使用形状记忆合金驱动弹簧的流体控制阀

摘要

提供一种具有用于在打开位置和关闭位置之间移动阀部件的形状记忆合金弹簧的流体控制阀。所述阀包括阀组件筒体、被安装至阀组件筒体的阀组件盖、与阀组件筒体关联的流体进口和流体出口、具有凸轮从动件槽的第一部件、具有与凸轮从动件槽操作地关联的凸轮的第二部件、流体流动门、与所述部件中的一个关联的复位弹簧、和与所述部件中的一个关联的形状记忆合金弹簧，流体流动门被与所述部件中的一个、流体进口和流体出口关联。形状记忆合金弹簧的长度响应温度变化改变。第一部件是旋转阀或往复式部件。第二部件是往复环或旋转阀筒体。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于调节流体的流动的控制阀。更具体地，本发明涉及具有提供用于阀的运动的驱动力的形状记忆合金弹簧的流体控制阀。

发明背景

用于流体流动的调节的控制阀存在于一系列广泛的工业中的各种各样的应用中。例如，在汽车中，流体控制阀被用于润滑剂和冷却剂的流动的调节。

常见的流体控制阀包括具有阀组件筒体、流入端口、和流出端口的阀体。常见的流体控制阀进一步包括定位在阀体的阀组件筒体内部的可旋转的活动阀。可旋转的活动阀包括阀杆、和用于通过移进或移出被形成在阀体内的阀座而干扰流体穿过阀体的流动的阀门或阀锥或其它装置。为了关闭阀，阀门或阀锥被带入与被形成在阀体内的座接触。复位弹簧惯常地被设置成有选择地将阀复位至关闭状态或打开状态。

在本领域中已知的是，在阀的制造中使用形状记忆合金。形状记忆合金是响应热动力学而经历形变的轻质材料。这种合金提供了对液压执行器、气动执行器、或电动执行器好的替代。当形状记忆合金通过环境温度或通过电流被加热时，形状记忆合金呈现其原始的、非形变的形状。当形状记忆合金被冷却时，形状记忆合金呈现形变的形状。

虽然形状记忆合金可以由各种合金材料构成，最常见的形状记忆合金的类型是铜-铝-镍的合金和镍-钛的合金。形状记忆合金能够以两种金相存在，第一种金相为奥氏体金相，第二种金相为马氏体金相。当合金受到冷却时，后一种金相被实现。

现今使用形状记忆合金的阀能够被分成两类。第一类包括具有线性位移机构的形状记忆合金阀。第二类包括具有复杂的旋转系统的形状记忆合金阀。

阀的两种类型的示例是在本领域已知的。对于前一类，可以参考名称为“环境温度形状记忆合金执行器(AMBIENT TEMPERATURE SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATOR)”、于2002年8月6日颁发给Ashurst的美国专利第6,427,712号。此参考专利公开了包括具有阀杆13和定位在阀杆13末端的塞子10的阀的执行器。SMA弹簧14同偏置弹簧15一起工作以在相对排泄孔20的打开位置和关闭位置之间移动阀杆13及与其关联的塞子10。根据此参考专利，“阀杆13(执行元件)在两个位置之间的运动大体上可以是线性的”。

包含线性地作用的形状记忆合金的阀的额外示例被公开在Dudley VernonSteynor申请的申请日为1982年3月18日、申请号为2 107 829A、名称为“恒温阀及包含其的太阳能热水系统(THERMOSTATIC VALVES AND SOLAR WATER HEATING SYSTEMSINCORPORATING SAME)”的英国专利申请。根据此参考专利，“可移位的阀部件[2]可以包括提升式阀部件，所述提升式阀部件通常通过弹簧[5]被朝着其底座[3](即朝着阀关闭位置)偏置。形状记忆效应(SME)执行器可以包括由形状记忆效应黄铜形成的螺旋弹簧[8](例如，Delta合金)，所述螺旋弹簧[8]在温度上升和温度下降时分别轴向地膨胀和收缩”。

包含线性地作用的形状记忆合金的阀的进一步示例被公开在Pak Sil Sang申请的申请日为2010年4月5日、申请号为20100035500A、名称为“自动恒温控制阀(AUTOMATICTHERMOSTATIC CONTROL VALVE)”的韩国专利申请。根据此参考专利，自动温度控制阀包括“处于搭接状态的偏置弹簧[3]和形状记忆合金弹簧[12]”。偏置弹簧3和形状记忆合金弹簧12搭接。当阀检测到水的温度变化时，阀允许水的供给的自动旁通。形状记忆合金弹簧12对水温的变化做出反应并且选择性地允许或限制水通过其的流通。

对于包括具有复杂的旋转系统的形状记忆合金阀的后一类阀，可以参考名称为“使用形状记忆合金导线的药物输送泵驱动器(DRUG DELIVERY PUMP DRIVE USING ASHAPED MEMORY ALLOY WIRE)”、于2012年5月8日颁发给Roe的美国专利第8,172,811号。此专利针对“使用形状记忆合金推进柱塞从容器输送液体药物的药物输送泵驱动器”。具体地，“SMA导线[12]被设置在具有弹簧复位[122]的线性螺线管装置[110]中提供往复的线性运动。具有在其间带支承件[132]的匹配面对的螺旋槽[130]的一组同心(内部的和外部的)管被设置成将往复的线性动作转化为往复的旋转动作”。此专利的取得专利权的泵驱动器因此是极其复杂的和制造成本高昂的。

已知的具有复杂的旋转系统的形状记忆合金阀的额外示例被公开在名称为“可变压力阀装置(VARIABLE PRESSURE VALVE APPARATUS)”、于2004年2月3日颁发给Ito的美国专利第6,684,904号。此专利针对被设置有形状记忆弹簧的阀。根据此专利，“当形状记忆合金弹簧的长度改变时，进给棘轮执行线性运动旋转凸轮”。具体地，“温度变化导致形状记忆弹簧10中的形变并膨胀或延伸形状记忆合金弹簧10以朝着复位弹簧11压迫进给棘轮12的大直径部分的端面”。进给棘轮12因此被旋转并且使凸轮13移动对球阀17起作用的波动弹簧15。此专利的取得专利权的可变压力阀也是极其复杂的和制造成本高昂的。

如上述参考专利示出的，包含形状记忆合金偏置元件的已知的流体控制阀或是在将线性动作转化成旋转动作上无效的，或是设计复杂且具有大量部件，这两个方面导致了难以生产和维护的昂贵的阀。此外，已知的阀不能在响应一定条件(例如温度)下提供阀位置的逐渐改变。

相应地，如在如此多的阀技术的方面中，在流体流动控制阀的领域存在对于以相对低成本制造和维护的、有效地将线性动作转化成旋转动作的、和在适当位置提供无限和可供选择的改变的实用且有效的阀的空间。

发明内容

本发明提供一种流体控制阀，其克服在根据现有技术的阀的使用中遇到的挑战。形状记忆合金弹簧提供用于通过将线性动作转化成旋转动作来调节流体的流动以克服现有技术的局限的阀部件的运动的驱动力。

本发明的形状记忆阀提供一种流体控制阀，所述流体控制阀具有阀组件筒体、被安装至筒体的阀组件盖、被与所述筒体关联的流体进口和流体出口、具有凸轮从动件槽的第一部件、具有被与所述槽操作地关联的凸轮的第二部件、被与所述部件中的一个以及进口与出口关联的流体流动门、被与所述部件中的一个关联的复位弹簧、和被与所述部件中的一个关联的形状记忆合金弹簧。形状记忆合金弹簧提供用于阀在第一位置和第二位置之间的运动的驱动力。形状记忆合金弹簧响应温度的变化。

本发明的形状记忆合金阀可以是至少两个实施例中的一个。在第一实施例中，第一部件是流动门被附接至的旋转阀，凸轮从动件槽被形成在第一部件上。旋转阀具有流向指示器。凸轮从动件槽被形成在旋转阀上，其中，槽包括弓形部分和直线部分。在第一实施例中，第二部件是具有被形成在该第二部件上的至少一个防转肋的往复环。阀组件筒体具有内壁，至少一个肋接收槽被形成在内壁上。

根据本发明的形状记忆阀的第二实施例，第一部件是往复式部件，凸轮从动件槽被形成在第一部件上。阀组件盖被锁紧防止旋转。往复式部件具有从该往复式部件上延伸的有槽阀杆。有槽阀杆与被形成在阀组件盖内的狭槽往复地配合。

第二部件是旋转阀筒体，旋转阀筒体具有安装至其上的流动门。根据此实施例，旋转阀筒体具有内壁并且凸轮从动件从所述内壁延伸。

不管所述实施例，本发明的形状记忆合金阀允许阀位置的逐渐和可调的变化，用于精确和可控的流动调节。阀的转速可以通过在若干变量(包括，例如，形状记忆合金弹簧的厚度和长度)之间进行选择而被调节。作为具体的示例，较厚的线圈将允许基于温度变化的较慢的变化速率。当弹簧受到温度变化时，较长的弹簧将产生更加显著的阀的旋转。被制成合金的材料的特定选择也将实现弹簧在一定的温度变化上的更加受控制的运动。如果形状记忆合金弹簧的温度根据电流被改变，电流的量可以有选择地被改变以实现在弹簧内特定的形状变化。

本发明的另外的优势和特征在考虑了优选实施例的详细说明、结合附图和权利要求后将会变得明显。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现在参考在附图中更详细地示出的实施例，并通过本发明的示例描述如下：

图1是根据本发明的第一实施例的具有用于移动阀部件的形状记忆合金弹簧的指示阀的透视图；

图2是图1的阀的略偏离中心的俯视图；

图3是图1的阀的分解视图；

图4是图1的阀的阀组件的一部分被剖去的透视图；

图5是图1的阀的端视图；

图6是图1的阀的一部分被剖去以示出在图4中被示出的阀组件在其打开位置的端视图；

图7是与图6类似但示出阀组件没有部分被剖去的视图；

图8是与图7类似但示出阀组件盖位于阀组件筒体上的视图；

图9是图1的阀被示出在其打开位置的端视图；

图10是与图7类似但示出阀在其关闭位置的视图；

图11是根据本发明的第二实施例的具有用于移动阀部件的形状记忆合金弹簧的阀的纵向剖视图，在图11中，阀被示出在其关闭位置；

图11A是沿着图11的线11A-11A的视图；

图12是根据本发明的第三实施例的具有用于移动阀部件的形状记忆合金弹簧的阀的透视图，在图12中，阀被示出在其打开位置；

图13是图12的阀的略偏离中心的俯视图；

图14是图12的阀的分解视图；

图15是沿着图12的形状记忆合金阀的主要部分的长轴线的剖视图；

图16是图12的阀的阀组件的透视图；

图17是与图12类似但示出阀壳体、阀组件、和管中的一个的一部分被部分地剖去的透视图；

图18是与图17类似但示出凸轮从动件机构和在其打开位置的被关联的阀；

图19是图12的阀的端视图；

图20是与图18类似但示出凸轮从动件机构和在其关闭位置的被关联的阀。

具体实施方式

在下面的附图中，相同的参考标号将用于指代相同的部件。在下面的说明中，针对不同构造的实施例描述了各种操作参数和部件。这些具体的参数和部件作为示例被包括并且不意味着限制。

图1至图10示出了本发明的阀的第一实施例，阀总体上被以10示出。阀10可以被用于液体或气体的流动需要有选择地被调节的任何环境。阀10包括具有阀组件筒体14、第一端口16、和第二端口18的大体上成T形的阀体12。第一端口16和第二端口18中的一个为流入端口，另一个为流出端口。第一端口16的长轴与第二端口18的长轴对齐，但是这不是必然的情况。如在这些相同的附图中进一步示出的，第一端口16和第二端口18被布置在相对阀组件筒体14成直角处，但是这也不是必然的情况

阀10进一步包括阀组件盖20。阀组件盖20优选地被卡扣安装至阀组件筒体14，但是阀组件盖20也可以通过螺纹被附接至阀组件筒体14。

参考图3，本发明的阀的分解视图被示出。阀组件22大体上被设置在阀组件筒体14的内部。阀组件22包括具有阀杆26和流动门28的旋转阀24。定位销30从流动门28延伸。外周环32被形成在阀杆26与流动门28的接合处。

阀杆26包括外周壁34，外周壁34具有被成形在外周壁34内的凸轮从动件槽36。凸轮从动件槽36包括弓形部分37和线性部分38，弓形部分37用于实现旋转阀24的旋转动作(如下所述)，线性部分38允许阀组件22的装配。弓形部分37与线性部分38连续。

视觉指示器39被设置在阀杆26的最上端处。视觉指示器39提供关于阀10是打开还是关闭的视觉确认。视觉指示器39可以是箭头(例如，如在图2中示出的)或者可以是另一类型的区分。通过视觉指示器39，阀10的打开状态或关闭状态能够通过观察箭头的方向一目了然地被确定。

阀组件22进一步包括形状记忆合金弹簧40、往复环42、和复位弹簧44。形状记忆合金弹簧40响应温度变化改变形状。形状记忆合金弹簧40的一端支靠在外周环32上，而形状记忆合金弹簧40的另一端支靠在被形成在往复环42的一侧上的槽48内。复位弹簧44的一端支靠在盖20上，而复位弹簧44的另一端支靠在被形成在往复环42的另一侧上的槽50内。槽48和槽50被在图4中示出。应当被理解的是，尽管示出的形状记忆合金弹簧40和复位弹簧44被示出为相对阀10被内部地设置，但任一弹簧或两个弹簧可以被外部地定位。

图4进一步示出了阀组件22的在其相对位置的各种元件。为了说明，形状记忆合金弹簧40、往复环42、和复位弹簧44以一部分被剖去示出。往复环42的剖切视图示出了被安装进入被形成在旋转阀24的阀杆26内的凸轮从动件槽36的凸轮从动件46。往复环42包括对置的防转肋52和52’，防转肋52和52’在被形成在阀筒体14的如图5中示出的内圆筒壁内的对置的槽54和54’的内部线性地运动。

图6示出了被布置在阀组件筒体14内部的阀组件22。如图4中示出的，阀组件22以形状记忆合金弹簧40、往复环42、和复位弹簧44的一部分被剖去示出。流动门28被示出在其打开位置。O形环56在外周环32和被形成在阀组件筒体14内部的底座58之间提供不漏流体的密封。必要时额外的O形环可以被设置。从流动门28延伸的定位销30可旋转地被就座在凹进区域60内。

凸轮从动件46和凸轮从动件槽36之间的作用将形状记忆合金弹簧40作用在往复环42上的线性动作转化成旋转阀24的旋转动作。这种动作是环境温度变化的结果。例如，如果环境温度上升或者如果电流通过导线(未示出)被引入，形状记忆合金弹簧40膨胀并恢复至其未形变的、延伸的形状。如示出的，形状记忆合金弹簧40的底部支靠在旋转阀24的外周环32上，从而限制形状记忆合金弹簧40在其一端处的膨胀。然而，形状记忆合金弹簧40能够膨胀压迫往复环42并将往复环42推离外周环32。

由于防转肋48和48’与对置的槽50和50’之间的相互作用，往复环42在阀筒体14内部的旋转被约束并且往复环42因此仅能够线性地移动。当往复环42响应来自膨胀的形状记忆合金弹簧40的压力如此运动时，凸轮从动件46沿着凸轮从动件槽36的线性部分37运动使旋转阀24在打开位置和关闭位置中的一个或另一个之间旋转。

由于形状记忆合金弹簧40的膨胀和随之发生的旋转阀24的旋转运动产生的往复环42远离外周环32的运动导致阀10的关闭。往复环42被移动远离至其相对外周环32的极限位置并且流动门28在其打开位置从而允许流体通过流动门28的流动的情况被在图7中示出。(应当被理解的是，如果阀10旨在用于流动门28被移动至其关闭位置的应用，可替代地，同样的运动也可以使流动门28被移动至其关闭位置)

除了盖22被定位在阀组件筒体14的顶部上之外，图8是与图7类似的视图。图9是示出流动门28如同图6、图7和图8中示出的阀10内的情况在其打开位置的阀10的端视图。

当环境温度下降到低于一定的阈值时或者当电流被减小或除去时，复位弹簧44在往复环42上施加的力克服当形状记忆合金弹簧40呈现其长度减小的形变形状时形状记忆合金弹簧40的力，并将旋转阀24保持在其如图10中示出的关闭或停止的位置。在这个位置，流动门28限制流体通过流动门28的流通。当温度升高至等于或高于特定的阈值时，复位弹簧44的力通过形状记忆弹簧复位至其原始的、伸长的、和未形变的形状被克服，并且往复环42被向上推，从而使旋转阀24被移动至其打开位置。在这个位置，流动门28允许流体通过流动门28的流通。

图11和图11A示出了根据本发明的形状记忆合金阀的第二实施例，形状记忆合金阀总体上被以100示出。图11示出了形状记忆合金阀100的纵向剖视图。图11A示出了沿着图11的线11A-11A截取的形状记忆合金阀100的视图。

如上述形状记忆合金阀10，形状记忆合金阀100可以被用于液体或气体的流动需要有选择地被调节的任何环境。阀100包括具有阀组件筒体104、第一端口106、和第二端口108的大体上成T形的阀体102。第一端口106和第二端口108中的一个为流入端口，另一个为流出端口。第一端口106的长轴被与第二端口108的长轴对齐，但是这不是必然的情况。如在这些相同的附图中进一步示出的，第一端口106和第二端口108被布置在相对阀组件筒体104成直角处，但是这也不是必然的情况。

形状记忆合金阀100进一步包括阀组件盖110。阀组件盖110优选地被卡扣安装至阀组件筒体104，但是阀组件盖110也可以通过螺纹被附接至阀组件筒体104。

阀组件112大体上被设置在阀组件筒体104的内部。阀组件112包括具有阀杆116和流动门118的旋转阀114。阀杆116包括外周壁120，外周壁120具有被形成在外周壁120内的凸轮从动件槽122。凸轮从动件槽122包括弓形部分124和线性部分126。弓形部分124用于实现旋转阀114的旋转动作，线性部分126允许阀组件112的装配。弓形部分124与线性部分126连续。外周环128被形成为旋转阀114的一部分。

阀组件112包括形状记忆合金弹簧130、往复环132、和复位弹簧134。形状记忆合金弹簧130响应温度变化改变长度。形状记忆合金弹簧130的一端支靠在外周环128上，而形状记忆合金弹簧130的另一端支靠在往复环132的一侧上。复位弹簧134的一端支靠在盖110上，而复位弹簧134的另一端支靠在往复环132的另一侧上。O形环136被安装在外周环128与阀组件筒体104的底部之间。

凸轮从动件138从往复环132的内壁延伸并被安装进入被成形在旋转阀114的阀杆116内的凸轮从动件槽122的弓形部分124。在被形成在往复环132的外表面内的一对对置的槽142和142’的内部线性地运动的第一对对置的防转肋140和140’从阀组件筒体104的内壁向内延伸。可选择地，在也被形成在往复环132的外表面内的一对对置的槽146和146’的内部线性地运动的第二对对置的防转肋144和144’从阀组件筒体104的内壁向内延伸。

形状记忆合金阀100的操作与上述关于形状记忆合金阀10的操作是相同的。

图12-20示出了本发明的阀的第三实施例，该阀总体上被以200示出。如上述关于形状记忆合金阀10和100，形状记忆合金阀200可以被用于液体或气体的流动需要有选择地被调节的任何环境。

阀200包括具有阀组件筒体204、第一端口206、和第二端口208的大体上成T形的阀体202。第一端口206和第二端口208中的一个为流入端口，另一个为流出端口。第一端口206的长轴被与第二端口208的长轴对齐，但是这不是必然的情况。如在这些相同的附图中进一步示出的，第一端口206和第二端口208被布置在相对阀组件筒体204成直角处，但是这也不是必然的情况。

形状记忆合金阀200进一步包括不能旋转的阀组件盖210。阀组件盖210优选地被卡扣安装至阀组件筒体204，但是阀组件盖210也可以通过螺纹被附接至阀组件筒体204。不管其附接的方法，不能旋转的阀组件盖210被锁紧防止相对阀组件筒体204的旋转。

在图14中，本发明的阀10的分解视图被示出。在图15中，沿着形状记忆合金阀200的一部分的长轴线截取的剖视图被示出。在图16中，阀组件的主要部分的视图被以局部剖视示出。

参考图14、图15和图16，阀组件212大体上被设置在阀组件筒体204的内部。阀组件212包括具有旋转阀筒体216的旋转阀214，旋转阀筒体216具有从旋转阀筒体216延伸的流动门218。定位销220从流动门218的底部延伸。

具有有槽阀杆224的往复体222被设置成与阀组件筒体204操作的关联。有槽阀杆224的非限制性构型在图15中如通过箭头所示被示出。有狭槽的开口226被形成在不能旋转的阀组件盖210内。有槽阀杆224与有狭槽的开口226配合使得往复动作被允许但旋转运动被阻止。

往复体222包括具有外周壁228的圆筒体227。凸轮从动件槽230被形成在圆筒体227的外周壁228内。从阀组件筒体204的内壁向内延伸的凸轮从动件232在图15中被示出。

阀组件212进一步包括形状记忆合金弹簧234和复位弹簧236。与上述分别关于本发明的第一实施例和第二实施例的形状记忆合金弹簧40和形状记忆合金弹簧130相同，形状记忆合金弹簧234响应温度变化改变长度。形状记忆合金弹簧234的一端支靠在旋转阀筒体216的底部上，而形状记忆合金弹簧234的另一端支靠在往复体222的下侧上。复位弹簧236的一端支靠在盖210的下侧上，而复位弹簧236的另一端支靠在往复体222的圆筒体227上。

图17示出了被布置在阀组件筒体204内部的阀组件212。阀组件212被以形状记忆合金弹簧234和复位弹簧236的一部分被剖去示出。流动门218在其打开位置被示出。O形环238在旋转阀214的旋转阀筒体216的下侧与被成形在阀组件筒体204的内部的底座240之间提供不漏流体的密封。必要时额外的O形环可以被设置。从流动门218延伸的定位销220被可旋转地就座在凹进区域242内。

形状记忆合金弹簧234响应环境温度的变化或者响应电流的有或无改变长度。如果环境温度升高或者电流增加，形状记忆合金弹簧234伸长以呈现其原始的、伸长的和未形变的形状。这种伸长使形状记忆合金弹簧234在其最下端推压旋转阀筒体216的底部的内壁，同时使形状记忆合金弹簧234在其最上端推压往复体222的下侧。

由于旋转阀筒体216的竖向运动被限制，往复体222被竖向地朝着盖210移动，从而使得从旋转阀筒体216的内壁延伸的凸轮从动件232在被形成在圆筒体227的外周壁228内的凸轮从动件槽230内移动。这使得往复体222的线性动作被转化为旋转阀筒体216的旋转动作。因此，流动门218被旋转至如图18和图19中示出的打开位置，图18是示出阀200被部分剖去的透视图，图19是阀200的端视图。

当环境温度下降到低于一定的阈值时或者当电流被减小或消去时，复位弹簧236在往复体222的上表面上施加的力克服当形状记忆合金弹簧234呈现其长度减小的形变形状时形状记忆合金弹簧234的力。由于旋转阀筒体216的竖向运动被限制，往复体222被竖直地向下移动并远离盖210，从而使得从旋转阀筒体216的内壁延伸的凸轮从动件232在被形成在圆筒体227的外周壁228内的凸轮从动件槽230内移动。这使得往复体222的线性动作被转化为旋转阀筒体216的旋转动作。因此，流动门218被旋转至如图20中示出的关闭位置，图20是阀200部分被剖去的视图。

前述讨论公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将容易地从这种讨论以及从附图和权利要求中认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的真实精神和合理范围的情况下，可以在其中进行各种改变、修改和变化。