CN114033880A - 高压氢气减压阀 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压氢气减压阀，包括阀盖和阀体，所述阀体的上端设置有第二减压腔，所述阀体的下端设置有第一减压腔，所述阀体的左端设置有进气口，阀体的右端设置有出气口，所述进气口与第一减压腔靠近上端的位置处连通，所述第一减压腔的下端与第二减压腔靠近下端的位置处通过第一气孔连通，所述第二减压腔的上端与出气口之间通过第二气孔连通，所述第二气孔的中部水平设置有与阀体外界连通的安全孔，所述安全孔内设置有安全阀组件。直接将一级减压与二级减压设置在同一个阀体上，并且在该阀体上还设置有安全泄压组件，其集成度高，不需要单独布置其他管路便能使用，从而降低其使用成本。

Description

高压氢气减压阀
技术领域
本发明属于燃料电池汽车车载供氢技术领域，具体涉及一种高压氢气减压阀。
背景技术
氢气减压阀是一种将进口压力降至所需出口压力并稳定输出的装置。现有技术中，氢气减压阀多为一级减压，其具有以下缺点：减压后的出口压力普遍偏高，不能直接进入燃料电池电堆中使用，还须额外增加减压装置才能满足燃料电池电堆的需求；集成度不高，未设置安全泄放装置等部件，需另增加管路进行布置，增加了系统使用成本；流量较小，不能满足35MPa输入压力下，大功率120kw以上电堆，流量5g/s以上的使用要求。
发明内容
本发明拟提供一种高精度、高集成度的氢气减压阀，使其能用于高压大功率的电堆。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种高压氢气减压阀，包括阀盖和阀体，所述阀体的上端设置有第二减压腔，所述阀体的下端设置有第一减压腔，所述阀体的左端设置有进气口，阀体的右端设置有出气口，所述进气口与第一减压腔靠近上端的位置处连通，所述第一减压腔的下端与第二减压腔靠近下端的位置处通过第一气孔连通，所述第二减压腔的上端与出气口之间通过第二气孔连通，所述阀体的上下两端均通过锁紧螺母设置有阀盖，且阀盖能将第一减压腔或第二减压腔盖住，所述第一减压腔与阀盖之间设置有第一减压装置，所述第二减压腔与阀盖之间设置有第二减压装置，所述第二气孔的中部水平设置有与阀体外界连通的安全孔，所述安全孔内设置有安全阀组件；
所述第一减压腔与第二减压腔的结构相同且上下相对设置，所述第一减压腔包括由上到下依次设置的顶段、密封段、减压段、阀座段、底段，且顶段、密封段、减压段、阀座段、底段的直径由小到大，所述进气口与减压段相通，所述第一气孔的下端与第一减压腔的底段相通，所述第一气孔的上端与第二减压腔的减压段相通，所述第二气孔的上端与第二减压腔的底段相通；
所述第一减压装置与第二减压装置的结构相同且上下相对设置，所述第一减压装置包括膜片、减压组件和调压组件，所述膜片设置在第一减压腔的底段且刚好被阀盖压住，所述减压组件位于第一减压腔内包括阀杆，所述阀杆外从上到下依次设置有密封组件、弹簧托盖、复位弹簧和阀座，所述密封组件位于密封段内，所述弹簧托盖和复位弹簧均位于减压段内，所述阀座均位于阀座段内，所述阀座与阀座段之间设置有减压阀芯；
所述调压组件设置在阀盖内包括调压弹簧、调压弹簧上座和调压弹簧上座，所述调压弹簧设置在调压弹簧上座和调压弹簧上座之间，且调压弹簧的上下两端对应套在调压弹簧上座或调压弹簧上座对应侧外，所述调压弹簧上座与阀盖之间设置有导向环，所述调压弹簧上座的上端中部设置有凸起，且凸起与膜片相接触，所述调压弹簧上座的下端设置有调压螺钉，所述调压螺钉向下穿过阀盖。
作为上述方案中的优选，所述密封组件包括由上到下依次设置的锥形环和减压密封圈，所述密封段与顶段之间设置为密封斜面，所述锥形环的上端面设置为密封斜面相互配合的密封锥面。
进一步优选，所述密封锥面与锥形环轴线之间的角度介于45°-60°之间，所述减压密封圈的压缩量为30％-40％。
进一步优选，所述阀杆包括上下依次设置的上段和下段，且上段直径大于下段直径，所述上段与下段之间设置阀杆斜面，且阀杆斜面与上段、阀杆斜面与下段之间均采用圆弧过渡，所述减压阀芯的内侧上端设置为圆弧面，所述阀座的上端设置为阀座锥面，所述圆弧面与阀杆斜面之间形成第一密封面，所述阀座锥面与上段与阀杆斜面之间的圆弧过渡面之间形成第二密封面，所述圆弧面与阀杆斜面之间为节流口。
进一步优选，所述节流口的最大开度和节流面积直径之间应该符合以下关系式：
Figure BDA0003338842710000031
其中，Q为通过节流口氢气的质量流量；C为节流口流通系数；取值在0.65-0.95之间；d为节流面积直径；H为节流口的最大开度；X为运动行程；θ为密封角度；Pin为节流口的进气压力；Pout为节流口的出口压力；k为氢气绝热指数；R为氢气气体常数；T为氢气的绝热温度；最终得到的流口的最大开度H和节流面积直径d需满足
Figure BDA0003338842710000032
进一步优选，所述膜片的设计时，其膜片变形量和膜片的厚度需满足以下公式：
Figure BDA0003338842710000041
其中，P为膜片上的均布压力，其根据具体的工况取值；R为膜片工作半径，由经验公式计算可得；E为弹性模量，由膜片材料确定；h为膜片厚度，K为弯曲刚度系数，由膜片材料确定；A为无量纲刚度系数；W为膜片变形量；L为拉伸刚度系数，由膜片材料确定；B为无量纲拉伸系数；
其中无量纲刚度系数A和无量纲拉伸系数B通过以下公式求得，
Figure BDA0003338842710000042
Figure BDA0003338842710000043
其中，μ为泊松比，由膜片材料确定；q通过以下公式求得，
Figure BDA0003338842710000044
其中，H为膜片波纹高度，其由设计确定，最终求得的膜片变形量W和膜片的厚度h需满足以下条件
Figure BDA0003338842710000045
进一步优选，所述第一气孔整体长“7”字型，所述第一气孔的水平段上设置有与阀体外连通的工艺孔，所述工艺孔内设置有堵头。
进一步优选，所述阀体的上下端设置有用于安装膜片的密封槽，所述密封槽设置在底段下方外，所述膜片内侧与阀体之间设置有膜片密封圈；所述调压螺钉的端头与阀盖之间设置有调压密封圈。
进一步优选，在所述阀杆内设置有压力补偿孔，所述压力补偿孔整体呈“T”型，其水平段贯穿阀杆的下段且位于阀座内，竖直段由水平段向上延伸到阀杆的上端且与顶段相通。
进一步优选，所述安全阀组件包括安全阀体，所述安全阀体拧紧在安全孔远离第二气孔的一侧，所述安全阀体内设置有水平贯穿整个安装阀的调节孔，所述调节孔内从内到外依次设置有安全减压阀芯密封圈、安全阀座、安全阀弹簧、安全阀螺母，所述安全阀螺母拧紧在调节孔内，所述安全阀弹簧的一端套在安全阀座外侧上，一端位于安全阀螺母内，所述安全阀体与阀体之间设置有安全阀密封圈，所述安全阀座的内侧设置有用于密封调节孔的安全阀芯。
本发明的有益效果：直接将一级减压与二级减压设置在同一个阀体上，并且在该阀体上还设置有安全泄压组件，其集成度高，不需要单独布置其他管路便能使用，从而降低其使用成本；并且由于本发明的结构，经试验验证后得到本装置能用于高压大功率的电堆，通过二级减压后，使出口处的压力较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图一。
图2为本发明的结构示意图二。
图3为图2的左视图。
图4为图3中M的放大图一。
图5为图3中N的放大图。
图6为图3中R的放大图。
图7为图3中M的放大图二。
图2和图3中箭头标识气体的流向。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
如图1-图7所示，一种高压氢气减压阀，主要由阀盖1和阀体2组成。在阀体2的上端设置有第二减压腔2b，在阀体2的下端设置有第一减压腔2a，在阀体2的左端设置有进气口2c，在阀体2的右端设置有出气口2d，进气口2c与第一减压腔2a靠近上端的位置处连通，第一减压腔2a的下端与第二减压腔2b靠近下端的位置处通过第一气孔2e连通，第二减压腔2b的上端与出气口2d之间通过第二气孔2g连通。阀体2的上下两端均通过锁紧螺母3设置有阀盖1，且阀盖1能将第一减压腔2a或第二减压腔2b盖住，第一减压腔2a与阀盖1之间设置有第一减压装置，第二减压腔2b与阀盖1之间设置有第二减压装置。第二气孔2g的中部水平设置有与阀体2外界连通的安全孔2h，安全孔2h内设置有安全阀组件。
第一减压腔2a与第二减压腔2b的结构相同且上下相对设置，第一减压腔2a包括由上到下依次设置的顶段a、密封段b、减压段c、阀座段d、底段e，且顶段a、密封段b、减压段c、阀座段d、底段e的直径由小到大，进气口2c与减压段c相通，第一气孔2e的下端与第一减压腔2a的底段相通，第一气孔2e的上端与第二减压腔2b的减压段c相通，第二气孔2g的上端与第二减压腔2b的底段e相通。
第一减压装置与第二减压装置的结构相同且上下相对设置，第一减压装置包括膜片4、减压组件和调压组件，膜片4设置在第一减压腔2a的底段e且刚好被阀盖1压住，减压组件位于第一减压腔2a内包括阀杆5，阀杆5外从上到下依次设置有密封组件、弹簧托盖6、复位弹簧7和阀座8，密封组件位于密封段b内，弹簧托盖6和复位弹簧7均位于减压段c内，阀座8均位于阀座段d内，阀座8与阀座段d之间设置有减压阀芯9。阀杆5在气流和复位弹簧的作用下，能在减压腔内上下运动，此时，阀杆5与减压腔之间的间隙形成了节流流道，并且该节流流道由下向上截面逐渐变大的趋势。
调压组件设置在阀盖1内，包括调压弹簧10、调压弹簧上座11和调压弹簧下座24，调压弹簧10设置在调压弹簧上座11和调压弹簧下座24之间，且调压弹簧10的上下两端对应套在调压弹簧上座11或调压弹簧下座24对应侧外，调压弹簧上座11与阀盖1之间设置有导向环12，调压弹簧上座11的上端中部设置有凸起11a，且凸起11a与膜片4相接触，调压弹簧下座24的下端设置有调压螺钉12，调压螺钉12向下穿过阀盖1。通过拧动调节螺钉12可改变调节弹簧10的预紧力，从而改变膜片4的可变形量，实现调压的作用。
密封组件的具体包括由上到下依次设置的锥形环13和减压密封圈14，密封段b与顶段a之间设置为密封斜面f，锥形环13的上端面设置有密封斜面f相互配合的密封锥面13a。当减压密封圈14在气体压力的作用下向上滑移时，当减压密封圈14与阀体之间的摩擦力大于气体压力对减压密封圈14的轴向力时，减压密封圈14停止向上移动。随着气体压力的增加，气体与减压密封圈14之间的接触压力也随之增加，使减压密封圈14继续向上移动，当减压密封圈14向上至其能压迫锥形环13时，由于密封斜面f与密封锥面8a的配合使得锥形环13对减压密封圈14产生反作用力，当该反作用力与摩擦力之和大于气体压力对减压密封圈14的轴向力时，减压密封圈14停止向上移动，即形成自密封效应。同时在此过程中，减压密封圈14不断将气体压力传递给锥形环13是，在楔紧效应下，锥形块沿着密封锥面向上滑动，使其与阀体之间的间隙被填满，也因此使得该密封组件的自密封效应增强，从而也能避免减压密封圈14出现因被挤出而失效的情况。
最好是，密封锥面13a与锥形环13轴线之间的角度介于45°-60°之间，减压密封圈14的压缩量为30％-40％。
阀杆5包括上下依次设置的上段5a和下段5b，且上段5a直径大于下段5b直径，上段5a与下段5b之间设置阀杆斜面5c，且阀杆斜面5c与上段5a、阀杆斜面5c与下段5b之间均采用圆弧过渡，减压阀芯9的内侧上端设置为圆弧面9a，阀座8的上端设置为阀座锥面8a，圆弧面9a与阀杆斜面5c之间形成第一密封面，上段5a与阀杆斜面5c间圆弧过渡面与阀座锥面8a之间形成第二密封面，圆弧面9a与阀杆斜面5c之间为节流口。最好是，减压阀芯采用塑料VESPE SP1材料，阀杆采用不锈钢316材质，并且阀座的硬度能达到28-32HRC，阀座的硬度为22-25HRC，当第一密封面由于通过减压阀气体内含有的杂质使其失效后，在复位弹簧和进气压力的作用下，推动阀杆向下运动，使第二密封面起作用，从而能有效防止阀芯密封面失效导致整个减压装置失效的情况，同时提高了整个使用寿命。
节流口的最大开度和节流面积直径之间应该符合以下关系式：
Figure BDA0003338842710000081
其中，Q为通过节流口氢气的质量流量；C为节流口流通系数；取值在0.65-0.95之间；d为节流面积直径，其取值在2mm-10mm之间；H为节流口的最大开度；X为运动行程,节流口的最大开度H为最大的运动行程，即阀杆下端与膜片接触，膜片与凸起接触；θ为密封角度；Pin为节流口的进气压力；Pout为节流口的出口压力；k为氢气绝热指数；R为氢气气体常数；T为氢气的绝热温度；最终得到的流口的最大开度H和节流面积直径d需满足
Figure BDA0003338842710000091
在膜片4的设计时，其膜片变形量和膜片的厚度需满足以下公式：
Figure BDA0003338842710000092
其中，P为膜片上的均布压力，其根据具体的工况取值；R为膜片工作半径，由经验公式计算可得；E为弹性模量，由膜片材料确定；h为膜片厚度，K为弯曲刚度系数，由膜片材料确定；A为无量纲刚度系数；W为膜片变形量；L为拉伸刚度系数，由膜片材料确定；B为无量纲拉伸系数；
其中无量纲刚度系数A和无量纲拉伸系数B通过以下公式求得，
Figure BDA0003338842710000093
Figure BDA0003338842710000094
其中，μ为泊松比，由膜片材料确定；q通过以下公式求得，
Figure BDA0003338842710000095
其中，H为膜片波纹高度，其由设计确定，最终求得的膜片变形量W和膜片的厚度h需满足以下条件
Figure BDA0003338842710000096
第一气孔2e整体长“7”字型，为方便第一气孔2e的加工，在第一气孔2e的水平段上设置有与阀体外连通的工艺孔2j，工艺孔2j内设置有堵头15。
为保证整个减压腔的密封，在阀体2的上下端均设置有用于安装膜片4的密封槽2k，密封槽2k设置在底段e下方外，膜片4内侧与阀体2之间设置有膜片密封圈16；调压螺钉12的端头与阀盖1之间设置有调压密封圈17。
在阀杆5内设置有压力补偿孔5d，压力补偿孔5d整体呈“T”型，其水平段贯穿阀杆的下段且位于阀座8内，竖直段由水平段向上延伸到阀杆5的上端且与顶段a相通。
安全阀组件的具体结构包括安全阀体18，安全阀体18拧紧在安全孔2h远离第二气孔2g的一侧，安全阀体18内设置有水平贯穿整个安装阀的调节孔18a，调节孔18a内从内到外依次设置有安全减压阀芯密封圈19、安全阀座20、安全阀弹簧21、安全阀螺母22，安全阀螺母22拧紧在调节孔18a内，安全阀弹簧21的一端套在安全阀座20外侧上，一端位于安全阀螺母22内，安全阀体18与阀体2之间设置有安全阀密封圈23，安全阀座20的内侧设置有用于密封调节孔18a的安全阀芯25。通过拧紧松开安全阀螺母22调节安全阀弹簧21，从而实现安全阀出口压力的调节，并提供给安全阀芯25的预紧密封力。
为减少气体进入减压阀内的杂质，在进气口处设置有滤网26。
高压氢气有进气口进入，通过滤网是实现粗过滤，然后进入到一级减压腔内进行减压，再经过第一气孔到达第二减压腔内，进行第二次减压，减压后的气体沿着第二气孔到达出气口，其具体预定运动过程，如图2-3中箭头所示。

Claims (8)

1.一种高压氢气减压阀，包括阀盖(1)和阀体(2)，其特征在于：所述阀体(2)的上端设置有第二减压腔(2b)，所述阀体(2)的下端设置有第一减压腔(2a)，所述阀体(2)的左端设置有进气口(2c)，阀体(2)的右端设置有出气口(2d)，所述进气口(2c)与第一减压腔(2a)靠近上端的位置处连通，所述第一减压腔(2a)的下端与第二减压腔(2b)靠近下端的位置处通过第一气孔(2e)连通，所述第二减压腔(2b)的上端与出气口(2d)之间通过第二气孔(2g)连通，所述阀体(2)的上下两端均通过锁紧螺母(3)设置有阀盖(1)，且阀盖(1)能将第一减压腔(2a)或第二减压腔(2b)盖住，所述第一减压腔(2a)与阀盖(1)之间设置有第一减压装置，所述第二减压腔(2b)与阀盖(1)之间设置有第二减压装置，所述第二气孔(2g)的中部水平设置有与阀体(2)外界连通的安全孔(2h)，所述安全孔(2h)内设置有安全阀组件；
所述第一减压腔(2a)与第二减压腔(2b)的结构相同且上下相对设置，所述第一减压腔(2a)包括由上到下依次设置的顶段(a)、密封段(b)、减压段(c)、阀座段(d)、底段(e)，且顶段(a)、密封段(b)、减压段(c)、阀座段(d)、底段(e)的直径由小到大，所述进气口(2c)与减压段(c)相通，所述第一气孔(2e)的下端与第一减压腔(2a)的底段相通，所述第一气孔(2e)的上端与第二减压腔(2b)的减压段(c)相通，所述第二气孔(2g)的上端与第二减压腔(2b)的底段(e)相通；
所述第一减压装置与第二减压装置的结构相同且上下相对设置，所述第一减压装置包括膜片(4)、减压组件和调压组件，所述膜片(4)设置在第一减压腔(2a)的底段(e)且刚好被阀盖(1)压住，所述减压组件位于第一减压腔(2a)内包括阀杆(5)，所述阀杆(5)外从上到下依次设置有密封组件、弹簧托盖(6)、复位弹簧(7)和阀座(8)，所述密封组件位于密封段(b)内，所述弹簧托盖(6)和复位弹簧(7)均位于减压段(c)内，所述阀座(8)均位于阀座段(d)内，所述阀座(8)与阀座段(d)之间设置有减压阀芯(9)；
所述调压组件设置在阀盖(1)内，包括调压弹簧(10)、调压弹簧上座(11)和调压弹簧下座(24)，所述调压弹簧(10)设置在调压弹簧上座(11)和调压弹簧下座(24)之间，且调压弹簧(10)的上下两端对应套在调压弹簧上座(11)或调压弹簧下座(24)对应侧外，所述调压弹簧上座(11)与阀盖(1)之间设置有导向环(12)，所述调压弹簧上座(11)的上端中部设置有凸起(11a)，且凸起(11a)与膜片(4)相接触，所述调压弹簧下座(24)的下端设置有调压螺钉(12)，所述调压螺钉(12)向下穿过阀盖(1)；
所述膜片(4)的设计时，其膜片变形量和膜片的厚度需满足以下公式：
Figure FDA0003338842700000021
其中，P为膜片上的均布压力，其根据具体的工况取值；R为膜片工作半径，由经验公式计算可得；E为弹性模量，由膜片材料确定；h为膜片厚度，K为弯曲刚度系数，由膜片材料确定；A为无量纲刚度系数；W为膜片变形量；L为拉伸刚度系数，由膜片材料确定；B为无量纲拉伸系数；
其中无量纲刚度系数A和无量纲拉伸系数B通过以下公式求得，
Figure FDA0003338842700000022
Figure FDA0003338842700000031
其中，μ为泊松比，由膜片材料确定；q通过以下公式求得，
Figure FDA0003338842700000032
其中，H为膜片波纹高度，其由设计确定，最终求得的膜片变形量W和膜片的厚度h需满足以下条件，
Figure FDA0003338842700000033
所述密封组件包括由上到下依次设置的锥形环(13)和减压密封圈(14)，所述密封段(b)与顶段(a)之间设置为密封斜面(f)，所述锥形环(13)的上端面设置有密封斜面(f)相互配合的密封锥面(13a)。
2.根据权利要求1中所述的高压氢气减压阀，其特征在于：所述密封锥面(13a)与锥形环(13)轴线之间的角度介于45°-60°之间，所述减压密封圈(14)的压缩量为30％-40％。
3.根据权利要求4中所述的高压氢气减压阀，其特征在于：所述阀杆(5)包括上下依次设置的上段(5a)和下段(5b)，且上段(5a)直径大于下段(5b)直径，所述上段(5a)与下段(5b)之间设置阀杆斜面(5c)，且阀杆斜面(5c)与上段(5a)、阀杆斜面(5c)与下段(5b)之间均采用圆弧过渡，所述减压阀芯(9)的内侧上端设置为圆弧面(9a)，所述阀座(8)的上端设置为阀座锥面(8a)，所述圆弧面(9a)与阀杆斜面(5c)之间形成第一密封面，所述上段(5a)与阀杆斜面(5c)间圆弧过渡面与阀座锥面(8a)之间形成第二密封面，所述圆弧面(9a)与阀杆斜面(5c)之间为节流口。
4.根据权利要求3所述的高压氢气减压阀，其特征在于：所述节流口的最大开度和节流面积直径之间应该符合以下关系式：
Figure FDA0003338842700000041
其中，Q为通过节流口氢气的质量流量；C为节流口流通系数；取值在0.65-0.95之间；d为节流面积直径；H为节流口的最大开度；X为运动行程；θ为密封角度；Pin为节流口的进气压力；Pout为节流口的出口压力；k为氢气绝热指数；R为氢气气体常数；T为氢气的绝热温度；最终得到的流口的最大开度H和节流面积直径d需满足
Figure FDA0003338842700000042
5.根据权利要求1所述的高压氢气减压阀，其特征在于：所述第一气孔(2e)整体长“7”字型，所述第一气孔(2e)的水平段上设置有与阀体外连通的工艺孔(2j)，所述工艺孔(2j)内设置有堵头(15)。
6.根据权利要求1中所述的高压氢气减压阀，其特征在于：所述阀体(2)的上下端均设置有用于安装膜片(4)的密封槽(2k)，所述密封槽(2k)设置在底段(e)下方外，所述膜片(4)内侧与阀体(2)之间设置有膜片密封圈(16)；所述调压螺钉(12)的端头与阀盖(1)之间设置有调压密封圈(17)。
7.根据权利要求3中所述的高压氢气减压阀，其特征在于：在所述阀杆(5)内设置有压力补偿孔(5d)，所述压力补偿孔(5d)整体呈“T”型，其水平段贯穿阀杆的下段且位于阀座(8)内，竖直段由水平段向上延伸到阀杆(5)的上端且与顶段(a)相通。
8.根据权利要求1中所述的高压氢气减压阀，其特征在于：所述安全阀组件包括安全阀体(18)，所述安全阀体(18)拧紧在安全孔(2h)远离第二气孔(2g)的一侧，所述安全阀体(18)内设置有水平贯穿整个安装阀的调节孔(18a)，所述调节孔(18a)内从内到外依次设置有安全减压阀芯密封圈(19)、安全阀座(20)、安全阀弹簧(21)、安全阀螺母(22)，所述安全阀螺母(22)拧紧在调节孔(18a)内，所述安全阀弹簧(21)的一端套在安全阀座(20)外侧上，一端位于安全阀螺母(22)内，所述安全阀体(18)与阀体(2)之间设置有安全阀密封圈(23)，所述安全阀座(20)的内侧设置有用于密封调节孔(18a)的安全阀芯(25)。
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