KR20140020283A - 다이어프램 사이클 수명 개선을 위한 다이어프램 계면 장치 - Google Patents

다이어프램 사이클 수명 개선을 위한 다이어프램 계면 장치 Download PDF

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KR20140020283A
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토드 더블류. 라센
브라이언 제이. 터뜨
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Abstract

다이어프램 사이클 수명을 개선하는 다이어프램 계면 장치가 개시된다. 예시적 유체 조절기는 입구 및 출구 사이의 유체 유로를 포함하고, 감지 챔버는 유체 유로 일부를 형성한다. 다이어프램은 감지 챔버 내부 압력을 감지하고 감지 챔버에 인접한 다이어프램 계면은 감지 챔버 내부 압력 변화에 대한 응답으로 이동되는 다이어프램 일부와 접촉하는 만곡 표면을 가진다. 만곡 표면은 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부에 부여되는 응력 정도에 영향을 준다.

Description

다이어프램 사이클 수명 개선을 위한 다이어프램 계면 장치{DIAPHRAGM INTERFACE APPARATUS TO IMPROVE A CYCLE LIFE OF A DIAPHRAGM}
본 특허는 일반적으로 유체 조절기, 더욱 상세하게는, 다이어프램 사이클 수명 개선을 위한 다이어프램 계면 장치에 관한 것이다.
통상 유체 조절기는 공정 제어시스템 전반에 분산 배치되어 다양한 유체 (예를들면, 액체, 기체, 기타 등) 압력을 조절한다. 전형적으로 유체 조절기는 유압을 실질적으로 일정한 값으로 조절하기 위하여 사용된다. 상세하게는, 전형적으로 유체 조절기는 상대적으로 고압의 공급 유체를 수용하여 출구에서 상대적으로 더 낮은 및 실질적으로 일정 압력을 제공하는 입구를 가진다. 하류 압력 조절을 위하여, 통상 유체 조절기는 하류 압력과 유체 연통되는 출구 압력을 감지하기 위한 감지 요소 또는 다이어프램을 포함한다. 탄성 다이어프램은 비용 효율적이고 전형적으로 저압 분야 또는 비-부식성 처리 유체에 사용된다. 고-순도 분야, 고압 분야 또는 강한 부식성 처리 유체에 대하여는, 유체 조절기는 때로 금속 다이어프램 (예를들면, 스테인레스강 다이어프램)을 사용한다.
금속 다이어프램을 유체 조절기에 결합시키기 위하여, 종래 유체 조절기에서는 조절기 밸브 몸체 및 본네트 사이 금속 다이어프램 외주 모서리가 끼워진다. 이러한 끼움 연결로 인하여 금속 다이어프램 변형 및 응력이 국부화된다. 또한, 금속 다이어프램을 지지하기 위하여, 유체 조절기는 전형적으로 금속 다이어프램와 체결되는 실질적으로 평탄하거나 평면형의 접촉면을 가지는 지지 플레이트를 사용한다. 그러나, 일부 금속 다이어프램은 다이어프램 감도를 높이기 위하여 주름 또는 파형 윤곽을 가진다. 실질적으로 평면형의 접촉면을 가지는 지지 플레이트는 주름형 다이어프램과 상대적으로 좁은 접촉영역에서 체결되어, 금속 다이어프램 접촉영역에 응력 집중이 증가된다. 다이어프램에 부여되는 이러한 국부화 응력 집중은 금속 다이어프램의 사이클 수명 또는 피로수명을 상당히 단축시켜, 유지관리 및 비용이 증가된다.
일 실시예에서, 유체 조절기는 입구 및 출구 사이의 유체 유로를 포함하고, 감지 챔버는 유체 유로 일부를 형성한다. 다이어프램은 감지 챔버 내부 압력을 감지하고 감지 챔버에 인접한 다이어프램 계면은 감지 챔버 내부 압력 변화에 대한 응답으로 이동되는 다이어프램 일부와 접촉하는 만곡 표면을 가진다. 만곡 표면은 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부에 부여되는 응력 정도에 영향을 준다.
다른 실시예에서, 유체 조절기는 본네트 및 밸브 몸체 사이에 배치되어 유체 조절기 다이어프램의 가동성 일부를 지지하는 다이어프램 지지체를 포함한다. 작동 중 다이어프램 지지체 및 다이어프램 가동성 일부 간 접촉면적을 증가시키기 위하여 다이어프램 지지체 만곡 표면은 다이어프램 가동성 일부의 만곡 표면과 실질적으로 상보적이다.
도 1A는 공지 유체 조절기를 도시한 것이다.
도 1B는 도 1A 공지 유체 조절기의 부분확대도이다.
도 2A는 폐쇄위치에 있는 금속 다이어프램을 가지는 본원의 예시적 유체조절기를 도시한 것이다.
도 2B는 개방위치에 있는 도 2A 예시적 유체 조절기를 도시한 것이다.
도 3A는 도 2A 및 2B의 예시적 유체 조절기 부분확대도이다.
도 3B는 도 2A, 2B 및 3A의 예시적 유체 조절기 부분확대도이다.
도 4는 도 2A, 2B, 3A 및 3B의 예시적 유체 조절기의 예시적 결착구를 도시한 것이다.
도 5A는 도 2A, 2B, 3A 및 3B의 예시적 유체 조절기의 예시적 다이어프램 플레이트를 도시한 것이다.
도 5B는 도 5A 다이어프램 플레이트의 단면도이다.
본원의 예시적 유체조절기는 실질적으로 감지 요소 또는 다이어프램의 사이클 수명 또는 피로 수명을 개선한다. 더욱 상세하게는, 예시적 본원의 유체조절기는 유체 조절기 작동 과정에서 움직이는 (예를들면, 휘거나 굽힘) 다이어프램 일부에 대한 국부화 변형 또는 응력 집중을 줄이는 하나 이상의 다이어프램 계면 또는 다이어프램 지지체를 포함한다.
본원의 예시적 유체조절기는 유체 조절기 감지 챔버에 인접한 다이어프램 계면을 포함한다. 다이어프램 계면은 감지 챔버 내부 압력 변화에 대한 응답으로 이동하는 다이어프램 일부와 접촉되는 만곡 표면을 가진다. 만곡 표면는 작동 중 가동성 다이어프램 일부에 부여되는 응력 정도에 영향을 미친다. 특히, 본원의 만곡 표면은 증가된 접촉표면적으로 이러한 가동성 다이어프램과 체결되어 응력이 더욱 넓은 다이어프램 일부로 분산되어 작동 중 이동되는 다이어프램 일부에 대한 국부 응력 집중이 감소한다.
본원의 일부 실시예들에서, 다이어프램 계면의 만곡 표면은 작동 중 다이어프램 계면이 체결되는 다이어프램 일부의 프로파일과 상보적인 만곡 프로파일을 가지는 면 (face) 또는 체결 표면을 포함한다. 예를들면, 본원의 유체조절기의 다이어프램 계면은 지지 또는 접촉면을 가지며, 이는 다이어프램 계면 및 다이어프램 사이 접촉표면적을 실질적으로 증가시키도록 다이어프램의 단면 형상 또는 프로파일과 실질적으로 유사한 단면 형상 또는 프로파일을 가진다. 즉, 다이어프램이 굽혀지고 휘어져 다이어프램 계면과 체결될 때 접촉면은 다이어프램과 실질적으로, 짝지어 (matably) 체결되도록 구성되고 형상화된다. 그 결과, 유체 조절기 다이어프램 계면 및 다이어프램 간 접촉표면적이 커지고 더욱 넓은 영역 또는 다이어프램 일부에 걸쳐 다이어프램에 부여되는 응력이 분산되어 응력 집중이 완화되고, 이에 따라 다이어프램의 국부 응력 또는 피로 변형이 크게 줄어든다. 그 결과, 다이어프램 계면은 다이어프램의 사이클 수명 또는 피로 수명을 크게 개선시킨다.
본원의 예시적 유체조절기 논의 전에, 공지 유체 조절기 (100)에 대한 간단한 설명이 도 1A 및 1B에 주어진다. 도 1A 및 1B를 참조하면, 예시적 유체 조절기 (100)는 본네트 (104)와 나사 결합되고 입구 (106) 및 출구 (108) 사이 유로를 형성하는 밸브 몸체 (102)를 포함한다. 하중 조립체 (110)는 본네트 (104) 내부에 배치되고 가동되어 다이어프램 (112)에, 원하는 유체 출구 압력에 상당하는 하중을 제공한다. 다이어프램 (112)의 외주 모서리 (114)는 본네트 (104) 및 밸브 몸체 (102) 사이에 고정되거나 포획되어 다이어프램 (112) 제1 측 (116) 및 밸브 몸체 (102)는 통로 (120)를 통하여 출구 (108)와 유체 연통하는 감지 챔버 (118)를 형성한다. 또한, 다이어프램 (112)을 지지하기 위하여, 유체 조절기 (100)는 지지 플레이트 (122)를 포함하고, 이는 다이어프램 (112) 제2 측 (126) 일부와 체결되는 실질적으로 평탄하거나 평면형의 접촉면 (124)을 가진다. 다이어프램 (112)은 금속 다이어프램이며, 이는 다이어프램 (112) 감도를 높이기 위하여 다수의 파형의 윤곽 또는 주름 (128)을 가진다. 포핏 (130)은 밸브 시트 (134)를 기준으로 이동하여 입구 (106) 및 출구 (108) 사이 유체 흐름을 조절하거나 조속한다. 편향 요소 (136)는 밸브 시트 (134)를 향하여 포핏 (130)을 편향시킨다. 또한 포핏 (130)은 다이어프램 (112) 및 지지 플레이트 (122)와 체결되는 스템 (138)을 포함한다.
작동에 있어서, 다이어프램 (112) 제1 측 (116)에 가해지는 출구 (108) 유체 압력이, 하중 조립체 (110)가 다이어프램 (112) 제2 측 (126)에 가하는 힘 이상일 때, 다이어프램 (112) 및 지지 플레이트 (122)는 스템 (138)으로부터 떨어지도록 이동한다. 그 결과, 포핏 (130)은 밸브 시트 (134)와 기밀하게 체결되어 입구 (106) 및 출구 (108) 사이 유체 유동이 제한된다. 출구 (108) 유체 압력이 감소되어 다이어프램 (112) 제1 측 (116)에 가해지는 힘이 하중 조립체 (110)에 의해 다이어프램 (112) 제2 측 (126)에 제공되는 힘보다 작게되면, 다이어프램 (112)은 밸브 몸체 (102)를 향하여 굽혀지거나 이동되어 포핏 스템 (138)과 체결되고, 포핏 (130)은 밸브 시트 (134)로부터 떨어지도록 이동되어 입구 (106) 및 출구 (108) 사이 유체 유동이 허용된다 다이어프램 (112) 양측 (116, 126) 힘들이 균형을 이룰 때까지 가압 유체는 입구 (106) 및 출구 (108) 간에 유동된다.
도 1B에서 가장 명확하게 도시되는 바와 같이, 다이어프램 (112) 외주 모서리 (114)는 본네트 (104) 및 밸브 몸체 (102) 사이 핀치점 또는 영역 (140)에서 끼워진다. 작동 중 다이어프램 (112)이 휘거나 굽혀질 때 이러한 끼임 연결로 인하여 핀치점 (140)에 바로 인접한 영역 또는 포인트 (142)에 상대적으로 높은 응력 집중이 발생되므로 불리하다. 즉, 상대적으로 높은 응력 집중을 받으면서 다이어프램 (112)의 영역 (142)은 휘거나 굽혀지고 (즉, 작동 중 움직임), 이에 따라 작동 중 영역 (142)은 파괴되거나 피로가 누적된다. 그 결과, 상당한 집중화 또는 국부화 응력은 다이어프램 (112)의 사이클 수명 또는 피로 수명을 단축하거나 제한한다.
추가로, 도시되지 않았지만, 일부 공지 예시에서, 다이어프램 (112)이 밸브 시트 (134)에 대하여 이동될 때 지지 플레이트 (122)의 평면형 접촉면 (124)은 다이어프램 (112) 파형의 윤곽 (128)과 체결된다. 특히, 지지 플레이트 (122) 접촉면 (124)은 실질적으로 평탄하므로, 접촉면 (124)은 다이어프램 (112)과 다이어프램 (112) 파형 윤곽 (128)의 피크 (144)에서 체결된다. 따라서, 지지 플레이트 (122)는 파형 윤곽 (128) 피크와 상대적으로 좁은 접촉표면적에서 체결된다. 그 결과, 지지 플레이트 (122)는 피크 (144)를 통한 증가 또는 국부화 응력 집중을 다이어프램 (112)에 부여한다. 상기된 바와 같이, 이러한 국부 응력으로 다이어프램 (112)은 파괴 또는 피로 유발되고, 다이어프램 (112) 사이클 수명 또는 피로 수명이 단축되어 유지관리 비용이 높아진다.
도 2A 및 2B는 본원의 예시적 유체 조절기 (200)를 도시한 것이다. 도 2A는 폐쇄위치 (202)에 있는 예시적 유체 조절기 (200)을 도시한 것이고 도 2B는 개방위치 (204)에 있는 예시적 유체 조절기 (200)를 도시한 것이다.
도 2A 및 2B를 참조하면, 예시적 유체 조절기 (200)는 조절기 몸체를 포함하며, 이는 하부 몸체부 또는 밸브 몸체 (208)와 결합되는 (예를들면, 나사 결합) 상부 몸체부 또는 본네트 (206)를 가진다. 밸브 몸체 (208)는 유체 조절기 (200) 입구 (210) 및 출구 (212) 사이 유체 유로를 형성한다. 다이어프램 (214)은 밸브 몸체 (208) 및 본네트 (206) 사이에 포획되어 다이어프램 (214) 제1 측 (216) 및 본네트 (206)는 하중 챔버 (218)를 형성하고 하중 조립체 (220)를 수용한다. 다이어프램 (214) 제2 측 (222) 및 밸브 몸체 (208) 내부 표면 (224)는 감지 챔버 (226)를 형성한다. 감지 챔버 (226)는 통로 (228)를 통해 출구 (212)와 유체적으로 결합되고 출구 (212) 유체 압력을 감지한다. 도시된 실시예에서, 다이어프램 (214)은, 예를들면, 스테인레스강으로 이루어진 금속 다이어프램이다.
하중 조립체 (220)는 다이어프램 플레이트 또는 지지 플레이트 (230)를 통하여 다이어프램 (214)과 작동적으로 연결되어 다이어프램 (214)에 기준 힘 또는 하중 (예를들면, 예비-설정 힘)을 제공한다. 본 실시예에서, 하중 조립체 (220)는 하중 챔버 (218) 내부에 배치되고 지지 플레이트 (230)를 통해 다이어프램 (214)에 하중을 제공하는 편향 요소 (232) (예를들면, 스프링)를 포함한다. 스프링 조정기 (234)는 편향 요소 (232)가 다이어프램 (214) 제1 측 (216)에 가하는 예비설정 힘 또는 하중 정도를 조정한다 (예를들면, 높이거나 낮춘다). 도시된 바와 같이, 스프링 조정기 (234)는 나사 (236)가 박힌 조절 손잡이를 포함하고, 나사는 본네트 (206)와 나사 결합되어 가동 스프링 시트 (238)와 체결된다. 조절 손잡이를 제1 방향 (예를들면, 시계방향) 또는 제2 방향 (예를들면, 반시계방향)으로 돌려 편향 요소 (232) 압축 정도를 변경시키고 (예를들면, 편향 요소 (232)를 압축 또는 해제), 따라서, 다이어프램 (214) 제1 측 (216)에 가해지는 하중 정도를 변경시킨다.
밸브 장치 또는 밸브 카트리지 조립체 (240)는 밸브 몸체 (208) 보어 (242) 내부에 배치되어 입구 (210)와 유체적으로 결합되는 입구 챔버 (244)를 형성한다. 밸브 장치 (240)는, 유체 조절기 (200)가 폐쇄위치 (202)에 있을 때 입구 (210) 및 출구 (212) 사이 유체 유동을 제한하도록 밸브 시트 (248)를 향하여 이동되는 포핏 (246)을 포함한다. 유체 조절기 (200)가 개방위치 (204)에 있을 때 포핏 (246)은 밸브 시트 (248)로부터 이격되어 입구 (210) 및 출구 (212) 사이 유체 유동이 허용된다. 편향 요소 (250)는 밸브 시트 (248)를 향하여 포핏 (246)을 편향시킨다. 시일 (252) (예를들면, O-링)은 밸브 장치 (240) 및 유체 조절기 (200) 밸브 몸체 (208) 사이에 배치되어 감지 챔버 (226) 및 입구 챔버 (244) 사이 밀폐를 제공한다.
작동에 있어서, 예시적 유체 조절기 (200)는, 예를들면, 입구 (210)를 통하여 상대적으로 고압 유체 (예를들면, 기체)를 제공하는 상류 압력원과 유체적으로 결합되고, 예를들면, 출구 (212)를 통해 저압 하류 장치 또는 시스템과 유체적으로 연결된다. 유체 조절기 (200)는 유체 조절기 (200)를 통과하여 흐르는 유체 출구 압력을 가동 하중 조립체 (220)에 의해 제공되는 예비설정 하중에 상응하는 원하는 압력으로 조절한다.
원하는 출구 압력을 달성하기 위하여, 조절 손잡이를 돌려 (예를들면, 시계방향 또는 반시계방향) 편향 요소 (232)에 의해 다이어프램 (214) 제1 측 (216)에 가해지는 하중을 높이거나 낮춘다. 편향 요소 (232)에 의해 제공되는 하중는 원하는 출구 압력에 상응하도록 조정도니다. 기준 압력이 설정되면, 감지 챔버 (226)는 통로 (228)를 통하여 출구 (212) 가압 유체 압력을 감지하고, 감지 챔버 (226) 압력 변화에 응답하여 다이어프램 (214)을 이동시킨다.
예를들면, 유체가 입구 (210) 및 출구 (212) 사이를 흐르면, 출구 (212) 유체 압력이 증가된다. 감지 챔버 (226)에서 가압 유체 압력이 커지면, 유체 압력은 다이어프램 (214) 제2 측 (222)에 힘을 가하여 다이어프램 (214) 및 편향 요소 (232)를 직선 운동으로 밸브 몸체 (208)로부터 떨어뜨린다. 이번에는, 밸브 장치 (240) 편향 요소 (250)가 포핏 (246)을 밸브 시트 (248)를 향하여 이동시켜 입구 (210) 및 출구 (212) 사이 유체 유동을 제한한다. 하중 조립체 (220)에 의해 다이어프램 (214) 제1 측 (216)에 가해지는 기준 압력 또는 힘보다 큰 힘을 다이어프램 (214) 제2 측 (222)에 가하는 감지 챔버 (226) 유체 압력은 지지 플레이트 (230)를 밸브 몸체 (208)로부터 떨어뜨려 포핏 (246)은 밸브 시트 (248)와 기밀하게 밀폐되고 도 2A에 도시된 바와 같이 유체 조절기 (200)를 통과하는 유체 유동이 제한되거나 억제된다.
감지 챔버 (226) 내부 가압 유체 압력이 편향 요소 (232)에 의해 다이어프램 (214) 제1 측 (216)에 가해지는 기준 압력 또는 힘보다 작을 때, 다이어프램 (214)은 밸브 몸체 (208)를 향하여 이동, 휘거나 굽혀진다. 이번에는, 지지 플레이트 (230)는 포핏 (246) 스템부 (254)와 체결되어 포핏 (246)을 밸브 시트 (248)로부터 떨어뜨려 입구 (210) 및 출구 (212) 사이 유체 유동을 허용하거나 증가시킨다. 다이어프램 (214) 양측간 압력차가 실질적으로 영인 경우 (즉, 감지 챔버 (226) 유체 압력이 하중 조립체 (220)에 의해 제공되는 하중과 실질적으로 동일한 힘을 발생하는 압력으로 조절) 포핏 (246)은 밸브 시트 (248)를 향하여 이동되고 입구 (210) 및 출구 (212) 사이 유체 유동을 억제하거나 제한한다.
도 2A 및 2B에 도시된 바와 같이 작동 과정에서, 다이어프램 (214)은 폐쇄위치 (202)를 향하여 포핏 (246)을 이동시키는 도 2A에 도시된 제1 위치 및 개방위치 (204)를 향하여 포핏 (246)을 이동시키는 도 2B에 도시된 제2 위치 사이로 이동, 굽힘 또는 휘어진다.
도 3A 및 3B는 도 2A 및 2B의 유체 조절기 (200) 확대도이다. 도 3A 및 3B에서 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 도시된 실시예의 다이어프램 (214)은 외주 모서리 (302), 중앙부 (304), 및 외주 모서리 (302) 및 중앙부 (304) 사이 중간의, 가동 또는 유연부 (306)를 포함한다. 각각의 외주 모서리 (302) 및 중앙부 (304)는 실질적으로 평면형 또는 평탄한 표면을 가진다. 중간부 (36) 다수의 파형 윤곽 또는 주름 (308)을 가지고, 이는 도 2A 및 2B에 도시된 바와 같이 다이어프램 (214)이 제1 및 제2 위치 사이에서 움직일 때 휘고 굽혀진다. 특히, 중간부 (36) 각각의 윤곽 (308)은 볼록부 또는 만곡 표면 (310) 및 오목부 또는 만곡 표면 (312)를 포함하여 연속한 평활 곡선 또는 파형의 등고선 또는 주름 (308)을 형성한다. 각각의 볼록부 (310) 및/또는 오목부 (312)는 실질적으로 유사한 곡률반경을 가지거나 다른 곡률반경을 가질 수 있다. 예를들면, 윤곽 (308a)의 제1 볼록부 (310a) 및/또는 오목부 (312a)는 제1 곡률반경을 가질 수 있고 윤곽 (308b)의 제2 볼록부 (310b) 및/또는 오목부 (312b)는 e 제1 곡률반경과는 다른 제2 곡률반경을 가질 수 있다. 유체 조절기 (200)가 더욱 압축된 차원의 덮개 (compact dimensional envelope)를 가질 수 있으므로 윤곽 (308)으로 인하여 다이어프램 (214) 감도는 상당히 높아진다. 다이어프램 (214)은 금속성 재료 예컨대, 예를들면, 스테인레스강으로 구성된다.
다이어프램 (214) 중간부 (36)에 대한 응력 집중을 줄이기 위하여, 유체 조절기 (200)는 감지 챔버 (226)에 인접한 하나 이상의 다이어프램 계면 또는 지지 표면 (314, 316 및/또는 318)을 포함한다. 각각의 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318)은 다이어프램 (214) 사이클 수명 또는 피로 수명을 높인다. 특히, 다이어프램 (214)와 체결될 때 각각의 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318)은 실질적으로 접촉표면적을 늘리고, 작동 중의 다이어프램 (214)에 대한 응력 집중을 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 유체 조절기는 다이어프램 계면 (314, 316, 318) 중 하나만을 이용한다. 그러나, 계면 (314, 316, 318)의 임의 조합이 적용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 다이어프램 계면 (314)은 단일 부품 또는 구조체로서 밸브 몸체 (208)와 일체로 형성된다. 도시된 바와 같이, 밸브 몸체 (208)는 환상벽 (320)을 가지며, 벽은 내부 표면 (224)에 인접하게 환상벽 (320)의 상부 모서리 또는 일부 (322)에 다이어프램 계면 (314)을 형성한다. 밸브 몸체 (208)의 다이어프램 계면 (314)은 다이어프램 (214) 외주 모서리 (302)를 고정, 수용 또는 체결하는 링-형상의 시트 또는 다이어프램 장착부 (324)를 포함한다. 링-형상의 시트 (324)는 만곡, 편향 또는경사 표면 (326)을 포함하고, 이는 다이어프램 장착부 (324)에 인접하게 둥근 또는 원호 (radiused) 모서리 (326a)을 포함하여 외주 모서리 (302) 및/또는 유체 조절기 (200) 작동 과정에서 움직이거나 휘는 다이어프램 (214) 중간부 (36) 일부를 지지한다
다이어프램 장착부 (324)는 실질적으로 평면형 또는 평탄한 표면을 가지고 다이어프램 (214) 외주 모서리 (302)를 수용하거나 체결한다. 도시된 바와 같이, 다이어프램 장착부 (324)는 내부 표면 (224)에 실질적으로 수직이다. 경사부 (326) 및 원호 모서리 (326a)는 다이어프램 장착부 (324) 및 내부 표면 (224) 사이에 위치한다. 경사부 (326)는 일정한 곡률반경의 만곡 표면 또는 연속 경사부를 형성하는 다양한 곡률반경의 다수의 만곡 표면을 포함한다. 다이어프램 (214)이 유체 조절기 (200)에 결합될 때 경사부 (326) 및/또는 다이어프램 장착부 (324)는 실질적으로 기밀한 금속-대-금속 실링을 제공한다. 일부 실시예들에서, 금속-대-금속 실링을 위하여, 밸브 몸체 (208)의 계단식, 환상벽 (327)에 인접한 다이어프램 장착부 (324) 어깨부 (325)는 경사부 (326)에 대하여 어긋나도록 구성된다 (예를들면, 0.015 인치 옵셋) (예를들면, 도 3A 방향에서 경사부 (326) 보다 낮다). 이러한 방식으로, 본네트 (206)이 밸브 몸체 (208)와 결합될 때, 밸브 몸체 (208) 경사부 (326)에 인가되는 토크로 인하여 최소한 경사 표면 (326) 일부가 변형 또는 평탄화되어 실질적으로 기밀한 금속-대-금속 실링을 제공한다. 밸브 몸체 (208)는 다이어프램 (214) 재료보다 상대적으로 더욱 연성인 재료로 구성된다.
작동에 있어서, 경사부 (326)는 외주 모서리 (302)에 인접한 다이어프램 일부 (214)가 경사부 (326)를 따라서 휘거나 눌리도록 한다. 예를들면, 외주 모서리 (302)에 인접한 다이어프램 (214) 중간부 (306)가 밸브 몸체 (208)를 향하여 제2 위치 (예를들면, 도 2B 위치)로 이동되거나 휘어지면, 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306) 제2 측 (222)은 밸브 몸체 (208) 경사부 (326)와 체결된다. 경사부 (326)는 중간부 (306) 및 밸브 몸체 (208) 간 접촉표면적을 증가시켜 중간부 (306)에 부여되는 응력을 경사부 (326)에 체결 또는 눌리는 다이어프램 (214) 영역 또는 일부에 걸쳐 더욱 균등하게 분산 또는 감소시킨다. 즉, 경사 또는 만곡 표면 (326)은 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306)를 휘거나 굽혀서 응력 집중을 상당히 감소시킨다.
예를들면, 도 1A 및 1B의 공지 유체 조절기 (100)와는 달리, 다이어프램 계면 (314) 또는 밸브 몸체 (208) 경사부 (326)는 밸브 몸체 (208) 및 본네트 (206) 사이 핀치점 또는 영역 (예를들면, 도 1A 및 1B의 핀치점 (140))을 축소하거나 제거한다. 경사부 (326)로 인하여 외주 모서리 (302)에 인접한 다이어프램 (214)의 더 많은 부분 또는 영역이 도 1B 핀치점 (140)에 비하여 덜 강성 또는 강도를 가지는 경사부 (326) 주위로 눌리거나 굽혀져서, 외주 모서리 (302)에 인접한 다이어프램 (214)은 더 넓은 접촉표면적에 걸쳐 응력이 분산되어 응력 집중이 감소된다. 즉, 다이어프램 (112)이 핀치점 (140)에 대하여 굽혀질 때 도 1A 및 1B 유체 조절기 (100) 다이어프램 (112)에 부여되는 압축 및 인장 응력에 비하여 다이어프램 (214)은 다이어프램 (214) 제2 측 (222)에 압축 응력이 덜 부여되고 다이어프램 (214) 제1 측 (216)에 인장 응력이 덜 부여되면서 경사부 (326)에 대하여 굽혀진다. 따라서, 경사부 (326)는 밸브 몸체 (208) 및 중간부 (306) 간 접촉표면적을 증가시키고, 외주 모서리 (302)에 인접한 다이어프램 (214) 중간부 (306)의 응력 집중을 감소시킨다. 경사부 (326)는 기계가공, 주조 또는 임의의 기타 적합한 제조공정(들)로 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 고정(redundant) 실링을 제공하고 및/또는 실질적으로 기밀한 금속-대-금속 실링이 필요하지 않을 때 조립을 용이하게 하기 위하여, 다이어프램 계면 (314) 또는 다이어프램 장착부 (324)는 선택적으로 밸브 몸체 (208) 및 본네트 (206) 사이 실링 (예를들면, 고정 실링)을 제공하는 O-링 (330) 수용 홈 (328)을 포함할 수 있다. O-링 (330)으로 금속-대-금속 실링을 제공하기 위하여 필요한 토크와 비교하여 실링 제공에 필요한 토크가 작으므로 조립이 용이해진다.
도시된 실시예에서, 유체 조절기 (200)는 링-형상의 클램프 또는 결착구 (332)를 사용하여 본네트 (206) 및 밸브 몸체 (208) 사이 다이어프램 (214)을 고정 또는 결착시킬 수 있다. 또한, 결착구 (332)는 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306)에 대한 지지체를 제공하는 다이어프램 계면 (316)을 형성한다. 다이어프램 계면 (316)은 다이어프램 결합부 (334) 및 다이어프램 결합부 (334)에 인접한 다이어프램 지지부 (336)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 다이어프램 (214) 외주 모서리 (302)는 다이어프램 결합부 (334) 및 밸브 몸체 (208) 다이어프램 장착부 (324) 사이에 조여진다. 특히, 밸브 몸체 (208)가 본네트 (206)와 결합될 때 결착구 (332)의 다이어프램 결합부 (334)는 하중을 다이어프램 (214) 외주 모서리 (302)로 전달시켜 본네트 (206) 및 밸브 몸체 (208)조립 과정에서 본네트 (206)에 토크가 인가될 때 금속-대-금속 실링 제공에 원조한다. 밸브 몸체 (208)에 결합될 때, 본네트 (206)는 결착구 (332)를 통하여 다이어프램 (214) 외주 모서리 (302)에 압축 하중을 제공한다. 본 실시예에서, 결착구 (332)는, 예를들면, 금속성 재료 예컨대 스테인레스강으로 구성되어 결착구 (332), 밸브 몸체 (208), 본네트 (206) 및 다이어프램 (214) 간 금속-대-금속 접촉부를 제공한다.
다이어프램 계면 (316) 다이어프램 지지부 (336)는 다이어프램 결합부 (334)로부터 멀어지도록 및 외주 모서리 (302)로부터 감지 챔버 (226)를 향하여 내향 돌출되는 만곡 또는 원호형 표면 (336a)을 포함한다. 예를들면, 다이어프램 지지부 (336)는 밸브 몸체 (208) 환상벽 (320)의 내부 표면 (224) 또는 상부 모서리 (322)를 넘거나 지나서 연장된다. 이러한 연장으로 인하여 다이어프램 지지부 (336)는 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306) 제1 측 (216)과 체결되어 다이어프램 (214)을 지지한다. 특히, 다이어프램 지지부 (336)는 다이어프램 (214) 제1 측 (216) 윤곽 (308)의 오목부 (310) 최소한 일부 (337)와 체결한다. 따라서, 결착구 (332) 또는 다이어프램 계면 (316) 및 경사부 (326) 또는다이어프램 계면 (314)은 다이어프램 (214)의 각각의 대향 면들 또는 측들 (216, 222)과 체결한다. 또한, 도 3A 및 3B에 도시된 바와 같이, 만곡 표면 (336a)은 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306) 형상 또는 프로파일과 실질적으로 유사한 형상 또는 프로파일을 가지므로 만곡 표면은 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306)와 짝짓어 체결한다.
도 4는 도 3A 및 3B 결착구 (332) 단면도이다. 도 4를 더욱 참조하면, 결착구 (332)는 외경 (404) 및 내경 (406)을 가지는 링-형상의 클램프 (402)이다. 예를들면, 외경 (404)은 대략 64.5 밀리미터이고 내경 (406)은 대략 44.5 밀리미터이다. 본 실시예에서, 다이어프램 결합부 (334)는 길이 (408)을 가지고 다이어프램 지지부 (336)는 길이 (410)을 가진다. 예를들면, 길이 (408)은 대략 5.25 밀리미터이고 길이 (410)는 대략 4.75 밀리미터이다. 그러나, 특정 분야의 필요에 따라 기타 길이 및/또는 직경이 사용될 수 있다.
또한, 도시된 실시예에서, 다이어프램 지지부 (336) 만곡 표면은 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306) 곡률반경과 실질적으로 유사한 곡률반경 (412)을 가진다. 따라서, 만곡 표면 (336a)은 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306)의 만곡 프로파일에 상보적인 만곡 프로파일을 가진다. 예를들면, 만곡 표면 반경 (412)은 대략 8.5 밀리미터이다. 그러나, 곡률반경은 특정 분야 필요에 따라 가변적이다.
이러한 방식으로, 예를들면, 도 1A 및 1B 유체 조절기 (100)와 비교하여 만곡 표면 (336a)은 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306)와 상대적으로 더 넓은 접촉표면적으로 체결되어, 다이어프램 (214)이 작동 중 제1 및 제2 위치 사이에서 이동될 때 외주 모서리 (302)에 인접한 중간부 (306)의 응력 집중이 감소된다. 예를들면, 다이어프램 (112)이 핀치점 (140) 주위로 굽혀질 때 도 1A 및 1B 유체 조절기 (100) 다이어프램 (112)에 부여되는 압축 및 인장 응력과 비교하여, 압력 또는 힘이 감지 챔버 (226)를 통하여 다이어프램 (214) 제2 측 (222)에 인가될 때 결착구 (332)는 다이어프램 (214) 제1 측 (216)의 높은 압축 응력 집중 및 다이어프램 (214) 제2 측 (222)의 높은 인장 응력 집중을 상당히 감소시킨다. 그 결과, 다이어프램 계면 (316)은 다이어프램 (214)의 사이클 수명 또는 피로 수명을 크게 향상시킨다. 기타 실시예들에서, 만곡 표면 (336a)은 다이어프램 (214) 중간부 (306) 곡률반경과 다른 곡률반경을 가질 수 있다.
도시되지 않지만, 결착구 (332) 및/또는 다이어프램 계면 (316) 또는 다이어프램 지지부 (336)는 단일 부품 또는 구조체로 본네트 (206)와 일체로 형성된다. 즉, 다이어프램 지지부 (336)는 본네트 (206) 내부 표면 (338)으로부터 연장되고 결착구 (332)를 생략할 수 있다.
도 5A 및 5B는 유체 조절기 (200) 지지 플레이트 (230)를 도시한 것이다. 도 2A, 2B, 3A, 5A 및 5B를 참조하면, 지지 플레이트 (230)는 다이어프램 (214)과 체결되고 지지하는 다이어프램 계면 또는 지지 표면 (318)을 포함한다. 지지 플레이트 (230)는 하중 조립체 (220) 편향 요소 (232)를 수용 공동 (504)을 가지는 원통형 몸체부 (502)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 다이어프램 계면 (318)은 다이어프램 (214) 및 지지 플레이트 (230) 사이 접촉표면적을 높이는 만곡 지지 표면 또는 면 (506)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 지지 플레이트 (230)의 다이어프램 계면 (318)는 다이어프램 (214) 중앙부 (304) (도 3A)와 체결하는 실질적으로 평면형 또는 평탄한 체결 표면 (508)을 포함한다.
만곡 지지 표면 또는 면 (506)은 지지 플레이트 (320)와 체결되는 다이어프램 일부 (214) 프로파일과 상보적인 만곡 프로파일을 가진다. 이러한 방식으로, 만곡 지지 표면 (506)은 다이어프램 (214) 중간부 (306) 또는 윤곽 (308)과 체결되는 상대적으로 더 넓은 접촉표면적을 제공한다. 도시된 실시예에서, 만곡 지지 표면 (506)는 볼록 만곡부 (512)에 인접한 오목 만곡부 (510)를 포함하여 연속된 평활 파형의 만곡 지지 표면을 제공한다. 즉, 만곡 지지부 (506) 단면 형상은 다이어프램 (214) 윤곽 (308) 단면 형상과 실질적으로 유사하다. 예를들면, 만곡 지지 표면 (506) 오목 만곡부 (510) 곡률반경은 다이어프램 (214) 윤곽 (308) 볼록부 (310) 곡률반경과 실질적으로 유사하다. 비슷하게, 만곡 지지 표면 (506) 볼록 만곡부 (512) 곡률반경은 다이어프램 (214) 윤곽 (308) 오목부 (312) 곡률반경과 실질적으로 유사하다.
또한, 만곡 지지 표면 (506) 제1 오목 만곡부 (510a) 곡률반경은 만곡 지지 표면 (506) 제2 오목 만곡부 (510b) 곡률반경과 상이하거나 유사할 수 있다. 예를들면, 오목 만곡부 (510) 곡률반경은 6.0 내지 8.0 밀리미터일 수 있다. 유사하게, 만곡 지지 표면 (506) 제1 볼록 만곡부 (512a) 곡률반경은 제2 볼록 만곡부 (512b) 곡률반경과 상이하거나 유사할 수 있다. 예를들면, 볼록 만곡부 (512) 곡률반경은 8.0 내지 10.0 밀리미터일 수 있다.
따라서, 도 1A 지지 플레이트 (122)와는 달리, 지지 플레이트 (230) 다이어프램 계면 (318)은 실질적으로 다이어프램 (214) 중간부 (306)과 짝지어 체결함으로써 지지 플레이트 (230) 및 다이어프램 (214) 사이 접촉표면적을 증가시켜 감지 챔버 (226) 내의 압력 변화 응답으로 이동하는 다이어프램 (214) 중간부 (306)에 부여되는 응력 정도에 영향을 줄 수 있다 (예를들면, 감소). 본 실시예에서, 다이어프램 지지 표면 (506)은 다이어프램 (214)에 대한국부 응력 집중을 감소시킨다. 예를들면, 다이어프램 (214)이 도 2A에 도시된 위치 및 도 2B에 도시된 위치 사이에서 이동할 때, 지지 플레이트 (230)는 다이어프램 (214) 중간부 (306)과 상대적으로 넓은 접촉표면적으로 체결 (예를들면, 짝지어 체결)한다. 그 결과, 국부 응력 집중 감소로 다이어프램 (214) 사이클 수명 또는 피로 수명이 상당히 개선 또는 증가된다.
기타 실시예들에서, 지지 플레이트 (230) 다이어프램 계면 (318)는 다이어프램 (214) 형상, 프로파일 또는 단면과는 상이한 형상, 프로파일 또는 단면을 포함한다. 예를들면, 만곡 지지 표면 (506) 및 다이어프램 (214) 윤곽 (308) 사이 곡률반경은 상이할 수 있어 다이어프램 (214)은 지지 플레이트 (230)와 짝지어 체결되지 않지만, 도 1A 및 1B 지지 플레이트에 비하여 여전히 증가된 접촉표면적을 제공한다.
따라서, 본원의 유체 조절기 (200)는 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318)을 포함하고, 이들은 다이어프램 (214) 형상 또는 프로파일과 실질적으로 유사한 형상 또는 프로파일을 가지도록 구성되어 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318) 및 다이어프램 (214) 사이 접촉표면적은 증가된다. 예를들면, 각각의 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318)은 각각의 만곡 표면 또는 부분을 포함하여 다이어프램 (214)과 체결될 때 접촉표면적이 증가되어 작동 중 이동되는 다이어프램 일부 (214)에 부여되는 응력 집중이 감소된다. 일부 실시예들에서, 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318) 지지 표면은 다이어프램 (214) 단면 형상 또는 프로파일과 실질적으로 유사한 단면 형상 또는 프로파일을 가지고 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318) 은 최소한 다이어프램 일부 (214)와 짝지어 체결한다. 그 결과, 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318)은 다이어프램 (214)에 부여되는응력 집중을 감소시켜, 다이어프램 (214) 사이클 수명 또는 피로 수명을 증가시킨다. 예를들면, 다이어프램 (214) 사이클 수명은 대략 85,000 사이클이지만 도 1A 및 1B의 다이어프램 (112) 수명 사이클은 대략 10,000 사이클이다. 일부 실시예들에서, 유체 조절기 (200)는 다이어프램 계면 (314, 316 및/또는 318) 중 단 하나만으로 또는 임의의 계면들 (314, 316, 318)의 임의 조합으로 구현될 수 있다.
소정의 예시적 방법, 장치 및 제조물품이 본원에 기재되지만 본 특허가 포괄하고 있는 범위는 이에 국한되지 않는다. 이와는 반대로, 본 특허는 문헌적 또는 균등론적으로 공정하게 청구범위에 속하는 모든 방법, 장치 및 제조물품을 포괄하는 것이다.

Claims (20)

  1. 유체 조절기에 있어서,
    입구 및 출구 사이의 유체 유로;
    유체 유로 일부를 형성하는 감지 챔버;
    감지 챔버 내의 압력을 감지하는 다이어프램; 및
    감지 챔버에 인접하고, 감지 챔버 내의 압력 변화에 응답하여 이동하는 다이어프램 일부와 접촉하여 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부에 부여되는 응력에 영향을 주는 만곡 표면을 가지는 다이어프램 계면으로 구성되는, 유체 조절기.
  2. 제1항에 있어서, 다이어프램 계면은 다이어프램 외주 모서리를 고정시키는 링-형상의 시트로 구성되고, 만곡 표면은 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부와 접촉하는 링-형상의 시트의 원호형 (radiused) 내부 모서리를 포함하는, 유체 조절기.
  3. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램 계면은 다이어프램 외주 모서리를 고정시키는 링-형상의 클램프를 더욱 포함하고, 만곡 표면은 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부의 일측만과 접촉하는 다이어프램 외주 모서리로부터 내향 돌출되는 링-형상의 클램프의 일부를 더욱 포함하는, 유체 조절기.
  4. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 링-형상의 클램프 일부 및 원호형 내부 모서리는 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부의 대향 면들과 접촉하는, 유체 조절기.
  5. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램 계면은 다이어프램 외주 모서리를 고정시키는 링-형상의 클램프를 포함하고, 만곡 표면은 다이어프램 외주 모서리로부터 내향 돌출되고 유체 조절기 작동 중 다이어프램 일부의 일측만과 접촉하는 링-형상의 클램프 일부를 포함하는, 유체 조절기.
  6. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 링-형상의 클램프는 다이어프램 일부 만곡 프로파일과 상보적인 만곡 프로파일을 가지는, 유체 조절기.
  7. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램 계면은 다이어프램 플레이트를 포함하고, 만곡 표면은 다이어프램 일부 프로파일과 상보적인 만곡 프로파일을 가지는 다이어프램 플레이트의 면 (face)으로 구성되는, 유체 조절기.
  8. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 만곡 표면은 다이어프램 계면 및 다이어프램 일부 간 접촉표면적을 증가시키는, 유체 조절기.
  9. 유체 조절기에 있어서,
    가동성 다이어프램 일부를 지지하기 위하여 본네트 및 밸브 몸체 사이에 배치되는 다이어프램 지지체로 구성되고, 작동 중 다이어프램 지지체 및 가동성 다이어프램 일부 간 접촉표면적을 증가시키기 위하여 다이어프램 지지체는 가동성 다이어프램 일부의 면의 만곡 표면에 실질적으로 상보적인 만곡 표면을 가지는, 유체 조절기.
  10. 제9항에 있어서, 최소한 부분적으로 감지 챔버를 형성하고 내부 표면에 인접한 다이어프램 장착부를 가지는 밸브 몸체를 더욱 포함하고, 밸브 몸체는 다이어프램 장착부 및 내부 표면 사이 유각 표면을 가지고, 유각 표면은 다이어프램 장착부 및 다이어프램의 다른 면으로부터 연장되는, 유체 조절기.
  11. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램 지지체는 다이어프램 지지체 표면에인접한 다이어프램 클램핑 표면을 가지는 결착구를 포함하고, 다이어프램 지지체 표면은 다이어프램 클램핑 표면 및 다이어프램의 면으로부터 연장되는, 유체 조절기.
  12. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램 지지체 표면은 다이어프램 외주 모서리에 인접한 다이어프램의 면의 만곡 표면에 실질적으로 상보적인 만곡 표면을 포함하는, 유체 조절기.
  13. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 밸브 몸체가 본네트에 결합될 때 결착구는 하중을 다이어프램 외주 모서리로 전달하는, 유체 조절기.
  14. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램 지지체는 다이어프램의 면과 체결하는 지지 표면을 가지는 지지 플레이트로 구성되는, 유체 조절기.
  15. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 지지-플레이트 지지 표면은 실질적으로 평면형의 지지 표면을 가지는 중앙부 및 중앙부에 인접한 외측 일부를 포함하고, 외측 일부는 파형의 윤곽을 가지는, 유체 조절기.
  16. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 다이어프램은 밸브 몸체 및 본네트 사이에 배치되고, 다이어프램은 중앙부, 외주 모서리 및 중앙부 및 외주 모서리 사이에 위치하는 중간부를 가지고, 각각의 외주 모서리 및 중앙부는 실질적으로 평면형의 표면을 포함하고, 다이어프램 감도 증가를 위하여 중간부는 다수의 파형의 윤곽을 포함하는, 유체 조절기.
  17. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 지지 플레이트 중앙부는 다이어프램 중앙부와 체결하고, 지지 플레이트의 만곡 지지 표면은 중앙부에 인접한 다이어프램 중간부의 실질적으로 상보적인 파형의 윤곽과 체결하는, 유체 조절기.
  18. 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 지지 플레이트의 만곡 지지 표면의 파형의 윤곽은 다이어프램 중간부의 파형의 윤곽 곡률반경과 실질적으로 유사한 곡률반경을 포함하는, 유체 조절기.
  19. 유체 조절기에 있어서,
    금속성 재료의 다이어프램을 포함하는 유체 유로 관통 유체 유동 조절수단; 및
    작동 중 가동성 다이어프램 일부에 부여되는 응력 집중 감소 수단으로 구성되는, 유체 조절기.
  20. 제20항에 있어서, 응력 감소 수단은 가동 다이어프램 일부 및 응력 감소수단 사이 표면 접촉면적 증가수단을 포함하는, 유체 조절기.
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