CN106029177A - 具有电动主系统的气体减压器 - Google Patents

Abstract

气体减压器(100)，包括移动元件(2)、偏压元件(3)以及电动主系统，移动元件设置为根据压力驱动调压阀(5)，所述偏压元件(3)用于朝静止位置推动移动元件，所述电动主系统作用在偏压元件上，以改变所述偏压元件的回程力。主系统使之能够改变参考压力值，以调整低压气体出口(1LP)处存在的压力。当不再对主系统进行电力供应时，由压力相对于所述主系统电力供应停止前存在的回程力的最后值连续地驱动移动元件(2)。

Description

具有电动主系统的气体减压器

技术领域

本发明涉及气体减压器，也称为气体调节器，其包括电动主系统。

背景技术

在本发明以前已知的一种气体减压器通常只包括：

-高压气体入口，

-低压气体出口，

-气体流路，把高压气体入口连接到低压气体出口，并包括阀门，

-移动元件，设置用于驱动阀门，以便根据该移动元件的位置允许、限制或终止气体流路内的气流，以及

-偏压元件，设置用于根据该偏压元件在移动元件上产生的回程力把移动元件推向静止位置。

移动元件包括表面部分，该表面部分对存在于低压气体出口的压力敏感，从而产生压力。运行时，当该压力变得高于回程力时，该压力把移动元件驱动到静止位置以外。在不发生饱和的情况下，尤其是在减压器下游不发生过多的气体泄露的情况下，回程力的值因此决定低压气体出口处的气压。由回程力决定的这个气压通常被称为参考压力值。例如，通过WO 2007/054122，尤其是该文件的图3.1已知这种气体减压器。

还已知通过电动主系统使这种气体减压器完整，设置所述电动主系统，以便作用在偏压元件上，从而改变回程力。因此，根据开环控制模式或闭环控制模式，可以通过操作员或者自动地改变参考压力值。

但是，发生电气故障时，由于主系统是电动的，出现一个问题。实际上，主系统由于电气故障而停止运行会限制整个气体减压器的运行，乃至包括气体减压器在内的整个气体输送系统的运行。这种运行故障对于系统的某些用途而言是无法接受的，尤其是用于飞机的用途，其运行连续性是重大问题。

此外，一些用途需要可轻松控制的气体输送系统在出口处产生理想的压力值或理想的流量值。可能需要在远程进行这种数值控制，无需操作员直接接近气体减压器。

于是，本发明的目的包括提供至少解决这些问题之中一个问题的一种新型气体减压器，或者对已知装置提供改进。

发明内容

为了满足这些目的或其它目的，本发明的第一方面提出具有如上所述的部件和运行方式的一种气体减压器，包括电动主系统。根据本发明，主系统设置为，当不再对其进行电力供应时，由压力相对于主系统电力供应停止前存在的回程力的最后值连续地驱动移动元件。因此，在回程力保持不变的情况下的运行形成安全运行模式，所述安全运行模式在发生电气故障的情况下有效。此外，无需操作员或任何外部驱动器的任何动作，而且，无论回程力的实际值是多少，这种安全运行在发生电气故障时都自动起作用。

而且，主系统使之能够轻松改变气体出口处的压力。实际上，主系统设定该气体出口处的压力的参考值，由于压力被移动元件驱动的阀门把气体出口处实际存在的压力调整到这个参考值。

在本发明的优选实施例中，可将主系统设置为，在受电力供应时移动偏压元件的至少一部分，而且无论停止主系统的电力供应时压力是多少，这个偏压元件部分都保持位置恒定。偏压元件部分的这个恒定位置是自从停止电力供应起，由主系统最后产生的位置。更优选的是，可将主系统设置为，使偏压元件不能够把运动传递回到主系统。这种运动传递被称为是不可逆的。

在可能的实施例中，主系统可包括电机，所述电机设计为在对该电机进行电力供应时产生旋转，主系统还包括中间传动系统，所述中间传动系统适合把电机产生的旋转转换为偏压元件部分的位置变化。尤其是，电机可为压电式电机。在电气故障的情况下，电机位置保持不变，而且阀门连续运行，以便根据通过电机位置设定的参考值控制输出压力。

本发明的各个实施例还可以有利地结合下列的一项或多项改进：

-主系统可包括压电驱动器，尤其适合产生线性运动或旋转运动的压电驱动器；

-偏压元件可具有彼此相对的两个端部，其中一个端部设置为推动到移动元件上，主系统设置为在向主系统进行电力供应时，移动偏压元件的另一个端部；

-移动元件可包括至少部分隔膜，或部分波纹管，或部分活塞，部分地构成对存在于低压气体出口处的压力敏感的表面部分；

-气体减压器可进一步包括位置传感器，设置用于感测移动元件的位置；

-主系统可适合根据基于至少一个控制参数的连续控制模式，尤其是比例式控制模式作用在偏压元件上；

-气体减压器可进一步包括适合向主系统提供反馈信号的反馈线路。这种反馈信号可代表参数，所述参数选自于低压气体出口处存在的气压、移动元件的位置、移动元件的速度、由主系统实现的电流、由主系统实现的电压、由主系统实现的频率、低压气体出口下游存在的气流、与环境条件相关的参数、或者这些参数中至少两个参数的组合；

-主系统可包括控制器和驱动器，所述驱动器专门作用于偏压元件，所述控制器适合根据连续控制模式控制驱动器的运行。尤其是，驱动器可以是上文所指出的电机；以及

-移动元件的静止位置可与允许最大气流从高压气体入口流向低压气体出口的阀门相对应，而且压力作用在移动元件上，以便于阀门限制气流或使气流停止。

本发明的第二方面提出一种气体输送系统，所述气体输送系统包括至少一个根据本发明第一方面的气体减压器，而且还包括连接到气体减压器的高压气体入口的气体高压源，以及连接到气体减压器的低压气体出口的至少一个终端设备。在这种系统中，气体减压器适合把低压气体出口处存在的压力调整到参考压力值。

这种气体输送系统可以是飞机用的氧气输送系统，适合把含氧气体输送到飞机内的至少一个终端用户，比如乘务员或乘客。为此目的，高压源提供含氧气体，每个终端设备是各个终端用户的设备。可能，在这种氧气输送系统为分散式的情况下，它可包括通过各个气体输送路径连接到气体减压器的低压气体出口的多个终端用户设备。每个气体输送路径可包括校准孔，所述校准孔适合把参考压力值转换为在相应终端用户设备输送的气体量的参考流量值。作为选择，每个终端用户设备可以是各个乘务组面罩调节器。对于这种用途，参考压力值可以随着飞机内存在的环境压力变化。

作为选择，气体输送系统可以是适合把含氧气体或含氢气体输送到燃料电池的气体管理系统。对于这种用途，高压源提供含氧气体或含氢气体之中至少一种气体。

现在参考附图对本发明的这些特征及其他特征进行说明，所述特征涉及到本发明的优选实施例，但并非限制性实施例。

附图说明

图1a和图1b是根据一个发明实施例的气体减压器的一部分的横截面视图，分别针对气体减压器的两个操作状态；

图2按照图示阐释了图1a和图1b的整个气体减压器；以及

图3是飞机用氧气输送系统的方框图，实施了根据本发明的气体减压器。

清晰起见，各图中所显示的元件尺寸并不与实际尺寸或尺寸比例相对应。而且，在不同图中所示的相同标号指代具有相同功能的相同元件。此外，尽管某些图片详细显示了所展示的元件，但是说明不仅限于本发明所涉及的这些元件。未描述的其它元件并不是直接与本发明相关，与本领域共知的知识相比，其用途和实施未做明显改变，或者有明显程度的改变。下文中所用的“上”、“下”、“向上”或“向下”这些词是指各图中呈现的定位方向。

具体实施方式

下面的标号对于图1a和图1b是通用的，具有下述含义：

100 整体气体减压器

A-A 气体减压器的纵轴

1 气体减压器的外壳

1HP 气体减压器的高压气体入口

1LP 气体减压器的低压气体出口

2 移动元件

3 偏压元件，可能由弹簧组成

3a 偏压元件的下端部

3b 偏压元件的上端部

4 隔膜

5 阀门

11 过滤器，例如，烧结过滤器

外壳1以及移动元件2可分别为多部件的，尤其是针对加工问题以及整个气体减压器的组装。

气体入口1HP处的压力值开始可约为200巴，气体出口1LP处的值介于外部环境压力与10巴之间。通常，气体入口1HP处的压力可为任何值，只要它高于气体出口1LP处的压力即可。尤其是，本发明能够精确地调整气体出口1LP处的压力，包括低压气体出口1LP处约为2毫巴的压力在内，即使高压气体入口处的压力比出口压力高大约2000倍，亦是如此。

在所述实施例中，隔膜4密封连接到外壳1与移动元件2，并形成界定气体减压器100内气体流路的壁的一部分。移动元件2可适合在外壳1内滑动，从而把阀门5驱动到打开位置或关闭位置，或者可能驱动到中间位置。偏压元件3的端部3a向下推动到移动元件2上，以便把阀门5推入打开位置，从而使气流能够从气体入口1HP流向气体出口1LP。在本说明书的整体部分，这种状态表示移动元件2的静止位置，并且可与邻接外壳1阻挡部分或邻接具有该阻挡功能的另一个元件的移动元件2相对应。通过由偏压元件3在移动元件2上产生的回程力确保这个静止位置。在所述实施例中，这种状态还与阀门5的最大开口相对应。标签1HP和1LP附近的箭头表示气流的方向。

在图1a和图1b的特殊实施例中，阀门5是由具有锥形段的滑动塞构成的。该锥形段适合阻塞气流穿过设置在气体流路中的孔。偏压元件3是弹簧，标号6表示使阀门5跟随移动元件2的辅助弹簧。当低压气体出口1LP处的气压上升，以至于气体在隔膜4上产生变得高于回程力的压力时，隔膜4向上推动移动元件2，而且阀门5转换到关闭位置，并使气流停止。保持该关闭位置，直到气体出口1LP处的压力降低，以至于压力再次低于回程力。所以，考虑压力调节时，与等于回程力的压力相对应的出口1LP处的气压呈现为参考值。尤其是，这个参考值可为气体出口1LP处的零压，相当于没有气体从气体出口流出。通常，参考值等于在高压气体入口1HP处提供的最大压力，或者居于最大压力值和零压中间，可能等于零，或者还可以是与来自气体出口1LP处外面的吸力相对应的负数。这种运行是众所周知的，所以不必再对其进行进一步的说明。图1a阐释了阀门5处于打开位置的这种气体减压器，而图1b阐释了阀门5处于关闭位置的同一个气体减压器。

通过实施本发明的下列额外元件，已经使图1a和图1b的气体减压器完整了：

20 电机

21 电机轴

22 横销

23 旋转的中间元件

24 滚珠

25 平移的中间元件

电机20可为任何类型，当然就缩小体积、重量、可靠性和能耗问题而言，可优选压电电机。所述电机是电动的。

元件22至25把电机轴21的旋转运动转换为元件25的平移移动。电机轴21由于横穿轴21和元件23的销22而旋转地驱动旋转的中间元件23。因为元件23具有与外壳1的相应螺纹啮合的外螺纹，所以它使旋转运动与平移移动相结合。专用于设置销22的、穿过旋转的中间元件23的开口是细长的，以便不妨碍平移移动。平移移动仅通过滚珠24传递到平移的中间元件25。出于组装的目的，旋转的中间元件23中细长的开口可向上延伸到该元件23的上端。作为选择，可以采用适合把电机20的旋转转换为中间元件25的平移的任何其它系统。

中间元件25用作偏压元件3端部3b的底座。这样，平移的中间元件25使之能够改变弹簧3的长度，因此改变回程力。因此，更改了气体出口1LP处调整的压力的参考值。

不再向电机20供电的情况下，平移的中间元件25以及偏压元件3上端部3b的位置保持不变。但是，压力继续使移动元件2运动，以便仍然气动地调整气体出口1LP处的压力。如此调整是以回程力为基础的，所述回程力因为自从停止电力供应才存在，所以与偏压元件3的长度相对应。

气体减压器100可选择性地具有位置传感器30，用于沿着纵轴A-A测量移动元件2的即时位置。最好，传感器30是非接触式的，可能为磁吸式，尤其是以霍尔效应为基础。这种位置传感器是众所周知的，并且是在市场上可以买到的。所述位置传感器通常由待固定地并入移动元件2的第一个传感器部分30a以及待固定地限制到外壳1的第二个传感器部分30b构成。可以作为机内测试装置实施这种传感器30，适合在生产之后检查气体减压器100的运行，或者适合进行现场验收测试。

根据图2，电机20可以是主系统的一部分，所述主系统进一步包括传感器41和控制器42，标为CTRL。连接控制器42，以便根据测量信号控制电机20的运行，也就是其旋转角度，并且可能控制器旋转速度，所述测量信号是由传感器41提供的，并且形成控制信号或反馈信号。标号43通常是指从控制器42到电机20的电力供应连接。例如，传感器41可以是设置在气体减压器100的低压气体出口1LP处的压力传感器。标号44是指从传感器41延伸到控制器42的反馈线路。控制器42可根据电机类型利用其它控制参数控制电机20，包括为电机20提供的电压和/或电流和/或激活频率。也可以采用不直接涉及到气流或电机20电力供应的控制参数，与所引用的参数相结合或取代所引用的参数。可以在额外输入端45把这种外部控制参数输入控制器42中。而且有可能，控制器42可以利用由位置传感器30输出的测量信号控制电机20。这些控制参数中任何参数都能够自动调谐参考值，以调整气体出口1LP处存在的压力。当前实施例首选比例式的控制模式，或者可能为比例积分混合式的的控制模式。在控制器42内可有利地采用已知的反馈-控制算法在没有震荡行为的情况下实现稳定运算。

把气体出口1LP处存在的压力用作反馈参数的一个主要优点是自动补偿滞回现象或者入口1HP处气体供应在高压下变化的效果。实际上，可能在气体减压器100中实施的隔膜4、滑动摩擦和密封可导致严重的滞回，所述滞回会妨碍精确调整气体出口1LP处存在的压力。入口1HP处气体供应的高压力值的变化也会改变运行，尤其是由于阀门5上的高压的作用。通过实施气体减压器100内的闭环控制模式，无论干扰作用的来源如何，这种干扰作用全部都得到补偿。

根据图3，根据本发明的气体减压器100可有利地用于适合飞机的氧气输送系统。这种系统传输来自标为HP的高压气体源101的含氧气体。所传输的气体可为纯氧气或空气，这可能取决于用于乘务员或乘客的系统。高压气体源101连接到气体减压器100的气体入口1HP。在用于乘客的情况下，根据所谓的分散式系统结构，可采用单独一个气体减压器100把低压气体传输到多个终端用户设备102。每个终端用户设备102都可以是专用于单独一个乘客座椅的一个呼吸面罩。在专用于乘务员的情况下，可将唯一的终端用户设备102连接到同一个气体减压器100。可在气体输送线路104中设置校准孔103，所述气体输送线路104把下游的终端用户设备102连接到气体减压器100的出口1LP。气体输送线路104以及校准孔103的分离在低压气体出口1LP处与气体减压器100相结合，或者施置在气体减压器100外面。在气体减压器100运行，以确保气体出口1LP处存在的压力接近参考值，每个校准孔103把这个参考压力值转换为在相应终端用户设备102输送的含氧气体的参考流量值。可以根据飞机中的环境压力设定参考压力值或者参考流量值。可将适当的压力传感器用于这个目的，以便为气体减压器100的控制器42提供代表环境压力的控制信号。

本领域技术人员会理解，根据本发明的气体减压器可有利地用于各个领域的多种用途，因为实现了易于控制的、安全的气体输送。实际上，这种调节器控制简单，并且适合每个用途的规格，而不会导致成本显著增加。作为另一个用途的示例，根据本发明的气体减压器可用于适当地、安全地向燃料电池提供气体，尤其是含氧气体或含氢气体。在操作员不亲身操作气体减压器本身的情况下，远程改变参考压力值特别有益于这种燃料电池的用途。

会发现，可以围绕次要方面调整或修改上文详细描述的本发明的实施例，同时至少保持所引用的某些优点。尤其是，偏压元件可以是多部件的，由多个单独元件构成，所述元件一同起作用，以产生回程力，所述回程力承受由主系统控制的变化。在所述的实施例中，根据在不涉及到创造性便可实施的等效设计，可由波纹管或活塞代替隔膜。而且，隔膜可具有产生回程力的功能以及感测低压气体出口处存在的压力的功能。在这种情况下，可以把偏压元件与对出口气压敏感的移动元件部分相结合。

作为选择，还可以实施本发明的实施例，其中，主系统以不可逆运动传递系统为基础，与由元件20至25所构成的主系统不同。例如，可将主系统设计为推动或拉动垂直于轴A-A的锥形楔，从而转移平行于轴A-A的偏压元件3的端部3b。在这种实施例中，主系统可包括线性磁力驱动器，也称为比例线圈，其驱动方向垂直于移动元件2的运动方向。还可以采用与由元件20至25所构成的主系统相似的主系统代替这种比例线圈。

通常，最好是针对气体节约问题的用途而言，移动元件的静止位置可与阀门的关闭状态相对应，然后通过低压气体出口处实际存在的压力的充分下降把阀门驱动到打开状态。

Claims (19)

1.气体减压器(100)，包括：

-高压气体入口(1HP)，

-低压气体出口(1LP)，

-气体流路，把高压气体入口连接到低压气体出口，并包括阀门(5)，

-移动元件(2)，设置用于驱动阀门，以便根据该移动元件的位置允许、限制或终止气体流路内的气流，以及

-偏压元件(3)，设置用于根据所述偏压元件在所述移动元件上产生的回程力把移动元件推向静止位置，以及

-电动主系统，设置用于作用在偏压元件(3)上，以便改变回程力，

其中，移动元件包括表面部分，该表面部分对存在于低压气体出口(1LP)的气压敏感，从而产生压力，而且，当所述压力变得高于回程力时，该压力把移动元件(2)驱动到静止位置以外，

其特征在于，主系统设置为，当不再对所述主系统进行电力供应时，由压力相对于所述主系统电力供应停止前存在的回程力的最后值连续地驱动移动元件(2)。

2.根据权利要求1所述的气体减压器(100)，其特征在于，主系统设置为，在受电力供应时移动偏压元件(3)的至少一部分，而且无论停止主系统的电力供应时压力是多少，所述偏压元件(3)的至少一部分保持在恒定位置。

3.根据权利要求2所述的气体减压器(100)，其特征在于，主系统设置为，使偏压元件(3)不能够把运动传递回到主系统。

4.根据权利要求2或3所述的气体减压器(100)，其特征在于，主系统包括压电驱动器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体减压器(100)，其特征在于，主系统包括电机(20)，所述电机设计为在对该电机进行电力供应时产生旋转，主系统还包括中间传动系统(22-25)，所述中间传动系统适合把电机产生的旋转转换为偏压元件部分的位置变化。

6.根据权利要求5所述的气体减压器(100)，其特征在于，电机(20)为压电式电机。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体减压器(100)，其特征在于，偏压元件(3)具有彼此相对的两个端部(3a、3b)，其中一个端部(3a)设置为推动到移动元件(2)上，主系统设置为在向所述主系统进行电力供应时，移动另一个端部(3b)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体减压器(100)，其特征在于，移动元件(2)包括至少部分隔膜，或部分波纹管，或部分活塞，而且所述部分隔膜、部分波纹管或部分活塞构成对存在于低压气体出口处的压力敏感的表面部分。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体减压器(100)，进一步包括位置传感器(30)，设置用于感测移动元件(2)的位置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的气体减压器(100)，其特征在于，主系统适合根据基于至少一个控制参数的连续控制模式，尤其是比例式控制模式作用在偏压元件(3)上。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的气体减压器，进一步包括适合向主系统提供反馈信号的反馈线路(44)，所述反馈信号代表一个参数，所述参数选自于低压气体出口(1LP)处存在的气压、移动元件(2)的位置、移动元件(2)的速度、由主系统实现的电流、由主系统实现的电压、由主系统实现的频率、低压气体出口(1LP)下游存在的气流、与环境条件相关的参数、或者上述参数中至少两个参数的组合。

12.根据权利要求10或11所述的气体减压器(100)，其特征在于，主系统包括控制器(42)和驱动器，所述驱动器专门作用于偏压元件(3)，所述控制器适合根据连续控制模式控制驱动器的运行。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的气体减压器(100)，其特征在于，移动元件(2)的静止位置与允许最大气流从高压气体入口(1HP)流向低压气体出口(1LP)的阀门(5)相对应，而且压力作用在移动元件上，以便于阀门(5)限制气流或使气流停止。

14.气体输送系统，包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的气体减压器(100)，还包括连接到气体减压器的高压气体入口(1HP)的气体高压源(101)，以及连接到气体减压器的低压气体出口(1LP)的至少一个终端设备，其中，气体减压器适合把低压气体出口处存在的压力调整到参考压力值。

15.根据权利要求14所述的气体输送系统，形成用于飞机的氧气输送系统，适合把含氧气体输送到飞机内的至少一个终端用户，其中，高压源(101)提供含氧气体，而且，至少一个终端设备为至少一个终端用户设备(102)。

16.根据权利要求15所述的气体输送系统，包括通过各个气体输送路径(104)连接到气体减压器(100)的低压气体出口(1LP)的多个终端用户设备(102)，每个气体输送路径包括校准孔(103)，所述校准孔适合把参考压力值转换为在相应终端用户设备输送的气体量的参考流量值。

17.根据权利要求15所述的气体输送系统，其特征在于，每个终端用户设备为乘务组面罩调节器。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的气体输送系统，适合使参考压力值随着飞机内存在的环境压力变化。

19.根据权利要求14所述的气体输送系统，形成适合把含氧气体或含氢气体输送到燃料电池的气体管理系统，其中，高压源(101)提供含氧气体或含氢气体之中至少一种气体。