带有改进的进气阀布置的往复式活塞泵的制作方法
【专利摘要】一种往复式活塞泵包括带有阀构件的进气阀，所述阀构件可通过流体力在所述阀构件的头部与阀座相隔的打开位置与所述阀构件的头部与所述阀座接触的关闭位置之间移动。所述阀构件包括阀杆，所述阀杆不阻塞流过所述阀的进口的流体。在所述阀关闭时接触所述阀座的阀构件的头部具有球形或截头锥形状。所述阀构件由聚合物材料制成。所述进气阀不采用偏置元件来将所述阀构件带到关闭位置。
【专利说明】带有改进的进气阀布置的往复式活塞泵
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种带有改进的进气阀布置的往复式活塞泵。
【背景技术】
[0002]往复式活塞泵是用于在各种应用中输送流体。为了改善泵的性能，需要降低由流体流动区域(尤其是在泵进口和出口周围)中的阻塞和限制所引起的压力损失。当泵送的流体是液化气时，这是特别重要的，因为如果压降太大，那么就可能引起液化气的汽化并且降低泵送效率。当太多液化气遭汽化时，泵会停止运转。往复式活塞泵正被应用到汽车应用中，例如，用于将如液化天然气(LNG)的燃料输送至内燃机。在用气体燃料做燃料供给的一些系统中，活塞泵必须以至少约3000psi并且有时可达4000或5000psi的压力来输送燃料，例如当燃料被直接注入燃烧室的情况。对于直接注入燃烧室来说，燃料的压力必须升到克服汽缸内压力并且允许所需量的燃料以所需时限加以注入的水平。对于其它应用，如果燃料被注入发动机的进气系统，那么所需的燃料输送压力是相对低的，例如对于大多数发动机来说，介于约10psi与300psi之间的燃料压力是足够的。在本公开中，在这种较低的压力范围中操作的泵在本文中称为“低压泵”。这类泵通常用10psi至300psi的排出压力操作，并且被设计成允许600psi的最大排出压力。
[0003]在已知的往复式活塞泵中，在泵进口中提供止回阀以在进气冲程期间(当泵送室体积增大时)自动地打开并且允许流体流入泵送室，以及在泵的压缩冲程期间(当泵送室体积减小时)关闭并防止流体通过进口回流。类似地，止回阀通常位于泵出口中，从而在压缩冲程期间打开，以及在进气冲程期间关闭并防止已经通过出口排出的流体回流至泵送室中。
[0004]被设计来用于汽车应用的往复式活塞泵的一个实施例在 申请人:共同拥有的美国专利号7，607，898中描述。由于流体压力作用于进气止回阀，所描述的泵的进气止回阀在几乎压缩冲程全程期间是关闭。也就是说，作用于进气止回阀构件的不同流体压力导致它移动到关闭位置并且保持在关闭位置，压靠在阀座上。当泵活塞在进气冲程期间收回时，泵送室中的压力降低，以使得它比泵的进气通道中的流体的供给压力低，并且进气阀构件从阀座移开并在在几乎进气冲程全程中处于打开位置。
[0005]为了降低用于输送液化气的往复式活塞泵中的流体汽化的可能性，需要改进来减少压降从而防止汽化。
【发明内容】
[0006]公开了一种具有改进的进气阀布置的往复式活塞泵。所述往复式活塞泵包括:泵送室，所述泵送室由以下各项界定:缸体、安置在所述缸体内的活塞以及覆盖所述缸体的与所述活塞相对的末端的法兰；以及进气阀，所述进气阀包括带有头部和阀杆的阀构件。所述进气阀的头部面向包括阀座的表面，并且所述阀杆从头部以朝向活塞的方向延伸。所述阀杆不阻塞流过进口进入进气阀中的流体，并且所述阀构件可通过流体力在所述阀构件头部与所述阀座相隔的打开位置与所述阀构件头部与所述阀座接触的关闭位置之间移动。所述进气阀允许流体在以一个方向上流过进口并且防止流体在相反方向上流动。
[0007]在优选实施方案中，所述往复式活塞泵具有优选100至300psi的排出压力。所述泵可以被设计成允许600psi的最大排出压力。
[0008]在优选实施方案中，所述阀座具有锥形状并且所述阀构件的头部具有球形形状。
[0009]在其它实施方案中，所述阀构件的阀座和头部各自都具有截头锥形状。在这些实施方案中，所述阀构件的头部的截头锥形状形成的角度优选大于所述阀座的截头锥形状形成的角度。
[0010]在优选实施方案中，所述阀构件由聚合物材料制成。这种聚合物材料可以是基于碳氟化合物的聚合物，例如聚三氟氯乙烯。
[0011]优选地，所述阀进口被设定尺寸以避免所述进气阀的进口与出口之间的流体流的实质压降。
[0012]所述进气阀的主体包括导槽，所述导槽用于当所述阀构件在打开位置与关闭位置之间移动时引导所述阀构件的阀杆。
[0013]本文公开的往复式活塞泵进一步包括允许流体在一个方向上介于进口与出口之间流动的排出止回阀，所述排出止回阀是提升阀，其包括主体和可在打开位置与关闭位置之间移动的阀构件。所述排出止回阀进一步包括弹性构件，所述弹性构件使所述阀构件偏置到关闭位置。在所述关闭位置，所述阀构件的头部接触阀座。所述阀构件的头部优选具有球形形状。在一些实施方案中，所述阀构件包括具有截头锥形状的头部。
[0014]所述排出止回阀的阀构件由聚合物材料制成，例如基于碳氟化合物的聚合物，如聚三氟氯乙烯。
[0015]本文公开的往复式活塞泵可以操纵在接近其沸点的温度下泵送的流体，例如液化天然气。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]附图示出了本发明的特定优选实施例，但所述实施例不应视为以任何方式限制本发明的精神或范围。
[0017]图1展示根据本发明实施方案的包括进气阀的往复式活塞泵的透视图。
[0018]图2是图1所示的往复式活塞泵的横截面视图。
[0019]图3是包括本文公开的进气阀和排出止回阀的往复式活塞泵的末端的横截面视图。
[0020]图4展示包括具有球形形状的头部的阀构件的进气阀的横截面视图。
[0021]图5展示包括具有截头锥形状的头部的阀构件的进气阀的另一个实施方案的横截面视图。
【具体实施方式】
[0022]图1至图3中示出的泵组件100包括通过轴连接至驱动装置的往复式泵。这种泵组件的应用的一个实施例是用于输送将在内燃机中作为燃料消耗的液化气(如LNG)。因为LNG在低温下储存，所以展示的活塞泵位于本文中被称为冷端110的位置，并且位于相反端的驱动装置在本文中被称为暖端112。虽然公开的泵是相对于这种具体应用来描述，但是应理解，相同的改进可以被用在接近其沸点的温度下泵送的流体进行操作的其它泵采用，并且在泵设备中的压降可以引起流体汽化时被采用。
[0023]图1和图2展示泵组件100的透视图和横截面视图，所述泵组件包括暖端112处的驱动装置116、冷端110处的进气管118、将冷端110连接至暖端112的伸长管114和排出管120，所述排出管接收来自泵送室的出口的流体。驱动装置116可以是通过使用液压流体压力产生往复运动从而引起驱动活塞127在驱动装置内移动的液压驱动机，例如 申请人:共同拥有的美国专利申请号7，739，941中所述。驱动活塞127通过轴122连接到泵活塞124。泵活塞124在泵缸126内往复移动并且与界定泵送室128的泵缸126的内壁形成动态流体密封。冷端110优选被浸入储存在储存容器或贮槽(未示出)中的流体中。在进气冲程期间，当泵活塞124在方向130上移动时，流体在方向123上经由进气管118从流体供应流出并且流到直通阀进气口 119上。冷端110的构件在图3中以放大的剖视图更详细地展示。泵活塞在方向130上的收回引起泵送室128中的流体压力降低，这允许阀进气口 119内的流体压力将进气阀构件144从阀座146提起。在一个优选实施方案中，如图3所示，进气阀构件144仅仅通过流体力驱动，并且没有任何机械偏置，不同于通过弹簧166被机械地偏置的排出阀构件164，这将在以下更详细地描述。对于进气阀140，这种不偏置方法的优点是打开进气阀140克服的阻力更小，这降低了压降。此外，不同于已知的进气止回阀，阀构件144包括从阀进气口 119向远处延伸的阀杆156。对于高压泵来说，需要使换气体积(swept volume)最大化从而减小死空间的量并且提闻栗效率，因为可以通过减小未扫过体积来获得高压。然而，对于低压泵来说，较少考虑这个问题，因为较大的死空间是可以接受的，同时仍然实现所需的排出压力。用这种方式定位朝向泵送室128延伸的阀杆156的优点在于:没有在阀进气口 119中占据任何空间，因此阀杆156不引起整个流动区域中的任何限制，并且这导致较低的压降。在压缩冲程期间，当泵活塞124在方向132上移动时，加压流体经由排出止回阀160从泵送室128排出，穿过泵出口 121并且进一步穿过排出管120。
[0024]法兰142界定泵送室128的一个末端并且提供用于容纳进气阀140和排出止回阀160的主体。法兰142进一步包括流体通道，因此流体可以通过进气阀140流动到泵送室128中并且从泵送室128到排出止回阀160中。法兰142进一步包括与阀杆156的表面配合的导向表面154，从而当进气阀构件144在打开和阀座位置之间移动时引导所述进气阀构件的移动。
[0025]进气阀和排出阀可以采用其它布置而不脱离要求保护的设备的范畴。例如，进气阀和排出阀可以各自具有固定在法兰142中的独立的流体密封主体或它们都可以被容纳在与法兰142分开的相同外壳中。
[0026]现在参阅进气阀140的一些结构细节，如图3所示，所展示的阀构件144处在其固定位置中，位于阀座146上，从而防止流体从阀进气口 119流至与泵送室128流体连通的通道150。阀构件144包括头部152，其为所述阀构件的与阀座146接触并且面向阀进口 119的部分。
[0027]图4和图5是阀构件的两个实施方案的放大剖视图，通过参考数字144和144A指示。这些视图分别展示有助于在没有机械偏置的情况下形成良好密封的头部152和152A的特征。因为没有机械装置(如弹簧)提供的额外的密封压力，所以只是阀构件144和144A任何一侧的不同流体压力对其致动。使用先前已知的阀时，在阀构件与阀座之间形成较大的接触面积。如图4和图5所示，阀构件与阀座接触的位置限制在图4中由A-B所示并且图5中由C-D所示的线性圆周接触点。重要的是，这些接触点与界定阀进口 119的边缘以较宽的直径相隔。这是因为在这个边缘中更可能存在制造缺陷，并且如果这个边缘用作与阀元件接触的阀座，那么这会导致较差的密封。
[0028]在图4中展示的实施方案，当进气阀140关闭时，阀头152在面向并且与阀座146接触的阀构件侧面上具有球形形状。阀座146是锥形的表面的一部分。
[0029]在图5展示的实施方案中，阀构件144A不是球形形状，而是具有截头锥形状的头部152A，如同形成阀座的表面的形状，例外的是头部152A的截头锥形状形成的角度α优选大于形成阀座146的表面形成的角度β。这些形状的角度差异在头部152Α与阀座146之间产生大致上线性圆周接触点。
[0030]泵组件100进一步包括排出止回阀160，在图3的放大剖视图中清楚地展示。排出止回阀160允许流体只在一个方向上从阀进气162流向阀出口端口 121。排出止回阀160是提升阀，所述提升阀包括可在打开位置与固定位置之间移动的阀构件164。阀构件164具有与进气阀140的阀构件144类似的构造。它可以在当阀关闭时与阀座接触的阀构件侧面上包括具有球形或截头锥形状的头部。阀座具有截头锥形状，并且在阀头具有截头锥形状的实施方案中，阀头的截头锥形状形成的角度优选大于阀座形成的角度，以使阀构件与阀座之间的接触是大致上线性的，如关于进气阀所述。然而，排出止回阀160不同于进气阀140的是它在关闭位置是机械偏置的。这是因为在压缩冲程期间，当泵送室128中正在产生压力时，它有助于保持排出止回阀160关闭直到达到预定的阈值压力，并且由这种额外的阻力引起的压降很少会引起流体汽化，甚至对本公开中定义的低压泵的情况下也是如此。这种设计允许的另一个特征在于对于排出止回阀160来说，阀进口 162的尺寸可以小于与进气阀140相关联的进气口 119的尺寸。与使用两个相同尺寸的阀不同，将排出阀设置成较小尺寸有助于为更大的进气阀提供更多的空间，为两个阀减少了与使用法兰142和主体相关联的空间限制。
[0031]阀构件由聚合物材料制成，例如基于碳氟化合物的聚合物，更明确地说是聚三氟氯乙烯。
[0032]排出止回阀160如下工作。阀通常被偏置构件偏置在其关闭位置中，所述偏置构件优选呈促使阀构件164推向其固定位置的弹簧166或其它弹性构件形式的机械部件。当泵活塞124在方向132上移动来加压泵送室128中的流体时，加压的流体通过通道150流动到排出止回阀160的进口 162，其中流体压力作用在阀构件164的头部从而将阀构件164从其固定位置提起。在打开位置，排出止回阀160允许流体从进口 162流向出口 121并且在从所述出口流动到排出管120。
[0033]为了更好地说明所公开的泵组件的要求保护的特征，在图中，与构成所述泵的已知元件有关的一些细节已被简化。泵的实际工作布置包括更多构造细节。
[0034]在优选实施方案中，主题进气阀和排出止回阀各自的阀构件由聚合物材料制成，例如基于碳氟化合物的聚合物，更明确来说是聚三氟氯乙烯。由于聚三氟氯乙烯的材料性质，它是优选的材料，所述材料性质包括与它所面接的金属部件相容的低热膨胀系数、它与天然气成分的相容性、它的低蒸气渗透速率以及它与金属阀座材料配合的密封性质。此外，聚三氟氯乙烯是在低温下稳定的材料并且因此相对用于低温应用的其它材料来说是优选的。
[0035]虽然已经展示和描述了本发明的具体构件、实施方案和应用，但是应理解，本发明不限于所述的具体构件、实施方案和应用，因为在不脱离本公开的范围、尤其是依据前述教导的情况下，本领域技术人员可以进行修改。
【权利要求】
1.一种往复式活塞泵，其包括: 泵送室，其由以下各项界定:缸体、安置在所述缸体内的活塞以及覆盖所述缸体的与所述活塞相对的末端的法兰；以及 进气阀，其包括带有头部和阀杆的阀构件，其中所述头部面向包括阀座的表面并且所述阀杆从所述头部以朝向所述活塞的方向延伸，借此所述阀杆不阻塞流过进口进入所述进气阀中的流体，所述阀构件可通过流体力在所述头部与所述阀座相隔的打开位置与所述头部与所述阀座接触的关闭位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的往复式活塞泵，其为具有可达600psi的排出压力的低压泵。
3.根据权利要求1所述的往复式活塞泵，其中所述阀座具有锥形状并且其中所述阀构件的所述头部具有球形形状。
4.根据权利要求1所述的往复式活塞泵，其中所述阀座具有锥形状并且其中所述阀构件的所述头部具有锥形状。
5.根据权利要求4所述的往复式活塞泵，其中所述阀构件的所述头部的所述锥形状形成的角度大于所述阀座的锥形状形成的角度。
6.根据权利要求1所述的往复式活塞泵，其中所述阀构件由聚合物材料制成。
7.根据权利要求6所述的往复式活塞泵，其中所述聚合物材料是基于碳氟化合物的聚合物。
8.根据权利要求7所述的往复式活塞泵，其中所述聚合物材料是聚三氟氯乙烯。
9.根据权利要求1所述的往复式活塞泵，其中所述进口被设置尺寸以避免所述进气阀的所述进口与出口之间的流体的实质压降。
10.根据权利要求1所述的往复式活塞泵,其中所述进气阀的主体包括导槽,所述导槽用于当所述阀构件在所述打开位置与所述关闭位置之间移动时引导所述阀构件的所述阀杆。
11.根据权利要求1所述的往复式活塞泵，其进一步包括排出止回阀，所述排出止回阀允许流体在一个方向上介于进口与出口之间流动，其中所述排出止回阀是提升阀，其包括主体和可在打开位置与关闭位置之间移动的阀构件。
12.根据权利要求11所述的往复式活塞泵，其中所述排出止回阀进一步包括弹性构件，所述弹性构件使所述排出止回阀的所述阀构件偏置到所述关闭位置。
13.根据权利要求11所述的往复式活塞泵，其中所述排出止回阀的所述阀构件包括具有球形形状的头部，所述头部当所述阀构件处在所述关闭位置时与所述排出止回阀的阀座接触。
14.根据权利要求11所述的往复式活塞泵，其中所述阀构件包括具有截头锥形状的头部，所述头部当所述阀构件处在所述关闭位置时与所述排出止回阀的阀座接触。
15.根据权利要求11所述的往复式活塞泵，其中所述排出止回阀的所述阀构件由聚合物制成。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的往复式活塞泵，其中所述流体是液化天然气。
【文档编号】F04B53/10GK104279155SQ201310290511
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】R·A·萨恩斯, 任子元, 閤明洲 申请人:西港能源有限公司