CN105283676A - 基于线性致动器的压电阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电阀，其包括：主体，所述主体具有输入通道和输出通道，所述输入通道和所述输出通道都配置为与流体流动系统连接；流量控制构件，所述流量控制构件在全打开位置和关闭位置之间相对于阀座移动；压电马达，所述压电马达直接连接到所述流量控制构件。所述压电马达包括压电谐振器，其中沿所述压电谐振器的长和宽激励两个正交的振动模式；工作元件；一个或多个接触部位，所述接触部位在所述工作元件和所述压电谐振器之间提供摩擦接触。所述工作元件和所述压电谐振器中的一者连接到所述流量控制构件，并且配置为由于摩擦接触相对于所述工作元件和所述压电谐振器的另一者移动，从而移动所述流量控制构件。

Description

基于线性致动器的压电阀

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月1日提交的第61/771,162号美国临时专利申请的优先权，并将其全部内容并入本文。

技术领域

本文的实施例大体上涉及精确控制阀，尤其涉及具有压电致动器的阀。

背景技术

控制阀种类繁多，有许多控制阀是具有电磁致动器的电磁阀。这些阀的主要性能缺点是专用分辨率低和响应时间慢。使用压电致动器的阀还可以使用设置在阀杆和压电致动器之间的液压放大器。虽然与电磁阀相比具有优势，但这些阀同样有许多缺点。这些缺点包括但不限于：1、行程范围短，不超过35微米，其中，如果使用液压放大器扩大，会使系统复杂化，降低了系统的可靠性和准确度；2、系统分辨率下降；3、液压放大器的温度漂移，特别是在靠近内燃机工作时，会减小致动器的分辨率且影响流量控制；4、能量消耗增加，由于致动器始终打开，会造成额外的线性漂移，同样减少了阀的分辨率和控制范围。

发明内容

本发明的实施例涉及增加阀的控制分辨率，增加阀的可靠性，减少阀的能量消耗以及扩展流量控制范围等问题。本文公开的实施例已经实现了这些目标。

本发明公开了一种压电阀或致动器的一种实施例，其包括：主体，所述主体具有输入通道和输出通道，所述输入通道和所述输出通道每个都被配置为连接到流体流动系统；流量控制构件，所述流量控制构件可在全打开位置和关闭位置相对于所述输入通道和所述输入通道移动；以及压电马达。所述压电马达包括压电谐振器，在所述压电谐振器中，沿长和宽激励两个正交的振动模式；工作元件；以及一个或多个接触部位，所述接触部位提供所述工作元件和压电谐振器之间的摩擦接触。所述工作元件和压电谐振器中的一者连接到所述流量控制构件，并配置为相对于所述工作元件和压电谐振器中另一者由于摩擦接触而移动，从而移动流量控制元件。所述压电马达与控制系统相连。

本发明还公开了调节流体流量的两种以上方法，其中一种方法包括：通过使用压电马达沿线性轴移动流量控制构件，在流体通道内调节所述流量控制构件的位置，其中所述压电马达具有与工作元件摩擦接触的压电谐振器。调节所述位置包括以下步骤：沿所述压电谐振器的长和宽激励两个正交的振动模式，从而使所述压电谐振器和所述工作元件中的一者由于摩擦接触而移动；以及利用所述压电谐振器和所述工作元件中产生移动的一者移动所述流量控制构件。

本发明的这些和其他方面在以下详细描述的实施例、所附权利要求书和附图中披露。

附图说明

本发明说明书参照附图描述，附图中相同附图标记贯穿几个附图代表相同部件，其中：

图1示出压电阀的简化图，图中平面压电谐振器固定安装在阀主体上，工作元件与阀流量控制构件连接；

图2示出图1中压电阀的简化图，其中阀流量控制元构件是连接到阀杆的止动件；

图3示出压电阀的简化图，所述压电阀具有与阀流量控制构件连接的扁平压电谐振器，而工作元件连接到阀主体；

图4示出压电阀的简化图，其中压电谐振器呈环形并且连接到阀流量控制构件，而圆柱形工作元件连接到阀主体；

图5示出如文中披露的调节流量方法的流程图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明。附图中相同的附图标记始终代表相似或等同的部件。所述附图并非按比例绘制，仅仅用于说明本发明。下面参照用于说明的示例性应用描述本发明的几个方面。应当理解的是，许多具体的细节、关系和方法的阐述，是为了提供本发明的全面理解。但是，相关领域的普通技术人员将很容易认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下实现，或使用其他方法实现。在其他实例中，公知的结构或操作没有详细示出，以避免本发明模糊不清。本发明不受操作或事件的示出顺序限制，因为一些操作可以通过不同顺序发生和/或与其它操作或事件同时发生。此外，并非所有示出的操作或事件在实施依据本发明的方法时是必需的。

本文公开了线性运动的流量控制阀，所述线性运动的流量控制阀由于纳米级线性运动通过使用单个激励频率在整个阀的行程范围提供多个中间阀位置可以精确地调节流量至多个值。文中用于解释的特定类型的阀，仅作为例子提供。文中的实施例可以与本领域技术人员公知的任何线性运动阀一同使用，包括但不限于闸阀、截止阀、固定锥形阀、针型阀、夹管阀、隔膜阀、提升阀和滑阀。

在文中的各种实施例中，控制阀利用压电谐振器操作，所述压电谐振器使用一个在一定频率的交变电压源，以同时激励两种模式而无需对该激励电极特殊配置。因此，在各种控制阀实施例中提供了单一的激励源组合谐振器。这种单一激励源不同于提供纳米级椭圆运动的常规手段。通常，这样的激励系统需要压电谐振器的激励，所述压电谐振器使用具有相同频率但彼此相位移动约90°的交变电压的两个不同源以及特殊电极布置。这样的二机激励系统通常比较复杂，需要保持高稳定的相位关系，因为任何的不平衡会直接影响马达的基本性能。这通常会对激励系统的控制强加额外的要求，并增加整体成本。

图1示出了压电控制阀，该压电控制阀具有主体1，主体1具有输入通道2和输出通道3，输入通道2和输出通道3被配置与外部流体流动系统连接，例如流体流过的管道系统。流量控制构件6可沿输入通道2和输出通道3移动，并限定从输入通道2到输出通道3变化。阀座4位于沿输入通道2和输出通道3的位置，当所述阀在关闭位置时，阀座4容纳流量控制构件6的末端5，阻止从输入通道2到输出通道3的所有流动。通过这种方式，流量控制构件6的相对位置调节通过输入通道2和输出通道3的流体量，从而调节流体流量。

图2示出了在图1中显示的压电控制阀，所不同的是流量控制构件6被示出为阀杆6’，移动挡块5’连接到阀杆6’。图2中的阀座4'实际上包括开口，所述开口允许输入通道2和输出通道3之间的流动。阀座4'配置为具有与所述移动挡块5’相对应的形状，当所述阀在完全关闭位置时以摩擦配合的方式容纳移动挡块5'。通过这种方式，移动挡块5'与阀座4'的相对位置调节流体通过所述阀座4'开口的量，从而调节流体流量。图2提供了可并入所公开实施例的不同阀类型的非限制性实例。其它非限制性实例包括闸阀、截止阀、固定锥形阀、针型阀、夹管阀、隔膜阀、提升阀和滑阀。

回到图1，流量控制构件6连接到线性马达7。线性马达7包括壳体或主体，所述壳体或主体可以与阀主体1一体化，或者可以是不同的相邻主体部分。线性马达7使用压电谐振器8运行。所述压电谐振器8可以由任何合适的压电材料制成。例如，压电谐振器8可以由钛酸钡或铅锆钛酸铅(PZT)制成。线性马达7具有可动的工作元件11，工作元件11可以通过支撑结构12支撑。图1示出的支撑结构12包括轴承导轨，并且所示出的支撑结构12作为非限制性示例。工作元件11被设置成沿着轴承导轨线性地移动，并将其运动转化到流量控制构件6，从而调节通过阀的流量。工作元件11可以由固体材料制成，以钢作为一个非限制性实例。

压电谐振器8导致工作元件11线性移动，压电谐振器8可以是固定扁平谐振器，能按激励驻声纵波组合原理工作且与工作元件11接触。压电谐振器8与工作元件11在接触部位9摩擦接触。弹簧10辅助摩擦接触。弹簧10被配置为向接触部位9处的工作元件11按压电谐振器8。如图所示，弹簧10位于压电谐振器8的壁和线性马达7之间。所示的弹簧10作为非限制性的例子，并且本领域技术人员公知的其他类弹簧装置可被用来使压电谐振器偏向工作元件11。

本文所公开的压电阀操作如下。沿着压电阀8的长和宽的两个正交的振动模式的激励致使接触部位9沿纳米级椭圆路径运动。在一般情况下，椭圆路径具有几十到几百纳米数量级的振幅(即所述短轴和长轴的尺寸)，并且相对于运动方向一般是平坦的。即，所得到的椭圆路径长轴的方向一般平行于运动方向。

在本发明的各种实施例中，接触部位9的纳米级椭圆运动由与压电谐振器8的正交振动模式相关联的两个驻波的叠加形成，使得最大振动速度的点与接触部位9的位置对应，即，所述最大振动速度的点为压电谐振器8中两个正交振动模式峰的驻波的点。所述振动模式通过经由与引线13，14相连的一对电极8a，8b中的一者提供激励电压而激励。即，为了沿第一方向提供纳米级椭圆路径并沿第一方向为工作元件11提供力，从而打开或关闭(其中的一个动作)阀，在电极8a处提供激励电压。所述电极8a由导电材料制成，例如银。为了提供类似的纳米级椭圆路径，但以相反方向为工作元件11提供力，从而打开或关闭(其中的另一个动作)阀，在电极8b提供激励电压。应当指出的是，可以由文中的系统产生其他路径，包括线性路径以及与X和Y轴正交的路径。

压电谐振器8设置有一个或多个引线，如图1所示的引线13和14，以连接到控制系统15。所述控制系统15包括脉冲放大器16，所述脉冲放大器16连接到合适的外部电源17上。高频发生器18为压电谐振器8产生激励谐振频率，而调制装置19连接到高频发生器18的输入端，决定高频率脉冲组的持续时间和重复率。

高频发生器18产生对应于所述压电谐振器8的激励谐振频率的高频信号。所述高频信号由脉冲放大器16放大，并且所述高频信号被施加到所述压电谐振器8的引线13，14。所述压电谐振器8被配置为特定的几何形状和横向极化，导致具有两个相互正交纵波的激励。可以在这两个正交振动模式之间选择一个频率以同时激励两个模式。两个相互正交纵波的叠加产生压电谐振器8在接触部位9的纳米级椭圆机械运动。由于接触部位9摩擦地连接到工作元件11，工作元件11线性移动，从而线性移动流量控制构件6。因此，流量控制构件6的末端5相对阀座4移动，从阀座4移开以增加通过阀的流量。当所述高频信号被施加到引线13、14的另外一个，所述压电谐振器8的运动是相反的，并且所述动态流量控制构件6的末端5相对于所述阀座4移动，移向阀座4以减少通过阀的流量。

图5示出了使用本文实施例所公开的控制阀调节流量方法的流程图。在步骤S10中，沿着压电谐振器的长和宽激励两个正交振动模式。在步骤S12中，所述激励使得工作元件和压电谐振器中的一者由于两者之间的摩擦接触而产生移动。如果工作元件11是固定的，压电谐振器8将移动；而如果压电谐振器8是固定的，工作元件11将移动。在步骤S14中，能够移动的元件转而连接到流量控制构件，并使流量控制构件移动。

为了使流量控制构件6产生微/纳米的线性运动，调制装置19的输出端产生脉冲，所述脉冲的持续时间确定马达的线性步长。因此，高线性分辨率是通过在步进模式中使用线性马达7实现的，所述步进模式提供了调节流量的高分辨率。

图3中显示压电阀的另一个实施例，使用了一个以上的工作元件11。图3的工作元件11以平板形式弹性地连接到线性马达7的主体来实现，而非通过支撑结构12支撑，并且压电谐振器8也非连接到所述主体。压电谐振器8的一个接触部位9都带有一个工作元件11。每个工作元件11使用弹簧10弹性加载到压电谐振器8的相应接触部位9。所示的弹簧10作为非限制性的例子，并且本领域技术人员公知的其它类弹簧装置可被用来将工作元件11偏向压电谐振器8。因此，压电谐振器8相对阀主体1是可移动的，并连接到流量控制构件6。

为实现压电谐振器8的直线运动，工作元件11可以制成具有纵向槽，接触部位9沿着所述纵向槽移动。对图3实施例的其余描述与图1示出的实施例类似。

如图4所示，在压电阀的另一个实施例中，引入管状线性马达7'。压电谐振器8在本实施例中被径向极化，即，制成谐振器的压电材料沿垂直于谐振器内外圆柱表面的方向极化，或者轴向极化。

在压电谐振器8的外表面形成有电极8a，8b。压电谐振器8可以置于圆柱形工作元件11内。电极8a，8b在压电谐振器8的外表面中被环形接触部位9隔离。接触部位9位于沿压电谐振器8长度的中间位置。接触部位9可以作为压电谐振器8的一部分一体形成。更具体地，接触部位9能够形成为围绕压电谐振器8外表面延伸的连续环形带。然而，本发明并不限于此方面，并且在其他实施例中，接触部位9可分段，从而使得接触部位9的表面围绕压电谐振器8的圆周不连续。接触部位9与工作元件11的内表面接合。

工作元件11被配置成提供与接触部位9的良好接合(平滑结合)。这可以通过任何合适的方法完成。例如，在一些实施例中，工作元件11可以由弹簧钢制成，并可以包括沿工作元件11的长度设置的狭缝。还可以如此配置，使得压电谐振器8在工作元件11自身施加的弹性张力下或者来自将工作元件11与弹簧10弹性加载的弹性张力下保持在工作元件11内。另外，通过在制造过程中加热工作元件11压电谐振器8可以与工作元件11紧密贴合。按照上述配置，当压电谐振器8被激励并在图4线性马达7’的配置中使用时，能量可以直接施加到工作元件11。对图4中实施例的其余描述与图1示出的实施例类似，不同之处在于所述线性马达7以径向和纵向模式的组合运行。

本文所公开的控制阀的实施例可以将阀的流量控制元件的移动范围增加至10mm或更多，从而大大提高流量的调节范围。该系统中流量控制构件移动的最小一步可低至1纳米，这显著增加了阀的分辨率。该阀基本没有漂移，并且阀杆不动时不消耗任何能量。

虽然本发明已经结合目前被认为最实际的和最优选的实施例进行了描述，但必须理解，本发明并不限于所披露的实施例，相反，其旨在覆盖包括在所附权利要求精神和范围内各种形式的修改和等价的布置，该范围应被赋予最宽的解释，以使其涵盖法律所允许的所有这样的修改和等价的结构。

尽管本发明已相对一个或多个实施例进行了说明和描述，本领域其它技术人员在阅读和理解本说明书和附图时会想出等价的改变和修改。此外，尽管本发明的特定特征可能仅相对于若干实现方式中的一个公开，这样的特征可以与对任何给定或特定的应用所需和有利的其他实现方式的一个或多个其他特征组合。

文中所用的术语仅用于描述具体实施例，并非意在限制本发明。如本文所用的，单数形式“一”，“一个”和“该”也包括复数形式，除非上下文有明确指出。此外，在某种程度上，用在说明书和/或权利要求中的术语“包含”，“包括”，“具有”，“有”，“带有”或其变体，这些词语旨在以类似于“包括”的方式，是包容性的。

除非另有定义，否则文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有相同的含义，与本发明所属技术领域内普通技术人员通常理解的一致。将进一步理解，术语，诸如那些在通常使用的词典中定义的，应该被解释为与相关领域上下文一致的含义，并且不会被解释为在理想化或过于正式的含义，除非文中明确地如此定义。

本文的方法可全部或部分地由一个或多个处理器实现，所述处理器可包括计算机，服务器，或现有的或以后开发的能够操纵或处理信息的任何其他计算设备或系统，包括光学处理器，量子处理器和/或分子处理器。合适的处理器还包括，例如，通用处理器，专用处理器，IP核心，ASICS，可编程逻辑阵列，可编程逻辑控制器，微代码，固件，微控制器，微处理器，数字信号处理器，存储器，或前述的任何组合。所述方法可使用带有计算机程序的通用计算机/处理器实现，在执行时，执行任何在此描述的各种方法、算法和/或指令。此外或可选地，例如，可以利用专用计算机/处理器，所述专用计算机/处理器包含用于执行本文描述的任何方法、算法和/或指令的专门硬件。

Claims (15)

1.一种压电阀，其包括：

主体，所述主体具有输入通道和输出通道，所述输入通道和所述输出通道每一者被配置为与流体流动系统连接；

流量控制构件，所述流量控制构件在全打开位置和关闭位置之间相对于所述输入通道和所述输出通道移动；以及

压电马达，所述压电马达包括：

压电谐振器，其中沿所述压电谐振器的长和宽激励两个正交的振动模式，所述压电谐振器被配置为与控制系统连接；

工作元件；以及

一个或多个接触部位，所述接触部位在所述工作元件和所述压电谐振器之间提供摩擦接触，所述工作元件和所述压电谐振器中的一者连接到所述流量控制构件，并被配置为由于摩擦接触相对于所述工作元件和所述压电谐振器中的另一者移动，从而移动所述流量控制构件。

2.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述压电谐振器固定安装在所述主体上，并且所述工作元件与所述流量控制构件连接，使得所述工作元件能够相对于所述压电谐振器移动。

3.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述工作元件固定安装在所述主体上，并且所述压电谐振器与所述流量控制构件连接，使得所述压电谐振器能够相对于所述工作元件移动。

4.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述压电谐振器被配置成具有横向极化的扁平压电元件。

5.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述压电谐振器被设计为具有轴向或径向极化的环形压电元件。

6.根据权利要求1所述的压电阀，还包括：

控制系统，其连接到所述压电谐振器，所述控制系统包括：

脉冲放大器，所述脉冲放大器与外部电源连接，所述脉冲放大器具有连接到高频发生器输出端的输入端，所述高频发生器产生对应于所述压电谐振器的激励谐振频率的频率，并且所述脉冲放大器具有连接到所述压电谐振器的输出端。

7.根据权利要求6所述的压电阀，其中，所述控制系统还包括调制装置，所述调制装置被配置为确定高频脉冲组的持续时间和重复率，所述调制装置与所述高频发生器的输入端相连。

8.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述压电马达被配置为将所述流量控制构件移动至全打开位置和关闭位置之间的两个以上中间位置，以增加阀分辨率。

9.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述压电谐振器被配置为接收在两个正交振动模式之间选择的一个频率，所述频率同时退出两个正交振动模式。

10.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述压电阀是隔膜阀、闸阀、滑阀或线轴阀之一。

11.根据权利要求1所述的压电阀，其中，所述流量控制构件包括连接到止动件的阀杆，所述阀杆连接到所述压电马达，并且所述止动件被配置为在关闭位置容纳在阀座内。

12.一种调节流体流量的方法，包括以下步骤：

通过使用压电马达沿线性轴线线性地移动流量控制构件，在流体通道内调节所述流量控制构件的位置，所述压电马达具有与工作元件摩擦接触的压电谐振器，其中调节所述位置包括以下步骤：

沿所述压电谐振器的长和宽激励两个正交的振动模式，从而使所述压电谐振器和所述工作元件中的一者由于摩擦接触而移动；以及

利用所述压电谐振器和所述工作元件中产生移动的一者，移动所述流量控制构件。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括接收在两个正交振动模式之间选择的一个频率，所述频率同时退出两个正交振动模式。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：

使用高频发生器产生对应于所述压电谐振器的激励谐振频率的频率，被产生的所述频率由脉冲放大器提供，所述脉冲发生器与外部电源连接。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

使用调制装置确定高频脉冲组的持续时间和重复率，所述调制装置连接到所述高频脉冲发生器的输入端。