CN112901840A - 泄压阀以及配备其的燃料电池的流体供应系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种泄压阀，包括：阀体，其内限定有一中空的内腔，内腔具有相反的两端，分别与泄压阀的高压侧和低压侧相通；以及在阀体内设置的隔片，其位于中空的内腔中；在阀体内能够直线滑动地设置的穿通构件，其由位于内腔中的弹性部件施加有沿着从低压侧朝向高压侧的力；以及在阀体中与隔片隔开固定设置的锁定装置，借助于锁定装置，穿通构件被锁定在泄压阀的截止状态中，在截止状态中，高压侧和低压侧由隔片密封地隔离，穿通构件被配置成在超过一规定的温度则无法锁定穿通构件，最终泄压阀处于导通状态中，在导通状态中，隔片由穿通构件穿透使得高压侧和低压侧导通。本申请还设计采用所述泄压阀的流体供应系统。

Description

泄压阀以及配备其的燃料电池的流体供应系统
技术领域
本申请大体上涉及泄压阀、特别是基于温度触发的泄压阀。
背景技术
出于环境保护(例如防止全球变暖、防止大气污染、节能减排等)的考虑，新能源汽车越来越多地被制造厂商所重视和开发。燃料电池作为新能源汽车的动力供应装置日益被研究人员和市场所关注。
燃料电池需要诸如高压氢气或高压空气的气体供应到电堆中进行相应的反应，以便产生电力用于驱动汽车行驶。通常，这些高压气体会存储在燃料电池的高压罐内，依据需要经由供应系统供应到电堆中。以氢气为例，其通常会以350巴以上的气压被存储在高压罐内。供应系统包括高压管路以及低压管路，所述高压罐在高压管路内串联。为了确保汽车在意外事故中例如汽车发生燃烧的情况下不会因为高温导致高压罐内的气压增加过大而爆炸引起更严重的人员伤害，需要为高压罐或者供应系统的高压管路配备泄压阀。
发明内容
本申请旨在提出一种基于温度触发的泄压阀，以便确保高压罐或高压管路在超过特定温度时能够自动泄压。
根据本申请的一个方面，提供了一种泄压阀，包括：
阀体，在所述阀体内限定有一中空的内腔，所述中空的内腔具有相反的两端，分别与所述泄压阀的高压侧和低压侧相通；以及
在所述阀体内设置的隔片，所述隔片位于所述中空的内腔中；
在所述阀体内能够直线滑动地设置的穿通构件，所述穿通构件由位于所述内腔中的弹性部件施加有沿着从所述低压侧朝向所述高压侧的力；以及
在所述阀体中与所述隔片隔开固定设置的锁定装置，借助于所述锁定装置，所述穿通构件被锁定在所述泄压阀的截止状态中，在所述截止状态中，所述高压侧和所述低压侧由所述隔片密封地隔离，并且，所述穿通构件被配置成在超过一规定的温度则无法锁定所述穿通构件，使得所述穿通构件在所述力的作用下从所述低压侧朝向所述高压侧移动，且最终所述泄压阀处于导通状态中，在所述导通状态中，所述隔片由所述穿通构件穿透使得所述高压侧和所述低压侧导通。这样，由于锁定装置基于温度触发，所以可以在意外高温发生时提供可靠保护。另外，因为锁定装置与隔片分开设置，所以可以确保不会出现因锁定装置失效造成的意外泄漏问题。
可选地，所述锁定装置包括锁销，所述锁销穿过所述阀体中形成的通孔且至少部分地伸入到所述穿通构件中，以将所述穿通构件锁定在所述截止状态中。
可选地，所述锁销由易熔性合金制成，以使得所述规定的温度是在110℃±5℃的范围内。
可选地，所述穿通构件是一体形成的。
可选地，所述穿通构件包括弹簧座以及在所述弹簧座上安装的用于穿透所述隔片的穿刺部件，所述力被施加至所述弹簧座。因为穿通构件分体设计，所以可以节省用于制造穿刺部件的昂贵的材料成本。
可选地，所述弹性部件包括螺旋弹簧，所述螺旋弹簧套设在所述弹簧座的至少部分外表面上，并且所述螺旋弹簧的一端抵靠所述阀体的一部分且所述螺旋弹簧的相反另一端抵靠所述弹簧座的一部分。
可选地，所述隔片被设计为其在所述中空的内腔中的一部分是朝向所述高压侧凸起，并且该部分以形成球面一部分的方式被成形。这样，在隔片的厚度一定的前提下，可以使得隔片承受更大的流体压力。
可选地，所述弹簧座形成有轴向贯穿的中空的第一内腔，所述穿刺部件形成有轴向贯穿的中空的第二内腔，所述阀体的内腔与所述第一内腔和所述第二内腔彼此连通。
可选地，所述穿刺部件具有由斜面形成的尖端，以便在所述泄压阀的穿通状态中，所述尖端透过所述隔片并使得所述第二内腔与所述高压侧相通，从而可以在隔片被刺破时迅速地泄压。
可选地，所述隔片经由在所述阀体的内腔中设置的密封圈与所述高压侧和低压侧密封地隔离，所述密封圈沿着轴向至少经所述穿刺部件与所述锁定装置隔开。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种用于在燃料电池汽车中使用的流体供应系统，其包括：
高压流体罐；以及
与所述高压流体罐流体连通的高压管路，其中，在所述高压流体罐中和/或所述高压管路中设置根据前述的泄压阀，以使得所述泄压阀的高压侧与所述高压流体罐和/或所述高压管路中的高压流体相通，而所述泄压阀的低压侧与大气相通。
采用本申请的上述技术手段，可以确保在异常高温的情况下，高压罐或高压管路能够迅速可靠泄压，并且泄压阀在常规情况下的承压能力有所改善。
附图说明
从下文的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本申请的原理及各个方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本申请的理解。在附图中：
图1示意性示出了配备有根据本申请的泄压阀的流体供应系统的简图；
图2示意性示出了根据本申请的一个实施例的泄压阀结构，其中该泄压阀处于截止状态中；并且
图3示意性示出了根据本申请的实施例的泄压阀结构，其中，该泄压阀处于泄压状态中。
具体实施方式
在本申请的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。此外，在本申请的附图中，同一部件的剖面线在不同的视图中可能会以不同的方式呈现，但是这并不应认为会造成对本申请的技术方案的理解有任何影响。例如，在图2和3中，同一部件的剖面线会因制图原因而造成剖面线的密度和方向不一样，但是这不会影响对本申请技术方案的理解。
图1示意性示出了可以在燃料电池汽车中采用的流体供应系统1的一部分。例如，该流体供应系统1可以是为汽车的燃料电池的电堆提供诸如高压氢气或高压空气的气体，也可以是为燃料电池的正常工作提供诸如水的液体。在本申请中，将所述气体和液体统称为流体。该流体供应系统1包括高压流体罐20，高压流体在其中存储。
以下仅以氢气为例，介绍流体供应系统1。但是，本领域技术人员应当清楚为了确保燃料电池正常工作的任何其它合适的高压流体，也可以应用于涉及以下与氢气描述有关的技术内容。
高压流体罐子20可以为氢气罐。该高压流体罐20与流体供应系统1的高压管路10a密封相连，其中，所述高压管路10a经由调压阀40与流体供应系统1的低压管路10b流体相连。该流体供应系统1还包括在低压管路10b中设置的供应喷嘴30。这样，高压氢气事先在高压流体罐20内被存储，依据需要，高压氢气经由高压管路10a从高压流体罐20输出，并经由调压阀40减压后进入低压管路10b，并经供应喷嘴30进一步供至燃料电池的电堆，以便实现电化学反应并产生电力。
在因汽车发生意外事故例如碰撞而造成流体供应系统1受损时，高压流体罐20可能遭受异常高温，导致其内的流体压力异常升高并进而造成爆炸。为了避免因这种意外事故造成的高压流体罐20出现爆炸的可能性，可以在高压流体罐20中和/或高压管路10a中设置根据本申请的泄压阀。例如，如箭头100所示，这种泄压阀可以设置在高压流体罐20的出口处，如与出口处的输出阀(未示出)并联；和/或，这种泄压阀可以设置在高压流体罐20的壁中。
接下来，参照附图2和3说明泄压阀100的一个示例。如图所示，泄压阀100包括大致筒形的阀体部件101。由所述阀体部件101的内壁限定有一中空的内腔200。该内腔200具有彼此相反的两个开口，其中一个在图中的左侧，另一个在图中的右侧，这两个开口分别与泄压阀100的高压侧和低压侧相通。在图1和2中，左侧视为泄压阀100的高压侧，其例如与高压流体罐20的出口相通或者与高压管路10a相通；右侧视为泄压阀100的低压侧，其例如与外界大气相通或者与其它低压流体管路相通。
自阀体部件101的高压侧，一基座部件102被安装到阀体部件101中并部分地外露。例如，基座部件102的外周表面形成有螺纹，并且阀体部件101的相应内周表面也形成有螺纹，以便二者螺合在一起。基座部件102也形成有一中空的内腔203。当基座部件102在阀体部件101中被安装就位后，内腔203可以与内腔200连通。在这种情况下，与内腔200连通的内腔203的开口(例如图2中的左侧开口)与泄压阀100的高压侧相通。
基座部件102的外壁形成有大直径区段102a和小直径区段102b，其中，所述大直径区段102a的外径可以与阀体部件101的外径大致相同，所述小直径区段102b上形成有外螺纹，以便与阀体部件101的内壁上形成的内螺纹接合。基座部件102和阀体部件101在组装就位后构成了泄压阀101的阀体。
在基座部件102的内腔203中，由基座部件102的内壁形成一台阶面102c，该台阶面是垂直于阀体的纵向轴线的环形面。该台阶面102c沿着纵向轴线方向大致位于基座部件102的大直径区段102a所在的区域中。在该台阶面102c的周围还形成有一环形凹槽102d，用于在其中安装密封圈108。在基座部件102中安装有一内套106。该内套106的外壁形成有外螺纹，以便与基座部件102的内壁上形成的内螺纹接合。内套106也大体上呈筒形，具有两个彼此相反的端平面。内套106具有由其内壁限定的中空的内腔204。
此外，在基座部件102与内套106之间夹置固定有一隔片107。所述隔片107配置成在基座部件102与内套106之间的紧固力的作用下将泄压阀100的高压侧和低压侧密封地隔离。例如，在组装时，可以将密封圈108首先置入到基座部件102的环形凹槽102d中，密封圈108的厚度可以构造为稍微大于环形凹槽102d的轴向深度，从而当将隔片107朝向基座部件102的台阶面102c安装时，其先会与密封圈108接触。然后，从基座部件102的端面102e一侧将内套106经由螺纹旋拧到基座部件102中，最终使得内套106的一个端平面抵压隔片107并进而挤压密封圈108。当内套106在基座部件102中最终旋拧到位时，内套106的与隔片107接触的端平面相反的端平面106a可以与基座部件102的端面102e平齐。密封圈108与隔片107的协作确保了隔片107的相反两侧的内腔、即位于隔片107的邻近泄压阀100的高压侧那侧(图1和2中的左侧)的内腔203部分和位于隔片107的邻近泄压阀100的低压侧那侧(图1和2中的右侧)的内套106的内腔204之间的气密性隔离。
阀体部件101的内腔200包括由阀体部件101的内壁限定的大直径内腔区段200a和小直径内腔区段200b，其中，大直径内腔区段200a和小直径内腔区段200b在阀体部件101被组装就位后与内套106的内腔204相通。大直径内腔区段200a在由阀体部件101的内壁所形成的台阶面101a处与小直径内腔区段200b相连。此外，弹簧座103能够滑动地位于阀体部件101的内腔200中。弹簧座103也为中空结构，其内壁限定了弹簧座103的中空内腔201。从外部看，弹簧座103也包括大直径区段103a和小直径区段103b，其中大直径区段103a还包括环形凸缘103c。
弹簧座103的大直径区段103a可以利用环形凸缘103c在阀体部件101的大直径内腔区段200a中由阀体部件101的内壁能够滑动地支承，弹簧座103的小直径区段103b可以在阀体部件101的小直径内腔区段200b中由阀体部件101的内壁能够滑动地支承。弹簧座103的大直径区段103a的外径小于阀体部件101的大直径内腔区段200a的直径，从而一螺旋弹簧104能够布置在弹簧座103的、特别是其大直径区段103a的外径部分与阀体部件101的内壁之间。该螺旋弹簧104的一个端部可以抵靠阀体部件101的台阶面101a，并且相反的另一个端部可以抵靠弹簧座103的环形凸缘103c。
进一步，在环形凸缘103c的与螺旋弹簧104相反的端面上固定有一穿刺部件105。所述穿刺部件105包括基底105a以及与基底105a一体形成且自所述基底105a轴向延伸的尖锐部105b。所述穿刺部件105也为中空结构，并限定了轴向贯穿基底105a和尖锐部105b的中空内腔202。基底105a上可以形成有通孔，以便经由螺栓将基底105a固定在环形凸缘103c上，如图2和3所示。尖锐部105b具有由斜面形成的尖端，用于刺破隔片107。
图2以剖视图的方式示意性示出了泄压阀100处于截止状态中，在该截止状态中，隔片107保持完好无损，从而泄压阀100的高压侧和低压侧彼此隔离。图3以剖视图的方式示意性示出了泄压阀100处于泄压状态中，在该泄压状态中，隔片107被尖锐部105b刺破，使得泄压阀100的高压侧和低压侧导通。
在阀体部件101的内腔200的小直径内腔区段200b所在的区域中，阀体部件101的壁中形成有一径向通孔，在所述通孔内可插入一插塞件109。该插塞件109形成有盲孔119，在所述盲孔119中例如能够以形状配合或摩擦配合的方式插入一锁销120，以使得其从所述盲孔119部分地外露。在如图2所示的截止状态中，插塞件109被插入阀体部件101的侧壁中的通孔内，并且锁销120的外露部分被插入到弹簧座103的小直径区段103b中的径向通孔113，以此将弹簧座103并进而将穿刺部件105在轴向锁定就位。
穿刺部件105的尖锐部105b的外径小于内套106的中空的内腔204的直径，因此尖锐部105b可以伸入到内腔204中。但是，在如图2所示的截止状态中，尖锐部105b的尖端与隔片107间隔开一定距离，同时基底105a也与内套106的端平面106a和/或基座部件102的端面102e间隔开一定距离。
例如，在组装泄压阀100时，可以先将螺旋弹簧104置入阀体部件101的大直径内腔区段200a中使得其一端与台阶面101a接触，然后，在大直径内腔区段200a中装入已经固定有穿刺部件105的弹簧座103，使得弹簧座103的环形凸缘103c接触螺旋弹簧104的相反另一端。接着，利用特殊的工具按压弹簧座103，使得其小直径区段103b在阀体部件101的小直径内腔区段200b中轴向滑动，并且最终弹簧座103的大直径区段103a与小直径区段103b之间的台阶面与阀体部件101的台阶面101a接触，此时弹簧座103的径向通孔113与阀体部件101中的用于插入插塞件109的通孔共轴线。因此，可以将插塞件109插入阀体部件101的通孔中，以将弹簧座103和穿刺部件105在阀体部件101中轴向锁定就位。接着，将已经组装有隔片107和内套106的基座部件102从高压侧旋拧到阀体部件101中，使得穿刺部件105的尖锐部105b进入内套106的中空的内腔204，并且尖锐部105b的尖端与隔片107间隔开一定距离，同时基底105a也与内套106的端平面106a和/或基座部件102的端面102e间隔开一定距离。
穿刺部件105的轴向长度可以设置成当泄压阀100组装就位而处于如图2所示的截止状态中时，尖锐部105b的尖端恰好不接触隔片107，从而确保只要穿刺部件105朝向隔片107被移动，则尖锐部105b的尖端必将能够触及隔片107。此外，螺旋弹簧104配置成总是向弹簧座103施加趋于使得其从泄压阀100的低压侧朝向高压侧移动的力。
在本申请的实施例中，锁销120可以由易熔性材料、例如易熔性合金制成。例如，这种易熔性合金可以选自目前市场上有售的任何合适的易熔性合金，只要其强度在特定的温度范围能够发生突然减弱，以使得锁销120无法支承螺旋弹簧104的力以维持泄压阀100的截止状态即可。以氢气为例，制造锁销120的易熔性合金可以被选择成熔点是在110℃±5℃的范围内。锁销120的尺寸设计成在该范围以下锁销120可以支承螺旋弹簧104的力以维持泄压阀100处于如图2所示的截止状态。
在泄压阀100的使用过程中，泄压阀100以如图2所示的截止状态例如被安装高压流体罐20的出口处，使得泄压阀100的高压侧与高压流体相通，而泄压阀100的低压侧与大气或其它低压管道相通。在正常的使用过程中，锁销120将弹簧座103锁定不动，因此隔片107将高压侧与低压侧相隔离。在泄压阀100的周围温度达到或超过110℃±5℃的范围内的某一值时，锁销120的状态发生改变使得其强度不足以支承螺旋弹簧104的力。例如，锁销120发生断裂或者被截断，在螺旋弹簧104的力的作用下，弹簧座103携带着穿刺部件105被迅速朝向高压侧驱动，使得穿刺部件105的尖锐部105b刺破隔片107并且最终因基底105a与端平面106a和/或基座部件102的端面102e接触而将停止穿刺部件105，使得泄压阀100处于如图3所示的泄压状态。在该泄压状态中，内腔203、204、202、203和202均彼此导通，也就是说泄压阀100的高压侧和低压侧导通，从而高压流体可以迅速地从高压流体罐20清空，避免意外事故发生。在本申请的技术方案中，因为构成泄压阀锁定装置的锁销120被配置成仅在特定的温度或者温度范围内才失效并且锁销120与构成泄压阀密封结构的密封圈108隔开设计，造成泄压阀100的锁定装置不会影响密封结构的可靠性。也就是说，不会出现因锁定装置与密封结构集成在一起而造成因为锁定装置老化造成高压侧的容器例如高压流体罐20内的高压流体缓慢泄漏的情况出现。此外，基于温度启动的锁定装置更确保了在异常高温情况下泄压阀100可以迅速打开。
如图2和3所示，在本申请的实施例中，隔片107被设计为隔片107的处于基座部件102的中空的内腔203内的部分是朝向高压侧凸起并且以形成球面一部分的方式被成形。在本申请中，术语“隔片朝向高压侧凸起并且以形成球面一部分的方式被成形”意味着该球的圆心靠近与高压侧相反的低压侧。这样的设计方式使得来自高压流体的压力与隔片107的凸起方向相反，从而确保在隔片107的厚度相同的情况下，与较为平坦的隔片相比，本申请的隔片107能够承受更大的流体压力。
此外，在本申请的实施例中，穿刺部件105与弹簧座103并然后组装在一起，构成了一个能够在阀体内直线滑动的穿通构件，其中，弹簧座103由价格较为便宜的常见的机械制造钢材或重量较轻的铝合金而无需特殊热处理制成，但是穿刺部件105由价格较为昂贵的专用高硬度材料并经特殊热处理制成，因此可以确保以合理的成本和较轻的重量来制造根据本申请的泄压阀。本领域技术人员应当清楚，穿刺部件105与弹簧座103在一个替代的实施例中也可以由价格较为昂贵的专用高硬度材料并经特殊热处理一体制成该穿通构件。
虽然在本申请的实施例中穿通构件经由螺旋弹簧104施加从低压侧朝向高压侧的力，但是在替代的实施例中螺旋弹簧104也可以由其它具有同样功能的弹性部件替代。例如，在一个替代的实施例中，这种弹性部件也可以是在阀体的内腔中布置的中空弹性波纹管结构，其套设在穿通构件的一部分上，从而相对于阀体向穿通构件施加从低压侧朝向高压侧作用的力。
在附图所示的实施例中，锁销120构成了根据本申请的锁定装置，其用于将作为穿通构件的一部分的穿刺部件105和/或弹簧座103锁定在泄压阀100的截止状态中。但是，本领域技术人员应当清楚，锁定装置并非仅限于所示的示例。例如，锁销120的数量可以是一个或多个。再例如，在一替代的实施例中，锁定装置可以包括其它形状的由易熔性合金制成的结构，其作用在阀体与弹簧座103之间，以将弹簧座103相对于阀体锁定。
尽管这里详细描述了本申请的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出，而不应认为它们对本申请的范围构成限制。此外，本领域技术人员应当清楚，本说明书所描述的各实施例可以彼此相互组合使用。在不脱离本申请精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (11)

1.一种泄压阀(100)，包括：
阀体，在所述阀体内限定有一中空的内腔，所述中空的内腔具有相反的两端，分别与所述泄压阀(100)的高压侧和低压侧相通；以及
在所述阀体内设置的隔片(107)，所述隔片(107)位于所述中空的内腔中；
在所述阀体内能够直线滑动地设置的穿通构件，所述穿通构件由位于所述内腔中的弹性部件施加有沿着从所述低压侧朝向所述高压侧的力；以及
在所述阀体中与所述隔片(107)隔开固定设置的锁定装置，借助于所述锁定装置，所述穿通构件被锁定在所述泄压阀的截止状态中，在所述截止状态中，所述高压侧和所述低压侧由所述隔片密封地隔离，并且，所述穿通构件被配置成在超过一规定的温度则无法锁定所述穿通构件，使得所述穿通构件在所述力的作用下从所述低压侧朝向所述高压侧移动，且最终所述泄压阀处于导通状态中，在所述导通状态中，所述隔片由所述穿通构件穿透使得所述高压侧和所述低压侧导通。
2.根据权利要求1所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述锁定装置包括锁销(120)，所述锁销穿过所述阀体中形成的通孔且至少部分地伸入到所述穿通构件中，以将所述穿通构件锁定在所述截止状态中。
3.根据权利要求2所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述锁销(120)由易熔性合金制成，以使得所述规定的温度是在110℃±5℃的范围内。
4.根据权利要求1至3任一所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述穿通构件是一体形成的。
5.根据权利要求1至3任一所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述穿通构件包括弹簧座(103)以及在所述弹簧座(103)上安装的用于穿透所述隔片(107)的穿刺部件(105)，所述力被施加至所述弹簧座(103)。
6.根据权利要求5所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述弹性部件包括螺旋弹簧(104)，所述螺旋弹簧(104)套设在所述弹簧座(103)的至少部分外表面上，并且所述螺旋弹簧(104)的一端抵靠所述阀体的一部分且所述螺旋弹簧的相反另一端抵靠所述弹簧座(103)的一部分。
7.根据权利要求1至3任一所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述隔片(107)被设计为其在所述中空的内腔中的一部分是朝向所述高压侧凸起，并且所述隔片(107)的该一部分以形成球面一部分的方式被成形。
8.根据权利要求6所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述弹簧座(103)形成有轴向贯穿的中空的第一内腔(201)，所述穿刺部件(105)形成有轴向贯穿的中空的第二内腔(202)，所述阀体的内腔与所述第一内腔(201)和所述第二内腔(202)彼此连通。
9.根据权利要求8所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述穿刺部件(105)具有由斜面形成的尖端，以便在所述泄压阀(100)的穿通状态中，所述尖端透过所述隔片(107)并使得所述第二内腔(201)与所述高压侧相通。
10.根据权利要求9所述的泄压阀(100)，其特征在于，所述隔片(107)经由在所述阀体的内腔中设置的密封圈(108)使所述高压侧和低压侧密封地隔离，所述密封圈(108)沿着轴向至少经所述穿刺部件(105)与所述锁定装置隔开。
11.一种用于在燃料电池汽车中使用的流体供应系统(1)，其包括：
高压流体罐(20)；以及
与所述高压流体罐(20)流体连通的高压管路，其中，在所述高压流体罐(20)中和/或所述高压管路中设置根据前述权利要求任一所述的泄压阀(100)，以使得所述泄压阀(100)的高压侧与所述高压流体罐(20)和/或所述高压管路中的高压流体相通，而所述泄压阀(100)的低压侧与大气相通。
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