一种基于阀芯形变的阀门及管路的制作方法

本公开涉及管路元件领域，特别涉及一种基于阀芯形变的阀门及管路。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

在阀门的设计加工和运行过程中，存在着较多的相互矛盾的问题，例如：选择较软的材料，可以提高贴合性，有利于提高密封性，但现有阀芯阀座一维压缩的外负荷受力方式易使柔软材料损坏，破坏密封性，普通柔性材料也不耐高温高压；选择硬质材料，密封面不易变形，需要精密加工，才能提高贴合性，保证密封性，制造成本高，维护成本高。较大的密封面接触压力，可以提高密封性，但同时也会对密封面造成塑性破坏，使密封性下降，较小的流通面积可以减小密封面长度，提高密封性，但也会增加流动阻力，增加密封面的磨损。流体的冲刷和流体中的杂质，也会对密封面造成破坏，影响阀门寿命，增加了运行维护成本。

发明人发现，对于一些要求严格、运行条件苛刻的场合，为进一步提高阀杆的密封性能，在已有填料密封的基础上，又新增加了波纹管密封结构，可以很好地解决阀门的外密封问题，不锈钢波纹管密封存在造价高、占用空间大、结构复杂等问题，阀门内密封的问题仍然存在；现有的阀门，其密封方式是通过使配合的两个密封面接触压紧变形贴合，以阻止流体通过的方式实现密封，由于密封的方式方法存在问题，导致阀门的可靠性较低，在使用过程中，难以避免跑冒滴漏问题，运行维护成本高，存在安全和环保隐患。

技术实现要素：

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于阀芯形变的阀门及管路，通过采用可变刚度可涨缩变形的空间三维阀芯与刚度相对较大的阀体内腔所形成的空间三维阀座实现阀芯阀座之间三维压缩接触的方式实现阀门的密封性和开关动作。将现有阀门的阀芯阀座之间的一维相互作用力改为三维相互压力，具有密封性好，开关灵活省力，零部件受力条件好，制造成本低，自增压密封，可靠性高，寿命长等特点。

本公开的第一目的是提供一种基于阀芯形变的阀门，采用以下技术方案：

包括带有内腔的阀体，内腔内设有内部填充有介质的内胎，阀体上设有连通内腔的进口和出口，内胎在介质作用下膨胀并贴合内腔内壁阻隔进口和出口，或内胎收缩使进口和出口通过内腔连通。

进一步地，所述介质在驱动机构作用下使内胎逐渐膨胀或逐渐收缩，用于逐渐贴合覆盖内腔内壁或逐渐脱离内腔内壁。

进一步地，所述驱动机构为驱动件，驱动件与阀体配合，驱动件一端位于内胎内部，驱动件用于在外力作用下改变其位于内胎内部的体积；

或，驱动机构为介质供应机构，连通内胎内部，用于向内胎内输送或从内胎内抽出介质。

进一步地，所述内胎在阻隔进口和出口时，内胎围绕贴合在进口和出口周围的内腔内壁上。

进一步地，所述内胎一端与内腔内壁连接形成固定端，内胎在介质作用下沿固定端到另一端的方向逐渐贴合内腔内壁。

进一步地，所述介质为具有流动性的液体、气体或粉末固体；优选为石墨粉。

进一步地，所述内胎与内腔内壁之间设有对应进口和/或出口的封堵件，封堵件随内胎的动作封堵或打开对应的进口和/或出口。

进一步地，所述内胎为弹性结构，在介质作用下发生弹性形变。

进一步地，所述进口和出口正对设置，分别布置在阀体的两侧。

本公开的第二目的是提供一种管路，管路上安装有如上所述的基于阀芯形变的阀门。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)采用弹性的内胎配合阀体内腔，并通过介质逐渐使内胎膨胀贴合内腔内壁，在其完全贴合前，刚度较小，还可以使其对内腔室表面和阀芯之间的形状变化相适应，当有杂质存在时，也能紧密贴合。当完全贴合后，阀芯继续膨胀，由于被内腔室容积所限制，阀芯受到三维压缩，其刚度急剧变大，接触压缩应力增加，多个密封面形成空间三维密封面，提升其密封性能；

(2)通过内胎和阀体内腔的贴合，出口和进口处的流体能够使得密封面的压力增加，液体无法大量进入并通过密封面，密封面具有自增压效果，密封性大幅度提高；

(3)驱动介质动作的驱动功作用于密封表面，在三维压缩约束下的材料刚度远超过一维压缩刚度，变形小，驱动功也能用于填平密封面局部凹陷，克服了传统阀门只有一维方向上阀芯阀座接触面附近的变形为有效功的问题，提高了驱动机构密封作用的利用率；

(4)采用粉末状固体作为填充介质，其润滑性能好，流动性好，有利于减小变形时的阻力，减小应力，有利于均匀填充和顺利收缩；石墨粉导热性好，有利于降低不锈钢内胎的热应力，提高耐热性；石墨粉物理化学性能稳定，不易泄漏，无毒无害，价格低廉；与现有的不锈钢波纹管密封阀门相比，由于在耐热不锈钢制成的内胎内腔填充有耐高温导热性好的石墨粉，受力条件好，传热条件好，有利于提高工作可靠性和延长阀门的工作寿命。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1中阀门开启状态的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1中阀门关闭状态的整体结构示意图；

图3为本公开实施例7中阀门关闭状态的整体结构示意图。

图中：1、阀杆，10、传动螺杆，11、固定端，12、内胎，13、填充料，14、柱密封面，15、动密封面，2、阀体，20、进口，21、进口阀座，22、内腔密封面，23、出口阀座，24、出口，25、流体通道，26、阀盖，27、阀芯端部连接面，28、转换连接装置，29、常规阀芯。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中阀门密封方式是通过使配合的两个密封面接触压紧变形贴合，以阻止流体通过的方式实现密封，由于密封的方式方法存在问题，导致阀门的可靠性较低；针对上述问题，本公开提出了一种基于阀芯形变的阀门及管路。

现有阀门内密封依靠阀芯和阀座之间的压缩变形使得两者之间的间隙减小到流体无法通过。关闭状态下，阀芯阀座密封接触面材料受压应力，发生弹性塑性变形。增加接触压力，可以增加弹塑性变形，有利于本次关闭状态的密封，但会留下更多的弹塑性变形，对于密封面的平整度有不利影响，下次关闭需要更高的接触压力，阀门的密封性快速下降，影响阀门寿命。

更大的接触压力要求阀芯更大的驱动力，阀门各部件负荷增加，变形增加，阀门可靠性下降。更大的接触压应力要求控制密封面面积。密封面面积取决于流体通流面积和密封面宽度。流体通流面积不能过小，密封面宽度则受限，进而影响密封性。密封面面积窄小，密封性能脆弱：当密封面上有刚性固体杂质存在时，密封面不闭合，密封性破坏，当密封面有凹陷破损时，密封面不闭合，密封性破坏。密封面一维压缩接触贴合密封，当高压流体进入密封面之间时，倾向于挤开密封面，密封性破坏。

所以，现有阀门通过阀芯阀座之间一维压缩力压紧贴合实现密封的方式是造成密封性问题的原因。

在本公开中，采用可变刚度可涨缩变形的空间三维阀芯与刚度相对较大的阀体内腔所形成的空间三维阀座实现阀芯阀座之间三维压缩接触的方式实现阀门的密封性和开关动作；

将现有阀门的阀芯阀座之间的一维相互作用力改为三维相互压力，具有密封性好，开关灵活省力，零部件受力条件好，制造成本低，自增压密封，可靠性高，寿命长等特点。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出了一种基于阀芯形变的阀门。

包括带有内腔的阀体，内腔内设有内部填充有介质的内胎，介质作为填充物，阀体上设有连通内腔的进口和出口，内胎在介质作用下膨胀并贴合内腔内壁阻隔进口和出口，或内胎收缩使进口和出口通过内腔连通；

具体的，阀体形成一个具有较大刚度不易变形和圆滑表面的内腔室，内腔室开有用于流体通过的进口和出口；

内腔室内设有内胎和填充入内胎的介质，形成体积形状可变刚度可变的阀芯，当其膨胀时，其外表面与内腔密封面紧密贴合，进口，出口被隔断，阀门处于关闭状态；

在其开始膨胀直至与内腔室表面完全贴合之前，刚度小，用较小的驱动力即可使其膨胀；

在其完全贴合前，刚度较小，还可以使其对内腔室表面和阀芯之间的形状变化相适应，当有杂质存在时，也能紧密贴合；

当完全贴合后，阀芯继续膨胀，由于被内腔室容积所限制，阀芯受到三维压缩，其刚度急剧变大，接触压缩应力增加，多个密封面形成空间三维密封面，体积密封性能形成。

并且，若有流体进入密封面，将使得密封面的压力增加，液体无法大量进入并通过密封面，密封面具有自增压效果，密封性大幅度提高。

当阀芯收缩时，体积减小，阀芯外表面与内腔室表面脱离接触，形成流体通道空间，进口与出口相连，阀门处于开启状态；

进口和出口可以相对设置，流体阻力小，进口、出口和内部通道的截面积大小不受密封面面积的约束，可以和所连接管道相同，也可以通过管连接件与外部管道进行适配连通。

在本实施例中，在阀体内腔室表面固连有弹性易变形密闭的内胎，形成密封的可变形变体积的内胎内腔；在内胎内腔可填入介质，例如气体，液体，粉状固体等；

所述介质在驱动机构作用下使内胎逐渐膨胀或逐渐收缩，用于逐渐贴合覆盖内腔内壁或逐渐脱离内腔内壁；

所述驱动机构为驱动件，驱动件与阀体配合，驱动件一端位于内胎内部，驱动件用于在外力作用下改变其位于内胎内部的体积；

或，驱动机构为介质供应机构，连通内胎内部，用于向内胎内输送或从内胎内抽出介质。

在本实施例中，所述驱动机构可以布置为：阀体上开有螺母孔，该螺母孔可与气管相连，可与液压管相连，可与传动螺杆10相连，分别对应接入气压源、液压源和驱动件；传动螺杆配合螺母孔形成阀杆1。

下面以传动螺杆配合螺母孔，传动螺杆一端探入内胎内为例，进行描述；

内胎最大内容积一定，与内腔室总容积接近，略小于内腔室室总容积；向内腔预先填入固体粉末，如耐热耐压润滑性能好的石墨粉，向内腔内拧入驱动螺杆推动石墨粉，可使其膨胀，直至外表面其内腔室表面贴合压紧形成密封，阀门处于关闭状态；

当驱动螺杆拧出时，弹性内胎收缩，内胎和内腔室脱离接触，形成通道，阀门处于开启状态。

在整个密封和开启过程中，传动螺杆不与流体接触，阀门的流体空间与外部隔离，外密封性能好。

结合附图1、附图2，对本实施例的方案进行详细介绍：

阀体2为阀门的基础件，具有较大的刚度，能够耐受管路对阀体施加的压力；阀体2上包括如下结构：圆滑的内腔密封面22、进口20、进口阀座21、出口阀座23、出口24、流体通道25。

阀体2上安装有传动螺杆10，内胎12的固定端11通过焊接粘接压紧等方式与阀体2连接，确保阀门的外密封性；

内胎10由单层或多层薄膜材料和弹性材料或者内置弹簧等弹性结构复合而成。弹性结构可使内胎折叠收缩，变形，体积容积减小，使其与内腔密封面22脱离接触，使流体通道25接通进口20和出口24，阀门打开；

薄膜材料依据用途不同可以是不锈钢、钛合金、合成纤维、合成树脂、橡胶等材料。

内胎在伸张时，其公称尺寸与内腔密封面22的尺寸相近或相等；

内胎内充有填充料13，填充料可以是气体、液体、固体材料，或者其混合物，依据不同用途选用。

用于带动传动螺杆的驱动机构可以是手动、电动等方式。

内胎外表面依据不同用途可以是耐油橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯等有机高分子材料或者由纤维材料加强的高分子材料和钛合金、不锈钢等金属材料。

阀门开启过程及开启状态：驱动传动螺杆10使其退出内胎12，内胎本身的弹性使内胎12收缩至最小体积，内胎柱密封面14、动密封面15与进口阀座21、内腔密封面22、出口阀座23脱离接触；

进口20和出口24通过流通通道25相连，流体通道连通，流体依次通过进口20、进口阀座21、内腔密封面22和出口阀座23后流向出口24。

内胎外表面承受流体压力，内表面承受填充料的压力，主要负荷为压应力，受力条件好，可以采用薄壁结构，易变形、变形应力小、寿命长、可靠。

内腔密封面22内流体与阀外界完全隔离，阀门外密封性好，进口20可直通出口24，流动阻力小。

阀门关闭状态：驱动传动螺杆10使其进入内胎12，挤压填充料13克服弹性机构的弹力使内胎12膨胀，将内胎柱密封面14和动密封面15推向内腔密封面22，在推进的过程中，密封面之间的残留流体，将起到润滑的作用；密封面之间的残留流体，还将起到填充微小凹陷的，提高密封性的作用；

当内胎柱密封面14和动密封面15与完全接触贴合的时候，流通通道25消失，进口20和出口24被隔断，阀门处于关闭状态。

阀门处于关闭状态时，内胎柱密封面14和动密封面15内胎外表面承受内腔密封面22的压力，内表面承受填充料的压力；

进口阀座21附近的内胎柱密封面14承受压力流体的流体压力，出口阀座23附近的内胎柱密封面14承受低压侧流体的流体压力。

需要指出的是，此处内胎变形有利于密封，变形过大可设立补强结构，补强结构可在阀座上，也可在内胎，优选在内胎上。

从进口处进入的流体，将进一步挤压内胎，使其与内腔室密封面之间的压力增加，自增压，提高密封性；内胎主要负荷三维挤压应力，受力条件好，可以采用薄壁结构，易变形，变形应力小，寿命长，可靠。

采用传动螺杆，填充物、柔性弹性内胎和刚性内腔室的结构，使得内胎具有了独特的力学性能；

第一，体积压缩刚度大，体积变形刚度小。当内胎密封面与内腔室密封面靠紧后，传动螺杆停止位移时，内胎内体积一定，体积压缩刚度很大，填充物的体积支撑刚度很大，但容易变形，在体积不变的条件下，变形刚度很小。若流体进入密封面后，流体压力使部分密封面变形，该处附近体积变小，但另一部分密封面也变形，但总体积不变，会使的压缩压力升高，因此具有自增压密封的效果。

第二，在内胎密封面与内腔室密封面接触之前，内胎体积膨胀和变形刚度很小，螺杆推进，阀门关闭省力省功。在螺杆退出内胎内腔室时，内胎体积收缩变形刚度小，螺杆退出，阀门开启省力省功。

螺杆退出的体积，与流体通道的体积相近，可以改善阀门的通流能力，减小阀门的流体阻力。

可以灵活布置进口和出口的相对位置，增加密封面积，改变密封面形状，提高密封性，满足不同的应用要求。

当然，可以理解的是，本实施例中的阀门适合于多种用途的，根据不同的使用要求，选择不同的材料制成满足具体要求性价比高的阀门。

其中，螺杆可以是手动或者电动；

填充物可以是气体如空气、氮气等，可以是液体如水，防冻液等，固体可以小直径钢球，石墨粉，有润滑脂的小直径钢球和石墨粉等。优选石墨粉。

阀体阀盖材料可以是碳钢、铸铁、有色金属合金、不锈钢等金属材料，也可以是塑料、特种工程塑料等加工成型性能好的合成材料等。

进口阀座、出口阀座等特殊位置，可依据需要进行特殊处理。内腔室表面可根据需要进行喷涂防腐处理等。

内胎材料可以是橡胶、耐油橡胶、聚氨酯等高分子材料。高温条件下，可以选用不锈钢、钛合金等金属材料；可以选用单层薄膜，也可以选择多层复合材料。

螺杆与阀体之间的密封，可以采用常规的密封方法。固体粉末填充物不容易泄漏。空气、氮气、水等填充物，无毒无害，价廉。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图3所示，提供一种管路。

所述管路中安装有如实施例1中所述的基于阀芯形变的阀门，进口管路通过管连接件与阀门进口连通，出口管路通过管连接件与阀门出口连通，利用阀门控制管路的连通状态。

实施例3

本公开的第三种实施例中，针对常温低压水阀门，包括自来水、冷热水系统所用阀门，用量大；

阀体、阀盖、驱动螺杆等可以选用不锈钢等金属材料，也可采用合成塑料、工程塑料等材料。内胎材料优选聚氨酯橡胶。其他配置与实施例1中相同。

对于小尺寸水阀门，可以进一步简化内胎结构，可以只填充少量填充物13改善润滑条件。

实施例4

本公开的第四种实施例中，针对用于常温燃气油品输送的场景；

燃气油品易燃易爆，采用基于阀芯形变的阀门形式，可以提高密封性和工作可靠性。

在本实施例中，阀体、阀盖、驱动螺杆等可以选用金属材料，优先选用不锈钢金属材料，内胎材料可以选用耐油的合成材料。优选聚氨酯橡胶。其他配置与实施例1中相同。

对于小尺寸阀门，可以进一步简化内胎结构，可以少量填充或不填充填充物12。填充物可以选用石墨粉。驱动装置可以选用手动或者电动。填充物还可以选择氮气或者水，以实现自动化控制，简化结构。

实施例5

本公开的第四种实施例中，针对用于高温高压易燃易爆流体的场景；

高温高压状态下的蒸汽等气体，燃油燃气化学品等易燃易爆有毒流体，采用本发明的阀门形式，可以提高密封性和工作可靠性。

在本实施例中，阀体、阀盖、驱动螺杆等可以选用金属材料，优先选用不锈钢金属材料，内胎材料可以选用不锈钢材料。填充物优选石墨粉。

驱动装置可以选用手动，气动或者电动等方式。其他配置与实施例1中相同。

在高温高压条件下，不锈钢内胎外面与内腔接触，里面由石墨粉支撑，受三维压缩应力，受力条件好，可以轻薄，柔性好，变形量大，应力小。

阀门关闭状态下，石墨粉体积压缩刚度大，阀体内腔室刚度大，不锈钢薄膜只是起到隔离作用，是流体与填充物石墨粉隔离。石墨粉润滑性能好，流动性好，有利于减小变形时的阻力，减小应力，有利于均匀填充和顺利收缩。

石墨粉导热性好，有利于降低不锈钢内胎的热应力，提高耐热性。石墨粉物理化学性能稳定，不易泄漏，无毒无害，价格低廉。与现有的不锈钢波纹管密封阀门相比，由于在耐热不锈钢制成的内胎内腔填充有耐高温导热性好的石墨粉，受力条件好，传热条件好，有利于提高工作可靠性和延长阀门的工作寿命。

实施例6

本公开的第六种实施例中，针对用于超高温高压易燃易爆流体的场景；

内胎内腔的填充物由高压循环冷却液，冷却液压力与高温流体的压力相近。其他配置与实施例1相同。

可以控制阀芯阀座温度，保证阀门工作的可靠性，延长阀门寿命。

实施例7

本公开的第七种实施例中，针对用于超高温高压易燃易爆流体的场景；

参见附图3，图中阀门处于关闭状态；

在超高温条件下，弹性材料的性能会受到影响；可以将实施例1中的阀芯运动转化为阀芯端部连接面27的平动，再通过与之相连接的转换连接装置28转换为平动或者摆动，并将平动或者摆动传递给与流体直接接触的常规阀芯29使其平动或者摆动，使阀门开关；

阀体、阀盖、驱动螺杆等可以选用金属材料，其他配置与实施例1相同。

此处的常规阀芯对应封堵件，能够对出口、进口进行有效封堵。

与现有的不锈钢波纹管密封阀门相比，由于在耐热不锈钢制成的内胎内腔填充有耐高温导热性好的石墨粉，受力条件好，传热条件好，有利于提高工作可靠性和延长阀门的工作寿命。

实施例8

本公开的第八种实施例中，针对用于浆状流体，如泥浆、水煤浆、晶浆、悬浊液等流体的场景；利用实施例1中的基于阀芯形变的阀门；

阀芯阀座密封面大，阀芯在挤涨过程中，其外表面的运动可以清理和嵌藏固体杂质，自增压效应等可以允许阀门用于含有固体物料的流体。

与现有的橡胶膜片阀相比，本实施例中的阀门可以耐高温高压、耐刺穿性、可靠性高。

实施例9

本公开的第九种实施例中，针对现有阀门进行改造；以实施例1中的基于阀芯形变的阀门作为驱动件；

将阀芯运动通过传递机构传递给现有阀门的阀芯，代替现有阀门的驱动装置使阀门开关。

可利用已有阀门的主体部分，解决其外密封存在的问题，提高其安全性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。