CN212617618U - 一种无人机供氢系统用组合阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机供氢系统用组合阀，其包括：与高压气瓶连通的阀体，其上具有充气口和出气口，所述出气口与氢燃料电池无人机的下游电堆流体连通；布置于所述阀体内的减压系统、单向阀，所述单向阀布置于所述充气口处的阀体内；连通于所述高压气瓶与所述减压系统入口间的流体通道上的截止阀；与所述高压气瓶连通的泄压装置和压力传感器；所述减压系统采用两级减压方式，所述单向阀、截止阀、第一减压阀、第二减压阀、泄压装置大致布置于同一平面内。本实用新型集截止阀、两级减压阀、单向阀、玻璃珠TPRD于一体，通过对各组件的组合设计，使阀体内的布局紧凑合理，同时产品重量轻，安装方便，密封可靠，使用寿命长，出口压力稳定。

Description

一种无人机供氢系统用组合阀

技术领域

本实用新型涉及一种阀门，尤其涉及一种适用于氢燃料电池无人机供氢系统使用的组合阀。

背景技术

无人机的出现为人们的生活提供了许多便利，现已被广泛应用到社会的各行各业，但其过短的续航时间一直是研究人员头疼的问题。

传统无人机大多采用锂电池作为动力源，但续航只能维持20分钟左右，且需要经常拆卸、更换电池，十分耗时费力。为了解决这一问题，研究人员又探索了两种全新的动力源，可以极大地提高无人机的效率；一是使用氢燃料电池代替锂电池，可以支持无人机连续运转，二是使用激光发射器为无人机供电，从地面发射的激光光束被机身上的接收器转化成动力，几乎可以支持无人机一直工作。

在无人机技术领域，氢燃料电池无人机不仅绿色环保，而且燃料供应充足，可以实现全天候飞行，进而使得大规模的推广使用得到可能，在氢燃料电池无人机中用于连接高压气瓶和氢燃料电池的瓶阀是关键部位，瓶阀的好坏直接影响到向氢燃料电池供应氢气的稳定性，会关系到高压气瓶内氢气的使用效率和无人机工作的安全性，而现有氢燃料电池无人机中的瓶阀通常集成度不高，且体积较大，不利于无人机的飞行，对氢气的稳定性控制方面也表现较差，氢气的流量供应不佳，氢气利用率不高，不稳定的氢气供应也会对无人机的工作产生一定的安全隐患，目前所采用的瓶阀远远不能满足燃料电池无人机的需要。

实用新型内容

本实用新型主要为了解决现有氢燃料电池无人机用瓶阀集成度不高、体积较大、供氢不稳定、存在安全隐患等问题，本实用新型提供的一种无人机供氢系统用组合阀，高度集成了两级减压阀、截止阀、安全泄放阀等部件，大大降低了组合阀的空间体积，同时安全性能和供氢稳定性、氢气利用率得到完善。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种无人机供氢系统用组合阀，其包括：

与高压气瓶连通的阀体，其上具有充气口和出气口，所述出气口与氢燃料电池无人机的下游电堆流体连通；

布置于所述阀体内的减压系统、单向阀，所述单向阀布置于所述充气口处的阀体内；

连通于所述高压气瓶与所述减压系统入口间流体通道上的截止阀；所述减压系统、单向阀、截止阀大致处于同一平面内。

作为进一步的改进，所述减压系统、单向阀、截止阀大致环绕布置于同一平面内。

作为进一步的改进，所述减压系统采用两级减压系统，包括沿充气口到出气口方向顺序布置的第一减压阀和第二减压阀，所述第二减压阀的出口连通至所述出气口，通过两级减压使氢气输出更稳定，两级减压阀的减压形式可以根据需要调整，通过两级减压使出氢压力得到调整，避免对电堆的直接冲击。由于采用多级减压使得系统减压能力更稳定，压力调节更可靠，即使气源压力较低时，仍能保证稳定的输出，全流量范围输出稳定。

作为进一步的改进，所述充气口处和/或所述第一减压阀入口处布置有过滤器，可以有效可以有效过滤杂质，使系统抗污染能力更强。

作为进一步的改进，所述组合阀还包括与所述高压气瓶连通的泄压装置，作为优选实施例，所述泄压装置采用感温感压泄压装置，例如玻璃珠TPRD，一旦高压气瓶内的气体气压超过额定压力，高压气瓶内的高压气体会冲破玻璃珠与阀体外连通，进行泄压防止高压气瓶的爆炸。

作为进一步的改进，所述截止阀具有外露于阀体外的截止阀手柄，通过旋转所述截止阀手柄控制供氢流体通道的通断。

作为进一步的改进，所述阀体内嵌有高压压力传感器接口和高压充气接口，所述高压压力传感器接口可以直接连接压力传感器，所述高压充气接口设置于所述充气口处。

作为进一步的改进，所述单向阀、截止阀、第一减压阀、第二减压阀、泄压装置大致布置于同一平面内，优选的，所述单向阀、截止阀、第一减压阀、第二减压阀、泄压装置成一定角度均匀环绕布置。

作为进一步的改进，所述单向阀、截止阀、第一减压阀、第二减压阀、泄压装置的轴线大致布置于同一平面内。

作为进一步的改进，所述单向阀、截止阀、第一减压阀、第二减压阀、泄压装置的轴线分别相交布置于同一平面内。

本实用新型集截止阀、两级减压阀、单向阀、玻璃珠TPRD于一体，通过对各组件的组合设计，使阀体内的布局紧凑合理，同时产品重量轻，安装方便，密封可靠，使用寿命长，出口压力稳定。

附图说明

为使本实用新型的内容更容易被理解，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步示例性说明。

图1为本实用新型一实施例结构示意图。

图2为本实用新型一实施例俯视结构图。

图3为图1中A-A剖面一实施例示意图。

图4为图1中B-B剖面一实施例示意图。

图中：1-阀体，10-充气口，11-出气口，2-单向阀，21-单向阀堵盖，22-单向阀座，23-单向阀密封件，24-单向阀弹簧，25-单向阀阀芯，3-截止阀，31-截止阀座，32-截止阀杆，33-截止阀转接头，34-截止阀螺钉，35-截止阀手柄，4-第一减压阀，41-第一级阀座，42-第一级弹簧，43-第一级阀芯组件，44-第一级阀转接件，45-第一级顶盖，46-第一级端盖，5-第二减压阀，51-第二级阀座，52-第二级阀套，53-第二级阀芯组件，54-第二级弹簧，55-第二级端盖，6-玻璃珠TPRD，61-TPRD端帽，62-玻璃泡，63-TPRD阀芯，64-碟簧，7-压力传感器，70-高压压力传感器接口，8-过滤器。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型所述组合阀作为氢燃料电池无人机供氢系统中使用的关键部件，安装于高压气瓶出口，用于将气瓶内的高压氢气减压，为下游电堆提供稳定的低压压力。

需要说明的是，无人机在设计上追求轻量化，要求体积较小，这样才可以满足各行飞行需求，现有的高压瓶阀体积或占用的空间维度都较大，与无人机的配合度较差，且安全性能和供氢稳定性也存在不足，远远不能满足氢燃烧电池无人机的技术需求，本实用新型正是在此背景下进行研发的组合阀。

在阀门技术领域，阀体内通常一体成型有多个用于安装各组件的腔体，各腔体之间通过流体通道连通，各组件分别对应限位安装于所述阀体内的不同腔体上，所述各组件可以布置于阀体内部，也可以一部分布置于阀体内部，一部分露于阀体外部，但均可认为是连接于阀体内，以下实施例中表示方位的描述并不是指具体方位，但对于本领域普通技术人员来说，应当明白其具体的连接关系。

如图1-图4所示，一种无人机供氢系统用组合阀，其包括：与高压气瓶连通的阀体1，其上具有充气口10和出气口11，所述出气口11与氢燃料电池无人机的下游电堆流体连通；

布置于所述阀体1内的减压系统、单向阀2，所述单向阀2布置于所述充气口10处的阀体1内；

连通于所述高压气瓶与所述减压系统入口间的流体通道上的截止阀3；

所述减压系统、单向阀2、截止阀3大致处于同一平面内。

作为进一步的改进，所述减压系统、单向阀2、截止阀3大致环绕布置于同一平面内。

作为进一步的改进，所述阀体1其一端面的垂直向设置有与充气口连通的连接头，连接头连接于高压气瓶上将高压气瓶与阀体内的流体通道连通，所述连接头上的凹槽内嵌入有O形圈，保障与高压气瓶的连接气密性，所述连接头的位置可以根据流体通道的设计需要变换，如所述阀体端面的中心位置。

作为进一步的改进，所述减压系统采用两级减压系统，包括沿充气口10到出气口11顺序布置的第一减压阀4和第二减压阀5，所述第二减压阀5的出口连通至所述出气口11，通过两级减压使氢气输出更稳定，两级减压阀的减压形式可以根据需要调整，通过两级减压使出氢压力得到调整，避免对电堆的直接冲击。由于采用多级减压使得系统减压能力更稳定，压力调节更可靠，即使气源压力较低时，仍能保证稳定的输出，全流量范围输出稳定。

其中，所述第一级减压阀4包括沿第一级减压阀的轴线顺序布置的第一级阀座41、第一级弹簧42、第一级阀转接件44、第一级端盖46，所述第一级阀转接件44前端与第一级弹簧42抵靠，后端与第一级顶盖45连接，所述第一级弹簧42、第一级阀转接件44、第一级顶盖45外套置有第一级阀芯组件43，所述第一级端盖46连接于所述第一级阀芯组件43端部。

所述第二级减压阀5包括沿其轴线顺序布置的第二级阀座51、第二级阀套52、第二级阀芯组件53、第二级端盖55，所述第二级阀套52外置有第二级弹簧54，所述第二级减压阀的出口连通至出气口，第二级减压阀5再次对出氢压力进行调整，使出口氢气压力稳定，避免对氢燃料电池的直冲，有利于保障电池的使用寿命。

作为实施例，所述两级减压阀结构都可以采用现有的常规结构，用于对氢气瓶内氢气进行两次降压，在一些实施例中，两级减压阀的减压结构可以相同，两级减压阀的减压方式也可以不同，对于本领域普通技术人员来说，两级减压阀的结构及减压方式可以根据需要调整，当然对于其他任何形式的减压结构，只要能够保障低压氢气输出稳定可调即可。

作为进一步的改进，所述充气口10处或所述第一减压阀4入口处布置有过滤器8，可以有效可以有效过滤杂质，使系统抗污染能力更强。

作为进一步的改进，所述组合阀还包括连接于所述阀体上并与所述阀体内流体通道连通的泄压装置，用于防止高压气瓶内温度或压力过高发生事故，所述泄压装置由独立一路流体通道连通至高压气瓶；在一些实施例中所述泄压装置采用感温感压泄压装置，例如玻璃珠TPRD，一旦高压气瓶内的气体气压超过额定压力，高压气瓶内的高压气体会冲破玻璃珠与阀体外连通，进行泄压以防止高压气瓶的爆炸。

其中，所述玻璃珠TPRD6包括沿其轴线顺序布置的TPRD阀芯63、玻璃泡62和TPRD端帽61，所述玻璃泡62尾端抵靠于所述TPRD端帽61上的凹槽内，所述玻璃泡62尾端前靠于所述TPRD阀芯63上与流体通道连通的凹槽上，所述玻璃泡62将阀体1内的流体通道与阀体外阻断，所述TPRD阀芯63与所述阀体1内预张紧有碟簧64，使所述玻璃泡62张紧于所述玻璃珠TPRD6的腔体内。

当高压气瓶内气体压力超过额定压力，瓶内温度升高时，玻璃泡62内的液体受热膨胀，当瓶内温度升高至玻璃泡的承受温度范围时，玻璃泡62的外层玻璃被胀破，TPRD阀芯63因失去玻璃泡62对其的支撑力，同时在碟簧64的作用下向TPRD端帽61运动，使阀体内的流体通道与外界连通。

作为进一步的改进，所述截止阀3具有外露于阀体1外的截止阀手柄5，通过旋转所述截止阀手柄35控制供氢流体通道的通断。

作为进一步的改进，所述截止阀3包括沿其轴线顺序布置的截止阀座31、截止阀杆32、截止阀转接头33、截止阀手柄35，截止阀转换头33端部限位于所述截止阀手柄35上凹槽内，所述截止阀杆32一端与所述截止阀手柄35上截止阀螺钉34连接，所述截止阀螺杆32与所述截止阀螺钉34间设置有截止阀减摩垫片(图中未标示)，所述截止阀杆32另一端穿过所述截止阀转换头33抵靠于所述截止阀座31内与流体通道连通的槽口上，所述截止阀杆32前端的堵头与所述截止阀座31上的凹槽相适应，可以控制所述高压气瓶与减压系统间的流体通道启闭；一些实施例中截止阀杆32也可直接与截止阀手柄35固连或螺连。

本实用新型采用了卸荷式手动截止阀，在高压条件下操控截止阀的旋拧力矩较小，使截止阀的操控更加省力。

当对高压气瓶进行充气时，通过旋转所述截止阀手柄35使所述截止阀杆32抵靠于所述截止阀座31上，对流体通道进行关闭；当利用高压气瓶对氢燃料电池进行输气时，旋转所述截止阀手柄35使所述截止阀杆32远离所述截止阀座31，直至所述截止阀3与第一级减压阀4入口间的流体通道导通，在输气时所述截止阀处于常开状态。

作为实施例，当利用高压气瓶对氢燃料电池进行输气时，氢气依次流经截止阀3、第一减压阀4、第二减压阀5后通过出氢口连通至氢燃料电池堆，压力传感器7实时监控高压气瓶内的氢气余量，所述玻璃珠TPRD6实时保障高压气瓶的安全。

作为进一步的改进，所述单向阀2包括沿流体流动方向于其轴向顺序布置的单向阀座22、单向阀阀芯25、单向阀弹簧24，一单向阀密封件23抵靠于所述单向阀阀座22和单向阀弹簧24间，且所述单向阀阀芯25尾部的挡圈抵靠于所述单向阀密封件23的凸缘对其进行限位；在一些实施例中，所述单向阀阀座22的端部连接有单向阀堵盖21。

在一些实施例中，所述阀体充气口处布置有高压充气接口，可以直接连通气源进行充气操作。

在对高压气瓶进行充气时，高压气体流经单向阀阀座22并推动所述单向阀密封件23向所述单向阀弹簧24运动，直至高压氢气与阀体内的流体通道导通，高压氢气流经单向阀2后进入高压气瓶。

作为进一步的改进，所述单向阀2与所述充气口间还布置有过滤器，优选的所述过滤器布置于所述充气口处的阀体内，对进入高压气瓶内的氢气进行第一次过滤，所述过滤器的精度可以根据需要替换。

作为进一步的改进，所述阀体1内嵌有高压压力传感器接口和高压充气接口，所述高压压力传感器接口70可以直接连接压力传感器7，通过压力传感器7可以实现监控高压气瓶的氢气余量，所述高压充气接口设置于所述充气口处。

作为进一步的改进，所述压力传感器7布置或连通于高压气瓶与所述第一减压阀4的入口间，一些实施例中所述压力传感器7可以布置于所述截止阀3之前或之后的流体通道上。

作为进一步的改进，所述单向阀2、截止阀3、第一减压阀4、第二减压阀5大致布置于同一平面内。

作为进一步的改进，所述减压系统、截止阀53的轴线处于同一平面内，所述单向阀2、压力传感器7、玻璃珠TPRD6轴线处于同一平面内。

作为进一步的改进，所述单向阀2、截止阀3、第一减压阀4、第二减压阀5、泄压装置6大致布置于同一平面内，作为优选，所述单向阀2、截止阀3、第一减压阀4、第二减压阀5、泄压装置6的轴线大致布置于同一平面内。

作为优选的改进，所述单向阀2、截止阀3、第一减压阀4、第二减压阀5、泄压装置6成一定角度均匀环绕布置。

所述单向阀2、截止阀3、第一减压阀4、第二减压阀5、泄压装置6的轴线分别相交于同一平面内且处于所述阀体内。

作为实施例，所述阀体内的相邻组件相互交错布置，即间隔布置的组件的轴线处于同一平面内，例如减压系统与单向阀、截止阀的轴线处于同一平面内，压力传感器、泄压装置处于同一平面内。

本实用新型所述阀体内部分组件的轴线可以根据需要进行组合使一些组件处于同一平面，而其余组件的轴线处于另一平面，但为了安装及空间组合的需要，阀体内的组件在布置时可以上下稍交错，只需各组件大致处于同一平面即可，当然所有组件也可处于同一平面内且各组件的轴线也处于同一平面内。

在具体实施时，所述阀体的形状可以采用类三角形状，所述单向阀2、第一减压阀4、泄压装置6、第二减压阀5、压力传感器7、截止阀3可以依次布置于所述三角形的顶点和各边上，在一些实施例中，所述三角形为等边三角形。

在另一些实施例中，所述阀体的形状也可以根据需要采用圆形、椭圆形、五边形、六边形等形状。

作为进一步的改进，所述阀体内连通的各种阀或组件与阀体间可选择的布置有密封圈，保证阀体的气密性，防止氢气的泄露；同时作为可选实施例，所述阀体内连通的各组件其端部可以在阀体外进行安装等操控，例如所述第一减压阀、第二减压阀、泄压装置、单向阀均前部布置于所述阀体对应的腔体内，后端部至少露于所述阀体外，这样设计有利于组合阀各组件的组装和维修，当然各组件与阀体间的布置方式可以根据需要变化。

本实用新型为了满足供氢系统苛刻的轻质化性能要求和高可靠使用要求，采用了高品质、高性能的轻质铝合金阀体材料，并在阀体内高度集成了减压系统、截止阀、玻璃珠TPRD等阀门，且将阀体的部件整体布局一个平面，大大减少了组合阀垂直向所占的空间体积，使阀体更薄更紧凑，可以满足无人机的供氢系统需求。

本实用新型采用了两级减压系统，在0.5-40MPa的入口压力范围内，减压阀能够为下游的电堆提供稳定的压力供应，从而最大限度延长无人机续航时间，气瓶氢气利用率可达98.75％。

由于本实用新型阀体内的组件大体处于同一平面内且环绕布置，使得本实用新型的体积大大缩小，如某一实施例的组合阀几何尺寸为120×90×62(mm)。

对于本领域普通技术人员来说，可以在上述实施例的基础上进行各种变换组合以获取不同的技术方案，如在一些实施例中，所述阀体内只布置有截止阀、减压系统和泄压装置，此时可以在充气口处布置一手动截止阀，另一些实施例中，所述泄放装置也可采用安全阀。在不脱离本实用新型构思的前提下，通过上述实施例进行组合获得的实施例也属于本实用新型的保护范围。

应了解本实用新型所要保护的范围不限于非限制性实施方案，应了解非限制性实施方案仅仅作为实例进行说明。本申请所要要求的实质保护范围更体现于独立权利要求提供的范围，以及其从属权利要求。

Claims (10)

1.一种无人机供氢系统用组合阀，其包括：与高压气瓶连通的阀体，其上具有充气口和出气口，所述出气口与氢燃料电池无人机的下游电堆流体连通；

布置于所述阀体内的减压系统、单向阀，所述单向阀布置于所述充气口处的阀体内；其特征在于，所述组合阀还包括：

连通于所述高压气瓶与所述减压系统入口间流体通道上的截止阀；

所述减压系统、单向阀、截止阀大致处于同一平面内。

2.根据权利要求1所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述减压系统、单向阀和截止阀的轴线大致处于同一平面内。

3.根据权利要求1所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述减压系统，包括沿充气口到出气口方向顺序布置的第一减压阀和第二减压阀。

4.根据权利要求3所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述第一减压阀包括沿第一级减压阀的轴线顺序布置的第一级阀座、第一级弹簧、第一级阀转接件、第一级端盖，所述第一级阀转接件前端与第一级弹簧抵靠，所述第一级阀转接件后端与第一级顶盖连接，所述第一级弹簧、第一级阀转接件、第一级顶盖外套置有第一级阀芯组件；及

所述第二减压阀包括沿其轴线顺序布置的第二级阀座、第二级阀套、第二级阀芯组件、第二级端盖，所述第二级阀套外置有第二级弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述截止阀包括沿其轴线顺序布置的截止阀座、截止阀杆、截止阀转接头、截止阀手柄，截止阀转换头端部限位于所述截止阀手柄上凹槽内，所述截止阀杆一端与所述截止阀手柄上截止阀螺钉连接，所述截止阀杆另一端穿过所述截止阀转换头抵靠于所述截止阀座内与流体通道连通的槽口上。

6.根据权利要求3所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述组合阀还包括连接于所述阀体上并与所述高压气瓶连通的泄压装置。

7.根据权利要求6所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述泄压装置采用玻璃珠TPRD，所述玻璃珠TPRD包括沿其轴线顺序布置的TPRD阀芯、玻璃泡和TPRD端帽，所述玻璃泡尾端抵靠于所述TPRD端帽上的凹槽内，所述玻璃泡尾端前靠于所述TPRD阀芯上与流体通道连通的凹槽上，所述玻璃泡将阀体内的流体通道与阀体外阻断，所述TPRD阀芯与所述阀体内预张紧有碟簧。

8.根据权利要求6所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述单向阀、截止阀、第一减压阀、第二减压阀、泄压装置大致布置于同一平面内。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述阀体上连接有与所述阀体内流体通道连通的压力传感器。

10.根据权利要求9所述的一种无人机供氢系统用组合阀，其特征在于，所述减压系统入口处布置有过滤器，和/或所述充气口处的阀体内布置有过滤器。

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