CN109140004A

CN109140004A - 被动致动式可复位阀

Info

Publication number: CN109140004A
Application number: CN201810631884.9A
Authority: CN
Inventors: R·J·斯库克斯; A·L·史密斯; X·高
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-01-04
Also published as: DE102018115396A1; US10352466B2; US20190003608A1

Abstract

阀组件包括具有纵向轴线并在其中限定腔体的主体。梭阀布置在腔体内。梭阀具有第一表面和第二相对表面。致动器元件与梭阀的第一表面相邻并且被构造成使得梭阀沿着纵向轴线在第一位置和第二位置之间平移。致动器元件由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金可以响应于热激活信号在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀在第一位置和第二位置之间平移。此外，弹性构件邻近梭阀的第二表面。弹性构件被构造成与梭阀从第一位置移动到第二位置的运动相反。

Description

被动致动式可复位阀

技术领域

本公开涉及被动致动式可复位阀，并且更具体地涉及用于感测温度的被动致动阀。

引言

本部分的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

生产设备、交通工具和许多类型的装置在操作期间经常遇到温度的变化。例如，生产操作可以包括诸如烘箱、烘干机、研磨机以及同样可以在极端温度之间重复循环的设备等的加热设备。同样，诸如汽车、轨道车、飞机和推土机等的交通工具可以包括一个或多个在操作期间可能遇到温度变化的部件，例如齿轮箱、制动器、流体容器、车轴和轴承。同样，诸如电动机、定时器开关、焊接变压器和焊枪的电动设备；以及诸如滑轮、电梯和螺旋钻的机械设备在操作期间可能会遇到摩擦加热。诸如反应器、烤箱、冷却剂导管、导管、阀门和输送机的加工设备同样可以在不同的环境和温度条件下操作。

期望此类设备、交通工具和装置仅需要操作员最少的关注或监督即可进行操作。例如，装置可以在操作期间被护罩或外壳笼罩，并且设备可以位于物理和/或视觉访问受限的地方。

发明内容

一种阀组件包括具有纵向轴线并在其中限定腔体的主体。梭阀布置在腔体内。梭阀具有第一表面和第二相对表面。致动器元件与梭阀的第一表面相邻并且构造成使得梭阀沿着纵向轴线在第一位置和第二位置之间平移。致动器元件由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金可以响应于热激活信号在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀在第一位置和第二位置之间平移。此外，弹性构件邻近梭阀的第二表面。弹性构件构造成与梭阀从第一位置移动到第二位置的运动相反。

在一些实施例中，阀组件还包括邻近弹性构件的塞子。塞子被固定在主体的腔体内，用于将弹性构件保持在梭阀附近。塞子还限定了构造成向腔体提供流体的入口，并且主体限定第一出口，该第一出口构造成当梭阀处于第二位置时从腔体排出流体。主体还可以包括至少一个第二出口，该第二出口构造成当梭阀处于第二位置时从腔体排出流体。此外，梭阀可布置在第一位置，用于密封第一出口，防止流体流动。塞子通过螺纹螺钉、碾压卷曲和粘合剂之一固定在腔体内。致动器元件是螺旋弹簧、金属丝、胶带、带、连续环以及其组合中的一种。

另一个阀组件包括具有纵向轴线并在其中限定腔体的主体。主体限定了构造成用于将流体引导到腔体中的入口。此外，在腔体内布置有梭阀，梭阀具有第一表面和第二相对表面。弹性构件邻近梭阀的第一表面。在主体上固定盖帽，以便将梭阀限制在主体的腔体内。盖帽限定了用于将流体引导出腔体的出口。另外，致动器元件邻近梭阀的第二表面。致动器元件构造成使得梭阀沿着纵向轴线在第一位置和第二位置之间平移，其中第一位置被配置为密封出口，防止流体流动。

在一些实施例中，致动器元件由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金可以响应于热激活信号在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀在第一位置和第二位置之间平移。弹性构件构造成与梭阀从第一位置移动到第二位置的运动相反。此外，主体还包括至少一个第二出口，该第二出口构造成当梭阀处于第二位置时从腔体排出流体。另外，盖帽通过螺纹螺钉、碾压卷曲和粘合剂之一固定在腔体内。致动器元件是螺旋弹簧、金属丝、胶带、带、连续环以及其组合，中的一种。

另一个阀组件包括弹性构件，具有面对弹性构件的第一表面的梭阀和面对梭阀的第二表面的致动器元件。梭阀被构造成在第一位置和第二位置之间平移。致动器元件可在第一状态和第二状态之间转换。当致动器元件处于第一状态时，致动器元件和弹性构件在第一位置处与梭阀处于平衡状态。当致动器元件处于第二状态时，致动器元件压缩弹性构件并将梭阀平移到第二位置。

在一些实施例中，弹性构件、梭阀和致动器元件布置在主体的腔体内，并且主体限定配置成引导流体进入腔体的入口。阀组件还可以包括固定到主体上的盖帽，以便将梭阀限制在主体的腔体内。盖帽还可以限定用于将流体引导出腔体的出口。第一位置被配置为密封出口，防止流体流动。致动器元件由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金可以响应于热激活信号在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀在第一位置和第二位置之间平移。主体还包括至少一个第二出口，该第二出口构造成当梭阀处于第二位置时从腔体排出流体。盖帽通过螺纹螺钉、碾压卷曲和粘合剂之一固定在腔体内。

根据本公开提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，而不意图限制本公开的范围。

附图说明

这里描述的附图仅用于说明的目的，并不意图以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的示例性可复位阀的透视图；

图2是图1的可复位阀的分解图；

图3是图1的可复位阀的横截面图；

图4是根据本公开的致动器元件的相位变换图；

图5是根据本公开的另一示例性可复位阀的透视图；

图6是根据本公开的另一示例性可复位阀的横截面图；

图7A是根据本公开的可复位阀的示例性横截面的示意图；

图7B是根据本公开的可复位阀的另一示例性横截面的示意图；

图7C是根据本公开的可复位阀的另一示例性横截面的示意图；

图7D是根据本公开的可复位阀的另一示例性横截面的示意图；

图8A是根据本公开的另一示例性可复位阀的横截面图；和

图8B是图8A所示的可复位阀处于组装状态的横截面图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本公开、其应用或用途。应该理解的是，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。此外，除非另有说明，诸如“顶部”、“侧面”、“背面”、“下部”和“上部”的方向词用于解释的目的，并不旨在要求特定的方向。这些方向仅作为所提供的示例的参考框架，而且在其他应用中可以更改。

现在参考图1-图3，图中示出了示例性可复位阀组件10。可复位阀组件10被动地操作，(即响应于温度变化并且没有额外的电源)，并且可用于警告操作员出现了设备、所述设备的一部分或流体的温度落在期望的温度范围之外的情况。一旦该情况结束，即一旦装置或流体的温度再次回到所期望的温度范围内，可复位阀组件10就自动复位。因此，可复位阀组件10可在汽车和航空制造工业中用于温度监测；可用于纸浆和金属加工业；农业、军事、器械、建筑、食品饮料、消费品和医疗服务业；以及一般的制造应用。仅作为示例，可复位阀组件10可用于交通工具应用，例如油温监测、冷却剂温度监测、传动温度监测、车轴流体温度监测、制动钳流体监测等。然而，可复位阀组件10还可用于非交通工具温度监测应用，例如可在极限温度之间重复循环的加热设备，例如烤箱，烘干机和研磨机；电动设备，例如电动机、定时器开关、焊接变压器和焊枪，它们可能在操作期间经受变化的温度；机械设备，例如滑轮、电梯和螺旋钻，它们可能在操作期间遇到摩擦加热；以及同样可以在变化的环境和热条件下操作的加工设备，例如反应器、烤箱、冷却剂管、导管、阀门和输送机。

可复位阀组件10包括具有纵向轴线14的主体12。主体12在其中限定腔体体16并且包括围绕纵向轴线14设置的第一多个螺纹18。根据可复位阀组件10的操作条件，主体12可由诸如金属(例如黄铜或铜)的导热材料形成。第一多个螺纹18可以形成螺钉，使得主体12可以螺纹连接到装置(未示出)。在一个实施例中，主体12可以具有大致圆柱形的形状，并且可以在操作期间保护可复位阀组件10的其他部件，使其免受污染。主体12可以具有沿纵向轴线14与近端20间隔开的近端20和远端22。腔体16可构造成容纳诸如油基流体、冷却剂、环境空气等的流体(未示出)。例如，流体可以是油基传输流体。流体可以增强或减少向可复位阀组件10的各种部件的传热。流体可以在入口24处进入主体12并且可以在出口26处离开主体12。

可复位阀组件10还可以包括在腔体16内沿着纵向轴线14平移的梭阀28，布置在近端20处并构造成用于平移梭阀28的致动器元件30，以及布置在远端22处并且与梭阀28和螺纹塞34接触的弹性构件32。梭阀28可以具有大致圆柱形的形状，并且可以包括在阀28的第一端38处形成的盲孔36，以便在其中容纳致动器元件30。在操作期间，梭阀28可以在腔体16内来回滑动，并且可以抵靠在面对第一端38的O形环密封件40上，下面将更详细地描述。

致动器元件30可构造成将梭阀28沿着纵向轴线14在梭阀28与O形环密封件40接触处近端20附近的第一位置和梭阀28与O形环密封件40间隔开处远端22附近的第二位置之间平移。值得注意的是，与O形环密封件40间隔开的任何位置构成“第二位置”。致动器元件30由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金响应于热激活信号(参考图4)在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀28在第一位置和第二位置之间平移。形状记忆合金可以响应于第一温度依赖状态和第二温度依赖状态之间的热激活信号，进行平移。因此，致动器元件30可通过在第一温度依赖状态和第二温度依赖状态之间转换来致动或平移梭阀28，使得梭阀28在腔体16内沿纵向轴线14滑动。然而，值得注意的是，致动器元件30必须克服弹性构件32的力以将阀28从第一位置移开。

如本文所使用，术语“形状记忆合金”是指表现出形状记忆效应并且在刚度、弹簧刚度和/或形状稳定性方面能够快速改变属性的合金。即，形状记忆合金可以经由分子或结晶重排进行固态结晶相变，以在马氏体结晶相(即“马氏体”)和奥氏体结晶相(即“奥氏体”)之间转换。换而言之，形状记忆合金可能发生位移型转变而非扩散型转变以在马氏体和奥氏体之间转换。位移型转变被定义为通过原子或原子团相对于相邻原子或原子团的协调运动而发生的结构变化。通常，马氏体相是指相对较低温度的相，并且通常比相对较高温度的奥氏体相更易变形。

现在参考图4，图中给出了致动器元件的相变图，其中沿着x轴布置温度并且沿着y轴布置阀位置。形状记忆合金开始从奥氏体结晶相转变为马氏体结晶相的温度称为马氏体开始温度(T_m,s)。形状记忆合金完成从奥氏体结晶相向马氏体结晶相的变化的温度称为马氏体完成温度(T_m,f)。同样地，随着形状记忆合金被加热，形状记忆合金开始从马氏体结晶相转变为奥氏体结晶相的温度被称为奥氏体开始温度(T_a,s)。形状记忆合金完成从马氏体结晶相到奥氏体结晶相的变化的温度被称为奥氏体完成温度(T_a,f)。

形状记忆合金可具有任何合适的形式(即形状)。例如，致动器元件30被描绘为具有螺旋弹簧形状；然而，致动器元件30也可以被配置为形状改变元件，例如金属线、胶带、带、连续环，以及其组合。此外，形状记忆合金可以具有任何合适的组成。尤其是，形状记忆合金可以包括选自钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、铂、铝和镓的元素的组合。例如，合适的形状记忆合金可以包括镍-钛基合金、镍-铝基合金、镍-镓基合金、铟-钛基合金、铟-镉基合金、镍-钴-铝基合金、镍-锰-镓基合金、铜基合金(例如铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、锰-铜基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金以及这些组合中的一种或多种的组合。只要形状记忆合金显示出形状记忆效应，例如形状方向、阻尼能力等的变化，形状记忆合金可以是二元的、三元的或任何更高级的。通常，可以根据可复位阀组件10的期望操作温度来选择形状记忆合金。在一个具体示例中，形状记忆合金可以包括镍和钛。

由形状记忆合金形成的致动器元件30可以以冷状态为特征，即，当形状记忆合金的温度低于形状记忆合金的马氏体完成温度(T_m,f)时。同样，由形状记忆合金形成的致动器元件30也可以以热状态为特征，即当形状记忆合金的温度高于形状记忆合金的奥氏体完成温度(T_a,f)时。另外，虽然未示出，但是可复位阀组件10可以包括由形状记忆合金形成的多个致动器元件30。致动器元件30的数量可以根据可复位阀组件10的期望稳定性和/或平移梭阀28所需的力来选择。此外，当梭阀28处于接触O形环密封件40的第一位置时，流体可保持在腔体16内，并且可改变对致动器元件30的热传递，例如可增加或放大热激活信号的幅度，使得致动器元件30可更快地改变形状和/或刚度。相反，流体可以减小热激活信号的幅度，使得致动器元件30可以更缓慢地或根据期望的时间表来改变形状和/或刚度。

当致动器元件30从马氏体结晶相转变成奥氏体结晶相时，致动器元件30可响应于热激活信号而在长度上延伸以沿纵向轴线14平移梭阀28。也就是说，致动器元件30可以推动梭阀28，使得梭阀28沿着纵向轴线14朝向远端22滑动，从而克服偏置弹簧力并且在梭阀28的第二端42和塞子34之间压缩弹性构件32。在该布置中，可复位阀组件10是“打开的”，使得在入口24中流动的流体可以在O形环密封件40和梭阀28之间朝向出口26流动。如前所述，任何梭阀28从与O形环密封件40的接触中移除的布置被认为是本次流体开始流过O形环圈密封圈40的“第二位置”。然而，当梭阀28完全朝向远端22移动或“完全打开”时，我们获得流体到出口26的最大流量。

作为非限制性示例，对于该实施例，主体12可以在其中限定环形通道44。通道44可构造成接收O形环密封件40，例如由弹性体材料形成的O形环，并且通常可以是环形的或者可以具有另一期望的形状或构造。通道44可以起到辅助作用，将O形环密封件40保持在腔体16内的期望位置。

可复位阀组件10可进一步包括弹性构件32，弹性构件32布置成在梭阀28的第二端42处与梭阀28接触。弹性构件32可以是偏置弹簧并且可以接触梭阀28的第二端42。更具体地，弹性构件32可以布置成沿着纵向轴线14沿着与当致动器元件30从马氏体结晶相转为奥氏体结晶相时，致动器元件30趋向于移动梭阀28的方向相反的方向平移梭阀28。因此，弹性构件32以特定的弹簧常数与梭阀28的运动相反。

此外，随着形状记忆合金冷却，弹性构件32可将梭阀28沿第二方向推向近端20，例如远离塞子34，从而将可复位阀组件10重置为梭阀28抵靠在O形环40上的初始或默认位置。因此，可以选择形状记忆合金以在特定的转变温度(T_SB)下改变形状和/或刚度。例如，可以对应于装置的合适的操作温度范围选择转变温度(T_SB)，可复位阀组件10为该装置测量或监测不在期望的操作温度范围内的，即高于或低于期望的操作温度范围的温度偏差。当致动器元件30从奥氏体结晶相转变为马氏体结晶相时，即，当形状记忆合金从高于转变温度(T_SB)的温度冷却至低于转变温度(T_SB)的温度时，致动器元件30可收缩，使得梭阀28沿着纵向轴线14朝向近端20平移。

相反地，可复位阀组件10可以布置成相反的构造(例如，调换致动器元件30和弹性元件32)。在该布置中，致动器元件30可以收缩并拉动梭阀28，使得梭阀28沿纵向轴线14朝向远端22平移。当梭阀28平移时，梭阀28也可克服弹簧力拉伸弹性构件32。就这一点而言，可复位阀组件10通过合金配方和偏置力弹簧比被调节到特定的致动温度并且以自复位方式操作。

现在参考图5，图中另一示例性可复位阀组件110包括梭阀128、致动器元件130和弹性构件132。可复位阀组件110基本上与可复位阀组件10类似，因此将不会详细描述。然而，可复位阀组件110被设计为包装在标准汽车恒温器壳体(例如，如在蜡致动器中)的外壳内。在可复位阀组件110中，致动器元件130布置在具有充当流体入口的侧壁开口148的上部分146中。类似于可复位阀组件10，致动器元件130由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金响应热激活信号而在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀128在第一和第二位置之间平移。梭阀128被描绘为抵靠可复位阀组件110的上部分146的下表面150的板形元件。弹性构件132被布置成面对梭阀128的相对表面并向其施加力。

以这种方式，当流体的温度落在期望范围之外时，致动器元件130开始伸长并且克服弹性构件132作用在梭阀128上的力。梭阀128开始移动到远离上部分146的下表面150的第二位置，并且允许流体由此流动。当流体的温度回到预定范围内时，致动器元件130收缩，使得梭阀128平移回第一位置(例如，朝向上部分146以抵靠下表面150)。

现在参考图6，图中示出了另一个示例性的可复位阀组件210，其具有梭阀228、致动器元件230和弹性构件232。可复位阀组件210基本上类似于可复位阀组件10，因此将不会详细描述。然而，因为致动器元件230与弹性构件232同心布置，所以可复位阀组件210被设计成具有更紧凑的整体结构。与可复位阀组件10类似，可复位阀组件210还包括允许流体进入腔体216的入口224。阀组件210通过在来自入口224的流体的温度超过阈值时允许阀组件210打开而缓解处理期间的温度升高。尤其是，致动器元件230由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金可以响应于热激活信号在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使梭阀228在第一和第二位置之间平移。流体温度促使致动器元件230伸长并克服弹性构件232的相反力。该伸长使得梭阀228从梭阀228接触O形环密封件240的第一位置移动到梭阀228压缩弹性构件232并与O形环密封件240间隔开的第二位置。

梭阀228被描绘为布置在固定到可复位阀组件210的主体212的螺纹帽234内的杯形元件。O形环密封件240布置在梭阀228和螺纹盖234之间，使得梭阀228移动到第二位置，允许流体流过O形环密封件240到达通过螺纹帽234居中地布置的出口226。

以这种方式，随着流体温度增加到期望范围之外，致动器元件230开始伸长并克服弹性构件232作用在梭阀228上的力。梭阀228开始移动到远离O形环密封件240的第二位置，并且允许流体由此流动。当流体的温度回到预定范围内时，致动器元件230收缩，使得梭阀228平移回到第一位置(例如朝向螺纹帽234以抵靠O形环密封件240)。

现在参考图7A，图中示出了又一个示例性的可复位阀组件310，其具有辅助出口352，用于提供流体流出阀组件310的另一路径(例如，除了出口26、126或226之外)。辅助出口352被制造为穿过阀组件310的主体312的一个壁延伸的盲孔。在图1所示的可复位阀组件10的第一实施例中示出了示例性的辅助出口52；然而，应该理解的是，辅助出口52、352可以设置有任何前述实施例。此外，尽管图7A描绘了穿过可复位阀组件310的单个孔，应当理解的是，其他孔配置也将产生类似的益处。如图所示的例子。如图7B所示的示例，可复位阀组件410可具有穿过主体412完全延伸的辅助出口452，以提供用于流体流动的两个辅助出口。通过提供流体离开阀组件410的另一路径，系统经历较小的下游阻力和较高的流率。可复位阀组件410也是压力平衡的，系统堵塞的可能性较小。此外，阀组件410具有较小的热质量以用于更快的响应。如图7C所示，可复位阀组件510可具有多个辅助出口552，其穿过主体512完全延伸以提供四个用于流体流动的辅助出口。如图7D所示，可复位阀组件610可具有多个辅助出口652，其穿过主体612完全延伸以提供六个用于流体流动的辅助出口。在图7C和图7D中公开的实施例用于进一步降低系统阻力和热质量。

本文描述了本公开的实施例。该描述本质上仅仅是示例性的，因此，不背离本公开的主旨的变型旨在落在本公开的范围内。作为示例，虽然塞子34和盖帽234被描述为分别螺纹连接到主体12和主体212，但应该理解的是也可以使用非螺纹塞。作为示例，图8A和图8B所示的可复位阀组件710中，非螺纹塞734被插入到腔体716中并布置成与弹性构件732接触。外部凸片754可以卷绕在非螺纹塞734上以便将其保持在腔体716内的位置(参见图8B)。也可以考虑使用在其外径上提供的粘合剂将塞子放置就位。

附图不一定按比例绘制；某些特征可能被夸大或最小化以显示特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了各种应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实施可能是期望的。

Claims

1.一种阀组件，包括：

主体，其具有纵向轴线并在其中限定腔体；

梭阀，其布置在所述腔体内，所述梭阀具有第一表面和第二相对表面；

致动器元件，所述致动器元件与所述梭阀的所述第一表面相邻并且被构造成使得所述梭阀沿着所述纵向轴线在第一位置和第二位置之间平移，其中所述致动器元件由形状记忆合金形成，所述形状记忆合金可以响应于热激活信号在马氏体结晶相和奥氏体结晶相之间转变，从而使所述梭阀在所述第一位置和所述第二位置之间平移；和

弹性构件，其邻近所述梭阀的所述第二表面，其中所述弹性构件被构造成与所述梭阀从所述第一位置移动到所述第二位置的所述运动相反。

2.根据权利要求1所述的阀组件，还包括邻近所述弹性构件的塞子，其中，所述塞子被固定在所述主体的所述腔体内，用于将所述弹性构件保持在所述梭阀附近。

3.根据权利要求2所述的阀组件，其中所述塞子限定入口，所述入口构造成向所述腔体提供流体，并且所述主体限定第一出口，所述第一出口构造成当所述梭阀处于所述第二位置时从所述腔体排出所述流体。

4.根据权利要求3所述的阀组件，其中，所述主体还包括至少一个第二出口，所述第二出口构造成当所述梭阀处于所述第二位置时从所述腔体排出所述流体。

5.根据权利要求3所述的阀组件，其中布置在所述第一位置中的所述梭阀将所述第一出口密封以防止流体流动。

6.根据权利要求5所述的阀组件，其中所述第二位置是所述梭阀允许流体流出所述第一出口的任何位置。

7.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述塞子限定出口，所述出口构造成当所述梭阀处于所述第二位置时从所述腔体排出所述流体，并且所述主体限定入口，所述入口构造成向所述腔体提供流体。

8.根据权利要求2所述的阀组件，其中所述塞子通过螺纹螺钉、碾压卷曲和粘合剂之一固定在所述腔体内。

9.根据权利要求1所述的阀组件，其中，所述致动器元件是螺旋弹簧、金属丝、胶带、带、连续环以及其组合中的一种。

10.根据权利要求1所述的阀组件，其中，所述致动器元件与所述弹性构件同心布置。