改进的两级压力调节器 【技术领域】
本发明涉及各种压缩气体的压力调节器，特别涉及用于压缩气体或液化天然气之类气体燃料的压力调节器。
现有技术
内燃机中日益普遍使用丙烷或天然气之类的所谓的代用燃料。常常把这类内燃机改装成可使用两种或两种以上的燃料，例如汽油和天然气；从而操作者可视这些燃料的来源情况和价格在其中选用。
几乎所有这类车辆制造成只能使用汽油，然后改装成可使用两种或两种以上燃料。车辆中装有汽油油箱、把汽油从油箱送到发动机地油泵以及把燃料和一定量的燃烧空气喷入发动机中的汽化器或燃料喷嘴。
丙烷和天然气之类的气体燃料必须存储在加压罐中而把气体压缩成可使用的体积。把油罐的压力提高到最高安全压力可提高油罐的储油量从而提高车辆的行驶距离。油罐压力一般为2000-5000psig。
内燃机无法在这样高的压力下工作，因此燃气压力必须降低到发动机可安全工作的大小。
压力在降低时还必须予以调节以确保即使在油罐压力下降时进入发动机的燃气压力仍保持不变。同时，压力调节还必须让油罐输出尽可能多的燃气从而使油罐的压力降低到尽可能接近工作压力。若压力调节器上的压力差太大，油罐中的残油就多，从而发动机无法利用。
具有一级或多级降压的现有压力调节器是公知的并早就被用来降低和调节压缩气体的压力。其中有一些称为压力平衡调节器，它们使用各种布置的弹簧、膜片和机加工部件来平衡压力调节器各级的压力和流率。
例如，1957年6月4号授与F.J.Warner等人的美国专利No.2,794,321公开了一种据说可用来降低和调节丙烷之类用作内燃机燃料的燃料的压力。
某些压力调节器、例如常用于氧气或乙炔之类压缩气气罐的压力调节器设计成容许操作者调节每一级上的压力降。其他压力调节器、例如一般用在燃料供应装置中的压力调节器是预设好的，因此不容许操作者进行调节或只容许操作者作“微调”，虽然指定的维修人员可作大范围的调节。
现有压力调节器存在着若干本发明压力调节器要加以克服的缺点。
主要问题之一称为“低落”，即调节器的输出不稳定。这一不稳定性随燃料流率和储罐中的压力而变并由于现代车辆中常用的燃料喷嘴须燃料压力保持不变而造成问题。原先提出的办法是使用温度和压力传感器检测燃料温度和压力的变动而(对发动机的运行)作出合适的调整。
另一个问题是“蠕升”，即调节器中的压力以及当喷嘴关闭时调节器下游的压力升高。这一压力升使得喷嘴无法克服调节器的比所需值要高的输出压力而很难打开。
这一零流率压力升常常会造成调节器漏油。
送到一压力调节器的燃料的流率一般由一可由车辆驾驶员仅在点火之前打开的螺线管控制阀控制。螺线管控制阀一般克服罐压而打开一引导活塞而使下游压力与上游压力平衡。当这两个压力接近平衡时，主活塞打开而让燃料无所阻挡地流过该阀。在现有调节组件中，燃料喷嘴要达到所需工作压力得花几秒的时间。若车辆驾驶员等不及就点火，车辆就无法正确起动或根本起动不了。
本发明提供一种改进的螺线管，它可不管储罐中的压力高低而迅速打开，从而使调节器几乎立即就达到工作压力。
本发明的改进的压力调节器的优点还有：在加燃料之前所能达到的最低罐压降低；改进的模块设计使得该调节器可以多种位置和方向安装；过滤器的改进设计使得该过滤器上的压力降减小并使该过滤器更容易清洗或更换。本发明改进的压力调节器包括一可用塑料或其他廉价、防腐蚀材料以便宜的压铸之类技术制造的新颖减压阀。
本发明的公开
本发明提供一种调节以天然气为动力的车辆中所使用的天然气之类的压缩气体的压力的两级调节器。本发明压力调节器为适用于初始设备制造厂和修配另部件的坚固、紧凑、高流率、低“低落”、低压力降和低“蠕升”的调节器。它可独立使用，也可与第三级配合而形成三级调节器，例如用来调节汽化装置的燃料压力的大气压(或零压差)型调节器。它特别可应用于单燃料、双燃料和二元燃料的发动机。
本发明两级调节器由其上装配着该调节器的所有部件的一底座(调节器底座)构成，这些部件包括第一和第二级调节器弹簧塔、一减压阀弹簧塔、一过滤组件、一螺线管操纵高压阀和一可有可无的罐压传感器。在该底座中比方说用机加工而成的管道供冷却液或其他流体流过该底座而控制该压力调节器的温度从而控制流过该调节器的流体的出口温度。
该调节器的部件的新颖设计使得该调节器可实现本发明。
本发明的改进的两级压力调节器提供了一种平衡的设计而使压力输出的变动最小。在基于弹簧-膜片的现有调节器中，许多变数影响着输出压力，包括调节器的输入压力；输出流率；膜片的特征和特性，包括其有效面积和强度；基准压力；孔的面积和形状；针栓的面积和形状；弹簧刚度以及工作温度。
使调节器的各部件取得平衡可减少这些因素中某些因素的影响。使针栓取得平衡可消除输入压力的影响，而输入压力是造成决定着输出压力的转移功能“低落”的第一位或第二位的原因。因此，使调节器取得平衡即可用小得多的调节器达到任何给定的“低落”水平。小的调节器比大的调节器反应快、制造成本低。
本发明两级压力调节器的改进设计使用两个反绕的弹簧来提高调节器的稳定性和反应性并从而可使用更小的弹簧塔。调节器的设计要在比方说下列这些互相影响的因素之间取得平衡：大小、成本、“低落”、流量、输出压力、反应时间、稳定性、可靠性、坚固性和外观。
举例说，孔的大小、膜片面积、“低落”水平、膜片基准压力、弹簧刚度和两个反绕弹簧的相互配合可使若干关键部件的大小减小70％，从而提高瞬时反应并降低单件成本和包装大小。
调节器的第一级和第二级都设计成减小运动件的质量，从而减小这些部件在工作时的惯性，从而调节器对工作条件的变动能作出更快的反应。这两级都使用两个反绕弹簧来减小弹簧常数以及所需的弹簧塔的高度。如下所述，这可降低“低落”或工作压力的不稳定性。第一级除了针栓之外的所有部件都可用铝或具有合适强度和热冲击特性的轻型材料制成。
第一级和第二级都使用一卷起的膜片(最好是如下所述的“高顶黑色大礼帽”形状)而使膜片的有效面积在膜片的整个运动范围内保持不变。
本发明的卷起膜片比平直膜片更耐用、制造裕量更大并且在很大程度上消除了平直膜片的滞后效应。这种形状的膜片具有极长的工作寿命、良好的冷天性能和强度。
在本发明调节器中，第一级弹簧塔与环境隔离而以第二级为基准。可以看到，由于第一级压力的±10％的变动对调节器的输出压力造成的变动可以忽略不计，因此第一级无需外部压力调节装置。
第一级和第二级都包括一针栓组件，它构作成可消除现有调节器中不时会有的漏油路径(即从针栓、膜片、膜片止档组件内到弹簧塔内)。每一针栓有一可防止0形环或其他密封件损坏的扣入组件。针栓用经得住它所受到的压力和腐蚀作用的材料制成，需要时用一密封件与上游压力有效隔绝。第一级的针栓可用(Zytel之类的)硬塑料密封材料制成，从而防止针栓在使用橡胶密封时会发生的高压上超咬合。针栓腔塞头的底座上有一0形环而无需扩大凸台，螺纹深度设定成可承受大于20,000psi的压力。在本发明一实施例中，第二级针栓密封可使用模制橡胶密封，因为该密封所受到的最高工作压力仅为250psig，从而该材料是否会造成高压上超咬合无关紧要。在压力较低的第二级中使用较软的材料可大大降低零流量“蠕升”。
如下文要详述的，第二级调节器的构造与第一级基本相同，只是针栓密封的布置和弹簧塔结构的细节有所不同。在图6所示本发明优选实施例中，第二级针栓密封使用一模制橡胶密封，因为与第一级中的密封不同，该密封所受到的最大压力仅为250psig，从而是否造成高压上超咬合无关紧要。这一做法大大降低了零流量“蠕升”(静止时的压力升)，因为它的漏油现象要比使用(该优选实施例的第一级所使用的Zytel牌材料那样的)硬塑料密封时轻。第二级弹簧塔包括一可调节第二级的压力、从而调节该调节器在单独使用时的输出压力的压力调节螺钉以及一可在厂中调节好第二级后装配其上的安全塞。
第一和第二级的弹簧塔都可用常见紧固件(机制螺钉)或锁紧螺纹圈那样的现有部件安装到底座上。
(由第二级的不同输入压力造成的)种种压力不平衡会在第一级中引起较高的“低落”，但这可在第二级中得到矫正。
本发明压力调节器装有一可在第一级万一失灵时起作用的减压阀。若出现失灵，进入第二级的气体压力要比正常值高得多。为防止第二级和其他下游部件受这一高压的影响，在第一级与第二级之间设置一由一小质量活塞、一减压阀弹簧和一减压阀塔构成的减压阀。该阀设计成环绕该活塞的一环形面积等于减压阀孔的面积。这使得减压阀中的压力一旦达到预定值(设定点)该释放压力就作用在更大的面积上，然后活塞脱离其活塞座而释放该压力，从而把活塞打得更开而立即释放压力。可以看出，无需对这一预设压力进行任何外部调节，因为该设定点容许有±5％的变动而使该调节器得到充分保护。
减压阀塔用穿过减压阀塔的底座上的一法兰的机制螺丝之类的任何现有部件紧固到调节器上。该阀可用铝或黄铜之类的防腐蚀材料以便宜的模铸技术或常见的机加工方法制成。
减压阀的出口可通向大气、通向一集气室或回收室。
调节器主体中设计有一流控传感器插孔供用来测量罐压的一可有可无的流控传感器插入。一压力计接口把该口连接到高压螺线管下游的高压钻孔而局部限制“瞬时”螺线管打开时发生的快速压力升(从而减小该传感器中的滑动片和密封速度)。因此，该流控传感器仅当螺线管通电时才加压，螺线管关闭时不受压力。这就延长了流控传感器的寿命。燃料进口温度信息可与流控传感器配合使用而提供一提高燃油表精度的温度补偿信号。
沿着调节器主体的外周设有用来加热调节器底座以及安装具上的各部件的温度控制流体管道。该管道的总长设计成可进行足够的热交换而在最大流量和最高罐压时把气体温度提高100℃(在某些应用中约为2kW热量)而补偿气体膨胀时的热量损耗。由于本发明为模块结构，因此高压气体管道可比现有调节器长得多，从而提高从冷却剂到加压气体的热交换。可对表面-体积比及底座材料的导热率进行选择而获得最佳传热设计。热载流体管道的横截面可做得尽量小而使来自发动机的冷却液分流尽量少。合适的流体管道的设计对本领域技术人员来说当然不会是难事。
顶面或侧面上可装一与第二级弹簧塔与减压阀塔之间的出口通道对齐的出口端温度传感器。该调节器设计成可安装燃料进口温度传感器或燃料出口温度传感器或可同时安装这两者。温度传感器可与调节器主体的大多数热效应隔离而可精确测量从储油罐流出的燃料的温度。这一温度传感器可与燃料压力传感器配合而提供燃油表的温度补偿信号。
所公开的两级调节器比现有调节器紧凑得多。进口、压力经调节的出口、减压阀出口和冷却剂的进出口接头都在前表面上，从而该调节器可用其余四个表面中的任一表面进行安装。本发明一实施例的进口凸边设计成可安装一直螺纹0形圈，其他安装凸边设计成45度扩口接头，从而安装转动可最大并有多种安装可能性。凸边稍作改动或不作改动即可选用其他安装方式。
工作时，压力可为120psig-5000psig的加压天然气进入该调节器后经过过滤器到达该调节器的第一级。它向上穿过针栓孔。第一级弹簧反作用于气体压力而保持该孔打开而调节从油罐流入该调节器第一级的气体的流量。该压力降低到约120-250psig。
气体从第一级经一输送通道流到第二级。一通道从该输送通道通向减压阀，该减压阀如上所述在该调节器的第一级万一失灵时打开而防止下游部件被未经调节的高压气体损坏。
天然气从该输送通道向上流过调节器第二级中的针栓孔；在第二级中，压力降到约100psig(或通过选择合适的弹簧刚度而把压力一般选择并保持在约50-150psig)。
第一级和第二级塔、减压阀、油罐压力传感器、过滤器和高压螺线管塔的高度都相近，从而整个调节器显得方正而紧凑，从而便于使用普通的防尘盖。
本发明两级压力调节器由于其新颖结构而较之现有调节器具有若干优点。它的“低落”或工作压力的不稳定性较低。不使用天然气时漏油现象较轻。这一改进设计减轻了喷嘴关闭时的“蠕升”现象或压力超过正常值的现象，并无需加压气体。模块结构使得安装更为灵活、调节器显得更紧凑、安装的方位更多。
本发明压力调节器所需的输入工作压力较低，在低达100-120psig的罐压下即能工作。因此，可使用油罐中在重新充油前的残油。现有压力调节器的工作所需的最低罐压为200-250psig。
本调节器由于采用了低“低落”设计和轻型部件，因此响应时间更短，工作更平稳。
只要对第一和/或第二级弹簧塔中的弹簧或预设的张力作出改动，本调节器即可在保持低“低落”的同时改变输出压力。
最后，本调节器的第二级即使在更低落的情况下也能平衡，从而减少了漏油的可能性。
本发明的设计可把这些部件装配成一较小、较紧凑的压力调节器。
从下面的详细说明中可看出，螺线管的流控传感器设计可应用于其他场合，例如可用于：
●进油管线天然气关闭螺线管；
●罐内关闭螺线管；
●进油管线汽缸充气装置关闭螺线管，此时与下列部件一起使用：过滤器、压力和温度传感器、减压阀、气体进出接头、手动旁路器以及复式排气管；
●天然气车辆加油站油枪中的自动阀；
●天然气车辆加油站中的应急自动关闭阀；
●天然气加油站压缩机上的级间自动阀；以及
●加油站油槽关闭螺线管。
附图的简要说明
图1为本发明优选实施例的压力调节器的立体图，示出该调节器的顶面、前门和一侧面。
图2为本发明优选实施例的压力调节器的立体图，示出该调节器的底面、后面和一侧面。
图3为本发明优选实施例的压力调节器的俯视图。
图4为沿图3中4-4线剖取的图3压力调节器的剖面图，示出该调节器的第一级和第二级。
图4A为本发明另一实施例的剖面图，其第二级构作成压力取得平衡。
图5为图4所示压力调节器第一级的针栓组件的局部剖面图。
图6为图4所示压力调节器第二级的针栓组件的局部剖面图。
图7为沿图3中7-7线剖取的图3压力调节器的剖面图，示出本发明优选实施例的调节器的第二级和减压阀组件。
图7A为沿图7中7A-7A线剖取的压力调节器的活塞的局部剖面图。
图8为沿图3中8-8线剖取的天然气进口处的过滤区的局部剖面图，示出本发明优选实施例的过滤组件。
图9为沿图3中9-9线剖取的本发明优选实施例的高压螺线管的局部剖面图。
图10为压力传感组件的剖面图。
图11为本发明一优选实施例的示意图。
本发明的实施方式
从图1和2可见，本发明优选实施例的两级调节器由一底座或壳体100构成，其中用钻头钻出或用其他方法制出许多下文要详述的流口和流道。壳体100主体中在该底座的多达四个表面上有许多安装孔102，从而该组件可更灵活地安装在多种所需场合。还有许多塞头104用来塞住钻天然气气口或生产测试点以及该壳体中的温度控制流体通道时形成的孔。该壳体上有过滤组件200、第一级调节塔500、瞬时螺线管组件300、第二级调节塔700、减压阀(“PRV”)组件600和罐压传感组件400。
该壳体中有温度控制流体进口162、温度控制流体出口164、压力要调节的天然气或其他流体的进口103和出口106。
图2示出本发明两级调节器组件的另一立体图，示出该底座的底面和后面以及该底座中的第一级和第二级的空腔的位置。图中示出用来密封该底座上在钻制两压力室时形成的开口的第一级空腔塞头107和第二级空腔塞头108。
图3为本发明压力调节器的俯视图，示出过滤组件200、瞬时螺线管阀组件300、可有可无的罐压传感组件400、第一级调节器塔500、减压阀组件600和第二级调节器塔700。从图4可看到沿图3中4-4线剖取的压力调节器的剖面。图4示出该两级调节器的第一和第二级的内部结构和机制，特别示出下面要详述的第一和第二级弹簧塔、第一和第二级针栓组件以及供温度控制流体和所调节流体流动的通道。
如图4所示，第一级弹簧塔500包括一具有顶壁503、侧壁504和底部法兰505的弹簧塔盖502。顶壁503与侧壁504之间有一肩部506，顶壁503的底面上有一安放弹簧的凸台507，这在下文交代。如下文要详述的，弹簧塔的孔径比第一级输出室116大，从而形成一突起部117而防止膜片活塞554在针栓失灵时剪断膜片。
第一级弹簧塔中有弹簧510和512，弹簧512套在弹簧510外，两弹簧的卷绕方向相反。弹簧常数选择成可获得所需输出压力。改变弹簧常数即可获得不同的输出压力。凸台507的尺寸做成紧紧卡住在第一盘簧510的内径中，肩部506用来卡住外部盘簧512。
弹簧塔盖502可用未示出的安装螺栓或其他紧固件安装到底座100上。例如，可用安全螺钉之类把法兰505紧固到调节器组件的底座100上。
图4示出一由一具有顶面703、侧壁704和底部法兰705的弹簧塔盖702构成的第二级弹簧塔700。侧壁704与顶面703之间有一肩部706。第二级塔内的压力通过盖702上或其他某一便利部位上的一开口而以大气为基准。
该压力调节器的第二级弹簧中有一在图6中详细示出的第二级针栓组件。一锁紧环707把第二弹簧塔组件紧固到该底座上。
第二弹簧塔组件中有卷绕方向相反的第一和第二盘簧710和712。弹簧710和712紧抵一可由一定位调节螺钉722垂直移动的弹簧调节端帽，从而可调节弹簧710和712作用在针栓组件750上的力。定位调节螺钉用安全胶724或任何其他安全措施防止未经许可的调节。该弹簧塔的孔径也大于对应输出室的孔径而防止膜片活塞在针栓失灵时剪断膜片。
第一和第二级塔组件都使用两个反绕的弹簧减小塔高和弹簧常数。由于减小了一定弹簧塔高下的弹簧常数，因此这种弹簧配置使得工作压力的不稳定性(“低落”)降低。两弹簧反绕可防止弹簧伸缩时相邻的弹簧卷缠绕在一起。
从图5可见，第一级针栓组件由一大致位于水平方向上的膜片552构成，但该膜片552上有一向上伸出的卷匝510而使该膜片的性能有所提高。确切说，这种设计确保膜片总是受拉(即从不受剪切或压缩)。从而，由于该卷匝卷起，膜片决不会伸长或翘曲(即大大消除了滞后现象)。而且，这种膜片形状可使工作面积大致保持不变，而与膜片行程、即膜片从其起始位置的位移无关。
如上所述，卷匝的存在具有若干优点，包括膜片的工作寿命提高和膜片的制造裕量加大。该卷匝还消除了平直膜片在工作位移中会发生的滞后现象。在另一优选实施例中，可用一具有更长卷匝的“高顶黑色大礼帽”式膜片(未示出)取代具有预制卷匝的膜片。这可用来减小膜片面积因针栓组件的位置变动而发生的变动。
膜片552装在下边一膜片止档558上，该膜片止档包括一向下卷起的外边512和穿过膜片552中心的中央凸台560。该膜片用膜片活塞554和一锁紧环562夹持在下部膜片止档上。一弹簧缓冲件564夹持在锁紧环562与膜片活塞554的向上伸出的外圆周之间。弹簧缓冲件564紧抵弹簧塔的侧壁504(见图1)，但当第一级针栓组件移动时可在该侧壁上滑动，它在流体压力波动时减小弹簧组件的振动。
在一种优选实施例中，该弹簧缓冲件包括8个都紧抵侧壁504(见图4)的向上伸出的爪。具有8个爪的缓冲件在许多情况下作用在侧壁上的力的分布比只有4个爪的缓冲件要好，从而这些爪不会啃进侧壁中。
下部膜片止档的中央凸台中装着一针栓杆565，它包括一狭长中央部和一用针栓固定件568固定在该凸台560中的头部566。在第一级针栓组件的底端有一用螺纹连接到针栓杆565上的针栓阀570。该针栓阀外套有一针栓阀密封572，它与针栓阀570之间用一0形环保持密封。需要时，可在膜片552与膜片活塞554之间加一特氟隆垫圈在冷天加强保护。特氟隆垫圈(未示出)可减慢向膜片552的传热。也可在膜片活塞554和下部膜片止档558上用一陶瓷涂层提高冷天性能。此外，也可改变弹簧塔室(图4中的513)的构形而在膜片552与下部止档558之间形成一“滞留气体”集气部而提高冷天性能。
从图6可见，第二级针栓组件在许多方面与第一级针栓组件相同。第二级针栓组件由一大致位于水平方向上的膜片752构成，但该膜片752上有一向上伸出的卷匝711而提高该膜片的性能。
膜片752装在下部一膜片止档758上，该膜片止档包括一向下卷起的外边713和穿过膜片752中心的中央凸台760。该膜片用膜片活塞754和一锁紧环762夹持在下部膜片止档上。一弹簧缓冲件764夹持在锁紧环762与膜片活塞754的向上伸出的外圆周之间。弹簧缓冲件764紧抵弹簧塔的侧壁704(见图1)，但当第二级针栓组件移动时可在该侧壁上滑动。
下部膜片止档的中央凸台中装着一针栓杆765，它包括一狭长中央部和一用针栓固定件固定在该凸台760中的头部766。在第一级针栓组件的底端有一用螺纹连接到针栓杆765上的针栓阀770。该针栓阀外套有一模制橡胶密封774。由于第二级压力室中的流体压力比第一级压力室中的高压流体的压力低得多，因此使用模制橡胶密封该密封也不至于变形。需要时，可在膜片752与膜片活塞754之间加一特氟隆垫圈在冷天加强保护。特氟隆垫圈可减慢向膜片752的传热。也可在膜片活塞754和下部膜片止档758上用一陶瓷涂层提高冷天性能。此外，也可改变弹簧塔室(714)的构形而在膜片752与下部止档758之间形成一“滞留气体”集气部而提高冷天性能。
如上所述，第一和第二级针栓组件大致相同。某些部件可互换而降低因使用不同部件而造成的制造、储藏和其他成本。例如，在该优选实施例中，膜片552和752、膜片活塞554和754、膜片止档558和758、锁紧圈562和762、弹簧缓冲件564和764以及针栓固定件568和768的规格都相同而可在第一与第二级针栓组件之间互换着使用。
从图4中还可看到，加压流体从图1所示进口103进入该壳体中后流过下文详述的过滤组件。流体经进流口152进入该压力调节器的第一级而来到其压力大致为油罐压力的第一级针栓室154。流体受控地流过针栓密封572与针栓室壁114之间的间隙后流过第一级压力恢复部112。
流量受弹簧510、512和膜片552(见图5)的把针栓组件推向打开位置的合力的调节，而针栓室154中作用在膜片552(见图5)上的流体压力把针栓推向关上位置。针栓室154中有一向下伸出的导流板防止流过该室的气体发生过大的紊流。该导流板降低了流过该室的气体的压力降，从而使得该调节器可在较低的供应压力下工作。膜片552(见图5)用作密封防止气体向上流入第一级弹簧塔并使针栓在关上与打开位置之间的垂直移动平稳。
第一级输出室116的圆周上有一突起部117用来抵靠下部膜片止档的下卷边而防止第一级阀组件打开得超过预定距离。为进一步提高高压流体特性，第一级输出室包括一斜坡118以使输出室与通向第二级的流道之间的过渡更为平缓。
图5所示下部膜片止档558形成第一级输出室116的顶壁。第一级调节流体流过第一级恢复部112后流到第一级输出室116。流体然后从第一级经第二级过渡流道159流到第二级针栓室180。同样，流体流过作为第二级针栓密封的一模制橡胶密封774与制成在该底座上的第二级肩部126之间的间隙。
在一实施例中，模制橡胶密封774的肩部777的曲率半径做成与肩部126的曲率半径相符，从而通过减小紊流和压力降而大大提高流体的流量。针栓杆765中的到角775的曲率可做成与模制橡胶密封774的曲率相符而进一步减小该区域的压力降。
第二级针栓室中的流体受弹簧710、712和膜片752(见图6)的把第二级针栓组件推向打开位置的合力的调节。针栓室180中作用在膜片752(见图6)上的流体压力形成一把第二级针栓推向关上位置的反向力。膜片752用作密封防止流体向上流入第二级弹簧塔并使针栓在关上与打开位置之间的垂直移动平稳。图6所示下部膜片止档758形成第二级输出室的上部216的顶壁。
输出室216中有一突起部717抵靠下部膜片止档758的外边713而防止第二级针栓组件的位移超过一预定点。第二级输出室中有一螺旋形斜坡(未示出)以进一步减小“低落”。该斜坡提高了气流流速并使气流更顺利地流向出口。该斜坡可用成本比机加工低的锻造技术制成在该底座上。经调节的流体然后流过与图1所示出流口106相通的输出流道156。
一可卸下的端盖580用来封住第一级针栓室154的底部。该端盖580可卸下而露出第一级针栓室以便进行内部工作部件的装配、维修和检查。端盖580还使针栓对中。调节器底座100与端盖580之间有一0形环582作为密封而防止流体经端盖580泄漏。同样，一可卸下的端盖780用来封住第二级针栓室的180的底部。同样有一0形环782用作调节器底座100与第二级端盖780之间的密封。
图4A示出对第二级针栓室、第二级针栓和有关部件作出修正的本发明另一优选实施例。特别是，作为减轻调节器的“低落”现象的另一种方法，公开了一种压力平衡的针栓组件。由于压力平衡，因此针栓的曲率半径无需与肩部126所界定的对应孔的曲率半径相符。而且，由于该实施例所具有的的缓冲特性而在许多情况下无需使用弹簧缓冲件。
从图4A中可看出，第二级针栓770有一橡胶密封799固定在该针栓的面向由肩部126所界定的孔的表面上。该针栓的底部有一凹槽内置一0形密封环793。该密封793与一杯形浮动密封件792贴合而形成气密连接。该针栓可在由浮动密封792形成的外壳中相对自由地作垂直滑动。一带突缘的止动件791使浮动密封792无法作垂直移动。但在带突缘的止动件791与浮动密封792之间留有微小垂直间隙，从而密封792可相对端盖和止动件作横向滑动。可以看出，这种结构可用公差很大的低成本工艺制造。
带突缘的止动件791可用螺纹连接之类紧固在端盖790上。针栓770的底部、浮动密封792和0形密封环793界定一经一流道或流孔7 95而与第二级针栓室相通的室796。流孔795中有第二针栓室的进口798。进口798由橡胶密封799界定。可以看出，气室796与第二针栓室之间的压力差在一定程度上与弹簧组件的作用力相平衡。也就是说，在第二针栓室中压力减小、而气室796中的压力较高时，弹簧进一步打开针栓而使气体从气室796经流道795排入针栓室。同时，气室796中余下的气体的平衡压力用来缓冲弹簧的把针栓进一步推向打开位置的作用力。当针栓室中的压力比气室796高从而针栓室中的高压气体把针栓推向关上位置时，气室中的较低压力在一定程度上抵销该力而减轻针栓移向关上位置的倾向。
图7示出本发明优选实施例的第二级调节塔组件700和减压阀组件600。减压阀组件装在该压力调节器的底座100(见图1)中的减压阀室603的上方。调节器底座100(见图1)中的减压阀室603的底部605经流道654与第一级空腔116(见图4)连通。顶部607的横截面比底部605大而形成一供减压阀活塞625抵靠其上的台阶608。
减压阀组件由一其底端与减压阀室605相接的壳体610构成。该壳体界定一出口空腔611、一狭窄出喉管612和一供排出的气体经减压阀出流口130排到大气中的扩大的开口614。该壳体610的一带突缘底部616上有一密封圈636。密封圈636在减压阀壳体610与调节器底座100(见图1)之间形成气密。
该减压阀组件中在壳体610的顶端与减压阀活塞625之间有一盘簧620。减压阀活塞625的底面上装有一密封640，从而在正常工作情况下保持与减压阀室605的压力密封。弹簧620的特性应选择成构成所需要的压力释放组件以释放该组件中的过高压力而防止该调节器组件的第二级各部件受到损坏。可以看出，压力过高的流体会克服弹簧的弹力而向上推动减压阀活塞而压缩该弹簧而使压力过高的流体流入出口空腔611后从出流口130流出。室605中的压力一旦下降到弹簧620的作用力之下，减压阀又抵住阀座而又形成压力密封。
如图7和7A所示，减压阀活塞625由一可供盘簧620底端插入并抵靠的中空圆柱部632构成。减压阀活塞最好用防腐蚀的轻型材料(例如塑料)制成。中空圆柱部的周围有许多可在减压阀室603的上部607的壁上滑动的翅片634。这些翅片便于活塞在该上部壁上滑动并减小活塞卡死在壁上的可能性。
图8为调节器组件的天然气输入过滤区的局部剖面图。一过滤器盖260位于调节器底座100中的过滤器上部凹座230中。一0形环261用来在过滤器盖的抵靠面与底座100之间形成密封以便减小凸台。一波形垫圈264紧抵过滤器盖260而在进口过滤器262上施加一向下的力。过滤器盖260很容易卸下和装上，从而无需拆开进口接头便可方便地更换堵塞的进口过滤器。进口过滤器262一般为中空结构。该过滤件的有效表面积比现有过滤器大。该有效表面积包括过滤器的大部分端面268(未被波形垫圈盖住的部分)以及过滤器外壁的几乎所有圆周面积。由于过滤面积加大，因此流体可以在该过滤器上低得多的压力降以高流量流过该过滤器。过滤面积加大还降低了过滤器发生堵塞的可能性从而无需经常更换过滤器。在优选实施例中，进口过滤器262的等级为40微米，它用烧结不锈钢、烧结青铜或黄铜材料制成。进口过滤器262的下端263紧靠着调节器底座100中的入口235。
底座100上有一天然气输入凸台240。该凸台240中有与输入流道250连通的天然气输入口103。该输入流道250与由过滤器盖260界定的外壁和该调节器底座100中的一凹座259与进口过滤器262的多孔外壁269之间的一过滤器外室222连通。底座100中的一凹座257与进口过滤器262的内表面一起界定过滤器的内室265。过滤器外室222通过该进口过滤器的微孔与过滤器内室265连通。
从上述说明可以看出，进入的流体流过天然气进口103和输入流道250。流体流到环绕着进口过滤器的外壁的外室中时杂质留在进口过滤器的外表面上而被清除出流体。经过滤的流体流入内室后经流道266流到高压螺线管室再流向第一级调节组件。
图9示出一装在调节器底座100上的高压螺线管组件300。该螺线管组件可用螺钉之类可卸下地紧固在调节器底座上，从而需要时可卸下并更换。该螺线管组件由一支撑在一螺线管底座331上的壳体310构成。该螺线管底座331装在调节器底座100的一控制活塞腔307中。一0形环309用来密封该螺线管组件与该调节器底座100之间的接合部。螺线管壳体中有一与电源302连接、用定位螺钉305固定在壳体310中的线圈308。线圈308做得很小，从而显得紧凑而可用于高压流体场合。由于本发明所需的磁场较弱，因此该线圈的尺寸比以往的设计小(成本低、重量轻、容易包装)，螺线管的工作电流小(效率高、发热少)。螺线管线圈位于调节器底座100的外部上方。控制活塞306从螺线管底座331内向上伸入由螺线管线圈308围成的空腔中。
一主活塞腔端塞320用螺纹连接件固定在调节器底座100上。一0形环322在端塞320与调节器底座100之间用作防漏密封。主活塞腔351由调节器底座100和端塞320界定。主活塞腔351中装有用来开通或切断调节器组件第一级中的流量的主活塞379，这在下文详述。
流体在主活塞处于打开位置时从过滤组件流过与主活塞腔351连通的流道266而沿着连接流道152流到第一级针栓室。
在该优选实施例中，该瞬时螺线管包括一密封一控制小孔373的螺线管操纵的控制活塞306和一密封主流量孔的主活塞379。主活塞379包括一低磨擦(特氟隆型)密封环362，它在容许该活塞在孔中滑动的同时密封活塞并在主活塞发生振动时提供库仑阻尼。主活塞中有一放气小孔375(其直径小于控制孔)用来控制该活塞的漏气率。此外，主活塞包括一紧紧插入在主孔中的斜头密封止动螺钉377。该止动螺钉在供应压力很高时防止主孔密封381受挤压并在活塞低行程处限制流量而减小主活塞的振动。压力经钻孔371从控制活塞腔通到主活塞腔。从上述说明可看出，主活塞与控制活塞之间形成气动耦合，从而可构作比使用电磁耦合的常见螺线管组件尺寸小得多且成本低的螺线管组件。如图9所示，流道152中有一文丘里管144以进一步减小流过主活塞的特别是高流量的流量的压力降。
在“关上”位置，控制复位弹簧382迫使控制活塞306密封控制活塞孔373。从而流道266的压力经放气孔375与主活塞的背部相通而在主活塞上平衡。然后主活塞复位弹簧380迫使主活塞密封主孔。
在“打开”位置，螺线管线圈吸进控制活塞，从而流体可从控制活塞腔378流入流道152。所造成的压力降经钻孔371与主活塞379的背部相通。从而作用在主活塞上的压力差克服复位弹力和孔径差而使主活塞打开。
若某一调节器组件无需使用瞬时螺线管组件，则控制活塞腔378可省去而主活塞塞头379可代之以一现有胀塞；在无需使用高压螺线管的其他场合，可在主活塞腔中安装一现有两级螺线管，线圈和螺线管壳体从调节器底座的前面191向外伸出。
需要时，可用一流控传感器(未示出详情)测量油罐压力。例如，在某些情况下，调节器组件中不必设置流控传感器，特别是高压油罐旁已有压力传感器时。在该优选实施例中，图10示出一压力传感器组件400。调节器底座100中有一安置压力传感器组件的流控传感器孔1001。一压力测量头1002或流道使该传感器孔1001与高压螺线管组件下游的高压流道152连通。压力传感器400的阳螺纹与压力传感器孔1001的阴螺纹之间的微小间隙沿着螺纹的长度形成螺旋形间隙，从而形成一对高压螺线管打开时产生的迅速压力升起到抑制作用的分布孔1003。这降低了该压力传感器所受到的极大压力变动，从而提高和延长其期望工作寿命。
图11示出使用于开动汽车的天然气气源的本发明优选实施例。在许多汽车中，油罐的起始工作压力一般高达4500psig。本领域技术人员可以看出，本发明各实施例也可承受高达5000psig的输入压力。在使用本发明一实施例时，许多情况下可开动汽车直到油罐计示压力下降到约120psig。应该看到，现有两级压力调节器继续开动汽车所需的最低油罐压力约为200-450psig。因此可看出，使用本发明实施例可提高工作范围。
从图11中可见，虚线框内示出优选实施例的各部件。该两级调节器的外部有把高压燃料供应给进口过滤器的燃料源、用来控制瞬时螺线管和流控传感器的电子控制模块以及在调节器底座中循环温度控制流体的冷却液进出口管线。该示意图的右边在表示该调节器的虚线框的外部为减压阀输出接头和表示把经调节的天然气供应给车辆动力厂的燃料输岀。
如上所述，当瞬时螺线管按照电子控制模块发出的信号打开时高压天然气流过一40微米过滤器。流过该螺线管的经过滤气体的压力由位于该瞬时螺线管和第一级组件紧旁的一流控传感器测量。高压气体流入调节器的第一级后以150-250psig的压力(在正常工作情况下)流出到第二级组件中。减压阀与第一和第二级之间的流道连通，从而当第一级的气压超过预定的325psig时使气压过高的气体排出第一级。也即，减压阀打开而排出压力过高的气体而防止第二级的各部件受到过高气压的损害。从第一级组件流出的天然气流到第二级组件经进一步调节而生成压力约为100psig的输出燃气(或改变弹簧而获得其他压力)。该示意图还示出减压阀和第二级压力调节组件的工作压力以大气压为基准。但是，第一级组件的输出工作压力在正常工作情况下一第二级组件的输出压力为基准。
本领域技术人员显然可对以上公开的压力调节组件进行有用的修正，这类修正因看成落在后附权利要求书的范围之内。