CN110630421A - 流量控制喷嘴 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制不可压缩流体的流量的流量控制喷嘴(40、40’)，所述流量控制喷嘴(40、40’)具有流动区域并包括可变形元件(50、60)，所述可变形元件(50、60)包括形状记忆合金(SMA)材料，其中在一定操作温度的范围内，所述SMA材料被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域。因此，所述流量控制喷嘴(40、40')能够动态地补偿操作温度的变化，以便保持恒定的流量。

Description

流量控制喷嘴
技术领域
本公开总体上涉及用于控制流体流量的装置，并且特别地涉及用于控制不可压缩流体的流量的装置。
背景技术
在典型的射流管伺服阀内，第二级阀芯或伺服装置的压力由来自精密射流喷嘴的流动冲击控制。因此，期望尝试保持来自射流喷嘴的液压流体的基本恒定的流量，这是因为流量的任何波动都可能降低射流管伺服阀的性能。然而，这通常可能是困难的，这是因为流体的粘度密切地依赖于温度。因此，现有射流管设计的性能可能非常容易受到操作温度变化的影响。在流量对粘度效应敏感的各种其他流量控制应用中可以发现类似的问题。例如，另一个示例是柴油发动机内的燃料控制喷嘴。
发明内容
从第一方面，提供了一种用于控制不可压缩流体的流量的流量控制喷嘴，所述流量控制喷嘴具有流动区域并包括可变形元件，所述可变形元件包括形状记忆合金(SMA)材料，其中在一定操作温度的范围内，所述SMA材料被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域。
因此，在实施方案中，SMA材料用于控制流量以便补偿操作温度的变化。特别地，SMA材料可以用于控制流量，以便补偿由流量控制喷嘴提供的不可压缩流体的温度依赖性粘度变化。例如，流量控制喷嘴具有流动区域，流体在使用中流过所述流动区域，且流动区域因此确定(连同流速一起)流率。随着操作温度增加，流体的粘度通常将降低，且如果这未得到补偿，流率则会因此增加。因此，操作温度的任何变化将导致流率的变化。相反地，根据实施方案，可以随着操作温度的增加而减小流动区域，以便减小在所述操作温度的范围内的流率的变化。
特别地，所述SMA材料可以被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域，以便在所述操作温度的范围内保持(更加)基本上恒定的流率。在实施方案中，所述流量控制喷嘴能够动态地补偿操作温度的变化，以便保持基本上恒定的流量。
例如，流动区域通常可以包括流动通道，不可压缩流体在使用中流过所述流动通道。流动通道可以至少部分地由可变形元件限定。例如，可变形元件可以包括环形(或半环形)元件，其限定(即围绕)流动通道的至少一部分。因此，可变形元件可以限定流量控制喷嘴的流动孔口。因此，随着温度升高，SMA材料可以收缩以减小流动区域。特别地，随着温度升高，SMA材料可以收缩以减小流动通道的直径。因此，在实施方案中，调整流量控制喷嘴的直径以补偿操作温度(流体粘度)的变化。尽管流动通道通常将具有圆形横截面，但是将理解的是，流动通道还可以具有其他形状的横截面。因此，通常，对流动通道的“直径”的任何引用可以被认为是对流动通道的“尺寸”的引用。也就是说，在实施方案中，所述流动区域可以包括流动通道，其中所述流动通道至少部分地由所述可变形元件限定，且其中所述SMA材料被配置为减小所述流动通道的尺寸以减小所述流动区域。
流量控制喷嘴的长度，例如或其流动通道的长度原则上还可以进行调整以提供对流率的进一步控制。然而，通常，流量控制喷嘴的长度保持恒定。
在另一个示例中，流动孔口的尺寸可以是固定的，且可变形元件可以设置在流动区域内，其中可变形元件随着温度增加而变形以减小流动区域。也就是说，流动区域可以包括流动通道，例如由钢或类似物形成，其具有固定尺寸，其中随后可使用位于流动通道内的可变形元件改变流动区域。在这种情况下，流体可以围绕可变形元件环形地流动。因此，可变形元件可以扩张或移动或以其他方式变形以调整(例如，减小)流动区域。因此，在实施方案中，所述流动区域可以包括流动通道，其中所述可变形元件设置在所述流动区域内，使得流体围绕所述可变形元件流过所述流动通道。然后，随着温度升高，可变形元件可以变形以减小流动区域。
因此，将理解的是，SMA材料通常允许流量控制喷嘴在所述操作温度的范围内动态地(自动地)调整流动区域，以便控制流率。例如，随着操作温度增加，SMA材料可以被配置为自动减小流量控制喷嘴的流动区域。
流量控制喷嘴用于控制大致不可压缩的流体，诸如液压流体或燃料的流量。通常，流量控制喷嘴用于提供层流。也就是说，流量控制喷嘴可以被配置为用于在层流条件下控制不可压缩流体的流量。将理解的是，流体粘度对不可压缩流体的层流的影响通常是很好理解的，且可以使用合适的已知关系来建模或描述。因此，在实施方案中，SMA材料可以被配置为根据层流条件的预定关系来改变所述流量控制喷嘴的所述流动区域以在所述操作温度的范围内保持基本上恒定的层流。例如，SMA材料的特征可以在于，例如，在制造期间，至少在所述操作温度的范围内适当地变形，以便根据期望的关系控制使用中的流动区域。例如，在一些实施方案中，SMA材料可以被配置为根据所述关系来减小流量控制喷嘴的直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：
d2=操作温度的补偿喷嘴直径；
d1=参考温度下的喷嘴直径;
v2=操作温度下的粘度；以及
v1=参考温度下的粘度。
在实施方案中，提供了一种使用基本上如本文所述的流量控制喷嘴来控制不可压缩流体的流量的方法。所述方法可以包括使所述不可压缩流体通过所述流量控制喷嘴以在所述操作温度的范围内保持基本上恒定的层流条件。
所述操作温度的范围可以包括约0摄氏度至约100摄氏度。也就是说，流量控制喷嘴可以被配置为至少在这个操作温度的范围内补偿流动区域。然而，原则上，流量控制喷嘴可以被配置为根据需要，例如取决于应用来在任何合适的操作温度的范围内补偿流动区域。因此，也可以配置其他温度范围。
通常，可以根据需要(例如，取决于应用和操作温度范围)使用本领域中公知的任何合适的SMA材料。例如，在实施方案中，可以使用镍钛合金，诸如镍钛诺。其他合适的镍钛合金可以包括镍钛铁(例如Tinel®)、镍钛铌或镍钛铜的合金。在一些实施方案中，也可以合适地使用各种铁锰硅、铜锌铝或铜铝镍合金。
流量控制喷嘴可以包括射流管伺服阀的一部分。因此，在实施方案中，提供了一种射流管伺服阀，其包括基本上如本文所述的流量控制喷嘴。特别地，流量控制喷嘴可以包括射流管伺服阀的射流管的流量控制喷嘴。还提供了一种控制这种射流管伺服阀的方法。所述方法可以包括使液压流体通过射流管并使用液压流体来控制伺服阀。
作为另一个示例，流量控制喷嘴可以包括燃料喷射器的一部分，例如用于柴油发动机。因此，在其他实施方案中，提供了一种燃料喷射器，其包括基本上如本文所述的流量控制喷嘴。还提供了一种包括这种燃料喷射器的柴油发动机和一种使用这种燃料喷射器来喷射燃料的方法。
然而，将理解的是，本文所述的流量控制喷嘴通常可以在需要控制不可压缩流体的流量的任何系统中找到应用，其中流率对温度的变化敏感。
从另一个方面，提供了一种制造基本上如本文所述的流量控制喷嘴的方法，所述流量控制喷嘴具有流动区域并包括可变形元件，所述可变形元件包括SMA材料，所述方法包括在一定操作温度的范围内训练所述SMA材料，使得所述SMA材料被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域。
例如，训练所述SMA材料可以包括使所述SMA材料在所述操作温度的范围内的不同温度下经受不同的机械变形。
如上所述，可以训练SMA材料，以便根据层流条件的预定关系来减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域以在所述操作温度的范围内保持基本上恒定的层流。例如，在实施方案中，可以训练SMA材料，以便根据上述关系来减小流量控制喷嘴的直径。
附图说明
仅作为示例而已，现在将参考附图来描述各种布置和实施方案，其中：
图1示出了典型的射流管伺服阀的一个示例；
图2示出根据本公开的流量喷嘴的一个示例；
图3示出了用于示例性液压流体的运动粘度和温度之间的关系；
图4示出了用于图3中所示流体的所需粘度补偿因子；
图5示出了可以如何随着温度的变化来控制喷嘴直径作以补偿运动粘度的变化；
图6示出了根据本公开可以如何保持喷嘴的流量基本上是恒定的；以及
图7示出了根据本公开的流量喷嘴的另一个示例。
具体实施方式
本公开提供了一种用于在具有温度变化的情况下保持通过喷嘴基本上恒定的流量的新颖的方法。特别地，本公开使用SMA材料来改变通过喷嘴的流动区域，以补偿在不同温度下的流体粘度的变化。SMA材料是一类性能随温度变化的材料。例如，在低温下，SMA可以呈现更柔性的形式，其被称为“马氏体”状态。在高(较高)温度下，SMA材料将状态改变为更刚性的形式，其被称为“奥氏体”状态。具有双向记忆的SMA材料因此可以具有高温形状和低温形状，且可以随着温度变化在其之间移动。例如，用于实施方案中的合适的SMA材料可以包括镍钛合金，诸如以商品名“镍钛诺”销售的那些。然而，将理解的是，可以适当地使用各种其他SMA材料。
因此，SMA材料可以在制造期间通过在SMA被加热时使其经受一系列的机械变形而进行“训练”或进行表征。SMA材料保持知道在不同温度下的变形，使得当随后将SMA材料加热到某个温度(例如，在使用中)时，SMA材料恢复到特定的机械状态。以这种方式，SMA材料可以被配置为随着温度的变化以受控方式变形。
为了说明本公开，图1示出了典型的射流管伺服阀10的一个示例。如图所示，射流管伺服阀10包括射流喷嘴20和在射流喷嘴20下游的第二级阀芯30。因此，流过射流喷嘴20的液压流体的冲击提供了用于移动第二级阀芯30的压力。在典型的射流管伺服阀中，射流喷嘴具有固定的直径。因此，例如，由于操作温度的变化导致的流体粘度的任何变化将导致通过射流喷嘴的流率的变化。这会降低射流管伺服阀的性能。因此，可能期望提供更恒定的流量。
图2示出了根据一个实施方案的示例流量控制喷嘴40。如上所述，流量控制喷嘴40可以包括射流管伺服阀10的射流喷嘴20(然而，其他布置当然也是可能的)。在图2中，流量控制喷嘴40由SMA材料50组成。特别地，如图所示，SMA材料50围绕并因此限定了延伸通过流量控制喷嘴的流动通道51。例如，SMA材料50可以围绕流动通道51环形地布置。因此，流动通道51确定通过流量控制喷嘴40的流率。
也就是说，在图2中，通过流量控制喷嘴40的流动通道51由SMA材料50限定。流动通道51限定喷嘴长度(L)和喷嘴直径(d)。制造SMA喷嘴40，使得在最低操作温度下，通道51的尺寸过大以在增加的流体粘度下实现期望的流量。在制造期间，喷嘴然后可以在被加热到最高操作温度的同时机械变形(即压扁)，使得喷嘴直径的尺寸逐渐减小，以在操作温度的整个范围内呈现保持期望流量所需的较小的孔口。例如，使用一系列尺寸逐渐减小的成形杆，可以将SMA材料压扁到对于特定操作温度而言具有适当尺寸的成形杆上以实现期望的性能。以这种方式，可以有效地训练SMA材料，以便在期望的操作温度范围内针对流体粘度效应补偿喷嘴直径。
因此，可以控制喷嘴直径，以便在一定操作温度的范围内保持基本上恒定的流量。
例如，通常，流量装置用于层流控制。对于层流条件而言，通过喷嘴的流量Q由(等式1)给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中：
d=喷嘴的直径；
L=喷嘴的长度；
v=流体的运动粘度；
ρ=流体的密度；以及
ΔP=喷嘴上的压降。
在大多数情况下，流体密度(ρ)、喷嘴长度(L)和压降(ΔP)基本上是恒定的。在流量(Q)也是常数或期望是常数的基础上，等式1可以以常数K的形式被重新公式化表示为(等式2)：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
因此：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其可以重新布置以给出(等式3)：
Figure 891979DEST_PATH_IMAGE008
其中：
d2=操作温度的补偿喷嘴直径；
d1=参考温度下的喷嘴直径;
v2=操作温度下的粘度；以及
v1=参考温度下的粘度。
因此，对于图2的几何形状而言，其中喷嘴直径是由SMA材料限定的，通过基于等式3中给出的关系适当地设计或训练SMA材料以调整使用中的喷嘴的直径，流量控制喷嘴可以自动地补偿粘度变化并在一定操作温度的范围内保持基本上恒定的流量。
现在将关于控制通过流量喷嘴的常用的液压流体“Mil-H-83282”的流量的流量装置来描述这个的一个示例，其中所述常用的液压流体“Mil-H-83282”具有850kg/m3的流体密度（ρ）以及在参考温度40ºC下为12.7厘斯(0.127 cm2/s)的运动粘度，所述流量喷嘴具有在所述参考温度下为0.007英寸(0.18 mm)的喷嘴直径(d1)、0.1英寸(2.54mm)的喷嘴长度（L）以及3000psi(21 MPa)的压降(ΔP)。
图3示出了Mil-H-83282流体的运动粘度随着温度的变化的变化。如图所示，在0ºC至100ºC的温度范围内粘度显著下降。
图4示出了对此进行补偿以保持恒定流量所需的粘度补偿因子 (K.v)，其中如图4中所示的粘度补偿因子基于等式1(假设参数Q、ρ、ΔP和L是常数)以参考温度下的粘度v1和操作温度下的粘度v2的形式被限定为(等式4)：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
图5示出了用于补偿在所述温度范围内的粘度变化所需的喷嘴直径。可以基于等式3确定所需的喷嘴直径。
图6示出了如何以这种方式相应地补偿喷嘴流量。在图5和图6中用于参考所分别绘制的分别是未补偿的(即恒定的)喷嘴直径和未补偿的流量。
因此，从图5和图6中可以看出(由于在等式1中依赖喷嘴直径的四次方)，流量可以在宽的操作温度的范围内保持基本上恒定，而只需对喷嘴直径进行相对精细的调整(即，在所述示例中，为约0.005英寸和0.012英寸(0.127mm和0.3048mm)之间)。
尽管上面已经描述了其中通过调整喷嘴直径来控制流量且保持喷嘴长度固定的实施方案，但是将理解的是，原则上也可以使用SMA材料来调整喷嘴长度，即基于等同性：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
然而，将理解的是，因为喷嘴直径缩放伴以四次方，所以即使喷嘴直径相对小的调整也可以在宽的操作温度的范围内进行调整。而且，调整喷嘴长度可能并不总是合乎需要的，例如，当流量装置要成一直线地并入较大系统内时。因此，在实施方案中，喷嘴长度可以是固定的。
还将理解的是，用于控制流动区域的各种其他布置当然也是可能的。
例如，图7示出了根据另一个实施方案的流量喷嘴40’的示例，其中代替由SMA材料形成喷嘴孔口，诸如锥形针的可变形元件60定位在通过流量控制喷嘴40’的流动通道61内，其中可变形元件60包括或被连接到合适的SMA材料且被配置为在使用中随着温度的变化而变形以减小通过喷嘴的流动区域。在这种情况下，流体围绕可变形元件60环形地流过流动通道61。因此，喷嘴直径可以是固定的，并且流动区域通过可变形元件的变形来控制。
特别地，随着操作温度增加，可变形元件60可以被配置为扩张以减小流动区域，且从而补偿降低的粘度。在这种情况下，可以如上导出类似的等式，以便确定在所述操作温度的范围内补偿流体粘度变化所需的所需扩张，以保持更恒定的流量。
尽管上面已经关于射流管伺服阀呈现了各种示例，但是将理解的是，本文所述的流量控制喷嘴不限于这种情况，且通常可以在需要控制流体流量的各种其他应用中找到实用性。例如，在其他示例中，本文所述的流量控制喷嘴可以用作在柴油发动机内的燃料喷射器的燃料控制喷嘴，且实际上，图2或图7中所示的流量控制喷嘴可以因此包括燃料喷射器喷嘴。也就是说，将显而易见的是，本文呈现的技术通常可以应用于任何流量控制喷嘴，并且不限于例如射流管伺服阀。
因此，虽然已经参考特定实施方案示出了本文呈现的技术，但本领域的技术人员将理解的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行形式和细节的各种变化。

Claims (15)

1.一种用于控制不可压缩流体的流量的流量控制喷嘴(40、40’)，所述流量控制喷嘴具有流动区域并包括可变形元件(50、60)，所述可变形元件(50、60)包括形状记忆合金(SMA)材料，其中在一定操作温度的范围内，所述SMA材料被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域。
2.如权利要求1所述的流量控制喷嘴，其中所述SMA材料被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域，以便在所述操作温度的范围内保持基本上恒定的流率。
3.如权利要求1或2所述的流量控制喷嘴，其中所述流动区域包括流动通道(51)，其中所述流动通道(51)至少部分地由所述可变形元件(50)限定，且其中所述SMA材料被配置为减小所述流动通道(51)的尺寸以减小所述流动区域。
4.如权利要求1或2所述的流量控制喷嘴，其中所述流动区域包括流动通道(51)，且其中所述可变形元件(60)设置在所述流动区域内，使得流体围绕所述可变形元件(60)流过所述流动通道(51)，且其中所述可变形元件随着所述温度的增加而变形以减小所述流动区域。
5.如任何前述权利要求所述的流量控制喷嘴，其中所述SMA材料被配置为根据层流条件的预定关系来减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域以在所述操作温度的范围内保持基本上恒定的层流。
6.如权利要求5所述的流量控制喷嘴，其中所述SMA材料被配置为根据所述关系来减小流量控制喷嘴的直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中：
d2=操作温度的补偿喷嘴直径；
d1=参考温度下的喷嘴直径；
v2=操作温度下的粘度；以及
v1=参考温度下的粘度。
7.如任何前述权利要求所述的流量控制喷嘴，其中所述操作温度的范围是约0摄氏度至约100摄氏度。
8.如任何前述权利要求所述的流量控制喷嘴，其中所述SMA材料包括镍钛合金，诸如镍钛诺。
9.一种射流管伺服阀(10)，其包括如任何前述权利要求中要求保护的流量控制喷嘴(40、40’)。
10.一种燃料喷射器，其包括如任何前述权利要求中要求保护的流量控制喷嘴(40、40’)。
11.一种使用如权利要求1至8中任一项所述的流量控制喷嘴(40、40’)来控制不可压缩流体的流量的方法，所述方法包括使所述不可压缩流体通过所述流量控制喷嘴以在一定操作温度的范围内保持基本上恒定的层流条件。
12.一种制造如权利要求1至8中任一项所述的流量控制喷嘴的方法，所述流量控制喷嘴具有流动区域并包括可变形元件(50、60)，所述可变形元件(50、60)包括SMA材料，所述方法包括在一定操作温度的范围内训练所述SMA材料，使得所述SMA材料被配置为随着所述操作温度的增加而减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域。
13.如权利要求12所述的方法，其中训练所述SMA材料包括使所述SMA材料在所述操作温度的范围内的不同温度下经受不同的机械变形。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中训练所述SMA材料，以便根据层流条件的预定关系来减小所述流量控制喷嘴的所述流动区域以在所述操作温度的范围内保持基本上恒定的层流。
15.如权利要求14所述的方法，其中训练所述SMA材料，以便根据所述关系来减小流量控制喷嘴的直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中：
d2=操作温度的补偿喷嘴直径；
d1=参考温度下的喷嘴直径；
v2=操作温度下的粘度；以及
v1=参考温度下的粘度。
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