CN103080861B - 气压控制阀 - Google Patents

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Abstract

描述了一种气压控制阀，其具有阀体(11,12)，阀体(11,12)具有气体入口(25)和气体出口(58)。提供内帽(40)，其部分地界定着在阀体(11,12)内的腔室(47)，腔室(47)与气体入口(25)相连通。阀体(11,12)包含了一种弹簧加载的活塞(32,33)，弹簧加载的活塞(32,33)包括活塞头(32)和活塞杆(33)。活塞杆(33)包括管道(50)，管道(50)提供了在部分地由内帽(40)界定的腔室(47)与邻近于活塞头(32)的腔室(45)与气体出口(58)之间的连通。其中活塞(32.33)可操作以在关闭配置与打开配置之间移动，在关闭配置，活塞杆(33)防止在气体入口(25)与部分地由内帽(40)界定的腔室(47)之间的连通；在打开配置，活塞杆(33)允许在气体入口(40)与部分地由内帽(40)界定的腔室(47)之间连通；以及活塞头(32)经由第一密封件(37)与阀体(11,12)成密封接合，且活塞杆(33)经由第二密封件(39)与内帽(40)成密封接合，第二密封件(39)包含于部分地由内帽(40)界定的腔室(47)内。第二密封件(39)保持在腔室(47)内的固定位置。

Description

气压控制阀
技术领域
本申请涉及气压控制阀，其用于从高压源接收气体且将较低压力的气体供应给使用者。更特定而言，本发明的实施例有关于紧凑的气压控制阀，其用于调节来自低容量气体容器的气压(例如，对于21ml的典型商业大小而言，5至100ml的水容量)。
背景技术
通常，气体存储于高压(例如，200巴)气瓶/气缸内。
但是，在使用中常常需要更低的压力。因此必需提供一种气压控制阀，其能调节气压。除了提供用于向使用者提供较低压力气体的器件之外，气压控制阀也能控制气压、并且将气压维持在相对恒定的速率，无论气瓶是满的还是空的，其并无显著不同。
现有技术气压控制阀的示例在US 4655246和US5307834中公开。
尽管现有阀能进行气压调节，但在调节来自较大气瓶的气压的情况下使用现有设计。将会需要能提供一种气压控制阀，其适合于调节来自较小容量气体容器的气压。但是，减小现有设计的大小是较难的，因为这样的设计对于某些设计参数而言是敏感的。使得现有设计适用于更小的气瓶因此是较难的，因为这样的较小的阀将会是不可靠的，除非它们被制造为过分地高的制造公差。特别地，难以对小到足以允许很小活塞的座进行高压密封，且仍维持对于源自瓶的压力范围的压力控制。因此，常规阀并不用于较小容量的气体容器，并且来自这样的容器的气体流量并未被调节。这种情况已将这样的容器的使用限于需要高压气体供应的应用、或备选地诸如供应液化气体的应用，其中压力较低且恒定，因为其受到液体蒸气压力的有效控制。
因此需要适用于低容量气体容器的气压控制阀的备选设计。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种气压控制阀，包括：阀体，其具有气体入口和气体出口；内帽，其部分地界定着阀体内的腔室，其中腔室与气体入口相连通；弹簧加载的活塞，其包含于阀体内，活塞包括活塞头和活塞杆，活塞杆包括管道，管道提供在部分地由内帽所界定的腔室与和邻近着活塞头的阀体内部与气体出口之间的连通；其中活塞可操作以在关闭配置与打开配置之间移动，在关闭配置中，活塞杆防止在气体入口与由内帽部分地界定的腔室之间的连通，在打开配置中，活塞杆允许在气体入口与由内帽部分地界定的腔室之间的连通；以及其中活塞头经由第一密封件与阀体成密封接合，且活塞杆经由第二密封件与内帽成密封接合，第二密封件包含于由内帽至少部分地界定的腔室内，第二密封件保持在腔室内的固定位置。
阀体可包括邻近着气体入口的套环，其中第二密封件保持在介于套环与内帽之间的固定位置。可提供气体流动路径来允许气体通过套环以邻近所述内帽。在某些实施例中，套环包括城堡形套环，其中套环的城堡形构造提供了允许气体通过套环到邻近内帽的气体流动路径。
气体入口可包括腔，该腔包含着一种与腔呈密封接合的孔口座，其中在腔室与气体入口之间的连通是经由在孔口座中的孔口。
活塞杆可包括一种在远离活塞头的端部处的密封销，活塞杆布置于阀体内从而使得当活塞处于关闭位置时所述密封销密封着该孔口。密封销的顶端可倒角到一点，其中活塞杆布置于阀体内，从而使得当活塞处于关闭位置时密封销的顶端进入到该孔口内、且密封该孔口。密封销的顶端的倒角，以及活塞杆在阀体内的布置可随后使得：当活塞从打开位置移动到关闭位置时密封销进入孔口，则导致密封销将要在孔口内居中。
在某些实施例中，孔口包括了邻近着气体入口的下部段，锥形部段，和邻近着腔室的上部段，其中上部段比下部段更窄。
在某些实施例中，孔口的至少部分具有大约0.3mm的直径。
在实施例中，该阀可包括压缩弹簧，其布置于阀体内以使得活塞偏压来朝向打开位置移动。在这些实施例中，压缩弹簧可被布置为围绕着内帽、且在内帽的表面与活塞头的表面之间延伸。凹部可设于活塞头中，且压缩弹簧在内帽的表面之间延伸到凹部内。
在某些实施例中，第一密封件包括了一种包含位于活塞头的圆周处的凹槽内的密封件。可替代地，一种限定着凹部的台阶形凸缘可设于活塞头的圆周处，且第一密封件包括了一种在活塞头与阀体之间固持于凹部内的密封件。
在某些实施例中，内帽可经由第三密封件与阀体成密封接合，其中在由内帽而部分地界定的腔室内的压力的累积可操作以造成密封接合发生破坏，允许在腔室内的气体经由设于阀体中的泄放孔口而排出。
气压控制阀可被包括为气体供应设备的部分，气体供应设备包括外壳，外壳限定了一种对接站，对接站用于接纳气体容器，其中阀被布置成用以从插入于对接站的气体容器接收气体且将气体传递到输出部。这样的气体供应设备可形成用于形成非热等离子体的装置的部分，该装置包括等离子体生成电池，等离子体生成电池可操作以从输出部接收气体且向所接收的气体供应电势以生成非热等离子体。
附图说明
参考所附描述和附图，本发明的另外的方面和实施例将会变得显然，在附图中：
图1为根据本发明合并了气压控制阀、用于生成非热等离子体的装置的示意图。
图2为处于关闭位置的根据本发明的第一实施例的气压控制阀的截面图。
图3为处于打开配置的图2的气压控制阀的截面图。
图4为图2的一部分的放大图，其示出了密封销与气压控制阀的孔口座的相互作用；以及
图5为根据本发明的第二实施例的气压控制阀的截面图。
具体实施方式
图1为当气体容器在由箭头所示的方向插入于对接站内时用于生成非热等离子体的手持装置1的示意图，该装置包括外壳2，外壳2限定了对接站3，对接站3用于接纳气体容器4。在此实施例中，气体容器4包括100ml的容量的气体容器。当完全插入于对接站3内时，气体容器4被布置成用以密封到气压控制阀5。如将详细描述的那样，气压控制阀5从气体容器接4收高压气体、且以受控制的较低压力将气体传递到输出部6，输出部6具有受到促动器8控制的阀7，以及限制部9。当由促动器8启动时，阀7打开，允许气体通过阀7以经由限制部9到等离子体电池10。气压控制阀5与限制部9的组合效果是使得气体以受控制的速率进入等离子体电池10。当电势施加到等离子体电池10内的气体时，生成了非热等离子体。该装置可承载着其自己的电源，或备选地由合适电缆连接到外部电源。
图2和图3为示出了分别处于打开配置和关闭配置的根据本发明的第一实施例的气压控制阀5的结构的截面图。
参看图2和图3，气体控制阀5包括了基本上圆柱形阀体，该阀体包括下部段11和上部段12，且上部段具有基本上中空的帽。在此实施例中，该阀体的上部段11和下部段12二者都是由诸如黄铜这样的金属材料制成。
阀体的下部段11包括外壁15，外壁15邻近于阀体的上部段12而在阀体下部段11的表面上方突伸。螺纹设于外壁15的外表面上，其与设在阀体上部段12的开口端的内表面上的对应螺纹相啮合/接合，能使得阀体的两个部件固定在一起且保持就位。将会意识到，在其它实施例中也可使用其它固定布置。
在阀体的下部段11中心为中心通道17，其从最靠近阀体上部段12的阀体下部段11的表面延伸到腔18。孔口座19固持在腔18内，且由O形环20保持在腔18内密封接合。在此实施例中，孔口座19由诸如尼龙或PEEK这样的硬质塑料制成。
充当高压气体入口的孔口21设于孔口座19的中心。在此实施例中，如在图4中可最佳地看出，图4为以孔口21为中心的图2的部分的放大图，孔口21包括下部段22，锥形部段23和上部段24，且上部段24具有比下部段22更窄的内孔。在此实施例中，上部段24具有0.2mm至0.3mm的直径。这个大小接近于可在商业方面钻孔或模制的孔大小的极限，而无需特殊布置和过高成本。可通过使用两种不同大小的钻头从孔口座19的任一侧来钻出孔口21而制造出合适孔口21。这种布置简化了制造，因为其允许具有窄内孔的孔口21设于孔口座19中，其中窄内孔的长度是有限的。在备选实施例中，合适孔口座可为模制的而非钻孔的，以降低成本，特别是以更大量模制。
在腔18内的孔口座19的密封接合使得经由与腔18连通的气体入口25而传递到腔18内的气体可仅到达阀体下部段11的中心通道17，且因此经由孔口座19的孔口21而进入到阀体2上部段12的内部。以此方式，在孔口座19中的孔口21用于限制在气体入口25与阀体上部段12的内部之间的连通为具有0.3mm直径的开口。
返回至图2和图3，城堡形套环30从阀体的下部段11的表面的中央部分突伸，城堡形套环30同轴地定位且包围着阀体的下部段11的中心通道17。在此实施例中，此城堡形套环30具有3.34mm的内径和3.7mm的外径。城堡形套环从阀体1下部段11的表面延伸3.3mm的距离，且一系列4个缺口设于套环30的壁的上边缘中，绕套环30的圆周均匀地间隔开。
如将在下文中所描述的那样，这些缺口提供穿过套环30壁的气体流动路径以允许气体从套环30内传递到套环30外部。照此，将会意识到在其它实施例中，通过在套环30壁中提供一个或多个开口可实现类似的效果。还将意识到开口或缺口的确切数量和位置将不会影响到提供合适气体流动路径的开口/缺口的功能，只要缺口/开口具有充分截面积从而使得它们提供足够的流动路径。
活塞在轴向位于由下部段11和上部段12所形成的阀体内，活塞包括：活塞头32和活塞杆33，活塞杆33终止于密封销34，密封销34与孔口座19的孔口21对准。
如在图4中最佳地示出，为了辅助密封销34与孔口座19的孔口21对准，中心通道17被布置为具有类似于密封销34直径的直径，除了倒角颈部35，倒角颈部35朝向与阀体上部段12最靠近的阀体下部段11的表面，其具有略微更宽的直径。因而，以此方式当密封销34首先与中心通道17接合时，密封销受到倒角颈部34的引导朝向中心通道17的中心。当密封销34到达中心通道17的端部时，密封销34的顶端36随后进入到孔口座9中的孔口21的上部段24内。
同样为了辅助密封销34与孔口21对准，密封销34的顶端36被倒角为一点。随着密封销34接合着孔口21的上部段24，这种倒角造成销34变得与孔口21对准，且密封销34的顶端36进入到孔口21内到所需程度，从而使得密封销34阻塞并且密封所述孔口21由此防止气体通过孔口21。密封销34的对准和倒角如此，是为了在活塞32、33、34前后移动时确保销34在孔口21内居中。这用于确保销34的顶端并不接触和损坏孔口座19的任何其它部分(特别是密封边缘)或者扩大孔口21的直径，并且因此维持了在气体入口25与阀体上部段12的内部之间的连通程度在固定水平。
返回至图2和图3，活塞头32通过O形环37与阀体上部段12的内表面成密封接合，且O形环37固持在活塞头32的圆周中的凹槽38内。
活塞杆33与另一O形环39呈密封接合，O形环39由城堡形套环30和内帽40保持就位，内帽40承座在O形环39和城堡形套环30上。内帽40延伸超过城堡形套环30的外部到阀体的下部段11的外壁内表面，且另一O形环41在内帽40的外围附近封闭于内帽40中的凹槽中。
O形环37、39和41的布置是为了将阀的内部分成三个腔室：在活塞头32与阀体上部段12的端部之间的第一腔室45；在活塞头32与阀体下部段11之间的第二腔室46；以及，第三腔室47，其部分地由内帽40界定、且在活塞杆33下方经由在孔口座19中的孔口21而延伸到阀体下部段11中的腔18内。
在活塞杆33内，设有轴向气体管道50，气体管道50经由位于活塞杆33的侧壁中邻近着密封销34处的一对入口51、52而连接着第三腔室47与第一腔室45。
设有螺旋压缩弹簧55，其围绕着封闭了O形环41和城堡形套环30的内帽40的部分的外部而延伸。此弹簧55承靠在内帽40的表面和凹部56上，内帽40向外朝向阀体下部段11的外壁15延伸，凹部56设于活塞头32中邻近于凹槽38处，凹槽38包含了O形环37，O形环37维持所述活塞头32与阀体上部段12成密封接合。提供此凹部56意味着与不存在凹部56时将会出现的情况相比，可容纳更长的弹簧55，而不必增加阀体上部段12的尺寸。
弹簧55对活塞头32作用，将设于活塞32、33、34端部处的密封销34提升起离开孔口座19，将活塞32、33、34移动到图3所示的位置，在此位置，远离密封销34的活塞头32的表面外围接触着在阀体的上部段12的内表面处的肩部57。在此位置，密封销34从设于孔口座19中的孔口21移除。但当在此位置时，如果阀连接到高压气体供应，气体从该供应流入到第三腔室47内，且然后经由设于活塞杆33中的气体管道50而进入到第一腔室45内。
在这个意义上气体并不经由设于阀体的上部段12中的气体出口58排放，在第一腔室45内累积气压。此压力作用于活塞头32的与密封销34远离的表面上。如果压力超过了特定量，在活塞头32上的力克服了由压缩弹簧55所施加的力，造成活塞32、33、34移动到图2所示的位置。随着活塞移动到此位置，这造成密封销36进入到孔口21内，切断气体供应。
但气体仍将会从第一腔室45经由气体出口58流出。由于这在阻塞了孔口21时继续，在第一腔室45内的气压将会降低。最终，压力将降低到在活塞头32上的气压不再向活塞头32施加足以克服压缩弹簧55力的程度。当发生这种情况时，活塞32、33、34将从图2所示的位置移动回到图3所示的位置，将密封销34从孔口21提升起且允许气体再次流动。因而，以此方式，阀用于控制离开气体出口58的气压。
如果由于任何原因，在活塞杆33中的气体管道50或气体入口51、52变得被阻塞或孔口座19变得损坏，在第三腔室47内气体将会积聚。如果发生这种情况，那么在第三腔室47内压力将会累积。当压力超过特定量从而使得由气体施加在内帽40上的力超过了由压缩弹簧55所施加的力，这然后将会造成内帽40提升起，打破在内帽30与阀体下部段11之间的密封件。当发生这种情况时，这然后允许气体从第三腔室47流动经由在城堡形套环30中的缺口且在内帽40下方进入到第二腔室46、且然后经由设于阀体上部段12的壁中的泄放孔口60而从阀排出。
当阀处于静态平衡时，在第一腔室45与第三腔室47中的压力之间的关系如下：
方程式1
其中A1为孔口21上部段24的截面积，A2为在O形环41内所包含的活塞杆33的截面积；A3为活塞头32的截面积；FS为由压缩弹簧55所施加的力；以及P1和P2分别为气体进入孔口21的上部段24的压力和在第一腔室45内的压力。
从上文可知随着气体进入到孔口21上部段24的压力P1改变而变化的平衡压力P2程度在很大程度上取决于孔口21的上部段24的截面积A1，因为将上述方程式1移项得到二者之间的关系如下：
方程式2。
通常，源自气体容器的气压是在当容器为满时的200巴与几乎排空时的容器中的10巴之间变化。这规定了，对于能维持气体离开第一腔室45时的压力处于大约5%的公差内的气压控制阀而言，孔口21的上部段24的大小应具有大约0.3mm的直径，因为如果该直径更大，将出现第一腔室45中输出压力的显著变化，除非具有较大表面积的活塞头的活塞32用于阀内，如在下表中所陈述的那样。
座直径(mm) 由于作用于座上的200巴所造成的力(N) 对于以3巴输出的+/-5%压力控制而言的典型活塞直径
0.1 0.16 2.8
0.2 0.63 5.7
0.3 1.41 8.5
0.4 2.51 11.3
0.5 3.93 14.1
0.6 5.65 17.0
0.7 7.70 19.8
上述的静态平衡方程式还表明了使活塞杆33的截面积A2最小的重要性，因为此值也规定了包含于阀体上部段12内的活塞头32的所需大小和尺寸、以及因此活塞本身的总尺寸。根据本申请，通过将O形环39封闭在内帽40与城堡形套环30之间而最小化了阀的尺寸，因为在此配置中，O形环39的宽度并不像O形环固持在活塞杆33本身中的凹槽内的情况那样增加活塞杆33的有效截面积。
现在将参看图5来描述本发明的第二实施例，图5为第二实施例的截面图，其中，相同的附图标记对应于阀的与第一实施例中所提到的那些相同的部分。
在此实施例中，该阀的结构与第一实施例的阀相同，除了和阀的上部段12的形状和活塞头32的形状被修改。
在先前的实施例中，O形环37示出为被固持在活塞头32圆周处的凹槽38内。在此实施例中，并未在其圆周处具有凹槽38，活塞头32终止于台阶状凸缘62，台阶状凸缘62限定了用于接纳O形环37的凹部64。这个凹部64在最靠近于气体出口58的端部处开放。O形环37然后由与气体出口58最靠近的阀5的上部段12的壁的内表面的延伸部66固持在此凹部64内的适当位置。
图5的阀的功能确切地与第一实施例的阀相同。但是，图5的设计的优点在于可模制图5的活塞，而没有由O形环37所提供的穿过密封的分型线，如果将要通过模制来形成阀，则分型线易于导致阀泄露。更具体而言，当模制图5的活塞时，将会沿着台阶状凸缘62的幅度、而不是像模制第一实施例的活塞时将会发生情况那样穿过包含了O形环37的凹槽38的中心，而出现分型线。因此，分型线将不再沿着在阀体的上部段12与活塞头32之间的密封件而伸展。

Claims (18)

1.一种气压控制阀，包括：
阀体，其具有气体入口和气体出口；
内帽，其部分地界定所述阀体内的腔室，其中所述腔室与所述气体入口相连通；
弹簧加载的活塞，其包含于所述阀体内，所述活塞包括活塞头和活塞杆，所述活塞杆包括管道，所述管道提供在部分地由所述内帽所界定的所述腔室与邻近于所述活塞头的所述阀体内部和所述气体出口之间的连通；
其中所述活塞可操作以在关闭配置与打开配置之间移动，在所述关闭配置，所述活塞杆防止在所述气体入口与部分地由所述内帽界定的所述腔室之间的连通；在所述打开配置，所述活塞杆允许在所述气体入口与部分地由所述内帽界定的所述腔室之间的连通；以及
其中所述活塞头经由第一密封件与所述阀体成密封接合，且所述活塞杆经由第二密封件与所述内帽成密封接合，第二密封件包含于部分地由所述内帽界定的所述腔室内，所述第二密封件保持在所述腔室内的固定位置。
2.根据权利要求1所述的气压控制阀，其特征在于，所述阀体还包括邻近于所述气体入口的套环，其中所述第二密封件保持在介于所述套环与所述内帽之间的固定位置。
3.根据权利要求2所述的气压控制阀，其特征在于，提供气体流动路径来允许气体通过所述套环到邻近于所述内帽处。
4.根据权利要求3所述的气压控制阀，其特征在于，所述套环包括城堡形套环，其中所述套环的城堡形构造提供允许气体通过所述套环到邻近于所述内帽处的气体流动路径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气压控制阀，其特征在于，所述气体入口包括腔，所述腔包含一种与所述腔呈密封接合的孔口座，其中在所述腔室与所述气体入口之间的连通是经由在所述孔口座中的孔口。
6.根据权利要求5所述的气压控制阀，其特征在于，所述活塞杆包括一种在与所述活塞头远离的端部处的密封销，所述活塞杆布置于所述阀体内从而使得当所述活塞处于所述关闭位置时所述密封销密封所述孔口。
7.根据权利要求6所述的气压控制阀，其特征在于，所述密封销的顶端倒角到一点，其中所述活塞杆布置于所述阀体内从而使得当所述活塞处于所述关闭位置时所述密封销的顶端进入到所述孔口内且密封所述孔口。
8.根据权利要求7所述的气压控制阀，其特征在于，所述密封销的顶端的倒角和所述活塞杆在所述阀体内的布置使得：当所述活塞从所述打开位置移动到所述关闭位置时，所述密封销的顶端进入所述孔口内，则导致所述密封销在所述孔口内居中。
9.根据权利要求5所述的气压控制阀，其特征在于，所述孔口包括邻近于所述气体入口的下部段，锥形部段和邻近于所述腔室的上部段，其中所述上部段比所述下部段更窄。
10.根据权利要求5所述的气压控制阀，其特征在于，所述孔口的至少部分具有大约0.3mm的直径。
11.根据前述权利要求1至4以及6至10中任一项所述的气压控制阀，其特征在于，还包括压缩弹簧，其布置于所述阀体内以使得所述活塞偏压来朝向所述打开位置移动。
12.根据权利要求11所述的气压控制阀，其特征在于，所述压缩弹簧围绕着所述内帽，且在所述内帽的表面与所述活塞头的表面之间延伸。
13.根据权利要求12所述的气压控制阀，其特征在于，凹部设于所述活塞头中，且压缩弹簧在所述内帽的表面之间延伸到所述凹部内。
14.根据前述权利要求1至4、6至10以及12至13中任一项所述的气压控制阀，其特征在于，所述内帽经由第三密封件与所述阀体成密封接合，其中在部分地由所述内帽界定的所述腔室内的压力的累积可操作以造成密封接合发生破坏，允许在所述腔室内的气体经由设于所述阀体中的泄放孔口而排出。
15.根据前述权利要求1至4、6至10以及12至13中任一项所述的气压控制阀，其特征在于，所述第一密封件包括一种包含于所述活塞头的圆周处的凹槽内的密封件。
16.根据权利要求1至4、6至10以及12至13中任一项所述的气压控制阀，其特征在于，限定着凹部的台阶形凸缘设于所述活塞头的圆周处，且所述第一密封件包括一种在所述活塞头与所述阀体之间固持于所述凹部内的密封件。
17.一种气体供应设备，包括
外壳，其限定着用于接纳气体容器的对接站；以及
根据前述权利要求中任一项所述的气压控制阀，其布置成从插入于所述对接站内的气体容器接收气体，且将气体传递到输出部。
18.一种用于形成非热等离子体的装置，包括：
根据权利要求17所述的气体供应设备；以及
等离子体生成电池，其可操作以从所述输出部接收气体、且将电势供应给所接收的气体以生成非热等离子体。
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