KR20090117802A - 볼 밸브를 가진 연속행정 공압공구 - Google Patents

Abstract

본원의 볼 밸브 조립체는 연속행정 공압공구를 통과하는 가스흐름을 제어하기 위한 제어밸브로서 사용되는 것이다. 밸브 요소(valving element)는 일반적으로 구형이고 비-자화성(non-magnetizable)이다. 상기 일반적인 구형의 밸브 요소는 2개의 오목한 원추형 면 사이에서 헐겁게 한정되어 있다. 상기 원추형 면은 밸브 시트부재에 제공된다. 오목한 원추형 면은 서로 대향되어 있고, 그 사이에 밸브 챔버를 형성하고 있다. 상기 구형의 밸브 요소가 상기 오목한 원추형 면 사이에 형성된 밸브 챔버에서 동작할 때에 자유롭게 구르고 회전하기(roll and tumble)에 충분한 유극(clearance)이 제공된다. 이러한 구조는 볼 밸브 조립체가 과급 윤활유, 이물질 등을 자체 정화할 수 있게 한다. 마멸(wear)은 상기 밸브 요소의 전체 구형 면에 걸쳐 분포된다. 또한, 헐거운 구속은 제어 밸브 조립체를 통하는 비교적 큰 가스 통로의 단면도 충분히 제공하는 것이다. 2개 밸브 시트부재는 볼 밸브 조립체가 종래 공압공구 제어밸브를 드롭-인 교체로서 사용되게 적절하게 배치된다.

볼 밸브 조립체, 파워행정, 귀환행정, 연속행정, 밸브 챔버, 원추형 면, 볼.

Description

볼 밸브를 가진 연속행정 공압공구{CONTINUOUS STROKE PNEUMATIC TOOL WITH BALL VALVE}

본 발명은 공압공구에서 공기 흐름을 제어하기 위한 밸브 방법(valving methods)과 장치에 관한 것이다. 보다 특정하게는, 본 발명은 볼 밸브가 공구의 공압회로에 설치된 연속행정 공압공구(continuous stroke pneumatic tools)에 관한 것이다.

예를 들어, 전형적인 연속행정 공압공구에는 잭햄머, 임팩트 렌치, 스크렙퍼, 줄(files), 이가 굵은 줄(rasps), 리벳팅 건, 로터리 햄머, 칩핑 햄머와 같은 것들이 있다. 상기 공구에는 일반적으로 공압회로가 설치되어 있으며, 상기 공압회로는 공기 또는 다른 압력가스가 공구의 의도된 기능을 수행하게 한다.

일반적으로, 연속행정 공압공구에 있는 공압회로는 밸브 메카니즘(valving mechanism)을 갖추어서 공구를 통해 흐르는 압력가스(일반적으로 공기)의 흐름을 제어한다. 상기 공압회로는 일반적으로, 압력가스가 파워행정 중에 실린더 내에서 한 방향으로 프리-플로팅 피스톤(free floating piston)이 동작하게 상기 회로를 통해 한 방향으로 흐르게 작동된다. 파워행정 말미에 피스톤 동작 임계지점 부근에서, 상기 피스톤은 태핏부재(tappet member)를 타격한다. 상기 태핏부재는 공압 공구가 의도한 작업을 수행하는 비트 또는 다른 부속품에 일격(blow)을 전달하게 한다. 또한, 파워행정의 말미에서는, 밸브가 작동하여, 가스흐름을 역전시킨다. 다음, 피스톤은 귀환행정으로 동작한다. 귀환행정의 말미에서, 상기 밸브는 가스흐름을 역전하여 다른 파워행정을 수행하도록 다시 작동한다. 압력가스가 지속적으로 공압회로에 공급되는 동안에는, 상기 공압회로가 피스톤이 귀환행정과 파워행정 사이에서 지속적으로 운동하게 작동된다. 일부 종래의 공압공구는, 연속행정 또는 단속행정 모드에서 조작인이 공구를 작동하는 옵션을 가지고 있다. 종래 밸브 방식은 일반적으로 기계가공된 치밀한 공차를 가진 금속 파트의 사용을 포함하는 것이다. 그러한 종래 방식은 결점 없이 있을 수 없는 것이다. 이러한 문제와 관련하여 당 기술분야에서는 종래 방식을 개선할 필요가 있었다.

전형적인 종래 기술의 장치와 방법이 갖고 있는 주요한 결점은 금속 밸브 내에서 필수적인 근소한 공차(close tolerances)가 이들을 제작 및 유지하는데 많은 비용을 소요하고, 그리고 신뢰성을 제한한다는 것이다. 일반적으로, 종래 밸브는 마멸 또는 손상을 자체 보정 할 수 없어서, 빈번한 유지 관리 및 교체를 필요로 하였다. 기계가공 파트는 자주, 밸브의 작동을 방해하는 자체 자화(self magnetize)가 되었다. 일반적으로 밸브 성분용으로 사용되는 강철은 부식을 받게 된다. 임의적인 오염물, 금속 입자, 또는 그외 다른 파편들은 밸브의 작동을 방해하는 성질이 있는 것이다. 과급 윤활유도 밸브 파트가 점착성이 있게 하고 불안정한 동작을 하게 한다. 종래 밸브는 일반적으로 자체 정화능력이 없기 때문에, 상술한 바와 같이 더러워진 밸브를 수리 복구하기 위해서는 밸브를 조립해제하고, 세척하고, 그 리고 재조립하는 공정을 필요로 한다. 공압공구는 흔히 매우 가혹한 기후 상황에서 작동된다. 밸브 성분에 있는 수분은 밸브를 빙결시키거나 다른 기능장애를 일으킬 수 있는 것이다.

이전의 표준 설계는 예를 들어 셔틀(shuttle), 평판, 볼 및 플래퍼(flapper) 타입 밸브를 포함하였고, 이들은 일반적으로 전체-금속성의 구성물로 이루어진다. 상기 금속성의 성분들은 흔히 이들이 효율적으로 기능을 하도록 열처리 및 근소한-공차의 기계가공이 필요한 것이다. 일반적으로, 상기 종래 밸브들은 사용하는 과정에서 흔하게 부딪치는 상황으로 인해 쉽게 고장이 일어나게 된다.

압력공기 시스템에는 항시 습기가 있다. 흔히, 종래 장치의 면과 직경 사이의 엄격한 공차(tight tolerances)는, 특정적으로 상기 공구를 잠시 공회전시키었을 때에, 이러한 수분을 포획한다. 이러한 구조는 종래 밸브가 빈번하게 한 위치에 들러붙게 한다. 압력공기 시스템에 수분이 있어서, 상기 타입의 공구를 가혹한 기후조건이나 연장된 연속작동을 할 때에, 드물지 않게, 안에 있는 물이 얼어서 사용할 수 없고 공구가 기능을 발휘하지 못하게 한다.

때때로, 성분들이 함께 문질러져서 유사한 금속이 자체 자화되어, 밸브가 비정상적으로 작동되게 하기도 한다. 따라서, 오랫동안 이러한 문제를 해결할 필요성을 느껴왔다.

종래기술의 표준 밸브에서 직경과 면 사이에는 엄격한 치수(tight dimensions)를 가지기 때문에, 단지 인치 당 수천(a few thousandths of an inch)의 틈(gaps)이 인치 당 ± 1/1000 또는 2/1000 정도의 공차가 소요되었다. 이러한 틈은 어떠한 잔해물이 공구 안으로 빨려들어가면 쉽게 기능장애를 일으키는 것이다. 이러한 구조는 밸브가, 닫혀있지 않은 면을 지나가는 공기의 잼(jam) 또는 누설이 일어나게 한다.

만일 너무 많은 양의 윤활유가 종래 공구에 투입되었다면, 과급 오일은 특히 낮은 온도에서 긴밀하게 설치된 동작 파트(close fitting moving parts)를 함께 "붙이려(glue)" 할 것이다.

금속 간의 접촉(metal to metal contact)은 결국 파트 간의 마찰로 인하여 1개 이상의 성분에서 마멸을 발생시킨다. 결국, 종래기술의 파트는 공구를 효율적으로 작동되지 않게 하는 지점까지 마멸이 될 것이다. 종래 밸브에서의 동일한 면이 항시 서로 접촉하여 있어서, 특정 장소에서의 마멸을 유발시킨다.

종래 표준 밸브는 통상적으로 이들의 마멸 성질을 향상시키는데 열처리가 필요한 금속 재료로 이루어졌다. 이러한 밸브는 흔히, 필요한 근소한 공차를 얻기 위해서 그라인딩과 같이 가격이 비싼 제작공정을 필요로 한다.

세계적으로 많은 공압공구가 사용된다. 현재, 상기 공압공구의 최종 사용인이, 어떠한 기계가공이나 다른 곤란함을 갖지 않고 공구를 작동하도록, 새롭고 개량된 제어밸브로 상기 공구를 개장(retrofit)하게 하는 제어밸브 키트(kit)의 필요성이 인식되어 있다. 상기 필요는 일반적인 수공구(hand tools)에 지나지 않는 것을 사용하여 설치할 수 있는 개장 밸브 키트용에 대한 것이다.

공압공구 산업분야에서는 오랫동안 더 나은 공압공구 제어밸브가 필요하다는 사실이 인식되어 있었다. 그러한 필요성에 대해서, 공압공구 산업분야에서는 신뢰 성의 문제와, 종래 공압 제어 밸브를 제조 및 유지 관리하는데 소요되는 비용 문제를 해결하려는 시도가 많이 있었다.

그러한 시도 중의 하나가 헤슬러의 미국특허 1,240,708호와 1,240,709호에 반영되어져 있으며, 상기 특허들은 본원에 전체 설명을 통해서 참고로서 기재되었다. 밸브 케이지(cage)는 공압식 타격 공구의 케이싱의 측면에 있는 밸브 케이지 포켓에 장착된다. 상기 밸브 케이지 내의 볼은 2개 포트 사이에 챔버 내에서 굴러서 전진 및 후진이동을 한다. 상기 포트는 챔버의 측면에 있으며, 그 반대편 단부에는 있지 않다. 상기 볼이 상기 측면 포트 쪽으로 측면으로 이동하는 데에는 빈틈없는 밀봉이 필요하다. 빈틈없는 밀봉을 갖지 않으면, 밸브는 누설이 발생하는 양에 따라서 비효율적 또는 비작동적으로 된다. 상기 볼과 밸브 케이지는 금속으로 제조된다. 본원에 참고로서 기재된 하트만 외 다수인의 미국특허 5,930,899호는, 밸브조절이 원통형 보어에서 전후방향으로 운동하는 볼에 의해 이루어지는 공압식 스크렙핑 공구를 개재하였다. 이동행정의 한쪽 끝에서, 상기 볼은 원통형 보어의 종축선과 대략 동심으로 있는 0-링에 위치한다. 상기 볼의 이동행정의 다른쪽 끝에는 0-링이 없다.

또한, 예를 들어 다음을 포함하는 본원에 참고로서 그 내용이 기재된 다른 종래 특허들에서는 다른 시도를 반영하였다. 하트맨 외의 다수인에 의한 미국특허 5,930,899호(볼이 0-링과 접촉하여 이동행정의 한쪽 끝에 위치하는 볼 밸브이지만, 다른 포트들은 가동 볼과 금속 대 금속의 접촉으로 밀봉되어 있는 것임); 코우델카의 미국특허 5,183,121호(스프링 적재 볼이 플라스틱 시트와 결합); 쿠링톤의 미국 특허 4,146,097호(체크 밸브 볼이 이동행정의 한쪽 끝에서 원추형 시트와 결합하고, 금속제의 볼과 시트를 가짐); 호프만의 미국특허 4,466,851호(금속제의 볼과 시트로서, 볼은 시트 사이에서 전후방향으로 굴러 이동함); 그리고 넬선 외의 다수인의 미국특허 4,416,338호(챔버의 양쪽 끝 사이에서 금속제 볼이 구르게 있고, 한쪽 끝에는 볼용의 0-링 시트가 있음).

본원은 당 기술분야의 현재의 상태에 대하여, 그리고 특히 공압공구용으로 현재 활용되는 제어밸브에 의해 충분하거나 완전하게 해결되어져 있지 않은 것들과 그외 다른 문제 및 필요성에 대하여 개량되어진 것이다. 본원은 적어도 당 분야에서 확인된 문제와 단점을 효과적으로 해결한 것이다. 본원은 현재의 공압공구용 제어밸브 교체 키트로서 사용하기에 특히 적절한 것이다.

일반적으로, 연속행정 공압공구(도7 내지 도12)는 종축선과 일반적으로 원통형의 보어를 가진 몸통부재를 포함한다. 상기 원통형 보어는 일반적으로 축선방향으로 반대인 제1 및 제2단부를 갖는다. 피스톤 요소는 일반적으로 원통형 보어의 종축선을 따라서 프리-플로팅 운동을 하게 하는 상기 원통형 보어 내에 활주 가능하게 수용된다. 상기 공구는 피스톤 요소가 제2단부 쪽으로 이동하는 파워행정과, 피스톤 요소가 제1단부 쪽으로 이동하는 귀환행정을 갖는다. 태핏요소는 제2단부에서, 대략 파워행정의 말미에서 피스톤 요소에 의해 타격을 받는 위치에 일반적으로 장착된다. 공압회로는 몸통부재와 상관하고 있다. 상기 공압회로는 일반적으로 연속적인 압력가스원에 연결되는데 이용되는 공급도관을 포함한다. 온-오프 밸브는 유체가 공급도관과 관련하여 조절되어 흐르게 한다. 제어밸브 조립체는 일반적으로 제1단부 근방에서 몸통부재에 장착된다. 본원의 제어밸브 조립체는 제1단부 근방에서 몸통부재에 일반적으로 장착된 볼 밸브 조립체를 포함한다(도9 내지 도12). 본원의 볼 밸브 조립체는 파워행정편과 귀환행정편을 갖는다. 귀환 도관은 대략 원통형 보어의 제2단부와 귀환행정편 사이에서 신장된다. 상기 파워행정편은 제1단부와 유체소통하게 있다. 배출포트는 대략 원통형 보어의 거의 중간에서부터 몸통부재의 외부까지 신장된다.

한 실시예에서, 볼 밸브 조립체는 밸브 볼 요소를 갖는다. 상기 밸브 볼 요소는 밸브 챔버 내부에 헐겁게 한정되어서, 파워행정편의 제1오목한 원추형 면과 밀봉 결합하는 부분과, 귀환행정편의 제2오목한 면과 밀봉 결합하는 부분과의 사이에서 동작한다.

밸브 볼 요소와 각각의 오목한 원추형 면과의 사이에 밀봉 결합은 일반적으로, 각각의 오목한 원추형 면과 볼 요소의 면과의 사이에서 라인 접촉성질을 띠고 있다. 상기 제1 및 제2오목한 원추형 면은 일반적으로 서로 대향되어 있으며, 그 사이에 밸브 챔버가 형성된다. 2개의 오목한 원추형 면은, 밸브 볼 요소의 직경보다 약간 더 큰 거리로 이격 분리되어 있다. 상기 밸브 볼 요소는 대체로 비-자화성 재료로 이루어진 밀봉식 탄력 면을 갖는다. 밸브 볼 요소의 비-자화성 면은 유기물(organic) 또는 무기물(inorganic) 이다. 실시예에서, 헐겁게 한정된 볼 요소는, 제1 및 제2오목한 원추형 면 사이에 형성된 밸브 챔버 내에서 이동하면서, 적어도 약 0.005인치 정도의 랜덤한 측면 운동을 할 수 있다. 상기 볼 밸브 조립체에서는 밸브 볼 요소가 유일한 동작 파트이다.

상기 밸브 볼 요소는 중공 또는 고형체이고, 그리고 전체적으로 동종 또는 이종 재료로 이루어진다. 상기 밸브 볼 요소는 대략 구형으로 밸브 챔버 내에서 자유스럽게 부유되어 있어서, 밸브 볼 요소가 자유롭게 회전하고 그리고 대체로 매 행정에서 각각의 오목한 원추형 면과 밀봉 접촉을 하기 위해 다른 장소(different location)(일반적으로 라인)를 제공한다, . 상기 볼 밸브 요소는, 각각의 오목한 원추형 면 사이에서 길이방향으로 동작하여, 소량의 측면 운동을 할 수 있다. 따라서, 밸브 볼 요소의 마멸이 전체 면에서 고르게 분포되고, 그리고 볼 밸브 조립체에 유입되는 이물질 입자 또는 과급 윤활유가 밸브 볼 요소의 자유스런 부유동작으로, 또는 볼 밸브 조립체를 통한 가스흐름으로, 또는 양쪽 모두에 의해서 빠르게 제거된다.

본 발명에 관련된 당 기술분야의 기술인이 본 발명을 용이하게 이해할 수 있도록 볼 밸브 조립체의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참고로 이하에 기술한다. 실시예를 통해 기술되는 본원의 볼 밸브 조립체는, 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 형태와 개조를 모두 나타내지 않는, 예를 들어 설명한 것이다. 따라서, 본원에 도시되고 기술된 실시예는 설명을 목적으로 기술된 것으로서, 당 분야의 기술인은 다양한 방식으로 본 발명을 개조 및 변경할 수 있는 것이다. 본 발명은 첨부 청구범위에 의거 한정되며, 첨부 명세서의 설명이나 도면에 의해 한정되지 않는다.

다년간, 자체 정화할 수 있는 최소 밀봉 면을 가진 단순한 제어밸브용 연속행정 공압공구의 필요성이 제기되었다. 실시예는 오직 3개 밀봉 면(볼 요소의 대략 구형의 면과, 밸브 챔버 내의 2개의 오목한 원추형 면)만을 갖는 것이다. 상기 볼 요소의 밀봉구역은 일반적으로, 각각의 오목한 원추형 면에 대한 접촉 접선 뿐이다. 대략 구형으로 오목한 원추형 면 사이에 틈은, 볼 밸브 조립체를 정상 작동하여 파편을 제거하기에 충분하게 큰 것이다. 2개 면의 곡률은 어울리지 않아서(오목한 원추형에 반하여 구형), 이물질 및 수분이 그 사이에 갇혀지지 않게 한다.

상기 밸브 볼 요소의 실시예는 일반적으로 비-자화성 이다(예, 폴리우레탄). 임의 실시예에 따라서, 가동 밸브 볼 요소 자체는 적어도 대략 -40℉ 내지 +140℉ 사이에서 안정적인 재료로 제조된다.

밸브 볼 요소는 1개 평면보다 많은 곳에서 동작하도록 자유롭게 되어 있어서, 면 사이에서의 임의적인 "들러붙음(sticking)"이 일어나지 않게 된다. 밀착끼움 파트를 결여한 실시예는 제공된 오일 또는 윤활유의 자유스런 흐름이 이루어지게 한다. 임의 실시예에서는 볼 밸브 조립체 자신이 어떠한 형태의 윤활유도 필요로 하지 않는다. 실시예에 따라서는, 밸브 볼 요소가 본질적으로 내마멸도가 높게 나타나고 그리고 높은 인장강도를 갖는다.

공구를 운용하는 중에, 상기 밸브 볼 요소는 굴러 회전(roll and tumble)하여, 밸브 볼 요소가 동작할 때마다 다른 마멸 면을 제공한다. 종래 제어밸브에서 전형적으로 발견되는 면 대 면 밀봉과 대비하여, 밸브 볼 요소와 오목한 원추형 면과의 사이에는 최소의 접촉 면 구역이 있다. 상부와 하부 밸브 시트에 열처리 또는 그라인딩 처리를 할 필요가 없다. 종래 기술의 제어밸브에서 필요한 성분 수 보다 적은 양의 성분을 필요로 한다.

본 발명의 실시예의 다른 목적, 이점, 및 특징들을 본원의 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있게 첨부 도면과 관련하여 이하에 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 광범위한 공압공구의 분야에 걸쳐 이점을 제공하는 것이다. 이하에 기술되는 설명이 다수의 적용 예를 대표하기는 하지만, 본 발명을 완전하게 나타내지는 않는 것이다. 당 기술분야의 기술인이 이해할 수 있는 바와 같이, 본원에 교시된 기본적인 장치들은 많은 사용에 용이하게 채택될 수 있는 것이다. 본원의 명세서와 첨부 청구범위가 특정 예에서 필요에 의해 나타낸 한정된 표현으로 기재되었지만, 상기 내용은 개시된 본 발명의 범위와 정신을 유지하는 범위에서 이해하여야 할 것이다.

본 발명을 설명할 목적으로 특정 도면을 참고로 기술되는 실시예는 본 발명을 실시하는 최상의 모드로서 기재한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도1은 볼 밸브 조립체의 실시예를 도식적으로 절결하여 나타낸 사시도 이다.

도2는 하부 밸브 시트부재의 실시예의 평면도 이다. "상부"와 "하부"는 단지 밸브 시트 사이를 분간 및 구별하는데 사용된 것이다. 당분야의 기술인이 명료하게 이해할 수 있는 바와 같이, 지구중심에 대한 밸브 시트의 방향이 본원에 사용되는 "상부" 및 "하부"의 의미는 아니다.

도3은 도2의 3-3선을 따라 절취된 횡단면도 이다.

도4는 밸브 볼 요소와 함께 조립된 상부와 하부 밸브 시트부재의 실시예의 횡단면도 이다.

도5는 밸브 볼 요소와 함께 조립된 상부와 하부 밸브 시트부재의 실시예의 전개된 횡단면도 이다. 상기 밸브 볼 요소는 하부 밸브 시트부재에 있는 오목한 원추형 면과 결합하는 기술구성을 나타낸 것이다.

도6은 밸브 볼 요소와 함께 조립된 상부와 하부 밸브 시트부재의 실시예의 전개된 횡단면도 이다. 상기 밸브 볼 요소는 상부 밸브 시트부재에 있는 오목한 원추형 면과 결합하는 기술구성을 나타낸 것이다.

도7은 밸브 조립체를 갖지 않은 종래기술의 연속행정 공압공구를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도8은 도7의 피스톤과 태핏 요소를 전개하여 도식적으로 나타낸 도면이다.

도9는 공구에 설치된 본원의 볼 밸브 조립체의 실시예의 연속행정 공압공구를 도식적으로 나타낸 도면이다. 상기 공구는 공압회로에 적용된 가스압력이 없는 휴지기를 나타낸 것이다.

도10은 도9와 유사하게 도식적으로 나타낸 도면이다. 상기 공구는 태핏과 피스톤 요소 사이에서 공압회로에 적용된 가스압력을 가진 귀환행정 중을 나타낸 것이다.

도11은 도9와 유사하게 도식적으로 나타낸 도면이다. 상기 공구는 가스압력이 피스톤 요소 상측에 공압회로에 적용되어 파워행정을 개시하는, 귀환행정과 파워행정 사이의 절환 중을 나타낸 것이다.

도12는 도9와 유사하게 도식적으로 나타낸 도면이다. 상기 공구는 피스톤 요소와 태핏 요소 사이에 공압회로를 적용하여 가스압력을 시작하여 파워행정의 하 부 말미에서 태핏 요소를 피스톤 요소가 타격하는 중을 나타낸 것이다.

도13은 오목한 원추형 면의 밀봉 면 형태가 혼합되어 있는, 하부 밸브 시트부재의 실시예의 횡단면도 이다.

도14는 오목한 원추형 면의 밀봉 면 형태가 혼합되어 있는, 상부 밸브 시트부재의 실시예의 횡단면도 이다.

이하, 도면을 참고로 설명하며, 다수 도면에서 동일하거나 대응하는 파트에는 유사 도면번호로 나타내었다. 첨부 도면은 다양한 실시예를 도식적으로 간략하게 나타낸 것으로서, 임의 방식으로 제한하여 구성하지 않은 것으로 이해하여야 한다. 특정 실시예를 참고로 기재한 기술 용어 및 표현은 특정 실시예에 대한 기술용어와 표현의 의미로 한정한 것은 아니다. 본원에 기재된 용어와 표현은 본원에서 특정하게 한정하지 않은 한에서는 그들의 일반적인 의미를 가진 것으로 한다.

도면을 참고로 하여 볼 밸브 조립체(10)의 실시예를 설명한다. 상기 볼 밸브 조립체(10)는 하부 밸브 시트부재(12)와, 상부 밸브 시트부재(14), 및 밸브 볼 요소(16)를 구비한다. 상기 볼 밸브 조립체(10)의 성분들은 일반적으로 종축선(18)을 따라서 조립된다. 하부 밸브 시트부재(12)는 파워행정 포트(20)와, 오목한 일반적인 원추형의 면(30), 및 대략 환형상의 가스 채널(34)을 구비한다. 상부 밸브 시트부재(14)는 오목한 일반적인 원추형의 면(32)과, 대략 원통형의 볼 보유 보어(24), 및 오목한 원추형 면(32)과 동심으로 개방되어진 귀환행정 가스 배출 챔버(26)를 구비한다. 배기 채널(28)은 귀환행정 가스 배출 챔버(26)와 대략 환형상 의 채널(36) 사이를 유체 소통시키게 되어 있다. 배기 채널(28)은 도7에서 도면번호'42'로 지시된 바와 같은 공압공구에서 대응 환형상의 카운터 보어(60)에 의해 반경방향 외부측에서 밀봉된다.

가스는 볼 밸브 조립체(10)가 유입 채널(22)을 통해 제어하는 공압회로에 적용된다. 가스흐름 방향은 도면번호 '38'로 지시된 바와 같은 방향이다. 원통형 볼 보유 구멍(40)의 직경은 상기 밸브 볼 요소(16)가 측방향으로 동작할 수 있게 하는 크기이다. 예를 들어, 어떠한 실시예는 대략 5/1000 인치 내지 100/1000 인치 정도의 밸브 볼 요소(16)의 측방향 동작을 허용하고, 그리고 다른 실시예는 대략 30/1000 내지 75/1000 인치의 측방향 동작을 허용한다. 일반적으로, 대략 원통형의 벽(24)과 밸브 볼 요소(16) 사이에는 충분한 유극이 있어서, 상기 볼 요소가 각각의 오목한 원추형 면 사이에서 동작할 때에 밸브 볼 요소(16)가 자유롭게 구르고 회전하게 한다. 이러한 "정화 유극(purging clearance)"은 볼 밸브 요소가 자체적으로 이물질을 정화하게 하고, 그리고 스스로 놓여질 때마다 새로운 밀봉 면을 제공하게 한다. 이러한 구조는 마멸이 밸브 볼 요소(16)의 전체 구형 면 둘레에 골고루 분포되게 한다.

일반적으로, 예를 들어 80 내지 120 psi의 압력을 받는 가스가 유입 채널(22)을 통해 공압회로에 지속적으로 적용된다. 유입 채널(22)에서 상류에 있는 밸브(도시 않음)는 가스 흐름을 온/오프로 전환한다. 밸브 볼 요소(16)의 위치는 압력가스가 상관 공압공구의 파워행정 또는 귀환행정에 적용되는지를 판단하게 한다. 밸브 볼 요소(16)가 하부 밸브 시트부재(12)에 있는 오목한 원추형 면(30)과 결합하여 밀봉되면, 압력은 상관 공압공구의 귀환행정편에 가해진다. 밸브 볼 요소(16)가 상부 밸브 시트부재(14)에 있는 원추형 면(32)에 대항하여 놓여지면, 압력은 공압공구의 파워행정편에 가해진다. 상기 볼 밸브 조립체(10)가 도4에 도시한 형태에 있으면, 가스압력은 공압회로의 파워행정편에 가해진다.

대략 환형상의 가스 채널(34)은 밸브 볼 요소(16)의 둘레에 가스를 배분하고, 또한 이물질들이 각각의 밀봉 면을 잠시 밖으로 벗어나서 이물질을 빠져나가게 하기 위한 공간도 제공한다. 일반적으로, 그러한 이물질들은 소수의 행정 내에서 공압회로를 통해 흘러 나간다. 일반적으로 이물질들은 볼 밸브 조립체(10)에 축적되지 않는다.

전형적인 연속행정 공압공구를 도면번호 '42'로 개략적으로 나타내었다(도7 내지 도12). 상기 공구의 성분은, 내부 원통형의 보어(52)를 가진 배럴부재(44)와, 볼 밸브 조립체(10)를 수용하는 환형상의 카운터 보어(60)와, 태핏요소(50)와, 태핏요소 홀더(46), 및 피스톤 요소(48)를 포함한다. 가스입력 포트(62)는 상관 제어밸브에서 가스채널(54)로 압력가스를 보낸다. 가스채널(54)은 압력가스를 포트(56)를 통해 원통형 보어(52)의 하부 단부로 방출한다. 압력을 받게 되면, 가스는 화살표(72)로 지시된 방향으로 가스채널(54)을 통해 흘러간다. 압력가스는 항시 화살표(74)로 지시된 방향으로 방출 포트(70)를 통해 흘러 나간다. 방출 포트(70)는 대기환경에 개방되어 있다. 피스톤 요소(48)가 원통형 보어(52) 내에서 이동하는 위치에 따라서, 압력가스는 공압회로로부터 공압회로의 파워행정 또는 귀환행정편에서 방출 포트(70)를 통해 방출된다. 피스톤(48)이 방출 포트(70)와 볼 밸브 조립체(10) 사이에 있으면, 가스는 귀환행정편에서 방출된다. 피스톤 요소(48)가 방출 포트(70)와 태핏 요소(50) 사이에 있으면, 가스는 파워행정편에서 방출된다. 편의상, 피스톤이 볼 밸브 조립체(10)와 방출 포트 사이에 있을 때를, 피스톤이 방출 포트의 "상측(above)"에 있는 것으로 기재하고, 그리고 상기 피스톤이 방출 포트와 태핏 요소 사이에 있을 때를, 방출 포트의 "하측(below)"에 있는 것으로 기재한다. 피스톤 요소(48)의 "하부(lower)"단부(64)는 태핏 요소(50)의 "상부(upper)"단부(66)를 반복적으로 타격한다. 태핏 요소(50)의 "하부"단부(68)는 조립체에 부착된 공구를 작동한다. 피스톤 요소와 태핏 요소는, 상기 요소에 중첩 표시한 양방향 화살표로 지시된 바와 같이 공압공구의 종축선을 따라서 양쪽 방향으로 활주 이동한다. 공압공구의 종축선은 일반적으로 볼 밸브 조립체(10)의 종축선(18)과 동연(同延) 신장(coextensive) 된다.

도9는 시스템에 공급되는 압력가스가 없을 때에 볼 밸브 조립체(10)와 공압공구(42) 내의 성분들의 위치를 나타낸 것이다. 밸브 볼 요소는 하부 밸브 시트부재의 안착 면에 놓여져 있다.

도10에서는 밸브 볼 요소가 하부 밸브 시트부재의 안착 면에 위치하여 있으며, 압력을 받는 가스는 가스가 포트(56)를 통해 원통형 보어(52)의 하부 파트(78)에 유입되도록 공압 시스템의 귀환행정편에 가해진다. 피스톤 요소(48)에 중첩 표시한 화살표로 지시된 바와 같이, 피스톤은 원통형 보어(52)의 "상부"파트(76)를 향하는 방향으로 상승 동작한다.

도11은 파워행정의 개시동작을 나타낸 도면이다. 밸브 볼 요소는 상부 밸브 부재(14)에 있는 밀봉 면에 위치하고, 그리고 압력가스는 파워행정 포트(20)를 통해 상부 파트(76)로 흘러 들어간다. 하부 파트(78)에 있는 압력가스는 방출 포트(70)를 통해 배출된다. 피스톤 요소에 중첩표시한 화살표로 지시된 바와 같이, 피스톤 요소(48)는 파워행정이 개시된다. 이러한 하향 파워행정의 말미에서는 피스톤 요소(48)가 태핏 요소(50)를 타격할 것이다.

도12는 피스톤 요소가 태핏 요소와 부딪치는 순간을 나타낸 것이다. 피스톤 요소(48)는 하부 파트(78)에서 태핏 요소(50)와 접촉하고 있다. 상부 파트(76)는 방출 포트(70)를 통해 가스를 배출하여 압력이 내려가 있다. 상기 밸브 볼 요소는 하향 이동하여서 하부 밸브부재의 밀봉 면과 접촉하고 있다.

도13은 오목한 일반적인 원추형의 면(81)이 복합 면으로 이루어져 있는 하부 밸브부재의 실시예를 도면번호 '80'으로 지시하여 나타낸 것이다.

도14는 오목한 일반적인 원추형의 면(88)이 복합 면으로 이루어져 있는 상부 밸브부재의 실시예를 도면번호 '84'로 지시하여 나타낸 것이다.

현재 사용하는 많은 공압공구들은 다른 종류의 밸브 조립체를 장착시키기 위한 카운터 보어를 갖는다. 본원의 볼 밸브 조립체의 실시예는, 기존 공구의 카운터 보어의 표준 치수에 따라 구성하였을 때에, 교체 밸브 조립체로서 사용하기에 적절한 것이다. 종래 일반적인 밸브 조립체를 제거하고 그리고 적절한 비율로 이루어진 본원의 볼 밸브 조립체의 실시예를 제거된 장소에 삽입하면 된다. 본원의 실시예는 교체 키트로서 작용하는 것이다. 실시예는 2개의 적절한 포트를 가진 오목한 일반적인 원추형의 면 사이로 한정된 공간에서 비-자화성 밸브 볼 요소를 포 함한다. 상기 밸브 볼 요소는 일반적으로 구형이고, 유일한 동작 파트이다. 만일 밸브 볼 요소가 제기능을 못하면, 상기 요소는 신속하고, 용이하고, 그리고 간단하게 교체할 수 있다. 유사하게, 상기 실시예의 비-동작 파트도 용이하게 교체할 수 있는 것이다.

일반적으로, 비-자화성 밸브 볼 요소는 강철(밸브에 흔히 사용되는 금속)만큼 고밀도(dense)인 것은 아니다. 밸브 조립체 내에서 가스가 통과하는 단면적이 일반적으로, 유사한 크기의 종래 밸브 조립체를 통과하는 것보다 크다. 일반적으로, 신속하게 반작용하는 밸브 부재와 결합한, 상기 밸브 조립체의 실시예를 통하는 가스의 보다 자유스런 흐름은, 사전에 종래 밸브 조립체를 합체한 공압공구의 속도와 임팩트 힘을 향상시킨다.

비-자석 밸브 볼(16)의 성질은 밀봉을 형성하기에 충분한 연성(soft)이면서, 미립자가 박히지 않게 하기에 충분한 경성(hard)과 탄력을 가진 것이다. 임의 실시예에서는 상기 밸브 볼이 대략 70 내지 120쇼어의 표면 경도(surface hardness)를 갖고, 그리고 부가 실시예에서는 대략 80 내지 100쇼어(A)의 경도를 갖는다. 많은 종래 유기 및 무기 폴리머들이 밸브 볼 요소로서 이용되었을 때에 최상의 결과를 산출하는 마멸 특성, 파손 내성, 및 내구성을 나타낸다. 일반적인 실리콘 폴리머, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌, 및 폴리프로필렌 폴리머가 그러한 성질을 나타낸다. 당 기술분야의 기술인은 널리 공지된 참고자료를 통해 다른 일반적인 유기 및 무기 폴리머를 찾아낼 수 있을 것이다. 재료를 선택하는 데에는 예상되는 사용조건이 고려되어야 한다. 예를 들어, 영하 10℉에서 용이하게 파손 되는 재료는 건설기계에 사용하기에 부적당할 것이다. 대다수 적용용으로 바람직한 것은 인장강도가 적어도 대략 5,000 psi 인 것이다. 일부 실시예용으로는 인장강도가 적어도 대략 6,000 psi 이상이어야 한다. 일반적인 목적의 사용용으로, 밸브 볼을 구성하는 재료는 오일, 마모, 분열(tear), 충격, 화학성, 및 전기적 내성이 있어야 한다. 또한, 접촉이 부드러운 완성면(finish)을 가져야 한다. 볼 밸브 요소로서 의도된 기능을 약화시키는 손상 없이 대략 -35℉ 내지 +185℉의 온도를 견디어 내야 한다.

상기 밸브 볼 요소는 일반적으로, 밸브 볼 요소가 한 장소에서 지속적으로 밀봉하는 현저한 경향을 갖지 않게 또는, 일부 구조에서 밀봉을 할 수 없게 그렇게 왜곡되지 않게, 구형이어야 한다. 상기 밸브 볼 요소는, 볼이 밀봉 면 사이에서 운동할 때에 구르지 않고 회전하지 않는 구형 형태를 상실한 형태로 있지 않아야 한다. 일반적으로, 1인치 직경의 볼용으로 인치 당 대략 ± 20/1000 내지 30/1000 정도의 직경 변화가 바람직하다. 그러한 공차는 이전 밸브 조립체에서의 대부분의 밸브 요소용의 것보다 적어도 열배 또는 백배(one or two orders of magnitude) 크기가 더 큰 것이다. 이러한 사실 만으로도 상기 실시예의 가격은 현저하게 감소한다.

일반적으로, 비-자화성 밸브 볼 요소는 자체 윤활동작을 한다. 만일 공압공구의 나머지 부분이 자체 윤활 재료로 구성된다면, 윤활 필요성을 없앨 수 있다. 윤활 필요성이 없는 공압공구의 운용은 공구의 신뢰성을 현저하게 증가시킬 뿐만 아니라 유지 관리비용도 상당히 줄어든다.

상부 및 하부 밸브 시트부재의 일반적인 원추형의 면(복합 또는 직선)은 오목한 원추형 면의 끼인 각이 대략 80 내지 120도, 일부 실시예에서는 대략 90 내지 110도, 그리고 일부 부가 실시예에서는 대략 95 내지 105도 가 되도록 신장된다. 상부 밸브 시트부재에 있는 일반적인 원추형의 면이, 하부 밸브 시트부재의 각도와 동일한 원추형의 끼인 각을 가질 필요는 없다. 상기 원추형의 면은 이들이 밸브 볼로 적절하게 밀봉되지 않을 정도로 비틀려지지 않아야 한다. 일반적으로 밸브 볼의 면을 빠르게 마멸시키기에 충분한 마모성이 있는 면은 피해야 한다.

상부 및 하부 밸브 시트부재는 동종 또는 이종 재료로 제조되고, 그리고 이들은 금속성 또는 비-금속성인 것이다. 부식을 중요하게 고려해야 하는 곳에서는 비-금속성 재료의 구성물을 사용할 수 있다. 유기 또는 무기 폴리머가 사용되는 곳에는 재료가 치수 안정성이 있어야 하고 그리고 예상되는 사용 여건에서 받는 파괴에 대한 내성이 있어야 한다. 일반적으로, 예를 들어 영하 10℉에서 용이하게 파괴되는 재료는 건설기계에 사용하기에는 적합하지 않은 것이다.

본 발명을 설명하기 위해 기술된 상기 실시예는 첨부 청구범위에 기재된 본 발명의 정신을 이탈하지 않는 범위내에서 변경 또는 개조될 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 청구범위의 기술 범위 내에서, 특정 실시예를 통해 기재된 상술한 실시예와는 다르게 실시할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (6)

1. 대략 축선방향으로 반대인 제1 및 제2단부를 가진 일반적인 원통형의 보어와, 종축선을 구비한 몸통부재와;

   상기 종축선을 따라서, 파워행정에서 제2단부를 향하고 그리고 귀환행정에서 제1단부를 향하여 이동하는, 원통형 보어에 활주가능하게 수용된 피스톤 요소와;

   일반적으로 상기 제2단부에 장착되고 그리고 대략 상기 파워행정의 말미에서 피스톤 요소에 의한 충격을 받게 위치한 태핏 요소 및;

   연속적인 압력유체원에 연결된 공급도관과, 상기 공급도관과 상관하여 유체흐름을 제어하게 되어 있는 온-오프 밸브와, 대략 상기 제1단부에서 상기 몸통부재에 장착되고 그리고 상기 제1단부와 유체소통하게 있는 파워행정편과 귀환행정편을 가진 제어밸브 조립체와, 귀환행정편과 상기 제2단부 사이에서 신장된 귀환도관 및, 상기 원통형 보어의 대략 중간에서 상기 몸통부재의 외부까지 신장된 배기포트로 이루어진 상기 몸통부재와 상관된 공압회로를 포함하는 연속행정 공압공구에서:

   상기 제어밸브 조립체는 밸브 볼 요소를 구비한 볼 밸브 조립체를 포함하고; 상기 밸브 볼 요소는 대략 비-자화성이며 밀봉식 탄력 면을 갖고, 그리고 상기 파워행정편에서 제1오목한 일반적인 원추형 면과의 밀봉 결합부와 귀환행정편에서 제2오목한 일반적인 원추형 면과의 밀봉 결합부와의 사이에서 이동하게 헐겁게 한정되어 있으며; 상기 제1 및 제2오목한 원추형 면은 서로 대향되어 있으며 그 사이에 밸브 챔버를 형성한 것을 특징으로 하는 연속행정 공압공구.
2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 볼 요소는 대체로 유기성 폴리머 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속행정 공압공구.
3. 제1항에 있어서, 상기 밸브 볼 요소는 대체로 무기성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속행정 공압공구.
4. 제1항에 있어서, 상기 헐겁게 한정된 밸브 볼 요소는 상기 제1 및 제2원추형 면 사이에 밸브 챔버 내에서 적어도 약 0.005인치의 유극을 갖는 것을 특징으로 하는 연속행정 공압공구.
5. 파워행정편과 귀환행정편이 있는 공압회로를 가진 연속행정 공압공구용 제어밸브 교체 키트는:

   대체로 비-자화성이고 밀봉식 탄력 면을 가진 밸브 볼 요소를 포함하고;

   상기 밸브 볼 요소는, 상기 파워행정편에서 제1오목한 일반적인 원추형 면과 밀봉 결합하는 부분과 상기 귀환행정편에서 제2오목한 일반적인 원추형 면과 밀봉 결합하는 부분과의 사이에 있는 밸브 챔버 내에서 운동하게 헐겁게 한정되어 있고; 상기 제1 및 제2오목한 원추형 면은 서로 대향되어 있으며; 상기 밸브 챔버는 공압회로와 작동할 수 있게 소통하도록 상기 연속행정 공압공구에 조립되는 것을 특징으로 하는 제어밸브 교체 키트.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2오목한 원추형 면 중의 적어도 하나는 복합 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 제어밸브 교체 키트.

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