隔膜阀及操作隔膜阀的方法与流程

1.本公开的实施方式涉及阀和操作阀的方法，并且更具体地涉及隔膜阀。


背景技术：

2.阀用于在各种应用中控制流体流动。一些阀包括入口端口和出口端口，其中有柔性隔膜位于端口之间并且邻近阀座定位。在操作中，隔膜抵靠阀座弯曲至关闭状态，以防止流体在入口端口与出口端口之间流动。隔膜远离阀座弯曲至打开状态，以使流体能够在端口之间流动。
3.一些在真空下操作的阀可能包括不期望的流动特性。因此，寻求用于在真空环境中提供流体流动控制的改进的阀和方法。


技术实现要素：

4.在一个实施方式中，提供了一种隔膜阀。隔膜阀包括：入口端口；出口端口；阀座，阀座靠近入口端口或出口端口中的一个；隔膜，隔膜相对于阀座来定位，隔膜具有打开状态，在打开状态中隔膜与阀座间隔开，以启用在入口端口与出口端口之间的流体路径，并且隔膜具有关闭状态，在关闭状态中隔膜位于阀座上，以阻挡流体路径；可往复运动构件，可往复运动构件耦接至隔膜并且构造为在打开位置与关闭位置之间过渡，打开位置将隔膜移动到打开状态，并且关闭位置将隔膜移动到关闭状态；及耦接构件，耦接构件耦接在隔膜与可往复运动构件之间。
5.在另一实施方式中，提供了一种隔膜阀。隔膜阀包括：入口端口；出口端口；阀座，阀座靠近入口端口或出口端口中的一个；隔膜，隔膜相对于阀座来定位，隔膜具有打开状态，在打开状态中隔膜与阀座间隔开，以启用在入口端口与出口端口之间的流体路径，并且隔膜具有关闭状态，在关闭状态中隔膜位于阀座上，以阻挡流体路径；可往复运动构件，可往复运动构件耦接至隔膜并且构造为在打开位置与关闭位置之间过渡，打开位置将隔膜移动到打开状态，并且关闭位置将隔膜移动到关闭状态；耦接构件，耦接构件耦接在隔膜与可往复运动构件之间；及插入件，插入件位于可往复运动构件与隔膜之间，插入件具有通道，其中耦接构件穿过通道。
6.在另一方面中，提供了一种操作隔膜阀的方法。方法包括以下步骤：将可往复运动构件移动到打开位置；响应于将可往复运动构件移动到打开位置，将隔膜拉动到打开状态，其中拉动步骤是通过利用耦接构件拉动隔膜来执行的，耦接构件耦接在可往复运动构件与隔膜之间；及将可往复运动构件移动到关闭位置，其中响应于将可往复运动构件移动到关闭位置，将隔膜移动到关闭状态。
7.根据本公开的这些和其他实施方式，提供了许多其他方面和特征。本公开内容的实施方式的其他特征和方面通过以下详细描述、权利要求书及附图将变得更加明显。
附图说明
8.下文描述的附图仅用于说明目的，并且不一定按比例绘制。附图无意以任何方式限制本公开的范围。将尽可能在所有附图中使用相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
9.图1a示出了根据所公开的实施方式的处于打开状态的隔膜阀(诸如超高纯度(ultra
‑
high purity,uhp)隔膜阀)的横截面侧视图。
10.图1b示出了根据所公开的实施方式的处于关闭状态的隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)的横截面侧视图。
11.图2a示出了根据所公开的实施方式的耦接至隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)的可往复运动构件的耦接构件的侧视图。
12.图2b示出了根据所公开的实施方式的耦接至隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)的隔膜的表面的耦接构件的侧视图。
13.图3a示出了根据所公开的实施方式的处于打开状态的隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)的隔膜的横截面侧视图。
14.图3b示出了根据所公开的实施方式的处于关闭状态的隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)的隔膜的横截面侧视图。
15.图4示出了根据所公开的实施方式的描绘操作隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)的方法的流程图。
具体实施方式
16.现在将详细参考在附图中示出的所提供的示例实施方式。除非另外特别指出，否则本文所述的各种实施方式的特征可彼此结合。
17.一些在高温和高真空下操作的阀已显示出了端口之间的流导减小。这种流导减小可能是由阀座与隔膜之间的运动引起的。在真空条件下，由端口中的流体施加在隔膜上的真空压力可能低于环境压力，而因此可能将隔膜拉向阀座。当隔膜处于打开状态时，阀座与隔膜之间的距离被真空压力减小，而因此可减小穿过阀的流导。
18.以下公开内容描述了超高纯度(uhp)隔膜阀，但是本文公开的概念和特征可应用于其他类型的阀，诸如其他类型的隔膜阀。uhp隔膜阀和其他阀可在低温或高温条件下、高真空条件下、或高温和高真空条件下操作。隔膜阀可包括入口端口和出口端口。入口端口和出口端口中的一个或两个可耦接至管线，该管线相对于隔膜阀的环境条件在真空下操作。
19.隔膜阀可包括位于腔室中的隔膜。入口端口和出口端口两者可流体耦接至腔室。阀座可位于隔膜附近，并且可包围入口端口或出口端口中的一个。隔膜可抵靠阀座密封，以关闭由阀座包围的端口，这阻挡了流体在入口端口与出口端口之间流动。在隔膜的该密封位置中，隔膜和隔膜阀被称为处于“关闭状态”。在另一位置中，隔膜可定位在与阀座相距一定距离的位置，以使流体能够在入口端口与出口端口之间流动。在隔膜的该位置中，隔膜和隔膜阀被称为处于“打开状态”。
20.当阀在高真空下操作时，入口端口和出口端口中的一个或两个耦接至真空源，该真空源相对于大气处于负压或真空。该压差在隔膜上施加力，以将隔膜拉向阀座。当隔膜处于打开状态时，该力可使隔膜变形，从而可能阻碍流体在入口端口与出口端口之间流动。阻
碍的流动在本文被称为阀的导通性(cv)的减小。在一些情况下，施加在打开状态下的隔膜上的力足够大，以至于该力可使隔膜变形或移动，从而隔膜抵靠阀座密封并且阻挡流体在入口端口与出口端口之间流动。
21.本文公开的改进的隔膜阀(诸如uhp隔膜阀)可以在当至少处于打开状态时防止隔膜在真空条件下移动或变形，因此提高了阀的整体导通性并且解决了现有技术的阀的低导通性问题。参照图1a至图4，描述了根据本公开的实施方式的改进的隔膜阀的各种实施方式的进一步细节。
22.图1a示出了根据所公开的实施方式的显示处于打开状态的隔膜阀100(诸如uhp隔膜阀)的实施方式的横截面侧视图。图1b示出了根据所公开的实施方式的显示处于关闭状态的隔膜阀100的实施方式的横截面侧视图。隔膜阀100包括主体102，入口端口104和出口端口106可耦接至主体102。在一些实施方式中，入口端口104和出口端口106可互换。入口管线104a可耦接至入口端口104，并且出口管线106a可耦接至出口端口106，每个管线可以是任何合适的导管。当隔膜阀100处于打开状态时，可形成流体路径108并且流体路径108可位于入口端口104与出口端口106之间。例如，流体路径108可至少部分地形成在腔室110内。腔室110可至少部分地由上壁112和下壁114来界定。
23.阀座116可位于下壁114附近并且可包围入口端口104。在一些实施方式中，阀座116可以至少一定程度地延伸穿过下壁114。在一些实施方式中，阀座116的至少一部分可从下壁114延伸并且延伸进入腔室110。阀座116可与入口端口104或出口端口106中的至少一个一体形成，或者可以是入口端口104或出口端口106中的至少一个的一部分(例如，围绕开口)。阀座116可由任何合适的材料制成，诸如金属或塑胶，例如，不锈钢、镍基钢合金；含镍、钼及铬合金；镍；全氟烷氧基(pfa)、聚氯三氟乙烯(pctfe)；聚酰亚胺(pi)；或其他相对于聚四氟乙烯(ptfe)的材料等。阀座116可由其他材料制成，并且可具有其他构造。
24.隔膜118可位于腔室110内，并且可在本文所述的打开状态与关闭状态之间移动。在图1a中示出的隔膜118被显示为处于打开状态，而在图1b中示出的隔膜118被显示为处于关闭状态。当隔膜118处于打开状态时(图1a)，隔膜118可至少部分地在入口端口104与出口端口106之间界定流体路径108。因此，隔膜118可控制流体在入口端口104与出口端口106之间流动的导通性。
25.隔膜118可由柔性且不透流体的材料构成，该材料允许隔膜118在腔室110内在打开状态与关闭状态之间移动或弯曲。在一些实施方式中，隔膜118可由金属构成，诸如具有耐腐蚀性并且在高温下操作时表现出高强度、延展性及良好疲劳寿命的合金。例如，该金属可包括钴
‑
铬
‑
镍合金，该合金可包括39
‑
41％的钴、19
‑
21％的铬、14
‑
16％的镍、11.3
‑
20.5％的铁、6
‑
8％的钼及1.5
‑
2.5％的锰。可使用其他合适的合金。在一些实施方式中，隔膜阀100可在20℃至500℃的温度范围中操作，尽管其他操作方案也是可能的。在一些实施方式中，隔膜118可由单一层的金属(例如，合金)构成。进一步，可用另一种材料来增强包括隔膜118的单一层金属。此外，隔膜118可由多层、叶片或重叠区域构成，诸如金属波纹管。隔膜118可由多于一种合金金属制成。隔膜118可由其他材料和其他材料配置制成。
26.隔膜118可包括外周缘118a、第一表面118b及第二表面118c。外周缘118a可密封到下壁114。例如，外周缘118a可诸如通过焊接、粘合剂等粘附到下壁114。在一些实施方式中，诸如套筒119等的刚性构件可机械地将外周缘紧固和密封到下壁114。在一些实施方式中，
可通过将隔膜118夹持在下壁114与套筒119之间，来将隔膜118固定到下壁114，套筒119可以是主体102的一部分或刚性地耦接至主体102。外周缘118a可被固定到下壁114，使得隔膜118牢固地定位于流体路径108上方，并且定位于入口端口104和/或出口端口106上方。隔膜118的中心部分可相对于例如阀座116(例如，在阀座116上方)来定位。
27.如图1a所示，当从第一表面118b观察时，即当隔膜118处于打开状态时，隔膜118可构造为偏置为大致凸形或更凸形。如图1a所示，当处于打开状态时，隔膜118的第一表面118b可定位于腔室110的上壁112附近或抵靠腔室110的上壁112。当隔膜118处于打开状态时，流体路径108最大化并且提供入口端口104与出口端口106之间的高导通(低阻力)。或者，如图1b所示，当隔膜118处于关闭状态时，隔膜118的第二表面118c可定位为抵靠或密封抵靠阀座116。因此，当隔膜118处于关闭状态时，流体路径108被至少部分地阻挡(与打开状态相比)，这防止/阻挡或基本上最小化或减小(与打开状态相比)流体在入口端口104与出口端口106之间流动。在描绘的实施方式的关闭状态下，隔膜118可完全或部分地阻挡入口端口104。在一些实施方式中，当隔膜118处于关闭状态时，隔膜118可完全或部分地阻挡入口端口104和出口端口106中的一个或两个。
28.隔膜阀100可进一步包括可往复运动构件122。可往复运动构件122可包括第一部分122a、第二部分122b及活塞122c。在一些实施方式中，第一部分122a可耦接至活塞122c或与活塞122c成一体，活塞122c从中心垂直地延伸到主体102的内表面102a。内表面102a可以是圆柱壁，并且活塞122c可操作地以密封方式抵靠圆柱壁滑动。可与第一部分122a成一体的可往复运动构件122的第二部分122b可定位于形成在主体102内(诸如在其套筒119内)的通道124内并且在通道124内往复运动。通道124可在主体102内(诸如在套筒119内)纵向延伸。可往复运动构件122可在通道124内在本文所述的打开位置(图1a)与关闭位置(图1b)之间过渡。
29.弹簧126(以无阴影的线示出)可位于活塞122c与主体102的壁102b之间。弹簧126可使可往复运动构件122和其活塞122c在方向d11上偏置至关闭状态。如图1b所示，由弹簧126施加的弹簧力可以足够大，以使得隔膜118弯曲到关闭状态。
30.可往复运动构件122可包括延伸穿过可往复运动构件122的第一部分122a的流体通道128。流体通道128可耦接至腔室130，腔室130至少部分地由活塞122c、内表面102a和套筒119形成。通过迫使流体(例如，干净的干燥空气)穿过流体通道128并且进入腔室130，在腔室130内产生了正流体压力(例如，正空气压力)。在腔室130中产生的压力迫使可往复运动构件122在方向d12上(例如，向上方向)远离阀座116并朝向打开位置。
31.可在通道124内并在可往复运动构件122的第二部分122b与隔膜118之间包括有插入件132。当可往复运动构件122在通道124中在打开状态与关闭状态之间过渡时，插入件132可构造为与可往复运动构件122一起移动。插入件132可在过渡到关闭状态期间减小对隔膜118的冲击力，这可延长隔膜寿命的寿命。插入件132可由例如金属或塑胶材料(诸如不锈钢、聚四氟乙烯(ptfe)或聚氯三氟乙烯(pctfe))、组合物等制成。
32.如图1a所示，当可往复运动构件122过渡到打开位置时，可往复运动构件122和插入件132在方向d12上远离阀座116过渡，从而允许隔膜118弯曲到打开状态。如图1b所示，当可往复运动构件122过渡到关闭位置时，可往复运动构件122和插入件132在通道124内在方向d11上朝向阀座116过渡，从而迫使隔膜118弯曲到关闭状态。
33.隔膜阀100可进一步包括耦接构件134，耦接构件134包括第一端134a和位于与第一端134a相对的第二端134b。耦接构件134可将隔膜118耦接至可往复运动构件122。插入件132可包括位于可往复运动构件122的第二部分122b与隔膜118之间延伸的通道136，耦接构件134可穿过该通道136被路由。如图1a所示，当可往复运动构件122过渡到打开位置时，耦接构件134可将隔膜118拉动到打开状态。额外地，当可往复运动构件122处于打开位置时，耦接构件134可拉动隔膜118，以防止或最小化隔膜118朝向阀座116的弯曲。因此，当隔膜阀100在真空条件下操作时，可往复运动构件122和耦接构件134可保持隔膜118处于打开状态。
34.耦接构件134的第一端134a可耦接至隔膜118上的位置138。在图1a和1b所示的实施方式中，位置138居中于隔膜118上，并且可以位于阀座116之上。例如，位置138可位于阀座116的中心点之上。在其他实施方式中，第一端134a可耦接至隔膜118上的数个位置和/或隔膜118的大区域。
35.耦接构件134的第二端134b可松弛地耦接至诸如可往复运动构件122的第二部分122b上或第二部分122b内的位置。在图1a和1b所示的实施方式中，第二端134b安装到可往复运动构件122的安装方式是松弛的安装连接，其提供了耦接构件134相对于可往复运动构件122和隔膜118的有限位移(例如，图1b的间隙d23)。耦接构件134相对于可往复运动构件122的松弛的安装提供了一些有限倾斜，当可往复运动构件122移动到关闭位置并且进入关闭位置时，该有限倾斜防止耦接构件134损坏(例如，刺穿)隔膜118。例如，当可往复运动构件122处于关闭位置时，耦接构件134不会从推动耦接构件134的可往复运动构件122对隔膜118施加任何明显的压缩力。然而，插入件132对隔膜118施加关闭力，其中该力实质上大于由耦接构件134施加的任何力。可由例如小直径的销或容纳在较大的孔140或孔洞中的其他构件在第二端134b处提供间隙d23。可提供用于提供间隙d23的其他合适的装置。
36.在一些实施方式中，耦接构件134可由刚性材料制成。在其他实施方式中，耦接构件134可由诸如缆线的柔性材料制成，或者有刚性和柔性材料的结合制成，使得其耦接构件134的静态屈曲强度非常低。在一些实施方式中，耦接构件134可由与隔膜118相同的材料制成和/或与隔膜118成一体。在其他实施方式中，耦接构件134和隔膜118可由不同材料形成。
37.图2a示出了作为替代实施方式的耦接构件234的侧视图，耦接构件234耦接在可往复运动构件122(以虚线示出)与隔膜(未示出)之间。例如，耦接构件234的第二端234b可经由容纳在第二部分122b的横孔242中的销241耦接至可往复运动构件122的第二部分122b。在图2a的实施方式中，耦接构件234的第二端234b可包括位于凹穴222p内的环形构件202。销241可穿过环形构件202上的较大孔洞，并且可固定在可往复运动构件122的第二部分122b中。例如，可使用一个或多个固定螺丝或任何其他紧固件(未示出)，将销241固定在可往复运动构件122内。固定螺丝或紧固件可相对于可往复运动构件122定位，以便不妨碍可往复运动构件122在通道124内的运动(图1a)。例如，固定螺丝(现示出)可凹入可往复运动构件122的外表面内，并且可将销241固定在可往复运动构件122内。在一些实施方式中，销241可以是螺丝或其他紧固件。
38.如图2a所示，销241的外径可小于环形构件202的内径。直径的差使得耦接构件134相对于销241和可往复运动构件122移动或移位。环形构件202可以在第一方向d21上相对于可往复运动构件122提供耦接构件134的有限间隙d23的方式与销241接合。环形构件202同
样可以在与第一方向d21正交的第二方向d22之间提供位移(例如，间隙d23)的方式与销241接合。在一些实施方式中，间隙d23可介于隔膜118的运动的2％与15％之间。在一些实施方式中，间隙d23可介于隔膜118的运动的2％与12％之间。间隙d23可具有其他值。
39.当隔膜118(图1a)处于打开状态时，由环形构件202和销241提供的耦接构件134的有限位移允许隔膜118在操作条件下的位移，而同时在隔膜118与阀座116之间至少保持最小距离。用于打开和关闭状态的隔膜位移可略小于环形构件202和销241之间的位移，以防止可能引起隔膜118、销241及/或环形构件202的材料应力的接触张力。
40.例如，当隔膜118处于打开状态时，销241可以在方向d12上拉动环形构件202。在不将隔膜118不断地拉动到插入件132中的情况下，可能存在小堆迭公差。当隔膜118处于关闭状态时，销241可以不压在环形构件202的边缘(例如，底边缘)上，以便避免在耦接构件234上产生任何压缩力。当隔膜118处于关闭状态时，由环形构件202和销241提供的耦接构件234的间隙d23可确保耦接构件234不会损坏隔膜118。例如，当可往复运动构件122过渡到关闭状态时，间隙d23(倾斜)可防止耦接构件234损坏(例如，刺穿)隔膜118。
41.如图2a所示，通道136的直径可大于耦接构件234的直径。在耦接构件134、234包括柔性构件(诸如缆线)的实施方式中，耦接构件134、234的位移可至少部分地发生在通道136及/或凹穴222p内。例如，当可往复运动构件122处于关闭位置时，耦接构件134、234中的松弛可存在于通道136内。
42.图2b示出了耦接构件234的横截面侧视图，耦接构件234耦接至位于隔膜118的第二表面118c上的位置238。耦接构件234在方向d12上延伸穿过隔膜118的第一表面118b并且延伸朝向可往复运动构件122。在一些实施方式中，可将耦接构件234的第一端234a焊接到位于隔膜118的第一表面118b或第二表面118c(如图所示)上的位置238。可使用其他合适的机构将耦接构件234附接到隔膜118。
43.如图1a所示，当可往复运动构件122处于打开位置并且隔膜118处于打开状态时，耦接构件134可以在方向上d12拉动隔膜118。通过拉动隔膜118，耦接构件134可抵消在朝向阀座116的方向d11上拉动隔膜118的真空条件。例如，耦接至入口管线104a或出口管线106a中的一个或两个的真空源可对隔膜118施加力，以将隔膜118拉向阀座116。因此，当可往复运动构件122处于打开位置时，在隔膜118与阀座116之间可保持最小距离。在一些实施方式中，当隔膜118处于介于约1.0毫托与500托之间的真空条件下时，在隔膜118与阀座116之间可保持最小距离。在一些实施方式中，当隔膜阀100处于打开状态时，最小距离范围可提供至少0.8cv的最小阀系数。例如，最小距离例如可以在0.5mm至1.5mm的范围内或在0.9mm至1.0mm的范围内。隔膜阀100可在其他条件下操作。例如，隔膜阀100的打开状态可包括一系列状态，该一系列状态包括部分打开状态和完全打开状态。
44.如图1b所示，当可往复运动构件122处于关闭位置并且隔膜118处于关闭状态时，插入件132可在方向d11上推动隔膜118的第一表面118b。由插入件132提供给隔膜118的力可将隔膜118的第二表面118c密封抵靠阀座116。例如，当腔室130没有正流体压力时，由弹簧126施加的弹力可提供在方向d11上作用在插入件132上的力。当隔膜阀100处于关闭状态时，该力可完全关闭流体路径108，并且防止流体在入口端口104与出口端口106之间的任何流动。因此，弹簧126提供常闭阀状态。
45.图3a示出了根据所公开的实施方式的处于打开状态的耦接至隔膜118的耦接构件
234的横截面侧视图。在图3a的实施方式中，耦接构件234的第一端234a耦接至位于隔膜118的第一表面118b上的位置238。耦接构件234在方向d12上朝向可往复运动构件(未示出)延伸。当隔膜118处于打开状态时的源自入口端口104及/或出口端口106内的真空力可由耦接构件234抵消。例如，耦接构件234可以在方向d12上拉动隔膜118。因此，耦接构件234可限制由真空力导致的隔膜118在方向d11上朝向阀座116被拉动多远。因此，耦接构件234可在隔膜118与阀座116之间保持最小距离d31(例如，预定最小距离)。最小距离d31可大于或等于大约1.0mm，以便最小化流量限制。
46.图3b示出了耦接至隔膜118的耦接构件234的实施方式的横截面侧视图，其中隔膜118处于关闭状态。在图3b的实施方式中，插入件132(以虚线示出)在方向d11上对隔膜118施加力，该力使隔膜118弯曲或变形，使得隔膜118的第二表面118c密封抵靠阀座116。耦接构件234与隔膜118之间的间隙d23可防止耦接构件234损坏(例如，刺穿)隔膜118。
47.图4示出了根据所公开的实施方式的描绘操作隔膜阀(例如，隔膜阀100)的方法400的流程图。该方法包括(在402处)将可往复运动构件(例如，可往复运动构件122)移动到打开位置。该方法包括(在404处)响应于将可往复运动构件移动到打开位置，将隔膜(例如，隔膜118)拉动到打开状态，其中通过利用耦接在可往复运动构件与隔膜之间的耦接构件(例如，耦接构件134、234)拉动隔膜，来执行拉动操作。该方法包括(在406处)将可往复运动构件移动到关闭位置，其中响应于将可往复运动构件移动到关闭位置，将隔膜移动到关闭状态。
48.应容易理解的是，本公开易于广泛使用和应用。在不脱离本公开的实质或范围的情况下，除了本文所述的实施方式和改动之外，本公开内容的许多实施方式和改动以及许多变化、修改及等效布置将根据从本公开内容及其上述描述而显而易见的或由其合理建议。因此，尽管在本文已针对特定实施方式详细描述了本公开内容，但是应理解的是，本公开内容仅是说明性的，并且呈现了本公开的示例，并且这仅是出于提供完整和可行公开内容的目的来进行的。本公开内容不旨在限制于所公开的特定设备和/或方法，相反地，本公开内容旨在涵盖落入权利要求书内的所有修改、等效物及替代物。