CN102266633A - 电磁比例阀和包含该电磁比例阀的呼吸机 - Google Patents

电磁比例阀和包含该电磁比例阀的呼吸机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电磁比例阀和包含该电磁比例阀的呼吸机。该电磁比例阀包括阀体(2)，具有腔体；线圈支架(11)，封设在阀体(2)的腔体的开口端；线圈(9)，缠绕在线圈支架(11)上；衔铁(8)，固定设置在线圈支架(11)的内腔中；阀芯支架(5)，一侧连接在第一弹簧(3)上，另一侧连接在第二弹簧(7)上，通过第一弹簧(3)和第二弹簧(7)悬空设置在阀体(2)的腔体内；阀芯(4)，设置在阀芯支架(5)内。根据本发明的电磁比例阀能够有效避免摩擦力对流量控制带来的不稳定性，克服流量控制的滞回误差，实现对小流量的稳定控制，降低加工生产的难度。根据本发明的呼吸机，包括上述的电磁比例阀。

Description

电磁比例阀和包含该电磁比例阀的呼吸机
技术领域
本发明涉及流体控制领域，具体而言，涉及一种电磁比例阀和包含该电磁比例阀的呼吸机。
背景技术
在呼吸机、麻醉机等医疗器械的使用过程中，需要对患者进行机械通气，对于正在接受治疗的患者来说，通气流速的大小和通气总量的控制是非常重要的，特别是婴幼儿患者和危重症患者，不合适的通气流量会对患者带来不适感，甚至带来危险，因此通气流量的控制是非常重要的。
急救呼吸机一般采用通断电磁阀结合手动流量调节阀控制通气流速和通气总量。为了达到更好的治疗效果，目前治疗呼吸机一般采用精密比例阀来同时控制输入至患者的气体流速和通气总量。现有的典型的比例阀结构如图1所示。即由活动衔铁13’固连阀芯4’，在线圈9’的电磁力驱动下，阀芯沿起导向作用和密封作用的密封部件16’左右移动，达到调节阀口a’大小的目的。当然也有衔铁固定不动，由线圈带动阀芯左右移动的，结构大体差不多。由于这种比例阀存在相互接触的相对运动，所以不可避免的就存在摩擦力。由于静摩擦力的影响导致比例阀在不同时期的输出流量与输入电流关系发生变化，这就导致使用这种比例阀的设备(比如有精确流量要求的呼吸机)需要定期使用专用工具校正。由于动摩擦力的影响削弱了电磁力的作用，尤其在输入控制电流较小时，会严重影响到输入电流与输出电磁力的比例关系，这也是导致现有比例阀小流量(比如小于1L/m或0.5L/m时)输出不稳定无法精确控制的原因之一；而且由于比例阀开启和关闭摩擦力的作用正好相反，导致现有比例阀开启和关闭产生很大的滞回。为了最大限度的减小滞回对流速控制的影响，不得不研究复杂的控制算法，使用标准设备定期校准，大大增加了成本。
发明内容
本发明旨在提供一种电磁比例阀和包含该电磁比例阀的呼吸机，能够有效避免摩擦力对流量控制带来的不稳定性，克服流量控制的滞回误差，实现对小流量的稳定控制，降低加工生产的难度。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电磁比例阀，包括阀体，具有腔体；线圈支架，封设在阀体的腔体的开口端；线圈，缠绕在线圈支架上，线圈支架具有内腔，还包括：衔铁，固定设置在线圈支架的内腔中；阀芯支架，一侧连接在固定设置在阀体内壁上的第一弹簧上，另一侧连接在套设在衔铁上的第二弹簧上，通过第一弹簧和第二弹簧悬空设置在阀体的腔体内；阀芯，设置在阀芯支架内。
进一步地，在阀芯支架的背离所述阀芯的一端设置有永磁体，永磁体连接在第二弹簧上。
进一步地，阀芯支架套设在第一弹簧内，其上具有对第一弹簧形成限位的止挡凸缘。
进一步地，永磁体套设在第二弹簧上，第二弹簧的另一端抵接在线圈支架上。
进一步地，第一弹簧为强力弹簧。
进一步地，第二弹簧为弱弹簧。
进一步地，线圈支架与阀体的结合面上设置有密封圈。
进一步地，在衔铁与永磁体相对的端面上设置有限位块。
进一步地，弱弹簧为变系数弹簧，其弹力F与位移x的关系为F＝kx2。
根据本发明的另一方面，提供了一种呼吸机，包括上述的电磁比例阀。
根据本发明的技术方案，阀芯位于阀芯支架内，并通过连接在阀芯支架两端的弹簧悬置在阀体的腔体内，避免了阀芯与阀体相互接触的运动，避免了摩擦力对流量控制带来的不稳定性，以及流量大小变化带来的滞回性，能够使比例阀控制的流量长期保持稳定。由于不需要考虑阀芯与阀体之间的配合，因此减少了阀芯和阀体的加工要求，降低了加工难度。由于弹簧的压力可以计算，因此可以通过控制电流的大小来克服弹簧的阻力，实现对流量的精确控制。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中的电磁比例阀的结构示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的电磁比例阀的结构示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的管线连接示意图；以及
图4示出了根据本发明的实施例的电流-流量单调曲线图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图2所示，根据本发明的实施例，电磁比例阀包括阀体2，具有腔体；线圈支架11，封设在阀体2的腔体的开口端；线圈9，缠绕在线圈支架11上，线圈支架11具有内腔，电磁比例阀还包括衔铁8，固定设置在线圈支架11的内腔中；阀芯支架5，一侧连接在固定设置在阀体2内壁上的第一弹簧3上，另一侧连接在套设在衔铁8上的第二弹簧7上，通过第一弹簧3和第二弹簧7悬空设置在阀体2的腔体内；阀芯4，设置在阀芯支架5内。图中箭头方向代表气体流动方向。
本发明的实施例在基本原理上与现有比例阀相同，都是依靠输入电流大小控制比例阀输出流量大小。区别是：现有比例阀依靠线圈或衔铁产生的电磁力驱动阀芯位移实现比例阀的开启或关闭；本发明采用的是，线圈或衔铁与阀芯不直接接触，利用永磁体与电磁铁在一定距离内的相互吸引或排斥力驱动由强力弹簧和弱弹簧支撑的阀芯移动，实现比例阀的开启或关闭。
阀体2是电磁比例阀的支撑部件，左侧为比例阀的气源入口，气源入口内安装有过滤器1，能够对进入比例阀中的气体进行过滤，防止杂质进入，能够保证电磁比例阀的控制精度，延长其使用寿命。阀口a与阀芯4相互配合，即阀芯4左右移动开启或关闭阀口a。阀芯支架5右侧安装永磁体6，左侧安装阀芯4。阀芯支架5左侧套有强力弹簧即第一弹簧3，右侧套有弱弹簧即第二弹簧7，强力弹簧与弱弹簧相互作用支撑起阀芯支架5，避免阀芯支架5与阀体2接触。其中强弹簧的一端设置在阀体2的内壁上，另一端套过阀芯支架5的外壁然后抵接在阀芯支架5的止挡凸缘51上。永磁体6从阀芯支架5的背离阀芯4的一端伸出，并伸入弱弹簧即第二弹簧7内设置，弱弹簧的一端抵接在阀芯支架5的侧壁上，另一端抵接在线圈支架11上。衔铁8与线圈支架11固连安装，并伸出线圈支架11进入阀体2的腔体内，其上缠绕有弱弹簧，衔铁8对弱弹簧起支撑作用，并使弱弹簧支撑起永磁体6。衔铁8的与永磁体6相对的端面上装有限位块18，对于永磁体6随阀芯支架5的移动形成限位，防止永磁体6与衔铁8接触造成衔铁8的磨损，或者引起衔铁8的性质的变化。衔铁8的磁性大小和极性随着通入线圈9的电流大小和方向改变，可以通过控制电流的大小和方向来控制电磁比例阀的阀芯开口大小，以使流体的流量满足需要。线圈支架11与阀体2固连，并在接触面上增加了密封环12，增强了电磁比例阀的气密性。接线端子10连接外部电源，用于使线圈通电，并可以调节电流的大小。
整个比例阀内只有一个活动部件阀芯支架5，忽略重力的影响(重力是恒定不变的，通过第一弹簧3和第二弹簧7相互作用支撑起阀芯支架5的重力)，在气源压力、第一弹簧3、第二弹簧7及与衔铁8的相互作用力下保持平衡。如果保持气源压力不变，线圈9通入电流为零，即永磁体6与衔铁8之间没有相互作用力，调节第一弹簧3和第二弹簧7的长度，改变相互作用力使阀芯4移到最左端与阀口a配合即关闭气源入口。这时线圈9通入电流，并且逐渐增大，衔铁8的磁性越来越大，衔铁8吸引永磁体6向右移动。为了避免由于永磁体6与衔铁8相互位置变化带来的相互作用力变化，第二弹簧7被设计成变系数弹簧即弹力F与位移x的关系约为：F＝kx2。永磁体6带动阀芯支架5向右移动，阀口a逐渐打开，随着衔铁8与永磁体6相互作用力增大，即能克服更大的弹簧变形力，阀芯支架5继续右移，直到永磁体6碰到限位块18，即比例阀的最大开启位置。
本发明的实施例的电磁比例阀使用在治疗呼吸机上，用作呼吸机的吸气流量执行机构，用于精确控制患者每个呼吸周期吸入潮气量，或者瞬间吸入流量大小控制。在实际测试中，得到了稳定的流量控制效果，避免了频繁的校准，并且得到了呼吸机流速触发需要的0.5L/m的稳定流量控制，避免了压力模式下流量持续变化容易出现的流量控制滞回现象，导致压力控制不准的问题。
在呼吸机内的连接方式如图3所示。气源经过减压阀调整到合适的压力之后，从本实施例的入口进入通过阀口2与阀芯4的流量调节。输出流量大小及开启时间是从PCB通入接线端子10的电流大小来控制，呼吸机调试时，通过标准设备得出比例阀输出流量与控制电流的关系曲线图，如图4所示。由于本发明的实施例的电磁比例阀没有摩擦损耗，电磁力完全用于克服第一弹簧3和第二弹簧7的变形力作用，进而控制阀芯4的位移，改变阀口a的开启大小，从出口流出，进入流量监测模块，准备输入患者气路。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：阀芯位于阀芯支架内，并通过连接在阀芯支架两端的弹簧悬置在阀体的腔体内，避免了阀芯与阀体相互接触的运动，避免了摩擦力对流量控制带来的不稳定性，以及流量大小变化带来的滞回性，能够使比例阀控制的流量长期保持稳定。由于不需要考虑阀芯与阀体之间的配合，因此减少了阀芯和阀体的加工要求，降低了加工难度。由于弹簧的压力可以计算，因此可以通过控制电流的大小来克服弹簧的阻力，实现对流量的精确控制。
以上所述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 (10)

1.一种电磁比例阀，包括
阀体(2)，具有腔体；
线圈支架(11)，封设在所述阀体(2)的腔体的开口端；
线圈(9)，缠绕在所述线圈支架(11)上，所述线圈支架(11)具有内腔，其特征在于，还包括：
衔铁(8)，固定设置在所述线圈支架(11)的内腔中；
阀芯支架(5)，一侧连接在固定设置在阀体(2)内壁上的第一弹簧(3)上，另一侧连接在套设在所述衔铁(8)上的第二弹簧(7)上，通过所述第一弹簧(3)和所述第二弹簧(7)悬空设置在所述阀体(2)的腔体内；
阀芯(4)，设置在所述阀芯支架(5)内。
2.根据权利要求1所述的电磁比例阀，其特征在于，在所述阀芯支架(5)的背离所述阀芯(4)的一端设置有永磁体(6)，所述永磁体(6)连接在所述第二弹簧(7)上。
3.根据权利要求2所述的电磁比例阀，其特征在于，所述阀芯支架(5)套设在所述第一弹簧(3)内，其上具有对所述第一弹簧(3)形成限位的止挡凸缘(51)。
4.根据权利要求3所述的电磁比例阀，其特征在于，所述永磁体(6)套设在所述第二弹簧(7)上，所述第二弹簧(7)的另一端抵接在所述线圈支架(11)上。
5.根据权利要求4所述的电磁比例阀，其特征在于，所述第一弹簧(3)为强力弹簧。
6.根据权利要求4所述的电磁比例阀，其特征在于，所述第二弹簧(7)为弱弹簧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电磁比例阀，其特征在于，所述线圈支架(11)与所述阀体(2)的结合面上设置有密封圈(12)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电磁比例阀，其特征在于，在所述衔铁(8)与所述永磁体(6)相对的端面上设置有限位块(18)。
9.根据权利要求6所述的电磁比例阀，其特征在于，所述弱弹簧为变系数弹簧，其弹力F与位移x的关系为F＝kx2。
10.一种呼吸机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电磁比例阀。
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