CN114198545A

CN114198545A - 二级减压阀

Info

Publication number: CN114198545A
Application number: CN202010910667.0A
Authority: CN
Inventors: 徐静云; 顾佳敏; 蒋宁涛; 秦志荣; 冯晓; 吴泽宇
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本申请提供一种二级减压阀，其包括：壳体，所述壳体内设有通过中间通道流体连通的第一内腔和第二内腔，以及气体进入通道和气体排出通道，所述气体进入通道与所述第一内腔流体连通，且所述气体排出通道与所述第二内腔流体连通；第一阀组件，所述第一阀组件容纳在所述第一内腔中，且被配置成将来自所述气体进入通道的气体减压并输送到所述中间通道；第二阀组件，所述第二阀组件容纳在所述第二内腔中，且被配置成将来自所述中间通道的气体减压并输送到所述气体排出通道。本申请的二级减压阀可以提高减压阀的可靠性，并延长减压阀的使用寿命。

Description

二级减压阀

技术领域

本申请涉及一种减压阀，尤其涉及一种用于存在较大压差的供气管路中降低出口气压的减压阀。

背景技术

减压阀(也被称为稳压阀)被广泛用于各种供气管路中，一般是通过控制阀体内的启闭件的开度来调节气体的流量，从而将较高的入口气压调节至较低的出口气压，并使出口气压稳定保持在一定范围内。在存在较大压差的管路中，例如，燃料电池的氢气供应管路，氢气储罐内的气压高达35MPa以上，而燃料电池的质子交换膜所需的氢气的正常工作气压为0.1至0.2Mpa，因此，需经过减压过程。

现有的减压阀(例如，活塞式减压阀)通常利用阀芯与阀座之间表面的接触和分离来实现启闭，并通过弹簧来调节两者之间的开度以实现减压。在出口气压可能发生较大变化的应用中，减压阀的弹簧通常是可调节的，因此，通过调节弹簧的弹力可以调节出口气压的变化而尽可能维持设定的出口气压。然而，这种调节很难及时地适应出口气压的变化，而且还需要在减压阀的壳体上安装调节装置，由此带来可靠性等问题。另外，现有技术中也存在采用两个减压阀串联来适应出口压力的方案，然而，这些串联方案需要相应的管路连接等，而带来安装、密封和维护等问题。

此外，就单个减压阀而言，在没有气压负载时，现有减压阀的阀芯和阀座在弹簧的作用下保持最大开度。因此，在高压气体进入的初始阶段，气体的瞬时高压会立即作用在运动部件上，给运动部件施加较大的应力。如果经过长时间工作，阀芯移动、气压和热载荷造成了密封圈的磨损、疲劳、老化和变形，从而导致密封功能降级。初始阶段瞬间进入的高压可能导致气体泄露或增大气体泄露的风险，进而影响减压阀的使用寿命，且可能带来安全隐患等。

应指出的是，除燃料电池领域之外，在采用减压阀来控制气体供应的其它领域，同样存在着上述的问题，例如，石油、化工、医药、食品等行业领域。

因此，需要一种改进的减压阀，以提高减压阀的可靠性。

发明内容

本申请的目的在于提出一种改进的减压阀，以克服现有技术中存在的至少一项上述的技术问题。

为此，根据本申请的一方面，提供一种二级减压阀，其包括：壳体，所述壳体内设有通过中间通道流体连通的第一内腔和第二内腔，以及气体进入通道和气体排出通道，所述气体进入通道与所述第一内腔流体连通，且所述气体排出通道与所述第二内腔流体连通；第一阀组件，所述第一阀组件容纳在所述第一内腔中，且被配置成将来自所述气体进入通道的气体减压并输送到所述中间通道；第二阀组件，所述第二阀组件容纳在所述第二内腔中，且被配置成将来自所述中间通道的气体减压并输送到所述气体排出通道。

本申请的二级减压阀可以通过在同一壳体内的两个阀组件实现二级减压，从而可以提高减压阀的可靠性，并延长减压阀的使用寿命。

附图说明

下面将参照附图对本申请的示例性实施例进行详细描述，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本申请，而不是对本申请范围的限制，在附图中：

图1是根据本申请的实施例的二级减压阀的示意性剖视图；

图2是处于工作状态的图1所示的二级减压阀的示意性剖视图；

图3是图2所示的二级减压阀的阀芯的受力分析示意图；

具体实施方式

下面结合示例详细描述本申请的优选实施例。在本申请的实施例中，以用于供氢***的二级减压阀为例对本申请进行描述。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在不同的附图中，相同的部件用相同的附图标记表示，且为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本申请的二级减压阀不可包括其它部件。应当理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本申请的限制。

下面参照图1来描述本申请的二级减压阀。如图1所示，本申请的二级减压阀包括：壳体100，其内设有通过中间通道50流体连通的第一内腔14和第二内腔74，以及气体进入通道11和气体排出通道62，其中，气体进入通道11与第一内腔14流体连通，且气体排出通道62与第二内腔74流体连通；第一阀组件1，如图1中所示的右侧虚线框所示，其容纳在第一内腔14中，且被配置成将来自气体进入通道11的气体减压并输送到中间通道50；和第二阀组件2，如图1中所示的左侧虚线框所示，其容纳在第二内腔74中，且被配置成将来自中间通道50的气体减压并输送到气体排出通道62。

如图2所示，来自气体进入通道11的高压气体(如图2中的实心箭头所示)首先进入第一阀组件1，即进入第一内腔14，并通过第一阀组件1的减压而成为中间压力的气体(如图2中的带阴影线的箭头所示)，输出到中间通道50的通道入口12。然后，中间压力的气体经过中间通道50的通道出口61进入第二阀组件2，即进入第二内腔74，并通过第二阀组件2的减压而成为低压气体(如图2中的空心箭头所示)，输出到气体排出通道62，从而提供给下一装置(例如，燃料电池的反应室)。

这样，通过在同一壳体内形成两个阀组件，避免了相关部件的安装、连接等，可以提高可靠性。另外，通过从气体进入通道11的气压到气体排出通道62的气压之间的二级减压，使得第一阀组件1输出中间压力的气体，然后该中间压力的气体被输送到第二阀组件2中，并从第二阀组件2输出降低压力的气体。通过二级减压，可以使每一级阀组件所承受的压力冲击减弱，从而减轻对阀组件的各部件的损坏，延长使用寿命。

应指出的是，在图1所示的实施例中，第一阀组件1和第二阀组件2为不同的阀组件，其中第一阀组件1为根据本申请的实施例的阀组件，而第二阀组件2为常规的活塞式减压阀的阀组件。然而，根据本申请的构思，两个阀组件可以是相同或不同的阀组件。例如，两个阀组件可以都是常规的活塞式减压阀的阀组件，且通过形成在同一壳体内，同样可以提高可靠性和延长使用寿命。由于图1中的第二阀组件2被示为常规的阀组件，本文不再对其结构进行过多的描述。当然，也可以与图1和2所示的相反，第一阀组件2为根据本申请的实施例的阀组件，而第二阀组件1为常规的阀组件，或者两个阀组件都是根据本申请的实施例的阀组件。

根据本申请的实施例的阀组件，即图1和2中所示的第一阀组件，是为了提高阀组件的可靠性和延长使用寿命而提出的改进。

如图1和2所示，本申请的二级减压阀的第一阀组件1包括阀芯20和弹簧30。阀芯20容纳在第一内腔14中，且阀芯20的外表面被配置成能够沿第一内腔14的内表面气密地移动。阀芯20包括第一端以及与第一端相反的第二端。在图1中，阀芯20的第一端为下端。弹簧30容纳在形成于壳体100中的第一弹簧室21中，且对阀芯20施加弹力。第一内腔14通过第一进入通道接收气体并通过第一排出通道输出气体。在图1和2所示的实施例中，第一阀组件1的第一进入通道就是壳体100的气体进入通道11，且第一阀组件1的第一排出通道就是中间通道50的通道入口12。

如图1和2所示，第一内腔14中设有阀座40，阀座40被设置成与阀芯20的第一端相对。第一进入通道与第一内腔14通过阀座40的第一通孔41流体连通，其中第一通孔41的横截面积小于第一进入通道(即，气体进入通道11)的横截面积。这样，在刚开始通气时的初始阶段，从第一进入通道进入的高压气体受到第一通孔41的限制而产生节流效应，以受限的质量流率进入第一内腔14，并以受限的气压推动阀芯20在第一内腔14内移动。相应地，可以使得与阀芯20产生力的作用的相关部件受到的加速度减小，例如，弹簧30；并且受限的气压和加速度作用在例如密封圈(将在下文描述)上，使得其在移动中的变形变小，降低泄露风险。

为使第一阀组件在正常工作状态时不同质量流率的情况下提供较为稳定的输出气压，如图2所示，在第一阀组件1中，阀芯20被配置成当阀芯20受到来自第一进入通道(即，气体进入通道11)的气压而在第一内腔14中移动时，阀芯20的第一端与阀座40之间的有效节流面积随着进入第一进入通道的质量流率(其与第一进入通道的气压和有效节流面积相关联，将在下文中进一步描述)的增大而减小，且随着进入第一进入通道的质量流率的减小而增大。在图2中，有效节流面积是阀芯20的第一端与阀座40之间所形成的气体节流区域所限定的柱面面积。因为气体节流区域的大小由阀芯20的第一端的有效受力面积和阀座40的端面的有效受力面积中的较小值以及阀芯20的第一端与阀座40之间的间距决定，且阀芯20的第一端的有效受力面积和阀座40的端面的有效受力面积不变，所以有效节流面积可以用阀芯20的第一端和阀座40之间的间距来示意性地表示。在图1和2中，阀芯20的第一端被示为带有盲孔和倒角，则阀芯20的第一端的有效受力面积为倒角端面的有效受力面积(其包括盲孔的截面积)，然而，阀芯20的第一端可以不包括盲孔，且还可以是没有倒角、或带有圆角的端面，或具有其它各种表面特征(例如，凸起部或凹陷部)的端面。由于现有技术中存在各种表示和计算有效节流面积的公式等，在此不再赘述。，当流经第一阀组件的质量流率稳定时，在从第一进入通道进入的气体的气压增加时，第一阀组件1的有效节流面积减小，且在从第一进入通道进入的气体的气压减小时，第一阀组件1的有效节流面积增加，而第一排出通道的气压变大或变小，但最终大致稳定在一个定义的范围之内。

关于第一进入通道的气压和有效节流面积之间的关系，可以利用以下公式来进一步地解释。

其中，Q表示质量流率，A_throttle表示有效面积，R表示理想气体常数，T_in表示第一进入通道的温度，k表示绝热系数，P_in表示第一进入通道的气压。从上述公式可以看出，在质量流率Q大致稳定时，当第一进入通道的气压P_in增大时，有效节流面积A_throttle减小，反之，当第一进入通道的气压P_in减小时，有效节流面积A_throttle增加。

在图2中，实心箭头表示高压气体流经的路径，带阴影线的箭头表示降低压力的气体流经的路径。关于阀芯20的第一端与阀座40之间的有效节流面积如何随第一进入通道的质量流率和气压变化而变化，将在下文中结合图2和3进一步描述。

根据本申请的实施例，第一阀组件1包括沿阀芯20的纵向方向设置在阀芯20的外表面的第一密封圈51和第二密封圈52，这样，通过两个密封圈限定出用于容纳弹簧30的弹簧室21。弹簧室21设有用于与周围环境的大气连通的通气孔13。如图1和2所示，通气孔13位于第一密封圈51和第二密封圈52之间。

阀芯20设有内部通道24，第一内腔14和内部通道24通过设置在阀芯20的侧壁上的第二通孔22流体连通，第二通孔22设置在阀芯20的第一端与第一密封圈51之间。因此，从第一进入通道进入的高压气体(如图2中实心箭头所示)经过第一通孔41之后进入第一内腔14，并以降低的气压(即，第一排出通道的气压)经第二通孔22进入内部通道24。

内部通道24在阀芯(20)的与第一端相反的第二端处形成开口23。因此，经第二通孔22进入内部通道24的气体(如图2中带阴影线的箭头所示)可以流至阀芯20的第二端，以在第二端产生气压。应指出的是，第一通孔41、第二通孔22和开口23可以是一个或多个，且其形状、位置都可以根据需要进行具体设计。

如图1和2所示，弹簧30设置在第一密封圈51和第二密封圈52之间的弹簧室21中。这样，弹簧30处于通过第一密封圈51和第二密封圈52所形成的与进入的气体保持隔离的空间内。在图1和2中，弹簧20被设置在阀芯20的第一端和第二端之间，弹簧室21被示为与第一内腔14气密地隔离，然而，弹簧30也可以设置在阀芯20的第一端处，即图1所示的下端，或设置在阀芯20的第二端处，即图1所示的上端。因此，弹簧30可以有多种配置方式，相应地，弹簧室21也可以与第一内腔14流体连通，只要能够在工作状态下当进入第一进入通道的质量流率和气压变化时起到维持第一进入通道和第一排出通道的气压之间的平衡的作用即可。

关于在工作状态下第一阀组件1的第一进入通道的气压、第一排出通道的气压和弹簧的弹力之间的平衡关系，可以利用以下公式且参照图3来解释。

F₁＝F₂+F_spring+F₃+F₄ (1)

F₁＝P_out×A₁ (2)

F₂＝P₀×A₂ (3)

F₃＝P_out×A₃ (4)

F₄＝P_in×A₄ (5)

其中，F₁是第一阀组件的第一排出通道的气体作用在阀芯20的第二端上的压力，P_out是第一阀组件的第一排出通道的气体的气压，A₁是阀芯20的第二端的有效受力面积(例如，在图3所示的实施例中，A₁是以第二密封圈52所接触的腔体的内径为直径的圆的面积)；F₂是周围环境的大气作用在阀芯20上的压力，P₀是大气压，A₂是阀芯20的承受大气压的有效受力面积(例如，在图3所示的实施例中，A₂是以第二密封圈52所接触的腔体的内径为外径的环的面积)；F₃是第一阀组件的第一排出通道的气体作用在阀芯20的第一端附近的压力，A₃是阀芯20的第一端附近的有效受力面积(例如，在图3所示的实施例中，A₃是以第一密封圈51所接触的腔体的内径为外径的环的面积)；F₄是第一阀组件的第一进入通道的气体作用在阀芯20的第一端上的压力，P_in是第一阀组件的第一进入通道的气体的气压，A₄是阀芯20的第一端的有效受力面积(例如，在图3所示的实施例中，A₄是以阀芯20的第一端的圆柱直径为直径的圆的面积)；F_spring是弹簧30作用在阀芯20上的弹力。在第一阀组件的工作状态下，阀芯20在其纵向方向上所承受的压力随着第一进入通道和第一排出通道的气压变化而变化，并趋于保持平衡。以上仅考虑了沿阀芯20的纵向方向承受的主要压力，且根据阀芯20的具体结构不同，也可以有更多或更少的力。例如，在图3所示的实施例中，出于简化说明的目的，并没有列出第一密封圈51和第二密封圈52所受到的摩擦力。当然，如果需要更精确的计算，则可以将上述摩擦力包括在计算公式内。

由上述公式(1)-(5)可以得出，P_out＝(F₂+F_spring+F₃+F₄)/A₁。因此，在第一阀组件的第一进入通道的质量流率和气压变化时，通过改变弹簧30的弹力而使阀芯20移动，从而使第一阀组件的第一排出通道的气压基本保持在定义的范围之内。例如，当第一阀组件1的第一进入通道的气压增加时，力F₄增加，相应地P_out增加，且基于上述公式，力F_spring也增加，而阀芯20向下移动，使有效节流面积S减小，并经过一个动态的过程，使第一排出通道的气压恢复稳定。反之，当第一阀组件的第一进入通道的气压减小时，力F₄减小，相应地P_out减小，且基于上述公式，力F_spring也减小，而阀芯20向上移动，使有效节流面积S增加，并经过一个动态的过程，使第一排出通道的气压恢复稳定。

在第一阀组件1工作的初始阶段，由于没有来自第一进入通道的气压负载，在弹簧30的作用下，阀芯20的第二端抵靠壳体100，使得阀芯20的第一端与阀座40保持最大的间距。当高压气体经第一进入通道(即，气体进入通道11)进入阀座40的第一通孔41并排出时，经过节流的气体进入第一内腔14，并经过阀芯20的第一端与阀座40之间形成的节流区域而以降低的气压流入第一阀组件1的第一排出通道(即，中间通道50的通道入口12)，同时也流入阀芯20的内部通道24，如图2中带阴影线的箭头所示。然后，由于上述的各种力之间的平衡关系，第一排出通道的气压促使阀芯20逐步下移，以减小有效节流面积，同时降低第一排出通道的气压，并逐步实现如上所述的压力平衡。因此，在初始阶段，进入第一内腔14的瞬时高压气体以降低的气压作用在阀芯20上，可以减轻对阀芯20的冲击，从而减少阀芯20的运动加速度。这样第一密封圈51和第二密封圈52在移动中变形减小，并且所受应力减少，降低了泄露风险。

另外，在第一阀组件1的工作状态下，当第一排出通道的气压增加而达到预定值时，根据上述压力平衡关系，阀芯20的第一端抵靠阀座40而密封第一通孔41，使得高压气体无法继续进入第一内腔14。为了提供更有效的密封，阀芯20的第一端设有环形突出部，该突出部可以更有效地抵靠阀座40以密封第一通孔41。相应地，阀座40可以是金属或非金属板状材料，例如，金属材料包括碳素钢、合金钢、铜、铝、钛等，非金属材料包括橡胶、塑料等。

如前所述，第二阀组件2也可以采用与第一阀组件1相同的结构，此时，第二阀组件2的第一进入通道是中间通道50的通道出口61，且第二阀组件2的第一排出通道是壳体100的气体排出通道62。基于上述针对第一阀组件1所描述的工作原理，第二阀组件2同样可以实现减压和稳压功能。因此，包括两个根据本申请的实施例的阀组件的二级减压阀，可以减轻对阀组件的各部件的冲击，从而提高可靠性和延长使用寿命。

以上针对图1和2中所示的二级减压阀的示例性结构以及图3所示的阀芯20的受力情况描述了本申请的二级减压阀的工作过程，然而，阀芯20也可以具有不同的构造，且弹簧30也可以具有不同的布置方式，本领域技术人员可以根据具体的阀组件的构造相应地配置并进行计算，在此不再赘述。

根据本申请的实施例，通过使高压气体经过设置在同一壳体内的两级阀组件，并经过具有较小横截面积的通孔进入壳体的内腔，可以减轻对阀组件的阀芯等部件的冲击，从而提高可靠性。

以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。例如，在优选实施例中以用于燃料电池领域的二级减压阀为例对本申请进行了描述，但是，不仅在燃料电池领域，而且在任何需要利用减压阀来控制气体压力调节的领域，本申请都可获得应用。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。

Claims

1.一种二级减压阀，其特征在于，所述二级减压阀包括：

壳体(100)，所述壳体内设有通过中间通道(50)流体连通的第一内腔(14)和第二内腔(74)，以及气体进入通道(11)和气体排出通道(62)，所述气体进入通道(11)与所述第一内腔(14)流体连通，且所述气体排出通道(62)与所述第二内腔(74)流体连通；

第一阀组件(1)，所述第一阀组件容纳在所述第一内腔(14)中，且被配置成将来自所述气体进入通道(11)的气体减压并输送到所述中间通道(50)；

第二阀组件(2)，所述第二阀组件容纳在所述第二内腔(74)中，且被配置成将来自所述中间通道(50)的气体减压并输送到所述气体排出通道(62)。

2.根据权利要求1所述的二级减压阀，其特征在于，所述第一阀组件(1)和所述第二阀组件(2)中的至少一个包括：

阀芯(20)，所述阀芯(20)容纳在所述壳体(100)的相应内腔中，所述阀芯(20)的外表面被配置成能够沿所述相应内腔的内表面气密地移动，所述阀芯(20)包括第一端以及与所述第一端相反的第二端；

弹簧(30)，所述弹簧(30)容纳在形成于所述壳体(100)中的弹簧室(21)中且对所述阀芯(20)施加弹力；

其中，所述相应内腔通过第一进入通道接收气体并通过第一排出通道输出气体，在所述相应内腔中设有阀座(40)，所述阀座(40)被设置成与所述阀芯(20)的第一端相对，所述第一进入通道与所述相应内腔通过所述阀座(40)的第一通孔(41)流体连通，其中所述第一通孔(41)的横截面积小于所述第一进入通道的横截面积。

3.根据权利要求2所述的二级减压阀，其特征在于，所述阀芯(20)被配置成当所述阀芯(20)受到来自所述第一进入通道的气压而在所述相应内腔中移动时，所述阀芯(20)的第一端与所述阀座(40)之间的有效节流面积随着进入所述第一进入通道的质量流率的增大而减小，且随着进入所述第一进入通道的质量流率的减小而增大。

4.根据权利要求3所述的二级减压阀，其特征在于，所述阀芯(20)被配置成当所述第一排出通道的气压达到预定值时，所述阀芯(20)的第一端抵靠所述阀座(40)而密封所述第一通孔(41)。

5.根据权利要求2所述的二级减压阀，其特征在于，所述阀芯(20)在其纵向方向上所承受的压力随着所述第一进入通道和所述第一排出通道的气压变化而变化，并趋于保持平衡。

6.根据权利要求5所述的二级减压阀，其特征在于，所述阀座(40)为金属或非金属板状材料。

7.根据权利要求2所述的二级减压阀，其特征在于，所述阀芯(20)的第一端设有环形突出部。

8.根据权利要求2所述的二级减压阀，其特征在于，沿所述阀芯(20)的纵向方向在所述阀芯(20)的外表面设有第一密封圈(51)和第二密封圈(52)，且通过所述第一密封圈(51)和所述第二密封圈(52)限定出所述弹簧室(21)，所述弹簧室(21)设有用于与周围环境的大气连通的通气孔(13)。

9.根据权利要求8所述的二级减压阀，其特征在于，所述阀芯(20)设有内部通道(24)，所述相应内腔和所述内部通道(24)通过设置在所述阀芯(20)的侧壁上的第二通孔(22)流体连通，所述第二通孔(22)设置在所述阀芯(20)的第一端与所述第一密封圈(51)之间。

10.根据权利要求9所述的二级减压阀，其特征在于，所述内部通道(24)在所述阀芯(20)的与所述第一端相反的第二端形成开口(23)。

11.根据权利要求2所述的二级减压阀，其特征在于，所述第一阀组件(1)的第一进入通道是所述壳体(100)的气体进入通道(11)，且所述第一阀组件(1)的第一排出通道是所述中间通道(50)的通道入口(12)；所述第二阀组件(2)的第一进入通道是所述中间通道(50)的通道出口(61)，且所述第二阀组件(2)的第一排出通道是所述壳体(100)的气体出口。