TWI270620B - Components, systems and methods for forming a gasketless seal between like metal components in an ultrahigh pressure system - Google Patents

Description

1270620 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於超高壓流體容納系統，特定言之，有關於 用以在元件之間密封超高壓流體之元件、系統及方法。 【先前技術】 用於容納諸如超過15000 psi的超音波流體之系統將會極 為複雜且在不可接受的過短使用壽命之後即產生故障，超 南壓系統的一範例顯示於圖i中，其中一缸體1〇在一止回閥 14與一拴|16之間由繫桿12加以壓縮。一處於超高壓的氚' 體係容納在一於缸體10、止回閥14與栓塞16之間所密封的 腔體18内（圖1 a)，雖然已利用各種方法對於此組態提供一密 封’但如同下文所描述，此等方法已知並不足夠。 如圖la清楚顯示，由一種具有比缸體1〇及止回閥14更低 強度的可犧牲材料製成之環狀密封2〇係放置在兩個體部之 間以提供一密封。但已經發現較低強度的密封2〇需要頻繁 地更換’且密封所施加的應力將導致系統的主要補充件產 生早期故障，此等故障包括在鄰近環狀密封2〇處的體部中 所形成之裂痕22。 此外，因為受到極高壓力的材料產生膨脹，組件之間的 相對移動將經由散裂、磨損或侵蝕而導致故障。如圖11}清 楚顯示，當缸體10内的壓力在大氣壓力與超高壓之間循環 時，&體及栓塞16將膨脹及收縮，已發現在圖lb所示的組 態中，缸體10相較於栓塞16以不同速率移動，結果各循環 期間在組件之間具有相對移動，處於壓縮之類似材料的組 1270620 件之間的相對移動將導致散裂、磨損及侵蝕，散裂、磨損 及侵蝕其中各種狀況均會損傷抵靠元件的其中一者或兩者 並縮短系統壽命。 雖然描繪一栓塞、一缸體及一止回閥來顯示此範例，產 業中已瞭解類似故障可發生於整個超高壓流體容納系統中 的任何其他位置，因此，下文描述的本發明係預定解決整 個系統中的此等問題。 【發明内容】 ， 本發明係有關於用以在超高壓流體容納系統中之元件I- 間形成密封之元件、系統及方法，本發明的實施例可允許 形成一完全密封而無墊片介於一類似材料的元件之間。此 外，本發明的實施例可允許相鄰元件膨脹與收縮而在元件 之間並無顯著相對移動，故可降低損傷及延長元件的使用 壽命。· 本發明的一貫施例係採用一對的相鄰元件，其中一元件 上係具有一個一體成型的推拔狀母嘴口藉以接合在相鄰元 件上一體成形之一互補性推拔狀公嘴口。各嘴口具有一對 接"卩，一個對接部具有一大致呈線性的剖面輪廓且其與一 耦合的徑向軸線具有40至68度之間的角度，另一個對接部 具有一凸形彎曲狀剖面輪廓且其在一大致呈圓形的密封上 接合另一 7G件的線性輪廓。此系統允許類似材料的元件彼 此密封性接合而在元件之間不需要墊片。 本發明的另一實施例有關於一具有推拔狀嘴口之體部， 將此推拔狀嘴Π構成為與—壓力容器的_互補性嘴3_ 1270620 而在其間形成一圓形密封，鄰接元件之間的接觸角度係與. 至少一元件為切線狀，此切線相對於元件的一徑向軸線量 >則出40至60度之間的角度。 本發明亦有關於此等元件之製造方法。 【實施方式】 本發明有關於用於在一超高壓流體系統中於類似材料的 元件之間不需墊片即可生成流體緊密式密封之元件、系統 及方法。下文描述本發明特定實施例的許多特定細節並顯 不於圖2-5中以供徹底瞭解此等實施例。但熟悉此技藝者 可瞭解，本發明可具有其他實施例或可能不需下述細節即 可實行。 圖2顯示來自一超高壓流體容納系統之元件及/或配件（諸 如閥或栓塞）之一總成100。所顯示的元件為一止回閥1〇2、 谷器丨04及一栓塞1〇6，總成1〇0中的各元件可由諸如不銹 鋼等類似材料製成。如下文將詳細描述者，本發明可允許 疋件壓縮在一起以在相鄰元件之間形成一流體密封而不需 要墊片，並且，元件的幾何結構可在總成1〇〇内的壓力產生 循環時盡量減少元件之間的相對移動。 止回閥102具有一接合部108，接合部1〇8抵靠住容器1〇4 上的一互補性嘴口：110。同樣地，栓塞1〇6具有一接合部 112 ’接合部112抵靠住容器1〇4上的一互補性嘴口 114。可 使用繫样（未圖示）或其他結構來壓縮止回閥1〇2及栓塞1〇6 抵住谷器104，以在各別組件之間形成密封。 圖示實施例中，止回閥102的接合部1〇8、容器1〇4上的嘴 1270620 口 uo/m及栓塞106上的接合部112均相對於—條沿總成 1〇〇長度延伸之徑向軸線iV呈現徑向對稱。操作期間，總成 1〇〇的元件在軸向方向，，r"受到壓縮而形成主要密封。相 鄰元件具有-推拔狀母嘴口而另—元件具有—互補性推拔 狀公嘴口，各嘴口具有_用於接觸另—元件之對接部。一 個對接部具有-大致呈線性的剖面輪廓，而另一個對接部 具有一凸形彎曲狀剖面輪廓。 圖3更清楚地顯示止回閥1〇2與容器1〇4之間的對接作 用，從剖面觀察時，止回閥102上的接合部1〇8為凸形彎士 狀。此曲線亦可為拱形、橢圓形或其他適當形狀。與止回 閥102接合之容器104上的嘴口 11〇係具有大致呈線性的剖 面輪廓。將容器104的嘴口 110之斜面定向為相對於徑向軸 線”r”而呈角"α”。因此，當止回閥相對於徑向軸線v，抽向 對準時:止回閥102的一接觸部116相當於一約略等於Πα,,角 之切線。止回閥102及容器104之間的密封因此為圓形。依 據止回閥102的接合部1〇8之剖面輪流的曲率半徑且依據材 料硬度，止回閥與容器1〇4之間的圓形密封可形成一具有不 同厚度的圓形。 同樣地，如圖4清楚地顯示，容器1〇4係接觸栓塞1〇6以在 線性剖面輪廓的嘴口 114與彎曲狀剖面輪廓的接合部112之 間形成一圓形密封。容器體部1〇4的嘴口 114的線性剖面輪 廓相對於徑向軸線”r”以角，’β”對準，容器1〇4上的一朝内對 準表面118係與栓塞106上的一互補性朝外對準表面12〇對 接以使栓塞對於容器104保持適當對準。本發明人瞭解可使 1270620 用多種不同結構滿足此目的，同樣地，本發明人瞭解止回 閥可具有類似特性而不脫離本發明的精神。 將總成100的各別組件之間的接觸角α/β設計為可盡量減 少各別組件之間的相對移動，如圖5所示，本發明的接觸角 α/β介於40至68度之間，且較佳範圍落在50至59度之間，最 佳角度為54度。本發明人瞭解接觸角01卬可能依據元件所使 用的材料而略微改變，熟悉此技藝者在檢視本文揭示與圖 式之後可以對於任何給定材料確定最佳的接觸角。 - 本發明人亦瞭解圖示實施例中的任一配件或兩配件可具 有一線性剖面輪廓的接合部，且容器具有一凸形彎曲狀剖 面輪廓的嘴口。 本發明的實施例具有優於根據先前技術的容納系統之許 多優點’元件之間的接觸角及鄰接組件的不同輪廓（亦即， 一彎曲狀輪廓接觸一大致平坦的輪廓）係在系統中的壓力 進行循環時導致抵靠元件之間具有極少或毫無相對移動， 由於缺乏相對移動故可消除或顯著降低侵蝕、散裂及磨 損，如此均會顯著增長元件壽命。此外，藉由本發明中密 封的效力’不需墊片或其他中介結構即可將元件加以組 裝。本發明人瞭解此結構可插入抵靠元件之間，但由於本 發明的利益而不需要此插入作用。尚且，因為在元件之間 極少有或毫無相對動作，類似材料製成的元件可直接彼此 抵靠，這是一種優於先前技術系統的顯著改良，在先前技 術中由於過去發生的散裂及其他故障等問題而避免使用類 似材料作為接觸組件。 t% έ月4日修（更)正本 號專利申請案 中文說明書替換頁(95年6月） 由上文可瞭解’雖然本文已經為示範目的而描述本發明 的特定實施例，可作各種修改而不脫離本發明之精神與範 圍，因此本發明除了申請專利範圍以外並不受限制。 【圖式簡單說明】 圖1為根據先前技術之一超高壓容納系統的直徑方向剖 視圖； 圖1 a為圖1的系統之一分解部份；

圖1 b為圖1的系統之另一分解部份； 圖2為根據本發明之一壓力容納系統的部份剖視圖； 圖3為根據本發明的一實施例之一壓力容器體部的一部 份以及一抵靠元件的一部份之剖视圖； 圖4為根據本發明的一實施例之一壓力容器體部的一部 份以及一抵靠元件的一部份之剖视圖； 圖5顯示一軸線為抵靠元件之間的接觸角而另一軸線為 兀件之間的相對動作其間的關係。

圖式代表符 號說明】 10 缸體 12 繫桿 14,102 止回閥 1651〇6 栓塞 18 腔體 20 環狀密封 22 裂痕 100 總成 1270620 104 容器 116 接觸部 118 朝内對準表面 108,112 接合部 110,114 嘴口 120 朝外對準表面 r 徑向軸線 -12 -

Claims (1)

1. I27〇^9i38()57號專利申請 案 中文申請專利範圍替換本(95年6月)^啤6月4日修(更)正本拾、申請專利範圍： 一種用於超過15,000 psi壓力的流體之一容納系統之相鄰 兀件對，該相鄰元件對之間不需要插入件即可在該等類 似材料的相鄰元件之間提供一密封，該等相鄰元件沿著 一搞合軸線對準，該相鄰元件對係包含： 推拔狀母嘴口，其一體成型在一個該等相鄰元件 上’該推拔狀母嘴口具有一母對接部；及 一推拔狀公嘴口，其一體成型在該等相鄰組件的另— 者上；其中 一個該等對接部具有一大致線性剖面輪廓，該線性 剖面輪廓相對於該耦合軸線具有40至68度之間的角 度；及 孩等對接部的另一者具有一凸形彎曲狀剖面輪廓， 、★曲狀剖面輪廊被驅迫接觸該線性剖面輪廊時係形 成一大致圓形的密封。 2·如申叫專利範圍第丨項之相鄭元件對，其中該線性剖面輪 廊位於孩推拔狀母嘴口上，且該彎曲狀剖面輪廓位於該 推拔狀公嘴口上。 3 ·如申請專利範圍第1項之相鄰元件對，其中該線性剖面輪 廓對於該耦合軸線具有50至59度之間的角度。 4·如申請專利範圍第1項之相鄰元件對，其中該線性剖面輪 廓對於該耦合軸線具有約54度的角度。 5 ·如申請專利範圍第1項之相鄰元件對，其中該彎曲狀剖面 輪廓大致為拱形。 82847-950629.doc 1270620 1「年ς月4日修(更)正;^ *"* ' 1 ' " 1'·*·»«··^»« »*v»u«. ,丨_, . 1| . .. ,. , | 狀剖面輪廓，使得該等元件之間的接觸表面為圓形；及 驅迫該第一及第二元件抵住彼此。 4- 82847-950629.doc 1270620 ]「年έ月约日修(更)正本丨 14.如申請專利範圍第9項之配接合部以該 麵合軸線為中心而呈徑向對稱。 15· —種由一金屬材料所形成之容器，其用於容納一具有高 於或等於15,〇〇〇 psi壓力的流體，該容器係由一金屬材料 的一配件所密封且其間不需要插入件，該配件具有一用 於沿著一耦合軸線接合該容器之第一推拔狀接合部，該 第一推拔嘴接合邵有一凸形彎曲狀剖面輪廓，該容器係 包含： 一第二推拔狀接合部，其形狀設計成可以一圓形密封 來於該第一推拔嘴接合部密封性接觸該推拔狀嘴口，該 第二推拔嘴接合部有一線性剖面輪廓，且該圓形密封具 有一相對於該耦合軸線量測出4〇至68度的切線接觸角。 16·如申請專利範圍第15項之容器，其中該切線接觸角相對 於該耦合軸線具有5〇至59度。 17·如申請專利範圍第1 5項之容器，其中該切線接觸角相對 於該輕合軸線具有約5 4度。 18·如申請專利範圍第1 5項之容器，其中該第二推拔狀接合 邵以該耦合軸線為中心呈徑向對稱。 19. 一種不需要墊片或其他插入件而在一超高壓流體容納系 統中形成一流體緊密性密封之方法，該方法包含： 提供一具有一接合部之第一元件，該接合部具有一線 性剖面輪廓； 將具有一接合邵的第二元件抵靠住該第一元件且使 其各別接合邵彼此接觸，該第二元件的接合部具有一彎曲 82847-950629.doc 1270620 1「年（月Μ曰修(更)正本 6. 7· 8. 9· 10. 11. 12. 13. 如申請專利範圍第1項之曲狀剖面 輪廓大致為橢圓形。 如申請專利範圍第1項之相鄰元件對，其中該推拔狀母嘴 口以該耦合軸線為中心呈徑向對稱。 如申請專利範圍第1項之相鄰元件對，其中該推拔狀公嘴 口以該耦合軸線為中心呈徑向對稱。 -種由-金屬材料所形成之配件，其用於在—金屬材料 的-容器中密封一具有高於或等於15,000 psi壓力的流體 且其間不需要插入件，該容器具有一用於沿著一耦合軸 線接合該配件之推拔狀嘴口，該推拔嘴有—線性剖面輪 廓，且該配件係包含： 一推拔狀接合部，其具有一凸形彎曲狀剖面，以盥嗜 推拔嘴接合，且其形狀設計成可㈣轉龍推拔狀= 口以形成一圓形密封。 如申請專利範圍第9項之配件，其中該接合部具有一凸形 彎曲狀剖面輪靡’以接合該具有 '線性剖面輪廓的推拔 狀嘴口，該凸形彎曲狀剖面輪廓大致為拱形。 如申請專利範圍第9項之配件 该輕合軸線具有50至59度。 如申請專利範圍第9項之配件 該輕合軸線具有約54度。 如申請專利範圍第9項之配件，其中該接合部具有一凸形 彎曲狀剖面輪廓，以接合該具有―線性剖面輪廓的推拔 狀嘴口，該凸形彎曲狀剖面輪廓大致為橢圓形。 其中該切線接觸角相對於 其中該切線接觸角相對於 82847-950629.doc 1270620 柒、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件代表符號簡單說明： 100 總成 102 止回閥 104 容器 106 栓塞 108,112 接合部 110,114 嘴口 r 徑向軸線 捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：