CN1763384B - 具有差动辅助返回的直接操作式气动阀 - Google Patents

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Abstract

具有差动辅助返回的直接操作式气动阀一种流体控制阀包括一个阀体，所述阀体具有流体入口和排放口。一个在阀体内轴向上延伸的流道与入口和排放口连通。流道内的阀构件通过一个致动器力朝一第一方向活动，以使加压流体从入口流向排放口。阀构件包括第一和第二阀头，及一个阀座构件，上述第一和第二阀头具有不同的直径。阀座构件接合流道的第一和第二密封直径，第二密封直径小于第一密封直径。作用在第一阀头不同直径上的流体压力和与第二密封直径接触的阀座构件形成一个净返回力，所述净返回力在除去致动器力时使阀构件朝向第二方向，所述第二方向与第一方向相反。

Description

具有差动辅助返回的直接操作式气动阀
技术领域
本发明一般涉及气动阀总成，更具体地说，涉及一种直接操作式气动阀。
背景技术
直接操作式或驱动式气动阀在用于控制高压气体穿过其流动的技术中是众所周知的。直接操作式阀可以单独使用或者在例如滑阀和调节器方面使用，上述调节器又控制压缩空气流到各种气动式驱动的装置及从上述气动式驱动装置中流出，如压力机离合器，空气制动器，分类装置或任何其它气动装置或要求精密控制操作空气的应用。两通、三通、四通、和五通直接操作式阀总成通常在这些环境中应用。这些阀可以包括一个阀体，所述阀体具有一个在该阀体中形成的流道。一个阀构件支承在流道内，并可直接随着由致动器放在阀构件上的操作力从一个位置移动到另一个位置。利用多个口来将阀总成连接到一个系统供应压力上及各种阀可以控制的有源装置上。致动器通常是一种电磁操纵式螺线管，所述电磁操纵式螺线管通电，以便将阀构件移动到流道内的一个预定位置。经常应用一个回动弹簧来使阀构件偏置回到一个已知的断电位置。这类阀应用于各种希望有高流速和快速响应时间的制造环境中。
随着用于这些阀的技术进展，对一些为具有一直减小实际尺寸的操作环境而设计的阀需求增加。此外，这些阀必需能用很快的循环时间操作。然而，在过去，某些设计障碍限制了阀总成的尺寸可以减小而同时增加它的速度的范围。当阀构件和流道减小低于一预定尺寸时，回动弹簧可能具有不足的物理尺寸和机械强度来克服阀构件的惯性。此外，在阀构件通过致动器朝一个方向偏置之后，在阀构件密封和流道的界面处可能产生摩擦力和表面粘着力。这些摩擦力和相关的表面粘着力可以起作用，以便禁止阀构件朝返回方向运动，这样降低了阀速度，并因此增加了阀响应时间。如果当除去致动器的力时回动弹簧不能提供足够的偏置力以便快速而有效地使阀构件从它的通电位置移动，并使它返回断电位置，则有源装置的准确控制丧失。为了抵消这个缺点，已经出现了各种设计对策。然而，在相关技术中提出的一些设计对策全都具有缺点是它们增加辅助机构或软件或者要求远距离安装阀。
例如，在相关技术中所提出的一种设计对策包括利用双电磁致动器来使阀构件朝相反方向移动。因此，回动弹簧用一种电磁致动器如螺线管代替。然而，这种解决方案增加了复杂性及一个第二螺线管和与其相关部件的成本，并且还形成另外的限制边界的尺寸。在相关的技术中提出了若干单个的电磁致动器，这些致动器朝两个方向通电。然而，这些单个的电磁致动器要求体积大的双绕线致动器及额外的电子电路和控制装置，因此通常安装在比它们控制气动式驱动装置远的地方。远程设置的阀达不到提供很靠近有源装置安装的阀的目的。这些阀必需通过管道或其它流道互连，上述情况要求额外的硬件和管道装置，并可能降低气动效率和在系统内引入线路损失。
具有直接安装的螺线管致动器的直接操作式阀已经研制出来，上述阀通过阀构件中的旁通孔提供一部分旁通流，以便帮助回动弹簧克服摩擦力和相关的表面粘着力。这种阀的一个例子在美国专利申请10/150,291中提供，所述专利题为“具有空气帮助返回的直接操作式气动阀”，转让给本发明的被转让人，其公开内容包括在本文中作为参考文献。这种旁通流设计是有效的，但要求复杂的旁通孔机加工，这样增加了阀的成本。因此需要进一步简化直接操作式阀设计。
发明内容
针对本发明要解决的问题，本申请提供一种阀，用于控制加压流体，包括：阀体，所述阀体包括一个流体入口，至少一个流体排放口和一个与入口和排放口二者连通的流道，流道限定相对流道的纵向轴线轴向间隔开的第一和第二环形阀座点，第一阀座点具有第一密封直径而第二阀座点具有第二密封直径，所述第二密封直径小于第一密封直径；阀构件，所述阀构件具有可在流道内滑动式定位的第一和第二阀部分，第一阀部分具有一限定第一部分面积的第一部分直径及第二阀部分具有一限定第二部分面积的第二部分直径，所述第二部分面积小于第一部分面积；阀构件的阀座元件，可定位成在第一位置贴靠第一阀座点和在第二位置贴靠第二阀座点；其中阀构件可通过朝第一方向施加的驱动力从第一位置活动到第二位置，在第二位置中于第二密封直径处作用在第一部分面积和阀座元件二者上的加压流体形成一个净返回力，所述净返回力可操纵以便在驱动力停止时使阀构件能朝向第二方向移动，所述第二方向与第一方向相反。
本申请还提供一种直接操作式阀总成，包括：阀体，所述阀体包括一个流体入口，至少一个流体排放口及一个与上述入口和排放口成流体连通的流道，流道具有一个第一密封直径和一个第二密封直径，所述第二密封直径小于第一密封直径；阀构件，所述阀构件具有可滑动式设置在流道内的第一和第二阀头，第一阀头具有一第一头部直径，而第二阀头具有一第二头部直径，所述第二头部直径小于第一头部直径；阀座元件，所述阀座元件设置在阀构件上，可适合于在贴着第一密封直径的第一位置和贴着第二密封直径的第二位置中密封；及致动器，所述致动器直接安装到阀体上，所述阀体可操纵成产生一个驱动力，以便朝第一方向移动阀构件；其中在第二位置中，作用在第一头部直径和第二密封直径之间所确定的面积差上的加压流体产生一个净返回力，所述净返回力可操纵以便在驱动力停止时使阀构件能朝向一第二方向移动，所述第二方向与第一方向相反。
本申请再提供一种直接操作式阀总成，包括：阀体，所述阀体包括一个流体入口，至少一个流体排放口及一个与入口和排放口二者连通的流道，流道具有一个第一密封直径和一个第二密封直径，所述第二密封直径小于第一密封直径；阀构件，所述阀构件具有可滑动式设置在流道内的第一和第二阀头，第一阀头具有一个第一头部直径，而第二阀头具有一个第二头部直径，所述第二头部直径小于第一头部直径；阀座元件，所述阀座元件设置在阀构件上，可适合于在贴着第一密封直径的第一位置和贴着第二密封直径的第二位置中密封；致动器，所述致动器直接安装到阀体上，可操纵产生驱动力，以使阀构件朝第一方向移动；及偏置构件，所述偏置构件可设置在阀构件和阀体之间，适合于使阀构件朝第二方向偏置，所述第二方向与第一方向相反；其中在第二位置中，作用在第一头部直径与第二密封直径之间的面积差上的加压流体产生一个净返回力，所述净返回力在驱动力停止时与偏置构件的偏置力一起可操纵，以便使阀构件能朝向与第一方向相反的第二方向移动。
本申请还提供一种用于控制直接操作式阀总成的功能的方法，阀总成具有阀致动器，流道，和阀构件，上述阀致动器直接连接到阀体上，上述流道在阀体内轴向上延伸，而上述阀构件包括第一阀部分，流道具有一个第一密封直径和一个第二密封直径；该方法包括：将阀构件滑动式支承在流道内，其中第一阀部分接触阀致动器；用阀致动器产生一个驱动力，以便直接使阀构件朝第一方向移动；及提供第二密封直径，所述第二密封直径比第一密封直径和第一阀部分小，其中多个力作用在阀构件上，以便得到一个净返回力，所述净返回力可操纵，以便在除去驱动力时帮助使阀构件朝第二方向移动，所述第二方向与第一方向相反。
具有本发明差动辅助返回的一种直接操作式气动阀，提供一种直接操作式阀总成，所述直接操作式阀总成消除了旁流孔。更具体地说，直接操作式阀总成包括一个阀体和至少一个汽缸口，上述阀体具有一个与压缩空气源连通的压缩空气供应入口。一个流道在阀体内轴向上延伸，及一个阀构件活动式支承在流道内若干预定的位置之间，以便选择性地使压缩空气从入口通向汽缸口。一个致动器安装到阀体上，用于直接使阀构件朝一第一方向移动。一个偏置构件与致动器相对设置，并位于阀构件和阀体之间。
阀构件包括具有不同头部直径的阀头，所述阀头在流道中顶着阀座安置，上述阈座直径也不同。作用在不同面积上的流体压力提供几个操作条件，上述不同面积由阀头直径和阀座直径之间的差别产生。当阀致动器断电时，流体压力的力平衡，并且偏置构件提供足够的力，以使阀构件保持处于一个关闭位置。当阀致动器通电而阀构件从关闭位置移动时，作用在由阀构件不同直径所产生的不同面积上的压力的力产生一种不平衡的条件。不平衡压力的力加上压缩式偏置装置的力形成一种净返回力，以便操作式使阀构件朝一个方向移动，所述方向与致动器断电时由致动器所感生的运动方向相反。
本发明的直接操作式阀总成具有明显的优点。作用在具有不同直径的阀座面积和流道上的空气压力产生作用在阀构件上的力的差异。尤其是，朝一个方向作用在位于流道一第一较大阀座面积内的较大直径阀构件头面积上的空气压力，与朝相反方向上在位于流道一较小阀座面积内的较小直径阀构件头上同时工作的空气压力相结合，帮助偏置构件，以便操作式使阀构件朝与致动器所感生的运动方向相反的方向移动。本发明气动阀的阀操作速度近似等于只用一大回动弹簧的阀或具有回动弹簧加上一个旁通孔的阀。本发明的阀总成省去了旁通气流，因此消除了复杂性和空气助推旁通孔的成本。一旦致动器断电，偏置构件的自动返回特点和由各阀构件头和流道阀座面积几何形状所产生的力不平衡就快速而有效地使阀构件移动远离它的通电位置。空气帮助自动返回特点提供必要的压力/力，以便帮助阀移动到断电位置。
本发明的直接操作式阀总成当它们显著减小尺寸时，具有优于常规阀总成的优点。当一个偏置构件单独具有不足的实际尺寸和机械强度来重复、快速、而有效地克服阀构件的惯性和/或超过在流道处作用的摩擦粘着力时，本发明的阀总成提供阀构件的迅速加速作用。这样能制成尺寸比常规标准及使用高瓦数的螺线管或致动器更小的很快作用的阀总成。
本发明的另一些适用领域从下面提供的说明将变得显而易见。应该理解，尽管指出了本发明的优选实施例，但详细说明和一些具体例子打算仅用于举例说明的目的，并且不打算用来限制本发明的范围。
附图说明
本发明从详细说明和附图将变得更充分理解，其中：
图1是本发明具有自动返回的一种直接操作式阀总成的透视图；
图2是图1所示直接操作式阀总成的局部侧剖图；
图3是从图2取出的局部部件分解剖视图；
图4是基本上在图2中示出的直接操作式阀的阀体部分侧剖图，同时示出当螺线管断电时阀构件的位置；
图5是与图3相同的侧剖图，同时示出位于螺线管通电位置和螺线管断电位置之间的阀构件；
图6是基本上在图2中示出的直接操作式阀的阀体部分侧剖图，同时示出当螺线通电时阀构件的位置；
图7是本发明直接操作式阀总成另一个优选实施例的局部剖视的侧视图；及
图8是用于操纵本发明的具有差动辅助的直接操作式阀总成的一些方法步骤的流程图。
具体实施方式
下面一些优选实施例的说明实质上仅是示例性的，并且一点也不打算限制本发明，它的应用或用途。
现在参见附图，各附图中相同的标号始终是代表相同的结构，本发明直接操作式阀总成的一个实施例在图1中一般用标号10表示。阀总成10包括一个阀体12和一个安装到阀体12上的电磁型致动器14。阀体12具有一种分别限定顶部和底部表面16，18的薄矩形形状，一对在顶部和底部表面16和18之间延伸的相对的侧表面20，22，及端表面24，26。在一个优选实施例中，致动器14是一种螺线管总成，所述螺线管总成安装到阀体12的端表面24上。
现在参见图2和3，阀体12包括一个加压流体入口28，所述加压流体入口28用于与一个加压流体源(未示出)如空气连通。阀体12还包括至少一个排放口，在一个实施例中上述排放口包括一个出口30和一个排气口32。一个阀孔或流道34在轴向上贯穿阀体12。在图1-3所示的实施例中，直接操作式阀总成10是一种三通阀，并包括入口28，出口30和排气口32，它们各与流道34连通。在这个实施例中，入口28，出口30和排气口32各穿过阀体12的顶部表面16以一种“支管”式样形成。然而，该技术的技术人员应该理解，穿过阀体12各种不同的表面可以形成各种口。在不脱离本发明范围情况下，这些口和通道可以在表面16，18，20，和/或22之间分开。入口28，出口30和排气口32也可以形成螺纹，以便放入为与另外的部件形成流体连通所必需的任何机构，上述另外的部件操作式与阀总成10有关。为此，阀体12适合于安装到支管，基层，或任何数量的各种气动式执行装置(未示出)上。
如图2-3中所示，流道34完全贯穿阀体12以便提供一对开口端36，37。一个阀构件38可在流道34内若干预定位置之间滑动式活动，以便选择性地使压缩空气从入口28流向出口30和排气口32，如下面更详细说明的。第一末端保持架40和第二末端保持架41设置在流道34内，以便滑动式接收阀构件38。
在一个优选实施例中，阀构件38可以是一个提动头，所述提动头支承在流道34内，用于在流道34中往复运动，以便控制流体流过阀体12。在这个实施例中，阀构件38还包括对置的阀头，其中包括设置在阀构件38两端处的第一阀头42和第二阀头43。一个阀座元件44设置在对置的阀头42，43之间阀构件38的隆起部分45上。操纵阀座元件44的位置，以便选择性地使压缩空气从入口28经由流道34流到出口30，或者使压缩流体从出口30流到排气口32。第一末端保持架40具有一第一孔46，而第二末端保持架41具有一第二孔47，上述第一孔46和第二孔47分别接收第一阀头42和第二阀头43，并使阀构件38能在阀体12内滑动式移动。第一孔46和第二孔47部分形成流道34部分。一个密封件48如O形圈设置在第一阀头42和第一末端保持架40之间，以便在入口28和开口端36之间提供一种流体密封。在第二阀头43和第二末端保持架41的第二孔47之间不需要同样的密封件。
在一个实施例中，提动头阀构件38优选的是一种铝插件，所述铝插件在隆起部分45处过模塑并与橡胶接合，以便形成阀座元件44，及研磨成特定的尺寸以便形成例如第一和第二阀头42，43。然而，从下面的说明可知，该技术的技术人员应该理解，本发明一点也不限于在提动头阀方面使用。相反，本发明可在任何其它直接操作式阀方面应用，上述直接操作式阀包括，但不限于，例如滑阀、平橡胶提动头阀、瓣阀、导阀、或者邻近或远离气动式执行装置应用的阀总成。
在图2中示出用于阀构件38的每个螺线管通电和断电位置。螺线管通电位置显示在穿过流道34形成的纵向轴线50的左面，而螺线管断电位置显示在纵向轴线50的右面。为了到达螺线管通电位置，阀构件38朝箭头“A”方向行进，直至阀座元件44与第二末端保持架41的一个终端52接合时为止。在这个位置中，在入口28和出口30之间经由流道34形成一个流动路线。通过接合终端52的阀座元件44阻止来自入口28的气流进入排气口32。为了返回螺线管断电位置，阀构件38朝箭头“B”方向行进，直至阀座元件44与一个阀座点54接合时为止，上述阀座点54在伸入流道34的环形阀体延伸部分56的远端处形成。在断电位置中，一个流动路线通过终端52在出口30和排气口32之间形成，以便让压缩流体经由排气口32排出。在断电位置中，通过接合阀座点54的阀座元件44阻止来自入口28的气流进入出口30或排气口32。
如在图2中最佳看到的，在一个优选实施例中，致动器14是一种作为螺线管总成设置的电磁螺线管，上述螺线管总成一般包括一个外壳58，所述外壳58安装到阀体12的端表面24上。致动器14提供一个推针60，所述推针60接触阀构件38的第一阀头42，以使阀构件38朝向箭头“A”的通电方向。外壳58还包括一个极板62，一个盖64，和一个螺线管密封外壳66，上述极板62邻近端表面24设置，上述盖64与极板62相对设置。螺线管密封外壳66支承一个导电线的线圈68，上述导电线线圈68通常绕一绕线管70缠绕。导电线通过一个或多个引线销72连接到电流源上。引线销72连接到一个或多个电触点74上和连接到引向电流源的一个或多个导线(未示出)上。由电流通过线圈68所产生的电磁力可由一个控制电路(未示出)控制。
推针60滑动式贯穿极板62中的一个开口。极板62还包括一个铁磁性极片76。推针60接触一个铁磁电枢78，所述铁磁电枢78设置在螺线管密封外壳66和盖64之间。电枢78和推针60在电磁通量影响下朝极片76方向移动，上述电磁通量由朝一个方向流过线圈68的电流脉冲产生。这个通量产生一个朝方向“X”的驱动力，所述驱动力驱动推针60，以便使阀构件38朝螺线管通电方向“A”移动。
电枢78朝箭头“C”方向的总位移可以部分地用一个调节装置80控制。在所示的实施例中，调节装置80用螺纹接合到盖64上，以使可移动的端部82接触与推针60相对设置的电枢78的远端。通过调节调节装置80的螺纹接合深度，预定在断电位置和通电位置之间推针60和阀构件38的总行进距离。
尽管本文说明了一种特定的电磁式驱动装置，但与本发明阀总成一起应用的致动器14可以是用于气动阀的任何已知类型。还应该理解，尽管本发明气动阀总成10的一个优选实施例示出为一种三通阀，但可供选择地本发明可以用两通阀、四通阀或类似阀实施。
如图3中最佳看出的，当阀构件38通过推针60朝向螺线管通电位置时，在阀座点54和阀座元件44之间提供一个流动路线“D”。阀构件38的运动持续至阀座元件44接合一个密封触点86为止，所述密封触点86在终端52的密封边缘88上形成。理想情况是形成密封边缘88，与阀座元件44的接合面90成一个角度θ，以便形成环形触点来产生阀密封。这在美国专利No.6,668,861中示出和说明(2003年12月30日授权给Williams，共同转让给本发明的被转让人，其公开内容包括在本发明中作为参照文献)。在螺线管通电位置中，防止流体通过第一密封件96在终端52的外周边92和阀体12隆起的周边表面94之间绕过终端52。在一个优选实施例中，第一密封件96是一种弹性O形圈。第一密封件96保持在终端52中所形成的密封槽98内。
一个偏置构件100设置在一个空腔101内，所述空腔101在第二阀头43内形成，并接合在第二阀头43内所形成的壳层102和第二末端保持架41的表面104二者。偏置构件100产生一个偏置力，如力箭头“Z”所示。偏置构件100的功能将在下面更详细说明。在所示实施例中，偏置构件100是一种螺旋式弹簧，然而，该技术的技术人员应该理解，任何在该技术中通常已知的足够朝一个方向提供力的偏置机构都可以适合于在本申请中使用。另外，该技术的技术人员应该理解，由于有极大量的适宜偏置构件可以在这种环境中应用，所以这里试图将它们全部编目不是很有效。相反，对于描述和举例说明的目的来说明偏置构件100施加一恒定向上的力顶着阀构件38应该足够，如图2-5所看到的。
在螺线管断电位置(如图3中所看到的，一部分在纵向轴的右边示出)中，在阀座元件44和密封边缘88之间形成一个流动路线“E”。第二末端保持架41基本上是杯形，并包括多个气缸通道106，所述多个气缸通道106限定在第二末端保持架41中，并在径向上彼此相对间隔开。各气缸通道106提供流道34与各个相邻口之间的流体连通，例如以便让流体在出口30经由流动路线“E”到排气口32之间流动。在螺线管断电位置中，防止流体通过第二密封件114在第二末端保持架41与阀体12之间以及在邻近终端52的外周边110与阀体12隆起的环形表面112之间从螺纹连接部分108跑出。与第一密封件96相同，在一个优选实施例中，第二密封件114是一种弹性O形圈。第二密封件114保持在第二密封槽116内，所述第二密封槽116设置在密封槽98和螺纹连接部分108之间的第二末端保持架41中。
图3还示出，阀座点54形成一个具有直径为“F”的第一环形密封。密封边缘88的密封触点86形成一个具有直径为“G”的第二环形密封。此外，第二末端保持架41的第二孔47具有一直径为“H”。直径“G”基本上等于直径“H”。直径“F”大于直径“G”和“H”二者，原因将在下面更详细说明。
参见图3和4，对阀构件38来说，为了从螺线管断电位置行进到螺线管通电位置(或者朝相反方向)，空腔101中或者邻近开口端36的第二空腔117中的流体必需移动。为此，设置了一个阀均衡通道118(在图3中只示出一部分)。此外，在第二末端保持架41的第二孔47与邻近第二阀头43的远端124的圆筒形外表面122之间提供一个间隙120。因此流体通过阀均衡通道118在空腔101与开口端36或排气口32之间移动和/或间隙120使阀构件38能在流道34内纵向上移动。
图4示出阀构件38的螺线管断电位置，其中致动器14断电。在这个位置中，流动路线“E”打开，而阀座元件44的第二接合面128与阀体延伸部分56的阀座点54接触。在出口30和排气口32之间的流动路线“E”保持打开，直至电枢78通电为止。流动路线“E”在阀座元件44的接合面90与密封边缘88的密封触点86之间打开。流动路线“E”还包括一个凹槽130，所述凹槽130邻近阀构件38的第二阀头43形成。凹槽130与多个气缸通道106连通，以便完成一个流体流动路线。为了到达螺线管断电位置，当阀构件38朝箭头“B”方向行进时，第二空腔117中的流体通过阀均衡通道118移动到空腔101中。入口28中的加压流体与出口30和排气口32隔离。通过密封件48防止入口28中的加压流体泄漏到第二空腔117中，如上所述。
一般返回到图5，图5示出阀构件38的一个中间位置。在中间位置中，电枢78刚好通了电，同时使推针60开始将阀构件38重新定位，以使阀座元件44的第二接合面128不再接触阀体延伸部分56的阀座点54。流动路线“D”和“E”二者都打开。阀座元件44的接合面90也不接触密封边缘88的密封触点86。空腔101中的流体通过阀均衡通道118移入到第二空腔117中。
接下来参见图6，图6示出阀构件38的螺线管通电位置。在这个位置中，流动路线“D”打开，并且阀座元件44的接合面90接触密封边缘88的密封触点86，同时关闭流动路线“E”。偏置构件100被电枢78通过推针60所提供的力压缩。在入口28和出口30之间的流动路线“D”保持打开，直至电枢78断电时为止。空腔101中的流体通过阀均衡通道118移到第二空腔117中。通过设置在第三密封槽132内的密封件48防止加压流体泄漏到第二空腔117中。密封件48在第一末端保持架40具有孔直径为“J”的内部圆筒形壁134与第一阀头42的外部周边壁136之间形成一种密封。孔直径”J”基本上等于阀座点54的直径“F”。
图6还表示用于第二末端保持架41的一种可调的特点。从端表面26到第二末端保持架41的终端52所测得的深度“K”通过递增式调节螺纹连接部分108进行控制。通过控制深度“K”，控制密封边缘88的位置。由此控制阀构件38的阀座元件44在阀座点54与密封触点86之间的移动，所述移动可用来改变阀循环时间，从阀总成10中排放的流体总体积等。
现在将参照上述附图说明阀总成10的操作。参见图4，阀总成10起初是断电，因此阀构件38位于断电位置处。入口28中的加压流体朝力箭头“M”向上的方向上作用在一个面积140上，如图4所示。面积140是在从第一阀头42的直径“J”减去阀构件38的直径“L”之后第一阀头42的其余面积(面积140＝π((J-L)/2)2)。同时，入口28中的加压流体朝力箭头“N”向下的方向作用在一个有效面积142上，如图4所示。面积142是在从直径“F”减去阀构件38的直径“L”之后第二接合面128接合在阀座点54处的其余面积(面积142＝π((F-L)/2)2)。由于直径“J”和“F”基本上相等，所以面积140基本上等于面积142，并且平衡的力(M＝N)作用在处于这个位置的阀构件38上。因此偏置构件100是必需的，同时提供一个压缩力，以便保持第二接合面128与阀座点54接触，并在入口28和出口30(以及排气口32)之间形成密封。
一般参见图2-6，当流体压力在断电位置中横过阀构件38平衡时，致动器14的电枢78仅必需克服偏置构件100的偏置力“Z”和密封件48的任何摩擦/粘着力，以便开始阀构件38的运动。当电枢78通电时，它的力“X”建立直至所述力“X”足够克服偏置力“Z”和密封件48的摩擦/粘着力时为止。此后阀构件38开始移动。如图5所示，在阀构件38移动一个足够的距离以便在第二接合面128和阀座点54之间形成一个间隙(流动路线“D”)之后，阀构件38不再“压力平衡”。
流动路线“D”刚一形成，在凹槽130中流体压力就开始建立并顶着第二阀头43的表面144。表面144的面积146是在从直径“H”减去阀构件38的直径“R”之后其余的第二阀头43的面积(面积146＝π((H-R)/2)2)。对这种计算，第二阀头43与第二孔47之间的间隙120忽略不计，因为它对产生的力差影响极小。因此对这种分析场合，将第二阀头43的直径“V”处理成基本上等于直径“H”。最后得到的力“S”作用在面积146上，上述力“S”方向相反但小于力“M”，因为直径“J”大于直径“H”或“V”(面积140＞面积146)。因此形成一种压力平衡(M-S)，所述压力不平衡(M-S)与螺线管力“X”方向相反。然而，由于阀构件38在这时已处于运动状态，并且当电枢78接近极片76时螺线管力“X”持续建立，所以阀构件38快速加速。
在图5所示的中间位置中，流动路线“D”和“E”二者都打开。流体压力作用在阀座元件44上的力呈现基本上平衡。流体流过出口和排气口30，32的微小差压影响忽略不计。
现在参见图3和6，当阀座元件44的接合面90接触密封触点86时，螺线管力“X”和阀构件38的动量压缩接合面90顶着密封触点86和一部分密封边缘88。由于角度θ所提供的阀座面积间隙(图3)，所以压力作用在仅仅一部分接合面90上。在这个位置中，形成一个净力或最终力“T”，所述最终力“T”与流体力“M”相反。力“T”由作用在一个面积148范围内阀座元件44接合面90上的压力产生。面积148是从直径“G”减去阀构件38的直径“L”之后阀座元件44接合在密封触点86延伸部分处的其余面积(面积148＝π((G-L)/2)2)。一种易于往朝上方向返回阀构件38的净返回力“U”(与螺线管力“X”相反)由力“M”和力“T”之间的差值(U＝(M-T))产生。当密封边缘88在密封触点86处的压缩阻力、偏置构件100的偏置力及净返回力“U”的组合等于螺线管力“X”时，阀构件38的运动停止。这样产生阀总成10的通电位置。在入口28处和出口30处的压力现在从排气口32堵住。
这时，有三个力存在，所述三个力可用来使阀构件38快速返回它的断电位置。首先，将偏置构件100压缩，同时另外增加偏置力“Z”。其次，当阀座元件44压缩顶着密封触点86和密封边缘88时临时产生一个压缩力“Y”。第三，净返回力“U”作用，以便朝箭头“B”的断电返回方向返回阀构件38。
此后电枢78断电时，阅构件38由于上述三个力而快速移动。当第二接合面128贴着并压缩顶着阀座点54时阀构件38停止。由于直径“F”和直径“J”相等，所以使用于阀构件的压力平衡条件恢复，并且当第二接合面128的压缩阻力等于偏置构件100的偏置力“Z”时阀构件38停止移动。此后出口30中的压力经由流动路线“E”通过排气口32或者通过打开的出口30分散。
图7表示本发明的另一个实施例，图7的实施例具有多个与图2所示不同的口位置。图7表示对本发明的5个口多种可供选择的构造的其中之一。在图7中，一个阀总成150包括一个阀体152，所述阀体152具有一个安装于其上的致动器14。一个出口154与出口30相同定位，与图2所示相同朝向左方。一个入口156定位到右面，如图6中所示，或者与图2所示的入口28相反。一个排气口158如图7中所示朝向观者的方向。为清楚起见阀构件38未示出。
参见图8，一种用于操作本发明阀总成的方法包括下列步骤：将一个阀构件滑动式支承在一具有第一密封直径的流道内，其中第一阀部分接触一个阀致动器(160)；用阀致动器产生一个驱动力，以使阀构件直接朝第一方向(162)移动；及提供一个第二密封直径，所述第二密封直径比第一密封直径和第一阀部分小，其中多个作用在阀构件上的力产生一个净返回力，所述净返回力能在除去驱动力(164)时帮助阀构件朝一与第一方向相反的第二方向上移动。
在本发明的阀一个优选实施例中，材料如下。阀体12用压铸铝制造。阀构件38由一种金属如铝制成。第一末端保持架40由一种低摩擦作用的塑料如
Figure GSB00000008399300131
制成。第二末端保持架41提供一种滑动配合，但不依靠用于滑动密封，所述第二末端保持架41由一种黄铜材料制成。阀座元件44由一种橡胶或橡胶状材料如具有一硬度约为80-90的Buna-N制成。偏置构件100由一种弹簧钢制成。这些材料仅是示例性的，因为所述材料不限制本发明或其用途。
本发明阀的操作参照作用在阀构件和密封直径上的入口流体压力进行说明。除了本文所述的力和流动路线之外，一部分阀入口压力也可以随着阀构件重新定位而一部分经由出口和/或排气口分散，并可以形成一个微小的背压。背压和/或当流体经由阀均衡通道118转移时在空腔101内顶着壳体102作用及外部顶着远端124作用的流体力可认为忽略不计。
本发明的一种具有差动辅助返回的直接操作式气动阀有几个优点。当阀致动器断电时，存在阀总成的压力平衡条件。这意味着阀致动器需要较小的力来开始阀构件行进，并且阀构件可以很快地加速。当阀致动器通电及将阀构件定位成允许流动时，存在一种不平衡的压力条件。作用在阀构件不同面积上的压力不平衡由具有不同的阀构件头面积形成，上述不同阀构件头面积接合不同面积的阀密封面积。当致动器断电时，不平衡压力起作用，以便更快地使阀构件加速。本发明的阀总成不需要一个阀旁通口，这样降低了阀的成本。
本发明的说明实质上仅是示例性的，因此，把不脱离本发明要点的各种变化打算都包括在本发明的范围内。这些变化不认为是脱离了本发明的精神和范围。

Claims (36)

1.一种阀，用于控制加压流体，包括：
阀体，所述阀体包括一个流体入口，至少一个流体排放口和一个与入口和排放口二者连通的流道，流道限定相对流道的纵向轴线轴向间隔开的第一和第二环形阀座点，第一阀座点具有第一密封直径而第二阀座点具有第二密封直径，所述第二密封直径小于第一密封直径；
阀构件，所述阀构件具有可在流道内滑动式定位的第一和第二阀部分，第一阀部分具有一限定第一部分面积的第一部分直径及第二阀部分具有一限定第二部分面积的第二部分直径，所述第二部分面积小于第一部分面积；
阀构件的阀座元件，可定位成在第一位置贴靠第一阀座点和在第二位置贴靠第二阀座点；
其中阀构件可通过朝第一方向施加的驱动力从第一位置活动到第二位置，在第二位置中于第二密封直径处作用在第一部分面积和阀座元件二者上的加压流体形成一个净返回力，所述净返回力可操纵以便在驱动力停止时使阀构件能朝向第二方向移动，所述第二方向与第一方向相反。
2.如权利要求1所述的阀，还包括一个偏置构件，所述偏置构件定位在阀构件和阀体之间，适合于使阀构件朝第二方向偏置，并且第二方向与第一方向相反。
3.如权利要求2所述的阀，其中可操作地由偏置构件产生的偏置力与净返回力的总和小于驱动力。
4.如权利要求1所述的阀，其中至少一个排放口还包括一个出口和一个排气口。
5.如权利要求4所述的阀，还包括在出口和排气口之间的第一流动路线开口，于第一位置中可操作式形成，其中入口与出口和排气口二者隔离。
6.如权利要求5所述的阀，包括在入口和出口之间于第二位置中的第二流动路线开口，其中排气口与入口和出口二者隔离。
7.如权利要求1所述的阀，还包括一个调节装置，所述调节装置可操纵成递增式调节阀构件在第一位置和第二位置之间的移动。
8.如权利要求1所述的阀，还包括：
第一末端保持架，所述第一末端保持架设置在流道内；及
第二末端保持架，所述第二末端保持架设置在流道内；
其中第一末端和第二末端保持架可操纵成滑动式支承阀构件。
9.如权利要求8所述的阀，其中第二末端保持架包括一个螺纹连接部分，所述螺纹连接部分适合于可松开式将第二末端保持架接合到阀体上。
10.如权利要求9所述的阀，其中第二密封直径可操纵式在第二末端保持架上形成，并用螺纹连接部分设置在流道内。
11.如权利要求1所述的阀，其中阀座元件设置在第一和第二密封直径之间。
12.如权利要求1所述的阀，其中第一密封直径包括在流道内环式延伸的阀体延伸部分。
13.如权利要求1所述的阀，其中第一部分直径基本上等于第一密封直径。
14.如权利要求1所述的阀，其中第二部分直径基本上等于第二密封直径。
15.一种直接操作式阀总成，包括：
阀体，所述阀体包括一个流体入口，至少一个流体排放口及一个与上述入口和排放口成流体连通的流道，流道具有一个第一密封直径和一个第二密封直径，所述第二密封直径小于第一密封直径；
阀构件，所述阀构件具有可滑动式设置在流道内的第一和第二阀头，第一阀头具有一第一头部直径，而第二阀头具有一第二头部直径，所述第二头部直径小于第一头部直径；
阀座元件，所述阀座元件设置在阀构件上，适合于在贴着第一密封直径的第一位置和贴着第二密封直径的第二位置中密封；及
致动器，所述致动器直接安装到阀体上，所述阀体可操纵成产生一个驱动力，以便朝第一方向移动阀构件；
其中在第二位置中，作用在第一头部直径和第二密封直径之间所确定的面积差上的加压流体产生一个净返回力，所述净返回力可操纵以便在驱动力停止时使阀构件能朝向一第二方向移动，所述第二方向与第一方向相反。
16.如权利要求15所述的阀总成，其中致动器还包括一种具有电枢的螺线管。
17.如权利要求16所述的阀总成，其中致动器还包括推针，所述推针在阀构件和电枢之间直接接触，可操纵以使阀构件直接朝第一方向移动。
18.如权利要求15所述的阀总成，其中致动器还包括调节装置，所述调节装置适合于限制电枢的移动，并因此限制阀构件的移动。
19.如权利要求15所述的阀总成，其中至少一个流体排放口还包括一个出口和一个排气口二者。
20.如权利要求19所述的阀总成，还包括：
第一流动路线开口，所述第一流动路线开口在出口和排气口之间于第一位置中可操纵式产生，其中入口与出口和排气口二者隔离；及
第二流动路线开口，所述第二流动路线开口在入口和出口之间于第二位置中，其中排气口与入口和出口二者隔离。
21.如权利要求20所述的阀总成，还包括：
阀座元件，所述阀座元件设置在阀构件上，并定位在第一和第二密封直径之间；及
阀体延伸部分，所述阀体延伸部分限定第一密封直径，阀体延伸部分适合于配合式将阀座元件安放在第一位置中；
其中阀座元件在第二位置中接触第二密封直径。
22.如权利要求15所述的阀总成，还包括末端保持架，所述末端保持架设置在流道内，并适合于滑动式安放第二阀头。
23.如权利要求22所述的阀总成，其中末端保持架还包括：
螺纹连接部分，所述螺纹连接部分适合于接合阀体；
其中第二密封直径可操作式在末端保持架内形成，及第二密封直径的位置用螺纹连接部分在流道内递增式调节。
24.一种直接操作式阀总成，包括：
阀体，所述阀体包括一个流体入口，至少一个流体排放口及一个与入口和排放口二者连通的流道，流道具有一个第一密封直径和一个第二密封直径，所述第二密封直径小于第一密封直径；
阀构件，所述阀构件具有可滑动式设置在流道内的第一和第二阀头，第一阀头具有一个第一头部直径，而第二阀头具有一个第二头部直径，所述第二头部直径小于第一头部直径；
阀座元件，所述阀座元件设置在阀构件上，适合于在贴着第一密封直径的第一位置和贴着第二密封直径的第二位置中密封；
致动器，所述致动器直接安装到阀体上，可操纵产生驱动力，以使阀构件朝第一方向移动；及
偏置构件，所述偏置构件设置在阀构件和阀体之间，适合于使阀构件朝第二方向偏置，所述第二方向与第一方向相反；
其中在第二位置中，作用在第一头部直径与第二密封直径之间的面积差上的加压流体产生一个净返回力，所述净返回力在驱动力停止时与偏置构件的偏置力一起可操纵以便使阀构件能朝向该第二方向移动。
25.如权利要求24所述的阀总成，其中所述致动器还包括推针，所述推针直接与阀构件接触。
26.如权利要求24所述的阀总成，还包括：
密封槽，所述密封槽在第一阀头中形成；及
密封件，所述密封件设置在密封槽中，可操纵以便在第一阀头和流道之间形成流体密封。
27.如权利要求26所述的阀总成，还包括第一末端保持架，所述第一末端保持架设置在第一阀头和流道之间，第一末端保持架处于与密封件滑动接触。
28.如权利要求27所述的阀总成，其中第一末端保持架由一种聚合物材料制成。
29.如权利要求27所述的阀总成，还包括第二末端保持架，所述第二末端保持架设置在第二阀头和流道之间。
30.如权利要求29所述的阀总成，其中第二末端保持架由一种金属材料制成；
其中第二末端保持架适合于用螺纹将第二末端保持架接合到阀体上。
31.一种用于控制直接操作式阀总成的功能的方法，阀总成具有阀致动器，流道，和阀构件，上述阀致动器直接连接到阀体上，上述流道在阀体内轴向上延伸，而上述阀构件包括第一阀部分，流道具有一个第一密封直径和一个第二密封直径；该方法包括：
将阀构件滑动式支承在流道内，其中第一阀部分接触阀致动器；
用阀致动器产生一个驱动力，以便直接使阀构件朝第一方向移动；及
提供第二密封直径，所述第二密封直径比第一密封直径和第一阀部分小，其中多个力作用在阀构件上，以便得到一个净返回力，所述净返回力可操纵，以便在除去驱动力时帮助使阀构件朝第二方向移动，所述第二方向与第一方向相反。
32.如权利要求31所述的方法，还包括使阀构件朝第二方向偏置。
33.如权利要求31所述的方法，还包括滑动式将第一阀头密封在流道内。
34.如权利要求31所述的方法，还包括从阀构件径向上延伸一个密封件，以便给第一密封直径定位。
35.如权利要求34所述的方法，还包括将密封件定位在第一和第二密封直径之间，其中密封件与第一密封直径之间的接触形成一个第一阀构件位置，而密封件与第二密封直径之间的接触形成一个第二阀构件位置。
36.如权利要求31所述的方法，还包括形成一个第二阀头，所述第二阀头具有一比第一阀头小的直径，因此在第一和第二阀头之间由作用在两个阀头上的压力形成一个差动力。
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