CN1942695A - 用于流控制的针阀 - Google Patents

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Abstract

提供流控制的针阀组件包括马达、内螺纹阀体和外螺纹活塞;外螺纹活塞与内螺纹阀体螺纹地接合,并被马达旋转并往复地驱动;其中所述阀体包括流体入口、流体出口、以及位于这两者之间的流室;所述流室包括流室壁和流室出口;所述外螺纹活塞包括可变形的针部件,当所述针部件在流室内往复运动,以对流过其中的流体进行变流控制;可变形的针部件包括与流室壁接合的唇形密封,在外螺纹活塞与针部件进行往复移动期间,所述唇形密使其和流室壁密封。

Description

用于流控制的针阀
技术领域
本发明涉及一种用来控制流体流动的针阀(needle valve),更具体地,涉及一种用于在氧气浓缩机里控制产品流的针阀。
背景技术
氧气浓缩机在家用医疗市场被广泛用来治疗病人的慢性功能障碍性肺病。这种氧气浓缩机在市场上很容易买到,所以它们的成本竞争异常激烈,并且被预期将来会更加激烈。降低氧气浓缩机系统的每一个配件的成本成为在市场保持竞争力的关键。流测量及控制系统是在整个浓缩机系统里可被降低成本的一个部分。但是,略便宜的流控制系统只有能够提供足够的精度和稳定性才是可行的。
通常,商用氧气浓缩机使用两种技术中的一种来控制产生的气体流。最常用的技术是使用组合有手控针阀的转子流量计(具有浮球的流量计)。转子流量计有可能很便宜,但是为了保证精度,它们通常与压力调节器接合。即使组合使用压力调节器,因为转子流量计下游的压力变化,针阀和转子流量计的配合使用提供的精度约为10%,这对于大多数家用氧气浓缩机已经足够了。然而,一旦装上了气压调节器,这种控制方法也就决不能认为是很便宜了。
另一种被广泛应用的技术是将孔板(orifice plate)和压力调节器组合使用。孔板通常包括十个或者更多的精密孔。当在进气端施加精确压力时,各个精密孔都提供精确的流。压力调节器在进气端提供固定的压力。孔板和压力调节器的组合可以让使用者通过调节精密孔来调节特定的放出的流。这种流控制方法通常要比转子流量计更加精确。但是,这种方法更加昂贵,并且会由于下游的压力变化变得不精确。
为氧气浓缩机提供一种低廉、精确的流控制系统已经成为了明确的需求。达到这个目的一种方法是通过使用逐渐被广泛利用的声学系统来测量氧气浓缩机中的氧气浓度。只要附加成本可以忽略,这些声学系统就可以被改造以测量氧气流及浓度。将这种流测量设备和低廉的电动阀相接合,就可以得到一种价格低廉、精确的流控制系统。
发明内容
为了解决上述和其它一些问题,本发明的一个方面涉及一种在针阀组件中进行流控制的方法。所述方法包括:提供针阀组件,所述针阀组件包括马达、内螺纹阀体、与所述内螺纹阀体螺纹地接合并通过所述马达被往复和旋转地驱动的外螺纹活塞,所述阀体包括流入口、流出口、以及位于所述流入口和流出口之间的流室,所述流室包括流室壁和流室出口,所述外螺纹活塞包括可变形的针部件,所述针部件在所述流室出口中往复运动,从而对流过其中的流体进行可变的流控制,所述可变形的针部件包括唇形密封,所述唇形密封在所述活塞和所述可变形的针部件往复运动期间,与所述流室壁接合以在所述唇形密封和流室壁之间提供密封;为所述针阀组件的所述流入口提供流体流;通过所述可变形的针部件在所述流室出口中进行往复运动,在所述针阀组件中提供可变的流控制;以及将所述流室壁与所述可变形的针部件的唇形密封密封接合,以防止所述唇形密封和流室壁之间的流体流动。
本发明的另一个方面包括一种用于提供流体流控制的针阀组件,包括:马达;内螺纹阀体;以及与所述内螺纹阀体螺纹接合、并且通过所述马达被旋转并往复地驱动的外螺纹活塞;所述阀体包括流体入口、流体出口、位于所述流入口和流出口之间的流室,所述流室包括流室壁和流室出口,所述活塞包括可变形的针部件,所述针部在所述流室出口中往复运动,以对流过其中的流体进行可变的流控制,所述可变形的针部件包括唇形密封,所述唇形密封在所述活塞与所述可变形的针部件进行往复运动的期间,可与所述流室壁接合,从而在所述唇形密封和所述流室壁之间提供密封。
本发明的另一个方面涉及一种用于上述针阀的、本质为可变形弹性的可变形针部件。这种材料的可变形特点与以前的技术相比降低了密封阀所需的扭矩,并且降低了为提供完全密封而对阀组件的精度要求。
本发明的另一个方面涉及在可变下游压力的影响下调整流的能力。本发明与控制和测量的电子设备接合能够使得该设备无论上游或下游压力的影响,都可以将流保持为固定的值。
本发明的另一个方面是,针阀组件需要少量的部件。较少的部件可降低阀的成本,这对于产品的应用是至关重要的。
通过浏览下面的附图和优选实施方式的详细叙述后,本发明的其他的目的和有利效果对于本领域的技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
图1是气体分离设备的实施方式的简单示意图;
图2是针阀组件的实施方式的立体图;
图3是针阀组件的实施方式的部分截面图;以及
图4是图3中的针阀组件的部分放大截面图。
具体实施方式
参考图1,在描述针阀组件100的实施方式之前,首先描述根据发明的实施方式构建的气体分离设备10。气体分离设备10可包括压缩机20、变压吸附(PSA)模块或浓缩机30、测量装置40、以及流控制装置50。在使用时,流入的流体如周围的空气会被引入压缩机20,接着在高压下传递到PSA模块30。PSA模块30将需要生成的流体(如氧气)从流入的流体(如空气)中分离出来,并且排出无用的流体。测量装置40会测量生成的流体的性质(如流/纯度)。对生成的流体输送则由流控制装置50控制。
下面将参照图2-4详细描述可以在气体分离设备10的流控制装置50中理想使用的针阀组件100的实施方式。针阀组件100包括上下连在一起的阀体120和马达130。马达130包括马达安装部140,用于将马达130安装到阀体120的马达安装突起150上。可以使用带螺纹的加固器(未示出)将马达安装部140固定到马达安装突起150。阀体120可包括附加的马达安装突起160来将针阀组件100安装到气体分离设备10的其他部份上。通过电连接器170为马达130提供动力并对其进行控制。马达齿轮180(图3)被承载于马达轴190。马达130是能够以顺时针或逆时针方式旋转马达轴190和马达齿轮180的步进式电机。在所示出的实施方式中,马达130是一个48步/转的步进电机。它在输入气压是10psig的情况下,提供每分钟大约1/4升的流分辨率。在其他实施方式中,马达130可具有大于或小于48步/转的特征,以提供更加精确的流分辨率,并具有更高的步/转,或对于较低的步/转具有较快的响应。
往复及旋转运动的活塞210上的齿轮螺杆200与马达齿轮180可操作地接合。在所示的实施方式中,齿轮螺杆200与马达齿轮180的齿轮齿数比为4∶1。齿轮齿数比会影响到针阀组件100的扭矩和分辨率。在另外一个可选的实施方式中,当扭矩足够小时,马达130可以在没有马达齿轮180的情况下直接驱动。在另外可选的实施方式中,齿轮螺杆200与马达齿轮180的齿轮齿数比可尽可能地高(如100∶1),以提供可能在大型系统中需要的高的分辨率和扭矩。转动活塞210包括具有外螺纹214的活塞轴212。外螺纹214与孔218和阀体120的内螺纹216接合。弹性可变形的一整段针部件220包括头部240和接纳于孔218的轴230。在优选的实施方式中,轴230和孔218具有非圆形(如方形)的截面,因此,当转动活塞210被转动时,可变形针部件220也被转动。在针部件220的头部240包括尖端部分250和整体形成的唇形密封260。在另外一个可选的实施方式中,唇形密封260可以是与针部件220分开的部件。
参考图3和图4,阀体120包括具有入口通道280的入口270、具有出口通道300的出口290、以及具有流室壁312的流室310。针部件220的尖端部分250被放置在流室310中。在接近出口通道300和流室310的交界处,阀体120包括流室出口320。出口通道壁330在出口320的一端终止。
下面参考图2-4描述针阀组件100的使用。马达130按顺时针或逆时针转动马达轴190,以使马达齿轮180按相反的方向转动。马达齿轮180的转动使齿轮螺杆200和外螺纹活塞210转动。在内螺纹阀体120内的外螺纹活塞210的转动,驱动活塞210以及因此驱使弹性针部件210在阀体120中往复运动,这取决于马达130的转动方向。上部分进出流室出口320的运动在针阀组件100上建立可变的孔。弹性针部件220向流室出口320方向的进一步运动,使得尖端部分250进一步阻塞流室的出口320,从而进一步阻挠或阻止流体流过进口通道280、流室310、和出口通道300。当针部件220向流室出口320移动时,针部件220的可变形的弹性本质允许尖端部分250在碰到出口通道壁330时弯曲并将其密封。该可变形的弹性针部件220减小了浓缩(concentricity)要求,并且最小化马达130为减少或制止流体从针阀组件100的流过而需要的扭矩。弹性针部件220远离流室出口320的进一步运动,使得尖端部分250进一步缩回,并加大了流室出口320的开口大小,从而进一步增加了流过入口通道280、流室310以及出口通道300的流体。唇形密封260和针件220上的压力使得尖端部分250保持接合。因此,通过控制针部件220的往复运动,流过针阀组件100的流体就受到控制。当弹性的针部件220在阀体120内往复运动时,可变的弹性唇形密封260与流室壁312密封接合,从而阻止了流过阀体120的这一部分的流体渗漏。唇形密封260整体地与弹性的一整块针部件220形成为一体。正如上面所提到的,在另外一种实施方式中,唇形密封260可与弹性针部件220分开。唇形密封260消除了使用垫圈或O形圈来在阀体内进行密封的需要。唇形密封260附加地允许流室310的体积最小化,从而进一步缩小了针阀组件100的大小。相对于其他种类的垫圈,唇形密封260,特别是小尺寸、短直径的唇形密封260可降低马达130操作针阀组件100所需的扭矩。使用整体的唇形密封260可以消除使用O形圈或一个外唇形密封的需要,从而又降低了设计的复杂度。所以,唇形密封260的主要优点在于通过减少部件的数目和马达所需的扭矩来降低成本。
使用一个48步/转的步进式马达和齿轮齿数比为4∶1的齿轮螺杆200与马达齿轮180,从关闭到完全流通的位置大约需要120步。在另外一个实施方式中,为了得到更好精度或者更快的调整,可以规定更多或者更少的步数。因为在针阀组件100中,流控制分辨率是马达130和齿轮齿数比的函数,调整这两个变量,压差分辨率也会相应的增加或减少。通过使用齿轮螺杆200与马达齿轮180的高齿轮齿数比,可以允许使用更小的马达130,以及允许针部件220更精确地运动,以精确地进行流体流控制,并且可以在10psig和少于大约每分钟1/4升的情况下,提高流控制精度。但是,这种精确性可以通过变化齿轮齿数比和步进电机来进行调整。
在另外一个可选的实施方式中,弹性针部件220的头部240、流室310、以及出口通道300有可能比图1-3所示长一点、窄一点,或者短一点、宽一点。这相应地可以增加或减少流控制精度。
针阀组件100包括如下三个主要部分:1)步进式马达130,2)内螺纹阀体120,和3)带有针部件220的外螺纹活塞210。这种针阀组件100的简单构造使针阀组件100的体积更小、具有更少的部件、更加精确(当与闭环电子控制系统连接在一起时)以及与现有的针阀门组件相比成本更低,因此,使得针阀组件100成为一种在气体分离设备10的流控制装置50中所使用比较经济的流控制装置。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是,还可以对本发明的实际概念进行进一步的修改和更正,但是这些修改和更正是不会偏离在权利要求书中所限定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种在针阀组件中进行流控制的方法,包括:
提供针阀组件,所述针阀组件包括马达、内螺纹阀体、以及与所述内螺纹阀体螺纹地接合并通过所述马达被往复和旋转地驱动的外螺纹活塞,所述阀体包括流入口、流出口、以及位于所述流入口和流出口之间的流室,所述流室包括流室壁和流室出口,所述外螺纹活塞包括可变形的针部件,所述针部件在所述流室出口中往复运动,从而对流过其中的流体进行可变的流控制,所述可变形的针部件包括唇形密封,所述唇形密封在所述活塞和所述可变形的针部件往复运动期间,与所述流室壁接合以在所述唇形密封和流室壁之间提供密封;
为所述针阀组件的所述流入口提供流体流;
通过所述可变形的针部件在所述流室出口中进行往复运动,在所述针阀组件中提供可变的流控制;以及
将所述流室壁与所述可变形的针部件的唇形密封密封接合,以防止所述唇形密封和流室壁之间的流体流动。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述可变形的针部件是在其中整体地形成有所述唇形密封的一整块部件。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述马达是包括至少24步/转的步进式马达。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述马达和所述活塞包括各自的齿轮,并且所述活塞的齿轮与所述马达的齿轮的齿数比至少是1∶1。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述马达是步进式马达,所述马达和所述活塞包括各自的齿轮。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述针阀组件是用于将氧气从空气中分离出来的气体分离设备的流控制装置的一部分,所述方法包括使用所述气体分离设备将氧气从空气中分离出来,并使用所述针阀组件在所述流控制装置中控制所生成的流。
7.一种用于提供流体流控制的针阀组件,包括:
马达;
内螺纹阀体;以及
与所述内螺纹阀体螺纹接合、并且通过所述马达被旋转并往复地驱动的外螺纹活塞;
所述阀体包括流体入口、流体出口、位于所述流入口和流出口之间的流室,所述流室包括流室壁和流室出口,所述活塞包括可变形的针部件,所述针部在所述流室出口中往复运动,以对流过其中的流体进行可变的流控制,所述可变形的针部件包括唇形密封,所述唇形密封在所述活塞与所述可变形的针部件进行往复运动的期间,可与所述流室壁接合,从而在所述唇形密封和所述流室壁之间提供密封。
8.根据权利要求7所述的针阀组件,其中,可所述可变形的针部件是在其中整体地形成有所述唇形密封的一整块部件。
9.根据权利要求7所述的针阀组件,其中,所述马达是包括至少24步/转的步进式马达。
10.根据权利要求7所述的针阀组件,其中,所述马达和所述活塞包括各自的齿轮,并且所述活塞的齿轮与所述马达的齿轮的齿数比至少是1∶1。
11.根据权利要求7所述的针阀组件,其中,所述马达是步进式马达,所述马达和所述活塞包括各自的齿轮。
12.根据权利要求11所述的针阀组件,其中,所述针阀组件是用于将氧气从空气中分离出来的气体分离设备的流控制装置的一部分。
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