CN101517287A - 一种尤其用于超高纯度气体瓶子的阀 - Google Patents

一种尤其用于超高纯度气体瓶子的阀 Download PDF

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Abstract

一种用于加压或液化气体的阀，该阀包括具有气流通道(16)的阀体(12)，以及位于该通道中的密封座(30)，该通道与封闭件(32)配合，该封闭件(32)具有设置有肩部(62)的自由端(60)。该封闭件(32)的自由端(60)上装配有环形密封垫(64)，该环形密封垫(64)具有面对密封座(30)的前端面(66)和靠在封闭件的肩部(62)上的后端面(68)。定位环(70)周向环绕环形密封垫(64)并且包括抵压在所述环形密封垫(64)的前端面(66)的外缘上的径向凸边(72)。环形密封垫(64)的前端面的边缘上包括外部环形肩部(74)，而且定位环(70)的径向凸边(72)具有面对环形密封垫(64)的外部环形肩部(74)的环形凸缘(76)。定位环(70)通过密封外部周向焊缝(77)固定在封闭件(32)上，从而使环形凸缘(76)轴向伸入环形密封垫(64)的外部环形肩部(74)中以压紧该外部环形肩部(74)。

Description

一种尤其用于超高纯度气体瓶子的阀
技术领域
本发明涉及一种尤其用于气体或者液化气的瓶子(或气罐)的阀。该阀尤其适用于储有超纯气体的应用。
背景技术
如今，某些行业对特殊气体日益广泛的使用以及对高纯度的需求导致阀系统、阀门以及用于气体分配的其它设备的生产商的持续不断的努力，以改善他们产品的质量和完善性。
对于半导体行业，例如，由于气体中的杂质不可挽回地影响部件的电性能并因此也减少了产品产量，因此开发出了用于高质量气体的分配系统。然而，这些气体昂贵、高度活跃、有腐蚀性并/或有毒，因此，迫切需要可靠且合适的设备。
尽管做了这些努力，在要求高纯度的应用中通常使用的某些阀的设计并不能完全满足要求。这种类型的阀例如包括具有气流通道的阀体，阀体内设置有密封座。下部杆的端部充当封闭件并因此包括安装在环形凹槽内的由聚合材料制成的环形密封垫。环形凹槽的内侧由下部杆的自由端限定而其外侧由定位环限定。
通常采用两种类型的组装来固定密封垫。在第一种情况下，定位环的接触环形密封垫的面包括一组用于咬住密封垫的齿并因此固定密封垫，用力将密封垫嵌入环形凹槽内。可选择地，环形密封垫安装在下部杆自由端周围，然后通过螺拧或镶嵌将环固定到下部杆上，以使环环绕环形密封垫的外围。在这种情况下，定位环可以包括伸入聚合密封垫前面外缘的径向凸边。
如前所述，应用高纯度(HP)和超高纯度(UHP)意味着对纯度和密封性的更高要求。然而，在上面提到过的设计中，齿的存在意味着对密封垫的磨损，这将产生微粒并造成死空间(未被密封垫占据的空间)。对于带有螺纹的环，螺纹处不能保证密封性，而且螺纹上的任何磨擦也可能产生微粒。此外，当螺拧环时会对环形密封垫施加扭力，这将导致密封垫的变形。最后，当镶嵌装配时，既不可能保证装配密封性也不能精确地控制环形密封垫的固定。
因此，现有设计包括死空间和可能泄露的区域，这些都不希望出现在纯气体和超纯气体的应用中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更适合HP和UHP应用要求的阀。根据本发明，通过根据权利要求1的阀实现该目标。
根据本发明，一种用于压缩气体或者液化气体的阀，该阀包括：阀体，该阀体设置有在入口和出口之间延伸的气流通道；和设置在所述气流通道内的第一密封座。与第一密封座配合的封闭件具有设置有肩部的自由端。由聚合材料制成的环形密封垫装配在封闭件的自由端上，所述环形密封垫具有面对第一密封座的前端面和靠在封闭件本体的肩部上的后端面。固定在封闭件上的定位环周向环绕环形密封垫并包括抵压在所述环形密封垫前端面的外缘上的径向凸边。封闭件能够朝向第一密封座轴向移至第一密封位置，在第一密封位置处，环形密封垫压靠第一密封座从而保证阀的主要密封性。
根据本发明的重要特征，环形密封垫前端面的边缘上包括外部环形肩部，而且定位环的径向凸边具有面对环形密封垫的外部环形肩部的环形凸缘。定位环通过外部周向密封焊缝固定在封闭件上，从而使环形凸缘轴向伸入环形密封垫的外部环形肩部中以便压紧外部环形肩部。
在根据本发明的阀中，环形密封垫因而限定在由封闭件的自由端和端部以及定位环限定的环形凹槽内。当环形密封垫压靠在密封座上时，这种类型的限定能够控制环形密封垫的挤压/变形。
此外，设置在定位环的径向凸边上的环形凸缘能够将环形密封垫全部压到环形凹槽内，因此填充了整个空间并消除了可能存留气体的死空间。此处应当注意，环形密封垫和凹槽的尺寸被选择为使压缩力最初由环形凸缘产生。因此，当装配定位环时，将通过环形凸缘压缩环形密封垫。环形凸缘的另一个优点在于通过环形密封垫局部创建强压缩区，这形成密封屏障。
最后，通过在整个圆周上的密封焊缝的固定构成了不能通过镶嵌或螺接实现的环形密封垫后面的密封性保证。由于精度、热量控制以及实践的原因，优选使用激光装置进行焊接操作。焊接可以在有供料或没有供料的情况下进行。也可以采用其它能够实现精确焊接的焊接技术，例如使用电子束。同样应当注意的是，通过焊接固定定位环能够在不给环形密封垫施加任何压力(除了由环形凸缘产生的压力之外)的情况下将定位环简单地装配到封闭件本体上，因此避免了装配过程中的任何损坏。
根据一个实施例，封闭件的自由端包括径向伸入环形密封垫的内部环形肩部中的端部径向凸出部分。封闭件的自由端可以是从肩部向径向凸出部分尺寸递减的圆锥台形状。该端部径向凸出部分有两个目的：(1)当装配环形密封垫时，能够将环形密封垫保持在适当的位置；(2)一旦将定位环焊接上去，该凸出部分产生密封屏障效果，该效果类似于通过在定位环凸边上的环形凸缘而获得的密封屏障。因此，在该实施例中，环形密封垫限定在环形凹槽内，环形凹槽的入口有两个密封屏障以防止气体流向环形密封垫后面。
优选地，定位环和封闭件之间的周向外部焊缝相对于肩部轴向靠后设置。因此，封闭件可以包括环绕环形密封垫所抵靠的肩部但相对所述肩部轴向靠后设置的外围环形肩部，然后在该外围环形肩部处将定位环焊接到封闭件上。轴向位移使得焊接能够在离密封垫一定距离处进行，因此保证热量不会损坏密封垫。
有利地，阀体包括环绕通道的第二密封座，封闭件本体能够从第一密封位置轴向移动到第二密封位置处，在第二密封位置，所述自由端抵靠第二密封座上，从而与所述第二密封座构成金属密封。该第二密封座的存在对UHP应用尤其有利，其中气体是昂贵的且通常有毒，因为即使环形密封垫损坏或者脱落(由于磨损或者过紧的力)、或者消失(在燃烧后)，仍能通过金属密封密封阀门。
可以理解的是，通常设计这种类型的第二密封座以使第一密封座环绕该第二密封座，而且自由端的位于第二密封座上的部分的横截面大于所述第二密封座处的气流通道的横截面。
实际上，用于使封闭件从第一密封位置移动到第二密封位置的轴向位移小于0.3mm，优选约为0.1mm。
通常，使用包括轴向控制杆的控制件来控制封闭件，轴向控制杆用于向封闭件传递至少一种轴向驱动力。控制件可以是人工控制或者是自动控制类型的(例如，气动的或者用电磁铁操纵)。
根据一个实施例，封闭件包括用于操纵封闭件的轴向杆部，轴向杆部可以与控制件的控制杆形成为一体或者与之相接。控制杆与所述封闭件的所述轴向杆部之间的可分离的刚性连接优选地是为了使用的灵活性。
因此，根据本发明的阀经证明尤其适用于超高纯度的应用，具体地说，是由于其封闭件的良好密封性并且没有死空间。为了用作储气瓶的阀，将阀体设计成能固定到瓶子上，而且通道的入口通常通向瓶子内部。但是，本发明的阀也可用作用于(流体)气体分配系统中的通道阀/阀门。在这种情况下，优选地，将会改变阀体以使入口和出口能连接到气体分配系统的管子或其它部件上。
附图说明
参照附图，本发明的其它特征和特性从下面对优选实施例示意性的详细描述中将变得显而易见。在附图中：
图1是根据本发明的阀的优选实施例的纵向剖面图，其中，封闭件处于主要密封位置；
图2是封闭件的纵向剖面图；
图3是A处的细节放大图；
图4是封闭件的分解剖面图；
图5是无定位环情况下的封闭件的剖面图。
具体实施方式
图1示出了本发明的阀10的优选实施例的纵向剖面图，该阀包括分别标识为12和14的阀体和人工控制件。设计阀体12以便旋拧在储气瓶上(未图示)，而且阀体包括在气体入口18和气体出口20之间延伸的气流通道16。
在本实施例中，气流通道16由将入口18连接至阀腔24的入口通道22和将该阀腔连接至出口20的出口通道26构成。入口通道22贯通阀体12的设置有使阀能旋拧在瓶子上的螺纹(未图示)的下部。出口通道26通向形成接头28的部分中。
通向腔24的入口通道22的端部由包括环形密封表面的第一密封座30环绕，该环形密封表面与封闭件32配合，以便根据封闭件32的轴向位置允许气体流向出口通道26，或者以密封的方式封闭入口通道22并因此防止气体通过通道16。如前所述，通过控制件14的控制杆34沿轴向操纵封闭件32，控制杆通过中间杆38与封闭件32的杆部36接合。
腔24朝向控制件14的密封通常通过挠性薄膜40(塑料的或者金属的)来实现。如图1和3中能看出的，该薄膜40围绕杆34的部分并延伸至腔24的外围，该薄膜在腔24的外围由定位件42定位，定位件本身由密封套44定位，密封套通过旋拧牢固地固定在阀体12的孔46中。
由于封闭件的驱动是常规方式，因此将简单描述。杆部36包括外螺纹，杆部通过该外螺纹旋拧到中间杆38的凹槽48内表面的螺纹上。中间杆38自身连接至控制杆34的下端，以使中间杆可轴向移动地与控制杆连接在一起而不会转动。控制杆34包括与密封套44的内螺纹配合的外螺纹。操纵件50固定在控制杆34的上端。根据操纵件转动的方向，控制杆在密封套44的螺纹上向上或者向下移动，因此引起封闭件32轴向移动靠近或者远离密封座30。
更具体地参照图2和4，可以理解的是，封闭件32包括具有自由端60和肩部62的本体33。由聚合材料制成的环形密封垫64(也称作圆盘(pastille))围绕该自由端60而设置；环形密封垫64具有面对密封座30的前端面66和靠在封闭件32本体的肩部62上的后端面68。定位环70周向环绕环形密封垫64并包括抵靠在环形密封垫64的前端面66的外缘上的径向凸边72。尤其应当认识到环形密封垫64的前端面66的边缘上包括外部环形肩部74，而且定位环70的径向凸边72具有面对环形密封垫64的外部环形肩部74的环形凸缘76。定位环70通过外圆周密封焊缝77固定在封闭件32上，使得环形凸缘76轴向伸入环形密封垫64的外部环形肩部74中以便压紧该外部环形肩部。
因此，封闭件32包括限定在由自由端60、肩部62和定位环70限定的环形凹槽内的环形圆盘64，当圆盘压靠在密封座30上时定位环能够使得圆盘很好地保持住，因此形成阀的主要密封(在第一密封位置)。事实上，如从图3看到的，当环形密封垫压靠在密封座30上时，环形密封垫能很好地保持在径向凸边72和自由端60之间的环形凹槽的狭窄出口处。
封闭件的设计还保证了改善的密封性。首先，设置在定位环70的径向凸边72上的环形凸缘76将环形密封垫64压在环形凹槽内，使环形密封垫填充了整个空间。环形密封垫64和环形凹槽的尺寸优选地被选择为使得当环形密封垫处于适当的位置时压缩力最初由环形凸缘76产生。通过参照图4和图5将能更好地理解这种情形。实际上，环形密封垫最初的形状(横剖面)基本上与环形凹槽的形状相符，当装配上定位环以后环形密封垫将限定在该凹槽内。因此，环形密封垫套在本体33的自由端60上使得环形密封垫的后端面68压靠肩部62。应当注意，端部径向凸出部分78径向伸入环形密封垫64的内部环形肩部80内，端部径向凸出部分的功能之一是在组装过程中保持环形密封垫64环绕自由端60。设置径向凸出部分78的尖的上棱边以便抓紧会朝向底部轴向移动的密封垫64并更好地保持它。
然后将定位环安置在封闭件的本体33上并焊接上去。为此，轴向向上推动环(如图4所示)使其地抵靠本体33并因此使得凸缘76伸入环形密封垫64的肩部74内。当将环推在适当的位置时，由该凸缘引起的变形/压力将会在环形凹槽内产生密封垫64的过压缩，并促使密封垫完全占据凹槽的内部空间，因此消除了死空间。
环形凸缘76的另一个作用是与环形密封垫64一起局部地产生了强压缩区域，这形成了密封屏障。
定位环70的焊缝通过焊接定位环70的整个圆周来实现，以便保证将定位环牢固且密封地固定在封闭件32的本体33上。因此该焊缝以密封的方式封闭住环形密封垫64后面的区域，通过旋拧环或者镶嵌环不可能获得这种效果。
基于精度和热控制的原因，优选采用激光装置实施焊接。为避免环形密封垫被焊接过程中的热量损坏，相对于肩部62轴向靠后进行焊接。如从附图中看出的，在围绕肩部62的本体33的外围环形肩部82处进行外部圆周焊接，但该焊接相对于所述肩部62轴向靠后。
最后，一旦环70安装在适当的位置处，径向凸出部分78的尖上棱边也产生类似于在凸缘76处获得的密封屏障效果。
由于定位环70被密封焊接并且两个密封屏障防止气体流向密封垫64的后部，该设计保证了封闭件32的极好的密封。而且，该结构避免了在环形密封垫64后面形成倾向于将所述环形密封垫从环形凹槽中挤压出的气体压力。
再次参照图3，可以看出径向凸出部分78的下部边缘优选设计成圆锥形的环形密封表面86，以便通过轴向移动封闭件从第一密封位置进入第二密封位置，从而当该表面位于围绕管道16的第二密封座88(图3)上时形成第二密封(金属/金属)，在第一密封位置中在密封垫64和密封座30之间形成密封。如可以看出的，第二密封座88被第一密封座30环绕并包括圆形边棱形状的密封表面。
为使封闭件从第一密封位置进入第二密封位置，可以预留小于0.3mm的轴向位移，优选约0.1mm。
经证明该第二密封的特别有利之处在于：即使在损坏的情况下或者当密封垫消失(例如火烧之后)时，其仍保证了阀的密封封闭。
环形密封垫由聚合材料制成，优选由具有低气体渗透性和高压下的低挤压性的热塑性聚合物制成。尤其，环形密封垫可以由PCTFE、(Dupont)、
Figure A20078003607000132
(Saint-Gobain)、PVDF制成。

Claims (13)

1.一种尤其用于加压或液化气体的瓶子的阀，包括：
阀体(12)，包括气流通道(16)；
第一密封座(30)，设置在所述气流通道(16)内；
封闭件(32)，具有设置有肩部(62)的自由端(60)；
环形密封垫(64)，装配在所述封闭件(32)的所述自由端(60)上，所述环形密封垫(64)具有面对所述第一密封座(30)的前端面(66)和靠在所述封闭件(32)的所述肩部(62)上的后端面(68)；
定位环(70)，周向环绕所述环形密封垫(64)并且包括抵压在所述环形密封垫(64)的所述前端面(66)的外缘上的径向凸边(72)；
所述封闭件(32)能够朝向所述第一密封座(30)轴向移至第一密封位置，在所述第一密封位置处，所述环形密封垫(64)压靠所述第一密封座(30)以保证所述阀的主要密封性；
其特征在于
所述环形密封垫(64)的前端面的边缘上包括外部环形肩部(74)；
所述定位环(70)的所述径向凸边(72)具有面对所述环形密封垫(64)的所述外部环形肩部(74)的环形凸缘(76)；并且所述定位环(70)通过外部周向密封焊缝(77)固定在所述封闭件(32)上，从而使所述环形凸缘(76)轴向伸入所述环形密封垫(64)的所述外部环形肩部(74)中以压紧所述外部环形肩部。
2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述封闭件(32)的所述自由端(60)包括径向伸入所述环形密封垫(64)的内部环形肩部(80)中的端部径向凸出部分(78)；所述封闭件(32)的所述自由端(60)呈圆锥台形，所述圆锥台形从所述肩部(62)朝向所述径向凸出部分(78)的方向逐渐变窄。
3.根据权利要求1或2所述的阀，其特征在于，所述定位环(70)与所述封闭件(32)之间的所述周向外部密封焊缝(77)相对于所述封闭件的所述肩部(62)轴向靠后设置。
4.根据权利要求3所述的阀，其特征在于，所述封闭件(32)包括环绕所述肩部(62)但相对所述肩部轴向靠后设置的外围环形肩部(82)；并且所述定位环(70)在所述外围环形肩部(82)处焊接在所述封闭件(32)上。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的阀，其特征在于，使用激光装置实现所述周向外部密封焊缝(77)。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的阀，其特征在于，所述阀体(12)包括环绕所述通道(16)的第二密封座(88)，所述封闭件(32)能够从所述第一密封位置轴向移动到第二密封位置处，在所述第二密封位置处，所述自由端(60)抵靠所述第二密封座(88)上以与所述第二密封座形成金属密封。
7.根据权利要求6所述的阀，其特征在于，所述第一密封座(30)环绕所述第二密封座(88)。
8.根据权利要求6或7所述的阀，其特征在于，所述自由端(60)的位于所述第二密封座(88)上的部分(86)的横截面大于所述第二密封座处的所述气流通道的横截面。
9.根据权利要求6、7或8所述的阀，其特征在于，用于将所述封闭件(32)从所述第一密封位置移至所述第二密封位置所需要的轴向位移小于0.3mm，优选约为0.1mm。
10.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其特征在于，一控制件(14)安装在所述阀体(12)上，并且所述控制件包括用于向所述封闭件(32)传递至少一种轴向驱动力的轴向控制杆(34)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的阀，其特征在于，所述封闭件(32)包括用于操纵所述封闭件的轴向杆部(36)。
12.根据权利要求10和11所述的阀，其特征在于，所述控制杆(34)与所述封闭件(32)的所述轴向杆部(36)之间可分离地刚性接合。
13.一种根据上述权利要求中任一项所述的阀的用途，如用作储气瓶的阀，或者用作气体分配管道内的通道阀门，尤其用于超高纯度气体的应用。
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