CN107076312B - 具有电子控制的阀组件 - Google Patents

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Abstract

阀组件包括具有流体输入部（24）和流体输出部（26）的壳体（22）。枢轴（30）布置在壳体中，致动器（36）被操作性地联接成移动枢轴。枢轴包括将流体输出部与位于枢轴和壳体之间且邻近线性致动器的压力平衡体积（34）流体地联接的通道（32）。控制器（38）与致动器电连接，从流体输入部到流体输出部有在枢轴和壳体之间被限定的可变流动区域（40）。

Description

具有电子控制的阀组件
对于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明在由美国导弹防御局授予的合同编号HQ0147-11-C-0017下由政府支持完成。政府在本发明中具有某些权利。
相关申请的交叉引用
本公开要求2014年11月29日提交的美国临时专利申请No.62/085542的优先权。
背景技术
调节阀可以在航天飞行器、地面车辆或者用于在部件之间控制流体流的其它系统中使用。例如，航天飞行器利用加压流体来推进。调节阀可以被用作压力下调装置（turndown），从而在比源处更低的压力处输送加压流体。
发明内容
根据本公开示例的阀组件包括：壳体，所述壳体具有流体输入部和流体输出部；枢轴，所述枢轴布置在壳体中；和致动器，所述致动器被操作性地联接成移动枢轴。所述枢轴包括通道，所述通道将流体输出部与位于枢轴和壳体之间且邻近线性致动器的压力平衡体积流体地联接。控制器与致动器电连接。从流体输入部到流体输出部有一可变流动区域，所述可变流动区域在枢轴和壳体之间被限定。
在任一前述实施例的又一实施例中，致动器是压电致动器。
在任一前述实施例的又一实施例中，枢轴包括柄部分、在柄部分的第一轴向端部处的扩大的头部分和在柄部分的第二相对的轴向端部处的扩大的基部部分。
在任一前述实施例的又一实施例中，枢轴包括后退表面。
在任一前述实施例的又一实施例中，通道是线性中心通道。
在任一前述实施例的又一实施例中，相对于枢轴移动的方向，流体输入部是径向输入部，流体输出部是轴向输出部。
在任一前述实施例的又一实施例中，控制器配置成响应于至少流体输入部处的瞬时输入压力经由线性致动器移动枢轴。
在任一前述实施例的又一实施例中，控制器配置成响应于至少流体输出部处的瞬时输出压力经由致动器移动枢轴。
在任一前述实施例的又一实施例中，控制器配置成响应于流体输入部处的瞬时输入压力和流体输出部处的瞬时输出压力之间的压力比经由致动器移动枢轴。
在任一前述实施例的又一实施例中，控制器配置成响应于流体输入部处的瞬时输入压力和流体输出部处的瞬时输出压力之间的压力比的变化经由致动器动态地移动枢轴。
在任一前述实施例的又一实施例中，可变流动区域相对于枢轴的线性位置是线性可变的。
任一前述实施例的又一实施例包括根据至控制器的电子反馈信号控制枢轴的线性位置。电子反馈信号代表瞬时压力或瞬时枢轴位置中的至少一个。
在任一前述实施例的又一实施例中，瞬时压力是在流体输入部处的瞬时输入压力。
在任一前述实施例的又一实施例中，瞬时压力是在流体输出部处的瞬时输出压力。
在任一前述实施例的又一实施例中，瞬时压力是流体输入部处的瞬时输入压力和流体输出部处的瞬时输出压力之间的压力比。
在任一前述实施例的又一实施例中，所述控制包括当瞬时压力改变时，动态地改变枢轴的线性位置。
根据本公开示例的阀组件，包括：壳体，所述壳体具有流体输入部和流体输出部；枢轴，所述枢轴布置在壳体中；致动器；控制器，所述控制器与致动器电连接；和从流体输入部到流体输出部的可变流动区域，所述可变流动区域在枢轴和壳体之间被限定。所述致动器可操作成改变枢轴相对于壳体的位置并因此改变可变流动区域。
在任一前述实施例的又一实施例中，致动器与壳体联接并可操作成相对于枢轴移动壳体。
在任一前述实施例的又一实施例中，枢轴包括限定可变流动区域的后退表面。
附图说明
从下面的详细描述中，本公开的各种特征和优点对本领域技术人员而言将是显而易见的。伴随着详细描述的附图可以被如下简要描述。
图1示出了示例的阀组件。
图2示出了阀组件中枢轴的示例打开位置。
图3示出了另一个示例阀组件。
具体实施方式
图1示出了示例阀组件20的横截面，所述示例阀组件20是电子控制的且能够用于精确控制流动输出。阀组件20包括具有流体输入部24和流体输出部26的壳体22。流体输入部24和流体输出部26分别是通入和通出壳体22中内部腔体28的通道。在此示例中，流体输入部是径向通道，流体输出部是轴向通道。
枢轴30位于内部腔体28中。枢轴30可沿着中心轴线A在完全关闭的位置和多个打开位置之间移动，在所述完全关闭的位置中，枢轴30邻靠壳体22的内部腔体28中的阀座22a，在所述多个打开位置中，枢轴30与阀座22a间隔开。在此示例中，枢轴30包括柄部分30a、扩大的头部分30b、扩大的基部部分30c和从基部部分30c轴向延伸的杆30d。术语“扩大的”指的是部分30b和30c在直径上大于柄部分30a。扩大的头部分30b和扩大的基部部分30c位于柄部分30a的相对轴向端部处。扩大的头部分30b包括阀调节部（trim）31。阀调节部31是后退表面或后退部分30b，所述后退表面或后退部分30b相对于从流体输出部26出来的向前流动方向在向后方向上倾斜。在完全关闭的位置中，阀调节部31邻靠阀座22a。
枢轴30还包括通道32，所述通道32将流体输出部26与位于枢轴30的基部30c后面的压力平衡体积34流体地联接。例如，在此示例中，通道32是线性的并可以包括靠近基部部分30c的一个或更多个径向孔，所述一个或更多个径向孔通入体积34。通道32用于平衡跨越枢轴30的压力并因此减小移动枢轴30所必需的力的量。例如，来自流体输出部26的压力被传递通过通道32，从而体积34被加压。当流体流动通过阀组件20时，加压体积34趋于平衡枢轴30上的力。
致动器36可操作成改变枢轴30相对于壳体22的位置。在此示例中，致动器36与杆30d操作性地联接，从而允许枢轴30的移动，而壳体22保持静止。例如，致动器是线性致动器，所述线性致动器可操作成沿着轴线A轴向地前后移动枢轴30。致动器36包括壳体36a，所述壳体36a固定或紧固到壳体22。致动器元件36b安装在壳体36a中并用于移动枢轴30。在一个示例中，致动器36是压电致动器，所述压电致动器电响应地移动枢轴30。致动器36还可以包括线性可变位移传感器36c，所述线性可变位移传感器36c可操作成检测枢轴30的线性位置。
控制器38与致动器36的致动器元件36b和线性可变位移传感器36c电连接。例如，控制器38可以包括硬件（例如，微处理器、计算机等）、软件或两者，被配置为和/或被编程为执行本文所描述的控制功能。
在图1中，枢轴30示出为处于其完全关闭的位置，其中扩大的头部分30b的阀调节部31用壳体22的阀座22a密封。图2示出了枢轴30处于代表性的打开位置，其中枢轴已经缩回，从而有从流体输入部24到流体输出部26的流动区域40。流动区域40在枢轴30的阀调节部31和壳体22的阀座22a之间被限定。致动器36可操作成改变枢轴30相对于壳体22的位置并因此以受控的方式改变可变流动区域40的尺寸。例如，枢轴30的阀调节部31的几何形状和壳体的阀座22a的几何形状使得流动区域40相对于枢轴30的线性位置线性地改变。
控制器38能够利用一个或更多个电子反馈信号来精确地控制枢轴30的位置。位置的精确控制允许精细控制来自流体输出部的流。例如，电子反馈信号能够包括代表瞬时压力、瞬时枢轴位置或这些的组合的信号。瞬时压力可以是流体输入部24处的瞬时输入压力、流体输出部26处的瞬时输出压力和/或瞬时输入压力和瞬时输出压力之间的压力比。例如，压力可以从流体输入部24和流体输出部26中或附近的测压孔获得。
在进一步的示例中，控制器38可以利用瞬时输入压力和瞬时输出压力两者，连同瞬时枢轴位置一起。例如，控制器38可以通过调节提供给压电致动器的动力的量来将枢轴30重新定位到预先选择的打开位置。控制器38可以用查询表或将预先选择的位置与动力水平相关联的其它数据来预先编程。因此，当需要比在枢轴30的瞬时位置处更多或更少的流量时，控制器38能够将枢轴30重新定位到不同的预先选择的位置来调节流量，或者重新定位通过一系列位置直到流量被调节到期望的水平。
在进一步的示例中，控制器38能够改变枢轴位置30来在不同的瞬时输入压力和瞬时输出压力之间的压力比之间调节。阀组件20示出的配置可以允许瞬时输入压力和瞬时输出压力之间的高达大约20:1的受控压力下调比。此外，控制器38可以随着源压力变化动态地改变枢轴位置。例如，如果源压力改变使得瞬时输入压力改变，控制器38检测到压力比已经改变并因此调节枢轴位置来重新建立设定点输出压力。
因此，阀组件20的配置、流动区域40的几何形状和电子反馈信号许可控制器38调节枢轴位置来精细地控制输出压力。精确控制输出流量的能力可以允许更有效地使用流体。如果流体是航天器中的推进剂或燃料，更有效的使用可以继而允许航天器携带更少的推进剂或燃料，节省重量。如果用于推力系统，这在阀操作期间通过改变输出压力来允许可变推力水平。
图3示出了另一个示例阀组件120。在此公开中，合适时，相似的附图标记表示相似的元件，增加100或其倍数的附图标记表示修改的元件，所述修改的元件被理解为包含对应元件的相同特征和益处。在此示例中，致动器136可操作成改变枢轴130相对于壳体22的位置并因此改变可变流动区域40。然而，致动器136被联接成移动壳体22，而不是被联接成移动枢轴，枢轴130保持静止。就此而言，壳体22可移动地安装在一个或更多个引导销150上。引导销或多个引导销150从关闭部分152轴向延伸。枢轴130和关闭部分152整体地形成为一件式。
在此示例中，致动器136固定在壳体22上，静态致动器构件136a固定在关闭部分152上。静态致动器构件136a是有螺纹的，致动器136是接合螺纹来轴向移动壳体22的旋转致动器。致动器136与控制器38电连接并能够使用先前示例中所描述的控制策略控制。
虽然特征的组合在所示的示例中被示出，但并不需要结合所有所述特征来实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开实施例设计的系统将不必要地包括任一附图中所示的所有特征或者附图中示意性示出的所有部分。此外，一个示例实施例选出的特征可以与其它示例实施例选出的特征结合。
前述描述本质上是典型的而不是限制性的。对公开示例的改变和修改不必要地偏离本公开，这对本领域技术人员而言是显而易见的。给予本公开的法律保护范围仅可以通过研读下述权利要求来确定。

Claims (15)

1.一种阀组件，包括：
壳体，所述壳体具有流体输入部和流体输出部；
枢轴，所述枢轴布置在壳体中；
致动器，所述致动器被操作性地联接成移动枢轴，所述枢轴包括通道，所述通道将流体输出部与位于枢轴和壳体之间且邻近致动器的压力平衡体积流体地联接；
控制器，所述控制器与致动器电连接；和
从流体输入部到流体输出部的可变流动区域，所述可变流动区域在枢轴和壳体之间被限定；
其中，控制器配置成响应于流体输入部处的瞬时输入压力和流体输出部处的瞬时输出压力之间的压力比经由致动器移动枢轴。
2.如权利要求1所述的阀组件，其中，致动器是压电致动器。
3.如权利要求1所述的阀组件，其中，枢轴包括柄部分、在柄部分的第一轴向端部处的扩大的头部分和在柄部分的第二相对的轴向端部处的扩大的基部部分。
4.如权利要求1所述的阀组件，其中，枢轴包括后退表面。
5.如权利要求1所述的阀组件，其中，通道是线性中心通道。
6.如权利要求1所述的阀组件，其中，相对于枢轴移动的方向，流体输入部是径向输入部，流体输出部是轴向输出部。
7.如权利要求1所述的阀组件，其中，控制器配置成响应于至少流体输入部处的瞬时输入压力经由致动器移动枢轴。
8.如权利要求1所述的阀组件，其中，控制器配置成响应于至少流体输出部处的瞬时输出压力经由致动器移动枢轴。
9.如权利要求1所述的阀组件，其中，控制器配置成响应于流体输入部处的瞬时输入压力和流体输出部处的瞬时输出压力之间的压力比的变化经由致动器动态地移动枢轴。
10.如权利要求1所述的阀组件，其中，可变流动区域相对于枢轴的线性位置是线性可变的。
11.一种控制如权利要求1所述的阀组件的方法，所述方法包括：
根据至控制器的电子反馈信号控制枢轴的线性位置，电子反馈信号代表瞬时压力或瞬时枢轴位置中的至少一个。
12.如权利要求11所述的方法，其中，瞬时压力是在流体输入部处的瞬时输入压力。
13.如权利要求11所述的方法，其中，瞬时压力是在流体输出部处的瞬时输出压力。
14.如权利要求11所述的方法，其中，瞬时压力是流体输入部处的瞬时输入压力和流体输出部处的瞬时输出压力之间的压力比。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述控制包括当瞬时压力改变时，动态地改变枢轴的线性位置。
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