一种超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀

本发明属于高压阀快速开关，具体涉及一种超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀。

背景技术：

1、当温度达到31.1摄氏度，压力高于7.38mpa时，二氧化碳的气相与液相分界线消失进入超临界状态，在定容条件下压力会迅速增加，此状态下具有良好的流动性和导热性，适用于多种工程应用场景。但由于相变过程中压力变化速度快，从相变开始至相变结束仅20ms，对释放响应时间要求高。因此，超临界二氧化碳气体开关阀的设计与使用成为超临界二氧化碳工程应用的关键一环。

2、目前工程应用中对于高压气体的阀门开闭多采用电磁阀门、手动阀门以及自力差动阀。由于超临界二氧化碳相变过程仅需20ms左右，手动阀门无法实现所需响应速度，并且对于高压阀门而言采用手动阀门，安全性难以保证。电磁阀门响应时间相较与手动阀门快很多，但仍无法满足所要求的20ms响应速度。自力差动阀利用自身结构，通过内部气体介质自身能量来实现阀门的开闭，在时间响应上可满足要求，但目前仅可实现静压状态下阀门开闭，不适用于超临界二氧化碳为介质的情形。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，利用两气室压力差来实现开阀动作的快速响应。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，包括一筒状的相变室，相变室前后端分别连接前密封盖与后密封盖，前密封盖上设有泄气口，后密封盖上设有用于向相变室充入二氧化碳的二氧化碳进气头和用于安装加热药的加热药安装口，后密封盖上安装气缸组件，气缸组件包括设置在后密封盖内侧的缸筒和设置在后密封盖外侧的气筒，缸筒中安装有运动活塞，运动活塞由活塞杆、活塞杆前端的活塞堵头、活塞杆杆身上的前活塞和活塞杆后端的后活塞组成，活塞堵头可抵到泄气口中密封泄气口，前活塞在行程范围内始终在缸筒中，缸筒的后端连通气筒，气筒设有气体进气口可充入气体对后活塞施加压力。

3、进一步地，气体进气口设置在气筒的尾端，气筒中部设有第一排气口，气筒前端内壁中安装固定密封套，固定密封套上设有与第一排气口位置对应的第二排气口，固定密封套的前端设置有法兰板，法兰板上设有排气道、第一进气道和运动杆孔，排气道连通第二排气口，固定密封套中设置有运动底座，运动底座上设有与第一进气道位置对应的第二进气道，运动底座前端安装运动杆和闭气阀芯，运动杆前端穿过运动杆孔伸入缸筒中，闭气阀芯伸入排气道中，运动底座后端设置高钢弹簧抵接到气筒的底部，后活塞可作用于运动杆使运动底座向后动作，高钢弹簧可作用于运动底座使运动底座向前动作，运动底座前后动作使闭气阀芯前后运动实现排气道的开闭。

4、进一步地，缸筒后端安装有胶泥对运动活塞进行缓冲。

5、进一步地，前密封盖通过螺栓与相变室的前端连接，后密封盖通过螺栓与相变室的后端连接，缸筒和气筒通过螺钉装配在后密封盖上，闭气阀芯和运动杆通过螺纹连接安装在运动底座上。

6、进一步地，缸筒和气筒的中心轴线与后密封盖的中心轴线重合，二氧化碳进气头与加热药安装口分别设置在后密封盖中心轴两侧。

7、进一步地，泄气口处装有第一v型泛塞密封圈，缸筒前端装有第二v型泛塞密封圈。

8、进一步地，气体进气口处安装第一锥头螺柱控制气体进气口通断，二氧化碳进气头的侧面设有二氧化碳加注口，二氧化碳进气头端部安装第二锥头螺柱控制二氧化碳加注口的通断。

9、进一步地，加热药安装口安装加热药，并通过加热药堵头密封，加热药堵头上设置有导电柱，通过连接导线点燃加热药。

10、进一步地，相变室内二氧化碳相变至超临界状态时，相变室与缸筒内压力满足：p*s2＞p*s1+p1*s3，泄气口打开，其中，s1为活塞堵头背面接触面积，s2为前活塞正面接触面积，s3为后活塞背面接触面积，p为二氧化碳相变后相变室压力，p1为缸筒压力。

11、本发明为超临界二氧化碳提供了一种快速响应阀门，具有以下有益效果：

12、1）本发明通过改变气筒压力预设超临界二氧化碳的释放压力，可满足实际工程应用中对超临界二氧化碳压力的不同需求，提高开阀响应速度，解决了难以控制超临界二氧化碳相变过程中的压力释放问题。

13、2）本发明可通过调节二氧化碳充入量和加热药量大小来控制气阀内相变压力，满足在不同工程应用场景下的需求。

14、3）本发明以超临界二氧化碳为能量源，利用二氧化碳具有较低临界压力和温度条件的相变特性，快速相变为超临界状态形成高压流体，推动运动活塞运动开阀，并且在相变过程中不产生有害气体，绿色环保。

15、4)本发明设置有排气机构，可在运动活塞运动到位后，打开排气口，使内部压力释放，防止运动活塞过早复进，影响超临界二氧化碳的释放。既能满足在超临界二氧化碳相变至预定压力下释放，又能实现在释放后运动活塞不会出现过早复进，解决了阀内超临界二氧化碳释放不充分的问题。

技术特征：

1.一种超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，包括一筒状的相变室（2），相变室（2）前后端分别连接前密封盖（1）与后密封盖（3），前密封盖（1）上设有泄气口（7），后密封盖（3）上设有用于向相变室（2）充入二氧化碳的二氧化碳进气头（4）和用于安装加热药的加热药安装口（6），后密封盖（3）上安装气缸组件，气缸组件包括设置在后密封盖（3）内侧的缸筒（12）和设置在后密封盖（3）外侧的气筒（5），缸筒（12）中安装有运动活塞（8），运动活塞（8）由活塞杆（8.1）、活塞杆（8.1）前端的活塞堵头（8.2）、活塞杆（8.1）杆身上的前活塞（8.3）和活塞杆（8.1）后端的后活塞（8.4）组成，活塞堵头（8.2）可抵到泄气口（7）中密封泄气口（7），前活塞（8.3）在行程范围内始终在缸筒（12）中，缸筒（12）的后端连通气筒（5），气筒（5）设有气体进气口（16）可充入气体对后活塞（8.4）施加压力。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，气体进气口（16）设置在气筒（5）的尾端，气筒（5）中部设有第一排气口（22），气筒（5）前端内壁中安装固定密封套（23），固定密封套（23）上设有与第一排气口（22）位置对应的第二排气口（27），固定密封套（23）的前端设置有法兰板，法兰板上设有排气道（25）、第一进气道（26）和运动杆孔，排气道（25）连通第二排气口（27），固定密封套（23）中设置有运动底座（28），运动底座（28）上设有与第一进气道（26）位置对应的第二进气道（29），运动底座（28）前端安装运动杆（20）和闭气阀芯（24），运动杆（20）前端穿过运动杆孔伸入缸筒（12）中，闭气阀芯（24）伸入排气道（25）中，运动底座（28）后端设置高钢弹簧（21）抵接到气筒（5）的底部，后活塞（8.4）可作用于运动杆（20）使运动底座（28）向后动作，高钢弹簧（21）可作用于运动底座（28）使运动底座（28）向前动作，运动底座（28）前后动作使闭气阀芯（24）前后运动实现排气道（25）的开闭。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，缸筒（12）后端安装有胶泥（13）对运动活塞（8）进行缓冲。

4.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，前密封盖（1）通过螺栓与相变室（2）的前端连接，后密封盖（3）通过螺栓与相变室（2）的后端连接，缸筒（12）和气筒（5）通过螺钉装配在后密封盖（3）上，闭气阀芯（24）和运动杆（20）通过螺纹连接安装在运动底座（28）上。

5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，缸筒（12）和气筒（5）设置在后密封盖（3）中心轴上，二氧化碳进气头（4）与加热药安装口（6）分别设置在后密封盖（3）中心轴的两侧。

6.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，泄气口（7）处装有第一v型泛塞密封圈（9），缸筒（12）前端装有第二v型泛塞密封圈（11）。

7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，气体进气口（16）处安装第一锥头螺柱（17）控制气体进气口（16）通断，二氧化碳进气头（4）的侧面设有二氧化碳加注口（18），二氧化碳进气头（4）端部安装第二锥头螺柱（19）控制二氧化碳加注口（18）的通断。

8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，加热药安装口（6）安装加热药（10），并通过加热药堵头（14）密封，加热药堵头（14）上设置有导电柱（15），通过连接导线点燃加热药（10）。

9.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，其特征在于，相变室（2）内二氧化碳相变至超临界状态时，相变室（2）与缸筒（12）内压力满足：p*s2＞p*s1+p1*s3，泄气口（7）打开，其中，s1为活塞堵头背面接触面积，s2为前活塞正面接触面积，s3为后活塞背面接触面积，p为二氧化碳相变后相变室压力，p1为缸筒压力。

技术总结
本发明属于高压阀快速开关技术领域，为解决难以控制超临界二氧化碳相变过程中的压力释放问题，提供了一种超临界二氧化碳压差控制式快速开关阀，包括一筒状的相变室，相变室前后端分别连接前密封盖与后密封盖，前密封盖上设有泄气口，后密封盖上设有二氧化碳进气头和加热药安装口，后密封盖上安装气缸组件，气缸组件包括设置在后密封盖内侧的缸筒和设置在后密封盖外侧的气筒，缸筒中安装有运动活塞，运动活塞由活塞杆、活塞堵头、前活塞和后活塞组成，活塞堵头可抵到泄气口中密封泄气口，前活塞在行程范围内始终在缸筒中，气筒连通缸筒的后端，气筒设有气体进气口可充入气体对后活塞施加压力。可预设超临界二氧化碳的释放压力，提高开阀响应速度。

技术研发人员：李强,孙志群,张盛森,曲普,樊江涛
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13