專利名稱：精確調(diào)節(jié)的球閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于流經(jīng)管道的流體體積控制的球閥。具體而言，本發(fā)明 涉及一種具有特殊閥塞的球闊，該球閥可以從流動(dòng)初始直到最大行程，提 供基本上無(wú)波動(dòng)的流體流量調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
球閥通常包括閥塞，該閥塞可以朝著以及遠(yuǎn)離在流體入口和流體出口 之間的閥口中形成的閥座運(yùn)動(dòng)。閥塞的運(yùn)動(dòng)通常由致動(dòng)器控制，例如手動(dòng) 手柄，或某些其他類型的遙控致動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于普通的球閥，通過(guò)改變閥塞外徑和閥口內(nèi)徑之間的間隙調(diào)節(jié)流經(jīng) 閥的流體流量。閥塞外徑和閥口內(nèi)徑之間的間隙區(qū)域在最小值和最大值之 間變換。盡管球閥幾乎能夠在閥塞的整個(gè)行程上提供精確的流量控制，但 是在流量值的下端存在限制。球閥在低流量時(shí)的限制主要是由于以下事實(shí)造成的，即當(dāng)閥塞遠(yuǎn)離閥 口移動(dòng)時(shí)，環(huán)繞閥塞和閥口之間的整個(gè)周面出現(xiàn)流經(jīng)球閥的初始流量。因 為閥塞和閥口具有直徑公差，當(dāng)閥塞遠(yuǎn)離閥口時(shí)，液體流立即突然增加到 某一最小可控值，該值由閥塞和閥口的組合公差確定。所以，目前可用的 球閥不能提供低流量時(shí)的所需精度，因此，不適于這種應(yīng)用。閥的全額定流量與初始可控流量之間的比稱為是所述閥的"變化幅 度"。變化幅度的值越高，控制系統(tǒng)可以越好地運(yùn)行而提供所需流體流量。 通常，用于低流量的閥，具有最低的變化幅度。當(dāng)使用這種閥時(shí)，控制系 統(tǒng)難于對(duì)所需流量實(shí)現(xiàn)精度和穩(wěn)定性要求，尤其是在低流量時(shí)。因此，需要一種球閥，該球閥可以提供在低流量下的精確體積控制， 和更高的變化幅度。另外，需要一種球閥，該球閥基本上消除了在流體開始流經(jīng)所述閥時(shí)的"波動(dòng)(bump)"現(xiàn)象，以增大所述閥的有效變化幅度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種精確調(diào)節(jié)的球閥，該球閥從開始流動(dòng)直到最大行程， 可以產(chǎn)生基本上無(wú)波動(dòng)的流體流量調(diào)節(jié)。因此，通過(guò)提供低流量下的更精 確的控制，增加了閥的"變化幅度"。本發(fā)明的精確調(diào)節(jié)的球閥包括可沿位于入口流體通道和出口流體通道 之間的閥口的縱向流動(dòng)軸線移動(dòng)的閥塞。所述閥塞在所述閥口中的運(yùn)動(dòng)控 制流經(jīng)所述閥口、從球閥入口到球閥出口的流體流動(dòng)。所述球閥的閥口包括密封部件，比如彈性體O形環(huán)，沿所述閥口的內(nèi) 壁設(shè)置。所述密封部件從所述閥口的內(nèi)壁凸出，且當(dāng)閥塞位于閥口內(nèi)時(shí)與 所述閥塞的外表面配合。具體而言，所述密封部件在閥塞外表面和閥口之 間形成流體密封，以阻止沿所述閥塞外表面的流體流動(dòng)。所述闊塞通常包括圓柱形外表面，其尺寸可以容納在所述閥口內(nèi)。所 述閥塞包括至少一個(gè)從所述閥塞外表面凹入的流量調(diào)節(jié)通道。該流量調(diào)節(jié) 通道提供了流經(jīng)閥口內(nèi)的密封部件和閥塞之間的流體流動(dòng)路徑。所述流量調(diào)節(jié)通道從最小流量端延伸到最大流量端。所述流量調(diào)節(jié)通 道這樣構(gòu)成，即從所述閥塞的圓柱形外表面凹入的所述流量調(diào)節(jié)通道的截 面積，從所述通道的最小流量端到所述通道的最大流量端增加。這樣，當(dāng) 所述閥塞相對(duì)于位于所述閥口內(nèi)的固定密封部件從關(guān)閉位置移動(dòng)到完全打 開位置時(shí)，從所述入口通道到所述出口通道的流體流量增加。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，所述流量調(diào)節(jié)通道包括從所述閥塞的外表 面凹入的平面。所述平面向內(nèi)傾斜，以使所述流量調(diào)節(jié)通道的深度和寬度 從最小流量端到最大流量端增加?；蛘?，所述流量調(diào)節(jié)通道可以從最小流 量端到最大流量端僅增加寬度或相對(duì)于所述閥塞外表面的深度。在每種情 況下，所述流量調(diào)節(jié)通道的凹入的徑向截面積從最小流量端到最大流量端 增加。所述閥塞還包括與在閥口上形成的閥座相接觸的密封環(huán)，當(dāng)所述閥塞 處于完全關(guān)位置時(shí)，有助于避免流體流動(dòng)。在所述閥塞上形成密封環(huán)不是 必要的，但是在所述閥處于完全關(guān)閉位置時(shí)，有助于避免流體流動(dòng)。從下面結(jié)合附圖的描述中，本發(fā)明的多種其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將更 為明顯。


附圖示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式。 在附圖中圖l是利用具有至少一個(gè)流量調(diào)節(jié)通道的閥塞的、本發(fā)明的精確調(diào)節(jié)的 球閥的局部剖視圖；圖2是示出了在所述精確調(diào)節(jié)的球閥的入口和出口之間的閥口的放大剖視圖；圖3是沿圖2中的線3-3所截取的進(jìn)一步放大圖，示出了所述閥口和插入 的密封部件；圖4是所述閥塞和連接的閥桿的正視圖，該閥桿用于在打開位置和關(guān)閉位置之間移動(dòng)所述閥塞；圖5是沿圖4的線5-5所截取的放大視圖，示出了形成于所述閥塞外表面上的流量調(diào)節(jié)通道之一；圖6是所述閥塞的側(cè)視圖，示出了凹入的流量調(diào)節(jié)通道；圖7是沿圖6的線7-7所截取的剖視圖；圖8是示出了具有單一流量調(diào)節(jié)通道的閥塞的透視圖；圖9是示出了具有兩條流量調(diào)節(jié)通道的閥塞的透視圖；圖10是示出了具有四條流量調(diào)節(jié)通道的閥塞的透視圖； 圖ll是示出了具有八條流量調(diào)節(jié)通道的閥塞的透視圖； 圖12是本發(fā)明的閥塞的另 一 實(shí)施例的透視圖；圖13是沿圖12的線13-13所截取的剖視圖；圖14a是局部剖視圖，示出了處于部分打幵位置的閥塞，其中流體可以 經(jīng)過(guò)所述密封部件而流經(jīng)所述閥塞的流量調(diào)節(jié)通道；圖14b是示出了處于完全打開位置的閥塞的局部剖視圖；圖15為曲線圖，示出了本發(fā)明的精確調(diào)節(jié)的流量閥和現(xiàn)有技術(shù)的球閥 的流動(dòng)特性。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的調(diào)節(jié)塞型控制閥或球閥10在圖1中示出。球閥10包括閥體12， 該閥體形成用于接收流體流的入口14。入口14將流體流輸送到與閥口18流 體連通的入口通道16。閥口18沿縱向流動(dòng)軸線延伸，并在入口通道16和出 口通道20之間形成流體連通。出口通道20使流體從出口22流出。盡管圖l中 未示出，但可以預(yù)期所述球閥10為三通混合閥。球閥10包括閥組件24，用于控制流經(jīng)閥口18從入口通道16到出口通道 20的流體流動(dòng)。具體而言，閥組件24包括與閥桿28連接的閥塞26，而使閥 塞26可以沿閥口 18的縱向軸線在完全打開位置(圖14b)和完全關(guān)閉位置(圖 1)之間移動(dòng)，這將在下文中更詳細(xì)地?cái)⑹?。本發(fā)明的閥體12和球閥10尤其適于在循環(huán)加熱的采暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC)系統(tǒng)(未示出)中控制流體比如蒸汽、水或空氣的流動(dòng)，但其他 使用也考慮落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。參照?qǐng)D3 ，閥口 18包括沿徑向向內(nèi)從外邊緣32到內(nèi)邊緣34直徑變化的閥 座30。閥座30形成容納一部分閥塞的表面，下面將對(duì)此詳細(xì)描述。閥口18還包括從另一圓柱形內(nèi)壁38凹入的槽36。槽36繞整個(gè)圓柱形內(nèi) 壁38延伸，且尺寸可以容納密封部件40。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，密封 部件40是一種厚度稍大于槽36的寬度的彈性體0形環(huán)。如圖3所示，密封部 件40從圓柱形內(nèi)壁38沿徑向向內(nèi)伸出，所以，當(dāng)閥塞通過(guò)閥口18移動(dòng)時(shí)， 密封部件40接觸閥塞的外表面，且在閥塞和閥口18之間壓縮，而在其之間 提供密封。現(xiàn)在參照?qǐng)D4，其中示出了本發(fā)明的閥組件24。如所述，該閥組件24包 括固定于閥桿28的閥塞26。如圖l所示，閥塞26位于閥口18內(nèi)，以控制經(jīng)過(guò) 閥口18的流體流動(dòng)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5，閥塞26通常是圓柱形部件，具有沿第一端44和第二端46 之間的縱向軸線延伸的本體42。具體而言，本體42由從第一端44到第二端 46的具有恒定直徑的圓柱形外表面48限定。閥體26的第二端包括錐形邊緣 表面50。閥體的第一端44位于凹入的槽52附近。如圖7所示，凹入槽52的尺寸可 以容納如圖4中安裝的密封環(huán)54。參照?qǐng)D5，凹入槽52位于第一端44和直徑擴(kuò)大的端蓋56之間。端蓋56具 有稍大于閥口18的直徑的直徑，以阻止閥塞通過(guò)閥口18。在本發(fā)明的優(yōu)選 實(shí)施例中，整個(gè)閥塞26由金屬制成，但其他材料也在考慮之中。如圖1所示，密封部件40，當(dāng)位于閥口18的槽36內(nèi)時(shí)，接觸閥塞26的外 表面48，以防止流體流經(jīng)閥塞26。密封部件40的撓性彌補(bǔ)了閥口18和閥塞 26外表面之間的公差變化。參照?qǐng)D5，閥塞26包括至少一個(gè)沿閥塞26的外表面48形成的流量調(diào)節(jié)通 道58。該流量調(diào)節(jié)通道58從圓柱形外表面48徑向凹入，所以當(dāng)閥塞26從完 全關(guān)閉位置(圖l)移動(dòng)到部分打開位置時(shí)，該流量調(diào)節(jié)通道58可以使流體 經(jīng)過(guò)密封部件40和閥塞外表面48之間，如圖14a所示。根據(jù)所示的優(yōu)選實(shí)施例，經(jīng)閥口18從入口通道16到出口通道20的唯一 流動(dòng)通過(guò)流量調(diào)節(jié)通道58。與流體流量由閥塞外表面周圍的直徑流量來(lái)控 制的普通球閥相比，流量調(diào)節(jié)通道58提供了受控且精確的流量。如圖5和6所示，流量調(diào)節(jié)通道58從最小流量端60延伸到最大流量端62。 如圖5和6所示，通道58的最小流量端60和本體42的第一端44之間的距離A形 成密封區(qū)65。密封區(qū)65的寬度A是這樣選擇的，即在完全關(guān)閉位置，密封部 件40可以嚙合閥塞26的整個(gè)外表面48。當(dāng)閥塞26處于完全關(guān)閉位置時(shí)，如 圖1所示，密封部件40阻止流體沿閥塞26的外表面48流動(dòng)。在圖5和6中示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，流量調(diào)節(jié)通道58包括從最小流 量端60到最大流量端62寬度增加的平坦面64。如所示，最大流量端62具有 寬度B。在所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，通道的寬度B為0.252"，而閥塞的直 徑為O. 7(T。如圖6所示，背面64相對(duì)于外表面48以角度a徑向向內(nèi)傾斜。在本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施例中，角度a為3。，但根據(jù)所需的流量范圍，可以考慮其他的角 度。因此，流量調(diào)節(jié)通道58的寬度B和深度從最小流量端60到最大流量端62 增加。雖然圖5和6所示的流量調(diào)節(jié)通道58在寬度和深度上增加，但重要的是， 從外表面48凹入的流量調(diào)節(jié)通道的徑向截面積從最小流量端60到最大流量 端62增加。流量調(diào)節(jié)通道58的徑向截面積的增加可以通過(guò)增加流量調(diào)節(jié)通道的寬度、增加流量調(diào)節(jié)通道的深度，或兩者結(jié)合而產(chǎn)生。在每種情況下，從外表面48凹入的流量調(diào)節(jié)通道的徑向截面積控制流經(jīng)閥口的密封部件40 的流體量。當(dāng)閥塞26從圖l所示的關(guān)閉位置移動(dòng)到圖14b所示的打開位置時(shí)，閥塞 26沿閥口18的縱向軸線相對(duì)于固定的密封部件40向下移動(dòng)。當(dāng)所述閥塞26 在該方向移動(dòng)時(shí)，所述流量調(diào)節(jié)通道58的最小流量端60移動(dòng)到所述密封部 件40之下。當(dāng)所述閥塞26繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，所述流量調(diào)節(jié)通道38在所述密封部 件40和所述閥塞26的外表面48之間形成增大的間隙。當(dāng)所述閥塞26從關(guān)閉 位置移動(dòng)到完全打開位置時(shí)，在所述流量調(diào)節(jié)通道58和所述密封部件40之 間從最小流量端60到最大流量端62的增大打開區(qū)，使所述流體的流量增加。參照?qǐng)Dl，當(dāng)閥塞26位于關(guān)閉位置時(shí)，位于閥塞26中的密封環(huán)54與閥座 30接觸，而進(jìn)一步避免了流體流經(jīng)閥塞26。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本發(fā) 明中，所述密封環(huán)54不是必要的，因?yàn)楫?dāng)閥塞26處于關(guān)閉位置時(shí)，密封部 件40在閥塞26的外表面周圍形成所需的密封，避免流體流動(dòng)。參照?qǐng)D8-11，其中示出了多種閥塞26，用于在入口流體通道和出口流 體通道之間提供不同的流量。在圖8所示的實(shí)施例中，沿外表面48形成了單 一流量調(diào)節(jié)通道58。為了說(shuō)明和比較的目的，使用這種閥塞的球閥能夠允 許的流量接近O. 10Cv。圖9示出了具有一對(duì)沿所述外表面48相互成180。設(shè)置的流量調(diào)節(jié)通道58 的閥塞26a。圖9示出的閥塞26能夠允許的流量可以接近0.20Cv，是圖8中所 述閥塞26的可能流量的兩倍。圖10示出了具有四條流量調(diào)節(jié)通道58的閥塞26c，通道沿所述外表面48 互相成90。夾角。圖9示出的閥塞26c的流量可以接近0.40Cv，是圖8中的流量 的四倍。圖ll示出了具有八條流量調(diào)節(jié)通道58的閥塞26d，如圖ll所示的流量調(diào) 節(jié)通道58可以使閥塞26d產(chǎn)生0. 80Cv的流量，是圖8中的閥塞26的流量的八 倍。從前面的描述中可以理解，增加閥塞26沿所述外表面48的流量調(diào)節(jié)通 道58的數(shù)量，可以提高所述閥塞26的流量。也可以理解，流量調(diào)節(jié)通道58 的數(shù)量受所述流量調(diào)節(jié)通道尺寸和所述閥塞直徑的限制。參照?qǐng)D12，其中示出了閥塞的另一種結(jié)構(gòu)，用附圖標(biāo)記66標(biāo)出。如圖 12所示的閥塞66包括形成于圓柱形外表面48上的至少四條流量調(diào)節(jié)通道58。如圖12所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，每條流量調(diào)節(jié)通道58都是具有從最 小流量端60延伸到最大流量端62的恒定寬度的槽。類似于圖5和6中所示的 實(shí)施例，流量調(diào)節(jié)通道58的凹入的徑向截面積從最小流量端60到最大流量 端62增加。在圖12的實(shí)施例中，流量調(diào)節(jié)通道58的深度由凹入的背面63限 定，且從最小流量端60到最大流量端62增加?，F(xiàn)在參照?qǐng)D13,由背面63限定的流量調(diào)節(jié)通道58的深度，從最小流量 端60到最大流量端62增加。在圖12的實(shí)施例中，流量調(diào)節(jié)通道58經(jīng)機(jī)加工 形成在外表面48上。流量調(diào)節(jié)通道58的深度增加提供了類似于圖5的實(shí)施例 的流量，因?yàn)榱髁空{(diào)節(jié)通道58的凹入面積以幾乎與圖5所示的實(shí)施例的凹入 面積相同的速度增加。除了圖中所示和所述的實(shí)施例之外，發(fā)明人考慮到可以構(gòu)成其他的實(shí) 施例，其中流量調(diào)節(jié)通道58具有恒定的深度，和從最小流量端到最大流量 端遞增的寬度。在這種情況下，流量調(diào)節(jié)通道的截面積將從最小流量端到 最大流量端增加。圖15示出了現(xiàn)有技術(shù)的流量閥和本發(fā)明的精確調(diào)節(jié)的球閥的流量特 性。如所示，現(xiàn)有技術(shù)的球閥，由虛線70表示，在很小的行程距離處在流 量上具有明顯的波動(dòng)，如零點(diǎn)和附圖標(biāo)記72之間的虛線所示。在現(xiàn)有技術(shù) 的球閥中，閥通常額定為點(diǎn)72示出的流量。因此，現(xiàn)有技術(shù)的閥的變化幅 度由約O. 5Cv的最小流量特性到4. 4Cv的最大流量確定。實(shí)線76示出了本發(fā)明的精確調(diào)節(jié)的球閥的流量特性。如圖15所示，流 量特性延伸到0.5Cv以下，而使閥的變化幅度有效增加。變化幅度的增加實(shí) 現(xiàn)了在更低的Cv流量時(shí)可以提供更精確的流量調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1. 一種提供預(yù)定可變流體流量的球閥，該閥包括具有入口流體通道和出口流體通道的閥殼體；位于閥殼體內(nèi)在所述入口流體通道和出口流體通道之間的閥口，其中所述閥口限定所述入口流體通道和出口流體通道之間的縱向流動(dòng)軸線；可沿所述縱向流動(dòng)軸線在打開位置和關(guān)閉位置之間移動(dòng)以控制流經(jīng)閥口的流體流量的閥塞，所述閥塞具有沿縱向軸線在第一端和第二端之間延伸的外表面；至少一個(gè)從所述閥塞的外表面凹入的流量調(diào)節(jié)通道，其中當(dāng)閥塞在關(guān)閉位置和打開位置之間移動(dòng)時(shí)，流體僅經(jīng)所述流體調(diào)節(jié)通道從入口流體通道流到出口流體通道而流經(jīng)閥口；沿閥口的內(nèi)表面設(shè)置、且尺寸選擇成與閥塞的外表面配合的密封部件，其中所述密封部件阻止流體在閥塞的外表面和閥口之間流動(dòng)；以及安裝到閥塞上并且位于閥塞第一端附近的密封環(huán)，其中，密封環(huán)與閥口配合，以在閥塞處于關(guān)閉位置時(shí)阻止流體流過(guò)密封環(huán)。
2. 如權(quán)利要求l所述的閥，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)通道從最小流 量端延伸至最大流量端，其中從閥塞外表面凹入的所述流量調(diào)節(jié)通道的截 面積從所述最小流量端到最大流量端增加。
3. 如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)通道自闊塞外 表面起的深度從最小流量端到最大流量端增加。
4. 如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)通道的寬度從 最小流量端到最大流量端增加。
5. 如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)通道的寬度和 所述流量調(diào)節(jié)通道自所述閥塞外表面起的深度從最小流量端到最大流量端 增加。
6. 如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于，所述閥塞包括多個(gè)沿閥塞外 表面形成的流量調(diào)節(jié)通道。
7. 如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)通道的最小流 量端與閥塞的第一端間隔開，以使所述密封部件與第一端附近的閥塞外表 面配合，從而阻止閥塞處于關(guān)閉位置時(shí)液體流經(jīng)閥口。
8. 如權(quán)利要求7所述的閥，其特征在于，所述流量調(diào)節(jié)通道自閥塞外 表面起的深度從最小流量端到最大流量端增加。
9. 如權(quán)利要求7所述的閥，其特征在于，流量調(diào)節(jié)通道的寬度從最小 流量端到最大流量端增加。
10. 如權(quán)利要求7所述的閥，其特征在于，流量調(diào)節(jié)通道的寬度和流量 調(diào)節(jié)通道自閥塞外表面起的深度從最小流量端到最大流量端增加。
11. 如權(quán)利要求7所述的閥，其特征在于，所述閥塞包括多個(gè)沿閥塞的 外表面形成的流量調(diào)節(jié)通道。
12. 如權(quán)利要求l所述的閥，其特征在于，所述密封部件是安裝在閥口 中的彈性體環(huán)，其尺寸選擇成與閥塞的外表面配合，且當(dāng)閥塞相對(duì)于所述 彈性體環(huán)移動(dòng)時(shí)沿所述外表面形成密封。
13. 如權(quán)利要求l所述的閥，其特征在于，當(dāng)閥塞從關(guān)閉位置移動(dòng)到打 開位置吋，所述流量調(diào)節(jié)通道從所述最小流量端移動(dòng)經(jīng)過(guò)所述密封部件， 直到最大流量端。
全文摘要
一種用于控制從零到最小流量的流體流動(dòng)的精確調(diào)節(jié)的球閥。所述球閥的閥塞包括至少一個(gè)從所述閥塞的外表面凹入的流量調(diào)節(jié)通道。所述閥塞的外表面嚙合沿閥口的內(nèi)表面設(shè)置的密封部件。所述密封部件在所述閥塞的外表面和閥口之間形成流體密封。所述流量調(diào)節(jié)通道從所述閥塞的外表面凹入，從最小流量端直到最大流量端。所述流量調(diào)節(jié)通道的徑向凹入?yún)^(qū)域從最小流量端到最大流量端增大，所以當(dāng)所述閥塞移動(dòng)經(jīng)過(guò)固定的密封部件，經(jīng)所述閥口產(chǎn)生增加的流量。
文檔編號(hào)F16K25/00GK101270816SQ20081009620
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者丹尼爾·F·墨菲, 杰麗·L·斯奈德, 歐文·C·埃里克森, 邦妮·J·迪金森 申請(qǐng)人:塔克有限公司