регулятор высокого давления

Формула изобретения

1. Регулятор давления, содержащий:

корпус, в котором выполнен находящийся под давлением вход,

функционально сопряженную с корпусом крышку, в которой выполнен находящийся под давлением выход, и

узел поршня, установленный между корпусом и крышкой для селективного сопряжения с имеющимся в корпусе кольцевым седлом клапана с целью управления текучей средой, протекающей от указанного входа к указанному выходу под давлением, причем узел поршня содержит: поршень, имеющий головку и основание со сквозным каналом для соединения указанного входа с указанным выходом, при этом поршень имеет воспринимающую поверхность, заданную верхней поверхностью поршня, которая содержит первую площадь воспринимающей поверхности, сформированную углублением, для первого функционального режима работы и вторую площадь воспринимающей поверхности, соответствующую всему диаметру поршня, для второго функционального режима работы,

нагрузочный элемент, функционально сопряженный с поршнем, чтобы обеспечить нагружающее усилие, действующее на поршень, для задания выходного давления, и

затвор для сопряжения с кольцевым седлом клапана с целью управления текучей средой, причем затвор сопряжен своей боковой поверхностью с основанием поршня.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что первая площадь воспринимающей поверхности меньше, чем вторая площадь воспринимающей поверхности.

3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что затвор сопряжен с наружной поверхностью основания поршня таким образом, что входное давление обеспечивает дополнительное усилие прижатия затвора к основанию поршня.

4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что коэффициент температурного расширения затвора больше, чем коэффициент температурного расширения основания поршня.

5. Регулятор по п.4, отличающийся тем, что затвор изготовлен из материала Веспел®.

6. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что нагрузочный элемент изготовлен из материала Элгилой®.

7. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что корпус содержит внутренний канал, имеющий уплотнительную поверхность, а поршень содержит первое уплотнение, сопряженное с головкой поршня, и второе уплотнение, сопряженное с основанием поршня и герметизирующее внутренний канал, в результате чего затвор и первое и второе уплотнения взаимодействуют со сведением к минимуму или снижением степени воздействия входного давления текучей среды на указанные уплотнения.

8. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что канал поршня содержит регулировочное средство для регулирования выходного давления.

9. Регулятор по п.8, отличающийся тем, что регулировочное средство содержит регулируемый пружинный узел для противодействия нагружающему усилию, создаваемому нагрузочным элементом.

10. Регулятор давления, содержащий:

корпус, в котором выполнен находящийся под давлением вход, сопряженный с камерой входного давления, сформированной между указанным входом и кольцевым седлом клапана, установленным в корпусе,

функционально сопряженную с корпусом крышку, в которой выполнен находящийся под давлением выход, сопряженный с камерой выходного давления, сформированной в крышке, и

узел поршня, установленный между корпусом и крышкой для селективного сопряжения с указанным кольцевым седлом клапана с целью управления текучей средой, имеющей относительно высокое входное давление у камеры входного давления и перетекающей в камеру выходного давления с относительно низким выходным давлением, причем узел поршня содержит:

поршень, имеющий головку и основание со сквозным каналом для соединения камеры входного давления с камерой выходного давления, при этом головка поршня имеет первый уплотнительный компонент для обеспечения герметичного контакта узла поршня и крышки, а основание поршня имеет второй уплотнительный компонент для обеспечения герметичного контакта узла поршня и корпуса, при этом первый и второй уплотнительные компоненты не подвергаются воздействию входного давления камеры входного давления, причем поршень имеет воспринимающую поверхность, заданную верхней поверхностью поршня, которая содержит первую площадь воспринимающей поверхности, сформированную углублением, для первого функционального режима работы и вторую площадь воспринимающей поверхности, соответствующую всему диаметру поршня, для второго функционального режима работы,

нагрузочный элемент, функционально сопряженный с поршнем, чтобы обеспечить нагружающее усилие, действующее на поршень, для задания выходного давления, и

затвор для сопряжения с кольцевым седлом клапана с целью управления текучей средой, причем затвор сопряжен своей боковой поверхностью с основанием поршня.

11. Регулятор по п.10, отличающийся тем, что коэффициент температурного расширения затвора больше, чем коэффициент температурного расширения основания поршня, так что при температуре текучей среды на указанном входе существенно более низкой, чем температура окружающей среды, затвор сжимается с усилием вокруг основания поршня.

12. Регулятор по п.10, отличающийся тем, что выходное давление, формируемое в камере выходного давления, пропорционально усилию, создаваемому воздействием выходного давления на головку поршня, когда входное давление воздействует на затвор, и нагружающему усилию, создаваемому нагрузочным элементом.

13. Регулятор по п.10, отличающийся тем, что канал поршня имеет конфигурацию, позволяющую разместить в нем регулировочное средство для регулирования выходного давления, формируемого в камере выходного давления.

14. Регулятор по п.13, отличающийся тем, что регулировочное средство содержит регулируемый пружинный узел для противодействия нагружающему усилию, создаваемому нагрузочным элементом.

15. Регулятор давления, содержащий:

корпус, имеющий внутренний канал и наружный канал, причем внутренний канал создает входное давление в области до кольцевого седла клапана, а наружный канал образует первую камеру регулятора давления, крышку, функционально сопряженную с корпусом, чтобы образовать вторую камеру давления регулятора давления, при этом крышка имеет сквозной канал, чтобы образовать находящийся под давлением выход, расположенный на одной прямой с находящимся под давлением входом, узел поршня для селективного сопряжения с кольцевым седлом клапана с целью управления текучей средой, протекающей от указанного входа к указанному выходу, при этом узел поршня установлен между корпусом и крышкой и содержит:

поршень, имеющий головку и основание со сквозным каналом для соединения указанного входа с указанным выходом,

нагрузочный элемент, установленный в наружном канале корпуса, чтобы обеспечить нагружающее усилие, действующее на поршень, для задания выходного давления, и

затвор, сопряженный своей боковой поверхностью с наружной поверхностью основания поршня, причем коэффициент температурного расширения затвора больше, чем коэффициент температурного расширения основания поршня, так что при температуре текучей среды на указанном входе существенно более низкой, чем температура окружающей среды, затвор сжимается с усилием вокруг основания поршня.

16. Регулятор по п.15, отличающийся тем, что входное давление обеспечивает дополнительное усилие прижатия затвора к основанию поршня.

17. Регулятор по п.15, отличающийся тем, что канал поршня имеет конфигурацию, позволяющую разместить в нем регулировочное средство для регулирования выходного давления.

18. Регулятор по п.15, отличающийся тем, что затвор изготовлен из материала Веспел® (Vespel®).

19. Регулятор давления, содержащий:

корпус клапана, в котором выполнен находящийся под давлением вход и находящийся под давлением выход и который имеет наружную стенку и внутреннюю стенку и камеру, находящуюся под давлением внешней среды,

кольцевое седло клапана, имеющее отверстие и расположенное в корпусе клапана с примыканием к указанному входу,

поршень, с возможностью скольжения установленный в корпусе клапана и имеющий верхний участок, находящийся в герметичном контакте с наружной стенкой, промежуточный участок, находящийся в герметичном контакте с внутренней стенкой, и суженное основание, при этом поршень содержит сквозной канал, обеспечивающий путь для потока текучей среды между суженным основанием и указанным выходом,

нагрузочный элемент, смещающий поршень в сторону первого положения, затвор, прикрепленный к основанию поршня и позиционируемый для селективного открывания и закрывания отверстия в кольцевом седле клапана при перемещении поршня,

при этом поршень выполнен с возможностью перемещения между первым положением, в котором затвор пространственно отделен от кольцевого седла клапана, обеспечивая связь по потоку между входом и выходом через указанный сквозной канал, и вторым положением, в котором затвор приведен в плотный контакт с кольцевым седлом клапана, а верхний участок поршня имеет воспринимающую поверхность, заданную верхней поверхностью поршня, которая содержит первую площадь воспринимающей поверхности, сформированную углублением, когда поршень находится в первом положении, и вторую площадь воспринимающей поверхности, соответствующую всему диаметру поршня, когда поршень смещен из первого положения.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к регулятору давления, предназначенному для приложений с использованием высоких давлений, и, более конкретно, к регулятору высокого давления для емкостей (баков), применяемых при перекачивании сжатого водорода.

Уровень техники

Для многих приложений, в том числе и для автомобилей, водород представляет собой весьма перспективное альтернативное топливо, поскольку при его расходе единственными побочными продуктами являются тепло и вода. Современные источники водородного топлива имеют в своей основе топливные элементы, генерирующие на основе запасенного водорода электричество, которое можно использовать для питания электромотора, приводящего автомобиль в действие. В приложениях с применением автомобильных топливных элементов водород обычно хранят в газообразном состоянии в баке при относительно высоких давлениях, достигающих 700×10 ⁵ Па. Хранение под высоким давлением обеспечивает высокую эффективность подачи водорода при небольшом сохраняемом объеме. Обычно топливный элемент получает водород из бака через систему труб или трубопроводов в количестве, необходимом для поддерживания процесса преобразования энергии. Однако для уменьшения стоимости системы и повышения ее безопасности он должен работать при значительно более низких давлениях (например при 14×10⁵ Па), чем давление хранящегося водорода. В типичном варианте, чтобы понизить давление сжатого водорода, поступающего из бака, до уровня, приемлемого для системы топливного элемента, между баком и элементом устанавливают, по меньшей мере, один регулятор давления.

Хорошо известно, что во время удаления водорода из бака через регулятор давления быстрое понижение давления водорода вызывает соответствующее уменьшение его температуры внутри регулятора, которая может понизиться до -50°C. При этом в некоторых приложениях рабочие температуры могут достигать +85°C. Такие экстремальные температурные интервалы очень затрудняют герметизацию регулятора. Например, при особо низких температурах уплотнения типа металл-металл и эластичные уплотнения уменьшают свои размеры (сжимаются), создавая утечки в регуляторе, а это может нарушить процесс управления давлением. Для герметично сопрягаемых поверхностей обычные конструкторские технические приемы, направленные на разрешение проблем сжатия уплотнений, включают выбор таких допусков и конструкционных материалов, которые были бы предпочтительны для герметизации при низких температурах. Известно, что при использовании таких приемов имеет место "схватывание" компонентов регулятора при высоких рабочих температурах, когда уплотнения расширяются и сцепляются с контактирующими с ними компонентами, препятствуя работе регулятора. Дополнительные проблемы могут возникнуть при периодическом или циклическом перекачивании водорода из бака.

В зависимости от требований, предъявляемых к поступающему из бака водороду, регулятор давления при получении водорода из бака может подвергаться воздействию повторяющихся тепловых или охладительных циклов. Такие повторяющиеся циклы могут создать нежелательные проблемы для работы и обслуживания регулятора давления. Например, многие известные регуляторы давления используют многокомпонентные внутренние узлы клапана, которые требуют наличия уплотнений, рассчитанных на высокое давление и установленных внутри узла. Тепловые циклы индуцируют циклы расширения/сжатия таких герметизированных компонентов, а это может привести к увеличению износа уплотнения, т.е. к утечкам под высоким давлением или даже к катастрофической поломке регулятора и/или системы топливного элемента. Поэтому желательна разработка регулятора давления, который был бы в существенно меньшей степени подвержен утечкам и эксплуатационным отказам в приложениях, связанных с перекачиванием газа под высоким давлением.

Раскрытие изобретения

В одном из приведенных примеров регулятор высокого давления имеет корпус предпочтительно, по существу, цилиндрической формы. В корпусе имеется внутренний канал, в предпочтительном варианте соосный с наружным каналом. Внутренний канал образует находящийся под давлением вход, причем внутри него находится кольцевое седло клапана. Крышка образует напорную камеру со сквозным каналом, который образует находящийся под давлением выход, в предпочтительном варианте соосный с внутренним каналом. Между корпусом и крышкой установлен узел поршня, селективным образом вводимый в сопряжение с кольцевым седлом клапана во внутреннем канале с целью управления текучей средой, проходящей от входа к выходу. Узел поршня содержит поршень с затвором и нагрузочный элемент, причем указанный затвор запрессован на наружной поверхности поршня, облегая его основание по окружности. Тем самым обеспечивается улучшенное фиксирование затвора при экстремально низкой температуре. Поршень имеет первую и вторую воспринимающие поверхности соответственно для первого и второго функциональных режимов работы.

В другом приведенном примере регулятор высокого давления имеет корпус, по существу, цилиндрической формы, через который проходит внутренний канал, по существу, соосный наружному каналу. Указанный внутренний канал образует вход, причем внутри канала имеется кольцевое седло клапана. Крышка, имеющая, по существу, цилиндрическую форму, образует напорную камеру со сквозным каналом, образующим выход, по существу, соосный внутреннему каналу. Внутри между корпусом и крышкой установлен узел поршня, селективным образом вводимый в сопряжение с кольцевым седлом клапана во внутреннем канале с целью управления текучей средой, проходящей от входа к выходу. Узел поршня содержит поршень с затвором, имеющий первый и второй уплотнительные компоненты, и нагрузочный элемент, функционально сопряженный с поршнем для создания нагружающего усилия. Конструкция первого и второго уплотнительных компонентов обеспечивает наличие уплотнения узла поршня относительно крышки и корпуса, причем таким образом, чтобы указанные компоненты не подвергались воздействию относительно высокого входного давления. Тем самым существенно снижаются утечки внутри корпуса из зоны, находящейся под высоким давлением.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 в сечении представлен пример регулятора высокого давления, имеющего заданное регулируемое давление.

На фиг.2 в сечении представлен пример регулятора высокого давления, имеющего настраиваемое регулируемое давление.

Осуществление изобретения

Описанный в данном документе регулятор высокого давления имеет цельный корпус, который содержит внутренний узел поршня для управления потоком текучей среды, проходящим через регулятор. Для выходного давления указанного регулятора предусмотрена возможность, по существу, сохранять независимость от изменений входного давления. Указанный эффект реализуется за счет использования непосредственной обратной связи по выходному давлению для управления давлением текучей среды. Предпочтительный вариант регулятора высокого давления, более подробно описанный далее, функционирует с использованием баланса сжимающих усилий на узле поршня для поддерживания выходного давления регулятора на заданном уровне (у контрольной точки). Предпочтительно использовать в узле поршня цельный (монолитный) поршень, т.к. это позволяет уменьшить количество требуемых компонентов, делая конструкцию более компактной и придавая ей повышенную надежность и улучшенные эксплуатационные характеристики при уменьшенных затратах на изготовление и сборку.

Специалистам в этой области должно быть понятно, что в данном примере регулятору давления придана конфигурация с уплотнениями только на выходе, т.е. на стороне регулятора, отвечающей низкому давлению. Указанные уплотнения, по существу, исключают возможность утечек водорода в регуляторе, происходящих под входным давлением. Кроме того, специалистам в этой области должно быть понятно, что для улучшения эксплуатационных характеристик при низкой температуре затвор сопряжен с поршнем без вспомогательных фиксирующих устройств. Преимуществом данного регулятора является также перекрывание устройства с помощью выходного давления в случае утечки текучей среды через затвор при установке узла поршня в закрывающее положение.

На фиг.1 в сечении представлен пример неперестраиваемого регулятора 100 высокого давления, предназначенного для использования в газораспределительной системе водородного топливного элемента. Указанный регулятор 100 имеет относительно небольшие размеры (например диаметр примерно 6 см и высоту примерно 7,5 см) и существенно уменьшенное общее количество деталей. Таким образом, в данном случае предлагается встроенный регулятор высокого давления с повышенной надежностью и уменьшенной стоимостью. В общем случае регулятор 100 содержит внутренний узел (модуль) 130 поршня, установленный в корпусе 110, имеющем, по существу, цельную (монолитную) конструкцию. К корпусу 110 посредством резьбы прикреплена крышка 150, формирующая для управления давлением камеру 160 выходного давления. В дальнейшем описании данного примера регулятор 100 высокого давления представлен в открытом состоянии, соответствующем ситуации, когда он находится в состоянии перехода между полностью открытым и полностью запертым состояниями.

В соответствии с фиг.1 в предпочтительном варианте осуществления регулятор 100 высокого давления содержит корпус 110 с единственным входом 112. Указанный вход 112 сформирован в виде полого цилиндра, выступающего из корпуса 110 и состоящего из нескольких соосных каналов различного диаметра, которые проходят по продольной оси С устройства. Как показано на чертеже, вход 112 снабжен наружной резьбой 115 для сопряжения регулятора 100 с источником сжатого газа, например с баком (не показан), содержащим водород под высоким давлением. Можно применить и другие приемлемые механизмы сопряжения, предназначенные для приложений, использующих высокое давление, и известные специалистам в этой области. Для герметизации контакта между регулятором 100 и баком во входе 112 предпочтительно выполнить вырез 117 для введения в него уплотнения (не показано), рассчитанного на высокое давление, такого как плоская листовая прокладка. У другого конца входа 112 в корпусе 110 сформирован канал 113, связывающий по потоку узел 130 поршня и вход 112 через камеру 114 входного давления, как это будет описано далее более подробно.

Кроме того, корпус 110 имеет внутреннюю цилиндрическую полость 149, ограниченную внутренней поверхностью 126 его стенки. Предпочтительно сориентировать указанную полость 149, по существу, по продольной оси С входа 112. Полость 149 предназначена для установки нагрузочного элемента 135, в предпочтительном варианте представляющего собой пружину или иное смещающее устройство. Нагрузочный элемент 135 отжимает узел 130 поршня в направлении вверх (для ориентации устройства, показанной на чертеже), как более подробно будет описано далее. Кроме того, предусмотрена возможность выполнить резьбу 111 на верхнем участке наружной поверхности 127 стенки корпуса 110. Указанная резьба служит для резьбового сопряжения с крышкой 150 данного регулятора 100 высокого давления, в результате чего формируется узел поддерживания давления, необходимый для управления потоком текучей среды. Специалистам в этой области будет понятно, что данный регулятор высокого давления можно было бы снабдить внутренней резьбой на наружной поверхности стенки и наружной резьбой на крышке 150 или каким-то другим известным средством резьбового сопряжения корпуса 110 и крышки 150.

На крышке 150 сформирован выход 170, ориентированный по продольной оси С, т.е. в предпочтительном варианте соосный с входом 112. Как показано на чертеже, на крышке 150 выполнена наружная резьба 159 или какое-то другое подобное средство резьбового сопряжения с системой топливного элемента. Кроме того, для размещения уплотнения (не показано), например кольцевого типа, на крышке 150 можно выполнить кольцевой паз 171. Чтобы обеспечить управление обратной связью по выходному давлению, выход 170 связан по потоку непосредственно с камерой 160 выходного давления.

Управление выходным давлением осуществляется за счет выходного давления регулятора 100, которое воздействует на воспринимающую поверхность 158 поршня. Далее будет показано более подробно, что указанная поверхность 158 находится на стороне 155 узла 130 поршня, отвечающей выходному давлению. Крышка 150 и узел 130 поршня образуют также отдельную камеру 162, давление в которой равно давлению внешней среды и которая предназначена для размещения узла 130 поршня. Должно быть понятно, что в крышке выполнено отводное отверстие 174, ведущее в указанную камеру 162, что позволяет выравнивать давление в ней, чтобы исключить любое воздействие типа воздушного амортизатора, которое может негативно сказаться на балансе сил, необходимом для работы узла 130 поршня.

В данном регуляторе 100 высокого давления узел 130 поршня функционирует между входом 112 и выходом 170, находясь в нормально открытом состоянии (т.е. при давлениях ниже заданного давления (ниже контрольной точки) текучая среда беспрепятственно проходит от входа к выходу) и регулируя давление текучей среды и, тем самым, ее расход. В данном примере узел 130 поршня содержит единственный поршень 132 с затвором 129, пружину 135 и два кольцевых уплотнения 136, 138.

Как показано на чертеже, поршень 132 содержит цилиндрическое основание 139 и головку 137 поршня, по существу, соосную с основанием. Головка 137 поршня в предпочтительном варианте круглая или почти круглая, хотя могут оказаться приемлемыми и другие конфигурации. Как показано на чертежах, поршень 132 имеет Т-образное сечение. При этом в нем выполнен первый кольцевой вырез 144, сформированный вокруг головки 137 поршня, и второй кольцевой вырез 146, сформированный вокруг центрального участка 147 с примыканием к основанию 139 или над ним. Указанные вырезы предназначены для размещения двух кольцевых уплотнений 136 (в вырезе 144) и 138 (в вырезе 146). Уплотнения 136 и 138 могут быть кольцевыми. Уплотнение 136 герметично разделяет камеру 162, находящуюся под давлением внешней среды, и камеру 160 выходного давления, в то время как уплотнение 138 герметично разделяет указанную камеру 162 и камеру 114 входного давления. Указанные уплотнения 136, 138 можно изготовить из полимера, обладающего при низкой температуре приемлемыми эксплуатационными характеристиками и износостойкостью, например из этиленпропиленового каучука, поставляемого фирмой Е.I. du Pont de Nemours, США. Могут оказаться пригодными и другие материалы.

Из фиг.1 должно быть понятно, что уплотнения 136 и 138 изолируют камеру 162, находящуюся под давлением внешней среды, от камеры 160 выходного давления, чтобы направить текучую среду в сторону выхода 170 и перекрыть ее выход через отводное отверстие 174, выполненное в крышке 150. Уплотнения 136, 138 и затвор 129 поршня сконструированы таким образом, чтобы существенно понизить вероятность утечек под высоким давлением внутри регулятора, изолируя определенные зоны регулятора от потока текучей среды (далее это будет разъяснено более подробно). В дополнение к сказанному, можно придать нижней поверхности 161 головки 137 поршня конфигурацию, обеспечивающую предпочтительный вариант его сопряжения с нагрузочным элементом 135 (таким элементом может быть пружина) и создания предварительно заданного усилия, противодействующего и/или уравновешивающего усилие выходного давления, воздействующего на воспринимающую поверхность 158 поршня 132. В затворе 129 поршня выполнен внутренний вырез 129а, размеры которого выбраны из условия сопряжения с кольцевым выступом 129b на основании поршня.

Для направления водорода во время регулирования давления от входа 112 к выходу 170 поршень 132 содержит, по меньшей мере, одно поперечное отверстие 168, проходящее через его основание 139. Через указанное отверстие водород, проходящий из бака, попадает в осевой канал 169, выполненный в поршне 132, и далее к выходу 170. Для селективного управления потоком текучей среды, который проходит от входа 112, находящегося под высоким давлением, затвор 129 поршня и кольцевое седло 128 клапана обеспечивают внутри корпуса 110 переменное дросселирование у камеры 114 входного давления, позволяющее управлять давлением текучей среды в регуляторе 100. Конкретно, для герметизации или запирания клапана во время управления давлением затвору 129 поршня придана конфигурация, обеспечивающая герметичное сопряжение с фаской кольцевого седла 128 клапана, установленного в корпусе 110 регулятора. Специалистам в этой области будет понятно, что осуществляемое клапаном дросселирование понижает давление в регуляторе. Таким образом, регулируемое выходное давление данного регулятора высокого давления управляется за счет баланса усилий, воздействующих на поршень 132. Исходя из известных инженерных принципов, должно быть понятно, что на поршень 132 воздействует усилие, направленное вверх и вызванное давлением текучей среды со стороны входа 112, оказывая давление на зону затвора, а также усилие, прикладываемое нагрузочным элементом 135, тоже направленное вверх. Усилие, вызванное давлением текучей среды со стороны выхода, воздействует на поршень 132 (на его воспринимающую поверхность) и направлено вниз. Воспринимающей поверхностью может быть первая воспринимающая поверхность, сформированная углублением 157 (в ситуации, когда поршень 132 находится в своем самом верхнем положении), или вторая воспринимающая поверхность 158, соответствующая всему диаметру поршня 132 (в ситуации, когда поршень 132 немного сдвинут вниз).

Воспринимающая поверхность 158 задается верхней поверхностью 133 поршня 132. В исходном состоянии, когда выходное давление существенно ниже желательной контрольной точки, углубление 157 на поршне 132, расположенное со стороны выхода, через осевой канал 169 воспринимает заданное давление, которое создает первое усилие со стороны выхода, пропорциональное площади первой воспринимающей поверхности, соответствующей углублению 157. Указанное усилие противодействует усилию, созданному входным давлением и пружиной 135. В данном примере параметры углубления 157 поршня со стороны выхода гарантируют, что исходное усилие, создаваемое выходным давлением, в приложении, связанном с высоким давлением (как в рассматриваемом случае), достаточно для того, чтобы инициировать управление давлением в противовес усилиям, создаваемым высоким входным давлением. Обеспечивается это за счет увеличения площади воспринимающей поверхности (превышающей площадь со стороны выхода), когда клапан полностью откроется. Как только поршень 132 отодвигается от крышки 150, его суммарная верхняя поверхность 133 будет соответствовать второй площади воспринимающей поверхности, примерно равной сумме площадей углубления 157, расположенного со стороны выхода, и кольцевого участка 156. В процессе управления давлением это приводит к пропорциональному повышению величины обратной связи по выходному давлению. В данном примере площадь углубления 157 меньше площади всего поршня. Более конкретно, диаметры углубления 157 и всей головки поршня составляют соответственно примерно 4 см и 5 см.

Увеличение площади воспринимающей поверхности способствует более эффективному управлению давлением, обеспечивая повышенное усилие обратной связи за счет указанного увеличенного второго участка. Кроме того, для специалистов в этой области должно быть понятно, что данный поршень 132, как показано на чертеже, имеет минимальные площади поверхности со стороны входа у основания 139, так что обратная связь по выходному давлению существенно уравновешивает усилия, генерируемые экстремально высокими входными давлениями и действующие на поршень 132 со стороны входа. Такая конструкция предоставляет возможность усилиям, приложенным к воспринимающей поверхности 158, оказывать преобладающее воздействие на управление выходным давлением.

Как показано на фиг.1, узел 130 поршня и, более конкретно, установленное на нем уплотнительное устройство образует несколько зон или участков, находящихся под давлением и расположенных внутри регулятора. Указанные зоны заданы уплотнениями 136 и 138, когда поршень 132 сопрягается, с возможностью скольжения, с уплотнительной поверхностью 145 крышки и с уплотнительной поверхностью 143 внутреннего канала 118 корпуса 110. Например, первая такая зона (зона высокого давления) расположена между входом 112, кольцевым седлом 128 клапана и затвором 129 поршня. Вторая зона (зона относительно низкого давления, т.е. зона управляемого выходного давления) находится между осевым каналом 169 и выходом 170 в камере 160 выходного давления между кольцевыми уплотнениями 136, 138, расположенными соответственно со стороны выхода и входа. Третья зона (зона наружного давления) находится внутри камеры 162, находящейся под давлением внешней среды. Специалистам в этой области должно быть понятно, что образование указанных зон внутри регулятора существенно снижает потребность в использовании уплотнений, рассчитанных на высокое давление, которые подвержены утечкам при работе под высоким давлением в условиях экстремально низких температур (т.е. нужны только кольцевые уплотнения, противостоящие относительно низкому выходному давлению).

До начала проведения процедуры управления давлением поршень 132 отодвинут пружиной 135 от кольцевого седла 128 клапана и удерживается ею в плотном контакте с внутренней поверхностью 131 крышки 150. Это позволяет текучей среде, по существу, беспрепятственно проходить от входа 112 к выходу 170. От входа 112 текучая среда проходит через каналы, образованные поперечными отверстиями 168, и сразу же поднимает давление в камере 160 выходного давления до уровня, превышающего заданное выходное давление. При увеличении давления в камере 160 к первой воспринимающей поверхности поршня 132 заданным образом прикладывается повышенное усилие. В результате усилие, соотнесенное с эффективной площадью углубления 157, расположенного со стороны выхода, противодействует нагружающему усилию, прикладываемому к поршню 132 нагрузочным элементом 135, и, сжимая элемент 135, сдвигает поршень 132 в сторону кольцевого седла 128 клапана, подвергая дополнительную площадь воспринимающей поверхности в виде кольцевого участка 156 воздействию обратной связи по выходному давлению.

Таким образом, когда регулятор 100 подходит к контрольной точке по давлению, поршень 132 отодвигается от внутренней поверхности 131, и выходное давление воздействует на всю воспринимающую поверхность 158 поршня 132, преодолевая нагружающее усилие, создаваемое нагрузочным элементом 135. Когда выходное давление при установлении баланса усилий, по существу, выходит на уровень желательного рабочего давления (приходит в контрольную точку), затвор 129 поршня полностью сопрягается с кольцевым седлом 128 клапана и, по существу, перекрывает поток текучей среды через регулятор. Кроме того, специалистам в этой области должно быть понятно, что во время работы поршень 132 непрерывно совершает циклические перемещения туда и обратно по отношению к кольцевому седлу 128 клапана, тем самым управляя давлением в ответ на изменения выходного давления.

В данном варианте осуществления изобретения для противодействия усилию, прилагаемому давлением текучей среды на входе, площадь поверхности поршня 132 предпочтительно выбрать в 16 раз больше площади поверхности кольцевого седла 128 клапана. Специалистам в этой области должно быть понятно, что для данного примера регулятора высокого давления можно, не выходя из границ идеи и объема изобретения, выбирать и другие соотношения. Однако, как правило, относительно большие площади поверхности поршня со стороны выхода гарантируют более высокие уровни эффективности регулятора, проявляющиеся в пониженном "провисании" регулятора и в стабильности управления в широком интервале температур и давлений.

Как уже указывалось, в случае высоких давлений регулирование (понижение) давления газа, подаваемого из бака, приводит к экстремально низким температурам внутри регулятора 100 высокого давления. Конкретно, быстрое расширение газа в зоне кольцевого седла 128 клапана понижает внутренние температуры до примерно -50°С.Такие экстремально низкие температуры создают локальное уменьшение размеров (сжатие) компонентов регулятора, в том числе таких деталей, как кольцевое седло 128 клапана, основание 139 поршня и корпус 110 регулятора. В результате могут иметь место утечки из регулятора и искажение характеристик управления. Для уменьшения воздействий температурного сжатия на эксплуатационные характеристики регулятора в данном примере регулятора 100 высокого давления использован затвор 129, запрессованный на наружной поверхности поршня. При таком выполнении во время работы при низкой температуре затвор 129 сжимается вокруг основания 139 поршня, создавая улучшенное сопряжение с ним. В предпочтительном варианте осуществления изобретения затвор 129 поршня изготовлен из термостабильного полиимида, такого как материал Веспел® (Vespel®), поставляемый фирмой Е.I. du Pont de Nemours, США. Специалистам в этой области должно быть понятно, что по сравнению с основанием 139 поршня, в предпочтительном варианте изготовленным из нержавеющей стали 316L, материал Веспел® может иметь такой же или повышенный коэффициент температурного расширения. Соответственно, вследствие различающихся характеристик температурного расширения затвор крепко сжимается вокруг основания поршня, когда температура текучей среды под давлением на входе становится ниже или даже существенно ниже температуры текучей среды вне устройства.

Во время работы сам по себе затвор 129 поршня сжимается в большей степени, чем основание 139 поршня, образуя под высоким давлением более плотное соединение. В дополнение к сказанному, давление текучей среды воздействует на затвор 129 поршня в таком направлении, которое вдавливает указанный затвор в основание 139 поршня. Тем самым гарантируется образование более жесткого соединения. Кроме того, специалистам в этой области должно быть понятно, что, если имеет место утечка между затвором 129 поршня и кольцевым седлом 128 клапана, выходное давление может превысить контрольную точку. В таких условиях дополнительный поток текучей среды увеличивает давление на узле 130 поршня со стороны выхода, и создается дополнительное закрывающее усилие, воздействующее на вторую воспринимающую поверхность 158. Такое дополнительное усилие, генерируемое за счет утечки, увеличивается пропорционально перепаду давлений на кольцевом седле 128 клапана и позитивным образом отключает узел 130 поршня для быстрого возвращения выходного давления к контрольной точке. Наконец, кольцевые уплотнения 136 и 138 предназначены для изолирования нагрузочного элемента 135 от потока текучей среды. Должно быть понятно, что в приложениях, использующих водород, он может стать причиной так называемой водородной хрупкости металлов, которая может существенно понизить срок службы изделия. Данный регулятор высокого давления продлевает срок службы для нагрузочного элемента 135, по существу, за счет устранения воздействия водорода. В дополнение к сказанному, нагрузочный элемент 135 можно изготовить из материала элгилой® (Elgiloy®), поставляемого фирмой Elgiloy Speciality Metals, США, и известного своей существенно пониженной восприимчивостью к указанным выше эффектам хрупкости.

На фиг.2 представлен альтернативный вариант осуществления изобретения в виде настраиваемого регулятора 200 высокого давления. Как уже указывалось, данный регулятор функционирует, используя для управления потоком текучей среды баланс усилий на узле поршня. В данном альтернативном варианте осуществления предусмотрена возможность настраивать выходное давление посредством изменения предварительно заданной нагрузки на настраиваемую пружину 285, установленную в крышке 250. В этом варианте осуществления поршень 232 содержит, по меньшей мере, одну, а в предпочтительной конструкции две стопорные гайки 280 и 281, которые образуют стопорный узел 286, введенный в осевой канал 269 поршня 232 для регулирования предварительно заданной нагрузки на настраиваемую пружину 285. В дополнение к сказанному, крышка 250 имеет заплечик 253, конфигурация которого позволяет удерживать настраиваемую пружину 285, когда поршень 232 установлен в корпусе 210 в исходном положении. Должно быть понятно, что предварительно заданная нагрузка на настраиваемую пружину 285 пропорциональна сжатию пружины, которое регулируется положением стопорных гаек 280, 281 в осевом канале 269. Таким образом, увеличивая или уменьшая предварительно заданную нагрузку на настраиваемую пружину 285 поворотом гаек в ту или иную сторону по ответным по отношению друг к другу внутренним/наружным виткам 251, 252 резьбы, можно регулировать ее смещающее усилие. Поскольку усилие, прикладываемое пружиной 285, является дополнительным по отношению к усилию, прикладываемому выходным давлением, т.е. направлено против усилия, прикладываемого входным давлением, а также против описанного ранее усилия, прикладываемого нагрузочным элементом, т.е. компенсирует их, должно быть понятно, что, регулируя положение внутренних стопорных гаек 280, 281, можно управлять дополнительным усилием и, таким образом, выходным давлением.

Границы настоящего изобретения не ограничены конкретными устройствами, способами и готовыми изделиями, приведенными в данном описании. Напротив, оно охватывает все варианты осуществления, соответствующие прилагаемой формуле изобретения, причем как буквально, так и с учетом эквивалентов.