帶有改進(jìn)的進(jìn)氣閥布置的往復(fù)式活塞泵的制作方法
【專利摘要】一種往復(fù)式活塞泵包括帶有閥構(gòu)件的進(jìn)氣閥,所述閥構(gòu)件可通過流體力在所述閥構(gòu)件的頭部與閥座相隔的打開位置與所述閥構(gòu)件的頭部與所述閥座接觸的關(guān)閉位置之間移動(dòng)。所述閥構(gòu)件包括閥桿,所述閥桿不阻塞流過所述閥的進(jìn)口的流體。在所述閥關(guān)閉時(shí)接觸所述閥座的閥構(gòu)件的頭部具有球形或截頭錐形狀。所述閥構(gòu)件由聚合物材料制成。所述進(jìn)氣閥不采用偏置元件來將所述閥構(gòu)件帶到關(guān)閉位置。
【專利說明】帶有改進(jìn)的進(jìn)氣閥布置的往復(fù)式活塞泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種帶有改進(jìn)的進(jìn)氣閥布置的往復(fù)式活塞泵。
【背景技術(shù)】
[0002]往復(fù)式活塞泵是用于在各種應(yīng)用中輸送流體。為了改善泵的性能,需要降低由流體流動(dòng)區(qū)域(尤其是在泵進(jìn)口和出口周圍)中的阻塞和限制所引起的壓力損失。當(dāng)泵送的流體是液化氣時(shí),這是特別重要的,因?yàn)槿绻麎航堤螅敲淳涂赡芤鹨夯瘹獾钠⑶医档捅盟托?。?dāng)太多液化氣遭汽化時(shí),泵會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。往復(fù)式活塞泵正被應(yīng)用到汽車應(yīng)用中,例如,用于將如液化天然氣(LNG)的燃料輸送至內(nèi)燃機(jī)。在用氣體燃料做燃料供給的一些系統(tǒng)中,活塞泵必須以至少約3000psi并且有時(shí)可達(dá)4000或5000psi的壓力來輸送燃料,例如當(dāng)燃料被直接注入燃燒室的情況。對(duì)于直接注入燃燒室來說,燃料的壓力必須升到克服汽缸內(nèi)壓力并且允許所需量的燃料以所需時(shí)限加以注入的水平。對(duì)于其它應(yīng)用,如果燃料被注入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng),那么所需的燃料輸送壓力是相對(duì)低的,例如對(duì)于大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)來說,介于約10psi與300psi之間的燃料壓力是足夠的。在本公開中,在這種較低的壓力范圍中操作的泵在本文中稱為“低壓泵”。這類泵通常用10psi至300psi的排出壓力操作,并且被設(shè)計(jì)成允許600psi的最大排出壓力。
[0003]在已知的往復(fù)式活塞泵中,在泵進(jìn)口中提供止回閥以在進(jìn)氣沖程期間(當(dāng)泵送室體積增大時(shí))自動(dòng)地打開并且允許流體流入泵送室,以及在泵的壓縮沖程期間(當(dāng)泵送室體積減小時(shí))關(guān)閉并防止流體通過進(jìn)口回流。類似地,止回閥通常位于泵出口中,從而在壓縮沖程期間打開,以及在進(jìn)氣沖程期間關(guān)閉并防止已經(jīng)通過出口排出的流體回流至泵送室中。
[0004]被設(shè)計(jì)來用于汽車應(yīng)用的往復(fù)式活塞泵的一個(gè)實(shí)施例在 申請(qǐng)人:共同擁有的美國專利號(hào)7,607,898中描述。由于流體壓力作用于進(jìn)氣止回閥,所描述的泵的進(jìn)氣止回閥在幾乎壓縮沖程全程期間是關(guān)閉。也就是說,作用于進(jìn)氣止回閥構(gòu)件的不同流體壓力導(dǎo)致它移動(dòng)到關(guān)閉位置并且保持在關(guān)閉位置,壓靠在閥座上。當(dāng)泵活塞在進(jìn)氣沖程期間收回時(shí),泵送室中的壓力降低,以使得它比泵的進(jìn)氣通道中的流體的供給壓力低,并且進(jìn)氣閥構(gòu)件從閥座移開并在在幾乎進(jìn)氣沖程全程中處于打開位置。
[0005]為了降低用于輸送液化氣的往復(fù)式活塞泵中的流體汽化的可能性,需要改進(jìn)來減少壓降從而防止汽化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]公開了一種具有改進(jìn)的進(jìn)氣閥布置的往復(fù)式活塞泵。所述往復(fù)式活塞泵包括:泵送室,所述泵送室由以下各項(xiàng)界定:缸體、安置在所述缸體內(nèi)的活塞以及覆蓋所述缸體的與所述活塞相對(duì)的末端的法蘭;以及進(jìn)氣閥,所述進(jìn)氣閥包括帶有頭部和閥桿的閥構(gòu)件。所述進(jìn)氣閥的頭部面向包括閥座的表面,并且所述閥桿從頭部以朝向活塞的方向延伸。所述閥桿不阻塞流過進(jìn)口進(jìn)入進(jìn)氣閥中的流體,并且所述閥構(gòu)件可通過流體力在所述閥構(gòu)件頭部與所述閥座相隔的打開位置與所述閥構(gòu)件頭部與所述閥座接觸的關(guān)閉位置之間移動(dòng)。所述進(jìn)氣閥允許流體在以一個(gè)方向上流過進(jìn)口并且防止流體在相反方向上流動(dòng)。
[0007]在優(yōu)選實(shí)施方案中,所述往復(fù)式活塞泵具有優(yōu)選100至300psi的排出壓力。所述泵可以被設(shè)計(jì)成允許600psi的最大排出壓力。
[0008]在優(yōu)選實(shí)施方案中,所述閥座具有錐形狀并且所述閥構(gòu)件的頭部具有球形形狀。
[0009]在其它實(shí)施方案中,所述閥構(gòu)件的閥座和頭部各自都具有截頭錐形狀。在這些實(shí)施方案中,所述閥構(gòu)件的頭部的截頭錐形狀形成的角度優(yōu)選大于所述閥座的截頭錐形狀形成的角度。
[0010]在優(yōu)選實(shí)施方案中,所述閥構(gòu)件由聚合物材料制成。這種聚合物材料可以是基于碳氟化合物的聚合物,例如聚三氟氯乙烯。
[0011]優(yōu)選地,所述閥進(jìn)口被設(shè)定尺寸以避免所述進(jìn)氣閥的進(jìn)口與出口之間的流體流的實(shí)質(zhì)壓降。
[0012]所述進(jìn)氣閥的主體包括導(dǎo)槽,所述導(dǎo)槽用于當(dāng)所述閥構(gòu)件在打開位置與關(guān)閉位置之間移動(dòng)時(shí)引導(dǎo)所述閥構(gòu)件的閥桿。
[0013]本文公開的往復(fù)式活塞泵進(jìn)一步包括允許流體在一個(gè)方向上介于進(jìn)口與出口之間流動(dòng)的排出止回閥,所述排出止回閥是提升閥,其包括主體和可在打開位置與關(guān)閉位置之間移動(dòng)的閥構(gòu)件。所述排出止回閥進(jìn)一步包括彈性構(gòu)件,所述彈性構(gòu)件使所述閥構(gòu)件偏置到關(guān)閉位置。在所述關(guān)閉位置,所述閥構(gòu)件的頭部接觸閥座。所述閥構(gòu)件的頭部優(yōu)選具有球形形狀。在一些實(shí)施方案中,所述閥構(gòu)件包括具有截頭錐形狀的頭部。
[0014]所述排出止回閥的閥構(gòu)件由聚合物材料制成,例如基于碳氟化合物的聚合物,如聚三氟氯乙烯。
[0015]本文公開的往復(fù)式活塞泵可以操縱在接近其沸點(diǎn)的溫度下泵送的流體,例如液化天然氣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]附圖示出了本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例,但所述實(shí)施例不應(yīng)視為以任何方式限制本發(fā)明的精神或范圍。
[0017]圖1展示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的包括進(jìn)氣閥的往復(fù)式活塞泵的透視圖。
[0018]圖2是圖1所示的往復(fù)式活塞泵的橫截面視圖。
[0019]圖3是包括本文公開的進(jìn)氣閥和排出止回閥的往復(fù)式活塞泵的末端的橫截面視圖。
[0020]圖4展示包括具有球形形狀的頭部的閥構(gòu)件的進(jìn)氣閥的橫截面視圖。
[0021]圖5展示包括具有截頭錐形狀的頭部的閥構(gòu)件的進(jìn)氣閥的另一個(gè)實(shí)施方案的橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1至圖3中示出的泵組件100包括通過軸連接至驅(qū)動(dòng)裝置的往復(fù)式泵。這種泵組件的應(yīng)用的一個(gè)實(shí)施例是用于輸送將在內(nèi)燃機(jī)中作為燃料消耗的液化氣(如LNG)。因?yàn)長NG在低溫下儲(chǔ)存,所以展示的活塞泵位于本文中被稱為冷端110的位置,并且位于相反端的驅(qū)動(dòng)裝置在本文中被稱為暖端112。雖然公開的泵是相對(duì)于這種具體應(yīng)用來描述,但是應(yīng)理解,相同的改進(jìn)可以被用在接近其沸點(diǎn)的溫度下泵送的流體進(jìn)行操作的其它泵采用,并且在泵設(shè)備中的壓降可以引起流體汽化時(shí)被采用。
[0023]圖1和圖2展示泵組件100的透視圖和橫截面視圖,所述泵組件包括暖端112處的驅(qū)動(dòng)裝置116、冷端110處的進(jìn)氣管118、將冷端110連接至暖端112的伸長管114和排出管120,所述排出管接收來自泵送室的出口的流體。驅(qū)動(dòng)裝置116可以是通過使用液壓流體壓力產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而引起驅(qū)動(dòng)活塞127在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)移動(dòng)的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī),例如 申請(qǐng)人:共同擁有的美國專利申請(qǐng)?zhí)?,739,941中所述。驅(qū)動(dòng)活塞127通過軸122連接到泵活塞124。泵活塞124在泵缸126內(nèi)往復(fù)移動(dòng)并且與界定泵送室128的泵缸126的內(nèi)壁形成動(dòng)態(tài)流體密封。冷端110優(yōu)選被浸入儲(chǔ)存在儲(chǔ)存容器或貯槽(未示出)中的流體中。在進(jìn)氣沖程期間,當(dāng)泵活塞124在方向130上移動(dòng)時(shí),流體在方向123上經(jīng)由進(jìn)氣管118從流體供應(yīng)流出并且流到直通閥進(jìn)氣口 119上。冷端110的構(gòu)件在圖3中以放大的剖視圖更詳細(xì)地展示。泵活塞在方向130上的收回引起泵送室128中的流體壓力降低,這允許閥進(jìn)氣口 119內(nèi)的流體壓力將進(jìn)氣閥構(gòu)件144從閥座146提起。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中,如圖3所示,進(jìn)氣閥構(gòu)件144僅僅通過流體力驅(qū)動(dòng),并且沒有任何機(jī)械偏置,不同于通過彈簧166被機(jī)械地偏置的排出閥構(gòu)件164,這將在以下更詳細(xì)地描述。對(duì)于進(jìn)氣閥140,這種不偏置方法的優(yōu)點(diǎn)是打開進(jìn)氣閥140克服的阻力更小,這降低了壓降。此外,不同于已知的進(jìn)氣止回閥,閥構(gòu)件144包括從閥進(jìn)氣口 119向遠(yuǎn)處延伸的閥桿156。對(duì)于高壓泵來說,需要使換氣體積(swept volume)最大化從而減小死空間的量并且提聞栗效率,因?yàn)榭梢酝ㄟ^減小未掃過體積來獲得高壓。然而,對(duì)于低壓泵來說,較少考慮這個(gè)問題,因?yàn)檩^大的死空間是可以接受的,同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)所需的排出壓力。用這種方式定位朝向泵送室128延伸的閥桿156的優(yōu)點(diǎn)在于:沒有在閥進(jìn)氣口 119中占據(jù)任何空間,因此閥桿156不引起整個(gè)流動(dòng)區(qū)域中的任何限制,并且這導(dǎo)致較低的壓降。在壓縮沖程期間,當(dāng)泵活塞124在方向132上移動(dòng)時(shí),加壓流體經(jīng)由排出止回閥160從泵送室128排出,穿過泵出口 121并且進(jìn)一步穿過排出管120。
[0024]法蘭142界定泵送室128的一個(gè)末端并且提供用于容納進(jìn)氣閥140和排出止回閥160的主體。法蘭142進(jìn)一步包括流體通道,因此流體可以通過進(jìn)氣閥140流動(dòng)到泵送室128中并且從泵送室128到排出止回閥160中。法蘭142進(jìn)一步包括與閥桿156的表面配合的導(dǎo)向表面154,從而當(dāng)進(jìn)氣閥構(gòu)件144在打開和閥座位置之間移動(dòng)時(shí)引導(dǎo)所述進(jìn)氣閥構(gòu)件的移動(dòng)。
[0025]進(jìn)氣閥和排出閥可以采用其它布置而不脫離要求保護(hù)的設(shè)備的范疇。例如,進(jìn)氣閥和排出閥可以各自具有固定在法蘭142中的獨(dú)立的流體密封主體或它們都可以被容納在與法蘭142分開的相同外殼中。
[0026]現(xiàn)在參閱進(jìn)氣閥140的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),如圖3所示,所展示的閥構(gòu)件144處在其固定位置中,位于閥座146上,從而防止流體從閥進(jìn)氣口 119流至與泵送室128流體連通的通道150。閥構(gòu)件144包括頭部152,其為所述閥構(gòu)件的與閥座146接觸并且面向閥進(jìn)口 119的部分。
[0027]圖4和圖5是閥構(gòu)件的兩個(gè)實(shí)施方案的放大剖視圖,通過參考數(shù)字144和144A指示。這些視圖分別展示有助于在沒有機(jī)械偏置的情況下形成良好密封的頭部152和152A的特征。因?yàn)闆]有機(jī)械裝置(如彈簧)提供的額外的密封壓力,所以只是閥構(gòu)件144和144A任何一側(cè)的不同流體壓力對(duì)其致動(dòng)。使用先前已知的閥時(shí),在閥構(gòu)件與閥座之間形成較大的接觸面積。如圖4和圖5所示,閥構(gòu)件與閥座接觸的位置限制在圖4中由A-B所示并且圖5中由C-D所示的線性圓周接觸點(diǎn)。重要的是,這些接觸點(diǎn)與界定閥進(jìn)口 119的邊緣以較寬的直徑相隔。這是因?yàn)樵谶@個(gè)邊緣中更可能存在制造缺陷,并且如果這個(gè)邊緣用作與閥元件接觸的閥座,那么這會(huì)導(dǎo)致較差的密封。
[0028]在圖4中展示的實(shí)施方案,當(dāng)進(jìn)氣閥140關(guān)閉時(shí),閥頭152在面向并且與閥座146接觸的閥構(gòu)件側(cè)面上具有球形形狀。閥座146是錐形的表面的一部分。
[0029]在圖5展示的實(shí)施方案中,閥構(gòu)件144A不是球形形狀,而是具有截頭錐形狀的頭部152A,如同形成閥座的表面的形狀,例外的是頭部152A的截頭錐形狀形成的角度α優(yōu)選大于形成閥座146的表面形成的角度β。這些形狀的角度差異在頭部152Α與閥座146之間產(chǎn)生大致上線性圓周接觸點(diǎn)。
[0030]泵組件100進(jìn)一步包括排出止回閥160,在圖3的放大剖視圖中清楚地展示。排出止回閥160允許流體只在一個(gè)方向上從閥進(jìn)氣162流向閥出口端口 121。排出止回閥160是提升閥,所述提升閥包括可在打開位置與固定位置之間移動(dòng)的閥構(gòu)件164。閥構(gòu)件164具有與進(jìn)氣閥140的閥構(gòu)件144類似的構(gòu)造。它可以在當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)與閥座接觸的閥構(gòu)件側(cè)面上包括具有球形或截頭錐形狀的頭部。閥座具有截頭錐形狀,并且在閥頭具有截頭錐形狀的實(shí)施方案中,閥頭的截頭錐形狀形成的角度優(yōu)選大于閥座形成的角度,以使閥構(gòu)件與閥座之間的接觸是大致上線性的,如關(guān)于進(jìn)氣閥所述。然而,排出止回閥160不同于進(jìn)氣閥140的是它在關(guān)閉位置是機(jī)械偏置的。這是因?yàn)樵趬嚎s沖程期間,當(dāng)泵送室128中正在產(chǎn)生壓力時(shí),它有助于保持排出止回閥160關(guān)閉直到達(dá)到預(yù)定的閾值壓力,并且由這種額外的阻力引起的壓降很少會(huì)引起流體汽化,甚至對(duì)本公開中定義的低壓泵的情況下也是如此。這種設(shè)計(jì)允許的另一個(gè)特征在于對(duì)于排出止回閥160來說,閥進(jìn)口 162的尺寸可以小于與進(jìn)氣閥140相關(guān)聯(lián)的進(jìn)氣口 119的尺寸。與使用兩個(gè)相同尺寸的閥不同,將排出閥設(shè)置成較小尺寸有助于為更大的進(jìn)氣閥提供更多的空間,為兩個(gè)閥減少了與使用法蘭142和主體相關(guān)聯(lián)的空間限制。
[0031]閥構(gòu)件由聚合物材料制成,例如基于碳氟化合物的聚合物,更明確地說是聚三氟氯乙烯。
[0032]排出止回閥160如下工作。閥通常被偏置構(gòu)件偏置在其關(guān)閉位置中,所述偏置構(gòu)件優(yōu)選呈促使閥構(gòu)件164推向其固定位置的彈簧166或其它彈性構(gòu)件形式的機(jī)械部件。當(dāng)泵活塞124在方向132上移動(dòng)來加壓泵送室128中的流體時(shí),加壓的流體通過通道150流動(dòng)到排出止回閥160的進(jìn)口 162,其中流體壓力作用在閥構(gòu)件164的頭部從而將閥構(gòu)件164從其固定位置提起。在打開位置,排出止回閥160允許流體從進(jìn)口 162流向出口 121并且在從所述出口流動(dòng)到排出管120。
[0033]為了更好地說明所公開的泵組件的要求保護(hù)的特征,在圖中,與構(gòu)成所述泵的已知元件有關(guān)的一些細(xì)節(jié)已被簡化。泵的實(shí)際工作布置包括更多構(gòu)造細(xì)節(jié)。
[0034]在優(yōu)選實(shí)施方案中,主題進(jìn)氣閥和排出止回閥各自的閥構(gòu)件由聚合物材料制成,例如基于碳氟化合物的聚合物,更明確來說是聚三氟氯乙烯。由于聚三氟氯乙烯的材料性質(zhì),它是優(yōu)選的材料,所述材料性質(zhì)包括與它所面接的金屬部件相容的低熱膨脹系數(shù)、它與天然氣成分的相容性、它的低蒸氣滲透速率以及它與金屬閥座材料配合的密封性質(zhì)。此外,聚三氟氯乙烯是在低溫下穩(wěn)定的材料并且因此相對(duì)用于低溫應(yīng)用的其它材料來說是優(yōu)選的。
[0035]雖然已經(jīng)展示和描述了本發(fā)明的具體構(gòu)件、實(shí)施方案和應(yīng)用,但是應(yīng)理解,本發(fā)明不限于所述的具體構(gòu)件、實(shí)施方案和應(yīng)用,因?yàn)樵诓幻撾x本公開的范圍、尤其是依據(jù)前述教導(dǎo)的情況下,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行修改。
【權(quán)利要求】
1.一種往復(fù)式活塞泵,其包括: 泵送室,其由以下各項(xiàng)界定:缸體、安置在所述缸體內(nèi)的活塞以及覆蓋所述缸體的與所述活塞相對(duì)的末端的法蘭;以及 進(jìn)氣閥,其包括帶有頭部和閥桿的閥構(gòu)件,其中所述頭部面向包括閥座的表面并且所述閥桿從所述頭部以朝向所述活塞的方向延伸,借此所述閥桿不阻塞流過進(jìn)口進(jìn)入所述進(jìn)氣閥中的流體,所述閥構(gòu)件可通過流體力在所述頭部與所述閥座相隔的打開位置與所述頭部與所述閥座接觸的關(guān)閉位置之間移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其為具有可達(dá)600psi的排出壓力的低壓泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述閥座具有錐形狀并且其中所述閥構(gòu)件的所述頭部具有球形形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述閥座具有錐形狀并且其中所述閥構(gòu)件的所述頭部具有錐形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述閥構(gòu)件的所述頭部的所述錐形狀形成的角度大于所述閥座的錐形狀形成的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述閥構(gòu)件由聚合物材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述聚合物材料是基于碳氟化合物的聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述聚合物材料是聚三氟氯乙烯。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述進(jìn)口被設(shè)置尺寸以避免所述進(jìn)氣閥的所述進(jìn)口與出口之間的流體的實(shí)質(zhì)壓降。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述進(jìn)氣閥的主體包括導(dǎo)槽,所述導(dǎo)槽用于當(dāng)所述閥構(gòu)件在所述打開位置與所述關(guān)閉位置之間移動(dòng)時(shí)引導(dǎo)所述閥構(gòu)件的所述閥桿。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式活塞泵,其進(jìn)一步包括排出止回閥,所述排出止回閥允許流體在一個(gè)方向上介于進(jìn)口與出口之間流動(dòng),其中所述排出止回閥是提升閥,其包括主體和可在打開位置與關(guān)閉位置之間移動(dòng)的閥構(gòu)件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述排出止回閥進(jìn)一步包括彈性構(gòu)件,所述彈性構(gòu)件使所述排出止回閥的所述閥構(gòu)件偏置到所述關(guān)閉位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述排出止回閥的所述閥構(gòu)件包括具有球形形狀的頭部,所述頭部當(dāng)所述閥構(gòu)件處在所述關(guān)閉位置時(shí)與所述排出止回閥的閥座接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述閥構(gòu)件包括具有截頭錐形狀的頭部,所述頭部當(dāng)所述閥構(gòu)件處在所述關(guān)閉位置時(shí)與所述排出止回閥的閥座接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述排出止回閥的所述閥構(gòu)件由聚合物制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的往復(fù)式活塞泵,其中所述流體是液化天然氣。
【文檔編號(hào)】F04B53/10GK104279155SQ201310290511
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】R·A·薩恩斯, 任子元, 閤明洲 申請(qǐng)人:西港能源有限公司