에 대한 실시 예이다.
도 19는 도 18의 벨로우즈형 무단 탄성 밴드의 종단면도이다.
도 20은 스프렁 게이트 조립체의 일 실시 예의 측 단면도이다.
도 21은 개방 위치에 있는 스프렁 게이트를 가진 도관의 원동 단부를 바라 본 정면도이다.
도 22는 폐쇄 위치에 있는 게이트를 가진 도관의 길이방향 축선을 따라 취한 게이트 밸브의 일 실시 예의 단면도이다.
도 23은 스프렁 게이트 조립체의 다른 실시 예의 단면도이다.
도 24는 도 23의 스프렁 게이트 조립체의 변형의 측 단면도이다.
도 25A 내지 25C는 도 22 내지 24의의 스프렁 게이트 조립체를 비교하는 유동 분석도이다.
도 26은 전체-유동 개구 및 제한-유동 개구를 가지는 2-위치 스프렁 게이트 조립체의 일 실시 예의 측 단면도이다.
도 27은 전체-개방 위치에 있는 게이트를 가진 도관의 길이방향 축선을 따라 취한, 도 26의 2-위치 스프렁 게이트 밸브의 단면도이다.
도 28은 제한-유동 위치에 있는 게이트를 가진 도관의 길이방향 축선을 따라 취한, 도 26의 2-위치 스프렁 게이트 밸브의 단면도이다.
도 29는 도 26의 제2 게이트 부재의 후면 사시도이다.
도 30은 도 26의 제2 게이트 부재에 대한 다른 실시 예의 후면 사시도이다.
도 31은 도 30의 제2 게이트 부재의 정면 평면도이다.
도 32는 도 28 및 30의 제2 게이트 부재들 중 어느 하나와 짝을 이루는 제1 게이트 부재의 정면 평면도이다.
도 33은 전체-유동 개구 및 제한-유동 개구를 갖는 단일 게이트 플레이트, 게이트 밸브 실시 예이다.
다음의 상세한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 예시할 것이며, 그 예들은 첨부 도면에서 추가로 예시되어 있다. 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 "유체"는 임의의 액체, 현탁액, 콜로이드, 가스, 플라즈마 또는 이들의 조합을 의미한다.
도 1 내지 3은, 흡입구로부터 브레이크 진공 부스트 시스템으로 흐르는 유체(예를 들면 공기)의 유동을 선택적으로 제어하도록 구성된 게이트 밸브(100)의 일 실시 예를 도시한다. 게이트 밸브(100)는 액추에이터(103)를 포함하는 하우징(102)을 가질 수 있으며, 액추에이터(103)는 솔레노이드 코일(104)과, 밸브기구(120)에 연결 가능한 전기자(106)를 갖는다. 전기자(106)는 솔레노이드 코일(104) 내에 수용된 삽입 단부(106a)와 인접한 몸체 부분(107)을 포함하며, 몸체 부분(107)은 코일에 전류를 가하면 솔레노이드 코일 내에 더 완전히 수용된다. 하나의 구성에서, 삽입 단부(106a) 및 몸체 부분(107)은 자성 또는 상자성 재료, 예를 들어 철-함유 합금 또는 페라이트-함유 복합 재료로 제조된 실린더일 수 있다. 다른 구성에서, 삽입 단부(106a) 및 몸체 부분(107)은 당기는 힘(pull-in force)의 점진적인 증가를 제공하기 위해 삽입 단부(106a)로부터 몸체 부분(107)의 방향으로 가늘어지는(tapering) 내부 리세스(recess)(108)를 갖는 실린더일 수 있다. 상기 가늘어짐은 상기 당기는 힘이 편향 요소(biasing element)(110)에 의해 생성된 반대 방향의 편향력보다 더 크도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 편향 요소(110)는, 전기자(106)의 몸체 부분(107)을 둘러싸고 솔레노이드 코일(104) 및 비삽입 단부(106b) 둘 다에 접하는 코일 스프링(112)일 수도 있지만, 상기 편향 요소는 상기 비삽입 단부에 접하거나 결합된 다이어프램 또는 평평한 스프링이거나, 상기 비삽입 단부에 접하거나 결합된 판(leaf) 스프링 등일 수 있다. 도 22를 참조하면, 게이트 밸브의 다른 실시 예가 도시되어 있으며, 이 경우 전기자(106)의 몸체 부분(107) 내의 보어(bore)(111)에 수용된 편향 요소(110)를 포함한다. 당업자는 상기 솔레노이드가 대신에 다른 편향 요소를 포함하는 쌍안정 솔레노이드일 수 있음을 이해할 것이다.
밸브기구(120)는, 스프렁 게이트 조립체(128)를 수용하기 위한 포켓(126) 내로 개방되고 전기자(106)를 마주하는 연결 개구(124)를 형성하는 도관(122)과, 포켓(126) 내에서 그리고 연결 개구(124) 내에서 선형적으로 이동 가능한 스프렁 게이트 조립체(128)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 포켓(126)은 도관(122)을 제1 섹션(129a) 및 제2 섹션(129b)으로 분리하고, 포켓(126)에 인접한 도관의 단부들은 밸브 개구(123)를 형성한다. 도관(122)은 양 단부로부터 밸브 개구(123)를 향해 길이방향 축선(A)을 따라 연속해서 점차 가늘어지거나 좁아지는 튜브일 수 있으며, 이에 의해 밸브 개구(123)에서 가장 작은 내경을 갖는다. 도관 경로의 이러한 모래시계 모양 단면(125)은 개방 또는 폐쇄 위치 사이에서의 선형적 이동 동안에 스프렁 게이트 조립체(128)의 표면에 작용하는 마찰력을 감소시킨다. 도관(122)의 이러한 점진적 좁아짐은 또한 밸브를 가로지르는 압력 강하를 최소화한다. 예시된 구성에서, 길이방향 축선(A)에 수직인 단면은 원형이지만, 변형에서 단면(127)은 타원형(균일하거나 가늘어지는 가로 및 켤레 직경을 가짐), 다각형(균일하거나 가늘어지는 특징적인 폭을 가짐)일 수 있다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 스프렁 게이트 조립체(128)는, 내부 리세스(108) 내에서 돌출하는 스템(stem)(114)에 의해 전기자(106)에 기계적으로 결합된다. 도 22의 실시 예에서, 스템(114)은 전기자(106)의 삽입 단부(106a)로부터 돌출한다. 다른 실시 예에서, 스템(114)은, 솔레노이드 코일(104) 및 전기자(106)가 밸브기구(120) 및 연결 개구(124)를 향해 또는 그로부터 멀리 스템을 당기도록 구성되는지 여부에 따라, 전기자(106)의 비삽입 단부로부터 돌출할 수도 있다. 도 4 내지 5에 도시된 실시 예와 같이, 솔레노이드 코일(104), 전기자(106), 편향 요소(110) 및 스템(114)의 상대적 배열은 게이트 밸브(100)를 평상시 폐쇄 밸브에서 평상시 개방 밸브로 또는 그 반대로 변경하기 위해 바뀔 수 있다(아래에서 더 논의되는 바와 같이, 스프렁 게이트 조립체(128)의 상세한 구성에 따라). 특정 구성에서, 스템(114)은 전기자(106)로부터의 일체형 돌출부일 수 있지만, 다른 구성에서 스템은 다른, 바람직하게는 비자성인, 재료로 제조된 고정 돌출부일 수 있다.
스템(114)의 근위 단부(114a)는 스프렁 게이트 조립체(128)에 고정될 수 있지만, 이 기계적 결합에 의해, 스프렁 게이트 조립체(128)는, 특히 스프렁 게이트 조립체(128)의 부재(130, 132) 사이에 위치된 무단 탄성 밴드(134)에 의해 가해지는 편향력에 따라, 적어도 도관의 길이방향 축선에 평행한 방향으로 슬라이딩 가능하게 이동할 수 있는 것이 바람직하다. 일부 구성에서, 상기 기계적 결합은, 길이방향 축선(A)에 평행한 방향으로 스템(114)에 대한 스프렁 게이트(128) 부재(130, 132)의 슬라이딩 이동을 허용하는 레일(rail) 시스템(160)을 포함한다. 이 슬라이딩 가능 기계적 결합에 의해, 액추에이터(103)는, 도관(122)의 양 단부를 향해 게이트 조립체를 당기지 않고, 포켓(126) 내에서 스프렁 게이트 조립체(128)를 선형적으로 이동시키는 것이 가능하다. 밸브기구(120)와 솔레노이드 코일(104), 전기자(106) 및/또는 스템(114)의 완벽하지 않은 정렬은 스프렁 게이트를 그 경로에서 경사지게 할 수 있고 따라서 상기 게이트 조립체와 도관(122)의 벽들 사이의 마찰력을 증가시키는 경향이 있다.
도 2, 3, 7 내지 11에 도시된 바와 같이, 레일 시스템(160)은 스템(114)의 근위 단부(114a) 근처에 위치된 가이드 레일(162)을 포함할 수 있으며, 그 대향하는 측면에는 활주 홈(racetrack groove)(164)이 배치되어 있다. 이에 대응하여 스프렁 게이트 조립체(128)는, 가이드 레일(162) 주위를 감싸고 활주 홈(164) 내에 돌출하도록 구성된 슬라이더(166)를 포함한다. 변형 구성에서, 레일 시스템(160)은, 슬라이더(166)가 스템(114)의 근위 단부(114a) 근처에 위치되고 스프렁 게이트 조립체(128)의 부재(130, 132)는 각각 가이드 레일(162) 및 활주 홈(164)을 포함하도록, 반전될 수 있다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 스템(114)의 근위 단부(114a)는 확대된 판형 헤드(plate-like head)(167)를 포함할 수 있다. 도 12 내지 14에 더 잘 도시된 바와 같이, 스프렁 게이트 조립체(128)의 부재(230', 232')는 다수-부분-부분 소켓(268)을 공동으로 형성할 수 있으며, 이것은 판형 헤드(167) 주위에 스냅되어 스프렁 게이트 조립체의 선형적 이동 경로에 수직인 여러 방향으로의 슬라이딩 이동을 허용한다. 유사하게, 도 20의 게이트 부재(430, 432) 역시 다수-부분 소켓(468)을 공동으로 형성한다. 도 20 및 21에 도시된 바와 같이, 판형 헤드(167)는 스템(114)의 근위 단부(114a)에 있는 환형 플랜지일 수 있고, 따라서 스프렁 게이트 조립체(128)(특히, 도 12 내지 14의 스프렁 게이트(228") 또는 도 20의 스프렁 게이트(428))는 조립 중에 스템(114)에 대해 360도 이상 자유롭게 회전할 수 있다.
도 2 및 3를 참조하면, 밸브기구(120)는 스프렁 게이트 조립체를 지나서 포켓 내부로 누출되는 유체를 배출하기 위해, 연결 개구(124) 및, 아래에서 추가로 설명하는 바와 같이, 스프렁 게이트 조립체(128) 및 포켓(126)과 유체 연통하는 통기 포트(170)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡기 매니폴드 내의 공기 압력을 높이기 위해 터보차징(turbocharging)이 사용되는 자동차 엔진과 같은 매우 동적인 유동 환경에서, 게이트 밸브(100)를 가로지르는 차동 압력은 광범위하게 변할수 있고 심지어 일시적으로 역전될 수도 있다. 포켓(126) 내로 누출되는 고압 공기는 포켓을 가압하여, 게이트 밸브(100) 내에서 솔레노이드 작동력, 편향력 및 예상 마찰력의 균형을 변동시킬 수 있다. 솔레노이드 기구와 포켓(126)의 큰 가압 차이는, 스프렁 게이트 기구가 포켓 내에서 완전히 선형적으로 이동하여 밸브를 부분-개방-및-폐쇄 상태로 작동시키는 것을 방지할 수 있다. 통기 포트(170)는, 유체가 시스템 내부에 포함되는 경우 유체가 포켓(126)으로부터 도관의 입구 단부(122a)까지 흐를 수 있도록 도관(122)의 내부로 개방될 수 있다(도 2 및 3에 도시된 바와 같이). 또는, 통기 포트(170)는, 유체가 주변으로 방출될 수 있는 경우 밸브기구(120)의 외부로 개방될 수 있다(도 4 및 5에 도시된 바와 같이).
이제 도 6을 참조하면, 게이트 밸브(100)는 진공 부스트 파워 브레이크 시스템을 통한 공기의 유동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 도관(122)은 입구 단부(122a)에서 공기 흡입구(180)와, 출구 단부(122b)에서 진공 생성기(도시된 예에서는 흡인기(190))에 연결될 수 있다. 예시적인 터보차징 엔진 구성에서, 터보차저 및 공기 인터쿨러(intercooler)(182)는 흡기 매니폴드(184)에 공급되는 공기를 가압하여, 흡기 매니폴드 내의 압력이 입구 단부(122a)의 공기 압력을 초과하게 하고, 잠재적으로 흡인기(190)를 통한 일시적인 역류를 유발할 수 있다. 체크 밸브(192)는 파워 브레이크 부스터(194)가 진공 충전을 잃는 것을 방지하지만; 흡인기(190)를 통한 역류는 출구 단부(122b)에서의 유체 압력이 입구 단부(122a)에서의 압력을 초과하게 할 수 있다. 이 역전된 압력 차이는 게이트 밸브(100)를 가로지르는 일반적인 압력 차이보다 훨씬 클 수 있으며, 이는 터보차저가 관례적으로 약 1 기압(상대)의 부스트 압력을 제공하고, 따라서 입구 단부(122a)에서의 높은 부스트 압력이 실질적으로 1 기압 미만(절대)이 될 가능성이 높기 때문이다. 결과적으로, 아래에서 추가로 설명되는 스프렁 게이트 조립체(128)의 상이한 실시 예들은 일부 응용에 더 적합할 수 있다. 또한, 당업자는, 공기 이외의 유체를 사용하고 자동차 이외의 응용을 포함하는 다른 응용에서 게이트 밸브(100)가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 7 내지 9를 참조하면, 일반적으로 참조 번호 '228'로 지시된 스프렁 게이트 조립체의 제1 실시 예가 도시되어 있다. 스프렁 게이트 조립체(228)는 제1 게이트 부재(230), 제2 게이트 부재(232), 및 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232) 사이에 수용되는 무단 탄성 밴드(234)를 포함한다. 무단 탄성 밴드(234)는 제1 게이트 부재(230)와 제2 게이트 부재(232) 사이에 끼워진 것으로 설명될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 게이트 부재(232)는 무단 탄성 밴드의 일부를 수용하기 위한 트랙(236)을, 그 내부 표면(252)의 일부로서, 포함한다. 도 7 내지 도 9에서 볼 수는 없지만, 제1 게이트 부재(230)도 트랙(236)을 포함한다. 일 실시 예에서, 탄성 재료는 천연 또는 합성 고무이다.
제1 및 제2 게이트 부재(230, 232)는 동일하거나 실질적으로 유사한 부재일 수 있지만, 본질적으로는 그러한 방식으로 제한되지는 않는다. 도 7 및 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232)는 동일하므로, 도관(122)의 입구 단부(122a) 또는 출구 단부(122b)를 향하여 위치될 수 있다. 이는 도관(122) 내의 유체 유동의 방향에 관계없이 유사한 성능을 갖는 밸브를 생성한다.
도 7 및 9를 구체적으로 참조하면, 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232) 모두는 공동으로 통로(229)를 형성하는 개 구(233)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같은 개방 위치에서, 스프렁 게이트 조립체(228)를 통과하는 통로(229)는 유체가 통과할 수 있도록 도관(122)과 정렬된다. 통로(229)를 갖는 게이트의 부분은 여기서 개방 위치 부분(240)(도 7 참조)으로 지칭되고, 슬라이더(266) 반대편에 도시된 인접한 부분은 폐쇄 위치 부분(242)으로 지칭되며, 이는 게이트(228)의 이 부분이 폐쇄 위치로 이동할 때 도관(122)을 막아서 유체 유동을 막기 때문이다. 이 실시 예에서, 각각의 게이트 부재(230, 232)의 폐쇄 위치 부분(242)은 상당히 매끄러운 연속 외부 표면(250)을 갖는다. 당업자는 개방 위치 부분 및 폐쇄 위치 부분(240, 242)이 슬라이더(266) 반대편에 개방 위치 부분(240)을 갖도록 반전될 수 있고 그에 의해 게이트 밸브 설계를 평상시 폐쇄에서 평상시 개방으로(또는 그 반대로) 변경하는 제2 수단이 제공될 수 있음을 이해할 것이다.
이러한 제1 실시 예에서, 무단 탄성 밴드(234)는 일반적으로 타원형이며, 이에 의해 개방 공간을 형성하는 내부 둘레(282)와, 외부 둘레(284), 및 대향하는 제1 및 제2 측면(286, 288)을 포함한다. 무단 탄성 밴드(234)는 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232)의 트랙(236)에 수용되며 제1 측면(286)이 하나의 트랙(236)에 수용되고 제2 측면(288)이 다른 트랙(236)에 수용된다. 무단 탄성 밴드(234)가 게이트 부재(230, 232)의 제1 및 제2의 트랙(236)에 안착될 때, 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232)는 거리(D)만큼 서로 이격된다(도 7 참조). 트랙(236)은 또한 게이트 부재들의 외부 둘레으로부터 일정 거리에 무단 탄성 밴드(234)를 오목하게 삽입하도록 위치된다. 도 8에서 알 수 있듯이, 이 구성은 또한 포켓(126) 내의 스프렁 게이트(228) 주위로의 유체 유동을 위해 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232) 사이의 무단 탄성 밴드(234)의 외측 표면 주위에 채널(254)을 형성한다. 통기 포트(170)가 존재할 때, 채널(254)은 그와 유체 연통한다. 이 채널(254)을 통한 통기는 도관(122)을 통한 유체 유동의 방향에 대략 수직이고, 전기자(106)가 게이트를 포켓 내로 더 완전히 이동시킴에 따라 포켓(126)으로부터 유체를 배출한다.
무단 탄성 밴드(234)는 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232) 사이에서 압축 가능하고 따라서 도관(122)을 통한 유동 방향에 평행하게 작용하는 스프링으로서 기능한다. 추가로, 무단 탄성 밴드(234)는 도관(122)을 통해 흐르는 유체에 의해 무단 탄성 밴드(234)에 적용된 힘에 응하여 반경 방향 외측으로 팽창할 수 있어서 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232)의 외벽 부분과 무단 탄성 밴드(234) 사이에 밀봉을 형성한다. 무단 탄성 밴드(234)는 제1 및 제2 게이트 부재를 편향시켜 포켓(126)의 대향하는 벽들과 밀봉 결합시킨다.
동작 시, 도 2 및 5에 도시한 바와 같은 개방 위치에서, 도 7 및 9의 스프렁 게이트 조립체를 참조하면, 도관을 통해 흐르는 유체는, 왼쪽에서 오른쪽으로 또는 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르는 지 여부에 관계없이, 스프렁 게이트 조립체(228)의 통로(229)를 통과하고 유체의 압력은 무단 탄성 밴드(234)에 반경 방향 바깥쪽으로 향하는 힘을 제공하고, 이에 의해 무단 탄성 밴드를 밀어서 트랙(236)의 외부 둘레과 밀봉 결합하도록 가압한다. 이 밀봉 결합은 액추에이터(103) 내로의 유체 누출을 감소시키거나 방지하며, 이에 의해 스프렁 게이트 조립체(228)는 단일 재료의 균일 강성 게이트보다 누출 방지력이 향상된다. 이 실시 예는 자연 흡기식 엔진에서, 특히 공기가 도관(122)을 통해 대기압 또는 대기압 이하의 압력에서 흐르는 경우 사용에 매우 적합하다. 그러나, 도관(122)이 슈퍼차징된 공기 흡입 시스템의 부스트 압력 측에 연결되는 실시 예에서, 무단 탄성 밴드(234)에 의해 제공되는 누출 보호는, 도관(122)을 통해 흐르는 유체가 스프렁 게이트 조립체(228)(및 전기자(106 등)를 다른 위치로 밀거나 또는 그렇지 않으면 조립체의 제어된 이동을 방해하도록 작용할 수 있는 압력을 포켓(126) 내에 발생시키는 것을 방지하는데 도움을 준다. 슈퍼차징 엔진에서 그리고 스프렁 게이트 조립체(228) 및 게이트 밸브(100)가 받는 압력은 일반적으로 약 5 psi 내지 약 30 psi 범위이다.
무단 탄성 밴드(234)는 또한, 무단 탄성 밴드의 존재로 인해, 특히 포켓(126)의 치수 및 게이트 부재(230, 232)의 두께와 관련하여, 제조 공차에 덜 민감한 게이트를 제공한다. 일반적으로 포켓(126)은 간섭 끼워 맞춤을 생성하기 위해 스프렁 게이트(228)의 무부하 폭보다 작은 폭을 갖도록 형성된다. 스프렁 게이트 조립체(228)에서, 스프렁 게이트(228)가 포켓(126)에 삽입될 때 무단 탄성 밴드(234)는 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232) 사이에서 압축된다. 포켓(126)에 삽입(결합) 될 때 무단 탄성 밴드의 스프링 힘 또는 제1 및 제2 게이트 부재(230, 232)에 대한 편향 작용은 각각의 게이트 부재가 포켓의 벽과 밀봉 결합하도록 가압하여 누출을 감소시키거나 방지한다. 가장 중요한 것은, 강성 게이트 부재(230, 232) 또는 단일 강성 게이트 대비 무단 탄성 밴드의 상당히 더 낮은 탄성계수는, 스프렁 게이트 조립체(228)에 작용하고 그 경로를 따르는 조립체의 선형적 이동에 저항하는 수직력이 상당히 적다는 것을 의미한다. 이는 마찰력(마찰력은 수직력에 마찰 계수를 곱한 값과 동일함)을 감소시키고 그에 따라 필요한 솔레노이드 작동력을 감소시킨다. 이러한 이점은 아래에 설명된 다른 실시 예들에 동일하게 적용 가능하다.
이제 도 10 및 11을 참조하면, 일반적으로 참조 번호 228'로 지시된 스프렁 게이트 조립체의 제2 실시 예가 제공되며, 이는 유사하게 제1 게이트 부재(230'), 제2 게이트 부재(232'), 및 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232') 사이에 수용된 무단 탄성 밴드(235)를 포함한다. 무단 탄성 밴드(235)는 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232') 사이에 끼워진 것으로 설명될 수 있다. 도 11에서 볼 수 있듯이, 제2 게이트 부재(232')는 무단 탄성 밴드(235)의 일부를 수용하기 위해 내부 표면(252')의 일부로서 또는 그 내부로 오목한 트랙(237)을 포함한다. 도 10 및 11에서는 볼 수 없지만, 제1 게이트 부재(230')도 트랙(237)을 포함한다. 두 게이트 부재(230', 232')는 또한 전술한 바와 같이 게이트 조립체(228')를 전기자(106)에 슬라이딩 가능하게 결합하기 위한 슬라이더(266')를 포함한다. 그러나, 위에서 논의된 바와 같이, 이러한 모든 실시 예에서 부재(230, 230', 232, 232' 등)는 스템(114)의 가이드 레일(162) 및 활주 홈(164)과 유사한 가이드 레일 및 활주 홈을 포함하거나 또는 환형 판 헤드(167)를 수용하기 위한 다수-부분 소켓(468)을 공동으로 형성할 수도 있다.
여기서, 도 11에 도시된 바와 같이, 무단 탄성 밴드(235)는 대략 8자 모양의 탄성 재료의 밴드이고, 이에 의해 제1 개방 공간을 형성하는 제1 내부 둘레(272), 제2 개방 공간을 형성하는 제2 내부 둘레(273), 외부 둘레(274), 및 대향하는 제1 및 제2 측면(276, 278)을 포함한다. 무단 탄성 밴드(235)는 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232')의 트랙(237)에 수용되며, 제1 측면(276)은 하나의 트랙(237)에 수용되고 제2 측면(278)은 다른 트랙(237)에 수용된다. 무단 탄성 밴드(235)가 8자 형상이기 때문에, 트랙(237)도 대략 8자 형상이다. 무단 탄성 밴드(235)가 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232')의 트랙(237')에 안착될 때, 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232')는 거리(D')만큼 서로 이격된다(도 10 참조). 트랙(237)은 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232')의 외부 둘레으로부터 일정 거리를 두고 무단 탄성 밴드(235)를 삽입하도록 위치된다.
도 10 및 11에 도시된 실시 예에서, 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232')는 구조적으로 서로 다르지만, 둘 다 통로(229')를 공동으로 형성하는 제1 개구(233')를 가지며, 통로(229')는, 개방 위치에서, 도관(122)과 정렬되어 유체가 흐르도록 한다. 게이트의 이 부분을 개방 위치 부분(240')(도 10 참조)이라 하고, 슬라이더(266') 반대편의, 이에 인접한 부분을 폐쇄 위치 부분(242')이라고 하는데, 이는 스프렁 게이트 조립체(228')의 이 부분이 폐쇄 위치로 이동될 때 도관(122)을 막아 유체 유동을 막기 때문이다. 이 실시 예에서, 제1 게이트 부재(230')의 폐쇄 위치 부분(242')은 그를 관통하는 제2 개구(244)를 포함한다. 제2 개구는 제1 개구(233')와 실질적으로 동일한 치수를 가질 수 있다. 제2 게이트 부재(232')는 폐쇄 위치 부분(242')에 제2 개구를 포함하지 않는다. 대신에, 제2 게이트 부재(232')의 폐쇄 부분(242')은 실질적으로 연속적인 매끄러운 외부 표면을 갖는다. 제2 게이트 부재(232')는 선택적으로 그 내부 표면(252')으로부터 돌출하는 플러그(253)를 포함할 수 있다. 이 플러그(253)는 무단 탄성 밴드(235)에 의해 형성된 제2 개방 공간의 치수 내에 끼워지고, 무단 탄성 밴드(235)의 제2 내부 둘레(273)보다 더 작은 개구를 형성하는 제1 게이트 부재(230')의 제2 개구(244)의 크기 이상이도록 치수가 정해진다. 플러그(253)는 제2 게이트 부재(232')의 내부 표면(252')의 상당히 매끄러운 부분일 수도 있다.
개방 위치에서, 통로(229')를 통해 흐르는 유체는 반경 방향 바깥쪽으로 향하는 무단 탄성 밴드(235)에 작용하는 힘을 제공하여, 무단 탄성 밴드가 트랙(237)의 외부 둘레와 밀봉 결합하도록 가압한다. 이러한 밀봉 결합은 액추에이터(103) 및 포켓(126) 내로의 유체 누출을 방지하며, 이는 도 10 및 11의 실시 예에서의 게이트(228')가 단일 재료의 균일한 강성 게이트보다 더 큰 누출 방지력을 갖게 한다.
폐쇄 위치에서, 도관(122) 내의 유체 유동은 제1 게이트 부재(230')에 의해 형성된 스프렁 게이트(228')의 측면을 향하는 방향일 수 있다. 즉, 제1 게이트 부재(230')는 게이트 밸브(100)의 입구 단부(122a)를 향할 수 있다. 특히, 이러한 유동의 방향은, 도관(122)이 슈퍼차징된 공기 흡입 시스템의 부스트 압력 측에 연결되고 일반적으로 부스트 압력이 통과하는 것을 막도록 작동될 때 유익하다. 이는 부스트 압력이 제2 개구(244)를 통과하고 플러그(253)에 의해 무단 탄성 밴드(235)의 제2 내부 둘레(273)을 향해 지향되어 무단 탄성 밴드에 반경 방향 외측으로 작용하여 제1 및 제2 게이트 부재(230', 232')의 트랙(237)에 대해 밀봉 결합시키기 때문이다. 제2 개구(244)의 존재는 또한, 부스트 압력이 도관(122) 내의 유동 방향에 평행하게 작용하는 힘을 적용하여 무단 탄성 밴드(235)를 축 방향으로 가압할 수 있는 제1 게이트 부재(230')의 외부 표면의 표면적을 최소화한다. 부스트 압력이 축 방향으로 무단 탄성 밴드(235)를 가압하면, 게이트 부재(230', 232') 중 하나가 다른쪽에 더 가까이 이동하여, D'가 감소하고, 포켓(126)의 한 벽과 유체가 누출될 수 있는 게이트 부재 사이에 틈을 생성할 수 있다. 이것은 바람직하지 않은 결과이다. 따라서, 게이트 부재(228')의 경우, 부스트 압력이 제2 게이트 부재(232')의 실질적으로 연속적인 매끄러운 외부 표면에 영향을 주는 방향으로 도관으로 흐르게 하는 것은 바람직하지 않을 것이다. 도 6에 도시된 예에서, 가장 높은 압력 차이는 흡인기를 가로질러 게이트 밸브의 출구 측에 연결되는 흡기 매니폴드 내의 부스트 압력에 의해 야기되는 반전된 압력 차이일 가능성이 높기 때문에, 반대의 유동 방향이 유리하다.
이제 도 12 내지 14 및 도 20을 참조하면, 이 실시 예 또는 다른 실시 예의 변형에서, 도 12 내지 14의 게이트 부재(230', 232')와 도 20의 게이트 부재(430, 432) 중 하나는 래치(281, 481)(각각)를 포함할 수 있고, 게이트 부재(230', 232') 중 다른 하나는 대응되게 배치된 멈춤쇠(283, 483)(각각)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 하나는 복수의 래치(281, 481)를 포함할 수 있고, 다른 하나는 복수의 멈춤쇠를 포함할 수 있다. 또는, 각각이, 래치(281, 481) 및 멈춤쇠(283, 483)를 대응 요소의 배치에 대응하도록 게이트 부재(230', 232' 또는 430, 432)의 양단에 배치된 상태로 하여, 래치(281, 481 및 멈춤쇠(283)를 포함할 수도 있다. 래치(281, 481) 및 멈춤쇠는, 포켓(126) 내에 삽입되기 전에 조립된 구성으로 조립체를 능동적으로 유지함으로써 스프렁 게이트 조립체(228')(또는 128, 228, 428 등))의 조립을 돕는다.
도 15 내지 17에서, 범용 스프렁 게이트 조립체(제1 게이트 부재 또는 제2 게이트 부재 중 하나를 향한 유동으로 작동 가능함)가 도시되어 있고, 참조 번호 328로 지시된다. 범용 스프렁 게이트(328)는 도 10 및 11의 실시 예와 동일한 제1 게이트 부재(230'), 제1 게이트 부재(230')와 동일한 일반적인 구조를 갖는 제2 게이트 부재(332), 폐쇄 위치에 필요한 장애물을 제공하는 내부 게이트 부재(334), 제1 게이트 부재(230') 및 내부 게이트 부재(334) 사이에 형성된 트랙 내에 배치된 제1 무단 탄성 밴드(346), 및 제2 게이트 부재(332)와 내부 게이트 부재(334) 사이에 형성된 트랙 내에 배치된 제2 무단 탄성 밴드(348)을 가진다. 도 16에 도시된 바와 같이, 제2 게이트 부재(332)는 슬라이더(366), 개방 위치 부분(240')의 제1 개구(333), 및 그 폐쇄 위치 부분(242')의 제2 개구(344)를 포함할 수 있다. 내부 게이트 부재(334)는 개방 위치 부분(240')에 개구(336)를 포함하고, 폐쇄 위치 부분(242')을 형성하는 실질적으로 연속적인 대향하는 외부 표면을 가지며, 이는 범용 스프렁 게이트(328)가 폐쇄 위치에 있을 때 도관을 통한 유체의 유동을 방해할 수 있다.
도 15 내지 17의 실시 예에서, 8자형 무단 탄성 밴드는 제1 및 제2 게이트 부재(230', 332) 각각에 있는 2개의 개구 때문에 선호된다. 8자형 무단 탄성 밴드(346, 348)는 전술한 바와 같다. 여기서, 제1 무단 탄성 밴드(346)는 내부 게이트 부재(334)의 제1 트랙(352) 및 제1 게이트 부재(230')의 트랙(237) 모두에 안착되며, 이것들은 바람직하게는 제1 무단 탄성 밴드(346)를 수용하기 위한 치수를 가진 8자 형상이다. 유사하게, 제2 무단 탄성 밴드(348)는 내부 게이트 부재(334)의 제2 트랙(354) 및 제2 게이트 부재(332)의 트랙(337) 모두에 안착되며, 이것들은 바람직하게는 제2 무단 탄성 밴드(348)를 수용하기 위한 치수를 가진 8자 형상이다.
동작 시, 범용 스프렁 게이트(328)는, 개방 위치 및 폐쇄 위치에서, 도 10 및 도 11의 스프렁 게이트(228')의 제1 게이트 부재 측면에 대해 전술한 바와 같이 작동한다. 범용 스프렁 게이트(328)는 어떤 특별한 유동 방향을 요구하지 않고 정상적인 흡기, 슈퍼차징 또는 터보차징 엔진에서 사용될 수 있다. 그것의 보편적인 특성과 제1 및 제2 게이트 부재 각각의 폐쇄 위치 부분에서 감소된 표면적의 이점은 이 게이트가 게이트를 밀봉하여 도관을 통한 유동의 방향에 관계없이 액추에이터(103) 및 포켓(126)으로의 누출을 감소시키거나 방지하도록 하는 것이다. 이 실시 예는 또한, 존재한다면, 액추에이터와 통기 포트(170) 사이의 유체 연통을 제공하기 위해 무단 탄성 밴드의 외부 둘레에 다수 채널(254)을 제공하는 이점을 갖는다.
또한, 도 12 내지 14에 도시한 이 실시 예 또는 다른 실시 예의 변형과 도 20의 실시 예에서, 도 12 내지 14의 게이트 부재(230', 232') 및 도 20의 게이트 부재(430, 432) 각각은 후단부(260)로부터 액추에이터(103)의 스템(114)을 향해 돌출하는 연결 부재(270)를 포함한다. 후단부(260)는 포켓(126)에 게이트 조립체를 삽입하는 동안 선단부(leading end)(262)와 관련된다. 연결 부재(270)는 스템(114)의 일부를 수용하기 위한 대체로 환형인 개구(272)와, 역시 환형일 수 있는 판형 헤드(167)를 수용하기 위한 더 큰 챔버(274)를 갖는 다수-부분 소켓(268)을 공동으로 형성한다. 다수-부분 소켓(268)은 도 22에 도시된 바와 같이 기계적 결합의 스템(114)의 헤드(167) 주위에 스냅된다. 다수-부분 소켓(268)은 포켓(126) 내에 삽입되기 전에 스템(114) 상에 조립체를 능동적으로 유지함으로써 스프렁 게이트 조립체(228')(또는 128, 228 등)의 조립을 지원한다. 더 큰 챔버(274)는 일반적으로 스템(114)의 판형 헤드(167)보다 더 크므로, 스프렁 게이트 조립체가 스템(114)을 중심으로 회전할 수 있는 간극을 제공한다. 위에서 언급한 바와 같이, 이것은, 조립 동안 스프렁 게이트 조립체(228', 428)가 스템(114)에 대해 360도 이상 자유롭게 회전할 수 있기 때문에 장점이다.
도 12 및 14에 도시된 바와 같이, 게이트 부재(230', 232') 중 하나 이상은 배향 부재(286)를 포함할 수 있으며, 이것은 본 명세서에 개시된 스프렁 게이트 조립체의 모든 실시 예에 적용 가능하다. 일 실시 예에서, 배향 부재(286)는 게이트 부재(230', 232') 중 하나 이상의 측면으로부터 외측으로 돌출된 탭일 수 있다. 따라서, 포켓(126)은 배향 부재(286)를 수용하기 위한 형상 및 크기의 배향 부재 수요부(미도시)를 가질 것이다. 배향 부재(286) 및 배향 부재 수용부는 임의의 유형의 키(key) 및 키홈(keyway) 구성일 수 있고, 포켓 또는 게이트 조립체의 어느 하나는 그것의 어느 한 부분을 가질 수 있다.
추가로, 상기 스프렁 게이트 조립체들 중 어느 것은, 포켓(126)으로의 용이한 삽입을 위해, 도 13, 14 및 20에 도시된 바와 같이 게이트 부재(230', 232', 430, 432) 중 하나 또는 둘 다의 선단부(262)로부터 멀리 연장되는 테이퍼진 다리(tapered leg)(288)를 포함할 수 있다. 여기서 다리(288)의 테이퍼는 게이트 부재의 외부 표면에 있고 상기 테이퍼는 동일한 게이트 부재의 일반적으로 내부 표면과 일치하는 평면을 향하는 방향으로 안쪽에 있다.
이제 도 20을 참조하면, 일반적으로 참조 번호 428로 지시된 스프렁 게이트 조립체의 제 5 실시 예가 제공되며, 이는 유사하게 제1 게이트 부재(430), 제2 게이트 부재(432), 및 도 18 및 19를 참조하여 위에서 설명된 바와 같은, 제1 및 제2 게이트 부재(430, 432) 사이에 수용된 무단 탄성 밴드(434)를 포함한다. 무단 탄성 밴드(434)는 제1 및 제2 게이트 부재(430, 432) 사이에 끼워진 것으로 설명될 수 있다. 이 실시 예에서, 제1 및 제2 게이트 부재의 일반적인 구성은 도 10 내지 11과 관련하여 설명된 구성에 대응한다. 제2 게이트 부재(432)는 그 내부 표면(452)의 일부로서 또는 그 내부로 오목한 트랙(437)을 포함하고 제1 게이트 부재(430)도 동일하게 포함하며, 따라서 트랙들(437)은 일단 함께 조립되면 무단 탄성 밴드(434)의 일부를 각각 수용하게 되며, 제1 및 제2 게이트 부재(430, 432)는 구조적으로 서로 다르지만, 둘 다 통로(429)를 공동으로 형성하는 제1 개구들(433)을 갖는다. 이 실시 예에서, 폐쇄 위치는 제2 게이트 부재(432)의 내부 표면(452)으로부터 돌출하는 플러그(453)와 정렬된 제1 게이트 부재의 제2 개구(444)에 의해 형성된다. 이 플러그(453)는 무단 탄성 밴드(434)에 의해 형성된 제2 개방 공간의 치수 내에 끼워지고, 무단 탄성 밴드(434)의 대응하는 내부 둘레보다 작은 개구를 형성하는 적어도 제1 게이트 부재(430)의 제2 개구(444)의 크기가 되도록 치수가 정해진다. 플러그(453)는 제2 게이트 부재(432)의 내부 표면(452)의 상당히 매끄러운 부분일 수 있다.
본 명세서에 개시된 스프렁 게이트들의 각 실시 예에서, 무단 탄성 밴드는 도 9 내지 11에 도시된 바와 같이 대체로 직사각형 단면을 갖는 대체로 매끄러운 밴드로서 예시되었다. 그러나, 무단 탄성 밴드는 이러한 구조에 제한되지 않는다. 다른 실시 예에서, 무단 탄성 밴드는 도 18 및 19에 도시된 바와 같이 일반적으로 불규칙한 내부 및 외부 표면을 가질 수 있다. 이 실시 예에서, 무단 탄성 밴드는 일반적으로 벨로우즈형 무단 탄성 밴드(434)로 지칭되며, 이는 물결 모양의 외부 둘레(474) 및 그에 대해 반대 방향으로 물결치는 내부 둘레(476)를 갖는다. 무단 탄성 밴드(434)가 대략 8자 형상의 구성을 가질 때, 8자의 중심을 형성하는 교차 부재(435)도 벨로우즈 구조가 될 수 있다. 도 18 및 19에 도시된 바와 같은 교차 부재(435)와 밴드의 주요 부분에서의 벨로우즈는 도관을 통한 유체 유동의 방향을 가로질러서, 그리고 무단 탄성 밴드 자체를 통과하여 배향된다. 벨로우즈형 탄성 밴드(434)는 제1 게이트 부재와 제2 게이트 부재 사이에서 밴드의 보다 균일 한 압축을 제공하기 때문에 유리하다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에 개시된 실시 예들의 많은 측면의 이점들 중 하나는, 게이트를 그 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 선형적으로 이동시키기 위해 더 작은 솔레노이드 액추에이터가 사용될 수 있다는 것이다. 특히, 본 명세서에 개시된 스프렁 게이트 실시 예는, 게이트를 제1 위치에서 제2 위치(개방에서 폐쇄로 또는 폐쇄에서 개방으로)로 선형적으로 이동시키기 위해 3 파운드 미만의 힘을 필요로하며, 솔레노이드 액추에이터로부터 유지력을 거의 또는 전혀 필요로하지 않는다. 즉, 단지 복귀 스프링 힘을 극복하기에 충분한 힘만을 필요로 한다. 일 실시 예에서, 솔레노이드 액추에이터는 이것이 수용되는 하우징을 포함하지만 스프렁 게이트 조립체 또는 도관은 포함하지 않고 무게가 약 350g 이하인 크기를 가진다. 다른 실시 예에서, 솔레노이드 액추에이터는 무게가 약 290 그램인 크기이다.
이러한 더 작은 솔레노이드 액추에이터를 허용하는 밸브 장치의 다른 측면이도 21에 도시되어 있다. 스프렁 게이트를 통과하는 통로(229, 429)를 형성하는 본 명세서의 임의의 실시 예의 제1 및 제2 게이트 부재 각각의 개구(433)(도 20 참조)는 일반적으로 직사각형이고, 그 길이방향 축선(C)은 도관의 길이방향 축선(A)에 대해 대략 수직으로 배향되어 있다. 도관(122)은 포켓(126) 근처에서 대략 원형 또는 타원형 내부 치수를 가지며, 여기서 제1 및 제2 게이트 부재 각각의 개구(433)의 면적은 도관의 대략 원형 또는 타원형 내부 치수와 대략 동일한 면적을 갖는다. 개구(433)의 직사각형 형상은 전체 개방 위치 또는 전체 폐쇄 위치에 도달하기 위해 멀리 이동할 필요가 없는 게이트를 제공하며, 이는 이동 거리가 감소하기 때문에 더 적은 파워를 요구한다. 따라서 더 작은 솔레노이드를 사용할 수 있다. 도관의 내부 치수와 대략 동일한 면적의 개구는 동일한 면적 또는 도관의 내부 치수 면적의 +/- 5%인 면적을 갖는 개구이다. 거의 동일한 면적을 갖는 것은 스프렁 게이트를 통과하는 통로를 형성하는 개구가 도관의 거의 동일한 유동 면적을 갖는다는 것을 의미한다.
이제 도 22를 참조하면, 도 1 내지 3의 장치와 유사한 밸브 장치(500)가 도시되어 있으며, 따라서 유사한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성 요소를 나타낸다. 밸브 장치(500)는 액추에이터(103)를 포함하는 하우징(502)을 포함하며, 액추에이터(103)는 솔레노이드 코일(104)과, 밸브기구(120)에 연결될 수 있고 전기 커넥터(109)에 전기적으로 결합되는 전기자(106)를 갖는다. 편향 요소인 도면의 코일 스프링(112)은 전기자(106)를 개방 위치 또는 폐쇄 위치로 편향시킨다. 밸브기구(120)는 연결 개구(124)를 형성하는 도관(122)을 포함하며, 상기 연결 개구(124)는 전기자(106)와 마주하고, 스프렁 게이트 조립체(128)를 수용하기 위한 포켓(126) 내로 개방되며, 스프링 케이트 조립체(128)는 포켓(126) 내에서 선형적으로 이동 가능하다. 포켓(126)은 도관(122)을 제1 섹션(129a) 및 제2 섹션(129b)으로 분리하고, 포켓(126)에 인접한 도관의 단부들은 밸브 개구(123)를 형성한다. 도관(122)은 양 단부로부터 밸브 개구(123)를 향해 길이방향 축선(A)를 따라 연속해서 점차 가늘어지거나 좁아지는 튜브일 수 있으며, 이에 의해, 전술한 바와 같이 밸브 개구(123)에서 가장 작은 내경을 갖는다.
하우징(502)은 하우징을 밸브기구(120), 특히 도관(122)에 연결하기 위한 플랜지(504)를 포함한다. 이들 두 구성 요소 사이에 기밀 밀봉이 바람직하며 이것은 하우징(502)의 플랜지(504)를 도관의 대응 플랜지(506)에 스핀 용접함으로써 달성된다. 도관은 포켓(126)의 연결 개구(124) 주위에 배치된 대략 환형 플랜지인 대응 플랜지(504)를 포함한다. 하우징(502)의 플랜지(504)는 대체로 V자형 또는 W자형 단면 프로파일을 가질 수 있고, 도관(122)의 대응 플랜지(506)는 그것에 대해 반대인 프로파일을 갖는다. 예를 들어, 도 22에서와 같이, 하우징(502)의 플랜지(504)는 대체로 W자형 단면 프로파일이고 도관(122)의 대응 플랜지(506)는 대체로 V자형 단면 프로파일이다. 따라서 V자형 프로파일의 암(arm)은 W자형 프로파일에 의해 형성된 틈에 안착된다.
일단 플랜지(504)와 대응 플랜지(506)가 서로 결합되면, 하우징 또는 도관은 고정된 상태로 유지될 수 있고 그에 대해 다른 구성 요소는 압력을 가하여 360도 이상 회전될 수 있도록 구성 요소들을 함께 용접한다. 여기서, 적어도 플랜지(504) 및 대응 플랜지(506)는, 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소에 대해 회전시킴으로써 생성된 압력 및 마찰의 결과로서 용융되어 함께 용접되는 플라스틱 재료, 일반적으로 열가소성 재료를 포함한다.
실시 예에서, 밸브 장치의 조립은 스핀 용접 단계를 포함한다. 이 방법은 하우징으로부터 돌출되는 스템을 가진 하우징(502)과 같은 하우징 내에 둘러싸여 있는 액추에이터를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 하우징은 플랜지, 조립되지 않은 스프렁 게이트, 및 대응 플랜지를 갖는 도관(122)과 같은 도관을 가진다. 그 다음, 이 방법은 조립된 스프렁 게이트를 형성하기 위해 스프렁 게이트의 각 게이트 부재의 연결 부재를 스템 주위에 배치한 상태로 하고 무단 탄성 밴드를 제1 게이트 부재와 제2 게이트 부재 사이에 끼운 상태에서 제1 게이트 부재와 제2 게이트 부재를 서로 고정하는 단계를 포함한다. 다음으로, 상기 조립된 스프렁 게이트가 도관의 포켓과 결합되고 하우징의 플랜지와 도관의 대응 플랜지가 함께 스핀 용접된다. 플랜지 및 대응 플랜지는 도 22에 대해 위에서 설명된 바와 같을 수 있다.
스핀 용접은 하우징 또는 도관을 고정 상태로 유지하도록 형상화되고 구성된 고정 지그(zig)와, 이 고정 지그에 대해 회전 가능한 대향 지그 또는 척(chuck)을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 척은 하우징 또는 도관을 고정하도록 형상화되고 구성된다. 일 실시 예에서, 고정 지그는 하우징을 고정 상태로 유지하도록 형상화되고 구성되며, 척은 하우징에 대해 도관 및 스프렁 게이트를 함께 회전시키도록 형상화되고 구성된다. 스핀 용접은 도관 및 조립된 스프렁 게이트를 하우징에 대해 적어도 360도 회전시키는 것을 포함할 수 있다.
이제 도 23을 참조하면, 일반적으로 참조 번호 528로 지시된 스프렁 게이트 조립체의 제 6 실시 예가 제공되며, 이는 유사하게 제1 게이트 부재(530), 제2 게이트 부재(532), 및 도 18 및 19를 참조하여 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 게이트 부재(530, 532) 사이에 수용된 무단 탄성 밴드(434)를 포함한다. 여기서, 무단 탄성 밴드(434)는 제1 및 제2 게이트 부재(530, 532) 사이에 끼워진 것으로 설명될 수 있으며 본 명세서에서 개시된 무단 탄성 밴드들 중 어느 것일 수 있다. 스프렁 게이트(528)는, 참조번호가 도 23에서도 반복되고 도 12 내지 14와 관련하여 전술한 바와 같은 다수-부분 소켓(268)을 포함하며, 이것은 헤드(167) 주위에 스냅되어 스프렁 게이트의 선형적 이동 경로에 수직인 여러 방향으로의 슬라이딩 이동을 허용하고 스프렁 게이트가 조립 동안 스템(114)에 대해 360도 이상 회전할 수 있도록 한다. 제1 및 제2 게이트 부재(530, 532)의 일반적인 구성은, 아래에 추가로 설명하는 수정 사항을 제외하고는, 도 10 및 11과 관련하여 설명된 구성에 대응한다. 따라서, 다른 실시 예와 관련하여 전술한 반복 특징에 대해 동일한 참조 번호가 포함된다.
스프렁 게이트(528)는 적어도 제1 개방 공간을 형성하는 내부 둘레를 가진 무단 탄성 밴드(434), 관통하는 제1 개구(533)를 형성하는 제1 게이트 부재(530), 및 관통하는 제2 개구(535)를 형성하는 제2 게이트 부재(532)를 가지며, 제1 개구(533)는 스프렁 게이트를 통한 유동 방향(F)에 평행하게 배향되고 반대 방향으로 연장되는 플랜지(540)를 가지며, 제2 개구(535)는 그로부터 제1 게이트 부재(530)를 향해 연장하는 세장형 목부(542)를 구비하고 그 말단 또는 원위 단부(544)는 제1 게이트 부재(530)의 플랜지(540) 내에 안착되며. 이에 의해 스프렁 게이트(528)를 통한 연속 통로(546)를 형성한다. 무단 탄성 밴드(434)는 제1 및 제2 게이트 부재(530, 532) 사이에 끼워지고, 그 개방 공간이 세장형 목부(542) 및 환형 플랜지(540)에 의해 형성된 연속 통로(546)를 수용하며, 제1 게이트 부재(530)를 제2 게이트 부재(532)로부터 거리(D)만큼 이격시킨다. 도시된 바와 같이, 플랜지(540)는 제1 개구(533)의 형상과 대략 일치하는 연속적인 플랜지이다. 제1 게이트 부재(530) 및 제2 게이트 부재(532) 모두는, 무단 탄성 밴드(434)의 일부가 안착되는 그 내부 표면(452)의 일부로서 또는 그 내부 표면(452) 내의 오목한 트랙(437)을 포함한다. 제1 및 제2 게이트 부재(530, 532)는 전술한 것과 같은 체결(fastener) 시스템을 포함한다. 도 23 및 24에서, 체결 시스템은 래치(latch)(481)를 포함하는 것으로 도시되어 있다.
세장형 목부(542)는, 스프렁 게이트의 유동 용량의 감소를 최소화하거나 전혀 감소시키지 않으면서 스프렁 게이트의 이동 및 고정 표면 사이의 잔해 유입 문제를 해결하기 위해 존재한다. 상기 세장형 목부는 연속해서 점차 가늘어지는 내부 통로(550)를 형성한다. 가늘어지는 내부 통로(550)는 그 말단 또는 원위 단부(544)를 향해 연속해서 점점 치수가 감소한다. 세장형 목부(542)는 제1 게이트 부재의 외부 표면으로부터 제2 게이트 부재의 외부 표면까지의 거리보다 작은 길이를 가지며, 이에 의해 도 23에서 표시된 간극(552)을 형성한다. 간극(552)은 약 0.1 mm 내지 약 2.0 mm이지만, 플랜지(540)의 길이보다 적어도 0.5 mm 더 작게 결정될 수도 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 제1 게이트 부재(530)는 유동 방향을 가로질러 배향되는 제1 개구(533) 내에 립(lip)(548)을 포함할 수 있고, 존재하는 경우, 간극(552)은 약 0.6 mm 내지 약 1.5 mm일 수 있다. 도 24에서, 스프렁 게이트는 제1 개구(533) 내의 립(548)을 생략할 수 있고, 생략될 때, 간극(552)은 약 0.1 mm 내지 약 2.0 mm일 수 있다.
이제 도 25a 내지 25c를 참조하면, 도 20, 23 및 24의 스프렁 게이트를 통한 유동 비교 시뮬레이션이 제공된다. 적색은 스프렁 게이트를 통한 도관 내의 가장 빠른 유동을 나타내고, 밝은 청색은 도관 내에서 가장 느린 유동을 나타낸다. 도 25a는 9.8 g/s의 유량을 가졌다. 도 25b는 9.0 g/s의 유량을 가졌다. 도 25c의 유량은 10.1 g/s이다. 따라서, 도 23 및 24에 도시된 스프렁 게이트의 연속적인 통로는 도 20과 유사한 유동을 가지며, 도 24의 스프렁 게이트는 0.3 g/s의 향상을 경험했다. 이와 같이, 이러한 대안적인 실시 예는 밸브의 성능을 희생하지 않고 잔해 유입을 감소시킬 수 있다.
도 24를 참조하면, 가늘어지는 내부 통로(550)는 이중 목적을 갖는다: 이는 성형 도구로부터 부품을 쉽게 제거할 수 있게하고, 게이트(528)가 유동 상태에 있을 때 유동 입구(536)가 유동을 방해하지 않도록 보장한다. 게이트(528)의 이동량을 고려할 때, 가늘어지는 내부 통로(550)의 유동 입구(536)에서의 개구 높이(H)가 게이트의 최악의 이동보다 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm 더 크게 연속해서 점점 가늘어진다. 도 25b 및 25c에 도시된 바와 같이, 개구 높이(H)는 그에 가장 근접한 도관(122)의 밸브 개구(123)의 부분보다 더 크다.
이전 도면들과 비교하여 도 23의 스프렁 게이트(528)의 또 다른 차이점은, 제1 게이트 부재(530)가 그 폐쇄 위치 부분에서 관통하는 제3 개구(560)를 형성한다는 것이다. 제3 개구(560)는, 게이트가 폐쇄 위치에 있고 그에 가장 근접한 도관(122)의 부분에 부스트 압력이 존재할 때 그것이 연통하는 게이트의 내부 면적면적을 가압하는 역할을 한다. 게이트 내부 영역의 이러한 가압은, 마찰로 인해 게이트를 일정한 값으로 작동시키는 힘을 유지하면서 밸브의 적절한 밀봉을 보장하는 역할을 한다. 제1 개구(533)에 비해 제3 개구(560)의 면적은 약 1:1 내지 약 1:10의 범위, 더 바람직하게는 약 1:3 내지 약 1:5의 범위이다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 개구 중 어느 하나는 길이방향 축선이 유동 방향에 대해 대체로 수직으로 배향된 상태의 대략 직사각형일 수 있으나, 그 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 23 및 24의 스프렁 게이트는 대략 8자 형상의 무단 탄성 밴드를 갖는 것으로 도시되어 있다. 무단 탄성 밴드는 통과하는 유동 방향을 가로질러 배향된 벨로우즈를 가진 벨로우즈형 탄성 밴드이다.
도 9 내지 11에 개시된 스프렁 게이트는 대체로 매끄러운 무단 탄성 밴드를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 무단 탄성 밴드는 이러한 구조에 제한되지 않는다. 무단 탄성 밴드는 도 18 및 19에 도시된 바와 같이 대체로 불규칙한 내부 및 외부 표면을 가질 수 있다. 이 실시 예에서, 무단 탄성 밴드는 일반적으로 벨로우즈형 무단 탄성 밴드(434)로 지칭되며, 이는 물결 모양의 외부 둘레(474) 및 그에 대해 반대 방향으로 물결치는 내부 둘레(476)를 갖는다. 무단 탄성 밴드(434)가 대략 8자 형상의 구성을 가질 때, 8자의 중심을 형성하는 교차 부재(435)도 벨로우즈형이 될 수 있다. 교차 부재(435)와 밴드의 주요 부분에 있는 벨로우즈는, 도 18 및 19에 도시된 바와 같이, 도관을 통과하는 그리고 무단 탄성 밴드 자체를 통과하는 유체 유동의 방향을 가로질러 배향된다. 벨로우즈형 탄성 밴드(434)는 제1 게이트 부재와 제2 게이트 부재 사이에서 밴드의 보다 균일한 압축을 제공하기 때문에 유리하다.
이제 도 26을 참조하면, 일반적으로 참조 번호 628로 지시된 스프렁 게이트 조립체의 제 7 실시 예가 제공되며, 이는 유사하게 제1 게이트 부재(630), 제2 게이트 부재(632), 및 도 18 및 19에 대해 설명된 바와 같이 제1 및 제2 게이트 부재(630, 632) 사이에 수용된 무단 탄성 밴드(434)를 포함한다. 무단 탄성 밴드(434)는 제1 및 제2 게이트 부재(630, 632) 사이에 끼워지는 것으로 설명될 수있다. 스프렁 게이트(628)는 도 12 내지 14와 관련하여 전술한 바와 같은 다수-부분 소켓(268)을 포함하고, 그 참조번호는 도 26에서도 반복되며, 이것은 도 5의 헤드(167) 주위에 스냅되어 스프렁 게이트의 선형적 이동 경로에 수직인 여러 방향으로의 슬라이딩 이동을 허용하고 스프렁 게이트가 조립 동안 스템(114)에 대해 360도 이상 회전하도록 허용한다. 제1 및 제2 게이트 부재(630, 632)의 일반적인 구성은, 아래에 추가로 설명하는 수정 사항을 제외하고는, 도 10 및 11과 관련하여 설명된 구성에 대응한다. 따라서, 다른 실시 예와 관련하여 전술한 반복 특징에 대해 동일한 참조 번호가 포함된다.
스프렁 게이트(628)는 적어도 제1 개방 공간을 형성하는 내부 둘레를 갖는 무단 탄성 밴드(434)를 갖는다. 스프렁 게이트(628)는 전체-유동 출구(633)로서 관통하는 제1 개구와 제한-유동 출구(634)로서 관통하는 제2 개구를 형성하는 제1 게이트 부재(630)를 가지며, 전체-유동 출구(633)는, 스프렁 게이트를 통한 유동 방향(F)에 평행하게 배향되고 반대 방향으로 연장되는 플랜지(640)를 가지며, 제한-유동 출구(634)는 스프렁 게이트를 통한 유동 방향(F)에 평행하게 배향되고 반대 방향으로 연장되는 플랜지(641)를 갖는다. 플랜지(640, 641)는 둘 다 일반적으로 연속적인 플랜지로서 전체-유동 출구(633) 및 제한-유동 출구(634)의 형상과 일치한다. 스프렁 게이트(628)는 제한-유동 통로(647)에 관통하는 제1 입구(631)(제1 면적을 가짐)로서 제3 개구를 형성하고 전체-유동 통로(646)에 관통하는 제2 입구(635)(제3 면적을 가짐)로서 제4 개구를 형성하는 제2 게이트 부재(632)를 가지며, 제한-유동 통로(647)는 말단 또는 원위 단부(645)를 가진 제1 게이트 부재(630)를 향해 연장되는 세장형 목부(643)에 의해 형성될 수 있고, 말단 또는 원위 단부(645)는 제1 게이트 부재의 플랜지(641) 내에 안착된 제1 출구(649)(제2 면적을 가짐)를 형성함으로써, 스프렁 게이트를 통한 연속적인 통로를 형성하며, 전체-유동 통로(646)는 말단 또는 원위 단부(652)를 가진 제1 게이트 부재(630)를 향해 연장하는 세장형 목부(642)에 의해 형성될 수 있으며, 말단 또는 원위 단부(652)는 제1 게이트 부재의 플랜지(640) 내에 안착된 제2 출구(653)(제4 면적을 가짐)를 형성함으로써, 스프렁 게이트를 통한 연속 통로를 형성한다. 무단 탄성 밴드(434)는 제1 및 제2 게이트 부재(630, 632) 사이에 끼워져 있으며, 그 개방 공간은 세장형 목부(643, 642)에 의해 각각 형성된 제한-유동 통로(647) 및 전체-유동 통로(646)를 수용한다. 무단 탄성 밴드(434)는 제2 게이트 부재(632)로부터 거리(D)만큼 제1 게이트 부재(630)를 이격시켜 다른 실시 예에 대해 전술한 것과 동일한 이점을 제공한다. 무단 탄성 밴드는 대략 타원형이거나 대략 8자형일 수 있고, 선택적으로, 다른 실시 예에 대해 전술한 바와 같이, 내부의 유동 방향을 가로질러 배향된 벨로우즈를 가질 수 있다.
다시 도 26을 참조하면, 제1 게이트 부재(630) 및 제2 게이트 부재(632)는 모두 무단 탄성 밴드(434)의 일부가 안착되는 그 내부 표면(652)의 일부로서 또는 그 내부로 오목한 트랙(637)을 포함한다. 제1 및 제2 게이트 부재(630, 632)는 전술한 것과 같은 체결 시스템을 포함한다. 도 26에서, 체결 시스템은 도 20 및 23의 래치(481)와 유사한 래치를 포함하는 것으로 도시되어 있다.
세장형 목부(642, 643)는 스프렁 게이트의 유동 용량의 감소를 최소화하거나 전혀 감소시키지 않으면서 스프렁 게이트의 이동 및 고정 표면 사이의 잔해 유입 문제를 해결한다. 각각의 세장형 목부(642, 643)는 연속해서 점차 가늘어지는 내부 통로(646, 647)를 형성한다. 가늘어지는 내부 통로(646,647) 각각은 그 말단 또는 원위 단부(645, 652)를 향해 치수가 연속해서 점차 감소하지만, 제한-유동 통로(647)는, 종단면에서 볼 때, 전체-유동 통로보다 더 큰 기울기로 가늘어진다. 제한-유동 통로(647)의 경우, 제1 출구(649)의 제2 면적이 제1 입구(631)의 제1 면적보다 작다. 전체-유동 통로(646)의 경우, 제2 출구(653)의 제4 면적은 제2 입구(635)의 제3 면적보다 작다. 제2 게이트 부재(632, 632')의 비교는 제1 출구(649, 649')의 크기 특히 면적이 변할수 있음을 보여준다. 모든 실시 예에서 제1 출구의 크기(면적)에 관계없이, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 5 내지 15 범위, 보다 바람직하게는 7 내지 13 범위이다. 일 실시 예에서, 제4 면적은 약 50 mm2(약 +/- 1 mm2를 의미)이고 제2 면적은 약 4 mm2 (약 +/- 1 mm2를 의미)이다. 일 실시 예에서, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 12.7이다. 다른 실시 예에서, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 9.7이다.
각각의 세장형 목부(642, 643)는 제2 게이트 부재(632)의 외부 표면으로부터 제1 게이트 부재(630)의 외부 표면까지의 거리보다 작은 길이를 가지며, 이에 의해 도 26에 표시된 간극(651, 652)을 형성한다. 간극(651, 652)은 각각 약 0.1 mm 내지 약 2.0 mm이지만, 플랜지(640)의 길이보다 적어도 0.5 mm 더 작게 결정될 수 있다. 제1 게이트 부재(630)는 도 23에 도시되고 위에서 설명한 립(548)과 같은 립을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 게이트 부재(630, 632)는, 도 27에 도시된 바와 같이, 제1 방향으로 화살표(F1)로 표시된 바와 같이 게이트(628)를 통한 전체 유동을 가진 전체 개방 위치를 공동으로 형성하고, 도 28에 도시된 바와 같이, 역시 제1 방향으로 화살표(F2)로 표시된 바와 같이 게이트(628)를 통한 감소된 유동을 가진 제한-유동 위치를 형성한다. 도 26 내지 30을 참조하면, 게이트(628)는 폐쇄 위치를 형성하지 않는다. 작동 시, 도 27 및 28을 참조하면, 게이트 부재(628)는 입구 단부(122a)로부터 출구 단부(122b)로의 유체의 유동을 도관(122)에서 제어하기 위해 유용하며, 여기서 도관은 게이트(628)에 의해 서로 분리된 제1 섹션(129a) 및 제2 섹션(129b)을 가진다. 제1 및 제2 섹션(129a, 129b)은 둘 다 양쪽 끝에서 게이트(628)를 향해 길이방향 축선(A)을 따라 연속해서 점차 가늘어지거나 좁아질 수 있으며, 이에 의해 모래시계 모양의 단면(125)을 형성한다. 엔진 시스템에서, 도 27에 개략적으로 도시된 바와 같이, 입구 단부(122a)는 크랭크케이스 환기 시스템(800)에 연결되고 출구 단부(122b)는 엔진(802)의 흡기 매니폴드에 연결된다. 제한-유동 통로(647)는 크랭크케이스 환기 시스템의 압력 무결성을 모니터링하기 위한 시스템에서 압력 차이를 검출할 수 있게 한다. 다른 실시 예에서, 스프렁 게이트(628)를 갖는 밸브는 차량 냉각 시스템에서 유동을 유체 제어한다. 또 다른 실시 예에서, 스프렁 게이트(628)를 갖는 밸브는 주거용 수도 시스템에서 물의 유동을 유체 제어한다.
게이트(628)의 이동량이 주어지면, 전체-유동 통로(646)의 연속적이고 점진적인 가늘어짐은 제2 입구(636)에서의 개구 높이(H)가 게이트의 최악의 경우의 이동보다 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm 더 크고, 도 27에 도시된 바와 같이, 개방 높이(H)는 그에 가장 근접한 도관(122)의 밸브 개구(123)보다 크다. 도 28의 제한-유동 위치에서, 제1 게이트 부재(630)의 제한-유동 출구(634)는 그 바닥 에지(680)의 정렬을 위해 위치되며(도 32 참조), 바닥은 그것이 도시되는 페이지에 대해 도 28의 방향에 관련되고 연결 부재(270)에서 더 멀며, 문자 M으로 표시된 도관(122)의 제2 섹션(129b)의 바닥 에지와 마주하고 있다.
이제 도 29 내지 30을 참조하면, 제2 게이트 부재(632, 632')가 도시되어 있다. 여기서, 제한-유동 통로(647)의 제1 입구(631)는 일반적으로 그 길이방향 축선이 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이고, 제한-유동 통로의 제1 출구(649, 649')는 그 주축(AM)이 유동 방향을 가로질러 배향된 타원형이다. 전체-유동 통로(646)의 제2 입구(635) 및 제2 출구(653)는 둘 다 일반적으로 유동-방향을 가로질러 각각 배향된 길이방향 축선(AL)을 갖는 직사각형 형상이다. 도시되지 않은 다른 실시 예에서, 제한-유동 통로(647)의 제1 입구(631) 및 제2 출구(649)는 둘 다 일반적으로 유동 방향을 가로질러 각각 배향된 길이방향 축선을 가진 직사각형 형상이다.
도 31은 도 30의 제2 게이트 부재(632')의 정면 평면도이고 도 32는 제2 게이트 부재(630 또는 632')와 결합하는 제1 게이트 부재(630)의 정면 평면도이다. 제한-유동 출구(634)는 좌측 및 우측 에지(684)를 대향시켜서 서로 연결되는 상부 에지(682) 및 바닥(680)을 갖는다.
이제 도 33을 참조하면, 도 26 내지 32에 대해 전술한 바와 같이 동일한 특징, 형상, 면적 등을 갖는 제한-유동 통로(747)과 전체-유동 통로(746)를 갖는 단일 부재 게이트(728)가 도시되어 있다. 단일 부재 게이트(728)는 전체-유동 위치와 제한-유동 위치 사이에서 액추에이터에 의해 이동 가능한 2-위치 게이트이기 때문에 폐쇄 위치를 갖지 않는다. 제한-유동 통로(747)는 제1 면적을 갖는 제1 입구(731)와 제2 면적을 갖는 제1 출구(749)를 가지며, 제1 입구(731)부터 제1 출구(749)까지 연속적으로 점차 가늘어진다. 제2 면적은 제1 면적보다 작다. 와전-유동 통로(746)는 제3 면적을 갖는 제2 입구(735) 및 제4 면적을 갖는 제2 출구(753)를 가지며, 입구부터 출구까지 연속적으로 점차 가늘어진다. 제4 면적은 제3 면적보다 작다. 제1 출구의 크기(면적)에 관계없이 모든 실시 예에서, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 5 내지 15 범위, 보다 바람직하게는 7 내지 13 범위이다. 일 실시 예에서, 제4 면적은 약 50 mm2(약 +/- 1 mm2를 의미)이고 제2 면적은 약 4 mm2(약 +/- 1 mm2를 의미)이다. 일 실시 예에서, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 12.7이다. 다른 실시 예에서, 제4 면적 대 제2 면적의 비율은 9.7이다.
제1 및 제2 입구와 제1 및 제2 출구의 형상은 제2 게이트 부재(632, 632')에 대해 전술한 바와 같다. 전체-유동 통로를 통과하는 유동의 방향은 제1 방향이고 제한-유동 통로를 통과하는 유동 또한 제1 방향이다.
실시 예들은 도면 및 설명에 예시된 부품 및 단계의 구성 및 배열의 세부 사항에 적용 또는 사용이 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 예시적인 실시 예, 구성 및 변형의 특징은 다른 실시 예, 구성, 변형 및 수정에 구현되거나 통합될 수 있으며, 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 달리 표시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 용어 및 표현은 독자의 편의를 위해 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 선택되었으며 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세하게 설명하였으므로, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정 및 변경이 가능함이 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 2-위치 게이트 밸브로서,
    폐쇄 위치를 형성하지 않고, 상기 밸브를 관통하는 전체-유동 통로를 형성하고 상기 밸브를 관통하는 제한-유동 통로를 형성하는 게이트; 및
    전체-유동 위치와 제한-유동 위치 사이에서 상기 게이트를 이동시키는 액추에이터를 포함하며,
    상기 전체-유동 통로는 제1 면적을 갖는 입구 및 제2 면적을 갖는 출구를 가지며, 상기 제2 면적은 상기 제1 면적보다 작으며, 상기 전체-유동 통로는 그 입구부터 그 출구까지 연속해서 가늘어지며;
    상기 제한-유동 통로는 제3 면적을 갖는 입구와 제4 면적을 갖는 출구를 가지며, 상기 제4 면적은 제1 면적, 제2 면적 및 제3 면적보다 작으며, 상기 제한-유동 통로는 그 입구부터 그 출구까지 연속해서 가늘어지며,
    상기 전체-유동 통로를 통한 유동은 제1 방향이고 상기 제한-유동 통로를 통한 유동 또한 제1 방향이며;
    상기 제4 면적을 상기 제2 면적으로 나눈 비율은 5 내지 15의 범위에 있는, 2-위치 게이트 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전체-유동 통로의 입구 및 출구는 각각의 길이방향 축선이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상인, 2-위치 게이트 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제한-유동 통로의 입구는 그 길이방향 축선이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이고, 상기 제한-유동 통로의 출구는 그 주축(major axis)이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 타원 형상인, 2-위치 게이트 밸브.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제한-유동 통로의 입구 및 출구는 각각의 길이방향 축선이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상인, 2- 위치 게이트 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터에 의해 선형으로 이동 가능한 상기 게이트를 내부에 갖는 포켓에 의해 제1 섹션 및 제2 섹션으로 분리된 도관을 추가로 포함하는, 2-위치 게이트 밸브.
  6. 스프렁 게이트 조립체와, 전체-유동 위치와 제한-유동 위치 사이에서 게이트를 이동시키는 액추에이터를 포함하는 2-위치 게이트 밸브로서,
    상기 스프렁 게이트 조립체는;
    개방 공간을 형성하는 내부 둘레를 갖는 무단 탄성 밴드;
    전체-유동 출구 및 제한-유동 출구를 형성하는 제1 게이트 부재; 및
    제1 면적을 갖는 입구와 제2 면적을 갖는 출구를 가지는 전체-유동 통로를 형성하고, 제3 면적을 갖는 입구와 제4 면적을 갖는 출구를 가지는 제한-유동 통로를 형성하는 제2 게이트 부재로서, 상기 전체-유동 통로 및 상기 제한-유동 통로는 그 입구부터 그 출구까지 연속해서 가늘어지고, 상기 제4 면적은 상기 제1 면적, 제2 면적 및 제3 면적보다 작으며, 상기 제4 면적을 상기 제2 면적으로 나눈 비율은 5 내지 15의 범위에 있는, 제2 게이트 부재;
    를 포함하며,
    상기 무단 탄성 밴드는 상기 제1 게이트 부재와 상기 제2 게이트 부재 사이에 끼워지고, 상기 전체-유동 통로와 상기 제한-유동 통로는 상기 개방 공간 내에 수용된 상태에 있으며;
    상기 제1 및 제2 게이트 부재는, 폐쇄 위치를 형성하지 않고, 전체-개방 위치 및 제한-유동 위치를 공동으로 형성하며;
    상기 전체-유동 통로를 통한 유동은 제1 방향이고 상기 제한-유동 통로를 통한 유동도 제1 방향인, 2-위치 게이트 밸브.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전체-유동 출구 및 상기 제한-유동 출구는 둘 다 상기 제1 방향과 평행하게 배향되고 상기 제1 방향에 반대 방향으로 연장하는 플랜지를 가지며, 상기 제한-유동 통로는 상기 제1 게이트 부재를 향해 연장하는 제1 세장형 목부이고 그 말단은 상기 제한-유동 출구의 환형 플랜지 내에 안착되며, 상기 전체-유동 통로는 상기 제1 게이트 부재를 향해 연장되는 제2 세장형 목부이고 그 말단은 상기 전체-유동 출구의 환형 플랜지 내에 안착된, 2-위치 게이트 밸브.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 세장형 목부는 각각 상기 제2 게이트 부재의 외부 표면으로부터 상기 제1 게이트 부재의 외부 표면까지의 거리보다 더 작은 길이를 가지며, 이에 의해 상기 제1 및 제2 세장형 목부의 말단에서 간극을 형성하는, 2-위치 게이트 밸브.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 간극은 상기 전체-유동 출구와 상기 제한-유동 출구 중 어느 하나의 플랜지 길이보다 0.5 mm 이상 더 작은, 2-위치 게이트 밸브.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 무단 탄성 밴드는 8자 형상인, 2-위치 게이트 밸브.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 무단 탄성 밴드는 그 벨로우즈가 상기 제1 방향을 가로질러 배향된 벨로우즈형 탄성밴드인, 2-위치 게이트 밸브.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 전체-유동 통로의 입구 및 출구는 각각의 길이방향 축선이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상인, 2-위치 게이트 밸브.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제한-유동 통로의 입구는 그 길이방향 축선이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상이고, 상기 제한-유동 통로의 출구는 그 주축이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 타원 형상인, 2-위치 게이트 밸브.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제한-유동 통로의 입구 및 출구는 각각의 길이방향 축선이 상기 유동 방향을 가로질러 배향된 직사각형 형상인, 2-위치 게이트 밸브.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 게이트 부재는 각각 다수-부분 소켓을 함께 공동으로 형성하는 그 후단부로부터 돌출하는 연결 부재를 포함하며, 상기 다수-부분 소켓은 상기 스프렁 게이트가 그 길이방향 중심 축선에 대해 360도 이상 회전할 수 있도록 하는, 2-위치 게이트 밸브.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 게이트 부재는 각각 상기 무단 탄성 밴드가 안착되는 트랙을 포함하는, 2-위치 게이트 밸브.
  17. 제 6 항에 있어서,
    상기 액추에이터에 의해 선형적으로 이동 가능한 스프렁 게이트 조립체를 내부에 갖는 포켓에 의해 제1 섹션 및 제2 섹션으로 분리된 도관을 추가로 포함하는, 2-위치 게이트 밸브.
KR1020207032144A 2018-05-07 2019-05-07 전체-유동 개방 위치와 제한-유동 개방 위치를 갖는 2-위치 게이트 및 스프렁 게이트 밸브 KR102451830B1 (ko)

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