专利名称：超高压环境小推力直推式保压截止阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种保压截止阀，特别涉及一种深海取样器用的超高压环境小推力直推式保压截止阀。用于海洋工程仪器领域。
背景技术：
大深度水下或压力容器内具有高压或超高压环境，在这种环境中进行压力回路控制常需要一种可简单遥控操作并能在这种环境压力下开关的保压截止阀。例如海底热液喷泉大多数分布在1000-6000米深的海底，其中喷出的热液中的化学成分和微生物在科学界引起广泛的关注，要对这种液体进行研究就需要在原位采集真实的样品。通常的做法是通过遥控载人或无人潜水器机械手上的专用取样器进行取样。取样分为不保压取样和保压取样两种，保压取样是样品在采集、储存和提取整个过程中维持海底原位采集点(即喷口)的压力。保压取样器的研究，关键技术之一就是可简单遥控操作的保压截止阀。由于处于超高压环境和遥控操作等特殊要求，目前国内还没有这种成熟的技术，国际上也只有为数不多的国家开发了类似产品。美国海洋技术研究所(WHOI)最新开发的一种气密恒压热液取样器采用的是电机驱动截止阀的方法来实现超高压环境中的保压取样控制，参见Jeffrey S.Seewald等人在Deep-Sea Research I 49<深海研究>(2001)189-196上发表的“A new gas-tight isobaric sampler for hydrothermal fluids”(一种气密恒压热液取样器)一文，该装置主要由超高压针阀、减速直流电机、压力平衡腔体和橡皮膜、连轴节和定时控制回路构成。减速直流电机安装在充满硅油塑料腔内，用来保证内外压力平衡。一个安放在潜水器控制盒内的定时回路，保证使用时样品阀完全打开。通过由连接到潜水器电源控制针阀的开关，同时监视电机的电流来确定关闭阀所需特定的扭矩，即关闭力的大小。但该电机驱动开关阀存在以下三方面缺陷一，因为采用电机驱动，每一个取样器均要潜水器提供电源，单独控制，由于深海取样时需要携带大量的取样器，电源线的干扰严重地影响了取样操作，并占用了潜水器的资源；二，由于处于高压环境，驱动电机需要充油密封，必须用特定的补偿机构来平衡密封腔体的内外压差，技术复杂，成本高可靠性低；三，由于阀口压紧力的大小是通过监视电机的电流来确定，因此增加了压紧力的不确定性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种小推力超高压保压直推式截止阀，使其在超高压环境下用较小的推力驱动开关高压回路，从而解决了本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括小活塞、小缸体、压缩弹簧、大活塞、放气帽、大缸体、大缸后端盖、连接体、阀体、阀针。其连接关系为在同一轴线上，大缸体固定在小缸体的后端，小缸体的内腔设有小活塞，大活塞前端的活塞杆上设有压缩弹簧，后端连接着阀针，并一起设置在大缸体的内腔，同时使大活塞前端的活塞杆置于小缸体内腔的后端，在大缸体的后端依次装有放气帽、大缸后端盖、连接体和阀体，从而形成了小缸压力腔、大缸压力腔及弹簧腔，大活塞中心的轴向小孔使小缸压力腔和大缸压力腔贯通，大缸体上位于弹簧腔处的周向小孔使弹簧腔与外界连通，大缸后端盖上的径向小孔与连接体和阀针间的间隙连通。
大活塞设有轴向小孔，小缸压力腔和大缸压力腔通过该轴向小孔贯通；大缸体位于弹簧腔处设有周向小孔，弹簧腔与外界通过该周向小孔连通；大缸后端盖上设有径向小孔，该径向小孔与连接体和阀针间的间隙连通。
本发明的工作压力是通过调整压缩弹簧的压缩量使阀针的预压力满足阀口保压密封要求。在压缩弹簧预压力的作用下，阀针紧压阀口，使阀处于常闭状态。装配时使小活塞置于小缸体的最前端，通过放气口向小缸和大缸的压力腔内注满液体介质，排除压力腔内的空气，装回放气帽并密封。当安装有本发明的容器(如深海取样器)处于高压环境时，由于大活塞前端的弹簧腔与环境相通，小缸和大缸的压力腔内充满不可压缩液体介质并通过小活塞与环境压力平衡，因而大小活塞不随环境压力的变化而移动，保证阀口处于常闭状态。
工作时，用外力，例如机械手上的直线油缸推动小活塞，在该推力作用下小缸压力腔的液体介质通过大活塞中心的轴向小孔流入大缸的压力腔，使大活塞克服压缩弹簧的压力而反向移动。大活塞带动阀针移动，从而完成开阀动作。阀口的开启程度随小活塞移动距离的增加而增大。由于大缸体的弹簧腔处开有周向小孔与外界相通，使弹簧腔的压力不发生变化。且大缸后端盖上的径向小孔与外界相通，不影响阀针的移动。由于大活塞的压力面积比小活塞的压力面积大，从而使小活塞的推力通过液力得以放大，因此达到用小推力开启超高压阀口的目的。
相反，当小活塞的外推力消除时，压缩弹簧反推大活塞向后移动，带动阀针使阀口关闭并压紧，同时大缸压力腔的液体介质通过大活塞的中心小孔流入小缸压力腔，推动小活塞复位，完成关阀动作。
本发明具有实质性特点和显著进步，它继承了现有技术中采用的超高压截止阀的密封技术，回避了现有技术中使用电机旋转驱动方式开关阀口的方法，而是采用压缩弹簧关闭阀口，直线推力放大技术开启阀口的设计，特别是采取了大活塞中心的轴向小孔将小缸压力腔连通到大缸压力腔，利用大小活塞的面积差使外推力放大的结构，实现了用小的直线推力驱动超高压截止阀的目的，其中所采取的弹簧腔以及阀针与连接体间的间隙均与外界连通的结构设计，使得在不同的压力环境下，大、小活塞及阀针的受力平衡，避免了现有技术中需要压力补偿机构造成的结构复杂、成本高的问题。也由于本发明可在没有机械或电器连接的情况下实现阀的控制，解决了现有技术中使用多取样器取样时，过多的连接电线对取样操作影响，提高了取样的效率和可靠性。还因为本发明中阀针在阀口的压紧力是由调定的压缩弹簧预压力决定的，克服了现有技术中阀口压紧力通过监视电机的堵转电流来判断所造成的不确定性。
图1为本发明结构示意2为本发明应用系统工作示意图其中1-小活塞，2-小缸体，3-压缩弹簧，4-大活塞，5-放气帽，6-大缸体，7-大缸后端盖，8-连接体，9-阀体，10-阀针，11-机械手，12-T型把柄，13-超高压环境小推力直推式保压截止阀，14-吸水管，15-超高压保压取样器，16-推力油缸，A-小缸压力腔，B-大缸压力腔，C-弹簧腔。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括小活塞1，小缸体2，压缩弹簧3，大活塞4，放气帽5，大缸体6，大缸后端盖7，连接体8，阀体9，阀针10。其连接关系为在同一轴线上，大缸体6固定在小缸体2的后端，小缸体2的内腔设有小活塞1，大活塞4前端的活塞杆上设有压缩弹簧3，后端连接着阀针10，并一起设置在大缸体6的内腔，同时使大活塞4前端的活塞杆置于小缸体2内腔的后端，在大缸体6的后端依次设有放气帽5、大缸后端盖7、连接体8和阀体9，从而形成了小缸压力腔A、大缸压力腔B及弹簧腔C。
大活塞4设有轴向小孔，小缸压力腔A和大缸压力腔B通过该轴向小孔贯通；大缸体6位于弹簧腔C处设有周向小孔，弹簧腔C与外界通过该周向小孔连通；大缸后端盖7上设有径向小孔，该径向小孔与连接体8和阀针10间的间隙连通。
以下结合附图，给出
具体实施例方式本发明已应用在发明者最新开发的深海热液取样器上。深海液体取样时要求取样器到达样品原位，例如3000米海底时打开取样阀，将样品吸入样品保压容器，然后在样品原位关闭取样阀，保持样品的原位压力，将样品保压带到水面。
应用本发明时，调整后的压缩弹簧3的压缩量使阀针的预压力满足阀口高压的保压密封要求。在压缩弹簧3预压力的作用下，阀针10紧压阀体9的阀口，使阀处于常闭状态。把小活塞1拉到小缸体2的最前端，通过放气口向小缸和大缸的压力腔A和B内注满液体介质，排除压力腔内的空气，装回放气帽5并密封。将本发明保压截止阀13安装到超高压保压取样器15上(见图2)。
潜水器在机械手可到达的篮子里可同时携带多个配有该阀的取样器潜入取样位置。在下潜过程中，由于大活塞4前端的弹簧腔C以及阀针10所处的腔体分别通过大缸体上的周向小孔和大缸后端盖上的径向小孔与环境相通，小缸和大缸的压力腔A和B内充满不可压缩液体介质并通过小活塞1与环境压力平衡，因而大小活塞不随深度的变化而移动，阀针10在压缩弹簧3的作用下处于常闭状态。
通过遥控潜水器上的机械手11握住某个取样器的T型把柄12，将吸水管14移到采样点(如海底的热液喷口)，通过控制机械手11上固定的推力油缸16推动小活塞1，由于大活塞4的压力面积比小活塞1的压力面积大，从而使小活塞1的推力通过液压得以放大，使作用在大活塞4上的反向推力足以克服压缩弹簧3的压力而拉动阀针，二活塞的面积比即为力的放大比，因此推力油缸16只需较小的推力就可克服压缩弹簧3的压力打开阀口，从而防止了因过大的推力使超高压保压取样器15脱离机械手11并利于吸水管14稳定。针阀10打开后，采集的样品由吸水管14进入超高压保压取样器15，等到取样器的样品腔充满并压力平衡后，收回推力油缸16的活塞杆，在压缩弹簧3的作用下，大活塞4复位并推动阀针10关闭阀口，完成关阀动作。同时大缸压力腔B的液体介质通过大活塞4中心的轴向小孔流入小缸压力腔A，推动小活塞1复位。取样器15内部保压源使样品维持采样点的压力，操控机械手11将取样器15放回篮子，完成一次取样。机械手11可反复上述过程，实现多个取样器取样。由于潜水器或机械手11和取样器15之间没有电线或固定的机械连接，使得系统结构和操作简单，单次潜水可完成多点、多次取样，降低作业成本。
权利要求
1.一种超高压环境小推力直推式保压截止阀，包括阀体(9)，阀针(10)，其特征在于还包括小活塞(1)，小缸体(2)，压缩弹簧(3)，大活塞(4)，放气帽(5)，大缸体(6)，大缸后端盖(7)，连接体(8)，在同一轴线上，大缸体(6)固定在小缸体(2)的后端，小缸体(2)的内腔设有小活塞(1)，大活塞(4)前端的活塞杆上设有压缩弹簧(3)，后端连接着阀针(10)，并一起设置在大缸体(6)的内腔，同时使大活塞(4)前端的活塞杆置于小缸体(2)内腔的后端，在大缸体(6)的后端依次设有放气帽(5)、大缸后端盖(7)、连接体(8)和阀体(9)，从而形成了小缸压力腔(A)、大缸压力腔(B)及弹簧腔(C)。
2.根据权利要求1所述的超高压环境小推力直推式保压截止阀，其特征是，大活塞(4)设有轴向小孔，小缸压力腔(A)和大缸压力腔(B)通过该轴向小孔贯通。
3.根据权利要求1所述的超高压环境小推力直推式保压截止阀，其特征是，大缸体(6)位于弹簧腔(C)处设有周向小孔，弹簧腔(C)与外界通过该周向小孔连通。
4.根据权利要求1所述的超高压环境小推力直推式保压载止阀，其特征是，大缸后端盖(7)上设有径向小孔，该径向小孔与连接体(8)和阀针(10)间的间隙连通。
全文摘要
一种超高压环境小推力直推式保压截止阀，用于海洋工程仪器领域。包括小活塞、小缸体、压缩弹簧、大活塞、放气帽、大缸体、大缸后端盖、连接体、阀体、阀针。在同一轴线上，大缸体固定在小缸体的后端，小缸体的内腔装有小活塞，大活塞前端的活塞杆上设有压缩弹簧，后端连接着阀针，并一起设置在大缸体的内腔，大活塞前端的活塞杆置于小缸体内腔的后端，在大缸体的后端依次设有有放气帽、大缸后端盖、连接体和阀体，从而形成了小缸压力腔、大缸压力腔及弹簧腔，还通过开小孔将小缸的压力腔直接连通到大活塞压力腔。本发明实现了用小推力开关超高压回路，在没有机械或电器连接的情况下实现了该阀的控制，使相应的应用设备遥控作业更加简单方便。
文档编号G01N1/10GK1563930SQ20041001719
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者任平, 马厦飞, 朱继懋, 李长春 申请人:上海交通大学