CN112709845A - 阀门结构及单向阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阀门结构及单向阀，该阀门结构包括：阀体，其设有流体通道；阀柱，其活动连接于所述流体通道中；所述阀柱设有环状凸起，所述阀体的内壁设有与所述环状凸起相配合的抵接结构，所述阀柱能够相对于所述阀体运动至所述环状凸起与所述抵接结构相抵接，以使所述流体通道封闭。通过本发明，缓解了气路中的阀门易出现无法有效断开的情况，损坏率较高的技术问题。

Description

阀门结构及单向阀

技术领域

本发明涉及气路控制阀的技术领域，尤其涉及一种阀门结构及单向阀。

背景技术

注气驱油技术是注水开发后期及低渗透油藏开发的优势技术；在注气驱油过程中，需要对气体通路的连通和断开进行控制，气体通路控制所采用的方法与液体通路控制基本相同。以单向阀为例，气路中采用的单向阀为弹簧式，气流方向相反时，气体压缩阀柱，使其与阀壁密封，则气体通路断开；连通时，气体克服弹簧的弹性力，使阀柱不再密封，形成气体流动通路；气体通路连通后，阀柱保持开启状态，流体从缝隙内流过。实际应用过程中，气体通路的通路控制配件经常出现故障，阀柱或阀体内壁表面易出现缺口、裂缝等破损，导致反向流动时无法有效密封，损坏率较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种阀门结构及单向阀，以缓解气路中的阀门易出现无法有效断开的情况，损坏率较高的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种阀门结构，包括：阀体，其设有流体通道；阀柱，其活动连接于所述流体通道中；所述阀柱设有环状凸起，所述阀体的内壁设有与所述环状凸起相配合的抵接结构，所述阀柱能够相对于所述阀体运动至所述环状凸起与所述抵接结构相抵接，以使所述流体通道封闭。

在优选的实施方式中，所述阀柱的端面设有凹槽，所述环状凸起成形于所述凹槽的边缘部。

在优选的实施方式中，所述凹槽的内壁包括球冠面部。

在优选的实施方式中，所述抵接结构包括环状槽，所述环状凸起能够伸入所述环状槽中。

在优选的实施方式中，所述环状槽的底部设有密封圈，所述环状凸起能够与所述密封圈抵接。

在优选的实施方式中，所述环状槽的靠近其轴线的内壁设有凸起部。

在优选的实施方式中，所述环状槽的远离其轴线的内壁的顶部设有倾斜部，所述倾斜部沿所述环状槽的底部指向顶部的方向向外侧倾斜。

在优选的实施方式中，所述环状凸起的表面设有金属涂层，和/或，所述环状槽的表面设有金属涂层。

在优选的实施方式中，所述金属涂层包括钽和铌中的任一种或者多种的组合。

在优选的实施方式中，所述金属涂层的厚度大于或者等于30μm。

在优选的实施方式中，所述阀门结构包括阀柱弹簧，所述阀柱弹簧的第一端连接于所述阀体，所述阀柱弹簧的第二端连接于所述阀柱，所述阀柱弹簧能够驱动所述阀柱运动至所述环状凸起与所述抵接结构相抵接。

在优选的实施方式中，所述流体通道呈柱状，所述阀柱能够沿所述流体通道的轴线方向移动。

在优选的实施方式中，所述阀体包括固定于所述流体通道中的密封管，所述抵接结构设于所述密封管的端部。

在优选的实施方式中，所述流体通道包括依次连通的第一通道段、第二通道段和第三通道段，所述第二通道段呈柱状；所述抵接结构设置于所述第一通道段与所述第二通道段的连接处，所述阀柱设于所述第二通道段，且能够沿所述第二通道段的轴线方向移动。

在优选的实施方式中，所述第一通道段连接于所述第二通道段的端部，所述第三通道段连接于所述第一通道段的侧壁。

在优选的实施方式中，所述流体通道中设有孔隙结构柱体，所述孔隙结构柱体位于所述抵接结构的远离所述阀柱的一侧。

在优选的实施方式中，所述孔隙结构柱体的空隙渗透率大于或者等于2达西。

在优选的实施方式中，所述孔隙结构柱体的渗流阻力小于或者等于0.01MPa。

在优选的实施方式中，所述孔隙结构柱体的孔隙尺度大于或者等于10μm。

在优选的实施方式中，所述孔隙结构柱体采用耐腐蚀金属粉末烧结结构、孔隙陶瓷结构或均质砂岩结构制成。

在优选的实施方式中，所述耐腐蚀金属粉末包括钛或者钛合金。

本发明提供一种单向阀，包括上述的阀门结构，所述流体通道的两端连接有端盖或者法兰。

本发明的特点及优点是：

本发明提供的阀门结构，通过环状凸起与阀体上的抵接结构相配合，来实现阀柱与阀体之间的密封、流体通道的断开。在连通状态时，环状凸起脱离抵接结构，使阀柱与抵接结构之间形成供气流通过的通路。

该阀门结构中，在阀柱的端面，环状凸起包围形成凹槽；这样，在连通状态下，气流首先冲击到该凹槽的底面，并沿凹槽的侧壁向外运动，然后绕过环状凸起，通过环状凸起与抵接结构之间的缝隙形成通路。气流的绕行过程，可以减少气流对环状凸起的直接冲击，减少环状凸起受到的损伤，有利于在断开状态时，环状凸起与抵接结构保持良好配合，实现气路的有效断开，降低损坏率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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1a为一种单向阀的结构示意图；

图1b为图1a所示的单向阀中的密封斜面与阀体密封圈的轴向示意图；

图1c为另一种单向阀的结构示意图；

图2a为图1a所示的单向阀在连通状态下的气流示意图；

图2b为图1a所示的单向阀在连通状态下阀体与阀柱的位置示意图；

图2c为图1a所示的单向阀中的阀柱的端部的受力示意图；

图3本发明提供的阀门结构的第一种实施方式的结构示意图；

图4a为图3所示的阀门结构的连通状态下的气流示意图；

图4b为图3所示的阀门结构的连通状态下的易损区示意图；

图4c为图3所示的阀门结构的断开状态下的阀柱与环状槽的配合示意图；

图4d为图3所示的阀门结构中阀柱的端部的受力示意图；

图5为图3中的A处的局部放大图；

图6本发明提供的阀门结构的第二种实施方式的结构示意图；

图7本发明提供的阀门结构的第三种实施方式中阀柱与抵接结构的局部示意图；

图8为图3所示的阀门结构中的孔隙结构柱体的示意图；

图9为本发明提供的单向阀的结构示意图；

图10a为图9所示的单向阀中的端盖的正视图；

图10b为图9所示的单向阀中的端盖的俯视图；

图11为本发明提供的多级通量控制阀的结构示意图；

图12为本发明提供的多级通量控制阀中的多级阀芯的结构示意图；

图13为图12的B-B向剖视图；

图14为图11所示的多级通量控制阀中的阀门结构的结构示意图；

图15为本发明提供的气路系统的示意图。

附图标号说明：

10’、阀体；11’、流体通道；

121’、流道入口端；122’、流道出口端；

13’、密封斜面；14’、密封面；

20’、阀柱；21’、环空间隙；22’、阀柱密封圈；

30’、流动轨迹；311’、气体施力方向；312’、阀柱运动方向；313’、偏斜方向；

32’、易损区；40’、狭窄区；

50’、阀柱弹簧；

10、阀体；11、流体通道；111、第一通道段；112、第二通道段；113、第三通道段；121、流道入口端；122、流道出口端；131、法兰；1311、压盖；132、端盖；

20、阀柱；21、环空间隙；

30、环状凸起；31、凹槽；311、球冠面部；32、易损区；

400、第一配合结构；

40、抵接结构；41、环状槽；411、凸起部；412、倾斜部；42、第一密封圈；43、密封管；44、密封面；441、第二密封圈；

50、阀柱弹簧；60、孔隙结构柱体；

70、外阀体；

71、主通道；711、第一主通道段；712、第二主通道段；713、第三主通道段；714、主入口端；715、主出口端；

72、第二配合结构；721、密封圆孔；

731、外法兰；732、外压盖；

741、第一外孔隙结构柱体；742、第二外孔隙结构柱体；

80、多级阀芯；

81、阀门结构；811、单体挡环；812、单体端盖；

82、单体槽；821、气通道；822、单体压盖；823、单体密封圈；

83、密封圆柱部；831、主密封圈；84、主弹簧；

85、筛管；851、筛孔；852、筛管挡环；

91、多级通量控制阀；92、气源控制装置；93、恒压阀；94、安全阀；95、气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解，发明人对阀门的具体结构和工作过程进行介绍。

图1a为一种单向阀的结构示意图，图1b为图1a所示的单向阀中的密封斜面与阀体密封圈的轴向示意图；图1c为另一种单向阀的结构示意图。

图1a所示的单向阀包括阀体10’、阀柱20’和阀柱弹簧50’；阀体10’中设有流体通道11’，流体通道11’呈圆柱状。圆柱状的流体通道11’具有包括靠近流道入口端121’的第一圆柱段和靠近流道出口端122’的第二圆柱段，第一圆柱段的直径小于第二圆柱段的直径；阀柱20’安装于流体通道11’中，阀柱20’的侧壁与阀体10’的内壁之间形成环空间隙21’；阀体10’的内壁设有密封斜面13’，阀柱20’上设有阀柱密封圈22’，阀柱弹簧50’与阀柱20’连接，阀柱弹簧50’能够推动阀柱20’运动至与密封斜面13’抵接，实现该单向阀的断开；当阀柱20’脱离密封斜面13’时，阀柱20’与密封斜面13’之间形成供气流通过的缝隙，实现该单向阀的连通。

图1c所示的单向阀包括阀体10’、阀柱20’和阀柱弹簧50’；阀体10’中设有流体通道11’，流体通道11’沿曲线延伸；阀柱20’呈圆板状，阀柱20’安装于流体通道11’中；阀体10’的内壁设有密封面14’，阀柱弹簧50’与阀柱20’连接，阀柱弹簧50’能够推动阀柱20’运动至阀柱20’的端面与密封面14’抵接，实现该单向阀的断开；当阀柱20’脱离密封面14’时，阀柱20’与密封面14’之间形成供气流通过的缝隙，实现该单向阀的连通。

接下来对单向阀在连通状态下的气流的运动特点进行分析。

以图1a所示的单向阀为例。请参照图2a和图2b，气体由注入端推动阀柱头形成环形缝隙时，气体流速迅速上升，分析如下：

流体通道11’中的第一圆柱段的直径为d，第二圆柱段的直径为D；在连通状态下，设注入端稳定流速为u；如图2b所示，在径向截面上，阀柱20’的端部直径记为Dsi，对应位置的密封斜面13’的直径记为Dso；在垂直于密封斜面13’的方向上，阀柱20’的端部的缝隙的宽度记为w。将气体在缝隙处的流速记为u_s。气流通过阀柱20’的端部时，在两端会产生压差ΔP。

1.在忽略两端压差ΔP的情况下，流过密封斜面13’前后的气体流量恒定，即：

2.考虑两端压差ΔP时，设靠近流道入口端121’的气体压力为P1，靠近流道出口端122’的气体压力为P2，由气体定理可知(温度相同)，PV值恒定，即：

P₁V₁＝P₂V₂

则：

P₁Q₁＝P₂Q₂

由式(1)知：

可得：

通常实验室用单向阀的D:d在(1～2)范围内，D:w在(10～100)范围内；而工业用单向阀的D:d约为1，D:w则达到在(1000～10000)范围内。

平稳流动条件下，实验室和工业现场均可使P1:P2控制在(1～2)范围内；而工业应用及操作条件复杂，经常出现P1:P2达到(10～100)范围的状况。

由式(2)可知，忽略压差条件下，实验室用单向阀(u_s:u)可达(2～30)范围内；而工业用单向阀(u_s:u)可达(500～5000)。

由式(3)可知，考虑压差条件下，实验室用单向阀(u_s:u)可达(4～60)范围内；而工业用单向阀(u_s:u)可达(5000～500000)。

实验室用单向阀和工业用单向阀内径分别取2mm和30mm，常压注气流量分别取1L/s和10000Nm³/d为例，则流速u分别为320m/s和160m/s，可知u_s分别可达600m/s和80000m/s以上，远远大于声速3400m/s。

当气体流速达到超声状态时，会产生音爆现象，即超声致爆现象，在现场表现为管道内的强烈敲击声。其破坏力逐渐累积，在阀柱20’位置形成易损区32’，之后破坏速度加快，导致阀柱20’边缘破损严重，甚至形成裂缝。如图2a所示，在阀柱20’的端部和密封斜面13’靠近缝隙的位置为易损区32’。

结合上述单向阀的具体结构、工作过程和气流的运动特点，发明人对应用于注气工艺中的阀门作了进一步分析。

相对于注水工艺而言，注气工艺具有特殊性，气体的粘度是油水流体的千分之几，因而其流动通常是紊流过程。以单向阀为例，分析其易损原因：(1)相同压差条件下，气体流速远高于液体，其对阀柱20’、阀体10’内壁冲击大，特别在有固体颗粒的条件下，阀体10’内壁接触流体部分易出现破损点，并在此后快速扩大；(2)在阀体10’内部狭小空间内，会产生局部的气体超音速现象，并发生音爆现象，对壁面造成较大损伤；(3)部分阀体10’采用铸铁等脆性材料，其损坏频率更高。在气路的通路连通状态，缝隙中的流体会形成高速气流，长时间的高速气流冲击，易造成表面破损，出现缺口、裂缝等，阀体10’内壁存在凹凸不平的破损点；若阀柱20’或阀体10’内壁表面有破损，则反向流动时难以密封，无法达到有效断开。

为了缓解上述气路中的阀门容易损坏的技术问题，发明人对阀门作了改进。

实施例一

如图3和图6所示，本发明提供了一种阀门结构，包括：阀体10，其设有流体通道11；阀柱20，其活动连接于流体通道11中；阀柱20设有环状凸起30，阀体10的内壁设有与环状凸起30相配合的抵接结构40，阀柱20能够相对于阀体10运动至环状凸起30与抵接结构40相抵接，以使流体通道11封闭。阀柱20的端面设有凹槽31，环状凸起30成形于凹槽31的边缘部。

该阀门结构通过环状凸起30与阀体10上的抵接结构40相配合，来实现阀柱20与阀体10之间的密封、流体通道11的断开。在连通状态时，环状凸起30脱离抵接结构40，使阀柱20与抵接结构40之间形成供气流通过的通路。

该阀门结构中，在阀柱20的端面，环状凸起30包围形成凹槽31；这样，在连通状态下，气流首先冲击到凹槽31的底面，并沿凹槽31的侧壁向外运动，然后绕过环状凸起30，通过环状凸起30与抵接结构40之间的缝隙形成通路。气流的绕行过程，可以减少气流对环状凸起30的直接冲击，减少环状凸起30受到的损伤，有利于保障在断开状态下，环状凸起30与抵接结构40保持良好配合，实现气路的有效断开，降低损坏率。

请参照图2c，图2c为图1a所示的单向阀中的阀柱的端部的受力示意图，气流对阀柱20’施加沿轴向方向的推力，但是，由于气流通常为紊流，气流的稳定性和均匀性较差，使得阀柱20’容易沿图2c所示的偏斜方向313’发生偏斜。

为此，发明人对阀柱20做了进一步的改进：凹槽31的内壁为光滑曲面。更进一步地，如图3-图4d所示，凹槽31的内壁包括球冠面部311，球冠面部311承载气流的冲击，并能够引导气流绕过环状凸起30。如图4d所示，球冠面部311能够使阀柱20受到的气流的冲击力的合力集中在轴线方向，减少气流的不稳定性造成的不利干扰，减少阀柱20的偏斜，使阀柱20更稳定地沿阀体10的轴线方向移动。

优选地，球冠面部311为半球面，以便于将气流引导为沿阀体10的轴线方向，以及进一步减少环状凸起30的端部受到的冲击。

凹槽31的形状不限于呈球状，例如，凹槽31的内壁包括球冠面部311和圆柱面部的组合，凹槽31的底部为球冠面部311，环状凸起30的端部的内壁为圆柱面部，球冠面部311与圆柱面部平滑连接。

在本发明的一实施方式中，如图3、图5和图7所示，抵接结构40包括环状槽41，环状凸起30能够伸入环状槽41中，增大了在断开状态时，阀柱20与阀体10内壁的配合面积，提高了密封性。

进一步地，抵接结构40包括设于环状槽41的底部的第一密封圈42，环状凸起30能够与第一密封圈42抵接，实现弹性密封。优选地，球冠面部311的球面直径与第一密封圈42的内径相等。

更进一步地，在阀体10的径向截面上，环状槽41的靠近其轴线的内壁呈弯折的曲线状，使环状槽41的靠近其轴线的内壁形成凸起部411，凸起部411沿阀柱20的径向向外凸起。如图4c和图5所示，当环状凸起30伸入到环状槽41中时，环状凸起30的端部与第一密封圈42抵接，形成弹性密封；球冠面部311与凸起部411抵接，形成金属硬密封，双重密封结构有利于保障密封效果和耐用性。

更进一步地，如图4a和图5所示，环状槽41的远离其轴线的内壁的顶部设有倾斜部412，倾斜部412沿环状槽41的底部指向顶部的方向向外侧倾斜，倾斜部412使环状槽41的开口向外端逐渐增大。通过设置倾斜部412，便于引导阀柱20进入到环状槽41中，以及在连通状态时，引导气流更稳定地进入到阀柱20侧壁与阀体10内壁之间的环空间隙21中，减弱气流的冲击。

请参照图4a和图4b，在气流的冲击作用下，该阀门结构中的易损区32位于：环状凸起30的端部的内侧边缘位置、环状槽41的靠近其轴线的内壁的顶部、和环状槽41的远离其轴线的内壁的顶部。请参照图4c和图5，该阀门结构环状凸起30的端面与第一密封圈42相配合、和凹槽31的内壁与凸起部411相配合，来实现密封。该阀门结构，一方面通过凹槽31减弱了气流的冲击，另一方面使易损区32分散至非密封位置，有利于减少密封位置受到气流强作用冲击，提高了密封效果和耐用性，延长了密封周期，有利于降低更换维修频率。

在本发明的一实施方式中，环状凸起30的表面设有金属涂层。具体地，凹槽31的内壁设有金属涂层。

在本发明的一实施方式中，环状槽41的表面设有金属涂层。

在本发明的一实施方式中，环状凸起30的表面和环状槽41的表面均设有金属涂层。优选地，凹槽31的内壁、环状凸起30的外壁和端面、及环状槽41的开口处的壁面均设有金属涂层。金属涂层不仅增强耐腐蚀性，更能增强耐冲击性，减少易损区32出现破损。

进一步地，金属涂层包括钽和铌中的任一种或者多种的组合，使金属涂层具有良好的耐温性能和耐腐蚀性能，更适合在注气工艺的高温工业环境中运作。

进一步地，金属涂层的厚度大于或者等于30μm，使金属涂层的牢固性更强。

在本发明的一实施方式中，如图3和图6所示，阀门结构包括阀柱弹簧50，阀柱弹簧50的第一端连接于阀体10，阀柱弹簧50的第二端连接于阀柱20，阀柱弹簧50能够驱动阀柱20运动至环状凸起30与抵接结构40相抵接。在气流沿流体通道11的流道入口端121向流道出口端122运动的情况下，当气流对阀柱20的作用力达到预设压力，该作用力能够克服阀柱弹簧50的弹性力，驱动阀柱20脱离抵接结构40，实现该阀门结构的连通。

该阀门结构中驱动阀柱20与抵接结构40抵接的驱动力，既可以由阀柱弹簧50提供，也可以由其它外力提供，例如，通过人力驱动阀柱20运动至与抵接结构40抵接以实现该阀门结构的断开、通过人力驱动阀柱20脱离抵接结构40以实现该阀门结构的连通。

阀体10的结构形式和流体通道11的结构形式，可以依据应用场景的特点和气流的特点进行设计。

在本发明的一实施方式中，如图3所示，流体通道11呈柱状，阀柱20能够沿流体通道11的轴线方向移动，该阀门结构适用于实验室等流体纯度较高的场景。进一步地，阀体10包括固定于流体通道11中的密封管43，抵接结构40设于密封管43的端部。优选地，密封管43前部的内壁和外壁均设有金属涂层。

在本发明的另一实施方式中，如图6所示，流体通道11包括依次连通的第一通道段111、第二通道段112和第三通道段113，使流体通道11沿曲线延伸；第二通道段112呈柱状；抵接结构40设置于第一通道段111与第二通道段112的连接处，阀柱20设于第二通道段112，且能够沿第二通道段112的轴线方向移动。第二通道段112的端部连接有压盖1311，以与阀柱弹簧50抵接。

如图6所示，阀柱20呈圆板状，抵接结构40包括与阀柱20的端面相配合的密封面44。优选地，抵接结构40包括设于密封面44的第二密封圈441。该阀门结构可以应用于高压力、大流量条件下的工业应用场景。

进一步地，第一通道段111连接于第二通道段112的端部，第三通道段113连接于第一通道段111的侧壁，第一通道段111与第二通道段112相错开，有利于对气流起到缓冲作用，减弱气流的冲击。如图6所示，第一通道段111包括沿第二通道段112的径向延伸的径向延伸段，气流先沿该径向延伸段流动，然后转向为沿第二通道段112的轴向，且沿第二通道段112的端面流向第二通道段112，可以有效减弱气流对阀柱20的冲击。

实施例二

如图3和图6所示，本发明提供了一种阀门结构，包括：阀体10，其设有流体通道11；阀柱20，其活动连接于流体通道11中；阀体10的内壁设有与阀柱20相配合的第一配合结构400，阀柱20能够相对于阀体10运动至与第一配合结构400相抵接，以使流体通道11封闭；流体通道11中设有孔隙结构柱体60，孔隙结构柱体60位于第一配合结构400的远离阀柱20的一侧。

气流中通常会含有固体颗粒，高速气流携带的固体颗粒会对壁面造成比较强的破坏。本发明提供的阀门结构，孔隙结构柱体60一方面能够阻挡固体颗粒，另一方面高速气体流经孔隙结构柱体60中的复杂孔隙，在阻挡作用下，流态变为紊流，使湍流度达到5％以上，有效减少发生“超声致爆”，从而减少气流对阀体10和阀柱20的损伤。

请参照图3和图8，孔隙结构柱体60固定于密封管43的靠近流道入口端121的一侧，孔隙结构柱体60的侧壁与第一圆柱段的内壁向配合，端面与密封管43抵接，气流流经孔隙结构柱体60后进入密封管43中。请参照图6，孔隙结构柱体60固定于第一通道段111靠近第二通道段112的端部，气流流入孔隙结构柱体60后，气流方向发生转向，然后流向第二通道段112，该孔隙结构柱体60可以对气流起到较好的缓冲和过滤效果，有效减小气流的冲击力。

该阀门结构中阀柱20可以包括上述的环状凸起30结构、或者图1a所示的圆锥结构，还可以采用图1c所示的圆板状结构；第一配合结构400可以采用相对应的图3、图6或图7所示的抵接结构40、或者图1a所示的密封斜面13’结构，还可以采用图1c所示的密封面14’结构。

进一步地，孔隙结构柱体60采用耐腐蚀金属粉末烧结结构、孔隙陶瓷结构或均质砂岩结构中的一种或者多种制成。优选地，耐腐蚀金属粉末包括钛或者钛合金。

进一步地，孔隙结构柱体60的孔隙尺度大于或者等于10μm。

进一步地，孔隙结构柱体60的空隙渗透率大于或者等于2达西。

进一步地，孔隙结构柱体60的渗流阻力小于或者等于0.01MPa。

相比于管流，孔隙结构柱体60对气流产生较大的渗流阻力，可以有效减少气流对阀柱20和第一配合结构400的冲击。

实施例三

如图3、图6和图7所示，本发明提供了一种阀门结构，包括：阀体10，其设有流体通道11；阀柱20，其活动连接于流体通道11中；阀柱20设有环状凸起30，阀体10的内壁设有与环状凸起30相配合的抵接结构40，阀柱20能够相对于阀体10运动至环状凸起30与抵接结构40相抵接，以使流体通道11封闭。阀柱20的端面设有凹槽31，环状凸起30成形于凹槽31的边缘部。流体通道11中设有孔隙结构柱体60，孔隙结构柱体60位于抵接结构40的远离阀柱20的一侧。

该阀门结构具有以下优点：

1.孔隙结构柱体60不仅起到了过滤固体颗粒的作用，也起到了将高速气流破坏形成扰动性流动，打破音爆形成条件的作用；

2.环状凸起30和环状槽41减少了气流对密封位置的持续强作用，提高了耐用性，可以减少因部分密封位置出现破损而造成密封性能的整体失效的情况。

实施例四

本发明提供一种单向阀，如图6、图9、图10a和图10b所示，该单向阀包括上述的阀门结构，流体通道11的两端连接有端盖132或者法兰131。该阀门结构可以采用上述具有环状凸起30的阀门结构或者具有孔隙结构柱体60的阀门结构，还可以采用同时具有环状凸起30和孔隙结构柱体60的阀门结构。

该单向阀能够阻挡气流从流体通道11的流道出口端122向流道入口端121流动，具有控制气流方向的作用。在气流从流道出口端122向流道入口端121的情况下，当气流压力达到设定的开启压力时，阀柱20远离第一配合结构400，该单向阀实现开启连通，即该单向阀还具有恒压控制功能。

实施例五

本发明提供一种多级通量控制阀，如图11所示，该多级通量控制阀包括：外阀体70，其设有主通道71；多级阀芯80，其设于主通道71中，多级阀芯80中并联设有多个阀门结构81；阀门结构81包括阀体10、阀柱20和阀柱弹簧50，阀体10设有流体通道11，流体通道11的两端均与主通道71相连通；阀柱20活动连接于流体通道11中，阀体10的内壁设有与阀柱20相配合的第一配合结构400，阀柱弹簧50与阀柱20连接，使阀柱20具有运动至与第一配合结构400配合以封闭流体通道11的趋势；各个阀门结构81分别具有第一开启压力，阀柱20能够在第一开启压力的作用下，脱离第一配合结构400，使流体通道11的两端相连通；多个阀门结构81包括多级第一开启压力。

外阀体70的两端设有外法兰731，外法兰731上设有与主通道71连通的通孔。如图11所示，主通道71中，以第一配合结构400的远离阀柱20的一端为主入口端714，以阀柱20的远离第一配合结构400的一端为主出口端715。将该多级通量控制阀连接到气路中，在气流从主出口端715向主入口端714流动的情况下，该多级通量控制阀保持断开。在气流从主入口端714向主出口端715流动的情况下，当主通道71中的压力达到最小级的第一开启压力时，具有该最小级的第一开启压力的阀门结构81中的阀柱20脱离第一配合结构400，该阀门结构连通，主通道71通过该阀门结构81实现连通，此时其它阀门结构保持断开；当主通道71中的流量继续增加，压力逐渐增大时，该多级通量控制阀中的各个阀门结构81，会按照所具有的第一开启压力从小到大的顺序依次开启连通。

该多级通量控制阀中各个阀门结构81，能够随着主通道71中压力的变化，实现自动开启，使气路能够在多个压力级保持恒定，实现对气路压力的多级调节，起到大流量保持恒压的作用。

本发明提供的多级通量控制阀中的阀门结构81可以采用上述具有环状凸起30的阀门结构、具有孔隙结构柱体60的阀门结构81、或者同时具有环状凸起30和孔隙结构柱体60的阀门结构，还可以采用图1a所示的单向阀。

各个阀门结构81的第一开启压力的大小，能够通过设定阀柱弹簧50的弹性模量、流体通道11的直径大小或者阀柱20的大小，来进行设定。在一些实施方式中，多级阀芯80上设有5个阀门结构81；优选地，各个阀门结构81的第一开启压力分别为9.96MPa、9.98MPa、10.0MPa、10.02MPa和10.04MPa，能够实现恒压10±0.04MPa、压力差为0.02MPa的恒压控制。

如图12和图13所示，多级阀芯80上设有多个呈柱状的单体槽82，阀门结构81安装于单体槽82中，阀体10固定于单体槽82中。进一步地，单体槽82的靠近主入口端714的一端连接气通道821，气通道821的另一端与主通道71相连通，气通道821的直径小于单体槽82的直径。多级阀芯80的靠近主出口端715的端面连接有单体压盖822，以将阀门结构81压紧于单体槽82中；优选地，单体压盖822与多级阀芯80之间设有多个与单体槽82相配合的单体密封圈823。

为了使阀门结构81与多级阀芯80的良好配合，发明人对阀门结构81作了改进：如图14所示，阀体10两端分别连接有单体挡环811和单体端盖812，单体挡环811上设有与气通道821向连通的入口，单体端盖812上设有与单体压盖822上的通孔相连通的出口。

在本发明的一实施方式中，如图11所示，多级通量控制阀包括主弹簧84；多级阀芯80活动连接于主通道71，外阀体70的内壁设有与多级阀芯80相配合的第二配合结构72，主弹簧84与多级阀芯80连接，使多级阀芯80具有运动至与第二配合结构72连接，以封闭主通道71的趋势；多级通量控制阀具有第二开启压力，多级阀芯80能够在第二开启压力的作用下，脱离第二配合结构72，使主通道71的两端相连通；第二开启压力大于第一开启压力。当主通道71中的流量继续增加，压力逐渐增大时，超过最大级的第一开启压力，达到第二开启压力时，气流压力克服主弹簧84的弹力，推动多级阀芯80运动，使多级阀芯80与第二配合结构72之间形成通道，使气路能够在第二开启压力保持恒定，起到大流量保持恒压的作用。

第二开启压力的大小，能够通过设定主弹簧84或者多级阀芯80的尺寸，来进行设定。

请参照图11，多级阀芯80上密封圆柱部83，第二配合结构72包括与密封圆柱部83相配合的密封圆孔721，当密封圆柱部83伸入密封圆孔721中时，多级阀芯80将主通道71隔断开。进一步地，密封圆柱部83上套设有主密封圈831，通过主密封圈831与第二配合结构72相配合，以提高多级阀芯80与第二配合结构72之间的密封效果。

主通道71可以呈柱状，也可以沿曲线延伸。为了适应大流量的应用场景，减少气流对多级阀芯80的冲击，如图11所示，主通道71包括依次连通的第一主通道段711、第二主通道段712和第三主通道段713，第二主通道段712呈柱状；第一主通道段711连接于第二主通道段712的端部，第三主通道段713连接于第一主通道段711的侧壁。多级阀芯80设置于第一主通道段711与第二主通道段712的连接处，多级阀芯80能在第二主通道段712中移动。第二主通道段712的端部连接有外压盖732，以与主弹簧84抵接。

在本发明的一实施方式中，请参照图11，主通道71中固设有第一外孔隙结构柱体741，第一外孔隙结构柱体741位于第一配合结构400的远离阀柱20的一侧。当气流从主入口端714向主出口端715流动时，气流流经第一外孔隙结构柱体741后，流向多级阀芯80。第一外孔隙结构柱体741一方面能够阻挡固体颗粒，另一方面高速气体流经第一外孔隙结构柱体741中的复杂孔隙，在阻挡作用下，流态变为紊流，可以使湍流度达到5％以上，有效减少发生“超声致爆”，从而减少气流对阀体10和阀柱20的损伤。第一外孔隙结构柱体741还可以对气流起到较好的缓冲和过滤效果，有效减小气流的冲击力。

进一步地，第一外孔隙结构柱体741采用耐腐蚀金属粉末烧结结构、孔隙陶瓷结构或均质砂岩结构中的一种或者多种制成。优选地，该耐腐蚀金属粉末包括钛或者钛合金。

进一步地，第一外孔隙结构柱体741的孔隙尺度大于或者等于10μm。

进一步地，第一外孔隙结构柱体741的空隙渗透率大于或者等于2达西。

进一步地，第一外孔隙结构柱体741的渗流阻力小于或者等于0.01MPa。

相比于管流，第一外孔隙结构柱体741对气流产生较大的渗流阻力，可以有效减少气流对多级阀芯80和阀门结构81的冲击。

在本发明的一实施方式中，请参照图12，多级阀芯80连接有第二外孔隙结构柱体742，第二外孔隙结构柱体742位于第一配合结构400的远离阀柱20的一侧。当气流从主入口端714向主出口端715流动时，气流流经第二外孔隙结构柱体742后，流向多级阀芯80。第二外孔隙结构柱体742一方面能够阻挡固体颗粒，另一方面高速气体流经第二外孔隙结构柱体742中的复杂孔隙，在阻挡作用下，流态变为紊流，可以使湍流度达到5％以上，有效减少发生“超声致爆”，从而减少气流对阀体10和阀柱20的损伤。第二外孔隙结构柱体742还可以对气流起到较好的缓冲和过滤效果，有效减小气流的冲击力。

进一步地，第二外孔隙结构柱体742采用耐腐蚀金属粉末烧结结构、孔隙陶瓷结构或均质砂岩结构中的一种或者多种制成。优选地，该耐腐蚀金属粉末包括钛或者钛合金。

进一步地，第二外孔隙结构柱体742的孔隙尺度大于或者等于10μm。

进一步地，第二外孔隙结构柱体742的空隙渗透率大于或者等于2达西。

进一步地，第二外孔隙结构柱体742的渗流阻力小于或者等于0.01MPa。

相比于管流，第二外孔隙结构柱体742对气流产生较大的渗流阻力，可以有效减少气流对多级阀芯80和阀门结构81的冲击。

请参照图12，多级阀芯80的端部设有筛管85，各个流体通道11均与筛管85相连通，筛管85的侧壁设有与主通道71相连通的筛孔851；第二外孔隙结构柱体742设于筛管85中，筛管85的端部连接有抵接第二外孔隙结构柱体742的筛管挡环852。筛管85和第二外孔隙结构柱体742能够随多级阀芯80一起运动。主通道71中的气流流经筛孔851和第二外孔隙结构柱体742，流向多级阀芯80，能够更好地起到减缓冲击的作用。

实施例六

本发明提供一种气路系统，如图15所示，该气路系统包括：气管95、气源控制装置92、安全阀94、恒压阀93和上述的多级通量控制阀91，该恒压阀93的预设压力大于第二开启压力；气源控制装置92与气管95相连接，安全阀94和恒压阀93并联连接于气管95，多级通量控制阀91串联连接于气管95。当气管95中的流量继续增加，压力继续提高至超过第二开启压力，且超出恒压阀93的预设压力时，则恒压阀93开启工作，将部分气体以恒压方式排空；当压力增大至超过安全值时，则安全阀94开启，将气体大排量排空。

在本发明的一实施方式中，气源控制装置92包括气泵。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (22)

1.一种阀门结构，其特征在于，包括：

阀体，其设有流体通道；

阀柱，其活动连接于所述流体通道中；

所述阀柱设有环状凸起，所述阀体的内壁设有与所述环状凸起相配合的抵接结构，所述阀柱能够相对于所述阀体运动至所述环状凸起与所述抵接结构相抵接，以使所述流体通道封闭。

2.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述阀柱的端面设有凹槽，所述环状凸起成形于所述凹槽的边缘部。

3.根据权利要求2所述的阀门结构，其特征在于，所述凹槽的内壁包括球冠面部。

4.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述抵接结构包括环状槽，所述环状凸起能够伸入所述环状槽中。

5.根据权利要求4所述的阀门结构，其特征在于，所述环状槽的底部设有密封圈，所述环状凸起能够与所述密封圈抵接。

6.根据权利要求4所述的阀门结构，其特征在于，所述环状槽的靠近其轴线的内壁设有凸起部。

7.根据权利要求6所述的阀门结构，其特征在于，所述环状槽的远离其轴线的内壁的顶部设有倾斜部，所述倾斜部沿所述环状槽的底部指向顶部的方向向外侧倾斜。

8.根据权利要求4所述的阀门结构，其特征在于，所述环状凸起的表面设有金属涂层，和/或，所述环状槽的表面设有金属涂层。

9.根据权利要求8所述的阀门结构，其特征在于，所述金属涂层包括钽和铌中的任一种或者多种的组合。

10.根据权利要求8所述的阀门结构，其特征在于，所述金属涂层的厚度大于或者等于30μm。

11.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述阀门结构包括阀柱弹簧，所述阀柱弹簧的第一端连接于所述阀体，所述阀柱弹簧的第二端连接于所述阀柱，所述阀柱弹簧能够驱动所述阀柱运动至所述环状凸起与所述抵接结构相抵接。

12.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述流体通道呈柱状，所述阀柱能够沿所述流体通道的轴线方向移动。

13.根据权利要求12所述的阀门结构，其特征在于，所述阀体包括固定于所述流体通道中的密封管，所述抵接结构设于所述密封管的端部。

14.根据权利要求1所述的阀门结构，其特征在于，所述流体通道包括依次连通的第一通道段、第二通道段和第三通道段，所述第二通道段呈柱状；

所述抵接结构设置于所述第一通道段与所述第二通道段的连接处，所述阀柱设于所述第二通道段，且能够沿所述第二通道段的轴线方向移动。

15.根据权利要求14所述的阀门结构，其特征在于，所述第一通道段连接于所述第二通道段的端部，所述第三通道段连接于所述第一通道段的侧壁。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的阀门结构，其特征在于，所述流体通道中设有孔隙结构柱体，所述孔隙结构柱体位于所述抵接结构的远离所述阀柱的一侧。

17.根据权利要求16所述的阀门结构，其特征在于，所述孔隙结构柱体的空隙渗透率大于或者等于2达西。

18.根据权利要求16所述的阀门结构，其特征在于，所述孔隙结构柱体的渗流阻力小于或者等于0.01MPa。

19.根据权利要求16所述的阀门结构，其特征在于，所述孔隙结构柱体的孔隙尺度大于或者等于10μm。

20.根据权利要求16所述的阀门结构，其特征在于，所述孔隙结构柱体采用耐腐蚀金属粉末烧结结构、孔隙陶瓷结构或均质砂岩结构制成。

21.根据权利要求20所述的阀门结构，其特征在于，所述耐腐蚀金属粉末包括钛或者钛合金。

22.一种单向阀，其特征在于，包括权利要求1-21任一项所述的阀门结构，所述流体通道的两端连接有端盖或者法兰。

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