CN101725827B - 氢存储系统的压力调节器 - Google Patents

Abstract

一种用于氢存储系统的压力调节器，其中所述压力调节器适于在低于-50℃的温度下操作，同时最小化对分离的密封元件和O形圈的需求。所述压力调节器包括主体，所述主体包括由内壁界定的内腔；布置在所述内腔中的活塞、所述活塞包括布置在第一部分附近的第一通道，其中所述第一部分适于与所述内壁配合以在所述活塞与所述内壁之间形成密封；布置在第一通道中的第一偏压装置，其中所述第一偏压装置适于在所述活塞的所述第一部分上施加力以在所述第一部分与所述内壁之间形成密封；端盖，其联接到所述主体上，从而封闭所述活塞以形成出口压力腔。

Description

氢存储系统的压力调节器

技术领域

本发明涉及压力调节器。更特别地，本发明涉及氢存储系统的压力调节器。

背景技术

存储系统中的氢通常保持在范围从20至875巴的压力之下。但是，氢以较低的压力如6至10巴被输送至使用物，如燃料电池。为了以需要的压力将氢有效输送至使用物，就需要压力调节器。因此，可能要使用多个压力调节器。只要压力调节器包括用于感测和调节压力的活塞，就需要密封件。在某些应用中，例如燃料电池系统，密封件需要承受住范围在-80℃到+85℃的温度变化。

Larson的美国专利申请公开No.2008/0011361公开了一种包括由弹性体制成的0形密封件的压力调节器。如Larson中所描述的，弹性体如三元乙丙橡胶(EPDM)可适于接近-50℃的温度。但是，从氢存储系统传送至燃料电池的氢的温度会降低至-80℃这样低的值。由于温度较低，由弹性体制成的O形密封件不再有效。

压力调节器领域内的普通技术人员公知，密封件还可由硅材料制成以应用在低温环境中。但是，由于硅不具有满意的渗透性，会被氢渗透，所以硅不是可与氢一起使用的适当密封材料。

需要一种用于氢存储系统的压力调节器，其中所述压力调节器适于在低于-50℃的温度下有效地操作，同时最小化对分离的密封元件和O形圈的需求。

发明内容

与本发明协调一致，令人惊讶地发现了一种用于氢存储系统的压力调节器，其中所述压力调节器适于在低于-50℃的温度下有效地操作，同时最小化对分离的密封元件和O形圈的需求。

在一个实施例中，一种用于压力调节器的活塞组件包括：活塞，其具有第一部分；以及第一偏压装置，其适于与所述活塞配合，并在所述活塞的所述第一部分上施加力，以在所述第一部分与所述压力调节器之间形成密封。

在另一实施例中，一种压力调节器包括：主体；活塞，其具有适于与所述主体配合以在所述活塞与所述主体之间形成密封的第一部分；以及第一偏压装置，其适于在所述活塞的所述第一部分上施加力，以在所述第一部分与所述主体之间形成密封。

在另一实施例中，一种压力调节器包括：主体，其包括由内壁界定的内腔；布置在所述内腔中的活塞，所述活塞包括布置在第一部分附近的第一通道，其中所述第一部分适于与所述内壁配合以在所述活塞与所述内壁之间形成密封；第一偏压装置，其布置在第一通道中，其中所述第一偏压装置适于在所述活塞的所述第一部分上施加力，以在所述第一部分与所述内壁之间形成密封；以及端盖，其联接到所述主体上，从而封闭所述活塞以形成出口压力腔。

附图说明

根据附图，从下面优选实施例的详细描述中，本领域技术人员可容易地清楚本发明的上述以及其它优点，其中：

图1为根据本发明实施例的压力调节器的截面图，示出了完全打开的压力调节器；

图2为图1中压力调节器的截面图，示出了完全关闭的压力调节器；

图3a为根据本发明一个实施例的径向密封件的透视图，以截面的形式示出了径向密封件的一部分；

图3b为根据本发明另一实施例的径向密封件的透视图，以截面的形式示出了径向密封件的一部分；以及

图3c为根据本发明再一实施例的径向密封件的透视图，以截面的形式示出了径向密封件的一部分。

具体实施方式

下面的详细说明和附图描述且示出了本发明的各实施例。该说明和附图用于使本领域的技术人员能够制造和使用本发明，而不是以任何方式限制本发明的范围。

图1和图2示出了根据本发明实施例的用于气体分配系统(未示出)的压力调节器10。如图所示，压力调节器10包括基本为整体的主体12、设在主体12内的内部活塞组件14、以及联接到主体12的端盖16，从而封闭活塞组件14以形成用于压力控制的出口压力腔18。图1中，压力调节器10显示为处在完全打开位置。图2中，压力调节器10显示为处在完全关闭位置。尽管图1和图2示出了直线型压力调节器10，但是本发明可应用于如其它基于活塞的压力调节器，例如侧流、均压和移动座压力调节器。

主体12包括入口20、入口压力腔22和内腔24。应当理解，主体12可包括形成在主体的第一端17中或设在其上的附加元件，以将压力调节器10连接到气体分配系统或容器(未示出)上。主体12包括用于在主体12与端盖16之间提供压力密封的密封元件25。作为一个非限制性的例子，密封元件25可为图3a中所示的弹簧激励径向密封件100。根据需要，可使用其它密封件。

入口20形成在主体12的第一端17中，以提供气体分配系统与入口压力腔22之间的流体连通。如图所示，入口20具有纵向轴线A。应当理解，入口20可根据需要具有任意的形状和大小。还应当理解，入口20可包括用于控制压力和引导流体到入口压力腔的多个通道或腔室。如图所示，座圈26布置在入口20的第一端19的附近，在这里入口20与入口压力腔22汇合。座圈26包括倒角，并与活塞组件14配合形成密封，以控制入口20与入口压力腔22之间的流体流速。应当理解，座圈26可形成在主体12中。作为一个非限制性的例子，入口20的第一端19可包括适于与活塞组件14相配合的倒角，以在没有单独的座圈26的情况下形成密封。

入口压力腔22由形成于主体12中的入口壁21界定，其中入口压力腔22与入口20流体连通。如图所示，入口压力腔22为柱形，并且与入口20的纵向轴线A基本上同心。应当理解，入口压力腔22可根据需要具有任意的大小和形状。入口压力腔22适于接收活塞组件14的至少一部分，以控制入口压力腔22的压力和入口20与入口压力腔22之间的流体流速。如图所示，活塞组件14将入口压力腔22从内腔24密封地隔绝。

内腔24由主体12的内壁23界定。如图所示，内腔24与入口20的纵向轴线A基本上同心。应当理解，内腔24可根据需要具有任意的大小和形状。内腔24适于接收活塞组件14的至少一部分。内腔24还保持用于沿需要方向偏压活塞组件14的加载元件28。作为一个非限制性的例子，加载元件28为具有需要的大小和弹簧常数的弹簧。根据需要，可使用其它适当的加载元件或偏压元件。如图所示，内腔24与入口压力腔22和出口压力腔18隔绝开，以便以需要的方式有效地控制通过压力调节器10的流体流动。

活塞组件14包括活塞30、活塞座32、第一偏压装置34和第二偏压装置36。应当理解，可根据需要包括任意数量的偏压装置34。偏压装置34、36可为任意的偏压装置或元件，例如弹簧、柔性金属形式及管状金属形式。作为一个非限制性的例子，偏压装置34、36可具有类似于图3a、图3b和图3c中所示径向密封件100、100’、100”的多个偏压元件102、202、302中任意一个的形状。活塞组件14还可根据需要包括附加的组件和特征。还应当理解，活塞组件14可根据需要具有任意的形状和大小。如图所示，活塞组件14适于与加载元件28配合来控制来自入口20的流体流动。

活塞30由超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)制成。但是，应当理解，活塞30可由具有需要的渗透性和低温性能的任意材料制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)。还应当理解，活塞30可通过任意适当的生产工艺形成，例如注塑成型。可根据需要使用其它生产方法。活塞30包括大体为圆柱形的活塞基座38，该基座38基本上与活塞头40同心对齐。如所示，活塞头40具有大致为圆形的出口面41。可根据需要使用其它形状。如进一步所示，活塞头40具有大体为三角形的截面形状，活塞基座38具有大体为矩形的截面形状。但是，活塞30可被制成其它适合的形状。为了将氢从入口压力腔22引导到出口压力腔18以进行压力控制，活塞30包括在活塞基座38内的至少一个横孔42，该横孔提供了氢从存储供给源通过活塞30内的至少一个轴向孔44到出口压力腔18之间的流体连通。应当理解，活塞30可根据需要包括任意数量的横孔42和轴向孔44。还应当理解，所述至少一个横孔42和所述至少一个轴向孔44可根据需要具有任意的形状或大小。

活塞座32联接到活塞基座38的第一端45。如所示，活塞座32与入口20的纵向轴线A基本上同心地对齐。应当理解，可使用任意适当的联接装置来联接活塞座32和活塞基座38。活塞座32由理想地适用于与座圈26配合形成控制入口20与入口压力腔22之间流体流速的密封件的材料形成。

活塞30还包括形成在活塞头40的出口面41附近的第一环形通道46和形成在活塞基座38的中心部分49附近的第二环形通道48。第一和第二通道46、48可具有任意的形状和大小，并且适于在其中接收第一偏压装置34和第二偏压装置36。应当理解，活塞30中可根据需要形成任意数量的通道。在某些实施例中，第一通道46适于接收第一偏压装置34，第二通道48适于接收第二偏压装置36。可根据需要使用其它措施将偏压装置34、36与活塞30结合在一起。如图1和图2所示，第一偏压装置34布置在活塞30的第一通道46中，第二偏压装置36布置在活塞30的第二通道48中。这样，偏压装置34、36均与活塞30配合以提供与主体12的压力密封，从而最小化了对分离的密封元件和O形圈的要求。应当理解，可根据需要使用其它措施将偏压装置34、36与活塞30结合在一起。

端盖16联接到主体12上，从而封闭活塞组件14以形成出口压力腔18。端盖16可使用任何适当的方式联接到主体12上。作为一个非限制性的例子，端盖6显示为使用螺栓联接到主体12上。可根据需要使用其它联接装置。在所示实施例中，端盖16包括用来在出口压力腔18与使用物(如燃料电池系统)之间提供流体连接的出口50。出口50沿着纵向轴线A形成在端盖16中，并且与入口20基本上同心。应当理解，出口50可根据需要具有任意的形状和大小。还应当理解，出口50可包括用于控制压力和引导流体到使用物的多个通道或腔室。如图所示，端盖16还包括形成在端盖16的内表面53中的凹槽52。应当理解，端盖16的凹槽52可根据需要具有任意的大小和形状。这样，凹槽52提供了压力调节器10的出口压力的增强压力控制。具体地，通过压力流体在端盖16的凹槽52上及活塞头40的出口面41上的相互作用来控制和调节出口压力。可通过改变活塞头40的出口面41和端盖16的凹槽52获得增强压力控制。Larson的美国专利申请公开No.2008/0011361中描述了类似的增压压力控制。

图3a示出了弹簧激励径向密封件100，其包括由径向密封材料104部分地包围的径向偏压元件102。作为一个非限制性的例子，径向偏压元件102为弹簧，密封材料104为UHMW-PE。但是，应当理解，可使用具有需要特性的其它材料作为密封材料104。还应当理解，可使用其它偏压元件来替代弹簧。例如，图3b示出了径向密封件100’，其中径向偏压元件202为具有‘V’形状的金属形成。与图3a的描述相重复的结构包括相同的附图标记和单引号(’)。还例如，图3c示出了径向密封件100”，其中径向偏压元件302为管状金属形式。与图3a和图3b的描述相重复的结构包括相同的附图标记和双引号(”)。应当理解，径向偏压元件102、202、302可根据需要具有任意的形状和大小。应当理解，可使用其它合适的密封元件104、104’、104”。

在使用中，加载元件28沿着远离座圈32的方向偏压活塞30，使其与端盖16的内表面53接触以基本上允许流体不受限制地从入口20流到出口50。具体地，流体从入口压力腔22流动，通过至少一个横孔42和至少一个轴向孔44，将出口压力腔18即刻增压至超过预定出口压力的压力。应当理解，出口压力腔18中的预定压力可取决于与出口50连通的系统。如果出口压力腔18中的压力升高，施加在端盖16的凹槽52和活塞头40的出口面41上的力也增大。当压力调节器10处于完全关闭位置时，力的大小与端盖16的凹槽52和活塞头40的出口面41的表面积相关。由出口压力腔18中的压力引起的力与加载元件28的加载力相反。当出口压力腔18中的压力引起的力超过加载元件28的加载力时，使得活塞30朝着座圈26移动，使端盖16的内表面53的一部分暴露于出口压力。这样，出口压力腔18中的压力作用在端盖16的整个凹槽52，活塞头40的整个出口面41及端盖16的内表面53的暴露表面上，以克服加载元件28的加载力。通过端盖16的内表面53的暴露表面的增大提供更大的反馈力，增大的表面积提供增强的压力控制。当出口压力腔18中的压力基本上等于根据力平衡确定的希望操作压力或设定点时，活塞座32完全接合座圈26，以基本上阻止流体流过压力调节器10。

为了有选择地控制流体从入口20流动，活塞座32和座圈26配合以提供在入口20的第一端19处的可变限制，从而控制压力调节器10内的流体压力。具体地，为在压力控制期间密封或关闭入口20的第一端19，活塞座32被成形为密封地接合座圈26的倒角。本领域内的普通技术人员应当理解，活塞座32与座圈26配合而展现的限制产生了调节器10中的压降。也就是说，压力调节器10的调节出口压力由作用在活塞30上的力平衡控制。使用已知的工程原理可知，由于从入口20作用在活塞座32区域上的流体压力和通过加载元件28的力，活塞30经受第一力。由于从出口压力腔18作用在活塞30的出口面41上的流体压力，活塞30经受与第一力相反的第二力。

本领域内的普通技术人员还应当理解，在操作期间，活塞30连续循环地移向和远离活塞座32，以响应出口压力的变化保持压力控制。在活塞30的整个连续运动循环中，第一偏压装置34的径向外力将第一偏压装置34固定在第一通道34中，同时在第一通道46的壁上施加力。结果，使得活塞30的与第一通道46和主体12的内壁24相邻的第一部分54邻接主体12的内壁24，从而产生压力密封。应当理解，与第一通道46配合的第一偏压装置34最小化了对用于将第一偏压装置固定在第一通道46的附加装置的需求。同样，第二偏压装置36布置在活塞30的第二通道48中。第二偏压装置36的径向外力将第二偏压装置36固定在第二通道48中，同时在第二通道46的壁上施加力。结果，活塞30的与第二通道48和出口压力腔22的入口壁21相邻的第二部分56被迫进入口壁21，产生压力密封。应当理解，与第二通道48配合的第二偏压装置36最小化了对用于将第二偏压装置36固定在第二通道48的附加装置的需求。这样，第一偏压装置34与活塞30的第一部分54配合形成内腔24与出口压力腔18之间的压力密封，而第二偏压装置36与活塞30的第二部分56配合提供内腔24与入口压力腔22之间的压力密封，从而最小化了对分离的密封装置或O形圈的需求。应当理解，偏压装置34、36将内腔24从入口压力腔22和出口压力腔18隔离开，以朝着出口50引导流体，并防止流体逸入内腔24。这样，偏压装置34、36和活塞座32布置成通过将调节器的特定区域从流体流隔离开而最小化压力调节器10内的高压泄漏。同样，密封元件25形成主体12与端盖16之间的压力密封，从而最大化出口压力腔18中的压力控制，同时阻止主体12与端盖16之间的任何流体泄漏。

在所示实施例操作期间，压力调节器10中的流体温度在-80℃至+85℃之间变化。温度的极大波动通常会引起压力调节器10中所用的密封件泄漏和退化，且在某些情形下失效。但是，在本发明中，活塞30由在低于-50℃下具有理想性能特性的材料形成。这样，活塞30的第一部分54和第二部分56与偏压装置34、36配合在低于-50℃的温度下形成压力密封，从而最小化了对分离的密封元件和O形圈的需求。

从前面的描述，本领域的普通技术人员可容易地确定本发明的本质特性，并且，在不脱离其实质和范围的情况下，可对本发明进行各种变化和修改以使其适应各种使用和状况。

Claims (19)

1.一种用于压力调节器的活塞组件，包括：

活塞，其具有适于与所述压力调节器的主体配合以分别在所述活塞与所述主体之间形成密封的第一部分和在所述活塞与所述主体中的入口壁之间形成密封的第二部分；以及

第一偏压装置，其适于与所述活塞配合，并在所述活塞的所述第一部分上施加力，以在所述第一部分与所述压力调节器之间形成密封，

其中所述活塞由在低于-50℃的温度下具有预定渗透性和低温性能的材料形成。

2.如权利要求1所述的活塞组件，其中所述活塞由超高分子量聚乙烯或聚四氟乙烯形成。

3.如权利要求1所述的活塞组件，其中所述活塞包括布置在所述第一部分中的适于接收所述第一偏压装置的第一通道。

4.如权利要求1所述的活塞组件，其中所述活塞适于接收第二偏压装置，所述第二偏压装置用于偏压所述活塞的第二部分以在所述第二部分与所述压力调节器的主体之间形成密封。

5.如权利要求4所述的活塞组件，其中所述活塞包括布置在所述第二部分中的适于接收所述第二偏压装置的第二通道。

6.一种压力调节器，包括：

主体；

活塞，其具有适于与所述主体配合以分别在所述活塞与所述主体之间形成密封的第一部分和在所述活塞与所述主体中的入口壁之间形成密封的第二部分；以及

第一偏压装置，其适于在所述活塞的所述第一部分上施加力，以在所述第一部分与所述主体之间形成密封，

其中所述活塞由在低于-50℃的温度下具有预定渗透性和低温性能的材料形成。

7.如权利要求6所述的压力调节器，其中所述活塞由超高分子量聚乙烯或聚四氟乙烯形成。

8.如权利要求6所述的压力调节器，其中所述活塞包括至少一个横孔和至少一个轴向孔，用于引导流体通过所述活塞。

9.如权利要求6所述的压力调节器，其中所述活塞包括布置在所述第一部分中的适于接收所述第一偏压装置的第一通道。

10.如权利要求6所述的压力调节器，其中所述活塞适于接收第二偏压装置，所述第二偏压装置用于偏压所述活塞的第二部分以在所述第二部分与所述主体之间形成密封。

11.如权利要求10所述的压力调节器，其中所述活塞包括布置在所述第二部分中的适于接收所述第二偏压装置的第二通道。

12.如权利要求6所述的压力调节器，还包括联接到所述主体的端盖。

13.一种压力调节器，包括：

主体，其包括由内壁界定的内腔；

活塞，其布置在所述内腔中，所述活塞具有适于与所述主体配合以分别在所述活塞与所述主体之间形成密封的第一部分和在所述活塞与所述主体中的入口壁之间形成密封的第二部分，且所述活塞还包括布置在第一部分中的适于接收第一偏压装置的第一通道；

第一偏压装置，其布置在第一通道中，其中所述第一偏压装置适于在所述活塞的所述第一部分上施加力，以在所述第一部分与所述内壁之间形成密封；以及

端盖，其联接到所述主体上，从而封闭所述活塞以形成出口压力腔，

其中所述活塞由在低于-50℃的温度下具有预定渗透性和低温性能的材料形成。

14.如权利要求13所述的压力调节器，其中所述活塞由超高分子量聚乙烯或聚四氟乙烯形成。

15.如权利要求13所述的压力调节器，其中所述活塞包括至少一个横孔和至少一个轴向孔，用于引导流体通过所述活塞。

16.如权利要求13所述的压力调节器，其中所述主体包括入口，该入口适于提供加压流体源与所述活塞之间的流体连通。

17.如权利要求13所述的压力调节器，其中所述活塞适于接收第二偏压装置，所述第二偏压装置用于偏压所述活塞的第二部分以在所述第二部分与所述主体之间形成密封。

18.如权利要求17所述的压力调节器，其中所述活塞包括布置在所述第二部分中的适于接收所述第二偏压装置的第二通道。

19.如权利要求13所述的压力调节器，还包括布置在所述端盖与所述主体之间的径向密封件，用于在所述主体与所述端盖之间提供密封。

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