CN101663627A - 用于气体调节器的改进流动阀口 - Google Patents

Abstract

一种流体调节装置包括包含阀口的阀体，所述阀口限定从入口部向出口部会聚的伸长的孔道。所述会聚孔道将边界层分离的影响最小化并有利地使所述阀口的流动能力最大化。所述伸长的孔道能够由拧到所述阀体中的一件式主体限定，或者由可滑动地设置在拧到所述阀体中的壳体中的插装筒限定。所述流体调节装置进一步包括基于隔膜的致动器，该致动器包括可动地设置在所述阀体内用于控制通过其中的流体流动的控制构件。

Description

用于气体调节器的改进流动阀口

相关申请的交叉引用

本文要求提交于2007年4月20日、名称为“用于气体调节器的改进流动阀口”的美国临时专利申请60/913,123的优先权，且其整个内容通过引用清楚地并入本文。

技术领域

本发明涉及气体调节器，更具体而言，涉及具有带有可移除阀口的调节阀的气体调节器。

背景技术

典型的气体分配系统输送气体所在的压力可以根据系统的需求、气候、供应源和/或其他因素改变。然而，大多数配备有例如熔炉、烤炉等煤气设备的终端用户设备需要根据预定压力、并在安装在系统中的气体调节器的最大容量或低于该最大容量时输送气体。这种气体调节器被应用于这些分配系统，以确保输送的气体满足终端用户设备的需求。传统气体调节器大体上包括进行检测并控制输送气体的压力的闭环控制机构。

除了闭环控制之外，一些传统气体调节器包括安全阀。该安全阀例如在调节器或流体分配系统的某一其他部件出现故障时提供过压保护。因此，如果输送压力上升超过预定的阈值压力，则安全阀打开，从而将至少一部分气体排放到大气，由此降低系统的压力。

图1图示一个传统气体调节器10。该调节器10大体上包括致动器12和调节阀14。调节阀14限定入口16、出口18和喉部11。入口16用于接收例如来自气体分配系统的气体。出口18用于将气体输送到例如具有一个或多个煤气设备的工厂、餐馆、公寓大楼等终端用户设备。此外，调节阀14包括由喉部11支撑并设置在入口16和出口18之间的阀口136。气体必须通过阀口136，从而在调节阀14的入口16和出口18之间行进。

致动器12被连接到调节阀14，以确保调节阀14的出口18处的压力，即出口压力，与期望出口压力或控制压力一致。为此，致动器12通过阀嘴34和致动器嘴20与调节阀14流体连通。致动器12包括对调节阀14的出口压力进行检测和调节的控制组件22。具体地，控制组件22包括隔膜24、活塞32和具有阀盘28的控制臂26。阀盘28包括大致柱状的主体25和固定到该主体25的密封插件29。隔膜24检测调节阀14的出口压力。控制组件22进一步包括控制弹簧30，该控制弹簧30与隔膜24的顶侧接合以抵消检测到的出口压力。相应地，期望出口压力(也可被称为控制压力)通过控制弹簧30的选择进行设定。

隔膜24通过活塞32被可操作地连接到控制臂26，从而被连接到阀盘28，并基于检测到的出口压力来控制调节阀14的开启。例如，当终端用户操作例如熔炉等对调节器10下游的气体分配系统施加需求的设备时，出口流动增大，从而降低出口压力。相应地，隔膜24检测到这种降低的出口压力。这使得控制弹簧30伸展并使活塞32和控制臂26的右侧相对于图1的方向向下移动。控制臂26的这种位移使阀盘28移动远离阀口136，从而打开调节阀14。如此构造，所述设备能够根据操作所需的需求通过阀口136将气体朝调节阀14的出口18抽吸。

图1A图示传统调节阀10的安装在图1所示的调节阀14的喉部11内的传统阀口136。图1A所示的阀口136包括具有阀座138、六角形螺母部140和主体部142的一件式主体。阀座138从螺母部140伸出，并适于与阀盘28接合以关闭调节阀14。主体部142包括与调节阀14的喉部11螺纹啮合的多个外螺纹143。如此构造，阀口136能够从调节阀14移除，以能够被替换成具有不同结构的不同阀口，从而使调节阀14的操作和流动特性适合具体应用。

此外，图1A所示的传统实施例的阀口136限定用于允许气体通过调节阀14的细长的孔道144。孔道144为包括入口144a和出口144b的具有基本上均匀直径D1的柱形孔。入口144a包括倒角内表面148。如此构造，气体按照由图1A中的流动箭头146所指的流动路径流过阀口136。更具体地，气流进入孔道144的入口144a，然后离开出口144b。然而，由于流体动力学的基本概念，例如边界层效应，气流沿着所示的流动箭头146，该流动箭头146从孔道144的侧壁朝向出口144b分离。因此，孔道144具有由从出口144b排出的气流限定的有效直径D2。该有效直径D2小于实际直径D1。因此，孔道144和阀口136的最大潜在流动能力未被实现。

图2图示适于提供主级密封和次级或辅助密封的可替换的传统阀口236。阀口236大体上包括壳体260、插装筒262和弹簧264。插装筒262可滑动地设置在壳体260内，并包括入口262a、出口262b和细长的孔道244。孔道244大体上呈柱形，并包括入口部244a和出口部244b。在图2所示的实施例中，入口部244a具有的均匀直径D1稍微大于出口部244b的均匀直径D2。另外，在所示的实施例中，插装筒262的入口262a包括倒角内表面292。弹簧264将插装筒262偏压到图2所示的位置，这对应于阀口236提供主级密封，如下所述。如此构造，气体按照由流动箭头246指示的流动路径流过传统阀口236。更具体地，气流进入孔道244的入口部244a，然后离开出口部244b。然而，由于流体动力学的基本概念，例如边界层分离，气流沿着流动箭头246流动。具体地，当气体到达孔道244的出口部244b时与孔道244的侧壁分离。因此，孔道244的出口部244a具有由从出口部244b排出的气流限定的有效直径D3。该有效直径D3小于实际直径D1。因此，与上述参见图1A的阀口136相似，孔道244和阀口236的最大潜在流动能力未被完全实现。

继续参见图2，壳体260包括具有六角形螺母部266、主体部268和遮挡部270的中空、大致柱形的壳体。主体部268包括容纳插装筒262的内孔274。主体部268进一步包括多个螺纹272，用于螺纹连接到调节阀14的喉部11，如所示。因此，壳体262的螺母部266适于通过例如气动棘轮的工具接合，从而将阀口236安装到调节阀14的喉部11中。遮挡部270包括通过一对支腿282与壳体262的主体部268隔开的板280。板280包含包括例如橡胶表面273的次级阀座271。如此构造，遮挡部270在壳体260中限定一对窗口284。窗口284允许气体流入阀口236并流过调节阀14。

因此，在正常操作状态，插装筒262的出口262b用作主级阀座，并适于与控制组件22的阀盘28接合，从而停止通过调节阀14的流体流动。然而，当阀盘28试图密封插装筒262时，碎屑或一些其它类型的异物沉积在阀盘28和插装筒262的出口262b之间，主级密封不能停止通过阀口236的气体流动。于是，调节器10下游的压力即出口压力增大。隔膜24检测到这种压力的增大，进一步导致阀盘28受到朝向阀口236的力。该力最终克服弹簧264的力，并将插装筒262移位到壳体260中，使得入口262a接合次级阀座271的橡胶表面273。如此构造，壳体260的次级阀座271密封入口262a，并阻挡气体流过壳体260的窗口284，从而防止气体流过插装筒262和调节阀14。

然而一旦对系统施加下游需求，隔膜24检测到出口压力的下降并使阀盘28移动远离阀口236。弹簧264偏压插装筒262回到图2所示的位置，并且任何之前沉积在阀盘28和插装筒262的出口262a之间的碎屑排出并向下游流动。

重新参见图1且如上所述，传统调节器10进一步起安全阀的作用。具体地，控制组件22包括安全弹簧40和泄放阀42。隔膜24包括贯穿其中央部分的开口44，活塞32包括密封杯38。安全弹簧40被设置在活塞32和隔膜24之间，用于在正常操作过程中正对密封杯38偏压隔膜24以关闭开口44。一旦发生故障，例如控制臂26发生断裂，控制组件22不再直接控制阀盘28，通过调节阀14的流动将阀盘28移动到最大开启位置。这使得最大量的气体流入致动器12。因此，随着气体充满致动器12，压力正对隔膜24聚集，迫使隔膜24远离密封杯38，从而暴露开口44。气体因此流过隔膜24中的开口44，并流向泄放阀42。泄放阀42包括阀塞46和将阀塞46偏压到如图1所示的闭合位置的释放弹簧54。一旦致动器12内的压力以及接近泄放阀42的压力到达预定的阈值压力，阀塞46克服释放弹簧54的偏压向上移位并打开，从而将气体排放到大气中并减小调节器10中的压力。

选择调节器用于特定应用的一个需要考虑的因素是在设定出口压力或控制压力时使流动能力最大化。然而，如上所述，上述传统阀口136、236的孔道144、244所具有的有效直径小于各自的实际直径，因此，最大的潜在流动能力未被实现。

发明内容

本发明提供调节器和/或用于调节器的阀口。所述调节器大体上包括致动器和阀体。所述致动器包括可移动的阀盘。所述阀口被设置在所述阀体内。所述致动器使所述阀盘相对所述阀口移位以控制通过所述阀体的流体流动。所述阀口包括用于控制通过阀体的流体的孔道。

所述阀口的一个方面可包括具有入口部和出口部的孔道。所述入口部可包括从扩大的入口孔向所述出口部会聚的内侧壁。如此构造，所述入口部迫使流体流过所述阀口，以使流动能力最大化。

根据本发明的所述阀口的另一方面，所述孔道的所述入口部可包括的纵向尺寸远大于所述出口部的纵向尺寸。

本发明的另一方面可进一步包括的阀口包括壳体和可滑动地设置在该壳体内用于提供主级和次级密封的插装筒，其中所述插装筒可限定具有从扩大的入口孔向出口会聚的内侧壁的孔道。如此构造，会聚的侧壁迫使流体流过所述阀口，以使流动能力最大化。

附图说明

图1为包括一个传统阀口的传统调节器的侧面剖视图；

图1A为从图1的圆I-A截取的包括图1的传统阀口的图1的调节器的调节阀的侧面剖视图；

图2为适用于图1的调节器的另一个传统阀口的侧面剖视图；

图3为包括阀口的调节器的侧面剖视图，该调节器和阀口根据本发明的第一实施例构造；

图3A为从图3的圆III-A截取的图示本发明第一实施例的阀口的图3的调节器的调节阀的侧面剖视图；

图4为根据本发明的第二实施例构造的阀口的侧面剖视图；以及

图5为根据本发明的第三实施例构造的用于阀口中的插装筒的侧面剖视图

具体实施方式

图3图示按照本发明的一个实施例构造的气体调节器300。该气体调节器300大体上包括致动器302和调节阀304。调节阀304包括用于接受例如来自气体分配系统的气体的入口306，以及用于将气体输送到例如具有一个或多个用具的设备的出口308。致动器302被连接到调节阀304，并包括具有控制构件327的控制组件322。在第一或正常操作模式，控制组件322检测调节阀304的出口308处的压力，即出口压力，并控制控制构件327的位置，以使出口压力近似等于预定的控制压力。另外，一旦在系统中发生失效，例如控制组件322的部件之一发生断裂，调节器300起安全功能，该安全功能大体上与以上参见图1所示的调节器10的安全阀42所述的安全功能相似。

继续参见图3，调节阀304进一步限定喉部310和阀嘴312。喉部310被设置在入口306和出口308之间，并容纳阀口336。阀嘴312限定沿与调节阀304的入口306和出口308的轴线大致垂直的轴线设置的开口314。阀口336包括入口端350、出口端352和在入口端350和出口端352之间延伸的细长的孔道344。气体必须穿过阀口336中的孔道344，从而在调节阀304的入口306和出口308之间行进。阀口336能够从调节阀304移除，以能够被替换成具有不同结构的不同阀口，从而使调节阀304的操作和流动特性适合具体应用。

致动器302包括壳体316和控制组件322，如上所述。壳体316包括例如通过多个紧固件(未示出)紧固在一起的上壳体部件316a和下壳体部件316b。下壳体部件316b限定控制腔318和致动器嘴320。致动器嘴320被连接到调节阀304的阀嘴312，从而在致动器302和调节阀304之间提供流体连通。在公开的实施例中，调节器300包括将嘴312、320紧固在一起的凸缘311。上壳体部件316a限定安全腔334和排气口356。上壳体部件316a进一步限定用于容纳控制组件322的一部分的塔状部358，如下所述。

控制组件322包括隔膜子组件321、盘子组件323和安全阀342。隔膜子组件321包括隔膜324、活塞332、控制弹簧330、安全弹簧340、组合弹簧座364、安全弹簧座366、控制弹簧座360和活塞导承359。

更具体地，隔膜324包括限定有贯通其中央部分的开口344的盘状隔膜。隔膜324由柔性、基本上气密的材料构成，并且，其周界被密封地紧固在壳体316的上下壳体部件316a、316b之间。隔膜324由此将安全腔334和控制腔318隔开。

组合弹簧座364被设置在隔膜324之上，并限定与隔膜324中的开口344同中心设置的开口370。如图3所示，组合弹簧座364支撑控制弹簧330和安全弹簧340。

公开的实施例的活塞332包括具有密封杯部338、轭状部372、螺纹部374和导向部375的大体上细长的杆状构件。密封杯部338呈凹陷和大致盘状，并围绕活塞332的中部沿圆周延伸，还位于隔膜124正下方。轭状部372包括适于容纳联接件335的腔，该联接件335连接到盘子组件323的一部分，以实现隔膜子组件321和盘子组件323之间的连接，如下所述。

活塞332的导向部375和螺纹部374被设置为分别穿过隔膜324和组合弹簧座364中的开口344、370。活塞332的导向部375可滑动地设置在活塞导承359的腔中，这保持活塞332相对于控制组件322的其余部分的轴向对准。安全弹簧340、安全弹簧座366和螺母376被设置在活塞332的螺纹部374上。螺母376将安全弹簧340保持在组合弹簧座364和安全弹簧座366之间。控制弹簧330被设置在组合弹簧座364之上，如所述，并位于上壳体部件316a的塔状部358内。控制弹簧座360被拧到塔状部358中，并压缩控制弹簧330抵靠组合弹簧座364。

在公开的实施例中，控制弹簧330和安全弹簧340包含压缩螺旋弹簧。因此，控制弹簧330抵靠着上壳体部件316a，并对组合弹簧座364和隔膜324施加向下的力。安全弹簧340抵靠着组合弹簧座364，并对安全弹簧座366施加向上的力，该力依次被施加到活塞332上。在公开的实施例中，控制弹簧330产生的力通过调节控制弹簧座360在塔状部358中的位置进行调节，因此调节器300的控制压力也是可调节的。

控制弹簧330反抗隔膜324检测到的控制腔318中的压力。如所述，该压力与存在于调节阀304的出口308的压力相同。相应地，控制弹簧330施加的力将出口压力设定成适于调节器300的期望压力或控制压力。隔膜子组件321通过活塞332的轭状部372和联接件335被可操作地连接到盘子组件323，如上所述。

盘子组件323包括控制臂326和杆导承362。控制臂326包括阀杆378、杠杆380和控制构件327。公开的实施例的控制构件327包括具有支撑表面388的阀盘328。阀杆378、杠杆380和阀盘328被分别构造并组装以形成控制臂326。具体地，阀杆378为具有鼻部378a和凹槽378b的大致线性杆，其在公开的实施例中大体上呈矩形。杠杆380是稍微弯曲的杆，并包括支点端380a和自由端380b。支点端380a包括用于容纳下壳体部件316b承载的枢轴销386的孔384。支点端380a还包括具有椭圆形截面并设置在阀杆378的凹槽378b内的关节387。自由端380b被容纳在与活塞332的轭状部372相连的联接件335的顶部335a和销335b之间。因此，联接件335可操作地将盘子组件323连接到隔膜子组件321。

杆导承362包括大致柱形的外部362a、大致柱形的内部362b和连接内、外部362b、362a的多个径向连接板362c。杆导承362的外部362a的大小和结构被设置为配合在调节阀304和下壳体部件316b的嘴312、320内。内部362b的大小和结构被设置为可滑动地保持控制臂326的阀杆378。因此，杆导承362用于保持调节阀304、致动器壳体316与控制组件322(更具体地，控制组件322的控制臂326的阀杆378)的对准。

图3图示处于正常操作闭合位置的控制组件322，此时在调节器300下游的系统没有施加需求。因此，阀盘328的支撑表面388密封地接合阀口336的出口端352。如此构造，气体不会流过阀口336。因为与壳体316的控制腔318中并由隔膜324检测的压力对应的压力大于控制弹簧330施加的力，因此可以实现这种构造。相应地，出口压力迫使隔膜324、活塞332和阀盘328进入所示的闭合位置。

然而，如果对系统施加操作需求，例如，用户开始操作例如熔炉、烤炉等煤气设备时，该煤气设备从调节器300的控制腔318抽吸气流，从而减小隔膜324检测到的压力。随着隔膜324检测到的压力降低，在隔膜324上的控制弹簧力和出口压力之间出现力的不平衡，使得控制弹簧330伸展，并将隔膜324和活塞332相对壳体316向下移位。这导致杠杆380围绕枢轴销386顺时针方向旋转，依次使关节387相对阀杆378中的凹槽378b旋转。这使阀盘328移动远离阀口336的出口端352，从而打开调节阀304。如此构造，气体分配系统能够在控制弹簧330设定的控制压力下通过调节阀304将气体输送到下游煤气设备。另外，隔膜子组件321继续检测调节阀304的出口压力。只要出口压力近似等于控制压力，控制组件322将阀盘328平衡在位于远离阀口336的出口端352的开启位置。

例如，如果出口流动，即需求增加，出口压力将降低到控制压力以下，隔膜检测到出口压力的下降，弹簧330伸展，并使隔膜324和活塞332向下移动，以使阀盘328移动远离阀口336并进一步打开调节阀304。然而，可替代地，如果出口流动减小，即需求减小，出口压力将增大超过控制弹簧330设定的控制压力。因此，隔膜324检测到增大的出口压力，并反抗控制弹簧330的偏压向上移动，以移动阀盘328返回朝向阀口336。相应地，如果下游需求完全停止，气体将继续流过调节阀304，使得下游压力充分增大，从而移动阀盘328与阀口336的出口端352接合，如所示。

图3A图示根据本发明一个实施例构造的图3的阀口336。该阀口336与以上参见图1A所述的传统阀口136相似包括一件式主体。阀口336包括阀座338、六角形螺母部340和主体部342。阀座338从螺母部340伸出，并适于与阀盘328的支撑表面388接合，以关闭调节阀304并防止气流通过调节器300，如图3所示。主体部342包括与调节阀304的喉部310螺纹啮合的多个外螺纹343。六角形螺母部340适于与例如气动棘爪的工具接合，从而将阀口336安装到调节阀304中。另外，如所示，阀口336限定细长的孔道344，用于允许气体通过调节阀304，如上所述。相应地，阀口336能够从调节阀304移除，以能够被替换成具有不同结构的不同阀口，从而使调节阀304的操作和流动特性适合具体应用。

图3A所示的实施例的阀口336的孔道344限定入口孔347、过渡孔349、出口孔351、入口部344a和出口部344b。入口孔347被设置为靠近阀口336的入口端350，并且出口孔351被设置为靠近阀口336的出口端352。入口部344a在入口孔347和过渡孔349之间延伸。出口部344b在过渡孔349和出口孔351之间延伸。在公开的实施例中，入口孔、过渡孔和出口孔347、349、351能够具有圆形截面。过渡孔和出口孔349、351具有共有直径D1。因此，孔道344的出口部344b包括与过渡孔和出口孔349、351的直径D1相等的大体上均匀的直径D1。

然而，公开的实施例的入口孔347具有的直径D2大于过渡孔和出口孔349、351的直径D1。因此，公开的实施例的入口部344a包括从入口孔347向过渡孔349大体上均匀会聚的侧壁345。因此，在一个实施例中，入口部344a的侧壁335能够是截头圆锥形或锥形的侧壁。在公开的实施例中，侧壁345可以以近似15°到近似75°的角度α会聚，并且在至少一个实施例中以近似45°的角度α会聚。

另外，在公开的实施例中，入口孔347的直径D2可以比过渡孔和出口孔349、351的直径D1大近似10％到近似150％。更进一步，公开的实施例的入口部344a构成孔道344的大部分长度。例如，入口部344a包括的纵向尺寸L1大于出口部344b的纵向尺寸L2。在一个实施例中，入口部344a的纵向尺寸L1可以比出口部344b的纵向尺寸大近似10％到近似150％，并且在至少一个实施例中大近似100％。

然而，在可替代的实施例中，入口孔、过渡孔和出口孔347、349、351的直径可以不限于以上提供的范围。在更进一步的可替代实施例中，入口部和出口部344a、344b可以被设置成入口部344a的纵向尺寸L1可以等于或小于出口部344b的纵向尺寸L2。不论具体结构如何，本实施例的孔道344通过将例如边界层流体分离的基本流体动力学的影响最小化而将阀口336的流动能力最大化。

例如，本实施例的阀口336有利地引导气体沿着可以由图3A中的流动箭头346所指的流动路径流过调节阀304。更具体地，气流进入孔道344的入口孔347的增大的直径D2。当气体流过入口部344a时，会聚侧壁345引导气体与孔道344的过渡孔349和出口部344b的尺寸相符合。该引导有利地增大出口部344b内的气体压力，从而减小靠近出口部344b的侧壁的边界层流体分离的影响并将阀口336的能力最大化。因此，本实施例的阀口336包括有效直径D3，该有效直径D3由从孔道344的出口部344b排出的气流的直径限定。有效直径D3基本上等于出口部344b的直径D1，并且基本上实现阀口336的流动能力的最大潜能。

图4图示根据本发明原理构造的用于安装在图3的调节阀304的喉部310内的阀口436的另一个实施例。图4所示的阀口436与参见图2所述的传统阀口236相似之处在于被设置为提供主级密封和次级或辅助密封。阀口436大体上包括壳体460、插装筒462和弹簧464。插装筒462可滑动地设置在壳体460内，并包括入口端462a、出口端462b和在入口端462a与出口端462b之间延伸的细长的孔道444。弹簧464将插装筒462偏压到图4所示的第一位置，这对应于提供主级密封的位置。

壳体460包括具有六角形螺母部466、主体部468和遮挡部470的大致柱形壳体。螺母部466和主体部468协作或组合地限定容纳插装筒462的内腔474。大体上，腔474包括第一部分474a和第二部分474b。在图4所示的阀口436的实施例中，第一部分474a的直径小于第二部分474b的直径。另外，主体部468包括用于被螺纹连接到调节阀304的喉部310中的多个外螺纹472。因此，壳体460的螺母部466适于与例如气动棘爪的工具接合，从而将阀口436安装到调节阀304中。相应地，阀口436能够从调节阀304移除，以能够被替换成具有不同结构的不同阀口，从而使调节阀304的操作和流动特性适合具体应用。

腔474的第一部分474a可滑动地容纳插装筒462的入口端462a，并且第二部分474b可滑动地容纳插装筒462的出口端462b，如所示。设置在第一和第二部分474a、474b之间的台阶476限制插装筒462远离壳体460的遮挡部470移位。遮挡部470包括通过一对支腿482与壳体460的主体部468隔开的板480，由于示意图的剖面性质，图4中仅图示其中一个支腿。公开的实施例的板480包括用作弹簧座471的实心圆板。如此构造，遮挡部470在壳体460中限定用于允许气体流入阀口436的一对窗口484。

如上所述，插装筒462包括入口端462a、出口端462b和在入口端462a和出口端462b之间延伸的细长的孔道444。孔道444限定接收孔445、入口孔447、过渡孔449和出口孔451。接收孔和入口孔445、447被设置为靠近插装筒462的入口端462a，并且，过渡孔和出口孔449、451被设置为靠近插装筒462的出口端462b。如此构造，孔道444包括接收部444a、入口部444b和出口部444c。接收孔445被设置为邻近阀口的入口端462a。出口孔451被设置为邻近阀口436的出口端462b。在公开的实施例中，孔445、447、449、451中的每一个具有圆形截面。出口孔和过渡孔451、449共用共有直径D 1。入口孔447具有直径D2。接收孔445具有直径D3。在公开的实施例中，入口孔447的直径D2大于出口孔和过渡孔451、449的直径D1。此外，接收孔445的直径D3大于入口孔447的直径D2。

接收部444a大体上呈均匀柱形，并在接收孔445和入口孔447之间延伸。另外，公开的实施例的接收部444c限定邻近接收孔445设置的倒角内表面492。相似地，出口部444c在过渡孔449和出口孔451之间延伸，并且也是大体上呈圆柱形。入口部444b在入口孔447和过渡孔449之间延伸。如上所述，入口孔447的直径D2大于过渡孔449的直径D1，因此，孔道444的入口部444b包括从入口孔447向过渡孔449会聚的侧壁435。在公开的实施例中，入口部444b大体以在近似15°到近似约85°的角度β均匀地会聚，并且在至少一个实施例中以近似75°的角度β会聚。在一个实施例中，入口部444b的侧壁435能够为例如截头圆锥状或大致锥形。而且。在公开的实施例中，入口孔447的直径D2可以比过渡孔449的直径D1大近似10％到近似150％。然而，可替换的实施例可以不限于这种相对尺寸和/或角度范围。

更进一步，如图4所示，孔道444的入口部444b包括的纵向尺寸L1大于出口部444c的纵向尺寸L2。在一个实施例中，入口部444b的纵向尺寸L1可以比出口部444c的纵向尺寸L2大近似10％到近似150％，并且在至少一个实施例中大近似100％。然而，可替换的实施例可以被设置成入口部444b的纵向尺寸L1可以等于或小于出口部444c的纵向尺寸L2。不论具体结构如何，图4公开的阀口436的该实施例的孔道444通过将边界层流体动力学的影响最小化而将通过插装筒462的流动能力最大化。

例如，与以上参见图3图示的阀口336所描述的相似，本实施例的阀口436有利地引导气体沿着可以由图4中的流动箭头446所指的流动路径流过调节阀304。更具体地，气流进入插装筒462的孔道444的接收部444a，接收部444a的直径D3在公开的实施例中大于孔道444的其余部分的直径。当流过接收部444a时，气体通过入口孔447被引导到入口部444b中。入口部444b的会聚侧壁435引导气体与孔道444的过渡孔449和出口部444c的尺寸紧密相符。该引导有利地增大流过出口部444c的气体压力，并从而减小邻近出口部444c的侧壁的边界层流体分离的影响并将阀口436的能力最大化。

相应地，本实施例的阀口436包括有效直径D4，该有效直径D4由从孔道444的出口部444b排出的气流的直径限定。有效直径D4基本上等于孔道444的过渡孔和出口孔449、451以及出口部444c的直径D1。

与以上参见图2描述的传统阀口236相似，在正常操作状态，插装筒462的出口端462b用作主级阀座，并适于与例如图3所示的控制组件322的阀盘328接合，从而停止通过调节阀304流体流动。然而，如果碎屑或一些其它类型的异物沉积在阀盘328和插装筒462的出口端462b之间，主级密封不能停止通过阀口436的气体流动。于是，气体继续流过调节阀304，并且调节器10下游的压力即出口压力上升。隔膜324检测到该压力的上升，进一步导致阀盘328被施加朝向阀口436的力。该力最终克服弹簧464的力并将插装筒462移位进入壳体460，使得入口端462a接合次级阀座471。如此构造，壳体460的次级阀座471密封入口端462a并阻挡气体流过壳体460中的窗口484，从而防止气体流过插装筒462中的孔道444和调节阀304。

一旦对系统施加下游需求，隔膜324检测到出口压力下降并使阀盘328移动远离阀口436。弹簧464偏压插装筒462回到图4图示的位置，并且任何之前沉积在阀盘328和插装筒462的出口端462a之间的碎屑排出并向下游流动。

根据前述，应该理解的是，本发明提供阀口336、436，其限定将阀口336、436的流动能力最大化的孔道344、444。例如，阀口336、436包括用作喷嘴的孔道344、444，以压缩各自出口部的气体流动，从而减小边界层分离的影响并使所述阀口的流动能力最大化。尽管已描述了具有各种几何截面形状的孔道的阀口的各种实施例，具有不同几何形状的可替代实施例也包含在本发明的范围内。例如，图5图示适用于以上参见图4描述的阀口436的可替代插装筒562。

与以上描述的插装筒462相似，图5所示的插装筒562包括入口端562a、出口端562b和在入口端562a和出口端562b之间延伸的细长的孔道544。孔道544限定接收孔545、第一过渡孔547a、入口孔549、第二过渡孔547b和出口孔551。当与靠近插装筒562的出口端562b设置的第二过渡孔和出口孔547b、551相比，接收孔、第一过渡孔和入口孔545、547a、549被设置为靠近插装筒562的入口端526a。此外，孔道544包括接收部544a、过渡部544b、入口部544c和出口部544d。图5所示的插装筒562的实施例的接收部544a还包括邻接接收孔545设置的内倒角表面592。

孔545、547a、547b、549、551中的每一个具有圆形截面。出口孔551和第二过渡孔547b共用共有直径D1。入口孔549和第一过渡孔547a具有共有直径D2。接收孔545具有直径D3。在公开的实施例中，入口孔549的直径D2大于出口孔551和第二过渡孔547b的直径D1。此外，接收孔545的直径D3大于入口孔549的直径D2。

孔道544的接收部544a为大致均匀的柱形并在接收孔545和第一过渡孔547a之间延伸。相似地，孔道544的过渡部544b为大致均匀的柱形并在第一过渡孔547a和入口孔549之间延伸。而且，孔道的出口部544d在第二过渡孔547b和出口孔551之间延伸，并且也是大致柱形。

相反，入口部544c在入口孔549和第二过渡孔547b之间延伸。如上所述，第二过渡孔547b的直径D1小于入口孔549的直径D2。于是，入口部544c包括从入口孔549向第二过渡孔547b大致均匀会聚的侧壁535。因此，在公开的实施例中，入口部544c的侧壁535能够被认为是截头圆锥形或锥形的侧壁，该侧壁以近似15°到近似85°的角度会聚，并且在至少一个实施例中以近似45°的角度

会聚。而且，在一个实施例中，入口孔549的直径D2可以比孔道544的第二过渡孔547b和出口部544d的直径D1大近似10％到近似150％，并且在至少一个实施例中大近似50％。然而，可替代的实施例可以不限于这种相对尺寸和/或角度范围。

更进一步，如图5所示，过渡部544b和入口部544c的组合纵向尺寸L1大于出口部544d的纵向尺寸L2。在一个实施例中，纵向尺寸L1可以比纵向尺寸L2大近似10％到近似300％，并且在至少一个实施例中大近似200％。然而，可替代的实施例可以被配置为纵向尺寸L1可以等于或小于纵向尺寸L2。不论具体结构如何，图5中公开的插装筒563的实施例的孔道544提供与图4所示的插装筒462相同的优点。

具体地，本实施例的插装筒562包括有效直径D4，该有效直径D4由从孔道544的出口部544d排出的气流的直径限定。有效直径D4基本上等于孔道544的出口孔551和出口部544d的直径D1。于是，本实施例的孔道544通过抵消以其他方式出现在传统阀口中的边界层流体分离的影响而有利地将插装筒562的流动能力最大化。

如上所述，本发明的意图不限于在此所提供的实例。可替代的实施例可以包含附加特征以有助于增大根据本发明原理构造的阀口的流动能力或其它性能特性。例如，以上参见图3A描述的阀口336的一个可替代实施例可以在孔道344的入口部344a和出口部344b之间包括外圆角的或圆形的过渡部。这种外圆角的过渡部可以进一步有助于阀口减小边界层分离的影响。相同的概念还可应用于参见图4和5描述的插装筒462、562的孔道444、544的不同部分之间的任何过渡部。

而且，尽管插装筒462、562已被公开成包括靠近各自的接收孔435、535设置的倒角内表面492、592，可替代的实施例可以不包括倒角表面或作为选择地，例如可以包括用于帮助减小边界层流体分离的影响的外圆角表面。然而，在公开为具有倒角内表面492、592的实施例中，这种倒角内表面492、592可以例如图5图示的角度γ设置，角度γ在近似5°到75°之间，并且在至少一个实施例中近似为30°。更进一步的实施例可以包括不在规定角度范围内的倒角内表面。

进一步，尽管本文公开的实施例的阀口336、436已被描述为具有截面为大致圆形的孔道344、444、544，可替代的实施例可以不限于此。例如，在可替代的实施例中，孔道可以具有能够满足本发明的原理的正方形、矩形或一些其它几何形状的截面。

最后，尽管阀口336、436的各种会聚入口部344a、444b、544c在本文已被公开为包括大致截头圆锥形的侧壁335、435、535，在可替代的实施例中，会聚入口部344a、444b、544c能够包含例如凸起圆弧(convex radiused)轮廓。因此，本说明书中所使用的术语会聚、会聚的和/或收敛的，其意图是为了描述一个或多个逐渐变窄、移动、聚集或会合到一起的几何形状。应该理解的是，这些术语不限于本文清楚地描绘的线性会聚的截头圆锥几何形状，而是包含由不同尺寸的孔道区分的任何几何形状。在一个实施例中，会聚几何形状甚至能够包括多个台阶。

因此，本文所描述的调节器和阀口仅仅是体现本发明原理的流体控制装置的实例。例如控制阀的其他流体控制装置也可以从本发明的结构和/或优点获益。

Claims (26)

1、一种流体调节装置，包括：

具有阀体入口、阀体出口和设置在所述阀体入口与所述阀体出口之间的喉部的阀体；

设置在所述阀体内并适于在开启位置和闭合位置之间移位用于控制通过所述阀体的流体流动的控制构件；

连接到所述阀体并包括能操作地连接到所述控制构件的隔膜的致动器，所述隔膜响应所述阀体出口处的压力，用于使所述控制构件在所述开启位置和所述闭合位置之间移动；以及

由所述阀体的所述喉部包含并包括主级阀座的阀口，所述主级阀座适于当所述控制构件位于所述闭合位置时与所述控制构件接合，以防止通过所述阀体的流体流动，所述阀口进一步包括：

阀口入口、阀口出口和在所述阀口入口与所述阀口出口之间延伸的伸长的孔道，

所述伸长的孔道包括从靠近所述阀口入口的位置延伸到靠近所述阀口出口的位置的截头圆锥部，从而以减小边界层分离并使流动能力最大化的方式使流体流过所述阀口。

2、根据权利要求1所述的装置，其中所述截头圆锥部以近似15°到近似85°的范围内的角度会聚。

3、根据权利要求1所述的装置，其中所述阀口进一步包括：第一孔，该第一孔限定所述截头圆锥部的靠近所述阀口入口的第一端；以及第二孔，该第二孔限定所述截头圆锥部的靠近所述阀口出口的第二端；所述第一孔具有的直径大于所述第二孔的直径。

4、根据权利要求3所述的装置，其中所述第一直径比所述第二直径大近似10％到近似150％的范围。

5、根据权利要求1所述的装置，其中所述截头圆锥部包括大部分所述伸长的孔道。

6、根据权利要求1所述的装置，其中所述阀口被螺纹连接到所述阀体的所述喉部。

7、根据权利要求1所述的装置，其中所述阀口包括壳体和能滑动地设置在所述壳体中的插装筒，所述插装筒限定所述主级阀座、所述伸长的孔道、所述阀口入口和所述阀口出口。

8、根据权利要求7所述的装置，其中所述壳体包括次级阀座，所述次级阀座远离所述主级阀座设置在所述插装筒对面，并且所述插装筒在所述阀口入口与所述次级阀座隔开的主级阀座位置与所述阀口入口密封地接合所述次级阀座的次级阀座位置之间能滑动地设置在所述壳体中。

9、根据权利要求8所述的装置，其中所述壳体进一步包括邻近所述次级阀座设置的至少一个窗口，用于在所述插装筒位于所述主级阀座位置时允许流体进入所述伸长的孔道。

10、一种流体调节装置，包括：

具有阀体入口、阀体出口和设置在所述阀体入口与所述阀体出口之间的喉部的阀体；

设置在所述阀体内并适于在开启位置和闭合位置之间移位用于控制通过所述阀体的流体流动的控制构件；

连接到所述阀体并包括能操作地连接到所述控制构件的隔膜的致动器，所述隔膜响应所述阀体出口处的压力，用于使所述控制构件在所述开启位置和所述闭合位置之间移动；以及

由所述阀体的所述喉部包含并包括主级阀座的阀口，所述主级阀座适于当所述控制构件位于所述闭合位置时与所述控制构件接合，以防止通过所述阀体的流体流动，所述阀口进一步包括：

阀口入口、阀口出口、靠近所述阀口入口设置的第一孔、靠近所述阀口出口设置的第二孔和在所述第一孔与所述第二孔之间延伸的伸长的孔道，

所述第一孔具有第一直径，所述第二孔具有小于所述第一直径的第二直径，使得所述伸长的孔道从所述第一孔向所述第二孔会聚，从而以减小边界层分离并使流动能力最大化的方式使流体流过所述阀口。

11、根据权利要求10所述的装置，其中所述第一直径比所述第二直径大近似10％到近似150％的范围。

12、根据权利要求10所述的装置，其中所述伸长的孔道包括从所述第一孔延伸到所述第二孔的截头圆锥部。

13、根据权利要求12所述的装置，其中所述截头圆锥部从所述第一孔向所述第二孔以近似15°到近似85°范围内的角度会聚。

14、根据权利要求12所述的装置，其中所述截头圆锥部包括大部分所述伸长的孔道。

15、根据权利要求10所述的装置，其中所述阀口被螺纹连接到所述阀体的所述喉部。

16、根据权利要求10所述的装置，其中所述阀口包括壳体和能滑动地设置在所述壳体中的插装筒，所述插装筒限定所述主级阀座、所述伸长的孔道、所述阀口入口、所述阀口出口、所述第一孔和所述第二孔。

17、根据权利要求16所述的装置，其中所述壳体包括次级阀座，所述次级阀座远离所述主级阀座设置在所述插装筒对面，并且所述插装筒在所述阀口入口与所述次级阀座隔开的主级阀座位置与所述阀口入口密封地接合所述次级阀座的次级阀座位置之间能滑动地设置在所述壳体中。

18、根据权利要求17所述的装置，其中所述壳体进一步包括邻近所述次级阀座设置的至少一个窗口，用于在所述插装筒位于所述主级阀座位置时允许流体进入所述伸长的孔道。

19、一种适用于流体调节装置的阀口，该流体调节装置包括阀体、控制构件和致动器，所述控制构件被设置在所述阀体内并适于在开启位置和闭合位置之间移位以控制通过所述阀体的流体流动，所述致动器被连接到所述阀体并包括隔膜，所述隔膜被能操作地连接到所述控制构件并响应所述阀体的出口处的压力，以使所述控制构件在所述开启位置和所述闭合位置之间移动，所述阀口适于被能移除地设置在所述流体调节装置的喉部并包括：

主级阀座，该主级阀座适于当所述控制构件位于所述闭合位置时与所述控制构件接合，以防止通过所述阀体的流体流动；

阀口入口和与所述阀口入口相对设置的阀口出口；以及

在所述阀口入口与所述阀口出口之间延伸的伸长的孔道，所述伸长的孔道包括从靠近所述阀口入口的位置延伸到靠近所述阀口出口的位置的截头圆锥部，从而以减小边界层分离并使流动能力最大化的方式使流体流过所述阀口。

20、根据权利要求19所述的阀口，其中所述截头圆锥部以近似15°到近似85°的范围内的角度会聚。

21、根据权利要求19所述的阀口，进一步包括：第一孔，该第一孔限定所述截头圆锥部的靠近所述阀口入口的第一端；以及第二孔，该第二孔限定所述截头圆锥部的靠近所述阀口出口的第二端；所述第一孔具有的直径大于所述第二孔的直径。

22、根据权利要求21所述的阀口，其中所述第一直径比所述第二直径大近似10％到近似150％的范围。

23、根据权利要求19所述的阀口，其中所述截头圆锥部包括大部分所述伸长的孔道。

24、根据权利要求19所述的阀口，其中所述阀口包括壳体和能滑动地设置在所述壳体中的插装筒，所述插装筒限定所述主级阀座、所述伸长的孔道、所述阀口入口和所述阀口出口。

25、根据权利要求24所述的阀口，其中所述壳体包括次级阀座，所述次级阀座远离所述主级阀座设置在所述插装筒对面，并且所述插装筒在所述阀口入口与所述次级阀座隔开的主级阀座位置与所述阀口入口密封地接合所述次级阀座的次级阀座位置之间能滑动地设置在所述壳体中。

26、根据权利要求25所述的阀口，其中所述壳体进一步包括邻近所述次级阀座设置的至少一个窗口，用于在所述插装筒位于所述主级阀座位置时允许流体进入所述伸长的孔道。

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