TW201923266A

TW201923266A - 具有金屬閥座之隔膜閥

Info

Publication number: TW201923266A
Application number: TW107139709A
Authority: TW
Inventors: 威廉Ｈ格利姆三世; 布蘭登Ｗ基帕
Original assignee: 美商世偉洛克公司
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-06-16
Also published as: JP2019086151A; KR20190053122A; US10774938B2; US20190136996A1; CN109764147A

Abstract

一種隔膜閥包括：一閥體，該閥體限定一流體通道；一隔膜，該隔膜與該閥體組裝在一起；以及一環形金屬閥座，該環形金屬閥座圍繞該流體通道安置在該閥體上，該閥座限定一倒置淺截頭錐形閥座密封表面，以用於在該隔膜處於一關閉位置時抵著該隔膜進行密封。

Description

具有金屬閥座之隔膜閥

相關申請案之交叉引用

本申請案主張2017年11月9日提交之序列號為62/583,731之美國臨時專利申請案「具有金屬閥座之隔膜閥(DIAPHRAGM VALVE WITH METAL SEAT)」之優先權及所有權益，該美國臨時專利申請案之全部揭示內容以引用之方式完全併入本文中。

本發明大體上係關於一種用於隔膜閥之閥座，並且更具體言之，係關於一種用於隔膜閥之金屬閥座及其組成及幾何形狀，該金屬閥座用於耐受高溫及腐蝕性材料。

隔膜閥通常係已知的並且包括閥裝置，其中隔膜抵著環形閥座進行密封，由此阻止流體流過閥。由此，閥座用來藉由與隔膜接合來密封入口或出口通道。隔膜可以由金屬或非金屬材料製成。

與金屬隔膜一起使用之典型閥座由諸如聚氯三氟乙烯(PCTFE)或聚醯亞胺之塑膠基材料設計而成。然而，非金屬閥座具有的性質在經受額定使用參數之外的環境因素(諸如高溫或低溫範圍或曝露於高腐蝕性或化學不相容之流體)時改變。在此種侵蝕性應用中，已經使用了金屬閥座，然而，此種已知之全金屬閥之效能要求通常不匹配基於塑膠之閥座的效能。舉例而言，具有金屬閥座之閥可能會表現出更高之洩漏率、可操作循環次數之減少或所需致動力之增大。減少額定循環次數為一個缺點，並且此種缺點對於在高溫下操作或調節腐蝕性材料之系統而言甚至更大，因為更換成本可能很高。此係因為閥經常用於控制此類材料之流速，因此需要定期地大大增大所需之循環次數。

根據本申請案之例示性實施例，一種隔膜閥包括：一閥體，該閥體限定一流體通道；一隔膜，該隔膜與該閥體組裝在一起；以及一環形金屬閥座，該環形金屬閥座圍繞該流體通道安置在該閥體上，該閥座限定一窄的倒置淺截頭錐形閥座密封表面，以用於在該隔膜處於一關閉位置時抵著該隔膜進行密封。

雖然本發明之各種發明態樣、概念及特徵可能在本文中闡述及說明為在例示性實施例中以組合方式體現，但此等各種態樣、概念及特徵可以在許多替代實施例中單獨地或以各種組合及其子組合使用。除非在本文中明確排除，否則所有此等組合及子組合旨在處於本發明之範疇內。更進一步，儘管可能在本文中闡述關於本發明之各種態樣、概念及特徵之各種替代實施例(諸如替代材料、結構、組態、方法、電路、裝置及部件、關於形式、適配及功能之替代方案等等)，但此類闡述並不旨在為可用替代實施例之完整或詳盡之清單，無論係目前已知抑或以後開發的。熟習此項技術者可以容易地將一或多個發明態樣、概念或特徵用到本發明範疇內之額外實施例及用途中，即使此等實施例未在本文中明確揭示。另外，即使本發明之一些特徵、概念或態樣可能在本文中闡述為較佳之佈置或方法，但此類闡述並不旨在暗示此類特徵係必需或必要的，除非另有明確說明。更進一步，可以包括例示性或代表性之值及範圍以幫助理解本發明，然而，此類值及範圍不應以限制意義加以解釋，並且僅在如此明確陳述之情況下才旨在為關鍵值或範圍。除非另有明確陳述，否則標識為「近似」或「約」指定值之參數旨在包括該指定值及指定值之10%以內之值。另外，應理解，伴隨本申請案之附圖可以但非必須按比例繪製，並且因此可以理解為教示附圖中顯而易見之各種比率及比例。此外，雖然各種態樣、特徵及概念在本文中可以明確地標識為具有創造性或形成本發明之一部分，但此類標識不旨在係排他性的，而是可以存在本文中充分闡述但未明確地如此標識或標識為特定發明之部分之創造性態樣、概念及特徵，本發明實際上在所附申請專利範圍中闡述。例示性方法或過程之闡述不限於在所有情況下皆需要包括所有步驟或呈現步驟之次序應解釋為所需或必要的，除非明確如此陳述。

參考圖1，根據本申請案之某些態樣，例示性隔膜閥10包括閥體11、隔膜16及致動器18。閥體11包括第一(例如，入口)通道12、第二(例如，出口)通道14及圍繞第一通道之閥座40。為了廣泛揭示之目的未詳細展示之致動器18包括按鈕19，該按鈕可操作以使隔膜16自與閥座40隔開之打開位置(使得准許流體自入口通道12經由閥座40流至出口通道14)移動至關閉位置，在關閉位置中，隔膜抵著閥座40密封以阻止自入口通道至出口通道之流動。致動器18可以提供為各種合適之致動器中之任一者，包括例如手動致動器(例如，可旋轉手柄)、氣動致動器及電致動器。本文涵蓋之隔膜閥之在本申請案中未進一步論述之此等及其他一般態樣與本申請案所涵蓋之發明態樣無關。

圖2展示包括閥座40之閥體11之上部部分的特寫圖。如圖所示，例示性閥座40與閥體11成一體(例如，焊接至閥體或與閥體整體地形成)，使得閥座由與閥體之其餘部分相同之材料形成(例如，Inconel 625、316不鏽鋼)。閥座40包括限定第一通道12並且軸向地(沿閥座中心軸線X)延伸至上密封表面45之環形壁部分41，當致動器18將隔膜移動至關閉位置時，隔膜16抵著該上密封表面密封。如圖所示，環形壁41之最上部分可包括延伸至密封表面45之內徑之向外漸縮的內表面42 (自第一通道12延伸)及/或延伸至密封表面之外徑之向內漸縮的外表面43。雖然根據本申請之例示性態樣，閥座密封表面可以按各種形狀、大小及輪廓(例如，環形胎圈、環形刀刃或扁平環形環)提供，但密封表面可以提供為窄的倒置淺截頭錐形表面，成角度以基本匹配致動器按鈕19之凸形表面19a，該凸形表面與密封表面45徑向對準或正交於隔膜16之抵著密封表面45密封之部分，以例如當隔膜處於關閉位置時，提供閥座密封表面45之整個徑向寬度與隔膜16之間的接觸。

根據本申請案之一態樣，窄截頭錐形帶狀密封表面之大小可以設定得足夠窄以最小化關閉所需之致動器閉合力，同時提供足夠之寬度以限制在關閉期間之閥座變形並且考慮到密封表面之小凹坑或其他缺陷。例如，與圓環形「胎圈」密封表面(其中集中在初始線接觸密封表面上之閉合力可能會產生可能影響閥座密封效能之整體塑性變形(諸如孿晶、不連續屈服效應、晶粒各向異性(即，使得個別晶粒在變形負載下之變形不同於其相鄰者之晶粒定向)及變形引起之表面粗糙化(通常稱為「桔皮」效應))相比，此種受控之密封表面可以提供增強之密封效能。在例示性實施例中，如圖2之放大視圖所示，所說明之閥座密封表面45之寬度ℓ約為0.007吋(例如，0.005至0.010吋)，以相對於水平面(即，垂直於閥座25之中心軸線X之平面)約3°(例如，2.5°至3.5°)或相對於閥座中心軸線約87°(例如，86.5°至87.5°)之角度α安置。已判定密封表面之此種尺寸能達成之兩個表面之間的接觸寬度足夠大以形成大於與所製造金屬表面相關聯之典型不規則處之長度的密封(緊密接觸)寬度，同時足夠小以使在配合金屬表面之間產生緊密接觸所需之所施加密封負載最小化。

隔膜16之周邊邊緣可以按各種方式密封至閥體11。在例示性實施例中，凸起之凸緣30圍繞主體25之上端沿周向延伸並且環繞出口通道14及入口通道12。凸緣30之外表面32可以基於整個設備設計及組態而自端表面31徑向向外傾斜(例如，以約43°與約47°之間的角度)或以任何合適之角度。

隔膜16保持抵靠凸緣30之頂部平坦表面30a。隔膜可以安置有凸起之中心區段及大致平坦之徑向延伸之周邊邊緣區段，以例如適應與凸緣平坦表面之密封接合。致動器18之基部或閥蓋部分26可以包括成型之下周邊表面，該下周邊表面包括由圓柱形壁28圍繞之平坦部27。當閥蓋26與閥體11組裝在一起(例如，由閥蓋螺母23緊固，見圖1)時，平坦部27將隔膜16之頂表面夾緊在凸緣端表面31上，如圖所示。圓柱形壁28使隔膜之外周邊部分向下偏轉並且彎曲，從而形成抵著凸緣外壁32之密封接合。在美國專利第6,092,550號(「'550專利」)中更詳細地闡述了例示性隔膜壓接裝置，該美國專利之全部揭示內容以引用之方式併入本文中。隔膜16可以但不必由上部支撐隔膜15及墊圈17支撐，如圖1所示。

根據本申請案之另一態樣，凸緣30之端表面31可以自閥座密封表面45凹進，以例如藉由限制隔膜16在閥循環期間之行程或撓曲來延長閥循環壽命。在例示性實施例中，凸緣端表面31自閥座密封表面45凹進或偏移約0.007吋(例如，在0.007與0.008吋之間)之距離h。

在其他實施例中，金屬閥座(例如，具有上述密封表面之金屬閥座)可以鉚合至閥體中，以例如提供具有與閥體不同之材料特性之閥座(例如，硬度或其他密封表面條件)。在所需閥座材料為比閥體材料更昂貴之材料或者所需閥座材料較難以加工之情況下，此可以提供更具成本效益之選項。在一個實例中，閥體可以由316不鏽鋼提供，並且閥座插入件可以由Inconel 625提供。例示性鉚合金屬閥座插入件佈置闡述於美國專利申請公開案第2007/0045587號(「'587申請案」)中，該美國專利申請公開案之全部揭示內容以引用之方式併入本文中。在此類實施例中，收納鉚合之閥座插入件所需之額外閥體材料可以相對於閥座之大小限制入口通道之大小。舉例而言，在例示性實施例中，具有閥座內徑為約0.207吋之鉚合金屬閥座插入件之閥可以限制為約0.156吋之入口通道直徑，而閥座內徑為約0.207吋之一體式閥座可以允許入口通道直徑為約0.200吋。

在其他實施例中，隔膜閥可以安置有可移除之閥座芯，該閥座芯包括金屬閥座及隔膜密封表面，以例如能夠更換或維護閥座或者更換隔膜及/或隔膜密封表面。圖3說明例示性隔膜閥100，該隔膜閥包括安裝在閥體110中並且藉由安裝在閥體110與致動器118之間的螺母160保持在閥體中之可移除式閥座芯105。閥座芯105包括形成為盤狀部件之閥座托架主體120，該閥座托架主體具有外輪緣121，該外輪緣環繞托架主體120中之第一(例如，入口)埠122及第二(例如，出口)埠124。外輪緣121存在具有用於抵著隔膜116密封之第一上表面131之上凸緣130及具有第二下表面136之下凸緣135，該下表面背對第一表面131並且形成抵著閥體110密封之面。儘管可以利用任何隔膜-閥座托架主體密封佈置，但在例示性實施例中，隔膜116包括可以沿著焊縫W焊接至外輪緣111之第一表面113之周邊邊緣部分116a，及/或可以藉由螺母160抵著外輪緣夾緊。在美國專利申請公開案第2014/0217321號(「'321申請」)中闡述了包括焊接至閥座托架主體之隔膜之閥座芯，該美國專利申請公開案之全部揭示內容以引用之方式併入本文中。

閥座托架主體120進一步包括腹板127，該腹板自外輪緣121徑向向內延伸至限定第一(例如，入口)埠122之中心閥座密封部分，其中腹板部分限定一或多個第二(例如，出口)埠124。與'321申請案之閥座芯類似，閥座托架主體120可以安置有多個出口埠124，以例如提供藉由閥之增大之流量，而不管閥座芯105在閥體110中之定向如何。腹板127可以大致平坦或扁平，並且可以具有小於外輪緣121之軸向高度之厚度。當閥座芯105安裝在閥腔中時，第一埠122可以與閥體之入口通道112同軸地對準。腹板127可以在安裝時提供閥座托架主體之撓曲，以例如便於與閥體之密封接合，如在上文所併入之'321申請案中所闡述。

閥座芯105之上側包括與第一埠122同軸並且圍繞該第一埠之閥座140。如圖所示，閥座140可以與閥座托架主體120(例如，316不鏽鋼、Inconel 625或其他金屬材料)成一體(例如，焊接至閥座托架主體或與閥座托架主體整體地形成)，並且可以包括閥座密封表面145，該閥座密封表面之尺寸可以但不必類似於圖1及圖2中用於在操作致動器以將隔膜移動至關閉位置時與隔膜116密封接合之隔膜閥10之閥座40。或者，閥座可以與閥座托架主體組裝在一起(例如，鉚合至閥座托架主體)。

閥座芯105之下側包括與第一埠122同軸並且圍繞第一埠之主體埠密封件150。主體埠密封件150亦可以與閥座托架主體120成一體(例如，焊接至閥座托架主體或與閥座托架主體整體地形成)，並且可以與閥座托架主體組裝在一起(例如，鉚合至閥座托架主體)。主體埠密封件150包括密封表面155，該密封表面可以安置有各種合適之形狀、大小及輪廓(例如，環形胎圈、環形刀刃或扁平環形環)中之任一者，用於抵著圍繞閥體之入口通道之閥體之環形上表面密封地接合。作為靜態密封，維持直至閥座芯105自閥100移除，主體埠密封件可組態成在安裝及/或閥組裝期間可變形為與閥體110密封地接合。

在其他實施例(未展示)中，閥座及閥體埠密封件中之任一者或兩者可以作為單獨之金屬插入件提供，該金屬插入件可以鉚合至閥座托架主體中，例如，類似於上文併入之'587申請案中之鉚合之金屬閥座插入件。

本發明之例示性態樣可以用於採用塑膠閥座之其他閥總成，其中塑膠閥座可以由硬化金屬閥座替換，包括例如美國專利第5,215,286號(該美國專利之全文以引用之方式併入本文中)中揭示之可移除式塑膠閥座佈置及上文併入之'550專利及'321申請案之塑膠閥座佈置。

儘管已經關於某些例示性實施例揭示及闡述了本發明，但熟習此項技術者在閱讀本說明書後可以想到某些變化及修改。儘管所附申請專利範圍及其等效物具有限定之限制，但任何此類變化及修改皆在本發明之範圍內。因此，在不脫離申請人之一般發明構思之精神或範疇之情況下，可以偏離此類細節。

10‧‧‧隔膜閥

11‧‧‧閥體

12‧‧‧第一通道/入口通道

14‧‧‧第二通道/出口通道

15‧‧‧上部支撐隔膜

16‧‧‧隔膜

17‧‧‧墊圈

18‧‧‧致動器

19‧‧‧按鈕

19a‧‧‧凸形表面

23‧‧‧閥蓋螺母

26‧‧‧閥蓋

27‧‧‧平坦部

28‧‧‧圓柱形壁

30‧‧‧凸緣

31‧‧‧端表面

32‧‧‧外表面

40‧‧‧閥座

41‧‧‧環形壁

42‧‧‧內表面

43‧‧‧外表面

45‧‧‧密封表面

100‧‧‧隔膜閥

105‧‧‧閥座芯

116‧‧‧隔膜

116a‧‧‧周邊邊緣部分

118‧‧‧致動器

120‧‧‧閥座托架主體

121‧‧‧外輪緣

122‧‧‧第一埠/入口埠

124‧‧‧第二埠/出口埠

127‧‧‧腹板

130‧‧‧上凸緣

131‧‧‧第一上表面

135‧‧‧下凸緣

136‧‧‧第二下表面

140‧‧‧閥座

145‧‧‧閥座密封表面

150‧‧‧主體埠密封件

155‧‧‧密封表面

160‧‧‧螺母

h‧‧‧距離

ℓ‧‧‧寬度

W‧‧‧焊縫

α‧‧‧角度

在併入於本說明書中並且構成本說明書之一部分的附圖中，說明了本發明之實施例，該附圖與上文給出之本發明之一般闡述及下文給出之詳細闡述一起用於說明本發明之原理。

圖1為根據本申請之例示性實施例的隔膜閥之局部橫截面圖；

圖2為圖1之隔膜閥之閥座及隔膜密封凸緣之放大的橫截面局部視圖；

圖3為根據本申請案之另一例示性實施例之隔膜閥的局部橫截面圖；並且

圖4為圖3之隔膜閥之閥座芯(valve seat cartridge)的放大橫截面圖。

Claims

一種隔膜閥，該隔膜閥包含：一閥體，該閥體限定一流體通道；一隔膜，該隔膜用於密封該流體通道；以及一環形金屬閥座，該環形金屬閥座圍繞該流體通道安置在該閥體上，並且限定一倒置截頭錐形閥座密封表面，以用於在該隔膜處於一關閉位置時抵著該隔膜進行密封。
如申請專利範圍第1項之隔膜閥，其中該閥座與該閥體成一體。
如申請專利範圍第1項之隔膜閥，其中該閥座與該閥體整體地形成。
如申請專利範圍第1項之隔膜閥，其中該閥座與該閥體組裝在一起。
如申請專利範圍第4項之隔膜閥，其中該閥座鉚合至該閥體中。
如申請專利範圍第4項之隔膜閥，該隔膜閥進一步包含可自該閥體移除之一閥座芯，該閥座安置在該閥座芯之一上表面上。
如申請專利範圍第6項之隔膜閥，其中該閥座與該閥座芯成一體。
如申請專利範圍第6項之隔膜閥，其中該閥座與該閥座芯整體地形成。
如申請專利範圍第6項之隔膜閥，其中該閥座與該閥座芯組裝在一起。
如申請專利範圍第6項之隔膜閥，其中該閥座鉚合至該閥座芯中。
如申請專利範圍第6至10項中任一項之隔膜閥，其中該閥座芯包含一環形主體埠密封件，該環形主體埠密封件安置在該閥座芯之與該上表面相對之一下表面上，該主體埠密封件緊固成與該閥體之一環形上表面密封地接合，從而圍繞該流體通道。
如申請專利範圍第11項之隔膜閥，其中該主體埠密封件與該閥座芯成一體。
如申請專利範圍第11項之隔膜閥，其中該主體埠密封件與該閥座芯整體地形成。
如申請專利範圍第11項之隔膜閥，其中該主體埠密封件與該閥座芯組裝在一起。
如申請專利範圍第11項之隔膜閥，其中該主體埠密封件鉚合至該閥座芯中。
如申請專利範圍第1至15項中任一項之隔膜閥，其中該閥座密封表面具有約0.007吋之一寬度。
如申請專利範圍第1至16項中任一項之隔膜閥，其中該閥座密封表面相對於該閥座之一中心軸線以約87°之一角度安置。
如申請專利範圍第1至17項中任一項之隔膜閥，其中該閥體之一上表面包含一環形凸緣，該環形凸緣具有一端表面，該隔膜之一外周邊與該端表面相抵地緊固。
如申請專利範圍第18項之隔膜閥，其中該環形凸緣之該端表面自該閥座密封表面凹進。
如申請專利範圍第18項之隔膜閥，其中該環形凸緣之該端表面自該閥座密封表面凹進約0.007吋。
如申請專利範圍第18至20項中任一項之隔膜閥，其中該隔膜之該外周邊焊接至該環形凸緣。
如申請專利範圍第1至21項中任一項之隔膜閥，其中當該隔膜處於該關閉位置時，該隔膜接觸該閥座密封表面之一整個徑向寬度。
如申請專利範圍第1至22項中任一項之隔膜閥，其中該閥座包括一環形壁部分，該環形壁部分限定第一通道並且沿著該閥座之一中心軸線軸向地延伸至該閥座密封表面，其中該環形壁之一最上部分包括自該流體通道延伸至該閥座密封表面之一內徑之一向外漸縮的內表面及延伸至該閥座密封表面之一外徑之一向內漸縮的外表面。
如申請專利範圍第1至23項中任一項之隔膜閥，其進一步包含一致動器，該致動器包括組裝至該閥體之一閥蓋部分及一致動器按鈕，該致動器按鈕接合該隔膜並且可操作以將該隔膜移動至該關閉位置。
如申請專利範圍第24項之隔膜閥，其中該致動器按鈕包含一凸形隔膜接合表面，其中該凸形隔膜接合表面之與該閥座密封表面對準之一部分以與該截頭錐形密封表面之一角度基本匹配之一角度安置。
如申請專利範圍第1至25項中任一項之隔膜閥，其中該閥座包含不鏽鋼、316不鏽鋼及Inconel 625中之一者。
一種用於一隔膜閥之密封裝置，其包含：一環形金屬閥座，該環形金屬閥座限定一中心流體通道及一倒置截頭錐形閥座密封表面；一隔膜，該隔膜鄰近於該環形金屬閥座；以及一致動器，該致動器包括一按鈕，該按鈕可操作以將該隔膜自與該閥座間隔開之一打開位置移動至一關閉位置，在該關閉位置，該隔膜抵著該閥座密封表面進行密封；其中該倒置截頭錐形閥座密封表面成角度以基本匹配該致動器按鈕之與該閥座密封表面徑向對準之一凸形表面，以在該隔膜處於該關閉狀態時提供該閥座密封表面之一整個徑向寬度與該隔膜之間的接觸。