高压气体压力流量复合控制数字阀

摘要

本发明公开了一种高压气体压力流量复合控制数字阀。在数字阀阀体内设置由两个一级高压气动高速开关阀为一组结合二级阀体构成的八个二级高压气动开关阀，一端设有进气腔，另一端设有出气腔和出气阀；八个二级高压气动开关阀在数字阀阀体上设置有排气口，其中七个二级高压气动开关阀并列设置，且阀口面积依次按照二进制编码确定；进气腔和出气腔均安装有压力和温度传感器；出气阀为第八个二级高压气动开关阀。本发明把二级高压气动开关阀与二进制编码数字化控制方案结合起来，使控制精度达到1/128，利用进气腔和出气腔的压力和温度参数，通过控制器组合开启二级高压气动开关阀对气体流量实时控制，最终实现对高压气体进行压力和流量的复合控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体数字阀，尤其是涉及一种高压气体压力流量复合控制 数字阀。

背景技术

工作压力在10MPa以上的高压气体因拥有瞬间膨胀性大、爆发力强及温度 适应范围广和高能量密度等特性，使得高压气动系统在许多领域得到应用。此 外，高压气体所特有的防爆性、易获得性及清洁性等特点使其可以完成很多常 规气压及液压技术无法胜任的工作。

但高压气动系统的自动化水平仍不高，在气体的压力控制方面，以压力阀 中应用最广泛的减压阀为例，目前手动控制减压阀发展已较为成熟，但缺乏成 熟的通用型电控减压阀。在气体的流量控制方面，现有的气动流量阀仍停留在 对阀口面积开度的调节而非实际过流流量上。现在有关高压气体质量流量阀以 及压力-流量复合阀仍缺乏相关研究报道，其原因主要在于高压气体质量流量难 以通过传统方法进行精确控制。

高压气动系统的自动化对于压力阀和流量阀都有迫切的需求，而气体的可 压缩性决定了其压力控制和流量控制都可以都归结到阀口的流量调节上，而由 于气体质量流量的闭环控制需要采集上下游的压力和温度参数，因此可以利用 该压力温度信号结合控制程序进行压力温度的闭环控制，这就可以使得在同一 套装置上实现压力和流量的复合控制，再将在低压气动及液压领域发展较为成 熟的数字阀控制方案引入高压气动领域，可以使整个控制系统的设计和控制得 到简化，可靠性也得以提高。本发明即是基于这一原理和理念设计的高压气体 压力流量复合阀装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压气体压力流量复合控制数字阀，是通过采 集高压气体压力流量复合控制数字阀中进气腔和出气腔的压力以及温度参数， 调节实际阀口过流流量并应用数字阀控制方案进行精确控制，实现在同一套机 械装置上对高压气体压力和流量的复合控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在高压气体压力流量复合控制数字阀阀体内设置由两个一级高压气动高速 开关阀为一组结合二级阀体构成的八个二级高压气动开关阀，高压气体压力流 量复合控制数字阀阀体一端设有进气腔，另一端设有出气腔和出气阀，且八个 二级高压气动开关阀在高压气体压力流量复合控制数字阀阀体上对应设置有排 气口；其中七个二级高压气动开关阀并列设置，且七个并列设置的二级高压气 动开关阀阀口面积依次按照二进制编码确定；所述进气腔安装有第一压力传感 器和第一温度传感器；所述出气腔安装有第二压力传感器和第二温度传感器； 所述出气阀为第八个二级高压气动开关阀。

所述八个二级高压气动开关阀结构相同，二级阀体内部由阶梯型阀芯分隔 成控制腔和阀芯腔，控制腔内的第一弹簧与阶梯型阀芯的大端面接触，阶梯型 阀芯的小端面正对装有密封圈的拉法尔喷嘴结构的阀口；第一个一级高压气动 高速开关阀的进气口分别与高压气源和阀芯腔连通；第一个一级高压气动高速 开关阀的出气口分别与控制腔和第二个一级高压气动高速开关阀的进气口连 通，第二个一级高压气动高速开关阀出气口和排气口相连。

所述一级高压气动高速开关阀结构相同，其一级阀体内部被锥形阀芯分隔 成高压端与低压端；所述高压端的进气口即为一级高压气动高速开关阀的进气 口，低压端的出气口即为一级高压气动高速开关阀的出气口；设有两个气孔的 锥形阀芯大端面与高压端的第二弹簧接触，锥形阀芯锥面与高速开关电磁铁在 低压端接触。

本发明具有的有益效果是：

把二级高压气动开关阀阀口面积与二进制编码数字化控制方案结合，使阀 门的控制精度达到1/128，且利用高压气体压力流量复合控制数字阀的进气腔和 出气腔的压力和温度参数，通过控制器组合启闭二级高压气动开关阀对气体质 量流量进行实时控制，最终实现对高压气体进行压力和流量的复合控制，并能 使高压气体的压力和流量控制系统的设计与控制得以简化，可靠性得到提高。

附图说明

图1是高压气体压力流量复合控制数字阀结构示意图。

图2是二级高压气动开关阀的结构示意图。

图3是一级高压气动高速开关阀的结构示意图。

图中：1、进气腔，2、第一压力传感器，3、第一温度传感器，4、二级阀体， 5、第二压力传感器，6、第二温度传感器，7、出气腔，8、出气阀，9、排气口， 10、一级高压气动高速开关阀，11、高压气源，12、控制腔，13、阀芯腔，14、 密封圈，15、阀口，16、阶梯型阀芯，17、第一弹簧，18、高压端，19、进气 口，20、一级阀体，21、高速开关电磁体，22、低压端，23、出气口，24、锥 形阀芯，25、第二弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，在高压气体压力流量复合控制数字阀阀体内设置 由两个一级高压气动高速开关阀10为一组结合二级阀体4构成的八个二级高压 气动开关阀，高压气体压力流量复合控制数字阀阀体一端设有进气腔1，另一端 设有出气腔7和出气阀8，且八个二级高压气动开关阀在高压气体压力流量复合 控制数字阀阀体上对应设置有排气口9；其中七个二级高压气动开关阀并列设 置，且七个并列设置的二级高压气动开关阀阀口15面积依次按照二进制编码确 定；所述进气腔1安装有第一压力传感器2和第一温度传感器3；所述出气腔7 安装有第二压力传感器5和第二温度传感器6；所述出气阀8为第八个二级高压 气动开关阀。

所述进气腔1与出气腔7通过并列排列的七个二级高压气动开关阀连通。

所述八个二级高压气动开关阀结构相同，二级阀体4内部由阶梯型阀芯16 分隔成控制腔12和阀芯腔13，控制腔12内的第一弹簧17与阶梯型阀芯16的 大端面接触，阶梯型阀芯16的小端面正对装有密封圈14的拉法尔喷嘴结构的 阀口15；第一个一级高压气动高速开关阀的进气口分别与高压气源11和阀芯腔 13连通；第一个一级高压气动高速开关阀的出气口分别与控制腔12和第二个一 级高压气动高速开关阀的进气口连通，第二个一级高压气动高速开关阀出气口 和排气口9相连。

所述一级高压气动高速开关阀10结构相同，其一级阀体20内部被锥形阀 芯24分隔成高压端18与低压端22；所述高压端18的进气口19即为一级高压 气动高速开关阀10的进气口，低压端22的出气口23即为一级高压气动高速开 关阀10的出气口；设有两个气孔的锥形阀芯24大端面与高压端18的第二弹簧 25接触，锥形阀芯24锥面与高速开关电磁铁21在低压端22接触。

下面结合附图，简述本发明工作原理：

图1所示高压气体压力流量复合控制数字阀的进气腔和出气腔分别安装有 压力和温度传感器(p_i、T_i和p_o、T_o)，当高压气体压力流量复合控制数字阀用 作压力阀时，控制器根据出气腔7的压力p_o启闭七个二级高压气动开关阀及出 气阀8，出气压力p_o低于目标压力时，高压气体从进气腔1经七个二级高压气 动开关阀通过出气腔7进入负载端，控制器根据误差大小组合启闭七个二级高 压气动开关阀(q₁...q₇)，使精度达到1/128；出气压力p_o高于目标压力时，控制 器开启放气阀8(q_r)。当高压气体压力流量复合控制数字阀用作流量阀时，控 制器根据进气腔1的温度T_i、压力p_i以及出气腔7的压力p_o组合启闭七个二级 高压气动开关阀。具体高压气体压力流量复合控制数字阀气体质量流量计算如 公式(1)所示：

其中q₃为高压气体压力流量复合控制数字阀气体质量流量，α为缩流系数， A₃为组合开启的七个二级高压气动开关阀开口总面积，T_i为进气腔1中气体的 温度，k为比热容比，对于空气k＝1.4，R为气体常数，对于空气R＝287J/(kg·K)， p_i为进气腔1中气体的压力，p_o为出气腔7中气体的压力，b为出气腔7与进气 腔1气体临界压力比。

图2所示的二级高压气动开关阀由两个为一组的一级高压气动高速开关阀 10驱动。需要关闭二级高压气动开关阀时，打开第一个一级高压气动高速开关 阀10(即V₁)，高压气体从高压气源11进入控制腔12，阶梯型阀芯16在气体压 力(p_c、p_i和p_o)和第一弹簧17力的作用下关闭，在控制腔12气体压力接近高 压气源11压力且二级高压气动开关阀关闭后，关闭第一个一级高压气动高速开 关阀10(即V₁)；需要打开二级高压气动开关阀时，打开第二个一级高压气动高 速开关阀10(即V₂)，高压气体从控制腔12经排气口9排入大气，阶梯型阀芯 16在气体压力(p_c、p_i和p_o)和第一弹簧17力的作用下打开，同样在控制腔12 气体压力下降至一定程度二级高压气动开关阀打开后，关闭第二个一级高压气 动高速开关阀10(即V₂)即可。具体二级高压气动开关阀气体质量流量计算如公 式(2)所示：

其中q₂为二级高压气动开关阀气体质量流量，α为缩流系数，A₂为阀口15 开口面积，T_i为进气腔1中气体的温度，k为比热容比，对于空气k＝1.4，R为 气体常数，对于空气R＝287J/(kg·K)，p_i为高压气源11即进气腔1中气体的压 力，p_o为阀口15即出气腔7中气体的压力，b为出气腔7与进气腔1气体临界 压力比。

采用这种双高频响一级高压气动高速开关阀10加阀口15为拉法尔喷嘴结 构形式的二级高压气动开关阀，其密闭的控制腔12结合一级高压气动高速开关 阀10的控制方式可以避免一级高压气动高速开关阀10中高速开关电磁铁21长 时间通电，降低了阀门功耗；更重要的是由于一级高压气动高速开关阀10的出 气口23气体过流时间较短，可以避免剧烈的节流降温而导致结冰，提高二级高 压气动开关阀及高压气体压力流量复合控制数字阀的可靠性。此外拉法尔结构 形式的阀口15流道可以大大提高二级高压气动开关阀的背压比，在减小压力损 失同时也减少压力和温度的波动，使高压气体压力流量复合控制数字阀在控制 上大为简化。

图3所示的高频响高压气动高速开关阀10为二位二通式锥阀。采用结构简 单、成本低廉且可靠性高的高速开关电磁铁21为电-机械转换器；区别于传统的 锥阀式先导阀，该锥形阀芯24与高速开关电磁铁21在低压端22始终接触，在 高速开关电磁铁21不通电时，在气体压差以及第二弹簧25的作用下锥形阀芯 24处于关闭状态，仅需在高压气体压力流量复合控制数字阀流量需要调整时启 动高速开关电磁铁21短暂打开。