专利名称：扩展范围的比例阀的制作方法
背景技术：
本发明涉及由电螺线管操作的比例流量阀。本发明特别涉及具有高调节比的阀，即能够从非常低的速度通过中间的速度到非常高的速度范围内控制流速的阀。
比例流量阀可用于实现混合和测量的功能。例如，比例流量阀用于精确地混合汽油以达到所需的特性，诸如特定的辛烷值；用于混合热水和冷水以获得所需的温度；用于分配可压缩的和不可压缩的流体，包括诸如汽油的流体以及诸如空气和天然气的气体。根据需要使用比例流量阀的应用领域，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间的中流速。
在现有技术中所涉及的一些阀中，主阀部件从主阀座中升起或者下降在主阀座中以打开和关闭该阀。主阀部件可被安装在隔膜中央处。这样一种阀被披露在美国专利US 5,676,342中。该阀使通过阀的流体流速与流过用于控制该阀的螺线管致动器线圈的电流成比例。在这种布置中，致动器以一种线性方式工作，即，由螺线管衔铁所产生的作用力与施加在螺线管上的电流成线性比例。因此，螺线管衔铁克服闭合弹簧以线性方式工作，所述闭合弹簧始终将阀部件推向阀座。这样，阀部件移离阀座的距离与施加在螺线管上的电流成比例。
一个导阀座在主阀部件的顶上，所述导阀座包围一个通过主阀部件中心的导阀开口。在主阀部件上方的螺线管柱塞带动一个导阀部件，所述导阀部件下降以密封在主阀部件中的导阀开口，所述导阀部件升起以打开在主阀部件中的导阀开口。
在壳体或者隔膜中或者通过另一个通道的排放口，流体通过该排放口可在位于隔膜上方的储放室和位于隔膜下方的进口室之间流动。该排放口小于导阀开口。当导阀开口被柱塞密封时，来自于进口的流体进入到位于隔膜下方的进口室并且通过在隔膜中的排放口流到位于隔膜上方的储放室。在隔膜上方的流体将隔膜向下推向主阀座，从而密封由主阀座所包围的主阀开口并且关闭该阀。当启动螺线管以使柱塞从导阀开口升起时，在隔膜上方的流体通过导阀开口排出并且排出的速度大于流体通过较小的排放口进入的速度，从而减小了在隔膜上方的流体压力并且使来自于位于隔膜下方的入口的流体压力向上推动隔膜，从而使主阀部件从主阀座升起以打开该阀。
已经发现，上述美国专利US 5,676,342中所披露的阀能够极好地实现其功能。但是，当需要保持很低的流速时，柱塞移动到一个使隔膜只能将主阀部件略微从主阀开口抬起的位置。此时，在隔膜上方和下方区域之间的压力差很大以致于当主阀部件从主阀座上升起时主阀部件会跳起，从而阻止了达到很低流速。这种情况表示流速相对于电流的特性曲线的底端。即，在一个通过减小施加在螺线管线圈上的电流均匀地降低流速的阀中，当螺线管线圈的电流减小到一定程度，会迫使主阀部件在主阀座上，而使流动会突然停止。
相反，当主阀部件与主阀座接合并且在比例螺线管阀的线圈中的感应电流逐渐增大时，当达到一定程度时，主阀部件会从主阀座上跳起并到达一个该阀所能够达到的最低流速的位置。尽管可通过对阀部件的设计参数进行精心选择能够使最小流速达到最佳，但是在需要精确的低流速的情况下这不能带来充分的改善。
在本领域已知，通过在螺线管阀的螺线管上施加全波交流电流以使主阀部件从主阀座移动，从而能够以一个恒定的高流速来操作该螺线管阀，以及通过对交流电流进行整流以获得一种半波交流信号，当将该半波交流信号提供给螺线管线圈时，能够使流体通过导阀开口但是不能提供足以使主阀部件从主阀座上升起的作用力，从而能够以一个恒定的低流速来操作该螺线管阀。在授权于Johnson等的美国专利US4,503,887中披露了这样一种阀。
在本领域还已知，通过以周期性脉冲直流电流的形式为比例阀的螺线管供电可以改变在该比例阀中的导阀部件从导阀座移动的程度，电流值会随着脉冲的“开”和“关”时间长度而改变，有时被称为脉冲宽度调制。在授权于LaMarca的美国专利US 5,294,089和授权于Otto等的美国专利US 5,676,342中披露了能够到达此目的的脉冲宽度调制。
上述方案都没有提供一种关于制造具有高调节比的比例螺线管阀的问题的解决方案，即，制造一种能够从在主阀部件从主阀座移动过程中的很高流速和中流速到在主阀部件保持座落以密封主阀开口并且限制流体流通过导阀开口的过程中的低速之间连续改变流速的阀。
发明概述根据本发明，通过对施加在一个比例螺线管阀的线圈上的电流进行脉冲宽度调制或者频率调制，能够在不使主阀部件从主阀座升起的情况下在一个连续的范围内达到低流速。对于低流速，例如以每分钟0.5标准立方英尺(scfm)至5.0scfm的速度流动的气体，在一个工作周期内使螺线管衔铁或者柱塞在导阀座上上下振荡或者振动，在所述工作周期中的一段时间内，露出导阀开口以在压力作用下输入流体，在所述工作周期的其余时间内导阀开口关闭，从而使主阀部件保持在主阀座上并且限制流体流到一个通过导阀开口的路径。为了提高流速，可调节螺线管衔铁的工作周期以增大该周期中使导阀开口暴露在流体下的时间比例，从而提高流体流过导阀开口的速度。
在使流体流速达到能够控制主阀部件从主阀座的移动并且不会出现在低流速时遇到的跳起问题的程度时，进一步对螺线管电流的工作周期进行调节以使导阀保持足够长的打开时间，从而使主阀部件从主阀座升起的距离与所需的中流速相对应，随即通过限制流体流过主阀开口来补充流过导阀开口的速度。通过使主阀部件升起到一个与主阀座保持较短距离的位置来实现中速度的流动。通过使主阀部件进一步升离主阀座可达到较高的流速，流过导阀开口对较高流速的贡献变得不重要。
因此，本发明的一个目的在于提供一种单比例流量阀，该比例流量阀能够在目前不能实现的范围内连续地改变流速。
本发明的另一个目的在于提供一种比例流量阀，该比例流量阀具有一个螺线管致动器，可利用具有一个可变工作周期的电流启动该螺线管致动器以使一个导阀部件在主阀部件上的导阀座上上下振动，从而能够获得通过在该阀中的导阀开口的低流速的连续范围并且不使主阀部件从主阀座上升起。
本发明的另一个目的在于提供一种用于对通过在座落的主阀部件中的导阀开口的流动进行调节并且不会达到使主阀部件从主阀座升起的临界流速的设备。
本发明的另一个目的在于提供一种上述类型的阀，其中工作周期和/或脉冲宽度调制的螺线管电流的频率可被调节以使导阀保持足够长的打开时间，从而使主阀部件从主阀座升起的程度与所需的中流速或者高流速相对应。
本发明的另一个目的在于，在一个比例流量阀中在低流速、中流速和高流速之间保持连续性，在从仅通过导阀开口(主阀关闭)的低流速经过使较多的流体通过导阀开口和主阀开口的中流速到主要流过主阀开口的高流速的范围内进行速度转变。
从下面的附图以及对本发明的一个优选实施例的描述中可以明显地看出本发明的其他目的，在下面的描述中，相同的附图标记表示在不同的附图中的相同的部件。
图1是本发明优选实施例所涉及的比例流量阀的横截面图，其中螺线管致动器被断电且所述阀被关闭；图2是与图1相似的视图，但是示出了当允许低质量流速范围时的阀；图3是与图1相似的视图，但是示出了当允许中质量流速范围时的阀；图4是与图1相似的视图，但是示出了当允许高质量流速范围时的阀；图5是示出了图1到4的控制结构螺线管的框图；图6是本发明的流体控制系统的框图；图7是本发明所涉及的低频模式控制的示范性的映射曲线；图8是本发明所涉及的高频模式控制的示范性的映射曲线；图9是本发明的能够提供了所期望的重叠特征的比例流量阀的剖面图；以及图10是与图9相似的视图，但是更详细地示出了流动成形元件。
优选实施例的详细描述参照附图1到4，选择比例流量阀10来描述本发明，所述比例流量阀10包括阀体12，阀体12带有流体进入口14、流体排出口16以及围绕主口20的主阀座18。排出口16位于带有直角弯头24的中空弯管中，所述直角弯头24连接水平部分22和垂直部分28，垂直部分28止于主阀座18处。
主阀单元30包括主阀部件32，该主阀部件32滑动地安装于排出口16的垂直部分28中以便于往复轴向移动。主阀部件32具有通常为环形横截面并且轴向延伸的沿圆周隔开的平行叶片34，在附图中可看到其中两个叶片34。主阀部件32的外圆周形状适于接收上部隔膜支撑垫圈36和隔膜定位环38，所述垫圈36具有平面的下部环形表面，所述定位环38具有平面的上部环形表面。环形挠性隔膜17夹在上部隔膜支撑垫圈36的下部环形表面和隔膜定位环38的上部环形表面之间以随着主阀部件32移动，该隔膜17用作阀10的压力部件。
合适的紧固件42使阀帽板40紧固于阀体12的顶部。隔膜17的外圆周位于阀帽板40与在阀体12顶部上的凸出的周向隆脊44之间，所述隔膜17的外圆周的顶面被阀帽板40固定，其底面被在阀体12顶部上的凸出的周向隆脊44以及位于隆脊44中并与所述隆脊44同心的密封件46固定。所述密封件46垫在隔膜17的下面并防止流体在阀帽板40、阀体12和隔膜17之间的界面处泄漏。
位于限定主阀部件32的沟槽中的环形固定夹48将上部隔膜支撑垫圈36推向隔膜17的中央区域以便将隔膜17固定于隔膜定位环38上。给叶片34开槽口以接收位于定位环38下面的环形主阀密封件50。主阀密封件50最好是用弹性体材料制成的。
主阀单元30包括主阀部件32、上部隔膜支撑垫圈36、隔膜定位环38、隔膜17、固定夹48以及主阀密封件50，所有这些部件作为一个单元朝向主阀座18和远离主阀座18移动。在这样移动的过程中，隔膜17的中间环形部分54可自由挠曲和拉伸，同时隔膜17的周边被牢固定位。随着主阀部件32的叶片34被引导在主阀座18的排出口16的垂直圆柱形井内，主阀单元30可进行轴向移动。
在主阀部件32中，沿着其中心轴线具有一个导阀通道，导阀通道采用这样的形式，即，在其上端具有一个被导阀座58包围的圆形孔56，在其下端开口通向排出口16。利用导阀密封件68使该导阀通道56被选择性地打开和关闭。
主阀弹簧60被压缩在由阀帽板40构成的肩部62与上部隔膜支撑垫圈36的顶表面之间，从而向下推动主阀单元30，使其与主阀座18接合。
流体进入口14由主阀单元30的下侧(包括隔膜17)和排出口16的垂直部分28的外表面限定。储放室64占据了主阀单元30上方的开放容积。
隔膜17相对于流体是不渗透的以便由比例流量阀10来控制。阀帽40和阀体12中的排放通道66能够使容器64和进入口14之间流体连通以使来自于进入口14的流体可进入主阀单元30上方的储放室64中。排放通道66的横截面小于导阀通道56的最小的横截面，以便当打开导阀通道56时使流体可流过导阀通道56并且流速比流过排放通道66的速度快。
如图1中所示的，当关闭导阀时，也就是说，当导阀密封件68与导阀座58接合时，并且当关闭主阀时，也就是说，当主阀密封件50与主阀座18接合时，流体不能从流体进入口14流到流体排出口16。当打开导阀时，也就是说，当导阀密封件68未与导阀座58接合时，并且当关闭主阀时，如图2中所示的，流体只能够通过排放孔通道66进入容器64，然后从容器64流经导阀通道56而使流体从流体进入口14流到流体排出口16。因此，这样的流体流动被限制在低质量流速范围中，有效流速取决于打开导阀期间与关闭导阀期间之间的相对时间。
当主阀密封件50脱离与主阀座18的接合时，可能会出现流体通过主阀部件32的叶片34之间的空隙的情况。随着主阀单元30的升高，叶片34之间的开口的暴露区域增加，从而相应地增加了从流体进入口14流到流体排出口16的流速。
最初，例如当主阀部件从主阀座处移动的距离等于或小于主阀开口直径的25％时，限制了通过主阀开口的流动，并且通过导阀开口的流速组成对流经所述阀的总流速形成了重大贡献，所述阀的总流速即通过主阀开口和导阀开口两者的质量流速之和。在上述条件下，即主阀部件从主阀座处移动的距离等于或小于主阀开口直径的25％时，流过阀的质量流速可在中流速范围之上，中流速范围大于当流动限制于导阀开口时限制所述阀的低流速范围。
在主阀部件从主阀座处移开的距离大于主阀开口直径的25％时，可实现了高质量流速范围。主要通过主阀开口来实现高速流动，通过导阀开口的流量变得可忽略不计。
为了仅通过阀的导阀开口来获得低流速，也就是说，当阀处于图2中所示的状态时，利用具有一定频率和工作周期的电流使导阀部件在导阀座上上下振动，所述电流可迅速地使流体通过导阀开口和中断流体通过导阀开口以便在储放室64中保持足够的压力，从而防止在隔膜下方的入口压力将主阀部件抬离主阀座。
流过导阀开口的流速无需被限制为单一的等级。通过改变脉冲宽度调制螺线管电流的频率和/或工作周期，导阀开口暴露于储放室64中的流体期间与由导阀部件密封导阀开口时间之间的相对时间可被改变以连续地增加或减小流体流过导阀开口的速度，同时防止储放室64中的压力减小到足以使隔膜被从主阀座上抬起的程度。
根据螺线管电流的频率和工作周期，阀将在图1中所示的断开状态和图2中所示的接通状态之间切换以使在没有打开主阀的情况下，也就是说，在主阀部件没有抬离开主阀座的情况下，使流体以低流速流动。
螺线管致动器70安装在阀帽板40的顶部。螺线管致动器70包括由卷绕在线轴74上的电导线构成的线圈72，所述线轴74由不导电和不导磁的材料制成。提供了用于与电流源连接的适当端子以便为螺线管线圈72通电。由磁性材料构成的壳体76包围螺线管线圈72。
固定的衔铁或塞帽(plugnut)78位于线轴74的上部内。芯管80从塞帽78向下延伸并穿过线轴74的其余部分。套环82包围芯管80的下部，所述套环82又被紧固于阀帽板40的上部。可通过压配合、焊接、压接、螺纹连接或本领域普通技术人员已知的其他任何常规的能够形成坚固的和流体密封的连接方式实现芯管80和套环82之间以及套环82和阀帽板40之间的紧固。
磁性材料的活动衔铁84可滑动地轴向地布置于芯管80中。轴向凸缘86安装于活动衔铁84的靠近其下端的位置处。包围活动衔铁84的导阀弹簧88被压缩在周向凸缘86和套环82的下表面之间并向下推动活动衔铁84使之远离塞帽78。使活动衔铁84的上表面和塞帽78的下表面的形状相对应以便当活动衔铁84朝向塞帽78移动时使所述两个表面能够紧密配合。活动衔铁84在其下部支承着由弹性材料形成的导阀密封件68。
当线圈72断电(图1)并且比例流量阀10的流体进入口14与加压流体源(例如汽油泵)连接时，迫使流体通过排放通道66进入位于主阀单元上方的储放室64中。主阀单元30中的暴露于流体中的顶部区域大于主阀单元30中的暴露于流体中的底部区域。因此，主阀单元30顶部的作用力结合弹簧60的作用力将主阀密封件50固定于主阀座18上以关闭比例流量阀10。当电流第一次为螺线管线圈72通电(图2)时，活动衔铁84被吸引到塞帽3上，并且因此开始克服弹簧88的作用力向上移动。当活动衔铁84升高时，它使导阀密封件68从导阀座58处移开，从而使得进入的流体流过通道56进入到处于低排出口压力的排出口16中。因为通过导阀通道56的有效流速大于流过排放通道66的有效流速，所以在主阀单元30和隔膜17上方的压力开始降低。尽管在本发明的所示优选实施例中，导阀开口的直径大于排放孔的直径，但是当流动通道是这样的，即与通过导阀开口的流速相比较，紊流阻碍了通过排放通道的流速时，即使导阀开口具有较小直径，通过导阀开口的有效流速还是可以大于通过排放孔的有效流速。
如果螺线管电流的频率和脉冲宽度足以将导阀密封件68从导阀座58处提升比例足够大的时间，在主阀单元30上的流体进口压力的向上作用力开始超过在主阀单元30上的流体压力的向下作用力，主阀单元30开始上升(图3)，并且主阀单元30从主阀座18处移开。主阀密封件50脱离主阀座18，并且可通过主阀部件32的叶片34之间的空隙使流体进入口14和流体排出口之间连通，从而开始允许从进入口14流入排出口16的中度范围的流动。
在导阀座58与导阀密封件68接合(即，关闭导阀)之前，主阀单元30继续上升。因而，高压流体不能从储放室64中逃逸。随着进入储放室64的流体增多，在主阀单元30上的向下作用力增大，直到该向下作用力与弹簧60的向下作用力结合再次超过入口流体作用于主阀单元30底部的向上作用力。其结果是主阀单元30向下移动。然而，在主阀单元30开始向下移动时，导阀68立即打开，再次使得在主阀单元上方的高压流体通过通道56排出到流体排出口16。快速形成了一个平衡位置(图4)，其中当导阀68反复地打开和关闭时主阀单元30始终以很小的距离进行振荡。
当主阀单元30作为单元振荡时其位置由活动衔铁84的位置、进而由导阀密封件68确定。该位置还确定主阀部件32和主阀座18之间的间隔，并进而确定通过主阀开口的流速。
获得中度或者高度的质量流速是由主阀部件从主阀座处上升的程度确定的，这又是根据活动衔铁84的位置设定的，活动衔铁84的位置是施加到螺线管线圈72的脉冲宽度调制电流的工作周期和/或频率的一个函数，控制在螺线管启动比例流量控制阀上的电流的优选方法是脉冲宽度调制(PWM)。
对于如现有技术所涉及的比例螺线管阀中所使用的脉宽调制，为了以线性方式改变线圈中的电流，对螺线管线圈施加频率固定的工作周期可变的矩形波，从而改变由螺线管施加于阀致动机构上的作用力，因而改变通过阀的流动。使用矩形波信号具有两个明显优于使用线性放大器来控制螺线管电流的优点。第一，控制器的切换类型具有比线性放大器更大的功效。第二，矩形波的固定切换频率的适当选择可使得在螺线管电流中出现小的变化，所述电流中的小的变化转化为上升的螺线管衔铁的机械振动，所述机械振动又减小阀中的静摩擦和机械滞后的影响。通过用脉冲宽度调制和/或频率调制仔细地控制机械振动，可不打开主阀的情况下，在一个流速范围内选择期望的通过导阀开口的质量流速。这里所涉及的范围指的是质量流速的范围。
通过增加脉冲宽度调制螺线管电流的工作周期能够达到中度和高度流速以使通过导阀开口的流量大到足以释放在主阀部件上方的储放室中的压力，从而将主阀部件抬离主阀座。
如果脉冲宽度调制电压具有50％的工作周期，那么流经螺线管线圈72的电流将为最大值的50％。因此，活动衔铁84将上升到在当主阀关闭时其所处位置(图1)和当阀完全打开(图4)时(即，当其上表面与塞帽78的下表面接合时)其所处位置之间的其最大行程的一半。因此，将仅使主阀单元30上升到其最大上升高度的50％，因此主阀单元30将与主阀座18保持的间隔为它们之间的最大间隔的1/2。这样，使得在流体进入口14和流体排出口16之间的流速为流过该阀的最大流速的1/2。
如果在75％的时间内接通电压并且在25％的时间内断开电压，即，存在75％的工作周期，活动衔铁84将上升到其最大行程的3/4，从而，使得在流体进入口14和流体排出口16之间的流速为流过该阀的最大流速的3/4。因此，应该理解的是，流过主阀的高流速与施加在螺线管线圈72上的电流成比例。
可根据螺线管衔铁的最大行程和主阀开口的直径获得中度和高度质量流速。例如，如果脉冲宽度调制电压具有25％的工作周期，那么通过螺线管线圈72的电流将是最大值的25％。因此，将仅使主阀单元30上升到其最大上升高度的25％，因此主阀单元30将与主阀座18保持的间隔为它们之间的最大间隔的1/4。如果主阀开口的直径大于活动衔铁84的最大行程的25％，那么流动将在中度范围内。
当以高流速操作时，即，在流体主要流过主阀座的情况下，本发明所涉及的阀的工作与美国专利US 5,294,089中所披露的阀类似。该阀采用一种流体辅助设计形式，其中，通过对小导阀孔的控制使螺线管有效地对隔膜进行定位，隔膜又控制通过更大的孔的流动。这种阀在其控制范围内的流动调节比通常在10至1。对于上述现有技术中所涉及的阀，与简单地改变连续直流电流的大小相比，当将一种脉冲的直流电源施加在螺线管线圈72上时，衔铁位置的控制最精确。
现有技术中所涉及的阀仅能够在中度范围和高度范围中操作。在这样的阀中提供脉冲电流能够使活动衔铁84振动，振动的幅度与主阀部件从主阀座移动的程度相比是很小的。因此，振动对由在叶片34之间的开口暴露区域所限定的流速的影响是可忽略的，并且该流速会随着主阀单元30的升高而增大。
在本发明所涉及的阀中，仅通过导阀开口提供低流速。为了在一个连续的范围内达到低流速，振动的导阀密封件的脉冲宽度和频率被改变以确定流体通过阀的流速。已经发现，在一个脉冲宽度的精心控制范围内使导阀螺线管脉动将能够对通过在阀中的导阀开口的流动进行精确控制并且不会通过使主阀部件从主阀座上升起而使隔膜打开主阀。如目前已经在中流速和高流速范围中所进行的，通过同时改变被施加在螺线管线圈上的波形的脉冲宽度和频率能够在低流速的范围内获得在电流和流速之间的线性对应的相当准确的近似值。另外，如可在从中流速到高流速范围的转变中所进行的，显然能够实现从低流速到中流速范围的转变，并且在电流与流速的特性曲线中不存在突然的间断。
对于低流速，脉冲的接通时间必须在这样一个范围内，即，使螺线管将导阀部件从导阀座升起但不使导阀部件将导阀开口暴露到足以使隔膜将主阀部件从主阀座上升起的程度。另外，施加在螺线管线圈上的电流频率必须被限制在一个能够使导阀螺线管的衔铁以一种脉冲的方式持续操作的范围内。
三种机械参数的平衡能够达到低流速的连续范围，其中的每一个都可通过控制螺线管线圈电流的频率和脉冲波工作周期来选择。这些机械参数是导阀孔面积、有效排放通道面积和压迫隔膜的弹簧常数和弹簧作用力。
导阀孔的面积是达到一个低流速的宽范围的主要控制因素。当导阀孔的横截面积增大时，所能够达到的低流速范围或者电流与流速的特性曲线的低流速区域的调节比也增大。
比例螺线管的排放通道使位于隔膜上方和下方的压力和作用力保持平衡。该排放通道的横截面积通常小于通过主阀部件的导阀开口的横截面积。通过使导阀部件从导阀座上升起来暴露导阀开口能够在隔膜上产生压力不平衡，从而将主阀部件推离主阀座。相反，导阀开口的密封使隔膜两侧上的压力保持平衡，从而使其响应一个机械作用力(例如，来自于弹簧)被关闭。如果排放面积太小，那么排放通道的尺寸有些重要，在储放室中的压力将在脉冲周期的打开阶段中快速减小以致于使隔膜过早地提升主阀部件，从而限制了低流速范围的高端。在通过使导阀部件在导阀座上上下振动可能扩展流动范围时，如果排放面积过大，将会对使主阀部件移离主阀座以转变为高流速范围(即，通过主阀座)所需的在隔膜的两侧上的压力不平衡造成影响。
已经发现，通过将具有适合的弹簧常数和弹簧作用力的弹簧放置在隔膜顶部，能够使主阀部件保持在一个关闭位置处，即，密封主阀开口，从而能够以较高的工作周期和频率操作，而使低流速范围达到最大。
通过使螺线管的工作周期和频率、导阀开口面积、排放通道面积和隔膜弹簧常数和弹簧作用力保持平衡，可通过一种单比例螺线管阀能够达到高的调节比，即，宽范围流速。
示例1在一个具有直径为0.078英寸的圆形导阀开口、直径为0.073英寸的排放通道以及弹簧作用力为1.5磅的隔膜压迫弹簧的比例螺线管阀中，通过从8％和20赫兹到50％和25赫兹的范围内改变螺线管线圈电流的脉冲宽度工作周期和频率可以获得0.5-5.0立方英尺/分的低流速范围。根据阀的尺寸和设计，高达40赫兹或者更高的频率结合适合的工作周期可有效地获得在较大的范围内的低流速。
现参照图5，矩形波发生器101以脉冲直流信号的形式将电流提供给比例流量阀螺线管70的线圈72。利用一个脉冲宽度调制器103来控制工作周期，即，在矩形波信号的一个周期中的接通时间与断开时间之间的百分比，脉冲宽度调制器103的结构对于本领域普通技术人员是已知的。还提供一个频率设定电路105以设定由发生器101产生的脉冲直流信号的每秒周期数量。频率设定电路的结构对于本领域普通技术人员是已知的。
手动控制装置，例如在汽油泵的手柄上的控制杆，可被机械地链接到一个用于将信号送至数字微控制器107的转换器，数字微控制器107与脉冲宽度调制器电路103和频率设定电路105相连，从而能够同时调节由发生器101施加在螺线管线圈上的直流脉冲的频率和工作周期。数字微控制器107、脉冲宽度调制器电路103和频率设定电路105可被设计和/或编程以便施加窄的脉冲，即，脉冲波形具有低的工作周期，从而能够在振动螺线管衔铁的时间内形成低流速，这样仅使流体通过比例流量阀的导阀开口流动，同时防止主阀部件从主阀座抬起。另外，螺线管线圈电流的工作周期和频率可被调节以增大通过导阀开口的流速，同时仍然防止主阀部件抬离。通过使螺线管线圈电流的工作周期增大到超过使主阀部件从主阀座抬起的百分比的程度可进一步增大流速。
已经发现，使用本发明所涉及的扩展范围的比例流量阀，可在从非常低的流速到非常高的流速的范围内获得在流速和泵手柄位置之间的基本线性关系，从而能够在大到100至1或者更大的调节比范围内进行线性流动控制。
在设计本发明所涉及的扩展范围的比例流量阀中，最好通过分析阀对施加在螺线管操作器的线圈上的PWM(脉冲宽度调制)控制电压的响应来模拟阀的操作。该电压波形在螺线管衔铁的位置中引起变化。螺线管衔铁的动作又在通过该阀的质量流速中引起变化。
利用由衔铁的自由体受力图和作用在其上的所有相关作用力导出的标准二阶微分表示衔铁的动作，这些相关的作用力包括重力、弹簧回复作用力和吸引磁力。
Md2x/dt2+Bdx/dt+Kx＝F-F0其中x＝衔铁自其初始位置的位移，用米表示F＝在衔铁上的磁吸引力，用牛顿表示t＝时间，用秒表示M＝衔铁的质量，用千克表示B＝在衔铁上的摩擦力，用牛顿/米/秒表示K＝衔铁弹簧的弹簧常数，用牛顿/米表示F0＝必须克服的以开始动作的在衔铁上的初始作用力，用牛顿表示由PWM激发电压驱动的螺线管线圈的电路的动力用下列关系式表示。
在PWM信号的“接通”阶段中E＝N dN/dt+IR在PWM信号的“断开”阶段中NdNdt+IR＝0其中M＝总通量，用韦伯表示，与螺线管线圈的匝数相关I＝螺线管中的线圈电流(安培)R＝螺线管线圈的电阻(欧姆)E＝在PWM信号的接通阶段中螺线管线圈上的电压(伏特)N＝螺线管线圈的匝数螺线管中的线圈电流和作用在吸铁上以牛顿表示的磁吸力是与螺线管线圈相关的总磁通和吸铁偏移其原始位置的函数，即I＝f(M，X)和F＝f(M，X)上述两个关系式是非线性函数，并且取决于螺线管操作器的几何形状以及构成阀的各个部件的材料。可利用电路求解程序软件(诸如市售的SPICE程序)在数字计算机上模拟阀的机械和电子元件可获得上述等式的解。在这样的一种模拟中，利用电子元件直接模拟电子驱动器电路，以及用相应的电子模拟表示机械部件。
可利用接收关于螺线管参数的表格数据的元件模拟反向emf(电磁力)(NdN/dt)的磁耦合、磁心位置、电流和螺线管作用力。在操作条件的范围内利用螺线管的磁有限元分析求出该表格数据并且所获得的解可用于磁心位置和线圈激发的各个值。可在数字计算机上进行这样的分析的市售软件求解程序的一个示例是EMSS by Ansoft ofPittsburgh PA。该求解程序将磁有限元分析程序与SPICE程序的一个版本结合在一起。通过在这样一个求解程序中模拟该问题，可获得采用时间变量波形的形式的解，时间变量波形表示位移x，即，衔铁自其初始位置的位移。
在低质量流速的范围中，流过该阀的总质量仅等于导阀流。即，主阀部件保持座落在主阀座上，从而防止流过主阀开口。利用由求解程序所确定的位移x，可根据下列关系式计算通过主阀部件的导阀开口的气体或者液体的质量流。
在通过该阀的流体为一种气体的情况下M导阀(气体)＝(K P1CdB x D1N12)/(T1/2)，其中(＝气体常数M＝每单位时间的质量流Ro＝兰金度数x＝衔铁自其初始位置的位移，用英寸表示K-常数(Ro1/2)/单位温度＝[((-1)/2(/((P1/P2)((-1/(-1)]-(1/()P1＝入口压力，用帕斯卡表示P2＝主阀座的下游压力Cd＝流量系数D1＝导阀密封表面直径N12＝在总温度和压力值已知的情况下每单位面积的实际流与声速流的比[(P1/P2)2/(-(P1/P2)((+1)/(/(((-1)/2(2/(＝1))((+1)/((-1))]1/2T＝入口温度，用Ro表示在通过该阀的流体为一种气体的情况下M导阀(液体)＝Cdx D1(2gcρ(P1-P2))1/2，其中gc＝重力常数(386in-1bm/1bf-sec2)ρ＝密度(磅/英寸3)流过阀的总质量流等于质量导阀流，直至主阀部件从主阀座的位移，即，隔膜行程，Xd＞0
为了确定主阀部件抬离主阀座的时间，从而不使主阀开口得到密封以增大通过该阀开口的质量流速，从而提高通过该阀的质量流速，可考虑如下的出现在阀内的压力、温度和体积变化之间的关系式。
已知，理想气体方程为，M＝PV/RT，其中P＝隔膜室中的压力V＝隔膜室中的体积R＝理想气体常数M＝隔膜室中的气体质量对理想气体方程求导m/M＝p/P+v/V+t/T＝0其中，m＝质量M的变化v＝体积V的变化p＝压力P的变化t＝温度T的变化假定一种多变过程，根据下列关系式计算温度变化与体积变化之间的关系P＝nPAdXd/V，其中Ad＝隔膜面积Xd＝隔膜移动量n＝在1(对于恒定温度)和(对于恒定的熵)之间的数字(＝比热比对Xd的求解得出隔膜位移Xd＝pV/nPAd通过改变在螺线管线圈中的脉冲宽度调制电流的工作周期和/或电流的频率使导阀部件在导阀座上上下振动，可在一个连续的低范围内获得质量流速。当导阀质量流速增大到使作用在主阀部件上的压力差开始将主阀部件从主阀座上升起的程度时，利用被非常靠近主阀开口的主阀部件部分阻挡的通过主阀开口的有限质量流对通过主阀部件中的导阀开口的质量流进行补充。当主阀部件从主阀座移动的距离等于或者小于主阀开口的直径的25％时，可获得在中度范围内的质量流速。在主阀部件从主阀座升起的距离大于主阀开口的直径的25％后，可获得在高度范围内的质量流速。
在主阀开口未被密封后，可以下列方式计算在整个流速的中度范围内的质量流速。
Mtotal＝通过该扩展范围的比例阀的质量流速Mtotal@xd＜25D2＝M隔膜+M导阀其中D2＝主阀开口的直径M隔膜＝通过主阀开口的质量流速M导阀＝通过导阀开口的质量流速随着主阀部件的位移增大并且主阀部件不再靠近主阀开口，通过主阀部件中的导阀开口的质量流速相对于通过主阀开口的质量流速变得不重要并且可忽略。因此，可以下列方式计算在整个流速的高度范围内的质量流速。
Mtotal@xd＜25D2＝M隔膜M隔膜(气体)＝(K P1A1N12)/(T1/2)M隔膜(液体)＝A1(2gcρ(P1-P2))1/2，其中A1＝XdCdD1B＝主阀开口的有效面积当主阀部件从主阀座移动的距离小于主阀开口的直径的25％时，主阀开口的有效面积等于在当主阀部件充分移离主阀座以致于不会对通过主阀开口的质量流速产生影响的类似条件下出现的压力降作用在主阀开口上的面积。
示例2在根据本发明的优选实施例构成的一种用于控制天然气(使用甲烷气体常数)的流动的扩展范围的比例阀中，提供下列参数数值。
K＝气体常数(Ro1/2)/单位温度＝[((比热比，(-1)/2()((P1/P2)((-1)/(-1)]-(1/()＝23.14P1＝入口压力＝79.7帕斯卡Cd＝排放系数0.35(由于入口限制而考虑损耗)D1-导阀密封表面直径＝0.056”N12＝在总温度已知的情况下每单位面积的实际流与声速流的比，并且压力＝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＝入口温度，用兰金度数(Ro)表示＝527
CdD1＝主孔＝0.328”-(0.1652至0.326)M＝衔铁质量，用千克表示＝0.0277B＝在衔铁上的摩擦力，用牛顿/米/秒表示＝9.0K＝衔铁弹簧的弹簧常数，用牛顿/米表示＝2185F0＝必须克服的以开始动作的在衔铁上的初始作用力，用牛顿表示＝1.338R＝螺线管线圈的电阻＝6.5欧姆N＝螺线管线圈的匝数＝850应该理解的是，上面是对本发明的优选实施例的描述，可在不脱离本发明的精神和保护范围的基础上对该实施例进行各种改进和变型。例如，本发明还可用于一种导阀操作的比例螺线管阀的设计中，其中使用在一个刚性的活塞而不是一种挠性隔膜上的压力来提升主阀部件。
图6-8示出了根据这里提供的某些教导构成的一种流体流动系统的一个示范性实施例的某些特征。
首先参见图6，其中示出了一个流体控制系统60，流体控制系统60包括一个控制器61；能够以两个固定频率之一产生脉冲宽度调制信号的电源电路62；以及阀70，阀70能够在其致动器处接收来自于电源电路62的脉冲宽度调制信号并且作出响应以控制气体或者流体从入口流体供给管线63到出口流体管线64的流动。
控制器61在其输入端接收对应于流过阀64的所需流速的流体流动指令信号。该指令信号可采用模拟或者数字指令信号的形式，该模拟或者数字指令信号例如代表用每小时流体的磅数表示或者用其他单位(诸如kg/sec)表示的所需流体流速。控制器61接收指令信号并且作出响应以产生输出控制信号，该输出控制信号对应于被提供给电源电路62的固定频率和工作周期的百分比。电源电路62通过形成产生具有对应于来自控制器61的指令的工作周期的频率固定的脉冲宽度调制信号来对这些信号作出响应。与前面结合图1-4所述的阀类似的阀70将响应于脉冲宽度调制信号对流体从管线63到管线64的流动进行调节。
可利用适合的数字或者模拟电路构成所述控制器61并且可采用独立的或者作为一个较大的控制系统的一部分的基于微处理器的数字控制器的形式。通常，控制器61被构成这样的形式，即，能够将一个输入流动指令信号的“映射”提供给所需的固定频率和工作周期，图7示出了一个可由用于低频模式控制的控制器61执行的示范性映射曲线。特别是，它示出了一个表示用于一个示范性阀的各种流速和工作周期的映射曲线。在所示的“图”中，对应于所示参数的PWM信号的频率是不可变的而是固定在一个较低的频率处，诸如31赫兹。可选择低频以对应于由控制器61控制的阀70的物理性能，从而根据上述低流动模式，响应于在该频率下以及在某一工作周期以下的PWM信号，使流过阀70的大部分流动是通过阀的导阀孔的流动。可利用查阅表、一种曲线拟合的形式或者其他适合的方式在控制器61中执行图7所示的映射。
通过对图7的曲线观察，可以看出，曲线的斜率是比较恒定的并且是比较小的以使该曲线较“平”。换言之，作为工作周期中的变化百分比的流体流速中的变化对于所示的工作周期范围不是很大的。这有利于使被提供给阀70的PWM信号使用不同的和较高的固定频率的另一种流动控制方式能够进行一种平滑的转变。
从前面关于图1-4的阀所述的内容中可以明显地看出，随着被施加在阀上的低频PWM信号的工作周期增大，将达到一个大量流体流过导阀孔以及也可能流过主阀的点。在该点处，对流体流动的精确控制是困难的，这是由于-在比较低的频率下-不易进一步进行向上的调节以及对通过阀70的流速进行精确的控制。这样，当达到该点时，控制器61将执行一种“高频”控制模式，其中提供该电源电路62的固定频率指令将从结合图7所述的低频控制模式所用的较低频率变为一种较高的频率。在下面描述的特定示例中，高频为160赫兹。
应该理解的是，设定“低频”和“高频”控制模式的特定的值主要取决于阀70的机械结构和用于阀中的螺线管致动器的电子性能。特别是，应该以这样的方式选择低频，即，在该频率范围内为阀70提供PWM信号能够使导阀部件上下移动并且在每一个PWM脉冲之间打开和关闭导阀孔。另外，应该以这样的方式选择高频，即，以期望的工作周期，在该频率范围内提供PWM信号将使导阀部件相对稳定地定位并且不产生很大的振动。
图8示出了可由控制器61为了进行高频模式控制执行的一个示范性映射曲线。应该注意的是，所示曲线不是从0％的工作周期开始的，而是从大约40％的工作周期开始的。这是因为，在由控制器61执行的控制计划下，控制器通常在利用阀在低频下的控制已经确定一些通过阀70的流动以后执行高频控制模式。应该注意的是，从图8中的曲线中可以看出，所示曲线具有三个基本区段65、66和67。区段65表示曲线的低流动端，并且应该注意的是，具有较低的较平的斜率。区段66具有较高的斜率，而区段67具有极陡的斜率。通常，区段67表示在PWM工作周期为或者接近100％的点并且流过阀70的流体流动已经达到一个最大值。区段66表示斜率基本上不变的一个区段，它应该对应于阀70的正常“高频”操作条件。
图8的区段65与区域66的不同之处主要在于，其斜率很小并且在一个工作周期的合理范围内基本上是平的。从图8与图7的“低频”曲线的比较中，可以注意到(1)平的区段65的斜率基本上与低频曲线的斜率是相等的；以及(2)在该范围内用于高频曲线的流速数值和工作周期基本上与在该范围内用于低频曲线的流速数值和工作周期是重叠的。随着通过阀70的流体流增加，这种重叠使从低频控制模式到高频控制模式能够进行一种平滑的转变。
由于高频曲线和低频曲线在特定的范围内的重叠，因此控制器61能够按照下列方式从低频控制模式到高频控制模式完成转变首先，当通过阀70的流动从零开始进行时，控制器61将使用诸如图7中所示的低频映射以低频模式操作直至达到这样一个点，即，激活工作周期达到一个对应于上述重叠区域的点。在该点处，响应于流体指令信号的进一步增大，控制器61将转变为高频控制模式并且接着执行一个诸如图8中所示的高频映射。由于阀70响应于低频和高频PWM信号的操作性能提供上述重叠区域，因此能够在PWM工作周期不出现很大变化或者通过该阀的流动中不出现很大变化的情况下实现从低频控制到高频控制的转变。这样，通过在重叠范围内实现从低频控制到高频控制的转变，可使控制器61在宽流速范围内进行平滑流体流动控制。
在实现从低频控制到高频控制的转变的情况下的特定的工作周期/流速不是很大，只要转变发生在上述重叠范围内即可。另外，上述内容针对的是，随着流体流增加，实现从低频控制模式到高频控制模式的转变，但是如果通过阀70的流体流减少，实现从高频控制模式到低频控制模式的转变也是需要的。在流体增加和流体减少时需要进行平滑控制的情况下，控制器61可在低-高和高-低的转变时在重叠区域内的不同点处进行转变以提供一种如果流体指令在该区域中的一个点周围略微改变能够防止重复的转变的滞后形式。
控制器61的输出判断是低固定频率还是高固定频率并且一个给定的激活工作周期可采用数字信号的形式或者模拟信号的形式。它们被提供给电源电路62，电源电路62可采用常规结构。电源电路62将控制信号转变成一种被施加到阀70上的固定频率信号以对通过阀的流动进行控制。这样，系统60能够在流速的宽范围内对流体流动进行有效控制。
如上所述，可利用阀70的在接收一个低频的PWM信号时的流速与激活PWM工作周期特性曲线以及在接收一个高频的PWM信号时的流速与PWM工作周期特性曲线之间存在一个重叠区域的特性来实现图6中的系统60的有效操作。重叠区域的存在以及该区域的范围很大程度上是由阀70的设计和结构限定的。图9详细地示出了能够提供上述所需重叠特性以及其它适用于诸如图6中所示流体控制系统的性能的阀70。
图9的阀70包括结合图1-4所描述的阀的许多元件和部件，但是这样的部件的布置和构成在一些方面与前面所述的阀是不同的。阀70的操作通常与结合图1-4所描述的阀是相同的。
阀70包括阀体72，阀体72可由金属或者其他适于与该阀结合使用的流体的材料制成。阀体72限定了一个进入口14。该进入口14具有两个部分，即，具有第一直径的第一部分14a和具有小于所述第一直径的第二直径的第二部分14b。尽管未在图9中示出，该进入口可与一个接合装置或者管(诸如一个VCR配件)相连以使该阀与一个流体管线相连。
阀体72还限定了一个沿着一个垂直于进入口方向的方向延伸的排放管73。排放管73供给到一个也由阀体72限定的小的圆柱形储放室74中。在所示的阀中，排放管从进入口的部分14b延伸。圆柱形储放室的直径大于排放管73的直径。在所示的示例中，阀体72还限定了一个用于接收在图7中用元件76表示的O形环或者其他适合的密封件。尽管阀体72通常是用金属合金材料制成的，但是密封件76以及下面将描述的其他密封件通常是由一种可压缩的弹性体材料制成。
阀体72还限定了一个沿着一个平行于排放管73的方向但垂直于进入口14的方向的方向延伸的主储放室77。主储放室77包括两个部分基本上为圆柱形且具有第一直径的第一部分77a；以及从第一部分延伸的并且直径小于第一部分的直径的第二部分77b。主储放室与进入口14流体相通以使流入到进入口14中的流体能流入到储放室77中。阀体在储放室77的顶部附近限定了一个用于接收密封件(未示出)的凹槽79。
主储放室77与一个也由阀体72限定的排出口16流体相通。排出口沿着一个平行于进入口14的方向但垂直于主储放室77的方向的方向延伸。与进入口14类似，排出口也可与外部适配装置、配件或者接头(未示出)接合以便与一个流体管线相连。
可以注意到，与主储放室的任何部分不同的是，排放管73延伸到阀体72的进入口中。相信，这有助于使排放管在一个比较稳定的流体流的区域(即，进入口)中接收流体，这与在储放室77中可能出现的显著紊流的区域不同。
可以注意到，在图9的示意性阀中，阀体72可易于被加工并且由单件材料制成。特别是，由块72限定的所有管、端口和储放室相互平行或者垂直的以便无需利用昂贵和耗时的制造方法可容易地制造该部件。
在图9的阀中，阀座管80位于主储放室77内。该阀座管可由一种金属材料制成，该金属材料可与用于形成阀体72的材料相同或者不同。阀座管80的外径略微大于主储放室的下部77b的内径并且具有沿着主储放室77延伸的长度或者基本上与主储放室的长度相等。阀座管80位于主储放室的下部77b内以便能够利用压配合使阀座管80被套入和定位在阀座管和主储放室的下部77b之间。在所示的实施例中，密封件81还有助于使阀座管80定位在主储放室的下部77b内。可以注意到，阀体72和阀座管80被制成不同的组件以使阀座管可被容易地插入在主阀体72中。
一个活动结构位于阀座管80内，所述活动结构包括流动形成元件82、上夹持元件83a、下夹持元件83b以及夹在所述夹持元件之间的挠性隔膜84。隔膜被定位以横穿主储放室77。一个密封件85位于下夹持元件83b的下侧上。上夹持元件83a接触在主储放室77中与隔膜相对的侧面上的隔膜84。
流动形成元件82是固定地连接上夹持元件83a、下夹持元件83b和隔膜84的坚固结构以便当挠性隔膜弯曲和移动时使流动形成元件82与隔膜一起移动。流动形成元件限定一个在挠性隔膜84上方延伸的第一区段，所述第一区段限定一个导阀管86，导阀管86供给一个长的圆柱形排放通道87中，排放通道87延伸流动形成元件82的长度。如在该图中所反映的，流动形成元件82沿着阀座管80的大部分延伸，并且在一些实施例中，延伸的长度大于或者等于阀座管80内径的2.5倍。
流动形成元件82限定了外径约等于但略微小于阀座管内径的第二区段。图10中提供了表示该流动形成元件82的各个部分的详细视图以及阀座管80的上部的详细视图。
图10是图9中的流动形成元件82和阀座管80的放大视图。参照图10，可以注意到，阀座管80的上部限定了一个略微凸出的部分80a，略微凸出的部分80a限定了一个阀座。当挠性隔膜处于正常的非变形状态时，与包括流动形成元件82的活动结构相关的密封件85将抵靠在阀座80a上以阻止流体流过阀座。
如在图10中所反映的，流动形成元件82包括在挠性隔膜84下方延伸的第二区段。第二区段具有三个部分，第一部分82a具有一个沿着基本上平行于阀座管80的壁的方向延伸的直段。流动形成元件的第二部分82b包括一个以比较恒定的斜率向内逐渐变细的部分，在所示实施例中，其相对于阀座管80的壁的斜率为11度。阀形成部件的第三部分82c包括排出通道87的延伸部分和从通道82延伸的叶片。在该图中仅示出了两个这样的叶片。除了提高阀70的流体流动性能以外，叶片还有助于使流动形成元件82稳定，因此，使与部件82相连的挠性隔膜84稳定。
流动形成元件82的特定形状对于提供使图9和图10中的阀在一个参照图6描述的流体控制系统中稳定的流动性能是重要的。特别是，当主储放室77中的流体压力增大到使隔膜84向上挠曲的一个点时，流动形成元件82开始升离阀座80a并且使流体流过阀座80a并且流过由流动形成元件82的第二区段和阀座管80的内壁之间关系所限定的通道。特别是，当流动形成元件开始升离阀座80a时，可能通过阀座80a流入到阀座管80中的流体量的变化会响应于流动形成元件82的向上移动而变得较小。这是由于这样的流体必须通过的通道是由流动形成元件82的直段82a限定并且流动形成元件在该位置处的向上移动不会增大该通道的直径。流动形成元件82中存在直段82a有助于提供图7中的较平、低斜率区域65。这样，流动形成元件82的该部分的特定形状有助于提供使阀70特别适用于图6中所示系统中的“高频”流动性能。
当流动形成元件82响应于隔膜84的挠曲向上移动时，将达到一个使流动形成元件的锥度部分82b开始限定流体通过阀座80a进入到阀座管80中的通道的点。在该点处，流体流速的变化作为向上移动的变化的百分比将显著增大并超过当该通道由部件82的直段82a限定时所存在的移动变化百分比。这样，在流动形成元件82的移动的该区域中，阀70将表现出由图8中的中间区段66所反映的特性。流动形成元件82的连续向上移动将使流动形成元件82的区段82a和82b凸出到阀座管80的上方和之外，从而使流体在没有受到很大限制的情况下直接通过阀座80a进入到管80中。在图10中所示的该点处，阀将处于图8中的曲线的较高流动区域。
除了提供流动形成元件82的详细表示，图10还示出了挠性隔膜84位于上夹持元件83a和下夹持元件83b之间的方式以及上夹持元件83a和下夹持元件83b的结构。在所示的例子中，下夹持元件83b是基本上为环形的部件并且被安装在流动形成元件82和隔膜84上。但是，上夹持元件83a具有比较复杂的结构。特别是，上夹持元件83a包括限定了一个环形凹陷区域90的凸出的部分。另外防止容纳上夹持元件83a的活动部件以一种不希望的方式利用第一偏压弹簧92和上夹持元件83a之间的关系向上移动。特别是，上夹持元件83a限定了一个其尺寸适于接收偏压弹簧92的一端的环形凸台结构93。偏压弹簧的另一端位于上阀体100的一部分上，下面对其进行详细描述。偏压弹簧92提供了趋于对上夹持元件83a偏压的向下偏压作用力，并且该向下偏压作用力以一种固定的方式对所有与该部件相连的元件(例如，隔膜84和流动形成元件82)进行偏压。
从图10中可以注意到，偏压弹簧的形状为圆锥形并且具有特别的特征，即，弹簧的一端92a的直径大于弹簧92中的被上夹持元件83a接收的端部92b。弹簧92的该特征使具有“一定角度”的作用力作用在上夹持元件上，其中施加在上夹持元件上的作用力具有两个分量(1)“向下”分量-该分量以一种固定的方式对上夹持元件83a和与其相连的所有部件进行偏压-向下作用在阀座80a上；以及(2)一个“横向”或者“侧向”分量，该分量阻止上夹持元件83a-和与其相连的所有部件-横向移动(例如，在图10中向左或者向右移动)。该弹簧92的两个偏压特征还有利于阀70的特定流动性能。
由于阀70以与结合图1-4所述的阀基本相同的方式操作，因此阀的流动性能在许多方面取决于流体流过导阀管86的能力。流体流过导阀管的能力主要取决于当导阀密封件升离导阀管86时可被想象为从导阀管到导阀密封件120延伸的假想的圆柱体积。该假想的圆柱体积将取决于多个参数，其中包括导阀密封件120的间距以及导阀管86在流体流动方向上的有效横截面积。导阀管86的有效横截面积又取决于导阀管86的布置，并且包含上夹持元件83a的活动结构的任何摇摆或者其他移动将影响该有效横截面积。这样，为了精确、可靠和可重复的流体流动，减小导阀管的有效横截面积的变化可能性是重要的。这对于以低流速的条件下操作阀70是特别重要的。因此，使用特定的双向偏压弹簧92能够提高阀70以低流速提供可控制的流体流动的能力。
上夹持元件83a的另一个特征是上夹持元件83a的外径尺寸特别是根据阀座管80的内径确定的以控制挠性隔膜84的有效面积。挠性隔膜的有效面积是由支撑该隔膜的刚性元件的直径限定的。例如，图10的隔膜84的有效面积约为上夹持元件83a的外径和夹持隔膜84外部的在凹槽79中的O形环的直径之间的一半。通过控制上夹持元件83a的内径，能够减小挠性隔膜84的有效面积，从而能够对阀70进行更有效的控制。在阀70的一个实施例中，上夹持元件83a的最大外径的尺寸是这样的，即，使其小于或者等于阀座管80的外径。上夹持元件83a的外径和阀座管80之间的关系相信能够提供特别有利的流动控制。
图8和图10中还能够反映出，导阀密封件(有时被称为密封盘)120位于一个可移动的控制部件(有时被称为螺线管磁心)125内，该可移动的控制部件125对应于图1-4中的响应于螺线管的通电而移动的部件。该部件在双向偏压弹簧130的作用下被向下偏压到导阀管86上，所述双向偏压弹簧130以与前面结合弹簧92所述的类似的方式操作。由于导阀密封件120的不希望的横向或者其他移动也会对通过导阀管86的流动产生影响，相对于该元件使用双向偏压弹簧还会提高阀70在低流动的水平下提供精确的和可控制的流动的能力。
图10中所示的阀70的另一个特征是可移动的控制部件125(或者螺线管磁心)的独特结构。特别是，可以注意到，可移动的控制部件已经被加工以使在部件125中靠近导阀密封件120的区域中的材料被去除。这种加工能够在该部件中与导阀密封件接合的区域附近产生一个窄的部分。控制部件125的这种加工减少了控制部件的质量以使由控制部件125以及其偏压弹簧130形成的机械系统的固有频率增大。该系统的固有频率的增大易于使上述机械系统的固有频率与下列频率分离，这些频率为(1)用于固定频率的PWM的频率；以及(2)当流体流过阀时形成的频率。这种频率分离能够减少不希望的阀振动并且增强对流体流的控制。相信，控制部件125(或者螺线管磁心)的这种加工与常规阀中使螺线管磁心保持为一种基本均匀的圆柱形部件的结构是存在明显的不同之处。根据阀70的一种结构，重量高达25％的初始螺线管磁心从控制部件125中被去除。
回到图10，除了上述部件以外，阀70包括一个上阀体100，上阀体100可由与主阀体72相同的材料制成。可由单件材料制成的上阀体限定了一个具有一定角度的通道130，当上阀体100位于主阀体72上时，通道130与储放室74流体相通以使流体可从进入口14通过排放管73和储放室74进入到通道130中。
通道130与上储放室135流体相通。储放室135在其上部位置处限定了一个开口。当该阀被组装时，上夹持元件83a位于该储放室135中并且导阀管86开口在该储放室中。如上所述，在导阀管86(或者导阀孔)和排放管73(或者有效排放面积)的横截面积以及将隔膜84偏压在导阀上弹簧92的弹簧常数之间的关系对于任何给定的频率和工作周期脉动达到有效的流动控制范围是非常重要的。
导阀孔尺寸的确定对于保证低频模式(例如，31赫兹)和高频模式(例如，160赫兹)流动相对于PWM工作周期曲线包括一个适合的重叠区域以提供一个清晰的转变点是重要的。如果导阀孔太大，在高频模式下可获得的最小流动可能会受到影响，并且可能超过在低频模式下的最大的可控制的流动。如果导阀孔太小，低频模式曲线的上端可能被限制，再次产生不能重叠的高频模式曲线和低频模式曲线。
这里所述类型的阀的排放通道用于使在隔膜上方和下方的压力和作用力保持平衡。该排放通道通常小于导阀流动通道。导阀流动通道的开口会在隔膜上产生压力/作用力的不平衡，使阀的主要部分打开。相反，关闭导阀会使隔膜在压力/作用力下保持平衡，可利用一些机械装置使其关闭。该排放区域的尺寸确定相对于其他参数是比较重要的，主要是因为，如果该排放区域太小，在低频PWM脉冲的工作部分中，压力将通过导阀流动通道被聚积，并且聚积的速度比由排放流动通道补充的速度快。这会导致隔膜过早地提升和打开阀的主要部分，这样限制了可能的低流动范围。一个排放区域的尺寸过大，可能在使以低频模式获得的流量达到最大的同时不能使隔膜产生不平衡并且阻止阀的主要部分在较高的流动下打开。另外，还已发现，排放区域的尺寸过大可能使阀座与导阀密封件之间的分离，从而使阀不稳定。
对于隔膜偏压弹簧，如果该弹簧太弱，那么在低频模式下隔膜可能会过早地打开，限制可控制的流动范围。如果弹簧太强，高频曲线的上端可能会受到限制，减小调节比。
应该注意的是，一个参数不能实现阀在低频模式和高频模式下的成功操作，这些参数包括工作周期、频率、导阀区域、排放区域或者隔膜弹簧。相反，这是所有参数的平衡。
可以注意到，上阀体100由于其优雅的设计而可容易被构成并且被固定在主阀体72上。这样，主阀体72、阀座管80和上阀体100的结构使阀70的构成比较容易、节省成本以及是自“底”向上的。
一个致动组件连接在储放室135的上开口，所述致动组件包括上述可移动的控制部件125以及形成能够使所述可移动的控制部件125响应于一个通电信号移动的螺线管的磁性材料和其他材料。阀70的这部分的结构和操作与前面参照图1-4所述的类似并且这里不再进行描述。
阀70的一般操作与前面参照图1-4所述的类似。这样，当该阀提供一种低流体流动时，它响应于一个提供低频PWM控制信号的控制器进行操作。由于流体流入到进入口14、通过排放管75进入储放室135以及由于在每一个PWM周期中可移动的控制部件125向上移动而使流体通过导阀管86、通过通道87以及从排出口16流出，从而实现流体流动。当PWM控制的工作周期在该低频模式下增大时，越来越多的流体将在每一个PWM周期中流过阀70并且可达到一个使隔膜略微向上挠曲的点，并且流体流过阀座80a进入到阀座管80中以及从排出口16流出。尽管在低频操作模式下，大部分流体流动将通过排放管和导阀管，但是上述内容表示，流过阀座80a的一些流体不与这里给出的教导相矛盾。
当到达一个使能够控制阀70的控制器切换到一个高频控制模式的点时，可移动的控制部件125将以一种可控制的方式向上移动直至达到一个使阀70完全关闭的点。
尽管前面已经参照一个优选实施例对本发明进行了模式，但是可在不脱离这里所披露的本发明保护范围的基础上对本发明和优选实施例进行各种改进和变型。因此，这里所描述的本发明不限于仅所描述的内容，而且还包括在由后面的权利要求及其等同的范围内的所有好的改进和变型。
权利要求
1.一种流量阀，其包括一个主阀体，所述主阀体限定了一个进入口、一个排出口以及一个主储放室；一个位于所述主储放室内的可移动的部件，所述可移动的部件包括一个横过所述主储放室的隔膜以及一个限定通过所述可移动部件的导阀通道的部件；一个导阀密封件；一个可移动的控制部件，所述可移动的控制部件包括一个螺线管致动器，所述螺线管致动器具有与所述导阀密封件接合的螺线管磁心，其特征在于，所述螺线管磁心在所述磁心与所述导阀密封件接合的区域附近具有一个狭窄的部分。
2.如权利要求1所述的流量阀，其特征在于，所述螺线管磁心包括一个已经被加工并且去除一部分材料的圆柱形磁心以提供所述被减少的部分。
3.如权利要求3所述的流量阀，其特征在于，通过加工被去除的材料质量包括未被加工的螺线管磁心的质量的至少28％。
4.一种流体流动系统，其包括一个控制器，所述控制器能够接收一个流体流动指令并且产生响应信号，所述信号代表所需的脉冲宽度调制频率和所需的工作周期；一个与所述控制器相接合的电源电路，所述电源电路接收所述代表所需的脉冲宽度调制频率和所需的工作周期的信号并且产生一个固定频率的脉冲宽度调制信号，该信号具有与所需工作周期相对应的工作周期；一个流量阀，所述流量阀包括一个螺线管致动器，所述螺线管致动器接收来自于所述电源电路的固定频率的脉冲宽度调制信号以控制通过该阀的流体流动，其特征在于，所述阀包括一个阀座和一个位于所述阀座内的流动形成部件，所述流动形成部件是这样构成的，即，使以第一固定脉冲宽度调制频率和第一周期通过所述阀的流体流量基本上等于以第二脉冲宽度调制频率和第一周期通过所述阀的流体流量。
5.一种流量阀，其包括一个主阀体，所述主阀体限定了一个进入口、一个排出口以及一个主储放室；一个位于所述主储放室内的阀密封管，所述阀密封管具有一个外径；一个位于所述阀密封管内的可移动的部件，所述可移动的部件包括一个定位成横过所述主储放室的隔膜以及一个上夹持部件，所述上夹持部件在与所述主储放室相对的一侧中接触所述隔膜，其中，所述上夹持部件的外径小于或者等于所述阀密封管的外径。
全文摘要
本发明涉及一种可控制在连续的低、中和高范围内的质量流速的扩展范围的比例流量阀(10)，所述比例流量阀(10)具有安装在一个螺线管衔铁(84)上的导阀部件(68)，所述导阀部件(68)可在一个主阀部件(30)中的导阀开口(58)上上下振动，所述主阀部件(30)密封了一个主阀开口(18)以通过改变在螺线管线圈中的脉冲宽度调制电流的工作周期和/或频率在低范围内控制质量流速。通过以足以使主阀部件(30)以较短和较长的距离升离主阀座(18)的工作周期和/或频率使所述导阀部件(68)转动来获得中度的和高度的流速。
文档编号F16K31/42GK1425114SQ01808242
公开日2003年6月18日 申请日期2001年1月17日 优先权日2000年2月18日
发明者P·W·弗雷辛格, P·R·哈勒, P·A·霍尔波罗 申请人:阿斯科控制装置有限公司