CN102138034B - 光阑式可变阀门 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光阑式可变阀门，所述光阑式可变阀门安装于管内部或管的末端，并可变调整沿管流动的液体或气体的所谓流体的流量或流压。作为一个使用例，将本发明的阀门安装于排气量根据引擎的旋转速度(RPM)而变化的汽车排气系统，并可变调整背压(与大气压的差压，back-pressure)，从而可以控制汽车的排气噪音。并且，通过将本发明的阀门用作流量计，可以测定小流量到大流量的范围较大的流量。本发明的阀门的动作原理如下：将最初通过弹簧的弹力被打开成预定大小的光阑板收缩或松弛，从而控制流路的截面积。本发明的光阑式可变阀门与现有圆盘式可变阀门相比，容易线性调整流量或流压，并且压力损失和流动噪音的发生也少。而且能以单纯的方法控制流量或流压，并且容易构成控制系统。

Description

光阑式可变阀门
技术领域
本发明涉及一种控制流体流量的阀门，更具体而言，涉及一种光阑式(Iris-shaped)可变阀门，其设在管内部或管的末端以可变地调整流速随时间变化且在管内流动的诸如液体或气体的流体的流量或流压。
背景技术
包括以控制流量为目的所使用的圆盘型可变阀门的通常的控制阀门，由于开闭部的位置和被开放的流路的面积关系并不是线性，因此很难精密地控制流量。而且，在阀门内部随着流路的形状急剧变动，流速和流体的压力也急剧变化而发生湍流，随此发生较大的压力损失、流动噪音以及振动。并且，流体为液体时，在此过程中流体内的局部形成非常低的压力，因此被溶解在液体中的气体游离而存在发生气泡等问题。而且，为了控制所述通常的阀门需要用于转动旋转部位的马达等，因此控制系统的结构变复杂。
作为可变阀门的一个使用例，使用于汽车排气系统的可变阀门的圆盘型可变阀门，如图1a所示，安装于排气管的一端。安装汽车噪音器的目的是，将在引擎燃烧的高温高压脉动排气原样排放到大气中时，由于压力的急剧变动产生非常大的噪音，因此通过有步骤地减低这种排气的压力来减低排气噪音。但是存在以下问题，即，当从噪音器排出口排出的排气压力(以下，称为“背压”)变大时排气噪音变低，但同时排气阻力变大，因此存在引擎输出降低的问题。所以，在排气排出口使用可变阀门，由此在排气噪音成为问题焦点的低速区间增加背压，在引擎输出成为问题焦点的中高速区间降低背压，则可以有效地解决在噪音器的设计上经常发生的所述问题。
使用于汽车噪音器的现有圆盘型可变阀门，如图1b所示，最初，阀板被弹簧的力关闭，然后随着流量的增加而上升到背压大于弹簧的约束力时会被打开。为了将可变阀门适用于噪音器，把握根据流量的背压和弹簧的常数之间的相关关系非常重要。但是，现有圆盘型可变阀门，并不根据圆盘打开的角度，其开放面积线性增加，因此很难计算通过所述开放面积流出的流量。因此，为了把握背压和弹簧常数之间的相关关系，按照安装阀门的每个排气管的直径对引擎进行实验，通过实验找出各种实验公式，因此很难制作设计者所需的可变阀门，并将所制作的可变阀门共同用于其他的噪音器也存在制约。
并且，圆盘型可变阀门的情况，打开阀门时流路具有非常复杂的形状，因此，流体的流动急剧变动，且因流动的紊乱发生由于湍流的噪音及振动。因此，这种可变阀门的情况，虽然可以减低在引擎发生的脉动噪音，但是由于在可变阀门产生的流动噪音会增加，因此，整体上排气噪音的改善效果并不大，反而会更不好。
利用文丘里管(ventury tube)或喷嘴并用压差测量流量的现有流量计，由于用于测量压差的截面积被固定，因此，流量的测量范围较宽时并不适合。测量较宽范围的流量时，同时使用两个以上范围不同的流量计或区间局部叠合地依次进行测量。前者的情况存在因流动干扰无法将流量计接近所需的位置使用的空间上的制约，后者的情况存在测量后对叠合区间的修改以及交换流量计而导致的不便，还存在时间上的制约。
为了解决如上所述通常的控制阀门的问题点，本申请人提出过韩国专利申请号10-2007-0048965号的“光阑式主动控制可变阀门”。所述申请发明将多个光阑板以环形排列在光阑架构成整体上半球形或圆锥形的阀门，由此能安装在流体流动的管内部或管末端，并具备对由多个光阑板构成的光阑面施加预定力量的单元，可以通过控制光阑排出口的直径的方法来控制流量或流压。
本申请发明是改良所述韩国专利申请号10-2007-0048965号的发明而做出的。
发明内容
如上所述，构成利用控制阀门控制流量或流压的现有控制系统存在以下问题：即，难以线性控制流量或流压，伴随此发生较大的压力损失、流动噪音以及振动，并且控制系统变复杂。
并且，用于流量控制系统的阀门需要可变阀门，通过安装所述可变阀门，容易线性控制流量或流压，阀门内发生的压力损失变少，且流动噪音和振动的发生也少，并且可以构成简单的控制系统。
本发明是涉及解决所述技术问题的主动控制以及半主动控制流量阀门。
本发明的光阑式可变阀门为解决所述问题点，将阀门构成为将多个光阑板以环形相叠合地排列在多个光阑板形成整体上呈半球形或圆锥形光阑面的光阑式可变阀门。在阀门前方的光阑架方向形成总是保持预定入口直径的铰接，在阀门后方的光阑架的相反方向形成有开口直径变化的排出口。
本发明的光阑式可变阀门，其包括：环形光阑架；多个光阑板，在所述光阑架上彼此叠合形成为环形而构成光阑；复位弹簧，其耦合于各光阑板的后尾，向光阑板提供复原力使光阑总是保持打开状态；控制环，其是用于调整由多个光阑板形成的光阑的开放面积的控制装置，控制环被插入于由所述光阑板形成的光阑的主体中部，并在阀门的轴向进行前后运动；所述的光阑式可变阀门用作流量控制，其进一步包括控制弹簧；所述控制弹簧的一端被固定而另一端连接于控制环，所述控制弹簧用于半主动控制。
本发明的光阑式可变阀门，其包括：环形光阑架；多个光阑板，在所述光阑架上彼此叠合形成为环形而构成光阑；复位弹簧，其耦合于各光阑板的后尾，向光阑板提供复原力使光阑总是保持打开状态；第一控制棒或第二控制棒，其是用于调整由多个光阑板形成的光阑的开放面积的控制装置，所述第一控制棒用于按压由所述光阑板形成的光阑的主体中部，所述第二控制棒用于拉动所述光阑；所述的光阑式可变阀门用作流量控制，其进一步包括控制弹簧；所述控制弹簧的一端被固定而另一端连接于控制棒，所述控制弹簧用于半主动控制。
本发明发光阑式可变阀门，其包括：环形光阑架；多个光阑板，在所述光阑架上彼此叠合形成为环形而构成光阑；复位弹簧，其耦合于各光阑板的后尾，向光阑板提供复原力使光阑总是保持打开状态；后方控制环，其是用于调整由多个光阑板形成的光阑的开放面积的控制装置；所述后方控制环安装于所述光阑板的被延伸的后尾，并在阀门的后方在阀门的轴向进行前后运动。
本发明的光阑式可变阀门，其包括：环形光阑架；多个光阑板，在所述光阑架上彼此叠合形成为环形而构成光阑；弹性膜，其由具有伸缩性的膜制作，弹性膜包围光阑的外面而设置，并固定于光阑架，所述光阑式可变阀门用于半主动控制。
本发明的发光阑式可变阀门，其包括：环形光阑架；多个光阑板，在所述光阑架上彼此叠合形成为环形而构成光阑；复位环以及弹簧，所述复位环插入于光阑面的外部；所述弹簧连接于所述复位环和光阑架之间，所述光阑式可变阀门用于半主动控制。
本发明的光阑式可变阀门，包括：各种形态的控制单元，其对叠合形成有多个光阑板的光阑面施加预定控制力；复位单元，当解除施加于光阑面的控制力时，回复光阑排出口的大小，通过调整排出口的直径，可以控制设有所述阀门的管路的流量或流压。
本发明的光阑式可变阀门与现有圆盘型可变阀门相比，可以容易线性控制流量以及背压，并且压力损失以及流动噪音的发生也变少。
本发明的光阑式可变阀门安装于管内部或管的末端部，可以可变调整流量随时变化的同时流在管内的流体和流压。
并且，本发明的光阑式可变阀门使用进行直线运动的单纯的致动器可以通过各种机械和方法调整排出口面积的所谓阀门的开放面积，因此，可以简单地构成流量或流压的控制系统。
附图说明
图1是圆盘型可变阀门安装于噪音器的形象和圆盘型可变阀门的一般形象。
图2是光阑式可变阀门的一般形象以及光阑式可变阀门安装于管的形态。
图3是具备控制绳的光阑式可变阀门。
图4是构成光阑式可变阀门的光阑面的光阑板。
图5是具备控制环的光阑式可变阀门。
图6是具备控制棒的光阑式可变阀门。
图7是具备后方控制环的光阑式可变阀门安装于管的形态。
图8是具备弹性膜的光阑式可变阀门。
图9是具备复位环的光阑式可变阀门。
10：光阑架，20：光阑板，30：复位弹簧，35：复位单元，35-1：弹性膜，35-2：弹簧，35-3：复位环，35-4：导向件，40：弹簧基板，50：控制线，60：控制环，70：控制棒，80：后方控制环
具体实施方式
本发明的光阑式可变阀门的整体形象如图2a所示，并如图2b所示，安装于需要流量控制的管的末端部，或如图2c所示可以安装于管内部。
通过调整阀门的开放面积主动控制沿管流动的流体的流量以及流压的主动控制型光阑式可变阀门(通常，将具有所述功能的控制阀叫做主动控制阀门(Active Control Valve)，本说明书也相同)，如图3a所示，包括：环形光阑架10；多个光阑板20，其以环形配置于所述光阑架并构成光阑；复位弹簧30，其耦合于所述每个光阑板20，对光阑板提供复原力；弹簧基板40，其固定复位弹簧；控制装置50，其调整由多个光阑板20形成的光阑的开放面积。
根据沿管流动的流体对光阑面所引起的压力大小，阀门的开放面积手动变动的半主动控制型光阑式可变阀门(通常，将具有所述功能的控制阀叫做半主动控制阀门(Semi-Active Control Valve)，本说明书也相同)如图8及图9所示，如所述主动控制型光阑式可变阀门，包括光阑架10；光阑板20，并包括复位单元，所述复位单元设于由光阑板形成的光阑面的外部。
光阑架10置于阀门上游，可以用截面为圆形的棒制作成环形，使得光阑板20在此插入并转动。
如图4所示，光阑板20是金属薄板或塑料板，在光阑板体21的一端形成耦合于所述光阑架10的铰接孔22，其中光阑板体21形成为球面、椭圆球面(纵截面为椭圆的如橄榄球的球)、局部圆锥面等曲面形状。在铰接孔22的后尾延伸设有能够与下述的复位弹簧30耦合的后尾基板25，在该后尾基25形成有弹簧座23。并且，在光阑板体21的后尾两侧形成有间隔调整片24。
光阑架10使用如上述截面为圆形的环棒制成，作为代替，还可以制成为直径大宽度窄的垫圈形态的平板环。此时，在平板环可以形成多个狭缝供插入所述光阑板20和后尾基板25。在此，光阑架10的狭缝起铰接作用，插入于狭缝的光阑板20不会沿光阑架10的圆周方向移动，因此无需在光阑板20另外形成间隔调整板24。
由不锈钢等金属板制作所述光阑板20时，利用挤压机等机床将金属板切断成型为光阑板的形状，然后，对板的局部进行切割并折叠切割部位，由此可以形成铰接孔22和间隔调整板24。
光阑板20无缝地相插入使得沿所述光阑架10的圆周光阑板20的间隔调整板24相抵接，并且形成在下游侧形成具有排出口的半球形或半椭圆球形或圆锥形的光阑。
复位弹簧30固定于形成在所述光阑板20的后尾的弹簧座23和弹簧基板40之间。复位弹簧耦合于每个光阑板，并向打开光阑的方向对每个光阑板施加力。
复位弹簧30使用压缩螺旋弹簧，所述压缩螺旋弹簧总是按压光阑板20的后尾基板25。
作为另一形态的复位弹簧30可以使用扭矩弹簧或夹箍弹簧，其一端固定于光阑架，另一端与光阑板20接触，其使由光阑板构成的光阑总是保持打开的状态。所述扭矩弹簧或夹箍弹簧耦合于切割局部光阑板20的铰接孔22的部位而形成的弹簧座，并可以与光阑板20一同以插入于所述光阑架10的方法进行耦合，此时，由于不需要弹簧基板40，因此其结构简单。
弹簧基板40的截面是“ㄈ”字形环形，固定于使用本阀门的配管。并且，还可以另外制作所述弹簧基板耦合至光阑架10而使用，还可以与光阑架10一体形成。
复位弹簧30除了所述复位弹簧之外，还可以特别地设计弹簧基板40和光阑板20的弹簧连接部，以各种形态形成。
控制装置50发挥对由多个光阑板20叠合形成的光阑面施加力，缩小或放大光阑排出口的面积的功能，还可以各种形态构成。
作为控制装置的一个实施例，如图3所示，可以由设在光阑主体中部的控制线50构成。所述控制线的一端被固定，而另一端连接于拉紧或松开的致动器上。当拉紧控制线时，每个光阑板20超越复位弹簧30的力并缩小光阑的排出口，当松开控制线时，光阑板20的复位弹簧30对每个光阑板向放大排出口的方向施加力，从而放大排出口。
在使用如所述控制线50的主动控制型可变阀门中，将控制线50的一端固定于一端被固定的控制弹簧(省略图示)而不是连接于致动器，由此构成为半主动控制型可变阀门。即，沿管流动的流体的压力变大，通过该流压，作用于光阑内面的排斥力变大于连接在控制线50的控制弹簧的约束力时，控制弹簧伸长，控制线50松开的同时光阑的排出口被放大，其中控制线50约束光阑面。并且，流压变低而作用于光阑内面的排斥力变小于控制弹簧的约束力时，通过控制弹簧的复位弹力，使控制线50移动至原来的位置的同时排出口变缩小。即，以当沿管流动的流体的压力变高时排出口打开得较大随此流压变低，当沿管流动的流体的压力变低而排出口收缩随此流压变高的方法可以半主动调整流压。
并且，能以以下方法半主动调整流量。即，在安装有可变阀门的管的入口侧连接迂回管时，当流压变高时排出口被开放而流体流入安装有可变阀门的管内，因此流在迂回管的流量变少流压变低，再增加到原来的流量的方法。当然，流量和流压的关系相依靠性大，因此需要同时调整，但此时，本发明的所有阀门可以单独或复合性地调整流量及流压。
主动控制及半主动控制的区别为如下。主动控制的情况，控制装置非通过流动本身的压力而是通过外部力量进行主动动作，安装阀门之后，也可以人为地进行控制，但是半主动控制的情况，光阑板或控制板只能通过流动本身的压力进行动作，因此在安装阀门之后不能人为地进行控制。
作为控制装置的另一实施例，如图5所示使用控制环60，所述控制环沿可变阀门的中心轴可上下移动，当控制环移动到直径大的上游侧时，光阑的每个光阑板20超越复位弹簧30的力量缩小光阑的排出口，当控制环移动到直径小的下游侧时，光阑板20的复位弹簧30向放大排出口的方向对每个光阑板施加力，从而开放排出口。
在使用所述控制环60的主动控制阀门中，代替将控制环60固定于致动器并主动进行控制，可以设置向阀门的上游侧施加力的控制弹簧(省略图示)构成半主动控制用可变阀门。即，沿管流动的流体的压力变大，通过该流压，作用于光阑内面的排斥力变大于连接在控制环60的控制弹簧的约束力时，控制弹簧伸长或压缩，控制环60被推到下面的同时光阑的排出口被放大，其中控制环60约束光阑面。并且，流压变低而作用于光阑的内面的排斥力变小于控制弹簧的约束力时，通过控制弹簧的复位弹力，使控制环60移动至原来的位置的同时缩小排出口。
作为控制装置的另一例，如图6a所示，可以在光阑的中间部分设置多个棒形或板形控制棒70-1而构成。将该控制棒70-1的末端形成为圆弧形并包住光阑，然后按住该控制棒的两端，则每个光阑板20超越复位弹簧30的力量缩小光阑的排出口，当解除按压控制棒的力时，复位弹簧30向放大排出口方向对每个光阑板施加力，从而放大排出口。如此，当用控制棒按压光阑板时，只有光阑的上部和下部的光阑板直接受力量，但是由于每个光阑板20以球面的区面相叠合，因此按压光阑板的力直接传递到光阑板，所有光阑板移动并排出口缩小。
如图6b所示，控制棒代替按压两端的还可以构成为拉两端的方式的控制棒70-2。
在使用如所述控制棒70-1、70-2的主动控制阀门中，设置按压或拉控制棒的控制弹簧(省略图示)来代替将控制棒70固定在致动器主动进行控制，由此可以构成为半主动控制型可变阀门。即，沿管流动的流体的压力变大，通过该流压，作用于光阑内面的排斥力变大于连接在控制棒70-1、70-2的控制弹簧的约束力时，控制弹簧伸长或压缩，控制棒70-1、70-2向上或向下被拉或被推动的同时光阑的排出口被放大，其中控制棒70-1、70-2约束光阑面。并且，流压变低而作用于光阑内面的排斥力变小于控制弹簧的约束力时，通过控制弹簧的复位弹力，使控制棒70-1、70-2移动至原来的位置的同时缩小排出口。
作为控制装置的另一实施例，如图7所示使用后方控制环80，所述后方控制环80位于阀门的后方拉伸光阑板的后尾，将所述后方控制环可以构成为可沿可变阀门的中心轴上下移动。当后方控制环移动到下游侧时，光阑的每个光阑板20超越复位弹簧30的力量缩小光阑的排出口，当后方控制环移动到上游侧时，光阑板20的复位弹簧30向放大排出口的方向对每个光阑板施加力，从而开放排出口。
在使用所述后方控制环80的主动控制阀门中，设置向阀门的下游侧施加力的控制弹簧(省略图示)来代替将后方控制环80固定于致动器并主动进行控制，由此可以构成为半主动控制型阀门。即，沿管流动的流体的压力变大，通过该流压，作用于光阑内面的排斥力变大于连接在后方控制环80的控制弹簧的约束力时，控制弹簧伸长或压缩，后方控制环80被推到上面的同时光阑的排出口被放大，其中后方控制环80约束光阑面。并且，流压变低而作用于光阑内面的排斥力变小于控制弹簧的约束力时，通过控制弹簧的复位弹力，使后方控制环80移动至原来的位置的同时缩小排出口。
半主动控制型光阑式可变阀门如图8或9所示，在所述主动控制型光阑式可变阀门不使用控制装置50、60、70、80，而进一步设置形成于光阑面的外部的复位单元来构成。并且，当不使用复位弹簧30而压力不作用于光阑面的内部时，成为可变阀门的排出口完全被关闭的可变阀门，当使用复位弹簧30，压力不作用于光阑面的内部时也通过复位弹簧成为排出口的面积最小的可变阀门，所述排出口的面积相当于要打开光阑的力量和复位单元要关闭光阑的力量成为平衡时的光阑排出口的面积。
如图8所示，作为复位单元的一实施例可以使用弹性膜35-1。所述弹性膜35-1由具有伸缩性的橡胶膜等制成，并围住光阑的外面的方式被设置，固定在光阑架10使之不脱离。
弹性膜35-1保持光阑的排出口被缩小的状态，但是通过沿管流动的流体的压力，光阑的内面受到排斥力时，弹性膜35-1伸长的同时光阑的排出口放大。并且，当流体的压力变低时，弹性膜35-1收缩的同时，光阑的排出口缩小。
即，以当沿管流动的流体的压力变高时排出口打开得大由此流压变低，当沿管流动的流体的压力变低而排出口收缩由此流压变高的方法可以半主动调整流压。
作为复位单元使用弹性膜35-1时，弹性膜发挥复位弹簧的作用的同时，遮断流体漏于光阑板和光阑板之间的缝隙，因此可以更加精密地控制流量及压力。
作为复位单元的另一实施例，如图9所示，可以使用弹簧35-2和复位环35-3。复位环35-3插入于光阑面的外部，所述复位环通过弹簧35-2连接于光阑架10。
复位环35-3通过弹簧35-2被拉到阀门的前方的同时，保持光阑的排出口被缩小的状态，但是通过沿管流动的流体的压力，光阑的内面受到排压力时光阑被放大，复位环35-3超越弹簧35-2的张力而推到光阑的排出口，并光阑的排出口被放大。并且，当流体的压力变低时，弹簧35-2收缩的同时，向阀门的前方拉复位环35-3，从而光阑的排出口缩小。
在所述弹簧35-2的内部进一步具备导向件35-4时，弹簧35-2在导向件35-4的方向的预定轴线上进行伸缩，由此可以使复位环35-3更加稳定的运动。通常，所述导向件35-2位于弹簧35-2的内部，但是还可以围住外部的方式具备，并可以适用于安装于控制装置的所有复位弹性体。
使用复位环35-3的半主动控制型光阑式可变阀门应设在光阑面的倾斜预定以上大的地方以便光阑板20打开时，复位环沿光阑板的上面滑落并退到后方，为了减低复位环35-3和光阑面的摩擦系数，可以使用在复位环35-3和光阑面之间实行润滑，或用特富龙等进行润滑涂层，或者在复位环的内部设置轴承等方法。
使用本发明可变阀门的地方的流体温度并不高，只要允许不会腐蚀橡胶等条件的话，代替将金属弹簧用作复位弹簧，可以使用天然橡胶、合成橡胶等橡胶材料。并且，作为发生复原力的单元，使用永久磁铁或电磁铁来代替弹簧的弹力，可用磁铁的引力或斥力(排斥力)赋予复原力。
工业利用可能性
本发明的光阑式控制阀门用于可变调整根据引擎的旋转数其排气流量发生变化的汽车排气系统的背压，从而控制汽车的排气噪音。
将本发明的光阑式控制阀门用作流量计时，可根据流量的测定范围变更截面积，因此可以用一个流量计容易测量广范围的流量。
并且，将本发明的光阑式控制阀门适用于通过喷出燃气获得推动力的火箭推进体或飞行体时，可以容易控制喷出的燃气量和压力，因此容易控制推进力。

Claims (4)

1.一种光阑式可变阀门，其包括：
环形光阑架(10)；
多个光阑板(20)，在所述光阑架(10)上彼此叠合形成为环形而构成光阑；
复位弹簧(30)，其耦合于各光阑板(20)的后尾，向光阑板提供复原力使光阑总是保持打开状态；
控制环(60)，其是用于调整由多个光阑板(20)形成的光阑的开放面积的控制装置，控制环(60)被插入于由所述光阑板(20)形成的光阑的主体中部，并在阀门的轴向进行前后运动；
所述的光阑式可变阀门用作流量控制，其进一步包括控制弹簧；所述控制弹簧的一端被固定而另一端连接于控制环(60)，所述控制弹簧用于半主动控制。
2.一种光阑式可变阀门，其包括：
环形光阑架(10)；
多个光阑板(20)，在所述光阑架(10)上彼此叠合形成为环形而构成光阑；
复位弹簧(30)，其耦合于各光阑板(20)的后尾，向光阑板提供复原力使光阑总是保持打开状态；
后方控制环(80)，其是用于调整由多个光阑板(20)形成的光阑的开放面积的控制装置；所述后方控制环(80)安装于所述光阑板(20)的被延伸的后尾，并在阀门的后方在阀门的轴向进行前后运动；
所述的光阑式可变阀门用作流量控制，其进一步包括控制弹簧；所述控制弹簧的一端被固定而另一端连接于后方控制环(80)，所述控制弹簧用于半主动控制。
3.一种光阑式可变阀门，其包括：
环形光阑架(10)；
多个光阑板(20)，在所述光阑架(10)上彼此叠合形成为环形而构成光阑；
弹性膜(35-1)，其由具有伸缩性的膜制作，弹性膜(35-1)包围光阑的整个外面而设置，并固定于光阑架(10)，
所述光阑式可变阀门用于半主动控制。
4.一种光阑式可变阀门，其包括：
环形光阑架(10)；
多个光阑板(20)，在所述光阑架(10)上彼此叠合形成为环形而构成光阑；
复位环(35-3)以及弹簧(35-2)，所述复位环(35-3)插入于光阑面的外部；所述弹簧(35-2)连接于所述复位环(35-3)和光阑架(10)之间，
所述光阑式可变阀门用于半主动控制。
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