阅读说明：本技术 比例夹管阀 (Proportional pinch valve ) 是由 内尔·巴奇 于 2018-05-30 设计创作，主要内容包括：一种用于控制连续流系统中的流体的压力的比例夹管阀(10),该比例夹管阀包括：砧座(22),该砧座用于夹压连续流系统中的一段管道(12)；以及驱动机构,该驱动机构包括用于使砧座朝向管道(12)移动的移位元件。砧座(22)借助于弹性的弹簧元件(36)间接地联接至移位元件。弹性的弹簧元件(36)至少在管道(12)没有被完全夹紧的情况下为砧座(22)提供限定的游隙(即弹性),使得砧座(22)的移位由弹性的弹簧元件(36)进行力控制。一种利用这种比例夹管阀(10)来控制连续流系统中的流体的压力的方法。(A proportional pinch valve (10) for controlling the pressure of a fluid in a continuous flow system, the proportional pinch valve comprising: an anvil (22) for crimping a length of pipe (12) in a continuous flow system; and a drive mechanism comprising a displacement element for moving the anvil towards the pipe (12). The anvil (22) is indirectly coupled to the displacement element by means of an elastic spring element (36). The resilient spring element (36) provides a defined play (i.e. resilience) to the anvil (22) at least in case the tube (12) is not fully clamped, such that the displacement of the anvil (22) is force controlled by the resilient spring element (36). A method of controlling the pressure of a fluid in a continuous flow system using such a proportional pinch valve (10).)

比例夹管阀

技术领域

本发明涉及用于控制连续流系统中的压力的比例夹管阀(proportional pinchvalve)，特别是用于错流过滤系统(cross-flow filtration system)中。本发明还涉及使用比例夹管阀来控制连续流系统中的流体的压力的方法。

背景技术

根据夹管阀的基本工作原理，夹管阀通常采用直接作用在一段弹性工艺管道上的构件。将管道推压在一起将产生与管道的透过性(permeability)相当的密封。夹管阀通常用于控制应用中的介质压力，在这些应用中，介质需要与任何内部阀部分或截留物完全隔离。因此，夹管阀优选用于无菌的单次使用系统中。尽管用于控制压力的标准比例阀通常设计成并非提供简单的一次性流路，但夹管阀允许使用清洁且成本非常低的一次性流路——即工艺管本身。工艺管道可以例如由适合于伽马灭菌的弹性体材料制成。

然而，夹管阀通常仅用于简单的开/关流控制。理论上，用于小型管道的小型电磁驱动夹管阀可能会设计成用于优化比例控制，但实际上，夹管阀通常仅设计为截止阀。还必须考虑的是，较大的管道和/或较高的压力需要较高的夹压力，电磁驱动的夹管阀因此变得大型且昂贵。因此，较大的夹管阀通常使用马达驱动的导螺杆或滚珠螺杆来移动砧座以直接夹压管道。

使用夹管阀进行比例控制时的一个重要问题是，管道内部的“夹压(pinched)”尺寸的微小变化引起压力或流量的较大变化这一事实。这意味着，夹压砧座的微小移动会导致压力或流量发生较大变化。在操作期间，这会导致粗调的压力或流量控制和/或频繁的控制点变化。为了实现良好的控制，需要砧座的大约1微米的微小运动，但仍不一定会致使实现稳定的控制。通过使用高分辨力的导螺杆和/或其他精密机构，可以实现很小的运动。然而，高分辨力的导螺杆通常将只会以低的线性速度移动，而这在需要快速打开或关闭阀时可能会成为问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的夹管阀，该夹管阀允许在较大的操作范围内对压力进行稳定的比例控制。

通过根据权利要求1的比例夹管阀解决了上述问题。通过从属权利要求，本发明的有利且方便的实施方式是明显的。

本发明提供了一种用于控制连续流系统中的压力的比例夹管阀。比例夹管阀包括：砧座，该砧座用于夹压连续流系统中的一段管道；以及驱动机构，该驱动机构包括用于使砧座朝向管道运动的移位元件。根据本发明，砧座借助于弹性的弹簧元件间接地联接至移位元件。弹性的弹簧元件至少在管道没有被完全夹紧的情况下为砧座提供限定的游隙(play)(即，弹性)，使得砧座的移位由弹性的弹簧元件进行力控制。这意味着砧座不会被移动的移位元件简单地压至管道中。根据本发明，管道的夹压确切地由经由置于移位元件与砧座之间的弹簧元件施加至砧座的力来控制。本发明利用了下述发现：从通常的设计中所使用的位移控制式砧座改变成本发明中实现的力控制式砧座在压力控制方面提供了显著的优点。在通常的设计中，压力控制对由驱动机构引起的位移非常敏感，因为砧座直接联接至移位元件并且直接作用在管道上。这意味着管道的夹压与移位元件的运动直接地成比例。然而，这些常见的设计没有考虑到由流动通过管道的介质引起的背压的影响及其在操作期间的可能变化。例如，如果背压增加，则不能增加通过被夹压的管道的流量来抵消压力的增加。相比之下，在根据本发明的设计中，由于管道联接至弹性的弹簧元件，因此当管道被夹压时砧座具有限定的“游隙”(即，弹性)。因此，如果在给定的夹压力下背压增加，则增加的流体压力将能够迫使管道的被夹压表面分开，从而致使流量增加。这使得压力设定值的稳定性更高并降低控制敏感度。以这种方式，根据本发明的比例夹管阀还有利地提供了压力释放阀/泄压阀的基本功能，这将在下面结合优选实施方式进一步讨论。

本发明的预期应用是控制超滤/渗滤(UF/DF)系统中的压力，但不限于此。如已经指出的，本发明的基本优点是对低成本的一次性流路在较大的压力范围进行稳定的压力控制。

根据比例夹管阀的优选实施方式，弹性的弹簧元件是螺旋弹簧。螺旋弹簧可以容易地结合在驱动机构中。根据实际应用和所需的力性能/位移性能，具有适当弹簧刚度的螺旋弹簧通常是易于获得的。然而，也可以使用特殊构造的气瓶或适当的弹性体构件代替螺旋弹簧。

在驱动机构中使用的移位元件优选是布置在导螺杆上的导螺杆螺母。导螺杆可以通过步进马达或手轮容易地旋转，而导螺杆螺母则将这种旋转运动转变成所需的线性运动。导螺杆和导螺杆螺母是久经验证的联动部件并且能够根据给定的要求来进行选择。

在用于驱动机构中的导螺杆和导螺杆螺母以及用作弹簧元件的螺旋弹簧的组合中，螺旋弹簧的一个端部可以支撑在导螺杆螺母上并且螺旋弹簧的另一个端部可以支撑在砧座上，以提供所需的弹性联接。

在比例夹管阀的自动方案中，驱动机构包括用于使移位元件移位的自动驱动器，自动驱动器优选为步进马达。步进马达具有下述优点：只要马达在扭矩和速度方面相对于应用谨慎地定尺寸，马达的位置就能够被命令成以多个相等步长中的一个步长来移动和保持，而无需任何反馈传感器。

为了将管道保持并固定在比例夹管阀中，可以使用具有一个或更多个贮槽的支撑构件以及与该支撑构件配合的盖板。盖板优选地提供搁置表面，当砧座朝向管道移动时管道被压靠在该表面上。

在常规的夹管阀中，被夹压的长度相当小、即小于5mm，以使关闭阀所需的力最小化。然而，已经认识到的是，与先前的设计相比，加长管道被夹压的距离是可能的并且是有利的。因此，砧座的接触管道的前表面的长度是特定于应用的，但是优选在5mm至10mm的范围内。对于低压应用(小于1bar)，可能需要更长的接触长度。除了提高控制性能外，与常规(夹管)阀设计相比，加长的被夹压的管道还减少了通过阀的液体的峰值剪切应力，因为通过阀的压降发生在更长的距离上。

如果在比例夹管阀上需要较高的压差，则问题在于，被夹压的管道的大部分内表面彼此接触，其中仅在被夹压的管道的任一边缘处可能发生流动。在这些情况下，对管道中的压力的敏感性显著降低。为了克服该问题，通过设置从砧座的面向管道的前表面突出的脊部来实现被夹压的管道的长度的(进一步)增加。脊部优选地垂直于管道的纵向方向延伸。脊部的目的是更有效地利用管道中的压力来作用在砧座上并因此作用在弹簧上。特别地，脊部用于使大部分压降在脊部的较短长度上产生，并且因此允许夹压部段中的其他地方处的内管道表面不彼此接触。以这种方式，那些管道表面经受管道内的压力，并且因此可以作用在砧座上。根据对上游控制压力重要还是对下游控制压力重要，脊部可以位于沿着被夹压的管道的长度的上游、下游、中部或任何其他位置。通用比例夹管阀将具有位于被夹压的管道中部的脊部。

根据本发明的有利方面，设置了优选为橡胶隔板的密封件，用于使被夹压的管道周围的自由空间相对于驱动机构密封。该密封件防止工艺流体在被夹压的管道损坏的情况下进入并污染阀内部的驱动机构。

根据本发明的另一个有利方面，联接至移位元件的销与脱离于移位元件的狭槽配合，以防止移位元件意外旋转。狭槽可以形成在比例夹管阀的外壳构件中，移位元件在该外壳构件中移动。

可以设置位置传感器以检测移位元件的至少原始位置。为了检测原始位置，可以将上述销用作位置指示元件，从而使销具有双重功能。

关于比例夹管阀在端部位置——在该端部位置中，管道被砧座完全夹紧——的性能，本发明提供了如下文将解释的不同概念。

根据第一设计原理，当移位元件移位至管道被完全夹紧的端部位置时，移位元件与砧座接触。因此，可以对管道施加高的力并确保砧座保持在其位置。

根据第二设计原理，当移位元件移位至管道被砧座完全夹紧的端部位置时，移位元件不与砧座接触。在超过最大允许的系统压力的情况下，这种设计允许比例夹管阀充当压力释放阀/泄压阀。可以在操作期间控制最大压力，或者通过设定移位元件的最大位移来限定端部位置并因此限定弹簧元件施加至砧座的最大力而通过设计来控制最大压力。

根据更精细的设计，设置了用于使驱动机构在第一模式与第二模式之间转换的转换机构，在该第一模式中，砧座直接联接至移位元件，在该第二模式中，砧座借助于弹簧元件间接地联接至移位元件。根据具体情况，可以根据需要选择更合适的控制，即，力控制夹压或位移控制夹压。

本发明还提供一种使用如上所述的比例夹管阀来控制连续流系统中的流体的压力的方法。比例夹管阀的弹簧允许压力的自我校正，特别是在背压或者压力非期望地偏离设定点的其他情况下更是如此。

特别地，根据本发明的重要方面，弹性的弹簧元件至少在管道没有被完全夹紧的情况下为砧座提供限定的游隙(弹性)，使得砧座的移位由弹性的弹簧元件进行力控制。

因此，在作用于管道的周壁上的夹压力给定的情况下，响应于流动通过管道的流体的背压，可以克服弹性的弹簧元件的偏置而迫使管道的被夹压的表面分开，因此致使流量增加。这使得压力设定点的稳定性更高并降低了对噪声(noise)的控制敏感度。

根据本发明的方法优选用于错流过滤系统但不限于错流过滤系统。

附图说明

根据以下描述以及所参照的附图，本发明的其他特征和优点将变得明显。在附图中：

-图1示出了根据本发明的比例夹管阀，其被装载有管道但是没有前盖板；

-图2示出了装载有管道和前盖板的比例夹管阀；

-图3以纵向截面示出了处于第一状态的带有管道的比例夹管阀；

-图4以纵向截面示出了处于第二状态的带有管道的比例夹管阀；

-图5以纵向截面示出了处于第三状态的带有管道的比例夹管阀；以及

-图6以纵向截面示出了处于第二状态的装载有管道的比例夹管阀的变型，在该变型中，砧座具有脊部。

具体实施方式

参照图1和图2，示出了比例夹管阀10，其用于控制流动通过柔性管道12的介质的压力，柔性管道12例如由软的弹性体材料制成。在优选的应用中，管道12是单次使用的部件或系统、比如UF/DF错流过滤系统的一次性管道。

管道12被接纳在相对的贮槽14中，贮槽14形成在环形支撑构件16的前侧部上。在装载管道12之后，前盖板18通过螺钉20或其他适当的附接方式固定至支撑构件16的前侧部，如图2中所示。贮槽14被前盖板18覆盖，并且因此管道12在轴向方向和径向方向上被固定。

管道12在相对的贮槽14之间的部段暴露于砧座22。特别地，砧座22面对管道12的下述侧部：该侧部与管道12的抵靠前盖板18的侧部相反。在图3至图5中可以看到砧座22，图3至图5以纵向截面示出了比例夹管阀10。

砧座22被径向支撑在外壳构件24中，以能够轴向地朝向管道12的暴露部段移动以及移动远离管道12的暴露部段。砧座22的面向管道12的前表面具有这样的尺寸：该尺寸使得管道12的可以与砧座22接触的长度是特定于应用的，但是优选在5mm至10mm的范围内。对于低压应用(小于1bar)，可能需要更长的接触长度。

设置了盘形橡胶隔板26以密封支撑构件16的自由空间28，在该自由空间28中，管道12从比例夹管阀10的内部滑动表面、特别是砧座22的与外壳构件24的内周表面接合的周边表面部分露出。隔板26的外周被夹持在外壳构件24的前端部与支撑构件16的相对的表面之间。隔板26的内周接纳在砧座22的周向凹槽30中。

砧座22间接地联接至移位元件。在附图中所示的优选实施方式中，移位元件是导螺杆螺母32，该导螺杆螺母32布置在导螺杆34上。更具体地，砧座22借助于***的弹性的弹簧元件36间接地联接至导螺杆螺母32。

这里的弹簧元件36是螺旋弹簧。螺旋弹簧的一个端部放置在突出部38上并且由相邻的肩部支撑，该突出部38位于导螺杆螺母32的面对砧座22的后侧部的端部处。螺旋弹簧的另一个端部由砧座22的凸缘支撑。

然而，代替螺旋弹簧，例如也可以采用气缸或弹性体构件作为弹簧元件36。

导螺杆34由联接至电子控制器(未示出)的步进马达40驱动。原则上，导螺杆34也可以通过手轮等进行手动驱动。

导螺杆34和导螺杆螺母32容纳在比例夹管阀10的外壳构件24中。止推轴承42搁置在步进马达壳体上并围绕导螺杆34，该止推轴承42能够支承导螺杆螺母32的轴向载荷。

沿径向延伸的销44固定至导螺杆螺母32。销44与形成在外壳构件24中并沿轴向方向延伸的狭槽46配合。销44延伸穿过狭槽46并防止导螺杆螺母32意外旋转。

此外，销44具有其他功能。布置在外壳构件24上的位置传感器48能够检测销44的原始位置。

销44的原始位置与图3中所示的比例夹管阀10的第一状态相对应，在该第一状态下，砧座22处于不干涉管道12的位置。在原始位置中，弹簧元件36基本上是松弛的，这意味着砧座22对管道12没有施加很大的压力或者根本没有施加压力。因此，管道12没有被夹压，并且介质通过管道12的流动也不受限制。

图4示出了处于第二状态的比例夹管阀10，在该第二状态下，管道12被夹压。步进马达40已经驱动导螺杆34，使得导螺杆螺母32已经朝向管道12轴向移动了一距离。砧座22因此被压入至管道12中达一定程度，使得减小了管道12的有效流横截面。然而，流动没有被完全阻断。

在此应当回想起的是，砧座22不是直接联接至导螺杆螺母32，而是直接联接至弹簧元件36。因此，管道12的夹压不是与导螺杆螺母32的位移简单地成比例，而是通过从导螺杆螺母32经由弹簧元件36间接传递至砧座22的力来控制。由于弹簧元件36是有弹性的，所以管道12的作用在砧座22上的反作用力可以致使弹簧元件36的压缩达到一定程度。结果，弹簧元件36施加至砧座22的力由管道12内部的平均压力(加上使管道12变形的力)平衡。

弹簧元件36选择成使得需要导螺杆34的显著运动来产生夹压管道12所必需的力的变化。例如，所选择的弹簧元件36可以使得导螺杆运动与压力变化的比率是没有弹簧元件的夹管阀设计(例如，如果导螺杆螺母会直接使砧座移位)的至少10倍高。因此，使用弹簧元件36允许对作用在管道12上的合力进行微调，从而可以精确地调节管道12的夹压。

在比例夹管阀设计中使用弹簧元件36还可以使压力设定点更稳定。例如，如果上游压力受到控制(如在UF/DF的情况下)，则上游压力的增加会致使砧座22上的反作用力增大。这转而进一步压缩了弹簧元件36，这允许砧座22使管道12略微减压。管道12的这种减压使压力回到目标设定点。

此外，由于管道12被砧座22夹压的长度增加(与传统的夹管阀相比)，比例夹管阀10被制成对管道12内部的压力更加敏感，这提高了敏感度并增加了压力控制的分辨力。

在图5中，比例夹管阀10被示出为处于第三状态，在该第三状态下，砧座22移位至最大程度。管道12被完全夹紧，并且介质的流动被中断。

根据第一设计原理，如图5中所示，比例夹管阀10的第三状态的特征在于，导螺杆螺母32的突出部38接触砧座22的后侧部，使得弹簧元件36不再对砧座22的位移有任何影响。这种设计提供了被夹压中断的流的高安全性，而与管道12中的压力或管道12的刚度无关。

根据未在图中示出的第二设计原理，仅通过弹簧元件36的力来实现比例夹管阀10的第三状态，即没有与砧座22的后侧部接触的导螺杆螺母32的突出部38，在该第三状态中管道12被完全夹紧。由于根据这种设计，弹簧元件36仍然允许砧座22的在远离管道12的方向上的限定的“游隙”(即弹性)，因此比例夹管阀10可以用作泄压阀。例如，如果使用管道12的过滤系统的最大工作压力为3bar，则根据设计，当导螺杆螺母32完全移位(但不与砧座22接触)时，经由弹簧元件36由砧座22施加在管道12上的力使得将允许介质在管道12中的压力高于6bar的情况下通过。这提供了更高的安全性，而无需添加单独的泄压阀。

根据未在图中示出的第三设计原理，比例夹管阀10既可以利用第一设计原理又可以利用第二设计原理。提供了一种用于在纯位移控制模式和力控制模式之间进行转换的转换机构，在该纯位移控制模式中，砧座22直接联接至导螺杆螺母32，在该力控制模式中，砧座22经由弹簧元件36间接地联接至导螺杆螺母32。转换机构可以采用例如能够将导螺杆螺母32与砧座22直接联接在一起的动力致动闩锁/联接器，或者替代性地，可以采用能够用于在导螺杆螺母32与砧座22之间直接传递力的被动“撞击(click-click)”式机构。

图6示出了比例夹管阀10的变型，其中，砧座22的前表面具有不同的形状。特别地，提供了垂直于被加载的管道12延伸的脊部50，该脊部50具有较小的高度。脊部50的目的在于更有效地利用管道12中的压力来作用在砧座22上并因此作用在弹簧元件36上。

脊部50在比例夹管阀10上需要高压差的情况下是有用的。在这些情况下的问题在于，在管道12的夹压状态下，管道12的大部分内表面彼此接触。因此，仅在被夹压的管道12的任一边缘处可能有介质流动。在这些情况下，对管道12中的压力的敏感性显著降低。通过脊部50克服了这个问题，因为脊部50进一步增加了被夹压的管道12的已经加长的长度。由于脊部50，大部分压降是在脊部50的短长度上产生的。因此，允许夹压部段中的其他地方处的内管道表面不彼此接触。以这种方式，不接触的管道表面经受管道12内的压力并因此能够作用在砧座22上。

脊部50可以位于沿着待被夹压的管道部段的长度的上游、下游、中部或者任何其他位置。可以根据对上游控制压力重要还是对下游控制压力重要来选择脊部50的位置。例如，如果要控制上游压力，则将使用位于被夹压的管道下游侧的脊部。通用阀将具有位于被夹压的管道中部的脊部。

在管道12泄漏的情况下，隔板26防止工艺流体污染外壳构件24内部的阀部件，因为隔板26使管道12被夹压的区域与比例夹管阀10的内部滑动表面隔离开。

附图标记清单

10 比例夹管阀

12 管道

14 贮槽

16 支撑构件

18 前盖板

20 螺钉

22 砧座

24 外壳构件

26 隔板

28 自由空间

30 凹槽

32 导螺杆螺母

34 导螺杆

36 弹簧元件

38 突出部

40 步进马达

42 止推轴承

44 销

46 狭槽

48 位置传感器

50 脊部