CN1327520A - 铁电流体流量控制阀 - Google Patents
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Abstract
一种主动阀,该阀由铁电驱动器的外部电操纵来控制和驱动,以在某段时间里提供改善的流体通道,并在其他时间段里提供完全关闭。该阀在流动方向提供改善的通道,在与流动相反的方向提供完全关闭。该驱动器是一个有一曲率的圆顶形的内预应力式铁电驱动器,所述圆顶形驱动器有一个边缘和顶点,和一个圆顶高度,该高度是测量从经过所述边缘的一平面到所述顶点之间距离得到的,该高度随施加在所述圆顶形驱动器内外侧之间的电压而变化。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请与下述未获授权的相同申请人的PCT专利申请相关，申请号：__，于1998年_月_日提交，名称是“铁电泵”。
所属领域
本申请涉及一种流体流量控制阀，具体涉及一种铁电主动流体流量控制阀，它在某个时间段提供改善的流体通道，在其他时间段提供确定的关闭。
相关技术说明
流体流动场合通常需要一种阀，在某个时间段里为流体提供无阻碍通道，在其他时间段没有流体通道。“单向阀”，也就是常说的“止回阀”，就是这样一种阀。它在一个方向上提供一个无阻碍流体通道(“在流动方向上”)，而在相反方向(“与流向相反的方向上”)不提供流体通道。
现有的止回阀利用流体流动的反向作用来驱动阀动作，也可以用电磁或其他驱动来带动阀。这些被动止回阀需要流体来驱动阀动作。需要流体来驱动阀会导致不希望的与流向相反的阻力。这导致泵提供的作用力损失。还有，流体引起的阀闭合需要一个不希望的流体体积量(按错误方向流动)。该“死”区要求泵输送没用的流体流量。现有的主动止回阀需要复杂机构以实现外部电驱动。发明综述
因此，本发明的一个目的是提供一种由外部电操纵控制和驱动的主动阀。
另一个目的是提供一种阀，该阀在某一时间段里给流体提供无阻碍通道，在其他时间段不给流体提供通道。
本发明的又一个目的是提供一种不需要用流体驱动阀动作的阀。
本发明的再一个目的是提供一种利用铁电部件打开和关闭流体流动的阀。
本发明的再一个目的是提供一种利用有一曲率的圆顶形内预应力式铁电驱动器的阀，所述圆顶形驱动器有一边缘和顶点，和一个圆顶高度，该高度是测量从经过所述边缘的一平面到所述顶点之间距离得到的，该高度随施加在所述圆顶形驱动器内外侧之间的电压而变化。
本发明还有一个目的是提供一种可以在浮动(floating)出现之前以较高频率运行的阀。
本发明的再一个目的是提供一种可以隔离化学和污染的阀。
本发明的其他目的和优点通过下面的附图和具体描述将更加显然。
发明概要
根据本发明，通过提供一主动阀可以实现前述和其他目的和优点，该阀由外部电操纵控制和驱动的，以在某个时间段里提供改善的流体通道，并在其他时间段里提供确定的关闭(positive c1osure)。该阀在流动方向提供改善的通道，在与流动相反的方向提供确定的关闭。
图面说明
通过下面结合附图的详细说明，对本发明及其带来的许多优点就会更好地全面地理解，其中：
图1是流体控制阀的分解图。
图2是根据本发明的一个电接触环。
最佳实施例的详细描述
图1示出铁电流量控制阀的分解图。流体通过安在顶盖10中的管接头入口12进入阀中。流体从该入口流向阀止动块16。在顶盖10和外壳18之间放置一个合适的密封垫14。绝缘膜片22应当与流体，例如胶乳，相适应并具有一定弹性。绝缘膜片22伸展以盖住铁电驱动器26的整个表面；膜片始终与运动的驱动器26表面接触。设绝缘膜片22有多个目的，它用作密封件并用来使流体与驱动器26保持电和化学隔离。通过驱动器26的运动，绝缘膜片与所述阀止动块16的边界接触然后分开，从而在它与阀止动块16之间产生一个圆柱形间隙或者关闭该圆柱形间隙。驱动器26是一个圆顶形内预应力式铁电驱动器，它有一个曲率，所述圆顶形的驱动器有一个边缘、一个顶点、和一个从经过该边缘的平面到该顶点测量得到的圆顶高度，该高度随施加在圆顶形驱动器的内外表面之间的电压而变化。这种驱动器的实例公开在美国专利US5,471,721号“Method For Making Monolithic PrestressedCeramic Devices”并能从辉光陶瓷学(Aura Ceramics)和美国专利US5,632,841号“Thin Layer Composite Unimorph Ferroeletric Driver andSensor”中得知，这两篇专利在此引用作为参考。加在铁电驱动器上的电压在驱动器两表面之间产生一个电场，并且其结果是驱动器形状发生变化。驱动器根据所加电场的极性将变平或变高。这种铁电驱动器固有地展现出机械运动范围和它输出的力的范围之间的有利的平衡。铁电驱动器尺寸的选择随同施加的电压和频率一起确定一定量的运动和产生的力。该铁电驱动器可以有大至几倍的变形并能承受至少10磅的负荷。可以通过采用安装在一个共同的集流腔(manifold)上的多个铁电驱动器来增加泵的工容量。从一对驱动器可以获得两倍大的位移，两个驱动器以蛤壳形式边缘靠边缘地叠在一起。如果还需要更大的位移，可将几个这样的蛤壳组件叠在一起。这种布置描述在下列专利中：US5,471,721“Methodfor Making Monolithic Prestressed Ceramic Devies”和US5,632,841“Thin Layer Composite Unimorph Ferroelectric Driver andSensor”。
圆柱形间隙根据驱动器26的位移打开和关闭。在圆柱形间隙打开期间，流体经过外壳出口19离开阀。管接头12和阀止动块16的内径尺寸应当这样确定：当流体流过由驱动器26位移产生的间隙时，流速保持恒定。这就避免了不希望的压力降。与现有的阀不同，不需要用气动驱动器或者电磁驱动器来驱动膜片。驱动器及其相关的安装件执行膜片和气动驱动器/电磁驱动器的双重功能。
铁电驱动器26这样安装：安装结构将驱动器26与流体隔离，为施加在驱动器26上的电压提供一个路线，当根据所施加的电压驱动器26产生全位移时为驱动器26提供确定的抑制(positive cortainment)。外壳18布置在顶盖10和底盖34之间。驱动器安装结构包括两个不导电的密封垫20和32，一电绝缘体22，两个电接触环24和30，一个驱动器垫片28和一个驱动器26。垫片28最好与驱动器26厚度相同。驱动器26位于垫片28内，驱动器26的圆周与垫片28的内圆周接触。电接触环24和30布置在垫片28的每一侧并与其接触并为驱动器26提供电压接触。一个电绝缘体22布置成与上接触环24的外表面接触并与驱动器26同心。该绝缘体22应当与泵送的介质，例如胶乳，相适应并具有一定弹性。在绝缘体22和驱动器26之间采用一种不导电流体，比如硅流体。该流体应当相对其他材料具有化学稳定性并且具有合适粘性以使绝缘体22和驱动器26结合在一起的。这将消除了气袋，增加了效率和容量。密封垫20有一个孔与接触环24的孔同心，该密封垫20与绝缘体22接触。密封垫20由不导电材料如橡胶制成。安装组件由紧固件如定位螺钉(set screw)固定。所需要的紧固力仅仅是适当固定组件所需要的最小的力。不需要预应力。
该结构并不限制驱动器的任何具体数量、厚度或尺寸。每一个具体应用都应考虑部件的结构参数；例如，驱动器位移量和驱动力的能力。
电压引线36经过外壳18中的一个钻孔定位在外壳18内。电压引线36与外壳18内的定位螺钉弹簧(set screw spring)38接触。弹簧38与电接触环24接触为环24提供所施加的电压。接触环24盖住部分垫片和驱动器。如图2所示，接触环24有一部分40与驱动器重叠，该重叠部分40是导电体如铝箔。与驱动器接触的接触环24的外部42是非导电材料，它有一与螺钉弹簧38接触的导电部分44。胶纸带是一种适合的非导电材料。虽然圆形驱动器及其有关的圆形安装部件是最佳的，但是也可以采用其他形状。
加在驱动器上的正负电压值随驱动器的厚度改变，岁太大电压产生的电弧改变。
在一个可选择的实施例中，前文描述的绝缘膜片22与驱动器26是一个整体。在该实施例中，整个驱动器26(两侧和边缘)封装在聚合物涂层中。
该铁电驱动阀机构比电磁和气动机构质量轻，所以在浮动问题出现之前可以在高频下工作。该阀消除了现有阀尤其是被动阀中存在的死区，该阀比现有阀更简单、效率更高。
显然，根据上述教导，对本发明作很多附加修改和变换是可能的。因此可以理解的是在权利要求的范围内，除了按这里具体描述的方式，还可以按其他方式实施该发明。
Claims (7)
1.一种铁电主动流体控制阀，它包括：
一个外壳；
经过所述外壳的流体入口装置；
经过所述外壳的流体出口装置；
一个圆顶形、内预应力式铁电驱动器，它有一个曲率，所述圆顶形驱动器有一个边缘和一个顶点，以及一个从经过所述边缘的平面到所述顶点测量的圆顶高度，该圆顶高度随施加在所述圆顶形驱动器内外表面之间的电压而变化；
用来安装所述驱动器的安装装置，该装置使驱动器与所述流体隔离，为施加到所述驱动器上的所述电压提供一个路径，并且当允许每个所述驱动器响应所述电压产生全位移时，为所述驱动器提供确定的抑制(positive containment)；和
阀止动块装置，同所述安装装置一起与输入装置对接，从而所述驱动器的位移打开和关闭一个圆柱形流动区，流体经过该区进入所述输出装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述入口装置包括一个管接头。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述出口装置是一个通过所述外壳的通道。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳包括一个顶盖和底盖。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述圆柱形流动区的尺寸使流过所述入口装置和所述出口装置的流体速度保持恒定。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述安装装置包括：
一个垫片，它有第一垫片平面和第二垫片平面，并有一个中心开口，所述驱动器位于该中心开口内，因而所述驱动器的外边界与所述开口边界接触；
两个电接触层，每一个接触层有一个中心开口，第一所述接触层设置为与所述第一垫片平面的一部分接触，第二所述接触层设置为与所述第二垫片平面的一部分接触，为所述驱动器提供电压接触；
一个绝缘膜片，它有第一绝缘平面和第二绝缘平面，所述第一绝缘平面位于第一所述接触层上方中心处并与其外表面的一部分接触，并在所述驱动器上方中央位置；
一个在所述驱动器和所述绝缘体之间的非导电流体，该流体有适当的粘性，使所述绝缘体和所述驱动器结合在一起；
一个非导电密封垫，它有一个中心开口，居中位于所述绝缘膜片正上方并且设置为与所述绝缘膜片接触；
一个非导电密封垫，位于第二所述接触层的正上方并且设置为与该接触层接触；和
紧固装置，该装置将所述垫片、所述接触层、所述绝缘体和所述密封垫固定到所述外壳上。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压装置包括：
位于所述外壳中的电压引线；和
与所述电压引线接触的定位螺钉弹簧，所述弹簧与所述安装装置接触。
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