CN1720408B - 控制流体流动的阀 - Google Patents

Abstract

一种控制流体流动的阀，包括：具有流体通道的主体(100)，该通道具有入口(10)和出口(90)；阻止流体经由通道进行流动的阀件(40、50)；以及用于移动阀件以控制流体从入口流向出口的移动装置；其中所述阀件形成为叶片，其一端安装在远离通道的位置(41、51)处；且其中用于移动阀件的移动装置(60)这样进行布置，以对叶片的另一端起作用，从而控制流体流经所述通道。

Description

控制流体流动的阀 

本发明涉及对低压可燃气流的控制。 

如在英国专利申请GB0030263.8和GB0011350.3中所公开，用于将压电致动器移动放大的变位机构(Indexing mechanism)可以用来使表面密封逐渐打开，但是与手动的解决方案相比，这种装置的成本高得令人不敢问津。 

在这样的应用中通常使用提升阀，其中密封件被压到孔上然后被顶离；但是这种装置的打开特性使得它们不能进行按比例的控制。在输入气压受到弹簧阻碍且致动器拉开弹簧的情形下，需要增加由弹簧密封力及额外弹性系数所产生的、用于致动器的力。当阀被气压所关闭时，随着密封件开始打开，压差随之消失，然后致动器会操作过量。例如具有蜗杆驱动的马达等解决方案可解决这个问题，但是从成本上讲是令人望而却步的。 

基于成本的理由，人们希望采用低能耗的简单部件，这就引发了对使用压电致动器的考虑。然而，这种致动器遇到的问题的是所需的移动量较大。对于气阀，阀件V的所需移动量由入孔的直径D决定。如图1所示，只有当阀件V位于孔上方、且与该孔的距离至少是直径D的25％时，才能实现顺畅的流动。这是因为圆筒直径D和25％D的高度所形成的面积与孔D的面积相等，因此该开口不构成约束。 

尽管对于不同规格情况略有不同，当气体控制阀中通过其最大流速时，要求这些气阀具有大约1毫巴的压降。为了实现这样低的压降，孔的尺寸必须基本上与输入管相同。在大多数炊具设 备中，输入管的内径为4mm，因此气阀必须至少离开孔1mm，而且最好是更高一些。这个移动量只能由压电陶瓷弯片(而不可以由压电陶瓷叠层)来实现，但是能够以合理价位来实现上述移动的设计范围非常有限。 

另一要素在于，如图2所示，从压电弯片(bender)处获得的力随着位移线性减小。为了维持可用程度的力，组件必须在该力的50％和无荷载偏转量(deflection)的50％范围内工作，如图2中的阴影框所示。 

从上述信息可以看出，由于闭合弹簧会使得所需的致动器的功加倍，从而使得已接近于实际极限的移动量减半，因此使用底压系统来作功是毫无吸引力的。从弯片获得一定的移动量，需要刚性相对小的系统。如果该系统具有较小的刚性，则逆着气压的打开过程必须经受得住阀打开时的失稳(collapse)所造成的冲击。如果致动器有足够的柔性来提供所需的运动，则就会倾向于脱离孔，并进入不受控的震动状态，而使得不可能精确调节气流。 

由于压电材料在本质上有一定程度的滞后，这将会阻止叶片在操作之后形成绝对的密封，因此人们并不希望使用致动器本身来作为密封装置。 

人们期待有一种打开顶压阀的装置，该装置可预防不可调节的震动，同时也允许使用致动器移动的整个范围。 

本发明提供一种控制流体流动的阀，其包括：具有流体通道的主体，其具有入口和出口；阻止流体经由通道进行流动的柔性阀件；以及用于移动阀件、以控制流体从入口流向出口的移动装置，其中所述阀件表现为弹性叶片的形式，其可绕着远离通道的轴线进行枢转。 

根据本发明的一个实施例，控制流体流动的阀包括：具有流体通道的主体，所述通道具有入口和出口；用于阻止流体经由通道流动的阀件；以及用于移动阀件以控制流体从入口流向出口的移动装置，其中，所述阀件表现为柔性叶片的形式，其一端安装在远离通道的位置处；且其中，用于移动阀件的移动装置这样进行布置，以作用于叶片的另一端，从而控制流体流经所述通道，其特征在于：围绕入口的周边设置有密封件，且所述叶片具有一定程度的刚性以提供趋向于保持叶片接触密封件的力；从而，在使用中，所述移动装置被布置成克服所述趋向于保持叶片接触密封件的力而提升叶片的另一端，从而允许流体流经所述通道。 

优选的是，叶片被设置成可提供所需的力/位移特征。 

在一个优选实施例中，用于移动阀件的移动装置为压电致动器。而且，所述阀可具有多个输入，其中每个输入都具有其自己的阀件。这种情况下，阀件的特征可以不必相同，但优选使用单个致动器来操作两个阀件。 

此外，可以将多个阀并排地安装在阀组件中，这允许该阀组件构造成多层。 

为了让本发明更易于理解，下面参照附图通过实例来说明本发明的实施方式。 

附图中： 

图1示出了用于解释本发明所依据基本原理的图； 

图2示出了用于解释本发明所依据的基本原理的另一图； 

图3粗略地示出了按照本发明实施例的阀的局件的剖视图； 

图4a至4c示出了适用于本发明的三种不同形状的阀件的俯 视图； 

图5示出了对图3中所示阀的局件的改进； 

图6示出了对图5中所示布置的详细修改； 

图7示出了可用于本发明的、阀件阵列的俯视图；以及 

图8示出了多个阀的完整阀组件的立体图，其中每个阀是图4中所示的阀。 

如图3所示，按照本发明的实施例，气阀包括具有出口90的主阀体100和以密封的方式连接至主阀体100的封盖件101。封盖件101具有布置成连接至气体源的入口10，并且在阀内形成腔102。入口10与出90之间的气流由呈叶片40、50形式的一个或多个阀件进行控制，其中这些阀件布置成密封住通往通道70、80的入口，且该通道70、80位于主阀体100内并连通出口90。 

稍后将对上述多个或一个阀件叶片进行更详细的说明，其中该叶片是通过连接至适当致动器61上的升降件60来移动。致动器的优选形式是压电致动器，例如英国哈洛(Harlow)的PBT有限公司所销售的、商标名称为Servocell的致动器。也可以采用其它的致动器，例如使用磁致伸缩材料、电致伸缩材料或其它能形成为弯片构造的活性材料的致动器。对于低速操作的情况，该装置也可以由热力式双金属器件来驱动。 

如图3所示，致动器61位于阀外，且升降件60贯穿封盖101而突伸出来。当然，这需要穿过该封盖进行开口，以形成与升降件60之间的滑动密封。依赖于所涉及的流体，也可以将致动器61设置在阀自身之内，从而免除对密封开口的需要。因为致动器上涂有适当的保护层，并在其表面上具有导电薄膜以防止致动器断裂时产生火星，因此最终的设计中就没有用于致动器的独立腔。 

下面来说明叶片40、50，图中所示的每个叶片在一端41、51处安装在主体100的顶表面104处，从而使得另一端42、52能通过升降件60的动作而升起或脱离，以打开通往通道70、80或其中任一个通道的入口。上述安装可以通过夹持、焊接或结合来实现；而且，如稍后将要说明的，为了实现所需的密封程度，该安装优选允许端部41、51可以进行一些有限的移动。 

叶片40、50都表现为适当尺寸的较薄叶片，并最终在施加20毫巴的顶压时形成气密性密封。叶片均优选由适当弹性程度的金属制成。许多的叶片形状都适用于本发明的应用。这种叶片的例子有：简单的悬臂、恒应力横梁(constant stress beam)，或者当打开时根据几何学原理改变其刚性的曲板(convolute)。仅作为示例，图4显示了这些基本的叶片形状，其中图4a示出的是简单的悬臂，图4b示出的是恒应力横梁，图4c示出的是按几何级数变化的曲板。 

可通过引入切口和其它特征来修改图4中的形状，以让其具有逐渐增大或减小的刚性。 

叶片40形成了旁路叶片，其盖住了允许有限量气体流至阀出口90的旁路通道70，从而提供适用于引燃灯(pilot light)和文火煨炖(simmer)功能的受控低度火焰。叶片50形成了主流动叶片，其盖住为阀提供主要流动特征的主通道80。如果提供了压力检测装置形式的适当反馈，就可能从单个的孔和叶片布置方式来实现引燃(pilot)和主燃烧器功能。 

用来将叶片从密封状态提升起所需要的力，由下列等式来定义： 

F＝S1+(S×d)+(P×A) 

其中，S1是密封叶片所施加的初始压力；S是密封叶片的弹性系数；d是为了克服密封中柔量所需要的距离；P是阀与出口之间的气压差；A是将被打开的孔的面积。 

这个等式适用于整个的打开动作。 

通过使简单悬臂具有足够的刚性，可减弱不受控震动现象，但是优选叶片被形成为能在孔打开时迅速增大刚性。横梁的偏转量由下列公式确定： 

d＝Wl³/3EI 

其中d是偏转量；W是荷载；l是悬臂的长度；E是材料的杨氏模量；I是段面的第二转动惯量。 

对于简单横梁，第二转动惯量由下列方程定义： 

I＝bd³/12 

其中，b是宽度，d是横梁厚度。 

如果横梁宽度按几何级数变化，则相对偏转量将相对于该宽度值的倒数呈线性变化。按图4c所示，所述部分逐渐增加刚性，以进行移动。图5中示出了通向通道80的开口相对于横梁形状的位置。当工作压降较高时，最好增加刚性的变化率；由于上述方程是三次方函数，因此可以通过改变d值来实现这一点。这通过引入图5中所示、沿着其边缘56安装的辅助叶片55来实现。首先，通过柔性叶片来打开开口，之后随着压差消失，由刚性较大的部件来实现减震。 

已经发现，使用图5所示构造的优点在于，可以修改整体构造，从而让通向通道80的入口具有弹性密封表面，例如具有图6中具体示出的O形密封环81。 

此外，柔性叶片50松散地在其一端51进行安装，以便进行有限的垂直移动(如图3所示)，从而让叶片50靠着O形密封环81实现密封。辅助叶片55被布置成在通往通道80的开口面积内与柔性叶片接触。优选的是，该接触是在该入口处的有效点接触。对于前述实施例，可以选择柔性叶片50和辅助叶片55的形状，以提供所需的阀特征。 

在使用中，通过对致动器61进行致动来打开通道80，以逆着叶片50和辅助叶片55的弹性力以及气压来提升起叶片50的端部52。该通道由于叶片50的弹力、辅助叶片55所施加的力和气压而关闭。通过这些力和文丘里效应来维持密封。 

阀功能的本身特性可方便地适用于层状构件的制造，且允许将基本构造复制成多重输出的装置。图7示出了由单层材料形成的7个阀叶片的阵列。该阵列可具有任意合适的叶片数，其中7个叶片足够用于四个炉圈、一个烤架和两个烤箱。 

使用压电弯片致动器，可允许该致动器制成单个的部件或者优选制成多个的单独作用部件。图8示出了一个完整的阀组件，其致动器形成为单个阵列。 

可以修改图7和8所示的布置方式，以将图6所示的相关构造用作图4所示的基本布置方式。 

通过上述和类似构造可得到成比例输出的电子阀，其使用小力、大动作的致动器在20-200毫巴范围内的顶压下进行工作，并控制住临界开口和约束区，以防止突然打开及因此导致的流动上的不受控波动。 

Claims (8)

1.一种控制流体流动的阀，包括：

具有流体通道的主体，所述通道具有入口和出口；

用于阻止流体经由通道(80)流动的阀件(50)；以及

用于移动阀件(50)以控制流体从入口流向出口的移动装置(60，61)，

其中，所述阀件(50)表现为柔性叶片的形式，其一端安装在远离通道的位置处；且

其中，用于移动阀件的移动装置这样进行布置，以作用于叶片的另一端，从而控制流体流经所述通道，其特征在于：

围绕入口的周边设置有密封件(81)，且所述叶片具有一定程度的刚性以提供趋向于保持叶片接触密封件的力；

从而，在使用中，所述移动装置被布置成克服所述趋向于保持叶片接触密封件的力而提升叶片的另一端，从而允许流体流经所述通道。

2.如权利要求1所述的控制流体流动的阀，其特征在于：所述叶片具有这样的形状，其使得当该叶片被所述移动装置移动时，该叶片具有所需的刚性。

3.如权利要求2所述的控制流体流动的阀，其特征在于：所述叶片在所述一端处松散地进行安装，以在移动方向上提供有限量的移动。

4.如权利要求3所述的控制流体流动的阀，其特征在于：一个辅助件(55)设置在柔性叶片(50)之上，并在通向通道的入口的周边范围内与该柔性叶片进行点接触。

5.如权利要求4所述的控制流体流动的阀，其特征在于，所述辅助件(55)表现为叶片的形式。

6.如权利要求3-5中任一所述的控制流体流动的阀，其中所述密封件设置成O形圈的形式。

7.如权利要求1-4中任一所述的控制流体流动的阀，其中所述移动装置包括连接到压电致动器(61)上的升降件(60)。

8.如权利要求1-4中任一所述的控制流体流动的阀，其中流体流动的方向与移动装置作用的叶片提升方向相反。

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