KR20200140863A - 회전식 밸브 및 액추에이터 - Google Patents

Abstract

회전식 압력 방출 밸브 조립체가 제공된다. 상기 조립체는 버터플라이 밸브, 스프링 액추에이터, 및 유연막이 있는 다이어프램 장치를 포함할 수 있다. 링키지 어셈블리에는 제1단과 제2단이 구비되어 있을 수 있고, 상기 제1단은 스프링 액추에이터의 피스톤의 종단과 체결되도록 구성될 수 있고, 상기 제2단은 상기 다이어프램 장치의 래치암과 체결되도록 구성될 수 있다. 파일럿 튜브는 인입 유압을 상기 버터플라이 밸브의 입구측으로부터 밀봉 체임버로 전달하도록 구성될 수 있다. 상기 조립체는 좌굴핀이 있는 좌굴핀 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 상기 다이어프램 장치는 상기 인입 유압을 압축력으로 변환하고 상기 압축력을 상기 좌굴핀으로 전달하도록 구성될 수 있고, 상기 래치암은 상기 좌굴핀이 좌굴된 경우에 상기 링키지 어셈블리의 상기 제2단으로부터 체결 해제되도록 구성될 수 있다.

Description

회전식 밸브 및 액추에이터

본 개시는 가압 시스템(pressurized system)으로부터의 압력을 방출하기 위한 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 압력을 방출하는데 활용될 수 있는 회전식 밸브 조립체, 압력 방출 밸브와 함께 사용되는 액추에이터 장치, 및 이러한 밸브 조립체 및/또는 액추에이터 장치를 포함하는 조립체에 관한 것이다.

많은 종류의 시스템이 가압 유체를 처리 또는 활용한다. 이러한 종류의 시스템의 안전을 보장하기 위하여, 이러한 시스템 각각은 일반적으로 시스템의 과압(over-pressurization)을 방지하도록 설계된 안전 장치를 포함한다. 시스템 내의 유체가 위험 수준까지 도달하는 비상 상황에서, 유체의 고압이 안전 장치에 작용하여 개구를 생성하고 시스템으로부터 유체를 방출한다. 개구를 통해 유체를 주변 환경 또는 안전 저장소로 방출함으로써, 시스템의 압력이 감소되고, 고압 유체로 인한 시스템 고장이 방지된다.

가압 시스템의 안전 장치의 한 유형에는 압력 방출 밸브가 있다. 압력 방출 밸브는 복구형(reclosing) 밸브이거나 비복구형(non-reclosing) 밸브일 수 있다. 압력 방출 밸브는 해제 메커니즘을 포함할 수 있고, 해제 메커니즘은 스프링, 핀, 또는 스프링과 핀의 조합을 포함할 수 있고 이동 플러그를 가압시스템에 연결된 상태에서 장치의 본체 또는 하우징과 밀봉 체결된 상태로 고정하는데 사용될 수 있다. 시스템에서 유체의 압력이 미리 정해진 안전 수준에 도달하는 경우, 가압 유체에 의해 플러그에 가해진 힘은 스프링의 바이어스(bias)를 돌파하거나 플러그를 위치 고정하는 핀의 저항을 초과하게 된다. 이러한 상황 중의 어느 하나라도 발생하는 경우, 가압 유체는 플러그를 움직여서 개구를 노출시키고, 이 개구를 통해 유체가 탈출하여 시스템의 압력을 방출할 수 있다. 스프링 또는 기타 메커니즘이 플러그를 재안착(reseat) 시킬 수 있을 정도로 장치 입구의 가압 유체가 충분히 감소한 경우에, 복구형 밸브는 자동으로 재설정 되게 된다. 비복구형 밸브의 경우, 밸브 플러그가 씰(seal)과 다시 체결되도록 장치가 수동으로 재설정되어야 하고, 필요한 경우에는 핀 또는 기타 소모 부품이 교체되어야 한다.

압력방출장치의 한 종류에는 회전식 밸브 조립체가 있다. 공지의 회전식 밸브 조립체는 본 개시의 출원인이 권리자인 미국 특허 번호 제5607140, 제5947445, 제6098495, 제6367498, 제6488044, 및 제6491055에 개시되어 있으며, 각 특허의 내용은 전체적으로 본 개시에 참조되어 있다. 회전식 밸브는 회전식 샤프트에 장착되고 유체의 흐름을 차단하는 폐쇄 위치와 밸브를 통한 유체의 흐름을 허용하는 개방 위치 사이에서 회전될 수 있는 플러그를 포함한다. 플러그는 수동으로 또는 다른 외부의 힘에 의해 개방 위치로 회전될 수 있다. 또는, 플러그는 플러그의 회전축이 플러그의 중심에 비해 오프셋(offset)되도록 샤프트 상에 장착되어 가압 유체가 샤프트 상에 토크(torque)를 가하여 플러그가 회전하도록 할 수 있다. 샤프트 상의 토크가 특정 수준에 도달하여 유체의 압력이 과압 상태까지 도달했음을 나타낼 때까지 샤프트가 회전하지 못하도록 하는 장치가 샤프트 상에 장착될 수 있다. 이 지점에서, 샤프트는 해제되고 플러그는 회전하여 밸브를 개방하고 시스템의 압력을 방출한다.

회전식 밸브의 한 유형은 버터플라이 밸브(butterfly valve)로 알려져 있다. 일반적으로, 표준형 버터플라이 밸브는, 밸브가 소프트 시트 설정(soft seat arrangement)으로 구비되었는지 또는 하드 시트 설정(hard seat arrangement)으로 구비되었는지에 무관하게, 폐쇄 위치를 유지하기 위하여 상당한 힘/토크를 필요로 한다. 이러한 힘/토크는 밸브 교정(calibration) 동안 및 정상 시스템 운영 조건 하에서 고정 위치로 걸릴 수 있는 스프링 액추에이터(spring actuator)에 의해 제공될 수 있다. 미리 정해진 시스템 압력 조건으로 인해 좌굴핀 트리거(buckling pin trigger)가 기능하는 경우, 스프링 힘이 해제되어 버터플라이 밸브가 개방된다. 버터플라이 밸브의 한 유형은 오프셋 축을 활용한다. 오프셋 축이 활용되는 경우, 프로세스 압력은 밸브의 회전 개방을 지원할 수 있다.

해제 메커니즘의 일부로서 좌굴핀을 활용하는 전형적인 압력 방출 밸브에서, 밸브 플러그에 작용하는 압력은 기계적으로 전달된 힘으로서 밸브 플러그로부터 좌굴핀으로 전달된다. 전형적으로, 힘은 서로 연결된 하나 이상의 기계적 부품을 통해 플러그로부터 좌굴핀으로 전달된다. 본 개시는 밸브 플러그로부터 전달된 기계적 힘의 수신에 의존하지 않는 새로운 밸브 해제 메커니즘을 제공하면 이점이 있을 수 있다는 점을 인식하고 있다.

일 실시예에서, 회전식 압력 방출 밸브 조립체는 입구측과 출구측이 있는 버터플라이 밸브(butterfly valve); 피스톤을 포함하는 스프링 액추에이터(spring actuator)―여기서, 피스톤은 끝이 종단 내부까지 이어짐; 유연막(flexible membrane)을 포함하는 다이어프램(diaphragm) 장치―여기서, 유연막은 다이어프램 장치 내에 유압 밀봉 체임버(pneumatically sealed chamber)를 형성하고, 다이어프램 장치는 래치암(latch arm)을 더 포함함―를 포함할 수 있다. 링키지 어셈블리(linkage assembly)에는 제1단과 제2단이 구비될 수 있고, 여기서, 제1단은 피스톤의 종단과 체결되도록 구성되고, 제2단은 래치암과 체결되도록 구성된다. 파일럿 튜브(pilot tube)는 인입 유압을 버터플라이 밸브의 입구측으로부터 밀봉 체임버로 전달하도록 구성될 수 있다. 상기 조립체는 좌굴핀을 포함하는 좌굴핀 메커니즘을 더 포함할 수 있고, 여기서 다이어프램 장치는 인입 유압을 압축력으로 변환하고 압축력을 좌굴핀으로 전달하도록 구성되고, 래치암은 좌굴핀이 좌굴되는 경우에 링키지 어셈블리의 제2단으로부터 체결 해제되도록 구성된다.

본 명세서에 포함되고 일부를 구성하는 첨부 도면은 여러 실시예들을 도시하고 있으며 본 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 1은 좌굴핀 장치를 부분 단면도로 도시한 압력방출장치 조립체를 도시한 것이다.
도 2는 압력방출장치 조립체의 다른 실시예의 사시도를 도시한 것이다.
도 3 내지 도 5는 압력방출장치 조립체의 또 다른 실시예의 사시도를 도시한 것으로서, 좌굴핀이 좌굴된 상태와 밸브가 '개방' 위치에 있는 것을 도시하고 있다.
도 6a 내지 도 7b는 다이어프램 장치의 단면도를 포함하는 압력방출장치 조립체의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 8a와 도 8b는 도 6a 내지 도 7b에 도시된 래치 어셈블리를 상세히 도시한 것이다.
도 9는 스프링 액추에이터의 사시도를 도시한 것이다.
도 10은 버터플라이 밸브 본체를 도시한 것이다.
도 11은 버터플라이 밸브 플러그를 도시한 것이다.
도 12는 버터플라이 밸브를 도시한 것이다.
도 13은 스프링 액추에이터를 도시한 것이다.
도 14는 스프링 액추에이터의 트리거 메커니즘의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 15는 스프링 액추에이터의 트리거 메커니즘의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 16은 스프링 액추에이터의 트리거 메커니즘의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 17은 스프링 액추에이터의 링키지 어셈블리의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 18은 피스톤 유형 압력방출장치의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 19는 피스톤 유형 압력방출장치의 일 실시예의 사시도를 도시한 것이다.
도 20은 도 19의 압력방출장치의 정면도이다.
도 21은 압력방출장치의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 22, 도 23, 및 도 24는 본 개시의 일 실시예에 따른 스프링 액추에이터를 도시한 것이다.
도 25는 압력방출장치 조립체의 일 실시예에서 좌굴핀이 좌굴된 이후를 도시한 것이다.
도 26은 다이어프램 유형의 압력방출장치 조립체의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 27은 스프링 액추에이터 헤드의 일 실시예의 분해도를 도시한 것이다.
도 28은 일 실시예에 따른 휠락을 도시한 것이다.
도 29는 피스톤 유형의 압력방출장치 조립체의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 30은 다이어프램 유형의 압력방출장치 조립체의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 31은 컴패니언 플랜지 사이에 설치된 압력방출장치 조립체의 일 실시예를 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 예시적인 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사 요소에는 가능하면 동일한 참조번호가 사용될 것이다. 본 출원의 도면은 본 개시의 기초가 되는 시스템의 실시 요소들의 일반적인 이해를 제공하기 위한 것이다. 이에 따라, 명시적으로 설명하지 않는 한, 도시된 서로 연관된 요소들은 반드시 크기 비율에 맞게 도시되거나 정확한 위치에 도시된 것이 아니다.

도 1과 도 2는 본 개시의 압력방출장치 조립체의 실시예들을 도시한 것이다. 압력방출장치 조립체는 버터플라이 밸브(1), 끝이 롤러(7) 안에 있는 피스톤 로드(piston rod)를 포함하는 스프링 액추에이터(2), 위치 지시기(개방/폐쇄)(3), 다이어프램(diaphragm) 장치(4), 및 좌굴핀(buckling pin) 메커니즘(5)을 포함한다. 도 1과 도 2에는 버터플라이 밸브(1)의 입구 측으로부터 다이어프램 장치로 압력을 전달하도록 구성된 파일럿 튜브(pilot tube, 6)도 도시되어 있다. 또한, 도 1과 도 2에는 롤러(7)와 연동하여 정상 동작 동안에 스프링 액추에이터(2) 안의 스프링의 압축과 버터플라이 밸브(1)의 폐쇄를 유지하는 래치암(latch arm, 8)을 포함하는 액추에이터 래치(actuator latch)가 도시되어 있다. 하기에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 인입 압력이 미리 정해진 수준(예, 밸브의 '설정 압력')에 도달하면 다이어프램 장치(4) 내부의 다이어프램 또는 유연막(flexible membrane)에 상방향으로 힘이 가해져 좌굴핀 메커니즘(5) 내의 좌굴핀이 활성화/페일(fail) 되도록 한다. 다이어프램이 움직이면 래치암(8)이 상방향으로 움직이게 되고 롤러(7)와의 접촉이 떨어지게 된다. 그 결과, 스프링 액추에이터(2) 내부의 스프링이 압축 해제되도록 하고 버터플라이 밸브(1)의 회전(예, 90도) 및 개방이 유발된다.

도 3, 도 4, 및 도 5는 본 개시의 압력방출장치 조립체를 추가적으로 도시한 것이다. 도 3, 도 4, 및 도 5에 도시된 바와 같이, 좌굴핀이 좌굴되어(buckled) 래치와 스프링 부하(spring-loaded) 액추에이터가 해제되도록 하고 버터플라이 밸브가 개방 구성으로 회전되도록 한다.

본 개시에 따른 다이어프램 장치, 스프링 액추에이터, 및 래칭(latching) 메커니즘의 동작이 도 6a와 도 6b에 도시되어 있다. 도 6a에서, 압력방출장치 조립체는 정상 동작인 폐쇄 상태로 도시되어 있다. 도 6a에서, 압력방출장치 조립체는 개방 조건으로 도시되어 있다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 다이어프램 장치(640)는 내부 다이어프램 또는 유연막(641)을 포함할 수 있다. 다이어프램 장치(640)는 장착판(612)을 통해 버터플라이 밸브의 본체에 장착될 수 있다. 유연막(641)의 가장자리는 둘레의 다이어프램 장치 하우징에 고정되어 유압 밀봉 체임버(pneumatically sealed chamber)를 형성할 수 있다. 유연막의 중앙을 향해 래치암이 유연막의 면과 실질적으로 직각인 방향으로 부착될 수 있고, 래치암은 콘부싱(cone bushing, 681) 내부까지 이어질 수 있고, 콘부싱(681)은 아래 방향으로 이어지고 유연막과 함께 움직이도록 구성될 수 있다. 또한, 유연막의 중앙을 향해, 유연막의 상면은 유연막으로부터 좌굴핀(651)으로 힘을 전달하도록 구성될 수 있는 피스톤(642)과 같은 힘 전달 부재와 체결될 수 있다. 좌굴핀(651)은 조절 나사(653)의 상부 핀 홀더와, 피스톤(642)의 일부일 수 있는, 하부 핀 홀더(654) 사이에 고정될 수 있다. 조절 나사는 핀 어셈블리 브래킷(652)의 일부로 구성될 수 있다.

도 6a에는 또한 압축된 스프링(도 6a에는 미도시)을 포함하는 스프링 액추에이터(620)가 도시되어 있다. 스프링 액추에이터는 하나 이상의 지지암(623)에 의해 다이어프램 장치와 연결될 수 있다. 스프링은 스프링 세팅 핸들(a spring setting handle, 622)을 활용하여 압축될 수 있고, 이로써 사전 로딩된(pre-loaded) 스프링 힘을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 스프링 세팅 핸들은 원하는 설정이 적용된 이후에 변경을 억제/방지하기 위하여 와이어 밀봉될(wire-sealed) 수 있다. 피스톤 로드(671)는 스프링 액추에이터로부터 외부 방향으로 연장되고, 롤러(672)가 있는 액추에이터 헤드 안까지 이어진다. 도시된 바와 같이, 스프링 액추에이터는 롤러(672)를 경유하여 래치암과 체결된다. 구체적으로, 압축된 스프링은 롤러(672)에 힘을 가하여 롤러(672)가 래치암 상에 장착된 콘부싱(681)과 체결되게 한다. 롤러(672)는 액추에이터 헤드 내부에서 자유 회전하도록 구성될 수 있고, 이로써 콘부싱(681) 상의 마찰력 인가를 최소화 또는 방지할 수 있다. 이에 따라, 밸브의 개방으로 래치암이 상방향으로 이동하는 경우에(하기에 설명하는 도 6b에 도시), 래치암은 롤러로부터 저항을 거의 안 받거나 전혀 안 받게 된다. 또한, 강성 부재의 운동 축은 일반적으로 액추에이터 피스톤과 직각이므로, 액추에이터 피스톤에 존재하는 힘의 어느 부분도 좌굴핀으로 전달되지 않게 된다. 도 6a의 콘부싱과 액추에이터 헤드는 도 8a에 상세히 도시되어 있다. 도 9는 본 개시에 따른 스프링 액추에이터를 추가적으로 도시한다.

도 6a의 동작을 다시 참조하면, 파일럿 튜브(660)는 시스템 압력을 버터플라이 밸브의 입구측으로부터 다이어프램 장치 이내의 유압 밀봉 체임버 내부로 전달하도록 구성된다. 다이어프램 장치 상의 압력은 힘으로 변환되어 힘 전달 부재를 통해 좌굴핀으로 전달된다. 미리 설정된 압력에 도달하면, 좌굴핀 상의 힘은 좌굴핀이 부러지도록 하여 다이어프램이 상방향으로 이동하여 도 6b에 도시된 구성이 되도록 한다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 래치암과 힘 전달 부재는 좌굴핀의 좌굴에 대응하여 다이어프램과 함께 상향 이동했다. 도시된 바와 같이, 래치암의 상향 이동으로 래치암은 롤러로부터 분리되었고, 이로써 스프링 액추에이터가 해제되게 한다. 스프링 액추에이터를 해제함으로써, 버터플라이 밸브 축이 버터플라이 밸브 플러그를 개방 위치로 회전하도록 유발한다. 개방 조건에 있는 도 6b의 콘부싱과 액추에이터 헤드가 도 8b에 상세히 도시되어 있다.

도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이, 다이어프램 장치는 파일럿 튜브에 의해 전달된 압력에 대응하여 배력기(force multiplier) 역할을 할 수 있다. 즉, 다이어프램 장치의 내부 유연막은 파일럿 튜브의 단면보다 훨씬 큰 면적을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 방식에서, 파일럿 튜브에서 유압 밀봉 체임버로 전달된 압력은 좌굴핀에 작용하는 집중된 힘으로 변환될 수 있다.

예시적인 일 실시예의 설명에서, 다이어프램 장치가 배력기로서 역할을 할 수 있음을 알 수 있다. 예시적인 실시예에서, 파일럿 튜브는 단면적이 1평방인치인 것으로 제공될 수 있고, 다이어프램에는 10평방인치의 빈 면적이 있을 수 있다. 압력이 10 spig인 예시적인 동작 조건을 가정하면, 다이어프램은 100파운드의 힘을 생성하고 피스톤에 전달할 것이고, 이 힘을 좌굴핀으로 전달할 수 있다. 이와 같은 원리를 감안하여, 개시된 압력방출장치의 설정 압력은 선택된 다이어프램 장치와 좌굴핀의 속성에 따라 맞춰질 수 있다. 따라서, 단일 세트의 하드웨어 컴포넌트로부터 광범위한 설정 압력이 구현될 수 있다.

앞서 설명한 실시예들은 롤러 시스템을 스프링 액추에이터와 함께 활용한다. 본 개시에 따른 기타 트리거링(triggering) 시스템의 추가적인 양상들이 도 14, 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.

도 6a 등에 도시된 스프링 로드(spring rod)는 래치암과 체결되도록 구성될 수 있는 롤러 내부까지 이어지지만, 스프링 로드는 고정된 접촉면 내부까지 이어질 수 있다(예, 롤러는 없음). 예를 들어, 도 14는 스프링 로드(221)가 있는 스프링 액추에이터(220)의 고정된 접촉면이 래치암(280)과 체결되는 것을 도시하고 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 프로세스 압력이 다이어프램 장치(240)에 작용하고, 다이어프램 장치(240)는 이 압력을 압축력으로 변환하여 좌굴핀(251)으로 전달한다. 압축력이 좌굴핀(251)이 부러지도록(fail) 유발하면, 래치암(280)은 스프링 로드(221)와의 정렬에서 이탈하여 스프링(미도시)이 밸브(미도시)를 해제 및 폐쇄하도록 한다. 도 14에 추가로 도시된 바와 같이, 리셋 볼트(229)를 활용하여 스프링을 되밀어서 밸브가 재설정되고 좌굴핀이 교체되도록 할 수 있다.

도 15는 스프링 로드(321)가 있는 스프링 액추에이터(320)를 도시하고 있고, 여기서, 롤러(322)는 예를 들어 도 8a 내지 도 8b에 상세히 도시된 롤러와 유사하다. 도 15에 도시된 바와 같이, 프로세스 압력이 다이어프램 장치(340)에 작용하고, 다이어프램 장치(340)는 이 압력을 압축력으로 변환하여 좌굴핀(351)으로 전달한다. 압축력이 좌굴핀(351)이 부러지도록(fail) 유발하면, 래치암(380)은 스프링 로드(321)의 롤러(322)와의 정렬에서 이탈하여 스프링(미도시)이 밸브(미도시)를 해제 및 폐쇄하도록 한다. 도 15에 추가로 도시된 바와 같이, 리셋 볼트(329)를 활용하여 스프링을 되밀어서 밸브가 재설정되고 좌굴핀이 교체되도록 할 수 있다.

상기에 설명한 실시예들에서, 스프링 로드는 래치암과 직접 체결된다(롤러 또는 고정된 접촉면 등을 경유). 다른 실시예들에서는 스프링 로드와 래치암 사이에 중개 메커니즘이 있을 수 있다. 중개 메커니즘은 스프링 로드와 래치암의 상호작용을 향상하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 스프링 로드에 의해 전달된 힘을 래치암 상으로 변경 또는 유도하기 위해 중개 메커니즘이 활용될 수 있다. 다른 예로써, 래치암이 스프링 로드로부터 체결 해제(또는 상대적으로 이동)하는 능력에 영향을 줄 수 있는 마찰의 역할을 축소시키기 위해 중개 메커니즘이 활용될 수 있다. 즉, 중개 메커니즘은 압력방출장치의 마찰 효과의 관리에서 이점을 제공 및/또는 반응 압력의 정확도를 향상할 수 있다.

중개 메커니즘의 일례에서, 도 16은 스프링 로드(421)가 있는 스프링 액추에이터(420)을 도시하고 있고, 여기서 중개 메커니즘(430)은 토글(toggle, 431) 상에 별도로 장착된 롤러(432)를 포함한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 토글 롤러(432)는 스프링 로드(421)와 래치암(480) 사이에 위치할 수 있다. 도 16의 실시예에서, 스프링 로드(421)는 고정된 면 내부까지 이어진다. 토글 롤러(432)는 스프링 로드(421)가 래치암(480)과 직접 체결된다면 전달될 수도 있는 마찰력을 감소시키거나 실질적으로 제거할 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 프로세스 압력은 다이어프램 장치(440)에 작용하고, 다이어프램 장치(440)는 이 압력을 압축력으로 변환하여 좌굴핀(451)으로 전달한다. 압축력이 좌굴핀(451)이 부러지도록(fail) 유발하면, 래치암(480)은 토글 롤러(432)와의 정렬에서 이탈하여 토글이 회전하여 스프링 로드(421)와의 정렬에서 벗어나도록 하고 스프링(미도시)이 밸브(미도시)를 해제 및 폐쇄하도록 한다. 도 16에 추가로 도시된 바와 같이, 리셋 볼트(426)를 활용하여 스프링을 되밀어서 토글 및/또는 밸브가 재설정되고 좌굴핀이 교체되도록 할 수 있다.

도 17은 중개 메커니즘의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 스프링 로드에는 스프링 액추에이터 헤드(771)가 있다. 스프링 액추에이터 헤드는 링키지 어셈블리(linkage assembly, 710)의 형태로 중개 메커니즘과 체결된다. 도시된 바와 같이, 링키지 어셈블리는 세 개의 레버암(lever arm), 즉, 제1 레버암(711), 제2 레버암(712), 및 제3 레버암(713)을 포함한다. 도시된 링키지 어셈블리는 두 개의 트리거 로드(trigger rod), 즉, 제1 트리거 로드(715)와 제2 트리거 로드(716)을 더 포함한다. 도 17에 도시된 실시예에 따르면, 하나 이상의 트리거 로드가 슬라이딩 체결(sliding engagement)을 통해 고정될 수 있다(피스톤과 유사). 역시 도시된 바와 같이, 하나 이상의 트리거 로드는 고정 스프링(retaining spring)을 통해 고정될 수 있다. 고정 스프링은, 예를 들어, 밸브의 작동 이후에 트리거 로드를 원위치 시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 스프링 액추에이터 헤드(771)는 제1 레버암(711)의 일단과 체결된다. 스프링 액추에이터 헤드에 의해 전달된 부하는 제1 레버암(711)을 거쳐 제1 트리거 로드(715)를 통해 제2 레버암(712)로 전달되고, 제2 트리거 로드(716)를 통해 제3 레버암(713)으로 전달된다. 제3 레버암(713)의 종단은 래치암(도 18에 도시)과 체결될 수 있고, 궁극적으로는 스프링 액추에이터 헤드에 의해 전달된 부하를 래치암으로 전달할 수 있다.

도 17에 도시된 바와 같이, 링키지 어셈블리의 하나 이상의 레버암에는 하나 이상의 롤러가 있을 수 있다. 이러한 롤러는 액추에이터 시스템이 활성화되면 링키지 어셈블리의 구성품들이 서로에 대하여 자유롭게(예, 마찰이 거의 없거나 실질적으로 없이) 움직일 수 있도록 할 수 있다. 링키지 어셈블리의 구성품들 사이의 다른 인터페이스도 또한 가능하다. 예를 들어, 링키지 어셈블리의 구성품들은 기계적 힌지(hinge) 또는 플라스틱 힌지와 같은 힌지에 의해 연결될 수 있다. 도 17에 도시된 어셈블리는 활성화 이후에 구성품들이 서로와의 체결을 해제하도록 할 수 있는 반면에, 힌지는 이러한 구성품들이 활성화 동안 및/또는 이후에 체결을 유지하도록 할 수 있다.

상기에 설명한 실시예들은 도 1에 도시된 좌굴핀 메커니즘(5)과 같은 좌굴핀 메커니즘을 활용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 좌굴핀 메커니즘은 하우징 내에 수용된 좌굴핀, 커버, 또는 좌굴핀 케이지(cage)를 포함할 수 있다. 도 2는 이러한 하우징, 커버, 또는 좌굴핀 케이지가 없는 좌굴핀 메커니즘을 도시하고 있다.

도 1 및 도 2는 좌굴핀이 압력방출장치의 활성화 메커니즘 또는 트리거(trigger)인 것으로 도시하고 있지만, 본 개시는 이러한 설계로 한정되지 않으며, 기타 적합한 메커니즘이 활용될 수 있다. 예를 들어, 시어핀(shear pin) 또는 인장 벤딩 핀(tensile bending pin)과 같은 기타 파괴적 활성화 메커니즘이 본 개시의 일 실시예에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 활성화 메커니즘은 알려진 활성화 압력 반응(즉, '설정 압력')을 압력방출장치에 제공하기 위해 교정(calibration)이 가능한 스프링 또는 기타 힘 유지 장치(force-retaining device)의 형태일 수 있다.

본 개시에 따른 버터플라이 밸브의 일 실시예가 도 10에 도시되어 있다. 또한, 도 11에는 버터플라이 밸브의 플러그의 일 실시예가 도시되어 있다.

도 12는 개방으로 설정된 버터플라이 밸브의 사시도 및 단면도 등을 포함하는 버퍼플라이 밸브의 다양한 도면을 도시한 것이다. 도 12의 도면들은 오프셋 축(offset shaft)이 밸브 개방을 지원하고 밸브 플러그를 밸브 본체 시트(valve body seat)로부터 떨어지게 확보하면서 방해를 최소화하는(따라서, 바람직하게 흐름을 최대화하고 Kr값을 최소화하는) 방식을 보여준다.

일 실시예에서, 개시된 압력방출장치는 더블 플랜지 버터플라이 밸브 플러그(double-flange butterfly valve plug)를 구비할 수 있고, 플러그 본체는 플러그의 입구 밀봉면 과 출구 밀봉면 각각 상에 밀봉 플랜지를 구비한다. 본 개시에서, 밸브 플러그에는 단일 밀봉 플랜지가 있을 수도 있다. 또한, 본 개시에서, 웨이퍼 유형의 버터플라이 밸브를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 본 개시는 버터플라이 밸브로만 한정되지 않는다. 예컨대, 개시된 해제 메커니즘은 볼 밸브(ball valve), 글로브 밸브(globe valve), 나이프 게이트 밸브(knife gate valve), 또는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 움직이도록 설계된 기타 밸브와 함께 사용될 수 있다.

도 1, 도 2, 도 6a, 및 도 6b에 도시된 실시예들을 포함하는 앞서 설명한 실시예들에서, 버터플라이 밸브는 정상시에 폐쇄되어 있게 설계된 밸브이다. 다른 실시예에서, 정상시에 개방되어 있는 밸브가 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 밸브는 시스템의 설정 압력에 도달하면 폐쇄 위치로 작동되도록 설계될 수 있다.

본 개시에 따라, 임의의 유형의 버터플라이 밸브가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 트리플 오프셋(triple-offset) 유형의 버터플라이 밸브가 사용될 수 있다. 이러한 버터플라이 밸브는 향상된 밀봉 능력을 제공할 수 있다.

도 1과 도 2에서, 액추에이터는 스프링 액추에이터인 것으로 도시되어 있다. 스프링 액추에이터의 다른 실시예가 도 13에 도시되어 있다.

스프링 부하 액추에이터에는 수동적으로 작동(예, 외부전원 불필요)하는 능력과 같은 이점이 있다. 그러나, 외부전원에 의존하는 액추에이터를 포함하는 다른 유형의 액추에이터가 사용될 수도 있을 것이다. 일 실시예에서, 액추에이터는 전기 또는 유압 액추에이터일 수 있다.

본 개시에서, 버터플라이 밸브의 개방은 프로세스 압력에 무관할 수도 있다.

일 실시예에서, 스프링 액추에이터는 배관 시스템의 임의의 모든 밸브 개방/폐쇄 마찰 저항 및 임의의 모든 압력 조건을 극복하도록 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 밸브는 입구측과 출구측 사이에 압력차(pressure differential)가 마이너스(negative)였을 경우에 개방하도록 구성되어 밸브를 통하여 역류하도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 밸브는 복수의 파일럿 튜브, 예를 들어, 단일의 공유 좌굴핀 메커니즘 또는 두 개의 별도의 좌굴핀 메커니즘으로 삽입되는 두 개의 개별 파일럿 튜브를 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 밸브는 두 가지 압력 조건에 따라 개방되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 밸브는 입구측의 제1 압력 조건에 따라 개방되도록 구성 및/또는 출구측의 제2 압력 조건에 따라 개방되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 파일럿 메커니즘이 버터플라이 밸브의 입구측과 출구측 모두에 연결될 수 있고, 압력방출장치 조립체는 입구측과 출구측 사이의 압력차에 반응하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 밸브는 인가 압력 반응이 하나 이상의 유형이도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 파일럿 튜브는 버터플라이 밸브의 입구측부터만의 시스템 압력을 다이어프램 장치 내의 유압 밀봉 체임버 내부로 전달하도록(예, 앞서 도 6a와 도 6b를 참조하여 설명) 구성될 수 있고, 이로써 시스템 압력은 압축력으로 변환되어 좌굴핀으로 전달되게 된다. 이 구성에서, 밸브의 활성화는 밸브 상의 임의의 배압(backpressure) 조건과 무관하게 발생할 수 있다. 반면, 다른 실시예에서, 제2 파일럿 라인이 다른 영역으로부터의 압력을 다이어프램 장치로 전달할 수 있다. 예를 들어, 제2 파일럿 라인은 버터플라이 밸브의 출구측으로부터 다이어프램 장치로 압력을 전달할 수 있고, 이로써 다이어프램 장치는 차압 활성화 장치(differential pressure activated device)로서 구성될 수 있다. 즉, 다이어프램 장치는 버터플라이 밸브의 입구측과 출구측 사이의 압력차가 미리 정해진 수준에 도달하는 경우에 활성화되도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 언제든지 요구에 따라(예, 버터플라이 밸브의 입구측과 출구측 사이에 측정된 압력차에 대응하여) 개방하도록 유발될 수 있는 능동 밸브가 제공될 수 있다. 예를 들어, 밸브는 핀이 좌굴하도록 유발하는 발화장치를 통하여 좌굴핀이 활성화되도록 유발함으로써 개방되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 밸브는 가스발생기가 다이어프램 장치의 입구측의 압력을 상승시키도록 유발함으로써 개방되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 액추에이터가 직접 또는 다이어프램 장치로부터의 적용 조건에 힘을 추가함으로써 좌굴핀을 좌굴하도록 구성될 수 있다.

상기에 설명한 실시예들은 시스템 압력을 압축력으로 변환하도록 구성된 유연 다이어프램을 포함하고 있다. 본 개시는 이러한 구성으로 한정되지 않는다. 다른 실시예에서, 시스템 압력을 압축력으로 변환하기 위하여 피스톤이 활용될 수 있다. 예를 들면, 도 18에 도시된 바와 같이, 스프링 액추에이터 헤드(821)을 포함하는 스프링 액추에이터(820)이 링키지 어셈블리(810)의 제3 레버암(813)과 체결될 수 있다. 스프링 액추에이터 헤드(821)는 제3 레버암(813) 상의 롤러와 체결된다. 링키지 어셈블리(810)는, 도 17을 참조한 방식으로, 스프링 액추에이터로부터 제3 레버암(813), 제2 레버암(812), 및 제1 레버암(811)을 거쳐 래치암(814)으로 힘을 전달하도록 구성된다. 래치암(814)은 피스톤 실린더 내에서 피스톤(804)과 체결되고, 피스톤(804)은 좌굴핀(851)과 체결된다. 하나 이상의 파일럿 튜브(미도시)는 시스템으로부터 피스톤 실린더로 압력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 파일럿 튜브는 버터플라이 밸브의 입구측으로부터 피스톤 실린더로 압력을 전달할 수 있다. 피스톤 실린더 내부의 압력이 미리 정해진 수준에 도달하는 경우, 피스톤은 좌굴핀이 좌굴되도록 할 수 있다. 좌굴핀이 좌굴되면, 피스톤이 상방향으로 이동하게 되고, 이로써 래치암(814)이 링키지 어셈블리와의 접촉이 떨어지도록 옮겨지게 되며, 스프링 액추에이터가 해제되어 버터플라이 밸브를 개방 위치로 회전하게 한다. 도시된 바와 같이, 스프링 어셈블리는 요크샤프트(yoke shaft, 807)를 포함한다. 밸브 플러그(809)는 플러그 샤프트(808)를 통해 스프링 어셈블리에 연결된다.

도 18에 도시된 바와 같이, 좌굴핀(851)은 조절 나사를 통해 위치 고정될 수 있다. 좌굴핀 어셈블리는 보호망(801)이 있는 핀 케이지(pin cage, 805)에 의해 둘러싸일 수 있다.

도 19는 버터플라이 밸브, 스프링 액추에이터, 링키지 어셈블리, 및 좌굴핀과 체결된 피스톤을 포함하는 압력방출장치 조립체의 다른 실시예의 사시도이다.

도 20은 도 19의 실시예의 정면도를 도시한 것이다.

도 21은 도 18에 도시된 압력방출장치의 조절 나사와 피스톤 사이에 쉬핑핀(shipping pin, 806)이 있는 실시예를 도시한 것이다.

도 22, 도 23, 및 도 24는 본 개시의 일 실시예에 따른 스프링 액추에이터를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 스프링 액추에이터에는 회전시켜서 스프링(1120)을 로딩하고, 스프링 액추에이터를 위치 고정하고, 스프링 액추에이터 헤드(1170)와 임의의 부하 전달 메커니즘(예, 앞서 설명한 링키지 어셈블리)을 위치 고정할 수 있는 설정/재설정 휠(1122)을 구비하고 있다.

도 25는 압력방출장치 조립체의 다른 실시예에서 좌굴핀이 좌굴된 이후를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 피스톤(804)이 피스톤 스토퍼(piston stopper, 814)와 접촉할 때까지 아래 방향으로 눌려 좌굴핀(851)이 피스톤과 조절 나사(805) 사이로부터 제거되도록 한다.

도 26은 본 개시에 따른 압력방출장치 조립체의 다이어프램 유형의 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 다이어프램 장치(1240)가 도 18의 피스톤 어셈블리 대신에 사용되고 있다.

도 27은 도 22, 도 23, 및 도 24에 도시된 것과 같은 스프링 액추에이터 헤드(1170)의 일 실시예의 분해도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 헤드 부재(1171)은 너트(1173)을 통해 본체(1172) 내에 고정된다.

도 28은 설정/재설정 휠(예, 도 22, 도 23, 및 도 24에 도시)을 위치 잠금 하기 위해 구비될 수 있는 휠락(wheel lock, 1123)을 도시한 것이다.

도 29는 피스톤 유형 압력방출장치 조립체의 다른 실시예를 도시한 것이다.

도 30은 다이어프램 유형 압력방출장치 조립체의 다른 실시예를 도시한 것이다.

도 31은 압력방출장치 조립체의 일 실시예를 도시한 것으로서, 압력방출장치가 인입 파이프와 배출 파이프의 컴패니언 플랜지(companion flange) 사이에 설치된 상태의 분해도를 도시한 것이다.

도 1과 도 2에 도시된 것과 같은 비복구형(non-reclosing) 압력방출장치는 ASME 보일러 및 압력용기 규정 섹션 VIII(ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section　VIII)을 따르는 경우의 '유동 저항 지수(flow resistance factor)'(또는 'Kr값')와 같은 유동 특성의 측면에서 구분되는 경우가 많다. 본 기술에서, 유동 저항 지수는, ASME 섹션 VIII에 규정된 바와 같이, ASME PTC 25 검사 조건과 방법에 PEK라 실험을 통해 판단된다. 판단된 Kr값은 기체 서비스('Krg'로 지정), 액체 서비스('Krl'로 지정), 또는 기체와 액체 서비스('Krgl'로 지정)에 대해 확인될 수 있다. 이러한 유동 저항 지수는 무차원적(dimensionless)이고 광범위한 압력방출장치 크기에 대해 판단되는 것이 일반적이어서 특정 용도에 대해 충분한 유동을 제공하는 압력방출장치의 선택을 용이하게 한다. 유동 저항 Kr값이 낮으면 파이핑 시스템 내의 매체 유동에 방해가 거의 없다는 것을 나타내므로 매우 바람직하다. 일 실시예에서, 본 개시에 따른 압력방출장치의 유동 저항값은 전형적으로 25 미만이다. 다른 실시예들에서, 개시된 압력방출장치의 유동 저항값은 사용된 밸브의 특정 설계에 따라 20 미만, 15 미만, 또는 10 미만이다.

상기의 실시예들은 예시일 뿐이다. 다른 실시예들은 본 명세서를 고려하고 본 개시를 실시함으로써 당업자에게 당연할 것이다.

Claims (6)

1. 입구측과 출구측을 포함하는 버터플라이 밸브(butterfly valve);
   피스톤을 포함하는 스프링 액추에이터(spring actuator)―여기서, 피스톤은 끝이 종단 내부까지 이어짐;
   유연막(flexible membrane)을 포함하는 다이어프램(diaphragm) 장치―여기서, 상기 유연막은 상기 다이어프램 장치 내에 유압 밀봉 체임버(pneumatically sealed chamber)를 형성하고, 상기 다이어프램 장치는 래치암(latch arm)을 더 포함함;
   제1단과 제2단을 포함하는 링키지 어셈블리(linkage assembly)―여기서, 상기 제1단은 상기 피스톤의 상기 종단과 체결되도록 구성되고, 상기 제2단은 상기 래치암과 체결되도록 구성됨;
   인입 유압을 상기 버터플라이 밸브의 상기 입구측으로부터 상기 유압 밀봉 체임버로 전달하도록 구성된 파일럿 튜브(pilot tube); 및
   좌굴핀(buckling pin)을 포함하는 좌굴핀 메커니즘을 포함하고,
   상기 다이어프램 장치는 상기 인입 유압을 압축력으로 변환하고 상기 압축력을 상기 좌굴핀으로 전달하도록 구성되고,
   상기 래치암은 상기 좌굴핀이 좌굴되는 경우에 상기 링키지 어셈블리의 상기 제2단으로부터 체결 해제되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 회전식 압력 방출 밸브 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 종단은 롤러(roller)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전식 압력 방출 밸브 조립체.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 래치암은 콘부싱(cone bushing)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전식 압력 방출 밸브 조립체.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 링키지 어셈블리는 적어도 하나의 레버암(lever arm)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전식 압력 방출 밸브 조립체.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 레버암에는 적어도 하나의 롤러가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 회전식 압력 방출 밸브 조립체.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 링키지 어셈블리는 적어도 하나의 트리거 로드(trigger rod)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전식 압력 방출 밸브 조립체.
   
   

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