阀线性驱动装置和阀
阅读说明：本技术 阀线性驱动装置和阀 (Valve linear drive and valve ) 是由 弗洛里安·菲舍尔 拉尔夫·施特拉斯维默尔 迈克·富克斯 格奥尔格·默尔 维诺特·帕特马纳坦 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种阀线性驱动装置,该阀线性驱动装置用于连接至具有阀座(30)的阀本体,该阀线性驱动装置包括驱动壳体、阀闭合构件(32)、致动器以及弹簧装置(60)。阀闭合构件(32)能够借助于致动器(36)和致动器件(38)沿着调节轴线(V)在打开位置与关闭位置之间进行调节。弹簧装置(60)将致动器件(38)推动到打开位置中或推动到关闭位置中。此外,弹簧装置(60)包括多个弹簧(62)和用于弹簧(62)的接纳单元(64)。在此,每个弹簧(62)具有该弹簧(62)自身的形成在接纳单元(64)中的弹簧腔室(78),相关联的弹簧(62)插入弹簧腔室(78)中。此外,提供了一种具有这种阀线性驱动装置的阀。(The invention provides a valve linear drive for connection to a valve body having a valve seat (30), the valve linear drive comprising a drive housing, a valve closure member (32), an actuator and a spring arrangement (60). The valve closing member (32) is adjustable between an open position and a closed position along an adjustment axis (V) by means of an actuator (36) and an actuating means (38). Spring means (60) urge the actuating means (38) into the open position or into the closed position. Furthermore, the spring device (60) comprises a plurality of springs (62) and a receiving unit (64) for the springs (62). In this case, each spring (62) has its own spring chamber (78) formed in the receiving unit (64), the associated spring (62) being inserted into the spring chamber (78). Furthermore, a valve having such a linear valve drive is provided.)
技术领域
本发明涉及阀线性驱动装置，该阀线性驱动装置用于连接至具有阀座的阀本体，并且本发明涉及具有这种阀线性驱动装置的阀。
背景技术
现有技术中公开了用于流体的开环控制或闭环控制的阀，这些阀包括阀本体和与该阀本体分开形成的阀线性驱动装置。阀线性驱动装置和阀本体彼此连接以形成阀。
阀线性驱动装置包括驱动单元、例如压电致动器。该驱动单元可以借助于设置在阀线性驱动装置中的致动器件或致动机构来调节阀闭合构件。以这种方式，阀线性驱动装置可以至少将阀闭合构件移动至打开位置和/或关闭位置，在关闭位置中，阀闭合构件搁置在形成于阀本体中的阀座上并且对该阀座进行密封，使得没有流体可以流动通过阀。
从现有技术中还已知的是，采用弹簧装置以将致动器件在所谓的常开阀(NO阀)的情况下推动到打开位置中或者在所谓的常闭阀(NC阀)的情况下推动到关闭位置中，以在驱动单元发生故障的情况下确保限定的阀位置。
由于与温度相关的或与使用寿命相关的改变或与制造相关的公差，特别是在NC阀的情况下，对借助于弹簧装置确保阀座的长期且可靠的密封提出了挑战。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种阀线性驱动装置和一种阀，其中，即使在驱动单元发生故障的情况下，也能可靠地确保限定的阀位置。
为了实现该目的，提出了一种阀线性驱动装置，该阀线性驱动装置用于连接至具有阀座的阀本体。阀线性驱动装置具有驱动壳体、阀闭合构件、致动器以及弹簧装置。阀闭合构件能够借助于致动器和传递力的致动器件沿着调节轴线在打开位置与关闭位置之间进行调节，致动器件置于阀闭合构件与致动器之间。弹簧装置将致动器件推动到打开位置或推动到关闭位置中。此外，弹簧装置包括多个弹簧和用于弹簧的接纳单元。在此，每个弹簧具有弹簧自身的形成在接纳单元中的弹簧腔室，相关联的弹簧插入该弹簧腔室中。此外，提供了一种具有这种阀线性驱动装置的阀。
已经发现的是，在弹簧装置具有单个弹簧的情况下，当弹簧装置或弹簧被加载时出现在弹簧中的横向力削弱了致动器件返回至限定的阀位置。通过提供具有多个弹簧的弹簧装置，载荷在弹簧之间分配并且在每个弹簧中出现横向力。相比于单个弹簧，这些横向力可以至少部分地彼此补偿，由此使所产生的横向力最小化并且可以可靠地确保限定的阀位置。弹簧腔室确保弹簧相对于彼此并且相对于阀座的最佳布置结构。此外，弹簧腔室用作导引部，并且因此可以限制在弹簧中出现的横向力。接纳单元还允许将组装工作保持在较低水平处。
以这种方式，特别地，NC阀中的座紧密性得以改善。
弹簧装置优选地包括用以有效地使出现的横向力最小化的至少三个弹簧。
弹簧特别地是螺旋弹簧或更通常是压缩弹簧。
此外，弹簧装置接合致动器件，特别是沿轴向方向接合致动器件。
在一个实施方式中，致动器是压电致动器。
在另一实施方式中，弹簧各自在该弹簧的端部中的一个端部处支承抵靠驱动装置壳体，这确保了限定的力传递并且允许阀线性驱动装置具有特别紧凑的设计。
接纳单元可以包括轴向穿引部，致动器件延伸穿过该轴向穿引部。在此，在致动器件与接纳单元之间设置有间隙配合，使得接纳单元相对于致动器件具有垂直于调节轴线的游隙。当弹簧被加载时，弹簧中的横向力可能导致接纳单元相对于致动器件的相对位置将会对应地略有改变，并且由此产生的横向力减小。
此外，可以如下设置：接纳单元包括套筒元件。特别地，在此，弹簧各自在该弹簧的端部中的一个端部处支承抵靠套筒元件，并且/或者弹簧装置借助于套筒元件沿轴向方向与致动器件接合。以这种方式，阀线性驱动装置可以具有特别紧凑的设计。另外，该构型确保了弹簧与致动器件的有效的操作连接。
根据一个实施方式，接纳单元包括具有弹簧腔室的弹簧筒。
在此，弹簧筒可以具有轴向开口，套筒元件以间隙配合的方式延伸穿过该轴向开口。间隙配合允许弹簧筒相对于套筒元件的相对位置垂直于调节轴线而对应地略有改变，使得当弹簧被加载时由此产生的横向力减小。
根据另一实施方式，套筒元件包括径向突出的套环，弹簧各自在一个端部处支承抵靠该套环，由此，弹簧被有效地支承在套筒元件上并且将弹簧的弹簧力引入到该套筒元件中。
可以如下设置：弹簧可以以沿径向方向间隙配合的方式接纳在弹簧腔室中。该间隙配合确保当弹簧被加载时，弹簧可以在弹簧腔室中垂直于调节方向变形和/或移位至有限的程度，因此，较小的横向力会出现在弹簧中。同时，间隙配合确保弹簧腔室径向地导引弹簧，因此确保弹簧的限定作用。
特别地，弹簧在螺旋弹簧的情况下不是借助于接合在弹簧中的销来固定就位，而是例如经由弹簧的端部来固定就位。
此外，每个弹簧腔室可以是呈筒形形式的凹部，弹簧腔室的沿轴向方向的高度小于未加载的弹簧的高度。以这种方式，弹簧腔室可以在不会使弹簧失去其功能的情况下构成用于弹簧的相当大的一部分的导引部。
在一个实施方式中，弹簧以该弹簧的中心轴线位于圆上的方式布置，该圆布置成与调节轴线同心。在此，特别地，弹簧等距地分布在该圆上，使得所有的弹簧具有距与该弹簧相邻的弹簧相同的角距离。弹簧的这种对称布置结构确保了载荷在弹簧上的均匀分布以及由弹簧限定的阀位置。
阀闭合构件例如包括隔膜，隔膜当致动器件在打开位置与关闭位置之间进行调节时由致动器件移动。特别地，隔膜过渡到致动器件中而呈一个件。这种构型的优点在于，阀线性驱动装置由特别少数目的单个部件构成并且展现特别高度的紧密性。
为了实现上述目的，根据本发明，还提供了一种阀、特别是NC阀，该阀具有根据本发明的阀线性驱动装置以及具有阀座的阀本体，并且该阀具有以上提及的优点。
在此，致动器件可以包括挺杆，该挺杆联接至阀闭合构件并且具有径向的肩部，接纳单元沿轴向方向按压抵靠该径向的肩部。特别地，肩部在沿轴向方向观察时与阀座对准，使得在关闭位置中确保特别高的座紧密性。
根据一个实施方式，隔膜具有靠外的环形密封部段，该环形密封部段被夹持在阀本体与驱动壳体之间。以这种方式，可以以简单的方式产生可靠的附接。
附加地或替代性地，环形密封部段可以被焊接至阀本体和/或驱动壳体以确保特别紧密的连接。
另外，根据另一实施方式，阀闭合构件将形成在阀本体与阀闭合构件之间的流体空间与形成在驱动壳体与阀闭合构件之间的控制空间流体地分开。以这种方式，可以确保流体空间与控制空间之间有效且永久的介质分开。
此外，阀本体包括至少一个流入管道和/或至少一个流出管道。这些管道在关闭位置中借助于阀闭合构件来密封。
附图说明
本发明的其他优点和特征将从以下描述和附图中变得明显，在附图中：
-图1示出了根据本发明的具有根据本发明的阀线性驱动装置的阀的示意图；
-图2示出了根据图1的阀的一部分的分解图；
-图3示出了根据图1的阀的一部分的横截面图，其中，阀线性驱动装置处于关闭位置；
-图4示出了具有阀本体和部分暴露的壳体部分的根据图1的阀的一部分的立体图；以及
-图5示出了根据图1的阀的弹簧装置的俯视图。
具体实施方式
图1示出了阀10，采用该阀10以用于流体的开环控制或闭环控制。在所示的实施方式中，阀10为多件式构型并且包括：阀本体12，该阀本体12具有基部本体14和从基部本体14突出的凸缘部段16；以及阀线性驱动装置20，该阀线性驱动装置20具有联接至凸缘部段16的轴向端部。
基部本体14具有流体入口22和流体出口，待被开环控制或闭环控制的流体通过流体入口22供应至阀10，流体可以通过流体出口离开阀10。在此，流体出口与基部本体14中的流体入口22相反设置，并且流体出口在图1中未示出。
凸缘部段16(参见图3)还具有形成在凸缘部段16中的流入管道24，流入管道24与流体入口22流体连通。在图3中未示出的切换位置中，流入管道24通向流体空间26，流体空间26又与通向流体出口的四个流出管道28(参见图2)流体连通。
在替代性实施方式中，凸缘部段16当然可以包括任何期望数目的流入管道24和/或流出管道28。
更具体地，阀本体12由耐腐蚀材料形成。特别地，承载流体的管道和空间的内表面由耐腐蚀材料制成。
此外，流入管道24具有与该流入管道24相关联的阀座30(参见图3)，阀线性驱动装置20的阀闭合构件32与阀座30配合，以对通过阀10的流提供开环控制或闭环控制，如将在下面进一步论述的。
阀线性驱动装置20包括驱动壳体34(参见图1)、致动器36以及致动器件38(参见图2)。
驱动壳体34具有多件式构型，并且驱动壳体34包括罐形形状的下部部分40和安置在下部部分40上的套筒形状的上部部分42，在上部部分42中接纳有致动器36。
致动器36意在用作驱动单元，并且致动器36借助于致动器件38以力传递的方式联接至阀闭合构件32。
在本示例性实施方式中，致动器36是呈堆叠致动器形式的压电致动器。
然而，基本上，致动器36可以是任何期望的致动器、特别是任何期望的压电致动器。
致动器36在长度方面的变化借助于致动器件38传输至阀闭合构件32，由此阀闭合构件32可以沿着调节轴线V沿轴向方向在打开位置与关闭位置之间进行调节，在打开位置中，阀座30打开，并且流入管道24流体地连接至流出管道28，在关闭位置中，阀座30关闭，并且流入管道24与流出管道28流体地分开。
致动器件38在此包括挺杆44(参见图3)，挺杆44沿轴向方向延伸直至阀闭合构件32，并且例如挺杆44继续延伸到阀闭合构件32中。
阀闭合构件32在挺杆44的轴向延伸部中包括阀密封部段46，阀密封部段46与流入管道24或阀座30相关联并且沿轴向方向与流入管道24或阀座30相反。在关闭位置中，阀密封部段46按压抵靠阀座30，使得阀座30关闭。
另外，阀闭合构件32包括径向靠外的环形密封部段48和隔膜50，隔膜50从环形密封部段48径向延伸至阀密封部段46并且界定流体空间26。
在替代性实施方式中，阀密封部段46可以是隔膜50的一部分，即，隔膜50在由环形密封部段48封围的整个区域上延伸。
相比于从环形密封部段48径向向内延伸的隔膜50，环形密封部段48具有更大的轴向厚度D。
在图示的实施方式中，挺杆44与阀闭合构件32形成为一个件，例如通过将挺杆44焊接至阀密封部段46形成为一个件。因此，隔膜50一体地过渡到致动器件38中。
当然，在替代性实施方式中，阀闭合构件32和致动器件38可以设置为彼此适当联接的单独的部件。
罐形形状的下部部分40具有：底部52，该底部52具有中央穿引部54，致动器件38沿轴向方向延伸穿过中央穿引部54；以及周向壁56，周向壁56从底部52沿轴向方向朝向凸缘部段16延伸。
底部52和阀闭合构件32限定控制空间58，控制空间58通过阀闭合构件32与流体空间26永久地密封隔离开。因此，阀闭合构件32同时构成密封屏障。
此外，阀闭合构件32利用环形密封部段48被夹持在周向壁56与凸缘部段16之间，使得环形密封部段48从外部密封流体空间26和控制空间58两者。
附加地或替代性地，在阀线性驱动装置20已经联接至阀本体12之后，阀闭合构件32可以通过物与物的结合、特别是通过焊接经由环形密封部段48连接至罐形形状的下部部分40和/或凸缘部段16，以将阀10可靠地气密密封。
阀线性驱动装置20还包括弹簧装置60，弹簧装置60的功能和结构将在下面参照图2至图5进行论述。
弹簧装置60包括七个弹簧62以及接纳单元64，接纳单元64具有弹簧筒66和单独的套筒元件68。
在替代性实施方式中，弹簧筒66和套筒元件68可以一起形成为一个件。
套筒元件68具有：套筒部段70，套筒部段70具有外径d1(参见图3)；以及中央轴向穿引部72，轴向穿引部72具有直径d2并且轴向穿引部72与调节轴线V同轴地延伸穿过套筒元件68；以及套环74，套环74布置在套筒部段70的轴向端部处并且径向地突出超过套筒部段70，即套环74具有更大的外径。
弹簧筒66具有中央轴向开口76，中央轴向开口76具有直径d3并且中央轴向开口76与调节轴线V同轴地延伸穿过弹簧筒66。
套筒元件68和弹簧筒66彼此同轴地布置并且与调节轴线V同轴地布置。此外，套筒部段70径向地布置在轴向开口76内。在此，套筒部段70的外径d1和轴向开口76的直径d3各自具有使得弹簧筒66以间隙配合的方式径向地安装在套筒部段70上的尺寸。
弹簧筒66还包括七个弹簧腔室78，弹簧腔室78围绕轴向开口76布置成环形的形状。在此，每个弹簧腔室78构成用于相应的弹簧62的接纳部。换句话说，每个弹簧62布置在相应的单独的弹簧腔室78中。
弹簧腔室78是沿轴向方向延伸穿过弹簧筒66的各个筒形凹部，并且弹簧腔室78可以例如是钻孔。
在替代性实施方式中，特别是在一件式的接纳单元64的情况下，弹簧腔室78不能沿轴向方向完全地延伸穿过弹簧筒66或接纳单元64，并且弹簧腔室78可以例如是盲孔的形式。
弹簧腔室78的中心轴线80(参见图3)位于具有半径为R的圆82(参见图5)上，圆82布置成与调节轴线V同心。在此，相邻的弹簧腔室78的中心轴线80之间的每个角度α是圆的周长的七分之一，即大约51.43度，因此弹簧腔室78均匀地分布在圆82上。
弹簧62是形状相同的螺旋压缩弹簧，每个弹簧62具有第一端部84和相反的第二端部86。
原则上，在替代性实施方式中，弹簧62可以各自由任何一个或更多个弹簧元件形成。
弹簧腔室78的直径和弹簧62的直径彼此匹配，使得弹簧62以沿径向方向间隙配合的方式接纳在弹簧腔室78中。
弹簧装置60与调节轴线V同轴地设置在底部52与阀闭合构件32之间的控制空间58中。挺杆44沿轴向方向延伸穿过轴向穿引部72，并且挺杆44在套筒部段70的区域中具有外径d4，外径d4与轴向穿引部72的直径d2匹配，使得弹簧装置60以沿径向方向间隙配合的方式安装在挺杆44上。
弹簧62各自通过弹簧62的第一端部84支承抵靠底部52并且通过弹簧62的第二端部86支承抵靠径向套环74。
在关闭位置中，弹簧62各自至少部分地被压缩并且通过沿轴向方向远离底部52的弹簧力FF作用在套筒元件68上。
因此，在未压缩状态下，弹簧62各自具有大于弹簧腔室78的轴向高度H的轴向长度，使得弹簧62将从弹簧腔室78沿轴向方向对应地突出。
在此，弹簧装置60借助于套筒元件68支承在挺杆44的径向的肩部88上，并且弹簧装置60使用弹簧力FF将阀闭合构件32按压到关闭位置中。
在此，挺杆44的径向的肩部88布置成与阀座30对准，即，当阀座30和径向的肩部88在理论上平行于调节轴线V移位到共同平面中时，阀座30与径向的肩部88相交。
在此，径向的肩部88容纳在套筒元件68中的同轴的、凹入形状的凹部90(参见图3)中，因此，阀线性驱动装置20具有特别紧凑的设计。
由于这种安装情况，单个弹簧62彼此独立地起作用并且可以至少部分地补偿用于多维应力状态。特别地，横向力FQ减小或被补偿，该横向力FQ相对于调节轴线V径向地作用，并且该横向力FQ可以削弱阀闭合构件32的限定位置并因此阀座30在关闭位置中的紧密性减小或被补偿。
特别地，借助于传递弹簧力FF的部件的间隙配合的安装使所出现的任何横向力FQ有效地减小。
弹簧62的数目及弹簧62的性质根据阀10的要求和尺寸来选择。
在图示的实施方式中，诸如挺杆44、接纳单元64、弹簧62以及弹簧腔室78之类的多个部件包括具有圆形的筒形几何形状的部分。当然，在替代性实施方式中，这些部件中的每一者或部分可以根据需要进行构造，特别是构造为具有任何期望的基部面积的筒形体。
阀10的操作模式将在下面参照图3进行论述。
阀10是常闭阀，即NC阀。这意味着当没有电压施加至压电致动器36时，阀闭合构件32处于该阀闭合构件32的关闭位置。该关闭位置在图3中示出。
为了将阀10从阀10的关闭位置转换至阀10的打开位置，向压电致动器36施加电压，压电致动器36在致动器件38上施加驱动力FA。
因此，源自压电致动器36的驱动力FA大于弹簧装置60的弹簧力FF，使得阀闭合构件32可以抵抗弹簧装置60的弹簧力FF移位。
为了将阀10从阀10的打开位置转换至阀10的关闭位置，压电致动器36简单地断电或者不再施加先前施加的电压。就阀控制工程而言，这使得压电致动器36返回至压电致动器36的初始位置。弹簧装置60的弹簧力FF将阀闭合构件32以密封的方式按压到阀座30上。这清楚地表明阀10是常闭阀。
在替代性实施方式中，阀10可以是常开阀，即NO阀。这意味着当没有电压施加至压电致动器36时，阀闭合构件32处于该阀闭合构件32的打开位置。在这种情况下，阀线性驱动装置20被对应地设计成使得弹簧装置60在致动器件38上施加将阀闭合构件32远离阀座30拉动到打开位置中的弹簧力FF，例如通过将弹簧62构造为拉力弹簧，或者通过将弹簧装置60设置在底部52的相反侧部上使得底部52布置在阀闭合构件32与弹簧装置60之间并使得弹簧装置60支撑抵靠挺杆44的与底部52相反的径向的肩部88而使得弹簧装置60在致动器件38上施加将阀闭合构件32远离阀座30拉动到打开位置中的弹簧力FF。
因此，在所有实施方式中，提供了具有弹簧装置60的阀线性驱动装置20和阀10，当受到载荷时，阀线性驱动装置20和阀10展现较低的横向力FQ并且因此可靠地确保了限定的阀位置。
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