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KR20130109956A - 밸브 조립체 및 밸브 조립체 사용 방법 - Google Patents

밸브 조립체 및 밸브 조립체 사용 방법 Download PDF

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KR20130109956A
KR20130109956A KR1020127032210A KR20127032210A KR20130109956A KR 20130109956 A KR20130109956 A KR 20130109956A KR 1020127032210 A KR1020127032210 A KR 1020127032210A KR 20127032210 A KR20127032210 A KR 20127032210A KR 20130109956 A KR20130109956 A KR 20130109956A
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KR
South Korea
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valve
stem
disk
flow path
closing member
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020127032210A
Other languages
English (en)
Inventor
데이비드 겐트
존 데르노프섹
다린 칼슨
프랭크 레이몬드
Original Assignee
브래이 인터내셔날 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 브래이 인터내셔날 인코포레이티드 filed Critical 브래이 인터내셔날 인코포레이티드
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Abstract

본 발명에서는 밸브와 밸브를 사용하는 방법이 제공된다. 밸브는 내부를 통과하는 흐름 경로를 형성하는 내주와 외주를 가진 밸브 본체를 가진다. 밸브는 밸브 본체의 내주 안에 위치되고 흐름 경로를 선택적으로 열고 닫도록 구성된 닫힘 부재를 가진다. 밸브는 밸브 본체의 내주 안에 일부분 이상 위치되고 닫힘 부재가 닫힌 위치에 있을 때 닫힘 부재의 일부분과 결합하도록 구성된 밸브 시트를 가진다. 밸브는 흐름 경로 내에서 닫힘 부재를 지지하도록 구성된 스템을 가지며, 스템의 일부분은 액츄에이터 오프셋을 가진다. 밸브는 스템을 지지하도록 구성된 베어링 페데스탈을 가진다. 밸브는 닫힘 부재가 스템에 대해 스템의 세로방향 축을 따라 이동할 수 있게 하면서도 닫힘 부재를 스템에 회전 방식으로 결합하도록 구성된 닫힘 부재-스템 커넥터를 가진다.

Description

밸브 조립체 및 밸브 조립체 사용 방법{VALVE ASSEMBLY AND METHOD OF USING SAME}
본 특허출원은 2010년 5월 14일에 출원된 미국 가특허출원번호 61/334,915호를 기초로 우선권을 주장하고 있다.
본 발명은 밸브와 밸브를 사용하는 방법에 관한 것이다.
산업계에서 나비형 밸브(butterfly valve)의 기하학적 형상(geometry)은 잘 알려져 있다. 나비형 밸브에서, 디스크(disc)가 흐름 경로(flow path) 내에서 회전하여 흐름 경로를 밀봉한다. 통상적인 나비형 밸브에서, 밸브 디스크는 90°의 완전한 회전 호(arc)를 통해 이동되고, 밸브가 완전히 열렸을 때에는 디스크의 직경축(diametrical axis)은 흐름 경로의 흐름축(flow axis)에 대해 평행할 것이며, 밸브가 완전히 닫혔을 때에는 디스크의 직경축은 흐름 경로의 흐름축에 대해 정확하게 수직이 될 것이다.
통상적인 나비형 밸브에서, 디스크의 기하학적 형상은 밸브가 밀봉될 때 밸브 부분들 사이에서 지속적인 밀봉상태를 유지하고 밀봉부(seal)로서 작용하는데 도움을 준다. 시간이 흘러감에 따라, 흐름 경로 내에 있는 입자(particulate)는 밸브 본체(valve body) 내부에서 밸브 부분들 위에 모인다(collect). 밸브가 수직 위치에서 스템(stem)과 함께 장착될 때, 입자는 중력의 영향으로 인해 디스크, 스템 및 베어링들이 밸브 본체와 상호작용하는(interact) 영역에 모이려는 경향이 있다. 특히, 입자가 이러한 부분들 사이에서 밀봉부와 표면에 해를 끼칠 때 문제가 발생한다.
몇몇 경우에서, 밸브 본체와 액츄에이터(actuator)는 밸브 스템이 수직 방향으로 배열되지 않도록 배열될 수 있다. 이런 방식으로, 중력의 영향은 입자가 밸브 본체 내의 하측에 놓인 영역으로 모이도록 사용될 수 있는데, 이 영역은 밸브 스템과 디스크가 밸브 시트(valve seat)에 의해 지지되지 않는 영역과 일치하지 않는다. 하지만, 장착된 다수의 밸브와 액츄에이터는 공간의 제약과 그 외의 다른 장착 영역에서의 소비자 요구로 인해 상기와 같은 방향으로 배열될 수 없게 된다. 달리 말하면, 다수의 소비자들은 공간을 절약하거나, 또는 그 외의 다른 이유, 가령, 액츄에이터의 최적 기능을 위해 밸브 스템을 수직 방향으로 배열하는 것(예를 들어, 상측 부분에 장착된 액츄에이터)을 선호한다.
본 발명의 또 다른 관심 분야는 밸브 시트, 디스크 밀봉부 및 디스크의 에지(edge)에 관한 것인데, 이들 밸브 시트, 디스크 밀봉부 및 디스크의 에지들은 밸브가 닫혀 있을 때 모두 함께 꼭 맞는(fit) 것이 바람직하다. 밸브 시트, 디스크 밀봉부, 및/또는 디스크의 에지들에 생기는 스크래치(scratch)는 누출(leak)을 야기할 수 있다. 종래 기술의 장치들에서, 스템은 디스크에 견고하게 연결된다(rigidly connected). 예를 들어, 다수의 시스템에서, 스템은 디스크에 핀고정된다(pinned). 액츄에이터가 밸브 본체 위에 장착될 때 이렇게 견고하게 연결된 연결부로 인해 문제가 발생할 수도 있다. 액츄에이터는 부피가 상당히 클 수 있으며 액츄에이터를 장착할 시에 스템에 축방향 힘(axial force)가 가해질 가능성이 존재한다. 이러한 축방향 힘은 액츄에이터가 스템 위에 위치됨에 따라 (태핑(tapping) 방식으로) 1회 이상 제공될 수 있다. 스템을 태핑하면, 힘이 견고한 연결부를 통해 밸브 시트와 디스크로 전달됨에(translated) 따라 디스크 밀봉부 및/또는 밸브 시트의 에지 위에 스크래치가 나거나 혹은 절단될 수 있다. 따라서, 보다 더 효율적인 밸브 필요성이 제기된다.
본 명세서에 기술된 구체예들은 밸브를 통과하는 흐름 경로(flow path)를 형성하는 내주(inner perimeter)와 외주(outer perimeter)를 가진 밸브 본체(valve body)를 가진 밸브를 제공한다. 밸브는 밸브 본체의 내주 안에 위치된 닫힘 부재(closure member)를 가진다. 이 닫힘 부재는 흐름 경로를 선택적으로 열고 닫도록 구성된다. 밸브는 밸브 본체의 내주 안에 일부분 이상 위치되고 닫힘 부재가 닫힌 위치에 있을 때 닫힘 부재의 일부분과 결합하고 이에 따라 흐름 경로를 통과하는 흐름이 방지되도록 구성된 밸브 시트를 가진다. 밸브는 흐름 경로 내에서 닫힘 부재를 지지하도록 구성된 스템을 가지며, 스템의 일부분은 액츄에이터 오프셋(actuator offset)을 가진다. 상기 액츄에이터 오프셋은, 닫힘 부재가 흐름 경로에 대해 수직인 위치를 초과하여(beyond) 회전 각도(rotational degree)를 이루는 위치로 닫힘 부재를 작동시키도록 구성된다. 밸브는 스템을 지지하도록 구성된 베어링 페데스탈(bearing pedestal)과 닫힘 부재-스템 커넥터(closure member-stem connector)를 가진다. 상기 닫힘 부재-스템 커넥터는 닫힘 부재가 스템에 대해 스템의 세로방향 축(longitudinal axis)을 따라 이동할 수 있게 하면서도 닫힘 부재를 스템에 회전 방식으로 결합하도록(rotationally couple) 구성될 수 있다. 베어링 페데스탈은 한 부분일 수 있거나 혹은 다중-부분(multiple piece)일 수도 있다.
본 발명에 따른 구체예들은 보다 더 잘 이해될 수 있으며 다양한 목적, 특징 및 이점들이 첨부된 도면들을 참조하여 당업자들에 자명할 것이다. 이 도면들은 단지 본 발명의 통상적인 구체예들만을 예시하도록 사용되며 본 발명이 그 외에 다른 균등예들에도 적용될 수 있기 때문에 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면들은 반드시 실측으로 도시될 필요가 없으며 특정 도면들은 확대된 상태로 예시될 수도 있거나 혹은 명확하고 간결하게 보여주기 위해 개략적으로 도시될 수도 있다.
도 1은 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템(piping system)을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 밸브 조립체의 횡단면의 일부분을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 닫힌 위치에 있는 밸브 조립체의 횡단면의 일부분을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a는 밸브 조립체의 횡단면의 일부분을 도시한 투시도이다.
도 4b는 도 4a의 라인 4B-4B를 따라 절단한 밸브 조립체의 디스크-스템 커넥터를 도시한 단면도이다.
도 5a는 밸브 조립체의 디스크와 페데스탈을 도시한 도면이다.
도 5b는 밸브 조립체의 디스크와 대안의 페데스탈을 도시한 도면이다.
도 6은 밸브 조립체의 디스크-스템 커넥터를 도시한 도면이다.
도 7은 밸브 조립체의 밸브 시트와 디스크를 도시한 도면이다.
도 8a와 8b는 파이핑 시스템에서 대안의 위치들에 있는 밸브 조립체를 도시한 도면이다.
도 9는 밸브 조립체를 사용하기 위한 방법을 보여주는 플로차트이다.
하기에 기술된 내용은 본 발명의 대표적인 장치, 방법, 기술, 및 본 발명의 주된 주제의 기술을 실시하는 명령 절차(instruction sequence)를 포함한다. 하지만, 기술된 구체예들이 상기 특정 세부사항들 없이도 실시될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
도 1은 밸브 조립체(102)를 가진 파이핑 시스템(100)을 개략적으로 도시한 도면이다. 밸브 조립체(102)는 파이핑 시스템(100) 내에서의 흐름(flow)을 조절하도록 사용될 수 있다. 밸브 조립체(102)는 밸브(104)와 액츄에이터(106)를 가질 수 있다. 밸브(104)는 파이핑 시스템(100)의 파이프 내에서의 흐름을 조절하도록 구성된다. 밸브(104)는 나비형 밸브(butterfly valve)(이 밸브에만 제한되는 것은 아님)를 포함하는 임의의 적절한 밸브일 수 있다. 액츄에이터(106)는 밸브(104)를 자동으로 작동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터(106)는 밸브(104)의 닫힘 부재(closure member)(201)를 열린 위치로부터 닫힌 위치로, 혹은 닫힌 위치로부터 열린 위치로 이동시킬 수 있다. 밸브 조립체(102)는 베어링 페데스탈(108), 닫힘 부재-스템 커넥터(109)(디스크-스템 커넥터(110)로서 도시됨), 및 액츄에이터(106)가 밸브(104)를 작동시켜 통상적인 닫힌 위치를 초과하여(beyond) 위치될 수 있게 하는 오프셋(112)을 가질 수 있다. 지지 페데스탈(108), 디스크-스템 커넥터(110) (또는 베어링 커플러(bearing coupler)), 및 오프셋(112)은 밸브 조립체(102)가 보다 효율적으로 작동하고 밸브(106)의 작동 수명 동안 효과적으로 작동될 수 있게 한다.
도 2는 밸브 조립체(102)의 횡단면의 일부분을 개략적으로 도시한 도면이다. 밸브(104)는 밸브(104)의 흐름 경로(200) 내부로 바라보는 열린 위치에 도시된다. 밸브(104)는 밸브 시트(204)에 대해 흐름 경로(200)를 밀봉하기(sealing) 위해 디스크(202)로서 도시되는 닫힘 부재(201)를 가질 수 있다. 디스크(202)는 디스크-스템 커넥터(110)에 의해 스템(206)에 결합될 수 있다. 스템(206)은 스템(206)을 회전시켜 디스크(202)를 열린 위치와 닫힌 위치 사이에서 이동시키기 위해 액츄에이터(106)에 결합될 수 있는데, 이것은 밑에서 보다 상세하게 기술될 것이다. 스템(206)은 디스크(202)의 한 면에 중첩되도록(overlap) 위치되는 것이 바람직하며 이에 따라 디스크(202)의 직경의 60%보다 더 많이 연장될 수 있다. 게다가, 스템(206)은 액츄에이터로부터 페데스탈(108a)까지 배열되는 다중-부분 스템(multi-piece stem) 또는 스터브 샤프트(stub shaft)일 수 있다. 닫힘 부재(201)가 디스크(202)로서 도시되어 있지만,닫힘 부재(201)는 밸브(104)를 통과하는 흐름 경로를 밀봉하기 위한 임의의 적절한 부재일 수 있는데, 이 부재에는 플러그(plug), 볼(ball), 게이트(gate), 플래퍼(flapper) 등이 포함되지만 이들에만 제한되는 것은 아니다.
밸브(104)는 밸브 조립체(102)의 구성요소들에 대해 지지력을 제공하도록 구성된 밸브 본체(208)를 가질 수 있다. 밸브 본체(208)는 밸브(104)의 외측 표면을 형성하는 외주(outer perimeter)(210)를 가질 수 있다. 외주(210)는 밸브(104)의 두 절반부(halve)를 함께 결합시키기 위해 임의의 적절한 결합 장치(도시되지 않음), 가령, 예를 들어, 볼트, 용접된 연결부 등을 가질 수 있다. 밸브 본체는 웨이퍼, 러그(lug) 및/또는 플랜지구성 타입의 밸브 본체에 꼭 맞을 수 있다(adpated). 밸브 본체(208)는 밸브(104)를 통과하는 흐름 경로를 형성하는 내주(inner perimeter)(212)를 가질 수 있다. 도시된 것과 같이 내주(212)는 원통 형태이지만 유체가 밸브(104)를 통과할 수 있게 하도록 내주(212)는 임의의 적절한 형태를 가질 수 있음을 이해해야 한다. 밸브 본체(208)는 스템(206)이 밸브(104)의 내부로부터 외부로 통과할 수 있게 하도록 구성된 스템 보어(214)를 가질 수 있다. 밸브 본체(208)는 밸브 시트(204)의 일부분을 수용하도록(receive) 구성된 노치(216)를 가질 수 있다. 도시된 것과 같이 노치(216)는 밸브 시트(204)의 일부분을 밸브 본체(208)에 고정시키기 위해 실질적으로 원형의 홈(groove)이다.
밸브 시트(204)는 닫힌 위치에서 결합하도록 디스크(202)에 대해 밀봉 표면(sealing surface)을 제공할 수 있다. 도시된 것과 같이, 밸브 시트(204)는 노치(216) 내에 고정되는 링(ring)이다. 밸브 시트(204)의 일부분은 흐름 경로(200) 내로 연장될 수 있다. 따라서, 밸브 시트(204)의 내측 직경은 밸브 본체(208)의 내주(212)의 내측 직경보다 더 작을 수 있다. 밸브 시트(204)는 닫힌 위치에서 디스크(202)와 결합하기 위해 도 2와 3에 도시된 것과 같이 결합 표면(218)을 가질 수 있다. 밸브 시트(204)는 하나 또는 그 이상의 패스너(222)를 사용하여 밸브 시트(204)를 밸브 본체(208)에 고정시키기 위해 하나 또는 그 이상의 구멍(220)을 가질 수 있다. 도시된 것과 같이 패스너(222)는 밸브 시트가 제거될 수 있고 수리될 수 있으며, 및/또는 현장에서 쉽게 교체될 수 있게 하는 나사(screw)이다. 패스너(222)는 임의의 적절한 패스너 및/또는 리테이닝 볼트(retaining bolt), 가령, 전단면 리테이너 볼트(full faced retainer bolt)일 수 있다.
밸브 시트(204)는 금속, 가령, 레미네이트된(laminated) 321 스테인리스 스틸/그래파이트 링으로 제조될 수 있다. 밸브 시트(204)가 레미네이트된 321 스테인리스 스틸로서 기술되었으나, 밸브 시트(204)는 임의의 적절한 재료, 및/또는 또 다른 스테인리스 스틸, 카본 스틸, 합금, 니켈 합금 등을 포함하는(하지만 이들에만 제한되지는 않음) 재료의 조합으로 구성될 수 있다는 사실을 이해해야 한다. 레미네이트된 링의 탄성(elasticity)으로 인해, 밸브 시트(204) 및 디스크(202)에 균일한 주변 밀봉(peripheral sealing)을 제공할 수 있다. 균일한 주변 밀봉은 밸브(202) 내의 흐름 방향에 무관하게 밸브(204)가 완전히 차단되게(full shutoff) 할 수 있다.
밸브 시트(204)는 밸브 본체(208) 위에 있는 하나 또는 그 이상의 정렬 마크(alignment mark)(224)와 상응하는(correspond) 하나 또는 그 이상의 정렬 마크(224)를 가질 수 있다. 또한 정렬 마크(224)는 디스크(202) 위에 위치될 수도 있다. 정렬 마크(224)는 작업자가 밸브(104)를 쉽게 조립할 수 있게 하여 정렬 오류(alignment error)가 발생할 가능성이 거의 없도록 할 수 있다. 현장에서 밸브 시트(204)를 교체가능한 품목이 되게 함으로써 현장에서의 유지보수 비용(maintenance cost)이 줄어들 수 있다.
지지 페데스탈(108a)은 밸브 본체(208)의 내주로부터 돌출될 수 있다. (도시된 것과 같이) 밸브 본체(208)의 상측 부분 가까이에 제 2 페데스탈(108b)이 제공될 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 페데스탈(108a 및 108b), 보스(boss), 또는 허브(hub)는 흐름 경로(200) 내부로 돌출되는 원추형(frusto-conical) 페데스탈일 수 있다. 페데스탈(108a 및 108b)은 밸브 시트(204)의 상류 쪽(upstream side)에 위치되는 것으로 도시된다. 페데스탈(108a)은 스템(206)의 하측 단부와 결합하기 위해 베어링 표면(226)을 가질 수 있다. 페데스탈(108b)은 부분적인 베어링 표면(228)을 가질 수 있다. 부분적인 베어링 표면(228)은 내부를 관통하는 스템 홀(230)을 가질 수 있으며 스템(206)이 액츄에이터(106)로 통과할 수 있게 한다. 페데스탈(108a 및 108b), 이에 따라 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)이 흐름 경로(200) 내로 연장될 수 있게 함으로써, 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)은 디스크(202)에 근접하게 위치될 수 있다. 이렇게 배열되면, 지지되지 않은 스템 길이가 줄어들어 고압 강하(high pressure drop) 하에서 작동되는 동안 스템이 휘어지고(deflection) 변형되는(strain) 것이 현저하게 감소된다. 이렇게 휘어지고 변형되는 것이 줄어들면, 밸브의 성능과 작동 수명이 실질적으로 향상될 수 있다. 또한, 상기와 같이 배열되면, 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)에서 유체가 축적되고 및/또는 유체가 통과되는 것이 줄어든다.
페데스탈(108a 및 108b)은 316 스테인리스 스틸 재료로 제조될 수 있다. 상기 스테인리스 스틸은 한 구체예에서 니트라이트 코팅될 수 있다(nitrite coated). 베어링 디자인에서 최신 야금학적 기술로 인해 무거운 하중(heavy load) 하에서 스템의 갤링(galling)이 없어질 수 있다. 페데스탈(108a 및 108b)이 316 스테인리스 스틸로 제조되는 것으로 기술되었지만, 임의의 적절한 재료, 가령, 스테인리스 스틸, 카본 스틸, 합금, 니켈 합금, 및 이들의 임의의 조합 등도 사용될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
페데스탈(108a 및 108b)이 원추형태를 가지는 것으로 도시되었지만, 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)이 디스크(202)에 근접한 위치로 연장될 수 있게 하는 임의의 적절한 형태, 가령, 원통 형태, 볼록 형태, 보스, 허브, 돔(dome) 형태, 직사각형 프리즘(prism) 형태, 테이퍼 형태(tapered shape) 등도 가능하다(이 형태들에만 제한되지는 않음). 게다가, 도면에는 두 페데스탈(108a 및 108b)이 도시되었지만, 페데스탈(108a 및/또는 108b) 중 오직 하나만 제공될 수 있다는 사실도 이해해야 한다.
페데스탈(108a 및 108b)은 스템(206)과 나란하게 정렬될 수 있다(aligned). 예를 들어 스템(206)의 중앙선은 페데스탈(108a 및 108b)의 중앙선과 나란하게 정렬될 수도 있다. 따라서 스템(206)은 베어링 표면(228) 및/또는 부분적인 베어링 표면(228)의 중심과 나란하게 정렬될 수 있다. 페데스탈(108a 및 108b)이 스템(206)의 중앙선과 나란하게 정렬된 상태로 기술되었지만, 임의의 적절한 오프셋배열(offset)도 사용될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
페데스탈(108a 및/또는 108b)은 밸브 본체(208)의 내주(212)로부터 밸브 시트(204) 및/또는 디스크(202) 및/또는 밸브 시트(204)의 결합 표면(218)에 근접한 위치까지 반경 방향으로 연장될 수 있다. 페데스탈(108a 및/또는 108b)이 디스크(202)에 가까이 위치될 수 있지만, 페데스탈(108a 및 108b)은 디스크(202)가 회전되는 것을 방해하지(interfere) 않을 것이다. 페데스탈(108a 및/또는 108b)이 디스크(202) 및/또는 결합 표면(218)을 향해 반경 방향으로 연장될 수 있는 거리는 한 구체예에서 밸브 내측 직경의 적어도 2% 또는 그 이상일 수 있으며 밸브 스템(206)의 직경의 10% 또는 그 이상일 수 있다. 게다가, 페데스탈(108a 및/또는 108b)이 디스크(202)를 향해 반경 방향으로 연장되는 거리는 디스크(202)의 작동을 방해하지 않는 임의의 적절한 거리일 수 있다.
베어링 표면(226) 및/또는 부분적인 베어링 표면(228)은 밸브(104)에서 스템(206)을 지지하기에 적절한 임의의 형태를 가질 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 베어링 표면(226)은 스템(206)의 하측 단부와 결합하기 위해 실질적으로 평평한 원형 표면일 수 있다. 부분적인 베어링 표면(228)은, 스템(206)의 일부분이 부분적인 베어링 표면(228)을 통과할 수 있게 하면서도, 흐름 경로(200) 내에서 스템(206)의 상측 단부를 지지하기 위해 평평한 도넛 형태의 링일 수 있다. 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)이 실질적으로 평평한 형태로 기술되었지만, 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)은 스템(206)을 더 잘 지지하기 위해 굽어진 형태일 수도 있다. 예를 들어, 베어링 표면(226)과 부분적인 베어링 표면(228)은 스템(206)의 형태를 수용하기 위해(accommodate) 약간 오목한 형태 및/또는 볼록한 형태를 가질 수도 있다.
도 3은 한 구체예에 따른 밸브(104) 횡단면의 상부도를 보여준다. 도시된 것과 같이 밸브(104)는 3중 오프셋 밸브(triple offset valve)일 수 있다. 3중 오프셋 밸브 디자인은 스템(206), 및/또는 그 외의 다른 밸브 구성요소들로부터 방해되지(interference) 않고 밸브(104)가 밸브 시트(204)와 디스크(202) 사이에서 금속 대 금속 밀봉부(metal to metal seal)를 형성할 수 있게 한다. 제 1 오프셋(300)은 밸브 시트(204)와 디스크(202) 사이의 밀봉 표면(302)과 스템(206)의 중앙선 사이의 오프셋일 수 있다. 제 1 오프셋(300)은 스템(206)에 의해 방해되지 않도록 디스크(202)가 밸브 시트(204)와 연속적인 밀봉 표면을 형성할 수 있게 한다. 제 2 오프셋(304)은 밸브 중앙선(306)과 스템(206)의 중앙선 사이의 오프셋일 수 있다. 제 2 오프셋(304)은 디스크(202)의 캠(cam)과 같은 회전 운동을 형성할 수 있다. 캠과 같은 회전 운동은, 열렸을 때, 디스크(202) 에지가 시트(204)로부터 끌어당겨질 수 있게 한다(pull). 디스크(202)가 닫힌 위치에 도달했을 때에는, 도 3에 도시된 것과 같이, 제 2 오프셋(304)이 캠과 같은 회전 운동을 디스크(202)가 밸브 시트(204) 내로 밀리게 되는(push) 직선 운동으로 변환되게 한다(convert). 디스크(202) 에지는 디스크(202)의 전체 이동 범위에 걸쳐 시트(204)와 접촉하지 않을 수도 있다. 제 3 오프셋(308)은 밸브 시트(204)와 디스크(202) 사이의 원뿔형 밀봉부(310)일 수 있다. 원뿔형 밀봉부(310)는 도 4a에 도시된 것과 같이 원추형 밸브 시트 표면(400) 및/또는 원추형 밀봉부 표면(402)에 의해 형성될 수 있다. 원뿔형 밀봉부(310)는 밸브 시트(204)로부터 디스크(202)가 회전하여 결합이 해제되는 것이(rotary disengagement) 용이할 수 있다. 이러한 원뿔의 기하학적 형태(geometry)로 인해, 스템(206)에 의해 디스크(202)가 회전하여 열린 바로 직후에, 전체 디스크(202) 에지가 밸브 시트(204)로부터 제거된다. 게다가, 원뿔형 밀봉부(310)는 밸브(104)가 닫히는 동안 접촉부(contact)와 결합된다. 따라서, 디스크(202)와 밸브 시트(204) 사이가 모두 방해되는 것은(interference) 원뿔형 밀봉부(310)를 형성하는 제 3 오프셋(308)을 사용하여 제거될 수 있다.
도 4a는 한 구체예에 따른 밸브(104)의 횡단면의 일부분을 보여주는 투시도이다. 디스크(202)는 열린 위치(도 2에 도시된 것과 같은)와 닫힌 위치(도 3에 도시된 것과 같이) 사이의 한 위치에 도시된다. 디스크(202)는 열린 위치에서 최대 강도와 최대 흐름 용량을 제공하기 위해 최적화된 프로파일을 가질 수 있다. 디스크(202)는 결합 부분(404)과 스템 연결 부분(405)을 가질 수 있다. 결합 부분(404)은 디스크(202)와 밸브 시트(204)를 결합하여 디스크(202)를 밸브 시트(204)에 대해 밀봉하도록 구성될 수 있다. 결합 부분(404)은 원추형 디스크 밀봉 표면(402), 결합 숄더(406), 디스크 에지(407), 및 디스크 면(408)을 가질 수 있다. 결합 숄더(406)는 닫힌 위치에서 밸브 본체(208) 및/또는 밸브 시트(204)의 후방 부분과 결합하도록 구성될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 결합 숄더(406)는 닫힌 위치에서 밸브 본체(208) 및/또는 밸브 시트(204)로부터 멀어지게 위치되도록 구성될 수 있다. 디스크(202) 및/또는 디스크(202)의 구성요소들은 본 명세서에 기술된 재료들을 포함하는 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다.
디스크 에지(407)는 닫힌 위치에서 밸브 본체(208)의 내주(212)에 대해 밀봉되도록 구성될 수 있다. 디스크 에지(407)는 하나 또는 그 이상의 교체식 디스크 밀봉부(410)를 가질 수 있다. 디스크 밀봉부(410)는 금속, 엘라스토머, 고무 등을 포함하는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있으나 이들 재료에만 제한되는 것은 아니다. 현장에서 디스크 밀봉부(210)를 교체하면, 운영자는 디스크 밀봉부(210)를 쉽게 제거하여 교체할 수 있으며 현장에서 밸브(104)를 다시 장착할 수 있다(refurbish). 디스크(202), 밸브 시트(204) 및 밸브 본체(208)가 다중 밀봉 표면과 다-방향(multi-directional) 밀봉 표면을 가질 수 있기 때문에, 밸브(102)의 밀봉 성능이 현저하게 증가된다. 다-방향 밀봉부는 밸브(102)의 전체 온도 범위와 전체 압력 범위에 걸쳐 누출되는 것을 줄이거나 또는 누출이 없게 할 수 있다. 게다가, 디스크 에지(407), 및/또는 디스크 밀봉부(410)는 밸브(104) 내에서 디스크(202)를 지지하기 위해 페데스탈(108a 및/또는 108b)의 일부분을 결합하도록 구성될 수 있다.
디스크 면(408)은 닫힌 위치에서 흐름 경로(200)를 밀봉하도록 구성될 수 있다. 도시된 것과 같이 디스크 면(408)은 닫힌 위치에서 밸브 시트(204)의 내측 직경에 근접하게 위치될 수 있도록 구성된 실질적으로 원형의 부재(member)이다. 디스크 면(408)이 원형 부재로서 도시되었지만, 디스크 면(408)은 디스크(202)가 닫힌 위치에 있을 때 흐름 경로(200)를 차단하기(blocking) 위해 임의의 적절한 형태를 가질 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
디스크(202)의 스템 연결 부분(405)은 밸브(104) 내에서 디스크(202)의 작동을 위해 스템(206)을 수용하도록 구성될 수 있다. 스템 연결 부분(405)은 하우징(412)을 가질 수 있다. 하우징(412)은 디스크(202)를 스템(206)에 결합시키기 위해 수용 보어(414)를 가질 수 있다. 그 외에도, 하우징(412)은 디스크(202)의 결합 부분(404)에 결합되도록 구성될 수 있다. 하우징(412)은 용접, 볼트고정 등을 포함하는(이 방법에만 제한되지는 않음) 임의의 적절한 방법을 이용하여 결합 부분(404)에 결합될 수 있거나, 결합 부분(404)의 일체형 부분일 수도 있다.
디스크-스템 커넥터(110)는 디스크(202)에 대해 스템(206)이 축방향으로 이동할 수 있게 하고 디스크(202)와 무관하게 스템(206)이 축방향으로 이동할 수 있게도 한다. 따라서, 밸브 시트(204)와 디스크(202) 사이의 밀봉부는 작동 동안 심지어 스템이 세로방향으로 이동할 때에도 정지상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 운영자는 액츄에이터(106)를 장착하는 동안 또는 액츄에이터(106) 및/또는 스템(206)을 쳐서 무심코 스템(206)을 이동시킬 수도 있다. 게다가, 밸브(102) 내의 스템(206)의 바닥에 제공되는 열팽창 또는 압력 효과로 인해 스템(206)이 세로방향으로 이동되어도, 디스크(202)에 전달되지 않을 것이다. 디스크-스템 커넥터(110)는 견고하게 결부된(rigidly attached) 스템(도시되지 않음)이 오정렬(misalignment)되는 문제를 방지할 수 있다. 게다가, 디스크-스템 커넥터(110)는 밸브에 통상적으로 사용되는 스템 리텐션 구성요소(스템 리텐션 구성요소)(도시되지 않음)들이 노출되는 것을 없앨 수 있다. 이러한 스템 리텐션 구성요소들은 핀(pin) 또는 테이퍼 핀(taper pin)을 포함할 수 있으나 이들에만 제한되는 것은 아니다. 이러한 통상적인 스템 리텐션 구성요소들은 흐름 경로에서 누출되고 침식되며 부식되며 밸브에서 진동문제가 발생되게 할 뿐만 아니라 매칭(matching)시키고 조립하며 조립해체하는 것도 어렵게 만든다. 디스크-스템 커넥터(110)는 조립과 조립해체를 쉽게 하기 위해 스템(206)이 수용 보어(414) 내로 슬라이딩 이동될 수 있게 한다. 스템(206) 경계면(interface)에 대해 디스크(202)의 상측 부분 가까이에 한 디스크-스템 커넥터(110)가 도시되었지만, 스템(206)을 따라 다수의 디스크-스템 커넥터(110)들이 위치될 수도 있다. 게다가, 디스크-스템 커넥터(110)가 디스크(202)에 토크(torque)를 전달할 수 있게 되는 한, 디스크-스템 커넥터(110)의 위치는 스템(206)의 길이를 따라 변경될 수 있다.
디스크-스템 커넥터(110)는 수용 보어(414)와 스템(206) 사이의 연결부(connection)일 수 있다. 디스크-스템 커넥터(110)는 수용 보어(414)와 스템 사이에서는 상대적 회전 운동을 방지하면서도 스템(206)이 수용 보어(414) 내에서는 세로 방향으로 이동할 수 있게 한다. 도 4a에 도시된 것과 같이, 스템(206)은 스플라인형 부분(splined portion)(420)을 가질 수 있다. 스플라인형 부분(420)은 수용 보어(414)의 스플라인형 보어(422) 내에 위치될 수 있도록 구성될 수 있다. 도 4b는 디스크-스템 커넥터(110)의 횡단면도를 보여준다. 도시된 것과 같이, 스플라인형 부분(420)은 스플라인형 보어(422)보다 약간 더 작아서 이에 따라 스템(206)이 디스크(202) 내로 슬라이딩 이동되고 (도 4a에 도시된 것과 같이) 디스크(202)에 대해 세로 방향으로 이동될 수 있게 한다. 스플라인형 부분(420)과 스플라인형 보어(422) 사이의 근접 공차(close tolerance)는 도 4b에 도시된 것처럼 반드시 필요한 것은 아니며, 이력현상(hysteresis)을 제거할 수도 있다. 스플라인형 연결부(splined connection)가 다수의 날카로운 점/에지들을 가지는 것으로 도시되었지만, 스플라인형 연결부는 토크를 전달하기에 적절한 임의의 형태, 가령, 둥근 에지, 챔퍼식 에지(chamfered adge), 사인곡선(sinusoidal) 형태 등을 가질 수 있다(이들 형태에만 제한되는 것은 아님). 스플라인형 부분(420)과 스플라인형 보어(422)는 수용 보어(414)의 길이를 따라 연장될 수 있거나 혹은 도시된 것과 같이 단지 수용 보어(414)의 일부분일 수 있다(즉 도면에 도시된 것보다 더 길거나 혹은 더 짧을 수도 있다). 디스크-스템 커넥터(110)가 스플라인형 연결부로서 도시되었지만, 상대적 회전 운동을 방지하면서도 스템(206)이 세로 방향으로 이동될 수 있도록 하기에 적절한 임의의 소켓(socket) 형태, 가령, 삼각형의 횡단면, 정사각형의 횡단면, 5각형의 횡단면, 6각형의 횡단면, 형삭가공된 횡단면(shaped cross section) 등(이들 형태에만 제한되는 것은 아님)도 사용될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
스템(206) 용으로 사용되는 재료 및/또는 디스크(202) 용으로 사용되는 재료는 항복강도(yield strengh)와 열팽창 변형(variation)을 방지하기 위해 비슷할 수 있다. 게다가, 이 재료들은 밸브의 용도, 온도 및 압력에 따라 다를 수도 있다. 스템(206)과 디스크(202)는 본 명세서에 기술된 재료를 포함하는 임의의 적절한 재료들로 구성될 수 있지만 이러한 재료들에만 제한되는 것은 아니다.
밸브 본체(208)를 통과하는 스템 보어(214)는 밸브 본체(208) 내에서 스템(206)을 밀봉하고 스템(206)을 지지하도록 구성된 스템 베어링(424)을 가질 수 있다. 스템 보어(214)는 베어링 시스템 또는 스템 베어링(424)용 인보드 본체 허브(inboard body hub)로서 작용할 수 있다. 베어링 시스템은 스템(206) 내의 변형과 굽힘을 최소화시킬 수 있다. 베어링 시스템은 스템(206)을 지지할 수 있으며 스템의 갤링(galling)을 없앨 수 있다. 게다가, 베어링 시스템은 공정(process)에서 발생되는 부스러기(debris)가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 베어링 시스템은 디스크(2020가 밸브 시트(204)와 나란하게 정렬되는 상태를 추가로 유지할 수 있다. 스템 베어링(424)은 스템(206)을 반경 방향으로 지지하고 부스러기가 밸브(104)로 유입되거나 밸브(104)로부터 부스러기가 배출되는 것을 방지하기 위해 스템 보어(214) 내에 위치된 임의의 적절한 베어링일 수 있다. 스템 베어링(424)은 밸브(104)의 내부로 흘러들어가고 밸브(104)의 내부로부터 흘러나오는 것을 방지하기 위해 하나 또는 그 이상의 베어링 밀봉부(426)를 가질 수 있다.
밸브(104)는 스템 패킹 글랜드(stem packing gland)(428)를 가질 수 있다. 스템 패킹 글랜드(428)는 현장에서 스템 밀봉 시스템(230)에 용이하게 접근하여 스템 밀봉 시스템(430)을 쉽게 조절할 수 있게 한다. 게다가, 스템 밀봉 시스템(430)은 밸브(104)의 내부로부터 및/또는 밸브(104)의 내부로 일시적으로 배출되는(fugitive emission) 것을 없앨 수 있다. 밸브(104)에서 내부 고장이 발생된 바람직하지 못한 경우에 스템(206)이 밸브(104)로부터 빠지는(ejecting) 것을 방지하기 위해 스템 블로우아웃(blowout) 방지 링(432)이 사용될 수도 있다.
스템(206)은 디스크(202), 스템 베어링(424), 스템 패킹 글랜드(428), 스템 밀봉 시스템(430), 및/또는 스템 블로우아웃 방지 링(432)을 통과하는 연속적인 구성요소(continuous compoent)일 수 있거나, 혹은 스템은 서로 결합된 2개 또는 그 이상의 부분들일 수 있다.
액츄에이터 마운트(434)가 밸브 본체(208)의 상측 부분에 결합될 수 있다. 액츄에이터 마운트(434)는 (도 1에 도시된 것과 같이) 액츄에이터(106)에 결합하기 위해 마운팅 표면(436)을 제공하거나 혹은 유니버설 마운팅 표면(universal mounting surface)일 수 있다. 도시된 것과 같이, 액츄에이터 마운트(434)는 스템(206), 스템 패킹 글랜드(428), 및/또는 스템 베어링(424)이 액츄에이터 마운트(434)를 통과할 수 있도록 하기 위해 스템 보어(438)를 가진다. 액츄에이터 마운트(434)가 실질적으로 직사각형 형태의 브래킷(bracket)으로 도시되었지만, 액츄에이터 마운트(434)는 액츄에이터(106)를 밸브(104)에 결합하기에 적절한 임의의 형태, 가령, 정사각형, 난형(oval), 둥근 형태 등(이 형태들에만 제한되지는 않음)일 수 있다. 게다가, 액츄에이터 마운트(434)는 밸브(104)와 일체형으로 구성될 수도 있다는 사실을 이해해야 한다. 도시된 것과 같이 액츄에이터 마운트(434)는 하나 또는 그 이상의 볼트(44)를 사용하여 밸브 본체(208)에 결합되었지만, 임의의 패스너 또는 용접부(weld)가 사용될 수도 있다는 사실을 이해해야 한다. 한 구체예에서, 액츄에이터 마운트(434)와 스템 연결부는 ISO 5211에 따른다.
액츄에이터(106)는 마운팅 표면(436)에 직접 장착될 수 있으며 스템(206)에 결합될 수도 있다. 액츄에이터(106)는 스템(206)에 결합하기 위해 임의의 적절한 결합 수단(도시되지 않음)을 가질 수도 있다. 결합 수단은 스템(206)의 상측 단부에 결합될 수 있다. 액츄에이터(106)는 스템(206)과 이에 따라 디스크(202)를 열린 위치와 닫힌 위치 사이에서 이동시키기 위해 내부 구동 수단(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 도시된 것과 같이 액츄에이터(106)는 자동식 액츄에이터이지만, 핸드 휠(hand wheel), 수동식 기어박스(manual gearbox), 공압식 액츄에이터, 유압식 액츄에이터, 전기식 액츄에이터, 기계식 액츄에이터, 및 이들의 조합 등을 포함하는 임의의 적절한 액츄에이터(이들에만 제한되지는 않음)도 사용될 수 있다.
스템(206)의 액츄에이터 단부는 디스크 위치 표시기(442)를 가질 수 있다. 디스크 위치 표시기(442)는 밸브(102) 내의 디스크(202)의 위치(예를 들어, "완전히 열린 위치", "완전히 닫힌 위치" 등)를 액츄에이터(106) 및/또는 운영자에게 표시하도록 구성될 수 있다. 따라서, 디스크 위치 표시기(442)가 스템(206)과 함께 이동함에 따라,디스크(202)는 열린 위치 및/또는 닫힌 위치 사이에서 이동된다. 도시된 것과 같이, 디스크 위치 표시기(442)는 스템(206)의 액츄에이터 단부 내로 절단되는 노치이지만, 디스크(202)의 위치를 표시하기 위해 스템(206)에 사용되는 임의의 적절한 장치도 사용될 수 있다. 디스크 위치 표시기(442)는 밸브(102) 내의 디스크(202)의 위치를 명확하게 검증한다(verification).
스템(206)의 액츄에이터 단부는 스템(206)의 액츄에이터 단부 내부로 기계가공되는(machined) 하나 이상의 구동 결합 표면(들)(444)을 가질 수 있다. 구동 결합 표면(444)은 액츄에이터 커플링(actuator coupling)을 결합하고 액츄에이터(106)에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 구동 결합 표면(444)은 스템(206)을 액츄에이터(106)에 결합하기 위한 임의의 적절한 표면, 장치, 및/또는 시스템, 가령, 2중 D 커플링, 스플라인 커플링(spline coupling), 키형 커플링(keyed coupling), 핀형 커플링(pinned coupling), 디스크 나사(disc screw), 테이퍼 핀, 키 웨이(key way), 기계식 패스너, 다중 구동 커플러(multiple drive coupler), 및 이들의 조합 등일 수 있는데, 이들에만 제한되는 것은 아니다.
한 구체예에서, 디스크 위치 표시기(442)는 스템(206)과 이에 따라 디스크(202)의 운동 범위의 90° 각도를 추적할 수 있다(track). 90° 각도는 열린 위치와 닫힌 위치 사이에서의 디스크(202)의 운동 범위를 나타낼 수 있다. 스템(206) 내의 노치는 탐지된 90° 각도의 운동을 나타내거나 또는 90° 각도의 운동에 상응한다.
한 구체예에서, 구동 결합 표면(들)(444)은 액츄에이터 커플링과 디스크 위치 표시기(442)에 대해 구동 결합 표면(들)(444)이 약간 오프셋배열되고, 엇갈려서 배열되거나(staggered), 혹은 종래 기술의 밸브에서 기계가공되고 나란하게 정렬되었던 경우에 비해 약 1° 내지 5° 범위 내에서 비스듬하게 배열되도록(skewed) 형성된다. 도시된 것과 같이, 구동 결합 표면(들)(444)은 디스크(202)와 실질적으로 평행하게 배열된 것으로 보이지만 구동 결합 표면(들)(444)은 본 명세서에 기술된 것과 같이 약간 오프셋배열될 수도 있다. 구현하고자 하는 효과와 기능에 따르면, 디스크(202)가 디스크(202)의 완전한 회전 호(arc)를 통해 이동함에 따라(예를 들어 90° 각도), 밸브(104)가 완전히 열렸을 때에는 디스크(202)의 직경축(330)은 흐름 경로(200)의 흐름축(flow axis)(도 3에 도시된 것과 같이 흐름 경로(200)의 중앙선(306)에 의해 나타남)에 대해 평행한 위치로부터 약 1° 내지 5°만큼 리딩될 것이며(leading), 밸브(104)가 완전히 닫혔을 때에는 디스크(202)의 직경축(330)은 흐름 경로(200)의 흐름축에 대해 수직인 위치로부터 약 1° 내지 5°만큼 리딩될 것이다. 이에 따라, 완전히 닫혔을 때에는, 디스크(202)의 직경축(330)은 3중 오프셋 밸브에서 밸브 시트(204)와 금속 대 금속 방식으로(metal to metal) 수직으로 밀봉된 위치를 지나 약 1° 내지 5°만큼 회전될 것이다.
약 1° 내지 5°의 오프셋, 또는 액츄에이션 오프셋(actuation offset)은 밸브(104)의 작동 수명에 걸쳐 다수의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 작동 사이클과 시간에 걸쳐, 밸브(104)가 닫힐 때, 디스크(202)와 밸브 시트(204) 사이에 더 우수한 밀봉상태가 유지되는데, 이는 닫힘 운동(closing motion) 범위가 통상적인 밸브의 일반적인 작동 운동을 지나(약 1° 내지 5°만큼) 연장되기 때문이다. 작동 오프셋이 일반적인 닫힘 위치를 약 1° 내지 5°만큼 지나는 것으로 기술되었지만, 임의의 적절한 범위, 가령, 0°보다 크고 10°보다 작은 범위도 사용될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
도 5a는 한 구체예에 따른 페데스탈(108a)을 도시한 도면이다. 페데스탈(108a)은 스템(206)과 디스크(202)가 밸브 본체(208)의 내주(212) 위에서 작동할 수 있게 한다. 밸브(104)의 작동 수명 동안, 부스러기 및/또는 입자는 밸브의 바닥 부분, 또는 내주(212)의 바닥 부분에 축적될 수 있다(accumulate). 페데스탈(108a)은 디스크(202)를 상기 위치 위로 이동시킬 수 있으며 이에 따라 상기 영역에서 디스크(202)를 부스러기가 없는 상태로(free of debris) 작동하게 한다. 또한, 페데스탈(108a)은 지지되지 않은 스템 길이를 줄여서, 스템 베어링이 디스크(202)의 후면에 대해 상호보완적이거나(complementary) 혹은 디스크(202)의 후면을 지지하게 된다. 이에 따라 작동 동안 스템이 휘어지고 변형되는 것이 감소된다. 페데스탈(108a)의 높이는 밸브 내측 직경의 2% 또는 그 이상과 밸브 샤프트 직경의 10% 또는 그 이상 만큼 흐름 경로(200)의 개구(opening) 내부로 돌출될 수 있다. 입자들은 밸브 스템(206)과 디스크(202)가 밸브 시트(204)와 상호작용하는(interact) 위치 대신에 보스(또는 페데스탈(108a))의 기저부(107)(도 2 및 도 5a & 5b 참조)에서 포획되고(catch) 스템(206)이 디스크(202)에 대해 저널링되는(journal to) 위치로부터 멀어진다.
도 5b는 다중-부분 페데스탈(multi piece pedestal)로서 페데스탈(108a)을 도시한 도면이다. 도시된 것과 같이, 페데스탈(108a)은 베어링 부분(500)과 베이스 부분(502)을 가진다. 베이스 부분(502)은, 베이스 부분(502)에서, 숄더(504), 또는 공동(cavity)을 둘러싸고 공동을 형성하는 림(rim), 또는 리세스(recess)를 가질 수 있다. 베어링 부분(500)은 상기 공동 내에 삽입되고 베어링 부분(500)을 베이스 부분(502)에 실질적으로 고정하도록 구성된 수부분(male portion)(506)을 가질 수 있다. 수부분(506)과 공동은 베어링 부분(500)이 베이스 부분(502)에 대해 가로 방향으로 이동되는(moving laterally) 것을 방지하게 할 수 있다. 다중-부분 페데스탈의 오직 두 부분들만 도시되었지만, 다중-부분 페데스탈 중 두 부분보다 더 많은 부분이 제공될 수도 있다. 다중-부분 페데스탈은 페데스탈(108a)의 크기를 조절할 수 있게 한다. 다중-부분 페데스탈이 페데스탈(108a)로 도시되었지만, 제 2 페데스탈(108b)이 다중-부분 페데스탈일 수도 있다는 사실을 이해해야 한다. 게다가, 베어링 부분(500)과 베이스 부분(502)을 연결하기 위해 임의의 적절한 시스템, 가령, 용접, 못 용접(tack welding), 나사고정(screwing), 볼트고정(bolting) 등(이들에만 제한되는 것은 아님)도 사용될 수 있다.
도 6은 한 구체예에 따른 디스크-스템 커넥터(110)를 도시한다. 도시된 것과 같이, 디스크-스템 커넥터(110)는 스플라인형 연결부(splined connection)이다. 디스크-스템 커넥터(110)는 디스크가 스템(206)과 무관하게 축방향으로 이동될 수 있게 하면서도 스템으로부터 디스크로 회전력, 또는 토크를 전달한다. 디스크(202)에 대해 스템(206)이 독립적으로 축방향 운동을 하면, 예를 들어, 액츄에이터(106)의 태핑(tapping) 또는 해머링(hammering)으로부터 스템(206)에 가해지는 수직방향 힘(vertical force)이 디스크(202)로 전달되는 것이 방지된다. 이에 따라 디스크(202)가 보호될 것이며 디스크 밀봉부(207)의 에지들이 밸브 시트(204)의 에지들에 대해 구동되지 않아서(not drive) 밸브 시트(204)의 에지와 디스크 시트(207)의 에지에 스크래치(scratch)가 생기고 절단(cut)될 가능성이 감소될 것이다. 스템(206)의 베이스에 가해지는 온도 및 압력 효과는 디스크(202)에 축방향으로 전달되지(axially translate) 않아서 이에 따라 밀봉부를 보존하는데(preserve) 도움을 준다.
도 7은 밸브 시트(204)와 디스크(202)를 도시한다. (도 4a에 도시된) 스템(206)은 밸브 시트(204)와 디스크(202) 사이의 밀봉부가 밸브의 작동 수명에 걸쳐 유지될 수 있도록 하기 위해 오프셋, 또는 액츄에이터 오프셋(actuator offset)을 가질 수 있다. 액츄에이터 오프셋은, 스템(206), 및 이에 따라 디스크(202)가 종래 기술의 밸브에서 배치되었던 위치를 지나 약 1° 내지 5°만큼 전진되도록(advanced) 스템을 액츄에이터에 결합시킬 수 있다(종래 기술의 밸브에서는, 액츄에이터가 스템을 예를 들어 90°의 호(arc) 만큼 회전시킴에 따라, 밸브가 완전히 열렸을 때에는 스템(206)과 따라서 디스크(202)가 디스크의 직경축이 흐름 경로의 흐름축에 대해 평행한 위치로부터 회전되고 밸브가 완전히 닫혔을 때에는 디스크의 직경축이 흐름 경로의 흐름축에 대해 수직인 위치로부터 회전할 수 있도록 스템이 결합되었다는 사실을 유의하라). 한 구체예에서, 1° 내지 5°전진, 또는 액츄에이터 오프셋은 액츄에이터(106)에 결합되는 단부에서 스템(206)을 기계가공함으로써 구현될 수 있으며, 이에 따라 스템(206)의 구동 결합 표면(들)(444)과 디스크 위치 표시기(442) 노치가 약간 엇갈려서 배열되거나 또는 노치와 구동 결합 표면(들)이 만들어지고 종래 기술의 밸브에서 나란하게 정렬되는 위치에 대해 약 1° 내지 5°의 범위 내에서 비스듬하게 배열된다. 구현하고자 하는 효과와 기능에 따르면, 디스크(202)가 디스크(202)의 완전한 회전 호(arc)를 통해 이동함에 따라, 밸브(104)가 완전히 열렸을 때에는 디스크(202)의 직경축은 흐름 경로의 흐름축에 대해 평행한 위치로부터 약 1° 내지 5°만큼 리딩될 것이며(leading), 밸브(104)가 완전히 닫혔을 때에는 디스크(202)의 직경축은 흐름 경로(200)의 흐름축에 대해 수직인 위치로부터 약 1° 내지 5°만큼 리딩될 것이다.
도 8a와 8b는 각각 밸브(104)와 액츄에이터(106)가 파이핑 시스템 내의 수평 장착 위치와 경사진 장착 위치에 있는 것을 도시한 도면이다. 수평 장착 위치에서, 스템(206)과 액츄에이터(106)는 지면에 대해 수평 방향으로 나란하게 정렬된다. 경사진 장착 위치에서, 스템(206)과 액츄에이터(106)는 수직 위치(도 1-7에 도시된)와 수평 위치(도 8a에 도시된) 사이에서 한 각도로 배열된다.
디스크 표시기(800)가 액츄에이터(106) 위에 위치될 수 있다. 디스크 표시기(800)는 디스크 위치 표시기(442)(도 4a에 도시된 것과 같이)의 위치와 이에 따라 디스크(202)의 상대 위치를 가시적으로 보여줄 수 있다. 디스크 표시기(800)는 운영자에게 밸브의 위치를 확인하기 위한 신속하고 쉬운 방법을 제공할 수 있다. 디스크 표시기(800)가 가시적 표시기(visual indicator)로서 도시되었지만, 임의의 표시 시스템도 운영자 또는 컴퓨터에게 디스크 위치 표시기(442)와 이에 따라 디스크(202)의 위치를 경고하도록 사용될 수도 있다는 사실을 이해해야 한다.
도 9는 파이핑 시스템 내에서 밸브 조립체를 사용하는 방법을 도시한 플로차트이다. 상기 방법은 스템의 베이스가 베어링 페데스탈 위에서 지지되는 단계(900)에서부터 시작된다. 베어링 페데스탈은 밸브의 내측 직경에 결합될 수 있으며 본 명세서에 기술된 페데스탈 중 임의의 페데스탈일 수 있다. 그 뒤, 스템의 베이스가 밸브의 내주로부터 떨어진 일정 거리에 유지되는 단계(902)로 이어진다. 그 뒤, 액츄에이터가 밸브 위에 장착되고 스템(206)이 디스크(202)에 대해 이동되고 디스크(202)에 무관하게 이동되는 단계(903)가 이어진다. 그 뒤, 스템이 밸브 조립체 내에서 회전하는 단계(904)가 이어진다. 스템은 본 명세서에 기술된 액츄에이터를 포함하는 임의의 액츄에이터에 의해 회전될 수 있다. 그 뒤, 스템이 회전함으로써, 밸브 내에서 디스크가 닫힌 위치를 향해 회전하는 단계(906)가 이어진다. 그 뒤, 스템이 닫힌 위치를 향해 계속하여 회전함에 따라 밸브 시트가 디스크의 일부분과 결합되는 단계(908)가 이어진다. 그 뒤, 디스크가 스템의 세로방향 축에 대해 자체적으로 조절될 수 있는 단계(910)가 이어진다. 이러한 자체-조절은 디스크가 자체적으로 밸브 시트와 나란하게 정렬되거나, 혹은 밸브 내에서의 그 외의 다른 임의의 적절한 상황에 의해 야기될 수 있다. 그 뒤, 디스크가 흐름 경로에 대해 실질적으로 수직인 위치에 도달될 때 흐름이 밀봉되는 단계(912)가 이어진다. 그 뒤, 스템이 디스크가 흐름 경로에 대해 수직인 위치를 지나 계속하여 회전하는 단계(914)가 이어진다. 회전이 계속되면, 디스크와 밸브 시트 사이의 금속 대 금속 밀봉부(metal to metal seal)가 압축될 수 있다(compressed).
본 발명에 따른 구체예들이 다양한 실시예와 변형예들을 참조하여 기술되었지만, 이러한 구체예들은 단지 예시적인 것이며 본 발명의 주된 주제의 범위를 제한하는 것이 아니라는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 다수의 변형예, 수정예, 추가예 및 개선예들도 가능하다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용된 기술들과 실시예들은 파이핑 시스템, 가령, 플러그 밸브(plug valve) 또는 볼 밸브(ball valve) 등과 같은 임의의 1/4회전 밸브(quarter-turn valve)에서의 용도로 사용되는 임의의 밸브에 적용될 수도 있다.
본 명세서에 기술된 구성요소, 작동 또는 구성에 대해서 단수형과 같이 복수형들도 제공될 수 있다. 일반적으로, 대표적인 형상들에서 개별 구성요소들로서 기술된 기능과 구성은 조합된 구성 또는 구성요소로서도 실시될 수 있다. 이와 유사하게, 단일의 구성요소로서 기술된 기능과 구성들은 개별 구성요소들로서 실시될 수 있다. 이러한 변형예, 수정예, 추가예, 및 개선예들과 그 외의 다른 변형예, 수정예, 추가예, 및 개선예들은 본 발명의 주된 주제의 범위를 벗어나지 않을 것이다.

Claims (39)

  1. - 밸브의 외측 표면을 형성하는 외주(outer perimeter)와 밸브를 통과하는 흐름 경로를 형성하는 내주(inner perimeter)를 가진 밸브 본체;
    - 밸브 본체의 내주 안에 위치되고 흐름 경로를 선택적으로 열고 닫도록 구성된 닫힘 부재;
    - 밸브 본체의 내주 안에 일부분 이상 위치되고 닫힘 부재가 닫힌 위치에 있을 때 닫힘 부재의 일부분과 결합하여 이에 따라 흐름 경로를 통과하는 흐름이 방지되도록 구성된 밸브 시트;
    - 흐름 경로 내에서 닫힘 부재를 지지하도록 구성된 스템; 및
    - 스템을 지지하도록 구성된 베어링 페데스탈을 포함하는 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    베어링 페데스탈은 밸브 본체 내에서 스템을 지지하기 위해 밸브 본체의 내주로부터 떨어진(off) 베어링 표면을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    밸브 시트의 최내측 부분과 밸브 본체의 내주 사이에 올라간 표면(raised surface)이 위치되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  4. 제 3 항에 있어서,
    닫힘 부재는 베어링 페데스탈의 올라간 표면과 스템과 똑같은 위치까지 연장되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  5. 제 4 항에 있어서,
    베어링 페데스탈은 스테인리스 스틸로 제조되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  6. 제 4 항에 있어서,
    베어링 페데스탈은 니켈 합금, 카본 스틸 및 스테인리스 스틸 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  7. 제 3 항에 있어서,
    올라간 표면은 원형 표면인 것을 특징으로 하는 밸브.
  8. 제 7 항에 있어서,
    베어링 페데스탈은 원통형인 것을 특징으로 하는 밸브.
  9. 제 7 항에 있어서,
    베어링 페데스탈은 원뿔형인 것을 특징으로 하는 밸브.
  10. 제 1 항에 있어서,
    베어링 페데스탈의 높이는 밸브 내측 직경의 적어도 2%이고 스템의 직경의 10% 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 밸브.
  11. 제 1 항에 있어서,
    밸브 시트는 제거될 수도 있고 교체될 수도 있는 것을 특징으로 하는 밸브.
  12. 제 11 항에 있어서,
    밸브 시트는 링(ring) 형태이며 밸브 시트를 밸브 본체에 결합하는 하나 또는 그 이상의 패스너(fastener)를 가지는 것을 특징으로 하는 밸브.
  13. 제 12 항에 있어서,
    패스너는 나사(screw)인 것을 특징으로 하는 밸브.
  14. 제 13 항에 있어서,
    밸브 시트는 닫힘 부재와 밸브 본체 위에 있는 정렬 마크(alignment amrk)와 일치하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 정렬 마크를 가지는 것을 특징으로 하는 밸브.
  15. 제 1 항에 있어서,
    닫힘 부재는 디스크인 것을 특징으로 하는 밸브.
  16. 제 15 항에 있어서,
    밸브는 스템을 작동시켜서 디스크를 작동시키도록 구성된 액츄에이터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  17. 제 1 항에 있어서,
    베어링 페데스탈은 2개 이상의 부분들로 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  18. 제 17 항에 있어서,
    베어링 페데스탈의 두 부분은 베이스 부분(base portion)과 베어링 부분(bearing portion)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  19. 제 18 항에 있어서,
    베이스 부분은 한 단부에서 공동(cavity)을 가진 원추형 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  20. 제 19 항에 있어서,
    베어링 부분은 한 단부에서 스템과 결합하기 위한 베어링 표면과 다른 단부에서는 수부분(male portion)을 가진 원통형 부재를 추가로 포함하며, 상기 수부분은 공동과 결합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  21. - 밸브의 외측 표면을 형성하는 외주와 밸브를 통과하는 흐름 경로를 형성하는 내주를 가진 밸브 본체;
    - 밸브 본체의 내주 안에 위치되고 흐름 경로를 선택적으로 열고 닫도록 구성된 닫힘 부재;
    - 밸브 본체의 내주 안에 일부분 이상 위치되고 닫힘 부재가 닫힌 위치에 있을 때 닫힘 부재의 일부분과 결합하여 이에 따라 흐름 경로를 통과하는 흐름이 방지되도록 구성된 밸브 시트;
    - 흐름 경로 내에서 닫힘 부재를 지지하도록 구성된 스템; 및
    - 닫힘 부재가 스템에 대해 스템의 세로방향 축을 따라 이동할 수 있게 하면서도 닫힘 부재를 스템에 회전 방식으로 결합하도록(rotationally couple) 구성된 닫힘 부재-스템 커넥터를 포함하는 밸브 조립체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    닫힘 부재-스템 커넥터는 스플라인형 연결부(splined connection)인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
  23. 제 21 항에 있어서,
    닫힘 부재-스템 커넥터는 형삭가공된 연결부(shaped connection)인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
  24. 제 21 항에 있어서,
    닫힘 부재가 스템에 대해 세로 방향으로 이동되면(longitudinal movement), 닫힘 부재가 밸브 시트와 나란하게 정렬되는 동안, 닫힘 부재가 자체적으로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
  25. 제 21 항에 있어서,
    밸브는 스템을 작동시켜서 닫힘 부재를 작동시키도록 구성된 액츄에이터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
  26. 제 21 항에 있어서,
    닫힘 부재는 디스크인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체.
  27. - 밸브의 외측 표면을 형성하는 외주와 밸브를 통과하는 흐름 경로를 형성하는 내주를 가진 밸브 본체;
    - 밸브 본체의 내주 안에 위치되고 흐름 경로를 선택적으로 열고 닫도록 구성된 닫힘 부재;
    - 밸브 본체의 내주 안에 일부분 이상 위치되고 닫힘 부재가 닫힌 위치에 있을 때 닫힘 부재의 일부분과 결합하여 이에 따라 흐름 경로를 통과하는 흐름이 방지되도록 구성된 밸브 시트; 및
    - 흐름 경로 내에서 닫힘 부재를 지지하도록 구성된 스템을 포함하고,
    스템의 일부분은 액츄에이터 오프셋(actuator offset)을 가지며,
    상기 액츄에이터 오프셋은, 닫힘 부재가 흐름 경로에 대해 수직인 위치를 초과하여(beyond) 회전 각도(rotational degree)를 이루는 위치로 닫힘 부재를 작동시키도록 구성되는 밸브.
  28. 제 27 항에 있어서,
    닫힌 위치를 초과하는 회전 각도는 0.5°내지 10°사이의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 밸브.
  29. 제 27 항에 있어서,
    닫힌 위치를 초과하는 회전 각도는 1°내지 5°사이의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 밸브.
  30. 제 27 항에 있어서,
    액츄에이터 오프셋은 밸브 조립체의 작동 수명에 걸쳐 밸브 시트와 닫힘 부재 사이에 더 타이트한 밀봉부를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸브.
  31. 제 27 항에 있어서,
    밸브는 밸브 조립체 내에서 닫힘 부재의 위치를 가시적으로 식별하도록 구성된 위치 표시기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  32. 제 27 항에 있어서,
    밸브는 스템을 작동시켜서 닫힘 부재를 작동시키도록 구성된 액츄에이터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브.
  33. - 밸브의 외측 표면을 형성하는 외주와 밸브를 통과하는 흐름 경로를 형성하는 내주를 가진 밸브 본체를 포함하며;
    - 밸브 본체의 내주 안에 위치되고 흐름 경로를 선택적으로 열고 닫도록 구성된 디스크를 포함하며;
    - 밸브 본체의 내주 안에 일부분 이상 위치되고 디스크가 닫힌 위치에 있을 때 디스크의 일부분과 결합하여 이에 따라 흐름 경로를 통과하는 흐름이 방지되도록 구성된 밸브 시트를 포함하며;
    - 흐름 경로 내에서 디스크를 지지하도록 구성된 스템을 포함하고, 스템의 일부분은 액츄에이터 오프셋을 가지며, 상기 액츄에이터 오프셋은, 디스크가 흐름 경로에 대해 수직인 위치를 초과하여 회전 각도를 이루는 위치로 디스크를 작동시키도록 구성되고;
    - 스템을 지지하도록 구성된 베어링 페데스탈을 포함하며;
    - 디스크가 스템에 대해 스템의 세로방향 축을 따라 이동할 수 있게 하면서도 디스크를 스템에 회전 방식으로 결합하도록 구성된 디스크-스템 커넥터를 포함하는 밸브.
  34. 제 33 항에 있어서,
    베어링 페데스탈의 높이는 밸브 내측 직경의 적어도 2%이고 스템의 직경의 10% 또는 그 이상이며, 디스크-스템 커넥터는 스플라인형 연결부이고, 닫힌 위치를 초과하는 회전 각도는 1°내지 5°사이의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 밸브.
  35. 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템(piping system)에서 흐름 경로를 닫기 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    - 밸브의 내주에 결합된 베어링 페데스탈 위에서 스템의 베이스를 지지하는 단계;
    - 베어링 페데스탈 위에서 밸브의 내주로부터 떨어진 일정 거리에 스템의 베이스를 유지하는 단계;
    - 밸브 조립체 내에서 밸브의 스템이 회전하는 단계;
    - 스템이 회전함으로써, 닫힘 부재가 닫힌 위치를 향해 회전하는 단계;
    - 스템이 계속하여 회전함에 따라 밸브 시트가 디스크의 일부분과 결합되는 단계;
    - 닫힘 부재가 밸브 시트와 결합함에 따라 닫힘 부재의 위치가 스템에 대해 스템의 세로방향 축을 따라 자체적으로 조절되는 단계;
    - 닫힘 부재가 흐름 경로에 대해 수직인 위치에 도달될 때 흐름 경로가 밀봉되는 단계; 및
    - 닫힘 부재가 흐름 경로에 대해 수직인 위치를 지나 스템이 계속하여 회전하는 단계를 포함하는, 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템에서 흐름 경로를 닫기 위한 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    스템이 계속하여 회전하는 단계는 닫힘 부재가 흐름 경로에 대해 수직인 위치를 지나 스템이 1°내지 5°만큼 회전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템에서 흐름 경로를 닫기 위한 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 방법은 스템을 계속하여 회전시킴으로써 밸브 시트와 닫힘 부재 사이에 금속 대 금속 밀봉부(metal to metal seal)가 압축되는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템에서 흐름 경로를 닫기 위한 방법.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 방법은 밸브 위에 액츄에이터를 장착하는 단계를 추가로 포함하고, 스템은 닫힘 부재에 대해 이동하고 닫힘 부재에 무관하게 이동하는 것을 특징으로 하는 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템에서 흐름 경로를 닫기 위한 방법.
  39. 제 35 항에 있어서,
    닫힘 부재는 디스크인 것을 특징으로 하는 밸브 조립체를 가진 파이핑 시스템에서 흐름 경로를 닫기 위한 방법.
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