專利名稱：：高性能微型調節器的制作方法
技術領域：
：本公開總體涉及壓力調節器，更具體而言是涉及高性能微型調節器。
背景技術：
：壓力調節器已經長期存在于工業界。盡管已作出了小型化傳統設計的大量嘗試，但這些微型調節器對在高精確度壓力控制應用中控制壓力而言還缺乏必要的精確度。壓力調節器用于各種工業。例如，在醫療行業中，壓力調節器用于在氣囊閥、呼吸和通氣應用中保持處于低輸出壓力的一致輸出設定值。在這些應用中，壓力調節器尺寸較小且重量較輕，允許壓力調節器在便攜式醫療設備的有限空間和重量范圍內工作。壓力調節器在各種條件下運行，如應用的供應給壓力調節器的供給壓力以及固有周期性質的大范圍變化，這需要高性能的周期壽命。另外，無論填充還是排放模式的供應變化如何，都希望壓力調節器提供優良的可重復性。因此，微型精確壓力調節器的適當性能參數包括低供壓效應、低供給閥鎖定特性以及供給閥的開口與排出閥之間的小死區。現有技術微型壓力調節器在這些關鍵方面都存在缺陷。更具體而言，微型壓力調節器設計的主要問題在于在提供能立即補償系統變化的高響應裝置的同時，必須保持對防漏供給閥的精確壓力控制。例如，持續可變的系統變化可包括需要精密壓力調節器補償以保持輸出設定值的供應壓力變化以及下游流波動變化。流動要求不必要時，必須有效密封供給閥以防止輸出壓力在封閉端系統內緩慢上升。因此，需要一種改進的高性能微型調節器。
發明內容壓力調節器用于將供應給系統的氣體或流體保持在預定的設定點壓力。實際大小的壓力調節器通常結合有壓力平衡供給閥，該壓力平衡供給閥排除供應壓力對設定點壓力的影響。壓力平衡機構可以是隔膜或滑動密封件，該隔膜或滑動密封件連接至供給閥，且具有與供給閥的坐落區域相當并相對的有效壓力區域。但在典型微型壓力調節器中，壓力平衡供給閥因極端微型化的原因而不切實際。微型壓力調節器在100磅/平方英寸的供給壓力下具有2"或更少的覆蓋區域，并可具有幾標準立方英尺/分鐘的流量。因此，微型壓力調節器典型結合較簡單的不平衡供給閥設計。不平衡供給閥與平衡供給閥相類似，但沒有反抗作用于供給閥密封區域的供應壓力的薄膜或滑動密封平衡機構。在不平衡閥設計中，挑戰在于在實現可靠的閥操作特性的同時，使得所謂的“供壓效應”最小。壓力調節器的供壓效應是由于施加給壓力調節器的供應壓力的變化而造成的壓力調節器輸出壓力設定值的變化。在典型的不平衡供給閥壓力調節器中，輸出壓力隨著供應壓力的增大而減小。供壓效應因控制隔膜周圍的力平衡系統而變化。范圍彈簧(rangespring)被構造成對隔膜的一側施加力，并通過作用于隔膜相對側上的區域的輸出壓力的等效力得以平衡。增加的供應壓力使得供給閥的坐落力增加，而該坐落力必須由范圍彈簧抵消。因此，更小的范圍彈簧力可用來抵消輸出壓力的力。結果，輸出壓力隨之減小而保持適當的力平衡。為實現這些特性，閥和閥座必須具有很小但卻非常高精確的表面。在不平衡供給閥微型壓力調節器中，供壓效應和供給閥坐落面積與控制隔膜的有效表面面積的比成比例。比越小，供應壓力變化對輸出壓力設定值的影響就越小。在精確壓力調節器中的供壓效應可以是1100或更小，和對于在供應壓力中100磅/平方英寸的變化在輸出壓力中小于1磅/平方英尺的變化相當。為實現此供壓效應，實施例中的供給閥坐落面積與控制隔膜的表面面積之間的比為1100或更小。各種設計選擇影響壓力調節器的設定值精確度，如閥鎖定特性和死區特性。閥鎖定是供給閥從狹小開口過渡到完全關閉位置時產生的壓力急劇升高。死區是供給閥的開口與排出閥的開口之間的輸出壓力差。死區的大小根據施加于供給閥和隔膜區域上的關閉力的變化而變化。根據本公開的一個實施例的壓力調節器包括打開和關閉座的彈簧偏壓閥。鎖定特性取決于閥和閥座的精度。例如，能利用較小的力密封高精度閥和閥座。結果，高精度閥的鎖定壓力正好大于打開壓力調節器所在點的輸出壓力。相反，為在高精度微型調節器中密封低精度閥和閥座，必須將較大力施加給閥，以使得閥產生足夠變形而形成密封。結果，閥繼續將壓力施加給調節器的出口端口，隨著將閥力從偏壓彈簧傳遞至閥座使得輸出壓力升高。具有不良鎖定特性的壓力調節器表現出在無流動情況下的輸出壓力大于在流動情況下的輸出壓力。傳統微型調節器平面閥通常由于閥與匹配閥座之間的錯位引起的滲漏而表現出不良鎖定特性。此外，由于微型調節器的內部構件極小，因此，即便是利用最現代化的制造工藝也很難保持高精度。在經歷外部影響致使回流情況的高度精確的應用中，閥和閥座被構造成具有在供給閥和排出閥的起動之間的低死區特性，以保證正常運行。傳統的微型壓力調節器設計包括與環狀凸起閥座圈相匹配的大致平面的閥坐落表面。在此構造中，實際的密封直徑延伸到主閥口外。于是該無效的大閥坐落直徑受到供應壓力產生的不希望的大且不均衡的閥坐落力。這些較大的力作用于與偏壓彈簧相對的閥，從而增大所需要的偏壓彈簧力，借此打開閥。此低效率操作導致產生降低控制精度的較大死區。死區還通過有效閥坐落面積與隔膜表面面積之間的比規定。由于隔膜的總體尺寸受調節器的覆蓋區域大小的限制，且隔膜的表面面積因此也受到調節器的覆蓋區域大小的限制，從而，使得與給定尺寸隔膜相聯的閥坐落面積越大必定會導致閥坐落面積與隔膜表面面積的比越小。因此，具有平坦閥和閥座構造的傳統調節器由于不平衡力以及其閥座隔膜比較大而具有大死區。此外，未構造與平坦座匹配的大致平坦的閥，以適應與閥的任何錯位。因此，閥與閥座之間的任何錯位都導致最臨界區域的滲漏，從而導致不良鎖定以及不精確的輸出壓力。根據本公開的一個實施例，公開了一種壓力調節器。所述壓力調節器包括外殼，所述外殼具有通過密封座中限定的開口相互連接的供應端口和出口端口。所述壓力調節器還包括供給閥組件，所述供給閥組件具有核芯以及設置在核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體被構造成密封開口；以及隔膜組件，所述隔膜組件由范圍彈簧偏壓，并被構造成推動供給閥，所述隔膜組件具有工作表面面積。根據本公開的另一個實施例，公開了一種壓力調節器。所述壓力調節器包括外殼，所述外殼具有通過在密封座中限定的開口相互連接的供應端口和出口端口。所述壓力調節器還包括供給閥組件，所述供給閥組件具有核芯以及設置在核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體被構造成密封開口；以及隔膜組件，所述隔膜組件由范圍彈簧偏壓，并被構造成推動供給閥。隔膜組件包括工作表面面積以及限定釋放通道的釋放座，其中所述釋放座被構造成由核芯密封。所述壓力調節器還包括可調范圍螺釘(adjustablerangescrew),所述可調范圍螺釘被構造成壓縮范圍彈簧，以設定預定的設定點壓力，其中隔膜組件被構造成在出口端口的壓力大于預定的設定點壓力時解除對釋放座的密封。根據本公開的另一個實施例，公開了又一個壓力調節器。所述壓力調節器包括外殼，所述外殼具有通過圓錐形密封座中限定的開口相互連接的供應端口和出口端口；以及供給閥組件，所述供給閥組件包括核芯以及設置在核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體包括被構造成密封開口的球面。結合附圖，根據以下詳細說明本公開的以上及其他方面、特征和優點將更加清楚，其中圖1是根據本公開的壓力調節器的側剖面圖；圖2是圖1的壓力調節器的閥組件處于打開構造的放大側剖面圖；以及圖3是圖1的壓力調節器的閥組件處于關閉構造的放大側剖面圖。具體實施例方式下面將參照附圖描述本公開的具體實施例。在以下描述中，為避免使本公開由于不必要的細節而不夠清楚，不再詳細描述眾所周知的功能或結構。本公開提供了一種克服傳統微型壓力調節器的缺陷的微型壓力調節器。所述壓力調節器可以是彈簧偏壓單級壓力調節器，包括與圓錐形閥座相匹配的包覆成型球形銷供給閥。此構造允許閥能直接坐落在閥座內，從而使與密封直徑內接的坐落區域最小。利用較小的坐落區域，坐落區域與對于任何給定隔膜的隔膜表面面積的比就比現有技術設計的顯著更大。根據本公開的壓力調節器的部件可由各種材料制成，如由模制的聚合物材料、鋁以及不銹鋼等等制成。對負荷較輕的應用而言，可使用模制的聚合物材料。為實現更牢固的性能，可使用諸如鋁的有色金屬材料，其原因是這些有色金屬材料能制造出堅固而重量輕的壓力調節器，并具有在高供應壓力(例如高達300磅/平方英尺)下運行的能力。可供選擇地，對需要超高強度的具體應用，或者對環境或氣體介質兼容性而言，可采用強度更大或耐腐蝕性更好的材料，如不銹鋼。參照圖1，示出了壓力調節器10，壓力調節器10包括上外殼(例如機罩)lla和下外殼lib。壓力調節器10為彈簧偏壓單級壓力調節器。壓力調節器10經由下外殼lib聯接到以預定壓力供應到其的流動介質(例如流體和/或氣體)源。更具體而言，介質如箭頭14所示在供應端口12進入壓力調節器10，而如箭頭18所示通過出口端口16離開壓力調節器10。壓力調節器10可經由供應端口12和出口端口16聯接至管道，例如在醫院環境中提供氧氣的管道。處于壓力下的介質經由通道22從介質流入供給閥室20之處進入供應端口12，供給閥室和供應端口都被限定在下外殼lib內。壓力調節器10包括設置在上外殼Ila的上腔室26中的范圍彈簧24。更具體而言，范圍彈簧24設置在范圍螺釘28與隔膜組件30之間，借此將向下的偏壓力施加給隔膜組件30。可將范圍螺釘28調節為預定范圍，以控制范圍彈簧24的壓縮量，這反過來控制施加到隔膜組件30上的力。這允許調節預定的設定點壓力。范圍螺釘28可包括用于手動或自動調節的旋鈕31。在一個實施例中，范圍螺釘28可包括利用驅動器進行調節的驅動器聯接器(例如有槽凸圓頭螺釘(fillisterslot)、十字槽頭螺釘(Phillips)等等)。在另一實施例中，范圍螺釘28可由防亂擺弄的蓋(未示出)覆蓋，用以防止未經允許的調整。參照圖2和圖3，使隔膜組件30偏壓向不平衡供給閥組件34。隔膜組件30包括釋放座44，該釋放座具有限定在其內的釋放通道46。隔膜組件30利用釋放通道46將上腔室26的下部分成控制室48，該釋放通道用作上腔室與控制室之間的導管。隔膜組件30包括面向控制室48的工作表面面積“A”，工作表面面積“A”與下面將參照圖2和圖3作更詳盡論述的介質形成接觸。實施例中，工作表面面積“A”從大約0.2平方英寸到大約1.75平方英寸。供給閥組件34設置在供給閥室20內，并包括核芯36以及設置在核芯36上方的彈性殼體40。核芯36可由適用的剛性材料如黃銅或不銹鋼制成，并可具有球形銷頂(例如球形銷頂具有球面41)。殼體40可由任意種適當的彈性體(例如橡膠、聚合物等等)制成，并且也可具有球面43(例如坐落表面)。彈性體殼體40可通過包覆成型形成，并可粘結到核芯36。通過復位彈簧42沿與隔膜組件30相反的向上方向偏壓供給閥組件34。當完全偏壓供給閥組件34時，殼體40靠在密封座32上，該密封座具有限定在其內的開口45。開口45起到控制室48與供給閥室20之間的導管的作用。可在下外殼lib內加工密封座32和開口45。密封座32可具有被構造成與殼體40的球面43相匹配的圓錐形形狀，并可被制造成下外殼lib中的整體錐形閥座。此構造允許供給閥組件34的殼體40能直接坐落在密封座32內，從而最小化由殼體40的密封直徑內接的坐落區域。坐落區域較小，坐落區域與表面區域“A”的比就顯著低于現有技術設計。另外，在閉合構造中，供給閥組件40的核芯36還偏壓釋放座44。殼體40有利于供給閥組件34與密封座32之間的可靠防漏密封作用，從而實現精確而響應靈敏的性能。盡管傳統設計通常包括包覆成型平坦閥座，但對閥而非閥座進行包覆成型是有利的。通過對閥進行包覆成型，所形成的構造使得閥座節流面積最大。利用包覆成型制成的閥座，由于坐落表面的邊緣發生形變，因此，有效的節流面積增大。這增大了閥座的坐落區域。作用于較大坐落區域的供應壓力使得閥組件34的坐落力增大。較大的閥坐落力要求范圍彈簧24將力從隔膜組件30傳遞至閥組件34，以滿足力平衡系統的要求。施加給隔膜組件30的較小力最終減小降低壓力調節器精確度的設定點壓力。盡管包覆成型閥可變形，但節流面積和坐落區域還是保持一致。供給閥組件34和密封座32的幾何形狀同樣極大提高了壓力調節器10的性能。供給閥組件34的球面41和43實現多種功能。由于供給閥組件34在出現任意程度的軸向錯位時都以圓形接觸形式緊緊坐落，因此，面43的球表面本身適合于適應供給閥組件34與其密封座32之間的錯位。此外，圓錐形密封座32作為錐形引導漏斗以相對于錐形座的較小開口將供給閥組件34引入其坐落面表內的正常位置。密封座32的圓錐形成錐形，并終止于開口45的口徑。此構造消除了具有平坦閥座的傳統設計一個具體缺點，其可能在閥軸向不同心時易于滲漏，從而導致中止工作或在局部開啟位置卡住。另外，球形包覆成型殼體40允許設定開口45的尺寸以保持對于壓力調節器10的必需流量所需要的最小直徑。由于球面43被構造成坐落于開口45與錐形密封座32的交界處，因此，相對于隔膜組件30的表面區域“A”使得有效閥坐落區域最小以實現可能的最小比，借此形成對于給定覆蓋面積的調節器的最低供壓效應和最低死區性能。也就是說，使得供給閥組件34的坐落區域(例如球面43與密封座32之間的接觸區域)最小以形成相對于隔膜組件30的表面區域“A”具有至少1100的比的環狀接觸形式。如圖2所示，當彈簧24受到壓縮時，彈簧24在常壓(例如大氣壓)下施加比復位彈簧42在相反方向上施加的更大的力。當控制室48內不存在過大壓力時，由于彈簧24施加的力所產生的向下運動使得隔膜組件30向下移動，隔膜組件向下推動供給閥組件30，并使得閥組件34離開密封座32，為供應的介質經由閥座開口45從供給閥室20進入控制室48打開了通路。隨后，介質又經過將控制室48和出口端口16連接起來的出口通道50，并進入出口端口16。隨著介質流入出口端口16，壓力增大，并經過出口通道50，進入控制室48。存在于控制室48內的壓力將力施加給隔膜組件30，亦即表面區域“A”。基于對范圍螺釘28所作的調節，隔膜組件30上的壓力通過范圍彈簧24施加的力得以平衡。隨著壓力繼續增大，隔膜組件30上由控制室48中的壓力產生的力超過范圍彈簧24給予的力。結果，隔膜組件30在復位彈簧42的協助下跟隨供給閥組件34向上移動。一旦控制室48中的壓力基于調整螺釘28的設定達到設定點壓力，供給閥組件34接觸密封座32并封閉開口45，從而防止任何介質進入控制室48，如圖3所示。開口45由與密封座32形成接觸的殼體40密封，這防止了介質進一步從供給閥室20流入控制室48、出口通道50以及出口端口16。在沒有介質流入控制室48、出口通道50以及出口端口16的情況下，這些腔室內的壓力等于由調整螺釘28設定的壓力調節器10的設定值。一旦控制室48、出口通道50以及出口端口16中的下游壓力降低，表面區域“A”上產生的力就減小。隔膜組件30上的范圍彈簧24向下的力使得隔膜組件30向下移動，隔膜組件向下推動供給閥組件30，并使得閥組件34離開密封座32，為供應的介質經由閥座開口45從供給閥室20進入控制室48打開了通路，借此重新開始圖2所示的壓力調節過程。如果控制室48、出口通道50以及出口端口16中的下游壓力由于下游管道中的一些情況而超過設定值，或者如果通過使得范圍螺釘28收回而解除對范圍彈簧24的壓縮，則控制室48中作用于表面區域“A”的壓力使得隔膜組件30沿向上方向移動。供給閥組件34也由復位彈簧42向上推動，但通過殼體40與密封座32形成接觸防止跟隨隔膜組件30沿向上方向移動。隔膜組件30繼續向上行進，直到供給閥組件30的核芯36的頂端與釋放座44脫離連接。這允許被加壓的介質經由釋放通道46從控制室48流入上腔室26，借此減小存在于控制室48中的介質壓力。然后，介質填滿上腔室26，并經由排放端口19從壓力調節器10進入大氣(圖1)。可供選擇地，可將根據本公開的壓力調節器構造成通過封閉釋放通道46而實現的非釋放設計。此構造適用于需要非釋放、不漏氣和不滲漏性能的各種應用。所描述的本公開的實施例旨在說明而非限制性的，且不意在代表本公開的所有每個實施例。在不偏離以下權利要求的文字表述以及法律上認可的等同物的本公開的精神和范圍的前提下，能作出各種改進和變型。權利要求1.一種壓力調節器，包括外殼，所述外殼包括供應端口和出口端口，供應端口和出口端口通過密封座中限定的開口相互連接；供給閥組件，所述供給閥組件包括核芯以及設置在所述核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體被構造成密封所述開口；以及隔膜組件，所述隔膜組件由范圍彈簧偏壓，并被構造成推動所述供給閥，所述隔膜組件具有工作表面面積。2.根據權利要求1所述的壓力調節器，其中所述彈性殼體包括球面。3.根據權利要求2所述的壓力調節器，其中所述密封座具有圓錐形形狀。4.根據權利要求3所述的壓力調節器，其中所述工作表面面積與所述彈性殼體的球面和所述密封座的圓錐形形狀之間的接觸面積的比至少為1001。5.根據權利要求1所述的壓力調節器，其中所述供給閥組件包括被構造成偏壓所述核芯以及所述彈性殼體的復位彈簧。6.根據權利要求1所述的壓力調節器，還包括可調范圍螺釘，所述可調范圍螺釘被構造成壓縮所述范圍彈簧，以設定預定的設定點壓力。7.根據權利要求6所述的壓力調節器，其中所述隔膜組件包括限定釋放通道的釋放座，所述釋放座被構造成由所述核芯密封。8.根據權利要求7所述的壓力調節器，其中，在所述出口端口的壓力大于所述預定的設定點壓力時，所述隔膜組件被向上推動而解除對所述釋放座的密封。9.一種壓力調節器，包括外殼，所述外殼包括供應端口和出口端口，供應端口和出口端口通過密封座中限定的開口相互連接；供給閥組件，所述供給閥組件包括核芯以及設置在所述核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體被構造成密封所述開口；隔膜組件，所述隔膜組件由范圍彈簧偏壓，并被構造成推動供給閥，其中所述隔膜組件包括工作表面面積以及限定釋放通道的釋放座，所述釋放座被構造成由所述核芯密封；以及可調范圍螺釘，所述可調范圍螺釘被構造成壓縮所述范圍彈簧，以設定預定的設定點壓力，其中所述隔膜組件被構造成在所述出口端口的壓力大于預定的設定點壓力時解除對所述釋放座的密封。10.根據權利要求9所述的壓力調節器，其中所述彈性殼體包括球面。11.根據權利要求10所述的壓力調節器，其中所述密封座具有圓錐形形狀。12.根據權利要求11所述的壓力調節器，其中所述工作表面面積與所述彈性殼體的球面和所述密封座的圓錐形形狀之間的接觸面積的比至少為1001。13.根據權利要求9所述的壓力調節器，其中所述供給閥組件包括被構造成偏壓所述核芯以及所述彈性殼體的復位彈簧。14.根據權利要求9所述的壓力調節器，其中所述外殼包括用于經由所述釋放通道排放過大壓力的排放端口。15.一種壓力調節器，包括外殼，所述外殼包括供應端口和出口端口，供應端口和出口端口通過圓錐形密封座中限定的開口相互連接；以及供給閥組件，所述供給閥組件包括核芯以及設置在所述核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體包括被構造成密封所述開口的球面。16.根據權利要求15所述的壓力調節器，還包括隔膜組件，所述隔膜組件由范圍彈簧偏壓，并被構造成推動所述供給閥，所述隔膜組件具有工作表面面積。17.根據權利要求16所述的壓力調節器，其中所述工作表面面積與所述彈性殼體的球面和所述圓錐形密封座之間的接觸面積的比至少為1001。18.根據權利要求16所述的壓力調節器，還包括可調范圍螺釘，所述可調范圍螺釘被構造成壓縮所述范圍彈簧，以設定預定的設定點壓力。19.根據權利要求15所述的壓力調節器，其中所述供給閥組件包括被構造成偏壓所述核芯以及所述彈性殼體的復位彈簧。20.根據權利要求15所述的壓力調節器，其中通過對選自由橡膠和聚合物組成的組的彈性體進行包覆成型而形成所述彈性殼體。全文摘要公開了一種壓力調節器。所述壓力調節器包括外殼，所述外殼具有通過密封座中限定的開口相互連接的供應端口和出口端口。所述壓力調節器還包括供給閥組件，所述供給閥組件具有核芯以及設置在所述核芯上的彈性殼體，其中所述彈性殼體被構造成密封開口；以及隔膜組件，所述隔膜組件由范圍彈簧偏壓，并被構造成推動所述供給閥，所述隔膜組件具有工作表面面積。文檔編號G05D16/06GK101999103SQ200980112798公開日2011年3月30日申請日期2009年4月10日優先權日2008年4月11日發明者安迪·R·艾斯丘申請人:費爾查德工業產品公司