CN101960186A - 具有球密封元件的电动阀 - Google Patents

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Abstract

一种阀(100)包括壳体(101)并具有流体进口(102)和流体出口(205)。阀(100)包括适合于在被激励时振动的振动元件(206)。阀(100)还包括被耦接到振动元件(106)的放大板(207)。放大板(207)包括流体通道(208)。流体通道(208)提供流体进口(102)与流体出口(205)之间的流体连通。阀(100)还包括位于流体进口(102)与放大板(207)之间的密封球(209)。密封球(209)适合于密封流体通道(208)。

Description

具有球密封元件的电动阀
技术领域
本发明涉及电动阀，更特别地，涉及具有自由运动密封球的电动阀。
背景技术
流体操作装置正在变得越来越流行，并且对便携且易于使用的流体操作装置的需求增加。便携式流体操作装置正用于诸如家庭护理、就地检测(point of care testing)、燃料电池、香水喷雾器等应用。为了便携式流体操作装置有效且高效，其必须重量轻、尺寸小、消耗最少功率并且制造起来具有经济效益。在许多应用中，流体操作装置提供准确且一致的流体分布同样重要。因此，必须在流体操作装置中结合高效的液流阀。在许多方面，流体阀表征装置的效率。
试图满足以上标准的便携式阀的一种解决方案是小型电磁阀。然而，该小型电磁阀不如最初预期的那样有效。然而，电磁阀在尺寸以及功率消耗方面受到限制。为了获得适当的性能，电磁阀通常消耗相当可观的功率。在一些情况下，当使用电池作为电源时，电磁阀的功率消耗是不可接受的。
另一种解决方案是使用电动压电阀。一些压电阀使用在压电元件被去激活时抵靠着密封台肩进行密封的闭合臂来工作。这些阀通常要求相当可观的空间量以进行工作且可能不总是提供适当的解决方案，因为其在用于可能在孔口周围干燥的液体时易于堵塞。然而，在本领域中还已知提供抵靠密封台肩进行密封的密封球。
例如，美国专利6,142,394公开了一种使用球销阀(ball and pin valve)的燃料喷射器。压电叠堆与阀销接触。一旦压电叠堆被激活，则阀销推动第一与第二座之间的球，从而抵靠第二座进行密封。这种解决方案的问题是其依赖于阀销正确地工作并保持与球接触。此外，这种解决方案面临着与具有闭合臂的压电阀相同的堵塞方面的问题。
美国专利4,000,852提供了一种类似的解决方案。′852专利公开了一种具有球密封元件的压电阀，使用诸如弹簧的偏压装置将该球密封元件抵靠着阀台肩保持。在这种情况下，使压电元件振动以试图克服弹簧的力并将球振动远离阀台肩，因此打开流体通道。然而，由压电元件产生的振动使整个阀振动，这要求过多的功率消耗，因为相当可观的振动量耗散于整个阀。另外，振动必须大到足以克服偏压装置并克服流入液体提供的压力。
FR 2,264,191试图通过去除偏压装置对′852专利加以改进。因此，当阀被去激活时，流体压力抵靠着阀台肩保持球。然而，类似于′852专利，压电元件作用在整个阀上，这消耗了不必要地高功率。
在本领域中需要提供一种消耗最少量的功率且在被去激活时不需要功率的电动阀。本发明克服了这些及其它问题并在本领域中实现了进步。
发明内容
在本发明的一个方面，一种具有流体进口102和流体出口205的包括壳体101的阀100，阀100包括：
振动元件206，其适合于在被激励时振动；
放大板207，其被耦接到振动元件106，放大板207包括流体通道208，流体通道208提供流体进口102与流体出口205之间的流体连通；以及
密封球209，其位于流体进口102与放大板207之间，密封球209适合于密封流体通道208。
优选地，振动元件包括压电材料。
优选地，振动元件包括压电陶瓷。
优选地，阀还包括适合于将电源电耦接到振动元件的电极。
优选地，密封球在振动元件未被激励时密封流体通道。
优选地，流体进口适合于接收加压流体且该加压流体在振动元件未被激励时抵靠着流体通道保持密封球。
优选地，放大板包括金属板。
优选地，放大板放大由振动元件产生的振动。
优选地，阀还包括密封部件，该密封部件被耦接到放大板并适合于防止流过阀的流体接触振动元件。
在本发明的一个方面，一种方法，用于形成具有流体进口和流体出口的包括壳体的阀，该方法包括步骤：
将振动元件定位于阀壳体中，该振动元件适合于在被激励时振动；
将放大板耦接到振动元件，该放大板包括流体通道，该流体通道提供流体进口与流体出口之间的流体连通；以及
在流体进口与放大板之间设置密封球，使得密封球可密封流体通道。
优选地，振动元件包括压电材料。
优选地，振动元件包括压电陶瓷。
优选地，该方法还包括步骤：将电极耦接到振动元件并耦接到电源。
优选地，密封球在振动元件未被激励时密封流体通道。
优选地，流体进口适合于接收加压流体且该加压流体在振动元件未被激励时抵靠着流体通道保持密封球。
优选地，放大板包括金属板。
优选地，该方法还包括步骤：将放大板耦接到振动元件使得放大板放大由振动元件产生的振动。
优选地，该方法还包括步骤：将密封部件耦接到放大板使得防止流过阀的流体接触振动元件。
在本发明的一个方面，一种使用具有流体进口和流体出口的包括壳体的阀来控制流体流动的方法：
该阀包括：
振动元件，其适合于在被激励时振动；
被耦接到振动元件的放大板，该放大板包括流体通道，该流体通道提供流体进口与流体出口之间的流体连通；以及
位于流体进口与放大板之间的密封球，该密封球适合于密封流体通道；
该方法包括步骤：
将流体进口耦接到加压流体源，使得加压流体抵靠着流体通道保持密封球；以及
充分地激励振动元件以克服施加在密封球上的压力，从而将流体通道解封。
优选地，振动元件包括压电材料。
优选地，振动元件包括压电陶瓷。
优选地，放大板包括金属板。
优选地，激励振动元件的步骤还包括步骤：以系统的谐振频率来激励振动元件。
优选地，该方法还包括步骤：对振动元件进行去激励，其中，加压流体再次抵靠着流体通道保持密封球。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施例的阀。
图2示出根据本发明的一个实施例的阀的分解图。
图3示出根据本发明的一个实施例的阀的剖视图。
具体实施方式
图1-3和以下说明描绘了教导本领域技术人员如何实现和使用本发明最佳模式的特定示例。出于教导本发明原理的目的，已将一些常规方面简化或省略。本领域技术人员将认识到这些示例的落入本发明范围内的变体。本领域技术人员将认识到可按照各种方式将下述特征组合以形成本发明的多个变体。结果，本发明不限于下述特定示例，而是仅仅由权利要求及其等同物限制。
图1示出根据本发明的一个实施例的阀100。阀100被最佳地确定尺寸以用于便携式流体输送装置(未示出)。然而，阀100还可用于其它应用且本发明的范围不应限于用于便携式流体输送装置。阀100可有利地控制流体(液体、气体或其组合)的输送。
阀100包括壳体101、流体进口102以及一个或多个电接触件103。根据本发明的实施例，壳体101包括两个或多个部分。在所示的实施例中，壳体101包括顶部部分101A和底部部分101B。根据本发明的实施例，壳体101包括两个或更多部分以便通达阀100的内部组件。在所示的实施例中，使用多个铆钉104将两个壳体部分101A和101B保持在一起。然而，应理解的是，可通过包括但不限于粘合剂、键合、铜焊、焊接、按扣等的任何已知方式将壳体部分101A、101B保持在一起。用来将两个壳体部分101A、101B保持在一起的特定方法对于本发明的目的而言并不重要，因此不应限制本发明的范围。此外，应理解的是，虽然仅示出两个壳体部分，但其它实施例采用多于两个的壳体部分。
流体进口102被示为在壳体101的顶部部分101A中形成。然而，应理解的是，流体进口102可替代性地在底部部分101B或阀100的任何其它部分中形成，因为所示流体进口101的位置仅仅是本发明的一个实施例。流体进口102适合于耦接加压流体源(未示出)。流体进口102可直接耦接到加压流体源，或者替代性地，使用诸如流体软管或其它管道的流体输送装置来耦接。阀100被设计为把来自加压流体源的加压流体流控制成经由流体进口102进入阀100并经由流体出口205离开阀100(参见图2)。虽然流体进口102被示为从壳体101延伸，但应理解的是在其它实施例中，流体进口102包括能够接收加压流体的孔。
阀100还包括一个或多个电接触件103。提供电接触件103是为了将阀100电耦接到外部电源(未示出)。该外部电源可包括电插座，或者替代性地可包括电池或多个电池。下文进一步讨论电接触件103的使用。
图2示出根据本发明的一个实施例的阀100的分解图。图2示出根据本发明的一个实施例的阀100的一些内部组件。如所示的，阀100包括出口205。在所示的实施例中，在底部壳体部分101B中提供出口205，但可在壳体的顶部部分101A中提供流体出口205。
阀100还包括振动元件206、具有流体通道208的放大板207、以及密封球209。振动元件206能够在被激励时振动，即当暴露于电场或电势时振动。在图2所示的实施例中，振动元件206是盘状的，然而，应理解的是可使用其它形状。根据本发明的实施例，振动元件206包括压电材料。在一些实施例中，压电材料包括压电陶瓷。压电陶瓷在本领域中是已知的且常常由于其被交变电场激励时的物理特性而被使用。如果向压电陶瓷施加交变电场，则元件以电场的频率改变尺寸。因此，压电陶瓷将电能转换成机械能。如果所施加的电场处于系统的谐振频率，则元件将最高效地振动。
虽然压电陶瓷提供用于目前应用的高效材料，但应理解的是可使用在被激励时能够振动的其它材料。因此，本发明应不限于使用压电陶瓷。然而，在一些实施例中，振动元件206应当能够在被相对低的电压激励时振动。根据本发明的一个实施例，使用例如约24伏的低DC电压，使用H桥(H-bridge)对振动元件206供电。然而，可构想其它配置和电压且它们也在本发明的范围内。根据本发明的实施例，振动元件206被耦接到放大板207。可提供放大板207以放大由振动元件206引起的振动。在一些实施例中，例如，当振动元件206包括压电陶瓷时，基于被输送的流体，所产生的振动可能是不足的。可提供放大板207以增加施加于密封球209的振动。然而，在其它实施例中，放大板207可不将振动放大，而是仅将来自振动元件206的振动传输至密封球209。放大板207还可提供流体与振动元件206之间的分离。在一些情况下，被输送的流体可能不利地影响振动元件206的寿命和/或性能，因此，有必要防止流体接触振动元件206。因此，可提供诸如O形环的密封部件210以封住流体并防止暴露于振动元件206。为了以高效的方式将来自振动元件206的振动传送至密封球209，密封部件210应优选地由软的弹性体(elastomere)制成并被设置在不存在轴向位移的区域(称为节点的区域)或至少被设置在位移最小的区域中。然而，应理解的是可使用其它材料。
应理解的是可提供其它密封部件210，并且本发明不需要使用O形环。
在本发明的一个实施例中，诸如通过粘合剂、键合、铜焊、焊接等将振动元件206基本上永久性地耦接到放大板207。在其它实施例中，振动元件206可简单地与放大板207接触，而不是被永久性地耦接。在其它实施例中，使用在物理上将振动元件206与放大板207分离的一个或多个中间组件将振动元件206耦接到放大板207。然而，为了实现能量从振动元件206到放大板207的最大传输，两者应相互接触。
阀100还包括电极212。虽然示出了两个电极212，但应理解的是一些实施例仅包括一个电极212，而其它实施例包括多于两个的电极212。提供电极212是为了激励振动元件206。在所示的实施例中，将一个电极212设置在振动元件206上面，并将另一个设置在放大板207下面。当如所示地配置电极212时，必要的是放大板207能够导电。因此，本实施例中的放大板207可包括金属材料，例如不锈钢。不锈钢是导电的，并且在许多情况下能够经受住由于被输送的流体而引起的腐蚀。然而，根据预期的输送流体，其它导电材料也可能是合适的。电极212还被耦接到电连接器103，电连接器103随后与能够以谐振频率驱动振动元件206的电源(未示出)连通。
图3示出沿图1的线3-3截取的阀100的剖视图。图3所示的阀100处于密封状态，意味着如果被连接到加压流体源，则流体不能从流体进口102流到流体出口205。当流体进口102被耦接到加压流体源时，流体的压力作用在压力室211内，并迫使密封球209抵靠形成在放大板207中的流体通道208。在放大板207中形成的流体通道208的尺寸被有利地确定为使得密封球209能够基本上密封流体通道208。因此，当振动元件206不振动时，唯一作用在密封球209上的力是流体的压力，该压力将密封球209保持在密封位置。如可以看到的那样，流体出口205被与流体进口102封闭开，因此，没有流体离开阀100。虽然未示出密封部件，但流体通道208可包括密封部件以提高阀的密封能力。虽然所示的阀100仅包括一个出口205，但应理解的是在替代性实施例中，阀100包括多个出口。因此，密封球209可在允许流体离开一个流体出口的同时密封另一个流体出口。
当在流体出口205处期望流体时，激励振动元件206。如可以看到的，电连接器103被耦接到电极212。电极212也被电耦接到振动元件206和放大板207。因此，在被激励时，振动元件206开始振动。根据本发明的实施例，以系统的谐振频率激励振动元件206。此谐振频率可总体上基于阀100，或者替代性地，其可基于振动元件206和放大板207的谐振频率。根据本发明的实施例，阀100可提供用于参数设置的反馈。该参数设置可调整频率、流体流速等。另外，该参数设置可将阀100配置为调节由阀100的用户设置的参数。
振动被放大板207传送且被放大。由于放大板207振动，所以已在放大板207上流体通道208周围干燥的流体很可能从放大板207脱落。这有利地防止流体通道208在停用期间堵塞。这些振动只需克服作用在密封球209上的加压流体的力以导致密封球209与流体通道208之间的密封失效，从而允许流体通过流体出口205离开。可控制振动的频率和/或振幅以便控制提供给密封球209的能量，密封球209进而控制流体通过阀100的流动。一旦去除提供给振动元件206的能量，则振动停止且加压流体再次迫使密封球209抵靠着流体通道208进行密封，从而停止流体流动。
如所示的，阀100最佳地限制流体暴露于流体进口102、压力室211以及流体出口205。因此，仅有的暴露于流体的内部组件是密封球209、密封元件210以及放大板207。密封部件210有利地防止流体到达振动元件206。这不仅增加振动元件206的寿命，而且减少由于流体到达电极212而引起的电短路的机会。
作为所示实施例的替代，可将振动元件206设置在壳体101的外面。在本实施例中，还可将电连接器103和电极212设置在壳体101的外面。这将允许去除密封部件210，并且可减小壳体101的尺寸。
阀100提供用于控制流体输送的有效且高效的方法，尤其是对于便携式应用而言。阀100通过仅使用流体压力来抵靠着流体通道208密封密封球209而能够防止在没有电的情况下流体流动。在被激励时，由振动元件206引起的振动能使停用期间可在流体通道208周围形成的干燥的流体块裂开。控制电信号(即频率和/或振幅)允许对通过阀100的流体进行成比例地控制。
另外，当输送流体时，阀100通过使用放大板207将振动放大来使功率消耗最小化。因此，振动不需要如现有技术中那样足以促使整个阀振动。另外，由于阀不需要偏压装置以抵靠着流体通道208保持密封球209，所以使密封球209与流体通道208之间的密封失效所需的力得到减小。当将诸如低压压电陶瓷的材料用于振动元件206时，使振动元件206振动所需的功率也被保持在最低限度。阀100因此提供了具有最少零件数量的紧凑、低压流体输送装置。
以上实施例的详细说明不是发明人构想的在本发明范围内的所有实施例的排他性说明。事实上，本领域技术人员应认识到可按照各种方式将上述实施例的一些元件组合或去除以产生其它实施例，并且此类其它实施例落入本发明的范围和教导内。而且，对于本领域技术人员来说明显的是可整体地或部分地组合上述实施例以产生在本发明的范围和教导内的另外的实施例。
因此，虽然在本文中出于说明的目的描述了本发明的特定实施例和示例，但如相关领域技术人员应认识到的那样，在本发明的范围内可以有各种等同修改。本文所提供的教导可应用于其它电激活阀，而不仅仅是上文所述和附图所示的实施例。因此，应根据所附权利要求来确定本发明的范围。

Claims (24)

1.一种具有流体进口(102)和流体出口(205)的包括壳体(101)的阀(100)，所述阀(100)包括：
振动元件(206)，其适合于在被激励时振动；
放大板(207)，其被耦接到所述振动元件(106)，所述放大板(207)包括流体通道(208)，所述流体通道(208)提供所述流体进口(102)与所述流体出口(205)之间的流体连通；以及
密封球(209)，其位于所述流体进口(102)与所述放大板(207)之间，所述密封球(209)适合于密封所述流体通道(208)。
2.如权利要求1所述的阀(100)，其中，所述振动元件(206)包括压电材料。
3.如权利要求1所述的阀(100)，其中，所述振动元件(206)包括压电陶瓷。
4.如权利要求1所述的阀(100)，还包括适合于将电源电耦接到所述振动元件(206)的电极(212)。
5.如权利要求1所述的阀(100)，其中，所述密封球(209)在所述振动元件(206)未被激励时密封所述流体通道(208)。
6.如权利要求5所述的阀(100)，其中，所述流体进口(102)适合于接收加压流体，并且其中，所述加压流体在所述振动元件(206)未被激励时抵靠着所述流体通道(208)保持所述密封球(209)。
7.如权利要求1所述的阀(100)，其中，所述放大板(207)包括金属板。
8.如权利要求1所述的阀(100)，其中，所述放大板(207)放大由所述振动元件(206)产生的振动。
9.如权利要求1所述的阀(100)，还包括密封部件(210)，所述密封部件(210)耦接到所述放大板(207)并适合于防止流过所述阀(100)的流体接触所述振动元件(206)。
10.一种方法，用于形成具有流体进口和流体出口的包括壳体的阀，所述方法包括步骤：
将振动元件定位于所述阀壳体中，所述振动元件适合于在被激励时振动；
将放大板耦接到所述振动元件，所述放大板包括流体通道，所述流体通道提供所述流体进口与所述流体出口之间的流体连通；以及
在所述流体进口与所述放大板之间设置密封球，使得所述密封球能密封所述流体通道。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述振动元件包括压电材料。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述振动元件包括压电陶瓷。
13.如权利要求10所述的方法，还包括步骤：将电极耦接到所述振动元件并耦接到电源。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述密封球在所述振动元件未被激励时密封所述流体通道。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述流体进口适合于接收加压流体，并且其中，所述加压流体在所述振动元件未被激励时抵靠着所述流体通道保持所述密封球。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述放大板包括金属板。
17.如权利要求10所述的方法，还包括步骤：将所述放大板耦接到所述振动元件使得所述放大板放大由所述振动元件产生的振动。
18.如权利要求10所述的方法，还包括步骤：将密封部件耦接到所述放大板使得防止流过所述阀的流体接触所述振动元件。
19.一种使用具有流体进口和流体出口的包括壳体的阀来控制流体流动的方法：
所述阀包括：
振动元件，其适合于在被激励时振动；
被耦接到所述振动元件的放大板，所述放大板包括流体通道，所述流体通道提供所述流体进口与所述流体出口之间的流体连通；以及
位于所述流体进口与所述放大板之间的密封球，所述密封球适合于密封所述流体通道；
所述方法包括步骤：
将所述流体进口耦接到加压流体源，使得加压流体抵靠着所述流体通道保持所述密封球；以及
充分地激励所述振动元件以克服施加在所述密封球上的压力，从而将所述流体通道解封。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述振动元件包括压电材料。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述振动元件包括压电陶瓷。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述放大板包括金属板。
23.如权利要求19所述的方法，其中，激励所述振动元件的步骤还包括步骤：以系统的谐振频率激励所述振动元件。
24.如权利要求19所述的方法，还包括步骤：对所述振动元件进行去激励，其中，所述加压流体再次抵靠着所述流体通道保持所述密封球。
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