CN100365338C - 流体控制阀 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于流体控制、特别是用于气体控制的阀，这种阀包括一个阀壳体(13)和一个用于至少部分区域为管形的阀衔铁(17)的操纵单元，该阀衔铁可轴向移动地被导向并设有一个阀闭合元件(22)，借助于该阀闭合元件可以控制一个流入侧(11)与一个流出侧(12)之间的流体流，并且该阀闭合元件与一个阀座(25)共同起作用。阀衔铁(17)在一个远离阀闭合元件(22)的区域中具有一个导向轴环(30)，并且在一个相对于该导向轴环(30)错开的区域中设有一个第二导向装置(31)。

Description

流体控制阀
技术领域
本发明涉及一种流体控制阀，特别是气体控制阀。
背景技术
这种形式的阀在实际中已被公开，例如作为气体喷射阀可用于由石油气(NG＝天然气)驱动的汽车的快燃发动机中。这种设计用于气体控制的阀包括一个阀壳体，其中可轴向移动地导向一个阀衔铁。阀衔铁的移动可以借助于一个电磁操纵单元引起，该阀衔铁装有一个阀闭合元件，它与阀座共同起作用，通过它可以控制阀的流入侧与流出侧之间的流体流动。
公知的上述形式的气体阀存在下面问题，在使用无油气体时由于缺乏润滑，在阀衔铁和阀座区域出现材料磨损，可能使阀衔铁倾斜并因此卡在阀体上，从而造成阀功能的提前失效。
发明内容
按照本发明提出了一种用于流体控制、特别是用于气体控制的阀，包括一个阀壳体和一个用于至少部分区域为管形的阀衔铁的操纵单元，该阀衔铁可轴向移动地被导向并设有一个阀闭合元件，借助于该阀闭合元件可以控制一个流入侧与一个流出侧之间的流体流，并且该阀闭合元件与一个阀座共同起作用，其中，阀衔铁在一个远离阀闭合元件的区域中具有一个导向轴环并且在一个相对于该导向轴环错开的区域中设有一个第二导向装置，并且该阀衔铁的导向轴环被用于膜润滑剂涂层。
这种流体控制阀具有的优点是，保证了阀衔铁的防倾斜的导向，从而使得由于阀衔铁的倾斜造成阀失效的危险最小化。
本发明的阀可以特别作为气体阀在固定设备、如发电机中和在与气体驱动或燃料电池相关的汽车以及汽车的所谓APU(AuxiliaryPower Unit-辅助动力单元)中使用。
按照本发明的阀的一种优选实施形式，第二导向装置由板簧构成。板簧最好夹紧在阀衔铁和阀壳体之间，因此板簧平面与阀衔铁轴线垂直定向。板簧允许阀衔铁的平行于阀衔铁轴线的运动，阻止阀衔铁的径向运动。
当板簧夹紧在和/或焊接在阀闭合元件与阀衔铁的一个管形区域之间时，可以特别稳固地固定板簧。
为了防止在板簧区域中产生流动损失，板簧也可以设置在阀衔铁的通常存在的径向出流孔的上游。
当板簧安装在流动孔的下游，则合乎目的的是，板簧构造成环形的并且设有多个用于流体流的通流口。
此外，阀衔铁的导向轴环可以用干膜润滑剂，如MoS2，润滑漆膜、碳层进行涂层。
按照本发明的阀的一种可替换实施形式，第二导向装置由阀闭合元件构成。该阀闭合元件则在径向上邻接在最好由阀壳体构成的导向面上。该阀闭合元件可以与阀衔铁一体地制成，也可以作为与阀衔铁连接的分立零件加工。
按照本发明的阀的一种特殊实施形式，阀衔铁在一个深拉伸的阀衬套中被导向，阀衬套是阀壳体的组成部分。在这种情况下，最好与阀衔铁一体加工地制成的阀闭合元件基本上具有等于或略小于阀衔铁的导向轴环的直径。
为了构造一个设置在阀座和出流孔之间的并在径向受到阀壳体限制的大的高压气体腔，阀衔铁可以在径向出流孔区域中具有一个截面收缩部，这样就使阀具有高效率，因为在打开阀闭合元件时，在高压气体腔内保存的气体首先流出。
为了避免阀闭合元件或阀衔铁上的材料损坏，可以在阀座下游设置一个节流阀，实现在远离阀闭合元件处对通过阀流动的气体的节流。本发明的阀中的最大压力降因此出现在节流阀处。
按照本发明的阀的一种具有优势的实施形式，阀座具有一个至少等于节流阀通流面积的二到三倍的通流面积。这样，通过阀的质量流量与阀座之后的压力以及节流阀的直径有关。另外，节流阀最好具有一个在其直径大小量级上的长度。
为了减小阀的流入侧与阀座之间的压力降，合乎目的的是，在阀衔铁上构成的出流孔的总通流面积同样至少等于多倍的节流阀通流面积。
依据本发明的气体阀最好这样设计，使节流阀出口处的马赫数(Ma)等于1(声流)。则在紧接着节流阀的阻尼管中发生压缩冲击。
相比之下，目前的气体阀大多工作在高马赫数下，特别是在阀的出口区域中，马赫数可达3 Mach。马赫数定义为可压缩流体中气体速度与相应的在气体介质中的音速的比值。由于外部的出口边界条件和阀的几何形状，气体射流在阀中强烈减速，也就是说会降低马赫数。因此，由于与马赫数的平方成正比的压力增大而产生压缩冲击，它会造成阀体上的材料损坏和在阀出口处的不期望的噪声。
为了不将压缩冲击传递到阀闭合元件上，合乎目的的是，一个最好连接在节流阀之后的阻尼管具有一个至少等于节流阀直径的三倍的直径。
为了使阻尼管出口处的气流的马赫数明显低于1，并引起噪声产生的大大下降，合乎目的的是，阻尼管具有一个至少等于节流阀直径的十倍的长度。
本发明技术方案的进一步的优点和具有优势的构型可以从说明书和附图中得到。
附图说明
在附图中示意性简要表示了按照本发明的阀的五种实施形式，并在下面的说明中进行了详细描述。
图1表示按照本发明的阀的第一种实施形式的纵向截面；
图2以放大形式表示图1中的阀的流体流出侧；
图3表示图1中的阀的阀闭合元件的导向装置；
图4表示图1中的阀的板簧；
图5以部分示图表示按照本发明设计的阀的第二种实施形式的纵向截面；
图6以与图5相同的示图表示按照本发明的阀的第三种实施形式的纵向截面；
图7以与图5相同的示图表示按照本发明的阀的第四种实施形式的纵向截面；
图8表示按照本发明的阀的第五种实施形式的纵向截面，这种阀具有一个导向衬套。
具体实施方式
在图1-4中表示了一种气体阀10，它被设计用于燃料电池或燃气发动机中，并且用于调节从流入侧11到流出侧12的氢气或天然气流。
气体阀10包括一个多零件组成的壳体13，壳体13带有一个基本上为管形的接头14，在接头14上构成流体流入侧11，该接头通过一个法兰形的、具有外径增大部的凸缘轴向插入到一个基本上为空心圆柱形的中心阀体15中。在中心阀体15中为电磁操纵单元构造了一个空间16，电磁操纵单元与一个阀衔铁17相互作用，该阀衔铁17通过一个螺旋弹簧18支撑在一个装入接头14的内孔中的套筒19上。
该阀衔铁17包括大直径区域20和以收缩形式构成的小直径区域2 1，在小直径区域的端面上连接着一个阀闭合元件22上，阀闭合元件22通过一个管形伸出部分23插入阀衔铁17的小直径区域21的轴向纵向孔38中。
特别地，如从图2可以看出的，阀闭合元件22在其自由端面上有一个密封环24，密封环24与设计成平面支座的阀座25共同起作用，并且密封环由弹性体密封环构成。
平面支座25构造在一个被称为阻尼管27的一个端面26上，阻尼管27同样装入阀体15中，并形成流体流出侧12。
阀衔铁17在其小直径区域21具有一些径向出流孔28，这些径向出流孔28在轴向相互错开的两排上沿周向分布地设置，并且将阀衔铁17的与流入侧11相连的纵向孔38与一个高压气体腔29连接起来，该高压气体腔29在径向上在一侧由阀衔铁17构成边界，在另一侧由阀壳体13限制。高压气体腔29在轴向上与阻尼管27的端平面26邻接。
这些出流孔28相对于它们的纵向尺寸分别是相对短的，因此通过它们在阀座25前仅出现很小的压力降。
如特别从图3可以看出的，阀衔铁17在其轴向上远离阀闭合元件22设置的大直径区域20中通过一个导向轴环30在阀体1 5的轴向孔15A中可轴向移动地被导向。导向轴环30是阀衔铁17直径的一个通过一个棱边或倒角36形成的扩大部分，因此它邻接在阀体15的一个形成内径的棱边39上。这样，在打开阀闭合元件22时，防止了杂质颗粒侵入在阀衔铁17的大直径区域20的外径与阀体15的内径之间构成的环状间隙37中。
另外，为了减小磨损，阀衔铁17至少在导向轴环30的区域中用润滑涂层(Gleitlack)处理。
在此，阀衔铁17在其相对于导向轴环30轴向错开的小直径区域21中通过如图4详细表示的板簧31导向。板簧31构造成环形，并且一侧与阀壳体13连接，另一侧与阀衔铁17连接，确切地说是这样，即板簧31夹紧在小直径区域21和阀闭合元件22之间。在这里，阀衔铁17的小直径区域21和阀闭合元件22通过焊接连接互相固定连接。
在图示的实施结构中，板簧通过激光切割加工形成，并具有大约1mm的轴向厚度，另外板簧具有许多接片31A，它们构成用于受控气体的多个气体通流口32的边界。板簧31阻止阀衔铁17的径向运动，其中阀衔铁17这样地悬挂在板簧31上，使得它在悬挂区域中没有磨损地工作。
另外，阻尼管27在阀座25的下游具有一个圆柱形腔33，它通过一个变小直径的节流阀34与构造成阻尼管27的轴向纵向孔的阻尼腔或膨胀腔35轴向连接。通过节流阀34和接在它前面的圆柱形腔33，压力冲击被这样转移，即它们转移到节流阀34的下游，并在膨胀腔35中减压。这样可以减小由于压力冲击对阀闭合元件22的损坏。
图5表示第二种按照本发明的用于使用在燃料电池或气体发动机中的气体阀50的实施形式。气体阀50在很大程度上与图1表示的气体阀相同，因此相互相应的零件用相同的参考标记表示。
气体阀50包括一个阀壳体13，其中轴向可移动地导向着一个基本上管状构成的阀衔铁17。阀衔铁17在其阀座侧的端面上具有一个用作阀闭合元件的阀板51，阀板51与阀衔铁17的管状区域在这里以点焊方式焊接，并通过一个弹性体密封环52与构造成平面支座的阀座25共同起作用，因此可以控制一个压力腔29和一个圆柱形腔或节流腔33之间的气体流。
与图1的实施形式相同，阀衔铁1 7具有径向出流孔28，它们同样在轴向相互错开的两排上沿圆周方向分布地设置，并且保证阀衔铁17的内腔与压力腔29之间的气体流。也可以考虑只配置一排或配置多于两排的出流孔。
阀衔铁17在一个远离阀闭合元件51的区域中，例如通过一个在这里没有示出的、但与图1的实施形式相同的导向轴环在阀壳体13中导向。
阀衔铁17具有作为第二导向装置的板簧31，该第二导向装置在轴向相对于导向轴环错开布置，该板簧夹紧在阀衔铁17和阀壳体13之间，位于阀衔铁17的径向出流孔28的上游。
与图1的实施形式相同，在节流腔33的下游设置了一个节流阀34，它通入一个阻尼管27的阻尼腔35中。通过该节流阀34，气体阀50中的最大压力降转移到阀座25或阀闭合元件51下游的位置上。
气体阀50被这样设计，即，在阀座25上具有一个座直径为D_S的最小的通流面积，该通流面积是具有直径D的节流阀34的通流面积的六倍。节流阀34的长度L_D大约等于其直径D。
这些出流孔28同样有一个至少等于所述节流阀面积的六倍的总通流面积。
在节流阀34之后连接一个阻尼管27，其内径D_R至少等于节流阀直径D的三倍，长度L_R至少等于节流阀直径D的十倍。
上述实施形式中的阀闭合元件51或阀衔铁17具有一个大约从0.3mm到0.4mm的行程H。
在图5中，阀壳体13和阻尼管27表示为一件式的。但在实际中如果有必要，将阻尼管27构造成与阀壳体13相连接的单独的部件也是合适的。
图6表示阀60的另一个实施形式，与图5表示的阀的不同之处在于，阀60具有一个作为阀闭合元件的阀板61，该阀闭合元件具有一个与阀板61一体制成的金属密封环62。通过使用金属密封环62可以减小气体阀60在密封区域中的磨损，也可以避免在阀开启时由于弹性体密封材料的膨胀可能造成的行程变化。阀60也可以用作汽油阀使用。
图7表示了一种基本上与图5所示气体阀相同的气体阀70，不同之处在于，气体阀70具有一个基本上构造成锥形的节流腔71，其中的锥角α可以处于60°和120°之间。相对于圆柱形节流腔，节流腔71的这种锥形设计可以更好地使流体通过，因为减少了所谓的死水区域。
图8表示了另一种按照本发明的被设计用于气体发动机的气体阀80的实施形式。
气体阀80包括一个壳体81，该壳体具有一个基本上为空心圆柱形的阀体82和一个在阀体82中安装的、用于容纳一个阀衔铁84的深拉伸的导向衬套83。阀衔铁84上设有一个轴向定向的盲钻孔85，并通过一个螺旋弹簧18支撑在一个装入一个管件87中的塞件86上，管件87固定安装在导向衬套83中。盲钻孔85与阀80的流入侧11相连接。
借助于一个包围导向衬套83的电磁操纵单元88可以轴向移动的阀衔铁84，具有一个阀闭合元件89，它通过一个密封环90与一个构造成平面支座的阀座91共同起作用。阀闭合元件89的密封环90可以由金属或弹性体制成。
阀座91构造在一个管件92的一个端面上，管件92装入导向衬套83中，用作阀板。在阀板92中构造有一个表示为节流腔的圆柱孔33，节流腔设在节流阀34之前，节流阀又通入一个卸载腔35。节流阀34的直径决定了气体阀80中的最大体积流量。
阀闭合元件89在这里与阀衔铁84一体制成，因此不必焊接阀闭合元件89。
另外，阀衔铁84具有一个释放高压气体腔29的截面收缩部或直径变小部93，在它的区域中设置了一些径向出流钻孔28，它们使阀衔铁84的轴向盲钻孔85与高压气体腔29相连接。
为了在打开阀闭合元件89时将高压气体腔29与节流腔33连通，阀闭合元件具有在圆周方向上分布的一些轴向孔94。阀80中的气体流借助箭头X来表示。
阀衔铁84被这样导向，即它在其远离阀闭合元件89的区域中具有一个贴靠在导向衬套83内壁上的导向轴环95。
为了避免阀衔铁84的倾斜，阀衔铁84另外通过阀闭合元件89在导向衬套83中被导向，其中，阀闭合元件89具有比导向轴环95小一点的直径，这样可以容易加工导向衬套83中的多个导向面。
为了改善阀衔铁84的运动特性，可以用合适的润滑漆膜对位于导向轴环95、阀闭合元件89和/或导向衬套83上的这些导向面进行涂层。润滑漆膜还在气体阀80的工作寿命内提供不变的滑动特性。

Claims (15)

1.用于流体控制的阀，包括一个阀壳体(13；81)和一个用于至少部分区域为管形的阀衔铁(17；84)的操纵单元(88)，该阀衔铁可轴向移动地被导向并设有一个阀闭合元件(22；51；61；89)，借助于该阀闭合元件可以控制一个流入侧(11)与一个流出侧(12)之间的流体流，并且该阀闭合元件与一个阀座(25；91)共同起作用，其特征在于，阀衔铁(17；84)在一个远离阀闭合元件(22；51；61；89)的区域中具有一个导向轴环(30；95)并且在一个相对于该导向轴环(30；95)错开的区域中设有一个第二导向装置(31；52；89)，并且该阀衔铁(17；84)的导向轴环(30；95)用干膜润滑剂涂层。
2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述第二导向装置(31；52)由一个板簧构成。
3.根据权利要求2所述的阀，其特征在于，该板簧(31；52)夹紧在阀衔铁(17)和阀壳体(13)之间。
4.根据权利要求2或3所述的阀，其特征在于，该板簧(52)安装在阀衔铁(17)的多个径向出流孔(28)的上游。
5.根据权利要求2或3所述的阀，其特征在于，板簧(31)构造成环形并且具有多个用于流体流的通流口(32)。
6.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，第二导向装置(89)由一个阀闭合元件构成。
7.根据权利要求1到3之一所述的阀，其特征在于，阀衔铁(84)在一个深拉伸的导向衬套(83)中被导向，该导向衬套是阀壳体(81)的组成部分。
8.根据权利要求1到3之一所述的阀，其特征在于，阀衔铁(17；84)在径向出流孔(28)的区域中具有一个截面收缩部(21；93)。
9.根据权利要求1到3之一所述的阀，其特征在于，在阀座(25；91)下游设置了一个节流阀(34)，它与一个设置在前面的节流腔(33；71)共同起作用。
10.根据权利要求9所述的阀，其特征在于，阀座(25；91)具有一个等于节流阀(34)的通流面积的二到三倍的通流面积。
11.根据权利要求9所述的阀，其特征在于，出流孔(28)具有一个至少等于所述节流阀通流面积的六倍的总通流面积。
12.根据权利要求9所述的阀，其特征在于，在该节流阀(34)之后设置一个阻尼管(27)。
13.根据权利要求12所述的阀，其特征在于，阻尼管(27)具有一个至少等于节流阀(34)直径的三倍的内径。
14.根据权利要求12或13所述的阀，其特征在于，阻尼管(27)具有一个至少等于节流阀(34)直径的十倍的长度。
15.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述阀是用于气体控制的阀。
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