CN108351035B - 具有节流能力的高压阀 - Google Patents

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Abstract

高压阀包括杠杆和可变力发生器，便于在高压下控制阀的打开和关闭。高压阀包括壳体，该壳体具有在第一端口和第二端口之间提供流体连通的腔室，销可在腔室内在打开位置和关闭位置之间移动。杠杆的第一端耦合到销，杠杆的第二端耦合到可变力发生器。杠杆围绕枢轴点枢转。连接到可变力发生器的控制器构造成调节由可变力发生器施加到杠杆的第二端的力，以控制销在打开位置和闭合位置之间的运动。

Description

具有节流能力的高压阀
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请62/217,634的优先权，其题为“ULTRAHIGHPRESSURE COMPACT VALVE WITH THROTTLINGING CAPABILITY(具有节流能力的超高压紧凑阀)”，于2015年9月11日提交，其全部内容在此通过引证并入本文。
技术领域
本申请涉及的是在需要停止、开始或调整流体流动的紧凑高压阀中高压液体流动的控制。
背景技术
在许多科学和工业领域，高压(例如，大于20,000psi)的应用正在增长。停止和启动流动是许多应用的基本控制要求。这些应用可能涉及以ml/min或gal每秒流量。高压开关阀通常是将销钉压入孔中以停止流动的装置。简单阀的例子可以是手动操作阀1000，其中螺杆1010被转动以将销1020驱动到孔(座)1030中以停止流动，如图1所示。
为了远程操作阀门，销上的力通常由与销连接的启动器产生。各种商业高压阀使用弹簧、空气和液压力发生器的组合。阀门的机械弹簧和气动(空气)压力控制很常见。典型的阀门可以使用弹簧来关闭阀门和空气压力以对抗弹簧力来打开阀门。
关闭阀门所需的力与座中销的横截面成正比。例如，在100,000psi下0.100英寸的座/销接触直径将需要至少785lbs的闭合力。使用共同的90psi空气压力供应，需要一个至少3.5英寸的空气活塞内径。考虑到摩擦和安全因素，可以选择直径至少为4至5英寸的空气活塞。对于许多过程来说，这种物理上大的阀门是不切实际的。另外，由于空间限制，一些机器人应用需要使用紧凑阀。台式设备需要紧凑的阀门，可安装在仪器柜内。
为了克服空气活塞的尺寸问题，可以使用更高压力的液压(例如2,000psi)流体。然而，这增加了更为复杂的设备(液压泵和液压控制阀)并涉及杂乱的液压流体。因为液压动力通常不方便，这种方法也不适用于小型应用的台座。
需要紧凑的高压阀***，其体积小并且由较小的力通过启动器操作，并且优选通过小型直接电控启动器。
此外，正在开发新的高压应用，其需要比开关功能更多的功能。这些应用要求在恒定流量或恒定压力条件下精确控制流量。
例如，高性能液相色谱(HPLC)***中使用的固定rpm曲轴箱泵将代表提供恒定流量的恒定排量泵。该泵将提供从零压力到泵的设计压力极限的恒定流量。达到的压力取决于泵的流路中的限制位置。其他的恒流量泵包括机械曲柄驱动的容积式均质器。其中一些泵能够在高达40,000psi的压力下驱动流体。
不同的泵的类型是增压泵。增压泵输出恒定的压力而不是流量。它将提供从无流量到泵的设计流量极限的恒定压力。例如，基于气动增压器的均化器是恒压泵。
发明内容
本申请的一个方面涉及一种高压阀，其包括具有腔室的壳体，配置用于允许流体流过其中的第一端口，配置用于允许流体流过其中的第二端口，所述腔室在所述第一端口和第二端口之间的流体连通；在所述腔室内的打开位置和关闭位置之间可移动的销，其中打开位置是所述第一端口和所述第二端口流体连通，关闭位置是所述第一端口和所述第二端口未流体连通；杠杆，其具有联接到销的第一端和第二端，所述杠杆具有枢转点，该枢转点枢转地固定到壳体；可变力发生器，所述可变力发生器连接到所述杠杆的所述第二端并且构造成使所述销在所述打开位置与所述闭合位置之间移动；以及控制器，所述控制器耦合到所述可变力发生器，所述控制器构造成调节由所述可变力发生器施加到所述杠杆的所述第二端的力，从而控制所述销在所述打开位置和所述闭合位置之间的运动。
在一些实施方案中，所述销被偏置到打开位置，并且所述可变力发生器被构造成使在所述杠杆的第一端处的力足以将销移动到闭合位置。
在一些实施方案中，所述销通过气压和弹簧之一偏置到打开位置。
在一些实施方案中，第一传感器被配置用于感测所述第一端口处的第一压力，第二传感器被配置为感测所述第二端口处的第二压力，控制器被配置为基于第一压力和第二压力的差值调节所述力。
在一些实施方案中，所述高压阀进一步包括固定到所述壳体的座，其中所述销构造成接合所述座以调节在所述第一端口和所述第二端口之间的流体连通，所述座被构造成当所述销处于所述关闭位置时密封地接合所述销。
在一些实施方案中，所述可变力发生器是受外部受控空气压力作用的空气活塞。
在一些实施方案中，所述可变力发生器是机电装置。
在一些实施方案中，所述机电装置是音圈启动器和步进电机的其中之一。
在一些实施方案中，所述销接合陶瓷球，该陶瓷球配置用于当所述销处于关闭位置时密封地接合固定至壳体的座部。
在一些实施方案中，所述高压阀被配置为在所述腔室中测量的至少20,000psi的压力下操作。
在一些实施方案中，相比于所述杠杆的第二端，所述枢转点更靠近所述杠杆的第一端。
在一些实施方案中，所述杠杆配置使所述杠杆的第一端处的力至少是由可变力发生器施加至所述杠杆的第二端的力的五倍。
本申请的另一方面涉及一种高压阀，所述高压阀包括具有腔室和第一端口的第一壳体，所述第一端口配置用于允许流体流过其中；第二壳体，其具有配置用于允许流体流过其中的第二端口；销，其可在第一壳体的腔室内的打开位置和关闭位置之间移动，其中所述打开位置为在所述第一端口和第二端口之间流体连通，所述关闭位置为在所述第一端口和第二端口之间未流体连通；具有杠杆的第三壳体，所述杠杆具有耦合到所述销的第一端和第二端，所述杠杆具有枢转点，所述枢转点枢转地固定到所述第三壳体，所述第一壳体、第二壳体和第三壳体是固定在一起的；可变力发生器，所述可变力发生器连接到所述杠杆的所述第二端并且构造成使所述销在所述打开位置与所述闭合位置之间移动；以及控制器，所述控制器耦合到所述可变力发生器，所述控制器构造成调节由所述可变力发生器施加到所述杠杆的所述第二端的力，从而控制所述销在所述打开位置和所述闭合位置之间的运动。
在一些实施方案中，所述销被偏置到打开位置，并且所述可变力发生器被构造成使在所述杠杆的第一端处的力足以将销移动到闭合位置。
在一些实施方案中，所述销通过气压和弹簧之一偏置到打开位置。
在一些实施方案中，所述高压阀进一步包括配置用于感测第一端口处的第一压力的第一传感器和配置用于感测第二端口处的第二压力的第二传感器，所述控制器被配置用于基于所述第一压力与第二压力之间的差值调节所述力。
在一些实施方案中，高压阀进一步包括固定到所述第二壳体的座，其中所述销构造成接合所述座以调节在所述第一端口和第二端口之间的流体连通，所述座被构造成当该销处于关闭位置时密封地接合所述销。
在一些实施方案中，所述可变力发生器是受外部受控空气压力作用的空气活塞。
在一些实施方案中，所述可变力发生器是机电装置。
在一些实施方案中，所述机电装置是以下其中之一：音圈启动器和步进电机。
在一些实施方案中，所述销接合陶瓷球，所述陶瓷球构造成当销处于关闭位置时密封地接合固定至所述第二壳体的座。
在一些实施方案中，所述高压阀被配置为在所述腔室中测量的至少20,000psi的压力下操作。
在一些实施方案中，相比所述杠杆的第二端，所述枢转点更靠近杠杆的第一端。
在一些实施方案中，所述杠杆构造成使杠杆的第一端的力至少是由可变力发生器施加至杠杆的第二端的力的五倍。
附图说明
附图并非按照比例绘制。在附图中，各图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚起见，并非每个组件都可以在每张图中标注。在附图中：
图1是手动操作阀的剖视图；
图2是本申请的实施方案的超高压紧凑阀的立体图，示出了模块化阀设计；
图3是图2所示的阀的剖视图；
图4是本申请另一实施方案的超高压紧凑阀的立体图，其由音圈启动器操作；
图5是图4所示的阀的剖视图；
图6是本申请另一实施方案的超高压紧凑阀的立体图，其由步进电机操作并用位移传感器监测；
图7是图2所示的阀的分解立体图；
图8是控制***的框图；
图9是节流组件的实施方案的另一横截面图；
图10是节流组件的另一实施方案的另一横截面图；
图11是节流组件的另一个实施方案的横截面图；
图12A是节流组件的***件的实施方案的横截面图；以及
图12B是图12A的实施方案的横截面图。
具体实施方式
本申请涉及一种紧凑型超高压阀的设计，其中操作压力大于20,000psi，并且液体流动需要被停止、启动或控制在限定的压差以产生高液体剪切应力。通常使用高液体剪切应力来消散压力能量、均化、混合、破裂液体悬浮物质，或者使液体中的温度迅速升高。
更具体地，本申请涉及利用杠杆来减小用于操作阀所需的力发生器的紧凑的阀设计。
本申请包括一种高压阀，其结合杠杆放大力发生器，其具有至少五比一的倍力效应。放大的力允许阀门以更小的启动力在更高的阀门压力下操作。这意味着对于气动阀来说，需要更小直径的空气活塞。由于空气活塞是最大的物理组件，这是阀门尺寸减小的重要条件。
本申请的阀门的模块化构造允许安装组件的不同组合以实现不同的阀门功能。举例来说，阀门组件可严格安装在开关应用中或用于受控流量操作。
对于恒定流量和恒定压力类型的泵，本申请提供了一种阀门，其可以建立打开流动、停止流动以及在限定压差下动态控制流动。在恒压泵***中，该阀门在达到最大泵功率之前允许最大流量。在恒定流量泵***中，该阀门允许在达到最大功率之前达到最大压力。
图2示出了本申请的一个实施方案的高压阀门组件，一般用100表示。所述的阀门组件100包括第一壳体40、第二壳体50和第三壳体30。所述第三壳体30结合有内部气缸以及用于杠杆2的包括枢转支撑件的安装位置。所述第三壳体30连接到高压容纳壳体(第一壳体40和第二壳体50)。所述第一壳体40和第二壳体50也可以被称为阀组件100的高压部分。如本文进一步详细讨论的，所述第一壳体40、第二壳体50和第三壳体30固定在一起以形成高压阀组件100。
图3示出了所述第一壳体40具有腔室41和与腔室41流体连通的第一端口(或第一压盖)42，从而允许流体通过所述第一端口42流到腔室41。第二壳体50具有第二端口(或第二压盖)54，该第二端口54配置成当阀组件100打开时允许流体从腔室41和第二端口54流出。为了选择性地打开和关闭阀组件100，销20可在第一壳体40的腔室41内在打开位置和关闭位置之间移动，其中打开位置为第一端口42和第二端口54流体连通，关闭位置为第一端口42与第二端口54未流体连通。图3示出了销20处于关闭位置。
所述第一端口42和第二端口54可将阀组件100连接到用于在流体已经被处理之前或流体已被处理之后存储或收集流体的外部管道或装置。待处理的材料可以从源(未示出)提供到第一压盖42。
高压阀组件100包括固定到所述第二壳体40的座部45。销20配置为选择性地接合座部45以调节所述第一端口42和第二端口54之间的流体连通。在阀组件100的实施方案中，座部45配置为当销20处于关闭位置时密封地接合销20。当销20处于打开位置时，在销20和座部45之间限定间隙。
销20由支承环支撑件12支撑的支承环(BUR)14引导。在支承环14的下方，销20还穿过结合有弹性体o形环17的高压密封件16的内径。在高压密封件16的下方并且朝向销20的下端，当销通过杠杆2的枢转而上下移动时，销20行进穿过金属导向套18的内径。
通过使用机器螺钉52将第二壳体50固定到第一壳体40并且通过使用机器螺钉53将第二壳体50固定到第三壳体30来将座部45保持就位。由于块40中的锥形座部45和圆锥形接收器47之间的角度差小和螺钉52的力，座部45相对于上部块(第一壳体)40在圆周接触点44处被高金属对金属接触应力密封。在一个实施例中，当从座部45的竖直轴线测量时，座部45的截头圆锥形中心部分的锥角是36度，并且当从第一壳体40的竖直轴线测量时，所述第一壳体40内的圆锥形接收器47的锥角是40度。螺杆52、53被扭转到7至10英尺-磅之间以产生足够的接触应力以在圆周接触点44处密封阀组件100的腔室41。
在腔室41的高压下，高压流体可能通过销20和金属导套18之间的间隙泄漏。如此高的压力导致相对较软的高压密封件16推靠在支承环14上。为了在销20周围形成密封以防止壳体泄漏，高压密封件16在其上端具有如图3所示的球形端部几何形状。高压密封件16的球形端部由支承环14支撑，支承环14在其下表面上具有与附图3中匹配的凹入几何形状和在支承环的内径与销20之间的低(<0.001英寸)的间隙配合。高压密封件16的球形端部几何形状和支承环14的凹形几何形状使得支承环14的外径边缘能够扩张，以减小支承环14的外径上的挤出间隙。当高压密封件16暴露于高压时，弯曲形状还将高压密封件16聚焦到销20与支承环14之间的界面中以密封销20的上端周围的区域。高压密封件16的凸出形状和支承环14的凹入形状使得支承环14的凹入部分的外径壁向外张开，而高压密封件16同时在其上端向内变形密封销20和支承环14之间的任何间隙。
在一些实施方案中，高压密封件16的端部几何形状可以是渐缩的或弯曲的，而不是完全球形的。
在一些实施方案中，高压密封件16的上端是不为球形的凸形。
在图2和3的实施方案中，销20由高强度不锈钢制成，通常为440C。座部45由17-4ph不锈钢制成，密封件由UHMWPE与弹性体O形环组成，并且支承环为轴承级镍青铜。17-4ph不锈钢支承环支撑件12用于将高负载传递到启动器主体。包含压力的壳体(第一壳体40和第二壳体50)由17-5ph不锈钢制成。第三外壳30由6061-T6铝制成。选择支承环支撑件12的材料以防止在支承环14的高负载下第三壳体30的较弱铝的变形。
杠杆2和连接销115也由高强度不锈钢制成。一个连接销115在枢转点114处将杠杆2连接到第三壳体30。另一个连接销115将杠杆2连接到销座10。另一个连接销115将杠杆2连接到轴4。
为了移动销20，第三壳体30具有杠杆2，杠杆2具有联接到销20的第一端110和联接到可变力发生器的第二端112(例如通过将第二端112联接到轴4)。杠杆2具有枢转点114，其枢转地固定到第三壳体30。在图2和图3中，枢转点114位于比杠杆2的第二端112更靠近杠杆2的第一端110的位置。这提供了机械优点，使得杆2的第一端110施加到销20的力大于活塞6和活塞杆4施加到杠杆2的第二端112的力。
在一些实施方案中，高压阀组件100被配置使得杠杆2的第一端110处的力至少是通过可变力发生器施加至杠杆2的第二端112的力的五倍。
如在腔室41中测量的那样，高压阀组件100被配置成在至少20,000psi的压力下操作。
可变力发生器连接到杠杆2的第二端部112并且被配置成使销20在打开位置和关闭位置之间移动。有可能使用各种类型的力发生器，例如在此讨论的力发生器。
在图3的实施方案中，具有活塞6的气缸21被用作可变力发生器。为了将销20移动到关闭位置，空气压力经由端口8施加到内部气缸21并且作用在活塞6上并引起活塞6相对于气缸21的下端处的基部9移动。活塞轴4在杠杆2的第二端112上向上推动，该杠杆2围绕枢转点114枢转，使得杠杆2的第一端110作用在与销20耦合的销保持器10上，由此移动所述销最终到达关闭位置。
在高压阀组件100的一些实施方案中，销20通过气压和/或弹簧5被偏置到打开位置。图3示出了高压阀组件100，其中销20被弹簧5偏置到打开位置。可变力发生器配置成使杠杆2的第一端110处的力足以将销20移动到关闭位置。当空气压力从端口8移除时，内部弹簧5将向下拉动杠杆2的第二端112，并通过使杠杆的第一端110将销20拉离阀座部45而打开阀。
在一些实施方案中，替代地或除弹簧偏置之外，可以通过端口7将直接的空气压力施加到活塞的顶部，以将阀组件100偏置到打开位置或通过使活塞6选择性地打开阀组件向下移动，并向下拉动杠杆2的第二端112。
在本申请的各实施方案中，启动力的来源可以改变为替代来源。在图3中，可变力发生器是受外部控制气压作用的空气活塞。在图4-6中，可变力发生器是机电装置。
本申请允许使用具有高可控性的力发生器。传统的气缸由于活塞密封的摩擦而精确控制力的能力受到限制。活塞密封的摩擦限制了气缸控制力的能力。控制极限由密封件的静摩擦力设定。低摩擦力或无摩擦力发生器允许对阀门进行更高分辨率的控制。例如，音圈启动器(VCA)的使用，例如本申请所讨论的VCA，允许更精确的控制。由于VCA没有内部密封，因此可以实现非常低的摩擦。VCA还可以允许控制力更快的变化。这可以用于快速脉动阀门以用于某些应用，例如部件的高压疲劳测试。杠杆的使用允许较低功率的VCA的使用。如果没有力放大杠杆2，则需要更大的VCA，从而增加成本和尺寸。
可替换地，可使用其他低的力产生装置来操作阀组件；例如，可以使用具有或不具有反馈的步进电机和丝杠来操作简单的开关阀。另外，当与精密位置监控一起使用时，通过精确设置销的位置可以实现控制流量。在图6中，可变力发生器是步进电机。
图4和5示出了本申请的另一个实施方案的阀组件，一般用200表示，其中可变力发生器是音圈启动器(VCA)60。第三壳体30和杠杆2与图3的实施方案100中的第三壳体30和杠杆2相同，除了实施例200之外，第三壳体30配置用于支撑VCA而不是气缸21。在实施例200中，VCA 60简单地通过具有螺纹螺栓62的可调节夹具61保持在第三壳体30上。具有接近零摩擦的VCA 60允许精确控制的力作用在销20上。由VCA60施加在杠杆2的第二端112上的力由数字或模拟电路和基于来自阀门前后的压力传感器的数据的软件控制。这可以非常快速地闭环控制压差。这些传感器在图8中进一步详细讨论。
为了减小诸如VCA 60的机电启动器的占空比，偏置弹簧63可用于向杠杆2提供恒定的力。偏置弹簧63减小了VCA 60的功耗。
在一些实施方案中，例如图5所示的阀组件200，销20a包括端部66以接合陶瓷球22，当销20a和球22处于关闭位置时，陶瓷球22被配置为密封地接合固定在第一壳体40和第二壳体50之间的座部65。在这样的实施方案中，前述的图2和3中的销20和座部45由另一种形式的闭合件替代，例如在阀座部65的上端上的凹槽中接合球22的销20a。通过由销20a的下端66控制球22上的力，如第一密封盖42处的压力相对于第二密封盖54处的压力所测量的那样，可以在阀中产生受控的压降。压降会产生液体剪切应力和流体加热。例如，液体剪切应力将用于使细胞材料(例如组织，血细胞或悬浮在液体中的DNA)破裂(碎裂)。为了减少侵蚀，球22可以由坚韧的陶瓷制成，例如相变增韧的氧化锆(TTZ)。陶瓷球22具有比金属销更好的抵抗力，以保持恒定的侵蚀力。
在相对较高的压降下，液体温度的升高对于实现特定的效果可能是重要的。例如，在足够高的压力下，可以产生非常快速的液体加热，用于例如微生物灭活和液体食物消毒等目的。
在图5中，通过使用螺钉52将第二壳体50固定到第一壳体40上，并且通过使用螺钉53将第二壳体50固定到第三壳体30，将座部65保持在其位置上。由于块40中的锥形座和圆锥形容器之间的小角度差异和螺钉52、53的力，座部65通过高的金属对金属接触应力而在圆周接触点64处与上部块(第一壳体)40密封。在一个实施例中，当从座部65的竖直轴线测量时，座部65的截锥形中心部分的锥角是36度，并且当从第一壳体40的竖直轴线测量时，第一壳体40中的圆锥形容器67的锥角是40度。将螺钉52扭转到7至10英尺-磅之间以产生足够的接触应力，从而在圆周接触点64处密封阀的腔室41。
在腔室41内的高压下，高压流体可能通过销20a与金属引导套筒18之间的间隙泄漏。如此高的压力会导致相对较软的高压密封件16推压支承环14。为了在销20a周围形成密封以防止壳体泄漏，高压密封件16在其上端在图5中具有球形端部几何形状。在图5中，高压密封件16的球形端部由支承环14支撑，支承环14在其下表面上具有匹配的凹入几何形状和在支承环的内径与销20a之间的低(<0.001英寸)间隙配合。高压密封件16的球形端部几何形状使得支承环14的外径边缘能够膨胀，以减小支承环14的外径上的挤出间隙。弯曲的形状将高压密封件16聚焦到销20a和支承环14之间的界面中，以密封销20a的上端周围的区域。
高压密封件16的凸出形状和支承环14的凹入形状使得支承环14的凹入部分的外径壁向外张开，而高压密封件16同时在其上部向内变形以密封销20a和支承环14之间的任何间隙。
在一些实施方案中，高压密封件16的端部几何形状可以是渐缩的或弯曲的，而不是完全球形的。
在一些实施方案中，高压密封件16的上端是不为球形的凸形。
在另一个实施方案中，阀组件一般用300表示，其在图6中示出，包括步进马达启动器70，其具有导螺杆72，导螺杆72可用作可变力发生器，以通过枢转杠杆2来产生操作阀所需的力。杠杆2的使用增加了启动器70的位置精度。
在图6所示的阀组件300的实施方案中，示出了敏感的外部位置传感器74。敏感的外部位置传感器74用于测量销20的准确位置以进行反馈控制。例如，位置传感器74可用于感测销本身、杠杆2的第一端110或销座10的位置。位置传感器74被固定到传感器外壳75，传感器外壳75被固定到第三外壳30。本领域技术人员还应该理解的是，位置信息也可以从图6的实施方案中的步进电机70中内置的传感器或者在图4和5的实施方案中内置的VCA 60中获得。
在图2-7所示的阀组件的每个实施方案中，第一壳体40，第二壳体50和第三壳体30可以固定在一起。图3示出了螺钉53将第三壳体30固定到第二壳体50。另一个螺钉52将第一壳体40固定到第二壳体50。图7示出了图2和3的高压阀的分解图。螺钉52延伸穿过第一壳体40和第二壳体50，并且被在第三壳体30接收从而以固定的空间关系固定第一壳体40、第二壳体50和第三壳体30。
为了控制可变力发生器，控制器(控制***)400被耦合到可变力发生器上。图8示出了耦合到VCA启动器阀实施方案200的VCA 60的控制器400。控制器400配置成通过作为阀门实施方案200中的VCA 60的可变力发生器来调节施加到杠杆2的第二端112的力，以控制销20a在打开位置和关闭位置之间的移动。控制器400基于由第一传感器402和第二传感器404提供的压力信息进行操作。在一个实施方案中，第一传感器402被配置用于感测第一端口42处的第一压力，并且第二传感器404被配置用于感测第二端口54处的第二压力。控制器400被配置用于基于第一压力与第二压力之间的压差来调整施加到杠杆2的第二端112的力。
为了控制第一压盖42和第二压盖54之间的产品的流动，施加到杠杆2的力的量可以通过调节空气压力或通过调节启动器的电力(例如VCA)变化。压力换能器可用于阀门的入口侧和出口侧以测量压差。图8示出了第一压力传感器402在第二压力传感器404的上游。如果下游的压力基本上是大气压的话，则仅需要一个压力传感器。类似地，温度传感器可用于阀门的入口(例如第一端口42)和出口(例如第二端口54)从而测量温差，这是能量耗散的指标。
类似地，压力传感器可用于阀门的入口(例如，第一端口42)和出口(例如第二端口54)，以测量作为能量耗散指标的差压。
控制***400可用于控制图2和3的实施方案100、图4和5所示的阀门组件，或者图6所示的阀门组件300。
控制***400可配置为使可变力发生器允许、防止或改变第一端口42和第二端口54之间的流动。控制***400可配置为使可变力发生器在销20和阀座45之间产生恒定的间隙。控制***400还可以或者可替换地配置为使可变力发生器在第一端口42和第二端口54之间产生恒定的压差。
在图8中，控制***400包括处理器、存储器组件、电源以及存储在存储器组件上的指令，所述指令指示控制***400的处理器向音圈启动阀组件400的音圈启动器60提供启动信号。
在一些实施方案中，第三壳体30可以独立地提供给第一壳体40和第二壳体50的使用者。由于模块化结构，第三壳体30可以与包括由销密封的阀的各种部件一起使用。
尽管附图示出了单独形成的第一壳体40、第二壳体50和第三壳体30，但是在其他实施方案中可以提供不具有这种模块化结构的壳体。例如，在一些实施方案中，第二壳体50和第三壳体30可以整体形成。
如本文所使用的，可变力发生器可以是活塞、音圈启动器、导螺杆或用于施加负载的另一装置。
在本申请的高压阀组件的实施方案中可以使用以非常低的流量和高压精确地控制液体流量的其他方法。
给定一个恒定的压力源(例如增压泵)，控制流量的能力取决于调节流体通过的开口的能力。使用像圆形开口(孔口)那样的固定开口，在特定压力下，流量是固定的。在理想的情况下，使用孔中的销钉调整开口间隙从而调整流量。开口越小，流量越低。
给定恒定流量源(例如恒定排量泵，如高效液相色谱(HPLC)泵)，控制压力的能力取决于调节流体通过的开口的能力。在理想的情况下，开口越小，压力越高。
调整流体流过的开口的方法可随简单的金属销按压到金属孔上改变，也可以将陶瓷球保持在金属孔上改变。其他方法也是可能的。当受到与高压泵相关的非常高的能量流体流动时，比陶瓷更硬的材料比金属具有更好的耐磨性。高能量流动通常会产生汽蚀和其他侵蚀力，从而可能迅速磨损较软的材料，例如钢。开口上的压差越高，侵蚀力越大。控制流量或压力的能力通常称为节流。
图9的节流组件500、图10的节流组件600和图11的节流组件700，每个都可以用来代替图3座部45和的销20和图5的座部65、销20a和球22。
在图9所示的节流组件500的一个实施方案中，陶瓷球510定位在腔室541中并通过调节陶瓷球510和陶瓷***物530之间的间隙520选择性地接合陶瓷***物530以密封陶瓷***物530上的陶瓷圆形开口。在节流组件500的一个实施方式中，图3中的金属座部45由含有陶瓷***物530的金属***物保持件540代替，而图3中的销20由接合陶瓷球510的销505代替。陶瓷插件530和球510之间的接触表面都是陶瓷材料，因此可以防止或减少陶瓷插件530和球510的流体腐蚀。为了将陶瓷***物530固定在金属***物保持件540中，陶瓷***物530以过盈配合安装在限定在金属座中的***物接收器的内径与由压力产生的陶瓷***物530的外径之间(或热收缩)。陶瓷***物530的外径与金属***物保持件540之间的接触应力优选为预期的最大流体压力的大小的至少1.5倍。这种高压缩力在陶瓷***件530的内径上施加高压缩应力，这进一步降低了陶瓷***件530的侵蚀损坏。
在节流组件600的另一个实施方案中，如图10所示，陶瓷球515位于具有锥形内表面的陶瓷管***件550内。通常，为了非常精细地控制流体通道开口，陶瓷球515(或其他障碍物)与座部上的表面之间需要精确的间隙。对于座部靠近球的场合，球距离座部很小的距离将会大大增加球与座部之间的间隙。为了非常精确地控制流量，在节流组件600中，陶瓷球515可在锥形陶瓷管***件550内轴向移动。如果锥形陶瓷管***件550的内表面的锥度是小角度，则陶瓷球515沿着锥形陶瓷管***件550的纵向轴线的运动将仅逐渐地增加陶瓷球515的外表面和锥形陶瓷管***件550的内表面之间的间隙。这改善了精细的流体流动控制，因为需要陶瓷球515的更大的运动来通过给定的量改变间隙。锥形陶瓷管***件550通过过盈配合保持在金属***物保持件560内。干涉配合产生了压缩残余应力，这进一步防止了对锥形陶瓷管***件550的内表面的侵蚀损坏。***物保持件560用于与第一壳体40建立密封。当没有负载施加到陶瓷管***件550时，陶瓷管***件550可以具有不具有锥形内表面的几何形状。在这样的实施例中，锥形陶瓷管***件550的内表面的锥形通过在陶瓷管***件550上的***物保持件560的不均匀压缩而产生。通过在陶瓷管***件550上提供压缩应力，可以在陶瓷管***件550的内表面上提供逐渐变细的锥形，否则这将难以通过机械加工形成。例如，通过调整陶瓷管***件550周围的压缩应力可以产生每英寸0.00001英寸或更大的受控锥形。例如，在其中部压缩直管会导致管的内表面具有“沙漏”形状。陶瓷球515在该锥形陶瓷管***件550内的线性运动将流量调节到精确的水平。例如，销525可用于使陶瓷球515从一个方向接近“沙漏形”的变窄区域以节流。
在节流组件700的另一个实施方案中，如图11所示，陶瓷棒570可以在具有锥形内表面的锥形陶瓷管580内轴向移动。锥形陶瓷管580通过过盈配合保持在金属***物保持件590的内部。在某些情况下，当阀中期望的压降不应该是瞬时的时候，可以使用陶瓷棒570代替陶瓷球作为锥形陶瓷管580内的阻塞物。所产生的开口是环形间隙，其长度是环形间隙的多倍。这产生了在环形间隙内保持层状的流动并且避免了该环形间隙内的气蚀。当试图将具有长分子链的物质如脱氧核糖核酸(DNA)分解时，这一点尤其重要。在其他情况下，与球相比，陶瓷杆570的使用可以简单地产生更长的阀门寿命，因为流体能量消散在更大的区域并且导致更少的侵蚀。
参照图12A和12B，在节流组件的另一个实施方案中，陶瓷杆810可以在具有恒定内径的陶瓷管820内轴向移动。对于外径为1.985mm的杆810和内径为2.000mm的陶瓷管820，可以在陶瓷杆810和陶瓷管820之间设置7.5μm的间隙830。在某些情况下，可以使用陶瓷管内陶瓷棒的长度来控制流量。在附图12A和12B之间，随着间隙的长度从L1缩短到L2，阻塞较少，因此可以控制流量。这个概念也可以与图11的节流组件700结合。
可以使用不同的方法在图9的陶瓷***件530、图10的陶瓷管***件550和图11的陶瓷管***件580上产生轴向不均匀的压缩。这些包括陶瓷管***件和相应的***件保持件之间的直接过盈配合。在一个实施例中，陶瓷管***件的外径比***件保持件中限定的***件接收件的内径大0.002英寸。当陶瓷管***件下降到***件保持件中限定的***物接收器中时，过盈配合将导致***的陶瓷管***件的内径在陶瓷管***件的下端收缩0.0008英寸。替代方法包括在安装到阀门期间在***件保持件上施加压缩应力。例如，由于***件保持件540的外截头圆锥形表面与第一壳体40中的接收器47之间的锥形差异，将***件保持件540推进到接收器47中或将***件保持件540从接收器缩回可以调节在圆周接触点44处的那些锥形表面之间的接触的压缩力。类似地，由于***件保持件560的外截头圆锥形表面与第一壳体40中的接收器47之间的锥形差异，使得***件保持件560前进到接收器47中或将***件保持件560从接收器缩回可以调节压缩在圆周接触点44处的那些锥形表面之间的接触力。同样，由于外部锥度的差异，***件保持件590的截头圆锥形表面以及第一壳体40中的接收器47，将***物保持件590推进到接收器47中或将***物保持件590从接收器缩回可以调节圆周处的那些锥形表面之间的接触的压缩力接触点44。***件保持件外表面上的压缩力传递到安装在***件保持件内的陶瓷管***件，导致陶瓷管***件的内表面变形，使得内表面沿着陶瓷管***件的长度逐渐变细。
实施方案的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的组件的构造和布置的细节。而且，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。
已经在此描述了至少一个实施方案的若干方面，应该理解的是，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且意图在本申请的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为示例。

Claims (25)

1.一种高压阀，其包括：
壳体，所述壳体内部具有腔室，第一端口，其与所述腔室流体连通并配置用于允许流体在其中流动，第二端口，其与所述腔室流体连通并配置用于允许流体在其中流动，所述腔室提供所述第一端口和第二端口之间的流体连通；
在所述腔室中可移动的销，所述销在打开位置和关闭位置之间移动，其中打开位置为所述第一端口和第二端口流体连通，关闭位置为所述第一端口和第二端口未流体连通；
杠杆，其具有与所述销耦合的第一端和第二端，所述杠杆具有枢转点，所述枢转点枢转地安装到所述壳体上；
可变力发生器，其连接到所述杠杆的第二端并被配置使所述销在所述打开位置和关闭位置之间移动；
控制器，其与所述可变力发生器耦合，所述的控制器被配置用于通过所述的可变力发生器调节施加到所述杠杆的第二端的力，从而控制所述销在所述打开位置和关闭位置之间的移动；
第一传感器，其被配置用于感测所述第一端口处的第一压力，以及
第二传感器，其被配置为感测所述第二端口处的第二压力，
所述控制器被配置为基于所述第一压力和第二压力的差值调节所述力。
2.根据权利要求1所述的高压阀，其中所述销被偏置到所述打开位置，以及所述可变力发生器被配置用于使在所述杠杆的第一端的力足够用于移动所述销到达所述的关闭位置。
3.根据权利要求2所述的高压阀，其中所述销通过气压和弹簧之一偏置到所述打开位置。
4.根据权利要求1所述的高压阀，进一步包括安装到所述壳体上的座部，其中所述销被配置用于与所述座部接合从而调节所述第一端口和第二端口之间的流体连通，当所述销处于所述关闭位置时，所述座部被配置用于密封地与所述销接合。
5.根据权利要求1所述的高压阀，其中所述可变力发生器是受外部受控空气压力作用的空气活塞。
6.根据权利要求1所述的高压阀，其中所述可变力发生器是机电装置。
7.根据权利要求6所述的高压阀，其中所述的机电装置是音圈启动器和步进电机之一。
8.根据权利要求1所述的高压阀，其中所述销与陶瓷球接合，所述陶瓷球配置用于当所述销处于关闭位置时密封地接合固定至壳体的座部。
9.根据权利要求8所述的高压阀，其中所述座部为含有陶瓷***物的金属***物保持件。
10.根据权利要求1所述的高压阀，其中所述销由支承环支撑件支撑的支承环引导，并且其中所述销还穿过结合有弹性体o形环的高压密封件。
11.根据权利要求1所述的高压阀，其中相比于所述杠杆的第二端，所述枢转点更靠近所述杠杆的第一端。
12.根据权利要求1所述的高压阀，其中所述杠杆被配置使所述杠杆的第一端处的力至少是由可变力发生器施加至所述杠杆的第二端的力的五倍。
13.根据权利要求1所述的高压阀，其配置用于在所述腔室中测量的至少20,000psi的压力下操作。
14.一种高压阀，其包括：
壳体，所述壳体内部具有腔室，第一端口，其与所述腔室流体连通并配置用于允许流体在其中流动，第二端口，其与所述腔室流体连通并配置用于允许流体在其中流动，所述腔室提供所述第一端口和第二端口之间的流体连通；
在所述腔室中可移动的销，所述销在打开位置和关闭位置之间移动，其中打开位置为所述第一端口和第二端口流体连通，关闭位置为所述第一端口和第二端口未流体连通；
杠杆，其具有与所述销耦合的第一端和第二端，所述杠杆具有枢转点，所述枢转点枢转地安装到所述壳体上；
可变力发生器，其连接到所述杠杆的第二端并被配置使所述销在所述打开位置和关闭位置之间移动；
控制器，其与所述可变力发生器耦合，所述的控制器被配置用于通过所述的可变力发生器调节施加到所述杠杆的第二端的力，从而控制所述销在所述打开位置和关闭位置之间的移动，
其中所述销与陶瓷球接合，所述陶瓷球配置用于当所述销处于关闭位置时密封地接合固定至壳体的座部，
其中所述陶瓷球位于具有锥形内表面的陶瓷管***件内，其中所述陶瓷球可在所述陶瓷管***件内轴向移动。
15.一种高压阀，其包括：
第一壳体，其具有腔室和配置用于允许流体在其中流动的第一端口；
第二壳体，其具有第二端口，所述第二端口配置用于允许流体在其中流动；
销，其在所述第一壳体的腔室内的打开位置和关闭位置之间移动，其中所述打开位置为所述第一端口和第二端口流体连通，所述关闭位置为所述第一端口和第二端口未流体连通；
第三壳体，其具有杠杆，所述杠杆具有耦合到所述销的第一端和第二端，所述杠杆具有枢转点，其枢转地安装到所述第三壳体上，
所述第一壳体、第二壳体和第三壳体被安装到一起；
可变力发生器，其连接到所述杠杆的第二端并被配置用于使所述销在所述打开位置和关闭位置之间移动；
控制器，其耦合至所述可变力发生器，所述控制器被配置用于通过所述可变力发生器施加到所述杠杆的第二端上的力，从而控制所述销在所述打开位置和关闭位置之间的移动；
第一传感器，其被配置用于感测所述第一端口处的第一压力，以及
第二传感器，其被配置为感测所述第二端口处的第二压力，
所述控制器被配置为基于所述第一压力和第二压力的差值调节所述力。
16.根据权利要求15所述的高压阀，其中所述销被偏置到所述打开位置，并且所述可变力发生器被配置使所述杠杆的第一端上的力足以使所述销移动到所述关闭位置。
17.根据权利要求16所述的高压阀，其中所述销通过气压和弹簧之一偏置至所述的打开位置。
18.根据权利要求15所述的高压阀，进一步包括安装到所述第二壳体上的座部，其中所述销被配置用于与所述座部接合从而调节所述第一端口和第二端口之间的流体连通，当所述销处于所述关闭位置时，所述座部被配置用于密封地与所述销接合。
19.根据权利要求15所述的高压阀，其中所述可变力发生器是受外部受控空气压力作用的空气活塞。
20.根据权利要求15所述的高压阀，其中所述可变力发生器是机电装置。
21.根据权利要求20所述的高压阀，其中所述机电装置是音圈启动器和步进电机的其中之一。
22.根据权利要求15所述的高压阀，其中所述销与陶瓷球接合，所述陶瓷球配置用于当所述销处于关闭位置时密封地接合固定至所述第二壳体的座部。
23.根据权利要求15所述的高压阀，其中相比于所述杠杆的第二端，所述枢转点更靠近所述杠杆的第一端。
24.根据权利要求15所述的高压阀，其中所述杠杆被配置使所述杠杆的第一端处的力至少是由可变力发生器施加至所述杠杆的第二端的力的五倍。
25.根据权利要求15所述的高压阀，其配置用于在所述腔室中测量的至少20,000psi的压力下操作。
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