CN105498066A - 低压大流量比例控制快速响应装置及其快速响应控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压大流量比例控制快速响应装置及其快速响应控制阀，快速响应控制阀包括：阀座，阀座上设有阀腔、以及分别与阀腔连通的进气口、出气口；音圈电机，包括可轴向移动地设置的控制轴，控制轴向进气口的内端口伸出；密封头，可随控制轴来回移动地设置在控制轴向进气口的内端口伸出的伸出端，用于对进气口的内端口密封；弹性件，提供保持控制轴向外移动的弹性力使密封头对进气口的内端口密封。本发明中的音圈电机是简单的、无方向转换的电磁装置，且可靠性高，能量装换效率高，通过电流的变化转换，即可实现控制阀的状态的快速转换，以及实现低压条件下特定大流量范围内的流量控制的快速响应和精确控制。

Description

低压大流量比例控制快速响应装置及其快速响应控制阀

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，更具体地说，涉及一种麻醉机、呼吸机产品中用到的低压大流量比例控制快速响应装置及其快速响应控制阀。

背景技术

在麻醉机、呼吸机及相关产品中，通常的气源一般为高压气瓶输入或中央管道供气系统输入，这两种气源供应到麻醉机、呼吸机端的压力为280kPa-600kPa。在以这两种气源中任意一种作为输入的系统中，通过选择电磁比例阀来控制流量的方式非常普遍。这种电磁比例阀的工作压力一般为200-600kPa，工作压力较大，按输出流量的大小不同可分为小流量(小于20L/min)的电磁比例阀和大流量(大于110L/min)的电磁比例阀。应用在这种较高工作压力下的电磁比例阀物料已经非常成熟，在市面上有多种品牌可供选择，但需要一种工作压力在低压的且大流量的控制阀。

随着涡轮风机的兴起和其相关技术日趋成熟，采用涡轮风机作为驱动机构来吸入室内空气作为驱动气体的应用开始进入麻醉机和呼吸机产品的设计中。采用涡轮风机作为驱动机构来吸入室内空气作为驱动气体相对于使用高压气瓶或中央管道供气系统做为气源而言，其优点为：1)不需消耗医用气体，可节省来自医用气体消耗所产生的医疗成本。2)不需要接气源管路，涡轮风机可直接内置于机器内部，机器可设计成移动便携式，可应用在转运等特殊场合。

采用涡轮风机作为驱动机构吸入室内空气作为驱动气体的方式，从涡轮风机输出口产生的最大压力一般不超过12kPa，最大输出压力超过12kPa的涡轮风机因其功耗和体积大也不适合应用在麻醉机和呼吸机产品中。涡轮风机的工作原理为：通过涡轮叶片的高速旋转产生负压将涡轮风机进风口的气体吸入，经过涡轮风机加压后输出，从涡轮风机出口出来的气体为经过压缩且被加热的气体。因涡轮风机输出的压力不超过12kPa，且其下游需要输出最大约200L/min的流量并且其流量控制可以被快速响应(响应时间为数十毫秒)，目前市面上一般没有应用在工作压力低于12kPa下的流量比例控制快速响应阀。比较多的厂家是直接通过控制涡轮电机的转速来对此中工作压力下的流量进行控制，这样的控制方式存在很大的缺陷：

1)响应速度慢，无法满足高性能呼吸机对流量控制响应速度的要求；主要原因是涡轮风机处在一个高速旋转的状态，当流量要改变时，涡轮风机的转速要相应改变，变化值越大，转速的改变就越大，风机的物理特性决定了其不能胜任这种要求，风机只能通过缓慢的改变(渐变)来实现其转速变化，因为转子在运行过程中具有惯性，从一个状态改变到另一个状态需要时间，不能满足响应时间为数十毫秒的要求。对响应时间要求高一些的通气模式采用该控制方式都无法达到预期的效果，输出性能差。

2)当涡轮风机频繁启停或高低转速切换会大大降低涡轮风机的使用寿命，且会产生大的噪声，机器的性能表现比较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的低压大流量比例控制快速响应装置及其快速响应控制阀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低压大流量比例控制快速响应控制阀，包括：

阀座，所述阀座上设有阀腔、以及分别与所述阀腔连通的进气口、出气口；

音圈电机，包括可轴向移动地设置的控制轴，所述控制轴向所述进气口的内端口伸出；

密封头，可随所述控制轴来回移动地设置在所述控制轴向所述进气口的内端口伸出的伸出端，用于对所述进气口的内端口密封；

弹性件，提供保持所述控制轴向外移动的弹性力使所述密封头对所述进气口的内端口密封。

优选地，所述弹性件包括压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述密封头相抵配合。

优选地，所述弹性件套设在所述控制轴上，所述密封头包括支撑组件和密封垫，所述支撑组件安装在所述控制轴的伸出端，所述密封垫安装在所述支撑组件上，且与所述进气口的内端口位置对应。

优选地，所述支撑组件包括抵挡片和支撑片，所述抵挡片与所述控制轴的伸出端连接，所述支撑片安装在所述抵挡片与所述进气口的内端口相对的一侧；

所述支撑片包括与所述进气口的内端口相对的片状本体，所述密封垫包括密封塞和设置在所述密封塞外圈的密封圈；

所述密封塞的一端与所述片状本体相抵靠，另一端向所述进气口的内端口的内孔凸起设置；

所述密封圈与所述进气口的内端口对应配合，所述密封圈套设在所述支撑片的外圈，且所述密封圈的内圈设有供所述支撑片的外圈卡入的卡槽。

优选地，所述密封塞的外形呈向所述进气口的内端口内凸起设置的锥状或半球状。

优选地，所述音圈电机还包括用于在通电后产生磁力带动所述控制轴轴向移动的磁体组件；所述磁体组件包括永磁体、软磁体、支架、线圈、弹性伸缩PCB线；

所述永磁体上设有轴孔，所述控制轴穿设所述轴孔，且两端均伸出所述轴孔，所述支架设置在所述控制轴与所述伸出端相对的一端；

所述支架包括安装到所述控制轴上的安装盘和由所述安装盘外圈沿轴向向所述永磁体一侧延伸设置的筒状本体，所述线圈绕设在所述筒状本体的外圈；

所述永磁体上设有容置所述筒状本体的活动槽；

所述弹性伸缩PCB线包括两根，分别安装在所述安装盘上并与所述线圈的两端电性连接。

优选地，所述控制轴的伸出端与所述进气口的内端口正对设置；所述软磁体设置在所述活动槽内，且位于所述筒状本体的外围；所述音圈电机还包括与所述永磁体配合、并对所述弹性伸缩PCB线、支架、线圈罩设提供活动空间的壳体。

本发明还构造一种低压大流量比例控制快速响应装置，包括所述的低压大流量比例控制快速响应控制阀。

优选地，还包括用于向所述进气口内提供特定压力的气体的涡轮增压装置。

优选地，还包括设置在所述出气口的下游用于进行流量测量的流量传感器。

实施本发明的低压大流量比例控制快速响应装置及其快速响应控制阀，具有以下有益效果：本发明中的音圈电机是简单的、无方向转换的电磁装置，且可靠性高，能量装换效率高，通过电流的变化转换，即可实现控制阀的状态的快速转换，以及实现低压条件下特定大流量范围内的流量控制的快速响应和精确控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中的低压大流量比例控制快速响应装置的原理示意图；

图2是图1中的快速响应控制阀的剖面结构示意图；

图3是图2中的快速响应控制阀的密封头与阀体的进气口配合时的示意图；

图4是图1中的音圈电机的局部剖面示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一个优选实施例中的低压大流量比例控制快速响应装置包括涡轮增压装置1、快速响应控制阀2以及流量传感器3。

结合图1至图3所示，涡轮增压装置1通常为涡轮风机，其输出口产生的最大压力一般不超过12kPa，涡轮增压装置1与快速响应控制阀2的进气口212连接，抽取空气向快速响应控制阀2的进气口212输送特定压力的低压气体，提供气源或流量比例控制所需工作压力，快速响应控制阀2能实现开启量的快速变化，满足大流量和快速变化的需求。流量传感器3可以用来实现闭环控制，根据流量实时调节快速响应控制阀2的开启量，实现输出流量精准控制的目的。

快速响应控制阀2包括阀座21、音圈电机22、密封头23及弹性件24。阀座21上设有阀腔211、以及分别与阀腔211连通的进气口212、出气口213。涡轮增压装置1的输出口与进气口212连接，向快速响应控制阀2供气。音圈电机22包括壳体221、设置在壳体221上用于在通电后产生磁力的磁体组件、以及可轴向移动地设置在磁体组件上通过磁力带动轴向移动的控制轴222，控制轴222向进气口212的内端口伸出，优选地，控制轴222的伸出端与进气口212的内端口正对设置，让控制轴222的轴向力完全转化到对进气口212的密封上，使受力更加均匀和易控制。密封头23可随控制轴222来回移动地设置在控制轴222向进气口212的内端口伸出的伸出端，用于对进气口212的内端口密封。弹性件24提供保持控制轴222向外移动的弹性力使密封头23对进气口212的内端口密封。

为了满足大流量的需求，进气口212和出气口213的通径通常超过15mm，在其他实施例中，在涡轮增压装置1的特定压力下，快速响应控制阀2打开若能保证流量，进气口212和出气口213的大小也可以不做限定。流量传感器3设置在出气口213的下游用于进行流量测量，根据流量控制快速响应控制阀2的开启量。

音圈电机22安装在阀座21上，并与阀座21密封配合，形成一体结构。如图4所示，磁体组件包括永磁体223、软磁体224、支架225、线圈、弹性伸缩PCB线226。永磁体223上设有轴孔2231，控制轴222穿设轴孔2231，且两端均伸出轴孔2231。在轴孔2231内还设有轴承227，供控制轴222活动更加顺畅，防止与永磁体223接触。

支架225设置在控制轴222与伸出端相对的一端，支架225包括安装到控制轴222上的安装盘2251和由安装盘2251外圈沿轴向向永磁体223一侧延伸设置的筒状本体2252，线圈绕设在筒状本体2252的外圈。永磁体223上设有容置筒状本体2252的活动槽2232，软磁体224设置在活动槽2232内，且位于筒状本体2252的外围。弹性伸缩PCB线226包括两根，分别安装在安装盘2251上并与线圈的两端电性连接，优选地，安装盘2251上穿设有两个供两根弹性伸缩PCB线226安装的固定针228，每一固定针228分别与一根弹性伸缩PCB线226及线圈的一端连接。

两根弹性伸缩PCB线226分别穿设壳体221后与外界的电源连接，通电后让线圈产生磁场，和永磁体223的磁场相互作用，带动控制轴222、支架225和线圈一起轴向移动。软磁体224固定安装在活动槽2232内，能将线圈产生的磁场聚集，使线圈的磁场强度变化更加的稳定，提升与永磁体223之间的力的平衡性，让控制轴222移动的稳定性。在其他实施例中，也可将软磁体224取消，直接依靠线圈产生的磁场与永磁体223的磁场相互作用。

音圈电机22还包括与永磁体223配合、并对弹性伸缩PCB线226、支架225、线圈罩设提供活动空间的壳体221，壳体221呈杯状，可对弹性伸缩PCB线226、支架225、线圈等起到保护作用。

结合图1及图3所示，在没有给磁体组件加载电流时，弹性件24产生的弹性力将音圈电机22的控制轴222从磁体组件上弹出来，将密封头23压在进气口212的内端口上实现密封。

磁体组件在通电加载电流后，会产生带动控制轴222和密封头23上远离进气口212的内端口移动的磁力。产生的磁力F＝B*I*L，B为音圈电机22的磁感应强度，L为音圈电机22的磁体组件的切割磁力线的导线长度，若音圈电机22的物理特性已确定，则B和L的值已固定，因此磁力的大小根据通电后电流的大小而定。

当通电后的电流较小时，控制轴222和密封头23不会移动，仍然保持对进气口212的密封。当加载电流逐渐加大并达到一个值时，产生的磁力与弹性件24所产生的压缩力及相关零件的自重相等时，密封头23则刚好处于一个密封到非密封的临界状态，再增加电流，密封头23则会离开进气口212的内端口，气流从出气口213开始输出。基于安培力原理制造的音圈电机22，是简单的、无方向转换的电磁装置，且可靠性高，能量装换效率高，通过电流的变化转换，即可实现控制阀的状态的快速转换，以及实现0-300L/min范围内的流量控制的快速响应和精确控制。

弹性件24包括压缩弹簧，压缩弹簧的两端分别与磁体组件和密封头23相抵配合，进一步地，压缩弹簧套设在控制轴222上，并与磁体组件固定安装，在磁体组件不通电的情况下，依靠弹性件24的弹力保持使控制轴222对进气口212的内端口密封。密封头23包括支撑组件231和密封垫232，支撑组件231安装在控制轴222的伸出端，密封垫232安装在支撑组件231上，且与进气口212的内端口位置对应，在控制轴222伸出后密封垫232对进气口212密封。在其他实施例中，密封头23也可为安装在控制轴222上的独立件，在控制轴222轴向移动时能对进气口212的内端口密封即可。

在一些实施例中，支撑组件231包括抵挡片2311和支撑片2312，抵挡片2311与控制轴222的伸出端连接，供弹性件24抵挡提供弹力。支撑片2312安装在抵挡片2311与进气口212的内端口相对的一侧，支撑片2312包括与进气口212的内端口相对的片状本体2313。

密封垫232包括密封塞2321和设置在密封塞2321外圈的密封圈2322；密封塞2321的一端与片状本体2313相抵靠，另一端向进气口212的内端口的内孔凸起设置。密封圈2322与进气口212的内端口对应配合，密封圈2322套设在支撑片2312的外圈，且密封圈2322的内圈设有供支撑片2312的外圈卡入的卡槽2323。支撑片2312为密封垫232提供了支撑和固定，保证在增压的气体冲击的条件下不会变形，在密封时，不会影响和进气口212的密封性，在开启时，不会由于变形影响对流量的控制精度。

优选地，密封塞2321的外形呈向进气口212的内端口内凸起设置的锥状或半球状，用于提高小流量范围内的流量控制精度。

可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低压大流量比例控制快速响应控制阀（2），其特征在于，包括：

阀座（21），所述阀座（21）上设有阀腔（211）、以及分别与所述阀腔（211）连通的进气口（212）、出气口（213）；

音圈电机（22），包括可轴向移动地设置的控制轴（222），所述控制轴（222）向所述进气口（212）的内端口伸出；

密封头（23），可随所述控制轴（222）来回移动地设置在所述控制轴（222）向所述进气口（212）的内端口伸出的伸出端，用于对所述进气口（212）的内端口密封；

弹性件（24），提供保持所述控制轴（222）向外移动的弹性力使所述密封头（23）对所述进气口（212）的内端口密封。

2.根据权利要求1所述的快速响应控制阀（2），其特征在于，所述弹性件（24）包括压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述密封头（23）相抵配合。

3.根据权利要求1所述的快速响应控制阀（2），其特征在于，所述弹性件（24）套设在所述控制轴（222）上，所述密封头（23）包括支撑组件（231）和密封垫（232），所述支撑组件（231）安装在所述控制轴（222）的伸出端，所述密封垫（232）安装在所述支撑组件（231）上，且与所述进气口（212）的内端口位置对应。

4.根据权利要求3所述的快速响应控制阀（2），其特征在于，所述支撑组件（231）包括抵挡片（2311）和支撑片（2312），所述抵挡片（2311）与所述控制轴（222）的伸出端连接，所述支撑片（2312）安装在所述抵挡片（2311）与所述进气口（212）的内端口相对的一侧；

所述支撑片（2312）包括与所述进气口（212）的内端口相对的片状本体（2313），所述密封垫（232）包括密封塞（2321）和设置在所述密封塞（2321）外圈的密封圈（2322）；

所述密封塞（2321）的一端与所述片状本体（2313）相抵靠，另一端向所述进气口（212）的内端口的内孔凸起设置；

所述密封圈（2322）与所述进气口（212）的内端口对应配合，所述密封圈（2322）套设在所述支撑片（2312）的外圈，且所述密封圈（2322）的内圈设有供所述支撑片（2312）的外圈卡入的卡槽（2323）。

5.根据权利要求4所述的快速响应控制阀（2），其特征在于，所述密封塞（2321）的外形呈向所述进气口（212）的内端口内凸起设置的锥状或半球状。

6.根据权利要求1至5任一项所述的快速响应控制阀（2），其特征在于，所述音圈电机（22）还包括用于在通电后产生磁力带动所述控制轴（222）轴向移动的磁体组件；所述磁体组件包括永磁体（223）、软磁体（224）、支架（225）、线圈、弹性伸缩PCB线（226）；

所述永磁体（223）上设有轴孔（2231），所述控制轴穿设所述轴孔（2231），且两端均伸出所述轴孔（2231），所述支架（225）设置在所述控制轴与所述伸出端相对的一端；

所述支架（225）包括安装到所述控制轴上的安装盘（2251）和由所述安装盘（2251）外圈沿轴向向所述永磁体（223）一侧延伸设置的筒状本体（2252），所述线圈绕设在所述筒状本体（2252）的外圈；

所述永磁体（223）上设有容置所述筒状本体（2252）的活动槽（2232）；

所述弹性伸缩PCB线（226）包括两根，分别安装在所述安装盘（2251）上并与所述线圈的两端电性连接。

7.根据权利要求6所述的快速响应控制阀（2），其特征在于，所述控制轴（222）的伸出端与所述进气口（212）的内端口正对设置；所述软磁体（224）设置在所述活动槽（2232）内，且位于所述筒状本体（2252）的外围；所述音圈电机（22）还包括与所述永磁体（223）配合、并对所述弹性伸缩PCB线（226）、支架（225）、线圈罩设提供活动空间的壳体（221）。

8.一种低压大流量比例控制快速响应装置，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的低压大流量比例控制快速响应控制阀（2）。

9.根据权利要求8所述的低压大流量比例控制快速响应装置，其特征在于，还包括用于向所述进气口（212）内提供特定压力的气体的涡轮增压装置（1）。

10.根据权利要求9所述的低压大流量比例控制快速响应装置，其特征在于，还包括设置在所述出气口（213）的下游用于进行流量测量的流量传感器（3）。