專利名稱：按比例輸出的氣閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對低壓可燃?xì)饬鞯目刂啤?br> 如在英國專利申請GB0030263.8和GB0011350.3中所公開，用于將壓電致動器移動放大的變位機(jī)構(gòu)(Indexing mechanism)可以用來使表面密封逐漸打開，但是與手動的解決方案相比，這種裝置的成本高得令人不敢問津。
在這樣的應(yīng)用中通常使用提升閥，其中密封件被壓到孔上然后被頂離；但是這種裝置的打開特性使得它們不能進(jìn)行按比例的控制。在輸入氣壓受到彈簧阻礙且致動器拉開彈簧的情形下，需要增加由彈簧密封力及額外彈性系數(shù)所產(chǎn)生的、用于致動器的力。當(dāng)閥被氣壓所關(guān)閉時，隨著密封件開始打開，壓差隨之消失，然后致動器會操作過量。例如具有蝸桿驅(qū)動的馬達(dá)等解決方案可解決這個問題，但是從成本上講是令人望而卻步的。
基于成本的理由，人們希望采用低能耗的簡單部件，這就引發(fā)了對使用壓電致動器的考慮。然而，這種致動器遇到的問題的是所需的移動量較大。對于氣閥，閥件V的所需移動量由入孔的直徑D決定。如

圖1所示，只有當(dāng)閥件V位于孔上方、且與該孔的距離至少是直徑D的25％時，才能實現(xiàn)順暢的流動。這是因為圓筒直徑D和25％D的高度所形成的面積與孔D的面積相等，因此該開口不構(gòu)成約束。
盡管對于不同規(guī)格情況略有不同，當(dāng)氣體控制閥中通過其最大流速時，要求這些氣閥具有大約1毫巴的壓降。為了實現(xiàn)這樣低的壓降，孔的尺寸必須基本上與輸入管相同。在大多數(shù)炊具設(shè)備中，輸入管的內(nèi)徑為4mm，因此氣閥必須至少離開孔1mm，而且最好是更高一些。這個移動量只能由壓電陶瓷彎片(而不可以由壓電陶瓷疊層)來實現(xiàn)，但是能夠以合理價位來實現(xiàn)上述移動的設(shè)計范圍非常有限。
另一要素在于，如圖2所示，從壓電彎片(bender)處獲得的力隨著位移線性減小。為了維持可用程度的力，組件必須在該力的50％和無荷載偏轉(zhuǎn)量(deflection)的50％范圍內(nèi)工作，如圖2中的陰影框所示。
從上述信息可以看出，由于閉合彈簧會使得所需的致動器的功加倍，從而使得已接近于實際極限的移動量減半，因此使用底壓系統(tǒng)來作功是毫無吸引力的。從彎片獲得一定的移動量，需要剛性相對小的系統(tǒng)。如果該系統(tǒng)具有較小的剛性，則逆著氣壓的打開過程必須經(jīng)受得住閥打開時的失穩(wěn)(collapse)所造成的沖擊。如果致動器有足夠的柔性來提供所需的運(yùn)動，則就會傾向于脫離孔，并進(jìn)入不受控的震動狀態(tài)，而使得不可能精確調(diào)節(jié)氣流。
由于壓電材料在本質(zhì)上有一定程度的滯后，這將會阻止葉片在操作之后形成絕對的密封，因此人們并不希望使用致動器本身來作為密封裝置。
人們期待有一種打開頂壓閥的裝置，該裝置可預(yù)防不可調(diào)節(jié)的震動，同時也允許使用致動器移動的整個范圍。
本發(fā)明提供一種控制流體流動的閥，其包括具有流體通道的主體，其具有入口和出口；阻止流體經(jīng)由通道進(jìn)行流動的柔性閥件；以及用于移動閥件、以控制流體從入口流向出口的移動裝置，其中所述閥件表現(xiàn)為彈性葉片的形式，其可繞著遠(yuǎn)離通道的軸線進(jìn)行樞轉(zhuǎn)。
優(yōu)選的是，葉片被設(shè)置成可提供所需的力/位移特征。
在一個優(yōu)選實施例中，用于移動閥件的移動裝置為壓電致動器。而且，所述閥可具有多個輸入，其中每個輸入都具有其自己的閥件。這種情況下，閥件的特征可以不必相同，但優(yōu)選使用單個致動器來操作兩個閥件。
此外，可以將多個閥并排地安裝在閥組件中，這允許該閥組件構(gòu)造成多層。
為了讓本發(fā)明更易于理解，下面參照附圖通過實例來說明本發(fā)明的實施方式。
附圖中圖1示出了用于解釋本發(fā)明所依據(jù)基本原理的圖；圖2示出了用于解釋本發(fā)明所依據(jù)的基本原理的另一圖；圖3粗略地示出了按照本發(fā)明實施例的閥的局件的剖視圖；圖4a至4c示出了適用于本發(fā)明的三種不同形狀的閥件的俯視圖；圖5示出了對圖3中所示閥的局件的改進(jìn)；圖6示出了對圖5中所示布置的詳細(xì)修改；圖7示出了可用于本發(fā)明的、閥件陣列的俯視圖；以及圖8示出了多個閥的完整閥組件的立體圖，其中每個閥是圖4中所示的閥。
如圖3所示，按照本發(fā)明的實施例，氣閥包括具有出口90的主閥體100和以密封的方式連接至主閥體100的封蓋件101。封蓋件101具有布置成連接至氣體源的入口10，并且在閥內(nèi)形成腔102。入口10與出口90之間的氣流由呈葉片40、50形式的一個或多個閥件進(jìn)行控制，其中這些閥件布置成密封住通往通道70、80的入口，且該通道70、80位于主閥體100內(nèi)并連通出口90。
稍后將對上述多個或一個閥件葉片進(jìn)行更詳細(xì)的說明，其中該葉片是通過連接至適當(dāng)致動器61上的升降件60來移動。致動器的優(yōu)選形式是壓電致動器，例如英國哈洛(Harlow)的PBT有限公司所銷售的、商標(biāo)名稱為Servocell的致動器。也可以采用其它的致動器，例如使用磁致伸縮材料、電致伸縮材料或其它能形成為彎片構(gòu)造的活性材料的致動器。對于低速操作的情況，該裝置也可以由熱力式雙金屬器件來驅(qū)動。
如圖3所示，致動器61位于閥外，且升降件60貫穿封蓋101而突伸出來。當(dāng)然，這需要穿過該封蓋進(jìn)行開口，以形成與升降件60之間的滑動密封。依賴于所涉及的流體，也可以將致動器61設(shè)置在閥自身之內(nèi)，從而免除對密封開口的需要。因為致動器上涂有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層，并在其表面上具有導(dǎo)電薄膜以防止致動器斷裂時產(chǎn)生火星，因此最終的設(shè)計中就沒有用于致動器的獨立腔。
下面來說明葉片40、50，圖中所示的每個葉片在一端41、51處安裝在主體100的頂表面104處，從而使得另一端42、52能通過升降件60的動作而升起或脫離，以打開通往通道70、80或其中任一個通道的入口。上述安裝可以通過夾持、焊接或結(jié)合來實現(xiàn)；而且，如稍后將要說明的，為了實現(xiàn)所需的密封程度，該安裝優(yōu)選允許端部41、51可以進(jìn)行一些有限的移動。
葉片40、50都表現(xiàn)為適當(dāng)尺寸的較薄葉片，并最終在施加20毫巴的頂壓時形成氣密性密封。葉片均優(yōu)選由適當(dāng)彈性程度的金屬制成。許多的葉片形狀都適用于本發(fā)明的應(yīng)用。這種葉片的例子有簡單的懸臂、恒應(yīng)力橫梁(constant stress beam)，或者當(dāng)打開時根據(jù)幾何學(xué)原理改變其剛性的曲板(convolute)。僅作為示例，圖4顯示了這些基本的葉片形狀，其中圖4a示出的是簡單的懸臂，圖4b示出的是恒應(yīng)力橫梁，圖4c示出的是按幾何級數(shù)變化的曲板。
可通過引入切口和其它特征來修改圖4中的形狀，以讓其具有逐漸增大或減小的剛性。
葉片40形成了旁路葉片，其蓋住了允許有限量氣體流至閥出口90的旁路通道70，從而提供適用于引燃燈(pilot light)和文火煨燉(simmer)功能的受控低度火焰。葉片50形成了主流動葉片，其蓋住為閥提供主要流動特征的主通道80。如果提供了壓力檢測裝置形式的適當(dāng)反饋，就可能從單個的孔和葉片布置方式來實現(xiàn)引燃(pilot)和主燃燒器功能。
用來將葉片從密封狀態(tài)提升起所需要的力，由下列等式來定義F＝S1+(S×d)+(P×A)其中，S1是密封葉片所施加的初始壓力；S是密封葉片的彈性系數(shù)；d是為了克服密封中柔量所需要的距離P是閥與出口之間的氣壓差；A是將被打開的孔的面積。
這個等式適用于整個的打開動作。
通過使簡單懸臂具有足夠的剛性，可減弱不受控震動現(xiàn)象，但是優(yōu)選葉片被形成為能在孔打開時迅速增大剛性。橫梁的偏轉(zhuǎn)量由下列公式確定d＝W13/3EI其中d是偏轉(zhuǎn)量；W是荷載；1是懸臂的長度；E是材料的楊氏模量；I是段面的第二轉(zhuǎn)動慣量。
對于簡單橫梁，第二轉(zhuǎn)動慣量由下列方程定義I＝bd3/12其中，b是寬度，d是橫梁厚度。
如果橫梁寬度按幾何級數(shù)變化，則相對偏轉(zhuǎn)量將相對于該寬度值的倒數(shù)呈線性變化。按圖4c所示，所述部分逐漸增加剛性，以進(jìn)行移動。圖5中示出了通向通道80的開口相對于橫梁形狀的位置。當(dāng)工作壓降較高時，最好增加剛性的變化率；由于上述方程是三次方函數(shù)，因此可以通過改變d值來實現(xiàn)這一點。這通過引入圖5中所示、沿著其邊緣56安裝的輔助葉片55來實現(xiàn)。首先，通過柔性葉片來打開開口，之后隨著壓差消失，由剛性較大的部件來實現(xiàn)減震。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用圖5所示構(gòu)造的優(yōu)點在于，可以修改整體構(gòu)造，從而讓通向通道80的入口具有彈性密封表面，例如具有圖6中具體示出的O形密封環(huán)81。
此外，柔性葉片50松散地安裝在其安裝邊緣51處，以便進(jìn)行有限的垂直移動(如圖3所示)，從而讓葉片50靠著O形密封環(huán)81實現(xiàn)密封。輔助葉片55被布置成在通往通道80的開口面積內(nèi)與柔性葉片接觸。優(yōu)選的是，該接觸是在該入口處的有效點接觸。對于前述實施例，可以選擇柔性葉片50和輔助葉片55的形狀，以提供所需的閥特征。
在使用中，通過對致動器61進(jìn)行致動來打開通道80，以逆著葉片50和輔助葉片55的彈性力以及氣壓來提升起葉片50的端部52。該通道由于葉片50的彈力、輔助葉片55所施加的力和氣壓而關(guān)閉。通過這些力和文丘里效應(yīng)來維持密封。
閥功能的本身特性可方便地適用于層狀構(gòu)件的制造，且允許將基本構(gòu)造復(fù)制成多重輸出的裝置。圖7示出了由單層材料形成的7個閥葉片的陣列。該陣列可具有任意合適的葉片數(shù)，其中7個葉片足夠用于四個爐圈、一個烤架和兩個烤箱。
使用壓電彎片致動器，可允許該致動器制成單個的部件或者優(yōu)選制成多個的單獨作用部件。圖8示出了一個完整的閥組件，其致動器形成為單個陣列。
可以修改圖7和8所示的布置方式，以將圖6所示的相關(guān)構(gòu)造用作圖4所示的基本布置方式。
通過上述和類似構(gòu)造可得到成比例輸出的電子閥，其使用小力、大動作的致動器在20-200毫巴范圍內(nèi)的頂壓下進(jìn)行工作，并控制住臨界開口和約束區(qū)，以防止突然打開及因此導(dǎo)致的流動上的不受控波動。
權(quán)利要求
1.一種控制流體流動的閥，包括具有流體通道的主體，其具有入口和出口；阻止流體經(jīng)由通道進(jìn)行流動的閥件；以及用于移動閥件以控制流體從入口流向出口的移動裝置；其中所述閥件表現(xiàn)為葉片的形式，且其一端安裝在遠(yuǎn)離通道的位置處；且其中用于移動閥件的移動裝置這樣進(jìn)行布置，以對葉片的另一端起作用，從而控制流體流經(jīng)所述通道。
2.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于所述葉片具有這樣的形狀，其使得當(dāng)該葉片被所述移動裝置移動時，該葉片具有所需的剛性。
3.如權(quán)利要求2所述的閥，其特征在于所述葉片松散地安裝在所述一端處，以在移動方向上提供有限量的移動。
4.如權(quán)利要求3所述的閥，其特征在于一個輔助件設(shè)置在柔性葉片之上，并在通向通道的入口的周邊范圍內(nèi)與該柔性葉片接觸。
5.如權(quán)利要求3或4所述的閥，其特征在于圍繞著入口的周邊設(shè)置有密封件。
全文摘要
一種控制流體流動的閥，包括具有流體通道的主體(100)，該通道具有入口(10)和出口(90)；阻止流體經(jīng)由通道進(jìn)行流動的閥件(40、50)；以及用于移動閥件以控制流體從入口流向出口的移動裝置；其中所述閥件形成為葉片，其一端安裝在遠(yuǎn)離通道的位置(41、51)處；且其中用于移動閥件的移動裝置(60)這樣進(jìn)行布置，以對葉片的另一端起作用，從而控制流體流經(jīng)所述通道。
文檔編號F16K31/00GK1720408SQ200380104950
公開日2006年1月11日 申請日期2003年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月4日
發(fā)明者西蒙·鮑威爾 申請人:Pbt(Ip)有限公司