一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀及其方法
阅读说明：本技术 一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀及其方法 (Hydrogen pressure reducing valve with automatic pressure relief and cut-off functions and method thereof ) 是由 钱锦远 赵磊 林振浩 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀及其方法,氢气减压阀包括主减压阀和截止阀；其中,截止阀包括气流入口、端部设有截止阀芯的阀杆和气流出口；所述气流入口用于与外部进气管路相接,气流出口与调节通道的顶部连通,目标气体能通过气流出口进入调节通道并作用于所述第二盘状端部；所述阀杆上开设有泄压通道,泄压通道包括控制端和排放端,排放端与外界连通；控制端能在截止阀芯关闭时与截止阀的阀体内腔连通,在截止阀芯开启时封闭。本发明的氢气减压阀能够实现压力流量稳定且能够自动截止,从而能够在发生紧急情况(比如发生车祸)时,自动切断供气通道。在系统恢复正常状态时,还可以实现自动泄压功能。(The invention provides a hydrogen pressure reducing valve with automatic pressure relief and cut-off functions and a method thereof, wherein the hydrogen pressure reducing valve comprises a main pressure reducing valve and a cut-off valve; the stop valve comprises an airflow inlet, a valve rod with a stop valve core at the end part and an airflow outlet; the airflow inlet is used for being connected with an external air inlet pipeline, the airflow outlet is communicated with the top of the adjusting channel, and target gas can enter the adjusting channel through the airflow outlet and act on the second disc-shaped end part; the valve rod is provided with a pressure relief channel, the pressure relief channel comprises a control end and a discharge end, and the discharge end is communicated with the outside; the control end can be communicated with the inner cavity of the valve body of the stop valve when the stop valve core is closed and is closed when the stop valve core is opened. The hydrogen pressure reducing valve can realize stable pressure flow and can automatically cut off, so that an air supply channel can be automatically cut off when an emergency (such as a car accident) occurs. When the system returns to a normal state, the automatic pressure relief function can be realized.)
技术领域
本发明涉及减压阀装置领域，具体涉及一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀及其方法。
背景技术
随着全球对于能源的需求与日俱增，化石燃料由于其不可再生以及污染严重等缺点在未来的能源结构中的占比应越来越少，因此发展清洁高效的新能源与可再生能源是能源行业发展的大势所趋。在此背景下，氢能由于其具有可再生性、制取方式多样、无污染、能量转化率高、能量密度高、储存方式多样等特点，世界各国开始加大对氢能产业发展的重视，氢能应用技术的研究也亟待进行。氢能是当前能源发展中具有战略意义的、最有发展潜力的清洁能源。氢燃料电池汽车是氢能利用的一种重要形式。在实际应用中，高压轻质车载氢系统是高压轻质车载氢系统包括高压储氢气瓶、管道、高压氢气减压阀、安全阀、单向阀、氢气循环泵等设备，其中氢气减压阀是重要的部件。
氢气减压阀的减压原理是氢气通过狭窄截面时产生节流效应，氢气温度升高，压力降低，可以通过调节狭窄截面的面积来调节氢气的流量和出口压力。但目前常用的氢气减压阀作为集成瓶口阀中的一部分，只用于将从氢气瓶出来的氢气压力减至燃料电池的工作压力，功能十分单一。
故亟需设计一种能够自动截止的氢气瓶口减压阀。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀及其方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀，包括主减压阀和截止阀；
所述主减压阀包括同轴设置的阀体、调节封盖、顶杆、阀芯和入口封盖；所述阀体的轴向贯通开设空腔，侧壁开设阀体出口；调节封盖可拆卸式封闭装配于阀体的顶端，入口封盖可拆卸式封闭装配于阀体的底端；所述入口封盖中开设顺次连通的入口通道、控制通道和顶部凹槽，入口通道用于与外部进气管路相接；所述阀芯安装在阀体空腔下部，底部设有控制尖端，控制尖端的下部位于所述入口封盖的顶部凹槽内并能将所述控制通道封闭；所述控制尖端与所述顶部凹槽之间的周向空隙为中间通道，中间通道能通过控制通道与入口通道相连通；所述阀芯中设有与中间通道连通的第一气体通道；所述调节封盖远离阀体的一端同轴连接有螺纹杆，螺纹杆与调节封盖上分别开设轴向贯通且相互连通的第一孔道和第二孔道；所述顶杆安装在阀体空腔上部，包括依次连接的第一盘状端部、杆部和第二盘状端部；所述杆部贯通第二孔道并伸入第一孔道中，杆部高度不超出第一孔道，在第一孔道上部留有调节通道，杆部与调节封盖和螺纹杆的接触处保持气密性并且杆部可沿第一孔道和第二孔道上下滑动；调节封盖与第一盘状端部之间留有与阀体出口连通的第二气体通道，第一盘状端部轴向开设贯通的第三气体通道，第一气体通道通过第三气体通道与第二气体通道相连通；所述第一盘状端部压合于阀芯顶部，阀芯能够带动顶杆一同沿着阀体空腔竖直上下移动；所述第二盘状端部位于调节通道下部，且能沿调节通道轴向移动，第二盘状端部的径向横截面大于所述控制尖端的横截面；所述调节封盖与第一盘状端部之间设有套于顶杆杆部的第一弹簧，在入口封盖和第一盘状端部之间设有套于阀芯外部的第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧始终处于压缩状态；
所述螺纹杆的顶部连接截止阀，截止阀包括气流入口、端部设有截止阀芯的阀杆和气流出口；所述气流入口用于与外部进气管路相接，气流出口与调节通道的顶部连通，目标气体能通过气流出口进入调节通道并作用于所述第二盘状端部；所述阀杆上开设有泄压通道，泄压通道包括控制端和排放端，排放端与外界连通；控制端能在截止阀芯关闭时与截止阀的阀体内腔连通，在截止阀芯开启时封闭。
作为优选，所述截止阀为电磁截止阀，外接车用碰撞信号传感器。
作为优选，所述调节封盖与阀体、入口封盖与阀体、调节封盖与螺纹杆、螺纹杆与截止阀的装配方式均为螺纹连接。
作为优选，所述螺纹杆的孔道底部与顶杆杆部的接触位置设有用于密封的第一密封圈，调节封盖与阀体的固定位置设有用于密封的第二密封圈。
作为优选，所述阀芯与阀体的接触位置设有第三密封圈，第三密封圈的位置高于中间通道，使气体经过中间通道后全部进入第一气体通道；所述阀芯与入口封盖的顶部凹槽接触位置设有第四密封圈，第四密封圈的位置高于控制尖端。
作为优选，所述调节封盖底部沿径向设有向上的凹陷通道，凹陷通道的中心轴与阀体出口的中心轴平行，以加大第二气体通道的横截面积，使气体流动通畅。
作为优选，所述第一盘状端部的第三气体通道为多个。
作为优选，所述第一气体通道为倒T型，包括相互连通的竖直气体通道和水平气体通道；竖直气体通道与第三气体通道相连通，水平气体通道径向贯穿阀芯的控制尖端并与中间通道相连通。
作为优选，所述泄压通道为T型结构，包括相互连通的竖直泄压通道和水平泄压通道；竖直泄压通道径向贯穿阀杆并能与阀体内腔连通，水平泄压通道与外界连通。
第二方面，本发明提供了一种根据地方面任一所述氢气减压阀在汽车遭遇危险时的自动泄压和截止方法，具体如下：
1)在正常工作状态下，截止阀关闭，截止阀芯与截止阀座紧密配合形成密封，泄压通道与阀体内腔连通，外部进气管路的气流仅能通过入口封盖进入主减压阀；阀芯的控制尖端在入口通道通入的气流推动下向上移动，打开所述控制通道，使入口通道和中间通道相连通；从入口通道通入的气流依次经过控制通道、中间通道、第一气体通道、第三气体通道和第二气体通道，减压后从阀体出口排出；
2)当汽车遭遇危险情况时，截止阀开启，截止阀芯与截止阀座分离，气流入口与阀体内腔连通，泄压通道关闭；外部进气管路的气流分为两路，同时向气流入口和入口通道中通入相同压力的气流；从气流入口进入截止阀的气流，经阀体内腔和气流出口后进入调节通道上部，对所述第二盘状端部产生向下的作用力；在相同压力的气流作用下，由于第二盘状端部的径向横截面大于所述控制尖端的横截面，阀芯受到的压力合力向下，使控制尖端回落至将控制通道封闭，实现主减压阀的自动截止；
3)当危险解除后，关闭截止阀，使泄压通道与阀体内腔连通，截止阀内的气流排出，实现截止阀的自动泄压；同时，主减压阀重新恢复正常工作状态。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明的氢气减压阀能够实现压力流量稳定且能够自动截止，从而能够在发生紧急情况(比如发生车祸)时，自动切断供气通道。在系统恢复正常状态时，还可以实现自动泄压功能。
附图说明
图1是本发明氢气减压阀的结构示意图；
图中附图标记为：阀体1，螺纹杆2，调节封盖3，第一密封圈4a，第二密封圈4b，第三密封圈4c，第四密封圈4d，第一弹簧5a，第二弹簧5b，顶杆6，阀芯7，入口封盖8，入口通道9，中间通道10，调节通道11，阀体出口12，阀杆13，气流入口14，气流出口15，阀体内腔16，泄压通道17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明提供的一种具有自动泄压和截止功能的氢气减压阀，本发明是在现有技术的基础上，通过改变上端结构，使得该氢气减压阀不仅能够实现压力流量稳定，而且能够在发生紧急情况时，比如发生车祸时自动切断供气通道，即可以实现自动截止功能。氢气减压阀主要包括相互连接的两部分，即主减压阀和截止阀，下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。
主减压阀主要包括阀体1、调节封盖3、顶杆6、阀芯7和入口封盖8。沿竖直方向，阀体1从上到下依次装配调节封盖3、顶杆6、阀芯7和入口封盖8。阀体1、调节封盖3、顶杆6、阀芯7和入口封盖8的中心轴重合，即各部件同轴装配。
阀体1的轴向贯通开设空腔，侧壁开设阀体出口12。阀体出口12可以设置为一截管段，管段最后排气的一端具有用于与外部出气管路相接的连接结构，该连接结构可以为内螺纹结构，用于与外部管路螺纹连接固定。调节封盖3装配于阀体1的顶端，两者可拆卸式连接，且连接处保持封闭。调节封盖3与阀体1之间可以采用螺纹连接，调节封盖3与阀体1的固定位置设有第二密封圈4b，用于密封。入口封盖8装配于阀体1的底端，两者可拆卸式连接，且连接处保持封闭。入口封盖8与阀体1可以采用螺纹连接，连接处封闭。
入口封盖8中开设有顺次连通的入口通道9、控制通道和顶部凹槽，入口通道9用于减压阀进气。入口封盖8远离阀体1的一端具有用于与外部进气管路相接的连接结构，该连接结构可以为螺纹结构，通过螺纹连接与外部管路相固定。
阀芯7安装在阀体1的空腔下部，阀芯7底部设有控制尖端，该控制尖端的直径逐渐减小，形状可以为锥状、半球状等。阀芯7下部伸入入口封盖8的顶部凹槽中且侧壁与顶部凹槽形成密封，该密封可以采用加设第四密封圈4d的方式，第四密封圈4d的位置要高于阀芯7的控制尖端。在初始状态下，阀芯7底部的控制尖端压合于控制通道的出口处，将控制通道封闭。控制尖端与顶部凹槽之间的周向空隙为中间通道10，当控制尖端开启时，中间通道10能通过控制通道与入口通道9相连通。阀芯7中设有第一气体通道，第一气体通道与中间通道10相连通。阀芯7与阀体1的接触位置设有第三密封圈4c，第三密封圈4c的位置高于中间通道10，使气体经过中间通道10后全部进入第一气体通道。在实际应用中，第一气体通道可以为倒T型，包括竖直气体通道和水平气体通道，竖直气体通道与第三气体通道相连通，水平气体通道径向贯穿阀芯7的控制尖端并与中间通道10相连通。除此之外，第一气体通道还可以根据需要设置为其它形状的通道。
调节封盖3远离阀体1的一端同轴连接有螺纹杆2，该连接方式可以采用螺纹连接，螺纹杆2轴向设有贯通的第一孔道，调节封盖3轴向设有贯通的第二孔道，第一孔道和第二孔道相互连通。螺纹杆2的孔道底部与顶杆6杆部的接触位置设有第一密封圈4a，用于密封。螺纹杆2远离调节封盖3的一端具有用于与截止阀出气管路相接的连接结构，该连接结构可以为螺纹结构，用于与截止阀通过螺纹连接固定。
顶杆6安装在阀体1空腔上部，包括依次连接的第一盘状端部、杆部和第二盘状端部。杆部贯通第二孔道并伸入第一孔道中，杆部高度不超出第一孔道，在第一孔道上部留有调节通道11。杆部与调节封盖3和螺纹杆2的接触处保持气密性，并且杆部可沿第一孔道和第二孔道呈活塞式上下滑动。
调节封盖3与盘状头部之间设有第一弹簧5a，第一弹簧5a套设于杆部，调节封盖3与盘状头部之间留有第二气体通道，第二气体通道与阀体出口12相连通。第一盘状端部与阀芯7的顶部相接触，第一盘状端部轴向开设贯通的第三气体通道，第三气体通道可以根据需要设置多个，第一气体通道通过第三气体通道与第二气体通道相连通。为了使气体流动通畅，在调节封盖3底部可以沿径向设有向上的凹陷通道，以加大第二气体通道的横截面积，凹陷通道的中心轴与阀体出口12的中心轴平行。
在入口封盖8和第一盘状端部之间设有第二弹簧5b，第二弹簧5b套设于阀芯7外部。第一盘状端部与阀芯7分别通过第一弹簧5a和第二弹簧5b作用力呈压合状态，阀芯7能够带动顶杆6一同沿着阀体1空腔竖直上下移动。
第二盘状端部位于调节通道11的下部，能在顶杆6上下移动时沿着调节通道11进行同步轴向移动，第二盘状端部的径向横截面大于控制尖端的横截面，具体来说，应当将第二盘状端部的径向横截面积设置为大于控制尖端在封闭控制通道时与顶部凹槽接触处的横截面积。
在螺纹杆2的顶部连接截止阀，截止阀可以采用常规的结构，最好设置为电磁截止阀，这样在实际应用时可以外接车用碰撞信号传感器，从而通过接收不同的信号自动实现阀门的开启与关闭。截止阀主要包括气流入口14、端部设有截止阀芯的阀杆13和气流出口15。气流入口14用于与外部进气管路相接，气流出口15与调节通道11的顶部连通，目标气体能通过气流出口15进入调节通道11并作用于第二盘状端部。但与现有截止阀不同的是，阀杆13上还开设有泄压通道17，泄压通道17包括控制端和排放端，排放端与外界连通。控制端能在截止阀芯关闭时与截止阀的阀体内腔16连通，在截止阀芯开启时封闭。因此，应当将泄压通道17设置在远离截止阀芯的一侧，以便于在截止阀芯开启时，泄压通道17的入流口能够被阀体内壁所封闭。泄压通道17可以设置为T型结构，包括相互连通的竖直泄压通道和水平泄压通道。其中，竖直泄压通道径向贯穿阀杆13并能与阀体内腔16连通，水平泄压通道与外界连通。
本发明的上述氢气减压阀在汽车遭遇危险时的自动泄压和截止方法，具体如下：
1)首先，将外部进气管路分别与主减压阀的入口通道9和截止阀的气流入口14连通。在正常工作状态下，截止阀处于关闭状态，此时，截止阀芯与截止阀座紧密配合形成密封，泄压通道17与阀体内腔16连通，外部进气管路的气流仅能通过入口封盖8进入主减压阀。
随着高压气流(例如氢气)外部进气管路进入主减压阀，阀芯7的控制尖端在入口通道9通入的气流推动下向上移动，使控制通道开启，此时，入口通道9和中间通道10相连通。从入口通道9通入的气流依次经过控制通道、中间通道10、第一气体通道、第三气体通道和第二气体通道，减压后从阀体出口12排出。
2)当汽车遭遇危险情况时，以发生碰撞为例，汽车自身的碰撞信号会传递给截止阀，使得截止阀开启。此时，截止阀芯与截止阀座分离，气流入口14与阀体内腔16连通，泄压通道17关闭。外部进气管路的气流分为两路，同时向气流入口14和入口通道9中通入相同压力的气流。
从气流入口14进入截止阀的一路气流，经阀体内腔16和气流出口15后进入调节通道11上部，对第二盘状端部产生向下的作用力。从入口通道9进入主减压阀的另一路气流，依次经过控制通道、中间通道10、第一气体通道、第三气体通道和第二气体通道，减压后从阀体出口12排出。
在相同压力的气流作用下，由于第二盘状端部的径向横截面大于控制尖端的横截面，使得阀芯7受到的压力合力向下，因此，控制尖端会回落至将控制通道封闭，从而实现主减压阀的自动截止。
3)当危险解除后，可手动关闭截止阀，也可以通过发送信号控制截止阀关闭，进而使泄压通道17与阀体内腔16连通，截止阀内的气流排出，使得顶杆6顶部恢复常压，阀芯将不会受到向下的大压力，从而实现截止阀的自动泄压。同时，主减压阀重新恢复正常工作状态。
本发明的氢气减压阀能够实现压力流量稳定且能够自动截止，从而能够在发生紧急情况(比如发生车祸)时，自动切断供气通道。在系统恢复正常状态时，还可以实现自动泄压功能。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。