CN1220831C - 流量调节阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量调节阀，其阀体内腔为直筒状，阀瓣为两端固定在阀体上的圆筒形弹性膜阀瓣，并与阀体内壁围成一个密闭的阀瓣腔，阀体的外面设有充满液体介质的密闭储液腔和一个泵。在开阀时储液腔和阀瓣腔分别与泵的出口和进口相连；在关阀时储液腔和阀瓣腔分别与泵的进口和出口相连。当液体介质从储液腔注入阀瓣腔时，弹性膜阀瓣向过流通道膨胀，使过流通道断面收缩，开启度减小；反之，当液体介质从阀瓣腔抽出时，阀瓣收缩，开启度增大。由于过流通道断面在小开启度时也为圆形，所以即使是用于粘稠度较大的非牛顿流体也不会使阀门堵塞。

Description

流量调节阀

所属技术领域

本发明涉及一种阀门，特别是一种流量调节阀，尤其适用于对粘稠度较大的非牛顿流体的流量控制。

背景技术

管道中的流体流量的大小可通过阀门来控制，阀门控制流量的原理是，阀门在开大或关小时，相应地增大或减小了过流断面，从而使通过的流体增加或减少。现有的流量调节阀，根据其调节过流断面大小的关键部件的不同，可分为闸板阀、截止阀、球阀、旋塞阀等。这些阀门都有一个共同的特点，即，在开启度由大变小时，其过流断面的形状要发生变化，在小开启度时，过流断面变成一条宽度很小的缝隙，如闸阀在小开启度时的过流断面为月牙状。如果流体中有颗粒较大的杂质或流体粘稠，就容易造成小开启度时的堵塞，很难保证在小流量下连续工作，如水处理厂中的浓缩泥渣、含有颗粒的化工流体等。造成这种现象的原因是，随着开启度的减小，过流断面的形状逐步从圆形变成了缝隙形。中国专利97235087公开了一种双瓣隔膜式液控阀，在一般开度时，它的过流断面为流线形，能防止堵塞，但小开启度时的过水断面呈环形缝隙，仍易造成堵塞。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种即使在小开启度状态下也不会造成诸如浓缩泥渣等非牛顿流体堵塞阀门的流量调节阀。

本发明解决上述问题的设想是：按照分形原理，当断面积相同时，在所有的断面形状中，圆形断面的周长最小，对通过该断面的流体阻力最小，最不易造成堵塞。利用这一原理，本发明将阀体过流通道断面设计成圆形，并且在启闭过程中形状不变。

解决上述问题的技术方案是：所提供的流量调节阀包括阀体和位于阀体内腔的阀瓣。所说的阀体内腔为直筒状；所说的阀瓣为圆筒形弹性膜阀瓣，该弹性膜阀瓣的两端固定在筒状阀体上，并与阀体内壁围成一个密闭的阀瓣腔，筒状阀体的外面设有充满液体介质的密闭储液腔和一个计量泵；所说密闭储液腔由穹状外壳与阀体的外壁之间围成，上述阀瓣腔和储液腔之间通过管道与计量泵相连，它们的连接方式是这样的：在第一状态时储液腔与计量泵的出口相连，阀瓣腔与计量泵的进口相连；在第二状态时储液腔与计量泵的进口相连，阀瓣腔与计量泵的出口相连，在前述的储液腔内设有环形气囊；另外，还设有一个通过前述计量泵来控制阀的开启度K的控制装置，其控制模型为：

$V=\frac{\mathrm{\π}{D}^{2}L}{4}-\mathrm{\π}(M^2+R^2)L+\frac{{\mathrm{\πL}}^3}{12}+\frac{\mathrm{\πML}\sqrt{{4R}^2-L^2}}{2}+2\mathrm{\π}{\mathrm{MR}}^2\arcsin \frac{L}{2R}$ 式中

V为阀瓣腔的体积，L为阀体的长度，

$M=\frac{L^2}{4D(1-K)}+\frac{D}{2}-\frac{D(1-K)}{4},R=\frac{L^2}{4D(1-K)}+\frac{D(1-k)}{4},$

开启度 $K=\frac{a}{D},$ a是实际的过流通道直径，D是全开状态时过流通道直径。

在自然状态下，即过流通道处于最大开启状态时，弹性膜阀瓣紧贴阀体腔内壁，阀瓣腔体积为零。当泵将液体介质从储液腔抽出，并送入阀瓣腔时，阀瓣腔中压力升高，阀瓣腔膨胀，阀瓣腔的弹性膜阀瓣因受到阀瓣腔内压而向过流通道膨胀，使过流通道断面收缩，开启度减小。反之，当泵将液体介质从阀瓣腔抽出，并送入储液腔时，阀瓣腔收缩，过流通道断面增大，即开启度增大。由于圆筒形的弹性膜阀瓣是轴对称的，各个方向的膨胀度相同，因而，其膨胀后的过流通道断面形状始终为圆形，从而达到了即使在小开启度时也不会发生堵塞的目的。当阀的开启度变化时，储液腔内的液体介质要发生增减，由于气体具有可压缩性，储液腔内的气囊将随之收缩或膨胀，以便补偿储液腔内由于液体介质增减所带来的空间区的体积变化。

上述的泵可采用计量泵或双向计量泵，也可采用其它稳流泵。

由于本发明采用了圆筒形弹性膜做阀瓣，并通过液压方式将液体介质充入或抽出阀瓣腔来调节开启度，不但操作方便，运行可靠，便于进行自动控制；而且阀的过流通道断面形状始终为圆形，保证了在小开启度时非牛顿流体的畅通无阻。

本发明可作为一般的启闭阀、减压阀、泄压阀等功能阀使用，尤其适用于控制粘稠度较大等非牛顿流体的小开启度节流控制，如用作排泥阀、排污阀等。

附图说明

附图是本发明一个实施例的结构图。

具体实施方式

如附图所示：阀体2是一刚性管，为圆筒状，其两端带有法兰盘15。弹性膜阀瓣1采用圆管状橡胶阀瓣，用锥形压环20将圆管状橡胶阀瓣的两端密封固定在阀体2上，使阀体2的内壁与橡胶膜阀瓣之间形成一个密闭的阀瓣腔5，弹性膜阀瓣1所围成的中央空间区域为过流通道4。在阀体2的外壁周围固连着一个外凸的穹状外壳3，该穹状外壳3与阀体2的外壁之间围成一个密闭储液腔6，储液腔6内充满了液体介质，并放置了两个环形气囊7。储液腔6的顶部设有排气嘴16，底部设有放空嘴18。气囊7上设有补气嘴17，并伸出穹状外壳3，用于充气和补气。阀瓣腔5和储液腔6之间通过阀瓣腔进出液管13和储液腔进出液管14相连，连接管路上连有计量泵8、储液腔进液阀9、阀瓣腔进液阀10、储液腔出液阀11和阀瓣腔出液阀12。以上进出液管、阀门和计量泵是这样连接的：阀瓣腔进出液管13和储液腔进出液管14各分出两个支管，两支管分别连接进液阀和储液阀，其中两个进液阀与计量泵的出口相连，两个出液阀与计量泵的进口相连，所以，控制前述四个进、出液阀的开、闭，即可实现阀瓣腔5、储液腔6与计量泵8间的不同连接状态，完成开阀过程和关阀过程。在第一状态时，即开阀过程：打开储液腔进液阀9和阀瓣腔出液阀12，关闭储液腔出液阀11和阀瓣腔进液阀10，即，储液腔6与计量泵8的出口相连，阀瓣腔5与计量泵8的进口相连。启动计量泵8，液体介质由计量泵从阀瓣腔5抽出，送入储液腔6。阀瓣腔5中的液体介质减少，压力下降，阀瓣腔5及橡胶阀瓣收缩，过流通道4扩大，阀门得以开大。与此同时，储液腔6中的液体介质增加，压力回升，气囊7被压缩。在第二状态时，即关阀过程：打开储液腔出液阀11和阀瓣腔进液阀10，关闭储液腔进液阀9和阀瓣腔出液阀12，即，储液腔6与计量泵8的进口相连，阀瓣腔5与计量泵8的出口相连。开启计量泵8，液体介质由计量泵8从储液腔6抽出，送入阀瓣腔5。储液腔6中的液体介质减少，压力下降，气囊7膨胀。与此同时，阀瓣腔5中的液体介质增加，压力升高，阀瓣腔5膨胀，橡胶阀瓣受到阀瓣腔内压而向过流通道4膨胀(其状态如图中虚线所示)，过流通道4被阀瓣腔侵占，断面收缩，阀门得以关小。

初始安装时，通过补气嘴17向气囊7中注入一定量的空气，将储液腔6灌满液体介质，并通过排气嘴16排除储液腔中的空气。在全开状态下，弹性橡胶阀瓣处于拉紧状态，阀瓣紧贴阀体管壁，阀瓣腔体积为零，过流通道4的断面处于最大状态。

如果采用双向计量泵，则储液腔6和阀瓣腔5分别与双向计量泵的两个端口相连，这样可省略上述管路上的四个进、出液阀。

本实施例还设有一个控制装置19，用于自动控制阀的开启度，阀门的开启度由计量泵的工作时间决定：关阀时，计量泵工作时间越长，向阀瓣腔抽送的液体介质越多，阀瓣腔膨胀得越大，过流通道收缩得越小，开启度就越小，反之亦然。阀门开启度的控制原理如下：

若定义阀门的开启度为实际的过流通道直径a与全开状态时过流通道直径D的比，即开启度 $K=\frac{a}{D}.$ 则阀门的开启度取决于阀瓣腔中液体介质的体积，体积越多，开启度越小。若近似认为阀瓣腔膨胀时，橡胶阀瓣的纵剖面形状为一段圆弧，则阀瓣腔体积V与开启度K的关系满足下式：

$V=\frac{{\mathrm{\πD}}^{2}L}{4}-\mathrm{\π}(M^2+R^2)L+\frac{{\mathrm{\πL}}^3}{12}+\frac{\mathrm{\πML}\sqrt{4R^2-L^2}}{2}+2\mathrm{\π}{\mathrm{MR}}^2\arcsin \frac{L}{2R}---\left(1\right)$

式中：

$M=\frac{L^2}{4D(1-K)}+\frac{D}{2}-\frac{D(1-K)}{4},R=\frac{L^2}{4D(1-K)}+\frac{D(1-K)}{4},$ L为阀体的长度。

式(1)反映了开启度K与阀瓣腔体积的关系，而阀瓣腔的体积等于计量泵向阀瓣腔中抽送的液体介质的体积，计量泵抽送的时间越长，阀瓣腔体积越大，阀门开启度越小，由此可建立计量泵累计工作时间和阀门开启度的一一对应关系。该对应关系与二次曲线吻合很好，可利用这一对应关系，通过控制计量泵的累计工作时间，从而达到控制阀门开启度的目的。

阀门自动控制过程如下：设初始状态为全开状态，开启度为1，累计开泵时间为零。计量泵8向阀瓣腔5注液时，计量泵工作时间为正。当达到某一开启度停止工作，控制装置19记住计量泵累计时间。下次计量泵工作时，若仍然是向阀瓣腔5注液，则在原累计时间上继续累计正的工作时间。若这时计量泵排出阀瓣腔中的液体介质，计量泵工作时间为负，则在原累计时间上累加上负的工作时间。即，向阀瓣腔注液时，计量泵工作时间为正，阀瓣腔排液时，工作时间为负。将计量泵累计工作时间与阀门开启度的关系曲线输入控制装置19，则在任何时刻，阀门的开启度都可根据当时的计量泵累计工作时间计算出。同样，在任何时刻，向控制装置19输入指令开启度，控制装置19首先比较指令开启度与现有开启度的大小，决定是向阀瓣腔注液还是排液，从而指令进、出液阀9、10、11、12中那些开启，那些关闭，并根据指令开启度与现有开启度的差值计算需要的开泵时间，指令计量泵工作，直至达到需要的开启度。

Claims (2)

1、一种流量调节阀，包括阀体(2)和位于阀体内腔的阀瓣，其特征是所说的阀体(2)内腔为直筒状，所说的阀瓣为圆筒形弹性膜阀瓣(1)，该弹性膜阀瓣(1)的两端固定在筒状阀体(2)上，并与阀体内壁围成一个密闭的阀瓣腔(5)，筒状阀体(1)的外面设有充满液体介质的密闭储液腔(6)和一个计量泵(8)，所说密闭储液腔(6)由穹状外壳(3)与阀体(2)的外壁之间围成，上述阀瓣腔(5)和储液腔(6)之间通过管道与计量泵(8)相连，它们的连接方式是这样的：在第一状态时储液腔(6)与计量泵(8)的出口相连，阀瓣腔(5)与计量泵(8)的进口相连；在第二状态时储液腔(6)与计量泵(8)的进口相连，阀瓣腔(5)与计量泵(8)的出口相连，在前述的储液腔(6)内设有环形气囊(7)，另外，还设有一个通过前述计量泵(8)来控制阀的开启度K的控制装置(19)，其控制模型为：

$V=\frac{\mathrm{\π}{D}^{2}L}{4}-\mathrm{\π}(M^2+R^2)L+\frac{\mathrm{\π}{L}^3}{12}+\frac{\mathrm{\πML}\sqrt{4R^2-L^2}}{2}+2\mathrm{\π}{\mathrm{MR}}^2\arcsin \frac{L}{2R}$ 式中

V为阀瓣腔(5)的体积，L为阀体的长度，

$M=\frac{L^2}{4D(1-K)}+\frac{D}{2}-\frac{D(1-K)}{4},$ $R=\frac{L^2}{4D(1-K)}+\frac{D(1-K)}{4},$

开启度 $K=\frac{a}{D},$ a是实际的过流通道直径，D是全开状态时过流通道直径。

2、如权利要求2所说的流量调节阀，其特征是所说的计量泵是双向计量泵。