CN110242779B - 具有双隔膜及冗余密封的压强加载调节器 - Google Patents

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Abstract

一种流体调节器包括：调节器本体，其具有通过流体流动路径连接的流体入口和流体出口，其中，调节器本体的一部分形成第一腔室；孔口，其设置在流体流动路径内；座部；以及控制元件，其设置在流体流动路径内并且可在与座部间隔开的打开位置与抵靠座部的关闭位置之间移动，其中，该控制元件被布置成响应流体压强变化，以控制通过该孔口的过程流体的流动。隔膜具有与该控制元件可操作地耦接的径向向内部分以及与该调节器本体可操作地耦接的径向向外部分。该隔膜包括夹在两个金属隔膜之间的弹性冗余隔膜，该隔膜提供两个单独的密封。

Description

具有双隔膜及冗余密封的压强加载调节器
技术领域
本公开内容总体上涉及流体控制设备(诸如气体或流体调节器)，并且更具体而言，涉及具有接合控制元件的隔膜对以及该隔膜对之间的冗余密封的流体调节器。
背景技术
典型的流体(例如，气体或液体)分配系统供给气体的压强可以根据对系统、气候、供应源和/或其它因素的需求而变化。然而，大多数配备有气体设备的终端用户设施(诸如，炉具、烤箱等)需要气体根据预定压强并且以气体调节器的最大容量或低于气体调节器的最大容量来输送。因此，在这些分配系统中实现气体调节器，以确保所输送的气体满足终端用户设施的要求。传统的气体调节器通常包括闭环控制致动器，以用于感测和控制所输送的气体的压强。
在这种气体分配系统中典型地采用的流体调节器通常是本领域公知的。一种类型的流体调节器是单级压强调节器，其用于在单个步骤中将输入或源压强降低到出口或输送压强。另一种类型的流体调节器是双级调节器，其在两个步骤中将入口压强降低到出口压强。
在压强调节器中，多个环境和/或机械因素可能影响调节器性能。因此，可能令人期望的是，提供一种流体或气体调节器，该流体或气体调节器呈现出降低的或最小化的由于环境和/或机械因素而引起的不利影响。在一些高压或恶劣环境的调节器中，采用金属隔膜来延长调节器的使用寿命。在一些其它高压或恶劣环境的调节器中，采用双金属隔膜来进一步延长调节器的使用寿命。
发明内容
根据第一示例性方面，一种流体调节器包括：调节器本体，其具有通过流体流动路径连接的流体入口和流体出口，所述调节器本体的一部分形成第一腔室；孔口，其设置在流体流动路径中并通向座部。控制元件设置在所述流体流动路径内并且能够在打开位置与关闭位置之间移动，所述控制元件在所述打开位置与所述座部间隔开，并在所述关闭位置抵靠所述座部。所述控制元件被布置成响应流体压强变化以控制通过所述孔口的过程流体的流动。致动器附接到所述调节器本体，所述致动器操作地耦接到所述控制元件，并且被布置成响应所述流体出口中的流体压强变化以在所述打开位置与所述关闭位置之间移动所述控制元件，以便控制通过所述孔口的所述过程流体的流动。所述控制元件操作地耦接到隔膜，所述隔膜包括夹在两个金属隔膜之间的弹性冗余隔膜。
根据第二示例性方面，一种减少调节器中泄漏的方法包括：提供流体调节器，所述流体调节器具有调节器本体，所述调节器本体包括通过流体流动路径连接的流体入口和流体出口。所述调节器具有设置在所述流体流动路径中的孔口以及设置在所述孔口中的座部。控制元件设置在所述流体流动路径内，所述控制元件能够在打开位置与闭合位置之间移动，所述控制元件在所述打开位置与所述座部间隔开，并在所述关闭位置抵靠所述座部。所述控制元件被布置成响应流体压强变化以控制通过所述孔口的过程流体的流动。所述调节器具有附接到所述调节器本体的致动器，所述致动器操作地耦接到所述控制元件并且被布置成响应流体压强变化以在所述打开位置与所述关闭位置之间移动所述控制元件，以便控制通过所述孔口的所述过程流体的流动。提供第一金属隔膜，并通过隔膜的径向向内部分将第一隔膜耦接到所述控制元件。提供第二弹性隔膜，并通过第二隔膜的径向向内部分将第二隔膜耦接到所述控制元件。提供第三金属隔膜，并通过第三隔膜的径向向内部分将第三隔膜耦接到所述控制元件。第二隔膜包括弹性材料，并且将第二隔膜位于第一隔膜与第三隔膜之间。
进一步根据前述第一或第二方面中的任何一个或多个，双级调节器和/或方法还可以包括以下优选形式中的任何一个或多个。
在一些优选形式中，所述弹性材料包括PTFE。在其它实施例中，可以采用其它弹性材料或其它柔性弹性体。
在其它优选形式中，第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜中的每一个都包括与所述控制元件操作地耦接的径向向内部分，并且第一隔膜的径向向内部分通过第二隔膜的径向向内部分而与第三隔膜的径向向内部分轴向地间隔开。第二隔膜的径向向内部分可以具有在0.010英寸到0.001英寸之间的厚度，优选地，厚度在0.007英寸到0.003英寸之间，并且更优选地，厚度大约为0.005英寸。
在其它优选形式中，第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜中的每一个都包括实质上平坦的中心部分和环形平坦的裙部部分。第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜通过力和摩擦保持在一起。在其它实施例中，第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜可以通过粘合剂或通过模制技术保持在一起。
在其它优选形式中，弹簧支承抵靠隔膜板，所述弹簧被定位成朝向所述关闭位置偏置所述控制元件。
在其它优选形式中，外垫圈靠近环形平坦的裙部部分而定位，并且内垫圈靠近平坦的中心部分而定位。
在其它优选形式中，所述外垫圈和所述内垫圈包括上垫圈和下垫圈。
附图说明
图1是根据现有技术的教导组装的传统调节器的剖视图。
图2是根据现有技术的教导组装的包括双隔膜组件的调节器的剖视图。
图3是根据本公开内容的教导组装的具有双金属隔膜以及在这两个金属隔膜之间的冗余密封的调节器的剖视图。
图4是来自图3的区域“参见图4”的特写剖视图。
图5是来自图4的区域“参见图5”的特写剖视图。
图6是来自图4的区域“参见图6”的特写剖视图。
图7是图3的隔膜的剖视图。
具体实施方式
虽然以下文本阐述了本发明的一个或多个示例性实施例的详细描述，但是应当理解的是，本发明的法定范围由本专利的结尾阐述的权利要求的文字来限定。以下详细描述仅被解释为说明性的，而没有描述本发明的每一个可能的实施例，因为描述每一个可能的实施例即便不是不可能的，也是不切实际的。使用当前技术或在本专利的申请日期之后开发的技术可以实现许多替代的实施例，并且这些替代的实施例仍将落入限定本发明的权利要求的范围内。
现在参照附图，图1示出了传统流体调节器10。流体调节器10包括调节器本体11、流体入口12以及流体出口14，流体入口12和流体出口14通过流体流动路径16而连接，流体流动路径16大致延伸通过本体11。流体调节器通常被划分成多个腔室，包括第一腔室18、第二腔室20以及第三腔室22。流体调节器10包括第一孔口24和第二孔口28，第一孔口24设置在流体流动路径16中并通向第一座部26，并且第二孔口28设置在流体流动路径16中并且通向第二座部30。第一控制元件32设置在流体流动路径16内并且可在打开位置(如图1所示)与关闭位置之间移动，在打开位置，第一控制元件与第一座部26间隔开，在关闭位置，第一控制元件抵靠第一座部26(其中控制元件16将被定位到图1的打开位置的左侧)。第一控制元件32被布置成响应流体压强变化以控制通过第一孔口的过程流体的流动。第二控制元件34设置在流体流动路径16内并且可在打开位置(如图1所示)与关闭位置之间移动，在打开位置，第二级控制元件34与第二座部30间隔开，在关闭位置，第二控制元件34抵靠第二座部30。
流体调节器10包括致动器36，该致动器36附接到调节器本体11。致动器36附接到或以其它方式可操作地耦接到第二控制元件34，并且被布置成响应流体出口14的流体压强变化，以在打开位置与关闭位置之间移动第二控制元件34，以便控制通过第二孔口28的过程流体的流动。致动器36可以是常规的致动器，并且根据腔室22中的压强状况，移动与第二控制元件34可操作地耦接的杠杆37，以便打开或关闭第二控制元件34。致动器36包括隔膜、负载弹簧、以及适当的杆或其它适当的联接件(如所已知的)。第一控制元件32可操作地耦接到隔膜38，并且当第一控制元件32处于关闭位置时，隔膜38在腔室18与腔室20之间形成压强边界。弹簧40设置在腔室18中并支承抵靠控制元件32并且朝向打开位置向控制元件施加偏置载荷，而另一个弹簧42设置在腔室20中并且朝向关闭位置向控制元件32施加偏置负载。
在操作中，入口12暴露于供给压强Pi，而出口14暴露于出口或操作压强Po，这是位于下游的需要较低操作压强的气体的设备所需的操作压强。入口压强Pi通常高于出口或操作压强Po。通常，腔室18与排放口44流体连通到大气，并且因此，腔室18处于大气压强Pa。最后，腔室20通常处于入口压强与出口压强之间的中间压强Pm。在操作期间，入口压强通常足够高以使第一控制元件32保持在如图1所示的打开位置。如果入口压强充分下降，则在弹簧42的帮助下，支承抵靠隔膜38的、腔室20内的压强使得控制元件32向左朝向关闭位置移动或移动到关闭位置。
当腔室22中的压强下降时，意味着下游的气体设备处的压强已下降，致动器36中的负载弹簧(该负载弹簧支承抵靠致动器36的隔膜39)克服对隔膜的气体压强。因此，致动器使杆和/或隔膜板向下移动，从而沿某个方向旋转杠杆37以使第二控制元件34远离座部30移动，将附加的气体供给到腔室22中。相反，当腔室22中的压强增加时，致动器使得第二控制元件34朝向座部30移动或移动到座部30，从而降低腔室22上的压强。
图2示出了具有两个隔膜的另一传统流体调节器110。为了便于参考，并且尽可能地，相同或相似的部件将保留与上文关于上述传统流体调节器所概述的相同的附图标记，尽管附图标记将增加100。流体调节器110包括调节器本体111，并且包括流体入口112和流体出口114，流体入口112和流体出口114通过流体流动路径116而连接，流体流动路径116大致延伸通过本体111。应当理解的是，流体沿朝向右侧的下游方向流过流体调节器110，当观看附图时，从朝向入口112定向的上游端朝着朝向出口114定向的下游端。同样地，流体调节器110通常被划分为多个腔室，包括第一腔室118、第二腔室120以及第三腔室122。流体调节器110包括第一孔口124和第二孔口128，第一孔口124设置在流体流动路径116中并通向第一座部126，第二孔口128设置在流体流动路径116中并通向第二座部130。第二座部130由第二孔口配件形成。在所示的示例中，第二孔口包括渐缩的入口。
第一级控制元件132设置在流体流动路径16内并且可在打开位置(类似于图1中所示的位置)与关闭位置之间移动，其中在打开位置，第一控制元件132与第一座部126间隔开，其中在关闭位置，第一控制元件132抵靠第一座部126(如图2所示)。与上文讨论的调节器一样，第一控制元件132被布置成响应流体压强变化以控制通过第一孔口124的过程流体的流动。
第二控制元件134设置在流体流动路径116内并且可在打开位置(类似于图1中所示的位置)与关闭位置之间移动，其中在打开位置，第二控制元件134与第二座部130间隔开，其中在关闭位置，第二控制元件134抵靠第二座部130(如图2所示)。流体调节器110包括致动器136，致动器136附接到调节器本体111。致动器136附接到或以其它方式可操作地耦接到第二控制元件134，并且被布置成响应流体出口114的流体压强变化，以在打开位置与关闭位置之间移动第二控制元件134，以便控制通过第二孔口128的过程流体的流动。致动器136可以是常规的致动器，并且根据腔室122中的压强状况，移动与第二控制元件134可操作地耦接的杠杆137，以便打开或关闭第二控制元件134。致动器136包括隔膜139、负载弹簧、以及适当的杆或其它适当的联接件(如所已知的)，以便将隔膜的向上和向下移动转换为第二控制元件134的适当移动。
第一控制元件132可操作地耦接到第一隔膜138，并且当第一控制元件132处于图2的关闭位置时，第一隔膜138在腔室118与腔室120之间形成压强边界。第一控制元件132还被耦接到第二隔膜150，并且第二隔膜150设置在腔室118中。弹簧140也设置在腔室118中，并且支承抵靠第一控制元件132，以便朝向打开位置向第一控制元件132施加偏置负载。另一个弹簧142设置在腔室120中，并且朝向关闭位置向第一控制元件132施加偏置负载。
现在参考图3，示出了根据本公开内容的教导构造的单级、压强加载的背压调节器210。然而，根据图3中所示的实施例所描述的原理同样适用于图2中所示的实施例。在其它实施例中，所公开的隔膜可以用于单级、压强加载的释放阀或减压调节器。
在一些高压和/或恶劣的操作环境中，调节器210可以采用双金属隔膜以及夹在两个金属隔膜之间的弹性隔膜以形成弹性冗余密封。双金属隔膜和弹性隔膜将在下面更详细地进行讨论。
调节器本体211包括入口212和出口214，入口212和出口214通过流动路径216而连接。一般性地，流体沿朝向右侧的下游方向流过流体调节器210，当观看附图时，从靠近入口212定向的上游端朝向靠近出口214的下游端。同样地，流体调节器通常被划分成多个腔室，包括通过隔膜238分隔开的第一腔室218和第二腔室220。流体调节器210包括设置在流体流动路径216中的孔口224以及设置在孔口224中的座部226。
控制元件232设置在流体流动路径216内并且可在打开位置(类似于图1)与关闭位置之间移动，其中在打开位置，控制元件232与座部226间隔开，其中在关闭位置，控制元件232抵靠座部226。控制元件232被布置成响应流体压强变化以控制通过孔口224的过程流体的流动。
致动器236附接到调节器本体211。致动器236包括致动器壳体246，致动器壳体246容纳致动器弹簧248。致动器弹簧248连接到隔膜板250。在径向外部边缘处，隔膜238在致动器壳体246与调节器本体211之间被压缩。类似地，在径向内部边缘254处，隔膜238在隔膜板250与板盖(plate cap)253之间被压缩。
现在转向图4，更详细地示出了隔膜238。图4是来自图3的区域“参见图4”的特写视图。隔膜238由三个单独的隔膜238a、238b、238c形成。第一隔膜238a和第三隔膜238c可以由金属材料制成。第二隔膜238b可以由弹性材料制成，诸如PTFE或另一柔性弹性体。径向外部上垫圈260a定位于致动器壳体246和第一隔膜238a之间。径向外部下垫圈260b位于调节器本体211与第三隔膜238c之间。类似地，径向内部上垫圈262a位于隔膜板250与第一隔膜238a之间，并且径向内部下垫圈262b位于板盖253与第三隔膜238c之间。
图5和图6分别示出了来自图4的区域“参见图5”和“参见图6”的隔膜238a、238b、238c以及垫圈260a、260b、262a、262b。
三个隔膜238a、238b、238c有利地提供优异的耐用性和泄漏保护。更具体地，弹性冗余的第二隔膜238b密封第一金属隔膜238a与第三金属隔膜238c之间的间隙。在一些实施例中，弹性冗余的第二隔膜238b可以由PTFE制成。在其它实施例中，弹性冗余的第二隔膜238b可以由其它柔性弹性体或其它弹性材料制成。在一些实施例中，弹性冗余的第二隔膜238b可以具有在0.001英寸到0.010英寸之间的厚度，优选地，厚度在0.003英寸到0.007英寸之间，并且更优选地，厚度大约为0.005英寸。这些厚度有利地在不影响金属第一隔膜238a和金属第三隔膜238c的操作属性情况下平衡泄漏保护。更具体地，所公开的厚度有利地使隔膜238a、238b、238c的直接公差累积(direct tolerance stackup)最小化，同时提供良好的泄漏保护。弹性冗余的隔膜238b在径向内部边缘254和径向外部边缘252两者处被压缩，以产生冗余密封。已经发现，与传统的垫圈材料相比，诸如PTFE之类的弹性材料对调节器210的宽开口容量几乎没有影响。此外，通过将弹性冗余的第二隔膜238b定位在第一金属隔膜238a与第三金属隔膜238c之间，金属材料的化学和温度相容性保持不受影响，同时提供了两个密封，一个密封在径向外部边缘252处并且一个密封在径向内部边缘处。
在所示实施例中，每一个隔膜238a、238b、238c都包括径向向外部分270和径向向内部分272(参见图7)。第一隔膜238a的径向向内部分272通过第二隔膜238b的径向向内部分272而与第三隔膜238c的径向向内部分272轴向地间隔开。隔膜238a、238b、238c还包括设置在径向向外部分270与径向向内部分272之间的中间部分274。径向向外部分270和径向向内部分272可以在自然状态下实质上是平坦的，并且径向向外部分270和径向向内部分272位于实质上平行的平面中。中间部分274可以是实质上锥形的、相对于径向外部部分270和径向内部部分272成角度，从而生成由斜切的中间部分274形成的空腔。第一隔膜238a、第二隔膜238b和第三隔膜238c通过力和摩擦保持在一起。在其它实施例中，隔膜可以通过粘合剂或通过模制工艺保持在一起。
尽管出于说明本发明的目的示出了某些代表性实施例和细节，但是对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下，对本文所公开的方法和装置进行各种改变。

Claims (14)

1.一种流体调节器，包括：
调节器本体，其具有通过流体流动路径连接的流体入口和流体出口；
孔口，其设置在所述流体流动路径中并且通向座部；
控制元件，其设置在所述流体流动路径内并且能够在打开位置与关闭位置之间移动，所述控制元件在所述打开位置与所述座部间隔开，并在所述关闭位置抵靠所述座部，所述控制元件被布置成响应流体压强变化以控制通过所述孔口的过程流体的流动；
致动器，其附接到所述调节器本体，所述致动器操作地耦接到所述控制元件，并且被布置成响应流体压强变化以在所述打开位置与所述关闭位置之间移动所述控制元件，以便控制通过所述孔口的所述过程流体的流动；
其中，所述控制元件操作地耦接到第一隔膜、第二隔膜和第三隔膜，所述第一隔膜、所述第二隔膜和所述第三隔膜彼此堆叠，所述第一隔膜和所述第三隔膜包括金属，所述第二隔膜包括弹性材料，所述第二隔膜设置在所述第一隔膜与所述第三隔膜之间，并且所述第一隔膜、所述第二隔膜、所述第三隔膜中的每一个都包括通过中间部分来连接的实质上平坦的中心部分和环形平坦的裙部部分；
径向外部上垫圈，其设置在所述第一隔膜和所述致动器的致动器壳体之间；
径向内部上垫圈，其设置在所述第一隔膜和耦接到所述第一隔膜的隔膜板之间。
2.根据权利要求1所述的调节器，其中，所述弹性材料包括PTFE。
3.根据权利要求1所述的调节器，其中，所述第一隔膜、所述第二隔膜和所述第三隔膜中的每一个都包括与所述控制元件操作地耦接的径向向内部分。
4.根据权利要求3所述的调节器，其中，所述第一隔膜的径向向内部分通过所述第二隔膜的径向向内部分而与所述第三隔膜的径向向内部分轴向地间隔开。
5.根据权利要求4所述的调节器，其中，所述第二隔膜的径向向内部分具有在0.010英寸到0.001英寸之间的厚度。
6.根据权利要求5所述的调节器，其中，所述厚度在0.007英寸到0.003英寸之间。
7.根据权利要求6所述的调节器，其中，所述厚度为0.005英寸。
8.根据权利要求1所述的调节器，其中，所述第一隔膜、所述第二隔膜和所述第三隔膜中的每一个的所述中间部分是锥形的。
9.根据权利要求1所述的调节器，还包括：
支承抵靠隔膜板的弹簧，所述弹簧被定位成朝向所述关闭位置偏置所述控制元件。
10.一种减少调节器中泄漏的方法，所述方法包括以下步骤：
提供流体调节器，所述流体调节器具有调节器本体，所述调节器本体包括通过流体流动路径连接的流体入口和流体出口，所述调节器还具有设置在所述流体流动路径中的孔口、设置在所述孔口中的座部、以及设置在所述流体流动路径内的控制元件，所述控制元件能够在打开位置与关闭位置之间移动，所述控制元件在所述打开位置与所述座部间隔开，并在所述关闭位置抵靠所述座部，所述控制元件被布置成响应流体压强变化以控制通过所述孔口的过程流体的流动，并且所述调节器还具有附接到所述调节器本体的致动器，所述致动器操作地耦接到所述控制元件并且被布置成响应流体压强变化以在所述打开位置与所述关闭位置之间移动所述控制元件，以控制通过所述孔口的所述过程流体的流动；
提供第一金属隔膜；
将所述隔膜的径向向内部分耦接到所述控制元件；
提供第二弹性隔膜；
提供第三金属隔膜；以及
将所述第三金属隔膜的径向向内部分耦接到所述控制元件，
其中，所述第二弹性隔膜包括弹性材料，并且所述第二弹性隔膜位于所述第一金属隔膜与所述第三金属隔膜之间。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：为所述第一金属隔膜、所述第二弹性隔膜和所述第三金属隔膜中的每一个都提供实质上平坦的中心部分和环形平坦的裙部部分。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述调节器包括支承抵靠隔膜板的弹簧，所述弹簧朝向所述关闭位置偏置所述控制元件。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括提供外垫圈和内垫圈，所述外垫圈靠近所述环形平坦的裙部部分而定位，并且所述内垫圈靠近所述实质上平坦的中心部分而定位。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述外垫圈和所述内垫圈包括上垫圈和下垫圈。
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