CN101328981A - 用于三向阀的动态球阀密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进阀元件与阀体之间的密封的球阀。通过提供一种容许在关闭位置的阀元件的外表面上浮动的密封元件而改善密封。由于能够在外表面上浮动，密封元件可补偿阀元件内因机加工公差引起的任何变化或因阀内压力变化引起的阀元件位置的变化，由此提供动态密封。动态密封还可这样提供，即，将阀元件构造成使密封元件在关闭位置受到的偏压力高于打开位置的偏压力。

Description

用于三向阀的动态球阀密封装置

技术领域

[0001]本发明总的涉及球阀，尤其涉及用于动态密封球阀的阀元件的装置和方法。

背景技术

[0002]球阀一般包括阀体，阀体包括多个口，典型地是分布在两个口到四个口范围内。阀体内的阀元件根据其在阀体内的方位选择性地在选定的各口之间引导流体或可完全阻止流体流过阀体。因而，球阀包括夹于各口与阀元件之间的密封件，以防止流体走旁路通过阀元件，也即防止在阀元件周围渗漏和绕过需要的流体流动结构。

[0003]令人遗憾的是，由于阀元件和阀体的机加工公差，已难于理想地安置固定位置的密封件并设定其尺寸以实现完善的防漏密封。此外，仅仅采用尺寸过大的密封件并在阀体内压缩它以补偿公差变化，会将大的负载赋予阀元件，这就更难于转动阀元件。这些大的负载会需要更大更强的致动器来定位阀元件，从而导致致动器和操作的高成本。

[0004]与使用固定位置密封件的问题相关的一个事实在于，指定口上的压差会根据流体流过口或阀元件的流动方向改变。压力变化导致阀元件的壁弯曲或使得阀元件在阀体内移动。一个方向上的流体流动会让密封件和阀元件脱离密封接触，而另一个方向上的流体流动会让密封件与阀元件密封接触。因而，根据流体流动和压差的情况，固定位置密封件在阀元件与阀体之间可能提供充分的防漏密封，也可能提供不了。

发明内容

[0005]因此，本领域中就需要一种改进的球阀和密封结构，其克服本领域中存在的这些和其它问题。本发明的装置和方法提供了此类球阀和动态密封结构。

[0006]本发明的实施例提供了一种改进球阀的阀元件与阀体之间的密封的装置和方法。改进密封的实施例是通过阀元件与阀体之间的密封元件提供的，其补偿了因机加工公差引起的阀部件内的变化。改进密封元件的实施例补偿了通常源自流体流动变化的阀体内压力变化引起的阀元件弯曲或阀元件位置变化。具体而言，本发明的实施例使用密封元件给阀元件和/或阀体提供动态密封。按此方式，密封元件相对于阀体的位置可在密封元件与阀元件保持密封接触的同时改变，无论部件机加工中的位置和变化如何。

[0007]本发明的一个实施例提供了一种阀，其包括与阀的阀元件和阀体相互作用的密封元件。优选的是，允许密封元件在阀体内移动和/或相对于阀体移动。在关闭位置上，密封元件与阀体密封地接触且与阀元件密封地接触，以防止流体流过流动口。优选的是，密封元件在打开位置以第一深度伸入容纳阀元件的阀腔中，而在关闭位置以小于第一深度的第二深度伸入阀腔中。更具体地说，阀元件在自打开位置向关闭位置转变时在离开阀腔的方向上偏压密封元件。

[0008]在一实施例中，阀元件包括通道，通道开口贯穿其中以根据阀元件的方位引导流体流动。优选的是，通道开口的直径大于与阀元件接触的密封元件端部的直径。在该实施例中，允许密封元件穿过由阀元件外表面内的通道形成的阀元件内的空隙。当阀元件自打开位置向关闭位置转变时，阀元件优选将密封元件从空隙中压出。这优选使得密封元件压缩偏压元件(biasing member)以提供密封元件相对阀元件的动态密封。因此，任何阀元件位置的波动都通过偏压密封元件的动态定位而予以补偿。在另一实施例中，空隙由非圆形或非球形的阀元件提供，使得密封元件的直径无需小于通道开口。

[0009]在又一实施例中，提供了一种使用密封元件密闭阀体的阀口的改进方法。通过自打开位置向关闭位置枢转阀元件，阀自密封元件与旋转轴相距第一距离的第一位置朝密封元件与旋转轴相距第二距离的第二位置偏压密封元件，第二距离大于第一距离。这一偏压使密封元件相对于阀元件定位。该方法优选包括在第二位置将密封元件偏压靠在阀元件的外表面的无孔部上。在一实施例中，密封元件受偏压且压缩起作用来朝阀元件压密封元件的偏压元件。

[0010]本发明的这些和其它实施例将自下面结合附图的详细说明变得显而易见。

附图说明

[0011]并入说明书中并形成其一部分的附图与文字说明一起阐明了本发明的几个方面，与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

[0012]图1是处于关闭位置的、根据本发明一实施例的具有动态密封件的球阀的第一示范性实施例的横断面图；

[0013]图2是图1球阀处于打开位置的横断面图；

[0014]图3是图1球阀自打开位置向关闭位置转变的横断面图；

[0015]图4是根据本发明教导的阀元件另一实施例的横断面图。

[0016]虽然将结合一定的优选实施例描述本发明，但不意图将本发明局限于这些实施例。相反，要涵盖包括在所附权利要求限定的本发明精神和范围内的所有替换、改型和等价物。

具体实施方式

[0017]图1示出了根据本发明教导的球阀10的示范性实施例的横断面。球阀10包括阀体12和通过动态密封元件16与阀体12操作连接的阀元件14。

[0018]所示实施例的阀体12是三向球阀。不过，本发明的教导可用于实施其它阀比如两向、四向等球阀。如图所示的阀体12包括中央部20、一对直列口22、24以及横向口26。各口22-26自中央部20向外延伸，横向口26相对于该对直列口22、24以一角度(如图所示，为90度)延伸。阀体12可整体形成或由单独部件螺旋连接或用其它方式连接在一起形成。各口22-26和中央部的组合限定了在所示实施例中通过阀体12的“T形”流道。中央部20限定了形成在流动口22-26相交处的阀腔28。

[0019]阀元件14安置在阀腔28内。示范性实施例的阀元件14具有外壁30，其限定了通常为球形的外表面32并在其内限定了通道34。在所示的实施例中，通道为“T形”并包括三个开口35、37、39。开口35、37、39形成在通道34与阀元件14的外表面32的相交处。不过，其它形状比如“L形”的通道可用于根据应用或阀的类型实施本发明阀的实施例。

[0020]阀元件14包括接近通道开口35、37、39的空隙。这些空隙是由阀元件14的外表面32内的偏移形成的。例如，如果阀元件完全为球形且不包括通道开口35、37、39，空隙38限定在由通道开口37和外表面32相交而限定的平面与阀元件的假想面41之间。

[0021]阀元件14在阀腔28内选择性地绕着轴36(轴36垂直于页面延伸并由“X”示出)在如图2所示的打开位置与如图1所示的关闭位置之间转动。在打开位置上，阀元件14的通道34在流体连通对准中与横向口26和阀体12的直列口22、24中的至少一个对准。按照这一定向，横向口26和至少一个直列口22、24经由通道34流体相通。在关闭位置上，通道34与横向口26不处于流体连通对准的状态，由此阻挡流体流经横向口26。具体而言，横向口26和动态密封元件16与阀元件14表面32的无孔部对准。

[0022]参见图1，在阀体12的示范性实施例中，横向口26包括外孔40和连通通道42。连通通道42夹于外孔40与阀腔28之间并与之流体连通。在所示实施例中，外孔40的直径大于连通通道42的直径。因此，横向口26的内表面46形成径向延伸的肩部44，肩部44在外孔40与连通通道42之间形成径向向内的过渡。不过，在替换实施例中，横向口可具有基本连续的直径且没有径向延伸的肩部44。

[0023]在所示实施例中，连通通道42包括定位槽47，该定位槽接收动态密封元件16的定位片48。定位槽47与动态密封元件16的定位片48相互作用，以防止动态密封元件16在横向口26内转动。不过，在无需防止动态密封元件16转动时，替换实施例无需定位槽或定位片。

[0024]在关闭位置上，动态密封元件16可操作地使阀元件14与阀体12连接，具体地说，是与横向口26连接。在示范性实施例中，动态密封元件16滑动地支承在横向口26中，于是动态密封元件16在其内浮动并可朝阀腔28向内移动或远离阀腔28向外移动。该浮动结构有助于动态密封元件16与阀元件14之间的动态密封。

[0025]动态密封元件16包括阀元件端50、延伸部52、接合凸缘54以及后端56。阀元件端50处于动态密封元件16与后端56相对的一端。如图所示，阀元件端50形成轮廓并过渡到延伸部52中。在所示的实施例中，阀元件端50的表面58倒圆以利于阀元件14自打开位置向关闭位置的转变，正如下面更充分地解释那样。接合凸缘54夹于延伸部52与后端56之间并径向地向外延伸到延伸部52之外。后端56包括倾斜的背面60。

[0026]延伸部52的外径与连通通道42的内径相当。此外，动态密封元件16自接合凸缘54的接合面62向阀元件端50延伸的长度L1大于连通通道42限定于外孔40与阀腔28之间的最长部的长度L2。这样，动态密封元件16可定位得“过深”，于是阀元件端50轴向地延伸超过连通通道42之上并伸入阀腔28中。

[0027]参见图2，阀元件14处于打开位置，于是阀元件的通道34就将直列口22与横向口26流体连通起来。在该位置上，动态密封元件16的阀元件端50与通道34的开口37对准，而开口35与直列口22对准。在该位置上，动态密封元件16尽可能深地偏压到阀腔28中，使得邻接凸缘54的邻接面62与形成外孔40与连通通道42之间的过渡区的径向肩部44相邻接。在打开位置上，动态密封元件16被容许伸入阀腔28中最大距离。

[0028]因为阀元件14的通道34与外表面32相交，所以阀元件14不是完整的球形，并包括比如空隙38的空隙，正如前面讨论的那样。假想圆周41与阀元件14的轴36相距距离R1而定位。因为开口37的直径大于动态密封元件16的阀元件端50的直径，动态密封元件16行进到阀腔28中并贯穿阀元件14的假想圆周41且进入空隙38中。如果动态密封元件16的直径大于开口37，动态密封元件16将接触阀元件14的外表面32且不进入开口37形成的球体内的空隙38。

[0029]弹簧70将动态密封元件16偏压到阀腔28中并靠在肩部44上，于是阀元件端50便进入由阀元件14的假想圆周41限定的空隙38中。弹簧70置于O形圈形状的辅助密封元件72与扣环形状的止动器74之间并作用于其上，该O形圈72邻接动态密封元件16的后端56，更具体地说是倾斜面60。弹簧70例如可通过提供弹性偏压力的螺旋弹簧、橡胶弹簧或波状弹簧等设置。

[0030]扣环74安装在形成于外孔40内表面46内的沟槽76中。如果扣环74是止动器，扣环74将弹簧70、O形圈72以及动态密封元件16固定在横向口26内。此外，外孔40的内表面46可包括多个改变扣环74位置的沟槽以改变弹簧70的压缩量，从而改变其施加给O形圈72的偏压力。作为替换，扣环74可由在横向口26内能连续调节的止动器替换，比如与内表面46的内螺纹部相配合的外螺纹圈环，或应在外孔40内形成邻接部。

[0031]在该实施例中，动态密封元件16不接触打开位置的阀元件14，如图2中的动态密封元件16的表面58与通过通道开口37限定的阀元件14的表面之间的间隙所示。由于径向延伸的肩部44与邻接凸缘54之间的干涉，所以防止动态密封元件16接触阀元件14。在打开位置上，动态密封元件16无需与阀元件14形成密封乃至与之接触，因为希望让流体流过横向口26且绕过动态密封元件16。不过，在其它实施例中，动态密封元件16可接触或允许接触打开位置的阀元件14。

[0032]较之其它现有技术中的阀10的三个口22-26的全部三个密封件与阀元件14保持接触的阀，让动态密封元件16与打开位置的阀元件14不接触，优势是显著的。在打开位置上，直列口24由阀元件14的外壁30的无孔部关闭。在这一结构中，流经阀元件14的通道34的流体在位于直列口24内的密封件上提供了大的压差，使得该密封件与阀元件14的外表面32之间产生较高的静摩擦。

[0033]由于不让动态密封元件16与阀元件14接触，阀元件14不会与动态密封元件16产生静摩擦。这样一来，在打开位置(图2)与关闭位置(图1)之间驱动阀元件14的致动器(未示出)不必克服由动态密封元件16施加给阀元件14的附加静摩擦力。这就减少了致动器的转矩要求，因为致动器仅需一开始克服由位于直列口24内的密封件施加的静摩擦。一旦致动器开始在打开位置与关闭位置之间致动阀元件14，摩擦就变成了小于静摩擦的动摩擦，并且，由密封元件16施加给阀元件14的附加摩擦在阀元件的相对致动(opposingactuation)中明显小一些。

[0034]图1示出了关闭位置上的阀元件14。阀元件14被定向成横向口26不与任何开口35、37、39对准，而是与延伸于开口37与39之间的阀元件14的外表面32的无孔部对准。此外，动态密封元件16与O形圈72、阀元件14以及阀体12相协作，以防止流体自阀腔28流过横向口。换句话说，阀元件处于“封闭”位置，使得横向口26与流动口22、24的剩余部分密封，或使横向口26与流动口22、24的剩余部分不流体连通。

[0035]在关闭位置上，弹簧70将动态密封元件16偏压到阀腔28中并使之与阀元件14的外表面32接触。这就在阀元件14与动态密封元件16之间产生密封，以防止阀腔28中的任何流体经动态密封元件16流过开口76。此外，O形圈72在动态密封元件16的外表面(尤其是倾斜面60)与外孔40的内表面46之间提供了密封。这种密封防止了流体流过动态密封元件16外部的横向口26。这样一来，流体流就不会经过横向口26。

[0036]弹簧70作用在O形圈72而非动态密封元件16上，以朝着阀元件14将动态密封元件16偏压到阀腔28中。通过作用在O形圈72上，弹簧朝向动态密封元件16的倾斜面60偏压O形圈。因此，随着弹簧70的逐渐被压缩，O形圈72受到增大的沿着倾斜面60向上推O形圈72的力并逐渐楔入倾斜面60与内表面46之间，由此增大其间的O形圈的密封力。

[0037]由于动态密封元件16受到弹簧70的偏压，动态密封元件16被允许在横向口26内浮动而不是相对于阀体12和阀元件14处于固定位置。这样一来，就基本上消除了阀元件14或阀元件壁30位置上的任何波动，此种波动是由于会在动态密封元件16与阀元件14之间提供不适当位置的制造公差产生阀元件14上的压力降变化或阀元件14、阀体12或动态密封元件16中的变化而引起的。

[0038]此外，较之固定位置的密封，动态密封元件接触阀元件14外表面32的力根据应用可容易而有效地适应。在固定位置的密封中，必须制造密封元件的或不同尺寸的密封元件的材料性能。在本发明的实施例中，仅交换弹簧70(不同的弹簧具有不同的弹簧常数)就可改变偏压力。作为替换，可使用不同长度的弹簧。此外，如上所述，阀10可设置有可调节止挡元件而非固定位置的扣环74。

[0039]进一步参见图3，当阀元件14自打开位置(见图2)向关闭位置(见图1)转动时，阀元件14接触位于通过开口37形成的空隙38内的动态密封元件16的阀元件端50。当阀元件14持续转动到打开位置时，动态密封元件16在阀元件14的外表面32上向上拱。随着动态密封元件16在外表面32上向上拱，动态密封元件16受到偏压并被推出空隙和阀腔28，从而压缩弹簧70。通过向外向上将动态密封元件16偏压到外表面32上，动态密封元件16被允许在其压靠在外表面32上时浮动，正如上面讨论的那样，以消除阀元件14尺寸或位置上的任何变化。

[0040]如图所示，阀元件端50的表面50和开口37都可形成轮廓，尤其是倒圆。这种型廓有助于动态密封元件16在阀元件14的外表面32上向上拱并防止阀元件14损坏动态密封元件16。优选表面50和阀元件14的表面形成轮廓。

[0041]虽然所示实施例采纳的是通常球形的阀元件14(除了由开口35、36、37形成的空隙外)，但也可采用其它形状的阀元件来实施本发明。例如，图4示出了横断面不呈圆形的替换阀元件114。阀元件114包括壁130，其限定了通常椭圆形的外表面132。阀元件限定了包括开口135、137、139的通道134并在打开与关闭位置之间绕着轴136枢转。椭圆形的横断面具有大体与开口135对准的长轴和与开口137、139对准的短轴。长轴和短轴彼此通常垂直并与轴136垂直。

[0042]作为替换，横断面可为椭圆或其它形状。在该实施例中，动态密封元件的直径(未示出)无需小于开口135、137或139的直径。在该实施例中，阀元件114的非圆形横断面自身会在阀元件114内提供偏移。这样一来，长轴和短轴使得外表面132不会绕着轴136对称地连续转动，由此产生空隙，比如形成在虚线所示的假想圆形或球形表面141与外表面132之间的空隙138。这些由阀元件114自短轴部向长轴部的过渡(比如最近的过渡区151)形成的空隙138容许动态密封元件在打开位置上要深于关闭位置地位于阀腔中，于是动态密封就如同上面参照阀元件14讨论的那样操作。

[0043]这里引用的包括公开文献、专利申请以及专利的所有参考文献都以相同程度并入以供参考，正如每篇参考文献单独或具体表述而并入以供参考和在此整体阐述那样。

[0044]描述本发明的上下文中(尤其是下列权利要求的上下文中)的术语“一”和“该”的使用要解释成覆盖单数和复数，除非在此另有说明或文中出现明显矛盾的情形。术语“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”要解释为开放式的术语(即，意指“包括，但不局限于”)，除非另有说明。这里数值范围的叙述只是用作逐一参照每个落在该范围内的个别值的简化方法，除非另有说明，并且，每个单值好像在此单独叙述那样地并入说明书中。这里描述的所有方法都可按照任何适当的顺序执行，除非在此另有说明或文中出现明显矛盾的情形。在此提供的任何和所有实例或示范性语言(例如，“比如”)的使用只是较佳地阐述本发明且不会对本发明的范围加以限制，除非另有说明。说明书中的语言文字不应被解释为表示任何未要求保护的实施本发明必不可少的元件。

[0045]本发明的优选实施例在此作了描述，包括用于实施本发明的发明人所了解的最佳模式。这些优选实施例的变型在本领域的普通技术人员阅读上述说明时变得显而易见。发明人希望技术人员根据需要采用这些变型，并且发明人意图采用不同于这里具体描述的方式实施本发明。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求中提到的主题的所有改变和等价物。此外，本发明涵盖了其所有可能变型中的上述元件的任何组合，除非另有说明或文中出现明显矛盾的情形。

Claims (23)

1.一种球阀，其包括：

阀体，其限定具有多个流动口的流道和位于流动口之间的阀腔；

阀元件，其安置在阀腔内并具有在其内的限定通道开口的通道，该阀元件可选择性地在阀腔内在打开位置与关闭位置之间移动，打开位置提供通道与多个流动口中的第一流动口和多个流动口中的至少另一个流动口的流体连通对准，而关闭位置提供了通道与第一流动口的非流体连通对准以阻止第一流动口与通道之间的流动；

密封件，其包括由阀体支承的与第一流动口密封接触的密封元件，该密封元件在打开位置具有第一端，该第一端与通道开口的第一个基本对准并与阀元件的旋转轴相距第一距离而定位，而在关闭位置上，密封元件与阀元件的表面的密封部对准并密封接触且与所述阀元件的旋转轴相距第二距离而定位，该第二距离大于第一距离；

弹簧元件，其用于朝向阀元件偏压动态密封元件。

2.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，阀元件的表面的密封部是无孔的。

3.如权利要求2所述的球阀，其特征在于，阀元件的几何结构被这样构造，使得空隙通过阀元件从具有绕着旋转轴的连续转动对称外表面偏离来形成。

4.如权利要求3所述的球阀，其特征在于，阀元件的表面通常为球形，并且，空隙是通过由与外表面相交的通道开口限定的球形形状的偏移而限定的。

5.如权利要求4所述的球阀，其特征在于，密封元件的阀元件端的直径小于通道开口中的至少一个通道开口的直径。

6.如权利要求3所述的球阀，其特征在于，密封元件的阀元件端穿过打开位置的空隙中的一个。

7.如权利要求3所述的球阀，其特征在于，至少一个空隙是通过具有围绕阀元件的旋转轴的外表面的阀元件形成，外表面通常具有长短轴；该空隙接近短轴形成，并且，所述通道开口中的至少一个接近阀元件的短轴而形成。

8.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，第一流动口与所述多个流动口中的第二流动口基本垂直。

9.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，弹簧元件置于保持器与密封元件之间。

10.如权利要求9所述的球阀，其特征在于，保持器的位置是可变的。

11.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，密封元件滑动地支承在第一流动口中，且密封元件的阀元件端伸入阀腔中。

12.如权利要求11所述的球阀，其特征在于，密封元件包括辅助密封元件，且密封元件包括倾斜背面，该辅助密封元件置于倾斜背面与弹簧元件之间并在第一流动口的内表面与倾斜背面之间形成密封。

13.如权利要求12所述的球阀，其特征在于，该辅助密封元件为O形圈，且弹簧元件直接作用在O形圈上，从而作用在密封元件上，随着弹簧元件提供的偏压力的增大，O形圈愈加楔入倾斜背面与第一口的内表面之间，以在倾斜背面和第一流动口的内表面上增大密封压力。

14.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，阀元件自打开位置向关闭位置的转变使得弹簧元件在关闭位置上比在打开位置上提供更大的偏压力。

15.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，密封元件的外表面和通道开口的内表面中的至少一个包括一锥形区，该锥形区在阀元件自打开位置向关闭位置转变时有助于偏压密封元件。

16.如权利要求12所述的球阀，其特征在于，该锥形背面和阀元件端限定了密封元件的相对端，密封元件还包括延伸部和径向凸缘，延伸部与阀元件端相邻并过渡到其中，凸缘置于延伸部与锥形背面之间并向外延伸超过延伸部，阀体的第一流动口包括具有第一直径的第一孔和邻近该第一孔的具有小于第一直径的第二直径的第二孔；所述相邻的孔限定一肩部，第二孔使第一孔与阀腔连接，密封元件的延伸部的至少一部分被滑动地支承在第二孔中且长度大于第二孔。

17.如权利要求1所述的球阀，其特征在于，密封元件在打开位置不与阀元件接触。

18.一种使用密封元件密封阀体的阀口的方法，该方法包括：

使一阀元件自打开位置朝关闭位置绕着旋转轴枢转；

利用阀元件自密封元件与旋转轴相距第一距离的第一位置朝密封元件与转轴相距第二距离的第二位置偏压密封元件，第二距离大于第一距离；

在第二位置将密封元件密封压靠在阀元件外表面的无孔部上。

19.如权利要求18所述的方法，其中，偏压密封元件的步骤包括弹性地偏压一偏压元件，以在与从第一位置到第二位置运动的相对的方向上增加作用于密封元件上的偏压力。

20.如权利要求18所述的方法，其中，枢转和偏压步骤基本同时进行，以及该方法包括使密封元件在阀元件的外表面上向上拱。

21.如权利要求20所述的方法，其中，枢转阀元件使得阀元件的通道开口的轮廓成形表面与密封元件的端部的轮廓成形表面接合，以利于密封元件的上拱。

22.如权利要求18所述的方法，其中，动态密封元件穿过由阀元件的外表面的偏移而限定的空隙，并且，偏压密封元件的步骤包括基本上使密封元件自空隙中偏压出来。

23.如权利要求19所述的方法，其中，偏压密封元件的步骤还包括使辅助密封元件愈加楔入密封元件的倾斜面与阀口的内表面之间。

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