具有波纹隔膜的流体调节器的制造方法
【专利摘要】本发明描述了用于提高隔膜生命周期的波纹隔膜装置。一个所描述的示例性装置包括具有入口和出口以允许流体流经的阀体，被设置于阀盖内并耦合于该阀体的托板，以及第一和第二隔膜。每个隔膜具有波纹轮廓并以堆叠配置，该隔膜可操作地耦合于托板并且每个隔膜被夹在接近于隔膜的外围边缘的阀体和阀盖之间。
【专利说明】具有波纹隔膜的流体调节器
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及流体调节器并且，更特别地，涉及具有波纹隔膜的流体调节器。
【背景技术】
[0002]流体调节器通常分布在过程控制系统中以控制流体速率和/或各种流体的压力(如液体、气体等)。流体调节器通常用于调节流体的压力至一个实质上恒定值。特别地，流体调节器有入口和出口，它们中的任何一个可以提供在调节器内接触感应元件或隔膜的流体。在隔膜流体调节器的情况下，接触隔膜的流体导致隔膜位移以移动密封元件，影响进口和出口之间的流体流动量。
[0003]通常，流体调节器内的隔膜被夹在流体调节器的阀盖和阀体之间的外围边缘。这样一个在隔膜外围的夹紧连接可引起在隔膜处的应力集中。这些应力集中能够导致隔膜的过早失效或疲劳和/或隔膜脱离其外围限制，从而减少隔膜的生命周期并导致维护和成本的增加。
【发明内容】
[0004]本文描述的一个示例性装置包括具有进口和出口的阀体以允许流体流过那里，被设置在阀盖内和耦合于阀体的托板，以及第一和第二隔膜。每个隔膜有波纹轮廓和以堆叠配置。隔膜可操作地耦合于托板，以及多个隔膜中的每个被夹在靠近隔膜的外围边缘的阀体和阀盖之丨司。
[0005]本文描述的另一个示例性装置包括具有进口和出口的阀体以允许流体流过那里，被设置于阀体内的流体腔，邻近于流体腔的在堆叠配置中的多个隔膜，每个隔膜具有波纹轮廓。第一隔膜可操作地耦合于托板和第二个隔膜可操作地耦合于阀杆。该装置还包括包含托板的阀盖。多个隔膜被夹在阀体和阀盖之间。
[0006]本文描述的另一个示例性装置包括多个隔膜，每个隔膜具有波纹轮廓和在堆叠配置中。该多个隔膜被限制在其外围边缘并邻近于流体腔。该装置还包括通过多个隔膜的孔可操作地耦合于多个隔膜的阀杆。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1示出了一个现有的流体调节器；
[0008]图2示出了一个根据本公开教导构造的示例性流体调节器的分解图；
[0009]图3示出了一个图2的流体调节器的剖视图；
[0010]图4示出了另一个示例性流体调节器的剖视图；
[0011]图5A示出了一个图2和图3的示例性流体调节器的波纹隔膜的剖视图；
[0012]图5B示出了图5A的波纹隔膜的一个部分的放大剖视图；
[0013]图5C示出了一个可以用来实现图5A的隔膜的波纹的另一个可替代部分的放大剖视图；
[0014]图示出了图4的流体调节器的示例的波纹隔膜的剖视图；
[0015]图5E示出了另一个示例性波纹隔膜的剖视图；
[0016]图5F示出了图5E的波纹膜片的一部分的放大剖视图；
[0017]图5G示出了图5E的波纹隔膜的另一部分的放大剖视图；
[0018]图6A示出了图2和3的示例性流体调节器的夹紧组件的放大剖视图；
[0019]图6B示出了一个示例性垫片的剖视图；
[0020]图7示出了一个图4的示例性流体调节器的中心部分的放大图；
[0021]图8示出了图2、3和6A的流体调节器的示例性阀盖的放大剖视图；
[0022]图9示出了图2、3和6A的流体调节器的示例性阀体的放大剖视图。
【具体实施方式】
[0023]附图并非按比例示出。相反，为了阐明多个层面和局部，层的厚度在附图中可被放大。只要有可能，在所有附图中和相应的书面描述中将使用相同的附图标记来引用相同或相似的部件。如在本发明中采用的，声称任何部分(例如，层、膜、区域或板)以任何方式定位于(例如，定位于，位于，设置于，或形成于，等等)另一部分意味所引用的部分是与其他部分接触，或者所引用部分是在其他部分之上与一个或多个位于他们之间中间部分接触。声称任何部分和另一部分接触意味着两部分之间没有中间部分。
[0024]许多现有的流体调节器采用在感应腔内与流体相互作用的隔膜。流体可以移动隔膜的位置，反过来，该隔膜移动阀杆的位置。阀杆的位移导致固定在阀杆上的密封支架位移，从而改变流体流动和/或流体调节器的入口和出口之间的压力差。大量的反复隔膜位移可能导致由于应力集中的过早失效或循环加载失败(例如，疲劳)。隔膜的几何形状和隔膜被限制的方式(例如，被夹)可以对发生在隔膜上的应力集中产生重大影响。此外，隔膜或隔膜的一部分可能在其边缘最终脱离限制(例如，成为松开)，导致性能下降或流体调节器的主要功能的损失。
[0025]按照本公开的教导，在此描述的示例性流体调节器可以实现在感应腔内与流体相互作用的多个隔膜排列(arrangement)。更具体地，示例性流体调节器可以利用多个隔膜，每一个隔膜具有波纹轮廓和以堆叠排列以大幅改善隔膜感受到的应力的分布。特别是，具有波纹轮廓的隔膜的堆叠大幅减少了隔膜受到的切向应力。这些和其他应力的降低使流体调节器产生更好的整体可靠性和相关的维修费用的减少。
[0026]在此描述的一些实施例中，隔膜有一个中心孔，在该中心孔中的阀杆可以被严格地限制以增加该阀杆的移动的准确性。此外，在此描述的一些实施例包括结构以增加和夹紧隔膜有关的表面之间的摩擦。其通过防止隔膜脱离夹紧连接，提高了流体调节器的整体可靠性，。特别地，限制隔膜的结构，例如阀体和/或阀盖的夹紧表面可包括锯齿或与隔膜的外围边缘接触的夹紧表面上的其他不规则形状以增加夹紧摩擦。增加摩擦可防止隔膜从夹紧表面脱离，从而大大提高流体调节器的可靠性。为了进一步提高在隔膜的这些外围区域的摩擦，隔膜可在外围边缘附近有锯齿。此外或者可替代的，对于阀杆严格地耦合于隔膜的配置，隔膜在靠近中心部分可具有锯齿以进一步增加在中心部分的摩擦。在此描述的其他实施例包括在隔膜的外围边缘附近加入垫圈以防止隔膜过度位移，该过度位移能够导致高峰值应力和隔膜的过早失效。
[0027]在描述上面提到的示例性流体调节器之前，结合图1以下给出了现有的流体调节器的简要描述。图1示出了流体调节器100的剖视图。流体调节器100包括阀体102，其用多个紧固件106，108耦合于阀盖104，该紧固件106，108沿着阀体102和阀盖104的外部边缘以传统方式间隔分布。隔膜110被捕获在阀体102和阀盖104之间并且将阀体102和阀盖104内的空间分离成流体感应腔112和气压腔114。可替代的，气压腔114可能具有非大气压力(例如，压力差流体调节器)。隔膜110是卷曲的，因此，具有弯曲部分115。例如，弯曲部分115可能具有单一的拐点的波纹状横截面形状。
[0028]对位孔116允许流体从出口 118流动到流体感应腔112。隔膜托板120可操作地耦合于隔膜110和弹簧122，该弹簧为托板120提供了加载力。由弹簧122提供的力的大小可以通过调整螺钉124来调节，该螺钉螺纹地耦合于阀盖104。在这个特定的例子中，杆板125固定于阀杆126。
[0029]当在出口 118的流体的压力减少时，隔膜110朝阀体102移动，抵消弹簧127的力，移动阀杆126的位置,其固定于密封支架(sealing poppet) 128。密封支架128的相应的移动导致在进口 130和出口 118之间的开口增加，从而减少了进口 130和出口 118之间的压力差。
[0030]图2示出了一个根据本公开教导构造的示例性流体调节器的分解图。如图2中所示，隔膜202和204以堆叠配置夹在阀体206和阀盖208之间。阀体206和阀盖208由多个紧固件耦合，紧固件通过过穿通孔209和螺纹孔210接合。通过至少减少切向应力和提供和相对平坦的轮廓或如卷曲的隔膜(例如，图2的部分115)中找到的奇异曲面部分相比明显更多的表面积以分散应力，每个隔膜202，204具有波纹轮廓以减少隔膜202，204内遭受的峰值压力。示例性的波纹轮廓或几何形状将结合图5B和5C进一步详细地说明
[0031]隔膜202，204的具有各自的中心部分212，214，中间部分216，218具有上述波纹轮廓和边缘部分220，222，其实质上是平坦的。以堆叠配置排列隔膜202，204进一步减少了隔膜202，204内的峰值压力，从而提高了隔膜202，204的生命周期和提高了流体调节器200的整体可靠性。虽然图2的例子描述了两个隔膜，也可以使用其他任何数量的隔膜。此外，隔膜202，204可以是由金属、弹性体、和/或其他合适的材料组成。隔膜202和204的波纹轮廓(例如，波纹的高度尺寸等)也可以是不同的。
[0032]图3示出了一个图2的流体调节器的剖视图。在这个实施例中，隔膜202，204不包含中心孔。通过夹紧组件301，阀体206和阀帽208在隔膜202，204的外围部分220，222处夹紧并限制隔膜202，204。第一隔膜202邻近于大气腔302，第二隔膜204的位置被感应腔303内的流体移动。反过来，第二隔膜204推动阀杆板310 (即凸点连接)，通过在流体感应腔303内的流体接触产生的中心部分214的移动进而移动阀杆126的位置。此外，当第二隔膜204响应于感应腔303内的流体压力向上移动时，第一隔膜202向上移动以移动托板308的位置,从而抵消弹簧122的力。
[0033]在一些实施例中，可以在隔膜202，204之间施加润滑剂以大幅提高装配的简易性。另外的或可替代的，润滑剂可以施加在托板308和第一隔膜202之间，以及阀杆板310和第二隔膜310之间以进一步提高装配的简易性。润滑剂可以是用于防粘合应用的基于石墨的或任何其它适当的润滑。
[0034]类似于流体调节器100，出口 311通过对位孔312和感应腔303流体通信。由此，感应腔303具有和出口 311相同的流体压力。阀杆126沿开口 314的轴移动，并固定于密封支架128。腔316包含密封支架128并邻近于孔318，该孔允许从进口 320至出口 311的流体通信。隔膜204的位移抵消了弹簧127的力，并使阀杆126移动，从而推动密封支架128远离其密封位置。密封支架128的这个移动改变了在进口 320和出口 311之间的腔316的开口的大小，这改变了经过那里的流体流动。
[0035]图4示出了另一个示例性流体调节器400的剖视图。阀体402和阀盖404夹紧和限制在其外围部分410，412的第一和第二隔膜406，408。邻近于大气腔416的隔膜406，408由感应腔418内的流体移动。在这个实施例中，隔膜406，408具有各自的中心孔420，422。固定于阀杆板426和托板428的阀杆424将隔膜406，408和垫片429限制在阀杆板426和托板428之间，从而压缩垫片429，密封中心孔420，422。可能与阀杆板426和/或垫片428一体的阀杆424穿过中心孔420，422并固定于阀塞430。通过紧固件，焊接或其他方式实现的将阀杆424固定于这些组件，极大地增加了流体调节器400的准确性。在操作中，阀杆424由隔膜406，408移动而使得引起阀塞430离开密封位置431。
[0036]类似于流体调节器200，在一些实施例中，隔膜406，408之间施加润滑剂可以大幅提高装配的简易性。另外的或者可替代的，润滑剂可以施加在托板428和第一隔膜406之间，以及阀杆板426和第二膜片408之间以进一步提高装配的简易性。润滑剂可以是用于防粘合应用的基于石墨的或任何其它适当的润滑。
[0037]类似于流体调节器100，进口 433通过对位孔434和感应腔418流体通信。因此，感应腔418具有和进口 433相同的流体压力。阀杆424沿孔436的轴移动，并严格地固定于阀塞430。腔438包含阀塞430并且邻近于孔437，该孔允许从进口至433到出口 440的流体通信。隔膜406，408朝向阀盖404的位移抵消弹簧439的力，并使得阀杆424移动，从而推动阀塞430远离其密封位置431。阀塞430的这个移动改变了在进口 433和出口 440之间的腔438的开口的大小，这改变了经过那里的流体流动。结合图7，显示在隔膜406，408的中心限制的中心部件442在下面详细讨论。
[0038]图5A示出了一个图2和图3的波纹隔膜202，204的剖视图。隔膜406，408 (和任何其他以下实施例)也可结合图5B，5C，5F和5G来描述特征。中心部分212，214和外围部分220，222和中间部分216，218相比相对平坦，该中间部分具有波纹环形轮廓区域502。在这个特定的实施例中，波纹轮廓区域502被描绘成拥有多个曲线、轮廓和/或拐点。
[0039]图5B示出了波纹轮廓区域502的放大示意图，其在流体调节器200的操作中收缩和弯曲。在图5B的方向中，波纹或非平面轮廓区域502具有在多个凸面部分504a，504b，504c和凹面部分506a，506b的卷曲。凹面部分506a、506b可能高度上在高于和低于相对平坦部分508，510的范围内。虽然这个实施例描述了三个凸面部分504a，504b和504c，可以采用其他任何数量的凸面部分。每个凸面部分504a，504b, 504c和凹面部分506a，506b可能有不同的沿波纹轮廓502的曲率半径。例如，凸面部分504a的半径可能不同于凸面部分504b的半径。同样，凸面部分504a, 504b, 504c的曲率半径可能相互不同和/或与凹面部分506a, 506b 不同。
[0040]图5C描绘了可替代的具有相对锋利边缘或拐点的非平面或波纹轮廓511。和波纹轮廓区域502相反，波纹轮廓511具有许多显著的线性部分512，其由相对锋利的边缘514形成。这个轮廓可以由金属板或任何合适的材料或过程形成制取。
[0041]图描绘了图4的隔膜406，408的剖视图，其包含在中心部分516的孔420，422。如上所讨论，中心孔420，422可用于耦合隔膜406，408于托板428和阀杆板426。除了上述的外围部分410，412，隔膜406，408具有中间部分518。
[0042]图5E是示例性隔膜522的剖视图，该示例性隔膜具有多个孔524，526，其可用于通过阀杆424可操作地耦合任意多个隔膜522于托板428和阀杆板426。隔膜522具有中心部分527，中间部分528和边缘部分530。
[0043]图5F示出了图5E的隔膜522的外围部分530的放大示意图。在这个实施例中，外围部分530具有锯齿532以增加摩擦。
[0044]图5G示出了图5E的中心部分527的放大示意图。在这个实施例中，中心部分527具有锯齿534以增加摩擦。结合图6A、6B和7，给出了锯齿532，534的更详细描述以及它们和摩擦的关系。用于流体调节器200，400的隔膜202，204，406，408，522可以有任意组合的孔，银齿等。
[0045]图6A是图3的流体调节器200的夹紧组件301的放大剖视图。如上所述，阀盖208和阀体206，耦合在一起夹紧隔膜202，204。阀体206的凹槽600容纳隔膜202，204的外围区域220，222。因为隔膜202，204的外围区域220，222弯曲和接触阀体206或阀盖208，阀盖208和阀体206可具有波形的(如辐射式的)环形边缘602，604以防止隔膜202，204遭受:局部应力集中。
[0046]可替代的或另外的，表面610，612可能具有锯齿以增加隔膜202，204和阀盖208和阀体206之间的摩擦以防止隔膜202，204的外围区域220，222从夹紧组件301中脱离。隔膜202，204也可在外围区域220，222 (如图5F所示)具有锯齿以进一步提高夹紧连接的摩擦。
[0047]垫片614可以用来防止隔膜202，204在其外围区域220，222遭受过度变形，因而，也提供支持和降低隔膜202，204的整体应力。同时，垫片614为隔膜202，204提供了额外的表面积以分散应力和进一步减少隔膜202，204的整体峰值应力。虽然垫片614被描述为置于阀体206附近，垫片614可替代的或另外(即多个垫片)的可置于阀盖208附近。垫片614具有和隔膜202，204接触的表面上的锯齿616，并且可以由复合，弹性体，塑料，金属或其他合适的材料制得。虽然只示出了垫片202，204，图6A中描述的特征可以应用于垫片406,408,522ο
[0048]图6Β示出了在双边都有锯齿620的垫片618。尽管在图6Α中描绘的锯齿是在垫片614的单边的，如果表面612没有锯齿，这种锯齿可以，例如，在垫片618的双边上使用。同样的，如果表面610不包含锯齿,垫片618可置于表面610附近。
[0049]图7示出了图4的流体调节器400的中心部件442的放大剖视图。隔膜406，408被夹在阀体402和阀盖404之间。托板428可包括轮廓700 (contour)以匹配隔膜406，408的波纹轮廓。隔膜406，408和垫片429被限制在托板428和阀杆板426之间。在这个特定的实施例中，阀杆板426与阀杆424是一体的。垫片429被压缩以保持孔420，422的密封。这种压缩是由于通过过盈配合(interference fit)(即垫片429和隔膜406,408的结合厚度大于托板428阀杆板426之间的距尚)压缩垫片429和隔膜406,408在阀杆板426和托板428之间的距离的结果。虽然，图7示出了隔膜406，408，这样一个夹紧方案也适用于堆叠多个隔膜522。
[0050]隔膜406，408，522也可在它们的中心部分516，527(如图5G所示)具有锯齿以增加隔膜406，408，522和托板428和/或阀杆板426之间的摩擦。在这些位置增加摩擦防止了隔膜406，408，522从隔膜406，408，522的中心附近的中心限制脱离，从而提高流体调节器的可靠性(例如，生命周期)。
[0051]图8和9示出了图2，3和6A的阀盖208和阀体206的放大剖视图。如上所讨论的，阀盖208和阀体206用多个紧固件在表面802，902耦合在一起。垫片202，204的外围区域220，222被堆叠和夹在表面610，612之间。在这个实施例中，阀盖208和阀体206在表面610，612具有锯齿以摩擦啮合隔膜202，204。当隔膜202，204被夹时，表面610，612提供了实质性的紧密密封。波形的环形边缘602，604允许隔膜202，204围绕环形边缘602，604转动或收缩而不遭受高度的局部应力集中，如果它们不接触相对锋利的边缘，是会遭受高度的局部应力集中。这些示例性的配置和变形也可适用于隔膜406，408，522，阀体402，阀盖404等。
[0052]虽然在此描述了某些示例性的装置，本发明的覆盖范围并不仅限于此。相反，本发明涵盖了落入字面上修改的或等同的权利要求范围内的所有的方法，设备和制品。
【权利要求】
1.一种装置，其包括: 阀体，其具有入口和出口以允许流体流经所述阀体； 托板，其被设置于阀盖内并耦合于所述阀体；以及 第一和第二隔膜，每个隔膜具有波纹轮廓并以堆叠配置，所述多个隔膜可操作地耦合于所述托板，所述多个隔膜中的每个被夹在接近于所述隔膜的外围边缘的所述阀体和所述阀盖之丨司。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜中的每个具有中心孔以严格地耦合所述多个隔膜于所述托板。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜中的每个具有中心孔以严格地耦合多个隔膜于固定于所述托板的杆。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜中的每个具有接近于所述隔膜的外围边缘的多个锯齿以增加所述多个隔膜，所述阀体和所述阀盖之间的摩擦。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀体或所述阀盖具有多个锯齿以增加在所述第一或所述第二隔膜和所述阀体或所述阀盖之间的摩擦。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀体或所述阀盖容纳接近于所述多个隔膜的所述外围边缘的垫片。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述垫片具有多个锯齿。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀体或所述阀盖包括接近于所述多个隔膜的所述外围边缘的波形的环形边缘。
9.一种装置，其包括: 阀体，其具有入口和出口以允许流体流经所述阀体； 流体腔，其被设置于所述阀体内； 多个隔膜，其以堆叠配置邻近于所述流体腔，每个隔膜具有波纹轮廓，其中第一隔膜可操作地耦合于托板，并且第二隔膜可操作地耦合于阀杆；以及 阀盖，其包含所述托板，所述多个隔膜被夹在所述阀体和所述阀盖之间。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜中的每个具有一个或多个接近于所述隔膜的中心的孔以严格地耦合所述隔膜于所述托板。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜中的每个具有接近于外围边缘或所述隔膜的中心的多个锯齿。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阀体或所述阀盖具有多个锯齿。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阀体或所述阀盖包括环形槽以容纳所述多个隔膜的外围边缘。
14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阀体或所述阀盖包括接近于所述多个隔膜的外围边缘的波形的环形边缘。
15.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括接近于所述多个隔膜的外围边缘的垫片。
16.一种装置，其包括: 多个隔膜，每个隔膜具有波纹轮廓和以堆叠配置，其中所述多个隔膜被限制在它们的外围边缘并邻近于流体腔；以及 阀杆，其通过所述多个隔膜的中心孔可操作地耦合于所述多个隔膜。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述阀杆通过所述中心孔严格地固定于所述多个隔膜。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜中的每个具有接近于所述外围边缘或所述隔膜中心的锯齿。
19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括接近于所述多个隔膜的外围边缘的垫片。
20.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述多个隔膜被锯齿状的表面所限制。
【文档编号】F16K7/12GK104344005SQ201410348481
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】E·瓦斯克斯, J·L·格里芬, A·J·卢肯斯迈耶尔, T·A·杜兰特 申请人:泰思康公司