CN105042090B - 一种微小气体流量调节机构 - Google Patents

Abstract

一种微小气体流量调节机构，包括针阀、密封座、喷嘴、阀座；阀座上设置有第一阶梯孔和第二阶梯孔，第一阶梯孔的直径小于第二阶梯孔的直径，在喷嘴轴线设置有贯通的第一阀孔，喷嘴安装于阀座；密封座沿其轴线设置有中心孔，其从阀座的第二阶梯孔一端装入阀座，其中心孔与喷嘴的第一阀孔相通，形成气体流通通道，密封座的外壁与阀座的第二阶梯孔紧密配合；针阀包括大端和小端，且大端到小端呈平滑过渡，通过调节针阀插入密封座中心孔的深度，可实现通过气体流量的调节。

Description

一种微小气体流量调节机构

技术领域

本发明涉及一种微小气体流量调节机构，尤其适用于航天器推进系统微小气体流量的调节。

背景技术

现有气体流量调节机构不能满足航天领域的高精度气体流量调节要求，现有技术中应用较广的由比例电磁铁驱动的传统流量调节机构在调节精度、输出稳定性和泄漏率指标等方面存在一定的问题，不能满足航天器推进系统微小气体流量的调节要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供了一种微小气体流量调节机构，实现了气体流量的连续调节。

本发明的技术解决方案是：

一种微小气体流量调节机构，其特征在于，包括针阀、密封座、喷嘴、阀座；阀座上设置有阶梯型的贯通孔，分别为第一阶梯孔和第二阶梯孔，第一阶梯孔的直径小于第二阶梯孔的直径，喷嘴包括小圆柱部分和大圆柱部分，沿其轴线设置有贯通的第一阀孔，喷嘴从阀座的所述第二阶梯孔一端装入阀座，安装后，喷嘴的小圆部分外壁与阀座的第一阶梯孔配合，大圆柱部分与阀座的第二阶梯孔配合；密封座沿其轴线设置有中心孔，其从阀座的第二阶梯孔一端装入阀座，端面与喷嘴的大圆柱部分外端面紧密贴合，其中心孔与喷嘴的第一阀孔相通，形成气体流通通道，密封座的外壁与阀座的第二阶梯孔紧密配合；所述针阀包括大端和小端，小端的直径小于密封座中心孔的直径，且大端到小端呈平滑过渡，通过调节针阀插入密封座中心孔的深度，可实现通过气体流量的调节。

所述阀座设置的阶梯型贯通孔还包括第三阶梯孔，位于相对于所述第一阶梯孔的一端，且第三阶梯孔的内径大于第二阶梯孔，第三阶梯孔内设置有内螺纹，压板上设置有外螺纹，通过将压板旋入第三阶梯孔的内螺纹，压板端部对密封座的端面施加压力，使其与喷嘴紧密配合，确保密封性。

围绕所述密封座的外壁设置有环形凹陷，在所述环形凹陷上设置有O型圈，用于防止气体从密封座与阀座形成的缝隙间泄漏。

所述喷嘴的小圆部分外壁与阀座的第一阶梯孔为间隙配合。

所述喷嘴的大圆柱部分外壁与阀座的第二阶梯孔为紧密配合。

所述针阀为圆锥形，其大端直径与喷嘴5第一阀孔直径之比大于1。

所述针阀半圆锥角α范围为7.5°～10°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在针阀与喷嘴之间设置了硬质橡胶材料的密封座，保证了非工作状态下的密封效果；同时采用压板将密封座和喷嘴压紧在阀座上，密封座与喷嘴上的凸环构成了密封副，保证了针阀开启时工作气流完全流经喷嘴内孔喷出，不会由密封座与喷嘴之间的间隙损耗；在密封座侧面开槽，放置O型圈，保证工作介质不会由密封垫与阀座之间的间隙泄漏；漏率≤1×10^-2PaL/s，满足推进系统的漏率指标要求。

(2)由于微小流量调节机构的阀口通径仅有0.28mm，采用小角度针阀作为运动部件，可以提高气体流量调节的有效距离，实现了微小流量的稳定输出。通过采用本发明的气体流量调节机构可实现3mg/s-20mg/s(氮气)流量范围内的连续、稳定、快速调节。

附图说明

图1为本发明流量调节机构简图；

图2为本发明流量调节机构部分零件三维简图；

图3a为针阀结构示意图；

图3b为针阀开启节流面积与阀口面积比值和行程关系示意图。

具体实施方式

本发明的一种微小气体流量调节机构主要是为了实现气体流量的连续调节，为了实现调节功能，设计了针阀，为了能够有效调节，针阀的圆锥角应该越小越好，这样有效调节能力越强，特别是在使用比例电磁铁进行调节的情况下，更应使针阀调节距离加大，进而满足连续调节要求；本发明还通过密封座与喷嘴的配合，防止气体泄漏，包括在密封座与阀座之间设置密封圈(O形圈)，在最外侧通过压板将密封座与喷嘴压紧，保证密封性能。以下结合附图对本发明详细说明：

图1为本发明流量调节机构纵向剖视图，图2为内部结构三维示意图，从图1、图2中可以看出，流量调节机构包括针阀1、O形圈4、密封座3、压板2、喷嘴5、阀座6；阀座6上设置有阶梯型的贯通孔，依次分别为第一阶梯孔6-1、第二阶梯孔6-2和第三阶梯孔6-3，第一阶梯孔6-1的直径小于第二阶梯孔6-2的直径，第二阶梯孔6-2的直径小于第三阶梯孔6-3的直径，也可以没有第三阶梯孔6-3，但第三阶梯孔6-3主要是为了通过压板将密封座3和喷嘴5压紧安装，即为了压装方便而设计；喷嘴5包括小圆柱部分和大圆柱部分，沿其轴线设置有贯通的第一阀孔，喷嘴5从阀座6的所述第二阶梯孔6-2一端装入阀座6(若有第三阶梯孔，则喷嘴5分别穿过第三阶梯孔6-3和第二阶梯孔后安装)，安装后，喷嘴5的小圆部分外壁与阀座6的第一阶梯6-2孔间隙配合，为了防止过定位，大圆柱部分与阀座6的第二阶梯6-2孔配合，保证定位精度；密封座3沿其轴线设置有中心孔，其从阀座6的第二阶梯孔6-2一端装入阀座6(若有第三阶梯孔，则穿过第三阶梯孔6-3后安装)，密封座3的一个端面与喷嘴5的大圆柱部分外端面紧密贴合，其中心孔与喷嘴5的第一阀孔同轴，形成气体流通通道，密封座3的外壁与阀座6的第二阶梯孔6-2紧密配合；所述针阀1包括大端和小端，其中，优选的，大端的直径大于所述第一阀孔的直径，这样才能实现气体流量从零到最大的连续调节，但小端的直径必须小于第一阀孔的直径，且大端到小端呈平滑过渡，通过调节针阀1插入密封座中心孔的深度，可实现通过第一阀孔气体流量的调节。环绕密封座3的外壁还设置有环形凹陷，在环形密封座3的外壁与阀座5的第二阶梯孔6-2内壁紧密贴合，为了防止气体从缝隙中泄漏，在所述环形凹陷处还设置有O形圈4，其为橡胶材料，因为金属与金属接触无法保证气密性。本发明设计的针阀1为长锥形，应该保证针阀1大端直径与喷嘴5第一阀口直径之比大于1，这样才能实现对气体流量调节从0到最大，调整范围最宽。压板2为中空结构，外壁设置有外螺纹，在喷嘴5与密封座3安装后，将压板2置于阀座6的第三阶梯孔，并旋入该内螺纹，通过逐渐旋紧，可实现压板2对密封座3端面的压紧，确保安装到位。

本发明的气体流量调节机构的安装、配合及工作过程如下：

安装时，首先将喷嘴5装入阀座6中，喷嘴5的大尺寸外圆与阀座6配合内孔采用精密配合，保证两零件的同轴度；喷嘴5的小圆柱部分与阀座6第一阶梯孔6-1保持较大的间隙，避免喷嘴5的两部分外圆与阀座6的两部分内孔装配时出现过定位。喷嘴5的右端面与阀座6端面贴合，实现沿轴向的定位。密封座3的外圆与阀座6的第二阶梯孔6-2精密配合，保证两零件的同轴度，从而间接保证密封座3中心孔与喷嘴5第一阀孔的同轴度。由于微小气体流量调节机构的小孔直径很小，若密封座3与喷嘴5不能保证同轴，则流量调节能力将大打折扣。密封座3和喷嘴5的中心小孔及喷管均具有良好的表面光洁度，以保证气流按设计状态稳定流通。压板2与阀座6通过螺纹副旋紧，压板2将密封座3和喷嘴5与阀座6压紧。

非工作状态下，针阀1被弹簧压在密封座3的阀口上，构成密封副a；O型圈4装在密封座3的槽内，与阀座6构成密封副b；压板2与阀座6通过螺纹副旋紧，压板2将密封座3和喷嘴5压紧，密封座3和喷嘴5构成密封副c。在非工作状态下，阀门关闭，密封副a实现流体通道的密封，密封副b实现密封座3和阀座6之间缝隙的密封，防止气体介质泄漏到空间环境中。在工作状态下，比例电磁铁的电磁力驱动针阀1与密封座3分离，气体从阀口流出。通过调节针阀1插入密封座3中心孔的长度来调节气体流量。此时，密封副b仍然实现密封座3和阀座6之间缝隙的密封，防止气体介质泄漏到空间环境中，密封副c防止气体从流体通道泄漏至喷嘴5与阀座6的缝隙中，避免浪费气体工质。若针阀1与喷嘴5直接构成密封副，则该密封副为硬对硬结构，在弹簧有限的预压缩力下难以满足推进系统的漏率要求。当比例电磁铁不工作时，在弹簧预变形力作用下，针阀1与密封座3构成了可靠的密封副，经过实际漏率检测，漏率≤1×10^-2PaL/s，满足推进系统的漏率指标要求。

图3a为针阀结构示意图，图3b为针阀开启节流面积与阀口面积比值和行程关系示意图，图3a中针阀为长锥形结构，其端面直径应该大于密封座3的中心孔，这样通过调节针阀1插入中心孔的深度，即可实现气体流量调节，图3b中，以针阀开度(x)与阀口直径(d)比值为横坐标轴，以该开度下的有效通流面积与阀口面积比值为纵坐标轴，当纵坐标轴为1时(超过1后，x继续增大不会增加阀口的通流能力)，对应横坐标值越大，则有效调节距离越大。图中给出了半圆锥角α从7.5°～90°范围变化时，有效流通面积的变化，可见，针阀1的角度越小，比例电磁铁有效调节距离越大。随着针阀角度增大，有效调节距离缩短，不但给比例电磁铁的设计带来很大困难，同时还不利于微小流量的稳定输出。由于微小流量调节机构的阀口通径仅有0.28mm，本发明采用小角度针阀(α＝7.5°)作为运动部件，可选范围是7.5°～10°，可以提高比例电磁铁的有效调节距离，实现了微小流量的稳定输出。样机试验表明，该调节机构可以实现3mg/s-20mg/s(氮气)流量范围内的连续调节，且流量输出具有良好的稳定性。

同时，为使实现连续调节，针阀1的大端直径必须大于密封座3中心孔的直径。

本发明未详细说明的部分属本领域技术人员公知的常识。

Claims (7)

1.一种微小气体流量调节机构，其特征在于，包括针阀(1)、密封座(3)、喷嘴(5)、阀座(6)；阀座(6)上设置有阶梯型的贯通孔，分别为第一阶梯孔(6-1)和第二阶梯孔(6-2)，第一阶梯孔(6-1)的直径小于第二阶梯孔(6-2)的直径，喷嘴(5)包括小圆柱部分和大圆柱部分，沿喷嘴(5)轴线设置有贯通的第一阀孔，喷嘴(5)从阀座(6)的所述第二阶梯孔(6-2)一端装入阀座(6)，安装后，喷嘴(5)的小圆柱部分外壁与阀座(6)的第一阶梯孔(6-1)配合，大圆柱部分与阀座(6)的第二阶梯孔(6-2)配合；密封座(3)沿其轴线设置有中心孔，其从阀座(6)的第二阶梯孔(6-2)一端装入阀座(6)，端面与喷嘴(5)的大圆柱部分外端面紧密贴合，其中心孔与喷嘴(5)的第一阀孔相通，形成气体流通通道，密封座(3)的外壁与阀座(6)的第二阶梯孔(6-2)紧密配合；所述针阀(1)包括大端和小端，小端的直径小于密封座(3)中心孔的直径，且大端到小端呈平滑过渡，通过调节针阀(1)插入密封座(3)中心孔的深度，可实现通过气体流量的调节。

2.根据权利要求1所述的一种微小气体流量调节机构，其特征在于，所述阀座(6)设置的阶梯型贯通孔还包括第三阶梯孔(6-3)，位于与所述第一阶梯孔(6-1)相对的一端，且第三阶梯孔(6-3)的内径大于第二阶梯孔(6-2)，第三阶梯孔(6-3)内设置有内螺纹，压板(2)上设置有外螺纹，通过将压板(2)旋入第三阶梯孔(6-3)的内螺纹，压板(2)端部对密封座(3)的端面施加压力，使其与喷嘴(5)紧密配合，确保密封性。

3.根据权利要求1所述的一种微小气体流量调节机构，其特征在于，围绕所述密封座(3)的外壁设置有环形凹陷，在所述环形凹陷上设置有O型圈(4)，用于防止气体从密封座(3)与阀座(6)形成的缝隙间泄漏。

4.根据权利要求1所述的一种微小气体流量调节机构，其特征在于，所述喷嘴(5)的小圆柱部分外壁与阀座(6)的第一阶梯孔(6-1)为间隙配合。

5.根据权利要求1所述的一种微小气体流量调节机构，其特征在于，所述密封座(3)的中心孔与喷嘴(5)的第一阀孔同轴。

6.根据权利要求1所述的一种微小气体流量调节机构，其特征在于，所述针阀(1)为圆锥形，其大端直径与密封座(3)的中心孔直径之比大于1。

7.根据权利要求6所述的一种微小气体流量调节机构，其特征在于，所述针阀(1)的半圆锥角α范围为7.5°～10°。