CN100385156C - 精确调节的球阀 - Google Patents

Abstract

一种用于控制从零到最小流量的流体流动的精确调节的球阀。所述球阀的阀塞包括至少一个从所述阀塞的外表面凹入的流量调节通道。所述阀塞的外表面啮合沿阀口的内表面设置的密封部件。所述密封部件在所述阀塞的外表面和阀口之间形成流体密封。所述流量调节通道从所述阀塞的外表面凹入，从最小流量端直到最大流量端。所述流量调节通道的径向凹入区域从最小流量端到最大流量端增大，所以当所述阀塞移动经过固定的密封部件，经所述阀口产生增加的流量。

Description

精确调节的球阀

技术领域

本发明涉及用于流经管道的流体体积控制的球阀。具体而言，本发明涉及一种具有特殊阀塞的球阀，该球阀可以从流动初始直到最大行程，提供基本上无波动的流体流量调节。

背景技术

球阀通常包括阀塞，该阀塞可以朝着以及远离在流体入口和流体出口之间的阀口中形成的阀座运动。阀塞的运动通常由致动器控制，例如手动手柄，或某些其他类型的遥控致动系统。

对于普通的球阀，通过改变阀塞外径和阀口内径之间的间隙调节流经阀的流体流量。阀塞外径和阀口内径之间的间隙区域在最小值和最大值之间变换。尽管球阀几乎能够在阀塞的整个行程上提供精确的流量控制，但是在流量值的下端存在限制。

球阀在低流量时的限制主要是由于以下事实造成的，即当阀塞远离阀口移动时，环绕阀塞和阀口之间的整个周面出现流经球阀的初始流量。因为阀塞和阀口具有直径公差，当阀塞远离阀口时，液体流立即突然增加到某一最小可控值，该值由阀塞和阀口的组合公差确定。所以，目前可用的球阀不能提供低流量时的所需精度，因此，不适于这种应用。

阀的全额定流量与初始可控流量之间的比称为是所述阀的“变化幅度”。变化幅度的值越高，控制系统可以越好地运行而提供所需流体流量。通常，用于低流量的阀，具有最低的变化幅度。当使用这种阀时，控制系统难于对所需流量实现精度和稳定性要求，尤其是在低流量时。

因此，需要一种球阀，该球阀可以提供在低流量下的精确体积控制，和更高的变化幅度。另外，需要一种球阀，该球阀基本上消除了在流体开始流经所述阀时的“波动(bump)”现象，以增大所述阀的有效变化幅度。

发明内容

本发明涉及一种精确调节的球阀，该球阀从开始流动直到最大行程，可以产生基本上无波动的流体流量调节。因此，通过提供低流量下的更精确的控制，增加了阀的“变化幅度”。

本发明的精确调节的球阀包括可沿位于入口流体通道和出口流体通道之间的阀口的纵向流动轴线移动的阀塞。所述阀塞在所述阀口中的运动控制流经所述阀口、从球阀入口到球阀出口的流体流动。

所述球阀的阀口包括密封部件，比如弹性体O形环，沿所述阀口的内壁设置。所述密封部件从所述阀口的内壁凸出，且当阀塞位于阀口内时与所述阀塞的外表面配合。具体而言，所述密封部件在阀塞外表面和阀口之间形成流体密封，以阻止沿所述阀塞外表面的流体流动。

所述阀塞通常包括圆柱形外表面，其尺寸可以容纳在所述阀口内。所述阀塞包括至少一个从所述阀塞外表面凹入的流量调节通道。该流量调节通道提供了流经阀口内的密封部件和阀塞之间的流体流动路径。

所述流量调节通道从最小流量端延伸到最大流量端。所述流量调节通道这样构成，即从所述阀塞的圆柱形外表面凹入的所述流量调节通道的截面积，从所述通道的最小流量端到所述通道的最大流量端增加。这样，当所述阀塞相对于位于所述阀口内的固定密封部件从关闭位置移动到完全打开位置时，从所述入口通道到所述出口通道的流体流量增加。

在本发明的第一实施例中，所述流量调节通道包括从所述阀塞的外表面凹入的平面。所述平面向内倾斜，以使所述流量调节通道的深度和宽度从最小流量端到最大流量端增加。或者，所述流量调节通道可以从最小流量端到最大流量端仅增加宽度或相对于所述阀塞外表面的深度。在每种情况下，所述流量调节通道的凹入的径向截面积从最小流量端到最大流量端增加。

所述阀塞还包括与在阀口上形成的阀座相接触的密封环，当所述阀塞处于完全关位置时，有助于避免流体流动。在所述阀塞上形成密封环不是必要的，但是在所述阀处于完全关闭位置时，有助于避免流体流动。

从下面结合附图的描述中，本发明的多种其他特征、目的和优点将更为明显。

附图说明

附图示出了实现本发明的最佳方式。

在附图中：

图1是利用具有至少一个流量调节通道的阀塞的、本发明的精确调节的球阀的局部剖视图；

图2是示出了在所述精确调节的球阀的入口和出口之间的阀口的放大剖视图；

图3是沿图2中的线3-3所截取的进一步放大图，示出了所述阀口和插入的密封部件；

图4是所述阀塞和连接的阀杆的正视图，该阀杆用于在打开位置和关闭位置之间移动所述阀塞；

图5是沿图4的线5-5所截取的放大视图，示出了形成于所述阀塞外表面上的流量调节通道之一；

图6是所述阀塞的侧视图，示出了凹入的流量调节通道；

图7是沿图6的线7-7所截取的剖视图；

图8是示出了具有单一流量调节通道的阀塞的透视图；

图9是示出了具有两条流量调节通道的阀塞的透视图；

图10是示出了具有四条流量调节通道的阀塞的透视图；

图11是示出了具有八条流量调节通道的阀塞的透视图；

图12是本发明的阀塞的另一实施例的透视图；

图13是沿图12的线13-13所截取的剖视图；

图14a是局部剖视图，示出了处于部分打开位置的阀塞，其中流体可以经过所述密封部件而流经所述阀塞的流量调节通道；

图14b是示出了处于完全打开位置的阀塞的局部剖视图；

图15为曲线图，示出了本发明的精确调节的流量阀和现有技术的球阀的流动特性。

具体实施方式

本发明的调节塞型控制阀或球阀10在图1中示出。球阀10包括阀体12，该阀体形成用于接收流体流的入口14。入口14将流体流输送到与阀口18流体连通的入口通道16。阀口18沿纵向流动轴线延伸，并在入口通道16和出口通道20之间形成流体连通。出口通道20使流体从出口22流出。尽管图1中未示出，但可以预期所述球阀10为三通混合阀。

球阀10包括阀组件24，用于控制流经阀口18从入口通道16到出口通道20的流体流动。具体而言，阀组件24包括与阀杆28连接的阀塞26，而使阀塞26可以沿阀口18的纵向轴线在完全打开位置(图14b)和完全关闭位置(图1)之间移动，这将在下文中更详细地叙述。

本发明的阀体12和球阀10尤其适于在循环加热的采暖、通风和空调(HVAC)系统(未示出)中控制流体比如蒸汽、水或空气的流动，但其他使用也考虑落在本发明的范围内。

参照图3，阀口18包括沿径向向内从外边缘32到内边缘34直径变化的阀座30。阀座30形成容纳一部分阀塞的表面，下面将对此详细描述。

阀口18还包括从另一圆柱形内壁38凹入的槽36。槽36绕整个圆柱形内壁38延伸，且尺寸可以容纳密封部件40。在本发明的优选实施例中，密封部件40是一种厚度稍大于槽36的宽度的弹性体O形环。如图3所示，密封部件40从圆柱形内壁38沿径向向内伸出，所以，当阀塞通过阀口18移动时，密封部件40接触阀塞的外表面，且在阀塞和阀口18之间压缩，而在其之间提供密封。

现在参照图4，其中示出了本发明的阀组件24。如所述，该阀组件24包括固定于阀杆28的阀塞26。如图1所示，阀塞26位于阀口18内，以控制经过阀口18的流体流动。

现在参照图5，阀塞26通常是圆柱形部件，具有沿第一端44和第二端46之间的纵向轴线延伸的本体42。具体而言，本体42由从第一端44到第二端46的具有恒定直径的圆柱形外表面48限定。阀体26的第二端包括锥形边缘表面50。

阀体的第一端44位于凹入的槽52附近。如图7所示，凹入槽52的尺寸可以容纳如图4中安装的密封环54。

参照图5，凹入槽52位于第一端44和直径扩大的端盖56之间。端盖56具有稍大于阀口18的直径的直径，以阻止阀塞通过阀口18。在本发明的优选实施例中，整个阀塞26由金属制成，但其他材料也在考虑之中。

如图1所示，密封部件40，当位于阀口18的槽36内时，接触阀塞26的外表面48，以防止流体流经阀塞26。密封部件40的挠性弥补了阀口18和阀塞26外表面之间的公差变化。

参照图5，阀塞26包括至少一个沿阀塞26的外表面48形成的流量调节通道58。该流量调节通道58从圆柱形外表面48径向凹入，所以当阀塞26从完全关闭位置(图1)移动到部分打开位置时，该流量调节通道58可以使流体经过密封部件40和阀塞外表面48之间，如图14a所示。

根据所示的优选实施例，经阀口18从入口通道16到出口通道20的唯一流动通过流量调节通道58。与流体流量由阀塞外表面周围的直径流量来控制的普通球阀相比，流量调节通道58提供了受控且精确的流量。

如图5和6所示，流量调节通道58从最小流量端60延伸到最大流量端62。如图5和6所示，通道58的最小流量端60和本体42的第一端44之间的距离A形成密封区65。密封区65的宽度A是这样选择的，即在完全关闭位置，密封部件40可以啮合阀塞26的整个外表面48。当阀塞26处于完全关闭位置时，如图1所示，密封部件40阻止流体沿阀塞26的外表面48流动。

在图5和6中示出的本发明的实施例中，流量调节通道58包括从最小流量端60到最大流量端62宽度增加的平坦面64。如所示，最大流量端62具有宽度B。在所示的本发明的实施例中，通道的宽度B为0.252″，而阀塞的直径为0.70″。

如图6所示，背面64相对于外表面48以角度α径向向内倾斜。在本发明的优选实施例中，角度α为3°，但根据所需的流量范围，可以考虑其他的角度。因此，流量调节通道58的宽度B和深度从最小流量端60到最大流量端62增加。

虽然图5和6所示的流量调节通道58在宽度和深度上增加，但重要的是，从外表面48凹入的流量调节通道的径向截面积从最小流量端60到最大流量端62增加。流量调节通道58的径向截面积的增加可以通过增加流量调节通道的宽度、增加流量调节通道的深度，或两者结合而产生。在每种情况下，从外表面48凹入的流量调节通道的径向截面积控制流经阀口的密封部件40的流体量。

当阀塞26从图1所示的关闭位置移动到图14b所示的打开位置时，阀塞26沿阀口18的纵向轴线相对于固定的密封部件40向下移动。当所述阀塞26在该方向移动时，所述流量调节通道58的最小流量端60移动到所述密封部件40之下。当所述阀塞26继续移动时，所述流量调节通道38在所述密封部件40和所述阀塞26的外表面48之间形成增大的间隙。当所述阀塞26从关闭位置移动到完全打开位置时，在所述流量调节通道58和所述密封部件40之间从最小流量端60到最大流量端62的增大打开区，使所述流体的流量增加。

参照图1，当阀塞26位于关闭位置时，位于阀塞26中的密封环54与阀座30接触，而进一步避免了流体流经阀塞26。然而，应当理解的是，在本发明中，所述密封环54不是必要的，因为当阀塞26处于关闭位置时，密封部件40在阀塞26的外表面周围形成所需的密封，避免流体流动。

参照图8-11，其中示出了多种阀塞26，用于在入口流体通道和出口流体通道之间提供不同的流量。在图8所示的实施例中，沿外表面48形成了单一流量调节通道58。为了说明和比较的目的，使用这种阀塞的球阀能够允许的流量接近0.10Cv。

图9示出了具有一对沿所述外表面48相互成180°设置的流量调节通道58的阀塞26a。图9示出的阀塞26能够允许的流量可以接近0.20Cv，是图8中所述阀塞26的可能流量的两倍。

图10示出了具有四条流量调节通道58的阀塞26c，通道沿所述外表面48互相成90°夹角。图9示出的阀塞26c的流量可以接近0.40Cv，是图8中的流量的四倍。

图11示出了具有八条流量调节通道58的阀塞26d，如图11所示的流量调节通道58可以使阀塞26d产生0.80Cv的流量，是图8中的阀塞26的流量的八倍。从前面的描述中可以理解，增加阀塞26沿所述外表面48的流量调节通道58的数量，可以提高所述阀塞26的流量。也可以理解，流量调节通道58的数量受所述流量调节通道尺寸和所述阀塞直径的限制。

参照图12，其中示出了阀塞的另一种结构，用附图标记66标出。如图12所示的阀塞66包括形成于圆柱形外表面48上的至少四条流量调节通道58。如图12所示的本发明的实施例中，每条流量调节通道58都是具有从最小流量端60延伸到最大流量端62的恒定宽度的槽。类似于图5和6中所示的实施例，流量调节通道58的凹入的径向截面积从最小流量端60到最大流量端62增加。在图12的实施例中，流量调节通道58的深度由凹入的背面63限定，且从最小流量端60到最大流量端62增加。

现在参照图13，由背面63限定的流量调节通道58的深度，从最小流量端60到最大流量端62增加。在图12的实施例中，流量调节通道58经机加工形成在外表面48上。流量调节通道58的深度增加提供了类似于图5的实施例的流量，因为流量调节通道58的凹入面积以几乎与图5所示的实施例的凹入面积相同的速度增加。

除了图中所示和所述的实施例之外，发明人考虑到可以构成其他的实施例，其中流量调节通道58具有恒定的深度，和从最小流量端到最大流量端递增的宽度。在这种情况下，流量调节通道的截面积将从最小流量端到最大流量端增加。

图15示出了现有技术的流量阀和本发明的精确调节的球阀的流量特性。如所示，现有技术的球阀，由虚线70表示，在很小的行程距离处在流量上具有明显的波动，如零点和附图标记72之间的虚线所示。在现有技术的球阀中，阀通常额定为点72示出的流量。因此，现有技术的阀的变化幅度由约0.5Cv的最小流量特性到4.4Cv的最大流量确定。

实线76示出了本发明的精确调节的球阀的流量特性。如图15所示，流量特性延伸到0.5Cv以下，而使阀的变化幅度有效增加。变化幅度的增加实现了在更低的Cv流量时可以提供更精确的流量调节。

Claims (3)

1.一种用于控制流经阀口的流体流动的阀塞，所述阀塞包括：

沿纵向轴线从第一端延伸到第二端的通常圆柱形的外表面，所述外表面的尺寸选择成与所述阀口配合，从而当所述阀塞在打开位置和关闭位置之间移动时，阻止沿阀塞的外表面的流体流动；

至少一个从所述阀塞的外表面凹入的流量调节通道，其中流体仅经所述流体调节通道沿着阀塞纵向轴线流动；

所述流量调节通道从最小流量端延伸到最大流量端，所述流量调节通道的深度从最小流量端到最大流量端增加，并且所述流量调节通道的宽度从最小流量端到最大流量端是恒定的。

2.如权利要求1所述的阀塞，其特征在于，所述阀塞包括多个沿阀塞的外表面形成的流量调节通道。

3.如权利要求1所述的阀塞，其特征在于，还包括安装在所述阀塞上且位于阀塞第一端附近的密封环，其中当阀塞处于关闭位置时，所述密封环接触阀口。

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