CN1270663A - 溢流阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接作用式弹簧加载的限制系统内压力的溢流阀,在该系统中液体由容积式泵输送并以变动的流量流过系统,为了使泵在任何流量下克服当时的系统阻力工作,将阀门壳体(1)和装在其中带阀头(14)的阀体(22)设计为,当阀头从阀座(3)抬起后有一个大于第一有效直径的第二有效直径;随着阀体(22)升程逐渐增大的同时阀头(14)释放更大的液流截面;阀体(22)的一部分设计为在阀门壳体(1)内滑动的具有一个大于第二有效直径的第三有效直径的阀门活塞(11),所以,在阀门开启时流过阀门壳体(1)的液体产生压差,它作用在阀门活塞(11)上以对抗第一弹簧(21)的作用力。

Description

溢流阀

本发明有关阀门技术领域。本发明涉及一种限制系统内压力的溢流阀，在该系统中液体由容积式泵输送并以变动的流量流过系统，溢流阀包括一个具有一个以阀座为界用于液体流入阀门壳体内的进口以及具有至少一个与去容积式泵的回流路连接用于液体从阀门壳体流出的出口的阀门壳体；以及包括一个可移动地装在阀门壳体内部带阀头的阀体，其中阀体在第一弹簧作用下以阀头密封地压靠在阀座上并在由阀头第一有效直径决定的液体开启压力下克服第一弹簧的力从阀座抬起并释放进口。

许多借助容积式泵输送液体的泵系统以各种流量从额定或最大容量经过不同的节流状态直至流量为零地工作。为了避免驱动装置过负荷、为了限制系统压力以及为了限制体积流量，采用直接作用式弹簧加载的限压阀或溢流阀。

阀门在开始打开后，由于随着开启升程而增大了的弹簧力，所以同样使溢流压力上升。为解决这一问题，在已知的实施形式中阀门开始打开后通过此时变得更大的有效阀门面积来抑制压力的上升，甚至使压力下降。这样做给压力在任何工作状态下的稳定化带来了困难。已知为了这种稳定化采用液压阻尼缸，但显然当系统中发生冲击式阻力变化时，例如在快速关闭过程，它们妨碍阀门快速反应并由此引起不希望的压力峰值。

为了更好地理解这一问题，可举非常普遍使用于汽车加油的加油机为例。当从支架取下放油阀时泵组便进入工作，燃料以比加油压力略高的压力流过溢流阀，为此所需要的驱动能量大体相当于加油时所需的能量。这一状态持续不同的时间。

在放油阀全开亦即具有最大体积流量和工作压力加油以及使用一台准确地针对此容量设计的加油泵加油时，不产生任何问题。然而往往使用体积流量更大的泵，以便在工作时促使溢流阀已部分开启。采取这一措施应减小由于快速关闭放油阀触发的压力峰值。其结果是更多地消耗能量。

此外，在放油阀上通常为开启杆设两个节流加油的锁定位置。在这里泵与所使用的溢流阀连通以最大压力工作。由于是节流后的体积流量，故此压力经受较低的压降，从而在放油泵前存在不必要的高压。尽管加油流量较小，但具有几乎不变的泵压，所以在这种情况下与未节流的加油相比能耗不变并因而不必要地高。

此外，在节流加油过程中存在于放油阀处的高压需要很小的节流截面。因此在放油阀内有高的流速，从而在汽车油箱内不利地形成泡沫和较严重的气体析出。

在手动或自动关闭放油阀结束加油时，压力并因而能量方面重复在真正加油开始前的相同的状态，并保持此状态直至放油阀重新挂在加油机上为止。对加油机的调查统计表明，在真正加油前和后的泵工作时间约占全部泵工作时间的30％，这意味着有相当大部分的能量被无利用价值地消耗。

另一个列举的大量使用的应用领域涉及加热泵，它们以液体作为热载体用于将热量不断地输往各种消耗器，例如加热器。由于不同的原因所需要的热量是变化的并例如通过恒温器阀和/或对于整系统通过调整泵的转速与消耗器相适应。在例如只通过恒温器阀与热量需求匹配时，对于通常在加热领域使用的离心泵随着节流度增加压力上升，并由于此时在阀门处大的压差产生不希望的噪声。对于离心泵随着节流度增加能量消耗降低。

为了降低压力和能耗采用转速/频率可调的泵驱动装置。显然节省下来的驱动能量中的一部分在这里通过频率调整重新损失掉。采用效率比离心泵高得多以及压力/体积流量输送特性线几乎沿着系统的压力/体积流量阻力特性线的容积式泵，从功能与能量技术而言是对先有技术显著的改进。

由DE-U7223233已知一种主要用于喷枪的减压阀或过压阀，它包括一个带进口和出口的空心阀门壳体，进口和出口与阀门壳体内的内部工作腔连接，包括一个在工作腔内滑动导引的活塞，其中，阀门壳体有一个阀座，其横截面比活塞的截面小以及它围绕着出口；活塞有一个直径较小的部分与阀座配合工作，以便切断流体通过阀门壳体流动；阀门壳体有一个通道，当活塞从阀座抬起时它将阀座与活塞之间的腔与阀门壳体的出口连通，包括一个可调的用于改变通道的通流截面的装置，包括一个设在阀门壳体内活塞与支座之间用于在活塞上施加关闭力的弹簧，以及包括一个可调整由弹簧施加的力的装置，为的是调整由弹簧作用在活塞上的关闭力以及改变为将活塞从阀座抬起而必须作用在进口内的压力。由此应涉及一种处于弹簧张力作用下的减压阀，它设计为使成套泵设备的工作压力能在喷枪一旦停止工作时快速下降。此已知的阀有第二个较大的有效直径。当超过由弹簧确定的开启压力使阀盘从阀座抬起后，通过活塞确定较小的溢流压力。因为活塞本身导致阀门活塞并因而溢流阀的不稳定状态，所以溢流的液体经第二个可调的阀门截面通往出口。对于每一个由泵的体积流量及喷枪所需工作压力确定的工作状态，为了避免溢流时压力的不稳定，必须进行弹簧与第二阀门截面互相协调的调整。也就是说此阀门只有在调整好的恒定的工作条件下以及也只有在流体的流动中止(完全关闭)时才适用于具有稳定压力地溢流。采用阀门的这种设计不能达到下降后的压力的稳定性以及与节流工作状态改变时下降的数量级相匹配。

由DE-A-886990已知一种具有柱塞和溢流管道的弹簧加载调压阀。此调压阀由同时还控制溢流管道的柱塞控制，以及特别适用于重油燃烧器。在柱塞外面或在柱塞的导向筒内制有一个或多个槽，它们至少近似于沿柱塞轴向延伸并有变化的截面，此截面在其位于离液体去储箱的回流口最近的那一端最小以及另一端最大，所以这些用于溢流的槽形成了一个用于返回储箱的液体部分的截面逐渐改变的通道。此阀通过其外径等于阀座角直径的柱塞与孔连通，当适当确定孔的尺寸时，由于通过槽长行程的截面增大加强了阻尼效果。溢流压力没有下降，而是确切地说根据弹簧特性线上升。

由DE680573已知一种具有弹簧加载的关闭活塞的用于回转式活塞液体泵的溢流阀。关闭活塞在其阀座上方有一个增大有效阀座面积的圆环面，此关闭活塞在一个可更换的具有随着活塞升程增加强烈增大通流口的圆柱形环面内导引，其中影响圆环面的动压力还附加地受另一个已知的节流机构的影响。此阀有第二个较大的有效直径、第二个取决于升程改变的阀门截面和设在外部的第三个可调的阀门截面。采用这一结构在开始打开后在传统的溢流阀内造成的压力明显上升应能取消。在通过此溢流阀的所有体积流量下直至接近系统特性线的压力降低，没有打算借助于阀门的这种设计实现，实际上也达不到。

本发明的目的是要制造成功一种前言所述类型的弹簧加载和直接作用的溢流阀，它允许泵在所有的体积流量下压力只略超过当时的系统阻力地工作并保持当时所需压力的稳定。

由此，除了是一种节能的工作方式外还应获得其他一些功能性优点。

此目的通过主权利要求1中所说明的特征达到。

据此，此溢流阀按这样的方式设计，即，阀门壳体和装在其中带阀头的阀体设计为当阀头从阀座抬起后有大于第一有效直径的第二有效直径。随着阀体升程逐渐增大的同时阀头释放更大的液流截面，其中，阀体包括一个具有第三有效直径的在阀门壳体内滑动的阀门活塞，第三有效直径大于第二有效直径。在阀门开启时流过阀门壳体的液体在流入回流路前受到节流而产生压差，压差作用在阀门活塞上以对抗第一弹簧的作用。

如此设计的溢流阀有下列优点：

当使用于加油机时，借助这种溢流阀在加油时燃料以略高于加油压力的压力流过溢流阀的期间能使能耗降低一半以上。

如已提及的那样，往往采用体积流量更大的泵，以便在工作期间促使溢流阀已部分打开。采取这一措施应降低由于快速关闭放油阀触发的压力峰值。这样做的结果是导致更多的能耗。在按本发明的溢流阀中此项消耗能量的措施是多余的。

在传统的加油机中，在节流地加油的情况下与不节流加油相比能量的消耗实际上不变。在按本发明的溢流阀的情况下，在这种节流加油的过程中由于压力下降而节省了能量。

在传统的加油机中，放油阀内很小的节流截面导致高的流速，从而有害地在汽车油箱内形成泡沫和造成强烈的气体析出。按本发明的溢流阀允许在放油阀处有较大的节流截面并因而有较低的流速，从而避免了上述缺点。

在加油结束时第一次手动或自动关闭放油阀后，往往进行通过手动节流计量的补充加油，在这种情况下按本发明的溢流阀降低了压力并因而节约能量。在这里节流加油时降低压力实际上有另一个优点，因为可以实施有控制的减少泄出危险地补充加油，此外在节流的放油阀处较小的压差导致较小的出口速度，并由此减少或排除在油箱内有害地形成泡沫和强烈地析出气体。

世界范围使用的仅有少数几种产品的放油阀，在确定节流加油用的锁定位置时，从具有基本上恒定的并处于最大工作压力范围内的溢流压力的溢流阀出发。因此，在这种不变的放油阀与按本发明的溢流阀组合时，在节流加油期间必须实行较少的压力下降，只有在加油结束时才实施全部的压力下降。按本发明的溢流阀的溢流特性可以与此要求相适应。

在加热系统中，用按本发明的溢流阀结合容积式泵，可以在成本较低和驱动装置转速不调整的情况下，建立符合系统要求的压力/体积流量输送特性线。对于体积流量较大和要调节的体积流量范围大的设备，将按本发明的溢流阀与调整转速的驱动装置组合在一起，意味着是一种使用可能性显著扩展了的设计，在功能与能量技术方面与先有技术相比都得到重大改进的设计。

按本发明的溢流阀第一种优选的实施形式的特征在于，阀座设计为向内的环形阀座；阀头以直径大于阀座的阀盘密封地压在阀座上；以及，阀门壳体设计为在阀盘的升程区具有沿升程方向逐渐增大的内径。由此获得在压力和体积流量方面特别有利的阀门特性线。

按本发明的溢流阀第二种优选的实施形式的特征在于，阀头沿流向在阀座前面设有一个起节流鼻作用的延伸段，它在开启行程的第一部分仅释放一个较小的并逐渐扩大的液流截面。采用延伸段，即使通过阀门的体积流量很小，也能在阀门开启时保持压力和体积流量稳定。

按本发明的溢流阀另一种优选的实施形式，阀门活塞用背对阀头的那一侧在阀门壳体内封闭一个随阀门升程改变的圆柱腔，它通过横截面小的第一连接通道与回流路连通。由此极为有效地液压地抑制了阀门活塞较大的振荡。

按本发明的溢流阀另一种优选的实施形式的特征在于，阀体设计为由多个部分组成，除阀头外包括一个单独的在阀门壳体内滑动的阀门活塞；第一弹簧向阀门活塞加载；以及阀头与阀门活塞沿升程方向彼此相对运动，在阀门关闭状态相互隔开距离并借助被第二弹簧彼此张紧；以及，两个弹簧按这样的方式设计，即，用于克服第二弹簧的压力打开阀门的开启压力，大于或等于用于克服第一弹簧的压力打开阀门的开启压力。由此可极为有效地使短的压力峰值不会在液压系统内造成损坏。

本发明其他有利的设计是从属权利要求的内容。

下面借助于附图进一步说明本发明。其中：

图1  按本发明具有整体式阀体的溢流阀第一种优选实施形式纵

     剖面；

图2  在出口的所在高度通过按图1的阀门的横截面；

图3  溢流阀第二种优选实施形式与图1类似的视图，它具有用

     于使压力峰值无害化的分成两部分通过弹簧耦合的阀

     体；以及

图4  传统的溢流阀(A、A1、A2)与按本发明的溢流阀(系统的阻

     力特性线B、B1、B2和C)特性线(压力P(bar)与体积流量

     Q(1/min)关系)的比较。

在图1中表示按本发明的溢流阀100的优选实施形式作为一个装配组件。阀门壳体1有压力侧的进口2、阀座3、锥形扩展面4、通向低压侧或回流路的出口或出口孔5、圆柱形孔6、在圆柱腔20与低压侧之间的连接通道7，阀门壳体通过O型密封圈8紧密地安装在有盖10的外壳9内。

在阀门壳体1内可运动地装有阀体22，它包括阀头14和阀门活塞11。阀门活塞11灵活地装配在圆柱形孔6内并借助第一弹簧21通过阀头14压靠在阀座3上。阀头14在与阀座3的支承面上有一个明显增大的阀盘19和朝进口2方向伸出的节流器形式的延伸段18，在开启运动开始后它在一开始只释放一个较小的然后逐渐扩大的通流截面。

当在阀座3的有效作用面上作用了超出由第一弹簧21预定的压差时溢流阀100开始打开。由于有延伸段18，所以压力和通过阀门的体积流量，包括很小的体积流量均保持稳定，因为阀门活塞11的振荡只导致通流截面很小的改变。阀门活塞11较大的振荡在与阀门壳体1一起构成的圆柱腔20和小截面连接通道7的共同配合作用下被液压阻尼。

随着阀门开度增大及与此同时通过阀的体积流量上升，阀盘19逐渐与扩展面4结合起开启力的作用并因而不仅平衡了第一弹簧21力的增大，而且还造成压力下降。当溢流量继续增加直至在系统内的流动完全截止时，通过按图2分布在阀门壳体1圆周上的出口5产生一个增大的压差，此压差通过阀门活塞11大的表面使之运动直至挡靠在盖10上。

因此，按图4产生了一条阀门特性线B，它在第一段B1内的走向与传统阀门的特性线A或A1相同并沿着泵的特性线D，但在阀门开启后它在第二段B2内大幅度地下降而与传统阀门几乎水平的特性线段A2不同，因此与系统阻力的特性线C平行延伸并在其上方。其中，下降压力曲线B2的第一部分主要受阀盘19再结合扩展面4的影响，第二部分主要由在阀门活塞11上的压差产生的伺服力决定。

通过阀盘19的直径、扩展面4的轮廓、出口5和在圆柱形孔6内阀门活塞11的直径与阀座3的直径在尺寸上相互协调，使得有可能用很低的费用，令溢流阀的压力P-体积流量Q曲线在最大程度上满足具体使用的要求并因而可在能量最有效利用的情况下工作。

图3表示的按另一种实施例的溢流阀200，在保持上述功能特征的情况下，采用两部分组成的阀体22，以便在快速关闭过程和已关闭的系统快速起动过程中减小压力峰值。其中相同的部分有与图1中同样的标号。

在这里，阀门活塞11在中心孔12内灵活地装入一根用于包括延伸段18和阀盘19的阀头14的导杆13。导杆13的另一端有密封锥15，它借助于第二弹簧17密封两个弹簧腔的连接通道16。第二弹簧17的预紧力等于压差p1，第一弹簧的预紧力等于压差p2，两者均涉及阀座3的有效直径。压力p2按设备的具体要求确定，而压力p1设计得较大。

在快速关闭或起动过程，压力p1被超过，设计为有较小质量的阀头14与导杆13的组合体无阻尼地很快开启并最大至挡靠在阀门活塞11上。开始开启后连接通道16立即打开，以避免由于导杆13挤压容积导致有害地阻挡提升运动。

由于阀盘19的有效表面随着流量增加变得越来越大，所以有更大的力并而加速地作用实施开启升程。因为打开了连接通道16，通过连接通道7造成阀门活塞运动的液压阻尼基本消除，因此在阀头14快速打开期间阀门活塞11随着一起至少少量地运动，从而有助于进一步减小压力峰值。

在压力峰值下降后阀头14立即在第二弹簧17的作用下重新被压至其终端位置以及通过密封锥15关闭连接通道16。因此阀门活塞11重新与阀头14刚性连接并相当于按图1的设计进行工作。

运动的阀体22在任意中间位置的液压阻尼并因而稳定化，只有在第二弹簧21的活塞腔没有气体影响时才有最佳效果。在阀门最好垂直安装时和未充填液体的系统起动时，活塞腔自动地随着第一次快速起动或关闭过程通过连接通道16排气。组合体13/14的最大升程设计为，即使阀门活塞11不运动，泵的全部泵送容量也能以允许的压力溢流。

Claims (9)

1.限制系统内压力的溢流阀(100、200)，在该系统中液体由容积式泵输送并以变动的流量流过系统，溢流阀包括一个具有一个以阀座(3)为界用于液体流入阀门壳体(1)内的进口以及具有至少一个与容积式泵的回流路连接用于液体从阀门壳体(1)流出的出口(5)的阀门壳体(1)；以及包括一个可移动地装在阀门壳体(1)内部带阀头(14)的阀体(22)，该阀体(22)在第一弹簧(21)作用下以阀体(14)密封地压靠在阀座(3)上并可在由阀头(14)第一有效直径决定的液体开启压力下克服第一弹簧(21)的力从阀座(3)抬起并释放进口(2)，其特征为：阀门壳体(1)和装在其中带阀头(14)的阀体(22)设计为，当阀头从阀座(3)抬起后有第二有效直径，它大于第一有效直径；随着阀体(22)升程逐渐增大的同时阀头(11)释放更大的液流截面；阀体(22)的一部分设计为在阀门壳体(1)内滑动的具有第三有效直径的阀门活塞(11)，它大于第二有效直径；以及，在阀门开启时流过阀门壳体(1)的液体产生压差，它作用在阀门活塞(11)上以对抗第一弹簧(21)的作用力。

2.按照权利要求1所述的溢流阀，其特征为：阀座(3)设计为向内的环形阀座；阀头(14)以直径大于阀座(3)的阀盘(19)密封地压在阀座(3)上；以及，阀门壳体(1)设计为在阀盘(19)的升程区具有沿升程方向逐渐增大的内径。

3.按照权利要求1和2之一所述的溢流阀，其特征为：阀头(14)沿流向在阀座(3)前面设有一个起节流鼻作用的延伸段(18)，它在开启行程的第一部分仅释放一个较小的并逐渐扩大的液流截面。

4.按照权利要求1所述的溢流阀，其特征为：阀门活塞(11)用背对阀头(14)的那一侧在阀门壳体(1)内封闭一个随阀门升程改变的圆柱腔(20)，它通过横截面小的第一连接通道与回流路连通。

5.按照权利要求1所述的溢流阀，其特征为：液流的节流借助于至少一个的出口(5)实现，出口(5)设计为孔并被安排在阀门壳体(1)内阀头(14)与阀门活塞(11)之间。

6.按照权利要求1至5之一所述的溢流阀，其特征为：阀体(22)设计为整体式的。

7.按照权利要求1至5之一所述的溢流阀，其特征为：阀体(22)设计为由多个部分组成，除阀头(14)外包括一个单独的在阀门壳体(1)内滑动的阀门活塞(11)；第一弹簧(21)向阀门活塞(11)加载；以及阀头(14)与阀门活塞(11)可沿升程方向彼此相对运动，在阀门关闭状态相互隔开距离并借助第二弹簧(17)彼此张紧。

8.按照权利要求7所述的溢流阀，其特征为：两个弹簧(17、21)按这样的方式设计，即，用于克服第二弹簧(17)的压力打开阀门的开启压力大于或等于用于克服第一弹簧(21)的压力打开阀门的开启压力。

9.按照权利要求8所述的溢流阀，其特征为：阀门活塞(11)用背对阀头(14)的那一侧在阀门壳体(1)内封闭一个随阀门升程改变的圆柱腔(20)；以及设置一些装置(12、13、15、16)，借助于它们在阀头(14)与阀门活塞(11)相对运动时释放圆柱腔(20)与回流路之间的通道(16)。

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