CN108518525A - 一种散热式减压阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了散热式减压阀，其将阀瓣组件与阀体组件分离设置。本发明提供的散热式减压阀通过将阀瓣(阀芯)组与阀体分离，移至外部，使得减压阀在工作时，让气体(如CO2)减压膨胀时所需吸收的热量可更充分进行交换到外部，对阀工作的负面影响降低，使用的工作流量可以更大，而不需要电加热。本方案能够有效解决气体减压阀因气体(如CO2)凝华，产生干冰影响减压阀正常工作的问题，能够在没有电源、没有加热的情况下，仍能正常工作，节约能源，使用方便可靠。

Description

一种散热式减压阀
技术领域
本发明涉及减压阀技术，具体涉及气体减压阀技术。
背景技术
工业气体通常都是在制气厂生产，为便于气体的储存和运输，气体都压缩储存在容器中，如高压气瓶中，再运输送到用户手中。用户使用时再将储存在瓶中的高压气体减压后释放出来使用。
气体有多种类型，按其分子组成分单原子，双原子，多原子气体。根据热力学第一定律和气体热力学的特性，气体被压缩压力升高时外力对其做功，分子的内能增加，气体温度升高，会对外释放热量。相反，气体膨胀减压时，气体对外做功，分子的内能减小，气体温度降低，会吸收外部能量。对于单原子，双原子分子，分子的运动自由度少，相对分子的内能小，气体在压缩或膨胀时，释放或吸收的热量较小，温度变化相对也小一点。但对多原子分子气体来说，分子的运动自由度大，内能大，气体在压缩或膨胀时，释放或吸收的热量大，温度变化相对更大。
对于气体减压阀，温度太低时会影响的减压阀的正常工作。尤其是对于三原子分子的CO2气体，其常态下的气、液、固三相点温度在-50多度，如图1所示，高压储存的CO2气体减压后，温度降低过多时，会使CO2气体凝华，产生干冰，处于固气两相流中，影响减压阀的正常减压功能，严重的导致减压阀不能工作。
针对这类情况，目前多数是采用外部散热方式或电加热方式加热减压阀，防止温度过低，CO2气体凝华，产生干冰。
对于现有外部散热式的减压阀如图2所示，这种外部散热式减压阀主要由阀瓣(阀芯)组件11、膜片及压力感测组件12、压力调节组件13以及相应的外部散热片14组成。即只是在现有减压阀外部简单的加上一些散热片，这种方案无法有效的解决关键问题，效果不佳，实际工作流量不能太大，工作流量一旦超过50L/min，就会出现干冰，不能正常工作，只能用于一些小流量供气场合。
再者对于现有电加热方式减压阀如图3所示，主要包括阀瓣(阀芯)组件11、膜片及压力感测组件12、压力调节组件13以及由电加热器15、温控器16以及电源线17配合组成的电加热组件。本电加热方式减压阀通过在减压阀进气道中加入了电加热器15，加热效果尚可，但使用不方便，需要外加电源，存在使用安全隐患。由于电加热还需要温度控制，故障失效模式多，维护难度也大。同时对于大流量场合，加热功率较大，成本也高，能耗大。
发明内容
针对现有气体减压阀所存在的问题，需要一种新的气体减压阀方案。
为此，本发明所要解决的问题是提供一种散热式减压阀，以克服现有技术所存在的问题。
为了解决上述问题，本发明提供的散热式减压阀，所述减压阀中的阀瓣组件与阀体组件分离设置。
进一步的，所述阀瓣组件分离设置在阀体组件的外部。
进一步的，所述阀瓣组件与阀体组件之间设置散热连通组件。
进一步的，所述散热连通组件采用扩散器结构，内部为锥形扩散孔，该散热连通组件上对应于锥形扩散孔细孔侧的连接端与阀瓣组件配合密封连接；对应于锥形扩散孔大孔侧的连接端与阀体组件配合密封连接；所述锥形扩散孔内穿设有延伸阀杆，所述延伸阀杆的两端分别与阀瓣组件和阀体组件配合。
进一步的，所述散热连通组件上还增设有延长散热段，所述延长散热段为中空回转体，其外侧沿延伸方向分布设置散热片。
进一步的，所述散热连通组件在外侧至少对应于锥形扩散孔的部位设置有散热片。
进一步的，所述散热连通组件上对应于锥形扩散孔细孔侧的连接端为带内螺纹的柱状结构。
进一步的，所述连接端的外侧布设有散热片。
进一步的，所述阀瓣组件包括阀座，进气口组件，小阀体，阀杆，复位弹簧，弹簧座及阀杆阻尼圈，所述阀杆为多台阶结构，其穿设在小阀体中，顶端伸出小阀体与阀座配合形成开关阀口；所述复位弹簧通过弹簧座及阀杆阻尼圈套设在阀杆下部杆体上；所述进气口组件密封安置在小阀体上，并与阀杆的底端连接配合。
进一步的，所述进气口组件一端柱状，另一端为外螺纹结构，柱状端端部中心为进口连接螺纹孔，且孔底部有若干分支孔通向外螺纹端的端部，外螺纹端端部中心为阀杆的下部支撑孔。
进一步的，所述阀瓣组件包括阀座，进气口，小阀体，阀杆，复位弹簧，阀体螺丝，弹簧座及阀杆阻尼圈，所述阀杆为多台阶结构，其穿设在小阀体中，顶端伸出小阀体与阀座配合形成开关阀口；所述复位弹簧通过弹簧座及阀杆阻尼圈套设在阀杆下部杆体上；所述进气口设置在小阀体上，并与小阀体内腔导通；所述阀体螺丝与小阀体连接，并与阀杆的底端连接配合。
进一步的，所述阀体组件包括阀体、膜片组件以及阀调节组件，所述阀调节组件将膜片组件压设在阀体上部，且膜片组件与阀体上部配合在阀体内形成封闭腔。
本发明提供的散热式减压阀通过将阀瓣(阀芯)组与阀体分离，移至外部，使得减压阀在工作时，让气体(如CO2)减压膨胀时所需吸收的热量可更充分进行交换到外部，对阀工作的负面影响降低，使用的工作流量可以更大，而不需要电加热。本方案能够有效解决气体减压阀因气体(如CO2)凝华，产生干冰影响减压阀正常工作的问题，能够在没有电源、没有加热的情况下，仍能正常工作，节约能源，使用方便可靠。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为CO2的三相状态图；
图2为现有外部散热式减压阀的结构示意图；
图3为现有电加热式减压阀的结构示意图；
图4为本发明实例1中散热式减压阀的剖面示意图；
图5为本发明实例1中散热式减压阀的分解示意图；
图6为本发明实例1中散热式减压阀的装配剖面示意图；
图7为本发明实例1中进气口的结构示意图；
图8为本发明实例1中进气口的剖切图；
图9为本发明实例1中阀杆的结构示意图；
图10为本发明实例1中阀座的结构示意图；
图11为本发明实例1中扩散器的结构示意图；
图12为本发明实例1中扩散器的剖切图；
图13为本发明实例1中阀体的结构示意图；
图14为本发明实例1中阀体的剖切图；
图15为本发明实例2中散热式减压阀的剖面示意图；
图16为本发明实例3中散热式减压阀的剖面示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
由于现有散(收)热式减压阀采取的散(收)热方式并未抓住问题的要点，基于原有设计原理的影响，没有摆脱原有减压阀结构，只考虑了外部要散热，并没有从根本上考虑热量交换问题，调整阀的结构，使热量更容易交换出来，未隔离吸热源，不能保护进气免于受气体膨胀吸收热量的影响，防止减压阀进口中的二氧化碳气体凝华，产生干冰。减压阀乃会处在固气两相流中，不能保证减压阀正常工作。
按气体压缩或膨胀时热量释放或吸收的机理，减压阀减压膨胀时气体温度才会低，会吸收热量。根据阀的工作原理，减压阀工作时减压处在阀门开关阀瓣(阀芯)组前后，压力发生变化，气体通过此处时迅速减压膨胀，温度降低，低温源关键点在此处，由此如何在此处散(吸)热才是问题的关键。
对此，申请人创新的摆脱原有减压阀结构，将产生低温源的阀瓣(阀芯)组从阀体中分离出来，从而便于气体减压膨胀后进行散热，也便于隔离低温源与进气端。
以CO2气体为例，为了避免气体减压阀进口中的CO2气体凝华，产生干冰，保证减压阀正常在气态下工作，必须突破现有常规的减压阀结构形式，改善散(加)热效果，将减压器中产生低温源的阀瓣(阀芯)组尽量移至外部，与阀体隔离，便于散(吸)热。将减压阀进口与低温源隔离，防止减压阀进口热量被吸收，从而可防止减压阀进口中的CO2气体凝华，产生干冰，保证减压阀正常在气态下工作。
以下结合具体实例来说明一下本方案。
实例1
参见图4和图5，其所示为本实例基于上述原理所形成的散热式减压阀。由图可知，本实例所提供的散热式减压阀将减压阀减压部分的阀瓣(阀芯)组与阀体分离，移至外部，再通过气体扩散散热组件与阀体连接，阀的调压部分不变，阀的功能不改变，在气体扩散段上设置散热片，散(吸)热面积大，效果好，低温源又不容易影响到阀的进口，避免高压进气端温度过低产生干冰。
具体的，如图4和图5所示，本散热式减压阀主要包括分离出来的阀瓣(阀芯)组(100)、扩散器(210)、阀座(220)、散热片(230)、延伸阀杆(310)、阀体(320)、膜片组(410)、阀调节组(420)。
其中:阀瓣(阀芯)组(100)整体独立设置在阀体(320)的外部，并通过相应的扩散器(210)和延伸阀杆(310)与阀体(320)连通和配合操作。
该阀瓣(阀芯)组(100)包括：进气口(110)、小阀体(120)、阀杆(130)、复位弹簧(140)以及弹簧座及阀杆阻尼圈(150)配合构成。
参见图7和图8，本实例中的进气口(110)整体为两级原台阶状，大端(111)为柱状，小端(112)为具有外螺纹的圆柱状。柱状端(111)端部中心设置有作为进气口的进口连接螺纹孔(113)，孔底部有若干分支孔(114)通向外螺纹端(112)的端部，这些若干分支孔(114)呈喇叭状均匀分布，有效保证进气的稳定和可靠。再者，本实例在外螺纹端(112)的端部中心设置有阀杆(130)的下部支撑孔(115)。
本实例中的小阀体(120)整体为中空的两级原台阶状，一端柱状，一端为外螺纹。柱状端端部中心为内螺纹孔，与进气口(110)上的外螺纹端(112)配合；同时在内螺纹孔的孔底部设有孔通向外螺纹端的端部，且孔端部采用收口状。
参见图9，本实例中的阀杆(130)，呈多台阶回转体，其中顶部台阶(131)为锥形台阶，下部台阶(132)为直角台阶，直角台阶上部大径外圆处呈多边形，兼顾导向和通道。同时在顶部台阶(131)的顶部设置有顶部细杆(133)，用于与延伸阀杆(310)连接，以与膜片组(410)配合；下部台阶(132)的底部设置有下部圆杆(134)，用于与进气口(110)上的下部支撑孔(115)配合。
本实例中的复位弹簧(140)采用圆柱弹簧，用于与阀杆(130)配合，完成对阀杆(130)的复位驱动。
本实例中的弹簧座及阀杆阻尼圈(150)为环状回转体，用于与复位弹簧(140)配合。
参见图10，本实例中的阀座(220)整体为片状圆盘，中心为两段台阶孔(222)，大孔底部为一小孔。该两段台阶孔(222)用于与阀杆(130)顶端的锥形台阶(131)配合，实现阀口的开启或关闭。
参见图11和12，本实例中扩散器(210)作为散热连通组件，用于连通独立设置在阀体(320)外的阀瓣(阀芯)组(100)和阀体(320)，并完成气体扩散减压，且将气体减压膨胀时所需吸收的热量充分进行交换到外部，使得低温源不容易影响到阀的进口，避免气体减压膨胀产生的低温影响阀瓣(阀芯)组(100)或阀体(320)，保证整个减压阀的稳定可靠工作。
如图所示，本扩散器(210)整体为回转体，一端(211)具有外螺纹(212)，用于与阀体(320)配合，另一端(213)为柱状带内螺纹(214)；扩散器(210)的中部外圈为环形散热片(216)；扩散器(210)的内部为锥形扩散孔(215)，柱状内螺纹端(213)对应于锥形扩散孔(215)的细孔侧，外螺纹端(211)对应于锥形扩散孔(215)的大孔侧。本实例在细孔侧的顶端还有一台阶(217)，用于安装阀座(220)。
另外，本扩散器(210)上的环形散热片(216)沿扩散器(210)的延伸方向等距分布，覆盖部位至少与扩散器(210)内的锥形扩散孔(215)相对应。
再者，根据需要，本实例在扩散器(210)的柱状内螺纹端(213)的外侧还套设一散热片(230)，该散热片(230)为若干圆盘环状，并等距分布，以进一步提高扩散器(210)对外进行热量交换的效率和效果。
本实例中的延伸阀杆(310)，其整体穿设在扩散器(210)中，作为传动杆，一端连接阀杆(130)顶部的顶部细杆(133)，一端穿过阀体(320)与膜片组(410)接触配合。
该延伸阀杆(310)整体为细长杆，一端带内盲孔，用于连接阀杆(130)顶部的顶部细杆(133)，一端为球面，以与膜片组(410)接触配合。
参见图12和图13，本实例中的阀体(320)整体为圆形阀体，圆形阀体上部(321)为环状，中心形成凹形腔(322)，外部带连接外螺纹(323)，中心设置一中心孔(324)，该中心孔与延伸阀杆(310)配合，可容延伸阀杆(310)穿过。
该圆形阀体下部为一中空的凸台(325)，中心位带连接内螺纹的内螺纹孔(326)；凸台侧面有一螺纹孔(327)与凸台中心内螺纹孔(326)导通，同时该侧面螺纹孔(327)中设有一细孔(328)与阀体(320)上部的凹形腔(322)导通。
本实例中的膜片组(410)采用柔性膜片结构。主要由柔性膜片(411)，膜片挡板(412)，以及中心螺钉(413)配合构成。
本实例中的阀调节组(420)，主要由阀盖(421)，加载弹簧(422)，调节丝杆(423)相互配合构成。
在此基础上，参见图6，本实例中的阀杆(130)整体穿设在小阀体(120)中，其顶端从小阀体(120)的顶部穿过。复位弹簧(140)通过弹簧座及阀杆阻尼圈(150)套入阀杆(130)上的下部圆杆上；进气口(110)通过其上的外螺纹端(112)与小阀体(120)螺纹连接，并使得阀杆(130)上的下部圆杆插入进气口(110)上端部的下部支撑孔(115)中，同时在进气口(110)和小阀体(120)之间的连接端部加密封圈，形成阀瓣(阀芯)组(100)。
再者，散热片(230)套在扩散器(210)柱状外部，同时将阀座(220)安装在扩散器(210)内小孔侧的台阶(217)内，且阀座(220)小孔侧贴在扩散器(210)内小孔侧台阶底部。阀瓣(阀芯)组(100)通过小阀体(120)上部外螺纹安装在扩散器(210)下部的螺孔中，并压住阀座(220)，仅压紧阀座(220)大孔端，减少底部小孔收缩变形；阀杆(130)上锥形台阶面与阀座(220)底部小孔台阶配合，形成开关阀口(221)，复位弹簧(140)压缩后，推动阀杆(130)向上关闭阀口(221)。
同时，扩散器(210)通过上部螺纹装入阀体(320)下部凸台螺纹孔中，内部的延伸阀杆(310)顶端插入阀体(320)中心小孔中，延伸阀杆(310)下部中心小孔套在阀杆(130)上部小杆头外。
膜片组(410)和阀调节组(420)采用常规方式在阀体上部与阀体连接,阀调节组(420)将膜片组(410)压装在阀体上部。其中的膜片组(410)与阀体(320)上部凹形腔形成封闭腔(430)，而延伸阀杆(310)上部球面与膜片中心螺钉(413)底部配合。阀调节组(420)中的调节丝杆(423)在给加载弹簧(422)加载时，使得柔性膜片(411)向下凹，中心螺钉(413)顶住延伸阀杆(310)，通过延伸阀杆(310)，将加载弹簧(422)加载力传递到阀杆(130)上，向下顶开阀杆(130)，开启阀口(221)。
如图6所示，由此构成的散热式减压阀在工作时，当进气口(110)接入高压气源时，高压气源通过进气口(110)中的若干分支孔进入小阀体(120)内，再经过开启的阀口(221)间隙，进入到扩散器(210)内，进行节流减压；高压气在扩散器(210)内锥孔扩散，使得气体减压膨胀，且将气体减压膨胀时所需吸收的热量通过其外侧的环形散热片(216)充分进行交换到外部，避免气体减压膨胀产生的低温影响阀瓣(阀芯)组(100)或阀体(320)；接着经过扩散器(210)内锥孔扩散后的气体进入到阀体(320)下部通道，从出口排出。
同时，通过阀体(320)侧螺纹孔内的小孔与上部封闭腔(430)导通，气压引入封闭腔(430)，作用于膜片上。当出气压力达到一定值时，作用于膜片上的气体压力平衡加载弹簧(422)力，形成动态平衡状态，稳定输出压力。阀体(320)侧螺纹孔内的小孔具有阻尼作用，可以消除压力波动的影响。
在此过程中，实现将CO2气体减压膨胀的过程在扩散器(210)内进行，远离阀瓣(阀芯)组(100)和阀体(320)，即通过阀瓣(阀芯)组(100)的气体不进行减压膨胀，使得CO2减压膨胀时所需吸收的热量在扩散器(210)自身的散热片上可充分进行热量交换，同时附加的若干散热片(230)也可进行热量交换，防止CO2减压膨胀时释放出来的冷量影响到进气端温度，保证CO2减压阀在不需要电加热或不用电源的情况下也能正常工作；这样不仅能保证CO2减压阀正常工作，还能节约能源，使用方便可靠。
实例2
参见图15，其所示为本实例给出的散热式减压阀的剖面示意图。由图可知，本实例给出的散热式减压阀的组成结构与实例1中的散热式减压阀的组成结构相同。在此基础上，本实例还进一步的增设延长散热段240，在扩散器(210)的基础上进一步延伸热量交换长度，进一步提高热量交换的效率和效果。
如图所示，本延长散热段240整体为中空回转体，一端具有外螺纹，另一端为柱状带内螺纹孔；其外侧沿延伸方向分布设置散热片。
同时，在延长散热段240内部的通孔中还可设置与延伸阀杆(310)相配合的阀座，用于支撑延伸阀杆(310)，保证是其运行的可靠性。
该延长散热段240设置在扩散器(210)与阀体(320)间，具体的长度和设置的数量可根据实际需求而定，此处不加以限定。通过增设延长散热段240，可有效增加热交换面积，提升热交换功率，使用的气体流量更大。
实例3
参见图16，其所示为本实例给出的散热式减压阀的剖面示意图。由图可知，本实例给出的散热式减压阀的组成结构与实例1中的散热式减压阀的组成结构基本相同。不同之处在于，本实例中对阀瓣(阀芯)组(100)进行了改进，其中进气口(110)采用常规设计，并直接水平设置在小阀体(120)上，并与小阀体(120)内腔导通；在此基础上增设阀体螺丝(160)，该阀体螺丝(160)与小阀体(120)连接，其端部中心设置有阀杆(130)的下部支撑孔，在连接到小阀体(120)上时与阀杆(130)的底端连接配合。
本散热式减压阀中的其它组成与实例1中相同，此处不加以赘述。
本实例中将进气口改为水平方向，同时增加了阀底螺丝，便于阀瓣(阀芯)维修。
另外，本实例中给出的改进方案同样也适用于实例2的方案。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.散热式减压阀，其特征在于，所述减压阀中的阀瓣组件与阀体组件分离设置。
2.根据权利要求1所述的散热式减压阀，其特征在于，所述阀瓣组件分离设置在阀体组件的外部。
3.根据权利要求1或2所述的散热式减压阀，其特征在于，所述阀瓣组件与阀体组件之间设置散热连通组件。
4.根据权利要求3所述的散热式减压阀，其特征在于，所述散热连通组件采用扩散器结构，内部为锥形扩散孔，该散热连通组件上对应于锥形扩散孔细孔侧的连接端与阀瓣组件配合密封连接；对应于锥形扩散孔大孔侧的连接端与阀体组件配合密封连接；所述锥形扩散孔内穿设有延伸阀杆，所述延伸阀杆的两端分别与阀瓣组件和阀体组件配合。
5.根据权利要求4所述的散热式减压阀，其特征在于，所述散热连通组件上还增设有延长散热段，所述延长散热段为中空回转体，其外侧沿延伸方向分布设置散热片。
6.根据权利要求4所述的散热式减压阀，其特征在于，所述散热连通组件在外侧至少对应于锥形扩散孔的部位设置有散热片。
7.根据权利要求4所述的散热式减压阀，其特征在于，所述散热连通组件上对应于锥形扩散孔细孔侧的连接端为带内螺纹的柱状结构。
8.根据权利要求7所述的散热式减压阀，其特征在于，所述连接端的外侧布设有散热片。
9.根据权利要求1或2所述的散热式减压阀，其特征在于，所述阀瓣组件包括阀座，进气口组件，小阀体，阀杆，复位弹簧，弹簧座及阀杆阻尼圈，所述阀杆为多台阶结构，其穿设在小阀体中，顶端伸出小阀体与阀座配合形成开关阀口；所述复位弹簧通过弹簧座及阀杆阻尼圈套设在阀杆下部杆体上；所述进气口组件密封安置在小阀体上，并与阀杆的底端连接配合。
10.根据权利要求9所述的散热式减压阀，其特征在于，所述进气口组件一端柱状，另一端为外螺纹结构，柱状端端部中心为进口连接螺纹孔，且孔底部有若干分支孔通向外螺纹端的端部，外螺纹端端部中心为阀杆的下部支撑孔。
11.根据权利要求1或2所述的散热式减压阀，其特征在于，所述阀瓣组件包括阀座，进气口，小阀体，阀杆，复位弹簧，阀体螺丝，弹簧座及阀杆阻尼圈，所述阀杆为多台阶结构，其穿设在小阀体中，顶端伸出小阀体与阀座配合形成开关阀口；所述复位弹簧通过弹簧座及阀杆阻尼圈套设在阀杆下部杆体上；所述进气口设置在小阀体上，并与小阀体内腔导通；所述阀体螺丝与小阀体连接，并与阀杆的底端连接配合。
12.根据权利要求1或2所述的散热式减压阀，其特征在于，所述阀体组件包括阀体、膜片组件以及阀调节组件，所述阀调节组件将膜片组件压设在阀体上部，且膜片组件与阀体上部配合在阀体内形成封闭腔。
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