CN102927350B - 反偏压阀和致动器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过工作流体(或气体)压力反偏压的阀致动器组件。阀致动器组件包括阀和气动或液压致动器。端口限定为轴向穿过该阀和致动器，其将作用在阀面上的工作流体(或气体)压力与致动器壳体内的反偏压腔连通。这种设计通过将作用在致动器上的基底的流体(或气体)的常规工作压力连通到与该阀面相反的合力矢量，从而消除、减少或克服作用于阀面上的力。

Description

反偏压阀和致动器组件

技术领域

这里描述的实施例涉及机械技术。更具体的，本发明涉及阀致动器组件。

背景技术

已知阀致动器组件已经使用了很多年。这些组件在各种工业和机械设备中控制液体或气体的流量。通常情况下，阀致动器组件包括以下三种主要设计类型之一：包括隔膜致动器、致动器活塞、或电磁致动器的那些。这些组件通常用于控制内燃机的一个或多个功能，或应用在其它工业应用中。

传统的阀致动器的主要缺点在于，阀通常需要非常高的弹簧预载荷以抵消或消除流体(或气体)对阀面的工作压力形成的力而被偏压关闭。传统的阀致动器组件的另一个问题是，对高弹簧预载荷的需要减弱了致动器对控制阀的响应性。传统的阀致动器组件的另一个问题是，它们通常设计的远比原本需要的过于坚固，以承受住前述的高弹簧压力。

虽然上述的阀致动器组件可以适用于其所的用途，但是需要降低高弹簧压力以降低阀和致动器的的设计要求并提高响应度。

发明内容

考虑到现有技术中现存的已知类型的阀致动器组件的前述固有缺陷，这里描述的实施例提供一种新型阀和反偏压阀致动器组件。反偏压阀和致动器组件利用流体(或气体)的工作压力，通过将作用于基体的流体(或气体)的常规工作压力连通到与阀面相对的合力矢量，以消除、减少或克服作用于阀面的力，其中其可以用来改进目前已知的常规阀和致动器组件设计的功能。

这里描述的实施例(这将在下文详细描述)的总的目的是提供一种新型阀和阀致动器组件，其由工作流体(或气体)压力反偏压，具有上述的阀致动器组件的多项优点以及很多新的特征，从而得到新型的阀和阀致动器，其由工作流体(或气体)压力反偏压，其(单独地或任意组合地)相对于任何现有技术中的阀致动器组件都没有被预见到、变得显而易见、被提出、或者甚至被暗示。

因此，这里描述的实施例总的包括阀和气动/液压的活塞致动器组件。该阀包括由阀杆和阀头限定的标准阀，阀头具有阀面。然而，该阀与现有技术的不同在于，其具有端口，该端口轴向穿过阀的长度、穿过阀面、并且沿伸穿过阀杆的末端而形成。该端口将作用于阀面上的流体(或气体)工作压力传递至反偏压腔。

这里描述的实施例的一个目的是提供一种由工作流体(或气体)压力反偏压的阀和反偏压阀致动器组件，其将克服现有技术装置中的缺陷。

这里描述的另一个目的是提供一种由工作流体(或气体)压力反偏压的阀和阀致动器组件，以改进目前已知的常规阀和致动器组件设计的功能。

另一个目的是提供一种由工作流体(或气体)压力反偏压的阀和阀致动器组件，通过将作用于基体的流体(或气体)的常规工作压力连通到与阀面相对的合力矢量，以消除、减少或克服作用于阀面的力。

另一个目的是提供一种由工作流体(或气体)压力反偏压的阀和阀致动器组件，其降低了对不必要的高预加载荷的弹簧或力(其用于克服流体(或气体)工作压力将阀偏压以关闭)的需求。

另一个目的是提供一种由工作流体(或气体)压力反偏压的阀和阀致动器组件，通过减小或消除偏压阀的预加载荷的弹簧或力，其改进了致动响应时间(通过阀在高频下操作的能力来测量)。

本发明的其它目的和改进对读者是显而易见的，其意图在于，这些目的和优点均在这里描述的实施例的范围之内。

为了实现上述的和相关的目的，这里描述的实施例在附图中示出，但是值得注意的是，附图仅用于示出的目的，在不偏离这里描述的一般概念的情况下，可以对附图所示的特定结构进行改变。

附图说明

结合附图，从如下详细描述，本发明的技术特征、优点、目的将更显而易见，附图中相同的引用特征在全文中相应地标识，其中：

图1以透视图示出根据一个实施例的阀致动器组件；

图2以剖视图示出图1中阀致动器组件；

图3示出用于图1或图2的阀致动器组件内的致动器活塞的另一个实施例；和

图4示出了图1或图2的阀致动器组件使用于典型汽车应用中，在该实施例中，应用于涡轮增压汽车发动机中。

具体实施方式

阀致动器组件通常用于控制阀在应用中的位置，以调节穿过阀致动器组件的流量或压力。这里描述的实施例能够改变该组件内作用于阀面的工作压力的影响。流体或气体的压力作用在阀面的表面区域上，并且通常产生在该表面的矢量法向上和与该表面反向的合力。这里公开的实施例的主要目的之一是减少、消除或克服作用于阀面上的工作压力。

现在参考附图，图1以透视图示出根据一个实施例的阀致动器组件。阀致动器组件100包括进口端口102、出口端口104、阀套106，以及致动器壳体108。图1中未示出的阀致动器组件100的其它部件将在后面介绍。阀致动器组件100通过流道112以螺钉或其它已知的紧固方式连接至管道110。应该理解的是，进口端口102与出口端口104可以互换，即，流体或气体的可以代替地从出口端口104进入并经过进口端口102流出。出口端口104连接至第二管道(未示出)，该管道输送来自出口端口104的气体或液体。从管道110至第二管道的流体或气体的流动由包含在阀致动器组件中的阀控制，这在后面将详细介绍。

在一个实施例中致动器壳体108限定为与致动器活塞(未示出)配合，得到的组合因此起到单层致动器活塞的作用。它们的配合在致动器壳体108内至少形成两个具有容积的腔，这里随后将对其进行更详细的介绍。

致动器壳体108通常具有双构件结构的特征，围绕致动器活塞的几何形状模制。在一个实施例中，致动器壳体组件具有双腔的形式，并能够容纳基于两基体(substrate)隔膜的致动器活塞或单构件设计。另一个实施例中，致动器壳体由如后面的图3所示的多层致动器活塞的几何形状限定。

图2以剖视图示出图1中阀致动器组件100。图中阀致动器组件100通过流道112安装到管道110。阀致动器组件100通常通过固定螺钉或其它类型的机械紧固件固定到流道112。阀致动器组件100包括阀200，也就是通常所知的“提升”阀。其他类型的阀也可以在替代实施例中使用。阀200由阀杆202和阀头204限定，阀头204具有阀面212。阀200通过阀套208和致动器壳体108之间形成的流道206固定，阀200的一端固定在致动器活塞216内，如图所示。致动器活塞216大体上保持阀200，以传递作用于活塞的基体区域的合成的流体或气体压力，下面将对其进行更详细的介绍。

阀200还具有端口210，该端口210限定成在包括阀杆202和阀面212在内的阀200全部长度上轴向穿过。第二端口218限定成穿过致动器活塞216，其至少部分与阀200内的端口210对齐。组合的端口210和218形成开口或管道，其将来自管道110的、作用于阀面212上的工作流体(或气体)压力与反偏压腔214连通。在另一个实施例中，阀200和致动器活塞216形成为单一整体，该单一整体具有穿过整个结构形成的从阀面212穿过基体区域220的单一的端口。

反偏压腔214内的致动器活塞216的基体区域220形成这样的表面，其承受与施加于阀面212的力不对称正交的合成矢量力。换句话说，通过端口210和218将管道110内的流体或气体压力传递给反偏压腔214，该压力作用于致动器活塞216的基体区域220，向下(在本实施例中，朝向管道110)驱动致动器活塞216。作用于致动器活塞216上的力与基体区域220的表面面积大小成比例；表面面积越大，作用于致动器活塞216上的力越大。

致动器活塞216既用作主致动器，也用作阀保持器。在一个实施例中，如图2所示，致动器活塞与致动器壳体108组合构成多个压力控制腔214、226、228和236。这些控制腔中的每一个都与致动器活塞216一部分的基体区域或表面相关联。这些分别以粗体表示为基体区域220、238、222和242。应该理解的是，这些控制腔和基体区域的横截面通常与致动器壳体108的整体几何形状(在此实施例中，俯视图为圆形)有关。每个压力控制腔均连接至各自的压力控制端口，分别表示为压力控制端口210/218、230、232和240。

施加在致动器活塞216上的力与每个控制腔内的压力以及压力施加于其上的活塞致动器216的相关的基体区域成比例。控制腔的数量根据应用可以有变化。此外，使用的腔的数量在任意特定的应用中也会变化。例如，阀致动器组件可以设计并制造为具有三个控制腔，但在使用时，仅将压力控制信号施加到三个控制腔中的两个。根据特定应用，任何未使用的控制腔可以通过在相应的压力控制端口上安装帽来密封，或者可以使控制腔通到大气压。

致动器活塞216通常限定为，但不限于，三种公知的几何形状。在一个实施例中，如图2所示，致动器活塞216包括与两基体柔性隔膜连接的简单的阀保持器。在另一种设计中，致动器活塞216包括单个构件，其保持阀并且在相反的轴向方向上具有两个基体区域。在又一个实施例中，致动器活塞216具有如专利6863260描述的多层设计，其中，致动器活塞不仅作为保持器，还限定了四个有体积的腔和四个致动基体。这种设计在图3中示出并在下文说明。

图3示出致动器活塞216的另一个实施例，在这里表示为致动器活塞316。如图所示，致动器活塞316包括在变化直径的一个轴上挤出的椭圆形或多边形轮廓的物体。致动器活塞316包括轴318和层300-314，挤出在致动器活塞316上的每一层具有与其它层或阶层不同的几何轮廓。每层可以具有不同的直径、宽度或尺寸，以限定用于压力控制信号作用于其上的表面区域。轴318包括纵向延伸部分，例如杆或圆柱体，其具有多种横截面中的一种，在致动器活塞316的长度上延伸，围绕该纵向延伸部分布置各个层。轴318还包括第一轴端326和第二轴端328。在某些情况下，层的直径可以与轴318的直径相等，例如，层300、310、312、和306。作用于致动器活塞316上的合力由作用于由多个层限定的不同表面区域上的压力控制信号的组合而形成。

代表层的几何轮廓不必要轴向对齐。致动器活塞316最常见的实施是这样一种，其中致动器活塞316沿着垂直于层的几何轮廓的轴向方向行进。活塞/壳体的关系通常是这样的，即致动器活塞316作为相对致动器壳体108行进或移动的构件。

每个层一般包括顶面、底面和外壁，比如顶面320和外壁324(底面未示出)。一个层的顶面可能是另一层的底面。例如，层302的顶面320与层310的底面是相同的面；层302的底面与层308的顶面是相同的面。如前所述，部分或全部层的外壁与限定出致动器壳体108的空腔的不同的内壁相接触。该接触所形成的腔的容积会在致动器活塞316或致动器壳体108沿着二者共同的轴线行进时产生变化。空腔内壁的表面可以与层的材料或与由层的外壁容纳或集成到层的外壁的密封件一起作为密封面。或者，致动器壳体108还包括与层一起形成密封面的材料。此外，独立的密封件，例如O型圈，也可以集成到层和/或轴318，与壳体空腔的内表面配合形成密封。任何多种现有的密封技术均可以集成到致动器活塞316中，包括但不限于O型圈、垫圈和金属密封件。在图3的例子中，此独立密封件可围绕层314、层308或层316设置。

虽然图3所示的活塞是单件结构，但是致动器活塞316还可以如前述的介绍构造为分离的和独立的物体，它们相互连接形成组合的致动器活塞316。因此，根据特定的应用场合，致动器活塞316可以使用任何现有的可用的材料制造，如塑料、金属或任何其他的刚性或半刚性材料。

回到图2，压力控制信号通过压力控制端口230、232和240可分别传递至控制腔226、228和236，从而控制阀202的操作。这些压力各自可以施加为正压或负压，并且可以来自不同的源。压力控制信号通常包括气体、液体或两者的结合。此外，每个压力控制端口可以传输单一的压力类型。例如，传递至压力控制端口230的压力控制信号可以包括气体，而传递至压力控制端口232的压力控制信号可以包括液体。引入压力控制端口230、232和240的压力控制信号可以是相同的或相互排他的，并且可以在不同的时间点引入，以控制阀202相对于密封面234的位置，从而控制从排放端口104排出的材料的流量。在任何给定的应用中，可能具有由环形壁、端壁和层表面限定出的多个腔，以产生作用于致动器活塞216的力。这种腔、层表面区域或其它限定腔的特征的数量不需要相同或相近。

致动器活塞216相对于致动器壳体108在两个方向中的一个移动，向上或向下。例如，如果加压流体穿过压力控制端口232传递至控制腔228内，则此流体(不包括任何其它作用在致动器活塞216上的力)会在允许加压流体或气体扩张到腔228中的方向上有效地移动致动器活塞216。致动器活塞216会在力具有差值的方向上移动，即，在本例中向上运动，或远离管道110，且进而导致阀200相对密封面234打开。

致动器活塞216将在与作用在每个基体表面和阀面上的净组合力成比例的方向上移动。作用在基体表面上的这些力中的每一个又与经过压力控制端口进入相应压力控制腔并施加至相应的基体表面区域的压力信号成比例。例如，当两个基体区域238和222的表面积相等时，经过压力控制端口230施加至控制腔226的正压信号会抵消经过压力控制端口232施加至控制腔228的相等的正压信号。在这种情况下，活塞致动器216和阀200不动。在另一个例子中，如果同样的压力施加到控制腔226和228，但基体238的表面积是基体222的表面积的两倍，则致动器活塞216将朝向图2示出的关闭位置移动。在另一例子中，如果正压传递至压力控制端口230，并且负压传递至压力控制端口232，并且每个控制室的层表面都是相等的，则致动器活塞216将在两倍于每个单独的压力控制信号的力的作用于向下移动(当然，假设阀202尚未接触密封面234)。

阀致动器组件100的装配首先将致动器壳体108与致动器活塞216配合，然后其与阀202配合，最后与阀套208配合。有多种可行的设计与装配顺序。其他实施例中，其设计可能要求必须为整体阀和致动器活塞设计。但是构件的相互连接关系从根本上不会改变。

有很多种制造这些构件的方法。可用的加工方法包括但不仅限于，熔模铸造、拉模铸造、注射成型和锻造加工。可使用的材料包括但不仅限于含铁和不含铁的金属、塑料和先进的树脂基复合材料。

图4示出了阀致动器组件400用于典型的汽车应用，在这个例子中，应用于涡轮增压汽车发动机402。环境空气进入涡轮增压器403的进口404以被压缩，并通过管道408被传送至中冷器406。压缩空气随后进入发动机402，并且废气通过管道410排出并进入涡轮增压器403的废气涡轮部分的进口412。为了调节涡轮增压器的运行速度，通常需要调节阀，其公知为废气旁通阀(wastegate)。这些机械阀组件通常包括常规的“提升”阀，其调节进入涡轮增压器的废气压力和流量。该阀通常是通过阀套组件内的弹簧偏置在关闭位置。在图4的例子中，此调节阀具有前述的阀致动器组件400。位于阀致动器组件400内的阀可以由弹簧偏压在关闭位置，且位于阀组件400内的该阀和致动器具有端口210和218以对在管道410内作用于阀面的气体的压力做出响应。由于端口218和210的平衡效应，与通常将阀偏压在关闭位置所需要的相比，弹簧的特性(例如尺寸、恢复力和弹簧系数)通常会降低。

在图4的例子中，阀致动器组件400通过进入冷却器406之前来自涡轮增压器403的压缩环境空气的致动压力控制信号414来控制。应当理解的是，可选择的，该压力控制信号414可以来自冷却器406的出口，或由不同于图4中的构件的源来提供。在图4中的例子中，压力控制信号414是正压，连接到压力控制端口232，其操作以打开致动器组件400内的阀。当阀打开后，来自管道410的废气通过阀致动器组件400，并通过导管416排出，通常排出到环境空气或噪音抑制系统。当阀致动器组件400内的阀打开时，管道410内的废气的压力和流量减弱，因此减缓涡轮增压器403的旋转。如果管道408内的压力变得过小，则压力控制信号414同样减小，导致阀致动器组件400内的阀关闭，从而增加管道410内的压力。因此，涡轮增压器403加快转动。以这种方式，建立一个反馈环路来调节涡轮增压器403。

值得注意的是，在这个例子中，只有一个压力控制信号施加至阀致动器组件，压力控制信号414连接至压力控制端口232。第二压力控制端口保持未连接。在这种设置下，管道410内废气的力和压力控制信号414用以推开阀，而偏压弹簧用于关闭阀。在其他实施例中，第二个压力控制端口可以连接到第二压力控制信号，以进一步控制阀的操作。在另外的实施例中，阀致动器组件400可包括两个以上的压力控制端口，每个压力控制端口与阀致动器组件内特定的控制腔连接。最后，在其他实施例中，一个或多个未使用的端口可以被盖住，以使相应控制腔内的任何气体保持截留在这些控制腔内。

关于上面的描述，可以了解的是，管道连接器的各构件的最佳尺寸关系包括在尺寸、材料、形状、形式、功能和运行方式、组装方式与使用方式方面的变化，这对本领域技术人员来说是显而易见的。那些附图中示出的和说明书中描述的所有等价关系的均包含在这里描述的实施例中。因此，上述仅作为这里提供的原理和说明的示例。此外，由于本领域技术人员可以预期到许多修改和变化，因此不要求按照所示和所述的严格的结构和运行方式限制本发明所述的装置，因此所有合适的修改和等同体都归于或落入本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种阀致动器组件，包括：

致动器壳体；

致动器活塞，布置在致动器壳体内，该致动器活塞包括穿过致动器活塞形成的第一端口，其中该致动器活塞和该致动器壳体一起限定反偏压腔和多个控制腔，该反偏压腔连接到第一端口；其中第一控制腔和该反偏压腔都位于相对于致动器活塞的相同侧；

第一压力控制端口，其连接到该第一控制腔，用于传递压力控制信号至该第一控制腔并与致动器活塞的表面接触；和

阀，该阀包括轴向穿过阀而形成的第二端口，该第二端口至少部分与该第一端口对齐；

其中该阀具有的阀面的表面积大于致动器活塞的形成反偏压腔的一部分的那部分的表面积。

2.根据权利要求1所述的阀致动器组件，还包括：

与致动器壳体连接的阀套，包括进口端口和排放端口。

3.根据权利要求1所述的阀致动器组件，其中，该致动器活塞和该阀包括单一实体，并且第一端口和第二端口结合形成穿过该单一实体的单一端口。

4.根据权利要求1所述的阀致动器组件，其中该阀是提升阀。

5.根据权利要求1所述的阀致动器组件，还包括：

至少两个第二控制腔，其由致动器活塞和致动器壳体形成，其中每个第二控制腔包括与其连接的单独的压力控制端口。

6.根据权利要求1所述的阀致动器组件，还包括：

第二控制腔，其形成在致动器活塞和致动器壳体之间；和

用于将第二压力控制信号传递至该第二控制腔的装置。

7.一种用于控制流量的方法，包括：

提供用来控制从第一管道流向第二管道的流体流量的阀组件，该阀组件包括：

致动器壳体；

致动器活塞，其布置在致动器壳体内，该致动器活塞包括穿过致动器活塞形成的第一端口，其中该致动器活塞和该致动器壳体一起限定反偏压腔和多个控制腔，该反偏压腔连接到第一端口；其中至少一个控制腔是位于致动器活塞的表面上方的上控制腔；和

阀，该阀包括轴向穿过阀而形成的第二端口，该第二端口至少部分与该第一端口对齐；

其中该上控制腔连接到可变正压的源或负压的源或二者的组合；以及通过将压力控制信号施加于阀组件上的压力控制端口来操作该阀，该压力控制端口连接至所述多个控制腔。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述流体流量为气体流量。

9.权利要求7或8所述的方法，还包括：

通过将第二压力控制信号施加于该阀组件上的第二压力控制端口来操作该阀，该第二压力控制端口连接至第二控制腔。