CN1653286A - 可完全排放的堰阀 - Google Patents

Abstract

一种完全排放阀(20)，所述完全排放阀包括阀上部(22)和阀下部(24)。

Description

可完全排放的堰阀

本申请要求2002年3月18日提交的序列号为60/365,492的名称为可完全排放的堰阀的美国临时专利申请的优先权，该申请在此引用作为参考。

技术领域

本发明涉及阀，特别涉及具有堰式支持面的塑料隔膜阀。

背景技术

隔膜阀提供极好的密封和隔离性质以使流体受控，并且可防止受控流体移动进入到阀的机构中或者从阀中流出。隔膜阀利用弹性隔膜和阀肩部接合阀座并防止流体流动经过阀座。堰式隔膜阀是一种利用与堰接合的弹性隔膜来控制流体溢出堰的阀。隔膜可以可控地升高并相对于堰密封，以有选择地允许流体流过所述阀。

堰式隔膜阀常常被应用于生物技术、制药、化学、食品加工、饮料、化妆品、以及半导体工业中。在这些工业中需要能防止在阀内、车间中以及气氛中产品发生污染和泄漏的阀。由于机械阀部分与流动通过阀的流体隔离开，因此堰式隔膜阀能够很好地满足这些需求。

堰式隔膜阀通常通过流体分配系统中的支流被用以控制流动或者在过程中输送流体样本。美国专利US 5065980，5227401，5222523，5327937和6289933中均披露了适用于控制支流和取样的隔膜阀。常常都希望把这样的阀安装在水平位置，其中堰在水平方向内延伸。

现有技术中的阀的设计不能满足流体通道的完全排放，这是因为其表面构形不是以排放为目的。例如在美国专利6289933中，具有多个可以保留流体的水平表面。这种滞留的或者被保留的流体可能成为过程中的污染源。作为在工业过程例如在制药、卫生和半导体工业中使用的流体，工艺流体通常必须保持超高纯。这些过程的污染可能意味着重大的经济损失。因此，必须要有单独的净化步骤来对来自现有技术的阀设计的任何滞留的或者被保留的流体进行净化。这额外的步骤增加了加工时间和成本。

隔膜阀传统上由金属合金制成。这样的金属阀在基本的流体控制应用中具有良好的耐用性和使用寿命。然而，金属合金对于一些工艺环境例如制药和半导体制造并不适用。在这些应用中，所使用的流体常常具有腐蚀性或侵蚀性，同时还必须要求保持超高的纯度。这些腐蚀性流体能腐蚀阀体金属，并污染超高纯的工艺流体。并且，一些金属合金可作为催化剂导致工艺流体发生化学反应，因此危害最终产品并潜在地危害到工人的安全。

已经研制出使阀体内反应性和腐蚀性降至最低的专用高强度合金和不锈钢。然而，这种专用合金非常难于进行铸造或者机加工成阀元件。相对于传统的金属阀来说，得到的阀的成本非常高。而且，不锈钢并不适用于如半导体加工工业这样的特殊应用。

已研发出使传统金属阀在特殊加工应用中能够应对腐蚀性流体的具有塑料衬里的金属阀。首先通过铸造或者机加工形成金属阀体。然后，塑料或者含氟聚合物在与工艺流体相接触的阀体内部模制成形。美国专利4538638中披露了一种具有塑料衬里的以金属体为阀体的隔膜阀。

虽然具有塑料衬里的金属阀和具有塑料衬里的塑料阀可以耐受由工艺流体的所造成的劣化，但是其制造成本很高。高成本归因于在支承体中模制成形塑料衬里的复杂的多步骤制造工艺。塑料衬里的表面下面可能会发生蠕变，这种蠕变缩短了昂贵的具有塑料衬里的阀的使用寿命。

随着对塑料及其加工工艺的研究进展，完全或几乎完全由含氟聚合物制成的阀已经可以商业应用。这样的塑料阀能够提供适于在制药和半导体制造中得到理想应用的具有所需非反应活性和耐蚀性的成本效率较高的阀。在US 5279328和US 4977929中披露了塑料隔膜阀。在一些应用中，以塑料为主体的阀还可以设有塑料衬里。US 4538638中披露了一种具有塑料衬里的隔膜阀。在本申请中引用这三篇专利文献作为参考。

虽然具有含氟聚合物衬里的含氟聚合物阀和塑料阀能很好地耐受腐蚀性流体，但是这些阀对尺寸劣化如翘曲和蠕变很敏感。对于在工业生产例如在制药、卫生和半导体工业中所使用的流体，一般需要工艺流体保持超高的纯度。在流体输送系统中使用的元件，如阀，都要经过常规净化以保证污染物不会留在这些元件中并由此被引入到工艺系统中。

净化工艺可以包括暴露在高温蒸汽中足够长的时间，对元件进行杀菌。特别地，当重复进行多次时，该杀菌过程会导致阀中塑料的尺寸发生轻微的改变，造成翘曲。塑料在受到超过一定时间的应力时会发生蠕变。塑料元件的尺寸会在应力下发生改变。由于产生所述翘曲和蠕变，尤其在堰部分处的公差会受到影响，因此就可能发生泄漏。

因此，存在提供一种这样的具有塑料衬里的堰式隔膜阀的需要，当所述隔膜阀经过反复的净化操作或者当暴露在通常会导致翘曲或者蠕变的条件下时，所述隔膜阀具有改进的尺寸稳定性。此外，还需要一种适于支流控制和取样应用的可完全排放的阀。

发明内容

在优选实施例中完全排放的阀装置包括：阀上部和阀下部。阀上部优选包括阀上部外壳或阀体，弹性隔膜和阀致动器。阀下部包括阀下部外壳或阀体，所述阀下部外壳优选与阀上部外壳紧密配合从而限定出阀内部。所述下阀体优选具有构成整体的堰，其与弹性隔膜相连接，限定出流体通道。隔膜在致动器的作用下与堰密封接合和脱开。所述堰限定相对于水平方向略微倾斜一个角度的上表面，从而提供内部通道斜面。所述的斜面使流体流回通道而不是滞留在通道中。另外，斜面也形成在由阀体限定出的流动通道的下部分，以使流体排入所述阀的第三导流管。本发明还包括阀的制造方法，优选包括调节在阀的流体通道内的水平面使其倾斜一定角度的步骤，以使可能蓄积的流体的完全排放。

可以将堰支承构件设置在下壳体内用以支承所述堰。在优选实施例中，构形为支承环的外构架围绕所述阀在周向上延伸，并支承所述堰支承构件。在特定实施例中，阀体元件还可以包括用于与流体相接触的塑料含氟聚合物衬里。本发明还包括制造加强塑料阀的方法，优选包括在阀外壳下部的堰处设置的刚性支承构件的步骤。

本发明特定实施例的目的和优点在于提供一种可完全排放的堰式隔膜阀。

本发明特定实施例的目的和优点在于提供一种隔膜阀，其中所述堰在水平方向上略微倾斜一个角度，以构成倾斜表面。

本发明特定实施例的目的和优点在于提供一种减少流体发生滞留的阀的设计。

本发明特定实施例的目的和优点在于提供一种减少杀菌或消毒工艺的污染的阀的设计。

本发明特定实施例的另一个目的和优点在于提供一种对反复杀菌工艺在尺寸上具有耐受性的含氟聚合物隔膜阀。

本发明特定实施例的另一个目的和优点在于提供一种阀，所述阀能够经受反复的杀菌工艺，并且所述阀还适于在制药、生物技术、化学和/或半导体工业中使用。

本发明特定实施例的另一个目的和优点在于提供一种加强塑料阀的方法。

本发明特定实施例的另一个目的和优点在于提供一种加强塑料阀的方法，从而提高对翘曲和蠕变的抵抗力。

本发明特定实施例的另一个目的和优点在于提供一种用于塑料阀的堰的支承件。

通过下面的详细描述，本领域技术人员易于理解本发明的其他特征、目的和优点。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的隔膜阀的分解部件图；

图2为图1所示组装好的隔膜阀的透视图；

图3为图1所示组装好的隔膜阀的另一幅透视图；

图4为根据本发明一个实施例的隔膜阀的下部分的侧视图；

图5为根据本发明一个实施例的组装好的隔膜阀的侧视图；

图6为根据本发明一个实施例的组装好的隔膜阀的端视图；

图7为根据本发明一个实施例的组装好的隔膜阀沿图6所示A-A线的局部截面图；和

图8为根据本发明一个实施例的隔膜阀的分解透视图。

具体实施方式

根据本发明的堰式隔膜阀20如图1、2、3所示。该阀通常包括阀上部22，阀下部24，托座支承构架26和固定托座28。如图1所示的装配图，多个紧固件30用于固定上部12、下部14、托座28和托座固定件26。此外，内构架支承构件32可被用来增加通常由塑料制成的阀的刚性。应理解的是为便于说明而使用术语阀上部22和阀下部24，并且本发明的阀并不限于如此定位的以致于阀上部22必须相对于地面垂直在阀下部24之上的阀20。事实上，阀的优选操作位置可包括使阀上部22大体定位在阀下部24的侧面。

阀上部22包括弹性隔膜38和用于可控地密封紧靠在设置在下壳体24中的阀座42上的致动器。如图1和图4所示，下壳体24中包括中心流动通道44，第一流动导流管46，第二流动导流管48，第三流动导流管50和阀座42。阀座42包括堰52，所述堰用于当与隔膜38紧密配合时，将第三导流管50与第一导流管46和第二导流管48隔开。

参照图5，所示阀20是组装好的，并且处于安装到托座28上表面的位置。轴线56所示为阀20的标准水平方向H和垂直方向V。穿过第三导流管50的中心线C1平行于垂直轴线V。水平轴线H垂直于垂直轴线V。穿过阀上部22的中心线C2与水平轴线H不平行；而是平行于H′所表示的线。V′被限定正交于H′。H′相对于水平方向H倾斜角度X。角度X优选为5度。然而在不偏离本发明的精神和范围的条件下，本领域技术人员可以认识到X可在0°＜X＜90°范围之间。

图7所示为沿图6所示A-A线的阀20的局部截面图。中心通道44包括由堰52所限定的第一内向表面58。堰52的中心线C2(在一些实施例中，也可以为上部外壳22的中心线C2)偏离水平方向HX度。由此在第一表面58上形成斜面。第一倾斜表面58确保所有流体排入第一导流管46和第二导流管48之间的中心通道44中。

第二内向表面60设置在由下壳体24所限定的通道44的内部。此处的斜率X可与第一表面58处的斜率相同，虽然其可能或多或少取决于具体应用。第二倾斜表面60使中心管道44中的流体排入第三导流管50。这两个倾斜表面58和60的存在使所有流体能够从阀20中完全排放出去，从而解决现有技术中流体滞留的问题。

通过设置如图8所示的内部构架支承构件32，阀可以得到加强或支承。内部构架支承构件32被构造成堰支承构件62，且外部构架支架64被构造成支承环66。堰支承构件62，如图8所示，优选为杆状，其具有第一端部68、第二端部70、纵向表面72和分布在纵向表面72两个端部68和70位置处的刻槽74。如图9所示，堰支承构件62也可以为具有任何合适的细长形状的构件。本领域技术人员会认识到有很多可供选择的堰支承构件的形状，例如多边形的，可以提供预期的支承而不偏离本发明的范围。

如图8所示，支承环66包括上托座76和下托座78。上托座76和下托座78优选为大致的U型，且当放置在阀壳体上时相重叠。多个环形安装孔80和在上托座76中的槽形安装孔82分别与上安装孔84、下安装孔86和安装槽88相对应。在装配过程中，槽形安装孔82有助于使上托座76与下托座78连接到一起，阀上部22和阀下部24连接到一起。

下托座78可设有两个安装杆90，所述安装杆与阀上部22和下部24的安装槽88和上安装孔84，以及上托座76的槽形安装孔82相配合以将阀上部22和阀下部24连接起来。安装杆90具有螺纹部分92和光滑部分94，以提供将阀上部22和阀下部24固定在一起的方法。下托座78还具有两个环形安装孔80，所述安装孔分别与上托座76的环形安装孔80，阀上部22的上安装孔84以及阀下部24的下安装孔64相通。

当组装好的上托座76在刻槽74处支承堰支承构件62时，由此将力从堰52传递到堰支承构件62，然后传递到上托座76和下托座78处。这种支承防止或者减少由施加在堰52和其他阀元件上的压力而造成的蠕变。由此，堰、阀边缘和阀体的翘曲和蠕变受到抑制。

阀上部22和下部24优选由含氟聚合物形成，包括但不局限于全氟烷氧基树脂(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或其他含氟聚合物。在一些应用中，其他塑料同样适用，例如聚氯乙烯(PVC)、或聚丙烯(PP)。虽然可通过机加工成形，但是阀体元件优选采用注射模制成形。隔膜38的润湿部分可以由聚四氟乙烯(PTFE)制成。隔膜可由EPDM形成的邻近PTFE层的层复合制成。堰支承构件62和支承环66优选由不锈钢制成。不锈钢具有所需的刚性和耐久性，从而使塑料阀具有所需量的尺寸稳定性。在一些实例中，其他刚性材料，例如填充有碳纤维的PEEK，或者其他聚合物也都可以使用。本领域技术人员可以意识到在不偏离本发明的范围的条件下，上述结构可以由其他材料制成。

虽然通过一些优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员可以意识到在不偏离本发明的范围的条件下，可以对形式和细节作出适当的改变。

Claims (24)

1.一种塑料隔膜阀，其包括：

塑料上阀体，

弹性隔膜和在上阀体中的致动器；

与所述上阀体紧密配合的主要为塑料的下阀体，下阀体具有限定出流体通道的内部，

下阀体包括整体的堰，第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管，所述堰被构造以与所述隔膜密封配合，所述堰、第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管均具有轴线；

所述堰的轴线相对于水平面倾斜X度，其中0＜X＜90；

所述第一导流管的轴线向下偏离所述堰，且相对于水平面倾斜Y度，其中0＜Y＜90；

所述第二导流管的轴线向下偏离所述堰，且相对于水平面倾斜Z度，其中0＜Z＜90；

所述第三导流管的轴线向下偏离所述堰，并且基本平行于垂直轴线，使得流体通道内的全部流体在重力作用下从阀中排出。

2.根据权利要求1所述的阀，其中倾斜角X，Y，Z均小于大约30度。

3.根据权利要求1所述的阀，其中倾斜角X，Y，Z均小于大约10度。

4.根据权利要求1所述的阀，其中倾斜角X，Y，Z均小于大约5度。

5.根据权利要求1所述的阀，进一步包括用来加强堰的堰支承构件，所述堰支承构件穿过所述堰纵向延伸。

6.根据权利要求5所述的阀，其中所述堰支承构件包括两个端部，且所述堰进一步包括支承环，所述支承环与堰支承构件的端部相接合。

7.根据权利要求6所述的阀，其中所述支承环包括

第一U形部分；和第二U形部分，这两部分相互交叠，形成一个闭合的圆环并围绕所述阀延伸。

8.根据权利要求5所述的阀，其中所述堰支承件由不锈钢制成。

9.一种从塑料隔膜阀中排放液体的方法，所述阀包括塑料上阀体，弹性隔膜和在上阀体中的致动器；

与上阀体紧密配合的主要为塑料的下阀体，下阀体具有限定出流体通道的内部，下阀体包括整体的堰，第一流动导流管，第二流动导流管和第三流动导流管，所述堰被构造以与所述隔膜密封配合，所述堰、第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管均具有轴线；该方法包括：

使所述堰的轴线相对于水平面倾斜X度，其中0＜X＜90；

使第一导流管的轴线向下倾斜偏离所述堰，且自水平面倾斜Y度，其中0＜Y＜90；

使第二导流管的轴线向下倾斜偏离所述堰，且自水平面倾斜Z度，其中0＜Z＜90；

使第三导流管的轴线的取向向下偏离所述堰，并且基本平行于垂直轴线，使得基本上流体通道内的全部流体在重力作用下从阀中排出。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括限制X，Y和Z的数值均小于30度的步骤。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括限制X，Y和Z的数值均小于10度的步骤。

12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括限制X，Y和Z的数值均为大约5度的步骤。

13.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使用堰支承构件来加强所述堰的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括使用支承环支承堰支承构件两端的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括由第一U形部分和第二U形部分组装所述支承环，并使第一和第二U形部分重叠，以形成围绕所述阀的闭合圆环。

16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括由不锈钢制成堰支承构件的步骤。

17.一种塑料隔膜阀，其包括：

塑料上阀体，

弹性隔膜和在上阀体中的致动器；

与上阀体紧密配合的主要为塑料的下阀体，下阀体具有限定出流体通道的内部，

下阀体包括整体的堰，第一流动导流管，第二流动导流管和第三流动导流管，所述堰被构造以与所述隔膜密封配合，所述堰、第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管均具有轴线；

所述堰的轴线相对于水平面倾斜；

第一导流管的轴线相对于所述堰向下倾斜；

第二导流管的轴线相对于所述堰向下倾斜；

第三导流管的轴线相对于所述堰向下取向，并且基本平行于垂直轴线，使得基本上流体通道内的全部流体在重力作用下从阀中排出。

18.根据权利要求17所述的阀，进一步包括用来加强堰的堰支承构件，所述堰支承构件穿过所述堰纵向延伸。

19.根据权利要求18所述的阀，其中所述堰支承构件包括两个端部，且所述堰进一步包括支承环，所述支承环与堰支承构件的端部相接合。

20.根据权利要求19所述的阀，所述支承环包括

第一U形部分；和

第二U形部分，这两部分相互交叠，并形成一个闭合的圆环，并在围绕所述阀延伸。

21.根据权利要求18所述的阀，其中所述堰支承件由不锈钢制成。

22.根据权利要求18所述的阀，其中第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管均向下倾斜偏离所述堰，相对于水平面的倾斜角度小于大约30度。

23.根据权利要求18所述的阀，其中第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管均向下倾斜偏离所述堰，相对于水平面的倾斜角度小于大约10度。

24.根据权利要求18所述的阀，其中第一流动导流管、第二流动导流管和第三流动导流管均向下倾斜偏离所述堰，相对于水平面的倾斜角度大约为30度。

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