隔离和控制流体流动的装置及方法

专利名称:隔离和控制流体流动的装置及方法
本申请是于1984年11月28日申请的题为“流体控制阀及方法”、申请号为675825美国专利申请的部分后继申请，而上述美国专利申请又是于1982年7月16日申请的题为“限流阀”、申请号为398845美国专利申请的部分后继申请。
受压流体通常是采用阀门来进行控制的，该阀门包括一个阀座和一个配合部件，两者之间的相对位置是可控的。然而，配合部件相对于阀座的位置通常是借助于围绕在伸出阀门的可动部件上某一部分的滑动或旋转密封件，由阀的外部来予以控制的。
人们知道，对于控制有毒加压流体的阀门来说，可依赖外部施加的磁场来控制内部阀门部件的动作，从而避免滑动或旋转密封件。在有关文献上，已经披露了各种类型的磁动式阀门(例如参见美国专利3783887，4331171，4382449，4114852，1132570，3877478，3774878，3212751，4506701，4350182，4349042，4018419，它们被利用在上面所述的相关申请中)。
根据本发明的最佳实施例，可以由阀体外部某一位置以磁的方式来控制单动作和双动作阀门部件，在不至于损坏流体系统和外界环境之间的滑动或旋转密封件的情况下，实现对流体流动的控制和对流体系统的隔离。采用如本发明所述的阀门装置和方法，只需要简单地控制施加到内部磁响应阀门部件上的外部磁场的强度和方向，就可以方便地控制加压的流体。如本发明的一种实施例所述的单动作阀可以用作压力增强型的常闭阀，经磁力驱动，它能够让来自流体源的流体向下游方向流过。如本发明的另一种实施例所述的双动作阀可以用作压力增强型的隔离阀，它阻止在两个方向上的流体流动，例如，在过量背压条件下，直到由一个外部控制磁场来驱动。
附图1是本发明一种实施例所述的圆柱形阀门的剖视图，该阀门工作在常闭状态下。
附图2是如附图1所示实施例的剖视图，它显示阀门处于被驱动状态或开启模式下，以便让加压流体流过。
附图3是和附图1所示实施例相类似的本发明另一实施例的剖视图，该阀门工作在常闭状态下，对两个方向的流体流动提供密封。
附图4是如附图3所示实施例的一个剖视图，它显示阀门处于被驱动状态或开启模式下，以便让加压流体流过。
附图5a和5b是如附图3所示阀门实施例的剖视图，其中孔壁为倾斜的，以便确立可能使阀门开启的流体压力的不同限制。
参照附图1，它显示了一个基本上呈圆柱形的阀门的横截面视图，阀门具有金属阀体9，该阀体包括与之连成一体的流体通道11和13。另一方面，也可以采用电子束焊接技术或者类似的方法将流体通道11和13焊到阀体9上，从而消除螺纹、法兰和其它断裂以及由此而可能产生的泄漏。流体通道11和13分别与内部通道15、17相连，它们通过一个孔19彼此相连。流过阀门的流体流量是由围绕孔19的密封面21与可动部件25所携带的一个弹性阀门密封件23之间的间隙或接合来控制的。部件25基本上为一圆柱形，用于在通道15中实现滑动运动，其运动的方向使得所携带的阀门密封件23和孔19的密封面21形成密封接合或者脱离密封接合。部件25包括一个内部密封的细长圆柱形腔室27，其中装有一个基本上为圆柱形的磁体29，该磁体可以自由地在腔室27内由一端滑到另一端。
另一个磁体31可以被封装在置于流体通道17中的端帽33中。磁体31被放在非常接近于孔19的位置上，其极性方向是和磁体29相互吸引。可以采用电子束焊接技术或者类似技术将端帽33焊接到阀体9的下端，将端板35焊接到阀体9的上端，以便避免形成可能产生泄漏的接口。这样，阀体9和与之相连的部件11、13、33和35都可以用能够进行电子束焊接或其它密封防漏的不锈钢、铝、塑料或其它适合的非磁性材料制成。
由于磁体29和31之间的磁性吸引力使得弹性密封件23或部件25和围绕孔19的阀体9上的密封面21形成密封接合，因此如附图1所示的阀门以常闭方式进行工作。密封件23可以由全氟弹性体(市面有售，商业名称为Kalrez，由杜邦公司生产)或者其它适合的化学惰性材料做成薄片，并且可以通过冷轧一个如图所示的伸向薄片23的凸缘37将薄片23压在或封装在部件25的端部。通过将加压流体经流体通道11送到通道15，在密封件23和密封面21之间形成的流体密封由于通道15和17之间的压差作用在孔19的横切面上而得到加强。为了开启阀门，让流体流过，就必须克服这一由压力加强的密封力和磁性吸引密封力。
参照附图2，它显示了如附图1所示的阀门实施例在一个外部磁力驱动器39的控制下处于开启位置。磁体39提供控制磁通量并且被封装在一个可由人来按压的按钮41之中。该按钮被圆柱形导管43限制在阀体9的外侧，并且在予压弹簧45的作用下被压制到如附图1所示的顶部或非驱动位置上。所示的磁体39一般大于磁体29，但是应该理解的是由磁体39所产生的磁通量要足以将磁体29由它在空腔27中非常接近磁体31的低位(也就是密封孔19)拉到在空腔27中非常接近磁体39的高位上。在这一高位上，携带密封件23的部件25被向上抬起，离开密封面21，将孔19开启以便让流体通过孔流过。另外，当磁体29位于这一高位时，它对磁体31的吸引力大大减小，只要磁体39被置于靠近端板35的位置上，它就能对阀门操作保持控制。通过将导管43向内伸出的凸缘47与接近按钮41顶部的肩台49扣合在一起，可以将携带磁体39的按钮“锁”在这一控制位置上。当然，应该知道也可以采用不同于装在按钮41中的磁体39的其它方式来控制阀门。例如，可以人们所熟知的方式将一个电磁体安装在阀体上，在电的控制下有选择性地建立所需的吸引磁场。类似地，也可以人们所熟知的方式将一个由空气来推动的活塞装到阀体9和磁体39上，在气压控制下有选择地将磁体置于接近端板35的位置上。这样，通过以磁的方式将可作相对运动的密封部件吸引到密封接合位置，并且通过将一个由密封部件所携带的可动磁体从它的密封接合位置(利用它的靠近予置磁铁的吸引力)变到接近一个有吸引力的控制磁体并与予置磁体相分离的另一位置，就可以从外部来控制流过本发明这种阀门实施例的流体。
在本发明的某些流体控制应用中，很重要的是确保阀门输出侧的背压不至于克服由磁力加强和压力加强的密封，否则就会使得流体反向流过阀门。在这样的应用情况下，根据如附图3所示的本发明的另一种实施例，对阀孔19的输入侧和输出侧都予以密封是有好处的。在这一附图中，与附图1中所示的类似部件具有相同的附图标号。请注意，在如附图3所示的实施例中，磁体32(用于将部件25所携带的磁体29吸引到密封接合位置)本身被封装在一个可以运动的密封部件34中，该部件包含一个弹性密封块24。因此，在磁体29和32置于相互吸引的极性方向并且分别由各自的密封部件25和34携带的情况下，用与环形上表面21接合的密封件23和与环形下表面22接合的密封件24，从孔的两侧将孔19密封。这些由磁力增强的密封又进一步被通道15中的纯流体压力或通道17中的纯流体压力加强(通道15中的纯压力加强21和23之间的密封，通道17中的纯压力加强22和24之间的密封)，因而保证了接到孔19两侧的流体入口和通道之间的完全隔离。另一个磁体38(如图所示，该磁体较小，以表示它用来产生相对来说较低的磁通量)被封装在端帽36之中，处于和磁体32相互吸引的极性方向，端帽36以上面说过的方式焊接在阀体9上，以消除接头和由此而可能产生的泄漏。具有较小磁通量的磁体38不可能克服磁体29和32之间使得密封件予置闭合的吸引力，因此，该阀门仍如上所述的那样工作在常闭状态。
参照附图4，它显示了如附图3中所述本发明的阀门被驱动到开启孔19的状态。具体地说，磁体29和39之间的磁性吸引力(当通过驱动按钮41将磁体39置于贴近端板35的位置时)将磁体229置于腔室27的上端位置，使得部件25和密封件23与密封表面21脱离密封接合。磁体29与磁体32的脱离位置大大减小了它们之间的吸引力，而磁体32受到朝向磁体38的更大纯吸引力的吸引。携带磁体32和密封件24的部件34因而以滑动方式改变其位置，靠近磁体38，使得密封件24和密封表面22之间脱离密封接合。
如图所示，在磁体39所产生的磁通的控制之下，该阀门持续工作在开启模式。一旦磁体39被重新置于远离端板35的位置(或者减小一个起相同作用的电磁体的磁通量)，磁体29和32之间的纯吸引力就重新恢复，使得磁体29被重新置于空腔27中靠近孔19的位置，相应的部件25、34和密封件23、24重新和孔19的两个密封表面21、23形成密封接合。磁体38和32之间的吸引力减小并且被磁体29与32之间的吸引力所克服，从而使得阀门恢复到如附图3所示的常闭工作状态。这样，通过将装在阀孔两侧的由可动密封部件所携带的磁体从其与孔形成密封接合的相应位置移到它们的相应密封部件与孔脱离密封接合并且靠近另外的相应吸引磁体的位置，就对流过本发明这一实施例阀门的流体提供了进一步的控制。
应该注意的是，为了防止在所供流体超压的情况下使得阀门开启，本发明的阀门考虑了一个安全余量。如上所述的防止流体流动的压力增强密封和一定限度的用于从内部驱动部件25和34的磁力确定了一个使得阀门不至于开启的最大压力。如果这种阀门就装在一个系统(通常在半导体制造系统)中的玻璃或石英容器的上游位置上，而这样的容器又可能被过大的流体压力破坏或损坏，这一点特别重要。因此，与可以通过手动操作或对阀门提供足够的空气压力或电磁力使之强制开启的一般阀门不同，在流体过压的情况下，本发明阀门的动作将不受草率施加的企图强制开启阀门的外界力的影响，向下更使劲地压按钮也不会提供比磁体29和39所能提供的磁性吸引力更大的阀门开启力。由这些磁体所提供的力因而仅仅能够克服一定限度的作用在阀孔有效面积上的流体压力。在孔较大而磁体29和39不变的情况下，则仅仅只能克服较低供给压力，将阀门开启。参见附图5a和5b，它给出了如附图3、4所示阀门的另一种实施例的剖视图，其中孔19的侧壁是倾斜的，因此，输入压力和输出压力(或者说是背压)所作用的阀门密封面21和22具有不同的面积。根据本发明的这一特点该阀门可以设计得在输入侧防止在较高供给压力下将阀门开启，与此同时在输出侧仅仅防止在较低的输出压力或背压下将阀门开启。
因此，如同本发明所述的流体流动的隔离和控制装置及方法提供了一种可靠的常闭操作，它可以磁的方式由外部进行控制，而不需要有阀门内部通道和外部环境之间的滑动密封件或波纹管。另外，根据本发明，通过在一个单独磁通源的单一控制下，在阀孔的两侧提供双向作用的密封部件，能够有效地防止流体反向流过阀门。
权利要求
1.用于控制受压流体流动的装置，包括一个壳体，其中具有一个第一流体通道和一个第二流体通道，在上述第一和第二流体通道之间有一个孔。一个安装在第一流体通道中的部件，它用于有选择性地和上述孔相接合或脱离接合，以便有选择性地和上述孔形成流体密封，上述部件中包括一个长形空腔，其长度方向与上述部件的运动方向基本上排成一条直线。一个以能够滑动的方式装在上述空腔之内的第一磁体，它能够在靠近上述孔的第一位置和远离孔的第二位置之间运动。一个装在上述第二通道中的第二磁体，它通过磁的方式促使上述第一磁体位于上述第一位置并且促使上述部件和上述孔形成接合。装在上述第一和第二通道外面的磁体部件，用以磁的方式有选择性地驱动上述第一磁体，在上述空腔中滑到上述第二位置并且促进上述部件与上述孔脱离接合。
2.如权利要求
1所述的装置，其特征在于所述的磁体部件包括一个位于所述第一和第二通道外部的第三磁体，它被有选择性地置于靠近所述部件和远离所述部件的位置上，其方向是与第一磁体相互吸引，上述第三磁体所具有的磁通强度在第三磁体被置于靠近所述部件的位置时将上述第一磁体吸引到第二位置并使上述部件与上述孔脱离密封接合。
3.如权利要求
1所述的装置，其特征在于所述第二磁体由一个具有密封件的辅助部件携带，该辅助部件装在所述的第二流体通道之内，用于有选择性地运动到与所述孔形成接合和脱离接合，以便有选择性地与上述孔形成流体密封，所述第二磁体和辅助部件被弹性地促使与所述孔脱离接合，而所述第二磁体和第一磁体在所述第一位置上有足够的磁性吸力来确保所述部件和辅助部件都和上述孔形成流体密封接合。
4.如权利要求
3所述的装置，其特征在于该装置还包括一个放在靠近所述第二磁体位置上的第四磁体，它用于以磁的方式促使第二磁体和携带该第二磁体的上述辅助部件在使得该辅助部件和所述孔脱离接合的方向上运动，当所述第一磁体位于所述第二位置时，第四磁体具有足能的磁性吸引力促使辅助部件及携带的第二磁体脱离与上述孔之间的密封接合，当第一磁体位于所述第一位置时，第四磁体没有足能的磁性吸引力来克服第一磁体和第二磁体之间的吸引力。
5.用于控制流体流过位于一个刚性壳体之中的第一和第二通道之间的可相对运动密封件的方法，包括以运动的方式控制壳体中一个密封件相对于另一个密封件的位置，以便在它们之间有选择性形成密封接合。提供一个磁场源，它能够被有选择地置于上述一个密封件的不同位置，这些位置相间隔的方向基本上和上述密封件的运动方向成一直线。将一个辅助磁场源置于相对于上述密封件的位置上，用于在上述磁场置于靠近上述辅助磁场源的位置时，与磁场源相互作用，促使密封件之间形成密封接合。提供一个磁场，其强度和磁性方向将上述磁场源置于远离上述辅助磁场源的位置，以便减小它们之间的相互作用并且促使上述密封件脱离密封接合。
6.如权利要求
5所述的方法，其特征在于在置放一个辅助磁场源的步骤中，包括以可以滑动的方式来安装带有辅助密封件的辅助磁场源，用于有选择性地和上述孔形成密封接合，并且包括以弹性方式促使带有辅助密封件的辅助磁场源脱离密封接合。当上述磁场源位于靠近上述孔的位置时，上述磁场源和辅助磁场源之间的磁性吸引力克服弹性，促使将上述部件和上述辅助部件吸引到和上述孔分别形成密封接合。
7.如权利要求
3所述的装置，其特征在于其中所述孔朝着所述第二流体通道向外倾斜，以便在第二流体通道中形成大于第一流体通道中的横断面。
专利摘要
本发明提供了控制流体流动的装置和方法。通过使用一个磁通的控制源，可以从外部来操纵位于一个刚性阀体之内的可用磁力定位的部件。将内部磁性元件预置于常闭密封接合状态的相对吸引力本质上是由根据控制磁通重新确定磁体的位置来改变的。采用以统一的方式响应于控制磁通的内部双向作用密封件。本装置在纯输出正压力条件下本身就具有防止流体反向流过阀的完全密封或隔离性能。
文档编号F15BGK87101604SQ87101604
公开日1987年9月2日 申请日期1987年2月4日
发明者保罗·G·艾兹莫 申请人:保罗·G·艾兹莫导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan