CN104995443A - 力致动的控制阀 - Google Patents

Abstract

所公开的实施方案包括力致动的调节控制阀，如直接作用的电磁阀或导向致动的波纹管阀，其带有刀口座，使得座上的计量位置正好处于外径处。在一个实施方案中，移除计量边缘外侧的阀座的一部分以基本上外径以减少与高速流体流的接触。在某些实施方案中，可以将挡流件刚好置于座的计量边缘外侧以防止高速流体朝芯组件的部件循环。在一些实施方案中，可以将挡流件固定于仪器的主体，从而将所有的流体力传送到所述主体。力致动的调节控制阀的实施方案可在质量流量控制器中用于控制流体流量。

Description

力致动的控制阀

发明背景

1.发明领域

本发明涉及流量控制领域，并且更具体而言涉及力致动的调节控制阀。

2.相关技术讨论

阀是通过打开、关闭或部分地阻挡各种通路来调节、引导或控制流体(气体、液体、流化固体或浆料)的流动的装置。一种类型的阀是电磁阀。电磁阀是流体学中最频繁使用的控制元件。电磁阀由通过螺线管的电流控制，所述螺线管将电能转换成机械能，后者继而以机械方式打开或关闭阀。电磁阀提供快速且安全的切换，可靠性高，使用寿命长，所用材料的介质相容性良好，控制功率低且设计紧凑。

发明内容

本发明的实施方案包括力致动的调节控制阀，其包括在计量位置下游直径减小的阀座以在操作期间减少与高速流动料流的接触。在一个实施方案中，直径减小仅出现在阀座的底部部分。在其它实施方案中，计量位置下游的直径减小出现在阀座的整个部分。在某些实施方案中，阀座具有刀口座，使得计量位置处于阀座的外径处。还在某些实施方案中，力致动的调节控制阀包括刚好置于阀座的计量位置外侧的挡流件以防止高速流体朝芯组件的部件循环。在一个实施方案中，挡流件被固定于仪器的主体，从而将流体力传送到仪器的主体。所公开的力致动的调节控制阀的示例实施方案适用于直接作用的电磁阀和导向致动的波纹管阀。另外，所公开的力致动的调节控制阀的实施方案适用于压力平衡以及非压力平衡的阀。

此外，力致动的调节控制阀的实施方案可在质量流量控制器中用于控制流体流量。比如，在一个实施方案中，质量流量控制器包括：用于接收流体的入口；其中流体穿过质量流量控制器的流动路径；质量流量计，其用于提供对应于流体通过流动路径的质量流量的信号；力致动的调节控制阀，其用于调节流出质量流量控制器的出口的流体的流量，力致动的调节控制阀包括在计量位置下游直径减小的阀座以在操作期间减少与高速流动料流的接触；和控制器，其配置成施加阀控制信号以将力致动的调节控制阀调整到所需的阀位置，用以控制流出质量流量控制器的出口的流体的流量。

在具体实施方式中给出另外的实施方案、优点和新颖性特征。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的示例性实施方案，所述附图以引用的方式并入本文，并且其中：

图1是示出根据所公开的实施方案的典型的压力平衡型力致动阀的图示；

图2A和2B是示出根据所公开的实施方案因阀位置的小变化引起的流型变化的例子的图示；

图3A-3C是示出根据所公开的实施方案的带有缺口座的阀的例子的图示；

图4A-4C是示出根据所公开的实施方案的带有刀口座的阀的例子的图示；

图5A-5B是示出根据所公开的实施方案的带有刀口座且移除了凸缘的阀的例子的图示；

图6A是示出根据所公开的实施方案的带有刀口座且移除了凸缘并且带有挡流件的阀的例子的图示；

图6B是示出根据所公开的实施方案的带有刀口座且未移除凸缘并且带有挡流件的阀的例子的图示；

图7是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在各种操作位置计算出的作用于芯上的力和对于标准平座构造的出口压力；

图8是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在常压泄流情况下的标准平座阀的测试数据；

图9是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在真空泄流情况下的标准平座阀的测试数据；

图10是曲线图，其示出对于根据所公开的实施方案的刀口座阀在各种操作位置计算出的作用于芯上的力和出口压力；

图11是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在常压泄流情况下的刀口座阀的测试数据；

图12是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在真空泄流情况下的刀口座阀的测试数据；

图13是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在真空泄流情况下的刀口座阀的第二组测试数据；

图14是曲线图，其示出对于根据所公开的实施方案带有刀口座和挡流件的阀计算出的力；

图15是曲线图，其示出根据所公开的实施方案带有刀口座与挡流件且在常压出口压力情况下的阀的测试数据；

图16是曲线图，其示出根据所公开的实施方案带有刀口座与挡流件且在真空出口压力情况下的阀的测试数据；

图17是曲线图，其示出根据所公开的实施方案带有刀口座与挡流件且在真空出口压力情况下的阀的第二组测试数据；

图18是示出带有根据所公开的实施方案的平座的常规非平衡阀的例子的图示；

图19是示出带有根据所公开的实施方案的刀口座和挡流件的常规非平衡阀的例子的图示；以及

图20是描述质量流量控制器的例子的图示，所公开的阀实施方案可在其中用于控制流量。

具体实施方式

通过参考附图的图1-20可以最好地理解公开的实施方案及其优点，同样的标号用于各附图中同样的及相应的部件。在研究下图及具体实施方式后，所公开的实施方案的其它特征及优点对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的或将变得显而易见。旨在将所有这类附加特征及优点包括在所公开的实施方案范围之内。进一步地，所示附图仅是示例性的，并非旨在主张或暗示针对可实施不同实施方案的环境、构架、设计或方法进行任何限制。

直接作用的电磁阀常用于精确的流量控制，因为其提供实际上极大的分辨力，响应快速，并且几乎没有滞后。这种类型的阀通过在螺线管的力与弹簧的回复力之间保持平衡而设定其位置。此外，这种类型的阀也没有活动的密封件，并且不因其操作而产生磨损。

作为一个例子，图1描述典型的直接作用的电磁阀100中的主要部件。电磁阀100包括芯组件110和计量孔120。芯组件110包括磁性柱塞112、弹簧114、锥形柱塞116和阀座118。该电磁阀100设计的缺点是，如果有什么部件对芯组件110赋予额外的力，则其将扰乱平衡位置。当平衡位置受到干扰时，计量的流量将会发生变化。如果流量变化使作用在阀的芯组件110上的力变化，则存在反馈不稳定的可能性，其可能导致不稳定或振荡。

根据所公开的实施方案，要求保护的发明的发明人确定，流速场相对于阀位移是不稳定的，因为其离开阀的计量部分。比如，图2A和2B描述因阀位置的小(0.001”)变化引起的流型的变化。例如，图2A描述在0.015”阀位移情况下的流型。如图中所示，高速流210贴附于阀座118的底部。与此相反，图2B描述在0.065”阀位移情况下的流型，其中高速流210与阀座118分离。这造成阀芯组件110上的压力不稳定，其导致芯组件110移动，使计量的流量不稳定。对于较小的计量孔120(这时阀密封件118基本上比孔120大)和低出口压力来说，这一问题更为严重。特别地，当以高入口压力和低出口压力操作仪器时，电磁阀100特别容易发生振荡。此外，操作成真空非常容易引起振荡。

根据一个公开的实施方案，本发明人确定，一种解决方案是对芯组件110增加阻尼器以提高稳定性。然而，阻尼器可能会使响应缓慢、增加滞后并且可能具有在操作下将会发生磨损的元件。另一种可能的解决方案是通过提高弹簧的刚度来提高芯组件110的固有频率。这种改动可能仅是勉强有效的，因为固有频率与刚度呈弱函数关系，并且提高刚度增加保持阀位置所需的能量。

因此，本发明人确定，减少问题的更好方式是改动阀的设计。特别地，在一个实施方案中，如图3A-3C中描述的各实施例中所示，将计量孔120下游的阀座118的一部分118R移除。通过这样做，所公开的实施方案在操作期间使阀座118远离高速流动料流。随着阀座118离开流动料流，力随位置的变化大为减少。比如，在一个实施方案中，泄流区上的阀座118的直径减小，如图3D中所示。

在另一实施方案中，对阀座118的附加改进是通过使用刀口122并远离计量间隙的流出口移除阀芯的部件来减少对点的接触，如图4A和4B中描述的不同实施方案中所示。刀口122促进物流与阀座118在最早的时刻分离。在优选的实施方案中，刀口122应尽可能地薄，以便在阀座118区域下面的压力变化不会对作用于阀上的力有显著影响。

图4C提供带有当前的阀座118O的当前阀设计400A与具有根据所公开的实施方案的阀座118N的阀设计400B的并排比较。如图4C中所描述的那样，已经将阀座118N的外底部分移除以避免或减少在操作期间与高速流动料流的接触，如先前公开的实施方案中所述。此外，阀座118N包括用以减少对点的接触的刀口122以促进物流与阀座118N的分离。

但是，在另一实施方案中，可移除阀座118的相当大部分的外凸缘。例如，在图5A中，可移除具有刀口122的阀座118的外凸缘部分126以在操作期间最大程度地减少与高速流动料流的接触。在不同实施方案中移除的外凸缘部分126的尺寸可有所不同。或者，在另一实施方案中，如图5B中所描述的那样，可完全移除阀座118的整个外部分128。这些实施方案进一步减小流速力可作用于其上的平面面积。

现在参考图6A和6B，在另一实施方案中，可以刚好在阀座118的下游增加挡流件130以消除或减少座区域中的物流的再循环，所述再循环可导致产生将引发振荡的力。例如，图6A示出对如图5A中描述的具有刀口122且外凸缘部分126被移除的阀座118增加的挡流件130。挡流件130的长度、宽度和高度在不同的实施方案中可有所不同。比如，作为另一个例子，图6B示出对带有刀口122的阀座118增加较厚的挡流件130，且其中没有自阀座118移除如图5A中所描述的外凸缘部分126。还在某些实施方案中，将挡流件130固定于阀的主体以消除力变化对阀位置的任何影响。

图7是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在各种操作位置计算出的作用于芯上的力和对于标准平座构造的出口压力。如图7中所示，作用于阀芯组件上的力是压力和位置的函数。力作为压力的函数在高位移和低出口压力下改变方向。

图8是曲线图，其示出根据所公开的实施方案对于常压泄流情况下的标准平座阀的测试数据。特别地，图8描述在45psia的入口压力和常压出口压力情况下的标准平座阀在设定点操作范围上的振荡行为。振荡行为曲线图描述两块数据：1)菱形线是通过加速计测量的振动的相对幅度；和2)方形线是振荡的频率。所公开的实施方案的发明人基于实验数据确定，当振动的相对幅度高于-60dB时，振荡足以使流量控制器的准确度偏移。因此，为了示例和比较的目的，在图8、9、11-13和15-17中描述的所有测试数据图表上绘出-60dB下的参考线。关于图8、9、11-13和15-17，如果菱形线高于参考线，则阀正以将会使性能下降的水平振荡。比如，基于图8中的数据，没有阀的振荡，因为菱形线从未高于参考线。

图9是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在真空泄流情况下的标准平座阀的测试数据。特别地，图9描述与图8中提到的相同的平座阀在45psia入口压力和真空出口压力情况下的性能。在这些操作条件下，阀在介于15％与50％之间的设定点下振荡，如图9中所示。

图10是曲线图，其示出对于根据所公开的实施方案的刀口座阀在各种操作位置计算出的作用于芯上的力和出口压力。图4A-4C中描述刀口座阀的示例实施方案。与图7形成对比的是，出口压力的大部分效果已被消除，并且所有的曲线落在彼此之上，如图10中所示。然而，对于低出口压力仍有力随位置的变化。

图11是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在常压泄流情况下的刀口座阀的测试数据。特别地，图11描述在45psia入口压力和常压泄流压力情况下的刀口座阀的测试数据。如由数据可觉察的那样，对于在这些参数下的这种类型的阀座来说，在操作范围上没有振荡。

图12是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在真空泄流情况下的刀口座阀的测试数据。特别地，图12示出在45psia入口压力和真空泄流压力情况下的刀口座阀的测试数据。在这些条件下，数据指示在-60dB限值以上没有振荡。然而，如曲线图中所示，在50％设定点处的点非常接近限值。

图13是曲线图，其示出根据所公开的实施方案在真空泄流情况下的刀口座阀的第二组测试数据。图13的数据是使用与图12中测试所使用的相同的阀测定的，所不同的是已将入口压力升高到65psia，而出口压力保持为真空。在这些更苛刻的条件下，阀在大多数设定点下不利地自由振荡，如曲线图中所示。

根据另一公开的实施方案，图14描述在45psia入口压力下且具有各种出口压力的带有刀口座和挡流件的阀的力曲线图。这种阀构造的非限制性例子示于图6A-6B。类似于图10中所示的测试数据，所有出口压力的曲线落在彼此之上。此外，在所述的一组条件下使用这种类型的阀已消除了在高阀升降下的力变化。

图15是曲线图，其示出根据所公开的实施方案带有刀口座与挡流件且在常压出口压力情况下的阀的测试数据。特别地，图15描述在45psia入口压力和常压出口压力情况下的带有刀口座与挡流件的阀的振荡曲线图。如测试数据所指示的那样，在这些组条件下使用这种类型的阀在任何设定点下观察不到振荡。

与图15形成对比的是，图16是振荡曲线图，其示出在45psia入口压力下且具有真空出口压力的带有刀口座与挡流件的阀的测试数据。然而，类似于图15，对于在这些组条件下的这种类型的阀，在任何设定点下没有观察到振荡。

为进一步测试此特定实施方案的有效性，图17描述在65psia入口压力下且具有常压出口压力的带有刀口座和挡流件的阀的振荡曲线图。即使比图15中描述的测试数据增加20psia的入口压力，在任何设定点下仍然没有观察到振荡。

因此，所公开的实施方案提供一种减少或排除了常规阀座设计中所出现的振荡问题的阀座。虽然说本公开内容中的曲线图及图示大多指的是力平衡的阀设计，但所公开的实施方案对于不具有压力平衡特征的常规力致动阀也将同样有效。比如，图18描述所公开的实施方案可应用于其中的带有平座的常规非平衡阀。例如，图19描述带有如本文所公开的刀口座122和挡流件130特征的常规非平衡阀。

图20是描述其中可利用所公开的阀实施方案控制流量的质量流量控制器(MFC)800的例子的图示。质量流量控制器800包括功能块810，其是MFC的部件安装于其上的平台。比如，在一个实施方案中，热质量流量计840和阀组件850被安装在功能块810上介于流体入口820与流体出口830之间。阀组件850包括阀870，其可以是本文公开的任何类型的阀。热质量流量计840包括通常大部分流体流过的旁路842和较少部分流体流过的热流量传感器846。

热流量传感器846容纳在安装于安装板或基座808上的传感器外壳802内。传感器846是通常被称为毛细管的小直径管，具有传感器入口部分846A、传感器出口部分846B和传感器测量部分846C，在后者的周围设置了两个电阻线圈或绕组847和848。在操作中，电流被提供至与传感器测量部分846C热接触的两个电阻绕组847和848。电阻绕组847、848中的电流将在测量部分846中流动的流体加热到高于流过旁路842的流体温度的温度。绕组847和848的电阻随温度而变化。流体流过传感器导管时，热量被从上游电阻器847带向下游电阻器848，温度差正比于通过传感器的质量流速。

与流体流过传感器有关的电信号产生于两个电阻绕组847和848。电信号可按多种不同的方式例如产生于电阻绕组的电阻差或产生于提供给每个电阻绕组以将每个绕组维持在特定温度下的能量的差量。其中可以确定与流体在热质量流量计中的流速相关联的电信号的各种方式的例子描述在例如共同拥有的第6,845,659号美国专利中，该专利的内容特此以引用的方式并入。产生于电阻绕组847和848的电信号在信号处理之后包括传感器输出信号。

将传感器输出信号与质量流量计中的质量流量相关联，从而当测得电信号时可以确定流体流量。通常首先将传感器输出信号与传感器846中的流量相关联，然后将后者与旁路842中的质量流量相关联，从而可以确定通过流量计的总流量并且可相应地控制阀870。传感器输出信号与流体流量之间的关联是复杂的，并且取决于许多操作条件，包括流体种类、流速入口和/或出口压力、温度等。

将原始传感器输出与流体流量相关联的处理必需要调谐和/或校准质量流量控制器。例如，可通过使已知量的已知流体流过传感器部分并调节某些信号处理参数以提供准确表示流体流量的响应，由此来调谐质量流量传感器。例如，可以将输出标准化，使得传感器输出的指定电压范围(如0V至5V)对应于从传感器范围的零到顶点的流速范围。可以将输出线性化，以使传感器输出的变化线性地对应于流速的变化。例如，如果将输出线性化，则流体输出加倍将会使电输出加倍。

然后可以对传感器安装旁路，并且用已知的流体表征旁路，以确定在各种已知流速下在质量流量传感器中流动的流体与在旁路中流动的流体之间的适当关系，从而可以由传感器输出信号来确定通过流量计的总流量。在某些实施方案中未使用旁路，而是全部流量穿过传感器。然后可以将质量流量传感器部分和旁路配合于阀870和控制电子装置部分，并且然后在已知条件下再次进行调谐。然后表征控制电子装置和阀870的响应，以使得系统对设定点或输入压力的变化的总响应是已知的，并且该响应可用于控制系统以提供所需的响应。

根据指示所需质量流速的设定点和来自质量流量传感器的指示在传感器导管中流动的流体的实际质量流速的电流信号，控制电子装置860控制阀870的位置。然后采用传统的反馈控制方法，如比例控制、积分控制、比例-积分(PI)控制、微分控制、比例-微分(PD)控制、积分-微分(ID)控制和比例-积分-微分(PID)控制，来控制流体在质量流量控制器中的流量。基于误差信号产生控制信号(例如，阀驱动信号)，所述误差信号是设定点信号与反馈信号之间的差，前者指示流体的所需质量流速，后者与由质量流量传感器感测的实际质量流速有关。可以将阀870置于主流体流动路径(通常在旁路和质量流量传感器的下游)中，并且可进行控制(例如，打开或关闭)以改变流过主流体流动路径的流体的质量流速，控制是由质量流量控制器提供的。

如本文所用，除上下文明确地另指出外，单数形式“一个(a/an)”和“所述”旨在同样也包括复数形式。进一步要理解的是，当用在本说明书和/或权利要求书中时，术语“包括(comprise/comprising)”指定所陈述的特征、元件和/或部件的存在，但不排除存在或增加一种或多种其它特征、元件、组件和/或它们的组。下面权利要求书中的相应结构、材料、动作以及所有装置或步骤的等同方案加上功能元件旨在包括用于实现功能的任何结构、材料或动作与作为特别要求保护的其它要求保护的元件相结合。

虽然已经描述了有关上述实施方案的具体细节，但上文的描述仅仅旨在作为示例实施方案，并非旨在限制所公开的实施方案的结构或实施方式。在不偏离本发明的范围和实质的情况下，许多修改和变化对本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。选择和描述所示的实施方案是用以解释所要求保护的发明的原理以及实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解对本发明进行了适于预期特定用途的各种修改的各种实施方案。权利要求的范围旨在广泛地涵盖所公开的实施方案及任何这样的修改。

Claims (20)

1.一种力致动的调节控制阀，其包括在计量位置下游直径减小的阀座以在操作期间减少与高速流动料流的接触。

2.根据权利要求1所述的力致动的调节控制阀，其中所述阀座仅针对所述阀座的底部部分在所述计量位置下游直径减小。

3.根据权利要求1所述的力致动的调节控制阀，其中所述阀座针对所述阀座的整个部分在所述计量位置下游直径减小。

4.根据权利要求2所述的力致动的调节控制阀，其中所述阀座具有刀口座，使得所述计量位置处于所述阀座的外径处。

5.根据权利要求3所述的力致动的调节控制阀，其中所述阀座具有刀口座，使得所述计量位置处于所述阀座的外径处。

6.根据权利要求4所述的力致动的调节控制阀，还包括刚好置于所述阀座的计量位置外侧的挡流件以防止高速流体朝芯组件的部件循环。

7.根据权利要求6所述的力致动的调节控制阀，其中所述挡流件被固定于仪器的主体，从而将流体力传送到所述仪器的主体。

8.根据权利要求6所述的力致动的调节控制阀，其中所述力致动的调节控制阀是直接作用的电磁阀。

9.根据权利要求6所述的力致动的调节控制阀，其中所述力致动的调节控制阀是导向致动的波纹管阀。

10.根据权利要求6所述的力致动的调节控制阀，其中所述力致动的调节控制阀不是压力平衡阀。

11.一种用于控制流体的流量的质量流量控制器，所述质量流量控制器包括：

用于接收所述流体的入口；

其中所述流体穿过所述质量流量控制器的流动路径；

质量流量计，其用于提供对应于所述流体通过所述流动路径的质量流量的信号；

力致动的调节控制阀，其用于调节流出所述质量流量控制器的出口的流体的流量，所述力致动的调节控制阀包括在计量位置下游直径减小的阀座以在操作期间减少与高速流动料流的接触；和

控制器，其配置成施加阀控制信号以将所述力致动的调节控制阀调整到所需的阀位置，用以控制流出所述质量流量控制器的出口的流体的流量。

12.根据权利要求11所述的质量流量控制器，其中所述阀座仅针对所述阀座的底部部分在所述计量位置下游直径减小。

13.根据权利要求11所述的质量流量控制器，其中所述阀座针对所述阀座的整个部分在所述计量位置下游直径减小。

14.根据权利要求12所述的质量流量控制器，其中所述阀座具有刀口座，使得所述计量位置处于所述阀座的外径处。

15.根据权利要求13所述的质量流量控制器，其中所述阀座具有刀口座，使得所述计量位置处于所述阀座的外径处。

16.根据权利要求14所述的质量流量控制器,还包括刚好置于所述阀座的计量位置外侧的挡流件以防止高速流体朝芯组件的部件循环。

17.根据权利要求16所述的质量流量控制器，其中所述挡流件被固定于仪器的主体，从而将流体力传送到所述仪器的主体。

18.根据权利要求16所述的质量流量控制器，其中所述力致动的调节控制阀是直接作用的电磁阀。

19.根据权利要求16所述的质量流量控制器，其中所述力致动的调节控制阀是导向致动的波纹管阀。

20.根据权利要求16所述的质量流量控制器，其中所述力致动的调节控制阀不是压力平衡阀。