專利名稱：具有整體式填密件的球閥的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及球閥。更具體地說，本發明涉及一種新穎的球閥設計和填密件的概念，其可在較高和較低的額定工作溫度和熱循環下提高閥的性能。
背景技術：
球閥在本領域中是眾所周知的，在授予Corbin等人并由本發明的受讓人所擁有的美國專利No.4685488中介紹了一種在商業上非常成功的球閥，該專利的全部公開內容通過引用完全結合于本文中。
在額定的壓力下，使用聚合物作為球形填密件的材料的球閥通常被限制在其額定的或規定的高溫和低溫工作范圍內。這是因為填密材料會以與通常由不銹鋼制成的其它閥元件不同的速率膨脹和收縮。在較高的溫度下，填密材料變軟且趨于流動或蠕變，并且可能在高溫度下的閥動作期間發生永久性變形或其它方式的損壞。這種填密件的損壞可能導致泄漏，在閥回到環境溫度下時尤其如此。在較冷的溫度下，填密材料變硬且剛性增大，在某些情況下由于填密件會在較低溫度下產生收縮，因此填密件上的密封應力可能會降低。這種應力損失可能會在低溫下產生泄漏。雖然已經知道可在球閥中引入動載荷充填技術以提高球閥的額定工作溫度范圍，然而整體的改進仍受限于填密材料自身的溫度響應特性。
一直需要一種具有聚合物型球填密材料的球閥，其在額定壓力下具有提高的額定工作溫度范圍和溫度循環性能。

發明內容
本發明提出了一種球閥裝置，其中可在一定的溫度范圍內將整體式填密件安裝到閥元件上，使得基本上不會改變填密材料的機械性能。本發明還提出了裝配方法。本發明還提出了一種閥元件和填密件，其中可選擇不同的尺寸以便通過諸如減小填密材料的體積和在將填密件安裝到閥上之后在填密件上提供更均勻的載荷分布來提高閥的額定工作溫度范圍和循環壽命。本發明的各個方面均可選擇性地應用于多件式填密件中。此外，本發明提出了一種球體和耳軸設計，其可在閥元件的填密件在溫度變化下膨脹和收縮時使球閥元件軸向地浮動或移動。本發明的另一方面涉及與閥元件的軸向浮動相結合的施加到閥元件的填密件上的動載荷的使用。
根據本發明提供了一種閥，其包括其中具有閥腔的閥體；閥元件，其可根據閥元件圍繞軸線的旋轉位置來控制通過閥的流動；以及圍繞著閥元件并將閥元件密封在閥腔內的整體式填密件；其中，閥元件包括球體和相鄰的上、下耳軸；下耳軸軸向地延伸經過填密件的下端；閥腔的尺寸制成為可緊密地容納閥元件，同時允許閥元件軸向移動以補償填密件上的溫度效應。
通過閱讀本發明的多個實施例及其變型的下述詳細描述并參考附圖，可以更容易和更完整地理解本發明的這些及其它的方面和優點。


圖1是包含了本發明各個方面的球閥的等軸截面圖(閥顯示為處于打開狀態)；圖2是圖1所示閥的垂直正面剖視圖；圖3顯示了根據本發明的閥元件的正視圖；圖4是用于圖1所示實施例中的整體式填密件和支撐環的等軸分解視圖；圖4A是圖4所示填密件的局部剖視圖；圖5是本發明另一實施例的等軸剖開視圖，其帶有增加的第三流動端口；和圖6是使用了非球形的球閥元件的本發明另一實施例的等軸剖開視圖。
具體實施例方式
參見附圖，本發明提出了一種可在額定壓力下提高溫度性能額定值的球閥設計。這種改進的溫度性能包括更高和更低的額定或規定的溫度范圍，以及熱循環。在這里將參照具體的球閥設計來介紹本發明，然而本領域的技術人員容易理解，本發明的各個方面可結合于不同的球閥構造中。此外，雖然本文的代表性實施例包括了本發明的若干不同方面，然而不能以限制性的意義來理解本發明。相反，本發明的某些或所有的方面和特征均可單獨地或以各種組合或子組合的方式而結合于球閥設計中，并仍屬于在所附權利要求中闡述的本發明的范圍和精神內。而且，雖然在本文中介紹了多個備選實施例，然而這些描述并不是所有備選實施例的窮盡性列舉，這些備選實施例在本領域的技術人員領會了本公開內容后是顯而易見的。無論在本文中是否明確地描述過，本發明均可構思出屬于所附權利要求范圍內的備選實施例。雖然代表性實施例顯示了一種整體式或單件式的填密件，然而本發明的各個方面也都可用于多件式填密件中。
本發明的各個方面顯示于圖中，其體現為球閥10，該球閥10具有閥體12，其帶有用于將閥10安裝在流體回路中的適當端接接頭14和16。相應的孔18a和18b從各端接接頭14，16中延伸出來且穿過閥體12，并通到閥體12中的形成于這兩個孔之間的中央球體容納閥腔20中。閥元件組件22部分地設置在閥腔20中并從中延伸出來。閥元件組件22包括流量控制球體24，其最好與閥的促動桿26加工成一個整體，但這并不是必須的。球體24具有被加工成從中穿過的中央流體通道或孔27，并且形成了與閥體的孔18a和18b對齊的開口或桿孔27a和27b，從而允許流體在閥處于圖中所示打開位置時在它們之間流動。當將桿26和球體24旋轉到使孔27a，27b不與閥體孔18a，18b對齊的位置時，閥處于關閉位置，流體的流動被阻斷。例如，通過將球體24旋轉90度(1/4圈)便可關閉閥10。
閥桿26延伸穿過閥體12的可選擇地帶有外螺紋的整體式閥蓋12a。桿26還可包括用于手動操作的手柄(未示出)，或者可連接到閥執行機構(未示出)如電動或氣動或液壓執行機構上。桿26圍繞其縱向軸線X的旋轉導致球體24在閥腔20內旋轉，從而打開和關閉閥。
閥桿26還包括上耳軸28和下耳軸30。上耳軸28和下耳軸30與閥填密件32一起可幫助閥元件22在閥腔20內的對齊和軸頸連接。根據本發明的一個方面，在室溫下在填密件32的內表面和球體24及耳軸28，30的外表面之間形成了非常緊密的配合或干涉配合。另外，在將閥元件組件22安裝并完全壓入到閥腔20中之后，在球體周圍的球形部分和容納耳軸的部分中的填密件32的外表面和腔20的表面之間在室溫下存在著干涉配合。這些直徑上的和耳軸的干涉配合為填密件32和桿表面24，28及30(即球體和耳軸的表面)之間提供了更大且更均勻分布的密封作用力或壓力，并且填密件32上所需的動載荷比現有技術的閥更小。
根據本發明的一個方面，閥填密件32在桿表面24，28及30與閥體12之間提供了液密密封。在該實施例中，填密件32在閥的動作期間相對于閥桿26和球體24的旋轉來說是固定的。在其優選但非唯一的形式中，參見圖4，填密件32為整體式填密件，這意味著填密件為單體結構，其與閥桿26壓配組裝成閥元件組件22，之后再將該閥元件組件22安裝到閥體12中。填密件32優選但不一定由全氟烷氧基(PFA)材料制成，并可通過傳統的機加工或模制工藝來制造。其它用于填密件32的適當材料包括但不限于超高分子量聚乙烯、PTFE(聚四氟乙烯)和PTFE的變體如帶填充物的PTFE、聚醚醚酮(PEEK)、帶填充物的PFA或氟化乙烯丙烯共聚物。在一些應用中，還希望將整體式填密件重疊模制在耳軸和球體上。
整體式填密件32通常是圓柱形，并包括一個中央的縱向孔50。該孔50相對于球體24和耳軸28，30的外徑的大小被加工成使其在室溫下可與之形成干涉配合，同時又可在室溫下利用合適的工具卡扣或壓配組裝在球體24和耳軸28，30上。如圖4A中最佳地示出，填密件的內表面51形成有可與桿的外形、尤其是與球體24和耳軸28，30的外形大致相符的輪廓或外形。這樣，在閥元件為球形體的實施例中，內表面51為大致球形，并且具有可與球體24形成干涉配合的尺寸。填密件30內部的上部53和下部55為圓柱形，以分別與上、下耳軸28，30相符，并且其尺寸被適當地加工成可與上、下耳軸28，30形成干涉配合。然而應當注意，閥元件并不必是如圖所示的球體，而是可具有例如卵形“足球”形狀的其它輪廓，或者是適于特殊應用的其它輪廓。圖6顯示了這種閥元件輪廓的一個例子。在這種情況下，可將填密件32制成為具有大致相符的輪廓。另外，在一些應用中，在將桿安裝到填密件中之前，內表面51不必嚴格地對應于桿的形狀或輪廓，然而一旦將其最終壓配到閥體中，其將與桿的輪廓基本上相符，從而能充分地密封球體和耳軸。
填密件32還包括許多形成于填密件32的圓柱形壁54上的開口52a-d。這些成對的開口如52a/52d或52b/52c在直徑方向上彼此相對，從而與球體24的孔27a和27b同心地對齊。在所示的例子中，當閥處于關閉位置時開口52b和52c與通道27對齊，當閥處于打開狀態時開口52a和52d與通道27對齊。孔50的下端口50a也可用作通到形成于桿26上的底部安裝口的孔，其如圖5所示并將在后文中介紹。
對于在閥10處于打開位置時用于使流體流動的開口(如圖4中的開口52a和52d)而言，可設置經滑動配合而插入到這些開口中的支撐環42，44。支撐環42，44分別包括通孔42a和44a，其用于在閥10處于打開位置時允許流體從中流過。支撐環42，44可在開口52的區域中支撐填密件32，以防止填密件被擠入到通道27或端口27a和27b中。為了增強這種效果，支撐環42，44可設有內平面62，其在將支撐環安裝到填密件中時與X軸線大致對齊。這些平面提高了支撐環的剛性，從而提高了它們在載荷下對填密材料的支撐。
各開口52a-d均可包括內部的周向突起的凸緣64。這些凸緣可防止支撐環42，44在桿26旋轉時無意中接觸到球體24的外表面。
在特定的閥結構(例如在二通閥只需要兩個開口52)中不需要使用多個開口52(例如開口52c或52b)時，這些不使用的開口都可用適當的盤片或塞子60來堵住(圖4)。各盤片60均滑動配合到其相應的開口52中。盤片60支撐了填密件32，使其不會冷流擠壓和蠕變到通道27的區域中。
盤片60(以及支撐環42，44)可由任何適當的材料如不銹鋼制成，優選但并不一定是彎曲的或形成為其它形狀，使其外表面與填密件32的外輪廓相符，而其內表面與填密件32的內輪廓相符(在所示實施例中應當注意的是，填密件32具有圓柱形的外表面輪廓，而其內表面輪廓包括有球形部分和圓柱形部分)。盤片60安放于相應開口52的內凸緣64上，從而不會接觸到球體的表面。
為了將填密件32安裝到閥元件22上(不同于重疊模制工藝)，通過壓配合來將填密件32與整體式的球體和桿裝配在一起，填密件32卡扣或滑入到桿26上的適當位置，并越過上耳軸28或下耳軸30以及球體24的外表面或直徑，其中球體的直徑必須大于耳軸28，30的直徑。如果填密件32的體積過大，那么在室溫下填密件32將過于剛硬且不易彎曲，以致于不能滑動到球體24上的圖中所示位置處。根據本發明的一個方面，將閥元件22機加工成使得球體24的直徑D1僅稍稍大于耳軸28，30的相應直徑D2，D3(見圖3)中的任一個或全部。根據所選的閥設計，耳軸的直徑D2，D3可以相同或者不同。
在現有技術的球閥中，耳軸與球體的直徑比(D2/D1或D3/D1)通常是0.3-0.65。根據本發明，該比值應當優選為約0.7到約0.9，最好是約0.70到約0.76。這一明顯更高的比值(相對球體的直徑增大了耳軸)顯著地減少了填密件32的質量體積，這是因為耳軸與閥腔20之間的間隙減少。填密件32的質量體積的減少還使填密件32在室溫下更加柔韌，從而允許在室溫下將填密件32通過卡扣配合或壓配合而安裝在閥元件22上。由于球體24只是略大于耳軸28，30，因此在將閥元件22安裝到閥體12中之前，可在室溫下容易地將更加柔韌的填密件32安裝到閥元件22上。這便極大地簡化了裝配工藝，從而降低了裝配時間和成本。
這里所用的用語“室溫”只是指填密材料在其性能如彈性特征方面不會顯著變化的溫度范圍。用于室溫裝配的示例性但非必須的范圍是約65-100。換句話說，“室溫”是指填密件基本上保持在其正常情況下而不會顯著改變其機械性能如其彈性的溫度范圍。
在這一點上應當注意的是，用于將整體式填密件設于閥桿/球體/耳軸元件上的另一工藝是將填密件重疊模制在適當的位置上。換句話說，利用傳統的模制技術將填密件直接模制在桿上。重疊模制工藝消除了將填密件32滑入到桿上的適當位置處的裝配步驟。然而，通過重疊模制在適當位置處的整體式填密件也可以實現會導致填密件質量體積減小的本發明的其它優點和方面。
下面接著介紹閥10的結構，在閥填密件32的上表面的軸向附近處設有填密件壓蓋34。這種填密件壓蓋34例如可由不銹鋼制成，其用來幫助在溫度升高時抑制填密件32，還用作對填密件32提供動載荷的推力墊圈。壓蓋34的內徑與上耳軸28的外徑D2之間的直徑間隙以及壓蓋34的外徑與閥腔20的直徑之間的直徑間隙均受到控制，以便使壓蓋34可抑制填密件32，從而降低或減少在溫度升高時的蠕變或擠壓，并且還用作對填密件32加載的推力墊圈。多個盤簧36或其它適當的加載件軸向地堆疊起來(參照桿26的縱向軸線X)，并且壓在壓蓋34上。負載件36對壓蓋34和填密件32施加動載荷，從而可在較高和較低的溫度下維持對填密件32的充分密封壓縮。“動載荷”指當閥在高于或低于室溫或環境溫度下工作時，負載件36可持續地對壓蓋34和填密件32施加載荷力。通過帶螺紋的填密螺栓38便可壓縮負載件36并將其保持在適當的位置，該螺栓38通過螺紋來安裝在閥體12的上部或桿容納延伸部分12a上。
下耳軸30在填密件32的底部32a之下軸向地延伸到形成于閥體12中的沉孔40內。在下耳軸30和沉孔40的直徑之間優選具有緊密的間隙配合。這種緊密的間隙配合有助于抑制填密件32下部的蠕變或擠壓，保持填密件32和球體24之間的接觸應力，并且保持填密件32和閥腔20的粗糙表面(例如通過噴砂處理而變得粗糙)之間的接觸應力，以防止在閥的動作期間填密件32在閥體12內旋轉。對填密件下部32a的抑制降低了填密件在非環境溫度和特別低的溫度下的應力弛豫。填密件的上部和下部的抑制特征允許閥元件22軸向地運動，以補償填密件32在熱循環中的膨脹和收縮。
當閥10處于完全打開的位置時，填密件32的開口52a和52d分別與球體流體通道的桿孔27a和27b同心地對齊。在孔27a和27b處，止動環或支撐環42，44以及盤片60分別定位在填密件32的開口52a-d中并有助于抑制填密件32，以防止填密材料擠入到球體的通道27以及孔27a和27b中。
閥如下所述地進行裝配。在適當的時候將支撐環42，44和盤片60插入到填密件32的開口52a-d中。這樣，支撐環和盤片還可在裝配工藝期間有助于支撐填密件32。然后如上所述地將填密件32安裝在閥桿26上。將包括球體/桿24/26、整體式填密件32和支撐環42，44(以及如有需要將使用的盤片60)在內的閥元件組件22安裝在閥體12的閥腔20中。在將組件22插入到閥體中時，可使用適當的工具來對齊并壓縮組件22。壓蓋34和載荷件36可在將閥元件組件安裝到閥體12中之前安裝到填密件32上，或在將閥元件組件安裝到閥體中之后進行安裝。然后將填密螺栓38擰入到閥桿的延伸部分12a中，以便完成裝配。螺栓38可擰緊到適當的扭矩或一定的圈數，以便在填密件32上作用所需的載荷。
根據本發明的另一方面，減小填密件的體積或構成整體式填密件的材料的量可通過降低填密件高度(圖3中“H”)與填密件外徑D4的比值(H/D4)來實現。在圖3中，填密件高度標為“H”。這便可通過與上文所述的增大耳軸與球體直徑之比相類似的方式來減少用于填密件32的填密材料。由于只需少量的填密材料便可充分地密封該閥，因此在高溫和低溫以及熱循環下因溫度變化而引起的負面影響均減少。在典型的現有技術的球閥中，填密件高度與填密件外徑的比值處于0.9到1.1的范圍內，而在本發明中，填密件高度與填密件外徑的比值為約0.75到約0.85，最佳值為約0.8。相對于采用傳統的耳軸直徑與球體直徑之比或填密件高度與填密件外徑之比的現有技術的球閥而言，控制這些比值的整體效果是將填密件體積減少了約15％到約50％，從而提供了顯著提高的熱性能。
應當注意的是，這里所介紹的各個比值可根據閥的尺寸而變化，這是很重要的。例如，這里用于D3/D1的示例性比值范圍是為用于1/4英寸管道系統的球閥元件而設計的。根據本發明，可對比值D2/D1或D3/D1進行選擇，使其可促進在室溫下將填密件裝配到閥元件上。此外，還可對H/D4的比值進行選擇，使其可減少填密件的體積并從而提高熱性能。
擴大耳軸的構思為填密件32提供了可傳遞到填密件下部中的更有效的動載荷。在現有技術的小耳軸設計中，大部分垂直載荷均由閥桿的球體部分24來承受。相比而言，帶有擴大的耳軸直徑的本發明將動載荷集中成朝向填密件加載，并將該載荷和所導致的填實密封應力傳遞到填密件的下部，從而提供了分布得均勻得多且有效得多的載荷應力，以便保持密封。
申請人已經發現，在某些情況下支撐環42，44可能會在填密件使用之后因裝配過程中所產生的熱膨脹或過大載荷而被垂直地壓碎。根據本發明，通過在支撐環42，44的內徑上提供垂直平面62，就可實現針對垂直破碎的提高的阻力。該平面應當與閥10的中心線(圖中的X軸)垂直地對齊。這些平面也可用作定位導向結構，以保證支撐環在安裝期間的正確定向。在盤片60上可使用凹槽或其它的適當標記63，以保證盤片60的正確定向。
為了防止桿孔27a和27b的邊緣在閥的動作(球體旋轉)過程中夾住填密材料，可在各桿孔27a，27b的周圍設置折邊(edge break)，這是優選但非必須的。
根據本發明的另一方面，應當注意的是，桿26和整體式球體24在軸向上(沿著X軸)沒有受到動載荷盤簧36和下方沉孔40的約束。因此，桿26可在會導致填密件32產生膨脹和收縮的溫度變化下自由地移動。這有助于在填密件32上維持一致且有效的載荷。
圖5顯示了結合有本發明的閥68的另一實施例。在該示例中，在球體24中形成有與第三接頭70流體式相通的底部端口(未示出)。閥的其它元件與上述實施例中的相同。
在上文中已經參照優選實施例介紹了本發明。通過閱讀和理解本說明書，他人能夠構思出許多修改和變化。只要落入于所附權利要求或其等同物的范圍內，所有這些修改和變化都應被包括在本發明中。
權利要求
1.一種閥，包括其中具有閥腔(20)的閥體(21)；閥元件(22)，其可根據所述閥元件圍繞軸線(X)的旋轉位置來控制通過所述閥的流動；和圍繞著所述閥元件并將所述閥元件密封在所述閥腔(20)內的塑料聚合物的整體式填密件(32)；其中，所述整體式填密件(32)的尺寸制成為適于在室溫范圍內安裝到所述閥元件(22)上。
2.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述室溫范圍為約65-100。
3.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述填密件(32)具有由高度H和外徑D4所限定的大致圓柱形的外表面，所述填密件具有為約0.75到約0.85的比值H/D4。
4.根據權利要求3所述的閥，其特征在于，所述比值H/D4為約0.8。
5.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述閥元件(22)包括球體(24)和相鄰的上、下耳軸(28，30)；所述球體具有外徑D1，所述耳軸中的至少其中之一具有外徑D3；所述閥元件具有為約0.7到約0.9的比值D3/D1。
6.根據權利要求5所述的閥，其特征在于，所述比值D3/D1為約0.8。
7.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述填密件(32)具有由高度H和外徑D4所限定的大致圓柱形的外表面，所述填密件具有為約0.75到約0.85的比值H/D4；所述閥元件包括球體和相鄰的上、下耳軸；所述球體具有外徑D1，所述耳軸中的至少其中之一具有外徑D3；所述閥元件具有為約0.7到約0.9的比值D3/D1。
8.根據權利要求7所述的閥，其特征在于，所述比值H/D4為約0.8，所述比值D3/D1為約0.8。
9.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述聚合物選自聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯、聚醚醚酮(PEEK)和氟化乙烯丙烯共聚物。
10.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述聚合物包括PTFE。
11.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述閥元件(22)包括非球形的流量控制件。
12.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述填密件(32)具有內表面，在將所述填密件加載到所述閥體(21)中之前，當將所述填密件安裝在所述閥元件(22)之上時，所述內表面可與所述閥元件形成干涉配合。
13.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，在將所述填密件加載到所述閥腔中之前，當將所述填密件安裝在所述閥元件(22)上并插入到所述閥腔內時，所述填密件(32)可與所述閥腔(20)形成干涉配合。
14.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述填密件(32)包含選自PFA、帶填充物的PFA、聚四氟乙烯(PTFE)、帶填充物的PTFE、聚乙烯、聚醚醚酮(PEEK)和氟化乙烯丙烯共聚物的聚合物。
15.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述填密件(32)的尺寸制成為可在低于所述填密件會產生變形的溫度下安裝到所述閥元件(22)上。
16.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述閥元件包括球體(24)、桿，以及至少一個相鄰于所述球體的耳軸(28，30)。
17.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述填密件承受到動載荷。
18.根據權利要求1所述的閥，其特征在于，所述單件式填密件完全容納在閥腔內。
19.一種裝配閥的方法，包括步驟形成塑料聚合物的整體式填密件(32)，其適于將閥元件(22)密封在閥腔(20)內；和在所述填密件的機械性能不會產生顯著變化的溫度范圍內將所述填密件安裝到所述閥元件上。
20.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成填密件的步驟包括對所述填密件進行機加工。
21.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述溫度范圍選擇成使得所述填密件材料的機械性能相比于所述填密件材料在70下的機械性能不會產生顯著變化。
22.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，所述填密件安裝成閥腔內使得所述填密件完全容納在閥腔內。
全文摘要
本發明提供了一種閥，包括其中具有閥腔的閥體；閥元件，其可根據閥元件圍繞軸線的旋轉位置來控制通過閥的流動；以及圍繞著閥元件并將閥元件密封在閥腔內的塑料聚合物的整體式填密件。其中，整體式填密件的尺寸制成為使其適于在室溫范圍內安裝到閥元件上。
文檔編號F16K5/06GK101067458SQ20071012642
公開日2007年11月7日 申請日期2003年1月17日 優先權日2002年1月18日
發明者J·S·蒂姆科, T·A·利普茨, E·M·克瓦達, B·J·弗里, J·E·戈奇 申請人:斯瓦戈洛克公司