减压阀的制作方法

1.本技术涉及一种减压阀，尤其涉及一种用于存在较大压差的供气管路中降低出口气压的减压阀。


背景技术：

2.减压阀(也被称为稳压阀)被广泛用于各种供气管路中，一般是通过控制阀体内的启闭件的开度来调节气体的流量，从而将较高的入口气压调节至较低的出口气压，并使出口气压稳定保持在一定范围内。在存在较大压差的管路中，例如，燃料电池的氢气供应管路，氢气储罐内的气压高达35mpa以上，而燃料电池的质子交换膜所需的氢气的正常工作气压为0.1至0.2mpa，因此，需经过减压过程。
3.现有的减压阀(例如，活塞式减压阀)通常利用阀芯与阀体之间表面的接触和分离来实现启闭，并通过弹簧来调节两者之间的开度以实现减压。在没有气压负载时，通常阀芯和阀体在弹簧的作用下保持最大开度。因此，在高压气体进入的初始阶段，由于阀芯和阀体保持最大开度，气体的瞬时高压会立即作用在密封件处，给密封件施加较大的应力。如果经过长时间工作，阀芯移动、气压和热载荷造成了密封圈的磨损、疲劳、老化和变形，从而导致密封功能降级。初始阶段瞬间进入的高压可能导致气体泄露或增大气体泄露的风险，进而影响减压阀的使用寿命，且可能带来安全隐患等。
4.应指出的是，除燃料电池领域之外，在采用减压阀来控制气体供应的其它领域，同样存在着上述的问题，例如，石油、化工、医药、食品等行业领域。
5.因此，需要一种改进的减压阀，以提高减压阀的使用寿命。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提出一种改进的减压阀，以克服上述的技术问题。
7.为此，根据本技术的一方面，提供一种减压阀，所述减压阀包括：阀体，所述阀体设有气体进入通道、气体排出通道、第一内腔和弹簧室，其中所述气体进入通道通过所述第一内腔与所述气体排出通道流体连通；阀芯，所述阀芯容纳在所述第一内腔中，所述阀芯的外表面被配置成能够沿所述第一内腔的内表面气密地移动，所述阀芯包括第一端以及与所述第一端相反的第二端；弹簧，所述弹簧容纳在所述弹簧室中且对所述阀芯施加弹力；其中，所述第一内腔中设有阀座，所述阀座被设置成与所述阀芯的第一端相对，所述气体进入通道与所述第一内腔通过所述阀座的第一通孔流体连通，其中所述第一通孔的横截面积小于所述气体进入通道的横截面积。
8.本技术的减压阀可以避免在工作的初始阶段有过大的气压作用在阀芯、弹簧和密封圈等部件上，从而延长减压阀的使用寿命。
附图说明
9.下面将参照附图对本技术的示例性实施例进行详细描述，应当理解，下面描述的
实施例仅用于解释本技术，而不是对本技术范围的限制，在附图中：
10.图1是根据本技术的实施例的减压阀的示意性剖视图；
11.图2是处于工作状态的图1所示的减压阀的示意性剖视图；
12.图3是图2所示的减压阀的阀芯的受力分析示意图；
13.图4和图5分别是图1所示的减压阀的局部a在初始阶段和工作阶段的放大示意图。
具体实施方式
14.下面结合示例详细描述本技术的优选实施例。在本技术的实施例中，以用于燃料电池的减压阀为例对本技术进行描述。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本技术形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互组合。在不同的附图中，相同的部件用相同的附图标记表示，且为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本技术的减压阀不可包括其它部件。应当理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本技术的限制。
15.下面参照图1来描述本技术的减压阀。如图1所示，本技术的减压阀大致包括阀体10、阀芯20和弹簧30。阀体10设有气体进入通道11、气体排出通道12、第一内腔14和弹簧室21，气体进入通道11通过第一内腔14与气体排出通道12流体连通。阀芯20容纳在第一内腔14中，阀芯20的外表面被配置成能够沿第一内腔14的内表面气密地移动。阀芯20包括第一端以及与第一端相反的第二端。在图1中，阀芯20的第一端被示为下端。弹簧30容纳在弹簧室21中，且对阀芯20施加弹力。
16.如图1所示，第一内腔14中设有阀座40，阀座40被设置成与阀芯20的第一端相对。气体进入通道11与第一内腔14通过阀座40的第一通孔41流体连通，其中第一通孔41的横截面积小于气体进入通道11的横截面积。这样，从气体进入通道11进入的高压气体受到第一通孔41的限制而产生节流效应，以受限的质量流率进入第一内腔14，并以受限的气压推动阀芯20在第一内腔14内移动。相应地，可以使得与阀芯20产生力的作用的相关部件受到的加速度减小，例如，弹簧30；并且受限的气压和加速度作用在例如密封圈(将在下文描述)上，使得其在移动中变形变小，降低泄露风险。
17.为使减压阀在正常工作状态时不同质量流率的情况下提供较为稳定的出口气压，如图2所示，阀芯20被配置成当阀芯20受到来自气体进入通道11的气压而在第一内腔14中移动时，阀芯20的第一端与阀座40之间的有效节流面积s随着进入气体进入通道11的质量流率(其与气体进入通道11内的气压和有效节流面积s相关联，将在下文中进一步描述)的增大而减小，且随着进入气体进入通道11的质量流率的减小而增大。在图2中，有效节流面积s是阀芯20的第一端与阀座40之间所形成的气体节流区域所限定的柱面面积。因为气体节流区域的大小由阀芯20的第一端的有效受力面积和阀座40的端面的有效受力面积中的较小值以及阀芯20的第一端与阀座40之间的间距决定，且阀芯20的第一端的有效受力面积和阀座40的端面的有效受力面积不变，所以有效节流面积s可以用阀芯20的第一端和阀座40之间的间距h来示意性地表示(如图2所示)。在图1和2中，阀芯20的第一端被示为带有盲孔和倒角，则阀芯20的第一端的有效受力面积为倒角端面的有效受力面积(其包括盲孔的截面积)，然而，阀芯20的第一端可以不包括盲孔，且还可以是没有倒角、或带有圆角的端面，或具有其它各种表面特征(例如，凸起部或凹陷部)的端面。由于现有技术中存在各种表
示和计算有效节流面积的公式等，在此不再赘述。这样，当流经减压阀的质量流率稳定时，在从气体进入通道11进入的气体的气压增加时，有效节流面积s减小，且在从气体进入通道11进入的气体的气压减小时，有效节流面积s增加，而气体排出通道的气压变大或变小，但最终大致稳定在一个定义的范围之内。
18.关于气体进入通道的气压和有效节流面积之间的关系，可以利用以下公式来进一步地解释。
[0019][0020]
其中，q表示质量流率，a
throttle
表示有效面积，r表示理想气体常数，t
in
表示气体进入通道的温度，k表示绝热系数，p
in
表示气体进入通道的气压。从上述公式可以看出，在质量流率q大致稳定时，当气体进入通道的气压p
in
增大时，有效节流面积a
throttle
减小，反之，当气体进入通道的气压p
in
减小时，有效节流面积a
throttle
增加。
[0021]
在图2中，实心箭头表示高压气体流经的路径，空心箭头表示低压气体流经的路径。关于阀芯20的第一端与阀座40之间的有效节流面积如何随气体进入通道的质量流率和气压变化而变化，将在下文中结合附图2和3进一步描述。
[0022]
根据本技术的实施例，减压阀包括沿阀芯20的纵向方向设置在阀芯20的外表面的第一密封圈51和第二密封圈52，这样，通过两个密封圈限定出用于容纳弹簧30的弹簧室21。弹簧室21设有用于与周围环境的大气连通的通气孔13。如图1和2所示，通气孔13位于第一密封圈51和第二密封圈52之间。
[0023]
阀芯20设有内部通道24，第一内腔14和内部通道24通过设置在阀芯20的侧壁上的第二通孔22流体连通，第二通孔22设置在阀芯20的第一端与第一密封圈51之间。因此，从气体进入通道11进入的高压气体(如图2中实心箭头所示)经过第一通孔41之后进入第一内腔14，并以降低的气压(即，气体排出通道的气压)经第二通孔22进入内部通道24。
[0024]
内部通道24在阀芯20的与第一端相反的第二端处形成开口23。因此，经第二通孔22进入内部通道24的气体(如图2中空心箭头所示)可以流至阀芯20的第二端，以在第二端产生气压。应指出的是，第一通孔41、第二通孔22和开口23可以是一个或多个，且其形状、位置都可以根据需要进行具体设计。
[0025]
如图1和2所示，弹簧30设置在第一密封圈51和第二密封圈52之间的弹簧室21中。这样，弹簧30处于通过第一密封圈51和第二密封圈52所形成的与进入的气体保持隔离的空间内。在图1和2中，弹簧30被设置在阀芯20的第一端和第二端之间，弹簧室21被示为与第一内腔14气密地隔离，然而，弹簧30也可以设置在阀芯20的第一端处，即图1所示的下端，或设置在阀芯20的第二端处，即图1所示的上端。因此，弹簧30可以有多种配置方式，相应地，弹簧室21也可以与第一内腔14流体连通，只要能够在工作状态下当气体进入通道的质量流率和气压变化时起到维持气体排出通道的气压和气体进入通道的气压之间的平衡的作用即可。
[0026]
关于在工作状态下气体进入通道的气压、气体排出通道的气压和弹力之间的平衡关系，可以利用以下公式且参照图3来解释。
[0027]
f1＝f2 f
spring
f3 f4ꢀꢀꢀ
(1)
[0028]
f1＝p
out
×
a1ꢀꢀꢀ
(2)
[0029]
f2＝p0×
a2ꢀꢀꢀ
(3)
[0030]
f3＝p
out
×
a3ꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
f4＝p
in
×
a4ꢀꢀꢀ
(5)
[0032]
其中，f1是气体排出通道的气体作用在阀芯20的第二端上的压力，p
out
是气体排出通道12内的气体的气压，a1是阀芯20的第二端的有效受力面积；f2是周围环境的大气作用在阀芯20上的压力，p0是大气压，a2是阀芯20的承受大气压的有效受力面积；f3是气体排出通道的气体作用在阀芯20的第一端附近的压力，a3是阀芯20的第一端附近的有效受力面积；f4是气体进入通道的气体作用在阀芯20的第一端上的压力，p
in
是气体进入通道11内的气体的气压，a4是阀芯20的第一端的有效受力面积；f
spring
是弹簧30作用在阀芯20上的弹力。在减压阀的工作状态下，阀芯20在其纵向方向上所承受的压力随着气体进入通道和气体排出通道的气压变化而变化，并趋于保持平衡。以上仅考虑了沿阀芯20的纵向方向承受的压力，且根据阀芯20的具体结构不同，也可以有更多或更少的力。
[0033]
由上述公式(1)-(5)可以得出，p
out
＝(f2 f
spring
f3 f4)/a1。因此，在气体进入通道的气体的质量流率和气压变化时，通过改变弹簧30的弹力而使阀芯20移动，从而使气体排出通道的气体的气压基本保持在定义的范围之内。例如，当气体进入通道的气体的气压增加时，力f4增加，相应地p
out
增加，且基于上述公式，力f
spring
也增加，而阀芯20向下移动，使有效节流面积s减小，且p
out
也随之减小，并经过一个动态的过程，使气体排出通道的气压恢复稳定。反之，当气体进入通道的气体的气压减小时，力f4减小，相应地p
out
减小，且基于上述公式，力f
spring
也减小，而阀芯20向上移动，使有效节流面积s增加，且p
out
也随之增加，并经过一个动态的过程，使气体排出通道的气压恢复稳定。
[0034]
在减压阀工作的初始阶段，由于没有气体进入通道的的气压负载，在弹簧30的作用下，阀芯20的第二端抵靠阀体10，使得阀芯20的第一端与阀座40保持最大的间距，如图4所示。当高压气体经气体进入通道11进入阀座40的第一通孔41并排出时，经过节流的气体进入第一内腔14，并经过阀芯20的第一端与阀座40之间形成的节流区域而以降低的气压流入气体排出通道12，同时也流入阀芯20的内部通道24。在图4中，降低气压的气体以带阴影线的箭头来表示。然后，由于上述的各种力之间的平衡关系，气体排出通道的气体的气压促使阀芯20逐步下移，以减小有效节流面积s，同时降低气体排出通道的气体的气压，并逐步实现如上所述的压力平衡。如图5所示，降低气压的低压气体以空心箭头来表示。因此，在初始阶段，进入第一内腔14的瞬时高压气体以降低的气压作用在阀芯20上，可以减轻对阀芯20的冲击，从而减少阀芯20的运动加速度。这样第一密封圈51和第二密封圈52在移动中变形减小，并且所受应力减少，降低了泄露风险。
[0035]
另外，在减压阀的工作状态下，当气体排出通道12的气压增加而达到预定值时，根据上述压力平衡关系，阀芯20的第一端抵靠阀座40而密封第一通孔41，使得高压气体无法继续进入第一内腔14。为了提供更有效的密封，阀芯20的第一端设有环形突出部，如图4-5中所示的锥形突出部，该突出部可以更有效地抵靠阀座40以密封第一通孔41。相应地，阀座40可以是金属或非金属板状材料，例如，金属材料包括碳素钢、合金钢、铜、铝、钛等，非金属材料包括橡胶、塑料等。
[0036]
以上针对图1至5中所示的减压阀的示例性结构描述了减压阀的工作过程，然而，阀芯20也可以具有不同的构造，且弹簧30也可以具有不同的布置方式，本领域技术人员可以根据具体的减压阀构造相应地配置并进行计算，在此不再赘述。
[0037]
根据本技术的实施例，通过使高压气体经具有较小横截面积的通孔进入阀体的内腔，可以减轻对阀芯、密封圈等部件的冲击。
[0038]
以上结合具体实施例对本技术进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本技术的限制。例如，在优选实施例中以用于燃料电池领域的减压阀为例对本技术进行了描述，但是，不仅在燃料电池领域，而且在任何需要利用减压阀来控制气压调节的领域，本技术都可获得应用。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本技术的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本技术的范围。