CN111465791B - 阀和关闭构件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有入口和出口以及关闭构件(4’)的阀。关闭构件(4’)包括具有多个入口开口的入口区域、和出口区域。主流动通道(12)从入口区域中的初始开口(13)延伸通过关闭构件至出口区域中的开口(15)，所述初始开口位于入口区域的初始流动入口区域(14)中，当关闭构件从完全关闭位置朝向初始打开位置旋转时，所述初始开口首先承受流体。

Description

阀和关闭构件

技术领域

本发明涉及一种阀和阀的关闭构件。

背景技术

先前已知一种阀，所述阀具有布置在该阀的入口和出口之间的关闭构件。关闭构件可旋转地布置在阀中，使得其可以在关闭位置和打开位置之间移动。关闭构件中的入口表面设有用于接收流的入口开口，该流经由关闭构件的出口表面而传递下去。能够穿过阀的流体的量取决于关闭构件旋转的角度以及关闭构件的几何形状。

已知解决方案所存在的问题涉及在关闭构件限制流从入口流到出口的同时在阀的入口侧和出口侧之间产生的压差。

由于减小的流动面积导致高速射流，因此关闭构件和出口内的流速增加。这会导致产生可压缩流体的噪音问题。高流速将导致低压，而在液体流的情况下，则这可能导致气穴问题。当流动介质中存在颗粒时，可能会出现腐蚀问题。流速分布取决于关闭构件的设计。在流动分离的情况下，在出口处存在强烈的涡流，所述强烈的涡流导致低压和流动不稳定性并且还可以导致机械振动以及其他上述问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述缺点并提供一种解决方案，该解决方案使得能够有效地将通过阀的流动控制成尽可能地高效和平稳。利用根据独立权利要求1的阀和根据独立权利要求15的关闭构件来实现所述目的。

通过给所述关闭构件提供初始流动区域和初始流动出口区域，能够沿着受控路径以受控方式获得第一初始流，使得可以有效处理由大压差引发的问题，其中，所述初始流动区域在所述关闭构件从完全关闭位置朝向初始打开位置旋转时首先承受流体，所述初始流动出口区域布置成在所述关闭构件从完全关闭位置朝向初始打开位置旋转时排出流。

在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

附图说明

在下文中，将通过示例并参考附图更详细描述本发明，其中：

图1至图5示出了阀的第一实施例，

图6和图7a至图7d示出了阀的第二实施例，

图8和图9示出了阀的第三实施例，

图10示出了阀的第四实施例，

图11示出了阀的第五实施例。

具体实施方式

图1至图5示出了阀1的第一实施例。在该示例中，阀1被呈现为具有入口2和出口3的球阀。关闭构件4可旋转地布置在阀1中，以在完全关闭位置(其防止从入口2到出口3的流动)和完全打开位置(其允许从入口2到出口3的流动)之间移动。关闭构件4的旋转可以例如通过轴5来实现。

图2示出了从上方(例如沿轴5的方向)观察的关闭构件4。在所示示例中，通过关闭构件4的流动路径示例性地示出为布置在关闭构件4的大致圆柱形部分6中。圆柱形部分6可以是可移除的插入件或固定的插入件。替代地，流动路径也可以直接布置在球形的关闭构件4中，在这种情况下，可以利用关闭构件的全部内部容积。

关闭构件4包括具有初始流动入口区域14和主入口流动区域7的流动入口区域27。主入口流动区域7设有至少一个主开口9。在所示示例中，多个主开口9布置成接收来自入口2的流。在图3中还更详细地示出了流动入口区域27。经由入口开口接收的流经由流动出口区域8的开口传递至阀的出口3。

在图2中，关闭构件4被示出为处于如下位置：在所述位置，所述关闭构件已经沿箭头11的方向从完全关闭位置朝向初始打开位置旋转，在所述完全关闭位置，已经完全切断了从入口2到出口3的流动。在所示位置中，关闭构件4仅允许从入口2到出口3的非常小的最小量流动。通过初始流动区域14中的至少一个初始开口13和至少一条初始流动通道12发生该流动，所述至少一条初始流动通道12将流从初始流动入口区域14引导到流动出口区域8的初始流动出口区域28中的开口15。初始开口13位于流动入口区域27的一部分中，换句话说，位于初始流动入口区域中，当关闭构件从完全关闭位置朝所示的初始打开位置旋转时，所述初始流动入口区域首先承受来自阀的入口2的流体。

从图2可以看出，初始流动通道12的形状设计成在通过初始流动出口区域28中的开口15传递流之前使从初始开口13接收的流的方向转向。在所示示例中，初始流动通道12具有螺旋形状，使得初始流动通道12至少部分地围绕关闭构件4的中心轴线16延伸。螺旋形状可以使得其沿着初始流动通道的整个长度延伸或者替代地它可以仅沿着初始流动通道的一部分延伸。螺旋形状可以使得其具有恒定的半径或替代地具有例如变化的半径。类似地，螺旋的螺距也可以是恒定的、或在通道的不同部分之间变化。中心轴线16在此是指一条假想的线，该假想的线从流动入口区域27的中心点延伸到流动出口区域8的中心点。因此，初始流动通道12提供了从关闭构件4被转到允许最小量的流从入口2流到出口3的位置时启动的针对流体的受控流动路径。

图3是关闭构件4的入口区域27的正视图。

从图3可以更清楚地看到，在初始流动入口区域14中可以布置一个以上的初始开口13。每个初始开口均可将流传递至对应的初始流动通道12，该初始流动通道开口至出口区域8中的单条初始流动通道特定开口15。因此，可防止来自不同的初始流动通道12的流混合。从图3中还可以注意到，初始入口开口13的直径小于布置在入口区域27的主入口流动区域7中的主开口9的直径。这使得流量的调节更加精确，原因在于能够确保关闭构件的小幅转动初始打开成仅小流量通过关闭构件。

尽管在附图中未示出，但是可以使初始流动通道(或主流动通道)中的一条或多条在所述入口流动区域27中的开口13和出口区域8中的开口15之间的区域中分支成若干子通道。在该种情况下，这些子通道可以在到达出口区域8中的开口15之前被合并为单条通道。替代地，子通道可以终止于出口区域中的不同开口。

同样，图4示出了关闭构件4的入口区域27的正视图。然而，为清楚起见，图4所示的唯一开口是初始入口开口13。类似地，只有一条从初始入口开口13延伸到出口区域8中的开口15的初始流动通道12的形状被示出。

从图4中可以看出，螺旋形的初始流动通道12围绕中心轴线16延伸约180°。该角度优选地约为该尺寸，因为这确保了一旦关闭构件旋转到图2所示的位置(在该位置，初始入口开口13被暴露并且经受来自入口2的接收流体)，则同时同一初始流动通道12的初始流动出口区域28中的开口15被朝向出口3暴露，从而确保流动可以自由地通过这条初始流动通道。应当注意到的是，如果初始流动通道12围绕中心轴线16转动一个或多个完整的圈个(换句话说，围绕中心轴线延伸超过180°)，则优选地，角度被选择成使得初始入口开口13大约位于中心轴线16的与开口15相反的一侧。在这种情况下，合适的角度例如约为540°、900°和1260°。尽可能长并且在通过通道期间使流动转向的流动通道是有利的，因为该通道在处理阀的入口侧和出口侧之间的压力差方面是有效的，从而使流动更平稳而同时又没有产生过多的声音或气穴现象。

初始流动通道12的横截面流动面积在初始流动通道的不同部分以平滑过渡的方式变化。如图4所示，在位置17处的横截面流动面积小于在其他位置处的横截面流动面积。另外，尽管初始入口开口13和出口开口15具有圆形形状，但是对于整个初始流动通道而言并非如此。相反，在位置18处，主流动通道12的横截面的形状是椭圆形。初始流动通道的尺寸和形状的这种变化(其在所示的实施例中已经实施为平滑过渡)使得能够将关闭构件分成几个小阶段并获得压力分级，使得在各阶段中的流动流体的压力下降。这是有利的，原因在于例如气穴、噪音和腐蚀的风险能够被最小化。优选地，关闭构件的其他通道也具有相似的形状。

图5是关闭构件4的所有流动通道的简化示图。从该图可以看出，在该示例中，在入口区域27和出口区域8之间延伸的所有通道均具有螺旋形状。结果是关闭构件通过使气穴和噪音最小化而能够有效地处理从入口侧到出口侧的大压力变化。并不是所有通道的螺旋形状的方向都必须相同(顺时针/逆时针)，而是在不同通道之间可以变化。通道的半径或间距以及通道的横截面形状也可以变化。

为了有效地工作，图1至图5的实施例中的流动通道的形状优选地尽可能平滑，这减少了气穴、噪音和腐蚀。在通道横截面之间的过渡中，弯曲部的切线优选地不具有任何不连续性。另外，通道的表面应该是实心且流体密封的。不能通过例如使适当穿孔的盘彼此堆叠来获得这样的解决方案，这是因为这不会导致足够平滑以防止不希望的流动分离的通道。另外，堆叠的盘之间的间隙会引起流动中的干扰。相反，制造具有这种平滑流动通道的关闭构件的优选方式是增材制造。在那种情况下，可以将整个关闭构件3D打印成具有上述流动通道的单个实心件；或者可以3D打印成单独的插入件，所述单独的插入件可附接到传统制造的关闭构件主体。

图6和图7a至7d示出了阀的第二实施例。图6和图7a至7d的实施例与结合图1至图5解释的实施例非常相似。因此，将主要通过指出差异来解释图6和图7a至7d的实施例。

为了清楚起见，图6仅示出了关闭构件4’的一半。类似地，如与先前的实施例一样，关闭构件4’在初始流动区域14中设置有初始入口开口13，所述初始入口开口在关闭构件4’从完全关闭位置朝向初始打开位置旋转时首先承受来自阀的入口2的流体。初始流动通道12从这些初始入口开口13延伸到关闭构件4’的初始流动出口区域28中的出口开口15。初始流动通道靠近关闭构件4’的外周19延伸，并且它们的形状和尺寸可以如在图1至图5的前述实施例中解释的那样。

然而，在图6和图7a至7d中，关闭构件4’包括单个主流动通道20’，其横截面流动面积大于初始流动通道12的横截面流动面积。主流动通道20’的直径可以例如与阀所连接的管的直径相同。这种“全孔”解决方案的优点在于它使“清管”成为可能，这是指通过使清洁工具穿过管道来清洁管道。在图6中，初始流动通道12已经用虚线标记，以为了示出它们被嵌入在关闭构件4’的壁中。因此，在该特定实施例中，阻止了流体从初始流动通道12流出并进入主流动通道20’，尽管在其他实施例中可以允许从初始流动通道到主流动通道的这种流动。图6所示解决方案的优点在于：由于初始流动通道有助于在阀的初始打开期间有效地控制流量并有效地降低噪音，因此可以同时利用全孔主流动通道。

类似地，如在先前实施例中，一旦关闭构件4’从关闭位置朝向打开位置旋转，则首先是初始开口13和初始流动通道12首先承受来自入口2的流体并且使得流体流通过初始流动出口区域28中的开口15传递至出口3，如结合图7a至图7d更详细地解释的那样。

图7a至图7d示出了阀从关闭构件4’最初处于完全关闭位置的情况开始并在关闭构件4’已经到达完全打开位置的情况下结束的打开过程。在该示例中，阀是被称为四分之一转控制阀的类型。因此，关闭构件在阀内在完全关闭位置和完全打开位置之间旋转超过90°。然而，为简单起见，在图7a至图7d中仅示出了一个主入口开口13、一条主流动通道12(形状为螺旋形)、和一个出口开口15。

在图7a所示的情况下，关闭构件处于完全关闭位置。从图7a中可以看到，初始入口孔13尚未面对入口2，因此，阀(未示出)的密封在该阶段阻止了来自入口的流体到达初始入口开口。从图7a中还可以看出，主流动通道20’也转到了来自入口2的流体不能到达主流动通道20’的位置。实际上，在该阶段，关闭构件被转到中心轴线16成﹣9°角度的位置，因此从相对于入口2和出口3之间的纵向流动方向垂直的位置“倒转”。

在图7b的情况下，关闭构件4’已从完全关闭位置旋转到初始打开位置。在该阶段，中心轴线16成0°角度，因此该中心轴线现在相对于入口2和出口3之间的纵向流动方向垂直。在此阶段，流体已经到达初始开口13并经由初始流动通道12发生流动。主流动通道20’仍转向离开入口2(和出口3)，因此初始流动仅通过初始流动通道12发生。以这种方式，可以以受控且精确的方式使关闭构件4’转向来完成阀的初始打开，而同时又不允许通过阀的流体量突然初始增长。

图7c示出了关闭构件4’已经从图7b的初始打开位置进一步朝着完全打开位置旋转的情况。在此阶段，中心轴线16成30°角度。在这一阶段，流体已经到达主流动通道20’。因此，经由初始流动通道12和部分打开的主流动通道20’发生流动。

图7d示出了关闭构件4’已从图7c中的位置进一步旋转，使得关闭构件已到达完全打开位置的情况。在此阶段，中心轴线成90°角度。因此，中心轴线16现在与入口2和出口3之间的纵向流动方向一致。在这一阶段，主流动通道20’完全打开并且可以自由地流动通过所述主流动通道20’。然而，初始流动通道12在此阶段被阀的密封(未示出)阻塞，因为所述初始流动通道12已经被转动到所述初始流动通道12不再面对入口、因此流体不再能够到达初始开口13的位置。

当比较图6和图7a至7d的实施例与先前的实施例时，可以观察到：较之先前实施例，具有至少一个主入口开口13的初始流动入口区域14更多地位于关闭构件4的侧表面上。实际上，尽管在图7b中示出了关闭构件4’位于居中布置的流动通道20’相对于入口2和出口3之间的方向仍旋转约90°的位置中，但是通过主流体通道12的流动已经成为可能。

通过利用其中将关闭构件布置成从完全打开位置(图7d)至到达完全关闭位置(图7a)之前旋转大于90°的阀获得的优势在于能够利用阀的“死角”。换句话说，在已知的阀中，在发生通过阀的任何类型的流动之前，关闭构件可以从完全关闭位置转动若干度。该死区不能被最小化并且被用于在阀的初始打开期间获得更精确的流量调节。

例如，可以以这样的方式将开口布置在关闭构件中，即，关闭构件可以在主流动通道20’允许从入口2至出口3的流动之前从完全关闭位置旋转超过10°。然而，经由所述至少一条初始流体通道的更早流动成为可能。这样的解决方案有效地减小了阀的死角，换句话说，减小了关闭构件在任何流体开始流动之前旋转的部分。

图8和图9示出了阀的第三实施例。图8和图9的实施例与前面解释的两个实施例非常相似。因此，将主要通过指出差异来解释图8和图9的实施例。图8示出了从上方观察的关闭构件4”的横截面，图9示出了关闭构件的正视图。

在图8和图9中，入口区域27设有一个沿着关闭构件4”的中心轴线16延伸的单个主流动通道20’和在入口区域27的初始流动区域14中的初始入口开口13，当关闭构件4”从完全关闭位置朝完全打开位置旋转时，所述初始入口开口13首先承受流体。每个初始流动通道的横截面流动面积均小于主流动通道的横截面流动面积。

初始流动通道12”具有第一部分21”，所述第一部分21”从初始开口13沿着主流动通道20’延伸。第一部分21”在关闭构件内(在到达出口区域8之前)分支成多个第二部分22”，所述多个第二部分22”在每个第一部分和主流动通道20”之间提供了流动路径。从主流动通道20开始，流体可以直接通过主流动通道继续流动至出口3。

在一些实施例中(尽管不一定在所有实施方式中)，关闭构件可以设置有附加通道，如图8和图9所示示例中的情况。在该示例中，第三部分23”沿着主流动通道20”延伸到出口区域8中的开口15。然而，第三部分没有一直延伸到出口区域。第三部分23”经由多个第四部分24”连接至主流动通道20”。

因此，如在先前的实施例中一样，初始流动通道12’的形状被设计成在通过出口区域8传递流动之前，使经由初始入口开口13接收的流动的方向转向。以这种方式使得初始流动通道变得更长并且它们壁更多地与流体接触，这对于例如避免产生噪音和气穴是有利的。

另外，如果初始流动通道12”还设置有第三部分23”和第四部分24”(不是在所有实施例中必须的)，则流体可以通过第三部分23”和第四部分24”离开主流动通道20’的事实使由流体撞击主流动通道20’的侧壁的该部分引起的干扰最小化。

图10示出了阀的第四实施例。图10的实施例与图8和图9的实施例非常相似。因此，将主要通过指出不同之处来解释图10的实施例。

在图10中，初始流动通道12”’的形状与图8和图9中的初始流动通道的形状略有不同。在附图中，初始流动通道12”’具有第五部分25”’，该第五部分从初始入口开口13沿着主流动通道20’延伸。在该实施例中，初始流动通道20’布置在不同的层中(在关闭构件内的不同高度上)，使得它们部分位于彼此的顶部上。然而，不同初始流动通道20’的第五部分25”’的长度针对各个初始流动通道来说是变化的。另外，在该实施例中，初始流动通道具有第六部分26”’，该第六部分将每个相应的第五部分25”’与主流动通道20’互连。这样，流体可以通过初始入口开口13进入关闭构件并通过主通道20’从出口区域离开关闭构件。替代地但不是必须在所有实施例中，以与结合图8和图9所解释的类似方式，流可以从主通道20’从出口区域8中的开口15离开至出口3。

图11示出了阀的第五实施例。图11所示的实施例与结合图1至图5解释的实施例非常相似。因此，将主要通过指出不同之处来解释图11的实施例。

当将图3和图11彼此进行比较时，可以观察到这些实施例之间的主要区别在于：在图11中，关闭构件4””设有大的主流动通道，该主流动通道笔直延伸穿过关闭构件。此外，如示例所示，关闭构件可具有多条较小尺寸的主流动通道。

应当理解，以上描述和附图仅旨在说明本发明。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行改变和修改。

Claims (16)

1.一种阀(1)，所述阀具有：入口(2)和出口(3)以及关闭构件(4，4’，4”，4”’)，所述关闭构件能够旋转地布置在所述阀中以在完全关闭位置和完全打开位置之间移动，以便控制流体从所述阀的所述入口(2)到所述阀的所述出口(3)的流动；所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)包括：

流动入口区域(27)和流动出口区域(8)；

所述流动入口区域包括：

初始流动入口区域(14)，所述初始流动入口区域具有至少一个初始开口(13)，当所述关闭构件从所述完全关闭位置朝向初始打开位置旋转时，所述初始开口首先承受来自所述阀的所述入口的流体；和

具有至少一个主开口(9)的主入口流动区域(7)，在所述至少一个初始开口已经承受流体并且所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)从所述初始打开位置朝向所述关闭构件的所述完全打开位置进一步旋转之后，所述主开口承受来自所述入口的流体；

所述流动出口区域(8)包括：

初始流动出口区域(28)，所述初始流动出口区域布置成在所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)从所述完全关闭位置朝向所述初始打开位置旋转时首先将流排出到所述阀的所述出口(3)；以及

主流动出口区域，所述主流动出口区域布置成当所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)从所述初始打开位置朝向所述完全打开位置进一步旋转时排出流；和

从所述主入口流动区域(7)延伸到所述主流动出口区域的至少一条主流动通道(20’)，所述主流动通道允许流从所述阀的所述入口(2)通过所述关闭构件流动至所述阀的所述出口(3)；

其特征在于，所述关闭构件包括：

至少一条初始流动通道，所述至少一条初始流动通道具有螺旋形状，用于将流从所述初始流动入口区域(14)引导至所述初始流动出口区域(28)。

2.根据权利要求1所述的阀，其中，所述至少一个初始流动通道成形为在传递接收的流之前使所述接收的流的方向转向。

3.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)布置成在到达所述完全关闭位置之前从所述完全打开位置转向超过90°。

4.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)通过增材制造制成。

5.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述至少一条初始流动通道和所述至少一条主流动通道(20’)形成在布置于所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)中的插入件中。

6.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述至少一条初始流动通道中的至少一条具有在所述至少一条初始流动通道的不同部分中变化的横截面流动面积。

7.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述至少一条初始流动通道中的至少一条具有在所述至少一条初始流动通道的不同部分中以平滑过渡变化的横截面流动面积。

8.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述至少一条初始流动通道具有至少一个分支，所述分支提供通向至少一条主流动通道(20’)的次级流动路径。

9.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述关闭构件具有多条初始流动通道，每条初始流动通道的横截面流动面积均小于所述至少一条主流动通道(20’)的横截面流动面积，所述初始流动通道从初始入口开口沿所述至少一条主流动通道(20’)延伸并且开口到所述至少一条主流动通道中，所述初始流动通道中的至少两条具有不同的长度。

10.根据权利要求1或2所述的阀，其中，所述至少一条初始流动通道靠近所述关闭构件(4，4’)的外周(19)延伸，以用于将流从所述初始流动入口区域引导到所述初始流动出口区域。

11.根据权利要求10所述的阀，其中，所述初始流动入口区域(14)设置有开口，所述初始流动入口区域的开口的横截面面积小于设置在所述主入口流动区域(7)中的开口的横截面面积。

12.根据权利要求10所述的阀，其中，所述关闭构件由单个实心件组成。

13.根据权利要求10所述的阀，其中，所述至少一条主流动通道(20’)具有螺旋形状。

14.根据权利要求10所述的阀，其中，具有所述螺旋形状的所述至少一条初始流动通道至少部分地围绕所述关闭构件(4)的中心轴线(16)延伸。

15.一种关闭构件，所述关闭构件包括：

从入口侧延伸到出口侧的多条流动通道(12，12”，12”’，20’)，

初始流动入口区域(14)，当所述关闭构件从完全关闭位置朝向初始打开位置旋转时，所述初始流动入口区域首先承受流体；和

初始流动出口区域(28)，当所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)从完全关闭位置朝向所述初始打开位置旋转时，所述初始流动出口区域首先将流排出到阀的出口(3)；

其特征在于：

所述关闭构件(4，4’，4”，4”’)或附接至所述关闭构件的单独的插入件通过增材制造制成单个实心物体，所述单个实心物体具有至少一条初始流动通道(12)，所述至少一条初始流动通道具有螺旋形状，用于将流从所述初始流动入口区域(14)引导至所述初始流动出口区域(28)。

16.根据权利要求15所述的关闭构件(4，4’，4”，4”’)，其中，所述螺旋形状在所述至少一条初始流动通道的不同部分之间以平滑过渡变化。

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