KR20130132951A

KR20130132951A - 극저온 유체 및 고역압에 적합한 고속 체크 밸브

Info

Publication number: KR20130132951A
Application number: KR20137019488A
Authority: KR
Inventors: 대니얼 엘. 드롱; 마이클 이. 밸런트; 제프리 케이. 그리슨
Original assignee: 엑스코 에어로스페이스 아이엔씨.
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2012094630A1; AU2012204244A1; JP2014503058A; US20120177510A1; EP2661572A1; NZ701725A; NZ612860A

Abstract

베이스, 키퍼, 및 가요성 리프를 포함하는 크 밸브가 개시되어 있는데, 상기 베이스는 제1 다공성 표면을 포함하고, 상기 키퍼는 상기 베이스에 연결되고, 상기 가요성 리프는 제1 영역 및 제2 영역을 가지고, 상기 제1 영역은 상기 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되며, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버된다. 상기 리프는, 상기 리프가 상기 베이스와 완전히 접촉하는 제1 위치 및 상기 리프가 상기 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가진다. 상기 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 상기 제1 표면의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성된다. 상기 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력 상태에 있고, 상기 리프에서의 최대 응력은 상기 제2 위치에 있을 때 상기 항복 응력보다 작다. 이 체크 밸브는 특히, 액체 수소, 액체 산소와 같은 극저온 유체와 함께 사용하는데 적합하다.

Description

극저온 유체 및 고역압에 적합한 고속 체크 밸브{HIGH-SPEED CHECK VALVE SUITABLE FOR CRYOGENS AND HIGH REVERSE PRESSURE}

본 출원은, 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 2011년 1월 7일에 출원된 미국 가출원 제61/430,929호에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명은 개괄적으로 체크 밸브에 관한 것이고, 더 구체적으로는 왕복 펌프와 함께 사용하기 위한 체크 밸브에 관한 것이다.

구멍을 덮는 가죽 플랩(leather flap)과 같은 리드 밸브(reed valve)는, 액체 및 기체용 자동 유동 제어의 가장 초기 형태 중 하나이다. 이들은 수천 년 동안 물 펌프에서 사용되었고, 수백 년 동안 고온 단조용 및 교회 오르간과 아코디언과 같은 악기용 벨로즈(bellows)에서 사용되었다.

리드 밸브는 2행정 엔진의 고성능 버전에서 흔히 사용되는데, 이들은 실린더에 유입된 연료-공기 혼합물을 제어한다. 고속 충격은 모든 리드 밸브에 피해를 주고, 금속 밸브는 피로(fatigue)를 겪게 되어, 파손에 이르게 된다. 금속 리드 밸브가 겪는 또 다른 문제는, 리프(leaf)가 일정한 가동 시간이 지난 후 영구적으로 변형된다는 것이다. 이러한 변형은 "누설(leakage)"을 초래하는데, 즉 리프가 더 이상 베이스 플레이트를 완전히 밀봉하지 못하게 된다. 따라서, 유리섬유 또는 탄소섬유 강화 에폭시 복합재(FRC) 라미네이트과 같은 복합재료가 레이싱 엔진, 특히 카트 레이싱에서 선호되는데, 그 이유는 페탈(petal)의 강성이 쉽게 튜닝될 수 있고, 파괴(failure)에 있어서 상대적으로 안전하기 때문이다. 전형적인 FRC 리프는 0.020 인치 이상의 두께를 가진다.

아래로 -452 ℉까지의 온도에서 초당 15 사이클 초과의 사이클 비율(cycle rate)로 작동할 수 있는 체크 밸브를 제공하는 것이 바람직하다. 이 체크 밸브는, 리프에서의 최대 응력을 항복 응력과 같은 목표 값(target value) 미만으로 유지하기 위하여, 리프의 움직임을 제한하는 소정 형상의 키퍼(keeper)에 의해 구속되는 캔틸레버된(cantilevered) 리프를 사용한다. 한 쌍의 이러한 체크 밸브는 왕복 실린더와 통합될 수 있어서, 산화제로서 액체 산소 및 연료로서 액체 수소 또는 액체 메탄과 같은, 액체 연료 및/또는 산화제를 이용하는 로켓 추진 시스템에 사용하기에 적합한 컴팩트한 용적형 펌프(positive displacement pump)를 제공할 수 있다.

일실시예에서, 베이스(base), 키퍼(keeper), 및 하나 이상의 리프(leaf)를 포함하는 체크 밸브가 개시되어 있는데, 상기 베이스는 제1 표면을 포함하고, 상기 베이스는 상기 제1 표면의 적어도 일부분에 걸쳐 다공성이고, 상기 키퍼는 상기 베이스에 연결되고, 상기 하나 이상의 리프는 소정의 항복 응력을 가지는 재료를 포함한다. 상기 하나 이상의 리프는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되며, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버된다(cantilevered). 상기 하나 이상의 리프는, 상기 리프가 상기 베이스와 완전히 접촉하는 제1 위치 및 상기 리프가 상기 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가진다. 상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 상기 제1 표면의 하나 이상의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성된다. 상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력 상태(unstressed configuration)에 있고, 상기 하나 이상의 리프가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 하나 이상의 리프에서의 최대 응력은 상기 항복 응력보다 작다.

일실시예에서, 제1 표면 및 제2 표면을 포함하는 베이스를 포함하는 이중 체크 밸브가 개시되어 있는데, 상기 베이스는 상기 제1 표면의 적어도 일부분과 상기 제2 표면의 적어도 일부분에 걸쳐 다공성이다. 상기 밸브는 또한 제1 키퍼 및 제2 키퍼를 포함하고, 상기 제1 키퍼는 상기 제1 표면에 근접하여 상기 베이스에 연결되며, 상기 제2 키퍼는 상기 제2 표면에 근접하여 상기 베이스에 연결된다. 상기 밸브는 제1 리프 및 제2 리프를 가지고, 상기 제1 리프는 제1 항복 응력을 가지는 제1 재료를 포함하고, 상기 제1 리프는 상기 제1 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되는 제1 영역 및 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버되는 제2 영역을 가지고, 상기 제2 리프는 제2 항복 응력을 가지는 제2 재료를 포함하고, 상기 제2 리프는 또한 상기 제2 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되는 제1 영역 및 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버되는 제2 영역을 가진다. 상기 제1 및 제2 리프는 각각, 상기 리프가 상기 베이스의 각각의 표면과 완전히 접촉하는 제1 위치를 가지고, 상기 제1 및 제2 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력(unstressed) 상태에서 각각의 표면의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성된다. 상기 제1 및 제2 리프는 각각, 상기 리프가 각각의 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가지고, 상기 제1 및 제2 리프의 각각에서의 최대 응력은, 각각의 리프가 상기 제2 위치에 있을 때 각각의 상기 제1 및 제2 항복 응력보다 작다.

일실시예에서, 근원지(source)에서 목적지로 액체를 이송하도록 구성된 펌프가 개시되어 있다. 상기 펌프는 왕복 실린더, 제1 체크 밸브, 및 제2 체크 밸브를 포함하고, 상기 제1 체크 밸브는 상기 근원지와 상기 실린더 사이에 연결되고, 상기 제2 체크 밸브는 상기 실린더와 상기 목적지 사이에 연결된다. 상기 제1 및 제2 체크 밸브 각각은 베이스, 키퍼, 및 하나 이상의 리프를 포함하고, 상기 베이스는 제1 표면을 포함하고, 상기 베이스는 상기 제1 표면의 적어도 일부분에 걸쳐 다공성이고, 상기 키퍼는 상기 베이스에 연결되고, 상기 하나 이상의 리프는 소정의 항복 응력을 가지는 재료를 포함한다. 상기 하나 이상의 리프는 제1 영역 및 제2 영역을 가지고, 상기 제1 영역은 상기 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버된다. 상기 하나 이상의 리프는, 상기 리프가 상기 베이스와 완전히 접촉하는 제1 위치 및 상기 리프가 상기 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가진다. 상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 상기 제1 표면의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성된다. 상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력 상태에 있고, 상기 하나 이상의 리프에서의 최대 응력은, 상기 하나 이상의 리프가 상기 제2 위치에 있을 때, 상기 항복 응력보다 작다.

추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성하는 첨부된 도면들은, 개시된 실시예들을 도해로써 설명하고, 발명의 상세한 설명과 함께, 개시된 실시예들의 원리를 설명하는데 사용된다.

도 1은 본 개시의 일측면에 따른, 유인 우주선으로부터 전개되고(deployed) 있는 자체 추진 인공위성을 도시하고 있다.
도 2는 본 개시의 일측면에 따른 추진 시스템을 도시하고 있다.
도 3은 본 개시의 일측면에 따른 왕복 펌프의 개략도를 도시하고 있다.
도 4A 내지 4C는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브의 예시적인 일실시예를 도시하고 있다.
도 5A 및 5B는 본 개시의 일측면에 따른, 도 4A 및 4C의 체크 밸브 각각의 단면도를 도시하고 있다.
도 6A 내지 6C는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브의 또 다른 일실시예를 다양한 관점에서 도시하고 있다.
도 7A 및 7B는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브의 또 다른 일실시예의 사시도 및 단면도를 각각 도시하고 있다.
도 8A 내지 8C는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브의 또 다른 일실시예를 다양한 관점에서 도시하고 있다.

이하의 발명의 상세한 설명은, 유압에서의 고진동수 진동을 포함하는 가혹 작동 조건 하에서, 유체의 역류를 방지하기에 적합한 체크 밸브의 실시예들을 개시한다. 이러한 유형의 체크 밸브는 특히, 액체 산소, 액체 수소, 및 액체 메탄과 같은 극저온 유체와 함께 사용하기에 적합할 뿐만 아니라, 초당 15 사이클(cycle per second; cps) 이상의 비율로 작동하는 왕복 펌프와 함께 사용하기에도 적합하다. 일실시예에서, 이러한 유형의 체크 밸브는 우주선 추진 시스템의 일부로서 사용하기에 적합하다.

후술하는 상세한 설명은 청구대상 기술의 다양한 구성의 설명으로서 의도되고, 청구대상 기술이 실시될 수 있는 구성만을 나타내도록 의도된 것은 아니다. 첨부된 도면은 본 명세서에 통합되고, 본 상세한 설명의 일부를 구성한다. 본 상세한 설명은 청구대상 기술의 완전한 이해를 제공하기 위한 목적으로 구체적인 세부 사항들을 포함한다. 그러나, 본 청구대상 기술은 이러한 구체적인 세부 사항 없이도 실시될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 몇몇 예시에서, 청구대상 기술의 개념이 모호하게 되는 것을 피하기 위해서, 공지된 구조물 및 부품들이 블록 다이어그램으로 도시된다. 유사한 부품은 용이하게 이해될 수 있도록 동일한 도면번호로 표시된다.

본 개시 내에서 사용될 때, "무응력(unstressed)"이라는 용어는, 물체 내의 응력이 물체가 작동하는 동안 가해진 힘에 의해 유발된 응력에 비해서 작다는 것을 의미한다. 설치의 시불변(non-time-varying) 측면에 의해 유발된, 물체의 재료에서는 응력이 존재할 수 있다. 예컨대, 강성이고 평평한(flat) 표면에 맞대어 지지된 가요성이고 평평한 물체는, 물체와 표면 중 하나 또는 둘 다에서의 작은 변형만큼 자신의 최저 응력 상태로부터 미소하게 변위될 수 있지만, 강성이고 평평한 표면에 맞대어 놓인 가요성이고 평평한 이 물체의 상태는, 여전히 물체와 표면의 상태가 무응력 상태로 간주된다. 두 번째 예로서, 물체의 일부분이 이 물체를 구속하고 그 부분에 압축력을 유발하는 기구(mechanism)에 의해 클램핑될 수도 있다. 추가적인 예로서, 냉간 가공과 같은, 물체의 전 처리는, 어떠한 외력이 없는 경우에도 존재하는 물체 내부의 잔류 응력을 생성할 수도 있다.

본 개시 내에서 사용될 때, "항복(yield)"이라는 용어는, 작동 중 언제라도 이 수준에 도달한 경우, 물체의 무응력 상태에서 영구적인 변화를 발생시키는 인장 또는 압축 응력 수준을 의미한다.

본 개시 내에서 사용될 때, "다공성(porous)"이라는 용어는, 유체가 물체의 다공성 부분을 통과하는 것을 의미한다. 이러한 다공성 영역은 그 영역 내에서 선택적으로 다공성일 수 있는데, 즉 다공성 영역 중 일부는 유체가 통과하는 것을 허용하지 않을 수 있는 반면, 다공성 영역 중 나머지 부분은 유체가 통과하는 것을 허용한다. 자신을 관통하는 많은 구멍을 가진 평평한 금속 시트는, 국부적으로 유체가 그 구멍들을 통해서만 통과할 수 있더라도, 전체적으로는 다공성으로 간주된다. 어떤 영역을 다공성이라고 특징짓는 것은 정의된 그 영역 전체를, 그 다공성 영역 내에서의 국소적 특징에 상관없이, 유체의 통과를 허용하는 공통의 능력을 가지는 것으로 취급한다.

도 1은 본 개시의 일측면에 따른, 유인 우주선(20)으로부터 전개된 자체 추진 우주선(10)을 도시하고 있다. 일실시예에서, 유인 우주선(20)은 자체 추진 우주선(10)을 싣고 지구(30)로부터 발사되어, 자체 추진 우주선(10)을 릴리스한다. 그러면, 자체 추진 우주선(10)의 추진 시스템(미도시)이 작동되어, 자체 추진 우주선(10)이 새로운 궤도로 가속된다.

도 2는 본 개시의 일실시예에 따른 추진 시스템(40)의 개략도이다. 본 예시에서, 등유(kerosene)와 같은 연료(42) 및 액체 산소와 같은 산화제(44)가, 연료 펌프(46)에 의해 라인(52)을 통하여 및 산화제 펌프(48)에 의해 라인(56)을 통하여 각각의 탱크로부터 끌려오고, 라인들(54, 58)을 통하여 노즐(50)로 밀려가서, 거기에서 연료(42)와 산화제(44)가 혼합되고 점화된다. 일실시예에서, 연료(42)와 산화제(44)를 포함하는 탱크는, 펌프들(46, 48)이 탱크들로부터 액체를 끌어올 때 캐비테이션(cavitation)을 감소시키기 위하여, 예컨대 헬륨을 이용하여 가압된다. 연료(42) 및 산화제(44)의 유동률을 가능한 한 일정하게, 또한 가능한 한 일정하게 남아있는 비율로 유지하는 것이 유리하다. 왕복 실린더와 같은 용적형 펌프 요소는, 유동률이 시스템(40)의 라인들(52, 54, 56, 58) 내에서의 압력과 상관없이 양(positive)으로 결정된다는 점에서, 터빈 또는 원심 펌프에 비해서 유리하다.

도 3은 본 개시의 일측면에 따른 왕복 펌프(46)의 개략도이다. 이 펌프(46)는 모터(60)에 의해 구동되는 왕복 실린더(62)를 포함하고, 일실시예에서 모터(60)의 회전 운동을 왕복 직선 운동으로 변환하는 연결장치(미도시)를 포함한다. 일실시예에서, 모터는 실린더(62)를 직접 구동하는 왕복 직선 액추에이터이다. 본 예시에서, 실린더(62)는 단일 라인(64)을 통해서, 상류 체크 밸브(64A) 및 하류 체크 밸브(6B)에 연결되어 있다. 밸브들(64A, 64B)의 유동 방향은 인접한 화살표들로 표시되어 있다.

작동 시, 왕복 실린더(62)가 수축할 때, 즉 내부 부피가 팽창할 때, 유체는 라인(52)으로부터 밸브(64A)를 통해 실린더(62) 내로 끌려오는 반면, 밸브(64B)는 라인(54)으로부터의 유체가 실린더(62)를 향하여 유동하는 것을 방지한다. 실린더(62)가 팽창할 때, 즉 내부 부피가 감소될 때, 유체는 실린더(62)로부터 라인(64) 및 밸브(64B)를 통해 라인(54) 내로 밀려가는 반면, 밸브(64A)는 어떠한 유체도 라인(52)에 유입되는 것을 방지한다. 따라서, 왕복 실린더의 수축과 팽창의 사이클 각각에 대하여, 실린더(62)의 변위와 동일한 부피의 유체가 라인(52)으로부터 끌려와서 라인(54) 내로 방출된다. 왕복 실린더(62)의 수축과 팽창의 속력이 일정하다면, 라인들(52, 54)을 통과하는 순간 유동률은, 서로 180도 만큼 어긋난 위상을 가지는(180°out of phase) 대략 사각파(square wave)이다. 왕복 실린더(62)의 수축과 팽창의 속력이, 예컨대 연결장치의 디자인 때문에 실린더(62)의 스트로크에 걸쳐 변한다면, 유동률은 시간에 따라 변하지만, 여전히 50% 듀티 사이클을 가지는데, 즉 유체가 그 시간의 50% 동안 흐르지 않을 것이다.

노즐(50)에서의 연소 과정이 일정한 유동률로부터 이득을 얻기 때문에, 왕복 펌프(62)의 간헐적인 유동 특성은 바람직하지 않다. 주어진 목표 유동률에 대해 간헐적 유동의 효과를 감소시키는 한 가지 방법은, 실린더(62)의 왕복 부피를 감소시키고, 왕복 속도를 증가시키는 것이다. 예컨대, 제1 펌프가 제2 펌프의 왕복 부피의 10분의 1의 왕복 부피를 가지지만, 제1 펌프가 제2 펌프의 속력의 10배의 속력으로 가동된다면, 이들 2개의 펌프는 동일한 평균 유동률을 가질 것이다. 또한, 더 작은 펌프는 장비의 중량과 부피를 줄이는 것이 매우 중요한 우주선과 같은 적용예에서 유리하다. 도 1의 자체 추진 우주선과 같은 일실시예에서, 왕복 펌프는, 250 psi 이상의 압력에서 1-2 kps(kilogram per second) 이상의 유동률을 달성하기 위해서, 15 cps 이상의 속력으로 작동할 수 있다. 더 큰 운송수단에서는, 유동률 또는 압력은 더 클 수 있다. 일실시예에서, 2개 이상의 펌프는 병렬로 180도 이하의 어긋난 위상을 가지고 배치될 수 있어서, 2개 이상의 펌프의 조합된 출력은 더 일정하다. 일실시예에서, 단일 모터는 서로 180도 만큼 어긋난 위상을 가지는 2개 이상의 왕복 실린더를 구동할 수 있다.

도 4A 내지 4C는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브(70)의 예시적인 일실시예를 도시하고 있다. 도 4A는 베이스(72), 금속 플랩 또는 "리프(leaf)"(74), 및 키퍼(keeper; 76)를 포함하는 조립된 체크 밸브(70)를 도시하는데, 키퍼(76)는 리프(74)를 관통하는 한 쌍의 스크류(78)를 이용해 베이스(72)에 부착되고, 캔틸레버 상태로 리프(74)를 붙잡고 있다.

베이스(72)는 다공성 영역(72A)(도 4C에서 볼 수 있음)을 가진다. 본 예시에서, 리프(74)의 무응력 위치는 다공성 영역(72A)을 덮는다. 일실시예에서, 다공성 영역 전체가 베이스(72)를 관통하는 단일의 구멍이다. 일실시예에서, 다공성 영역(72A)은 복수의 구멍(73)을 포함하는데, 이 구멍들(73)은, 밸브(70)를 가로지르는 압력 구배에 의해 리프(74)가 베이스(72)에 대하여 힘을 받을 때, 리프(74)에 대한 지지를 제공하는 브리징 재료(bridging material)에 의해 분리되어 있다.

키퍼(76)는, 일실시예에서, 리프(74)에서의 응력이 항복 응력 보다 낮게 유지되도록 리프(74)의 변형을 제한하는 커브진 밑면을 가진다. 일실시예에서, 이 커브는 리프(74) 내에서의 응력이 리프(74)를 따라 일정하도록 선택된다. 일실시예에서, 키퍼(76)의 형상은 리프(74)에 대해 결정된 피로 수명을 제공하도록 선택된다. 일실시예에서, 키퍼(76)의 형상은, 리프(74)가 키퍼(76) 주위를 더 감쌀 때 리프(74)가 접촉점에서 국소적으로 연속하여 구부러지도록 선택됨으로써, 리프(74)에 대한 충격 하중을 제거한다. 리프(74)에 대한 접촉면에서의 이러한 연속적인 커브의 예시는 도 5B의 키퍼(76)의 단면에서 볼 수 있다.

리프(74), 키퍼(76), 및 베이스(72)는, 2행정 모터사이클 엔진의 리드 밸브와 같은 종래의 체크 밸브에서는 가능하지 않았던 능력을 제공하는 시스템으로서 디자인된다. 체크 밸브(70)는, 2행정 엔진의 1기압 차(14.7 psi)에 비해, 250 psi를 초과할 수 있는 펌프의 라인 압력을 견딜 수 있어야 한다. 2행정 엔진은 또한, 유동 부피를 증가시키기 위하여 리드가 자신의 피로 한도를 훨씬 초과하여 구부러질 수 있도록 되어 있기 때문에, 흡기 시스템의 리드를 파손시키는 것으로 악명이 높다. 리프(74)는, 15 cps 이상의 사이클 비율로 가능한 한 민첩하게 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이에서 전이되도록 작은 질량을 가진다.

도 4B의 리프(74)는, 일실시예에서, 극저온 작동 온도를 견디기 위해 6061 또는 7075 알루미늄, 또는 302 또는 304 스테인리스 스틸로 형성되거나, 액체 산화제 및 다른 부식성 액체에 대한 노출을 견디기 위해 인코넬(Inconel) 625로 형성된다. 일실시예에서, 리프(74)는, 표면층에서의 압축 응력을 향상시키기 위하여 롤 경화(roll hardenning)될 뿐만 아니라, 피로 수명을 증가시키기 위하여 완전 경화된다. 일실시예에서, 리프(74)는 0.005 내지 0.015 인치 범위의 두께를 가진다. 바람직한 일실시예에서, 리프(74)는 0.006 내지 0.009 인치 범위의 두께를 가진다. 바람직한 일실시예에서, 리프(74)는 0.007 인치의 두께를 가진다.

도 4C는 "개방(open)" 위치에 있는 밸브(70)를 도시하고 있는데, 여기에서 리프(74)는 완전 변형되어 키퍼(76)의 밑면에 맞대어 압박하고 있다. 베이스(72)의 다공성 영역(72A)의 일부인 구멍들(73)을 도 4C에서 볼 수 있다. 키퍼(76)가 리프(74)에서의 응력을 피로 문턱값 미만으로 유지하도록 디자인될 때, 체크 밸브(70)는 사실상 무한한 수명을 가진다. 밸브(70)를 통과하는 유동률을 증가시키기 위하여 리프(74)의 변형을 더 제공하는 것이 바람직하다면, 키퍼(76)의 형상은 피로 수명을 희생하여 리프(74)에서 더 높은 응력 수준을 허용하도록 수정될 수 있다. 일실시예에서, 예컨대 소모성 부스터 로켓에서 체크 밸브(7)의 필요한 수명을 알 수 있는데, 따라서 밸브(70)의 유동을 최대화하면서 정해진 마진을 가지고 이러한 수명을 제공하는 맞춤식 디자인이 가능하다.

도 5A 및 5B는 본 개시의 일측면에 따른, 도 4A 및 4C의 위치에 있는 체크 밸브(70) 각각의 단면도이다. 도 5A는 "폐쇄(closed)" 또는 "차단(blocked)" 위치에 있는 밸브(70)를 보여주고, 여기에서 리프(74)는 베이스(72)의 구멍들(73)을 덮어서, 다시 굽어져 있는 유동으로 표시된 유체의 유동(80)을 차단하고 있다.

도 5B는 "개방(open)" 위치에 있는 밸브(70)를 보여준다. 베이스(72)를 가로질러 압력차가 존재하고, 베이스(72) 아래의 유체에서의 압력은 베이스(72) 위의 유체에서의 압력보다 커서, 리프(74)가 키퍼(76)에 의해 제한될 때까지 위쪽으로 힘을 받는다. 이제 구멍들(73)이 막혀 있지 않기 때문에, 유체는 베이스(72)를 통하여 화살표(82)로 표시된 대로 유동한다.

도 6A 내지 6C는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브(90)의 다른 일실시예를 다양한 시점에서 도시하고 있다. 도 6A는 밸브(90)의 분해도로서, 베이스(92), 멀티-리프 플랩(94), 멀티-요소 키퍼(96), 정렬 핀(97), 및 부착 스크류(98)(나사산은 미도시)를 보여준다. 3개의 독립적인 영역이 있는 것을 볼 수 있는데, 여기에서 베이스(92)의 다공성 영역(92A)은 리프(94A)와 키퍼 요소(96A)에 대응된다. 정렬 핀은 슬롯들(97B, 97C)을 통과하여 구멍(97A) 내에 끼워져서, 여러 부품의 정렬을 유지한다. 부착 스크류(98)는 중앙 구멍들(98B, 98C)을 통과하여 구멍(98A) 내에 끼워진다.

도 6B는 조립된 밸브(90)의 사시도이고, 도 6C는 조립된 밸브(90)의 측면도이다.

도 7A 및 7B는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브(100)의 다른 일실시예의 사시도 및 단면도를 각각 도시하고 있다. 본 실시예는, 구멍들(102A)을 가진 중앙 삼각형 부분(102B) 및 외부 링 부분(102C)을 가진 베이스의 양측에 배치된 한 쌍의 리프(104)를 가진다. 한 쌍의 키퍼(106)는 삼각형 부분(102B)의 각각의 측 상에 배치된다.

도 7B는 도 7A의 체크 밸브(100)의 단면도를 분할하여 도시하고 있는데, 도면의 좌측 절반은 "개방" 위치에 있는 밸브(100)인데, 여기에서 유체는 이 배향에서 밸브(100)를 통과하여 위쪽으로 지나고 있는 것을 볼 수 있다. 도 7B의 우측 절반은 "폐쇄" 위치에 있는 밸브(100)를 도시하는데, 여기에서 유동(80)은 유동 화살표의 역전으로 표시된 것처럼 차단된다.

도 8A 내지 8C는 본 개시의 일측면에 따른 고속 체크 밸브(120)의 다른 일실시예를 다양한 시점에서 도시하고 있다. 도 8A는 완전히 조립된 밸브(120)의 사시도이고, 도 8B는 외부 측면도이고, 도 8C는 조립된 밸브(120)의 후방 부분의 사시 절결도이다. 우측 단부(120D)는 도 3의 라인(64)에 연결되고, 2개의 유동 라인(140B, 142B)은 왕복 실린더(62)가 수축하고 팽창할 때 라인(64)을 통과하는 유동 역전을 가리킨다. 바디 부분(120B)의 4개의 측면의 각각은 도 3의 라인(52)에 모두 연결된 복수의 구멍(123A)을 가진다. 삼각형 바디 부분(120A)의 2개의 측면은 도 3의 라인(54)에 연결된 구멍들(미도시)을 가진다.

왕복 실린더(62)가 수축하여, 라인(64)에서 유동(140B)을 발생시킬 때, 4개의 리프(124A)(도 8C에서 볼 수 있음)는 4개의 키퍼(126A)(도 8C에서 볼 수 있음)에 대해 구부러지고, 유체는 유동 화살표(140A)로 나타낸 것처럼 라인(52)으로부터 구멍들(123A)을 통하여 바디(120B)의 내부로 유동하고, 2개의 리프(124B)는 바디 부분(120A)의 표면에 대하여 당겨져서, 라인(54)으로부터의 유동을 방지한다.

왕복 실린더(62)가 팽창하여, 유동(142B)을 발생시킬 때, 4개의 리프(124A)(도 8C에서 볼 수 있음)가 4개의 키퍼(126A)의 표면에 대하여 당겨져서, 라인(52) 내로의 유동을 방지하고, 2개의 리프(124B)는 키퍼(126B)에 대하여 밀려져서, 유체가 유동 화살표(142A)로 표시된 것처럼 라인(54) 내로 유동한다.

유동 제어 체크 밸브의 개시된 예시들은, 종래의 리드 밸브에서 이용가능한 것보다 더 높은 압력 하에서, 그리고 반응성이 더 높은 유체에서 단일 방향 유동을 제공하기 위한 시스템을 도시하고 있다. 완전한 유동 제어를 제공하고 도 3의 2개의 체크 밸브(64A, 64B)를 대체하는, 밸브(120)와 같은 단일 밸브 어셈블리에 통합될 뿐만 아니라 가변적 수의 베이스-리프-키퍼의 세트로 밸브가 구성될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

개시된 과정에서의 단계들 또는 블록들의 구체적 순서 또는 계층은 예시적인 방법을 도시하는 것으로 이해된다. 디자인 선호도에 기초하여, 이 과정에서의 단계들 또는 블록들의 구체적 순서 또는 계층이 재조정될 수도 있는 것으로 이해된다. 첨부된 방법 청구항들은 샘플 순서로 여러 가지 단계들의 구성요소를 나타내고, 제시된 구체적 순서 또는 계층에 한정되는 것을 의미하지 않는다.

전술한 상세한 설명은 통상의 기술자가 본 명세서에서 설명된 다양한 측면들을 실시하는 것이 가능하도록 제공된다. 이러한 측면들에 대한 다양한 변형예가 통상의 기술자에게 매우 명백할 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 다른 측면들에 적용될 수도 있다. 따라서, 청구항들은 본 명세서에서 기재된 측면들에 한정되는 것으로 의도되지 않고, 문언적 청구항들에 부합하는 전체 범위에 따라야 할 것이다.

구성요소를 단수로 기재하는 것은, 특별히 언급되지 않는 한, "단지 하나만"을 의미하는 것이 아니라, "하나 이상"을 의미하는 것으로 의도된다. 관사 "a"와 "an"의 사용은 "적어도 하나"라는 문구와 대등한 것으로 해석되어야 한다. 구체적으로 다르게 서술되지 않는다면, "몇몇"이라는 용어는 하나 이상을 언급한다.

남성 대명사(예컨대, 그의)는 여성 및 중성(예컨대, 그녀의 및 그것의)을 포함하고, 또한 그 반대도 성립한다. 통상의 기술자에게 알려진 또는 나중에 알려지게 되는 본 개시 전체에 설명된 다양한 측면들의 구성요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적 균등물들은, 인용에 의해 본 명세서에 명시적으로 포함되고, 청구항들에 의해 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 본 명세서에 개시된 어떤 것도, 그러한 개시가 청구항에 기재되었는지 아닌지에 상관없이 공공에 헌정된 것으로 의도되지 않는다. 구성요소가 "~을 위한 수단"이라는 문구를 이용하여 명시적으로 기재되거나, 또는 방법 청구항의 경우, 구성요소가 "~를 위한 동작"이라는 문구를 사용하여 기재된 경우가 아니면, 청구항의 구성요소는 35 USC §112, 6번째 단락 규정에 따라 해석되지 않는다.

본 개시의 실시예들이 구체적으로 설명되고 도시되었음에도 불구하고, 이러한 것은 오직 도시와 예시의 방법인 것이고, 한정의 방법으로 취급되어서는 않되고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들의 용어에 의해서만 한정된다는 것이 명백히 이해되어야 한다.

Claims

베이스(base), 키퍼(keeper), 및 하나 이상의 리프(leaf)를 포함하는 체크 밸브로서,
상기 베이스는 제1 표면을 포함하고, 상기 베이스는 상기 제1 표면의 적어도 일부분에 걸쳐 다공성이고,
상기 키퍼는 상기 베이스에 연결되고,
상기 하나 이상의 리프는 항복 응력을 가지는 재료를 포함하고, 상기 하나 이상의 리프는 제1 영역 및 제2 영역을 더 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되며, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버되고(cantilevered), 상기 하나 이상의 리프는, 상기 리프가 상기 베이스와 완전히 접촉하는 제1 위치 및 상기 리프가 상기 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가지고, 상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 상기 제1 표면의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성되고,
상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력 상태(unstressed configuration)에 있고, 상기 하나 이상의 리프는 상기 제2 위치에 있을 때 상기 항복 응력 미만의 최대 응력을 가지는,
체크 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 리프는 금속을 포함하는, 체크 밸브.
제2 항에 있어서,
상기 리프는 두께가 0.005 내지 0.020 인치인, 체크 밸브.
제3 항에 있어서,
상기 리프는 두께가 대략 0.007 인치인, 체크 밸브.
제2 항에 있어서,
상기 리프는 표면에 압축 잔류 응력 층을 가진 롤 경화된 완전 경화 금속을 포함하는, 체크 밸브.
제5 항에 있어서,
상기 금속은, 302 및 304 스테인리스 스틸, 6061 및 7075 알루미늄, 인코넬(Inconel) 625, 및 니켈과 크롬을 합쳐 적어도 70 중량%의 조성을 가지는 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된, 체크 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 리프와 상기 베이스는 15 psi 이상의 역류 압력 차를 견디도록 구성된, 체크 밸브.
제7 항에 있어서,
상기 리프와 상기 베이스는 250 psi 이상의 역류 압력 차를 견디도록 구성된, 체크 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 베이스의 다공성 부분은 상기 베이스를 관통하는 복수의 구멍을 포함하는, 체크 밸브.
제9 항에 있어서,
상기 베이스의 다공성 부분은 적어도 5개의 구멍을 포함하는, 체크 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 초당 15 사이클(cycle per second; cps)의 속력에서 작동하도록 구성되고, 1 사이클은 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로, 그리고 다시 상기 제1 위치로의 상기 리프의 움직임을 포함하는, 체크 밸브.
제11 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 50 cps의 속력에서 작동하도록 구성된, 체크 밸브.
제12 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 2 kps(kilogram per second)의 액체 산소가 유동하도록 구성된, 체크 밸브.
제12 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 1 kps의 등유(kerosene)가 유동하도록 구성된, 체크 밸브.
제1 항에 있어서,
상기 밸브는 -200 ℉ 아래의 온도에 있는 액체와 접촉하면서 작동하도록 구성된, 체크 밸브.
제15 항에 있어서,
상기 밸브는 -450 ℉ 아래의 온도에 있는 액체와 접촉하면서 작동하도록 구성된, 체크 밸브.
베이스, 제1 키퍼, 제2 키퍼, 제1 리프, 및 제2 리프를 포함하는 이중 체크 밸브로서,
상기 베이스는 제1 표면 및 제2 표면을 포함하고, 상기 베이스는 상기 제1 표면의 적어도 일부분과 상기 제2 표면의 적어도 일부분에 걸쳐 다공성이고,
상기 제1 키퍼는 상기 제1 표면에 근접하여 상기 베이스에 연결되며,
상기 제2 키퍼는 상기 제2 표면에 근접하여 상기 베이스에 연결되고,
상기 제1 리프는 제1 항복 응력을 가지는 제1 재료를 포함하고, 상기 제1 리프는 상기 제1 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되는 제1 영역 및 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버되는 제2 영역을 더 포함하며,
상기 제2 리프는 제2 항복 응력을 가지는 제2 재료를 포함하고, 상기 제2 리프는 상기 제2 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되는 제1 영역 및 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버되는 제2 영역을 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 리프는 각각, 상기 리프가 상기 베이스의 각각의 표면과 완전히 접촉하는 제1 위치를 가지고, 상기 제1 및 제2 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력(unstressed) 상태에서 각각의 표면의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성되며,
상기 제1 및 제2 리프는 각각, 상기 리프가 각각의 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가지고, 상기 제1 및 제2 리프의 각각에서의 최대 응력은, 각각의 리프가 상기 제2 위치에 있을 때 각각의 상기 제1 및 제2 항복 응력보다 작은,
이중 체크 밸브.
제17 항에 있어서,
상기 제1 리프, 상기 제2 리프, 및 상기 베이스는, 15 psi 이상의 역류 압력 차를 견디도록 구성된, 이중 체크 밸브.
제18 항에 있어서,
상기 제1 리프, 상기 제2 리프, 및 상기 베이스는, 250 psi 이상의 역류 압력 차를 견디도록 구성된, 이중 체크 밸브.
제17 항에 있어서,
상기 베이스의 다공성 부분 각각은 상기 베이스를 관통하는 복수의 구멍을 포함하는, 이중 체크 밸브.
제20 항에 있어서,
상기 베이스의 다공성 부분 각각은 적어도 5개의 구멍을 포함하는, 이중 체크 밸브.
제17 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 15 cps의 속력에서 작동하도록 구성되고,
1 사이클은, 상기 제1 리프가 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로, 그리고 다시 상기 제1 위치로 움직이고, 그 동안 상기 제2 리프는 동시에, 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로, 그리고 다시 상기 제2 위치로 움직이는 것을 포함하는, 이중 체크 밸브.
제22 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 50 cps의 속력에서 작동하도록 구성된, 이중 체크 밸브.
제23 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 2 kps의 액체 산소가 유동하도록 구성된, 이중 체크 밸브.
제23 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 1 kps의 등유가 유동하도록 구성된, 이중 체크 밸브.
제17 항에 있어서,
상기 밸브는 -200 ℉ 아래의 온도에 있는 액체와 접촉하면서 작동하도록 구성된, 이중 체크 밸브.
제26 항에 있어서,
상기 밸브는 -450 ℉ 아래의 온도에 있는 액체와 접촉하면서 작동하도록 구성된, 체크 밸브.
근원지에서 목적지로 액체를 이송하는 펌프로서,
상기 펌프는 왕복 실린더, 제1 체크 밸브, 및 제2 체크 밸브를 포함하고,
상기 제1 체크 밸브는 상기 근원지와 상기 실린더 사이에 연결되고, 상기 제2 체크 밸브는 상기 실린더와 상기 목적지 사이에 연결되며,
상기 제1 및 제2 체크 밸브 각각은 베이스, 키퍼, 및 하나 이상의 리프를 포함하고,
상기 베이스는 제1 표면을 포함하고, 상기 베이스는 상기 제1 표면의 적어도 일부분에 걸쳐 다공성이고,
상기 키퍼는 상기 베이스에 연결되고,
상기 하나 이상의 리프는 항복 응력을 가지는 재료를 포함하고, 상기 하나 이상의 리프는 제1 영역 및 제2 영역을 더 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 키퍼와 상기 베이스 사이에서 고정식으로 연결되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역으로부터 캔틸레버되고, 상기 하나 이상의 리프는, 상기 리프가 상기 베이스와 완전히 접촉하는 제1 위치 및 상기 리프가 상기 키퍼와 완전히 접촉하는 제2 위치를 가지고, 상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 상기 제1 표면의 다공성 부분을 밀봉식으로 덮도록 구성되며,
상기 하나 이상의 리프는 상기 제1 위치에 있을 때 무응력 상태에 있고, 상기 하나 이상의 리프는 상기 제2 위치에 있을 때 상기 항복 응력 미만의 최대 응력을 가지는,
펌프.
제28 항에 있어서,
상기 제1 리프, 상기 제2 리프, 및 상기 베이스는 15 psi 이상의 역류 압력 차를 견디도록 구성된, 펌프.
제29 항에 있어서,
상기 제1 리프, 상기 제2 리프, 및 상기 베이스는 250 psi 이상의 역류 압력 차를 견디도록 구성된, 펌프.
제28 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 15 cps의 속력에서 작동하도록 구성되고,
1 사이클은, 상기 제1 리프가 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로, 그리고 다시 상기 제1 위치로 움직이고, 그 동안 상기 제2 리프는 동시에, 상기 제2 위치에서 상기 제1 위치로, 그리고 다시 상기 제2 위치로 움직이는 것을 포함하는, 펌프.
제31 항에 있어서,
상기 밸브는 적어도 50 cps의 속력에서 작동하도록 구성된, 펌프.
제32 항에 있어서,
상기 펌프는 적어도 2 kps의 액체 산소를 제공하도록 구성된, 펌프.
제32 항에 있어서,
상기 펌프는 적어도 1 kps의 등유를 제공하도록 구성된, 펌프.
제28 항에 있어서,
상기 펌프는 -200 ℉ 아래의 온도에 있는 액체와 접촉하면서 작동하도록 구성된, 펌프.
제28 항에 있어서,
상기 펌프는 -450 ℉ 아래의 온도에 있는 액체와 접촉하면서 작동하도록 구성된, 펌프.