CN114087420B - 一种阀杆的密封结构以及阀门 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及阀门密封技术领域，特别涉及一种阀杆的密封结构以及阀门，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封，所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭的隔离腔；所述波纹管一端与所述阀杆固连密封，另一端与所述阀盖固连密封，所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭内腔，所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；本发明在波纹管一侧采用填充支撑填充物的方法，降低了对于波纹管的径向刚度强度的要求，因此可以承受较大的流体压力，解决了现有波纹管阀杆不能用于高压流体系统的问题。
Description
技术领域
本发明涉及阀门密封技术领域，特别涉及一种阀杆的密封结构以及阀门。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
阀门广泛应用于生产和生活的方方面面，密封性是阀门的基本性能。阀门的密封包括内密封和外密封。外密封是指防止流体通过阀杆等驱动装置与外界之间的泄漏的性能。阀门无论是在开启状态还是关闭状态，以及开启和关闭的过程中，都需要保持外密封能力。
现有阀杆的密封以填料密封为主，对于一些要求严格、运行条件苛刻的场合，为提高阀杆的密封性能，在已有填料密封组件与被密封流体之间上，新增波纹管密封结构。波纹管一端与阀盖焊接，另一端与阀杆焊接，可以解决阀门的外密封问题，但存在以下缺陷：
(1)现有阀杆波纹管密封方式的波纹管与被密封流体直接接触，波纹管两侧的流体压力作用于波纹管，当两侧压力差过大时，会使得波纹管产生过大的变形而失稳破坏。因此波纹管式阀杆密封不能用于流体压力较高的场合。
(2)波纹管是薄壁结构，提高波纹管管壁的厚度可以增加径向刚度，但提高管壁厚度，会增加波纹管轴向变形的应力，为限制波纹管的应力，需要限制波纹管的轴向变形量，进一步限制了阀门的开度，为了达到需要的阀门开度，需要增加阀杆和波纹管的总长度，使阀门的尺寸和造价增加。因此，现有的阀杆波纹管密封方式的波纹管安装固定形式在阀杆行程阀门开度与耐压性能方面存在矛盾。
(3)波纹管外侧直接与被控制流体接触，当被控制流体的温度较高时，波纹管的温度也较高，而随着波纹管温度的升高，波纹管材料的刚度和强度下降，波纹管的承压能力下降，可靠性下降。因此，波纹管与流体直接接触的方式，限制了波纹管材料的选择范围，仅能选用性能好的材料。而性能好的材料价格高，加工难度高，加工成本高，限制了高密封性能阀门的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种阀杆的密封结构，以解决现有技术中波纹管不能应用于高压、高温等场合的问题。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：
本发明第一方面提供了一种阀杆的密封结构，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，其特征在于，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封，所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭的隔离腔；
所述波纹管一端与所述阀杆固连密封，另一端与所述阀盖固连密封，所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭内腔，所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑。
作为进一步地技术方案，所述隔离腔填充有隔离腔填充物，所述隔离腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑。
本发明第二方面提供了一种阀杆的密封结构，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，其特征在于，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封；
所述波纹管一端与所述阀杆固连密封，另一端与所述隔离体下端固连密封，所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭的内腔，所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭的隔离腔，所述隔离腔填充有隔离腔填充物，所述隔离腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑。
作为进一步地技术方案，所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑。
本发明第三方面提供了一种阀杆的密封结构，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，其特征在于，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封；
所述波纹管一端与所述阀盖固连密封，另一端与所述隔离体下端固连密封；
所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭内腔，所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭隔离腔，所述隔离腔填充有隔离腔填充物，所述隔离腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑。
进一步地，所述波纹管中部沿其横截面断开，所述波纹管的断口处分别与所述阀杆固连密封。
进一步地，所述内腔填充物和所述隔离腔填充物为气体和/或液体和/或固体，所述固体为粉末状或球状。
进一步地，所述滑动密封的方式为填料密封和/或O型圈密封。
进一步地，所述固体采用粉末状石墨和/或不锈钢钢球和/或塑料钢球，所述气体采用氮气，所述液体采用硅油。
本发明第四方面提供了一种阀门，包括阀体和如第一方面、第二方面或第三方面任一方面所述阀杆的密封结构，所述阀体与所述隔离体下端固定连接，且两者之间设置隔热密封垫。
上述本发明的有益效果如下：
(1)本发明在波纹管外设置隔离体，且在波纹管内侧和/或外侧采用填充支撑填充物的方法，改变了波纹管在压力作用下的受力状态，降低了对于波纹管的径向刚度强度的要求。当波纹管轴向伸缩时，其径向变形被填充物所限制，不会失稳破坏，因此可以承受较大的流体压力，可用于高压场合，解决了现有波纹管阀杆不能用于高压流体系统的问题，同时还可应用于高真空场合。
(2)本发明降低了对于波纹管的径向刚度强度的要求，可以采用壁薄或折叠度大的波纹管结构，可以允许较大的轴向伸缩量，有利于减小波纹管的总长度以及阀杆行程，降低阀门造价，解决了阀杆行程阀门开度与耐压性能方面存在矛盾。
(3)本发明利用换热速度差的方法控制波纹管的温度，波纹管与流体之间设置隔离体和密封装置，利用阀杆、波纹管、阀盖、等零件的散热能力等措施，使波纹管对流体的换热能力远低于波纹管对于阀盖等零件的换热能力，控制波纹管温升，提高波纹管的耐压耐温性能，提高阀门的密封性和可靠性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了本发明实施例1中的内腔填充密封结构示意图；
图2示出了本发明实施例1中的隔离腔和内腔均填充密封结构示意图；
图3示出了本发明实施例2中的隔离腔填充密封结构示意图；
图4示出了本发明实施例2中的隔离腔和内腔均填充密封结构示意图；
图5示出了本发明实施例3中的整体波纹管密封结构示意图；
图6示出了本发明实施例3中的分体波纹管密封结构示意图。
图中：1阀体，2进口，3阀座，4阀室，5传动机构，6阀芯，7阀杆，8隔离体，9隔离密封，10上波纹管，11内腔，12阀盖，13外密封，14驱动机构，15隔离腔，16内腔填充物，17隔离腔填充物，18隔热密封垫，19出口，20下波纹管，22内腔，23隔离腔，24内腔，25隔离腔，26波纹管，26-1上波纹管，26-2下波纹管。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种阀杆的密封结构，解决现有阀杆密封形式存在的问题。
现有的波纹管式阀杆密封结构中，波纹管的安装固定形式是，波纹管一端与阀杆焊接，另一端与阀盖焊接。波纹管的外侧与被控制流体直接接触，波纹管内侧为与阀杆和阀盖形成的封闭的空腔，该空腔内为接近大气压力的空气，波纹管两侧的流体压力作用于波纹管，当两侧压力差过大时，会使得波纹管产生过大的变形而失稳破坏，波纹管式阀杆密封不能用于流体压力较高的场合。波纹管是薄壁结构，提高波纹管管壁的厚度可以增加径向刚度，但提高管壁厚度，会增加波纹管轴向变形的应力，为限制波纹管的应力，需要限制波纹管的轴向变形量，进一步限制了阀门的开度，为了达到需要的阀门开度，需要增加阀杆和波纹管的总长度，使阀门的尺寸和造价增加。因此，现有的阀杆波纹管密封方式的波纹管安装固定形式在阀杆行程阀门开度与耐压性能方面存在矛盾。
现有的波纹管阀杆密封形式，波纹管外侧直接与被控制流体接触，当被控制流体的温度较高时，波纹管的温度也较高，而随着波纹管温度的升高，波纹管材料的刚度和强度下降，波纹管的承压能力下降，可靠性下降。因此，波纹管与流体直接接触的方式，限制了波纹管材料的选择范围，只能选用性能好的材料。而性能好的材料价格高，加工难度高，加工成本高，限制了高密封性能阀门的推广应用。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例提供了本发明一种阀杆的密封结构，如图1所示，包括阀杆7、阀盖12以及套设在阀杆7上的波纹管10，波纹管10外套设有隔离体8，隔离体8上端与阀盖12固连密封，下端与阀杆7滑动密封，波纹管10与隔离体8之间形成封闭的隔离腔15；
波纹管10一端与阀杆7固连密封，另一端与阀盖12固连密封，波纹管10与阀杆7之间形成封闭的内腔11，内腔11填充有内腔填充物16，内腔填充物16对波纹管10在伸缩变形过程中提供随动支撑。
在本实施例中，隔离体8下端与阀体1连接，其中，阀体1是阀门的基础件，阀体1上包括如下结构：进口2，阀座3，阀室4，出口19。阀杆7通过传动机构5带动阀芯6运动，传动机构5将阀杆7轴向运动转化为阀芯6的移动或者转动，使阀芯6与阀座3靠紧或者分开，实现阀门的开关和开度调整。其中阀杆7由驱动装置14驱动，实现轴向运动，驱动方式可以是手动、电动等各类形式。
在本实施例中，阀杆7与阀盖12之间设有外密封13，外密封13的材料可以选择金属材料、高分子材料或复合材料等。
波纹管10一端与阀杆7连接，另一端与阀盖12连接，连接形式依据材料的不同可以是焊接或者粘接，优选焊接，依据流体压力和温度的不同，波纹管10材料可以选择耐高温金属合金材料、高分子材料或者复合材料等。
阀体1上安装隔离体8，与阀体1构成阀室4，隔离体设有隔离密封9，实现阀杆7与隔离体8的滑动密封，密封结构使阀室4与封闭隔离腔15隔离，避免波纹管10与被控流体直接接触。
在密封情况良好以及被控流体压力不高的情况下，隔离体8以及隔离密封9能够实现阀室4与波纹管10的完全隔离密封，保证被控流体不能泄露到外界。
在阀门的使用过程中，当被控制流体压力较高时，允许小部分被控制流体通过隔离密封9缓慢泄漏进入隔离体8与波纹管10之间的隔离腔15，但是被波纹管10密封结构完全密封，不能泄漏到外界。随着隔离腔15内流体泄漏量的增加，隔离腔15内的压力与内腔11的压力差增加，会对波纹管10产生使其压瘪的压力，使内腔11体积有减小的趋势，波纹管10会对内腔填充物16产生压缩作用，内腔填充物16对波纹管10产生支撑作用，使波纹管10避免过大变形而失稳，因此，由于有内腔填充物16的支撑作用，本实施例的阀杆密封结构可以应用于高压力的场合。
当被控制流体压力较高温度也较高时，小部分被控制流体通过隔离密封9缓慢泄漏进入缝隙的同时会被隔离体8等零部件冷却降温，波纹管10的温度可低于流体温度。因此，本实施例的阀杆密封结构可用于流体温度较高的场合。
进一步的，如图2所示，波纹管10与隔离体8之间形成封闭隔离腔15，隔离腔15填充有隔离腔填充物17，隔离腔填充物17对波纹管10在伸缩变形过程中提供随动支撑。
被控制流体压力较低时，随着隔离腔15内空气的泄漏，隔离腔15内的压力与内腔11的压力差增加，内腔11有膨胀的趋势，即内腔11体积有增大的趋势，波纹管10会对隔离腔填充物17产生压缩作用，隔离腔填充物17对波纹管10产生支撑作用，使波纹管10避免膨胀过大变形而失稳，因此，由于有隔离腔填充物17的支撑作用，本发明的阀杆密封结构可以应用于高真空的场合。
进一步地，内腔填充物16为气体和/或液体和/或固体，固体为粉末状或球状。
内腔填充物16可以是气体、液体、固体材料，或者其混合物，依据不同用途选用，优选与被控制流体呈现惰性的气体、液体、固体材料，或者其混合物，
可以理解地是，为了保证波纹管受压时内腔填充物16能够起到支撑作用并且可以随动，内腔填充物16应具有高体积刚度和低变形刚度的易变形填充物，利用易变形填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑，使波纹管的承压能力增加。
液体容易变形，体积压缩刚度大，可以作为填充物，液体中优选硅油。
选用流动气体填充物时，可以冷却波纹管，控制波纹管温度，气体中优选氮气。
粉末状或球状固体填充物，颗粒之间可以相互运动，可以流态化，使整个腔室中，内腔填充物16整体变形刚度小，可以适应内腔11的变形，因为固体颗粒自身刚度大，内腔填充物16整体体积刚度大，使波纹管10均匀均衡受力，整体均匀轴向伸缩，避免压溃。粉末状或球状固体填充物不会泄漏，优选粉末状石墨(石墨粉)、塑料球、不锈钢钢球等材料，进一步优选的，石墨粉。
在高温高压条件下，波纹管10由石墨粉支撑，受力条件好，可以轻薄，柔性好，变形量大，应力小。波纹管10只是起到隔离作用，是流体与填充物石墨粉隔离。石墨粉润滑性能好，流动性好，有利于减小变形时的阻力，减小应力，有利于均匀填充和顺利收缩。石墨粉导热性好，有利于降低波纹管10的热应力，提高耐热性。石墨粉物理化学性能稳定，不易泄漏，无毒无害，价格低廉。与现有的波纹管密封阀门相比，由于波纹管内腔填充有耐高温导热性好的石墨粉，受力条件好，传热条件好，有利于提高工作可靠性和延长阀门的工作寿命。
在气体、液体和固体的选择中，优选粉末状或球状固体填充物，进一步优选石墨粉。
进一步地，滑动密封的方式为填料密封和/或O型圈密封。依据流体温度等参数的不同，隔离密封9的材料可以使金属材料、高分子材料、复合材料等构成。隔离密封件的形式可以是填料和/或O型圈等形式，可以是一组或者多组。
进一步地，隔离腔15填充有隔离腔填充物17，隔离腔填充物17对波纹管10在伸缩变形过程中提供随动支撑。并且隔离腔填充物17为气体和/或液体和/或固体，固体为粉末状或球状。不难理解地是，隔离腔填充物17和内腔填充物16可以相同，也可不相同，优选采用相同的填充物。
实施例2
本实施例提供了本发明一种阀杆的密封结构，如图3所示，与实施例1不同的是，波纹管20一端与阀杆7固连密封，另一端与隔离体8下端固连密封。波纹管20与隔离体8之间形成封闭的隔离腔23，波纹管20与阀杆7之间形成封闭的内腔22，隔离腔23填充有隔离腔填充物17，隔离腔填充物17对波纹管20在伸缩变形过程中提供随动支撑。
在阀门的使用过程中，当被控制流体压力较高时，允许小部分被控制流体通过隔离密封9缓慢泄漏进入波纹管20与阀杆7之间的内腔22，但是被波纹管20密封结构完全密封，不能泄漏到外界。随着内腔22内流体泄漏量的增加，隔离腔15内的压力与内腔22的压力差增加，会对波纹管20产生使其膨胀的压力，使内腔22体积有增大的趋势，波纹管20会对隔离腔填充物17产生压缩作用，隔离腔填充物17对波纹管20产生支撑作用，使波纹管20避免过大变形而失稳，因此，由于有隔离腔填充物17的支撑作用，本实施例的阀杆密封结构可以应用于高压力的场合。同理，也可应用于高温场合。
进一步地，如图4所示，波纹管20与阀杆7之间形成封闭的第二内腔22，第二内腔22填充有内腔填充物16，内腔填充物16对波纹管20在伸缩变形过程中提供随动支撑。
被控制流体压力较低时，随着内腔22内空气或流体的泄漏，隔离腔15内的压力与内腔22的压力差增加，内腔22有吸瘪的趋势，即内腔22体积有减小的趋势，波纹管20会对内腔填充物16产生压缩作用，内腔填充物16对波纹管20产生支撑作用，使波纹管20避免吸瘪过大变形而失稳，因此，由于有内腔填充物16的支撑作用，本发明的阀杆密封结构可以应用于高真空的场合。
实施例3
本实施例提供了本发明一种阀杆的密封结构，如图5和图6所示，与实施例1和实施例2不同的是：波纹管26一端与阀盖12固连密封，另一端与隔离体8下端固连密封；波纹管26与阀杆7之间形成封闭内腔24，内腔24填充有内腔填充物16，内腔填充物16对波纹管26在伸缩变形过程中提供随动支撑；波纹管26与隔离体8之间形成封闭隔离腔25，隔离腔25填充有隔离腔填充物17，隔离腔填充物17对波纹管26在伸缩变形过程中提供随动支撑。
结合实施例1和实施例2的说明，本实施例同样可以应用于高温、高压、高中空的场合，并且在波纹管26与阀盖12和隔离体8密封作用下，密封性能得到很大提高，彻底杜绝了被控流体外泄。当然我们应该看到，虽然密封性能得到了提高，同时对于安装的要求也会相应的提高。
不难理解地是，图5示出了波纹管26为一整体的情况，但波纹管26过长不容易控制变形，优选地，如图6所示，波纹管26中部沿其横截面断开，波纹管26的断口处分别与阀杆7固连密封。波纹管26断开后，分别形成上波纹管26-1和下波纹管26-2。由于整体式的波纹管26分割成了两个波纹管，避免了波纹管过长不宜控制变形的问题。
实施例4
本实施例提供了一种阀门，阀体1和实施例1所述阀杆的密封结构，阀体1与隔离体8下端固定连接，且两者之间设置隔热密封垫18。
采用隔热密封垫18减小阀体1和流体对隔离体8的换热，采用隔离密封9减小高温流体对波纹管10的直接接触，利用波纹管10对于阀杆7、隔离体8、阀盖12、填充物等零部件的换热能力，控制波纹管10的温升，减小温度对于波纹管10刚度强度的影响。
本发明虽然己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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，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简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种阀杆的密封结构，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，其特征在于，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封，所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭的隔离腔；
所述波纹管一端与所述阀杆固连密封，另一端与所述阀盖固连密封，所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭内腔，所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述隔离腔填充有隔离腔填充物，所述隔离腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述阀杆的密封结构能应用于高压、高真空、高温的场合；
所述滑动密封的方式为填料密封和/或O型圈密封。
2.一种阀杆的密封结构，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，其特征在于，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封；
所述波纹管一端与所述阀杆固连密封，另一端与所述隔离体下端固连密封，所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭内腔，所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭的隔离腔，所述隔离腔填充有隔离腔填充物，所述隔离腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述阀杆的密封结构能应用于高压、高真空、高温的场合；
所述滑动密封的方式为填料密封和/或O型圈密封。
3.一种阀杆的密封结构，包括阀杆、阀盖以及套设在所述阀杆上的波纹管，其特征在于，所述波纹管外套设有隔离体，所述隔离体上端与所述阀盖固连密封，下端与所述阀杆滑动密封；
所述波纹管一端与所述阀盖固连密封，另一端与所述隔离体下端固连密封；
所述波纹管与所述阀杆之间形成封闭内腔，所述内腔填充有内腔填充物，所述内腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述波纹管与所述隔离体之间形成封闭隔离腔，所述隔离腔填充有隔离腔填充物，所述隔离腔填充物对波纹管在伸缩变形过程中提供随动支撑；
所述阀杆的密封结构能应用于高压、高真空、高温的场合；
所述滑动密封的方式为填料密封和/或O型圈密封。
4.如权利要求3所述的一种阀杆的密封结构，其特征在于，所述波纹管中部沿其横截面断开，所述波纹管的断口处分别与所述阀杆固连密封。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种阀杆的密封结构，其特征在于，所述内腔填充物和所述隔离腔填充物为气体和/或液体和/或固体，所述固体为粉末状或球状。
6.如权利要求5所述的一种阀杆的密封结构，其特征在于，所述固体采用粉末状石墨和/或不锈钢钢球和/或塑料钢球，所述气体采用氮气，所述液体采用硅油。
7.一种阀门，其特征在于，包括阀体和如权利要求1-6任一项所述阀杆的密封结构，所述阀体与所述隔离体下端固定连接，且两者之间设置隔热密封垫。
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