本发明属于一种气动脉冲阀及包含这种阀的一种流体脉冲分离系统。特别是，本发明属于一种能够输出可压缩流体脉冲的、动作极其迅速的阀和一种适合于飞机机翼前缘表面除冰用的流体脉冲分离系统。 从动力航空时代开始，飞机在一定的飞行条件下常被如机翼和支撑等一类组件表面的冰的积累所困扰。如果不加以清除，则这种堆积最终可使飞机装满附加的重量并改变机翼翼面的形状和那架飞机的控制表面，这样会加剧不宜飞行的条件。在飞行条件下，防止和（或）清除这种冰的堆积所作的努力产生了三种清除积冰的通用方法，即通常称为除冰的过程。
在一种称之为热除冰的除冰形式中，前缘被加热以便松弛积冰与飞机组件之间的粘附力。这里所用的“前缘”是指冰堆积在其上的飞机组件，这些前缘被流过飞机并具有气流停滞点或线的气流所碰撞。一旦粘附力被松弛，通常冰就被通过飞机的气流从飞机组件上吹掉。存在两种加热前缘的通用方法。在一种称之为电热除冰的方法中，电热元件或者通过包含在附着于前缘之上的弹性仓中的方法，或者通过包含在飞机组件地蒙皮结构中的方法被安放在飞机组件的前缘区内。这个加热元件典型的作法是由一个或多个航空发动机驱动的发电源送出的电能供电，并能接通和断开以提供足以使堆积的冰松弛的热量。在小型飞机中，使用电热除冰可能不能够提供足够的电能。
在另一种加热方法中，从透平发动机的一个或多个压缩级输出的高温气体通过诸如机翼和支撑一类组件的前缘进行循环以便影响降冰或防冰作用。这种方法一般只适用于由透平发动机驱动的飞机，通过排放从透平发电机的一个或多个压缩机站输出的高温压缩空气来实现。这种方法使燃料的经济效益降低并使透平发动机的功率输出降低。
第二种常用的除冰方法涉及化学药品。在有些情况下，可将化学药品用于整个飞机或其一部分上，以减少由于冰在飞机上的堆积造成的粘附力或者降低积存在飞机表面上的水的结冰点。
剩下的普通常用的除冰方法称为机械除冰。在主要的商业用机械除冰方法-气动除冰方法中，前缘区或飞机的机翼、或支撑组件被许多可膨胀的、通常为管状的结构覆盖着，这些结构可充气，一般使用加压流体最典型的为空气作为充气介质。由于充气，管状结构使机翼或支撑的前缘轮廓膨胀，并使堆积在该处的冰裂开，散布至流经飞机组件的气流中去。比较有代表性的是，这些管状结构配置成平行于飞机的前缘排列。这些传统的低压气动除冰器通常是由具有橡胶或弹性性质的复合物制成的。通常，构成这种除冰器结构可充气管的材料，在一个充气循环中可膨胀或伸长40%或更多，这样使得除冰器的轮廓以及前缘发生很大的变化，从而使堆积在前缘上的冰裂开。这些传统的气动除冰器需要大量的空气来给其膨胀性很好的管子充气，有代表性的和从历史观点来看的给这些管子充气所需的时间平均约为2秒和6秒。由管子充气引起的翼面轮廓的变形可大大改变流过翼面的气流型态，并对翼面的举升特性产生不利的影响。构成这些传统的气动除冰器的橡胶或类似橡胶的材料通常具有杨氏模量（弹性模量）大约为6900千帕。冰的弹性模量在大约275000千帕与3450000千帕之间变化。冰所具有的弹性模量能够使典型的冰堆调整至使支承这些冰堆的表面轮廓变化较小。当传统除冰器所用的橡胶复合物的弹性模量比冰堆的弹性模量低得很多时，则传统气动除冰器的巨大膨胀会使冰堆结构裂开或断裂，这样这些冰堆就可被碰撞的气流扫除掉。
另外一些影响除冰作用的机械方法含有电气机械锤击作用，如Levin等人在美国专利3549964中所描述的那样。有关在长期被锤击作用下翼面蒙皮对应力疲劳的敏感性的忧虑已经部分地阻碍了这种技术的进一步商业开发或应用。
另一种电气机械消冰系统被Haslim等人在美国专利4690353中描述了。一根或多根叠合的挠性带状导体，每一根都自己再叠回一次并被埋入弹性材料中。当一个大电流脉冲加到导体上时，在导体相邻表层的相对部分上的不平行电流形成相互作用的磁场，并在叠接的导体部分之间产生电气排斥力，使它们瞬间即分离开来。这种扩张可除去在弹性材料表面上的任何坚固物体。
Briscoe等人的美国专利4706911和Putt等人的美国专利4747575揭示了一种前缘除冰装置，该装置使用压力流体脉冲使可充气管子快速充气，可充气管子安放在支承表面和具有很高模量的板状蒙皮之间。流体脉冲输送到可充气的管子中，使高模量的蒙皮离开其原来位置，然后突然停止。这样，传给冰堆的动量使冰产生附加运动，促使冰脱离和移位。在一些优选的具体方案中的这种可充气的管状结构在不超过大约0.1秒的时间内即可充满气，而更好的可在不超过大约0.5毫秒内即可充满气。美国专利4706911的图4及其附带的说明描述了一个适用于这种气动脉冲除冰器的弹性器（先导阀）操纵的排气阀。在美国专利4747575的图7和其附带的说明中描述了一个用于气动脉冲除冰器的颤振阀，它输出一个快速的流体压力脉冲序列至固定在前缘上的除冰器可充气管子中。改善这种气动脉冲除冰系统的努力导致了连续不断的改善阀的努力，以便它能输出理想的流体脉冲。
根据本发明的一个方面，它配备有一个含有先导阀的阀，中间部分和输出部分，包括带有先导阀腔和先导阀阀体的先导阀部分，从先导阀阀体的外部通向先导阀腔的输入通道，从先导阀腔通向先导阀阀体的排气通道，以及从先导阀腔通向前述中间部分的中间通道，为从输入通道与上述中间通道有流体交换的加载位置和排气通道与上述中间通道有流体交换，同时上述输入通道与上述中间通道断开的卸载位置运动而设置的闸门装置;
中间部分包含一个具有中间腔的中间阀体，中间腔具有一个与上述中间通道进行流体交换的输入口，中间部分还包含有一排气口和一个与输出通道进行流体交换的输出口，输出口靠近排气口，它还包含一个位于上述中间腔内的提动阀，该提动阀是专门为从压力流体可以进入中间腔与推动提动阀切断流体通往排气口的运动，同时允许流体流向输出口的加载位置以及压力流体可从上述输出通道流向上述排气口的卸载位置而设置的;
输出部分包含一个具有输出腔的输出阀体，输出腔具有一个与上述输出通道进行流体交换的输入孔，输出部分还包含一个输出口和蓄能腔，蓄能腔具有一个靠近上述输出口、并通向上述输出腔的开口，输出部分还包含一个位于上述输出腔内的活塞，该活塞是专门为从压力流体可通过上述输入孔进入输出腔、并推动活塞切断流体流入输出口的运动，同时允许流体流入蓄能腔的加载位置，以及压力流体可从上述蓄能腔流入上述输出腔的卸载位置运动而设置的。
在优选的具体方案中，提动阀和相应的中间腔是圆柱形的，提动阀面对排气口的末端有一个截锥面，当它与提动阀座紧密接触时，可对从中间腔来的流动实行密封。同样，活塞及其相应的输出腔是圆柱形的，活塞面对输出口的末端有一个截锥面，当它与活塞阀座紧密接触时，可对从输出腔来的流体流动实行密封。作出这些截锥形密封面是用于加速阀的开启，因为当压力从中间腔和输出腔释放时，提动阀与活塞分别开始离开它们相应的环状阀座，为流出的流体提供了较大的通流面积，从而使得作用在提动阀和活塞上的力较大，使它们比较快速地离开其阀座位置。
在优选的具体方案中，阀体是整体的、用金属制成，而提动阀与活塞则是用塑性材料制成。
按照本发明更进一步的考虑，将前面所述的阀和流体脉冲分离装置组合配置，流体脉冲分离装置包括一个由杨氏模量至少为40000千帕的材料制成的外表面层和至少一个放在外表面层下面的可充气管状元件，该元件这样放置，使得流体脉冲充入管状元件能引起外表面层的反作用运动，直接影响置于其上的诸如冰一类的任何材料的分离和移位。
当根据本发明的一个优选具体方案的下述说明、并联系亦是本说明的一部分的附图来考虑时，本发明的上述和其他的特点与优点将变得更清楚。
图1为在根据本发明的阀的部分横截面中的一个侧视图。
图2为根据本发明的一个综合简图及阀和流体脉冲分离装置的截面图。
图1所示为包括一个先导部分20，中间部分50和输出部分70的阀10。先导部分20包括一个先导阀体21，它有一个先导阀腔22。输入通道23从先导阀体21的外部通向先导阀腔。排气通道24从先导阀腔22通向先导阀体的外部。中间通道25从先导阀腔22通出，其末端在中间腔52的输入口52处。先导部分20还包括一个闸门28，它是专门为从图1所示的输入通道23与上述中间通道25有流体交换的加载位置和排气通道24与上述中间通道25有流体交换的卸载位置（图中没有示出）的运动而设置的。当闸门28处于卸载位置时，输入通道23被封断，并且与中间通道25不连通。在所示的优选具体方案中，闸门装置28包括一个不锈钢的球29，此球在阀的加载部分动作循环过程中，被柱塞33和弹簧34向上推进至加载位置，与排气通道24的环形阀座31接触。
一个传统的电磁铁36固定在阀10的先导部分20上，当电磁铁不通电时，其铁芯推杆38的末端恰好放置在球29之上。当电磁铁36通电时，铁芯推杆38被推向下，并向下推动球29离开排气通道阀座31，同时进入输入通道阀座30。隔离垫32用于在阀座30与31之间的直线上限制球的运动。隔离垫32有许多径向的通道39，以便使流体在先导阀腔22与中间通道25之间容易通过。隔离垫32和柱塞33的上部端面设计成使流体能够通过输入通道阀座30，从输入通道23流到先导阀腔22中。
中间部分50包括一个中间阀体51，如图所示，它可以与先导部分20和输出部分70的阀体作成一个整体。中间部分50有一个中间腔52，它具有输入口53，输入口与中间通道25进行流体交换。在中间腔的对面一端有环状锥阀座59，它通向排气口54。靠近排气口54的是输出口55，它与圆柱形的中间腔和排气口的公共轴心线严格成直角。圆柱形的提动阀57在中间腔52内作往复运动。提动阀57是为了从图1所示的加载位置运动至卸载位置（图中没有示出）而设置的，这时提动阀移动至一个离开阀座59的位置，即向相对于图1所示视图的右端移动。提动阀57有一个截锥形的末端表面58，当它与环形阀座59接触时，能够对流向排气口54的流动进行密封。图1所示提动阀位于其加载位置上。这时压力流体可以通过输入通道23，先导阀腔22和中间通道25流入中间腔52。提动阀57的外径比圆柱形中间腔52的内径小很小一点。提动阀57上没有密封环。提动阀57与中间腔52的紧密配合为存在于阀的开启或遮断部分的动作循环过程中的动态条件下，流体流动的密封提供了可能，而在存在于阀的加载口动作循环过程中的静态条件下，流体可通过提动阀57与中间腔52的内壁之间的阻力环状间隙流入输出口55和输出通道56。
输出部分70包含一个输出阀体71，它可以是与中间部分50和先导部分20的阀体共用的一个阀体，如图所示。输出部分包括一个输出腔72，它有一个输入孔73与输出通道56进行流体交换，并且在输出腔72的对面一端有一输出口74。靠近输出口74的，具有预先确定的容积的蓄能腔75通向输出腔72。邻近输出口74的圆柱形输出腔72的末端有一环状活塞座78。圆柱形活塞76包括一个截锥形端面77，当它与活塞座78接触时，可以对从蓄能腔75和输出腔72来的压力流体进行密封。活塞76的外径比输出腔72的内径小很小一点。活塞76与输出腔72的紧密配合在存在于阀的开启或封断部分的动作循环过程中的动态条件下可保证密封，而在存在于阀的加载口的动作循环过程中的静态条件下允许压力流体通过活塞76与圆柱形输出腔壁之间的环状间隙通道流入蓄能腔75中。活塞76位于输出腔72内，它是专门为从图1所示的加载位置运动至卸载位置（图中没有示出）而设置的，这时活塞离开活塞座78，并移向输入孔73。当在加载位置时，压力流体通过输入孔73可以流入输出腔72，并可通过流经活塞76与输出腔72的圆柱形内壁之间的环状间隙充满蓄能腔75。当在卸载位置时，蓄能腔75内的压力流体通过活塞76的截锥端面77和活塞座78之间的环状通道自由地流出至输出口74中。
阀体最好是作成整体的，如图所示，虽然对先导部分、中间部分和输出部分中每一个都可以作成单独的阀体。阀体可用铝、钢或其他结构上能承受规定压力的材料制成。为了与飞机除冰装置组合使用，阀体优选的材料应是铝。当为了达到有效的工作不需要阳极氧化处理和动作寿命大于一百万次循环时，较好的办法还是采用阳极氧化处理以进一步增加阀体抗磨损和防腐蚀的寿命。
中间部分50的提动阀57和输出部分70的活塞76最好作成空心的圆柱体以便将其质量减至最小，从而能够对阀的封断部分动作循环的开始有最快的响应。提动阀和活塞最好用工程塑料制造。最适宜的组合是提动阀和活塞用PEEK（聚乙醚、乙醚、酮）制造，阀体用铝制造，因为这种组合抗腐蚀性非常好，滑动摩擦系数低，并且在飞机装备工作所需的温度范围内热膨胀系数匹配较好。当采用这种材料组合时，在室温下，提动阀和活塞与它们相应的孔的间隙在直径方向上最好大约为0.0005英寸的数量级。间隙较大会使阀动作缓慢，并且输出压力脉冲较低。直径上的最大间隙认为约0.005英寸，但这点没有经过实验验证。提动阀和活塞可以作有圆周凹槽，如在活塞76上所示的凹槽79，以便降低由所需要的紧密间隙带来的加工成本和工作时的摩擦。这种凹槽也可用于进一步减少提动阀和活塞的质量，这样当阀动作循环的封断部分开始时，能够增加其响应速度。
考虑先导部分20，柱塞弹簧34最好用300系列不锈钢或电镀的高碳琴用钢弦制作以防止腐蚀。球29最好用不锈钢制造，用440C型钢更好。电磁铁36可以是标准的顶推式28V。直流电磁铁，唯一的要求是其尺寸要设计得使它能与先导部分配合，并且当通电时能产生适当的运动，推动球离开排气通道24的阀座31，同时和输入通道23的阀座30紧密结合，达到密封要求。
当如图所示提动阀57和活塞76包含一个截锥面用以与它们相应的阀座达到密封结合时，也可以采用不同的形状，如一个环状台肩或逐渐缩小的区域（图中没有表示）与阀座上的相应的密封表面。提动阀或活塞，或者其相应的阀座上可以添加一个O型圈，以保证结合时达到所要求的密封。这些不同的结构形式不像详细表示和描述的那种结构形式受欢迎，因为它们不能产生正的空气动力学弹簧力，而这种力却是提动阀和活塞的截锥密封表面能够提供的。
目前本发明是针对有三个部分的阀来说明的，也可以采用四个或更多部分以便达到最后输出部分更快的卸载响应时间，卸载响应时间是指输出部分活塞从全关闭位置移动至全开启位置所需要的时间。在所说明的具体方案中，很容易得到卸载响应时间小于0.01秒，已经达到活塞从全关闭位置移动至全开启位置的所需时间为0.001秒或更小，例如，当Cv值大约为5时，可达到约0.0005秒。
由闸门28借助例如，电磁铁36的通电从其加载位置运动至其卸载位置与压力流体脉冲开始从蓄能腔75释放至输出口74两者之间所经过的时间所定义的卸载循环时间也是非常快的。对于象如图1所示的具体方案，很容易得到卸载循环时间小于0.01秒，并且已经达到卸载循环时间小于0.005秒。在图示的具体方案中，把从电磁铁36通电时刻开始所花费的时间计算在内直至开始有压力流体脉冲从蓄能腔75流出所经历的时间小于0.004秒。
在使用过程中，当阀10处在图1所示的加载位置时，它通过输入通道23，先导阀腔22，中间通道25，输入口53，中间腔52，输出口55，输出通道56，输入孔73，输出腔72和蓄能腔75被加压。因为在提动阀57和中间腔52的圆柱形壁之间以及在活塞76的圆柱形表面与输出腔72的圆柱形壁之间存在间隙，因此压力流体能够流入输出腔72和蓄能腔75。一般，这个压力至少为500磅/平方英寸，对于将来预期的应用，希望此压力能高达5000磅/平方英寸或更高。球29与排气通道24的环状阀座31紧密接触，实现密封，这样可防止输入通道23或中间通道到25的压力损失。
动作循环的卸载部分从电磁铁36通电开始。电磁铁36通电推动铁芯推杆38向下压住球29，迫使球29向下离开排气通道阀座31，并与输入通道23的阀座30进入紧密接触，实现密封。这使先导阀腔22通向排气通道24，同时阻断输入通道23和先导阀腔22。由于通过中间通道25，先导阀腔22和排气通道24排气，中间腔52中的流体压力开始降低。因为作用在最接近中间通道25的提动阀57的末端的压力减小，并且在输出通道56和输出腔72中的流体压力比作用在提动阀57的平端面60上的流体压力大大升高，这个压力差促使提动阀57的截锥形端面58离开阀座59，这样就使在活塞76的平端面80之间的压力流体通过排气口54从输出腔72中流出。在活塞76的平端面80上的低压力使蓄能腔75中的流体压力大大升高，这个压力差作用在活塞76的截锥形端面77和小直径区域81上，使活塞从其活塞座78上提升，这样就可能使蓄能腔75中的流体压力流出至输出口74中。
因为提动阀57和活塞76开始离开它们各自的阀座59和78，这样就为流体压力差提供了较大的各自截锥形端面58和77的面积。这种结构形式可以产生上面已经提到过的正空气动力学弹簧力，当提动阀57和活塞76从它们各自的阀座59，78移向在它们各自的圆柱形腔52，72对面一端的全开启位置时，这个力会使提动阀57和活塞76的加速度急剧加快。因为提动阀与其中间腔圆柱形壁之间和活塞与输出腔圆柱形壁之间的环状间隙非常小，所以在这些动态条件下，由于流动反向造成的流体压力降不大。
当先导部分20的闸门28卸载并回到其如图1所示的加载位置后，蓄能腔75中的流体压力在短时间内恢复至大约等于输入通道23的压力，对于图示的具体方案，输入压力为1500磅/平方英寸及腔75的容积约为1立方英寸时，这个时间小于1秒。
虽然本发明是针对某些优选的具体方案进行说明的，但对于熟悉本专业的人来说，显然非常清楚，本发明的阀的其他一些变化形式显然也是可行的，而这些正是本说明和权利要求力图包括进去的。本装置的各个部分亦可作成不同的方位。例如，输出部分可以旋转180°，处在电磁铁的旁边，或者呈90°向着或离开图1的纸面。蓄能腔可以做得大一点或小一点，可有不同的形状，或者可以与外腔或通道联接。可以采用手动执行机构，气动执行机构或液压执行机构，或者凸轮装置，而不用电磁铁。提动阀和活塞不需要空心，也不需要如图示和所描述的那样，有锥形密封表面，在提动阀和活塞上可以采用O型圈或其他密封环，为了使中间部分和输出部分加压也可设置节流通道，例如，穿过活塞体，从中间腔的上游部分通向输出腔的上游部分的小通道。
现在来看图2，图中一般地表示流体脉冲分离系统100。流体脉冲分离系统100由一个流体脉冲阀102组成，它通过脉冲导管101和流体脉冲分离装置104连接，该装置在图示的具体方案中，是诸如飞机机翼的一个翼面。流体脉冲分离装置104由一个具有翼面形状的外表面层或蒙皮105，一个粘接在蒙皮105的一面上的弹性层106，一个用织物强化的可充气管107与一个弹性底层108所组成。底层108用于将刚才描述的图示结构粘接到例如翼面的支承结构109那样的刚性的背面上。适宜的流体脉冲分离装置的进一步详细说明包含在美国专利4747575和4706911号中，有关它的资料可从参考资料查阅。