卫生的法兰式管接头的垫圈热膨胀区域 优先权要求
本申请要求题为“改进的具有垫圈热膨胀区域的卫生装置”的以下临时申请的权益：于1998年2月18日提出的序号为No.60/0383993的未转让临时申请，其特快邮递编号为No.EM178206756US，该申请的内容已作为参考包含在本文中。
【发明背景】
本发明涉及管子工艺或管连接和管接头工艺，具体涉及密封面和相关垫圈之间关系获得改进的法兰式管接头。
法兰式管接头具有柔性材料例如弹性材料、塑料等作的垫圈，该垫圈被夹压在相对法兰的用于密封端表面之间。这些管接头经常用于卫生处理系统中，在这些系统中很不希望滞留流体。这些系统通常作成使管子配置成约2°角的小角度倾斜，应用自流排放。因此，由于是小角度倾斜，所以必须限制由于流体集中在滞留发生区域而造成的流体停留可能性。例如，已知这样设计垫圈和有关的法兰，使得在完成接头以后，垫圈地径向内表面基本上与被连接管的内表面齐平或在其内表面之间形成光滑的接续。例如在美国专利No.3 775 832、4 735 445和德国专利(German Patentschrifts)CH674764A5和947 043中例示了这种一般形式的接头。
先有技术已提出了各种方法或设计来确保不发生垫圈的过压或欠压。尽管如此，还是发现存在这两种状况，造成各种工艺问题，这些问题很有影响，而且常常还未认识到。当垫圈过压时，垫圈材料被挤压到管子或管道系统的流路内。在初次装配管接头期间或进行高温处理例如蒸气消毒处理期间，当垫圈的热膨胀造成过分的挤压以后，会发生这种情况。过分挤压造成若干主要问题，包括流动受阻、细胞剪变、系统污染和流体滞流。流动受阻源于例如垫圈的内周缘过分地伸入到流通中，因而形成节流效应。要求特定清洁过程的卫生系统得由FDA(美国食品药物管理局)确认，该过程包括需要产生进行清洁处理所需涡流状态的最小流速。处于限流状态的垫圈可能造成系统不能满足要求的流体速度，因而不能满足行政法规。第二个问题即细胞剪变是由于易损的微生物撞击在挤压出的垫圈上造成的，这造成作为生物过程目标制品的细胞的破坏。第三个问题即系统污染是由于长时间受到过程条件特别是蒸气的作用，挤压的垫圈变脆、裂成碎片而造成的，这些碎片污染了系统。在使系统排放而回收制品时发生第四个问题即流体滞流。在要求高度洁净和/或易于冲洗和易于切换过程流体的系统中，这是一个很大的问题。
在欠压时将产生两个主要问题，即捕获流体和渗漏。欠压源于不正确的组装或由于加热周期的结果。当垫圈在如上所述温度下挤压，并冷却到正常温度或环境处理温度时，在常规卫生装置中的垫圈不会回到其原来的位置。在发生这种情况时，只有较小的压缩力作用在仍留在装置内的垫圈材料上，这可能导致装置松开。在某些情况下，只需一次加热周期便可以造成孔的边界面的密封性降低，这使得过程流体容易进入密封区并被捕获。弧立的流体如不折卸开便不能清除，并造成同一批或随后几批的污染。在某些情况下，过程流体逸到大气，形成渗漏。
发明概要
本发明提供上述类型的管接头结构，该结构被设计于消除或大大减小对垫圈的挤压，从而减小限流作用、减少污染、减小流体滞留和组装期间提高准直程度。
具体是，按照本发明的各个方面，上述一般类型的管接头组件包括一对轴线对准的处于邻接关系的圆筒管端部。每个管的相同直径的圆筒内表面与相对管端部的圆筒内表面准直。连接法兰在各个管端部的外面径向延伸，其轴向相对表面形成环形的连续包封槽，该槽包括由轴向相对的密封表面确定的第一轴向窄部分。该第一轴向窄部分通向圆筒内表面。槽的第二轴向较宽部分位于第一部分的径向外侧，具有位于第一轴向窄部分上面的并与该部分准直的径向外表面。柔性材料垫圈位于包封槽中。最好的垫圈结构具有窄部分或肋片，其尺寸和体积作成可以完全充满包封槽的第一轴向窄部分并以相当的密封压力啮合轴向相对的密封表面。
垫圈的整体形成的第二部分或冠部分其尺寸和体积被定为可伸入到包封槽的第二部分。第二部分具有内侧径向尺寸和足够大的质量，前者与管端部形成干涉配合，以便于组装，后者在组装接头期间可使管端部保持在理想的对准状态。这些结构特征有利于改进组装流体系统中部件的准直性，便于组装。
垫圈的第二部分也具有充分大的径向尺寸，以便径向越过包封槽的第二部分，并在组装接头时与该包封槽的径向外表面形成压力接合。该包封槽的轴向延伸部分是相当大的，足以提供温度增加时垫圈可以膨胀进入的膨胀空间。提供膨胀空间可以避免垫圈的径向向内挤压而超过管端部的圆筒内表面。
按照本发明的附加的有限方面，最好利用连接法兰的相对表面上所带的表面部分限定刚性装置，以防止法兰彼此相向运动超过预定的最小限度。
如上所述，本发明起因于发现用于这种垫圈的材料受到挤压，这些挤压或者是在起初组装管接时造成的，或者是由于温度的增加而造成的。由于在垫圈的窄的内密封部分的径向外侧的位置形成膨胀空间，因而显著减小了垫圈向管端部流道中的膨胀。垫圈的窄的内密封部分受到径向压力，因为垫圈第二部分的尺寸被定为可以径向伸过包封槽的第二部分，并与包封槽第二部分的径向外表面形成压力啮合。这种压力啮合还构成在主要密封区径向外侧的辅助密封区。
另外，在垫圈第二部分和包封槽径向外表面之间的啮合形成一种径向压缩力或环箍力，使得垫圈可以膨胀进入膨胀空间，同时使垫圈的窄的内密封部分不能从其靠近流道的要求位置发生不希望的径向漂移。
从上述叙述可以看出，本发明的主要目的是提供一种管接头和垫圈组件，其中，可以显著减少垫圈受挤压而进入流道，同时可以保持被连接管子的内壁表面的平滑接续，从而减小流体滞留、流动受阻和系统污染。
本发明的再一目的在于改进了管接头组件的部件的准直。
本发明的再一目的是提供一种可以形成辅助密封的管子和管接头组件。
对于技术人员，阅读和研究以下的详细说明后可以明显看出本发明的另外一些优点和有利之处。
附图的简要说明
本发明研究某些部件和部件配置的实际形式，这些部件或配置的优选实施例和方法详细说明于本说明书中和例示于作为本发明一部分的附图中，这些附图是：
图1是按本发明构造的管子或管接头结构的优选形式的横向横截面图；
图2是图1所示组装接头的垫圈凹槽的放大图，更详细示出垫圈和垫圈凹槽之间的关系；
图3是垫圈的放大横截面图；
图4是复盖在垫圈凹槽上处于未压缩状态的垫圈的横截面图，此图可以更清楚地看出其间的相对关系；
图5是本发明另一优选实施例的横截面图；
图6例示出管接头组件中附加的出口，用于检测或监测该孔边界面密封的完整性和可能的渗漏；
图7A-7E例示出本发明垫圈的可替代的图示结构和形状。
优选实施例的详细说明
现在参考附图，这些图仅用于例示本发明的优选实施例，没有限制本发明之意，图1示出一对轴向准直的圆筒形管或管端部10、12，该管端部由法兰式管接头组件14以密封形式结合在一起。管端部10、12分别具有均匀的开口内直径D1、D2，它们具有相同的内直径，彼此准直地靠近配置。在各个管端部10、12上分别形成环形连续的径向延伸的法兰16、18。该法兰使得两个管端部可以由常规的夹具环15夹紧，达到组装状态，该夹具在附图中仅示意示出。虽然法兰16、18可以形成为单独的部件并用适当方法连接于管端部，但是在本实施例中，它们被表示为整体成形在各自的管端部10、12上。
各个法兰16、18包括密封端表面，该表面最好位于垂直于中心轴线20的平面内。法兰16、18的各个端表面22、24相互配合而形成环形连续的密封安装凹槽或槽口30。在本实施例中，密封件安装凹槽配置成当法兰16、18被夹紧，形成图1所示的状态时，凹槽30具有第一径向内部分32(见图2)，该部分相当窄并通向中心通道的内部。槽30还包括第二径向较宽部分34，该部分位于第一部分32的径向外侧并且也是环形连续的。利用法兰16、18径向外边缘上的各自的刚性延伸部分16a、18a可以控制包封槽30的宽度，从而限制法兰轴向的相向运动。
在槽30内，配置用适当柔性材料作的垫圈38，该垫圈在压缩时可以在法兰之间形成有效的密封。可以采用很多不同的垫圈材料，包括乙丙橡胶、氟烃橡胶、硅橡胶、腈橡胶、氯丁橡胶、聚乙烯和四氟乙烯。在本实施例中，垫圈38具有如图3所示的优选横截面。如下面将说明，垫圈38的形状可以具有不同的结构和外观而仍能达到本发明的优点和好处。垫圈的径向内部分40形成肋片，该肋片具有大体恒定的轴向厚度，在未压缩状态时，该厚度稍大于槽的径向内部分的轴向厚度(见图4的叠置图)。在组装后，该径向内部分被压缩在表面22、24之间，形成第一密封或主要密封，该径向内部分充满槽的内部窄部分形成的空隙。另外，在图4例示的实施例中，垫圈的内径向直径在未压缩的状态下销大于流道的直径。当管接头组装完后，垫圈的内径发生变化，而与流道的直径平齐，从而形成孔边界面的密封，这种密封即使在系统的高温处理条件下也能减小流体的滞留和制止流体的截拦。然而在另外的实施例中，取决于有关的管接头的结构未压缩肋片40的直径可以小于、大于或等于流道的直径，以便在组装后形成一个平齐的或大体平齐的孔边界面的密封。在某些实施例中，还需要使垫圈肋片40在装配后稍许挤压进入流道中，如图2以特别放大的方式示出的那样。在这些情况下，特别是在卫生学的应用方面，很需要使伸入流道的肋片部分为拱形，以减少对流体的截拦。本发明可以采用这种构形，因为本发明具有在系统的高温处理条件下可以减小格外挤压的特征，这将在下面说明。
垫圈的径向外部分42相对于肋片42具有加大的轴向尺寸和径向尺寸，该部分在图3的实施例中形成蘑茹状的帽或冠部42，该帽整个地从垫圈内部分40伸出。再参考图4，帽的轴向尺寸(在其最宽部分)在未压缩状态时大于组装后槽的轴向尺寸。这样，垫圈被压缩而与槽的放大部分的径向表面形成密封接触(见图1和2)。由于这种尺寸关系造成的压缩还使得垫圈材料径向向外移动，使得它啮合槽的径向外壁的刚性延伸部分16a、18a。这种啮合形成辅助密封，这种密封可以显著增加组件的额定压力。另外，该辅助密封在卫生接头的外侧形成一层大气阻隔层。例如辅助密封使得卫生管接头可以防喷溅。
这种啮合还具有造成环箍应力(即增加的环箍强度)的附加优点，这种环箍应力可以制止垫圈的肋片响应流体系统的压力径向向外移动。利用轴向压缩的并在垫圈的外部径向边缘和槽壁(此处由刚性延伸部分形成)之间形成间隙的先有技术装置在某些应用中潜在地易于使垫圈响应流体管道中的压力而径向移动。因此在这些先有设计中的整个垫圈易于径向移动，从而导致有效的孔边界面的密封度降低，并伴随着发生流体滞留等问题。在本发明中，在刚性延伸部分16a，18a和垫圈42的第二部分42之间的径向啮合使得可以在形成次级密封或阻挡层的同时防止这种不希望的移动。
帽42的圆拱形锥体的外侧径向区域及内部分40使垫圈形成独特的蘑菇形状。当垫圈从管孔径向向外延伸时，垫圈轴向尺寸的平滑的逐渐减少形成了膨胀空间44、46。槽30的第二轴向较宽部分34的尺寸被定为可以容纳垫圈响应温度升高而引起的预计的膨胀，而且预定不会在环境温下由垫圈完全充满。因此，即使垫圈啮合刚性延伸部分，形成上述辅助密封，也可以在槽壁和垫圈的厚度减小或锥形区域形成空间44、46。
由优选结构提供的加大质量的帽42即使在存在膨胀空间和径向压缩时也具有提高准直性的优点。即，因为垫圈的尺寸被定为可以与槽的第一和第二部分的界面形成干涉配合，所以在配置相对的法兰，开始组装管接头组件时，可先使垫圈就位于第一法兰上，并且在完成管接头组装后，相对的法兰便保持暂时的准直。垫圈加大的质量还提供了类似“配合”的可靠准直参考物，当两个法兰围绕垫圈结合在一起时，这种配合是有触感的，该加大的质量还有助于在组装过程期间保持法兰和管的准直。这样便可以使使用人在完成管接头组件的装配后不必调节管端部的准直。因为管的起始组装都是很精确的，并在组装管接头的始终均保持准直，这也同样提供了管的准直性。
图5示出包含本发明特征的另一优选实施例的垫圈。从图中可以特别明显地看到，垫圈无需对径向轴线形成对称形状。图中，垫圈的右手表面具有如图1-4所示实施例中所述的垫圈的大体蘑菇形表面。然而垫圈的径向外部分预定不啮合刚性延伸部分而形成辅助密封，因为在刚性延伸部分之间插入环形金属环50。金属环50和刚性延伸部分的表面之间的啮合限制了可以加于垫圈上的轴上压力。这仍然提供了本发明的其它特征例如(i)形成孔边界面的有效密封和(ii)在组装管接头时形成用于高温条件的膨胀空间。垫圈的相对表面或左手表面是常规构形，因而不具有本发明的所有特征。尽管如此，此实施例的确例示出垫圈可以采用许多不同的构形而不超越本发明总的范围和意义。因此，组装38和50呈适配装置的形式，它允许将两个不同构形的法兰结合在一起，而同时保持孔边界面的有效密封和形成膨胀区域。
如图5所示，垫圈38的薄层材料38a包封金属环50。例如在模压垫圈时可以形成这种薄层。不需要包封整个金属环。
图6是本发明的另一改型，它具有对管接头组件进行检测或监测的能力。具体是，当用垫圈的帽或第二部分形成辅助密封时，法兰可以改型而包括毛细管52a、52b，该毛细管与膨胀空间44、46连通。适当的传感器(未示出)与毛细孔连通而提供孔面密封的完整性指示。这样便使系统操作者在孔边界面密封失灵而辅助密封仍包含系统压力时有能力通过膨胀空间44、46准确检测孔边界面密封的完整性。另外，监测装置可以装在垫圈的两侧，或者如果采用改型的垫圈(例如如图5所示)可以放在恰当的一侧。
图2和图3分别示出槽30和垫圈38的优选的标称的尺寸关系。具体是，法兰的密封表面具有如图所示的管的尺寸，该管的标称外径为1.00英寸，内径为0.87英寸。然而在管子尺寸能及的范围内这种一般关系是有效的。在考察这些尺寸和将凹槽尺寸与垫圈尺寸相比较时，应当看到，密封件的较窄的内部分其轴向尺寸被压缩20-30％，而其较宽的外部分则被压缩15-20％。当然，这会在肋片40和槽的径向内表面之间造成比较高的密封压力。然而还应当看到，垫圈38的较宽部分被轴向压缩，直到它运动到使垫圈的径向外表面与槽的径向外表面形成压力接合并形成辅助密封。
本领域技术人员还应当明白，膨胀空间44、46不限制于图示的上述的构形。可以应用任何适当尺寸的垫圈和允许垫圈进行膨胀所需要的槽。另外，还应当预料到，垫圈在其第二部分内可以包括作同样用途的空隙区域。例如可以在垫圈第二部分的间隔开的环形位置形成凹口、或者通过在垫圈第二部分上的开口也可以达到同样目的。
本领域技术人员还会预料到，垫圈38的材料将影响到垫圈的某些功能方面，例如，当垫圈采用弹性材料(例如由举出的两个例子的)硅橡胶和氟烃橡胶制作时，在装配组件14时，加大的帽42将被压缩而发生径向压缩并在延伸部分16a和18a形成辅助密封。当垫圈38用较硬的材料例如聚四氟乙烯(PTFE)制作时，加大的帽42将不会显著地径向伸长而啮合延伸部分16a和18a。因此，在例如PTFE的情况下，虽然仍可以在开始装配期间采用干涉配合和加大的质量来保持准直，但帽42的蘑菇形外观只是一种装饰。材料例如PTFE具有的环箍强度足以以预定的压力保持孔边界面的密封而不需径向压力的附加支承。
还应当注意到，在例如图2所示的说明的实施例中，构成槽加大部分34的端表面22、24在啮合肋片40之前便啮合帽42的轴向外部分。这样在装配管接头时便造成帽42的首先压缩，这种压缩可以支承和有助于控制肋片的径向延伸。
现在参考图7A-7E，其中以例示方式示出不同形状和构形的垫圈38，具体示出横截面形状(在图7A-7E中仅示出各个垫圈38的横截面的一半)。例如，在图7A中，在垫圈轴向尺寸上的径向锥体是锥体的，因而形成平侧面38a(从截面上观看)。图7A-7E中例示的形状可以包括如前所述的上包封槽30相对的干涉配合特征和加大的质量特征。另外，当图7A-7E的垫圈采用弹性体制作并相对于槽30具有恰当的尺寸时，这些垫圈将被压缩并径向伸长，从而在延伸部分16a、18a形成径向压缩。提供了这些不同实施例在于强调说明，垫圈帽42的形外形结构在外观上很大程度是装饰性的，而且可以利用任何数目的外形结构达到本发明垫圈38的各种要求的功能。
按照本发明的另一方面，从上面说明可以看到，垫圈38的内环肋片在组装组件14的不同步骤具有三个径向尺寸。例如，当垫圈放松搁着，没有装在法兰上时，肋片40的内径例如是尺寸X，X大于管10、12的内径。在其它实施例中，尺寸X可以小于或等于管的内径。当垫圈被压到沉孔104上时，肋片内径因干涉配合而变成X+Y，该沉孔形成形成槽30的内径向部分32和外径向部分34之间的界面。第三，装配完组件14后，由于压缩肋片40引起的肋40的径向延伸将使肋片42的内径改变到基本上等于管10、12的内径，从而形成平齐的孔边界面密封。另外，在某些应用中，肋片40的压缩被设计成形成稍许压出的凸形，(见图1)，进入管的内径区域，从而避免形成难于在原位清洗的凹部。在本文的所有附图中，有些相对尺寸例如在肋片和帽上的相对挤压尺寸或例示挤压进入流道的量为清楚和例示目的已被过大地放大。
尽管已通过其特定的实施例示出和说明本发明，但这仅仅是为了例示而无限制性，在所述权利要求书确定的本发明的精神和范围内，技术人员可以明显地看出本文所图示和说明的特定实施例的其它变化和改型。