CN101107468A - 恒流调节器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在施加可变流体压力时维持恒定流体流量的恒流调节器装置，包括用于流入流体的进入管(506)、外壳(500)和面对该进入管并承受弹力的活动隔板(502)。在该进入管和该活动隔板之间形成具有可变横截面积的流体通道(510)。该外壳和活动隔板形成一内隔室(504)，该内隔室与该进入管成流体连通，以便在该内隔室内部建立与该进入管中的流体压力近似相等的流体压力。该活动隔板的尺寸显著大于该进入管的尺寸，以致在使用中，当该进入管中的流体压力增加时，该隔板克服该弹力而朝着该进入管移动，以减小所述流体通道的横截面积，并且反之亦然，从而维持恒定的流体流量。

Description

恒流调节器装置
技术领域
本发明总体上涉及一种恒流调节器装置，用于在施加可变流体压力时维持恒定的流体流量，优选是气体流量或气体混合物的流量。流体流量可以按毫升/秒(ml/s)来计量。特别是，本发明的恒流调节器装置被构造成维持流体流量基本恒定，而至少在某一工作范围内与所施加的流体压力无关。
背景技术
以前已知的流体流量调节器是具有几个不同的相互作用部件的相对复杂的装置，如，弹簧、隔膜、阀和阀座。由于许多部件需要高精度的制造和很高的装配成本，所以这些装置生产起来相对昂贵。以前已知装置的其它问题与可靠性和耐久性有关。
US3463182A公开了一种恒压流体调节器，其中流体流过可变形隔膜42中的孔口50。当将增压流体加到入口管22上时，该隔膜发生变形，以便在该隔膜和该入口管上的台肩24之间形成孔口51。然后，流体可以经过入口管22、孔口51和孔口50，以便通过开口30排出。然而，该调节器是为形成恒定流体压力而不是用于形成恒定流体流量而设计的。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题并提供一种简单、可靠且准确的恒流调节器装置。
本发明基于一种用于使通过恒流调节器装置的流体流量保持恒定的简单机制。该基本思想是使用一可膨胀的内隔室，该内隔室与用于流入流体的进入管或开口成流体连通。该内隔室由一活动隔板定界，该活动隔板面对该进入管并受一弹力作用。该活动隔板的尺寸显著大于进入管的尺寸，使得流体作用于该活动隔板内侧的最终压力大于作用于外侧上的压力，从而倾向于朝着该进入管移动该隔板。
由于如上所述的尺寸差异，当进入管和内隔室中的压力增加时，内隔室被扩大，以便克服该弹力而朝着该进入管移动该隔板。结果，当该隔板因压力增加而移动时，隔板和进入管之间供该流体通过该装置的通路面积减少了。这样，即使该流体压力升高了，流经该装置的流体流量保持基本恒定。当施加到进入管处的流体的压力降低时，由于内隔室中流体压力降低，该隔板因弹力作用而往后退，从而使得该内隔室收缩，因此增加了该通路面积，以维持通过该装置的流体流量的恒定。
可以通过在活动隔板中或在至少一部分活动隔板中使用弹性材料(如橡胶或其它聚合物)来获得该弹力。优选是，作用在隔板上的弹力特性选择成使得该通路面积最佳响应于流体压力的变化而变化。可以通过选择合适的材料和/或弹性部件的厚度来获得弹性隔板的最佳弹性特性。如果该弹力特性选择成使得该隔板的移动与该流入流体压力的变化的平方成比例，则可获得满意的效果。例如，如果该流入流体的压力增加了四倍，则隔板和进入管之间的流体通道将减小到一半的尺寸。
可以为流体离开该恒流调节器装置提供合适的排出孔，但是本发明在这方面没有限制。更进一步，可以利用该隔板中位于高压区域中且位于来自进入管的流入流体附近的小孔来获得该进入管与该内隔室之间的流体连通，或者可利用该进入管与该内隔室之间的独立流体连接管道来获得该流体连通。
应该注意到，当该进入介质的压力很低时，该内隔室不需要具有容积，但是当该进入介质中的压力升高时，该内隔室可膨胀并从而形成一定容积。
在权利要求1中要求保护根据本发明一个方面的恒流调节器装置。在权利要求13中要求保护根据本发明另一方面的一种维持流体流量恒定的方法。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。
由于本发明的恒流调节器装置可以仅通过一外壳和具有活动隔板的可膨胀内隔室来制造，因此其是容易制造的。此外，构成该装置的各部件不需要很昂贵，结果形成了一完全廉价的装置。而且，由于使用少量和普通的部件，所以根据本发明的该装置可制造成是可靠的，并具有很高的耐久性。
在优选实施例中，该活动隔板的至少一部分包括隔膜。例如，该隔膜可以是扁平的或圆顶状的。
附图说明
现在将在下文中通过在附图中示出的示例来描述本发明的优选实施例，附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的恒流调节器装置的剖面图。
图2示出了根据本发明第二实施例的恒流调节器装置的剖面图。
图3示出了本发明的第一实施例的前视图。
图4示出了根据本发明第三实施例的恒流调节器装置的剖面图。
图5示出了根据本发明第四实施例的恒流调节器装置的剖面图。
图6示出了根据本发明第五实施例的恒流调节器装置的剖面图。
图7示出了根据本发明第六实施例的恒流调节器装置的进入管的前视图。
图8示出了根据本发明第七实施例的恒流调节器装置的剖面图。
图9示出了根据本发明第八实施例的恒流调节器装置的剖面图。
具体实施方式
如上所述，可使用一可膨胀的内隔室，当入口压力增加时，该内隔室膨胀以减少流体流过该装置的通路面积。另一方面，当入口压力降低时，该内隔室收缩且因此增大该通路面积，从而维持恒定的流体流量。
在图1中示出了根据第一实施例的恒流调节器装置。该装置包括外壳1，该外壳1构成一腔室2，该腔室2具有彼此相面对布置的第一壁3和第二壁4。在该第一实施例中，侧壁5将第一壁3和第二壁4连接在一起。然而，并不总是需要提供侧壁，比如参见图4所示的第三实施例，其中第一壁4和第二壁4被连接在一起以便构成具有腔室2的外壳1。
流入的流体流(即要保持恒定的流体流)通过第一壁3中的进入管或开口6(例如设有连接件)而进入。流出的流体流通过至少一个排出孔7离开该装置，该排出孔同样可以设有连接件。在本实施例中，排出孔7设置在侧壁5中，但其也可设置在第一壁3中，正如图2和4分别示出的第二和第三实施例那样。也可设想在第二壁中设置排出孔，这取决于内隔室9外部的可用空间，这将在下文中进行描述。
根据图1所示的第一实施例，由设置在腔室2内部的活动隔板8与第二壁4一起构成一内隔室9。该隔板8是用弹性材料(如橡胶或其它聚合物)制成的。该内隔室(优选在活动隔板8上)具有小孔10，该小孔10优选在活动隔板8的中央部分中的某处，用于在该进入管与该内隔室之间形成流体连通。该进入管6也设置在第一壁3的中央部分中的某处，从而大致与活动隔板8上的小孔10相对。然而，进入管6和小孔10不需要对准，只要小孔10位于进入管6处的流入流体的高压区域附近即可。当该进入介质的压力很低时，内隔室9可以不需要具有任何容积，但是当该进入介质的压力升高时，该内隔室9可以膨胀并从而显示出一定容积。
如上所述，该装置的第一进口壁3部分和内隔室部分9不是必需连接的。比如，它们可以设置在相对固定的位置上而彼此邻近。
在使用中，活动隔板8承受基本上作用在远离进入管方向上的弹力的作用，而内隔室中的流体压力在朝向进入管的方向移动该隔板8，即与该弹力方向相反并克服该弹力。优选是使用该隔板中的弹性材料来获得该弹力，如第一实施例所示。取决于该流入流体流的压力，该内隔室9因而将被或多或少地“充胀(inflated)”，即，具有可变的内部容积，因此，当流入流体的压力发生变化时，活动隔板将分别移近或远离该第一壁3。
优选地，将该隔板中的弹性材料的弹力特性选择成使得所述通路面积最佳地响应于所述可变流体压力的变化而变化，例如，使得隔板的移动变化是与压力变化的平方成比例的。从而，来自进入管中的流入流体压力的作用力加上所述弹力与来自该内隔室内部的流体压力在相反方向上的作用力达到了平衡。
在活动隔板8与第一壁3之间且在该进入管6与小孔10附近，存在流体通道11，其横截面积取决于活动隔板8与第一壁3之间的距离。当活动隔板8移向或远离第一壁3时，流体通道11的横截面积将分别减少或增加，即，活动隔板8与第一壁3之间的该通道11分别减小或扩大。通过这种方式，通过流体通道尺寸的变化来补偿流体压力的变化，从而使得通过该通道11并流出该排出孔7的流体流量将基本保持恒定。该流体流量可以按毫升/秒(ml/s)来计量。
优选，为了不干扰出口流量而使得全部压降都发生在通道11中，排出孔7的横截面积充分大于流体通道11的横截面积。
通过选择某些尺度的进入管或开口6、排出孔7、小孔10、由弹力特性所确定的内隔室9的膨胀性以及活动隔板8与进入管6之间的距离，可以设计这样一种装置，即，该装置可在流入流体压力的期望范围或区间内提供通过该装置的恒定流体流量。通过对这些尺度进行测试，本领域的技术人员可以获得能在期望的压力区间内提供恒定流体流量的恒流调节器装置。
该内隔室9也可以由第二壁4、侧壁5和活动隔板8来定界，例如参见图2所示实施例。
优选地，活动隔板8的至少一部分是由提供弹力的弹性隔膜12制成。在图1所示的第一实施例中，该活动隔板8是圆顶状的隔膜12，而在图4所示的第三实施例中，活动隔板8是基本上扁平的隔膜12。在图2所示的第二实施例中，活动隔板8包括：刚性材料的板13，比如塑料或金属板，在该板中形成有小孔10；和局部隔膜12，如橡胶环。该活动隔板8应该以流体密封的方式装配在外壳1中。该板13以及外壳1优选是圆形形状，当然可以是其它构造。
如上所述，该流体流量调节是基于在来自入口压力的作用力加上来自隔膜(在至少局部使用隔膜的情况中)弹性的作用力与来自该内隔室内部的流体压力在相反方向上的作用力之间所达到的平衡。
在图5中示出本发明的恒流调节器装置的第四实施例，其将用于在下文中更详细地说明本发明的基本机制。
外壳500和制成为弹性隔膜502的活动隔板形成了内隔室504，该内隔室504布置成与用于流入流体的进入管506成固定关系，该隔膜502面对该进入管506。隔膜502的尺寸显著大于进入管506的尺寸，当在进入管506中施加一流体压力(也就是静压和动压的总和)时，该进入管构成了一高压区域。隔膜502在进入管506附近具有一小孔508，以提供该流入流体与该内隔室504之间的流体连通。从而，在进入管506中“A”处的比较高的流体静压力通过小孔508而基本上也存在于该内隔室504内部的“B”处。
内隔室504中的流体压力均匀地作用在弹性隔膜502的内侧，如小箭头所示，即，在朝着进入管506的方向上进行作用。在进入管506和隔膜502之间形成了流体通道510，该流体通道510的横截面积根据隔膜502的移动而变化，正如前述实施例1-3中关于通道11所描述的那样。该流入流体通过流体通道510排出，并且流体压力沿该通道510降低，以致就在进入管506之后形成了一低压区，在图中基本上位于“C”处。因此，与在进入管506附近的该内隔室的中央区域(高压区)相比，相对较低的流体压力作用在该内隔室外侧的周边区域(低压区)中的隔膜502上。
由于隔膜502的尺寸与进入管506相比较更大，因此，对于来自作用在隔膜502上的流体压力的合力来说，作用于内侧上的合力要大于作用在外侧上的合力，这趋向于将隔膜502朝着该进入管506移动，从而减小了流体通道510。然而，利用该隔膜502的固有弹力平衡了该流体压力，这意味着，至少在一定工作压力区间内，通道510可以保持打开。结果，当该流入流体压力增加时，流体通道510就减小，反之亦然，使得当流体压力变化时，通过该装置的流体流量基本上保持恒定。该隔膜5 02的弹性特性可以选择成使其在该工作压力范围或区间内提供最佳的移动，例如，使得其移动与压力变化的平方成比例。
如在该图中由512处的虚线所示，可以按用于集中流出流体的任何合适方式来形成该外壳500，包括可以通过其而排出流体的排出孔514。
在图6中示出了本发明的恒流调节器装置的第五实施例，其与图5所示的第四实施例的不同之处在于在隔膜502中并不具有小孔508。相反，是在流体进入管602和内隔室604之间布置有独立的流体连接管道600，该内隔室604具有活动隔板，该活动隔板制成为没有小孔的弹性隔膜606。该连接管道600可以在任何合适的位置连接至该内隔室604，因为该内隔室604内部的流体压力是均匀的，而与位置无关。
因此，进入管602中的流体压力将出现在“D”处并贯穿整个流体连接管道600，并且也出现在内隔室604内部的“B”处。当流体压力变化时，用于移动弹性隔膜606以获得恒定流体流量的机制基本上与前述实施例1-4中描述的一样。
因为没有流体流过该流体连接管道600，除非是流入流体压力发生变化(而且仅以很少量的流体)，所以仅仅是进入管602中的总压力的静压分量出现在管道600中。因此，在该实施例中，该流体进入管602优选由接近于活动隔板的窄的部分和远离该管602的较宽部分形成，并且，在该较宽部分上设置有通向该管道600的入口。以这种方式，该总压力的动压分量将在该窄的部分(在该图中“A1”处)中比较明显，并且由于较缓慢的的流动速度，而在该较宽部分(″A2″处)中比较不明显。因此，该总压力在“A2”处将由静压分量占主要部分，以便基本上将全部总压力传递到该内隔室604中，从而使该装置更好地响应压力变化。
图7示出了根据第六实施例的恒流调节器装置的进入管700的前视图，该进入管700可以布置在图5和图6中的进入管506、602的端部上，或正好布置在图1-4所示的开口6的内侧。在围绕该进入管或开口的端面上设置多个伸出的凸起702并且面对该活动隔板，以便当有过大的流体压力将该活动隔板移动成与该进入管或开口接触时，消除完全关闭该流体通道11或510的危险。此外，任选地，该伸出的凸起702可以用于进一步影响所述弹力的特性，例如与对活动隔板的弹性部分的材料和/或厚度的选择相结合来进行该影响。
在图8中示出了本发明的恒流调节器装置的第七实施例，其与上述实施例1-6的不同之处在于了使用一刚性的活动隔板800，该刚性的活动隔板利用弹性元件连接到外壳802上，该弹性元件在此处示出为弹性波纹管804或类似物，其可以提供如上所述作用在隔板800上的弹力。内隔室806是由隔板800、外壳802和波纹管804形成。该内隔室806与流入流体压力成流体连通，这例如是通过该图中所示的隔板800中的小孔808或图7中所示的流体连接管道600来实现的。当流体压力变化时，用于移动隔板800以获得恒定流体流量的机制基本上与前述实施例1-5中所描述的一样。应该注意到，可以选择波纹管804的弹性特性，以便在工作压力范围或区间内提供隔板800的最佳位移，如上所述。
在图9中示出了本发明的恒流调节器装置的第八实施例，其与图8所示的实施例7的不同之处在于使用了布置在刚性活动隔板902和固定支撑板904之间的弹性波纹管900或类似物，该固定支撑板904可以如图所示那样附着于进入管906上，或附着到任何其它的固定支撑点上(未示出)。在隔板902和外壳910之间形成一内隔室908。也可以使用弹性隔膜912，使得该弹性波纹管900和该弹性隔膜912一起提供作用在隔板800上的上述弹力。内隔室908与流入流体压力成流体连通，例如通过隔板902中的小孔914来实现。在支撑板904中可以设置一合适的流体排出孔916。当流体压力变化时，用于移动隔板902以获得恒定流体流量的机制基本上与前述实施例1-7中描述的一样。
在图8和图9中分别示出的波纹管804和900可以按适当的方式构成，只要能获得上述的弹力即可。应该注意到，如图9所示，当以组合方式使用弹性波纹管和弹性隔膜时，可以选择它们的弹性特性以提供隔板的最佳位移，以便在工作压力范围或区间内建立恒定的流体流量。
尽管已经参照具体示例性实施例说明了本发明，但是，该说明书一般仅是想说明本发明的构思，并不应作为对本发明范围的限制。也应注意到，所用来描述和限定本发明的术语，比如“外壳”、“进入管”和“隔板”，可以被广义地解释。
本领域的技术人员必须认识到，对在实施例中说明和描述的技术特征进行各种适当的改进和组合，而不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种恒流调节器装置，用于在施加可变的流体压力时维持恒定的流体流量，该恒流调节器装置包括：
用于流入流体的进入管，
外壳，及
活动隔板，该活动隔板面对该进入管，并在使用中承受弹力，以便在该进入管和该活动隔板之间形成具有可变横截面积的流体通道，
所述外壳和活动隔板形成一内隔室，该内隔室与该进入管成流体连通，以便在该内隔室内部建立与该进入管中的流体压力近似相等的流体压力，
其中，该活动隔板的尺寸显著大于该进入管的尺寸，以致在使用中，当该进入管中的流体压力增加时，该隔板克服该弹力而朝着该进入管移动，以减小所述流体通道的横截面积，并且反之亦然，从而维持恒定的流体流量。
2.如权利要求1所述的恒流调节器装置，其中，在使用中，作用在该隔板上的所述弹力的特性选择成使得所述流体通道的横截面积最好地响应于所述可变流体压力的变化而变化，从而在来自该进口压力的作用力加上所述弹力与来自该内隔室内部的流体压力在相反方向上的作用力之间获得平衡。
3.如权利要求1或2所述的恒流调节器装置，其中，在围绕该进入管或开口的且面对该活动隔板的端面上设置多个伸出的凸起，以便在有过大的流体压力将该活动隔板移动成与该进入管或开口接触时，防止该流体通道被完全关闭，并任选地影响所述弹力的特性。
4.如权利要求1-3中任一项所述的恒流调节器装置，其中，该活动隔板至少部分制成为固有地具有所述弹力的弹性隔膜。
5.如权利要求1-4中任一项所述的恒流调节器装置，其中，该内隔室与该进入管之间的所述流体连通是通过该活动隔板中位于该进入管附近的小孔来获得的。
6.如权利要求1-4中任一项所述的恒流调节器装置，其中，该内隔室与该进入管之间的所述流体连通是通过独立的流体连接管道来获得的。
7.如权利要求6所述的恒流调节器装置，其中，该进入管是由接近该活动隔板的相对窄的部分和远离该进入管的较宽部分构成的，所述独立流体连接管道在该较宽部分处连接至该进入管。
8.如权利要求1-7中任一项所述的恒流调节器装置，其中，该活动隔板是由刚性材料制成，并且所述弹力是通过作用在该活动隔板上的弹性波纹管来获得的。
9.如权利要求8所述的恒流调节器装置，其中，所述弹性波纹管设置在该活动隔板与该外壳之间，或者设置在该活动隔板与附着于该进入管的固定支撑板之间。
10.如权利要求1-9中任一项所述的恒流调节器装置，还包括至少一个排出孔，该至少一个排出孔设置在所述外壳中并处于该内隔室的外部，用于排出该流体。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述至少一个排出孔的横截面积显著大于所述流体通道的横截面积。
12.如权利要求1-11中任一项所述的恒流调节器装置，所述外壳至少包括第一壁和与第一壁相面对的第二壁，所述进入管被设置在该第一壁中。
13.一种在施加可变流体压力时维持恒定的流体流量的方法，其中，外壳和活动隔板形成一内隔室，该内隔室与用于进入流体的进入管成流体连通，并且在该内隔室内部建立近似等于该进入管中的流体压力的流体压力，
所述活动隔板面对该进入管并承受一弹力，以便在该进入管和该活动隔板之间形成具有可变横截面积的流体通道，该活动隔板的尺寸显著大于该进入管的尺寸，
其中，当该进入管中的流体压力增加时，该隔板克服该弹力而朝着该进入管移动，以减小所述流体通道的横截面积，并且反之亦然，从而维持恒定的流体流量。
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