KR20010042051A - 유체 충격 감소 밸브 및 밸브 조립체 - Google Patents

Abstract

급수전용 점퍼 밸브는 밸브의 일부이며, 밸브 시트 보어상에 놓이는 유체 충격 흡수 부분을 구비한다. 이 밸브는 흐름 제어기 및 정렬 부재로 작용하도록 밸브 시트내로 연장되는 절두-원추형 중공 보스를 구비한다. 밸브는 메탈로센 촉매 중합체와 같은 중합체로 제조된다. 보스는 박판형 흐름을 제공하도록 그것의 외부 표면에 세로 홈 형상의 그루브를 구비할 수 있으며, 축(11)에는 자유 운동을 위해 그루브가 형성될 수 있다. 단부 부재(15)는 밸브의 외주연이 밸브 시트와 접촉하게 하고, 중앙부(18)가 유체 충격 에너지를 흡수하기 위해 탄성적으로 내부 방향으로 변형되게 한다. 원추형 헬리컬 스프링(14)은 단부 부재(15)와 밸브(12) 사이에 자리잡는다. 중앙부(18)는 축을 감싸는 카운터 보어를 구비하여 탄성 변형을 허용할 수 있다.

Description

유체 충격 감소 밸브 및 밸브 조립체{A VALVE WITH FLUID SHOCK ABSORBING PROPERTIES}

탭 몸체를 관통하여 연장하는 유체 흐름 통로를 구비한 탭 몸체와, 유체 흐름 통로 중간에 위치되는 밸브 시트와, 보통 회전에 의해 밸브 시트쪽 및 반대쪽으로 운동할 수 있고, 하면에 위치된 리세스 및 보어를 구비하는 탭 스핀들과, 탭 몸체에 연결되고 탭 스핀들을 수용하는 탭 헤드를 포함하는 스크루 하강 패턴식 탭 및 콕(cocks)과 함께 밸브는 보통 사용된다. 탭 헤드는 그 상부에 개구부를 포함하며, 탭 스핀들의 상부 부분은 탭 헤드를 관통하여 연장되고, 핸들은 탭 스핀들을 밸브 시트쪽 및 반대쪽으로 탭 헤드에서 회전되게 하도록 탭 헤드 근처에 고정된다. 이러한 타입의 탭은 배수 탭 및 본관 급수 차단 콕으로 주택 및 산업 설비에 보통 사용된다.

헐거운 탭 와셔로 공지된 것과는 달리, 이러한 타입의 탭과 보통 함께 사용되는 밸브(보다 정확하게는 점퍼 밸브)는 밸브 시트상에 가로놓이는 디스크형 밀봉체와, 디스크형 밀봉체로부터 연장하고 탭 스핀들내에 위치한 축(stem)을 포함한다. 이러한 방법으로, 탭 스핀들의 진행은 밀봉체가 밸브 시트와 맞물리게 하여 탭 몸체를 관통하는 유체 흐름을 정지시킨다.

유체 공급 또는 특히 급수 동안에 존재하는 일반적인 문제점중의 하나는 파이프에 높은 충격음이 나게 하는 워터 해머(water hammer)의 발생이다. 워터 해머는 밸브가 비압축성 유체에 대하여 단순히 닫힐 때에 발생하는 유체 충격에 의해 발생한다. 폐쇄 속도는 유체 충격이 발생하기 위한 필수 조건은 아니지만, 빠른 폐쇄는 심한 유체 충격을 종종 가중시킨다. 도관의 기하학적 배열 및 도관 체결 방법 등의 많은 다른 조건은 유체 충격의 발생 및 가중에 영향을 미친다. 식기 세척기 및 세탁기와 같은 기계에 흔히 알려진 솔레노이드 밸브는 도관 또는 도관을 부착할 수 있는 벽에 손상을 유발하기에 충분한 워터 해머를 발생시키는, 수도 파이프를 관통하여 연장하는 심한 유체 충격을 초래하면서 매우 빠르게 자주 차단하는 밸브의 예이다. 유체 충격은 그것을 흡수하기 위해 매우 제한된 양의 효과적인 쿠션 기구만을 요구하는 잠재적인 손상파이고 고압이다. 워터 해머를 제어하기 위한 종래의 방법중 하나는 밸브 시트에 대하여 밸브를 스프링 바이어스시키는 것이다. 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때에, 밸브에 대하여 유체에 의해 전달된 충격 하중은 밸브가 이 충격 하중을 흡수하기 위해 스프링의 바이어스에 대항하여 운동하게 한다. 그러나, 일부 디자인에 있어서 이러한 타입의 운동은 탭이 주택에서 다양한 탭으로부터 물을 주기적으로 배제하는 바람직하지 못한 결과를 초래할 수 있는 부분적인 개방 위치를 채용할 수 있다. 또한, 스프링 바이어스는 자유 점퍼 밸브가 큰 힘으로 밸브 시트에 대항하여 닫혀지는 밸브에서 일어나는 진동에 의해 유도된 빠른 난류에 의해 영향을 받는 것을 방지한다. 이러한 유체 충격 방지 방법만으로는 충격 반동을 제어하기에 불충분하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 상기 단점을 극복하거나, 유용한 선택 및 상업상의 선택을 공공에 제공할 수 있는 밸브를 제공하는 것이다.

일 실시예에 있어서, 본 발명은 도관내의 유체 충격을 감소시키기 위한 밸브에 속하며, 이 밸브는 보어 근처로 연장되는 밸브 시트와 밀봉적으로 맞물리는 밀봉면과, 상기 밸브가 폐쇄 위치에 있을 경우에 상기 보어상에 가로놓이는 유체 충격 흡수 부분을 구비한다.

밸브는 가정용 탭 및 콕 또는 주 급수부와 가정을 연결하는 주 차폐 콕에 사용하기에 적합하지만, 밸브가 산업적인 면, 예를 들면 체크 밸브(리턴되지 않음) 또는 상업적인 면에 같이 적용할 수 있다는 것도 잘 이해될 것이다.

밀봉면은 밀봉 몸체의 하나의 전방 면상에 적합하게 형성된다. 밀봉 몸체는 실질적으로 원통형 형상으로 환형의 밸브 시트에 적합하다. 다른 형태(즉, 오각형)의 밸브 시트는 밀봉 몸체가 유사한 형태를 채용하게 한다는 것은 잘 이해될 것이다.

바람직하게, 면 및 밀봉 몸체는 적합한 탄성 중합체성 재료로 형성되며, 적합한 탄성 중합체성 재료는 고무 또는 탄성 중합체성 플라스토머와 혼합된 고무를 포함한다. 적합한 고무/플라스토머 블렌드는 SANTOPRENE(몬산토 코퍼레이션의 등록 상표) 8000 시리즈의 부틸계 고무와, EXCEED(엑슨 코퍼레이션의 상품명) 메탈로센 폴리올레핀 플라스토머/탄성 중합체이다. 일 실시예에 있어서, EXCEED는 패키징 재료로서만 현재 사용되는 폴리에틸렌 유도 형태일 수 있으며, 엔지니어링용에 사용되지 않았다. EXCEED 및 다른 메탈로센 유도 올레핀 플라스토머/탄성 중합체의 특성은 하기의 탄성 중합체성 밀봉체 재료 형성에서 설명된 유체 밀봉체 구성을 위해 이점이 있다.

밀봉면의 외부 부분은 밀봉면의 외주 에지에 인접하여 있다. 외부 부분은 밸브 시트와 밀봉 맞물림을 용이하게 하도록 프로파일되거나 구성될 수 있다. 적합하게, 이 프로파일은 하나 또는 그 이상의 리브(ribs)를 포함한다. 바람직하게, 이 프로파일은 밸브 시트 주위로 연장되고 환형의 밸브 시트에 대하여 연장되는 한쌍의 이격된 리브를 포함하며, 이들 에지 또는 리브는 환형 형상이 적합하다.

한쌍의 이격된 에지 또는 리브는 경사진 에지를 규정하도록 실질적으로 적합한 역 "V"자 형상을 갖는 리세스 부분을 그 사이에 규정할 수 있다. 선택적으로, 역 "U"자 형상이 적절할 수도 있다.

또한, 밀봉면은 에지 또는 리브로부터 내부 방향으로 밸브 시트의 내부 에지에 적합하게 대응하여 연장되고, 내부 에지를 횡단하여 연장되기에 적합한 리세스를 포함할 수 있다. 환형의 밸브 시트에서, 내부 리세스는 적합한 환형의 형상을 갖는다. 이 리세스는 단면이 실질적으로 직사각형일 수 있다.

내부 부분은 밸브 시트로 규정된 천공을 횡단하여 실질적으로 연장될 수 있다. 적합하게, 내부 부분의 외부 에지는 상술된 환형의 리세스에 의해 규정된다.

밀봉 몸체에는 그 몸체의 강도를 향상시킬 수 있고, 또한 내부 부분의 변형 동안에 가요성을 증가시킬 수 있는 그 후방 면상의 형태가 제공되는 것이 적합하다. 이 형태는 접시형 형상이 바람직하다. 이 형태는 내부 부분의 사이즈에 적어도 대응하는 사이즈를 갖는 것이 바람직하다. 이 형태는 밀봉 몸체를 관통하여 약 1/4 정도 연장되는 것이 적합하다.

내부 부분은 밸브 시트에 의해 규정된 개구부내에 연장 가능한 돌출부를 구비한다. 이 돌출부는 테이퍼식 중공 보스를 포함할 수 있다. 또한, 보스는 자체 정렬 위치 결정 수단으로 기능하여 밸브 시트상에 밸브를 위치시키는 것을 돕는다. 테이퍼식 보스는 보스를 따라 유체를 통과되게 하는 적어도 하나의 세로 홈을 포함할 수 있다. 이 세로 홈은 개구부내에 돌출부를 삽입할 때에 유체의 흐름 및 밀봉 몸체의 유도 진동에 의해 발생된 난류를 감소시키도록 테이퍼질 수 있다. 돌출부의 전방 면은 성형 동안에 밸브의 치수 변이 및 성형 수축을 감소시키도록 리세스될 수 있다.

적합하게, 축 부재는 밀봉 몸체의 후방 부분으로부터 직각으로 연장되고, 탭 스핀들내에 삽입할 수 있다. 전형적으로, 축 부재는 원통형 로드를 포함한다.

축 부재는 밀봉면에 대하여 제한된 피봇식 운동을 나타낼 수 있는 것이 바람직하다. 이것을 수행하는 하나의 방법은 탄성 재료로부터 축 부재 및 밀봉 몸체를 단일체로 형성하거나, 탄성 기재 부분을 구비한 축 부재를 제공하는 것이다.

밸브 밀봉 몸체 및 축 부재는 탄성 중합체성 재료로 일체형으로 형성되고, 사출 성형과 같은 어떠한 편리한 방법에 의해서도 적합하게 성형되는 것이 바람직하다.

밸브는 밸브 시트와의 맞물림부내에 밀봉면을 바이어스시키기 위해 바이어싱 수단을 포함할 수 있다. 이 바이어싱 수단은 스프링을 포함할 수 있다. 이 스프링은 테이퍼질 수 있으며, 헬리컬 스프링을 포함하는 것이 적합하다.

바이어싱 수단중 하나의 단부는 단부 부재에 의해 수용될 수 있다. 적합하게, 단부 부재는 축 부재를 수용하기 위해 천공을 포함하여 단부 부재가 축 부재를 따라 미끄러지도록 한다.

적합하게, 단부 부재는 밀봉 몸체와 유사한 형상을 갖는 실질적으로 평평한 몸체를 포함한다. 따라서, 밀봉 몸체가 실질적으로 원통형이라면, 단부 부재는 둥근 디스크와 유사한 형상을 갖는 것이 바람직하다.

단부 부재는 바이어싱 수단의 하나의 단부를 수용하고, 밀봉 몸체의 후방 면내의 리세스와 함께 밀봉 몸체의 중앙 부분이 유체 충격파에 의해 영향을 받는 경우에 움직일 수 있게 하는 수축 공극을 형성하도록 하부 리세스를 포함한다. 적합하게, 바이어싱 수단과 함께 이 하부 리세스는 내부 부분이 하부 리세스내로 적어도 부분적으로 변형되게 함으로써 밸브의 작동시에 도관내의 유체 충격을 감소시키는 것을 돕는다. 단부 부재의 하면은 외주 에지로부터 하부 리세스까지 내향으로 경사질 수 있다.

축 부재는 그내에 삽입시에 탭 스핀들내의 리세스로부터 공기를 제거하거나 물을 배출하게 하는 종방향의 리세스 또는 그루브를 포함할 수 있다. 그에 따라 바이어싱 부재가 정확한 기능을 용이하게 수행한다.

본 발명은 개선된 유체 차단 밸브에 관한 것이며, 특히 물리적 디자인과 재료 규격을 조합함으로써 수도 파이프 등의 도관에 유체 충격 저감 특성을 결합한 밸브에 관한 것이다. 특히, 이 밸브는 가정용 급수전(water taps) 및 공업용 유체 회로에 사용하기에 적합하다.

이 밸브는 특정 도관을 관통하는 유체 흐름을 조절하는데 사용된다. 급수를 위해, 밸브는 수도 파이프를 관통하는 물의 흐름을 조절하는데 사용된다.

본 발명은 첨부된 도면에 나타낸 바와 같은 하기 실시예를 참조하여 설명된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브의 분해도,

도 2는 개방 위치에서 탭 스핀들과 밸브 시트(valve seat) 사이에 위치된 도 1의 밸브의 단면도,

도 3은 폐쇄 위치에서의 도 2의 밸브의 단면도,

도 4는 유체 충격을 흡수하는 도 3에서의 밸브의 단면도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단부 부재의 단면도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브 축(valve stem) 및 밀봉 몸체의 도면,

도 7은 폐쇄 위치에서 단부 부재 및 스프링과 연관된 도 6의 밸브의 도면,

도 8은 도 7의 밸브의 도면,

도 9는 상술한 모든 특징을 결합하는 완전한 밸브의 복합 도면.

최상 모드

도면을 참조하면, 도 1은 도관에서 유체 충격을 감소시키기 위한 밸브를 개시하고 있다. 밸브(10)는 축 부재(11)와, 밀봉 면(13)을 규정하는 밀봉 몸체(12)를 포함한다. 더욱이, 밸브는 바이어싱 수단(14) 및 단부 부재(15)를 포함한다.

실시예에서 밀봉 몸체(12) 및 축 부재(11)는 탄성 중합체성 재료로 일체형으로(완전한 통일체로) 형성된다. 그러나, 밸브가 2개의 부분으로 된 조립체로 또한 형성될 수 있다는 것은 이해될 것이다.

밀봉 몸체(12)는 원통형 형태이며, 상면(16) 및 하부 밀봉면(13)을 포함한다. 축 부재(11)는 상면(16)으로부터 직각으로 연장된다.

하부 밀봉면(13)은 외부 부분(17)(밸브 시트에 대하여 밀봉시키는 부분) 및 내부 부분(18)(유체 충격을 흡수하는 부분)을 포함한다. 외부 부분(17)은 밀봉면(13)의 외주연 에지로부터 사용시에 밸브 시트 보어에 인접하는 내부 에지까지 연장된다. 리브(19, 20)가 제공되며, 실질적으로 역 "V"자형 형태를 갖는 리세스(19A)를 그 사이에 규정한다.

밀봉면(13)은 밸브 시트(24)(도 2 참조)의 내부 에지(23) 근처에 연장되도록 배치된 환형의 내주 리세스(22)를 더 포함한다.

리브(19, 20)는 밸브 시트(24)와 밀봉면(13)의 밀봉 맞물림을 용이하게 하는 기능을 한다. 에지 또는 리브는 밸브 시트(24)와의 양호한 선 접촉을 제공할 것이며, 어떠한 약간의 마모 및 균열은 에지 또는 리브의 탄성에 의해 수용될 수 있다. 또한, 리브는 재료의 물리적 한계를 초과하지 않고 유체 흐름을 밀봉시키는데 요구되는 압력을 수용하도록 감소된 단면 때문에 충분한 크기의 강화된 탄성의 국부 영역을 제공한다. 리브가 압축되고 도관이 밀봉되는 경우에, 밀봉 몸체의 디스크 부분의 매스의 경도에 의해 제공된 저항은 조작자에게 밸브가 충분히 차단되고 더 이상의 가압이 필요 없다는 "느낌" 또는 피드백 감각을 종료점에서 제공하도록 빠르게 커진다. 이러한 설계에 의한 리브는 리브를 구비하는 밀봉 몸체 디스크의 상대적으로 보다 큰 매스 단면에 의해 지지되는 제한 영역 및 단면 매스상의 "점 하중"에 의해 추가적인 기계적 장점을 제공한다. 이러한 방법에 의해, 밸브의 설계 및 재료의 물리적 한계내에서 효과적인 작용이 이루어진다. 간단히, 재료의 탄성 및 경도는 보다 초기의 설계 및 재료로 이전에 불가능하였던 기계적인 설계 및 재료 성질에 의해 조화될 수 있다.

또한, 리세스(22)는 압력에 직접 비례하여 밸브 시트와 보다 밀착한 맞물림부내에 리브(19, 20)를 변형시키는 것을 조력하는 수압과 접촉하는 경우에 가압될 것이다. 이러한 기구는 개선된 밀봉을 제공하며, 밀봉 기구에 초과 수동 토크를 불필요하게 가하는 필요성을 저감한다.

또한, 환형 리세스(22)는 밀봉면(13)과 밸브 시트(24)의 흔히 날카롭거나 울퉁불퉁한 에지(23) 사이의 접촉을 감소시키게 할 것이다.

본 실시예에서 바이어싱 수단(14)은 테이퍼식 헬리컬 스프링을 포함하며, 이 스프링의 상부 단부는 단부 부재(15)내에 위치하고, 이 스프링은 그 치수에 의해서 그 직경 및 와이어 게이지 두께에 의해 규정된 공간내로 접혀질 수 있고, 그에 따라 최소 공간이 요구된다.

단부 부재(15)는 천공(27)을 포함하며, 그 천공(27)은 단부 부재(15)를 축 부재(11)의 상하로 자유롭게 미끄러지게 한다.

도 2는 탭 스핀들 또는 탭 스크루(28)의 상면에 대항하여 단부 부재(15)가 인접하는 방법을 도시하고 있다. 이러한 실시예에 있어서, 바이어싱 수단(14)은 밀봉면(13)을 밸브 시트(24)와의 맞물림부내에 바이어스되게 한다.

도 3은 폐쇄 위치에서의 밸브(10)를 도시하고 있으며, 그것에 의해 유체는 밸브 시트(24)에 의해 규정된 개구부를 통하여 더 이상 흐르지 않는다. 또한, 도 3은 밸브 시트(24)의 날카롭거나 울퉁불퉁한 에지(23)와 밀봉면(13)의 접촉을 환형 리세스(22)가 방지하는 방법을 나타낸다.

도 4는 밸브가 기계적인 운동 및 탄성 변형을 조정함으로써 도관내의 유체 충격 저감에 조력하는 방법을 나타낸다.

충격파(S)(도 4에서 화살표로 표시됨)가 밸브 시트(24)를 통과할 때에, 밀봉면(13)의 내부 부분(18)은 상부 방향으로 탄성적으로 변형되어 유체 충격을 흡수하게 한다. 충격 흡수 기구는 밸브 시트 표면상에서만 밸브 시트(24)에 고정되는 밀봉 몸체(12)에 의해 형성된 고정 다이아프램의 형태를 취하고, 그에 따라 밸브 시트(24)에 의해 규정된 포트 개구부상에 중앙 부분의 오목한 후방 표면을 두어 유체 충격파가 발생할 때에 그 충격파에 반응하여 바이어싱 수단(14)에 대항하여 자유롭게 왕복 운동한다.

실제적인 목적을 위해 물과 같은 유체는 비압축성이며, 이것은 밀봉 몸체(12)의 후방의 전체상에 연속적인 고체 지지부를 제공하는데 바람직하지 않다는 것은 본 기술 분야에 숙련된 자에게 공지되어 있다. 현재 탭 와셔/점퍼 밸브 디자인에 있어서 일반적인 실시의 경우에, 밀봉 몸체의 후방 표면을 횡단하여 이러한 고체 지지부를 제공하는 것은 압력이 밀봉 몸체의 후방상에 균일하게 분포되기 때문에 밸브를 밀봉시키기 위해 요구되는 토크를 증가시킴으로써 효과적인 밀봉성을 경감시킨다. 이것은 불필요하며, 밸브 몸체를 손상시키고 밸브 시트를 밀봉시키기에 불필요한 밀봉 몸체 재료의 탄성 중합체성 한계 및 물리적 한계를 지나 밀봉 몸체(12)의 변형을 증가시킨다. 이것은 비탄성 변형에 의해 조기 밸브 파손에 이르게 하고, 폐쇄에 큰 토크가 요구된다고 예상하는 밸브 조작자에게 심리적으로 조건 반사를 일으키게 하는 결과에 이르게 하며, 이것은 밸브를 습관적으로 및 파괴적으로 과밀착(over tighting)하게 한다. 또한, 이러한 기구는 하기에 재료 설명에 설명되는 밀봉 몸체의 탄성 중합체성 성질을 갖는 화합물에 의해 강화된다.

외부 부분(17)은 내부 부분(18)의 변형부상에서 밸브 시트(24)와 여전히 밀봉적으로 맞물리고, 그에 의해 밸브(10)가 밸브의 개방을 방지하면서 유체 충격을 흡수하도록 한다. 이러한 효과는 둘 이상의 이러한 밸브가 둘 이상을 사용할 수 있는 시스템을 형성하는 동일 유체 회로에 결합되는 경우에 강화되며, 그것에 의해 유체 충격 하중은 여러 밸브상에 분배된다.

단부 부재(15)내의 오목한 하부 표면(26)(도 5 참조)을 구비함으로써, 바이어싱 수단(14)은 내부 부분(18)의 탄성 변형을 허용하도록 도 3에 도시된 위치로부터 도 4에 도시된 위치까지 운동할 수 있다. 또한, 테이퍼 부분(30)은 반경 방향 내부 방향으로 일부의 고정력을 분배시킴으로써 변형에 조력하여 고정 압력, 압력파 및 도관내의 유체로부터의 정상 반동에 의해 발생되는 반력에 대항함으로써 밀봉 몸체의 반경방향의 "크리프" 또는 콜드 플로우(cold flow) 뒤틀림을 감소시킨다.

유체 충격이 수용된 후에, 내부 부분(18)은 바이어싱 수단(14)에 의해 수월하게 될 수 있는 도 3에서 그것의 정상 위치에 있다. 바이어싱 수단(14)은 헬리컬 테이퍼형 스프링의 형태를 취하며, 이 스프링은 자체 와이어 게이지의 깊이내에서 접혀질 수 있도록 하는 크기를 갖고, 그렇게 하는 경우에 그것을 수용하기 위해 최소의 공간을 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 밸브는 유체 충격의 감소를 용이하게 한다는 점에서 효과적인 동시에, 내부 부분의 변형시에 그 밀봉체를 유지하는 내부 변형 가능한 부분 및 외부 고정 부분을 구비함으로써 안정적인 유체 밀봉체를 여전히 유지한다.

바이어스 수단(14)은 밸브의 제어된 개방 및 폐쇄를 용이하게 하는 스프링 릴리프 밸브를 구비한 밸브를 제조함으로써, 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서의 심한 진동을 방지하는 장점을 더 제공하며, 그 진동은 바이어스되지 않는 밸브에서 보통 발생하고, 유해하고 손상을 주는 유체 충격에 기여하는 요인이다.

일 실시예에 있어서 본 발명의 다른 장점 및 바람직한 특징은 축 부재 및 몸체가 경첩으로 움직이게 하도록 밀봉 몸체에 대하여 탄성적으로 형성된 축 부재(11)를 구비한다는 것이다. 이것은 많은 탭 스핀들(28)이 가공이 나쁘게 될 수 있고 밸브 시트(24)에 대하여 경사져서 연장됨에도 불구하고, 밀봉면이 완전히 결합하는 방법으로 밸브 시트와 맞물리도록 한다. 축 부재(11)가 구조상 강체이고, 탭 스핀들(28)이 휘거나 구부러졌다면, 이것은 밀봉면(13)이 밸브 시트(24)와 경사져서 접촉하게 하고, 좋지 못한 밀봉체를 초래하는 행성 운동과 같이 회전하게 하며, 이것은 대체로 밀봉 몸체 및 밀봉면(13)상의 파괴적인 마모 및 균열을 가속화한다.

또한, 바이어싱 수단(14)은 탭에서 발생하는 역류(reflux or back suction)를 최소화하거나 방지하는 기능을 한다. 이 현상은 비교적 일반적이고, 유체가 유체 회로내로 역류하게 하여 잠재적인 오염원을 제공한다. 탭 배수구가 비스프링 바이어스식 밸브에 설치되고, 정원용 호스를 지나 비료 디스펜서 또는 살충제 분무기까지 연결되면, 역류는 유독성 재료를 주 공급부내로 잠재적으로 배출되게 하여 주 공급부상의 배수구의 모든 사용자를 위험에 빠뜨릴 수 있다. 따라서, 바이어싱 수단(14)은 밸브에 안전 점검 밸브 기능을 추가하며, 충분치 못한 유체 압력이라면, 밸브는 심지어 탭 스핀들이 완전히 개방된 경우에도 스프링의 작용에 의해 자동적으로 폐쇄될 것이다.

축 부재(11)는 종방향의 그루브(groove) 및 리세스(recess)를 포함할 수 있다. 그루브는 축이 스핀들 보어에 억지 끼워맞춤되어 수압 저항이 보어내에서 축의 왕복 운동 작용을 방지하게 하면 바람직하며, 이 수압 저항은 밸브의 자유 운동을 방해한다. 종방향의 그루브는 축을 지나 보어내에 다르게 갇힐 수 있는 유체의 탈출 통로를 제공한다. 축 부재가 보어내에 억지 끼워맞춤되어 조기 밸브 파손에 중요한 요인인 밸브의 밀봉 위치에서의 변형을 제한하도록 하는 것이 바람직하다.

축 부재(11)는 밀봉 몸체(18)의 중공의 원추형 보스 중앙부와 협력하도록 작용하여 밸브 시트(24)와 밀봉 몸체(12)의 축 정렬이 일치하게 유지한다. 본 실시예에 있어서, 절두-원추형 보스(18) 형태의 위치 결정 장치는 압력하에서 유체 흐름에 의해 발생되는 난류에 의한 밀봉 몸체(12)의 과도한 탄성 횡변위를 방지하도록 제공된다. 밀봉 몸체 중앙의 원추형 보스는 심지어 밸브가 원추형 부분을 완전히 개방하는 경우에도 밸브 시트(24)에 의해 규정된 유체 포트로부터 완전히 물러나지 않도록 설계된다. 이러한 수단에 의해서, 밀봉 몸체는 밸브 시트(24)와의 축 정렬이 항상 유지된다. 본 실시예에 있어서, 밀봉 몸체(12)의 보스(18)는 측면을 따라 적어도 2개의 종방향으로 테이퍼진 세로 홈(flutes)을 갖는다. 이 세로 홈은 유체가 어느 정도 박판 모양으로 흐르게 하며, 이러한 흐름은 높은 유체 압력에 의해 유도된 과도한 난류를 감소하게 하여 밀봉 몸체(12)의 밀접하게 결합된 양호한 밀봉을 돕는다. 수류내의 이물질이 밀봉 표면 사이에 보다 작게 걸리고, 밸브의 밀봉을 방해함으로써 밀봉성을 감소시킨다는 점에서 테이퍼형 세로 홈으로부터 다른 이점이 도출되는 것으로 생각된다.

또한, 보스(18)는 밸브가 개방 또는 폐쇄됨에 따라 유체 흐름의 어느 정도의 가변 제어를 제공할 수 있다. 이것은 밀봉체의 평평한 원판형 형상으로 불가능한 가변 가능한 정도의 수류 제어를 제공한다.

보스(18)는 중공으로 단부에서 개방되며, 일부 유체 시스템에서 직면하는 매우 고압에 대하여 밀봉 몸체의 추가적인 지지물을 제공할 수 있다. 보스의 중공 중앙은 성형의 냉각 단계 동안에 두꺼운 단면의 성형 부품에 발생하는 과도한 수축을 감소시켜 치수 안정성을 유지하게 한다.

바이어싱 수단(14)은 주 공급관내의 유체의 오염을 방지하기 위하여 어떠한 역류에 대해서도 밀봉면(13)이 밸브 시트(24)와 밀봉 맞물림을 유지하도록 충분한 강도를 갖게 설계되는 것이 유리하다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 설명된 본 발명의 실시예에 따른 밸브가 도시되어 있다. 본 실시예에 있어서, 밸브(40)는 밸브 축(41) 및 밀봉 몸체(42)를 구비하며, 밸브 축 및 밀봉 몸체는 단일형 및 일체형으로 형성된다. 밀봉 몸체(42)의 전방 면(43)은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이 밀봉면으로 제공되며, 오목한 후방 리세스(45)는 밸브 축(41)의 기재부 근처로 연장된다.

리세스(45)는 환형 형상이며, 탄성적으로 변형 가능한 내부 부분(46)의 직경보다 큰 직경을 갖는다.

도 7은 단부 부재(47)와 도 6의 밸브를 함께 포함하는 조립된 밸브 조립체를 도시하고 있다. 단부 부재(47)는 밸브 축(41)을 상하로 미끄러지게 하도록 천공으로 형성된다.

단부 부재(47)의 전방 면(48)에는 오목한 리세스(49)가 제공된다. 리세스(49)는 실질적으로 평판 형상이며, 밸브 축(41)이 관통하는 천공 근처로 연장된다. 헬리컬 원추형 스프링(50)은 밸브 축(41) 근처에 배치되고, 리세스(49)와 리세스(45) 사이에 끼워진다. 도 8은 밸브 장치가 유체 충격을 어떻게 흡수하는지를 나타낸다. 도 8에 설명된 바와 같이, 유체 충격파가 개구부(51)[보스(18)내의 개구부]에 도달할 때에, 내부 부분(46)은 밸브(40)의 후방 면(44)이 그것의 리세스내에서 스프링(50)을 압축하도록 상부 방향으로 변형하는 과정에서 내부 방향으로 변형한다. 이러한 장치는 오목한 리세스가 밸브(40) 및 단부 부재(47) 모두상에 존재한다는 것을 제외하고는 도 2 내지 도 4에서 설명된 장치와 유사하다는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 목적 및 현재의 복합 변경예를 개시하고 있다. 도 9에 설명된 바와 같이 밸브는 축(60)과, 후방 면(62) 및 전방 면(63)을 구비한 밀봉 몸체(61)를 포함한다. 전방 면(63)은 상기 도면들을 참조하여 또한 설명된 바와 같은 개선된 밀봉 수단을 포함한다. 전방 면(63)은 밀봉 몸체에 대하여 내부 방향으로 굽혀지거나 유체 도관에 대하여 외부 방향으로 굽혀질 수 있는 변형 가능한 내부 부분(64)을 구비하며, 이것은 밀봉 몸체상의 접시형 리세스(65) 및 도 5의 단부 부재(15)의 하부측상의 오목한 리세스(25)에 의해 형성된 결합 공극에서 기인한다. 이러한 실시예에 있어서, 내부 부분(64)은 그로부터 연장되고, 밸브 시트에 의해 규정된 개구부내로 관통하도록 구성된 테이퍼식 중공 보스(66) 형태의 위치 결정 수단을 포함한다. 테이퍼식 보스(66)에는 2개 또는 3개의 등거리로 대향된 세로 홈(67)(도 9에 하나만을 도시함)이 형성되어 있다. 이들 각 세로 홈은 테이퍼형으로 구성되며, 내부 부분을 향하여 수렴된다. 이 세로 홈의 치수는 난류로부터의 진동을 감소시키고 밸브를 고압에 배치할 목적으로 테이퍼식 보스(66)를 별 모양의 형태로 변경하기 위해 상대적으로 얕은 치수로부터 깊고 넓은 치수까지 다양화될 수 있다. 세로 홈은 밸브가 밸브 시트(24)에 의해 설명된 유체 오리피스의 내외부로 운동할 때에 테이퍼식 보스(66)를 따라 유체의 균일한 통로를 제공하며, 밀봉면(63) 하부에 이물질의 걸림을 방지하게 한다. 테이퍼식 보스(66)의 단부 면(68)은 리세스 또는 중공을 포함할 수 있다. 리세스 또는 중동은 사출 성형의 냉각 단계 동안에 수축을 제어함으로써 밸브 성형을 돕는 기능을 한다. 또한, 도 9에 도시된 밸브는 내부 부분(64)의 내부 방향의 변형에 의해 유체 충격을 감소시킨다.

탄성 중합체성 밀봉체 재료의 규격

실시예에 있어서, 밸브는 밸브의 워터 해머 흡수성을 보충하는 특성을 갖는 재료로 형성된다. 스크루 하강 패턴식 밸브 밀봉체상에 배치되는 물리적 요구 조건은 가혹하며, 이것은 밸브가 물 콕 등의 밸브 하우징에 매우 자주 있는 광범위한 물리적으로 부적절한 정렬에 대처해야 할 뿐만 아니라, 잘못 설계된 밸브 및 탭과, 탭 스크루 나사 체결에 제공되는 높은 기계적 장점을 경험한 조작자에 의해 또한 자주 가해지는 과밀착 습관에 견딜 수 있어야 한다는 것이다. 밸브가 정렬 결함 또는 다른 결함 때문에 차단되지 않는다면, 조작자는 밸브 폐쇄를 위해 힘을 가하는 시도로 밸브를 과밀착하는 것으로 보통 부적절하게 반응한다. 이것은 밸브 조작성 외적인 조건에서 발생하는 결함 때문에 밀봉체가 손상되게 한다. 또한, 밸브는 가정용 및 산업용 급수에 일반적인 20psi 내지 1000psi 훨씬 이상의 범위를 갖는 광범위한 작동 압력을 견딜 수 있어야 한다.

밀봉 몸체를 구성하기 위한 상술된 탄성 중합체성 재료는 상기 문제를 극복할 수 있는 충분한 재료 특성을 제공한다. 사출 성형 가능하고 이러한 기능을 수행할 수 있는 열가소성의 탄성 중합체성 재료는 종래에는 물 흡수 레벨에 의해 제한되었고, 이것은 재료의 물리적 특성을 심각하게 변화시켜 신뢰성을 수용할 수 없는 정도가 자주 되게 하였다. 물 밸브에 있어서, 이것은 여러 제조자들이 다양한 기계 및 재료 디자인에 의해 해결하려고 하였으나, 성공의 정도가 다르고 제한되어 있는 심각한 문제이다. 상술된 탄성 중합체성 재료는 그것의 기계적인 잠재성을 갖는 밸브를 제공하는데 효과적이다.

종래에, 물 흡수 및 경도의 문제는 탄성 중합체내에 폴리프로필렌 등의 소수성 화합물을 혼합하거나 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 등의 높은 내수성 중합체만을 선택함으로써만이 해결될 수 있었다. 이러한 단단한 플라스토머(plastomer)가 매우 단단하고, 탄성이 충분하지 못하여 영구적인 소성 변형, 즉 "콜드 플로우" 및 하중하에서 영구 압축 줄음을 일으킨다는 단점이 있다. 이들 재료는 빠르게 변형되어 파손되기 쉽고, 물리적 허용차를 수용할 수 있는 탄성 중합체의 탄성이 결핍됨으로써 사용에 부적합하다. 이러한 결과로 소비자가 밸브를 단순히 차단하기 위해 밸브의 조기 파손을 초래하는 밸브를 과밀착시키는 습관을 갖게 되었다.

공지된 밸브에 사용된 탄성 중합체의 결점은 밸브를 밀봉시키는데 요구되는 탄성의 정도가 상당히 작고, 밸브가 과밀착의 효과에 저항할 수 있도록 충분한 정도의 경도로 결합되는 것을 요구한다는 것이다. 동시에, 이 재료는 스크루 하강 패턴식 밸브의 조작자에게 일정 정도의 물리적 감각을 제공하여 적합한 종료점에 이르게 하고, 이것이 실제적인 유동 흐름 차단과 일치하여야 한다. 이러한 수단에 의해, 조작자는 밸브가 차단되는 것을 관찰할 뿐만 아니라, 성공적인 폐쇄가 제공하는 더욱 밀착 저항에 일치하는 물리적 감각을 갖는다. 차단 지점에서 탄성 중합체가 여전히 큰 정도의 탄성 및 낮은 레벨의 경도를 유지하며, 즉, 탄성 중합체가 저항의 많은 피드백 감각을 제공함이 없이 차단 지점을 지나 실질적으로 변형을 계속할 수 있다는 것은 대부분의 탄성 중합체가 갖는 어려움이다. 이러한 상황에 있어서, 조작자는 밸브가 충분히 차단되지 않았다고 느끼고, 밸브의 심한 손상 및 조기 파손에 이르는 매우 과도한 토크를 가하는 것을 불필요하게 계속 행한다.

이러한 요구 조건을 달성하는 것은 제조 방법으로 사출 성형을 사용하는 경우에 매우 어려웠다. 사출 성형은 노동력, 에너지 및 폐기물 면에서 훨씬 보다 효율적이기 때문에 바람직한 제조 방법이다. 다른 제조 방법은 와셔가 스탬핑되는 적절한 두께의 시트로 압착된 재료를 요구한다. 사용 가능한 재료는 보통 열가소성이 아니라, 높은 압축 줄음 및 콜드 플로우 지수를 갖는 열경화성이다. 밀봉체가 시트로부터 펀칭되는 경우에, 재료의 50% 이상은 낭비(재사용 될 수 없음)될 수 있다. 반면에, 사출 성형 재료(열가소성)는 탕구 및 게이트에서 손실이 25% 미만인 다이에 재료의 정량만을 전달하는 능력을 제공하며, 그 손실 25%는 재생 가능하며, 에너지, 노동력 및 재료의 상당한 절약하게 하는 성형 공정에서 회수될 수 있다. 또한, 사출 성형은 전체 밸브 디자인의 성능 특성을 갖는 재료의 물리적 특성을 함께 가져오는데 요구되는 복잡한 형상의 형성을 허용한다.

현재까지, 밸브, 특히 유체 충격을 흡수할 수 있는 밸브의 제조에서 사용될 수 있는 효과적인 화합물이 아직 개발되거나 사용되지 않고 있다.

폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀을 사용함으로써 저렴하고, 사출 성형 가능하고, 내수성을 갖고, 또한 다른 장점을 갖는 등의 많은 장점이 있다. 그러나, 폴리올레핀은 중요하거나 유용한 탄성 특성을 갖지 못하고, 그에 따라 큰 화학적 안정성을 갖는다 할지라도 밸브 밀봉체로서는 아주 부적합하다. 많은 연구와 실험의 결과, 지금까지 밸브 밀봉체의 제조에 사용되지는 못하나, 적합한 특성을 갖는 화합물을 이제 발견하였다. 이 화합물은 메탈로센(metallocene) 촉매를 사용하여 올레핀을 제조함으로써 탄성 특성이 주어지는 올레핀이다.

메탈로센 유도 플라스토머는 초기의 경도 및 플라스토머성 성질의 많은 부분을 보유할 뿐만 아니라, 내수성 및 내화학성 특성을 보유하면서 매우 현저한 정도의 탄성을 얻는다. 이들 재료는 종래에는 비용 때문에 또는 그러한 특성을 간단히 이용할 수 없었기 때문에 사용될 수 없는 것으로 인식되던 보다 복잡한 디자인을 허용하는 제조에 있어서 비용을 크게 절약하게 한다. 이들 새로운 중합체는 지금까지는 불가능한 방법으로 플라스토머성 특성 및 탄성 중합체성 특성이 혼합되게 하여 플라스토머와 탄성 중합체 사이의 분류 및 구분을 흐리게 한다. 경도와 탄성 중합체성 특성 사이의 조화의 다른 변경은 경도, 콜드 플로우 및 압축 줄음 특성의 유리한 특성을 보유하면서 부틸계 고무 등의 방수성 탄성 중합체와 함께 새로운 플라스토머성/탄성 중합체성 재료를 혼합함으로써 이루어질 수 있다.

이러한 새로운 개발은 밸브 제조를 위해 적합한 재료 특성을 얻었고, 이러한 개발로서 이루어질 수 있는 특성의 혼합은 종래의 재료로 얻어내기는 극도로 어렵거나 불가능한 새로운 것이다. 이러한 목적을 위해 선택된 재료는 메탈로센 폴리올레핀 플라스토머/탄성 중합체이다. 플라스토머성 특성 및 탄성 중합체성 특성의 독특한 조합 때문에, 이러한 특성은 지금까지 엔지니어링 중합체로서 사용되지 않았으나, 대신에 박막의 고탄성은 종래의 형태가 균열을 받지만 사용되는 패키징에 알맞기 때문에 이러한 특성이 포장용 박막 재료로 사용되었다. 새로운 형태는 쉽게 균열하지 않고, 패키징 적용에 있어서 중요한 개량을 제공하고 있다. 또한, 이 새로운 형태는 제조에 저가의 재료이며, 제조 및 연속 제조시에 훨씬 더 낮은 환경 영향을 미친다.

이러한 재료는 종래에는 밸브를 제조하는데 사용되지 않았으나, 그러한 적용에 요구되는 이상적인 특성을 매우 근접하게 갖고 있다. 종래의 재료와 이러한 새로운 재료 사이의 원재료의 비용 차이는 10의 계수의 차수로 감소하고 있다. 이것은 주요한 경제 및 환경적 진보에 따른 것이다. 이것은 설명된 일체식 밸브에 나타낸 디자인 원리를 성취하는 새로운 접근을 청구범위에 청구하며, 이러한 재료 하나 또는 물리적 디자인과 결합한 혼합 사용은 이러한 특성에 대한 충분한 표현을 주는 것이 특징으로 되어 있는 것을 청구한다.

따라서, 메탈로센 폴리올레핀 플라스토머성 탄성 중합체가 종래에 이룰 수 없었던 물리적 디자인 성능의 잠재적인 능력을 갖는 유체 제어 밸브의 제조에 독창적으로 적용하는 것을 청구하며, 특허 출원서에 청구된다.

여러 다른 변형 및 변경은 본 발명의 사상 및 목적에서 벗어남이 없이 설명된 실시예에서 행해질 수 있다.

Claims (17)

1. 도관내의 유체 충격을 감소시키기 위한 밸브에 있어서,

   상기 밸브는 보어 근처로 연장되는 밸브 시트와 밀봉적으로 맞물리는 밀봉면과, 상기 밸브가 폐쇄 위치에 있을 경우에 상기 보어상에 가로놓이는 유체 충격 흡수 부분을 구비하는

   유체 충격 감소 밸브.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유체 충격 흡수 부분이 변형 가능한

   유체 충격 감소 밸브.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 유체 충격 흡수 부분이 탄성을 갖는

   유체 충격 감소 밸브.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 유체 충격 흡수 부분이 상기 보어내로 연장되기에 적합한 돌출부를 포함하는

   유체 충격 감소 밸브.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 돌출부가 흐름 감소 부재로 작용하도록 구성된 보스인

   유체 충격 감소 밸브.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 보스가 상기 밸브 시트상에 상기 밀봉면을 위한 위치 결정 부재로서 작용하도록 구성된

   유체 충격 감소 밸브.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 보스가 절두-원추형 중공이며, 개방된 하부 단부를 갖는

   유체 충격 감소 밸브.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 밸브가 탭 스핀들내로 삽입 가능한 축 부재를 더 포함하며, 상기 축 부재가 상기 탭 스핀들과 상기 밸브 시트 사이에서의 부적절한 정렬을 수용하도록 상기 밸브의 나머지부에 경첩 연결되는

   유체 충격 감소 밸브.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 밀봉면은 상기 유체 충격 흡수 부분이 유체 충격을 흡수하는 경우에 상기 밸브 시트에 밀봉식 맞물림을 유지하여 유체가 상기 밸브를 지나 누설되는 것을 방지하는

   유체 충격 감소 밸브.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 밀봉면이 밀봉체를 개선하는 프로파일을 갖는

    유체 충격 감소 밸브.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 프로파일은 한쌍의 이격된 환형 리브(ribs)를 포함하는

    유체 충격 감소 밸브.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 밸브는 상기 밀봉면 근처에서 상기 밸브내에 환형의 리세스를 더 포함하며, 상기 리세스의 기능은 상기 밸브가 상기 밸브 시트와 상기 보어의 벽 사이의 모리부와 접촉하는 것을 방지하는 것이며, 상기 모서리부는 흔히 상기 밸브를 손상시킬 수 있는 날카롭거나 울퉁불퉁한 형상인

    유체 충격 감소 밸브.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 밸브는 밀봉 몸체를 포함하는 밀봉체를 구비하며, 상기 밀봉 몸체는 상기 밀봉면을 포함하는 하면과, 상면과, 상기 상면의 중앙부에 부착되고 탭 스핀들내로 삽입 가능한 축 부재를 구비하며, 상기 상면에 상기 축 부재의 부착 영역 근처의 영역은 상기 밀봉 몸체에 보다 얇은 부분을 형성하도록 리세스되는

    유체 충격 감소 밸브.
14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 밸브와, 그를 관통하는 개구부를 구비하는 단부 부재를 포함하는 밸브 조립체에 있어서,

    상기 밸브는 상기 단부 부재내의 개구부를 관통하여 상기 밸브 및 상기 단부 부재를 함께 부착시키고, 탭 스핀들내로 삽입 가능한 밸브 축을 구비하며, 사용시에 상기 단부 부재는 상기 탭 스핀들의 하부 단부와 접하는

    밸브 조립체.
15. 제 14 항에 있어서,

    바이어싱 수단은 상기 밸브 및 상기 단부 부재 사이에 제공되어 상기 밸브 시트와의 맞물림부내로 밸브를 바이어스시키는

    밸브 조립체.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 밸브가 메탈로센(metallocene) 촉매 중합체로부터 형성되는

    유체 충격 감소 밸브.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 중합체가 EXCEED(엑슨 코퍼레이션의 상품명)인

    유체 충격 감소 밸브.