磁致伸缩控制阀 【发明背景】
本发明涉及一种阀门结构，其中，取决于一长形的磁致伸缩铁芯元件的线圈(电磁)激励用来驱动一控制流量的阀门，该阀门用于对一压力流体从一上游源向一出口的流动的控制，以供在降低的压力下供在下游储存或使用。
于1994年9月21日提交的、申请号为309,776的待批专利申请描述了专门用于宇宙飞船的具有表明的特性的磁致伸缩阀门的几个实施例，其中，该阀门必然是常关型的类型，并需要一很高的密封力，以在锁定(即，阀门关闭)状态下提供可靠的密封和很低的泄漏。用于操纵地加压推进剂气体无论如何必须储存好，这取决于在锁定条件下具有优良的(即，很低的)泄漏阻力，并对瞬时需求能作出快速反应的诸阀门。如此，在所表明特性的阀门里待重点考虑的是关闭、隔离、低摩擦力、机械结构简单和尺寸小。专利号为3,814,376的美国专利或申请号为08/184,484的待批申请中描述的磁性锁住和磁性驱动的阀门具有一阀门关闭状态的所需的低漏泄特性，但是阀门驱动(打开或关闭)的时间常数大于所需的值，而密封力小于所需的值。
对申请号为309,776的待批申请的揭示在此已被引用，在此只需注意到：所述专利申请的所有揭示的实施例取决于一形成一环形磁通回路的一部分的磁致伸缩材料的中心圆柱形铁芯元件，其中，该环形回路包围了一激励绕组。铁芯元件的一轴向端涉及阀座，另一轴向端随时准备驱动一驱动杆与之邻接，并驱动一阀门构件的阀门开启位移，该阀门构件要不是这样就在弹簧压力下进入其关闭位置以与一阀座配合。盘形垫圈或碟形弹簧被用于轴向力预先加载，并被用于诸中心零件以用于最小的摩擦和/或机械滞止损失，但是结构比所想象所必需的还要复杂。另外，诸进口件和出口件在磁致伸缩驱动系统的一轴向端用于阀腔区。
发明的简要说明
本发明的一目的是提供一种具有所表明的特性的改进的阀门结构。
一具体的目的是提供一阀门结构，该阀门在其关闭情况下具有能防止加压流体漏泄的优良的密封闭锁特性。
另一具体的目的是利用一种基本上简单而最小型结构的方案满足上述诸目的，该方案能控制在高压力下储存的推进剂气体，以便在一宇宙飞船的飞行定位时使用。
还有一具体的目的是利用一种结构满足上述诸目的，该结构在一较宽广的环境温度条件下具有一迅速的阀门打开和关闭的时间常数，并能固有地展现出小的机械滞后作用，并能提供一种对抗压力流体的泄漏的优良的阀门闭锁的故障防止条件。
总的目的是能利用较简单的结构满足上述诸目的，该种结构能提供制造的经济性而不会牺牲性能。
本发明以一种阀门结构实现这些目的，该结构依赖于一环形的磁致伸缩铁芯元件的线圈(电磁)驱动的轴向伸长，以便产生被携带在该铁芯元件的环形套筒内的一长形阀门构件的开启位移。一第一符合刚性的预载负荷独立地将该阀门构件推入其在阀门关闭时闭锁的密封位置，一第二符合刚性的预载负荷独立地将该环形磁致伸缩芯子元件预拉伸到一带有阀体结构的固定的基准支承面。现行的芯子的最佳材料是Terfenol-D，该材料具有一种强烈的响应于(电磁)感应耦合激励的伸长作用。该伸长响应灵敏度足以达到以下用途，即，(1)在一凸缘配合于阀门构件之前关闭一预行程间隙(pretravel clearance)，以及(2)通过凸缘配合，使阀门构件移出其与阀座配合的通常的阀门关闭位置。在诸最佳实施例中，该阀门的入口和出口设在该阀体结构的相应的轴向两端面的中心处。
在本说明书里，为了参阅的方便，有时将该阀门系统的中心轴线认作为从一左侧或入口端向一右侧或出口端延伸的“水平的(轴线)”。但是，需要理解的是：一种“水平的”方向比起为所述申请号为309,776的待批专利申请的诸实施例表示的“垂直”方向并不更加重要，因为在那个阀门操作在任何情况下不依赖于瞬时重力矢量的任何关系。
附图的简要说明
下面将结合诸附图详细地描述诸较佳的并已图示的实施例，其中：
图1是本发明的一第一阀门实施例的一纵向剖视图，表示了该阀门的关闭状态；
图2与图1相同，表示了该阀门的一开启状态，其中示意地表示了电磁感应的励磁通量的流动；
图3与图1类似，表示了该阀门的一修改后的结构及其关闭状态；
图4与图3相同，表示了图3所示阀门的启动状态；
图5是与图1类似的另一视图，表示另一修改结构；以及
图6是与图1类似的又一视图，表示了一再次修改结构。
详细说明
先看图1和2所示的实施例，所表示的本发明包括一阀体10，该阀体10包括：一上游杯状部件11和一总起来标号为“14”的诸环状下游部件19、21和23，其中的上游杯状部件11具有一延伸到其封闭的左端壁13的中心入口连接部件12，而诸环状下游部件19、21和23具有一延伸到其封闭的右端壁16的中心出口连接部件15。该阀体的诸部件11、16、19和21由铁磁材料制成，而部件33是一由非铁磁材料制成的内套筒。部件19是一外套筒或阀体10的裙部并有一套叠搭接在阀体上游部件11上的朝里有凸缘的上游端；所表示的阀体部件11和19由一沿圆周的焊件17连接，重叠的结合部另外由一弹性O形圈18封住。在孔12中的一入口过滤件12’确保了由入口压力流体携带的颗粒不会伤害该阀门的操作。
更准确地说，阀体部分14的外套筒或裙部19的一个特点是一用来供一绕组或电磁铁线圈20的收置或定位的沉孔。内套筒33提供了绕组20的轴向支撑，下游环形套筒21封闭了该沉孔以沿轴向保持绕组20。下游端壁部分16配合于环形套筒21内的一沉孔的内端，并在其上游端形成一环形阀座结构，该阀座结构包围了一出口15的通道并从一环形总管凹面(manifolding concavity)中凸出。一条或多条径向槽25将进入气流通向总管24。
对于本发明为重要的是：端盖壁13、16应牢固地连接，以经受尚待描述的诸阀门部件的内部轴向压缩负荷。通过沿外圆周焊接部分19、21的配合处，以及通过提供一端壁部件16与环形件21接合的沿外圆周的焊接部27来实现这一点。但是，在图1和2所示的最佳方案中，部件19、21只有一轴向延伸的、被一弹性O形圈26密封住的套筒式的配合部，内套筒的材料的选择不仅要根据其非铁磁特性，而且要根据其与沿轴向相邻的部件11、21的铁磁材料的相容性，以便可进行焊接。适当地，铁磁阀体部件11、19、21、16的材料为磁质不锈钢，非磁性套筒33的材料是一种奥氏体不锈钢(如304L)，它在轴向两端沿外圆周焊接，如在图1和2中对部件11和21的连接部用较粗的线表示的。在套筒33的这样的焊接后，一单个连续的孔被确定，并在套筒33被焊接后和在诸内部阀门组件(尚待描述)和下游端盖部分16的组装之前被较好地精磨。可以理解的是：一旦这些内部阀门组件被组装，以及，在端盖部分16在27处被焊接于环形套筒21之后，在焊接的部件11、33、21内的该连续的精加工的孔建立了一沿轴向的直接连续的永久的端盖壁13和16的互连。
按照本发明的一特征，在部件11、33和21的连续的孔内保持了一个磁致伸缩材料的圆柱形环形套筒或芯子30，最好有紧密的间隙；以及，座落在阀体部分11内的一符合刚性的弹簧31通过一带突肩的(和最好是铁磁性的)板32将一预拉伸的压缩力施加于磁致伸缩环形套筒30的上游端表面。按照线圈30的电激励，部件30、32与部件11、33、21的已描述过的连续的孔的配合是十分松的，以可使部件30磁致伸缩性伸长。如从图2能最清楚看出的，线圈20的激励通过与磁致伸缩部分20的电感耦合而建立了磁通的环形循环，该循环即沿着一内部轴向支路a，再经过径向朝外的支路b、一外部的轴向支路c，并经过一沿径向的朝里的支路d，结果完成返回循环。
在板32的和芯子20的圆周上的一或多条纵向槽34与阀体封闭壁16的一或多条槽25对齐，以提供从入口12到总管24的压力流体(如气体)连通。
一长形的圆柱形阀件35被导向支承，以便能从其接触于阀座结构22的长闭的下游端部作有限的纵向位移。最好是，该阀件的这一下游端部上涂一涂层，或者覆盖一弹性材料，如尼龙或特氟纶的封闭垫(closure pad)或涂层30。该阀件或阀芯35的特点表现于一在其上游端的、用于靠突肩接受符合刚性预加力的径向凸缘结构37，并在该凸缘结构上设置有一螺旋弹簧38，该弹簧套装于预应力弹簧31内并独立地定位于阀体封闭壁(body-closure wall)13。
图1所示的常关的阀门情况稍带夸大地显露出一轴向间隙或预行程允差δ1，以确保弹簧38的独立动作，以便无故障地使座阀芯端部36配合于阀座32的环形边缘部。在还能期望磁致伸缩性伸长将该提动阀门元件30从阀座22举起进入一阀孔轴向间隙δ2之前，这一预行程允差必须被芯子元件30的磁致伸缩性伸长所克服，以响应绕组20的一充分的电激励。如此，元件30的总的伸长为δ1与δ2之和；但是，对于在宇宙飞船上的指定的用途来说，对于用氙作为压力流体的情况，考虑到流速为每秒0-12mg时，这些轴向间隙的数值实际上是小的。考虑到在使用时提升阀件35的阀杆和磁致伸缩性芯子元件30将处于基本上相同的稳定态的温度的这种情况后，经合适选材后，能将预行程间隙的范围(即，热冲程误差)减小到几乎为0。现在，提到最好使用一种磁致伸缩性材料，该种材料为已知用作芯子元件30的Terfenol-D；这是一种专门配制的铽、镝和铁的合金，该材料由美国衣阿华州的Etrema Products，Inc.提供。最好是，提升阀件35的材料的膨胀温度系数基本上与芯子元件30的相同；对于指定的Terfenol-D的使用情况，所希望的温度系数的基本相匹配是由于将钛合金Ti-6Al-4V用作阀件35的材料，从而有效地平衡了部件30/35的不同的热膨胀作用，并将预行程允差δ1减小到几乎为0。
正如铁磁性阀体部件11、14(19、21和16)的情况一样，板32也适合由磁质不锈钢制成。板32的孔可有一特氟纶或其他低摩擦力材料的涂层，以便可沿轴向相对于座阀芯30的上游(有凸缘的)端部滑动位移。另外，最好绕组20本身是一子组件，它预先密封在合适的塑料里，并限定为一整体圆柱形环形套筒，带有精确间距隔开的诸端壁表面，还有一孔，该孔有一对于非磁性套筒33的紧密支承配合部。
图3和4所示的修改较接近地对应于图1和2所示的实施例，所以，只要可能的话，两个实施例尽量采用相同的编号。图3与4里的差别在于，阀体部件19的长度被略微延长了，以在铁磁阀体部件11和19内提供一个区域使芯子元件30在轴向端重叠，在这种情况下板32不必是磁质不锈钢，此时，如图4示意所示的，当绕组20受激励后，磁通的环形路线能避免依赖板32。
在此前的描述中，能认识到的是所提到的呈现为套筒形或其他能配合形状的阀体部件11和14，是为了方便起见，其中的主要点是：当被封闭在环形磁通通路内的绕组20受激励后，磁致伸缩性芯子元件30将是经过诸阀体部分建立的环形磁通通路的轴向延长部分。
为了机械组装的目的，上游阀体部件11的中心轴线的指向故意为垂直的，这样能呈现一向上敞开的裙部，以便轴向收置独立的弹簧31、37以及由端盖13的内壁的环形槽形的结构40的诸沿径向隔开的台肩对这些弹簧可共轴地定位。这一向上敞开的裙部可是一包括被永久焊住的外部阀体部件19的子组件(在图5中的“41”处焊接)；从图5可清楚看出这样一个部件11和19的子组件的沿轴向的限制位置，其中，阀体部件19’有一沿径向朝里的凸缘39，在“41”处焊接之前，该凸缘用作它与阀体部件11的裙部相邻接时的轴向限制面。在这点上，部件19可故意地预先与绕组20、套筒33和体圈部件(body-ring part)21一同组装，并通过套筒33永久焊连部件19和21，如此，呈现了一干净的敞开的空腔，使阀芯35和凸缘37能插入该腔内，以便其对与弹簧38的配合的突肩定位，板32也能插入此腔内，以便其对与弹簧31的配合的突肩定位。此时，用于将铁芯元件30套在阀芯35的阀杆上并置于对准的环形部分21和套筒33中的通道是畅通的。其余待做的事情是用于将下游端盖本体部分16插入环形部21的沉孔42中以及施加轴向压缩力使部件16在该沉孔42的底部上完全密封关系得以实现，在该点上弹簧31和38将被预先加载负荷并施加焊缝部分27，以完成该阀门的一种永久性组装。
图6用来说明非磁性套筒33可为一单独的塑料组件；但是，最好使绕组被结压密封(如上所述)在一具有一圆柱形内表面的空腔(未图示)内，使套筒33被制造成该密封绕组的整体部分的特点，该套筒带有一精确的孔，该孔能提供芯子元件30的沿轴向伸长的低摩擦力的圆柱体形支承。当然，将塑料用作套筒33的材料意味着：在弹簧31、38的预期的预应力和预加载情况下，图6中的套筒33不能被依赖为部件19和21的连接装置；所以，在图6中，端盖壁在13和16的轴向刚性连接是经过部分19、21彼此间的搭接配合的一外圆周形焊缝实现的。
图6还用来表示：受阀门控制的压力流体流的入口和出口同时存在于该阀门的一单个轴向端，从而避免需要图1至5所示的诸槽25/34。具体说，在图6中，所示的端盖16有一直接与环形管道24连通的入口通道25，该环形管道24包围了环形阀座结构22。其结构、组装和操作与图5和其他诸实施例的描述相同。
所描述的结构将满足上述所有的目的，并提供了诸元件部分的一简化了的配置，这些配置使它们利于组装和可靠地工作。特别是，所有必要的间隙和预加载自动形成而用于已描述过的组装方法中，并且不需要进一步的调节。特别需注意的是：两个独立操作的弹簧套装后彼此间有一径向间隙；它们每个从单个端盖壁13产生压缩基准(compressive reference)；在阀门的长开条件下，阀体或阀座11、14的另一端盖壁16提供了用于预应力芯子元件30和阀座结构22的反作用基准(reactive reference)。当绕组20被足够地激励后，芯子元件30的磁致伸缩性伸长是一千斤顶作用，其中，铁芯构件20具有与所述的另一端盖16沿轴向邻接的基准面(axial-abutment reference)；在芯子构件20配合于座阀芯的凸缘端，对抗弹簧38的预加载的力，通过沿轴向“提起”座阀芯35，该千斤顶作用打开了该阀门。