CN101743420A - 三通高压气动阀 - Google Patents

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Abstract

一种高压三通控制阀，包括阀体，该阀体限定出被布置为通过控制元件彼此选择性流体连通的第一、第二和第三端口。所述控制元件能在第一支座位置与第二支座位置之间移动，以选择性地控制所述第一与第二端口之间的流体方向，或者可替换地，控制所述第一与第三端口之间的流体的方向。如此配置，该控制阀实现了通常需要被垂直设置在一起的两个阀的功能。

Description

三通高压气动阀
相关申请的交叉引用
本文要求于2007年6月15日递交的美国临时专利申请60/944,407的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明大体上涉及气动阀，更具体而言，涉及一种高压三通气动阀。
背景技术
工厂和制造厂利用过程控制设备来控制过程中的流体流动，其中“流体”可包括液体、气体、或能够流动通过管道的任何混合物。制造诸如燃料、食品和衣服等消费品或货物的制造过程需要控制阀来控制和调整流体流动。即使中等规模的制造厂也可能利用数百个控制阀来控制过程。控制阀已经被应用超过了一个世纪，在这段期间，阀设计者不断改善控制阀的操作性能。
当设计一个过程时，设计者面对许多设计需求和设计限制。例如，一些过程控制应用需要能够沿两个方向流动的阀，这经常被称为双向流动阀。设计限制的另一示例包括流体在过程中工作时所处的压力。例如，一些过程在相对较低的压力下操作，例如小于约10000磅每平方英寸表压(psig)，而其它过程可能在相对较高的压力下操作，例如大于10000psig，和高达约20000psig。
在某些情况下，2通或双向阀可能不足以实现针对系统的选定部分的期望功能。因此，希望将3通功能配备到过程系统中的设计者可能倾向于在同一个系统中使用被垂直设置在一起的两个单独的二通或双向阀。
附图说明
图1为根据本发明的三向或3通气动控制阀的俯视示意图，且示出三个端口的示例性相对位置。
图2为沿图1的线2-2截取的根据本发明组装的3通气动控制阀的一个实施例的剖视侧视图，且示出控制元件处于第一位置。
图3为沿图1的线3-3截取的3通气动控制阀的另一剖视侧视图。
图4为类似于图2的剖视侧视图，且示出控制元件处于第二位置。
图5A和图5B为第一示例性流动形式的示意性流动曲线图，分别示出控制元件处于第一和第二位置。
图6A和图6B为第二示例性流动形式的示意性流动曲线图，分别示出控制元件处于第一和第二位置。
图7A和图7B为第三示例性流动形式的示意性流动曲线图，分别示出控制元件处于第一和第二位置。
图8A和图8B为第四示例性流动形式的示意性流动曲线图，分别示出控制元件处于第一和第二位置。
具体实施方式
现在参见图1-4，示出根据本发明的教导组装的气动三向或3通控制阀10。控制阀10大体上包括阀体12、第一至第三端口14、16和18、以及以下面详细阐释的方式用于控制通过第一至第三端口14、16和18的流动的致动器组件20。端口14、16和18的相对位置的一个示例被示意性地示出在图1中。
如所示，第一端口14被布置为垂直于第二端口16，第二端口16被布置为垂直于第三端口18，第一和第二端口14和16被布置为彼此相差180度。可以理解的是，端口14、16和18的相对位置可采取任何适当的形式。致动器组件20由空气供应源22(示意性地示出在图2中)操作。空气供应源22被连接到控制或空气供应端口24。致动器组件20包括控制元件26，其也可被称为止推销或控制提升阀，其被安装在阀体12内。在公开的实施例中，控制元件26沿与端口14、16、18中的每一个均垂直的轴线1布置。控制元件26适于沿轴线1在图2和图3所示的第一位置26A与图4所示的第二位置26B之间移动或移位。
阀体12包括内膛孔或喉道28，其尺寸适于形成围绕控制元件26的间隙或余隙空间30。喉道28适于与第一至第三端口14、16、18中的每一个流体连通。如以下更为详细所述，控制元件26响应空气供应端口24处的压力变化而移动，以使控制元件26能够在第一与第二位置之间转移。
阀体12进一步包括具有上部34和下部36的中心部或基部32，喉道28由延伸穿过基部32的膛孔38形成。在公开的示例中，端口14、16和18形成在基部32中。更具体而言，如图2和图3所示，第一端口14包括延伸穿过阀体12的基部32的大致线性通路，而第二和第三端口16、18包括拐弯。例如，第二端口16包括第一部分16a、第二部分16b和第三部分16c。类似地，第三端口18包括第一部分18a、第二部分18b和第三部分18c。在公开的实施例中，第二和第三端口16、18的第二部分16b、18c被布置为垂直于第一和第二部分16a、16c、18a、18c。然而，可替换实施例可被不同地构造。
基部32的上部34在尺寸上适于容纳上阀插件40，基部32的下部36在尺寸上适于容纳下阀插件42。上阀插件40和基部32的上部34在尺寸上适于形成喉道28中的上腔44，下阀插件42和基部32的下部36在尺寸上适于形成喉道28中的下腔46。优选地，阀插件40和42由316不锈钢构成。当控制元件26处于如图4所示的较低或第二位置时，上腔44与喉道28流动连通，而当控制元件26处于如图2和图3所示的较高或第一位置时，下腔46与喉道28流动连通。在公开的示例中，第一端口14通过膛孔48与喉道28流体连通，其如上所述为大致线性的。第二端口16通过膛孔50与上腔44流体连通，该第二端口16如上所述包括第二端口16的第一、第二和第三部分16a、16b、16c。最后，第三端口18通过膛孔52与下腔46流体连通，该第三端口18如上所述包括第三端口18的第一、第二和第三部分18a、18b、18c。根据公开的示例，通过将控制元件26放置在图4的第二位置，可使得第一端口14与第二端口16流体连通，或者通过将控制元件26放置在图2和图3的第一位置，可使得第一端口14与第三端口18流体连通。
上阀插件40由上盖54紧固，下阀插件42由下盖56紧固。优选地，上阀插件40包括具有密封件60和备用环62的外通道58。更优选地，下阀插件42包括具有密封件66和备用环68的外通道64。上阀插件40包括尺寸适于容纳控制元件26的上部72的膛孔70。优选地，控制元件26的上部72包括尺寸适于容纳密封件76和备用环76的通道74。类似地，下阀插件42包括尺寸适于容纳控制元件26的下部82的膛孔80。优选地，下部82包括尺寸适于容纳密封件86和备用环88的通道84。因此，控制元件26被引导为通过相应的阀插件中的膛孔70和80而在阀体12内可转移地滑动。备用环优选包括在尺寸上和构造上适于保持对应密封件在适当的通道中的位置的塑料环。
除了控制元件26，致动器组件20包括可滑动地布置在形成在上盖54与上阀插件40的上部94之间的活塞腔92内的活塞90。活塞腔92与空气供应端口24流动连通，使得活塞90响应活塞90上方的区域96中的压力变化而在活塞腔92内移动。活塞90的下部98通过任何适当的联结被联结到控制元件26的上部72。在公开的示例中，布置在活塞90中的埋头螺孔中的可调节盖螺钉100将活塞90紧固到控制元件。盖螺钉100可被可移动罩102覆盖。随着弹簧91向上偏压活塞90，其相应地将控制元件26偏压朝向图2和图3的第一位置。
控制元件还包括中心部104，该中心部104的厚度或直径可相对于控制元件26的上、下部72和82的厚度或直径被加宽。中心部104通过渐缩的上、下支座表面106和108在两端被限制。支座表面106和108渐缩，并进一步优选为截头圆锥形。支座表面106和108的每一个分别过渡到窄部110、112。支座表面106在尺寸上和位置上适于抵靠由基部32承载并围绕一部分喉道28的上阀座114，而支座表面108在尺寸上和位置上适于抵靠由基部32承载并围绕一部分喉道28的上阀座116。在公开的实施例中，上阀座114被布置在第一端口14与第二端口16的第三部分16c之间。另外，下阀座116被布置在第一端口14与第三端口18的第三部分18c之间。所述另一方式，第一端口14在上、下阀座114、116之间的位置与阀体12的喉道28连通。第二端口16在离开上阀座114且与第一端口14相对的位置与喉道28连通。第三端口18在离开下阀座116且与第一端口14相对的位置与喉道28连通。
仍然参照图2-4，控制元件26包括位于窄部110的另一侧上与支座表面108相对形成的另一渐缩部分107。类似地，控制元件26包括离开窄部112且与支座表面108相对形成的又一渐缩部分109。根据公开的示例，支座表面106的暴露区域等于渐缩部分107的暴露区域。因此，当控制元件26处于图2和图3的第一位置时，作用在相等的暴露区域上的压力相同，因此控制元件26被有效地平衡。当控制元件26处于图4的第二位置时，再一次，支座表面108的暴露区域等于渐缩部分109的暴露区域。因此，作用在相等的暴露区域上的压力相同。
控制供应端口24优选螺纹地接纳被连接到气动供应部的供应管线(未示出)。气动供应部可例如为在约八十(80)psig与约一百五十(150)psig之间的压力下供应的压缩车间气体源。移动活塞90所需的力为活塞90的表面积的函数。
基于以上所述，可以理解的是，控制元件26在控制阀10内的位置能够通过将压缩空气引入活塞腔92中而被控制。例如，在不向腔92供应压缩空气的情况下，弹簧91将活塞90偏压到图2和图3所示的升高的第一位置，这导致支座表面106密封地接合阀座114。然而，将压缩空气引入活塞上方的区域可增大作用在活塞90的顶部的压力。当足够的压力被施加以克服弹簧91的偏压力时，活塞90以及因此控制元件26从图2和图3所示的位置向下移动到图4所示的位置。因此，支座表面106移动离开支座114，且支座表面108移动为与支座116接触。
可以理解的是，端口14、16、18和以上所述的腔和膛孔被设置为限定由PATH 1(图2和图3)指示的第一流动路径以及由PATH 2(图4)指示的第二流动路径。如图2和图3所示，(由于控制元件26处于升高的或第一位置)PATH 1延伸穿过支座表面108与下阀座116之间的端口14、膛孔48、喉道28，穿过下腔46，穿过膛孔52，并穿过端口18。因此，延伸穿过端口14和18的第一流动路径PATH 1的至少部分被布置为垂直于控制元件26的轴线1。如将在下文更为详细的阐释，根据端口14、16、18中的哪一个被加压，流体可沿不同方向流动。
接着，当控制元件26被转移到图4所示的较低或第二位置时，(由于控制元件26现在处于较低或第二位置)PATH 2延伸穿过支座表面106与上阀座114之间的端口14、膛孔48、喉道28，穿过上腔44，穿过膛孔50，并穿过端口16。因此，延伸穿过端口14和16的第二流动路径PATH 2的至少部分被布置为垂直于控制元件26的轴线1。
然而，在高压力应用中，一个或多个端口14、16和18处的压力可升高到约10000psig与约20000psig之间。可以理解的是，根据端口14、16、18中的哪一个处于压力下，压力将作用在控制元件26的渐缩支座表面106、108中的一个上，并将驱使控制元件26向上或向下。
如此配置，本发明的阀100可利用标准压缩车间空气进行操作，该标准压缩车间空气在约八十(80)psig与一百五十(150)psig之间的压力下通过空气供应端口24被输送到活塞90的区域。由于活塞90的直径提供比支座表面106或108的暴露表面更大的表面积，因此相对较低压力的车间空气足以产生足够的力以克服弹簧91或由过程系统中的流体压力导致的任何向上的力。
根据公开的示例，控制阀10可用于许多示例性操作模式中。第一示例性操作模式示于图5A(其中控制元件26处于第一位置)和图5B(其中控制元件26处于第二位置)中。在图5A中，端口14被加压，使得压力沿第一流动路径PATH 1流动通过控制阀10，并通过端口18离开。端口16被关闭。当控制元件26转移到第二位置时，压力沿PATH 2从端口14流动到端口16，且端口18被关闭。
第二示例性操作模式示于图6A(其中控制元件26处于第一位置)和图6B(其中控制元件26处于第二位置)中。压力被供应到端口16，控制阀10被有效地关闭，这是因为压力不会流动到其它两个端口14或18。当控制元件26转移到第二位置时，压力将沿第二流动路径PATH 2流动，并在端口16与14之间流动。端口18被关闭。当控制元件26返回到第一位置时，来自端口16的流动被关闭，但端口14中的压力可流至端口18。在该情况下，端口18为用于端口14的排放端口。
第三示例性操作模式示于图7A(其中控制元件26处于第一位置)和图7B(其中控制元件26处于第二位置)中。压力被施加到端口18，使得压力沿PATH 1从端口18流动到端口14。当控制元件26转移到第二位置时，从端口18到端口14的流动被切断，但流动允许从端口14到端口16。在该情况下，端口16为用于端口14的排放端口。图6A、6B、7A和7B的示例均为所有填充阀和泄放阀(或者排放三通阀)的形式。进一步，图6A和图6B的示例为常闭三通阀，而图7A和图7B的示例为常开三通阀。
第四示例性操作模式示于图8A(其中控制元件26处于第一位置)和图8B(其中控制元件26处于第二位置)中。供应被连通到端口16，另一供应被连通到端口18。当控制元件26处于第一位置时，流动从端口18到端口14。端口16被关闭。当控制元件26转移到第二位置时，流动从端口16到端口14。端口18被关闭。
尽管端口14、16、18中的每一个在此被公开为垂直于控制元件26的轴线1，但在可替换实施例中，一个或多个端口14、16、18能够相对于控制元件26的轴线1成大致任何角度延伸。
尽管公开的压力至此包括用于高压应用的控制阀10，该阀10也可适用于压力应用。
鉴于以上所述，应该理解的是，本详细描述仅仅提供根据本发明原理构建的气动双向控制阀的示例。不脱离本发明精神和范围的各种变型和修改，包括应用的材料上的变化，也落入所附权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种高压流体控制设备，包括：
限定出第一端口、第二端口和第三端口的阀体；
布置在所述阀体内并与所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口中的每一个流体连通的喉道；
安装在所述阀体的所述喉道中的第一阀座和第二阀座；
布置在所述阀体的所述喉道内并具有第一支座表面和第二支座表面的控制元件，该控制元件能在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，所述第一支座表面抵靠所述第一阀座，在所述第二位置，所述第二支座表面抵靠所述第二阀座；
当所述控制元件处于所述第二位置时，所述第一端口和所述第二端口沿第二流动路径通过所述喉道彼此流体连通；并且
当所述控制元件处于所述第一位置时，所述第一端口和所述第三端口沿第一流动路径通过所述喉道彼此流体连通。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口被布置为垂直于所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间移动所沿的轴线。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第一流动路径和所述第二流动路径的至少部分被布置为垂直于所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间移动所沿的轴线。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述第一阀座被布置在所述第一端口与所述第二端口之间，所述第二阀座被布置在所述第一端口与所述第三端口之间。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述第一支座表面包括所述控制元件的第一渐缩部分，所述第二支座表面包括所述控制元件的第二渐缩部分。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述控制元件包括第一减小直径部分和第二减小直径部分，并且其中所述第一渐缩部分过渡到所述第一减小直径部分，所述第二渐缩部分过渡到所述第二减小直径部分。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述控制元件包括第一减小直径部分和第二减小直径部分，并且其中当所述控制元件处于所述第二位置时，所述第一减小直径部分形成所述第一流动路径的一部分，当所述控制元件处于所述第一位置时，所述第二减小直径部分形成所述第二流动路径的一部分。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述第一减小直径部分被布置为与第一渐缩支座表面相邻，所述第二减小直径部分被布置为与第二渐缩支座表面相邻，并且其中所述控制元件包括在所述第一减小直径部分与所述第二减小直径部分之间的加宽部分，并且其中所述喉道在尺寸上大于所述加宽部分，以形成余隙空间。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述阀体包括在尺寸上适于容纳被上阀盖紧固的上阀插件和被下阀盖紧固的下阀插件的基部，所述第一流动路径包括形成在所述基部的上部与所述上阀插件之间的上腔，所述第二流动路径包括形成在所述基部的下部与所述下阀盖之间的下腔。
10.如权利要求9所述的设备，进一步包括形成在所述上阀盖中并被设置为与空气供应源连通的控制孔，还包括被布置在形成在所述上阀盖中的活塞腔中的控制活塞，所述控制活塞被操作性地联结到所述控制元件并被设置为响应所述活塞腔中的压力变化而使所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间转移。
11.一种高压流体控制设备，包括：
限定出第一端口、第二端口和第三端口的阀体；
形成在所述阀体内的喉道；
安装在所述阀体的所述喉道中的第一阀座和第二阀座，所述第一阀座被布置在所述第一端口与所述第二端口之间，所述第二阀座被布置在所述第一端口与所述第三端口之间；以及
布置在所述阀体的所述喉道内并包括第一支座表面和第二支座表面的控制元件，该控制元件能在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置，所述第一支座表面抵靠所述第一阀座，在所述第二位置，所述第二支座表面抵靠所述第二阀座，
其中，所述控制元件和所述喉道被设置为，当所述控制元件处于所述第一位置时，允许沿第一流动路径在所述第一端口与所述第三端口之间选择性的流体连通，且当所述控制元件处于所述第二位置时，允许沿第二流动路径在所述第一端口与所述第二端口之间选择性的流体连通。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口被布置为垂直于所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间移动所沿的轴线。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述第一流动路径和所述第二流动路径的至少部分被布置为垂直于所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间移动所沿的轴线。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述第一支座表面包括所述控制元件的第一渐缩部分，所述第二支座表面包括所述控制元件的第二渐缩部分。
15.如权利要求14所述的设备，其中控制元件包括第一减小直径部分和第二减小直径部分，并且其中所述第一渐缩部分过渡到所述第一减小直径部分，所述第二渐缩部分过渡到所述第二减小直径部分。
16.如权利要求11所述的设备，其中所述控制元件包括第一减小直径部分和第二减小直径部分，并且其中当所述控制元件处于所述第二位置时，所述第一减小直径部分形成所述第一流动路径的一部分，当所述控制元件处于所述第一位置时，所述第二减小直径部分形成所述第二流动路径的一部分。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述第一减小直径部分被布置为与第一渐缩支座表面相邻，所述第二减小直径部分被布置为与第二渐缩支座表面相邻，并且其中所述控制元件包括在所述第一减小直径部分与所述第二减小直径部分之间的加宽部分，并且所述喉道在尺寸上大于所述加宽部分，以形成余隙空间。
18.如权利要求11所述的设备，其中所述阀体包括在尺寸上适于容纳被上阀盖紧固的上阀插件和被下阀盖紧固的下阀插件的基部，所述第一流动路径包括形成在所述基部的上部与所述上阀插件之间的上腔，所述第二流动路径包括形成在所述基部的下部与所述下阀盖之间的下腔。
19.如权利要求18所述的设备，进一步包括形成在所述上阀盖中并被设置为与空气供应源连通的控制孔，并包括被布置在形成在所述上阀盖中的活塞腔中的控制活塞，所述控制活塞被操作性地联结到所述控制元件并被设置为响应所述活塞腔中的压力变化而使所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间转移。
20.一种高压流体控制设备，包括：
限定出第一端口、第二端口和第三端口的阀体；
布置在所述阀体内并与所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口中的每一个流体连通的喉道；
安装在所述阀体的所述喉道中的第一阀座和第二阀座；
布置在所述阀体的所述喉道内并包括被布置为垂直于所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口的轴线的控制元件，该控制元件能沿所述轴线在与所述第一阀座接合的第一位置和与所述第二阀座接合的第二位置之间移动；
当所述控制元件处于所述第一位置时，所述第一端口和所述第三端口沿第一流动路径通过所述喉道彼此流体连通；并且
当所述控制元件处于所述第二位置时，所述第一端口和所述第二端口沿第二流动路径通过所述喉道彼此流体连通。
20、如权利要求19所述的设备，其中所述第一流动路径和所述第二流动路径的至少部分被布置为垂直于所述控制元件的所述轴线。
21.如权利要求19所述的设备，其中所述第一阀座被布置在所述第一端口与所述第二端口之间，所述第二阀座被布置在所述第一端口与所述第三端口之间。
22.如权利要求19所述的设备，其中所述第一支座表面包括所述控制元件的第一渐缩部分，所述第二支座表面包括所述控制元件的第二渐缩部分。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述控制元件包括第一减小直径部分和第二减小直径部分，并且其中所述第一渐缩部分过渡到所述第一减小直径部分，所述第二渐缩部分过渡到所述第二减小直径部分。
24.如权利要求19所述的设备，其中所述控制元件包括第一减小直径部分和第二减小直径部分，并且其中当所述控制元件处于所述第二位置时，所述第一减小直径部分形成所述第一流动路径的一部分，当所述控制元件处于所述第一位置时，所述第二减小直径部分形成所述第二流动路径的一部分。
25.如权利要求24所述的设备，其中所述第一减小直径部分被布置为与第一渐缩支座表面相邻，所述第二减小直径部分被布置为与第二渐缩支座表面相邻，并且其中所述控制元件包括在所述第一与第二减小直径部分之间的加宽部分，并且所述喉道在尺寸上大于所述加宽部分，以形成余隙空间。
26.如权利要求19所述的设备，其中所述阀体包括在尺寸上适于容纳被上阀盖紧固的上阀插件和被下阀盖紧固的下阀插件的基部，所述第一流动路径包括形成在所述基部的上部与所述上阀插件之间的上腔，所述第二流动路径包括形成在所述基部的下部与所述下阀盖之间的下腔。
27.如权利要求26所述的设备，进一步包括形成在所述上阀盖中并被设置为与空气供应源连通的控制孔，并包括被布置在形成在所述上阀盖中的活塞腔中的控制活塞，所述控制活塞被操作性地联结到所述控制元件并被设置为响应所述活塞腔中的压力变化而使所述控制元件在所述第一位置与所述第二位置之间转移。
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