KR20180128099A

KR20180128099A - 폐쇄 보조되는 유동 제어 시스템 및 제어 밸브

Info

Publication number: KR20180128099A
Application number: KR1020187034120A
Authority: KR
Inventors: 토마스 헨리 로가; 데이비드 제이. 세일러; 저스틴 블레이크 크라우치; 마이클 리차드 아딥 자흐르; 라울 에이치. 알마잔
Original assignee: 다니엘 메져먼트 앤드 컨트롤, 인코포레이티드
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2018-11-30
Also published as: WO2015017849A4; US10697558B2; US20150034179A1; EP3027941B1; WO2015017849A2; KR102167326B1; CN104344058A; KR20160065812A; CA2920105A1; CN204226806U; WO2015017849A3; EP3027941A2; CA2920105C; EP3027941A4; BR112016002238A2; CN104344058B; MX2016001478A

Abstract

제어 밸브가 중공형 부분을 구비하는 피스톤-하우징을 포함한다. 중공형 부분이 제1 단부, 개방 단부, 제1 및 제2 내부 챔버, 그리고 유체가 제2 챔버를 빠져나갈 수 있게 허용하도록 구성된 유체 포트를 구비한다. 제1 챔버가 제1 단부에 더 근접하고, 제2 챔버가 개방 단부에 더 근접한다. 피스톤이 하우징 내에 위치되고 왕복 운동을 위해서 구성된다. 피스톤이 제1 및 제2 밀봉부-결합 부분을 포함한다. 제1 밀봉부-결합 부분이 제2 밀봉부-결합 부분의 직경 보다 작은 직경을 갖는다.

Description

폐쇄 보조되는 유동 제어 시스템 및 제어 밸브{A FLOW CONTROL SYSTEM AND CONTROL VALVE HAVING CLOSURE ASSISTANCE}

관련 출원의 상호-참조

본원은 2013년 8월 2일자로 출원되고 명칭이 "폐쇄 보조되는 유동 제어 시스템 및 제어 밸브"라는 명칭의 미국 가특허출원 제61/861,771호에 대해서 우선권을 주장한다. 본원은 또한 2014년 5월 19일자로 출원되고 명칭이 "폐쇄 보조되는 유동 제어 시스템 및 제어 밸브"라는 명칭의 미국 가특허출원 제62/000,079호에 대해서 우선권을 주장한다. 이러한 2개의 가특허출원은 그 전체가 참조에 의해서 여기에 포함된다.

본 개시 내용은 일반적으로 유체의 유동을 제어하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 고압 유체의 유동을 제어하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다. 보다 더 구체적으로, 이러한 개시 내용은 고압 유체가 일 방향으로만 유동하도록 허용하는 제어 밸브에 관한 것이다.

제어 밸브는, 공급원과 목적지(예를 들어, 파이프, 배관, 또는 용기(vessel)) 사이에서 유체의 유동을 통제하기 위해서 산업적인 프로세스에서 이용된다. 특별한 프로세스 조건이 밸브의 폐쇄를 유도하여, 유체가 공급원 및 목적지로부터 유동하는 것을 방지하는 한편, 다른 프로세스 조건은 밸브의 개방을 유도하도록, 특정 제어 밸브가 디자인된다. 일반적인 제어 밸브가 본체, 피스톤, 본체와 피스톤 사이의 밀봉부, 그리고 본체, 피스톤, 및 밀봉부를 결합시키기 위한 즉, 피스톤 상으로 폐쇄력을 가하기 위한 편향 스프링을 포함한다. 이러한 제어 밸브가 스프링에 의해서 그리고 공급원 및 목적지 내의 유체 압력을 변화시키는 것에 의해서 작동된다. 밸브의 여러 가지 표면의 가공 공차(tolerance)에서의 한계가 그 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 일부 상황에서, 느슨한(loose) 가공 공차를 가지는 밸브가, 폐쇄되어야 할 때 개방되어, 공급원 라인 내로의 바람직하지 못한 역류를 유발한다. 예를 들어, 목적지 라인 압력이 요동을 하고 공급원 라인 압력 보다 높아지기 시작하며 스프링의 폐쇄력 보다 큰 힘을 밸브 피스톤 상으로 가할 때, 그러한 바람직하지 못한 역류 조건이 저급(poor) 가공 공차를 가지는 밸브에서 발생될 수 있을 것이다. 보다 강건하고(robust), 가공 공차, 변동 및 압력 요동에 덜 민감한 방법 또는 밸브 디자인이 산업적 적용예에서 유리할 것이다.

피스톤 하우징 및 그 내부에서의 왕복 운동을 위해서 구성된 피스톤을 포함하는 제어 밸브가 본원에서 개시된다. 하우징은 제1 단부, 제2 및 개방 단부, 제1 및 제2 내부 챔버, 그리고 제2 챔버 내로의 유체 포트를 구비하는 중공형 부분을 포함한다. 제1 챔버가 제1 단부에 근접하고, 제2 챔버가 개방 단부에 근접한다. 피스톤이 제1 및 제2 밀봉부-결합 부분을 포함하고, 제1 밀봉부-결합 부분이 제2 밀봉부-결합 부분의 직경 보다 작은 직경을 갖는다.

실시예에서, 제어 밸브가 또한 제1 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하고 제1 챔버의 적어도 일부와 제2 챔버의 적어도 일부 사이의 유체 유동을 방지하도록 구성되는 제1 환형 밀봉부; 제1 환형 밀봉부로부터 축방향으로 이격되고 제2 챔버 및 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하도록 구성된 제2 환형 밀봉부; 그리고 제1 환형 밀봉부와 제2 환형 밀봉부 사이에 배치되고 제2 챔버 및 유체 포트와 유체 연통하는 유체 구역을 포함한다.

실시예에서, 피스톤이 피스톤 하우징 제1 단부를 향해서 전반적으로 대면하고 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제1 세트; 피스톤 하우징의 개방 단부를 향해서 전반적으로 대면하고 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제2 세트를 포함하고; 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적을 초과한다. 피스톤이 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 왕복할 수 있을 것이고, 폐쇄 구성에서 피스톤 하우징의 개방 단부와 제2 챔버 사이의 유체 연통이 방지되고, 개방 구성에서 개방 단부와 제2 챔버 사이의 유체 연통이 허용된다. 밸브가 폐쇄 구성에 있을 때, 표면 영역의 제1 및 제2 세트가 제2 챔버 내에 배치되도록, 밸브가 구성될 수 있을 것이다.

또한, 피스톤 하우징 및 그 내부에서의 왕복 운동을 위해서 구성된 피스톤을 포함하는 유동 제어 밸브를 가지는 유동 제어 시스템이 개시된다. 하우징이 헤드 부분 및 중공형 연장부를 포함하고, 그러한 연장부는 개방 단부, 제1 및 제2 내부 챔버, 그리고 유체가 제2 챔버를 빠져나갈 수 있게 허용하도록 구성된 유체 포트를 구비한다. 제1 챔버가 헤드 부분에 인접하고 제2 챔버의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 제2 챔버가 개방 단부에 인접한다. 피스톤이 제1 및 제2 밀봉부-결합 부분을 포함하고, 제1 밀봉부-결합 부분이 제2 밀봉부-결합 부분의 직경 보다 작은 직경을 갖는다.

실시예에서, 시스템이: 하우징의 헤드 부분에 인접하는 제어 포트를 가지는 제어 밸브; 공급 파이프; 배출 파이프; 공급 파이프와 유체 연통하는 제1 시스템 포트; 배출 파이프와 유체 연통하는 제2 시스템 포트; 제1 시스템 포트와 유체 연통하는 유입구를 가지고 제어 밸브의 제어 포트와 유체 연통하는 출구를 가지는 스로틀 밸브를 포함한다. 시스템은 제어 밸브의 제어 포트 및 스로틀 밸브 출구와 유체 연통하는 제1 파일롯(pilot) 포트를 구비하고, 제2 시스템 포트와 유체 연통하는 제2 파일롯 포트를 가지는 파일롯 밸브를 포함한다. 제어 밸브가 공급 파이프와 배출 파이프 사이에 배치된다. 스로틀 및 파일롯 밸브 중 하나 또는 양자 모두가 조정될 수 있을 것이다.

실시예에서, 유동 제어 시스템이 제어 밸브를 포함하고, 제어 밸브가: 피스톤을 하우징의 헤드 부분으로부터 멀리 편향시키기 위해서 피스톤과 하우징 사이에 배치되는 편향 부재; 제1 챔버 내에 배치되고 제1 챔버 및 피스톤의 제1 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하도록 구성된 제1 환형 밀봉부; 제1 환형 밀봉부로부터 축방향으로 이격되고 제2 챔버 내에 배치된 제2 환형 밀봉부로서, 제2 챔버 및 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하도록 구성되는, 제2 환형 밀봉부; 및 제1 환형 밀봉부와 제2 환형 밀봉부 사이에서 연장하고 유체 포트와 유체 연통하는 유체 구역을 포함한다.

피스톤이 헤드 부분을 향해서 전반적으로 대면하고 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제1 세트; 피스톤 하우징의 개방 단부를 향해서 전반적으로 대면하고 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제2 세트를 더 포함하고; 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적을 초과한다. 실시예에서, 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 105% 이하이다.

또한, 피스톤 하우징 및 그러한 하우징 내부에서의 왕복 운동을 위해서 배치된 피스톤을 포함하는 제어 밸브가 개시된다. 하우징이 중공형 부분, 개방 단부를 가지는 측벽, 측벽을 통해서 연장하는 복수의 유체 포트, 및 복수의 도어를 포함하고, 각각의 도어가 유체 포트 중 하나를 선택적으로 밀봉하도록 구성된다.

개시된 실시예에 관한 구체적인 설명을 위해서, 이제, 첨부 도면을 참조할 것이다.
도 1은 본원에서 설명된 원리에 따른 유동 제어 시스템의 개략적인, 부분적 횡단면도이다.
도 2는, 본원에서 설명된 원리에 따른, 폐쇄 구성으로 도시된, 도 1의 유동 제어 시스템의 제어 밸브의, 부분 횡단면의, 측면도이다.
도 3은, 본원에서 설명된 원리에 따른, 도 2의 피스톤 하우징의, 횡단면의, 측면도이다.
도 4는, 본원에서 설명된 원리에 따른, 도 2의 피스톤의 측면도이다.
도 5는, 본원에서 설명된 원리에 따른, 피스톤과 피스톤 하우징 사이의 제1 밀봉부를 도시한, 도 2의 제어 밸브의, 횡단면의, 근접도이다.
도 6은, 본원에서 설명된 원리에 따른, 피스톤과 피스톤 하우징 사이의 제2 밀봉부를 도시한, 도 2의 제어 밸브의, 횡단면의, 근접도이다.
도 7은, 본원에서 설명된 원리에 따른, 가능한 유동 조건과 연관된 다양한 축방향 힘 분포의 표상을 또한 도시하고, 다시 폐쇄 구성에서의 도 2의 제어 밸브의, 부분적인 횡단면의, 측면도이다.
도 8은, 본원에서 설명된 원리에 따른, 개방 구성에서의 도 2의 제어 밸브의, 부분적인 횡단면의, 측면도이다.
도 9는 본원에서 설명된 원리에 따른 도 2의 제어 밸브를 위한 피스톤의 다른 실시예의 측면도이다.
도 10은, 본원에서 설명된 원리에 따른, 개방 구성으로 도시된, 도 1의 유동 제어 시스템의 제어 밸브의 실시예의, 부분 횡단면의, 측면도이다.
도 11은, 본원에서 설명된 원리에 따른, 도 1의 유동 제어 시스템과 양립 가능한(compatible) 제어 밸브를 위한 피스톤 하우징의 횡단면 사시도로서, 피스톤 하우징이 선회 도어(swing door; 반회전문)를 가지는 것을 도시한 횡단면 사시도이다.
도 12는, 본원에서 설명된 원리에 따른, 도 11의 피스톤 하우징과 양립 가능한 피스톤의, 부분 횡단면의, 측면도이다.
도 13은, 도 11에 도시된 피스톤 하우징의, 횡단면의, 회전되고 확대된 도면이다.
도 14는, 본원에서 설명된 원리에 따른, 도 1의 유동 제어 시스템과 양립 가능한 제어 밸브를 위한 피스톤 하우징의 횡단면 상면도로서, 피스톤 하우징이 선회 도어를 가지는 것을 도시한 횡단면 상면도이다.
도 15는 도 1의 유동 제어 시스템과 양립 가능한, 폐쇄 구성으로 도시된, 제어 밸브의 횡단면 사시도이다.
도 16은 도 15에 도시된 제어 밸브의 피스톤의 사시도이다.
도 17은 도 15에 도시된 제어 밸브의 슬라이딩 도어의 사시도이다.
도 18은 도 15에 도시된 제어 밸브의 슬라이딩 도어의 다른 사시도이다.
도 19는, 본원에서 설명된 원리에 따른, 폐쇄 구성으로 도시된, 도 1의 유동 제어 시스템과 양립 가능한 제어 밸브의, 부분 횡단면의, 측면도이다.
도 20은 본원에서 설명된 원리에 따른 유동 제어 시스템의 개략적인, 부분적 횡단면도이다.

도면이 반드시 실척(scale)인 것은 아니다. 본원에서 개시된 특정의 특징 및 구성요소가 과장된 축척으로 또는 다소 개략적인 형태로 도시되어 있을 수 있고, 명료함 및 간결함을 위해서, 통상적인 요소의 일부 상세 부분이 도시되지 않았을 수 있을 것이다. 일부 도면에서, 명료함 및 간결함을 향상시키기 위해서, 하나 이상의 구성요소 또는 구성요소의 양태가 생략되었을 수 있거나, 임의 개소에서 식별되는 특징 또는 구성요소를 식별하는 참조 번호를 가지지 않을 수 있을 것이다. 또한, 도면 중에서, 유사한 또는 동일한 참조 번호를 이용하여 공통되는 또는 유사한 요소를 식별할 수 있을 것이다.

"~을 포함하는" 및 "~으로 이루어진"이라는 용어는, 개방형 양식으로, 청구항을 포함하는 본원에서 이용되었고, 그에 따라 "~을 포함하나, 그러한 것으로 제한되지 않는"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, "커플링" 또는 커플링들"이라는 용어는 간접적 또는 직접적 연결을 의미하기 위한 것이다. 그에 따라, 만약 제1 구성요소가 제2 구성요소와 커플링되거나 제2 구성요소에 커플링된다면, 구성요소들 사이의 연결이 2개의 구성요소의 직접적인 결합을 통할 수 있거나, 다른 중간 구성요소, 장치, 및/또는 연결부를 통해서 달성되는 간접 연결을 통할 수 있을 것이다. "~을 기초로"라는 설명은 "적어도 부분적으로 ~을 기초로"를 의미한다. 그에 따라, 만약 X가 Y를 기초로 한다면, X가 Y 및 임의 수의 다른 인자를 기초로 할 수 있을 것이다.

또한, 청구범위를 포함하는 본원에서 사용된 바와 같이, "축방향" 및 "축방향으로"는 일반적으로 주어진 축(예를 들어, 본체 또는 포트의 중앙 축)을 따르는 또는 그에 평행한 것을 의미하는 한편, "반경방향" 및 "반경방향으로"라는 용어는 일반적으로 축에 수직인 것을 의미한다. 예를 들어, 축방향 거리는 주어진 축을 따라서 또는 그에 평행하게 측정된 거리를 지칭하고, 반경방향 거리는 축에 수직으로 측정된 거리를 의미한다.

도 1은, 파이프들(105, 110) 사이에 커플링된 표면적-보상형 제어 밸브(200)에 의해서 공급 파이프(105)로부터 배출 파이프(110)까지의 유체의 유동을 통제하기 위한 유동 제어 시스템(100)의 예시적인 실시예를, 개략적인 형태로, 도시한다. 유동 제어 시스템(100)이 또한 스로틀 밸브(130), 파일롯 밸브(140), 공급 파이프(105)와 유체 연통하는 상류 유동 포트 또는 시스템 포트(150), 배출 파이프(110)와 유체 연통하는 하류 유체 포트(155)를 포함한다.

이제 도 1 및 도 2 모두를 참조하면, 제어 밸브(200)가 밸브 본체(205), 제거 가능한 단부(208), 밸브 본체(205) 내에 배치된 피스톤 하우징(210), 피스톤 하우징(210) 내에 배치된 표면적 보상형 피스톤(230), 포트(150)와 그리고 공급 파이프(105)와 유체 연통하는 제어 밸브 유입구(260)를 포함한다. 제거 가능한 단부(208)가 밸브 본체(205)로 커플링되고, 그러한 커플링은, 예를 들어, 체결구(미도시)에 의해서 또는 단부(208) 및 본체(205) 내로 컷팅된 나사산(thread)에 의해서 달성된다. 이러한 방식으로, 제거 가능한 단부(208)가 밸브(200)를 위한 헤드 부분으로서 구성된다. 피스톤 하우징(210)이 포트(155)와 그리고 배출 파이프(110)와 유체 연통하는 복수의 반경방향-연장 유체 포트(265)를 포함한다. 피스톤(230)이 제어 밸브 유입구(260)와 유체 포트(265) 사이에 배치되고, 유입구(260)와 유체 포트(265) 사이의, 그리고 최종적으로 배출 파이프(110)로의 유체 연통을 허용하고 그리고, 교호적으로(alternately), 방지하기 위해서 하우징(210) 내에서 중앙 축(221)을 따라서 왕복 운동하도록 구성된다. 제어 밸브(200)가, 파이프(105) 내의 공급 압력(P1)과 파이프(110) 내의 배출 압력(P2) 사이의 차이에 응답하여 피스톤(230)의 거동에 영향을 미치기 위해서 제거 가능한 단부(208)를 통해서 또는 그에 근접하여 연장하는 제어 포트(270)를 더 포함한다. 도 1 및 도 2의 실시예에서, 피스톤 하우징(210)이 대체로 원통형이고 제거 가능한 단부(208)에 의해서 촉진되는 것과 같이 밸브 본체(205) 내로 삽입되고 그로부터 제거될 수 있는 부재로서 구성된다.

도 1을 다시 참조하면, 스로틀 밸브(130)가 공급 압력 라인(151)에 의해서 유체 포트(150)와 유체 연통하도록 커플링된 유입구(132)를 포함하고 스로틀 밸브 출구 라인(135)과 유체 연통하도록 커플링된 출구(134)를 포함한다. 이러한 맥락에서, "라인"이 배관, 파이프, 호스, 또는 유체 연통을 위해서 구성된 유사한 장치를 지칭한다. 이러한 실시예에서, 스로틀 밸브(130)가 유입구(132)에서 스트레이너(strainer)를 가지는 조정 가능한 니들 밸브로서 도시되어 있다. 유사하게, 파일롯 밸브(140)가, 파일롯 라인(143)에 의한 유체 연통을 위해서 커플링된 제1 파일롯 포트(142), 및 배출 압력 라인(156)에 의해서 유체 포트(155)와 유체 연통하도록 커플링된 제2 파일롯 포트(144)를 포함한다. 매니폴드(160)가 유체 연통을 위해서 3개의 유동 통로를 커플링시키고, 그러한 유동 통로가: 스로틀 밸브 출구(134)와 연통하는 스로틀 밸브 출구 라인(135), 제1 파일롯 포트(142)와 연통하는 파일롯 라인(143), 및 제어 밸브(200)의 제어 포트(270)와 연통하는 제어 라인(271)이다. 매니폴드(160)와 제어 포트(270)의 근접부 내의 유체 압력이 압력(P3)으로서 지정된다. 스로틀 밸브(130)가, 매니폴드(160)를 통한, 포트(150)와 제어 포트(270) 사이의 유체 및 유체 압력의 교환을 제어하거나 그에 영향을 미치도록 배열되고 구성된다. 유사하게, 파일롯 밸브(140)가, 매니폴드(160)를 통한, 하류 유체 포트(155)와 제어 포트(270) 사이의 유체 및 유체 압력의 교환을 안내(pilot), 즉 제어하거나 그에 영향을 미치도록 배열되고 구성된다. 스로틀 밸브(130) 및 파일롯 밸브(140)가 매니폴드(160)를 통해서 상호 연통한다.

비록 스로틀 밸브(130)가 수동으로 조정 가능한 밸브로서 도 1에서 개략적으로 제시되어 있지만, 여러 가지 다른 실시예에서, 스로틀 밸브(130)가, 전기적으로 또는 기계적으로 제어 가능한 액추에이터와 같은 임의의 제어 가능한 액추에이터를 가지거나, 고정된 오리피스를 가질 수 있을 것이고 그에 따라 조정 가능하지 않을 수 있을 것이다. 그에 따라 또한, 비록 수동적으로 조정 가능한 밸브로서 개략적으로 제시되었지만, 여러 가지 다른 실시예에서, 파일롯 밸브(140)가, 도 1에서 제시된 수동 작동 대신에, 임의의 전기적으로 또는 기계적으로 제어 가능한 액추에이터 또는 다른 적합한 작동 수단을 구비한다.

이제 도 3을 참조하면, 피스톤 하우징(210)이 헤드 부분(215) 및 중공형 연장부(220)를 포함하고, 중공형 연장부는 헤드 부분(215)에 근접한 제1 단부(223), 제1 단부에 대향하는 제2의 개방 단부(222), 제1 단부(223)에 근접한 제1의 상부 원통형 챔버(224), 및 중앙 축(221)을 따라서 상부 챔버(224)와 동심으로 접하는 제2의 하부 원통형 챔버(226)를 포함한다. 하부 챔버(226)가 개방 단부(222)에 근접한다. 중공형 연장부(220)가 이러한 실시예에서 대체로-원통형인 것으로 도시되어 있다. 상부 챔버(224)가 헤드 부분(215)에 인접하고 하부 챔버(226)의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 하부 챔버(226)가 개방 단부(222)에 인접한다. 조합되어, 챔버(224, 226)가 헤드 부분(215)으로부터 개방 단부(222)까지 연장한다. 복수의 유체 포트(265)가 연장부(220)의 측벽을 통해서 반경방향으로 연장하여, 연장부(220)의 일부를 천공하고 하부 챔버(226)와 만난다. 유체 포트(265)는, 유체가 하부 챔버를 진출하게 그리고 그로 진입하게 허용하도록 구성된다. 비록, 8개의 유체 포트(265)가 도 3의 단면도에 의해서 표시되었지만, 실제로, 예를 들어 1, 2, 15, 또는 그 초과의 유체 포트(265)를 포함하는, 임의의 적합한 수의 유체 포트(265)가 연장부(220)의 측벽 내에 형성될 수 있을 것이다. 개방 단부(222)와 유체 포트(265) 사이에서, 연장부(220)가 환형의, 비-천공된 밀봉 영역(228)을 포함한다. 개방 단부(222) 원위(distal)에서, 제어 포트(270)가 상부 챔버(224)의 일부와의 유체 연통을 위한 경로를 제공하여, 유체가 상부 챔버(224)로 진입 및 진출하게 허용한다. 이러한 실시예에서, 제어 포트(270)가 축(221)과 정렬되고 헤드 부분(215)을 통해서 연장한다.

도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 피스톤(230)이 대체로 원통형인 본체(232) 및 내부 공동(235)을 포함하고, 피스톤 본체(232)는 중앙 축(231), 제어 단부(233), 제어 단부(233)에 대향하는 유동-단부(237), 제어 단부(233)에 근접하는 또는 인접하는 상부 밀봉부-결합 부분(240), 및 유동-단부(237)에 근접하는 또는 인접하는 하부 밀봉부-결합 부분(245)을 포함한다. 유사하게 설명하면, 피스톤 본체(232)의 제어 단부(233)가 상부 밀봉부-결합 부분(240)에 인접하여 또는 근접하여 그리고 하부 밀봉부-결합 부분(245)의 원위에 배치된다. 피스톤(230)의 유동-단부(237)가 테이퍼링된 면, 또는 보다 일반적으로, 윤곽화된(contoured) 면(239) 및 하부 밀봉부-결합 부분(245)에 인접한 안착(seating) 표면(238)을 포함한다. 상부 밀봉부-결합 부분(240)이, 하부 밀봉부-결합 부분(245)의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 밀봉부-결합 부분들(240, 245) 사이의 크기 차이로 인해서, 제1 환형 쇼울더(250)가 부분들(240, 245) 사이에 배치된다. 제1 환형 쇼울더(250)가 제1 단부(233)와 즉, 제1 단부(233)의 단부 면과 동일한 전반적 방향으로 대면한다. 상부 밀봉부-결합 부분(240)이 원주방향 홈(242)을 포함하고, 하부 밀봉부-결합 부분(245)이 원주방향 홈(246)을 포함한다. 홈(242)이, 도 2의 조립된 제어 밸브(200)에서 도시된 바와 같이, 제1 환형 밀봉부(285)를 수용 및 유지하도록 구성되고, 홈(246)은 제2 환형 밀봉부(286)를 수용 및 유지하도록 구성된다. 그에 따라, 제어 밸브(200)의 경우에, 밀봉부(285, 286)가 피스톤(230)과의 운동을 위해서 피스톤(230)으로 커플링된다. 보다 특히, 제2 환형 밀봉부(286)가 제1 환형 밀봉부(285)에서와 같이 피스톤(230)의 벽 내에 부분적으로 매립된다. 적어도 이러한 실시예에서, 환형 밀봉부(285, 286)가 탄성적인 O-링이다.

도 4의 실시예에서, 피스톤 본체(232)가 또한, 상부 및 하부 밀봉부-결합 부분들(240, 245) 사이에서 연장하고 상부 및 하부 밀봉부-결합 부분(240, 245)의 직경 보다 작은 직경을 가지는 대체로 원통형인 중간 부분(255)을 포함한다. 일부 경우에, 중간 부분(255)의 감소된 직경이 피스톤(230)과 피스톤 하우징(210) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있을 것이다. 중간 부분(255)이 하부 밀봉부-결합 부분(245)과 제1 환형 쇼울더(250)를 공유하고 상부 밀봉부-결합 부분(240)과 함께 제2의 보다 작은 환형 쇼울더(252)를 형성한다. 그에 따라, 보다 작은 환형 쇼울더(252)가 상부 밀봉부-결합 부분(240)과 중간 부분(255) 사이에 배치되고 유동 단부(237)의 윤곽화된 면(239)과 동일한 축방향으로 대면한다. 보다 작은 환형 쇼울더(252)가 제1 환형 쇼울더(250) 보다 직경이 더 작다.

다시 도 2를 참조하면, 제어 밸브(200)가 편향 부재(275) 및 피스톤 하우징(210)으로 커플링된 밸브 시트(seat)(280)를 더 포함하여, 개방 단부(222)의 연장부를 형성한다. 밸브 시트(280)가, 헤드 부분(215)을 향해서 대체로 대면하는 안착 표면(282)을 구비한다. 편향 부재(275)가 피스톤(230)과 피스톤 하우징(210) 사이에 배치되고 헤드 부분(215)으로부터 멀어지는 방향으로 피스톤(230)을 편향시키도록 구성된다. 밸브 시트(280)가 하나의 축방향으로 피스톤(230) 및 편향 부재(275)의 이동을 제한하고, 그에 의해서 편향 부재(275)를 피스톤(230) 및 피스톤 하우징(210) 모두로 커플링시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 시트(280)가 피스톤 하우징(210)의 개방단부(222)에 근접하고, 편향 부재(275)가, 피스톤(230)이 폐쇄된 구성으로부터 완전히 개방된 구성으로 이동할 때, 예를 들어, 5 내지 10 파운드-힘의 스프링력을 가할 수 있는 코일형 압축 스프링이다. 일부 다른 실시예에서, 5 파운드-힘 미만의 또는 10 파운드-힘 초과의, 그러나 제어 시스템(100)의 모든 디자인된 또는 예상되는 유동 조건 중에 밸브(200)를 폐쇄 유지하기 위한 너무 크지 않은 스프링력을 가지는 다른 편향 부재(275)가 선택된다. 편향 부재(275)가 피스톤(230)의 내부 공동(235) 내에 부분적으로 배치되고 공동(235)의 내측 단부(236)와, 헤드 부분(215)의 내측 표면인, 반응 표면 사이에서 연장하여 도시되어 있다. 편향 부재(275)가 일반적으로 중앙 축(221)과 정렬되고, 제어 포트(270)를 둘러싼다. 코일형 편향 부재(275)의 개방 단부 및 개방 측벽은 제어 포트(270)가 상부 챔버(224)와의 유체 연통을 유지할 수 있게 한다.

도 2의 조립체에서, 제1 환형 밀봉부(285)가 상부 챔버(224) 내에 위치되거나 배치되고 피스톤(230)의 상부 밀봉부-결합 부분(240) 주위에 위치된다. 밀봉부(285)는 상부 챔버(224) 및 피스톤 부분(240)과 밀봉적으로 결합하도록 구성된다. 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(226) 내에 배치되고 피스톤(230)의 하부 밀봉부-결합 부분(245) 주위에 배치된다. 밀봉부(286)가 하부 챔버(226) 및 피스톤 부분(245)과 밀봉적으로 결합하도록 구성된다. 예를 들어, 제2 환형 밀봉부(286)가 피스톤 부분(245)과 연장부(220)의 비-천공된 밀봉 영역(228) 사이에 배치되는, 도 2에 도시된 바와 같이 피스톤(230)이 배치되는 경우에, 유입구(260)와 유체 포트(265) 사이의 유체 연통이 방지된다. 다시 말해서, 도시된 구성에서, 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(226) 및 피스톤(230)과 밀봉적으로 결합되고, 제어 밸브(200)가 "폐쇄된다".

피스톤(230) 상으로 작용하는 유체 힘을 설명하기 위해서, 제어 밸브(200) 내의 3개의 유체 구역이 규정될 것이다. 중앙 유체 구역(290)이 유체 포트(265)에 인접하고, 제어 유체 구역(292)이 제어 포트(270)에 인접하며, 유입구 유체 구역(295)이 제어 밸브 유입구(260)에 인접한다. 도 2의 실시예에서, 중앙 유체 구역(290)이 유체 포트(265)와 유체 연통하고, 제어 유체 구역(292)이 제어 포트(270)와 유체 연통하며; 그리고 유입구 유체 구역(295)이 제어 밸브 유입구(260)와 유체 연통한다. 유체 구역(290)이 제1 및 제2 환형 밀봉부(285, 286) 사이에서 축방향으로 연장한다. 중앙 유체 구역(290)이 피스톤(230)과 상부 및 하부 챔버(224, 226)의 부분들 사이의 대체로 환형인 공간이다. 예를 들어, 상부 챔버(224)의 벽과 피스톤(230) 사이의 좁은 간극이 유체 구역(290)의 일부를 형성한다. 적어도 도 2의 실시예에서, 중앙 유체 구역(290)의 크기 즉, 부피가 가변적이고, 제1 및 제2 환형 밀봉부들 사이의 고정된 거리를 기초로 하며, 상부 및 하부 챔버(224, 226) 내의 피스톤(230)의 가변적인 축방향 위치를 기초로 한다. 예를 들어, 하우징 축(221)을 따른 피스톤(230)의 위치가, 상부 챔버(224)의 어떠한 부분 및 하부 챔버(226)의 어떠한 부분이, 유체 구역(290)을 경계 짓는, 가동형 밀봉부들(285, 286) 사이에 배치되는지에 영향을 미친다. 그에 따라, 적어도 이러한 실시예에서, 피스톤(230)의 축방향 위치가 유체 구역(290)의 크기에 영향을 미친다.

도 1을 다시 참조하면, 예를 들어, 유동 제어 시스템(100) 내에 배치된 액체 또는 공기와 같은 유체가 밸브(200) 내의 유체 구역(290, 292, 295) 중 하나로 진입할 수 있고 피스톤(230)의 여러 표면 영역 및 피스톤 하우징(210)의 여러 내측 표면 영역과 접촉할 수 있다. 유체의 압력이 대기압과 같거나, 그보다 높거나, 그보다 낮거나 간에, 유체의 압력은 피스톤(230) 및 피스톤 하우징(210)의 유체-노출 표면 영역 상으로 힘을 가한다. 보다 넓게 설명하자면, 피스톤(230)의 임의 이동 및 반응 힘들을 포함하는 피스톤 하우징(210)과 피스톤(230)의 반대되는 반응들로 인해서, 유체는 제어 밸브(200) 내의 여러 유체-노출 표면 영역과 힘을 교환한다. 다른 경우에, 제어 밸브(200)가 단독적이고 제어 시스템(100)의 부재로서 커플링되지 않을 때, 공기 또는 다른 유체가 피스톤(230)의 표면 및 피스톤 하우징(210)의 내측 표면과 힘을 교환한다. 시스템(100) 및 제어 밸브(200)가 여러 가지 압력을 가지는 유체와 함께 동작하도록 구성될 수 있을 것이다. 일부 경우에, 유체 압력이 0과 10,000 psig의 범위 이내일 수 있을 것이다. 시스템(100) 및 제어 밸브(200)의 여러 가지 실시예가 0 내지 200 psig의 압력 범위 내에서 동작하도록 디자인된다. 다른 경우에, 시스템(100) 및 제어 밸브(200)가 상이한 압력을 가지는 유체로 동작하도록 디자인된다.

제어 밸브(200) 내의 특별한 표면 영역 및 유체에 의해서 가해지는 힘이 해당 표면 영역에 수직으로 배향되고 해당 표면 영역을 가로질러 분포된다. 제1 환형 쇼울더(250)의 표면과 같은, 편평한, 반경방향 연장 표면 영역의 경우에, 축방향 힘이 유체와 교환된다. 만약 표면 영역이 곡선화된다면, 곡선형 표면에 수직인 모든 곳으로 유체에 의해서 힘이 가해진다. 예를 들어 곡선형의 또는 테이퍼링된 표면과 같이 엄격하게 반경방향으로-연장하지 않고 엄격하게 축방향으로-연장하지 않는 표면 영역의 경우에, 유체가 표면 영역 상으로 가하는 전체 힘이 반경방향 힘 및 축방향 힘으로, 즉 전체 힘의 반경방향 성분과 축방향 성분으로 분해될 수 있고, 즉 분할될 수 있다. 표면 상의 유체의 축방향 힘이, 예를 들어, 표면의 축방향으로-노출된 표면의 면적을 평가하는 것 그리고 이어서 이러한 결과에 유체의 압력을 곱하는 것에 의해서 결정될 수 있을 것이다. 피스톤(230) 상의 유체의 축방향 힘이 피스톤(230)의 개방 및 폐쇄에 영향을 미친다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 피스톤(230)이 유체 구역(290, 292, 295) 내의 또는 그에 인접하고 그에 의해서 각각의 유체 구역 내의 유체의 압력을 받도록 구성된 복수의 유체-노출 표면 영역을 포함한다. 부분(240, 245, 255)의 최외측 표면 영역이 축(231)으로부터 반경방향으로 멀리 대면하여, 유체 압력에 의해서 가해지는 반경방향 힘을 받도록 구성된, 반경방향으로-노출된 표면적을 그들에게 제공한다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 피스톤(230)의 일부 표면 영역이 축(231)에 수직인 축방향으로-노출된 표면 영역을 가져서, 그들이 유체로부터의 축방향 힘에 대해서 민감하게 만든다. 제어 유체 구역(292)과 관련하여, 피스톤(230)의 제어 단부(233) 및 내부 공동(235)의 내부 단부(236)가 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)을 향해서 대면하도록 구성된, 조합된 축방향으로-노출된 표면적(234)을 가지는 유체-노출 표면 영역이다. 내측 단부(236)의 일부가 편향 부재(275)에 의해서 커버되고; 그러한 경우에도, 내측 단부(236)의 이러한 부분이 편향 부재(275)를 통해서 간접적으로 제어 유체 구역(292) 내의 유체의 압력을 받는다. 면적(234)이 편평한 원이다. 유입구 유체 구역(295)과 관련하여, 피스톤(230)의 제2 단부(237)가, 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 대면하도록 구성된, 조합된 축방향으로-노출된 표면적(247)을 가지는 복수의 유체-노출 표면 영역, 예를 들어 안착 표면(238) 및 윤곽화된 면(239)을 포함한다. 면적(247)이 편평한 원이다.

여러 실시예에서, 피스톤(230)의 제2 단부(237)의 축방향으로-노출된 표면적(247)이 피스톤(230)의 제어 단부(233)와 연관된 축방향으로-노출된 표면적(234)의 기껏해야 115%이다. 일부 다른 실시예에서, 피스톤(230)의 제2 단부(237)의 축방향으로-노출된 표면적(247)이 피스톤(230)의 제어 단부(233)와 연관된 축방향으로-노출된 표면적(234)의 기껏해야 105%이다. 이러한 설명으로부터, 일부 실시예에서, 피스톤(230)의 제2 단부(237)의 축방향으로-노출된 표면적(247)이 피스톤(230)의 제어 단부(233)와 연관된 축방향으로-노출된 표면적(234)의 115% 보다 크다는 것을 이해하여야 한다.

중앙 유체 구역(290)와 관련하여, 제1 환형 쇼울더(250) 및 보다 작은 환형 쇼울더(252)가 구역(290) 내의 유체에 대해서 노출되도록 그리고 유체 포트(265)와 유체 연통하도록 구성된다. 제1 환형 쇼울더(250)가 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)을 향해서 대면하도록 구성된 축방향으로-노출된 표면적(251)을 갖는다. 이러한 실시예에서, 쇼울더(250)의 축방향으로-노출된 표면적(251)이 쇼울더(250)의 총 표면적과 동일하다. 보다 작은 환형 쇼울더(252)가 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 대면하도록 구성된 축방향으로-노출된 표면적(253)을 갖는다. 이러한 실시예에서, 쇼울더(252)의 축방향으로-노출된 표면적(253)이 쇼울더(252)의 총 표면적과 동일하다. 면적(251, 253)이 환형이고 편평한다. 제1 환형 쇼울더(250)의 축방향으로-노출된 표면적(251)이 보다 작은 환형 쇼울더(252)의 축방향으로-노출된 표면적(253) 보다 넓다.

도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제1 환형 밀봉부(285)가 홈(242) 내의 결합에 의해서 피스톤(230)의 상부 밀봉부-결합 부분(240)으로 커플링된다. 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)와 대면하고 반경방향으로 피스톤(230)을 넘어서서 연장하는 축방향으로-노출된 표면적(287B)을 가지는, 중앙 유체 구역(290) 내의 유체로 노출된, 유체 포트(265)와 유체 연통하도록 구성된 표면 영역(285B)을 제1 환형 밀봉부(285)가 포함한다. 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)과 대면하고 반경방향으로 피스톤(230)을 넘어서서 연장하는 축방향으로-노출된 표면적(287A)을 가지고 제어 유체 구역(292) 내의 유체로 노출된 표면 영역(285A)을 환형 밀봉부(285)가 또한 포함한다.

유사하게, 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제2 환형 밀봉부(286)가 홈(246) 내의 결합에 의해서 피스톤(230)의 하부 밀봉부-결합 부분(245)으로 커플링된다. 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)과 대면하고 반경방향으로 피스톤(230)을 넘어서서 연장하는 축방향으로-노출된 표면적(288A)을 가지고, 중앙 유체 구역(290) 내의 유체로 노출된, 유체 포트(265)와 유체 연통하도록 구성된 환형 표면 영역(286A)을 제2 환형 밀봉부(286)가 포함한다. 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 대면하고 반경방향으로 피스톤(230)을 넘어서서 연장하는 축방향으로-노출된 표면적(288B)을 가지고 유입구 유체 구역(295) 내의 유체로 노출된 표면 영역(286B)을 환형 밀봉부(286)가 또한 포함한다.

피스톤 홈(242, 246)이 또한 헤드 부분(215)을 향하는 또는 그렇지 않으면 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향하는 축방향으로-노출된 표면적(지정되지 않음)을 가지는 여러 표면 영역을 포함한다. 그러나, 홈(242, 246) 상의 이러한 영역이 밀봉부(285, 286)에 의해서 유체로부터 격리되거나, 그렇지 않으면 이러한 영역 상으로 축방향 유체 힘이 홈(242, 246) 내에 배치된 밀봉부의 부분(285, 286) 상으로 가해지는 동일하고 반대되는 축방향 힘들에 의해서 반작용된다. 그에 따라, 홈(242, 246) 및 밀봉부(285, 286) 상으로 작용하는 유체의 순(net) 축방향 힘이, 피스톤(230)을 넘어서서 반경방향으로 연장하는 밀봉부(285, 286)의 면적(287B, 287A, 288B, 288A)에 상응하는 표면 영역 상으로 가해진다. 밀봉부(285, 286)가 홈(242, 246)을 통해서 피스톤(230)으로 유체 힘을 전달한다.

그에 따라, 도 4, 도 5, 및 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 유체와 피스톤(230) 사이에서 축방향 힘을 교환하도록 구성된 복수의 표면영역 즉, 축방향으로-노출된 표면적을 가지고 밸브(200) 내의 유체로 노출되도록 구성된, 피스톤(230)으로 커플링된 표면 영역을 제어 밸브(200)가 포함한다. 이러한 표면 영역은 개념적으로 2개의 세트로 분리될 수 있다. 도 2 및 도 4를 참조하면, 피스톤(230) 및 밀봉부(285, 286)가 표면 영역들의 상향-대면 세트를 함께 포함한다. 상향-대면 세트 내의 각각의 표면 영역이 대체로 헤드 부분(215)을 향해서 대면하고 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 이러한 상향-대면 세트의 부재가 제어 단부(233), 및 내측 단부(236), 제1 환형 쇼울더(250), 제1 환형 밀봉부(285)의 영역(285A), 및 제2 환형 밀봉부(286)의 영역(286A)을 포함한다. 이러한 상향-대면 세트와 연관된 축방향으로-노출된 표면적이 면적(234, 251, 287A, 288A)을 포함한다. 피스톤(230) 및 밀봉부(285, 286)가 또한 표면 영역의 하향-대면 세트를 포함한다. 하향-대면 세트 내의 각각의 표면 영역이 대체로 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 대면하고 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 이러한 하향-대면 세트의 부재가 유동-단부(237)의 표면(238, 239), 보다 작은 환형 쇼울더(252), 제1 환형 밀봉부(285)의 영역(285B), 및 제2 환형 밀봉부(286)의 영역(286B)을 포함한다. 이러한 하향-대면 세트와 연관된 축방향으로-노출된 표면적이 면적(247, 253, 287B, 288B)을 포함한다.

전술된 복수의 표면 영역의 여러 가지 부재가 중앙 유체 구역(290) 내에 배치되고, 전술한 상향-대면 세트 또는 하향-대면 세트의 각각의 하위 세트인, 표면 영역의 2개의 세트로 개념적으로 분리 가능하다. 유체 구역(290) 내의(즉, 유체 구역(290)에 인접한, 그 주위의, 또는 그 내부의) 표면 영역의 제1 세트의 각각의 부재가 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)을 향해서 대체로 대면하는 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 제1 세트의 부재가, 면적(251, 288A)을 각각 가지는, 제1 환형 쇼울더(250) 및 제2 환형 밀봉부(286)의 영역을 포함한다. 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 각각의 부재가 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 대체로 대면하는 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 제2 세트의 부재가, 면적(253, 287B)을 각각 가지는, 보다 작은 환형 쇼울더(252) 및 제1 환형 밀봉부(285)의 영역을 포함한다. 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의, 집합적인, 즉 전체적인, 축방향으로-노출된 표면적(예를 들어, 면적(251, 288A)의 합계)이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의, 집합적인, 즉 전체적인, 축방향으로-노출된 표면적(예를 들어, 면적(253, 287A)의 합계)을 초과한다. 예를 들어, 여러 실시예에서, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 기껏해야 115%이다. 일부 다른 실시예에서, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 기껏해야 105%이다. 제2 세트에 대비한 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 차이가, 구역(290) 내의 유체에 의해서 피스톤(230) 상으로 가해지는 순 축방향 힘을 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 작용하도록 편향시켜, 폐쇄 힘으로서 작용하게 한다.

피스톤(230)의 표면 영역 및 환형 밀봉부(285, 286)를 형성하기 위해서 이용되는 가공 프로세스의 공차가, 밸브(200)의 여러 실시예에서, 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)을 향해서 대면하는 축방향으로-노출된 총 표면적 및 개방 단부(222)를 향해서 대면하는 축방향으로-노출된 총 표면적에 영향을 미친다. 그에 따라, 유체 구역(290) 내의 피스톤(230)의 부분의 경우에, 가공 프로세스 공차의 영향과 관계없이, 헤드 부분(215)을 향해서 대면하는 축방향으로-노출된 총 표면적이 개방 단부(222)를 향해서 대면하는 축방향으로-노출된 총 표면적(247) 보다 크도록 보장하기 위해서, 제1 환형 쇼울더(250)가, 충분한 축방향으로-노출된 표면적(251)으로 구성된다.

도 7은 유체 포트(265)와 연통하는 유체(300)에 의해서 피스톤(230) 상으로 직접적으로 또는 간접적으로 가해지는 힘 또는 힘 분포의 일부를 도시한다. 도시된 바와 같이, 유체(300)가 유체 구역(290), 및 유체 구역(290)의 경계의 일부를 형성하는 피스톤(230) 상의 또는 피스톤(230)에 인접한 여러 표면적과 추가적으로 연통한다. 다시 말해서, 유체(300)가 유체 포트(265) 내에 그리고 유체 구역(290) 내에 존재하며, 유체(300)가 제어 밸브(200) 내의 여러 유체-노출 표면 영역과 접촉한다. 유체(300)가 이러한 예에서 유체 포트(265)를 통해서 압력을 진입시키거나 압력을 가하는 수평 화살표에 의해서 표시된다. 특히, 도 7은 유체(300)에 의해서 피스톤(230) 상으로 가해지는 여러 축방향 힘(305, 310, 315, 320)을 도시한다. 명료함을 위해서, 피스톤(230)의 축방향 반응 그리고 여러 다른 축방향 및 반경방향 힘을 도 7에 도시하지 않았다. 일부 경우에, 도 7은, 비활성적이고 유체 시스템으로부터 분리되는 동안의, 제어 밸브(200)를 나타낸다. 여러 가지 다른 경우에, 도 7은 도 1의 유동 제어 시스템(100)의 부재로서 커플링된 제어 밸브(200)를 나타낸다. 도 7에서 제시된 바와 같이, 제어 밸브(200)가 폐쇄 구성에 있고, 그러한 폐쇄 구성에서 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 밀봉부-결합 부분(245) 및 제2 챔버(226)와 밀봉식으로 결합한다.

제1 환형 쇼울더(250) 및 제2 환형 밀봉부(286)의 축방향으로-노출된 표면적(251, 288A) 모두가 헤드 부분(215)으로 대면하고, 그에 따라 쇼울더(250) 및 밀봉부(286) 상으로 각각 작용하는 구역(290) 내의 유체의 압력-유도형 축방향 힘(305, 310)이 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 지향되고 폐쇄-힘으로서 작용하여, 피스톤(230)을 밸브 시트(280)와의 접촉을 향해서 미는 경향이 있다. 보다 작은 환형 쇼울더(252) 및 제1 환형 밀봉부(285)의 축방향으로-노출된 표면적(253, 287B) 모두가 개방 단부(222)와 대면하고, 그에 따라 쇼울더(252) 및 밀봉부(285) 상으로 각각 작용하는 구역(290) 내의 유체의 압력-유도형 축방향 힘(315, 320)이 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)을 향해서 지향되고 개방-힘으로서 작용하여, 피스톤(230)을 밸브 시트(280)로부터 멀리 미는 경향이 있다.

도 7을 계속 참조하면, 제어 유체 구역(292)이, 구역(290) 내의 유체와 동일한 또는 상이한 유체를 포함하도록 구성된다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서, 구역(292)이 구역(290)에서와 동일한 유체를 포함하도록 구성되고; 그럼에도 불구하고, 구역들(290, 292) 내의 유체 압력이 여러 경우에 상이하다. 피스톤(230)의 내측 단부(236) 및 제어 단부(233)의 축방향으로-노출된 표면적(234)이 헤드 부분(215)으로 대면하고, 그에 따라 단부(233, 236)가 구역(292) 내의 유체와 피스톤(230) 사이에서 축방향 힘을 교환하도록 구성되고, 유체 힘은 개방 단부(222)를 향해서 지향되고 피스톤(230)을 폐쇄하도록 작용한다. 그에 따라 또한, 피스톤(230)의 유동 단부(237)의 축방향으로-노출된 표면적(247)이 개방 단부(222)를 향해서 대면하고, 그에 따라 유동 단부(237)가 구역(295) 내의 유체와 피스톤(230) 사이에서 축방향 힘을 교환하도록 구성되고, 유체 힘은 헤드 부분(215)을 향해서 지향되고 피스톤(230)을 개방하도록 작용한다. 편향 부재(275)가 피스톤(230) 상으로 폐쇄력, 즉 개방 단부(222)를 향해서 지향된 힘을 가한다.

[0060] 도 7의 폐쇄 구성을 달성 또는 유지하기 위한 제어 밸브(200)의 경우에, 피스톤(230) 상으로 작용하는 모든 폐쇄력의 합계가 피스톤(230) 상으로 작용하는 모든 개방 힘의 합계를 초과한다. 이제 유체 구역(290) 내의 유체에 의해서 가해지는 힘만을 참조하면, 개시된 실시예의 경우에, 도 7의 폐쇄 구성에서 예시된 바와 같이, 적어도 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(226)와 밀봉식으로 결합할 때, 구역(290) 내에서 피스톤(230) 상으로 작용하는 폐쇄력의 합계가 구역(290) 내에서 피스톤(230) 상으로 작용하는 개방력의 합계를 초과한다. 그에 따라, 밸브(200)가 도 7의 폐쇄 구성에 있을 때, 유체 구역(290) 내의 피스톤(230) 상의 순 축방향 힘이 개방 단부(222)를 향해서 지향되거나 작용하고 제어 밸브(200)를 폐쇄 위치로 편향시킨다. 여러 가지 동작 조건에서, 유체 구역(290) 외부의 유체 압력 및 결과적인 축방향 힘이 변경되고 밸브(200)가 개방 또는 폐쇄되도록 유도한다. 유체 구역(290) 외부의 유체 힘이 피스톤(230)의 윤곽화된 면(239) 상의 공급 파이프(105) 내의 유체 의해서 가해지는 개방력, 및 제어 포트(270)를 통한 유체 연통에 의해서 가해지고 피스톤(230)의 내부 공동(235) 및 제어 단부(233) 상으로 작용하는 폐쇄력을 포함한다. 바람직하게, 공급 압력(P1)이 배출 압력(P2) 보다 클 때 피스톤(230) 및 밸브(200)가 개방되고, 반대의 경우에 폐쇄된다. 공급 압력(P1)이 배출 압력(P2)과 동일할 때, 편향 부재(275)의 작용에 의해서 폐쇄되도록 피스톤(230) 및 밸브(200)가 구성된다.

도 8은 제어 밸브(200)를 위한 개방 구성의 예를 도시하고, 여기에서 제2 환형 밀봉부(286)가 피스톤의 하부 밀봉부-결합 부분(245)과 하우징의 하부 챔버(226)와 밀봉식으로 결합하지 않고, 즉 "밀봉"하지 않는다. 이러한 개방 구성에서, 밀봉부(286)가 피스톤(230) 및 하부 챔버(226) 모두와 접촉하나, 연장부(220)의 비-천공된 밀봉 영역(228)과 결합하지 않는다. 그 대신에, 밀봉부(286)가 유체 포트(265)에 인접하여 축방향으로 배치된다. 결과적으로, 제어 밸브 유입구(260)가 유체 포트(265)와 유체 연통한다. 다시 유체 구역(290) 내의 유체에 의해서 가해지는 힘만을 참조하면, 적어도 일부 경우에, 제2 환형 밀봉부(286)가 밀봉부를 형성하지 않을 때, 구역(290) 내에서 피스톤(230) 상으로 작용하는 폐쇄력의 합계가 구역(290) 내에서 피스톤(230) 상으로 작용하는 개방력의 합계를 초과한다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 피스톤 하우징(210)에 대한 피스톤(230)의 축방향 위치가 적어도 이하의 인자에 의해서 영향을 받는다: 편향 부재(275)의 힘, 유입구 유체 구역(295) 내의 유체 압력(P1), 중앙 유체 구역(290) 내의 유체 압력(P2), 및 제어 유체 구역(292) 내의 유체 압력(P3). 여러 경우에, 압력(P1, P2, 및 P3)의 상대적인 크기가 시간에 따라서 변경되고 피스톤(230)의 축방향 위치에 따라서 변경된다. 그에 따라, 피스톤(230)의 축방향 위치 및 압력(P1, P2, 및 P3)이 상호 관련된다. 여러 경우에, 피스톤(230)의 축방향 위치가 변화됨에 따라, 제어 밸브(200)가 개방 구성(도 7)과 폐쇄 구성(도 8) 사이에서 변경된다.

일반적으로, 공급 파이프(105) 내의 압력(P1)이 배출 파이프(110) 내의 압력(P2)과 같거나 그보다 낮을 때, 제어 밸브(200)가 폐쇄되어, 제어 밸브 유입구(260)와 유체 포트(265) 사이의 유체 연통을 허용하지 않고, 그에 따라, 공급 파이프(105)와 배출 파이프(110) 사이의 유체 연통을 허용하지 않는다. 부분적으로, 편향 부재(275)에 의해서 피스톤(230) 상으로 가해지는 축방향 힘에 의해서 그리고 구역(290) 내의 유체에 의해서 피스톤(230) 상으로 가해지는 순 축방향 힘에 의해서, 제어 밸브(200)의 폐쇄 구성이 유지되고, 전술한 바와 같이, 그러한 순 축방향 유체 힘은 개방 단부(222)를 향해서 작용한다. 결과적으로, 제어 밸브(200)가 폐쇄되고, 배출 파이프(110) 내의 압력(P2)이 공급 파이프(105) 내의 압력(P1) 보다 클 때, 배출 파이프(110)로부터 공급 파이프(105)로의 유체 역류가 방지된다.

이제 도 9를 참조하면, 제어 밸브(200)를 위한 표면적-보상형 피스톤(430)을 가지는 다른 실시예가 도시되어 있다. 피스톤(430)이, 대체로 원통형인 본체(432) 및 내부 공동(235)과 같은, 피스톤(230)의 특징부와 유사한 많은 특징부을 포함하고, 피스톤 본체(432)는 중앙 축(431), 제어 단부(233), 제어 단부(233)에 대향하는 유동-단부(237), 제어 단부(233)에 근접하는 또는 인접하는 상부 밀봉부-결합 부분(440), 및 유동-단부(237)에 근접하는 또는 인접하는 하부 밀봉부-결합 부분(445)을 포함한다. 상부 밀봉부-결합 부분(440)이, 하부 밀봉부-결합 부분(445)의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 밀봉부-결합 부분들(440, 445) 사이의 크기 차이로 인해서, 테이퍼링된 환형 쇼울더(450)가 부분들(440, 445) 사이에서 연장한다. 쇼울더가 테이퍼링되기 때문에, 쇼울더(450)가 축(431)에 대해서 반경방향 및 축방향 모두로 연장한다. 쇼울더(450)가 제1 단부(233)와 동일한 축방향으로 대체로 대면한다. 상부 밀봉부-결합 부분(440)이 제1 환형 밀봉부(285)를 수용하도록 구성된 원주방향 홈(242)을 포함하고, 하부 밀봉부-결합 부분(445)이 제2 환형 밀봉부(286)를 수용하도록 구성된 원주방향 홈(246)을 포함한다. 그에 따라, 제어 밸브(200) 내에서의 설치를 위해서 준비될 때, 밀봉부(285, 286)가 피스톤(430)과의 운동을 위해서 피스톤(430)으로 커플링된다.

도 4를 참조하여 설명된 피스톤(230)과 달리, 피스톤(430)은 유동-단부(237)와 동일한 방향으로 대면하고 밀봉부-결합 부분들(440, 445) 사이에 배치되는 상응하는 제2 쇼울더를 포함하지 않는다. 다시 말해서; 피스톤(430)이 피스톤(230)의 보다 작은 쇼울더(252)와 같은 쇼울더를 포함하지 않는다. 그 대신에, 쇼울더(450)가 밀봉부-결합 부분들(440, 445) 사이의 전이부(transition)를 형성한다. 이러한 실시예에서, 쇼울더(450)의 테이퍼링된 구성으로 인해서, 쇼울더(450)의 축방향으로-노출된 표면적(451)이 쇼울더(450)의 총 표면적 보다 작다. 피스톤(430)의 다른 실시예에서, 쇼울더(450)가 반경방향으로 연장하나 축방향으로는 연장하지 않고, 쇼울더(250)의 특성인, 쇼울더(450)의 총 표면적과 동일한 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다.

도 2 및 도 9 모두를 참조하면, 피스톤(430)이 피스톤(230) 대신에 제어 밸브(200) 내에 설치될 때, 환형 쇼울더(450)의 축방향으로-노출된 표면적(451)이 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)으로 대면한다. 쇼울더(450)가 중앙 유체 구역(290) 내의 유체로 노출될 때, 유체가, 도 7의 힘(305)과 유사한, 압력-유도된 축방향 힘을 가하고, 그러한 압력-유도된 축방향 힘은, 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 지향되고 폐쇄력으로 작용하여, 피스톤(430)을 개방 단부(222)를 향해서 그리고 밸브 시트(280)와의 접촉으로 미는 경향이 있다. 중앙 유체 구역(290)(도 2)이 제1 및 제2 환형 밀봉부(285, 286) 사이에서 연장하여, 피스톤(430)과 상부 및 하부 챔버(224, 226)의 부분들 사이에 대체로 환형인 공간을 형성한다. 유체 구역(290)이 유체 포트(265)와 유체 연통한다.

피스톤(430)을 가지는 제어 밸브(200)의 실시예가 유체와 피스톤(430) 사이에서, 즉, 유체와, 축방향으로-노출된 표면적을 가지고 밸브(200) 내의 유체로 노출되도록 구성된, 피스톤(430)으로 커플링된 표면 영역 사이에서 축방향 힘들을 교환하도록 구성된 복수의 표면 영역을 포함한다. 이러한 복수의 표면 영역의 여러 부재가 중앙 유체 구역(290) 내에 배치되고 환형 영역(285, 286) 상의 표면 영역(285B, 286A) 및 환형 쇼울더(450)를 각각 포함한다(도 5 및 도 6). 이러한 표면 영역은 개념적으로 2개의 세트로 분리될 수 있다. 중앙 유체 구역(290) 내의(즉, 유체 구역(290)에 인접한, 그 주위의, 또는 그 내부의) 표면 영역의 제1 세트의 각각의 부재가 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215)을 향해서 대체로 대면하도록 구성된 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 제1 세트의 부재가, 축방향으로-노출된 표면적(451, 288A)을 각각 가지는, 적어도 제1 환형 쇼울더(450)의 표면의 영역 및 제2 환형 밀봉부(286)의 표면 영역(286A)을 포함한다. 중앙 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 각각의 부재가 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 대체로 대면하도록 구성된 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 제2 세트가 축방향으로-노출된 표면적(287B)을 가지는 제1 환형 밀봉부(285)의 표면 영역(285B)을 포함한다. 이러한 제2 세트가 이러한 실시예에서 하나의 부재만을 갖는다. 본원에서 설명된 표면 영역의 임의 세트의 경우에, 일부 실시예에서, 세트가 단지 하나의 부재 즉, 축방향으로-노출된 표면적을 가지는 단지 하나의 인접한 표면 영역을 가질 수 있을 것이다. 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의, 집합적인, 즉 전체적인, 축방향으로-노출된 표면적(예를 들어, 면적(451, 288A)의 합계)이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의, 전체적인 축방향으로-노출된 표면적(예를 들어, 면적(287B)의 크기)을 초과한다. 예를 들어, 여러 실시예에서, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 기껏해야 115%이다. 일부 다른 실시예에서, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 기껏해야 105%이다.

제2 세트에 대비한 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 차이가, 구역(290) 내의 유체에 의해서 피스톤(430) 상으로 가해지는 순 축방향 힘을 피스톤 하우징(210)의 개방 단부(222)를 향해서 작용하도록 편향시켜, 폐쇄 힘으로서 작용하게 한다. 유사하게 설명하면, 적어도 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(226)와 밀봉식으로 결합할 때, 구역(290) 내에서 피스톤(430) 상으로 작용하는 폐쇄력의 합계가 구역(290) 내에서 피스톤(430) 상으로 작용하는 개방력의 합계를 초과한다. 피스톤(430)이, 피스톤(230)에 대비하여, 개방 단부(222)를 향해서 대면하도록 구성된 표면 하나가 없기 때문에(즉, 보다 작은 쇼울더(252)에 상응하는 표면이 없기 때문에), 유사한 유동 조건을 경험하는 실시예에서, 유체에 의해서 피스톤(430) 상으로 가해지는 순 축방향 힘이 유체에 의해서 피스톤(230) 상으로 가해지는 순 축방향 힘 보다 강하게 폐쇄력으로서 편향된다.

이제 도 10을 참조하면, 제어 시스템(100)에서 채용될 수 있는 다른 표면적-보상형 제어 밸브(500)가 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 제어 밸브(500)가 도 1의 제어 밸브(200)의 하위(sub)-조립체로서 설치된다. 제어 밸브(500)는 피스톤 하우징(510)을 포함하고, 그러한 피스톤 하우징 내에는 중앙 축(221)을 따라서 왕복 운동하여 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 밸브(500)를 전이시키도록 구성된 표면적-보상형 피스톤(530)이 배치된다. 도 10에서, 밸브(500)가 개방 구성으로 도시되어 있다.

피스톤 하우징(510)이, 예를 들어, 헤드 부분(215) 및 중공형 연장부(220)와 같은, 피스톤 하우징(210)(도 3)의 특징부와 유사한 많은 특징부를 포함하고, 중공형 연장부(220)는 개방 단부(222), 상부 원통형 챔버(224), 및 중앙 축(221)을 따라서 상부 챔버(224)와 동심으로 접하는 하부 원통형 챔버(226)를 구비한다. 상부 챔버(224)가 헤드 부분(215)에 인접하고 하부 챔버(226)의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 하부 챔버(226)가 개방 단부(222)에 근접한다. 복수의 반경방향-연장 유체 포트(265)가 원통형 연장부(220)의 측벽을 통해서 반경방향으로 연장하여, 하부 챔버(226)와 만나고, 즉 연장부(220)의 일부를 천공한다. 유체 포트(265)가 챔버(224, 226)의 부분과 유체 연통한다. 또한, 피스톤 하우징(510)이, 하부 챔버(226)를 형성하는 내측 표면과 개방 단부(222)에 인접하여, 비-천공된 밀봉 영역(228) 내에 축방향으로 위치된, 내부의, 원주방향 홈(516)을 포함한다. 도 10의 실시예에서, 밸브 시트(280)가 하우징 연장부(220)의 개방 단부(222)와 나사식으로 결합되고, 반경방향 외측으로 연장하고, 홈(516)에 인접하여 축방향으로 배치된, 환형 홈(518)을 포함한다. 홈(516, 518)이 하부 챔버(226)와 제어 밸브 유입구(260) 사이에 모서리 포켓을 형성한다. 홈(516, 518)이, 함께, 제2 환형 밀봉부(286)를 수용 및 유지하도록 구성된다. 밸브 시트(280)와 연장부(220)의 교차부에 위치하는 홈(516, 518)의 모서리 포켓에 수용되면, 제2 환형 밀봉부(286)가 피스톤 하우징(510)으로 커플링된다. 보다 특히, 밀봉부(286)가 중공형 연장부(220)의 내부의 원통형 벽 내에 부분적으로 매립되고, 밀봉부(286)가 피스톤 하우징(510)에 대해서 정지적으로 유지되도록 구성된다. 물론, 피스톤이 왕복하고 밀봉부(286)와 결합되며 그로부터 분리됨에 따라, 홈(516) 내의 밀봉부(286)의 작은 운동이 예상된다. 일부 다른 실시예에서, 밀봉부(286)가 밸브 시트(280)로부터 축방향으로 변위된다. 이러한 실시예에서, 환형 밀봉부(285, 286)가 탄성적인 O-링이다.

도 10을 계속 참조하면, 피스톤(530)이, 예를 들어, 대체로 원통형인 본체(232), 제어 단부(233), 제어 단부(233)에 대향하는 유동-단부(237), 제어 단부(233)에 근접하는 또는 인접하는 상부 밀봉부-결합 부분(240), 및 유동-단부(237)에 근접하는 또는 인접하는 하부 밀봉부-결합 부분(545)과 같은, 피스톤(230)(도 4)의 특징부와 유사한 많은 특징부를 포함한다. 상부 밀봉부-결합 부분(240)이, 하부 밀봉부-결합 부분(545)의 직경 보다 작은 직경을 갖는다. 제1 환형 쇼울더(250)가 밀봉부-결합 부분들(240, 545) 사이에 배치되어, 제1 단부(233)와 동일한 방향으로 대체로 대면한다. 피스톤(530)이 또한 상부 밀봉부-결합 부분(240)과 하부 밀봉부-결합 부분(545) 사이에서 연장하는 감소된 직경의 중간 부분(255)을 포함한다. 중간 부분(255)이 하부 밀봉부-결합 부분(545)과 제1 환형 쇼울더(250)를 공유하고 상부 밀봉부-결합 부분(240)과 함께 제2의 보다 작은 환형 쇼울더(252)를 형성한다. 쇼울더(252)가 유동-단부(237)와 동일한 전반적인 방향으로 대면한다.

피스톤(530)의 상부 밀봉부-결합 부분(240)이 원주방향 홈(242)을 포함한다. 홈(242)이 제1 환형 밀봉부(285)를 수용 및 유지하도록 구성된다. 그에 따라, 제어 밸브(500)의 경우에, 제1 환형 밀봉부(285)가 피스톤(530)과의 운동을 위해서 피스톤(530)으로 커플링된다. 보다 특히, 제1 환형 밀봉부(285)가 피스톤(230)의 외부 벽 내에 부분적으로 매립된다. 피스톤(230)의 하부 밀봉부-결합 부분(245)과 달리, 피스톤(530)에서, 하부 밀봉부-결합 부분(545)은 유동-단부(237)에 근접하여 환형 밀봉부를 수용하고 유지하기 위한 원주방향 홈을 포함하지 않는다.

도 10에 도시된 개방 구성에서, 제2 환형 밀봉부(286)가 피스톤의 하부 밀봉부-결합 부분(545) 및 하우징의 하부 챔버(226)와 밀봉식으로 결합하지 않는다. 밸브(500)가 개방될 때, 밀봉부(286)가 연장부(220)의 비-천공된 밀봉 영역(228)으로 커플링되어 유지되고 피스톤(230)과 접촉하지 않는다. 그 대신에, 피스톤(530)이 밸브 시트(280) 및 밀봉부(286)로부터 축방향으로 변위되고, 제어 밸브 유입구(260)가 개방 구성에서 유체 포트(265)와 유체 연통한다.

제어 밸브(500)가 유체 포트(265)에 인접한 중앙 유체 구역(290)을 포함하고, 제어 포트(270)에 인접한 제어 유체 구역(292) 및, 제어 밸브 유입구(260)에 인접한 유입구 유체 구역(295)을 포함한다. 중앙 유체 구역(290)이 유체 포트(265)와 유체 연통하고, 제어 유체 구역(292)이 제어 포트(270)와 유체 연통하며; 그리고 유입구 유체 구역(295)이 제어 밸브 유입구(260)와 유체 연통한다. 유체 구역(290, 292, 295)은, 유체 힘이 피스톤(530) 상으로 작용하는 위치를 설명한다. 중앙 유체 구역(290)이 피스톤(230)의 여러 표면 영역과 상부 및 하부 챔버(224, 226)의 여러 표면 영역 사이에서 반경방향으로 연장하고 제1 및 제2 환형 밀봉부(285, 286) 사이에서 축방향으로 연장한다. 도 10의 실시예에서, 유체 구역(290)의 형상 및 부피가, 적어도 부분적으로, 피스톤(530) 및 제1 환형 밀봉부(285)의 정지적인 제2 환형 밀봉부(286)에 대한 상대적인 운동으로 인해서, 변경되도록 구성된다. 유사하게 설명하면, 중앙 유체 구역(290)의 크기가 제1 및 제2 환형 밀봉부 사이의 가변 거리를 기초로 그리고 상부 및 하부 챔버(224, 226) 내의 피스톤(530)의 가변적인 축방향 위치를 기초로 변경될 수 있다. 결과적으로, 중앙 유체 구역(290)이, 밸브(500)가 폐쇄 구성에 있을 때, 일반적으로 환형이고, 도 10에 예시된 바와 같이, 밸브(500)가 개방 구성에 있을 때, 여러 경우에 피스톤 유동-단부(237)에 인접한 대체로 원통형인 부분을 포함한다.

도 10을 계속 참조하면, 유체와 피스톤(530) 사이에서 축방향 힘을 교환하도록 구성된 복수의 표면 영역 즉, 축방향으로-노출된 표면적을 가지고 밸브(500) 내의 유체로 노출되도록 구성된, 피스톤(530)으로 커플링된 표면 영역을 제어 밸브(500)가 포함한다. 이러한 복수의 표면 영역의 여러 가지 부재가 중앙 유체 구역(290) 내에(즉, 유체 구역(290)에 인접하여, 그 주위에, 또는 그 내부에) 배치된다. 그러한 영역이 환형 쇼울더(250, 252) 및 제1 환형 밀봉부(285)의 영역(285B)을 포함한다. (또한 도 5 참조.) 이러한 여러 가지 영역은 개념적으로 2개의 세트로 분리될 수 있다. 중앙 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 각각의 부재가 피스톤 하우징(510)의 헤드 부분(215)을 향해서 대체로 대면하는 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 제1 세트가, 축방향으로-노출된 면적(251)을 가지는, 제1 환형 쇼울더(250)의 표면 상의 영역을 적어도 포함한다. 이러한 제1 세트가 이러한 실시예에서 하나의 부재만을 갖는다. 표면 영역의 제2 세트의 각각의 부재가 피스톤 하우징(510)의 개방 단부(222)를 향해서 대체로 대면하는 축방향으로-노출된 표면적을 갖는다. 제2 세트가, 축방향으로-노출된 면적(453, 287B)을 각각 가지는, 적어도 보다 작은 환형 쇼울더(252)의 표면 상의 영역 및 제1 환형 밀봉부(285)의 영역(285B)을 포함한다. 유체 구역(290)(예를 들어, 면적(251)의 크기) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이, 적어도 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(226) 및 피스톤(530)과 밀봉식으로 결합할 때, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적(예를 들어, 면적(453, 287B)의 합계)을 초과한다. 예를 들어, 여러 실시예에서, 예를 들어, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 기껏해야 115%이다. 일부 다른 실시예에서, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 기껏해야 105%이다.

적어도 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(226) 및 피스톤(530)과 밀봉식으로 결합할 때, 피스톤(530) 상의 순 축방향 힘이 피스톤 하우징(510)의 개방 단부(222)를 향해서 작용하여, 폐쇄력으로서 작용하도록 편향된다. 유사하게 설명하면, 설명된 상황에서, 구역(290) 내에서 피스톤(530) 상으로 작용하는 폐쇄력의 합계가 구역(290) 내에서 피스톤(530) 상으로 작용하는 개방력의 합계를 초과한다. 전술한 바와 같이, 여러 실시예에서, 본원에서 설명된 임의 세트가 하나의 부재만을 구비할 수 있을 것이다.

이제 도 11 및 도 12를 참조하면, 피스톤 하우징 및 표면적-보상형 피스톤의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 피스톤 하우징(610) 및 표면적-보상형 피스톤(630)이, 전술한 피스톤 하우징(210) 및 피스톤(230) 대신에, 도 1의 제어 밸브(200)의 부재로서의 설치를 위해서 구성된다. 피스톤 하우징(610)이 중공형이고, 중앙 축(621), 대체로-원통형인 측벽(625), 하부 또는 개방 단부(622) 및 상부 단부(623), 그리고 상부 단부(623)로부터 개방 단부(622)까지 연장하는 원통형 챔버(624)를 포함한다. 복수의 개구 또는 유체 포트(665)가 개방 단부(622)에 근접한 측벽(625)을 통해서 반경방향으로 연장하여, 측벽(625)을 천공하고 유체 연통을 위해서 챔버(624)의 하부 단부와 만난다. 실제로, 예를 들어, 1, 2, 8, 15, 또는 그 초과의 유체 포트(665)를 포함하는 임의의 적합한 수의 유체 포트(665)가 측벽(625) 내에 형성될 수 있을 것이다.

개방 단부(622)와 유체 포트(665) 사이에서, 측벽(625)이 환형의, 비-천공된 밀봉 영역(628)을 포함한다. 도 1의 제어 밸브(200) 내에 설치되었을 때, 피스톤 하우징(610)의 상부 단부(623)가, 제어 포트(270)가 통과하여 연장하는, 밸브(200)의 제거 가능한 단부(208)에 의해서 축방향으로 유지되어, 챔버(624)의 상부 단부를 제어 포트(270)와 유체 연통하게 배치한다. 상부 단부(623)가 적어도 일부 실시예에서 제거 가능한 단부(208)에 의해서 폐쇄된다.

도 13에 가장 잘 도시된 바와 같이, 피스톤 하우징(610)이 복수의 도어(650) 및 도어 중 하나와 하우징 측벽(625) 사이에 배치된 복수의 도어 밀봉부(652)를 더 포함한다. 도어(650)가 중앙 축(621) 주위에서 피스톤 하우징(610)의 곡률에 합치되도록 곡선화된다. 각각의 도어(650)가 힌지(655)에 의해서 포트(665) 중 하나에 인접하여 측벽(625)으로 커플링된다. 힌지(655)이 도어(650)와 상부 단부(623) 사이에 축방향으로 배치된다. 설치 중의 편의를 위해서, 힌지(655)이 측벽(625) 내의 함몰부(recess) 내에 매립되고, 도어(650)가 폐쇄될 때, 측벽(625)을 넘어서서 반경방향으로 연장하지 않는다. 힌지(655)이 원통형 측벽(625)에 대해서 대체로 접선방향으로 배향된 회전 축(657)을 포함한다. 각각의 힌지(655)이 또한 상응하는 도어(650)를 도어 밀봉부(652) 및 유체 포트(665)와의 결합으로 편향시키도록 구성된 편향 부재(658)를 포함한다. 유동 조건에 따라서, 도어(650)가 포트(665)로부터 외측으로 그리고 위쪽으로 방향(659)을 따라 선회하도록, 그리고 도어 밀봉부(652)와 접촉하게끔 역으로 선회하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 각각의 도어(650)가 포트(665) 중 하나를 선택적으로 밀봉하도록 구성된다.

도 12를 다시 참조하면, 피스톤(630)이 대체로 원통형인 본체(632) 및 내부 공동(235)을 포함한다. 피스톤 본체(632)가 중앙 축(631), 제어 단부(633), 제어 단부(633)에 대향하는 유동-단부(237), 제어 단부(633)에 근접하거나 인접하는 상부 밀봉부-결합 부분(640), 및 유동-단부(237)에 근접하거나 인접하는 하부 밀봉부-결합 부분(645)을 포함한다. 상부 밀봉부-결합 부분(640)이, 하부 밀봉부-결합 부분(645)의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는다. 상부 밀봉부-결합 부분(640)이, 환형 밀봉부(285)를 수용하고 유지하도록 구성된, 원주방향 홈(642)을 포함한다. 그에 따라, 밀봉부(285)가, 피스톤(630)과 함께 이동하도록, 피스톤(630)의 벽 내에 커플링된다. 이러한 실시예에서, 환형 밀봉부(285)가 탄성적인 O-링이다. 피스톤 본체(632)가 또한, 상부 및 하부 밀봉부-결합 부분들(640, 645) 사이에서 연장하고 상부 및 하부 밀봉부-결합 부분(640, 645)의 직경 보다 작은 직경을 가지는 대체로 원통형인 중간 부분(648)을 포함한다. 일부 경우에, 중간 부분(648)의 감소된 직경이 피스톤(630)과 피스톤 하우징(610) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있을 것이다.

편향 부재(275)가 피스톤(630)의 공동(235) 내에 배치되고 피스톤(630)과 밸브(200)의 제거 가능한 단부(208) 사이에서 연장하도록 구성되어 피스톤(630)을 제거 가능한 단부(208)로부터 멀어지는 방향으로 편향시킨다. 환형 밀봉부(286)가 피스톤 하우징(610)의 개방 단부(622) 내의 홈(516) 내에 수용된다. 도 13에 도시되지는 않았지만, 밸브 시트(280)가, 도 10의 시트(280)와 유사하게, 개방 단부(622)와 나사식으로 결합되어, 챔버(624) 내에 설치되었을 때, 밀봉부(286)를 유지하고 피스톤(630)을 유지한다. 개방 단부(622) 및 밸브 시트(280)가, 도 10에 도시된 그리고 도 1에 표시된 밸브 유입구(260)와 유사한 피스톤 하우징(610)에 대한 제어 밸브 유입구(260)를 형성한다. 하우징(610) 내에 조립되었을 때, 피스톤(630)이 제어 밸브 유입구(260)와 유체 포트(665) 사이에 배치되고 중앙 축(621)을 따른 왕복 운동을 위해서 구성되어 유입구(260)와 유체 포트(665) 사이의 유체 연통을 허용하고, 이어서, 교호적으로, 그러한 유체 연통을 방지한다.

도 14는, 도 12의 피스톤(630)과 함께 동작하도록 구성되고, 피스톤 하우징(210) 및 피스톤(230) 대신에, 도 1의 제어 밸브(200) 내에서의 설치를 위해서 구성된 피스톤 하우징(710)을 제시한다. 피스톤 하우징(610)(예를 들어, 도 11)과 유사하게, 하우징(710)이 또한 선회 도어를 포함하나, 그 선회 방향이 상이하다. 피스톤 하우징(710)이, 피스톤 하우징(610)에서와 같이, 피스톤(630) 및 편향 부재(275)(도 12)와 조립된다. 피스톤 하우징(710)이 중앙 축(721) 및 피스톤 하우징(610)의 특징부와 유사한 몇몇 특징부를 포함한다. 예로서, 피스톤 하우징(710)이 대체로-원통형인 측벽(625), 하부 또는 개방 단부(622) 및 상부 단부(623), 상부 단부(623)로부터 개방 단부(622)까지 연장하는 원통형 챔버(624), 및 복수의 개구 또는 유체 포트(665)를 포함한다. 이러한 특징부의 모두를 도 14의 상면도 내에서 볼 수 있는 것은 아니다. 포트(665)가 개방 단부(622)에 근접한 측벽(625)을 통해서 반경방향으로 연장하여, 측벽(625)을 천공하고 유체 연통을 위해서 챔버(624)의 하부 단부와 만난다. 도 1의 제어 밸브(200) 내에 설치되었을 때, 피스톤 하우징(710)의 상부 단부(623)가, 제어 포트(270)가 통과하여 연장하는, 밸브(200)의 제거 가능한 단부(208)에 의해서 축방향으로 유지되어, 챔버(624)의 상부 단부를 제어 포트(270)와 유체 연통하게 배치한다.

피스톤 하우징(710)이 복수의 도어(750) 및 도어 중 하나와 하우징 측벽(625) 사이에 배치된 복수의 도어 밀봉부(652)를 더 포함한다. 도 14의 예가 4개의 도어(750)를 포함한다. 도어(750)가 중앙 축(721) 주위에서 피스톤 하우징(710)의 곡률에 합치되도록 곡선화된다. 각각의 도어(750)가 힌지(755)에 의해서 포트(665) 중 하나에 인접하여 측벽(625)으로 커플링된다. 힌지(755)이 도어(750)에 인접하여 축방향으로 배치된다. 힌지(755)이 중앙 축(721)에 평행하게 배향된 회전 축(757)을 포함한다. 각각의 힌지(755)이 또한 상응하는 도어(750)를 도어 밀봉부(652) 및 유체 포트(665)와의 결합으로 편향시키도록 구성된 편향 부재(758)를 포함한다. 유동 조건에 따라서, 도어(750)가 포트(665)로부터 외측으로 방향(759)을 따라 선회하도록, 그리고 도어 밀봉부(652)와 접촉하게끔 역으로 선회하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 각각의 도어(750)가 포트(665) 중 하나를 선택적으로 밀봉하도록 구성된다. 도 14의 도어 밀봉부(652)가 도 13의 도어 밀봉부(652)와 형상이 상이할 수 있을 것이다.

도 13에 도시되지는 않았지만, 도 10 및 도 11의 실시예와 유사하게, 밸브 시트(280)가 개방 단부(622)와 나사식으로 결합되어, 피스톤 하우징(710)의 챔버(624) 내에 설치되었을 때 환형 밀봉부(286)를 유지하고, 피스톤(630)을 유지한다. 피스톤 하우징(710), 개방 단부(622) 및 밸브 시트(280)가, 도 10에 도시된 그리고 도 1에 표시된 밸브 유입구(260)와 유사한 피스톤 하우징(710)에 대한 제어 밸브 유입구(260)를 형성한다. 하우징(710) 내에 조립되었을 때, 피스톤(630)이 제어 밸브 유입구(260)와 유체 포트(665) 사이에 배치되고 중앙 축(721)을 따른 왕복 운동을 위해서 구성되어 유입구(260)와 유체 포트(665) 사이의 유체 연통을 허용하고, 이어서, 교호적으로, 그러한 유체 연통을 방지한다.

도 1에 도시된 제어 밸브(200)의 밸브 본체(205) 내에 설치될 때, 도어 밀봉부(652)에 의해서 보조된 피스톤 하우징(610, 710)(도 11 및 도 14)의 각각의 도어(650, 750)가 유체 포트(665)를 통한 유체 연통을 교호적으로 허용하고 방지하여, 배출 파이프(110) 내의 압력(P2)이 공급 파이프(105) 내의 압력(P1) 보다 크고 밸브(200)가 폐쇄될 때, 피스톤(630)을 배출 파이프(110)로부터 격리시킨다. 결과적으로, 여러 경우에, 폐쇄된 도어(650, 750)는 배출 파이프(110)의 유체 압력(P2)이 피스톤(630) 상으로 작용하는 것 그리고 가능하게는 피스톤(630)을 이동시키는 것을 방지하여, 편향 부재(275)가 피스톤(630)을 밀봉부(286)에 대해서 안착시켜 유지하도록 그리고 밸브 시트(280)가 밸브(200)에 대한 폐쇄 구성을 유지하도록 보장한다. 그에 따라, 배출 파이프(110) 내의 압력(P2)이 공급 파이프(105) 내의 압력(P1) 보다 클 때, 배출 파이프(110)로부터 공급 파이프(105)로의 유체 역류가 방지된다. 피스톤 하우징(610, 710)의 도어(650, 750)가 제어 밸브(200)를 가공 공차의 또는 피스톤(630)의 여러 가지 표면 영역의 치수적 부정확성의 영향으로부터 격리시키도록 구성된다.

이제 도 15을 참조하면, 제어 시스템(100)에서 이용될 수 있는 다른 제어 밸브(800)가 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 제어 밸브(800)가 도 1의 제어 밸브(200)의 하위-조립체로서 설치된다. 제어 밸브(800)는 피스톤 하우징(810)을 포함하고, 그러한 피스톤 하우징 내에는 중앙 축(821)을 따라서 왕복 운동하여 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 밸브(800)를 전이시키도록 구성된 표면적-보상형 피스톤(830)이 배치된다. 도 15에서, 밸브(800)가 폐쇄 구성으로 도시되어 있다. 가장 현저하게, 피스톤 하우징(810)이 피스톤(830)으로 커플링된 복수의 활주 도어(850)를 포함한다.

도 16에 가장 잘 도시된 바와 같이, 피스톤 하우징(810)이, 예를 들어, 대체로-원통형인 측벽(625), 하부 또는 개방 단부(622) 및 상부 단부(623), 상부 단부(623)로부터 개방 단부(622)까지 연장하는 원통형 챔버(624), 및 복수의 원주방향으로 이격된 개구들 또는 유체 포트들(865)과 같은, 피스톤 하우징(610)의 특징부와 유사한 몇몇 특징부를 포함한다. 포트(865)가 개방 단부(622)에 근접한 측벽(625)을 통해서 반경방향으로 연장하여, 측벽(625)을 천공하고 유체 연통을 위해서 챔버(624)의 하부 단부와 만난다. 피스톤 하우징(810)이, 각각의 유체 포트(865)와 상부 단부(623)와 만나는, 측벽(625) 내에 배치된 축방향 연장 채널(812)을 더 포함한다. 상부 단부(623)로부터 볼 때, 채널(812)이 T-형상의 구조를 가지고, 그에 따라 채널(812)이 또한 T-형상의 채널(812)로 지칭될 수 있을 것이다. 채널(812)의 "T"의 베이스(814)가 챔버(624)에 대해서 반경방향으로 연장한다. T-형상의 채널(812)이 측벽(625)의 곡률과 합치되도록 곡선화된다.

피스톤(830)이 대체로 원통형인 본체(832) 및 내부 공동(235)을 포함한다. 피스톤 본체(832)가 중앙 축(831), 제어 단부(833), 제어 단부(833)에 대향하는 유동-단부(237), 제어 단부(833)에 근접하거나 인접하는 상부 밀봉부-결합 부분(840), 및 유동-단부(237)에 근접하거나 인접하는 하부 밀봉부-결합 부분(845)을 포함한다. 상부 밀봉부-결합 부분(840)이, 하부 밀봉부-결합 부분(845)의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는다. 상부 밀봉부-결합 부분(840)이, 상부 환형 밀봉부(285)를 수용하고 유지하도록 구성된, 원주방향 홈(842)을 포함한다. 그에 따라, 밀봉부(285)가, 피스톤(830)과 함께 이동하도록, 피스톤(830)의 벽 내에 커플링된다. 피스톤 본체(832)가 또한, 상부 및 하부 밀봉부-결합 부분들(840, 845) 사이에서 연장하고 상부 및 하부 밀봉부-결합 부분(845, 840)의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가지는 대체로 원통형인 중간 부분(848)을 포함한다. 피스톤(830)은, 제거 가능한 단부(208)로부터 멀어지는 방향으로 피스톤(830)을 편향시키기 위해서 피스톤(830)과 밸브(200)의 제거 가능한 단부(208) 사이에서 연장하도록 편향 부재(275)(도 1)를 수용하게끔 구성된 공동(235)을 더 포함한다.

이제 도 17 및 도 18을 참조하면, 도어(850)가 측벽(625) 및 채널(812)의 곡률과 합치되도록 곡선화된다. 각각의 도어(850)가 반경방향 내측으로 연장하는 중앙 부분(853)을 가지는 축방향으로-연장하는 본체 부분(851), 중앙 부분(853)의 각각의 측부(side) 상에 하나인, 2개의 축방향으로 연장하는 날개부(wing)(854), 중앙 부분(853) 및 날개부(854)를 가로질러 걸쳐지는 반경방향 외측 표면(852), 외측 표면(852) 내의 밀봉 홈(855), 각각의 도어(850)의 상단 연부로부터 반경방향으로 연장하는 부착 아암(856)을 포함한다. 도어 밀봉부(857)가 밀봉부 홈(855) 내에 수용되고 유지된다. 중앙 축(821)에 대해서 측정할 때, 부착 아암(856)이 중앙 부분(853)과 동일한 각도 폭을 갖는다.

도 15에 도시된 바와 같이, 각각의 도어(850)가 피스톤(830)으로 커플링된다. 이러한 실시예에서, 도어(850)와 피스톤(830) 사이의 커플링이 부착 아암(856)에서 달성된다. 도어(850) 및 그 부착 아암(856)이 T-형상의 채널(812) 내에 활주 가능하게 수용되고, 부착 아암(856)이 T-형상의 채널(812)의 베이스(814)를 통해서 반경방향으로 연장하고 챔버(624) 내로 연장한다. 도어 밀봉부(857)가 도어(850)의 외측 표면(852)과 하우징 측벽(625) 내의 상응하는 채널(812) 사이에 배치된다. 도어(850)가 피스톤(830)과 함께 축방향으로 이동하도록 구성되고, 도어 밀봉부(857)가 도어(850)와 함께 이동하도록 구성된다. 이러한 배열에서, 도어(850) 및 도어 밀봉부(857)의 각각의 쌍이 포트(865) 중 하나를 선택적으로 밀봉하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 도어 밀봉부(857) 중 적어도 하나가, 도어(850) 상의 밀봉 홈(855) 내에 매립되는 대신에, 포트(865) 주위의 대체로 고정된 위치에서 유지된다.

도 15에 도시되지는 않았지만, 도 10 및 도 11의 실시예와 유사하게, 밸브 시트(280)가 개방 단부(622)와 나사식으로 결합되어, 피스톤 하우징(810)의 챔버(624) 내에 설치되었을 때 환형 밀봉부(286)를 유지하고 피스톤(830)을 유지한다. 피스톤 하우징(810), 개방 단부(622) 및 밸브 시트(280)가, 도 10에 도시된 그리고 도 1에 표시된 밸브 유입구(260)와 유사한 피스톤 하우징(810)에 대한 제어 밸브 유입구(260)를 형성한다. 하우징(810) 내에 조립되었을 때, 피스톤(830) 및 도어(850)가 제어 밸브 유입구(260)와 유체 포트(865) 사이에 배치되고 중앙 축(821)을 따른 왕복 운동을 위해서 구성되어 유입구(260)와 유체 포트(865) 사이의 유체 연통을 허용하고, 이어서, 교호적으로, 그러한 유체 연통을 방지한다.

도 1의 제어 밸브(200)의 하위-조립체로서 설치될 때, 피스톤 하우징(810)의 상부 단부(623)가, 제어 포트(270)가 통과하여 연장하는, 밸브(200)의 제거 가능한 단부(208)에 의해서 축방향으로 유지되어, 챔버(624)의 상부 단부를 제어 포트(270)와 유체 연통하게 배치한다. 일부 실시예에서, 피스톤 하우징(810)이, 제어 밸브(200)(도 3) 내의 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215) 또는 제어 밸브(500)(도 10) 내의 피스톤 하우징(510)의 헤드 부분(215)과 유사한, 상부 단부(823)에 커플링된 별개의 헤드 부분을 포함한다.

도 15 및 도 1을 참조하면, 제어 밸브(200)의 하위-조립체로서 설치될 때 제어 밸브(800)의 동작이 피스톤(630)을 가지는 피스톤 하우징(610, 710)에 대해서 전술한 동작(도 11, 도 14, 및 도 12)과 유사하다. 도어 밀봉부(852)에 의해서 보조되는 피스톤 하우징(810)의 도어(850)가 유체 포트(865)를 통한 유체 연통을 교호적으로 허용하고 이어서 방지하여, 압력(P2)이 공급 파이프(105) 내의 압력(P1) 보다 크고 밸브(200)가 폐쇄될 때, 피스톤(830)을 배출 파이프(110)로부터 격리시킨다. 결과적으로, 여러 경우에, 폐쇄된 도어(850)는 배출 파이프(110)의 유체 압력(P2)이 피스톤(830)을 이동시키는 것을 방지하여, 편향 부재(275)가 피스톤(830)을 밀봉부(286)에 대해서 안착시켜 유지하도록 그리고 밸브 시트(280)가 밸브(200)에 대한 폐쇄 구성을 유지하도록 보장한다. 그에 따라, 배출 파이프(110) 내의 압력(P2)이 공급 파이프(105) 내의 압력(P1) 보다 클 때, 배출 파이프(110)로부터 공급 파이프(105)로의 유체 역류가 방지된다. 피스톤 하우징(810)의 도어(850)가 제어 밸브(200)를 가공 공차의 또는 피스톤(830)의 여러 가지 표면 영역의 치수적 부정확성의 영향으로부터 격리시키도록 구성된다.

도 19는, 예를 들어, 제어 밸브(200) 대신에, 도 1의 제어 시스템(100) 내에서 이용될 수 있는 제어 밸브의 또 다른 실시예를 제시한다. 이러한 실시예에서, 제어 밸브(900)가 밸브 본체(905), 밸브 본체(905)에 커플링된 제거 가능한 헤드 부분(915), 밸브 본체(905) 내에 배치된 중간 하우징 부재(920), 및 밸브 본체(905) 내에 배치된 표면적-보상형 피스톤(930)을 포함한다. 도 19의 실시예에서, 밸브 본체(905)가 도 1을 참조하여 설명한 밸브(200)의 밸브 본체(205)와 유사하거나 동일하다.

밸브 본체(905)가 제어 밸브 유입구 또는 개방 단부(906), 유입구(906)로부터 변위된, 배출 유체 포트로 지칭될 수 있는, 제어 밸브 출구(908), 개구부를 구비하고 일반적으로 유입구(906)와 출구(908) 사이에 그리고 그 위에 위치되는 상부 또는 제어 단부(910)를 포함한다. 밸브 본체(905)가 또한 유입구(906) 근처에 배치된 환형 밸브 시트(912), 및 밸브 시트(912) 및 제어 단부(910)의 개구부를 통해서 연장하는 피스톤 축(914)을 포함한다. 편의상, 제어 단부(910)가 또한 "제1 단부"로 지칭될 수 있을 것이고, 개방 단부(906)가 또한 "제2 단부"로 지칭될 수 있을 것이다. 본원에서 설명된 일부 실시예와 달리, 도 19의 제어 밸브(900)는 밸브 본체(05), 및 피스톤(930)의 대부분을 둘러싸는 부가적인 피스톤 하우징 모두를 포함하지 않는다. 그러나, 밸브 본체(905)가 피스톤 하우징으로서의 기능을 하고, 그에 따라 피스톤 하우징으로 지칭될 수 있을 것이다.

제거 가능한 헤드 부분(915)이 본체(905)의 제어 단부(910)를 커버하고 중간 하우징 부재(920) 및 피스톤(930)을 본체(905) 내에서 커플링 또는 제한한다. 제거 가능한 헤드 부분(915)이 제어 포트(270) 및 축방향으로 배치된 개구(918)를 포함한다.

중간 하우징 부재(920)가, 헤드 부분(915)에 인접하여 배치된 제1 또는 상부 단부(922) 및 상부 단부(922)에 대향하여 위치되는 단부 판(924)을 가지는 원통형 및 중공형이다. 축(914)과 정렬된 개구(925)가 단부 판(924)을 통해서 연장한다. 복수의 분출부(vent)(926)가 헤드 부분(215)을 통해서 그리고 중간 하우징 부재(920)의 측벽의 일부를 통해서 축방향으로 연장하나, 단부 판(924)을 통과하지 않는다. 단부 판(924)에 인접한 위치에서, 분출부(926)가 회전되고(turn) 부재(920)의 내측 표면을 통해서 반경방향으로 연장한다. 도 19는 2개의 분출부(926)를 도시하나, 다른 실시예가 단지 하나의 분출부를 가질 수 있거나 3, 4, 5, 또는 임의의 실질적인 수의 분출부(926)를 가질 수 있을 것이다.

중공형 하우징 부재(920) 및 밸브 본체(905) 내에서, 제어 단부(910)의 제1, 상부 챔버(927)가 단부 판(924)으로부터 헤드 부분(915)까지 연장한다. 또한 밸브 본체(905) 내에서, 제2, 하부 챔버(928)가 밸브 시트(912)로부터 적어도 하우징 부재(920)의 외측 표면까지 일반적으로 연장한다. 하부 챔버(928)가, 상부 챔버(927)에 대비할 때, 유입구(906) 즉, 개방 단부에 근접한다. 하부 챔버(928)가 제어 밸브 출구(908) 즉, 배출 유체 포트와 유체 연통하고, 제어 시스템(100) 내에 설치될 때, 배출 파이프(110)와 유체 연통한다. 하부 챔버(928)가 중간 하우징 부재(920)에 의해서 상부 챔버(927)로부터 분리되나, 적어도 피스톤(930)의 부재 시에, 단부 판(924) 내의 개구(925)가 챔버(927, 928)와 만나고 상호 연결된다. 넓은 의미에서, 개구(925)가 또한 중간 챔버로 지칭될 수 있을 것이다.

여전히 도 19를 참조하면, 피스톤(930)이 제1 또는 상부 단부(942) 및 제2 또는 하부 단부(943)를 가지는 피스톤 로드(940), 로드 제1 단부(942)로 커플링된 하부 디스크(945), 및 로드(940)의 길이를 따라서 선택된 위치에 커플링된 상부 디스크(960)로서 형성된다. 피스톤 로드(940)가 피스톤 축(914)을 따라서 연장한다. 피스톤 로드(940)가 디스크(945, 960) 보다 작은 직경을 갖는다. 상부 디스크(960)와 로드(940) 사이의 계면이 그들 사이의 유체 연통을 방지한다. 도 19에 도시된 실시예에서, 상부 디스크(960)가 하부 디스크(945) 보다 큰 직경을 갖는다. 그러나, 일부 다른 실시예에서, 상부 디스크(960)가 하부 디스크(945) 보다 작은 직경을 갖거나 디스크(945)의 직경과 동일한 직경을 갖는다. 일부 실시예의 경우에, 피스톤 로드(940)가 또한, 그 위치로 인해서, 제1 밀봉부-결합 부분 또는 중간 밀봉부-결합 부분으로 지칭되고; 하부 디스크(945)가 또한 제2 또는 하부 밀봉부-결합 부분으로 지칭되고, 그리고 상부 디스크(960)가 또한 제3 또는 상부 밀봉부-결합 부분으로 지칭된다.

제1 환형 부싱(966)이 피스톤 축(914)과 정렬되고 하우징 부재(920) 내의 상부 챔버(927) 내의 단부 판(924) 상에 배치된다. 부싱(966)은, 유체가 상부 챔버(927)와 하부 챔버(928) 사이에서 유동하는 것을 방해하거나 방지하도록 구성된다. 부싱(966)이 피스톤 로드(940)과 밀봉식으로 결합하는 제1 환형 밀봉부(285)와 함께 피스톤 로드(940)를 활주식으로 수용한다. 제2 환형 부싱(970)이 피스톤 축(914)과 정렬되고 밸브 본체(905) 외부의 헤드 부분(915)으로 커플링되어, 상부 챔버(927) 내에 존재하는 유체가 밸브 본체(905)를 빠져나가는 것을 방해하거나 방지한다. 부싱(970)이 피스톤 로드(940)과 밀봉식으로 결합하는 환형 밀봉부(289)와 함께 피스톤 로드(940)를 활주식으로 수용한다. 부싱(970)이 부싱(966)과 유사하거나 동일할 수 있을 것이고, 밀봉부(289)가 밀봉부(285)와 유사하거나 동일할 수 있을 것이다. 제어 밸브 유입구(906)에 보다 근접하여, 환형 밀봉부(286)가 밸브 시트(912)로 커플링되고 일부 실시예에서 "제2 환형 밀봉부"로 지칭될 수 있을 것이다.

제어 밸브(900)의 조립체 내에서, 피스톤(930)이 제어 밸브 유입구(906)와 출구(908) 사이에 배치된다. 피스톤(230)이, 개방 구성에서 유입구(906)와 출구(908) 사이의 유체 연통을 허용하도록, 그리고 교호적으로, 폐쇄 구성에서 유입구(906)와 출구(908) 사이의 유체 연통을 방지하도록, 하우징(905) 내의 중앙 축(914)을 따른 왕복 운동을 위해서 구성된다. 그에 따라, 피스톤(930)이 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 밸브(900)를 전이시키도록 구성된다. 도 19에서, 밸브(900)가 폐쇄 구성으로 도시되어 있고, 그러한 폐쇄 구성에서 하부 밀봉부-결합 부분(945)의 유동-단부(947)가 밸브 시트(912)에서 제2 환형 밀봉부(286)와 결합한다. 밸브(900)에 대한 폐쇄 구성이, 제2 환형 밀봉부(286)가 하부 챔버(928) 및 피스톤(930)의 하부 밀봉부-결합 부분(945)과 밀봉식으로 결합하는 조건으로서 마찬가지로 설명될 수 있을 것이다. 코일 스프링에 의해서 도 19에서 예시된 편향 부재(965)가 상부 단부(910)로부터 멀리 피스톤(930)을 편향시키도록 구성된다. 도 19에서, 편향 부재(965)가 피스톤 상부 디스크(960)와 제어 단부(933)에서의 헤드 부분(915) 사이에서 작용하도록 상부 챔버(927) 내에 설치된다.

하부 디스크(945) 상에서, 피스톤 유동 단부(947)의 최외측 환형 립(lip)(948)이 밀봉부(286)를 넘어서서 반경방향으로 연장하고, 립(948)이 하부 챔버(928)와 유체 연통되어 유지되며, 그에 따라, 밸브가 폐쇄되어 있는 동안에도, 하부 챔버(928) 내의 임의 유체가 립(948)의 축방향으로-노출된 표면적(949)에 대항하여(against) 작용한다. 면적(949)을 포함하는, 피스톤 유동-단부(947)가 개방 단부(906), 즉 제어 밸브 유입구를 향해서 대면한다. 표면적(949)이 편평하고 환형 형상이다. 하부 디스크(945)가 또한 피스톤 로드(940)에 인접한 환형 쇼울더(950)를 포함한다. 쇼울더(950)가 헤드 부분(915) 및 피스톤 하우징(210)의 제어 단부(906)를 향해서 대면하는 축방향으로-노출된 표면적(951)을 갖는다. 상부 디스크(960)가 상부 챔버(927) 및 중간 하우징 부재(920) 내에 배치된다. 환형 밀봉부(946)가 상부 디스크(960) 및 하우징 부재(920)의 내측 벽과 밀봉식으로 결합하여, 상부 챔버(927)를 2개의 구역으로 분할하고, 이에 대해서는 추후에 설명할 것이다.

제어 밸브(900)의 조립체가 4개의 유체 구역을 포함한다: 중앙 유체 구역(290), 제어 유체 구역(292), 분출된 유체 구역(293), 및 유입구 유체 구역(295). 이러한 실시예에서, 중앙 유체 구역(290)이 제1 및 제2 환형 밀봉부(285, 286) 사이에서 축방향으로 연장하여, 하부 챔버(928)와 중간 챔버(925)의 하부 섹션(즉, 개구(925))에 대체로 상응한다. 중앙 유체 구역(290)이 제어 밸브 출구 또는 배출 유체 포트(908)에 인접하고 유체 연통한다. 제어 유체 구역(292)이 헤드 부분(215)과 상부 디스크(960) 상의 밀봉부(946) 사이에서 축방향으로 연장하여, 상부 챔버(927)의 상부 부분에 상응한다. 상부 디스크(960) 및 구역(292)이 제어 포트(270)와 유체 연통한다. 상부 디스크(960)가 또한 피스톤(930)의 제어 단부로 지칭될 수 있을 것이다. 분출된 유체 구역(293)이 제1 환형 부싱(966) 상의 환형 밀봉부(285)와 상부 디스크(960) 상의 밀봉부(946) 사이에서 연장하여, 중간 하우징 부재(920) 내부의 상부 챔버(927)의 하부 부분에 상응한다. 중간 하우징 부재(920)의 측벽 내의 분출부(926)가 분출된 유체 구역(293)과 제어 밸브(900) 외부의 주변 조건 사이의 유체 연통을 제공하고, 그러한 주변 조건이, 예를 들어, 대기압의 공기 및 온도일 수 있을 것이다. 그에 따라, 주변 유체가 구역(293)과 제어 밸브(900) 외부의 주변 부피 사이에서 교환될 수 있을 것이다. 유입구 유체 구역(295)이 제어 밸브 유입구(260)를 포함하고, 밸브 시트(912)에 위치되는 제2 환형 밀봉부(286)까지 연장한다. 피스톤(930)이 왕복함에 따라, 일부 유체 구역의 크기가 변화될 수 있다.

유체와 피스톤(930) 사이에서 축방향 힘을 교환하도록 구성된 복수의 표면영역 즉, 축방향으로-노출된 표면적을 가지고 밸브(900) 내의 유체로 노출되도록 구성된 피스톤(930)의 표면 영역을 제어 밸브(900)가 포함한다. 이들 중에서, 피스톤(930) 상의 표면 영역의 제1 세트가 중앙 유체 구역(290) 내에 배치되고, 축방향으로-노출된 표면적을 가지는 각각의 표면 영역이 피스톤 하우징(즉, 밸브 본체(905))의 상부 단부(910)를 향해서 대체로 대면하고, 헤드 부분(915)을 향해서 대면한다. 피스톤(930) 상의 표면 영역의 제2 세트가 또한 중앙 유체 구역(290) 내에 배치되고, 축방향으로-노출된 표면적을 가지는 각각의 표면 영역이 하우징(905)의 개방 단부(922)를 향해서 대체로 대면한다. 표면 영역의 제2 세트의 부재가 제1 세트의 부재의 방향에 반대로 대면한다. 도 19의 실시예에서, 제2 환형 밀봉부(286)가 밸브 시트(912)에 고정되기 때문에, 그리고 밀봉부(286)가 유체 구역(290)의 하부 경계를 형성하기 때문에, 피스톤(930)의 부분이 밸브 동작 중에 중앙 유체 구역(290)과 유입구 유체 구역(295) 사이에서 이동한다. 그에 따라, 편의상, 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트 및 제2 세트의 부재가 밸브(900)의 폐쇄 구성을 기초로 규정될 것이다. 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트가 피스톤 쇼울더(950)의 축방향으로-노출된 표면적(951)을 포함한다. 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트가 피스톤 유동-단부(947)의 최외측 환형 립(948)의 축방향으로-노출된 표면적(949)을 포함한다. 도 19에서, 중간 밀봉부-결합 부분(940) 상의 특징부 및 상부 밀봉부-결합 부분(960) 상의 특징부가 중앙 유체 구역(290) 내에서 축방향으로-노출된 표면적을 포함하지 않는다. 또한, 상부 밀봉부-결합 부분 즉, 디스크(960)가 제1 환형 부싱(966)에 의해서 하부 챔버(928) 및 상응하는 유체 구역(290)으로부터 밀봉된다. 그에 따라, 이러한 실시예에서, 표면 영역의 제1 및 제2 세트 각각이 하나의 부재를 구비하나, 일부 실시예는 제1 세트 내에 또는 제2 세트 내에 보다 많은 부재를 포함할 수 있을 것이다.

폐쇄되었을 때 제어 밸브(900)를 안정화시키기 위해서, 중앙 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적을 초과한다. 보다 구체적으로, 피스톤 쇼울더(950)의 축방향으로-노출된 표면적(951)이 중앙 유체 구역(290) 내의 최외측 환형 립(948)의 축방향으로-노출된 표면적(949)을 초과한다. 결과적으로, 적어도 밸브(900)가 폐쇄 구성에 있을 때, 중앙 유체 구역(290) 내의 유체에 의해서 피스톤(930) 상으로 가해지는 순 축방향 힘이 피스톤 하우징(910)의 개방 단부(922)를 향해서 작용하여, 편향된, 폐쇄력으로서 작용한다.

제어 밸브(900)의 동작 중에, 제어 포트(270)를 통해서 진입하는 제어 유체가 상부 디스크(960)의 상부 표면(962) 상으로 작용하여 밸브(900)의 거동을 조절할 수 있을 것이다. 제어 유체에 의해서 가해지는 힘이 상부 표면(962)의 축방향으로-노출된 면적에 직접적으로 비례한다. 밸브(900)의 실시예를 디자인할 때, 상부 표면(962)의 축방향으로-노출된 면적이, 전술한 표면 영역의 제1 세트 및 표면 영역의 제2 세트를 포함하는, 중앙 유체 구역(290) 내에 위치된 피스톤(930)의 부분의 표면적과 독립적으로 변화될 수 있을 것이다. 유체 구역(290)과의 유체 연통으로부터 상부 디스크(960)를 격리시키는 것과 함께 상부 표면(962)의 이러한 독립성은, 피스톤(930) 상의 힘(즉, 예를 들어, 중앙 유체 구역(290), 제어 유체 구역(292), 및 유입구 유체 구역(295) 내의 유체 압력으로 인한 축방향 힘, 그리고 편향 부재(965)로 인한 힘)의 희망하는 균형을 디자인 하는 것 또는 성취하는 것이 통상적인 제어 밸브 보다 더 용이하거나 보다 강건할 수 있다는 것, 또는 본원에서 설명된 여러 다른 실시예 보다 더 용이하거나 강건할 수 있다는 것을 의미한다. 피스톤(930) 상의 힘의 균형의 평가는 피스톤(930)의 적어도 하나의 축방향 위치에 대해서 그리고 적어도 하나의 동작 조건 중에 피스톤(930) 상으로 작용하는 순 축방향 힘의 크기를 고려한다. 피스톤(930)에 대한 힘의 희망 균형을 가지는 것이 적절한 밸브 동작에 있어서 유리할 수 있을 것이다. 힘의 균형의 평가가 본원에서 개시된 임의의 피스톤 및 밸브에 대해서 실시될 수 있을 것이다.

분출된 유체 구역(293)으로 진입할 수 있는 주변 유체가 상부 디스크(960)에 대해서 상향, 폐쇄력을 가하여, 피스톤(930) 상의 힘의 균형에 영향을 미친다. 여러 가지 동작 상황에서, 주변 유체의 압력이 중앙 유체 구역(290) 내의 유체의 압력 보다 낮고, 그에 따라, 주변 유체에 의해서 상부 디스크(960)에 대해서 가해지는 폐쇄력이, 하우징 부재(920)가 없는 경우에, 중앙 유체 구역(290) 내의 유체가 상부 디스크(960)로 가할 수 있는 폐쇄력 보다 작다. 그에 따라, 중앙 유체 구역(290) 내의 유체로부터 상부 디스크(960)를 격리하는 하우징 부재(920)의 존재가, 피스톤(930) 상의 힘의 희망 균형을 달성하는데 있어서 유리할 수 있을 것이다. 하우징 부재(920)로부터의 장점에는, 밸브(900)가 폐쇄될 때, 피스톤(930) 상으로 작용하는 중앙 유체 구역(290) 내의 유체에 대한 순 폐쇄력을 달성하는 것이 포함될 수 있을 것이다.

이제 도 20을 참조하면, 파이프들(105, 110) 사이에 커플링된 표면적-보상형 제어 밸브(200)에 의해서 공급 파이프(105)로부터 배출 파이프(110)까지 유체의 유동을 통제하기 위한 유동 제어 시스템(980)이 도시되어 있다. 2개의 체크 밸브(982, 984)가 도 20의 시스템으로 부가된 것을 제외하고, 도 20의 배열이 도 1과 실질적으로 동일하다. 제1 체크 밸브(982)가, 공급 파이프(105)의 유체 포트(150)와 스로틀 밸브 유입구(132) 사이에서 공급 압력 라인(151) 내에, 예를 들어 배관 또는 파이프 내에 배치된다. 유체가 유체 포트(150)로부터 스로틀 밸브 유입구(132)까지 유동하도록 허용하도록 그리고 유체가 반대 방향으로 유동하는 것을 방지하도록, 체크 밸브(982)가 배향된다. 제2 체크 밸브(984)가, 특정 유동 조건의 제어 포트(270), 우회 파일롯 밸브(140) 및 매니폴드(160)와의 유체 연통을 위해서 배출 파이프(110)의 유체 포트(155)와 커플링되는 라인 내에 배치된다. 그에 따라, 제2 체크 밸브(984)가 유체 라인(156)과 유체 라인(271) 사이의 유체 연통을 위해서 커플링된다. 유체가 배출 파이프(110)로부터 제어 포트(270)까지 유동하도록 허용하도록 그리고 유체가 반대 방향으로 유동하는 것을 방지하도록, 체크 밸브(984)가 배향된다.

제1 체크 밸브(982)는, 예를 들어, 배출 압력(P2)이 공급 압력(P1) 보다 클 때, 배출 파이프(110)로부터, 파일롯 밸브(140), 매니폴드(160), 및 스로틀 밸브(130)를 통해서 공급 파이프(105)로 유체가 역류하는 것을 방지한다. 제2 체크 밸브(984)는, 배출 압력(P2)이 공급 압력(P1) 보다 클 때 여러 유동 조건 중에 밸브(200)의 폐쇄를 보조하거나 보장하여, 제어 밸브(200)를 통한 역류를 감소 또는 방지한다. 파일롯 밸브(140)가 완전히 폐쇄되는 상황에서, 제2 체크 밸브(984)가 특히 유리하다. 제2 체크 밸브(984)는, P2가 P1 보다 클 때, 제어 포트(270)로 도달하기 위한 그리고 축방향, 폐쇄력을 제어 단부(233) 및 피스톤(230)의 내부 공동(235)(도 4) 상으로 인가하기 위한 배출 파이프(110)로부터의 유체 압력을 위한 경로를 제공하고, 그에 의해서 밸브(200) 폐쇄에서 스프링(275)을 보조한다. 그에 따라, 각각의 체크 밸브(982, 984)의 목적은 특별한 경로를 따라서 배출 파이프(110)로부터 공급 파이프(105)까지 유체의 역류를 감소 또는 방지하기 위한 것이다.

도 20의 제어 밸브는 본원에서 설명된 또는 이러한 개시 내용의 범위 내에 포함되는 표면적-보상형 제어 밸브의 여러 가지 실시예 중 임의의 것을 나타낸다. 대안적으로, 2개의 체크 밸브(982, 984)를 가지는 유동 제어 시스템(980)의 다른 실시예가 제어 밸브(200) 대신에 통상적인 제어 밸브(미도시)를 포함한다. 통상적인 제어 밸브는, 피스톤(230, 430, 530, 등)과 같은 본원에서 개시된 표면적-보상형 피스톤을 포함하지 않는다. 2개의 체크 밸브(982, 984)의 이용은, 통상적인 제어 밸브가 시스템(980) 내에서 이용될 때에도, 배출 파이프(110)로부터 공급 파이프(105)로 유체가 역류하는 것을 방지할 수 있다.

본 개시 내용과 일치되는 여러 가지 실시예의 예가 제시되었다. 변경예가 고려된다. 예를 들어, 비록 도 2에서 코일형 압축 스프링이 도시되어 있지만, 일부 다른 실시예에서, 피스톤을 위한 편향 부재(275)가 파형 스프링, 코일형 연장 스프링, 또는 적절한 반응 부재 또는 피스톤 하우징의 표면으로 커플링된 다른 유형의 탄성 부재일 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 편향 부재(275)가, 가능하게는 피스톤 챔버 내로 연장하지 않고, 피스톤 상의 다른 위치, 예를 들어, 제1 단부(예를 들어, 제어 단부(233))의 외측 표면 또는 제2 단부(예를 들어, 유동-단부(237))의 외측 표면과 같은 위치에 커플링될 수 있을 것이다.

일부 제어 밸브 실시예에서, 제1 밀봉부(285)가 상부 내부 챔버(224) 주위의 피스톤 하우징(210, 510) 내의 홈 내에 배치되고, 예를 들어 피스톤(430)과 같은 피스톤이 상부 홈(242)을 가지지 않고 개방 단부(222)를 향해서 대면하는 보다 작은 환형 쇼울더를 가지지 않는 것을 생각할 수 있다. 이러한 실시예는, 개방 단부(222)를 향해서 대면하는 유체 구역(290) 내의 피스톤으로 커플링된 표면을 가지지 않는다. 그에 따라, 그러한 경우에, 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트가, 부재를 가지지 않는 빈(empty) 세트이다. 그러한 경우에도, (여러 장소에서 앞서서 규정된 바와 같은) 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 세트의, 전체적인, 즉 축방향으로-노출된 총 표면적이, 면적이 제로(zero)인, 유체 구역(290) 내의 표면의 제2 세트의, 축방향으로-노출된 총 표면적을 초과한다.

비록 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적 대 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 비율(즉: [제1 값]/[제2 값]*100%)이 여러 예에서 105% 또는 115%의 최대 값을 가지는 것으로 설명되었지만, 다른 비율이 가능하다. 제어 밸브(200, 500)의 일부 실시예에서, 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적이 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 115% 보다 크다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

유체 구역(290, 292, 295)이 여러 가지 제어 밸브의 구체적인 기하형태적 특징부에 대해서 규정되었다. 밸브의 특성 또는 기능을 설명할 때, 편의를 위해서, 유체 구역을 그와 같이 규정하였다. 밸브의 특성 또는 기능을 설명하기 위해서, 제어 밸브(200, 500)의 여러 가지 특징부에 대해서 또한 다른 유체 구역이 규정될 수 있을 것이다.

비록, 환형 밀봉부(285, 286)가 탄성적인 O-링으로서 설명되었으나, 다른 실시예에서, 다른 적합한 유형의 밀봉부가 이용될 수 있을 것이다. 밀봉부(285, 286)의 재료가 의도된 유체(들) 및 예상되는 유동 조건에 맞춰 선택된다.

비록 피스톤(430)의 쇼울더(450)가 도 9에서 테이퍼링된 표면으로서 도시되어 있으나, 다른 실시예에서, 쇼울더(450)가, 도 4의 환형 쇼울더(250)와 유사하게, 엄격하게 반경 방향으로 연장하거나, 쇼울더(450)가 밀봉부-결합 부분들(440, 445) 사이에서 곡선화된다. 쇼울더(450)가 테이퍼링화되거나, 곡선화되거나, 엄격하게 반경방향으로 연장하거나 간에, 전반적으로 제어 단부(233)를 향해서 대면하는 쇼울더(450)의 축방향으로-노출된 표면적(451)이 동일하다. 쇼울더(450)의 축방향으로-노출된 표면적(451)이 제어 밸브(200) 내의 피스톤(430)의 성능에 영향을 미친다. 유사하게, 피스톤(230, 530)의 여러 실시예에서, 환형 쇼울더(250)가 테이퍼링되거나 곡선화된다.

비록, 측벽(625)으로 커플링된 헤드 부분이 없이 도 11의 피스톤 하우징(610)이 도시되어 있지만, 밸브(200)의 제거 가능한 단부(208)가 피스톤 하우징(610)에 대한 헤드 부분으로서 작용하고, 그리고 일부 실시예에서, 제거 가능한 단부(208)가 피스톤 하우징(610)의 상부 단부(623)으로 커플링된다. 일부 다른 실시예에서, 피스톤 하우징(610)이, 제어 밸브(200)(도 3) 내의 피스톤 하우징(210)의 헤드 부분(215) 또는 제어 밸브(500)(도 10) 내의 피스톤 하우징(510)의 헤드 부분(215)과 유사한, 상부 단부(623)에 커플링된 별개의 헤드 부분을 포함한다.

비록 힌지(755)이 도 14에서 피스톤 하우징(710)의 측벽(625) 외부에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 힌지(755)이 측벽(625) 내의 함몰부 내에 위치되고 도어(750)가 폐쇄될 때 측벽(625)을 넘어서서 반경방향으로 연장하지 않는다.

부착 아암(856)이 각각의 도어(850)의 상단 연부로부터 반경방향으로 연장하는, 도 15의 제어 밸브(800)를 다시 참조한다. 일부 실시예에서, 부착 아암이 도어 상의 다른 위치로부터 연장하거나, 도어(850)가 부착 아암(856)의 개재 없이 당업계에 공지된 다른 적합한 방식으로 피스톤(830)으로 커플링될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도어(850)가 피스톤(830)의 외측, 원통형 표면으로 커플링될 수 있을 것이다. 피스톤(830)을 참조하면, 일부 실시예에서, 피스톤(830)과 피스톤 하우징(810) 사이의 마찰을 줄이기 위해서, 중간 부분(848)이 밀봉부-결합 부분(840, 845) 보다 작은 직경을 갖는다. 제어 밸브(800)의 일부 실시예에서, 피스톤(830)이 도 12의 피스톤(630)에 의해서 대체된다.

다시, 도 16의 제어 밸브(900) 및 중간 하우징 부재(920)를 참조한다. 비록 제1 환형 부싱(966)이 상부 챔버(927)와 제2 환형 부싱(970) 내에 위치되고 제2 환형 부싱(970)이 밸브 본체(905) 외부의 헤드 부분(915)으로 커플링되지만, 일부 실시예에서, 부싱(966, 970)이 편의상 또는 구조적 장점을 위해서 재배치될 수 있을 것이다. 일부 다른 실시예에서, 피스톤 로드(940)의 단부(942)가 더 짧고, 상부 디스크(960)에서 또는 그에 인접하여 종료되고; 피스톤 로드(940)가 헤드 부분(915)을 통해서 연장하지 않으며; 제2 환형 부싱(970)이 포함되지 않는다. 피스톤 로드(940)가 헤드 부분(915)을 통해서 연장하지 않는 실시예에서, 헤드 부분(915)이 유리한 위치에 배치된 제어 포트(270)를 구비하나, 부가적인 개구(918)를 구비하지 않는다. 일부 실시예가 제1 환형 부싱(966)을 가지지 않고; 그 대신에, 제1 환형 밀봉부(285)가 단부 판(924)과 피스톤 로드(940) 사이에 커플링될 수 있을 것이다. 제어 밸브(900)의 일부 실시예에서, 밀봉부(928)가 밸브 시트(912) 대신에 피스톤(930)으로 커플링된다.

제어 밸브(900)의 경우에, 중앙 유체 구역(290) 내의 표면 영역의 제1 및 제2 세트가 하나의 축방향으로-노출된 표면적을 각각, 즉 하나의 부재를 각각 가지는 것으로 설명되었다. 그러한 경우에도, 일부 실시예가 제1 세트 또는 제2 세트 내에 보다 많은 부재를 포함할 수 있거나, 제1 세트 내에 또는 제2 세트 내에 부재를 포함하지 않을 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 밸브(900)가 폐쇄될 때 피스톤 유동 단부(947)의 전체가 하부 챔버(928) 및 중앙 유체 구역(290) 내의 유체로부터 밀봉되고, 그에 따라 피스톤 유동 단부(947)의 어떠한 부분도 하부 챔버(928)와 유체 연통되어 유지되지 않고, 결과적으로, 면적(949)의 크기가 영이다. 그에 따라, 구역(290) 내의 표면 영역의 제2 세트가, 부재를 가지지 않는, 빈 세트로서 설명될 수 있는데, 이는 밸브(900)가 폐쇄될 때 구역(290) 내에 위치되는 피스톤(930)의 표면이 피스톤 하우징(즉 밸브 본체)(905)의 개방 단부(922)를 향해서 대면하는 축방향으로-노출된 표면적을 가지지 않기 때문이다.

또한, 도 1을 참조하여 개시된 유동 제어 시스템(100)이 또한, 유동 제어 시스템(980)에 대해서 도 20을 참조하여 도시하고 설명한 바와 같이, 공급 파이프(105)의 유체 포트(150)와 스로틀 밸브 유입구(132) 사이의 라인 내에 배치된 제1 체크 밸브(982)를 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 여러 실시예에서, 유동 제어 시스템이 위치를 가지지 않는(no location), 하나의 위치의, 또는 2개의 위치의 체크 밸브를 포함할 수 있을 것이다.

그에 따라, 예시적인 실시예를 도시하고 설명하였지만, 그러한 실시예에 대한 수정이, 본원의 범위 또는 교시 내용으로부터 벗어나지 않고도, 당업자에 의해서 이루어질 수 있다. 본원에서 설명된 실시예가 단지 예시적인 것이고 제한적인 것은 아니다. 본원에서 설명된 시스템, 장치, 및 프로세스에 관한 많은 변경 또는 수정이 가능할 것이고 개시 내용의 범위에 포함된다. 따라서, 보호 범위가 본원에서 설명된 실시예로 제한되지 않고, 이하의 청구항에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구항의 청구 대상의 모든 균등물을 포함할 것이다.

Claims

제어 밸브로서,
제1 단부, 개방 단부, 상기 제1 단부에 인접한 내부 제1 챔버, 상기 개방 단부에 인접한 내부 제2 챔버, 및 상기 내부 제2 챔버와의 유체 연통을 허용하도록 구성된 유체 포트를 구비하는 중공형 부분을 포함하는 피스톤 하우징;
상기 피스톤 하우징 내에 배치되고, 상기 제2 챔버를 통한 상기 개방 단부와 상기 유체 포트 사이의 유체 연통을 제어하기 위하여 왕복 운동을 하도록 구성된 피스톤으로서, 상기 피스톤은 제1 밀봉부-결합 부분 및 제2 밀봉부-결합 부분을 포함하고, 상기 제1 밀봉부-결합 부분은 상기 제2 밀봉부-결합 부분의 직경보다 더 작은 직경을 가지는, 피스톤;
상기 피스톤 하우징의 제1 단부를 향해 대면하고, 제1 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제1 세트; 및
상기 피스톤 하우징의 개방 단부를 향해 대면하고, 제2 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제2 세트
를 포함하고,
상기 제1 축방향으로-노출된 총 표면적은 상기 제2 축방향으로-노출된 총 표면적을 초과하며,
상기 피스톤은 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 왕복 운동하도록 구성되고, 상기 폐쇄 구성에서는 상기 피스톤 하우징의 개방 단부와 상기 제2 챔버 사이의 유체 연통이 방지되고, 상기 개방 구성에서는 상기 개방 단부와 상기 제2 챔버 사이의 유체 연통이 허용되고,
상기 제어 밸브가 상기 폐쇄 구성에 있을 때, 상기 표면 영역의 제1 및 제2 세트는 상기 제2 챔버에 배치되며,
상기 피스톤의 제1 밀봉부-결합 부분은 상기 피스톤 하우징의 제1 챔버와 밀봉식으로 결합하여, 상기 제1 챔버의 밀봉된 부분이 상기 제2 챔버와 유체 연통하는 것을 격리시키고,
상기 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분은 상기 피스톤 하우징의 제2 챔버에 배치되는, 제어 밸브.
제1항에 있어서,
상기 제1 챔버 및 상기 피스톤의 제1 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하고, 상기 제1 챔버의 밀봉된 부분과 상기 제2 챔버 사이의 유체 유동을 방지하도록 구성된 제1 환형 밀봉부; 및
상기 제1 환형 밀봉부로부터 축방향으로 이격되고, 상기 제2 챔버 및 상기 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하도록 구성된 제2 환형 밀봉부를 더 포함하고,
유체 구역이 상기 제1 및 제2 환형 밀봉부 사이에 배치되고, 상기 유체 구역은 상기 제2 챔버 및 상기 유체 포트와 유체 연통하는, 제어 밸브.
제2항에 있어서,
상기 제어 밸브가 폐쇄 구성에 있을 때, 상기 제2 환형 밀봉부는 상기 제2 챔버 및 상기 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하고,
상기 제어 밸브가 상기 폐쇄 구성에 있을 때, 상기 표면 영역의 제1 및 제2 세트는 상기 유체 구역에 배치되는, 제어 밸브.
제3항에 있어서,
상기 표면 영역의 제2 세트는 오직 하나의 표면 영역만을 포함하는, 제어 밸브.
유동 제어 밸브를 포함하는 유동 제어 시스템으로서,
상기 유동 제어 밸브는,
헤드 부분 및 상기 헤드 부분에 커플링된 중공형 연장부를 포함하는 피스톤 하우징으로서, 상기 연장부는 제어 밸브 유입구를 가진 개방 단부, 상기 헤드 부분과 상기 개방 단부 사이에서 연장되는 내부 제1 및 제2 챔버, 및 상기 제2 챔버와의 유체 연통을 허용하도록 구성된 유체 포트를 구비하고, 상기 제1 챔버는 상기 헤드 부분에 인접하고, 상기 제2 챔버는 상기 개방 단부에 인접하는, 피스톤 하우징;
상기 하우징 내에 배치되고, 상기 제2 챔버를 통한 상기 제어 밸브 유입구와 유체 포트 사이의 유체 연통을 제어하기 위하여 왕복 운동을 하도록 구성된 피스톤으로서, 상기 피스톤은 제1 밀봉부-결합 부분 및 제2 밀봉부-결합 부분을 포함하고, 상기 제1 밀봉부-결합 부분은 상기 제2 밀봉부-결합 부분의 직경보다 더 작은 직경을 가지는, 피스톤;
상기 피스톤 하우징의 제1 단부를 향해 대면하고, 제1 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제1 세트; 및
상기 피스톤 하우징의 개방 단부를 향해 대면하고, 제2 축방향으로-노출된 총 표면적을 가지는 표면 영역의 제2 세트
를 포함하고,
상기 제1 축방향으로-노출된 총 표면적은 상기 제2 축방향으로-노출된 총 표면적을 초과하며,
상기 피스톤은 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 왕복 운동하도록 구성되고, 상기 폐쇄 구성에서는 상기 피스톤 하우징의 개방 단부와 상기 제2 챔버 사이의 유체 연통이 방지되고, 상기 개방 구성에서는 상기 개방 단부와 상기 제2 챔버 사이의 유체 연통이 허용되고,
상기 제어 밸브가 상기 폐쇄 구성에 있을 때, 상기 표면 영역의 제1 및 제2 세트는 상기 제2 챔버에 배치되며,
상기 피스톤의 제1 밀봉부-결합 부분은 상기 피스톤 하우징의 제1 챔버와 밀봉식으로 결합하여, 상기 제1 챔버의 밀봉된 부분이 상기 제2 챔버와 유체 연통하는 것을 격리시키고,
상기 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분은 상기 피스톤 하우징의 제2 챔버에 배치되는, 유동 제어 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제어 밸브는,
상기 피스톤과 상기 피스톤 하우징 사이에 배치되고, 상기 피스톤을 상기 하우징의 헤드 부분으로부터 멀어지는 방향으로 편향시키도록 구성되는 편향 부재;
상기 제1 챔버 내에 배치되고, 상기 제1 챔버 및 상기 피스톤의 제1 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하도록 구성된 제1 환형 밀봉부; 및
상기 제1 환형 밀봉부로부터 축방향으로 이격되고, 상기 제2 챔버 내에 배치되는 제2 환형 밀봉부로서, 상기 제2 챔버 및 상기 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분과 밀봉식으로 결합하도록 구성되는, 제2 환형 밀봉부를 더 포함하고;
상기 제1 및 제2 챔버는 서로 접하며,
유체 구역이 상기 제1 및 제2 환형 밀봉부 사이에서 연장되고, 상기 유체 구역은 상기 유체 포트와 유체 연통하는, 유동 제어 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 환형 밀봉부는 상기 중공형 연장부의 내부 원통형 벽 상의 환형의 밀봉 영역 내에 배치되는, 유동 제어 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 환형 밀봉부는 상기 피스톤의 제2 밀봉부-결합 부분 상의 환형 함몰부 내에 배치되는, 유동 제어 시스템.
제6항에 있어서,
상기 피스톤은 제1 환형 쇼울더를 포함하고, 상기 환형 쇼울더는 상기 제1 및 제2 밀봉부-결합 부분 사이에 배치되고 또한 상기 유체 구역에 배치되는, 유동 제어 시스템.
제6항에 있어서,
상기 표면 영역의 제1 및 제2 세트는 상기 유체 구역 내의 표면 영역만을 포함하는, 유동 제어 시스템.
제10항에 있어서,
상기 표면 영역의 제1 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적은 상기 표면 영역의 제2 세트의 축방향으로-노출된 총 표면적의 105% 이하인, 유동 제어 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제어 밸브는 상기 헤드 부분에 인접한 제어 포트를 포함하고,
상기 유동 제어 시스템은,
공급 파이프;
배출 파이프;
상기 공급 파이프와 유체 연통하는 제1 시스템 포트;
상기 배출 파이프와 유체 연통하는 제2 시스템 포트;
상기 제1 시스템 포트와 유체 연통하는 유입구를 구비하고, 상기 제어 밸브의 제어 포트와 유체 연통하는 출구를 구비하는 스로틀 밸브; 및
상기 제어 밸브의 제어 포트 및 상기 스로틀 밸브의 출구와 유체 연통하는 제1 파일롯 포트를 구비하고, 상기 제2 시스템 포트와 유체 연통하는 제2 파일롯 포트를 가지는 파일롯 밸브를 더 포함하고,
상기 제어 밸브는 상기 공급 파이프와 상기 배출 파이프 사이에 배치되는, 유동 제어 시스템.
제12항에 있어서,
상기 스로틀 밸브와 파일롯 밸브 중 적어도 하나는 오리피스가 조정 가능한, 유동 제어 시스템.
제12항에 있어서,
상기 피스톤 상의 그리고 상기 제1 및 제2 밀봉부-결합 부분 사이에 배치되고, 상기 피스톤 하우징의 헤드 부분을 향해 대면하는 환형 쇼울더를 더 포함하는, 유동 제어 시스템.
제어 밸브로서,
중앙의 축을 가지는 중공형 부분, 개방 단부를 가지는 하우징 측벽, 상기 측벽을 통해서 연장되는 복수의 유체 포트, 및 복수의 도어를 포함하는 피스톤 하우징으로서, 각각의 도어가 상기 유체 포트 중 하나를 선택적으로 밀봉하도록 구성되는, 피스톤 하우징; 및
상기 피스톤 하우징 내에 배치되고 상기 피스톤 하우징 내에서 왕복 운동을 하도록 구성된 피스톤으로서, 중앙인 축 및 상부 밀봉부-결합 부분을 포함하는, 피스톤을 포함하는, 제어 밸브.
제15항에 있어서,
상기 피스톤의 상부 밀봉부-결합 부분과 상기 측벽 사이에 배치되고, 상기 상부 밀봉부-결합 부분 및 상기 측벽과 밀봉식으로 결합하도록 구성된 제1 환형 밀봉부; 및
상기 하우징 측벽과 상기 도어 중 하나의 사이에 각각 배치되는, 복수의 도어 밀봉부를 더 포함하는, 제어 밸브.
제16항에 있어서,
복수의 힌지를 더 포함하고, 각각의 힌지는 회전 축을 가지고, 각각의 힌지는 상기 하우징 측벽에 그리고 상기 도어 중 하나에 커플링되는, 제어 밸브.
제17항에 있어서,
상기 힌지 중 하나 이상의 힌지가 편향 부재를 포함하고, 상기 편향 부재는 커플링된 도어를 상기 유체 포트 중 하나와 밀봉 결합하도록 편향시키고,
상기 힌지 중 하나 이상의 힌지의 회전 축이 상기 하우징의 중앙 축에 평행하게 배향되는, 제어 밸브.
제16항에 있어서,
상기 복수의 도어는 상기 피스톤과 결합하고, 상기 피스톤과 함께 왕복 운동하도록 구성되는, 제어 밸브.
제19항에 있어서,
상기 피스톤 하우징은 상기 하우징 측벽 내에 배치된 복수의 축방향-연장 채널을 더 포함하고, 각각의 채널은 유체 포트와 만나며,
각각의 도어는 상기 축방향-연장 채널 중 하나 내에 배치되고 그 내부에서 축방향 왕복 운동하도록 구성되는, 제어 밸브.