CN101176047A - 具有减少的出口压力损耗的压力调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被构造成减少流体流量下降的压力调节器。所述压力调节器包括调节器壳体，其具有进口端口、出口端口和位于它们之间的流体流动通道。阀座定位在所述流体流动通道中，且阀塞与所述阀座配合以控制流经所述流体流动通道的流体流动。旁通板将所述阀座保持在所述流体流动通道中，并将所述流体流动通道从感应腔上分离。所述旁通板包括定位在所述流量通道中的流动孔以及提供所述流动孔与所述感应腔之间连通的至少一个吸气装置。所述流动孔被构造成相对于所述流体流动通道中的压力提供低压区域，并且所述至少一个吸气装置被构造成在所述低压区域与所述感应腔之间进行连通。

Description

具有减少的出口压力损耗的压力调节器

技术领域

本发明涉及一种压力调节器，更具体地涉及一种具有减少的出口压力损耗的压力调节器。

背景技术

压力调节器控制从高压源到低压用户装置的气体流动，同时试图保持恒定的系统压力。压力调节器被用于多种场合，包括但不局限于，便于向用户装置(例如气体分析仪、激光器、燃料电池或焊接系统)传输高压、高纯度气体或液体。气体压力的波动在一些情况下会对装置的性能产生不利的影响。因而，有利的是压力调节器保持恒定的系统压力。

为了保持恒定的系统压力，压力调节器应该提供恒定的出口压力。然而实际上，传统的压力调节器通常存在被称为“流体流量下降”的现象，其产生不合乎要求的出口压力下降。更具体地，在具有弹簧和隔膜结构的调节器中，由至少两个因素导致流量下降，也就是由调节器弹簧在其行程上施加的力的变化以及隔膜在其行程上的有效面积变化。这两个因素单独或组合起来降低了下游控制压力。

因此，需要提供补偿或限制流量下降的压力调节器系统。

发明内容

根据本发明的一方面，本发明提供了一种被构造成减少流体流量下降的压力调节器。所述压力调节器包括调节器壳体，其具有进口端口、出口端口和位于它们之间的流体流动通道。阀座定位在所述流体流动通道中，且阀塞与所述阀座配合以控制流经所述流体流动通道的流体流动。旁通板将所述阀座保持在所述流体流动通道中，并将所述流体流动通道从感应腔上分离。所述旁通板包括定位在所述流量通道中的流动孔以及提供所述流动孔与所述感应腔之间连通的至少一个吸气装置。所述流动孔被构造成相对于所述流体流动通道中的压力提供低压区域，并且所述至少一个吸气装置被构造成在所述低压区域与所述感应腔之间进行连通。

根据本发明的另一方面，压力调节器包括安装在调节器壳体上的阀帽、定位在阀帽内的非线性弹簧以及定位成靠近弹簧和阀塞的隔膜。弹簧压靠着隔膜，以将阀塞推压向打开位置。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将会清楚地了解到本发明。在本发明中包括以下附图：

图1A是根据本发明的一个方面、被构造成限制流量下降的压力调节器示例性实施方式的横截面侧视图；

图1B是图1A所示的压力调节器的顶部级段的放大视图；

图2A是图1A所示的示例性流量旁通板的顶侧视图；以及

图2B是图2A所示的流量旁通板的横截面侧视图。

具体实施方式

尽管在此参照特定实施方式示出和描述本发明，但本发明并不局限于所示的细节。相反，在权利要求的范围和等效范围内并且在不脱离本发明的情况下，可以对细节做出多种改变。

具体参照图1A和1B所示的示例性实施方式，公开了包括调节器级101和102、并被构造成减少流量下降的平行级压力调节器100。可以理解，压力调节器可以是仅具有一个调节器级101或102的单级装置。在此公开的这种类型的平行级压力调节器，便于从两个高压源(例如压缩气体罐、气缸列等)中的任何一个向在低压下操作的装置(例如气体分析器、激光器、燃料电池、焊接系统等)可控地传送气体。当然，单级装置控制气体从单个高压源进行传送。

压力调节器100包括阀体，其具有中心主体元件105和一对阀帽111、111，其中每个阀帽通过螺纹轴环119连接在阀体上。一个阀帽111位于主体元件105的一端，并且另一阀帽位于主体元件的相反一端。因此，一个阀帽111是一个调节器级101的一部分，并且另一阀帽是另一调节器级102的一部分。因为调节器级101和102大体相同，因此仅描述调节器级101；可以理解，相同的附图标记被用于每一级中的同一结构，并且后文将具体指出两级之间的任何差异。

主体元件105大体上是圆柱形的，并包括在其圆柱形壁中形成的一对进口端口151和也在其圆柱形壁中形成的出口端口150。每个进口端口151与进口通道145、145中的其中一个连通，从而气体可以从两个高压源中的任意一个被供给到其中一个进口通道145。出口端口150与一对出口通道155、155连通，而每个出口通道与进口通道145、145中的一个连通，以使得气体可以从任一高压源通过流动通道145、155中的一个被供给到出口端口150，并由此供给到用户装置。

在每个通道145和155之间，设置阀组件130，每个阀组件包括可移动地承载在其相关的进口通道145中的阀塞160、阀塞弹簧162以及承载在主体元件105的大体上圆形端面上的阀座164。阀座弹簧162的一端安放靠在进口通道145的底部表面上，并且阀塞弹簧的另一端与在阀塞160上形成的肩部接触。锥形表面168形成在阀塞160端部的中间，且阀塞弹簧162推压着阀塞，以使得锥形表面168被推向形成于阀座164上的圆锥表面167。在阀组件130的闭合位置，锥形表面168座靠在圆锥表面167上。在阀组件130的打开位置，相匹配的表面167和168间隔开一个周向间隙。出于下文详述的原因，阀塞160形成有一个杆件，其延伸超过阀座164并终止在支承表面161处。

阀帽111包括阶梯镗孔111’，其在靠近其自由端处具有更小直径，并且在靠近主体元件105处具有最大直径。在这里公开的示例性实施方式中，镗孔111’被形成为具有四个不同的直径，这些直径从自由端到靠近主体元件105的一端尺寸递增。最小直径带有螺纹并容纳着调节螺钉118，该调节螺钉118抵靠在可滑动地承载在镗孔的一部分中的弹簧保持件112上。弹簧114的一端支承在弹簧保持件112上，并且另一端支承在活塞113上。活塞113可滑动承载在镗孔111’的另一部分中。隔膜120被夹紧在活塞113的外边缘与旁通板125的径向外边缘之间，使得该旁通板被夹紧在主体元件105大体上圆形的端面上，并又将阀座164夹紧在适当位置。活塞113支承在隔膜120上并将其压靠在阀塞杆的支承表面161上，由此朝向打开位置推压阀组件130。

如图1A和图1B所示并在图2A和2B中更清楚地示出，旁通板125是具有中心开口的大体上圆盘元件，其中阀塞杆通过所述中心开口延伸成与隔膜120成邻接关系。支承在阀座164上的、大体上圆柱形的毂126从盘元件的一个表面延伸，以将阀座夹紧在主体元件105的适当位置上。与阀座164的排放侧连通的流动限制通道173沿径向贯穿毂126。

旁通板125的圆盘部分将隔膜120与主体元件105的端面之间的空间分成排放腔142和感应腔144。在图1B中清楚地示出，排放腔142形成在旁通板125与阀组件130之间，并且其容纳着穿过阀组件的进口通道145和流动限制通道173的气流。排放腔142还与出口通道155连通。

流量旁通板125包括在其盘状部分中形成为通道形式的吸气装置172和172’。吸气装置172连通在流量通道173与感应腔144之间。吸气装置172’连通在排放腔142与感应腔144之间。当阀组件130打开时，气体穿过限制流量通道173行进，并在所述限制流量通道中压力降低。在气体排出限制流量通道173之后，其膨胀到排放腔142内并且其压力升高。因此，流量通道173内的气体压力低于排放腔142内的气体压力。

最初，感应腔144和排放腔142内的气体压力大致相等，并且流动孔173内的气体压力低于两个腔142和144内的气体压力。由于气体要从更高压力区域向更低压力区域行进，因此感应腔144内的气体通过吸气装置172和172’向流动孔173内行进，并进入排放腔142内。可以理解，吸气装置172和172’可以定位在流动孔173的低压区域任何位置或附近。

随着气体从感应腔144流入排放腔142时，感应腔压力下降。由于该压降，调节器弹簧114伸长，并迫使活塞113进一步分离阀塞160与阀座164。阀塞160与阀座164进一步增加的分离，引起了更多流体流经阀组件，由此增加了出口压力并减少了流体流量下降。

除了吸气装置172、172’之外，示例性实施方式的弹簧114也抵消由弹簧效应导致的流体流量下降。在该实施方式中，弹簧114包括竖直堆叠的非线性盘簧(例如贝氏垫圈(Belleville washer)或任何其它类型的非线性盘簧)。由于非线性弹簧垫圈的几何尺寸和材料属性，垫圈在给定的阀开口处可实现更高的出口压力，由此减少流量下降。更具体地，该实施方式的垫圈共同堆叠比标准螺旋行程弹簧具有更低的弹簧刚度；并且，与标准螺旋弹簧相比，在给定的垫圈行程量下向隔膜120的顶侧施加更小的力。因而，仅需要更少的内部气体压力变化来克服施加在隔膜120的顶侧的力，并且允许阀组件130进一步打开而具有更少的压降。

示例性实施方式的隔膜120被构造成用于减少由隔膜效应导致的流量下降。在图1B中可以看到，隔膜被形成为具有皱折部121。当隔膜在活塞113的作用下向阀组件130延伸时，隔膜弯曲并且隔膜的有效面积减小，从而保持更加恒定的出口压力。隔膜可以具有任何数量的皱折部121。皱折部的半径可以是例如0.1英寸或足以产生隔膜非线性响应的任何尺寸。隔膜可选择地由不锈钢制成。

阀组件130也被构造成用于减少流量下降。更具体地，阀塞160的匹配表面168的几何尺寸被设计成便于形成快速打开的流量特性。阀组件的流量特性是在流过阀组件的流量与阀塞相对于阀座的行程之间存在的关系。“快速打开”的流量特性被定义为：与“线性流量特性”所具有的恒定变化相比，对于阀塞相对于阀座的特定平移，流速的变化加大。在该实施方式中，阀塞160的相关匹配表面168的半径大约为0.1英寸，以产生快速打开的流量特性。

由于在阀帽111与轴环119之间的夹紧作用，流量旁通板125的阀座毂126的自由端面将阀座164夹紧在主体元件105上。相比之下，传统的阀座保持件通常螺纹连接在调节器壳体上，以将阀座保持在基本上固定的位置。已经认识到，螺纹可以是实际中的泄漏源或聚积金属颗粒，由此影响气体的纯度。而且，在这种类型的调节器中采用弹性体不是优选，因为弹性体可能包含并向调节器系统内释放有害杂质。因此，阀座164可以由非渗气聚合材料(例如由DuPont目前销售和发行的PTFE、PCTFE或Vespel等产品)制成。

尽管在此参照特定实施方式示出和描述本发明，但本发明并不局限于所示的细节。相反，在权利要求的范围和等效范围内并且在不脱离本发明的情况下，可以对细节做出多种改变。

Claims (15)

1.一种被构造成减少流体流量下降的压力调节器，包括：

调节器壳体，其具有进口端口、出口端口和位于它们之间的流体流动通道；

定位在所述流体流动通道中的阀座；

阀塞，其与所述阀座配合以控制流经所述流体流动通道的流体流动；以及

旁通板，其将所述阀座保持在所述流体流动通道中，并将所述流体流动通道从感应腔上分离，所述旁通板包括定位在所述流量通道中的流动孔以及提供所述流动孔与所述感应腔之间连通的至少一个吸气装置，其中，

所述流动孔被构造成相对于所述流体流动通道中的压力提供低压区域，并且所述至少一个吸气装置被构造成在所述低压区域与所述感应腔之间进行连通。

2.如权利要求1所述的压力调节器，其中，所述流动孔是形成在所述旁通板中的流动限制通道。

3.如权利要求2所述的压力调节器，其中，所述吸气装置直接与所述流动限制通道进行连通。

4.如权利要求1所述的压力调节器，其中，所述旁通板被夹紧在所述调节器壳体与隔膜之间。

5.如权利要求4所述的压力调节器，其中，所述隔膜包括至少一个皱折部，所述皱折部使得所述隔膜相对于在其上施加的力进行非线性平移。

6.如权利要求4所述的压力调节器，其中，所述旁通板不设置有螺纹，并将所述阀座压紧在所述流体流动通道中的适当位置。

7.如权利要求4所述的压力调节器，其中，所述隔膜定位成靠近所述阀塞，并且所述调节器还包括弹簧，所述弹簧推靠着与所述阀塞接触的隔膜以将所述阀塞推压到打开位置，从而控制通过所述流体流动通道的流体流动。

8.如权利要求7所述的压力调节器，其中，还包括调节螺钉，其用于调节所述弹簧施加在所述隔膜上的力。

9.如权利要求7所述的压力调节器，其中，所述弹簧力是非线性的。

10.如权利要求9所述的压力调节器，其中，所述弹簧是堆叠的贝氏垫圈。

11.如权利要求1所述的压力调节器，其中，还包括在所述旁通板中形成以减少流量下降的多个吸气装置。

12.如权利要求1所述的压力调节器，其中，在所述阀塞和所述阀座匹配接触面处的几何尺寸被构造成便于形成快速打开的流量特性。

13.一种被构造成减少流体流量下降的压力调节器，包括：

调节器壳体，其具有进口端口、出口端口和位于它们之间的流体流动通道；

定位在所述流体流动通道中的阀座；与所述阀座相配合的阀塞；以及

安装在所述调节器壳体上的阀帽；定位在所述阀帽内的非线性弹簧；以及定位成靠近所述弹簧和所述阀塞的隔膜，从而所述弹簧压靠着所述隔膜，以将所述阀塞推压向打开位置。

14.如权利要求13所述的压力调节器，其中，所述弹簧包括堆叠的贝氏垫圈，并且所述调节器还包括螺钉，其可操作地调节由所述弹簧施加在所述阀塞上的力。

15.如权利要求14所述的压力调节器，其中，所述隔膜包括至少一个皱折部，所述皱折部使得所述隔膜相对于所述弹簧施加的力进行非线性平移。

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