CN117189929A - 具有优化的阀座几何结构的阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有优化的阀座几何结构的阀，尤其是电磁阀。该阀包括密封元件和围绕具有标称直径(ND)的通道开口(28)的阀座(26)，阀座(26)在面向所述密封元件的一侧上具有封闭的周向倒圆(34)，该周向倒圆在延伸穿过所述通道开口(28)的中心轴线的横截面中具有阀座半径(R)，阀座半径(R)的半径中心(36)与限定通道开口(28)的壁内侧(38)的距离(b)小于阀座半径(R)。

Description

具有优化的阀座几何结构的阀
技术领域
本发明涉及一种具有优化的阀座几何结构的阀。
背景技术
通用阀，例如电磁阀和/或比例阀，通常被设计成控制流体流动，例如液体或气体流动。它们通常由压靠在阀座上的密封元件构成，从而关闭通道开口。
已知的阀中，阀座由围绕通道开口并具有预定阀座半径R的凸台构成。阀座半径限定在通道开口的中心轴线所在的截面中的横截面中。典型地，该阀座半径切向结合到通道开口的壁内侧中。
密封元件和凸台之间的接触产生密封线，该密封线包围通道开口并且在该密封线处进行密封。对于平坦密封元件，密封线是密封元件与阀座半径的初始接触。
根据应用，所需的流速以及通道开口和阀座的尺寸也有所不同。阀的必要密封力或致动器的必要切换力可以经由阀座的标称尺寸和介质压力来确定。
由于比如电力、安装空间和热量等限制因素，希望将阀中的密封力降低到最小值。这对阀的使用寿命也具有积极的影响。例如，当以减小的密封力操作时，磨损现象，比如由于与阀座的重复接触而导致的大部分弹性密封元件的冲压效应，只会在很久以后发生。
然而，在传统阀中，由于简单的几何设计，降低密封力的可能性受到严重限制。
发明内容
因此，本发明的目的是形成一种阀，该阀能够以相对低的密封力进行管理，同时确保可靠的密封。
根据本发明，目的是通过一种阀、尤其是电磁阀来实现，该阀包括密封元件和阀座，该阀座包围具有标称直径ND的通道开口。阀座在面向密封元件的一侧上具有封闭的周向倒圆，该周向倒圆在延伸穿过通道开口的中心轴线的横截面中具有阀座半径R。根据本发明，阀座半径R的半径中心es与限定通道开口的壁内侧的距离b小于阀座半径R。
由于阀座半径R的半径中心es的这种特殊布置，密封线在通道开口的中心线的方向上偏移。因此，由密封线包围的密封区域以及密封元件和阀座之间的接触区域也减小，这导致用于可靠密封而施加的力减小。
阀座半径R的半径中心因此不像在传统阀中那样布置，从而获得阀座半径到通道开口的壁内侧的无扭结的和切向的过渡。该倒圆不再具有单一的阀座半径R，而是形成到通道开口的壁内侧的过渡区域。
因此，当密封件闭合时，设定的密封力或作用在密封元件和阀座之间的表面压力可以在一定程度上与密封表面解耦。因此，密封元件或阀座上的力分布以及由此的机械载荷可以独立于阀座半径R而受到影响。
特别地，根据本发明的阀在食品领域和热水应用中的使用是可以想象的，因为密封材料的选择在本文受到限制，并且极端条件在工作环境中占优势，这有利于增加阀的磨损。这是由于与传统阀相比，所需的密封力减小，这也减小了阀部件上的机械载荷，这继而对阀的使用寿命产生积极的影响。
在优选实施例中，距离b与阀座半径R的比值可以在从0.375到最大0.75的范围内。大量的试验表明，在这个范围内，用较低的密封力即可以实现有效的密封。同时，以这种方式设计的阀具有更长的使用寿命，因为在从通道开口的凸台(elevation)到壁内侧的过渡处只有相对少量的边缘结构。
通常，可以在该过渡处设置过渡区域，其中阀座半径R结合到通道开口的壁内侧。
例如，过渡区域可以具有边缘或倒角。这种几何设计特别容易制造，例如通过钻孔工具引入通道开口。
可选地，过渡区域可以具有过渡倒圆，该过渡倒圆具有小于阀座半径R的过渡半径r。特别地，过渡半径r也可以小于距离b，并且切向地结合到通道开口的壁内侧。因此避免了重复接触时可能损坏密封元件的台阶或边缘。
例如，过渡半径r可以在0.05mm和0.15mm之间，优选地为0.1mm。该范围内的值提供了足够的倒圆。同时，使用传统工具进行生产是可能的，例如通过阀座埋头孔。
可替代地或附加地，过渡区域可以在通道开口的方向上具有增加的连续曲率，该曲率尤其切向地结合到通道开口的壁内侧。这产生了特别平滑的过渡，对阀的使用寿命产生积极的影响。
在优选实施例中，阀座限定环形密封线，在阀的打开状态下，该环形密封线对应于最靠近密封元件的点。密封线的直径小于标称直径ND和两倍阀座半径R的总和。这种圆形阀易于制造，特别坚固，并导致所需的密封力减小。然而，其它的阀几何形状当然也是可能的，例如具有由相应的密封线围绕的椭圆形或方形通道开口。
特别地，对于圆形阀设计，可以规定密封线包围密封区域AD＝π*(ND/2+b)2，这适用于以下情况：π*(ND/2)2<AD<π*(ND/2+R)2，其中π是圆周率。因此，密封面积AD大于通道开口的横截面，但是小于传统阀中的密封面积，在传统阀中，阀座半径R切向地结合到通道开口的壁内侧。因此，如上所述，与传统阀相比，实现了密封力的减小。
本发明的一个方面提供了阀座半径R与标称直径ND的比值在0.05至最大0.5的范围内。已经表明，在具有这种几何设计的阀中，可以用特别低的密封力实现可靠的密封。
特别地，标称直径ND可以具有在0.5mm和6mm之间的值。在该范围内，可实现的寿命增加特别大，因为密封元件和阀座之间的接触表面非常小。这是因为较小的接触表面具有以下的影响：即使施加的低的阀关闭力会导致密封元件和阀座之间的高表面压力，这反过来可以促进裂纹形成和/或阀磨损。密封力的减小抵消了这些影响。
本发明的另一方面提供了阀包括壳体，其中阀座是壳体部分的部件和/或一体地连接到壳体部分。这使得阀的制造简单。例如，可以想到的是，阀壳体与阀座一起在单个工艺步骤中注射成型。此外，由于建议将阀座集成到壳体中，因此该阀特别坚固。
通常，壳体部分可以界定流体腔室。特别地，阀座可以是从壳体部分突出的套筒状部段的自由端部。这种设计在技术上易于实施，并且为密封元件提供了阀座的良好可接近性。
在优选的配置中，密封元件至少在与阀座接触的区域由弹性体组成。由于其机械变形性，在关闭的阀状态下，在阀座和密封元件之间形成接触表面，该接触表面足够大以确保可靠的密封功能。弹性体对多种流体也具有足够的稳定性。
为了确保可靠的密封，可以进一步规定：密封元件具有在打开状态下面向阀座的平坦表面。当阀关闭时，阀座半径R可以被挤压或形成在其中，从而为密封功能产生足够大的接触表面。
可以想到的是，在完全关闭的状态下，密封元件仅在阀座半径R的区域内与阀座接触。通过避免进一步的接触点，尤其是阀座上或过渡区域中的边缘或倒角，确保了阀的长使用寿命。
还可以进一步设置规定：阀座半径R径向向外结合到锥形部段，锥形部段的锥形角优选地在80°至最大110°的范围内。这可以防止或至少减少流体流在流经阀时的湍流。
通常，测量到阀座半径R的半径中心的距离b的壁内侧的区域可以具有标称直径ND。
在本文中，标称直径ND被理解为柱形通道开口的最小开口直径。从密封元件来看，这通常明显低于在阀关闭时形成密封线的平面。
附图说明
本发明的进一步特征和优点将从下文的描述和参考的附图中变得清楚，其中：
图1示出了根据本发明的阀的示意性剖视图，该阀被设计成提升电枢电磁阀；
图2示出了图1的阀的壳体和流体腔室的示意性俯视图；
图3示出了图2的壳体的示意性剖视图；
图4示出了传统阀座的示意性剖视图；
图5示出了第一实施例中的根据本发明的阀的阀座的示意性剖视图；
图6示出了在第二变型实施例中的根据本发明的阀的阀座的示意性剖视图；
图7示出了在阀座半径R范围内可以由阀密封的最大流体压力的示意图；
图8示出了与传统阀相比，通过根据本发明的阀可以实现的密封表面减少的百分比的示意图，该密封表面减少的百分比是各种阀几何形状的标称直径ND的函数。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的阀10的示意性剖视图。在示例性实施例中，该阀例如是提升电枢电磁阀。阀10包括壳体12，该壳体具有封闭在其中的流体腔室14，该流体腔室具有入口16和出口18，以及电枢22，该电枢可通过电磁线圈20移动，并在图1中处于打开位置。
壳体12可以是由塑料、尤其是玻璃纤维增强塑料制成的注射模制部件。可选地，也可以考虑金属壳体。
在图2的平面视图和图3的剖视图中更详细地示出了具有流体腔室14的壳体区域。
壳体12的一部分形成套筒状部段24，该套筒状部段从底部向上突出到流体腔室14中。阀座26位于套筒状部段24的面向电枢22的自由端部处。在示例性实施例中，壳体12、套筒状部段24和阀座26形成单一的单件式部件。
在所示的实施例中，阀座26围绕入口16的通道开口28。当然，这并不是以限制性的方式来理解的。阀座26包围出口18的变型实施例也是可以想到的。换句话说，阀10适用于阀座下流入和阀座上流入。
电枢22布置在流体腔室14的与通道开口28相对的一侧。可以由弹性体材料(比如橡胶)制成的密封元件30附接到电枢22的头部。
在示例性实施例中，密封元件30的面向阀座26的一侧是平坦表面32。
当阀10关闭时，电磁线圈20使电枢22在通道开口28的方向上移动，直到密封元件30到达阀座26。通过电磁线圈20向电枢22施加力，这使得密封元件30压靠在阀座26上，并且以流体密封的方式关闭通道开口28。
该力因此致使阀座26的上部区域被压入密封元件30的表面32中。因此，机械应力在关闭状态下起作用，这可能导致密封元件30的磨损，尤其是在具有重复打开和关闭过程的连续操作期间。
为了保持尽可能低的磨损，阀10具有特殊的阀座几何结构，其允许以相对较低的关闭力操作。
下文解释特殊阀座几何结构和现有技术中已知的阀座26之间的差异。
图4示出了传统的阀座26，这不是本发明的主题。它包围具有标称直径ND的圆形通道开口28，并且在面向密封元件30的一侧上具有仅具有阀座半径R的周向倒圆34。阀座半径可以说是以封闭的方式围绕阀座26延伸，并且限定其几何结构。半径中心36、或者半径中心线与通道开口28的壁内侧38的距离b和阀座半径R具有相同的值，使得阀座半径R切向地结合到通道开口28的柱形壁内侧38。
针对阀座几何结构，可以使用公式AND＝π*(ND/2)2计算与流速相关的表面积AND，其中π是圆周率。
相反，当阀10关闭时，由于密封元件30在周向倒圆34的区域中与阀座26接触，因此与密封力相关的表面积(对应于密封表面积AD)更大。在所示示例中，使用公式AD＝π*(ND/2+R)2计算与密封力相关的表面积。施加的密封力与密封表面积AD成正比。
相比之下，图5示出了图1至图3的根据本发明的阀10的阀座26。
该阀座包围具有标称直径ND的圆柱形通道开口28，并且在面向密封元件30的一侧上具有封闭的周向的、连续等同的倒圆34。
在穿过通道开口28的中心轴线的每个横截面中，倒圆34具有相同的阀座半径R。该倒圆在阀座26处限定了环形密封线40，该环形密封线对应于在阀10的打开状态下最靠近密封元件30的点。
在本文中，半径中心36或阀座半径R的中心线与限定通道开口28的柱形壁内侧38的距离b小于阀座半径R。壁内侧38的测量到阀座半径的半径中心36的距离b的区域具有标称直径ND。
因此，密封线40的直径小于标称直径ND和两倍阀座半径R的总和。
在所示的示例中，使用公式AD＝π*(ND/2+b)2计算密封力相关表面积或密封表面积AD，其中：b<R。对于相同的标称直径ND，其小于上述传统阀座26的密封表面积AD。
因此，施加到密封元件30上用于密封的力也较低。在施加力的情形下，当阀10关闭或打开时，密封元件30上的机械载荷也减少，这导致根据本发明的阀10的使用寿命增加。
在图5所示的阀10中，阀座半径R不像传统阀10那样切向地结合到通道开口28的内壁38中。在本文中，过渡区域42具有边缘44。然而，其优选地偏移到通道开口28中，从而远离密封线40，使得在完全关闭的阀状态下，边缘44和密封元件30之间没有接触。
因此，密封元件30仅在阀座半径R的区域内与阀座26接触。因此，确保不存在敏感弹性体的边缘接触，这种边缘接触可能导致加速磨损。
图6示出了根据本发明的阀10的阀座26的第二变型实施例。这在本质特征上对应于图5的实施例，因此下文将仅讨论不同之处。相同和功能上相同的元件用相同的参考数字标记。
同样，在图6所示的阀座26的情况下，半径中心36或倒圆34的中心线与通道开口28的壁内侧38的距离b小于阀座半径R。
然而，过渡区域42不具有周向边缘44，而是具有带有过渡半径r的过渡倒圆46。过渡半径r比阀座半径R至少小10倍。
在所示的示例中，r为0.1mm。这允许在不使用特殊工具的情况下进行技术上简单的生产。
如图6所示，过渡半径r切向地延伸到具有标称直径ND的通道开口28的柱形壁内侧38中，从而存在平滑过渡。因此，与具有周向边缘44或倒角的阀实施例相比，密封元件30损坏的风险更小。
当然还可以考虑其他的阀座几何形状，尤其是过渡区域42在通道开口28的方向上具有增加的连续曲率的阀座几何形状，该连续曲率最终切向地结合到通道开口28的壁内侧38。
图5和图6所示的阀座26也具有锥形部段48，阀座半径R径向向外切向地结合到该锥形部段中。本文的锥形角α在80°到最大110°的范围内。在示例性实施例中，这避免了当流体流通过阀10时流体流中的湍流，从而实现层流。
例如，图4、图5和图6中所示的阀座26可以各自具有4mm的标称直径ND和0.3mm的阀座半径R。因此，对于三种阀座几何形状中的每一种的流量相关表面积AND为12.57mm2。
对于图4中的传统阀座26，根据上述公式获得16.62mm2的密封力相关表面积AD。
与之相反，对于相同的标称直径ND和阀座半径R以及0.2mm的距离b，图4和图5的优化阀座26的密封力相关表面积AD仅为15.2mm2。因此，与传统阀座26相比，密封力相关表面积AD小约9％。
如果对具有1.6mm的标称直径ND、2.01mm2的流量相关表面积AND的阀座26的其他相同参数进行相同的考虑，则可实现3.8mm2的传统阀座26的密封力相关表面积AD和3.14mm2的优化阀座26的密封力相关表面积AD。根据本发明优化的阀10的与密封力相关表面积AD以及由此施加的密封力在本文比传统阀10低17％。
因此，可以通过根据本发明的所述阀10实现的密封力减小取决于标称直径ND。
此外，如图7所示，可实现的密封力减小还取决于阀座半径R。该附图示出了可以由Y轴50上的、阀10密封的最大流体压力相对于X轴52上的、阀座半径R的曲线图。在所示的示例中，Y轴50的值的范围在0和20巴之间，并且X轴52的值的范围在0mm和0.5mm之间。
阀座半径R越小，阀10能够实现的可密封压力越高。然而，实际上，最小可能的阀座半径R受到密封元件30的负载能力的限制。在阀的关闭状态下，非常小的阀座半径R引起阀座26和密封元件30之间的小的接触表面，这又导致高的局部表面压力，并且可能对阀10的预期寿命产生负面影响。
图8示出了可实现的密封力减小量还可能尤其取决于标称直径ND与距离b的比值。
在该图表中，相对于X轴52上的标称直径ND，在Y轴50上绘制了与传统阀10相比可实现的相对密封力减小量。在所示的示例中，Y轴50上的值的范围在0和50％之间(Y轴的上端部)，并且X轴52上的值的范围在0mm和5mm之间。
图7中的第一曲线图54示出了b＝0.15且b/ND＝0.375的阀10可实现的密封力减小量，第二曲线图56示出了b＝0.15且b/ND＝0.5的阀10可实现的密封力减小量，第三曲线图58示出了b＝0.15且b/ND＝0.75的阀10可实现的密封力减小量，并且第四曲线图60示出了b＝0.3且b/ND＝0.75的阀10可实现的密封力减小量。
比值b/ND越小，对于给定的标称直径ND施加的密封力越低。然而，比值b/ND不能被选择为任意小，因为否则密封元件30上的机械载荷将再次增加。
如已经示出的，具有在0.75和0.375之间的比值b/ND的阀10具有特别低的施加的密封力和较长的使用寿命。因此，该数值的范围对于根据本发明的阀10是有利的。
出于同样的原因，标称直径ND在0.5mm和6mm之间，阀座半径R在0.2mm和0.4mm之间，并且阀座半径R与标称直径ND的比值在0.05至最大0.5的范围内也是优选的。

Claims (20)

1.一种阀，其包括密封元件(30)和围绕具有标称直径(ND)的通道开口(28)的阀座(26)，所述阀座(26)在面向所述密封元件(30)的一侧上具有封闭的周向倒圆(34)，所述周向倒圆在延伸穿过所述通道开口(28)的中心轴线的横截面中具有阀座半径(R)，其特征在于，所述阀座半径(R)的半径中心(36)与限定所述通道开口(28)的壁内侧(38)的距离(b)小于所述阀座半径(R)。
2.根据权利要求1所述的阀，其中，所述距离(b)与所述阀座半径(R)的比值在0.375至最大0.75的范围内。
3.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀座半径(R)在过渡区域(42)中结合到所述通道开口(28)的壁内侧(38)。
4.根据权利要求3所述的阀，其中，所述过渡区域(42)具有边缘(44)或倒角。
5.根据权利要求3所述的阀，其中，所述过渡区域(42)包括过渡倒圆(46)，所述过渡倒圆具有小于所述阀座半径(R)的过渡半径(r)。
6.根据权利要求5所述的阀，其中，所述过渡半径(r)小于所述距离(b),所述过渡半径可选地切向地结合到所述壁内侧(38)，并且优选地具有0.1mm的值。
7.根据权利要求3所述的阀，其中，所述过渡区域(42)在所述通道开口(28)的方向上具有增加的连续曲率。
8.根据权利要求7所述的阀，其中，所述连续曲率切向地结合到所述通道开口(28)的壁内侧(38)。
9.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀座(26)限定了环形密封线(40)，所述环形密封线限定了在所述阀(10)的打开状态下最靠近所述密封元件(30)的点，所述密封线(40)的直径小于所述标称直径(ND)和两倍所述阀座半径(R)的总和。
10.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀座半径(R)与所述标称直径(ND)的比值在0.05至最大0.5的范围内。
11.根据权利要求1所述的阀，其中，所述标称直径(ND)的值在0.5mm至6mm之间。
12.根据权利要求1所述的阀，其包括壳体(12)，其中，所述阀座(26)是壳体部分的部件，并且优选地一体地连接到所述壳体部分。
13.根据权利要求12所述的阀，其中，所述壳体部分限定流体腔室(14)。
14.根据权利要求12所述的阀，其中，所述阀座(26)是从所述壳体部分突出的套筒状部段(24)的自由端部。
15.根据权利要求1所述的阀，其中，所述密封元件(30)至少在与所述阀座(26)接触的区域中由弹性体制成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的阀，其中，在所述打开状态下，所述密封元件(30)具有面向所述阀座(26)的平坦表面(32)。
17.根据权利要求1所述的阀，其中，在完全关闭状态下，所述密封元件(30)仅在所述阀座半径(R)的区域中与所述阀座(26)接触。
18.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀座半径(R)径向向外，尤其是切向地结合到锥形部段(48)，所述锥形部段的锥形角(α)优选地在80°至最大110°的范围内。
19.根据权利要求18所述的阀，其中，所述阀座半径(R)径向向外切向地结合到所述锥形部段(48)。
20.根据权利要求1所述的阀，其中，测量到所述阀座半径(R)的半径中心(36)的距离(b)的所述壁内侧(38)的区域具有所述标称直径(ND)。
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