CN101449091A - 用于水阀的密封件 - Google Patents

Abstract

提供一种用于密封流量调节阀的密封件。密封件包括入口、出口、和褶合件，上述入口构造成以与流量控制装置配合，上述出口成形成以与外壳配合，而上述褶合件在密封壁中形成，并被置于在入口和出口之间。当跨越褶合件的压差增大时，褶合件使密封壁扩张。

Description

用于水阀的密封件

本专利申请要求2006年5月18日提出的美国非临时专利申请No.11/436,361的权益，所述非临时专利的整个教导和公开都在此引入作为参考。

技术领域

本发明一般涉及流量调节阀，具体地说，涉及供在流量调节阀中使用的密封件。

背景技术

一种阀，例如筒形阀是用来管理流体穿过一段管道的流量的流量控制装置。典型地筒形阀其中包括空心的筒形外壳和可旋转的轴，所述轴具有穿过它的通道。旋转轴的上面部分与执行元件联接。

为了打开阀，执行元件移动旋转轴直至通道与外壳中的入口和出口对准。在这种取向中，阀能使流体自由地穿过阀流动。为了关闭阀，执行元件移动旋转轴直至通道被外壳阻断，且与外壳中的入口和出口不对准。在这种取向中，阀限制流体穿过阀流动。为了计量穿过阀的流体流量。执行元件移动旋转阀直至通道与外壳中的入口和出口部分对准。在阀一般被定位在全开位置和全关位置之间某个地方的情况下，阀部分地允许或计量穿过阀流动的流体。

为了保证当筒形阀处于打开位置和关闭位置，或处于二者之间的位置时减少或优选的是消除流体的漏泄，筒形阀一般包括一个或多个密封件。在常规筒形阀中，这些密封件的至少一个置于外壳的配合件之间，外壳和旋转轴之间，等等，以便保证流体不会白白地从阀逸出。

为了促进良好密封，密封件必须与相邻的结构保持接触，在这种情况下，所述相邻的结构是外壳和旋转轴。接触要求常常用各种不同的偏置装置和方法完成。例如，经常将辅助弹簧联接到或合并到密封件中，以便提供拉力。拉力这样使密封件扩张和伸长，即，使密封件的相对两端偏压外壳和旋转轴。可选择地，使夹具包围密封件并用来提供压缩力。同拉力一样，压缩力也这样使密封件扩张或伸长，即推动相对的两端紧贴外壳和旋转轴。通过强制两端朝向配合结构偏压，形成密封关系，保持密封件的整体性、和防止漏泄。

遗憾的是，利用弹簧和夹具来保持相邻结构之间的密封具有一些显著的缺点。例如，典型的弹簧和夹具都是用金属制造。由于金属与聚合物和其它典型的阀构造材料相比价格比较贵，所以弹簧和夹具大大增加了阀的总成本。金属还经受腐蚀作用而随后失效。这导致需要经常检修，并可能高成本和耗时间地更换金属部件。

除了高成本和过早失效之外，弹簧和夹具还要求在装配阀期间完成一些额外的步骤。例如，弹簧必须附接到密封件上，且夹具必须包围密封件。这些制造步骤增加了阀的总成本。而且，制造包括弹簧和夹具的阀所需的装配设备必须更先进或更专业，以便处理额外的部件。此外，在运行期间，在某些情况下，弹簧和夹具无耐地提高了工作转矩。因此，必须使用更大和价格更贵的执行元件，以便移动旋转轴和操作阀。

在另一些流量调节阀中，是在相邻的结构之间设置O形密封圈。O形密封圈依靠外壳和旋转轴之间的干涉配合来防止漏泄。通过迫使O形密封圈进入相邻结构之间的空间，使O形圈保持处于压缩状态。压缩力使O形密封圈向外推向相邻的结构，结果，O形密封圈促成紧密的密封。

同弹簧和夹具一样，O形密封圈也有一些相当大的缺点。例如，O形密封圈依靠干涉配合来防止漏泄。干涉配合将高压缩载荷加在密封件上。这些高压缩载荷使密封件更易于失效。而且，如果O形密封圈或相邻结构的公差被超过，则密封件可能无耐地造成漏泄。

因此，在流量调节阀的密封技术中，需要为提供防漏密封、显示低工作转矩(即低摩擦作用)、和为降低阀的总成本作出贡献。本发明提供这样的密封。本发明的这些和另外的优点以及另外富有创造性的特点将由下面提供的本发明的说明来展现。

发明内容

本发明的一个实施例提供用于流量调节阀(比如，筒形阀)的弹性体密封件，所述弹性体密封件提供防漏密封、低工作转矩(即低摩擦作用)、和更低成本。密封件的设计优选的是包括一褶合件(convolution)，所述褶合件靠近密封件的出口段或下游部分。当例如阀开始关闭时，随着跨越褶合件的压差增大，褶合件提供弹性力，所述弹性力使密封件的两个相对端扩张。照这样，迫使两个端部在配合部件之间扩张，并扩大在它们之间形成的密封。当压差低时，例如当阀打开时，还保持着两个端部中的每一个与它们的配合部件之间的接触。褶合件加设到密封件中就不需要用弹簧或夹具来使密封件偏压流量调节阀。同时，也省去了依靠摩擦配合来提供密封的O形密封圈。

一方面，本发明的实施例提供一种用于密封流量调节阀的密封件。密封件包括入口、出口、和褶合件，上述入口被构造成与流量控制装置配合，上述出口被构造成与外壳配合，而上述褶合件在密封壁中形成，并插置于入口和出口之间。当跨越褶合件的压差增大时，褶合件使密封壁扩张。

在另一方面，本发明的实施例提供一种选择性地规定流体路线的流量调节阀。该流量调节阀包括外壳、流量控制装置和密封件，所述密封件置于在外壳和流量控制装置之间。外壳限定一内腔，并包括入口和出口，所述入口和出口与内腔构成流体连通。流量控制装置可旋转地设置在内腔内，并限定一般是径向的通道，所述通道构造以提供在入口和出口之间的选择性流体连通。密封件具有上游表面和下游表面及褶合件，上述上游表面和下游表面被通道隔开，而上述褶合件在密封壁中形成。当跨越密封壁的压差增大时，褶合件使上游表面越来越朝流量控制装置方向偏压并使下游表面朝出口方向偏压。

另一些方面、本发明的目的和优点在下面参照附图所作的详细说明中变得更清晰。

附图说明

附图包括在说明书中并形成说明书的一部分，上述附图示出本发明的若干方面，并与说明书一起，用来阐明本发明的原理。在附图中：

图1是按照本发明所述制成的流量调节阀的示例性实施例的前视立面图；

图2是图1的流量调节阀一般沿着线2-2所取的垂直剖视图；

图3是图1的流量调节阀一般沿着线3-3所取的水平剖视图；

图4是在图1的流量调节阀内所应用的密封件的透视图；

图5是图4的密封件的顶视平面图；和

图6是图5的密封件一般沿着线6-6所取的剖视图。

尽管结合一些优选实施例说明本发明，但没有打算把本发明限于这些实施例。相反，打算涵盖在所附权利要求所述本发明的精神和范围内的所有更替、改进和等效物。

具体实施方式

参见图1，图1示出按照本发明教导的用于选择性地确定流体线路的流量调节阀10。流量调节阀10能计量各种不同流体，例如水、液压液、燃料、气体、及诸如此类。如图1所示，流量调节阀10包括外壳12和流量控制装置14。

外壳12用钢、塑料、或其他合适的阀材料制成，视应用和使用流量调节阀10的环境而定。在所示的实施例中，外壳12一般是圆筒形或桶形。因此，把流量调节阀称之为筒形阀。即使如此，在一个实施例中，流量调节阀10是球阀、蝶阀、或其它众所周知型式的阀。在这些情况下，外壳12具有与所使用的具体的阀类型相对应的各种不同形状和构造中的一种形状和构造。

如图2所示，外壳12限定阀入口16、阀出口18和内腔20。阀入口16和阀出口18一般相互隔开，并处于外壳12的对置的上游端和下游端22，24上。在一个实施例中，阀入口和阀出口16，18与外壳12的其余部分整体成形。如图2所示，阀入口和阀出口16，18包括在上游端和下游端22，24附近的联接结构或装置26。联接装置26(比如螺纹、向外扩口部分等)能使流量调节阀10快速而方便地结合到一段管道、导管、或其它类型的输送流体的结构(未示出)上。

现在参见图3，内腔20位于阀入口和阀出口16，18之间，并且与所述阀入口和阀出口16，18中的每一个都处于流体连通。内腔20通常被构造以一种方式容纳流量控制装置14，该种方式使执行元件能旋转流量控制装置。在本发明的优选实施例中，流量控制装置14能在内腔20内朝顺时针方向和反时针方向旋转。

在所示的实施例中，流量控制装置14显示为一圆柱体，所述圆柱体具有一个贯穿圆柱体的径向通道28。即使如此，流量控制装置14也可依据如上所述使用的流量调节阀10的类型，采取其它形状或具有其它构造。如图所示，流量控制装置14可绕一轴线旋转，所述轴线一般垂直于流体流动的方向30。相反，当流量调节阀10允许流体全流量流动时，径向通道28一般平行于流体流动的方向30。

在所示的实施例中，流体控制装置14位于更靠近外壳12的上游端22处。因此，内腔20的下游部分32一般是未被结构部件占据的空处。如下面更充分讨论的那样，当流量控制装置14旋转到图3所示的位置时，径向通道28将流体的一部分供送到内腔20的下游部分32。当流量控制装置14旋转到径向通道28平行于流体流动方向30的位置时，流体只排放到阀出口18，然后从流量调节阀10流出或排出。

还参见图3，流量调节阀10还包括密封件34。密封件34通常置于在流量控制装置14和阀出口18之间。照这样，当流量控制装置14计量或者完全限制流体穿过流量调节阀10流动时，密封件34防止和限制流体不希望有地漏泄到阀出口18。在一个实施例中，密封件34用弹性体材料、天然橡胶、或另外的类似物质制成。

为了举例说明，将在图3所示的实施例中应用的密封件34从流量调节阀10中取出，并在图4中示出，现在看起来更直观。密封件34包括入口36、出口38、通道40和褶合件(convolution)42。图4所示的通道40一般在入口36和出口38之间延伸，并用于使流体穿过密封件34流通。通道40通常轴向前伸穿过密封件34。在本发明的一个实施例中，入口36、出口38和褶合件42的每一个都在整个密封件本体44内相互形成整体。

入口36构造成与流量控制装置14密封地配合。在这方面，所示实施例中的入口36包括一径向向外伸出的入口凸缘46，所述凸缘46限定入口表面48。为了进一步促成流体控制装置14和入口36之间的直接接触(最好参阅图3)和增进它们之间的密封配置，入口一般具有一成型的形状，以便与流体控制装置14的外形相匹配。在所示的实施例中，入口36是鞍形或抛物面形状，以便与圆筒形流体控制装置配合。如该领域的技术人员从上述说明可理解的，与各种不同成型的流体控制装置14相对应的其它形状，比如半球形与球形阀的阀系件配合也是在本发明的范围内。

如图4所示，入口表面48具有宽阔和足够的表面面积。结果，在入口表面48上的任何磨损都被广泛地分散分布。即使在调节阀10的许多周期之后，在任一具体位置上的过度磨损也会受到抑制和/或防止。通过阻止入口表面48上的局部磨损，避免了漏泄。在应用O形密封圈的普通阀中，密封表面是有限的，其结果是磨损可能留下平面磨损面或磨损斑点。这种磨损斑点会失去与配合部分的接触，并会不情愿地任凭随意漏泄。

出口38构造成以密封地与一部分外壳12(比如阀出口18)配合。在所示的实施例中，和如图5中最佳示出的，出口38包括一般是平的或平面的出口表面50，所述出口表面50与靠近阀出口18的这部分外壳12配合。出口38和出口表面50能采用各种不同的构造，以便与外壳12配合并促进它们之间的密封。

仍参见图5，褶合件42置于密封件本体44内入口36和出口38之间。褶合件42一般是密封件34的折叠或折褶部分，上述褶合件42从通道40径向向外伸出。尽管只示出一个褶合件42，但在一个实施例中，多个褶合件42被装到密封件34中。如图5中清楚示出的，褶合件42能使密封件34的一部分类似于手风琴或风箱。

褶合件42一般使密封件34具有扩张和收缩的能力。密封件34是扩张还是收缩部分地取决于形成褶合件的密封壁56的各个部分之间形成的角度。如果夹角大于90°，则只要外表面62上的压力超过内表面60上的压力，密封件34的长度就将增加。形成褶合件42的密封壁56的各部分将相互远离而被偏置。相反，如果夹角小于九十度，则只要外表面62上的压力超过内表面60上的压力，密封件34的长度就将减小。形成褶合件42的密封壁56的各部分将彼此相对偏移，或者在某些情况下可以彼此接合。

在所示的实施例中，当入口36和出口38一起被拉动得较靠近，而且密封件34沿着它的长度52被压缩时，褶合件42简单地进一步径向向外伸出，以便适应线性运动。相反，当入口36和出口38相互移动离开且密封件34沿着它的长度52扩张时，褶合件42径向向内下落，以便适应线性运动。如果密封件34充分扩张，则褶合件42是平的和/或一般与密封件本体44的相邻部分54平行。如该领域的技术人员应该意识到的那样，褶合件42扩张和收缩能使密封件34相应地扩散和收缩。

如图6所示，密封件34限定密封壁56。密封壁56具有厚度58，所述厚度58由外表面60和内表面62之间的距离限定，所述距离随着流量调节阀10的用途而变。在所示实施例中，厚度58一般沿着整个密封壁56是均匀的，上述厚度58包括耦合件42。在一个实施例中，密封壁56的厚度58在密封件34内变化。

在一个实施例中，密封件34在出口38附近的部分装配在阀出口18的锥形端上。照这样，内表面62与阀出口18的锥形端配合，并保持干涉配合。这种干涉配合即使在低压下也能促使密封的形成。随着密封件34两侧的压差不断增大，密封件径向向内收缩紧贴阀出口18。在一个实施例中，密封件34仅仅依靠内表面62和阀出口18的端部之间的接合来形成密封，并抑制或防止漏泄。在这个实施例中，密封件34的出口表面50不需要保持与阀出口18或外壳12的接触。

如本领域的技术人员所意识到的，密封壁56的厚度58影响褶合件42的柔性，密封件34的强度，及诸如此类。密封壁56的厚度58也对密封件34的扩张或收缩速率产生影响。一般是密封壁56越厚，则密封件34对改变条件例如对密封壁56两侧的压差变化的响应就越慢。

在运转中，流量调节阀10的阀入口16和阀出口18分别联接到上游和下游管道段上(未示出)。各管道段构造成以输送流体例如水。由于水一直沿着流体流动方向30流动(见图3)，所以阀入口16接收来自上游管道段的水。在穿过阀入口16进入之后，水朝内腔20方向前进。

由于通过执行元件(未示出)使流量控制装置14这样旋转，亦即使径向通道28移动不与阀出口18的轴向对准(亦即一般是横切流体流动方向30)，则将一部分已穿过流量调节阀10流动的水拦截在内腔20的下游部分32内，并完全阻挡水穿过流量调节阀10的流动。在这个取向中，流量调节阀10处于完全关闭位置。

由于水被强制进入封闭的空间，所以捕获或诱捕在下游部分32内的水具有压力。相反，阀出口18中的水迅速运走并能跑出阀10。由于外表面60上的压力大于内表面62上的压力的结果，所以密封壁56两侧的压差比较大。

跨越密封壁56的大压差使柔性褶合件42径向向内移向通道40，并迫使密封件本体44沿着它的长度52扩张(图5)。当密封件本体44扩张时，入口36被强制偏压流量控制装置14，而出口38被强制偏压外壳12和/或阀出口18。因此，入口表面48和出口表面50紧密压紧相邻的结构，并且在关闭状态中，助长紧密密封并防止水漏泄。

当流量控制装置14被执行元件转动，使得径向通道如图3所示与阀入口16和阀出口18部分轴向对准时，流量调节阀10处于部分打开或计量流量的位置。在这种取向时，水在流量调节阀10内分开，并沿着两个分支路线行进。水的第一部分从入口16开始，通过径向通道28，通过密封件34的通道40，并进入到阀出口18中。一旦在阀出口18的内部，水的第一部分就从流量调节阀10排出，并进入下游管道段。

水的第二部分从阀入口16开始流动，通过径向通道28，并进入内腔20的下游部分32。由于内腔20的下游部分32不提供出口并被快速充满，所以内腔20内部的压力比阀出口18内的压力高，使阀出口18内的水从流量调节阀10自由跑出。结果，密封壁56的外表面60上的压力高于内表面62上的压力，并且在密封壁56的两侧再次形成压差。

在部分打开位置中，尽管压差不像流量调节阀10处于完全关闭位置时那样大，但密封壁56两侧仍然存在压差。略微减小的压差仍然使柔性褶合件42稍微径向向内移动到通道40中，并迫使密封件本体44沿着它的长度52稍微扩张(图5)。如上所述，扩张的密封件本体44使入口36偏压流量控制装置14和使出口38偏压外壳12和/或阀出口18。尽管减小了力，入口表面48和出口表面50也仍然因受压而紧压相邻的结构。这种作用促进密封件34附近各部件之间的密封，还能使流量控制装置14旋转而无很大困难和/或艰苦。密封件34与流量控制装置14在流量调节阀10内毫无困难的旋转能力的结合促使不会出现任何漏泄或任何显著漏泄，从而保证了精密而有效的计量。

当流量控制装置14从图3的部分对准的位置移动，以使较少的水流到内腔20，而较多的水流到阀出口18时，密封壁56两侧的压差减小。减小的压差使褶合件42径向向外移动离开通道并使密封件本体44收缩。即使那样，入口36也仍然偏压流量控制装置14和出口38仍然偏压外壳12和/或阀出口18。偏压力与更多的水流到内腔20时相比简单地稍微减小。尽管压差较弱，但内表面48和外表面50也仍然受压而紧贴相邻的结构。

如果通过执行元件使流量控制装置14旋转，使得径向通道28完全在轴向上与阀入口16对准，则能使水流穿过流量调节阀10自由地流动，且能使所有的水都进入径向通道28。在这种情况下，流量调节阀10处于完全打开位置，且密封壁56两侧的压差很小或者可忽略不计。尽管这种压差很轻微，但由于密封件34的尺寸、柔性、弹性、和/或其它特性，使入口表面48也仍然偏压流量控制装置14并使出口表面50也仍然偏压外壳12和/或阀出口18。此外，由于穿过流量调节阀10的水流一般是平稳的层流，所以在许多情况下密封件34上的应力极小。另外，即使发生漏泄，这也是可接受的，因为任何漏泄的水都简单地与允许流动的水汇合。

从上面所述，本领域的技术人员应该意识到，本发明提供一种用于流量调节阀(比如筒形阀)的弹性体密封件，所述弹性体密封件与使用弹簧、夹具、和/或O形密封圈相比，提供防漏泄密封、低工作转矩(亦即低摩擦作用)、和低的成本。由于密封壁两侧存在压差，所以密封件通过利用一个或多个褶合件扩张或收缩来完成这些任务。随着压差增大，密封件由于褶合件而不断扩张，并促进在相邻的部件之间形成密封配置。

所有的参考文献，其中包括专利公报、专利申请、及本文所列举的专利，只要是先前似乎已单独或专门包括到参考文献中或在本文中被整体陈述的每份参考文献都被同等地归为参考文献。

除非本文另外指出或者明显与正文相矛盾，否则在说明本发明的正文(尤其是后面权利要求书的正文)中使用术语“一个”和“这个”及类似对象都认为既包括一个，也包括多个。除非另外指出，否则术语“包括”、“具有”、“其中包括”、和“包含”都可以认为是无限制的术语(意思是指“其中包括，但不限于”)。除非本文另外指出，否则本文数值范围的叙述仅仅是单独涉及该范围内的每个个别数值的速记法，而且每个个别数值都会像在本文中单独列举的那样，包含在说明书中。除非本文另外指出或者明显地与本文矛盾，否则本文所说明的所有方法都可以用任何合适的程序实施。除非另外要求，否则使用本文所提供的单个和所有例子、或者示例性语言(比如，“如”)都仅仅是为了更好地例证本发明，并且对本发明的范围不构成限制。在本说明书中没有语言应被认为是暗示对本发明的实践来说是不可缺少的任何根据权利未提出要求的要素。

本文说明本发明的优选实施例，这些实施例包括对发明人来说是已知的实施本发明的最佳方式。对该领域的技术人员来说，一旦阅读了上述说明书，就可以认定那些优选实施例的各种变动是显而易见的。本发明人期待熟练的工匠们把应用这些变动看作是适宜的，而且本发明人还力求用与本文具体说明的不同方式来实施本发明。因此，本发明包括可适用的法律所允许的、附后的权利要求书中列举的主题的所有改进和等效物。另外，除非另外指出或与本文有明显矛盾，否则本文的所有可能变动中的上述要素的任一组合都是本发明所包含的。

Claims (20)

1.一种用于密封流量调节阀的密封件，所述密封件包括：

入口，所述入口被构造成与流量控制装置配合；

出口，所述被构造成与外壳配合；和

褶合件，所述褶合件形成在密封壁中，并置于入口和出口之间，当跨越褶合件的压差增大时，褶合件使密封壁扩张。

2.如权利要求1所述的密封件，其中，当跨越褶合件的压差减小时褶合件收缩。

3.如权利要求1所述的密封件，其中，入口是抛物面形和鞍形中的至少一种。

4.如权利要求1所述的密封件，其中，入口具有形成入口表面的径向向外伸出的入口凸缘。

5.如权利要求1所述的密封件，其中，褶合件径向向外伸出离开在入口和出口之间延伸的通道。

6.如权利要求1所述的密封件，其中，褶合件被构造成当跨越褶合件的压差增大时径向向内移动。

7.如权利要求1所述的密封件，其中，入口、出口、和褶合件在密封件本体中相互整体成形。

8.如权利要求7所述的密封件，其中，密封件本体由弹性材料制成。

9.如权利要求1所述的密封件，其中，密封件还包括在入口和出口之间延伸的通道。

10.一种用于防止在流量调节阀的下游部分中漏泄的密封件，包括：

成型的入口，所述成型的入口被构造成与流量控制装置密封地配合；

出口，所述出口被构造成与外壳密封配合；和

褶合件，所述褶合件形成在密封壁中，并置于入口和出口之间，褶合件响应于跨越密封壁和褶合件中至少一个的压差而进行扩张和收缩中的至少一种以朝流量控制装置偏压入口，并朝外壳偏压出口。

11.按照权利要求10所述的密封件，其中，当压差增大时褶合件则扩张，而当压差减小时则收缩。

12.如权利要求10所述的密封件，其中，成形的入口是抛物面形和鞍形中的至少一种。

13.如权利要求10所述的密封件，其中，当压差减小时褶合件径向向外伸出离开一通道，而当压差增大时呈现为平的且平行于通道。

14.如权利要求10所述的密封件，其中，入口、出口、和褶合件相互一体地形成进入弹性体材料制成的密封件本体中。

15.一种流量调节阀，其用于选择性地给流体确定路线，所述流量调节阀包括：

外壳，所述外壳限定一内腔，所述外壳包括与内腔流体连通的入口和出口；

流量控制装置，所述流量控制装置可旋转地设置在内腔内，流量控制装置限定通常是径向的通道，所述径向通道被构造成在入口和出口之间提供选择性的流体连通；和

密封件，所述密封件置于在流量控制装置和出口之间，所述密封件具有上游表面和下游表面，所述上游和下游表面被通道和褶合件间隔开，褶合件形成在密封壁中，当跨越密封壁的压差增大时，褶合件渐增地朝流量控制装置偏压上游表面，并朝出口方向偏压下游表面。

16.如权利要求15所述的流量调节阀，其中，通过将流量控制装置朝关闭位置转动，跨越密封壁的压差被增加。

17.如权利要求15所述的流量调节阀，其中，当流量调节装置将流体导入内腔时跨越密封壁的压差被增加。

18.如权利要求15所述的流量调节阀，其中，上游表面、下游表面和褶合件由弹性材料相互整体形成。

19.如权利要求15所述的流量调节阀，其中，流量控制装置是可旋转的圆柱体，所述圆柱体具有一从其穿过的通常是径向的通道。

20.如权利要求15所述的流量调节阀，其中，上游表面具有抛物面外形，所述抛物面外构造成与流量控制装置的圆形周边配合。

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