CN106919190A - 一种新型微流量气体质量流量控制器 - Google Patents

Abstract

一种新型微流量气体质量流量控制器，包括进口盖、密封圈1、紧固件、弹簧、阀芯、套筒、钢球、密封圈2、顶杆和锁紧螺母。通过套筒与阀芯之间形成的4μm～10μm径向间隙构成节流环缝，当气态工质由进气口进入控制器后，通过该节流环缝实现微流量控制，实现特定压力下20μg/s～2mg/s微小流量的精确输出。本发明采用阀芯与阀套为孔轴配合，通过环缝实现节流控制，加工工艺简单，可靠性高，抗污染能力强。利用调节装置调节阀芯位置，调节范围大，能精确调节特定压力下控制器的流量输出。通过调节进口压力，流量输出范围变化大，流量控制范围可达100倍以上，可适用于系统多模式工作状态以及需要工质流量连续可变的场合。

Description

一种新型微流量气体质量流量控制器

技术领域

本发明涉及一种新型微流量气体质量流量控制器，用于对气态工质进行微流量控制，适用于空间电推进系统等领域。

技术背景

空间电推进技术具有高比冲、小推力、长寿命等特点，是卫星、深空探测器等航天器推进技术发展的热点和趋势。微流量气体质量流量控制器是电推进系统中的关键产品之一，其节流方式是设计的重点与难点。目前，国内的微流量气体质量流量控制器产品的节流方式主要有三种：

节流孔板流量控制器由多层开小孔的节流孔板重叠而成，其对温度变化不敏感，可通过调节入口压力来调节流量。在压力一定的情况下，孔板流量输出与小孔直径有关，对于流量非常小的场合，其加工难度大、小孔易堵塞。

毛细管流量控制器的流量随温度变化较明显，电加热调节响应快但其工艺复杂、容易堵塞、焊接部位容易断裂漏气。

多孔材料流量控制器流量对入口压力不敏感，可采用电加热调节方式，其流量调节范围一般在5倍以下，难以用于要求调节范围较大的场合，且产品一致性较差，存在掉渣隐患。

上述三种节流方式在实际应用中加工难度大，结构复杂，难以满足空间推进系统高可靠性、快速实现、低成本的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：针对现有技术存在的不足，提出一种新型微流量气体质量流量控制器，采用环缝节流方式，加工难度小，工艺简单，通过调节进口压力，流量输出范围变化大。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种新型微流量气体质量流量控制器，包括：进口盖(1)、密封圈1(2)、紧固件(3)、弹簧(4)、阀芯(5)、套筒(6)、钢球(7)、密封圈2(8)、顶杆(9)和锁紧螺母(10)；

套筒(6)与进口盖(1)连接的端面设有放置密封圈1(2)的槽，进口盖(1)与套筒(6)通过紧固件(3)将密封圈1(2)压紧；阀芯(5)的一端设有凸肩，将弹簧(4)压紧在进口盖(1)上，使弹簧(4)处于预压缩状态，阀芯(5)外壁与套筒(6)内孔形成一个节流环缝，对气态工质的流量进行调节；顶杆(9)将钢球(7)压紧在阀芯(5)的另一端上，套筒(6)与锁紧螺母(10)螺纹配合，通过旋转锁紧螺母(10)能够带动顶杆(9)向套筒(6)内或套筒(6)外移动；

进口盖(1)设有中空腔体作为进气通道，进气通道与套筒(6)内部连通；顶杆(9)的一端在套筒(6)内，另一端在套筒(6)外，在套筒(6)内的顶杆(9)一端设置有两道放置密封圈2(8)的环形密封槽，密封圈2(8)为两个，分别置于两道放置密封圈2(8)的环形密封槽内；

气态工质从进口盖(1)中流入，经过弹簧(4)、阀芯(5)与套筒(6)之间的径向间隙，再通过节流环缝，到达顶杆(9)前端；从顶杆(9)前端的径向孔进入顶杆(9)的中心孔，最后从顶杆(9)的出气口流出；密封圈(2)与密封圈(8)的密封作用，使整个装置无泄漏；

进口盖(1)为中空圆柱体，且圆柱体的一端有向外延伸的凸台，进口盖(1)的凸台一端为平面，在平面上有多个紧固件安装孔，圆柱体的另一端作为进气管。

套筒(6)为一中空圆柱形，套筒(6)的一端为法兰盘，且法兰盘上带有环形密封槽，套筒(6)的另一端外壁上有螺纹，与锁紧螺母(10)的内螺纹配合；中空圆柱形的中部有一个阶梯孔。

阀芯(5)为圆柱形实心轴，在圆柱形实心轴一端的外壁上有一环形凸肩，阀芯(5)移动时能够使弹簧(4)受到压缩；在圆柱形实心轴另一端的端面上有锥型定位孔，顶杆(9)将钢球(7)压紧在该锥形定位孔内。

顶杆(9)为中空长圆柱体，在套筒(6)内的一端的端面上有一径向通孔，与顶杆(9)中心的长空相通，其外壁上还有两个平行的环形密封槽，用于装配密封圈(8)，保证出气口的密封性。在顶杆(9)中部有一个环形凸肩，该环形凸肩在套筒(6)外，锁紧螺母(10)通过该环形凸肩推动顶杆(9)移动。顶杆(9)在套筒(6)外的一端为细长管状，是整个控制器的出气口。

锁紧螺母(10)一端为正六边形，在正六边形中心有圆孔，顶杆(9)的出气管一端从该圆孔伸出，顶杆(9)中部的环形凸肩卡在正六边形中心的圆孔处，锁紧螺母(10)另一端为中空圆柱，中空圆柱内壁有螺纹，与套筒(6)的螺纹端配合。

本发明提出了一种新型微流量气体质量流量控制器，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

(1)相对于以往的流量控制器，本发明采用阀芯与阀套为孔轴配合，通过环缝实现节流控制，加工工艺简单，可靠性高，抗污染能力强。

(2)本发明利用调节装置调节阀芯位置，调节范围大，能精确调节特定压力下控制器的流量输出。

(3)本发明整个流量控制器结构布局紧凑、尺寸小，重量轻。

(4)本发明通过调节进口压力Δp，可以控制流量输出，流量控制范围可达100倍以上，因此，本发明提出的结构适用于系统多模式工作状态以及需要工质流量连续可变的场合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明结构中节流环缝的局部放大图；

图3为本发明的调试示意图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提出一种新型微流量气体质量流量控制器结构，包括进口盖、密封圈1、紧固件、弹簧、阀芯、套筒、钢球、密封圈2、顶杆和锁紧螺母。通过套筒与阀芯之间形成的4μm～10μm径向间隙构成节流环缝，当气态工质由进气口进入控制器后，通过该节流环缝实现微流量控制。由顶杆、钢球、锁紧螺母、弹簧等构成的调节装置能够调节阀芯的位置，达到控制环缝长度的目的，实现特定压力下20μg/s～2mg/s微小流量的精确输出。相对于以往的流量控制器，本发明采用阀芯与阀套为孔轴配合，通过环缝实现节流控制，加工工艺简单，可靠性高，抗污染能力强。利用调节装置调节阀芯位置，调节范围大，能精确调节特定压力下控制器的流量输出。整个流量控制器结构布局紧凑，尺寸小，重量轻。通过调节进口压力，流量输出范围变化大，流量控制范围可达100倍以上，可适用于系统多模式工作状态以及需要工质流量连续可变的场合。

以下将结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种新型微流量气体质量流量控制器，包括：进口盖1、密封圈(1)2、紧固件3、弹簧4、阀芯5、套筒6、钢球7、密封圈(2)8、顶杆9和锁紧螺母10。

进口盖1为中空圆柱体，且圆柱体的一端有向外延伸的凸台，进口盖1的凸台一端为平面，在平面上有多个紧固件安装孔，圆柱体的另一端作为进气管。套筒6与进口盖1连接的端面设有放置密封圈(1)2的槽，进口盖1与套筒6通过紧固件3将密封圈(1)2压紧；阀芯5为圆柱形实心轴，一端设有凸肩，将弹簧4压紧在进口盖1上，使弹簧4处于预压缩状态，另一端的端面上有锥型定位孔，顶杆9将钢球7压紧在该锥形定位孔内。套筒6为一中空圆柱形，中部有一个阶梯孔，与阀芯5的外壁形成一个4μm～10μm的节流环缝，对气态工质的流量进行调节。顶杆9为中空长圆柱体，在套筒6内的一端的端面上有一径向通孔，与顶杆9中心的长空相通，其外壁上还有两个平行的环形密封槽，用于装配密封圈8，保证出气口的密封性。在顶杆9中部有一个环形凸肩，该环形凸肩在套筒6外，锁紧螺母10通过该环形凸肩推动顶杆9移动。顶杆9在套筒6外的一端为细长管状，是整个控制器的出气口。锁紧螺母10一端为正六边形，在正六边形中心有圆孔，顶杆9的出气管一端从该圆孔伸出，顶杆9中部的环形凸肩卡在正六边形中心的圆孔处，锁紧螺母10另一端为中空圆柱，中空圆柱内壁有螺纹，与套筒6的螺纹端配合。

通过套筒与阀芯之间优选的4μm～10μm径向间隙构成节流环缝，当气态工质由进气口进入控制器后，在环形缝隙中形成层流流动，忽略工质的压缩性，有气体质量流量计算公式：

式中，q_m为气态工质的质量流量；Δp为节流环缝两端的压降，δ为缝隙径向尺寸，ε为相对偏心率，l为节流环缝长度。在Δp、δ、ε一定的情况下，通过由顶杆、钢球、锁紧螺母、弹簧等构成的调节装置调节阀芯的位置，达到控制环缝长度l的目的，进而实现特定压力下20μg/s～2mg/s微小流量的精确输出。密封圈1和密封圈2防止气态工质从进气口或出气口逸出，保证微流量控制器的密封性。

气态工质从进口盖1中流入，经过弹簧4、阀芯5与套筒6之间的径向间隙，再通过节流环缝，到达顶杆9前端；从顶杆9前端的径向孔进入顶杆9的中心孔，最后从顶杆9的出气口流出。由于密封圈(1)2与密封圈(2)8的密封作用，保证整个装置无泄漏。

如图2所示，为本发明中阀芯5与套筒6形成的节流环缝的局部放大图。根据气体质量流量计算公式，控制阀芯5与套筒6之间的径向间隙δ在4μm～10μm之间，按工作需要设定压力差Δp，阀芯5与套筒6之间的偏心ε由装配、加工等因素引起，属不可测量。在Δp、δ、ε一定的情况下，通过由顶杆9、钢球7、锁紧螺母10、弹簧4等构成的调节装置调节阀芯的位置，达到控制环缝长度l的目的，进而实现特定压力下20μg/s～2mg/s微小流量的精确输出。

如图3所示为本发明的调试示意图。图3中：精密压力表1、新型微流量气体流量控制器2、气体质量流量计3、管路4，一定压力的气态工质从进气口进入本发明装置2内，在进气口设置一精密压力表1，检测进气口压力，在出气口一端连接气体质量流量计3，可检测通过本发明装置的气态工质的质量流量，气体质量流量3的出口与大气相通。若要设置本发明装置的在压差p kPa下的质量流量为αμg/s。首先，设置进气压力为p kPa，通过精密压力表1检测。其次，一边旋转锁紧螺母10，调节阀芯5与套筒6之间节流环缝的长度l，一边观察气体质量流量计3的检测值：若气体质量流量计3的读数大于αμg/s，将锁紧螺母10向套筒6内旋转，增大节流环缝长度l，使流量控制器的输出流量减小；若气体质量流量计3的读数小于αμg/s，将锁紧螺母10向套筒6外旋转，减小节流环缝长度l，使流量控制器的输出流量增大。反复这一过程，直至流量控制器的输出为αμg/s。本发明装置可实现特定压力下20μg/s～2mg/s微小流量的精确输出。

Claims (6)

1.一种新型微流量气体质量流量控制器，其特征在于：包括进口盖(1)、密封圈1(2)、紧固件(3)、弹簧(4)、阀芯(5)、套筒(6)、钢球(7)、密封圈2(8)、顶杆(9)和锁紧螺母(10)；

套筒(6)与进口盖(1)连接的端面设有放置密封圈1(2)的槽，进口盖(1)与套筒(6)通过紧固件(3)将密封圈1(2)压紧；阀芯(5)的一端设有凸肩，将弹簧(4)压紧在进口盖(1)上，使弹簧(4)处于预压缩状态，阀芯(5)外壁与套筒(6)内孔形成一个节流环缝，对气态工质的流量进行调节；顶杆(9)将钢球(7)压紧在阀芯(5)的另一端上，套筒(6)与锁紧螺母(10)螺纹配合，通过旋转锁紧螺母(10)能够带动顶杆(9)向套筒(6)内或套筒(6)外移动；

进口盖(1)设有中空腔体作为进气通道，进气通道与套筒(6)内部连通；顶杆(9)的一端在套筒(6)内，另一端在套筒(6)外，在套筒(6)内的顶杆(9)一端设置有两道放置密封圈2(8)的环形密封槽，密封圈2(8)为两个，分别置于两道放置密封圈2(8)的环形密封槽内；

气态工质从进口盖(1)中流入，经过弹簧(4)、阀芯(5)与套筒(6)之间的径向间隙，再通过节流环缝，到达顶杆(9)前端；从顶杆(9)前端的径向孔进入顶杆(9)的中心孔，最后从顶杆(9)的出气口流出；密封圈(2)与密封圈(8)的密封作用，使整个装置无泄漏。

2.根据权利要求1所述的一种新型微流量气体质量流量控制器，其特征在于：进口盖(1)为中空圆柱体，且圆柱体的一端有向外延伸的凸台，进口盖(1)的凸台一端为平面，在平面上有多个紧固件安装孔，圆柱体的另一端作为进气管。

3.根据权利要求1所述的一种新型微流量气体质量流量控制器，其特征在于：套筒(6)为一中空圆柱形，套筒(6)的一端为法兰盘，且法兰盘上带有环形密封槽，套筒(6)的另一端外壁上有螺纹，与锁紧螺母(10)的内螺纹配合；中空圆柱形的中部有一个阶梯孔。

4.根据权利要求1所述的一种新型微流量气体质量流量控制器，其特征在于：阀芯(5)为圆柱形实心轴，在圆柱形实心轴一端的外壁上有一环形凸肩，阀芯(5)移动时能够使弹簧(4)受到压缩；在圆柱形实心轴另一端的端面上有锥型定位孔，顶杆(9)将钢球(7)压紧在该锥形定位孔内。

5.根据权利要求1所述的一种新型微流量气体质量流量控制器，其特征在于：顶杆(9)为中空长圆柱体，在套筒(6)内的一端的端面上有一径向通孔，与顶杆(9)中心的长空相通，其外壁上还有两个平行的环形密封槽，用于装配密封圈(8)，保证出气口的密封性；在顶杆(9)中部有一个环形凸肩，该环形凸肩在套筒(6)外，锁紧螺母(10)通过该环形凸肩推动顶杆(9)移动；顶杆(9)在套筒(6)外的一端为细长管状，是整个控制器的出气口。

6.根据权利要求1所述的一种新型微流量气体质量流量控制器，其特征在于：锁紧螺母(10)一端为正六边形，在正六边形中心有圆孔，顶杆(9)的出气管一端从该圆孔伸出，顶杆(9)中部的环形凸肩卡在正六边形中心的圆孔处，锁紧螺母(10)另一端为中空圆柱，中空圆柱内壁有螺纹，与套筒(6)的螺纹端配合。