CN101438086B - 控制阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制阀，包括第一和第二流动通道(2，3)、阀腔室(4)和封闭部件(5)，轴(6)从该封闭部件伸出。在控制阀中形成通过腔室(4)的内部的流连接。当封闭部件(5)在腔室(4)中围绕旋转轴线(10)转动时，流入和流出腔室(4)的流连接在所有的第一和第二入口孔(A1，A2)和排出口(A3)处被缩减。

Description

控制阀
技术领域
本发明涉及一种特别适用于高压场合的控制阀。
背景技术
在高压场合，控制阀中由封闭部件造成的流量收缩导致内压力差，由此使得流速增加。流速的增加可能会导致噪音、空穴现象和侵蚀，为此需要通过结构测量来避免流速增加。此外，在控制阀的结构中，所需要的操纵力，即致动器必须产生以能够通过阀来控制流量的作用力应当最小化。
在现有的控制阀中，通过简单耐用且可靠的控制阀结构获得如上所述令人满意的控制是不可能实现的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠的控制阀，其具有简单的结构，适合用于高压场合中。这一目的通过下述技术方案实现。
根据本发明，提供一种控制阀，包括：第一流动通道和第二流动通道，阀腔室，第一流动通道通过该阀腔室与第二流动通道流连接，以及封闭部件，其布置在阀腔室中，轴从该封闭部件伸出，用于使封闭部件围绕旋转轴线在该腔室中转动，以使第一流动通道和第二流动通道之间的流连接缩减，其特征在于：在阀腔室中的流连接被如此实现，从而封闭部件和腔室在垂直地相交于旋转轴线的第一平面上包括至少一个可调节的第一入口孔，以及在垂直地相交于旋转轴线并且在旋转轴线的方向上与第一平面间隔一定距离设置的第二平面上包括至少一个排出口，所述第一入口孔用于在第一流动通道和腔室的内部之间建立流连接，所述排出口用于在腔室的内部和第二流动通道之间建立流连接，所述至少一个第一入口孔被布置成减小在流动期间使封闭部件压向腔室的作用力，所述封闭部件被设计成当处于密封位置时，被密封地压向所述腔室的至少一个排出口，以及当封闭部件在腔室中围绕转动轴线转动时，在所有的第一入口孔和排出口处的流入和流出腔室的流连接被缩减。
在按照本发明的阀中，执行流量缩减，从而在流体从第一流动通道流动到腔室中时发生第一压降，在流体从腔室流动到第二流动通道时发生第二压降。因此单独压降的压力变化较小，并且不会发生过度的流速增加以及由此带来的缺陷。但是，当控制阀转动到完全密封的位置时，除了在一个位置处(优选是在出口孔位置)之外不需要实际的密封。
按照本发明，设置至少一个入口孔以减小流动期间将封闭部件压向腔室的作用力，同时也减小了控制通过阀的流动所需要的操纵力。
优选地，封闭部件和腔室包括只所述一个第一入口孔和所述的排出口，以及为了减小作用力，所述第一入口孔布置在封闭部件中，在旋转轴线方向上位于排出口的上方或下方。
优选地，所述封闭部件和腔室包括至少一个第二入口孔，沿旋转轴线的方向看，第一入口孔和/或第二入口孔被布置成使得穿过各第一入口孔和第二入口孔的中点和旋转轴线的假想线与穿过排出口的中点的和旋转轴线的假想线形成小于90°的角度。
优选地，所述控制阀包括至少一个第二入口孔，从旋转轴线的方向看，该第二入口孔布置在封闭部件的相对于第一入口孔的相对侧上，以及从旋转轴线的方向看，穿过第一入口孔和第二入口孔的中点和旋转轴线的假想线与穿过排出口的中点和旋转轴线的假想线形成大约45°至135°的角度。
优选地，所述角度大约是90°。
优选地，所述第一入口孔和第二入口孔是相对的，在这种情形下，第一入口孔和第二入口孔位于垂直地相交于旋转轴线的同一平面上，并且它们的面积相等。
优选地，沿旋转轴线的方向看，所述第一入口孔布置在封闭部件的相对于排出口的相对的侧上，以及所述控制阀包括第二入口孔，沿旋转轴线的方向看，该第二入口孔布置在封闭部件中，位于排出口的上方或下方。
优选地，所述控制阀包括对应件对，该对应件对的运动的对应件布置在封闭部件中或者布置在从封闭部件伸出的轴中，该对应件对的固定的对应件布置在腔室的壁中或者布置在阀体中，当封闭部件在腔室中转动到覆盖排出口的位置时，所述对应件对通过相互接触限制封闭部件在腔室中的转动，以及当从旋转轴线的方向观察控制阀时，位于排出口的中点和旋转轴线之间的假想线与位于固定的对应件和旋转轴线之间的假想线形成大约为45°至135°的角度，在这种情形下，当对应件对彼此相互接触时，通过轴使封闭部件转动以使封闭部件覆盖排出口的扭矩产生使封闭部件压向排出口的作用力。
优选地，所述角度大约为70°到110°。
优选地，所述运动的对应件布置在从轴的封闭部件伸出的端部，该端部与所述封闭部件接触。
优选地，所述运动的对应件布置在与腔室流连接的空间中。
优选地，通过封闭部件的内部实现阀腔室中的流连接。
附图说明
现在将参照附图结合实施例对本发明进行详细说明，其中：
图1a至1c示出了按照本发明的控制阀的第一实施例，
图2a至2c示出了按照本发明的控制阀的第二优选实施例，
图3a至3c示出了按照本发明的控制阀的第三优选实施例，
图4a和4b示出了本发明的第四优选实施例，
图5示意性地示出了借助于扭距的密封，以及
图6示出了按照图1a中的控制阀的对应件。
具体实施方式
图1a至1c示出了按照本发明的第一实施例。图1a至1c中的控制阀适用于诸如100巴的高压场合。
在图1a中，以局部剖面侧视图示出了控制阀1的结构，图1b和1c是显示沿旋转轴线10方向看的封闭部件5中的第一入口孔A1、第二入口孔A2和排出口A3的装配情形的侧视图。
控制阀1包括第一流动通道2和第二流动通道3，在这两条通道之间设置有通过控制阀的腔室4的流连接，如图1所示。在如图1a至1c所示的实施例中，腔室4中的流连接特别被设置成通过腔室中的封闭部件5的内部。按照本发明，还可以想到的是封闭部件的形状并不是如图中示例所示完整的圆柱形，而仅仅是圆柱体的“一部分”，在这种情况下，封闭部件不具有真正的内部，而是流动主要通过腔室的内部。
在本实施例中，轴6从封闭部件5中伸出，该封闭部件通过销7与该轴连接。因此封闭部件5和轴6设有销7穿过的对齐的开口。销7的一端延伸到凹槽8中，其原因将结合图6对此进行解释。本实施例中，凹槽8形成在阀体9的盖部件中，该盖部件通过螺栓连接到阀体9的下部上。封闭部件5和轴6可通过轴6围绕旋转轴线10转动，以缩减控制阀的流径(图1a示出了流径完全打开的情形)以及相应地扩张被缩减的或甚至关闭的控制阀的流径。
在图1a所示的情况中，封闭部件5和腔室4设有第一入口孔A1，用于在第一流动通道2和封闭部件5的内部之间建立起流连接。第一入口孔A1是可调节的，即当封闭部件5在腔室中转动时，流连接被收缩，从而该入口孔的能够流动的自由面积减少。此外，封闭部件5和腔室4还设有排出口A3，用于在封闭部件5的内部和第二流动通道3之间建立流连接。从图1a中能够看出，第一入口孔A1和排出口A3位于不同的高度，即第一入口孔A1位于垂直相交于旋转轴线10的第一平面上，排出口A3位于垂直相交于旋转轴线10的第二平面，在这种情形下，第一和第二平面在旋转轴线10的方向上彼此间隔一定距离。
在图1a至1c所示的情形下，控制阀包括第三开口，即第二入口孔A2，它位于排出口A3的下面，该第二入口孔在流量减少的过程中使作用力F减小，其中当封闭部件5被压向腔室4时该作用力F作用在封闭部件5上。以与第一入口孔A1相同的方式，第二入口孔A2在封闭部件5的内部和第一流动通道2之间建立起流连接。第二入口孔A2也是可调节的，即当封闭部件5在腔室中转动时，流连接被收缩，从而该入口孔的能够流动的自由面积减少。
当封闭部件5从如图1a所示的情形在腔室4中转动时，在所有的第一和第二入口孔A1，A2和排出口A3处的流径都收缩。因此在流动情形下压降是逐步变化的。在第一流动通道2中压力P1占主导地位。在封闭部件内侧，小于压力P1的压力P2占主导地位，在第二流动通道3中，小于压力P2的压力P3占主导地位。由于这种逐步变化的压降，流速不会上升到有害的级别。
尽管流径收缩发生在所有的第一和第二入口孔A1，A2和排出口A3处，但实际上只需要达到与排出口A3相关的控制阀所要求的紧密度就已经足够。根据执行情况，在金属或陶瓷的封闭部件5和金属或陶瓷的腔室4的壁之间可以达到足够的紧密度。或者，也可以在封闭部件和腔室的壁之间围绕排出口A3设置合适的密封材料，如PTFE(聚四氟乙烯)。
除步进式的压降外，图1的实施例的有利之处还在于必要时允许基本消除封闭部件5和腔室4之间的作用力F。在本文中，基本消除是指按照本发明，必要时作用力F实际上可能被完全消除，但由于排出口A3的密封环境，在结构中还剩余一定的密封力。因此，按照本发明，封闭部件被设计成如果存在一个以上的开口，当封闭部件处于密封位置时，封闭部件可密封地压向排出口或腔室的孔口。在存在数个排出口的情形下，这些排出口优选布置成位于封闭部件的同一半中，以便封闭部件内侧的压力和第二流动通道中的低压能够增强密封。作用力F的减小带来的好处是控制阀所需要的操纵力(扭矩)，即转动轴6所需要的操纵力能够最小化。
为了消除作用力F，第一和第二入口孔A1，A2和排出口A3被布置成当从旋转轴线10的方向看时，第一入口孔A1布置在相对于排出口A3的相对于封闭部件5的相对侧上，第二入口孔A2布置在排出口A3的下面。
当这些孔口布置成如上所述时，能够通过选择适当的第一和第二入口孔A1，A2和排出口A3的流动面积和距离L1和L2来消除作用力F。假定当销7用作连接销，封闭部件可以围绕该连接销转动时，力矩方程如下所示：
SA1×(P1-P2)×L1+SA3×(P2-P3)×L2＝SA2×(P1-P2)×L1+F×L2
因此：F＝(SA1-SA2)×(P1-P2)×L1/L2+SA3×(P2-P3)
在上面的等式中，SA1，SA2和SA3表示面积，即封闭部件覆盖的孔口的面积。如果封闭部件5不能如上所述那样围绕销7转动，那么从围绕轴6转动的致动器的连接点到孔口的中线来测量距离L1和L2。在这种情形下，假定在轴6和阀体9之间不存在实际的支承点。
在图1a所示的情形下，假定第一入口孔A1和第二入口孔A2彼此相对，即它们位于垂直相交于旋转轴线10的同一平面上。但是，这并不是必须的，而是第一入口孔A1和第二入口孔A2也可以处于不同的高度，甚至位于封闭部件5的相对侧上。
图2a至2c示出了按照本发明的控制阀的第二优选实施例。图2a至2c的实施例很大程度上与图1a至1c所示的实施例一致，为此下面通过主要指出两个实施例之间的区别来描述图2a至2c所示的实施例。
图2a的控制阀不同于图1a所示实施例的地方在于第一和第二入口孔A1，A2和排出口A3的位置。不同于图1a，排出口A3不在第二入口孔A2的上方。但是，在本实施例中，从旋转轴线10方向看过去，第二入口孔A2仍然布置在封闭部件5′中，在相对于第一入口孔A1的相对侧上。第一入口孔A1和第二入口孔A2可以位于同一高度，即彼此相对(如图2a所示)或者也可以位于不同的高度。如果第一入口孔A1和第二入口孔A2位于同一高度，优选使它们的面积相同，但是如果它们位于不同的高度，则下面的入口孔优选具有较小的面积。
在图2a至2c的实施例中，沿旋转轴线10的方向看过去，一条假想线穿过第一入口孔A1和第二入口孔A2的中点11和12和旋转轴线10，并且该假想线与穿过排出口A3的中点13和旋转轴10的假想线形成90度角。
由于上述90度角，当从三维角度观察时，从第一流动通道2流入到第二流动通道3的介质改变了方向，从而介质瞬间沿X轴、Y轴和Z轴方向流动。这进一步有助于保持低流速，因此由高流速导致的缺陷得以消除。
按照本发明，如附图中所示的上述角度并不需要精确到90度。实际上，至少当角度在45°到135°之间时都可以实现同样的优点，只是当角度大约为90°时这种结构是最有效的。
由于上述角度，在流动情形下，作为图1a至1c所描述的实施例，封闭部件5和腔室4之间的作用力没有被完全消除。但是，当入口孔A1和A2位于同一高度时，它们的尺寸形成为使得流动面积相等，并且由在这些孔口处的流径收缩导致的作用力能够被补偿，否则该力把封闭部件5′压向腔室4′。换言之，在本实施例中，第二入口孔A2被布置成在流动过程中由于在入口孔A1处的流径缩窄使作用力减小，其中所述作用力使密封件压向腔室。因此仅保留有由排出口A3处的流径收缩导致的作用力，该作用力仍然使封闭部件5′压向腔室4′。由于这两个阶段的压降，剩余作用力会比第一和第二入口孔A1和A2处没有发生流径收缩时的作用力小很多。
图3a至3c示出了按照本发明的控制阀的第三优选实施例。按照图3a至3c的实施例很大程度上与图1a至1c所示的实施例一致，为此下面通过主要指出这两个实施例之间的区别来描述图3a至3c所示的实施例。
在图3a至图3c所示的情形下，封闭部件5″和腔室4″仅包括第一入口孔A1和排出口A3，即本实施例中不需要第二独立入口孔。通过将第一入口孔A1布置在封闭部件5″中，位于排出口A3之上或之下(图3a所示实施例中为下方)，就能够使在流动期间将封闭部件5″压向腔室的作用力减小。
图4a和4b示出了本发明的第四优选实施例。按照图4a和4b的实施例很大程度上与图3a至3c所示的实施例一致，为此下面通过主要指出这两个实施例之间的区别来描述图4a和4b所示的实施例。
图4a和4b示出了控制阀中封闭部件5′″中的孔口的布置。除第一入口孔A1和排出口A3之外，该实施例包括第二入口孔A2。沿旋转轴线10的方向看过去，本实施例中的第一入口孔A1和第二入口孔A2被布置成使得一条穿过每个第一和第二入口孔A1，A2的中点11和12和旋转轴线10的假想线与穿过排出口A3中点13和旋转轴线10的假想线形成小于90°的角度β。第一和第二入口孔A1，A2和排出口A3的这种定位和它们适宜的尺寸使得在流动过程中将封闭部件5′″压向腔室的作用力减小。
按照本发明，图4a和4b示出的实施例包括两个以上的入口孔。例如，如图示出的一个较大的第二入口孔A2能够由两个较小的入口孔代替。或者，除图中示出的入口孔外，还可以在排出口A3两侧设置一个或多个入口孔。
图4a示出了第一入口孔A1和第二入口孔A2位于同一高度的实施例。但是，这并不是必须的，这些孔口和图中未示出的其它入口孔也可以位于不同高度。
图5示意性地示出了如何通过利用扭矩来实现密封。
在腔壁17中，当封闭部件18围绕旋转轴线10转动到靠近排出口A3的位置时，随封闭部件18一起运动的对应件15与固定的对应件14接触。当封闭部件在扭矩M作用下进一步转动到密封位置时，在对应件对14和15处产生作用力F1，并且在排出口A3处产生反作用力F2。反作用力F2试图将封闭部件18压靠在排出口A3的边缘，在这种情形下，封闭部件借助于作用力F2牢固地封闭住排出口A3。
可以通过操纵控制阀的传统致动器产生足够的密封力。在图5所示的情形下密封力F2最大，即在沿旋转轴线10的方向观察控制阀时，当位于把第二流径连接到腔室17上的排出口A3的中点13和旋转轴线10之间的假想线与位于固定对应件14和旋转轴线10之间的假想线成90度角时，密封力F2最大。但是，当角度在70°到110°之间时也可以实现足够有效的密封。当角度大于45°至135°的范围时，密封力有可能不够。
图6示出了按照图1a所示的控制阀的对应件对。在图6所示的情形中，固定对应件16由形成在控制阀阀体9中的凹槽8的边缘构成。在本实施例中，随着封闭部件一起运动的对应件由销7构成，其中封闭部件通过所述销7与轴连接。
为了尽可能有效地使密封力作用在排出口A3的环境处，运动的对应件优选布置在端部，所述端部与从封闭部件突起的轴的封闭部件接触。在如图1a所示的情形中，运动的对应件可以被设置在与腔室流连接的空间中。因此在销7和腔室之间采用单独的密封件不是必须的，其中所述单独的密封件能够使由扭矩产生的密封力减小。
上面附图示出的控制阀的结构的实施例中，入口孔总是位于排出口的下面。但是，应当指出的是按照本发明的控制阀也可以设计成不同的，也就是使入口孔位于排出口的上方。还应当指出，在所有实施例中一个(或多个)较大的入口孔或排出口可以代替数个较小的入口孔或排出口。
上面附图示出的实施例中采用了圆柱形的封闭部件。不同于此，本发明还可以应用于不是圆柱形，例如为锥形的封闭部件的实施例中。
应当理解，以上描述和涉及的附图仅用于解释本发明。对本领域技术人员而言，显而易见的是在不背离本发明范围的情形下可以进行不同的变化和改进。

Claims (12)

1.一种控制阀(1，1′，1″)，包括：
第一流动通道(2)和第二流动通道(3)，
阀腔室(4，4′，4″)，第一流动通道(2)通过该阀腔室与第二流动通道(3)流连接，以及
封闭部件(5，5′，5″，5″′)，其布置在阀腔室(4，4′，4″)中，轴(6)从该封闭部件伸出，用于使封闭部件(5，5′，5″，5″′)围绕旋转轴线(10)在该腔室中转动，以使第一流动通道(2)和第二流动通道(3)之间的流连接缩减，其特征在于：
在阀腔室(4，4′，4″)中的流连接被如此实现，从而封闭部件(5，5′，5″，5″′)和腔室(4，4′，4″)在垂直地相交于旋转轴线的第一平面上包括至少一个可调节的第一入口孔(A1)，以及在垂直地相交于旋转轴线并且在旋转轴线的方向上与第一平面间隔一定距离设置的第二平面上包括至少一个排出口(A3)，所述第一入口孔(A1)用于在第一流动通道(2)和腔室(4，4′，4″)的内部之间建立流连接，所述排出口(A3)用于在腔室(4，4′，4″)的内部和第二流动通道(3)之间建立流连接，
所述至少一个第一入口孔(A1)被布置成减小在流动期间使封闭部件(5，5′，5″，5″′)压向腔室(4，4′，4″)的作用力，
所述封闭部件(5，5′，5″，5″′)被设计成当处于密封位置时，被密封地压向所述腔室的至少一个排出口(A3)，以及
当封闭部件(5，5′，5″，5″′)在腔室(4，4′，4″)中围绕转动轴线(10)转动时，在所有的第一入口孔(A1)和排出口(A3)处的流入和流出腔室的流连接被缩减。
2.如权利要求1所述的控制阀(1″)，其特征在于：封闭部件(5″)和腔室(4″)包括只所述一个第一入口孔(A1)和所述的排出口(A3)，以及
为了减小作用力，所述第一入口孔(A1)布置在封闭部件(5″)中，在旋转轴线(10)方向上位于排出口(A3)的上方或下方。
3.如权利要求1所述的控制阀，其特征在于：
所述封闭部件(5″′)和腔室包括至少一个第二入口孔(A2)，以及
沿旋转轴线(10)的方向看，第一入口孔(A1)和/或第二入口孔(A2)被布置成使得穿过各第一入口孔(A1)和第二入口孔(A2)的中点(11，12)和旋转轴线(10)的假想线与穿过排出口(A3)的中点(13)的和旋转轴线(10)的假想线形成小于90°的角度(β)。
4.如权利要求1所述的控制阀(1′)，其特征在于：
所述控制阀包括至少一个第二入口孔(A2)，从旋转轴线(10)的方向看，该第二入口孔布置在封闭部件(5′)的相对于第一入口孔(A1)的相对侧上，以及
从旋转轴线(10)的方向看，穿过第一入口孔(A1)和第二入口孔(A2)的中点(11，12)和旋转轴线(10)的假想线与穿过排出口(A3)的中点(13)和旋转轴线(10)的假想线形成大约45°至135°的角度。
5.如权利要求4所述的控制阀(1′)，其特征在于：所述角度大约是90°。
6.如权利要求4或5所述的控制阀(1′)，其特征在于：所述第一入口孔(A1)和第二入口孔(A2)是相对的，在这种情形下，第一入口孔(A1)和第二入口孔(A2)位于垂直地相交于旋转轴线(10)的同一平面上，并且它们的面积相等。
7.如权利要求1所述的控制阀(1′)，其特征在于：
沿旋转轴线(10)的方向看，所述第一入口孔(A1)布置在封闭部件(5)的相对于排出口(A3)的相对的侧上，以及
所述控制阀(1′)包括第二入口孔(A2)，沿旋转轴线(10)的方向看，该第二入口孔布置在封闭部件(5)中，位于排出口(A3)的上方或下方。
8.如权利要求1-5，7中任一项所述的控制阀(1，1′，1″)，其特征在于：
所述控制阀包括对应件(14，15；7，16)对，该对应件对的运动的对应件(15；7)布置在封闭部件中或者布置在从封闭部件伸出的轴中，该对应件对的固定的对应件(14；16)布置在腔室的壁中或者布置在阀体中，当封闭部件在腔室中转动到覆盖排出口(A3)的位置时，所述对应件(14，15；7，16)对通过相互接触限制封闭部件在腔室中的转动，以及
当从旋转轴线(10)的方向观察控制阀时，位于排出口(A3)的中点(13)和旋转轴线(10)之间的假想线与位于固定的对应件(14；16)和旋转轴线(10)之间的假想线形成大约为45°至135°的角度，在这种情形下，当对应件(14，15；7，16)对彼此相互接触时，通过轴使封闭部件转动以使封闭部件覆盖排出口(A3)的扭矩(M)产生使封闭部件压向排出口的作用力(F2)。
9.如权利要求8所述的控制阀，其特征在于：所述角度大约为70°到110°。
10.如权利要求8所述的控制阀，其特征在于：所述运动的对应件(7)布置在从轴(6)的封闭部件伸出的端部，该端部与所述封闭部件接触。
11.如权利要求8所述的控制阀，其特征在于：所述运动的对应件(7)布置在与腔室(4)流连接的空间中。
12.如权利要求1所述的控制阀，其特征在于：通过封闭部件(5，5′，5″，5″′)的内部实现阀腔室(4，4′，4″)中的流连接。
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