膜片阀中的阀座装置和密封方法

专利名称：膜片阀中的阀座装置和密封方法
技术领域：
本发明涉及膜片阀中的的阀座装置和密封方法。
背景技术：
首先，本申请要求保护分别于1997年2月3日提交(申请号为60/037698)和1998年1月29日提交(申请号为60/未给定)的名称为膜片阀的美国临时专利申请(代理公司案号为22188-04019，快件标号为EM 178207495 US)的权利要求，上述文件的全部内容通过引用结合于本文中。
膜片阀是众所周知的，它通常包括一个阀体密封装置和阀座装置。阀体密封通常是在或靠近膜片的外周边区域通过夹住和压紧在阀体的对向表面之间的膜片而实现的。但是，由于在阀体表面和膜片表面中存在着缺陷，需要对膜片施加很大的压紧力才能实现令人满意的密封。较硬的膜片材料则使得在压紧表面处的阀体密封问题更加恶化。
阀座用来通过与膜片的啮合使入口和出口通道密封。现有的结构往往具有较大的阀座表面积受到流体的作用，由此可能形成泄漏通路和污染。为了改进密封，阀座表面可以预制成特殊的形状，但是，这类措施往往需要花费大量时间并且使费用更加昂贵。

发明内容
本发明的目的是提供一种在具有改进的阀体密封和阀座装置的膜片阀中的阀座装置和密封方法，该阀可以以具有竞争性的价格和性能制造出来并且可以使用同样的装置外形尺寸取得较大的流量。
根据本发明的一个实施例，一种诸如膜片阀这样的流量控制装置包括一个第一阀体和一个第二阀体；用来以轴向对准关系把阀体压紧在一起的装置；一个沿轴向配置在第一与第二阀体之间以便在其间形成密封的膜片密封；第一和第二阀体中的每个阀体都在其相应的外周边附近具有一个平面部分；该平面部分中的至少一个平面与其一个外棱角相邻接；独特地压紧在该平面部分之间的膜片；该膜片具有一个与平面部分相邻接的外周边部分，该外周边部分弯曲在该棱角上并将其密封。
根据本发明的另一个方面的内容，上述类型的膜片阀设置有一个阀座装置，该膜片阀具有一个第一阀体和一个第二阀体，该第一阀体中具有流体入口和出口，该第二阀体沿轴向通过一个成形的膜片密封与所述第一阀体相结合，压紧在其间的该成形膜片密封用来控制在所述入口与出口通道之间的流量，该阀座装置包括一个第一轴环，该轴环围绕在所述流体出入口中的一个并且沿轴向朝着该膜片延伸；一个第二轴环，该轴环沿径向从第一轴环向外间隔一个距离，从而在其间形成一个凹口；该第二轴环沿轴向朝着该膜片延伸一个大于第一轴环的距离；一个阀座配置在该凹口中；该阀座沿轴向延伸出第二轴环之外，但通过第一轴环仍固定在该凹口中；该阀座具有一个上表面，该上表面与膜片的一部分相啮合并且与该部分形成一个用来关闭一个出入口的密封；当该上表面与膜片相啮合时，它大致与该膜片的外形相一致。
本发明的上述和其他方面的内容和优点，对于本领域技术熟练的人来说，通过对下面在附图中示出的以最佳方式实施本发明的最佳实施例的详述的阅读将很容易地取得理解。


本申请的膜片阀通过参看附图可以取得最好的理解，附图中图1是手动型膜片阀的垂直剖视图；图2是图1中的阀的操纵部分的分解的等角视图；图3是沿图1中的3-3线截取的局部剖视图，图中示出了与图2的手动操纵装置一起使用的指示盘；图4A是在该目标阀的所有型式中都可使用的阀体件的正视图；图4B是沿图4A中的4B-4B线截取的视图；图4C是图4B中的圆形区的放大图；图5A和5B示出了图1中的圆形区在阀盖被压紧到与膜片进入啮合之前和该压紧刚刚完成后的视图；图6A，6B和6C示出了图1中的圆形阀座区在把弹性的阀座件制作成形并且在阀体中固定就位的顺序加工过程中的情况；图7是气动型膜片阀(该阀是一个常闭的气动致动器)的竖直剖视图；以及图8是可以在图1或图7的阀体中使用的常开的气动致动器的竖直剖视图。
具体实施例方式
如上所述，本发明的所有阀都使用一种普通的阀体设计结构，该阀体结构可以通过参看图1，4A，4B，4C，5A，5B，6A，6B和6C而清楚地了解到。如图所示，阀体10是由一种诸如不锈钢这样的适当的金属经加工而成的，该阀体包括一个与竖直延伸的流体通道14相连通的入口通道12，通道14通向阀体10的上端处的阀的出口通道16。一个出口或排出通道18平行于通道14向下延伸并且与出口20相连通。阀体10的上端在22处沿圆周方向加工有螺纹，以便螺纹连接阀盖螺母件24。多层金属膜片28放置在阀体10的上端并且通过一个阀盖件26压紧在该上端上。膜片28的总的结构和配置可以是例如在上述美国专利中所介绍的膜片那样的结构和配置，这些专利通过引用结合在本文中。对于本发明有重要意义的是膜片组件28的圆周边缘相对于阀体10的压紧和密封的方式。在这方面，请注意图4A-4C，5A和5B。如图4C中所示，沿周向围绕阀体10的上端延伸的突起的凸缘30包围了通道14的出口和通道18的入口。凸缘30的外壁最好如图示这样的倾斜，使得所包含的外棱角32处于约120°至145°的范围内，但是，该范围只是示范性的，可以根据装置的总体结构和外形把该夹角选定为任何适当的值。
图5A和5B是在凸缘或轴环30，膜片组件28与阀盖26的下压紧边缘部分之间的关系的放大的显示。图中示出的膜片28处于凸缘30的顶部平面30a的适当位置上。最好是，该膜片具有一个凸形的中央部分(见图1)和一个大致为平面的沿径向延伸的圆周边缘部分28a，如图5A中所示。阀盖26本身具有一个包括平面26a的成形的下周边表面，该平面26a由一个终止于壁角26c的圆柱形壁26b所围绕。当阀盖被压入到如图5B所示的压紧啮合位置时，平面26a就压紧在膜片组件28的顶面上，如图所示。然而，壁角26c使膜片的外周边部分向下偏斜和弯曲，从而在凸缘30的外棱角32上产生一个较高的密封压力。该最后的关系示于图5B中。
该压紧顺序如下。当阀盖被压入到如图5A所示的初始压紧啮合位置时，壁角26c使膜片的外周边部分28a向下偏斜和弯曲并且盖在凸缘30的棱角32上(见图5A)。然后，平面26a开始把膜片28的顶面压紧在凸缘30的顶平面30a上(最好但非必需当阀盖和阀体压紧在一起时，平面26a大致与平面30a相平行)，同时壁角26c继续作用在膜片周边部分28a上，从而使膜片28围绕棱角32弯曲和卷缩。在该装置过程中所作用的力足以使膜片28和棱角32产生变形或屈服，从而在其间产生主要的阀体密封。棱角32和膜片的变形或屈服(以产生主密封)可以通过适当的确定下列尺寸的大小来进行调整壁角26c的直径和硬度，棱角32的直径，圆柱形壁26b的长度以及膜片28的厚度。最好是(但也不是必需)，为了产生良好的主密封，该变形或屈服主要发生在棱角32和膜片上；从而使阀盖26能以比凸缘30更硬的材料制成。一种适当的材料是17-4PH(沉析硬化)钢，不过这只是不锈钢和其他材料(这对于熟悉本领域的技术人员来说是众所周知的)的一个实例。主密封棱角32的变形在膜片28被压紧在平面26a与30a之间时是受限制的，这种压紧将在膜片28的底面与凸缘30的顶面30a之间产生辅助密封。该辅助密封和压紧有助于减少或消除截留区。凸缘30的径向内边缘30b以及从棱角32的主密封区沿径向向内作用在膜片28上的压紧力还可以在膜片28周期性工作的情况下，当该膜片上下循环工作时，通过作为膜片28的支点而起到减少作用在主密封上的应力的作用。这些支点沿主密封的径向向内间隔一定距离，从而在膜片运动时，可以减少作用在主密封区上的应力。所述的阀体密封结构大大减少了在阀内为密封地压紧膜片28所需要的内部空间，由此空出了更多的内部空间来增加流体流量。此外，在壁角26c与膜片的平面外周边部分28a相啮合的初始啮合过程中，膜片28在被压紧在平面26a，30a之间以前处于受拉伸的状态。该拉力将使膜片圆顶盖的半径和向平面周边部分28a的过渡半径增加。因此，该拉力可以使由膜片的“快速通过”动作所引起的循环应力减少。这些效能都能提高膜片28的疲劳寿命。
壁角26c的沿径向向外的阀盖26的部分可以变化为图中用虚线表示的形状。此外，壁角26c的夹角可以从小于90°一直变化到略大于100°或者更大。但是，应对该角度作出精心挑选，以便控制膜片在棱角32上的必需的变形并且保证所要求的密封接触。
再参看图1，可以看到，为把阀盖的周边边缘压下到与膜片组件28进行密封啮合并且围绕膜片的周边边缘产生必要的密封和压紧所需要的压紧力是通过使阀盖螺母24与阀体进行螺纹啮合并且适当地向下拧动而产生的。如上所述，膜片28最好具有一个如图1所示的预成形的凸面形状，因而在该膜片处于其正常的非变形位置时，它可以从通道14伸出到高于出口16的位置。
图6A-6C示出了阀座及其与膜片组件28的联系方式。在该实施例中，阀座由弹性座圈件40限定，该座圈件放置在沿圆周方向围绕通道14的上端形成的凹口42内。参看图4C，该凹口42被加工成从阀体10的顶面沿轴向向内延伸并且形成了一个沿轴向延伸的凸缘或轴环44。凹口42的沿径向的外部是一个具有图示形状和大致构形的突起的凸缘46。再更详细地参看图6A-6C，弹性座圈40具有在图6A中示出的正常的非变形的构形，它可以由诸如PCTFE(聚三氟氯乙烯)这样的任何适当的弹性材料或由上述美国专利中建议的任何材料制成，这要根据工作环境和条件而定。
把阀座装配到凹口42中的步骤按照图6A-6C提出的顺序进行。图6A示出，在内环或凸缘44变形后即可把阀座件放入凹口42中。在把阀座件40放入凹口中的同时，使总的用零件号50示出的固定工具进入适当位置。然后，向下驱动该固定工具，使得轴环或凸缘44沿径向向外偏转到如图6B中所示的位置，此时，阀座件被机械锁紧，并且被紧密地夹紧和密封在轴环44与包括凸缘46在内的周围阀体部分之间。该固定过程使得阀座40的上表面40a在关闭时变得稍微有点凹形，从而与膜片28的下表面的形状更加匹配或一致(如图6B中所见)。当阀体和阀座组件随后在操作阀中被安装就位时，膜片就可以在第一循环期间向下产生偏转，并且它们将以接着就要说明的方式大体上与操作杆和/或操作按钮的下端的形状相一致。也就是说，大体上凸形的膜片组件将变成凹形并且以密封形式与座圈40的凹形上端面相啮合。膜片40还与上表面46a相啮合，从而减少了关闭期间由于过量力矩或过量力引起的对膜片和阀座的损伤。在重复循环期间，阀座上端面40a将与膜片形状进一步趋于一致。
阀座40的外周边40b几乎完全支承在凸缘46上，从而减少或限制了在较大关闭力作用时的阀座变形。此外，径向内环44的轴向长度显著地短于外凸缘46的轴向长度。例如，内环44的轴向长度可以是外凸缘46的轴向长度的约25％至约75％之间。这种配置为阀座40的上部在关闭期间提供向内变形的空间(例如，类似图6C中所示的凸胀)并且增加了阀座40的上部的弹性，以便于它在本文各实施例中通常引起的关闭力的作用下产生弹性变形，从而使阀座40的上端面40a与膜片28的形状相一致并且与该膜片相密封。
上述阀座40的构形和安装固定方法使得阀座40的密封表面40a能实现更加经济的精加工。阀座密封表面40a最初可以被加工成一个水平面，以使其精加工工序简化。如果把阀座表面40a加工成凹形的，将使对该表面的精加工十分昂贵。通过固定操作产生的阀座表面40a的凹形形状还可使在阀座40与膜片之间的接触面积增加。该增加了的密封面积(包括增加了的接触面积的径向距离)改进了阀座的密封性能并且减少了穿越过该密封面积的渗透泄漏。
直到目前为止所述的基本结构都是与一个手动操作机构以及一个常闭和一个常开的手动控制器或气动致动器一起使用的。更详细地说，图1，2和3示出了手动控制器，而图7和8则示出了气动致动器或控制器的两种型式。详细地参看图1-3，手动控制器的阀盖26设有用来安放外螺纹操作件56的内螺纹，该操作件具有一个穿过阀座26下端处的一个直径减小的孔和圆柱形下端58。该控制器的下端为轻微的中凸形状(如标号62处所示)并且直接与膜片组件28的顶面相啮合。控制器的下表面62与外凸缘46的上表面46a紧密地相啮合，并且在阀座40被突起的外凸缘46的支承处对阀座40偏压作用了密封力。最好是，把一种适当的润滑剂(或是固定或是液体)放置在膜片组件28的上表面与控制器58的凸形操作表面62之间。
操作件56在其上端设有一个用来安装手动操作手轮66的直径减小的带键的端部64。应当指出，手轮66包括一个用来与操作件56的端部64相适应的中心孔68。该操作件的最上端车有螺纹(如标号70处所示)，它适用来安装使手轮66固定就位的压紧螺母72。一个适当的端盖74可迅速关上并处在手轮内遮盖螺母72的位置。
手轮的转动受到在全开与全闭之间的一个3/4转装置的限制。该限制是由一个止动件76实现的，该件被模压在手轮的内部，可用来与一个从阀盖26的上端向上延伸的刚性止动件78的对置侧相啮合。当然，手轮的转动是通过止动件76和78之间在转动的对置端处的啮合而受到限制的。
位于阀盖26与手轮66之间的是一个基座件80，该件包括一个中央圆柱形部分和一个沿径向延伸的上凸缘82。在该件的下端，有一个在阀座26的上端内向下延伸的直径减小的套筒部分84，如图1中所示。穿过该基座件80加工有一个适当的开口88，以便使止动件78能穿过该开口向上延伸而与手轮66的止动件76相啮合。
基座80的凸缘82的顶面设有图3中所示类型的标记。同样地，手轮设有一个穿过其上表面的孔，从而通过该孔可以看见凸缘82上的标记。最好是，穿过手轮的该孔是一个90°的狭槽，该槽基本上与在标记中的字母C所表示的这部分相对应。因此，当手轮处于全闭位置时，标记的红色C区域通过该孔向观测者示出该阀处于全闭位置。然而，当沿逆时针方向转动阀的手轮时，可以看出该标记将从白/绿组合位置转换成绿色的全开位置。
除了手动操作装置以外，也可以用诸如示于图8的全开致动器这样的其他类型的致动器来操纵该阀。该致动器被配置成使螺纹直接加工到阀体10的上端，并且还包括一个阀盖螺母24′，该螺母把一个经过改进的更短的阀盖件90压紧就位，从而压紧膜片与阀体10处于密封啮合状态。阀盖90的内部加工有螺纹，如在标号92处所示。气动致动器94具有一个包括下壳体部分98的壳体96，该下壳体部分具有一个可拧入阀盖螺母90中的直径减小的螺母端部100。下壳体部分98限定了一个多直径的内腔，该内腔在其上端加工有螺纹(如标号102处所示)并且安装了一个帽盖104。帽盖104设有一个用来与一根适当的进气管(未示出)相连接的螺纹入口孔106。设置在由壳体件98所限定的腔内部的是一个第一活塞件108，该活塞件被安装用来进行竖直的往复运动并且沿着阀的向上打开的方向连续受到一个比较重型的螺旋弹簧110作用的偏压。活塞108的下端或直径减小部分108a安装了一个耐磨衬套108b，用来在直径减小的壳体部分100内导引下活塞108。活塞108的下端压在驱动按钮件112上，该按钮件在壳体部分100内部受到导引和固定，并且直接支靠在相关阀体的膜片28的上表面上。最好是，按钮112由一种具有良好润滑质量的适当的塑性塑料制成。按钮112的下端表面112a具有很小的中凸形状，以便与阀座40的上部凹形表面40a紧密地配合。活塞108通过一个围绕其上放置的适当的O形环114进行密封。通常，该活塞被向上偏压到如图如示的一个阀开启位置。活塞108下面的区域通过孔98a与大气相连通。第二活塞件安装在第一活塞108的上方。第二活塞116具有一个直径减小部分118，该部分穿过一个由通常位于壳体94的中央位置的活塞状件120所限定的中间壁延伸出去。中间壁120由一个O形122密封，而直径减小部分118在其穿过壁120处也由一个O形环124密封。在上活塞116与中间活塞120之间的区域通过孔98b与大气连通。
通过入口孔106供入的空气作用在活塞116的上表面上并且还通过中央孔116a和径向槽116b被导出，从而充满了在壁120的下表面与活塞108的上表面之间的空间。因此，这样就可使上活塞116区域和活塞108顶部的向下力都与弹簧110的力相对抗，从而使阀移动到关闭位置。这样，双活塞装置提供了较大的力的放大。
除了如图8中所示的常开的空气致动器以外，还推荐采用一种在图7中所示的常闭的空气致动器。图7中示出，该装置直径与阀体10相连接。该常闭的致动器装置130通过前面叙述的阀盖螺母24′和阀盖90与阀体10相连接。此处也是使用了一个以其轻微中凸的下表面120紧密地与阀座40的凹形上表面40a相配合的按钮件112直接作用在膜片组件28上。致动器装置130包括一个主壳体件132，该件具有一个直径减小并且螺纹拧入在阀盖90中的下端134。壳体132具有图示的阶梯式直径的内部并且在其下端装有第一活塞件136。活塞136安装用来作竖直的往复运动并且由一个中央O形环138密封。直径减小部分140在其下端也装有一个O形环142并且被密封在端部134内部的直径减小的孔中。壳体件132的中央部位有一个限定盘状件144的壁，该壁由一个O形环146围绕其外周边进行密封。在壁144下面的区域通过孔148与大气相连通。活塞136的上端直径减小部分150通过壁件144的中心孔密封地滑动安装，并且在通过该孔运动时由O形环152密封。
位于壁144的上方以便作用在活塞部分150的上端的是第二致动活塞160，该活塞安装用来在壳体件132的上端内部作竖直的往复运动并且由一个O形环162围绕其周边进行密封。上活塞160的上端直径减小部分164设有一个O形环166并且可滑动地安装在端部帽盖件170的圆柱形孔168中。上活塞160上方的区域通过孔148a与大气相连通。端部帽盖件通过螺纹可密封地安装在壳体件132的上端并且装有一个比较重型的螺纹弹簧172，该弹簧向下作用在活塞160上，而活塞160又作用在活塞136的上端150上。因此，该阀通常被偏压到一个关闭位置。但是，图7的图形示出的是该闭处于其开启位置的情况。为达到该开启位置，应把空气通过在帽盖170的上端处的孔170a供入。然后，空气通过中心孔160a流动到活塞160下面的一个位置，空气在该位置作用一个力图对抗弹簧172的偏压的向上的力。此外，空气还通过中心孔136a供入到一个位置，空气在该位置通过通道136b沿径向流动到在活塞136下面的空间中。这样就可以通过靠在活塞160下侧的上端部分150而偏压活塞136向上。这样也就使作用在向上方向上的力产生放大，从而使膜片组件28移动到图示的开启位置。
虽然本发明已经就其特定的实施例进行了图示和说明，但是其目的只是为了说明而不是限制，对于熟悉本领域技术人员来说，在所附权利要求书中所规定的本发明的精神和范围内，对本文中示出和说明的特定的实施例作出其他变化和改进将是显然的。
权利要求
1.一种用于膜片阀的阀座装置，该膜片阀具有第一阀体(10)和第二阀体(26)，该第一阀体中具有流体入口和出口(16，18)，该第二阀体沿轴向通过一个成形的膜片密封(28)与所述第一阀体相连接，夹紧在其间的该成形膜片密封用来控制在所述入口与出口通道之间的流量，该阀座装置包括第一轴环(44)，该轴环围绕在所述流体出入口中的一个并且沿轴向朝着所述膜片延伸；一个第二轴环(46)，该轴环沿径向从第一轴环向外间隔一个距离，从而沿轴向在其间形成一个凹口(42)；所述第二轴环(46)沿轴向朝着所述膜片延伸一个大体大于所述第一轴环的距离，从而在凹口(42)的外侧形成一个空隙；一个阀座(40)配置在所述凹口中；所述阀座沿轴向延伸到所述轴环(46)之外，但通过所述第一轴环(44)仍固定在所述凹口(42)中；所述阀座具有一个上表面(40a)，该上表面与所述膜片的一部分相啮合并且与该部分形成一个用来关闭所述一个出入口的密封；当所述上表面与所述膜片相啮合时，它大致与所述膜片的外形相一致。
2.按权利要求1所述的阀座装置，其中所述第一轴环具有一个轴向长度，该长度小于所述第二轴环的轴向长度的约3/4。
3.按权利要求1所述的阀座装置，其中所述第一轴环沿径向向外固定从而使所述阀座的下部卷缩，所述卷缩移位的阀座材料形成了所述阀座上表面的形状。
4.按权利要求3所述的阀座装置，其中所述形状是一个凹形表面，当该凹形表面与所述膜片部分相啮合时将与该膜片部分相一致。
5.按权利要求3所述的阀座装置，其中所述阀座最初是由一个基本上横断其纵向轴线的上平面构成的；当所述阀座通过所述第一轴环被固定在所述凹口中时，所述上平面就变形成一个凹面。
6.按权利要求1所述的阀座装置，其中所述第二轴环的轴向长度大体大于所述第一轴环的轴向长度；所述第二轴环具有一个上表面，该上表面当与所述膜片相啮合时，其形状基本上与所述阀座上表面相一致。
7.按权利要求6所述的阀座装置，其中所述阀座上表面沿轴向延伸到稍微超出所述第二轴环上表面的位置；所述第二轴环包括一个内壁，当所述膜片密封地与所述阀座相啮合时，该内壁支承着所述阀座。
8.按权利要求7所述的阀座装置，其中所述第二轴环上表面与所述膜片相啮合，从而减少了由于过量力矩或过量力所造成的损伤。
9.按权利要求1所述的阀座装置，其中所述阀座上表面是一个大体平的凹表面，从而提供了一个基本上沿径向延伸用来使所述膜片密封的表面面积。
10.按权利要求9所述的阀座装置，其中所述阀座上表面沿轴向延伸到稍微超出所述第二轴环的位置。
11.一种用于膜片阀中的密封方法，该阀具有一个膜片(28)，该膜片与密封件的密封表面(40a)相啮合，从而关闭了该阀中的一个开口，该方法包括下列步骤把密封件(40)放入凹口(42)中，该凹口是通过在所述阀体中的一个阀体中的轴环(44)形成的，以及通过使该轴环(44)沿径向移位并且把所述密封固定在所述凹口中，改变密封表面(40a)的形状以便大体与膜片接触部分的形状一致。
全文摘要
流量控制装置包括第一阀体(10)和第二阀体(26)，将阀体以轴向对准的关系压紧在一起的螺纹接合部，膜片密封(28)，它轴向置于第一、第二阀体之间以形成密封；第一、第二阀体在靠近其相应的外周边处有大体平的表面部分(26a，30a)；大体平的表面中的至少一个与其外棱角(32)相邻；膜片单独地被压紧在大体平的部分之间，膜片邻近大体平的表面具有外周边部分(28a)，在其上弯曲并在棱角(32)上密封。
文档编号F16K7/16GK1447050SQ02126158
公开日2003年10月8日 申请日期2002年7月10日 优先权日1997年2月3日
发明者J·E·戈奇, D·J·基钦, M·龙戈, V·N·拉萨诺夫, P·J·史密斯 申请人:斯瓦戈洛克公司