CN115727173B - 一种高压氢气压缩机用高寿命气阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，属于压缩机技术领域。包括进气阀与排气阀，所述进气阀与排气阀均包括导向阀盖、阀片、阀座以及弹簧；所述导向阀盖包括阀盖外壳以及设于阀盖外壳内部的非金属阀盖内衬；所述阀盖外壳由抗氢脆材料制成，所述抗氢脆材料为经过冷变形强化的316不锈钢材质；所述阀盖内衬由碳纤维增强的PEEK材料、PTFE材料、浸银石墨中的任意一种非金属材料制成；所述阀片由GH2132合金材料制成。通过本发明，能适用于45MPa‑90MPa高压力的氢气介质压缩机中，阀芯有较高的机械强度、耐高温性能、疲劳寿命和抗氢脆能力；具有耐磨自润滑特性，不易产生磨粒污染介质；也不会因为摩擦产生高温进而导致阀片卡涩或阀片失效。

Description

一种高压氢气压缩机用高寿命气阀

技术领域

本发明属于压缩机领域，具体涉及一种新型容积式压缩机气阀，特别涉及一种高频动作的高压压缩机气阀结构。

背景技术

压缩机气阀是压缩机中用来控制气体吸入和排出气腔的重要部件。

随着加氢站用氢气压缩机近年来朝着高压力、大排量的目标发展，对压缩机气阀的要求也越来越高。气阀在工作过程中会经受严酷的载荷和环境，包括拉压、冲击，磨损，腐蚀、高温等。随着高压力高排量压缩机的需求越来越多，气阀的工况日益严峻，对气阀的要求也越发苛刻。而气阀的性能，直接影响压缩机的排气量、功率消耗和运转的可靠性。

高压氢气压缩机利用大面积活塞端的低压气体驱动而产生小面积活塞端的高压流体。高压氢气压缩机是压力大于10MPa的氢气压缩机。

而在排气压力高于45MPa的氢气压缩机中，现有气阀的产品尚不成熟，主要体现在以下几个方面：

1)气阀承压部件与氢气介质的相容性较差，高排气压力下氢脆现象更会加剧；

2)非金属阀片虽与氢气相容性较好，但强度较低、耐高温性较差，难以完全适合用于45MPa以上排气压力的压缩机；

3)金属阀片气阀因金属干磨产生的颗粒物导致氢气洁净度降低；

4)金属阀片气阀因金属高频干磨产生高温，可能导致阀片屈服或提前疲劳失效。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述技术问题，本发明提出了一种非金属导向衬套压缩机用高寿命气阀，能够适用于45MPa-90MPa排气压力等级的高压氢气压缩机。

本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

一种非金属导向衬套压缩机用高寿命气阀，能够适用于45MPa-90MPa排气压力等级的高压氢气压缩机，气阀包括带衬套的导向阀盖、阀片、阀座、弹簧等零件。

所述气阀分为进气阀和排气阀，两者结构类似，因工作或安装方式不同，稍有差异。

所述气阀中带衬套的导向阀盖由两部分组成，即阀盖内衬与阀盖外壳，其中内衬的非金属元件。

为了便于加工和满足形位公差的要求，除内衬与外壳配合部分外，均留有加工余量，所述阀盖外壳与阀盖内衬之间固定连接为一体。

具体的，本发明中阀盖外壳与阀盖内衬之间固定连接的方式为两种。

一种为，阀盖外壳与阀盖内衬之间通过过盈配合的方式固定连接为一体，过盈配合的配合公差带为H7/s6。

另一种为，阀盖外壳与阀盖内衬之间通过榫卯结构以及注塑定型的方式固定连接为一体。

具体的，阀盖外壳内部设有榫槽，所述阀盖内衬外部设有与榫槽对应配合的榫件，所述榫件与榫槽之间通过注塑定型固定连接为一体。

所述阀盖内衬选用由碳纤维增强的PEEK材料，一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，在多领域均有广泛应用。将其作为与金属阀片的摩擦副配合材料，不承受高压差及其他外部载荷，发挥其耐高温、自润滑、耐磨损等特性。所述阀盖内衬上开设有弹簧导向定位槽、阀片导向槽以及出气流道孔。

进一步的，阀盖内衬仅作为摩擦副材料，可以替换为其他耐高温、自润滑、耐磨损等性能优异的材质，如PTFE材料、浸银石墨材料。

所述阀盖外壳底部固连有阀座，所述阀座上设有进气流道孔。

所述阀盖外壳材料选用316不锈钢材质，一种广泛应用于氢气介质中的材质。由于常规热处理方式强度较低，不适合90MPa高压环境，所以本发明中阀盖整体采用经过冷变形强化的316不锈钢材质。在满足与氢气介质优异相容性的前提下，进一步提高了气阀整体的强度。

进一步的，阀盖外壳材质可替换为其他高强度的抗氢脆材质。

所述阀座采用阀盖外壳相同材质。阀座通过颈部的螺纹段与导向阀盖进行装配，连接方便，并保证在气阀拆卸维护时不会发生阀座与阀盖分离的现象。进气流道孔在导气段增加锥度，优化流道减少流阻。与阀片密封面采用10°的锥面设计，优化气体流道的同时也更利于阀片与阀座的密封，且有助于阀片快速开启。

所述阀片一端设于阀片导向槽内，另一端受弹簧压力抵紧所述进气流道孔的出气口。

所述阀片材料选用GH2132，是Fe-25Ni-15Cr基高温合金，在650℃以下具有高的屈服强度和疲劳强度，且在高温高压工况下与氢气有较好的相容性。

所述阀片整体为圆柱形，一端面为中空结构，用作弹簧安装槽(适配弹簧尺寸)，保证了阀片导向部分的长度的同时，增加了弹簧的稳定性、减轻了阀片的重量，使得气阀整体更紧凑小巧。此端面外圆部分进行倒角处理，保证阀片的行程。另一端面为密封面，整个面采用球面结构，保障了与阀座的锥面密封效果，球面-锥面的配合也有助于阀片快速开启。

所述阀片与阀盖导向部位采用间隙配合，配合公差带选取为H7/g6。因此即使316不锈钢的热膨胀系数是PEEK材料的三倍多，该配合亦可保证在极限工况温度下，阀芯与导向衬套不会因热变形差异发生卡涩。

所述弹簧采用冷拔316不锈钢材质的螺旋弹簧。所述弹簧一端设于弹簧安装槽内，另一端抵紧所述弹簧导向定位槽。在弹簧安装槽的设计上，采用阀盖外壳上的弹簧导向定位槽导向，内嵌阀片的形式，提升了弹簧在高频运作中的稳定性。

气阀与外部件(膜头、气缸等)的密封采用退火态紫铜垫密封的形式，通过紫铜垫与接触面贴合发生塑性变形来实现密封。与紫铜垫配合部分(进气阀为阀盖/排气阀为阀座)增加锯齿环槽，可进一步保证密封效果。

进一步的，气阀整体与外部件(膜头、气缸等)采用间隙配合，且在阀盖/阀座配有拆卸螺纹孔，方便拆卸维护。

本发明的有益效果是：

(1)通过本发明，提供一种非金属导向衬套的压缩机气阀，能适用于45MPa-90MPa高压力的氢气介质压缩机中，阀芯有较高的机械强度、耐高温性能、疲劳寿命和抗氢脆能力；

(2)本发明气阀的整体结构简单，加工方便；

(3)本发明气阀的阀片在高频动作工况下，具有耐磨自润滑特性，不易产生磨粒污染介质；

(4)本发明气阀的阀片在高频动作工况下，不会与导向面摩擦产生高温，不会因为摩擦产生高温进而导致阀片卡涩或阀片失效。

附图说明

图1为本发明实施例1中进气阀的结构示意图；

图2为本发明实施例1中排气阀的结构示意图；

图3为本发明实施例2中进气阀的结构示意图；

图4为本发明实施例2中排气阀的结构示意图。

图中：

A、进气阀；

B、排气阀；

1、阀盖外壳；101、榫槽；

2、阀盖内衬；201、弹簧导向定位槽；202、阀片导向槽；203、出气流道孔；204、榫件；

3、弹簧；

4、阀片；401、弹簧安装槽；

5、阀座；501、进气流道孔；502、环槽。

具体实施方式

为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示及实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1所示，为本发明提供的一种非金属导向衬套的压缩机进气阀A，包括了阀盖外壳1、阀盖内衬2、弹簧3、阀片4、阀座5等零件。

导向阀盖包括阀盖外壳1以及设于阀盖外壳1内部的阀盖内衬2，阀盖外壳1与阀盖内衬2固连为一体。阀盖外壳1底部固连有阀座5，阀座5上设有进气流道孔501。阀盖内衬2上开设有弹簧导向定位槽201、阀片导向槽202以及出气流道孔203。阀片4上设有弹簧安装槽401，弹簧3一端设于弹簧安装槽401内，另一端抵紧所述弹簧导向定位槽201。阀片4一端设于阀片导向槽202内，另一端受弹簧3压力抵紧所述进气流道孔501的出气口。阀盖外壳1由抗氢脆材料制成，抗氢脆材料为经过冷变形强化的316不锈钢材质。阀盖内衬2由碳纤维增强的PEEK(聚醚醚酮)材料制成。阀片4由GH2132合金材料制成。

具体的，阀盖外壳1和阀盖内衬2通过过盈配合固定装配成阀盖组件，过盈配合的公差配合带为H7/s6。为了便于加工和满足公差/形位公差的要求，除阀盖内衬2与阀盖外壳1配合部分外，均留有加工余量。

进一步的，为了保证阀盖组件与阀座5以及气阀安装孔的配合精度，阀盖组件在所有加工阶段，均以阀盖外壳1的外圆为基准。阀盖组件在阀盖内衬2上加工出弹簧导向定位槽201、阀片导向槽202、流道孔，在阀盖外壳1上加工出与阀座5配合的螺纹段、拆卸螺纹孔、紫铜垫环槽502。

阀片4为圆柱结构，密封面为球面，中空作为弹簧安装槽401，导向部分与阀盖组件为间隙配合，间隙配合为H7/g6。

阀座5为圆盘结构，凸台段为螺纹，用以配合阀盖组件装配连接。进气流道孔501初段增加一段螺纹段用以拆装，后续导向部分增加锥度来优化流道减少流阻。密封面为10°的锥度，配合阀片4的球面密封面。

如图2所示，为本发明提供的一种非金属导向衬套的压缩机排气阀B，包括了阀盖外壳1、阀盖内衬2、弹簧3、阀片4、阀座5等零件。

阀盖外壳1和阀盖内衬2通过过盈配合装配成阀盖组件，过盈配合的公差配合带为H7/s6。为了便于加工和满足公差/形位公差的要求，除阀盖内衬2与阀盖外壳1配合部分外，均留有加工余量。

进一步的，为了保证阀盖组件与阀座5以及气阀安装孔的配合精度，阀盖组件在所有加工阶段，均以阀盖外壳1的外圆为基准。阀盖组件在阀盖内衬2上加工出弹簧导向定位槽201、阀片导向槽202、流道孔，在阀盖外壳1上加工出与阀座5配合的螺纹段、拆卸螺纹孔。

阀片4为圆柱结构，密封面为球面，中空作为弹簧安装槽401，导向部分与阀盖组件为间隙配合，间隙配合为H7/g6。

阀座5为圆盘结构，上凸台段为螺纹，用以配合阀盖组件装配连接，同时增加拆装孔。下凸台为导向部，增加环槽502用以配合紫铜垫密封。进气流道孔501初段和后续导向部分增加锥度来优化流道减少流阻。密封面为10°的锥度，配合阀片4的球面密封面。

实施例2：

如图3-4所示，为另一种非金属导向衬套气阀，其中图3为本发明实施例2中进气阀A的结构示意图，图4本发明实施例2中排气阀B的结构示意图，同样的，进气阀A与排气阀B包括阀盖外壳1、阀盖内衬2、弹簧3、阀片4、阀座5等零件。

相较于实施例1，不同点在于阀盖组件的设计。同样的采用阀盖内衬2和阀盖外壳1的分体设计，不同的是阀盖内衬2不再通过过盈配合与阀盖外壳1成为一体，而是通过注塑的方式。阀盖外壳1内设有榫槽101，榫槽101结构包括但不限于图示特征，阀盖内衬2外部设有与榫槽101对应配合的榫件204，榫件204与榫槽101之间通过注塑定型固定连接为一体。这样可以实现更加牢固的阀盖外壳1-阀盖内衬2连接，能有效防止阀盖内衬2的脱离，且有利于批量生产。注塑完成后，对内部特征进行整体机加工。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，包括进气阀与排气阀，所述进气阀与排气阀均包括导向阀盖、阀片(4)、阀座(5)以及弹簧(3)；

所述导向阀盖包括阀盖外壳(1)以及设于阀盖外壳(1)内部的阀盖内衬(2)，所述阀盖外壳(1)与阀盖内衬(2)固连为一体；

所述阀盖外壳(1)底部固连有阀座(5)，所述阀座(5)上设有进气流道孔(501)；

所述阀盖内衬(2)上开设有弹簧导向定位槽(201)、阀片导向槽(202)以及出气流道孔(203)；

所述阀片(4)上设有弹簧安装槽(401)，所述弹簧(3)一端设于弹簧安装槽(401)内，另一端抵紧所述弹簧导向定位槽(201)；

所述阀片(4)一端设于阀片导向槽(202)内，另一端受弹簧(3)压力抵紧所述进气流道孔(501)的出气口；

所述阀盖外壳(1)由抗氢脆材料制成，所述抗氢脆材料为经过冷变形强化的316不锈钢材质；

所述阀盖内衬(2)由碳纤维增强的PEEK材料、PTFE材料、浸银石墨中的任意一种非金属材料制成；

所述阀片(4)由GH2132合金材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述阀盖外壳(1)与阀盖内衬(2)之间通过过盈配合的方式固定连接为一体，过盈配合的配合公差带为H7/s6。

3.根据权利要求1所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述阀盖外壳(1)与阀盖内衬(2)之间通过榫卯结构以及注塑定型的方式固定连接为一体。

4.根据权利要求3所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述阀盖外壳(1)内部设有榫槽(101)，所述阀盖内衬(2)外部设有与榫槽(101)对应配合的榫件(204)，所述榫件(204)与榫槽(101)之间通过注塑定型固定连接为一体。

5.根据权利要求1所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述阀片(4)为圆柱形结构，其密封面为球面。

6.根据权利要求5所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述进气流道孔(501)的出气口为与阀片(4)密封面配合密封的锥面结构。

7.根据权利要求1所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述阀片(4)与阀盖内衬(2)上的阀片导向槽(202)之间采用间隙配合，配合公差带为H7/g6。

8.根据权利要求1所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述弹簧(3)采用冷拔316不锈钢材质螺旋弹簧(3)。

9.根据权利要求1所述的一种高压氢气压缩机用高寿命气阀，其特征在于，所述进气阀的导向阀盖上以及排气阀的阀座(5)上均设有用于放置密封垫的环槽(502)，所述密封垫采用退火态紫铜垫。