CN104251312A - 溢流截止阀 - Google Patents

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CN104251312A
CN104251312A CN201410302204.0A CN201410302204A CN104251312A CN 104251312 A CN104251312 A CN 104251312A CN 201410302204 A CN201410302204 A CN 201410302204A CN 104251312 A CN104251312 A CN 104251312A
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fluid
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M·S·基弗
S·C·坦塔雷里
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Air Products and Chemicals Inc
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    • Y10T137/7785—Valve closes in response to excessive flow

Abstract

溢流截止阀包括阀体、阀塞、隔件、和激励件，其中阀塞、隔件和激励件布置在阀体内。提供合适的流动限制件，以当流体流经阀体时在阀塞上游端和阀塞下游端之间产生压差。当经过阀体的流体流动高于理想速度时，压差超过启动激励件所需目标压差，并因此关闭阀。

Description

溢流截止阀
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明至少部分在美国能源部根据DOE合作协议第DE-FC26-98FT40343号的资助下进行。美国政府在本发明中享有某些权利。
背景技术
溢流截止阀(excess flow shutoff valve)对于当压力线路中的构件受到破坏时自动隔离加压线路是有用的。具体而言，如果线路处于内压并且阀下游的构件失效、或者线路处于外压并且阀上游的构件失效，则可以使用溢流截止阀。
相关申请包括美国专利4,240,458、美国专利5,067,511、美国专利5,462,081、美国专利5,810,057、美国专利6,131,599、美国专利6,484,742、美国专利6,916,362、以及美国专利7,703,472。
工业上要求溢流截止阀适于在高温、例如600℃至1400℃之间下使用。
工业上要求紧凑且经济的溢流截止阀，其可以在比当前可商业获得的溢流截止阀更高的温度下操作。
工业上要求可靠的溢流截止阀，其不会过早地断开，但在目标流率时能持续断开。
工业上要求易于调节的溢流截止阀，其可以容易地进行调节以改变阀断开时的目标流率。
工业上要求对相对小的溢流敏感的溢流截止阀。
预期在高温时使用的一些隔离装置非常庞大，主要保持工作部件与加工流体隔离并处于较低温度。工业上要求溢流截止阀小巧且可以在线安装。
工业上要求溢流截止阀在正常操作状态期间具有通过阀的较低压降。
工业上要求溢流截止阀在关闭时(甚至在加工流体包括碎屑)提供紧密的密封。
工业上要求根据需要来断开溢流截止阀的能力。
发明内容
本发明涉及溢流截止阀。
下文列出了溢流截止阀的几个方面。在下文中，列出溢流截止阀的几个具体方面。设定在括号内的附图标记和表达参照下文参照附图进一步解释的示例实施例。然而，附图标记和表达仅仅是说明性的，而不是将所述方面限制到示例实施例的任何具体构件或特征。这些方面可以在权利要求中进行阐述，在权利要求中设定在括号内的附图标记和表达被省略或酌情由其他方式进行替代。
方面1.溢流截止阀，其包括：
阀体(10)，其限定内部容积，并具有进口(16)和出口(18)；
阀塞(20)，其具有上游端(22)和下游端(24)，所述阀塞在所述阀体(10)内可从允许流体从进口(16)流向出口(18)的位置移动至阻断流体从进口流向出口的位置，当启动激励件(30)时，所述阀塞可从允许流体从进口流向出口的位置移动至阻断流体从进口流向出口的位置；
隔件(50)，其位于所述阀体(10)内，所述隔件(50)在所述阀体(10)的内部容积中形成有第一腔(60)和第二腔(65)，其中，当所述阀塞位于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述阀塞(20)布置在所述第二腔内；以及
激励件(30)，其布置在所述阀体(10)内，并操作性地与所述阀塞(20)连接，以保持所述阀塞就位在所述第二腔(65)内允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置；
其中，所述阀体(10)和所述隔件(50)中的至少一个限定有一个或多个孔(55)，当所述阀塞(20)位于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述一个或多个孔用于流体从所述第一腔(60)流向所述第二腔(65)，当所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述一个或多个孔位于所述阀塞下游端(24)的下游位置。
方面2.根据方面1所述的溢流截止阀，其中，当所述阀塞处于允许流体从所述进口流向所述出口(18)的位置时，所述第一腔(60)由或由至少所述进口(16)、所述阀体(10)内表面的一部分(10a)、所述隔件(50)的第一表面(50a)、以及所述阀塞(20)的上游端(22)限定，并且，当所述阀塞(20)处于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述第二腔(65)由至少所述出口(18)、所述隔件(50)的第二表面(50b)、以及所述阀塞(20)的上游端(22)限定。
方面3.根据方面2所述的溢流截止阀，其中，所述第二腔(65)还由所述阀体(10)的内表面的第二部分(10b)限定。
方面4.根据方面1至方面3中任一方面所述的溢流截止阀，其中，当流体从所述进口(16)至所述出口(18)流经所述阀体(10)时，所述一个或多个孔(55)在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间产生压差，其中，当流体以小于目标流率的较低速率流经所述阀体(10)时，所述压差小于用于激励所述激励件(30)的目标压差，以及，当流体以大于目标流率的较高速率流经所述阀体(10)时，所述压差超过用于激励所述激励件(30)的目标压差。
方面5.根据方面1至方面4中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述第二腔(65)形成在所述隔件和所述阀体(10)的内表面之间。
方面6.根据方面1至方面4中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述第二腔(65)形成在所述隔件(50)内，当所述阀塞(20)位于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述第二腔(65)由或由至少所述隔件(50)的内表面、所述出口(18)、以及所述阀塞(20)的上游端(22)限定。
方面7.根据方面1至方面6中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述激励件(30)选自销钉(30a)、可变形联杆(deformable link)(30b)及其组合。
方面8.根据方面1至方面7中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括可变形联杆(30b)，所述可变形联杆(30b)具有如下蠕变特性，使得当在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间出现的压差小于目标压差时，所述可变形联杆(30b)足够慢地蠕变，从而当所述压差小于所述目标压差时，保持所述阀塞(20)位于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置第一目标时段，以及，使得当在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间出现的压差超过所述目标压差时，所述可变形联杆(30b)足够快的蠕变，其中，当所述可变形联杆(30b)蠕变时，使所述阀塞(20)在第二目标时段内移动至阻断流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置。
方面9.根据方面1至方面8中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括销钉(30a)，所述销钉具有如下强度，使得当在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间出现的压差超过所述目标压差时，所述销钉会断裂，其中，当所述销钉(30a)断裂时，使所述阀塞(20)移动至阻断流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置。
方面10.根据方面1至方面7所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括销钉(30a)和可变形联杆(30b)，所述销钉(30a)具有如下强度，使得当在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间出现的压差超过所述目标压差时，所述销钉(30a)会断裂，所述可变形联杆(30b)具有如下蠕变特性，使得当在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间出现的压差超过第二目标压差时，所述可变形联杆(30b)将蠕变，
其中，所述销钉(30a)和所述可变形联杆(30b)操作性地布置为使得所述销钉(30a)起初将所述阀塞(20)保持在所述阀体(10)内就位在允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置，
其中，当所述销钉(30a)断裂时，所述阀塞(20)由所述可变形联杆(30b)限制，其中当所述可变形联杆(30b)蠕变时，使所述阀塞(20)移动至在目标时段内阻断流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置。
方面11.根据方面1至方面10所述的溢流截止阀，还包括：
布置在所述阀体(10)内的变流装置(flow deflector)(40)，所述变流装置(40)布置在所述阀体(10)进口(16)下游和所述阀塞(20)上游端(22)的上游的第一腔(60)内，其用于将进入所述阀体(10)进口(16)的流体偏斜远离所述阀塞(20)上游端(22)。
方面12.根据方面1至方面11中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述隔件(50)包括陶瓷衬里(57)，其覆盖所述隔件(50)内部的至少一部分。
方面13.根据方面1至方面12中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述隔件(50)限定了一个或多个孔(55)，当流体流经所述阀体(10)时，所述一个或多个孔(55)提供流动限制，以在所述阀塞(20)的上游端(22)和所述阀塞(20)的下游端(24)之间产生压差。
方面14.根据方面1至方面13中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述隔件(50)具有面对所述阀塞(20)的侧面和背离所述阀塞(20)的侧面，并且其中，所述隔件(50)包括形成与所述阀塞(20)相邻的侧面的至少一部分的陶瓷层(57)，并且在所述隔件(50)的陶瓷层(57)中形成有所述一个或多个孔(55)。
方面15.根据方面1至方面14中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述隔件(50)具有面对(相邻)所述阀塞(20)的侧面和背离(相对)所述阀塞(20)的侧面，并且其中，所述隔件(50)包括形成背离所述阀塞(20)的所述侧面的至少一部分的套筒(59)，并且在所述套筒中形成有所述一个或多个孔(55)。
方面16.根据方面1至方面15中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述一个或多个孔(55)的尺寸形成为提供压差，当经过流动限制件的流率超过目标流率时，所述压差足以启动所述激励件(30)。例如，足以触发所述激励件(30)的压降可大于6900Pa。
方面17.根据方面1至方面16中任一方面所述的溢流截止阀，其中，所述激励件(30)包括销钉(30a)，所述销钉以弯曲形式负载，其中，当所述阀塞(20)位于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述销钉将所述阀塞(20)保持在所述阀体(10)内的位置。
方面18.根据方面17所述的溢流截止阀，其中，当所述销钉将所述阀塞(20)保持在所述阀体(10)内允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述销钉(30a)由所述隔件(50)支撑。
方面19.根据方面17或方面18所述的溢流截止阀，其中所述销钉处于3点弯曲构造。
方面20.根据方面17或方面18所述的溢流截止阀，还包括分布梁(spreader beam)(35)，其将所述阀塞(20)机械连接至所述销钉，从而使销钉处于4点弯曲构造。
方面21.根据方面1至方面20中任一方面所述的溢流截止阀，还包括垫圈(80；81)，当所述阀塞(20)位于阻止流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述垫圈(80；81)定位为形成所述阀塞(20)和所述阀体(10)与所述隔件(50)中至少一个之间的密封。
方面22.根据方面21所述的溢流截止阀，其中，当所述阀塞(20)移动至阻止气体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述阀塞(20)的下游端(24)具有集中接触应力并使所述垫圈(80)变形的周长。
方面23.根据方面1至方面22中任一方面所述溢流截止阀，还包括：
垫圈(81)，其位于所述阀塞(20)的沟槽内；
阀座(90)；以及
第二垫圈(95)，其接近所述阀体(10)的出口(18)；
其中，所述阀座(90)定位为当所述阀塞(20)处于阻止流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时,与所述垫圈(81)形成密封，并且其中，所述第二垫圈(95)位于所述阀座(90)和所述阀体(10)之间，以提供所述阀座(90)和所述阀体(10)之间的密封。
方面24.根据方面1至方面23中任一方面所述溢流截止阀，还包括激励流体注射通道(100)，其布置为用于在所述阀塞(20)的上游端(22)注射激励流体。
方面25.根据方面24所述溢流截止阀，其中，所述阀塞(20)的上游端(22)、变流装置(40)、和所述隔件(50)形成布置为用于接收来自所述激励流体注射通道(100)的激励流体的空间(52)，并且所述隔件(50)和所述变流装置(40)在其二者之间形成流动限制间隙(70)，其布置为限制所述激励流体流出所述空间(52)。
方面26.根据方面1所述溢流截止阀，其中，所述阀塞(20)具有一个或多个外围肋(25)。
方面27.根据方面1至方面26中任一方面所述溢流截止阀，其中，重力使所述阀塞(20)移动至阻断流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置。
方面28.根据方面17或方面18所述溢流截止阀，其中，所述销钉处于n点弯曲构型，并且n≥3。
方面29.根据方面1至方面28中任一方面所述溢流截止阀，其中，所述第一腔(60)包括第一空间和第二空间(52)，所述第一空间连接进口(16)和孔(55)，第二空间(52)从第一空间分支，以将流体向阀塞(20)的上游端(22)引导，用于对阀塞朝阻断流体从进口(16)流向出口(18)的位置施加流体压力。
方面30.根据方面1至方面29中任一方面所述溢流截止阀，其中，当所述阀塞(20)位于允许流体从所述进口(16)流向所述出口(18)的位置时，所述阀塞(20)将第一腔(60)从第二腔(60)分离到如下程度，使得当流体从阀体(10)进口(16)流向出口(18)时，建立阀塞(20)上游端(22)与阀塞(20)下游端(24)之间的压差。
附图说明
图1示出通过具有阀塞的溢流截止阀的截面图，阀塞处于允许流体从进口流向出口的位置(即，处于打开结构)；
图2示出通过具有阀塞的溢流截止阀的截面图，阀塞处于阻断流体从进口流向出口的位置(即，处于关闭结构)；
图3示出通过溢流截止阀的截面图，具有与出口成直角的进口和阀体上的孔；
图4示出通过溢流截止阀的截面图，该溢流截止阀具有环形阀塞；
图5示出通过溢流截止阀的截面图，该溢流截止阀具有非对称方式安装在阀体中的阀塞；
图6示出通过溢流截止阀的截面图，其中阀体限定内部流动通道；
图7示出通过溢流截止阀的截面图，该溢流截止阀具有内套筒和激励件，激励件包括销钉和可变形的联杆；
图8示出处于3点弯曲的销钉；
图9示出处于4点弯曲的销钉；
图10示出处于拉伸下的销钉；
图11示出具有分布梁的处于4点弯曲的销钉；
图12示出通过溢流截止阀的截面图，该溢流截止阀具有外套筒；
图13示出通过溢流截止阀的截面图，该溢流截止阀具有可移除的底座；
图14示出具有2个外围肋的阀塞；
图15示出具有4个外围肋的阀塞；
图16示出通过溢流截止阀测试单元的截面图，该测试单元构造为在上游端具有孔；
图17示出通过溢流截止阀测试单元的截面图，该测试单元构造为与离子输送膜组件一起使用。
具体实施方式
下面的详细描述仅提供优选示例实施例，并且不旨在限制本发明的范围、应用或构造。相反，下面对优选示例实施例的详细说明为该领域技术人员提供能够实现本发明的这些优选示例实施例的说明，可以理解，对于构件的功能和布置可进行各种变化而不偏离权利要求限定的本发明的范围。
当应用于说明书和权利要求中描述的本发明实施方式中任何特征时，本文使用的不定指称(“a”和“an”)是指一个或多个。使用不定指称(“a”和“an”)不是将含义限制为单个特征，除非特别说明该限制。在单数或复数名词或名词短语前面的冠词“该”/“所述”代表一个具体指定特征或多个具体指定特征，并且根据其所使用的上下文可以具有单数或复数的含义。形容词“任何”是指一个、一些、或任何数量不加选择的所有。设置于第一实体和第二实体之间的词语“和/或”是指如下之一：(1)第一实体；(2)第二实体；以及(3)第一实体和第二实体。设置于列出的3个或更多实体中最后两个实体之间的词语“和/或”是指列出的实体中的至少一个，包括列出实体中的任何特定组合。
为了帮助描述本发明，在说明书和权利要求中可以使用方向性术语，以描述本发明的各部分(例如，上、顶、下、底、左、右等)。这些方向性术语仅旨在帮助描述本发明和要求保护本发明，并不旨在以任何方式限制本发明。此外，与附图相关的说明书中引入的附图标记可以在一个或多个后续附图中重复，无需在说明书中额外说明，从而为其他特征提供前后关系。
上游和下游是指传送的加工流体的预定流动方向。如果加工流体的预定流动方向是从第一装置到第二装置，第二装置处于与第一装置的下游流体流动连通。
如本文使用的术语“流体”包括气体和液体。流体可以是气体。流体可以是液体。
本发明涉及溢流截止阀，其是当流率大于理想阈值流率时隔离管路的自动截止阀。
现在参照附图，其中，在所有几张附图中，相似的附图标记表示相似的构件，图1示出处于打开结构的溢流截止阀1的截面图，以及图2示出处于关闭结构的溢流截止阀1的截面图。溢流截止阀包括具有进口16和出口18的阀体10。进口和出口可以如图1中所示在阀体10的相对端，如图3中所示彼此成直角，或成任何理想的角度。
阀体10限定内部容积，其容纳阀的内部构件。阀体在打开结构和关闭结构中都必须包含操作压力负载。阀体可具有圆形截面或任何其他理想截面。阀体可以由对于所需任务具有适合强度和抗氧化能力的任何材料制成。对于使用离子输送膜的氧气生产的情况，阀体应该由可与高温氧相容的材料制成。在700℃-950℃时，优选材料可以包括800H、600、601、RARA X、230、以及RA对于在低温时的氧任务，可以优选300系列不锈钢。阀体的进口端可以从阀的其他部分移除，以进入和维护溢流截止阀。溢流截止阀可以在进口端和出口端具有连接接头或联接器，以从毗连的管系统移除整个阀体来进行维护。
溢流截止阀包括布置在阀体10内的阀塞20。阀塞20具有上游端22和下游端24。阀塞20可在阀体10内从允许流体从进口16流向出口18的位置移动至阻断流体从进口16流向出口18的位置。
阀塞20可以为中空的，以减少阀塞的重量。阀塞可以填充有沙子或其他颗粒材料，以减缓阀塞的移动和/或减少阀塞的振动。
溢流截止阀包括布置在阀体10内并相对阀体10固定隔开的隔件50。隔件50布置在阀体10的进口16和阀体10的出口18之间。隔件50在阀体10的内部容积中形成第一腔60和第二腔65。当阀塞20位于允许流体从进口16流向出口18的位置时，阀塞20布置在第二腔65内。
如图1和图3所示，阀塞20可布置在隔件50内。在这种情况下，当阀塞20位于允许流体从进口16流向出口18的位置时，第一腔60可以由进口16、阀体10内表面的一部分10a、隔件50的第一(外)表面50、以及阀塞20的上游端22限定。当阀塞20位于允许流体从进口16流向出口18的位置时，第二腔65可以由至少出口18、隔件50的第二(内)表面50b、以及阀塞20的上游端22限定。
如图4所示，阀塞20可以为环形并布置在隔件50与阀体10之间的环形空间中。如图5所示，阀塞可不对称地布置在第二腔65中。在这些情况下，当阀塞20位于允许流体从进口16流向出口18的位置时，第一腔60可以由进口16、阀体10内表面的一部分10a、隔件50的第一(内)表面50a、以及阀塞20的上游端22限定。当阀塞20位于允许流体从进口16流向出口18的位置时，第二腔65可以由至少出口18、隔件50的第二(外)表面50b、阀体10内表面的第二部分10b、以及阀塞20的上游端22限定。
图6示出可替换的实施方式，其中，阀塞布置在阀体内，并且隔件布置在阀塞下游端的下游。阀体限定内部通道63，并且第一腔60包括内部通道63。
隔件50，还有阀体(取决于几何形状)，可以从如图1所示的允许流体从进口16流向出口18的位置向如图2所示的阻断流体从进口16流向出口18的位置引导阀塞20。隔件50操作性地布置为使阀塞20避开较大的流体流动部分，这否则会导致作用在阀塞20上的力并引起阀塞20不期望的振动。然而，可能存在由较小的流体流动部分(流体的旁路流动)引起的不平衡和不稳定流动诱导的力，该较小流体流动部分经过阀塞20与隔件50之间的间隙。
隔件50可适于成型为使通过阀体10进口16进入的流体偏斜远离阀塞20的上游端22。
第一腔60提供用于流体从进口向出口流动的流动通路。阀体10、阀塞20和隔件50的几何形状使得当流体从阀体10进口16向出口18移动时，较大部分(即，多于75％或多于95％)流体经过第一腔。
与阀塞上游端22相邻的第一腔60中的空间52与第一腔60提供的主要流动通路处于流体流动连通，使得当阀处于如图1所示的允许流体从进口流向出口的位置时，在阀塞20的上游端22与阀塞20的下游端24之间建立压差。可以经由间隙70建立该流体流动连通。少部分的流体流动(流体的旁路流动)，例如少于5％，可经过间隙70，在阀塞20和隔件50之间向下流动，并再次与通过第一腔60流动的流体会合。流体的旁路流动限定了阀塞20的上游端22和阀塞20的下游端24，旁路流动从阀塞20的上游端22至下游端24经过。
阀塞和隔件的尺寸和公差使得阀塞和隔件之间的间隙足够大，以防止由于氧化、热膨胀等使阀塞卡住隔件。阀塞20必须能够自由移动。
如图7所示，隔件50可以包括遮盖至少隔件50一部分的可选陶瓷衬里57。可以提供陶瓷衬里57以防止由于各构件的氧化而使阀塞20卡住隔件50。在阀塞和陶瓷衬里都由陶瓷制成的情况下，则可以允许阀塞和隔件之间更加紧密的配合，这具有下文论述的一些优点。
隔件50可以为类似套筒的部件。隔件50可以为中空圆筒件。隔件的截面可以为环形或非环形，例如椭圆形、方形、矩形等。隔件的截面可沿其长度而变化。例如，具体地，隔件的截面可以沿其整个长度或与阀塞接触的长度上为恒定的，或者隔件可以为倒置的切去顶端的锥形。阀塞具有与隔件互补的形状。
隔件50除了将阀塞20从允许流体从进口流向出口的位置引导至阻止流体从进口流向出口的位置，还提供引导大部分流体流动远离阀塞的技术效果，从而有效地使阀塞避开大部分流动并很大程度地减少了导致阀塞移动或振动的任何流动，否则流体流动会引起阀塞移动或振动。导致阀塞移动的流动可以引起激励件的过早断开或启动。
隔件50可以与阀体10由相同材料构造，但不要求隔件50与阀体10由相同材料构造。由于阀塞20必须自由移动，当选择隔件的材料时应该考虑抗氧化能力。在如图4和图5的几何结构中，如果阀塞也接触阀体，当选择阀体的材料时应该考虑抗氧化能力。过度氧化可导致阀塞与隔件和/或阀体的粘合或卡住。
溢流截止阀包括激励件30，其布置在阀体10内并与阀塞20操作性地连接，以使阀塞20在阀体10内保持在如图1所示的允许流体从进口16流向出口18的位置。激励件可直接或间接地与阀塞相连。由于不定指称(“an”)在应用于任何特征时是指一个或多个，溢流截止阀可包括一个或多个激励件。
出于本公开的目的，术语“激励件”指构造为以下的任何装置：保持阀塞处于第一构造，直到预定的差值压力施加到阀塞和/或直到经历预定温度，因此具体装置将允许阀塞移动至第二构造。通过非限制的实例的方式，激励件包括力敏感元件诸如弯曲销钉、弯折销、剪切销钉、拉销、可变形联杆、以及其他等效结构。销钉是能够充当激励件的任何细长结构。可变形联杆可以为弹簧形状(诸如线圈或Belleville)，但是当受到激励时，其由于蠕变而永久变形。以发明人Julian F.Belleville命名的Belleville弹簧已称为锥盘弹簧、锥形弹簧垫圈、盘簧、Belleville弹簧、和杯形弹性垫圈。还可设想激励件可以包括温度敏感元件，诸如易熔合金和其他等效结构，使得激励件允许阀塞在高于预定温度但在正常操作流动下移动至第二构造。
阀塞20、隔件50和激励件30中的每一个都布置在阀体10内，这提供了这样的优点：阀体内无需密封件来操作性地连接不同构件。这对于高温应用可能是尤其重要的。
激励件上的负载包括由通过流动限制件的压降产生的压力负载、以及在阀塞竖直取向的情况下阀塞的重量。
图7示出穿过溢流截止阀2的截面图，其中，激励件包括弯曲销钉30a和可变形联杆30b(以弹簧的形式)。虽然显示了具有可变形联杆和销钉二者，溢流截止阀可以包括可变形联杆自身、没有可变形联杆的销钉、或可变形联杆和销钉的组合。
如果激励件是可变形联杆或包括可变形联杆，可变形联杆可具有如下蠕变特征，使得当在阀塞20上游端22与阀塞20下游端24之间出现的压差小于目标压差时，可变形联杆足够慢地蠕变，从而在压差小于目标压差时保持阀塞20处于允许流体从进口16流向出口18的位置第一目标时段。如果可变形联杆保持阀塞处于允许流体从进口流向出口的位置第一目标时段，可变形联杆被认为是“足够慢”地蠕变。蠕变特征也可以为使得在阀塞20上游端22与阀塞20下游端24之间出现的压差超过目标压差时，可变形联杆足够快速地蠕变。当可变形联杆蠕变时，使得阀塞20在第二目标时段内移动至阻断流体从进口16流向出口18的位置。如果可变形联杆在第二目标时段内使得阀塞移至阻断流体从进口流向出口的位置，可变形联杆被认为是“足够快”地蠕变。
根据需要，可以将可变形联杆设计为缓慢或快速地蠕变。第一目标时段可以从几个月至几十年，或所期望的任何时段。第二目标时段可以从几秒至几周，或所期望的任何时段。
可变形联杆可以是具有适合蠕变特征的任何适合抗氧化材料。可变形联杆的材料例如可以是230、25、和617。
弹簧通常不在升高温度时使用，由于金属的材料特性变得时间依赖性，即，弹簧会随时间蠕变，允许阀在正常操作时关闭。对于本发明的溢流截止阀，如果存在的话，可变形联杆可以是弹簧的形状，以当其变形时允许较大的移动。可变形联杆可设计为在正常操作期间具有非常低的应力，使得金属的蠕变速率非常慢，并且在正常操作下在溢流截止阀的设计寿命中阀不会关闭。由于很多合金的蠕变很大程度上取决于应力(通常与σn成比例，其中σ是所施加的应力，n在5至10之间)，由使负载增加2倍或更大将剧烈地增加蠕变速率并允许阀快速关闭。然而如果负载仅以少量增加，阀将缓慢地关闭。在某些应用中，缓慢关闭是有益的。
如果激励件是销钉或包括销钉，销钉可具有以下强度，使得仅当阀塞20上游端22与阀塞20下游端24之间的压差超过目标压差时销钉断裂。销钉断裂时，使阀塞20移动至阻断流体从进口16流向出口18的位置。
当销钉将阀塞20保持在阀体10内在允许流体从进口流向出口的位置时，销钉30a可以由隔件50支撑。可替换地，销钉可由阀体10或阀体内任何其他适合支撑件支撑。
销钉可以以三点弯曲模式、四点弯曲模式、或n点弯曲模式(n>4)被加载，或者其可以以拉伸力、或其他适合的模式加载，其中，销钉将在特定负载处断裂。图8示出三点弯曲的销钉，其中箭头指示加载点。图9示出四点弯曲的销钉，其中箭头示出加载点。图10示出处于拉伸力状态下的销钉。
销钉可以由硬且脆的材料制成，诸如陶瓷等，其在升高温度时具有适合的强度。销钉强度在销钉之间应该是一致的并且不依赖于时间。销钉在操作环境中不应该氧化或以其他方式劣化。销钉材料应该比阀塞材料更硬，使得如果阀塞经历流动导致的振动或移动时销钉不会磨损。对销钉的任何磨损会减少其发生断裂时的负载。销钉应该是抗疲劳性的。如果存在振动，振动将对销钉施加高频循环负载。由于这些原因，可以选择具有高威布尔(Weibull)模量的陶瓷材料(Weibull模量是对陶瓷可靠性的度量-具有高Weibull模量的材料在持续负载下将更加可靠地断裂)。对于由通过离子输送膜技术的氧生产而言，氧化铝可以是优选材料，但也可使用其他陶瓷或玻璃等。
销钉失效的几率由下述公式推导出：Pf＝1-exp(-∫vσmdv/vσm 0)，其中σ0是材料的特征强度、m是Weibull模量、v是销钉在拉伸负载下的体积、以及σ是在整个销钉体积上的应力分布。对于给定负载条件，应力分布由梁理论计算。
销钉设计可通过将正常操作条件的低断裂几率(例如在10000次过早断开中的一次)和所期望断开点的高断裂几率(例如95％的断开几率)作为目标来进行筛选。这可通过选择材料以获得适合的特征强度和Weibull模量、选择销钉长度和直径、对销钉增加诸如切口等特征、和/或选择销钉上的负载构造(三点弯曲、四点弯曲、或拉伸力)来实现。
变为具有较高Weibull模量的材料、从三点弯曲变为四点弯曲或拉伸负载、以及对销钉增加可控切口是可以通过其能够增加销钉可靠性的方法(即，导致其在较窄的负载范围内断裂)。通过增加销钉可靠性，减少了虚假断开的可能性。因此，可降低断开流率与操作流率的比率。
如果销钉构造为四点弯曲，并且在销钉上两个点处直接支撑阀塞，则阀塞将易于歪斜地位于第二腔内。阀塞的角度可以由阀塞和隔件和/或阀体的生产公差以及阀塞是否精确地坚直所决定。这种缺少对齐潜在地以从一个支撑点至另一支撑点摆动的形式促进了粘合和振动。这些问题可通过增加分布件例如分布板或分布三角或分布梁35来克服，如图11所示。分布件允许阀塞20松弛地悬挂在隔件50内。溢流截止阀可包括分布梁35或将阀塞20与销钉30机械连接的其他类型的扩张件，因此将销钉设置为n点弯曲构造(n≥4)，图11示出四点弯曲的销钉30。
改变销钉结构以将其置于拉伸下，将剧烈减少销钉内的最大应力，因此需要非常小的销钉，其可能过于精密且不适于操控。小尺寸还需要直径上极高的公差。因此对于一些应用，处于拉伸状态的销钉与处于弯曲的销钉相比不是优选的。
切口的销钉需要非常精确的加工操作，以确保正确的切口形状。这可能增加成本，并且如果加工不够精确，可能会减少可靠性。
在一些应用中，处于三点弯曲或四点弯曲的销钉可能是优选的。由于四点弯曲的销钉与三点弯曲的销钉相比会在更窄的范围内断裂，其允许断开流率和正常操作流率之间的更低的断开比率。如果可接受较高的断开比率，三点弯曲允许更大、更多的坚固销钉，并且不需要诸如分布梁等的分布件。
在图7所示，激励件可包括销钉30a和可变形联杆30b(以卷簧的形状)的组合。在该实施方式中，销钉具有如下的强度，使得仅仅在阀塞20上游端22和阀塞20下游端24之间出现的压差超过目标压差时销钉断裂。可变形联杆具有如下的蠕变特征，使得在阀塞上游端22与阀塞20下游端24之间出现的压差超过第二目标压差时，可变形联杆将蠕变。第二目标压差可以小于销钉的目标压差、与销钉的目标压差相同、或大于销钉的目标压差。由于销钉将保持阀塞在位直至达到目标压差，可变形联杆可能能够在压差小于目标压差时蠕变；然而，可变形联杆具有如下的蠕变特征，使得当压差超过所期望的第二目标压差时，可变形联杆将蠕变。销钉和可变形联杆操作性地布置为使得销钉初始将阀塞保持在阀体10内在允许流体从进口16流向出口18的位置，并且很小的力或没有力作用在可变形联杆上。在销钉断裂后，阀塞由可变形联杆限制。因此，在销钉断裂后，限制阀塞的力被作用于可变形联杆上。响应于该力，可变形联杆蠕变，并使阀塞20在目标时段内移至阻断流体从进口16流向出口18的位置。
这种两阶段的激励布置可用于增加溢流截止阀缓慢关闭的范围。对于使用离子传输膜系统的氧生产而言，缓慢关闭具有减少离子传输膜模块内机械应力的优点，突然关闭将导致该机械应力。
溢流截止阀需要适合的流动限制，以当流体流经阀体10时在阀塞20上游端22和阀塞20下游端24之间产生压差。阀体(如图3所示)和隔件(如图1所示)中的至少一个限定了一个或多个孔55，当阀塞20处于允许流体从进口16流向出口18的位置时，该孔55用于流体从第一腔60流向第二腔65。当阀塞位于允许流体从进口流向出口的位置时，所述一个或多个孔55位于阀塞20下游端24的下游位置。孔可具有圆形截面、狭孔截面、或任何其他适合的截面。所述一个或多个孔55设计为使得当流体在小于目标或临界流率的正常操作条件流率下流经阀体10时，压差小于目标压差，并且当流体以大于目标或临界流率的较高流率流经阀体时，压差超过目标压差。(如本文所使用的，“临界流率”不是指音速或阻塞的流动状况，而是在作为重要连接点或事件的意义上是临界的)。
可以使流动限制件尺寸在经过流动限制件的流率超过目标或临界流率时，提供足以触发激励件的压差(例如大于6900Pa)。可以使流动限制件尺寸在经过流动限制件的流率超过目标或临界流率时，提供与正常操作相比两倍或更多倍的压差。
用于产生压差的所述一个或多个孔55可以为如图1示出的隔件50中的一个或多个孔55。隔件可限定有一个或多个孔55，其中当阀塞位于允许流体从进口16流向出口18的位置时，孔55位于阀塞20下游。当流体流经阀体时，所述一个或多个孔提供适合的流动限制，以在阀塞上游端和阀塞下游端之间产生压差。
随着阀流动特征变化的阀塞上游端和阀塞下游端之间的压差可通过改变孔尺寸、数量和形状来控制。以此方式，阀可设计为用于宽范围的加工流体、操作状况、和断开点。
压降相比于给定孔结构的流动特征可通过在环境温度和压力下使用空气进行流动测试来凭经验确定，然后使用标准的雷诺(Reynolds)数匹配方法将结果放大成操作状况的结果。测试可在几个全尺寸的阀构件上进行，测试条件设定为使得测试期间的雷诺数与正常操作和断开条件下的雷诺数匹配。然后将测试数据代入公式ΔP＝KρV2/2，其基于工程伯努利公式的函数形式，其中，K是待确定的试验变量、ΔP是所测量的压降，ρ是流体密度、以及V是流体速度。
通过所述一个或多个孔的速度可以有利地比通过第一腔60的速度和/或通过阀出口18的速度大得多。这使经过阀的总压降保持在最小值。可能优选地是，孔面积与第一腔面积的比率以及孔面积与出口面积的比率都小于0.50。
可替换地，用于产生压差的流动限制件可以为适合地确定尺寸的第一腔60。用于产生压差的流动限制件可以为位于第一腔60内的垫圈状的板，其中，垫圈状的板具有一个或多个孔。所述一个或多个孔可形成在隔件的衬里或围绕隔件的套筒上。
如图12所示，隔件可包括套筒59。所述一个或多个孔可形成在套筒中。套筒59可具有一个或多个孔，从而提供适合的流动限制，以当流体流经阀体10时，在阀塞20上游端22和阀塞20下游端24之间产生压差。
溢流截止阀可设计为使得具有不同尺寸和/或数量的孔的各种套筒可以进行互换，以随着流率变化改变压降。在希望较大压降的情况下，具有较小和/或较少孔的套筒可被换阀体中。套筒的使用提供了对不同应用定制阀的低成本方式。
应该在无需流体流经阀塞内任何孔的情况下建立流动限制。对于提供压降的流动限制而言，在阀塞20中不包括孔的优点是使得阀塞可以与流体的大量流动隔离，因此减少任何流动导致的阀塞的移动或振动。
溢流截止阀1可进一步包括布置在阀体10中的变流装置40，如图1、2、7、12、13、16和17所示。如果存在的话，变流装置40，其位于阀体10进口16与阀塞20上游端22之间，用于将经阀体10进口16进入的流体偏斜为远离阀塞20上游端22。除了保护阀塞上游端，变流装置可有利地保护激励件30。变流装置40可安装至阀体。变流装置40和隔件50形成位于它们之间的间隙70。
在另一实施方式中，变流装置可以与隔件进行集成。隔件中靠近阀塞20顶部可包括小开口或间隙，以允许空间52与第一腔60中大部分流体流经阀的部分之间的流体流动连通。
变流装置40与隔件50之间的间隙70允许空间中直接作用于阀塞20上游端的压力与阀体中大部分流体流经阀的第一腔60中的压力大约相等。通常存在经过该间隙70的较少流动以及由此存在经过间隙70的较小压降。
变流装置40将流体引导为远离阀塞上游端。变流装置保护阀塞顶部免受进入的流体流动的直接冲击，该冲击可引起阀塞振动并潜在地导致激励件过早失效。可选择变流装置的形状，以降低与使流体流动转向远离阀塞相关联的压降量。如图1所示，可使用锥形变流装置。变流装置可由与阀体相同的材料制成。
可以确定阀体的尺寸，使得变流装置和隔件周围的速度相对经过流动限制的速度低，从而保持经过截止阀的总压降较低并在严格规格之内。
如图1-2所示，溢流截止阀还可包括定位为当阀塞处于阻止流体从进口流向出口的位置时，形成阀塞和阀体与隔件中至少一个之间的密封的垫圈80。垫圈80可由阀体10支撑在阀体10出口附近。垫圈80定位为当阀塞20处于如图2所示的阻止流体从进口16流向出口18的位置时，形成阀塞20与阀体10之间的密封。
垫圈可以为O形圈。具有其他截面的垫圈也是合适的。垫圈可利用轴向面或周向面或二者的结合来进行密封。
垫圈可由操作条件下与加工流体相容的任何适合的柔性或韧性材料形成。
垫圈可位于隔件50内。
在阀塞移至阻断流体从进口16流向出口18的位置之后，作用在阀塞上的压差增加至满操作压力，其将在阀塞上作用较大的力并有助于建立紧靠垫圈的密封。
如图1所示，垫圈80可位于阀体的沟槽内，并构造为与阀塞20下游端适合形状的周边接触。沟槽将垫圈保持在位并在正常操作期间保护垫圈免受流体流动的影响。阀塞20下游端可具有适合形状的周边，当阀塞移至阻止流体从进口16流向出口18的位置时，所述适合形状的周边集中接触应力并使垫圈80变形。阀塞下游端的周边可为例如楔形。
在可替换构造(未示出)中，垫圈可连接至阀塞周边的下侧。
对于较高操作温度，软金属可以是用于垫圈的优选材料。对于较低操作温度，其他材料可以是合适的。
金是在空气或氧气的任务中用在700-950℃的合适材料，因为其致密并且不受高速流体的影响，其不与含氧的环境起反应，并且其是软的且很好地适应这种温度范围，从而允许其填充表面上的缺陷并产生紧密密封。使用金制O形圈的测试已经证明金制O形圈以不能检测出的泄漏速率快速建立紧密密封。
适于高温的非金属垫圈材料，例如云母和866不适于作为阀体出口端沟槽内的垫圈，因为它们可能会在下游被高速流体流动损坏或吹掉。这些材料也非常易碎，这使得它们难于操作。
在又一可替换的构造中，垫圈81可位于阀塞20的沟槽中，如图13所示。阀塞可包括上部20a和下部20b，垫圈81位于二者之间的连接处。
在图13所示的实施例中，溢流截止阀3包括可移除的阀座90和靠近阀体10出口端的第二垫圈95。当阀塞20位于阻止流体从进口16流向出口18的位置时，阀座90定位为利用垫圈81形成密封。第二垫圈95定位在阀座90和阀体10之间，以提供阀座90和阀体10之间的密封。
如图13所示，该可替换的实施方式允许更加容易地再次使用阀，并消除阀体中的垫圈沟槽，从而去除碎屑收集在垫圈沟槽中的风险。
当阀塞移至阻止流体通过阀流动的位置，垫圈81将接触可移除的阀座90，并且该两部分的阀塞塌缩，使得垫圈81变形。可对阀塞下部20b进行排空，以保持中间空间在下游压力并允许阀塞塌缩。在激励溢流截止阀之后，阀塞20和阀座90可易于从阀体移除，以便从系统移除溢流截止阀之后再次加工。
866垫圈或其他适合材料可用于阀座90下方的垫圈95，由于该材料不会与周围表面的金属粘合。在该实施方式中，垫圈95受到保护免受流动冲击，因此，不应该担心垫圈95的损坏或吹掉。
溢流截止阀还可包括激励流体注射通道100，用于在阀塞20上游端22处注射激励流体。激励流体注射通道100可穿过变流装置40，如图1所示。激励流体注射通道可与单独的流体源连接，该流体源处于比溢流截止阀操作压力更高的压力。
阀塞20、变流装置40、和隔件50可形成空间52，其布置为用于接收来自激励流体注射通道的激励流体。隔件和变流装置形成在隔件50与变流装置40之间的流动限制间隙70，其布置为限制激励流体流出空间52。流体可经过流动限制间隙70并经过阀塞和隔件之间的间隙离开空间52。确定流动限制间隙尺寸以使得空间内的压力增加，该压力对阀塞顶部施加力并使激励件启动(销钉断裂，可变形联杆蠕变等)。
因此，通过向阀塞顶部和变流装置40底部之间的空间引入一股激励流体，可以远程断开溢流截止阀。由变流装置和隔件之间的间隙产生的流动限制允许使用少量流动建立该空间中的压力。与如果通过进口16直接将流动引入阀体时断开阀所需流量相比，需要更少得多的流量。这对于高温气体应用尤其有利，因为这使得利用环境温度流体来断开阀变得实用，环境温度流体比操作期间阀内的通常高温操作流体密度大得多。
激励流体注射通道100也可用于从阀抽吸流体样品。
溢流截止阀以下述方式工作。参照图1，其示出竖直取向的阀，阀塞20在隔件50中自由悬挂在激励件30上。变流装置40和阀塞20挡住隔件50的顶部，迫使大部分气体围绕阀塞流动通过第一腔60中的通道和下游流动限制件(孔55)。通过流动限制件的流动引起阀塞20上游端22和阀塞20下游端24之间的压差，导致净力施加在阀塞20上。当到达目标或临界压降时，施加在激励件30上的力足以启动激励件(销钉断裂、可变形联杆蠕变等)，并且阀塞20经过第二腔65移至垫圈80上，并且阀塞阻塞出口18。当出口被阻塞时，作用在阀塞上的压降增加至满操作压力，其对阀塞施加较大力并帮助建立紧靠垫圈的密封。
在第二腔内阀塞周围的溢流(即，旁路流动)是不期望的，因为旁路流动会影响在阀塞上所施加的压差负载，并且也可以引起流动诱导的阀塞振动，其能够导致激励件过早失效。此外，随着旁路流动增加，旁路流动的不利影响恶化。因此，理想的是使阀塞20与第二腔65壁之间的间隙最小化，以最小化旁路流动。由于流动经过隔件和变流装置之间间隙70的阻力，较大的旁路流动可以影响施加在阀塞上的压力负载(即，阀塞上方空间52内的压力可变得显著地小于第一腔60的流动通道中的压力)。旁路流动也增加流经流动限制件的流量的不确定性，并进而增加阀塞上游端和阀塞下游端之间压差的不确定性。
不能严格控制精确的旁路流量，因为其受很多公差累积和阀塞20如何好地位于第二腔65的中央的影响。同时，并且特别是在高温应用中，阀塞不能具有紧密的滑动配合，因为在操作期间其必须不会卡住或粘合。阀塞在第二腔内任何非圆形、任何偏心的定位以及阀塞在第二腔内任何不对齐将加剧卡住和粘合。
在间隙上存在着冲突的问题。在设计中必须采取平衡，以最小化旁路流动并且同时避免粘合或卡住。
沿阀塞长度增加一个或多个外围肋可有助于采取该平衡。阀塞可具有如图14(其中示出了两个外围肋)和图15(其中示出了四个外围肋)所示的一个或多个外围肋25。阀塞可具有两个或更多个外围肋。阀塞可具有三个或更多个外围肋。
具有外围肋的阀塞具有一个或多个外围突起，其在阀塞和第二腔壁之间设定间隙。阀塞的外围肋是限定在阀塞上游端和阀塞下游端之间的表面上围绕阀塞周边的肋。阀塞的其他部分削减至较小直径，使得阀塞主要部分和第二腔壁之间的间隙大于其在外围肋处的间隙。
一个或多个外围肋的技术效果是限制阀塞的振动并产生自然的流动诱导的力，其将阀塞定位在第二腔的中央。与直壁阀塞(没有任何外围肋的阀塞)相比，外围肋通过减少阀塞和隔件和/或阀体之间潜在的接触面积，还有助于解决阀塞与隔件和/或阀体卡住的问题。
直壁阀塞更容于进行不平衡和不稳定流动诱导的力引起的振动，当流体(即旁路流动)流经阀塞和隔件之间的间隙时产生该力。流动诱导的力将阀塞从一侧推向另一侧，从而引起其在第二腔内振动。通过引进用于周向流动的较大面积，以允许围绕阀塞全周长的压力均化，从而很大程度地减少不平衡力，同时仍保持肋与阀体之间的小间隙以限制旁路流动，因此具有肋的阀塞可有助于消除振动。
除了减少振动，通过减少可以与隔件和/或阀体壁接触的表面积，外围肋可以有助于防止阀塞卡住。通过比较，使用直壁阀塞时，不平衡流动诱导的力可稳定的将阀塞推抵隔件壁和/或阀体壁并将其保持在此，从而增加卡住的几率。
外围肋可成型为捕捉进入第二腔的任何碎屑，有助于防止阀塞在第二腔内粘合。
所述一个或多个外围肋或者多个外围肋中的一个或多个肋可以为锥形。外围肋可成型为将任何碎屑从第二腔壁移走并收集碎屑，使碎屑不会被截留在阀塞和第二腔壁之间。向上逐渐成锥形的肋有助于防止阀塞在第二腔内由于阀塞和隔件和/或阀体之间截留的碎屑而被粘住。各个肋可具体地在面朝第二腔的一侧成锥形。
与具有较少肋的阀塞相比，通过增加流经间隙的流动的总阻力，如在三肋阀塞或图15中的四肋阀塞中，增加所述一个或多个中间外围肋有助于减少通过阀塞和隔件和/或阀体之间间隙的旁路流动。流体每次流经肋时，其被迫使加速并且然后减速，并因此经历压降。随着增加更多的肋，通过间隙的总流动阻力增加，结果减少了旁路流动。在一些构造中，对于相同的径向间隙，具有肋的阀塞的流动阻力大于直壁阀塞的流动阻力。理想地选择肋的径向间隙和数量，以保持旁路流动低于经过阀的总流动的5％。
在与直壁阀塞相比时，具有肋的阀塞具有如下期望的益处：不易于振动、不易于卡住隔件壁和/或阀体壁、并且在一些构造中对于相同的间隙尺寸允许更少旁路流动。
其他适合的阀塞设计，例如锥形阀塞或具有非圆形截面的阀塞也是可能的，并且与具有互补形状的阀体和隔件一起使用。
如果需要，通过对阀塞增加阻尼机构来进一步减少振动。例如，阀塞可以为中空并填充颗粒材料(诸如沙子)或在操作状态下为液体的材料(诸如低熔点金属)。
图14和15中的阀塞示出为在当阀关闭时接触垫圈的阀塞底面上具有狭窄的刀型边缘27。刀型边缘可以为约0.4mm(0.015”)宽。
主要通过使阀塞中空、也可以通过改变构造的材料，例如从金属变为陶瓷材料、或通过改变阀塞长度，可以改变阀塞重量，而不会显著地改变阀塞上的压差力。还可通过减少肋的内径而保持肋的外径恒定来改变阀塞重量。如在对激励件的讨论中指出的，当阀处于竖直取向时，阀塞重量是施加至激励件的负载的分量。因此可以通过改变阀塞重量来调节操作和断开点。减少阀塞重量还通过增加断开负载与操作负载之间的比率使阀更加可靠。
阀塞的长度应该足以防止在第二腔中粘合。较长的阀塞抗粘合，是因为阀塞和第二腔壁之间的平衡任何所施加的力矩所需的接触力由于长度而降低。理想地是没有施加至阀塞的力矩。然而在实践中，由于由制造公差和流动不稳定产生的不对称压力以及与由于外力(例如重力)，会在阀塞上施加力矩。
可以适当地选择阀塞长度与直径的比率，以减少粘合的风险。可通过测试来确定适合的长度与直径的比率。长度与直径的比率可以在0.6至1.2的具体范围内。已经发现约0.8的长度与直径的比率工作良好。较长的阀塞允许增加更多的外围肋以减少旁路流动。过长的阀塞影响装置的总高度并因此为不期望的。在其中阀塞截面为非圆形的实施方式中，液压直径DH用于确定长度与直径的比率，其中DH＝4×截面积/湿润周长。在阀塞为锥形的情况下，使用最大直径或最大液压直径。
可以通过重力使阀塞从允许流体从进口16流向出口18的位置移至阻断流体从进口16流向出口18的位置。
在可替换布置中，阀塞可以为非竖直布置(成角度或水平布置)。为了在这种布置中移动阀塞，阀塞上的差值压力负载需要克服当重力拉动阀塞压抵第二腔的一侧或阀体时引起的摩擦。摩擦系数对构造的材料、操作温度和该温度处的时间、以及操作流体敏感。引入变化可以非常大的摩擦力需要增加断开流率与操作流率之间的比率，以保持阀的可靠操作。
在水平布置中，阀塞重量不由激励件保持，并且不提供施加在激励件上的激励负载。在成角度的布置中，由激励件保持阀塞重量的分量，该分量取决于阀塞与隔件和/或阀体之间的角度和摩擦系数。
在另一可替换布置中，阀可以为倒置的竖向布置，其中流体流动方向与重力的拉动相反。在这种布置中，在激励件可以被激励之前，差值压力必须克服阀塞重量。与其中激励件上的负载等于差值压力加上阀塞重量的标准竖向布置相反，在倒置的竖向布置中，激励件上的负载等于差值压力减去阀塞重量；因此，对于给定的设计，倒置的竖向值具有断开负载与激励件上的操作负载更高的比率。在倒置竖向布置中，如果阀塞设计有在断开流率处等于差值压力的重量，可以使用阀塞重量作为激励件。在这种情况下，需要激励阀的力将已知具有较高的精确性，并且阀能够设计为具有断开流率与正常操作流率的较低比率。
当使用气体在高温(例如使用离子输送膜用于生产氧气或合成气所需的)操作时，本发明的溢流截止阀是可靠的设计。在对使用弯曲销钉作为激励件、空气作为加工流体的设计的测试中证明了阀非常可靠。由于工作部件通过隔件和变流装置避开气流，即使存在很高的气体速度诸如大于约150米/秒(500英尺/秒)时，阀也是可靠的。在使用700-950℃的空气的测试中也证明阀在设计点可靠关闭。销钉在恒定流率时断裂，并且松配合在第二腔中的阀塞即使加工气体包含碎屑时也不会粘合或卡住。碎屑可由高温过程产生(例如来自热金属部件的腐蚀产物或从隔热件脱落的颗粒等)。
本发明的溢流截止阀设计可以容易地进行改变以在不同流率处断开。这通过改变施加在激励件上的力和/或通过改变激励件的强度(即，断裂点或断开点)来实现。通过改变由隔件和/或阀体中孔55引起的流动阻力来改变激励件上的力，由此流动阻力可通过增加或减少孔的开口面积或部分地阻塞孔来改变流动阻力，从而通过改变作用有差值压力的阀塞截面积(例如通过改变阀塞直径)和/或通过改变阀塞重量来改变施加在阀塞上的差值压力。如果激励件是直柱型销钉，通过改变其直径和/或其构造的材质可以改变其强度。如果激励件是弯曲型销钉，通过改变其跨距长度和/或通过改变其负载结构可以改变其有效强度。对于给定负载引起销钉中不同机械应力和进而不同断裂负载的不同负载结构的实例包括悬臂弯曲结构、三点弯曲结构和四点弯曲结构。为了实现对弯曲销钉有效强度的进一步调节，可改变沿销钉跨距施加负载的位置，并且在四点弯曲结构的情况下，负载点之间的距离可以改变。如果激励件是可变形联杆，通过改变构造的材料和/或通过改变可变形联杆的不同几何特性可以改变其强度。该领域技术人员能够理解确定许多其他方法以改变销钉、可变形联杆或其他激励件有效长度。
在室温和750-900℃范围内的温度已经成功测试本发明的溢流截止阀，断开点设定在仅为操作流率的二倍，从而证明阀可以检测非常少量的溢流并激励自身截止该流动。测试也表明甚至在不影响阀可靠性的情况下，减少激励阀所需的溢流量也是可行的。
本发明的溢流截止阀在全流体温度下操作并可以完全在线安装。这与现有技术中的高温溢流截止阀相比允许紧凑得多的设计。
本发明的溢流截止阀能够设计为以非常小的施加力关闭。这允许正常操作条件下用于流动限制的大孔和进而通过阀的低压降。
尽管密封表面存在氧化，本发明的溢流截止阀提供非常好的密封。测试证实了本发明的阀抗碎屑，并且在碎屑的存在下密封良好。
通过以一定流率(其占正常操作流动的很小的百分率)注射少量流体进入阀，本发明的溢流截止阀提供远程断开阀的任选能力。当通过阀的流动小于设定点时，该任选特征允许有目的地断开阀，并且当阀在设定点不能断开的情况下，其提供远程增加阀塞上的启动力的能力。
实例
实例1-断裂销钉测试
对于在正常操作条件期间具有1.7kPa以及断开条件下具有6.9kPa的通过阀塞的压差，设计特定的三点弯曲销钉。阀塞重量为0.9牛(0.2磅力)，负载仅仅从操作期间的W阀塞+A×ΔP操作＝2.2牛(0.5磅力)变化为预期断开点处的W阀塞+A×ΔP断开＝6.2牛(1.4磅力)。第二腔的截面积A是7.3cm2(1.13英寸2)。这给予断开负载与操作负载比率仅为2.8，并因此需要具有非常可靠和可预测断裂强度的销钉。为实现该期望的特性，销钉由氧化铝制成，具有所称的330MPa的特征强度和为10的威布尔模量。销钉直径为1.016mm(0.040英寸)并且其外径经机加工具有较好的尺寸精度。销钉的支撑间距(即，第二腔内径)是30.5mm(1.20英寸)。所计算出的失效(即销钉断裂)几率在操作点处为0.00001，或者在100,000次中过早断开1次，并且低于设定点时在断开点处的几率为20％，或者10次中过早断开2次。为实现99.9％的失效几率，需要10.3kPa的稍微更高的负载。
为检验销钉设计而进行测试。在将相似的负载结构施加至所分析的销钉上时，10个销钉在875℃断裂。断裂力是6.32±0.623牛(1.42±0.14磅力)，其非常接近地对应期望的6.87kPa的断裂压力。
在真正的溢流截止阀构造中的很多销钉上进行了其他测试。测试件包括阀塞、圆形隔件、以及断裂销钉。测试件不包括孔或阀体，因为它们对于评估销钉的强度不是必需的。将这些测试部件在875℃下安装在加压至约68.7kPa的压力容器内。允许流动经过阀塞并排空至大气中。控制排空流动以在一定时段内(通常为几个月)产生跨阀塞的1.7kPa的压降，之后流动增加直至销钉断裂。以此方式测试9个销钉。当销钉断裂时跨阀塞的压降范围是7.17±1.3kPa，其得出断裂力的范围是6.27±0.93牛。这非常接近期望断裂负载。
实例2-具有直壁的阀塞对比具有外围肋的阀塞
阀塞上具有外围肋降低了不平衡和不稳定流动诱导的阀塞上的侧向力，并因此降低了阀塞振动和将阀塞推抵第二腔壁的倾向的有效性，是在室温下的测试件中使用环境空气作为加工流体，通过将直壁阀塞的性能与具有肋的阀塞性能进行比较来经验地评估。所有被测试的阀塞连同它们的匹配隔件都具有圆形截面。对于所有测试，阀塞的轴与圆形隔件的轴是竖直取向，并且阀塞从三点弯曲构造的销钉悬挂在隔件内侧。测试通过如下方式进行：施加跨阀塞的压差，典型的压差预料在用于利用离子输送膜的氧气生产的所预期的操作条件范围内，然后观察阀塞的性能。
在大部分测试范围内，直壁阀塞以可听得见的频率振动。阀塞的运动总体为以摆动或钟摆形式的运动形式在第二腔内从一侧至另一侧，枢转点是阀塞悬挂在销钉上的点。限制阀塞以钟摆运动形式摆动的事实必然地意味着在枢转点在销钉中对阀塞施加动态振荡力。该力是非常不期望的，因为其可以引起过早疲劳诱导的弯曲销钉形式的激励件断裂。根据阀塞可听得见的响度检测的振幅通常随着施加的跨阀塞的压差的增大而增加。
还观察到直壁阀塞由在静止稳定条件下抵靠第二腔一侧的流动诱导的力保持。该条件在阀塞位于抵靠第二腔的一侧(或者通过偏离阀塞悬挂在销钉上的点中心移动、或者使阀塞以一定角度悬挂在腔内)时出现。该条件还在如下时间自动出现：当振动引起阀塞在销钉上的悬挂点移离中心直到阀塞移抵第二腔壁时，以及当振幅足够大并且不平衡流动诱导的力的振幅足够大以相对于竖向成一定角度保持阀塞，使得阀塞底端接抵第二腔壁。保持阀塞接抵第二腔壁的任何力或机构都是非常不期望的，因为它们促进阀塞与隔件和/或阀体的卡住或粘合，特别是在高温应用中，并因此阻止溢流截止阀正确地发生作用。对于阀塞期望的条件是在第二腔内保持同心居中。
在直壁阀塞上不平衡和不稳定流动诱导的力的原因是由于：流经阀塞和第二腔壁之间小的径向间隙的流体之间不稳定相互作用、随着阀塞在第二腔内移离中心经过间隙的流动阻力在阀塞周边附近显著地变化的方式、容纳出于均衡围绕阀塞整个周边的压力的目的而围绕阀塞的周向流动的间隙中相对小的流动面积、阀塞的动态加速和减速、以及随着阀塞前后摆动在阀塞将液体从间隙一侧移至另一侧时出现的泵送行为。
通过使用具有肋的阀塞来消除直壁阀塞遭遇的由于不平衡流动诱导的力的问题。外围肋允许肋与第二腔壁之间小的径向间隙，以建立为将阀塞周围的旁路流动保持在可接受的水平所必需的流动限制，并且同时，肋在具有肋的阀塞和第二腔壁之间产生大的空隙空间，以容纳阀塞周围的周向流动并允许围绕阀塞全周长的非常有效的压力均衡。以该方式均衡围绕阀塞的整个周边的压力消除了不平衡诱导的力，该力引起阀塞振动和/或被保持接抵第二腔一侧。
实验证明了具有肋的阀塞设计的有效性。测试了几个不同的具有肋的设计。在所有情况中，与相对激烈的直壁阀塞振动相比，几乎没有检测到活塞振动。此外，发现自然存在期望的流动诱导的力，其保持具有肋的阀塞在第二腔中同心居中。即使将具有肋的阀塞有意地放置、或推动、偏心，这些力自然地倾向于将阀塞推回中心。这与直壁阀相反，在直壁阀塞中流动诱导的力将阀塞推离中心。
以上述的测试件，还在875℃和68.7kPa检测了三个阀塞设计：25.400mm长的直壁阀塞，至30.480mm内径的圆形隔件的内表面具有0.127mm的径向间隙；24.357mm长的两肋式阀塞，至30.480mm内径的圆形隔件的内表面具有0.254mm的径向间隙；以及，25.400mm长的四肋式阀塞，至30.734mm内径的圆形隔件的内表面具有0.381mm的径向间隙。所有阀塞为实心的(即不是空心的)。当试图激励阀时，直壁阀塞在第二腔中被卡住并且不能关闭。使用具有肋的阀塞进行了总共9次测试，长达4个月的操作时间，并且当阀受到激励时，所有具有肋的阀塞都成功关闭。具有更多或更少肋、不同肋形状、或不同径向间隙的其他阀塞也可以是同样适合的。
没有对具有非圆形截面的阀塞进行测试。
实例3-全比例测试【full scale testing】
进行了几个溢流截止阀的全比例测试。如下文详细说明的，两个不同的溢流截止阀在不同构造中使用。所有测试使用处于外部压力下的阀标称在41.4kPa和875℃并在空气或氧气任务的条件下进行。所有测试使用直径为29.972mm、24.357mm长的两肋实心阀芯，具有至圆柱体的0.254mm的径向间隙和作为密封件的具有圆形截面的0.635mm直径金制垫圈。阀塞和圆柱体是X、阀体和盖为800H。激励件是三点弯曲的氧化铝销钉。
测试阀#1具有6个11.4mm直径的孔，这些孔设计为在31.5标准立方米/小时(Nm3/h)的正常操作流率时所预期的压降为1.72，以及在63.1Nm3/h的断开点流率时压降为6.9kPa。估计3％的流动将通过从阀塞上流过而绕过孔。销钉(其为三点弯曲且尺寸被确定为在6.9kPa差值压力时断裂)具有1mm直径和30.5mm有效长度。如图16所示，使用在上游端进给通过孔17的空气来检测阀。通过改变外部空气压力，来调整通过阀的流率。
测试阀#1以15.8Nm3/h操作7天，接着以31.5Nm3/h操作1天。然后中断测试来检查并且在结束测试之前返回上述条件较短时间。中间和后期测试检查示出销钉没有磨损或损坏的迹象。发现金制垫圈清洁，没有碎屑收集在垫圈周围的沟槽内的迹象。测试证明该阀能够在正常条件下操作，而没有由于流动诱导的阀塞振动的虚假断开。
测试阀#2具有6个8.13mm直径的孔，这些孔设计为在15.8Nm3/h的正常操作流率时所预期的压降为1.72kPa，以及在27.3Nm3/h的断开点流率时压降为5.2kPa。估计5％的流动将通过从阀塞上流过而绕过孔。销钉(其尺寸被确定为在5.2kPa差值压力时断裂)具有0.94mm直径和30.5mm有效长度。在几种构造中对该阀进行测试。
如图16所示，利用在上游端进给通过孔的空气首次运行测试阀#2，类似于对阀#1进行的测试。该阀以15.8Nm3/h操作7天，之后增加流动直到阀断开。由于系统中的背压，随着流动渐增，阀中的压力从41.4kPa增加至51.7kPa；当对这种操作压力增加和由此产生的密度增加进行调整时，所预期的断开点流率增加至34.2Nm3/h。阀在刚好超过31.5Nm3/h时断开。在阀关闭后，没有经过垫圈的可测量出的泄漏。
第二次重复上述测试也具有相似的结果。在启动后阀立即被断开。其在36.1Nm3/h的流率以及60kPa的压力时断开。对该较高压力进行调整，阀的预期断开点是39.7Nm3/h。这两个测试证明阀在非常接近设计的断开点时关闭。
然后将测试阀#2重新构造为图17示出的几何形状，以在产生氧气的离子输送膜模块的下游运行。使用离子输送膜模块进行三个测试。
在第一测试中，阀在5.4-11.8Nm3/h产品流量的流动下运行2天。通过断开气体注射通道通过直接在阀塞上方注射13.8Nm3/h(对比预期的13.1Nm3/h)的氮来断开阀。
第二次测试运行约8天，然后经历从875℃至约环境温度以及再回到875℃的两个热循环，然后在875℃又运行了4天，之后通过将少量高压气体注射进断开气体注射通道来故意断开阀。
最后的测试运行很短时间期间，这之后在使离子输送膜失效时断开阀。
该最后的系列测试证明通过使气体注射通过注射通道可以远程断开溢流阀，更重要地是，当上游构件失效时其将成功地被关闭。

Claims (15)

1.溢流截止阀，其包括：
阀体，其限定内部容积，并具有进口和出口；
阀塞，其具有上游端和下游端，所述阀塞在所述阀体内能够从允许流体从所述进口流向所述出口的位置移动至阻断流体从所述进口流向所述出口的位置，当启动激励件时，所述阀塞能够从允许流体从所述进口流向所述出口的位置移动至阻断流体从所述进口流向所述出口的位置；
隔件，其位于所述阀体内，所述隔件在所述阀体的内部容积内形成第一腔和第二腔，其中，当所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述阀塞布置在所述第二腔内；以及
激励件，其布置在所述阀体内，并操作性地与所述阀塞连接，以保持所述阀塞就位在所述第二腔内在允许流体从所述进口流向所述出口的位置；
其中，所述阀体和所述隔件中的至少一个限定了一个或多个孔，当所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述一个或多个孔用于流体从所述第一腔流向所述第二腔，当所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述一个或多个孔位于所述阀塞下游端的下游位置。
2.根据权利要求1所述的溢流截止阀，其中，当所述阀塞处于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述第一腔由至少或由所述进口、所述阀体内表面的一部分、所述隔件的第一表面、以及所述阀塞的上游端限定，并且，当所述阀塞处于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述第二腔由至少所述出口、所述隔件的第二表面、以及所述阀塞的上游端限定。
3.根据权利要求2所述的溢流截止阀，其中，所述第二腔还由所述阀体的内表面的第二部分限定。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的溢流截止阀，其中，当流体流经所述阀体时，所述一个或多个孔在所述阀塞的上游端和所述阀塞的下游端之间产生压差，其中，当流体以小于目标流率的较低速率流经所述阀体时，所述压差小于用于激励所述激励件的目标压差，以及，当流体以大于所述目标流率的较高速率流经所述阀体时，所述压差超过用于激励所述激励件的目标压差。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述第二腔形成在所述隔件内，当所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述第二腔由至少或由所述隔件的内表面、所述出口、以及所述阀塞的上游端限定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括可变形联杆，所述可变形联杆具有如下蠕变特性，使得当在所述阀塞的上游端和所述阀塞的下游端之间出现的压差小于目标压差时，所述可变形联杆足够慢地蠕变，从而当所述压差小于所述目标压差时，保持所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置第一目标时段，以及，使得当在所述阀塞的上游端和所述阀塞的下游端之间出现的压差超过所述目标压差时，所述可变形联杆足够快地蠕变，其中，当所述可变形联杆蠕变时，使所述阀塞在第二目标时段内移动至阻断流体从所述进口流向所述出口的位置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括销钉，所述销钉具有如下强度，使得当在所述阀塞的上游端和所述阀塞的下游端之间出现的压差超过所述目标压差时，所述销钉会断裂，其中，当所述销钉断裂时，使所述阀塞移动至阻断流体从所述进口流向所述出口的位置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括销钉和可变形联杆，所述销钉具有如下强度，使得仅当在所述阀塞的上游端和所述阀塞的下游端之间出现的压差超过所述目标压差时，所述销钉会断裂，所述可变形联杆具有如下蠕变特性，使得当在所述阀塞的上游端和所述阀塞的下游端之间出现的压差超过第二目标压差时，所述可变形联杆将蠕变，
其中，所述销钉和所述可变形联杆操作性地布置为使得所述销钉起初将所述阀塞保持就位在所述阀体内在允许流体从所述进口流向所述出口的位置，
其中，当所述销钉断裂时，所述阀塞由所述可变形联杆限制，其中当所述可变形联杆蠕变时，使所述阀塞在目标时段内移动至阻断流体从所述进口流向所述出口的位置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的溢流截止阀，还包括：
布置在所述阀体内的变流装置，所述变流装置在所述阀体进口下游和所述阀塞上游端的上游布置在第一腔内，其用于将进入所述阀体进口的流体偏斜远离所述阀塞上游端。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述隔件具有面对所述阀塞的侧面和背离所述阀塞的侧面，并且其中，所述隔件包括形成背离所述阀塞的所述侧面的至少一部分的套筒，并且在所述套筒中形成有所述一个或多个孔。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述激励件包括销钉，所述销钉以弯曲形式负载，其中，当所述阀塞位于允许流体从所述进口流向所述出口的位置时，所述销钉将所述阀塞保持就位在所述阀体内的位置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的溢流截止阀，还包括垫圈，所述垫圈定位为当所述阀塞位于阻止流体从所述进口流向所述出口的位置时，形成所述阀塞和所述阀体与所述隔件中至少一个之间的密封。
13.根据权利要求1至11中任一项所述溢流截止阀，还包括：
垫圈，其位于所述阀塞的沟槽内；
阀座；以及
第二垫圈，其接近所述阀体的出口；
其中，所述阀座定位为当所述阀塞处于阻止流体从所述进口流向所述出口的位置时，与所述垫圈形成密封，并且其中，所述第二垫圈位于所述阀座和所述阀体之间，以提供所述阀座和所述阀体之间的密封。
14.根据权利要求1至13中任一项所述溢流截止阀，还包括激励流体注射通道，其布置为用于在所述阀塞的上游端注射激励流体。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的溢流截止阀，其中，所述阀塞具有一个或多个外围肋。
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