CN115370788A - 一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及阀门领域，具体涉及一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，包括阀体、副阀体、阀芯组件、阀座、膜片组件、主弹簧组件、副弹簧组件、顶杆和调整孔板。阀座、阀芯组件、副弹簧组件和调整孔板安装于阀体内，膜片组件安装于阀体上方，主弹簧组件安装于膜片组件上方，顶杆贯穿阀体连接膜片组件与阀芯组件，副阀体安装于减压器外侧。设有多处密封环。双弹簧高压减压器设置两级减压结构，压力合理分配后输出所需出口压力和氢气流量，结构简单，零件精密、小巧，实现减压、控流和降噪功能，具有可靠性高、微型化、轻量化的特点，满足有限空间氢能装置的需求。

Description

一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器
技术领域
本发明涉及阀门领域，具体涉及一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器。
背景技术
伴随着氢能应用领域的拓宽，储氢技术得到长足发展。高压气态储氢是当前常见的储氢方式之一，从气瓶到大气环境整体压差较高，对应的需要配备高压减压装置，实现氢气以接近常压的压力流出。但是由于应用领域的扩展，高压减压装置有小型化的趋势，例如在氢能汽车或手持火炬中，对体积有限制，并且需要控制总重，因此需要轻量化、微型化的减压器，满足有限空间氢能装置的需求。
传统减压器按感应元件可分为活塞式、膜片式两种形式，其工作原理为：以活塞或膜片为感应元件，通过感应元件所受介质力与弹簧力相平衡，经一级减压后，达到所需出口压力。但高压气态储氢时减压器入口压力超过30MPa G，出口压力为1kPa G左右，具有高压差、低流量的特点，传统减压器在使用中会存在以下问题：
其一：高压差工况会导致一级减压结构的感应元件直径较大，导致阀门整体重量、尺寸大。
其二：低流量氢气工况会导致一级减压阀口尺寸会很小，导致加工成形困难，加工精度差。
其三：传统减压器进出口方向与弹簧运动方向互相垂直或呈斜角，阀门安装空间大。
其四：单独采用活塞结构的传统减压器调压范围较小，调节能力较差，基本适用于固定工况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，它将高压氢气减压至接近常压后，向燃烧器提供流量稳定的氢气，实现减压、控流和降噪功能。
本发明解决技术的方案是：一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，包括阀体、副阀体、阀芯组件、阀座、膜片组件、主弹簧组件、副弹簧组件、顶杆和调整孔板；阀座、阀芯组件和副弹簧组件自上至下依次安装在阀体内腔，副阀体套装在阀体上端外侧，主弹簧组件安装在所述副阀体上端内腔，膜片组件置于所述副阀体内腔并位于所述主弹簧组件与阀体上端之间，顶杆贯穿阀体，两端分别连接膜片组件与阀芯组件；所述阀体上设置阀门入口流道以及低压腔气体流道，所述阀门入口流道与设置在阀座上的高压腔连通，所述低压腔提起流道连通设置在副阀体上的阀门出口；调整孔板安装于阀体上端，其上下两端分别与所述低压腔气体流道以及膜片组件与阀体之间的空腔连通。
优选的，阀门入口流道、低压腔气体流道设置在所述阀体内腔的两侧。
优选的，所述阀体为阶梯圆柱体结构，上端圆柱体直径小于下端圆柱体直径；大端圆柱体结构内设置阶梯圆孔，所述阶梯圆孔中的上端小圆孔用于安装阀座，大圆孔作为安装阀座、阀芯组件、副弹簧组件的内腔；所述内腔一侧设置阀门入口流道；阀门入口流道另一侧的阀体阶梯圆柱交界处设置横向流道，该流道与所述内腔顶面开设的通孔连通，与阀体的小端圆柱体与副阀体之间的间隙一起构成低压腔的气体流道；所述小端圆柱体上端设置使用膜片组件变形位移的凹槽，所述凹槽与所述横向流道之间开设用于安装调整孔板的通孔。
优选的，阀门入口、阀门出口方向与主弹簧组件、副弹簧组件的运动方向平行。
优选的，所述阀座上设置第一级减压结构，所述第一级减压结构上端为高压腔；所述副阀体上设置第二减压结构，第二减压结构后为阀门出口；所述第一减压结构与第二减压结构之间的气体流道为低压腔气体流道。
优选的，所述第一级减压结构为设置在阀座下端的喉孔。
优选的，所述第二级减压结构设有降噪流道，降噪流道当量直径与第二级减压结构直径比d3/d2为1.1～2.5，优选1.3～1.8；流道出口直径与第二级减压结构直径比d4/d2为1.5～3，优选2～2.8。
优选的，第一级减压结构的喉孔直径大于第二级减压结构的喉孔直径，通过第二级减压结构的喉孔控制氢气流量。
优选的，通过第一级减压结构和第二级结构的直径比分配高压腔和低压腔的压力；第一级减压结构的喉孔直径d1与第二级减压结构的喉孔直径d2：d1/d2范围为1.2～2，优选为1.4～1.8。
优选的，所述阀芯组件由阀芯和镶嵌于阀芯上端的密封填料组成，其中密封填料材质为非金属材料，安装于阀芯上端的凹槽内，用于保护第一级减压结构，避免机械损伤。
优选的，膜片组件由膜片、膜片支撑、膜片压垫和膜片限位垫组成，膜片限位垫用于限制膜片的移动，在膜片支撑受到主弹簧组件竖直方向的作用力时，带动膜片变形，膜片支撑和膜片压垫竖直移动。
优选的，在膜片组件中，主弹簧组件提供向下的主弹簧力、膜片受到低压腔作用的向上压力和副弹簧组件提供的向上副弹簧力形成平衡关系；其中主弹簧力和膜片受到低压腔作用的压力为主要的调节力，主弹簧力远大于副弹簧力，二者之比在20～40之间。
优选的，膜片组件与阀体之间的空腔的直径d5和阀芯直径d6之比在0.8～2.2之间，优选0.95～1.7。
优选的，所述的顶杆上端连接膜片支撑，下端连接阀芯，成对布置；随膜片变形，顶杆上下运动，限制阀芯组件3所处位置，控制减压阀流通截面。
优选的，所述的副弹簧组件由副弹簧、副弹簧帽和副弹簧座组成，其中副弹簧和副弹簧座安装于副弹簧帽内，副弹簧形变受副弹簧帽和副弹簧座约束，副弹簧座与阀芯相接触；弹簧力与顶杆向下的推力形成平衡，保持下游压力稳定在一定范围内。
优选的，副阀体与阀体、阀座与阀体、阀芯组件与阀体以及副弹簧组件与阀体之间均设置密封环，实现密封。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明中的膜片高压减压结构紧凑，零件精密、小巧，实现了阀门轻量化、微型化设计。
2、本发明中的双弹簧高压减压器所适用的进口压力最高可达到70MPa，出口压力达到约1kPa。
3、本发明中的阀体、阀盖为减压器压力比较元件，合理分配高压腔压力、低压腔压力、出口压力比例关系，满足高压差、低流量氢气的应用需求，有效降低加工难度。
4、本发明中的减压器进出口方向与弹簧运动方向平行，节省安装空间。
5、本发明中的减压器可以在入口压力变化时有效调节出口压力，调压范围较大。
附图说明
图1为本发明双弹簧高压减压器结构示意图；
图中：1是阀体，2是副阀体，3是阀芯组件，4是阀座，5是膜片组件，6是主弹簧组件，7是副弹簧组件，8是顶杆，9是调整孔板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明双弹簧高压减压器，包括阀体1、副阀体2、阀芯组件3、阀座4、膜片组件5、主弹簧组件6、副弹簧组件7、顶杆8和调整孔板9。阀座4、阀芯组件3和副弹簧组件2自上至下依次安装在阀体1内，调整孔板9安装于阀体1上端一侧，膜片组件5安装于阀体1上方，主弹簧组件6安装于膜片组件5上方，顶杆8贯穿阀体1连接膜片组件5与阀芯组件3，副阀体2安装于阀体1、膜片组件3和主弹簧组件6外侧；氢气流道通过阀体1、阀芯组件3和副阀体2。减压阀设有多处密封环，保证密封。
所述的阀芯组件3由阀芯3-1和镶嵌于阀芯上端的密封填料3-2组成，其中密封填料3-2材质为非金属材料，安装于阀芯3-1上端的凹槽内，用于保护阀体第一级减压结构，避免机械损伤。
所述的阀座4上端与阀体1通过螺纹连接，下端设置喉孔4-1，为阀门第一级减压结构，第一级减压结构以上为高压腔，高压腔压力与阀门进口一致。
所述的阀体设有内腔，与副阀体和副弹簧帽通过螺纹连接。在内腔左侧布置氢气入口流道，内腔右侧布置氢气出口流道。
所述的副阀体2上端设置有氢气流道出口，该处设计第二级减压结构2-1，第一级减压结构至第二级减压结构之间为低压腔，低压腔压力与弹簧力、膜片组件感应面积和第二级减压结构直接相关，第二级减压结构后的压力为出口压力。第二级减压结构处设置降噪流道2-2，降噪流道2-2为渐缩渐扩形，在第二级减压结构喉孔上、下设置若干降噪流道，可通过螺接或焊接成形，降噪流道当量直径大于第二级减压结构喉孔尺寸，有效降低气体高速流动产生的噪音。
所述的主弹簧组件6由主弹簧6-1、主弹簧帽6-2和主弹簧座6-3组成，主弹簧6-1形变受主弹簧帽6-2和主弹簧座6-3约束，主弹簧座6-3与膜片组件5相接。主动调节主弹簧6-1高度，推动主弹簧座6-3上下运动，带动膜片组件5上下运动。主弹簧帽6-2顶部开孔，使弹簧安装空间连通大气，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。
所述的膜片组件5由膜片5-1、膜片支撑5-2、膜片压垫5-3和膜片限位垫5-4组成，膜片限位垫5-4限制膜片5-1的移动，在膜片支撑5-2受到主弹簧6-1竖直方向的作用力时，带动膜片5-1变形，膜片支撑5-2和膜片压垫5-3竖直移动。
所述的顶杆8上端连接膜片组件5，下端连接阀芯组件3，成对布置。随膜片5-1变形，顶杆8上下运动，限制阀芯组件3所处位置，控制减压阀流通截面。
所述的副弹簧组件7由副弹簧7-1、副弹簧帽7-2和副弹簧座7-3组成，其中副弹簧7-1和副弹簧座7-2安装于副弹簧帽7-3内，副弹簧7-1形变受副弹簧帽7-2和副弹簧座7-3约束，副弹簧座7-3与阀芯3-1相接触。弹簧力与顶杆8向下的推力形成平衡，保持下游压力稳定在一定范围内。
所述的调整孔板9与膜片下腔和氢气流道相接，在低压腔压力变化时能够反馈至主弹簧6-1，调节阀芯组件3的位置，保持低压腔压力稳定。
所述的双弹簧高压减压器中，设计两级减压结构，第一级与第二级减压结构直径比d1/d2为1.2～2，优选为1.4～1.8，将高压腔、低压腔、出口压力合理分配，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。
所述的双弹簧高压减压器中，第二级减压结构设有降噪流道2-2，有效减小氢气高速流动时产生的噪音。降噪流道当量直径与第二级减压结构直径比d3/d2为1.1～2.5，优选1.3～1.8。d4/d2为1.5～3，优选2～2.8。
所述的双弹簧高压减压器中副阀体2与阀体1、阀座4与阀体1、阀芯组件3与阀体1以及副弹簧组件7与阀体1之间均设置密封环，实现密封。
所述的双弹簧高压减压器进出口方向与弹簧运动方向平行，节省安装空间，实现了阀门轻量化、微型化的设计，满足有限空间氢能装置的需求。
本发明的工作原理如下：
当高压氢气进入阀门高压腔时，通过手动调节主弹簧组件推动膜片形变，使顶杆向下移动，推动阀芯向下移动，使阀芯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，膜片组件受到低压腔向上的介质力，当低压腔内压力较高时，开始克服向下的弹簧力，使阀芯组件向上移动，同理当低压腔内压力较低时，使阀芯组件向下移动，直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。本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 (16)

1.一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：包括阀体、副阀体、阀芯组件、阀座、膜片组件、主弹簧组件、副弹簧组件、顶杆和调整孔板；阀座、阀芯组件和副弹簧组件自上至下依次安装在阀体内腔，副阀体套装在阀体上端外侧，主弹簧组件安装在所述副阀体上端内腔，膜片组件置于所述副阀体内腔并位于所述主弹簧组件与阀体上端之间，顶杆贯穿阀体，两端分别连接膜片组件与阀芯组件；所述阀体上设置阀门入口流道以及低压腔气体流道，所述阀门入口流道与设置在阀座上的高压腔连通，所述低压腔提起流道连通设置在副阀体上的阀门出口；调整孔板安装于阀体上端，其上下两端分别与所述低压腔气体流道以及膜片组件与阀体之间的空腔连通。
2.如权利要求1所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：阀门入口流道、低压腔气体流道设置在所述阀体内腔的两侧。
3.如权利要求1或2所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述阀体为阶梯圆柱体结构，上端圆柱体直径小于下端圆柱体直径；大端圆柱体结构内设置阶梯圆孔，所述阶梯圆孔中的上端小圆孔用于安装阀座，大圆孔作为安装阀座、阀芯组件、副弹簧组件的内腔；所述内腔一侧设置阀门入口流道；阀门入口流道另一侧的阀体阶梯圆柱交界处设置横向流道，该流道与所述内腔顶面开设的通孔连通，与阀体的小端圆柱体与副阀体之间的间隙一起构成低压腔的气体流道；所述小端圆柱体上端设置使用膜片组件变形位移的凹槽，所述凹槽与所述横向流道之间开设用于安装调整孔板的通孔。
4.如权利要求1所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：阀门入口、阀门出口方向与主弹簧组件、副弹簧组件的运动方向平行。
5.如权利要求1所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述阀座上设置第一级减压结构，所述第一级减压结构上端为高压腔；所述副阀体上设置第二减压结构，第二减压结构后为阀门出口；所述第一减压结构与第二减压结构之间的气体流道为低压腔气体流道。
6.如权利要求5所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述第一级减压结构为设置在阀座下端的喉孔。
7.如权利要求5所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述第二级减压结构设有降噪流道，降噪流道当量直径与第二级减压结构直径比d3/d2为1.1～2.5，优选1.3～1.8；流道出口直径与第二级减压结构直径比d4/d2为1.5～3，优选2～2.8。
8.如权利要求5所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：第一级减压结构的喉孔直径大于第二级减压结构的喉孔直径，通过第二级减压结构的喉孔控制氢气流量。
9.如权利要求8所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：通过第一级减压结构和第二级结构的直径比分配高压腔和低压腔的压力；第一级减压结构的喉孔直径d1与第二级减压结构的喉孔直径d2：d1/d2范围为1.2～2，优选为1.4～1.8。
10.如权利要求5所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述阀芯组件由阀芯和镶嵌于阀芯上端的密封填料组成，其中密封填料材质为非金属材料，安装于阀芯上端的凹槽内，用于保护第一级减压结构，避免机械损伤。
11.如权利要求1或10所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：膜片组件由膜片、膜片支撑、膜片压垫和膜片限位垫组成，膜片限位垫用于限制膜片的移动，在膜片支撑受到主弹簧组件竖直方向的作用力时，带动膜片变形，膜片支撑和膜片压垫竖直移动。
12.如权利要求11所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：在膜片组件中，主弹簧组件提供向下的主弹簧力、膜片受到低压腔作用的向上压力和副弹簧组件提供的向上副弹簧力形成平衡关系；其中主弹簧力和膜片受到低压腔作用的压力为主要的调节力，主弹簧力远大于副弹簧力，二者之比在20～40之间。
13.如权利要求11所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：膜片组件与阀体之间的空腔的直径d5和阀芯直径d6之比在0.8～2.2之间，优选0.95～1.7。
14.如权利要求11所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述的顶杆上端连接膜片支撑，下端连接阀芯，成对布置；随膜片变形，顶杆上下运动，限制阀芯组件3所处位置，控制减压阀流通截面。
15.如权利要求14所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：所述的副弹簧组件由副弹簧、副弹簧帽和副弹簧座组成，其中副弹簧和副弹簧座安装于副弹簧帽内，副弹簧形变受副弹簧帽和副弹簧座约束，副弹簧座与阀芯相接触；弹簧力与顶杆向下的推力形成平衡，保持下游压力稳定在一定范围内。
16.如权利要求1所述的一种轻量化紧凑型双弹簧高压减压器，其特征在于：副阀体与阀体、阀座与阀体、阀芯组件与阀体以及副弹簧组件与阀体之间均设置密封环，实现密封。
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