CN100373148C - 自封式深海保压取样控制阀 - Google Patents

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Abstract

一种自封式深海保压取样控制阀，属于海洋技术仪器设备领域。本发明包括：弹簧座、预压弹簧、O形密封圈、阀芯杆、阀体、活塞复位弹簧、活塞、限位螺帽、驱动弹簧、驱动块、套筒、端盖，阀芯杆内设有O形密封圈，阀芯杆、预压弹簧和弹簧座依次设在阀体内，活塞的外侧设有活塞复位弹簧，活塞套在阀芯杆上，限位螺帽设在阀芯杆顶端，套筒的一端套在活塞和活塞复位弹簧上并与阀体连接，另一端内设有驱动弹簧和驱动块并设有端盖。本发明在没有机械或电器连接的情况下实现了阀的控制，可将内外压差转换为阀口的压紧力，并自动增益，具有压差越大密封性越强的特点，可作为水下流体保压取样器等设备的开关控制阀。

Description

自封式深海保压取样控制阀
技术领域
本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的阀，具体地说，是一种自封式深海保压取样控制阀。
背景技术
为了开展海洋研究，常常需要采集水下特定位置，特定环境，特定成分的流体样品进行分析研究。为了保证分析研究的准确性，通常要求所采集的样品能够保持原始的物理化学成分和状态，如纯真、保压、保温和保持相态等。例如，海底热液是一种分布在大洋海底的喷泉喷出的液体，一般位于1000米～6000米水深，这种热液中的化学成分和微生物对生命起源和海底热液成矿作用的研究具有很高价值。对这种液体进行研究就需要在原位采集真实的样品。通常的做法是通过载人或无人潜水器机械手上的专用热液取样器进行取样。根据不同研究的需要，取样分为不保压取样和保压取样两种。保压取样是样品在采集、储存和提取整个过程中维持海底原位采集点(即热液喷口)的压力。保压取样器的研究，除涉及到取样器容器和样品保压等技术外，另一个关键技术就是可由潜水器遥控操作的保压取样控制阀。由于该阀在海底大深度时处于外高压环境，在水面保压时又处于外常压内高压环境，在液体取样和保压储存的过程中其内外压力交替变化，因此，要求这种控制阀在承受内外双向交替高压条件下，既能满足长期密封保压要求又能满足潜水器的控制要求。现有技术中的高压截止控制阀，一般用在陆上常压环境下的高压回路中，通常采用人工旋转阀柄或气体驱动方式控制，限于上述要求，不能直接作为深海保压取样控制阀使用。目前国内的相关技术还处于研究探索阶段，国际上也只有为数不多的国家进行开发研究，采用的方法有通过电机旋转高压截止阀的阀柄进行开关控制。
经对现有技术文献的检索发现，美国海洋技术研究所(WHOI)最新开发的一种气密恒压热液取样器采用的是电机驱动截止阀的方法来实现超高压环境中的保压取样控制，参见：Jeffrey S.Seewald等人在Deep-Sea Research(深海研究)I 49(2001)189-196上发表的“A new gas-tight isobaric sampler forbydrothermal fluids”(新型气密保压热液取样器)一文。该装置的采样阀是一个普通的超高压针阀，由减速直流电机控制。减速直流电机安装在充满硅油塑料腔内，用来保证内外压力平衡，电机的输出轴通过连轴节与阀柄连接。一个安放在潜水器内的控制盒控制电机的转向，以直接旋转阀柄的方式来打开或关闭针阀，操作人员通过监视电机的堵转电流(即最大扭矩)来确定针阀是否全部打开或关阀，即最大关阀力是由电机的最大扭来矩确定的。这种用电机驱动的普通开关阀存在以下三方面缺陷：其一，因为采用电机驱动，每一个取样器均要潜水器提供电源，单独控制，由于深海取样时需要携带大量的取样器，电源线的干扰严重地影响了取样操作，并占用了潜水器的资源；其二，由于处于高压环境，驱动电机需要充油密封，必须用特定的补偿机构来平衡密封腔体的内外压差，技术复杂，成本高可靠性低；其三，由于阀针对阀口的压紧密封力的大小是由电机的扭矩来确定的，在保压时，随着水深减小，即阀口外压的减小，使得内压大大高于外压，阀针对阀口的压紧密封力会减小，从而降低保压效果，甚至泄漏。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自封式深海保压取样控制阀，采用了密封性强的锥面密封结构，其阀口密封面的压紧力，都随着内外双向压差的增大而增加，因而密封性也随之增强，并可在大深度水下通过潜水器机械手上的推力油缸以直接推动的方式控制该阀的开关。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：弹簧座、预压弹簧、O形密封圈、阀芯杆、阀体、活塞复位弹簧、活塞、限位螺帽、驱动弹簧、驱动块、套筒、端盖，阀芯杆内设有O形密封圈，阀芯杆、预压弹簧和弹簧座依次设在阀体内，活塞的外侧设有活塞复位弹簧，活塞套在阀芯杆上，限位螺帽设在阀芯杆顶端，套筒的一端套在活塞和活塞复位弹簧上并与阀体连接，另一端内设有驱动弹簧和驱动块并设有端盖。
除了阀体的阀口密封以及活塞、阀体和阀芯杆构成密封结构以外，其余腔体均为非密封结构。
所述的活塞、阀体和阀芯杆构成滑动密封结构。
所述的阀体的阀口为锥面密封。
所述的活塞的外径D2大于阀体阀口密封截面的直径D1。
本发明安装时，即环境压力为常压情况下，调整并锁定限位螺帽使活塞复位弹簧处于自由状态，调整端盖使驱动弹簧也处于自由状态，此时，预压弹簧产生的压力满足阀口常压下的密封要求。当本发明安装在保压储样容器上并由潜水器携带到水下时，随着水深的增加，环境压力增大，密封腔的内外压差增大，活塞在外压的作用下压缩活塞复位弹簧使其沿着阀芯杆向阀口方向移动，直到端面限位位置。由于阀体阀口密封面上的密封截面直径大于活塞与阀芯杆密封处的活塞内径，随着外压的增大，由此面积差而产生的压力(简称阀口压差力)使阀口锥面压紧力越来越大，阀口的密封性也随着深度的增加越来越强。到达深海采样点后，通过潜水器机械手上的推力油缸推动套筒内的驱动块压缩驱动弹簧，当驱动弹簧的压缩力克服预压弹簧的预压力和阀口压差力时，阀芯杆移动，完成开阀动作，取样器进行采样。在阀芯杆端头的O形密封圈能确保采集的样品完全来自于吸水管。由于采用驱动弹簧来推动阀芯杆，缓冲了推力油缸作用在阀芯杆冲击力，防止推力油缸的刚性推力直接作用于阀芯杆而造成结构破坏。随着采样的进行，保压储样容器内的样品压力逐渐升高，此时活塞复位弹簧的回复力使得活塞向限位螺帽方向移动直到其初始位置。当样品采集完毕，内外压完全平衡后，松开推力油缸，驱动块在驱动弹簧的作用下复位，阀芯杆由预压弹簧推动关闭阀口，完成关阀动作。此时保压储样容器所储存样品的压力即为采样点的压力。采样完成后，设备向水面回收，在这个过程中，外压越来越小，内外压差越来越大，由于关阀时活塞复位弹簧已使活塞复位并由限位螺帽限位，样品的容积不随压差的变化而改变，保证了样品压力稳定。又由于活塞的外径大于阀体阀口密封截面的直径，内压作用在此面积差上所产生的对活塞的反推力，由限位螺帽传递到阀芯杆上，使阀口的压紧力越来越大，到达水面时压差最大，阀口的压紧力也最大，有利于样品的长时间保压储存，从而实现水下特定位置的液体保压取样和保压储存。
本发明使用了高压锥面密封技术，利用预压弹簧和滑动的活塞，在内外压力差方向转换时，阀口的受力总是保持压紧的方向，且自动增益，具有压差越大密封性越强的特点，克服了现有技术中阀口压紧力随着内压增加而减小的不足；由于采取的是外力直线推动来开关阀的操作方式，可利用操作机械手上单一的推力油缸实现多个取样器的水下采样，回避了现有技术中驱动电机连接电线对取样操作的影响；同时由于采用推力油缸通过驱动弹簧来推动阀芯杆，有效地缓冲了阀芯杆冲击力，防止推力油缸的刚性推力直接作用于阀芯杆而造成结构破坏，也降低了对推力油缸的安装和行程精度的要求；本发明为机械结构，避免了现有技术中需要压力补偿的驱动电机等结构造成的结构复杂、成本高和可靠性低的问题。本发明可用于水下流体保真取样设备的采样控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：弹簧座1、预压弹簧2、O形密封圈3、阀芯杆4、阀体5、活塞复位弹簧6、活塞7、限位螺帽8、驱动弹簧9、驱动块10、套筒11、端盖12，阀芯杆4内设有O形密封圈3，阀芯杆4、预压弹簧2和弹簧座1依次设在阀体5内，活塞7的外侧设有活塞复位弹簧6，活塞7套在阀芯杆4上，限位螺帽8设在阀芯杆4顶端，套筒11的一端套在活塞7和活塞复位弹簧6上并与阀体5连接，另一端内设有驱动弹簧9和驱动块10并设有端盖12。
除了阀体5的阀口密封以及活塞7、阀体5和阀芯杆4构成密封结构以外，其余腔体均为非密封结构。
所述的活塞7、阀体5和阀芯杆4构成滑动密封结构。
所述的阀体5的阀口为锥面密封。
所述的活塞7的外径D2大于阀体5阀口密封截面的直径D1。

Claims (3)

1.一种自封式深海保压取样控制阀，其特征在于，包括：弹簧座(1)、预压弹簧(2)、O形密封圈(3)、阀芯杆(4)、阀体(5)、活塞复位弹簧(6)、活塞(7)、限位螺帽(8)、驱动弹簧(9)、驱动块(10)、套筒(11)、端盖(12)，阀芯杆(4)内设有O形密封圈(3)，阀芯杆(4)、预压弹簧(2)和弹簧座(1)依次设在阀体(5)内，活塞(7)的外侧设有活塞复位弹簧(6)，活塞(7)套在阀芯杆(4)上，限位螺帽(8)设在阀芯杆(4)顶端，套筒(11)的一端套在活塞(7)和活塞复位弹簧(6)上并与阀体(5)连接，另一端内设有驱动弹簧(9)和驱动块(10)并设有端盖(12)；除了阀体(5)的阀口密封以及活塞(7)、阀体(5)和阀芯杆(4)构成密封结构以外，其余腔体均为非密封结构；活塞(7)的外径D2大于阀体(5)阀口密封截面的直径D1，且活塞(7)与阀芯杆(4)密封处的活塞(7)内径小于内径阀体阀口密封截面的直径D1。
2.根据权利要求1所述的自封式深海保压取样控制阀，其特征是，所述的活塞(7)、阀体(5)和阀芯杆(4)构成滑动密封结构。
3.根据权利要求1所述的自封式深海保压取样控制阀，其特征是，所述的阀体(5)的阀口为锥面密封。
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