CN103182134B - 一种高精度压差控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度压差控制阀，包括位于阀体中心的调节膜片，调节膜片将阀体中部分成左气室和右气室，两气室分别与上下游压力入口相通，所述左气室与连接到气源的左泄气口相通，且左气室与左泄气口相通的气口处设有可控制压力调节截面大小的左钢球，所述右气室与右泄气口内相通，且右气室与右泄气口相通的气口处设有可控制压力调节截面大小的右钢球，左钢球支架与右钢球支架固连，通过调整左气室与左泄气口相通的气口、右气室与右泄气口相通的气口的压力调节截面的大小，进而控制与左气室和右气室相通的上游压力入口、下游压力入口的压差，使得上游压力入口、下游压力入口的压差固定、可调。

Description

一种高精度压差控制阀

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是一种高精度压差控制阀，用于低压气源呼吸机的流量调节组装结构。

背景技术

在呼吸机等医疗器械的使用过程中，必需对患者进行机械通气，不同类型的患者需要不同模式的通气方式，所有的通气模式都是通过设备的气流控制执行器和执行器控制算法实现的。

呼吸机的气源一般有高压气源(80kPa以上)和低压气源(20kPa以下)两种，使用高压气源的呼吸机一般采用比例阀或通断电磁阀结合手动流量调节阀控制通气流速和流量总和。低压气源呼吸机采用比例阀的较多，也有采用活塞或涡轮转速来控制。为了达到更好的治疗效果，目前治疗呼吸机一般采用精密比例阀来同时控制输入患者的气体流速和通气总量。现有的典型的比例阀结构原理如图5所示。即由活动衔铁30固连阀芯29，在线圈32的电磁力驱动下，阀芯沿导向+密封部件31左右移动，达到调节阀口a大小的目的。控制流量的大小完全是通过调节阀口a的大小实现的。然而事实上，决定流量大小的应该有两个因素即控制阀口的有效通径和上下游压差。压差是个不可控制的变量，随着患者的吸气过程实时变化。在控制高压气源流量的时候，压差对流量的影响作用微小，控制上一般都忽略了这个因素，但是压差对低压气源流量的控制会产生较大的影响，无法忽略。为了最大限度的减小压差对流速控制的影响，不得不研究复杂的控制算法，来实时调整控制阀口的大小，以抵消压差对流量的大小，这还需要精确的压差测量及控制阀快速的响应。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度压差控制阀，使得高精度压差控制阀上下游压差固定，能够消除气路中压差对流量大小的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种高精度压差控制阀，包括位于高精度压差控制阀中心的调节膜片，调节膜片将高精度压差控制阀中部分成左气室和右气室，左气室与上游压力入口相通，右气室与下游压力入口相通，所述左气室与阀体左端中上部的与气源连接的左泄气口相通，且左气室与左泄气口相通的气口处设有左钢球，左钢球通过密封连接到阀体左端端面中部的左调节旋钮的左连接杆顶置在左钢球支架上，所述右气室与阀体右端中上部的右泄气口内相通，且右气室与右泄气口相通的气口处设有右钢球，右钢球通过密封连接到阀体右端端面中部的右调节旋钮的右连接杆顶置在右钢球支架上，左钢球支架与右钢球支架固连，通过调整左调节旋钮、右调节旋钮带动左钢球、右钢球同时移动，实现调整左气室与左泄气口相通的气口、右气室与右泄气口相通的气口的压力调节截面的大小，进而控制与左气室和右气室相通的上游压力入口、下游压力入口的压差，使得上游压力入口、下游压力入口的压差固定、可调。

优选地，与所述左钢球支架和右钢球支架相对分别设有左弹性调节口、右弹性调节口，左钢球支架与左弹性调节口之间夹置左钢球，所述右钢球支架与右弹性调节口之间夹置右钢球。

优选地，所述左钢球支架内套设左连接杆，左连接杆一端顶置在左钢球上，左连接杆另一端延伸到左泄气口内，且通过左弹簧连接到螺纹锁固在阀体左端端面中部的左调节旋钮；所述右钢球支架内套设右连接杆，右连接杆一端顶置在右钢球上，右连接杆另一端延伸到右泄气口内，且通过右弹簧连接到螺纹锁固在阀体右端端面中部的右调节旋钮。

更优选地，所述左弹性调节口与左钢球的接触面为弧形面，且弧形大小与左钢球外圆弧度相同；所述右弹性调节口与右钢球的接触面为弧形面，且弧形大小与右钢球外圆弧度相同。

更优选地，所述左调节旋钮通过密封圈与阀体左端密封；所述右调节旋钮通过密封圈与阀体右端密封。

更优选地，所述调节膜片边缘固连在阀体上，中心位置固定在通过连接销连接的左钢球支架和右钢球支架之间。

更优选地，所述左泄气口与右泄气口通过内排气口相通。

一种高精度压差控制阀用于低压气源呼吸机的气路结构，包括低压气源、比例阀、流量测量装置、高精度压差控制阀，所述低压气源驱动气流经端口b进入比例阀，比例阀的c端接入流量测量装置，所述比例阀b、c两端并联高精度压差控制阀，c、b两端的压差大小通过高精度压差控制阀调节控制。

优选地，所述高精度压差控制阀的上游压力入口连通到比例阀的b端，下游压力入口连通到比例阀的c端。

本发明的有益效果为，高精度压差控制阀上下游压差固定，能够消除气路中压差对流量大小的影响。具体为：通过调整左气室与左泄气口相通的气口、右气室与右泄气口相通的气口的压力调节截面的大小，进而控制与左气室和右气室相通的上游压力入口、下游压力入口的压差，使得上游压力入口、下游压力入口的压差固定、可调。

其结构简单，使用方便，适用范围广；压差控制精度高，操作简单。

将高精度压差控制阀用于低压气源呼吸机的气路控制，尤其是控制比例阀上下游的压力差，连接简单，使用方便，实现比例阀上下游压力差的固定、可调，消除压差对低压气源呼吸机流量大小的影响。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是现有比例流量控制阀的示意图；

图2是本发明所述高精度压差控制阀(静态)的示意图；

图3是本发明所述高精度压差控制阀(动态)的示意图；

图4是本发明所述高精度压差控制阀的压力调节截面与伸缩量的曲线关系图；

图5是本发明所述高精度压差控制阀的用于低压气源呼吸机的气路结构。

图中：

1、左调节旋钮；2、阀体左端；3、左泄气口；4、左弹簧；5、左连接杆；6、左弹性调节口；7、左钢球；8、左钢球支架；9、连接销；10、内排气口；11、右泄气口；12、阀体右端；13、下游压力入口；14、调节膜片；15、上游压力入口；16、压力调节截面；17、左气室；18、右气室；19、右弹性调节口；20、右连接杆；21、右弹簧；22、右调节旋钮；23、右钢球；24、右钢球支架；25、低压气源；26、比例阀；27、流量测量装置；28、高精度压差控制阀；29、阀芯；30、活动衔铁；31、导向、密封件；32、线圈。

具体实施方式

图2和3给出本发明所述高精度压差控制阀28两种状态的示意图，所述高精度压差控制阀28包括位于高精度压差控制阀28中心的调节膜片14，调节膜片14将高精度压差控制阀28中部分成左气室17和右气室18，左气室17与上游压力入口15相通，右气室18与下游压力入口13相通，所述左气室17与阀体左端2中上部的与气源连接的左泄气口3相通，且左气室17与左泄气口3相通的气口处设有左钢球7，左钢球7通过密封连接到阀体左端2端面中部的左调节旋钮1的左连接杆5顶置在左钢球支架8上，所述右气室18与阀体右端12中上部的右泄气口11内相通，且右气室18与右泄气口11相通的气口处设有右钢球23，右钢球23通过密封连接到阀体右端12端面中部的右调节旋钮22的右连接杆20顶置在右钢球支架23上，左钢球支架8与右钢球支架23固连，且左气室17和右气室18相同，通过调整左调节旋钮1、右调节旋钮22带动左钢球7、右钢球23同时移动，实现调整左气室17与左泄气口3相通的气口、右气室18与右泄气口11相通的气口的压力调节截面16的大小，进而控制与左气室17和右气室18相通的上游压力入口15、下游压力入口13的压差，使得上游压力入口15、下游压力入口13的压差固定、可调。

进一步实施中，与所述左钢球支架8和右钢球支架24相对分别设有左弹性调节口6、右弹性调节口19，左钢球支架8与左弹性调节口6之间夹置左钢球7，所述右钢球支架24与右弹性调节口19之间夹置右钢球23。

进一步实施中，所述左钢球支架8内套设左连接杆5，左连接杆5一端顶置在左钢球7上，左连接杆5另一端延伸到左泄气口3内，且通过左弹簧4连接到螺纹锁固在阀体左端2端面中部的左调节旋钮1；所述右钢球支架24内套设右连接杆20，右连接杆20一端顶置在右钢球23上，右连接杆20另一端延伸到右泄气口11内，且通过右弹簧21连接到螺纹锁固在阀体右端12端面中部的右调节旋钮22。

进一步实施中，所述左弹性调节口6与左钢球5的接触面为弧形面，且弧形大小与左钢球5外圆弧度相同；所述右弹性调节口19与右钢球23的接触面为弧形面，且弧形大小与右钢球23外圆弧度相同。

具体上游压力入口15、下游压力入口13的压差固定、可调分析：

假设调节左调节旋钮1改变左弹簧4的压缩量Y1，改变其作用在左连接杆5上的作用力，进而改变左连接杆5对左钢球7的推力，左钢球7改变对左钢球支架8的推力，进而改变对调节膜片14的作用力。假设调节膜片14的面积为S，左弹簧4产生的压力为F＝K1*Y1，右弹簧产生的压力为F0＝K1*Y2。右端假设受向左的压力F1后，可以向左端伸缩，伸缩量X1与左弹性调节口的弹性系数K的关系为F1＝K*X1。左端假设受向右的压力F2后，可以向右端伸缩，伸缩量X2与右弹性调节口19的弹性系数K的关系为F2＝K*X2。忽略调节膜片14重力的影响，如果F大于F2+F0，此时调节膜片14就会带动左右钢球支架8和24、左右钢球7和23、右弹性调节口19的左端及右连接杆20右弹簧21的左端一起向右移动，由于移动部件与阀体皆为间隙配合，不存在摩擦力，移动过程中显然F2和F0将不断增大，F将减小，当F＝F2+F0后调节膜片14停止运动。此时左弹性调节口6由于左钢球7向右移动，已经打开一个压力调节截面Sa16。

此时调节膜片14在中间位置，上游压力入口15假设压力为P0，下游压力入口13假设压力为P，上下游压差ΔP＝P0-P。即左气室17内的压力为P0，右气室18内的压力为P，此时调节膜片14左端的受力情况为：

F+F1+P0*S，调节膜片14右边的受力情况为：F0+F2+P*S，根据二力平衡原理可得：

F+F1+P0*S＝F0+F2+P*S

整理得：ΔP＝(F0-F+F2-F1)/S

进一步得：ΔP＝(K1*Y2-K1*Y1+K*X2-K*X1)/S

得出：X1＝0，X2＝Y2

设左弹簧的预压缩量为Y0，则Y1＝Y0-Y2

进一步整理得出：ΔP＝(2*K1*Y2+K*Y2-K1*Y0)/S

上式中，K、K1、S、Y0为常数，因此ΔP只随左右调节口6和19的形变量X2变化。

因此要控制ΔP为常数，必须使X2趋近于0

此时ΔP＝-K1*Y0/S

因此ΔP的数字大小由左右弹簧4和21的与压缩量决定。

那么如何使X2趋近于0呢，

压力调节截面Sa16与X2的结构关系设计就显得非常重要，定性的分析就是要求X2微小的变化可以带来Sa巨大的变化。

本方案选择的是球形阀芯与斜面结合的方式，变化曲线如图4所示，由曲线可以看出，初期Sa随X2剧烈变化，后来逐渐放缓。

这是根据实际使用案例决定的，因为Sa达到阴影区的最高位置时，本案例已经达到了左右气室17和18压力平衡调节的目的。

更进一步实施中，所述左调节旋钮1通过密封圈与阀体左端1密封；所述右调节旋钮22通过密封圈与阀体右端2密封。

更进一步实施中，所述调节膜片14边缘固连在阀体上，中心位置固定在通过连接销9连接的左钢球支架8和右钢球支架24之间。

更进一步实施中，所述左泄气口3与右泄气口11通过内排气口10相通。

图5是本发明在我公司实际使用的一个案例说明：具体为一种所述高精度压差控制阀28用于低压气源呼吸机的气路结构，包括低压气源25、比例阀26、流量测量装置27、高精度压差控制阀28，所述低压气源25驱动气流经端口b进入比例阀26，比例阀26的c端接入流量测量装置27，所述比例阀26b、c两端并联高精度压差控制阀28，c、b两端的压差大小通过高精度压差控制阀28调节控制。

所述高精度压差控制阀28的上游压力入口15连通到比例阀26的b端，下游压力入口13连通到比例阀26的c端。

上述说明是针对本发明可行的实施例的具体说明，而该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技术精神所作出的等效实施或变更，均应包含于本申请所请求保护的专利范围中。

Claims (9)

1.一种高精度压差控制阀，包括位于高精度压差控制阀中心的调节膜片，调节膜片将高精度压差控制阀中部分成左气室和右气室，左气室与上游压力入口相通，右气室与下游压力入口相通，其特征在于：所述左气室与阀体左端中上部的与气源连接的左泄气口相通，且左气室与左泄气口相通的气口处设有左钢球，左钢球通过密封连接到阀体左端端面中部的左调节旋钮的左连接杆顶置在左钢球支架上，所述右气室与阀体右端中上部的右泄气口内相通，且右气室与右泄气口相通的气口处设有右钢球，右钢球通过密封连接到阀体右端端面中部的右调节旋钮的右连接杆顶置在右钢球支架上，左钢球支架与右钢球支架固连，通过调整左调节旋钮、右调节旋钮带动左钢球、右钢球同时移动，实现调整左气室与左泄气口相通的气口、右气室与右泄气口相通的气口的压力调节截面的大小，进而控制与左气室和右气室相通的上游压力入口、下游压力入口的压差，使得上游压力入口、下游压力入口的压差固定、可调。

2.根据权利要求1所述的高精度压差控制阀，其特征在于，与所述左钢球支架和右钢球支架相对分别设有左弹性调节口、右弹性调节口，左钢球支架与左弹性调节口之间夹置左钢球，所述右钢球支架与右弹性调节口之间夹置右钢球。

3.根据权利要求2所述的高精度压差控制阀，其特征在于，所述左钢球支架内套设左连接杆，左连接杆一端顶置在左钢球上，左连接杆另一端延伸到左泄气口内，且通过左弹簧连接到螺纹锁固在阀体左端端面中部的左调节旋钮；所述右钢球支架内套设右连接杆，右连接杆一端顶置在右钢球上，右连接杆另一端延伸到右泄气口内，且通过右弹簧连接到螺纹锁固在阀体右端端面中部的右调节旋钮。

4.根据权利要求3所述的高精度压差控制阀，其特征在于，所述左弹性调节口与左钢球的接触面为弧形面，且弧形大小与左钢球外圆弧度相同；所述右弹性调节口与右钢球的接触面为弧形面，且弧形大小与右钢球外圆弧度相同。

5.根据权利要求4所述的高精度压差控制阀，其特征在于，所述左调节旋钮通过密封圈与阀体左端密封；所述右调节旋钮通过密封圈与阀体右端密封。

6.根据权利要求1所述的高精度压差控制阀，其特征在于，所述调节膜片边缘固连在阀体上，中心位置固定在通过连接销连接的左钢球支架和右钢球支架之间。

7.根据权利要求1所述的高精度压差控制阀，其特征在于，所述左泄气口与右泄气口通过内排气口相通。

8.一种根据权利要求1至7任意一所述的高精度压差控制阀用于低压气源呼吸机的气路结构，其特征在于，包括低压气源、比例阀、流量测量装置、如权利要求1至7任意一所述的高精度压差控制阀，所述低压气源驱动气流经端口b进入比例阀，比例阀的c端接入流量测量装置，所述比例阀b、c两端并联高精度压差控制阀，c、b两端的压差大小通过高精度压差控制阀调节控制。

9.根据权利要求8所述的气路结构，其特征在于，所述高精度压差控制阀的上游压力入口连通到比例阀的b端，下游压力入口连通到比例阀的c端。