CN105102869A

CN105102869A - 比例阀

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Publication number: CN105102869A
Application number: CN201480008044.7A
Authority: CN
Inventors: J.西伯特
Original assignee: Norgren GmbH
Current assignee: Norgren GmbH
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: CN105102869B; US9964217B2; EP2954242A1; JP2016509659A; US20160010753A1; JP6355649B2; WO2014122209A1; EP2954242B1

Abstract

提供了一种比例阀(100)，其包括：在主体(102)内的可移动的电枢(104)，其中电枢(104)包括阀芯(107)并且主体(102)包括一个或更多个流入端口(135)和流出孔(123)；阀座(120)，其位于凸出的阀座结构(119)上，其中阀座(120)包括与一个或更多个流入端口(135)和流出孔(123)流体连通的阀开孔(130)；以及流量法兰(116)，其从阀芯(107)延伸并包括包围阀座(120)的流量法兰壁(117)，在流量法兰壁(117)和阀座结构(119)之间形成预定的横截面流入面积的法兰流入通道(129)，其中阀芯(107)在闭合和打开位置之间移动，而不会改变由流入通道(129)提供的预定横截面流入面积。

Description

比例阀

技术领域

本发明涉及阀的领域，并且更具体地涉及比例阀。

背景技术

比例阀是可输出连续的流量范围的变流阀。在比例阀中，阀打开量可能与相关联的阀动螺线管中的螺线管电流成比例。因此，比例阀可提供从零流量至阀最大流量变动的调节的流体流量。

图1显示了现有技术的比例阀。在现有技术的比例阀中，可移动的螺线管电枢的阀芯部分接触并阻塞阀座。阀芯可离开阀座以便打开阀并准许流动。阀芯可离开阀座达到最大打开位移的任何距离。

比例阀可包括电磁阀，其产生磁力以便打开阀电枢。磁力在与由弹簧产生的偏置力相反的方向上操作，其中偏置力将阀电枢保留在图中显示的比例阀实施例中的常闭的位置中。磁力必须克服弹簧力以便沿打开方向移动阀电枢/阀芯。

然而，当流体流动时，诸如当阀电枢即使打开少量时，那么流体静态和/或动态压力也可作用于阀电枢上。对于小的马赫数，用于可压缩流的伯努里方程可用来确定在现有技术阀中的流体的静态压力。伯努里方程包括：

υ²/2+ψ+p/ρ=常数。

静态流体压力被限定为(P)，并且流体速度为(υ)。用语(ρ)是流体的密度。在这里，假定(ρ)是常数。用语(ψ)是流线中所考虑的点的力势，例如由于地球的重力而引起的力势，其中(g)是由于重力引起的加速度，并且z是高于参考平面的高度值，其中ψ被限定为ψ=gz。动态流体压力被限定为(ρ/2*υ²)。

柯恩达效应包括使移动的流体射流被吸引至附近表面，或者表面被拉向流体射流的倾向。柯恩达效应影响现有技术的阀电枢/阀芯的运动。当流体不流动穿过阀时，那么在阀中仅存在静态流体压力。但流体流动时，静态压力下降并且动态流体压力增加。处于发生动态压力的区域中的阀电枢将沿阀座方向经历静态压力，并因此将具有粘滞倾向。该柯恩达效应仅仅在阀电枢的比较小的打开位移下是起作用的或有效的。

随着电枢沿打开方向移动并打开开孔A2，有效的开孔面积A2'减少，其意味着打开力F=((A1-A2')*P1)变得更大并将电枢推向完全打开位置。因此，稳定的力平衡只有在小的阀电枢/阀芯打开下是可能的，此时流动力(即，柯恩达效应)有助于稳定阀电枢。

另外，当流量高时，存在从P2至P2'的压力降。然而，当流体流动变得更高时压力P2'将增加。现有技术的比例阀的笔直且规则的流出孔因此创建了额外的打开力(A2'*P2')。该额外的打开力是当阀电枢处于完全打开位置时阀电枢上的粘滞效应的根本原因。

现有技术的比例阀具有缺点。在现有技术的比例阀中阀芯和阀座之间的促动距离的量可能影响流量。当现有技术的阀芯通过电磁线圈的激发而向上移动时，那么有效的压力面积增加并且促使增加的打开力作用于阀芯表面面积上且创建图中向上的力。流量可改变现有技术的阀芯部件下面的动态压力，并且动态压力可影响阀芯打开力和阀芯打开位移。

所得的力使现有技术的比例提升阀精确的控制变难，其中现有技术的比例提升阀可能不能维持精确的比例流量，因为在阀芯下面增加的动态压力可能使阀芯打开额外的不需要的量。压力因此可能影响流体穿过现有技术的比例阀的流速，使现有技术的比例阀更不精确且更不可靠。

现有技术的比例阀可能会经历这样的情形：其中阀芯在经过某一打开距离之后就不能受到控制，并且相反阀芯可能从部分促动去向完全打开促动，其中螺线管打开力受到增加的动态压力的援助。因此，螺线管失去了在阀芯位移做出进一步小的改变的能力。另外，在一些情形下，动态压力可操作来将阀芯粘滞在完全打开位置。

因此，需要改进的比例阀，其中流体流量不会显著地影响阀芯的位置或位移。

发明内容

在本发明的一些方面，比例阀包括：

主体内的可移动的电枢，其中电枢包括阀芯并且主体包括一个或更多个流入端口和流出孔；

阀座，其位于凸出的阀座结构上，其中阀座包括与一个或更多个流入端口和流出孔流体连通的阀开孔；以及

流量法兰，其从阀芯延伸并包括包围阀座的流量法兰壁，在流量法兰壁和阀座结构之间形成预定的横截面流入面积的法兰流入通道，其中阀芯在基本完全闭合和基本完全打开的位置之间移动，而不会改变由流入通道提供的预定横截面流入面积。

优选地，流量法兰附接至阀芯。

优选地，流量法兰形成入阀芯中。

优选地，流量法兰壁相对于阀座结构的侧面是基本平行的。优选地，流量法兰壁相对于阀座结构的侧面是成角度的。

优选地，流量法兰壁的流量法兰壁形状与阀座结构的阀座结构形状的基本上相对应。

优选地，流量法兰的流量法兰壁具有预定的高度，使得流量法兰壁保持包围阀座结构达阀芯的阀打开位移的预定部分。

优选地，流量法兰的流量法兰壁具有预定的高度，使得即使处于阀芯的最大打开位移，流量法兰壁保持包围阀座结构。

优选地，流出孔的流出孔横截面积A5大于阀开孔的阀开孔横截面积A2。

在本发明的一些方面，比例阀包括：

阀座，其位于凸出的阀座结构上，其中阀座包括与一个或更多个流入端口和流出孔流体连通的阀开孔；

流量法兰，其从阀芯延伸并包括包围阀座的流量法兰壁，在流量法兰壁和阀座结构之间形成预定的横截面流入面积的法兰流入通道，其中阀芯在基本完全闭合和基本完全打开的位置之间移动，而不会改变由流入通道提供的预定的横截面流入面积；以及

流出孔肩部，其在流出孔中形成，其中流出孔的流出孔横截面积A5大于阀开孔的阀开孔横截面积A2。

优选地，流量法兰附接至阀芯。

优选地，流量法兰形成入阀芯中。

附图说明

相同的参考标号在所有附图上代表相同的元件。应理解附图未必是按比例尺的。

图1显示了现有技术的比例阀。

图2显示了根据本发明的比例阀。

图3显示了其中电枢和阀芯相对于阀座已经移动至闭合或阻塞位置的比例阀。

图4显示了其中流量法兰包括阀芯一部分的比例阀。

图5显示了其中流量法兰壁相对于阀座结构的侧面或多个侧面成角度的比例阀。

图6显示了根据本发明的实施例的比例阀的面积关系。

具体实施方式

图2至6和以下描述描绘了具体的示例来教导本领域的技术人员如何制作和使用本发明的最佳模式。为了教导创造原理的目的，已经简化或省略了一些常规的方面。本领域中的技术人员将认识到属于本发明范围内的这些示例的变型。本领域中的技术人员将认识到下面描述的特征能以各种方式组合来形成本发明的多个变型。因此，本发明不限于下面描述的具体的示例，但仅仅受到权利要求和其等效物的限制。

图2显示了根据本发明的比例阀100。比例阀100包括主体102，其包括一个或更多个流入端口135和流出孔123。可移动的电枢104构造成在电磁线圈(未显示)的影响下在主体102内往复移动。电枢104包括阀芯107，其构造成接触阀座120。电枢104的阀芯107可阻塞和接通在阀座120中形成的阀开孔130。因此，流体穿过一个或更多个流入端口135进入比例阀100中，可被选择性地允许和调节穿过阀开孔130，并经由流出孔123退出比例阀。

阀芯107可包括阀芯密封件108。阀芯密封件108可包括柔性的、弹性的和/或可压缩的材料，其将在阀芯107被放置进入阻塞位置时至少稍微部分地符合于阀座120而接触阀座120。

在显示的实施例中偏置装置114被定位以对电枢104施加向下的力(即，闭合力)。偏置装置114可包括弹簧或线圈弹簧。备选地，偏置装置114可包括任何其它合适的偏置装置。电枢可包括偏置法兰105，其中偏置装置114在主体102和偏置法兰105之间延伸，并保留在它们之间的位置。

比例阀100如图所示包括常闭(NC)阀100，其中偏置装置114为电枢104提供闭合偏置力。备选地，偏置装置114可被构造使得比例阀包括常开(NO)阀，其中偏置装置114为电枢104提供打开偏置力。

阀座120可包括阀座结构119的一部分。阀座结构119可包括从底座区域延伸的凸出结构。阀座结构119可具有任何期望的形状，包括圆形/圆柱形，但可如所期望的以其它形状来形成。应理解，阀芯107可准确地或大致地在形状上与阀座结构119相对应。

如图所示，阀座结构119的底座区域可具有成角度的基准面。备选地，阀座结构119可从基本平坦的基准面(未显示)凸出。阀座结构119终止于阀座120，其中阀座120可包括基本平坦的接触面或者可包括成角度的接触面。

在所示的实施例中的阀芯108包括流量法兰116。流量法兰116可包括流量法兰壁117和流量法兰底座118。在所示的实施例中流量法兰壁117相对于阀座结构119的侧面(或多个侧面)是基本平行的。

流量法兰壁117的形状可与阀座结构119的形状大致相对应。流量法兰壁117的形状可与阀座结构119的形状准确地相对应。流量法兰116包括基本中空的结构，其中法兰向下并围绕阀座120而延伸，但带有将流量法兰116与阀座120分开的法兰流入通道129。流体可流动穿过法兰流入通道129并可因此在流量法兰116和阀座120的结构之间流动。

流量法兰壁117可具有预定的高度。流量法兰壁117可具有预定的高度，其中流量法兰壁117保持包围阀座结构119达阀芯107的阀打开位移的预定部分。流量法兰壁117可具有预定的高度，其中即使处于阀芯107的最大打开位移，流量法兰壁117保持包围阀座结构119。流量法兰壁117可具有预定的高度，其中流量法兰壁117一直包围阀座120。流量法兰壁117因此将维持法兰流入通道129，而与阀芯107是否阻塞阀开孔130，或者阀芯107是否处于远离阀座120的最大位移距离(即，比例阀100打开最大量)无关。

因此，法兰流入通道129包括固定的流入横截面积，而与阀芯107关于阀座120的位置或位移无关。阀芯107构造成在基本完全闭合和基本完全打开位置之间移动而不会改变由流入通道129提供的预定横截面流入面积。因此，比例阀100的横截面流入面积不会由于阀芯107的位置或位移而改变。横截面流入面积因此不会影响流体流入并且不会影响流体流入的动态压力。

流量法兰116可包括永久地或可移除地附接至电枢104的阀芯107的分开的构件。流量法兰116能以任何方式附接至阀芯107，包括压缩或摩擦配合，通过粘合剂的使用，通过焊接或其它热粘结方法的使用，或紧固件。该列举不是详尽的，并且应设想到流量法兰116能以其它方式附接至阀芯107。备选地，流量法兰116可形成为电枢104的一部分并可形成入阀芯107中(见图4和附文)。

通过减少阀芯107的接触面的区域中的动态流体压力，电枢104上的向上的力减少，其中流体速度和/或动态压力具有对电枢104的位置和位移较少的影响。

在所示实施例中流出孔123包括流出孔肩部126，其中流出孔123在横截面积上大于阀开孔130。因此，流动穿过阀开孔130然后穿过流出孔123的流体将从具有第一横截面积的横截面形状过渡至具有更大横截面积的孔。因此，流体流将能够在其进入流出孔123时膨胀。因此，流体将由于增加的横截面流动面积而经历速度方面的减少。因此，流体将由于增加的横截面流动面积和减少的流动速度而经历减少的动态压力。

流出孔123的流出孔肩部126可在流体经过流出孔123时在流体的流出中引起湍流。流出孔123的流出孔肩部126可在流体穿过流出孔123流出时实现流体的膨胀。

流量法兰116和流出孔123可协作以进一步通过比例阀100进一步提供期望的流体流动特性。流量法兰116可在流体进入阀开孔130中之前加速流体流的速度，同时肩部126和流出孔123可在流体穿过阀开孔130之后有利地减慢流体流的速度。流量法兰116可在流体进入阀开孔130中之前增加流体流的动态压力，同时肩部126和流出孔123可在流体穿过阀开孔130之后有利地降低流体流的动态压力。

在一些实施例中，如图所示，流量法兰116和阀座结构119以尖锐的转角或边缘为特征。备选地，流量法兰116和阀座结构119的一些或所有的转角或边缘可能是圆形的、平滑的，或者以更具空气动力学特性的方式成形。这可包括阀开孔130的一条边缘或多条边缘。

流量法兰116和阀座结构119的转角和边缘的形状可通过产生流动湍流而影响流体流动。流量法兰116和阀座结构119的转角和边缘的形状可设计成创建或增加湍流流量，或者在预定的流动位置创建或增加湍流流量。在一些实施例中，流量法兰116和阀座结构119的转角和边缘的形状可成形为创建预定的湍流流型或流动剖面。备选地，流量法兰116和阀座结构119的转角和边缘的形状可设计成减少湍流流量，或者在预定的流动位置减少湍流流量。

在一些实施例中，一个或更多个流入端口135可位于在流量法兰壁117的底部之上的区域中，其中流动路径长度通过一个或更多个流入端口135的放置而加长。应理解，一个或更多个流入端口135可相对于流量法兰壁117的底部放置在任何期望的位置。

在所示的实施例中，柯恩达效应仍然会发生，并且只要阀电枢仅部分打开就是有效的。在本实施例和现有技术的比例阀之间的差异在于流量法兰116促使从P1至P1'的压力降。因此，打开力(其在现有技术的比例阀中为((A1–A2')*P1))被减少至((A1–A4)*P1+(A4–A2')*P1')。打开力的减少(与作用于阀芯107上的其它力组合)可实现力的平衡。而且，当流动力由于柯恩达效应而用来沿闭合方向稳定阀芯107时，那么柯恩达效应力是极小的，并且对阀芯107具有可忽略不计的影响。

另外，流出孔肩部126减少阀芯107上的流动力。流出孔面积从A2至A5的加宽(见图6)减少了在P2'至P2之间发生的压力降。在流出孔肩部126上的压力P2'仅仅比流出孔123中的压力P2略微大些。在从P2'至P2的压力降中的减少降低了作用在阀芯107上的粘滞力。

图3显示了其中电枢104和阀芯107已经相对于阀座120移动至闭合或阻塞位置的比例阀100。从图中可以看出，流量法兰116不会影响阀开孔130的闭合。从图中可进一步看出，法兰流入通道129在横截面积和定向上保持基本不变。

图4显示了其中流量法兰116包括阀芯107的一部分的比例阀100。在该实施例中，流量法兰116可由与电枢104相同的材料来形成。流量法兰116的工作原理保持相同的。

图5显示了其中流量法兰壁117相对于阀座结构119的侧面(或多个侧面)成角度的比例阀100。角度可包括使流量法兰壁117的内表面朝向或远离阀座结构119构成角度。因此，流量法兰壁117的内表面不再基本平行于阀座结构119的侧面或多个侧面。因此，法兰流入通道129在横截面流动面积减少，其可进一步加速流动速度并可进一步减少阀开孔130上游的动态流体压力。

备选地，流量法兰壁117可形成为不统一的形状。如在图中所示，流量法兰壁117在顶部可比在底部更厚，以创建成角度的内表面。备选地，流量法兰壁117可在底部或者在流量法兰壁117的顶部和底部之间的区域中更厚。

图6显示了根据本发明的实施例的比例阀100的面积关系。比例阀100具有电枢横截面积A1。比例阀100具有阀开孔横截面积A2。比例阀100具有阀座横截面积A3。比例阀100具有流量法兰横截面积A4。比例阀100具有流出孔横截面积A5。

可以看出，流入面积A_inflow包括流量法兰横截面积A4和阀座横截面积A3之间的差值(A_inflow=A4–A3)。流入面积A_inflow不会随着阀芯107的运动而变化。因此，流体速度将不会随着阀芯107和阀座120之间的变化的打开距离而改变。因此，向上作用于阀芯107上的动态流体压力将保持基本恒定不变。

可以看出，流出孔横截面积A5大于阀开孔横截面积A2。在面积中的差异包括流出孔肩部126的大小。当流体从阀开孔130流动进入流出孔123中时，面积差异将影响流体流动速度改变的程度。

比例阀100不同于现有技术。比例阀100的流量法兰116迫使流体流从具体的区域/方向进入，并且不允许流体仅以笔直和直接的方式流入阀芯区域中。

比例阀100的流量法兰116呈现恒定的流入面积，其与阀芯107相对于阀座120的位置无关。比例阀100的流量法兰116促使流入的流体在进入阀开孔130中之前速度增加。比例阀100的流量法兰116由于增加的流体流动速度而促使流入的流体具有降低的动态压力。

比例阀100的阶梯状流出孔123包括肩部，其中流出孔123在横截面积上大于阀开孔130。比例阀100的阶梯状流出孔123允许流体在它穿过阀开孔130之后的膨胀。比例阀100的阶梯状流出孔123在流体穿过阀开孔之后减慢流体速度，这允许由于降低的流速而引起的流体的膨胀和动态压力的增加。

如果期望的话，可实施本发明的各种实施例来提供若干个优点。比例阀100的固定的横截面流入面积在流体遭遇阀座120之前增加流体速度。比例阀100的固定的横截面流入面积在流体遭遇阀座120之前降低流体动态压力。比例阀100的降低的流体动态压力降低了作用在阀芯107上的流体动力。比例阀100的降低的流体动态压力对阀芯施加了较少的扰动力，其中电枢和阀芯主要受到弹簧和电磁线圈的力的作用，导致流量的更精确的比例控制。

比例阀100的流出孔123的增加的横截面流出面积在流体遭遇阀座120之后降低了流体速度。比例阀100的流出孔123的增加的横截面流出面积在流体遭遇阀座120之后提高流体动态压力。

上面实施例的详细说明不是本发明人所设想的在本发明范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域中的技术人员将认识到，上面描述的实施例的某些元件可被各种组合或消除以创建进一步的实施例，并且这样的进一步的实施例属于本发明的范围和教导内。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，上面描述的实施例可在本发明的范围和教导内整体或部分地组合以创建另外的实施例。

因此，虽然为了示出的目的本文描述了本发明的具体实施例和用于本发明的示例，但是正如相关领域中的技术人员将认识到的，在本发明的范围内各种等价的变型都是可能的。本文提供的教导可应用于其它装置和方法，而不仅仅是上面描述的和附图中显示的实施例。因此，本发明的范围应由所附权利要求来确定。

Claims

1.一种比例阀(100)，包括：

在主体(102)内的可移动的电枢(104)，其中所述电枢(104)包括阀芯(107)，并且所述主体(102)包括一个或更多个流入端口(135)和流出孔(123)；

阀座(120)，其位于凸出的阀座结构(119)上，其中所述阀座(120)包括与所述一个或更多个流入端口(135)和所述流出孔(123)流体连通的阀开孔(130)；以及

流量法兰(116)，其从所述阀芯(107)延伸并包括包围所述阀座(120)的流量法兰壁(117)，在所述流量法兰壁(117)和所述阀座结构(119)之间形成预定的横截面流入面积的法兰流入通道(129)，其中所述阀芯(107)在基本完全闭合和基本完全打开的位置之间移动而不会改变由所述流入通道(129)提供的预定的横截面流入面积。

2.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)附接至所述阀芯(107)。

3.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)形成入所述阀芯(107)中。

4.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰壁(117)相对于所述阀座结构(119)的侧面是基本平行的。

5.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰壁(117)相对于所述阀座结构(119)的侧面是成角度的。

6.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰壁(117)的流量法兰壁形状基本上与所述阀座结构(119)的阀座结构形状相对应。

7.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)的所述流量法兰壁(117)具有预定的高度，使得所述流量法兰壁(117)保持包围所述阀座结构(119)达所述阀芯(107)的阀打开位移的预定部分。

8.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)的所述流量法兰壁(117)具有预定的高度，使得即使处于所述阀芯(107)的最大打开位移，所述流量法兰壁(117)保持包围所述阀座结构(119)。

9.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流出孔(123)的流出孔横截面积A5大于所述阀开孔(130)的阀开孔横截面积A2。

10.一种比例阀(100)，包括：

阀座(120)，其位于凸出的阀座结构(119)上，其中所述阀座(120)包括与所述一个或更多个流入端口(135)和所述流出孔(123)流体连通的阀开孔(130)；

流量法兰(116)，其从所述阀芯(107)延伸并包括包围所述阀座(120)的流量法兰壁(117)，在所述流量法兰壁(117)和所述阀座结构(119)之间形成预定的横截面流入面积的法兰流入通道(129)，其中所述阀芯(107)在基本完全闭合和基本完全打开的位置之间移动，而不会改变由所述流入通道(129)提供的预定的横截面流入面积；以及

流出孔肩部(126)，其在所述流出孔(123)中形成，其中所述流出孔(123)的流出孔横截面积A5大于所述阀开孔(130)的阀开孔横截面积A2。

11.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)附接至所述阀芯(107)。

12.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)形成入所述阀芯(107)中。

13.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰壁(117)相对于所述阀座结构(119)的侧面是基本平行的。

14.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰壁(117)相对于所述阀座结构(119)的侧面是成角度的。

15.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰壁(117)的流量法兰壁形状基本上与所述阀座结构(119)的阀座结构形状相对应。

16.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)的所述流量法兰壁(117)具有预定的高度，使得所述流量法兰壁(117)保持包围所述阀座结构(119)达所述阀芯(107)的阀打开位移的预定部分。

17.根据权利要求10所述的比例阀(100)，其特征在于，所述流量法兰(116)的所述流量法兰壁(117)具有预定的高度，使得即使处于所述阀芯(107)的最大打开位移，所述流量法兰壁(117)保持包围所述阀座结构(119)。