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高压双向阀
    【技术领域】

    本发明大体上涉及双向气动阀，更具体而言，涉及高压双向气动阀。

    背景技术

    工厂和制造厂使用过程控制装置来控制过程中的流体流动，其中“流体”可以包括液体、气体或任何能够流过管道的混合物。产生例如燃料、食品和服装的消费品或商品的制造过程需要控制阀对流体流动进行控制和调节。即使中型制造厂也可能使用数百个控制阀来控制过程。控制阀已被使用了一个多世纪，在这段时间中，阀的设计者不断改进控制阀的操作性能。

    在设计过程时，设计者面对许多设计需求和设计约束条件。例如，一些过程控制应用需要阀能够沿两个方向流动，该阀通常被称作双向阀。另一个设计约束条件的例子包括流体将在过程中运行所处的压力。例如，一些过程在相对低的压力下运行，例如小于约10,000磅每平方英寸(psig)，然而其它过程可能在相对高的压力下运行，例如大于10,000psig，并高达约20,000psig。

    图1图示传统双向控制阀10的一个示例。更具体地，图1的双向控制阀10包括气动双向控制阀10，这是因为气压供给用于控制控制阀10。

    传统双向控制阀10大体上包括阀体12和致动器组件14。致动器组件14含有控制元件16，该控制元件16适于在图1图示的闭合位置与开启位置(未示出)之间在阀体10内滑动移位。

    更具体地，阀体12包括入口18、出口20和喉部22。喉部22支撑用于如图所示与控制元件16接合以关闭阀10的阀座24。如上所述，致动器组件14包括控制元件16。另外，致动器组件14包括壳体26、阀插件28和弹簧30。控制元件16大体上包括杆部32和活塞34。杆部32延伸穿过阀体12的喉部22，并包括限定大致截头圆锥形的阀座面36的缩径部32a。阀座面36在控制元件16位于闭合位置时接合阀座24。

    阀插件28由316不锈钢构造，并限定可滑动地容纳控制元件16的杆部32的一部分的孔38。传统阀插件28的孔38包括的直径稍微大于杆部32的外径，使得杆部32可以在孔38中自由地往复移动。此外，然而，孔38的直径基本上等于阀体12中的导向孔48，并稍微小于阀座24中的孔25的直径。例如，在图示的阀10中，阀插件28中的孔38和阀体12中的导向孔48包括约0.25英寸(0.25”)的直径，而阀座24中的孔25包括约0.257英寸(0.257”)的直径。

    弹簧30被设置在阀插件28和活塞34之间，用于偏压活塞34，并由此相对于图1的阀10的方向向上偏压控制元件16，并到达闭合位置。在图示的传统阀10中，弹簧可以具有约0.66英寸(0.66”)的负载高度(load height)H_L，并能够沿闭合方向产生约七十磅的力(70lbf)。壳体26能够被螺纹连接到阀体12，并保持其它部件的位置关系。

    如图1所示，控制元件16的活塞34可滑动地设置在由壳体26限定的活塞腔40内。壳体26此外还限定螺纹孔42，用于螺纹接纳供给线(未示出)，该供给线被连接到气压供应，例如，在约八十(80)psig到约一百五十(150)psig之间的压力下供应的压缩车间空气源。移动活塞34所需的力是活塞34表面积的函数。在公开的传统阀10中，活塞34包括约1.375英寸(1.375”)的直径。这将为压缩车间空气提供充足的表面积，从而根据需要使活塞34移位。

    如此构造，控制元件16在控制阀10内的位置能够通过将压缩空气引入活塞腔40来控制。例如，当没有压缩空气供给到腔40时，弹簧30将活塞34偏压到图1图示的位置，这导致杆部32的阀座面36密封地接合阀座24并关闭阀10。然而，压缩空气引入到腔40使腔40中活塞34上方的压力增大，从而导致活塞34和整个控制元件16相对于图1图示的阀的方向向下移位。相应地，杆部32的阀座面36从阀座24脱离并打开阀10，以允许流体从中流过。

    在一些传统应用中，当阀10如图1所示闭合时，流体过程使压力在系统内增大。相应地，阀10感受到控制阀体12的入口18处的入口压力P_I和阀体12的出口20处的出口压力P_O。在任何给定情况或对于任何给定应用，入口压力P_I可以等于、小于或大于出口压力P_O。对于低压应用，入口、出口压力P_I、P_O可达到约10,000psig。在高压应用中，入口、出口压力可达到约10,000psig到约20,000psig。因此，如图1所示，传统控制阀10进一步包括设置在控制元件16的杆部32周围的上部O型圈44和下部O型圈46。

    上部O型圈44封闭杆部32和阀插件28中的孔38之间的任何间隙，从而提供流体紧密封。相应地，上部O型圈44具有的外径近似等于孔38的直径，即0.25英寸(0.25”)。下部O型圈46封闭杆部32和形成在阀体12中的导向孔48之间的任何间隙。因此，下部O型圈46具有的外径基本等于阀体12中的导向孔48的直径，即0.25英寸(0.25”)。上部O型圈44防止阀体12的出口20处的流体(在出口压力P_O下被压缩)在杆部32和阀插件28之间泄露。下部O型圈46防止阀体12的入口18处的流体(在入口压力P_I下被压缩)在杆部32和阀体12之间泄露并泄露到导向孔48中。

    如上所述，当压缩空气没有供给到壳体26的活塞腔40时，弹簧30将控制元件16偏压到如图1所示的闭合位置，使得阀座面36抵靠阀座24。弹簧30因此有助于建立该密封的特性和完整性。

    此外，入口压力P_I可以有助于该密封的特性和完整性。例如，如图1所示，入口压力P_I作用于杆部32设置在阀座24下方的部分。具体地，杆部32进一步包括设置在阀座面36正下方的肩部50。肩部50限定基本垂直于杆部320的纵轴设置的环形表面51。入口压力P_I作用于该肩部50，并相对于图1中阀10的方向对阀杆部32施加向上的力。该力因此有助于使杆部32的阀座面36抵靠阀座24。入口压力P_I还作用于下部O型圈46，从而沿相反方向，即相对于图1中阀10的方向向下的方向对杆部32施加力。然而，由于入口压力P_I作用于肩部50的面积大于入口压力P_I作用于下部O型圈46的面积，在杆部32上的阀座24下方由入口压力P_I产生的力的和在杆32上产生向上施加的净力。

    相反，阀体12的出口20处的出口压力P_O作用于杆部32在阀座24上方的部分。更具体地，如上所述，杆部32包括缩径部32a。此外，杆部32限定相对阀座面36设置在缩径部32a对面的第二截头圆锥表面52。因此，出口压力P_O作用于阀座面36位于阀座24的孔25内的部分，以沿着相对于阀10的方向向下的方向对杆部32施加力。出口压力P_O还作用于第二截头圆锥表面52，以沿着相对于阀10的方向向上的方向对所述杆施加力。此外，出口压力P_O作用于上部O型圈44的由杆部32支撑在杆部32和阀插件28中的孔38之间的部分。作用于上部O型圈44的压力也在杆部32上产生向上的力。

    然而，由于阀插件28中的孔38的直径小于阀座24中的孔25的直径，因此，出口压力P_O作用于第二截头圆锥表面52和上部O型圈44的组合面积小于出口压力P_O作用于阀座面36设置在阀座24内的部分的面积。于是，出口压力P_O沿相对图1中的阀10的方向向下的方向对杆部32施加更大的力。因此，当出口压力P_O和入口压力P_I基本相等时，由出口压力P_O产生的向下的力至少部分地抵消由入口压力P_I产生的向上的力。于是，弹簧30是用于确保杆部32的阀座面36保持抵靠阀座24的唯一部件。

    通常，弹簧30足以提供该功能。然而，在高压条件下，即约10,000psig到约20000psig之间，由入口和出口压力P_I、P_O产生并施加于杆32的力的差以及由此产生的影响会变得很大。这会损害杆部32的阀座面36和阀座24之间的固定(seat)的整体性，从而损害阀10的性能。

    【发明内容】

    本发明的一个方面提供一种高压流体控制装置。所述流体控制装置包括阀体，该阀体限定入口、出口和设置在所述入口和所述出口之间的喉部。阀座被安装在所述阀体的所述喉部中。控制元件被设置在所述阀体内，并能够在开启位置和闭合位置之间移动。所述控制元件包括杆，该杆限定缩径部和靠近所述缩径部设置的阀座面。当所述控制元件位于所述闭合位置时，所述缩径部的至少一部分被设置在所述阀座内，使得所述阀座面抵靠所述阀座，并且所述阀座面和所述缩径部与所述出口流体连通。阀插件由所述阀体支撑。所述阀插件限定能滑动地接纳所述控制元件的所述杆的一部分的孔。所述阀插件中的所述孔具有的直径基本上等于所述阀座的直径。

    在一个实施例中，弹簧由所述阀插件支撑并接合所述控制元件，从而将所述控制元件偏压到所述闭合位置。

    在另一个实施例中，所述杆包括与所述第一表面相对设置在所述缩径部上的第二表面。

    在一个实施例中，所述第一表面面对所述第二表面。

    在又一个实施例中，所述第一表面和所述第二表面至少之一包括截头圆锥形状的表面。

    再一个实施例的所述控制元件进一步包括由所述杆支撑的第一O型圈，所述第一O型圈在所述杆和所述阀插件的所述孔之间提供密封。

    在再一个实施例中，当所述控制元件位于所述闭合位置时，所述杆的所述阀座面限定第一面积，以使所述杆和至少一部分所述第一O型圈结合限定第二面积。所述第一面积基本上等于所述第二面积。

    在一个实施例中，所述控制元件进一步包括相对所述第一O型圈在所述阀座对面的位置由所述杆支撑的第二O型圈。所述第二O型圈被设置为与所述入口流体连通并在所述杆和所述阀体之间提供密封。

    在一个实施例中，所述第二O型圈具有的外径小于所述第一O型圈的外径。

    相应地，在至少一个实施例中，所述高压流体控制装置包括双向阀。当所述阀闭合时，所述双向阀的所述控制元件与出口压力和入口压力流体连通，使得施加到所述控制元件的力的和产生用于将所述控制元件促使到抵靠阀座的闭合位置的净力。所述控制元件在所述阀座的出口侧平衡，使得所述出口压力在所述阀座的出口侧向所述控制元件基本上不施加净力。相反，所述控制元件在所述阀座的入口侧不平衡，使得所述入口压力在所述阀座的入口侧向所述控制元件施加净力，从而将所述控制元件偏压到抵靠所述阀座的闭合位置。

    【附图说明】

    图1为传统气动双向控制阀的侧面剖视图。

    图2为根据本发明构造的气动双向控制阀的一个实施例的侧面剖视图。以及

    图3为从图2中的圆III截取的图2的控制阀的局部侧面剖视图。

    【具体实施方式】

    图2图示根据本发明的原理构造的气动双向控制阀100的一个实施例。控制阀100被设计并构造成减轻现有技术的缺点，尤其高压条件下的缺点。通过以下详细说明将理解控制阀100的益处和优点，以下详细说明展示了根据本发明构造的控制阀的一个示例，并非意在限制本文所提供的权利要求的范围。

    控制阀100大体上包括阀体120和致动器组件140。致动器组件140包含控制元件160，该控制元件160适于在图2图示的闭合位置和开启位置(未示出)之间在阀体100内滑动移位。

    更具体地，阀体120包括入口180、出口200、喉部220、嘴部202和导向孔480。喉部220支撑用于如图所示与控制元件160接合以闭合阀100的阀座240。阀座240为限定孔250的大体上环形主体。在公开的实施例中，阀座240中的孔250具有约0.257英寸(0.257”)的直径D₁(图3中所示)。

    返回图2，致动器组件140被安装到阀体120的嘴部202，并如上所述包括控制元件160。控制元件160大体上包括由紧固件324紧固在一起的杆320、弹簧座322和活塞340。此外，致动器组件140包括壳体260、阀插件280和弹簧300。壳体260包括由卡环266紧固在一起的主体262和端板264。主体262和端板264限定活塞腔400和弹簧腔402。活塞腔400可滑动地保持控制元件160的活塞340。弹簧腔402容纳弹簧300、弹簧座322和紧固件324。端板264包括用于连接到例如气压供给线(未示出)的螺纹孔268。该气压供给线可以适于向活塞腔400供应压缩空体。壳体260的主体262可被螺纹连接到阀体120的嘴部202。因此，主体262结合阀体120保持致动器组件140的其它部件的位置关系。具体地，主体262接合阀插件280，使得阀插件280保持位于阀体120的嘴部202内。阀插件280通过可滑动地保持杆320而由此保持控制元件160的对准。

    控制元件160的杆320从致动器组件140延伸并穿过阀体120的喉部220。杆320大体上包括上部320a、下部320b和设置在上、下部320a、320b之间的颈部326。

    如图3所示，杆320的上部320a包括螺纹孔321和环状凹槽323。螺纹孔321与紧固件324螺纹啮合。环状凹槽323容纳上部O型圈440和辅助圈442。辅助圈442包括塑料圈，该塑料圈的大小和构造被设置为用于保持上部O型圈440在凹槽323中的位置。在公开的实施例中，上部O型圈包括约0.07英寸(0.07”)的截面直径。然而，可替代的实施例可以包括适于具体应用的基本上任何大小的O型圈。

    杆320的下部320b被部分可滑动地设置在阀体120的导向孔480中。相应地，导向孔480具有的直径D₃大于杆320的下部320b的直径。在公开的实施例中，导向孔480具有约0.25英寸(0.25”)的直径D₂。杆320的下部320b限定环状凹槽325。下部320b中的环状凹槽325容纳下部O型圈460和辅助圈462。辅助圈462的大小和构造被设置为用于保持下部O型圈460在凹槽325中的位置。杆320的下部320b进一步包括设置在杆320的下部320b的环状凹槽325和杆320的颈部326之间的肩部500。如图3所示，肩部500包括设置在与杆320的纵轴相交的平面中的环形表面502。该纵轴由图3中的附图标记A表示。公开的实施例的环形表面502与杆320的纵轴A基本垂直。然而，在可替代的实施中，表面502可被设置在以大致任何角度与纵轴A横切，即相交设置的平面中。

    杆320的颈部326在其相反的轴端受到阀座面360和第二表面352限制。当控制元件160如图所示位于闭合位置时，阀座面360抵靠阀座240。在公开的实施例中，阀座面360包括从杆320的下部320b向颈部326会聚的大致截头圆锥表面。相反，第二表面352包括从杆320的上部320a向颈部326会聚的截头圆锥表面。尽管阀座面和第二表面360、352在此被公开成包括截头圆锥表面，可替代的实施例可以包括大致任何形状的表面，包括具有至少一部分被设置在与杆320的纵轴A横切，即相交的平面中的表面。如此构造，颈部326包括的直径小于杆320的剩余部分的直径和/或阀座240的孔250的直径D₁。于是，当阀10位于开启位置时(未示出)，颈部326被设置在阀座240的孔250中，使得系统中的流体可以在阀体120的入口180和出口200之间行进。

    仍参见图3，阀插件280限定孔380，孔380可滑动地接纳控制元件160的杆320的上部320a。孔380包括的直径稍微大于至少杆320的上部320a的外径，使得杆320在阀100的运行过程中可以在孔380中自由地往复移动。相应地，图3中由附图标记G表示的间隙被设置在杆320和孔380之间。在阀100的公开的实施例中，孔380包括约0.256英寸(0.256”)的直径D₃。相应地，阀100的本实施例的阀插件20中的孔380的直径D₃近似等于阀座240中的孔250的直径D₁，该直径D₁如上所述约为0.257英寸(0.257”)。另外，阀座240和阀插件280中的孔250、280的直径D₁、D₃均大于阀体120中的导向孔480的直径D₂，该直径D₂如上所述在公开的实施例中约为0.25英寸(0.25”)。

    返回参见图2，阀100的本实施例的弹簧300被设置在阀插件280和控制元件160的弹簧座322之间。因此，弹簧300将控制元件160相对于图2中阀100的方向向上偏压，并偏压到所示位置。因此，如上所述，控制元件160的活塞340被可滑动地设置在由壳体260的主体262和端板264限定的活塞腔400内。

    如此构造，控制元件160在控制阀10中的位置通过将压缩空气通过螺纹孔268引入活塞腔400来控制。在压缩空气没有供给到腔400的情况下，弹簧300将活塞340偏压到图2图示的位置，这导致杆320的阀座面360抵靠阀座240并闭合阀100。然而，一旦将空气引入腔400，腔400中的压力上升并克服弹簧300产生的力，这导致活塞340和整个控制元件160相对于图2所示的阀100的方向向下移位。于是，杆320的阀座面360从阀座240脱离并打开阀100以允许流体从中流过。

    当阀100闭合时，如图2和3所示，流体过程使压力在系统内增大。相应地，阀100感受到阀体120的入口180处的入口压力P_I和阀体120的出口200处的出口压力P_O。在任何给定情况或对于任何给定应用，入口压力P_I可以等于、小于或大于出口压力P_O。对于低压应用，入口、出口压力P_I、P_O可达到约10,000psig。在高压应用中，入口和出口压力可达到约10,000psig到约20,000psig。在这种加压应用中，上、下部O型圈440、460用于抑制阀100的入口、出口180、200区域中的流体，并防止可能影响阀100的性能的泄露。

    具体地，上部O型圈440封闭杆320和阀插件280中的孔380之间的间隙G，从而提供流体紧密封。下部O型圈460封闭并密封杆320和形成在阀体120中的导向孔480之间的相似间隙。因此，上部O型圈440防止阀体120的出口200处的流体(在出口压力P_O下被压缩)在杆320和阀插件280之间泄露。下部O型圈460防止阀体120的入口180处的流体(在入口压力P_I下被压缩)从杆320和阀体120之间泄露并泄露到阀体120的导向孔480中。

    如上所述，当压缩空气没有供给到壳体260的活塞腔400时，弹簧300将控制元件160偏压到如图2所示的闭合位置，使得阀座面360抵靠阀座240。弹簧300因此有助于建立该密封的特性和完整性。

    此外，入口压力P_I有助于该密封的特性和完整性。例如，如图3所示，入口压力P_I作用于杆320设置在阀座240下方的部分。具体地，入口压力P_I作用于杆320的靠近肩部500设置的表面502，并相对于图2和3中阀100的方向对杆320施加向上的力。该向上的力因此有助于使杆320的阀座面360抵靠阀座240。入口压力P_I还作用于下部O型圈460，从而沿着相反方向，即相对于图2和3中阀100的方向向下的方向对杆320施加力。然而，由于入口压力P_I作用于表面502的面积大于入口压力P_I作用于下部O型圈460的面积，由入口压力P_I施加的向上和向下的力的和在杆320上产生沿向上方向的净力。

    阀体120的出口200处的出口压力P_O作用于杆320在阀座240上方的部分。更具体地，出口压力P_O作用于阀座面360位于阀座240的孔250内的部分，以沿着相对于阀100的方向向下的方向对杆320施加力。相反，出口压力P_O还作用于第二表面352，以沿着相对于阀100的方向向上的方向对杆320施加力。此外，出口压力P_O作用于上部O型圈440的由杆320支撑且暴露在杆320和阀插件280中的孔380之间的间隙G内的部分。作用于上部O型圈440的压力还在杆320上沿向上方向产生力。

    如上所述，阀插件280中的孔380的直径D₃基本上等于阀座240中的孔250的直径D₁。因此，出口压力P_O作用于第二表面352和上部O型圈440暴露在间隙G内的组合面积基本上等于阀座面360暴露在阀座240中的孔250内并由出口压力P_O作用的面积。于是，出口压力P_O在阀座240上方沿着基本相同和相反的方向对杆320施加基本上相等的力，从而出口压力P_O不论沿向上或向下方向都近似没有向杆320施加净力。由入口压力P_I产生并施加于杆320的肩部500的表面502上的向上的净力因此有助于阀100的本实施例的弹簧300使阀座面360抵靠阀座240。于是，杆320上的正向上力在高压条件下，即在约10,000psig到约20,000psig之间提供明显益处。

    本发明的阀100的其它方面在高压条件下也提供明显益处。例如，弹簧300可以大于传统气动双向阀10的弹簧30。具体地，弹簧300可以包括压缩螺旋弹簧，该压缩螺旋弹簧产生与传统的七十磅的力(70lbf)相反的约一百三十五磅的力(135lbf)。于是，更大的弹簧300能够承受更高的力，从而使杆320抵靠阀座240。

    更进一步，本发明的本实施例的控制元件160的活塞340的直径大于传统控制元件16的活塞34的直径。具体地，与传统活塞34的1.375英寸(1.375”)的尺寸相反，本发明的本实施例的控制元件160的活塞340约为1.875英寸(1.875”)。如此构造，本发明的阀100可以在约八十(80)psig到一百五十(150)psig之间的压力下与输送到活塞腔400的标准压缩车间用空气一起操作，因为活塞30的更大直径针对反作用的压力提供更大的表面积，从而使相同的气压产生充足的力以克服更大的弹簧300。

    最后，阀100的本实施例的阀插件280可以由比传统阀10的阀插件28更坚固的材料来构造。具体地，在一个实施例中，与传统阀插件28的316不锈钢相反，阀插件280可以由17‑4不锈钢构造。更坚固的钢阀插件280在高压条件下抵抗变形和/或磨损，并因此提高控制阀的使用寿命。

    因此，本发明有利地提供高压气动双向控制阀100，其大小和构造使得系统中的压力在控制气压没有供给的情况下将所述阀自然偏压到闭合位置。具体地，本发明提供适于双向阀的控制元件和阀插件，所述控制元件在阀座上方基本平衡，即在阀座上方由出口压力施加到所述杆的力的和为零，并被构造成在阀座下方沿着固定方向产生净力。

    根据以上所述，应该理解的是，本详细说明仅提供根据本发明的原理构造的气动双向控制阀的示例。不脱离本发明的精神和范围的变更和修改，包括对所使用材料的变更，包含在所附权利要求的范围内。