CN109764147A

CN109764147A - 具有金属阀座的隔膜阀

Info

Publication number: CN109764147A
Application number: CN201811323485.2A
Authority: CN
Inventors: 威廉姆·H·格莱美; 布兰登·W·基皮尔
Original assignee: Swagelok Co
Current assignee: Swagelok Co
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-05-17
Also published as: US20190136996A1; US10774938B2; JP2019086151A; TW201923266A; KR20190053122A

Abstract

一种隔膜阀，包括：阀体，所述阀体限定流体通道；隔膜，所述隔膜与所述阀体组装在一起；以及环形金属阀座，所述环形金属阀座围绕所述流体通道安置在所述阀体上，所述阀座限定倒置浅截头锥形阀座密封表面，以用于在所述隔膜处于关闭位置时抵着所述隔膜进行密封。

Description

具有金属阀座的隔膜阀

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年11月9日提交的美国临时专利申请序列号62/583,731“具有金属阀座的隔膜阀(DIAPHRAGM VALVE WITH METAL SEAT)”的优先权和所有权益，所述美国临时专利申请的全部公开内容以引用的方式完全并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及一种用于隔膜阀的阀座，并且更具体地说，涉及一种用于隔膜阀的金属阀座以及其组成和几何形状，所述金属阀座用于耐受高温和腐蚀性材料。

背景技术

隔膜阀通常是已知的并且包括阀装置，其中隔膜抵着环形阀座进行密封，由此阻止流体流过阀。由此，阀座用来通过与隔膜接合来密封入口或出口通道。隔膜可以由金属或非金属材料制成。

与金属隔膜一起使用的典型阀座由例如聚氯三氟乙烯(PCTFE)或聚酰亚胺的塑料基材料设计而成。然而，非金属阀座具有的性质在经受额定使用参数之外的环境因素(例如高温或低温范围或暴露于高腐蚀性或化学不相容的流体)时改变。在这种侵蚀性应用中，已经使用了金属阀座，然而，这种已知的全金属阀的性能要求通常不匹配基于塑料的阀座的性能。举例来说，具有金属阀座的阀可能会表现出更高的泄漏率、可操作循环次数的减少或所需致动力的增大。减少额定循环次数是一个缺点，并且这种缺点对于在高温下操作或调节腐蚀性材料的系统来说甚至更大，因为更换成本可能很高。这是因为阀经常用于控制此类材料的流速，因此需要定期地大大增大所需的循环次数。

发明内容

根据本申请的示例性实施方案，一种隔膜阀包括：阀体，所述阀体限定流体通道；隔膜，所述隔膜与所述阀体组装在一起；以及环形金属阀座，所述环形金属阀座围绕所述流体通道安置在所述阀体上，所述阀座限定窄的倒置浅截头锥形阀座密封表面，以用于在所述隔膜处于关闭位置时抵着所述隔膜进行密封。

附图说明

在并入到本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图中，说明了本发明的实施方案，所述附图与上文给出的本发明的一般描述和下文给出的详细描述一起用于说明本发明的原理。

图1是根据本申请的示例性实施方案的隔膜阀的局部横截面图；

图2是图1的隔膜阀的阀座和隔膜密封凸缘的放大的横截面局部视图；

图3是根据本申请的另一示例性实施方案的隔膜阀的局部横截面图；并且

图4是图3的隔膜阀的阀座芯(valve seat cartridge)的放大的横截面图。

具体实施方式

虽然本发明的各种发明方面、概念和特征可能在本文中描述和说明为在示例性实施方案中以组合方式体现，但这些各种方面、概念和特征可以在许多替代实施方案中单独地或以各种组合和其子组合使用。除非在本文中明确排除，否则所有这些组合和子组合旨在处于本发明的范围内。更进一步，尽管可能在本文中描述关于本发明的各种方面、概念和特征的各种替代实施方案(例如替代材料、结构、配置、方法、电路、装置和部件、关于形式、适配和功能的替代方案等等)，但此类描述并不旨在是可用替代实施方案的完整或详尽的列表，无论是目前已知的还是以后开发的。本领域技术人员可以容易地将一个或多个发明方面、概念或特征用到本发明范围内的额外实施方案和用途中，即使这些实施方案未在本文中明确公开。另外，即使本发明的一些特征、概念或方面可能在本文中描述为优选的布置或方法，但此类描述并不旨在暗示此类特征是必需的或必要的，除非另有明确说明。更进一步地，可以包括示例性或代表性的值和范围以帮助理解本公开，然而，此类值和范围不应以限制意义加以解释，并且仅在如此明确陈述的情况下才旨在是关键值或范围。除非另有明确陈述，否则标识为“近似”或“约”指定值的参数旨在包括所述指定值和指定值的10％以内的值。另外，应理解，伴随本申请的附图可以但非必须按比例绘制，并且因此可以理解为教导附图中显而易见的各种比率和比例。此外，虽然各种方面、特征和概念在本文中可以明确地标识为具有创造性或形成本发明的一部分，但此类标识不旨在是排他性的，而是可以存在本文中充分描述但未明确地如此标识或标识为特定发明的部分的创造性方面、概念和特征，本发明实际上在所附权利要求中阐述。示例性方法或过程的描述不限于在所有情况下都需要包括所有步骤或呈现步骤的次序应解释为所需或必要的，除非明确如此陈述。

参考图1，根据本申请的某些方面，示例性隔膜阀10包括阀体11、隔膜16和致动器18。阀体11包括第一(例如，入口)通道12、第二(例如，出口)通道14和围绕第一通道的阀座40。为了广泛公开的目的未详细示出的致动器18包括按钮19，所述按钮可操作以使隔膜16从与阀座40隔开的打开位置(使得准许流体从入口通道12经由阀座40流到出口通道14)移动到关闭位置，在关闭位置中，隔膜抵着阀座40密封以阻止从入口通道到出口通道的流动。致动器18可以被提供为各种合适的致动器中的任一者，包括例如手动致动器(例如，可旋转手柄)、气动致动器和电致动器。本文涵盖的隔膜阀的在本申请中未进一步论述的这些和其它一般方面并不涉及本申请所涵盖的发明方面。

图2示出了包括阀座40的阀体11的上部部分的特写图。如图所示，示例性阀座40与阀体11成一体(例如，焊接至阀体或与阀体整体地形成)，使得阀座由与阀体的其余部分相同的材料形成(例如，Inconel 625、316不锈钢)。阀座40包括限定第一通道12并且轴向地(沿阀座中心轴线X)延伸到上密封表面45的环形壁部分41，当致动器18将隔膜移动到关闭位置时，隔膜16抵着所述上密封表面密封。如图所示，环形壁41的最上部分可包括延伸到密封表面45的内径的向外渐缩的内表面42(从第一通道12延伸)和/或延伸到密封表面的外径的向内渐缩的外表面43。虽然根据本申请的示例性方面，阀座密封表面可以按各种形状、大小和轮廓(例如，环形胎圈、环形刀刃或扁平环形环)提供，但密封表面可以提供为窄的倒置浅截头锥形表面，成角度以基本匹配致动器按钮19的凸形表面19a，所述凸形表面与密封表面45径向地对准或正交于隔膜16的抵着密封表面45密封的部分，以例如当隔膜处于关闭位置时，提供阀座密封表面45的整个径向宽度与隔膜16之间的接触。

根据本申请的一个方面，窄截头锥形带状密封表面的大小可以设定得足够窄以最小化关闭所需的致动器闭合力，同时提供足够的宽度以限制在关闭期间的阀座变形并且考虑到密封表面的小凹坑或其它缺陷。例如，与圆环形“胎圈”密封表面(其中集中在初始线接触密封表面上的闭合力可能会产生可能影响阀座密封性能的整体塑性变形(例如孪晶、不连续屈服效应、晶粒各向异性(即，使得个别晶粒在变形负载下的变形不同于其相邻者的晶粒定向)以及变形引起的表面粗糙化(通常称为“桔皮”效应))相比，这种受控的密封表面可以提供增强的密封性能。在示例性实施方案中，如图2的放大视图所示，所说明的阀座密封表面45的宽度l约为0.007英寸(例如，0.005到0.010英寸)，以相对于水平面(即，垂直于阀座25的中心轴线X的平面)约3°(例如，2.5°至3.5°)或相对于阀座中心轴线约87°(例如，86.5°至87.5°)的角度α安置。已确定密封表面的这种尺寸能实现的两个表面之间的接触宽度足够大以形成大于与制造的金属表面相关联的典型不规则处的长度的密封(紧密接触)宽度，同时足够小以使在配合金属表面之间产生紧密接触所需的所施加密封负载最小化。

隔膜16的周边边缘可以按各种方式密封到阀体11。在示例性实施方案中，凸起的凸缘30围绕主体25的上端沿周向延伸并且环绕出口通道14和入口通道12。凸缘30的外表面32可以基于整个设备设计和配置而从端表面31径向向外倾斜(例如，以约43°与约47°之间的角度)或以任何合适的角度。

隔膜16保持抵靠凸缘30的顶部平坦表面30a。隔膜可以设置有凸起的中心区段和大致平坦的径向地延伸的周边边缘区段，以例如适应与凸缘平坦表面的密封接合。致动器18的基部或阀盖部分26可以包括成型的下周边表面，所述下周边表面包括由圆柱形壁28围绕的平坦部27。当阀盖26与阀体11组装在一起(例如，由阀盖螺母23紧固，见图1)时，平坦部27将隔膜16的顶表面夹紧在凸缘端表面31上，如图所示。圆柱形壁28使隔膜的外周边部分向下偏转并且弯曲，从而形成抵着凸缘外壁32的密封接合。在美国专利号6,092,550(“'550专利”)中更详细地描述了示例性隔膜压接装置，所述美国专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。隔膜16可以但不必由上部支撑隔膜15和垫圈17支撑，如图1所示。

根据本申请的另一个方面，凸缘30的端表面31可以从阀座密封表面45凹进，以例如通过限制隔膜16在阀循环期间的行程或挠曲来延长阀循环寿命。在示例性实施方案中，凸缘端表面31从阀座密封表面45凹进或偏移约0.007英寸(例如，在0.007与0.008英寸之间)的距离h。

在其它实施方案中，金属阀座(例如，具有上述密封表面的金属阀座)可以铆合至阀体中，以例如提供具有与阀体不同的材料特性的阀座(例如，硬度或其它密封表面条件)。在所需阀座材料是比阀体材料更昂贵的材料或者所需阀座材料较难以加工的情况下，这可以提供更具成本效益的选择。在一个示例中，阀体可以由316不锈钢提供，并且阀座插入件可以由Inconel 625提供。示例性铆合金属阀座插入件布置描述于美国专利申请公开号2007/0045587(“'587申请”)中，所述美国专利申请公开的全部公开内容以引用的方式并入本文中。在此类实施方案中，收纳铆合的阀座插入件所需的额外阀体材料可以相对于阀座的大小限制入口通道的大小。举例来说，在示例性实施方案中，具有阀座内径为约0.207英寸的铆合金属阀座插入件的阀可以限制为约0.156英寸的入口通道直径，而阀座内径为约0.207英寸的一体式阀座可以允许入口通道直径为约0.200英寸。

在其它实施方案中，隔膜阀可以设置有可移除的阀座芯，所述阀座芯包括金属阀座和隔膜密封表面，以例如能够更换或维护阀座或者更换隔膜和/或隔膜密封表面。图3说明了示例性隔膜阀100，所述隔膜阀包括安装在阀体110中并且通过安装在阀体110与致动器118之间的螺母160保持在阀体中的可移除式阀座芯105。阀座芯105包括形成为盘状部件的阀座托架主体120，所述阀座托架主体具有外轮缘121，所述外轮缘环绕托架主体120中的第一(例如，入口)端口122和第二(例如，出口)端口124。外轮缘121存在具有用于抵着隔膜116密封的第一上表面131的上凸缘130和具有第二下表面136的下凸缘135，所述下表面背对第一表面131并且形成抵着阀体110密封的面。尽管可以利用任何隔膜-阀座托架主体密封布置，但在示例性实施方案中，隔膜116包括可以沿着焊缝W焊接到外轮缘111的第一表面113的周边边缘部分116a，和/或可以通过螺母160抵着外轮缘夹紧。在美国专利申请公开号2014/0217321(“'321申请”)中描述了包括焊接到阀座托架主体的隔膜的阀座芯，所述美国专利申请公开的全部公开内容以引用的方式并入本文中。

阀座托架主体120还包括腹板127，所述腹板从外轮缘121径向向内延伸到限定第一(例如，入口)端口122的中心阀座密封部分，其中腹板部分限定一个或多个第二(例如，出口)端口124。与'321申请的阀座芯类似，阀座托架主体120可以设置有多个出口端口124，以例如提供通过阀的增大的流量，而不管阀座芯105在阀体110中的定向如何。腹板127可以大致平坦或扁平，并且可以具有小于外轮缘121的轴向高度的厚度。当阀座芯105安装在阀腔中时，第一端口122可以与阀体的入口通道112同轴地对准。腹板127可以在安装时提供阀座托架主体的挠曲，以例如便于与阀体的密封接合，如在上文所并入的'321申请中所描述。

阀座芯105的上侧包括与第一端口122同轴并且围绕所述第一端口的阀座140。如图所示，阀座140可以与阀座托架主体120(例如，316不锈钢、InconeM 625或其它金属材料)成一体(例如，焊接到阀座托架主体或与阀座托架主体整体地形成)，并且可以包括阀座密封表面145，所述阀座密封表面的尺寸可以但不必类似于图1和2中用于在操作致动器以将隔膜移动到关闭位置时与隔膜116密封接合的隔膜阀10的阀座40。或者，阀座可以与阀座托架主体组装在一起(例如，铆合到阀座托架主体)。

阀座芯105的下侧包括与第一端口122同轴并且围绕第一端口的主体端口密封件150。主体端口密封件150也可以与阀座托架主体120成一体(例如，焊接至阀座托架主体或与阀座托架主体整体地形成)，并且可以与阀座托架主体组装在一起(例如，铆合至阀座托架主体)。主体端口密封件150包括密封表面155，所述密封表面可以设置有各种合适的形状、大小和轮廓(例如，环形胎圈、环形刀刃或扁平环形环)中的任一者，用于抵着围绕阀体的入口通道的阀体的环形上表面密封地接合。作为静态密封，维持直到阀座芯105从阀100移除，主体端口密封件可被配置成在安装和/或阀组装期间可变形成与阀体110密封接合。

在其它实施方案(未示出)中，阀座和阀体端口密封件中的任一者或两者可以作为单独的金属插入件提供，所述金属插入件可以铆合至阀座托架主体中，例如，类似于上文并入的'587申请中的铆合的金属阀座插入件。

本发明的示例性方面可以用于采用塑料阀座的其它阀组件，其中塑料阀座可以由硬化金属阀座替换，包括例如美国专利号5,215,286(所述美国专利的全文以引用的方式并入本文中)中公开的可移除式塑料阀座布置以及上文并入的'550专利和'321申请的塑料阀座布置。

尽管已经关于某些示例性实施方案公开和描述了本发明，但本领域技术人员在阅读本说明书后可以想到某些变化和修改。尽管所附权利要求及其等效物具有限定的限制，但任何此类变化和修改都在本发明的范围内。因此，在不脱离申请人的一般发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离此类细节。

Claims

1.一种隔膜阀，所述隔膜阀包括：

阀体，所述阀体限定流体通道；

隔膜，所述隔膜用于密封所述流体通道；以及

环形金属阀座，所述环形金属阀座围绕所述流体通道安置在所述阀体上，并且限定倒置截头锥形阀座密封表面，以用于在所述隔膜处于关闭位置时抵着所述隔膜进行密封。

2.如权利要求1所述的隔膜阀，其中所述阀座与所述阀体成一体。

3.如权利要求1所述的隔膜阀，其中所述阀座与所述阀体整体地形成。

4.如权利要求1所述的隔膜阀，其中所述阀座与所述阀体组装在一起。

5.如权利要求4所述的隔膜阀，其中所述阀座被铆合到所述阀体中。

6.如权利要求4所述的隔膜阀，所述隔膜阀还包括可从所述阀体移除的阀座芯，所述阀座安置在所述阀座芯的上表面上。

7.如权利要求6所述的隔膜阀，其中所述阀座与所述阀座芯成一体。

8.如权利要求6所述的隔膜阀，其中所述阀座与所述阀座芯整体地形成。

9.如权利要求6所述的隔膜阀，其中所述阀座与所述阀座芯组装在一起。

10.如权利要求6所述的隔膜阀，其中所述阀座被铆合到所述阀座芯中。

11.如权利要求6到10中任一项所述的隔膜阀，其中所述阀座芯包括环形主体端口密封件，所述环形主体端口密封件安置在所述阀座芯的与所述上表面相对的下表面上，所述主体端口密封件被紧固成与所述阀体的环形上表面密封地接合，从而围绕所述流体通道。

12.如权利要求11所述的隔膜阀，其中所述主体端口密封件与所述阀座芯成一体。

13.如权利要求11所述的隔膜阀，其中所述主体端口密封件与所述阀座芯整体地形成。

14.如权利要求11所述的隔膜阀，其中所述主体端口密封件与所述阀座芯组装在一起。

15.如权利要求11所述的隔膜阀，其中所述主体端口密封件被铆合到所述阀座芯中。

16.如权利要求1到15中任一项所述的隔膜阀，其中所述阀座密封表面具有约0.007英寸的宽度。

17.如权利要求1到16中任一项所述的隔膜阀，其中所述阀座密封表面相对于所述阀座的中心轴线以约87°的角度安置。

18.如权利要求1到17中任一项所述的隔膜阀，其中所述阀体的上表面包括环形凸缘，所述环形凸缘具有端表面，所述隔膜的外周边与所述端表面相抵地紧固。

19.如权利要求18所述的隔膜阀，其中所述环形凸缘的所述端表面从所述阀座密封表面凹进。

20.如权利要求18所述的隔膜阀，其中所述环形凸缘的所述端表面从所述阀座密封表面凹进约0.007英寸。

21.如权利要求18到20中任一项所述的隔膜阀，其中所述隔膜的所述外周边被焊接到所述环形凸缘。

22.如权利要求1到21中任一项所述的隔膜阀，其中当所述隔膜处于所述关闭位置时，所述隔膜接触所述阀座密封表面的整个径向宽度。

23.如权利要求1到22中任一项所述的隔膜阀，其中所述阀座包括环形壁部分，所述环形壁部分限定第一通道并且沿着所述阀座的中心轴线轴向地延伸到所述阀座密封表面，其中所述环形壁的最上部分包括从所述流体通道延伸到所述阀座密封表面的内径的向外渐缩的内表面和延伸到所述阀座密封表面的外径的向内渐缩的外表面。

24.如权利要求1到23中任一项所述的隔膜阀，所述隔膜阀还包括致动器，所述致动器包括组装到所述阀体的阀盖部分和致动器按钮，所述致动器按钮接合所述隔膜并且可操作以将所述隔膜移动到所述关闭位置。

25.如权利要求24所述的隔膜阀，其中所述致动器按钮包括凸形隔膜接合表面，其中所述凸形隔膜接合表面的与所述阀座密封表面对准的部分以与所述截头锥形密封表面的角度基本匹配的角度安置。

26.如权利要求1到25中任一项所述的隔膜阀，其中所述阀座包括不锈钢、316不锈钢和Inconel 625中的一者。

27.一种用于隔膜阀的密封装置，所述密封装置包括：

环形金属阀座，所述环形金属阀座限定中心流体通道和倒置截头锥形阀座密封表面；

隔膜，所述隔膜邻近于所述环形金属阀座；以及

致动器，所述致动器包括按钮，所述按钮可操作以将所述隔膜从与所述阀座间隔开的打开位置移动到关闭位置，在所述关闭位置，所述隔膜抵着所述阀座密封表面进行密封；

其中所述倒置截头锥形阀座密封表面成角度以基本匹配所述致动器按钮的与所述阀座密封表面径向地对准的凸形表面，以在所述隔膜处于所述关闭状态时提供所述阀座密封表面的整个径向宽度与所述隔膜之间的接触。