CN113223893B - 一种耐高温膜盒式压力开关 - Google Patents

Abstract

一种耐高温膜盒式压力开关，解决现有压力开关不耐高温、精度低的问题，包括从右至左依次连接的接管嘴、壳体、外套螺母、微动开关和插座，接管嘴设置高压流道和第一空腔，第一空腔内设有膜盒组件，膜盒组件包括底座、膜盒和盖板，底座包括受压板和顶触杆，顶触杆套设有膜盒，膜盒由多组金属碟形膜片组成，壳体设置第二空腔，第二空腔内设有碟簧组件和顶杆，顶杆包括顶压座和顶压杆，顶压座设有球形凹槽，球形凹槽与顶触杆的球形结构配合，第二空腔内壁设置凸缘，碟簧组件由多片碟簧组合而成，外套螺母包括外套筒、导向套筒、环形盖板，顶压杆自由端可以触发微动开关的触发杆，插座与微动开关电连接，可将微动开关的开关电信号传递给控制***。

Description

一种耐高温膜盒式压力开关

技术领域

本发明涉及一种工作介质为高温燃气的膜盒式压力开关。

背景技术

在火箭姿控动力***中，需要使用一种将压力维持在设定范围内的开关来满足发动机的工作要求。例如，一种火箭姿控发动机增压***需要配套一种机械式压力开关，工作介质为200℃的高温燃气，***工作过程中当***压力达到4.0MPa时，压力开关导通，控制器控制电动泵停止工作，当***压力低于3.9MPa时，压力开关断开，控制器控制电动泵开始工作为***增压。姿控发动机增压***通过压力开关-控制器-电动泵组成的压力闭环控制***维持***压力稳定在3.9MPa～4.0MPa。

在现有技术中，多采用传统的电子式压力传感器作为感压元件，但其耐受高温介质环境的适应性差，精度容易受环境影响；而一般的机械膜盒式压力开关中采用膜片作为感压元件，膜片采用橡胶或金属材料，然而橡胶材料不耐高温，采用金属材料的膜片的压力开关精度低，然而火箭发动机增压***一般要求压力开关的精度在0.1MPa～0.15MPa，一般的膜盒式压力开关的精度达不到，也不能满足火箭姿控发动机增压***的使用要求。

发明内容

本发明为解决现有技术存在压力开关不耐高温、精度低的问题，提出了一种耐高温膜盒式压力开关。

本发明的技术解决方案是：

一种耐高温膜盒式压力开关，其特殊之处在于：包括从右至左依次连接的接管嘴、壳体、外套螺母、微动开关和插座；

所述接管嘴设置相通的高压流道和第一空腔，所述第一空腔内设有膜盒组件；

所述膜盒组件包括底座、膜盒和盖板，所述盖板与接管嘴的第一空腔端面内侧固定连接；

所述底座包括受压板和垂直固定在受压板中部的顶触杆，所述受压板与第一空腔的内壁面配合，所述受压板设于高压流道与所述第一空腔相连通的出口端，所述顶触杆穿过盖板上开设的中心孔且其端部为球形结构，所述顶触杆的杆部套设有所述膜盒，所述膜盒设置在盖板与受压板之间，所述膜盒由多组固定连接的金属碟形膜片组合而成；

所述壳体与接管嘴固定连接，所述壳体设置第二空腔，所述第二空腔内设有碟簧组件和顶杆；

所述顶杆包括顶压座和垂直固定在顶压座一端中部的顶压杆，所述顶压座的另一端面与所述盖板配合且中心设置球形凹槽，所述球形凹槽与顶触杆的球形结构配合，所述顶压座的外周面与壳体内壁面配合且滑动连接；

所述第二空腔内壁设置凸缘；

所述碟簧组件设置在顶压座和顶压杆的衔接环面与凸缘之间，所述碟簧组件由多片碟簧组合而成；

所述外套螺母包括同轴设置的外套筒、导向套筒，所述外套筒和导向套筒在远离壳体一端，两者的端面之间通过环形盖板连接；

所述顶压杆与所述导向套筒内壁滑动连接，其自由端可以触发所述微动开关的触发杆；

所述插座与微动开关电连接，用于将微动开关的开关电信号传递给控制***。

进一步地，所述第二空腔内还设有圆柱弹簧；

所述外套筒内壁面与壳体外壁面采用螺纹连接；

所述圆柱弹簧套设在所述导向套筒上；这样，通过调节外套筒与壳体的螺纹连接长度，外套螺母对圆柱弹簧压缩量进行调节，从而调节该压力开关的触发压力。

所述顶压座和顶压杆的衔接环面包括第一台阶面和第二台阶面，所述第二台阶面位于第一台阶面内侧；

所述碟簧组件设置在第一台阶面与凸缘之间，所述圆柱弹簧安装在环形盖板与第二台阶面之间。

进一步地，还包括插座法兰、开关支架；

所述微动开关固定设置在开关支架内，所述开关支架固定设置在插座法兰的内腔，所述插座法兰上固定连接插座；

所述开关支架、插座法兰同侧均固定连接在环形盖板上。

进一步地，还包括锁紧螺母，所述锁紧螺母通过螺纹与壳体外壁连接，且与外套筒的端面配合，锁紧螺母用于对外套螺母调整完成后进行锁紧，防止在压力开关使用过程中外套螺母和壳体之间的螺纹连接处松动影响压力开关的触发压力。

进一步地，所述圆柱弹簧(4)、碟簧组件(3)、微动开关(13)、顶压杆(112)、导向套筒(72)、顶触杆(212)、盖板(23)以及膜盒(22)之间满足以下关系式：

其中：Δp为压力开关的精度；

k为圆柱弹簧的刚度与碟簧组件的刚度之和；

ΔH为微动开关的差动行程；

F_m为顶压杆与导向套筒内壁的摩擦力，顶触杆与盖板中心孔内壁的摩擦力，两者之和；

A为膜盒的感压面积。

进一步地，所述碟簧组件由片碟簧组成。

进一步地，所述膜盒由组固定连接的金属碟形膜片组成，有利于增大压力开关的动作行程和提高压力开关的精度。

进一步地，所述顶触杆的杆部包括台阶，所述台阶位于盖板与受压板之间，台阶起到对顶触杆限位的作用。

进一步地，所述膜盒(22)的材料为不锈钢，耐高温耐腐蚀。

本发明与现有技术相比，其有益效果如下：

(1)本发明中膜盒采用多个组合而成的金属蝶形膜片作为敏感元件，碟簧组件作为加载元件，当工作***压力达到调定的触发压力时，通过膜盒组件的底座在高温燃气压力的作用下，使得顶触杆推动顶杆，顶杆克服碟簧组件的弹力向前运动，直到顶杆端部触到微动开关的触发杆，使得微动开关导通，微动开关导通后将电信号传递给控制器，控制***降压；当***压力降低到调定的断开压力时，碟簧组件克服高压对膜盒组件上的作用力，带动顶杆向脱开微动开关触发杆的方向运动，使得微动开关断开，微动开关断开后将电信号传递给发动机的控制器，给***增压；按照以上工作过程循环，控制***维持***压力稳定在调定的断开压力与触发压力之间；

本发明中蝶簧组件由多个碟簧组合，通过调整碟簧的个数，调整碟簧的压缩率，实现调整压力开关的触发压力，拓展了压力开关的工作压力范围；多组金属蝶形膜片作为敏感元件，适应高温介质环境，且其刚度小，保证精度不受盒的影响，实现压力开关在高温环境保持高精度；采用微动开关作为开关元件，微动开关在其内部瞬动机构的作用下，开关触点能快速切换，动作灵敏；本发明实现压力开关工作动作迅速，适应高温介质环境且保证精度。

(2)本发明中加载元件采用圆柱弹簧和碟簧组件，碟簧可以对压力开关的触发压力进行粗调，圆柱弹簧可以对压力开关的触发压力进行精调，碟簧和圆柱弹簧的并联结构一方面增大了压力开关的应用范围，另一方面有利于对压力开关的触发压力精确调节。

(3)该膜盒式压力开关结构简单可靠，耐高温环境适应性好，精度高除可在导弹武器液体火箭发动机增压***应用外，在其它空间飞行器动力***、卫星姿控推进***及太空飞行器辅助动力装置等相关领域可推广使用。

附图说明

图1为本发明耐高温膜盒式压力开关实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的膜盒组件结构示意图；

图3为本发明实施例的碟簧结构示意图；

图4为本发明实施例的顶杆结构示意图；

附图标记：1-接管嘴、101-高压流道、2-膜盒组件、21-底座、211-受压板、212-顶触杆、2121-台阶杆、22-膜盒、23-盖板、3-碟簧组件、4-圆柱弹簧、5-锁紧螺母、6-壳体、610-第二空腔、611-凸缘、7-外套螺母、71-外套筒、72-导向套筒、73-环形盖板、8-插座法兰、9-垫片、10-插座、11-顶杆、111-顶压座、112-顶压杆、1131-第一台阶面、1132-第二台阶面、114-球形凹槽、12-开关支架、13-微动开关。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1-4所示，一种火箭姿控发动机增压***需要配套压力开关，工作介质为200℃的高温燃气，工作过程中***压力需稳定在3.9MPa～4.0MPa，该压力开关为一种膜盒式压力开关，包括从右至左依次连接的接管嘴1、壳体6、外套螺母7、微动开关13和插座10，接管嘴1设置相通的高压流道101和第一空腔，第一空腔内设有膜盒组件2；

膜盒组件2包括底座21、膜盒22和盖板23，膜盒22作为感压元件，底座21与第一空腔的内壁面配合，盖板23与接管嘴1的第一空腔的内壁面通过焊接方式固定连接；膜盒22由7组固定连接的金属碟形膜片焊接而成，碟形膜片的材料为不锈钢，可以耐受400℃以上的高温介质环境；

底座21包括受压板211和垂直固定在受压板211中心的顶触杆212，受压板211设于高压流道101的出口端，顶触杆212穿过盖板23的中心孔且其端部为球形结构，顶触杆212的杆部套设有膜盒22，膜盒22通过激光焊接工艺安装在盖板23与受压板211之间，膜盒22由7组焊接的金属碟形膜片组成，膜盒组件2是感压元件，其作用是感受从接管嘴1的高压流道101中高温燃气的压力，当***压力达到压力开关的触发压力时，膜盒组件2的底座21在高温高压燃气的作用下会压缩膜盒22运动，底座21可以进行1mm以上运动距离；

壳体6通过螺钉与接管嘴1固定连接，壳体6设置第二空腔610，第二空腔610内设有碟簧组件3、圆柱弹簧4和顶杆11；顶杆11包括固定连接的顶压座111和垂直固定在顶压座111中心的顶压杆112，顶压座111的另一端面与盖板23配合且中心设置球形凹槽114，球形凹槽114与顶触杆212的球形结构配合，这种球形接触面可有效防止顶杆11运动时卡死，顶压座111的外周面与壳体6内壁面配合且滑动连接，顶杆11安装于膜盒组件2的运动方向上，用于传递膜盒组件底座21的位移和作用力；第二空腔610的内壁设置凸缘611，碟簧组件3由4片碟簧叠在一起组合；

外套螺母7包括同轴设置的外套筒71、导向套筒72，外套筒71和导向套筒72在远离壳体6一端，两者的端面之间通过环形盖板73连接；外套筒71内壁面与壳体6外壁面采用螺纹连接；

圆柱弹簧4套设在导向套筒71上，通过调节外套筒71与壳体6的螺纹连接长度，可以调节外套螺母7对圆柱弹簧4压缩量，从而调节触发压力；

顶压杆112与导向套筒72内壁滑动连接，导向套筒72内壁起到对顶杆11运动的导向作用；

顶压杆112的自由端可以触发微动开关13的触发杆杆，插座10与微动开关13通过导线连接，用于将微动开关13的开关电信号传递给控制***；

顶压座111和顶压杆112的衔接环面包括第一台阶面1131和第二台阶面1132，第二台阶面1132位于第一台阶面1131内侧；

碟簧组件3设置在第一台阶面1131与凸缘611之间，圆柱弹簧安装在环形盖板73与第二台阶面1132之间，顶压座111和第一台阶面1131；

碟簧3和圆柱弹簧4并联使用，共同为顶杆11提供作用力，碟簧3用于对该压力开关的触发压力进行粗调，圆柱弹簧4用于对该压力开关的触发压力进行精确调节，碟簧3和圆柱弹簧4的并联结构一方面增大了压力开关的应用范围，另一方面有利于对压力开关的触发压力精确调节。

其中，该膜盒式压力开关还包括插座法兰8、开关支架12；

微动开关13通过两个螺钉安装固定在开关支架12内，开关支架12上用于安装微动开关13的安装孔为腰子形孔，腰子形孔的设置可以用于调整微动开关13的安装高度，以保证压力开关工作时微动开关13可以被顶杆11可靠触发；

开关支架12固定设置在插座法兰8的内腔，插座法兰8上固定连接插座10；

开关支架12、插座法兰8均通过螺钉固定在环形盖板73上，开关支架12用于安装固定微动开关13，插座法兰8一方面用于对微动开关13进行防护，另一方面用于安装固定插座10，插座10和插座法兰8之间通过垫片9密封，插座10通过和微动开关13之间焊接的两根导线将微动开关13的开关电信号传递给控制***。

其中，该膜盒式压力开关还包括锁紧螺母5，锁紧螺母5通过螺纹与壳体6外壁连接，且与外套筒71的端面配合，锁紧螺母5用于对外套螺母7进行锁紧，防止在压力开关使用过程中外套螺母7和壳体6之间的螺纹连接处松动影响压力开关的触发压力。

其中，顶触杆212的杆部包括台阶2121，台阶2121位于盖板23与受压板211之间，起到对顶触杆限位的作用。

其中，压力开关触发压力和断开压力之间的差值是压力开关的精度，压力开关的精度是压力开关的重要性能参数；

该耐高温膜盒式压力开关的精度Δp的表达式为：

其中：k为圆柱弹簧4的刚度与碟簧组件3的刚度之和；

ΔH为微动开关13的差动行程；

F_m为顶压杆112与导向套筒72内壁的摩擦力，顶触杆212与盖板23中心孔内壁的摩擦力，两者之和；

A为膜盒22的感压面积；

火箭姿控发动机增压***对压力开关的精度有较高的要求，一般要求压力开关的精度在0.1MPa～0.15MPa，该耐高温膜盒式压力开关的精度可以达到0.1Mpa，满足火箭姿控发动机增压***需要配套压力开关的精度要求。

工作原理：火箭发动机增压***用压力开关的工作介质为200℃的高温燃气，当增压***的工作压力达到压力开关调定的触发压力4.0MPa时，膜盒组件的底座21在高温燃气压力的作用下推动顶杆11克服圆柱弹簧4及碟簧组件3的弹力向前运动，顶杆11运动1mm后触动微动开关13的触发杆使得微动开关13导通，微动开关13导通后将电信号传递给发动机的控制器，控制器控制电动泵停止工作；电动泵停止工作后，增压***的压力会缓慢下降，当***压力降低到3.9MPa时，达到了该耐高温膜盒式压力开关的断开压力，圆柱弹簧4和碟簧组件3克服高温燃气作用在膜盒组件2上的作用力，带动顶杆11向脱开微动开关13的触发杆的方向运动，使得微动开关13断开，微动开关13断开后将电信号传递给发动机的控制器，控制器控制电动泵开始工作，给***增压；按照以上工作过程循环，液体火箭发动机增压***通过压力开关-控制器-电动泵组成的压力闭环控制***维持***压力稳定在3.9MPa～4.0MPa之间。

该耐高温膜盒式压力开关在壳体6的第二空腔610内同时圆柱弹簧和碟簧，可以使压力开关的触发压力为0.5MPa-5MPa，拓展了压力开关的应用范围。

该耐高温膜盒式压力开关还可以有其他实施方式，不同之处仅在于：在壳体6的第二空腔610内仅安装碟簧组件3，调整碟簧组件3的个数和压缩率，可以使该耐高温膜盒式压力开关的触发压力在1MPa～4MPa之间调整。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：包括从右至左依次连接的接管嘴(1)、壳体(6)、外套螺母(7)、微动开关(13)和插座(10)；

所述接管嘴(1)设置相通的高压流道(101)和第一空腔，所述第一空腔内设有膜盒组件(2)；

所述膜盒组件(2)包括底座(21)、膜盒(22)和盖板(23)，所述盖板(23)与接管嘴(1)的第一空腔端面内侧固定连接；

所述底座(21)包括受压板(211)和垂直固定在受压板(211)中部的顶触杆(212)，所述受压板(211)与第一空腔的内壁面配合，所述受压板(211)设于高压流道(101)与所述第一空腔相连通的出口端，所述顶触杆(212)穿过盖板(23)上开设的中心孔且其端部为球形结构，所述顶触杆(212)的杆部套设有所述膜盒(22)，所述膜盒(22)设置在盖板(23)与受压板(211)之间，所述膜盒(22)由多组固定连接的金属碟形膜片组合而成；

所述壳体(6)与接管嘴(1)固定连接，所述壳体(6)设置第二空腔(610)，所述第二空腔(610)内设有碟簧组件(3)和顶杆(11)；

所述顶杆(11)包括顶压座(111)和垂直固定在顶压座(111)一端中部的顶压杆(112)，所述顶压座(111)的另一端面与所述盖板(23)配合且中心设置球形凹槽(114)，所述球形凹槽(114)与顶触杆(212)的球形结构配合，所述顶压座(111)的外周面与壳体(6)内壁面配合且滑动连接；

所述第二空腔(610)内壁设置凸缘(611)；

所述碟簧组件(3)设置在顶压座(111)和顶压杆(112)的衔接环面与凸缘(611)之间，所述碟簧组件(3)由多片碟簧组合而成；

所述外套螺母(7)包括同轴设置的外套筒(71)、导向套筒(72)，所述外套筒(71)和导向套筒(72)在远离壳体(6)一端，两者的端面之间通过环形盖板(73)连接；

所述顶压杆(112)与所述导向套筒(72)内壁滑动连接，其自由端可以触发所述微动开关(13)的触发杆；

所述插座(10)与微动开关(13)电连接，用于将微动开关(13)的开关电信号传递给控制***。

2.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：所述第二空腔(610)内还设有圆柱弹簧(4)；

所述外套筒(71)内壁面与壳体(6)外壁面采用螺纹连接；

所述圆柱弹簧(4)套设在所述导向套筒(72)上；

所述顶压座(111)和顶压杆(112)的衔接环面包括第一台阶面(1131)和第二台阶面(1132)，所述第二台阶面(1132)位于第一台阶面(1131)内侧；

所述碟簧组件(3)设置在第一台阶面(1131)与凸缘(611)之间，所述圆柱弹簧(4)安装在环形盖板(73)与第二台阶面(1132)之间。

3.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：还包括插座法兰(8)、开关支架(12)；

所述微动开关(13)固定设置在开关支架(12)内，所述开关支架(12)固定设置在插座法兰(8)的内腔，所述插座法兰(8)上固定连接插座(10)；

所述开关支架(12)、插座法兰(8)同侧均固定连接在环形盖板(73)上。

4.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：还包括锁紧螺母(5)，所述锁紧螺母(5)通过螺纹与壳体(6)外壁连接，且与外套筒(71)的端面配合。

5.如权利要求2所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：所述圆柱弹簧(4)、碟簧组件(3)、微动开关(13)、顶压杆(112)、导向套筒(72)、顶触杆(212)、盖板(23)以及膜盒(22)之间满足以下关系式：

其中：Δp为压力开关的精度；

k为圆柱弹簧(4)的刚度、碟簧组件(3)的刚度以及膜盒(22)刚度，三者之和；

ΔH为微动开关(13)的差动行程；

F_m为顶压杆(112)与导向套筒(72)内壁的摩擦力以及顶触杆(212)与盖板(23)中心孔内壁的摩擦力之和；

A为膜盒(22)的感压面积。

6.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：所述碟簧组件(3)由4片碟簧组成。

7.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：所述膜盒(22)由7组固定连接的金属碟形膜片组成。

8.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：所述顶触杆(212)的杆部包括台阶(2121)，所述台阶(2121)位于盖板(23)与受压板(211)之间。

9.如权利要求1所述的耐高温膜盒式压力开关，其特征在于：所述膜盒(22)的材料为不锈钢。

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