阀的制作方法
【专利摘要】一种阀具有阀元件(17)，该阀元件可在阀腔中沿第一轴线在打开位置和关闭位置之间运动。在打开位置处，阀元件从阀座移开，使得流体入口(pi)与流体出口(p2)连接。在关闭位置处，阀元件(17)密封抵靠着阀座，从而流体通路被封闭。相对的第一(12)盘簧堆和第二(46)盘簧堆施加不相等的载荷，产生偏置力，该偏置力将阀元件朝向关闭位置偏置。第一活塞元件(15)可在第一孔(14)中相对于所述阀元件(17)运动并用于沿所述第一轴线在第一方向上移动所述阀元件。第二活塞元件(16)可在第二孔中相对于所述阀元件(17)运动，以用于沿所述第一轴线在与第一方向相对的第二方向上移动所述阀元件。第一压力补偿通道(71)在流体入口(pi)和第一孔(14)之间延伸，使得第一活塞元件(15)可由流体入口(pi)中的流体压力致动。第二压力补偿通道(70)在流体出口(p2)和第二孔之间延伸，使得第二活塞元件(16)可由流体出口中的流体压力致动。致动器使阀元件从关闭位置移动至打开位置。
【专利说明】阀
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流体方向控制阀，并且更具体但不排他地，涉及用在石油、天然气和石化工业中使用的这种类型的高压阀。
【背景技术】
[0002]流体方向控制阀通常包括具有多个口的阀体，所述多个口在内部流体通道与通向或来自其他部件的外部流体通路之间提供连通。一个或多个阀元件可在阀体内的不同切换位置之间移动，以选择性地打开或关闭流体通道并控制口之间的流向。
[0003]这种阀通常的特征在口( “路径”)的数目和它们提供的分立的切换位置的数目。一个简单的实例，通常的方向控制阀是在入口和出口之间提供选择性连通的双向双通道流体控制阀。在这种阀中，阀元件被弹簧偏置到第一位置，在该第一位置，它或者打开或者关闭，并且致动器施加致动力以克服弹簧力从而将阀元件移动到第二位置。然而，所施加的力还必须足以克服作用在阀元件上的流体压力中的任何不平衡，并且因此量级涉及控制阀的工作流体压力。在例如管线中存在高工作流体压力以将流体(例如石油或天然气)在高压的海底或其他地方传输的情况下，致动阀所需的力可能非常大并且甚至重型螺线管致动器都不足以操作所述阀。在这种应用中因此存在一种使用旋转球阀的趋势。这可用于实现管线的一部分与流体流的安全隔离，以便于例如维修或维护。这种阀包括具有与管线对齐以便于连接的入口和出口的壳体和球形式的阀元件，所述球被一钻孔穿透。所述球设置在入口和出口之间并可相对于阀座旋转。球的选择性的旋转使钻孔相对于入口和出口对准或偏离，从而允许或阻止它们之间的流动。球阀的致动可通过多种方式实现。例如，它可以被专用致动器(例如，气动操作的活塞和气缸)远程地操作。可替换地，它可以被潜水员手动地操作和通过使用ROV操作。
[0004]穿过这种阀的流体通常包含污染物，例如小颗粒或污泥等。这些污染物倾向于导致旋转球阀的磨损。特别地，当球在阀座上旋转时，污染物可能导致阀座的磨损。因此，在阀座性能恶化和出现内部泄漏之前，旋转球阀具有有限的阀操作次数。
[0005]在非常高压的情况下，操作旋转球阀所需的扭矩可能是过度的。
[0006]理想的是提供一种简单、便宜并且结实的阀，其中，与传统的阀门机构相比，致动力被降低。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是消除或减轻前述缺陷。本发明的另一目的是提供一种改进的或可选择的阀。
[0008]根据本发明的第一方面，提供了一种阀，包括:壳体，该壳体限定了流体入口、流体出口以及在流体入口与流体出口之间延伸的流体通路；位于流体通路上的阀腔，该阀腔具有至少一个阀座；阀元件，该阀元件可在阀腔中沿第一轴线在打开位置和关闭位置之间运动，其中，在打开位置处，阀元件从阀座移开，使得流体入口与流体出口连接，在关闭位置处，阀元件密封抵靠着阀座，从而流体通路被封闭；具有不相等的载荷的相对的第一和第二偏置元件，其向阀元件施加所产生的偏置力，使阀元件朝向关闭位置偏置；第一活塞元件，其可在第一孔中相对于所述阀运动并用于沿所述第一轴线在第一方向上移动所述阀元件；第二活塞元件，其可在第二孔中相对于所述阀元件运动以用于沿所述第一轴线在与第一方向相对的第二方向上移动所述阀元件；第一压力补偿通道，其在流体入口和第一孔之间延伸，使得第一活塞元件可由流体入口中的流体压力致动；第二压力补偿通道，其在流体出口和第二孔之间延伸，使得第二活塞元件可由流体出口中的流体压力致动；和致动器，该致动器用于使阀元件从关闭位置移动至打开位置。
[0009]通过将入口和出口流体的一部分重新引导至第一和第二压力补偿通道而提供的压力补偿能够显著地降低在高压下操作致动器所需的力。
[0010]第一和第二活塞可具有任意适当的形式。例如，它们可以包括活塞头和活塞杆或可简单地包括限定一个或多个压力表面的元件，其中流体的压力作用在所述压力表面上以施加一个或多个力，潜在地导致活塞的运动。
[0011]第一和第二活塞可直接地作用在阀元件上或可替换地可通过中间元件(例如，销或柱塞)间接地作用。
[0012]第一活塞可有效地将第一孔划分成第一流体腔和第二流体腔，第一流体腔与阀元件的一侧流体连通，第二流体腔与第一压力补偿通道流体连通。类似地，第二活塞可有效地将第二孔划分成第一流体腔和第二流体腔，第二孔的第一流体腔与阀元件的一侧流体连通，第二孔的第二流体腔与第二压力补偿通道流体连通。
[0013]第一和第二活塞优选地沿相反的方向作用在阀元件上。特别地，第一和第二孔可以是轴向对准的。
[0014]第一活塞被沿第一孔的长度间隔布置的第一密封和第二密封密封在第一孔中。第一压力补偿通道可以被布置成向第一孔的第二流体腔提供流体。类似地，第二活塞被沿第二孔的长度间隔布置的第三密封和第四密封密封在第二孔中。第二压力补偿通道可被预制成向第二孔的第二流体腔提供流体。
[0015]第一活塞可限定位于第一密封和第二密封之间的至少一个第一压力表面，第二流体腔中的流体可作用在该第一压力表面上。至少一个压力表面是环形肩部的形式。第一活塞可限定暴露于第一流体腔中的流体的至少一个第二压力表面。第一流体腔可与流体通道流体连通，使得在流体入口和流体出口之间流动的流体作用在第二压力表面上，以施加与施加到所述至少一个第一压力表面的任何力相反的力。
[0016]第二活塞可限定位于第三密封和第四密封之间的至少一个第一压力表面，第二孔的第二流体腔中的流体可作用在该至少一个第一压力表面上。第二活塞可具有暴露于第二孔的第一流体腔中的流体的至少一个第二压力表面。第一流体腔可与流体通道流体连通，使得在入口和出口之间流动的流体作用在第二压力表面上，以施加与施加到第二活塞的所述至少一个第一压力表面的任何力相反的力。
[0017]致动器可以是通过例如使用手柄进行手动操作的。它可以包括用于作用在第一活塞的端部上的致动器杆。
[0018]第一和第二口可以是轴向偏置的。
[0019]第一轴线可以横向于(例如，垂直于)穿过流体入口和出口的流动方向。[0020]阀元件可采取任意适当的形式。在一个实施例中，它是球的形式。
[0021]阀座可以是设置在壳体的阀腔中的单独的元件。阀座元件可具有形成第一孔的一部分的内孔。阀座元件可被用于与流体入口或流体出口之一流体连通的至少一条通道穿透。所述至少一条通道可以是基本上可沿径向方向的延伸的多个通道的形式。阀座元件可密封到阀体，并优选地位于轴向间隔的位置。
[0022]第一活塞可具有邻接阀体元件的端部。该端部与阀座元件之间可存在间隙。
[0023]致动器可以是被配置成用于旋转运动转化为输出元件的平移运动的凸轮致动器。输出元件可与第一活塞接触，使得输出元件的运动实现第一活塞的平移。
[0024]凸轮致动器可包括一对凸轮盘，在所述一对凸轮盘中存在沿凸轮槽运动的至少一个球。
[0025]第一和第二偏置元件是预压缩的弹簧。在优选实施例中，第一和第二偏置元件分别作用在第一和第二活塞上。第一偏置元件可作用在第一活塞的至少一个压力面上(其可以是环形肩部的形式)。第二偏置元件可作用在第二活塞在至少一个压力表面上或可用作在与第二活塞邻接的元件(例如，弹簧座)上。
[0026]第一偏置元件可由预压缩的第一盘簧堆提供。第一盘簧堆可具有接收第一活塞的一部分的孔。类似地，第二偏置元件可以是预压缩的第二盘簧堆的形式。
[0027]第二活塞可被支撑以通过阀帽在第二孔中运动。阀帽中可以具有至少一条通道，提供第二孔的第二流体腔与第二压缩补偿通道之间的连通。可以具有可大致沿径向方向延伸的多个这种通道。
[0028]凸轮致动器的至少一部分可容纳在第一壳体中，该第一壳体被密封到阀体的主体部分以阻止流体的侵入。这确保例如由深处的海水提供的外部压力不会进入所述阀并作用在第一活塞上。类似地，第二偏置元件可容纳在第二壳体中，该第二壳体被密封到阀体的主体部分，以防止外部压力浸入并作用在第二活塞上。
[0029]第一壳体和阀体的主体部分之间的密封可以是单向的，以允许阀体内的内部压力逸出。类似地，第二壳体与阀体的主体部分之间的密封也可以是单向的，以允许内压的逸出。
[0030]根据本发明的第二方面，提供了一种双向二位阀，包括:壳体，该壳体限定了流体入口、流体出口以及在流体入口与流体出口之间延伸的流体通路；位于流体通路上的阀腔，该阀腔具有至少一个阀座；阀元件，该阀元件可在阀腔中沿第一轴线在打开位置和关闭位置之间运动，其中，在打开位置处，阀元件从阀座移开，使得流体入口与流体出口连接，在关闭位置处，阀元件密封抵靠着阀座，从而流体通路被封闭；具有不相等的载荷的相对的第一和第二偏置元件，其向阀元件施加所产生的偏置力，使阀元件朝向关闭位置偏置；和致动器，该致动器用于使阀元件从关闭位置移动至打开位置。
[0031]致动器可操作以抵抗由第一和第二偏置元件提供的偏置力将阀元件移动至打开位置。
[0032]阀元件可沿第一轴线运动。它可以是球的形式。
[0033]在一个优选实施例中，只提供了单个阀座。
[0034]可以存在第一活塞元件，该第一活塞元件可相对于阀元件在第一孔中运动并用于沿所述第一轴线在第一方向上移动阀元件。可存在第二活塞元件，该第二活塞元件可相对于阀元件在第二孔中运动并用于沿所述第一轴线在与第一方向相反的第二方向上移动阀元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]现在将以举例的方式参照附图描述本发明的特殊实施例，其中:
[0036]图1是根据本发明的实施例的双通道双位置流体控制阀的侧视图；
[0037]图2是沿图1中的线A-A的横截面视图，其中阀处于关闭位置；
[0038]图3是与图2对应的横截面，但所示的阀处于打开位置；
[0039]图4是沿图1中的线C-C的横截面视图；
[0040]图5是用于帮助理解的图1至3的阀的示意图；以及
[0041]图6是描绘了四种不同状况下操作图1至5的阀所需施加的力与阀中流体的压力的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0042]现在参见附图。双位置双通道凸轮操作的流体控制阀包括大致平行六面体的阀体1，阀体I具有与流体管线(未示出)连接的入口和出口。
[0043]阀体I具有沿其纵轴具有圆形横截面的中心孔4。孔4包含阀组件5并且在其端部由与孔4的壁螺纹接合的上阀帽7和下阀帽8封闭。阀体I在其相对的侧面被第一口 2和第二口 3穿透，第一口 2和第二口 3在轴向上偏置并且通过由中心孔4的一部分界定的流体通道相互连通。阀被设计成口 2和3中的任一个可用作入口或者出口。
[0044]在孔4的邻近第一口 2的区域中，阀组件5包括空心的圆柱形阀座衬套9，衬套9在孔中紧公差装配。衬套9通过包括O形环10和备用密封11的密封结构相对于孔4的壁密封，其中，O形环10和备用密封11此二者均被容纳在限定于衬套的外侧中的环形槽中。这种密封结构阻止衬套和孔4的壁之间的流体泄漏。
[0045]阀座衬套9与上阀帽7之间存在上堆叠的环形盘簧12。盘簧12的外直径小于中心孔4的直径，从而限定出被空心的圆柱形垫圈13占据的环形间隙。
[0046]上和下阀帽7和8、阀座衬套9和盘簧12结合起来限定了内轴向孔14，致动活塞
15、16可在孔14内沿轴向方向自由地滑动。上活塞15延伸穿过内轴向孔14的上部，穿过盘簧12以及阀座衬套9的最上部，而下活塞16延伸穿过内轴向孔14的限定在下阀帽8中的下部。活塞15和16之间存在球形式的阀元件17，用于选择性地阻止第一口 2和第二口3之间的流体流。活塞15和16被阀元件17分离并且可各自独立地移动。
[0047]阀座衬套9具有定义在其外表面上、邻近密封10和11、在与第一口 2重合的轴向位置上的环形凹槽18。在凹槽18处，衬套9被多个角度隔开的、径向延伸的口 19穿透，以在第二口 3和内孔14的扩大部分20之间提供流体连通。阀座衬套9的面对着阀元件17的端部提供了用于阀元件17的阀座21。特别是，它限定了在使用中可由阀元件17抵靠密封的环形的阀座表面22。阀座21具有缩小的外径并且通过O形环密封24密封着限定在中心孔4的壁中的环形肩部23，其中O形环密封24防止流体绕阀座21的外侧泄漏。
[0048]上活塞15在数个位置形成台阶，以限定三个环形肩部30、31、32(见图3)，这三个肩部将活塞体划分成具有不同直径的四个段。具有最大直径的主段33具有设置活塞环密封34的环形凹槽并且该活塞环密封34用于在活塞与阀座衬套9的内表面之间的密封。具有相对小的直径的第一端部段35延伸穿过上阀帽7中的直径缩小的开口，并通过密封环36相对于上阀帽7密封。第二端部段37靠着阀元件17并且中间段38被容纳在内孔14的延伸穿过所述一堆盘簧12和上阀帽7的部分中。第一端部段35与中间段38之间的第一环形肩部30靠着由上阀帽7限定的相应的肩部，以限制活塞向上的行进。中间段38和主段33之间的第二肩部31相对较窄并靠着上盘簧堆12的内边缘。在阀的操作过程中，上活塞15的运动用于在第二肩部31和上阀帽7之间压缩上盘簧堆12。第三环形肩部32被限定在活塞的主段33和第二端部段37之间，第二端部段37具有选定的直径，以确保存在足够的环形间隙以适应所需的体积流率。
[0049]上活塞15有效地将内孔14划分为两个腔，第一腔位于活塞环密封34与阀元件17之间，第二腔位于活塞环密封34和密封环36之间。
[0050]下活塞16包括抵靠阀元件17的活塞头40和穿过下阀帽8的活塞杆41。活塞16通过以下两个部件密封到阀帽8:由活塞头携带的活塞环42 ;和设置在下阀帽8的内壁中的环形槽中的密封环43。密封环43密封抵靠活塞杆41的外表面。下阀帽8的内部被活塞头40有效地划分为两个腔:与第一 口连通的位于活塞头40的相对侧上的第一腔，和位于活塞环42与密封环43之间的可变容积的第二腔45。
[0051]下活塞16被下盘簧堆46朝向阀元件17偏置，以迫使它抵靠着阀座表面22。下盘簧堆46在弹簧座46a(其中，下活塞16连接到该弹簧座46a)与由通过螺钉连接到阀体I的弹簧壳体47的端壁限定的表面之间起作用。弹簧壳体17被密封到壳体1，通过O形环48防止海水的侵入。由下盘簧堆46施加的偏置力与由上盘簧堆12施加的作用在上活塞15的第二肩部31上的力起相反的作用。
[0052]除由盘簧12、46施加的偏置力之外，阀组件可以通过设置在阀体I的上端处的致动器机构50手动地操作。机构50包括一对圆盘形凸轮盘51，52，三个球53插入在凸轮盘51，52之间。凸轮盘52的下部整体地连接到被容纳在上阀帽7中的致动器杆54并邻接上活塞15的第一端部。凸轮盘52的上部整体地连接到直立的凸台(boss)55，该凸台55可绕细长的手柄56的轴线旋转。
[0053]致动器机构50被壳体57封装，壳体57通过螺钉固定到阀体I并且通过O形环密封58相对于阀体I密封，以阻止海水侵入。直立的凸台55突出穿过壳体57中的开口并且被卡环59约束其轴向的运动,其中卡环59固定在被限定在凸台55的外表面上的浅环形槽中。设置在凸台55周围的同心衬套60落座在壳体57内的上凸轮盘53的上表面上，并且也限制轴向的运动。
[0054]致动器机构50被设计成将手柄56、凸台55和上凸轮盘52绕旋转轴的旋转运动转化成下凸轮盘51和致动器杆54的平移运动，以影响孔4中的上活塞15和阀元件17的轴向运动。为了转化所述旋转运动，上凸轮盘52的下表面具有三个绕该盘的外周大致圆周地布置的凸轮槽61 (图4)。每个凸轮槽61包括具有相对浅的深度的第一端部和终止于相对深的球座62中的第二端部。通过使用手柄，凸台55和上凸轮盘52可以被旋转，以使凸轮槽61在球53上方运动。由于上凸轮盘52被固定而不能轴向运动，因此其具有沿轴向方向使下凸轮盘51和致动器杆54向下移动的效果。
[0055]容纳在上阀帽7的上表面中的凹槽内的波形弹簧63靠着下凸轮盘51并将其朝向上凸轮盘52向上推，以确保凸轮球53与凸轮盘51、52之间的良好的接触。
[0056]致动器机构壳体57和弹簧壳体47 二者皆被密封，以防止流体(例如海水和来自流体通路的流体)的侵入。这确保了当阀被布置在压力相对高的海底时，壳体内的压力保持在选定的低压水平(例如，海平面处的正常大气压水平)。之后，两个活塞的端部不承受随深度变化的高压，而该高压将具有对作用在阀元件17上的力增加额外的不平衡的效果。
[0057]可以意识到，任意适当的传动机构可用于将旋转运动转化为上活塞15的平移。尽管在示例性实施例中，上活塞15是通过凸轮致动器机构50致动的，但应当理解，也可以使用其他致动器。此外，也可以采用凸轮机构的替换设计。在压力不那么高和/或流动面积更小的应用中，所述致动器也可以是例如按钮、柱塞或杠杆的形式。可替换地，它也可以是气动导杆或电操作的螺线管的形式。
[0058]在操作中，盘簧对12、46沿相反的方向作用在阀组件上。当第一口 2或第二口 3不被加压的情况下，由下弹簧堆46施加到下活塞16的力大于由上弹簧堆12施加到上活塞15上的力。这些力作用在阀元件17的相反的侧面上并且确保阀元件17被偏压抵靠着阀座21至第一口 2和第二口 3之间的通路被封闭的关闭位置。阀元件17可通过致动器机构50的操作从阀座开始移动。机构的手柄56的四分之一圈旋转被转化为致动器杆54和上活塞15的对抗第二弹簧堆46的弹簧力的短的向下的轴向运动，以使阀元件17离开阀座21。阀元件17现在占据着流体可以在第一口 2和第二口 3之间的流径中流动的打开位置。
[0059]当第一 口 2被流体加压时，该压力通过阀座衬套9中的径向口 19传递到位于阀元件17 —侧的腔45，从而施加倾向于使阀元件17离开阀座21的力。类似地，当阀处于关闭位置时第二口 3被增压，流体穿过阀座17与下阀帽9之间的间隙并施加倾向于将阀元件朝向阀座21移动的向上的力。这些力在高压下可能非常显著，并且因此通过第一和第二流体通道71、72提供了补偿性的流体压力平衡。
[0060]第一流体通道70从第一口 2延伸至中心孔4并提供与下阀帽8内的可变容量腔45的流体连通。更特别地，第一流体通道70连接至被限定在下阀帽8的外表面中的环形槽。多个径向延伸的按角度间隔开孔73穿透下阀帽8的壁并在凹槽72和可变容量腔45之间提供连通。进入腔45的流体被允许沿着下活塞16在活塞环42 (其由活塞头40支撑)和密封环43之间流动。当第一入口被增压时，流体的压力作用在由活塞头40的下表面限定的环形表面上，以沿轴向方向施加向上的力。
[0061]第二流体通道71从第一口 2延伸至中心孔4并提供与内轴向孔14的流体连通。更特别地，第二流体通道71连接至被限定在垫圈13的外表面中的环形槽。多个径向延伸的按角度间隔开孔75穿透垫圈13并允许流体从第一口 2流动至上盘簧堆12。流体从那里开始在弹簧之间流动进入内轴向孔14并沿上活塞7在被限定在活塞环密封34和密封环36之间的腔中流动。当第二口 3被增压时，流体的压力作用在第一和第二环形肩部30、31上，以沿轴向方向施加向下的力。
[0062]现在将结合图5描述阀的操作。图5是图1至4的阀的简化示意图，以用于帮助对阀功能的理解。
[0063]口 3中的流体的压力由Pl表示，口 2中的流体的压力由P2表示。由预加压的上弹簧堆施加的弹簧力由Fn2表示，而由预加压的下弹簧堆施加的弹簧力由Fnl表示。
[0064]被密封环36密封的上活塞15的第一端部段35处的直径由Dl表示，并且类似地，被活塞环密封34密封的主段33处的直径由D2表示。
[0065]阀座的阀座表面的直径由D3表示。这是由能够允许阀中所需的最大流量的可能的最小阀座直径确定的。
[0066]Dl表示通过活塞环42密封到下阀帽8的下活塞16的活塞头40处的直径。D5表示通过密封环43密封到下阀帽的下活塞杆41处的直径。
[0067]当阀处于关闭位置(阀元件17密封抵靠阀座21)并且口 2被处于压力Pl的流体加压时，口 3处的压力被排空(P2=0)，下面的条件式被满足:
[0068](Fnl-PA4) +PA3>P (A2-A1) +Fn2 (方程 I)
[0069]其中
[0070]P-流体的压力；
[0071]Al-JI (Dl / 2)2
[0072]A2-3I (D2 / 2)2
[0073]A3-1i (D3 / 2)2
[0074]A4-3I (D4 / 2)2
[0075]在口 2和3都被加压的情况下，为了使阀保持关闭，必须满足下面的条件式:
[0076](Fnl-PA4+P (A4-A5)) +PA3>P (A2-A1) +Fn2+PA3_PA2 (方程 2)
[0077]其中A5-JI (D5 / 2)2
[0078]在口 3被排空(Pl=O)而口 2被加压的情况下，为了将阀保持在关闭位置，则必须满足下面的条件式:
[0079](Fn I+P (A4-A5)) >PA3 (方程 3)
[0080]在这些情况下，值得注意的是，压力P2作用在下活塞16的下侧以将活塞向上推。这用于将活塞与由下弹簧堆46施加的偏置力隔离开，从而力Fn2不出现在方程3中。
[0081]当通过使用手柄操作的致动器机构50打开阀门并且流体正在流动时(P1=P2且不为零)，下面的方程起作用:
[0082]((Fnl+VtSrl) -PA4+P (A4-A5))〈P (A2-A1) -PA2) + (Fn2-VtSr2) +HF (方程 4)
[0083]其中:
[0084]HF是通过旋转致动器机构的手柄而施加到上活塞15的轴向力(“手柄力”)。
[0085]Vt是活塞元件行进的轴向长度(并且因此也是下盘簧堆46的压缩距离)。该距离是由阀元件17的直径和将球从其座移开所需的以及根据阀门设计实现最大流量所需的行进量确定的。
[0086]Srl是下盘簧堆46的弹簧刚度(spring rate)。
[0087]该刚度应当足够大以提供弹簧恢复力，以通过克服密封摩擦关闭所述阀。
[0088]Sr2是上盘簧堆142的弹簧刚度。
[0089]该刚度越低越好，因为弹簧力必须被致动机构50克服以打开阀。
[0090]图6描绘了根据示例性实施例的对于上述全部四种状况中不同的主要流体压力而言的操作致动机构以打开阀(或进一步打开阀)所需的力。这四种状况使用下列方式标示:术语ρ(ι)表示加压的口，p(o)表示排空的口。可以看到，当第一口和第二口的压力相同时(Pl (I)，P2(l))，操作致动机构所需的力相对低并且随着压力的增加而降低。
[0091]用于生成图6的图表的计算基于示例性的阀，在该阀中:[0092]Dl=4mm, D2=9mm, D3=12mm, D4=12mm, D5=5mm, Fnl=2750, Fn2=948N, Srl=790N / mm,Sr2=431N / mm 以及 Vt=L 95mm.[0093]在口 3被加压而口 2被排空的情况下((P1(1)，P2(0))，在相对低的压力下操作阀所需的力是低的，但它在约4，OOOpsi上方从约760N基本线性地增加至16，OOOpsi压力下的接近6000N。
[0094]在口 3被排空并且口 2被加压的情况下(Pl (O)，P2(l))，所述力线性地增加但在16,OOOpsi的压力下仍保持低于7，000N。
[0095]与阀杆分离的自由阀元件的采用以及流体压力补偿允许所述阀用相对低的力致动，即使是在非常高流体压力的情况下。因此它可用于替代传统的旋转球阀。
[0096]应当理解，本发明可与传统形式的非球形阀元件一起使用。然而，球形形式的阀元件更易于确保自对准。
[0097]相对的弹簧堆用于提供平衡度，但对于高压应用来说，需要用液压平衡来补偿。在某些低压应用中，可能不需要液压补偿并且仅使用弹簧力即可实现平衡。
[0098]可以意识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以对上述设计做出各种修改。例如，活塞可以具有任意适当的形式。此外，在每个活塞和阀元件之间可以存在一个或多个滑动构件，例如细长的销。此外，阀座可以由阀体的内表面而不是由单独的构件限定。此外，密封48和58可以单向密封类型的，使得他们允许在中心孔4中聚积的任何压力都能够泄放到外部环境中。这可能在流体泄漏穿过活塞密封36、43或穿过上阀帽7和下阀帽8上的静密封的情况下发生。单向密封可防止阀体I中的内压力超过用于固定壳体47、57的固定螺钉的安全工作载荷。
[0099]所描述和描绘的实施例应当被认为在实质上是说明性的并且是非限定性的，它应当被理解为仅仅示出和描述了优选的实施例，并且落入由权利要求限定的本发明的范围之内的所有变化和修改都应当被保护。应当理解，尽管说明书中使用的词，例如“优选的”、“优选地”、“优选”或“最优选”建议某个所述特征是理想的，但其这并不是必须的并且缺少该特征的实施例也应当被认为落入由所附权利要求限定的本发明的范围之内。涉及权利要求时，应当认为用在一个特征前面的诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”之类的词语并不意味着将该权利要求限定成仅由一个该特征，除非在权利要求中有明确地相反的认定。当“至少一部分”和/或“一部分”之类的语言被使用时，该术语可包括特征的一部分和/或整体，除非有明确地相反的认定。
【权利要求】
1.一种阀,包括: 壳体，该壳体限定了流体入口、流体出口以及在流体入口与流体出口之间延伸的流体通路； 位于流体通路上的阀腔，该阀腔具有至少一个阀座； 阀元件，该阀元件可在阀腔中沿第一轴线在打开位置和关闭位置之间运动，其中，在打开位置处，阀元件从阀座移开，使得流体入口与流体出口连接，在关闭位置处，阀元件密封抵靠着阀座，从而流体通路被封闭； 具有不相等的载荷的相对的第一和第二偏置元件，其向阀元件施加所产生的偏置力，使阀元件朝向关闭位置偏置； 第一活塞元件，其可在第一孔中相对于所述阀运动并用于沿所述第一轴线在第一方向上移动所述阀元件； 第二活塞元件，其可在第二孔中相对于所述阀元件运动以用于沿所述第一轴线在与第一方向相反的第二方向上移动所述阀兀件； 第一压力补偿通道，其在流体入口和第一孔之间延伸，使得第一活塞元件可由流体入口中的流体压力致动； 第二压力补偿通道，其在流体出口和第二孔之间延伸，使得第二活塞元件可由流体出口中的流体压力致动；和 致动器，该致动器用于使阀元件从关闭位置移动至打开位置。
2.根据权利要求1所述的阀，其中第一活塞将第一孔划分成第一流体腔和第二流体腔，第一流体腔与阀元件的一侧流体连通，第二流体腔与第一压力补偿通道流体连通。
3.根据权利要求1或2所述的阀，其中第二活塞将第二孔划分成第一流体腔和第二流体腔，第二孔的第一流体腔与阀元件的一侧流体连通，第二孔的第二流体腔与第二压力补偿通道流体连通。
4.根据权利要求2或3所述的阀，其中第一活塞被沿第一孔的长度间隔布置的第一密封和第二密封密封在第一孔中，第一压力补偿通道将流体引导至第二流体腔中的介于所述第一密封和第二密封之间的区域。
5.根据权利要求4所述的阀，其中第二活塞被沿第二孔的长度间隔布置的第三密封和第四密封密封在第二孔中，第二压力补偿通道将流体引导至第二孔的第二流体腔中的介于所述第三密封和第四密封之间的区域。
6.根据权利要求4或5所述的阀,其中第一活塞限定了位于第一密封和第二密封之间的至少一个第一压力表面，第二流体腔中的流体可作用在该第一压力表面上。
7.根据权利要求6所述的阀，其中所述至少一个压力表面是环形肩部的形式。
8.根据权利要求6或7所述的阀，其中第一活塞限定了暴露于第一流体腔中的流体的至少一个第二压力表面。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的阀，其中，当阀元件处于打开位置时，第二孔的第一流体腔与流体通道流体连通，使得在流体入口和流体出口之间流动的流体作用在第二压力表面上，以施加与施加到所述至少一个第一压力表面的任何力相反的力。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的阀，其中，第二活塞限定了位于第三密封和第四密封之间的至少一个第一压力表面，第二孔的第二流体腔中的流体可作用在该至少一个第一压力表面上。
11.根据权利要求10所述的阀，其中，第二活塞限定了暴露于第二孔的第一流体腔中的流体的至少一个第二压力表面。
12.根据权利要求11所述的阀，其中，第一流体腔与流体通道流体连通，使得在入口和出口之间流动的流体作用在第二压力表面上，以施加与施加到第二活塞的所述至少一个第一压力表面的任何力相反的力。
13.根据任一前述权利要求所述的阀，其中致动器是将操作手柄的旋转运动转化为输出元件的平移运动的凸轮致动器。
14.根据权利要求13所述的阀，其中，输出元件与第一活塞接触，使得输出元件的运动实现第一活塞的平移。
15.根据任一前述权利要求所述的阀，其中，第一和第二偏置元件是预压缩的弹簧。
16.一种双向二位阀，包括: 壳体，该壳体限定了流体入口、流体出口以及在流体入口与流体出口之间延伸的流体通路； 位于流体通路上的阀腔，该阀腔具有至少一个阀座； 阀元件，该阀元件可在阀腔中沿第一轴线在打开位置和关闭位置之间运动，其中，在打开位置处，阀元件从阀座移开，使得流体入口与流体出口连接，在关闭位置处，阀元件密封抵靠着阀座，从而流体通路被封闭；· 具有不相等的载荷的相对的第一和第二偏置元件，其向阀元件施加所产生的偏置力，使阀元件朝向关闭位置偏置；和 致动器，该致动器用于使阀元件从关闭位置移动至打开位置。
17.根据权利要求16所述的双向二位阀，其中阀元件可沿第一轴线运动。
18.根据权利要求17所述的双向二位阀，还包括第一活塞元件，该第一活塞元件可相对于阀兀件在第一孔中运动并用于沿所述第一轴线在第一方向上移动阀兀件。
19.根据权利要求18所述的双向二位阀，还包括第二活塞元件，该第二活塞元件可相对于阀兀件在第二孔中运动并用于沿所述第一轴线在与第一方向相反的第二方向上移动阀元件。
【文档编号】F16K31/524GK103827563SQ201280041377
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年7月9日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】迈克尔·托马斯·丹尼斯, 李·詹森·哈德曼 申请人:柏佛尔德流体动力有限公司