TWI548832B - 調節氣體壓力的設備 - Google Patents

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Description

調節氣體壓力的設備
本發明關於一種用於調節氣體壓力的方法及設備。更具體而言，本發明關於一種用於調節氣體壓力的方法及設備，以避免該氣體在使用點(point-of-use)發生超壓或突波(surge)狀況。
壓縮氣體瓶是一種耐壓容器，其設計成可容納在高壓下，亦即，在顯著地大於大氣壓力的壓力下的氣體。壓縮氣體瓶是使用於廣泛範圍的市場，從低成本的一般工業市場、醫療市場到較高成本的應用，例如使用高純度腐蝕性、毒性或自燃性(pyrophoric)特用氣體的電子設備製造。一般而言，耐壓氣體容器是由鋼、鋁或複合材料所構成，且能儲存經壓縮、液化、或溶解的氣體，具有最大充填壓力對於大多數氣體為高達450bar g，而對於例如氫氣及氦氣等氣體則為高達900bar g。
為了有效且在可控制下從氣瓶(gas cylinder)或其他耐壓容器分配氣體，調節器或閥組合件(valve assembly)是必要的。閥提供一種可控制氣體流量(flow of gas)的機構。 調節器是能調節氣體的流動，使得氣體是在恆定、或使用者(user)可變的壓力下加以分配。
為了有效且在可控制下從氣瓶或其他耐壓容器分配氣體，調節器是必要的。調節器是能調節氣體的流動，使得氣體是在恆定、或使用者可變的壓力下加以分配。
然而，在實務應用上，此通常是難以達成。一實例應用是提供用於金屬惰性氣體/金屬活性氣體(MIG/MAG：Metal Inert Gas/Metal Active Gas)或鎢惰性氣體(TIG：Tungsten Inert Gas)焊接(welding)的遮護(shielding)。如此的應用需要流量控制，因此氣體是在使用點在接近大氣壓力以規定率(prescribed rate)例如15公升/分鐘來供應。
第1圖展示一種用於MIG/MAG(金屬惰性氣體/金屬活性氣體)焊接的傳統裝置。氣瓶10儲存在高壓(例如200至300bar)的氣體。該氣瓶10具有氣瓶本體(gas cylinder body)12，其包含一般為具有平坦底座(base)的圓筒形容器，且配置成可使得氣瓶10能未經支撐而站立於平坦表面上。
氣瓶本體12是由鋼、鋁及/或複合物材料所構成，且使其適配且配置成可承受由於儲存高壓氣體而造成顯著的內部壓力。
氣瓶10的下游是設置有初級調節器(primary regulator)14，該初級調節器14包含採用反饋機構(feedback mechanism)的控制閥，使得在初級調節器14的下游處可維持恆定壓力。安全釋放閥(safety relief valve)16是配置在壓力調節器(pressure regulator)14的下游。
調節器14供應在固定壓力的氣體至與其連接的MIG/MAG(金屬惰性氣體/金屬活性氣體)焊接設備18。
上游/下游壓力比率是可變化從100：1(當氣瓶10是全滿時)至如1：1的小值(當在氣瓶10內的氣體壓力接近下游壓力時)。當壓力比率降低時，則通常在出口壓力會有變異。在許多情況下，取決於調節器類型而定，壓力可能會上升、下降或維持恆定。
歐洲標準EN ISO22435規定在壓力變異的性能極限。閉合壓力(closure pressure)的增加典型可為10%高於標稱設定固定壓力(nominal set fixed pressure)，且允許高達30%大於標稱設定固定壓力的數值。由於下游流率(flow rate)是壓力的函數，取決於何種設備是連接到下游而定，此變異會影響到流動特性。
流率通常是藉由限制氣體流，典型為經由閥或孔(orifices)來加以控制。氣體流是可藉由控制通過固定孔尺寸(fixed orifice size)的上游壓力精確地加以計量，該固定孔尺寸的下游壓力是實質地低於上游壓力。
考慮例如焊接應用設備。在如此的組件中，通過軟管及在焊接機中的管道(pipework)而導致焊接氣炬 (welding torch)的壓力是顯著地低於在氣瓶中的上游壓力。因此，在如此的情況下，設置在接近壓力源的孔可作用如同主要限制，而流率是以孔的正好上游的壓力來加以決定。
然而，若流動(flow)在軟管及管道的末端是藉由例如連結至焊接電弧控制(weld arc control)的電磁線圈開/關閥(solenoid on/off valve)而被停止，則在系統中孔的下游的壓力將會上升，直到其等於上游壓力為止。此在流動(動態)與靜態狀況間的系統壓力的上升會造成非所欲的效應。
下游設備會影響到在氣體流動系統的末端的最終流率是眾所皆知。例如，軟管、窄孔配管(narrow-bore piping)的長長度、在閥或連接器(connectors)中的孔全部會在氣體流動系統內產生額外的壓降(pressure drops)而限制退出(exiting)系統的流率。不幸的是對於不同的焊接設備及軟管長度，即使當賦予相同的上游壓力及孔條件時，並不總是能預測來自系統的最終流率。
在使用時，上述問題結合在一起，結果產生所謂的「突波」行為。突波是當氣體從靜態轉變成流動狀況，例如當最終關閉閥(final closure valve)被打開時所發生的現象。
在打開閥時，介於首先起始氣體流與達到穩定狀態條件間有過渡時間。此時，在應用設備中的壓力從在儲存時的靜態壓力(其等於上游壓力)降低至接近大氣壓力的大幅度降低的水準。簡單地說，由於此壓力梯度(pressure gradient)，流率將變得較高，導致比可能需要較高的氣體使用 量，但是值得注意的時間量。
又一複雜的因素是在設備設計設定中的變異會顯著地影響突波現象。然而，另一因素是作業負載循環(operational duty cycle)(亦即，氣體流動的時間相對於氣體供應被關閉的時間)也會影響到突波量(surge volume)。快速開/關循環(rapid on/off cycling)，例如在定位點焊接應用(tack welding application)所需要的關閉時間的比例可為類似於「打開」時間的比例，結果導致顯著的突波議題。
第2圖是圖解說明此現象的曲線圖。從此圖可觀察到在負載循環(duty cycle)中在流動被停止前，流率從未安定成穩定狀態、恆定流量狀況(例如當閥總是打開時)。由於此快速循環，如此的間歇流動(intermittent flows)是難以傳統的焊接球在管中式流量檢查器(ball-in-tube flow checkers)精確地加以設定。
許多現有的組件試圖針對解決上述的問題。例如，焊接突波保護器(weld surge protectors)、兩段式調節器(其加以特別地設計成可降低來自主要的最高壓力源的變異)、及在焊接應用設備中配備(provision)額外的孔是在此藝中習知者。
然而，各現有的解決方法有缺點。首先，彼等包含額外的添加至焊接系統的設備，其會增加如此設備的規模、複雜性及成本。
此外，若特殊組合的設備設定及負載循環(cycle duty)保證如此的組件，上述解決方法僅為中肯或有 效。對於每一焊接應用並不需要具有如此的設備，結果導致對於不同的目的需要修改設備。
另外，調整者對於各設備設定必須個別加以設定及調整。若循環開-關時間(cycle on-off time)是快速，則此是難以可靠地達成。欲能獲得如此解決方法的最佳結果，專業知識及良好的訓練，連同有效的製造控制系統是必要的，結果使得彼等變得刻板且無效率。
歐洲專利第EP-A-0916891號及美國專利第US-A-6,314,986號揭述一種氣體控制裝置，其包含一群組的元件整合成可提供必要的控制、關閉及安全功能。然而，即使例如揭述於此等應用的元件，突波無法在每一終端使用者應用中加以控制。
因此，在此藝中存在需要一種經改良的壓力調節器，當使用具有可變的流率系統、或具有快速開/關循環的系統時，其可操作以降低突波的風險。
根據本發明的第一特點，提供一種用於調節氣體源的流率的壓力調節器，該壓力調節器包含：一外罩(housing)，具有與氣體源連通的入口(inlet)、可操作以供應在特定壓力及流率的氣體的出口(outlet)、及伸展介於入口與出口間的導管(conduit)，一節流裝置(restriction device)，設置於導管中且可調整位置以控制流經其中的氣體流量，一偏置裝置(biasing arrangement)，用於對節流裝置施加預定的偏置 (predetermined bias)，以及一選擇裝置(selection device)，可操作以選擇偏置裝置及節流裝置的預定的複數個離散架構(discrete configurations)中的一者，以提供在該出口的氣體壓力的離散選擇，並且，其中，該出口包含選自一特定群組的固定尺寸孔(fixed-sized orifices)中的一固定尺寸孔，使得孔與該選擇裝置可選擇的位置的組合可對該出口的下游的應用提供一群組的離散的流率/壓力組合。
藉由提供如此的組件，取決於應用而定，該離散可選擇的氣體壓力(discrete selectable gas pressures)的預定義設定(predefined set)、與固定孔尺寸的區段(section)的組合，則可提供選擇特定的流率/壓力的組合來降低突波的可能性。
換句話說，本發明藉由組合預先設定可選擇的壓力調節器模組(pressure regulator module)與可互換的固定尺寸孔模組(fixed-size orifice modules)，使得流量(flow)能控制在設定的流率，經大小分級決定(sizing determined)而使得模組的完整範圍可對於一系列的下游設備提供經計量的流量及經最適化的突波。
相反地，習知的組件是難以達到焊接條件最適化。例如，習知的組件需要使用者調整調節器、流動控制閥或節約裝置(economizer)，然後以流量計管(flow-tube)確認經計量的流量。如此的反覆式最佳化(iterative optimisation)是浪費時間、資源及設備。
在一具體實例中，該可選擇的離散、偏移位 置的數目為5個或以下。
在一具體實例中，該可選擇的離散、偏移位置的數目為3個或以下。
在一具體實例中，該選擇裝置包含轉動式控制構件(rotary control member)，可操作以選擇該離散架構中的一者，該轉動式控制構件是可操作以鎖住各該離散架構。
在一具體實例中，該轉動式控制構件是可操作以移動控制裝置至預定數目的線性偏移位置(linearly-offset positions)中的一者，從該偏置裝置的偏置(bias)是取決於該線性位置而定。
在一具體實例中，該偏置裝置包含至少一控制壓縮彈簧(control compression spring)，且該控制壓縮彈簧的偏置是取決於該控制裝置的線性偏移(linear offset)而定。
在一具體實例中，該控制裝置包含至少一定位銷(pin)，可操作以在相對應的通道(channel)內滑動，該定位銷及通道控制該控制裝置的線性移動。
在一具體實例中，該或各通道包含複數個定位切口(locating notches)，用於接納該或各相對應的定位銷，各定位切口定義該選擇裝置的一離散架構。
在一具體實例中，該選擇裝置包含彈性元件(resilient element)，用於將該或各定位銷偏置入各自的定位切口。
在一具體實例中，該選擇裝置進一步包含可把持轉動的手柄(graspable rotatable handle)。
在一具體實例中，該可把持轉動的手柄是可經由(through)少於180°的角度範圍轉動而選擇該離散位置中的任一者。
在一具體實例中，該節流裝置包含連接至隔膜板(diaphragm)或活塞(piston)的可線性移動閥(linearly-movable valve)。
在一具體實例中，該固定尺寸孔是可互換。
根據本發明的第二特點，提供一種包括第一特點的壓力調節器的閥組合件。
根據本發明的第三特點，提供一種包括氣瓶本體及第二特點的閥組合件的氣瓶組合件(gas cylinder assembly)。
10‧‧‧gas cylinder assembly；cylinder assembly gas cylinder 氣瓶組合件；氣瓶組合件；氣瓶
12‧‧‧gas cylinder body 氣瓶本體
12a‧‧‧neck 頸部
14‧‧‧primary regulator 初級調節器
16‧‧‧safety relief valve 安全釋放閥
18‧‧‧MIG/MAG welding equipment MIG/MAG(金屬惰性氣體/金屬活性氣體)焊接設備
100‧‧‧valve assembly；valve；valve arrangement；valve and pressure regulator assembly 閥組合件；閥；閥組件；閥及壓力調節器組合件
102‧‧‧valve body 閥本體
104‧‧‧conduit 導管
106‧‧‧inlet 入口
108‧‧‧outlet 出口
110‧‧‧fill port 充填口
112‧‧‧valve 閥
114‧‧‧residual pressure shut-off valve；shut-off valve 殘留壓力關閉閥；關閉閥
116‧‧‧filter 濾器
118‧‧‧pressure regulator；regulator 壓力調節器；調節器
120‧‧‧rotatable,graspable handle 可轉動把持的手柄
120a‧‧‧aperture 開口
122‧‧‧safety relief valve 安全釋放閥
126‧‧‧valve region 閥區域
128‧‧‧poppet valve 提動閥
130‧‧‧valve seat 閥座
132‧‧‧piston 活塞
134‧‧‧aperture 開口
136‧‧‧control spring；spring；compression spring；control compression spring 控制彈簧；彈簧；壓縮彈簧；控制壓縮彈簧
138‧‧‧opposing spring 對置彈簧
140‧‧‧central boss 中心轂
142‧‧‧graspable arm；graspable handle 可把持的臂；可把持的手柄
144‧‧‧central barrel 中心筒體
146‧‧‧cylindrical guide 圓筒形導向體
148‧‧‧pin 定位銷
150‧‧‧channel 通道
152‧‧‧first section 第一區段
154‧‧‧second section；second channel 第二區段；第二通道
156‧‧‧first locating notch 第一定位切口
158‧‧‧second locating notch 第二定位切口
160‧‧‧third locating notch 第三定位切口
162‧‧‧spring 彈簧
164‧‧‧guard；guard arrangement；protection structure保護罩；保護罩組件；保護構造
166‧‧‧first housing 第一外罩
168‧‧‧second housing 第二外罩
170‧‧‧rotatable cap 可轉動的蓋子
172‧‧‧aperture 開口
174‧‧‧fixed-size flow orifice；flow control orifice；flow restriction orifice 固定尺寸的流量孔；流量控制孔；流量限制孔
176‧‧‧quick connect adapter 快速連接頭
180‧‧‧cylindrical guide 圓筒形導向體
182‧‧‧channel 通道
184‧‧‧locating notch 定位切口
186‧‧‧locating notch 定位切口
188‧‧‧locating notch 定位切口
190‧‧‧locating notch 定位切口
192‧‧‧locating notch 定位切口
200‧‧‧valve arrangement 閥組件
218‧‧‧pressure regulator 壓力調節器
228‧‧‧poppet valve 提動閥
230‧‧‧valve seat 閥座
232‧‧‧diaphragm 隔膜板
234‧‧‧aperture 開口
236‧‧‧control spring；spring 控制彈簧；彈簧
238‧‧‧opposing spring 對置彈簧
300‧‧‧valve arrangement 閥組件
302‧‧‧graspable handle 可把持的手柄
304‧‧‧central barrel 中心筒體
306‧‧‧cylindrical guide 圓筒形導向體
308‧‧‧pin 定位銷
310‧‧‧channel 通道
312‧‧‧barrel 筒體
314‧‧‧fine adjustment handle 微調手柄
本發明的具體實例將參照附加的圖式詳細地加以說明，其中，第1圖是氣瓶及調節器組合件(regulator assembly)的示意圖(schematic diagram)；第2圖是展示對於快速循環焊接應用的流率作為時間的函數圖；第3圖是根據一具體實例的閥及壓力調節器組合件(valve and pressure regulator assembly)的等角視圖(isometric view)；第4圖是第3圖的閥及壓力調節器的元件的示意圖； 第5圖是取自通過第3圖的閥在展示於第3圖的A-A方向的截面圖(cross-sectional view)；第6圖是第5圖的壓力調節器的放大圖；第7圖是第3圖的閥組合件的等角剖視圖(isometric cut-away view)；第8圖是第3及7圖的閥組合件的圓筒形導向體(cylindrical guide)的等角視圖；第9圖是取自通過第8圖的圓筒形導向體的截面(cross-section)；第10圖是適合使用於第3及7圖的閥組合件的其他可行的圓筒形導向體的等角視圖；第11圖是取自通過第10圖的圓筒形導向體的截面；第12圖是第3圖的閥組合件連接至氣瓶後的等角視圖；第13圖是第12圖的氣瓶及閥組合件的部份剖視圖(partial cutaway)，展示在各種操作位置的閥組合件的可把持控制的手柄(graspable control handle)；第14圖是類似於第13圖的圖，但是展示當在使用時從外部觀看者將看見的氣瓶及閥組合件；第15圖是取自通過第3圖的閥的一部份在展示於第3圖的B-B方向的截面圖；第16圖是類似於第6圖，通過(through)第二具體實例的閥組合件的截面圖；第17圖是第三具體實例的閥組合件的全覽圖(general schematic)；以及 第18圖是圖解說明以不同的壓力選擇及孔尺寸可達成不同的流率的曲線圖。
〔本發明的最佳實施方式〕
第3圖展示根據本發明的一具體實例的閥及壓力調節器組合件100的等角視圖。第3圖展示閥組合件100的等角視圖。第4圖展示根據本發明的一具體實例的閥組合件100的元件全覽示意圖(general schematic component overview)。該閥組合件100是適合連接至氣瓶12，如後展示於圖示者。
閥組合件100可包含例如VIPR(整合型壓力調節閥：Valve with Integrated Pressure Regulator)。該閥組合件100包含閥本體(valve body)102。導管104是構成於閥本體102中，且伸展通過在入口106與出口108間的閥本體102的內部，使得氣體可以經控制的方式從氣瓶12流動至出口108的下游的終端使用者應用。
閥本體102包含鄰接入口106的螺纹(screw thread)，用於與在氣瓶12的頸部(neck)的互補開口(complementary aperture)接合(engagement)。出口108是使其適配且配置成使得氣瓶12可連接至在氣體裝置(gas assembly)中的其他元件，例如軟管、管子、或另一壓力閥或調節器。
包括閥112的充填口(fill port)110是設置在從導管104伸展的分枝管。充填口110使得氣瓶12在使用時 可充填氣體。殘留壓力關閉閥(residual pressure shut-off valve)114是設置在氣瓶12的導管104下游。
關閉閥(shut-off valve)114的下游是設置有濾器(filter)116。濾器116的下游是設置有壓力調節器118。該壓力調節器118是可操作以提供固定、經調節的壓力輸出至出口108，如稍後將加以敘述者。壓力是可藉由可轉動把持的手柄(rotatable,graspable handle)120(如第3圖所示)加以選擇，且可加以設定成離散壓力值。壓力調節器118的元件稍後將參照第5至8圖更詳細地加以敘述。
閥組合件100進一步包含安全釋放閥122，設置在壓力調節器118的下游與出口108的上游間。該出口108包含選自一群組的孔的流量限制孔(flow restriction orifice)，如稍後將加以敘述者。
第5、6及7圖更詳細地展示閥組合件100。第5圖展示取自第3圖的A-A方向通過閥組合件100的截面。第6圖展示第5圖的更詳細圖。該壓力調節器118現在將參照第5及6圖更詳細地加以敘述。詳細的元件僅標記於第6圖。
在此具體實例中，該壓力調節器118包含單活塞式調節器(single piston regulator)。然而，熟習此項技藝者將可容易地暸解可使用於本發明的變異例，例如隔膜板式調節器(diaphragm regulator)(如在稍後的具體實例中將加以敘述者)或其他組件。
調節器118包含與入口106及出口108連通 的閥區域(valve region)126。閥區域126包含設置在鄰接閥座(valve seat)130的提動閥(poppet valve)128。提動閥128是連接至活塞132，其構成為使得提動閥128沿著X-X軸朝向及遠離閥座130的平移運動(translational movement)而可分別關閉及打開其間的開口(aperture)134。
活塞132是藉由以設置在繞著(about)X-X軸的控制彈簧(control spring)136的形態的偏置裝置而可彈性回復地偏置(resiliently biased)。然而，其他適當的偏置裝置也可使用，例如其他彈性回復性裝置(resilient means)或壓力系裝置(pressure-based devices)。熟習此技藝者應該可容易地瞭解屬於在本發明的精義範圍內的變異例。
此外，進一步配備對置彈簧(opposing spring)138以直接作用在提動閥128，以對提動閥128賦予穩定及對準中心力(stabilising and centring force)。
調節器118是可操作以承接來自氣瓶12在全氣瓶壓力(例如，100至900bar)下的氣體，但是可在實質地恆定的固定低壓(例如，5bar)供應氣體至出口108。此是藉由反饋機構來達成，藉此開口134的下游氣體壓力是可操作以與彈簧(spring)136的偏置力(biasing force)成對立的狀態作用在活塞132上。此抗衡效果(counterbalancing effect)可提供在系統為在平衡時的特定壓力。因此，在所欲的特定的設定壓力下，該彈簧與氣體勢能(spring and gas forces)是選擇為相等。
因此，若在鄰接活塞132的區域的氣體壓力 超過特定的水準，則該活塞132是可操作以沿著X-X軸(朝向第5及6圖的左手側)移動。結果，該提動閥128是移動至更接近閥座130而縮減開口134的尺寸，因此可限制從入口106至出口108的氣體流量。伴隨於此，若氣體壓力降低，則該提動閥128是配置成可移動遠離閥座130而使得開口134的尺寸增加。
關於可設定壓力的機構現在將加以敘述。氣體的壓力可設定在預定的離散壓力。換句話說，該調節器118是無法操作以使得氣體壓力連續性地變化，但是僅可由使用者選擇以預定的區間所隔開的預定的壓力值的離散選擇。
可把持的手柄(graspable handle)120(展示於第3、5及6圖)使得使用者可指定壓力調節器118的壓力設定。該可把持的手柄120包含中心轂(central boss)140及附接於其的可把持的臂(graspable arm)142。該中心轂140是可繞著X-X軸轉動，且藉由螺絲或其他可拆式連接(releasable connection)而連接至閥本體102。
如第5至7圖所示，該壓力調節器118包含以圓筒形導向體146圍繞的中心筒體(central barrel)144。該中心筒體144是配置成可在圓筒形導向體146內轉動，且沿著與其相關的X-X軸後退及向前而平移(translate)。
參閱第5至7圖，中心筒體144包含一對等距離(equi-spaced)的定位銷148。該定位銷148是設置在中心筒體144的相對側，且從其向外伸展。
如第7至9圖更清楚的展示，該圓筒形導向 體146包含一對通道150。各定位銷148是收納於各自的通道150且伸展通過其間。各通道150以相對於X-X軸成銳角(acute angle)伸展圍繞(around)圓筒形導向體146的周圍(circumference)。換句話說，各通道150具有沿著X-X軸伸展的長度成份。因此，中心筒體144相對於圓筒形導向體146轉動移動，藉由定位銷148在各自的通道150內移動的效果，將導致中心筒體144沿著X-X軸朝向及遠離活塞132而後退及向前移動。
定位銷148的遠端(distal ends)是經由使用扣環(circlip)或其他連接裝置而連接至可把持的手柄120的中心轂140。因此，在使用時，可把持的臂142可由使用者加以轉動地操縱(manipulated)，以移動在通道150內的定位銷148，因此使得中心筒體144可沿著X-X軸後退及向前而移動。
如第8及9圖所示，各通道150包含第一及第二區段152,154。在此具體實施例中，該第一及第二區段152,154是實質的線型，但是並不需要為如此的情況。例如，可使用不同的形狀、路徑或角度的通道150或第一及第二區段152,154，以賦予中心筒體144不同的線性移動速度或加速度。熟習此項技藝者將可容易地暸解屬於在本發明的精義範圍內的變異例。
各通道150進一步包含第一、第二及第三定位切口156,158,160。第一及第三定位切口156,160是設置在各通道150的兩端中的任一端。第二定位切口158是設置在第一及第二區段152,154間。各定位切口156,158,160是 作成為可承接各自的定位銷148的尺寸，且是在實質地可轉動的穩定位置，如將加以敘述者。
如第5及6圖所示，彈簧162是配置在中心筒體144與圓筒形導向體146的邊緣表面(end surface)間。此外，彈簧162是與壓縮彈簧(compression spring)136配置成嵌套架構(nested configuration)。換句話說，該彈簧162圍繞(surrounds)一部份的壓縮彈簧136，且與其實質地平行。
彈簧162是可操作以在X-X軸的方向偏置中心筒體144而遠離活塞132。因此，欲能將定位銷148及中心筒體144沿著第一通道152從第一定位切口156移動至第二定位切口158，則一力量必須為與彈簧162的偏置成對立的狀態。此情況同樣可應用在當沿著第二通道154從第二定位切口158移動至第三定位切口160時。
此外，從彈簧162以縱向施加的偏置造成定位銷148被保持在各自的切口156,158,160，以提供一種具有3個離散的操作位置實質地可轉動的穩定系統。
由於切口的形狀及從彈簧162的偏置，從定位切口156,158,160移動定位銷148是比沿著第一或第二區段152,154中的任一者移動定位銷148需要較大的轉矩(torque)。
因此，如前所圖示及所述者，各通道150可定義3個用於定位銷148在通道150中移動的穩定位置。該3個穩定位置各自定義3個用於壓力調節器118的離散壓力設定。總結而言，該選擇裝置包含彈簧機構，其可操作以搭扣 (latch)且保持壓力調節器118在一組離散預設位置中的一者。
如上所揭述，該壓縮彈簧136是可操作以與作用在活塞132上的氣體壓力成對立的狀態而作用在活塞132上。如第5及6圖所示，該壓縮彈簧是在活塞132與中心筒體144的邊緣壁(end wall)間沿著X-X軸伸展。
因此，中心筒體144的移動朝向活塞132將會增加壓縮彈簧136的壓縮。因此，此將會對活塞132施加較大的力量，結果欲關閉開口134將需要較高的氣體壓力，因此設定氣體調節在較高的壓力。
換句話說，本發明提供一組件，其可操作以複數個預設定位置而可選擇控制壓縮彈簧136的壓縮長度。
因此，總結而言，可把持的手柄120的轉動使得使用者可在3個可選擇的位置中的一者而調整壓縮彈簧136的偏置力。在此具體實例中，該第一定位切口156定義一「關閉」的位置，其中開口134是經提動閥128加以關閉且其間無氣體流。第二及第三定位切口158,160定義兩個不同且離散的操作壓力，而以第三定位切口160定義最高的氣體壓力設定。
在壓力調節器118上，僅此等3個設定是可選擇的。若選擇一與定位切口156,158,160所定義的設定中的一者不同的位置，則彈簧162的偏置將會造成機構移動至在線上(in line)的下一個切口，亦即，若選擇在第二與第三切口158,160間的位置，則彈簧162、氣體壓力及壓縮彈簧136的經組合偏置將會推動定位銷148沿著通道150的第二部份 (second portion)逆向返回到第二定位切口158。同樣地，對於試圖在第二與第一的切口158,156間的點設定壓力時，也可應用。
其他可行的組件也可配置，且是屬於本發明的精義範圍內。例如，也可配置不同數目的定位切口，以增加可用的離散偏移設定(discrete offset settings)的數目。
第10及11圖展示其他可行的具體實例的圓筒形導向體180，其包含通道182。各通道182包含5個定位切口184,186,188,190,192。定位切口184,186,188,190,192是實質地類似於先前所揭述者。然而，使用圓筒形導向體180，則可在壓力調節器118上具有5個可選擇的離散設定。
其他可行的是若有需要也可配置任何數目的定位切口，以提供必要的預定的壓力設定的數目。
如稍後將加以敘述者，獨特的預設定、離散的壓力設定的使用，則可提供突波減緩(surge mitigation)的可能性，依此方式，使用者可容易且快速地設定，不需要費力且複雜的反複測量系統及元件的壓力。
第12圖展示連接至氣瓶12的閥組件(valve arrangement)100。該氣瓶12包含一般為具有平坦底座(未展示)的圓筒形耐壓容器，且配置成可使得氣瓶12能未經支撐而站立於平坦表面上。
氣瓶12具有由鋼、鋁及/或複合物材料所構成的本體，且使其適配且配置成可承受高達約900bar錶壓的內部壓力。頸部12a是設置在氣瓶12的底座對面的近端(proximal end)，且定義一可提供通入氣瓶內部的通路(access)的開口。該頸部12a包含適配於承接閥組件100的螺纹(未展示)。
如上所述，閥組件是經由入口106及導管104而與氣瓶12的內部連通。導管104伸展入氣瓶12的中心區段。閥本體102具有連接至氣瓶12的頸部12a的互補螺紋部(complimentary threaded portion)。
氣瓶10定義一具有內部容積的耐壓容器。任何適當的流體皆可容納在氣瓶10內。然而，本具體實例是關於不含雜質例如粉塵及/或水份的純化永久氣體(但是並不受限於此)。此等氣體的非限制性實例可為：氧氣、氮氣、氬氣、氦氣、氫氣、甲烷、三氟化氮、一氧化碳、氪氣或氖氣。
使用者可藉由可把持的手柄120的轉動來選擇所欲的輸出壓力(在此具體實施例中，包含一關閉設定及兩個不同的壓力設定)。該可把持的手柄120包含可把持的臂142，其可由使用者在3個可選擇的位置間轉動。此是展示於第13及14圖。
第13圖展示通過一部份的閥組件100及氣瓶12的複合區段。第14圖展示類似圖，其展示該閥組件100及氣瓶12在使用時所呈現給外部觀察者為如何。
參閱第13圖，可看見該可把持的臂142可賦予清楚目視指示讀數(clear visual indicator)，使得使用者藉此可從粗略的一瞥來決定該氣瓶12是否為在使用中、及所附接的該管線是否為在加壓狀態。此外，根據簡短的目視檢查(brief visual inspection)，即可獲得所選擇的壓力設定的清楚目視指 示讀數。
此外，可把持的手柄120及相關的組件可提供比習知的組件更顯著的優點。該可把持的手柄142在開與關的位置間，相較於習知的閥組件，僅必須經由相對地小的角度加以轉動。經由該可把持的手柄120在極端位置間必須加以轉動的角度為少於180°，且較佳為90°或以下。此是與現有的組件形成對比，其旋塞(tap)或閥控制必須以許多轉來關閉或打開各自的閥。
此外，當設置在直立的氣瓶12上時，該可把持的手柄120是可繞著實質的水平軸轉動。此對於使用者是容易且可以直覺來操作。此外，該可把持的臂142在可選擇的壓力設定間的角移動(angular movement)發生在實質的垂直面，此有助於使用者的觀察。
參閱第13及14圖，保護罩組件(guard arrangement)164是配置成可在使用時遮護(shield)閥組件100。如第13圖所示，該保護罩(guard)164是以下列三個元件所構成：第一及第二外罩166,168及可轉動的蓋子(rotatable cap)170。該第一及第二外罩166,168是配置成形成蛤殼構造(clamshell structure)，且以在上端的可轉動的蓋子170及在下端的固定裝置(例如螺絲)加以連接。
經組裝後，該第一及第二外罩166,168及可轉動的蓋子170構成保護罩164。該保護罩164是實質的橢圓形且具有圓形截面。在保護罩164的構造內可配備一個或更多的輸入輸出埠(access ports)(未展示)。此等輸入輸出埠可 包括例如顯示器的物品、或對出口108或充填口110提供輸入輸出(access)。
保護罩組件164是配置成圍繞閥組件100及保護構造(protection structure)164，且對於閥16及相關的元件提供包括在構造上及在環境上兩者的保護。換句話說，該保護罩164構成用於閥16的外罩或覆蓋(cover)。
此外，保護罩164可改善氣瓶組合件(cylinder assembly)10的美感外觀，並可使得更進一步的物品包含在內，例如用於氣瓶組合件10的操作所需要的電子顯示器(配置成可適配於在第一外罩120所形成的開口120a)或額外的電子設備或元件。
可轉動的蓋子170是配置成可繞著氣瓶12的縱向軸轉動且圍繞保護罩164及保護構造164的上端，使得當在直立位置時，氣瓶組合件10可由使用者以一手把持該可轉動的蓋子170，同時使用者可加以滾動。在保護罩164的下端則使用固定裝置，使得第一及第二外罩166,168彼此及閥16加以安全地牢固。
第一及第二外罩166,168可由任何適當的材料製成。然而，由於容易製造及設計自由度(design freedom)的範圍，經射出成型的塑膠材料是較佳的材料選擇。塑膠材料例如ABS或聚碳酸酯是可以非限制性及非地毯式實例(non-limiting and non-exhaustive examples)來使用。
如第14圖所示，開口172是構成於保護罩164內。該開口172是以通道的形態，且設計成使得可把持的手 柄142的遠端可從保護罩164的內部伸出。因此，該可把持的手柄142可由使用者容易地操縱，同時可維持該保護罩164在構造、美感及安全性的效益。如此的架構將僅在使用時，進行轉動該可把持的臂142在實質的垂直面移動才能具有實務應用性。此使得該可把持的臂142的位置可以目視迅速且不模糊地加以檢查。
第15圖展示又一取自通過展示於第3圖的閥組件100的一部份在B-B方向的截面。
第15圖展示出口108。出口108包含固定尺寸的流量孔(fixed-size flow orifice)174及快速連接頭(quick connect adapter)176。該快速連接頭176是使其適配且配置成使得氣瓶10能連接至在氣體裝置中的其他元件，例如軟管、管子、或另一壓力閥或調節器。
固定尺寸的流量孔174是選自一群組的適當的孔，且是取決於所欲的終端應用、所需要的流率及負載循環而可容易地互換。當符合如上所述的壓力調節器118的離散壓力設定時，各可用的流量控制孔174是依尺寸大小加以分級以提供標稱應用流量(nominal application flows)。當採用不同的壓力設定時，則各種可選擇的孔尺寸可提供的流量在流量範圍可能會重疊。然而，當使用於不同的流率及負載循環時，各組合可提供特殊的優點。
終端使用者可配備分選指南(sizing guide)、或使用點流量測量裝置(point-of-use flow measuring equipment)，以決定何種組合的流量選擇裝置設定及孔尺寸是 最適於應用且可將焊接突波(weld surge)加以最小化。
本發明的第二具體實例是展示於第16圖。第二具體實例包含閥組件200。在第16圖的具體實例中，該閥組件200包含壓力調節器218。該壓力調節器218是實質地類似於第一具體實例的壓力調節器118。然而，在第二具體實例中，隔膜板232是用於取代第一具體實例的活塞132。
如第16圖所示，閥區域226包含設置於鄰接閥座230的提動閥228。提動閥228是連接至隔膜板232，其構成為使得提動閥228沿著X-X軸朝向及遠離閥座230的平移運動而可分別關閉及打開其間的開口234。該隔膜板232是在其末端加以封止，且可操作以響應於氣體壓力而移動。
隔膜板232是藉由以設置在X-X軸周圍(about)的控制彈簧236的形態的偏置裝置而可彈性回復地偏置(resiliently biased)。此外，進一步配備對置彈簧238以直接作用在提動閥228，以對提動閥228賦予穩定及對準中心力。
調節器218是可操作以承接來自氣瓶12在全氣瓶壓力(例如，100至900bar)的氣體，但是可在實質地恆定的固定低壓(例如，5bar)供應氣體至出口108。此是藉由反饋機構來達成，藉此開口234的下游的氣體壓力是可操作以作用在與其鄰接的腔室(chamber)中的隔膜板232上，且與彈簧236的偏置力成對立的狀態。此對隔膜板232的抗衡效果可提供在系統為在平衡時的特定壓力。因此，在所欲的特定的設定壓力下，該彈簧與氣體勢能是選擇為相等。
因此，若在鄰接隔膜板232的區域的氣體壓 力超過特定的水準，則隔膜板232是可操作以變形(distort)且造成提動閥228沿著X-X軸(朝向第5及6圖的左手側)而移動。結果，該提動閥228是移動至更接近閥座230而縮減開口234的尺寸，因此，可限制從入口106至出口108的氣體流量。伴隨於此，若氣體壓力降低，則該隔膜板232返回至其原始、未變形的形狀，且該提動閥228是移動而遠離閥座230，以增加開口234的尺寸。
本發明的第三具體實例是展示於第17圖。展示於第17圖的第三具體實例的零件(features)，其與第3至16圖的第一及第二具體實例相同的部份是賦予相同的元件代表符號(reference numerals)，因此在此將不再加以敘述。
第三具體實例包含閥組件300。在第17圖的具體實例中，該預定的離散可選擇的位置是進一步可藉由配備微調選擇裝置(fine tuning selector)來加以改良。如前所述，該可把持的手柄302的轉動移動造成中心筒體304藉由定位銷308在通道310內滑動而沿著X-X軸相對於圓筒形導向體306移動。
然而，閥組件300進一步提供一種機構，其經由另一筒體(barrel)312來進行調整通道310及定位銷308的相對位置。該筒體312可藉由又一微調手柄(fine adjustment handle)314來加以調整。此微調手柄具有可使得以定位切口所定義的預設定位置(未展示)沿著X-X軸而平移(translation)，以再微調壓力設定點的功效。
在其他特點中，該閥組件300相對應於閥組 件100、或其他可行的第16圖的閥組件200。
在使用時，使用者選擇特定的壓力調節器118的設定及流量限制孔174的尺寸，以達成特定的流率，具有用於特定的應用經最適化特定的抗突波性能(anti-surge properties)。
第18圖展示典型的流量範圍及在各種可用的設定間的重疊。
對於常態焊接(normal welding)，使用者將選擇在A線的流率組合。B線表示經將焊接突波最小化加以最適化的壓力與孔架構。換句話說，對於快速循環焊接(rapid-cycling welding)，應該選擇B線的選項(options)。若快速循環焊接是以在常態A線的組合來實施時，則該設定流量將可達成，但是該焊接突波量(weld surge volume)可能會較高。
伴隨於此，若使用快速循環B線組合，取決於設備設定下游而定，則可能會發生：在焊接作業的時間期間，該設定流量降低至低於所需要的值。若其為短管及軟管時，流量的下降可能會特別地敏銳。
因此，選項的選擇允許可調適終端使用者的要求條件且減少突波的性能。
在使用時，對於具有穩態焊接時間(weld time)為15秒鐘及需要標稱流量(nominal flow)為15公升/分鐘的應用，將需要使用設定A及孔尺寸3。該焊接突波量典型的經驗值對於每一作業將為約1公升。
相同的設備，但是在循環時間(cycle time)為1秒鐘開啟、1秒鐘關閉(亦即，負載循環為50%)及流量為15公升/分鐘下運轉，將仍可使用設定A及孔尺寸3。但是，因為短的開啟時間，當流量為過量時，則時間比例為較高；在某些設備設定，該流量可能從未穩定成15公升/分鐘的穩態流量。該焊接突波量典型的經驗值對於每一作業將為0.2公升。
另一可行的經選擇的設定是設定B及孔尺寸4。不同的B設定將降低可被經歷為在靜態狀況的尖峰壓力、將可能的突波量減至最小，但是仍然可提供在使用點所需要的標稱流量。經減少的過剩量為0.1公升。因此，使用設定B可減少50%的焊接突波量。
經由又一實例，如下表1所示對於上述具有兩個離散位置的具體實例，所測得某些實例的流率。使用各種快速連接的流量限制孔174，以彼等能支援的流率(單位為公升/分鐘(LPM))加以定性。
雖然上述具體實例已經就涉及兩個操作及一個關閉的預設定位置加以敘述，熟習此項技藝者應該可容易地暸解其他可行的變異例將屬於在本應用的精義範圍內。例如，任何適當數目的離散可選擇的位置也可使用於本發明。
此外，雖然本發明已經就涉及控制單一控制壓縮彈簧的壓縮長度(在第一具體實例中的彈簧136)加以敘述，本發明可包含一個或以上的壓縮控制彈簧。例如，當選擇一預設定壓力時，本發明可操作以選擇不同的彈簧、或彈簧的獨特組合用於各離散的壓力設定。
除此以外，本發明的轉動式手柄組件(rotating handle arrangement)可提供又一效益。例如，該手柄(handle)在實質的垂直面的移動使得手柄可包含一鎖住裝置(locking means)，用於與例如保護罩164接合以使得壓力調節器118將被鎖住在預定的位置。
雖然上述具體實例的壓力調節器，例如關於活塞式調節器或隔膜板式調節器已經加以敘述，但是熟習此項技藝者應能考慮及其他組件，且將是屬於本發明的精義範圍內。例如，該壓力調節器可取代隔膜板或活塞而由經裝入具有固定密封的參考壓力(fixed sealed reference pressure)的圓頂(dome)所構成，且以轉動式臂(rotating arm)來變化經密封的參考容積及由此衍生的壓力。
本發明的具體實例已特別參照圖解說明的實例加以敘述。雖然特定的實例是展示於圖式且在本文中加 以詳細說明，然而應瞭解該等圖式並不意圖限制本發明為如同所揭示的特定形態。應瞭解的是可在本發明的精義範圍內對所揭述的實施例作各種變異及改良。
類似的情況可充分同等地應用到其他藉由高壓氣瓶所供應的氣體應用，例如在食品的調氣包裝(MAP：Modified Atmosphere Packaging)、飲料分配系統(beverage dispense systems)。
100‧‧‧閥組合件；閥；閥組件；閥及壓力調節器組合件
102‧‧‧閥本體
104‧‧‧導管
106‧‧‧入口
110‧‧‧充填口
118‧‧‧壓力調節器；調節器
122‧‧‧安全釋放閥
126‧‧‧閥區域
128‧‧‧提動閥
136‧‧‧控制彈簧；彈簧；壓縮彈簧；控制壓縮彈簧
144‧‧‧中心筒體
146‧‧‧圓筒形導向體
162‧‧‧彈簧

Claims (15)

  1. 一種壓力調節器，用於調節氣體源的流率，該壓力調節器包含：一外罩，具有與氣體源連通的入口、可操作以供應在特定壓力及流率的氣體的出口、及伸展介於入口與出口間的導管，一節流裝置，設置於導管中且可調整位置以控制流經其中的氣體流量，一偏置裝置，用於對節流裝置施加預定的偏置，以及一選擇裝置，可操作以選擇偏置裝置及節流裝置的預定的複數個離散架構中的一者，以提供在該出口的氣體壓力的離散選擇，並且，其中，該出口包含選自一特定群組的固定尺寸孔中的一固定尺寸孔，使得孔與該選擇裝置可選擇的位置的組合可對該出口的下游的應用提供一群組的離散的流率/壓力組合。
  2. 如請求項第1項所述的壓力調節器，其中，該可選擇的離散、偏移位置的數目為5個或以下。
  3. 如請求項第2項所述的壓力調節器，其中，該可選擇的離散、偏移位置的數目為3個或以下。
  4. 如請求項第1項所述的壓力調節器，其中，該選擇裝置包含轉動式控制構件，可操作以選擇該離散架構中的一者，該選擇裝置是可操作以鎖住各該離散架構。
  5. 如請求項第4項所述的壓力調節器，其中，該轉動式控制 構件是可操作以移動控制裝置至預定數目的線性偏移位置中的一者，從該偏置裝置的偏置是取決於該線性位置而定。
  6. 如請求項第5項所述的壓力調節器，其中，該偏置裝置包含至少一控制壓縮彈簧，且該控制壓縮彈簧的偏置是取決於該控制裝置的線性偏移而定。
  7. 如請求項第5或6項所述的壓力調節器，其中，該控制裝置包含至少一定位銷，可操作以在至少一相對應的通道內滑動，該定位銷及通道控制該控制裝置的線性移動。
  8. 如請求項第7項所述的壓力調節器，其中，該或各通道包含複數個定位切口，用於接納該或各相對應的定位銷，各定位切口定義該選擇裝置的一離散架構。
  9. 如請求項第8項所述的壓力調節器，其中，該選擇裝置包含彈性元件，用於將該或各定位銷偏置入各自的定位切口。
  10. 如請求項第1項所述的壓力調節器，其中，該選擇裝置進一步包含可把持轉動的手柄。
  11. 如請求項第10項所述的壓力調節器，其中，該可把持轉動的手柄是可經由少於180°的角度範圍轉動而選擇該離散位置中的任一者。
  12. 如請求項第1項所述的壓力調節器，其中，該節流裝置包含連接至隔膜板或活塞的可線性移動閥。
  13. 如請求項第1項所述的壓力調節器，其中，該固定尺寸孔是可互換。
  14. 一種閥組合件，其包括如前述請求項中的任一項所述的壓力調節器。
  15. 一種氣瓶組合件，其包括氣瓶本體及如請求項第14項所述的氣瓶。
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