專利名稱：擴展范圍的比例閥的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及由電螺線管操作的比例流量閥。本發(fā)明特別涉及具有高調(diào)節(jié)比的閥，即能夠從非常低的速度通過中間的速度到非常高的速度范圍內(nèi)控制流速的閥。
比例流量閥可用于實現(xiàn)混合和測量的功能。例如，比例流量閥用于精確地混合汽油以達到所需的特性，諸如特定的辛烷值；用于混合熱水和冷水以獲得所需的溫度；用于分配可壓縮的和不可壓縮的流體，包括諸如汽油的流體以及諸如空氣和天然氣的氣體。根據(jù)需要使用比例流量閥的應用領(lǐng)域，可能必需保持恒定的很低流速以及恒定的很高流速以及恒定的在所述高流速和低流速之間的中流速。
在現(xiàn)有技術(shù)中所涉及的一些閥中，主閥部件從主閥座中升起或者下降在主閥座中以打開和關(guān)閉該閥。主閥部件可被安裝在隔膜中央處。這樣一種閥被披露在美國專利US 5,676,342中。該閥使通過閥的流體流速與流過用于控制該閥的螺線管致動器線圈的電流成比例。在這種布置中，致動器以一種線性方式工作，即，由螺線管銜鐵所產(chǎn)生的作用力與施加在螺線管上的電流成線性比例。因此，螺線管銜鐵克服閉合彈簧以線性方式工作，所述閉合彈簧始終將閥部件推向閥座。這樣，閥部件移離閥座的距離與施加在螺線管上的電流成比例。
一個導閥座在主閥部件的頂上，所述導閥座包圍一個通過主閥部件中心的導閥開口。在主閥部件上方的螺線管柱塞帶動一個導閥部件，所述導閥部件下降以密封在主閥部件中的導閥開口，所述導閥部件升起以打開在主閥部件中的導閥開口。
在殼體或者隔膜中或者通過另一個通道的排放口，流體通過該排放口可在位于隔膜上方的儲放室和位于隔膜下方的進口室之間流動。該排放口小于導閥開口。當導閥開口被柱塞密封時，來自于進口的流體進入到位于隔膜下方的進口室并且通過在隔膜中的排放口流到位于隔膜上方的儲放室。在隔膜上方的流體將隔膜向下推向主閥座，從而密封由主閥座所包圍的主閥開口并且關(guān)閉該閥。當啟動螺線管以使柱塞從導閥開口升起時，在隔膜上方的流體通過導閥開口排出并且排出的速度大于流體通過較小的排放口進入的速度，從而減小了在隔膜上方的流體壓力并且使來自于位于隔膜下方的入口的流體壓力向上推動隔膜，從而使主閥部件從主閥座升起以打開該閥。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上述美國專利US 5,676,342中所披露的閥能夠極好地實現(xiàn)其功能。但是，當需要保持很低的流速時，柱塞移動到一個使隔膜只能將主閥部件略微從主閥開口抬起的位置。此時，在隔膜上方和下方區(qū)域之間的壓力差很大以致于當主閥部件從主閥座上升起時主閥部件會跳起，從而阻止了達到很低流速。這種情況表示流速相對于電流的特性曲線的底端。即，在一個通過減小施加在螺線管線圈上的電流均勻地降低流速的閥中，當螺線管線圈的電流減小到一定程度，會迫使主閥部件在主閥座上，而使流動會突然停止。
相反，當主閥部件與主閥座接合并且在比例螺線管閥的線圈中的感應電流逐漸增大時，當達到一定程度時，主閥部件會從主閥座上跳起并到達一個該閥所能夠達到的最低流速的位置。盡管可通過對閥部件的設(shè)計參數(shù)進行精心選擇能夠使最小流速達到最佳，但是在需要精確的低流速的情況下這不能帶來充分的改善。
在本領(lǐng)域已知，通過在螺線管閥的螺線管上施加全波交流電流以使主閥部件從主閥座移動，從而能夠以一個恒定的高流速來操作該螺線管閥，以及通過對交流電流進行整流以獲得一種半波交流信號，當將該半波交流信號提供給螺線管線圈時，能夠使流體通過導閥開口但是不能提供足以使主閥部件從主閥座上升起的作用力，從而能夠以一個恒定的低流速來操作該螺線管閥。在授權(quán)于Johnson等的美國專利US4,503,887中披露了這樣一種閥。
在本領(lǐng)域還已知，通過以周期性脈沖直流電流的形式為比例閥的螺線管供電可以改變在該比例閥中的導閥部件從導閥座移動的程度，電流值會隨著脈沖的“開”和“關(guān)”時間長度而改變，有時被稱為脈沖寬度調(diào)制。在授權(quán)于LaMarca的美國專利US 5,294,089和授權(quán)于Otto等的美國專利US 5,676,342中披露了能夠到達此目的的脈沖寬度調(diào)制。
上述方案都沒有提供一種關(guān)于制造具有高調(diào)節(jié)比的比例螺線管閥的問題的解決方案，即，制造一種能夠從在主閥部件從主閥座移動過程中的很高流速和中流速到在主閥部件保持座落以密封主閥開口并且限制流體流通過導閥開口的過程中的低速之間連續(xù)改變流速的閥。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，通過對施加在一個比例螺線管閥的線圈上的電流進行脈沖寬度調(diào)制或者頻率調(diào)制，能夠在不使主閥部件從主閥座升起的情況下在一個連續(xù)的范圍內(nèi)達到低流速。對于低流速，例如以每分鐘0.5標準立方英尺(scfm)至5.0scfm的速度流動的氣體，在一個工作周期內(nèi)使螺線管銜鐵或者柱塞在導閥座上上下振蕩或者振動，在所述工作周期中的一段時間內(nèi)，露出導閥開口以在壓力作用下輸入流體，在所述工作周期的其余時間內(nèi)導閥開口關(guān)閉，從而使主閥部件保持在主閥座上并且限制流體流到一個通過導閥開口的路徑。為了提高流速，可調(diào)節(jié)螺線管銜鐵的工作周期以增大該周期中使導閥開口暴露在流體下的時間比例，從而提高流體流過導閥開口的速度。
在使流體流速達到能夠控制主閥部件從主閥座的移動并且不會出現(xiàn)在低流速時遇到的跳起問題的程度時，進一步對螺線管電流的工作周期進行調(diào)節(jié)以使導閥保持足夠長的打開時間，從而使主閥部件從主閥座升起的距離與所需的中流速相對應，隨即通過限制流體流過主閥開口來補充流過導閥開口的速度。通過使主閥部件升起到一個與主閥座保持較短距離的位置來實現(xiàn)中速度的流動。通過使主閥部件進一步升離主閥座可達到較高的流速，流過導閥開口對較高流速的貢獻變得不重要。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種單比例流量閥，該比例流量閥能夠在目前不能實現(xiàn)的范圍內(nèi)連續(xù)地改變流速。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種比例流量閥，該比例流量閥具有一個螺線管致動器，可利用具有一個可變工作周期的電流啟動該螺線管致動器以使一個導閥部件在主閥部件上的導閥座上上下振動，從而能夠獲得通過在該閥中的導閥開口的低流速的連續(xù)范圍并且不使主閥部件從主閥座上升起。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于對通過在座落的主閥部件中的導閥開口的流動進行調(diào)節(jié)并且不會達到使主閥部件從主閥座升起的臨界流速的設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種上述類型的閥，其中工作周期和/或脈沖寬度調(diào)制的螺線管電流的頻率可被調(diào)節(jié)以使導閥保持足夠長的打開時間，從而使主閥部件從主閥座升起的程度與所需的中流速或者高流速相對應。
本發(fā)明的另一個目的在于，在一個比例流量閥中在低流速、中流速和高流速之間保持連續(xù)性，在從僅通過導閥開口(主閥關(guān)閉)的低流速經(jīng)過使較多的流體通過導閥開口和主閥開口的中流速到主要流過主閥開口的高流速的范圍內(nèi)進行速度轉(zhuǎn)變。
從下面的附圖以及對本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的描述中可以明顯地看出本發(fā)明的其他目的，在下面的描述中，相同的附圖標記表示在不同的附圖中的相同的部件。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例所涉及的比例流量閥的橫截面圖，其中螺線管致動器被斷電且所述閥被關(guān)閉；圖2是與圖1相似的視圖，但是示出了當允許低質(zhì)量流速范圍時的閥；圖3是與圖1相似的視圖，但是示出了當允許中質(zhì)量流速范圍時的閥；圖4是與圖1相似的視圖，但是示出了當允許高質(zhì)量流速范圍時的閥；圖5是示出了圖1到4的控制結(jié)構(gòu)螺線管的框圖；圖6是本發(fā)明的流體控制系統(tǒng)的框圖；圖7是本發(fā)明所涉及的低頻模式控制的示范性的映射曲線；圖8是本發(fā)明所涉及的高頻模式控制的示范性的映射曲線；圖9是本發(fā)明的能夠提供了所期望的重疊特征的比例流量閥的剖面圖；以及圖10是與圖9相似的視圖，但是更詳細地示出了流動成形元件。
優(yōu)選實施例的詳細描述參照附圖1到4，選擇比例流量閥10來描述本發(fā)明，所述比例流量閥10包括閥體12，閥體12帶有流體進入口14、流體排出口16以及圍繞主口20的主閥座18。排出口16位于帶有直角彎頭24的中空彎管中，所述直角彎頭24連接水平部分22和垂直部分28，垂直部分28止于主閥座18處。
主閥單元30包括主閥部件32，該主閥部件32滑動地安裝于排出口16的垂直部分28中以便于往復軸向移動。主閥部件32具有通常為環(huán)形橫截面并且軸向延伸的沿圓周隔開的平行葉片34，在附圖中可看到其中兩個葉片34。主閥部件32的外圓周形狀適于接收上部隔膜支撐墊圈36和隔膜定位環(huán)38，所述墊圈36具有平面的下部環(huán)形表面，所述定位環(huán)38具有平面的上部環(huán)形表面。環(huán)形撓性隔膜17夾在上部隔膜支撐墊圈36的下部環(huán)形表面和隔膜定位環(huán)38的上部環(huán)形表面之間以隨著主閥部件32移動，該隔膜17用作閥10的壓力部件。
合適的緊固件42使閥帽板40緊固于閥體12的頂部。隔膜17的外圓周位于閥帽板40與在閥體12頂部上的凸出的周向隆脊44之間，所述隔膜17的外圓周的頂面被閥帽板40固定，其底面被在閥體12頂部上的凸出的周向隆脊44以及位于隆脊44中并與所述隆脊44同心的密封件46固定。所述密封件46墊在隔膜17的下面并防止流體在閥帽板40、閥體12和隔膜17之間的界面處泄漏。
位于限定主閥部件32的溝槽中的環(huán)形固定夾48將上部隔膜支撐墊圈36推向隔膜17的中央?yún)^(qū)域以便將隔膜17固定于隔膜定位環(huán)38上。給葉片34開槽口以接收位于定位環(huán)38下面的環(huán)形主閥密封件50。主閥密封件50最好是用彈性體材料制成的。
主閥單元30包括主閥部件32、上部隔膜支撐墊圈36、隔膜定位環(huán)38、隔膜17、固定夾48以及主閥密封件50，所有這些部件作為一個單元朝向主閥座18和遠離主閥座18移動。在這樣移動的過程中，隔膜17的中間環(huán)形部分54可自由撓曲和拉伸，同時隔膜17的周邊被牢固定位。隨著主閥部件32的葉片34被引導在主閥座18的排出口16的垂直圓柱形井內(nèi)，主閥單元30可進行軸向移動。
在主閥部件32中，沿著其中心軸線具有一個導閥通道，導閥通道采用這樣的形式，即，在其上端具有一個被導閥座58包圍的圓形孔56，在其下端開口通向排出口16。利用導閥密封件68使該導閥通道56被選擇性地打開和關(guān)閉。
主閥彈簧60被壓縮在由閥帽板40構(gòu)成的肩部62與上部隔膜支撐墊圈36的頂表面之間，從而向下推動主閥單元30，使其與主閥座18接合。
流體進入口14由主閥單元30的下側(cè)(包括隔膜17)和排出口16的垂直部分28的外表面限定。儲放室64占據(jù)了主閥單元30上方的開放容積。
隔膜17相對于流體是不滲透的以便由比例流量閥10來控制。閥帽40和閥體12中的排放通道66能夠使容器64和進入口14之間流體連通以使來自于進入口14的流體可進入主閥單元30上方的儲放室64中。排放通道66的橫截面小于導閥通道56的最小的橫截面，以便當打開導閥通道56時使流體可流過導閥通道56并且流速比流過排放通道66的速度快。
如圖1中所示的，當關(guān)閉導閥時，也就是說，當導閥密封件68與導閥座58接合時，并且當關(guān)閉主閥時，也就是說，當主閥密封件50與主閥座18接合時，流體不能從流體進入口14流到流體排出口16。當打開導閥時，也就是說，當導閥密封件68未與導閥座58接合時，并且當關(guān)閉主閥時，如圖2中所示的，流體只能夠通過排放孔通道66進入容器64，然后從容器64流經(jīng)導閥通道56而使流體從流體進入口14流到流體排出口16。因此，這樣的流體流動被限制在低質(zhì)量流速范圍中，有效流速取決于打開導閥期間與關(guān)閉導閥期間之間的相對時間。
當主閥密封件50脫離與主閥座18的接合時，可能會出現(xiàn)流體通過主閥部件32的葉片34之間的空隙的情況。隨著主閥單元30的升高，葉片34之間的開口的暴露區(qū)域增加，從而相應地增加了從流體進入口14流到流體排出口16的流速。
最初，例如當主閥部件從主閥座處移動的距離等于或小于主閥開口直徑的25％時，限制了通過主閥開口的流動，并且通過導閥開口的流速組成對流經(jīng)所述閥的總流速形成了重大貢獻，所述閥的總流速即通過主閥開口和導閥開口兩者的質(zhì)量流速之和。在上述條件下，即主閥部件從主閥座處移動的距離等于或小于主閥開口直徑的25％時，流過閥的質(zhì)量流速可在中流速范圍之上，中流速范圍大于當流動限制于導閥開口時限制所述閥的低流速范圍。
在主閥部件從主閥座處移開的距離大于主閥開口直徑的25％時，可實現(xiàn)了高質(zhì)量流速范圍。主要通過主閥開口來實現(xiàn)高速流動，通過導閥開口的流量變得可忽略不計。
為了僅通過閥的導閥開口來獲得低流速，也就是說，當閥處于圖2中所示的狀態(tài)時，利用具有一定頻率和工作周期的電流使導閥部件在導閥座上上下振動，所述電流可迅速地使流體通過導閥開口和中斷流體通過導閥開口以便在儲放室64中保持足夠的壓力，從而防止在隔膜下方的入口壓力將主閥部件抬離主閥座。
流過導閥開口的流速無需被限制為單一的等級。通過改變脈沖寬度調(diào)制螺線管電流的頻率和/或工作周期，導閥開口暴露于儲放室64中的流體期間與由導閥部件密封導閥開口時間之間的相對時間可被改變以連續(xù)地增加或減小流體流過導閥開口的速度，同時防止儲放室64中的壓力減小到足以使隔膜被從主閥座上抬起的程度。
根據(jù)螺線管電流的頻率和工作周期，閥將在圖1中所示的斷開狀態(tài)和圖2中所示的接通狀態(tài)之間切換以使在沒有打開主閥的情況下，也就是說，在主閥部件沒有抬離開主閥座的情況下，使流體以低流速流動。
螺線管致動器70安裝在閥帽板40的頂部。螺線管致動器70包括由卷繞在線軸74上的電導線構(gòu)成的線圈72，所述線軸74由不導電和不導磁的材料制成。提供了用于與電流源連接的適當端子以便為螺線管線圈72通電。由磁性材料構(gòu)成的殼體76包圍螺線管線圈72。
固定的銜鐵或塞帽(plugnut)78位于線軸74的上部內(nèi)。芯管80從塞帽78向下延伸并穿過線軸74的其余部分。套環(huán)82包圍芯管80的下部，所述套環(huán)82又被緊固于閥帽板40的上部?？赏ㄟ^壓配合、焊接、壓接、螺紋連接或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其他任何常規(guī)的能夠形成堅固的和流體密封的連接方式實現(xiàn)芯管80和套環(huán)82之間以及套環(huán)82和閥帽板40之間的緊固。
磁性材料的活動銜鐵84可滑動地軸向地布置于芯管80中。軸向凸緣86安裝于活動銜鐵84的靠近其下端的位置處。包圍活動銜鐵84的導閥彈簧88被壓縮在周向凸緣86和套環(huán)82的下表面之間并向下推動活動銜鐵84使之遠離塞帽78。使活動銜鐵84的上表面和塞帽78的下表面的形狀相對應以便當活動銜鐵84朝向塞帽78移動時使所述兩個表面能夠緊密配合?；顒鱼曡F84在其下部支承著由彈性材料形成的導閥密封件68。
當線圈72斷電(圖1)并且比例流量閥10的流體進入口14與加壓流體源(例如汽油泵)連接時，迫使流體通過排放通道66進入位于主閥單元上方的儲放室64中。主閥單元30中的暴露于流體中的頂部區(qū)域大于主閥單元30中的暴露于流體中的底部區(qū)域。因此，主閥單元30頂部的作用力結(jié)合彈簧60的作用力將主閥密封件50固定于主閥座18上以關(guān)閉比例流量閥10。當電流第一次為螺線管線圈72通電(圖2)時，活動銜鐵84被吸引到塞帽3上，并且因此開始克服彈簧88的作用力向上移動。當活動銜鐵84升高時，它使導閥密封件68從導閥座58處移開，從而使得進入的流體流過通道56進入到處于低排出口壓力的排出口16中。因為通過導閥通道56的有效流速大于流過排放通道66的有效流速，所以在主閥單元30和隔膜17上方的壓力開始降低。盡管在本發(fā)明的所示優(yōu)選實施例中，導閥開口的直徑大于排放孔的直徑，但是當流動通道是這樣的，即與通過導閥開口的流速相比較，紊流阻礙了通過排放通道的流速時，即使導閥開口具有較小直徑，通過導閥開口的有效流速還是可以大于通過排放孔的有效流速。
如果螺線管電流的頻率和脈沖寬度足以將導閥密封件68從導閥座58處提升比例足夠大的時間，在主閥單元30上的流體進口壓力的向上作用力開始超過在主閥單元30上的流體壓力的向下作用力，主閥單元30開始上升(圖3)，并且主閥單元30從主閥座18處移開。主閥密封件50脫離主閥座18，并且可通過主閥部件32的葉片34之間的空隙使流體進入口14和流體排出口之間連通，從而開始允許從進入口14流入排出口16的中度范圍的流動。
在導閥座58與導閥密封件68接合(即，關(guān)閉導閥)之前，主閥單元30繼續(xù)上升。因而，高壓流體不能從儲放室64中逃逸。隨著進入儲放室64的流體增多，在主閥單元30上的向下作用力增大，直到該向下作用力與彈簧60的向下作用力結(jié)合再次超過入口流體作用于主閥單元30底部的向上作用力。其結(jié)果是主閥單元30向下移動。然而，在主閥單元30開始向下移動時，導閥68立即打開，再次使得在主閥單元上方的高壓流體通過通道56排出到流體排出口16?？焖傩纬闪艘粋€平衡位置(圖4)，其中當導閥68反復地打開和關(guān)閉時主閥單元30始終以很小的距離進行振蕩。
當主閥單元30作為單元振蕩時其位置由活動銜鐵84的位置、進而由導閥密封件68確定。該位置還確定主閥部件32和主閥座18之間的間隔，并進而確定通過主閥開口的流速。
獲得中度或者高度的質(zhì)量流速是由主閥部件從主閥座處上升的程度確定的，這又是根據(jù)活動銜鐵84的位置設(shè)定的，活動銜鐵84的位置是施加到螺線管線圈72的脈沖寬度調(diào)制電流的工作周期和/或頻率的一個函數(shù)，控制在螺線管啟動比例流量控制閥上的電流的優(yōu)選方法是脈沖寬度調(diào)制(PWM)。
對于如現(xiàn)有技術(shù)所涉及的比例螺線管閥中所使用的脈寬調(diào)制，為了以線性方式改變線圈中的電流，對螺線管線圈施加頻率固定的工作周期可變的矩形波，從而改變由螺線管施加于閥致動機構(gòu)上的作用力，因而改變通過閥的流動。使用矩形波信號具有兩個明顯優(yōu)于使用線性放大器來控制螺線管電流的優(yōu)點。第一，控制器的切換類型具有比線性放大器更大的功效。第二，矩形波的固定切換頻率的適當選擇可使得在螺線管電流中出現(xiàn)小的變化，所述電流中的小的變化轉(zhuǎn)化為上升的螺線管銜鐵的機械振動，所述機械振動又減小閥中的靜摩擦和機械滯后的影響。通過用脈沖寬度調(diào)制和/或頻率調(diào)制仔細地控制機械振動，可不打開主閥的情況下，在一個流速范圍內(nèi)選擇期望的通過導閥開口的質(zhì)量流速。這里所涉及的范圍指的是質(zhì)量流速的范圍。
通過增加脈沖寬度調(diào)制螺線管電流的工作周期能夠達到中度和高度流速以使通過導閥開口的流量大到足以釋放在主閥部件上方的儲放室中的壓力，從而將主閥部件抬離主閥座。
如果脈沖寬度調(diào)制電壓具有50％的工作周期，那么流經(jīng)螺線管線圈72的電流將為最大值的50％。因此，活動銜鐵84將上升到在當主閥關(guān)閉時其所處位置(圖1)和當閥完全打開(圖4)時(即，當其上表面與塞帽78的下表面接合時)其所處位置之間的其最大行程的一半。因此，將僅使主閥單元30上升到其最大上升高度的50％，因此主閥單元30將與主閥座18保持的間隔為它們之間的最大間隔的1/2。這樣，使得在流體進入口14和流體排出口16之間的流速為流過該閥的最大流速的1/2。
如果在75％的時間內(nèi)接通電壓并且在25％的時間內(nèi)斷開電壓，即，存在75％的工作周期，活動銜鐵84將上升到其最大行程的3/4，從而，使得在流體進入口14和流體排出口16之間的流速為流過該閥的最大流速的3/4。因此，應該理解的是，流過主閥的高流速與施加在螺線管線圈72上的電流成比例。
可根據(jù)螺線管銜鐵的最大行程和主閥開口的直徑獲得中度和高度質(zhì)量流速。例如，如果脈沖寬度調(diào)制電壓具有25％的工作周期，那么通過螺線管線圈72的電流將是最大值的25％。因此，將僅使主閥單元30上升到其最大上升高度的25％，因此主閥單元30將與主閥座18保持的間隔為它們之間的最大間隔的1/4。如果主閥開口的直徑大于活動銜鐵84的最大行程的25％，那么流動將在中度范圍內(nèi)。
當以高流速操作時，即，在流體主要流過主閥座的情況下，本發(fā)明所涉及的閥的工作與美國專利US 5,294,089中所披露的閥類似。該閥采用一種流體輔助設(shè)計形式，其中，通過對小導閥孔的控制使螺線管有效地對隔膜進行定位，隔膜又控制通過更大的孔的流動。這種閥在其控制范圍內(nèi)的流動調(diào)節(jié)比通常在10至1。對于上述現(xiàn)有技術(shù)中所涉及的閥，與簡單地改變連續(xù)直流電流的大小相比，當將一種脈沖的直流電源施加在螺線管線圈72上時，銜鐵位置的控制最精確。
現(xiàn)有技術(shù)中所涉及的閥僅能夠在中度范圍和高度范圍中操作。在這樣的閥中提供脈沖電流能夠使活動銜鐵84振動，振動的幅度與主閥部件從主閥座移動的程度相比是很小的。因此，振動對由在葉片34之間的開口暴露區(qū)域所限定的流速的影響是可忽略的，并且該流速會隨著主閥單元30的升高而增大。
在本發(fā)明所涉及的閥中，僅通過導閥開口提供低流速。為了在一個連續(xù)的范圍內(nèi)達到低流速，振動的導閥密封件的脈沖寬度和頻率被改變以確定流體通過閥的流速。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一個脈沖寬度的精心控制范圍內(nèi)使導閥螺線管脈動將能夠?qū)νㄟ^在閥中的導閥開口的流動進行精確控制并且不會通過使主閥部件從主閥座上升起而使隔膜打開主閥。如目前已經(jīng)在中流速和高流速范圍中所進行的，通過同時改變被施加在螺線管線圈上的波形的脈沖寬度和頻率能夠在低流速的范圍內(nèi)獲得在電流和流速之間的線性對應的相當準確的近似值。另外，如可在從中流速到高流速范圍的轉(zhuǎn)變中所進行的，顯然能夠?qū)崿F(xiàn)從低流速到中流速范圍的轉(zhuǎn)變，并且在電流與流速的特性曲線中不存在突然的間斷。
對于低流速，脈沖的接通時間必須在這樣一個范圍內(nèi)，即，使螺線管將導閥部件從導閥座升起但不使導閥部件將導閥開口暴露到足以使隔膜將主閥部件從主閥座上升起的程度。另外，施加在螺線管線圈上的電流頻率必須被限制在一個能夠使導閥螺線管的銜鐵以一種脈沖的方式持續(xù)操作的范圍內(nèi)。
三種機械參數(shù)的平衡能夠達到低流速的連續(xù)范圍，其中的每一個都可通過控制螺線管線圈電流的頻率和脈沖波工作周期來選擇。這些機械參數(shù)是導閥孔面積、有效排放通道面積和壓迫隔膜的彈簧常數(shù)和彈簧作用力。
導閥孔的面積是達到一個低流速的寬范圍的主要控制因素。當導閥孔的橫截面積增大時，所能夠達到的低流速范圍或者電流與流速的特性曲線的低流速區(qū)域的調(diào)節(jié)比也增大。
比例螺線管的排放通道使位于隔膜上方和下方的壓力和作用力保持平衡。該排放通道的橫截面積通常小于通過主閥部件的導閥開口的橫截面積。通過使導閥部件從導閥座上升起來暴露導閥開口能夠在隔膜上產(chǎn)生壓力不平衡，從而將主閥部件推離主閥座。相反，導閥開口的密封使隔膜兩側(cè)上的壓力保持平衡，從而使其響應一個機械作用力(例如，來自于彈簧)被關(guān)閉。如果排放面積太小，那么排放通道的尺寸有些重要，在儲放室中的壓力將在脈沖周期的打開階段中快速減小以致于使隔膜過早地提升主閥部件，從而限制了低流速范圍的高端。在通過使導閥部件在導閥座上上下振動可能擴展流動范圍時，如果排放面積過大，將會對使主閥部件移離主閥座以轉(zhuǎn)變?yōu)楦吡魉俜秶?即，通過主閥座)所需的在隔膜的兩側(cè)上的壓力不平衡造成影響。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將具有適合的彈簧常數(shù)和彈簧作用力的彈簧放置在隔膜頂部，能夠使主閥部件保持在一個關(guān)閉位置處，即，密封主閥開口，從而能夠以較高的工作周期和頻率操作，而使低流速范圍達到最大。
通過使螺線管的工作周期和頻率、導閥開口面積、排放通道面積和隔膜彈簧常數(shù)和彈簧作用力保持平衡，可通過一種單比例螺線管閥能夠達到高的調(diào)節(jié)比，即，寬范圍流速。
示例1在一個具有直徑為0.078英寸的圓形導閥開口、直徑為0.073英寸的排放通道以及彈簧作用力為1.5磅的隔膜壓迫彈簧的比例螺線管閥中，通過從8％和20赫茲到50％和25赫茲的范圍內(nèi)改變螺線管線圈電流的脈沖寬度工作周期和頻率可以獲得0.5-5.0立方英尺/分的低流速范圍。根據(jù)閥的尺寸和設(shè)計，高達40赫茲或者更高的頻率結(jié)合適合的工作周期可有效地獲得在較大的范圍內(nèi)的低流速。
現(xiàn)參照圖5，矩形波發(fā)生器101以脈沖直流信號的形式將電流提供給比例流量閥螺線管70的線圈72。利用一個脈沖寬度調(diào)制器103來控制工作周期，即，在矩形波信號的一個周期中的接通時間與斷開時間之間的百分比，脈沖寬度調(diào)制器103的結(jié)構(gòu)對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是已知的。還提供一個頻率設(shè)定電路105以設(shè)定由發(fā)生器101產(chǎn)生的脈沖直流信號的每秒周期數(shù)量。頻率設(shè)定電路的結(jié)構(gòu)對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是已知的。
手動控制裝置，例如在汽油泵的手柄上的控制桿，可被機械地鏈接到一個用于將信號送至數(shù)字微控制器107的轉(zhuǎn)換器，數(shù)字微控制器107與脈沖寬度調(diào)制器電路103和頻率設(shè)定電路105相連，從而能夠同時調(diào)節(jié)由發(fā)生器101施加在螺線管線圈上的直流脈沖的頻率和工作周期。數(shù)字微控制器107、脈沖寬度調(diào)制器電路103和頻率設(shè)定電路105可被設(shè)計和/或編程以便施加窄的脈沖，即，脈沖波形具有低的工作周期，從而能夠在振動螺線管銜鐵的時間內(nèi)形成低流速，這樣僅使流體通過比例流量閥的導閥開口流動，同時防止主閥部件從主閥座抬起。另外，螺線管線圈電流的工作周期和頻率可被調(diào)節(jié)以增大通過導閥開口的流速，同時仍然防止主閥部件抬離。通過使螺線管線圈電流的工作周期增大到超過使主閥部件從主閥座抬起的百分比的程度可進一步增大流速。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用本發(fā)明所涉及的擴展范圍的比例流量閥，可在從非常低的流速到非常高的流速的范圍內(nèi)獲得在流速和泵手柄位置之間的基本線性關(guān)系，從而能夠在大到100至1或者更大的調(diào)節(jié)比范圍內(nèi)進行線性流動控制。
在設(shè)計本發(fā)明所涉及的擴展范圍的比例流量閥中，最好通過分析閥對施加在螺線管操作器的線圈上的PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制電壓的響應來模擬閥的操作。該電壓波形在螺線管銜鐵的位置中引起變化。螺線管銜鐵的動作又在通過該閥的質(zhì)量流速中引起變化。
利用由銜鐵的自由體受力圖和作用在其上的所有相關(guān)作用力導出的標準二階微分表示銜鐵的動作，這些相關(guān)的作用力包括重力、彈簧回復作用力和吸引磁力。
Md2x/dt2+Bdx/dt+Kx＝F-F0其中x＝銜鐵自其初始位置的位移，用米表示F＝在銜鐵上的磁吸引力，用牛頓表示t＝時間，用秒表示M＝銜鐵的質(zhì)量，用千克表示B＝在銜鐵上的摩擦力，用牛頓/米/秒表示K＝銜鐵彈簧的彈簧常數(shù)，用牛頓/米表示F0＝必須克服的以開始動作的在銜鐵上的初始作用力，用牛頓表示由PWM激發(fā)電壓驅(qū)動的螺線管線圈的電路的動力用下列關(guān)系式表示。
在PWM信號的“接通”階段中E＝N dN/dt+IR在PWM信號的“斷開”階段中NdNdt+IR＝0其中M＝總通量，用韋伯表示，與螺線管線圈的匝數(shù)相關(guān)I＝螺線管中的線圈電流(安培)R＝螺線管線圈的電阻(歐姆)E＝在PWM信號的接通階段中螺線管線圈上的電壓(伏特)N＝螺線管線圈的匝數(shù)螺線管中的線圈電流和作用在吸鐵上以牛頓表示的磁吸力是與螺線管線圈相關(guān)的總磁通和吸鐵偏移其原始位置的函數(shù)，即I＝f(M，X)和F＝f(M，X)上述兩個關(guān)系式是非線性函數(shù)，并且取決于螺線管操作器的幾何形狀以及構(gòu)成閥的各個部件的材料?？衫秒娐非蠼獬绦蜍浖?諸如市售的SPICE程序)在數(shù)字計算機上模擬閥的機械和電子元件可獲得上述等式的解。在這樣的一種模擬中，利用電子元件直接模擬電子驅(qū)動器電路，以及用相應的電子模擬表示機械部件。
可利用接收關(guān)于螺線管參數(shù)的表格數(shù)據(jù)的元件模擬反向emf(電磁力)(NdN/dt)的磁耦合、磁心位置、電流和螺線管作用力。在操作條件的范圍內(nèi)利用螺線管的磁有限元分析求出該表格數(shù)據(jù)并且所獲得的解可用于磁心位置和線圈激發(fā)的各個值?？稍跀?shù)字計算機上進行這樣的分析的市售軟件求解程序的一個示例是EMSS by Ansoft ofPittsburgh PA。該求解程序?qū)⒋庞邢拊治龀绦蚺cSPICE程序的一個版本結(jié)合在一起。通過在這樣一個求解程序中模擬該問題，可獲得采用時間變量波形的形式的解，時間變量波形表示位移x，即，銜鐵自其初始位置的位移。
在低質(zhì)量流速的范圍中，流過該閥的總質(zhì)量僅等于導閥流。即，主閥部件保持座落在主閥座上，從而防止流過主閥開口。利用由求解程序所確定的位移x，可根據(jù)下列關(guān)系式計算通過主閥部件的導閥開口的氣體或者液體的質(zhì)量流。
在通過該閥的流體為一種氣體的情況下M導閥(氣體)＝(K P1CdB x D1N12)/(T1/2)，其中(＝氣體常數(shù)M＝每單位時間的質(zhì)量流Ro＝蘭金度數(shù)x＝銜鐵自其初始位置的位移，用英寸表示K-常數(shù)(Ro1/2)/單位溫度＝[((-1)/2(/((P1/P2)((-1/(-1)]-(1/()P1＝入口壓力，用帕斯卡表示P2＝主閥座的下游壓力Cd＝流量系數(shù)D1＝導閥密封表面直徑N12＝在總溫度和壓力值已知的情況下每單位面積的實際流與聲速流的比[(P1/P2)2/(-(P1/P2)((+1)/(/(((-1)/2(2/(＝1))((+1)/((-1))]1/2T＝入口溫度，用Ro表示在通過該閥的流體為一種氣體的情況下M導閥(液體)＝Cdx D1(2gcρ(P1-P2))1/2，其中g(shù)c＝重力常數(shù)(386in-1bm/1bf-sec2)ρ＝密度(磅/英寸3)流過閥的總質(zhì)量流等于質(zhì)量導閥流，直至主閥部件從主閥座的位移，即，隔膜行程，Xd＞0
為了確定主閥部件抬離主閥座的時間，從而不使主閥開口得到密封以增大通過該閥開口的質(zhì)量流速，從而提高通過該閥的質(zhì)量流速，可考慮如下的出現(xiàn)在閥內(nèi)的壓力、溫度和體積變化之間的關(guān)系式。
已知，理想氣體方程為，M＝PV/RT，其中P＝隔膜室中的壓力V＝隔膜室中的體積R＝理想氣體常數(shù)M＝隔膜室中的氣體質(zhì)量對理想氣體方程求導m/M＝p/P+v/V+t/T＝0其中，m＝質(zhì)量M的變化v＝體積V的變化p＝壓力P的變化t＝溫度T的變化假定一種多變過程，根據(jù)下列關(guān)系式計算溫度變化與體積變化之間的關(guān)系P＝nPAdXd/V，其中Ad＝隔膜面積Xd＝隔膜移動量n＝在1(對于恒定溫度)和(對于恒定的熵)之間的數(shù)字(＝比熱比對Xd的求解得出隔膜位移Xd＝pV/nPAd通過改變在螺線管線圈中的脈沖寬度調(diào)制電流的工作周期和/或電流的頻率使導閥部件在導閥座上上下振動，可在一個連續(xù)的低范圍內(nèi)獲得質(zhì)量流速。當導閥質(zhì)量流速增大到使作用在主閥部件上的壓力差開始將主閥部件從主閥座上升起的程度時，利用被非?？拷鏖y開口的主閥部件部分阻擋的通過主閥開口的有限質(zhì)量流對通過主閥部件中的導閥開口的質(zhì)量流進行補充。當主閥部件從主閥座移動的距離等于或者小于主閥開口的直徑的25％時，可獲得在中度范圍內(nèi)的質(zhì)量流速。在主閥部件從主閥座升起的距離大于主閥開口的直徑的25％后，可獲得在高度范圍內(nèi)的質(zhì)量流速。
在主閥開口未被密封后，可以下列方式計算在整個流速的中度范圍內(nèi)的質(zhì)量流速。
Mtotal＝通過該擴展范圍的比例閥的質(zhì)量流速Mtotal@xd＜25D2＝M隔膜+M導閥其中D2＝主閥開口的直徑M隔膜＝通過主閥開口的質(zhì)量流速M導閥＝通過導閥開口的質(zhì)量流速隨著主閥部件的位移增大并且主閥部件不再靠近主閥開口，通過主閥部件中的導閥開口的質(zhì)量流速相對于通過主閥開口的質(zhì)量流速變得不重要并且可忽略。因此，可以下列方式計算在整個流速的高度范圍內(nèi)的質(zhì)量流速。
Mtotal@xd＜25D2＝M隔膜M隔膜(氣體)＝(K P1A1N12)/(T1/2)M隔膜(液體)＝A1(2gcρ(P1-P2))1/2，其中A1＝XdCdD1B＝主閥開口的有效面積當主閥部件從主閥座移動的距離小于主閥開口的直徑的25％時，主閥開口的有效面積等于在當主閥部件充分移離主閥座以致于不會對通過主閥開口的質(zhì)量流速產(chǎn)生影響的類似條件下出現(xiàn)的壓力降作用在主閥開口上的面積。
示例2在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例構(gòu)成的一種用于控制天然氣(使用甲烷氣體常數(shù))的流動的擴展范圍的比例閥中，提供下列參數(shù)數(shù)值。
K＝氣體常數(shù)(Ro1/2)/單位溫度＝[((比熱比，(-1)/2()((P1/P2)((-1)/(-1)]-(1/()＝23.14P1＝入口壓力＝79.7帕斯卡Cd＝排放系數(shù)0.35(由于入口限制而考慮損耗)D1-導閥密封表面直徑＝0.056”N12＝在總溫度已知的情況下每單位面積的實際流與聲速流的比，并且壓力＝P2＝0.95P1＝75.72帕斯卡因此，N12＝0.4507[(P2/P1)2/y-(P2/P1)(y+1)/y/((y-1)/2(2/(y+1))(y+1)(y-1))]1/2T＝入口溫度，用蘭金度數(shù)(Ro)表示＝527
CdD1＝主孔＝0.328”-(0.1652至0.326)M＝銜鐵質(zhì)量，用千克表示＝0.0277B＝在銜鐵上的摩擦力，用牛頓/米/秒表示＝9.0K＝銜鐵彈簧的彈簧常數(shù)，用牛頓/米表示＝2185F0＝必須克服的以開始動作的在銜鐵上的初始作用力，用牛頓表示＝1.338R＝螺線管線圈的電阻＝6.5歐姆N＝螺線管線圈的匝數(shù)＝850應該理解的是，上面是對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述，可在不脫離本發(fā)明的精神和保護范圍的基礎(chǔ)上對該實施例進行各種改進和變型。例如，本發(fā)明還可用于一種導閥操作的比例螺線管閥的設(shè)計中，其中使用在一個剛性的活塞而不是一種撓性隔膜上的壓力來提升主閥部件。
圖6-8示出了根據(jù)這里提供的某些教導構(gòu)成的一種流體流動系統(tǒng)的一個示范性實施例的某些特征。
首先參見圖6，其中示出了一個流體控制系統(tǒng)60，流體控制系統(tǒng)60包括一個控制器61；能夠以兩個固定頻率之一產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號的電源電路62；以及閥70，閥70能夠在其致動器處接收來自于電源電路62的脈沖寬度調(diào)制信號并且作出響應以控制氣體或者流體從入口流體供給管線63到出口流體管線64的流動。
控制器61在其輸入端接收對應于流過閥64的所需流速的流體流動指令信號。該指令信號可采用模擬或者數(shù)字指令信號的形式，該模擬或者數(shù)字指令信號例如代表用每小時流體的磅數(shù)表示或者用其他單位(諸如kg/sec)表示的所需流體流速?？刂破?1接收指令信號并且作出響應以產(chǎn)生輸出控制信號，該輸出控制信號對應于被提供給電源電路62的固定頻率和工作周期的百分比。電源電路62通過形成產(chǎn)生具有對應于來自控制器61的指令的工作周期的頻率固定的脈沖寬度調(diào)制信號來對這些信號作出響應。與前面結(jié)合圖1-4所述的閥類似的閥70將響應于脈沖寬度調(diào)制信號對流體從管線63到管線64的流動進行調(diào)節(jié)。
可利用適合的數(shù)字或者模擬電路構(gòu)成所述控制器61并且可采用獨立的或者作為一個較大的控制系統(tǒng)的一部分的基于微處理器的數(shù)字控制器的形式。通常，控制器61被構(gòu)成這樣的形式，即，能夠?qū)⒁粋€輸入流動指令信號的“映射”提供給所需的固定頻率和工作周期，圖7示出了一個可由用于低頻模式控制的控制器61執(zhí)行的示范性映射曲線。特別是，它示出了一個表示用于一個示范性閥的各種流速和工作周期的映射曲線。在所示的“圖”中，對應于所示參數(shù)的PWM信號的頻率是不可變的而是固定在一個較低的頻率處，諸如31赫茲?？蛇x擇低頻以對應于由控制器61控制的閥70的物理性能，從而根據(jù)上述低流動模式，響應于在該頻率下以及在某一工作周期以下的PWM信號，使流過閥70的大部分流動是通過閥的導閥孔的流動?？衫貌殚啽怼⒁环N曲線擬合的形式或者其他適合的方式在控制器61中執(zhí)行圖7所示的映射。
通過對圖7的曲線觀察，可以看出，曲線的斜率是比較恒定的并且是比較小的以使該曲線較“平”。換言之，作為工作周期中的變化百分比的流體流速中的變化對于所示的工作周期范圍不是很大的。這有利于使被提供給閥70的PWM信號使用不同的和較高的固定頻率的另一種流動控制方式能夠進行一種平滑的轉(zhuǎn)變。
從前面關(guān)于圖1-4的閥所述的內(nèi)容中可以明顯地看出，隨著被施加在閥上的低頻PWM信號的工作周期增大，將達到一個大量流體流過導閥孔以及也可能流過主閥的點。在該點處，對流體流動的精確控制是困難的，這是由于-在比較低的頻率下-不易進一步進行向上的調(diào)節(jié)以及對通過閥70的流速進行精確的控制。這樣，當達到該點時，控制器61將執(zhí)行一種“高頻”控制模式，其中提供該電源電路62的固定頻率指令將從結(jié)合圖7所述的低頻控制模式所用的較低頻率變?yōu)橐环N較高的頻率。在下面描述的特定示例中，高頻為160赫茲。
應該理解的是，設(shè)定“低頻”和“高頻”控制模式的特定的值主要取決于閥70的機械結(jié)構(gòu)和用于閥中的螺線管致動器的電子性能。特別是，應該以這樣的方式選擇低頻，即，在該頻率范圍內(nèi)為閥70提供PWM信號能夠使導閥部件上下移動并且在每一個PWM脈沖之間打開和關(guān)閉導閥孔。另外，應該以這樣的方式選擇高頻，即，以期望的工作周期，在該頻率范圍內(nèi)提供PWM信號將使導閥部件相對穩(wěn)定地定位并且不產(chǎn)生很大的振動。
圖8示出了可由控制器61為了進行高頻模式控制執(zhí)行的一個示范性映射曲線。應該注意的是，所示曲線不是從0％的工作周期開始的，而是從大約40％的工作周期開始的。這是因為，在由控制器61執(zhí)行的控制計劃下，控制器通常在利用閥在低頻下的控制已經(jīng)確定一些通過閥70的流動以后執(zhí)行高頻控制模式。應該注意的是，從圖8中的曲線中可以看出，所示曲線具有三個基本區(qū)段65、66和67。區(qū)段65表示曲線的低流動端，并且應該注意的是，具有較低的較平的斜率。區(qū)段66具有較高的斜率，而區(qū)段67具有極陡的斜率。通常，區(qū)段67表示在PWM工作周期為或者接近100％的點并且流過閥70的流體流動已經(jīng)達到一個最大值。區(qū)段66表示斜率基本上不變的一個區(qū)段，它應該對應于閥70的正?！案哳l”操作條件。
圖8的區(qū)段65與區(qū)域66的不同之處主要在于，其斜率很小并且在一個工作周期的合理范圍內(nèi)基本上是平的。從圖8與圖7的“低頻”曲線的比較中，可以注意到(1)平的區(qū)段65的斜率基本上與低頻曲線的斜率是相等的；以及(2)在該范圍內(nèi)用于高頻曲線的流速數(shù)值和工作周期基本上與在該范圍內(nèi)用于低頻曲線的流速數(shù)值和工作周期是重疊的。隨著通過閥70的流體流增加，這種重疊使從低頻控制模式到高頻控制模式能夠進行一種平滑的轉(zhuǎn)變。
由于高頻曲線和低頻曲線在特定的范圍內(nèi)的重疊，因此控制器61能夠按照下列方式從低頻控制模式到高頻控制模式完成轉(zhuǎn)變首先，當通過閥70的流動從零開始進行時，控制器61將使用諸如圖7中所示的低頻映射以低頻模式操作直至達到這樣一個點，即，激活工作周期達到一個對應于上述重疊區(qū)域的點。在該點處，響應于流體指令信號的進一步增大，控制器61將轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l控制模式并且接著執(zhí)行一個諸如圖8中所示的高頻映射。由于閥70響應于低頻和高頻PWM信號的操作性能提供上述重疊區(qū)域，因此能夠在PWM工作周期不出現(xiàn)很大變化或者通過該閥的流動中不出現(xiàn)很大變化的情況下實現(xiàn)從低頻控制到高頻控制的轉(zhuǎn)變。這樣，通過在重疊范圍內(nèi)實現(xiàn)從低頻控制到高頻控制的轉(zhuǎn)變，可使控制器61在寬流速范圍內(nèi)進行平滑流體流動控制。
在實現(xiàn)從低頻控制到高頻控制的轉(zhuǎn)變的情況下的特定的工作周期/流速不是很大，只要轉(zhuǎn)變發(fā)生在上述重疊范圍內(nèi)即可。另外，上述內(nèi)容針對的是，隨著流體流增加，實現(xiàn)從低頻控制模式到高頻控制模式的轉(zhuǎn)變，但是如果通過閥70的流體流減少，實現(xiàn)從高頻控制模式到低頻控制模式的轉(zhuǎn)變也是需要的。在流體增加和流體減少時需要進行平滑控制的情況下，控制器61可在低-高和高-低的轉(zhuǎn)變時在重疊區(qū)域內(nèi)的不同點處進行轉(zhuǎn)變以提供一種如果流體指令在該區(qū)域中的一個點周圍略微改變能夠防止重復的轉(zhuǎn)變的滯后形式。
控制器61的輸出判斷是低固定頻率還是高固定頻率并且一個給定的激活工作周期可采用數(shù)字信號的形式或者模擬信號的形式。它們被提供給電源電路62，電源電路62可采用常規(guī)結(jié)構(gòu)。電源電路62將控制信號轉(zhuǎn)變成一種被施加到閥70上的固定頻率信號以對通過閥的流動進行控制。這樣，系統(tǒng)60能夠在流速的寬范圍內(nèi)對流體流動進行有效控制。
如上所述，可利用閥70的在接收一個低頻的PWM信號時的流速與激活PWM工作周期特性曲線以及在接收一個高頻的PWM信號時的流速與PWM工作周期特性曲線之間存在一個重疊區(qū)域的特性來實現(xiàn)圖6中的系統(tǒng)60的有效操作。重疊區(qū)域的存在以及該區(qū)域的范圍很大程度上是由閥70的設(shè)計和結(jié)構(gòu)限定的。圖9詳細地示出了能夠提供上述所需重疊特性以及其它適用于諸如圖6中所示流體控制系統(tǒng)的性能的閥70。
圖9的閥70包括結(jié)合圖1-4所描述的閥的許多元件和部件，但是這樣的部件的布置和構(gòu)成在一些方面與前面所述的閥是不同的。閥70的操作通常與結(jié)合圖1-4所描述的閥是相同的。
閥70包括閥體72，閥體72可由金屬或者其他適于與該閥結(jié)合使用的流體的材料制成。閥體72限定了一個進入口14。該進入口14具有兩個部分，即，具有第一直徑的第一部分14a和具有小于所述第一直徑的第二直徑的第二部分14b。盡管未在圖9中示出，該進入口可與一個接合裝置或者管(諸如一個VCR配件)相連以使該閥與一個流體管線相連。
閥體72還限定了一個沿著一個垂直于進入口方向的方向延伸的排放管73。排放管73供給到一個也由閥體72限定的小的圓柱形儲放室74中。在所示的閥中，排放管從進入口的部分14b延伸。圓柱形儲放室的直徑大于排放管73的直徑。在所示的示例中，閥體72還限定了一個用于接收在圖7中用元件76表示的O形環(huán)或者其他適合的密封件。盡管閥體72通常是用金屬合金材料制成的，但是密封件76以及下面將描述的其他密封件通常是由一種可壓縮的彈性體材料制成。
閥體72還限定了一個沿著一個平行于排放管73的方向但垂直于進入口14的方向的方向延伸的主儲放室77。主儲放室77包括兩個部分基本上為圓柱形且具有第一直徑的第一部分77a；以及從第一部分延伸的并且直徑小于第一部分的直徑的第二部分77b。主儲放室與進入口14流體相通以使流入到進入口14中的流體能流入到儲放室77中。閥體在儲放室77的頂部附近限定了一個用于接收密封件(未示出)的凹槽79。
主儲放室77與一個也由閥體72限定的排出口16流體相通。排出口沿著一個平行于進入口14的方向但垂直于主儲放室77的方向的方向延伸。與進入口14類似，排出口也可與外部適配裝置、配件或者接頭(未示出)接合以便與一個流體管線相連。
可以注意到，與主儲放室的任何部分不同的是，排放管73延伸到閥體72的進入口中。相信，這有助于使排放管在一個比較穩(wěn)定的流體流的區(qū)域(即，進入口)中接收流體，這與在儲放室77中可能出現(xiàn)的顯著紊流的區(qū)域不同。
可以注意到，在圖9的示意性閥中，閥體72可易于被加工并且由單件材料制成。特別是，由塊72限定的所有管、端口和儲放室相互平行或者垂直的以便無需利用昂貴和耗時的制造方法可容易地制造該部件。
在圖9的閥中，閥座管80位于主儲放室77內(nèi)。該閥座管可由一種金屬材料制成，該金屬材料可與用于形成閥體72的材料相同或者不同。閥座管80的外徑略微大于主儲放室的下部77b的內(nèi)徑并且具有沿著主儲放室77延伸的長度或者基本上與主儲放室的長度相等。閥座管80位于主儲放室的下部77b內(nèi)以便能夠利用壓配合使閥座管80被套入和定位在閥座管和主儲放室的下部77b之間。在所示的實施例中，密封件81還有助于使閥座管80定位在主儲放室的下部77b內(nèi)?？梢宰⒁獾剑y體72和閥座管80被制成不同的組件以使閥座管可被容易地插入在主閥體72中。
一個活動結(jié)構(gòu)位于閥座管80內(nèi)，所述活動結(jié)構(gòu)包括流動形成元件82、上夾持元件83a、下夾持元件83b以及夾在所述夾持元件之間的撓性隔膜84。隔膜被定位以橫穿主儲放室77。一個密封件85位于下夾持元件83b的下側(cè)上。上夾持元件83a接觸在主儲放室77中與隔膜相對的側(cè)面上的隔膜84。
流動形成元件82是固定地連接上夾持元件83a、下夾持元件83b和隔膜84的堅固結(jié)構(gòu)以便當撓性隔膜彎曲和移動時使流動形成元件82與隔膜一起移動。流動形成元件限定一個在撓性隔膜84上方延伸的第一區(qū)段，所述第一區(qū)段限定一個導閥管86，導閥管86供給一個長的圓柱形排放通道87中，排放通道87延伸流動形成元件82的長度。如在該圖中所反映的，流動形成元件82沿著閥座管80的大部分延伸，并且在一些實施例中，延伸的長度大于或者等于閥座管80內(nèi)徑的2.5倍。
流動形成元件82限定了外徑約等于但略微小于閥座管內(nèi)徑的第二區(qū)段。圖10中提供了表示該流動形成元件82的各個部分的詳細視圖以及閥座管80的上部的詳細視圖。
圖10是圖9中的流動形成元件82和閥座管80的放大視圖。參照圖10，可以注意到，閥座管80的上部限定了一個略微凸出的部分80a，略微凸出的部分80a限定了一個閥座。當撓性隔膜處于正常的非變形狀態(tài)時，與包括流動形成元件82的活動結(jié)構(gòu)相關(guān)的密封件85將抵靠在閥座80a上以阻止流體流過閥座。
如在圖10中所反映的，流動形成元件82包括在撓性隔膜84下方延伸的第二區(qū)段。第二區(qū)段具有三個部分，第一部分82a具有一個沿著基本上平行于閥座管80的壁的方向延伸的直段。流動形成元件的第二部分82b包括一個以比較恒定的斜率向內(nèi)逐漸變細的部分，在所示實施例中，其相對于閥座管80的壁的斜率為11度。閥形成部件的第三部分82c包括排出通道87的延伸部分和從通道82延伸的葉片。在該圖中僅示出了兩個這樣的葉片。除了提高閥70的流體流動性能以外，葉片還有助于使流動形成元件82穩(wěn)定，因此，使與部件82相連的撓性隔膜84穩(wěn)定。
流動形成元件82的特定形狀對于提供使圖9和圖10中的閥在一個參照圖6描述的流體控制系統(tǒng)中穩(wěn)定的流動性能是重要的。特別是，當主儲放室77中的流體壓力增大到使隔膜84向上撓曲的一個點時，流動形成元件82開始升離閥座80a并且使流體流過閥座80a并且流過由流動形成元件82的第二區(qū)段和閥座管80的內(nèi)壁之間關(guān)系所限定的通道。特別是，當流動形成元件開始升離閥座80a時，可能通過閥座80a流入到閥座管80中的流體量的變化會響應于流動形成元件82的向上移動而變得較小。這是由于這樣的流體必須通過的通道是由流動形成元件82的直段82a限定并且流動形成元件在該位置處的向上移動不會增大該通道的直徑。流動形成元件82中存在直段82a有助于提供圖7中的較平、低斜率區(qū)域65。這樣，流動形成元件82的該部分的特定形狀有助于提供使閥70特別適用于圖6中所示系統(tǒng)中的“高頻”流動性能。
當流動形成元件82響應于隔膜84的撓曲向上移動時，將達到一個使流動形成元件的錐度部分82b開始限定流體通過閥座80a進入到閥座管80中的通道的點。在該點處，流體流速的變化作為向上移動的變化的百分比將顯著增大并超過當該通道由部件82的直段82a限定時所存在的移動變化百分比。這樣，在流動形成元件82的移動的該區(qū)域中，閥70將表現(xiàn)出由圖8中的中間區(qū)段66所反映的特性。流動形成元件82的連續(xù)向上移動將使流動形成元件82的區(qū)段82a和82b凸出到閥座管80的上方和之外，從而使流體在沒有受到很大限制的情況下直接通過閥座80a進入到管80中。在圖10中所示的該點處，閥將處于圖8中的曲線的較高流動區(qū)域。
除了提供流動形成元件82的詳細表示，圖10還示出了撓性隔膜84位于上夾持元件83a和下夾持元件83b之間的方式以及上夾持元件83a和下夾持元件83b的結(jié)構(gòu)。在所示的例子中，下夾持元件83b是基本上為環(huán)形的部件并且被安裝在流動形成元件82和隔膜84上。但是，上夾持元件83a具有比較復雜的結(jié)構(gòu)。特別是，上夾持元件83a包括限定了一個環(huán)形凹陷區(qū)域90的凸出的部分。另外防止容納上夾持元件83a的活動部件以一種不希望的方式利用第一偏壓彈簧92和上夾持元件83a之間的關(guān)系向上移動。特別是，上夾持元件83a限定了一個其尺寸適于接收偏壓彈簧92的一端的環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)93。偏壓彈簧的另一端位于上閥體100的一部分上，下面對其進行詳細描述。偏壓彈簧92提供了趨于對上夾持元件83a偏壓的向下偏壓作用力，并且該向下偏壓作用力以一種固定的方式對所有與該部件相連的元件(例如，隔膜84和流動形成元件82)進行偏壓。
從圖10中可以注意到，偏壓彈簧的形狀為圓錐形并且具有特別的特征，即，彈簧的一端92a的直徑大于彈簧92中的被上夾持元件83a接收的端部92b。彈簧92的該特征使具有“一定角度”的作用力作用在上夾持元件上，其中施加在上夾持元件上的作用力具有兩個分量(1)“向下”分量-該分量以一種固定的方式對上夾持元件83a和與其相連的所有部件進行偏壓-向下作用在閥座80a上；以及(2)一個“橫向”或者“側(cè)向”分量，該分量阻止上夾持元件83a-和與其相連的所有部件-橫向移動(例如，在圖10中向左或者向右移動)。該彈簧92的兩個偏壓特征還有利于閥70的特定流動性能。
由于閥70以與結(jié)合圖1-4所述的閥基本相同的方式操作，因此閥的流動性能在許多方面取決于流體流過導閥管86的能力。流體流過導閥管的能力主要取決于當導閥密封件升離導閥管86時可被想象為從導閥管到導閥密封件120延伸的假想的圓柱體積。該假想的圓柱體積將取決于多個參數(shù)，其中包括導閥密封件120的間距以及導閥管86在流體流動方向上的有效橫截面積。導閥管86的有效橫截面積又取決于導閥管86的布置，并且包含上夾持元件83a的活動結(jié)構(gòu)的任何搖擺或者其他移動將影響該有效橫截面積。這樣，為了精確、可靠和可重復的流體流動，減小導閥管的有效橫截面積的變化可能性是重要的。這對于以低流速的條件下操作閥70是特別重要的。因此，使用特定的雙向偏壓彈簧92能夠提高閥70以低流速提供可控制的流體流動的能力。
上夾持元件83a的另一個特征是上夾持元件83a的外徑尺寸特別是根據(jù)閥座管80的內(nèi)徑確定的以控制撓性隔膜84的有效面積。撓性隔膜的有效面積是由支撐該隔膜的剛性元件的直徑限定的。例如，圖10的隔膜84的有效面積約為上夾持元件83a的外徑和夾持隔膜84外部的在凹槽79中的O形環(huán)的直徑之間的一半。通過控制上夾持元件83a的內(nèi)徑，能夠減小撓性隔膜84的有效面積，從而能夠?qū)﹂y70進行更有效的控制。在閥70的一個實施例中，上夾持元件83a的最大外徑的尺寸是這樣的，即，使其小于或者等于閥座管80的外徑。上夾持元件83a的外徑和閥座管80之間的關(guān)系相信能夠提供特別有利的流動控制。
圖8和圖10中還能夠反映出，導閥密封件(有時被稱為密封盤)120位于一個可移動的控制部件(有時被稱為螺線管磁心)125內(nèi)，該可移動的控制部件125對應于圖1-4中的響應于螺線管的通電而移動的部件。該部件在雙向偏壓彈簧130的作用下被向下偏壓到導閥管86上，所述雙向偏壓彈簧130以與前面結(jié)合彈簧92所述的類似的方式操作。由于導閥密封件120的不希望的橫向或者其他移動也會對通過導閥管86的流動產(chǎn)生影響，相對于該元件使用雙向偏壓彈簧還會提高閥70在低流動的水平下提供精確的和可控制的流動的能力。
圖10中所示的閥70的另一個特征是可移動的控制部件125(或者螺線管磁心)的獨特結(jié)構(gòu)。特別是，可以注意到，可移動的控制部件已經(jīng)被加工以使在部件125中靠近導閥密封件120的區(qū)域中的材料被去除。這種加工能夠在該部件中與導閥密封件接合的區(qū)域附近產(chǎn)生一個窄的部分?？刂撇考?25的這種加工減少了控制部件的質(zhì)量以使由控制部件125以及其偏壓彈簧130形成的機械系統(tǒng)的固有頻率增大。該系統(tǒng)的固有頻率的增大易于使上述機械系統(tǒng)的固有頻率與下列頻率分離，這些頻率為(1)用于固定頻率的PWM的頻率；以及(2)當流體流過閥時形成的頻率。這種頻率分離能夠減少不希望的閥振動并且增強對流體流的控制。相信，控制部件125(或者螺線管磁心)的這種加工與常規(guī)閥中使螺線管磁心保持為一種基本均勻的圓柱形部件的結(jié)構(gòu)是存在明顯的不同之處。根據(jù)閥70的一種結(jié)構(gòu)，重量高達25％的初始螺線管磁心從控制部件125中被去除。
回到圖10，除了上述部件以外，閥70包括一個上閥體100，上閥體100可由與主閥體72相同的材料制成?？捎蓡渭牧现瞥傻纳祥y體限定了一個具有一定角度的通道130，當上閥體100位于主閥體72上時，通道130與儲放室74流體相通以使流體可從進入口14通過排放管73和儲放室74進入到通道130中。
通道130與上儲放室135流體相通。儲放室135在其上部位置處限定了一個開口。當該閥被組裝時，上夾持元件83a位于該儲放室135中并且導閥管86開口在該儲放室中。如上所述，在導閥管86(或者導閥孔)和排放管73(或者有效排放面積)的橫截面積以及將隔膜84偏壓在導閥上彈簧92的彈簧常數(shù)之間的關(guān)系對于任何給定的頻率和工作周期脈動達到有效的流動控制范圍是非常重要的。
導閥孔尺寸的確定對于保證低頻模式(例如，31赫茲)和高頻模式(例如，160赫茲)流動相對于PWM工作周期曲線包括一個適合的重疊區(qū)域以提供一個清晰的轉(zhuǎn)變點是重要的。如果導閥孔太大，在高頻模式下可獲得的最小流動可能會受到影響，并且可能超過在低頻模式下的最大的可控制的流動。如果導閥孔太小，低頻模式曲線的上端可能被限制，再次產(chǎn)生不能重疊的高頻模式曲線和低頻模式曲線。
這里所述類型的閥的排放通道用于使在隔膜上方和下方的壓力和作用力保持平衡。該排放通道通常小于導閥流動通道。導閥流動通道的開口會在隔膜上產(chǎn)生壓力/作用力的不平衡，使閥的主要部分打開。相反，關(guān)閉導閥會使隔膜在壓力/作用力下保持平衡，可利用一些機械裝置使其關(guān)閉。該排放區(qū)域的尺寸確定相對于其他參數(shù)是比較重要的，主要是因為，如果該排放區(qū)域太小，在低頻PWM脈沖的工作部分中，壓力將通過導閥流動通道被聚積，并且聚積的速度比由排放流動通道補充的速度快。這會導致隔膜過早地提升和打開閥的主要部分，這樣限制了可能的低流動范圍。一個排放區(qū)域的尺寸過大，可能在使以低頻模式獲得的流量達到最大的同時不能使隔膜產(chǎn)生不平衡并且阻止閥的主要部分在較高的流動下打開。另外，還已發(fā)現(xiàn)，排放區(qū)域的尺寸過大可能使閥座與導閥密封件之間的分離，從而使閥不穩(wěn)定。
對于隔膜偏壓彈簧，如果該彈簧太弱，那么在低頻模式下隔膜可能會過早地打開，限制可控制的流動范圍。如果彈簧太強，高頻曲線的上端可能會受到限制，減小調(diào)節(jié)比。
應該注意的是，一個參數(shù)不能實現(xiàn)閥在低頻模式和高頻模式下的成功操作，這些參數(shù)包括工作周期、頻率、導閥區(qū)域、排放區(qū)域或者隔膜彈簧。相反，這是所有參數(shù)的平衡。
可以注意到，上閥體100由于其優(yōu)雅的設(shè)計而可容易被構(gòu)成并且被固定在主閥體72上。這樣，主閥體72、閥座管80和上閥體100的結(jié)構(gòu)使閥70的構(gòu)成比較容易、節(jié)省成本以及是自“底”向上的。
一個致動組件連接在儲放室135的上開口，所述致動組件包括上述可移動的控制部件125以及形成能夠使所述可移動的控制部件125響應于一個通電信號移動的螺線管的磁性材料和其他材料。閥70的這部分的結(jié)構(gòu)和操作與前面參照圖1-4所述的類似并且這里不再進行描述。
閥70的一般操作與前面參照圖1-4所述的類似。這樣，當該閥提供一種低流體流動時，它響應于一個提供低頻PWM控制信號的控制器進行操作。由于流體流入到進入口14、通過排放管75進入儲放室135以及由于在每一個PWM周期中可移動的控制部件125向上移動而使流體通過導閥管86、通過通道87以及從排出口16流出，從而實現(xiàn)流體流動。當PWM控制的工作周期在該低頻模式下增大時，越來越多的流體將在每一個PWM周期中流過閥70并且可達到一個使隔膜略微向上撓曲的點，并且流體流過閥座80a進入到閥座管80中以及從排出口16流出。盡管在低頻操作模式下，大部分流體流動將通過排放管和導閥管，但是上述內(nèi)容表示，流過閥座80a的一些流體不與這里給出的教導相矛盾。
當?shù)竭_一個使能夠控制閥70的控制器切換到一個高頻控制模式的點時，可移動的控制部件125將以一種可控制的方式向上移動直至達到一個使閥70完全關(guān)閉的點。
盡管前面已經(jīng)參照一個優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了模式，但是可在不脫離這里所披露的本發(fā)明保護范圍的基礎(chǔ)上對本發(fā)明和優(yōu)選實施例進行各種改進和變型。因此，這里所描述的本發(fā)明不限于僅所描述的內(nèi)容，而且還包括在由后面的權(quán)利要求及其等同的范圍內(nèi)的所有好的改進和變型。
權(quán)利要求
1.一種流量閥，其包括一個主閥體，所述主閥體限定了一個進入口、一個排出口以及一個主儲放室；一個位于所述主儲放室內(nèi)的可移動的部件，所述可移動的部件包括一個橫過所述主儲放室的隔膜以及一個限定通過所述可移動部件的導閥通道的部件；一個導閥密封件；一個可移動的控制部件，所述可移動的控制部件包括一個螺線管致動器，所述螺線管致動器具有與所述導閥密封件接合的螺線管磁心，其特征在于，所述螺線管磁心在所述磁心與所述導閥密封件接合的區(qū)域附近具有一個狹窄的部分。
2.如權(quán)利要求1所述的流量閥，其特征在于，所述螺線管磁心包括一個已經(jīng)被加工并且去除一部分材料的圓柱形磁心以提供所述被減少的部分。
3.如權(quán)利要求3所述的流量閥，其特征在于，通過加工被去除的材料質(zhì)量包括未被加工的螺線管磁心的質(zhì)量的至少28％。
4.一種流體流動系統(tǒng)，其包括一個控制器，所述控制器能夠接收一個流體流動指令并且產(chǎn)生響應信號，所述信號代表所需的脈沖寬度調(diào)制頻率和所需的工作周期；一個與所述控制器相接合的電源電路，所述電源電路接收所述代表所需的脈沖寬度調(diào)制頻率和所需的工作周期的信號并且產(chǎn)生一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制信號，該信號具有與所需工作周期相對應的工作周期；一個流量閥，所述流量閥包括一個螺線管致動器，所述螺線管致動器接收來自于所述電源電路的固定頻率的脈沖寬度調(diào)制信號以控制通過該閥的流體流動，其特征在于，所述閥包括一個閥座和一個位于所述閥座內(nèi)的流動形成部件，所述流動形成部件是這樣構(gòu)成的，即，使以第一固定脈沖寬度調(diào)制頻率和第一周期通過所述閥的流體流量基本上等于以第二脈沖寬度調(diào)制頻率和第一周期通過所述閥的流體流量。
5.一種流量閥，其包括一個主閥體，所述主閥體限定了一個進入口、一個排出口以及一個主儲放室；一個位于所述主儲放室內(nèi)的閥密封管，所述閥密封管具有一個外徑；一個位于所述閥密封管內(nèi)的可移動的部件，所述可移動的部件包括一個定位成橫過所述主儲放室的隔膜以及一個上夾持部件，所述上夾持部件在與所述主儲放室相對的一側(cè)中接觸所述隔膜，其中，所述上夾持部件的外徑小于或者等于所述閥密封管的外徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可控制在連續(xù)的低、中和高范圍內(nèi)的質(zhì)量流速的擴展范圍的比例流量閥(10)，所述比例流量閥(10)具有安裝在一個螺線管銜鐵(84)上的導閥部件(68)，所述導閥部件(68)可在一個主閥部件(30)中的導閥開口(58)上上下振動，所述主閥部件(30)密封了一個主閥開口(18)以通過改變在螺線管線圈中的脈沖寬度調(diào)制電流的工作周期和/或頻率在低范圍內(nèi)控制質(zhì)量流速。通過以足以使主閥部件(30)以較短和較長的距離升離主閥座(18)的工作周期和/或頻率使所述導閥部件(68)轉(zhuǎn)動來獲得中度的和高度的流速。
文檔編號F16K31/42GK1425114SQ01808242
公開日2003年6月18日 申請日期2001年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月18日
發(fā)明者P·W·弗雷辛格, P·R·哈勒, P·A·霍爾波羅 申請人:阿斯科控制裝置有限公司