專利名稱：用于三向閥的動態(tài)球閥密封裝置的制作方法
用于三向閥的動態(tài)球閥密封裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明的實施例提供了 一種改進球閥的閥元件與閥體之 間的密封的裝置和方法。改進密封的實施例是通過閥元件與閥體之間 的密封元件提供的，其補償了因機加工公差引起的閥部件內(nèi)的變化。 改進密封元件的實施例補償了通常源自流體流動變化的閥體內(nèi)壓力變 化引起的閥元件彎曲或閥元件位置變化。具體而言，本發(fā)明的實施例 使用密封元件給閥元件和/或閥體提供動態(tài)密封。按此方式，密封元件 相對于閥體的位置可在密封元件與閥元件保持密封接觸的同時改變， 無論部件機加工中的位置和變化如何。00071本發(fā)明的一個實施例提供了一種閥，其包括與閥的閥元件 和閥體相互作用的密封元件。優(yōu)選的是，允許密封元件在閥體內(nèi)移動 和/或相對于閥體移動。在關(guān)閉位置上，密封元件與閥體密封地接觸且 與閥元件密封地接觸，以防止流體流過流動口。優(yōu)選的是，密封元件 在打開位置以第 一深度伸入容納閥元件的閥腔中，而在關(guān)閉位置以小 于第一深度的第二深度伸入閥腔中。更具體地說，閥元件在自打開位 置向關(guān)閉位置轉(zhuǎn)變時在離開閥腔的方向上偏壓密封元件。
閥元件14包括接近通道開口 35、 37、 39的空隙。這些空 隙是由閥元件14的外表面32內(nèi)的偏移形成的。例如，如果閥元件完 全為球形且不包括通道開口 35、 37、 39,空隙38限定在由通道開口 37和外表面32相交而限定的平面與閥元件的假想面41之間。[0021閥元件14在閥腔28內(nèi)選擇性地繞著軸36 (軸36垂直于 頁面延伸并由"X"示出)在如圖2所示的打開位置與如

圖1所示的關(guān) 閉位置之間轉(zhuǎn)動。在打開位置上，閥元件14的通道34在流體連通對 準中與橫向口 26和閥體12的直列口 22、 24中的至少一個對準。按照 這一定向，橫向口 26和至少一個直列口 22、24經(jīng)由通道34流體相通。 在關(guān)閉位置上，通道34與橫向口 26不處于流體連通對準的狀態(tài)，由 此阻擋流體流經(jīng)橫向口 26。具體而言，；鏡向口 26和動態(tài)密封元件16 與閥元件14表面32的無孔部對準。[0022參見圖1，在閥體12的示范性實施例中，橫向口 26包括 外孔40和連通通道42。連通通道42夾于外孔40與閥腔28之間并與 之流體連通。在所示實施例中，外孔40的直徑大于連通通道42的直 徑。因此，橫向口 26的內(nèi)表面46形成徑向延伸的肩部44，肩部44 在外孔40與連通通道42之間形成徑向向內(nèi)的過渡。不過，在替換實 施例中，橫向口可具有基本連續(xù)的直徑且沒有徑向延伸的肩部44。[0023在所示實施例中，連通通道42包括定位槽47,該定位槽 接收動態(tài)密封元件16的定位片48。定位槽47與動態(tài)密封元件16的 定位片48相互作用，以防止動態(tài)密封元件16在橫向口 26內(nèi)轉(zhuǎn)動。不 過，在無需防止動態(tài)密封元件16轉(zhuǎn)動時，替換實施例無需定位槽或定 位片。[00241在關(guān)閉位置上，動態(tài)密封元件16可操作地使閥元件14與 閥體12連接，具體地說，是與橫向口26連接。在示范性實施例中， 動態(tài)密封元件16滑動地支承在橫向口 26中，于是動態(tài)密封元件16 在其內(nèi)浮動并可朝閥腔28向內(nèi)移動或遠離閥腔28向外移動。該浮動 結(jié)構(gòu)有助于動態(tài)密封元件16與閥元件14之間的動態(tài)密封。[00251動態(tài)密封元件16包括閥元件端50、延伸部52、接合凸緣 54以及后端56。閥元件端50處于動態(tài)密封元件16與后端56相對的 一端。如圖所示，閥元件端50形成輪廓并過渡到延伸部52中。在所 示的實施例中，閥元件端50的表面58倒圓以利于閥元件14自打開位 置向關(guān)閉位置的轉(zhuǎn)變，正如下面更充分地解釋那樣。接合凸緣54夾于 延伸部52與后端56之間并徑向地向外延伸到延伸部52之外。后端 56包括傾斜的背面60。[0026延伸部52的外徑與連通通道42的內(nèi)徑相當(dāng)。此外，動態(tài) 密封元件16自接合凸緣54的接合面62向閥元件端50延伸的長度Ll 大于連通通道42限定于外孔40與閥腔28之間的最長部的長度L2。 這樣，動態(tài)密封元件16可定位得"過深"，于是閥元件端50軸向地延 伸超過連通通道42之上并伸入閥腔28中。[0027j參見圖2，閥元件14處于打開位置，于是閥元件的通道 34就將直列口 22與橫向口 26流體連通起來。在該位置上，動態(tài)密封 元件16的閥元件端50與通道34的開口 37對準，而開口 35與直列口 22對準。在該位置上，動態(tài)密封元件16盡可能深地偏壓到閥腔28中， 使得鄰接凸緣54的鄰接面62與形成外孔40與連通通道42之間的過 渡區(qū)的徑向肩部44相鄰接。在打開位置上，動態(tài)密封元件16被容許 伸入閥腔28中最大距離。00281因為閥元件14的通道34與外表面32相交，所以閥元件 14不是完整的球形，并包括比如空隙38的空隙，正如前面討論的那 樣。假想圓周41與閥元件14的軸36相距距離Rl而定位。因為開口 37的直徑大于動態(tài)密封元件16的閥元件端50的直徑，動態(tài)密封元件 16行進到閥腔28中并貫穿閥元件14的假想圓周41且進入空隙38中。如果動態(tài)密封元件16的直徑大于開口 37，動態(tài)密封元件16將接觸閥 元件14的外表面32且不進入開口 37形成的球體內(nèi)的空隙38。[00291彈簧70將動態(tài)密封元件16偏壓到閥腔28中并靠在肩部 44上，于是閥元件端50便進入由閥元件14的假想圓周41限定的空 隙38中。彈簧70置于O形圖形狀的輔助密封元件72與扣環(huán)形狀的 止動器74之間并作用于其上，該O形圏72鄰接動態(tài)密封元件16的 后端56，更具體地說是傾斜面60。彈簧70例如可通過提供彈性偏壓 力的螺旋彈簧、橡膠彈簧或波狀彈簧等設(shè)置。[0030扣環(huán)74安裝在形成于外孔40內(nèi)表面46內(nèi)的溝槽76中。 如果扣環(huán)74是止動器，扣環(huán)74將彈簧70、 0形圏72以及動態(tài)密封 元件16固定在橫向口 26內(nèi)。此外，外孔40的內(nèi)表面46可包括多個 改變扣環(huán)74位置的溝槽以改變彈簧70的壓縮量，從而改變其施加給 O形圏72的偏壓力。作為替換，扣環(huán)74可由在橫向口 26內(nèi)能連續(xù)調(diào) 節(jié)的止動器替換，比如與內(nèi)表面46的內(nèi)螺紋部相配合的外螺紋圏環(huán)， 或應(yīng)在外孔40內(nèi)形成鄰接部。[00311在該實施例中，動態(tài)密封元件16不接觸打開位置的閥元 件14，如圖2中的動態(tài)密封元件16的表面58與通過通道開口 37限 定的閥元件14的表面之間的間隙所示。由于徑向延伸的肩部44與鄰 接凸緣54之間的干涉，所以防止動態(tài)密封元件16接觸閥元件14。在 打開位置上，動態(tài)密封元件16無需與閥元件14形成密封乃至與之接 觸，因為希望讓流體流過橫向口 26且繞過動態(tài)密封元件16。不過， 在其它實施例中，動態(tài)密封元件16可接觸或允許接觸打開位置的閥元 件14。[00321較之其它現(xiàn)有技術(shù)中的閥IO的三個口 22-26的全部三個密 封件與閥元件14保持接觸的閥，讓動態(tài)密封元件16與打開位置的閥 元件14不接觸，優(yōu)勢是顯著的。在打開位置上，直列口24由閥元件 14的外壁30的無孔部關(guān)閉。在這一結(jié)構(gòu)中，流經(jīng)閥元件14的通道34 的流體在位于直列口 24內(nèi)的密封件上提供了大的壓差，使得該密封件 與閥元件14的外表面32之間產(chǎn)生較高的靜摩擦。[0033由于不讓動態(tài)密封元件16與閥元件14接觸，閥元件14 不會與動態(tài)密封元件16產(chǎn)生靜摩擦。這樣一來，在打開位置(圖2) 與關(guān)閉位置(圖1)之間驅(qū)動閥元件14的致動器(未示出)不必克服 由動態(tài)密封元件16施加給閥元件14的附加靜摩擦力。這就減少了致 動器的轉(zhuǎn)矩要求，因為致動器僅需一開始克服由位于直列口 24內(nèi)的密 封件施加的靜摩擦。 一旦致動器開始在打開位置與關(guān)閉位置之間致動 閥元件14，摩擦就變成了小于靜摩擦的動摩擦，并且，由密封元件16 施加給閥元件14的附加摩擦在閥元件的相對致動(opposing actuation)中明顯小一些。[0034圖1示出了關(guān)閉位置上的閥元件14。閥元件14被定向成 才黃向口 26不與任何開口 35、 37、 39對準，而是與延伸于開口 37與 39之間的閥元件14的外表面32的無孔部對準。此外，動態(tài)密封元件 16與0形圏72、閥元件14以及閥體12相協(xié)作，以防止流體自閥腔 28流過橫向口。換句話說，閥元件處于"封閉"位置，使得橫向口 26 與流動口 22、 24的剩余部分密封，或4吏4黃向口 26與流動口 22、 24 的剩余部分不流體連通。[0035在關(guān)閉位置上，彈簧70將動態(tài)密封元件16偏壓到閥腔28 中并使之與閥元件14的外表面32接觸。這就在閥元件14與動態(tài)密封 元件16之間產(chǎn)生密封，以防止閥腔28中的任何流體經(jīng)動態(tài)密封元件 16流過開口 76。此外，O形圏72在動態(tài)密封元件16的外表面(尤其 是傾斜面60)與外孔40的內(nèi)表面46之間提供了密封。這種密封防止 了流體流過動態(tài)密封元件16外部的橫向口 26。這樣一來，流體流就 不會經(jīng)過橫向口 26。10036彈簧70作用在O形圏72而非動態(tài)密封元件16上，以朝 著閥元件14將動態(tài)密封元件16偏壓到閥腔28中。通過作用在O形 圈72上，彈簧朝向動態(tài)密封元件16的傾斜面60偏壓O形圏。因此， 隨著彈簧70的逐漸被壓縮，O形圏72受到增大的沿著傾斜面60向上 推O形圏72的力并逐漸楔入傾斜面60與內(nèi)表面46之間，由此增大 其間的O形圏的密封力。[00371由于動態(tài)密封元件16受到彈簧70的偏壓，動態(tài)密封元件 16被允許在橫向口 26內(nèi)浮動而不是相對于閥體12和閥元件14處于 固定位置。這樣一來，就基本上消除了閥元件14或閥元件壁30位置 上的任何波動，此種波動是由于會在動態(tài)密封元件16與閥元件14之 間提供不適當(dāng)位置的制造公差產(chǎn)生閥元件14上的壓力降變化或閥元 件14、閥體12或動態(tài)密封元件16中的變化而引起的。[0038此外，較之固定位置的密封，動態(tài)密封元件接觸閥元件14 外表面32的力根據(jù)應(yīng)用可容易而有效地適應(yīng)。在固定位置的密封中， 必須制造密封元件的或不同尺寸的密封元件的材料性能。在本發(fā)明的 實施例中，僅交換彈簧70 (不同的彈簧具有不同的彈簧常數(shù))就可改 變偏壓力。作為替換，可使用不同長度的彈簧。此外，如上所述，閥 IO可設(shè)置有可調(diào)節(jié)止擋元件而非固定位置的扣環(huán)74。00391進一步參見圖3，當(dāng)閥元件14自打開位置(見圖2)向關(guān) 閉位置(見圖1)轉(zhuǎn)動時，閥元件14接觸位于通過開口 37形成的空 隙38內(nèi)的動態(tài)密封元件16的閥元件端50。當(dāng)閥元件14持續(xù)轉(zhuǎn)動到 打開位置時，動態(tài)密封元件16在閥元件14的外表面32上向上拱。隨 著動態(tài)密封元件16在外表面32上向上拱，動態(tài)密封元件16受到偏壓 并被推出空隙和閥腔28，從而壓縮彈簧70。通過向外向上將動態(tài)密封 元件16偏壓到外表面32上，動態(tài)密封元件16被允許在其壓靠在外表 面32上時浮動，正如上面討論的那樣，以消除閥元件14尺寸或位置 上的任何變化。0040如圖所示，閥元件端50的表面50和開口 37都可形成輪 廓，尤其是倒圓。這種型廓有助于動態(tài)密封元件16在閥元件14的外 表面32上向上拱并防止閥元件14損壞動態(tài)密封元件16。優(yōu)選表面50 和閥元件14的表面形成輪廓。00411雖然所示實施例采納的是通常球形的閥元件14(除了由開 口 35、 36、 37形成的空隙外)，但也可釆用其它形狀的閥元件來實施 本發(fā)明。例如，圖4示出了橫斷面不呈圓形的替換閥元件114。閥元 件114包括壁130，其限定了通常橢圓形的外表面132。閥元件限定了包括開口 135、 137、 139的通道134并在打開與關(guān)閉位置之間繞著軸 136樞轉(zhuǎn)。橢圓形的橫斷面具有大體與開口 135對準的長軸和與開口 137、 139對準的短軸。長軸和短軸彼此通常垂直并與軸136垂直。[0042作為替換，橫斷面可為橢圓或其它形狀。在該實施例中， 動態(tài)密封元件的直徑(未示出)無需小于開口 135、 137或139的直徑。 在該實施例中，閥元件114的非圓形橫斷面自身會在閥元件114內(nèi)提 供偏移。這樣一來，長軸和短軸使得外表面132不會繞著軸136對稱 地連續(xù)轉(zhuǎn)動，由此產(chǎn)生空隙，比如形成在虛線所示的假想圓形或球形 表面141與外表面132之間的空隙138。這些由閥元件114自短軸部 向長軸部的過渡(比如最近的過渡區(qū)151)形成的空隙138容許動態(tài) 密封元件在打開位置上要深于關(guān)閉位置地位于閥腔中，于是動態(tài)密封 就如同上面參照閥元件14討論的那樣操作。[0043這里引用的包括公開文獻、專利申請以及專利的所有參考 文獻都以相同程度并入以供參考，正如每篇參考文獻單獨或具體表述 而并入以供參考和在此整體闡述那樣。[0044描述本發(fā)明的上下文中(尤其是下列權(quán)利要求的上下文 中)的術(shù)語"一，，和"該，，的使用要解釋成覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)，除非在此另 有說明或文中出現(xiàn)明顯矛盾的情形。術(shù)語"包括"、"具有"、"包含，，以 及"含有"要解釋為開放式的術(shù)語(即，意指"包括，但不局限于")，除 非另有說明。這里數(shù)值范圍的敘述只是用作逐一參照每個落在該范圍 內(nèi)的個別值的簡化方法，除非另有說明，并且，每個單值好像在此單 獨敘述那樣地并入說明書中。這里描述的所有方法都可按照任何適當(dāng) 的順序執(zhí)行，除非在此另有說明或文中出現(xiàn)明顯矛盾的情形。在此提 供的任何和所有實例或示范性語言(例如，"比如")的使用只是較佳 地闡述本發(fā)明且不會對本發(fā)明的范圍加以限制，除非另有說明。說明 書中的語言文字不應(yīng)被解釋為表示任何未要求保護的實施本發(fā)明必不 可少的元件。0045本發(fā)明的優(yōu)選實施例在此作了描述，包括用于實施本發(fā)明 的發(fā)明人所了解的最佳模式。這些優(yōu)選實施例的變型在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員閱讀上述說明時變得顯而易見。發(fā)明人希望技術(shù)人員根據(jù)需 要采用這些變型，并且發(fā)明人意圖采用不同于這里具體描述的方式實 施本發(fā)明。因此，本發(fā)明包括適用法律允許的所附權(quán)利要求中提到的 主題的所有改變和等價物。此外，本發(fā)明涵蓋了其所有可能變型中的 上述元件的任何組合，除非另有說明或文中出現(xiàn)明顯矛盾的情形。
權(quán)利要求
1.一種球閥，其包括閥體，其限定具有多個流動口的流道和位于流動口之間的閥腔；閥元件，其安置在閥腔內(nèi)并具有在其內(nèi)的限定通道開口的通道，該閥元件可選擇性地在閥腔內(nèi)在打開位置與關(guān)閉位置之間移動，打開位置提供通道與多個流動口中的第一流動口和多個流動口中的至少另一個流動口的流體連通對準，而關(guān)閉位置提供了通道與第一流動口的非流體連通對準以阻止第一流動口與通道之間的流動；密封件，其包括由閥體支承的與第一流動口密封接觸的密封元件，該密封元件在打開位置具有第一端，該第一端與通道開口的第一個基本對準并與閥元件的旋轉(zhuǎn)軸相距第一距離而定位，而在關(guān)閉位置上，密封元件與閥元件的表面的密封部對準并密封接觸且與所述閥元件的旋轉(zhuǎn)軸相距第二距離而定位，該第二距離大于第一距離；彈簧元件，其用于朝向閥元件偏壓動態(tài)密封元件。
2. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，閥元件的表面的密封 部是無孔的。
3. 如權(quán)利要求2所述的球閥，其特征在于，閥元件的幾何結(jié)構(gòu)被 這樣構(gòu)造，使得空隙通過閥元件從具有繞著旋轉(zhuǎn)軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動對稱外 表面偏離來形成。
4. 如權(quán)利要求3所述的球閥，其特征在于，閥元件的表面通常為 球形，并且，空隙是通過由與外表面相交的通道開口限定的球形形狀 的偏移而限定的。
5. 如權(quán)利要求4所述的球閥，其特征在于，密封元件的閥元件端 的直徑小于通道開口中的至少一個通道開口的直徑。
6. 如權(quán)利要求3所述的球閥，其特征在于，密封元件的閥元件端 穿過打開位置的空隙中的一個。
7. 如權(quán)利要求3所述的球閥，其特征在于，至少一個空隙是通過 具有圍繞閥元件的旋轉(zhuǎn)軸的外表面的閥元件形成，外表面通常具有長短軸；該空隙接近短軸形成，并且，所述通道開口中的至少一個接近 閥元件的短軸而形成。
8. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，第一流動口與所述多 個流動口中的第二流動口基本垂直。
9. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，彈簧元件置于保持器 與密封元件之間。
10. 如權(quán)利要求9所述的球閥，其特征在于，保持器的位置是可 變的。
11. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，密封元件滑動地支 承在第一流動口中，且密封元件的閥元件端伸入閥腔中。
12. 如權(quán)利要求11所述的球閥，其特征在于，密封元件包括輔助 密封元件，且密封元件包括傾斜背面，該輔助密封元件置于傾斜背面 與彈簧元件之間并在笫 一流動口的內(nèi)表面與傾斜背面之間形成密封。
13. 如權(quán)利要求12所述的球閥，其特征在于，該輔助密封元件為 O形圏，且彈簧元件直接作用在O形圈上，從而作用在密封元件上， 隨著彈簧元件提供的偏壓力的增大，O形圈愈加楔入傾斜背面與第一 口的內(nèi)表面之間，以在傾斜背面和第一流動口的內(nèi)表面上增大密封壓 力。
14. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，閥元件自打開位置 向關(guān)閉位置的轉(zhuǎn)變使得彈簧元件在關(guān)閉位置上比在打開位置上提供更 大的偏壓力。
15. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，密封元件的外表面 和通道開口的內(nèi)表面中的至少一個包括一錐形區(qū)，該錐形區(qū)在閥元件 自打開位置向關(guān)閉位置轉(zhuǎn)變時有助于偏壓密封元件。
16. 如權(quán)利要求12所述的球閥，其特征在于，該錐形背面和閥元 件端限定了密封元件的相對端，密封元件還包括延伸部和徑向凸緣， 延伸部與閥元件端相鄰并過渡到其中，凸緣置于延伸部與錐形背面之 間并向外延伸超過延伸部，閥體的第一流動口包括具有第一直徑的第 一孔和鄰近該第一孔的具有小于第一直徑的第二直徑的第二孔；所述相鄰的孔限定一肩部，第二孔使第一孔與閥腔連接，密封元件的延伸 部的至少一部分被滑動地支承在第二孔中且長度大于第二孔。
17. 如權(quán)利要求l所述的球閥，其特征在于，密封元件在打開位 置不與閥元件接觸。
18. —種使用密封元件密封閥體的閥口的方法，該方法包括 使 一 閥元件自打開位置朝關(guān)閉位置繞著旋轉(zhuǎn)軸樞轉(zhuǎn)； 利用閥元件自密封元件與'旋轉(zhuǎn)軸相距第一距離的第一位置朝密封元件與轉(zhuǎn)軸相距第二距離的第二位置偏壓密封元件，第二距離大于第一距離；在笫二位置將密封元件密封壓靠在閥元件外表面的無孔部上。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，偏壓密封元件的步驟包括 彈性地偏壓一偏壓元件，以在與從第一位置到第二位置運動的相對的 方向上增加作用于密封元件上的偏壓力。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，樞轉(zhuǎn)和偏壓步驟基本同時 進行，以及該方法包括使密封元件在閥元件的外表面上向上拱。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中，樞轉(zhuǎn)閥元件使得閥元件的 通道開口的輪廓成形表面與密封元件的端部的輪廓成形表面接合，以 利于密封元件的上拱。
22. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，動態(tài)密封元件穿過由閥元 件的外表面的偏移而限定的空隙，并且，偏壓密封元件的步驟包括基 本上使密封元件自空隙中偏壓出來。
23. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中，偏壓密封元件的步驟還包 括使輔助密封元件愈加楔入密封元件的傾斜面與閥口的內(nèi)表面之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進閥元件與閥體之間的密封的球閥。通過提供一種容許在關(guān)閉位置的閥元件的外表面上浮動的密封元件而改善密封。由于能夠在外表面上浮動，密封元件可補償閥元件內(nèi)因機加工公差引起的任何變化或因閥內(nèi)壓力變化引起的閥元件位置的變化，由此提供動態(tài)密封。動態(tài)密封還可這樣提供，即，將閥元件構(gòu)造成使密封元件在關(guān)閉位置受到的偏壓力高于打開位置的偏壓力。
文檔編號F16K11/087GK101328981SQ20081012518
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者K·R·托馬斯 申請人:Tac有限責(zé)任公司