專利名稱：超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種保壓截止閥，特別涉及一種深海取樣器用的超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥。用于海洋工程儀器領域。
背景技術：
大深度水下或壓力容器內具有高壓或超高壓環(huán)境，在這種環(huán)境中進行壓力回路控制常需要一種可簡單遙控操作并能在這種環(huán)境壓力下開關的保壓截止閥。例如海底熱液噴泉大多數(shù)分布在1000-6000米深的海底，其中噴出的熱液中的化學成分和微生物在科學界引起廣泛的關注，要對這種液體進行研究就需要在原位采集真實的樣品。通常的做法是通過遙控載人或無人潛水器機械手上的專用取樣器進行取樣。取樣分為不保壓取樣和保壓取樣兩種，保壓取樣是樣品在采集、儲存和提取整個過程中維持海底原位采集點(即噴口)的壓力。保壓取樣器的研究，關鍵技術之一就是可簡單遙控操作的保壓截止閥。由于處于超高壓環(huán)境和遙控操作等特殊要求，目前國內還沒有這種成熟的技術，國際上也只有為數(shù)不多的國家開發(fā)了類似產品。美國海洋技術研究所(WHOI)最新開發(fā)的一種氣密恒壓熱液取樣器采用的是電機驅動截止閥的方法來實現(xiàn)超高壓環(huán)境中的保壓取樣控制，參見Jeffrey S.Seewald等人在Deep-Sea Research I 49<深海研究>(2001)189-196上發(fā)表的“A new gas-tight isobaric sampler for hydrothermal fluids”(一種氣密恒壓熱液取樣器)一文，該裝置主要由超高壓針閥、減速直流電機、壓力平衡腔體和橡皮膜、連軸節(jié)和定時控制回路構成。減速直流電機安裝在充滿硅油塑料腔內，用來保證內外壓力平衡。一個安放在潛水器控制盒內的定時回路，保證使用時樣品閥完全打開。通過由連接到潛水器電源控制針閥的開關，同時監(jiān)視電機的電流來確定關閉閥所需特定的扭矩，即關閉力的大小。但該電機驅動開關閥存在以下三方面缺陷一，因為采用電機驅動，每一個取樣器均要潛水器提供電源，單獨控制，由于深海取樣時需要攜帶大量的取樣器，電源線的干擾嚴重地影響了取樣操作，并占用了潛水器的資源；二，由于處于高壓環(huán)境，驅動電機需要充油密封，必須用特定的補償機構來平衡密封腔體的內外壓差，技術復雜，成本高可靠性低；三，由于閥口壓緊力的大小是通過監(jiān)視電機的電流來確定，因此增加了壓緊力的不確定性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種小推力超高壓保壓直推式截止閥，使其在超高壓環(huán)境下用較小的推力驅動開關高壓回路，從而解決了本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的，本發(fā)明包括小活塞、小缸體、壓縮彈簧、大活塞、放氣帽、大缸體、大缸后端蓋、連接體、閥體、閥針。其連接關系為在同一軸線上，大缸體固定在小缸體的后端，小缸體的內腔設有小活塞，大活塞前端的活塞桿上設有壓縮彈簧，后端連接著閥針，并一起設置在大缸體的內腔，同時使大活塞前端的活塞桿置于小缸體內腔的后端，在大缸體的后端依次裝有放氣帽、大缸后端蓋、連接體和閥體，從而形成了小缸壓力腔、大缸壓力腔及彈簧腔，大活塞中心的軸向小孔使小缸壓力腔和大缸壓力腔貫通，大缸體上位于彈簧腔處的周向小孔使彈簧腔與外界連通，大缸后端蓋上的徑向小孔與連接體和閥針間的間隙連通。
大活塞設有軸向小孔，小缸壓力腔和大缸壓力腔通過該軸向小孔貫通；大缸體位于彈簧腔處設有周向小孔，彈簧腔與外界通過該周向小孔連通；大缸后端蓋上設有徑向小孔，該徑向小孔與連接體和閥針間的間隙連通。
本發(fā)明的工作壓力是通過調整壓縮彈簧的壓縮量使閥針的預壓力滿足閥口保壓密封要求。在壓縮彈簧預壓力的作用下，閥針緊壓閥口，使閥處于常閉狀態(tài)。裝配時使小活塞置于小缸體的最前端，通過放氣口向小缸和大缸的壓力腔內注滿液體介質，排除壓力腔內的空氣，裝回放氣帽并密封。當安裝有本發(fā)明的容器(如深海取樣器)處于高壓環(huán)境時，由于大活塞前端的彈簧腔與環(huán)境相通，小缸和大缸的壓力腔內充滿不可壓縮液體介質并通過小活塞與環(huán)境壓力平衡，因而大小活塞不隨環(huán)境壓力的變化而移動，保證閥口處于常閉狀態(tài)。
工作時，用外力，例如機械手上的直線油缸推動小活塞，在該推力作用下小缸壓力腔的液體介質通過大活塞中心的軸向小孔流入大缸的壓力腔，使大活塞克服壓縮彈簧的壓力而反向移動。大活塞帶動閥針移動，從而完成開閥動作。閥口的開啟程度隨小活塞移動距離的增加而增大。由于大缸體的彈簧腔處開有周向小孔與外界相通，使彈簧腔的壓力不發(fā)生變化。且大缸后端蓋上的徑向小孔與外界相通，不影響閥針的移動。由于大活塞的壓力面積比小活塞的壓力面積大，從而使小活塞的推力通過液力得以放大，因此達到用小推力開啟超高壓閥口的目的。
相反，當小活塞的外推力消除時，壓縮彈簧反推大活塞向后移動，帶動閥針使閥口關閉并壓緊，同時大缸壓力腔的液體介質通過大活塞的中心小孔流入小缸壓力腔，推動小活塞復位，完成關閥動作。
本發(fā)明具有實質性特點和顯著進步，它繼承了現(xiàn)有技術中采用的超高壓截止閥的密封技術，回避了現(xiàn)有技術中使用電機旋轉驅動方式開關閥口的方法，而是采用壓縮彈簧關閉閥口，直線推力放大技術開啟閥口的設計，特別是采取了大活塞中心的軸向小孔將小缸壓力腔連通到大缸壓力腔，利用大小活塞的面積差使外推力放大的結構，實現(xiàn)了用小的直線推力驅動超高壓截止閥的目的，其中所采取的彈簧腔以及閥針與連接體間的間隙均與外界連通的結構設計，使得在不同的壓力環(huán)境下，大、小活塞及閥針的受力平衡，避免了現(xiàn)有技術中需要壓力補償機構造成的結構復雜、成本高的問題。也由于本發(fā)明可在沒有機械或電器連接的情況下實現(xiàn)閥的控制，解決了現(xiàn)有技術中使用多取樣器取樣時，過多的連接電線對取樣操作影響，提高了取樣的效率和可靠性。還因為本發(fā)明中閥針在閥口的壓緊力是由調定的壓縮彈簧預壓力決定的，克服了現(xiàn)有技術中閥口壓緊力通過監(jiān)視電機的堵轉電流來判斷所造成的不確定性。


圖1為本發(fā)明結構示意2為本發(fā)明應用系統(tǒng)工作示意圖其中1-小活塞，2-小缸體，3-壓縮彈簧，4-大活塞，5-放氣帽，6-大缸體，7-大缸后端蓋，8-連接體，9-閥體，10-閥針，11-機械手，12-T型把柄，13-超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥，14-吸水管，15-超高壓保壓取樣器，16-推力油缸，A-小缸壓力腔，B-大缸壓力腔，C-彈簧腔。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括小活塞1，小缸體2，壓縮彈簧3，大活塞4，放氣帽5，大缸體6，大缸后端蓋7，連接體8，閥體9，閥針10。其連接關系為在同一軸線上，大缸體6固定在小缸體2的后端，小缸體2的內腔設有小活塞1，大活塞4前端的活塞桿上設有壓縮彈簧3，后端連接著閥針10，并一起設置在大缸體6的內腔，同時使大活塞4前端的活塞桿置于小缸體2內腔的后端，在大缸體6的后端依次設有放氣帽5、大缸后端蓋7、連接體8和閥體9，從而形成了小缸壓力腔A、大缸壓力腔B及彈簧腔C。
大活塞4設有軸向小孔，小缸壓力腔A和大缸壓力腔B通過該軸向小孔貫通；大缸體6位于彈簧腔C處設有周向小孔，彈簧腔C與外界通過該周向小孔連通；大缸后端蓋7上設有徑向小孔，該徑向小孔與連接體8和閥針10間的間隙連通。
以下結合附圖，給出
具體實施例方式本發(fā)明已應用在發(fā)明者最新開發(fā)的深海熱液取樣器上。深海液體取樣時要求取樣器到達樣品原位，例如3000米海底時打開取樣閥，將樣品吸入樣品保壓容器，然后在樣品原位關閉取樣閥，保持樣品的原位壓力，將樣品保壓帶到水面。
應用本發(fā)明時，調整后的壓縮彈簧3的壓縮量使閥針的預壓力滿足閥口高壓的保壓密封要求。在壓縮彈簧3預壓力的作用下，閥針10緊壓閥體9的閥口，使閥處于常閉狀態(tài)。把小活塞1拉到小缸體2的最前端，通過放氣口向小缸和大缸的壓力腔A和B內注滿液體介質，排除壓力腔內的空氣，裝回放氣帽5并密封。將本發(fā)明保壓截止閥13安裝到超高壓保壓取樣器15上(見圖2)。
潛水器在機械手可到達的籃子里可同時攜帶多個配有該閥的取樣器潛入取樣位置。在下潛過程中，由于大活塞4前端的彈簧腔C以及閥針10所處的腔體分別通過大缸體上的周向小孔和大缸后端蓋上的徑向小孔與環(huán)境相通，小缸和大缸的壓力腔A和B內充滿不可壓縮液體介質并通過小活塞1與環(huán)境壓力平衡，因而大小活塞不隨深度的變化而移動，閥針10在壓縮彈簧3的作用下處于常閉狀態(tài)。
通過遙控潛水器上的機械手11握住某個取樣器的T型把柄12，將吸水管14移到采樣點(如海底的熱液噴口)，通過控制機械手11上固定的推力油缸16推動小活塞1，由于大活塞4的壓力面積比小活塞1的壓力面積大，從而使小活塞1的推力通過液壓得以放大，使作用在大活塞4上的反向推力足以克服壓縮彈簧3的壓力而拉動閥針，二活塞的面積比即為力的放大比，因此推力油缸16只需較小的推力就可克服壓縮彈簧3的壓力打開閥口，從而防止了因過大的推力使超高壓保壓取樣器15脫離機械手11并利于吸水管14穩(wěn)定。針閥10打開后，采集的樣品由吸水管14進入超高壓保壓取樣器15，等到取樣器的樣品腔充滿并壓力平衡后，收回推力油缸16的活塞桿，在壓縮彈簧3的作用下，大活塞4復位并推動閥針10關閉閥口，完成關閥動作。同時大缸壓力腔B的液體介質通過大活塞4中心的軸向小孔流入小缸壓力腔A，推動小活塞1復位。取樣器15內部保壓源使樣品維持采樣點的壓力，操控機械手11將取樣器15放回籃子，完成一次取樣。機械手11可反復上述過程，實現(xiàn)多個取樣器取樣。由于潛水器或機械手11和取樣器15之間沒有電線或固定的機械連接，使得系統(tǒng)結構和操作簡單，單次潛水可完成多點、多次取樣，降低作業(yè)成本。
權利要求
1.一種超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥，包括閥體(9)，閥針(10)，其特征在于還包括小活塞(1)，小缸體(2)，壓縮彈簧(3)，大活塞(4)，放氣帽(5)，大缸體(6)，大缸后端蓋(7)，連接體(8)，在同一軸線上，大缸體(6)固定在小缸體(2)的后端，小缸體(2)的內腔設有小活塞(1)，大活塞(4)前端的活塞桿上設有壓縮彈簧(3)，后端連接著閥針(10)，并一起設置在大缸體(6)的內腔，同時使大活塞(4)前端的活塞桿置于小缸體(2)內腔的后端，在大缸體(6)的后端依次設有放氣帽(5)、大缸后端蓋(7)、連接體(8)和閥體(9)，從而形成了小缸壓力腔(A)、大缸壓力腔(B)及彈簧腔(C)。
2.根據(jù)權利要求1所述的超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥，其特征是，大活塞(4)設有軸向小孔，小缸壓力腔(A)和大缸壓力腔(B)通過該軸向小孔貫通。
3.根據(jù)權利要求1所述的超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥，其特征是，大缸體(6)位于彈簧腔(C)處設有周向小孔，彈簧腔(C)與外界通過該周向小孔連通。
4.根據(jù)權利要求1所述的超高壓環(huán)境小推力直推式保壓載止閥，其特征是，大缸后端蓋(7)上設有徑向小孔，該徑向小孔與連接體(8)和閥針(10)間的間隙連通。
全文摘要
一種超高壓環(huán)境小推力直推式保壓截止閥，用于海洋工程儀器領域。包括小活塞、小缸體、壓縮彈簧、大活塞、放氣帽、大缸體、大缸后端蓋、連接體、閥體、閥針。在同一軸線上，大缸體固定在小缸體的后端，小缸體的內腔裝有小活塞，大活塞前端的活塞桿上設有壓縮彈簧，后端連接著閥針，并一起設置在大缸體的內腔，大活塞前端的活塞桿置于小缸體內腔的后端，在大缸體的后端依次設有有放氣帽、大缸后端蓋、連接體和閥體，從而形成了小缸壓力腔、大缸壓力腔及彈簧腔，還通過開小孔將小缸的壓力腔直接連通到大活塞壓力腔。本發(fā)明實現(xiàn)了用小推力開關超高壓回路，在沒有機械或電器連接的情況下實現(xiàn)了該閥的控制，使相應的應用設備遙控作業(yè)更加簡單方便。
文檔編號G01N1/10GK1563930SQ20041001719
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2004年3月25日
發(fā)明者任平, 馬廈飛, 朱繼懋, 李長春 申請人:上海交通大學