溢流截止閥的制作方法
【專利摘要】溢流截止閥包括閥體、閥塞、隔件、和激勵件，其中閥塞、隔件和激勵件布置在閥體內(nèi)。提供合適的流動限制件，以當(dāng)流體流經(jīng)閥體時在閥塞上游端和閥塞下游端之間產(chǎn)生壓差。當(dāng)經(jīng)過閥體的流體流動高于理想速度時，壓差超過啟動激勵件所需目標(biāo)壓差，并因此關(guān)閉閥。
【專利說明】溢流截止閥
[0001] 關(guān)于聯(lián)邦政府咨助的研究或開發(fā)的聲明
[0002] 本發(fā)明至少部分在美國能源部根據(jù)D0E合作協(xié)議第DE-FC26-98FT40343號的資助 下進(jìn)行。美國政府在本發(fā)明中享有某些權(quán)利。

【背景技術(shù)】
[0003] 溢流截止閥（excess flow shutoff valve)對于當(dāng)壓力線路中的構(gòu)件受到破壞時 自動隔離加壓線路是有用的。具體而言，如果線路處于內(nèi)壓并且閥下游的構(gòu)件失效、或者線 路處于外壓并且閥上游的構(gòu)件失效，則可以使用溢流截止閥。
[0004] 相關(guān)申請包括美國專利4, 240, 458、美國專利5, 067, 511、美國專利5, 462, 081、美 國專利5, 810, 057、美國專利6, 131，599、美國專利6, 484, 742、美國專利6, 916, 362、以及美 國專利 7, 703, 472。
[0005] 工業(yè)上要求溢流截止閥適于在高溫、例如600°C至1400°C之間下使用。
[0006] 工業(yè)上要求緊湊且經(jīng)濟(jì)的溢流截止閥，其可以在比當(dāng)前可商業(yè)獲得的溢流截止閥 更高的溫度下操作。
[0007] 工業(yè)上要求可靠的溢流截止閥，其不會過早地斷開，但在目標(biāo)流率時能持續(xù)斷開。
[0008] 工業(yè)上要求易于調(diào)節(jié)的溢流截止閥，其可以容易地進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變閥斷開時的目 標(biāo)流率。
[0009] 工業(yè)上要求對相對小的溢流敏感的溢流截止閥。
[0010] 預(yù)期在高溫時使用的一些隔離裝置非常龐大，主要保持工作部件與加工流體隔離 并處于較低溫度。工業(yè)上要求溢流截止閥小巧且可以在線安裝。
[0011] 工業(yè)上要求溢流截止閥在正常操作狀態(tài)期間具有通過閥的較低壓降。
[0012] 工業(yè)上要求溢流截止閥在關(guān)閉時（甚至在加工流體包括碎屑）提供緊密的密封。
[0013] 工業(yè)上要求根據(jù)需要來斷開溢流截止閥的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明涉及溢流截止閥。
[0015] 下文列出了溢流截止閥的幾個方面。在下文中，列出溢流截止閥的幾個具體方面。 設(shè)定在括號內(nèi)的附圖標(biāo)記和表達(dá)參照下文參照附圖進(jìn)一步解釋的示例實施例。然而，附圖 標(biāo)記和表達(dá)僅僅是說明性的，而不是將所述方面限制到示例實施例的任何具體構(gòu)件或特 征。這些方面可以在權(quán)利要求中進(jìn)行闡述，在權(quán)利要求中設(shè)定在括號內(nèi)的附圖標(biāo)記和表達(dá) 被省略或酌情由其他方式進(jìn)行替代。
[0016] 方面1.溢流截止閥，其包括：
[0017] 閥體（10)，其限定內(nèi)部容積，并具有進(jìn)口（16)和出口（18);
[0018] 閥塞（20)，其具有上游端（22)和下游端（24)，所述閥塞在所述閥體（10)內(nèi)可從 允許流體從進(jìn)口（16)流向出口（18)的位置移動至阻斷流體從進(jìn)口流向出口的位置，當(dāng)啟 動激勵件（30)時，所述閥塞可從允許流體從進(jìn)口流向出口的位置移動至阻斷流體從進(jìn)口 流向出口的位置；
[0019] 隔件（50)，其位于所述閥體（10)內(nèi)，所述隔件（50)在所述閥體（10)的內(nèi)部容積 中形成有第一腔￠0)和第二腔￠5)，其中，當(dāng)所述閥塞位于允許流體從所述進(jìn)口（16)流向 所述出口（18)的位置時，所述閥塞（20)布置在所述第二腔內(nèi)；以及
[0020] 激勵件（30)，其布置在所述閥體（10)內(nèi)，并操作性地與所述閥塞（20)連接，以保 持所述閥塞就位在所述第二腔￠5)內(nèi)允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位 置；
[0021] 其中，所述閥體（10)和所述隔件（50)中的至少一個限定有一個或多個孔（55)，當(dāng) 所述閥塞（20)位于允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置時，所述一個或多 個孔用于流體從所述第一腔￠0)流向所述第二腔￠5)，當(dāng)所述閥塞位于允許流體從所述 進(jìn)口流向所述出口的位置時，所述一個或多個孔位于所述閥塞下游端（24)的下游位置。
[0022] 方面2.根據(jù)方面1所述的溢流截止閥，其中，當(dāng)所述閥塞處于允許流體從所述 進(jìn)口流向所述出口（18)的位置時，所述第一腔（60)由或由至少所述進(jìn)口（16)、所述閥體 (10)內(nèi)表面的一部分（l〇a)、所述隔件（50)的第一表面（50a)、以及所述閥塞（20)的上游 端（22)限定，并且，當(dāng)所述閥塞（20)處于允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的 位置時，所述第二腔（65)由至少所述出口（18)、所述隔件（50)的第二表面（50b)、以及所 述閥塞（20)的上游端（22)限定。
[0023] 方面3.根據(jù)方面2所述的溢流截止閥，其中，所述第二腔（65)還由所述閥體（10) 的內(nèi)表面的第二部分（l〇b)限定。
[0024] 方面4.根據(jù)方面1至方面3中任一方面所述的溢流截止閥，其中，當(dāng)流體從所述 進(jìn)口（16)至所述出口（18)流經(jīng)所述閥體（10)時，所述一個或多個孔（55)在所述閥塞（20) 的上游端（22)和所述閥塞（20)的下游端（24)之間產(chǎn)生壓差，其中，當(dāng)流體以小于目標(biāo)流 率的較低速率流經(jīng)所述閥體（10)時，所述壓差小于用于激勵所述激勵件（30)的目標(biāo)壓差， 以及，當(dāng)流體以大于目標(biāo)流率的較高速率流經(jīng)所述閥體（10)時，所述壓差超過用于激勵所 述激勵件（30)的目標(biāo)壓差。
[0025] 方面5.根據(jù)方面1至方面4中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述第二腔 (65)形成在所述隔件和所述閥體（10)的內(nèi)表面之間。
[0026] 方面6.根據(jù)方面1至方面4中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述第二腔 (65)形成在所述隔件（50)內(nèi)，當(dāng)所述閥塞（20)位于允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出 口（18)的位置時，所述第二腔（65)由或由至少所述隔件（50)的內(nèi)表面、所述出口（18)、以 及所述閥塞（20)的上游端（22)限定。
[0027] 方面7.根據(jù)方面1至方面6中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件 (30)選自銷釘（30a)、可變形聯(lián)桿（deformable link) (30b)及其組合。
[0028] 方面8.根據(jù)方面1至方面7中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包 括可變形聯(lián)桿（30b)，所述可變形聯(lián)桿（30b)具有如下蠕變特性，使得當(dāng)在所述閥塞（20)的 上游端（22)和所述閥塞（20)的下游端（24)之間出現(xiàn)的壓差小于目標(biāo)壓差時，所述可變形 聯(lián)桿（30b)足夠慢地蠕變，從而當(dāng)所述壓差小于所述目標(biāo)壓差時，保持所述閥塞（20)位于 允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置第一目標(biāo)時段，以及，使得當(dāng)在所述閥 塞（20)的上游端（22)和所述閥塞（20)的下游端（24)之間出現(xiàn)的壓差超過所述目標(biāo)壓差 時，所述可變形聯(lián)桿（30b)足夠快的蠕變，其中，當(dāng)所述可變形聯(lián)桿（30b)蠕變時，使所述閥 塞（20)在第二目標(biāo)時段內(nèi)移動至阻斷流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置。
[0029] 方面9.根據(jù)方面1至方面8中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包 括銷釘（30a)，所述銷釘具有如下強(qiáng)度，使得當(dāng)在所述閥塞（20)的上游端（22)和所述閥塞 (20)的下游端（24)之間出現(xiàn)的壓差超過所述目標(biāo)壓差時，所述銷釘會斷裂，其中，當(dāng)所述 銷釘（30a)斷裂時，使所述閥塞（20)移動至阻斷流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18) 的位置。
[0030] 方面10.根據(jù)方面1至方面7所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包括銷釘 (30a)和可變形聯(lián)桿（30b)，所述銷釘（30a)具有如下強(qiáng)度，使得當(dāng)在所述閥塞（20)的上游 端（22)和所述閥塞（20)的下游端（24)之間出現(xiàn)的壓差超過所述目標(biāo)壓差時，所述銷釘 (30a)會斷裂，所述可變形聯(lián)桿（30b)具有如下蠕變特性，使得當(dāng)在所述閥塞（20)的上游端 (22)和所述閥塞（20)的下游端（24)之間出現(xiàn)的壓差超過第二目標(biāo)壓差時，所述可變形聯(lián) 桿（30b)將蠕變，
[0031] 其中，所述銷釘（30a)和所述可變形聯(lián)桿（30b)操作性地布置為使得所述銷釘 (30a)起初將所述閥塞（20)保持在所述閥體（10)內(nèi)就位在允許流體從所述進(jìn)口（16)流向 所述出口（18)的位置，
[0032] 其中，當(dāng)所述銷釘（30a)斷裂時，所述閥塞（20)由所述可變形聯(lián)桿（30b)限制，其 中當(dāng)所述可變形聯(lián)桿（30b)蠕變時，使所述閥塞（20)移動至在目標(biāo)時段內(nèi)阻斷流體從所述 進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置。
[0033] 方面11.根據(jù)方面1至方面10所述的溢流截止閥，還包括：
[0034] 布置在所述閥體（10)內(nèi)的變流裝置（flow deflector) (40)，所述變流裝置（40) 布置在所述閥體（10)進(jìn)口（16)下游和所述閥塞（20)上游端（22)的上游的第一腔（60) 內(nèi)，其用于將進(jìn)入所述閥體（10)進(jìn)口（16)的流體偏斜遠(yuǎn)離所述閥塞（20)上游端（22)。
[0035] 方面12.根據(jù)方面1至方面11中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述隔件 (50)包括陶瓷襯里（57)，其覆蓋所述隔件（50)內(nèi)部的至少一部分。
[0036] 方面13.根據(jù)方面1至方面12中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述隔件 (50)限定了一個或多個孔（55)，當(dāng)流體流經(jīng)所述閥體（10)時，所述一個或多個孔（55)提 供流動限制，以在所述閥塞（20)的上游端（22)和所述閥塞（20)的下游端（24)之間產(chǎn)生 壓差。
[0037] 方面14.根據(jù)方面1至方面13中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述隔件 (50)具有面對所述閥塞（20)的側(cè)面和背離所述閥塞（20)的側(cè)面，并且其中，所述隔件 (50)包括形成與所述閥塞（20)相鄰的側(cè)面的至少一部分的陶瓷層（57)，并且在所述隔件 (50)的陶瓷層（57)中形成有所述一個或多個孔（55)。
[0038] 方面15.根據(jù)方面1至方面14中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述隔件 (50)具有面對（相鄰）所述閥塞（20)的側(cè)面和背離（相對）所述閥塞（20)的側(cè)面，并且 其中，所述隔件（50)包括形成背離所述閥塞（20)的所述側(cè)面的至少一部分的套筒（59)，并 且在所述套筒中形成有所述一個或多個孔（55)。
[0039] 方面16.根據(jù)方面1至方面15中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述一個或 多個孔（55)的尺寸形成為提供壓差，當(dāng)經(jīng)過流動限制件的流率超過目標(biāo)流率時，所述壓差 足以啟動所述激勵件（30)。例如，足以觸發(fā)所述激勵件（30)的壓降可大于6900Pa。
[0040] 方面17.根據(jù)方面1至方面16中任一方面所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件 (30)包括銷釘（30a)，所述銷釘以彎曲形式負(fù)載，其中，當(dāng)所述閥塞（20)位于允許流體從所 述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置時，所述銷釘將所述閥塞（20)保持在所述閥體（10) 內(nèi)的位置。
[0041] 方面18.根據(jù)方面17所述的溢流截止閥，其中，當(dāng)所述銷釘將所述閥塞（20)保 持在所述閥體（10)內(nèi)允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置時，所述銷釘 (30a)由所述隔件（50)支撐。
[0042] 方面19.根據(jù)方面17或方面18所述的溢流截止閥，其中所述銷釘處于3點彎曲 構(gòu)造。
[0043] 方面20.根據(jù)方面17或方面18所述的溢流截止閥，還包括分布梁（spreader beam) (35)，其將所述閥塞（20)機(jī)械連接至所述銷釘，從而使銷釘處于4點彎曲構(gòu)造。
[0044] 方面21.根據(jù)方面1至方面20中任一方面所述的溢流截止閥，還包括墊圈（80 ; 81)，當(dāng)所述閥塞（20)位于阻止流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置時，所述墊 圈（80 ;81)定位為形成所述閥塞（20)和所述閥體（10)與所述隔件（50)中至少一個之間 的密封。
[0045] 方面22.根據(jù)方面21所述的溢流截止閥，其中，當(dāng)所述閥塞（20)移動至阻止氣體 從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置時，所述閥塞（20)的下游端（24)具有集中接 觸應(yīng)力并使所述墊圈（80)變形的周長。
[0046] 方面23.根據(jù)方面1至方面22中任一方面所述溢流截止閥，還包括：
[0047] 墊圈（81)，其位于所述閥塞（20)的溝槽內(nèi)；
[0048] 閥座（90);以及
[0049] 第二墊圈（95)，其接近所述閥體（10)的出口（18);
[0050] 其中，所述閥座（90)定位為當(dāng)所述閥塞（20)處于阻止流體從所述進(jìn)口（16)流向 所述出口（18)的位置時，與所述墊圈（81)形成密封，并且其中，所述第二墊圈（95)位于 所述閥座（90)和所述閥體（10)之間，以提供所述閥座（90)和所述閥體（10)之間的密封。
[0051] 方面24.根據(jù)方面1至方面23中任一方面所述溢流截止閥，還包括激勵流體注射 通道（100)，其布置為用于在所述閥塞（20)的上游端（22)注射激勵流體。
[0052] 方面25.根據(jù)方面24所述溢流截止閥，其中，所述閥塞（20)的上游端（22)、變流 裝置（40)、和所述隔件（50)形成布置為用于接收來自所述激勵流體注射通道（100)的激勵 流體的空間（52)，并且所述隔件（50)和所述變流裝置（40)在其二者之間形成流動限制間 隙（70)，其布置為限制所述激勵流體流出所述空間（52)。
[0053] 方面26.根據(jù)方面1所述溢流截止閥，其中，所述閥塞（20)具有一個或多個外圍 肋（25)。
[0054] 方面27.根據(jù)方面1至方面26中任一方面所述溢流截止閥，其中，重力使所述閥 塞（20)移動至阻斷流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置。
[0055] 方面28.根據(jù)方面17或方面18所述溢流截止閥，其中，所述銷釘處于η點彎曲構(gòu) 型，并且η彡3。
[0056] 方面29.根據(jù)方面1至方面28中任一方面所述溢流截止閥，其中，所述第一腔 (60)包括第一空間和第二空間（52)，所述第一空間連接進(jìn)口（16)和孔（55)，第二空間 (52)從第一空間分支，以將流體向閥塞（20)的上游端（22)引導(dǎo)，用于對閥塞朝阻斷流體從 進(jìn)口（16)流向出口（18)的位置施加流體壓力。
[0057] 方面30.根據(jù)方面1至方面29中任一方面所述溢流截止閥，其中，當(dāng)所述閥塞 (20)位于允許流體從所述進(jìn)口（16)流向所述出口（18)的位置時，所述閥塞（20)將第一 腔（60)從第二腔（60)分離到如下程度，使得當(dāng)流體從閥體（10)進(jìn)口（16)流向出口（18) 時，建立閥塞（20)上游端（22)與閥塞（20)下游端（24)之間的壓差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0058] 圖1示出通過具有閥塞的溢流截止閥的截面圖，閥塞處于允許流體從進(jìn)口流向出 口的位置（即，處于打開結(jié)構(gòu)）；
[0059] 圖2示出通過具有閥塞的溢流截止閥的截面圖，閥塞處于阻斷流體從進(jìn)口流向出 口的位置（即，處于關(guān)閉結(jié)構(gòu)）；
[0060] 圖3示出通過溢流截止閥的截面圖，具有與出口成直角的進(jìn)口和閥體上的孔；
[0061] 圖4示出通過溢流截止閥的截面圖，該溢流截止閥具有環(huán)形閥塞；
[0062] 圖5示出通過溢流截止閥的截面圖，該溢流截止閥具有非對稱方式安裝在閥體中 的閥塞；
[0063] 圖6示出通過溢流截止閥的截面圖，其中閥體限定內(nèi)部流動通道；
[0064] 圖7示出通過溢流截止閥的截面圖，該溢流截止閥具有內(nèi)套筒和激勵件，激勵件 包括銷釘和可變形的聯(lián)桿；
[0065] 圖8示出處于3點彎曲的銷釘；
[0066] 圖9示出處于4點彎曲的銷釘；
[0067] 圖10示出處于拉伸下的銷釘；
[0068] 圖11示出具有分布梁的處于4點彎曲的銷釘；
[0069] 圖12示出通過溢流截止閥的截面圖，該溢流截止閥具有外套筒；
[0070] 圖13示出通過溢流截止閥的截面圖，該溢流截止閥具有可移除的底座；
[0071] 圖14示出具有2個外圍肋的閥塞；
[0072] 圖15示出具有4個外圍肋的閥塞；
[0073] 圖16示出通過溢流截止閥測試單元的截面圖，該測試單元構(gòu)造為在上游端具有 孔；
[0074] 圖17示出通過溢流截止閥測試單元的截面圖，該測試單元構(gòu)造為與離子輸送膜 組件一起使用。

【具體實施方式】
[0075] 下面的詳細(xì)描述僅提供優(yōu)選示例實施例，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或 構(gòu)造。相反，下面對優(yōu)選示例實施例的詳細(xì)說明為該領(lǐng)域技術(shù)人員提供能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的 這些優(yōu)選示例實施例的說明，可以理解，對于構(gòu)件的功能和布置可進(jìn)行各種變化而不偏離 權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
[0076] 當(dāng)應(yīng)用于說明書和權(quán)利要求中描述的本發(fā)明實施方式中任何特征時，本文使用的 不定指稱（"a"和"an"）是指一個或多個。使用不定指稱（"a"和"an"）不是將含義限 制為單個特征，除非特別說明該限制。在單數(shù)或復(fù)數(shù)名詞或名詞短語前面的冠詞"該7"所 述"代表一個具體指定特征或多個具體指定特征，并且根據(jù)其所使用的上下文可以具有單 數(shù)或復(fù)數(shù)的含義。形容詞"任何"是指一個、一些、或任何數(shù)量不加選擇的所有。設(shè)置于第 一實體和第二實體之間的詞語"和/或"是指如下之一 ：（1)第一實體；（2)第二實體；以及 (3)第一實體和第二實體。設(shè)置于列出的3個或更多實體中最后兩個實體之間的詞語"和 /或"是指列出的實體中的至少一個，包括列出實體中的任何特定組合。
[0077] 為了幫助描述本發(fā)明，在說明書和權(quán)利要求中可以使用方向性術(shù)語，以描述本發(fā) 明的各部分（例如，上、頂、下、底、左、右等）。這些方向性術(shù)語僅旨在幫助描述本發(fā)明和要 求保護(hù)本發(fā)明，并不旨在以任何方式限制本發(fā)明。此外，與附圖相關(guān)的說明書中引入的附圖 標(biāo)記可以在一個或多個后續(xù)附圖中重復(fù)，無需在說明書中額外說明，從而為其他特征提供 前后關(guān)系。
[0078] 上游和下游是指傳送的加工流體的預(yù)定流動方向。如果加工流體的預(yù)定流動方向 是從第一裝置到第二裝置，第二裝置處于與第一裝置的下游流體流動連通。
[0079] 如本文使用的術(shù)語"流體"包括氣體和液體。流體可以是氣體。流體可以是液體。
[0080] 本發(fā)明涉及溢流截止閥，其是當(dāng)流率大于理想閾值流率時隔離管路的自動截止 閥。
[0081] 現(xiàn)在參照附圖，其中，在所有幾張附圖中，相似的附圖標(biāo)記表示相似的構(gòu)件，圖1 示出處于打開結(jié)構(gòu)的溢流截止閥1的截面圖，以及圖2示出處于關(guān)閉結(jié)構(gòu)的溢流截止閥1 的截面圖。溢流截止閥包括具有進(jìn)口 16和出口 18的閥體10。進(jìn)口和出口可以如圖1中所 示在閥體10的相對端，如圖3中所示彼此成直角，或成任何理想的角度。
[0082] 閥體10限定內(nèi)部容積，其容納閥的內(nèi)部構(gòu)件。閥體在打開結(jié)構(gòu)和關(guān)閉結(jié)構(gòu)中都必 須包含操作壓力負(fù)載。閥體可具有圓形截面或任何其他理想截面。閥體可以由對于所需任 務(wù)具有適合強(qiáng)度和抗氧化能力的任何材料制成。對于使用離子輸送膜的氧氣生產(chǎn)的情況， 閥體應(yīng)該由可與高溫氧相容的材料制成。在700°c-950°c時，優(yōu)選材料可以包括Incoloy? 8〇〇H、Incoloy? 600、Incoloy? 601、ra 602CA?、RA 253MA?、Hastelloy? X、 Haynes? 230、以及ra 33〇?。對于在低溫時的氧任務(wù)，可以優(yōu)選300系列不銹鋼。閥體 的進(jìn)口端可以從閥的其他部分移除，以進(jìn)入和維護(hù)溢流截止閥。溢流截止閥可以在進(jìn)口端 和出口端具有連接接頭或聯(lián)接器，以從毗連的管系統(tǒng)移除整個閥體來進(jìn)行維護(hù)。
[0083] 溢流截止閥包括布置在閥體10內(nèi)的閥塞20。閥塞20具有上游端22和下游端24。 閥塞20可在閥體10內(nèi)從允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置移動至阻斷流體從進(jìn)口 16 流向出口 18的位置。
[0084] 閥塞20可以為中空的，以減少閥塞的重量。閥塞可以填充有沙子或其他顆粒材 料，以減緩閥塞的移動和/或減少閥塞的振動。
[0085] 溢流截止閥包括布置在閥體10內(nèi)并相對閥體10固定隔開的隔件50。隔件50布 置在閥體10的進(jìn)口 16和閥體10的出口 18之間。隔件50在閥體10的內(nèi)部容積中形成第 一腔60和第二腔65。當(dāng)閥塞20位于允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，閥塞20布 置在第二腔65內(nèi)。
[0086] 如圖1和圖3所示，閥塞20可布置在隔件50內(nèi)。在這種情況下，當(dāng)閥塞20位于 允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，第一腔60可以由進(jìn)口 16、閥體10內(nèi)表面的一部 分10a、隔件50的第一（外）表面50、以及閥塞20的上游端22限定。當(dāng)閥塞20位于允許 流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，第二腔65可以由至少出口 18、隔件50的第二（內(nèi)） 表面50b、以及閥塞20的上游端22限定。
[0087] 如圖4所示，閥塞20可以為環(huán)形并布置在隔件50與閥體10之間的環(huán)形空間中。 如圖5所示，閥塞可不對稱地布置在第二腔65中。在這些情況下，當(dāng)閥塞20位于允許流體 從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，第一腔60可以由進(jìn)口 16、閥體10內(nèi)表面的一部分10a、 隔件50的第一（內(nèi)）表面50a、以及閥塞20的上游端22限定。當(dāng)閥塞20位于允許流體從 進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，第二腔65可以由至少出口 18、隔件50的第二（外）表面 50b、閥體10內(nèi)表面的第二部分10b、以及閥塞20的上游端22限定。
[0088] 圖6示出可替換的實施方式，其中，閥塞布置在閥體內(nèi)，并且隔件布置在閥塞下游 端的下游。閥體限定內(nèi)部通道63,并且第一腔60包括內(nèi)部通道63。
[0089] 隔件50,還有閥體（取決于幾何形狀），可以從如圖1所示的允許流體從進(jìn)口 16流 向出口 18的位置向如圖2所示的阻斷流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置引導(dǎo)閥塞20。隔 件50操作性地布置為使閥塞20避開較大的流體流動部分，這否則會導(dǎo)致作用在閥塞20上 的力并引起閥塞20不期望的振動。然而，可能存在由較小的流體流動部分（流體的旁路流 動）引起的不平衡和不穩(wěn)定流動誘導(dǎo)的力，該較小流體流動部分經(jīng)過閥塞20與隔件50之 間的間隙。
[0090] 隔件50可適于成型為使通過閥體10進(jìn)口 16進(jìn)入的流體偏斜遠(yuǎn)離閥塞20的上游 端22。
[0091] 第一腔60提供用于流體從進(jìn)口向出口流動的流動通路。閥體10、閥塞20和隔件 50的幾何形狀使得當(dāng)流體從閥體10進(jìn)口 16向出口 18移動時，較大部分（S卩，多于75%或 多于95% )流體經(jīng)過第一腔。
[0092] 與閥塞上游端22相鄰的第一腔60中的空間52與第一腔60提供的主要流動通路 處于流體流動連通，使得當(dāng)閥處于如圖1所示的允許流體從進(jìn)口流向出口的位置時，在閥 塞20的上游端22與閥塞20的下游端24之間建立壓差?？梢越?jīng)由間隙70建立該流體流 動連通。少部分的流體流動（流體的旁路流動），例如少于5%，可經(jīng)過間隙70,在閥塞20 和隔件50之間向下流動，并再次與通過第一腔60流動的流體會合。流體的旁路流動限定 了閥塞20的上游端22和閥塞20的下游端24,旁路流動從閥塞20的上游端22至下游端 24經(jīng)過。
[0093] 閥塞和隔件的尺寸和公差使得閥塞和隔件之間的間隙足夠大，以防止由于氧化、 熱膨脹等使閥塞卡住隔件。閥塞20必須能夠自由移動。
[0094] 如圖7所示，隔件50可以包括遮蓋至少隔件50 -部分的可選陶瓷襯里57。可以 提供陶瓷襯里57以防止由于各構(gòu)件的氧化而使閥塞20卡住隔件50。在閥塞和陶瓷襯里都 由陶瓷制成的情況下，則可以允許閥塞和隔件之間更加緊密的配合，這具有下文論述的一 些優(yōu)點。
[0095] 隔件50可以為類似套筒的部件。隔件50可以為中空圓筒件。隔件的截面可以為 環(huán)形或非環(huán)形，例如橢圓形、方形、矩形等。隔件的截面可沿其長度而變化。例如，具體地， 隔件的截面可以沿其整個長度或與閥塞接觸的長度上為恒定的，或者隔件可以為倒置的切 去頂端的錐形。閥塞具有與隔件互補(bǔ)的形狀。
[0096] 隔件50除了將閥塞20從允許流體從進(jìn)口流向出口的位置引導(dǎo)至阻止流體從進(jìn)口 流向出口的位置，還提供引導(dǎo)大部分流體流動遠(yuǎn)離閥塞的技術(shù)效果，從而有效地使閥塞避 開大部分流動并很大程度地減少了導(dǎo)致閥塞移動或振動的任何流動，否則流體流動會引起 閥塞移動或振動。導(dǎo)致閥塞移動的流動可以引起激勵件的過早斷開或啟動。
[0097] 隔件50可以與閥體10由相同材料構(gòu)造，但不要求隔件50與閥體10由相同材料 構(gòu)造。由于閥塞20必須自由移動，當(dāng)選擇隔件的材料時應(yīng)該考慮抗氧化能力。在如圖4和 圖5的幾何結(jié)構(gòu)中，如果閥塞也接觸閥體，當(dāng)選擇閥體的材料時應(yīng)該考慮抗氧化能力。過度 氧化可導(dǎo)致閥塞與隔件和/或閥體的粘合或卡住。
[0098] 溢流截止閥包括激勵件30,其布置在閥體10內(nèi)并與閥塞20操作性地連接，以使閥 塞20在閥體10內(nèi)保持在如圖1所示的允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置。激勵件可 直接或間接地與閥塞相連。由于不定指稱（"an"）在應(yīng)用于任何特征時是指一個或多個， 溢流截止閥可包括一個或多個激勵件。
[0099] 出于本公開的目的，術(shù)語"激勵件"指構(gòu)造為以下的任何裝置：保持閥塞處于第一 構(gòu)造，直到預(yù)定的差值壓力施加到閥塞和/或直到經(jīng)歷預(yù)定溫度，因此具體裝置將允許閥 塞移動至第二構(gòu)造。通過非限制的實例的方式，激勵件包括力敏感元件諸如彎曲銷釘、彎折 銷、剪切銷釘、拉銷、可變形聯(lián)桿、以及其他等效結(jié)構(gòu)。銷釘是能夠充當(dāng)激勵件的任何細(xì)長結(jié) 構(gòu)?？勺冃温?lián)桿可以為彈簧形狀（諸如線圈或Belleville)，但是當(dāng)受到激勵時，其由于蠕 變而永久變形。以發(fā)明人Julian F. Belleville命名的Belleville彈簧已稱為錐盤彈簧、 錐形彈簧墊圈、盤簧、Belleville彈簧、和杯形彈性墊圈。還可設(shè)想激勵件可以包括溫度敏 感元件，諸如易熔合金和其他等效結(jié)構(gòu)，使得激勵件允許閥塞在高于預(yù)定溫度但在正常操 作流動下移動至第二構(gòu)造。
[0100] 閥塞20、隔件50和激勵件30中的每一個都布置在閥體10內(nèi)，這提供了這樣的優(yōu) 點：閥體內(nèi)無需密封件來操作性地連接不同構(gòu)件。這對于高溫應(yīng)用可能是尤其重要的。 [0101] 激勵件上的負(fù)載包括由通過流動限制件的壓降產(chǎn)生的壓力負(fù)載、以及在閥塞堅直 取向的情況下閥塞的重量。
[0102] 圖7示出穿過溢流截止閥2的截面圖，其中，激勵件包括彎曲銷釘30a和可變形聯(lián) 桿30b(以彈簧的形式）。雖然顯示了具有可變形聯(lián)桿和銷釘二者，溢流截止閥可以包括可 變形聯(lián)桿自身、沒有可變形聯(lián)桿的銷釘、或可變形聯(lián)桿和銷釘?shù)慕M合。
[0103] 如果激勵件是可變形聯(lián)桿或包括可變形聯(lián)桿，可變形聯(lián)桿可具有如下蠕變特征， 使得當(dāng)在閥塞20上游端22與閥塞20下游端24之間出現(xiàn)的壓差小于目標(biāo)壓差時，可變形 聯(lián)桿足夠慢地蠕變，從而在壓差小于目標(biāo)壓差時保持閥塞20處于允許流體從進(jìn)口 16流向 出口 18的位置第一目標(biāo)時段。如果可變形聯(lián)桿保持閥塞處于允許流體從進(jìn)口流向出口的 位置第一目標(biāo)時段，可變形聯(lián)桿被認(rèn)為是"足夠慢"地蠕變。蠕變特征也可以為使得在閥塞 20上游端22與閥塞20下游端24之間出現(xiàn)的壓差超過目標(biāo)壓差時，可變形聯(lián)桿足夠快速地 蠕變。當(dāng)可變形聯(lián)桿蠕變時，使得閥塞20在第二目標(biāo)時段內(nèi)移動至阻斷流體從進(jìn)口 16流 向出口 18的位置。如果可變形聯(lián)桿在第二目標(biāo)時段內(nèi)使得閥塞移至阻斷流體從進(jìn)口流向 出口的位置，可變形聯(lián)桿被認(rèn)為是"足夠快"地蠕變。
[0104] 根據(jù)需要，可以將可變形聯(lián)桿設(shè)計為緩慢或快速地蠕變。第一目標(biāo)時段可以從幾 個月至幾十年，或所期望的任何時段。第二目標(biāo)時段可以從幾秒至幾周，或所期望的任何時 段。
[0105] 可變形聯(lián)桿可以是具有適合蠕變特征的任何適合抗氧化材料。可變形聯(lián)桿的材料 例如可以是Haynes? 23〇、Haynes⑧ 25、和丨nconel? 617。
[0106] 彈簧通常不在升高溫度時使用，由于金屬的材料特性變得時間依賴性，即，彈簧會 隨時間蠕變，允許閥在正常操作時關(guān)閉。對于本發(fā)明的溢流截止閥，如果存在的話，可變形 聯(lián)桿可以是彈簧的形狀，以當(dāng)其變形時允許較大的移動?？勺冃温?lián)桿可設(shè)計為在正常操作 期間具有非常低的應(yīng)力，使得金屬的蠕變速率非常慢，并且在正常操作下在溢流截止閥的 設(shè)計壽命中閥不會關(guān)閉。由于很多合金的蠕變很大程度上取決于應(yīng)力（通常與^成比例， 其中σ是所施加的應(yīng)力，η在5至10之間），由使負(fù)載增加2倍或更大將劇烈地增加蠕變 速率并允許閥快速關(guān)閉。然而如果負(fù)載僅以少量增加，閥將緩慢地關(guān)閉。在某些應(yīng)用中，緩 慢關(guān)閉是有益的。
[0107] 如果激勵件是銷釘或包括銷釘，銷釘可具有以下強(qiáng)度，使得僅當(dāng)閥塞20上游端22 與閥塞20下游端24之間的壓差超過目標(biāo)壓差時銷釘斷裂。銷釘斷裂時，使閥塞20移動至 阻斷流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置。
[0108] 當(dāng)銷釘將閥塞20保持在閥體10內(nèi)在允許流體從進(jìn)口流向出口的位置時，銷釘30a 可以由隔件50支撐?？商鎿Q地，銷釘可由閥體10或閥體內(nèi)任何其他適合支撐件支撐。
[0109] 銷釘可以以三點彎曲模式、四點彎曲模式、或η點彎曲模式（n>4)被加載，或者其 可以以拉伸力、或其他適合的模式加載，其中，銷釘將在特定負(fù)載處斷裂。圖8示出三點彎 曲的銷釘，其中箭頭指示加載點。圖9示出四點彎曲的銷釘，其中箭頭示出加載點。圖10 示出處于拉伸力狀態(tài)下的銷釘。
[0110] 銷釘可以由硬且脆的材料制成，諸如陶瓷等，其在升高溫度時具有適合的強(qiáng)度。銷 釘強(qiáng)度在銷釘之間應(yīng)該是一致的并且不依賴于時間。銷釘在操作環(huán)境中不應(yīng)該氧化或以其 他方式劣化。銷釘材料應(yīng)該比閥塞材料更硬，使得如果閥塞經(jīng)歷流動導(dǎo)致的振動或移動時 銷釘不會磨損。對銷釘?shù)娜魏文p會減少其發(fā)生斷裂時的負(fù)載。銷釘應(yīng)該是抗疲勞性的。 如果存在振動，振動將對銷釘施加高頻循環(huán)負(fù)載。由于這些原因，可以選擇具有高威布爾 (Weibul 1)模量的陶瓷材料（Weibul 1模量是對陶瓷可靠性的度量-具有高Weibul 1模量的 材料在持續(xù)負(fù)載下將更加可靠地斷裂）。對于由通過離子輸送膜技術(shù)的氧生產(chǎn)而言，氧化鋁 可以是優(yōu)選材料，但也可使用其他陶瓷或玻璃等。
[0111] 銷釘失效的幾率由下述公式推導(dǎo)出：pf = l-exp(- / v〇mdV/V〇mQ)，其中0。是材 料的特征強(qiáng)度、m是Weibull模量、v是銷釘在拉伸負(fù)載下的體積、以及〇是在整個銷釘體 積上的應(yīng)力分布。對于給定負(fù)載條件，應(yīng)力分布由梁理論計算。
[0112] 銷釘設(shè)計可通過將正常操作條件的低斷裂幾率（例如在10000次過早斷開中的一 次）和所期望斷開點的高斷裂幾率（例如95%的斷開幾率）作為目標(biāo)來進(jìn)行篩選。這可通 過選擇材料以獲得適合的特征強(qiáng)度和Weibull模量、選擇銷釘長度和直徑、對銷釘增加諸 如切口等特征、和/或選擇銷釘上的負(fù)載構(gòu)造（三點彎曲、四點彎曲、或拉伸力）來實現(xiàn)。
[0113] 變?yōu)榫哂休^高Weibull模量的材料、從三點彎曲變?yōu)樗狞c彎曲或拉伸負(fù)載、以及 對銷釘增加可控切口是可以通過其能夠增加銷釘可靠性的方法（即，導(dǎo)致其在較窄的負(fù)載 范圍內(nèi)斷裂）。通過增加銷釘可靠性，減少了虛假斷開的可能性。因此，可降低斷開流率與 操作流率的比率。
[0114] 如果銷釘構(gòu)造為四點彎曲，并且在銷釘上兩個點處直接支撐閥塞，則閥塞將易于 歪斜地位于第二腔內(nèi)。閥塞的角度可以由閥塞和隔件和/或閥體的生產(chǎn)公差以及閥塞是否 精確地堅直所決定。這種缺少對齊潛在地以從一個支撐點至另一支撐點擺動的形式促進(jìn)了 粘合和振動。這些問題可通過增加分布件例如分布板或分布三角或分布梁35來克服，如圖 11所示。分布件允許閥塞20松弛地懸掛在隔件50內(nèi)。溢流截止閥可包括分布梁35或?qū)㈤y 塞20與銷釘30機(jī)械連接的其他類型的擴(kuò)張件，因此將銷釘設(shè)置為η點彎曲構(gòu)造 （η > 4)， 圖11示出四點彎曲的銷釘30。
[0115] 改變銷釘結(jié)構(gòu)以將其置于拉伸下，將劇烈減少銷釘內(nèi)的最大應(yīng)力，因此需要非常 小的銷釘，其可能過于精密且不適于操控。小尺寸還需要直徑上極高的公差。因此對于一 些應(yīng)用，處于拉伸狀態(tài)的銷釘與處于彎曲的銷釘相比不是優(yōu)選的。
[0116] 切口的銷釘需要非常精確的加工操作，以確保正確的切口形狀。這可能增加成本， 并且如果加工不夠精確，可能會減少可靠性。
[0117] 在一些應(yīng)用中，處于三點彎曲或四點彎曲的銷釘可能是優(yōu)選的。由于四點彎曲的 銷釘與三點彎曲的銷釘相比會在更窄的范圍內(nèi)斷裂，其允許斷開流率和正常操作流率之間 的更低的斷開比率。如果可接受較高的斷開比率，三點彎曲允許更大、更多的堅固銷釘，并 且不需要諸如分布梁等的分布件。
[0118] 在圖7所示，激勵件可包括銷釘30a和可變形聯(lián)桿30b (以卷簧的形狀）的組合。 在該實施方式中，銷釘具有如下的強(qiáng)度，使得僅僅在閥塞20上游端22和閥塞20下游端24 之間出現(xiàn)的壓差超過目標(biāo)壓差時銷釘斷裂。可變形聯(lián)桿具有如下的蠕變特征，使得在閥塞 上游端22與閥塞20下游端24之間出現(xiàn)的壓差超過第二目標(biāo)壓差時，可變形聯(lián)桿將蠕變。 第二目標(biāo)壓差可以小于銷釘?shù)哪繕?biāo)壓差、與銷釘?shù)哪繕?biāo)壓差相同、或大于銷釘?shù)哪繕?biāo)壓差。 由于銷釘將保持閥塞在位直至達(dá)到目標(biāo)壓差，可變形聯(lián)桿可能能夠在壓差小于目標(biāo)壓差時 蠕變；然而，可變形聯(lián)桿具有如下的蠕變特征，使得當(dāng)壓差超過所期望的第二目標(biāo)壓差時， 可變形聯(lián)桿將蠕變。銷釘和可變形聯(lián)桿操作性地布置為使得銷釘初始將閥塞保持在閥體10 內(nèi)在允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置，并且很小的力或沒有力作用在可變形聯(lián)桿上。 在銷釘斷裂后，閥塞由可變形聯(lián)桿限制。因此，在銷釘斷裂后，限制閥塞的力被作用于可變 形聯(lián)桿上。響應(yīng)于該力，可變形聯(lián)桿蠕變，并使閥塞20在目標(biāo)時段內(nèi)移至阻斷流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置。
[0119] 這種兩階段的激勵布置可用于增加溢流截止閥緩慢關(guān)閉的范圍。對于使用離子傳 輸膜系統(tǒng)的氧生產(chǎn)而言，緩慢關(guān)閉具有減少離子傳輸膜模塊內(nèi)機(jī)械應(yīng)力的優(yōu)點，突然關(guān)閉 將導(dǎo)致該機(jī)械應(yīng)力。
[0120] 溢流截止閥需要適合的流動限制，以當(dāng)流體流經(jīng)閥體10時在閥塞20上游端22和 閥塞20下游端24之間產(chǎn)生壓差。閥體（如圖3所示）和隔件（如圖1所示）中的至少一 個限定了一個或多個孔55,當(dāng)閥塞20處于允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，該孔 55用于流體從第一腔60流向第二腔65。當(dāng)閥塞位于允許流體從進(jìn)口流向出口的位置時， 所述一個或多個孔55位于閥塞20下游端24的下游位置?？卓删哂袌A形截面、狹孔截面、 或任何其他適合的截面。所述一個或多個孔55設(shè)計為使得當(dāng)流體在小于目標(biāo)或臨界流率 的正常操作條件流率下流經(jīng)閥體10時，壓差小于目標(biāo)壓差，并且當(dāng)流體以大于目標(biāo)或臨界 流率的較高流率流經(jīng)閥體時，壓差超過目標(biāo)壓差。（如本文所使用的，"臨界流率"不是指音 速或阻塞的流動狀況，而是在作為重要連接點或事件的意義上是臨界的）。
[0121] 可以使流動限制件尺寸在經(jīng)過流動限制件的流率超過目標(biāo)或臨界流率時，提供足 以觸發(fā)激勵件的壓差（例如大于6900Pa)?？梢允沽鲃酉拗萍叽缭诮?jīng)過流動限制件的流 率超過目標(biāo)或臨界流率時，提供與正常操作相比兩倍或更多倍的壓差。
[0122] 用于產(chǎn)生壓差的所述一個或多個孔55可以為如圖1示出的隔件50中的一個或多 個孔55。隔件可限定有一個或多個孔55,其中當(dāng)閥塞位于允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18 的位置時，孔55位于閥塞20下游。當(dāng)流體流經(jīng)閥體時，所述一個或多個孔提供適合的流動 限制，以在閥塞上游端和閥塞下游端之間產(chǎn)生壓差。
[0123] 隨著閥流動特征變化的閥塞上游端和閥塞下游端之間的壓差可通過改變孔尺寸、 數(shù)量和形狀來控制。以此方式，閥可設(shè)計為用于寬范圍的加工流體、操作狀況、和斷開點。
[0124] 壓降相比于給定孔結(jié)構(gòu)的流動特征可通過在環(huán)境溫度和壓力下使用空氣進(jìn)行流 動測試來憑經(jīng)驗確定，然后使用標(biāo)準(zhǔn)的雷諾（Reynolds)數(shù)匹配方法將結(jié)果放大成操作狀 況的結(jié)果。測試可在幾個全尺寸的閥構(gòu)件上進(jìn)行，測試條件設(shè)定為使得測試期間的雷諾數(shù) 與正常操作和斷開條件下的雷諾數(shù)匹配。然后將測試數(shù)據(jù)代入公式AP = KpV2/2,其基于 工程伯努利公式的函數(shù)形式，其中，K是待確定的試驗變量、△ P是所測量的壓降，P是流體 密度、以及V是流體速度。
[0125] 通過所述一個或多個孔的速度可以有利地比通過第一腔60的速度和/或通過閥 出口 18的速度大得多。這使經(jīng)過閥的總壓降保持在最小值?？赡軆?yōu)選地是，孔面積與第一 腔面積的比率以及孔面積與出口面積的比率都小于〇. 50。
[0126] 可替換地，用于產(chǎn)生壓差的流動限制件可以為適合地確定尺寸的第一腔60。用于 產(chǎn)生壓差的流動限制件可以為位于第一腔60內(nèi)的墊圈狀的板，其中，墊圈狀的板具有一個 或多個孔。所述一個或多個孔可形成在隔件的襯里或圍繞隔件的套筒上。
[0127] 如圖12所示，隔件可包括套筒59。所述一個或多個孔可形成在套筒中。套筒59 可具有一個或多個孔，從而提供適合的流動限制，以當(dāng)流體流經(jīng)閥體10時，在閥塞20上游 端22和閥塞20下游端24之間產(chǎn)生壓差。
[0128] 溢流截止閥可設(shè)計為使得具有不同尺寸和/或數(shù)量的孔的各種套筒可以進(jìn)行互 換，以隨著流率變化改變壓降。在希望較大壓降的情況下，具有較小和/或較少孔的套筒可 被換閥體中。套筒的使用提供了對不同應(yīng)用定制閥的低成本方式。
[0129] 應(yīng)該在無需流體流經(jīng)閥塞內(nèi)任何孔的情況下建立流動限制。對于提供壓降的流動 限制而言，在閥塞20中不包括孔的優(yōu)點是使得閥塞可以與流體的大量流動隔離，因此減少 任何流動導(dǎo)致的閥塞的移動或振動。
[0130] 溢流截止閥1可進(jìn)一步包括布置在閥體10中的變流裝置40,如圖1、2、7、12、13、 16和17所示。如果存在的話，變流裝置40,其位于閥體10進(jìn)口 16與閥塞20上游端22之 間，用于將經(jīng)閥體10進(jìn)口 16進(jìn)入的流體偏斜為遠(yuǎn)離閥塞20上游端22。除了保護(hù)閥塞上游 端，變流裝置可有利地保護(hù)激勵件30。變流裝置40可安裝至閥體。變流裝置40和隔件50 形成位于它們之間的間隙70。
[0131] 在另一實施方式中，變流裝置可以與隔件進(jìn)行集成。隔件中靠近閥塞20頂部可包 括小開口或間隙，以允許空間52與第一腔60中大部分流體流經(jīng)閥的部分之間的流體流動 連通。
[0132] 變流裝置40與隔件50之間的間隙70允許空間中直接作用于閥塞20上游端的壓 力與閥體中大部分流體流經(jīng)閥的第一腔60中的壓力大約相等。通常存在經(jīng)過該間隙70的 較少流動以及由此存在經(jīng)過間隙70的較小壓降。
[0133] 變流裝置40將流體引導(dǎo)為遠(yuǎn)離閥塞上游端。變流裝置保護(hù)閥塞頂部免受進(jìn)入的 流體流動的直接沖擊，該沖擊可引起閥塞振動并潛在地導(dǎo)致激勵件過早失效?？蛇x擇變流 裝置的形狀，以降低與使流體流動轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離閥塞相關(guān)聯(lián)的壓降量。如圖1所示，可使用錐形 變流裝置。變流裝置可由與閥體相同的材料制成。
[0134] 可以確定閥體的尺寸，使得變流裝置和隔件周圍的速度相對經(jīng)過流動限制的速度 低，從而保持經(jīng)過截止閥的總壓降較低并在嚴(yán)格規(guī)格之內(nèi)。
[0135] 如圖1-2所示，溢流截止閥還可包括定位為當(dāng)閥塞處于阻止流體從進(jìn)口流向出口 的位置時，形成閥塞和閥體與隔件中至少一個之間的密封的墊圈80。墊圈80可由閥體10 支撐在閥體10出口附近。墊圈80定位為當(dāng)閥塞20處于如圖2所示的阻止流體從進(jìn)口 16 流向出口 18的位置時，形成閥塞20與閥體10之間的密封。
[0136] 墊圈可以為0形圈。具有其他截面的墊圈也是合適的。墊圈可利用軸向面或周向 面或二者的結(jié)合來進(jìn)行密封。
[0137] 墊圈可由操作條件下與加工流體相容的任何適合的柔性或韌性材料形成。
[0138] 墊圈可位于隔件50內(nèi)。
[0139] 在閥塞移至阻斷流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置之后，作用在閥塞上的壓差增 加至滿操作壓力，其將在閥塞上作用較大的力并有助于建立緊靠墊圈的密封。
[0140] 如圖1所示，墊圈80可位于閥體的溝槽內(nèi)，并構(gòu)造為與閥塞20下游端適合形狀的 周邊接觸。溝槽將墊圈保持在位并在正常操作期間保護(hù)墊圈免受流體流動的影響。閥塞20 下游端可具有適合形狀的周邊，當(dāng)閥塞移至阻止流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，所述 適合形狀的周邊集中接觸應(yīng)力并使墊圈80變形。閥塞下游端的周邊可為例如楔形。
[0141] 在可替換構(gòu)造（未示出）中，墊圈可連接至閥塞周邊的下側(cè)。
[0142] 對于較高操作溫度，軟金屬可以是用于墊圈的優(yōu)選材料。對于較低操作溫度，其他 材料可以是合適的。
[0143] 金是在空氣或氧氣的任務(wù)中用在700_950°C的合適材料，因為其致密并且不受高 速流體的影響，其不與含氧的環(huán)境起反應(yīng)，并且其是軟的且很好地適應(yīng)這種溫度范圍，從而 允許其填充表面上的缺陷并產(chǎn)生緊密密封。使用金制〇形圈的測試已經(jīng)證明金制〇形圈以 不能檢測出的泄漏速率快速建立緊密密封。
[0144] 適于高溫的非金屬墊圈材料，例如云母和Therrnicu.li.te⑧866不適于作為閥體 出口端溝槽內(nèi)的墊圈，因為它們可能會在下游被高速流體流動損壞或吹掉。這些材料也非 常易碎，這使得它們難于操作。
[0145] 在又一可替換的構(gòu)造中，墊圈81可位于閥塞20的溝槽中，如圖13所示。閥塞可 包括上部20a和下部20b，墊圈81位于二者之間的連接處。
[0146] 在圖13所示的實施例中，溢流截止閥3包括可移除的閥座90和靠近閥體10出口 端的第二墊圈95。當(dāng)閥塞20位于阻止流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置時，閥座90定位 為利用墊圈81形成密封。第二墊圈95定位在閥座90和閥體10之間，以提供閥座90和閥 體10之間的密封。
[0147] 如圖13所示，該可替換的實施方式允許更加容易地再次使用閥，并消除閥體中的 墊圈溝槽，從而去除碎屑收集在墊圈溝槽中的風(fēng)險。
[0148] 當(dāng)閥塞移至阻止流體通過閥流動的位置，墊圈81將接觸可移除的閥座90,并且該 兩部分的閥塞塌縮，使得墊圈81變形?？蓪﹂y塞下部20b進(jìn)行排空，以保持中間空間在下 游壓力并允許閥塞塌縮。在激勵溢流截止閥之后，閥塞20和閥座90可易于從閥體移除，以 便從系統(tǒng)移除溢流截止閥之后再次加工。
[0149] Thermiculite? 866墊圈或其他適合材料可用于閥座90下方的墊圈95,由于該 材料不會與周圍表面的金屬粘合。在該實施方式中，墊圈95受到保護(hù)免受流動沖擊，因此， 不應(yīng)該擔(dān)心墊圈95的損壞或吹掉。
[0150] 溢流截止閥還可包括激勵流體注射通道100,用于在閥塞20上游端22處注射激勵 流體。激勵流體注射通道100可穿過變流裝置40,如圖1所示。激勵流體注射通道可與單 獨的流體源連接，該流體源處于比溢流截止閥操作壓力更高的壓力。
[0151] 閥塞20、變流裝置40、和隔件50可形成空間52,其布置為用于接收來自激勵流體 注射通道的激勵流體。隔件和變流裝置形成在隔件50與變流裝置40之間的流動限制間隙 70,其布置為限制激勵流體流出空間52。流體可經(jīng)過流動限制間隙70并經(jīng)過閥塞和隔件之 間的間隙離開空間52。確定流動限制間隙尺寸以使得空間內(nèi)的壓力增加，該壓力對閥塞頂 部施加力并使激勵件啟動（銷釘斷裂，可變形聯(lián)桿蠕變等）。
[0152] 因此，通過向閥塞頂部和變流裝置40底部之間的空間引入一股激勵流體，可以遠(yuǎn) 程斷開溢流截止閥。由變流裝置和隔件之間的間隙產(chǎn)生的流動限制允許使用少量流動建立 該空間中的壓力。與如果通過進(jìn)口 16直接將流動引入閥體時斷開閥所需流量相比，需要更 少得多的流量。這對于高溫氣體應(yīng)用尤其有利，因為這使得利用環(huán)境溫度流體來斷開閥變 得實用，環(huán)境溫度流體比操作期間閥內(nèi)的通常高溫操作流體密度大得多。
[0153] 激勵流體注射通道100也可用于從閥抽吸流體樣品。
[0154] 溢流截止閥以下述方式工作。參照圖1，其示出堅直取向的閥，閥塞20在隔件50 中自由懸掛在激勵件30上。變流裝置40和閥塞20擋住隔件50的頂部，迫使大部分氣體 圍繞閥塞流動通過第一腔60中的通道和下游流動限制件（孔55)。通過流動限制件的流動 引起閥塞20上游端22和閥塞20下游端24之間的壓差，導(dǎo)致凈力施加在閥塞20上。當(dāng)?shù)?達(dá)目標(biāo)或臨界壓降時，施加在激勵件30上的力足以啟動激勵件（銷釘斷裂、可變形聯(lián)桿蠕 變等），并且閥塞20經(jīng)過第二腔65移至墊圈80上，并且閥塞阻塞出口 18。當(dāng)出口被阻塞 時，作用在閥塞上的壓降增加至滿操作壓力，其對閥塞施加較大力并幫助建立緊靠墊圈的 密封。
[0155] 在第二腔內(nèi)閥塞周圍的溢流（即，旁路流動）是不期望的，因為旁路流動會影響在 閥塞上所施加的壓差負(fù)載，并且也可以引起流動誘導(dǎo)的閥塞振動，其能夠?qū)е录罴^早 失效。此外，隨著旁路流動增加，旁路流動的不利影響惡化。因此，理想的是使閥塞20與第 二腔65壁之間的間隙最小化，以最小化旁路流動。由于流動經(jīng)過隔件和變流裝置之間間隙 70的阻力，較大的旁路流動可以影響施加在閥塞上的壓力負(fù)載（即，閥塞上方空間52內(nèi)的 壓力可變得顯著地小于第一腔60的流動通道中的壓力）。旁路流動也增加流經(jīng)流動限制件 的流量的不確定性，并進(jìn)而增加閥塞上游端和閥塞下游端之間壓差的不確定性。
[0156] 不能嚴(yán)格控制精確的旁路流量，因為其受很多公差累積和閥塞20如何好地位于 第二腔65的中央的影響。同時，并且特別是在高溫應(yīng)用中，閥塞不能具有緊密的滑動配合， 因為在操作期間其必須不會卡住或粘合。閥塞在第二腔內(nèi)任何非圓形、任何偏心的定位以 及閥塞在第二腔內(nèi)任何不對齊將加劇卡住和粘合。
[0157] 在間隙上存在著沖突的問題。在設(shè)計中必須采取平衡，以最小化旁路流動并且同 時避免粘合或卡住。
[0158] 沿閥塞長度增加一個或多個外圍肋可有助于采取該平衡。閥塞可具有如圖14(其 中示出了兩個外圍肋）和圖15 (其中示出了四個外圍肋）所示的一個或多個外圍肋25。閥 塞可具有兩個或更多個外圍肋。閥塞可具有三個或更多個外圍肋。
[0159] 具有外圍肋的閥塞具有一個或多個外圍突起，其在閥塞和第二腔壁之間設(shè)定間 隙。閥塞的外圍肋是限定在閥塞上游端和閥塞下游端之間的表面上圍繞閥塞周邊的肋。閥 塞的其他部分削減至較小直徑，使得閥塞主要部分和第二腔壁之間的間隙大于其在外圍肋 處的間隙。
[0160] 一個或多個外圍肋的技術(shù)效果是限制閥塞的振動并產(chǎn)生自然的流動誘導(dǎo)的力，其 將閥塞定位在第二腔的中央。與直壁閥塞（沒有任何外圍肋的閥塞）相比，外圍肋通過減 少閥塞和隔件和/或閥體之間潛在的接觸面積，還有助于解決閥塞與隔件和/或閥體卡住 的問題。
[0161] 直壁閥塞更容于進(jìn)行不平衡和不穩(wěn)定流動誘導(dǎo)的力引起的振動，當(dāng)流體（即旁路 流動）流經(jīng)閥塞和隔件之間的間隙時產(chǎn)生該力。流動誘導(dǎo)的力將閥塞從一側(cè)推向另一側(cè)， 從而引起其在第二腔內(nèi)振動。通過引進(jìn)用于周向流動的較大面積，以允許圍繞閥塞全周長 的壓力均化，從而很大程度地減少不平衡力，同時仍保持肋與閥體之間的小間隙以限制旁 路流動，因此具有肋的閥塞可有助于消除振動。
[0162] 除了減少振動，通過減少可以與隔件和/或閥體壁接觸的表面積，外圍肋可以有 助于防止閥塞卡住。通過比較，使用直壁閥塞時，不平衡流動誘導(dǎo)的力可穩(wěn)定的將閥塞推抵 隔件壁和/或閥體壁并將其保持在此，從而增加卡住的幾率。
[0163] 外圍肋可成型為捕捉進(jìn)入第二腔的任何碎屑，有助于防止閥塞在第二腔內(nèi)粘合。
[0164] 所述一個或多個外圍肋或者多個外圍肋中的一個或多個肋可以為錐形。外圍肋 可成型為將任何碎屑從第二腔壁移走并收集碎屑，使碎屑不會被截留在閥塞和第二腔壁之 間。向上逐漸成錐形的肋有助于防止閥塞在第二腔內(nèi)由于閥塞和隔件和/或閥體之間截留 的碎屑而被粘住。各個肋可具體地在面朝第二腔的一側(cè)成錐形。
[0165] 與具有較少肋的閥塞相比，通過增加流經(jīng)間隙的流動的總阻力，如在三肋閥塞或 圖15中的四肋閥塞中，增加所述一個或多個中間外圍肋有助于減少通過閥塞和隔件和/或 閥體之間間隙的旁路流動。流體每次流經(jīng)肋時，其被迫使加速并且然后減速，并因此經(jīng)歷壓 降。隨著增加更多的肋，通過間隙的總流動阻力增加，結(jié)果減少了旁路流動。在一些構(gòu)造中， 對于相同的徑向間隙，具有肋的閥塞的流動阻力大于直壁閥塞的流動阻力。理想地選擇肋 的徑向間隙和數(shù)量，以保持旁路流動低于經(jīng)過閥的總流動的5%。
[0166] 在與直壁閥塞相比時，具有肋的閥塞具有如下期望的益處：不易于振動、不易于卡 住隔件壁和/或閥體壁、并且在一些構(gòu)造中對于相同的間隙尺寸允許更少旁路流動。
[0167] 其他適合的閥塞設(shè)計，例如錐形閥塞或具有非圓形截面的閥塞也是可能的，并且 與具有互補(bǔ)形狀的閥體和隔件一起使用。
[0168] 如果需要，通過對閥塞增加阻尼機(jī)構(gòu)來進(jìn)一步減少振動。例如，閥塞可以為中空并 填充顆粒材料（諸如沙子）或在操作狀態(tài)下為液體的材料（諸如低熔點金屬）。
[0169] 圖14和15中的閥塞示出為在當(dāng)閥關(guān)閉時接觸墊圈的閥塞底面上具有狹窄的刀型 邊緣27。刀型邊緣可以為約0. 4mm(0. 015"）寬。
[0170] 主要通過使閥塞中空、也可以通過改變構(gòu)造的材料，例如從金屬變?yōu)樘沾刹牧?、?通過改變閥塞長度，可以改變閥塞重量，而不會顯著地改變閥塞上的壓差力。還可通過減少 肋的內(nèi)徑而保持肋的外徑恒定來改變閥塞重量。如在對激勵件的討論中指出的，當(dāng)閥處于 堅直取向時，閥塞重量是施加至激勵件的負(fù)載的分量。因此可以通過改變閥塞重量來調(diào)節(jié) 操作和斷開點。減少閥塞重量還通過增加斷開負(fù)載與操作負(fù)載之間的比率使閥更加可靠。
[0171] 閥塞的長度應(yīng)該足以防止在第二腔中粘合。較長的閥塞抗粘合，是因為閥塞和第 二腔壁之間的平衡任何所施加的力矩所需的接觸力由于長度而降低。理想地是沒有施加至 閥塞的力矩。然而在實踐中，由于由制造公差和流動不穩(wěn)定產(chǎn)生的不對稱壓力以及與由于 外力（例如重力），會在閥塞上施加力矩。
[0172] 可以適當(dāng)?shù)剡x擇閥塞長度與直徑的比率，以減少粘合的風(fēng)險?？赏ㄟ^測試來確定 適合的長度與直徑的比率。長度與直徑的比率可以在0.6至1.2的具體范圍內(nèi)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 約〇. 8的長度與直徑的比率工作良好。較長的閥塞允許增加更多的外圍肋以減少旁路流 動。過長的閥塞影響裝置的總高度并因此為不期望的。在其中閥塞截面為非圓形的實施方 式中，液壓直徑D H用于確定長度與直徑的比率，其中DH = 4X截面積/濕潤周長。在閥塞 為錐形的情況下，使用最大直徑或最大液壓直徑。
[0173] 可以通過重力使閥塞從允許流體從進(jìn)口 16流向出口 18的位置移至阻斷流體從進(jìn) 口 16流向出口 18的位置。
[0174] 在可替換布置中，閥塞可以為非堅直布置（成角度或水平布置）。為了在這種布置 中移動閥塞，閥塞上的差值壓力負(fù)載需要克服當(dāng)重力拉動閥塞壓抵第二腔的一側(cè)或閥體時 引起的摩擦。摩擦系數(shù)對構(gòu)造的材料、操作溫度和該溫度處的時間、以及操作流體敏感。引 入變化可以非常大的摩擦力需要增加斷開流率與操作流率之間的比率，以保持閥的可靠操 作。
[0175] 在水平布置中，閥塞重量不由激勵件保持，并且不提供施加在激勵件上的激勵負(fù) 載。在成角度的布置中，由激勵件保持閥塞重量的分量，該分量取決于閥塞與隔件和/或閥 體之間的角度和摩擦系數(shù)。
[0176] 在另一可替換布置中，閥可以為倒置的堅向布置，其中流體流動方向與重力的拉 動相反。在這種布置中，在激勵件可以被激勵之前，差值壓力必須克服閥塞重量。與其中激 勵件上的負(fù)載等于差值壓力加上閥塞重量的標(biāo)準(zhǔn)堅向布置相反，在倒置的堅向布置中，激 勵件上的負(fù)載等于差值壓力減去閥塞重量；因此，對于給定的設(shè)計，倒置的堅向值具有斷開 負(fù)載與激勵件上的操作負(fù)載更高的比率。在倒置堅向布置中，如果閥塞設(shè)計有在斷開流率 處等于差值壓力的重量，可以使用閥塞重量作為激勵件。在這種情況下，需要激勵閥的力將 已知具有較高的精確性，并且閥能夠設(shè)計為具有斷開流率與正常操作流率的較低比率。
[0177] 當(dāng)使用氣體在高溫（例如使用離子輸送膜用于生產(chǎn)氧氣或合成氣所需的）操作 時，本發(fā)明的溢流截止閥是可靠的設(shè)計。在對使用彎曲銷釘作為激勵件、空氣作為加工流 體的設(shè)計的測試中證明了閥非?？煽?。由于工作部件通過隔件和變流裝置避開氣流，即使 存在很高的氣體速度諸如大于約150米/秒（500英尺/秒）時，閥也是可靠的。在使用 700-950°C的空氣的測試中也證明閥在設(shè)計點可靠關(guān)閉。銷釘在恒定流率時斷裂，并且松配 合在第二腔中的閥塞即使加工氣體包含碎屑時也不會粘合或卡住。碎屑可由高溫過程產(chǎn)生 (例如來自熱金屬部件的腐蝕產(chǎn)物或從隔熱件脫落的顆粒等）。
[0178] 本發(fā)明的溢流截止閥設(shè)計可以容易地進(jìn)行改變以在不同流率處斷開。這通過改變 施加在激勵件上的力和/或通過改變激勵件的強(qiáng)度（即，斷裂點或斷開點）來實現(xiàn)。通過 改變由隔件和/或閥體中孔55引起的流動阻力來改變激勵件上的力，由此流動阻力可通過 增加或減少孔的開口面積或部分地阻塞孔來改變流動阻力，從而通過改變作用有差值壓力 的閥塞截面積（例如通過改變閥塞直徑）和/或通過改變閥塞重量來改變施加在閥塞上的 差值壓力。如果激勵件是直柱型銷釘，通過改變其直徑和/或其構(gòu)造的材質(zhì)可以改變其強(qiáng) 度。如果激勵件是彎曲型銷釘，通過改變其跨距長度和/或通過改變其負(fù)載結(jié)構(gòu)可以改變 其有效強(qiáng)度。對于給定負(fù)載引起銷釘中不同機(jī)械應(yīng)力和進(jìn)而不同斷裂負(fù)載的不同負(fù)載結(jié)構(gòu) 的實例包括懸臂彎曲結(jié)構(gòu)、三點彎曲結(jié)構(gòu)和四點彎曲結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)對彎曲銷釘有效強(qiáng)度 的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可改變沿銷釘跨距施加負(fù)載的位置，并且在四點彎曲結(jié)構(gòu)的情況下，負(fù)載點 之間的距離可以改變。如果激勵件是可變形聯(lián)桿，通過改變構(gòu)造的材料和/或通過改變可 變形聯(lián)桿的不同幾何特性可以改變其強(qiáng)度。該領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解確定許多其他方法以 改變銷釘、可變形聯(lián)桿或其他激勵件有效長度。
[0179] 在室溫和750-900°C范圍內(nèi)的溫度已經(jīng)成功測試本發(fā)明的溢流截止閥，斷開點設(shè) 定在僅為操作流率的二倍，從而證明閥可以檢測非常少量的溢流并激勵自身截止該流動。 測試也表明甚至在不影響閥可靠性的情況下，減少激勵閥所需的溢流量也是可行的。
[0180] 本發(fā)明的溢流截止閥在全流體溫度下操作并可以完全在線安裝。這與現(xiàn)有技術(shù)中 的高溫溢流截止閥相比允許緊湊得多的設(shè)計。
[0181] 本發(fā)明的溢流截止閥能夠設(shè)計為以非常小的施加力關(guān)閉。這允許正常操作條件下 用于流動限制的大孔和進(jìn)而通過閥的低壓降。
[0182] 盡管密封表面存在氧化，本發(fā)明的溢流截止閥提供非常好的密封。測試證實了本 發(fā)明的閥抗碎屑，并且在碎屑的存在下密封良好。
[0183] 通過以一定流率（其占正常操作流動的很小的百分率）注射少量流體進(jìn)入閥，本 發(fā)明的溢流截止閥提供遠(yuǎn)程斷開閥的任選能力。當(dāng)通過閥的流動小于設(shè)定點時，該任選特 征允許有目的地斷開閥，并且當(dāng)閥在設(shè)定點不能斷開的情況下，其提供遠(yuǎn)程增加閥塞上的 啟動力的能力。
[0184] 實例
[0185] 實例1-斷裂銷釘測試
[0186] 對于在正常操作條件期間具有1. 7kPa以及斷開條件下具有6. 9kPa的通過閥塞的 壓差，設(shè)計特定的三點彎曲銷釘。閥塞重量為〇. 9牛（0. 2磅力），負(fù)載僅僅從操作期間的Ww 塞+八父八？操作=2.2牛（0.5磅力）變化為預(yù)期斷開點處的1_+八\八卩斷開=6.2牛（1.4磅 力）。第二腔的截面積A是7. 3cm2 (1. 13英寸2)。這給予斷開負(fù)載與操作負(fù)載比率僅為2. 8， 并因此需要具有非?？煽亢涂深A(yù)測斷裂強(qiáng)度的銷釘。為實現(xiàn)該期望的特性，銷釘由氧化鋁 制成，具有所稱的330MPa的特征強(qiáng)度和為10的威布爾模量。銷釘直徑為1. 016mm(0. 040 英寸）并且其外徑經(jīng)機(jī)加工具有較好的尺寸精度。銷釘?shù)闹伍g距（即，第二腔內(nèi)徑）是 30. 5mm(l. 20英寸）。所計算出的失效（即銷釘斷裂）幾率在操作點處為0.00001，或者在 100, 000次中過早斷開1次，并且低于設(shè)定點時在斷開點處的幾率為20%，或者10次中過 早斷開2次。為實現(xiàn)99. 9%的失效幾率，需要10. 3kPa的稍微更高的負(fù)載。
[0187] 為檢驗銷釘設(shè)計而進(jìn)行測試。在將相似的負(fù)載結(jié)構(gòu)施加至所分析的銷釘上時，10 個銷釘在875°C斷裂。斷裂力是6·32±0·623牛（1·42±0· 14磅力），其非常接近地對應(yīng)期 望的6.87kPa的斷裂壓力。
[0188] 在真正的溢流截止閥構(gòu)造中的很多銷釘上進(jìn)行了其他測試。測試件包括閥塞、圓 形隔件、以及斷裂銷釘。測試件不包括孔或閥體，因為它們對于評估銷釘?shù)膹?qiáng)度不是必需 的。將這些測試部件在875°C下安裝在加壓至約68. 7kPa的壓力容器內(nèi)。允許流動經(jīng)過閥 塞并排空至大氣中。控制排空流動以在一定時段內(nèi)（通常為幾個月）產(chǎn)生跨閥塞的1. 7kPa 的壓降，之后流動增加直至銷釘斷裂。以此方式測試9個銷釘。當(dāng)銷釘斷裂時跨閥塞的壓 降范圍是7. 17±1. 3kPa，其得出斷裂力的范圍是6. 27±0. 93牛。這非常接近期望斷裂負(fù) 載。
[0189] 實例2-具有直壁的閥塞對比具有外圍肋的閥塞
[0190] 閥塞上具有外圍肋降低了不平衡和不穩(wěn)定流動誘導(dǎo)的閥塞上的側(cè)向力，并因此降 低了閥塞振動和將閥塞推抵第二腔壁的傾向的有效性，是在室溫下的測試件中使用環(huán)境空 氣作為加工流體，通過將直壁閥塞的性能與具有肋的閥塞性能進(jìn)行比較來經(jīng)驗地評估。所 有被測試的閥塞連同它們的匹配隔件都具有圓形截面。對于所有測試，閥塞的軸與圓形隔 件的軸是堅直取向，并且閥塞從三點彎曲構(gòu)造的銷釘懸掛在隔件內(nèi)側(cè)。測試通過如下方式 進(jìn)行：施加跨閥塞的壓差，典型的壓差預(yù)料在用于利用離子輸送膜的氧氣生產(chǎn)的所預(yù)期的 操作條件范圍內(nèi)，然后觀察閥塞的性能。
[0191] 在大部分測試范圍內(nèi)，直壁閥塞以可聽得見的頻率振動。閥塞的運動總體為以擺 動或鐘擺形式的運動形式在第二腔內(nèi)從一側(cè)至另一側(cè)，樞轉(zhuǎn)點是閥塞懸掛在銷釘上的點。 限制閥塞以鐘擺運動形式擺動的事實必然地意味著在樞轉(zhuǎn)點在銷釘中對閥塞施加動態(tài)振 蕩力。該力是非常不期望的，因為其可以引起過早疲勞誘導(dǎo)的彎曲銷釘形式的激勵件斷裂。 根據(jù)閥塞可聽得見的響度檢測的振幅通常隨著施加的跨閥塞的壓差的增大而增加。
[0192] 還觀察到直壁閥塞由在靜止穩(wěn)定條件下抵靠第二腔一側(cè)的流動誘導(dǎo)的力保持。該 條件在閥塞位于抵靠第二腔的一側(cè)（或者通過偏離閥塞懸掛在銷釘上的點中心移動、或者 使閥塞以一定角度懸掛在腔內(nèi)）時出現(xiàn)。該條件還在如下時間自動出現(xiàn)：當(dāng)振動引起閥塞 在銷釘上的懸掛點移離中心直到閥塞移抵第二腔壁時，以及當(dāng)振幅足夠大并且不平衡流動 誘導(dǎo)的力的振幅足夠大以相對于堅向成一定角度保持閥塞，使得閥塞底端接抵第二腔壁。 保持閥塞接抵第二腔壁的任何力或機(jī)構(gòu)都是非常不期望的，因為它們促進(jìn)閥塞與隔件和/ 或閥體的卡住或粘合，特別是在高溫應(yīng)用中，并因此阻止溢流截止閥正確地發(fā)生作用。對于 閥塞期望的條件是在第二腔內(nèi)保持同心居中。
[0193] 在直壁閥塞上不平衡和不穩(wěn)定流動誘導(dǎo)的力的原因是由于：流經(jīng)閥塞和第二腔壁 之間小的徑向間隙的流體之間不穩(wěn)定相互作用、隨著閥塞在第二腔內(nèi)移離中心經(jīng)過間隙的 流動阻力在閥塞周邊附近顯著地變化的方式、容納出于均衡圍繞閥塞整個周邊的壓力的目 的而圍繞閥塞的周向流動的間隙中相對小的流動面積、閥塞的動態(tài)加速和減速、以及隨著 閥塞前后擺動在閥塞將液體從間隙一側(cè)移至另一側(cè)時出現(xiàn)的泵送行為。
[0194] 通過使用具有肋的閥塞來消除直壁閥塞遭遇的由于不平衡流動誘導(dǎo)的力的問題。 外圍肋允許肋與第二腔壁之間小的徑向間隙，以建立為將閥塞周圍的旁路流動保持在可接 受的水平所必需的流動限制，并且同時，肋在具有肋的閥塞和第二腔壁之間產(chǎn)生大的空隙 空間，以容納閥塞周圍的周向流動并允許圍繞閥塞全周長的非常有效的壓力均衡。以該方 式均衡圍繞閥塞的整個周邊的壓力消除了不平衡誘導(dǎo)的力，該力引起閥塞振動和/或被保 持接抵弟一腔一側(cè)。
[0195] 實驗證明了具有肋的閥塞設(shè)計的有效性。測試了幾個不同的具有肋的設(shè)計。在所 有情況中，與相對激烈的直壁閥塞振動相比，幾乎沒有檢測到活塞振動。此外，發(fā)現(xiàn)自然存 在期望的流動誘導(dǎo)的力，其保持具有肋的閥塞在第二腔中同心居中。即使將具有肋的閥塞 有意地放置、或推動、偏心，這些力自然地傾向于將閥塞推回中心。這與直壁閥相反，在直壁 閥塞中流動誘導(dǎo)的力將閥塞推離中心。
[0196] 以上述的測試件，還在875°C和68. 7kPa檢測了三個閥塞設(shè)計：25. 400mm長的直壁 閥塞，至30. 480mm內(nèi)徑的圓形隔件的內(nèi)表面具有0. 127mm的徑向間隙；24. 357mm長的兩肋 式閥塞，至30. 480mm內(nèi)徑的圓形隔件的內(nèi)表面具有0. 254mm的徑向間隙；以及，25. 400mm 長的四肋式閥塞，至30. 734mm內(nèi)徑的圓形隔件的內(nèi)表面具有0. 381mm的徑向間隙。所有閥 塞為實心的（即不是空心的）。當(dāng)試圖激勵閥時，直壁閥塞在第二腔中被卡住并且不能關(guān) 閉。使用具有肋的閥塞進(jìn)行了總共9次測試，長達(dá)4個月的操作時間，并且當(dāng)閥受到激勵時， 所有具有肋的閥塞都成功關(guān)閉。具有更多或更少肋、不同肋形狀、或不同徑向間隙的其他閥 塞也可以是同樣適合的。
[0197] 沒有對具有非圓形截面的閥塞進(jìn)行測試。
[0198] 實例3_全比例測試【full scale testing】
[0199] 進(jìn)行了幾個溢流截止閥的全比例測試。如下文詳細(xì)說明的，兩個不同的溢流截止 閥在不同構(gòu)造中使用。所有測試使用處于外部壓力下的閥標(biāo)稱在41. 4kPa和875°C并在空 氣或氧氣任務(wù)的條件下進(jìn)行。所有測試使用直徑為29. 972mm、24. 357mm長的兩肋實心閥 芯，具有至圓柱體的0. 254mm的徑向間隙和作為密封件的具有圓形截面的0. 635mm直徑金 制墊圈。閥塞和圓柱體是Hastelloy? X、閥體和蓋為Incoloy? 800H。激勵件是三點彎 曲的氧化鋁銷釘。
[0200] 測試閥#1具有6個11. 4mm直徑的孔，這些孔設(shè)計為在31. 5標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時 (Nm3/h)的正常操作流率時所預(yù)期的壓降為1. 72,以及在63. lNm3/h的斷開點流率時壓降為 6. 9kPa。估計3%的流動將通過從閥塞上流過而繞過孔。銷釘（其為三點彎曲且尺寸被確 定為在6. 9kPa差值壓力時斷裂）具有1mm直徑和30. 5mm有效長度。如圖16所示，使用在 上游端進(jìn)給通過孔17的空氣來檢測閥。通過改變外部空氣壓力，來調(diào)整通過閥的流率。
[0201] 測試閥#1以15. 8Nm3/h操作7天，接著以31. 5Nm3/h操作1天。然后中斷測試來 檢查并且在結(jié)束測試之前返回上述條件較短時間。中間和后期測試檢查示出銷釘沒有磨損 或損壞的跡象。發(fā)現(xiàn)金制墊圈清潔，沒有碎屑收集在墊圈周圍的溝槽內(nèi)的跡象。測試證明 該閥能夠在正常條件下操作，而沒有由于流動誘導(dǎo)的閥塞振動的虛假斷開。
[0202] 測試閥#2具有6個8. 13mm直徑的孔，這些孔設(shè)計為在15. 8Nm3/h的正常操作流 率時所預(yù)期的壓降為1. 72kPa，以及在27. 3Nm3/h的斷開點流率時壓降為5. 2kPa。估計5% 的流動將通過從閥塞上流過而繞過孔。銷釘（其尺寸被確定為在5. 2kPa差值壓力時斷裂） 具有0. 94_直徑和30. 5_有效長度。在幾種構(gòu)造中對該閥進(jìn)行測試。
[0203] 如圖16所示，利用在上游端進(jìn)給通過孔的空氣首次運行測試閥#2,類似于對閥#1 進(jìn)行的測試。該閥以15. 8Nm3/h操作7天，之后增加流動直到閥斷開。由于系統(tǒng)中的背壓， 隨著流動漸增，閥中的壓力從41. 4kPa增加至51. 7kPa ;當(dāng)對這種操作壓力增加和由此產(chǎn)生 的密度增加進(jìn)行調(diào)整時，所預(yù)期的斷開點流率增加至34. 2Nm3/h。閥在剛好超過31. 5Nm3/h 時斷開。在閥關(guān)閉后，沒有經(jīng)過墊圈的可測量出的泄漏。
[0204] 第二次重復(fù)上述測試也具有相似的結(jié)果。在啟動后閥立即被斷開。其在36. INm3/ h的流率以及60kPa的壓力時斷開。對該較高壓力進(jìn)行調(diào)整，閥的預(yù)期斷開點是39. 7Nm3/ h。這兩個測試證明閥在非常接近設(shè)計的斷開點時關(guān)閉。
[0205] 然后將測試閥#2重新構(gòu)造為圖17示出的幾何形狀，以在產(chǎn)生氧氣的離子輸送膜 模塊的下游運行。使用離子輸送膜模塊進(jìn)行三個測試。
[0206] 在第一測試中，閥在5. 4-11. 8Nm3/h產(chǎn)品流量的流動下運行2天。通過斷開氣體 注射通道通過直接在閥塞上方注射13. 8Nm3/h(對比預(yù)期的13. lNm3/h)的氮來斷開閥。
[0207] 第二次測試運行約8天，然后經(jīng)歷從875°C至約環(huán)境溫度以及再回到875°C的兩個 熱循環(huán)，然后在875°C又運行了 4天，之后通過將少量高壓氣體注射進(jìn)斷開氣體注射通道來 故意斷開閥。
[0208] 最后的測試運行很短時間期間，這之后在使離子輸送膜失效時斷開閥。
[0209] 該最后的系列測試證明通過使氣體注射通過注射通道可以遠(yuǎn)程斷開溢流閥，更重 要地是，當(dāng)上游構(gòu)件失效時其將成功地被關(guān)閉。
【權(quán)利要求】
1. 溢流截止閥，其包括： 閥體，其限定內(nèi)部容積，并具有進(jìn)口和出口； 閥塞，其具有上游端和下游端，所述閥塞在所述閥體內(nèi)能夠從允許流體從所述進(jìn)口流 向所述出口的位置移動至阻斷流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置，當(dāng)啟動激勵件時，所 述閥塞能夠從允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置移動至阻斷流體從所述進(jìn)口流向 所述出口的位置； 隔件，其位于所述閥體內(nèi)，所述隔件在所述閥體的內(nèi)部容積內(nèi)形成第一腔和第二腔，其 中，當(dāng)所述閥塞位于允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置時，所述閥塞布置在所述第 二腔內(nèi)；以及 激勵件，其布置在所述閥體內(nèi)，并操作性地與所述閥塞連接，以保持所述閥塞就位在所 述第二腔內(nèi)在允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置； 其中，所述閥體和所述隔件中的至少一個限定了一個或多個孔，當(dāng)所述閥塞位于允許 流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置時，所述一個或多個孔用于流體從所述第一腔流向所 述第二腔，當(dāng)所述閥塞位于允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置時，所述一個或多個 孔位于所述閥塞下游端的下游位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溢流截止閥，其中，當(dāng)所述閥塞處于允許流體從所述進(jìn)口流 向所述出口的位置時，所述第一腔由至少或由所述進(jìn)口、所述閥體內(nèi)表面的一部分、所述隔 件的第一表面、以及所述閥塞的上游端限定，并且，當(dāng)所述閥塞處于允許流體從所述進(jìn)口流 向所述出口的位置時，所述第二腔由至少所述出口、所述隔件的第二表面、以及所述閥塞的 上游端限定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溢流截止閥，其中，所述第二腔還由所述閥體的內(nèi)表面的第 二部分限定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的溢流截止閥，其中，當(dāng)流體流經(jīng)所述閥體時， 所述一個或多個孔在所述閥塞的上游端和所述閥塞的下游端之間產(chǎn)生壓差，其中，當(dāng)流體 以小于目標(biāo)流率的較低速率流經(jīng)所述閥體時，所述壓差小于用于激勵所述激勵件的目標(biāo)壓 差，以及，當(dāng)流體以大于所述目標(biāo)流率的較高速率流經(jīng)所述閥體時，所述壓差超過用于激勵 所述激勵件的目標(biāo)壓差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述第二腔形成在所述隔件 內(nèi)，當(dāng)所述閥塞位于允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置時，所述第二腔由至少或由 所述隔件的內(nèi)表面、所述出口、以及所述閥塞的上游端限定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包括可變形聯(lián) 桿，所述可變形聯(lián)桿具有如下蠕變特性，使得當(dāng)在所述閥塞的上游端和所述閥塞的下游端 之間出現(xiàn)的壓差小于目標(biāo)壓差時，所述可變形聯(lián)桿足夠慢地蠕變，從而當(dāng)所述壓差小于所 述目標(biāo)壓差時，保持所述閥塞位于允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置第一目標(biāo)時 段，以及，使得當(dāng)在所述閥塞的上游端和所述閥塞的下游端之間出現(xiàn)的壓差超過所述目標(biāo) 壓差時，所述可變形聯(lián)桿足夠快地蠕變，其中，當(dāng)所述可變形聯(lián)桿蠕變時，使所述閥塞在第 二目標(biāo)時段內(nèi)移動至阻斷流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包括銷釘，所述 銷釘具有如下強(qiáng)度，使得當(dāng)在所述閥塞的上游端和所述閥塞的下游端之間出現(xiàn)的壓差超過 所述目標(biāo)壓差時，所述銷釘會斷裂，其中，當(dāng)所述銷釘斷裂時，使所述閥塞移動至阻斷流體 從所述進(jìn)口流向所述出口的位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包括銷釘和可變 形聯(lián)桿，所述銷釘具有如下強(qiáng)度，使得僅當(dāng)在所述閥塞的上游端和所述閥塞的下游端之間 出現(xiàn)的壓差超過所述目標(biāo)壓差時，所述銷釘會斷裂，所述可變形聯(lián)桿具有如下蠕變特性，使 得當(dāng)在所述閥塞的上游端和所述閥塞的下游端之間出現(xiàn)的壓差超過第二目標(biāo)壓差時，所述 可變形聯(lián)桿將蠕變， 其中，所述銷釘和所述可變形聯(lián)桿操作性地布置為使得所述銷釘起初將所述閥塞保持 就位在所述閥體內(nèi)在允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置， 其中，當(dāng)所述銷釘斷裂時，所述閥塞由所述可變形聯(lián)桿限制，其中當(dāng)所述可變形聯(lián)桿蠕 變時，使所述閥塞在目標(biāo)時段內(nèi)移動至阻斷流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的溢流截止閥，還包括： 布置在所述閥體內(nèi)的變流裝置，所述變流裝置在所述閥體進(jìn)口下游和所述閥塞上游端 的上游布置在第一腔內(nèi)，其用于將進(jìn)入所述閥體進(jìn)口的流體偏斜遠(yuǎn)離所述閥塞上游端。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述隔件具有面對所述閥 塞的側(cè)面和背離所述閥塞的側(cè)面，并且其中，所述隔件包括形成背離所述閥塞的所述側(cè)面 的至少一部分的套筒，并且在所述套筒中形成有所述一個或多個孔。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述激勵件包括銷釘，所 述銷釘以彎曲形式負(fù)載，其中，當(dāng)所述閥塞位于允許流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置 時，所述銷釘將所述閥塞保持就位在所述閥體內(nèi)的位置。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的溢流截止閥，還包括墊圈，所述墊圈定位為當(dāng) 所述閥塞位于阻止流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置時，形成所述閥塞和所述閥體與所 述隔件中至少一個之間的密封。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述溢流截止閥，還包括： 墊圈，其位于所述閥塞的溝槽內(nèi)； 閥座；以及 第二墊圈，其接近所述閥體的出口； 其中，所述閥座定位為當(dāng)所述閥塞處于阻止流體從所述進(jìn)口流向所述出口的位置時， 與所述墊圈形成密封，并且其中，所述第二墊圈位于所述閥座和所述閥體之間，以提供所述 閥座和所述閥體之間的密封。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述溢流截止閥，還包括激勵流體注射通道，其布置 為用于在所述閥塞的上游端注射激勵流體。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的溢流截止閥，其中，所述閥塞具有一個或多個 外圍肋。
【文檔編號】F16K1/00GK104251312SQ201410302204
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】M·S·基弗, S·C·坦塔雷里 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司