CN101458250B - 自力式气流控制管件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种自力式气流控制管件，包括管状阀体与气体进出口孔板，阀体内与移动孔板和弹簧配合的圆锥阀芯一端封住进气孔板、另一端伸入出气孔板形成出口流通环隙。气流经过进口孔板推动圆锥阀芯沿流动方向平移，改变流通环隙面积。气流压力增大，流通环隙面积减少；气流压力减小，则流通环隙面积增大；同时弹簧的压缩力动态的补偿与平衡压力的变化，由此实现自力式流量的调节与控制。本发明装置的特征在于仅有一个气室、气室内一个阀芯同时兼备自力式阀门开启与流量调节的功能，因此结构简单紧凑、尺寸小、制造与使用方便，特别适合于呼气压力范围内的流量控制。

Description

自力式气流控制管件

技术领域

本发明涉及气流控制装置，更具体地说，涉及一种特别适用于呼气检测的自力式气体流量控制管件装置。

背景技术

呼气检测是一种检测呼气中作为疾病标志物气体分子浓度而进行疾病判断的诊断手段。通常标志物浓度与呼气流量有关，例如作为气道炎症标志物的呼气中一氧化氮的浓度随呼气流量增大而降低。为保证呼气检测结果的一致性，需要在通常的呼气压力变化范围内控制呼气流量。例如，对呼气一氧化氮检测，目前国际标准推荐的是，在5-20cmH2O或500-2000Pa的呼气压力变化范围内控制得到50mL/s或3L/min、但允许上下10％波动的呼气流量。由于呼气检测仪中从呼气到检测的气路基本上直径不到1cm的细管构成，因此特别希望配置可以自动或自力式控制流量的管件装置。

气相色谱或其它气体分析仪器以及许多工业与民用设置都使用许多类型的自力式流量控制阀装置，但它们控制的流量对呼气检测而言不是太小就是太大，而且均需要两个气室，结构复杂。然而可以根据它们相同的技术原理与结构设计开发适合于呼气检测的自力式流量控制装置。例如公开号US6861185(申请日2000年6月)的专利公布了一种用于呼气一氧化氮检测的恒气流调节装置，形状与结构均类似于市场工业与民用设置使用的小流量TZLM系列商品，通过隔膜隔开的两个气室以及弹簧带动的阀芯与流通孔口之间相互作用控制流量。然而这种装置结构复杂，不易小型化与管式结构设计。例如TZLM-01-Q型号的自力式流量控制器产品流量控制与压力变化的范围基本上覆盖了呼气流量与压力的范围，但最小尺寸也在20×15×10cm³左右，外部呈蘑菇状，尺寸以及外形与呼气检测装置中的气体管路设计均存在相容性问题，该问题当检测装置小型化时会更加突出。

气相色谱用稳压阀是一种块状结构，尺寸较小，也属于结构复杂的两个气室设计，而且气阻较大，需要的进气压力必须高于出口压力40000Pa，远远超过最大的呼气压力。当试图简单的改变其结构将控制的流量从不到1L/min增大到3L/min的呼气流量时，该类型装置中的波纹管、传动杆与两个弹簧之间互动所产生的气阻仍需要较高的压力，并非适合呼气检测。

因此，目前许多呼气检测主要利用非自力式节流阀或管状的气阻设置，根据显示的压力变化进行人工跟踪调节流量。但也有利用电子反馈调节回路自动控制流量的方法。例如，公开号为US2006/0195940的专利申请则利用压力与可调速微型气泵的电子反馈回路来控制呼气流量。而这种方法则使得整个呼气检测系统复杂。

本发明的目的是提供一种自力式流量控制管件，制造与使用均简单方便、结构紧凑、尺寸小，与检测气路相容匹配，特别适合于呼气检测。

发明内容

针对本发明目的提出的自力式流量控制管件包括(参看图1)：气体进口孔板1、阀体2、移动孔板3、圆锥阀芯4、弹簧5、出口孔板6。其中圆锥阀芯4的左端螺纹旋入移动孔板3的中心孔、并且封住进口孔板1的中心孔，右端圆锥部分伸入出口孔板6中心孔，形成流通环隙。固定孔板沿圆周分布2-6个孔口。进、出口孔板1、6与阀体2螺纹连接。所有部件均为管状与圆柱状结构，定义了本发明装置的管件特征。该管件装置与之前自力式流量控制装置显著不同之处除了管件结构特征外，仅有一个气室，该气室中一个阀芯同时具有气流方向与流量调节的功能。

气流从左端由进口孔板1进入，推动移动孔板3以及阀芯4并压缩弹簧5向右平移，并同时流经孔板3圆周孔与出口孔板6的环隙。如果进口气体压力增大，则弹簧与阀芯位移增大，阀芯圆锥更多的伸入出口孔板的孔口，环隙流通面积减少；如果进口压力减小，则环隙流通面积增大；同时气流压力的变化被一个方向相反的弹簧压缩力的变化所补偿并保持动态平衡。因此本发明管件装置实现了机械自力式流量调节与控制的作用，并且具有结构紧凑简单的特点。

附图说明

图1是本发明自力式气流控制管件的一种结构示意图。将参照附图结合在下面的具体实施说明、实施例与权利要求更加详细地描述本发明。

具体实施方式

参考附图1。首先说明满足本发明自力式流量控制管件的设计参数。设计依据是流体连续性与动量守恒原理。所要控制的在出口孔板处的流量Q与流通系数C以及气体进口到出口的压差ΔP满足下述关系：

Q＝CΔP^1/2

流通系数C与出口孔板处环隙流通面积A、进口流通面积A₀以及气体密度ρ满足如下关系：

C＝A₀{2/ρ[(A₀/A)²-1]}^1/2

而压差ΔP则与弹簧的初始压缩力F₀、弹簧常数k与压缩位移x以及可能产生的固定孔板和弹簧与阀体之间的摩擦力f存在下述力的平衡关系：

ΔP＝F₀+kx+f

假定阀芯圆锥顶端初始伸入出口孔板的圆孔的长度为y，那么环隙流通面积A与阀芯圆锥半角θ以及出口孔板的圆孔半径R满足如下关系：

A＝π{R²-[(x+y)tanθ)]²]

上述关系可以作为设计依据。首先选择阀芯作为单向阀的开启条件：

F₀＝kx₀＝ΔP₀A₀

其次选择余下的流量控制参数。如果在P₀与最大的进气压力范围内控制的恒定流量为Q₀，那么流通系数必须满足：

C＝Q₀ΔP^-1/2

或者

A₀{2/ρ[(A₀/π[R²-(x+y)²tanθ)²])²-1]}^1/2＝Q₀(F₀+kx+f)^-1/2

对给定的控制流量数值Q₀，上述关系可以用来分析选择初始的设计参数，包括弹簧常数k与初初始压缩位移x₀、孔口半径R以及阀芯圆锥半角θ与初始的位置y等。并根据弹簧常数选定弹簧的材料与结构尺寸。

上述分析对实际应用只是近似关系，必须进行试验校正。一个简单的校正方法是通过改变与阀体螺纹连接的进、出口孔板伸入阀体的距离或者阀芯旋入移动孔板的距离，由此可以改变或调节圆锥初始距离y与初始弹簧力F₀或位置x₀，补偿理论分析以及部件加工与组装产生的误差。该方法也可以用来在使用中调节控制的流量大小和压力范围。

本发明控制阀所有的部件均可以选用包括塑料与金属在内固体材料，但优选的弹簧与阀芯材料为不锈钢。本发明装置的组装与校正非常简单方便。组装可以从管件的任何一端开始。例如，首先将出口孔板旋入阀体的右端，然后从阀体的左端依次放入弹簧与已经旋合在一起的移动孔板与阀芯、最后将进口孔板旋入阀体左端。校正时使气体进入控制管件，改变压力，调节进出口孔板伸入阀体的距离使流量达到希望控制的稳定数值。

由此可见，本发明相比于其它所有自力式流量控制装置，最大的优势就是通过一个气室与该气室中一个阀芯同时执行气流方向与流量控制的浓能，使得结构紧凑、制造简单方便、而且体积显著减小。但由于没有通常节流阀中隔膜形成的两个气室的平衡缓冲作用以及阀芯分开设计的高度稳定性，因此本发明装置可能不太适合压力或流量较大或它们变化幅度较大的场合。但特别适合压力与流量以及它们变化幅度不大的应用，例如呼气检测或工业与环境安全的现场气体检测中的流量控制。下面的具体实施例将表明这些特征与优势。

具体实施例

本例用来说明一氧化氮呼气检测中呼气流量的控制。圆整的尺寸是：进、出口孔板外径1.4cm、中心孔直径4mm。阀体内径1.4cm、长度3cm。固定孔板外径1.3cm、中心螺旋口直径3mm、在半径4mm处圆周上均匀分布4个内径为2mm的圆孔。它们的材料均为聚四氟乙烯。弹簧选用的是直径为0.6mm的SUS304不锈钢丝，弹性模量7000kg/mm²，弹簧的中心径为1.2cm、有效圈数为10、长度为2cm，由此得到的弹簧常数大约为5g/mm。圆锥阀芯也为不锈钢材料，长度为1.5cm，顶端圆柱直径为4mm。

利用上述数据与前面列出的设计关系，对于500-2000Pa压力变化范围内控制3L/min的恒定流量的要求，选择圆锥半角的tanθ大致为1/15。对应的流通环隙尺寸变化的上限为1mm。

将上述部件按前面描述的实施方式装配成图1所示的控制管件后，通过调节进、出气孔板伸入阀体的距离，测得的流量在压力从500Pa变化到2000Pa时的数值为3.15-2.84L/min。当气体压力增加到500Pa后，出口才有气体流出，流量迅速上升达到最高值3.15L/min，然后随着压力的上升而略有下降，直至稳定在2.84L/min。当压力超过2000Pa后，则锥形阀关闭出口孔板中心孔，禁止气体流过。对呼气检测而言，本发明控制阀严格保证了在500-2000Pa压力范围内恒定3L/min流量取样要求，低于500Pa或高于2000Pa，均不取样。根据流体连续性原理，该恒定流量也应该是呼气者本人从气道呼出的气体。

其它呼气检测或工业与环境安全气体检测应用中，会遇到需要控制的流量或压力范围变化的情况。例如呼气检测中通常需要在呼气检测之前设置降低湿度并去除饱和水或某些干扰气体的过滤装置，这些装置会降低气体压力，例如进入流量控制阀的压力实际上低于500Pa。此外，为获得更高或更具有临床意义的浓度，需要降低控制的流量，例如降低到10mL/min。本例也通过调节进出孔板伸入阀体的距离，实现了在300-2000Pa进气压力变化范围对20mL/min流量的控制。

本实施例表明了本发明控制管件尺寸小、制造与使用方便灵活、特别适合流量与压力变化范围不大的气体检测的特征。保持这些特征可以有许多与本实施例不同的变化。例如，可以用波纹管或其它具有弹性变性的材料代替弹簧，阀芯的圆锥头可以不是针头而是梯形的形状，也可以将进或出口孔板中孔板与接管分成两个更容易加工与组装的部件，当然也可以采用更小直径的管体。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例可以做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (3)

1.一种自力式气流控制管件，其特征在于包括进口孔板(1)、阀体(2)、移动孔板(3)、圆锥阀芯(4)、弹簧(5)、出口孔板(6)，其特征在于：仅有一个由阀体与进出口孔板定义的气室，气室内由移动孔板固定的弹簧与阀芯进行自力式气流方向与流量的控制，其设计参数满足如下条件：

在出口孔板处的流量Q与流通系数C以及气体进口到出口的压差ΔP满足：Q＝CΔP^1/2

流通系数C与出口孔板处环隙流通面积A、进口流通面积A₀以及气体密度ρ满足：C＝A₀{2/ρ[(A₀/A)²-1]}^1/2

压差ΔP与弹簧的初始压缩力F₀、弹簧常数k与压缩位移x以及固定孔板和弹簧与阀体之间的摩擦力f满足下述力的平衡：ΔP＝F₀+kx+f

假定阀芯圆锥顶端初始伸入出口孔板的圆孔的长度为y，环隙流通面积A与阀芯圆锥半角θ以及出口孔板的圆孔半径R满足：A＝π{R²-[(x+y)t anθ]² ｝。

2.如权利要求1所述的自力式气流控制管件，移动孔板(3)具有一个中心孔与2到6个圆周孔，中心孔与圆锥阀芯(4)的一端通过螺纹连接并封住进口孔板(1)的中心孔、另一锥端伸入出口孔板(6)的中心孔而形成流通环隙，弹簧(5)限制在移动孔板(3)与出口孔板(6)之间，其特征在于，气流通过压力开启进口孔板(1)与阀芯(4)定义的单向阀，并流经移动孔板(4)的圆周孔至阀芯(4)圆锥端与出口孔板中心孔定义的流通环隙，气流流量受到流通环隙的限制或控制而恒定，气流压力变化受到弹簧压缩力的补偿而平衡。 

3.如权利要求1所述的自力式气流控制管件，进、出口孔板(1)、(6)与阀体(2)靠螺纹连接，组装时首先旋入一个孔板，然后依次放入其余的部件，最后旋入另一个孔板，并且可以改变进、出口孔板与阀体连接的长度或者阀芯旋入移动孔板的长度来校正或调节压力范围与控制的恒定流量。