KR20140134307A

KR20140134307A - 일방향 압력 구동식 피스톤 씰

Info

Publication number: KR20140134307A
Application number: KR1020147027166A
Authority: KR
Inventors: 마이클 이. 존스; 제프리 제이. 워터스트래트
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-11-21
Also published as: EP2825800A4; US9970552B2; JP6177870B2; CN104145145B; EP3667133A1; US20170314684A1; JP6371888B2; US20150041693A1; CN104145145A; EP2825800A1; EP2825800B1; US9732857B2; WO2013138144A1; KR101986573B1; JP2015511689A; JP2017215043A

Abstract

솔레노이드 작동식 밸브(10)는 낮은 누출로 어큐뮬레이터의 압력 및 체적을 유지하며, 매우 낮은 전류 소모로 어큐뮬레이터의 유체 내용물을 덤프하기 위해 해제 행정 중에 낮은 작동 항력을 제공한다. 2개의 예장형 밸브 부재들(10a, 10b)이 서로에 대해 축방향으로 이동 가능하도록 조립되고, 이들 중 하나(10a)에 글랜드 또는 그루브(10c)가 형성된다. 그루브(10c) 내에 위치하는 오링(12)은 비-에너자이드 상태일 때 다른 밸브 부재(10b)와 접촉하지 않는다. 그루브(10c) 내에 위치하는 에너자이저 링(14)은 오링(12)에 대해 축방향으로 왕복 운동할 수 있다. 에너자이저 링(14)은 오링(12)의 반대편에 있는 에너자이저 링(14)의 표면(14a)에 대한 유체 압력에 응답하여 오링(12)을 향해 축방향으로 이동하여, 오링(12)을 압축하여, 오링(12)을 다른 밸브 부재(10b)와 밀봉 접촉하도록 반경방향 외부로 팽창되게 한다.

Description

일방향 압력 구동식 피스톤 씰{ONE-WAY PRESSURE ACTIVATED PISTON SEAL}

본 발명은, 압력에 의해 구동되지 않을 때 낮은 항력을 제공하며, 압력에 의해 구동될 때 낮은 누출을 제공하는 일방향 압력 구동식 피스톤 씰 및 방법에 관한 것이다.

업계에는, 종종 상표명 TEFLON™으로 지칭되는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 링 및 오링을 사용하는 피스톤 씰에 대한 다수의 변형들이 있다. 예컨대, 다양한 유형 및 구성의 피스톤 씰들이 미국 특허 제7,815,195호, 미국 특허 제6,502,826호, 미국 특허 제6,129,358호, 미국 특허 제5,140,904호, 미국 특허 제5,082,295호, 미국 특허 제4,291,890호, 미국 특허 제4,109,921호, 및 미국 특허 제3,592,164호에 개시되어 있다. 이러한 피스톤 씰들은 그 의도된 목적에 적합한 듯 보이지만, 이러한 구성들 중 어느 것도 낮은 작동 항력을 가진 압력 구동식 저누출 씰을 제공하지 못한다.

도 6에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 종래 공지된 솔레노이드 작동식 유압 유체 밸브(30)는 서로에 대해 이동 가능한 제1 및 제2 밸브 부재(30a, 30b)를 포함한다. 밸브 부재들 중 하나(30a)에는 그루브(30c)가 형성되어 있다. 표준 오링(32)이 그루브(30c) 내에 위치하며, PTFE 링(34)을 다른 밸브 부재(30b)와 밀봉 결합되도록 편향시킨다. 이러한 밀봉 시스템은 제2 밸브 부재(30b)에 의해 한정된 피스톤 보어(36)의 내경(ID)에 PTFE계 씰 링(34)을 로딩하기 위해 오링(32)을 사용한다.

종래 공지된 시스템은 양호한 씰을 형성하였지만, 이는 또한 원하는 것보다 높은 항력을 발생시켰다. 일방향으로만 밀봉하면 되고, 작동 항력량을 최소화하거나 제거하기 위해 작동 중에 씰을 해제하는 해결방안이 요구되었다. 일방향으로 밀봉될 때 낮은 누출을 가진 솔레노이드 작동식 유압 유체 밸브를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 반대 방향으로 낮은 작동 항력을 가진 솔레노이드 작동식 유압 유체 밸브를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 유체 압력에 응답하여 낮은 누출 씰을 가지며, 유체 압력의 부재 시에 낮은 작동 항력을 가진 솔레노이드 작동식 유압 유체 밸브를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

어큐뮬레이터의 압력 및 체적을 유지하기 위해, 유압 솔레노이드 밸브는 매우 엄격한 누출 요건을 가진다. 또한, 유압 솔레노이드 밸브는 매우 낮은 전류 소모(current draw)로 어큐뮬레이터를 스트로크 및 덤프할 필요가 있으므로, 낮은 작동 항력을 요구한다. 일방향 압력 구동식 피스톤 씰은 유체 압력에 응답하여 밸브를 밀봉하고, 낮은 작동 항력을 제공하는 초기 솔레노이드 액추에이터 이동에 응답하여 씰을 해제함으로써, 유압 솔레노이드 밸브를 위한 낮은 누출 및 낮은 작동 항력의 이중 목적을 달성할 수 있다. 낮은 누출로 가압된 유압 어큐뮬레이터를 폐쇄하여 유지한 후, 요청 시에 낮은 작동 항력으로 어큐뮬레이터를 해제 및 덤프하기 위해, 고유동 양방향 온/오프 유압 솔레노이드 밸브를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

일방향 압력 구동식 피스톤 씰은 서로에 대해 축방향으로 이동 가능한 2개의 부재들을 포함할 수 있고, 이들 중 하나에 글랜드 또는 그루브가 형성된다. 오링이 비-에너자이드 상태(non-energized state)일 때 2개의 부재들 중 다른 하나와 접촉하지 않도록 그루브 내에 위치할 수 있다. 에너자이저 링이 오링에 대해 축방향으로 왕복 운동하도록 그루브 내에 위치할 수 있고, 오링의 반대편에 있는 표면에 대한 유체 압력에 응답하여 오링을 향해 축방향으로 이동하며, 오링을 압축하여, 오링을 2개의 부재들 중 다른 하나와 밀봉 접촉하도록 반경방향 외부로 팽창되게 한다.

낮은 누출로 일방향으로, 서로에 대해 축방향으로 이동 가능한 2개의 부재들 사이를 밀봉하는 한편, 반대 방향으로 낮은 항력을 제공하는 방법은, 2개의 부재들 중 하나에 글랜드 또는 그루브를 제공하는 단계, 오링을 비-에너자이드 상태일 때 2개의 부재들 중 다른 하나와 접촉하지 않도록 그루브 내에 위치시키는 단계, 및 오링에 대한 제1 및 제2 위치 사이에서 그루브 내의 에너자이저 링을 축방향으로 이동시키는 단계로, 에너자이저 링은 오링의 반대편에 있는 표면에 대한 유체 압력에 응답하여 오링을 향해 축방향으로 이동하며, 오링을 압축하여, 2개의 부재들 중 다른 하나와 밀봉 접촉하도록 오링의 축방향 압축 및 반경방향 팽창을 야기하는 단계를 포함할 수 있다.

낮은 누출로 어큐뮬레이터의 압력 및 체적을 유지하며, 매우 낮은 전류 소모로 어큐뮬레이터의 유체 내용물을 덤프하기 위해 해제 행정 중에 낮은 작동 항력을 제공하기 위한 솔레노이드 작동식 밸브는, 서로에 대해 축방향으로 이동 가능한 2개의 밸브 부재들로, 이들 중 하나에 글랜드 또는 그루브가 형성되는 2개의 밸브 부재들, 비-에너자이드 상태일 때 2개의 밸브 부재들 중 다른 하나와 접촉하지 않도록 그루브 내에 위치하는 오링, 및 오링에 대해 축방향으로 왕복 운동하도록 그루브 내에 위치하는 에너자이저 링으로, 오링의 반대편에 있는 표면에 대한 유체 압력에 응답하여 오링을 향해 축방향으로 이동하며, 오링을 압축하여, 오링을 2개의 부재들 중 다른 하나와 밀봉 접촉하도록 반경방향 외부로 팽창되게 하는 에너자이저 링을 포함할 수 있다.

본 발명을 실시하기 위해 고려된 최선의 방식에 대한 후술하는 설명을 첨부 도면을 참조하여 숙독할 때, 본 발명의 기타 응용들이 당업자들에게 명백해질 것이다.

본원의 설명은 첨부 도면을 참조하여 이루어지며, 여러 도면에 걸쳐 유사한 도면부호들이 유사한 구성요소들을 나타낸다:
도 1은 오링과 에너자이저 링을 수용하는 글랜드를 외경(OD)에 구비한 (피스톤 역할을 하는) 솔레노이드 전기자를 구비한 솔레노이드 작동식 밸브를 위한 일방향 압력 구동식 피스톤 씰의 단면도를 도시하되, 유체 압력이 없으면, 오링은 글랜드 내에 안착되며, 피스톤 보어로부터 멀리 위치한다.
도 2는 도 1에 따른 솔레노이드 작동식 밸브를 위한 일방향 압력 구동식 피스톤 씰의 오링 및 에너자이저 링의 세부 단면도를 도시하되, 오링 및 에너자이저 링은 이완된 비-에너자이드 상태이고, 오링은 피스톤 보어로부터 멀리 위치한다.
도 3은 도 1에 따른 솔레노이드 작동식 밸브를 위한 일방향 압력 구동식 피스톤 씰의 오링 및 에너자이저 링의 세부 단면도를 도시하되, 오링 및 에너자이저 링은 에너자이드 상태이고, 오링은 피스톤 보어를 밀봉하기 위해 축방향으로 압축되며 반경방향으로 팽창된다.
도 4는 도 1에 따른 솔레노이드 작동식 밸브를 위한 일방향 압력 구동식 피스톤 씰의 오링 및 에너자이저 링의 세부 단면도를 도시하되, 솔레노이드 작동식 밸브는 화살표 방향으로 이동하여, 오링의 압축을 완화하며, 오링 및 에너자이저 링을 도 2의 이완된 비-에너자이드 상태로 복귀시킨다.
도 5a 및 도 5b는 에너자이저 링을 위한 대안적인 단면도들을 도시한다.
도 6은 표준 오링 에너자이드 PTFE 피스톤 씰 링을 구비한 종래의 솔레노이드 밸브를 도시하되, 오링은 피스톤 보어의 내경(ID)에 PTFE계 씰 링을 로딩하기 위해 사용된다.

이제 도 1 내지 도 4를 참조하면, 낮은 누출로 어큐뮬레이터의 압력 및 체적을 유지하며, 매우 낮은 전류 소모로 어큐뮬레이터의 유체 내용물을 덤프하기 위해 해제 행정 중에 낮은 작동 항력을 제공하기 위한 솔레노이드 작동식 유체 밸브(10)가 도시되어 있다. 유체 밸브(10)는 서로에 대해 축방향으로 왕복 운동할 수 있는 2개의 예장형 밸브 부재들(10a, 10b)을 포함할 수 있고, 이들 중 하나(10a)에 글랜드 또는 그루브(10c)가 형성된다.

도 2에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 오링(12)이 비-에너자이드 상태일 때 2개의 밸브 부재들 중 다른 하나(10b)와 접촉하지 않도록 그루브(10c) 내에 위치한다. 에너자이저 링(14)이 오링(12)에 대해 축방향으로 왕복 운동하도록 글랜드 또는 그루브(10c) 내에 위치한다. 에너자이저 링(14)은 오링(12)의 반대편 측에 표면(14a)을 구비한 직사각형 단면 또는 정사각형 단면을 가진 것으로 도시된다. 그러나, 에너자이저 링(14)은 임의의 원하는 단면을 가질 수 있다는 것을 인식해야 한다. 제한이 아닌 예로써, 에너자이저 링(14)은 도 5a에 도시된 바와 같은 L자형 단면(14b), 또는 도 5b에 도시된 바와 같은 각진 오링 결합면(14c)을 구비한 L자형 단면, 또는 만곡된 오링 결합면을 구비한 L자형 단면, 또는 삼각형 단면, 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 어떤 경우이든, 에너자이저 링(14)은 오링(12)의 반대편 측에 표면(14a)을 구비하여, 유체 압력이 에너자이저 링(14)의 표면(14a)에 작용하여, 에너자이저 링(14)을 오링과 압축 결합되도록 축방향으로 구동하게 한다.

도 3에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 에너자이저 링(14)은 오링(12)의 반대편에 있는 표면(14a)에 대한 유체 압력에 응답하여 오링(12)을 향해 축방향으로 이동한다. 유체 압력 에너자이드 상태일 때, 에너자이저 링(14)은 오링(12)을 압축하여, 오링(12)을 2개의 부재들 중 다른 하나(10b)와 밀봉 접촉하도록 반경방향 외부로 팽창되게 한다. 오링(12)은 표면(14a)에 작용하는 유체 압력에 응답하여 에너자이저 링(14)에 의해 반경방향 외부로 팽창된 에너자이드 상태로 유지된다.

도 4에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 솔레노이드(18)가 화살표(16) 방향으로 밸브 부재(10a)의 이동을 개시하기 위해 에너자이드될 때, 밸브 부재(10a)의 이동은 에너자이저 링(14)에 의한 오링(12) 상의 압축 압력을 해제하거나 언로딩하여, 오링(12)을 도 2에 도시된 비-에너자이드 상태로 복귀하도록 도 3에 도시된 반경방향 팽창 상태로부터 후퇴 또는 천이되게 한다.

일방향 압력 구동식 피스톤 씰 조립체(20)는 저누출 고유동 양방향 온/오프 솔레노이드 작동식 유압 유체 밸브와 관련된 밀봉 문제를 해결하기 위해 개발되었다. 솔레노이드 작동식 유체 밸브(10)는 가압된 유압 어큐뮬레이터를 폐쇄하여 유지한 후, 요청 시에 어큐뮬레이터를 해제 및 덤프하기 위해 사용된다. 어큐뮬레이터의 압력 및 체적을 유지하기 위해, 솔레노이드 작동식 유체 밸브(10)는 매우 엄격한 누출 요건을 가진다. 또한, 솔레노이드 작동식 유체 밸브(10)는 매우 낮은 전류 소모로 어큐뮬레이터를 스트로크 및 덤프할 필요가 있고, 그에 따라 낮은 작동 항력을 가질 필요가 있다.

다시 도 1을 참조하면, 솔레노이드 작동식 유체 밸브(10)는 피스톤 역할을 하는 솔레노이드 전기자(10a), 및 오링(12)과 에너자이저 링(14)을 수용하는 외경(OD)의 글랜드(10c)를 구비하여 도시된다. 압력이 없으면, 오링(12)은 글랜드(10c) 내에 안착되며, 밸브 몸체(10b)의 내경(ID)에 의해 한정된 피스톤 보어(26)로부터 멀리 위치한다. 에너자이저 링(14) 역시 보어(26)에 대한 간극 끼워맞춤부로 설계되어, 밀봉 항력이 거의 없거나 전혀 없다. 압력차가 있을 때(에너자이저 링측의 압력이 더 높음), 에너자이저 링(14)은 오링(12)을 압축하여, 오링(12)의 외경(OD)을 밖으로 및 피스톤 링(10b)과 접촉하도록 가압하며, 피스톤 보어(26)를 밀봉한다. 솔레노이드(18)가 어큐뮬레이터를 작동 및 덤프하도록 지시될 때, 피스톤(10a)은 상향 이동하며 오링(12)을 언로딩하여, 오링(12)이 피스톤 보어(26)로부터 후퇴하며 항력을 제거하게 한다.

본 발명을 현재 가장 실질적이며 바람직한 구현예로 여겨지는 구현예와 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 구현예들에 한정되는 것이 아니라, 오히려 첨부된 청구범위의 정신 및 범주 내에 포함된 다양한 변경들 및 등가의 장치들을 포괄하도록 의도된 것이며, 본 발명의 범주는 법이 허용하는 모든 변경들 및 등가의 구조들을 포함하도록 가장 광범위한 해석에 의해 결정되어야 한다는 것을 이해해야 한다.

Claims

일방향 압력 구동식 피스톤 씰에 있어서,
서로에 대해 축방향으로 이동 가능한 2개의 예장형 부재들(10a, 10b)로, 이들 중 하나(10a)에 그루브(10c)가 형성되는 2개의 예장형 부재들(10a, 10b);
비-에너자이드 상태(non-energized state)일 때 상기 2개의 부재들 중 다른 하나(10b)와 접촉하지 않도록 상기 그루브(10c) 내에 위치하는 오링(12); 및
상기 오링(12)에 대해 축방향으로 왕복 운동하도록 상기 그루브(10c) 내에 위치하는 에너자이저 링(14)으로, 상기 오링(12)의 반대편에 있는 표면(14a)에 대한 유체 압력에 응답하여 상기 오링(12)을 향해 축방향으로 이동하며, 상기 오링(12)을 압축하여, 상기 오링(12)을 서로에 대해 이동 가능한 상기 2개의 부재들 중 다른 하나(10b)와 밀봉 접촉하도록 반경방향 외부로 팽창되게 하는 에너자이저 링(14)을 포함하는 씰.
제1항에 있어서, 상기 에너자이저 링(14)은 직사각형 단면을 가지는, 씰.
제1항에 있어서, 상기 에너자이저 링(14)은 L자형 단면(14b)을 가지는, 씰.
제1항에 있어서, 상기 에너자이저 링(14)은 각진 오링 결합면(14c)을 구비한 L자형 단면(14b)을 가지는, 씰.
낮은 누출로 일방향으로, 서로에 대해 축방향으로 이동 가능한 2개의 예장형 부재들(10a, 10b) 사이를 밀봉하는 한편, 반대 방향으로 낮은 항력을 제공하는 방법에 있어서,
상기 2개의 예장형 부재들 중 하나(10a)에 그루브(10c)를 제공하는 단계;
오링(12)을 비-에너자이드 상태일 때 상기 2개의 부재들 중 다른 하나(10b)와 접촉하지 않도록 상기 그루브(10c) 내에 위치시키는 단계; 및
에너자이저 링(14)을 상기 오링(12)에 대해 축방향으로 왕복 운동하도록 상기 그루브(10c) 내에 조립하는 단계로, 상기 에너자이저 링(14)은 상기 오링(12)의 반대편에 있는 표면(14a)에 대한 유체 압력에 응답하여 상기 오링(12)을 향해 축방향으로 이동하며, 상기 오링(12)을 압축하여, 상기 2개의 부재들 중 다른 하나(10b)와 밀봉 접촉하도록 상기 오링(12)의 반경방향 팽창을 야기하는 단계를 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 직사각형 단면을 가진 에너자이저 링(14)을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제5항에 있어서, L자형 단면(14b)을 가진 에너자이저 링(14)을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제5항에 있어서, 각진 오링 결합면(14c)을 구비한 L자형 단면(14b)을 가진 에너자이저 링(14)을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
낮은 누출로 어큐뮬레이터의 압력 및 체적을 유지하며, 매우 낮은 전류 소모로 상기 어큐뮬레이터의 유체 내용물을 덤프하기 위해 해제 행정 중에 낮은 작동 항력을 제공하기 위한 솔레노이드 작동식 밸브(10)에 있어서,
서로에 대해 축방향으로 이동 가능한 2개의 예장형 밸브 부재들(10a, 10b)로, 이들 중 하나(10a)에 그루브(10c)가 형성되는 2개의 예장형 밸브 부재들(10a, 10b);
비-에너자이드 상태일 때 상기 2개의 밸브 부재들 중 다른 하나(10b)와 접촉하지 않도록 상기 그루브(10c) 내에 위치하는 오링(12); 및
상기 오링(12)에 대해 축방향으로 왕복 운동하도록 상기 그루브(10c) 내에 위치하는 에너자이저 링(14)으로, 상기 오링(12)의 반대편에 있는 표면(14a)에 대한 유체 압력에 응답하여 상기 오링(12)을 향해 축방향으로 이동하며, 상기 오링(12)을 압축하여, 상기 오링(12)을 상기 2개의 부재들 중 다른 하나(10b)와 밀봉 접촉하도록 반경방향 외부로 팽창되게 하는 에너자이저 링(14)을 포함하는 밸브(10).
제9항에 있어서, 상기 솔레노이드 작동식 밸브(10)의 작동은 상기 오링(12) 상의 압축 압력을 언로딩하여, 상기 반경방향 외부로 팽창된 에너자이드 상태로부터 상기 비-에너자이드 상태로의 후퇴를 가능하게 하는, 밸브(10).
제9항에 있어서, 상기 에너자이저 링(14)은 직사각형 단면을 가지는, 밸브(10).
제9항에 있어서, 상기 에너자이저 링(14)은 L자형 단면(14b)을 가지는, 밸브(10).
제9항에 있어서, 상기 에너자이저 링(14)은 각진 오링 결합면(14c)을 구비한 L자형 단면(14b)을 가지는, 밸브(10).