高性能微型调节器的制作方法

专利名称：：高性能微型调节器的制作方法
技术领域：
：本公开总体涉及压力调节器，更具体而言是涉及高性能微型调节器。
背景技术：
：压力调节器已经长期存在于工业界。尽管已作出了小型化传统设计的大量尝试，但这些微型调节器对在高精确度压力控制应用中控制压力而言还缺乏必要的精确度。压力调节器用于各种工业。例如，在医疗行业中，压力调节器用于在气囊阀、呼吸和通气应用中保持处于低输出压力的一致输出设定值。在这些应用中，压力调节器尺寸较小且重量较轻，允许压力调节器在便携式医疗设备的有限空间和重量范围内工作。压力调节器在各种条件下运行，如应用的供应给压力调节器的供给压力以及固有周期性质的大范围变化，这需要高性能的周期寿命。另外，无论填充还是排放模式的供应变化如何，都希望压力调节器提供优良的可重复性。因此，微型精确压力调节器的适当性能参数包括低供压效应、低供给阀锁定特性以及供给阀的开口与排出阀之间的小死区。现有技术微型压力调节器在这些关键方面都存在缺陷。更具体而言，微型压力调节器设计的主要问题在于在提供能立即补偿系统变化的高响应装置的同时，必须保持对防漏供给阀的精确压力控制。例如，持续可变的系统变化可包括需要精密压力调节器补偿以保持输出设定值的供应压力变化以及下游流波动变化。流动要求不必要时，必须有效密封供给阀以防止输出压力在封闭端系统内缓慢上升。因此，需要一种改进的高性能微型调节器。
发明内容压力调节器用于将供应给系统的气体或流体保持在预定的设定点压力。实际大小的压力调节器通常结合有压力平衡供给阀，该压力平衡供给阀排除供应压力对设定点压力的影响。压力平衡机构可以是隔膜或滑动密封件，该隔膜或滑动密封件连接至供给阀，且具有与供给阀的坐落区域相当并相对的有效压力区域。但在典型微型压力调节器中，压力平衡供给阀因极端微型化的原因而不切实际。微型压力调节器在100磅/平方英寸的供给压力下具有2"或更少的覆盖区域，并可具有几标准立方英尺/分钟的流量。因此，微型压力调节器典型结合较简单的不平衡供给阀设计。不平衡供给阀与平衡供给阀相类似，但没有反抗作用于供给阀密封区域的供应压力的薄膜或滑动密封平衡机构。在不平衡阀设计中，挑战在于在实现可靠的阀操作特性的同时，使得所谓的“供压效应”最小。压力调节器的供压效应是由于施加给压力调节器的供应压力的变化而造成的压力调节器输出压力设定值的变化。在典型的不平衡供给阀压力调节器中，输出压力随着供应压力的增大而减小。供压效应因控制隔膜周围的力平衡系统而变化。范围弹簧(rangespring)被构造成对隔膜的一侧施加力，并通过作用于隔膜相对侧上的区域的输出压力的等效力得以平衡。增加的供应压力使得供给阀的坐落力增加，而该坐落力必须由范围弹簧抵消。因此，更小的范围弹簧力可用来抵消输出压力的力。结果，输出压力随之减小而保持适当的力平衡。为实现这些特性，阀和阀座必须具有很小但却非常高精确的表面。在不平衡供给阀微型压力调节器中，供压效应和供给阀坐落面积与控制隔膜的有效表面面积的比成比例。比越小，供应压力变化对输出压力设定值的影响就越小。在精确压力调节器中的供压效应可以是1100或更小，和对于在供应压力中100磅/平方英寸的变化在输出压力中小于1磅/平方英尺的变化相当。为实现此供压效应，实施例中的供给阀坐落面积与控制隔膜的表面面积之间的比为1100或更小。各种设计选择影响压力调节器的设定值精确度，如阀锁定特性和死区特性。阀锁定是供给阀从狭小开口过渡到完全关闭位置时产生的压力急剧升高。死区是供给阀的开口与排出阀的开口之间的输出压力差。死区的大小根据施加于供给阀和隔膜区域上的关闭力的变化而变化。根据本公开的一个实施例的压力调节器包括打开和关闭座的弹簧偏压阀。锁定特性取决于阀和阀座的精度。例如，能利用较小的力密封高精度阀和阀座。结果，高精度阀的锁定压力正好大于打开压力调节器所在点的输出压力。相反，为在高精度微型调节器中密封低精度阀和阀座，必须将较大力施加给阀，以使得阀产生足够变形而形成密封。结果，阀继续将压力施加给调节器的出口端口，随着将阀力从偏压弹簧传递至阀座使得输出压力升高。具有不良锁定特性的压力调节器表现出在无流动情况下的输出压力大于在流动情况下的输出压力。传统微型调节器平面阀通常由于阀与匹配阀座之间的错位引起的渗漏而表现出不良锁定特性。此外，由于微型调节器的内部构件极小，因此，即便是利用最现代化的制造工艺也很难保持高精度。在经历外部影响致使回流情况的高度精确的应用中，阀和阀座被构造成具有在供给阀和排出阀的起动之间的低死区特性，以保证正常运行。传统的微型压力调节器设计包括与环状凸起阀座圈相匹配的大致平面的阀坐落表面。在此构造中，实际的密封直径延伸到主阀口外。于是该无效的大阀坐落直径受到供应压力产生的不希望的大且不均衡的阀坐落力。这些较大的力作用于与偏压弹簧相对的阀，从而增大所需要的偏压弹簧力，借此打开阀。此低效率操作导致产生降低控制精度的较大死区。死区还通过有效阀坐落面积与隔膜表面面积之间的比规定。由于隔膜的总体尺寸受调节器的覆盖区域大小的限制，且隔膜的表面面积因此也受到调节器的覆盖区域大小的限制，从而，使得与给定尺寸隔膜相联的阀坐落面积越大必定会导致阀坐落面积与隔膜表面面积的比越小。因此，具有平坦阀和阀座构造的传统调节器由于不平衡力以及其阀座隔膜比较大而具有大死区。此外，未构造与平坦座匹配的大致平坦的阀，以适应与阀的任何错位。因此，阀与阀座之间的任何错位都导致最临界区域的渗漏，从而导致不良锁定以及不精确的输出压力。根据本公开的一个实施例，公开了一种压力调节器。所述压力调节器包括外壳，所述外壳具有通过密封座中限定的开口相互连接的供应端口和出口端口。所述压力调节器还包括供给阀组件，所述供给阀组件具有核芯以及设置在核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体被构造成密封开口；以及隔膜组件，所述隔膜组件由范围弹簧偏压，并被构造成推动供给阀，所述隔膜组件具有工作表面面积。根据本公开的另一个实施例，公开了一种压力调节器。所述压力调节器包括外壳，所述外壳具有通过在密封座中限定的开口相互连接的供应端口和出口端口。所述压力调节器还包括供给阀组件，所述供给阀组件具有核芯以及设置在核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体被构造成密封开口；以及隔膜组件，所述隔膜组件由范围弹簧偏压，并被构造成推动供给阀。隔膜组件包括工作表面面积以及限定释放通道的释放座，其中所述释放座被构造成由核芯密封。所述压力调节器还包括可调范围螺钉(adjustablerangescrew),所述可调范围螺钉被构造成压缩范围弹簧，以设定预定的设定点压力，其中隔膜组件被构造成在出口端口的压力大于预定的设定点压力时解除对释放座的密封。根据本公开的另一个实施例，公开了又一个压力调节器。所述压力调节器包括外壳，所述外壳具有通过圆锥形密封座中限定的开口相互连接的供应端口和出口端口；以及供给阀组件，所述供给阀组件包括核芯以及设置在核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体包括被构造成密封开口的球面。结合附图，根据以下详细说明本公开的以上及其他方面、特征和优点将更加清楚，其中图1是根据本公开的压力调节器的侧剖面图；图2是图1的压力调节器的阀组件处于打开构造的放大侧剖面图；以及图3是图1的压力调节器的阀组件处于关闭构造的放大侧剖面图。具体实施例方式下面将参照附图描述本公开的具体实施例。在以下描述中，为避免使本公开由于不必要的细节而不够清楚，不再详细描述众所周知的功能或结构。本公开提供了一种克服传统微型压力调节器的缺陷的微型压力调节器。所述压力调节器可以是弹簧偏压单级压力调节器，包括与圆锥形阀座相匹配的包覆成型球形销供给阀。此构造允许阀能直接坐落在阀座内，从而使与密封直径内接的坐落区域最小。利用较小的坐落区域，坐落区域与对于任何给定隔膜的隔膜表面面积的比就比现有技术设计的显著更大。根据本公开的压力调节器的部件可由各种材料制成，如由模制的聚合物材料、铝以及不锈钢等等制成。对负荷较轻的应用而言，可使用模制的聚合物材料。为实现更牢固的性能，可使用诸如铝的有色金属材料，其原因是这些有色金属材料能制造出坚固而重量轻的压力调节器，并具有在高供应压力(例如高达300磅/平方英尺)下运行的能力。可供选择地，对需要超高强度的具体应用，或者对环境或气体介质兼容性而言，可采用强度更大或耐腐蚀性更好的材料，如不锈钢。参照图1，示出了压力调节器10，压力调节器10包括上外壳(例如机罩)lla和下外壳lib。压力调节器10为弹簧偏压单级压力调节器。压力调节器10经由下外壳lib联接到以预定压力供应到其的流动介质(例如流体和/或气体)源。更具体而言，介质如箭头14所示在供应端口12进入压力调节器10，而如箭头18所示通过出口端口16离开压力调节器10。压力调节器10可经由供应端口12和出口端口16联接至管道，例如在医院环境中提供氧气的管道。处于压力下的介质经由通道22从介质流入供给阀室20之处进入供应端口12，供给阀室和供应端口都被限定在下外壳lib内。压力调节器10包括设置在上外壳Ila的上腔室26中的范围弹簧24。更具体而言，范围弹簧24设置在范围螺钉28与隔膜组件30之间，借此将向下的偏压力施加给隔膜组件30。可将范围螺钉28调节为预定范围，以控制范围弹簧24的压缩量，这反过来控制施加到隔膜组件30上的力。这允许调节预定的设定点压力。范围螺钉28可包括用于手动或自动调节的旋钮31。在一个实施例中，范围螺钉28可包括利用驱动器进行调节的驱动器联接器(例如有槽凸圆头螺钉(fillisterslot)、十字槽头螺钉(Phillips)等等)。在另一实施例中，范围螺钉28可由防乱摆弄的盖(未示出)覆盖，用以防止未经允许的调整。参照图2和图3，使隔膜组件30偏压向不平衡供给阀组件34。隔膜组件30包括释放座44，该释放座具有限定在其内的释放通道46。隔膜组件30利用释放通道46将上腔室26的下部分成控制室48，该释放通道用作上腔室与控制室之间的导管。隔膜组件30包括面向控制室48的工作表面面积“A”，工作表面面积“A”与下面将参照图2和图3作更详尽论述的介质形成接触。实施例中，工作表面面积“A”从大约0.2平方英寸到大约1.75平方英寸。供给阀组件34设置在供给阀室20内，并包括核芯36以及设置在核芯36上方的弹性壳体40。核芯36可由适用的刚性材料如黄铜或不锈钢制成，并可具有球形销顶(例如球形销顶具有球面41)。壳体40可由任意种适当的弹性体(例如橡胶、聚合物等等)制成，并且也可具有球面43(例如坐落表面)。弹性体壳体40可通过包覆成型形成，并可粘结到核芯36。通过复位弹簧42沿与隔膜组件30相反的向上方向偏压供给阀组件34。当完全偏压供给阀组件34时，壳体40靠在密封座32上，该密封座具有限定在其内的开口45。开口45起到控制室48与供给阀室20之间的导管的作用。可在下外壳lib内加工密封座32和开口45。密封座32可具有被构造成与壳体40的球面43相匹配的圆锥形形状，并可被制造成下外壳lib中的整体锥形阀座。此构造允许供给阀组件34的壳体40能直接坐落在密封座32内，从而最小化由壳体40的密封直径内接的坐落区域。坐落区域较小，坐落区域与表面区域“A”的比就显著低于现有技术设计。另外，在闭合构造中，供给阀组件40的核芯36还偏压释放座44。壳体40有利于供给阀组件34与密封座32之间的可靠防漏密封作用，从而实现精确而响应灵敏的性能。尽管传统设计通常包括包覆成型平坦阀座，但对阀而非阀座进行包覆成型是有利的。通过对阀进行包覆成型，所形成的构造使得阀座节流面积最大。利用包覆成型制成的阀座，由于坐落表面的边缘发生形变，因此，有效的节流面积增大。这增大了阀座的坐落区域。作用于较大坐落区域的供应压力使得阀组件34的坐落力增大。较大的阀坐落力要求范围弹簧24将力从隔膜组件30传递至阀组件34，以满足力平衡系统的要求。施加给隔膜组件30的较小力最终减小降低压力调节器精确度的设定点压力。尽管包覆成型阀可变形，但节流面积和坐落区域还是保持一致。供给阀组件34和密封座32的几何形状同样极大提高了压力调节器10的性能。供给阀组件34的球面41和43实现多种功能。由于供给阀组件34在出现任意程度的轴向错位时都以圆形接触形式紧紧坐落，因此，面43的球表面本身适合于适应供给阀组件34与其密封座32之间的错位。此外，圆锥形密封座32作为锥形引导漏斗以相对于锥形座的较小开口将供给阀组件34引入其坐落面表内的正常位置。密封座32的圆锥形成锥形，并终止于开口45的口径。此构造消除了具有平坦阀座的传统设计一个具体缺点，其可能在阀轴向不同心时易于渗漏，从而导致中止工作或在局部开启位置卡住。另外，球形包覆成型壳体40允许设定开口45的尺寸以保持对于压力调节器10的必需流量所需要的最小直径。由于球面43被构造成坐落于开口45与锥形密封座32的交界处，因此，相对于隔膜组件30的表面区域“A”使得有效阀坐落区域最小以实现可能的最小比，借此形成对于给定覆盖面积的调节器的最低供压效应和最低死区性能。也就是说，使得供给阀组件34的坐落区域(例如球面43与密封座32之间的接触区域)最小以形成相对于隔膜组件30的表面区域“A”具有至少1100的比的环状接触形式。如图2所示，当弹簧24受到压缩时，弹簧24在常压(例如大气压)下施加比复位弹簧42在相反方向上施加的更大的力。当控制室48内不存在过大压力时，由于弹簧24施加的力所产生的向下运动使得隔膜组件30向下移动，隔膜组件向下推动供给阀组件30，并使得阀组件34离开密封座32，为供应的介质经由阀座开口45从供给阀室20进入控制室48打开了通路。随后，介质又经过将控制室48和出口端口16连接起来的出口通道50，并进入出口端口16。随着介质流入出口端口16，压力增大，并经过出口通道50，进入控制室48。存在于控制室48内的压力将力施加给隔膜组件30，亦即表面区域“A”。基于对范围螺钉28所作的调节，隔膜组件30上的压力通过范围弹簧24施加的力得以平衡。随着压力继续增大，隔膜组件30上由控制室48中的压力产生的力超过范围弹簧24给予的力。结果，隔膜组件30在复位弹簧42的协助下跟随供给阀组件34向上移动。一旦控制室48中的压力基于调整螺钉28的设定达到设定点压力，供给阀组件34接触密封座32并封闭开口45，从而防止任何介质进入控制室48，如图3所示。开口45由与密封座32形成接触的壳体40密封，这防止了介质进一步从供给阀室20流入控制室48、出口通道50以及出口端口16。在没有介质流入控制室48、出口通道50以及出口端口16的情况下，这些腔室内的压力等于由调整螺钉28设定的压力调节器10的设定值。一旦控制室48、出口通道50以及出口端口16中的下游压力降低，表面区域“A”上产生的力就减小。隔膜组件30上的范围弹簧24向下的力使得隔膜组件30向下移动，隔膜组件向下推动供给阀组件30，并使得阀组件34离开密封座32，为供应的介质经由阀座开口45从供给阀室20进入控制室48打开了通路，借此重新开始图2所示的压力调节过程。如果控制室48、出口通道50以及出口端口16中的下游压力由于下游管道中的一些情况而超过设定值，或者如果通过使得范围螺钉28收回而解除对范围弹簧24的压缩，则控制室48中作用于表面区域“A”的压力使得隔膜组件30沿向上方向移动。供给阀组件34也由复位弹簧42向上推动，但通过壳体40与密封座32形成接触防止跟随隔膜组件30沿向上方向移动。隔膜组件30继续向上行进，直到供给阀组件30的核芯36的顶端与释放座44脱离连接。这允许被加压的介质经由释放通道46从控制室48流入上腔室26，借此减小存在于控制室48中的介质压力。然后，介质填满上腔室26，并经由排放端口19从压力调节器10进入大气(图1)。可供选择地，可将根据本公开的压力调节器构造成通过封闭释放通道46而实现的非释放设计。此构造适用于需要非释放、不漏气和不渗漏性能的各种应用。所描述的本公开的实施例旨在说明而非限制性的，且不意在代表本公开的所有每个实施例。在不偏离以下权利要求的文字表述以及法律上认可的等同物的本公开的精神和范围的前提下，能作出各种改进和变型。权利要求1.一种压力调节器，包括外壳，所述外壳包括供应端口和出口端口，供应端口和出口端口通过密封座中限定的开口相互连接；供给阀组件，所述供给阀组件包括核芯以及设置在所述核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体被构造成密封所述开口；以及隔膜组件，所述隔膜组件由范围弹簧偏压，并被构造成推动所述供给阀，所述隔膜组件具有工作表面面积。2.根据权利要求1所述的压力调节器，其中所述弹性壳体包括球面。3.根据权利要求2所述的压力调节器，其中所述密封座具有圆锥形形状。4.根据权利要求3所述的压力调节器，其中所述工作表面面积与所述弹性壳体的球面和所述密封座的圆锥形形状之间的接触面积的比至少为1001。5.根据权利要求1所述的压力调节器，其中所述供给阀组件包括被构造成偏压所述核芯以及所述弹性壳体的复位弹簧。6.根据权利要求1所述的压力调节器，还包括可调范围螺钉，所述可调范围螺钉被构造成压缩所述范围弹簧，以设定预定的设定点压力。7.根据权利要求6所述的压力调节器，其中所述隔膜组件包括限定释放通道的释放座，所述释放座被构造成由所述核芯密封。8.根据权利要求7所述的压力调节器，其中，在所述出口端口的压力大于所述预定的设定点压力时，所述隔膜组件被向上推动而解除对所述释放座的密封。9.一种压力调节器，包括外壳，所述外壳包括供应端口和出口端口，供应端口和出口端口通过密封座中限定的开口相互连接；供给阀组件，所述供给阀组件包括核芯以及设置在所述核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体被构造成密封所述开口；隔膜组件，所述隔膜组件由范围弹簧偏压，并被构造成推动供给阀，其中所述隔膜组件包括工作表面面积以及限定释放通道的释放座，所述释放座被构造成由所述核芯密封；以及可调范围螺钉，所述可调范围螺钉被构造成压缩所述范围弹簧，以设定预定的设定点压力，其中所述隔膜组件被构造成在所述出口端口的压力大于预定的设定点压力时解除对所述释放座的密封。10.根据权利要求9所述的压力调节器，其中所述弹性壳体包括球面。11.根据权利要求10所述的压力调节器，其中所述密封座具有圆锥形形状。12.根据权利要求11所述的压力调节器，其中所述工作表面面积与所述弹性壳体的球面和所述密封座的圆锥形形状之间的接触面积的比至少为1001。13.根据权利要求9所述的压力调节器，其中所述供给阀组件包括被构造成偏压所述核芯以及所述弹性壳体的复位弹簧。14.根据权利要求9所述的压力调节器，其中所述外壳包括用于经由所述释放通道排放过大压力的排放端口。15.一种压力调节器，包括外壳，所述外壳包括供应端口和出口端口，供应端口和出口端口通过圆锥形密封座中限定的开口相互连接；以及供给阀组件，所述供给阀组件包括核芯以及设置在所述核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体包括被构造成密封所述开口的球面。16.根据权利要求15所述的压力调节器，还包括隔膜组件，所述隔膜组件由范围弹簧偏压，并被构造成推动所述供给阀，所述隔膜组件具有工作表面面积。17.根据权利要求16所述的压力调节器，其中所述工作表面面积与所述弹性壳体的球面和所述圆锥形密封座之间的接触面积的比至少为1001。18.根据权利要求16所述的压力调节器，还包括可调范围螺钉，所述可调范围螺钉被构造成压缩所述范围弹簧，以设定预定的设定点压力。19.根据权利要求15所述的压力调节器，其中所述供给阀组件包括被构造成偏压所述核芯以及所述弹性壳体的复位弹簧。20.根据权利要求15所述的压力调节器，其中通过对选自由橡胶和聚合物组成的组的弹性体进行包覆成型而形成所述弹性壳体。全文摘要公开了一种压力调节器。所述压力调节器包括外壳，所述外壳具有通过密封座中限定的开口相互连接的供应端口和出口端口。所述压力调节器还包括供给阀组件，所述供给阀组件具有核芯以及设置在所述核芯上的弹性壳体，其中所述弹性壳体被构造成密封开口；以及隔膜组件，所述隔膜组件由范围弹簧偏压，并被构造成推动所述供给阀，所述隔膜组件具有工作表面面积。文档编号G05D16/06GK101999103SQ200980112798公开日2011年3月30日申请日期2009年4月10日优先权日2008年4月11日发明者安迪·R·艾斯丘申请人:费尔查德工业产品公司