CN107850222B - 阀中的控制板 - Google Patents

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Abstract

一种用于在比例控制阀中实现优异的关断的控制板，包括可动盘形元件，其具有平坦表面，在关闭时基本垂直于阀的对称轴，并且朝向或远离由窄的唇或孔口脊围绕的孔口平移。通过在控制板中选择性地包含比构成孔口脊的材料更软的材料，来实现阀关断状态下增强的防漏密封性。

Description

阀中的控制板
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)和PCT第8条要求享有2015年7月9日提交的题为“CONTROL PLATE IN A VALVE”、序列号为62/190,478的美国临时申请和2016年2月8日提交的题为“CONTROL PLATE IN A VALVE”、序列号为62/292,526的美国临时申请的权益，其每个通过引用整体合并于此以用于所有目的。
技术领域
背景技术
本发明涉及流体控制阀的可动部分，其可在极端打开状态和极端关闭状态之间的任何位置处主动定位，以调节经过其的流体的流量。本发明在阀中尤其有用，这样的阀可用于制造半导体器件、药品或精细化学品的工业过程中以及同时要求完全关闭状态时的防漏关断(shut-off)和比例控制的许多类似的高纯流体输送系统中的流体输送的比例控制或调制控制。许多增强阀关断的金属元件和弹性元件的组合在本领域中是已知的。
发明内容
申请人已经发明了可动阀元件的独特可制造的构造，其适于与各种尺寸的阀孔一起使用。可动盘形元件具有关闭时基本垂直于阀对称轴的平坦表面，并且朝向或远离由窄的唇(lip)或孔口脊(ridge)围绕的孔口(orifice)平移。阀结构的这种组合有时被称为“喷嘴和座(jet&seat)”类流体通路元件组合。在本公开中，抵靠在围绕孔口的窄唇(俗称喷嘴)上关闭的平坦表面元件(俗称座)常被称为控制板。通过在控制板中选择性地包含比构成围绕孔口的唇或脊的材料更软的材料，来提供阀关断状态下增强的防漏密封性。控制板材料比孔口脊唇更软允许控制板表面在压在孔口脊唇上时发生弹性变形，由此增强控制板与孔口脊唇之间实现的密封。本公开的布置可使用焊接或过盈压配(interference press-fit)件以避免与高纯流体通路内具有螺纹相关的问题。
一实施例包括金属座套，其具有聚合物材料的小直径中心插入件，该聚合物插入件由被压入到聚合物插入件的外径与座套沉孔(counterbore)的内径之间的间隙中的金属定位环(retaining ring)保持在位。另一实施例包括聚合物材料环，其由被压入到聚合物环的内径与控制板中的开孔(trepanned)通道的小内径之间的间隙中的金属定位环以及被压入到聚合物环的外径与控制板中的开孔通道的大内径之间的间隙中的金属定位环保持在位。另一实施例包括耐腐蚀镍合金的小直径中心插入件，其通常通过焊接到更大的控制板上而被保持。另一实施例包括基本由耐腐蚀镍合金制成的控制板，其具有可选地由另一种合金制成的覆盖件。
在本公开的一方面中，提供一种阀控制板，其配置为密封地接合由平面孔口脊围绕的流体管道开口。所述阀控制板包括阀控制板主体和阀座插入件。所述阀控制板主体由具有第一硬度的第一材料形成，所述阀控制板主体具有配置为面向所述流体管道开口的第一表面。所述阀控制板主体具有定义在所述阀控制板主体的第一表面中的凹部。所述阀座插入件由具有比所述第一硬度更小的第二硬度的第二材料形成，所述阀座插入件具有配置为面向所述流体管道开口并且密封地接合所述平面孔口脊的第一表面，所述阀座插入件被容纳在所述凹部中。
在一些实施例中，所述凹部是沉孔或开孔凹槽之一。
在一些实施例中，所述第二材料的体积小于所述第一材料的体积。
在一些实施例中，所述第一材料是金属，所述凹部是定义在所述阀控制板主体的第一表面中的沉孔，所述第二材料是聚合物材料，所述阀座插入件由位于所述阀座插入件外周的定位环保持在所述沉孔中。根据一示例性实施例，所述阀座插入件可配置为与具有4mm或更小直径的平面孔口脊接合。
在一些实施例中，所述第二材料是聚合物材料，所述凹部是定义在所述阀控制板主体的第一表面中的开孔凹槽，所述阀座插入件是环形的，所述第一材料是金属。在一些实施例中，所述阀座插入件由位于所述阀座插入件的内周处的内定位环和位于所述阀座插入件的外周处的外定位环保持在所述开孔凹槽中。在另一些实施例中，所述阀座插入件由杆、柱和/或桥保持在所述开孔凹槽中。根据一示例性实施例，所述阀座插入件可配置为与具有4mm或更大直径的平面孔口脊接合。
在一些实施例中，所述第一材料是第一金属，所述凹部是定义在所述控制板主体的第一表面中的沉孔，所述第二材料是与所述第一金属不同的第二金属，所述阀座插入件通过将所述阀座插入件焊接到所述控制板主体而保持在所述沉孔中。根据一示例性实施例，所述阀座插入件可配置为与具有4mm或更小直径的平面孔口脊接合。
在一些实施例中，所述阀座插入件的第一表面的与所述平面孔口脊密封接合的区域是平面的。
在本公开的另一方面中，提供一种与控制阀主体一起使用的阀盖(bonnet)。所述控制阀主体由具有第一硬度的第一材料形成，并且具有由平面孔口脊围绕的流体管道开口。所述阀盖包括盖体、阀隔膜、控制轴和阀控制板，所述阀隔膜在其外周处与所述盖体密封接合，所述控制轴固定到所述隔膜，所述控制轴具有从所述控制轴伸出的柄。所述阀控制板固定到所述柄，所述阀控制板的至少一部分由第二材料形成，所述第二材料具有比所述第一硬度更小的第二硬度，所述阀控制板的所述至少一部分配置为密封地接合所述平面孔口脊。在一些实施例中，所述阀控制板的所述至少一部分配置为接合平面孔口脊，所述平面孔口脊为圆形和非圆形中的一种。在一些实施例中，所述阀隔膜与所述盖体一体形成，所述控制轴与所述隔膜一体形成。在另一些实施例中，所述隔膜与所述盖体分别形成并且焊接到所述盖体。
在一些实施例中，所述阀控制板还包括阀控制板主体，所述阀控制板主体具有定义在所述阀控制板主体中的开孔凹槽，所述阀控制板的所述至少一部分是填充所述开孔凹槽的阀座插入件。在一些实施例中，所述阀座插入件被模制到所述开孔凹槽中，在一些实施例中，所述阀座插入件由杆、柱和/或桥保持在所述开孔凹槽中。
在本公开的另一方面中，提供一种控制阀。所述控制阀包括阀体、固定到所述阀体的盖体、阀隔膜、控制轴、以及阀控制板。所述阀体具有终止于第一流体管道开口处的流体入口管道、始于第二流体管道开口处的流体出口管道、以及由具有第一硬度的第一材料形成并且围绕所述第一流体管道开口的孔口脊。所述阀隔膜在其外周处与所述盖体密封接合。所述控制轴固定到所述隔膜，柄从所述控制轴伸出。所述阀控制板固定到所述柄，所述阀控制板的至少一部分由具有第二硬度的第二材料形成，所述第二硬度小于所述第一硬度，所述阀控制板的所述至少一部分配置为密封地接合所述孔口脊。
在一些实施例中，所述孔口脊是圆形或非圆形的。
在一些实施例中，所述阀控制板包括阀控制板主体，所述阀控制板主体具有定义在所述阀控制板主体中的开孔凹槽，所述阀控制板的所述至少一部分是填充所述开孔凹槽的阀座插入件。在一些实施例中，所述阀座插入件被模制到所述开孔凹槽中，在一些实施例中，所述阀座插入件通过杆、柱和/或桥保持在所述开孔凹槽中。
附图说明
图1是具有控制板的代表性阀的横截面透视图，控制板具有聚合物材料插入件和最大跨度的小孔口脊。
图2是具有控制板的代表性阀的横截面透视图，控制板具有聚合物材料插入件和典型跨度的大孔口脊。
图3是具有控制板的代表性阀的横截面透视图，控制板具有耐腐蚀软合金插入件和最大跨度的小孔口脊。
图4是具有控制板的代表性阀的横截面透视图，控制板具有耐腐蚀软合金主体和典型跨度的大孔口脊。
图5是另一代表性阀的横截面透视图，其具有替代设计的耐腐蚀软合金控制板。
图6A是另一代表性阀的横截面透视图，其具有替代设计的聚合物插入件控制板。
图6B是图6A所示的控制板的放大透视截面图，进一步示出聚合物材料插入件的结构。
图6C是没有金属控制板主体的模制聚合物插入件的视图，进一步示出聚合物材料插入件的几何构型。
图6D是用于在图6A所示的阀中使用的供选控制板的放大透视截面图，进一步示出聚合物材料插入件的构造。
图6E是没有金属控制板主体的模制聚合物插入件的视图，进一步示出聚合物材料插入件的几何构型。
图6F是用于在图6A所示的阀中使用的另一供选控制板的放大透视截面图，进一步示出聚合物材料插入件的构造。
图6G是没有金属控制板主体的模制聚合物插入件的视图，进一步示出聚合物材料插入件的几何构型。
具体实施方式
本发明的实施例的应用不限于下面的描述中阐述的或附图所示的部件的构造和布置的细节。本发明的各方面可以有其他实施例，并且能够以各种方式实践或实施。此外，在本文中所采用的措词和术语是用于描述的目的，并且不应当被视为是限制性的。在本文中使用的“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及它们的变型意味着涵盖随后列出的项目及其等效物以及另外的项目。方向性形容词“内”、“外”、“上”、“下”和类似术语的使用意味着帮助理解设计元件之间的相对关系，而不应当被解释为表示空间中的绝对方向，也不应当被视为是限制性的。在下面的设计论述中，流体流通常描述为从第一流体管道通过阀的控制部分，然后通过第二流体管道行进。设计者当然会理解，所论述的方向仅仅是为了描述方便，流体流可以以相反顺序行进，而不应被认为是限制性的。
在大多数目前的高纯度阀设计中，隔膜型可动密封结构是优选方案。使用隔膜来约束受控流体，同时允许可动控制元件容易移动，已成为标准实践。在许多这样的阀设计中，隔膜用作可动控制元件，通过隔膜本身压靠在围绕流体管道开口的聚合物材料窄环上来实现阀关断。制造用于在制造半导体器件的工业过程中的流体输送的比例控制或调制控制的阀的设计者可发现，直接接触型隔膜阀具有不够平缓的控制曲线。一类已知的替代设计具有朝向或远离围绕流体管道开口的金属唇或孔口脊移动的基本平坦的控制板。然而，当隔膜本身不是最适于阻止流体流过阀的元件时，会导致复杂化，并且金属结构上的关闭密封会成问题。
图1示出了使用隔膜密封且还具有控制板140的比例控制阀100的代表性示例，控制板140毗接围绕中央定位的流体管道开口112的孔口脊118。比例控制阀100包括阀体119、以及阀盖(盖体)169，阀体119具有第一流体管道110和第二流体管道114，其每个使流体来往于阀室150流通，阀盖169通过垫圈165密封到阀体119，阀盖169具有隔膜167，允许所附接的控制板140在阀室150内移动。控制流体流动的方式可通过考虑流体管道开口112来进一步理解，流体管道开口112与第一流体管道110流体连通并且被孔口脊118围绕，由此控制板140的至少一部分可朝向或远离孔口脊118移动，以形成小净空控制间隙(未示出)，流体可通过小净空控制间隙可控地流动。可控的流体流可转移到阀室150中，其可通过与第二流体管道114流体连通的偏移流体管道开口116离开阀室150。在本示例的阀100中，致动器(未示出)可向控制轴182施加回撤力以使隔膜167偏移，由此通过改变控制间隙来调制通过阀的导通性。在图1的图示中，阀100完全关闭在无流动状态下，因此没有示出控制间隙。
当控制板140接触孔口脊118时实现无泄漏阀关断可能是困难的，而且在设计应用中构成无泄漏操作的标准可能不同。例如，当阀出口浸没在水中时不产生任何气泡可能在一种情形下是足够的，而在另一种情况下可能需要氦气泄漏速率小于10e-9sccm/sec。在关闭时聚合物材料与金属材料接触的阀设计是已知的，通常提供最防泄漏密封的关断布置。但是聚合物材料通常吸收湿气，因此在高纯度应用中希望最小化暴露到受控流体的聚合物材料的总量。在代表性的比例控制阀100中，降低聚合物含量的目标是通过创建控制板140来实现的，控制板140包括金属控制板主体146和具有相对小体积的聚合物材料插入件130。孔口脊118可以认为相对于聚合物插入件130具有“最大跨度”，因为孔口脊与插入件的外周相邻地接合聚合物插入件。
控制板140的金属控制板主体146可被机械加工成平坦盘(disk)，其具有中心通孔142和在面向中心流体管道开口112的一侧的沉孔144。沉孔144将使金属控制板主体146能够用作座套，由此聚合物座插入件130可被保持在其中以提供减小体积的更顺应性的密封材料。在制造所示阀设计100时，控制板主体146被置于从控制轴182和隔膜167伸出的柄181上，柄181穿过中心通孔142。柄181和控制板主体146可使用电子束、激光、TIG或任何等效焊接工艺在中心通孔142界面处焊接在一起。任何由此产生的微小的焊缝余量可被机械加工去除以与沉孔144的底部相匹配。随后可将聚合物材料插入件130置于沉孔144中，并且通过将金属定位环132插入到沉孔144外径内的聚合物材料插入件130的外周周围的空间中来保持在适当位置。然后，完整组件可根据需要进行最终的平整度精修(例如，通过研磨)以实现良好的阀功能。这种设计方法对具有约4mm或更小直径的孔口脊的阀是尤其有利的。
聚合物材料插入件130包括配置为与孔口脊118的平面上端密封接合的第一平面表面。
图2示出使用隔膜密封且还具有控制板240的比例控制阀200的代表性示例，控制板240毗接围绕中心流体管道开口212的孔口脊218。比例控制阀200包括阀体219和阀盖269，阀体219具有第一流体管道210和第二流体管道214，其每个使流体来往于阀室250流通，阀盖269通过垫圈265密封到阀体219，阀盖269具有隔膜267，允许所附接的控制板240在阀室250内移动。控制流体流动的方式可通过考虑流体管道开口212来进一步理解，流体管道开口212与第一流体管道210流体连通并且由孔口脊218围绕，由此控制板240的至少一部分可朝向或远离孔口脊218移动，以创建小净空控制间隙(未示出)，流体可通过小净空控制间隙可控地流动。可控的流体流可转移到阀室250中，其可通过与第二流体管道214流体连通的偏移流体管道开口216离开阀室250。在本示例的阀200中，致动器(未示出)可向控制轴282施加回撤力以使隔膜267偏移，由此通过改变控制间隙来调制通过阀的导通性。在图2的图示中，阀200完全关闭在无流动状态下，因此没有示出控制间隙。
在代表性的比例控制阀200中，降低聚合物含量的目标是通过创建控制板240来实现的，控制板240包括金属控制板主体246和具有相对小体积的聚合物材料环形插入件230。孔口脊218可被认为相对于环形插入件230具有“典型跨度”，因为孔口脊与插入件230的更中心区域相邻地接合插入件，该更中心区域位于插入件的内周和外周之间。应理解，图2不是按比例绘制的，至少在一些实施例中，聚合物的体积可以比图示的更小。控制板240的金属控制板主体246可被机械加工为平坦盘，其具有中心通孔242和在面对中心流体管道开口212一侧的开孔(即，环形)凹槽245。开孔凹槽245将使金属控制板主体246能够用作座套，由此聚合物材料插入件230可被保持在其中，以提供减小体积的更顺应性的密封材料。在制造所示阀设计200时，环形聚合物材料插入件230可置于开孔凹槽245中，并且通过将内金属定位环234插入到环形聚合物插入件230内径内的、开孔凹槽245的内径周围的空间中，以及将外金属定位环236插入到开孔凹槽245的外径内的、环形聚合物插入件230的外周周围的空间中，来保持在适当的位置。随后将控制板240置于从控制轴282和隔膜267伸出的柄281上，柄281穿过中心通孔242。柄281和控制板主体246可使用电子束、激光、TIG或任何等效焊接工艺在中心通孔242的界面处焊接在一起。任何由此产生的微小的焊缝余量以及环形聚合物插入件230上的任何溅落物可从控制板240的表面机械加工去除。完整组件然后可根据需要进行最终的平整度精修(例如，通过研磨)以实现良好的阀功能。这种设计方法对于具有大于约4mm的孔口脊最大跨度的阀是特别有利的。应理解，在非圆形孔口脊结构的情况下，孔口脊的最大跨度可以是直径之外的尺寸。
除了上面关于聚合物材料吸收湿气论述的担忧之外，还已知的是许多气体将通过聚合物扩散。尽管扩散以非常低的速度发生，但是其可能达到可检测的量，这被认为是不期望的甚至是有问题的。另外，在核科学应用中，放射性气体扩散的问题也可能导致聚合物材料的同时破坏。具有金属对金属密封的阀不存在这些问题，但是在这样的设计中难以实现良好的关断性能。而且，非常洁净的阀金属部件之间的冷焊接可能是潜在问题。一种设计方法是制造两种不相似的金属材料的阀以避免冷焊，并且还提供不相似的硬度以增强关断。图3、图4和图5示出了用于实施金属对金属阀设计的控制板的实施例。
聚合物材料插入件230包括第一平面表面，其配置为密封地接合孔口脊218的平面上端。
图3示出了使用隔膜密封并且还具有控制板340的比例控制阀300的代表性示例，控制板340毗接围绕中央流体管道开口312的孔口脊318。比例控制阀300包括阀体319和阀盖369，阀体319具有第一流体管道310和第二流体管道314，其每个使流体来往于阀室350流通，阀盖369通过垫圈365密封到阀体319，阀盖369具有隔膜367，允许所附接的控制板340在阀室350内移动。控制流体流动的方式可通过考虑流体管道开口312来进一步理解，流体管道开口312与第一流体管道310流体连通并且由孔口脊318围绕，由此控制板340的至少一部分可朝向或远离孔口脊318移动，以形成流体可通过其可控地流动的小净空控制间隙(未示出)。可控的流体流可转移到阀室350中，其可通过与第二流体管道314流体连通的偏移流体管道开口316离开阀室350。在本示例的阀300中，致动器(未示出)可向控制轴382施加回撤力以使隔膜367偏移，由此通过改变控制间隙来调制通过阀的导通性。在图3的图示中，阀300完全关闭在无流动状态下，因此没有示出控制间隙。
在代表性比例控制阀300中，通过创建控制板340来实现增强的关断性能，控制板340包括金属控制板主体346和硬度比孔口脊318小的金属插入件330。孔口脊318可被认为相对于金属插入件330具有“最大跨度”，因为孔口脊与插入件的外周边相邻地接合金属插入件。控制板340的金属控制板主体346可被机械加工成平坦盘，其具有中心通孔342和在面向中心流体管道开口312一侧的沉孔344。沉孔344将使金属控制板主体346能用作座套，由此退火了的，或优选完全退火了的耐腐蚀金属合金插入件330可保持在其中以提供更顺应性的密封材料。在制造所示的阀设计300时，控制板主体346置于从控制轴382和隔膜367伸出的柄381上，柄381穿过中心通孔342。柄381和控制板主体346可使用电子束、激光、TIG或任何等效的焊接工艺在中心通孔342的界面处焊接在一起。所产生的任何微小的焊缝余量可被机械加工去除以与沉孔344的底部相匹配。退火了的或完全退火了的耐腐蚀金属合金插入件330可随后置于沉孔344中并且通过围绕插入件330的外周和沉孔344的内径使用电子束，激光，TIG或任何等效的焊接工艺来保持在适当位置。供选地，金属合金插入件330的外径和沉孔344的内径之间的过盈配合可被认为足以保持插入件330。完整组件随后可根据需要进行最终的平整度精修(例如，通过研磨，或者单点金刚石车削)以实现良好的阀功能。这种设计方案对具有约4mm或更小直径的孔口脊的阀是特别有利的。在典型应用中，孔口脊318将由一种合金制成，而金属合金座插入件330将由不同合金制成。一种常用材料选择是316型不锈钢用于孔口脊318，耐腐蚀镍合金(例如，可从Haynes International获得的
Figure GDA0002568303040000091
)用于插入件330。
金属插入件330包括第一平面表面，其配置为密封地接合孔口脊318的平面上端。
图4示出使用隔膜密封并且还具有控制板440的比例控制阀400的代表性示例，控制板440毗接围绕中央流体管道开口412的孔口脊418。比例控制阀400包括阀体419和阀盖469，阀体419具有第一流体管道410和第二流体管道414，其每个使流体来往于阀室450流通，阀盖469通过垫圈465密封到阀体419，阀盖469具有隔膜467，允许所附接的控制板440在阀室450内移动。控制流体流动的方式可通过考虑流体管道开口412来进一步理解，流体管道开口412与第一流体管道410流体连通并且由孔口脊418围绕，由此控制板440的至少一部分可朝向或远离孔口脊418移动，以产生流体可通过其可控地流动的小净空控制间隙(未示出)。可控的流体流可转移到阀室450中，其可通过与第二流体管道414流体连通的偏移流体管道开口416离开阀室450。在本示例的阀400中，致动器(未示出)可向控制轴482施加回撤力以使隔膜467偏移，由此通过改变控制间隙来调制通过阀的导通性。在图4的图示中，阀400完全关闭在无流动状态下，因此没有示出控制间隙。
在代表性比例控制阀400中，通过创建控制板440来实现增强的关断性能，控制板440包括硬度比孔口脊418低的金属控制板主体446和金属覆盖件(cover piece)430。孔口脊418可被认为相对于控制板主体446具有“典型跨度”，因为孔口脊与控制板主体446的更中心区域相邻地接合控制板主体，该更中心区域位于控制板主体446的内周和外周之间。控制板440的金属控制板主体446可由退火了的、或者优选完全退火了的耐腐蚀合金机械加工成平坦盘，其具有中心通孔442和在面向中心流体管道开口412一侧的沉孔444。沉孔444通过提供到可动阀元件的通道来允许进行附接过程。在制造所示的阀设计400时，控制板主体446置于从控制轴482和隔膜467伸出的柄481上，柄481穿过中心通孔442。柄481和控制板主体446可使用电子束、激光、TIG或任何等效焊接工艺在中心通孔442的界面处焊接在一起。所产生的任何微小的焊缝余量可被机械加工去除以与沉孔444的底部相匹配。随后可将合适的金属覆盖件430放置到沉孔444中，并且通过在覆盖件430的外周和沉孔444的内径周围使用电子束、激光、TIG、或任何等效焊接工艺来保持在适当的位置。供选地，金属覆盖件430的外径与沉孔444的内径之间的过盈配合可被认为足以保持覆盖件430。完整组件随后可根据需要进行最终的平整度精修(例如，通过研磨，或者单点金刚石车削)以实现良好的阀功能。这种设计方案对于具有大于约4mm的孔口脊最大跨度的阀是特别有利的。应理解，在非圆形孔口脊结构的情况下，孔口脊的最大跨度可以是直径之外的尺寸。在典型应用中，孔口脊418将由一种合金制成，而金属控制板主体446将由不同合金制成。一种常用的材料选择是316型不锈钢用于孔口脊418，耐腐蚀镍合金(例如，可从Haynes International获得的
Figure GDA0002568303040000101
)用于控制板主体446。金属覆盖件430可由与孔口脊418或控制板440相同的材料制成，或由另一种不同的合金制成。
在图4中，覆盖件430和控制板主体446作为单独部件提供，以允许改善的控制板440到柄481的焊接。首先，控制板主体446焊接到柄481。接下来，覆盖件430焊接到控制板主体446。然后，可对覆盖件430和控制板主体446进行平整度精修(例如，通过研磨、或单点金刚石车削、或其他方法)。
在一些实施例中，可提供没有覆盖件430的图4的结构，因为覆盖件430不用于接合孔口脊418。
这里使用的术语覆盖件用于描述插入件，其中插入件本身不用于密封地接合孔口脊。
控制板主体446包括第一平面表面，其配置为密封地接合孔口脊418的平面上端。
图5示出使用隔膜密封并且还具有控制板540的比例控制阀500的代表性示例，控制板540毗接围绕中心流体管道开口512的孔口脊518。比例控制阀500包括阀体519和阀盖569，阀体519具有第一流体管道510和第二流体管道514，其每个使流体来往于阀室550流通，阀盖569通过垫圈565密封到阀体519，阀盖569具有隔膜567，允许所附接的控制板540在阀室550内移动。控制流体流动的方式可通过考虑流体管道开口512来进一步理解，流体管道开口512与第一流体管道510流体连通并且由孔口脊518围绕，由此控制板540的至少一部分可朝向或远离孔口脊518移动，以创造流体可通过其可控地流动的小净空控制间隙(未示出)。可控的流体流可转移到阀室550中，其可通过与第二流体管道514流体连通的偏移流体管道开口516离开阀室550。在本示例的阀500中，致动器(未示出)可向控制轴582施加回撤力以使隔膜567偏移，由此通过改变控制间隙来调制通过阀的导通性。在图5的图示中，阀500完全关闭在无流动状态下，因此没有示出控制间隙。
金属控制板540可由硬度比孔口脊低的、退火了的或优选完全退火了的耐腐蚀合金机械加工成平坦盘，其具有在面对隔膜567一侧的中心盲沉孔542。在制造所示的阀设计500时，控制板540可压配到从控制轴582和隔膜567伸出的柄581上。供选地，柄581和控制板540可使用电子束、激光或任何等效能量焊接工艺焊接在一起，该焊接工艺适于穿透控制板540的薄中心部分530并且将其熔合到柄581。应注意，在图5所示的实施例中，柄581可比例如图3和4所示的实施例更深地延伸到控制板540中，以辅助焊接工艺。薄中心部分530还可包括凹痕(detent)或其他类型的焊接准备特征(weld preparation)(未示出)以减少控制板的中心部分530中的材料量，从而最小化将控制板540的中心部分530焊接到柄581所需的能量或时间量。由此产生的任何微小的焊缝余量可被机械加工去除，然后完整组件可根据需要进行最终的平整度精修(例如，通过研磨、或单点金刚石车削、或其他方法)以获得良好的阀功能。由于机械加工件的数量较少，并且适用于各种孔口脊尺寸和形状，所以这种设计方案是特别有利的。应理解，在非圆形孔口脊结构的情况下，孔口脊最大跨度可以是直径之外的其他尺寸，并且也可以考虑一套多个共面孔口脊。在典型应用中，孔口脊518将由一种合金制成，而金属控制板540将由不同合金制成。一种常用材料选择是316型不锈钢用于孔口脊518，耐腐蚀镍合金(可从Haynes International获得的
Figure GDA0002568303040000121
Figure GDA0002568303040000122
)用于控制板540。
控制板540包括第一平面表面，其配置为密封地接合孔口脊518的平面上端。
图6A和图6B示出使用隔膜密封并且还具有控制板640的比例控制阀600的代表性示例，控制板640毗接围绕内流体管道开口612的孔口脊618。比例控制阀600包括阀体619和阀盖669，阀体619具有第一流体管道610和第二流体管道614，其每个使流体来往于阀室650流通，阀盖669通过垫圈665密封到阀体619，阀盖669具有隔膜667，允许所附接的控制板640在阀室650内移动。控制流体流动的方式可通过考虑内流体管道开口612来进一步理解，内流体管道开口612与第一流体管道610流体连通并且由孔口脊618围绕，由此控制板640的至少一部分可朝向或远离孔口脊618移动，以创造流体可通过其可控地流动的小净空控制间隙(未示出)。可控的流体流可转移到阀室650中，其可通过与第二流体管道614流体连通的外流体管道开口616离开阀室650。在本示例的阀600中，致动器(未示出)可向控制轴682施加回撤力以使隔膜667偏移，由此通过改变控制间隙来调制通过阀的导通性。在图6A的图示中，阀600完全关闭在无流动状态下，因此没有示出控制间隙。
在代表性比例控制阀600中，降低聚合物含量的目标是通过创建控制板640来实现的，控制板640包括金属控制板主体646和聚合物材料的模制插入件630。如图6B可见，控制板640的金属控制板主体646可被机械加工成平坦盘，其具有中心通孔642和在面对内流体管道开口612一侧的多个同心环形凹槽648。凹槽648使得金属控制板主体646能用作座套，由此聚合物材料插入件630可保持在其中，如将进一步说明的那样，以提供减小体积的更顺应性的密封材料。控制板主体646中的同心凹槽648之间的剩余金属649有意义地减小了模制插入件630的总体积。定义在盘的背对内流体开口612的平坦后侧的通气孔644被制成在凹槽648之间居中，足够深并且具有足够的直径以与相邻凹槽648的底部相交，同时使剩余金属649的大部分保持完整。在制造图示的控制板640时，聚合物材料插入件630可通过用已知方法直接压缩模制(例如用聚氯三氟乙烯(PCTFE)粉末开始，并在加热和压力作用下聚合)到控制板主体646中来形成。在模制工艺期间，聚合物材料桥634将围绕剩余金属649的各部分且填充通气孔644。围绕剩余金属649的聚合物材料桥634因此将模制的聚合物插入件630锁定到金属控制板主体646中。图6C示出了模制聚合物插入件630的透视图，其中为了示出模制的聚合物插入件630的几何构型，未示出金属控制板主体646。模制聚合物插入件630具有与定义在控制板主体646内的凹槽648互补并且填充凹槽648的多个环形脊638。
包括具有模制聚合物插入件630的金属控制板主体646的控制板640可通过压配到中心通孔642中而附接到从控制轴682和隔膜667伸出的柄681上。供选地，在上述模制之前，控制板主体646可首先置于柄681上并且使用电子束、激光、TIG或任何等效焊接工艺在中心通孔642的界面处焊接到一起。由此产生的任何微小焊缝余量可在将插入件630模制到控制板主体646中之前从控制板主体646的表面机械加工去除。工艺顺序的选择将取决于从业者在压缩模制技术中的偏好。完整组件然后可根据需要进行最终的平整度精修(例如，通过研磨)以实现良好的阀功能。这种设计方案特别有利于与具有各种孔口脊尺寸和形状的阀体一起使用。应理解，在非圆形孔口脊结构的情况下，孔口脊的最大跨度可以是直径之外的尺寸。仔细查看图6A所示的示例将会发现，孔口脊618是圆形的，但是因为孔口脊的直径很大，所以其安置为偏离隔膜667和控制板640的几何中心以适应相应大的非圆形外流体开口617。
图6D示出适于在代表性比例控制阀600中使用的供选控制板660。控制板660的金属控制板主体676可被机械加工成平坦盘，其具有中心通孔672和在面对内流体管道开口612一侧的宽的浅环形凹槽675。凹槽675使得金属控制板主体676能够用作座套，由此聚合物材料插入件670可保持在其中，将被进一步说明的那样，以提供减小体积的更顺应性的密封材料。定义在盘的背对内流体开口612的平坦背侧中的多个通孔674穿过宽的浅环形凹槽675。在制造所示的控制板660时，聚合物材料插入件670可通过用已知方法直接压缩模制(例如，用PCTFE粉末开始，在加热和压力的作用下聚合)到控制板主体676中来形成。在模制工艺期间，多个聚合物材料柱673将填充通孔674，从而将聚合物材料摩擦地锁定到定义在金属控制板主体676中的凹槽675中。图6E中示出了通过模制工艺形成的聚合物材料插入件670的几何构型，为了清楚示出，未显示控制板主体676。包括具有模制聚合物插入件670的金属控制板主体676的控制板660可通过压配到中心通孔672中而附接到从控制轴682和隔膜667伸出的柄681，或者以先前描述的其他方式附接。
图6F示出适于在代表性比例控制阀600中使用的另一供选控制板680。控制板680的金属控制板主体696可被机械加工为平坦盘，其具有中心通孔692，宽的浅沉孔695、以及在面对内流体管道开口612的一侧切入到沉孔695的底部中的多个楔形(近似圆扇形)腔697和698。沉孔695和多个腔697、698使得金属控制板主体696能够用作座套，由此聚合物材料插入件690可保持在其中，如将进一步说明的那样，以提供减小体积的更顺应性的密封材料。控制板主体696的宽的浅沉孔695中的、在多个楔形腔697、698之间的金属形成径向肋699。定义在盘的背对内流体开口612的平坦背侧中的通气孔691被制成在径向肋699上方居中，足够深并且具有足够的直径以与相邻楔形腔697、698的底部相交，同时使剩余的金属肋699的大部分保持完好。同样定义在盘的背对内流体开口612的平坦背侧中的多个通孔694穿过每个楔形腔697、698的底部。在制造所示的阀设计600时，聚合物材料插入件690可通过用已知方法直接压缩模制(例如以PCTFE粉末开始，在加热和压力的作用下聚合)到控制板主体696中来形成。在模制工艺期间，聚合物材料将填充通孔694，并且围绕金属径向肋699以填充通气孔691。模制的聚合物材料形成填充通气孔的桥689和填充通孔694的杆693。模制的聚合物材料还形成插入件690的楔形部分，其填充相应的楔形腔697、698。围绕金属肋699的聚合物材料因此将模制的插入件690锁定到金属控制板主体696中。图6G示出了通过模制工艺形成的聚合物材料插入件690的几何构型，为了清楚示出，未显示控制板主体696。包括具有模制聚合物插入件690的金属控制板主体696的控制板680可通过压配到中心通孔692中而附接到从控制轴682和隔膜667伸出的杆681，或者以前面论述的其他方式附接。
在图6A-6G每个中，相应的聚合物材料插入件630、670、690包括第一平面表面，其配置为密封地接合孔口脊618的平面上端。
应理解，图6A-6G所示的特征的具体尺寸可以变化，并且不一定是按比例绘制的。
返回参照图2，环形插入件230可模制在控制板240的控制板主体246中，并且通过诸如图6A-6G的结构之类的定位特征固定在控制板240的控制板主体246内。也就是说，例如，环形插入件230可以按与关于图6A-6G描述的相似的方式具有柱、杆和/或桥，柱位于定义在控制板主体246中的通孔中，杆位于定义在控制板主体246中的通孔中，桥位于定义在控制板主体中的通气孔中。
上述沉孔和凹槽是可在控制板主体中定义的凹部的示例。在一些实施例中，插入件可固定在定义于控制板主体中的其他类型的凹部中。
在一些实施例中，定位机构用于将插入件保持在定义于控制板主体中的一个或多个沉孔和/或一个或多个凹槽中。定位机构的一些示例包括位于插入件外周处的定位环、位于插入件内周处的内定位环和位于插入件外周处的外定位环、杆、柱、桥、以及焊接。其他定位机构是可行的。应理解，尽管本公开的实施例已经主要关于隔膜密封阀进行了描述，其中控制板设置在隔膜下方并且附接到隔膜或者与隔膜一体形成，但是本公开的各方面可以容易地适用于其它类型的阀，例如与美国专利No.3,295,191描述的那些类似的波纹管密封阀。此外，尽管本公开的实施例已经关于控制阀进行了描述，其中致动器用来将控制板的孔口脊密封表面朝向和远离孔口脊移动，但是这种移动不需要在控制板的孔口脊密封表面上是均匀的。例如，本公开的实施例可以容易地与例如美国专利公开No.US2016/0138730A1中公开的阀行程放大机构一起使用，其中放大器碟(disc)可用于实现楔形间隙，楔形间隙具有比其他方式获得的更高的导通性。
尽管图1-6A所示的实施例全部被描绘为示出了阀盖体169、269、369、469、569、669，其中隔膜167、267、367、467、567、667与盖体一体形成，但是应理解，本发明不限于此。实际上，本公开的实施例包括隔膜，其被压印、冲压或切割出金属片材，之后附接(例如，通过焊接)到盖体，也可以隔膜和盖体由单块起始材料整体形成，如本文所示。
已经如此描述了本发明的至少一个实施例的几个方面，应该理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且意图在本发明的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为示例。

Claims (19)

1.一种阀盖，用于与控制阀主体一起使用，所述控制阀主体具有由平面孔口脊围绕的流体管道开口，所述阀盖包括：
盖体，具有阀隔膜、控制轴、和阀控制板主体；
所述阀隔膜在所述阀隔膜的外周处与所述盖体密封接合，所述阀隔膜是与所述盖体一体形成和焊接到所述盖体中之一；
所述控制轴固定到所述阀隔膜，所述控制轴具有从所述控制轴伸出的柄；
所述阀控制板主体固定到所述柄，所述阀控制板主体由具有第一硬度的第一材料形成为平坦盘，所述阀控制板主体具有配置为面向所述流体管道开口的第一表面和面向所述阀隔膜的相反的第二表面，所述第二表面与所述阀隔膜相邻，所述柄穿过所述第二表面，所述阀控制板主体具有定义在所述阀控制板主体的仅第一表面中的凹部以接收阀座插入件和延伸穿过所述凹部内的阀控制板主体的多个孔，其中所述凹部包括多个同心的环形凹槽以减少聚合物含量；以及
所述阀座插入件由具有第二硬度的第二材料形成，所述第二硬度小于所述第一硬度，所述阀座插入件具有配置为面向所述流体管道开口并且密封地接合所述平面孔口脊的第一表面，所述阀座插入件被模制到所述凹部中并保持在其中，并且所述阀座插入件包括杆、柱和桥中至少一种的多个，所述桥形成在所述阀座插入件中，延伸到定义在所述阀控制板主体中的所述多个孔中并且填充被定义在所述阀控制板主体中的所述多个孔，并且将所述阀座插入件锁定到所述阀控制板主体中，所述阀控制板主体的第一表面和所述阀座插入件的第一表面被精修为彼此平整。
2.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述凹部是沉孔和开孔凹槽中的一种。
3.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述第二材料的体积小于所述第一材料的体积。
4.根据权利要求3所述的阀盖，其中，所述第一材料是金属，所述凹部是定义在所述阀控制板主体的第一表面中的沉孔，所述第二材料是聚合物材料。
5.根据权利要求4所述的阀盖，其中，所述阀座插入件配置为接合具有4mm或更小直径的所述平面孔口脊。
6.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述第二材料是聚合物材料，所述凹部为定义在所述阀控制板主体的第一表面中的开孔凹槽，所述阀座插入件是环形的，所述第一材料是金属。
7.根据权利要求6所述的阀盖，其中，所述阀座插入件配置为接合具有4mm或更大直径的所述平面孔口脊。
8.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述阀座插入件配置为接合所述平面孔口脊，所述平面孔口脊是圆形的。
9.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述控制轴与所述阀隔膜一体形成。
10.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述凹部是定义在所述阀控制板主体中的开孔凹槽，所述阀座插入件填充所述开孔凹槽。
11.根据权利要求1所述的阀盖，其中，所述阀控制板主体具有定义在所述阀控制板主体的第一表面中的多个凹部，所述多个孔中的至少一个被制成在两个相邻凹部之间的肋上方居中，足够深并且具有足够的直径以与所述两个相邻凹部的底部相交，同时使所述肋的一部分保持完整，所述阀座插入件被模制到所述凹部和孔中以围绕所述肋的所述部分，使得所述阀座插入件通过所述肋的所述部分被锁定在开孔凹槽中。
12.一种控制阀，包括：
阀体，具有终止于第一流体管道开口处的第一流体管道、始于第二流体管道开口处的第二流体管道、以及围绕所述第一流体管道开口的孔口脊；所述第一流体管道和所述第二流体管道中的一个是流体入口管道，所述第一流体管道和所述第二流体管道中的另一个是流体出口管道；以及
阀盖，所述阀盖包括
盖体，固定到所述阀体；
阀隔膜，在所述阀隔膜的外周处与所述盖体密封接合，所述阀隔膜是与所述盖体一体形成和焊接到所述盖体中之一；
控制轴，固定到所述阀隔膜，柄从所述控制轴伸出；以及
阀控制板主体，固定到所述柄，所述阀控制板主体由具有第一硬度的第一材料形成为平坦盘，所述阀控制板主体具有配置为面向所述第一流体管道开口的第一表面和面向所述阀隔膜的相反的第二表面，所述第二表面与所述阀隔膜相邻，所述柄穿过所述第二表面，所述阀控制板主体具有被定义在所述阀控制板主体的第一表面中的凹部和延伸穿过所述凹部内的阀控制板主体的多个孔，其中所述凹部包括多个同心的环形凹槽以减少聚合物含量；以及
阀座插入件，由具有第二硬度的第二材料形成，所述第二硬度小于所述第一硬度，所述阀座插入件具有配置为面向所述第一流体管道开口且密封地接合所述孔口脊的第一表面，所述阀座插入件被模制到所述凹部中并保持在其中，并且所述阀座插入件包括杆、柱和桥中至少一种的多个，所述桥形成在所述阀座插入件中，延伸到定义在所述阀控制板主体中的所述多个孔中并且填充被定义在所述阀控制板主体中的所述多个孔，并且将所述阀座插入件锁定在所述阀控制板主体中，所述阀控制板主体的第一表面和所述阀座插入件的第一表面被精修为彼此平整。
13.根据权利要求12所述的控制阀，其中，所述孔口脊是圆形的。
14.根据权利要求12所述的控制阀，其中，所述凹部是定义在所述阀控制板主体中的开孔凹槽，所述阀座插入件填充所述开孔凹槽。
15.根据权利要求12所述的控制阀，其中，所述阀控制板主体具有被定义在所述阀控制板主体的第一表面中的多个凹部，所述多个孔中的至少一个被制成在两个相邻凹部之间的肋上方居中，足够深并且具有足够的直径以与所述两个相邻凹部的底部相交，同时使所述肋的一部分保持完整，所述阀座插入件被模制到所述凹部和孔中以围绕所述肋的所述部分，使得所述阀座插入件通过所述肋的所述部分锁定在开孔凹槽中。
16.根据权利要求12所述的控制阀，其中，所述控制轴与所述阀隔膜一体形成。
17.根据权利要求12所述的控制阀，其中，所述第一材料是金属。
18.根据权利要求17所述的控制阀，其中，所述第二材料是用聚氯三氟乙烯(PCTFE)粉末聚合的。
19.根据权利要求12所述的控制阀，其中，所述第二材料是用聚氯三氟乙烯(PCTFE)粉末聚合的。
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