阅读说明：本技术 一种隔离式两位三通阀 (Isolated two-position three-way valve ) 是由 朱崇涛 李健 何海涛 刘岳 孙晓伟 马道远 查雄权 姚少君 于 2020-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种隔离式两位三通阀,包括阀体以及封装于阀体中的阀芯、复位弹簧、活塞和顶杆,阀体内部设置有介质腔和控制腔,阀体的壳体上设置有控制口、排口和3个流体介质接口；阀芯和复位弹簧均封装于介质腔中,活塞封装于控制腔中,顶杆的两端分别连接阀芯和活塞,活塞通过顶杆推动阀芯,使阀门打开或关闭。本发明提供的隔离式两位三通阀,内部结构简单,使用气压(或液压)配合复位弹簧作为阀门动作的驱动力,推动活塞运动。在活塞上设置弹簧蓄能密封圈,实现控制腔的动密封。在介质腔与流体作用腔之间设置隔离腔,实现介质隔离,并且在介质腔与流体作用腔发生泄漏时引走泄漏的流体,能防止介质互串。(The invention discloses an isolated two-position three-way valve which comprises a valve body, a valve core, a reset spring, a piston and a mandril, wherein the valve core, the reset spring, the piston and the mandril are packaged in the valve body; the valve core and the return spring are both packaged in the medium cavity, the piston is packaged in the control cavity, two ends of the ejector rod are respectively connected with the valve core and the piston, and the piston pushes the valve core through the ejector rod to open or close the valve. The isolated two-position three-way valve provided by the invention has a simple internal structure, and uses air pressure (or hydraulic pressure) to be matched with the return spring as the driving force of the valve action to push the piston to move. And a spring energy storage sealing ring is arranged on the piston to realize dynamic sealing of the control cavity. An isolation cavity is arranged between the medium cavity and the fluid action cavity to realize medium isolation, and leaked fluid is guided away when the medium cavity and the fluid action cavity are leaked, so that the media can be prevented from being mutually crossed.)

一种隔离式两位三通阀

技术领域

本申请属于阀门技术领域，具体涉及一种隔离式两位三通阀。

背景技术

两位三通阀广泛应用于石油化工行业、钢铁冶金领域，其主要结构是阀体上设置三个流体介质接口，阀体内部为连通三个流体介质接口的阀腔，阀腔内设置可移动的阀芯，通过改变阀芯的位置控制阀体上不同接口之间通道的通断。阀芯受注入高压流体作用而移动，若控制流体为气体，则阀门为气控式；若控制流体为液体，则阀门为液控式。

现有的两位三通阀在使用过程中经常出现阀芯损坏、介质泄漏的问题，限制了两位三通阀在高端工业领域中的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种隔离式两位三通阀，阀门使用寿命长，且可防止工作介质与控制流体互串。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种隔离式两位三通阀，包括阀体，以及封装于所述阀体中的阀芯、复位弹簧、活塞和顶杆，其中：

所述阀体内部设置有介质腔和控制腔，所述介质腔和所述控制腔通过顶杆孔连通；所述阀体的壳体上设置有控制口、排口和3个流体介质接口；所述控制口和所述排口分别与所述控制腔连通；3个所述流体介质接口分别为流体入口、流体出口和泄出口，3个所述流体介质接口分别与所述介质腔连通；

所述阀芯和所述复位弹簧均封装于所述介质腔中；所述活塞封装于所述控制腔中，所述活塞与所述控制腔之间设置有第一密封圈，所述控制腔通过所述活塞和所述第一密封圈分隔为与所述排口连通的隔离腔和与所述控制口连通的流体作用腔两个独立的腔体；

所述顶杆贯穿安装于所述顶杆孔中，所述顶杆的两端分别连接所述阀芯和所述活塞；所述阀芯通过所述顶杆驱动，在将所述流体入口与所述流体出口导通、以及将所述流体入口和所述泄出口导通两个状态之间切换；

所述顶杆与所述顶杆孔之间设置有第二密封圈，所述介质腔和所述控制腔通过所述顶杆和所述第二密封圈隔离为两个独立的腔体。

可选的，所述第一密封圈为弹簧蓄能密封圈；所述第二密封圈为弹簧蓄能密封圈。

可选的，所述阀体包括阀座以及位于所述阀座两端的端盖，所述泄出口和所述控制口分别设置于两个所述端盖上。

可选的，所述阀座与设置有控制口的所述端盖之间设置有第三密封圈。

可选的，所述阀芯的芯体为阶梯轴，阶梯轴的中部为用于安装所述复位弹簧的定位台阶；所述芯体与所述顶杆连接，所述芯体两端的端面分别用于封堵所述流体出口和所述泄出口。

可选的，所述阀体上设置有向所述介质腔凸出的导向轴，所述泄出口设置于所述导向轴中；所述导向轴的端部设置有凸台，所述泄出口的开口位于所述凸台的台面上，所述芯体的其中一端端面贴紧所述凸台的台面，以封堵所述泄出口。

可选的，所述阀芯包括所述芯体和导向套，所述导向套套装于所述导向轴上、且可沿所述导向轴轴向移动；所述复位弹簧套装于所述导向套上、且通过所述定位台阶定位。

可选的，所述导向套上沿周向均匀设置有2个以上介质流通孔，所述泄出口通过所述介质流通孔与所述介质腔连通。

可选的，所述芯体与所述阀体之间设置有第四密封圈，所述第四密封圈位于所述芯体中与所述顶杆连接的端部上。

可选的，所述阀体中与所述芯体接触的部位上设置有一圈凸起，当所述芯体与所述阀体接触、封堵所述流体出口时，所述凸起压紧所述第四密封圈。

由上述技术方案可知，本发明提供的隔离式两位三通阀，包括阀体，以及封装于阀体中的阀芯、复位弹簧、活塞和顶杆，阀体内部的腔体包括用于工作流体介质流通的介质腔和用于控制流体作用的控制腔，在介质腔和控制腔之间设置有用于安装顶杆的顶杆孔，当顶杆安装后，介质腔和控制腔通过顶杆和第二密封圈隔离为两个独立的腔体，从而实现工作介质与控制流体之间的隔离。

顶杆的两端分别连接阀芯和活塞，活塞与控制流体直接接触，承受控制流体的作用，相比于现有两位三通阀，高压控制流体驱动阀芯时，高压控制流体直接作用于阀芯，高压控制流体的直接冲击容易损害阀芯，本发明的隔离式两位三通阀中，高压控制流体通过活塞和顶杆间接作用于阀芯，因此阀芯不会受控制流体冲击损坏。

活塞封装于控制腔中并通过第一密封圈密封，从而将控制腔分隔为隔离腔和流体作用腔两个独立的腔体，隔离腔设置于介质腔与流体作用腔两个腔体之间，一方面起隔离介质的作用；另一方面在介质腔与流体作用腔发生泄漏时，可以通过排口将泄漏的工作介质或者控制流体引走，从而防止介质互串。

与现有技术相比，本发明提供的隔离式两位三通阀，通过设置活塞和顶杆与控制流体介质接触，从而避免控制流体对阀芯直接冲击，避免阀芯受直接冲击损坏；通过设置隔离腔隔离工作介质与控制流体，并且能在工作介质或控制流体发生泄漏时即使引走泄漏的介质，防止介质互串。本发明提供的隔离式两位三通阀内部关键零件不易损坏，因而使用寿命长，且内部介质隔离性好，有利于该阀门在高精尖工业领域的应用。

附图说明

图1为本发明实施例中隔离式两位三通阀在泄出口导通状态下的全剖结构图；

图2为本发明实施例中隔离式两位三通阀在出口导通状态下的全剖结构图。

附图标记说明：100-隔离式两位三通阀；10-阀体，11-阀座，12a/12b-端盖，13-导向轴，14-凸台，15-凸起；20-阀芯，21-芯体，22-导向套，23-定位台阶，24-介质流通孔；30-复位弹簧；40-顶杆；50-活塞；60-介质腔；70-控制腔，71-隔离腔，72-流体作用腔；80-顶杆孔；91-第一密封圈，92-第二密封圈，93-第三密封圈，94-第四密封圈。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

本发明实施例提供一种隔离式两位三通阀100，其结构如图1和图2所示，主要包括包括阀体10，以及封装于阀体10中的阀芯20、复位弹簧30、活塞50和顶杆40。两位三通阀是指阀门内部的阀芯20共有2个位置状态(开、关)，对应有三个通路接口(A、B、C)。工作时，2个位置状态分别可使3个接口两两相通(开：A与B连通；关：A与C连通)。下面结合一典型实施例对本发明实施例的隔离式两位三通阀100的各组成部分的结构进行详细描述：

阀体10是隔离式两位三通阀100各零部件的安装基础，阀芯20、复位弹簧30、活塞50和顶杆40均通过阀体10安装固定。为方便该阀门的安装于内部维修，本实施例中阀体10采用分体式结构，参见图1，阀体10包括阀座11以及位于阀座两端的端盖12，泄出口C和控制口F分别设置于两个端盖12上，为方便区别，两个端盖中靠近阀芯20的记为端盖12a，靠近活塞50的记为端盖12b。阀座11与端盖12b之间设置有第三密封圈93，防止控制流体泄露。

阀体10的结构限制了阀门的“通路”和“工作位”。具体的，参见图1，阀体10具有中空的阀腔，该阀腔包括三个腔体介质腔60、控制腔70和顶杆孔80，其中介质腔60是工作介质流体流通的区域，控制腔70是控制流体流动的区域，介质腔60和控制腔70通过顶杆孔80连通，顶杆孔80用于安装顶杆40。

阀体10的壳体上共设置有5个连通阀腔与外界的通口，参见图1和图2，分别为控制口F、排口T和3个流体介质接口。控制口F和排口T分别与控制腔70连通。3个流体介质接口分别为用于流体介质流入的流体入口A、用于流体介质流出的流体出口B和用于流体介质泄出的泄出口C，3个流体介质接口分别与介质腔60连通。

参见图1和图2，阀芯20和复位弹簧30均封装于介质腔60中，活塞50封装于控制腔70中，顶杆40贯穿安装于顶杆孔80中，顶杆40的两端分别连接阀芯20和活塞50。阀芯20通过顶杆40驱动，在将流体入口A与流体出口B导通、以及将流体入口A和泄出口C导通两个状态之间切换。具体的，当控制流体向活塞50施加作用力时，活塞50通过推杆推动阀芯20克服复位弹簧30的弹性力向前移动。当控制流体泄出时，复位弹簧30的弹性力推动阀芯20退回原位。整个工作过程中，控制流体与阀芯20不接触。

参见图1，为防止控制流体泄露，在活塞50与控制腔70之间设置有第一密封圈91，顶杆40与顶杆孔80之间设置有第二密封圈92。控制腔70通过活塞50和第一密封圈91分隔为隔离腔71和流体作用腔72两个独立的腔体，其中隔离腔71与排口T连通，流体作用腔72与控制口F连通。介质腔60和控制腔70通过顶杆40和第二密封圈92隔离为两个独立的腔体。也即，整个隔离式两位三通阀100内部具有3个独立、且相互密封隔离的腔体：介质腔60、隔离腔71和流体作用腔72，隔离腔71位于介质腔60和流体作用腔72，其隔离介质、防止介质互串的作用。

第一密封圈91、第二密封圈92可采用“O”型橡胶密封圈、金属波纹管等现有任意密封形式。本实施例中，第一密封圈91和第二密封圈92均采用弹簧蓄能密封圈。弹簧蓄能密封圈包括密封壳及其内部的弹簧，安装在沟槽内，弹簧受压，形成向外的张力，促使密封唇紧贴密封沟槽，由于弹簧永久给密封唇提供弹力，能弥补密封壳磨损和配合零件的偏心，由此形成从真空到低压范围内的密封。另外系统压力会辅助弹簧蓄能，压力越大，密封唇与沟槽贴合的越充分，由此形成高压密封。密封壳是由PTFE、填充PTFE、PEEK、填充PEEK、PVDF、PPS或其它高性能的聚合材料经机械加工制成，材料决定了弹簧蓄能密封圈适用于从-268℃到+427℃温度范围内，密封几乎所有的液体、化学制品和气体。并且可以无限贮存，不存在老化问题。金属弹簧有多种形式可供选择，有O型弹簧，V型弹簧，U型弹簧，满足不同运动形式的密封要求。

本实施例的隔离式两位三通阀100中，阀芯20采用特殊的结构，参见图1，阀芯20包括芯体21和导向套22，芯体21用于连接复位弹簧30和顶杆40，以及封堵流体出口B和泄出口C。具体的，芯体21为截面呈凸字型的阶梯轴，中部具有定位台阶23用于安装复位弹簧30，芯体21的两个轴段的端面分别用于封堵流体出口B和泄出口C，顶杆40与芯体21的大轴段连接。

为实现有效封堵、防止介质泄漏或泄压，在芯体21的小轴端，即封堵泄出口C的一侧，阀体10的端盖12a上设置有向介质腔60凸出的导向轴13，泄出口C设置于导向轴13中，导向轴13增加了泄出口C的伸入长度。导向轴13的端部设置有凸台14，泄出口C的开口位于凸台14的台面上，如图2所示。通过加工出具有较高表面平整度的凸台14台面，可以确保在控制流体的压力作用下芯体21的小轴端面与凸台14台面严密贴合，从而防止工作介质泄露。

为实现有效封堵、防止介质泄漏或泄压，在芯体21的大轴端，即封堵流体出口B的一侧，设置有第四密封圈94，第四密封圈94具体安装于芯体21大轴端开设的密封沟槽中，在阀座11中与芯体21接触的部位上设置有一圈凸起15，如图2所示。当芯体21与阀体10接触、封堵流体出口B时，凸起15压紧第四密封圈94，如图1所示。

导向套22的作用是提高阀芯20的运动精度，导向套22套装于导向轴13上、且可沿导向轴13轴向移动，导向套22与导向轴13优选间隙配合，保证运动精度，工作介质可充当二者之间的润滑剂。导向套22上沿周向均匀设置有2个以上介质流通孔24，泄出口C通过介质流通孔24与介质腔60连通。复位弹簧30套装于导向套22上，一端抵紧端盖12a的内端面、另一端通过定位台阶23定位。

本发明实施例提供的隔离式两位三通阀可采用下述任一种工作形式：1、气控阀，工作介质为液体；2、气控阀，工作介质为气体；3、液控阀，工作介质为气体；4、液控阀，工作介质为液体。

以第一种工作形式“气控阀，工作介质为液体”为例，本发明实施例提供的隔离式两位三通阀的工作原理如下：

A、当阀门气控口F内的高压气体泄出的时候，复位弹簧30推动阀芯30向右侧运动，阀芯30右端面落在阀座11的凸起15上，阀门处于关闭状态，此时流体入口A与泄出口C连通、与流体出口B隔离，工作流体介质的流动路径如图1中虚线a所示，流动方向如图1中箭头所示。

B、当阀门气控口F内的高压气体增压的时候，高压气体推动活塞50左移，活塞50通过顶杆40推动阀芯30向左侧运动，阀芯30左端面落在端盖12a上，阀门处于开启状态，此时流体入口A与流体出口B连通、与泄出口C隔离，工作流体介质的流动路径如图2中虚线b所示，流动方向如图2中箭头所示。

应用实例：

液体火箭发动机中需要使用多种不同功能的阀门来控制推进剂的流通，截断与换向，以控制火箭发动机的工作状态。相比于两位两通阀(截止阀)，两位三通阀的结构相对较复杂，故障率相对较高，故而两位三通阀在低温发动机中较少应用，一般是每个通路安装一个截止阀。这是限制两位三通阀在低温发动机中应用的因素之一。

限制两位三通阀在低温发动机中应用的因素之二是阀门的密封形式，传统液体火箭发动机阀门采用“O”型橡胶密封圈(常温推进剂)及金属波纹管(低温推进剂)作为其动密封形式。其中“O”型橡胶密封圈目前难以用于低温推进剂，且压力适用范围较窄，优点是结构简单，是最常见的常温密封形式；金属波纹管优点是可以达到零泄漏，但是对于高介质压力、大尺寸阀门来说，制造困难、生产成本高、周期长，且结构空间大，在两位三通阀中较少应用。

本发明实施例提供的隔离式两位三通阀则可完美应用于液体火箭发动机以及其他低温发动机中。一方面，本发明实施例提供的隔离式两位三通阀内部结构简单，且阀芯与控制流体不直接接触，故障率低。另一方面，本发明实施例提供的隔离式两位三通阀，两个关键密封圈均采用弹簧蓄能密封圈，相较于“O”型橡胶密封圈，弹簧蓄能密封圈可用于更高的压力范围及更宽的温度区间，尤其是低温液体火箭发动机上，可用于液氢、液甲烷、液氧等超低温阀门上；相较于金属波纹管密封结构，可解决高压金属波纹管研制难度大、生产周期长、成本高的问题，并且所占空间结构更小，可以减轻阀门整体体积及重量。

并且，在液体火箭发动机以及其他低温发动机中应用本发明实施例提供的隔离式两位三通阀，一个两位三通阀起到了两个截止阀的作用，不仅节省了一个阀，还节省了管路、接头、连接等构件，这对于飞行器以及航天设备的减负非常重要。

通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

1)本发明提供的隔离式两位三通阀，通过设置活塞和顶杆与控制流体介质接触，从而避免控制流体对阀芯直接冲击，避免阀芯受直接冲击损坏。本发明提供的隔离式两位三通阀内部关键零件不易损坏，因而使用寿命长，且内部介质隔离性好，有利于该阀门在高精尖工业领域的应用。

2)本发明提供的隔离式两位三通阀，解决液体火箭发动机对两位三通阀门的需求，节省阀门数量，优化系统管路；解决传统两位三通阀门温度适用范围窄，高压大尺寸研制难度大，生产周期长，成本高的问题。

3)本发明提供的隔离式两位三通阀，内部结构简单，使用气压(或液压)配合弹簧作为阀门动作的驱动力，推动活塞运动。在活塞上设置弹簧蓄能密封圈，实现控制腔的动密封。在介质腔与流体作用腔之间设置隔离腔，实现介质隔离，并且在介质腔与流体作用腔泄漏时引走泄漏的流体，能防止介质互串。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。