KR20010033913A

KR20010033913A - 고압 펌프용 밸브 조립체

Info

Publication number: KR20010033913A
Application number: KR1020007007492A
Authority: KR
Inventors: 티모씨엘. 세비온; 프레데릭앨런 파우워스
Original assignee: 워너 엔지니어링 인코포레이티드
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2001-04-25
Also published as: US6019124A; ATE245769T1; EP1044330B1; AU2218099A; EP1044330A1; CA2317648A1; WO1999035399A1; JP2002500317A; JP4307715B2; DE69909742D1

Abstract

본 발명은 일반적으로 밸브 몸체(44)와, 상기 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재(poppet member)(54)를 포함하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 밸브 조립체는 유체 밀봉(fluid seal)을 제공하기 위해 포핏 부재와 접하도록 적합하게 되어있는 밸브 시트(valve seat)(58)와 상기 밸브 시트에 대해 압착되도록 적합하게 되어있는 시트 유지 부재(60)를 또한 포함한다. 추가적으로, 이런 구성 요소 사이의 상대 운동이 억제되도록 밸브 조립체는 밸브 몸체와 시트 유지 부재를 함께 축 방향으로 압착하도록 배치되고 구성되는 변형 가능 탄성 스페이서(62)를 포함한다.

Description

고압 펌프용 밸브 조립체{VALVE ASSEMBLY FOR USE WITH HIGH PRESSURE PUMPS}

고압 펌프는 일반적으로 정밀 주조(investment casting)용 타일 글레이징 클레이(tile-glazing clays), 탈황 플루 가스(flue gas desulferization), 및 코팅 슬러리(coating slurries)와 같은 마모성 슬러리를 펌핑하는데 사용된다. 펌프 수명은 마모성 슬러리를 펌핑하는데 적합한 펌프를 설계할 때 고려되어야 할 중요한 인자이다. 미국 특허 번호 제US 3,775,030호 및 제US 3,884,598호에 기술된 것과 같은, 로터리 작동의 윤활식 다이아프램 펌프는 마모되기 쉬운 슬라이딩 피스톤 또는 러버 실(rubber seals)을 필요로 하지 않기 때문에 마모성 슬러리를 펌핑할 수 있는 고압 펌프로서 사용하는데 본래부터 적합하다. 이러한 펌프의 내구성 한계(durability limitation)는 일반적으로 사용되는 입구 플레이트와 출구 플레이트 및/또는 볼 밸브에 의해 제한된다. 전형적으로, 이러한 입구 플레이트와 출구 플레이트 및/또는 볼 밸브는 다른 펌프 요소 보다 더 빨리 기능을 잃는다. 개선된 내 마모 특성을 갖는 펌프 밸브 조립체(pump valving assembly)가 요구된다.

본 발명은 일반적으로 밸브 조립체에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 고압 다이아프램 펌프(diaphragm pumps)와 같은 고압 펌프 안에 일체로 이루어지는 밸브 조립체에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 원리에 따른 밸브 조립체가 사용될 수 있는 예시적인 펌프를 도시하는 도면.

도 2는 도 1의 펌프의 밸브와 분기관 플레이트(manifold plates)를 통해 취해지며, 본 발명의 원리에 따른 밸브 조립체가 밸브 플레이트 안에 위치되어 도시되는 횡 단면도.

도 3a는 밸브 조립체가 폐쇄 위치에 도시되는, 도 2의 밸브 조립체를 도시하는 횡 단면도.

도 3b는 밸브 조립체가 개방 위치에 도시되는, 도 2의 밸브 조립체를 도시하는 횡 단면도.

도 4는 도 3a와 도 3b의 밸브 조립체의 밸브 시트와 밸브 유지 부재를 도시하는 확대도.

도 5는 도 3a와 도 3b의 밸브 조립체의 밸브 시트와 포핏 헤드를 도시하는 확대도.

도 6a는 스프링이 비 압축 상태(noncompressed orientation)로 도시되는, 도 3a와 도 3b의 밸브 조립체 안에 일체로 된 스프링을 도시하는 도면.

도 6b는 도 3a의 밸브 조립체 안에 스프링이 장착될 때 압착될 도 6a의 스프링을 도시하는 도면.

본 발명은 일반적으로 펌프 수명을 개선하도록 내 마모성을 개선하는 다양한 특성 및/또는 양상을 갖는 밸브 조립체에 관한 것이다. 더 자세하게는, 발명자는 밸브 구성 요소 사이의 상대 운동이 밸브의 조기 고장을 야기하는 중요한 요소라고 판단했다. 이는 특히 마모성 슬러리와 같은 마모성 재료를 처리하도록 설계된 펌프에서 더욱 극명하다. 결과적으로, 본 발명의 특정 양상은 특정한 밸브의 다양한 구성 요소 사이에서의 상대 운동을 억제하는데 적합하게 되어있는 밸브 구조 및/또는 설계에 관한 것이다.

본 발명의 한 가지 양상은 펌프의 두 개의 압착 플레이트의 사이에 위치할 수 있는 밸브 조립체에 관한 것이다. 밸브 조립체는 제 1 대향 배치 단부와 제 2 대향 배치 단부를 갖는 밸브 몸체를 포함한다. 스프링 유지 구조가 밸브 몸체 안에 배치되며, 상기 스프링 유지 구조를 밸브 몸체 안에 고정하도록 유지 와셔(retaining washer)가 밸브 몸체의 제 1 단부에 위치된다. 밸브 몸체는 또한 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재(poppet member)를 포함한다. 포핏 부재는 개방 위치와 폐쇄 위치의 사이에서 이동할 수 있다. 스프링 유지 구조에 장착되는 포핏 스프링은 포핏 부재를 폐쇄 위치로 바이어스시킨다. 밸브 조립체는 포핏 부재가 폐쇄 위치에 있을 때 포핏 부재에 밀봉을 제공하도록 구성되는 밸브 시트(valve seat)를 추가로 포함한다. 밸브 시트는 유지 와셔와 제 1 단부 부분(end piece)의 사이에서 고정된다. 밸브 조립체는 밸브 몸체의 제 2 단부에 인접하게 위치되며 밸브 몸체와 제 2 단부 부분의 사이에서 형성되는 스페이서 그루브(spacer groove)에 장착되는 환형 스페이서를 더 포함한다. 밸브 조립체가 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 스페이서는 스페이서 그루브 안에서 압착되어 탄성적으로 변형되도록 배치되고 구성된다. 이와 같은 방식으로, 밸브 구성 요소 사이의 상대 운동을 억제하기 위해 밸브 조립체의 다양한 구성 요소의 사이에서 압착을 유지하도록 스페이서는 기능을 한다.

본 발명의 다른 양상은 상대적으로 연질의 탄성 또는 엘라스토머 밸브 시트와 상호 작용하는 상대적으로 경질의 포핏 부재를 포함하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 예를 들면, 밸브 시트는 우레탄 또는 폴리에스테르와 같은 재료로 만들어질 수 있는데 반해, 포핏 부재는 세라믹과 같은 재료로 만들어질 수 있다. 엘라스토머 밸브 시트를 사용함으로써, 밸브 시트가 마모성 입자를 포핏 부재 안으로 강제로 유입시키지 않도록 바람직하게 충분한 "탄력성(give)"을 갖기 때문에 포핏 부재와 밸브 시트의 마모는 억제된다. 추가적으로, 밸브 시트는 엘라스토머 밸브 시트 상에서 국부 응력을 최소화하도록 충분히 큰 밀봉 표면을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 양상은 밸브 몸체, 상기 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재, 및 밀봉을 제공하기 위해 상기 포핏 부재를 수용하는 밸브 시트, 및 상기 밸브 시트를 상기 밸브 몸체에 인접하게 고정하는데 적합하게 되어있는 시트 유지 부재를 포함하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 밸브 조립체가 예를 들면, 펌프의 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 제 2 영역이 압착되기 전 제 1 영역이 압착되어지도록 시트 유지 부재와 밸브 시트는 서로 접촉한다. 밸브 시트의 특정 영역을 예비 압착함으로써, 밸브의 다른 구성 요소에 대한 밸브 시트의 이동은 제어되고 억제될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양상은 밸브 조립체의 구성 요소에 의해 한정되는 외부 환형 그루브 안에 장착되는 외부 밀봉 부재(seal member)를 포함하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 밸브 조립체가 입구 포트(inlet port) 또는 출구 포트(outlet port)와 같은, 구조 안에 장착될 때, 외부 환형 그루브에 의해 한정되는 용적을 실제적으로 완전히 채우기 위해 밀봉 부재가 압착되도록, 밀봉 부재와 외부 환형 그루브는 상대적으로 그 크기와 형상이 정해진다. 이와 같은 방식으로, 그루브는 실제적으로 100% 채워지기 때문에, 밀봉 부재는 흡입과 압착 사이클에 응하여 그루브 안에서 앞뒤로 자유롭게 슬라이딩하지 못한다.

본 발명의 또 다른 양상은 코일 스프링에 의해 폐쇄 위치로 바이어스되는 포핏 부재를 구비하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 코일 스프링은 바람직하게는 평평하게 연마된 단부 부분을 갖는다. 평평해진 단부 부분의 마모를 줄이기 위해, 평평해진 단부 부분이 그 다음 스프링의 코일과 맞물리도록 스프링이 밸브 안에 압착된다. 결과적으로, 포핏 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치의 사이에서 이동할 때, 평평해진 단부 부분과 그 다음 코일의 사이에서 실제적으로 상대 운동은 발생하지 않는다. 그 결과로, 평평해진 단부 부분의 내부 마모는 억제된다. 더욱이, 평평해진 단부 부분의 외부 마모도 또한 엘라스토머 코팅, 부재, 디스크, 층, 또는 와셔를 사용함으로써 억제될 수 있다.

본 발명의 한 가지 추가적인 양상은 밸브 몸체, 상기 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재, 유체 밀봉을 제공하도록 상기 포핏 부재와 접촉하는데 적합하게 되어있는 밸브 시트, 및 상기 밸브 시트를 밸브 몸체에 인접하게 고정하는 시트 유지 부재를 포함하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 밸브 조립체는 또한 밸브 몸체와 시트 유지 부재 요소들 사이의 상대 운동이 억제되도록 상기 밸브 몸체와 시트 유지 부재를 함께 축 방향으로 압착하도록 배치되고 구성되는 변형 가능 탄성 스페이서를 포함한다.

위의 요약 내용과 다음의 상세한 설명은 본 발명의 많은 양상을 열거한다. 상기 양상의 각각은 본 발명의 원리에 따라 구성되는 밸브 조립체를 제공하도록 단독으로 또는 결합하여 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 본 발명의 원리에 따른 밸브 조립체는 내구성 있는 밸브를 필요로 하는 펌프 또는 어떤 다른 타입의 장치와 같은 다양한 타입의 유체 이송 장치 안에 일체로 될 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다.

본 발명의 다양한 추가의 이점은 부분적으로 이어지는 설명에서 기술되어질 것이고, 일부는 설명으로부터 자명해질 것이며, 또는 본 발명을 실행함으로써 알 수 있게 될 것이다. 앞서의 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.

본 명세서에 병합되고 본 명세서의 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 몇 가지 양상을 설명과 더불어 예시할 것이며, 본 발명의 원리를 기술하는데 기여할 것이다.

이제 첨부 도면에 도시되는 본 발명의 예시적인 양상에 대해 참조가 상세히 이루어질 것이다. 어느 도면에서든 가능한 경우에는, 동일한 도면 번호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분에 대해 언급하는데 이용될 것이다.

도 1은 본 발명의 원리에 따른 밸브 조립체가 일체로 될 수 있는 펌프(20)를 도시한다. 펌프(20)는 단지 본 발명의 원리에 따른 밸브가 일체화될 수 있는 많은 다양한 타입의 펌프 또는 다른 타입의 유체 이송 장치의 일 예라는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 펌프(20)는 본 발명이 적용될 수 있는 타입의 환경을 제공하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 않된다.

펌프(20)는 롤러 베어링에 의해 펌프 안에 장착되는 구동 샤프트(22)를 구비하는 포지티브 변위 펌프이다. 구동 샤프트(22)는 회전 운동을 직선 또는 축 운동으로 전환하는데 적합한 일정 각도 캠 또는 워블 플레이트(wobble plate)(23)에 동력을 전달한다. 펌프(20)는 워블 플레이트에 의해 일련되게 변위되는 3개 이상의 피스톤(24)을 더 포함한다. 피스톤 셀 안에 갇힌 오일은 피스톤이 왕복 운동을 할 때 다이아프램(26)이 앞뒤로 휘어지도록 하는 다이아프램(26)의 후부에 압력을 가하고 압력을 해제하는 작업을 교대로 하며, 그에 따라서 펌핑 작업을 제공한다.

펌프(20)는 또한 분기관 플레이트(30)에 고정되는 밸브 플레이트(28)를 포함한다. 밸브 플레이트(28)는 각각의 다이아프램(26)에 해당하는 펌핑 챔버(32)(도 2에 도시됨)를 한정한다. 챔버(32)의 각각은 챔버 입구(34)와 챔버 출구(36)가 유체로 통해 있다. 다이아프램(26)이 수축할 때, 유체는 챔버 입구(34)를 통해 챔버(32)로 들어간다. 반대로, 다이아프램이 확장할 때, 유체는 챔버(32)로부터 챔버 입구(36)를 통해 밀린다. 챔버 입구(34) 사이의 유체 교류는 분기관 플레이트(30) 안에 형성된 반경 방향의 내측 환형 채널에 의해 제공되며, 챔버 출구(36) 사이의 유체 교류는 분기관 플레이트(30) 안에 형성되는 반경 방향의 외측 환형 채널(37)에 의해 제공된다.

작동 상, 다이아프램이 수축할 때, 유체는 분기관 플레이트(30)에 의해 형성되는 분기관 입구 포트(38)를 통해 펌프(20)로 들어간다. 분기관 입구 포트(38)로 들어가는 유체는 다이아프램(26)이 수축할 때 챔버 입구(34)를 통해 흐른다. 다이아프램(26)이 진행 스트로크일 때, 유체는 챔버(32)로부터 챔버 출구(36)로 강제 이송되며 분기관 플레이트(30)에 형성되는 분기관 출구 포트(40)를 통해 펌프를 빠져 나간다. 도 1에 도시된 실시예에서, 서로 약 120。의 등 간격으로 배치된 다이아프램(26)은 순차적으로 일정한, 사실 상 펄스가 없는 유체 흐름을 제공하도록 작동한다.

도 2는 펌프(20)의 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)를 통해 도시된 횡 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 원리에 따른 밸브 조립체(42)(명료함을 위해 밸브 조립체가 도 1에 미도시됨)는 펌프(20)의 챔버 입구(34)와 챔버 출구(36) 사이에 장착된다. 펌프(20) 안에 장착된 바와 같이, 밸브 조립체(42)는 챔버(32)를 통한 유체 흐름을 제어하는 체크 밸브 기능을 한다. 특히, 다이아프램(26)이 수축할 때, 밸브 조립체(42)는 유체가 입구(34)를 통해 챔버(32) 안으로 흐르도록 하며, 유체가 출구(36)를 통해 챔버(32)로 들어가는 것을 방지한다. 반대로, 다이아프램(26)이 진행 스트로크일 때, 밸브 조립체(42)는 유체가 출구(36)를 통해 챔버(32)를 빠져 나가도록 하지만, 유체가 입구(34)를 통해 챔버를 빠져 나가는 것을 방지한다.

이제 도 3a와 도 3b를 참조로 하면, 밸브 조립체(42)는 일반적으로 제 1 대향 배치 단부(46)와 제 2 대향 배치 단부(48)를 구비하는 중공형 밸브 몸체(hollow valve body)(44)를 포함한다. 스프링 유지 구조 또는 케이지(cage)(50)는 밸브 몸체(44) 안에 배치되며, 밸브 몸체(44)의 제 1 단부(46)에 위치되는 유지 와셔(52)에 의해 밸브 몸체(44) 안에서 유지된다. 밸브 조립체(42)는 또한 밸브 몸체(44)를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재(54)를 포함한다. 포핏 부재(54)는 폐쇄 위치(도 3a에 도시됨)와 개방 위치(도 3b 에 도시됨)의 사이에서 이동할 수 있다. 포핏 부재(54)를 폐쇄 위치로 바이어스시키는데 적합하게 되어있는 포핏 스프링(56)은 스프링 유지 구조(50)에 장착된다. 포핏 부재(54)가 폐쇄 위치에 있을 때 유체 밀봉을 제공하도록 밸브 조립체(42)는 포핏 부재(54)와 접촉하기에 적합하게 되어있는 밸브 시트(58)를 추가적으로 포함한다. 밸브 시트(58)는 유지 와셔(52)와, 환형 제 1 단부 부분(60)과 같은 시트 유지 부재의 사이에서 고정된다. 밸브 조립체(42)는 밸브 몸체(44)의 제 2 단부(48)와 환형 클램프 브래킷과 같은 제 2 단부 부분(66)의 사이에 형성된 스페이서 그루브(64) 안에 장착되는 환형 스페이서(62)를 더 포함한다. 밸브 조립체(42)가 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)의 사이에서 눌려질 때 상기 스페이서(62)는 스페이서 그루브(64) 안에서 압착되어 탄성적으로 변형되도록 배치되고 구성된다.

밸브 조립체(42)가 펌프(20) 안에 배치될 때, 조립체(42)를 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)의 사이에 위치하도록 함으로써 상기 밸브 조립체(42)는 제자리에 고정된다. 특정의 실시예에서, 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)는 서로 볼트로 체결되며 밸브 조립체(42)와 플레이트(28,30)의 이동 및 그에 따른 마모를 방지하기 위하여 밸브 조립체(42)를 균일하게 누르도록 배치되고 구성된다. 밸브 조립체(42)에 대한 균일한 압착을 유지하도록 보조하기 위하여, 본 발명의 특정 실시예는 압착력이 밸브 조립체(42)의 단부 부분(60,66)에 직접 집중되도록 특정 영역에서 언더컷(undercut)되는 분기관 플레이트(30)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 환형 통로 실(seal)(45)은 물론, 밸브 조립체(42)가 충분한 압착력의 영향을 받도록 보장하기 위해 반경 방향의 외측 환형 리세스 영역(annular recessed region)(43)이 분기관 플레이트(30)에 형성된다. 본 발명은 이와 같이 한정되지 않지만, 본 발명의 특정 실시예에는 고 강도와 고 강성 내 마모 플라스틱으로 이루어지는 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)를 사용할 수 있다.

밸브 시트(58)는 일반적으로 환형이며 특정의 실시예에서 우레탄, 폴리우레탄, 또는 폴리에스테르와 같은 상대적으로 연질의, 유연한 엘라스토머와 같은 내 마모성 재료로 이루어진다. 대조적으로, 포핏 부재(54)는 일반적으로 디스크 형상이며 세라믹과 같은 상대적으로 경질 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 상대적으로 연질의 밸브 시트와 결합되는 상대적으로 경질 포핏을 사용함으로써, 두 밸브 구성 요소의 마모가 억제된다. 특히, 세라믹과 같은 재료는 경질이지만, 마모성 슬러리에서 발견되는 특정 입자가 더 경질일 수 있다. 결과적으로, 세라믹 포핏을 구비하는 세라믹 시트는 크레이터(craters)가 시작되는 세라믹 부분으로 마모성 입자를 보내며, 그래서 상기와 같은 세라믹 부분의 조기 마모를 야기한다. 대조적으로, 상대적으로 경질의 포핏과 결합하는 상대적으로 연질의 탄성 밸브 시트를 사용함으로써, 마모성 입자는 전형적으로 포핏 안으로 보내지지 않는다. 그 대신에, 포핏이 폐쇄될 때, 포핏과 밸브 시트의 사이에서 갇히거나 압착되는 마모성 입자는 일시적으로 밸브 시트 안에 박히거나 압착된다. 밸브 시트는 탄성 재료 표면으로 파고 들어가지 않으면서, 높은 응력 상태에 있는 이러한 잡혀진 마모성 입자가 포핏 안으로 강제로 흘러들어 가지 않도록 충분한 균형의 탄성도와 강성도를 갖는 탄성 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.

이제 도 5를 참조로 하면, 밸브 시트(58)는 유체가 새지 않는 밀봉을 제공하기 위해 포핏 부재(54)의 외측부 또는 외측 면의 주위에 형성되는 해당 외측 밀봉 표면(70)과 맞물리도록 되어있는 내측 밀봉 표면(68)을 포함한다. 내측 밀봉 표면(68)과 외측 밀봉 표면(70)은 일반적으로 환형이며 밸브 시트(58) 상에서 국부 응력을 최소화하도록 충분히 큰 영역을 갖는 것이 바람직하다. 밀봉 표면(68,70)의 크기와 형상을 선택하는데 있어서, 밸브 시트(58)의 돌출을 막기 위해 밸브 시트(58) 상에 가해지는 응력을 낮게 유지시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 가지 특정한 실시예에서, 밸브 시트(58)는 최대 400 psig 까지 견디는 75 내지 85의 두로미터 쇼어 에이 경도(Durometer Shore A hardness)를 갖는 재료로 만들어진다. 이러한 경도를 갖는 밸브 시트에 의해, 밀봉 표면(68,70)의 선호되는 형상은 구(sphere)의 제 1 반경(73)에 의해 한정되는 외부 경계부(72)와, 구의 제 2 반경(75)에 의해 한정되는 내부 경계부(74)를 포함한다. 제 1 반경(73)과 제 2 반경(75)은 17-27。 범위 내의 각도(θ)를 형성하도록 배치되는 것이 바람직하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 밀봉 표면(68,70)은 구의 곡률과 매치하는 곡률을 갖는다. 결과적으로, 포핏 부재(54)는 잘려진 구 형상을 가지며 밸브 시트(58)는 잘려진 구 개구부(spherical opening)를 한정한다. 밀봉 표면(68,70)은 잘려진 구 형상을 갖는 것으로 도시되었지만, 이런 표면은 밀봉을 제공하는 잘려진 원추 형상 또는 어떤 다른 적합한 형상을 또한 가질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 위에 기술되고 묘사된 밀봉 구조는 본 발명의 일 실시예를 도시하지만 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

이제 도 4를 참조로 하면, 밸브 시트(58)는 또한 제 1 단부 부분(60)의 내측부와 접촉하는 외측부를 포함한다. 밸브 시트(58)의 외측부는 제 1 단부 부분(60)에 형성되는 해당 제 1 횡 방향 시트 유지 표면(80) 및 제 2 횡 방향 시트 유지 표면(82)과 마주하는 제 1 횡 방향 시트 표면(76)과 제 2 횡 방향 시트 표면(78)을 포함한다. 제 1 횡 방향 시트 표면(76)과 제 2 횡 방향 시트 표면(78)은 축 시트 표면(84)에 의해 상호 연결된다. 유사하게, 제 1 횡 방향 시트 유지 표면(80)과 제 2 횡 방향 시트 유지 표면(82)은 축 시트 표면(84)과 마주하는 축 시트 유지 표면(86)에 의해 상호 연결된다. 축 시트 유지 표면(86)은 축 시트 유지 표면(84)의 비 압착된 축 길이(L₂) 보다 짧은 축 길이(L₁)를 갖는다. 결과적으로, 밸브 조립체(42)가 조립되고 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)의 사이에서 압착될 때, 제 2 횡 방향 시트 표면(78)이 제 2 횡 방향 시트 유지 표면(82)에 의해 압착되기 전 제 1 횡 방향 시트 표면(76)은 제 1 횡 방향 시트 유지 표면(80)에 의해 압착되도록 요구된다. 그 결과로, 밸브 시트(58)의 반경 방향의 가장 내측 부분 또는 영역은 밸브 시트(58)의 반경 방향의 가장 외측 부분 보다 더 압착된다. 본 발명의 한 예시적인 실시예에서, 반경 방향의 가장 내측 영역은 0.015인치(0.0381 센티미터)의 실제적인 압착이 이루어지지만 반경 방향의 가장 외측 영역은 0.008인치(0.0203 센티미터)의 실제적인 압착이 이루어진다.

밸브 시트(58)는 반경 방향의 내측 제 1 영역(88)과 상기 제 1 영역(88)으로부터 반경 방향의 외측으로 돌출하는 제 2 영역(90)을 갖는 것으로 또한 기술될 수 있다. 제 1 영역(88)은 제 2 영역(90) 보다 높은 압착력을 받는다. 이는 둘 다 요구되는 압착 지점이 요구된 제작 공차(tolerances)에 상관 없이 언제나 압착 상태 하에 있도록 보장한다. 모든 요소를 압착 상태 하에 유지시키는 것은 일부 또는 모든 밸브 구성 요소의 상대 운동 및 이에 따른 마모를 억제한다.

다시 도 3a와 도 3b를 참조로 하면, 밸브 조립체(42)는 밸브 조립체(42)와 밸브 플레이트(28)의 사이에 밀봉을 제공하는 외부 밀봉 부재(92)를 또한 포함한다. 한 가지 특정한 실시예로, 외부 밀봉 부재(92)는 제 1 단부 부분(60)에 형성되는 외부 환형 그루브(94) 안에 장착되는 O-링이다. 밸브 조립체(42)가 밸브 플레이트(28)의 입구(34) 또는 출구(36) 내에서 압착될 때, 밀봉 부재(92)가 (도 2에 도시된 바와 같이) 외부 환형 그루브(94)의 전체 용적을 실제적으로 완전히 채우도록 외부 밀봉 부재(92)와 외부 환형 그루브(94)가 상대적으로 모양이 형성되고 크기가 정해지는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 외부 밀봉 부재(92)는 펌프(20) 안에 장착될 때 외부 환형 그루브(94)를 실제적으로 100% 채우도록 설계되는 것이 바람직하다. 실제적으로 외부 환형 그루브(94)를 완전히 채움으로써, 외부 밀봉 부재(92), 밸브 플레이트(28), 및 제 1 단부 부분(60) 사이의 운동은 억제된다.

앞서 기술된 바와 같이, 밸브 조립체(42)의 마모를 억제하기 위해, 조립체의 다양한 구성 요소 사이의 상대 운동을 억제하는 것이 바람직하다. 이와 관련해서, 밸브 조립체(42)에는 밸브 조립체(42)의 다양한 구성 요소 사이에서 상대적으로 높은 레벨의 일정한 압착력을 유지하는 수단이 구비되는 것이 바람직하다. 조립체(42)의 스페이서(62)는 밸브 구성 요소의 사이에서 압착력을 유지하는 한 가지 예시적인 구조 또는 방법을 제공한다. 한 가지 특정한 실시예에서, 스페이서(62)는 일반적으로 관 모양이며 스프링과 유사한 특성을 갖는다. 예를 들면, 스페이서(62)는 탄성, 엘라스토머의, 변형 가능하거나 압착 가능한 재료로 만들어질 수 있다. 요구되는 탄성 특성을 갖는 한 가지 예시적인 타입의 재료는 폴리에틸렌이다.

다시 도 3a와 도 3b를 참조하면, 스페이서(62)는 밸브 몸체(44)의 제 2 단부(48)와 제 2 단부 부분(66)의 사이에 형성된 스페이서 그루브(64) 안에 장착된다. 스페이서 그루브(64)는 밸브 몸체(44)의 제 2 단부(48)에 의해 한정되는 제 1 환형 숄더(annular shoulder)(96)와, 제 2 단부 부분(66)에 의해 형성되는 제 2 환형 숄더(98)에 의해 형성된다. 밸브 조립체(42)가 밸브 플레이트(28) 및 분기관 플레이트(30)와 같은 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 제 2 단부 부분(66)은 밸브 몸체(44)의 제 2 단부(48)와 맞물리도록 적합하게 되어있는 내측 단부(100)를 또한 포함한다.

밸브 조립체(42)의 사용에 있어서, 구성 요소 부품은 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이 정렬되며 펌프(20)의 입구 포트(34)와 출구 포트(36) 중 하나와 같은 출구 또는 출구 포트 안에 위치된다. 입구 또는 출구 포트 안에 위치되는 바와 같이, 밸브 조립체(42)의 구성 요소는 서로에 대해 자유롭게 움직인다. 밸브 플레이트(28) 및 분기관 플레이트(30)와 같은, 대향 압착 플레이트는 밸브 조립체(42)의 구성 요소 부품을 잠그거나 고정하는데 사용된다. 예를 들면, 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)가 볼트로 체결될 때, 밸브 조립체(42)는 상기 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)의 사이에서 압착된다. 특히, 제 1 단부 부분(60)과 제 2 단부 부분(66)은 밸브 플레이트(28)와 분기관 플레이트(30)에 의해 맞물리며 이에 의해 서로를 향해 압착된다. 밸브 조립체(42)가 압착될 때, 스페이서(62)는 바람직하게는, 좌굴 또는 압축성 상실(buckling or losing compression) 없이 변형된다. 한 가지 특정한 실시예로, 스페이서는 좌굴 또는 압축성 상실 없이 약 0.020-0.040 인치(0.0508-0.1016 센티미터)내에서 변형한다. 스페이서(62)가 변형함에 따라서, 내측 단부(100)가 밸브 몸체(44)와 거의 맞물릴 때까지 제 2 단부 부분(66)의 내측 단부(100)와 밸브 몸체(44)의 제 3 단부(48) 사이의 갭(103)(도 3a와 도 3b에 도시됨)은 닫혀진다. 제 2 단부 부분(66)의 내측 단부(100)가 밸브 몸체(44)와 거의 맞물릴 때, 스페이서(62)는 스페이서 그루브(64)의 용적을 실제적으로 완전히 채우는 용적을 갖는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 조립체(42)가 완전히 축 방향으로 압착될 때, 스페이서(62)는 스페이서 그루브(64)를 실제적으로 100% 채우도록 설계된다.

앞서 기술된 바와 같이, 포핏 부재(54)는 포핏 스프링(56)에 의해 도 3a에 도시된 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스된다. 다양한 스프링 구조 또는 대안적인 엘라스토머 부재가 이러한 폐쇄 위치 쪽으로 포핏 부재(54)를 바이어스시키도록 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 추가적으로, 용어 "스프링"은 포핏을 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스시키는데 적합한 어떤 타입의 탄성 또는 엘라스토머 구조, 또는 탄성 구조를 포함하도록 의도된다. 결과적으로, 본 발명은 도면에 도시되고 다음과 같이 상세히 기술된 특정한 스프링 구조에 제한되지 않는다.

도면에 도시된 특정한 실시예에서, 포핏 스프링(56)은 코일 스프링으로 구성된다. 포핏 스프링(56)은 밸브 몸체(44) 안에 위치되는 스프링 유지 구조(50)에 장착된다. 다양한 구조가 사용될 수 있지만, 스프링 유지 구조(50)는 중앙 허브 부분(104)으로부터 밖으로 돌출하는 다수의 반경 방향 레그(102)를 포함한다. 레그(102)의 중간 부분은 밸브 몸체(44) 안에 형성되는 내측 환형 숄더(106)와 맞물린다. 스프링 유지 구조(50)가 밸브 몸체(44) 안에 고정되도록 레그(102)의 말단부(distal ends)가 유지 링/와셔(52)와 맞물린다. 포핏 스프링(56)은 스프링 유지 구조(50)와 포핏 부재(54)의 사이에 장착된다. 특히, 포핏 스프링(56)의 일 단부는 스프링 유지 구조(50)의 허브(104) 주위에 형성된 환형 리세스 또는 그루브(108) 안에 끼워 맞춰진다. 포핏 스프링(56)의 타단부는 포핏 부재(54)의 내측부 또는 면에 형성되는 원형 리세스(110) 안에 끼워 맞춰진다.

도 3a와 도 3b는 포핏 스프링(54)을 개략적으로 도시한다. 포핏 스프링(54)은 도 6a와 도 6b에 더 상세하게 도시된다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 포핏 스프링(56)은 연마(grinding)와 같은 수단에 의해 평평해지는 단부 코일(112)을 포함한다. 단부 코일(112)은 스프링(54)의 내측 코일(114)에 대해 기울어지거나 비스듬하게 되어있다. 내측 코일(114)은 일반적으로 서로에 대해 평행하다.

단부 코일(112)이 평평하게 되었기 때문에, 이러한 단부 부분은 스프링의 가장 약하거나 가장 얇은 부분을 나타낸다. 결과적으로, 이러한 평평해진 부분(112)의 마모를 억제하는데 적합한 구조를 제공하는 것이 바람직하다. 스프링(56)이 밸브 조립체(42) 안에 장착되고 포핏 부재(54)가 폐쇄 위치에 있을 때, 각각의 평평해진 단부 코일(112)의 적어도 원주의 1/2이 다음의 가장 내측 코일(115)과 접촉하도록, 하나의 예시적인 타입의 구조는 밸브 몸체(42)에 대해 미리 결정된 크기와 형상을 스프링(56)에 부여하는 것을 포함한다. 이러한 압착 구조가 도 6b에 도시되어 있다. 도 6b에서, 코일 단부가 서로에 대해 약 180。로 오프셋되어 있기 때문에, 평평해진 단부 코일(112)과 다음의 가장 내측 코일(115) 사이의 접촉부는 평평해진 단부 코일(112) 중 하나에 대해 보여질 수 있을 뿐이라는 것을 인식할 것이다.

본 발명의 특정의 실시예에서, 코일은 포핏 스프링(56)의 자유 길이(L_f)(도 6a에 도시됨)의 약 50-70%인 설치 길이(L_i)(도 6b에 도시됨)를 갖는다. 스프링의 설치 길이(L_i)는 스프링이 밸브 조립체(42) 안에 장착되고 포핏 부재(54)가 폐쇄 위치에 있을 때의 스프링(56)의 길이이다. 포핏 부재(54)가 폐쇄 위치에 있을 때조차도 포핏 스프링이 실제적인 예압(preload)을 갖도록 포핏 스프링(56)을 설계함으로써, 포핏 부재(54)가 개방 위치와 폐쇄 위치의 사이에서 이동할 때 평평해진 단부 부분(112)과 다음의 가장 내측 코일(114) 사이의 상대 운동이 억제된다. 결과적으로, 평평해진 단부 부분(112)의 내측 마모는 또한 억제된다.

본 발명의 특정한 다른 실시예에서, 포핏 스프링의 코일 사이의 상대 운동은 증가된 개수의 코일을 갖는 스프링을 사용하여 코일 사이의 간격을 줄임으로써 감소될 수 있다. 더욱이, 직경 변경으로 인해 코일이 서로 접촉하지 않는 일정한 힘의 원추형 압축 스프링, 또는 어떤 다른 타입의 스프링이 또한 사용될 수 있다.

포핏 스프링(56)의 마모는 평평해진 단부 부분(112)의 외측부를 보호하는 구조를 제공함으로써 또한 억제될 수 있다. 예를 들면, 엘라스토머 구조 또는 코팅이 외부 마모를 줄이도록 스프링(58)의 단부에 인접하게 위치될 수 있다. 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 엘라스토머 와셔(116)는 스프링 유지 구조(50)의 환형 그루브(108) 안에 위치되지만, 엘라스토머 디스크(118)는 포핏 부재(54)에 의해 한정되는 원형 리세스(110) 안에 위치된다. 특정의 실시예에서, 와셔/디스크는 폴리우레탄 또는 유사한 엘라스토머 특성을 나타내는 어떤 다른 재료로 이루어질 수 있다.

앞서의 설명에 관련해서, 특히 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 사용된 구성 재료와, 부품의 크기, 형상, 및 배치에 관련해서 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 상세한 설명과 기술된 실시예는 단지 예시적인 것으로 고려되며, 본 발명의 진정한 범위와 사상은 다음 청구항의 폭 넓은 의미에 의해 나타내지도록 의도된다.

Claims

두 개의 압착 플레이트의 사이에 위치되는 밸브 조립체에 있어서,

제 1 대향 배치 단부와 제 2 대향 배치 단부를 구비하는 밸브 몸체와,

상기 밸브 몸체 안에 배치되는 스프링 유지 구조와,

상기 스프링 유지 구조를 상기 밸브 몸체 안에 고정하기 위해 상기 밸브 몸체의 제 1 단부에 위치되는 유지 와셔와,

상기 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재(poppet member)로서, 개방 위치와 폐쇄 위치의 사이에서 이동할 수 있는 포핏 부재와,

상기 포핏 부재를 상기 폐쇄 위치 쪽으로 바이어스시키기 위해 상기 스프링 유지 구조와 상기 포핏 부재의 사이에 장착되는 포핏 스프링과,

상기 포핏 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 밀봉(seal)을 제공하는 밸브 시트(valve seat)로서, 상기 유지 와셔와 제 1 단부 부분(first end piece)의 사이에서 고정되는 밸브 시트와,

상기 밸브 몸체의 제 2 단부에 위치되는 제 2 단부 부분으로서, 상기 제 2 단부 부분과 상기 밸브 몸체가 스페이서 그루브(spacer groove)를 한정하는 제 2 단부 부분, 및

상기 제 2 단부 부분과 상기 밸브 몸체 사이의 상기 스페이서 그루브 안에 장착되는 환형 스페이서(annular spacer)로서, 상기 밸브 조립체가 상기 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때 상기 스페이서 그루브 내에서 축 방향으로 압착되고 탄성적으로 변형되도록 배치되고 구성되는 환형 스페이서를 포함하는 두 개의 압착 플레이트의 사이에 위치되는 밸브 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 포핏 부재는 실제적으로 강성 재료로 이루어지며, 상기 시트는 엘라스토머 재료(elastomeric material)로 이루어지는 밸브 조립체.
제 2항에 있어서, 상기 포핏 부재는 세라믹으로 이루어지며, 상기 시트는 우레탄과 폴리에스테르로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지는 밸브 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 스프링 스페이서가 상기 스페이서 그루브 안에 압착되고 변형될 때, 상기 스페이서 그루브에 실제적으로 빈 공간이 없도록 상기 스페이서는 크기가 정해지고 일정한 모양을 갖는 밸브 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 단부 부분은 환형 외부 그루브를 한정하고, 상기 조립체는 상기 환형 외부 그루브 안에 장착되는 밀봉 부재를 더 포함하며, 상기 밸브 조립체가 압착될 때, 포트(port)가 상기 압착 플레이트 중 하나에 의해 한정되도록 상기 밀봉 부재는 크기가 정해지고 일정한 모양을 가지며, 상기 밀봉 부재는 실제적으로 상기 환형 외부 그루브에 의해 한정되는 전체 용적을 채우는 밸브 조립체.
제 2항에 있어서, 상기 밸브 조립체가 상기 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 상기 밸브 시트는 제 2 영역이 압착되기 전 제 1 영역이 압착되어지도록 배치되고 형성되는 제 1 반경 방향 이격 영역(spaced regions) 및 제 2 반경 방향 이격 영역을 포함하는 밸브 조립체.
제 2항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 포핏 부재와 맞물리도록 적합하게 되어있는 내측부와 상기 제 1 단부 부분과 맞물리도록 적합하게 되어있는 외측부를 포함하는데, 상기 외측부는 축 시트 표면에 의해 상호 연결되는 제 1 횡 방향 시트 표면과 제 2 횡 방향 시트 표면을 포함하며, 상기 외측부는 상기 제 1 횡 방향 시트 표면 및 제 2 횡 방향 시트 표면에 각각 해당하는 제 1 횡 방향 단부 부분 표면과 제 2 횡 방향 단부 부분 표면, 및 상기 축 시트 표면에 해당하는 축 단부 부분 표면을 갖는 상기 제 1 단부 부분의 일부분과 접하며, 상기 밸브 조립체가 상기 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 상기 제 2 시트 표면이 상기 제 2 횡 방향 단부 부분 표면에 의해 압착되기 전 상기 제 1 횡 방향 시트 표면이 상기 제 1 횡 방향 단부 부분 표면에 의해 압착되어지도록, 상기 축 단부 부분 표면은 상기 축 시트 표면의 비 압착(non-compressed) 축 길이 보다 짧은 축 길이를 갖는 밸브 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 압착 플레이트는 펌프의 입구 포트(inlet port)와 출구 포트(outlet port)를 한정하며, 상기 밸브 조립체는 상기 입구 포트와 출구 포트 중 적어도 하나 내의 상기 압착 플레이트 사이에 장착되는 밸브 조립체.
제 2항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 포핏 부재와 맞물리도록 적합하게 되어있는 환형 밀봉 표면을 포함하며, 상기 밀봉 표면은 상기 밀봉 표면 상의 국부 응력을 최소화하도록 충분히 큰 영역을 갖는 밸브 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 포핏 스프링은 두 개의 대향 배치되는 평평한 단부 코일을 갖는 코일 스프링으로 구성되며, 상기 밸브 조립체가 상기 압착 플레이트의 사이에 장착되고 상기 포핏 부재가 폐쇄 위치에 있을 때, 각각의 평평한 단부 코일의 원주의 적어도 절반이 상기 코일 스프링의 다음 가장 내측 코일과 맞물리는 밸브 조립체.
제 10항에 있어서, 상기 평평해진 단부 부분 중 하나의 단부와 상기 포핏 부재의 사이에, 및 상기 평평해진 단부 부분 중 다른 단부와 상기 스프링 유지 구조의 사이에 위치되는 엘라스토머 밀봉 구조를 더 포함하는 밸브 조립체.
제 11항에 있어서, 상기 엘라스토머 밀봉 구조는 엘라스토머 부재로 이루어지는 밸브 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 스페이서가 초 고 분자량의 폴리에틸렌으로 만들어지는 밸브 조립체.
두 개의 압착 플레이트의 사이에 위치되는 밸브 조립체에 있어서,

밸브 몸체와,

상기 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재로서, 개방 위치와 폐쇄 위치의 사이에서 이동할 수 있는 포핏 부재와,

상기 포핏 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 밀봉을 제공하기 위해 상기 포핏 부재와 접하도록 적합하게 되어있는 밸브 시트로서, 제 1 압착 영역과 제 2 압착 영역을 포함하는 밸브 시트, 및

상기 밸브 시트와 맞물리도록 적합하게 되어있는 시트 유지 부재로서, 상기 밸브 조립체가 상기 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 제 1 영역과 제 2 영역의 압착을 보장하기 위해 상기 제 2 영역이 압착되기 전 상기 제 1 영역이 압착되어지도록 상기 시트 유지 부재와 밸브 시트가 접촉하는 시트 유지 부재를 포함하는 두 개의 압착 플레이트의 사이에 위치되는 밸브 조립체.
제 14항에 있어서, 상기 밸브 시트는 상기 포핏 부재와 맞물리도록 적합하게 되어있는 내측부와, 상기 시트 유지 부재와 맞물리도록 적합하게 되어있는 외측부를 포함하는데, 상기 외측부는 축 시트 표면에 의해 상호 연결되는 제 1 횡 방향 시트 표면과 제 2 횡 방향 시트 표면을 포함하며, 상기 외측부는 상기 제 1 횡 방향 시트 표면 및 제 2 횡 방향 시트 표면에 각각 해당하는 제 1 횡 방향 시트 유지 표면과 제 2 횡 방향 시트 유지 표면, 및 상기 축 시트 표면에 해당하는 축 시트 유지 표면을 갖는 상기 시트 유지 부재의 일부분과 접하며, 상기 밸브 조립체가 상기 압착 플레이트의 사이에서 압착될 때, 제 1 횡 방향 시트 표면과 제 2 횡 방향 시트 표면의 압착을 보장하기 위해 상기 제 2 횡 방향 시트 표면이 상기 제 2 횡 방향 시트 유지 표면에 의해 압착되기 전 상기 제 1 횡 방향 시트 표면이 상기 제 1 횡 방향 시트 유지 표면에 의해 압착되도록, 상기 축 시트 유지 표면은 상기 축 시트 표면의 비 압착 축 길이 보다 짧은 축 길이를 갖는 밸브 조립체.
제 14항에 있어서, 상기 압착 플레이트는 펌프의 입구 포트와 출구 포트를 한정하며, 상기 밸브 조립체는 상기 입구 포트와 출구 포트 중 적어도 하나 내의 상기 압착 플레이트의 사이에 장착되는 밸브 조립체.
펌프에 있어서,

입구 포트와 출구 포트를 한정하는 압착 플레이트와,

상기 포트 중 적어도 하나 안에 위치되며 상기 압착 플레이트의 사이에서 압착되는 밸브 조립체를 포함하며, 상기 밸브 조립체는,

상기 적어도 하나의 포트 안에 위치되는 밸브 몸체와,

상기 밸브 몸체를 통한 흐름을 제어하는 포핏 부재와,

유체 밀봉을 제공하기 위해 상기 포핏 부재와 접하도록 적합하게 되어있는 밸브 시트와,

상기 밸브 시트에 대해 압착되는 시트 유지 부재, 및

상기 시트 유지 부재, 상기 압착 플레이트, 및 상기 밸브 몸체 사이의 상대 운동이 억제되도록 상기 적어도 하나의 포트 안에 상기 밸브 몸체와 상기 시트 유지 부재를 축 방향으로 압착하도록 배치되고 구성되는 변형 가능 탄성 스페이서를 포함하는, 밸브 조립체로 구성되는 펌프.
제 17항에 있어서, 상기 탄성 스페이서에 대해 압착되는 클램프 와셔(clamp washer)를 더 포함하며, 상기 탄성 스페이서는 상기 클램프 와셔와 상기 밸브 몸체의 사이에 고정되는 펌프.
제 18항에 있어서, 상기 클램프 와셔와 밸브 몸체는 상기 스페이서가 탄성적으로 변형되는 그루브를 한정하도록 상호 작용하는 펌프.
제 19항에 있어서, 상기 탄성 스페이서는 초 고 분자량의 에틸렌으로 만들어지는 펌프.