CN102261488B - 球阀座密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种球阀座密封件。在本发明的一实施例中，用于球阀的阀密封件包括构造为与尾件配合的球、使所述球与所述尾件的所述配合变得容易的环形座环，所述座环具有倾斜的壁，所述倾斜的壁具有用于容纳第一密封件的第一凹槽和用于容纳第二密封件的第二凹槽，所述第一密封件具有与所述第二密封件不同的杨氏模量。

Description

球阀座密封件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年5月7日提交的名称为“球阀座密封系统和方法”的系列号为61/332,515的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及一种阀。更具体而言，本发明关于一种球阀。
背景技术
众所周知，阀是用于调节管道中的流体流动的重要装置。为了恰当地发挥作用，阀内的配合表面优选以相对较高的精度接合。即使具有这种相对较高的精度，阀典型地包括弹性密封件(例如垫圈、O形圈等)，以确保在阀位于关闭构造中时的紧密的流体密封。
不幸地是，很难提供一种在整个压力和温度范围内发挥作用、与各种流体兼容、允许阀以最小的作用力被打开和关闭、以及充分耐磨以经受反复的打开和关闭操作的密封件。虽然这些问题在过去已广为人知，但常规的阀仍然具有一个或多个这些缺点。
特别是，常规的密封件为环形且通常具有矩形剖面，这使得这些密封件难以放置在其相应的凹槽中。因而，这些密封件的配合表面没有与其要密封的装置充分接触。这种非充分接触导致不合乎要求的低效密封。因此，提供一种至少在一定程度上克服本文中所描述的缺点的阀密封件是所希望的。
发明内容
前述需求通过本发明在很大程度上得到满足，其中按照一方面在一些实施例中提供一种阀密封件，其至少在一定程度上克服本文中所描述的缺点。
在本发明的一实施例中，一种用于球阀的阀密封件包括：构造为与尾件(tail piece)配合的球、使所述球与所述尾件的所述配合变得容易的环形座环，所述座环具有倾斜的壁，所述倾斜的壁具有用于容纳第一密封件的第一凹槽和用于容纳第二密封件的第二凹槽，所述第一密封件具有与所述第二密封件不同的杨氏模量。
在本发明的另一实施例中，用于球阀的阀密封件包括：球；构造为接触所述球的具有第一凹槽和第二凹槽的环形座，其中所述第一凹槽具有相对于设置在所述座的径向中心处的纵向轴线成小于90°的角度θ1倾斜的第一凹槽壁；和包括环形带的第一密封件，所述带的第一内壁被设置为相对于设置在所述带的径向中心处的纵向轴线成小于90°的角度θ2。
在本发明的又一实施例中，一种用于球阀的阀密封座包括具有环形几何结构的所述座，所述几何结构的剖面具有内壁、远离所述内壁的外壁、顶壁和远离所述顶壁的底壁以及限定在所述内壁与所述顶壁之间的斜壁，所述斜壁具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽具有相对于设置在所述座的径向中心处的纵向轴线成小于90°的角度θ1倾斜的第一凹槽壁。
在本发明的又一实施例中，一种密封球阀的方法包括：提供构造为与尾件配合的球；提供使所述球与所述尾件的所述配合变得容易的环形座环，所述座环具有倾斜的壁，所述倾斜的壁具有用于容纳第一密封件的第一凹槽和用于容纳第二密封件的第二凹槽，所述第一密封件具有与所述第二密封件不同的杨氏模量；将所述第一密封件插入所述第一凹槽中；在所述第二凹槽中形成所述第二密封件；以及去除所述第一和第二密封件的突出超过所述倾斜的壁的部分。
由此已经相当宽泛地概括出本发明特定实施例，从而可更好地被理解在本文中对这些特定实施例的详细描述，并可以更好地意识到对本领域的贡献。当然，在下文中还将描述构成所附权利要求的主题的其它实施例。
就此而言，在详细解释本发明的至少一个实施例之前，将要理解的是，本发明不限于在其说明书中的结构细节，也不限于在下文中阐释或在附图中例示的组件的布置。本发明能够包括所描述的实施例之外的实施例，并且能够以多种方式被实践和实施。此外，将要理解的是，本文中所使用的措辞和术语以及摘要的目的在于说明，而不应被视为限制。
这样，本领域技术人员将意识到，本公开所基于的理念可易于用作设计用于执行本发明的一些目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，只要不脱离本发明的精神和范围，权利要求被视为包括这种等同结构。
附图说明
图1为根据本发明的一实施例的球阀系统的局部切除的透视图。
图2为根据图1的球阀系统的正视图。
图3为根据图1的球阀系统的剖视图。
图4为根据图1的球阀系统的一部分的剖视图。
图5为根据本发明的一实施例的安装在球阀座密封凹槽中的球阀座密封件的剖视图。
图6a至图6c为适用于根据图1的球阀系统的截头圆锥形的弹性体(elastomeric)密封件的剖视图。
图7为适用于根据图1的球阀系统的密封环的剖视图。
图8为设置在座环中的球阀座密封凹槽的剖视图。
图9为座环的边缘剖面的剖视图。
图10为适用于根据图1的球阀系统的具有球阀座密封件的座环的剖视图。
图11a至图11b为安装在球阀座密封凹槽中的球阀座密封件的剖视图。
具体实施例
在一些实施例中，本发明提供球阀装置、整体式座环和截头圆锥形的密封环。所述球阀被构造为在相对较宽的压力范围内为流体(例如液体和气体)的流动提供控制。特别是，在高压和低压应用中，该阀被构造为当位于关闭位置时提供紧密的流体密封。在各种压力下形成紧密流体密封的能力通过本发明的各个实施例而得到促进。
现在将参照附图对本发明进行描述，在附图中，相似的附图标记始终表示相似的部件。图1为根据本发明的一实施例的球阀装置的局部切除的透视图。图2为根据图1的球阀装置的正视图。图3为根据图1的球阀装置的剖视图。如图1至图3中所示，球阀系统10包括用于容纳球14的阀体12。阀体12可包括一个或多于一个法兰、螺纹、发汗配件或类似部件，以将球阀10紧固到管道和/或流体容器上。球14具有大致球形的几何结构，该大致球形的几何结构具有从中穿过的通孔(未示出)。轴或杆16在通孔处被紧固到球14上并从阀体12延伸出。杆16用于旋转阀体12内的球14。球阀10通过将通孔旋转为与阀体12对准而打开，并通过将通孔旋转为与阀体12垂直而关闭。
耳轴块18支撑球14并将球14置于阀体12的中心。耳轴20和耳轴块18承受由管线压力施加在球14上的负载。尾件22提供用于将阀体系统10附接到管线或类似部件(未示出)的端部连接部。尾件22还关闭阀体12并将耳轴块18锁定在适当位置。轴承块24用于支撑阀体10。
图4为根据图1的球阀装置的一部分的剖视图。虽然该系统的一部分被示出，但应注意该系统是圆形的，并且仅关注阀体12的一个端部的剖面。如图4所示，球阀系统10包括设置在阀体12与球14之间的球阀座密封件26。在所示实例中，球阀座密封件26设置在座环28中。座环28通过至少一个弹簧被驱使向球14。通常，根据希望，阀被波形弹簧或螺旋弹簧施加弹簧能量。在低压应用中，压力也可向座施加能量并推动座抵靠球，从而辅助弹簧力。通过这种方式，密封接触得到保持。座环28通过一个或多于一个O形圈32被可滑动地密封在阀体12内。在一特定实例中，座环28被构造有一对O形圈32。
如图4至图5进一步所示，球阀座密封件26包括两个组件，第一密封件36和第二密封件38。第一密封件36为环形，并且从剖面看时具有平行四边形的几何结构。如图6a至图6c中所示，第一密封件36被制造为截头圆锥形的环形带，并具有位于环形体的径向中心处的纵向轴线“K”。当从剖面看第一密封件36时，第一密封件36具有内壁40、大致平行于内壁40的外壁42、顶壁44和大致平行于顶壁44的底壁46。通过这种方式，如图6a所示，内壁40和外壁42被设置为相对于纵向轴线K成角度θ1。该角度θ1介于约40°和50°之间，一般为约45°。术语“顶”和“底”仅关于附图作为参照点被提及并且将不以任何方式被解释为是对方向或方位的限制。
如图6b所示，在本发明的一实施例中，顶壁44和底壁46被大致设置为相对于垂直于纵向轴线K的平面“P”成角度θ2。该角度θ2一般小于90°。在本发明的一可替换实施例中，顶壁44和底壁46是平的，从而顶壁44和底壁46平行于平面P，且角度θ2为0。
第一密封件36用作低压密封件以及帮助保护球14免受外部微粒影响的擦拭器。在本发明的一实施例中，第一密封件36由弹性体材料形成。术语“弹性体”用于限定具有类似于天然橡胶或其他这种弹性聚合物的性质的任何合适的材料。大体上，合适的弹性体可包括具有约0.01GPa至约1GPa的杨氏模量的热固性塑料、热塑性塑料或以其他方式形成的材料。
图7为适用于根据图1的球阀装置10的密封环28的剖视图。如图7所示，座环28为整体式环形体，与使用在常规阀系统中的多部件座环相比，该整体式环形体极大地促进组装和维护的简易性并提高耐久力。现在参照图7至图9，座环28具有如所示位于环形体的径向中心处的纵向轴线“L”。座环28包括大致平行于纵向轴线L的内部48和同样大致平行于纵向轴线L的远离内部48的外部50。座环28进一步包括被设置为相对于纵向轴线L成角度θ3的斜部52。座环28还包括大致垂直于纵向轴线L的上部54。术语“上”仅关于附图7至图9作为参照点被提及并将不以任何方式被解释为是对方向或方位的限制。
如图8更详细所示，斜部52具有形成在其中的若干凹槽。第一凹槽56被形成为接纳图6的第一密封件36。第一凹槽56具有第一凹槽壁58。第一凹槽壁58被形成为相对于座环28的内部48或相对于纵向轴线L成角度θ4。角度θ4与θ1相似，并在本发明的一个实施例中等于θ1。角度θ1与θ4的相似性允许座环28容易地容纳第一密封件36，并在组装期间保持在适当位置。
第二凹槽58设置在座环28中以容纳第二密封件38。第二凹槽58具有多个凹槽凹口60和凹槽壁62。凹口60和壁62允许第二凹槽58牢固地夹住并附着到第二密封件38。在一个实施例中，壁62中的一个或两个具有弓形的几何结构。第二密封件38在从剖面看时具有带有许多凹口和凹槽的大致圆形几何结构，如图4至图5中所示。在本发明的一实施例中，第二密封件38为插入第二凹槽58并具有第二凹槽58的形状的聚合物。术语“聚合物”用于限定具有约1.5GPa至约5GPa的杨氏模量的性质的任何合适的材料。在本发明的一实施例中，聚合物可包括合适的聚合物，例如热塑性塑料、树脂以及聚酰胺(例如但不限于尼龙)。
通常，聚合物材料被放置在形成在座环28上的凹槽中，以使聚合物材料形成第二密封件38。因而，聚合物材料具有凹槽的形状并填充在凹槽的凹口中。第二密封件38用作高压密封件并提供弹性负载支承表面，以防止球阀座密封件26与球14之间的金属与金属的接触。第一密封件36插入到第一凹槽56中，并停留在适当的位置，而不需要由操作者保持在适当位置，从而允许第二密封件38容易地插入。
现在参照图9，座环28具有外部50，该外部50包括许多凹槽和形成在凹槽上以容纳至少一个O形圈和至少一个弹簧的凹口。通孔60形成在座环28上位于内部48与外部50之间，且在剖视图中呈一间隔。通孔60允许油脂从主体流过并流过座到达球周围的密封区域附近的出口。
图10描绘出座环28的斜部，且第一和第二密封件36、38安装在该座环28中。一个或多于一个弹簧可在组装球阀之前安装在座环中。该实施例的优点在于，预组装的弹簧，例如螺旋弹簧，被预紧并保持为做好组装准备。
如图5中最佳可见，在第一和第二密封件36、38安装在第一和第二座环凹槽56、58中之后，第一和第二密封件36、38的一部分突出到第一和第二座环凹槽56、58之外，从而第一和第二密封件36、38不与座环28的斜部52平齐。如在图11a中可见，在本发明的一实施例中，第一和第二密封件36、38可被加工为平的，从而第一和第二密封件36、38与斜部52平齐。在一可替换实施例中，第一和第二密封件36、38可被加工为具有与球14的半径匹配的弓形形状。通过这种方式，可在密封件与球14之间保持更大的接触。在插入密封件之后的附加的加工步骤确保保持相对于密封件与球的接触更紧密的间隙，以获得更好的总体密封。通过这种方式，可能阻碍球旋转的摩擦可被减小，并因而球阀的操作可变得容易。
根据详细描述的说明书，本发明的许多特征和优点是明显的，因而，意欲通过所附权利要求涵盖落入本发明的真正精神和范围内的本发明的所有这些特征和优点。此外，由于对于本领域技术人员而言将易于作出许多修改和变形，因此不希望将本发明限制于所例示和所描述的具体结构和操作，并且因此，所有合适的修改和等同替换可被视为落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用于球阀的阀密封件，包括：
构造为与尾件配合的球；
使所述球与所述尾件的所述配合变得容易的具有内部和外部的环形单件座环；和
包括第一密封件和第二密封件的单个密封零件组，其中所述第一密封件为环形带并且为截头圆锥形的几何形状，并且所述第一密封件具有平行四边形的横截面形状，
所述座环具有倾斜的壁，所述倾斜的壁具有用于容纳所述第一密封件的第一凹槽和用于容纳所述第二密封件的第二凹槽，所述第一密封件具有与所述第二密封件不同的杨氏模量，
其中所述第一密封件和所述第二密封件通过压配合被各自保持在所述相应的第一凹槽和第二凹槽中，所述第二凹槽具有多个凹槽凹口，该多个凹槽凹口允许所述第二凹槽牢固地夹住所述第二密封件，并且所述第二密封件的横截面最初为圆形并且被构造为符合并且由所述多个凹槽凹口夹住；并且
其中通孔被形成在所述座环上，该通孔允许油脂流过所述座环到达球周围的密封区域附近的出口。
2.根据权利要求1所述的阀密封件，其中，所述第一密封件由弹性体材料形成。
3.根据权利要求1所述的阀密封件，其中，所述第一密封件具有约0.01GPa至约1GPa的杨氏模量。
4.根据权利要求1所述的阀密封件，其中，所述第二密封件由聚合物材料形成。
5.根据权利要求1所述的阀密封件，其中，所述第二密封件由尼龙形成。
6.根据权利要求1所述的阀密封件，其中，所述第二密封件具有约1.5GPa至约5GPa的杨氏模量。
7.一种用于球阀的阀密封件，包括：
球；
构造为接触所述球的具有内部、外部、第一凹槽和第二凹槽的环形单件座环，其中所述第一凹槽具有相对于设置在所述座环的径向中心处的纵向轴线成小于90°的角度θ1倾斜的第一凹槽壁；和
包括第二密封件和几何形状为圆锥形的第一密封件的单个密封零件组，其中所述第一密封件和所述第二密封件通过压配合被各自保持在所述相应的第一凹槽和第二凹槽中，所述第一密封件包括横截面形状为平行四边形的截头圆锥形的环形带，其中所述带的第一内壁被设置为相对于设置在所述带的径向中心处的纵向轴线成小于90°的角度θ2；
其中所述第二凹槽具有多个被配置为夹住所述第二密封件的多个凹槽凹口，并且所述第二密封件的横截面最初为圆形并且被配置为符合并且由所述多个凹槽凹口夹住，并且
其中通孔被形成在所述座环上，该通孔允许油脂流过所述座环到达球周围的密封区域附近的出口。
8.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，角度θ1和角度θ2具有约0.5∶1至约1∶1的比例。
9.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，角度θ1和角度θ2具有约1∶1的比例。
10.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，所述带由弹性体材料形成。
11.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，所述带具有约0.01GPa至约1GPa的杨氏模量。
12.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，所述第二凹槽被配置为容纳所述第二密封件。
13.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，所述第二密封件由聚合物材料形成。
14.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，所述第二密封件由尼龙形成。
15.根据权利要求7所述的阀密封件，其中，所述第二密封件具有约1.5GPa至约5GPa的杨氏模量。
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