CN101745168A - 比例调节阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种比例调节阀，包括：具有内部腔室的阀体，阀体上形成有气流开口；设置在阀体的内部腔室中的筒形阀芯，阀芯的侧壁上形成有位置与气流开口相对应的阀芯切口；特别地，比例节流阀还包括驱动装置，驱动装置连接于阀芯并驱动阀芯绕自身纵向轴线转动，并且阀芯上的阀芯切口为三角形切口，阀芯切口的开启面积随阀芯的转动变化。优选地，根据本发明的比例调节阀的阀芯切口为等腰三角形切口，该等腰三角形的底边平行于阀芯的纵向轴线。

Description

比例调节阀

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体涉及用于诸如呼吸机、麻醉机等的医疗设备的比例调节阀。

背景技术

在医疗领域，在呼吸机或麻醉机上通常需要使用比例调节阀对气道中的气体流量进行调节，比例调节阀的阀芯上会形成有不同形状的切口以用于气体流通，例如，矩形、不规则多边形等。当使用矩形阀芯切口时，由于矩形阀芯切口最初开启时露出的为整条切口边缘，使得气体流量无法精确地从接近于零点的值开始变化，并且也难以对气体流量进行平缓的调节。而当使用不规则形状的阀芯切口时，例如图1中所示的阀芯切口，这种形式的阀芯切口在调节过程中，阀芯切口的过流面积的形状、以及流束射流角的变化比较剧烈，节流面的形状变化梯度很大。采用上述形状的阀芯切口会导致无法实现平缓连续的气流调节，因而导致很大的节流噪声并使得在阀芯换向时发生气流紊乱。另外，目前常用的比例调节阀采用活塞作为阀芯，通过使阀芯在阀体的腔室内平移来控制流经穿过阀芯切口的气体流量，然而，这种阀芯平移式的比例调节阀的结构较复杂，并且难以精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种比例调节阀，其主要应用于呼吸机或麻醉机等医疗设备上，该比例调节阀通过改变阀芯切口以及阀芯运动的方式来实现平稳连续且变化梯度小的气体流量，从而减小节流噪声以及气流紊乱现象。

针对上述目的，根据本发明提供了一种比例调节阀，包括：具有内部腔室的阀体，阀体上形成有气流开口；设置在阀体的内部腔室中的筒形阀芯，阀芯的侧壁上形成有位置与气流开口相对应的阀芯切口；特别地，比例节流阀还包括驱动装置，驱动装置连接于阀芯并驱动阀芯绕自身纵向轴线转动，并且阀芯上的阀芯切口为三角形切口，阀芯切口的开启面积随阀芯的转动变化。

优选地，根据本发明的比例调节阀，其中，驱动装置包括：步进电机，步进电机的电机轴与阀芯相连；连接在电机轴上的遮光片；邻近步进电机设置的传感器，传感器具有槽口，槽口与遮光片相对且遮光片随电机轴的转动可进入传感器的槽口中。

优选地，根据本发明的比例调节阀，其中，三角形切口的一条边平行于阀芯的纵向轴线。

优选地，根据本发明的比例调节阀，其中，切口为等腰三角形切口，该等腰三角形的底边平行于阀芯的纵向轴线。

优选地，根据本发明的比例调节阀，其中，切口的具有接近于0的最小开启面积。

优选地，根据本发明的比例调节阀，其中，阀体上形成有两个径向相对的气流开口，其中第一气流开口与气路系统相通，而第二气流开口被封闭。

优选地，根据本发明的比例调节阀，其中，被封闭的第二气流开口通过盖板封闭，盖板紧固地安装在比例调节阀上，并且盖板与第二气流开口之间设置有密封垫。

本发明具有以下技术效果：

首先，根据本发明的比例调节阀采用三角形的阀芯切口并且通过步进电机驱动阀芯转动来改变阀芯切口的开度大小，从而可以精确控制气体流量，获得的气体流量平稳连续且变化梯度小，因而减小节流噪声以及气流紊乱现象；

其次，对于根据本发明的三角形的阀芯切口，阀芯切口的过流面积与阀芯切口的开度成三次曲线关系，通过阀芯切口的气体量在三角形的顶点处具有零值点并且阀芯切口可以根据实际需要打开任意小的开度，以精确满足各种实际需要；

再次，三角形的阀芯切口以及通过阀芯转动改变切口开度的方式方便易行，并且这种构造方式的比例调节阀结构简单且易于控制。

应该理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的一些实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。附图中：

图1示出了现有技术中的比例调节阀的阀芯结构示意图；

图2示出了根据本发明的比例调节阀的阀芯的立体结构图；

图3示出了根据本发明的比例调节阀的阀芯的主视示意图；

图4示出了根据本发明的比例调节阀的剖视示意图；

图5示出了等腰直角三角形的阀芯切口取不同开度值时的切口状态示意图；

图6示出了在图4中的不同开度的情况下阀芯切口的开启面积与电机轴转动角度的曲线图；

图7示出了图4中的比例调节阀在阀芯切口完全关闭时的工作状态示意图；

图8示出了图4中的比例调节阀在阀芯切口开度较小时的工作状态示意图；

图9示出了图4中的比例调节阀在阀芯切口开度较大时的工作状态示意图；以及

图10示出了图4中的比例调节阀在阀芯切口完全开启时的工作状态示意图。

具体实施方式

下面将参照附图并结合具体实施例对本发明的实施方式进行说明。

图2、3示出了根据本发明的比例调节阀的阀芯的结构，图4示出了采用图2、3中的阀芯的比例调节阀的剖实示意图。如图可见，本实施例中的比例调节阀包括：具有内部腔室1c的阀体1，阀体1上形成有径向相对的两个气流开口1a和1b；设置在阀体1的内部腔室1c中的筒形阀芯4，阀芯4的侧壁上形成有位置与气流开口1a、1b相对应的阀芯切口4a。阀体1是比例调节阀的主体部分，是其他零件的安装基座，其中，阀体1的内部腔室1c与涡轮风机(未示出)相通以接收来自涡轮风机的压缩气体，而阀体1的两个气流开口分为与气路系统连通的第一开口1a以及被封闭的第二开口1b，第二开口1b的封闭方式将在下文中进一步描述。

继续参照图4，根据本发明的比例节流阀还包括驱动装置，驱动装置连接于阀芯4并驱动阀芯4绕自身纵向轴线转动，该驱动装置的构成将在下文中描述。特别地，如图2、3所示，根据本发明的阀芯4上的阀芯切口4a为三角形切口，该阀芯切口4a的开启面积随阀芯4的转动而变化。在本优选实施例中，阀芯切口4a为等腰直角三角形的切口，并且等腰三角形的底边平行于阀芯4的纵向轴线(如图3所示)。应理解，在其他实施例中，阀芯切口4a可以采用任何适合的三角形形式，并且优选地，可以使阀芯切口4a的一条边平行于阀芯4的纵向轴线。

具体地，在本实施例中，上述的驱动装置包括：通过电机轴5与阀芯4相连的步进电机6；连接在电机轴5上遮光片8；以及邻近步进电机6设置的传感器7，传感器7具有槽口7a，该槽口7a与遮光片8相对以使得遮光片8随着电机轴5的转动而进入到槽口7a中。应注意，传感器7通过导线9与外部控制电路相连。上述的步进电机6是本比例调节阀的控制装置，通过它来控制阀芯4的具体旋转角度，在本实施例中，步进电机6前进一步则电机轴5转动0.225°，即与电机轴5相连的阀芯4也转动0.225°。传感器7具有光耦的功能，而遮光片8用来遮住传感器7内部发出的光信号。当遮光片8随着电机轴5的转动而进入传感器7的槽口7a中时，整个槽口7a基本上被遮挡住，此时光线就无法顺利穿过槽口7a，则传感器7就无法接收到信号，从而确定步进电机6的当前位置。这种类型的由步进电机6、传感器7、遮光片8组成的驱动装置的结构和工作方式在现有技术中已为人熟知，在此就不再赘述了。

对于上述三角形结构的阀芯切口4a，阀芯切口4a的过流面积与阀芯切口的开度(即阀芯切口4a的开启面积)成三次曲线关系，当阀芯切口4a刚刚开启时，阀芯切口4a只在顶点处开启一个微小的气体流通面积，则通过此气体流通面积的气体量在此微小开度下接近于零(即，阀芯切口4a的开启面积最小可以为接近于0的值)，并且阀芯切口4a可以根据实际需要打开任意小的开度，从而精确满足各种实际需要。这同现有技术相比有了显著提高，现有技术中的矩形的阀芯切口，由于不具有呈尖角的顶点，因此其开启面积几乎不可能达到接近于零点的最小值，同时，矩形、不规则外形的阀芯切口无法实现开启面积的连续平滑的变化且变化梯度很小，而这些问题都可以通过本发明的三角形的阀芯切口解决。下面将结合具体的计算数据来对上述效果进行说明。

图5示出了等腰直角三角形的阀芯切口4a取不同开度值时的示意图，图5示出了在图4中的不同开度的情况下阀芯切口4a的开启面积与电机轴5转动角度的曲线图。当采用等腰直角三角形的阀芯切口4a时，切口开启面积S与切口开度X满足如下的关系：

$S={\∫}_0^x\frac{1}{2}X2{\mathrm{Xd}}_x=\frac{1}{3}{X}^3$

对应于图4中所示的不同开度Xi，分别取X₁＝3、X₂＝6、X₃＝9、X₄＝12、X₅＝15、X₆＝18、X₇＝21、X₈＝24、X₉＝27、X₁₀＝30(单位为mm)，将上述值分别代入切口面积S的计算公式中，可以得到：S₁＝9、S₂＝72、S₃＝243、S₄＝576、S₅＝1125、S₆＝1944、S7＝3087、S₈＝4608、S₉＝6561、S₁₀＝9000(单位为mm²)。

由于电机轴5的转动角度与阀芯切口4a的开度X呈比例关系，则根据上述计算数据就得出了图5所示的阀芯切口4a的开启面积与电机轴5的转动角度的曲线关系图，如图5所示，其中横轴为电机轴5的转动角度坐标轴，纵轴为阀芯切口4a的开启面积坐标轴。从图5中可以清楚地看出，阀芯切口4a的开启面积S与电机轴5的转动角度之间的形成了光滑平缓的曲线关系，曲线的变化梯度小，在转动角度为0时，S取值为零，并且在转动角度小于1°的情况下，开启面积S近似为零，也就是说可以通过调节阀芯切口4a的开度X对开启面积S进行微量调节以获得任意小的开启面积S。进一步，图6中的光滑曲线还表明开启面积S随阀芯切口4a的开度X(即，电机轴5的转动角度)是连续可调的，并且呈平稳的变化趋势，这中平稳连续的变化不仅能够实现精确的气流控制，并且能有效地减小比例调节阀的节流噪声以及消除换向时由于冲击而造成的气流紊乱。

应理解，根据本优选实施例的比例调节阀的阀体1上形成有两个气流开口1a和1b，但是其他实施例中，阀体1上也可以只形成一个气流开口，该气流开口与气路系统相通。此外，在本实施例中，被封闭的第二气流开口1b通过盖板2封闭，具体地，如图2所示，盖板2紧固地安装在比例调节阀的阀体1上并遮盖第二气流开口1b，并且盖板2与第二气流开口1b之间设置有例如由橡胶制成的密封垫3，以用于确保阀体1的内部腔室1c的密封。

下面将参照图7-10对根据本发明的比例调节阀的具体工作方式进行说明。

首先参照图7，当需要断开比例调节阀与气路系统的连接时，首先预先设定步进电机6的状态参数，则比例调节阀根据此状态参数在步进电机6的驱动进行运转，此时从步进电机6的方向(如图中的箭头A所示)看电机轴5会带动阀芯4按顺时针方向旋转预定的角度。当步进电机6达到设定的位置时则停止运转，阀芯4此时已在电机轴5的带动下旋转到所需达到的位置并停止。在该位置中阀芯切口4a与阀体1上的第一气流开口1a完全错开，如图7所示，此状态下比例调节阀的阀芯切口4a完全被阀体1的内壁封闭，切口开度X为零，阀芯切口开启面积S也为零。此时，气流全部被封闭在阀芯4的内腔中，无法通过使阀芯4的阀芯切口4a进而通过第一气流开口1a进入气路系统中。

参照图8，当需要向气路系统中通入少量气体时，同样预先设定步进电机6的状态参数，则比例调节阀根据此状态参数在步进电机6的驱动进行运转，电机轴5会带动阀芯4按顺时针方向旋转预定的角度并在达到的位置处停止。在该位置中阀芯切口4a具有较小的开度，阀芯切口4a具有一定的开启面积，此时气体仅能通过阀芯切口4a的较小的开启部分进入气路系统中。由于气体流量与阀芯切口4a的开启面积成正比关系，因此进入气路系统的气流量也较小。

参照图9，示出了当阀芯切口4a的开度较大的情况，由于开度增大则阀芯切口开启面积也随之增大，此时进入气路系统的气流量也相对较大。图10示出了阀芯切口4a完全开启的情况，即，与第一气流开口1a完全对齐，此时通过阀芯切口4a进入气路系统的气流量最大。

通过上面描述的方式，本比例调节阀就可以实现对进入气路系统的气体流量的连续调节，并且由于采用的阀芯旋转的方式进行调节，使得调节操作简单易行、容易控制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种比例调节阀，包括：

具有内部腔室的阀体(1)，所述阀体上形成有气流开口(1a)；

设置在所述阀体的内部腔室中的筒形阀芯(4)，所述阀芯的侧壁上形成有位置与所述气流开口相对应的阀芯切口(4a)；

其特征在于，所述比例节流阀还包括驱动装置，所述驱动装置连接于所述阀芯并驱动所述阀芯绕自身纵向轴线转动，并且所述阀芯上的所述阀芯切口为三角形切口，所述阀芯切口的开启面积随所述阀芯的转动变化。

2.根据权利要求1所述的比例调节阀，其特征在于，所述驱动装置包括：

步进电机(6)，所述步进电机的电机轴(5)与所述阀芯相连；

连接在所述电机轴上的遮光片(8)；

邻近所述步进电机设置的传感器(7)，所述传感器具有槽口(7a)，所述槽口与所述遮光片相对且所述遮光片随所述电机轴的转动可进入所述槽口中。

3.根据权利要求1所述的比例调节阀，其特征在于，所述三角形切口的一条边平行于所述阀芯的纵向轴线。

4.根据权利要求3所述的比例调节阀，其特征在于，所述三角形切口为等腰三角形切口，所述等腰三角形切口的底边平行于所述阀芯的纵向轴线。

5.根据权利要求1所述的比例调节阀，其特征在于，所述切口具有接近于0的最小开启面积。

6.根据权利要求1所述的比例调节阀，其特征在于，所述阀体上形成有两个径向相对的气流开口，其中第一气流开口(1a)与气路系统相通，而第二气流(1b)开口被封闭。

7.根据权利要求7所述的比例调节阀，其特征在于，所述被封闭的第二气流开口(1b)通过盖板(2)封闭，所述盖板紧固地安装在比例调节阀上，并且所述盖板与所述第二气流开口之间设置有密封垫(3)。

Images