KR20200093473A - 유량 제어 니들을 갖는 비례적 유량 제어 밸브 포핏 - Google Patents

유량 제어 니들을 갖는 비례적 유량 제어 밸브 포핏 Download PDF

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맥 밸브즈, 인크.
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Abstract

유량(flow) 조절 밸브는 밸브 몸체, 스테퍼 모터 및 밸브 부재를 포함한다. 밸브 부재는 스테퍼 모터가 전력을 수신할 때 밸브 몸체의 구멍(bore) 내에서 종방향으로(longitudinally) 슬라이드 가능한 포핏을 포함한다. 밸브 몸체로부터 밸브 부재로 내측으로 연장되는 격막(diaphragm)은 밸브 부재의 움직임에 응답하여 편향된다. 밸브 부재의 포핏에 장착된 유량 조절 니들은 밸브 몸체의 배출구 포트에 적어도 부분적으로 수용된다. 유량 조절 니들은 배출구 유량 오리피스(orifice)를 정의하기 위해 배출구 포트의 내측 표면과 협력(cooperate with)하고, 배출구 유량 오리피스는 밸브 부재가 개방 및 닫힘 위치 사이에서 움직일 때 그 크기가 변화한다. 닫힘 위치에서, 밸브 부재의 시트 결합 표면은 유체-밀착(fluid-tight) 봉인을 형성하기 위해 밸브 몸체의 밸브 시트와 접촉한다.

Description

유량 제어 니들을 갖는 비례 유량 제어 밸브 포핏{PROPORTIONAL FLOW CONTROL VALVE POPPET WITH FLOW CONTROL NEEDLE}
[0001] 본 개시내용은 스테퍼 모터에 의해 작동되는 유량 제어 밸브들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 격막(diaphragm)에 의해 밀폐되고 유량 제어 니들(needle)을 포함하는 유량 제어 밸브들에 관한 것이다.
[0002] 이 섹션은 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공하는데, 이는 반드시 선행 기술인 것은 아니다.
[0003] 유량 제어 밸브들은 완전 개방 위치와 완전 폐쇄 위치 사이의 유동 변동성을 제어하는 데 높아진 정확도를 필요로 하는 밸브들에 대한 밸브 부재 위치들의 반복성을 향상시키도록 스테퍼 모터에 의해 작동된다. 작동 디바이스로 유체 체적 또는 유체 압력의 정확한 전달을 필요로 하는 애플리케이션들은 다른 알려진 밸브 액추에이터들과 비교하여 스테퍼 모터에 의해 제공되는 정확도로부터 이익을 얻을 수 있다. 그러나 공지된 스테퍼 모터 작동식 유량 제어 밸브들은 통상적으로 스테퍼 모터의 회전력을 개방 밸브 위치와 폐쇄 밸브 위치 사이에서 왕복 방식으로 밸브 부재를 병진시키는 데 사용되는 세로 방향 힘으로 변경하기 위해 기어 시스템 또는 다방향 드라이브 시스템을 필요로 한다. 따라서 일반적인 드라이브 시스템들은 여러 개의 움직이는 부품들을 드라이브하기 위해 작동력을 잃는다. 공지된 시스템들의 다수의 움직이는 부품들의 복잡도, 전력 손실 및 공차는 또한 밸브 위치들의 위치 정확도 및 반복성을 감소시키는데, 이들은 밸브 작동을 위해 스테퍼 모터를 먼저 사용하는 주요 이유들 중 일부이다.
[0004] 포핏(poppet) 밸브와 같은 통상적인 스테퍼 모터 작동식 유량 제어 밸브들에 사용되는 밸브 부재는 매니폴드를 통한 가압 공기와 같은 유체의 유동을 제어한다. 이러한 매니폴드들은 분류기들, 포장 기계들, 푸드 프로세서들, 제지 기계들 등과 같은 장비의 일부일 수 있다. 밸브 부재는 통상적으로 고무 오버몰드(overmold)를 포함하고 그리고/또는 밸브 부재는 고무 밸브 시트(valve seat)에 접하여 유체 기밀 밀폐부를 생성한다. 이러한 유량 제어 밸브들은 수백만 사이클들 동안 작동될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 밸브 부재 및/또는 고무 밸브 시트 상의 고무 오버몰드가 마모되거나 영구적으로 변형되어, 유량 제어 밸브의 정확도(즉, 유동 분해능)를 감소시킬 수 있다.
[0005] 통상적인 유량 제어 밸브들에서, 밸브 부재는 밸브 바디 내에 슬라이딩식으로 배열된다. 폐쇄 위치에서, 밸브 부재는 일반적으로 밸브 바디의 밸브 시트와 접촉하여 유지된다. 개방 위치에서, 스테퍼 모터는 일반적으로 밸브 부재를 밸브 시트로부터 멀리 이동시켜 이들 사이에 여유 간격을 형성한다. Paulsen의 미국 특허 제3,985,333호에 개시된 바와 같이, 벨로우즈(bellows)형 격막이 사용되어 밸브 바디와 밸브 부재 사이에 밀폐를 제공할 수 있다. 이러한 격막들은 밸브 부재의 세로 방향 이동을 허용하면서 오염물들이 모터 하우징 내로 퍼지는 것을 방지할 수 있다.
[0006] 밸브 바디는 매니폴드에 제공된 보어(bore)에 수용되도록 설계된다. 매니폴드는 대개 매니폴드 보어와 유체 연통하도록 배열된 다수의 통로들을 포함한다. 작동시, 유량 제어 밸브는 이러한 다수의 통로들 사이의 유체 유동을 제어한다. 매니폴드 보어 내에서 밸브 바디를 밀폐하기 위해 밸브 바디 외부에 일반적으로 O-링 밀폐부들이 제공된다.
[0007] 스테퍼 모터 작동식 유량 제어 밸브들이 작동 디바이스로 전달될 수 있는 유체 체적 또는 유체 압력의 정확도를 높이지만, 향상된 정확도 내의 유량 제어 밸브들이 여전히 필요하다. 특히, 낮은 유체 유동률들에서 더 나은 유동 분해능을 제공할 수 있는 유량 제어 밸브들이 여전히 필요하다.
[0008] 이 섹션은 본 개시내용의 일반적인 요약을 제공하며, 그 전체 범위의 또는 그 특징들 전부의 포괄적인 개시는 아니다.
[0009] 본 개시내용은 밸브 바디 및 밸브 바디에 연결된 스테퍼 모터를 포함하는 개선된 유량 제어 밸브를 제공한다. 밸브 바디는 원위(distal) 밸브 바디 단부 및 근위(proximal) 밸브 바디 단부를 갖는다. 포핏 보어는 세로 축을 따라 밸브 바디를 관통하여 연장된다. 원위 밸브 바디 단부는 밸브 시트를 포함한다. 포핏 보어 내에 밸브 부재가 배치된다. 밸브 부재는 포핏 및 드라이브 헤드를 포함한다. 포핏은 드라이브 헤드에 연결되며 포핏 보어 내에서 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에 슬라이딩할 수 있다. 포핏은 원위 포핏 단부 및 근위 포핏 단부를 포함한다.
[0010] 드라이브 헤드는 나사형 보어를 포함하고, 스테퍼 모터는 드라이브 헤드의 나사형 보어와 나사 결합 가능하게 맞물리는 샤프트를 갖는다. 스테퍼 모터는 밸브 부재를 세로 축에 평행한 세로 방향으로 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 세로 방향으로 변위시키도록 작동한다. 밸브 부재는 폐쇄 위치에서 밸브 시트와 접촉하고 개방 위치에서 밸브 시트로부터 떨어지게 변위된 시트 결합 표면을 포함한다.
[0011] 밸브 바디로부터 밸브 부재까지 내측으로 격막이 연장된다. 격막은 밸브 바디 및 밸브 부재에 연결되며 세로 축을 따라 밸브 부재의 이동에 대한 응답으로 편향된다. 유량 제어 밸브는 유입구 포트 및 유출구 포트를 포함한다. 유입구 포트 및 유출구 포트는 밸브 바디를 관통하여 포핏 보어까지 각각 연장된다.
[0012] 유량 제어 니들은 밸브 부재의 포핏에 장착된다. 유량 제어 니들은 원위 포핏 단부로부터 돌출되고, 밸브 부재가 폐쇄 위치에 있을 때 유출구 포트에 적어도 부분적으로 수용된다. 유량 제어 니들은 유출구 포트의 내측 표면과 협력하여, 밸브 부재가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 때 크기가 변하는 유출구 유동 오리피스(orifice)를 한정한다. 이 설계에 따르면, 유량 제어 니들과 유출구 포트의 내측 표면 사이의 계면이 밸브 부재의 시트 결합 표면과 밸브 바디의 밸브 시트 사이의 계면 대신에 유동률을 제어한다. 다시 말해서, 유량 제어 니들과 유출구 포트의 내측 표면 사이의 계면은 유동률을 제어하고, 밸브 부재의 시트 결합 표면과 밸브 바디의 밸브 시트 사이의 계면은 밸브 부재가 폐쇄(즉, 제로 유동) 위치에 있을 때 유체 기밀 밀폐부를 생성한다. 밀폐 계면이 유량 제어 계면과 분리되어 있기 때문에, 밀폐 계면 근처의 변화들 및 변형은 유량 제어 계면에 영향을 미치지 않아, 향상된 정확도(즉, 유동 분해능)를 야기한다.
[0013] 적용 가능성의 추가 분야들은 본 명세서에서 제공되는 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 개요의 설명 및 특정 예들은 단지 예시를 위해 의도된 것이며 본 개시내용의 범위를 한정하도록 의도되는 것은 아니다.
[0014] 본 명세서에서 설명되는 도면들은 가능한 모든 구현들이 아니라 선택된 실시예들의 예시 목적일 뿐이며, 본 개시내용의 범위를 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다.
[0015] 도 1은 본 개시내용에 따라 구성된 예시적인 유량 제어 밸브의 측면 사시도이다.
[0016] 도 2는 도 1에 예시된 예시적인 유량 제어 밸브의 부분 측단면도이다.
[0017] 도 3은 도 1에 예시된 예시적인 유량 제어 밸브의 확대된 부분 측단면도이며, 여기서 유량 제어 밸브는 폐쇄 위치에 도시된다.
[0018] 도 4는 도 1에 예시된 예시적인 유량 제어 밸브의 다른 확대된 부분 측단면도이며, 여기서 유량 제어 밸브는 개방 위치에 도시된다.
[0019] 도 5는 본 개시내용에 따라 구성된 다른 예시적인 유량 제어 밸브의 측면 사시도이다.
[0020] 도 6은 도 5에 예시된 예시적인 유량 제어 밸브의 부분 측단면도이다.
[0021] 도 7은 도 5에 예시된 예시적인 유량 제어 밸브의 확대된 부분 측단면도이며, 여기서 유량 제어 밸브는 폐쇄 위치에 도시된다.
[0022] 도 8은 도 5에 예시된 예시적인 유량 제어 밸브의 다른 확대된 부분 측단면도이며, 여기서 유량 제어 밸브는 개방 위치에 도시된다.
[0023] 도 9는 매니폴드에 설치된 것으로 도시된 도 5의 예시적인 유량 제어 밸브의 부분 측단면도이다.
[0024] 대응하는 참조 번호들은 도면들의 여러 도들 전반에서 대응하는 부분들을 나타낸다.
[0025] 이제 첨부 도면들을 참조로 예시적인 실시예들이 보다 충분히 설명될 것이다. 이러한 예시적인 실시예들은 본 개시내용이 철저하게 되고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 본 개시내용의 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 컴포넌트들, 디바이스들 및 방법들의 예들과 같이 많은 특정 세부사항들이 제시된다. 특정 세부사항들이 이용될 필요는 없으며, 예시적인 실시예들은 많은 다양한 형태들로 구현될 수 있고, 어느 것도 본 개시내용의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다는 점이 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 잘 알려진 프로세스들, 잘 알려진 디바이스 구조들 및 잘 알려진 기술들은 상세히 설명되지 않는다.
[0026] 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 예시적인 실시예들만을 설명하기 위한 것이며, 한정으로 의도되는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들은 맥락이 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 형태들도 포함하는 것으로 의도될 수 있다. "포함한다," "포함하는," "포함시키는" 그리고 "갖는"이라는 용어들은 포괄적이며, 따라서 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 엘리먼트들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 엘리먼트들, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니다. 본 명세서에서 설명되는 방법 단계들, 프로세스들 및 동작들은 성능 순서로서 구체적으로 식별되지 않는 한, 이들의 성능을 반드시 논의 또는 예시된 특정 순서로 요구하는 것으로 해석되지는 않아야 한다. 추가적인 또는 대안적인 단계들이 이용될 수 있다고 또한 이해되어야 한다.
[0027] 엘리먼트 또는 층이 다른 엘리먼트 또는 층 "위에" 있거나, 그에 맞물리거나, "연결" 또는 "결합"되는 것으로 언급될 때, 이는 다른 엘리먼트 또는 층 바로 위에 있거나, 그에 맞물리거나, 연결 또는 결합될 수 있거나, 개재 엘리먼트들 또는 층들이 존재할 수 있다. 이에 반해, 엘리먼트가 다른 엘리먼트 또는 층 "바로 위에" 있거나, 그에 직접 맞물리거나, "직접 연결" 또는 "직접 결합"되는 것으로 언급될 때는, 개재 엘리먼트들 또는 층들이 존재하지 않을 수 있다. 엘리먼트들 간의 관계를 설명하기 위해 사용되는 다른 단어들은 유사한 방식으로(예컨대, "사이에" 대 "직접 사이에", "인접한" 대 "직접 인접한" 등) 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 그리고 모든 가능한 조합들을 포함한다.
[0028] 본 명세서에서 제1, 제2, 제3 등의 용어들은 다양한 엘리먼트들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 엘리먼트들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이러한 용어들로 제한되지 않아야 한다. 이러한 용어들은 하나의 엘리먼트, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때 "제1", "제2" 및 다른 숫자 용어들과 같은 용어들은 맥락상 명확하게 표시되지 않는 한 시퀀스 또는 순서를 의미하지는 않는다. 따라서 이하에서 논의되는 제1 엘리먼트, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션은 예시적인 실시예들의 교시들을 벗어나지 않으면서 제2 엘리먼트, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
[0029] 도면들에 예시된 바와 같이 다른 엘리먼트(들) 또는 특징(들)에 대한 하나의 엘리먼트 또는 특징의 관계를 설명하기 위해 본 명세서에서는 "내측", "외측", "밑", "아래", "하부", "위", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들이 설명의 편의상 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 배향 외에도 사용 또는 동작 중인 디바이스의 서로 다른 배향들을 포괄하는 것으로 의도될 수 있다. 예를 들어, 도면들 내의 디바이스가 뒤집힌다면, 다른 엘리먼트들 또는 특징들 "아래" 또는 "밑"으로서 기술된 엘리먼트들은 다른 엘리먼트들 또는 특징들 "위"로 배향될 것이다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래의 배향 모두를 포괄할 수 있다. 디바이스는 다르게(90도 회전 또는 다른 배향들로) 배향될 수 있고, 본 명세서에서 사용된 공간적으로 상대적인 기술자들이 그에 따라 해석될 수 있다.
[0030] 도 1 - 도 4를 참조하면, 본 개시내용에 따라 구성된 유량 제어 밸브(10)가 도시된다. 유량 제어 밸브(10)는 세로 축(12)을 따라 연장되는 밸브 바디(11)를 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때 "세로 방향", "세로 방향으로", "축 방향" 및 "축 방향으로"라는 용어들은 세로 축(12)을 따라 또는 그에 평행한을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 밸브 바디(11)는 원위 밸브 바디 단부(14)를 한정하는(또는 정의하는) 제1 밸브 바디부(13) 및 근위 밸브 바디 단부(16)를 한정하는(또는 정의하는) 제2 밸브 바디부(15)를 갖는다. 예시된 예에서, 제1 밸브 바디부(13)와 제2 밸브 바디부(15)는 제1 나사형 연결부(17)에 의해 서로 연결된다. 제1 밸브 바디부(13)는 원위 밸브 바디 단부(14)에 포지셔닝되는 밸브 시트(18)를 포함한다. 밸브 바디(11)는 제1 밸브 바디부(13) 및 제2 밸브 바디부(15)를 관통하여 그리고 세로 축(12)을 따라 동축으로 연장되는 포핏 보어(19)를 포함한다. 포핏 보어(19)는 보어 직경(20)을 갖는다. 밸브 바디(11)는 스테인리스 스틸 또는 니켈 도금 황동을 제한 없이 포함하는 다양한 재료들로 만들어질 수 있다.
[0031] 유입구 포트(21)가 포핏 보어(19)로부터 밸브 바디(11)의 포트면(ported face; 22)까지 제1 밸브 바디부(13)를 관통하여 연장된다. 유출구 포트(23)가 포핏 보어(19)로부터 밸브 바디(11)의 단부면(24)까지 제1 밸브 바디부(13)를 관통하여 연장된다. 다른 구성들이 가능하지만, 도 1 - 도 4에 도시된 예에서, 유입구 포트(21) 및 유출구 포트(23)는 내측 표면들(25a, 25b)을 갖는다. 유출구 포트(23)는 세로 축(12)과 동축으로 정렬되고, 유입구 포트(21)는 세로 축(12)에 수직으로 배열된다. 밸브 시트(18)는 유입구 포트(21)와 유출구 포트(23) 사이에 포지셔닝된다. 선택적으로, O-링들과 같은 하나 이상의 밀폐 부재들(26)은 제1 밸브 바디부(13)에서 유입구 포트(21)의 대향 측면들 상에 생성된 하나 이상의 원주형 슬롯들(27)에 포지셔닝될 수 있다.
[0032] 밸브 부재(28)가 포핏 보어(19) 내에 슬라이딩 가능하게 배치되고 세로 축(12)과 동축으로 배향된다. 밸브 부재(28)는 포핏(30)을 포함한다. 포핏(30)은 원위 포핏 단부(31)와 근위 포핏 단부(32) 사이로 연장된다. 예시된 예에서, 포핏(30)은 원위 포핏 단부(31)를 정의하는 제1 포핏 세그먼트(33) 및 근위 포핏 단부(32)를 정의하는 제2 포핏 세그먼트(34)를 포함한다. 제1 포핏 세그먼트(33)는 제1 밸브 바디부(13)에 슬라이딩식으로 수용되고, 제2 포핏 세그먼트(34)는 제2 밸브 바디부(15)에 슬라이딩식으로 수용된다. 제2 포핏 세그먼트(34)는 제1 포핏 세그먼트(33)와 드라이브 헤드(29) 사이에서 세로 방향으로 연장된다. 제1 포핏 세그먼트(33) 및 제2 포핏 세그먼트(34)는 제2 나사형 연결부(35)에 의해 연결된다. 드라이브 헤드(29)는 암나사(female threaded) 보어(36)를 갖는다. 포핏(30)은 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 플라스틱을 제한 없이 포함하는 다양한 재료들로 만들어질 수 있다.
[0033] 드라이브 어댑터(37)는 제3 나사형 연결부(38)에 의해 근위 밸브 바디 단부(16)에 연결된다. 드라이브 어댑터(37)는 드라이브 헤드(29)의 적어도 일부를 수용하는 헤드 수용 공동(39)을 포함한다. 아래 더 상세히 설명되는 바와 같이, 드라이브 어댑터(37)는 설치 목적들로 선택적으로 외부 나사산들(40)을 가질 수 있다. 스테퍼 모터(41)가 드라이브 어댑터(37)에 연결된다. 스테퍼 모터(41)는 드라이브 헤드(29)의 나사형 보어(36)와 나사 결합 가능하게 맞물리는 샤프트(42)를 회전시켜 폐쇄 위치(도 3)와 개방 위치(도 4) 사이의 세로 방향 위치들의 범위에 걸쳐 세로 방향으로 밸브 부재(28)를 세로 방향으로 변위시키도록 작동한다.
[0034] 수나사(male threaded) 샤프트(42)는 스테퍼 모터(41)에 연결되고 스테퍼 모터(41)로부터 연장된다. 스테퍼 모터(41)의 수나사 샤프트(42)는 드라이브 헤드(29)에서 생성된 암나사 보어(36)에 나사 결합 가능하게 수용된다. 수나사 샤프트(42)는 스테퍼 모터(41)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되며 스테퍼 모터(41)에 의해 회전 가능하게 드라이브될 수 있다. 수나사 샤프트(42)는 암나사 보어(36)에 직접 나사 결합 가능하게 수용되고 세로 축(12)에 대해 동축으로 정렬된다. 따라서 수나사 샤프트(42)의 회전은 밸브 부재(28)를 개방 위치와 폐쇄 위치 간에 이동시키도록 수나사 샤프트(42)의 완전 또는 부분 회전들에 기초하여 드라이브 헤드(29)를 직접 축 방향으로 이동시킨다. 헤드 수용 공동(39)의 형상은, 수나사 샤프트(42)의 회전이 드라이브 헤드(29)의 축 방향 변위로 변환되도록 드라이브 헤드(29)의 회전을 방지한다. 수나사 샤프트(42) 및 암나사 보어(36)에 대한 나사산들의 피치는 변할 수 있고 서로 다른 스트로크(stroke) 길이들 및 작동 속도들을 제공하도록 선택될 수 있다. 예로서 그리고 제한 없이, 예시된 실시예에서 밸브 부재(28)의 스트로크 길이는 대략 0.35 밀리미터이다.
[0035] 제1 회전 방향으로의 스테퍼 모터(41)의 수나사 샤프트(42)의 회전은 포핏 보어(19)의 밸브 부재(28)를 폐쇄 위치(도 3)로부터 개방 위치(도 4)로 세로 방향으로 변위시키고, 반대인 제2 회전 방향으로의 수나사 샤프트(42)의 회전은 밸브 부재(28)를 개방 위치(도 4)로부터 폐쇄 위치(도 3)로 복귀시키고, 그 반대도 마찬가지이다. 제1 회전 방향 및 제2 회전 방향으로의 스테퍼 모터(41)의 점증 회전은 드라이브 헤드(29)의 나사형 보어(36) 내에서 수나사 샤프트(42)를 회전시키며, 이는 밸브 부재(28)를 제1 세로 방향 및 제2 세로 방향으로 점증적으로 병진(즉, 이동)시킨다.
[0036] 드라이브 헤드(29)는 밸브 부재(28)의 제2 포핏 세그먼트(34)로부터 분리된다(즉, 떨어진다). 그럼에도, 드라이브 헤드(29)는 드라이브 헤드(29)가 밸브 부재(28)를 폐쇄 위치(도 3)와 개방 위치(도 4) 사이로 드라이브하도록 밸브 부재(28)의 근위 포핏 단부(32)와 맞닿는다. 근위 포핏 단부(32)는 포핏(30)을 드라이브 헤드(29) 쪽으로 편향시키는 편향 부재(43)에 의해 드라이브 헤드(29)와 접촉하여 유지된다. 예시된 예에서, 편향 부재(43)는 포핏 보어(19) 내로 반경 방향 내측으로 연장되는 밸브 바디(11)의 숄더(44)와 근위 포핏 단부(32)로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 플랜지(45) 사이에 배치되는 코일 스프링이다. 그 결과, 편향 부재(43)는 제2 포핏 세그먼트(34)의 일부 주위로 나선형으로 연장되고, 밸브 바디(11)의 숄더(44) 및 제2 포핏 세그먼트(34)의 플랜지(45)에 대해 가압되어 근위 포핏 단부(32)와 드라이브 헤드(29) 사이의 접촉을 유지하는 것을 돕는다. 편향 부재(43)는 포핏(30)을 드라이브 헤드(29)를 향해 편향시키도록 작용하는 편향력을 포핏(30)에 가한다.
[0037] 밸브 부재(28)의 세로 방향 위치는 암나사 보어(36)와 수나사 샤프트(42)의 나사산들 사이의 제한된 슬립에 부분적으로 기초하여 반복 가능하다. 편향 부재(43)가 포핏(30) 및 이에 따라 드라이브 헤드(29)에 가하는 편향력은 나사산 간극들 및/또는 마모로부터 야기된 축 방향 치수 변화들을 완화하여 밸브 부재(28)의 세로 방향 위치의 반복성을 더 향상시킨다. 밸브 부재(28)는 시트 결합 표면(47)을 정의하는 시트 결합 부재(46)를 포함한다. 시트 결합 부재(46)의 시트 결합 표면(47)은 밸브 부재(28)가 폐쇄 위치에 있을 때 밸브 시트(18)와 접촉한다. 시트 결합 부재(46)의 시트 결합 표면(47)은 밸브 부재(28)가 개방 위치에 있을 때 밸브 시트(18)로부터 이격된다. 다른 구성들도 가능하지만, 예시된 예에서, 시트 결합 부재(46)는 원위 포핏 단부(31)에서 제1 포핏 세그먼트(33) 상에 오버몰드된 고무와 같은 탄성 재료로 만들어진다. 대안으로, 밸브 시트(18)는 탄성 재료로 만들어질 수 있다. 시트 결합 부재(46)의 시트 결합 표면(47)과 밸브 시트(18) 간의 계면은 밸브 부재(28)가 폐쇄 위치에 있을 때 유입구 포트(21)로부터 유출구 포트(23)로의 유체 유동을 정지시키는(즉, 유량 제어 밸브(10)를 통해 제로 유동 조건을 생성하는) 밀폐 계면으로서 기능한다.
[0038] 유량 제어 밸브(10)는 밸브 바디(11)로부터 밸브 부재(28)까지 반경 방향 내측으로 연장되는 격막(48)을 포함한다. 예시된 예에서, 격막(48)의 외측 원형부는 근위 밸브 바디부(13)와 원위 밸브 바디부(15) 사이에 수용되고, 격막(48)의 내측 원형부는 제1 포핏 세그먼트(33)와 제2 포핏 세그먼트(34) 사이에 수용된다. 보다 구체적으로, 근위 밸브 바디부(13)와 원위 밸브 바디부(15) 사이의 제1 나사형 연결부(17)는 격막(48)의 외측 원형부가 근위 밸브 바디부(13)와 원위 밸브 바디부(15) 사이에 클램핑될 수 있게 하고, 제1 포핏 세그먼트(33)와 제2 포핏 세그먼트(34) 사이의 제2 나사형 연결부(35)는 격막(48)의 내측 원형부가 제1 포핏 세그먼트(33)와 제2 포핏 세그먼트(34) 사이에 클램핑될 수 있게 한다.
[0039] 격막(48)은 세로 축(12)을 따라 밸브 부재(28)의 이동에 대한 응답으로 편향된다. 격막(48)은 유량 제어 밸브(10)에 대기압 밀폐를 제공하여 가압 공기 또는 물과 같은 유체 및 오염물들이 드라이브 어댑터(37)의 헤드 수용 공동(39) 및 스테퍼 모터(41)로 유입되는 것을 방지한다. 다른 구성들이 가능하지만, 예시된 실시예에 도시된 격막(48)은 격막(48)의 유연성을 향상시키는 U자형 단면을 갖는 벨로우즈형 부분을 갖는다.
[0040] 제1 포핏 세그먼트(33)에 장착된 유량 제어 니들(49)은 밸브 부재(28)의 원위 포핏 단부(31)로부터 돌출된다. 유량 제어 니들(49)의 적어도 일부는 밸브 부재(28)가 폐쇄 위치(도 3)에 있을 때 유출구 포트(23)에 수용된다. 유량 제어 니들(49)은 원위 유량 제어 니들 단부(50)와 근위 유량 제어 니들 단부(51) 사이에서 세로 축(12)을 따라 연장된다. 밸브 부재(28)의 스트로크에 따라 다른 배열들이 가능하지만, 예시된 예에서 원위 유량 제어 니들 단부(50)는 유량 제어 밸브(10)의 개방 위치와 폐쇄 위치 모두에서 밸브 바디(11)의 유출구 포트(23) 내부에 동심으로 정렬되어 유지된다.
[0041] 유량 제어 니들(49)은 원위 유량 제어 니들 단부(50)에서 변하는 니들 직경(52)을 갖는다. 보다 구체적으로, 원위 유량 제어 니들 단부(50)는 테이퍼 표면(53)을 갖는데, 이는 유출구 포트(23)의 내측 표면(25b)과 협력하여, 유량 제어 밸브(10)가 개방 위치(도 4)에 있을 때 원위 유량 제어 니들 단부(50)의 테이퍼 표면(53)과 유출구 포트(23)의 내측 표면(25b) 사이의 간격에 의해 생성되는 유출구 유동 오리피스(54)를 한정한다. 원위 유량 제어 니들 단부(50)의 테이퍼 형상으로 인해, 밸브 부재(28)가 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 이동할 때 유출구 유동 오리피스(54)는 크기가 변한다. 보다 구체적으로, 유출구 유동 오리피스(54)는 밸브 부재(28)의 세로 방향 위치에 따라 크기가 변하는 원형 링 형상의 단면적을 갖는다. 예로서 그리고 제한 없이, 예시된 실시예에서 밸브 부재(28)가 개방 위치에 있을 때 유출구 유동 오리피스(54)의 최대 단면적은 대략 2 제곱밀리미터이다.
[0042] 유량 제어 니들(49)의 테이퍼 표면(53)은 원위 유량 제어 니들 단부(50)에 절두 원추형(frusto-conical) 형상을 부여한다. 다른 배열들이 가능하지만, 도 2 - 도 4에 예시된 예에서, 유량 제어 니들(49)은 원위 유량 제어 니들 단부(50)와 근위 유량 제어 니들 단부(51) 사이에 세로 방향으로 위치되는 방사상 단차(55)를 포함하는데, 여기서 유량 제어 니들(49)의 직경은 근위 유량 제어 니들 단부(51)에서 더 큰 직경으로부터 더 작은 직경의 배럴부(barrel portion)(56)로 전이한다. 방사상 단차(55)는 방사상 단차(55)가 세로 축(12)에 횡 방향이 되도록 반경 방향 내측으로 연장된다. 밸브 부재(28)의 제1 포핏 세그먼트(33)는 세로 축(12)을 따라 원위 포핏 단부(31)까지 연장되는 포핏 보어(57)를 갖는다. 유량 제어 니들(49)의 배럴부(56)는 포핏 보어(57) 내에 압입(press-fit)되어 수용된다. 유량 제어 니들(49)은 유량 제어 밸브(10)를 통과하는 유체가 액체일 때는 스테인리스 스틸을 그리고 유량 제어 밸브(10)를 통과하는 유체가 공기일 때는 알루미늄을 제한 없이 포함하는 다양한 재료들로 제조될 수 있다.
[0043] 도 3에 도시된 밸브 폐쇄 위치에서, 원위 포핏 단부(31) 상의 밸브 시트(18) 결합면은 제1 밸브 바디부(13) 상의 밸브 시트(18)와 접촉하여 유지된다. 이에 따라, 유량 제어 밸브(10)는 유량 제어 밸브(10)가 밸브 폐쇄 위치에 있을 때 유입구 포트(21)와 유출구 포트(23) 사이의 유체 유동을 방지한다. 도 4에 도시된 밸브 개방 위치에서, 원위 포핏 단부(31) 상의 시트 결합 표면(47)은 제1 밸브 바디부(13) 상의 밸브 시트(18)로부터 멀리 이동함으로써, 유입구 포트(21)로부터 유출구 포트(23)까지의 유동 경로를 제공한다. 스테퍼 모터(41)가 폐쇄 위치(도 3)와 개방 위치(도 4) 사이에서 밸브 부재(28)를 드라이브할 때, 격막(48)은 밸브 부재(28)의 병진을 수용하도록 휘어진다.
[0044] 도 5 - 도 8을 참조하면, 다른 유량 제어 밸브(100)가 예시된다. 도 5 - 도 8에 도시된 유량 제어 밸브(100)의 엘리먼트들 중 다수는 아래에 언급된 것을 제외하고는 도 2 - 도 4에 도시된 제어 밸브의 엘리먼트들과 동일하거나 실질적으로 동일하다. 실시예들 사이에 공유되는 등가 엘리먼트들은 대응하는 참조 번호들을 갖는데, 여기서는 도 5 - 도 8에서 등가 엘리먼트를 표기하기 위해 100번대가 사용된다.
[0045] 도 5 - 도 8에 예시된 유량 제어 밸브(100)는 조정 가능한 유량 제어 니들(149)을 포함한다. 보다 구체적으로, 포핏 보어(157)는 내부 나사산들(158)을 포함하고, 유량 제어 니들(149)의 배럴부(156)는 포핏 보어(157)에 나사 결합되어 포핏 보어(157)의 내부 나사산들(158)과 맞물리는 배럴 나사산들(159)을 포함한다. O-링 밀폐부(160)가 방사상 단차(155) 근처의 유량 제어 니들(149)의 배럴부(156) 상에 선택적으로 제공되어, 유량 제어 니들(149)의 배럴부(156)와 포핏 보어(157) 사이에 유체 기밀 밀폐를 제공한다. 원위 유량 제어 니들 단부(150)는 포핏 보어(157) 내에서 유량 제어 니들(149)의 회전 조정을 허용하는 툴 인터페이스(161)를 포함한다. 포핏 보어(157) 내에서 유량 제어 니들(149)의 회전은 원위 포핏(130) 세그먼트에 대한 유량 제어 니들(149)의 세로 방향 위치 및 이에 따라 원위 유량 제어 니들 단부(150)와 원위 포핏 단부(131) 사이에서 측정된 세로 방향 거리를 변화시킨다. 포핏(130)에 대한 유량 제어 니들(149)의 세로 방향 위치를 조정함으로써, 유출구 유동 오리피스(154)의 단면적의 크기는 유량 제어 밸브(100)를 통해 유체 유동률을 미세하게 튜닝하도록 조절될 수 있다. 이 조정 가능성은 또한 제조 공차들로 인한 편차들을 수용한다. 예를 들어, 유량 제어 밸브(100)는 제조 프로세스 동안 용이하게 튜닝될 수 있으며, 여기서 유량 제어 니들(149)은 밸브 부재(28)가 폐쇄 위치에 있을 때 원위 유량 제어 니들 단부(150)에서 테이퍼 표면(153)이 유출구 포트(123)의 내측 표면(125b)과 초기 접촉할 때까지 후퇴된다(즉, 나사산이 풀림). 마모가 발생한다면, 이 프로세스는 반복되어 유량 제어 니들(149)과 유출구 포트(123) 사이의 적절한 공차들을 재설정할 수 있다.
[0046] 도 5 - 도 8에 도시된 실시예에서, 제1 밸브 바디부(113)에서 유출구 포트(123)의 내측 표면(125b)은 경사진 깔때기형 형상을 갖는다. 원위 유량 제어 니들 단부(150) 상의 테이퍼 표면(153)의 적어도 일부는 밸브 부재(128)가 폐쇄 위치(도 7)에 있을 때 유출구 포트(123)의 내측 표면(125b)과 접촉한다. 원위 유량 제어 니들 단부(150)의 테이퍼 표면(153)은 세로 축(112)에 대해 제1 각도(162)로 배열된다. 유출구 포트(123)의 내측 표면(125b)은 세로 축(112)에 대해 제2 각도(163)로 배열된다. 제1 각도(162)는 제2 각도(163)와 적어도 1도 다르다. 이 배열은 밸브 부재(128)가 폐쇄 위치에 있을 때 원위 포핏 단부(131)가 유출구 포트(123)에 바인딩하는 것을 방지하는 데 도움이 된다.
[0047] 도 9를 참조하면, 매니폴드(264)에 유량 제어 밸브(100)가 설치된 것으로 도시된다. 매니폴드(264)는 매니폴드 보어(265)를 포함한다. 유량 제어 밸브(100)의 밸브 바디(111)는 매니폴드 보어(265)에 슬라이딩 가능하게 삽입되고, 드라이브 어댑터(137) 상의 외부 나사산들(140)은 매니폴드 보어(265)의 나사산 부분(266)과 나사 결합 가능하게 맞물린다. 밸브 바디(111)에서 생성된 원주형 슬롯들(127)에 포지셔닝된 O-링들과 같은 밀폐 부재들(126)은 매니폴드 보어(265)와 접촉하여 유체 밀폐부를 생성한다. 밸브 바디(111)가 매니폴드 보어(265)에 설치될 때, 유입구 포트(121) 및 유출구 포트(123)는 매니폴드(264)의 유입구 통로(267) 및 유출구 통로(268)와 각각 유체 연통하여 포지셔닝된다. 작동시, 유량 제어 밸브(100)는 매니폴드(264)의 유입구 통로(267)와 유출구 통로(268) 사이의 가압 공기와 같은 유체의 유동을 제어한다.
[0048] 본 개시내용의 유량 제어 밸브들(10, 100) 각각은 스테퍼 모터(41, 141)의 점증 회전에 의해 가변적인 유량 제어를 제공한다. 스테퍼 모터(41, 141)의 점증 회전은 밸브 부재(28, 128)의 세로 방향 병진으로 변환된다. 또한, 밸브 부재(28, 128)가 개방 위치를 향해 이동할 때, 유입구 및 유출구 포트들(21, 23, 121, 123)을 가로질러 압력 강하가 생성된다. 밸브 부재(28, 128)가 슬라이딩 가능하게 수용되는 포핏 보어(19, 119)는 밸브 부재(28, 128)와 밸브 바디(11, 111)의 접촉 지점들에서 동일한 직경들을 갖기 때문에, 각각의 포트 섹션은 밸브 부재(28, 128)에 작용하는 힘들의 균형을 잡는다.
[0049] 본 개시내용의 유량 제어 밸브들(10, 100)은 여러 이점들을 제공한다. 유출구 유동 오리피스(54, 154)가 밸브 시트(18, 118)와 시트 결합 부재(46, 146) 사이의 계면(즉, 간격) 대신에, 유량 제어 니들(49, 149)의 테이퍼 표면(53, 153)과 유출구 포트(23, 123)의 내측 표면(25b, 125b) 사이의 계면(즉, 간격)에 의해 한정되기 때문에, 본 명세서에 개시된 유량 제어 밸브들(10, 100)을 통한 정확도(즉, 유동 분해능)가 상당히 향상된다. 통상적인 밸브들에서, 밸브 부재(28, 128)가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 때, 시트 결합 부재(46, 146) 및/또는 밸브 시트(18, 118)는 작은 양들 편향 및 리바운드되며, 이는 이러한 두 컴포넌트들 사이의 간격의 작은 변화들을 야기한다. 또한, 시트 결합 부재(46, 146) 및/또는 밸브 시트(18, 118)는 반복된 밸브 사이클들로 인해 시간이 지남에 따라 마모될 수 있고 그리고/또는 영구적으로 변형될 수 있다. 이러한 변화들은 특히, 더 낮은 유체 유동률들에서 통상적인 밸브들의 정확도를 제한한다. 본 명세서에 개시된 유량 제어 밸브들(10, 100)은 밸브 시트(18, 118)와 시트 결합 부재(46, 146) 사이의 밀폐 계면으로부터 떨어진 유출구 유동 오리피스(54, 154)(즉, 유량 제어 계면)를 갖는다. 그 결과, 밸브 시트(18, 118) 및/또는 시트 결합 부재(46, 146)에서의 편향, 리바운드, 마모 및 변형은 유량 제어 니들(49, 149)과 유출구 포트(23, 123) 사이의 계면에 영향을 미치지 않아, 유량 제어 밸브들(10, 110)의 정확도를 향상시킨다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 유량 제어 밸브들(10, 110)은 평방인치당 29 파운드의 압력에서 분당 670 밀리리터 내지 분당 30 밀리리터의 유동률들로 개선된 분해능을 갖는 것으로 밝혀졌다.
[0050] 실시예들에 대한 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 포괄적이거나 발명을 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 특정 실시예의 개개의 엘리먼트들 또는 특징들은 일반적으로 그 특정 실시예로 한정되는 것이 아니라, 적용 가능한 경우에 상호 교환 가능하며, 구체적으로 도시 또는 기술되지 않더라도, 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 이는 또한 여러 면들에서 다양할 수도 있다. 이러한 변형들은 본 개시내용으로부터의 이탈로 간주되지 않아야 하며, 이러한 모든 수정들은 본 개시내용의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 유량 제어 밸브로서,
    원위(distal) 밸브 바디 단부, 근위(proximal) 밸브 바디 단부, 세로 축을 따라 연장되는 포핏 보어(poppet bore), 및 상기 원위 밸브 바디 단부에 포지셔닝된 밸브 시트(valve seat)를 갖는 밸브 바디;
    상기 밸브 바디를 관통하여 상기 포핏 보어까지 각각 연장되는 유입구 포트 및 유출구 포트 ― 상기 유출구 포트는 내측 표면을 가짐 ―;
    상기 포핏 보어 내에 슬라이딩 가능하게 배치된 밸브 부재 ― 상기 밸브 부재는 드라이브 헤드 및 포핏을 포함하고, 상기 포핏은 원위 포핏 단부 및 근위 포핏 단부를 포함하며, 상기 드라이브 헤드는 나사형 보어를 가짐 ―;
    상기 드라이브 헤드의 나사형 보어와 나사 결합 가능하게 맞물리는 샤프트를 갖는 스테퍼 모터 ― 상기 스테퍼 모터는 상기 밸브 부재를 상기 세로 축에 평행한 세로 방향으로 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 세로 방향으로 변위시키도록 작동하고;
    상기 밸브 부재는 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브 시트와 접촉하고 상기 개방 위치에서 상기 밸브 시트로부터 떨어지게 변위된 시트 결합 표면을 포함함 ―;
    상기 밸브 바디와 상기 밸브 부재 사이로 연장되고 상기 밸브 바디와 상기 밸브 부재에 연결되는 격막(diaphragm) ― 상기 격막은 상기 세로 축을 따라 상기 밸브 부재의 이동에 대한 응답으로 편향됨 ―; 및
    상기 포핏에 장착되며, 상기 원위 포핏 단부로부터 돌출되고 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유출구 포트에 적어도 부분적으로 수용되는 유량 제어 니들(needle)을 포함하며,
    상기 유량 제어 니들은 상기 유출구 포트의 내측 표면과 협력하여, 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치와 상기 개방 위치 사이에서 이동할 때 크기가 변하는 유출구 유동 오리피스(orifice)를 정의하는,
    유량 제어 밸브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유량 제어 니들은 원위 유량 제어 니들 단부와 근위 유량 제어 니들 단부 사이로 연장되는,
    유량 제어 밸브.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는 상기 유출구 포트의 내측 표면과 협력하여, 상기 밸브 부재의 세로 방향 위치에 따라 크기가 변하는 상기 유출구 유동 오리피스의 단면적을 정의하는 테이퍼 표면을 포함하는,
    유량 제어 밸브.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 테이퍼 표면은 상기 원위 유량 제어 니들 단부에 절두 원추형(frusto-conical) 형상을 부여하는,
    유량 제어 밸브.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 유출구 포트의 내측 표면은 경사진 깔때기형 형상을 갖는,
    유량 제어 밸브.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 원위 유량 제어 니들 단부의 테이퍼 표면의 적어도 일부는 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유출구 포트의 내측 표면과 접촉하고,
    상기 원위 유량 제어 니들 단부의 테이퍼 표면은 상기 세로 축에 대해 제1 각도로 배열되고 상기 유출구 포트의 내측 표면은 상기 세로 축에 대해 제2 각도로 배열되는,
    유량 제어 밸브.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 바인딩을 방지하도록 상기 제1 각도는 상기 제2 각도와 적어도 1도 다른,
    유량 제어 밸브.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 유량 제어 니들은 상기 원위 유량 제어 니들 단부와 상기 근위 유량 제어 니들 단부 사이에 세로 방향으로 포지셔닝되는 방사상 단차를 포함하고,
    상기 유량 제어 니들은 더 큰 직경에서 더 작은 직경으로 이행하는,
    유량 제어 밸브.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 유출구 포트의 내측 표면은 원통형 형상을 갖는,
    유량 제어 밸브.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 포핏은 상기 세로 축을 따라 상기 원위 포핏 단부까지 연장되는 포핏 보어를 포함하는,
    유량 제어 밸브.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 포핏 보어는 내부 나사산들을 갖고,
    상기 근위 유량 제어 니들 단부는 상기 내부 나사산들과 나사 결합하여 상기 포핏 보어에 수용되는,
    유량 제어 밸브.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는, 상기 포핏 보어 내에서 상기 유량 제어 니들의 회전이 상기 원위 유량 제어 니들 단부와 상기 원위 포핏 단부 사이에서 측정된 세로 방향 거리를 변화시키도록 상기 포핏 보어 내에서 상기 유량 제어 니들의 회전 조정을 허용하는 툴 인터페이스를 포함하는,
    유량 제어 밸브.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 근위 유량 제어 니들 단부는 상기 포핏 보어 내에 압입(press-fit)으로 수용되는,
    유량 제어 밸브.
  14. 제2 항에 있어서,
    상기 유량 제어 니들은 상기 원위 유량 제어 니들 단부에서 변하는 직경을 갖는,
    유량 제어 밸브.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 시트 결합 표면은 상기 원위 포핏 단부에 포지셔닝되고 상기 유량 제어 니들의 반경 방향 외측에 있는,
    유량 제어 밸브.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브 시트와 상기 시트 결합 표면 중 적어도 하나는 탄성 재료로 만들어지는,
    유량 제어 밸브.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 포핏은 상기 원위 포핏 단부를 정의하는 제1 포핏 세그먼트 및 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 드라이브 헤드 사이로 연장되는 제2 포핏 세그먼트를 포함하고,
    상기 격막의 일부는 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 제2 포핏 세그먼트 사이에 클램핑되는,
    유량 제어 밸브.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 포핏은 상기 드라이브 헤드로부터 분리되고, 상기 근위 포핏 단부는 상기 포핏을 상기 드라이브 헤드 쪽으로 편향시키는 편향 부재에 의해 상기 드라이브 헤드와 접촉하여 유지되는,
    유량 제어 밸브.
  19. 유량 제어 밸브로서,
    세로 축을 정의하는 밸브 바디;
    ― 상기 밸브 바디는 원위 밸브 바디 단부를 정의하는 제1 밸브 바디부 및 근위 밸브 바디 단부를 정의하는 제2 밸브 바디부를 갖고;
    상기 밸브 바디는 상기 제1 밸브 바디부 및 상기 제2 밸브 바디부를 관통하여 그리고 상기 세로 축을 따라 동축으로 연장되는 포핏 보어를 포함하며;
    상기 제1 밸브 바디부는 상기 원위 밸브 바디 단부에 포지셔닝된 밸브 시트를 포함하고;
    상기 포핏 보어는 보어 직경을 가짐 ―;
    상기 포핏 보어 내에 슬라이딩 가능하게 배치되고 상기 세로 축과 동축으로 배향된 밸브 부재;
    ― 상기 밸브 부재는 드라이브 헤드 및 포핏을 포함하고;
    상기 포핏은 원위 포핏 단부를 정의하는 제1 포핏 세그먼트 및 근위 포핏 단부를 정의하는 제2 포핏 세그먼트를 포함하며;
    상기 제1 포핏 세그먼트는 상기 제1 밸브 바디부에 슬라이딩식으로 수용되고;
    상기 제2 포핏 세그먼트는 상기 제2 밸브 바디부에 슬라이딩식으로 수용되고 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 드라이브 헤드 사이에서 세로 방향으로 연장되며;
    상기 드라이브 헤드는 나사형 보어를 가짐 ―;
    상기 근위 밸브 바디 단부에 연결된 드라이브 어댑터;
    ― 상기 드라이브 어댑터는 상기 드라이브 헤드의 적어도 일부를 수용하는 헤드 수용 공동을 포함함 ―;
    상기 드라이브 어댑터에 연결된 스테퍼 모터;
    ― 상기 스테퍼 모터는 상기 드라이브 헤드의 나사형 보어와 나사 결합 가능하게 맞물리는 샤프트를 회전시켜 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 세로 방향 위치들의 범위에 걸쳐 상기 밸브 부재를 상기 세로 축에 평행한 세로 방향으로 변위시키도록 작동함 ―;
    상기 포핏 보어로부터 상기 밸브 바디의 포트면(ported face)으로 상기 밸브 바디를 관통하여 연장되는 유입구 포트;
    상기 포핏 보어로부터 상기 밸브 바디의 단부면까지 상기 밸브 바디를 관통하여 연장되는 유출구 포트;
    ― 상기 유출구 포트는 상기 세로 축과 동축으로 정렬되고;
    상기 밸브 부재는 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브 시트와 접촉하고 상기 개방 위치에서 상기 밸브 시트로부터 떨어지게 변위된 시트 결합 표면을 정의하는 시트 결합 부재를 상기 원위 포핏 단부에 포함하며;
    상기 시트 결합 부재는 탄성 재료로 만들어지고;
    제1 회전 방향으로의 상기 스테퍼 모터의 상기 샤프트의 회전은 상기 포핏 보어 내의 상기 밸브 부재를 상기 폐쇄 위치로부터 상기 개방 위치로 세로 방향으로 변위시키고, 반대인 제2 회전 방향으로의 상기 샤프트의 회전은 상기 밸브 부재를 상기 개방 위치로부터 상기 폐쇄 위치로 복귀시키며,
    상기 스테퍼 모터의 샤프트는 상기 스테퍼 모터에 연결되고 상기 스테퍼 모터로부터 연장되는 나사형 샤프트이고, 상기 스테퍼 모터의 점증 회전은 상기 밸브 부재를 상기 세로 방향으로 점증적으로 병진시키도록 상기 드라이브 헤드의 나사형 보어 내에서 상기 나사형 샤프트를 회전시키고;
    상기 밸브 부재는 상기 드라이브 헤드로부터 분리되고, 상기 근위 포핏 단부는 상기 밸브 부재를 상기 드라이브 헤드 쪽으로 편향시키는 편향 부재에 의해 상기 드라이브 헤드와 접촉하여 유지되며,
    상기 편향 부재는 상기 포핏 보어 내의 상기 밸브 바디의 숄더와 상기 제2 포핏 세그먼트 상의 플랜지 사이에 배치된 스프링임 ―;
    상기 밸브 바디로부터 내측으로 연장되어 상기 밸브 부재의 제1 포핏 세그먼트와 제2 포핏 세그먼트 사이에 수용되는 격막 ― 상기 격막은 상기 세로 축을 따라 상기 밸브 부재의 이동에 대한 응답으로 편향됨 ―;
    상기 격막이 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 제2 포핏 세그먼트 사이에 클램핑될 수 있게 하는, 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 제2 포핏 세그먼트 사이의 나사형 연결부;
    ― 상기 밸브 부재의 제1 포핏 세그먼트는 상기 세로 축을 따라 상기 원위 포핏 단부까지 연장되는 포핏 보어를 포함하고;
    상기 유출구 포트는 내측 표면을 가짐 ―;
    상기 제1 포핏 세그먼트에 장착되며, 상기 원위 포핏 단부로부터 돌출되고 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유출구 포트에 적어도 부분적으로 수용되는 유량 제어 니들을 포함하며,
    상기 유량 제어 니들은 상기 세로 축을 따라 원위 유량 제어 니들 단부와 근위 유량 제어 니들 단부 사이로 연장되고;
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는 상기 유출구 포트 내부에서 동심으로 정렬되며;
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는 상기 유출구 포트의 내측 표면과 협력하여, 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치와 상기 개방 위치 사이에서 이동할 때 크기가 변하는 유출구 유동 오리피스를 정의하는 테이퍼 표면을 포함하고;
    상기 유출구 유동 오리피스는 상기 밸브 부재의 세로 방향 위치에 따라 크기가 변하는 단면적을 가지며;
    상기 유량 제어 니들은 상기 원위 유량 제어 니들 단부에서 변하는 직경을 갖고;
    상기 테이퍼 표면은 상기 원위 유량 제어 니들 단부에 절두 원추형 형상을 부여하고, 상기 원위 유량 제어 니들 단부와 상기 근위 유량 제어 니들 단부 사이에 세로 방향으로 포지셔닝되는 방사상 단차를 생성하며, 상기 유량 제어 니들의 직경은 더 큰 직경에서 더 작은 직경으로 이행하고;
    상기 유출구 포트의 내측 표면은 원통형 형상을 갖고;
    상기 근위 유량 제어 니들 단부는 상기 포핏 보어 내에 압입으로 수용되고; 그리고
    상기 원위 유량 제어 니들 단부의 테이퍼 표면의 적어도 일부는 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유출구 포트의 내측 표면과 접촉하는,
    유량 제어 밸브.
  20. 유량 제어 밸브로서,
    세로 축을 정의하는 밸브 바디;
    원위 밸브 바디 단부를 정의하는 제1 밸브 바디부 및 근위 밸브 바디 단부를 정의하는 제2 밸브 바디부를 갖는 상기 밸브 바디;
    상기 밸브 바디는 상기 제1 밸브 바디부 및 상기 제2 밸브 바디부를 관통하여 그리고 상기 세로 축을 따라 동축으로 연장되는 포핏 보어를 포함하며;
    상기 제1 밸브 바디부는 상기 원위 밸브 바디 단부에 포지셔닝된 밸브 시트를 포함하고;
    상기 포핏 보어는 보어 직경을 가짐 ―;
    상기 포핏 보어 내에 슬라이딩 가능하게 배치되고 상기 세로 축과 동축으로 배향된 밸브 부재;
    ― 상기 밸브 부재는 드라이브 헤드 및 포핏을 포함하고;
    상기 포핏은 원위 포핏 단부를 정의하는 제1 포핏 세그먼트 및 근위 포핏 단부를 정의하는 제2 포핏 세그먼트를 포함하며;
    상기 제1 포핏 세그먼트는 상기 제1 밸브 바디부에 슬라이딩식으로 수용되고;
    상기 제2 포핏 세그먼트는 상기 제2 밸브 바디부에 슬라이딩식으로 수용되고 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 드라이브 헤드 사이에서 세로 방향으로 연장되며;
    상기 드라이브 헤드는 나사형 보어를 가짐 ―;
    상기 근위 밸브 바디 단부에 연결된 드라이브 어댑터;
    ― 상기 드라이브 어댑터는 상기 드라이브 헤드의 적어도 일부를 수용하는 헤드 수용 공동을 포함함 ―;
    상기 드라이브 어댑터에 연결된 스테퍼 모터;
    ― 상기 스테퍼 모터는 상기 드라이브 헤드의 나사형 보어와 나사 결합 가능하게 맞물리는 샤프트를 회전시켜 폐쇄 위치와 개방 위치 사이의 세로 방향 위치들의 범위에 걸쳐 상기 밸브 부재를 상기 세로 축에 평행한 세로 방향으로 변위시키도록 작동함 ―;
    상기 포핏 보어로부터 상기 밸브 바디의 포트면으로 상기 밸브 바디를 관통하여 연장되는 유입구 포트;
    상기 포핏 보어로부터 상기 밸브 바디의 단부면까지 상기 밸브 바디를 관통하여 연장되는 유출구 포트;
    ― 상기 유출구 포트는 상기 세로 축과 동축으로 정렬되고;
    상기 밸브 부재는 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브 시트와 접촉하고 상기 개방 위치에서 상기 밸브 시트로부터 떨어지게 변위된 시트 결합 표면을 정의하는 시트 결합 부재를 상기 원위 포핏 단부에 포함하며;
    상기 시트 결합 부재는 탄성 재료로 만들어지고;
    제1 회전 방향으로의 상기 스테퍼 모터의 상기 샤프트의 회전은 상기 포핏 보어 내의 상기 밸브 부재를 상기 폐쇄 위치로부터 상기 개방 위치로 세로 방향으로 변위시키고, 반대인 제2 회전 방향으로의 상기 샤프트의 회전은 상기 밸브 부재를 상기 개방 위치로부터 상기 폐쇄 위치로 복귀시키며,
    상기 스테퍼 모터의 샤프트는 상기 스테퍼 모터에 연결되고 상기 스테퍼 모터로부터 연장되는 나사형 샤프트이고, 상기 스테퍼 모터의 점증 회전은 상기 밸브 부재를 상기 세로 방향으로 점증적으로 병진시키도록 상기 드라이브 헤드의 나사형 보어 내에서 상기 나사형 샤프트를 회전시키고;
    상기 밸브 부재는 상기 드라이브 헤드로부터 분리되고, 상기 근위 포핏 단부는 상기 밸브 부재를 상기 드라이브 헤드 쪽으로 편향시키는 편향 부재에 의해 상기 드라이브 헤드와 접촉하여 유지되며,
    상기 편향 부재는 상기 포핏 보어 내의 상기 밸브 바디의 숄더와 상기 제2 포핏 세그먼트 상의 플랜지 사이에 배치된 스프링임 ―;
    상기 밸브 바디로부터 내측으로 연장되어 상기 밸브 부재의 제1 포핏 세그먼트와 제2 포핏 세그먼트 사이에 수용되는 격막 ― 상기 격막은 상기 세로 축을 따라 상기 밸브 부재의 이동에 대한 응답으로 편향됨 ―;
    상기 격막이 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 제2 포핏 세그먼트 사이에 클램핑될 수 있게 하는, 상기 제1 포핏 세그먼트와 상기 제2 포핏 세그먼트 사이의 나사형 연결부;
    ― 상기 밸브 부재의 제1 포핏 세그먼트는 상기 세로 축을 따라 상기 원위 포핏 단부까지 연장되는 포핏 보어를 포함하고;
    상기 유출구 포트는 내측 표면을 가짐 ―;
    상기 제1 포핏 세그먼트에 장착되며, 상기 원위 포핏 단부로부터 돌출되고 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유출구 포트에 적어도 부분적으로 수용되는 유량 제어 니들을 포함하며,
    상기 유량 제어 니들은 상기 세로 축을 따라 원위 유량 제어 니들 단부와 근위 유량 제어 니들 단부 사이로 연장되고;
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는 상기 유출구 포트 내부에서 동심으로 정렬되며;
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는 상기 유출구 포트의 내측 표면과 협력하여, 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치와 상기 개방 위치 사이에서 이동할 때 크기가 변하는 유출구 유동 오리피스를 정의하는 테이퍼 표면을 포함하고;
    상기 유출구 유동 오리피스는 상기 밸브 부재의 세로 방향 위치에 따라 크기가 변하는 단면적을 가지며;
    상기 유량 제어 니들은 상기 원위 유량 제어 니들 단부에서 변하는 직경을 갖고;
    상기 테이퍼 표면은 상기 원위 유량 제어 니들 단부에 절두 원추형 형상을 부여하고, 상기 원위 유량 제어 니들 단부와 상기 근위 유량 제어 니들 단부 사이에 세로 방향으로 포지셔닝되는 방사상 단차를 생성하며, 상기 유량 제어 니들의 직경은 더 큰 직경에서 더 작은 직경으로 이행하고;
    상기 유출구 포트의 내측 표면은 경사진 깔때기형 형상을 갖고;
    상기 원위 유량 제어 니들 단부의 테이퍼 표면의 적어도 일부는 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유출구 포트의 내측 표면과 접촉하며;
    상기 원위 유량 제어 니들 단부의 테이퍼 표면은 상기 세로 축에 대해 제1 각도로 배열되고 상기 유출구 포트의 내측 표면은 상기 세로 축에 대해 제2 각도로 배열되며;
    상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 바인딩을 피하도록 상기 제1 각도는 상기 제2 각도와 적어도 1도 다르고;
    상기 포핏 보어는 내부 나사산들을 가지며;
    상기 근위 유량 제어 니들 단부는 상기 내부 나사산들과 나사 결합하여 상기 포핏 보어에 수용되고; 그리고
    상기 원위 유량 제어 니들 단부는, 상기 포핏 보어 내에서 상기 유량 제어 니들의 회전이 상기 원위 유량 제어 니들 단부와 상기 원위 포핏 단부 사이에서 측정된 세로 방향 거리를 변화시키도록 상기 포핏 보어 내에서 상기 유량 제어 니들의 회전 조정을 허용하는 툴 인터페이스를 포함하는,
    유량 제어 밸브.
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