CN103807502A

CN103807502A - 热控可变流阻

Info

Publication number: CN103807502A
Application number: CN201310692610.8A
Authority: CN
Inventors: 黎鑫
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明公开了一种热控可变流阻，包括流体入口、流体出口和管套，所述的管套形成具有流体管路的空心体，所述的管套将所述的流体入口的流体连接到所述的流体出口，还包括一加热元件，所述的空心体内填充有粘性流阻质体，所述的加热元件用于加热所述的粘性流阻质体。本发明与现有的可变流阻设计相比，结构中不存在可移动的部件，因此即便是工作在振动的环境下，性能也不会受到振动的影响；组成部件少，易于组装，制作成本低；并且，各部件的加工要求低，很容易小型化和微型化。

Description

热控可变流阻

技术领域

本发明涉及一种热控可变流阻。

背景技术

阀是我们在实施流体传动及控制中最常用的一个执行机构。比如挤压实验机（如图1所示），压力控制腔内的压力施加一个推力作用在待测物体上，通过改变压力控制腔内的压力就能够改变作用在待测物体上的力。该挤压实验机是为了测试物体在不同加载力的情况下的应力特性。恒定高压流体从压力控制腔的入口流入然后从压力控制腔的出口流出，通过在压力控制腔的入口和出口处设置阀来控制流入和流出的流体流量，从而实现控制压力控制腔内的压力大小。

专利号201310048457.5公开了一种流量控制阀的机构设计（如图2所示），该阀具有锥形阀芯和阀座，通过电磁铁和弹簧的力平衡来调节阀芯的上下位置，从而达到改变阀的流通面积来控制流量的目的。阀芯打开时，阀芯和阀座之间形成细缝，当流体流经这样的细缝时，流量和细缝两端的压力差之间的关系可以套用薄壁型小孔的流量公式（式1所示）。流体流经薄壁型小孔或是细缝时，粘性的影响很小，流量和压力差的关系基本遵循伯努利原理。目前，阀的结构设计思想都是通过改变流通面积来改变流量和两端的压力差的关系。

简单地来说，就是通过改变流通面积来改变流阻从而实现对流量的控制。阀芯和阀座所组成的结构称为可变流阻，可变流阻是阀的核心组成部分。常见的可变流阻的结构设计除了专利号201310048457.5公开的上下开合式的结构外，还有专利号CN101589254A公开的的左右滑动遮盖式的结构。

现有的可变流阻设计存在如下弊端：

（1）阀芯是可移动的，因此，在振动的环境下工作时，阀芯会在外界振动的驱动下产生振动，从而使得阀的开度（即阀芯和阀座间的流通面积）变得不稳定，进而影响流量控制，严重的情况下可能会发生流量控制失效的情况；

（2）阀的组成部件多，组装难度大，制作成本高；

（3）机械部件的加工难度大，难以小型化和微型化。

（4）流体流经现有的可变流阻结构（如：小孔，细缝等）时，会产生（进入流阻结构时）加速流动和（流出流阻结构时）减速流动，这样的流动会形成很多高频的紊流小漩涡，因此会产生噪音。因此目前的可变流阻结构难以实现静音效果。

发明内容

为了克服现有可变流阻结构设计中存在的上述诸多缺点，本发明提供一种热控可变流阻。

本发明采用的技术方案是：

热控可变流阻，包括流体入口、流体出口和管套，所述的管套形成具有流体管路的空心体，所述的管套将所述的流体入口的流体连接到所述的流体出口，其特征在于：还包括一加热元件，所述的空心体内填充有粘性流阻质体，所述的加热元件用于加热所述的粘性流阻质体。

进一步，所述的加热元件安装在所述的粘性流阻质体的中心。

进一步，所述的加热元件安装在所述的管套外周。

进一步，所述的加热元件为电源和设置在管套的两端部外周的导电金属接头，且所述的导电金属接头与所述的粘性流阻质体触接，所述的导电金属接头分别与电源的正负极相接，所述的粘性流阻质体采用通电后会发热的材料。

进一步，所述的加热元件为线圈，所述的线圈缠绕在管套的外周，当用交流电激励所述的线圈时，所述的线圈产生交变磁场，所述的粘性流阻质体采用可在交变磁场中产生涡电流并发热的材料。

进一步，所述的加热元件为线圈，所述的线圈缠绕在管套的外周，当用交流电激励所述的线圈时，所述的线圈产生交变磁场，所述的粘性流阻质体采用可在交变磁场中产生涡电流并发热的材料，所述的管套采用具有可制冷的材料（如具有培尔蒂埃效应的材料），管套接入电源后能够把热量从管套的内侧移动到外侧实现管套内部制冷。

本发明中根据具体的线圈的加热效果，线圈和粘性流阻质体的位置会有改变。

本发明热控可变流阻的主要组成部件是粘性流阻质体，管套和加热元件。加热元件使粘性流阻质体的温度升高；流体通过与粘性流阻质体之间的热交换获得热量从而使得自身温度升高；升温后的流体的粘性和（压缩性流体的情况）密度发生改变，这就会致使粘性流阻质体的流阻发生改变。

流体是液体（比如液压油）的情况，密度不会因温度的改变而发生明显的改变，但是粘度会随着温度的变化而发生显著的变化：温度越高，粘度越小，粘性流阻质体的流阻就会变小；反之，温度越低，粘度越大，则流阻就会变大。

流体是气体的情况（比如空气），密度和粘度都会随着温度的改变而改变：温度越高，粘度越大，密度变小，流阻越大；反之，温度越低，粘度越小，密度变大，则流阻越小。图4是利用空气作为实验流体的结果，我们可以看到，流量和上下流压差的曲线随着加热量的变化发生明显的变化，这证明了粘性流阻质体的流阻在温度变化的情况下发生了显著的改变。

粘性流阻质体是指主要因为流体的粘性作用而产生流动阻力的材质或是材料。比如由粉末烧结技术提炼而成的多孔材质，内部含有大量的相互连通的微细孔，这些连通的微细孔组成了弯曲的微细流道，因此多孔材质拥有透气能力。透气钢也是一种典型的粘性流阻质体。另外，将极细的无规则缠绕的金属线加压制成的块状物也具备有类似于粘性流阻质体的特性。细长管状流道，或是由两块平板组成的板状缝隙流道里的流动也是以流体的粘性作用而产生流阻的粘性流阻质体的一种形式。粘性流阻质体的上流和下流之间若存在压力差的话，流体可以通过粘性流阻质体。当流体流经粘性流阻质体的微细流道时，粘性摩擦作用很大，从而会产生流阻。以典型的粘性流阻质体--多孔材质为例，它的两端压力差和流量的关系常用Darcy定律表述。如果流体是不可压缩的话（如液压油等），使用式（2）来表述；如果流体是压缩性流体，使用略为复杂的式（3）来表述。我们发现，它的流量计算公式与薄壁型小孔的流量计算公式（式（1））最大的不同之处在于：式（2）或式（3）的流量公式考虑了流体的粘度。而我们又知道，流体的粘度是随着温度的变化而变化的。如果是不可压缩的流体的情况（比如液压油），温度越高，粘度越小，粘性流阻质体的流阻就越小；反之则流阻越大。流体是压缩性流体的情况（比如空气），密度和粘度都会随着温度的改变而改变；温度越高，粘度越大，密度越小，于是，流阻越大；反之，则流阻越小。也就是说，我们可以通过改变流体的温度来控制流阻的大小，这就是我们选用粘性流阻质体的原因。

本发明采用粘性流阻质体的另一个原因是要利用粘性流阻质体良好的换热效果。流体流经粘性流阻质体时与粘性流阻质体有着充分的接触，因此流体和粘性流阻质体之间的热交换是非常充分且迅速的，利用一些外部手段输入热量，热量很容易通过粘性流阻质体传达给流体从而改变流体的温度。

本发明采用粘性流阻质体的又一原因是利用粘性流阻质体的的静音消音特性。流体流经粘性流阻质体的微细流道时，是一种粘性起主要作用的流动，因此流动能够保持层流状态，从而不会像现有的小孔型流阻或是细缝型流阻那样产生大量的紊流漩涡。紊流漩涡是流体流动的主要噪音源。粘性流阻质体能够保持流动的层流状态，所以不会产生噪音。

本发明的有益效果体现在：

（1）本发明的结构中不存在可移动的部件，因此，即便是工作在振动的环境下，性能也不会受到振动的影响；

（2）组成部件少，易于组装，制作成本低；

（3）各部件的加工要求低，很容易小型化和微型化；

（4）本发明能够实现静音效果。

附图说明

图1是挤压实验机结构示意图。

图2是专利号2013100484575公开的流量控制阀的局部结构示意图。（其中11-阀芯，22-阀座）

图3是本发明实施例1所述的结构示意图。

图4是本发明利用空气作为实验流体时，流量和上下流压力差的曲线随着加热量的变化而变化的示意图。

图5是本发明实施例2所述的结构示意图。

图6是本发明实施例3所述的结构示意图。

图7是本发明实施例4所述的结构示意图。

图8是本发明实施例5的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图3和图4，热控可变流阻，包括流体入口1、流体出口2和管套3，所述的管套3形成具有流体管路的空心体，所述的管套3将所述的流体入口1的流体连接到所述的流体出口2，还包括一加热元件5，所述的空心体内填充有粘性流阻质体4，所述的加热元件5用于加热所述的粘性流阻质体4。所述的加热元件5安装在所述的粘性流阻质体4的中心。

其工作原理是：流体从粘性流阻质体的左端的流体入口流入，流经粘性流阻质体流出。加热元件接入电压后发热，热量通过粘性流阻质体传递给流体，使流体的粘性和（压缩性流体的情况）密度发生改变，从而达到改变流阻的目的。可以通过控制加热元件的输入电压来控制流体的温度，也就实现了控制流阻。另外，管套选用低热导性的材料，这样能够抑制热量的逃逸，从而实现更高效地加热内部的流体。

实施例2

参照图5，热控可变流阻，包括流体入口1、流体出口2和管套3，所述的管套3形成具有流体管路的空心体，所述的管套3将所述的流体入口1的流体连接到所述的流体出口2，还包括一加热元件5，所述的空心体内填充有粘性流阻质体4，所述的加热元件5用于加热所述的粘性流阻质体4。所述的加热元件5安装在所述的管套3外周。所述的管套3采用导热性良好的材料。加热元件接入电压后发热，热量通过管套传递给粘性流阻质体，流体通过与粘性流阻质体的热交换获得热量并提升温度。如果是非压缩性的流体的情况（比如液压油），温度升高，粘度变小，粘性流阻质体的流阻就会变小；反之粘性流阻质体的流阻会变大。流体是压缩性流体的情况（比如空气），密度和粘度都会随着温度的改变而改变；温度越高，粘度变大，密度变小，于是，流阻变大；反之，则流阻变小。

实施例3

参照图6，热控可变流阻，包括流体入口1、流体出口2和管套3，所述的管套3形成具有流体管路的空心体，所述的管套3将所述的流体入口1的流体连接到所述的流体出口2，还包括一加热元件5，所述的空心体内填充有粘性流阻质体4，所述的加热元件5用于加热所述的粘性流阻质体4。所述的加热元件为电源和设置在管套的两端部外周的导电金属接头，且所述的导电金属接头与所述的粘性流阻质体触接，所述的导电金属接头分别与电源的正负极相接，所述的粘性流阻质体采用通电后会发热的材料。

所述的管套采用绝缘绝热的材料。安装时确保导电金属接头和粘性流阻质体发生接触。两端的导电金属接头分别与电源的正负极连接，接入电压后，粘性流阻质体导电并整体均匀发热，热量通过热交换传递给流体使流体温度上升。采用自身通电发热的粘性流阻质体的好处在于：与实施例1和实施例2所述的采用外部加热的方式相比，自身发热的粘性流阻质体节省了热量从外部传递到粘性流阻质体内部的时间，因此，能够缩短可变流阻的响应时间，提高可变流阻的控制性能。

实施例4

参照图7，热控可变流阻，包括流体入口1、流体出口2和管套3，所述的管套3形成具有流体管路的空心体，所述的管套3将所述的流体入口1的流体连接到所述的流体出口2，还包括一加热元件5，所述的空心体内填充有粘性流阻质体4，所述的加热元件用于加热所述的粘性流阻质体。所述的加热元件5为线圈，所述的线圈可以缠绕在管套的外周，当用交流电激励所述的线圈时，所述的线圈产生交变磁场。所述的粘性流阻质体采用可在交变磁场中产生涡电流的材料，比如铁；管套采用绝热性能好的材料，以抑制热量的耗散。交变磁场在粘性流阻质体中产生涡电流，涡电流在粘性流阻质体内流动时释放大量的焦耳热，从而使粘性流阻质体整体均匀发热，热量通过热交换传递给流体。采用电磁加热的好处在于：与实施例1和实施例2中采用外部加热器的方式相比，电磁加热能够在粘性流阻质体中直接产生热量，从而节省了热量从外部传递到粘性流阻质体内部的时间，因此，能够缩短可变流阻的响应时间，改善可变流阻的控制性能。

实施例5

参照图8，热控可变流阻，包括流体入口1、流体出口2和管套3，所述的管套3形成具有流体管路的空心体，所述的管套3将所述的流体入口1的流体连接到所述的流体出口2，还包括一加热元件5，所述的空心体内填充有粘性流阻质体4，所述的加热元件5用于加热所述的粘性流阻质体4。所述的加热元件5为线圈，所述的线圈可以缠绕在管套的外周，当用交流电激励所述的线圈时，所述的线圈产生交变磁场。所述的粘性流阻质体采用可在交变磁场中产生涡电流的材料，比如铁；管套采用绝热性能好的材料，以抑制热量的耗散。交变磁场在粘性流阻质体中产生涡电流，涡电流在粘性流阻质体内流动时释放大量的焦耳热，从而使粘性流阻质体整体均匀发热，热量通过热交换传递给流体。另外，管套采用能够制冷的材料，比如培尔蒂埃效应的材料，该材料在接入电源后能够把热量从管套的内侧移动到外侧，从而实现管套内部制冷。这也致使粘性流阻质体的温度降低，流体的温度通过与粘性流阻质体的热交换也会降低。

本实施例采用了可以制冷的管套，所以该可变流阻能够工作在低于环境温度的状态，比起实施例1至4来说，它的工作范围更宽了。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.热控可变流阻，包括流体入口、流体出口和管套，所述的管套形成具有流体管路的空心体，所述的管套将所述的流体入口的流体连接到所述的流体出口，其特征在于：还包括一加热元件，所述的空心体内填充有粘性流阻质体，所述的加热元件用于加热所述的粘性流阻质体。

2.如权利要求1所述的热控可变流阻，其特征在于：所述的加热元件安装在所述的粘性流阻质体的中心。

3.如权利要求1所述的热控可变流阻，其特征在于：所述的加热元件安装在所述的管套外周。

4.如权利要求1所述的热控可变流阻，其特征在于：所述的加热元件为电源和设置在管套的两端部外周的导电金属接头，且所述的导电金属接头与所述的粘性流阻质体触接，所述的导电金属接头分别与电源的正负极相接，所述的粘性流阻质体采用通电后会发热的材料。

5.如权利要求1所述的热控可变流阻，其特征在于：所述的加热元件为线圈，所述的线圈缠绕在管套的外周，当用交流电激励所述的线圈时，所述的线圈产生交变磁场，所述的粘性流阻质体采用可在交变磁场中产生涡电流并发热的材料。

6.如权利要求5所述的热控可变流阻，其特征在于：所述的加热元件为线圈，所述的线圈缠绕在管套的外周，当用交流电激励所述的线圈时，所述的线圈产生交变磁场，所述的粘性流阻质体采用可在交变磁场中产生涡电流并发热的材料，所述的管套采用可制冷的材料，管套启动制冷功能后能够把热量从管套的内侧移动到外侧实现管套内部制冷。