CN107795704A - 超高真空球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种超高真空球阀，包括密封结构，密封结构用于在保证机械性能的前提下提高密封性能。超高真空球阀能够提高并保持球阀内部的真空度。密封结构包括由第一密封材料形成的密封主体和由第二密封材料形成的密封加强体，所述密封主体包括用于密封的密封面；所述密封面上设置有凹槽，所述密封加强体嵌在所述凹槽中；所述密封加强体安装在所述密封主体上，并且突出所述密封面；所述第二密封材料的硬度小于所述第一密封材料的硬度；超高真空球阀，其密封结构具有软密封的密封效果，实现了从低真空球阀到超高真空球阀的突破。

Description

超高真空球阀
技术领域
本发明涉及阀门领域，更具体地涉及一种超高真空球阀。
背景技术
球阀发明于1904年，因没有适合的密封材料，所以一直没有大规模用于工业中。很多年后直到杜邦公司发明了聚四氟乙烯(PTEE)，球阀才有了合适的密封材料，进而得到飞速发展。球阀广泛应用于海底及地下输油、输气管线上，因管线内有压力，高达100至3000psig，所以我们将用在压力管线上的阀成为压力球阀。
由聚四氟乙烯(PTEE)材质形成的密封件，由于其质地较硬，在压力球阀中的密封属于半硬态密封。当压力球阀内部的工作压力较大时，该压力会使得球阀的球体紧压在由聚四氟乙烯(PTEE)材质形成的密封件的表面，实现良好的密封。
当压力球阀内部的工作压力低于标准大气压时，此时压力球阀又称为真空球阀。由于缺少了来自于球阀内部的工作压力，球阀的球体无法紧压在由聚四氟乙烯(PTEE)材质形成的密封件的表面，导致其密封性能较差，真空度只能维持在10-3至10-4帕。在现有的球阀密封结构下，进一步提高球阀内部的真空度十分困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高真空球阀，所述超高真空球阀在内部保持超高真空的情况下依然具有良好的密封性能，提高并保持球阀内部的真空度。
为实现所述目的的超高真空球阀，包括球体，还包括密封结构，所述密封结构包括由第一密封材料形成的密封主体和由第二密封材料形成的密封加强体，所述密封主体包括用于密封的密封面；所述密封面上设置有凹槽，所述密封加强体嵌在所述凹槽中；所述第二密封材料的硬度小于所述第一密封材料的硬度；所述密封面和密封加强体分别与所述球体的球面接触，形成对所述超高真空球阀的密封。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述密封主体为聚四氟乙烯件，所述密封加强体为O形橡胶密封圈。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述超高真空球阀还包括靠近所述球体设置的轴向定位体和径向定位体；所述密封主体在轴向上与所述轴向定位体接触，在径向上与所述径向定位体接触，并且所述密封面与所述球体的球面贴合，以实现对所述密封结构的定位；所述密封主体与所述轴向定位体之间设置有第一弹性机构，所述第一弹性机构向所述密封主体施加一个轴向方向上的力；所述密封主体与所述径向定位体之间设置有第二弹性机构，所述第二弹性机构向所述密封主体施加一个径向方向上的力。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述密封主体包括与所述轴向定位体接触的第一接触面和与所述径向定位体接触的第二接触面；所述第一弹性机构包括设置在所述第一接触面上的第一容纳槽和嵌在所述第一容纳槽内的第一弹性体，所述第一弹性体的一侧抵顶所述轴向定位体；所述第二弹性机构包括设置在所述第二接触面上的第二容纳槽和嵌在所述第二容纳槽内的第二弹性体，所述第二弹性体的一侧抵顶所述径向定位体。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述密封加强体、所述第一弹性体和所述第二弹性体为O形橡胶密封圈。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述超高真空球阀还包括阀杆和用于容纳和支撑所述球体的阀体，所述阀体沿径向方向设置有用于安装所述阀杆的第一通道，所述第一通道的内壁设置有凸台，所述阀杆的外周侧具有凸缘，所述阀杆沿径向方向由外向内安装到所述第一通道中，所述凸缘在径向上位于所述凸台的外侧并压紧所述凸台。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述阀杆与所述第一通道的之间设置有密封组件，所述密封组件包括多个平行设置的密封圈，多个所述密封圈中的相邻两个之间设置有衬圈，所述密封圈为O型橡胶密封圈。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述密封组件还包括两个垫圈，两个所述垫圈分别设置在密封组件沿径向方向上的两端。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述球体上开设有通孔，所述通孔的中心轴线与所述阀杆的中心轴线重合，所述通孔与所述球体的内部空间连通，用于排除球体内的残余气体。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述超高真空球阀还包括下轴盖，所述下轴盖包括盖体和与所述盖体连接的轴状突起；所述球体上还开设有与所述通孔具有相同中心轴线的盲孔；所述阀体沿径向方向还设置有第二通道，所述轴状突起伸入所述第二通道和所述盲孔内，所述球体能够沿所述通孔和所述盲孔的共同的中心轴线转动。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述凹槽的横截面为梯形。
所述的超高真空球阀，其进一步的特点是，所述第一容纳槽和所述第二容纳槽的横截面为矩形。
本发明的积极进步效果在于：本发明公开的密封结构既具有硬密封机械性能好的优点，又具有软密封密封性能好的优点。本发明公开的超高真空球阀，采用了密封结构，所述密封结构包括由第一密封材料形成的密封主体和由第二密封材料形成的密封加强体，获得了软密封的密封效果，将球阀的漏率降低到1×10-11Pa.M3/S，使得球阀内的真空度能够保持在10-8Pa，实现了从低真空球阀到超高真空球阀的突破。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为比较例中球阀密封结构的示意图；
图2为比较例中球阀密封结构碟片弹簧补偿机构的示意图；
图3为比较例中球阀密封结构压缩弹簧补偿机构的示意图；
图4为比较例中球阀阀杆由内向外安装方式的示意图；
图5为本发明中超高真空球阀密封结构的示意图；
图6为本发明中超高真空球阀阀杆由外向内安装方式的示意图；
图7为本发明中超高真空球阀的总装配图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
需要注意的是，图1至图7均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
在本发明中，轴向是指球阀内流体流动的方向(附图7中的A-A)，径向是指在空间内垂直并且经过球阀在轴向方向上的中心轴线的方向(附图7中的B-B)。
如图1至图3所示，在一个比较例中，球阀的密封结构包括密封主体1’，密封主体1’分别与轴向定位体6’(通常是连接法兰)、径向定位体7’(通常是挡圈)和球体5’的球面相接触，密封主体1’与球体4’接触的面为密封主体1’的密封面3’。轴向定位体6’在轴向上确定密封主体1’的相对位置，径向定位体6’在径向上确定密封主体1’的相对位置，轴向定位体6’与径向定位体7’一起将密封主体1’压紧在球体5’的球面上，以形成对球阀的密封。在该比较例中，密封主体1’通常采用聚四氟乙烯(PTEE)作为密封材料，该密封材料属于半硬态的密封材料，具有一定的硬度，当球阀内部的工作压力较大时(处于非真空状态)，该压力会使得球阀的球体5’紧压在密封面3’上，实现良好的密封。但是当球阀内部的工作压力低于标准大气压时(处于真空状态)，由于缺少了来自于球阀内部的工作压力，球阀的球体无法紧压在密封面3’上，导致球阀密封性能较差，真空度只能维持在10-3至10-4帕。
继续参考图2和图3，由于球体5’在转动过程中，球体5’与密封主体1’的摩擦会导致密封面3’被磨损，导致密封效果变差，因此需要补偿机构对密封面作力的补偿，使密封面3’保持紧压在球体5’的球面上。图2与图3示出了两种补偿机构，分别采用碟片弹簧和压缩弹簧作为压力源。采用碟片弹簧作为补偿力，存在力太大且不好控制的问题，采用压缩弹簧作为补偿力，存在加工装配繁琐复杂的问题。
如图4所示，在另一个比较例中，球阀还包括阀杆9’、阀体10’和密封件11’。阀杆9’的外侧具有向外凸起的凸缘901’。阀杆9’采用由内向外(球阀中用于流体流动的空间为球阀内部)的安装方式，这种安装方式操作难度大，不便于安装。
针对图1至图4中比较例存在的问题，本发明采用了如下解决方式：
本发明公开的超高真空球阀，其一个实施例如图5和图7所示，超高真空球阀包括球体5，还包括密封结构，密封结构包括由第一密封材料形成的密封主体1和由第二密封材料形成的密封加强体2，密封主体1包括用于密封的密封面3；密封加强体2安装在密封主体1上，并且突出密封面3；第二密封材料的硬度小于第一密封材料的硬度；密封面3与球体5的球面贴合，形成对超高真空球阀的密封。第一密封材料包括但不限于聚四氟乙烯(PTEE)、金属等半硬态或者硬态密封材料，第二密封材料包括但不限于橡胶、皮革等软密封材料。第一密封材料和第二密封材料可以在邵氏硬度表中根据其硬度的不同来选取。由第二密封材料形成的密封加强体2被设置为突出密封面3的表面，这是为了方便密封加强体2能够与球体5的表面接触，产生软密封的密封效果。在密封面3受到压力的情况下，由于第二密封材料形成的密封加强体2能够产生形变，当其压紧在球体5的球面上时，密封面3上的由第一密封材料形成的部分也能够与球体5的球面接触，从而产生双层密封的密封效果。
如图5所示，在密封面3上设置凹槽4，将密封加强体2嵌在凹槽4中。优选地，凹槽4包括位于密封面3上的槽口和位于密封主体1内部的槽底，槽口的面积小于槽底的面积。这样设计的好处在于，可以将密封加强体2卡在凹槽4内部，防止在使用过程中，球体5的球面将密封加强体2带出凹槽4。凹槽4的横截面优选为梯形。密封主体1优选为聚四氟乙烯件，密封加强体2优选为O形橡胶密封圈。
超高真空球阀还包括靠近球体5设置的轴向定位体6和径向定位体7；密封主体1在轴向上与轴向定位体6接触，在径向上与径向定位体7接触，并且密封面3与球体5的球面接触，以实现对密封结构的定位；密封主体1与轴向定位体6之间设置有第一弹性机构601，第一弹性机构601向密封主体1施加一个轴向方向上的力；密封主体1与径向定位体7之间设置有第二弹性机构701，第二弹性机构701向密封主体1施加一个径向方向上的力。轴向定位体6通常是连接法兰，径向定位体7通常是挡圈。轴向定位体6在轴向上确定密封主体1的相对位置，径向定位体6在径向上确定密封主体1的相对位置，轴向定位体6与径向定位体7一起将密封主体1压紧在球体5的球面上，以形成对球阀的密封。第二弹性机构701向密封主体1提供一个径向的压紧力，使密封主体1能够与球体5的球面贴合更加紧密，同时也增加了密封主体1的结构强度。
继续参考图5，密封主体1包括与轴向定位体6接触的第一接触面1a和与径向定位体7接触的第二接触面1b；第一弹性机构601包括设置在第一接触面1a上的第一容纳槽601a和嵌在第一容纳槽601a内的第一弹性体601b，第一弹性体601b的一侧抵顶轴向定位体6；第二弹性机构701包括设置在第二接触面1b上的第二容纳槽701a和嵌在第二容纳槽701a内的第二弹性体701b，第二弹性体701b的一侧抵顶径向定位体7。第一容纳槽601a的截面优选为矩形，第二容纳槽701a的截面优选为半圆形，第一弹性体601b和第二弹性体701b均优选为O型橡胶密封圈。
如图6和图7所示，超高真空球阀还包括阀杆9和用于容纳和支撑球体5的阀体10，阀体10沿径向方向设置有用于插入阀杆9的第一通道1001，第一通道1001的内壁设置有第一凸台1001a，阀杆9的外周侧具有凸缘901，凸缘901沿径向方向具有相对设置的第一径向面901a和第二径向面901b，阀杆9沿径向方向由外向内安装到第一通道1001中，凸缘901在径向上位于凸台1001a的外侧并压紧凸台1001a。由外向内的安装方式，与比较例中由内向外的安装方式相比，很大程度上方便了阀杆9的拆卸和安装。
阀杆9与第一通道1001的之间设置有密封组件11，密封组件11包括多个平行设置的密封圈1101，多个密封圈1101中的相邻的两个之间设置有衬圈1102，密封圈1101为O型橡胶密封圈。衬圈1102的作用是保证O型橡胶密封圈向左右扩张。
密封组件11还包括两个垫圈1103，两个垫圈1103分别设置在密封组件11沿径向方向上的两端。压紧件12设置在密封组件11沿径向方向上的外侧，用于压紧密封组件11。垫圈1103的作用是保护O型橡胶密封圈。
球体5上开设有通孔5a，通孔5a的中心轴线与阀杆9的中心轴线重合，通孔5a与球体5的内部空间连通，用于排除球体5内的残余气体。
超高真空球阀还包括下轴盖13，下轴盖13包括盖体13a和与盖体13a连接的轴状突起13b；球体5上还开设有与通孔5a具有相同中心轴线的盲孔5b；阀体10沿径向方向还设置有第二通道1002，轴状突起13b伸入第二通道1002和盲孔5b内，球体5能够沿通孔5a和盲孔5b的共同的中心轴线转动。
下轴盖13使得球阀由浮动式拨动球的一端使球体转动结构变成转动式结构，增加了球体5旋转时的稳定性。通孔5a与球体5的内部空间连通，用于将球体5内部存积的流体抽离，避免球体转动时球体5内部的气体破坏超高真空球阀内的真空度。
在本发明的实施例中，超高真空球阀所采用的密封结构为圆环形密封结构，密封主体1、密封加强体2、密封面3、凹槽4、第一弹性体601b、第二弹性体701b、第一容纳槽601a和第二容纳槽701a均为圆环形。为减轻超高真空球阀的重量，球体5可采用DN80至DN200的空心球体。阀杆9的头部可以与手柄连接，也可以与气动装置连接，还可以与电动执行器连接。
本发明的积极进步效果在于：本发明公开的密封结构既具有硬密封机械性能好的优点，又具有软密封密封性能好的优点。本发明公开的超高真空球阀，采用了密封结构，密封结构包括由第一密封材料形成的密封主体1和由第二密封材料形成的密封加强体2，获得了软密封的密封效果，将球阀的漏率降低到1×10-11Pa.M3/S，使得球阀内的真空度能够保持在10-8Pa，实现了从低真空球阀到超高真空球阀的突破。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种超高真空球阀，包括球体(5)，其特征在于，还包括密封结构，所述密封结构包括由第一密封材料形成的密封主体(1)和由第二密封材料形成的密封加强体(2)，所述密封主体(1)包括用于密封的密封面(3)；所述密封面(3)上设置有凹槽(4)，所述密封加强体(2)嵌在所述凹槽(4)中；所述第二密封材料的硬度小于所述第一密封材料的硬度；所述密封面(3)和密封加强体(2)分别与所述球体(5)的球面接触，形成对所述超高真空球阀的密封。
2.如权利要求1所述的超高真空球阀，其特征在于，所述密封主体(1)为聚四氟乙烯件，所述密封加强体(2)为O形橡胶密封圈。
3.如权利要求1所述的超高真空球阀，其特征在于，所述超高真空球阀还包括靠近所述球体(5)设置的轴向定位体(6)和径向定位体(7)；所述密封主体(1)在轴向上与所述轴向定位体(6)接触，在径向上与所述径向定位体(7)接触，并且所述密封面(3)与所述球体(5)的球面接触，以实现对所述密封结构的定位；所述密封主体(1)与所述轴向定位体(6)之间设置有第一弹性机构(601)，所述第一弹性机构(601)向所述密封主体(1)施加一个轴向方向上的力；所述密封主体(1)与所述径向定位体(7)之间设置有第二弹性机构(701)，所述第二弹性机构(701)向所述密封主体(1)施加一个径向方向上的力。
4.如权利要求3所述的超高真空球阀，其特征在于，所述密封主体(1)包括与所述轴向定位体(6)接触的第一接触面(1a)和与所述径向定位体(7)接触的第二接触面(1b)；所述第一弹性机构(601)包括设置在所述第一接触面(1a)上的第一容纳槽(601a)和嵌在所述第一容纳槽(601a)内的第一弹性体(601b)，所述第一弹性体(601b)的一侧抵顶所述轴向定位体(6)；所述第二弹性机构(701)包括设置在所述第二接触面(1b)上的第二容纳槽(701a)和嵌在所述第二容纳槽(701a)内的第二弹性体(701b)，所述第二弹性体(701b)的一侧抵顶所述径向定位体(7)。
5.如权利要求4中所述的超高真空球阀，其特征在于，所述第一弹性体(601b)和所述第二弹性体(701b)为O形橡胶密封圈。
6.如权利要求4所述的超高真空球阀，其特征在于，所述超高真空球阀还包括阀杆(9)和用于容纳和支撑所述球体(5)的阀体(10)，所述阀体(10)沿径向方向设置有用于安装所述阀杆(9)的第一通道(1001)，所述第一通道(1001)的内壁设置有凸台(1001a)，所述阀杆(9)的外周侧具有凸缘(901)，所述阀杆(9)沿径向方向由外向内安装到所述第一通道(1001)中，所述凸缘(901)在径向上位于所述凸台(1001a)的外侧并压紧所述凸台(1001a)。
7.如权利要求6所述的超高真空球阀，其特征在于，所述阀杆(9)与所述第一通道(1001)的之间设置有密封组件(11)，所述密封组件(11)包括多个平行设置的密封圈(1101)，多个所述密封圈(1101)中的相邻两个之间设置有衬圈(1102)，所述密封圈(1101)为O型橡胶密封圈。
8.如权利要求7所述的超高真空球阀，其特征在于，所述密封件(11)还包括两个垫圈(1103)，两个所述垫圈(1103)分别设置在密封件(11)沿径向方向上的两端。
9.如权利要求8所述的超高真空球阀，其特征在于，所述球体(5)上开设有通孔(5a)，所述通孔(5a)的中心轴线与所述阀杆(9)的中心轴线重合，所述通孔(5a)与所述球体(5)的内部空间连通，用于排除球体(5)内的残余气体。
10.如权利要求9所述的超高真空球阀，其特征在于，所述超高真空球阀还包括下轴盖(13)，所述下轴盖(13)包括盖体(13a)和与所述盖体(13a)连接的轴状突起(13b)；所述球体(5)上还开设有与所述通孔(5a)具有相同中心轴线的盲孔(5b)；所述阀体(10)沿径向方向还设置有第二通道(1002)，所述轴状突起(13b)伸入所述第二通道(1002)和所述盲孔(5b)内，所述球体(5)能够围绕所述通孔(5a)和所述盲孔(5b)的共同的中心轴线转动。
11.如权利要求1所述的超高真空球阀，其特征在于，所述凹槽(4)的横截面为梯形。
12.如权利要求4所述的超高真空球阀，其特征在于，所述第一容纳槽(601a)的横截面为矩形，所述第二容纳槽(701a)的横截面为半圆形。
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