CN105546208B - 减压阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减压阀，该减压阀的阀元件(12)包括坐置在阀孔(31)的内周面上的渐缩部(23)。阀孔(31)从上游侧依次包括第一区域(33)、第二区域(34)以及第三区域(35)。第一区域(33)设置成使得当阀元件(12)是打开的时，在第一区域(33)与渐缩部(23)之间限定的通道的高度朝向下游侧逐渐减小。第二区域(34)设置成使得当阀元件(12)是打开的时，在第二区域(34)与渐缩部(23)之间限定的通道的高度是恒定的，并且使得当阀元件(12)是关闭的时，整个第二区域(34)接触渐缩部(23)。第三区域(35)设置成使得当阀元件(12)是打开的时，在第三区域(35)与渐缩部(23)之间限定的通道的高度朝向下游侧逐渐增大。

Description

减压阀

技术领域

本发明涉及减压阀。

相关技术的描述

通常，减压阀(调节器)包括位于高压气体所流入的主端口与向外部供给气体的副端口之间的开关阀(提升阀)。当开关阀打开和关闭时，从主端口流动至副端口的高压气体的压力减小并且之后被供给至外部。

作为这种减压阀，存在有在燃料电池系统中使用的减压阀。作为为在燃料电池系统中使用的减压阀的开关阀(提升阀)具有可变节流部。通过使流动自主端口的高压氢气穿过由于可变节流部而变窄的流动通道，氢气的压力迅速减小，并且之后氢气被输送至副端口。

也就是说，氢气所流过的流动通道具有这样的形状：流动通道截面面积在紧邻可变节流部之前的部分处迅速变窄，并且该流动通道具有这样的形状：流动通道截面面积在可变节流部的流动通道最窄处的部分的下游部分处迅速增大。

在这些部分——这些部分连接至可变节流部并且流动通道截面面积在这些部分处改变——处，发生了氢气迅速压缩并且迅速膨胀的变化。因此，通常在氢气膨胀的部分处发生引起异常噪声发生的湍流。

在日本特许申请公报No.2013-196053(JP 2013-196053 A)中，为了抑制上述由于湍流而产生异常噪声，在已经通过阀座与提升阀之间的流体中产生的湍流(涡流)通过在阀座的下游端处设置的流体整流部而被整流。

然而，在JP 2013-196053 A中，需要为阀座的下游端单独地或一体地提供形成流体整流部的部件。因此，存在这样的不便之处，即：部件的数量增大，组装工时量增大，或用于形成流体整流部的工序量增大。在JP 2013-196053 A中，在发生湍流之后，湍流被流体整流部整流，因此湍流本身未被抑制。

发明内容

本发明提供了一种能够通过抑制湍流本身的发生而抑制由于湍流而产生异常噪声的减压阀。

本发明的一方面提供了一种减压阀。该减压阀包括阀室、减压室以及阀元件，其中阀室设置在壳体中并且流体被引入该阀室中，减压室设置在壳体中并且经由设置在减压室与阀室之间的阀座的阀孔与阀室连通，阀元件设置在阀室内并且构造成坐置在阀孔的内周面上。当阀元件是打开的时，减压阀通过使流体经由阀孔移动至减压室而减小流体的压力。在该减压阀中，阀元件具有坐置在阀孔的内周面上的单阶渐缩部，阀孔的内周面从流体的流动方向的上游侧依次包括第一区域、第二区域以及第三区域，其中第一区域设置成使得当阀元件是打开的时，在第一区域与阀元件的单阶渐缩部之间限定的流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐减小，第二区域设置成使得当阀元件是打开的时，在第二区域与单阶渐缩部之间限定的流动通道的高度是恒定的，并且使得当阀元件是关闭的时，整个第二区域接触单阶渐缩部，第三区域设置成使得当阀元件是打开的时，在第三区域与单阶渐缩部之间限定的流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐增大。

利用以上构型，通过在流动通道迅速变窄的第一区域与流动通道迅速扩大的第三区域之间设置流动通道的高度恒定——即，流动通道横截面面积保持恒定——的第二区域，抑制了在流体膨胀时发生湍流。

当阀元件关闭时，阀元件的单阶渐缩部与阀孔的第二区域面接触，使得阀元件的位置和定向是稳定的，并且没有形成不均一的流动通道。因此，没有发生由于不均一的流动通道而引起的湍流，或者没有产生异常噪声。通常，当阀元件关闭时，阀元件不与阀座面接触，阀元件的位置和定向会不稳定。在此情形下，由于形成了尽管阀元件关闭但流体仍流过的流动通道，因此湍流发生并且产生异常噪声。

阀座可以由能够弹性变形的硬质树脂制成。利用以上构型，当阀元件关闭时，第二区域在阀元件与第二区域面接触时发生弹性变形，并且阀元件可靠地保持关闭。

根据以上方面，能够通过抑制湍流本身的发生来抑制由于湍流而产生异常噪声。

附图说明

以下将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术上的和工业上的意义进行描述，其中，相同的附图标记指示相同的元件，并且其中，

图1是根据本发明的实施方式的减压阀的截面图；

图2是沿图1中的线II-II截取的俯视图；

图3是沿图1中的线III-III截取的截面图；

图4是根据实施方式的阀座和阀元件的示意性截面图；

图5示出了阀座和阀元件的示意性半截面图，其中在左半个视图处示出了氢气穿过根据比较例的阀座的阀孔的状态；并且图5示出了另一个示意性半截面图，其中在右半个视图处示出了氢气穿过根据实施方式的阀座的阀孔的状态；以及

图6是根据比较例的减压阀的阀座和阀元件的截面图。

具体实施方式

在下文中，将参照图1至图5对本发明应用至减小高压氢气的压力的减压阀的实施方式进行描述。如图1所示，减压阀10包括壳体11、阀元件12、阀座13、阀座固定构件14、阀杆15、活塞16等。壳体11使主端口与副端口(两者均未示出)彼此连接。阀元件12、阀座13、阀座固定构件14、阀杆15、活塞16等容置在壳体11中。

在壳体11内从下侧依次同轴地设置有第一圆筒部111、第二圆筒部112、第三圆筒部113以及缸114。第一圆筒部111、第二圆筒部112、第三圆筒部113以及缸114的内径设定成以上述顺序增大。尽管图中未示出，但第一圆筒部111经由阀(未示出)连接至主端口，该主端口为高压气体供给源(例如氢气罐)。缸114经由注射器(未示出)连接至副端口。

阀元件12容置在第一圆筒部111中。阀元件12的外径稍小于第一圆筒部111的内径。阀元件12由金属构成。第一圆筒部111对应于阀室。阀元件12能够在第一圆筒部111内上下移动并且被阀弹簧71向上常压。

阀元件12是提升式阀并且包括圆柱形阀元件本体部21、阀元件末端部22以及单阶渐缩部23。阀元件末端部22与阀元件本体部21的上部连续。阀元件末端部22的外径小于阀元件本体部21的外径。单阶渐缩部23设置在阀元件本体部21与阀元件末端部22之间。单阶渐缩部23具有在阀元件本体部21与阀元件末端部22之间的渐缩面。渐缩面的外径朝向阀元件末端部22逐渐地线性减小。单阶渐缩部23构成可变节流部。单阶渐缩部23的渐缩面的渐缩角设定为2β。稍后将对渐缩角2β进行描述。阀元件末端部22穿过第二圆筒部112并且延伸至第三圆筒部113中。也就是说，阀元件末端部22插入穿过阀孔31(稍后描述)的内侧。

圆形阀座13容置在第二圆筒部112中。阀座13由能够弹性变形的硬质树脂制成。硬质树脂可以是聚酰亚胺树脂等并且例如是Vespel(商标：DuPont)；然而，硬质树脂不限于这些树脂。阀座13的厚度(竖向长度)稍大于(长于)第二圆筒部112的深度(竖向长度)。

如图4中所示，阀座13的阀孔31在氢气的流动方向上从上游侧朝向下游侧依次具有第一区域33、第二区域34、第三区域35以及第四区域36。图4是阀孔31的放大视图，其中，移除了部分部件。

第一区域33的渐缩面的渐缩角2α大于阀元件12的单阶渐缩部23的渐缩角2β。因此，当阀元件12打开时，在第一区域33与单阶渐缩部23之间限定的流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐减小。流动通道的高度意指以直角与阀孔31的内周面相交的直线从阀孔31的内周面到所面向的单阶渐缩部23的长度.

第二区域34的渐缩面的渐缩角2β(<2α)小于第一区域33的渐缩角。由于第二区域34的渐缩面的渐缩角为与单阶渐缩部23的渐缩角相同的渐缩角2β，因此当阀元件12关闭时，整个第二区域34都能够与单阶渐缩部23的面的一部分接触。因此，当阀元件12打开时，在第二区域34与单阶渐缩部23之间限定的流动通道的高度变为基于阀打开量(也就是阀元件在从阀关闭状态打开时的移动量)的数值并且在所有区域上是恒定的。

在本实施方式中，由于阀座13由能够弹性变形的硬质树脂构成，所以当单阶渐缩部23接触第二区域34时，第二区域34响应于单阶渐缩部23的按压力在第二区域34被按压的方向上弹性变形。因而，缓解了在关闭阀元件期间在阀元件12的接触时的冲击。

第三区域35的内周面和第四区域36的内周面具有直径相等的同轴的圆形截面形状。第三区域35和第四区域36中的每一者的内径稍大于阀元件末端部22的外径。第三区域35的竖向长度和第四区域36的竖向长度能够响应于阀元件12的阀打开量而变化。也就是说，当阀元件12关闭时，在图4中，第三区域35具有最大的竖向长度并且第四区域36具有最小的竖向长度。在阀打开量为最大的阀打开状态下，在图4中，第三区域35具有最小的竖向长度并且第四区域36具有最大的竖向长度。

阀元件12的单阶渐缩部23的末端的尺寸使得当阀元件关闭时，末端布置在由具有在直径方面与阀孔31相同的圆形截面形状的内周面围绕的空间区域中。阀元件12布置成使得当阀元件打开时，在第三区域35与单阶渐缩部23之间限定的流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐增大。另一方面，在第四区域36中，在第四区域36与阀元件末端部22的外周面之间限定的流动通道的高度在整个第四区域上是一致的。

如图1所示，在第三圆筒部113的内壁上设置有螺纹槽113。在外部面上设置有螺纹14a的圆筒形阀座固定构件14拧至第三圆筒部113。阀座固定构件14由金属材料制成。阀座固定构件14的底面接触阀座13的顶面。当阀座固定构件14被拧入时，阀座13被向下压。因此，阀座13被夹在阀座固定构件14与第二圆筒部112的底部之间。因而，确保了第二圆筒部112的底部与阀座13之间的气密性。

如在图1中由一长两短的虚线所指示的，阀座13可以夹在阀座固定构件14与由阀弹簧71迫压的阀元件12之间。在此情形下，第二区域34与单阶渐缩部23彼此接触，并且确保了第二区域34与单阶渐缩部23之间的气密性。

阀座固定构件14的内侧——即在竖直方向上延伸穿过的通孔41——与阀座13的阀孔31连续。因而，阀元件末端部22延伸至阀座固定构件14中。

如图2所示，阀座固定构件14的上部42的外形呈六角形形状。因而，上部42能够与对应于安装工具的六角形插口(未示出)接合。阀座固定构件14在经由与上部42接合的六角形插口(未示出)而旋转时被拧至第三圆筒部113。

如图3所示，阀座固定构件14的上部42具有四个径向延伸的流动通道孔43。所述四个流动通道孔43以等角度的间隔(以90°的间隔)设置。所述四个流动通道孔43设置成避开上部42的拐角42a。因而，确保了与六角形插口(未示出)在上部42的拐角42a处的接合强度。如图1所示，所述四个流动通道孔43使通孔41与缸114连接。如图2所示，阀座固定构件14的上端面为平整面。

如图1所示，阀座固定构件14的厚度(竖向长度)大于第三圆筒部113的深度(竖向长度)。因此，阀座固定构件14的上部42延伸至缸114中。

如图1所示，由金属构成的阀杆15容置在通孔41中。阀杆15包括截头圆锥形的阀杆下端51、与阀杆下端51的上侧连续的阀杆本体部52、以及与阀杆本体部52的上侧连续的圆柱形阀杆上端53。阀杆15的阀杆下端51接触延伸至通孔41中的阀元件末端部22。如图2所示，阀杆本体部52包括四个径向延伸的叶片52a。所述四个叶片52a以等角度的间隔(以90°的间隔)设置。各自被相邻的叶片52a和阀座固定构件14的内壁围绕的四个空间用作流动通道18。

如在图1中由一长两短的虚线所指示的，在单阶渐缩部23与第二区域34接触的阀关闭状态下，阀杆上端53从阀座固定构件14的上部突出并且延伸至缸114中。

如图1所示，活塞16容置在缸114中，能够上下移动。活塞形成为圆筒形并且由金属材料制成。在缸114的内壁与活塞16之间设置有各种密封构件80。缸114的内壁与活塞16之间的气密性由密封构件80确保。缸114的内侧被活塞16划分成两个空间。设置在活塞16的上侧的空间用作调压室91。设置在活塞16的下侧的空间用作减压室92。

活塞16被容置在活塞16内的活塞弹簧72向下常压。活塞弹簧72的迫压力设定成比阀弹簧71的迫压力强。因而，活塞16的下端面61与阀杆上端53一直接触。活塞16的下端面61是平整面。活塞16的下端面61的直径设定成大于阀座固定构件14的上端面45的外径。活塞16的下端面61能够与阀座固定构件14的上端面45接触。因此，活塞16的向下移动被下端面61与阀座固定构件14的上端面45的接触限制。

如在图1中由实线指示的，当活塞16的下端面61接触阀座固定构件14的上端面45时，单阶渐缩部23与第二区域34彼此间隔开。也就是说，阀元件12完全打开，并且阀打开量是最大的。

当活塞16从阀元件12完全打开的阀打开状态向上移动时，单阶渐缩部23与第二区域34靠近彼此。如在图1中由一长两短的虚线所指示的，当活塞16的下端面61与阀座固定构件14的上端面45彼此间隔开时，单阶渐缩部23与第二区域34彼此接触。因而，阀元件12关闭。

将描述如此构造的减压阀10的操作。活塞弹簧72的迫压力在从调压室91朝向减压室92的方向上作用于活塞16上。与活塞弹簧72的迫压力相比具有较小迫压力的阀弹簧71的迫压力在从减压室92朝向调压室91的方向上作用在活塞16上。

为了方便描述，将从活塞16定位成使得阀元件12完全打开——即，活塞16定位成使得活塞16的下端面61接触阀座固定构件14的上端面45——的状态开始描述。

首先，将粗略地描述气体在减压阀10中的流动以及阀元件12和活塞16的操作。当高压气体供给至减压阀10时，高压气体的压力在下述过程中减小：高压气体穿过第一圆筒部111(阀构件)、全开的阀元件12、阀座固定构件14的内侧(准确地，通孔41)以及流动通道孔43并且被引入减压室92，之后气体被供给至副端口。因而，活塞16通过被引入减压室92中的气体压力在从减压室92朝向调压室91的方向上被按压。也就是说，活塞16根据活塞弹簧72的迫压力与基于气体压力的按压力和阀弹簧71的迫压力之和之间的大小关系而移动。

更具体地，当活塞弹簧72的迫压力小于基于气体压力的按压力与阀弹簧71的迫压力之和时，活塞16向上(朝向调压室91)移动。因而，阀杆15和阀元件12向上移动，图4中示出的阀元件12的单阶渐缩部23接触第二区域34的渐缩表面，之后阀元件12关闭。

当阀元件关闭时，阀元件12的单阶渐缩部23的渐缩表面与第二区域34的渐缩表面发生面接触，因此容易对中。图6示出了比较例。在图6中示出的比较例中，第二区域34被省略，并且第三区域35和第四区域36设置在第一区域33的下游。在该比较例中，由于单阶渐缩部23的渐缩角2β小于第一区域33的渐缩角2α，因此当阀元件关闭时，单阶渐缩部23与第一区域33与第三区域35之间的脊线发生线接触，如图6所示。因此，在该比较例中，不便之处在于阀元件12的位置和定向由于线接触而变得不稳定。在本实施方式中，由于如上所述的那样阀元件12与阀座13发生面接触，因此阀元件12的位置没有变得不稳定。

由于阀座13由能够弹性变形的硬质树脂构成，因此当单阶渐缩部23接触第二区域34时，第二区域34响应于单阶渐缩部23的按压力在后退方向上变形以缓解在阀元件关闭期间当与阀元件12接触时的冲击。

另一方面，当活塞弹簧72的迫压力大于基于气体压力的按压力与阀弹簧71的迫压力之和时，活塞16向下(朝向减压室92)移动。因而，阀杆15和阀元件12向下移动，阀元件12的单阶渐缩部23移动离开第二区域34的渐缩表面，之后阀元件12被打开。

接下来，将在下文中描述在阀元件12打开的状态下在位于阀元件12与阀孔31之间的流动通道中的气体的流动状态。如图5的右半部所示，当阀元件12打开时，气体穿过在阀元件12的单阶渐缩部23的渐缩表面与第一区域33的渐缩表面之间限定的流动通道。在此流动通道中，流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐减小，因此气体被压缩。压缩气体穿过在阀元件12的单阶渐缩部23的渐缩表面与第二区域34的渐缩表面之间限定的流动通道。在此流动通道中，在整个第二区域34中，流动通道的高度是恒定的。因此，在此流动通道中，气体保持处于相同的压缩状态，也就是说，在气体湍流的发生被抑制的状态下，气体移动至下游的第三区域35。随后，压缩气体进入在阀元件12的单阶渐缩部23与第三区域35之间限定的流动通道。此流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐增大。因此，进入此流动通道的气体发生膨胀并且移动通过在第四区域36与阀元件末端部22的外周面之间限定的流动通道。

图5的左半部示出了比较例。在图5的比较例(左半部)中，相同的附图标记指示与上述实施方式的部件对应的部件。在图5的比较例中，省略了第二区域34，并且第三区域35和第四区域36设置在第一区域33的下游。在该比较例中，当阀打开时，在第一区域33与单阶渐缩部23之间的流动通道中压缩的气体在第三区域35与单阶渐缩部23之间的流动通道中迅速膨胀，因此发生湍流，结果是由于湍流而产生了异常噪声。

再参照本发明的实施方式，当气体至减压阀10的供给被停止时，活塞弹簧72的迫压力变得大于基于气体压力的按压力与阀弹簧71的迫压力之和，因此弹簧16向下(朝向减压室92)移动。最终，活塞16的下端面61与阀座固定构件14的上端面45彼此接触。活塞16的这些下端面61和阀座固定构件14的上端面45均为平坦面，因此接触是所谓的面接触；通过该面接触，这些表面彼此碰撞。由于表面接触，接触的冲击分散至所有的表面。

如以上详细描述的，根据本发明的实施方式，获得了以下有益效果。

(1)在根据本发明的减压阀10中，阀元件12包括坐置在阀孔31的内周面上的单阶渐缩部23。阀孔31的内周面从流体的流动方向的上游侧依次具有第一区域33、第二区域34以及第三区域35。第一区域33设置成使得当阀元件打开时，在第一区域33与阀元件12的单阶渐缩部23之间限定的流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐减小。第二区域34设置成使得当阀元件是打开的时，流动通道的高度是恒定的，并且使得当阀元件是关闭的时，整个区域接触单阶渐缩部。第三区域35设置成使得当阀元件是打开的时，流动通道的高度朝向流动方向的下游侧逐渐地增大。因此，根据本实施方式，能够通过抑制湍流本身的发生来抑制由于湍流而产生异常噪声。

当阀元件是关闭的时，由于阀元件12的单阶渐缩部23的渐缩表面与第二区域34的渐缩表面发生面接触，因此容易对中。因此，在阀元件是关闭的时的阀元件12的位置和定向没有变得不稳定，没有发生在阀元件刚打开之后的不均一的流动通道，并且没有产生由于湍流而引起异常噪声。

(2)在根据本实施方式的减压阀10中，阀座13由能够弹性变形的硬质树脂制成。因此，根据本实施方式，在当阀元件关闭时单阶渐缩部23与第二区域34接触的时候，第二区域34响应于单阶渐缩部23的按压力在后退方向上弹性变形。因而，缓解了在关闭阀元件期间在接触阀元件12时的冲击。

可以对上述实施方式进行以下修改。在实施方式中，阀元件呈提升阀的形式。替代地，阀元件可以是针阀。根据上述实施方式的减压阀减小压力的气体是氢气。替代地，例如，该气体可以是除氢气之外的气体，比如氧气和氮气。组成气体的化学元素的数量不限于一种。也就是说，压力被减小的气体可以由多个化学元素组成。

可以使用除气体之外的流体，比如蒸气或液体，例如水和油。

Claims (3)

1.一种减压阀，包括：

阀室，所述阀室设置在壳体中，并且流体被引入所述阀室中；

减压室，所述减压室设置在所述壳体中并且经由设置在所述减压室与所述阀室之间的阀座的阀孔与所述阀室连通；以及

阀元件，所述阀元件设置在所述阀室内并且构造成坐置在所述阀孔的内周面上，其中，

当所述阀元件是打开的时，所述减压阀通过使所述流体经由所述阀孔移动至所述减压室而减小所述流体的压力，

所述减压阀的特征在于，

所述阀元件具有坐置在所述阀孔的所述内周面上的单阶渐缩部(23)，

所述阀孔的所述内周面从所述流体的流动方向的上游侧依次包括第一区域(33)、第二区域(34)和第三区域(35)，

所述第一区域(33)设置成使得当所述阀元件是打开的时，在所述第一区域(33)与所述阀元件的所述单阶渐缩部之间限定的流动通道的高度朝向所述流动方向的下游侧逐渐减小，

所述第一区域(33)是阀孔的局部，不包含阀座(13)的最上游侧表面，

所述第二区域(34)设置成使得当所述阀元件是打开的时，在所述第二区域(34)与所述单阶渐缩部之间限定的流动通道的高度是恒定的，并且使得当所述阀元件是关闭的时，整个所述第二区域(34)与所述单阶渐缩部接触，并且

所述第三区域(35)设置成使得当所述阀元件是打开的时，在所述第三区域(35)与所述单阶渐缩部之间限定的流动通道的高度朝向所述流动方向的下游侧逐渐增大，

所述第一区域(33)和所述第二区域(34)形成为渐缩面。

2.根据权利要求1所述的减压阀，其中，

所述阀座由能够弹性变形的硬质树脂制成。

3.根据权利要求1或2所述的减压阀，其中，

所述单阶渐缩部(23)的渐缩角等于所述第二区域(34)的渐缩表面的渐缩角，并且

所述第二区域(34)的所述渐缩表面的渐缩角小于所述第一区域(33)的渐缩表面的渐缩角。