CN101313164B - 隔膜阀的可更换阀座元件 - Google Patents

Abstract

用于隔膜阀的装置和方法包括具有与第一通道(20)和第二通道(24)流体相通的腔室(31)的阀体(12)。隔膜(28)设置在腔室(31)中，锥形的座元件(14)至少局部地设置在第一通道中。套筒(16)压缩地设置在座元件中位于座元件和第一通道之间，以保持座元件与第一通道之间的紧密流体密封。阀元件(38)是可移动的用来控制地驱使隔膜与座元件接合或者脱离接合，以控制流体在第一通道与第二通道之间的流动。

Description

隔膜阀的可更换阀座元件

技术领域

本发明涉及阀结构，更具体地本发明涉及隔膜阀的阀座结构。 

背景技术

阀被广泛地用于提供流体的精确流量和/或压力控制。隔膜阀由于其阀元件被引导到与隔膜相接触以及脱离接触，而且也导致阀座与隔膜相接合以及脱离接合，以实现所要求的流体流量/压力控制，因而在诸多应用场合都优选使用隔膜阀。隔膜阀的其它优点是具有很小的内部容积、高度的密封整体性、紧凑的尺寸以及快速致动/操作。 

在经历了一段时间的操作使用之后，尤其是当遇到腐蚀性或研磨性的流体和/或遇到微粒或冷凝体，阀元件主要是阀座会变得磨损或损坏，因而阀不能再有正常功能。一种解决方案是更换整个的阀，这需要将旧的阀从应用场地或系统的整个连接中拆下来，然后再重新建立这些系统连接。除了更换阀的成本之外，还必须仔细小心以确保更换的阀的系统连接不会产生泄漏。 

为解决这一问题，现已发展为更换阀座。例如，授予Seltzer的美国专利US 4,715,578中公开了一种由合成树脂构成的、与阀体螺纹连接的阀座，还包括设置在阀座元件与阀体之间的O型环。然而，出于种种原因，包括非金属阀座元件与金属阀体之间在膨胀/收缩的热系数方面的差异，使得阀座元件容易在工作时从阀体上脱落。 

另一种阀结构是在授予Lin等人的美国专利US 6,854,713中，其公开了一种阀体，该阀体具有成形在流量通道中的圆柱形开口，用以接纳非金属的圆柱形阀座。所述开口包括成形在阀体中的槽。一旦非金属的圆柱形阀座插入到阀体的圆柱形开口中，就将锥形环引入到非金属圆柱形阀座的内径中。从环上向外延伸的突翼进一步对环和阀体之间的阀座施压，并且成形在阀体上的槽其开口尺寸设计成能接纳膨胀的阀座部分。然而，尽管构造成能够接纳膨胀的阀座，但美国专利US 6,854,713没有涉及可更换的阀座。而且，紧 密配合在阀座内部的环的压紧配合过程需要与隔膜相接触的阀座的表面发生变形，这将影响到阀座与隔膜之间的密封质量。最后，由于进入到开口的槽中的阀座部分因其变形而使得阀座紧固在阀体中，因而不太可能在不损坏阀体的情况下将阀座拆卸，从而必须更换整个的阀。 

因此需要改进的阀体结构，使得能够在不损坏阀体的情况下更换阀座，这种更换可用手动工具来完成。 

发明内容

本发明涉及一种隔膜阀，其包括阀体，该阀体包括与第一通道和第二通道流体相通的腔室。隔膜设置在腔室中。锥形的座元件至少局部地设置在第一通道；以及套筒压缩地设置在座元件中位于座元件和第一通道之间，以保持座元件与第一通道之间的紧密流体密封。阀元件是可移动的用来控制地驱使隔膜与座元件接合或者脱离接合，以控制流体在第一通道与第二通道之间的流动。 

本发明还涉及隔膜阀的构成方法。该方法包括提供一阀体，该阀体包括与第一通道和第二通道流体相通的腔室；然后将阀元件插入到阀体中。该方法还包括将隔膜插入到腔室中，以及将套筒插入到锥形座元件的内部。该方法进一步包括将座元件至少局部地插入到第一通道中，套筒受压缩地设置在座元件和第一通道之间，以提供座元件与第一通道之间的紧密的流体密封。阀元件是可移动的用来控制地驱使隔膜与座元件接合或者脱离接合，以控制流体在第一通道与第二通道之间的流动。 

本发明的优点在于在不更换阀的情况下能够为隔膜阀更换阀座。 

本发明的另一优点在于防止隔膜阀阀座的蠕变。 

本发明进一步的优点在于能够施加恒定的压缩力以保持阀座在阀体中的位置。 

从下面结合附图对优选实施例所作的更为详细的描述，本发明其它的特征和优点将变得更加清楚，这些附图以举例的方式表达了本发明的原理。在这些附图中，相应的附图标记代表着相应的元件。本领域的技术人员将能够理解，附图中的诸元件是为了简单和清楚而表示的，不必依照比例绘制。例如，附图中某些元件的尺寸相对于其它元件是夸张的，以便有助于更好地理解本发明的各种实施例。此外，在商业上可行的实施例中有用的或必需的一 些常用但又容易理解的元件通常也没有表示出来，以便有助于减少本发明这些实施例附图中的视觉障碍。 

附图说明

图1是本发明未组装的阀的局部分解透视图； 

图2是沿着1-1线的本发明未组装的阀的局部分解截面图； 

图3是本发明组装后的阀座元件的截面图； 

图4是本发明组装后的阀的截面图； 

图5是本发明组装后的阀的放大局部截面图； 

但凡可能在所有附图中相同的附图标记将用来代表相同或相似的元件。 

具体实施方式

图1表示了本发明一个实施例的阀10，参见图1-图5，阀10优选地包括具有阀腔18的阀体12，而阀腔进一步开口通向分离的通道20，24，用于引导流体穿过阀体12。埋头(counterbore)穿孔或孔22容纳套筒16和座元件14，这两个元件在插入到孔22之前预先装配。隔膜28安装在座元件14上面，然后将锁套34安装到阀腔18中在隔膜28上面。总起来说，包括从阀腔18和隔膜28向外延伸的环形脊30在内的阀腔18的下部分26确定了封闭区域32，用于使流体能够在通道20，24之间有选择的流动。为了固定位于阀体12的环形脊30和锁套34之间的隔膜28，螺纹接合具有锥形凸肩62的螺母36，以便抵靠阀腔18中的锁套34上相应的锥形表面。在成形于锁套34内的孔40中滑动地设置有阀元件38，用以抵靠隔膜28。总起来说，阀腔18的下部分26、锁套34以及阀元件38确定了隔膜28在其中移动的腔室31。 

为了控制地移动阀元件38朝着隔膜28，阀杆42施加轴向力，例如通过将压力流体引入到成形在阀杆42中的通路44内。作为替换，或者另外压力流体，也可以通过其它的部件例如弹簧(未示出)来提供轴向力。在通过阀杆42施加了充分的轴向力，就迫使阀元件38与隔膜28相接触，于是隔膜28抵靠在座元件14上，以阻断通道20，24之间的流体流通。换句话说，当用充分的轴向力驱使阀元件38与隔膜28相接触时，就迫使一部分的弹性隔膜28与座元件14抵靠接触，以阻断通道20，24之间的流体流动。 

如图3以组装形式所示，可更换的阀座元件14的一个实施例以未组装的形式也表示在图2中。在组装之前，座元件14包括外锥部分58，它从端部64延伸到环形凸肩60，而环形凸肩则终止于相反的端部66。优选地座元件14的内表面具有基本上均匀的内径，该内径容纳套筒16的端部68。类似地，套筒16也是基本为恒定横截面和恒定外径的空心圆柱体。可选择地，套筒16的与端部68相反的端部是扩张的(52)。优选地座元件14由弹性的聚合物材料构成，例如聚三氟氯乙烯，聚醚醚酮，或其它合适的材料。 

套筒16优选地由金属或者具有足够结构强度的材料构成，并且与阀的应用情况和材料相兼容，而且还具有与阀体12基本相同的膨胀/收缩的热系数。座元件14的内径以及套筒16的外径的尺寸确定为使得套筒16的端部68能够插入到座元件14的端部64中。一旦座元件14和套筒16已预先装配后，就将座元件14的端部64引入到孔22中并且压入到适当位置。 

如图2所示，孔22从阀腔18设置在通道20的入口处。在一个实施例中，孔22包括三个孔部分70，72，74，它们基本上相对于轴线76同轴。孔部分70具有孔部分70，72，74中最小的孔径，并且终止于通道20中的基部50处。邻接孔部分70的是孔部分72，它具有比孔部分70稍大的孔径，并且在孔部分70，72的连接处确定了脊48。类似地，邻接于孔部分72的是孔部分74，它具有比孔部分72稍大的孔径，并且在孔部分72，74的连接处确定了脊46。可以理解，尽管孔部分70，72，74各自的周壁基本上相互平行，但孔部分70，72，74确定了锥状的廓形。此外，环形脊46，48优选是基本上垂直于轴线76。还可以理解，如果需要，孔22还可以包括三个以上的基本孔部分，并且这些孔部分也不必具有相同的长度。而且也不必要求相邻孔部分之间的直径差相等。 

可以理解，基本孔部分70，72，74并不限于圆形轮廓，而是可以包括例如椭圆形轮廓；环形脊46，48也不必须要求是平面的，也就是说，可以是例如曲面的脊轮廓。然而，基本孔部分70，72，74以及脊46，48围绕与轴线76重合的平面每个都必须是对称的，从而使得在安装以及操作过程中，在座元件14、基本孔部分70，72，74、以及套筒16之间所产生的合力，即由于压力流体或者温度所产生的合力，基本上相等地作用于每一半的座元件14和套筒16。还可以理解，套筒16具有相对于基本孔部分70，72，74相匹配的轮廓，从而保证间距也是对称的，因此，基本孔部分70，72，74与套筒16之间产生的最终安装和操作力也是对称的。也就是说，如果基本孔部分70，72，74不是圆的，套筒16也将具有非圆的类似轮廓。

为了将预先组装好的座元件14和套筒16安装到阀体12中，将座元件14的端部64引入到孔22中。然而，如图3所示，需要用工具，例如工具54来维持座元件14和套筒16与轴线76对准，并且需要附加地驱使座元件14和套筒16朝向孔22中的安装位置或者座落位置。在该座落位置，套筒16的扩张的端部52抵靠孔部分70的基部50，以及座元件14的凸肩60和锥形部分58的连接抵靠脊46。扩张的端部52有助于在套筒16与孔22的基部50之间提供紧密的流体密封。座元件14的端部66从孔22向上和向外延伸一预定距离，用以与隔膜28相互作用来控制流体在通道20，24之间的流动。为了有助于提供座元件14和孔22之间基本上密封的流体密封界面，脊48的内径小于至少一部分锥形部分58的外径。换句话说，在座元件14安装到孔22内的过程中，随着通过安装工具54而将锥形部分58进一步压入到孔22中，锥形部分58的至少一部分表面由脊48而产生塑性变形。此外，由于套筒16的存在，它通过施加类似于弹簧的恒定的压缩力而基本上保持座元件14的内径，座元件14塑性变形以配合在套筒16和孔22之间提供的空间中。如图3中进一步表示的，迫使座元件14的锥形部分58适配于孔部分70，72中。如果需要，通过确定孔22、座元件14和套筒16各自的尺寸，在座元件14的端部64和孔部分70的基部50之间，孔部分70中可以保留一个小的间隙56，以解决座元件14的热膨胀问题。 

孔22，锥形的座元件14以及套筒16的结构安排提供了诸多的优点。除了初始安装时在座元件14和孔22之间提供了紧密的流体密封之外，在通道20中增大的流体压力导致套筒16对座元件14施加附加的压紧力，产生了更加紧密的密封。另外，这种结构安排不允许聚合物的座元件材料因为热膨胀而发生膨胀，也不允许因为液体或气体渗入到聚合物密封材料中而使其发生鼓胀。这种阻止膨胀的功能是因为套筒16对座元件提供了基本上恒定的压缩，以及套筒16具有充分的结构强度，以便反作用于由聚合物材料的座元件在鼓胀或膨胀时所产生的作用力。没有这种阻止膨胀的情况下，由于聚合物的座元件具有比金属的座元件大一个数量级的膨胀/收缩热系数，座元件就会承受热循环，经过一段时间后聚合物材料会有发生“工作松脱”的危险。换句话说，在安装期间，座元件14被充分地压缩，因此严酷的操作温度即低温，座元件14不会从孔中拉出。也就是说，在低温下当座元件最大程度地收缩时，座元件所承受的压缩水平降低但没有消失，因而使它继续保持着与孔22的接触。 

另一个优点是其随着阀温度上升的它的实用性。当阀的温度升高时，聚合物的座元件变得更加挠性，通常降低了其抵御流体压力的能力。由于孔22，锥形座元件14和套筒16的结构安排，随着阀温度的上升，套筒16膨胀，紧密了与聚合物材料的密封。紧密密封改善了在温度上升时的密封整体性。此外，通过本发明的这种结构安排，座元件14不会由于长期暴露在应力或高温或蠕变下而发生永久的塑性变形。这主要是因为套筒16是由不易发生蠕变的材料构成的。 

此外，本发明结构安排的附加优点在于，座元件14的更换可以通过使用通常的手动工具例如手动旋塞(未示出)达到。可使用旋塞工具接合套筒16，从而只需要手动力就可以容易地和方便地更换套筒16和座元件14。由于孔22的锥形结构使得有可能容易地更换。 

尽管结合优选实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员将能够理解，在不脱离本发明的范围内可以进行各种的变化，以及使用等效物来替换本发明的各元件。另外，对于本发明的教导，为了适应特定的情形或材料，可以进行许多的改型而不背离本发明的基本范畴。因此，旨在强调本发明并不限于以优选实施例形式所描述的特定实施例，而是包含了所附权利要求书范围内所有的实施形式。 

Claims (17)

1.一种隔膜阀，包括：

包括与第一通道和第二通道流体相通的腔室的阀体；

设置在第一通道的入口处的同心孔，该孔在第一通道中包括第一孔部分、第二孔部分和第三孔部分，该第二孔部分具有比第一孔部分大的孔径，该第三孔部分具有比第二孔部分大的孔径，该第一孔部分和第二孔部分之间的连接处确定了第一脊，第二孔部分和第三孔部分之间的连接处确定了第二脊；

设置在该腔室中的隔膜；

预先装配在座元件内部中的套筒，预先装配后，座元件的一端压入到孔中并至少局部地设置在第一通道中，该座元件具有凸肩和锥形部分，座元件的凸肩和锥形部分的连接抵靠第二脊，当将座元件压入到孔中时，座元件的锥形部分的至少一部分表面由第一脊在第一通道和套筒之间产生塑性变形以配合在套筒和孔之间提供的空间中；

该套筒被压缩地设置在座元件中，以保持座元件与第一通道之间的紧密流体密封；以及

可移动的阀元件，用来控制地驱使隔膜与座元件接合或者脱离接合，以控制流体在第一通道与第二通道之间的流动。

2.如权利要求1所述的阀，其中，所述座元件是聚合物的。

3.如权利要求1所述的阀，其中，在将所述座元件安装到第一通道内期间，座元件在第一通道和套筒之间塑性地变形和压缩。

4.如权利要求1所述的阀，其中，所述套筒包括扩张的端部。

5.如权利要求1所述的阀，其中，所述套筒的端部抵靠成形在第一通道中的基部。

6.如权利要求4所述的阀，其中，所述扩张的端部抵靠成形在第一通道中的基部。

7.如权利要求1所述的阀，其中，所述套筒由与座元件材料不同的材料构成。

8.如权利要求7所述的阀，其中，所述套筒的膨胀/收缩系数小于座元件的膨胀/收缩系数。

9.一种用于构成隔膜阀的方法，该方法包括：

提供包括与第一通道和第二通道流体相通的腔室的阀体；

设置在第一通道的入口处的同心孔，该孔在第一通道中包括第一孔部分、第二孔部分和第三孔部分，该第二孔部分具有比第一孔部分大的孔径，该第三孔部分具有比第二孔部分大的孔径，该第一孔部分和第二孔部分之间的连接处确定了第一脊，第二孔部分和第三孔部分之间的连接处确定了第二脊；

将阀元件插入到阀体中；

将隔膜插入到阀元件与所述第一通道和第二通道之间的腔室中；

将套筒插入到具有锥形部分的座元件的内部；

将座元件至少局部地插入到第一通道中，该座元件具有凸肩和锥形部分，座元件的凸肩和锥形部分的连接抵靠第二脊，当将座元件压入到孔中时，座元件的锥形部分的至少一部分表面由第一脊在第一通道和套筒之间产生塑性变形以配合在套筒和孔之间提供的空间中；

其中阀元件是可移动的，用来控制地驱使隔膜与座元件接合或者脱离接合，以控制流体在第一通道与第二通道之间的流动；以及

其中该锥形部分设置在阀体内。

10.如权利要求9所述的方法，其中，将套筒插入到座元件内部的步骤发生在将座元件至少局部地插入到第一通道中的步骤之前。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括在不损坏第一通道的情况下更换套筒和座元件的步骤。

12.如权利要求9所述的方法，其中，将座元件至少局部地插入到第一通道中的步骤使得座元件在第一通道和套筒之间塑性地变形和压缩。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述套筒包括扩张的端部。

14.如权利要求9所述的方法，其中，所述套筒的端部抵靠成形在第一通道中的基部。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述扩张的端部抵靠成形在第一通道中的基部。

16.如权利要求9所述的方法，其中，所述套筒由与座元件材料不同的材料构成。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述套筒的膨胀/收缩系数小于座元件的膨胀/收缩系数。

Images