KR20140008410A - 볼 밸브 및 관련 방법 - Google Patents

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KR20140008410A
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stem
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KR1020137024896A
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제이슨 앤더슨
켄트 헴미
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스와겔로크 컴패니
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Abstract

예시적인 실시예는 밸브 본체, 밸브 본체 내측에 배치되는 볼, 시트 리테이너, 시트, 스템 및 스템 베어링을 포함하는 볼 밸브 및 관련 방법에 관한 것이다. 예시적인 시트 리테이너(201)는 제1 외경, 제2 외경 및 상기 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결하는 천이 구역을 갖는 외표면을 포함한다. 예시적인 시트(202)는 시트와 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하도록 시트면에 환형 홈을 포함한다. 예시적인 스템은 밸브 본체 개구를 통과하고 볼과 기계적으로 연통한다. 예시적인 스템 베어링은 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 상기 제1 내경과 제2 내경을 테이퍼진 방식으로 연결하는 스템 베어링 천이 구역을 포함한다.

Description

볼 밸브 및 관련 방법{BALL VALVES AND ASSOCIATED METHODS}
본 출원은 2011년 2월 22일에 출원된 미국 가출원 제61/445,341호를 기초로 하고 그 우선권 이익을 청구한다. 상기 가출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 합체된다.
본 개시는 볼 밸브 및 관련 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 큰 압력의 힘을 견디고 다양한 조건에서 작동하는 데에 적절한 볼 밸브에 관한 것이다.
종래의 볼 밸브는 적어도 하나의 통로가 본체의 길이를 통해 연장하는 2개 이상의 포트를 갖는 밸브 본체를 포함한다. 볼을 통해 연장하는 하나 이상의 포트를 포함하는 구형 볼은 2개의 밸브 본체 포트의 중간에 배치된다. 또한, 구형 볼은 하나 이상의 트러니언(trunnion)에 의해 지지되고 밸브 스템에 대해 쐐기로 고정되는데, 밸브 스템은 밸브 본체 벽을 통해 연장된다. 밸브 스템과 밸브 본체 사이의 간극은 일반적으로 예컨대 탄성 시일 또는 기타 패킹 재료에 의해 밀봉된다. 정상 작동 중에, 스템에 가해지는 외부의 회전력이 볼을 회전시켜, 예컨대 밸브 본체의 내부 통로를 통한 유동을 개방, 폐쇄 또는 재지향시킨다. 또한, 밸브 본체에 대한 손상을 방지하도록 스템과 밸브 본체 사이에 베어링 와셔가 위치될 수 있다.
종래에, 금속제의 시트 리테이너와 함께 실시되는 탄성 시트는 볼을 지지할 뿐만 아니라 밸브 본체에 타이트한 시일을 형성한다. 시트 리테이너 테일 위에 배치된 스프링 와셔가 엔드 어댑터와 팔로워(follower) 사이에서 압축된다. 엔드 어댑터가 본체에 체결됨에 따라, 스프링이 압착되어 팔로워가 어댑터에 대해 강제 이동되고 탄성 시트가 볼 내로 강제 이동되어 시일을 생성한다. 조립 중에 스프링에 저장된 에너지는 제어되고 볼과 탄성 시트 사이에 타이트한 시일을 형성하는 데에 일조한다.
더 구체적으로 도 1을 참조하면, 종래의 볼 밸브(100)에서, 탄성 O링(101)이 시트 리테이너(102)의 외경과 엔드 어댑터(103)의 내경 사이에 시일을 실행한다. 탄성 O링(101)으로 인해, 양 측면으로부터의 압력을 밀봉하고 또한 압력 부하를 볼 밸브 시트(104)로 전달할 수 있다. 따라서, 시트 리테이너(102)의 균일하게 형성된 외경이 사용될 수 있다. 그러나, 탄성 재료는 예컨대 유체 호환성, 온도 제약 등에 의해 제한되기 때문에, 광범위한 용례에 걸쳐 사용될 수 있는 새로운 구조가 요망된다.
종래의 볼 밸브(100)는 또한 시트 리테이너 및 시트에 대해 압력을 제공함으로써, 스프링 부하식 탄성 시트(104)를 생성하는 스프링(105)을 포함한다. 스프링 부하식 탄성 시트(104)는 자유 부동 팔로워(106; free-floating follower)를 초래한다. 구체적으로, 팔로워(106)는 엔드 어댑터(103)와 스프링(105)에 의해서만 지지된다. 상류 시트 리테이너(102)에 작용하는 매우 충분한 유입 압력이 팔로워(106)를 엔드 어댑터(103)로부터 변위시키기에 충분한 힘을 발생시키고, 또한 스프링(105)을 압축하며 추가의 힘을 탄성 시트(104)에 가하여 볼(107)과 대면하게 한다. 그 결과, 더 높은 시트(104)의 응력, 더 짧은 시트(104)의 시일 수명, 및 더 높은 작동 토크가 초래된다.
탄성 시트(104)를 갖는 종래의 볼 밸브(100)에서, 시트(104)의 구성은 일단부가 절단된 각형 면을 갖는 원통형 링으로 이루어진다. 탄성 시트(104)는 시트 리테이너(102)로 추가 압박된다. 탄성 시트(104)가 볼(107)의 면과 접촉할 때에, 단일의 접촉 링이 존재한다. 충분한 힘이 인가될 때에, 볼(107)의 면이 탄성 시트(104)의 면을 변형시키며 단일의 오목형 함입부를 남긴다. 볼(107)의 면에 대한 탄성 시트(104)의 단일의 좁은 접촉은 볼 밸브(100)에서 힘들의 밸런싱을 복잡하게 하는 동시에 탄성 시트(104) 자체를 손상시킬 수 있는 힘을 생성한다.
또한, 종래의 볼 밸브(100)는 볼(107)을 통과하는 하나 이상의 포트를 포함하는 구형 볼(107)을 통합한다. 볼(107)의 구형 표면과 내부 포트의 교차는 날카로운 에지를 생성한다. 이 에지는 경우에 따라 예컨대 탄성 시트(104)의 표면의 긁힘을 방지하도록 소정 반경으로 파손된다. 볼(107)은 스템에 의해 회전되어, 볼(107)의 포트는 탄성 시트(104)의 표면과 교차함으로써 미소한 유동 통로를 노출시킨다. 작은 영역의 유동 통로는 높은 유동 압력 및/또는 속도를 발생시킬 수 있다. 종래 기술에 의해 교시된 바와 같이, 소정 반경을 갖도록 파손된 에지는 노출된 시트(104)의 표면의 미소한 영역을 가로지르는 큰 압력 강하를 방지하는 데에 불충분하다. 따라서, 높은 유동 압력 및/또는 속도는 시트(104)에 대한 손상 위험을 증가시킨다.
종래의 볼 밸브(100)의 스템은 압축된 본체 공동에 대해 노출된다. 구체적으로, 스템은 비출 방지 설계(blowout proof design)이고, 이는 스템의 단부가 이 스템이 통과하는 개구보다 크다는 것을 의미한다. 따라서, 스템은 밸브(100)로부터 방출될 수 없다. 고압 용례에서, 스템 숄더에 상당한 힘이 가해진다. 밸브 본체에 대한 손상을 방지하기 위하여, 스템과 밸브 본체 사이에 금속제의 및/또는 열가소성의 베어링 와셔가 배치된다. 그러나, 대형 및/또는 고압 밸브에서, 이러한 구조는 높은 마찰력을 발생시켜, 스템을 회전시키는 데에 상당한 토크를 필요로 할 수 있다. 또한, 밸브(100)의 압축된 본체 공동에 대해 노출된 스템으로 인해, 스템이 통과하는 개구를 밀봉하기 위해 패킹 및/또는 탄성 시일이 채용된다. 전술한 바와 같이, 이 구조는 또한 높은 마찰력을 발생시켜 스템을 회전시키는 데에 상당한 토크를 필요로 할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 볼 밸브와, 큰 압력을 견디고 다양한 조건에서 작동하기에 적절한 볼 밸브를 포함하는 볼 밸브를 수반하는 관련 방법이 개시되어 있다. 본 명세서에 개시되는 예시적인 볼 밸브는 밸브 본체, 볼, 시트 리테이너 및 시트를 포함한다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치된다. 시트 리테이너는 제1 외경, 제2 외경 및 천이 구역을 갖는 외표면을 포함한다. 천이 구역은 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결한다.
예시적인 시트 리테이너는 관통 연장하는 시트 리테이너 보어를 포함하고, 제1 외경과 제2 외경은 치수가 동등하지 않다. 예시적인 밸브 본체는 유입 포트와 유출 포트를 포함한다. 볼은 관통 연장하는 볼 보어를 더 포함한다. 예시적인 볼 밸브는 제1 및 제2 비탄성 시일을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 2개보다 많은 비탄성 시일, 예컨대 3개, 4개 이상이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 제1 및 제2 비탄성 시일은 스프링 부하식일 수 있고 치수가 동등하지 않다.
예시적인 볼 밸브는 제1 및 제2 비탄성 시일 사이에 배치되는 경사형 부하 링을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 1개보다 많은 부하 링, 예컨대 2개, 3개, 4개 등이 예시적인 볼 밸브에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 경사형 부하 링은 시트 리테이너의 천이 구역에 상보적인 경사형 부하 링 표면을 포함한다. 예시적인 볼 밸브는 또한 제1 및 제2 비탄성 시일, 경사형 부하 링, 및 시트 리테이너와 실질적으로 접촉하는 경사형 엔드 어댑터를 포함할 수 있다. 경사형 엔드 어댑터는 시트 리테이너의 천이 구역에 상보적인 경사형 엔드 어댑터 표면을 포함한다. 경사형 부하 링은 압력을 시트 리테이너 및/또는 경사형 엔드 어댑터로 전달한다. 압력을 시트 리테이너로 전달하는 것은 시트를 볼에 대해 압박하여 시트 시일을 생성한다.
예시적인 볼은 볼의 구형 표면과 볼 보어의 교차점에 모따기 가공된 에지를 포함한다. 모따기 가공된 에지는 또한 소정 반경으로 파손될 수 있다. 볼은 또한 트러니언을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 1개보다 많은 트러니언, 예컨대 2개, 3개, 4개 등이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예시적인 볼 밸브는 밸브 본체의 공동에 대해 외부에 위치된 밸브 스템을 포함한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 밸브 본체, 볼, 시트 리테이너 및 시트를 포함하는 다른 예시적인 볼 밸브가 제공된다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치된다. 시트는 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 실질적으로 접촉한다. 예시적인 시트는 시트면과 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하도록 시트면에 환형 홈을 더 포함할 수 있다.
예시적인 볼 밸브는 지지식 팔로워 및 엔드 어댑터를 포함할 수 있다. 지지식 팔로워는 밸브 본체 및 엔드 어댑터 중 적어도 하나에 의해 지지될 수 있다. 시트는 예컨대 원환체 형태의 볼록면 절취부를 포함할 수 있다. 환형 홈은 원환체 형태의 볼록면 절취부로 기계 가공될 수 있다. 시트는 원통형일 수 있다. 환형 홈의 제1 에지 및 제2 에지는 볼과 동시에 접촉하여 2개의 시트면을 제공한다. 2개의 시트면과 볼 사이의 2개의 별개의 접촉점은 밸브 본체 내측에서 힘의 분배를 향상시킨다.
본 개시의 실시예에 따르면, 밸브 본체, 볼, 스템 및 스템 베어링을 포함하는 다른 예시적인 볼 밸브가 제공된다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치된다. 스템은 밸브 본체 개구를 통과하고 상기 볼과 기계적으로 연통한다. 스템 베어링은 스템과 밸브 본체 사이에 배치된다. 예시적인 스템 베어링은 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 천이 구역을 더 포함할 수 있다. 천이 구역은 제1 내경을 제2 내경에 테이퍼진 방식으로 연결한다.
스템 베어링의 제1 내경과 제2 내경은 치수가 동등하지 않을 수 있다. 스템은 스템 베어링의 천이 구역과 합치하도록 구성된 테이퍼진 스템 표면을 포함할 수 있다. 또한, 스템 베어링은 금속제 베어링 와셔 또는 열가소성 베어링 와셔 중 하나일 수 있다. 스템 베어링의 테이퍼진 천이 구역은 압력을 밸브 본체로 재지향시킨다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 밸브 본체, 볼, 시트 리테이너, 시트, 스템 및 스템 베어링을 포함하는 볼 밸브가 제공된다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치된다. 시트 리테이너는 제1 외경, 제2 외경 및 시트 리테이너 천이 구역을 갖는 외표면을 포함한다. 시트 리테이너 천이 구역은 상기 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결한다. 시트는 시트 리테이너 내측에 배치될 수 있고 볼과 실질적으로 접촉한다. 시트는 시트면과 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하도록 시트면에 환형 홈을 더 포함할 수 있다. 스템은 밸브 본체 개구를 관통하고 상기 볼과 기계적으로 연통한다. 또한, 스템 베어링은 스템과 밸브 본체 사이에 배치된다. 스템 베어링은 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 스템 베어링 천이 구역을 포함할 수 있다. 스템 베어링 천이 구역은 제1 내경과 상기 제2 내경을 테이퍼진 방식으로 연결한다.
본 개시의 추가 실시예에 따르면, 예시적인 볼 밸브를 제조하는 방법이 제공된다. 본 명세서에 개시된 볼 밸브의 제조 방법은 밸브 본체와, 밸브 본체 내측에 배치되는 볼을 마련하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 외경, 제2 외경 및 천이 구역을 갖는 외표면을 포함하는 시트 리테이너를 마련하는 단계를 포함한다. 상기 천이 구역은 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결한다. 예시적인 방법은 또한 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 실질적으로 접촉하는 시트를 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 방법은 제1 비탄성 시일과 제2 비탄성 시일, 및 상기 제1 및 제2 비탄성 시일 사이에 배치되는 경사형 부하 링을 마련하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 2개보다 많은 비탄성 시일, 예컨대 3개, 4개 등이 사용될 수 있고, 1개보다 많은 경사형 부하 링, 예컨대 2개, 3개 등이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 제1 및 제2 비탄성 시일, 경사형 부하 링, 및 경사형 시트 리테이너와 실질적으로 접촉하는 경사형 엔드 어댑터가 또한 마련된다. 더욱이, 볼의 구형 표면과 관통 연장하는 볼 보어의 교차점에 모따기 가공된 에지가 마련될 수 있다. 예시적인 방법은 밸브 본체의 공동 외측에 위치되는 밸브 스템을 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 볼 밸브를 제조하는 예시적인 방법은 밸브 본체, 볼, 시트 리테이너 및 시트를 마련하는 단계를 포함한다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치될 수 있다. 시트는 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 실질적으로 접촉한다. 시트는 시트와 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하도록 환형 홈을 더 포함할 수 있다. 예시적인 방법은 지지식 팔로워 및 엔드 어댑터를 마련하는 단계를 포함할 수 있다. 지지식 팔로워는 상기 밸브 본체와 엔드 어댑터 중 적어도 하나에 의해 지지된다.
본 개시의 다른 실시예에서, 밸브 본체, 볼, 스템 및 스템 베어링을 마련하는 단계를 포함하는 볼 밸브의 제조 방법이 제공된다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치된다. 스템은 밸브 본체 개구를 통과하고 볼과 기계적으로 연통한다. 스템 베어링은 스템과 밸브 본체 사이에 배치될 수 있고, 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 천이 구역을 포함한다. 예시적인 스템 베어링 천이 구역은 제1 내경을 제2 내경에 테이퍼진 방식으로 연결한다.
본 개시에 따른 볼 밸브를 제조하는 예시적인 방법은 밸브 본체, 볼, 시트 리테이너, 시트, 스템 및 스템 베어링을 마련하는 단계를 포함한다. 볼은 밸브 본체 내측에 배치된다. 시트 리테이너는 제1 외경, 제2 외경 및 시트 리테이너 천이 구역을 갖는 외표면을 포함한다. 시트 리테이너 천이 구역은 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결한다. 시트는 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 실질적으로 접촉한다. 예시적인 시트는 시트와 볼 사이에 2개의 별개의 시트면 또는 접촉점을 제공하도록 시트면의 볼 접촉부에 환형 홈을 더 포함한다. 스템은 밸브 본체 개구를 관통하고 볼과 기계적으로 연통한다. 스템 베어링은 스템과 밸브 본체 사이에 배치되고, 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 스템 베어링 천이 구역을 포함한다. 스템 베어링 천이 구역은 제1 내경과 제2 내경을 테이퍼진 방식으로 연결한다.
본 개시에 따른 예시적인 볼 밸브 및 관련 방법은 예컨대 유체 호환성, 온도 제약 등이 변경되는 광범위한 용례에서 실시할 수 있는 볼 밸브를 제공한다. 또한, 예시적인 볼 밸브 및 관련 방법은 시트 응력과 작동 토크를 감소시키고, 노출된 시트 표면을 가로지르는 압력 강하를 감소시키며, 시트 수명을 증가시키는 볼 밸브를 제공한다.
첨부 도면과 함께 고려된 이하의 상세한 설명으로부터 다른 목적 및 특징이 명백해질 것이다. 그러나, 도면은 오직 예시로서 구성되고 본 발명의 한계를 정의하는 것으로서 구성되지 않는다는 것을 알아야 한다.
당업자가 개시된 장치 및 관련 방법을 제조하고 이용하는 데에 일조하기 위하여, 첨부 도면을 참조하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 의해 교시된 볼 밸브 조립체를 예시하고;
도 2는 본 개시에 따른 볼 밸브의 예시적인 실시예의 단면도이며;
도 3a 및 도 3b는 본 개시에 따른 볼 밸브 시트 시일과 시트 리테이너의 예시적인 실시예를 예시하고;
도 4a 내지 도 4c는 본 개시에 따른 경사형 시트 리테이너, 엔드 리테이너, 및 원피스식 부하 링을 갖는 볼 밸브의 예시적인 실시예를 예시하며;
도 5a 및 도 5b는 본 개시에 따른 경사형 시트 리테이너, 엔드 어댑터, 및 투피스형 부하 링을 갖는 볼 밸브의 예시적인 실시예를 예시하고;
도 6은 본 개시에 따른 볼의 예시적인 실시예를 예시하며;
도 7a 내지 도 7c는 본 개시에 따른 스템의 예시적인 실시예를 예시하고;
도 8a 및 도 8b는 본 개시에 따른 시트의 예시적인 실시예를 예시하며;
도 9는 본 개시에 따른 시트의 예시적인 실시예를 예시하고;
도 10은 본 개시에 따른 시트의 예시적인 실시예를 예시하며;
도 11은 본 개시에 따른 지지식 팔로워의 예시적인 실시예를 예시하고;
도 12는 본 개시에 따른 테이퍼형 스템 베어링의 예시적인 실시예를 예시한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 볼 밸브와, 큰 압력을 견디고 광범위한 조건에서 작동하기에 적절한 볼 밸브를 포함하는 관련 방법이 개시되어 있다. 본 명세서에 개시된 예시적인 볼 밸브는 밸브 본체, 볼, 시트 리테이너 및 시트를 포함한다. 볼은 밸브 본체 내에 배치된다. 시트 리테이너는 제1 외경, 제2 외경 및 천이 구역을 갖는 외표면을 포함한다. 천이 구역은 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결한다.
예시적인 시트 리테이너는 관통 연장하는 시트 리테이너 보어를 포함하고, 제1 외경과 제2 외경은 치수가 같지 않다. 예시적인 밸브 본체는 유입 포트와 유출 포트를 포함한다. 볼은 관통 연장하는 볼 보어를 더 포함한다. 예시적인 볼 밸브는 제1 및 제2 비탄성 시일을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 2개보다 많은 비탄성 시일, 예컨대, 3개, 4개 등이 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 제1 및 제2 비탄성 시일은 스프링 부하식이고 치수가 같지 않을 수 있다.
도 2를 참조하면, 시트 리테이너(201), 시트(202) 및 볼(203)을 포함하는 예시적인 볼 밸브(200)의 단면도가 제공된다. 예시적인 볼 밸브(200)의 구성요소들이 아래에서 더 상세하게 논의될 것이다. "A"축은 작동 상태 중에 볼 밸브(200)를 통한 유동 경로를 나타낸다. 구체적으로, 예시적인 볼 밸브(200)는 단방향 및/또는 양방향 유동에 적응할 수 있다.
이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 볼 밸브를 위한 예시적인 시트 리테이너(201)가 예시되어 있다. 예시적인 볼 밸브(200)의 좌측만을 도시하고 있지만, 도 2에 예시된 바와 같이, 실질적으로 유사한 구성요소들의 거울 상이 볼 밸브의 우측에 이용된다는 것을 이해해야 한다. 구체적으로, 도 3a는 예시적인 시트 리테이너(201), 시트(202) 및 볼(203)을 예시한다. 예시적인 경사형 시트 리테이너(201)는 시트(202)를 수용하기 위한 환형 공동(204)을 포함한다. 시트(202)는 예컨대 공동(204) 내로 압박될 수 있다. 또한, 시트(202)의 면은 볼(203)과 실질적으로 접촉한다. 경사형 시트 리테이너(201)는 볼(203)의 적어도 하나의 보어(203a)에 연결할 수 있는 관통 연장하는 시트 리테이너 보어(208)를 더 포함한다. 예시적인 시트(202) 및 볼(203)의 구성이 아래에서 더 상세하게 논의될 것이다.
계속해서 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 예시적인 시트 리테이너(201)는 제1 외경(205), 제2 외경(206) 및 경사형 천이 구역(207)을 갖는 외표면을 포함한다. 제1 외경(205) 및 제2 외경(206)은 각각 치수가 같지 않다. 따라서, 종래 기술에 의해 교시된 바와 같이 "단차형" 및/또는 연속적인 외표면이기 보다는, 천이 구역(207)은 제1 외경(205)과 제2 외경(206)을 경사진 방식으로, 예컨대 기울어진, 각형의, 경사진 등의 방식으로 연결한다. 특정한 각도, 예컨대 기울기로서 예시되어 있지만, 제1 외경(205) 및 제2 외경(206)은 치수가 변할 수 있음으로써, 천이 구역(207)의 상이한 기울기를 생성한다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 제1 외경(205)은 치수가 제2 외경(206)보다 작을 수 있어, 예각의 천이 구역(207)을 생성한다. 경사형 천이 구역(207)은 정상 작동 중에 시트(202)의 면과 볼(203) 사이에 밀봉력을 발생시키는 2개의 상이한 크기의 스프링 부하식 탄성 시일을 사용하게 한다. 경사형 천이 구역(207)은 정상 상태에서 발생된 압력을 스프링 부하식 탄성 시일 모두가 아니라 경사형 시트 리테이너(201) 및/또는 경사형 엔드 어댑터에 또한 전달하게 한다. 예시적인 시트(202)에서 도시되어 있지만, 도 3b에 예시된 바와 같이 종래의 시트(219)와 함께 예시적인 시트 리테이너(201)가 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1의 종래 기술의 볼 밸브(100)와 관련하여 전술한 바와 같이, 시트 리테이너(102)의 외경과 엔드 어댑터(103)의 내경 사이에 시일을 실시한다. 탄성 O링(101)은 또한 더 많은 방향에서 압력을 수용할 수 있다. 그러나, 탄성 O링(101)은 작동 파라미터, 예컨대 압력, 온도, 프로세스 유체 등이 제한되었다.
예시적인 실시예에서, 도 4a의 볼 밸브(200)는 볼 밸브(200)에서 압력차를 관리하기 위해 제1 비탄성 시일(209a) 및 제2 비탄성 시일(209b)을 각각 포함한다. 2개의 비탄성 시일이 예시되어 있지만, 2개보다 많은 비탄성 시일, 예컨대 3개, 4개 등이 사용될 수 있다. 제1 비탄성 시일(209a) 및 제2 비탄성 시일(209b)은 예컨대 가공 플라스틱 재료, 예컨대 Teflon™계 공학 플라스틱 재료 등으로 제조된 스프링 부하식 탄성 시일일 수 있다. 구체적으로, 예시적인 제1 비탄성 시일(209a) 및 제2 비탄성 시일(209b)은 실질적으로 원통형 형태를 가질 수 있고, 제1 및 제2 금속 스프링(211a 및 211b), 예컨대 권취 스프링, 라이브 로딩 장치 등과, 제1 및 제2 Teflon™ 쉘(210a, 210b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)은 한 방향에서 압박할 수 있고, 제1 및 제2 금속 스프링(211a 및 211b)은 밀봉력을 생성하도록 밸브 본체(215) 내에 압력차를 생성한다. 구체적으로, 프로세스 압력이 밸브 본체(215)에 인가될 때에, 압력은 볼(203)에 대항하여 시트 리테이너(201)로부터 시트(202)로 부하를 발생시켜 고압에서 내구성의 및/또는 타이트한 시일을 생성하도록 의존된다. 탄성 O링(101)보다는 제1 및 제2 비탄성 시일(209a, 209b)을 실시하는 이점은, 예컨대 다양한 프로세스 유체와 비탄성 제조 재료의 호환성, 작동에 적절한 온도 범위 등이다. 예시적인 프로세스 유체는 예컨대 미네랄 및/또는 수계 유압 유체, 메타놀 등의 알콜, 스케일 및/또는 부식 억제제 등이다. 작동에 적절한 예시적인 온도는 예컨대 약 -20 ℉ 내지 약 250 ℉의 범위이다.
계속해서 도 4a를 참조하면, 양 방향으로 밀봉 압력을 제공하는 도 1의 탄성 O링(101)과 달리, 제1 및 제2 금속 스프링(211a 및 211b)은 단하나의 방향으로만 밀봉력을 제공한다. 예컨대, 제1 금속 스프링(211a)은 우측 방향의 힘을 제공할 수 있고 제2 금속 스프링(211b)은 "A"축에 평행한 축을 따르는 좌측 방향의 힘을 제공할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 형태로 인해, 제1 및 제2 Teflon™ 쉘(210a 및 210b)이 아니라 오직 제1 및 제2 금속 스프링(211a 및 211b)에 대해서만 인가되고 및/또는 이들 금속 스프링에 의해서만 수신할 수 있다. 예컨대, 제1 금속 스프링(211a)에서 좌측 방향으로 압력이 인가될 수 있고 "A"축에 평행한 축을 따라 제2 금속 스프링(211b)에서 우측 방향으로 압력이 인가될 수 있다. 따라서, 스프링 부하식의 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 특성으로 인해, 탄성 시일은 양 방향에서 압력에 대해 밀봉할 수 없다. 이 제한은 양 방향에서의 압력, 즉 제1 및 제2 Teflon™ 쉘(210a 및 210b)에서 지향되는 압력으로부터 각 시일을 보호하도록 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)을 백투백(back-to-back) 위치시킴으로써 극복될 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 제1 및 제2 금속 스프링(211a 및 211b)은 그 자체가 약 10,000 psi 내지 약 20,000 psi의 시스템 압력을 견디고 및/또는 유지하기에 불충분한 내구성을 가질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a, 209b)은 힘을 시일(202)에 전달함으로써, 시트(202)와 볼(203) 사이에 시일을 생성해야 한다.
높은 압력을 견디고 압력을 시트(202)에 전달하는 능력은 엔드 어댑터(212) 및 부하 링(213)과 함께, 전술한 경사형 시트 리테이너(201)의 실시에 의해 달성될 수 있다. 하나의 부하 링(213)을 예시하였지만, 다른 실시예에서, 1개보다 많은 부하 링(213), 예컨대 2개, 3개 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 부하 링(213)은 실질적으로 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b) 사이에 배치된다. 부하 링(213)은 예컨대 316 스테인리스강, 듀플렉스 스테인리스강, 174PH 스테인리스강, 니켈계 내부식성 합금 등으로 제조될 수 있고, 실질적으로 원통형 형태를 가질 수 있다. 부하 링(213)의 내부 부하 링 표면(214a)과 외부 부하 링 표면(214b)은 시트 리테이너(201)의 천이 구역(207)에 상보적인 경사형, 예컨대 경사진 표면을 포함할 수 있다. 당업자라면 이해하는 바와 같이, 부하 링(213)은 대향 단부에서 상이한 내경과 외경을 갖고, 경사형 내부 부하 링 표면(214a)과 외부 부하 링 표면(214b)은 상이한 직경들을 연결한다. 유사하게, 엔드 어댑터(212)는 시트 리테이너(201)의 천이 구역(207)에 상보적인 경사진 내부 엔드 어댑터 표면(212a)을 가질 수 있다. 경사형 시트 리테이너(201), 경사형 엔드 어댑터(212) 및 경사형 부하 링(213)은 경사형, 예컨대 경사진 표면들을 따라 서로 적절하게 합치하도록 실시될 수 있다.
따라서, 2개의 상이한 치수의 스프링 부하식 탄성 시일, 즉 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)은 경사형 시트 리테이너(201)의 제1 외경(205)과 제2 외경(206)에서 백투백 배치될 수 있다. 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 상이한 치수는 제1 외경(205)과 제2 외경(206) 위에 확실하게 끼워지도록 적절하게 구성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 상이한 치수는 정상 작동 조건에서 볼(203)에 대해 시트(202)의 충분한 시일을 생성하는 데에 필요한 밀봉력을 발생시킨다. 예시적인 정상 작동 조건은, 예컨대 약 10,000 psi 내지 약 15,000 psi 범위의 압력, 약 60 ℉ 내지 약 80 ℉ 범위의 온도 등을 포함한다. 예시적인 정상 작동 조건은, 예컨대 약 10,000 psi 내지 약 20,000 psi 범위의 압력, 약 -20 ℉ 내지 약 250 ℉ 범위의 온도 등을 또한 포함할 수 있다. 구체적으로, 예시적인 구성은 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)을 역방향에서의 압축으로부터 보호하는 동시에, 상기 시일이 볼(203)과 시트(202) 사이에 포지티브 시일을 발생시키는 데에 필요한 압력, 예컨대 부하를 전달하게 한다.
예컨대, 도 4a를 참조하면, 제2 비탄성 시일(209b)의 제2 금속 스프링(211b)에 대해 "A"축에 평행한 축을 따라 우측 방향으로 인가된 압력은 제1 비탄성 시일(209a)이 아니라 부하 링(213)에 대해 압력을 전달한다. 다시, 부하 링(213)은 시트 리테이너(201)의 천이 구역(207)과 부하 링(213)의 내부 부하 링 표면(214a)에 배치되는 합치하는 표면 영역을 따라 시트 리테이너(201)에 대해 압력을 전달한다. 천이 구역(207)에서 합치하는 표면 영역은 특정한 범위 이상의 압력을 수용하도록 구성되지 않은 제1 비탄성 시일(209a)의 측면에 압력이 인가되는 것을 방지한다. 시트 리테이너(201)의 천이 구역(207) 상의 압력은 또한 매입된 시일(202)을 볼(203)에 대해 압박함으로써, 시트(202)와 볼(203) 사이에 내구성의 및/또는 타이트한 시일을 생성한다. 따라서, 천이 구역(207)과, 천이 구역(207)과 부하 링(213) 사이의 합치하는 표면 영역은 치수가 변할 수 있다. 예컨대, 합치하는 표면 영역, 즉 접촉 영역이 증가 및/또는 감소될 수 있다. 그러나, 합치하는 표면 영역은 시트(202)와 볼(203) 사이에 만족스러운 시일을 생성하기 위해 필요한 압력을 시트 리테이너(201)에 대해 전달하기에 충분히 커야 한다. 시트 리테이너(201)의 천이 구역(207)의 경사진, 즉 경사형 표면은 시트 리테이너(201)의 단차부에 대해 높은 압력을 인가하는 것을 교시하는 종래 기술보다 실질적으로 안전한 방식으로 기능하는데, 그 이유는 단차부는 이 단차부에 대해 위치된 밸브 구성요소들의 이동을 방지하기에 충분한 표면 영역을 제공할 수 없기 때문이다. 구체적으로, 예시적인 경사형 시트 리테이너(201)의 천이 구역(207)은 힘이 인가될 수 있고 또한 시트(202)의 시일로 전달될 수 있는 더 큰 접촉 표면 영역을 생성한다.
유사하게, 제1 비탄성 시일(209a)에 대해 "A"축에 평행한 축을 따라 좌측 방향으로 인가되는 압력은 부하 링(213)의 경사형 상부 부하 링 표면(214b)과 엔드 어댑터(212)의 경사형 내부 엔드 어댑터 표면(212a)에 배치된 합치하는 표면 영역에서 엔드 어댑터(212)로 전달된다. 예시적인 구성은 힘을 수신하도록 구성되지 않은 대향하는 제2 비탄성 시일(209b)의 측면에 압력이 인가되는 것을 방지한다. 엔드 어댑터(212)는 다시 밸브 본체(215)에 대해 압력을 전달할 수 있고, 밸브 본체는 압력을 흡수하여 압력이 예시적인 볼 밸브(200)의 다른 구성요소로 전달되는 것을 방지한다.
도 4a의 예시적인 구성은 동일한 제1 및 제2 외경(205 및 206), 즉 시트 리테이너(201) 테일의 균등한 외경을 갖는 시트 리테이너(201)를 구현함으로써 수정될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 직경은 또한 동등한 치수가 된다. 부하 링(213)을 사이에 두고 또는 사이에 두는 일 없이 백투백 위치된 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 경우, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)은 어느 한 방향으로 압력의 인가를 기초로 하여 시트 리테이너(201)의 외경을 따라 자유롭게 병진 운동한다. 그러나, 제1 및 제2 Teflon™ 쉘(210a 및 210b)의 특정 범위 이상의 압력으로 인해 손상받기 쉬운 측면은 반대 힘의 인가 때문에 손상될 수 있다. 따라서, 상이한 치수의 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b), 경사형 엔드 어댑터(212) 및 경사형 부하 링(213)과 함께 경사형 시트 리테이너(201)의 실시는 압력, 즉 부하를 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)의 제1 및 제2 Teflon™ 쉘(210a 및 210b)의 손상을 받기 쉬운 측면이 아니라 시트 리테이너(201)로 오프셋시킨다. 구체적으로, 경사형 부하 링(213)은 압력을 천이 구역(207)을 따라 경사형 시트 리테이너(201)로 직접 전달하고, 이 경사형 시트 리테이너는 다시 압력을 볼(203)에 대항하여 시트(202)의 시일로 전달한다. 도 4a에 도시된 예시적인 볼 밸브(200)는 또한 아래에서 더 상세하게 논의될 팔로워(216)와 스프링(215)을 포함한다.
도 4b를 참조하면, 예시적인 볼 밸브(200)의 상세도가 제공된다. 구체적으로, 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)은 부하 링(213)이 사이에 배치된 상태에서 시트 리테이너(201) 둘레에 위치된다. 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)은 예컨대 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)과, 시트 리테이너(201)와 엔드 어댑터(212) 간의 공간 사이에 억지 끼워맞춤을 생성하도록 구성되어, 그 사이에서 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b)을 압축시킨다. 경사형 천이 구역(207)은 압력이 제2 비탄성 시일(209b)에 대해 "A"축에 평행한 축을 따라 우측 방향으로 인가될 때에 상보적인 경사형 내부 부하 링 표면(214a)과 합치하도록 구성된다. 유사하게, 외부 부하 링 표면(214b)과 내부 엔드 어댑터 표면(212a)은 제1 비탄성 시일(209a) 에 대해 "A"축에 평행한 축을 따라 좌측 방향으로 압력이 인가될 때에 합치하도록 구성된다.
도 4c는 경사형 시트 리테이너(201)와 경사형 원피스식 부하 링(213)을 비롯하여 예시적인 볼 밸브(200)의 좌측면을 예시한다. 예시적인 볼 밸브(200)의 좌측면만을 도시하지만, 실질적으로 유사한 구성요소들의 거울 상이 도 2와 관련하여 논의되는 바와 같이 볼 밸브의 우측면에서 이용된다는 것을 이해해야 한다.
이하, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 볼 밸브(200')의 다른 예시적인 실시예가 제공된다. 구체적으로, 볼 밸브(200')는 단일 피스 부하 링(213)을 포함한다는 점을 제외하고 도 4a 내지 도 4c의 볼 밸브(200)와 구조 및 기능이 유사하고, 예시적인 볼 밸브(200')는 다중 피스의 부하 링, 즉 독립적인 제1 및 제2 부하 링(213a' 및 213b')을 포함한다. 따라서, 제2 비탄성 시일(209b')에 대해 "A"축에 평행한 축을 따라 우측 방향으로 압력이 인가될 때에, 압력은 제1 부하 링(213a')으로 이동 및/또는 전달된다. 내부 부하 링 표면(214a')은 시트 리테이너(201')의 천이 구역(207')과 합치하도록 구성된 경사형 표면을 형성하고, 즉 내부 부하 링 표면(214a')은 천이 구역(207')에 대해 압력을 인가한다. 이에 의해, 힘은 제1 부하 링(213a')으로부터 합치하는 표면 영역을 통해 시트 리테이너(201')로 전달되고, 시트 리테이너는 다시 힘을 시트(202')를 통해 볼(203')에 대해 전달하여 그 사이에 내구성의 및/또는 타이트한 시일을 생성한다. 제1 및 제2 부하 링 표면(216a' 및 216b')은 대향하고 이격된 관계로 구성될 수 있다. 따라서, "A"축에 평행한 축을 따라 우측 방향으로 힘이 제1 부하 링(213a')에 인가될 때에, 힘은 시트 리테이너(201')로 전달된다. 그러나, 제1 및 제2 부하 링(213a' 및 213b')은 제1 및 제2 부하 링 표면(216a' 및 216b')을 따라 서로에 대해 압박되는 것이 방지된다. 이 예시적인 구성은 제1 및 제2 비탄성 시일(209a' 및 209b')의 제1 및 제2 Teflon™ 쉘(210a' 및 210b')의 손상을 받기 쉬운 측면에 대한 손상을 방지한다.
유사하게, 제1 비탄성 시일(209a')에 대해 "A"축에 평행한 축을 따라 좌측 방향으로 압력이 인가될 때에, 힘은 제2 부하 링(213b')으로 전달된다. 제2 부하 링(213b')은 또한 합치하는 표면, 즉 경사형 내부 엔드 어댑터 표면(212a')과 외부 부하 링 표면(214b')을 따라 엔드 어댑터(212')로 힘을 전달한다. 엔드 어댑터(212')는 압력을 밸브 본체(215')로 전달하고, 밸브 본체는 발생된 힘을 흡수하여 힘이 다른 볼 밸브(200') 구성요소에 전달되는 것을 방지한다.
이하, 도 6을 참조하면, 본 개시의 예시적인 볼 밸브에 실시될 볼(300)의 예시적인 실시예가 제공된다. 구체적으로, 볼(300)은 볼 구형 표면(301)과, 관통 연장하는 볼 보어(302), 예컨대 포트를 포함할 수 있다. 볼(300)은 밸브 본체(215) 내에 볼(300)을 지지 및/또는 고정하기 위한 제1 트러니언(303a)과 제2 트러니언(303b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 트러니언(303a 및 303b)은 볼(300)을 고압 상태로 안정화시키는 데에 일조한다. 제1 트러니언(303a)은 볼(300)과 밸브 스템 사이에 기계적 연통을 허용하도록 밸브 스템을 수용하고 밸브 스템과 합치하기 위한 슬롯(304)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 슬롯(304)은 밸브 스템에 "쐐기로 고정"되게 하여, 밸브 스템을 특정한 방향으로 회전시킴으로써 볼(300)이 구동되게, 예컨대 축방향으로 회전되게 한다.
도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 볼 구형 표면(301)과 볼 보어(302)의 교차는 볼(300)이 시트(202)에 대해 회전될 때에 작은 유동로를 가로질러 큰 압력 강하를 생성하는 날카로운 에지를 형성한다. 구체적으로, 볼(300)이 밸브를 개방 및/또는 폐쇄하도록 축방향으로 회전될 때에, 유체가 통과하는 시트(202)와 볼(300) 사이의 작은 유동 영역이 높은 압력 및/또는 유체 속도를 발생시킨다. 따라서, 예시적인 볼(300)은 볼 구형 표면(301)과 볼 보어(302)의 교차점에 모따기 가공된 에지(305), 예컨대 베벨식 에지를 포함한다. 모따기 가공된 에지(305)는 또한 예컨대 소정 반경을 갖도록 파손될 수 있다. 모따기 가공된 에지(305)는 모따기 가공되지 않은 볼 보어(302)보다 큰 유동 영역을 노출시킨다. 구체적으로, 볼(300)이 밸브를 개방 및/또는 폐쇄시키도록 축방향으로 회전할 때에, 유체가 통과하는 더 큰 유동 영역이 모따기 가공된 에지(305)에 의해 생성되고, 이는 다시 통로에서 더 낮은 속도 및/또는 압력을 허용한다. 따라서, 노출된 탄성 시트(202) 표면의 작은 유동 영역을 가로질러 큰 압력 강하의 부정적인 효과, 예컨대 시트(202) 손상이 완화될 수 있다. 모따기 가공된 에지(305)의 각도는 단순히 예시적이고 대안적인 각도는 예컨대 원하는 작동 압력 및 유동을 기초로 하여 실시될 수 있다.
이하, 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 스템(400)의 예시적인 실시예가 제공된다. 예시적인 실시예에서, 스템은 밸브 본체의 압축된 공동 외측에 유지된다. 밀봉 메카니즘은 스템으로부터 제거되고 볼(300)의 제1 및 제2 트러니언(303a 및 303b)의 각 단부에 배치될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 트러니언(303a 및 303b)은 압력 밀봉된 제1 및 제2 트러니언(303a 및 303b)의 지지체로서 작용한다. 스템(400)은 밸브 본체 외측의 액츄에이터, 예컨대 핸들과 합치하도록 구성되고 치수가 정해진 스템 슬롯(401)을 포함한다. 따라서, 스템(400)과 액츄에이터는 서로에 대해 기계적으로 연통할 수 있다. 예컨대, 액츄에이터는 볼 밸브(200) 내에서 스템(400)을 축방향으로 선회시키도록 회전될 수 있다.
스템(400)은 테이퍼진 스템 표면(404)을 갖는 스템 헤드(403)를 포함한다. 스템 헤드(403)는 또한 볼(300)의 트러니언(303a)의 슬롯(304)과 합치하도록 구성되고 치수가 정해진 스템 헤드 돌기(402)를 포함한다. 따라서, 스템(400)과 볼(300)은 서로에 대해 기계적으로 연통할 수 있다. 예컨대, 슬롯(304)은 밸브 스템(400)을 특정한 방향으로 회전시킴으로써, 구동, 예컨대 축방향으로 선회되도록 볼(300)이 스템 헤드 돌기(402)에 "쐐기로 고정"되게 한다. 이 예시적인 구성에서, 종래의 볼 밸브(100)에서 밸브 스템과 베어링 구조와 관련된 마찰력의 대부분이 제거된다. 따라서, 나머지 극소 마찰력만이 밀봉 메카니즘과 관련된다. 도 7c는 스템 슬롯(401)과 스템 돌기(402)를 비롯하여 예시적인 스템(400)의 측면도를 예시한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 시트(500)의 예시적인 실시예가 제공된다. 예시적인 시트(500)는 시트 보어(501)가 관통 연장하는 원통형 링 구성을 갖는다. 제1 시트 단부(502)는 원환형 볼록면 절취부(503)[이하, "볼록면 절취부(503)"]를 포함할 수 있다. 환형 홈(504), 예컨대 경감 홈은 볼록면 절취부(503) 내로 더 절취될 수 있다. 볼록면 절취부(503) 내의 환형 홈(504)은 사이에 빈 공극(508)을 두고 외부 볼록 시트면(503a)과 내부 볼록 시트면(503b)을 형성한다. 또한, 환형 홈(504)은 환형 홈 외경(505)이 시트 리테이너(201) 테일 직경, 즉 시트 리테이너(201)의 "테일" 부분의 외경보다 크도록 배향될 수 있고, 환형 홈 내경(506)은 시트 리테이너(201) 테일 직경보다 작을 수 있다. 예시적인 시트(500)는, 예컨대 볼록면 절취부(503)와 이 볼록면 절취부(503)를 따라 기계 가공된 환형 홈(504), 예컨대 경감 홈을 갖는 열가소성 링으로 제조될 수 있다. 기계 가공된 환형 홈(504)의 명확한 공차 및/또는 정밀도는 수반되는 내부 압력을 감소시키도록 구현되어야 한다는 것을 알아야 한다. 시트(500)의 열가소성 제조 재료는, 예컨대 PEEK, 유리 및/또는 탄소로 채워진 PEEK, Torlon™ 화합물, Vespel™ 화합물 등일 수 있다.
따라서, 도 1에 도시된 종래의 볼 밸브(100)에 현재 실시되는 단일의 접촉점을 갖기보다, 예시적인 구성은 빈 공극(508)에 의해 분리되는 2개의 별개의 밀봉면, 즉 제1 밀봉면(507a)과 제2 밀봉면(507b)의 형성을 초래한다. 구체적으로, 볼록면 절취부(503)와 환형 홈(504)은 볼(300)과 시트(500) 사이에 2개의 별개의 접촉점 및/또는 에지, 즉 제1 및 제2 밀봉면(507a 및 507b)을 보장한다. 환형 홈(504)은 또한 볼(300)의 구형 표면(301)과 환형 홈 외경(505), 즉 제1 밀봉면(507a) 및 환형 홈 내경(506), 즉 제2 밀봉면(507b)의 동시 접촉을 허용하도록 구성될 수 있다. 2개의 별개의 접촉점은 정수압 중에 형성되는 볼(300)과 접촉하는 시트 영역, 즉 시트(500)의 표면의 정확한 예보를 보장한다. 시트 영역을 정확하게 제어함으로써, 피스톤 부하 및/또는 시트(500) 응력은 정상 조건 중에 제어된다. 또한, 환형 홈(504)의 폭은 밸브 작동 중에 시트(500)의 면, 즉 외부 볼록 시트면(503a)과 내부 볼록 시트면(503b)에 작용하는 복수 개의 힘들을 제어하도록 변경될 수 있다. 예컨대, 환형 홈(504)을 증가시킴으로써, 시트(500) 및/또는 피스톤 부하가 증가될 수 있다. 반대로, 환형 홈(504)을 감소시킴으로써, 시트(500) 및/또는 피스톤 부하가 감소될 수 있다. 환형 홈(504)은 또한 볼(300)에 대한 시트(500) 시일을 이용할 때에 수반되는 힘을 감소시킴으로써, 시트(500)의 수명을 증가시킬 수 있다.
시트(500)의 볼록면 절취부(503)는 시트(500) 중간의 볼(300)의 면으로부터 시트(500)의 면의 급속한 발산을 제공할 수 있다. 밸브의 상류 단부 상의 시트(500)의 이중면, 즉 외부 볼록 시트면(503a)과 내부 볼록 시트면(503b)은 볼 보어(302), 즉 포트가 내부 볼록 시트면(503b)을 클리어하게 하고 유동이 내부 볼록 시트면(503b)을 지나서 외부 볼록 시트면(503a)과 내부 볼록 시트면(503b)을 분리시키는 공극(508)으로, 그리고 또한 본체 공동 내로 나아가게 한다. 따라서, 탄성 시트(500)의 구성은 전체 시트면, 즉 제1 및 제2 밀봉면(507a 및 507b)에 걸쳐서 높은 압력 강하가 발생하는 것을 제거한다.
도 9를 참조하면, 전술한 볼 밸브(200)의 시트 리테이너(201)를 갖는 예시적인 시트(500)가 실시 중에 예시되어 있다. 구체적으로, 시트(500)와 볼(300)의 구형 표면(301) 사이의 2개의 별개의 접촉점의 상세도가 제공된다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 환형 홈(504)과 공극(508)에 의해 생성되는 제1 및 제2 밀봉면(507a 및 507b)은 동시에 볼(300)의 구형 표면(301)과 접촉한다. 이들 2개의 별개의 접촉점은 예측 가능한 시트(500) 영역을 제공한다. 또한, 볼록 시트 절취부(503), 즉 외부 볼록 시트면(503a) 및 내부 볼록 시트면(503b)은 볼(300)의 구형 표면(301)으로부터 급속한 발산을 제공한다.
계속해서 도 8a, 도 8b 및 도 9를 참조하면, 작동시에, 압력이 예컨대 "A"축에 평행한 축을 따라 우측 방향으로 예시적인 볼 밸브에 인가될 때에, 시트(500)는 유체의 누출 및/또는 압력이 볼 보어(302)로 나아가는 것을 방지하도록 충분한 내구성의 및/또는 타이트한 시일을 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 도면은 예시적인 볼 밸브의 좌측, 예컨대 상류 부분만을 예시하고 있지만, 실질적으로 유사한 구성요소들이 또한 볼(300)의 우측, 예컨대 하류 부분에도 존재한다는 것을 알아야 한다. 따라서, 시트(500)가 볼(300)의 좌측에서의 누출 방지를 실패하여 볼 보어(302), 즉 밸브의 내부 공동으로 압력이 나아가면, 볼(300)의 하류측에 배치된 실질적으로 유사한 시트(500)가 더 하류에서의 누출을 방지하는 시일로서 작용할 수 있다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 볼 밸브는 약 10,000 psi 내지 20,000 psi 범위에서 작동할 때에 큰 압력을 받는다. 예시적인 시트(500)의 2개의 별개의 접촉점, 즉 제1 및 제2 밀봉면(507a 및 507b)은 밸브 본체 내에서 부하력을 밸런싱할 더 큰 기회를 제공하는 2개의 별개의 밀봉 밴드를 생성한다. 특히, 예컨대 좌측 시트(500)로부터 우측 시트(500)로 압력 부하를 전달할 때에(역도 또한 같음) 더 큰 융통성이 허용된다. 따라서, 볼 밸브 내의 힘 분배가 시트(500)와 볼(300) 사이에 더 큰 갯수의 접촉점으로 인해 향상된다.
이하, 도 3a 및 도 10을 참조하면, 예시적인 경사형 시트 리테이너(201)를 포함하는 예시적인 볼 밸브(200)가 도시되어 있고, 균일하게 형성된 외경을 갖는 시트(500)와 시트 리테이너(102)를 갖는 예시적인 시트 리테이너 조립체(600)가 도시되어 있다. 도 3a의 볼 밸브(200)와 관련하여, 시트(202)는 시트(500)로서 구성될 수 있고 볼(203)은 볼(300)로서 구성될 수 있다. 시트(500)의 구성 및/또는 치수, 예컨대 볼록면 절취부(503), 환형 홈(504), 외부 및 내부 볼록 시트면(503a 및 503b) 등의 반경이 이에 따라, 예컨대 실시되는 시트 리테이너(201)의 종류, 볼(300)의 구성, 작동 유동 압력 및/또는 원하는 속도 등을 기초로 하여 조정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 11은 지지식 팔로워(701)를 포함하는 예시적인 볼 밸브(700)를 예시하고 있다. 구체적으로, 도 11의 예시적인 볼 밸브(700)는 도 4a 내지 도 4c에 설명된 볼 밸브(200)와 실질적으로 유사하다. 따라서, 볼 밸브(700)는 밸브 본체(702), 엔드 어댑터(703), 부하 링(708), 시트 리테이너(704), 및 제1 및 제2 비탄성 시일(707a 및 707b)을 포함한다. 다른 실시예에서, 1개보다 많은 부하 링(708), 예컨대 2개, 3개 등이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 균일한 치수의 외경을 갖는 것으로 예시되어 있지만, 볼 밸브(700)는 경사형 시트 리테이너(201)를 실시할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 경사형 시트 리테이너(201)와 함께, 경사형 엔드 어댑터(212), 경사형 제1 및 제2 비탄성 시일(209a 및 209b), 및 경사형 부하 링(213)이 실시될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 비탄성 시일(707a 및 707b)을 갖는 본 명세서에 논의된 경사형 밸브 구성요소를 실시하기보다, 탄성 시일 및/또는 O링(101)이 사용될 수 있다. 예시적인 볼 밸브(700)는 또한 시트(500), 볼(300), 스프링(705) 및 팔로워(701)를 포함한다. 스프링(705)은 시트 리테이너(704) 및 시트(500)에 대한 압력을 제공하도록 팔로워(701)에 대해 힘을 가함으로써, 스프링 부하식 탄성 시트(500)를 생성한다.
도 1에 설명된 바와 같이, 엔드 어댑터(103)와 스프링(105)에 의해서만 지지되는 자유 부동형 팔로워(106)을 실시하기보다, 예시적인 볼 밸브(700)는 밸브 본체(702)와 엔드 어댑터(703) 중 적어도 하나에 의해 지지되는 팔로워(701)를 포함한다. 팔로워(701)는 실질적으로 L형 브래킷으로서 구성될 수 있다. 따라서, 팔로워(701)의 지지 및/또는 고정은 팔로워(701)를 시트 리테이너(704), 밸브 본체 바닥면(711), 밸브 본체 측면(712), 엔드 어댑터 측면(709), 및 엔드 어댑터 바닥면(710) 사이에 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 구체적으로, 엔드 어댑터 측면(709)과 밸브 본체 측면(712)은 수평축을 따른 팔로워(701)의 실질적인 이동 및/또는 병진 운동을 방지함으로써, 시트(500) 및 볼(300) 시일로 전달되는 힘의 양을 제어 및/또는 밸런싱할 수 있다. 따라서, 상류의 시트 리테이너(704) 시일에 작용하는 높은 유입 압력은 팔로워(701)를 엔드 어댑터(703)로부터 변위시킬 수 없다. 구체적으로, 상류 시트 리테이너(704)에 작용하는 유입 압력을 증가시키면 엔드 어댑터(703)에 흡수되고 및/또는 밸브 본체(702)로 전달되는 힘이 발생됨으로써, 더 높은 유입 압력이 볼(300)에 대해 압박되는 탄성 시트(500)의 면에 의해 흡수되는 것을 방지한다.
도 12를 참조하면, 본 개시에 따른 볼 밸브(800)의 테이퍼진 스템 베어링(801)의 예시적인 실시예가 제공된다. 종래에는, 스템 헤드(806)가 압축된 본체 공동(807) 내에 초기에 위치되고 압력이 압축된 본체 공동(807)에 인가될 때에, 스템 헤드(806)가 상방으로 그리고 밸브 본체 개구(808) 밖으로 압박 및/또는 강제 이동될 수 있다. 압축된 본체 공동(807)으로부터 스템 헤드(806)의 그러한 방출을 방지하기 위해 밸브 본체 개구(808)와 스템 헤드(806) 사이에 평 베어링(도시 생략)이 위치될 수 있다. 그러나, 그러한 평 베어링은 높은 마찰력을 생성하여, 스템(802)을 선회시키기 위한 높은 토크 요건을 초래한다.
도 12의 예시적인 볼 밸브(800)는 볼(300; 도시 생략)과 기계적으로 연통하도록 구성되는 스템(802)을 포함한다. 구체적으로, 스템(802)은 볼(300)에 연결된 트러니언(803)의 슬롯(805)과 합치하기 위한 스템 헤드(806)와 스템 헤드 돌기(804)를 포함할 수 있다. 예시적인 스템 베어링(801)은 밸브 본체(809)의 밸브 본체 개구(808)와 스템 헤드(806) 사이에 배치될 수 있다. 스템 베어링(801)은 관통 연장하는 스템 베어링 보어(810)와, 제1 스템 베어링 내경(811)과 제2 스템 베어링 내경(812)을 연결하는 천이 구역을 따른 테이퍼진 스템 베어링 표면(801a)을 더 포함할 수 있다. 제1 스템 베어링 내경(811)과 제2 스템 베어링 내경(812)은 치수가 동등하지 않다. 따라서, 천이 구역, 즉 테이퍼진 스템 베어링 표면(801a)을 따라 각형 표면이 생성된다. 스템(802)의 스템 헤드(806)는 또한 테이퍼진 스템 베어링 표면(801a)과 합치하도록 구성된 테이퍼진 스템 표면(802a)을 포함할 수 있다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 압축된 본체 공동(807)에 높은 압력이 인가될 때에, 스템 베어링(801)에 대한 스템 헤드(806)의 상방으로 지향된 힘이 상부 스템 베어링(801) 표면에 수직인 부하의 대부분을 밸브 본체(809)로 재지향 및/또는 편향시킨다. 따라서, 스템 베어링(801)의 예시적인 구성은 스템(802)을 선회시키고 및/또는 볼 밸브(800)를 작동시키는 데에 수반되는 토크 및/또는 마찰력을 감소시킨다. 트러니언(803)과 함께 실시되는 것으로 예시되어 있지만, 예시적인 테이퍼진 스템 베어링(801)은 부동형 볼 밸브 및/또는 트러니언 지지체를 포함하는 볼 밸브에 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
따라서, 본 개시에 따른 예시적인 볼 밸브 및 관련 방법은, 예컨대 유체 호환성, 온도 제약 등이 변경되는 광범위한 용례에서 실시할 수 있는 볼 밸브를 제공한다. 또한, 예시적인 볼 밸브 및 관련 방법은 시트 응력과 작동 토크를 감소시키고, 노출된 시트 표면을 가로지르는 압력 강하를 감소시키며, 시트 수명을 증가시키는 볼 밸브를 제공한다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예는 필요에 따라 별개로 및/또는 서로 조합하여 이용될 수 있다.
본 명세서에서 예시적인 실시예를 설명하였지만, 이들 실시예는 제한으로서 해석되지 않고, 본 명세서에서 명백하게 설명되는 추가 및 수정이 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 확실히 유념해야 한다. 더욱이, 본 명세서에 설명되는 다양한 실시예들의 특징은 상호 배제하지 않고, 조합 또는 치환이 본 명세서에서 명백하지 않더라도 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 조합 및 치환이 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (44)

  1. 볼 밸브로서,
    밸브 본체;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼;
    제1 외경, 제2 외경 및 상기 제1 외경과 제2 외경 사이에 배치되는 천이 구역을 갖는 외표면을 포함하는 시트 리테이너; 및
    상기 시트 리테이너 내측에 배치되어 볼과 접촉하는 시트
    를 포함하고, 상기 천이 구역은 상기 제1 외경과 제2 외경 사이에서 경사진 방식으로 연장하는 것인 볼 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시트 리테이너는 관통 연장하는 시트 리테이너 보어를 포함하는 것인 볼 밸브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 외경과 제2 외경은 치수가 동등하지 않는 것인 볼 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸브 본체는 유입 포트와 유출 포트를 포함하는 것인 볼 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 볼은 관통 연장하는 볼 보어를 포함하는 것인 볼 밸브.
  6. 제1항에 있어서, 제1 비탄성 시일과 제2 비탄성 시일을 더 포함하는 것인 볼 밸브.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 비탄성 시일과 제2 비탄성 시일은 스프링 부하식인 것인 볼 밸브.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비탄성 시일은 치수가 동등하지 않은 것인 볼 밸브.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비탄성 시일 사이에 경사형 부하 링이 배치되는 것인 볼 밸브.
  10. 제9항에 있어서, 상기 경사형 부하 링은 시트 리테이너의 천이 구역과 상보적인 경사형 부하 링 표면을 포함하는 것인 볼 밸브.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비탄성 시일, 경사형 부하 링, 및 시트 리테이너와 접촉하는 경사형 엔드 어댑터를 더 포함하는 것인 볼 밸브.
  12. 제11항에 있어서, 상기 경사형 엔드 어댑터는 상기 시트 리테이너의 천이 구역에 상보적인 경사형 엔드 어댑터 표면을 포함하는 것인 볼 밸브.
  13. 제11항에 있어서, 상기 경사형 부하 링은 압력을 상기 시트 리테이너로 전달하는 것인 볼 밸브.
  14. 제11항에 있어서, 상기 경사형 부하 링은 압력을 상기 경사형 엔드 어댑터로 전달하는 것인 볼 밸브.
  15. 제13항에 있어서, 상기 압력을 시트 리테이너로 전달하는 것은 시트를 볼에 대해 압박하여 시트 시일을 생성하는 것인 볼 밸브.
  16. 제5항에 있어서, 상기 볼의 구형 표면과 볼 보어의 교차점에 모따기 가공된 에지를 포함하는 것인 볼 밸브.
  17. 제16항에 있어서, 상기 모따기 가공된 에지는 소정 반경으로 파손되는 것인 볼 밸브.
  18. 제1항에 있어서, 상기 밸브 본체의 공동에 대해 외부에 위치된 밸브 스템을 더 포함하는 것인 볼 밸브.
  19. 제1항에 있어서, 상기 볼은 트러니언(trunnion)을 포함하는 것인 볼 밸브.
  20. 볼 밸브로서,
    밸브 본체;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼;
    시트 리테이너; 및
    상기 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 접촉하는 시트
    를 포함하고, 상기 시트는 시트면에 환형 홈을 포함함으로써 상기 시트면과 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하는 것인 볼 밸브.
  21. 제20항에 있어서, 지지식 팔로워 및 엔드 어댑터를 더 포함하는 것인 볼 밸브.
  22. 제21항에 있어서, 상기 지지식 팔로워는 밸브 본체 및 엔드 어댑터 중 적어도 하나에 의해 지지되는 것인 볼 밸브.
  23. 제20항에 있어서, 상기 시트면은 원환체 형태의 볼록면 절취부를 포함하는 것인 볼 밸브.
  24. 제23항에 있어서, 상기 환형 홈은 원환체 형태의 볼록면 절취부로 기계 가공되는 것인 볼 밸브.
  25. 제20항에 있어서, 상기 시트는 원통형의 링인 것인 볼 밸브.
  26. 제20항에 있어서, 상기 환형 홈의 제1 에지 및 제2 에지는 볼과 동시에 접촉하는 것인 볼 밸브.
  27. 제20항에 있어서, 상기 시트면과 볼 사이의 2개의 별개의 접촉점은 밸브 본체 내측에서 힘의 분배를 향상시키는 것인 볼 밸브.
  28. 볼 밸브로서,
    밸브 본체;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼;
    밸브 본체 개구를 통과하고 상기 볼과 기계적으로 연통하는 스템; 및
    상기 스템과 밸브 본체 사이에 배치되고, 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 천이 구역을 포함하는 스템 베어링
    을 포함하고, 상기 천이 구역은 상기 제1 내경을 상기 제2 내경에 테이퍼진 방식으로 연결하는 것인 볼 밸브.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제1 내경과 제2 내경은 치수가 동등하지 않은 것인 볼 밸브.
  30. 제28항에 있어서, 상기 스템은 상기 스템 베어링의 천이 구역과 합치하도록 구성된 테이퍼진 스템 표면을 포함하는 것인 볼 밸브.
  31. 제28항에 있어서, 상기 스템 베어링은 금속제 베어링 와셔 또는 열가소성 베어링 와셔 중 하나인 것인 볼 밸브.
  32. 제28항에 있어서, 상기 스템 베어링은 압력을 상기 밸브 본체로 재지향시키는 것인 볼 밸브.
  33. 볼 밸브로서,
    밸브 본체;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼;
    제1 외경, 제2 외경 및 시트 리테이너 천이 구역을 갖는 외표면을 포함하는 시트 리테이너로서, 상기 시트 리테이너 천이 구역은 상기 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결하는, 시트 리테이너;
    상기 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 접촉하는 시트로서, 상기 시트는 시트면과 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하도록 시트면에 환형 홈을 포함하는, 시트;
    밸브 본체 개구를 관통하고 상기 볼과 기계적으로 연통하는 스템; 및
    상기 스템과 밸브 본체 사이에 배치되고, 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 스템 베어링 천이 구역을 포함하는 스템 베어링
    을 포함하고, 상기 스템 베어링 천이 구역은 상기 제1 내경과 상기 제2 내경을 테이퍼진 방식으로 연결하는 것인 볼 밸브.
  34. 볼 밸브의 제조 방법으로서,
    밸브 본체를 마련하는 단계;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼을 마련하는 단계;
    제1 외경, 제2 외경 및 천이 구역을 갖는 외표면을 포함하는 시트 리테이너를 마련하는 단계로서, 상기 천이 구역은 상기 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결하는, 단계; 및
    상기 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 접촉하는 시트를 마련하는 단계를 포함하는 볼 밸브의 제조 방법.
  35. 제34항에 있어서, 제1 비탄성 시일과 제2 비탄성 시일을 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비탄성 시일 사이에 배치되는 경사형 부하 링을 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비탄성 시일, 경사형 부하 링, 및 경사형 시트 리테이너와 접촉하는 경사형 엔드 어댑터를 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  38. 제34항에 있어서, 상기 볼의 구형 표면과 관통 연장하는 볼 보어의 교차점에 모따기 가공된 에지를 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  39. 제34항에 있어서, 상기 밸브 본체의 공동 외측에 위치되는 밸브 스템을 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  40. 볼 밸브의 제조 방법으로서,
    밸브 본체를 마련하는 단계;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼을 마련하는 단계;
    시트 리테이너를 마련하는 단계; 및
    상기 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 접촉하는 시트를 마련하는 단계
    를 포함하고, 상기 시트는 시트면에 환형 홈을 포함함으로써 상기 시트면과 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  41. 제40항에 있어서, 지지식 팔로워 및 엔드 어댑터를 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 지지식 팔로워는 상기 밸브 본체와 엔드 어댑터 중 적어도 하나에 의해 지지되는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  43. 볼 밸브의 제조 방법으로서,
    밸브 본체를 마련하는 단계;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼을 마련하는 단계;
    밸브 본체 개구를 통과하고 상기 볼과 기계적으로 연통하는 스템을 마련하는 단계; 및
    상기 스템과 밸브 본체 사이에 배치되고, 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 천이 구역을 포함하는 스템 베어링을 마련하는 단계
    을 포함하고, 상기 천이 구역은 상기 제1 내경을 상기 제2 내경에 테이퍼진 방식으로 연결하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
  44. 볼 밸브의 제조 방법으로서,
    밸브 본체를 마련하는 단계;
    상기 밸브 본체 내측에 배치되는 볼을 마련하는 단계;
    제1 외경, 제2 외경 및 시트 리테이너 천이 구역을 갖는 외표면을 포함하는 시트 리테이너를 마련하는 단계로서, 상기 시트 리테이너 천이 구역은 상기 제1 외경과 제2 외경을 경사진 방식으로 연결하는, 단계;
    상기 시트 리테이너 내측에 배치되고 상기 볼과 접촉하는 시트를 마련하는 단계로서, 상기 시트는 시트면과 볼 사이에 2개의 별개의 접촉점을 제공하도록 시트면에 환형 홈을 포함하는, 단계;
    밸브 본체 개구를 관통하고 상기 볼과 기계적으로 연통하는 스템을 마련하는 단계; 및
    상기 스템과 밸브 본체 사이에 배치되고, 관통 연장하는 보어, 제1 내경, 제2 내경 및 스템 베어링 천이 구역을 포함하는 스템 베어링을 마련하는 단계
    를 포함하고, 상기 스템 베어링 천이 구역은 상기 제1 내경과 상기 제2 내경을 테이퍼진 방식으로 연결하는 것인 볼 밸브의 제조 방법.
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