压力调节器组件的制作方法

专利名称：压力调节器组件的制作方法
压力调节器组件
相关专利文献的交叉引用
本专利申请可能与名称为“FLUID MANIFOLD AND METHOD THEREFOR”的代理人备案号2269. 060US1的美国专利申请序列号12/053，366、名称为“FLUIDIC CONTROL SYSTEM AND METHOD OF MANUFACTURE”的代理人备案号2269. 061US1的美国申请序列号12/053，374 和名称为“FLUIDIC DISTRIBUTION SYSTEM AND RELATED METHODS” 的代理人备案号 2269. 067US1的美国申请序列号12/053,408中的一件或者多件有关，其说明书被整体结合于此。技术领域
该专利文献总体上涉及液压控制部件。更具体但非限制地，该专利文献涉及供燃料电池系统使用的压力调节器组件。
背景技术：
电子器件，例如便携式电子器件，当今趋向于尺寸越来越小，但性能越来越高。由于电子器件被设计得尺寸越来越小，并且融入了尖端而复杂的技术，因此对相关电源的需求就越来越大。
电源的一个实施例是燃料电池系统。用在便携式和其他小型发电应用中的燃料电池电源需要使用小而紧凑的部件(例如，流体压力调节器、阀门、止回阀和接口端)，这些被配置用来保持整个系统的高能量密度。此外，用在这种小型或者“微型”燃料电池系统内的部件应该可以以低成本制造，以与不太复杂的蓄电池电源竞争。如果这些部件庞大，或者需要过高的制造精度，那么燃料电池的许多优势就可能减小。对于非常重视体积利用的燃料电池的电池组更新应用，更是如此。
为了获得小型的燃料电池系统，需要满足各种创新的技术要求，同时努力适应减小空间的需求。发明内容
本发明人认识到需要紧凑的流体控制部件，包括压力调节器组件，它具有小的整体尺寸和薄的形状系数，有利地的是其制造所需的精度较低，且制造包括枢轴、滑动元件、 或者橡胶或者金属隔膜在内的压力调节器所需的相应成本。与常规设计相比，本发明的实施方式可以做得更小、更薄、并且成本更低。电流部件设计包括滑动或者枢转元件或者使用橡胶或者金属隔膜，已经发现小规模或者微量地构造可重复的功能特征困难且昂贵。
本发明提供了一种压力调节器组件。该组件包括第一腔室。第一腔室被配置用来封闭力激励型阀元件。第一腔室还被配置用来封闭流体入口。此外，第一腔室还被配置用来封闭流体出口。该组件包括第二腔室。第二腔室被配置用来封闭第一腔室。第二腔室与基准压力端口连通。该组件包括第三腔室。第三腔室被配置用来封闭第二腔室。第三腔室被配置用来封闭反馈基准端口。力激励型阀元件没有延伸到第一腔室之外。
本发明提供了一种制造压力调节器组件的方法。方法包括形成或者提供平的流体总管。该总管包括流体入口。该总管还包括流体出口。该总管还包括基准压力端口。该总管还包括反馈入口。该方法还包括形成或者提供第一腔室。该方法还包括形成或者提供第二腔室。此外，该方法还包括形成或者提供第三腔室。该方法包括将第一腔室放在所述总管上。第一腔室位于总管上，使得它封闭力激励型阀元件。第一腔室位于总管上，使得它还封闭流体入口。第一腔室位于总管上，使得它还封闭流体出口。该方法包括将第二腔室叠加在所述总管上。第二腔室被堆在总管上，使得它封闭第一腔室。第二腔室被堆在总管上， 使得它与基准压力端口连通。该方法包括将第三腔室叠加在所述总管上。第三腔室被叠加在总管上，使得它封闭第二腔室。第三腔室被叠加在总管上，使得它封闭反馈入口。方法还包括将腔室的一部分结合到平的总管的表面。
本发明提供了一种压力调节器组件。该组件包括第一腔室。第一腔室被配置用来封闭力激励型阀元件。第一腔室还被配置用来封闭流体入口。此外，第一腔室还被配置用来封闭流体出口。该组件包括第二腔室。第二腔室被配置用来封闭第一腔室。第二腔室与基准压力端口连通。该组件包括第三腔室。第三腔室被配置用来封闭第二腔室。第三腔室被配置用来封闭反馈基准端口。该组件还包括力抑制元件。力抑制元件施加力，以抵抗第二腔室的偏斜。该组件还包括复合元件。复合元件包括第一腔室。复合元件还包括力抑制元件。力激励型阀元件没有延伸到第一腔室之外。第三腔室内的压力，当大于阈值压力时， 可以导致力被施加到第二腔室上，使得第二腔室偏斜。第二腔室的偏斜接着使第一腔室偏斜。第一腔室的充分偏斜被配置用来关闭力激励型阀元件。关闭力激励型阀元件阻止流体从流体入口流动到流体出口。由流体流过反馈入口形成的足够压力使力激励型阀元件从开启位置朝着闭合位置移动。复合元件包括第二腔室的至少部分壁。
本发明的组件和方法的这些和其他实施例、优点和特征将在下面的详细说明中部分阐述，并且对于本领域技术人员来说，通过参照下面的描述和附图或者通过实施，它们会部分变得明显。


附图不一定按比例绘制，在附图中，相似的数字可能表示不同视图中相似的部件。 具有不同字母后缀的类似数字可能表示相似部件的不同实施例。举例来说，而不是为了限制，附图通常展示在本文献中论及的各实施方式。
图I展示了现有技术的压力调节器组件的剖视图，它包括贯穿高压区域和低压区域之间的平面的活动提升阀。
图2展示了另一项现有技术的压力调节器组件的剖视图，它包括贯穿高压区域和低压区域之间的平面的活动提升阀。
图3展示了供小型或者微型流体应用使用的压力调节器组件的某些部分的剖视图，它被构造成符合至少一个实施方式。
图4展示了供小型或者微型流体应用使用的压力调节器组件的某些部分的剖视图，它被构造成符合至少一个实施方式。
图5展示了供小型或者微型流体应用使用的压力调节器组件的某些部分的剖视图，它被构造成符合至少一个实施方式。
图6展示了供小型或者微型流体应用使用的压力调节器组件的某些部分的剖视图，它被构造成符合至少一个实施方式。
图7展示了供小型或者微型流体应用使用的压力调节器组件的某些部分的剖视图，它被构造成符合至少一个实施方式。
图8展示了供小型或者微型流体应用使用的压力调节器组件的某些部分的分解透视图，它被构造成符合至少一个实施方式。
具体实施方式

定义
用在这里时，术语“流体”是指液体或者诸如气态氢的气体、诸如丁烷或者丙烷之类的任何碳氢化合物、诸如甲醇之类的醇类、蚁酸或者诸如水、水溶液的其他液体，并且可以包括任何合适的有机溶剂。任何流体还可能具有溶解在里面的溶解物。在某些实施方式中，流体可能包括来自任何燃料重整工艺的重整产物。例如，流体可能包括通过化石燃料重整方法生产的氢气,例如通过天然气重整生产的氢气。在另一个实施例中,流体可能包括通过甲醇、丙烷、丁烷或者蚁酸重整生产的氢气。在一些实施例中，重整产物很少是纯气体,而是既富含特定气体(例如氢气)又包含一定量的其他气体(例如CO2和CO)。
用在这里时，术语“贝氏垫圈”是指本领域熟练技术人员公知的任何合适的贝氏垫圈，此外，也称为锥形盘簧、锥形弹簧垫圈、盘簧、贝氏弹簧或者凹形弹簧垫圈。该垫圈呈截头圆锥形，例如方向垂直的锥形的任何厚度的水平薄片，它赋予该垫圈一定的弹簧特性。
用在这里时，术语“总管”是指任何管路和通道组件，它允许定向输送流体。例如，总管可能包括在名称为“FLUIDIC MANIFOLD AND METHOD THEREFOR”的代理人备案号 2269. 060US1的美国专利申请号12/053，366中公开的任何总管。
描述
现有技术的压力调节器组件10如图I所示。该压力调节器组件10包括高压入口区域12和低压出口区域14。两个区域12，14是分开的，但是借助孔13连通，孔13中装有活动的“提升阀”16，提升阀16贯穿两个区域之间的边界，并且形成阀门。提升阀16是与低压区域14的挠性膈膜壁15接触的机械元件。操作中，当低压区域14中的压力低时，施加于膈膜壁15外侧的力沿相对向下的方向推动提升阀16，并开启阀门。当高压流体从高压区域12流到低压区域14时，低压区域中的压力增加，从内侧向膈膜壁15施加反向力。当压力继续积累时，就会到达外力和内力的平衡点，于是提升阀16不再降低，并且阀门被密封， 以防止流体从高压区域12进一步进入低压区域14。
通过小心地选择与提升阀16有关的弹簧元件的刚度和膈膜壁15的尺寸，外力和内力平衡时的压力可以选择，并且随意操纵。在该压力调节器组件10中，提升阀16形成阀门和密封元件，因此，需要一定的刚度和集成的液密型密封件。
图2展示另一个现有技术的压力调节器组件20。该压力调节器组件20可以使用蚀刻的或者其他微加工的层形成。类似于如图I所示的压力调节器组件10，组件20包括提升阀26，它连接到膈膜25，并且贯穿高压区域22和低压区域24之间的平面。本发明人已经发现使用在高和低压区域之间延伸的提升阀或者类似提升阀的零件的压力调节器组件10、 20的结构需要提升阀的形成和调节器的密封结构都极其精确，从而限制了调节器组件的设计以及制造方法。
图3-8展示了与图I和2的组件不同的各种压力调节器组件，它们具有较小的总体尺寸，薄的形状系数，可以大规模地以相对较低的成本重复制造，并且可以避免使用提升阀、枢轴、滑动元件或者橡胶以及金属隔膜。举例来说，图3-8的压力调节器组件可以以低成本组装，因为公差关键的部件可以被限制为浇铸的或者成形的部件。因此，在制造过程中，相对于其他的调节器组件，例如如图I和2所示的组件，组件对准公差可以减小。这些压力调节器组件可以用在小型或者微型流体应用中，例如，诸如燃料电池系统中。有待该等组件调节的流体可以是这里定义的任何流体。
本压力调节器组件可以包括各种选项。在某些例子中，该等组件可以包括使用廉价的制造工艺浇铸或者成形的部件。在某些例子中，用聚合材料来形成该等组件。在某些例子中，用金属材料来形成该等组件。可以使用单个密封元件，并且压力调节器组件的设计可以设置成对该密封元件的尺寸不太敏感。在各种实施例中，压力调节器组件的元件没有一个被插过高、低压力区域之间的任何边界。因此，各调节器组件可以如此组装，即通过将同心的或者非同心的布置好的元件堆叠并结合在一起，以形成高压、低压和基准压力室。每个室可以借助共同的分配增压室连通流体。流体不能透过的密封可以形成在一个增压室内。
图3展示了根据至少一个实施方式构造的压力调节器组件100的示意性的剖视图。压力调节器组件100可以建立在平的流体分配总管110的表面上。
在操作中，工作的压力调节器的输入端位于有些高压处，而输出端位于调节的低压处。图3展示了描述调节器组件100的输入和输出的管路和端口。具体地说，流体总管 110可以包括连接到流体入口 140的流体输入管路120，以及连接到流体出口 150和输出流体回流口 160的流体输出管路130。这些管路和端口可以建立在流体分配总管110内部，流体分配总管可以被包括作为整个压力调节器组件100的一部分，也可以不包括在内。
压力调节器组件100可以包括许多嵌套的腔室，例如三个嵌套的腔室(第一腔室 180、第二腔室190和第三腔室200)，它们布置在流体分配总管110的表面上。流体分配总管110可以包括多个不同压力的流体的通道，这些流体有待从一个增压室或者区域被输送到另一个增压室或者区域。组件100内的各腔室的所有入口和出口可以共面于流体分配总管110内。
在所示的实施例中，第一腔室180的周边可以被结合到流体分配总管110的顶部或者上表面，并且可以封闭流体入口 140和流体出口 150。该结合可以在第一腔室180的周边形成流体密封。力启动型阀元件260可以保持在第一腔室180内的适当位置，并且或者可以被附接到第一腔室180的相对的顶面210上，或者可以被附接到第一腔室180的底部， 但是通过嵌在顶面210内的零件，例如嵌在第一腔室顶部的密封元件保持零件310，被保持在适当的位置。也可以使用其他方法将力启动型阀元件260保持在适当位置，例如使用嵌入流体分配总管110内的零件来保持阀元件。第一腔室180可以包括挠性的腔室壁240，从而使得当足够的力被施加于顶面210的顶上时，第一腔室壁240可以被设置成弯曲或者偏斜，从而使力启动型阀元件260被压缩，并密封流体入口 140。反过来，这可以防止流体从流体入口 140流到流体出口 150。当第一腔室壁240弯曲或者偏斜，顶面210也可以偏斜。备选地，当足够的力被施加于顶面210的顶上时，仅顶面210偏斜。在本发明的实施方式中， 当足够的力被施加于顶面210的顶上时，壁240和顶面210以任何比例进行的任何结合都可以偏斜到使力启动型阀元件260被压缩，并密封流体入口 140。
第二腔室190可以嵌套在第一腔室180上，并且可以完全包围第一腔室180。第二腔室190的周边可以被结合到流体分配总管110的顶部或者上表面，以形成流体不能透过的密封。第二腔室190可以包括刚性的顶面220和挠性的腔室壁250。第二腔室190也可以包括一个或多个力抑制元件(例如，弹簧或者力抑制元件)270，它在流体分配总管110 的顶面和第二腔室的顶面220之间起作用，足以将两者推开。第二腔室190可以进一步封闭基准压力端口 170。基准压力端口 170可以提供基准压力的连接，基准压力既不是入口压力，也不是出口压力。在某些例子中，基准压力端口 170通向大气压。
当足够的力从外侧被施加到第二腔室190的顶面220上时，挠性的第二腔室壁可以被设置成弯曲或者偏斜，从而使一个或多个弹簧或者力抑制元件270，例如压缩，直到顶面220触及第一腔室的顶面210。如果力足够大，它可以通过第二腔室190的顶面220传递到第一腔室180的顶面210，这可以使第一腔室180变形，并将力启动型阀元件260推向闭合位置。
第三腔室200可以完全包围第二腔室190，并且其周边可以被结合到流体分配总管Iio的顶部或者上表面，以形成流体不能透过的密封。第三腔室200也可以封闭输出流体回流口 160。在某些例子中，第三腔室壁230或者第三腔室的任何其他部分可以被设置成具有相当大的刚度，以防止不必要的力传递。
在操作中，高压下的流体可以进入流体输入管路120，并且通过流体入口 140被输送到第一腔室180里。在流体的压力下，第一腔室180可以膨胀(例如偏斜)，从而使得力启动型阀元件260不会阻塞从流体入口 140到流体出口 150的流体路径。这可以允许流体从流体入口 140自由流动到流体出口 150，并进入输出流体管路130。当压力在输出流体管路130内产生时，流体可以通过输出流体回流口 160最终流进第三腔室200。第三腔室200 内的压力积累可以导致力被施加到第二腔室190的顶面220上。该力可以作用到封闭在第二腔室190中的一个或多个弹簧或者力抑制元件270上，并最终导致第二腔室190向流体总管110偏斜。当该偏斜变得足以导致第二腔室190的顶面220触及第一腔室180的顶面 210时，力启动型阀元件260可以被压缩到形成密封，并阻止流体流过组件100。
当流体离开输出流体管路130时，第三腔室200内的压力可以减小，并且在有些点处，第二腔室190中的弹簧或者力抑制元件270的抑制力可以使第二腔室190膨胀，接着允许第一腔室180膨胀，并且让加压操作重复。对于给定的流体流速，在第三腔室200内的压力保持相对恒定，力启动型阀门260保持在大致相同的位置，并且出口压力保持相对恒定时，可以建立平衡，。当气体或者其他流体的流动改变时，调节器组件100可以自动调节以建立新的平衡。
阀门260可以在不同状态下操作。阀门260可以闭合，其中施加于第一腔室180 的顶面210上的由阀门260的密封周边封闭的区域上的压力和第一腔室180的顶面210上的不包含由阀门260的密封周边封闭的区域的区域上的压力不一定相同。阀门260可以开启，其中施加于第一腔室180的顶面210上的由阀门260的密封周边封闭的区域的压力和第一腔室180的顶面210上的不包含由阀门260的密封周边封闭的区域的区域上的压力大致相同。在启动和闭合状态之间，阀门可以处于实际上无限种局部开启状态，其中施加于第一腔室180的顶面210上的由阀门260的密封周边封闭的区域上的压力和第一腔室180的顶面210上的不包含由阀门260的密封周边封闭的区域的区域上的压力不一定相同。这里，“由阀门260的密封周边封闭的区域”是指当阀门260处于闭合(密封)状态时封闭在阀门260的周边内的区域。
对于给定的入口压力，利用压力调节器组件100得到的出口压力与出口和入口之间的压力差有关。当入口压力增加时，控制的出口压力可以增加。在某些实施方式中，给定的入口压力和对应的出口压力之间的差可以约为零，入口压力可以大于出口压力，或者出口压力也可以大于入口压力(例如，如果入口压力下降或者另一个压力源导致出口压力增加)。弹簧或者力抑制元件的力和来自基准压力的力结合输出的反馈压力在第二腔室190 的顶面220上的力与入口压力和第一腔室180中的压力在第一腔室180的顶面210的各部分上的力的相互影响一起确定阀门是处于闭合、部分开启或者完全开启状态。通过调节第二腔室190的顶面220的面积、弹簧常数、第一腔室180的顶面210的由阀门260的密封周边封闭的面积以及第一腔室180的顶面210的不包括由阀门260的密封周边封闭的区域的面积，可以获得本发明的一些实施方式，对于特定的流量和在特定的入口压力下，这些实施方式会产生出口和入口压力之间所需的压力差。本领域的技术人员容易认识到，使用公开的几何上的相互影响可以确定这两个腔室顶部的相对尺寸选择的细节以及弹簧常数的大小。例如，与第二腔室190的顶面220的面积相比，第一腔室180的顶面210的面积可以做得小一点。在一个实施例中，与第一腔室180的顶面210的由阀门260的密封周边封闭的面积相比,第一腔室180的顶面210的不包括阀门260的密封周边的面积的面积可以做得小一点。下面，在对图8的描述中，将进一步讨论在本发明的一些实施方式内力的相互影响。
压力调节器组件100不需要枢转部件或者滑动面，并且没有明显的隔膜式密封。 相反，一个或多个腔室可以包括挠性壁，在足够大的外力作用下，这些挠性壁会坍陷。在组件100中，不包括提升阀，并且不需要组件100的任何部件都插过任何两个腔室之间的边界。阀元件260没有延伸到第一腔室的外面。用在压力调节器组件100内的阀元件260可以非常平，其中驱动阀门的力具有垂直于调节器组件100的与阀座相对的顶部或者底部的分力。该相对定位可以简化阀门装置的设计，例如，因为不需要通过流体入口 140的突起。
小规模地制造提升阀和相应的阀座昂贵且困难。使用本发明，通过避免使用提升阀和对应的阀座，可以获得较小的压力调节阀，且阀门构造的各层的相对位置之间所需的精度较低。此外，通过避免提升阀和对应的阀座，压力调节器的一些实施方式可以做得非常薄。
如图I所示的压力调节器组件100设计上的优点是该组件的不同部分可以使用不同的材料，至于材料可混用性，即使有，也极小。举例来说，腔室180、190、200可以用任何可以成形为能为腔室顶部提供所需刚度以及为腔室壁提供所需的偏斜性以允许腔室能够移动的材料制造。因此，腔室可以用各种可以形成不同厚度的材料制成，例如各种塑料，包括聚酯、聚碳酸酯、尼龙、聚烯烃、或者其他类型的工程塑料，或者金属。在某些实施方式中，对于各个腔室，腔室的顶部和壁不是全部由相同的材料制成，而在其他实施方式中，腔室顶部和壁包括相同的材料。在某些实施方式中，一个腔室的顶部或者壁可以由与另一个腔室的顶部或者壁不同的材料制成，而在其他实施方式中，一个腔室的顶部或者壁包括与另一个腔室的顶部或者壁相同的材料。
如果单个材料不能形成具有所需的刚度和偏斜性的结合，那么一个或多个腔室可9以形成包括一种以上材料的复合结构。图4展示了一个多级燃烧室的分解图，它包括两种不同的材料。如图4所示的多级燃烧室可以完全封闭第一腔室180，形成第二腔室190。在该实施例中，腔室结构被设计成包括使用第一材料250的挠性侧壁，并且当结合到流体底座上时，包括一个完整的气体或者流体密封结构。附接到腔室侧壁的顶部或者上表面的是刚性的加强元件330，它用于为腔室顶面提供刚性，并且赋予腔室所需的功能。在该压力调节器组件中，相似的复合结构可以用于其他腔室。加强挠性腔室的合适材料可以包括塑料、 金属、陶瓷、或者有机材料，例如木材或者纤维板。
在各实施例中，为了让压力调节器组件100起所需的作用，它的每一个腔室都通过将腔室壁结构的周边结合到流体底座110上而部分形成。结合可以采用任何合适的方法，包括使用胶粘剂、溶剂熔接、超声波焊接、激光焊接、扩散结合或者可以将腔室壁材料接合到流体底座材料上的任何其他结合方法。最终的结合应当具有足够的强度以抵抗由内部流体压力产生的力，还要足够坚固以在该组件的使用寿命内经久耐用，并且应该形成密封以防止或者遏制流体从调节器组件100中泄漏。
用在压力调节器组件100中的力激励型阀元件260可以是各种设计。如上所述， 在计算组件100的预期性能(例如在给定的入口压力和流速下，入口和出口压力之差多大) 时，除了弹簧常数和基准压力之外，还可以是第一和第二腔室顶部210和220的尺寸之比， 该尺寸之比确定了调节器100中出口压力与入口压力之比。但是，在其他实施方式中，根据阀门的类型并根据设备的其他元件的类型，第二腔室顶部220与第一腔室顶部210的由阀门260的密封周边封闭的区域之比或者第二腔室顶部220与第一腔室顶部210的不包括由阀门260的密封周边封闭的区域的区域之比中的任一个或者两者以任何比例可用于计算组件100的预期性能。
可以使用在入口 140上或者其周围形成密封的任何方法，使用压缩垫圈、O形环或者其他力激励型阀元件。在各实施例中，用在阀元件260中的材料应该能承受由输入流体引起的环境(例如，阀门材料应该能适应压力、温度以及输入流体的其他化学特性，并且仍然保持适当的密封)。
在某些实施例中，用在组件中的弹簧或者其他力抑制元件可以为第二腔室190的顶面220提供抑制力。通过调节一个或多个弹簧或者力抑制元件270的弹簧常数，可以调节使第二腔室顶部220向第一腔室顶部210位移所需的出口压力。也可以用其他方法来提供相适应的抑制力，以便抑制力被大致均匀地分布在第二腔室顶部220上，从而当它偏斜时， 支持第二腔室190连贯运动。可以使用多个孤立的弹簧或者力抑制元件170，例如，包括小型线圈弹簧、压缩泡沫、弹性体插入物等等。也可以使用单个弹簧垫圈，特别是对调节器径向对称的实施方式。弹簧垫圈可以用整体坚硬但嵌有一些零件的材料制成，以提供所要求的弹簧性质。此外还可以使用贝氏垫圈。在某些实施方式中，腔室的至少一些壁可以用能为第二腔室190的顶面200提供力抑制作用的材料制成。在一个实施例中，第二腔室的至少一些壁用能提供力抑制作用的材料制成。
在某些例子中，可以省略弹簧或者其他力抑制元件270。在这些实施方式中，来自基准压力的力与输出的反馈压力在第二腔室190的顶面220上的力与入口压力和第一腔室 180中的压力在第一腔室180的顶面210的各部分上的力的相互影响相结合，确定装置的性倉泛。
图I的压力调节器组件100可以采用各种形状，包括圆形、不规则形、正方形、多边形等等。整体为圆形的腔室可以便于允许生产径向对称的组件，并且在组装过程中不需要方向逻辑。但是，在某些实施例中，可能需要提供关键零件或者非圆形的形状。在某些实施例中，改变压力室的形状以实现其他功能可能是有利的。举例来说，腔室的形状可以如此改变，以便腔室壁能用于定位腔室内的部件或者抑制其运动。
图5展示了用在压力调节器组件中的第一腔室180的截面示意图。在该实施例中， 与在图3的实施例中一样，第一腔室顶部210不是平面，而是已经改变为包括成形区域310， 该区域用于保持O形环力激励阀元件260。虽然图5所示的实施例用于保持O环形力激励型阀元件260，但是如果使用不同的方法形成密封，对腔室壁或顶部进行其他改进也是可能并可以是可取的。阀元件的保持零件可以被设计成当允许流动时保持密封远离总管表面， 并且也可以被设计成当腔室壁过度偏斜时提供“硬停机”，以防止力激励型阀元件260过度压缩。
除了改变腔室外壳以保持各部件之外，也可以增强一个腔室零件的功能以服务附加功能。压力调节器组件的设计可以包括三个同心腔室，其中第二腔室完全包含第一腔室和附加的弹簧或者力抑制元件。虽然弹簧或者力抑制元件可以被形成为有待被安装在第二腔室内的孤立部件，但是如上所述，它也可以形成第一或者第二腔室壁的一部分。
图6展示了这种结构的一个实施例的截面示意图，该结构采用径向对称的总压力调节器。径向对称虽然不需要，但可便于做示范。在该实施例中，各部件可以仅仅被容纳在第一和第二腔室内。集成的腔室部件320可以由单件材料以下述方式制造包括贝氏垫圈零件270、密封元件保持零件310和第一腔室壁240，当从上按压时，贝氏垫圈零件可以充当弹簧。在某些实施方式中，第一腔室可以被结合到位于区域340的流体总管上，该区域可以在密封元件周围形成环形区，并且包括入口和出口。由于可选择的结合区域340，第一腔室壁240的运动可以与弹簧元件270的运动无关。在某些实施方式中，存在可选择的结合区域340。在其他实施方式中，不存在可选择的结合区域340。
该压力调节器组件能够调节包括液体和气体在内的流体的压力。借助于密封元件材料的选择，可以提供没有泄流的气密密封，例如，调节器可以用来在低流量或者无流动清况下保持出口压力。在某些实施例中，有待调节的流体可以包括这里定义的任何流体。在某些实施方式中，压力调节器可以用在医学应用中。在便携式发电应用中，调节器组件可用于调节燃料前体的压力和流量，例如，化学氢化物的溶液或者用于产生氢气的反应物(包括水、酒精等等)。
因为压力调节器组件用嵌套的腔室构成，所以不管密封元件的状态、入口和出口压力如何，都可以通过施加外力驱动阀门零件。如果足够大的力从外部来源被施加到第三腔室顶部，例如，那么第三腔室可以偏斜，最终压在第二腔室顶部上，接着是第一腔室顶部。 施加该力的效果可以是让密封元件移动以关闭流体从入口到出口的路径。因此，压力调节器组件能提供集成的关闭阀。
图7展示了根据与图6所示的实施方式类似的至少一个实施方式构造的径向对称的压力调节器组件100的示意性的剖视图。图7展示了管路和端口，这些端口描绘了调节器组件100的输入和输出。具体地说，流体总管110可以包括流体入口 140，以及连接到流体出口 150和输出流体回流口 160的流体输出管路130。这些管路和端口可以设置在流体分配总管110内部，流体分配总管可以被包括或不包括为整个压力调节器组件100的一部分。
压力调节器组件100可以包括第一腔室180、第二腔室190和第三腔室200，它们布置在流体分配总管110的表面上。第一腔室180的周边可以被结合到流体分配总管110 的顶部或者上表面，并且可以封闭流体入口 140和流体出口 150。该结合可以在第一腔室 180的周边形成流体密封。
第二腔室190可以嵌套在第一腔室180上，并且可以完全包围第一腔室180。第二腔室190的周边可以被结合到流体分配总管110的顶部或者上表面，以形成流体不能透过的密封。第二腔室190可以包括刚性的顶面220和挠性的腔室壁250。集成的腔室部件 320可以用单件材料以下述方式制造包括贝氏垫圈零件270、密封元件保持零件310和第一腔室壁240，当从上按压时，贝氏垫圈零件可以充当弹簧。第二腔室190可以进一步封闭基准压力端口 170。基准压力端口 170可以连接到基准压力，基准压力既不是入口压力，也不是出口压力。在某些实施例中，基准压力端口 170通向大气压。
第三腔室200可以完全包围第二腔室190，并且其周边可以被结合到流体分配总管Iio的顶部或者上表面，以形成流体不能透过的密封。第三腔室200也可以封闭输出流体回流口 160。在某些实施例中，第三腔室壁230可以被设置成具有相当大的刚度，以阻止不必要的力传递。
在图7中，变量D，710，表示第二腔室190的顶部220的直径。变量Do_；，720，表示阀门260的密封周边的直径。变量Ρλη，730，表示入口压力，变量P ap，740，表示出口压力。变量P劃|，750,表示基准压力。
在例如图7所示的实施方式中，假设阀位置是施加于第二腔室190的顶部220上的力和由抑制元件施加的力的差和施加于第一腔室180的顶部210的由阀门260的密封的周边封闭的区域上的力之间来确定的，那么以下就是计算各部件的尺寸和入口及出口压力之间的关系的方法的实施例。其中P人口最小=最小入口压力，P人口最大=最大入口压力，P出口最 + =容许的最小出口压力，而P容许的最大出口压力，以下方程描述了力的关系
Ji P 入口 (Do 形环 /2) +F 弹黃=π P 出口 (D/2)
因此，当出口压力是时，由反馈压力施加于第二腔室顶部上的力足够低，以便在入口压力低到P入口最小时，阀门仍然可以被开启，D的尺寸必须满足
D ^ 2 ((I/ P出口最小)(31 P入口最小(Do形环/2) +F弹黃Y)丨
同样，当出口压力是P &口最小时，由反馈压力施加于第二腔室顶部上的力足够高，以便在入口压力高达ΡΛΡΛ±时，阀门仍然可以被关闭，D的尺寸必须满足
D ^ 2 ((I/ P 出P最大)(31 P 人口最大(Do 形环/2)2+F弹黃))1/2
压力调节器组件可以制造成各种尺寸。例如，适当尺寸包括如图7所示的D约等于O. 01毫米、O. I毫米、I毫米、2毫米、4毫米、6毫米、8毫米、10毫米、20毫米、50毫米、100 毫米或者200毫米。
实施例I
压力调节器的工作的实施方式可以用聚合物部件制造，这些部件被粘合到聚合物微流体底座上。小型的O形环可以用作密封元件，并且提供压力高达约300磅/平方英寸的气密密封。在该实施例中，第一腔室的直径可以为约2. 5毫米，第二腔室的直径可以为约14毫米，而第三腔室的直径可以为约18毫米，因此整个压力调节器组件的形状大致成圆形，直径约18毫米。第三腔室的高度可以<2毫米，其他两个腔室包括在该腔室内。所有三个腔室都可以用聚酯、聚酯乙二醇、聚碳酸酯或者丙烯酸类物质制成，各部件用溶剂粘合到流体底座上。
用于制造这种压力调节器的部件的分解透视图如图8所示。该实施例展示了具有调节器入口和出口 140、150的流体底座110。还展示了环境压力基准端口 170。当调节器工作时，O形环密封元件260可以密封在入口 140周围。封闭密封元件260以及入口 140和出口 150的可以是如图6所示的复合元件320，它包括(在图8中未详细显示)第一腔室 180、嵌入第一腔室顶部的密封元件保持零件310和贝氏垫圈弹簧部件270。如图8所示，加固件330可以被添加到复合元件的顶部，以为第二腔室的顶部提供刚度，如在图4中描述的那样。接下来，嵌套部件820可以放在加固件330上方，并且封闭基准压力端口 170，形成第二腔室190。嵌套部件830可以放在第二腔室190上方，还封闭压力反馈端口 160，形成第三腔室200。
如图3-8所示的压力调节器部件可以通过将各部件嵌套到平的总管上组装而成。 因此，这些调节器适合使用拣放机器人来制造，或者通过组装成形部件的大块板材、然后从结合在一起的板材中除去组装好的压力调压器来制造。不需要插过各腔室或者与各腔室之间的边界交叉的部件，例如力激励型阀元件没有延伸到第一腔室的外面。另外，每一腔室仅仅与流体底座直接流体连通。与图3-8的压力调节器部件有关的公差可以被限制在调节器的部件上，而非组装过程中的对齐上。因此，可以获得低生产成本。
附加实施方式
本发明提供了以下典型实施方式
实施方式I提供了一种压力调节器组件，包括被配置用来封闭力激励型阀元件、 流体入口和流体出口的第一腔室；被配置用来封闭第一腔室并且与基准压力端口连通的第二腔室；和被配置用来封闭第二腔室和反馈入口的第三腔室；其中力激励型阀元件不延伸到第一腔室外。
实施方式2提供了实施方式I的压力调节器组件，其中第三腔室中的压力，当大于阈值压力时，导致力被施加到第二腔室上，使第二腔室偏斜，接着使第一腔室偏斜。
实施方式3提供了实施方式1-2中任一项的压力调节器组件，其中第一腔室的偏斜和力激励型阀元件朝着或者远离闭合状态的移动成正比。
实施方式4提供了实施方式1-3中任一项的压力调节器组件，其中第一腔室的充分偏斜被设置用来关闭力激励型阀元件，以阻止流体从流体入口流到流体出口。
实施方式5提供了实施方式4的压力调节器组件，其中第一腔室的充分偏斜包括超过极限偏斜的偏斜。
实施方式6提供了实施方式1-5中任一项的压力调节器组件，其中流体入口和流体出口共面。
实施方式7提供了实施方式1-6中任一项的压力调节器组件，其中流体入口、流体出口、基准压力端口和反馈入口共面。
实施方式8提供了实施方式1-7中任一项的压力调节器组件，其中存在于第一、第二或者第三腔室之任一个中的机械元件不穿过任何其他腔室。
实施方式9提供了实施方式1-8中任一项的压力调节器组件，其中由流体流过反馈入口而形成的足够大的压力接着使力激励型阀元件从开启位置朝着闭合位置移动。
实施方式10提供了实施方式1-9中任一项的压力调节器组件，它被结合到多端口流体总管上。
实施方式11提供了实施方式10的压力调节器组件，其中任何两个腔室之间的流体流动通过流体总管内的路径传导。
实施方式12提供了实施方式1-11中任一项的压力调节器组件，其中第一、第二和第三腔室被设置使得施加的外力使力激励型阀元件向闭合位置移动，所述外力包括垂直于第一腔室的顶部并且朝向第一腔室的顶部的力矢量。
实施方式13提供了实施方式1-12中任一项的压力调节器组件，还包括力抑制元件，其中力抑制元件施加力以抵抗第二腔室的偏斜。
实施方式14提供了实施方式13的压力调节器组件，其中力抑制元件包括金属盘簧、贝氏垫圈、压缩泡沫、弹性泡沫或者弹性体插入物。
实施方式15提供了实施方式13-14中任一项的压力调节器组件，其中第二腔室被配置用来封闭至少一个力抑制元件。
实施方式16提供了实施方式13-15中任一项的压力调节器组件，其中第二腔室的至少部分壁包括力抑制元件。
实施方式17提供了实施方式13-16中任一项的压力调节器组件，还包括复合元件，其中复合元件包括第一腔室和力抑制元件。
实施方式18提供了实施方式17的压力调节器组件，其中复合元件的包括力抑制元件的部分包括贝氏垫圈。
实施方式19提供了实施方式17-18中任一项的压力调节器组件，其中复合元件还包括第二腔室的至少部分壁。
实施方式20提供了实施方式1-19中任一项的压力调节器组件，其中第一腔室、第二腔室、第三腔室或者力激励型阀元件中至少一个包括聚酯、聚酯乙二醇、聚碳酸酯、聚烯烃、尼龙、丙烯酸、聚氯乙烯或者金属。
实施方式21提供了一种系统，包括如在实施方式1-20之任一项所述的至少第一和第二压力调节器组件，其中第一和第二压力调节器组件串联布置，以降低入口压力对出口压力的影响。
实施方式22提供了一种用于燃料电池的燃料供给系统，包括实施方式1-21中任一项的压力调节器。
实施方式23提供了一种制造压力调节器组件的方法，包括形成或者提供平的流体总管；形成多个不同尺寸的腔室；以嵌套方式将多个腔室叠加在平的总管的表面上；以及将腔室的一部分结合到平的总管的表面，从而提供实施方式1-22中任一项的压力调节器组件。
实施方式24提供了制造压力调节器组件的方法，包括形成或者提供带有流体入口、流体出口、基准压力端口和反馈入口的平的流体总管；形成第一腔室、第二腔室和第三腔室；将第一腔室放在该总管上，使它封闭力激励型阀元件、流体入口和流体出口 ；将第二腔室叠加在该总管上，使它封闭第一腔室并与基准压力端口连通；将第三腔室叠加在该总管上，使它封闭第二腔室和反馈入口 ；以及将这些腔室的一部分结合到平的总管的表面。
实施方式25提供了实施方式23-24中任一项的方法，其中第一腔室的材料性能不同于第二腔室或者第三腔室的材料性能。
实施方式26提供了实施方式23-25中任一项的方法，其中形成多个腔室至少部分包括热成型工艺。
实施方式27提供了一种压力调节器组件，包括被配置用来封闭力激励型阀元件、 流体入口和流体出口的第一腔室；被配置用来封闭第一腔室并且与基准压力端口连通的第二腔室；被配置用来封闭第二腔室和反馈入口的第三腔室；力抑制元件，其中力抑制元件施加力以抵抗第二腔室的偏斜；以及复合元件，其中该复合元件包括第一腔室和力抑制元件；其中第三腔室中的压力，当高于阈值压力时，导致力被施加于第二腔室上，使第二腔室偏斜，接下来使第一腔室偏斜，其中第一腔室的充分偏斜被配置用来关闭力激励型阀元件， 以阻止流体从流体入口流到流体出口，其中由流体流过反馈入口形成的足够的压力接着使力激励型阀元件从开启位置朝着闭合位置移动，其中所述复合元件还包括第二腔室的至少部分壁。
实施方式28提供了实施方式1-27中任一项或者任意组合的压力调节器组件或者方法，它被选择性地配置，使得所述的所有元件或者选项可以用来使用或者从中选择。
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上述详细说明包括对附图的参照，它组成详细说明的一部分。附图通过图解展示了一些可以实施本发明的具体实施方式
。这些实施方式在这里也被称为“实施例”。这些实施例可以包括除了所示或者所述的元件之外的元件，例如压力释放装置或者热释放装置中的一个或者两个。但是，本发明人还设想了仅提供所示或者所述元件的实施例。此外，本发明人还设想了用所示或者所述元件的任何组合或者排列形成的实施例(或者它们的一个或者多个方面)，要么是根据特定的实施例(或者它的一个或多个方面)，要么是根据这里所示或者所述的其他实施例(或者它们的一个或多个方面)。
该文献中引用的所有公开文献、专利和专利文献都通过引用被完全结合于此，恰如通过引用分别结合。万一该文献和通过引用而结合的那些文献之间的用途不一致，结合的参考文献应该被认为是对该文献的用途的补充，对于矛盾的不一致，本文献中的用途优先。
在该文献中，使用术语“一个(a) ”或者“一个(an) ”，和在专利文献中一样，包括一个或多于一个，这不依赖于任何其他实例或者“至少一个”或者“一个或多个”的使用。在该文献中，术语“或者”用于指非独占性的“或者”，因此“A或者B”包括“A但不是B”，“B但不是A”，以及“A和B”，除非另有陈述。在该文献中，术语“顶部”、“底部”、“向内”、“向外”、 等等是为了理解和参考；这些术语不旨在用于限制。
在所附的权利要求书中，术语“包括”和“其中”用作各术语“包括”和“其中”的普通的英语对应语。另外，在下面的权利要求书中，术语“包含”和“包括”是开放式的，即，在一项权利要求中包括除了在这样一个术语之后所列的元件之外的元件的系统、可推进的装置、制品或者工艺仍然被认为落在该权利要求的范围内。此外，在下面的权利要求中，术语 “第一”、“第二”、和“第三”、等等仅仅被用作标签，并不打算将数字需求强加于它们的对象。
上述描述被认定为是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(或者它们的一个或多个方面)可以用彼此结合使用。一读上述说明，就可以使用其他实施方式，例如由本领域普通技术人员。摘要的提供符合37C. F. R. § I. 72(b)，以允许读者快速确定技术公开的性质。提出它的条件是，它不会用于解释或者限制权利要求的范围或者意思。
因此下面的权利要求书被并入详细说明，其中每一项权利要求自身都作为一个独立的实施方式而存在。本发明的范围应该参照所附的权利要求书以及被命名为权利要求书的等效物的全部范围来确定。
权利要求
1.一种压力调节器组件，包括被配置用来封闭力激励型阀元件、流体入口和流体出口的第一腔室；被配置用来封闭第一腔室并且与基准压力端口连通的第二腔室；和被配置用来封闭第二腔室和反馈入口的第三腔室；其中力激励型阀元件不延伸到第一腔室外。
2.权利要求I的压力调节器组件，其中第三腔室中的压力，当高于阈值压力时，导致力被施加到第二腔室上，使第二腔室偏斜，接着使第一腔室偏斜。
3.权利要求1-2中任一项的压力调节器组件，其中第一腔室的偏斜和力激励型阀元件朝着或者远离闭合状态的移动成正比。
4.权利要求1-3中任一项的压力调节器组件，其中第一腔室的充分偏斜被设置用来关闭力激励型阀元件，以阻止流体从流体入口流到流体出口。
5.权利要求4的压力调节器组件，其中第一腔室的充分偏斜包括超过极限偏斜的偏斜。
6.权利要求1-5中任一项的压力调节器组件，其中流体入口和流体出口共面。
7.权利要求1-6中任一项的压力调节器组件，其中流体入口、流体出口、基准压力端口和反馈入口共面。
8.权利要求1-7中任一项的压力调节器组件，其中存在于第一、第二或者第三腔室之任一个中的机械元件不穿过任何其他腔室。
9.权利要求1-8中任一项的压力调节器组件，其中由流体流过反馈入口而形成的足够大的压力接着使力激励型阀元件从开启位置朝着闭合位置移动。
10.权利要求1-9中任一项的压力调节器组件，结合到多端口流体总管上。
11.权利要求10的压力调节器组件，其中任何两个腔室之间的流体流动通过流体总管内的路径传导。
12.权利要求1-11中任一项的压力调节器组件，其中第一、第二和第三腔室被设置使得施加的外力使力激励型阀元件向闭合位置移动，所述外力包括垂直于第一腔室的顶部并且朝向第一腔室的顶部的力矢量。
13.权利要求1-12中任一项的压力调节器组件，还包括力抑制元件，其中力抑制元件施加力以抵抗第二腔室的偏斜。
14.权利要求13的压力调节器组件，其中力抑制元件包括金属盘簧、贝氏垫圈、压缩泡沫、弹性泡沫或者弹性体插入物。
15.权利要求13-14中任一项的压力调节器组件，其中第二腔室被配置用来封闭至少一个力抑制兀件。
16.权利要求13-15中任一项的压力调节器组件，其中第二腔室的至少部分壁包括力抑制兀件。
17.权利要求13-16中任一项的压力调节器组件，还包括复合元件，其中复合元件包括第一腔室和力抑制元件。
18.权利要求17的压力调节器组件，其中复合元件的包括力抑制元件的部分包括贝氏垫圈。
19.权利要求17-18中任一项的压力调节器组件，其中复合元件还包括第二腔室的至少部分壁。
20.权利要求1-19中任一项的压力调节器组件，其中第一腔室、第二腔室、第三腔室或者力激励型阀元件中至少一个包括聚酯、聚酯乙二醇、聚碳酸酯、聚烯烃、尼龙、丙烯酸、聚氯乙烯或者金属。
21.—种系统，包括如在权利要求1-20之任一项所述的至少第一和第二压力调节器组件，其中第一和第二压力调节器组件串联布置，以降低入口压力对出口压力的影响。
22.一种用于燃料电池的燃料供给系统，包括权利要求1-21中任一项的压力调节器。
23.一种制造压力调节器组件的方法，包括形成或者提供平的流体总管；形成多个不同尺寸的腔室；以嵌套方式将多个腔室叠加在平的总管的表面上；以及将所述腔室的一部分结合到平的总管的表面，从而提供权利要求1-22中任一项的压力调节器组件。
24.一种制造压力调节器组件的方法，包括形成或者提供带有流体入口、流体出口、基准压力端口和反馈入口的平的流体总管； 形成或提供第一腔室、第二腔室和第三腔室；将第一腔室放在该总管上，使它封闭力激励型阀元件、流体入口和流体出口 ；将第二腔室叠加在该总管上，使它封闭第一腔室并与基准压力端口连通；将第三腔室叠加在该总管上，使它封闭第二腔室和反馈入口 ；以及将这些腔室的一部分结合到平的总管的表面。
25.权利要求23-24中任一项的方法，其中第一腔室的材料性能不同于第二腔室或者第三腔室的材料性能。
26.权利要求23-25中任一项的方法，其中形成多个腔室至少部分包括热成型工艺。
27.一种压力调节器组件，包括被配置用来封闭力激励型阀元件、流体入口和流体出口的第一腔室；被配置用来封闭第一腔室并且与基准压力端口连通的第二腔室；被配置用来封闭第二腔室和反馈入口的第三腔室；力抑制元件，其中力抑制元件施加力以抵抗第二腔室的偏斜；以及复合元件，其中该复合元件包括第一腔室和力抑制元件；其中力激励型阀元件不延伸出第一腔室的外部，其中第三腔室中的压力，当高于阈值压力时，导致力被施加于第二腔室上，使第二腔室偏斜，接下来使第一腔室偏斜，其中第一腔室的充分偏斜被配置用来关闭力激励型阀元件，以阻止流体从流体入口流到流体出口，其中由流体流过反馈入口形成的足够的压力接着使力激励型阀元件从开启位置朝着闭合位置移动，其中所述复合元件还包括第二腔室的至少部分壁。
全文摘要
公开了一种压力调节器组件，其整体尺寸小，具有薄的形状系数，可以以相对较低的成本重复制造，并且它可以避免使用提升阀、枢轴、滑动元件或者橡胶和金属隔膜。这些压力调节器组件可以用在小型或者微型流体应用中，例如，诸如燃料电池系统中。有待该组件调节的流体可以是液体或者气体。
文档编号F17C3/04GK102939488SQ201180028934
公开日2013年2月20日 申请日期2011年4月15日 优先权日2010年4月16日
发明者约尔格·齐默尔曼 申请人:法商Bic公司