CN104121387A - 球阀 - Google Patents

Abstract

一种球阀(1)，该球阀具有：壳体，该壳体形成入口、出口以及密闭装置支座；密闭装置(3)，该密闭装置形成内腔(17)，该内腔具有入口孔(14)、与入口孔(14)相对的出口孔(15)、位于入口孔(14)与出口孔(15)之间的辅助孔(16)并具有与辅助孔(16)相对的封闭侧部(19)，其中，入口孔和出口孔将入口与内腔连接，并且入口孔和出口孔将入口与密闭装置支座连接，并且其中外部通路(20)形成在封闭侧部(19)的外表面中，当密闭装置(3)从关闭位置朝向打开位置旋转时，该外部通路在出口孔(15)在内腔与出口之间打开第二内部流动通道之前在密闭装置支座与出口之间打开第一外部流动通道。

Description

球阀

技术领域

本发明涉及一种用于球阀的球形密闭装置以及用于控制流体管道的打开和关闭的球阀。

背景技术

目前为止，难以在功能上获得这样的球阀，即该球阀一方面具有取决于密闭装置的旋转角度的线性化的流速，以允许逐步地且可控地调节管道中的流动，并且另一方面该球阀具有密闭装置的从关闭位置(0°)到有角度位置(流体的通行(passage)从该位置开始)的最小的初始行程。特别地，该第二个要求是针对流动的需要尽可能大的角度调节行程的微调，并且以增加阀对于调节、打开以及关闭指令的响应速度。

DE102007025516公开了用于控制管道的打开和关闭的球阀，该球阀具有：

-壳体，该壳体具有适于连接至管道的对应部分的入口和出口，

-球密闭装置，该球密闭装置以围绕调节轴线旋转的方式容纳在壳体中并且具有内腔，该内腔具有当球阀打开时适于与阀壳体的入口和出口对齐的入口孔和出口孔，该内腔还具有位于入口孔与出口孔之间的第三圆形孔，

-控制装置，该控制装置适于操作以使密闭装置围绕旋转轴线旋转，

其中，入口孔具有圆形形状的孔和垂直于调节轴线的中央轴线，并且出口孔具有相对于这样的平面的对称形状的孔(或横向孔截面)，即该平面正交于调节轴线并且平行于中央轴线，并且该孔包括C形边缘(rim)部分、连接至C形部分的端部的两个相对的平行边缘部分、连接至平行部分的两个相对的楔形倾斜部分、连接至两个倾斜部分并在出口孔上从入口孔的平行投影向外突出的弓形部分。

通过现有技术的球密闭装置的该几何结构，与传统球阀(图6)相比，实现了快速的打开和关闭以及改善的线性调节(图7)。

然而，没有流体的初始调节行程仍然是相当大的(大约15°至20°)并且密闭装置的响应仍然不足够线性以允许阀的快速、可控且直观的调节、打开以及关闭。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种球阀和用于球阀的密闭装置，其具有克服现有技术的缺点的特性。

本发明的一个特别的目的是提供一种球阀和用于球阀的密闭装置，其具有减小密闭装置的从关闭位置到流体的通行开始于其中的位置的初始行程的特性。

本发明的另一特别目的是提供一种球阀和用于球阀的密闭装置，其具有增加流动的角度调节行程并使密闭装置的调节角度与流速之间的比率线性化(在恒定的压力梯度Δp的情况下)的特性。

这些目的中的至少一些通过这样的球阀来实现，该球阀用于调节管道中流体的流动，该球阀包括：壳体，该壳体具有入口、出口以及密闭装置支座；球密闭装置，该球密闭装置通过密封装置的插入而定位在阀体的内部，该密封装置将入口和出口与密闭装置支座分离；致动装置，该致动装置用于使密闭装置围绕调节轴线在关闭位置与完全打开位置之间旋转，其中密闭装置形成内腔，该内腔具有入口孔、与入口孔相对的出口孔、定位在入口孔与出口孔之间的辅助孔并具有与辅助孔相对的封闭侧部，使得贯穿整个角度调节行程，入口孔和出口孔将入口与密闭装置的内腔流体连接，并且入口孔和出口孔将入口与密闭装置支座流体连接，其中外部通路形成在封闭侧部的外表面中，当密闭装置从关闭位置朝向完全打开位置旋转时，该外部通路在出口孔于密闭装置的内腔与出口之间形成第二内部流动通道之前在密闭装置支座与出口之间形成第一外部流动通道。

这允许打开阀所需要的密闭装置的旋转角度的减少，而不管密闭装置的调节角度与流速之间的线性化的比率如何。因此，在无需还需确保流体的初始通道的情况下，可为密闭装置的调节角度与流速之间的线性化的比率而优化出口孔的形状。

因此，本发明更好地调和了两个要求：扩大角度调节行程以及使阀的调节角度与流速之间的比率线性化。

附图说明

为了更清楚的理解本发明及其优点，将参照附图，通过非限制性实例的方式在下文中描述本发明的一些实施方式，在附图中：

-图1以根据由密闭装置的中央流动轴线和旋转轴线限定的竖直截面平面的截面图示出了根据一个实施方式的处于完全打开构造(调节角度90°)的球阀；

-图2以根据正交于旋转轴线并包括中央流动轴线的水平截面平面的截面图示出了处于完全关闭构造(调节角度0°)的图1中的球阀；

-图3A至图3H以根据图2的截面示出了阀的(10°、20°、30°、40°、50°、70°、80°、90°的)调节顺序，并且除此之外还从阀的管状出口部分示出了密闭装置的对应的视图；

-图4a至图4k为根据一个实施方式的用于球阀的密闭装置的视图；

-图5a至图5k为根据另一个实施方式的用于球阀的密闭装置的视图；

-图6和图7示出了经受恒定压力梯度Δp的已知球阀的调节曲线，在图中y轴表示流速(l/min)，并且x轴表示球密闭装置的调节角度(°)。

-图8示出了图1中的阀经受恒定压力梯度Δp的调节曲线，在图中y轴表示流速(l/min)，并且x轴表示球密闭装置的调节角度(°)。

具体实施方式

参照附图，总体上通过参考标号1来表示用于打开、关闭以及调节管道中的流体流动的球阀。阀1包括阀体或壳体2、定位在阀体2内部的密闭装置3(为球型的但不具有完全球形的形状)、控制手柄4或非手动旋转致动器(例如电动的)，该控制手柄或非手动旋转致动器适于连接至壳体2并通过定位在壳体2的特定通道6中的驱动轴5使密闭装置3围绕调节轴线R(该调节轴线形成密闭装置的旋转轴线)旋转。依据密闭装置3的角度调节位置，该密闭装置影响(例如，调节、阻止、打开)通过阀1的流体(例如液体)流动。

壳体2形成分别限定用于待控制的流动的入口8和出口9的两个管状连接部7。连接部7可分离地连接至管道区段的对应的连接端部10。阀1的连接部7和管道的连接端部10可通过环形螺母11连接至彼此，该环形螺母耦接至连接部7和连接端部10中的一个并拧至另一个上。

密闭装置3通过插入的密封装置，特别地垫环或密封环13(优选为圆形的)容纳在壳体2中，该垫环或密封环将壳体2的密闭装置支座18与入口8并与出口9隔开。

密闭装置3在其上侧具有控制支座12，该控制支座用于以旋转的方式(in rotation)与驱动轴5整体耦接，该驱动轴用于将围绕旋转轴线R的旋转从控制手柄4传递至密闭装置3。

球密闭装置3形成入口孔14、基本上与入口孔14相对的出口孔15以及定位在入口孔14与出口孔15之间(在密闭装置3的旋转的打开方向上可见)的辅助孔16。三个孔14、15、16通向密闭装置3的内腔17。

当阀1打开时(图1、图3H，密闭装置3的旋转角度＝90°)，入口孔14面向入口8并与该入口连通，并且出口孔15面向壳体2的出口9并与该出口连通，并且流体流在流动入口8->密闭装置3->出口9的方向上穿过阀。在这个情况下，辅助孔16相对于流动的方向横向定向并定位在密闭装置支座18(由两个密封环13限定)的内部，并且辅助孔将密闭装置支座18(或者换言之：位于壳体2与密闭装置3之间并位于两个密封环13之间的空隙)设置成与密闭装置3的内腔17连通。

当阀1关闭时(图2，密闭装置3的旋转角度＝0°)，入口孔14和出口孔15相对于流动的方向横向定向并且定位在密闭装置支座18(由两个密封环13限定)的内部，并且入口孔和出口孔将密闭装置支座18(或者换言之：位于壳体2与密闭装置3之间并且位于两个密封环13之间的空隙)设置成与密闭装置3的内腔17连通。辅助孔16面向入口8并与该入口连通，而密闭装置3的大致与辅助孔16相对的封闭侧部19面向出口9并与对应的密封垫环或密封环13接触，以便使出口9与密闭装置3的内腔17并与密闭装置支座18两者均隔离。在这个情况下，入口8与出口9之间的压力差使密闭装置3的封闭侧部19有力地(actively)压靠出口9一侧上的密封环13’以保证可靠的密封。

三个孔14、15、16可通过共同的对称面S彼此对齐，该对称面正交于密闭装置3的旋转轴线R。

三个孔14、15、16的中央轴线可与旋转轴线R相交，例如在旋转轴线R与对称面S相交的点上。

然而入口孔14与出口孔15在直径上(diametrically)是相对的，并且它们的中央轴线是平行的或相同的，辅助孔16的中央轴线定向成相对于入口14和出口孔15的中央轴线大约呈90°。

用更普通的术语来表达，密闭装置3的入口孔14、辅助孔16、出口孔15以及封闭侧部19形成在密闭装置3的在围绕旋转轴线R旋转的打开方向上连续地定位的四个对应的球面二角形(或双角(biangle))中，其中球面二角形是由在调节轴线R中相交的两个直径的半平面所限定的球形表面的部分。理想地，每个球面二角形的孔的角度为90°。

根据本发明的一个方面，密闭装置3包括形成在封闭侧部19的外表面上的外部通路20，并且当将密闭装置3从关闭位置(图2，α＝0°)朝向打开位置旋转时，该外部通路在出口孔15将密闭装置3的内腔17设置成与出口9连通之前将密闭装置支座18设置成与出口9连通。

这允许打开阀所需的密闭装置的旋转角度的减少，而不管密闭装置的调节角度与流速之间的线性化的比率如何。因此，在无需还需确保流体的初始通道的情况下，可为密闭装置的调节角度与流速之间的线性化的比率而优化出口孔15的形状。

这允许改进调和扩大角度调节行程以及使阀的调节角度与流速之间的比率线性化这两个要求。

如按图2、图3A至图3H的顺序可看到的，通过将密闭装置3从关闭位置(图2)朝向完全打开位置(图3H)旋转，在大约α＝5°的调节角度时，密闭装置3在外部通路20处将其自身与出口侧9上的密封环13’分离，并且外部通路20打开穿过密闭装置支座18的并沿着密闭装置3的外表面的第一外部流体流21。随后，在大约α＝25°的调节角度时，密闭装置3在出口孔15处将其自身与出口侧9上的密封环13’分离，并且出口孔15打开穿过密闭装置3的内腔的第二内部流体流22。

根据一个实施方式，在阀关闭(α＝0°的调节角度)时，在密闭装置3的位于外部通路20与出口侧9上的密封垫环或密封环13’之间的外表面上测量到的最小周向距离(在旋转的打开方向上)小于出口孔15与出口侧9上的密封垫环或密封环13’之间的最小周向距离(在旋转的打开方向上)。

根据另一个实施方式，密闭装置3的位于外部通路20与入口孔14之间的外表面上测量到的最小周向距离(在旋转的打开方向上)小于出口孔15与外部通路20之间的最小周向距离(在旋转的打开方向上)。

根据一个实施方式，外部通路20具有平坦的形状(flat shape)，该平坦的形状优选地为圆形的并且有利地垂直于入口孔14并平行于辅助孔16。

这简化了密闭装置3的几何结构，使该密闭装置更轻并且使该密闭装置便于通过注射成型(injection moulding)来制造，然而还可通过机械加工从(例如圆柱形的)棒材切割的半成品件来制造，并且减少尺寸公差。

可替换地，外部通路20可具有在横向截面上凹入的形状，例如在密闭装置3的封闭侧部19的外表面中形成的腔或凹槽。

根据本发明的另一个方面，在阀完全打开(α＝90°的调节角度)时，外部通路20完全定位在密闭装置支座18的内部，并且通过在出口侧9上的密封垫环或密封环13’与出口9隔离。

在阀1完全打开时，这样的方式不会发生流动的分叉以及随后的重新汇聚，并且减少了流动的阻力和压力下降。

在一个实施方式中，外部通路20或外部通路20的系统具有对应于70°至85°(优选地80°至85°)的角度调节行程的周向延伸(特别地，沿着密闭装置在对称面S中的圆周)。出口孔15具有对应于55°至70°(优选地65°至70°)的角度调节行程的周向延伸(特别地，沿着密闭装置在对称面S中的圆周)。由于改变两个通道截面的形状的可能性，这确保了外部流动21和内部流动22的在宽的调节范围中的同时存在，并有利于流速与调节角度之间的比率的线性化。

根据一个实施方式，外部通路20的流动截面从面向入口孔14的第一端部23直至中间截面(优选地中央的)连续地变宽，并且从中间截面直至其面向出口孔15的第二端部24连续地变窄。上述截面的变化的发生所沿着的方向为围绕旋转轴线R的周向方向。

在相反的方向上，出口孔15具有面向封闭侧部19的第一变宽部25、面向辅助孔16的第二变宽部27以及第一变宽部25与第二变宽部27之间的中间窄部26。外部流动21的速度与内部流动22的速度依据密闭装置3的调节角度在相反的方向上变化的方式排除了流速相对于调节角度的变化不成比例的变化。

根据一个实施方式(图4e)，出口孔15的第一变宽部25具有凸出的前边缘28，该凸出的前边缘具有与出口侧9上的密封环13’的曲率相似或大致相同的曲率。

两个相对的侧边缘29连接至前边缘28的相对的端部，该侧边缘(邻近第一变宽部25)首先确定第一变宽部25的近似线性的变宽，然后确定近似线性的变窄，并且最后确定进一步弯曲的凹入的变窄，直至窄部26。出口孔15的第二变宽部27具有凸出的后边缘30，该凸出的后边缘具有与前边缘28的曲率半径相同或小于该前边缘的曲率半径的曲率半径，并且第二变宽部27具有连接至窄部26的大致C形部。整个出口孔15可有利地对称于与旋转轴线R垂直的对称面S。

换言之，出口孔的窄部26由两个相对的突出部31形成，该突出部突伸至出口孔15中并朝向该出口孔的第二变宽部25倾斜。

在图5e所示的实施方式中，出口孔的窄部26由两个相对的突出部31形成，该突出部突伸至出口孔15中并朝向该出口孔的第二变宽部25倾斜，其中突出部31的面向第一变宽部25的前侧和突出部31的面向第二变宽部27的后侧两者均是凸的。

辅助孔16可具有与入口孔8(同样大致为圆形的)大致相同尺寸的圆形形状。

根据一个实施方式(图5k)，在沿出口孔15的中央轴线的平行投影中，该出口孔的轮廓没有超出入口孔14的轮廓，但是出口孔15的变宽部25、26的边缘可延伸超出入口孔14的圆形边缘。这样的形状有利于制造，并且特别地有利于密闭装置的机械加工。

在图4k所示的实施方式中，在沿出口孔15的中央轴线的平行投影中，该出口孔的轮廓具有超出入口孔14的圆形周边的至少一部分，并且入口孔14具有相对于入口孔的圆形周边的局部变宽区域32，其中这些区域32具有与超出入口孔14的部分相同的形状和位置。

这减少了流动阻力并有利于通过注射成型来制造密闭装置3。

阀1的部件可由塑料材料制造，或可替换地由金属或通常固体的防水材料制成。密封环可由橡胶或已知的密封聚合物制成。

显而易见地，本领域技术人员可对根据本发明的密闭装置3和球阀1做出进一步修改和变型，以便满足可能的和特定的要求，而保持在由以上权利要求所限定的本发明的保护的范围之内。

Claims (17)

1.一种球阀(1)，用于调节管道中流体的流动，所述球阀包括：壳体(2)，所述壳体具有入口(8)、出口(9)以及密闭装置支座(18)；球密闭装置(3)，所述球密闭装置通过密封装置(13，13’)的插入而定位在所述阀体(2)的内部，所述密封装置将所述入口(8)和所述出口(9)与所述密闭装置支座(18)分离；致动装置(4，5)，所述致动装置用于使所述密闭装置(3)围绕调节轴线(R)在关闭位置与完全打开位置之间旋转，其中所述密闭装置(3)形成内腔(17)，所述内腔具有入口孔(14)、与所述入口孔(14)相对的出口孔(15)、位于所述入口孔(14)与所述出口孔(15)之间的辅助孔(16)并具有与所述辅助孔(16)相对的封闭侧部(19)，使得贯穿整个角度调节行程，所述入口孔(14)和所述出口孔(15)将所述入口(8)与所述密闭装置(3)的所述内腔(17)流体连接，并且所述入口孔和所述出口孔将所述入口与与所述密闭装置支座(18)流体连接，

其中，外部通路(20)形成在所述封闭侧部(19)的外表面中，当所述密闭装置(3)从所述关闭位置朝向所述完全打开位置旋转时，所述外部通路在所述出口孔(15)于所述密闭装置(3)的所述内腔(17)与所述出口(9)之间形成第二内部流动通道之前在所述密闭装置支座(18)与所述出口(9)之间形成第一外部流动通道。

2.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中：

-在所述完全打开位置中，所述入口孔(14)面向并直接流通至所述入口(8)中，并且所述出口孔(15)面向并直接流通至所述出口(9)中，并且所述辅助孔(16)定位在所述密闭装置支座(18)中并且将所述密闭装置支座(18)设置成与所述密闭装置(3)的所述内腔(17)连通，

-在所述关闭位置中，所述入口孔(14)和所述出口孔(15)定位在所述密闭装置支座(18)的内部并且将所述密闭装置支座(18)设置成与所述密闭装置(3)的所述内腔(17)连通，所述辅助孔(16)面向并直接通向所述入口(8)，并且所述封闭侧部(19)面向所述出口(9)并密封地接触所述密封装置(13’)，使得将所述出口(9)与所述密闭装置支座(18)并与所述内腔(17)隔离，

-所述第一外部流动通道(21)由所述密封装置(13)并由所述外部通路(20)界定，并且

-所述第二内部流动通道(22)由直接流通至所述出口(9)中的所述出口孔(15)并且至少在初始调节行程中由所述密封装置(13’)界定。

3.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述密封装置包括定位在所述密闭装置支座(18)与所述出口(9)之间的密封环(13’)。

4.根据权利要求3所述的球阀(1)，其中，在所述关闭位置中，在所述密闭装置(3)的外表面上且在所述密闭装置的旋转方向上测量到的所述外部通路(20)与所述密封环(13’)之间的最小周向距离小于所述出口孔(15)与所述密封环(13’)之间的最小周向距离。

5.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，在所述密闭装置(3)的外表面上且在所述密闭装置的旋转方向上测量到的所述外部通路(20)与所述入口孔(14)之间的最小周向距离小于所述出口孔(15)与所述外部通路(20)之间的最小周向距离。

6.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述外部通路(20)具有平坦的形状。

7.根据权利要求6所述的球阀(1)，其中，所述外部通路(20)是圆形的，所述外部通路垂直于所述入口孔(14)并平行于所述辅助孔(16)。

8.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，在所述完全打开位置中，所述外部通路(20)完全定位在所述密闭装置支座(18)的内部并且通过所述密封装置(13’)与所述出口(9)隔离。

9.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述外部通路(20)具有相对于所述调节轴线(R)的对应于70°至85°的角度调节行程的周向延伸。

10.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述出口孔(15)具有相对于所述调节轴线(R)的对应于55°至70°的角度调节行程的周向延伸。

11.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，沿围绕所述调节轴线(R)的周向方向，所述外部通路(20)从面向所述入口孔(14)的第一端部(23)直至中间截面连续地变宽，并且所述外部通路从所述中间截面直至所述外部通路的面向所述出口孔(15)的第二端部(24)连续地变窄，并且其中

所述出口孔(15)具有面向所述封闭侧部(19)的第一变宽部(25)、面向所述辅助孔(16)的第二变宽部(27)并具有形成在所述第一变宽部(25)与所述第二变宽部(27)之间的中间窄部(26)。

12.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述入口孔(14)、所述出口孔(15)、所述辅助孔(16)以及所述外部通路(20)都相对于共同的对称面(S)具有对称的形状，所述对称面正交于所述调节轴线(R)。

13.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述入口孔(14)、所述辅助孔(16)、所述出口孔(15)以及所述外部通路(20)形成在所述密闭装置(3)的四个不同的球面二角形中，所述四个不同的球面二角形限定于在所述调节轴线(R)中相交的垂直直径的半平面之间。

14.根据权利要求11所述的球阀(1)，其中，在沿所述出口孔(15)的中央轴线的平行投影中，所述出口孔(15)的轮廓不超出所述入口孔(14)的轮廓，并且所述出口孔(15)的变宽部(25、26)的边缘沿所述入口孔(14)的基本上圆形的边缘延伸。

15.根据权利要求1所述的球阀(1)，其中，所述密闭装置(3)通过注射成型方法由塑料制成。

16.根据权利要求9所述的球阀(1)，其中，所述外部通路(20)具有相对于所述调节轴线(R)的对应于80°至85°的角度调节行程的周向延伸。

17.根据权利要求10所述的球阀(1)，其中，所述出口孔(15)具有相对于所述调节轴线(R)的对应于65°至70°的角度调节行程的周向延伸。