轴向密封蝶形阀的制作方法

该申请请求享有2016年8月4号提交的题为“轴向密封蝶形阀”的美国专利申请序列第62/201509号的提交日的权益。

技术领域

本公开大体涉及蝶形阀。更具体地，本公开涉及带有凸轮机构的蝶形阀，该凸轮机构提供了阀盖盘相对于蝶形阀的阀座的轴向位移。

背景技术：

蝶形阀大体由于其相比更为错综复杂的旋塞阀和球阀的结构的简单性和相对不昂贵的成本而被充分已知且广泛采用。典型的蝶形阀大体包含用于在打开位置和关闭位置之间旋转而安装的盘，在打开位置，盘大致平行于通过阀的流体流通道的轴线安放，在关闭位置，盘垂直于该轴线安放。该盘安装成用于在阀杆或阀轴上旋转，该阀杆或阀轴在一侧上附接于盘。该盘与外接流体流通道的环形柔性座协作，以用于实现相对于盘的弹性密封以切断通过通道的流体流的目的。环形柔性座常规地通过被夹持在阀座固持器和阀体的部分的互补表面之间形成的凹部中而被保持就位。

在盘在打开位置和关闭位置之间旋转期间，盘的外周边缘(尤其那些离盘旋转所围绕的轴线最近的外周边缘)，在盘旋转期间保持与柔性座接触且经受相当大的摩擦，从而引起在盘的外周边缘和座两者上的磨损。这样的磨损可导致当阀处于关闭位置时盘不能适当地相对于阀座密封。维修或替换阀座或盘可能是耗时且昂贵的。额外地，驱动盘的促动器浪费了克服在盘和阀座之间的滑动摩擦力的功率。

技术实现要素：

该概述提供成以简单的形式介绍一批概念。这些概念在下面的公开内容的实施例的具体描述中被更为详细地描述。该概念不旨在标识请求保护的主题的主要特征或本质特征，也不旨在用于限制请求保护的主题的范围。

在一些实施例中，阀包括具有延伸穿过其中的流体流路的阀体，和位于阀体中的阀座。阀还包括位于阀体的流体流路中的盘。该盘可围绕与盘的纵向轴线大致垂直的轴线在第一位置和第二位置之间旋转。该盘也可在大致平行于盘的纵向轴线的方向上在第二位置和第三位置之间平移。

在额外的实施例中，流体系统包括流体线路和位于流体线路内的阀。阀包括具有延伸穿过其中的流体流路的阀体，和位于阀体中的阀座。阀还包括位于阀体的流体流路中的盘。该盘可围绕与盘的纵向轴线大致垂直的轴线在完全打开位置和中间位置之间旋转。该盘也可在大致平行于盘的纵向轴线的方向上在中间位置和完全关闭位置之间平移。

附图说明

图1图示了根据本公开的实施例的处于关闭位置的蝶形阀的部分剖视侧视图；

图2图示了根据本公开的实施例的处于打开位置的图1的蝶形阀的部分截面底视图；

图3图示了根据本公开的实施例的处于关闭位置的图1的蝶形阀的部分截面侧视图；

图4图示了根据本公开的实施例的处于中间位置的图1的蝶形阀的部分剖视侧视图；

图5图示了根据本公开的实施例的处于中间位置的图1的蝶形阀的部分截面侧视图；

图6图示了根据本公开的实施例的处于打开位置的图1的蝶形阀的部分截面侧视图；

图7图示了根据本公开的实施例的处于打开位置的图1的蝶形阀的部分剖视前视图；以及

图8图示了包括阀(诸如图1-7的阀中的任一种)的流体系统的一部分的立视图。

具体实施方式

本文中所提出的图示不意在是任何蝶形阀、轴、套筒、盘、凸轮机构、促动器、或其构件的实际视图，却只不过是用于描述本公开的实施例的理想化的表达。

图1图示了蝶形阀2的侧视图，该蝶形阀2具有接纳阀盘6的阀体4，该阀盘位于阀体4的流体流路7内而在阀2的流体入口8和流体出口10之间。当蝶形阀2如图1中示出的那样处于关闭位置时，盘6的第一侧9或“前侧”的外周可以以抑制盘8和阀座11之间的流体流的方式密封地接合阀座11。阀座11可以是座圈。虽然入口8在图1中示出为在阀2的接近座圈11的侧上，但应认识到阀2可定位成使得流体可沿任一方向流过阀体4。例如，流体入口8可位于阀的与座圈11相对的侧上并且流体出口10可位于阀2的接近座圈11的侧上。

阀2可包括促动单元12，其可操作地联接至盘6且构造成使盘6在完全打开位置至完全关闭位置之间移动。促动单元12可包括活塞14，其具有位于在阀体4中形成的缸体18内的活塞头16。缸体18的顶部可被盖19封闭。促动单元12也可包括轴20，其延伸自活塞头16并且通过阀流路7且到位于阀体4的与缸体18相对的侧上的套筒中，如在下文中更详细公开的那样。活塞14和轴20可由阀体4的一个或多个构件约束以防轴向旋转。活塞14可气动地操作、液压地操作、或电气地操作(作为非限制性示例)。

继续参照图1，活塞14的促动将轴20在阀体4内轴向地移动。轴20的接近活塞头16的上部分可在旋转联接至阀体的驱动套筒24内延伸。驱动套筒24的上端部可具有容纳在阀体4的凹部中的凸缘25，其中，凸缘25的底表面25a可以以约束驱动套筒24轴向平移同时允许驱动套筒24轴向地旋转的方式定位成毗邻于阀体4中的凹入表面5。推力轴承(未示出)可位于阀体4的凹入表面5和凸缘25的底表面25a之间。

轴20的下端部22可在旋转联接至阀体4的从动套筒26内延伸。从动套筒26可联接至阀体4，而以约束从动套筒26轴向平移同时允许从动套筒26轴向地旋转的方式处于阀体4的内表面中的凹部27和延伸通过阀体4的导向螺栓29之间。推力轴承(未示出)可位于阀体4的凹部27和从动套筒26的底表面之间。

在之前描述的促动单元12的构造中，活塞14、轴20、驱动套筒24和从动套筒26可在阀体4内沿着第一纵向轴线L₁同轴地对准。因而，第一纵向轴线L₁可被称为“促动单元12的纵向L₁轴线”。如之前描述的那样，驱动套筒24和从动套筒26可以以阻止驱动套筒24和从动套筒26中的各个的轴向平移同时允许驱动套筒24和从动套筒26围绕第一纵向轴线L₁旋转的方式而各自被约束在阀体4内。

凸轮系统凹槽28可通过驱动套筒24的壁形成并且可与凸轮随动件30相互作用，该凸轮随动件从轴20径向地向外延伸且被容纳在凸轮系统凹槽28中。凸轮系统凹槽28可围绕驱动套筒24的圆周延伸约90度。凸轮随动件30可以以销或凸起部的形式从轴20径向地向外延伸。凸轮系统凹槽28可具有大体上弓形的轮廓。凸轮系统凹槽28可具有构造成与凸轮随动件30相互作用从而引起驱动套筒24的旋转的第一部分以及构造成允许凸轮随动件30在其中平移而大致不引起驱动套筒24的旋转的第二部分28b。凸轮系统凹槽28的第一部分28a和第二部分28b可在其间光滑地过渡。应注意到，图4的阀2图示了位于凸轮系统凹槽28的第一部分28a和第二部分28b之间的过渡点处的凸轮随动件30。在图4中显示的位置可被称为阀2的“中间”位置。

凸轮系统凹槽28的第一部分28a可具有恒定的半径或变化的半径，其中，在凸轮系统凹槽28的第一部分28a的各个位置处的半径充分足够小，使得凸轮随动件30在凸轮系统凹槽28的第一部分28a内的平移引起凸轮随动件30与驱动套筒24的壁在凸轮系统凹槽28的任一侧上相互作用，以将足以使驱动套筒24围绕其纵向轴线L₁旋转的切向力给予驱动套筒24。因而，凸轮系统凹槽28的第一部分28a可被称为凸轮系统凹槽28的“活动”部分。

相反地，凸轮系统凹槽28的第二部分28b可以是线性的或大致线性的，使得凸轮随动件30在凸轮系统凹槽28的第二部分28b内的平移大致不将足以使驱动套筒24围绕其纵向轴线L₁旋转的切向力给予驱动套筒24。因而，凸轮系统凹槽的第二部分28b可被称为凸轮系统凹槽28的“停留”部分。应认识到，凸轮系统凹槽28的第二部分28b可以是大体弓形的但具有充分足够大的曲率半径，从而凸轮随动件30在凸轮系统凹槽28的第二部分28b内的平移将足以仅最小地或可忽略地使驱动套筒24围绕其纵向轴线L₁旋转的切向力给予驱动套筒24。

如图1中所示，凸轮系统凹槽28的活动部分28a可位于邻近于驱动套筒24的上端部并且凸轮系统凹槽28的停留部分28b可位于邻近于驱动套筒24的底部端部。然而，应认识到，在其它实施例(未示出)中，凸轮系统凹槽28的活动部分28a可位于邻近于驱动套筒24的底部端部并且停留部分28b可位于邻近于驱动套筒24的上端部。

如图7中所显示的那样，轴20可包括两个(2)凸轮随动件30，其从轴20的外表面的相对侧向外延伸，其中凸轮随动件30与形成在驱动套筒24的相对侧中的分离的凸轮系统凹槽28相互作用。凸轮随动件30可围绕轴20的外表面58周向地相互间隔开90度。据此，关联的凸轮系统凹槽28也可围绕驱动套筒24周向地相互间隔开90度。应认识到，在其它实施例中，驱动套筒24和轴20可相应包括多于两个分离的凸轮系统凹槽28和关联的凸轮随动件30。额外地，凸轮随动件30和关联的凸轮系统凹槽28可非对称地周向地相互分离。

继续参照图1，驱动套筒24的底部部分可联接至第一支架32。第一支架可为矩形的。第一支架32也可联接至盘6的第二侧34，或“后侧”。第一支架32的相对的内表面36可与形成在驱动套筒24的外表面中的相对的平坦区域38匹配，如图2中所显示的那样。第一支架32的相对的内表面36和驱动套筒24的外表面的匹配平坦区域38可构造成允许第一支架32相对于驱动套筒24在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上滑动，如下面更完整描述的那样。第一支架32可以以任何方式联接至驱动套筒24，使得允许第一支架32相对于驱动套筒24在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上移动。

第一支架32的外表面40可联接至盘6的后侧34上的第一安装结构42。如所示，在盘6的后侧34上的第一安装结构42可包括从盘6的后部偏移的平坦表面；然而，其它的构造在本公开的范围内。第一支架32可通过焊接、钎焊、粘合剂、或机械紧固件诸如螺丝、螺栓、销、夹具、或前述的任何组合而联接至盘6的后侧34上的第一安装结构42。应认识到，联接第一支架32至盘6的后侧34的任何方式在本公开的范围内。

从动套筒26的上端部可联接至第二支架44。第二支架44可构造成类似于上面描述的第一支架32。第二支架44也可联接至盘6的后侧34。如同第一支架32，第二支架44的相对的内表面可与形成在从动套筒26的外表面中的相对的平坦区域38匹配。如同第一支架32，第二支架44的相对的内表面36和从动套筒26的外表面的匹配平坦区域38可构造成允许第二支架44相对于从动套筒26在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上滑动。第二支架44可以以任何方式联接至从动套筒26，使得允许第二支架44相对于从动套筒26在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上移动。

如在图1中所示，第二支架44的外表面46可联接至盘6的后侧34上的第二安装结构48。盘6的后侧34上的第二安装结构48可包括从盘6的后部偏移的平坦表面；然而，其它的构造在本公开的范围内。第二支架44可通过焊接、钎焊、粘合剂、或机械紧固件诸如螺丝、螺栓、销、夹具、或前述的任何组合而联接至盘6的后侧34上的第二安装结构48。应认识到，联接第二支架32至盘6的后侧34的任何方式在本公开的范围内。

现在参照图3，驱动套筒24的下端部可包括形成在驱动套筒24的外表面51中的第一凹部50。凹部51可径向地向内延伸通过驱动套筒24的壁而从驱动套筒24的外表面51到驱动套筒24的凹入表面53。第一压缩弹簧52可具有第一端部54，其联接至第一支架32的位于与第一支架32的联接至盘6的后部的侧相对的壁。第一压缩弹簧52可在第一凹部50内在驱动套筒24的壁中延伸，其中，第一压缩弹簧52的相对的第二端部56可紧靠驱动套筒24的凹入表面53。

相似地，从动套筒26的上端部可包括形成在从动套筒26的外表面61中的第二凹部60。第二凹部61可径向地向内延伸通过从动套筒26的壁而从从动套筒26的外表面61到从动套筒26的凹入表面63。第二压缩弹簧62可具有第一端部64，其联接至第二支架44的位于与第二支架44的联接至盘6的后部的侧相对的壁。第二压缩弹簧62可在第二凹部60内在从动套筒26的壁中延伸，其中，第二压缩弹簧62的相对的第二端部66可紧靠从动套筒26的凹入表面63。以该方式，第一压缩弹簧52和第二压缩弹簧62可分别在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上远离座圈11偏压第一支架32和第二支架44以及联接于其的盘6。应认识到，用于联接压缩弹簧52,62至支架32,44和驱动套筒24和从动套筒26的其它构造也在本公开的范围内。因为驱动套筒24、驱动套筒24的凸轮系统凹槽28、轴20的凸轮随动件30、从动套筒26、和支架32,44共同地将活塞14和轴20的线性运动转化为盘的旋转运动，阀2的这些构件可被称为“线性至旋转传输单元”。

应认识到，在其它实施例中，其它弹簧元件可被用于替代压缩弹簧52,62来在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上远离座圈11提供偏压支架32,44以及联接于其的盘6的力。在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上远离座圈11偏压盘6的任何类型的弹簧元件在本公开的范围内。

如在图1和3中所示，盘6的后侧34可包括凸起部或隆起70，其位于盘的后侧34上的第一安装结构42和第二安装结构48之间。在垂直于盘6的纵向轴线L₂的平面中观察时，隆起70可具有圆形的形状；然而，其它的形状也在本公开的范围内。隆起70在其外周可具有圆化的边缘72，其中，隆起70的外周表面可具有与盘6的后侧34的光滑和连续的过渡。隆起70可包括居中位于其上的大致平坦的表面74。第二凸轮80可刚性地附着至轴20并且可轴向地位于第一支架32和第二支架44之间。第二凸轮80可包括圆化的凸轮表面82，其构造成当盘6在关闭位置附近时紧靠盘6的后部上的隆起70的大致平坦的表面74。

现在将描述根据本文公开的实施例的蝶形阀2的操作。当阀盘6处于完全关闭位置时，如图1和3中所示，轴20上的凸轮随动件30在驱动套筒24中的相关联的凸轮系统凹槽28内定位在其停留部分28b的下段处，而同时，第二凸轮80的圆化的凸轮表面82紧靠从盘6的后部延伸的隆起70的大致平坦的表面74，从而保持盘6与座圈11密封接合。

现在参照图4和5，蝶形阀2示出处于中间位置。当活塞14和轴20轴向地向上平移使得凸轮随动件30竖直地在凸轮系统凹槽28的停留部分28b内移动时，刚性地联接至轴20的第二凸轮80对应地向上平移且不再与隆起70接触，从而允许压缩弹簧52,62迫使支架32,44和附接于其的盘6，在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上远离座圈11平移至图4和5中所示的中间位置。以该方式，活塞14和轴20与凸轮随动件30在相关联的凸轮系统凹槽28的停留部分28b中的向上轴向平移引起了整个阀盘6在大致平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上直接远离座圈11平移且不再与座圈11密封接合，而大致没有盘6的任何旋转(或带有最小的或可忽略的旋转)。

现在参照图6和7，蝶形阀2示出处于完全打开位置，其中盘6大致垂直于座圈11定向，从而允许流体流通过阀体4。从图4和5中所显示的蝶形阀2的中间位置开始，随着活塞14和轴20继续向上平移使得凸轮随动件30从驱动套筒24的相关联的凸轮系统凹槽28的停留部分28b移动至活动部分28a，在凸轮系统凹槽28的活动部分28a和凸轮随动件30之间的相互作用给予切向力至驱动套筒24，从而引起驱动套筒24围绕驱动套筒24的纵向轴线L₁的旋转。在蝶形阀2的完全打开位置处，活塞14可定位在其冲程的顶部，其中轴20的凸轮随动件30中的各个定位在驱动套筒24的相关联的凸轮系统凹槽28的活动部分28a的顶点处。

为了关闭蝶形阀2，活塞14可被促动以轴向向下平移，这可借助于驱动套筒24的相关联的凸轮系统凹槽28的活动部分28a和轴20的凸轮随动件30之间的相互作用，立即引起盘6围绕与盘6的纵向轴线L₂大致垂直的纵向轴线旋转。因为压缩弹簧52,62远离座圈11偏压支架32,44以及联接于其的盘6，盘6可离心地围绕轴20的纵向轴线L₁旋转。凸轮系统凹槽28可构造成使得，一旦轴20已轴向向下平移而使凸轮随动件30进入相关联的凸轮系统凹槽28的停留部分28b，则盘6已围绕轴20的纵向轴线L₁旋转了约90度，从而盘6大致同轴地与座圈11对准。之后，随着活塞14和轴20继续向下，使得凸轮随动件30对应地在关联的凸轮系统凹槽28的停留部分28b内向下移动，第二凸轮的圆化的凸轮表面82移动到与隆起70接触。在接触隆起70后，随着第二凸轮80的凸轮表面82向下移动，凸轮表面82与隆起70的圆化的边缘72的接触迫使盘6沿着其纵向轴线L₂平移到座圈11中。在完全关闭位置，第二凸轮80的凸轮表面82紧靠隆起70的平坦的表面74，从而保持盘6的前侧9的外周与座圈11密封接合。以该方式，活塞14和轴20与凸轮随动件30在相关联的凸轮系统凹槽28的停留部分28b中向下轴向平移引起了整个阀盘6在平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上直接朝座圈11平移且与座圈11密封接合，而大致没有盘6围绕轴20的纵向轴线L₁的任何旋转(或带有最小的或可忽略的旋转)。

应认识到，隆起70可具有各种构造中的任一种。例如，作为平坦表面74(当阀2处于完全关闭位置时第二凸轮接触抵靠于其)的一种备选方案，隆起70可包括具有恒定斜坡或连续变化斜坡的轮廓表面(未示出)。隆起70的其它构造在本公开的范围内。

尽管图1-7示出了盘6的完全关闭位置(对应于活塞14被定位在其冲程的底部)和盘6的完全打开位置(对应于活塞14被定位在其冲程的顶部)，但应认识到，在其它实施例中，阀2可构造成使得，当活塞14定位在其冲程的顶部时盘6处于完全关闭位置，并且当活塞14定位在其冲程的底部时盘6处于完全打开位置。在这样的实施例中(未示出)，凸轮系统凹槽28的活动部分28a可位于邻近于驱动套筒24的底部端部并且停留部分28b可位于邻近于驱动套筒24的上端部，从而活塞14在其冲程的顶部附近的轴向平移引起凸轮随动件30在停留部分28b内平移，从而当活塞14向下平移时(引起盘6轴向地远离座圈11平移至中间位置)允许第二凸轮80移动成不再与隆起70接触，并且当活塞14与凸轮随动件30在凸轮系统凹槽28的停留部分28b内向上平移时(引起盘6从中间位置平移到与座圈11密封接触)允许第二凸轮80移动到与隆起70接触。在这样的实施例中，活塞14在其冲程的底部附近的轴向平移引起了凸轮随动件30在凸轮系统凹槽28的活动部分28a内的平移，因而当活塞14向下平移时引起凸轮随动件30旋转驱动套筒24，并且通过延伸部，盘6从中间位置到完全打开位置，并且当活塞14向上平移时引起凸轮随动件30旋转驱动套筒24，并且通过延伸部，盘6从完全打开位置到中间位置。

现在参照图8，蝶形阀2示出被用于流体系统100中。例如，阀2可位于流体线路102中并且可操作以控制流体流通过阀2。

应认识到，如在本文中公开所构造的蝶形阀2为阀盘6在打开和关闭阀2期间提供了两种(2)不同的运动模式。第一运动模式为盘6在平行于盘6的纵向轴线L₂的方向上平移。第一运动模式在阀2的完全关闭位置和阀2的中间位置之间发生。以这种方式，阀盘6的前侧9的整个外周可在阀2的打开行程开始处从阀座11轴向地缩回。此外，阀盘6的前侧9的整个外周可在阀2的关闭行程结束处被压靠在阀座11上而密封接合。从而，蝶形阀2的盘6以塞密封运动在完全关闭位置和中间位置之间操作，从而显著减少了在盘6和阀座11之间的滑动、擦动和关联的摩擦，延长了盘6和阀座11两者的操作寿命。

阀盘6的第二运动模式是阀盘6围绕轴的纵向轴线L₁约90度的旋转，该轴线定位成大致垂直于盘6的纵向轴线L₂。因为当阀2在中间位置时整个阀盘6沿着盘6的纵向轴线L₂从阀座11偏移，故盘6可在中间位置和完全打开位置之间旋转得更快，而不引起在盘6和阀座11之间的摩擦。这允许了相比现有技术蝶形阀更快的阀冲程。此外，在阀2的中间位置和完全打开位置之间在阀盘6和阀座11之间的摩擦不存在，减少了将阀盘6从完全关闭位置移动至完全打开位置所需要的功，需要更少的压力和缸体容积来促动活塞14以驱动阀2。

本文公开的蝶形阀2还提供了设计、结构、保养和维修上的简单性的优点。促动单元12可完全结合到阀2中，其中活塞14的线性运动传输为盘6在阀体4内的旋转运动。另外，活塞14的阀20兼为阀盘6的蝶形轴，这顺利地减少存在于阀2中的构件的量。此外，线性至旋转传输构件(包括活塞14、轴10、驱动套筒24和从动套筒26)都是同轴的，从而允许高效的、紧凑的和坚固的设计，带有相比现有技术蝶形阀中的那些可更容易制造的独立构件。此外，本文中公开的蝶形阀2的活塞14可以以比现有技术蝶形阀更少的工作来保养。例如，活塞14可通过简单地移除缸体18的盖19来接近，而不用从阀2移除活塞14或从流体线路移除阀2。例如，为了保养、维修或更换活塞环或其它活塞密封元件，盖19可从阀体4移除，活塞14可被提起同时保持联接至阀体4内的驱动套筒24和从动套筒26，从而提供用于完成期望的保养和/或维修所必要的接近。

上文描述的公开内容的实施例不限制本公开的范围，本公开的范围由所附权利要求和其法定等效物的范围所限定。任何等效的实施例在本公开的范围内。事实上，本公开的各种改进(除了本文中显示和描述的那些之外)，诸如描述的元件的备选有用的组合，从本说明书将变得对本领域的普通技术人员来说显而易见。这样的改进和实施例也落入所附权利要求的范围内。