KR20060118467A - 밸브 조립체 - Google Patents

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KR20060118467A
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Abstract

흐름 제어 밸브는 입구 및 출구를 포함하고, 이를 통해 유체가 밸브로 들어가고 나간다. 밸브 플런저는 거기에 부착된 안내 스프링을 갖고, 이에 의해 안내 스프링은 플런저 및 밸브 오리피스 사이에 위치한다. 플런저, 그리고 안내 스프링은, 밸브를 통해 유체 흐름을 제어하도록 오리피스에 대해 이동 가능하다. 안내 스프링 및 이에 인접한 오리피스 면은, 밸브가 닫힐 때 서로에 대해 밀봉하는, 동일 평면을 형성한다.

Description

밸브 조립체 {VALVE ASSEMBLY}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은, 여기서 참조로 인용되는 2003년 10월 9일 출원된 미국 특허 가출원 제 60/481,495호의 정규 출원이다.
본 명세서는 일반적으로 유체 흐름 제어 밸브에 관한 것이다.
흐름 제어 응용분야가 점차 증가함에 따라 현존하는 솔레노이드(solenoid) 밸브 설계 성능을 넘어서게 되었다. 이러한 응용 분야들은, 종종 제대로 형성되지 않거나 작동 동안 변하는 압력 조건을 포함한다. 예를 들면, 공지된 솔레노이드 밸브는 과도한 내부 누수를 나타낼 수 있다. 최적의 성능을 나타내기 위해서는, 밸브의 보정(shimming)이 요구된다. 일관되지 않은 개구 전압(opening voltage) 및 제어 범위가 종종 요구되고(상시 폐쇄 밸브), 제품 흐름 범위를 포괄하기 위해 다수의 오리피스(orifice) 크기가 요구된다.
이와 같은 공지의 장치는 종래 기술과 관련된 단점들을 보여준다.
본 명세서의 태양에 따르면, 밸브 조립체는 제 1 면을 형성하는 오리피스 부재를 포함한다. 플런저(plunger)는 오리피스 부재에 대해 이동 가능하고, 안내 스프링(guide spring)은 오리피스 부재 및 플런저 사이에 위치한다. 안내 스프링의 일부는 플런저의 제 1 단부에 부착되고, 이에 의해 안내 스프링 및 오리피스는 밸브 입구 및 출구 사이의 유체 흐름을 막도록 서로 밀봉하는 동일 평면을 형성한다. 평판 스프링일 수도 있는 제 2 안내 스프링은, 플런저의 반대편 단부에 부착된다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 명백하게 나타날 것이다.
도 1은, 본 명세서의 제안(teaching)에 따라 구성된 밸브의 일부를 도시하는 단면도이다.
도 2는, 도 1에서 도시된 밸브의 일부를 더욱 자세하게 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은, 본 명세서의 제안에 따른 플런저 조립체를 도시한다.
도 4는, 도 3의 IV-IV라인을 따라 도시된 단면도이다.
도 5는, 본 명세서의 제안에 따른 상시(normally) 개방된 밸브의 일부를 도시하는 단면도이다.
본 발명은 다양한 개조 및 대안적 형태가 가능하지만, 도면에서 나타난 예에 의해 구체적 실시예를 나타내었고 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 그러나 이하의 구체적 실시예의 설명이 본 발명을 개시된 특별한 형태에 제한하도록 의도된 것이 아니라 반대로 본 발명의 사상 및 범위 내에서 가능한 모든 개조물, 동등물, 대안물을 포괄하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 구체적 실시예는 이하에서 설명된다. 편의상, 실제 작동의 모든 특징들이 본 명세서에서 설명되는 것은 아니다. 이러한 실제적 실시예의 개발에 있어서 시스템-관련 및 사업-관련된 구속 사항에 맞춰 구현할 때마다 변할 수 있는 개발자의 구체적 목적을 달성하도록 다양한 구체적인 구현의 결정이 내려져야 한다는 것을 물론 이해할 것이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있으나 그럼에도 불구하고 당업자들에게는 일상적인 과정이라고 이해될 것이다.
도 1은, 본 명세서의 일정한 제안에 따른 밸브(100)의 일부의 단면도이다. 도시된 전형적인 밸브(100)는 상시 폐쇄(normally closed) 밸브이다. 밸브(100)는 흐름 바디(102)와 흐름 제어부(104)를 갖는다. 흐름 바디(102)는 유체 입구(106)와 유체 출구(108)를 형성한다. 흐름 제어부(104)는 오리피스 부재(112)에 대해 이동 가능한 밸브 플런저(plunger, 110)를 포함한다. 밸브 축(stem) 조립체(114)는, 플런저(110) 및 오리피스(112)를 둘러싸는 지탱 블록부(retaining block portion, 115)와 요구되는 대로 밸브(100)를 작동시키도록 코일(coil, 118)에 의해 둘러싸인 자극편(magnetic pole piece, 116)을 포함한다. 플런저(110) 및 밸브 축(114)은 연자성 재료로 만들어진다.
도 2는 흐름 제어부(104)의 일부를 더욱 상세하게 도시한다. 밸브 플런저(110)는 이에 부착된 제 1 또는 하부 안내 스프링(130)을 갖고, 이에 의해 스프링(130)은 플런저(110) 및 오리피스(112) 사이에 위치한다. 플런저(110), 그리고 제 1 안내 스프링(130)은 오리피스(112)에 대해 이동 가능하고 이로써 밸브(100)를 통 해 유체 흐름을 제어한다. 제 1 안내 스프링(130) 및 제 1 안내 스프링(130)에 인접한 오리피스(112)의 윗면(도 1 및 2에서 도시된 것처럼)은, 밸브(100)가 닫혔을 때 서로에 대해 밀봉하는 면을 형성한다.
따라서, 밸브는 안내 스프링(130)의 겹쳐진 면에 대해 밀봉하는 겹쳐진 오리피스 면을 갖는다. 밸브 지탱 블록(115)이 흐름 바디(102) 쪽으로 죄어졌을 때, 겹쳐진 스프링 면은 오리피스(112)의 겹쳐진 윗면에 프레스 된다. 이런 두 면은 동일 평면상에 있기 때문에, 스프링(130) 및 오리피스(112)의 밀봉 구역은 서로 접한다. 이러한 설계의 특징은 다수의 장점을 나타낸다. 예를 들면, 서로 접촉하는 두 평면은 밀봉 면 사이 비-평행(non-parallelism)에 관한 모든 문제점을 실질적으로 제거한다. 서로 접하는 두 평행한 겹쳐진 면은, 매우 낮은 누수율의 수치를 나타낸다. 제어된 아래 방향 힘과 함께 겹쳐진 밀봉 면은, 밸브가 열리고 닫히는 사이클이 진행될 때 시트(seat)와 오리피스의 변형을 감소시킨다. 이는 금속 변형을 동반하는 입자의 생성을 감소시킨다.
일 실시예에서, 제 1 안내 스프링(130)은 두 개의 작은 점 용접(spot welding)을 통해 플런저(110)에 부착된다. 용접 동안 겹쳐진 스프링 면의 뒤틀림을 감소시키기 위해, 두 개의 보이지 않는 평평한 바닥부 개구들(132)이 스프링(130)에 에칭된다. 이러한 개구들(132)은, 스프링 아암(arm)이 에칭될 때 형성된다. 개구(132)의 깊이는 스프링(130)의 두께에 의존하여 변한다. 이는 용접되어야할 더 얇은 섹션을 제공하고, 이에 의해 용접을 수행하는데 요구되는 힘을 감소시키고, 용접부 주위의 열-영향을 받는 구역을 감소시킨다.
제 2 또는 상부 안내 스프링(140)은 플런저(110)의 윗면에 부착된다. 도시된 실시예에서, 평판 스프링(140)은 플런저(110)의 윗면에 용접된다. 도시된 실시예에서, 제 2 안내 스프링(140)은 설비(fixture)에서 확장되어 스프링 아암을 특정한 길이로 영구적으로 변형시킨다. 이는, 제 2 스프링(140)의 윗면이 마찰없는 지지 부재를 생성하는 자극편(118)의 인접면과 접촉하는 것을 보장한다. 도 1 및 2에서 도시된 상시 폐쇄 밸브에서, 스프링(140)은 아래로 향하는 작은 힘을 플런저(110)에 제공하고 이는 모든 밸브-마운팅(mounting) 위치에서 차단(shutoff)을 보장한다. 또한, 스프링(140)은 플런저(110)가 방사상으로 지지되는 것을 보장하여 플런저(110)가 밸브(100)의 작동 동안 자극편(118)을 향하여 당겨질 때 플런저(110)의 방사상 이동을 막는다. 최종 결과는, 밸브 개구 전류에서 큰 일관성을 나타내는, 제어되고/예측 가능한 초기의 아래 방향의 힘이다. 대안적인 실시예에서, 낮은 스프링 상수의 나선형(helical) 압축 스프링이, 예압(preload force)을 플런저(110)에 부가하도록 평판 스프링(140) 대신에 사용된다.
니켈 밀봉 워셔(nickel sealing washer, 144)는 오리피스(112) 및 흐름 바디(102) 사이에 누수 없는 밀봉(leak tight seal)을 제공할 뿐만 아니라, 오리피스(112) 및 지탱 블록(115) 사이의 제 1 스프링(130)을 단단하게 지지하는 힘을 가하는 작용을 한다. 니켈 밀봉(144)의 장점은, 이것이 그 주위로 불균일하게 변형될 수 있다는 것이고, 따라서 어떠한 평행하지 않은 부품들도 수용할 수 있다는 것이다. 다른 실시예에서, 밀봉 워셔(144)는 니켈 이외의 다른 재료로 만들어진다. 예를 들면, 워셔(144)는 일정한 응용을 위해 완전히 어닐링된(annealed) 스테인리 스(stainless)로 만들어질 수 있고, 이 경우 공정 유체는 니켈과 반응성이 없다. 제 2 니켈 밀봉 워셔(145)는, 지탱 블록(115) 및 흐름 블록(102) 사이에 누수 없는 밀봉을 제공한다. 이 밀봉(145)은, 작동 유체가 외부 환경으로 누수되는 것을 막아준다. 이 밀봉(145)은, 니켈과 반응성이 없는 공정 유체를 포함하는 응용분야를 위해 내식 탄성체 재료(corrosion resistant elastomeric material)로 대체될 수 있다.
제 2 안내 스프링(140)은 플런저(110)에 예압을 부가하는 낮은 스프링 상수를 가진다. 플런저(110)의 길이는, 플런저(110) 및 자극편(118) 사이의 에어갭(airgap)을 조절하도록 변할 수 있고, 이는 오리피스(112)의 크기에 의존한다. 하부 안내 스프링(130)의 두께는 밸브 제어 범위를 최적화하도록 변할 수 있다. 전형적으로, 더 작은 오리피스가 큰 스프링 상수를 갖는 더 두꺼운 하부 안내 스프링(130)을 사용할 것이고, 더 큰 오리피스는 낮은 스프링 상수를 갖는 더 얇은 하부 안내 스프링(130)을 사용할 것이다.
도시된 실시예에서 플런저(110)는, 밸브 코일(116)로 침투하지 못하기 때문에 그 길이가 짧다. 상부 안내 스프링(140)에 의해 제공되는 방사상의 지지와 함께 이 짧은 길이는, 밸브가 다양한 마운팅 자세(attitude)에서 작동될 때 플런저가 방사상으로 이동하지 못하게 하는 것을 보장한다.
지탱 블록(115)이 바디(102)와 동일 평면상에서 죄어질 때, 밸브의 내부 구성부는 서로 죄어진다. 따라서 어떠한 내부 나사선도 필요하지 않다. 내부 나사선은 매우-깨끗한 제품을 위해 기계적으로 닦는 것을 어렵게 한다. 또한 이들은 미립자, 습기 및 탄화수소 오염을 생성할 수 있다.
도 3 및 4는, 플런저(110) 및 하부 안내 스프링(130)에 대한 대안적인 구성을 도시한다. 도시된 조립체는 플런저(110)에 의해 형성되는 개구(152)에 수용된 성형된 탄성체 인서트(150)를 사용한다. 인서트(150)는, 하부 스프링(130)이 플런저(110)에 용접됨에 따라 개구(152)에 끼워진다. 스프링(130)을 지나서 확장하는 초과의 고무는, 동일 평면을 만들도록 스프링(130)과 동일 평면의 바닥에 있다.
도 5는, 본 명세서의 제안에 따른 상시 개방 밸브(101)의 일부를 도시한다. 상시 개방 밸브(101)에서, 플런저(110)는 코일(116)이 활성화될 때 자극편(118)을 향하여 당겨진다. 동력을 가하지 않아도 하부 스프링(130)은 평평한 상태(flat position)로 되돌아온다. 스페이서(spacer, 160)는, 무동력 상태 동안 흐름이 통과하도록 오리피스(112)의 외부(outer land) 및 하부 스프링(130) 사이에 설치된다.
상기에서 개시된 특별한 실시예는 오직 설명을 위한 것이고, 본 발명은 당업자들에게 명백한 다른 균등한 방식으로 개조되어 실행될 수 있다. 또한, 여기서 도시된 구성 또는 설계의 구체적 설명에 어떠한 제한도 의도되지 않았고, 이하의 청구 범위에서의 설명의 경우도 마찬가지이다. 따라서 상기에서 개시된 특별한 실시예는 변경되거나 개조될 수 있고, 이러한 모든 변경은 발명의 범위 및 사상 내에서 고려될 수 있음이 명백하다.

Claims (10)

  1. 밸브 조립체에 있어서,
    제 1 면을 형성하고, 입구 및 출구를 갖는 오리피스(orifice) 부재;
    상기 오리피스 부재에 대해 이동 가능한 플런저(plunger); 및
    상기 오리피스 부재 및 상기 플런저 사이에 위치하고, 일부분이 상기 플런저의 제 1 단부에 부착되며, 상기 입구 및 상기 출구 사이에서 유체가 흐르지 않도록 상기 제 1 면에 대해 밀봉 가능한 제 2 면을 형성하는 제 1 안내 스프링(guide spring)을 포함하는,
    밸브 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안내 스프링은 점 용접(spot welding)에 의해 상기 플런저의 제 1 단부에 부착되는 것을 특징으로 하는,
    밸브 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 안내 스프링은 내부에 개구(opening)를 형성하고, 상기 개구의 반대편에서 상기 플런저에 용접되는 것을 특징으로 하는,
    밸브 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플런저의 제 2 단부에 부착된 제 2 안내 스프링을 추가로 포함하는,
    밸브 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    흐름 바디(flow body); 및
    상기 오리피스 및 상기 흐름 바디 사이에 위치한 밀봉 부재를 추가로 포함하는,
    밸브 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 밀봉 부재가 니켈 워셔(nickel washer)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    밸브 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플런저에 의해 형성된 개구에 수용된 탄성체 인서트(elastomeric insert)를 추가로 포함하는,
    밸브 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브가 상시 폐쇄되어 있는(normally closed) 것을 특징으로 하는,
    밸브 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브가 상시 개방되어 있는(normally open) 것을 특징으로 하는,
    밸브 조립체.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 안내 스프링이 평판 스프링(flat spring)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    밸브 조립체.
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