[0002] 本
发明要求于2010年7月30日提交的美国临时
专利申请序列号61/369,199的抗挤压填充支承装置（Anti-Extrusion Packing Support）的优先权，其全部公开内容通过参考完全合并入本申请中。
[0003] 发明背景
[0004] 诸如
阀的流动控制设备例如典型地具有可平移的或可旋转的致动阀杆，其必须相对于
流体系统压
力被密封。其他流动控制设备具有例如用于终端连接器的一个或多个阀杆，其也必须相对于流体系统压力被密封。阀杆密封可以是静态的或动态的，其依赖于密封构件是否与表面接合，其中该表面相对于所述密封构件的表面滑动或移动。阀杆密封必须在所述流动控制设备的需要的或额定的操作范围和在需要的或额定的压力下执行。然而，由弹性材料制成的阀杆
密封件典型地受其
温度特性所限制以便维持额定的压力，通常是由于沿着所述密封表面的挤压和减小的压缩或压挤。关于短时排放（fugitive emissions），一些应用还提出非常严格的要求。
[0005] 发明概述
[0006] 根据此处描述的一个或多个本发明的
实施例，为用于容纳或控制流体类型的流体设备提供一种密封装置配置。所述密封装置配置可以与布置在孔内的部件主体一起使用，其中，在所述主体的表面和所述孔之间需要流体密封。所述主体可以是环形、圆柱形或其他形状构件，其示例包括但是并不限于致动阀杆、连接阀杆和其他阀杆类构件。所述阀杆可在所述孔内旋转或可在所述孔内轴向平移或可静止在所述孔内。所述密封配置能够与密封构件或填充件一起使用，所述填充件例如包括易于挤压的材料，但是并不限于例如弹性体和塑料和其他不全为金属的材料或合成物。在一个示例性实施例中，所述密封构件包括耐火TM填充件（fire resistant packing），例如，商标为GRAFOIL 的全
石墨材料。
[0007] 在一个实施例中，所述密封装置配置包括一对填充支承环。优选地，使用两对所述填充支承环为所述填充件提供双端或两侧轴向支承。在正常或额定温度使用期间，所述第一和第二支承环支承所述填充件上的负载，优选地，所述阀杆的
过盈配合沿着所述阀杆抵抗所述填充件的挤压。所述第二支承环即使在灾难性的事件（例如火灾）后支承所述填充件上的负载。所述抗挤压环和金属垫环的使用获得了填充件挤压防护使得所述密封配置能够满足甚至是非常严格的泄露率测试（例如以短时排放要求为例）。
[0008] 在一个示例性实施例中，所述填充支承环对具有互补的几何形状以允许所述支承环沿轴向嵌套在一起。所述嵌套能够通过锥形接界面（interface）实现，其用于提供所述填充件的径向分量相对于所述阀杆的自紧偏移。其可以通过使用所述填充支承环提高所述抗挤压效益。在更具体的实施例中，所述支承环中的其中一个包括金属使得其能够在灾难性的事件例如火灾中存留，而另一个支承环包括更软、更有弹性的材料（例如但是不限于塑料、
聚合物或弹性体）以抵抗所述填充件沿所述阀杆表面的挤压。
[0009] 根据在公开的内容中陈述的本发明之一的另一实施例，
球阀包括防止流体沿着阀杆从所述阀组件损失的密封装置配置。在示例性实施例中，密封装置配置包括耐高温的阀杆密封构件或填充件，在特别的实施例中是耐火的。可设置一对填充支承环。在正常的或额定的温度使用期间，所述第一支承环支承所述填充件上的负载，优选与所述阀杆的过盈配合以抵抗所述填充件沿着所述阀杆的挤压。所述第二支承环甚至在灾难性的事件（例如火灾）后支承所述填充件上的负载。在示例性实施例中，使用两对支承环为所述填充件提供双端或两侧轴向支承。所述支承环如上所述。所述密封装置配置能够与很多不同的球阀设计结合。
[0010] 在一个实施例中的抗挤压填充支承装置包括一对填充支承环。所述支承环中的一个包括金属或其他刚性材料，而另一个支承环包括更软或更有弹性的材料例如塑料、聚合物或弹性体。在更特别的实施例中，所述填充支承环沿轴向嵌套在一起。同时，所述支承环对的一对沿轴向堆叠压靠所述填充件的一个轴端，另一对沿轴向堆叠压靠所述填充件的另一轴端。
[0011] 也会发现在所述球阀技术领域之外应用本发明，例如旋塞阀和针形阀，并且在其他应用中，对于孔内的阀杆或阀杆类构件，需要相对于流体压力的密封。所述密封装置配置相对于流体压力提供
动态密封和/或静态密封。
[0012] 参考
附图和基于示例性实施例的下述细节描述，此处公开的本发明的这些和其他实施例能够被本领域技术人员理解。
附图说明
[0013] 图1是例如可与本发明一起使用的球阀应用实施例的立体图；
[0014] 图2是在图1中沿着线2-2的图1的组件的纵向剖视图；
[0015] 图3是采用图1和2的示例性实施例的密封装置配置的对于图2中的圆形区域的放大图示；
[0016] 图4以分解立体图示出了在图1至3的实施例中使用的两个填充支承环或构件；
[0017] 图5是图1的阀组件的其中一个的分解立体图；和
[0018] 图6示出了在图1的所述密封装置配置上施加负载的另一实施例。
具体实施方式
[0019] 尽管此处示例性实施例是以球阀为背景出现，此处的本发明并不限于这样的应用，并且将会发现在用于容纳流体的很多不同设备中使用，例如，在压力下容纳流体的设备，其能够但是也不必须控制流体流动，例如阀、调节器、限流器、
耦合器等等。例如，在流体容纳技术领域中公知的流体连接器，其可用于在流体循环中互相连接两个或多个流体设备。流体连接器具有很多不同的设计和结构，但是大多数都具有共同特征：主体构件具有环形的或大体上圆柱形的主体表面，所述表面在孔内布置，需要在所述主体表面和所述孔之间进行密封配置以防止流体流动通过在所述主体表面和所述孔壁之间限定的环面。流体连接器可将所述密封配置用作静态密封或动态密封或两者。使用静态密封意味着所述密封构件未必外露或直接与一个或多个表面
接触，所述表面相对于所述密封构件的所述接合表面运动。使用动态密封意味着所述密封构件可外露和相对于其形成的密封直接与表面（例如，致动阀杆表面）接触，其中，所述表面相对于所述密封构件的所述接合表面运动。所述表面运动可以是旋转的（例如球阀杆），或平移的（例如塞子或针阀杆）。本发明的带有密封装置配置的球阀流体设备的示例性实施例是可以应用的很多不同设计中的一个示例，其数量很庞大和多样化以致不能在此处描述或示出。此外，对于球阀应用，本发明也不限制于使用此处示出的示例性设计的球阀。
[0020] 尽管示例性实施例示出例如阀杆构件的主体构件，其是布置在大体上圆柱形的孔内的大体上是圆柱形的或具有大体上圆柱形的表面，考虑到存在非圆柱形的阀杆或主体构件的应用（例如类椭圆形的或椭圆形的阀杆或其他外形或轮廓），可以布置在互补的孔内并且可以在此处使用一个或多个本发明的密封装置配置原理。
[0021] 当发明的不同的创造性方面、原理和特征能够在此处结合所述示例性实施例进行描述和说明，这些不同的方面、原理和特征可以在很多的可选实施例中使用，或者独立地或者以不同的组合和其子组合使用。除非此处明确地排除所有这种组合和子组合否则都是在本发明的保护范围之内。更进一步，关于本发明的不同的方面、原理和特征的不同的可选的实施例--例如可选的材料、结构、配置、方法、线路、设备和部件，可选的关于形状、配合和功能，等等能够在此处描述，不论是现在已知的或今后发展的，这些描述不是可用的可选实施例的完整的或详尽的列表。本领域技术人员能够轻而易举地在另外的实施例中采用一个或多个所述创造性特征的方面、原理或特征，并且在本发明的范围内使用，即使这种实施例在此处没有明确地公开。此外，尽管本发明的一些特征、原理或方面在此处描述为优选的布置或方法，除非明确地提出，这种描述不是要表明这些特征是要求的或必须的。更进一步，可以引入示例的或代表的值和范围以有助于理解本发明的内容，然而，只有明确地提出的情况下，这些值和范围不应以限制性的意义解释并且用于关键值或范围。此外，当此处明确确定的不同的方面、特征和原理是创造性的或形成发明的部分时，这种确定不是专用的，相反，在没有明确地确定为特定发明的本身或其一部分时此处充分描述了创造性的方面、原理和特征，而不是如附加
权利要求中所说明。除非明确地陈述，示例方法或过程的描述不限于在所有情况下列出的所需的所有步骤，也不是如需要或必须的顺序解释提出的步骤。
[0022] 参考图1和2，提出了一个或多个本发明的第一实施例。在此实施例中，示出了以球阀形式实现的流体设备10，但是如上文中指出可使用很多不同类型的流体设备，包括使用不必控制流体流动的流体设备。所述球阀10的设计除所述阀杆密封装置配置外不构成本发明的部分。因此，在此处所述球阀10的设计仅简要描述，本领域技术人员可以理解能够使用很多不同的球阀设计，包括那些现在已知的或后来发展的。在图1和图2的特别的例子中，共用单一
阀体12的两个球阀10作为双阻塞和流出配置的一部分，然而，这只是一个示例性应用。根据需要，本发明可选地可用于单一阀应用、其他阀应用和无阀应用中。
[0023] 所述球阀10可包括包含基本阀元件的阀体12。第一流体端口13和第二流体端口14提供用于流体流动通过所述球阀10的流动端口。每个流体端口13，14可以是入口或出口，并且可选地所述球阀10可以具有多于两个的流体端口。每个流体端口13，14在流体中与端连接件16连通，所述端连接件16可用于在流体线路或系统（未示出）中安装所述球阀
10。所述端连接件16不需相同。
[0024] 所述阀体12也能够支承阀致动组件18。在此处示例性实施例中，所述球阀10通过
手柄20或类似的功能设备手动地致动。可选地，所述球阀10能够具有非手动或自动致动设备（未示出），例如众所周知的机电
致动器、液压致动器或
气动致动器。所述致动组件18能够通过任何合适的装置（例如，
螺纹螺母21）牢固地安装到所述阀体12上。
[0025] 参考图2和5，所述手柄20（或可选地其他致动设备）连接到致动阀杆24。致动阀杆典型地（尽管不需要）大体上是圆柱形构件，其沿着纵轴X延伸，并且在所述阀体12内被支承使得可绕所述轴X旋转以打开和关闭所述阀，或设置流体流动通过所述阀。至于球阀10，例如，所述致动阀杆24能够与球阀元件26连接。当通孔28大体上与所述流体端口13，14对准时，所述球阀元件26的流体通孔28允许流体在流体端口之间流动。图2中的所述球阀10以完全开启的
位置示出。当所述球阀10关闭时，例如，当所述致动设备（例如用于手动阀的所述手柄20）使所述球阀元件26绕所述轴X旋转大约离开图2中示出的九十度位置时，通常使用
阀座密封件30来密封流体压力。所述阀座密封件30可选地相对于所述球阀元件26被按压，例如，通过阀座密封载体和
弹簧（未示出）。
[0026] 除非此处另外指出，此处所有参考“轴向”和“径向”是关于所述X轴。除非另外指出，此处参考的与动态密封相关的旋转运动和平移运动也是参考所述X轴。此外，尽管此处描述的示例性实施例是就致动阀杆而言，所述发明等同地施加于任何组件表面，所述组件表面安装在孔壁内以满足密封（静态或动态）液压，所述示例性组件表面以大体上圆柱形主体的形式实现布置在大体地圆柱形的孔内。阀杆只是这种主体的一个实施例，但是应该理解本发明会发现除所述用途之外的应用，其通常作为构成阀杆来已知或理解。
[0027] 提供关于所述球阀元件26的不同密封以防止系统流体的流失（此处术语系统流体是指通过流体设备10容纳和控制的流体，包括但不限于气体或液体）。然而，通常也希望提供密封装置配置以防止系统流体或系统介质逃脱进入所述致动组件18或至周围环境。致动阀杆（例如此处的所述致动阀杆24）在所述阀体内延伸穿过致动阀杆孔36（图3）。沿着所述致动阀杆24的所述外表面32的所述阀杆孔36限定了环面或环形空间38，其通过密封装置配置100密封流体流失。不论所述密封装置配置用于布置在孔内的致动阀杆或其他阀杆或阀杆类元件，或其他主体，也不论其用作静态密封或动态密封，所述密封装置配置
100是本发明的主题。
[0028] 查阅图3，密封装置配置100的实施例与此处示出的一个或多个本发明相一致。图3是图2的环形部分的放大视图。致动阀杆24（诸如用于例如球阀或其他流体设备）具有非常简单的轮廓，例如大体上圆柱的形状，或具有取决于整体球阀设计、致动器设计和密封需求的很多特征。因此，致动阀杆24具有很多凹槽、狭槽、沟槽等。通常，阀杆密封装置配置在环形空间38内，使得所述密封装置配置在周围的表面（例如所述阀杆孔36的所述表面）和所述致动阀杆24的外部表面32之间被径向地压缩。
[0029] 在图2和3所述的实施例中，所述致动阀杆24具有径向外部表面32，所述径向外部表面32可以是或可以不是所述致动阀杆24的最大直径的外部表面。例如，在图3中，其注意到所述致动阀杆24的下端40可具有比所述外部表面32更大的直径。所述外部表面32紧密地安装在所述致动阀杆孔36内，并且呈现面对所述阀杆孔36的所述表面的阀杆密封表面。
[0030] 示例性实施例中的所述密封装置配置100包括下面描述的填充构件102和两对支承环。所述填充构件能够由任何合适的材料制成，其与所述系统流体共存，并且在特定事例中所述填充件102可以是但不必是耐火的。耐火材料的一个示例是全石墨基填充件，例如，TMGRAFOIL 商标填充件材料。例如，所述类型的材料能够相对于压力用于维持阀的密封，即使灾难性的事件（例如发生火灾）。然而，此处的本发明可以使用由非耐火材料制成的填充件。
[0031] 为了容纳系统压力和防止系统流体的损失，重要的是：维持所述填充件102在所述环形空间38内的足够的压缩从而维持在所述填充件102和所述阀杆24之间的紧密的径向压缩。为此，已知的负载施加构件通常与填充件一起使用以试图维持在所述填充件上的压缩负载，其也用于维持所述填充件相对于所述阀杆表面32和所述孔表面36的径向负载。然而，在温度循环期间，很多填充件（包括石墨类型耐火填充件）用于沿着所述阀杆壁挤压。
在机械循环期间，这些和其他填充件也易于挤压（例如在动态密封位置沿着所述阀杆24）。
上述可以是在先的密封配置的这种情况，即使工作负载施加于所述填充件102。所述填充件102的挤压可以导致所述填充件102相对于所述阀杆24的所述压缩负载的减小从而损失了密封的完整性。
[0032] 在此处示出的实施例中，使用压缩或轴向负载环（例如金属环42）将轴向负载施加于所述密封配置100，以将所述填充件102紧密地压靠所述阀杆表面32。所述负载能够通过
螺栓凸缘44施加，所述螺栓凸缘44使用螺栓48固定到所述阀体12上（见图5）。所述压缩金属环42可选地与所述凸缘44整体制成。图6为在所述密封配置100上施加负载的另一可选方式。
[0033] 为了在温度和/或机械循环期间减小挤压，可选择地减小摩擦和磨损，并且也可选择地在火灾后向整体密封损失提供阻力，我们提供两对第一和第二支承环106，108。这些支承环106，108提供一种抗挤压填充支承装置。优选地每对（尽管不是必须地）邻近布置并且与所述填充件102的各自的轴向端直接接触。所述支承环106，108轴向堆叠在所述填充件102的任意侧。如下文进一步描述，可选地所述支承环106，108能够嵌套在一起。优选地所述支承环是周向连续环状环，不是开口环。
[0034] 优选地第一或外部支承环106由坚固刚性材料（例如表现出低弹性的金属）制成。对于所述流体元件的施加，例如所述球阀10必须在灾难性事件（例如火灾中）存留，优选地所述外部支承环106包括高温耐火材料，例如，使
用例如由不锈
钢制成的金属环。也可以使用其他合适的材料，例如陶瓷。所述外部环106可选地包括成形或构型成与所述阀体12的凹槽肩部46的形状相配合的下端。优选地所述外部支承环106不与所述致动阀杆24接触，因此排除了任何磨损或其他增加摩擦接触的机会。
[0035] 第二或内部支承环108（此处也称为抗挤压环）用于与所述阀杆主体24的所述外部表面32紧密配合。优选地所述紧密配合可以是过盈配合。在机械和/或温度循环中，所述过盈配合将会减小并在很多情况下消除所述相邻的填充件102沿着所述阀杆24的所述外部表面的挤压。由于所述过盈配合，预计所述密封配置100可被充分地加载以将所述内部支承环108径向压靠所述阀杆的所述壁32。进一步优选地所述内部支承环108包括相对于所述阀杆24不会磨损或增加摩擦的材料，并且此外相对于所述阀的额定的或正常的温TM度范围是稳定的。一种合适的材料是PEEK 商标塑料，然而，很多其他塑料制品、聚合物和弹性
纤维是可用的，根据所述流体设备的正常或额定范围、用于操作所述致动器的
扭矩的TM
量、材料与系统介质的相容性，等其他方面选择材料。通过使用塑料或聚合物例如PEEK ，与所述致动阀杆24将会有较小的摩擦，因此压缩的支承环108不应显著地增加旋转所述致动手柄20所需的扭矩。然而，在一些应用中，可存在软金属或其他非塑料材料，其可以是低摩擦的但是提供足够的抗挤压防护。
[0036] 在这个示例性实施例中，第二或内部支承环108能够被设计为与所述阀杆24的所述外部表面32具有过盈配合，甚至在所述密封装置配置100通过所述组装的螺栓凸缘44加载。在组装期间的应用负载将会在所述支承环106和所述阀杆24之间增加所述紧密压缩配合。
[0037] 注意到在这个球阀致动器的示例中，所述密封装置配置100包括静态密封部分和动态密封部分。当所述阀杆旋转时，在所述内部支承环108和所述阀杆24之间提供所述动态密封，在所述外部支承环106和所述阀体12的所述阀杆孔36之间提供所述静态密封，其是通过控制和优选地最小化其之间的间隙实现的。尽管所述内部支承环108没有与所述阀体12直接接触，所述内部支承环108也有助于所述阀体12的所述静态密封。在所述外部支承环106和所述阀杆孔36之间对所述填充件102的潜在挤压能够在不需要较软的材料环的情况下被最小化或被阻止，因为所述密封位置是静态密封。然而，关于所述旋转阀杆的所述动态密封是更具有挑战性的并且其从所述较软的密封件108处获益，因为所述阀杆24具有通常的
缺陷例如轻微地不圆或呈现不完美的密封表面32。
[0038] 在球阀10的示例中，需要经受灾难性的事件（例如火灾），预期所述塑料或聚合物内部支承环108会融化。然而，通过提供所述外部支承环106，能够在所述填充件102上保持足够的负载，使得甚至在灾变（例如火灾）之后仍能够保持密封。从图3中注意到，每个金属外部支承环106包括与所述填充件102的一部分直接接触的表面106a以保持相对于所述填充件102的负载，即使内部支承环108移除。位于所述填充件102上方的在所述支承环对中的所述外部支承环106（如图3中所示）也与施加到金属环42的负载直接接触。在一些情况下，只具有所述留存的外部支承环106的所述填充件102的泄露率将会高于所述内部非金属支承环108也存在的情况，因为在密封的完整性没有减小的情况下预计大多数的阀在火灾后将不会留存。剩余的金属外部支承环106能够将负载保持在所述填充件102上使得仍然密封流体压力。
[0039] 在此处示例性的实施例中，每对所述支承环106，108可选地包括锥形接界面，例如，各自地以互补接合锥形表面116，118的形式（图4A和4B）在所述嵌套的环106，108之间提供所述锥形接界面。对于所述内部支承环108，所述外部表面118具有呈α
角度的锥形，并且对于所述外部支承环106所述内部表面116具有呈β角度的锥形。这些角度可以是相同的或彼此不同的，在一个示例性实施例中我们发现对于α和β角度大约为60度工作效果好。在所述内部和外部支承环106，108之间的所述锥形接界面帮助确保在两个支承环106，108上的一致的自紧负载以进一步确保相对于所述阀杆24的所述内部支承环108的良好的径向负载。优选地角度α和β大约相等，所述支承环106，108能够紧密地嵌套在一起。然而，对于所述两个支承环106，108之间的接界面，所述嵌套布置可采用很多不同的选择形状和轮廓实现。
[0040] 当此处所述示例性实施例用于涉及耐火密封配置施加时，我们进一步注意到本发明也有利的提出在正常操作和环境下的短时排放要求。特别地，在超过所述流动设备的额定操作温度和压力范围下减小或阻止填充件挤压，所述两个环形设计大幅度地改进了所述密封配置100的泄露率性能。作为例子，对于直径大约半英寸的阀杆，所述密封装置配置100提出针对A类和B类ISO（国际标准化组织）的短时排放要求的最大泄露率。这些泄露-6 -5
率分别是1.7x10 和1.7x10 立方厘米/分钟，在温度循环为-50℃至150℃之间期间使用氦为6250磅/平方英寸（psi）测试协议，当所述阀杆旋转时，采用外部检漏器探测在所述阀杆周围的氦泄露。
[0041] 参考图3和图6，进一步注意到所述两对支承环106，108与所述内部环沿相同的方向安装，如附图中所示。可选地，所述环对能够以镜像方式安装，使得，例如，所述下对使所述内部和外部支承环108，106翻动以增加接触和支承所述填充件102的所述外部环106的所述表面区域，其应当是移除所述内部环。
[0042] 因此我们在两个配合表面（例如，同心表面，其使用一个或多个填充件102）之间提供用于密封环面的密封装置配置100。所述密封装置配置100包括第一支承环106和第二支承环108，所述第一支承环106包括坚固的或刚性的材料例如金属，所述第二支承环108包括更软更有弹性的材料，优选地也具有低摩擦，以抵制所述填充件102的挤压。所述支承环106，108优选地紧密地嵌套在一起或具有良好的表面与表面接触以促进所述第二支承环108相对于表面的自紧负载。在一个实施例中，当对于动态密封施加无助于磨损或致动扭矩的增加时，所述第二支承环用于正常环境以减小或消除所述填充材料的挤压。在另一实施例中，所述填充件102包括耐火材料，其倾向于表现为挤压形式，所述第一支承环106包括高温耐火材料例如金属，其将会经受火灾使得维持在所述填充件上的火灾后负载，第TM二支承环108包括例如为塑料或聚合物的材料，例如，PEEK 以防止在正常使用期间的挤压。这些密封配置可用于静态密封施加，以及动态密封施加。
[0043] 参考图6，我们示出了可选的实施例。在这个示例中，除示出的以外，所有部分与所述第一实施例是相同的。除了使用所述螺栓凸缘44和分离金属环42之外，可使用公螺纹螺母或螺纹阀盖螺母200，其通过螺纹与在所述阀体12上的
螺纹孔202配合。因此在最终的阀组件期间使用所述螺纹阀盖螺母200将负载施加到所述填充件102和所述密封装置配置100上。
[0044] 参考示例性实施例描述本发明的各个方面。在阅读和理解本
说明书的情况下，也会在其他方面发生改进和变换。包括所有这种改进和变换范围都在附加权利要求或其等同的范围之内。
