一种活塞式比例调节阀控制装置和使用这种装置的比例调节阀

摘要

本发明涉及一种活塞式比例调节阀控制装置和使用这种装置的比例调节阀，控制装置包括电机、电磁离合器，该电磁离合器有二个操作部分，第一操作部分与电机连接，第二操作部分与传动轴连接。电磁离合器中至少有一个电磁铁，在通电或断电时，使第一操作部分与第二操作部分联结或分离。还有一个推动机构，这个推动机构与传动轴连接，推动机构至少有一个运动部件连接到一个或多个阀芯活塞，推动机构将传动轴的旋转运动转化为一个或多个阀芯活塞的平移运动。采用上述控制装置的比例调节阀具有较高的可靠性，在电源因故障中断的情况下，本控制装置的机械结构能够使比例调节阀处于一种主动安全的状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有一个或多个阀芯活塞的流体流量比例调节阀控制装置及一种采用该控制装置的比例调节阀，具体地说，涉及一种适用于燃烧器燃烧的可燃气体的控制装置及一种比例调节阀。

背景技术

众所周知，对流体燃料进行控制的比例调节阀是一种专用于对气体燃料进行比例调节的比例阀，也称燃气阀，其通过调节流量及压力实现对燃烧器的功率的调节。这种燃气阀分为两种不同的主要类型，一种是开关阀，采用高-低两档调节，燃烧器的功率可选最大或最小功率的平均值，开关有高、低、关三档；第二种是全范围比例调节阀，可根据时间及需要，在最大与最小功率区间连续调节。

开关阀在功能上与伺服控制继电器很相近，根据燃烧器的点火需求，通过阀门活塞的开、关动作使流体燃料通过全开的通道。全比例调节阀则始终可以根据燃烧器的功率要求，通过一个或多个阀门活塞的渐进运动以获得燃料的连续变化流量，在这种方式下，由于阀芯活塞的几何运动，流体通道可以有不同的流量参数。

这两种类型阀的应用过程中，阀芯活塞可以以不同的方式被轴向推动。对开关阀来讲，最常见的是使用电磁阀，即根据著名的物理定理，由于导磁体的运动引起阀的自动开关，且该线圈直接或间接地与阀芯活塞相连。对全比例调节阀而言，是通过给电磁调节器以不同的电流来匹配所需要的功率。调节器控制导磁体的运动，而导磁体直接或间接地与阀芯活塞相连。

在上述阀的功能中，可以通过校准阀的起始和最后的工作位置来选择燃料的最大和最小流量，进行功率范围选择，并通过稳压装置尽可能地使流体介质压力稳定。即使阀的输入压力发生变化，这些气阀也可以通过调节压力相应地使流体流量也能够被比例调节。这些阀的另一功能是：当发生错误或接受到控制要求，或者即使偶然断电，阀能够立刻切断通往燃烧器的燃料介质。

根据以上理解并且考虑到在功率可比例调节系统中对阀功能的要求，即实现全比例调节，阀内一个或多个阀芯活塞的轴向运动传输机构是非常重要的。前面已经解释过，大部分著名的比例调节阀都使用了可控制的线圈阀芯(电磁阀)，通常是间接地对阀芯活塞产生作用。实际上，带有膜片的稳压装置，因膜片腔的体积变化造成活塞的运动，而体积变化是由线圈所控制的调节器造成的。线圈动力装置的不够精确以及电流的波动对控制系统的影响，都会使阀芯活塞的运动不够精确，这种运动不适于获得必需的很小流量时的比例变化。

发明内容

基于以上考虑，本发明的主要目的是提供一种活塞式比例调节阀控制装置，该装置可以克服上述现有阀的缺点；

本发明的另一个目的是提供一种特别可靠，又容易制造，价格有竞争力的活塞式比例调节阀控制装置；

本发明的还一主要目的是提供一种具有活塞式比例调节阀控制装置的比例调节阀。

为实现上述目的，本发明提供的活塞式比例调节阀控制装置包括一个电机，一个电磁离合器，该电磁离合器有二个操作部分，第一操作部分与电机连接，第二操作部分与传动轴连接。电磁离合器中至少有一个电磁铁，在通电或断电时，使第一操作部分与第二操作部分联结或分离。还有一个推动机构，这个推动机构与传动轴连接，推动机构至少有一个运动部件连接到一个或多个阀芯活塞，推动机构将传动轴的旋转运动转化为一个或多个阀芯活塞的平移运动。

本发明的一个主要优点是：控制装置的机械结构可以使一个或多个阀芯的运动位置非常连续地、精确的得以控制，而且在下面的描述中会看到，本发明装置使阀体即使在停电时也能工作在主动安全状态。

更具体的方案是将第一操作部分设计成包括一个齿轮和一个与齿轮连接的第一离合片，该齿轮自由地安装在传动轴上，并且齿轮与电机的轴是有效地连接在一起的，比如，齿轮与电机的轴上的螺纹部分啮合就是有效连接的一种方式。齿轮与第一离合片可以通过多个拖动杆相互连接，使得齿轮可以向第一离合片传递扭矩。

第二操作部分设计成包括一个固定于传动轴上的第二离合片和一个电磁铁，第二离合片与第一操作部分的第一离合片相靠近，电磁铁的位置与第一离合片和第二离合片靠近，在电磁铁得电时，可以使第一离合片与第二离合片贴合而可靠地传递扭矩。

运动部件可以设计为一个轴向滑动的轴，该轴连接一个或多个阀芯活塞，轴向滑动的轴插入于一个使该轴保持直线运动的滑道中，这样，可以通过轴的直线运动来操作阀芯活塞对流体通道的启闭。

传动轴可以设计为至少一个曲轴及与曲轴连接的至少一个连接杆的结构形式，连接杆的一头以关节耦合的方式与曲轴连接，连接杆的另一头以关节耦合的方式与轴向滑动的轴相连接，从而，最终实现将传动轴的转动转换成阀芯活塞的直线运动。

在上述技术解决方案中，为使传动轴的旋转角度能够精准地得到控制，电机最好采用步进电机。

此外，在上述技术解决方案中，还可增加设计一个位置传感器，用于探测一个或多个阀芯活塞所在位置的反馈信号，由这个位置传感器发出的反馈信号发送到用于控制电机工作的一个控制器。

更具体地说，这个位置传感器设计用于探测传动轴所处的角度位置，通过传动轴所处的角度，换算出阀芯活塞所在的具体位置，即可知道阀芯活塞开启流体通道的截面大小。

本发明提供的采用了活塞式比例调节阀控制装置的比例调节阀包括至少一个第一腔室和一个第二腔室，各腔室都各有一个入口和一个出口作为流体进出腔室的通道，各腔室相互之间由一个通道连通，该通道的位置确定了至少一个阀口的位置，阀口由阀芯活塞有选择地启闭。

由于采用了前述的活塞式比例调节阀控制装置，本发明提供的比例调节阀具有控制精准、工作可靠、结构简单、价格低廉的优点。

更具体的方案是比例调节阀由一个主阀体和与其相连的一个容纳模块组成，容纳模块内容纳活塞式比例调节阀控制装置。容纳模块由第一壳体和与其扣合在一起的第二壳体组成，第二壳体有一个面是容纳模块与主阀体第一个面的结合面，比例调节阀包含一个连接到主阀体第二个面的扣盖，第二个面是与第一个面相对的另一面。这样设计的比例调节阀的工艺性更好，可进一步地降低生产成本。

此外，还可以更具体地设计成有一个与比例调节阀入口相连的第一腔室，一个与第一腔室相连通的第二腔室，二者之间的连接通道上的阀口由控制装置所推动的第一个阀芯活塞有选择地启闭，第一阀芯活塞受第一恢复弹簧(37)的反作用力推动。一个被膜片与第二腔室隔离开的充压腔室，充压腔室定义为膜片和扣盖之间的腔室，并且，充压腔室与第一腔室通过一个毛细管相连通。一个第三腔室，该第三腔室与第二腔室相连通，其通道为第二阀芯活塞的位置，该阀芯活塞安装在一个活动支架上，该支架又与膜片相连，第二阀芯活塞受第二恢复弹簧的反作用力推动。一个第四腔室，该腔室有一个出口作为比例调节阀的出口通道，第四腔室与第三腔室相连通，该连接通道是第三阀芯活塞的位置，第三阀芯活塞由第三恢复弹簧的反作用力推动，第三阀芯活塞由控制装置推动。

附图说明

图1是根据本发明的一个比例调节阀实施例的透视图；

图2是应用于图1示比例调节阀中的控制装置的结构分解图；

图3是图1的结构分解图；

图4是图1的A向侧视图；

图5是图1的B向侧视图；

图6是图4中的VI-VI剖视图；

图7是图5中的VIII-VIII剖视图；

图8是图4中的VII-VII剖视图；

图9是图4中的IX-IX剖视图。

以下结合附图及一个最佳实施例对本发明进行详细说明。

具体实施方式

参见图1，本发明提供的活塞式比例调节阀控制装置1(图1中不可见)可最佳地用于比例调节阀3的一个或多个阀芯活塞的控制。阀体27内部的基本的形状至少由第一和第二腔室组成，并且各腔室都有一个开口，作为流体进出阀体的通道。对阀体的工作而言，这两个腔室是通过一个通道相互连接的，该通道至少确定了一个阀芯活塞的位置。本发明所涉及的阀体具有上述特点且包含了下面将要描述的控制装置。

需要特别指出的是，本发明的控制装置1特别适用于全比例调节阀，同时也适用于传统的开关阀。

参见图2、图3，本发明的控制装置1基本上是由电机11、电磁离合器99、相关联的传动轴77和机械推动装置组成，机械推动装置与传动轴相连并使阀芯活塞可以有效地作直线运动。

电机11为控制装置1的运动提供必需的动力，可以选择不同种类的电机，一种被称为步进电机的电机特别适用于本发明的最佳实施例。这种步进电机的转子，对应来自控制单元的每个控制脉冲可以只旋转一个固定的小角度，更准确的说，步进电机可以使电机轴进行非常小的角度旋转，这种旋转运动可以被一直重复并且不是由电流变化产生，而是由施加于电机定子线圈绕组的电源同步激励驱动。

在图2中，电磁离合器99包含与电机有效相连的第一操作部分66，和与至少一个传动轴77相连的第二操作部分62。电磁离合器99完全由至少一个电磁铁的得失电实现第一个操作部分66与第二个操作部分62的结合和分离。换句话说，电磁离合器99允许电机向传动轴77传递或不传递动力，以便使后者转动或静止。

在图2中能够观察到组成电磁离合器99的操作部分66和62。第一操作部分66由第一离合片5连接到齿轮6而构成，齿轮6是自由活动地装配在传动轴77上的，对本最佳实施例来说，是通过滚动轴承9装配在传动轴77上的。顺便说一下，齿轮6只有在电磁离合器99的第一操作部分66与第二操作部分62的相结合的时候，才能驱动传动轴77转动。根据本发明优选的最佳实施例，齿轮6直接由电机的轴12驱使转动，更准确地说，是由该轴上的类似蜗杆的螺纹部分11B(参见图7)所驱动。为了能够使两者啮合，电机11的轴12的轴线完全位于齿轮6所在的平面，该平面正交于齿轮6的旋转轴。

要清楚，由电机11到齿轮6的传动，只是本发明一种优选的最佳实施例，因此，这绝对不是唯一的实施例。举例来说，另一种可能的实施例是可以在电机轴上再安装一个齿轮，转动也可以传递到齿轮6。在这种可能的实施例中，电机轴12则要垂直于齿轮6布置，相应地，电机轴12平行于传动轴77。更有可能的实施例是可以把传动轴77与电机11的轴共轴线布置。此时，齿轮6可以直接与马达的轴相连接，这样可以省掉齿轮6。

齿轮6与第一离合片5通过几个拖动杆5B有效的连接起来。这种方案使这两部分具有旋转运动的连续性，即无论两者间是否有沿传动轴77轴向上的相对运动，都能使齿轮6的转动带动离合片5跟随转动。

电磁离合器99的第二操作部分62，由第二离合片4固定在传动轴77上，从而使第二离合片4的转动(由和其接触的第一离合片产生)转变为传动轴77的转动。更准确地说，第二离合片4靠近第一离合片5，由于电磁铁24的作用，使第一离合片5与第二离合片4贴合在一起，从而传递扭矩。电磁铁24活动地装配在靠近第二离合片4的位置，以便离合片4和5能受到电磁铁24的作用。

再参见图2和3，根据本发明，控制装置1的特征在于，其还有一个由传动轴77驱动的一个推动机构，并且，其中有一个运动部件与一个或多个阀芯活塞活动连接，以便使后者作直线运动。特别指出，这种推动机构制造成可以将传动轴77的转动运动，转变成活塞34和34B的直线运动，并且，反向转变亦然。

为了实现这种运动，根据本发明优选的最佳实施例是，推动机构按机械原理可以设计成“曲柄连杆机构”。事实上，其包括至少一个在传动轴77上已有的曲轴，以及一个以关节接合方式(以连杆的较大一头)与其连接的连杆。相应地，连杆的另一端(较小的一头)与推动机构的推动杆也以关节接合方式连接。推动杆实际上是连接到一个或多个阀芯活塞的真正的运动零件。推动杆至少部分插入到使其保持直线运动的滑槽中。

通过上述的推动机构，曲轴与传动轴77同步的旋转运动转变成了推动杆的直线运动，从而也造成了与其相连的阀芯活塞的直线运动。更准确的说，这种运动的转变是靠连接杆和推动杆的同时作用实现的。

在图2和图3中描绘的控制装置1，构造成允许一对活塞同时同步运动。基于此，推动机构包含位于传动轴77上的一对曲轴2和10，以及一对连杆15和16。连杆15和16中的每一个都与曲轴2和10中的一个相连，且相连的第一端为大头。一对推动杆22和22B用于推动阀芯活塞34和34B运动。更准确地说，推动杆22和22B中的每个都插入一个直滑槽中，并且与的连杆15和16的第二端活动连接。

按照以上说明，根据本发明控制装置1的工作过程就很容易明白。由步进电机11施加到轴12的转矩传递给了组成离合器第一操作部分66的齿轮6。电磁离合器99在通电情况下，将其两个活动部分66和62结合在一起，以便转动传动轴77，结果也转动了传动轴77上的曲轴2和10，而曲轴则推动连杆15或16作平面运动，这就将旋转运动转变为了平面运动。连杆15或16各作用于推杆22和22B的一端，也就推动了在推杆上的阀芯活塞34和34B作轴向直线运动，而阀芯活塞的轴向直线运动就造成了比例调节阀中流体流动速率的变化。由于直线运动是由相同的传动轴77和相同的推动机构驱动，因此阀芯活塞的最终位置也相同。

与本发明的目的相应，控制装置1的结构可以使阀芯活塞34和34B得到精确和快速的轴向运动，从而使比例调节阀3能够准确快速的做出反应。在需要立即中断流量供应的情况下(不论在正常还是异常工作状态)，一旦切断电磁铁的电源，就会导致电机11与传动轴77分离。这意味着由电机11产生的转矩不再传递给相连的推动机构连杆15或16(通过曲轴2或10)，因而也就不会传递到阀芯活塞34和34B。这使得齿轮6能够在自己的支撑上自由转动。传动轴77上的曲轴2和10则受到阀体27内恢复弹簧37和37B的反作用力，从而使活塞34和34B保持在关闭的位置(参见图8)。

考虑这一点，可以很容易确定曲轴2和10以及相应的连杆15和16在预期的运动范围中的位置。换句话说，可以确定该位置不会到达推动机构的正中心。

由恢复弹簧37和37B所产生的作用力，并不受到阻碍，通过连杆15和16的轴向作用，造成活塞3的立即关闭。流体供给因此中断，比例调节阀3达到了关闭状态。相同的过程在意外断电的也同样发生，系统因而是主动安全的。

根据本发明的一个优选的最佳实施例，控制装置1最好包含一个位置传感器101，用以产生由其控制的阀芯活塞34和34B位置特征的特殊反馈信号。为达到这一目的，可能使用的传感器可以是编码器，或可以探测传动轴77角度位置的其他类型传感器。这个角度位置是阀芯活塞34和34B位置的直接函数。反馈信号很容易从位置传感器101传向控制电机旋转的控制单元。

在可能的最佳实施例中，如图2所示，传感器101最好安置到紧靠传动轴77的一端。更准确地说，传感器101的活动部件被固定在这一端上，以便和传动轴77达到相同的角度位置。在这一解决方案中，传感器101的固定部分102，既是其本身活动部件的支撑，也是传动轴77的支撑。

再参见图2，从结构工艺的角度看，传动轴77最好制造成77A和77B两部分，两者之间以突起对凹槽方式同轴接合。这一特殊解决办法简化了装配操作，特别是电磁离合器99在传动轴77上的定位。总之，传动轴77一体化制造或如上述分为两个或多个部分制造的这种可能方案，应被看作本发明构思的一部分。

如上所述，根据本发明，图1和由其派生的其他附图涉及到一种比例调节阀，该阀使用了一种控制装置。特别指出，附图中的阀是一种全比例调节阀，其特别适用于对气体流量进行比例调节控制，比如用于家用热水锅炉的燃气比例调节。

图1是比例调节阀3的结构图，可以看到，比例调节阀3包括一个阀体27和与其相连的容纳模块55，其中控制装置安装在容纳模块55中。容纳模块55由第一壳体56和与其相接的第二壳体56B构成，第二壳体56B上一体化地存在一个连接面57。第二壳体56B的连接面57将容纳模块55与阀体27的第一面连接起来，而与阀体27的上述连接面相对的第二面安装一个扣盖38。

图4是图1中比例调节阀3沿A方向的侧视图，可以看到壳体56和56B可以用传统的连接螺丝59连接起来。第二壳体56B通过其连接面57用螺丝与阀体27连接在一起。

组成容纳模块55的两个壳体56和56B，制作成要有足够的空间的形状，要可以容纳控制装置1的几乎所有零件。此外，在图5和图7中可以看到，根据本发明，两个壳体56和56B内部包含了保证控制装置1的各种零件实现其功能的各种必要的支撑构造。比如，在图8中，为传动轴77安置了固定在壳体56上的支承73。在图8中还可以看到，第二壳体56B的连接面57上还设有轴套63。此轴套63是推动杆22和22B滑动的滑槽，而推动杆又与推动机构的连接杆15和16相连。

根据比例调节阀3优选的最佳实施例，阀体27(优选地以铸铝制造)形成了4个大小不同的腔室51、52、53、54，第一个腔室51(参见图6)一体化地具有入口通道51A(见图5)是流体进入阀体内的通道。第一腔室51与第二腔室52是相通的，其连接通路为第一通道41，此处也即是第一阀芯活塞所在的位置。阀芯活塞在非工作状态下，由于受到恢复弹簧37的作用，直接压在此第一通道上的阀口上，从而可以完全堵塞第一通道41，阻止流体通过。由于控制装置1的作用，第一活塞的轴向直线运动(打开阀口)导致流体流入第二腔室52。第二腔室52(见图7)受到一个膜片35阻隔，此膜片与流体直接接触。膜片35在第二腔室52与临近的充压腔室49之间形成了一堵隔离墙。充压腔室49则是由膜片35和连接到阀体27的扣盖围成的。充压腔室49直接与第一腔室51相连通，其连接孔是一个毛细管71。因阀芯活塞开启导致的体积波动，立即产生了一个可以影响到膜片35的压力波动，而膜片35通常处于静止的平衡状态。受此波动的影响，膜片35开始轴向运动，以便补偿因第一腔室51和充压腔室49之间的压差。

第三腔室53与第二腔室52是相通的，参见图7，其通路为通道42。此通道也是第二活塞34A阀口的位置，而活塞34A是通过一个支撑连接在膜片35上的。第二活塞34A受第二恢复弹簧37A与膜片35的共同作用，达到一个准确的位置。更准确的说，第二活塞34A所达到的位置总是正比于流体入口压力，因为此位置是由第一腔室51和充压腔室49之间的压差产生的。流体进入第三腔室53后，总会在体积上得到补偿，而在流体主管道中总会有压力波动存在。第二恢复弹簧37A使第二活塞34A能够恢复位置，以便堵塞第二腔室52与第三腔室53之间的通道42。

阀体27的内部结构，见于各图之中，包括一个与第三腔室53连通的第四腔室54，连通通路为通道43，此通道也是由控制装置1推动的第三活塞34B的阀口位置。更准确的说，第三活塞34B能够通过自己的轴向运动改变流动参数，且其运动与第一活塞34方向一致且完全同步。

第三恢复弹簧37B，能够使第三活塞34B复位，关闭通道43，这样在恢复状态下就可以堵塞流体通道43。第四腔室54一体化地具有一个出口通道54A(见图4)是阀体内流体的出口通道。

根据本发明，这些用于控制装置的技术解决方案完全能实现发明目的。特别指出的是，本装置特别展现出了其高可靠性，这主要是因为其机械结构能够准确和快速的移动阀体内部一个或几个活塞。应该指出，在电源因故障中断的情况下，本装置的机械结构能够使本阀处于一种主动安全的状态。此外，根据本发明，本控制装置及比例调节阀展示出一种极为紧凑的结构，同时具有高度的可靠性和广阔的应用范围。

在实际应用中，所用材料和相关尺寸以及形状可能随着不同需要和工艺而有所变化。