专利名称：减压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于调节高压气体(如燃料电池车辆中的氢气)的压力的减压器。
背景技术：
通常，减压器(调压器)具有位于高压气体流入的主孔与用于向外界供给气体的副孔之间的阀。打开和关闭阀，使得流入主孔的高压气体的压力(主压力)降低至气体供给到外界之前的副压力。
这种减压器包括活塞式减压器(例如，参考日本专利公开No.2004-192462)。活塞式减压器具有位于阀下游的缸和可滑动地容纳在缸中的活塞。活塞将减压室与调压室彼此分开。基于根据调压室受到的力与减压室受到的力之间的差的活塞运动而打开或关闭阀。
在这种活塞式减压器中，在活塞外圆周表面上设有密封元件，用于将减压室和调压室彼此密封以保持密封性。在许多情形下，O形圈用作这种密封元件。
近年来，为了提高用于燃料电池车辆的氢罐的存储能力，愈来愈增加这些罐中的压力(例如，至70 MPa)。因此，上述活塞的受压表面或者暴露于减压室的表面，以及密封元件受到极高的气压。为了在传统减压器中获得充分的O形圈密封性能，O形圈的压缩率需要不可避免地非常高。结果，由于提高O形圈与缸的内圆周表面之间的摩擦，所以妨碍活塞的运动。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够高度精确调节压力的减压器。
为实现根据本发明目的的上述和其它目标，提供了一种用于降低通过第一孔流入的高压气体的压力并将所述气体送到第二孔的减压器。所述减压器包括阀，其位于所述第一孔与所述第二孔之间；缸，其位于所述阀的下游；活塞，其可滑动地容纳在所述缸中，以限定减压室和调压室；以及环形密封元件。所述活塞具有暴露于所述减压室的受压表面和暴露于所述调压室的调压表面。气体可通过所述阀从所述第一孔流入所述减压室。所述活塞根据所述受压表面受到的力与所述调压表面受到的力之间的差在所述缸中移动，从而有选择地打开和关闭所述阀。所述环形密封元件设置在所述活塞的外圆周表面上。所述密封元件包括弹性元件和滑动部分。所述滑动部分受所述弹性元件挤压，使得所述滑动部分在所述缸的内圆周表面上滑动。环形元件位于所述活塞的外圆周表面上并且在所述密封元件与所述调压表面之间。所述环形元件在所述缸的内圆周表面上滑动。所述环形元件具有弹性。将所述环形元件压靠在所述缸的内圆周表面上的力小于将所述滑动部分压靠在所述缸的内圆周表面上的力。
参考下面现有优选的实施例的说明及附图，将最佳理解本发明及其目的和优点，其中图1为示出根据现有实施例的减压器的截面图；图2为图1减压器的局部截面图，示出了包括活塞的截面；以及图3为示出减压器比较实例的局部截面图。
具体实施例方式
下文中，对根据本发明的优选实施例进行描述。
如图1中所示，该实施例的减压器1为用于高压氢罐的减压器(调压器)。减压器1设在封闭氢气罐开口的插头基座2内。减压器1包括形成在插头基座2内的阀机构3和封闭插头基座2的开口的外壳5。
插头基座2具有第一凹槽6和第二凹槽7。第二凹槽7位于第一凹槽6的中心，并且比第一凹槽6深。进气通道8通向第二凹槽7底部7a附近的第二凹槽7侧壁的一部分。进气通道8与氢罐的内部连通。排气通道9通向第一凹槽6的底部。排气通道9与出气孔连通。在该实施例中，进气通道8形成主孔，排气通道9形成副孔。
第二凹槽7的开口端固定有圆柱形盖子3。第二凹槽7在底部附近中设有底部元件14。第二凹槽7的底部元件14与底部7a之间的空间形成主压力室15，而第二凹槽7的盖子13与底部元件14之间的空间形成阀室16。
底部元件14具有连接主压力室15与阀室16的通孔17。通过进气通道8流入主压力室15的氢气通过通孔17流向阀室16。减小盖体13内圆周表面的一部分的直径，并在该减小直径的部分中形成小直径通孔18。在通孔18更靠近阀室16的部分中形成阀座19。阀体20容纳在阀室16中。阀体20有选择地接触阀座19或从其分离。在该实施例中，阀体20由阀弹簧21的弹性力沿着靠近阀座19的方向推动。当阀体20从阀座19分离时，阀室16中的氢气通过通孔18流向第一凹槽6。当阀体20接触阀座19时，阻止氢气的流动。即，在该实施例中，阀体20与阀座19形成阀。
另一方面，外壳5形成为具有底部和凸缘23的缸。凸缘23形成在开口端，并径向向外延伸。外壳5通过将凸缘23紧固到插头基座2的外表面2a而固定到第一凹槽6的开口端，使得封闭第一凹槽6的开口。
在外壳5的开口部分内形成有缸24。缸24内可滑动地容纳有活塞25。缸24形成为与盖体13同轴。活塞25限定外壳5的内部空间和由外壳5封闭的第一凹槽6。
即，在该实施例中，活塞25将由外壳5封闭的第一凹槽6与外壳5的内部空间分开。这样构造的第一凹槽6用作减压室26。阀室16内的氢气通过盖体13中形成的通孔18流入减压室26，并通过用作减压室26的第一凹槽6中形成的排气通道9供给到外面。
另一方面，在由活塞25限定的外壳5的内部空间内设有螺旋弹簧28。螺旋弹簧28的一端接触活塞25。弹簧座29固定到螺旋弹簧28的另一端。弹簧座29接触贯穿外壳5的底部30的调整螺钉31的远端。螺旋弹簧28的弹性力将活塞25推向减压室26。
即，在该实施例中，由活塞25限定的外壳5的内部空间用作调压室32，活塞25对应于调压室32的表面用作调压表面33。活塞25根据调压表面33受到的力与活塞25对应于减压室26的表面(受压表面34)受到的力之间的差沿着缸24滑动。
通孔18内插有阀杆35，并且该阀杆35固定到活塞25的受压表面34上，从而将活塞25联接到阀体20。在该实施例中，阀体20和阀杆35整体形成。阀杆35将活塞25的运动传递到阀体20，使得阀体20接触位于通孔18内的阀座19或从其分离。这样，打开或关闭阀。
当受压表面34受到的力大于调压表面33受到的力时，活塞25朝着调压室32移动。这使得阀体20接触阀座19(关闭阀)，氢气从阀室16到减压室26的流动被阻止。当受压表面34受到的力小于调压表面33受到的力时，活塞25朝着减压室26移动。这使得阀体20从阀座19分离(打开阀)，氢气从阀室16流向减压室26。
这样，活塞25根据调压表面33受到的力与受压表面34受到的力之间的差而滑动，从而使得形成阀的阀体20与阀座19彼此接触或分离(打开或关闭)。因此，通过由调压表面33受到的压力平衡减压室26中的气压。结果，通过排气通道9供给到外面的氢气压力(副压力)从主压力或氢罐中的压力降至通过调整螺钉31和螺旋弹簧28设定的预定压力。
(防止活塞过度运动的结构)现在将对防止根据本发明的减压器的活塞25过度运动的结构进行描述。
如图2中所示，该实施例的减压器1具有设在活塞25的外圆周表面25a上的唇形密封37。唇形密封37将减压室26与调压室32彼此密封。在该实施例中，唇形密封37的结构及其与活塞25的布置与图3所示的对比实例相同。减压器41的对比实例包括具有唇形密封42的活塞46。
如图2和3中所示，唇形密封37(42)包括具有U形截面的树脂环形元件43和弹性元件，该弹性元件为设在环形元件43的凹槽44内的片簧45。唇形密封42安装在形成于活塞25(46)外圆周的第一容纳槽48内，并通过紧固螺母49固定到活塞25上。片簧45的弹性将环形元件43的密封唇47压靠在缸内圆周表面24a上，使得密封唇47在缸内圆周表面24a上滑动。因此，将减压室26与调压室32彼此密封。这样，即使使用高压气体，在允许活塞25移动的同时，通过使用唇形密封42作为密封元件获得充分的密封性能。
当唇形密封37用作高压气体减压器(如该实施例的减压器1)中活塞25的密封元件时，不可避免地增加密封唇47压靠在缸24的内圆周表面24a上的压力。因此，当主压力与副压力之间的差发生变化时，活塞25在迟滞之后突然地移动。这是由于密封唇47与缸24的内圆周表面24a之间在活塞25移动之前的静摩擦力同这些部件之间在活塞开始移动之后的动摩擦力之间的差所引起的现象。也就是说，即使由于降低副压力而增加主压力与副压力之间的差，由于密封唇47与缸24的内圆周表面24a之间的静摩擦系数很大，所以活塞25不会立刻开始移动。当压力差进一步增加时，活塞25开始移动，密封唇47与缸24的内圆周表面24a之间的摩擦力转变为动摩擦力并立刻减小。结果，累积的压力差使活塞25突然移动。在处于使用状态的燃料电池车辆中，即，由于所需氢气量(所需驱动力)的变化，减压器供给侧的气体压力突然变化的情况下，活塞25突然移动的倾向尤其明显。因此降低了气压的调整精度。在图3所示的对比实例中会出现这种缺点。
考虑到这点，图2所示的本实施例的减压器1在活塞25的外圆周表面25a上具有O形圈38。该O形圈38用作防止活塞25过度移动的环形元件。因此，当活塞25开始移动时，除了密封唇47与缸24的内圆周表面24a之间的动摩擦力之外，还会有O形圈38与缸的内圆周表面24a之间的摩擦力，用以防止活塞25的突然移动。结果，防止了活塞25的过度移动。
具体地，O形圈38容纳在形成于活塞25的外圆周表面25a中的第二容纳槽39内，使得O表圈38位于比唇形密封37更靠近调压室32的外圆周表面25a上。
与密封元件相同，该实施例的O形圈3 8由弹性材料形成，例如橡胶或弹性体。O形圈38的压缩率(当被缸24的内圆周表面24a压缩在第二容纳槽39中时的压缩比率)低于密封元件。具体地，密封元件的压缩率通常为大致25至30％，该实施例的O形圈38的压缩率设定为最大约15％(优选地，约12％)。如果压缩率超过15％，那么增加将O形圈38压靠在内圆周表面24a上的压力，并增加O形圈38在内圆周表面24a上的接触面积。因此，提高施加在O形圈38上的静摩擦力，这会增加当活塞25开始移动时O形圈38的摩擦力的波动。因此，无法可靠地防止活塞25的过度移动。允许O形圈38在缸24的内圆周表面24a上可靠滑动所需的压缩率大致为8％。这是因为如果压缩率低于8％，那么无法获得防止活塞25过度移动所需的摩擦力。压缩率指的是将O形圈38的厚度减小量除以O形圈38压缩前厚度所获得的商。压缩率对应于压缩应变比或压扁率(crushing rate)。将O形圈38的弹性力、或O形圈38挤压缸24的内圆周表面24a的力设定得低于片簧45的弹性力，该片簧45为唇形密封37中的弹性元件。即，将O形圈38压靠在缸24的内圆周表面24a上的力小于片簧45将唇形密封37压靠在缸24的内圆周表面24a上的力。
引起活塞25过度移动的问题是通过下列方式引起的。由于用作滑动部分的密封唇47被片簧45的弹性力压靠在缸24的内圆周表面24a上，所以活塞25开始移动时具有轻微的迟滞。该轻微的迟滞在片簧45中累积了使活塞25过度移动的能量(调压表面33受到的力与受压表面34受到的力之间的差)。因此，当活塞25移动时，通过消耗由轻微迟滞引起的过多能量能够防止该过度移动。
因此，该实施例的减压器1在活塞25的外圆周表面25a上具有O形圈38。O形圈38在缸24的内圆周表面24a上滑动，使得当活塞25移动时，通过O形圈38与缸4的内圆周表面24a之间的摩擦消耗引起活塞25过度移动的过多能量。这防止活塞25过度地移动。结果，即使供给侧的气体压力快速地波动，也能够高度精确地执行压力调节。
本实施例具有下列优点。
(1)减压器1具有设置在活塞25的外圆周表面25a上的唇形密封37。唇形密封37将减压室26与调压室32彼此密封。用作环形元件的O形圈38设在活塞25的外圆周表面25a上，并且O形圈38在缸24的内圆周表面24a上滑动。
该构造允许当活塞25移动时，通过在缸24的内表面24a上滑动的O形圈38的摩擦力消耗引起活塞25过度移动的过多能量。这防止了活塞25过度地移动。结果，即使供给侧的气体压力快速地波动，也能够高度精确地执行压力调节。
(2)将O形圈38挤压在缸24的内圆周表面24a上的弹性压力设定得低于唇形密封37中片簧45的弹性力。该构造防止在起始时扰动活塞25的运动。
(3)O形圈38布置得比唇形密封37靠近调压室32。
不仅仅是该实施例的减压器1，而且许多减压器都为具有调压室32和将调压室32与外面连接的通孔40(见图1)的与大气连通的形式。该构造可允许杂质通过通孔40进入调压室32和活塞25与缸24之间的空间。在这点上，上述构造具有防止杂质到达唇形密封37的O形圈38。因此，防止了唇形密封37的密封性能因粘附杂质而恶化。
所示实施例可如下修改。
在所示实施例中，O形圈38设置为位于活塞25的外圆周表面25a上的环形元件。但是，只要该环形元件能有效地消耗可引起活塞25过度移动的过多能量，环形元件可为任何其它的部件。例如，代替O形圈38，环形元件可为不同于弹性材料的材料制成的元件，其在缸24的内圆周表面24a上滑动。
在所示实施例中，本发明应用在用于高压氢罐并且位于氢罐插头基座2内的减压器1(调压器)。但是，本发明可应用于与插头基座2分开设置的减压器。罐中存储的气体不限于氢，也可为氧、压缩天然气(CNG)或液化石油(LP)气。
权利要求
1.一种用于降低通过第一孔流入的高压气体的压力并将所述气体送到第二孔的减压器，所述减压器包括阀，其位于所述第一孔与所述第二孔之间；缸，其位于所述阀的下游；活塞，其可滑动地容纳在所述缸中，以限定减压室和调压室，其中所述活塞具有暴露于所述减压室的受压表面和暴露于所述调压室的调压表面，其中气体可通过所述阀从所述第一孔流入所述减压室，其中所述活塞根据所述受压表面受到的力与所述调压表面受到的力之间的差在所述缸中移动，从而有选择地打开和关闭所述阀；以及环形密封元件，其设置在所述活塞的外圆周表面上；其特征在于，所述密封元件包括弹性元件和滑动部分，所述滑动部分受所述弹性元件挤压，使得所述滑动部分在所述缸的内圆周表面上滑动，其中环形元件位于所述活塞的外圆周表面上并且在所述密封元件与所述调压表面之间，所述环形元件在所述缸的内圆周表面上滑动，所述环形元件具有弹性，并且其中将所述环形元件压靠在所述缸的内圆周表面上的力小于将所述滑动部分压靠在所述缸的内圆周表面上的力。
2.如权利要求1所述的减压器，其特征在于将所述环形元件压靠在所述缸的内圆周表面上的力小于将所述滑动部分压靠在所述缸的内圆周表面上的力，使得所述环形元件具有防止所述活塞过度移动的功能。
3.如权利要求1或2所述的减压器，其特征在于所述环形元件为O形圈。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的减压器，其特征在于当所述环形元件位于所述活塞的外圆周表面与所述缸的内圆周表面之间时，所述环形元件的压缩率在从8％至15％并包含两端值的范围内。
全文摘要
一种减压器，包括可滑动地容纳在所述缸中以限定减压室和调压室的活塞。密封元件包括弹性元件和滑动部分。滑动部分受弹性元件挤压，使得滑动部分在缸的内圆周表面上滑动。环形元件位于活塞的外圆周表面上密封元件上并且在密封元件与调压表面之间。将环形元件压靠在缸的内圆周表面上的力小于将滑动部分压靠在缸的内圆周表面上的力。因此，减压器通过高度精确地调节压力防止活塞移动过多的量。
文档编号F16J15/32GK101084476SQ200580044038
公开日2007年12月5日 申请日期2005年12月26日 优先权日2004年12月27日
发明者岛稔彦, 藤原英寿, 畔柳宗利, 铃木琢也, 石户谷尽生, 山下显 申请人:丰田自动车株式会社