Клапаны типа бабочка с осевым уплотнением
Группа изобретений относится к клапанам типа бабочка. Клапан содержит: корпус клапана, имеющий канал для протока текучей среды, проходящий через него; седло клапана, расположенное в корпусе клапана; диск, расположенный в канале для протока текучей среды корпуса клапана. Диск имеет возможность поворота между первым положением и вторым положением вокруг оси, по существу, перпендикулярной продольной оси диска, при этом диск имеет возможность переводиться между вторым положением и третьим положением в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска. Клапан содержит узел приведения в действие, функционально связанный с диском и содержащий поршень, вал поршня, проходящий внутри канала для протока текучей среды корпуса клапана, и пружинный элемент, функционально связанный с валом и диском. Пружинный элемент оказывает смещающее усилие на диск в направлении от седла клапана и, по существу, параллельно продольной оси диска. Узел приведения в действие дополнительно содержит вспомогательный кулачок, соединенный с валом, причем вспомогательный кулачок выполнен с возможностью упираться в поверхность диска, расположенную на стороне диска, противоположной седлу клапана, когда диск находится в третьем положении. Кулачок имеет возможность позиционировать диск в герметичном зацеплении с седлом клапана, когда диск находится в третьем положении. Такой клапан может быть встроен в трубопровод для текучей среды системы для текучей среды. Техническим результатом является повышение износостойкости. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ
Эта заявка испрашивает приоритет даты подачи патентной заявки США серийный № 62/201,509, поданной 4 августа 2016 года, для «Клапанов-бабочка с осевым уплотнением».
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится, главным образом, к клапанам типа бабочка. Более конкретно, настоящее раскрытие относится к клапану-бабочке с кулачковым механизмом, обеспечивающим осевое смещение диска затвора клапана относительно седла клапана в клапане-бабочка.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Клапаны типа бабочка, как правило, хорошо известны и широко используются благодаря их простоте конструкции и относительно небольшой стоимости, по сравнению с более сложными и детализированными пробковыми и шаровыми клапанами. Типовой клапан-бабочка обычно содержит диск, установленный для вращения между открытым положением, в котором диск лежит, по существу, параллельно оси канала для протока текучей среды через клапан и закрытым положением, в котором диск лежит перпендикулярно этой оси. Диск устанавливается для вращения на штоке клапана или валу, который прикрепляется к диску на одной стороне. Диск взаимодействует с кольцевым гибким седлом, ограничивающим канал для протока текучей среды, для обеспечения мягкого уплотнения по отношению к диску для отсечки потока текучей среды через канал. Кольцевое гибкое седло обычно удерживается в положении, будучи зажатым в выемке, образованной между взаимодополняющими поверхностями участка корпуса клапана и фиксатором седла клапана.
Во время вращения диска между открытым положением и закрытым положением периферийные края диска, особенно те, которые ближе к оси, вокруг которой вращается диск, остаются в контакте с гибким седлом и испытывают значительное трение во время вращения диска, вызывая износ как седла, так и периферийных краев диска. Такой износ может привести к потере способности диска достаточно плотно прилегать к седлу клапана, когда диск находится в закрытом положении. Ремонт или замена седла клапана или диска может занять время и быть дорогим. Кроме того, исполнительный механизм, приводящий в движение диск, растрачивает мощность, преодолевая силу трения при скольжении между диском и седлом клапана.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изложение сущности изобретения предназначается для представления выбора концепций в упрощенной форме. Эти концепции описываются более подробно в подробном описании вариантов осуществления раскрытия ниже. Это изложение сущности изобретения не предназначается для определения ключевых признаков или существенных признаков заявленного предмета изобретения и не предназначается для ограничения объема заявленного предмета изобретения.
В некоторых вариантах осуществления клапан включает в себя корпус клапана, имеющий канал для протока текучей среды, проходящий через него, и седло клапана, расположенное в корпусе клапана. Клапан также включает в себя диск, расположенный в канале для протока текучей среды корпуса клапана. Диск имеет возможность вращаться между первым положением и вторым положением вокруг оси, по существу, перпендикулярной продольной оси диска. Диск также имеет возможность переводиться между вторым положением и третьим положением в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска.
В дополнительных вариантах осуществления система для текучей среды включает в себя трубопровод для текучей среды и клапан, расположенный внутри трубопровода для текучей среды. Клапан включает в себя корпус клапана, имеющий канал для протока текучей среды, проходящий через него, и седло клапана, расположенное в корпусе клапана. Клапан также включает в себя диск, расположенный в канале для протока текучей среды корпуса клапана. Диск способен вращаться между полностью открытым положением и промежуточным положением вокруг оси, по существу, перпендикулярно продольной оси диска. Диск также способен переводиться между промежуточным положением и полностью закрытым положением в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует частично разрезанный вид сбоку клапана-бабочки в закрытом положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 2 иллюстрирует вид снизу в частном поперечном сечении клапана-бабочки, изображенного на фиг. 1 в открытом положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 3 иллюстрирует вид сбоку в частном поперечном сечении клапана-бабочки, изображенного на фиг. 1 в закрытом положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 4 иллюстрирует частично разрезанный вид сбоку клапана-бабочки, изображенного на фиг. 1 в промежуточном положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 5 иллюстрирует вид сбоку в частном поперечном сечении клапана-бабочки, изображенного на фиг. 1 в промежуточном положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 6 иллюстрирует вид сбоку в частном поперечном сечении клапана-бабочки, изображенного на фиг. 1 в открытом положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 7 иллюстрирует частично разрезанный вид спереди клапана-бабочки, изображенного на фиг. 1 в открытом положении, согласно варианту осуществления настоящего раскрытия; а также
Фиг. 8 иллюстрирует вид в вертикальном разрезе участка системы для текучей среды, содержащей клапан, такой как любой из клапанов, изображенных на фиг. 1-7.
ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Иллюстрации, представленные в данном документе не предназначаются быть фактическими видами какого-либо клапана-бабочки, вала, муфты, диска, кулачкового механизма, исполнительного механизма или его компонента, а являются просто идеализированными представлениями, которые используются для описания вариантов осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 1 иллюстрирует вид сбоку клапана-бабочки 2, имеющего корпус 4 клапана, содержащий диск 6 клапана, расположенный внутри канала 7 для протока текучей среды корпуса 4 клапана между впуском 8 для текучей среды и выпуском 10 для текучей среды клапана 2. Когда клапан-бабочка 2 находится в закрытом положении, как показано на фиг. 1, периферия первой стороны 9 или «передней стороны» диска 6 может герметично стыковаться с седлом 11 клапана таким образом, чтобы препятствовать протоку текучей среды между диском 6 и седлом 11 клапана. Седло 11 клапана может быть кольцом седла. Хотя впуск 8 показывается на фиг. 1, как находящийся на стороне клапана 2 вблизи кольца 11 седла, следует понимать, что клапан 2 может быть расположен так, что текучая среда может протекать в любом направлении через корпус 4 клапана. Например, впуск 8 для текучей среды может быть расположен на стороне клапана, противоположной кольцу 11 седла, а выпуск 10 для текучей среды может быть расположен на стороне клапана 2 рядом с кольцом 11 седла.
Клапан 2 может включать в себя узел 12 приведения в действие, функционально связанный с диском 6 и выполненный с возможностью перемещать диск 6 между полностью открытым положением и полностью закрытым положением. Узел 12 приведения в действие может включать в себя поршень 14, имеющий головку 16 поршня, расположенную в цилиндре 18, образованном в корпусе 4 клапана. Верхняя часть цилиндра 18 может быть закрыта колпачком 19. Узел 12 приведения в действие также может включать в себя вал 20, проходящий от головки 16 поршня и через канал 7 для протока клапана и внутри муфты, расположенной на стороне корпуса 4 клапана, противоположной цилиндру 18, как раскрывается более подробно ниже. Поршень 14 и вал 20 могут быть ограничены одним или несколькими компонентами корпуса 4 клапана, чтобы предотвратить осевое вращение. Поршень 14 может управляться пневматически, гидравлически или электрически, в качестве неограничивающего примера.
Продолжая ссылаться на фиг. 1, приведение в действие поршня 14 перемещает вал 20 в осевом направлении внутри корпуса 4 клапана. Верхний участок вала 20, расположенный рядом с головкой 16 поршня, может проходить внутри приводной муфты 24, присоединенной с возможностью вращения к корпусу клапана. Верхний конец приводной муфты 24 может иметь фланец 25, принимаемый в выемке корпуса 4 клапана, причем нижняя поверхность 25а фланца 25 может быть расположена так, чтобы примыкать к утопленной поверхности 5 в корпусе 4 клапана способом, ограничивающим приводную муфту 24 от осевого перевода, одновременно позволяя приводной муфте 24 вращаться в осевом направлении. Подпятник (не показан) может быть расположен между нижней поверхностью 25а фланца 25 и утопленной поверхностью 5 корпуса 4 клапана.
Нижний конец 22 вала 20 может проходить внутри приводной муфты 26, присоединенной с возможностью вращения к корпусу 4 клапана. Приводная муфта 26 может быть присоединена к корпусу 4 клапана между выемкой 27 на внутренней поверхности корпуса 4 клапана и направляющей наделкой 29, проходящий через корпус 4 клапана, таким образом, чтобы ограничивать приводную муфту 26 от осевого перевода, одновременно позволяя приводной муфте 26 вращаться в осевом направлении. Подпятник (не показан) может быть расположен между нижней поверхностью приводной муфты 26 и выемкой 27 корпуса 4 клапана.
В конфигурации узла 12 приведения в действие, описанного ранее, поршень 14, вал 20, приводная муфта 24 и приводная муфта 26 могут быть соосно выровнены внутри корпуса 4 клапана вдоль первой продольной оси L1. Таким образом, первая продольная ось L1 может быть названа «продольной осью L1 узла 12 приведения в действие». Как описано выше, приводная муфта 24 и приводная муфта 26 могут быть, каждая, ограничены внутри корпуса 4 клапана способом, предотвращающим осевой перевод каждой из приводной муфты 24 и приводной муфты 26, одновременно допуская вращение приводной муфты 24 и приводной муфты 26 вокруг первой продольной оси L1.
Канавка 28 кулачков может быть образована через стенку приводной муфты 24 и может взаимодействовать с кулачковым следящим элементом 30, проходящим радиально наружу от вала 20 и принимаемым в канавке 28 кулачков. Канавка 28 кулачков может проходить примерно на 90 градусов по окружности приводной муфты 24. Кулачковый следящий элемент 30 может быть выполнен в виде штифта или выступа, проходящего радиально наружу от вала 20. Канавка 28 кулачков может иметь, как правило, дугообразный профиль. Канавка 28 кулачков может иметь первый участок 28а, выполненный с возможностью взаимодействовать с кулачковым следящим элементом 30, чтобы вызвать вращение приводной муфты 24, и второй участок 28b, выполненный с возможностью позволить кулачковому следящему элементу 30 переводится в нем, не приводя к вращению приводной муфты 24. Первый и второй участки 28а, 28b канавки 28 кулачков могут плавно переходить один в другой. Следует отметить, что клапан 2, изображенный на фиг. 4 иллюстрирует кулачковый следящий элемент 30, расположенный в точке перехода между первым участком 28а и вторым участком 28b канавки 28 кулачков. Положение, показанное на фиг. 4, может быть названо «промежуточным» положением клапана 2.
Первый участок 28а канавки 28 кулачков может иметь постоянный радиус или изменяющийся радиус, причем радиус в каждом месте первого участка 28а канавки 28 кулачков достаточно мал так, что перевод кулачкового следящего элемента 30 в пределах первого участка 28а канавки 28 кулачков заставляет кулачковый следящий элемент 30 взаимодействовать со стенками приводной муфты 24 с обеих сторон канавки 28 кулачков для придания тангенциального усилия к приводной муфте 24, достаточного для вращения приводной муфты 24 вокруг ее продольной оси L1. Таким образом, первый участок 28а канавки 28 кулачков может быть назван «активным» участком канавки 28 кулачков.
Напротив, второй участок 28b канавки 28 кулачков может быть линейным или по существу линейным, так что перевод кулачкового следящего элемента 30 в пределах второго участка 28b канавки 28 кулачков может, по существу, не придавать тангенциальное усилие к приводной муфте 24, достаточное для вращения приводной муфты 24 вокруг ее продольной оси L1. Таким образом, второй участок 28b канавки кулачков может быть назван участком «выстоя» канавки 28 кулачков. Следует понимать, что второй участок 28b канавки 28 кулачков может быть в целом дугообразным, но имеющим радиус кривизны достаточно большим, чтобы перевод кулачкового следящего элемента 30 в пределах второго участка 28b канавки 28 кулачков придавал тангенциальное усилие к приводной муфте 24, достаточное только для минимального или пренебрежительного вращения приводной муфты 24 вокруг ее продольной оси L1.
Как показано на фиг. 1, активный участок 28a канавки 28 кулачков может быть расположен вблизи верхнего конца приводной муфты 24, а участок 28b выстоя канавки 28 кулачков может быть расположен вблизи нижнего конца приводной муфты 24. Однако следует понимать, что в других вариантах осуществления (не показаны) активный участок 28а канавки 28 кулачков может быть расположен вблизи нижнего конца приводной муфты 24, а участок 28b выстоя может быть расположен вблизи верхнего конца приводной муфты 24.
Как показано на фиг. 7, вал 20 может включать в себя два (2) кулачковых следящих элемента 30, проходящих наружу от противоположных сторон наружной поверхности вала 20, причем кулачковые следящие элементы 30 взаимодействуют с отдельными канавками 28 кулачков, образованными на противоположных сторонах приводной муфты 24. Кулачковые следящие элементы 30 могут быть расположены по окружности друг от друга на 90 градусов по наружной поверхности 58 вала 20. Соответственно, ассоциированные канавки 28 кулачков могут также быть расположены по окружности на расстоянии друг от друга примерно на 90 градусов вокруг приводной муфты 24. Следует понимать, что в других вариантах осуществления приводная муфта 24 и вал 20 могут включать в себя более двух отдельных канавок 28 кулачков и ассоциированных кулачковых следящих элементов 30 соответственно. Кроме того, кулачковые следящие элементы 30 и ассоциированные канавки 28 кулачков могут быть асимметрично по окружности отделены друг от друга.
Продолжая ссылаться на фиг. 1, нижний участок приводной муфты 24 может быть соединен с первым кронштейном 32. Первый кронштейн может быть прямоугольным. Первый кронштейн 32 также может быть соединен со второй стороной 34 или «задней стороной» диска 6. Оппозитные внутренние поверхности 36 первого кронштейна 32 могут сопрягаться с оппозитными плоскими областями 38, образованными на внешней поверхности приводной муфты 24, как показано на фиг. 2. Оппозитные внутренние поверхности 36 первого кронштейна 32 и сопряженные плоские области 38 наружной поверхности приводной муфты 24 могут быть выполнены так, чтобы позволить первому кронштейну 32 скользить относительно приводной муфты 24 в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6, как описано более подробно ниже. Первый кронштейн 32 может быть соединен с приводной муфтой 24 любыми средствами, позволяющими первому кронштейну 32 перемещаться относительно приводной муфты 24 в направлении, параллельном продольной оси L2 диска 6.
Внешняя поверхность 40 первого кронштейна 32 может быть соединена с первым монтажным образованием 42 на задней стороне 34 диска 6. Как показано, первое монтажное образование 42 на задней стороне 34 диска 6 может включать в себя выступ плоской поверхности с задней стороны диска 6; однако в объем настоящего раскрытия входят и другие конфигурации. Первый кронштейн 32 может быть соединен с первым монтажным образованием 42 на задней стороне 34 диска 6 с помощью сварки, твердой пайки, клейких материалов или механических крепежных элементов, таких как винты, болты, штифты, зажимы или любые комбинации вышеизложенного. Следует понимать, что любой способ соединения первого кронштейна 32 с задней стороной 34 диска 6 находится в пределах объема настоящего раскрытия.
Верхний конец приводной муфты 26 может быть соединен со вторым кронштейном 44. Второй кронштейн 44 может быть выполнен аналогично первому кронштейну 32, описанному выше. Второй кронштейн 44 также может быть соединен с задней стороной 34 диска 6. Как и с первым кронштейном 32, оппозитные внутренние поверхности второго кронштейна 44 могут сопрягаться с оппозитными плоскими областями 38, образованными на внешней поверхности приводной муфты 26. Как и с первым кронштейном 32, оппозитные внутренние поверхности 36 второго кронштейна 44 и сопряженные плоские области 38 наружной поверхности приводной муфты 26 могут быть выполнены так, чтобы позволить второму кронштейну 44 скользить относительно приводной муфты 26 в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6. Второй кронштейн 44 может быть соединен с приводной муфтой 26 любыми средствами, позволяющими второму кронштейну 44 перемещаться относительно приводной муфты 26 в направлении, параллельном продольной оси ось L2 диска 6.
Внешняя поверхность 46 второго кронштейна 44 может быть соединена со вторым монтажным образованием 48 на задней стороне 34 диска 6, как показано на фиг. 1. Второе монтажное образование 48 на задней стороне 34 диска 6 может включать в себя смещение плоской поверхности с задней стороны диска 6; однако в объем настоящего раскрытия входят и другие конфигурации. Второй кронштейн 44 может быть соединен со вторым монтажным образованием 48 на задней стороне 34 диска 6 с помощью сварки, твердой пайки, клейких материалов или механических крепежных элементов, таких как винты, болты, штифты, зажимы или любые комбинации вышеизложенного. Следует понимать, что любой способ соединения второго кронштейна 32 с задней стороной 34 диска 6 находится в пределах объема настоящего раскрытия.
Обратимся теперь к фиг. 3, нижний конец приводной муфты 24 может включать в себя первую выемку 50, образованную на наружной поверхности 51 приводной муфты 24. Выемка 51 может простираться радиально внутрь через стенку приводной муфты 24 от наружной поверхности 51 приводной муфты 24 до утопленной поверхности 53 приводной муфты 24. Первая пружина 52 сжатия может иметь первый конец 54, соединенный со стенкой первого кронштейна 32, расположенной напротив стороны первого кронштейна 32, соединенной с задней частью диска 6. Первая пружина 52 сжатия может простираться в пределах первой выемки 50 в стенке приводной муфты 24, причем противоположный второй конец 56 первой пружины 52 сжатия может упираться в утопленную поверхность 53 приводной муфты 24.
Аналогично, верхний конец приводной муфты 26 может включать в себя вторую выемку 60, образованную на наружной поверхности 61 приводной муфты 26. Вторая выемка 61 может простираться радиально внутрь через стенку приводной муфты 26 от наружной поверхности 61 приводной муфты 26 до утопленной поверхности 63 приводной муфты 26. Вторая пружина 62 сжатия может иметь первый конец 64, соединенный со стенкой второго кронштейна 44, расположенной напротив стороны второго кронштейна 44, соединенной с задней частью диска 6. Вторая пружина 62 сжатия может простираться в пределах второй выемки 60 в стенке приводной муфты 26, причем противоположный второй конец 66 второй пружины 62 сжатия может упираться в утопленную поверхность 63 приводной муфты 26. Таким образом, первая и вторая пружины сжатия 52, 62 могут смещать первый и второй кронштейны 32, 44 соответственно, и диск 6, соединенный с ними, прочь от кольца 11 седла в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6. Следует понимать, что другие конфигурации для соединения пружин 52, 62 сжатия с кронштейнами 32, 44, приводной муфтой 24 и приводной муфтой 26 также находятся в объеме настоящего раскрытия. Поскольку приводная муфта 24, канавка 28 кулачков приводной муфты 24, кулачковый следящий элемент 30 вала 20, приводная муфта 26 и кронштейны 32, 44 совместно преобразуют линейное движение поршня 14 и вала 20 во вращательное движение диска, эти компоненты клапана 2 можно назвать «узлом передачи линейного движения во вращательное».
Следует понимать, что в других вариантах осуществления вместо пружин сжатия 52, 62 могут использоваться другие пружинные элементы для обеспечения усилия, смещающего кронштейны 32, 44 и диск 6, соединенный с ними, прочь от кольца 11 седла в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6. Любой тип пружинного элемента, смещающий диск 6 прочь от кольца 11 седла в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6, находится в пределах объема настоящего раскрытия.
Как показано на фиг. 1 и 3, задняя сторона 34 диска 6 может включать в себя выступ или бобышку 70, расположенную между первым и вторым монтажными образованиями 42, 48 на задней стороне 34 диска. Бобышка 70 может иметь круглую форму, если смотреть в плоскости, перпендикулярной продольной оси L2 диска 6; однако другие формы также находятся в объеме настоящего раскрытия. Бобышка 70 может иметь скругленные края 72 на ее периферии, при этом периферийная поверхность бобышки 70 может иметь плавный и непрерывный переход с задней стороны 34 диска 6. Бобышка 70 может включать в себя, по существу, плоскую поверхность 74, расположенную в центре нее. Вспомогательный кулачок 80 может быть жестко прикреплен к валу 20 и может располагаться в осевом направлении между первым и вторым кронштейнами 32, 44. Вспомогательный кулачок 80 может включать в себя скругленную поверхность 82 кулачка, выполненную с возможностью упираться, по существу, в плоскую поверхность 74 бобышки 70 на задней части диска 6, когда диск 6 находится вблизи закрытого положения.
Теперь будет описана работа клапана-бабочки 2 в соответствии с вариантом осуществления, раскрытым в данном документе. Когда диск 6 клапана находится в полностью закрытом положении, как показано на фиг. 1 и 3, кулачковые следящие элементы 30 на валу 20 располагаются внутри ассоциированных канавок 28 кулачков в приводной муфте 24 в нижнем пространстве их позиций 28b выстоя, в то время как, одновременно, скругленная поверхностью 82 кулачка вспомогательного кулачка 80 упирается, по существу, в плоскую поверхность 74 бобышки 70, простирающуюся от задней части диска 6, тем самым поддерживая диск 6 в герметичном зацеплении с кольцом 11 седла.
Обратимся теперь к фиг. 4 и 5, клапан-бабочка 2 показывается в промежуточном положении. Когда поршень 14 и вал 20 переводятся в осевом направлении вверх так, что кулачковые следящие элементы 30 перемещаются вертикально в пределах участков 28b выстоя канавок 28 кулачков, вспомогательный кулачок 80, который жестко связан с валом 20, соответственно переводится вверх и выводится из контакта с бобышкой 70, позволяя пружинам сжатия 52, 62 заставлять кронштейны 32, 44 и диск 6, прикрепленный к ним, переводится прочь от кольца 11 седла в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6, в промежуточное положение, показанное на фиг. 4 и 5. Таким образом, осевой перевод вверх поршня 14 и вала 20 с помощью кулачковых следящих элементов 30 в участках 28b выстоя ассоциированных канавок 28 кулачков приводит к тому, что весь диск 6 клапана переводится прямо, прочь от кольца 11 седла и из уплотнительного зацепления с ним в направлении, по существу, параллельном продольной оси L2 диска 6, по существу, без какого-либо вращения (или с минимальным или незначительным вращением) диска 6.
Обратимся теперь к фиг. 6 и 7, клапан-бабочка 2 показывается в полностью открытом положении с диском 6, ориентированным, по существу, перпендикулярно к кольцу 11 седла, позволяя пропускать текучую среду через корпус клапана 4. Начиная с промежуточного положения клапана-бабочки 2, показанного на фиг. 4 и 5, так как поршень 14 и вал 20 продолжают переводится вверх таким образом, что кулачковые следящие элементы 30 перемещаются от участков 28b выстоя к активным участкам 28а ассоциированных канавок 28 кулачков приводной муфты 24, взаимодействие между кулачковыми следящими элементами 30 и активными участками 28а канавок 28 кулачков придает тангенциальное усилие к приводной муфте 24, вызывая вращение приводной муфты 24 вокруг продольной оси L1 приводной муфты 24. В полностью открытом положении клапана-бабочки 2, поршень 14 может быть позиционирован в верхней части его рабочего хода, при этом каждый из кулачковых следящих элементов 30 вала 20 позиционирован на вершине активных участков 28а ассоциированных канавок 28 кулачков приводной муфты 24.
Чтобы закрыть клапан-бабочку 2, поршень 14 может быть приведен в действие для перевода в осевом направлении вниз, что может сразу вызвать вращение диска 6 вокруг продольной оси, по существу, перпендикулярно продольной оси L2 диска 6 благодаря взаимодействию между кулачковыми следящими элементами 30 вала 20 и активных участков 28а ассоциированных канавок 28 кулачков приводной муфты 24. Поскольку пружины 52, 62 сжатия смещают кронштейны 32, 44 и диск 6, соединенный с ними, прочь от кольца 11 седла, диск 6 может вращаться эксцентрично вокруг продольной оси L1 вала 20. Канавки 28 кулачков могут быть выполнены таким образом, что, как только вал 20 переведется в осевом направлении вниз, так что кулачковые следящие элементы 30 войдут в участки 28b выстоя ассоциированных канавок 28 кулачков, диск 6 повернется приблизительно на 90 градусов вокруг продольной оси L1 вала 20 так, что диск 6, по существу, соосно выровняется с кольцом 11 седла. После этого, поскольку поршнень 14 и вал 20 продолжаются смещаться вниз, так что кулачковые следящие элементы 30 соответственно перемещаются вниз в пределах участков 28b выстоя ассоциированных канавок кулачков, скругленная поверхность 82 кулачка вспомогательного кулачка перемещается в контакт с бобышкой 70. Так как поверхность 82 кулачка вспомогательного кулачка 80 перемещается вниз после контакта с бобышкой 70, взаимодействие поверхности 82 кулачка со скругленными краями 72 бобышки 70 заставляет диск 6 переводится вдоль его продольной оси L2 в кольцо 11 седла. В полностью закрытом положении, поверхность 82 кулачка вспомогательного кулачка 80 упирается в плоскую поверхность 74 бобышки 70, поддерживая периферию передней стороны 9 диска 6 в герметичном зацеплении с кольцом 11 седла. Таким образом, осевой перевод вниз поршня 14 и вала 20 с помощью кулачковых следящих элементов 30 в участках 28b выстоя ассоциированных канавок 28 кулачков заставляют весь диск 6 клапана перемещаться прямо к кольцу 11 седла и в уплотнительное зацепление с ним, в направлении, параллельном продольной оси L2 диска 6, по существу, без какого-либо вращения (или с минимальным или незначительным вращением) диска 6 вокруг продольной оси L1 вала 20.
Следует понимать, что бобышка 70 может иметь любую из различных конфигураций. Например, в качестве альтернативы плоской поверхности 74, с которой вспомогательный кулачок 80 контактирует, когда клапан 2 находится в полностью закрытом положении, бобышка 70 может включать в себя фасонную поверхность, имеющую постоянный наклон или непрерывно изменяющийся наклон (не показан). Другие конфигурации бобышки 70 находятся в объеме настоящего раскрытия.
В то время как фиг. 1-7 иллюстрируют полностью закрытое положение диска 6, соответствующее поршню 14, позиционированному в нижней части его рабочего хода, и полностью открытое положение диска 6, соответствующее поршню 14, позиционированному в верхней части его рабочего хода, следует понимать, что в других вариантах осуществления клапан 2 может быть выполнен таким образом, что диск 6 находится в полностью закрытом положении, когда поршень 14 позиционируется в верхней части его рабочего хода, и диск 6 находится в полностью открытом положении, когда поршень 14 позиционируется в нижней части его рабочего хода. В таких вариантах осуществления (не показаны) активный участок 28a канавки 28 кулачков может быть расположен вблизи нижнего конца приводной муфты 24, а участок 28b выстоя может быть расположен вблизи верхнего конца приводной муфты 24 так, что осевой перевод поршня 14 вблизи верхней части его рабочего хода приводит к тому, что кулачковый следящий элемент 30 переводится в пределах участка 28b выстоя, тем самым позволяя вспомогательному кулачку 80 перемещаться из контакта с бобышкой 70, когда поршень 14 переводится вниз (заставляя диск 6 переводится в осевом направлении прочь от кольца 11 седла до промежуточного положения) и, позволяя вспомогательному кулачку 80 перемещаться в контакт с бобышкой 70, когда поршень 14 переводится вверх с помощью кулачкового следящего элемента 30 в пределах участка 28b выстоя канавки 28 кулачков (заставляя диск 6 переводиться из промежуточного положения в уплотняющее зацепление с кольцом 11 седла). В таких вариантах осуществления осевой перевод поршня 14 вблизи нижней части его рабочего хода заставляет кулачковый следящий элемент 30 переводится в пределах активного участка 28а канавки 28 кулачков, заставляя, таким образом, кулачковый следящий элемент 30 вращать приводную муфту 24, а, значит и диск 6, из промежуточного положения до полностью открытого положения, когда поршень 14 переводится вниз, и заставляя кулачковый следящий элемент 30 вращать приводную муфту 24, а значит и диск 6, из полностью открытого положения в промежуточное положение, когда поршень 14 переводится вверх.
Обратимся теперь к фиг. 8, клапан-бабочка 2 показывается в состоянии использования в системе 100 для текучей среды. Например, клапан 2 может быть расположен в трубопроводе 102 для текучей среды и может работать для управления протоком текучей среды через клапан 2.
Следует понимать, что клапан-бабочка 2, выполненный, как раскрыто в данном документе, обеспечивает диск 6 клапана двумя (2) различными видами движения во время открытия и закрытия клапана 2. Первый вид движения, является переводом диска 6 в направлении, параллельном продольной оси L2 диска 6. Этот первый вид движения происходит между полностью закрытым положением клапана 2 и промежуточным положением клапана 2. Таким образом, вся периферия передней стороны 9 диска 6 клапана может отходить в осевом направлении от седла 11 клапана в начале рабочего хода по открыванию клапана 2. Кроме того, вся периферия передней стороны 9 диска 6 клапана может быть прижата к седлу 11 клапана в уплотняющем зацеплении при завершении рабочего хода по закрыванию клапана 2. Таким образом, диск 6 клапана-бабочки 2 работает с движением уплотнения, подобным движению пробки между полностью закрытым положением и промежуточным положением, что значительно уменьшает скольжение, трение и ассоциированное трение между диском 6 и седлом 11 клапана, продлевая срок службы как диска 6, так и седла 11 клапана.
Второй вид движения диска 6 клапана - это вращение диска 6 клапана примерно на 90 градусов вокруг продольной оси L1 вала, которая позиционируется, по существу, перпендикулярно продольной оси L2 диска 6. Поскольку весь диск 6 клапана смещается от седла 11 клапана вдоль продольной оси L2 диска 6, когда клапан 2 находится в промежуточном положении, диск 6 может вращаться быстрее между промежуточным положением и полностью открытым положением, не вызывая трения между диском 6 и седлом 11 клапана. Это обеспечивает более быстрый рабочий ход клапана по сравнению с клапанами типа бабочка предшествующего уровня техники. Кроме того, отсутствие трения между диском 6 клапана и седлом 11 клапана между промежуточным положением и полностью открытым положением клапана 2 уменьшает работу, необходимую для перемещения диска 6 клапана из полностью закрытого положения в полностью открытое положение, требуя меньшего давления и объема цилиндра для приведения в действие поршня 14, чтобы приводить в движение клапан 2.
Клапан-бабочка 2, раскрытый в данном документе, также обеспечивает преимущества в простоте разработки, конструкции, обслуживания и ремонта. Узел 12 приведения в действие полностью интегрирован в клапан 2 с линейным движением поршня 14, переданным во вращательное движение диска 6 внутри корпуса 4 клапана. Кроме того, вал 20 поршня 14, одновременно служащий в качестве вала бабочки диска 6 клапана выгодно уменьшает количество компонентов, присутствующих в клапане 2. Кроме того, компоненты передачи линейного движения во вращательные, включая поршень 14, вал 10, приводную муфту 24 и приводную муфту 26, являются все коаксиальными, позволяя конструкции быть эффективной, компактной и прочной, с помощью отдельных компонентов, которые могут быть изготовлены с большей легкостью по сравнению с клапанами типа бабочка предшествующего уровня техники. Кроме того, поршень 14 клапана-бабочки 2, раскрытый в данном документе, может обслуживаться с меньшим количеством работы, чем в клапанах типа бабочки предшествующего уровня техники. Например, поршень 14 может быть доступен простым удалением колпачка 19 цилиндра 18 без снятия поршня 14 с клапана 2 или удаления клапана 2 из трубопровода для текучей среды. Например, для обслуживания, ремонта или замены поршневых колец или других поршневых уплотнительных элементов колпачок 19 может быть удален с корпуса 4 клапана, поршень 14 может быть поднят, одновременно оставаясь присоединенным к приводной муфте 24 и приводной муфте 26 внутри корпуса 4 клапана, обеспечивая доступ, необходимый для выполнения требуемого обслуживания и/или ремонта.
Варианты осуществления раскрытия, описанные выше, не ограничивают объем раскрытия, который определяется объемом прилагаемой формулы изобретения и их юридическими эквивалентами. Любые эквивалентные варианты осуществления находятся в пределах объема настоящего раскрытия. Действительно, различные модификации раскрытия, в дополнение к показанным и описанным в данном документе, таким как альтернативные полезные комбинации описанных элементов, станут очевидными для специалистов в данной области техники из данного описания. Такие модификации и варианты осуществления также подпадают под объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Клапан, содержащий:
корпус клапана, имеющий канал для протока текучей среды, проходящий через него;
седло клапана, расположенное в корпусе клапана;
диск, расположенный в канале для протока текучей среды корпуса клапана, причем диск имеет возможность поворота между первым положением и вторым положением вокруг оси, по существу, перпендикулярной продольной оси диска, при этом диск имеет возможность переводиться между вторым положением и третьим положением в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска, и
узел приведения в действие, функционально связанный с диском и содержащий поршень, вал поршня, проходящий внутри канала для протока текучей среды корпуса клапана, и пружинный элемент, функционально связанный с валом и диском, причем пружинный элемент оказывает смещающее усилие на диск в направлении от седла клапана и, по существу, параллельно продольной оси диска,
при этом узел приведения в действие дополнительно содержит вспомогательный кулачок, соединенный с валом, причем вспомогательный кулачок выполнен с возможностью упираться в поверхность диска, расположенную на стороне диска, противоположной седлу клапана, когда диск находится в третьем положении, при этом кулачок имеет возможность позиционировать диск в герметичном зацеплении с седлом клапана, когда диск находится в третьем положении.
2. Клапан по п. 1, в котором поршень выполнен с возможностью управляться пневматически, гидравлически или электрически.
3. Клапан по п. 1, в котором вал соединен с узлом передачи линейного движения во вращательное движение, причем узел передачи линейного движения во вращательное движение выполнен с возможностью преобразования линейного движения вала во вращательное движение диска.
4. Клапан по п. 3, в котором узел передачи линейного движения во вращательное движение содержит:
муфту, коаксиально окружающую участок вала, при этом муфта функционально соединена с диском, стенка муфты имеет канавку кулачка, образованную в ней, при этом канавка кулачка имеет первый участок и второй участок;
кулачковый следящий элемент, проходящий радиально наружу от наружной поверхности вала, при этом кулачковый следящий элемент расположен внутри канавки кулачка, причем кулачковый следящий элемент и канавка кулачка сконфигурированы таким образом, что движение кулачкового следящего элемента в пределах первого участка канавки кулачка в направлении, параллельном продольной оси вала, вызывает вращение муфты.
5. Клапан по п. 1, в котором кулачковый следящий элемент вала расположен в пределах второго участка канавки кулачка, когда диск находится в третьем положении.
6. Клапан по п. 1, в котором вспомогательный кулачок выполнен с возможностью не иметь контакта с поверхностью диска, расположенной на стороне диска, противоположной седлу клапана, когда диск находится во втором положении, в первом положении и в любом положении между первым и вторым положениями.
7. Клапан по п. 1, в котором поверхность диска, расположенная на стороне диска, противоположной седлу клапана, по отношению к которой вспомогательный кулачок выполнен с возможностью упираться в нее, когда диск находится в третьем положении, располагается на бобышке, образованной на стороне диска, противоположной седлу клапана.
8. Клапан по п. 5, в котором узел приведения в действие дополнительно содержит кронштейн, соединяющий приводную муфту с диском, причем кронштейн жестко соединен с диском, причем кронштейн соединен с приводной муфтой таким образом, что позволяет переводить кронштейн относительно приводной муфты в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска.
9. Клапан по п. 5, в котором пружинный элемент содержит пружину сжатия, расположенную между участком кронштейна и приводной муфтой, при этом пружина сжатия придает смещающее усилие на кронштейн в направлении от седла клапана и параллельно продольной оси диска.
10. Система для текучей среды, содержащая:
трубопровод для текучей среды;
клапан, расположенный внутри трубопровода для текучей среды, причем клапан содержит:
корпус клапана, имеющий канал для протока текучей среды, проходящий через него;
седло клапана, расположенное в корпусе клапана;
диск, расположенный в канале для протока текучей среды корпуса клапана, причем диск имеет возможность поворота между полностью открытым положением и промежуточным положением относительно оси, по существу, перпендикулярной продольной оси диска, причем диск имеет возможность переводиться между промежуточным положением и полностью закрытым положением в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска; и
узел приведения в действие, функционально связанный с диском, причем узел приведения в действие содержит поршень, причем вал поршня проходит внутри канала для протока текучей среды корпуса клапана, пружинный элемент, функционально соединенный с валом и диском, причем пружинный элемент оказывает смещающее усилие на диск в направлении от седла клапана и, по существу, параллельно продольной оси диска,
при этом узел приведения в действие дополнительно содержит вспомогательный кулачок, соединенный с валом, причем вспомогательный кулачок выполнен с возможностью упираться в поверхность диска, расположенную на стороне диска, противоположной седлу клапана, когда диск находится в полностью закрытом положении, причем кулачок имеет возможность позиционирования диска в герметичное зацепление с седлом клапана, когда диск находится в полностью закрытом положении.
11. Система для текучей среды по п. 10, в которой узел приведения в действие дополнительно содержит узел передачи линейного движения во вращательное движение, соединенный с валом поршня, при этом узел передачи линейного движения во вращательное движение содержит:
муфту, коаксиально окружающую участок вала, при этом муфта функционально соединена с диском, стенка муфты имеет канавку кулачка, образованную в ней, причем канавка кулачка имеет первый участок и второй участок;
кулачковый следящий элемент, проходящий радиально наружу от наружной поверхности вала, причем кулачковый следящий элемент расположен в пределах канавки кулачка, причем кулачковый следящий элемент и канавка кулачка конфигурированы таким образом, что движение кулачкового следящего элемента в пределах первого участка канавки кулачка, в направлении, параллельном продольной оси вала, вызывает вращение муфты.
12. Система для текучей среды по п. 11, в которой кулачковый следящий элемент вала находится в пределах второго участка канавки кулачка, когда диск находится в полностью закрытом положении.
13. Система для текучей среды по п. 10, в которой вспомогательный кулачок выполнен с возможностью не иметь контакта с поверхностью диска, расположенной на стороне диска, противоположной седлу клапана, когда диск находится в промежуточном положении, полностью открытом положении и любом положении между полностью открытым и промежуточным положениями.
14. Система для текучей среды по п. 10, в которой узел приведения в действие выполнен таким образом, что пружинный элемент переводит диск от седла клапана в направлении, по существу, параллельном продольной оси диска, когда вспомогательный кулачок не имеет контакта с поверхностью диска, расположенной на стороне диска, противоположной седлу клапана.
