专利名称：用于压力流体的电控阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于压力流体的电控阀，它特别适用于卫生设备，该阀具有;
a)壳体，它具有一个流体的进口通道和一个出口通道。
b)一个在壳体内，装于进、出口通道之间的关闭元件。
c)一个电气控制装置，它根据施加在其上的控制电压，使关闭元件处在开通状态或关闭状态。
人们通常熟悉的电控阀一般以电磁方式工作，即它有一个电流线圈，以简单的方式由磁路直接驱动关闭元件运动，然而此时所需的电流很大，以致这种简单的结构在许多场合都不适用。通常又采用辅助控制电磁阀，在其中借助于电流通过的电磁线圈仅控制辅助阀，它的流体通过面积相对较小。用作关闭元件的是柔韧的膜片，膜片根据其辅助控制阀的开启状态，在其所处介质的压力作用下产生开启运动或关闭运动。然而这类阀也要求有相对较大的功率，所以它们只是限制在有电池的条件下使用。辅助阀上相对较小的流体通过面积，尤其是柔韧膜片上的辅助孔很容易堵塞，特别是在流体为热水时，水中易析出钙盐，会发生该现象。此外，电磁线圈是一个昂贵又占地的元件，且膜片易老化和破裂。
本发明的目的是研制一个本文开始所述方式的电控阀，其部件价廉，省地方，省能耗。
此目的由本发明第一实施例加以解决，其特点是d)关闭元件是一个位于流体进、出口通道之间，与壳体构成密封的叶轮，它可在流体压力作用下旋转，并由此将流体一部份一部分地从进口通道送至出口通道。
e)电控装置起到如同制动器的作用，它与叶轮相联，并控制叶轮的旋转，制动器内装有电控制粘度液体作为电控介质，该液体位于两个电极之间。
在专利EP-OS0191585和DE-OS3536934或者EP-OS0319201中已举例介绍了电控粘度液体，它是一种在电场影响下，其粘度由液态到凝固态之间逐级改变的物质。迄今主要被用于汽车结构中不同部件的可变液力减振器，如在DE-PS3336965中介绍的发动机支承，或在DE-PS3709447中的冲击减振器。
在本发明的第一实施例，电控粘度液体用在可受控制电压影响的制动器中，它影响到决定流体通过量的叶轮的运动状况;若粘度下降，叶轮在流经的液体作用下运动阻力小，则可达到流体的最大流量。若提高控制电压，并由此而使电控粘度液体的粘度升高，则产生制动作用。这就减小了叶轮的转速，并由此减少了流体通过阀的流量。控制电压可被提高到一个确定的值，使得制动器中的电控粘度液体最终实际成为凝固态，叶轮的运动则完全被阻止，只要叶轮和壳体之间的密封完好，则阀被关闭。
显然这种结构类型的阀特别简单，不必再有昂贵且占地的线圈，其能耗相对较小，在转换过程中冲击电流也可避免。维持电控粘度液体为凝固状态所需的微小电流可由太阳能电池不加其它能源而供给，在这样的情况下只需较小的电池用于中间存储电能。关闭阀所需要的功并不由电能得到，而是由流体的压力自身承担。阀内流体的流通截面可以很大，因而不会碰到不希望的节流效应，并且没有易产生堵塞危险的狭窄截面。
在前述那种方式的实施例中，制动器具有一个制动轮，它装在一个充满电控粘度液体的制动室内，可旋转，并可与叶轮联接。
此时，若将制动轮与叶轮同轴线安装，并采用一定形状的插塞接头与叶轮相连接，则是十分有益的。
叶轮外圈有多个凹腔，以便一部份一部份地传送流体，叶轮与壳体的密封由隔板的外表面构成，它们位于凹腔之间。
若将叶轮做成锥形，则它与壳体的密封更容易，因为通过叶轮轴向移动可以补偿直径的制造公差。
根据本发明的另一特点，叶轮至少在其外圈表面附近可以由诸如陶瓷那样的硬质材料构成，这类陶瓷材料当今已广泛应用在卫生设备阀门的控制板上。它使良好的密封及滑动特性与较高的耐磨特性得到结合。若进一步通过一个安装在壳体内的固定附加物使叶轮与壳体密封，附加物与叶轮外圈表面滑动接触密封，则是有益的。
附加物至少在与叶轮相靠的部分可用诸如陶瓷材料这样的硬质材料制成。
为了在即使控制电压出现故障情况下，或在长时间的静止状态下，阀依然保持可靠的关闭，推荐采用手动锁紧装置，用它可在不依赖电控粘度液体制动器的情况下阻止叶轮的旋转。
该锁紧装置可具有一个能轴向移动的销，销可以一定的形状插入叶轮的相应开口中，轴向可移动的销也应能固定在自由状态和锁紧状态。
上述介绍的第一实施例其整体结构上特别简单，但在某些情况下对叶轮与壳体的密封必须十分小心。出于这一点原因，当阀的无滴漏磨损不能得到保证的时候，出可能放弃该方案。
本发明的第二实施例结构同样也能解决前面所述提出的问题，而不存在无滴漏磨损时出现的难题，其特点是d)在流体进、出口通道之间设有一个叶轮，它可在流体压力的作用下旋转。
e)设置了一个传动机构，该机构将叶轮的旋转运动转变为关闭元件在开通和关闭位置之间的运动。
f)控制装置是一个位于叶轮与关闭元件之间传递力的电控粘度液体耦合器，它含有电控粘度液体作为可受电控制的介质，它位于两个电极之间。
在此实施例中，叶轮不再同时用作关闭元件，而是用作驱动动力源，并借助于传动机构使关闭元件在开通和关闭位置之间运动。在此，阀的叶轮和壳体之间毋需完全的密封，只要通过的流体使叶轮运动则足以满足。流体通过量由特设的关闭元件的位置确定，元件可采用熟知的各种结构形式。电控粘度液力耦合器位于叶轮和关闭元件之间进行力的传递，其转换状态决定了叶轮是否空转，其运动对关闭元件的位置有没有影响，或者叶轮的旋转是否改变关闭元件的位置。本发明第二个实施例的优点保证了在其它方面与前述的第一实施例的一致性。
关闭元件应通过一个蓄力机构，例如弹簧装置，向开通位置推进。通过电控粘度液力耦合器的“联接”，让叶轮的运动使关闭元件运动，进入关闭位置，而在电控粘度耦合器“脱离”时，蓄力机构将关闭元件重新又推回开通位置。
若关闭元件采用一可旋转的盘，蓄力机构采用螺旋弹簧则具有特别的优越性。
通常应采取措施，预防叶轮在其旋转时的中断，也应该阻止在弹簧装置起作用时可能产生一个反向的传递力，它使叶轮向所处压力流体推动的相反方向旋转。
阻止叶轮向一个方向旋转的机构，可在传动机构本身结构上进行处理，它在传动中阻止弹簧装置使叶轮向返回方向旋转。传动机构通常必须明显地降低叶轮的旋转运动，叶轮旋转多圈相应于关闭元件在开通位和关闭位之间的行程。这样，弹簧装置作用在传动机构驱动轴上的力，则不足以使叶轮产生转动。
阻止叶轮向一个方向旋转的机构也可采用人们熟悉的解脱离合器结构元件。
电控粘度液力耦合器在力的传递中应安置在传动机构与关闭元件之间。耦合器主动端和被动端零件之间的相对运动只是按比例很小的行程，尤其是按比例很小的旋转角度，这时电流输入电缆是有利的。
电控粘度液力耦合器具有一个耦合轮，它装在充满电控粘度液体的耦合器壳体内耦合腔内，并可转动。
耦合腔截面应不是正圆形状，这样尤其在电控粘度液体为固态时将力的锁定转化为形状锁定。
在本发明的第二个实施例中，由于前面提及的原因，也应具备一个手动锁定装置，用它可阻止关闭元件的运动。
本发明实施例在下面根据附图作进一步的说明。
图1用于压力流体的阀第一实施例剖面图，它是沿图2的Ⅰ-Ⅰ线截取的(叶轮未作剖面处理)，图2阀在图1中的Ⅱ-Ⅱ剖面，图3阀的第二实施例剖面，它是沿图4Ⅲ-Ⅲ线剖截的(叶轮、传动机构及制动轮未剖)，图4图3中阀在Ⅳ-Ⅳ线的剖面，
图5图3所示阀的电控粘度耦合器在Ⅴ-Ⅴ线的剖面。
图1和图2所示的阀适用于在完全关闭位置和最大流量位置之间对压力流体，尤其是水，进行连续调节。它有个壳体1，壳体分为三个壳体部件1a，1b，1c，它们由螺钉2、3连成一体，在所有壳体部件1a，1b，1c上都有通孔4、5。
壳体1的壳体部件1a中，在同轴线上具有压力流体的进口通道6和出口通道7。在壳体1内进口通道6和出口通道7之间是一个相对两通道6、7的轴线偏心设置的叶轮腔8，它具有锥形轮廓。这就是说，它的横截面是圆形的，但从壳体部件1a的上侧到其底面9逐渐变细，叶轮腔8的外表面覆盖有一层陶瓷材料制成的附加层10，其内表面具有很高光洁度，以此作为密封表面。
附加层10有通过口11、12，它们与通道6、7位于同一轴线，并具有同它们相同的直径。
在图2，附加层10的上端有一个俯视在径向为环形的凸缘13，它座落在壳体部件1a的台阶14上。
在叶轮腔8内支撑着一个可旋转的外形与腔互补，即同样锥形的叶轮15，叶轮15整体或至少是外圈附近同样是陶瓷制成的，其外圈表面与附加层10的内圈表面相接触，并被磨光到可密封的状态。通过附加层10和叶轮15相互接触的表面的锥度，使两个部件相互间很容易地密封。
叶轮15具有由狭窄的径向延伸隔板17构成的多个相互分离的隔腔16。
叶轮15的上端面通过定形锁柱18与同轴线的制动轮19连接。制动轮19有一个轮心19A，它以密封状态穿过壳体部件1b的一个同轴孔20。孔20与制动腔21相通，它在壳体部件1b上端有开口，并且充满了电控粘度液体22。
在制动轮19的轮心19A上形成了叶片19B，它们在制动轮19旋转时在电控粘度液体22中运动。
制动腔21上方则以壳体部件的第三部分1c封盖。
制动腔21的上端面在壳体部件1c上，它与在壳体部件1b的圆环形下端面一样，由与高压电源25相连接的金属电极23、24覆盖。高压电源25可以接直流电，也可以接交流电，其电压可以在最小值，甚至在零值到最大值之间连续变化，在最小电压时，电控粘度液体22是液态的，在最大电压值时，电控粘度液体22为凝固态。
上述阀门工作过程如下只要高压电源25的电压在下限值，且制动腔21内的电控粘度液体22是液态的，叶轮腔8内的叶轮15则不受限制地旋转，压力流体则能不受限制地流过进口通道6、叶轮腔8及出口通道7，此时叶轮15在旋转。流体在进口通道6和出口通道7之间的传递是由叶轮15的不同隔腔16一部份一部份进行。为了减小可能妨碍叶轮15旋转的摩擦力，所有叶轮15与静止部件的接触面，尤其是与附加层10的接触面都尽可能减小，并在必要时进行润滑。
若要想减小水流，则将高压电源25的电压提高，由此开始提高在制动腔21中电控粘度液体22的粘度，这样就使制动轮19的叶片19b的运动受到限制。所出现的制动作用取决于电控粘度液体22的粘度。经过阀的流量此时由制动轮19的制动作用及流体的压力而决定。
若要完全中断经过阀的流体，则将高压电源25的电压升高，直至在制动腔22内的电控粘度液体完全凝固，制动腔21内制动轮19的叶片19b完全处于静止状态，并由此使叶轮腔8内的叶轮15处于静止状态。由于叶轮15各隔腔16间的隔板17中总有一些与附加层10接触，此时进口通道6和出口通道7之间的流体通道被切断，阀门被关闭。
在图2的下部表示了这样一个机构，用它可在高压电源产生故障时或较长时间地将阀关闭。它有一个手动多面销90，销穿过相应截面的通孔91进入壳体1，销90的端部可插入叶轮15下部相应的多面孔92中，这样叶轮15就不可能再旋转。销90由两环槽93、94与O形圈95共同作用，可被卡定在锁紧位及如图所示的自由位，销90的外端有一个手动轮96。
图3到图5表示压力流体用阀的第二个实施例，它同样包括一个具有进口通道106和与之垂直的出口通道107的壳体101。与圈1及图2所示实施例相似，进口通道106与叶轮腔108相通，但叶轮腔是圆柱形的，也就是沿其轴向具有相同的横截面，叶轮腔108又相对进口通道106的轴线偏置，在此处介绍的实施例中，根据图4，叶轮腔在水平位置有半个圆扩展。
在叶轮腔108内装有一可旋转的叶轮115，在此，它包括一个轮心115A和多个径向延伸的叶片115B，叶轮叶片115B不必与叶轮腔108的内壁密封安装，允许在这些部件间存在一个间隙，间隙只要保持在一定小的范围，使叶轮115能够由进口通道106流入的流体推行转动。
与进口通道106同轴延伸段从叶轮腔108进入在图4水平面内顶视为圆形的凹穴140中，再接到出口通道107，凹穴140内O形圈141接合缝下装着第一控制盘142，它不能相对壳体101转动。第一控制盘142有两个通孔143、144，在图中用虚线表示，孔从第一控制盘上部的圆形端面伸到下部的圆形端面，第一控制盘向上的端面经过了高质量的磨制，以至它在该处可起到密封作用。
在第一控制盘142上部放有一同样是圆形的第二控制盘150，它能借助于一个双层结构的传动轴160，以尚待说明的工作方式相对于固定装配的第一控制盘进行旋转。第二控制盘150同样有两个通孔156、157，通过对第二控制盘150的转动，能够将此两孔或多或少地与第一控制盘的通孔143、144重叠。
第二控制盘150依靠叶轮115以下述的方式相对于第一控制盘142旋转。
如图3所示，叶轮的心轴115A从壳体101伸出，在它的外端装有一个外径相比较小的第一齿轮161，它与直径较大的第二齿轮162啮合，第二齿轮装在第二控制盘150的双结构传动轴160的外层部件160A上，传动轴160的外层部件160A与内层部件160B通过整体图号为170的电控粘度耦合器相连接。电控粘度耦合器170有一个壳体171，壳体内构成了充满电控粘度液体122的耦合器腔121，壳体171与第二控制盘150的传动轴160的内层部件160B在同一轴线固定相连接，因而这些部件总是一同旋转。
传动轴160的外层部件160A密封地穿过图3所示的壳体171的上端面的一个孔，轴在耦合腔121内的部分装有一个带有向外凸出叶片的耦合轮119，它们可在电控粘度液体122内或多或少地运动。
在耦合腔121的上、下端面又装着金属电极123和124，它们通过挠性电缆172，173与高压电源125连接。
如图5所示，耦合器170的壳体171的里侧向耦合腔121内径向凸出一个筋片174，它使耦合器主动和被动部件之间力的传递得到改善。
电控粘度液力耦合器170外壳171的下面通过一个螺旋弹簧180与阀壳体101的外表面相连，以使耦合器170的壳体171，以及传动轴160的内层部件160B，并由此而使第二控制盘150向开通位置的方向推动。第二控制盘150在一般情况下，或者在无流体流入的无压力状态下处在开通位置，图4中表示的是与之相反的关闭位置。
上述阀门工作过程如下;
首先阐述在全开位置与全闭位置之间的过渡过程。在开通状态时，高压电源125的电压为最低工作值，特别是零电压值，此时耦合腔121内的电控粘度液体122为液态。通过进口通道106的流体介质则使叶轮115旋转，它的转动通过叶轮的心轴115A及齿轮161和162传递到传动轴160的外层部件160A上。因为传动轴160的外层部件160A上形成的叶片119在电控粘度液体122中实际上能自由运动，因此从叶片119没有值得一提的扭转力矩传递到壳体171去，所以传动轴160的外层部件160A与其内层部件160B是脱离的。此时流体可经过通道106以及两个控制盘142、150上相到对齐的通孔156，157，143，144流入出口通道107。
为使阀关闭，则将高压电源125的电压升到最高值，此时在耦合腔121内的电控粘度液体122变为凝固状，这时传动轴160的外层部件160A与其内层部件160B之间出现力的连接，叶轮115的转动由此而传递到第二控制盘150，并克服螺旋弹簧180的弹力作用而转动，直到最终靠到最后的关闭位。活动的控制盘150的关闭过程在行程的末端变得十分缓慢，因为经过阀门的流体流量不断变小，叶轮115的旋转越来越慢。这正是所希望的效果，因为由此可使以往的电磁阀所出现的冲击压力得到可靠的避免。在这里所说明的阀上，流体在一定程度上自己去除了这一弊端。
在设计由齿轮161和162构成的传动机构时，必须对自锁作用给以充分的注意，它制止了螺旋弹簧180在电控粘度液体122为凝固状态时使叶轮115向相反方向回转，那样则可能使第二控制盘重新又向开通方向转动。
可以选择任一种熟悉结构的离合器以阻止叶轮115的不希望产生的返回转动。
若要再开通阀门，则让由高压电源125给出的电压重新回到刚开始时最低的工作值，由此使传动轴160的外层部件160A和内层部件160B之间力的连接取消，在螺旋弹簧180的作用下，可动的控制盘150重新又可回转到开通状态，开口通道106和出口通道107之间的通路对流体重又开启。
采用上述阀门还可以通过对高压电源125电压中间值的选取，实现完全关闭位和完全开通位之间的开通状态。
如果在电极123和124上加一个电压，该电压仅使电控粘度液体122的粘度提高，但却还不凝固，则由在电控粘度液体122中旋转的叶片119，通过剪切力向电控粘度耦合器170的壳体171传递一个取决于粘度的确定的扭矩，由该扭矩使耦合器170的壳体171，并由它而使第二控制盘150产生一定的转动，直到螺旋弹簧180在一定程度上绷紧，此时它产生的力矩与剪切力所产生的力矩相对平衡。通过不断提高高压电源125上的电压，可以使依赖于粘度的剪切力与依赖于转角的螺旋弹簧180的作用相互影响变化，达到对全开和全闭位置之间的任意中间位的调节。
当然也可在图3到图5表示的结构实例中设置一保险装置，当高压电源125关闭或产生故障时，它可阻止活动控制盘150回复到开通位。
如前所述，保持电控粘度液体为凝固状态所需要的电流十分微小，高压电源可设计有很高的阻值，以至即使用于卫生设备上也能保证人员安全。
在此阐述的结构形式的电控阀用于关闭阀所必须的能量完全从流体的压力获得，所需的电能仅仅是保持电控粘度液体粘度状态必需的很小部分。由于先进的电控粘度液体导电性能极低，使用要求的体积可保持在很小，所以该阀的电能消耗极低，它特别适合有太阳能电池的场合应用。由于不必采用辅助孔，全部流体通道都可以保持有很大的截面。
权利要求
1.用于压力流体的电控阀，尤其是卫生设施用阀，它具有a)一个壳体，壳体内有流体的进口通道和出口通道；b)一个安装在壳体内进口通道和出口通道之间的关闭元件；c)一个电控装置，它能根据施加其上的控制电压，使关闭元件进入关闭状态或开通状态；其特征在于d)关闭元件是一个位于流体通道的进口通道(6)和出口通道(7)之间，相对壳体(1)构成密封的叶轮(15)，它可在流体压力作用下旋转，并由此将流体一部分一部分地从进口通道(16)输送到出口通道(7)；e)电控装置起到制动器(19，21，22)的作用，它与叶轮(15)联接，并影响其可旋转性，在此，制动器(19，21，22)装有作为电控介质的电控粘度液体(22)，该液体处于两个电极(23，24)之间。
2.根据权利要求1的电控阀，其特征是制动器(19，21，22)有一个制动轮(19)，它可在一个充满电控粘度液体(22)的制动腔(21)内转动，并可与叶轮(15)联接。
3.根据权利要求2的电控阀，其特征是制动轮(19)安装在与叶轮(15)同一轴线上，并通过一个成形插塞接头(18)与叶轮(15)联接。
4.根据权利要求1至3中之一的电控阀，其特征是叶轮(15)的外圈有多个凹腔(16)，以便一部分一部分地传输流体。
5.根据述权利要求之一的电控阀，其特征是叶轮(15)是圆锥形的。
6.根据上述权利要求之一的电控阀，其特征是叶轮(15)至少在其外圈表层附近是由陶瓷材料制成的。
7.根据上述权利要求之一的电控阀，其特征是叶轮(15)与壳体(1)通过一个固定地装在壳体(1)上的附加层(10)密封，附加层与叶轮(15)的外圈表面密封地滑动接触。
8.根据权利要求7的电控阀，其特征是附加层(10)至少在其叶轮(15)相接触的范围由陶瓷制成。
9.根据上述权利要求之一的电控阀，其特征是有一个手动锁紧机构(90、92)，用它可在不依赖电控制动器(19，21，22)情况下使叶轮(15)停止转动。
10.根据权利要求9的电控阀，其特征是锁紧机构有一个可轴向移动的销(90)，它可以一定的型状插入叶轮(15)的一个相应孔(92)中。
11.根据权利要求10的电控阀，其特征是轴向可移动销(90)可被卡定在锁紧位及自由位。
12.用于压力流体的电控阀，尤其是卫生设施用阀，它具有;a)一个壳体，壳体内有流体的进口通道和出口通道;b)一个安装在壳体内进口通道和出口通道之间的关闭元件;c)一个电控装置，它能根据施加其上的控制电压，使关闭元件进入关闭状态或开通状态;其特征在于d)在流体通道的进口通道(106)和出口通道(107)之间有一个叶轮(115)，它可在流体的压力作用下转动;e)有一个传动机构(161，162)，它使叶轮(115)的转动变成关闭元件(150)在开通位和关闭位之间的运动;f)控制装置是一个在叶轮(115)和关闭元件(150)之间传递力的电控粘度耦合器(170)，它装有位于两个电极(123，124)之间作为电控介质的电控粘度液体(122)。
13.根据权利要求12的电控阀，其特征是关闭元件(150)由一个弹簧装置(180)向开通方向推进。
14.根据权利要求13的电控阀，其特征是关闭元件(150)是一个可转动的盘，弹簧装置(180)是一个螺旋弹簧。
15.根据权利要求12至14中之一的电控阀，其特征是设有一个阻止叶轮(115)向一个方向转动的装置。
16.根据权利要求13至15中之一的电控阀，其特征是阻止叶轮(115)向一个方向转动的装置是传动机构(161，162)，它借助其传动阻止弹簧装置(180)使叶轮(115)向返回方向旋转。
17.根据权利要求13至15中之一的电控阀，其特征是阻止叶轮(115)向一个方向转动的装置是一个离合器。
18.根据权利要求12至17中之一的电控阀，其特征是电控粘度耦合器(170)在力的传递中被置于传动机构(161，162)与关闭元件(150)之间。
19.根据权利要求12至18中之一的电控阀，其特征是电控粘度耦合器(170)有一个耦合轮(119)，它可在充满电控粘度液体(122)的耦合器壳体(171)的耦合腔(121)内旋转。
20.根据权利要求19的电控阀，其特征是耦合腔(121)的横截面有一个从圆腔上凸起的筋片(174)。
21.根据权利要求12至20中之一的电控阀，其特征是它具有一个手动锁紧装置，用它可阻止关闭元件(150)的运动。
全文摘要
用于压力流体的电控阀，它有一个装在壳体内进口通道和出口通道之间的叶轮，叶轮可在流体的压力作用下旋转，并由此将流体一部分一部分地从进口通道传输到出口通道。叶轮与一个可在充满电控粘度液体的腔室内旋转的元件旋转连接。电控粘度液体位于两个可接高电压的电极之间。在本发明的一个实例中，叶轮本身就作为关闭元件，它可由处于电控粘度液体中的可旋转元件以不同方式制动。
文档编号E03C1/05GK1072483SQ92110199
公开日1993年5月26日 申请日期1992年9月1日 优先权日1991年9月1日
发明者乌尔里克·奥斯特塔格 申请人:汉莎金属工厂公司