雙部分的球閥的製作方法
2023-09-10 09:51:15
專利名稱：雙部分的球閥的製作方法
技術領域：
本申請涉及一球閥以及一用於這樣一閥內的球元件。具體來說，該球元件具有兩個前導邊緣外形，其在球閥內提供雙向流的特徵。
背景技術：
各種類型的閥門在諸如化學加工、水處理、石油精煉和流體運輸的很大範圍的應用中，得到廣泛採用。球閥在許多這樣的應用中是最為普通的選擇，因為球閥在使用中既可靠又簡單。一呈最簡單形式的球閥包括一具有通道的外殼或閥體，該通道位於閥體的各端，它們可與承載流體的管道對齊並附連到管道上。一球具有一鑽透的圓柱形流道，然後，該球置於閥體內。球可以在閥體內轉動，這樣，當閥內的流道與閥體內的通道和管道對齊時，流體可流過，而當貫穿球的通道橫向於閥體內的通道和管道時(即，當管道僅「見」球的實心側時)，流體不可流過。以此方式，只要簡單地轉動四分之一圈的球，球閥就可從完全關閉轉到暢通打開的狀態。這樣的轉動可以手動致動或通過一致動器進行致動，例如，通過一自動的計算機控制的系統發出的信號來驅動這樣的致動器，或手工地調整一開關來驅動該致動器。
還為常見的做法是生產這樣一球閥，其中，「球」元件只是全球的一部分。具體來說，該球可以只包括這樣的足夠材料，在閥處於全關閉時，閥體內的孔在閥體上遊側上完全地阻塞。一般地來說，該球部分僅在閥的上遊或入口側上，因為在流體不撞擊的下遊側上不需提供一阻塞的表面。儘管球部分不需延伸回到閥的中部來提供一密封，但球部分可以形成為具有短小突出部或耳部，它們向後延伸以接納一軸或多個軸，閥體內的球在所述軸上轉動。因此，當閥打開時，球部分擺動到流道的一側，且流體流過球部分的背側。
儘管球閥可容易地打開或關閉，但它們也可部分地打開或部分地關閉以提供有控制的節流的流體流動。當閥完全打開時，通過閥的流道的橫截面將是圓形，因為閥內的圓形流道完全地對齊於閥體內的圓形孔。當閥關閉且球內流道的側邊緣(或球部分的背側的弧形邊緣)接近閥體內的流道的側邊緣時，流體可能通過的區域從一圓形變到一橄欖球形，並然後變到一狹長的指向頂和底的垂直長條，其在中間處略現肥大。在理論上，一球閥具有相等的百分比型的控制特性，即，相等增量的球的相對轉動應產生相等百分比增量的相對流量係數。然後，流道在球閥關閉時其寬度和長度的減小導致其各對應的轉動程度可比閥完全打開時更快地扼流閥門。此外，由於卡諾(Carnot)效應，該小的長條可形成渦流和壓降。其結果，球閥在低流量使用情況下難於提供精確的控制。
對於一控制的球閥，球的前導邊緣對於每一角度轉動的流體流量可具有很主要的影響，尤其是，當閥以非常小量打開時，前導邊緣是流道完全阻塞時抵靠閥體關閉的邊緣，且當閥打開時其面向迎流的流體流動。某些現有技術的球閥在流道或球部分的前導邊緣上設置一光滑的v形槽，以改善對閥流體流動特性的控制，尤其是，在低流量情況下。也可提供其它輪廓的前導邊緣，一輪廓的前導邊緣可組合具有不同於前導邊緣外形的輪廓的尾部邊緣進行設置。然而，儘管一輪廓的前導邊緣形狀在低流量打開時通常提供更加可控制的響應特性，但在閥處於高流量狀況時它通常會限制流體的流量。因此，希望具有一控制球閥，其提供良好的控制特性，以及良好的低流量和良好的高流量特性。
發明內容
一般來說，揭示的一球閥和一球閥控制元件是用於控制流過該閥的流體。控制元件可在其內部設置有兩個控制表面，而兩個部分可形成兩個對於控制元件截然不同的前導邊緣，那裡，它們與控制元件的大致圓柱形外表面相交。
在一實施例中，揭示了一球閥，其包括一閥體，閥體形成一內閥座和具有一流體入口和流體出口，以及一可轉動地安裝在內閥座內的控制球元件。控制球元件具有一局部的球形外表面、一通過所述球元件的流道，在所述流道的上遊端上設置一前導邊緣、一鄰接前導邊緣的第一內控制表面，以及一鄰接前導邊緣的第二內控制表面，其以一角度傾斜於第一內控制表面。第一內控制表面可包括一具有第一縱向軸線的圓柱形表面，而第二內控制表面可包括一具有第二縱向軸線的圓柱形表面，第二縱向軸線可與第一縱向軸線相交成一角度，例如，約為9度的角度。前導邊緣可包括一v形和在v形各側上的對稱部分，且該閥還可包括一附連到控制球元件的控制軸，以及一構造成響應於控制信號而轉動控制軸的致動器。控制球元件還可包括一鄰接第一內控制表面但不鄰接第二內控制表面的尾部邊緣，以及一對下降的耳部可設置在控制球元件上，其中，各耳部形成一圓柱形通道。此外，球閥可包括一對圓柱形的延伸部，其中，各延伸部附連到控制球元件的一對應的耳部。
在另一實施例中，揭示了一控制球元件，其包括一具有一局部的球形外表面的球部分、一位於球部分上的前導邊緣、一通過所述球元件的流道，具有位於球部分上且鄰接前導邊緣的第一內控制表面，以及一位於球部分上且鄰接前導邊緣的第二內控制表面，其傾斜於第一內控制表面夾一角度。第一內控制表面可包括一具有第一縱向軸線的圓柱形表面，而第二內控制表面可包括一具有第二縱向軸線的圓柱形表面，第二縱向軸線與第一縱向軸線相交成一傾斜角度，例如，約為9度的角度。前導邊緣可包括一v形和在v形各側上的對稱部分，且該球部分可包括一鄰接第一內控制表面但不鄰接第二內控制表面的尾部邊緣。元件還可包括一對從球部分的相對側下降的耳部。
在還有另一實施例中，揭示了一球閥元件，其包括一具有大致球形外表面的球部分、一位於球部分前邊緣上並形成一頂部分中心線的頂部分、一對形成在球部分上的第一前導邊緣的展開部分，該展開部分圍繞頂部分中心線彼此對稱，以及一對鄰近於展開部分且圍繞頂部分中心線彼此對稱的下降部分。該對下降部分由外表面與球部分的第一內表面的相交而形成。該對展開部分可由外表面與球部分的第二內表面的相交而形成。
本發明的一個或多個實施例的細節將在下面的附圖和描述中予以闡述。從詳細描述和附圖中以及從權利要求書中，將會明白本發明其它的特徵、目的和優點。
附圖的簡要說明
圖1是現有技術的控制閥的球的立體圖。
圖2是一具有雙特徵的控制閥的立體圖。
圖3a-3c是一具有雙特徵的控制閥的側視圖、端視圖、立體圖。
圖4示出一雙特徵球閥的剖切的立體圖和端視圖，圖中示出處於各種轉動角度的控制閥和圖示處於對應轉動角度的控制閥的對應的端視圖。
圖5示出一球閥組件的剖切圖。
各附圖中相同的標號表示相同的元件。
具體實施例方式
圖1是一現有技術的控制閥的球元件10的立體圖，其示出一球元件的某些一般特徵。一球部分11由位於球元件10一側上的一厚度的材料形成。球部分11具有一大致球形凸起的外表面12，其允許控制閥元件在一閥體(未示出)內光滑地轉動。當球打開時，一流道13從球部分11的一側延伸到相對側——上遊側到下遊側。球部分11的內表面24可呈一大致與外表面12的形式相匹配的凹入的形式，以使球部分11具有一基本上恆定的厚度。球部分11具有一前導邊緣14，它是首先接觸流入閥內的流體流的邊緣。前導邊緣14具有一呈光滑弧形的略微的弧形表面，就如具有一圓柱形鑽孔的全尺寸球上的前導邊緣會形成的一弧形的形狀(即，該弧形是由孔形成的圓的部分)。球部分11還具有一與前導邊緣14相對的尾部邊緣16。尾部邊緣16呈大致平的形狀，在各端處帶有略微的弧形錐度。一對耳部18在球部分11的各側上向下延伸。耳部18在其底部邊緣處呈大致的圓形，並形成通過中心的大致圓形軸通道22。軸通道22構造成接納一球閥軸和一軸襯，當軸襯安裝在一閥體內時，該軸襯用來轉動控制球元件10。延伸部20從各耳部18圍繞通道22的周緣向外延伸。這些延伸部20可與閥體內的對應形式匹配以將控制球元件10保持在一定位置上，並允許其通過一軸襯狀的配件可光滑地轉動。
圖2是一具有雙特徵的控制球元件30的立體圖。元件30具有一球部分32，帶有一對從球部分32的各側向下延伸的耳部52。球部分32具有一大致球形的外表面34，其在閥轉動時能使球部分32在一球閥外殼或閥體內光滑地轉動。外表面34圍繞球部分32的側面向下包裹到位於控制球元件30各側上的平的臺肩66。呈延伸部54形式的軸襯凸臺形成通道62，從各臺肩66向外延伸並可達到光滑半徑60處的臺肩66。各個延伸部54的頂端有一下陷58，其鄰接一微小的倒角56。延伸部54的尺寸與閥體內的對應形狀匹配，倒角56可使延伸部54容易地裝配入對應的形狀內。
一流道33延伸通過球部分32。流道33具有一輪廓的前導邊緣，其有助於提供具有改進操作特許的控制球元件30。前導邊緣包括多個部分，它們相對於控制球元件30的前後軸向中心線對稱。從中心開始有一頂部分36，其起作一v形的倒圓點。展開的部分42從頂部分36向下和向外延伸而形成v形。展開的部分42當它們移離頂部分36時初始地可呈直線。但然後可開始略向內呈弧形。這樣，前導邊緣近似於標準控制球元件的形狀，其中，圓柱形孔形成在球體的球內，並且可調整而提供一v形以便更好地實施低流量的操作。
展開的部分42在最遠離頂部分36的展開的部分的端部處相遇於下降部分44。下降部分44繼續由展開的部分42所開始的大致的弧形，但可以一略小的角度相遇於展開的部分42。該角度的形成是因為球部分在其內側具有兩個不同的控制表面。尾部邊緣50遵循圓柱形孔的弧形。
一第一內表面40大致地由一通過控制球元件30的中心的圓柱形切口形成。它沿著切口的一主要部分具有一恆定的半徑，因此，可以近似傳統球閥的流道。第一內表面40從前到後也可顯示為基本上平的。當然，如圖所示，流道33的第一表面40隻是一全圓柱形的一部分並形成為一「U」形狀，因為控制球元件30不包括一全球，且因為耳部52的內下部分向下筆直下降。如將會很好地理解到的，第一內表面40也可呈各種其它合適的形式。例如，表面40可在其全部的周緣上具有一變化的半徑。也可從前至後呈一凹陷或凸起的形狀，而不是一平的形狀，視閥門所期望達到的用途而定。
一第二內表面38也形成在球部分32的內側上。概念上來說，第二內表面38是一第二特徵的切口，在第一內表面40銑切成一通過球的圓形埠之後，第二內表面銑切在球部分32的內側上。在球向下傾斜之後，例如，從其對於第一切口的位置向下傾斜9度，該第二切口形成為一略微的v形孔。第二內表面38從前至後大致呈平的，但當其從後向前移動時其從控制球元件的中心向外呈錐形。其結果，當在第二內表面38的長度上朝向控制球元件30的中心向後移動且在第二內表面38終止之後仍保持恆定時，流道33的敞開區域減小。
前導邊緣也可具有對稱的部分46，其從下降部分44延伸到某些點，弧形側向部分48從這些點向後延伸到耳部52，耳部52在其下端處具有大致平行的內邊緣64。部分46基本上呈垂直且是第一內表面40的底部邊緣結束的地方。各個部分36、42、44、46和48可設置有光滑的圓角，即和順的過渡邊緣，以允許閥座在閥朝向一關閉位置轉動時在這些部分上光滑地移動。合起來，該雙部分的設計具有兩個前導邊緣或兩個前導邊緣部分，它們可提供良好的流量和可控制特性，而不對特性有很大的損害。
控制球元件30可呈各種形式，並可從各種材料製成。例如，元件30可用不鏽鋼、陶瓷，或碳鋼，或諸如阿維斯塔碳鋼(Avesta)、哈斯特鎳合金(Hastelloy)、蒙乃爾銅鎳合金(Monel)、銦科鎳(Iconel)、鎢鉻鈷合金(Stellite)、合金6和合金20之類的合金製成。控制球元件30也可是鍍鉻的或鎢鉻鈷合金表面的。
在一替代的實施例中，控制球元件30的尾部邊緣50也可設置有雙特性。例如，可選擇前導邊緣的參數以提供一定的流動特性，同時可選擇尾部邊緣的參數以提供其它的流動特性。儘管這樣一結構可損害閥的最大流量能力，但可以兩種不同方式安裝球元件30來提供不同的特性。這樣，製造商可向顧客提供附加特性的選擇，而製造商不需製造和儲存太多的庫存，且也不需為顧客儲存許多的型號。
特殊特徵切口的各種參數造成的結果是前導邊緣的形狀，該形狀的設計可在精細步進的流量特徵和流動容量之間提供一種平衡。流道33可首先優化為滿足ANSI或其它合適的要求。接下來，可在公差和製造容差的許可下，確定控制球元件30和軸襯凸臺的球形直徑以便裝配特定閥的閥體。應有足夠的公差以便實施底部軸襯安裝的操作。
然後，可確定球元件30的V形特徵的切口角和流道33直徑。前導邊緣上各種點處過渡可以構造成最大程度地減小突入到閥流量流動中，並考慮到閥座幹擾和重疊。(閥座重疊是球長度減去邊緣的混和，在實踐中，它是假定90度轉動的條件下，流動關閉和全關閉位置之間的球轉動量。)當閥完全打開時，球的背部不應突入到流量流動中。
對於一特定的閥門，選擇合適的參數需考慮到閥座的位置和閥特性，該種選擇都在具有一般技術的技術人員的能力之內。閥特性的目標可包括最大流量能力和一提供足夠閥座重疊的特徵的「V」輪廓，以及從全打開至全關閉的90度的致動。可被考慮的各種因素包括以下的一個或多個因素球部分角增加球部分角也增加球長度和閥座重疊。對於一給定的球部分直徑對球體的直徑之比，存在一最大球部分角，其中，過渡變成一邊緣，且增加角度還不增加球長度。
V-特徵的輪廓增加特徵切口形狀的輪廓(與圓形的偏離)導致切口角度和/或深度的增加並減小閥座重疊。
V-特徵切口深度和角度增加切口深度會減小閥座的重疊。如果切口太淺，則「V」輪廓將在球埠接界處截頭。
球的球體直徑增加球體直徑會增加閥座重疊。它還增加每一致動程度被閥座掃過的球體表面的量。一給定球長度的較大的球體直徑將以較小致動程度掃過閥座。
球埠直徑增加球埠直徑會切入到球體直徑內並減小閥座重疊。球部分角應與V-特徵切口角度/深度和閥座重疊平衡，以使圓柱形球埠在90度轉動(全打開)時平行於流動流。
前導邊緣混和增加前導邊緣混和長度會減小閥座重疊。混和長度和半徑應導致從超過閥座組件幹擾的球體球表面的一深度。
球長度增加球長度會增加閥座重疊。球長度是從特徵的v槽到球的球體半徑的另一端測量的線性距離。
閥座直徑增加閥座內直徑允許較高的容量和減小閥座重疊。
從閥座到杆中心線的距離增加離杆中心線的閥座距離會間接地增加閥座重疊。為了保持閥座對球組件與一較長的閥座對中心線距離的幹擾，可增加球的球體直徑(增加重疊)，或可減小閥座內直徑(也增加重疊)。
圖3a-3c分別是圖2的控制球元件30的側視圖、端視圖和立體圖。如圖3a所示，在一對於兩英寸球閥的特定實施例中，第一內表面40可設置成相對於第二內表面38交9度角。第二內表面38可形成為一切口，其垂直於一通過通道62的中心點的軸線，並在該軸線上方0.774英寸處。也可採用其它尺寸和角度，只要合適，且依據閥的尺寸而定。例如，兩個切口之間的角可以是約6度和約12度之間，更為較佳地可以是約9度。
圖3b示出控制球元件30的前視圖，特別用實線示出前導邊緣，用虛線示出尾部邊緣。在此圖中，在中心處可見v形，使展開部分向外和向下延伸，下降部分繼續向下，而最後部分進一步向下延伸，然後向外延伸到耳部。在圖3b中也可看到尾部邊緣的光滑的曲率。此外，還可見一個耳部內的通道大於另一耳部內的通道，以便容納一軸襯。然後，圖3c提供一類似於圖2的視圖，但用實線和隱藏線的方式表示。
圖4示出一處於各種轉動角度的雙特徵球閥的剖切的立體圖和端視圖。各對圖對一特定轉動角度提供對應的視圖。右手列中的視圖取自左手列中所示閥的左側，並從左手列中視圖轉過90度。在視圖80中，球從全關閉轉過5度，而在視圖82中，球從全關閉轉過20度，流道呈現為包括v形的控制球元件。在視圖84、86中，球從全關閉轉過50度。這裡，可見前導邊緣的大部分，前導邊緣的大致的弧形較之於v形對流體流動發生較大的影響。在視圖88、90中，球從全關閉轉過81度，基本上，所有的控制球部分在流體流動路徑之外。在視圖92、94中，球從全關閉轉過90度，因此呈全打開。控制球元件消失而不在流體流動的路徑內，由此，呈最大的高流量特徵。此外，控制球元件的第二內表面朝向閥外面略微呈錐形，這樣，前導邊緣略微在閥入口直徑的外面，並大致地與密封環對齊。因此，從左進入視圖92的閥的流體將避免滯留在控制球元件的任何唇上，否則的話，控制球元件會從密封環豎起。這樣，流體將從閥入口區域更光滑地流動並通過控制球元件。
圖5示出一球閥組件100的剖切的立體圖。該組件100大致地包括一閥體102，其設計成接受如流動箭頭所示的流體。閥體102具有一中心的中空圓柱形104，受閥100控制的流體允許流過該圓柱形104。一控制球元件106安裝在中空圓柱形104內，並能轉動而阻塞通過圓柱形104的流動，或允許流動通過圓柱形104。圓柱形104通常在控制球元件106的部位處略微地放大，以使控制球元件106可圍繞圓柱形104的周緣形成一全密封，並當閥100打開時還可移出流體流動的路徑。閥座或密封環(未示出)可設置在圓柱形104內並與控制球元件106接觸，以在閥100關閉時防止流體洩漏。密封可由任何合適材料形成，包括MN-7聚合物、金屬、特氟龍(Teflon)，或聚四氟乙烯(PTFE)。
控制球元件106通過控制軸108轉動和被驅動，該控制軸108從控制球元件106延伸到閥體102的外面。一襯墊材料或其它密封材料可設置在控制軸108和閥體102之間，以防止流體洩漏出閥100外。如在其它附圖中更清楚地示出的，控制球元件106可包括形成通道的耳部，控制軸108通過該通道而被接納，且控制球元件106可安裝在其上。尤其是，為了保持控制軸108不與流體流動幹擾，控制球元件106的一個耳部可被接納在閥體102內的一凹囊內，而另一個耳部可接納控制軸108的一端。控制球元件106和控制軸108之間的連接可使用銷或鍵，或花鍵連接。控制軸108被一致動器110驅動，致動器可以是機械的、機電的、氣動的，或任何其它合適的形式。手工和/或計算機產生的信號可對致動器提供指令。致動器還可連接到一諸如區域網路那樣的自動控制系統，可使用包括乙太網協議在內的各種協議，它們對致動器提供控制信號，以使致動器改變控制球元件106的位置。
至此已經描述了本發明多個實施例。然而，應該理解到，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，可以作出各種修改。例如，控制表面可呈各種形狀，控制球元件也可呈各種形狀，且可不同於附圖中所示，是或多或少的全球。因此，其它的實施例也落入附後權利要求書的範圍之內。
權利要求
1.一球閥，包括一閥體，閥體形成一內閥座和並有一流體入口和流體出口；以及一可轉動地安裝在內閥座內的控制球元件，控制球元件具有一局部的球形外表面，一通過所述球元件的流道，其在所述流道的上遊端上設置一前導邊緣，一鄰接前導邊緣的第一內控制表面，以及一鄰接前導邊緣的第二內控制表面，其以一角度傾斜於第一內控制表面。
2.如權利要求1所述的球閥，其特徵在於，第一內控制表面包括一具有第一縱向軸線的圓柱形表面，而第二內控制表面包括一具有第二縱向軸線的圓柱形表面。
3.如權利要求2所述的球閥，其特徵在於，第一縱向軸線與第二縱向軸線相交成一角度。
4.如權利要求3所述的球閥，其特徵在於，第一縱向軸線和第二縱向軸線之間的角度約為9度。
5.如權利要求3所述的球閥，其特徵在於，第一縱向軸線和第二縱向軸線之間的角度在約6度和約12度之間。
6.如權利要求1所述的球閥，其特徵在於，前導邊緣包括一v形和在v形各側上的對稱部分。
7.如權利要求1所述的球閥，其特徵在於，還包括一附連到控制球元件的控制軸，以及一構造成響應於控制信號而轉動控制軸的致動器。
8.如權利要求1所述的球閥，其特徵在於，控制球元件包括一鄰接第一內控制表面但不鄰接第二內控制表面的尾部邊緣。
9.如權利要求1所述的球閥，其特徵在於，還包括一對位於控制球元件上的下降的耳部，其中，各耳部形成一圓柱形通道。
10.如權利要求9所述的球閥，其特徵在於，還包括一對圓柱形的延伸部，其中，各延伸部附連到控制球元件的一對應的耳部。
11.一控制球元件，包括一具有一局部的球形外表面的球部分；一位於球部分上的前導邊緣；以及一通過所述球元件的流道，具有一位於球部分上且鄰接前導邊緣的第一內控制表面，以及一位於球部分上且鄰接前導邊緣的第二內控制表面，其相對於第一內控制表面成一角度。
12.如權利要求11所述的控制球元件，其特徵在於，第一內控制表面包括一具有第一縱向軸線的圓柱形表面，以及第二內控制表面包括一具有第二縱向軸線的圓柱形表面。
13.如權利要求12所述的控制球元件，其特徵在於，第一縱向軸線相對於第二縱向軸線成一傾斜角度。
14.如權利要求13所述的控制球元件，其特徵在於，第一縱向軸線和第二縱向軸線之間的角度約為9度。
15.如權利要求13所述的控制球元件，其特徵在於，第一縱向軸線和第二縱向軸線之間的角度在約6度和約12度之間。
16.如權利要求11所述的控制球元件，其特徵在於，前導邊緣包括一v形和在v形各側上的對稱部分。
17.如權利要求11所述的控制球元件，其特徵在於，球部分包括一鄰接第一內控制表面但不鄰接第二內控制表面的尾部邊緣。
18.如權利要求11所述的控制球元件，其特徵在於，還包括一對從球部分的相對側下降的耳部。
19.一球閥元件，包括一具有大致球形外表面的球部分；一位於球部分前邊緣上並形成一頂部分中心線的頂部分；一對形成在球部分上的第一前導邊緣的展開部分，該展開部分圍繞頂部分中心線彼此對稱；以及一對鄰近於展開部分且圍繞頂部分中心線彼此對稱的下降部分。
20.如權利要求19所述的球閥元件，其特徵在於，該對下降部分由外表面與球部分的第一內表面的相交而形成。
21.如權利要求20所述的球閥元件，其特徵在於，該對展開部分由外表面與球部分的第二內表面的相交而形成。
全文摘要
一球閥(100)具有一閥體(102)，閥體形成一內閥座和具有一流體入口和流體出口，以及一可轉動地安裝在內閥座內的控制球元件(30)。控制球元件(30)具有一局部的球形外表面(34)、一具有一前導邊緣(36、42、44、46、48)、一鄰接前導邊緣的第一內控制表面(40)、以及一鄰接前導邊緣的第二內控制表面(38)的流道(33)，第二內控制表面(38)以一角度傾斜於第一內控制表面。
文檔編號F16K5/00GK1867794SQ200480030450
公開日2006年11月22日 申請日期2004年9月20日 優先權日2003年10月17日
發明者B·J·開普瑞拉 申請人:德雷瑟股份有限公司