CN104421480A - 燃气截止阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安装在燃气计量表中的燃气截止阀，包括一个相对阀座能够在纵向上运动的阀盘，所述阀盘安装在一个调节杆上，所述调节杆在一个阀壳中保持纵向设置，所述截止阀还包括一个通过减速齿轮装置受到电机驱动的线性单元，a)所述阀座包括一个边缘密封件(6)；b)所述电机为微型直流电机(11)；c)所述减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)设置在所述线性单元的侧部；d)所述线性单元为齿条齿轮传动装置或滑道螺旋传动装置，包括调节螺母件(17、17’)和集成在阀壳(1、3、4、10)的板体(3)上的调节杆(18、18’)。

Description

燃气截止阀
技术领域
本发明涉及一种安装在家用或工业用燃气计量表上的燃气截止阀。
背景技术
燃气计量表通常包括计量装置和两个交替填充的弹性测量腔及其控制系统。燃气计量表越来越多地配置一些组件以进行远程计量表查阅和远程燃气切断操作。远程切断操作对于预付费系统或独立于客户的远离燃气设施公司的计量表失效时是非常重要的。通过执行器操作的截止阀即用于此目的。燃气计量表将截止阀及其电源供应单元包覆在其内部，其设计尽可能的简洁，同时降低运行噪音和增加操作安全。对于小尺寸的截止阀也要求较高的运行可靠性，执行器良好的燃气密封性和尽可能长的运行寿命，同时还包括由此需要的长期的电源供应运行。后者尤其要求在截止阀进行开闭时消耗尽可能少的电能。在运行时，不允许出现溅入截止阀内部点燃燃气的火花。
执行器基于对颠簸、振动或其它操作的敏感性略迟钝电机进行运转，这种执行器基于螺线管控制单元改良了相对执行器的操作安全，在市场上受到广泛青睐。
EP0836701B1揭示了一种燃气控制阀，它对应的专利DE69601506T2中，截止阀直接设置在燃气计量表中的燃气供应连接器上，因此与本发明揭示的技术方案最为接近。该燃气截止阀包括一个阀元件，阀元件能够相对阀座纵向运动，其中阀元件与一个纵向对齐的阀柄连接，其中阀柄的至少一部分包括一个外螺纹，与一个围绕阀柄该部分的元件连接并形成螺母，其中阀柄由此以螺旋方式运动。阀元件自身贴附在阀柄上，阀柄随着步进电机转动并通过机械驱动单元传输转动。阀柄为此支撑一个设置在阀元件和螺母之间的轴上的齿轮环，齿轮环与步进电机驱动的马达小齿轮啮合，围绕着与阀柄平行的第二轴旋转。
发明人参考了其它一些燃气截止阀的相关专利，其中包括EP0836702B1(DE69601428T2)，EP0987477A2，EP1482224A1，EP1601084B1(DE602005001579T2)，DE19716377A1，DE102011110379A1，CN201397166U，CN201723731U，CN202280921U，CN202646861U和CN102818062A。
发明内容
待解决的技术问题
现有技术中的燃气截止阀需要在尺寸、安全性、可靠性和使用寿命上进行优化。这些通过步进电机进行调节的截止阀结构复杂，因而需要昂贵的电子控制元件。确定的调距距离通过步进电机每一步的规格来实现，基于这种设计，除去了火花的形成，但是这样产品相对直流电机在同等性能时尺寸更大，价格更高。
当使用微型直流电机以预定的运行时间控制来使用时，经济性得到优化，但是当直流电机改变其根据负载改变运行点时，实际的阀门断开/闭合时间由于燃气压力的波动而在运行中进行改变。为了保证彻底的断开/闭合，直流电机不得不装备有比实际需要更多的电源以持续更长时间的运行；阀盘在运行中通往阀座时遇到的阻力很大。在截止过程中，能量消耗较高，这使得电池维持不必要的负载，同时由于电流最大值通过电刷，电机的寿命降低。
现有燃气截止阀还有一个缺陷是它们均设置扁平的阀盘。在打开状态下，燃气垂直于阀盘侧向地流动，由此产生不必要的湍流，尤其是在阀壳设置为尽可能小而阀内流体阻力没有进行优化的情况下。还有，设置为扁平密封的阀盘需要更多的压力与阀座相抵以得到紧固地密封，从而在环境条件变化时保持密封，例如温度和燃气压力的改变。电机在相应更大输出功率时需要产生更高的密封力。
CN201723731U或CN102818062A揭示了较为复杂的设计，其中涉及的运行包括棘轮运动和凸轮轴驱动，这样不得不克服阀杆端部的两个死点处的扭矩。电机由此需要更大的尺寸和更高的电流，这就增加了电池蓄电量成本。
CN202646861揭示的燃气计量表中的控制阀包括扁平阀盘、电机和蜗轮驱动。电机不存在机械扭矩限制。
EP0836701B1和EP0863702B1揭示了阀盘设计，其中出于安全和功能性的原因对结构要求较高并要求精确的控制以得到密封元件中的优质的阀座。
发明目的
本发明的目的基于所知的现有技术，提供一种解决上述缺陷的电机驱动的燃气截止阀，该设计简单并能容易地与惯常使用的燃气计量表集成。
出于在燃气计量表内的安装，该燃气截止阀应该设置作为执行器的小型电机并整体微型化设计使得它在狭小的燃气计量表中的空间内仍然得到更方便地安装。当阀门以简单的机械运动达到截止位置时，电输出应该是比较小的，以此节约电能，这将增加电池的使用寿命，也就是所谓的“智能测量表”。阀门的流体阻力应尽可能的低，以此减少计量表中的压强降。此外，密封系统应该装备有利用燃气压力进行密封的密封件，以保证在失去电机的高度压力下依然保持可靠的密封紧密度。该密封件的使用寿命应尽可能的长。最后，燃气截止阀应能够以最简单方便的方式安装，并出于经济目的由最少的组件组成。
技术方案
根据本发明，安装在燃气计量表中的燃气截止阀包括一个阀盘，该阀盘相对于它的阀座能够纵向运动并安装在调节杆上，该调节杆控制在阀壳内的纵向方向内。该阀盘通过调节杆与一个线性单元结合，线性单元通过减速齿轮机构受到电机驱动。阀座中设置一个唇型密封。小型直流电机做为新型燃气截止阀的驱动元件设置在独立腔壳内。电机通过减速齿轮驱动线性单元。减速齿轮紧挨着设置于线性单元侧边。齿条齿轮传动装置或滑动螺钉传动装置均可选择设置于线性单元，包括调节螺母元件和集成于阀壳中的板调节杆18和18’。
发明效果
本发明使得燃气截止阀的结构更小，流动效率更高，在操作时更加安全，仅需要较少的维护，安装更方便，成本效率更高，在迄今通常使用的燃机计量表或新型更小型的燃气计量表中能够进行安装，兼容适用于远程切断系统或预付费系统。使用小型直流电机(对于绝大多数的微型电机)的能量消耗小于现有技术设计，其在阀盘至少一个端部的机械功率消耗限度/扭矩限度使得在执行部分和开关部分处大幅降低功耗。所安装的电池仅在若干年后才需进行更换。电子控制元件的损耗控制在最小，因为小型电机仅需要固定的打开时间控制。做为进一步的优势，爆炸方面的安全性能(电机的电子元件中可能有火花出现)得到提高，这是由于电流很小。这种新型设计使得电子元件能够完全填充绝缘材料或以简单的方式将其与燃气运输部件隔离开。另一个优点是这中燃气截止阀由于设计精简，大多数部件相配通过自动化的简单步骤即可安装，故能进行大批量自动化生产，由此形成成本优势。借助特别地边缘密封设计和曲面流场优化的阀盘，在闭合状态下的密封方式和燃气在接通时的流动方式的性能均得到提高。
本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
附图说明
图1是根据本发明第一个实施例下的阀门的立体示意图。
图2是根据本发明第一个实施例下的阀门的剖视图，其中阀门处于闭合状态。
图3是根据本发明第一个实施例下的阀门的剖视图，其中阀门处于接通状态。
图4是根据本发明第二个实施例下的阀门的剖视图。
图5是根据本发明第三个实施例下的阀门的剖视图。
具体实施方式
本发明将参照附图以各种实施例的方式进行说明。在说明书附图中，具有类似结构或功能的元件将用相同的元件符号表示。附图中的部件大小和特点只是为了便于说明和揭示本发明的各个实施例，并不是要对本发明进行穷尽性的说明，也不是对本发明的范围进行限制。
图1根据本发明一个实施例示出了阀门的立体示意图。燃气截止阀的筒状塑料壳体从上到下包括上壳体1，其包括燃气入口2，板体3和下壳体4。一个具有立体曲面并经过优化过流场设计的阀盘5密封阀门的燃气入口2，唇形密封件(或边缘密封件)6(lip seal)设置在上壳体1处与阀盘相对。板体3固定设置在间隔上壳体1的位置。侧向燃气出口7由此设计在这里。板体3上设置的垫片8保持着上述的间隔。连接螺钉9保持着壳体并穿过垫片。板体3的外周边垂直地设置有小而独立的壳腔10，用以放置微型直流电机11以抵制转矩。微型直流电机11的连接件12伸出壳腔10顶部。下壳体4在底部封住壳腔10。借助独立的壳腔10，微型电机可以完全密封设计，以某种封装的方式(图未示出)使得爆炸相关的安全性能够在此类阀门整个使用周期内得到可靠的保证。
图2是根据图1所示的第一个实施例下的阀门的剖视图，其中阀门处于闭合状态。需要注意的是在说明书附图中，同样的元件用相同的元件符号表示。壳体由上壳体1、板体3和下壳体4组成。壳体通过连接螺钉9进行连接，连接螺钉9穿过板体3上的垫片8并紧固地将壳体的三个部件保持为一体。微型直流电机11及其上部的电机连接件以自锁的方式设置在板体3上的独立壳腔10中。伸出独立壳腔10的微型直流电机11的输出轴在下壳体4中支撑驱动齿轮13。环状边缘密封件6嵌入上壳体1中环绕燃气入口2设置。流线型的渐细状阀盘5与燃气入口2深处位置之间形成气密性密封，与燃气出口7相对的内向边缘密封件6相抵。唇型密封件6的边缘借助持续的燃气压力压着处于闭合位置的阀盘5，这样密封能够在关闭时保持持续的紧凑，从而燃气无法流过。
减速齿轮装置由直齿轮组成，这些功能将进行进一步的解释。减速齿轮装置设置在板体3和下壳体4之间的空间内。驱动齿轮13作用在安装在下壳体4上的大中间齿轮14上，小中间齿轮15与大中间齿轮同轴固定设置。小中间齿轮15驱动大输出齿轮16，大输出齿轮16以抗扭方式安装在调节螺母件17上。输出齿轮16和调节螺母件17可以组成一个独立部件。输出齿轮16和调节螺母件17均安装在下壳体4中和板体3的通孔中。当围绕轴部转动时，它驱使调节杆18沿着滑动螺钉齿轮(螺母-螺纹柄系统)线性运动。调节杆18在下端包括一个外螺纹18对应于调节螺母件17的内螺纹17a，并安装在调节螺母件17的内螺纹17a上。一方面，通过固定在板体3上的轴套19以转矩不变的方式进行运动，另一方面调节杆18的上端设置为扁平状或某个角度方式与轴套19的轮廓对应，从而提供抗扭力。轴套19可以是一个独立的部件，也可以与板体3制成一体。调节杆18根据调节螺母件17的旋转方向可以向上或向下运动。阀盘5根据阀门闭合或打开。调节杆18和阀盘5可以是两个独立的部件，也可以是通过注塑工艺制成一体。设置在轴套19和阀盘5之间的软性螺旋弹簧26使调节杆18可靠地嵌入调节螺母件17，从而保证阀盘5稳定运行。
内部燃气压力借助边缘密封件6增加了阀的密封性。这使得借助驱动形成的密封力减小。结合电机转速经过驱动齿轮13、调节螺母17和调节杆18的减速比，微型直流电机11的功耗变得很小。微型直流电机11设置在嵌套件20处。板体3与下壳体4同样进行密封(图未示出)。还有，设置在板体3上的轴密封件21将调节螺母件17与输送燃气的空间隔离。
当阀门接通状态下微型直流电机11接通直流电，前述减速齿轮装置驱动调节杆18使得阀盘5抵住边缘密封件6。闭合路径并不由固定阻挡件或微型直流电机11的停止来进行限制，而是根据经验以机械方式进行位置控制。调节杆-调节螺母件18/17确定调节杆18沿着制动装置直线运动的行程终点，或借助调节螺母件17的内螺纹17a和调节杆18的外螺纹18a之间在预定形成后脱开的方式实现自动脱开/契合，以此达到可靠的阀门闭合状态。在这个时候，微型直流电机11旋转而减速齿轮装置13、14、15、16和调节螺母件17处于怠速模式，直至电机关闭。电机通电的时长可以预设程序使得调节杆18在电机停止前完全达到端部位置，而不受外部影响。可以多预留几秒钟来达到这个安全余量。这并不会显著增加微型直流电机11的负载或电源负载。
如果需要阀门打开，微型直流电机仍然通电，但是此时电源电极相反。调节杆18契入调节螺母件17并较佳地通过边缘密封件6的弹簧效果带着阀盘向下壳体4的方向移动。调节螺母件17借助内螺纹17a使调节杆18旋转至阀门打开，直到外螺纹18a的端部到达调节杆18。此刻，微型直流电机11随后旋转减速齿轮装置至空转状态直至电机关闭。微型直流电机11通电的安全时长可以由此确定。当阀门再次关闭，调节杆18的外螺纹18a受到压力弹簧26的支撑，再一次旋入调节杆17的内螺纹17a内。
在一个实施例中，微型直流电机11在空转状态下旋转直至关闭，这适用于调节杆18达到行程顶端以上和行程底端以下。本发明的部分目的在于使微型直流电机11在阀门闭合时保持空转状态直至调节杆18达到确切闭合点，同时在阀门打开时在调节杆18下壳体的止动件还有轻微间隙时关闭电机。微型直流电机和电源从而减轻负载。
在图3中，相关的实施方式已经在图2中得到叙述。
图4根据本发明第二个实施例示出了阀门的结构。微型直流电机11的转矩限制并不基于位置距离，而是基于执行时的施力状态。在此实施例中，一个在多级减速齿轮装置中的摩擦保持件限制着驱动力，从而影响着微型直流电机11直至行程终点的最大转矩。在一个特别简单的实施例中，小齿轮15’设置狭缝自身保持弹力或通过摩擦保持弹簧22向小齿轮15’径向施力，同时摩擦保持弹簧22与大中间齿轮14同轴。现在在端部位置当调节杆18以足够的力将阀盘5压向边缘密封件6，调节螺母件17与其输出齿轮16和小齿轮15’形成障碍。微型直流电机11带着齿轮13和大中间齿轮14在小齿轮15’和它的轴之间抵着径向摩擦力进行空转。由于在过程中需要克服摩擦力，微型直流电机11的运行点和电流消耗发生轻微变化，这种变化不会发生在微型直流电机11的停止点处。这样就阻止了流过微型直流电机电刷的可能引起火花的最大电流值。当调节杆18在接通状态运行至下壳体4的下止点时同样发生该过程。
各种实施方式可以是前述的是否使用摩擦保持件和/或将摩擦保持件设置在不同位置，这些不同技术特征的组合都属于本领域的技术人员可以预见到的范围。调节螺母件17完全可以看作安装有被驱动齿轮(图未示出)减速齿轮装置。
更进一步地，在一个实施例中，小中间齿轮15可以设置一个摩擦保持件，摩擦保持件通过摩擦保持弹簧22’将保持件轴向施压使其轴向施力。大中间齿轮14和小中间齿轮15之间的摩擦保持件连接只有在轴向摩擦力被克服后才会停止。
图5根据本发明另一个实施例示出了阀门的结构。该实施例基于微型直流电机11的机械能限制使用的楔状传动装置。具有立体曲面的阀盘5以抗扭的方式与调节杆18’连接。阀盘5和调节杆18’可以由单一塑料件注塑形成，当然它们也可以分体制成。一个塑料螺纹楔状件23朝顶部逐渐减小并设置在阀盘5内部的调节杆18’上。与前一实施例相比，调节杆18’自身没有外螺纹，调节螺母17’也没有内螺纹。调节螺母件17’的顶部以抗扭的方式连接至螺纹楔状件23，所以某种意义上讲它有外螺纹。一个弹性负载的，可纵向放置的座体24在阀盘5的扁平底部交叉嵌入调节杆18’，阀盘底面与螺纹楔状件23位置相对。当调节螺母件17’在减速齿轮装置驱动下转动而同时燃气入口2打开且微型直流电机11运行，螺纹楔状件23也随之旋转。由调节杆18’和阀盘5组成的扭锁单元螺旋以此向上运动至螺纹楔状件23的螺旋圈末端，直至燃气入口2与边缘密封件6闭合。座体24上的弹簧25的压力确使座体24能够与螺纹楔状件23上的螺旋圈保持接触。设置在调节杆18’底端和螺纹楔状件23之间的柔性螺旋弹簧26确使阀盘5稳定运行。在阀门的闭合端位置，座体24在塑料螺纹楔状件23的扁平面23a上运转，楔状件23垂直于调节杆18。微型直流电机11由此受到阻止。在阀门开启时同理运行，座体24在塑料螺纹楔状件23的扁平面23b上运转，楔状件23垂直于调节杆18。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定。说明书和权利要求书中的用词，如“包括”、“包含”、“具备”等具有非排它性的含义，仅出于陈述内容的目的进行描述，并不排斥其它附加的涵义。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种安装在燃气计量表中的燃气截止阀，包括一个相对阀座能够在纵向上运动的阀盘，所述阀盘安装在一个调节杆上，所述调节杆在一个阀壳中保持纵向设置，所述截止阀还包括一个通过减速齿轮装置受到电机驱动的线性单元，其特征在于：
a)所述阀座包括一个唇形密封件(6)；
b)所述电机为微型直流电机(11)；
c)所述减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)设置在所述线性单元的侧部；
d)所述线性单元为齿条齿轮传动装置或滑动螺旋传动装置，包括安装于阀壳(1、3、4、10)的板体(3)上的调节螺母件(17、17’)和调节杆(18、18’)。
2.如权利要求1所述的燃气截止阀，其特征在于，还包括一个机械装置，在截止阀打开或闭合中至少一个位置时对所述微型直流电机(11)的转矩进行限制。
3.如权利要求2所述的燃气截止阀，其特征在于，所述限制电机转矩的机械装置设置在所述滑道螺旋传动装置(18、17)中。
4.如权利要求3所述的燃气截止阀，其特征在于，所述滑动螺旋传动装置(18、17)中的调节杆(18)在阀门闭合或打开位置与调节螺母件(17)脱离后在一预设位置自由旋转。
5.如权利要求2所述的燃气截止阀，其特征在于，所述限制电机转矩的设备设置在所述减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)中。
6.如权利要求5所述的燃气截止阀，其特征在于，一个径向或轴向的摩擦保持件(22、22’)作用在至少一个减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)的齿轮轴和它的齿轮(13、14、15、15’、16)之间。
7.如权利要求2所述的燃气截止阀，其特征在于，所述限制电机转矩的设备设置在所述阀盘(5)中。
8.如权利要求7所述的燃气截止阀，其特征在于，一个座体(24)可移动地设置在阀盘(5)内，以直径方向与一锥形塑料螺纹件(23)相抵，所述塑料螺纹件以抗扭方式与所述调节螺母件(17’)连接。
9.如权利要求1所述的燃气截止阀，其特征在于，所述阀盘为立体曲面形状与燃气入口(2)相对。
10.如权利要求1至9任一项所述的燃气截止阀，其特征在于，所述减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)设置为多级直齿轮。
11.如权利要求1至9任一项所述的燃气截止阀，其特征在于，所述板体(3)形成一个用以设置微型直流电机(11)的独立壳腔(10)和侧向燃气出口(7)。
12.如权利要求1至9任一项所述的燃气截止阀，其特征在于，所述受减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)驱动的调节螺母件(17、17’)可转动地设置在下壳体(4)处，所述调节杆(18、18’)包括一个以纵向可移动方式设置在板体(3)上的扭矩锁。
13.如权利要求1至9任一项所述的燃气截止阀，其特征在于，所述调节螺母件(17)以抗扭方式设置在下壳体(4)位置，所述受减速齿轮装置(13、14、15、15’、16)驱动的调节杆(18)以可转动并纵向移动方式设置在板体(3)区域。
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