CN104919233B - 控制阀的活塞致动器以及操作该活塞致动器的方法 - Google Patents

Abstract

活塞致动器包括壳体，该壳体限定腔室，该腔室具有位于其中的活塞以及紧靠活塞以将活塞偏置进入起始位置的弹簧。活塞包括铁磁材料、磁体或两者，与活塞形成第一磁性/铁磁对的第二磁体或铁磁材料被定位，以将活塞保持在第二位置。与活塞形成第二磁性/铁磁对的第三磁体或铁磁材料可以帮助弹簧将活塞保持在起始位置。在操作期间，向腔室引入或从腔室移除足以克服弹簧力(以及第三磁体或铁磁材料的力)的一定量的流体使得第一磁性/铁磁对的构件之间能够吸引，以将活塞以速动移动而移动至第二位置。

Description

控制阀的活塞致动器以及操作该活塞致动器的方法

相关申请

本申请要求2013年1月14日提交的美国临时专利申请号为61/752,291以及2013年10月22日提交的美国临时专利申请号为61/894,159的优先权。

技术领域

本申请涉及在开启和关闭位置之间速动(snap)的活塞致动器，尤其涉及压力启动和磁力辅助的活塞致动器，其用于在内燃机中使用的阀的操作，以在打开和关闭位置之间移动阀，而不存在所述位置之间的延迟或“浮动(floating)”。

背景技术

在当前的致动器中，气动设备中的开/关操作通过电螺线管获得。真空力只有在螺线管“开启”并且只有在真空力足够高以移动致动器其行程的整个长度时才被施加到致动器。替换地，在没有控制致动器暴露到真空的螺线管的情况下，受到真空力的致动器在所有条件下将会在开启位置和关闭位置之间“浮动”。不期望浮动，其效率低并且提供对连接到致动器的阀较差的控制。存在对于制造有效控制阀而不需要使用电螺线管的节能致动器的需要。螺线管的消除减小了设备的功率消耗、其重量、其成本以及复杂性。

发明内容

本文中描述的致动器用于控制阀而不需要使用螺线管，但其仍然具有开关功能。该致动器将停在起始位置直到阈值力施加到其中的活塞上，起始位置可以与附接阀的开启或关闭位置相对应。一旦达到阈值力，活塞将移动其行程的整个长度至其第二位置，将阀从其起始打开或关闭位置移动至替换位置，并且将保持在其第二位置直到达到更低的阈值力，此时活塞通过再次移动其行程的整个长度而移动返回其起始位置。致动器包括壳体，其限定腔室并具有与腔室流体连通的孔口；封装在腔室中的活塞；以及弹簧，其抵靠活塞以将活塞偏置进入起始位置。活塞至少部分地包括铁磁材料或一个或多个磁体中的一个或多个。第一磁体或第一铁磁材料被定位，以辅助弹簧将活塞保持在起始位置，第二磁体或第二铁磁材料被定位，以在活塞移动到第二位置时将活塞保持在第二位置。

活塞从其起始位置到其第二位置的移动可以描述为“速动”移动。这种“速动”是活塞在起始和第二位置之间快速、接近瞬时的移动其行程的整个长度，而不存在活塞在其之间的延迟或浮动。磁体的存在便于致动器在其在起始位置和第二位置之间行进时的“速动”动作，磁体在两个位置之间吸引和拉动活塞。这种移动如此迅速，而不需要缓冲器来减小噪声，在活塞随着其到达替换位置与壳体接触时，能够听到类似啪的声音，该替换位置取决于致动器的配置，其可以是附接阀的“打开”或“关闭”位置。

在一个实施例中，活塞致动器包括壳体，其限定腔室并包括与腔室流体连通的孔口；活塞，其在腔室内并具有铁磁材料、磁体或者两者都包含在活塞中；弹簧，其抵靠活塞以将活塞偏置进入起始位置；以及第二磁体或铁磁材料，其与活塞形成第一磁性/铁磁对并且被定位，以在活塞移动至第二位置时将活塞保持在第二位置。在操作期间，向腔室引入或者从中移除足以克服弹簧力的一定量的流体使得第一磁性/铁磁对的构件之间吸引，以将活塞以速动移动而移动至第二位置。第一磁性/铁磁对在其后将活塞保持在第二位置直到被引入腔室或从中移除的流体量足以克服其之间的吸引力。在第一磁性/铁磁对的吸引力被克服时，弹簧将活塞移动至起始位置。

在另一实施例中，以上描述的致动器还包括第三磁体或铁磁材料，其与活塞形成第二磁性/铁磁对。第三磁体或铁磁材料被定位，以帮助弹簧将活塞保持在起始位置。因此，在操作期间，向腔室引入或者从其中移除足以克服弹簧力以及第二磁性/铁磁对的力的一定量的流体使得第一磁性/铁磁对的构件之间能够吸引，以将活塞以速动移动而移动至第二位置。第一磁性/铁磁对此后将活塞保持在第二位置直到引入腔室或者从其中移除的流体的量足以克服其之间的吸引力。在第一磁性/铁磁对的吸引力被克服时，弹簧和第二磁性/铁磁对之间的吸引力将活塞以速动移动而移动至起始位置。

本文中还描述了用于操作活塞致动器的方法。该方法包括：提供活塞致动器中的一个；以及首先向腔室引入或从其中移除一定量的流体，该一定量的流体足以克服将活塞保持在起始位置的弹簧力或者弹簧力和第二磁性/铁磁对(如果存在)之间的吸引力；以及由此第一磁性/铁磁对的构件之间的吸引力将活塞以速动移动而移动至第二位置，并且此后将活塞保持在第二位置。该方法还包括：与首先执行向腔室引入或从其中移除一定量的流体相反，随后向腔室引入或从其中移除足以克服第二磁性/铁磁对之间的吸引力的一定量的流体；以及由此弹簧和第二磁性/铁磁对的构件之间的吸引力将活塞以速动移动而移动至起始位置。

附图说明

图1是速动致动器和阀的一个实施例的前视立体图。

图2是阀在起始位置时图1的速动致动器和阀沿阀的导管部分的纵轴的横截面视图。

图3是阀在起始位置时横向于通过闸门构件的导管的纵轴的速动致动器和阀的横截面视图。

图4是阀在第二位置时横向于通过闸门构件的导管的纵轴的速动致动器和阀的横截面视图。

图5是速动致动器和阀的另一实施例的前视立体图。

图6A是环形磁体的俯视平面视图。

图6B是图6A中的环形磁体的纵截面。

图7是速动致动器的一个实施例的纵截面。

图8是速动致动器的另一实施例的纵截面。

具体实施方式

下面的详细说明将示例说明本发明的总体原理，本发明的示例另外在附图中表示。在附图中，相同参考标号表示相同或功能类似的元件。

这里使用的“流体”的意思是任意液体、悬浮液、胶体、气体、等离子体或它们的组合。

图1-4示出了用于在内燃机中使用的设备100的一个实施例。在一个实施例中，设备100被包含在制动真空助力***(brake vacuum boost system)中。设备100包括壳体102，其包括容器部分130和帽132，容器部分130和帽132限定了内部腔室103(图2)并具有与腔室103流体连通的孔口108。如图1和2中能够看出，孔口108通过容器部分130进入壳体102。然而，在图5中示出的替换实施例中，壳体102’也包括容器部分130和帽132，但这里的口108’通过帽132进入壳体102’。优选地，在这两个实施例中，帽132密封连接至容器部分130。

参考图2-4，致动器104被封装在容器部分130内，其包括活塞110，该活塞具有可与阀机构120连接的杆114。杆114具有靠近阀机构120的近端152以及远离阀机构120的远端154(图2中标记)。在该实施例中，阀机构120包括导管122，导管具有阀口124和空腔(pocket)126；并且包括闸门构件128，闸门构件可以至少部分地接受在空腔126中并具有通过其中的通路129。其他阀可以被连接至致动器104，例如提升阀、蝶形阀或者其他已知的阀。

如图2中能够看出，导管122可以是具有孔123的管，其从两端156、157向阀口124连续逐渐变细或变窄，由此在阀口124处具有其最小内部尺寸。孔可以是任何圆形形状、椭圆形形状或者一些其他多边形形式，逐渐连续变细的内部尺寸可以限定但不限于双曲面或圆锥形。以阀口124处为中心的孔123的这种沙漏形截面125减少了所需的闸门行程。在另一实施例中，如图5中能够看出，导管122可以沿其整个长度具有均匀的内部直径127。

在图1-4的实施例中，通过具有闸门构件128的阀机构120，闸门构件128由轨道***160连接至活塞110，从图3和4中最易于理解，其提供闸门构件128沿导管122的纵轴A(图2)的滑行移动，由此响应于导管122内的压力形成导管122内的密封。轨道***160(图3和4中可见)包括在杆114的近端152附近的引导轨道162。引导轨道162包括在其相对侧上的沟道(raceway groove)164。闸门构件128包括滑动件166，其被成形和配置为安装在引导轨道162之上并顺应沟道164。

致动器104通过活塞110的移动控制阀机构120的打开和关闭，尤其是图2-4中的闸门构件128的打开和关闭。如图3和4中可见，活塞110可以在起始位置140(图3)和第二位置142(图4)之间移动。在该实施例中的起始位置140(图3)是阀机构120的打开位置。在其他实施例中，起始位置可以是阀的关闭位置。活塞110至少部分地包括可磁性吸引材料111(也称作铁磁材料)，从而使得活塞110可以被吸引到第一磁体116和第二磁体118(图2的截面中可见)。弹簧112抵靠活塞110，以将活塞110大致偏置进入起始位置140(图2和3)，第一磁体116被定位，以帮助弹簧112将活塞110保持在起始位置140。第二磁体118被定位，以在活塞110移动至第二位置142时将活塞110保持在第二位置142(图4)。

活塞的杆114还可以与阀机构相反从其延伸，如图2-4中可见，其被接受在帽132内的引导通道146中。帽132还可以包括用于弹簧112的座148。帽132的这些特征提供与致动器的对齐，并且防止弹簧和活塞的扭曲和/或屈曲。

致动器104可以包括第一缓冲器138，其被定位，以减小到达起始位置140(图2和3)时活塞110与壳体102之间的噪声；以及第二缓冲器139，其被定位，以减小到达第二位置142(图4)时活塞110和壳体102之间的噪声。在一个实施例中，开口150(壳体102和阀机构120之间)可以由大致截头圆锥形表面限定，第一缓冲器138可以邻近开口150布置。第一和第二缓冲器138、139可以落座在壳体102内的环形凹槽中或者活塞110的部件(例如杆114)上。

仍参考图2-4，活塞110还可以包括围绕其外周边的密封构件134，该密封构件作为唇部密封而紧靠容器部分130的内表面。活塞110的外周边可以包括环形凹槽136，密封构件134落座其中。在一个实施例中，密封构件134可以是O型环、V型环或X型环。替换地，密封构件134可以是由密封材料制成的任何其他环形密封件，用于与另一构件紧靠密封接合。

在操作中，致动器104通过经由孔口108向腔室103引入流体或从中去除流体以及磁体116、118和弹簧112的帮助而移动活塞110。活塞110落座在起始位置140(图3)并通过弹簧力和第一磁体116的磁力保持在这一位置中直到阈值力施加到活塞110从而克服弹簧力和第一磁体116的磁力，该位置可以对应于附接的阀的打开或关闭位置。在达到这一阈值力时，活塞110将在第二磁体118的磁力的帮助下移动其行程的整个长度至其第二位置142(图4)，其后第二磁体118将活塞110保持在第二位置142。活塞110通过其行程的整个长度的移动是迅速且接近瞬时的移动，其之间大致不存在停顿，即，活塞在起始位置140和第二位置142之间不存在延迟或浮动，这种移动描述为活塞的“速动”移动。这种不存在缓冲器的“速动”是一种可听见的声音，其是由于第二磁体118磁力吸引将活塞110吸引并使其与第二磁体118接触造成的，其将活塞快速移动至第二位置142。第二磁体118其后将活塞110固定或保持在第二位置，直到达到较低的阈值力，此时活塞通过再次以速动型移动而移动其行程的整个长度来移动返回至其起始位置140。

在一个实施例中，第一磁体116和第二磁体118都可以是一个或多个离散磁体。在另一实施例中，第一磁体116、第二磁体118或者两者可以是环形磁体。

在图6A至7中，如所示出的描述了环形磁体218，其位于图2中的第二磁体118的位置处，但其同样可应用于第一磁体116。环形磁体218具有内部直径ID和外部直径OD，并且通常具有均匀厚度或高度。这些尺寸中的任何一个或多个可以选择性地变化，以改变吸引活塞的磁力。环形磁体218可以包括施加到其外表面222、224的抗腐蚀涂层。由于磁体的环形形状，磁体产生的磁力均匀环绕活塞，这意味着磁体面的磁通量或每单位区域的磁力能够小于第一或第二磁体116、118均为一个或多个离散磁体时所需的磁通量或每单位区域的磁力。这容许第一磁体更薄，其还有效减小成本。

在图7中示出的实施例中，致动器100的壳体102的上部(其可以是帽的部分)包括环形磁体218以及任选地包括板226，板226邻近环形磁体218的与第一表面222相反的第二表面224布置，第一表面最接近活塞110。板226紧靠壳体102的外表面安装，以将从环形磁体218(或者图2/3所示的所述一个或多个磁体)发射的磁通量引导围绕朝向致动器的内侧，以增大作用在活塞110上的整体吸引力，由此板必须由适于引导磁通量的材料构成。在一个实施例中，板226可以是环形板，其具有内部直径、外部直径以及厚度或高度。板226的尺寸和形状被选择，以如上所述的作用于磁通量，磁通量可以通过改变板的尺寸和形状调节。在一个实施例中，板226是不锈钢环。通过提供磁传导通路用于将被朝向活塞110引导的磁通，任选的板226的增加增大了由磁体产生的整体力，该整体力能够用于作用在活塞110上。这提供了增大磁力和随着活塞110背离环形磁体218(或者一个或多个磁体)移动时增大的磁力改变率的优点。这有利地容许致动器中更小和/或更便宜的磁体。

如图7中可见，环形磁体218的厚度可以具有大致等于其所存在的壳体的部分的高度。针对该实施例，大致等于意味着环形磁体218的厚度是将其包含在内的壳体的部分的厚度的至少90％。环形磁体218通过提供压力紧密密封的方式被包含作为壳体102的部分，从而使得真空能够在活塞110之上被连接至腔室103。

环形磁体218可以被放置进入注塑机中的模具中，并且塑料材料被注塑在其中。模具被构造为使得塑料注塑在环形磁体218的内部直径内侧并围绕其限定外部直径的外表面。环形磁体218可以包括表面特征(未显示)，以增强注塑塑料材料和环形磁体的材料之间的结合。

在一个实施例中，环形磁体218可以是陶瓷或铁氧体磁性材料制成的实心环。在另一实施例中，环形磁体218可通过注塑粘结剂(例如塑料材料)和包括但不限于钕、铁氧体或其混合物的磁粉的混合物而形成。在一个实施例中，粘结剂可以是尼龙6、尼龙6/6、尼龙12或者混有钕材料的聚苯硫(PPS)(例如钕铁硼(NdFeB))。注塑的钕铁硼(NdFeB)磁体可以通过预混合的磁粉与热塑粘合剂的注射过程制造，该过程产生精确且均匀的磁性部分。这种方法的一个优点在于各种形状的磁体能够直接模制到致动器的部件中或其上，由此省略了装配中的一些步骤。通过注塑过程，能够获得非常复杂形状的磁体，其具有极度紧密度容限和宽范围的磁性性质和特性。注塑的磁体也是有利的，因为它们具有在水中和工业溶剂中良好的抗腐蚀性。在一个实施例中，注塑方法包括热流道***，用于最小化磁粉的废料/残余。如果这一过程被用于仅仅制造环形磁体218，而不是将其制造在致动器的一部分中或其上，磁体在形成之后可以被传输到壳体102形状的模具中或者其部分被转移到注塑机中，并且利用选择的可注塑材料包覆成型(over-molded)。

在替换的实施例中，环形磁体218可以在烧结过程中由以上公开的磁粉中的一个形成，形成之后，磁体被转移到注塑机中壳体102的部分的形状的模具中，并且利用选择的可注塑材料包覆成型。与如上所述的注塑一样，磁体可以包括表面特征(未显示)，以增强可注塑材料与磁体之间的结合。

仍参考图7，环形磁体218的第一表面222与壳体102的第一内表面105齐平，环形磁体包含在壳体的部分中。该第一内表面105是布置在活塞的上表面171之上的壁。这种构造容许环形磁体218的第一表面222与活塞的上表面171具有物理接触，其增大了活塞与磁体接触时由磁体产生的力并且还为真空提供密封。由此，可以在磁体中使用更少的磁性材料，但仍然具有有效的磁力。

在本文中描述的任何实施例中的磁体的表面特征可以包括表面纹理和/或其表面中的其他不规则性(例如突起、止动件(detent)、凹陷等)，从而使得可注塑的材料与磁体牢固附接。

尽管已经将本文中的实施例示出和说明为具有壳体中的磁体和作为活塞的部分的铁磁材料，相反的配置也是合适的。由此，如图8中所示，一个或多个磁体或环形磁体317可以包含在活塞110中，并且铁磁材料311可以是壳体的部分。参考编号300指定的致动器针对其他实施例仍然如以上描述的操作。

本申请致动器的一个优势在于其是可调节的。阈值力能够被调节成第一和第二磁体的磁力、弹簧力和弹簧刚度、活塞直径，其平衡抵抗作用于活塞和阀的摩擦力和重力。

已经参考优选实施例详细介绍了本发明，但是应当知道，在不脱离由附加权利要求限定的本发明范围的情况下能够进行变化和改进。

Claims (13)

1.一种活塞致动器，其包括：

壳体，其限定具有上表面的腔室，所述壳体包括与所述腔室流体连通的孔口；

活塞，其至少部分地包括铁磁材料、磁体或其两者，所述活塞限定上表面；

弹簧，其紧靠所述活塞，以将所述活塞偏置进入起始位置；

第二磁体或铁磁材料，其与所述活塞形成第一磁性/铁磁对并被定位以在所述活塞移动至第二位置时将所述活塞保持在所述第二位置，所述第二磁体限定与所述腔室的上表面齐平的表面，从而使得在所述活塞处于所述第二位置时，所述第二磁体的表面与所述活塞的上表面彼此接触；以及

第三磁体或铁磁材料，其与所述活塞形成第二磁性/铁磁对并且被定位以帮助所述弹簧将所述活塞保持在所述起始位置；

其中，所述活塞布置在所述壳体中，与所述壳体的内表面形成密封关系，由此依据所述活塞的位置，将所述腔室分成上部部分和下部部分，所述上部部分容纳所述弹簧并且与所述孔口流体连通，所述下部部分位于所述活塞的与所述孔口和弹簧相反的侧上；其中，当经由所述孔口向所述腔室的上部部分引入流体或从所述腔室的上部部分移除流体克服将所述活塞保持在起始位置的弹簧力和所述第二磁性/铁磁对间的吸引力时，所述第一磁性/铁磁对的构件之间的吸引力将所述活塞以速动移动而移动至所述第二位置，并且此后将所述活塞保持在所述第二位置，并且当经由所述孔口向所述腔室的上部部分引入流体或从所述腔室的上部部分移除流体克服所述第二磁性/铁磁对之间的吸引力时，所述弹簧力和所述第二磁性/铁磁对之间的吸引力将所述活塞以速动移动而移动至所述起始位置，

其中第二磁体或铁磁材料和/或第三磁体或铁磁材料通过提供压力紧密密封的方式成为所述壳体的部分，从而使得真空能够被连接至所述孔口。

2.根据权利要求1所述的活塞致动器，其中所述壳体包括帽，并且所述孔口通过所述帽进入所述腔室。

3.根据权利要求1所述的活塞致动器，其中所述活塞包括围绕其外周边的密封构件。

4.根据权利要求1所述的活塞致动器，其进一步包括：

一个或多个缓冲器，其被定位以在所述起始位置或所述第二位置与所述活塞接触，从而减小由所述活塞到达所述起始位置或所述第二位置所产生的噪声。

5.根据权利要求1所述的活塞致动器，其进一步包括：

阀，其被可操作地连接至所述活塞，其中所述阀是闸门阀，其包括导管和闸门构件；提升阀；或蝶形阀。

6.根据权利要求5所述的活塞致动器，其中所述阀是闸门阀，并且所述闸门构件通过轨道***被连接至所述活塞，所述轨道***提供所述闸门构件沿所述导管的纵轴的滑行移动，由此形成在所述导管内的密封。

7.根据权利要求5所述的活塞致动器，其中所述导管从两端朝向阀口逐渐变细，由此在所述阀口处具有其最小直径。

8.根据权利要求1所述的活塞致动器，其中所述活塞中的磁体和所述第二磁体中的至少一个为大致环形磁体。

9.根据权利要求1所述的活塞致动器，其中所述活塞中的磁体和所述第二磁体中的至少一个为注塑磁体。

10.根据权利要求1所述的活塞致动器，其中所述活塞包括铁磁材料，所述壳体包括所述第二磁体，所述第二磁体具有邻近所述活塞的第一主表面和与所述第一主表面相反的第二主表面；并且其中所述活塞致动器进一步包括邻近所述第二磁体的所述第二主表面布置的板，由此引导磁通量向内朝向所述活塞。

11.一种用于操作活塞致动器的方法，所述方法包括：

提供活塞致动器，所述活塞致动器包括：

壳体，其限定具有上表面的腔室，所述壳体包括与所述腔室流体连通的孔口；

活塞，其至少部分地包括铁磁材料、磁体或其两者，所述活塞限定上表面；

弹簧，其紧靠所述活塞，以将所述活塞偏置进入起始位置；

第二磁体或铁磁材料，其与所述活塞形成第一磁性/铁磁对并被定位以在所述活塞移动至第二位置时将所述活塞保持在所述第二位置，所述第二磁体限定与所述腔室的上表面齐平的表面，从而使得在所述活塞处于所述第二位置时，所述第二磁体的表面与所述活塞的上表面彼此接触；以及

第三磁体或铁磁材料，其与所述活塞形成第二磁性/铁磁对并且被定位以帮助所述弹簧将所述活塞保持在所述起始位置；

其中，所述活塞布置在所述壳体中，与所述壳体的内表面形成密封关系，由此依据所述活塞的位置，将所述腔室分成上部部分和下部部分，所述上部部分容纳所述弹簧并且与所述孔口流体连通，所述下部部分位于所述活塞的与所述孔口和弹簧相反的侧上；

其中第二磁体或铁磁材料和/或第三磁体或铁磁材料通过提供压力紧密密封的方式成为所述壳体的部分，从而允许真空能够被连接至所述孔口；

首先向所述腔室的上部部分引入或从所述腔室的上部部分移除一定量的流体，所述一定量的流体足以克服将所述活塞保持在所述起始位置的弹簧力和所述第二磁性/铁磁对之间的吸引力，以及由此所述第一磁性/铁磁对的构件之间的吸引力将所述活塞以速动移动而移动至所述第二位置，并且此后将所述活塞保持在所述第二位置；

与首先引入相反，随后向所述腔室引入或从所述腔室中移除足以克服所述第二磁性/铁磁对之间的吸引力的一定量的流体，并且由此所述弹簧的弹簧力和所述第二磁性/铁磁对的构件之间的吸引力将所述活塞以速动移动而移动至所述起始位置。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述活塞致动器进一步包括一个或多个缓冲器，其被定位以在所述起始位置或所述第二位置与所述活塞接触，从而减小由所述活塞到达所述起始位置或所述第二位置所产生的噪声。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述活塞致动器进一步包括阀，其被其被可操作地连接至所述活塞，其中所述阀是闸门阀，其包括导管和闸门构件；提升阀；或蝶形阀。