CN109307090A - 压力调节装置 - Google Patents

Abstract

一种压力调节装置，包括：主体，其设置有连接到可呼吸的高压气源的入口以及用于具有低于输入气压的可呼吸气体的出口，被分隔成高压气室以及中压气室，并且中压气室通过减压阀与高压气室连通。减压阀包括：在分隔开高压室与中压室的壁上形成的阀座，以及由连接到杆的扩口头部组成的截止件，该扩口头部与阀座协作用于关闭和打开阀。截止件可沿着高压室内部的杆的纵向轴线在两个方向上移位使得扩口头进以交替的方式行进：与阀座分离并且远离以打开阀；以及移近并抵靠阀座以关闭阀。杆以滑动且密封的方式被支撑在高压室的一个壁上的开口中，开口由于密封垫圈不与装置的其他部分连通。

Description

压力调节装置

技术领域

本发明的目的是一种压力调节装置，具体是一种用于两级水下呼吸设备中的第一减压级的压力调节装置。

背景技术

用于调节压力并且分配空气的两级装置是已知的，例如用于水下使用，其中第一减压级连接到可呼吸的高压气源(例如通常装载到200-300巴的气瓶)，并且适于将所述压力减小到预定的中压。

通常，所述第一减压级包括：主体，该主体设置有被连接到可呼吸的高压气源的入口以及用于具有比输入气压低的压力的可呼吸气体的出口，所述主体被分隔成至少一个与所述入口连通的高压气室，以及与所述出口连通的中压气室，并且中压气室通过减压阀与高压气室连通。

所述减压阀包括：阀座，所述阀座将高压室与中压室分开，该阀座与截止件协作，该截止件带有被连接到杆的扩口头部，由此被称为柱塞截止件。

所述截止件容纳在高压室内部，并且可以在所述高压室内部在两个方向上交替地轴向移位，即在平行于其纵向轴线的方向上移位，由此扩口头部以交替的方式行进以与所述阀座分离并且远离所述阀座移动以及行进以靠近阀座移动并移动成抵靠所述阀座。

杆与可弹性变形的隔膜连接，隔膜具有面向与外部环境连通的室的壁，并且在该壁上作用有弹性预载荷，使得外部环境的压力与弹性预载荷引起隔膜本身在分配阀吸气时的打开方向上弯曲。

在其最简单的构造中，通过输入流压力以及处于高压室中且作用在相对于隔膜弹性预载荷相反的方向上的弹性预载荷沿着关闭方向推动截止件。

当中压低于给定阈值时，作用在阀的打开方向上的力的合力胜过作用在相反方向上的力，且阀打开。

由于高压输入流体来自气瓶，用于关闭阀的压力会根据气瓶本身的填充水平而变化。这使得向该级输出的可用中压不是最佳的。

为了弥补这个缺点，已知的解决方案是在截止件中形成轴向孔，以便将要分配的气流引导到容纳有截止件杆的导孔中。事实上，以这种方式，产生了中压区域并且中压区域能够平衡所涉及的力并且确保中压的值不依赖于气瓶压力。

尽管实现了该目的，但该解决方案具有以下缺点。用垫圈(例如O形环等)在高压室中获得导孔。在垫圈或O形环泄漏的情况下，这将导致高压流体泄漏在平衡室内部，并且经由截止件中的轴向孔泄漏到中压室中。从第一级接收可呼吸气体的第二级通常是所谓的下游阀，即中压起作用以打开阀本身的阀。如果中压由于来自平衡室的泄漏而增加，则第二级在其能够保持之前进行保持，之后它开始使空气通过，这可以从小的泄漏变化到带其明显指示的、可呼吸气体的不可控制的泄漏的“灾难性故障”。

由文献FR2774062已知了这种类型的解决方案。如通过附图清楚地显而易见，在图1中详细示出所提出的解决方案，示出了柱塞截止件，其杆具有用于容纳以109表示的棒的孔，而与以112表示的阀座相对的杆的端部具有用于容纳棒的孔的延伸部，该延伸部通向以113表示的平衡室，从而使平衡室与以102表示的中压室连通。根据FR2774062的装置因此具有遭受现有技术缺点的结构。

网页www.badfishdivers.com/how-to-choose-the-right-regulator/上描述了另一种已知设备。在该公开中示出了第一级，其中柱塞截止杆没有在止于平衡室的底座中以密封的方式滑动，因此平衡室与高压室连通，如由表示高压区域的深蓝色的空气清楚地指示的那样，而中压区域显示为蓝色。而另一个解决方案相反地示出了平衡室和中压室之间的连接，因此构造了与参考文献FR2774062的前述装置功能类似的解决方案。

在前述两种情况下，由于平衡室没有以密封的方式关闭或者不能以密封的方式关闭，已示的解决方案具有前述的缺点并且不适合克服本发明所基于的问题。

发明内容

本发明的目的是实现一种没有这个缺点的减压阀。

本发明的另一个目的是实现一种可靠，易于实施且便宜的减压阀。

本发明以一种压力调节装置(例如用于水下使用的第一隔膜级)实现了该目的，该装置包括：主体，该主体设置有连接到可呼吸的高压气源的入口以及用于具有比输入气压低的压力的可呼吸气体的出口，所述主体被分隔成至少一个与所述入口连通的高压气室，以及与所述出口连通的中压气室，中压气室通过减压阀与高压气室连通。

减压阀包括：在将高压室与中压室分隔开的壁上形成的阀座，以及由连接到杆的扩口头部组成的截止件，该扩口头部与所述阀座协作用于关闭和打开所述阀。

截止件可在高压室内部沿着杆的纵向轴线在两个方向上移位，使得扩口头部以交替的方式行进以与所述座分离并且远离所述座以打开阀以及行进成移近并抵靠所述阀座以关闭阀。

杆由于密封垫圈(例如O形环等)以滑动且密封的方式被支撑在高压室中的、与设置有所述阀座的壁相对的所谓平衡室中，所述开口不与装置的其他部分连通，使得在装配过程中所述室中的压力大体上为环境压力，并且不会影响由截止件对阀座施加的推力。平衡室限定了截止件关于截止件在高压室闭合位置中朝向中压室的移位方向的后面的区域，并且该术语在下文中与平衡室交替使用。

由于这个原因，如果密封元件发生故障并且因此高压流入平衡室，则所获得的效果是中压的降低，这是因为截止件后面的压力有助于推动截至件自身朝向关闭高压室和中压室之间的通道的位置。这导致中压值低于为获得关闭所需的标称值。中压的降低与气瓶压力成比例并导致性能恶化，但必须将其视为上述灾难性故障的替代方案。事实上，在上述条件下，潜水员具有在呼吸空气供给方面表现稍差的第二级，而替代具有不受控制地分配可呼吸气体的第二级。遇到这种泄漏，必须检查并测试第一级分配器，但是当在潜水期间出现该问题时，与根据现有技术的替代方案相比，将可以以更少的困难进行潜水。

替代的实施例设置了使用安全阀，该安全阀将截止件的后部区域与外部环境连通，以便在关闭截止件的方向上减轻高压推力效应。

在实施例中，安全阀可以有利地是自动阀，该减压阀被校准成当平衡室内部的压力大于给定阈值时打开。该阈值甚至可以为零，即，截止件下的区域永久地与外部环境连通。这将导致，在高压气体越过平衡室垫圈的情况下，气泡在截止件下没有任何压力积累的情况下从第一级泄漏。

根据另一示例性实施例，可选地或组合地，也可以设置使用可手动操作的安全阀，使得潜水员可以减小在阀关闭方向上施加在截止件上的压力(当他/她认为这对于他/她的呼吸能力来说太高的时候)。

附图说明

从以下对附图所示的一些示例性实施例的描述中，本发明的这些和其它特征和优点将更加明显，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的压力调节装置，具体地是用于水下使用的具有侧向高压气体入口的第一隔膜级的纵向截面。

图2示出了前图的放大图，带有突出显示的在闭合以及打开截止件的方向上作用在截止件上的力。

图3示出了根据现有技术的装置中的通过改变浸入深度的中压Pi的趋势。

图4示出了与图3相同的曲线，其具有利用根据本发明的装置获得的叠加曲线。

图5示出了对于不同的气瓶压力值，具有整体O形环泄漏的中压/深度曲线的趋势。

具体实施方式

参考图1，压力调节装置设置有主体，该主体在至少被分隔出一个具有用于高压气体311的入口的高压室301以及所谓中压室302的低压室，其带有降低了压力的气体312的出口。

高压室301通过形成在分隔所述高压室301与所述中压室302的分隔元件303上的阀座313与中压室302隔开，该阀座313与在本说明书中也称为提升阀的柱塞截止件1协作。该柱塞截止件1在高压室301内部沿着所述高压室301的纵向轴线移动，其以交替的方式行进以与所述阀座313分离并且远离所述阀座313以打开阀；以及移近并抵靠所述阀座313以关闭阀。

可以设置引导元件，用于引导截止件1在所述高压室301内部的轴向运动。

截止件1由杆101组成，该杆101连接到相对于所述杆101的径向扩口头部102，优选地制成一体。扩口头部102具有面向阀座313的一侧，以及与阀座313相对并且与向着截止件1到所述阀座的接近方向相对的后侧。

截止件1由耐高压的硬质材料(例如金属等)构成，具有相对柔软的表面，在该表面处该截止件1与密封表面接合，即与阀座的环形唇接合。

阀座313由形成在将所述高压室301与所述中压室302分隔开的分隔元件303上的开口构成，该开口具有刚性材料的环形密封唇并且具有尖脊，该尖脊能够与柱塞截止件1的扩口头部102的上表面协作以便在截止件1处于关闭位置时确保所述阀座313的完美密封。

柱塞截止件1在其内部具有盲孔，该盲孔具体地与杆和扩口头部102同轴并且在轴向穿过所述扩口头部102和所述杆101直到给定的深度，以便形成构成机械致动器的推力轴6的外壳底座。

因此，杆101的与扩口头部102相对的端部朝向平衡室501完全关闭，即它具有实心的横截面。

杆101的与扩口头部102相对的端部，由于设置成用于隔离所述开口的垫圈元件5(例如O形环等)，以密封且滑动的方式被支撑于平衡室501中，该平衡室501形成在与具有阀座313的壁相反的壁上。

高压室301的底部是弹性元件500(例如弹簧)的支撑基座，其调整成在操作压力调节装置期间，在关闭状态下将截止件1推靠在阀座上。

根据实施例，如图1所示，所述与阀座313相对的壁包括封闭高压室301的塞子，该塞子拧入所述高压室的螺纹末端长度。由于O形环而获得密封，并且面向高压室的内部的一侧具有凹口，该凹口特别是与截止件1的杆101同轴而形成平衡室501。

推力轴6终止于弯曲室801中，在那里该推力轴6与盘421接合，该盘421位于可弹性变形的隔膜2上，隔膜2具有面向与外部环境连通的腔室的壁，并且弹性预载荷401作用在该壁上，使得外部环境的压力和弹性预载荷引起隔膜2自身在分配阀吸入时的打开方向上，即在远离阀座313的截止件1的方向上的弯曲。

事实上，众所周知，在用于水下使用的第一隔膜减压级中，其功能是将进入的空气(即第一级所连接到的气瓶的压力)减少到预定中压加上环境压力，潜水员的空气需求在中压室302的内部产生低气压，该低气压引起弹性隔膜2的变形。推力轴6将隔膜2的运动传递给阀机构，即截止件1。因此，当需要空气时，截止件1从阀座313移开并允许气体从连接到气瓶的高压室301朝向中压室302流动并且因此通过出口312朝向用户流动。当潜水员没有吸气时，设定由压力和弹性元件即弹簧引起的力的平衡状态，使得截止件1保持抵靠阀座313并且相对于阀座313密封并且阀保持关闭。

通过D1表示隔膜2的直径，D4表示推力轴6的直径，D3’表示在中压室302和高压室301之间的分隔元件303中获得的、在其内部插入了推力轴的孔的直径，并且用D3表示平衡室501的内径，表示作用在截止件1上的力的平衡的等式可以用第一近似来写出，以突出本发明的特征。

通过用A₁，A₃，A₃’，A₄表示对应于直径D1，D3，D3’和D4的表面，Pi表示来自中压室302的输出压力，P_H表示到高压室301的输入压力，Pa表示环境压力，Px表示平衡室中作用在截止件的杆101的、与阀座313相对的端部上的压力，k₁表示弹簧401的模数，X₁表示相对于弹簧401的平衡位置的压缩量，k₂表示弹簧500的模数，X₂表示相对于弹簧500的平衡位置的压缩量，如图2所示，在截止件打开方向上，以下力起作用：

1)Pa*α*A₁

2)k₁*X₁

3)Pi*(A₃’-A₄)

其中α是几何缩减系数，它是D1，D2以及隔膜2的机械特性的函数。为简单起见，我们用A₂代替。

而在截止件闭合方向，以下力起作用：

1)Px*A₃

2)P_H*(A₃’-A₃)

3)k₂*X₂

4)Pi*(A₂-A₄)

从中获得

k₁X₁+PaA₂+Pi(A₃'-A₄)＝Pi(A₂-A₄)+P_H(A₃'-A₃)+PxA₃+k₂X₂ (1)。

通过用kX＝k₁X₁-k₂X₂表示并进行简化，我们获得：

Pi(A₂-A₃')＝kX+PaA₂-P_H(A₃'-A₃)-PxA₃ (2)

对于到目前为止提到的内容，Px有各种可能的值：

-Px＝Pi是已经描述的已知技术；

-Px＝0或大气压力，在组装步骤中：它是本发明最容易的实施例目的；

-Px＝Pa：截止件后面的区域，即平衡室501中的杆101的后端与外部环境接触；

-Px＝Pa+15巴：是设置有安全阀的状态，当达到阈值(例如15巴)时，该安全阀打开。

该等式支撑了穿透截止件以将中压带至平衡室501这样的根据已知技术的装置中的选择，即在截止件1的杆101的与阀座313相对的端部的头侧，或者更一般地，在关于所述截止件1接近阀座313的接近方向上的截止件后面的区域中。在这种情况下，事实上，Px＝Pi，由此公式(2)采取如下形式：

如果A3与A3’保持尽可能相等，则不仅来自气瓶的高压不会影响出口，而且中压与外部压力呈线性关系，该线性关系表达为：

Pi＝Pa+k'X(4)

其中k’＝k/A₂。通过校准弹簧使得k’X为10巴，获得中压和环境表面压力之间的差值等于10巴，这代表了这种类型的装置的最佳值，特别是，这样的值不依赖于浸入深度和气瓶压力。

实际上，由于不可避免的公差，尤其是由于阀的几何形状，表面A₃和A₃’几乎不能被认为是相等的，在阀的几何形状中阀座的圆顶形构造导致作用有高压的有效表面在扩口头部102的后面与其前面上是不同的，同样在截止件101的直径与在中压室302和高压室301之间的分隔元件303的孔的直径完全匹配的情况下也是不同的。

例如，从等式(3)可以验证，通过假设A₂的典型值等于30A₃，在A₃’和A₃之间的差异为10％时，即A₃’＝1.1A₃，将导致在气瓶压力P_H从200巴变化到50巴的过程中中压Pi从0.6巴变为0.15巴，这是一个可以忽略不计的值，由此考虑到这一事实，在实践中我们可以认为A₃’＝A₃并简化力平衡方程。

与该理论相反，本发明人认识到，通过使提升阀变盲，即不允许中压流到截止件的后部，可以获得与根据现有技术的调节装置的性能相当的性能。

在这种情况下，Px取0值，因此等式(2)变成：

Pi(A₂-A₃')＝kX+PaA₂-P_H(A₃'-A₃) (5)

如果A3＝A3’，我们得到

其中k’＝k/(A2-A3)。通过校准弹簧使得k’X采用与上面相同的值(例如10巴)，获得了中压随深度的增加而增加，其受到因子A2/(A2-A3)的不利影响，该因子通过使得A2＝30A3而约等于1.03。这意味着，在平衡的提升阀的理想条件下，即A3’＝A3，盲孔总是确保与外部压力成线性关系的趋势，但是角系数有约3％的增加。

图3示出了中压Pi通过改变浸入深度的趋势，其是通过校准弹簧以便具有10巴的表面压力(与纵坐标轴的交点)而获得的。

图4示出了与图3相同的曲线，其具有利用根据本发明的盲式提升阀获得的叠加曲线，初始校准是相同的。正如预期的那样，尽管斜率较大，在60米处变化为0.2巴，但是趋势总是线性的。

以增加线斜率为代价，根据本发明的装置除了更容易实现以外，还允许补偿由来自传统提升阀中的O形环5的泄漏引起的缺陷。事实上，在后者中，提升阀杆的引导开口中的高压泄漏导致高压直接通向中压室，带有如已经描述的那样的第二级的后续故障。

在根据本发明的装置中，引导开口501中的高压泄漏导致趋向于关闭阀的力增加(Px从0变为P_H)，该增加通过中压的减小来补偿，因此导致设备操作最多会使得呼吸变的困难一点，这是因为缺乏由中压来致动第二级的贡献且因此用户必须施加更强烈的吸气动作。

图5示出了对于不同的P_H值，在O形环5整体泄漏的情况下中压/深度曲线的趋势。在非常高的气瓶压力的情况下，潜水员所需的努力可能导致过度，但是在紧急情况下，它要好于在根据现有技术的装置中显示的并且包括不受控制的气体泄漏的替代方案。此外，在根据本发明的装置的泄漏情况下，潜水员可以通过推动第二级排水管来帮助吸气。根据实施例，如所描述的，通过设置可以以自动的方式或通过手动潜水员致动的方式起作用的减压阀，仍然可以将引导开口501与外部环境连通。

在文本和附图中，筒形几何形状指示了高压室和中压室以及减压阀，该几何形状是最适合通过机械加工而获得的。此外，加压容器为了控制应变几乎总是具有筒形几何形状。然而，所描述和要求保护的发明构思不限于所述几何形状，可以为所述腔室和所述阀设置任何类型的几何形状，例如具有多边形平面形状的腔室。

该装置可以以建设性的方式广泛地变化。例如，它可以调整成用于不在水下的任何压力调节级，例如在紧急情况下用于分配空气或其他气体的装置，其在其内部设置有从高压到低压或者使用压力的气体减压阀，该阀由阀座组成，该阀座可以通过柱塞截止件来打开或关闭。所有这些都不脱离前面描述的以及下面权利要求所保护的指导原则。

Claims (7)

1.一种压力调节装置，例如用于水下使用的第一隔膜级，所述装置包括：

-主体，所述主体设置有被连接到可呼吸的高压气源的入口(311)以及用于具有比输入气压低的压力的可呼吸气体的出口(312)，所述主体被分隔成至少一个与所述入口(311)连通的高压气室(301)，以及与所述出口(312)连通的中压气室(302)，并且所述中压气室(302)通过减压阀与所述高压气室(301)连通，

-所述减压阀包括：在将所述高压室(301)与所述中压室(302)分隔开的壁(303)上形成的阀座(313)，以及包括被连接到杆(101)的扩口头部(102)的截止件(1)，所述扩口头部与所述阀座协作以用于关闭和打开所述阀，

-所述截止件(1)能够在所述高压室(301)的内部沿着所述杆的纵向轴线在两个方向上移位，使得所述扩口头部(102)以交替的方式行进以与所述座分离并且远离用于打开所述阀以及行进以移近并抵靠所述阀座(313)用于关闭所述阀；

-弹性变形的隔膜(2)，所述隔膜是能够弹性预加载(401)的，所述隔膜暴露于所述装置外部的压力并将所述中压室与所述外部环境以密封的方式隔开，所述隔膜控制机械致动器(6)，所述机械致动器用于除所述中压室(302)中的压力之外沿着打开方向推动所述截止件(1)，

其特征在于

-所述杆(101)由于密封垫圈(5)例如O形环等以滑动且密封的方式被支撑在所述高压室的与设置有所述阀座(313)的所述壁相对的壁上的开口(501)中，所述开口(501)不与所述装置的其他部分连通，使得所述开口中的压力大体上为零，或者不管怎样不影响由所述截止件(1)对所述阀座(313)施加的推力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述截止件(1)具有盲孔，所述盲孔轴向穿过所述扩口头部(102)和所述杆(101)直到给定的深度，以便形成构成所述机械致动器的推力轴(6)的外壳底座。

3.根据权利要求2所述的装置，其中在所述高压室(301)中，具有弹性元件(500)作用在所述截止件(1)上以关闭所述阀，而可变形的隔膜(2)作用在所述机械截止件(6)上，弹簧(401)和所述环境压力(Pa)又作用在所述隔膜(2)上以打开阀，使得在所述截止件(1)上，以下的力总体起作用：

-所述平衡机构的所述弹簧(2)的弹力(k₁·X₁)；

-所述高压室(301)的所述弹簧(500)的弹力(k₂·X₂)；

-由于高压P_H作用在所述截止件头部上的力(P_H·(A₃’-A₃))；

-由于所述中压作用在所述隔膜上的力(Pi·(A₂-A₄))；

-由于所述中压作用在所述截止件的扩口头部(102)上的力(Pi·(A₃’-A₄))；

-由于所述环境压力作用在所述隔膜上的力(Pa·A₂)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述截止件(1)的头部(102)和所述阀座(313)的尺寸和形状用于最小化由所述高压对所述截止件(1)施加的力。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的装置，其中存在安全阀，所述安全阀将由所述引导开口(501)形成的室与所述外部环境连通。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述安全阀是自动阀，所述自动阀被校准成当所述引导开口(501)内部的压力高于给定阈值时打开。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其中所述安全阀能够手动操作，以便当所述密封垫圈(5)引起所述引导开口(501)中的高压泄漏时，减小被施加在所述截止件上的压力以关闭所述阀。