CN114352937A - 一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阀门领域，具体涉及一种可适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置。本发明提供的适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置包括瓶口阀、减压阀、开关组件、顶针、小弹簧、气瓶帽。轻量化减压供氢装置将氢能手持火炬燃烧系统中的气瓶和燃烧器串联起来，负责气瓶启闭、高压氢气减压、氢气密封，解决大减压比减压、高可靠密封、低启闭力矩等问题，具有宽温度范围、微型化、轻量化的优点。

Description

一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置

技术领域

本发明涉及阀门领域，具体涉及一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置。

背景技术

在各类大型赛事中，常会需要使用手持火炬来传递火种，由于火炬传递的过程在室外进行，外界环境对火炬燃烧影响很大。目前，国内外使用的火炬燃料主要以丙烷为主，丙烷液体在气瓶中气化，丙烷气体提供给燃烧器，在使用过程中存在着不耐低温，抗风、抗雨性能差的问题，易导致火炬熄灭。

伴随我国提出碳达峰、碳中和的阶段性目标，氢气作为当今最清洁的能源，燃烧产物只有水，是21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。氢气燃烧速度快，一旦点燃后，很难熄灭，有较好的抗风、抗雨性能。由于氢气临界温度为-198℃，常温下只以气态形式存在，氢气从气瓶释放到达燃烧器后，直接燃烧，更适用于低温环境。因此氢气可作为火炬燃料，一方面更好的解决传统火炬存在的问题，另一方面向观众传递科技、绿色的精神内涵。

常温下氢气只能气态形式储存，为保证一定的燃烧时间，在有限的气瓶容积内只能通过提高储存压力来满足氢气用量，其压力可达70MPa G，远高于传统火炬，由于氢气分子量极小，对可靠密封提出更高的要求，再加上手持火炬对各个部件的尺寸、重量都有着严苛的要求，因此需要一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置。轻量化减压供氢装置串联起火炬燃烧系统中的气瓶和燃烧器，负责开启气瓶，将高压氢气释放后，减压并提供固定流量的氢气，燃烧器所需压力，解决大减压比减压、高精度稳压、高可靠密封、低启闭力矩等问题，并具有尺寸小、重量低的优点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置。

本发明解决技术的方案是：一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置，用于连接所述火炬中的气瓶和燃烧器；包括：瓶口阀、减压阀、开关组件、开关执行部件、气瓶帽；

减压阀负责高压氢气的减压，具有三个对接口，下对接口与气瓶帽连接、上对接口与燃烧器连接，侧对接口安装开关组件，所述气瓶帽内安装开关执行部件以及瓶口阀；由所述开关组件通过控制开关执行部件实现所述瓶口阀的启闭；所述瓶口阀与气瓶瓶口连接，负责气瓶的开关。

优选的，所述开关组件包括凸轮、垫片、压紧螺母、螺钉；

所述凸轮安装在减压阀的侧对接口，沿接口轴线依次分为四部分，最外侧部分通过压紧螺母实现与所述侧对接口连接，由压紧螺母压紧垫片以及最外侧部分；与最外侧部分相邻的第二部分上设置凹槽，螺钉安装在所述的凹槽内构成凸轮的开、关限位结构，防止阀门自动关闭；第三部分为凸轮凸面，位置与开关执行部分对应，所述凸轮凸面将瓶口阀启闭方式由直动变旋转，第二部分和第四部分上设置密封环，双密封环结构使凸轮所受轴向力相抵消，最外侧部分的端面设置钥匙槽，通过钥匙槽提供凸轮转动的驱动力。

优选的，所述螺钉的位置保证一个方向旋转凸轮时，凸轮凸面下压顶针，瓶口阀开启，另一个方向旋转时，凸轮凸面与顶针脱离，瓶口阀关闭，通过螺钉与凹槽的两个端面接触实现上述两个方向旋转的限位。

优选的，瓶口阀开启过程中，凸轮凸面尖端旋转到达最低点后继续运动，直至凸轮凸面尖端与竖直方向呈微小夹角β到达开位限位位置；所述的β取值范围为3°～18°，优选为5°～10°。

优选的，所述的开关执行部件包括顶针、弹簧；

所述顶针为上表面为球面的阶梯圆柱结构，放置在气瓶帽的中心通孔内，所述球面用于与所述凸轮凸面接触，顶针底面与瓶口阀接触用于提供开启推力；弹簧压缩安装在顶针的阶梯面与所述中心通孔的阶梯面内。

优选的，所述减压阀包括阀体、活塞组件、阀盖和弹簧；所述阀体的上端设置圆筒，圆筒外侧底部设置台阶；所述弹簧压缩安装在所述的台阶上，活塞组件的小端安装在所述圆筒内，大端安装在阀盖内腔，所述阀体上设置与所述圆筒连通的第一减压结构，第一减压结构下方设置与阀门入口连通的高压腔；所述阀盖上设置与阀门出口连通的第二减压结构，所述活塞组件设置双密封结构，双密封结构将活塞组件、阀盖、阀体连接，共同构成减压器的低压腔；所述第二减压结构与所述低压腔连通；所述的阀门出口处设置上对接口；所述的阀门入口处设置下对接口，以及与所述高压腔连通的侧对接口。

优选的，所述第二减压结构为带降噪结构的喉孔，降噪结构为设置在喉孔上下的若干降噪流道，用于降低气体高速流动产生的噪音；所述的降噪流道包括喉孔上方的直径为d4的喉孔流道，喉孔下方的直径为d3的喉孔流道，上述两个喉孔流道与降噪结构喉孔之间均设置漏斗结构流道，上方漏斗结构流道的小端直径与喉孔直径一致，下方漏斗结构流道的小端直径d3。

优选的，降噪流道中喉孔流道与第二级减压结构直径比d3/d2为1.1～2.4，优选1.3～1.8；d4/d2为1.5～3.2，优选1.7～2.6。

优选的，第一减压结构与第二减压结构的直径比，d1/d2范围为1.1～2，优选为1.4～1.7。

优选的，所述的活塞组件从小端开始包括直径依次增大的四个阶梯圆柱面组成，最小端圆柱面的端面嵌套用于保护第一级减压结构的非金属材料；侧面四周向中心设置导向孔，汇聚至中心并与中心轴线上的导向孔连通至大端内孔中；最大端圆柱面外侧以及第二小直径圆柱面外侧设置密封环，分别实现与阀盖内腔、阀体圆筒密封连接。

优选的，最大端圆柱与第二小直径圆柱直径比D1/D2为2～2.8，优选为 2.2～2.5。

优选的，瓶口阀包括阀体、阀芯组件、弹簧、弹簧腔、密封环；

所述弹簧腔与阀体连接，阀芯组件、弹簧置于所述弹簧腔内，所述的阀体上设置阀体密封唇，该密封唇与所述阀芯组件之间通过压紧非金属材料，达到材料密封比压的原理实现密封，由所述弹簧为阀芯组件提供密封力；所述阀体外侧设有密封环，保证与气瓶之间的密封；所述的弹簧腔上设置通孔作为氢气进口，阀芯组件上设置氢气进气孔以及阀芯中心流道；当开启瓶口阀时，克服弹簧为阀芯组件提供的密封力以及带压状态下阀芯组件受到的向上介质力，氢气沿上述氢气进口，弹簧腔、氢气进气孔、阀芯中心流道进入阀体上的中心通孔流出，实现放氢。

优选的，所述的阀芯组件包括阀芯以及非金属材料结构件；所述的阀芯包括中心阀芯、底部圆柱以及二者之间用于安装非金属材料结构件的大直径结构；所述中心阀芯沿轴向设置阀芯中心流道，所述流道侧壁设置氢气进气孔；所述底部圆柱用于安装弹簧的一端，非金属材料结构件的安装位置与阀体密封唇位置对应，通过非金属材料结构件的受力方向与密封时材料变形方向的角度不同，适应不同压力下的氢气工况。

优选的，所述非金属材料结构件为环形件，当环形件的截面形状为四边形时，采用镶嵌式安装，适用于不高于10MPa G氢工况；当环形件的截面形状为等腰梯形时，采用注塑式安装，适用于不高于20MPa G氢工况；阀芯组件受力方向与材料变形方向呈广角，适用于低于70MPa G氢气工况。

优选的，所述非金属材料结构件为阶梯环形件，除阶梯面外其余面由阀芯组件上的大直径结构包裹安装，上述阶梯面以90°包围角包裹阀体密封唇外缘，在径向和轴向两个方向保证密封,阀体密封唇与阀芯组件设置金属限位，防止高压工况下阀体密封唇压溃轴向位置非金属材料结构件。

优选的，与镶嵌非金属材料的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d1，范围为 2～10mm，优选范围为2.5～8mm，与注塑非金属材料的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d2，范围为2～8mm，优选范围为2.5～7mm，与挤压密封环的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d3，范围为2～5mm，优选范围为2.5～4mm。

所述减压供氢装置适用压力1Mpa G～70Mpa G、使用温度-40℃～60℃、重量低于230g，轴向尺寸小于180mm，径向尺寸小于60mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明中减压阀将释放的高压氢气，减压稳压后供氢给燃烧器。通过减压阀的对接口、支耳，将减压供氢装置开关组件、固定机构集成于减压阀上。

2、本发明中凸轮设置双密封，通过力平衡原理抵消凸轮轴向力，再加上采用低摩材料的垫片，有效降低瓶口阀启闭力矩，启闭力矩低于4N〃m。

3、本发明中螺钉与凸轮弧形凹槽构成装置开、关机械限位机构，限制凸轮旋转角度，保证瓶口阀启、闭到位，防止阀门自动关闭。

4、本发明中顶针设有导气孔，高压氢气由瓶口阀释放后，经顶针导气孔，进入减压阀。

5、本发明中气瓶帽将气瓶、减压阀连接成一体，顶针和小弹簧放置于气瓶帽，瓶口阀安装于气瓶口，因此气瓶帽将瓶口阀、减压阀、开关部件有机连接，构成轻量化减压供氢装置。

6、本发明中轻量化减压供氢装置将火炬燃烧系统中气瓶和燃烧器连接成一体，负责气瓶开关、高压氢气减压、氢气密封，解决大减压比减压、高可靠密封、低启闭力矩等问题，具有宽温度范围、微型化、轻量化的优点，装置适用压力1Mpa G～70Mpa G、使用温度-40℃～60℃、重量低于230g,轴向尺寸小于 180mm，径向尺寸小于60mm。

7、本发明瓶口阀，具有可靠密封、微型化、轻量化的特点，同时具备氢气充装功能。

8、本发明中的单弹簧高压减压器仅由4个金属件组成，结构简单，零件精密、小巧，实现了阀门轻量化、微型化设计；本发明中的单弹簧高压减压器性能可靠，运动部件仅一个，不易出故障，可靠性高。

附图说明

图1为本发明轻量化减压供氢装置结构示意图；

图2为本发明开关组件力平衡示意图；

图3-1为本发明全关位开关组件与顶针位置关系示意图；

图3-2为本发明全开位开关组件与顶针位置关系示意图；

图4为本发明氢气经顶针流通示意图；

图5为本发明瓶口阀结构示意图；

图6为不同工况下阀芯组件密封原理示意图；

图7为单向瓶口阀开启时氢气流通示意图。

图8为本发明单弹簧高压减压器结构示意图；

图9为活塞组件的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明提出的一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置进行进一步详细的说明。

如图1所示，轻量化减压供氢装置将火炬燃烧系统中气瓶1和燃烧器2连接成一体，包括瓶口阀3、减压阀4、开关组件5、小弹簧6、顶针7、气瓶帽 8。

如图1所示，瓶口阀3安装于气瓶1瓶口，负责气瓶1的开关，瓶口阀3 与气瓶1通过螺纹连接，并设有密封环。

如图1所示，减压阀4设有三个对接口，下对接口4-1与气瓶帽11通过螺纹连接，设置密封环，上对接口4-2与燃烧器2通过螺纹连接，设置密封垫，侧对接口4-3设置开关组件5。减压阀4还设有两个支耳4-4，支耳角度α可依实际应用改变，通过紧定螺钉将轻量化减压供氢装置固定，减压阀将装置开关组件、固定机构集成与一体。

开关组件包括凸轮5-1、垫片5-2、压紧螺母5-3、螺钉5-4，压紧螺母5-3 与减压阀侧对接口4-3通过螺纹连接，压紧垫片5-2、凸轮5-1。如图2所示，凸轮安装在减压阀的侧对接口，沿接口轴线依次分为四部分，最外侧部分5-1 通过压紧螺母5-3实现与所述侧对接口连接，由压紧螺母压紧垫片5-2以及最外侧部分；与最外侧部分相邻的第二部分上设置凹槽5-13，螺钉5-4安装在所述的凹槽内构成凸轮的开、关限位结构，防止阀门自动关闭；第三部分为凸轮凸面5-11，位置与开关执行部分对应，所述凸轮凸面将瓶口阀启闭方式由直动变旋转，第二部分和第四部分上设置密封环5-14，双密封环结构使凸轮所受轴向力相抵消，最外侧部分的端面设置钥匙槽5-12，通过钥匙槽提供凸轮转动的驱动力。逆时针旋转凸轮，凸轮凸面5-11下压顶针7，瓶口阀3开启，顺时针旋转凸轮5-1，凸轮凸面5-11与顶针7脱离，瓶口阀3关闭。

如图3-1所示，螺钉5-4安装于减压阀侧对接口4-3的螺纹孔，螺钉5-4 处于凸轮凹槽5-13内，构成装置开、关机械限位机构，凸轮5-1只能在凹槽 5-13范围内转动。

如图3-1所示，螺钉5-4与凸轮凹槽5-13一端紧贴，此时为关位限位。逆时针旋转凸轮、瓶口阀3开启，凸轮凸面5-11尖端旋转到达最低点后继续运动，直至凸面尖端与竖直方向呈微小夹角β，β范围为3°～18°，优选为5°～10°，螺钉5-4紧贴凸轮凹槽5-13另一端，凸轮无法继续逆时针旋转，此时为开位限位，如图3-2所示。瓶口阀3开启力为受凸轮施加给顶针7的作用力，同时顶针7给与凸轮反作用力，反作用力施加到凸轮凸面5-11，全开位置时反作用力会导致凸轮逆时针旋转，开位限位机构可限制凸轮旋转，防止反作用力使阀门自动关闭。

如图2所示，凸轮5-1设有双密封环5-14，凸轮双密封尺寸相同，利用力平衡原理，抵消凸轮双向轴向力F1、F2，垫片5-2采用低摩材料，减小凸轮旋转过程中的摩擦力，通过抵消凸轮轴向力，再加上低摩擦力系数的垫片5-2，有效降低瓶口阀3的启闭力矩，启闭力矩低于4N〃m。

如图4所示，小弹簧6设置于气瓶帽环形台阶8-1上，顶针7置于小弹簧内，高压氢气从瓶口阀3释放后，经顶针导气孔7-1进入减压阀4。所述气瓶帽8两端设有螺纹，分别与气瓶1、减压阀4连接。

如图4所示，小弹簧6设置于气瓶帽8环形台阶上，顶针7置于小弹簧6 内，所述顶针设有导气孔，高压氢气由瓶口阀3释放后，经顶针导气孔7-1，进入减压阀4。

如图1所示，气瓶帽8通过螺纹分别与气瓶1、减压阀4连接，将气瓶1、减压阀4连接成一体，设有密封环保证密封，由于小弹簧6和顶针7安装于气瓶帽8、瓶口阀3安装于气瓶1，因此气瓶帽8将瓶口阀3、减压阀4、开关组件5、小弹簧6、顶针7有机连成一体，轻量化减压供氢装置从外观上为紧凑的两端式结构，为氢能手持火炬提供合理的阀门解决方案。

减压阀4下接气瓶帽8、上接燃烧器2、侧面设有开关组件5，将轻量化减压供氢装置开关组件5、固定机构4-4集成于一体；本发明装置为紧凑的两段式结构，上端为减压阀4，下端为气瓶帽8，其余零部件内置，为氢能手持火炬提供合理的阀门解决方案。

轻量化减压供氢装置，对各部件合理选材：瓶口阀3、开关组件5选用高强度钢材，垫片5-2选用低摩材料，减压阀4、气瓶帽8选用低密度金属材料，密封环选用适用温度范围广的材料，即满足强度、密封、温度要求，又兼顾重量、尺寸，装置适用压力1Mpa G～70MpaG、使用温度-40℃～60℃、重量低于230g,轴向尺寸小于180mm，径向尺寸小于60mm。如上所述的一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置，将氢能手持火炬燃烧系统中的气瓶和燃烧器连接起来，解决大减压比减压、高可靠密封、低启闭力矩等问题，具有宽范围温度、微型化、轻量化的优点。

本发明中瓶口阀、减压阀均可以采用目前现有技术中能够实现上述功能的产品，本发明给出一种优选的独特的实现方式，下面分别进行介绍。

一、瓶口阀

如图5所示，本发明瓶口阀为一种单向瓶口阀，结构上由阀体1、阀芯组件2、弹簧3、弹簧腔4、密封环5组成。阀芯组件2、弹簧3置于弹簧腔4内，弹簧腔4与阀体1通过内螺纹连接，阀体1与气瓶通过外螺纹连接，阀体1外侧设有密封环5，保证阀门与气瓶的密封。阀芯组件2、弹簧3置于弹簧腔4 内，弹簧腔4与阀体1通过内螺纹连接，阀体1与气瓶可通过外螺纹连接，阀体1外侧设有密封环5，保证阀门与气瓶的密封，具备氢气充装功能。单向瓶口阀根据不同使用压力，配置不同结构阀芯组件结构，包括镶嵌或注塑非金属材料、挤压密封环形式，镶嵌或注塑非金属材料形式的阀芯组件，阀芯组件受力方向与材料变形方向垂直，适用于低于20MPa G氢气工况。挤压密封环形式的阀芯组件，阀芯组件受力方向与材料变形方向呈广角，适用于70MPa G 氢气工况。

如图5阀体1内螺纹用于阀体1与弹簧腔4连接，外螺纹用于单向瓶口阀与气瓶连接，外侧设有密封环5，保证阀门与气瓶的密封。阀体内腔上端设有环形密封唇1-1，为阀体1密封面。弹簧3安装于弹簧腔4内，弹簧力为阀芯组件2提供密封力，再加上带压状态下阀芯组件2受向上介质力，保证高压氢气的密封。阀芯组件2有镶嵌或注塑非金属材料、挤压密封环等多种形式，具体可按使用压力选取。

单向瓶口阀根据不同使用压力，配置不同结构阀芯组件结构，具有可靠密封、微型化、轻量化的特点，同时具备氢气充装功能，满足氢能手持火炬气瓶的需求。图6a～6c为不同的阀芯组件2形式，设有导气孔2-1。图6a为镶嵌非金属形式，非金属材料可选聚四氟乙烯、尼龙等，适用于10MPa使用压力，图6b为注塑非金属形式，非金属材料可选聚醚醚酮树脂、聚酰亚胺等，适用于20MPa使用压力，图6c为挤压密封环方式，适用于70MPa使用压力。图6a、6b阀芯组件形式的密封原理为阀体密封唇1-1垂直压紧阀芯组件非金属材料2-2，达到材料密封比压后实现密封，此两种阀芯组件结构设置小密封结构，所受介质压力小，从而实现较小的阀门开启力，与镶嵌非金属材料的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d1，范围为2～10mm，优选范围为2.5～8mm，与注塑非金属材料的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d2，范围为2～8mm，优选范围为2.5～7mm，与挤压密封环的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d3，范围为2～5mm，优选范围为2.5～4mm。

图6c为挤压密封环形式的阀芯组件，为一种软硬紧密贴合的密封结构，图 6c阀芯组件的密封原理为密封环2-3以90°包围角包裹阀体密封唇1-1外缘，在径向和轴向两个方向保证密封，阀体密封唇与阀芯组件设置金属限位2-4，防止高压工况下阀体密封唇1-1压溃密封环2-3轴向位置。此种阀芯组件结构仍可采用小密封结构尺寸d3，d3范围为2～5mm，优选范围为2.5～4mm，虽然介质压力高，但阀芯组件受介质力小，因此瓶口阀启闭力小，适用于高压、低开启力的使用需求。

如图7当单向瓶口阀受到向下的开启力时，阀芯组件2克服介质力和弹簧力，产生向下位移，氢气依次弹簧腔4、阀芯组件流道，实现放氢功能，当阀门为开启状态，氢气反向流通，实现充氢功能。如图1当开启力撤销时，阀芯组件2受向上的介质力和弹簧力，自动回位，阀门关闭。

如图5弹簧3安装于弹簧腔4内，提供镶嵌或注塑非金属材料阀芯组件的密封力。如图1弹簧腔4安装与阀体1螺纹连接，使阀芯组件2、弹簧3置于弹簧腔4内，弹簧腔4下端设置通孔4-1，为瓶口阀入口。

二、减压阀

如图8、图9所示，本发明单弹簧高压减压器，包括阀体1、活塞组件2、阀盖3和弹簧4。弹簧4安装于阀体1上端台阶上，活塞组件2小端安装于阀体上端圆筒1-1内，阀体1与阀盖3通过螺纹连接，使活塞组件2大端处于阀盖3内，活塞组件2设有双密封环，保证密封。

阀体上端设有圆筒1-1，并且在圆筒1-1底部设置喉孔1-2，为阀门第一级减压结构，第一级减压结构以下为高压腔，高压腔压力为阀门入口压力一致。

活塞组件2外部设有双密封环2-1，内部设有导气孔2-2，活塞组件2是由活塞2-3和嵌套在小端面的非金属材料2-4构成。活塞由直径依次增大的四个阶梯圆柱面组成，最小端圆柱面的端面嵌套非金属材料，非金属材料用于保护阀体第一级减压结构1-2，避免机械损伤；侧面四周向中心设置导向孔，汇聚至中心并与中心轴线上的导向孔连通至大端内孔中；最大端圆柱面外侧以及第二小直径圆柱面外侧设置密封环，即双密封环2-1将活塞组件、阀盖、阀体连接，共同构成减压器的低压腔。图8中结构只绘制了其中关键组分，三个接口未画出，其中所述的阀门出口处设置上对接口；所述的阀门入口处设置下对接口，以及与所述高压腔连通的侧对接口。

阀盖3顶端设有喉孔3-1，为减压器第二级减压结构，第一级减压结构1-2 至第二级减压结构3-1之间为低压腔，低压腔压力与弹簧力、活塞组件2感应面积、第二级减压结构3-1相关，第二级减压结构3-1后的压力为出口压力。, 第二级减压结构3-1上、下设置若干降噪流道，图1中在第二级减压结构3-1 上、下各设置一级降噪流道3-21、3-22，流道以一定角度渐缩至3-21、3-22 处，再以一定角度渐扩，可根据需要在第二级减压结构上下设置若干降噪流道，降噪流道与第二级减压结构可通过螺接或焊接成形，有效降低气体高速流动产生的噪音。第二级减压结构下方降噪流道与第二级减压结构直径比d3/d2为 1.1～2.4，优选1.3～1.8,第二级减压结构上方降噪流道与第二级减压结构直径比d4/d2为1.5～3.2，优选1.7～2.6。阀盖3设有若干侧孔3-3，使弹簧4安装空间连通大气，避免弹簧运动导致空间气压变化，影响减压性能，同时有效降低阀门总重。阀体1、阀盖3为减压器的压力比较元件，设置两级减压结构，合理分配高压腔、低压腔、出口的压力，两级减压喉孔直径d1/d2范围为1.1～2，优选为1.4～1.7。低压腔压力与弹簧力、第二级减压结构尺寸、活塞组件感应面积直接相关。活塞组件感应面积主要由直径D1决定。D1/D2范围为2～2.8，其中优选范围为2.2～2.5。

阀体1、阀盖3为减压器的压力比较元件，构成两级减压结构，第一级与第二级减压结构直径比d1/d2为1.1～2，优选为1.4～1.7，将高压腔、低压腔、出口压力合理分配后，减压器输出所需出口压力、氢气流量。减压结构d1、d2 尺寸均比采用一级减压结构的阀口尺寸大，降低了加工难度，提高了加工精度。

弹簧4安装于阀体上端台阶面1-3，上端与活塞组件大端底部2-5贴合，弹簧力与活塞组件2感应面积所受介质力相平衡，阀门进出口方向与弹簧运动方向同轴，阀门径向尺寸小，节省阀门安装空间。

本发明的工作原理如下：

当高压氢气进入阀门高压腔时，由于活塞组件与第一级减压结构处于脱离状态，氢气依次经过第一级、第二级减压结构后输出。由于第一级减压结构尺寸大于第二级，低压腔的压力随高压气体的进入逐步增加，活塞组件受到低压腔向下的介质力，开始克服向上的弹簧力，使活塞组件向下移动，至使合力趋于平衡状态。此时达到减压器的输出压力，并提供给燃烧器固定流量的氢气。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有会各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (17)

1.一种适用于氢能手持火炬的轻量化减压供氢装置，用于连接所述火炬中的气瓶和燃烧器；其特征在于包括：瓶口阀、减压阀、开关组件、开关执行部件、气瓶帽；

减压阀负责高压氢气的减压，具有三个对接口，下对接口与气瓶帽连接、上对接口与燃烧器连接，侧对接口安装开关组件，所述气瓶帽内安装开关执行部件以及瓶口阀；由所述开关组件通过控制开关执行部件实现所述瓶口阀的启闭；所述瓶口阀与气瓶瓶口连接，负责气瓶的开关。

2.根据权利要求1所述的减压供氢装置，其特征在于：所述开关组件包括凸轮、垫片、压紧螺母、螺钉；

所述凸轮安装在减压阀的侧对接口，沿接口轴线依次分为四部分，最外侧部分通过压紧螺母实现与所述侧对接口连接，由压紧螺母压紧垫片以及最外侧部分；与最外侧部分相邻的第二部分上设置凹槽，螺钉安装在所述的凹槽内构成凸轮的开、关限位结构，防止阀门自动关闭；第三部分为凸轮凸面，位置与开关执行部分对应，所述凸轮凸面将瓶口阀启闭方式由直动变旋转，第二部分和第四部分上设置密封环，双密封环结构使凸轮所受轴向力相抵消，最外侧部分的端面设置钥匙槽，通过钥匙槽提供凸轮转动的驱动力。

3.根据权利要求2所述的减压供氢装置，其特征在于：所述螺钉的位置保证一个方向旋转凸轮时，凸轮凸面下压顶针，瓶口阀开启，另一个方向旋转时，凸轮凸面与顶针脱离，瓶口阀关闭，通过螺钉与凹槽的两个端面接触实现上述两个方向旋转的限位。

4.根据权利要求3所述的减压供氢装置，其特征在于：瓶口阀开启过程中，凸轮凸面尖端旋转到达最低点后继续运动，直至凸轮凸面尖端与竖直方向呈微小夹角β到达开位限位位置；所述的β范围为3°～18°，优选为5°～10°。

5.根据权利要求2所述的减压供氢装置，其特征在于：所述的开关执行部件包括顶针、弹簧；

所述顶针为上表面为球面的阶梯圆柱结构，放置在气瓶帽的中心通孔内，所述球面用于与所述凸轮凸面接触，顶针底面与瓶口阀接触用于提供开启推力；弹簧压缩安装在顶针的阶梯面与所述中心通孔的阶梯面内。

6.根据权利要求1所述的减压供氢装置，其特征在于：所述减压阀包括阀体、活塞组件、阀盖和弹簧；所述阀体的上端设置圆筒，圆筒外侧底部设置台阶；所述弹簧压缩安装在所述的台阶上，活塞组件的小端安装在所述圆筒内，大端安装在阀盖内腔，所述阀体上设置与所述圆筒连通的第一减压结构，第一减压结构下方设置与阀门入口连通的高压腔；所述阀盖上设置与阀门出口连通的第二减压结构，所述活塞组件设置双密封结构，双密封结构将活塞组件、阀盖、阀体连接，共同构成减压器的低压腔；所述第二减压结构与所述低压腔连通；所述的阀门出口处设置上对接口；所述的阀门入口处设置下对接口，以及与所述高压腔连通的侧对接口。

7.根据权利要求6所述的减压供氢装置，其特征在于：所述第二减压结构为带降噪结构的喉孔，降噪结构为设置在喉孔上下的若干降噪流道，用于降低气体高速流动产生的噪音；所述的降噪流道包括喉孔上方的直径为d4的喉孔流道，喉孔下方的直径为d3的喉孔流道，上述两个喉孔流道与降噪结构喉孔之间均设置漏斗结构流道，上方漏斗结构流道的小端直径与喉孔直径一致，下方漏斗结构流道的小端直径d3。

8.根据权利要求7所述的减压供氢装置，其特征在于：降噪流道中喉孔流道直径与第二级减压结构直径比d3/d2为1.1～2.4，优选1.3～1.8；d4/d2为1.5～3.2，优选1.7～2.6，依据需要在第二级减压结构上下设置若干降噪流道。

9.根据权利要求7所述的减压供氢装置，其特征在于：第一减压结构与第二减压结构的直径比d1/d2为1.1～2，优选为1.4～1.7。

10.根据权利要求6所述的减压供氢装置，其特征在于：所述的活塞组件从小端开始包括直径依次增大的四个阶梯圆柱面组成，最小端圆柱面的端面嵌套用于保护第一级减压结构的非金属材料；侧面四周向中心设置导向孔，汇聚至中心并与中心轴线上的导向孔连通至大端内孔中；最大端圆柱面外侧以及第二小直径圆柱面外侧设置密封环，分别实现与阀盖内腔、阀体圆筒密封连接。

11.根据权利要求10所述的减压供氢装置，其特征在于：最大端圆柱与第二小直径圆柱直径比D1/D2为2～2.8，优选为2.2～2.5。

12.根据权利要求1所述的减压供氢装置，其特征在于：瓶口阀包括阀体、阀芯组件、弹簧、弹簧腔、密封环；

所述弹簧腔与阀体连接，阀芯组件、弹簧置于所述弹簧腔内，所述的阀体上设置阀体密封唇，该密封唇与所述阀芯组件之间通过压紧非金属材料，达到材料密封比压的原理实现密封，由所述弹簧为阀芯组件提供密封力；所述阀体外侧设有密封环，保证与气瓶之间的密封；所述的弹簧腔上设置通孔作为氢气进口，阀芯组件上设置氢气进气孔以及阀芯中心流道；当开启瓶口阀时，克服弹簧为阀芯组件提供的密封力以及带压状态下阀芯组件受到的向上介质力，氢气沿上述氢气进口，弹簧腔、氢气进气孔、阀芯中心流道进入阀体上的中心通孔流出，实现放氢。

13.根据权利要求12所述的减压供氢装置，其特征在于：所述的阀芯组件包括阀芯以及非金属材料结构件；所述的阀芯包括中心阀芯、底部圆柱以及二者之间用于安装非金属材料结构件的大直径结构；所述中心阀芯沿轴向设置阀芯中心流道，所述流道侧壁设置氢气进气孔；所述底部圆柱用于安装弹簧的一端，非金属材料结构件的安装位置与阀体密封唇位置对应，通过非金属材料结构件的受力方向与密封时材料变形方向的角度不同，适应不同压力下的氢气工况。

14.根据权利要求13所述的减压供氢装置，其特征在于：所述非金属材料结构件为环形件，当环形件的截面形状为四边形时，采用镶嵌式安装，适用于不高于10MPa G氢工况；当环形件的截面形状为等腰梯形时，采用注塑式安装，适用于不高于20MPa G氢工况；阀芯组件受力方向与材料变形方向呈广角，适用于低于70MPa G氢气工况。

15.根据权利要求14所述的减压供氢装置，其特征在于：所述非金属材料结构件为阶梯环形件，除阶梯面外其余面由阀芯组件上的大直径结构包裹安装，上述阶梯面以90°包围角包裹阀体密封唇外缘，在径向和轴向两个方向保证密封,阀体密封唇与阀芯组件设置金属限位，防止高压工况下阀体密封唇压溃轴向位置非金属材料结构件。

16.根据权利要求14所述的减压供氢装置，其特征在于：与镶嵌非金属材料的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d1，范围为2～10mm，优选范围为2.5～8mm，与注塑非金属材料的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d2，范围为2～8mm，优选范围为2.5～7mm，与挤压密封环的阀芯组件配合的阀体密封唇直径d3，范围为2～5mm，优选范围为2.5～4mm。

17.根据权利要求1-16之一所述的减压供氢装置，其特征在于：所述装置适用压力1MpaG～70Mpa G、使用温度-40℃～60℃、重量低于230g，轴向尺寸小于180mm，径向尺寸小于60mm。

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