可調節流量係數的球閥的製作方法
2023-06-02 13:19:01 1
專利名稱：可調節流量係數的球閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及美國專利局1999年3月8日公布的專利文件#452705，以及1999年8月17日提出的專利申請#60/149,398。
背景技術：
在採暖、通風與空調系統(HVAC)及其他工業加工應用中，球閥是調節和控制流體流量的一種十分有用的元器件。
全節流式(full ported)球閥與其本身尺寸相比較一般都具有非常大的流量係數(CV-值)。這就是說，如果將這種閥與同一尺寸的管道相連接，當管道中流體的流速相對於該管徑而言是在規定的正常範圍內時，在閥門全開時，球閥引起的流體壓力降將是非常的小。
管道以及控制對象，如像熱交換器，盤形管等，都有很大的壓力降。而球閥在開始關閉時對液流的影響非常小，因此，必須在流速產生顯著的減小之前將閥門關閉很多，使其引起的壓力降能與控制對象及管路系統產生的壓力降幾乎一樣大。
這就意味著該種閥門在其工作範圍內有很大一部分是無效的。對流量的控制僅僅發生在非常小的工作範圍內，即接近於關閉的位置。因此，執行器很難在準確的位置上驅動閥門以提供正確的流速。即使是很小的一點變動，都會使被連接的熱傳遞裝置的輸出產生很大的變化，因而控制的穩定性很難保證。
在計算流量係數時，我們是將流量(GPM)乘以流體比重的平方根再被閥門全開時閥門兩端壓力差(Psi)的平方根除。
閥門尺寸的選擇是基於其流量係數。一個閥門必須具有足夠大的流量係數才能提供所需的最大流速。但是流量係數又不能選得太大，因為這將會引起控制問題。
一個典型球閥的非常大的流量係數可以通過安裝一個基本上呈V-形開口的特製圓盤來減小。該圓盤將與閥球的孔徑互相配合作用。這一措施也決定了閥門的流量特性。美國專利#6,039,304對這種圓盤作了說明。
通過更換有較小或較大開口的新圓盤，就能改變流量係數，而無需更換閥門。
這種圓盤雖然能工作得很好，但是它增加了閥門的製造成本。而且，一旦需要改變流量係數時，還必須定購和安裝新圓盤。特別是，這種圓盤都是在高溫高壓的環境下使用，因此其製造成本也比較昂貴。
作為一種替代方案，可以使用一種有特殊形狀開口的球。當流量係數需要改變時可以安裝帶有不同形狀開口的球。但是，這也會使成本增加。
需要改變流量係數的情況是常見的。因為據以計算流量係數的數據資料通常是很不可靠的，它們並不反映實際的運行狀況，因此需要經常調整。
即使在首次安裝時認為確定的流量係數是正確的，但是將來隨著運行工況的改變，也可能需要改變流量係數。
發明內容
在標準的球閥中，貫穿球的通孔的縱向軸線是與球體的迴轉軸線相垂直的。
本發明是一種普通的可轉動四分之一周的球閥。其閥杆可轉動0～90度。與任何一種標準的球閥一樣，用閥杆驅動球，最大開度時轉動90度，完全關閉時為0度。其特點在於，球通孔的縱向軸線與閥杆的軸線不垂直。
這就是說，球在一個傾斜的方向上轉動，其球孔縱軸線永遠不會與閥體軸線相重合，即使將閥杆轉到90度的位置上也是如此。可以通過傾斜球體來減小流量係數，球體的傾斜度越大流量係數就減小得越多。
球可以僅僅按照單路閥的方式來處理，但要傾斜(偏離)一定的角度，從而使得該球閥比標準閥門有較小的流量係數。例如，其流量係數可以減小到與一個有相同尺寸的標準球閥的典型數值。
另一方面，對球也可以這樣的安排，即將球安裝成有若干不同的傾斜位置。通過將球安裝為不同的傾斜位置，使得同一閥門可以提供不同的流量係數以供選擇，從而使得選擇適合於某項應用的最佳流量係數成為可能。如果需要改變流量係數也很容易辦到。
有多種不同型式的球閥。兩件式球閥有一個閥體，它包括兩個部分。最普通的也是最便宜的兩件式球閥是將一個部分擰入到另一個部分之中，並用環氧樹脂固定。這種閥門是很難拆開的，它最適合於在只有一個球體傾斜角度安裝位置的球閥中。
三件式球閥有一個中間閥體，其中包含了一個球體和兩個連接元件(端蓋)。三個部分用螺栓緊固在一起。這種閥即使是安裝在一個管路系統中，也很容易將其中間閥體拆下來。這種結構使得調節球體的不同傾斜位置變得十分簡便。因此，三件式球閥是特別適合於安裝多種球體傾斜位置的球閥。當然，任何型式的球閥都可以用於本發明。
圖1a是一個球閥的斷面圖。閥體由兩部分1和2組成。它有兩個接頭3和4以便與管路相連接。在兩個接頭3和4之間有流體通道。在流體通道中安裝了一個球體5。球體5上有通孔12。球體5懸浮在球座8和9之間。球體5上有若干開槽10和16。第一開槽10與穿過球體5的通孔12的縱軸成90度角。第二開槽16與第一開槽10偏離一定的角度。一個由外部執行機構驅動的閥杆6穿過球體1。O-形密封圈11將閥杆與閥體1之間密封起來。
在閥杆6的端部有一個葉片15，它與開槽10或16相配合。在裝配閥門時，將葉片15插入第一開槽10中，這時球體5處在標準位置上，即球體一點也不傾斜。因此，該閥門與標準的球閥一樣，有最大的流量係數。
在裝配閥門時，將葉片15插入第二開槽16中，這時球體5處於傾斜位置。因此，流量係數值將減小。其位置見圖1a。
在圖1b中，還顯示了閥杆的一個替代方案。閥杆13上有一個葉片14，葉片14偏離一側，與閥杆13的中心線傾斜一個角度。在使用這種閥杆13時，當葉片14插入第一開槽10的時候球體5就已經被傾斜了。
當葉片14插入第二開槽16時，球體將更加傾斜。第二開槽16與葉片14的傾斜角度要彼此疊加，從而使流量係數更減小，參見圖1c。
將閥杆13旋轉180度，並將葉片14插入第二開槽16中來安裝球體5，可以得到第三種流量係數。這是因為此時第二開槽16與葉片14的傾斜角彼此相減。實際上，如果將葉片14插入第一開槽中，也會出現同樣情況，只是總的傾斜角度會有所不同。球體5與閥杆13可以用四種不同的位置進行裝配，從而可以提供四種不同的流量係數。
實際上，還可以在球體上增加開槽，例如，將槽開在球體的底部。
圖2表示了當球體在旋轉90度的位置上時，球體5上的開孔12與球座8和9是如何相互作用的。左邊是側視圖，右邊是端視圖。
流體的過流截面積是不同的，它取決於球體傾斜角度的大小。
從端視圖上可以看出，球體不傾斜時截面積最大，因為該截面僅由球座8和9的內徑決定，此內徑與通過球體5的開孔12的直徑是大致相等的。
橢圓12a和12b表示了球體開孔12與球孔8和9是如何交叉配合的。第一個橢圓12a表示球孔的傾斜角度較小，因此開孔12與座8和9之間的自由暢通面積只稍微減小一點。
第二個橢圓12b表示球孔的傾斜角度較大，因此開孔12與8和9之間的自由暢通面積減小得較多。
圖3中的左圖表示在閥門開啟時球體5、它的開孔12、閥杆6及球座8和9的側視圖。右圖為一端視圖，表示閥杆6已將球體5轉動到接近關閉的位置。這裡有兩個橢圓12a和12b。它們表示球的開孔處在同一閥杆位置上，但是球的傾斜角度不同。
第一個橢圓12a屬於沒有傾斜的球5。開口12a與座8或9之間的自由暢通面積較大，其數值由a，b兩點之間的半圓和a，b兩點之間的半橢圓確定。
第二個橢圓12b屬於已傾斜的球5。開口12b與座8或9之間的自由暢通面積較小，其數值由c，d兩點之間的半圓和c，d兩點之間的半橢圓確定。
可以看出，當球體傾斜時，在0～90度的整個操作範圍內，自由暢通面積和流量係數都將減小。
圖4表示球5的側視圖。其頂部有兩個開槽10a和10b，底部也有兩個開槽10c和10d。
將球5繞其開孔的縱軸旋轉180度，頂部槽10a和10b與底部槽10c和10d將交換位置。
當帶有不偏離的葉片15的閥杆6在使用時，球5可以有四種不同的安裝方式，即無偏離以及三種不同角度的偏離。
帶有偏離葉片14的閥杆13可以將其葉片按相反的180度的兩個位置安裝。於是，在使用帶四個開槽的球體時，球體5就可以有八種不同的安裝方式，從而產生八種不同的流量係數。
在球5表面允許的情況下，可以根據實際需要開任意數目的槽。當然，槽的位置和偏離角度應避免與座8和9發生幹涉。
圖5為閥杆6或13在0～90度的不同位置上的運動與CV-值之間的關係曲線圖。
球體以不同的傾斜角度位置安裝與閥杆6或13的關係曲線如圖所示。不同位置用Pos.1-Pos.4標記出來。
在Pos.1，球體5沒有傾斜。在Pos.4，球體5的傾斜度最大。
典型球閥固有的流量特性接近於等百分率，這符合許多控制應用的要求。當流量係數減小時，等百分率特性基本保持，只是曲線要平坦一些。
圖6a顯示了閥杆6及與其相連接的分開式葉片17。葉片與球槽嚙合的部分偏向一側。圖6b是其側視圖。
圖6c示出了球5及葉片17插入到球5的開槽18中的閥杆6。
圖6d表示雙葉片17與球5的一對開槽18相嚙合的閥杆6。第二對開槽19在球5的另一側。第一對開槽18使得球體上的液流通道中心線取向為與球的旋轉軸線垂直。第二對開槽19使得球體上的液流通道中心線取向為與球的旋轉軸線成一角度而不垂直。
葉片17插入到開槽18中的部分如圖6c和6d所示，與閥杆6的中心線平行。
當然，任何一個合適的角度都可以採用，只要它能與開槽的角度相匹配。
葉片17具有與球上的兩個開槽嚙合的兩個部分。它們分別處在閥杆中心線的兩側。葉片17能具有彈簧片的作用，它頂著槽的一側推動球體而沒有竄動。
本發明也可以應用到三路球閥中。
本發明的優點在不使用帶有特殊形狀開孔的圓盤或球體的情況下，就能有效地將流量係數減小到對於調節和控制非常有用的數值，從而降低了成本。
當球體和閥杆配置妥當，球體能以不同的傾斜角度安裝後，流體的流量係數就能夠有選擇性地被改變，而無需更換或增加任何零件。
雖然流量係數改變了，但基本的等百分率流量特性仍保持不變。
由於一個閥門就能覆蓋許多CV-值，因此，在從製造到銷售的整個環節中，各種級別閥門的庫存量就可以減少。最終用戶維修部門的閥門庫存量也將減少。
而且，對錯誤確定CV-值(太小)的擔心也將大大減小，因為它的數值可以很方便地加以改變。
對運行條件未來的改變也會很容易實現。
以上我們已對本發明的特殊實例作了較詳細的說明，在不偏離本發明的基本形式和基本精神的前提下，可能會對圖示實例作一些改變和改進。因此，我們認為，下列權利要求已覆蓋了屬於本發明範圍內的全部改進和變化。
權利要求
1.一種閥，具有殼體，閥體上有開孔可與流體管路相連接，並具有閥室，其中至少有一個進口和一個出口，以形成穿過閥室的流體路徑，該閥包括一個安裝在閥室內的一對球座之間的球體，它有一個外部表面和兩個端頭以及延伸在兩端頭之間的流體通道，球體由閥杆驅動旋轉，可以在開啟位置和關閉位置之間有選擇地進行調節，球體和閥杆具有與進出口之間中心線相垂直的迴轉軸線，球體還有一條液流通道中心線，該中心線並不與球體的迴轉軸線相垂直而是成傾斜角度。
2.按照權利要求1所述的閥門，其特徵在於，球體是這樣配置的它可以有選擇性地進行安裝，使其流體通道與球體的迴轉軸線形成兩種或多種不同的角度。
3.按照權利要求2所述的閥門，其特徵在於，球體上有一個以上的開槽，這些槽可以有選擇性地與閥杆的端部相嚙合。
4.按照權利要求1所述的閥門，其特徵在於，閥杆上安裝了端部件，它在相對於閥杆的縱向軸線是傾斜的位置與球的一個開槽相嚙合。
5.按照權利要求4所述的閥門，其特徵在於，閥杆的端部件可以與球的一個或多個開槽相嚙合。
6.按照權利要求5所述的閥門，其特徵在於，端部件是可以緊固到閥杆上的單獨的零件。
全文摘要
一種與流體管路相連接的閥具有閥室並至少有一個進口(3)和一個出口(4),閥包含安裝在閥室內的一對球座(8,9)之間的一個球體(5),它有一個外部表面和兩個端頭以及延伸在兩端頭之間的流體通道,球體(5)由閥杆(6)驅動旋轉,可以在一個開啟位置和一個關閉位置之間有選擇地進行調節,球體(5)和閥杆(6)有一條與進出口(3,4)之間的中心連線相垂直的迴轉軸線,球體(5)還有一條液流通道中心線,該中心線並不與球體(5)的迴轉軸線相垂直,而是傾斜了一個角度。
文檔編號F16K5/00GK1369045SQ00811576
公開日2002年9月11日 申請日期2000年8月17日 優先權日1999年8月17日
發明者本特·A·卡爾森 申請人:貝利莫控股公司