KR102682209B1 - 밸브 - Google Patents

Abstract

작동 가능 축방향 피스톤 밸브는 액튜에이터로부터의 선형 움직임을 밸브 피스톤의 선형 움직임으로 변환시키는 기어 시스템을 포함하고, 상기 기어 시스템은 랙(2,3) 및 적어도 하나의 아이들러 피니언(1)을 포함한다.

Description

밸브{Valve}

본 발명은 작동 가능 축방향 피스톤 밸브 및 그러한 밸브의 기어 메커니즘에 관한 것이다. 밸브는 밸브를 통한 유체 유동에 대하여 개방 또는 폐쇄되도록 작동될 수 있다. 바람직스럽게는 밸브는 작동 가능한 제어 밸브로서, 이것은 밸브를 가로지른 압력 강하에서 완전 유동(full flow)과 비유동(no flow) 사이의 변화를 허용하며 (즉, 밸브를 통한 유량에서의 변화를 허용하며), 예를 들어 완전 유동 저항과 최소 유동 저항 사이의 유동 저항에서의 실질적으로 연속적인 변화를 허용한다.

낮은 작동력을 가지고 모든 압력 조건들 및 모든 편차 압력하에서 작동될 수 있는 작동 가능 제어 밸브들이 공지되어 있으며, 예를 들어 Mokveld NV 의 특허 출원 CA 872,106 에 개시된 바와 같이 밸브 제조사인 Mokveld NV 로부터 공지되어 있다. 그러한 밸브들은 내측 하우징뿐만 아니라 유입 개구 및 유출 개구를 형성하는 외측 하우징을 포함하고, 내측 하우징은 밸브를 통한 유체 유동 경로를 따라서 유체 유동을 제한하기 위한 제한기(restrictor)를 하우징한다. 제한기는 밸브의 외측으로부터 작동 로드에 의하여 작동 가능하다. 작동 가능 로드는 반경 방향에서 밸브 하우징에 대하여 선형의 움직임을 위하여 구성된다. 작동 가능 제한기는 유체 유동 경로를 개방 또는 폐쇄 또는 제한하도록 액튜에이터의 작동에 의하여 축방향으로 움직일 수 있는 피스톤을 포함한다.

Mokveld NV 의 작동 가능 피스톤 밸브들에서 피스톤의 축방향 움직임은 90 도 치 랙 시스템(90 degree toothrack system)에 의해 수행되는데, 이것은 밸브 액튜에이터의 힘을 축방향 피스톤 움직임으로 전달하는 미끄럼 기어 메커니즘이다. 피스톤은 피스톤 로드 및 피스톤 스템에 의하여 작동된다. 90 도 각도 전달은 한쌍의 미끄럼 치 랙과, 피스톤 로드 및 스템상에 위치되고 부합되는 치로 이루어진다. 일반적으로 평탄한 치 베드(tooth bed)는 밸브를 통과하는 유체로부터 격리되는데, 이것은 하우징 안에 포함되고 피스톤 로드 및 가이드상에서 2 중의 주 밀봉체들에 의해 밀봉된다.

밸브 액튜에이터의 힘을 축방향 피스톤의 움직임으로 전달하는 미끄럼 기어 메커니즘의 사용은 랙 치의 윤활을 필요로 하고, 윤활이 유지되는 때조차도 사용 기간이 길어지면 2개의 각이 형성된 미끄럼 랙 치의 마손 때문에 메커니즘의 멈춤(seizing)의 위험성이 있다. 적절한 윤활을 제공하고 유지하는데 실패하거나, 또는 파손된 밀봉을 통한 오염물의 유입은 멈춤에 의하여 밸브 작동 시스템이 재난적으로 고장나게 하고 유동을 제어하거나 차단하는 작동이 불가능해지는 결과를 가져온다.

미국 출원US 2013/0200285, 미국 특허 US 5,494,254, 유럽 출원 EP 2 385 284 및 중국 출원 CN103615585 는 밸브 및 피니언의 다양한 구성을 이용하는 밸브들에 관한 것이지만, 이들중 어떤 문헌도 (액튜에이터의) 선형의 입력 움직임을 (피스톤의) 선형의 출력 움직임으로 변환시는 것에 관한 것이 아니다.

본 발명의 목적은 개선된 밸브를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 액튜에이터로부터의 선형 움직임을 밸브 피스톤의 선형 움직임으로 변환시키는 기어 시스템을 포함하는 작동 가능 축방향 피스톤 밸브가 제공되고, 상기 기어 시스템은 랙 및 적어도 하나의 아이들러 피니언을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 액튜에이터는 반경 방향에서의 제 1 랙의 선형 움직임을 제공하도록 구성되고, 상기 제 1 랙의 선형 움직임은 상기 적어도 하나의 아이들러 피니언의 회전 움직임을 제공하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 아이들러 피니언의 회전은 상기 피스톤에 작동 가능하게 연결된 제 2 랙의 축방향 움직임을 제공하도록 구성됨으로써, 밸브 동체에 대하여 축방향으로 상기 피스톤의 선형 움직임을 제공한다. 일반적으로 밸브는 수평 유동에 대하여 이용되게 장착됨으로써 밸브 동체에 대한 반경 방향에서의 제 1 랙의 선형 움직임은 수직 움직임이고, 밸브 동체에 대한 축방향에서의 제 2 랙의 선형 움직임은 수평 움직임이다.

랙 및 아이들러 피니언의 기어 시스템은 미끄럼 랙(sliding rack)에서 발생되는 문제점들을 회피한다. 윤활이 없이도 기어 메커니즘은 최악의 경우에 기어 치에서의 점진적인 마모로 고장남으로써 기어 시스템에 백래쉬(backlash)를 초래하지만, 그럼에도 불구하고 기어 시스템 및 따라서 밸브를 완전하게 작동될 수 있게 하여, 유동 제어 및 격리 또는 차단을 수행한다. 파이프라인 안에서 유동을 격리시키거나 또는 차단하고 유동을 제어할 수 있는 것이 필수적일 수 있는 오일 및 개스 또는 원자력 산업과 같은 요건이 까다로운 환경에서, 그러한 향상된 기어 시스템을 포함하는 축방향 피스톤 밸브는 현저한 장점을 제공할 것이다. 더욱이, 미끄럼 랙들 사이의 상호 작용과 비교하여, 랙과 아이들러 피니언 사이의 상호 작용에서의 낮은 마찰은 덜 강력하고 따라서 소형이며 더 경제적인 밸브 액튜에이터들이 채용될 수 있게 한다.

본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 오직 하나의 예로서 설명될 것이다.
도 1 은 제 1 실시예에 따른 기어 메커니즘을 가진 밸브의 절단 단면도이다.
도 2 는 도 1 의 조립된 밸브의 기어 메커니즘에 대한 사시도이다.
도 3 은 제 2 실시예에 따른 기어 메커니즘의 절단 단면도이다.
도 4 는 도 3 의 조립된 밸브의 기어 메커니즘에 대한 사시도이다.
도 5 는 도 3 의 조립된 밸브의 기어 메커니즘의 대안의 사시도이다.

본 발명의 제 1 실시예는 이제 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명될 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 작동 메커니즘(1,2,3)이 설치된 축방향 제어 밸브를 도시한다. 도시된 밸브는 3 부분 동체를 포함하는데, 유입 단부 섹션(4), 중심 섹션(6) 및 유출 섹션(5)을 포함하고, 이것은 출원인의 국제 출원 공개 WO 2015/049525 에 보다 전체적으로 개시되어 있으며 그 내용은 전체가 본원에 참고로서 포함된다. 실시예는 3 개 부분 밸브로 도시되었지만, 본 발명의 메커니즘은 국제 출원 공개 WO 2015/049525 에 개시된 출원인의 2 부분 밸브 디자인 또는 단일 부분의 목벨드(Mokveld) 유형 밸브에 동등하게 적용될 수 있다. 도 1 에 도시된 실시예에서, 피스톤(7)은 유동 케이지(8) 안에서 작동하여 유동 제어 밸브 또는 초크 밸브(choke valve)를 제공한다. 유동 케이지(flow cage)는 온/오프 밸브(on/off valve)를 제공하도록 생략될 수 있다는 점이 이해될 것이다.

밸브(1)는 국제 출원 공개 WO 2015/049525 에 개시된 밸브와 실질적으로 같은 방식으로 작동되고, 밸브를 통한 유체 유동 경로를 따른 유체 유동을 제한하기 위한 작동 가능 제한기(3,7)의 구성 요소들을 움직이는 선단 표면 및 종단 표면(표면들은 축방향에 평행하지 않다)이 상류측에서 액체와 유체 소통되도록 설계된다. 따라서, 움직이는 구성 요소들의 양측에서의 압력은 동등하며, 제한기(restrictor)를 작동하는데 낮은 작동력이 필요하다. 밸브들은 예를 들어 오일 산업 또는 화학 산업에서 사용될 수 있다.

제한기(3,7)는 2 개의 주 가동 요소를 포함하며, 즉, 피스톤(7) 및 피스톤 로드(3)를 포함한다. 피스톤(7)은 밸브 개방 위치로부터 밸브 폐쇄 위치로 움직일 수 있는데, 밸브 개방 위치에서 피스톤은 밸브 하우징 유출 섹션(5)과 맞물리지 않고(예를 들어, 접촉하지 않고), 밸브 폐쇄 위치에서 피스톤은 밸브 하우징 유출 섹션(5)과 맞물린다. 피스톤(7)은 밸브 하우징 유출 섹션(5)의 내측 표면의 일부와 맞물려서 유체 유동 경로를 차단하고 그에 의하여 밸브를 폐쇄시킨다.

작동 가능한 제한기(3,7)는 피스톤 로드(3)도 포함한다. 피스톤 로드(3)는 그것의 단부들중 하나에 피스톤(7)이 부착된다.

도 1 의 작동 기어 메커니즘(1,2,3)은 도 2 에 더 상세하게 도시되어 있다. 메커니즘은 밸브 액튜에이터 샤프트(2)의 일부를 형성하는 치 랙(toothed rack)의 밸브에 대하여 전체적으로 반경 방향에서의 선형 움직임(밸브가 수평 유동과 함께 장착된 보통의 경우에 전체적으로 수직 방향에서의 움직임)에 의하여 회전 가능한 아이들 기어(idler gear, 1)를 포함하되, 아이들 기어(1)의 회전은 피스톤 로드(3)의 일부를 형성하는 치 랙과 상호 작용하여 피스톤 로드(3) 및 부착된 피스톤(7)의 축방향(수평 방향) 움직임을 야기한다. 도 2 에 도시된 바와 같이 피스톤 로드(3)의 치 랙 섹션에는 슬롯이 형성될 수 있고 상기 슬롯을 통하여 밸브 액튜에이터 샤프트(3)의 얇은 치 랙 섹션(toothed rack section)이 통과되도록 배치될 수 있다. 역의 구성도 고려되는데, 액튜에이터 로드의 치 랙 섹션이 피스톤 로드 치 랙 섹션보다 넓고, 슬롯은 액튜에이터 로드의 치 랙 섹션의 치 랙 섹션에 배치되는 것이다. 도 2 에 도시된 바와 같은 전자의 구성이 바람직하다. 대안의 실시예(미도시)에서, 제 1 및 제 2 랙은 그들의 길이 방향 가장자리 사이에서 간극을 가지고 배치될 수 있다. 일반적으로 밸브 액튜에이터 샤프트의 치 랙 섹션 또는 전체로서의 밸브 액튜에이터 샤프트는 밸브의 반경 방향 중심에 대하여 오프셋될 것이며, 피스톤 로드의 치 랙은 밸브에 대하여 중심으로 그리고 축방향으로 지향될 것이다. 2 개 랙들의 길이 방향 가장자리 사이의 간극은 양쪽 랙들을 서로에 대하여 직각으로 움직이는 것을 허용한다. 간극은 2 개의 랙들과 맞물리도록 배치된 아이들러 피니언의 제어하에 2개 랙들 사이의 상기와 같은 상대적인 움직임을 제공하기에 충분하여야 하며, 통상적으로 0.05 mm 내지 50 mm 사이의 범위에 있을 수 있다.

피스톤 축에 직각이도록 액튜에이터 로드의 수직 랙을 기계 가공하는 것이 바람직스러울 수 있을지라도, 2 개의 랙들과 아이들러 피니언의 조합은, 제 2 랙(3)의 길이 방향 움직임을 야기하는 제 1 랙(2)의 길이 방향 움직임의 능력에 영향을 미치지 않으면서, 랙들 사이의 각도 변화를 허용한다는 점이 이해될 것이다. 따라서 본 발명은, 랙(2,3)들이 90 도 보다 크거나 또는 그보다 작은 상대적인 각도에 있는 밸브들을 포함하고 특히 밸브 액튜에이터 샤프트의 치 랙이 밸브에 대하여 정확하게 반경 방향으로 지향되지 않는(즉, 수평 유동을 위하여 장착된 밸브에서 정확하게 수직이 아닌) 밸브들을 포함한다.

랙과 피니언은 구름 작용을 가지므로 미끄럼 랙 시스템의 미끄럼 운동보다 훨씬 낮은 마찰이 있다. 이것은 랙(2,3)을 제조하는데 이용될 수 있는 재료에 대하여 낮은 요건을 요구하며, 2 개의 시스템에서 동일한 랙 재료가 사용된 경우에 손상 위험성을 감소시킨다. 전형적으로 랙(2,3)과 피니언(1)의 재료는 그들이 사용될 환경 및 그들이 부담해야할 하중에 의해 결정될 것이다. 적절한 재료의 예는 랙(2,3)에 대하여 Inconel 718 및 Nitronic 60 을 포함하고, 피니언(1)에 대하여 30CrNiMo8V 을 포함한다. 기어 구성 요소들은 내구성을 향상시키고 마찰 및 마모를 감소시키도록 경화 및/또는 코팅될 수 있다.

아이들러 피니언 기어(1)는 밸브 동체(6)의 중심 부분에 설치될 기어 박스 모듈에 장착될 수 있거나 또는 밸브 동체(6)의 중심 부분에 직접 장착될 수 있다. 구름 운동을 하고 미끄럼 운동을 하지 않는 아이들러 기어(1)의 사용은 종래 기술의 Mokveld 밸브의 미끄럼 기어 메커니즘보다 현저하게 낮은 마찰을 고하중에서도 제공한다. 이것은 소형 크기의 밸브 액튜에이터를 허용하여 액튜에이터 샤프트(2)의 축방향 움직임을 제공한다. 적절한 밸브 액튜에이터들은 전기, 공압, 유압 또는 스프링 작동 액튜에이터를 포함할 수 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 치가 형성된 아이들러 기어(1), 액튜에이터 로드(2) 및 피스톤 로드(3)의 치 랙 섹션들은 모두 평 기어 치(plain gear teeth)일 수 있다. 대안으로서, 기어 치는 쉐브론 기어 치(chevron gear teeth) 또는 헬리컬 기어 치(helical gear teeth) 또는 다른 치 구성 또는 이들의 조합일 수 있다. 쉐브론 기어 치는 액튜에이터 샤프트(2)의 축상에 아이들러 기어(1)가 자체적으로 중심이 맞춰져서 유지되는 장점을 제공한다. 기어 치는 정밀도를 증가시키고 마모 및 백래쉬(backlash)의 가능성을 감소시키도록 형성되거나, 기계 가공되거나 또는 연마될 수 있다.

제 2 실시예가 이제 설명될 것이다. 제 2 실시예는 아래에서 설명되는 바를 제외하고 제 1 실시예와 같다. 하나의 실시예의 특징들은 다른 실시예에서 사용될 수 있고 역으로도 이루어질 수 있다. 제 2 실시예의 장치는 제 1 실시예의 장치와 같은 방식으로 작동하고, 단지 적절한 경우에 선택될 수 있는 대안의 설계이다.

도 3 내지 도 5 의 실시예에서, 아이들 기어가 액튜에이터 로드(2)와 아이들러 기어(1) 사이에 위치되는 제 1 실시예에와는 반대로, 아이들러 기어(1)는 피스톤 로드(3)의 대향측에서 액튜에이터 로드(2)의 상부에 위치되도록, 액튜에이터 로드(2), 피스톤 로드(3) 및 치 아이들러 기어(toothed idler gear, 1)가 구성된다. 즉, 제 2 실시예에서, 액튜에이터 로드(2)는 아이들러 기어(1)보다 밸브 피스톤(7)에 더 근접하게 위치되고, 액튜에이터 로드(2)의 치는 피스톤(7)으로부터 이탈되게 향한다.

즉, 제 2 실시예에서, 피스톤 로드(3)는 제 1 실시예와 비교하여 길이 방향 축 둘레에서 180 도로 회전되고, 치 아이들러 기어(1)는 그에 따라서 움직인다.

유리하게는 기어 시스템 구성은, 통상적인 단일 부분의 Mokveld 유형 밸브들 뿐만 아니라, 본 출원인의 국제 출원 공개 WO 2015/049525 에 개시된 2 또는 3 부분 축방향 피스톤 밸브들과 함께 사용될 수 있으며, 상기 문헌의 모든 세부 내용은 본원에 참고로서 포함된다. 따라서 본 발명은 작동 가능 밸브를 포함하는데, 상기 작동 가능 밸브는:

외측 하우징;

유입 개구를 형성하는 외측 하우징의 상류측 요소;

유출 개구를 형성하는 외측 하우징의 하류측 요소; 및,

밸브를 통한 유체 유동 경로를 따른 유체 유동을 제한하는 작동 가능 제한기를 하우징하는, 외측 하우징 내부의 내측 하우징 요소;를 포함하고,

내측 하우징 요소는 상류측 요소들 및 하류측 요소들의 양쪽 모두와 도 1 에 도시된 바와 같이 일체형이 아니거나, 또는 그들중 적어도 하나와 일체형이 아니고,

작동 가능 제한기는 피스톤을 포함하고,

상기 밸브는 액튜에이터로부터의 선형 움직임을 밸브 피스톤의 선형 움직임으로 변형시키는 기어 시스템을 더 포함하고, 상기 기어 시스템은 랙 및, 적어도 하나의 아이들러 피니언을 포함한다.

특히 밸브가 국제 출원 공개 WO 2015/049525 에 개시된 2 또는 3 부분 형태인 경우에 밸브 동체 섹션들은 주조, 단조, 소결 분말 금속으로 만들어질 수 있거나, 고체로터 기계 가공될 수 있거나, 상기 과정들중 임의의 하나 이상의 조합을 이용함으로써 만들어질 수 있다. 적절한 재료는 밸브 적용에 의존할 것이다.

본 발명에 따른 축방향 피스톤 밸브들은 파이프라인에서 적용되며, 특히 오일 및 개스 산업 및 핵 산업에서 적용된다.

1.2.3. 작동 메카니즘 4. 유입 단부 섹션
5. 유출 섹션 6. 중심 섹션

Claims (13)

1. 액튜에이터로부터의 선형 움직임을 밸브 피스톤의 선형 움직임으로 변환시키는 기어 시스템, 피스톤 로드 및 밸브 피스톤을 구비하는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브로서,
   상기 기어 시스템은 제 1 랙(rack), 제 2 랙, 및 적어도 하나의 아이들러 피니언(idler pinion)을 포함하고,
   액튜에이터는 밸브에 대하여 전체적으로 반경 방향에서 상기 제 1 랙의 길이 방향 움직임을 제공하도록 되고;
   상기 제 1 랙의 선형 움직임은 상기 적어도 하나의 아이들러 피니언의 회전 움직임을 제공하도록 구성되고;
   상기 적어도 하나의 아이들러 피니언의 회전은 상기 밸브 피스톤에 작동 가능하게 연결된 제 2 랙의 길이 방향 움직임을 제공함으로써, 밸브에 대하여 축방향으로 상기 피스톤의 움직임을 제공하도록 되고;
   상기 제 2 랙은 피스톤 로드의 일부를 형성하고;
   상기 밸브 피스톤은 상기 피스톤 로드의 일단부에 부착되며,
   상기 액튜에이터로부터 연장되는 상기 제 1 랙이 이동하여 상기 제 2 랙에 길이방향으로 형성된 공간을 통과하는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
2. 제 1 항에 있어서,
   밸브는 모든 압력 조건들 및 모든 편차 압력(differential pressure)하에서 기어 시스템에 의하여 작동되도록 구성 및 배치되는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   피스톤 로드 및 밸브 피스톤의 축방향 선단 표면(axial leading surface) 및 축방향 종단 표면(axial trailing surface)상의 압력들은 동등한, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 랙 및 상기 제 2 랙은 서로 직각으로 배치되고, 상기 제 2 랙에 길이방향으로 형성된 상기 공간은 상기 제 1 랙이 통과하는 중심 슬롯(central slot)이며, 상기 제 1 랙 및 상기 제 2 랙은 서로에 대하여 직각으로 움직일 수 있는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
5. 삭제
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 랙 및 상기 제 2 랙은 서로에 대하여 직각으로 배치되고,
   상기 제 1 랙은 밸브의 반경 방향 선으로부터 오프셋되고,
   상기 제 1 랙은 힘을 상기 제 2 랙에 전달하는 아이들러 피니언과 맞물리고,
   상기 제 2 랙 및, 상기 제 2 랙이 연결되는 밸브 피스톤은 밸브의 중심 축방향 선상에 위치되고; 상기 제 1 랙 및 상기 제 2 랙은 길이 방향 가장자리들 사이에 간극을 가지고 서로 인접하여 연장됨으로써, 상기 제 1 랙 및 상기 제 2 랙이 서로에 대하여 직각으로 움직일 수 있는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 랙, 제 2 랙, 및 상기 적어도 하나의 아이들러 피니언은 평 치(plain teeth), 쉐브론 치(chevron teeth) 및 헬리컬 치(helical teeth)로부터 선택된 치를 포함하는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   외측 하우징;
   유입 개구를 형성하는 외측 하우징의 상류측 요소;
   유출 개구를 형성하는 외측 하우징의 하류측 요소; 및,
   밸브를 통한 유체 유동 경로를 따른 유체 유동을 제한하는 작동 가능 제한기를 하우징하는, 외측 하우징 내부의 내측 하우징 요소;를 포함하고, 상기 작동 가능 제한기는 상기 밸브 피스톤을 포함하고;
   내측 하우징 요소는 상류측 요소 및 하류측 요소중 적어도 하나와 일체가 아닌, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
9. 제 8 항에 있어서,
   내측 하우징 요소는 상류측 요소 및 하류측 요소와 일체가 아닌, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주조, 단조, 분말 재료의 소결, 고체로부터의 기계 가공 또는 이들의 임의 조합에 의하여 형상화된 하나 이상의 밸브 동체 섹션들을 포함하는, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    작동 가능 축방향 밸브는 유동 제어 밸브, 쓰로틀 밸브, 초크 밸브(choke valve) 또는 차단 밸브(shut off valve)인, 작동 가능 축방향 피스톤 밸브.
12. 삭제
13. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 하나 이상의 작동 가능 축방향 피스톤 밸브를 포함하는, 파이프라인.