[發(fā)明專利]閥

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210022571.6
• 申請(qǐng)日: 2008-12-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102537389A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬納森·塞巴斯蒂安·豪斯;詹姆斯·麥克納斯滕
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 等熵有限公司
• 主分類號(hào): F16K3/02
• 分類號(hào): F16K3/02;F16K3/28;F16K3/316;F16K31/12
• 代理公司: 上海金盛協(xié)力知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31242
• 代理人: 段迎春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及用于控制氣體和/或液體在兩個(gè)分離空間之間流動(dòng)的閥。本發(fā)明尤其涉及在這樣的應(yīng)用中使用的閥，即，每個(gè)分離空間內(nèi)的壓力可以改變以便在某些階段所述空間之間沒(méi)有壓力差而在其他階段有壓力差。這種閥的一個(gè)應(yīng)用是使用在氣體的壓縮和/或膨脹中。然而，本發(fā)明的閥可以是適合于使用在任何需要高效率、大的閥面積、快速閥響應(yīng)和低壓力損失的應(yīng)用中。這包括，但不限于，發(fā)動(dòng)機(jī)、真空泵、壓縮機(jī)、膨脹器、其他泵、輸送管和管流等情形。

背景技術(shù)

目前的壓縮機(jī)械閥通常是非循環(huán)類型的。這就意味著，它們可是簧片閥、板閥、球閥、提升閥或其他相似設(shè)備。例如，在包含構(gòu)造為在汽缸空間中移動(dòng)的活塞的往復(fù)空氣壓縮機(jī)的正常操作中，活塞將從上止點(diǎn)(TDC)向下止點(diǎn)(BDC)移動(dòng)，從而導(dǎo)致圓柱形空間內(nèi)的壓力下降。當(dāng)該壓力已經(jīng)下降到足夠克服將一或多個(gè)進(jìn)口閥保持為閉合狀態(tài)的彈簧時(shí)，所述一或多個(gè)進(jìn)口閥會(huì)開(kāi)啟并且將一定量的空氣抽進(jìn)汽缸空間內(nèi)。當(dāng)活塞靠近下止點(diǎn)(BDC)時(shí)，空氣流將變慢并且壓力差減小以允許所述一個(gè)或多個(gè)進(jìn)口閥關(guān)閉?；钊藭r(shí)將朝向上止點(diǎn)回移，從而壓縮在汽缸空間內(nèi)新鮮填充的空氣。當(dāng)汽缸空間內(nèi)的空氣壓力高到足以克服將一或多個(gè)出口閥支撐為閉合的彈簧時(shí)，所述一或多個(gè)出口閥將開(kāi)啟，從而允許所述一定量的加壓空氣進(jìn)入加壓空間。當(dāng)活塞靠近上止點(diǎn)，所述壓力差和流動(dòng)降低以允許所述一或多個(gè)出口閥關(guān)閉。

在上面描述的簡(jiǎn)單閥的情況中，有許多與閥操作相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，其限制了閥的效力。首先，需要有起關(guān)閉所述閥作用的力，這就意味著需要施加一定的壓差來(lái)克服這個(gè)力以及開(kāi)啟所述閥。這不可避免地意味著通過(guò)所述閥將有一些壓力損失并且當(dāng)壓力差增大時(shí)在開(kāi)啟所述閥時(shí)必定有延遲。關(guān)于這種類型的閥還有一個(gè)問(wèn)題，就是如果到達(dá)可能導(dǎo)致發(fā)生閥顫動(dòng)的某些共振頻率，它會(huì)停止正確操作?？梢圆捎糜查y和強(qiáng)力彈簧來(lái)限制這種不理想的動(dòng)作，但是閉合彈簧越強(qiáng)，開(kāi)啟所述閥需要的力就越大，其會(huì)導(dǎo)致多余的功和低效率。

如果要求機(jī)器以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，那么閥必須比在較低速度所需要的更快地開(kāi)啟和閉合，從而導(dǎo)致當(dāng)閥閉合時(shí)產(chǎn)生更高的沖擊載荷。通常解決方案是限制閥的提升以使其具有最小的行程距離。雖然這種方法可以減少高速操作帶來(lái)的沖擊載荷，但是它也不必要地減少了有效閥面積。

一般地，膨脹閥比壓縮閥復(fù)雜得多，因?yàn)樗鼈冃枰嬷ǔＱ卦陂y上引起閉合力之方向移動(dòng)的流而保持開(kāi)啟。這就意味著膨脹閥必須被主動(dòng)控制。這種主動(dòng)控制通常用凸輪和提升閥結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施，其中閥在每個(gè)循環(huán)中在預(yù)設(shè)點(diǎn)開(kāi)啟和閉合，而不管在由所述閥分隔的兩個(gè)分離空間之間的壓力差如何。膨脹閥的這種操作方法導(dǎo)致顯著的損失，因?yàn)闃O難配置這種閥來(lái)在壓力相等或接近(即，當(dāng)跨越閥的壓力差基本上為0)時(shí)開(kāi)啟。

上面描述的膨脹閥通常需要強(qiáng)支撐形態(tài)以允許閥逆著壓力差開(kāi)啟。這就意味著這種膨脹閥通常是大且重的部件，其必須有足夠的剛性以在兩個(gè)分離空間之間有壓力差時(shí)不會(huì)鎖閉。這種閥通常是效率低的，因?yàn)楫?dāng)它們不是壓力相等開(kāi)啟時(shí)，它們?cè)馐芟喈?dāng)數(shù)量的壓力損失。

當(dāng)?shù)挚恐查y的面來(lái)固定硬閥時(shí)，密封就是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)轭w粒帶來(lái)的任何污染會(huì)導(dǎo)致閥閉合時(shí)的不密封和泄露。在閥和閥面之間獲得良好密封需要精細(xì)的研磨和/或較長(zhǎng)的閥磨合期。

上面現(xiàn)有技術(shù)的閥通常還包括防護(hù)板以限制閥的提升以及與閉合彈簧結(jié)合。在活塞壓縮機(jī)進(jìn)口閥的實(shí)例中，這種防護(hù)板形成了除推動(dòng)流體進(jìn)入活塞沖程范圍之外的組成空間，并且這個(gè)空間稱為止空間或間隙空間。

除了上面討論的問(wèn)題之外，現(xiàn)有閥設(shè)計(jì)的閥面積相當(dāng)有限。在進(jìn)口閥和出口閥都設(shè)置在汽缸頭部?jī)?nèi)的正常壓縮活塞/汽缸結(jié)構(gòu)中，閥面積占活塞面積的5％或6％是常見(jiàn)的。這種有限閥面積的第二個(gè)問(wèn)題是，流經(jīng)閥面積的流體通常速率非常高，如果壓縮機(jī)以合理速度運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)由這些閥的壓力損失可以變得非常大。閥面積的增加一倍，則經(jīng)由閥的流速減小一半并且壓力損失減小為原來(lái)的四分之一倍。

為了增大閥面積，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中通常的做法是在汽缸附近間隔設(shè)置多個(gè)閥。這樣具有增大閥面積的效果，但是也有增加止點(diǎn)空間或間隙空間數(shù)量的效果，因?yàn)榛钊h(huán)必須保持在進(jìn)口/出口的水平之下。

在閥內(nèi)的止點(diǎn)空間、它們與主汽缸的連接和活塞附近在上止點(diǎn)的空間的共同組合給出總的間隙空間體積。間隙空間通常定義為間隙空間體積與最大體積(排量體積(swept?volum)+間隙空間體積)之比：

并且對(duì)于活塞壓縮機(jī)，其通常在5％-15％的范圍內(nèi)。間隙空間對(duì)體積效率有很強(qiáng)的影響，其被定義為：

忽略壓力損失，約等于：

其中，總體積＝排量體積+間隙空間體積。