CN109667968A - 平衡式阀芯结构的减压阀 - Google Patents

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缪立峰
朱青可
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Abstract

本发明提供了平衡式阀芯结构的减压阀，包括阀体、阀盖、阀杆、调压装置以及丝杆调节装置，阀体上设有回转腔、进气口以及出气口；回转腔由阀体下部的内腔孔、阀体中部的进气腔以及阀体上部的出气腔组成；调压装置包括调压弹簧以及膜片组，膜片组用于封住阀体的出气腔，膜片组由中心螺钉、中心螺母、膜片以及膜片挡板组成；阀杆的中部设有锥形台，阀杆的底端中心设有内孔，阀杆的上部设有径向孔，内孔从阀杆的下部向上通与阀杆上部的径向孔连通，且与阀杆的顶端不通，阀杆的底端与内腔孔之间形成平衡腔，阀杆的顶端穿过阀座、阀座螺钉将中心孔堵住，形成安全阀口；此时，阀杆的锥形台顶住阀座内腔，形成阀开关口。本发明流量大，出气压力稳定。

Description

平衡式阀芯结构的减压阀
技术领域
本发明涉及减压阀，特别涉及平衡式阀芯结构的减压阀。
背景技术
在工业及民用领域经常需要使用不同的气体，如工业气体焊接，检验室检验，半导体行业、医疗或食品包装业等领域。为便于气体贮存、运输，以及经济性考虑，气体通常是被压缩储存于高压气瓶中，使用时根据需要使用减压阀将气体压力降低到使用所需压力。
对于大多数单瓶供气的场合，使用流量小，减压阀也较小，受结构的限制，减压阀一般都采用普通非平衡式阀芯结构，如图1所示。主要包括：阀体(1)，阀座密封(2)，阀座螺钉(3)，阀杆(4)，阀副杆(5)，阀杆复位弹簧(6)，复位弹簧座(7)，膜片(8)，膜片挡板(9)，调压弹簧(10)，上盖(11)，丝杆调节装置(12)。通过膜片(8)下表面感应出气压力的作用力，与调压弹簧(10)的预置力、阀杆复位弹簧力、以及进出气压力对阀杆(4)的作用力形成力平衡关系，控制阀杆(4)与阀座密封(2)的开度，基本能保持输出压力稳定。
减压阀初始使用时，气瓶中储存压力很高，进气压力P1’在10-20MPa以上，使用末了时，气瓶残留压力较低，P1"在1MPa左右。减压阀进气压变化较大，会影响到输出压力P2的稳定性。
阀杆上的受力图，见图2：
阀杆上受向上的力有：
复位弹簧力：Fr
进出气压力对阀杆的作用力：F1＝(P1-P2)·A1(A1为阀口面积)
出气压力对膜片的作用力:F2＝P2·A2(A2为膜片当量受力面积)
调压弹簧加载力：Fs
假设忽略摩擦阻力
侧阀芯上受力的平衡方程为：
Fs＝Fr+F1+F2——(1)
即：F2＝Fs-Fr-F1＝Fs-Fr-(P1-P2)·A1——(2)
由于在同一工况下，可以认为弹簧的力是不变的，即Fs，Fr是不变的。若P2',P2"为前后出气压力值，当进气压力变化时，侧有：
(P2“-P2')·A2＝(P1'-P1")·A1+(P2“-P2')·A1——(3)
令：ΔP2＝(P2“-P2')
上两式代入式(3)得：
ΔP2＝[(P1'-P1")·A1]/(A2-A1)——(4)
从式(4)中可以看出，进气压力变化时，出气压力会随之变化。影响出气压力变化的主要是阀口面积和膜片面积。受加工工艺及的限制，阀口面积A1不能做的太小。受外形尺寸及成本的限制，膜片面积A2又不能做的太大。
实际使用中，进气压力有10-20倍的变化率，目前的减压阀出气压力都产生10％-20％的大小不等的变化。对于像医用呼吸麻醉设备，通常使用时只能降低要求使用，如提高气瓶残留压力。除不经济外，医用呼吸麻醉设备的性能也受影响。对于一些高要求的使用场合，通常只能采用结构更复杂、成本更高的双级减压或多级减压，降低末级减压阀的进气压力变化率，从而稳定输出压力。
从式(2)、(3)可以看出，影响ΔP2大小的主要是进出气压力对阀杆的作用力F1，若进出气压力对阀芯的作用力F1为零时，在同工况下侧：ΔP2＝0，即进气压力变化不影响出气压力。而F1只与进出气P1，P2以及阀杆的受力面积A1有关。因阀流量性能的需要，阀口面积是不能减少太多的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种保持或加大阀口面积，平衡了进出气压力对阀杆的作用力，使阀杆上下的压差为零，则进气压力变化对出气压力的影响基本为零的平衡式阀芯结构的减压阀。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
平衡式阀芯结构的减压阀，包括阀体、阀盖、阀杆、调压装置以及丝杆调节装置，阀体上设有回转腔、与回转腔导通的进气口以及出气口；回转腔由阀体下部的内腔孔、阀体中部的进气腔以及阀体上部的出气腔组成；阀座通过阀座螺钉安装在进气腔的台阶上，阀座螺钉中部设有通孔，通孔与内腔孔的竖直中心轴线在一条直线上，阀座螺钉内部设有流道，流道与通孔、出气腔导通；
调压装置包括调压弹簧以及膜片组，膜片组用于封住阀体的出气腔，膜片组由中心螺钉、中心螺母、膜片以及膜片挡板组成；中心螺钉为倒T型，具有中心孔，中心孔的底部为锥面；
膜片套设在中心螺钉上，且阀盖压合在阀体上，膜片挡板套设在中心螺钉上且位于膜片上方，中心螺母螺旋设置在中心螺钉上对膜片挡板进行固定；
调压弹簧套设在中心螺钉上，调压弹簧的上端与丝杆调节装置连接，调压弹簧的下端位于膜片挡板上；
进气腔内由上而下依次设有阀杆复位弹簧、复位弹簧套、密封圈以及密封挡圈，阀杆下部依次插入含阀杆复位弹簧、复位弹簧套、密封圈、密封挡圈的阀体内腔孔的中央；
阀杆的中部设有锥形台，阀杆的底端中心设有内孔，阀杆的上部设有径向孔，内孔从阀杆的下部向上通与阀杆上部的径向孔连通，且与阀杆的顶端不通，阀杆的底端与内腔孔之间形成平衡腔，阀杆的顶端穿过阀座、阀座螺钉将中心螺钉的中心孔堵住，形成安全阀口；此时，阀杆的锥形台顶住阀座内腔，形成阀座开关口；阀杆的径向孔与阀座螺钉的流道导通；平衡腔通过内孔、径向孔、流道与出气腔接通。
在本发明的一个实施例中，所述阀体为带回转腔的柱状体，回转腔上部敞开，向下部呈多台阶状收缩状，回转腔上部大腔内的台阶孔为螺纹孔。
在本发明的一个实施例中，流道设置在阀座螺钉上部的螺钉帽上。
在本发明的一个实施例中，阀座为带台阶内腔的回转体，上下两端敞开贯通。
在本发明的一个实施例中，密封圈为O形圈，密封挡圈为矩形断面的环状体。
在本发明的一个实施例中，复位弹簧套为带一个台阶内腔的回转体，上端开口大，下端开口小。
在本发明的一个实施例中，膜片为带中心孔的弹性薄片圆板，膜片挡板为带中心孔圆形平板。
在本发明的一个实施例中，阀座开关口与锥形台之间设有阀座密封，阀座密封为矩形断面的环状体。
在本发明的一个实施例中，阀盖为钟形盖，阀盖与阀体之间通过螺钉连接。
在本发明的一个实施例中，丝杆调节装置可上下调节的穿过阀盖，其底部通过弹簧压板与调压弹簧上端连接。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明在保留原有减压阀特点的情况下，通过加粗阀杆(在阀杆中布置平衡孔)，增大阀座开关口，在阀体内腔孔布置密封圈，其阀杆加粗后，阀座开关口也加大，阀的流量加大，阀杆顶端还有足够的尺寸，可与中心螺钉形成安全阀口，通过安全阀口的关闭起到安全阀的作用，并且安全阀的开启压力不是固定，而是随着设定压力改变而改变，应用中更适用，安全性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为非平衡式阀芯结构的减压阀剖视图；
图2为非平衡式阀芯结构的减压阀阀杆的受力图；
图3为本发明减压阀装配图；
图4为图3中A的放大图；
图5为本发明减压阀工作原理图；
图6为本发明减压阀阀杆的受力图。
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。
参见图3至图5所示，本发明公开了平衡式阀芯结构的减压阀，包括阀体1、阀盖15、阀杆2、调压装置以及丝杆调节装置16。
阀体1为带回转腔、进气口1a以及出气口1b的柱状体，进气口、出气口与回转腔导通，回转腔上部敞开(即出气腔103上部敞开)，向下部呈多台阶状收缩状，回转腔上部大腔内的台阶孔为螺纹孔；回转腔由阀体下部的内腔孔1c、阀体中部的进气腔102以及阀体上部的出气腔103组成，进气腔102与进气口1a导通，出气腔103与出气口1b导通；进气腔102在阀体的内壁上形成台阶102a，台阶上设有内螺纹。
阀座5为带台阶内腔的回转体，上下两端敞开贯通；阀座5通过阀座螺钉4安装在进气腔102的台阶102a上，阀座螺钉4与台阶102a、阀座5螺纹连接实现固定，拧紧阀座螺钉4将阀座5下端与阀体1内部台阶102a压紧密封，阀座螺钉4中部设有通孔4a，通孔4a与内腔孔1c的竖直中心轴线在一条直线上，阀座螺钉4内部设有流道4b，流道4b设置在阀座螺钉4上部的螺钉帽4c上，流道4b与通孔4a、出气腔103导通。
调压装置包括调压弹簧14以及膜片组110，膜片组110用于封住阀体1的出气腔103，膜片组110由中心螺钉12、中心螺母13、膜片10以及膜片挡板11组成；中心螺钉12为倒T型，具有中心孔12a，中心孔的底部为锥面12b。
膜片10为带中心孔的弹性薄片圆板，不仅限于此，亦可用其他形状弹性膜片，膜片10套设在中心螺钉13上，且阀盖15压合在阀体1上；膜片挡板11为带中心孔圆形平板，膜片挡板11套设在中心螺钉12上且位于膜片10上方；中心螺母13为普通形式螺母，中心螺母13螺旋设置在中心螺钉13上对膜片挡板11进行固定。
调压弹簧14为标准圆柱弹簧，调压弹簧14套设在中心螺钉12上，调压弹簧14的上端与丝杆调节装置16连接，调压弹簧14的下端位于膜片挡板11上。
丝杆调节装置16为普通丝杆调节装置，不仅限于此，亦可用其通用型丝杆调节形式，丝杆调节装置16可上下调节的穿过阀盖15，其底部通过弹簧压板17与调压弹簧14上端连接。
进气腔102内由上而下依次设有阀杆复位弹簧8、复位弹簧套9、密封圈6以及密封挡圈7，阀杆2下部依次插入含阀杆复位弹簧8、复位弹簧套9、密封圈6、密封挡圈7的阀体内腔孔1c的中央；密封圈6为弹性材料O形圈，不仅限于此，亦可用其轴向密封圈；密封挡圈7为矩形断面的环状体，密封挡圈7防止高压气体将密封圈6挤压损坏；阀杆复位弹簧8为标准圆柱弹簧；复位弹簧套9为带一个台阶内腔的回转体，上端开口大，下端开口小，复位弹簧套9防止高压气流直接冲击弹簧，保护弹簧免受冲击。
阀杆2的中部设有锥形台2a，阀杆2的底端中心设有内孔2b，在阀杆2中心开内孔，使得阀杆2外径加大了，阀座密封2的阀口也相应加大，减压阀的流量也增大了；阀杆2的上部设有径向孔2c，内孔2b从阀杆2的下部向上通与阀杆上部的径向孔2c连通，且与阀杆2的顶端不通，阀杆2的底端与内腔孔1c之间形成平衡腔101，阀杆2的顶端穿过阀座5、阀座螺钉4将中心螺钉12的中心孔12a堵住，形成安全阀口220；此时，阀杆2的锥形台2a顶住阀座内腔，形成阀座开关口210，阀座开关口210与锥形台2a之间设有阀座密封3，阀座密封3为矩形断面的环状体；阀杆2的径向孔2c与阀座螺钉4的流道4b导通；平衡腔101通过内孔2b、径向孔2c、流道4b与出气腔103接通。
本发明的工作原理如下：
工作时，进气口1a接入高压气源，出气口1b接上控制阀，在未设置输出压力前，阀杆复位弹簧8将阀杆2向上推，将上述的阀座开关口210关闭，阀关闭。
使用时根据需要调节丝杆调节装置16，丝杆调节装置16下移压缩调压弹簧14，由膜片挡板11、中心螺钉12将力传给阀杆2，使阀杆向下移动，开启阀座开关口210，设置输出压力。
进气由气源接入，气体从进气口1a进入进气腔102，通过阀座开关口210节流进入出气腔103，再从出气口1a输出；当出气腔103压力达到设定压力时，出气腔103压力作用于膜片组110，推动中心螺钉12向上，压缩调压弹簧14，阀杆2复位，关闭阀座开关口210，输出压力保持在设定值；若输出压力降低时，又重新开启阀座开关口210，补充气压，始终保持输出压力恒定。
若阀座开关口210出现故障不能完全关闭或其他内部门密封故障时，输出压力会高于设定输出压力，膜片组110受力后，中心螺钉12会继续向上升，而阀杆2受阀座密封5的限制不能再向上，中心螺钉12中心孔的底部锥面12b与阀杆2上部顶端配合脱开，中心螺钉12中心孔的底部锥面12b被打开，即安全阀口220开启，排除过多的气体至外部，直至输出压力降至设定压力，重新恢复中心螺钉12中心孔的底部锥面与阀杆2上部顶端配合，安全阀口220关闭，起到安全阀的作用；并且安全阀口220的开启压力不是固定，而是随着设定压力改变而改变，应用中更适用，安全性更高。
阀杆2下端的直径大小与阀座密封3的孔径大小一致，阀杆3中的平衡孔104将阀体下端平衡腔101的与出气腔103导通，两腔压力一致，平衡了阀杆2上下端的的作用压力，故阀杆2不受进出气压力的作用，当进气压力变化时，基本不会影响到出气压力。
参见图6所示，本发明阀杆的受力原理为：
在阀杆上增加内孔和径向孔，将阀杆底部的平衡腔与出气口P2连通，阀杆下部增加密封圈，使阀杆底部与进气高压隔离，这样在阀口面积内，上下压力均为P2,压差为零，F1为零。
以上显示和描述了本发明的基本原理和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 (10)

1.平衡式阀芯结构的减压阀，包括阀体、阀盖、阀杆、调压装置以及丝杆调节装置，阀体上设有回转腔、与回转腔导通的进气口以及出气口；其特征在于，
回转腔由阀体下部的内腔孔、阀体中部的进气腔以及阀体上部的出气腔组成；阀座通过阀座螺钉安装在进气腔的台阶上，阀座螺钉中部设有通孔，通孔与内腔孔的竖直中心轴线在一条直线上，阀座螺钉内部设有流道，流道与通孔、出气腔导通；
调压装置包括调压弹簧以及膜片组，膜片组用于封住阀体的出气腔，膜片组由中心螺钉、中心螺母、膜片以及膜片挡板组成；中心螺钉为倒T型，具有中心孔，中心孔的底部为锥面；
膜片套设在中心螺钉上，且阀盖压合在阀体上，膜片挡板套设在中心螺钉上且位于膜片上方，中心螺母螺旋设置在中心螺钉上对膜片挡板进行固定；
调压弹簧套设在中心螺钉上，调压弹簧的上端与丝杆调节装置连接，调压弹簧的下端位于膜片挡板上；
进气腔内由上而下依次设有阀杆复位弹簧、复位弹簧套、密封圈以及密封挡圈，阀杆下部依次插入含阀杆复位弹簧、复位弹簧套、密封圈、密封挡圈的阀体内腔孔的中央；
阀杆的中部设有锥形台，阀杆的底端中心设有内孔，阀杆的上部设有径向孔，内孔从阀杆的下部向上通与阀杆上部的径向孔连通，且与阀杆的顶端不通，阀杆的底端与内腔孔之间形成平衡腔，阀杆的顶端穿过阀座、阀座螺钉将中心螺钉的中心孔堵住，形成安全阀口；此时，阀杆的锥形台顶住阀座内腔，形成阀座开关口；阀杆的径向孔与阀座螺钉的流道导通；平衡腔通过内孔、径向孔、流道与出气腔接通。
2.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，所述阀体为带回转腔的柱状体，回转腔上部敞开，向下部呈多台阶状收缩状，回转腔上部大腔内的台阶孔为螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，流道设置在阀座螺钉上部的螺钉帽上。
4.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，阀座为带台阶内腔的回转体，上下两端敞开贯通。
5.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，密封圈为O形圈，密封挡圈为矩形断面的环状体。
6.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，复位弹簧套为带一个台阶内腔的回转体，上端开口大，下端开口小。
7.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，膜片为带中心孔的弹性薄片圆板，膜片挡板为带中心孔圆形平板。
8.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，阀座开关口与锥形台之间设有阀座密封，阀座密封为矩形断面的环状体。
9.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，阀盖为钟形盖，阀盖与阀体之间通过螺钉连接。
10.根据权利要求1所述的平衡式阀芯结构的减压阀，其特征在于，丝杆调节装置可上下调节的穿过阀盖，其底部通过弹簧压板与调压弹簧上端连接。
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