CN1471617A - 控制流体流动的装置和方法 - Google Patents

Abstract

致动器基座(16)、绕线管(14)和极靴(24)形成一个用于电枢(30)的容器，柔性膜片(40)密封该容器以便形成以不能压缩的流体填充的一个电枢容腔。膜片(40)保护该电枢(30)不暴露于导管(44)中流动的腐蚀性流体。能够通过驱动该膜片(40)顶压阀门座(54)而停止导管流通。导管(40)中的受控流体的压力经过膜片传递到电枢容腔中的流体，因此该电枢不需要抵消由导管流体的压力加到膜片(40)的力。

Description

控制流体流动的装置和方法

发明背景

本申请是2001年10月25日提交的标题是″铁磁体/流体阀门致动器″的美国申请09/696154的继续申请。本申请也是2001年8月7日提交的美国申请09/924130的继续申请，该申请又是1999年10月21日提交的美国申请09/422553的美国申请分案申请，标题是″降低能耗的致动器″，美国专利号是6293516。本申请也是2001年10月19日提交的美国申请10/037473的继续申请，该申请又是2000年2月29日提交的美国申请09/514491的继续申请，标题是″降低能耗的致动器″，美国专利号是6305662。上述提到的申请结合在此用于参考的目的。

发明领域

本发明涉及在各种系统中的流体流动的控制。

背景技术

工业、农业和家庭中使用各种类型的用于控制流体流动的系统。最常见形式的电操作阀门采用缠绕在一个绕线管上的一个螺线管，而且在该绕线管内放置一个阀门部件并且由流经该螺线管的驱动电流所驱动。在一个闭合位置，阀门部分的梢端顶压阀座并且从而停止通过该阀座所在管道的流体的流动。虽然在多数情况下的阀门部件的梢端是由合成树脂或其它弹性材料制成，但是阀门部件的其它部分是由具有很高导磁率的材料，例如钢材料制成，使得其受到来自螺线管的磁场力并且起到一个螺线管电枢的作用。

在电池操作的致动器中，电阀门控制电路应该采用尽可能少的电能。为了实现高能效率的操作，该阀门部件(即螺线管的电枢)需要尽可能高地导磁。此外，在栓闭阀门中(即阀门的致动器需要功率打开或关闭该阀门，而是不保持其打开或关闭的状态)，在电枢起动过程中，电阀门控制电路应该只施加所必需的最小的、并且持续时间最短的驱动电流。在非栓闭致动器中，用于保持阀门打开的过高的驱动电流还可能徒然降低电池的寿命。因此，降低能耗是致动器设计的一个重要的方面。

在许多已有技术的致动器中，水(或其它所调控的流体)能够流入包含该致动器的绕线管的腔中。该致动器常包括一个与内部空腔连通的流动通道，以提供一个低流阻路径，并且补偿在该阀门部件的外部压力(即由该调节的流体施加在该电枢上的压力)。因此，该调节的流体响应对该致动器的闭合或打开而来回流动。这通常会引起电枢的退化(即腐蚀)以及在绕线管腔内累积的金属和其它离子(即其它沉积物)所带来的问题。问题的严重性取决于调控流体的类型，例如水的类型。

如上所述，最理想的螺线管电枢应具有尽可能高的磁导率。但是，具有很高磁导率的材料通常具有低的耐蚀性。因此，过去设计师不得不为了耐蚀性而牺牲导磁率。例如，碳钢具有高磁导率，但是十分易受生锈和腐蚀的损害。因此，设计师采取高导磁率等级的不锈钢，即使不锈钢的导磁率比碳钢低。然而，设计师还面临上述的淀积问题，即与通过电枢、绕线管或其它阀门元件防止流体污染的相反的问题。

因此，仍然存在改进阀门致动器的需要。

本发明概要

本发明涉及用于控制在各种系统中的流体流动的装置和方法。

根据本发明的一个方面，一种电磁致动器包括一个螺线管和一个电枢外壳，用于来构成一个电枢容器，用于容纳包括末梢部分的一个铁磁体电枢。该致动器还包括相对于该容器固定的一个膜片，并且用于至少局部地封套该末梢的梢端，以便将电枢流体密封在该容器内部，其中该电枢末梢部分相对于由该致动器控制的阀门通道而移动该膜片。

根据本发明另一方面，一个电磁致动器，包括一个螺线管和形成一个电枢容器的电枢外壳，在该容器之内放置有一个铁磁电枢。该致动器可由流经该螺线管的驱动电流操作，以便在缩进和伸出电枢的位置之间驱动该电枢。该致动器包括一个固定在容器口的柔性膜片，从而当该电枢移动到其延伸的电枢位置时向外变形并且继而利用该电枢外壳一起形成一个包括该电枢的实质上不透流体的电枢容腔。一个实质上不能压缩的流体将实际占据未由电枢占据的整个容腔体积。

根据本发明的另一方面，阀门包括形成提供阀门座的流体流动通道的一个导管，以及一个电磁致动器。该电磁致动器包括一个螺线管和形成一个电枢容器的电枢外壳，在该容器之内放置有一个铁磁电枢。该致动器可由流经该螺线管的驱动电流操作，以便在缩进和伸出电枢的位置之间驱动该电枢。该致动器还包括固定在该容器口一个柔性膜片，从而当该电枢移动到其伸出电枢位置时变形并且密封地顶压该阀门座，从而阻止流体流经该流体流动的通道，其中该膜片和该电枢外壳形成一个包含该电枢的实质上不透流体的电枢容腔。一个实质上不能压缩的流体将实际占据未由电枢占据的整个容腔体积。

本发明这些方面的最佳实施例包括一个或多个下列特征。该致动器可以包括用于形式一个栓闭致动器的一个永久磁铁。该致动器可以包括一个偏置弹簧，用于定位并且把所说的电枢向其延伸位置偏置。当该电枢处在其延伸的电枢定位时，该电枢的末梢部分(即电枢梢端)可被用于压迫该膜片而顶压该阀门座。该末梢部分支承的区域相对暴露于膜片的导管上游的该膜片的区域的比例是在1.4和12.3之间。

该电枢流体可以包括由抗腐剂构成的不可压缩的流体。该不可压缩的流体可以实质上由水与抗腐蚀剂的混合物组成。

根据本发明的另一个方面，一个致动器系统包括：一个致动器，包括一个电枢和可通过应用一个线圈驱动操作的一个线圈，从而移动该电枢，以及一个局部密封该电枢的一个膜片。该致动器系统还包括一个电枢检测器，被构成用于检测该电枢的位移；以及一个控制电路，可操作用于响应来自该电枢检测器的输出而开始把线圈驱动加到该线圈。

根据本发明的另一个方面，一个致动器系统包括：含有一个电枢、一个膜片、和一个线圈的致动器，该线圈可由其上第一驱动方向的线圈驱动操作以便在第一电流方向传导电流，并且从而趋向于将该电枢驱动到一个第一未端位置；  耦合到该致动器的一个声音检测器，用于检测由达到该第一末端位置过程中的电枢产生的声音，该声音检测器产生一个指示其所检测声音的检测器输出。该系统还包括一个控制电路，可操作来开始在第一驱动方向把线圈驱动加到该线圈，并且响应满足一个预定的第一电流终止判据的该检测器的输出，以便停止在第一驱动方向把线圈驱动加到该线圈。

在本实施例中，该线圈最好可在一个第二驱动方向上由其上施加的一个线圈驱动操作，以便在第二电流方向传导电流，并且从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置；该检测器被耦合到该致动器，从而检测达到该第二末端位置的电枢；并且该控制电路可操作来开始在第二方向把线圈驱动加到该线圈，并且响应满足一个预定的第二电流终止判据的该检测器的输出，以便停止在第二驱动方向把线圈驱动加到该线圈。

该致动器可以包括不同的第一和第二电流终止判据。

本发明设计的技术方案降低通常出现在驱动该致动器电枢的过程中的能耗。一个电枢检测器监视该电枢的移动或确定该电枢已经到达其行程末端的时间。根据来自电枢检测器的信号，在一个选择点结束对该致动器线圈驱动的驱动信号。这将能够大大减小能量消耗，因为线圈驱动持续期因此不总是需要足够长到满足通常在没有应用电枢检测器时的最坏情况的要求。这将能够导致电池寿命的显著增加。

根据本发明的另一方面，该阀门致动器能够使用具有例如不锈钢铁磁体类型的高磁导率的材料而不考虑其低耐腐蚀力，并且该电枢不需要经受提供一个可接受的耐腐蚀力等级的若干处理步骤。因此，本发明的设计降低了阀门造价，即减小由于电枢的导磁率不是最大可能地优化该电枢的导磁率而加大螺线管线径的要求。

在一个最佳实施例中，把一个柔性膜片固定在该电枢在其中移动的该容器的末端上面，从而防止电枢的高磁导率材料暴露于被控制流经该阀门的可能是腐蚀性的流体。此外，以不能压缩的流体填充该电枢容器，以便平衡由受控流体压力所施加的力。

本发明通过克服例如授予Nagel的美国专利5941505所存在的问题而改进已有技术的各种设计，防止了在保护该受控流体不受阀门组件杂质影响的膜片中的渗漏。

附图的简要描述

图1是一个电操作阀门致动器的截面图。

图2是一个电操作阀门致动器另一实施例的截面图。

图2A是在2示出的操作器的部件分解图。

图3是图2示出的包括一个压电换能器的操作器的截面图。

图4是阀门致动器的控制系统的方框图。

实施例详细描述

参考图1，示出工业、农业和家庭中使用各种类型的用于控制流体流动的系统。可电操作的阀门10使用螺线管把一个柱塞驱动到一个阀门座中从而停止通过其中放置该阀门座的管道的流动。具体地说，阀门致动器10包括一个致动器基座16、铁磁体极靴24、可滑动地装在极靴24中形成的一个电枢容器中的铁磁体电枢30、和缠绕螺线管线轴14缠绕的一个螺线管线圈28。阀门10还包括一个在螺线管线轴14和致动器基座16之间形成一个密封的可弹性变形的O型环12，都这些部件都由一个外壳18整合为一体。在其上端，绕线管14形成一个磁铁凹进处20，被用于形成一个盘状磁铁22。螺线管外壳18(即容仓18)压接在致动器基座16，以便保持磁铁22和极靴24顶压线轴14，从而在容仓18内固定线圈28和致动器基座16。

阀门致动器10可以被构成栓闭式(如图1所示)或非栓闭式。该栓闭式实施例包括提供磁场的磁铁22，该磁场的取向和力量足以克服一个螺旋型弹簧48的力，并从而即使在螺线管线圈28中没有驱动电流流动之后仍然保持电枢30处在开启状态。在非栓闭实施例中，不存在永久磁铁(即磁铁22)。为了把电枢30保持在开启状态，必须让驱动电流持续流经线圈28，以便提供必要的磁场。如果没有驱动电流，该电枢30在弹簧48的弹力作用下进入关闭状态。另一方面，在栓闭式实施例中，驱动电流以相反的方向加到线圈28，以便在该开启和关闭状态之间移动电枢30，但是不需要驱动电流来保持任一状态。

参考图1，致动器基座16包括一个实际处在容仓18之内的一个宽基座部分和一个变窄的基座扩展部分32。该阀门致动器还包括具有肩部42的一个可弹性变形的膜片40。

该基座扩展32的外表面与由安装块体34的上表面形成的一个凹进提供的互补螺纹螺旋啮合。由在该基座扩展32的下表面中的一个扩孔形成的一个环状表面36挤压可弹性变形的膜片40的一个加厚外围边缘38，顶压形成在该安装块体34的上凹进处中形成的肩部42。这将产生一个不透流体的密封，使得该膜片保护该电枢30不被暴露于在安装块体34的内部流体导管44中流动的流体。还配合一个O型环密封46，形式一个以一种电枢流体(即液体或气体)填充的不透流体的电枢容腔，该流体最好是相对无粘性的、不可压缩的和无腐蚀性的。

例如，该电枢流体可以是混合了抗腐蚀剂的水，例如混合了20％的聚丙烯乙二醇和钾磷酸盐的水。另外，电枢液体可以包括硅基液体，聚丙烯聚乙烯乙二醇或其它具有大分子的流体。该电枢液体通常可以是相对于该电枢而言具有低粘性和非腐蚀性的任何不可压缩的液体。由于这种保护，图示实施例的电枢材料能够是低碳钢的电枢；耐腐蚀力不象其在没有这种保护的情况中那样的大的因素。其它实施例可以采用例如420或430系列不锈钢的电枢材料。仅需要该电枢实质上由一个铁磁材料组成，即一个螺线管和磁铁能够吸引的材料。虽然如此，该电枢实质可以包括例如柔性梢端，即不是铁磁体的部件。

操作中，放置在电枢30中心空腔50中的环形弹簧48支承顶压一个腔肩52并且由此趋于把电枢30从图1所示的缩进位置推向一个延伸位置。在非栓闭实施例中，电枢30趋于达到没有螺线管电流的延伸位置。在图1所示的栓闭实施例中，电枢30被磁铁22保持在没有螺线管电流情况下的缩进位置。为了把电枢驱动到该延伸位置，要求电枢电流的方向和幅值所产生的磁力足够抵消磁铁的磁力，以便使得该弹簧力起主导作用。当实现这种效果时，弹簧力把电枢30移动到其延伸定位，其中使得膜片40的外表面密封顶压形成在该导管44中的安装块体34的阀门座54。这将停止该导管44中的流体的流动。在该位置，电枢距该磁铁有足够的空间，该弹簧力能够保持该电枢的延伸而无需螺线管的帮助。

弹性膜片40密封在与由电枢主体形成的一个电枢端口56连通的一个流体密闭的电枢容腔中的电枢流体。而且，弹性膜片40暴露于导管44中的被调节流体的压力并且可能因此经受相当的外部力量。但是，电枢30以及弹簧48不必克服该力量，因为该导管的压力通过膜片40传递到在该电枢容腔中的该不可压缩的电枢流体。因此，在容腔中的该压力产生的力与该导管压力施加的力平衡。

参考图1，在容腔中的电枢30根据流体压力在缩进和延伸位置之间自由移动。电枢端口56实现从该电枢容腔的下腔58通过弹簧空腔50转移到在致动时已经从其中撤出的电枢上端(即梢端)的该电枢容腔部分的流体的力平衡。虽然电枢流体也可以围绕电枢的侧面流动，但是需要快速电枢运动的装置应该具有一个很低流阻的路径，例如端口56协助形成的一个路径。类似的考虑支持使用相对无粘性的电枢容腔流体。

为了把电枢返回到示出的缩进位置并且从而实现流体的流动，电流被驱动通过螺线管，其电流方向使得产生的磁场加强磁铁的磁场。如上所述，磁铁22施加在缩进位置中的电枢上的力量足够大，以便将其保持在那里顶压该弹簧力。但是在一个不采用这种磁铁的单稳定状态型的电枢中，只要该螺线管传导用于产生超过该弹簧力的磁力的足够电流，该电枢就将保持在该缩进位置。

简单地说，膜片40保护电枢30并且产生以一种无腐蚀性很低流体填充的空腔，这将使得致动器设计师能够在高耐腐蚀力和高磁导率的材料之间进行更有利的选择。而且，膜片40提供了对于那些倾向进入该空腔的金属离子以及其它渣粒的屏障。

在图示的实施例中，电枢30的低端形成一个具有与膜片40接触的缩窄的梢端部分60(柱塞)，该膜片40又与阀门座54接触。柱塞表面与阀门座开口面积相关，它们都是能够被增减的。可以针对该阀门致动器所设计操作的压力范围而优化该柱塞表面和阀门座54的表面。降低该柱塞表面(即缩小梢端部分60)将减小涉及挤压膜片40而顶压阀门座54的柱塞面积，并且这又降低了针对一种给定上游流体导管压力而需要的弹簧力。另一方面，把该柱塞梢端区域作得太小将会易于在阀门关闭的过程中损坏膜片40。已经发现，梢端接触面积对阀门座开口区域的最佳比值范围是在1.4和12.3之间。本发明的致动器适合于各种控制流体的压力。包括大约150psi的压力。在不作任何实质修改的条件下，该阀门致动器可以使用在大约30psi到80psi的范围中，甚至在大约125psi的水压下使用。

图2和2A示出一个可电操作的阀门的另一实施例。阀门致动器10A包括磁铁23、铁磁极片25、铁磁电枢80、可滑动安装在极靴中形成的电枢容器25以及一个致动器基座70。阀门10A还包括关于螺线管线轴14缠绕的螺线管线圈28、弹性膜片90和导引主体部件100。可弹性变形的O型环12形成在螺线管线轴14和致动器基座16之间的一个密封，都这些部件都由一个外壳18整合为一体。绕线管14形成凹进处20，用于极靴25和盘状磁铁23的末端。外壳18压接在致动器基座70，以便保持磁铁23以及极靴25顶压绕线管14并且从而把线圈28和致动器基座70固定在一起。与阀门致动器10类似，阀门致动器10A可以被构成栓闭式(如图2所示)或非栓闭式。

参考图2和2A，致动器基座70包括与绕线管接触的一个宽基座主体、压接在内的容仓18和一个缩窄的基座延伸部分。

致动器基座70的该缩窄的基座延伸包括外螺纹72和内螺纹74。内螺纹74与导引主体部件100的外螺纹101互补配合，以便啮合一个可弹性变形的膜片90。

可弹性变形的膜片90包括外环92、适应区94和有弹性的C形状区96。膜片90可以是EDPM隔膜或其它类型的隔膜。总的来说，根据导引主体部件100和电枢80的柱塞86的设计和尺寸，可变形膜片90和区域96可以具有各种形状和尺寸。可变形膜片90由坚固材料制成并且至少可以局部地由一种有弹性的材料制成。而且，该可变形膜片90的材料的选择要耐得住可能由导引主体部件100中的所调节的流体引起的退化。因此只要具体地针对所调节流体设计可变形膜片90和导引主体部件100，就能制造同样的阀门致动器用于各种工业、农业应用。在医疗应用中，膜片90和导引部件100被杀菌，即可以由易处理的材料制成。因此，该阀门致动器可以利用新的易处理的元件而被重复使用。

铁磁电枢80包括梢端部分86(即柱塞86)和用于容纳弹簧84的弹簧空腔82，具有锥形未端部分84A和84B。该锥形弹簧未端使设计能够进行调整和组装。

铁磁电枢80还包括一个能使流体在空腔82之间沟通的一个通道85和由O型环密封46和膜片90密封的容腔89。这将再一次产生用于该电枢流体的流体密闭的密封，其中膜片90防止电枢80暴露地处在与导引主体部件100接触的外部流体中。如上所述，该电枢流体最好具有很低的粘性并且是非可压缩的和非腐蚀性的流体。而且，随着致动器的移动，绕线管14、极靴25、电枢80和通道85实现一个相对无阻碍的密封电枢流体的流动，即出现一个用于该电枢液体的低阻路径。

致动器组件包括可反复产地固定到该操作器组件的导引主体部件100，这提供了许多优点。具体地说，导引主体部件100包括在极靴70中与互补螺纹74啮合的外螺纹101，和一个凸缘102。凸缘102衔接顶压极靴70的肩部分76，提供对于拧到该操作器组件上的导引主体部件的一个确定止动。该确定止动提供一个在有弹性的部分96的外表面和阀门座104之间的已知的、实际恒定的距离和几何结构。该已知的、实质上恒定的距离和几何结构又保证了该阀门部件的可反复闭合和开启的功能。

总的来说，在现场维修或替换的过程中，该阀门致动器或其它元件可以移去或替代，这又可能引起在该阀门致动器的阀门座104和元件96之间的距离的变化。而且，各种部件的容差和O型环可变形性可能导致该导引主体中心管道106相对于有弹性的部分96的位置中的某些易变性。这种易变性能够引起该阀门操作中或在开关时间上的产生的易变性。另一方面，当导引部件100被预装配在这个阀门操作器之上时，导阀和阀门座间距和几何结构即被设置，如图2和3所示。

在该关闭位置，有弹性的部分96封闭阀门座104的开口，并且因此阻止流体从导引通道105流到导引通道106。导引主体部件100可以经过导引通道105和106耦合到一个隔膜。因此，使用导引主体部件100是对于隔膜控制的冲洗阀门，例如美国专利5125621、5195720、5196118和5244179公开的隔膜控制冲洗阀门的一个新奇改进，这些美国专利结合在此作为参考。而且，可以把几个隔膜级联在一起，其中通道105和106连接到较小的第一个隔膜，这又控制较大的第二个隔膜，该较大的第二个隔膜使在其开启状态中能够有大量的流体流动通过该隔膜。这两个隔膜链接在一起产生一个对于由一个隔膜实际控制液体流动的放大效果。

图3示出该阀门致动器的另一实施例。阀门致动器10B包括缠绕在线轴14上的线圈28和安装在致动器外壳18内的致动器基座70。栓闭型阀门致动器10B包括栓闭磁铁23、铁磁极靴25、和可滑动地安装在极靴25中形成的电枢容器中的铁磁电枢80。弹性可变形O型环12形成在螺线管线轴14和致动器基座70之间的一个密封，并且O型环46形成在极靴24和螺线管线轴14之间的一个密封。绕线管14形成凹进处20，用于极靴25和盘状磁铁23的末端。阀门致动器10B还包括一个位置检测器，例如放在检测器外壳112中的一个压电换能器110。非栓闭型的阀门致动器10B不包括栓闭磁铁23，但是可选择地在磁铁23的位置包括有位置检测器。如上所述，这些致动器元件被压接在螺线管外壳18内。

参考图3，阀门致动器10B还包括放置在基座70和导引主体部件100之间的可弹性变形的膜片90。如上所述，致动器基座70包括与线轴14接触的一个宽基座主体和一个缩窄的基座延伸部分。致动器基座70的该缩窄的基座延伸包括外螺纹72和内螺纹74。导引主体部件100包括与互补内螺纹74啮合的外螺纹101，和一个凸缘102。(另外，致动器基座70和导引主体部件100可以通过其它类型的锁定机构连接。)凸缘102衔接顶压极靴70的肩部分76，提供对于拧到该操作器组件上的导引主体部件的一个确定止动。同样，该确定止动提供一个在有弹性的部分96的外表面和阀门座104之间的已知的、实际恒定的距离和几何结构。

如上所述，可弹性变形的膜片90包括外环92、适应区94和有弹性的C形状区96。根据导引主体部件100和电枢80的柱塞86的设计和尺寸，可变形膜片90和区域96可以具有各种形状和尺寸。

铁磁电枢80包括柱塞86和用于容纳弹簧84的弹簧空腔82，具有锥形未端部分84A和84B。该锥形弹簧未端使设计能够进行调整和组装。柱塞86可以具有圆形、椭圆形、矩形或其它剖面。铁磁电枢80还包括一个能使流体在空腔82之间沟通的一个通道85(图2A所示)和由O型环密封46和膜片90密封的容腔89。这将再一次产生用于该电枢流体的流体密闭的密封，其中膜片90防止电枢80和柱塞86暴露于处在与导引主体部件100接触的外部流体。即，由电枢流体环绕的整个电枢80实质具有加到电枢表面的平衡压力(即电枢80实质上″浮″在这电枢流体中)。如上所述，该电枢流体最好具有很低的粘性并且是非可压缩的和非腐蚀性的流体。而且，随着致动器的移动，绕线管14、极靴25和70、电枢80和通道85实现一个相对无阻碍的密封电枢流体的流动，即出现一个用于该电枢液体的低阻路径。

如上所述，致动器组件有益地包括导引主体部件100，可反复地固定到该操作器组件。凸缘102衔接顶压提供一个确定止动的极靴70的肩部76，该确定止动提供了在有弹性的部分96和阀门座104之间的一个已知的、实质上恒定的距离和几何结构。该已知的、实质上恒定的距离和几何结构又保证了该阀门部件的可反复闭合和开启的功能。而且，导引主体部件100可被成形来容纳一个隔膜。

图4是局部示意图，局部地示出用于阀门致动器10C的一个控制电路。控制电路130包括读出放大器和包络检测器132、比较器134、从一个目标检测器138接收信号的微控制器136、比较器140和阀门驱动器142。为了关闭阀门，阀门驱动器142通过例如终端29A和29B施加一个激励电压，以便传送一个驱动电流通过线圈28，如美国专利6293516和6305662中描述的那样，这两个专利都结合在此作为参考。

通常，阀门致动器可以使用不同类型的控制电路，例如美国专利5781399、5803711、5815365或6021038中描述的电路。驱动电流感应出主要由铁磁体外壳18、后极靴25、前极靴70导引的对应磁冲量。在栓闭实施例中，激励电压的极性使得产生的磁通量与永久磁铁23的磁通量相反。这将中断磁铁23对于电枢80的保持并且使得恢复弹簧84连同膜片部分96一起将柱塞86驱策到阀门座104。一旦该阀门已经因此关闭，该恢复弹簧则保持其关闭而不需来自线圈的任何进一步的帮助。在该关闭状态中，由于电枢22距磁铁23的增加的距离，磁铁23对于电枢22的磁力小于恢复弹簧84的弹力。

为了打开阀门，阀门驱动器142在相反的方向施加激励电压，使产生的磁通量具有与磁铁23的磁通量相同的方向。因此，施加的磁通量增强永久磁铁18的磁通量并且克服恢复弹簧84的力量。因此，电枢80向磁铁23移动，并且在柱塞86的缩进位置，永久磁铁23的力量足够大以便保持电枢80抵消恢复弹簧84的力而不必施加任何″保持″驱动电流。另一方面，在该非栓闭实施例中，必须施加该″保持″驱动电流，因为其中没有永久磁铁23。

由于该栓闭阀门的双稳态的特性，操作该阀门的控制电路通常在该阀门已经达到该期望的状态之后即中断电流的流动。

因为该阀门达到该期望状态所需要的时间可能大范围地变化，所以该传统的控制电路将使得电流流动的持续期相当长，因此这将是出现最坏情况的充分条件。因为大多数的启动不是在最糟情况环境下执行，因此在阀门达到其稳定位置之后其线圈驱动通常会延续一段时间。这将是电池能量的一种浪费。为了减小这种浪费，控制电路130能够监视该电枢，以便确定该电枢是否已经达到其终点，并且恰好在其达到终点之前或当其达到终点时停止施加线圈驱动。

通常，为了监视柱塞86的位置，阀门致动器10B包括可以是一个压电换能器的一个电容换能器、一个电感换能器、一个光换能器或任何直接或间接与电枢80耦合的其它变换器的一个位置检测器。例如，压电换能器110利用了当电枢达到其行程的一未端时该电枢产生的声音监视电枢80的位置。在此使用的术语“声音”是压力或应力波的广义解释。而且在大多数实施例中，该″声音″的主要频率分量通常高于可听范围。

在图3示出的实施例中，电枢检测器是响应该外壳壁中的振动的压电换能器110。压电体元件110的大小和形状通常具有的选择要使得对于主要频率分量的响应最大，并且通常安装在要检测的声音为最大幅度或最可从噪音区别的一个位置中。另外，电枢检测器是一个电容检测器，包括放置在静止致动器面上的一个板极和放置在移动电枢80的一个表面上的其它板极。电枢80的移动引起两个电容器板极的相对移动，这又改变该测量的电容值。根据该电容值，电容检测器确定电枢80的末端位置或任何即时位置(并且因此确定柱塞86的位置)。

另外，电枢检测器是一个光检测器，包括光源和光检测器。该光源发出辐射光，从电枢的反射面反射(或可能发送经过)并且由检测器检测。该反射面改变该发出的光信号。

因此，该检测信号随着电枢的位置改变(即随着柱塞86的即时位置改变)。根据该检测的光信号，光检测器确定电枢80的末端位置或任何即时位置。另外，该电枢检测器使用一个电磁辐射源和一个对应的检测器。该检测器测量根据该电枢位置由该电枢产生的电磁辐射的扰动。根据该检测的扰动的辐射，光检测器确定电枢的末端位置或任何即时位置。

再一次参考图3，终端114通过由例如塑料帽112固定就位的一个接触弹簧116提供对该换能器110电极之一的电传递。例如，如果该换能器由在外壳和电极之间的导电结合固定到该外壳18，则线圈28可以共用换能器110的另一电极。

参考图4，压电检测器110把一个检测器信号131提供到放大器和包络检测器132，其包括调谐到预期的声音主要(通常超声波范围)频率分量的放大器。放大器和包络检测器132检波该产生的滤波信号，并且低通滤波该产生的结果，以便产生表示调谐放大器输出包络的一个输出信号。当电枢80达到一个终点并且使得外壳振动时，产生的包络值超出一个比较器134施加的一个阈值。由于在该说明的实施例中当阀门开启时的音波幅度高于其关闭时的音波幅度，所以一个微控制器136设置一个比较器阈值，当该阀门被开启时的阈值不同于当该阀门被关闭时的阈值。

微控制器136可以响应来自一个目标检测器138的触发信号操作该阀门致动器。控制电路130的构成能够以检测人的出现或运动的不同类型的目标检测器操作。例如，目标检测器138可以是一个超音波检测器、电容性的检测器或光检测器，例如在美国专利5984262、6127671或6212697中描述的任何检测器之一，所有这些美国专利结合在此作为参考。

根据一个实施例，目标检测器138是美国专利6212697中描述的一个光检测器。该光检测器包括一个光源和一个光检测器。光源(例如一个红外LED)放置在一个透镜之后，该透镜通常有用于光有用部分的圆形部分。光源透镜形成球状凸透镜的后表面，具有0.63英寸曲率半径和一个外围边缘，该外围边缘定义了对于一个直线的平面法线该直线以与水平横向为18.6度的角度向右下延伸。透镜的前出口表面也是球凸状，具有2.0英寸曲率半径和一个外围边缘，该外围边缘定义了对于一个直线的平面法线，该直线以与水平横向为9.8度的角度向左延伸。该光源被定位以便提供美国专利6212697中描述和示出的一个辐射图。该辐射检测器(例如一个光电二极管)放置在接收透镜之后，该接收透镜具有的左、右表面的形状与发射透镜对应于表面相同。该接收透镜表面收集来自从一个目标(例如在一个小便池前面的一个人)并且直接朝着该辐射检测器方向接收光。此设计用于一个接收机方案并且在美国专利6212697中描述和示出。

例如，当检测器检测用户离开冲洗器附近时，在从目标检测器138接收一个触发信号时，微控制器136可以把一个″打开″信号提供到阀门驱动器142。而且，在该阀门已经打开了一个预定的持续时间之后，微控制器136可以提供一个″关闭″信号。为了开启该阀门，微控制器设置一个加到阀门驱动电路142的开启(OPEN)信号。这将使得该电路在使得阀门开启的方向驱动该电流通过致动器28的线圈。

当电流开始流动时，比较器134的输出最初指示该放大器132的输出小于此阈值，所以该放大器不接收与该电枢达到其行程未端一致的一个幅值的声音。该微控制器136因此保持该要求的OPEN信号。但是比较器134的输出响应在电枢80的行程结束产生的声音而改变。当电枢80已经达到该点时，阀门将停留在开启而没有电流流动，所以该微控制器解除维护其OPEN输出，并且从而使得阀门驱动器142停止把驱动电流施加到致动器的线圈28。该结果通常是，该电流流动持续时间要比在最坏情况条件下开启该阀门所需要的时间小得多，所以该系统节省可观的能量。

为了关闭该阀门，微控制器136维护其关闭(CLOSE)输出并且由此使得阀门驱动器142以相反的方向将该驱动信号施加到该致动器线圈28。同样，该微控制器将仅将电流流动提供到比较器134通知这电枢已经达到其行程的未端时为止。

控制电路130不仅可用于控制该驱动信号的持续时间而且可用于控制其幅值。驱动信号持续时间可以在小于1毫秒到大约10毫秒的范围中，最好是在1.5毫秒到8毫秒的范围中。高到足以用于普通操作的一个线圈驱动电平可能有时会是不充分的电平，并且如果该电枢未能达到该终点，则能够增加该线圈驱动电平。增加该线圈驱动电平的一种方法是增加通过该致动器线圈放电的电容器上的电压。

图4描述了由一个电池144供电的阀门驱动器142的情况。阀门驱动器140通常包括能量存储电容器，电池144通过电感器L1和Shottky二极管D1在启动之间充电。当该微控制器136维护其OPEN或CLOSE信号，该驱动器通过致动器的线圈28放电该电容器。通常，是电池144电压的本身确定该电容器将被充电的电压情况，并且该电容器的充电又确定该线圈电流而因此确定电枢的力量。

在某些条件下，各种因素(例如由于高温引起的元件膨胀、由于低温引起的致动器液体粘滞、膜片90或其它致动器元件的退化)可以使得其比通常移动电枢80更困难。但是，该驱动信号通常设置在正常操作值。另外，如果该电池电压被设置成高到足以对付这种更困难的情况，则在正常操作期间，将导致通常使用的能量属于是不必要地高的情况。因此，本实施例使用的电池电压电平对于正常状态是足够的高但是对于更困难情形则属不足。

如果在驱动信号的最初作用之后该电枢尚未移动，或在预定最大电流流动持续期中尚未到达其行程末端，则控制电路130被构成用于增加该电容器电压。具体地说，当达到预定的最大电流流动持续时间时，微控制器136暂时截止该阀门驱动器，并且开始通过一个限流电阻R1脉冲激励一个晶体管Q1。在每一个脉冲期间，晶体管通过电感器L1从电池获取电流。但是由于二极管D1的作用，该晶体管并不放电该阀门驱动器的电容器。在每一脉冲的结束，晶体管Q1关断，并且电感器L1中产生的电动势使得电流继续流动并且因此通过二极管D2充电该驱动电路的电容器，即使那些电池电压超出电池144的电压。所以那些电容器能够被充电到超过电池电压的电压值。

为了实现正确的电容器电压，比较器140把电容器电压与微控制器136设置的一个电平比较。响应该比较器的结果输出，如果该电容器电压小于该阈值，则该微控制器136增加该脉冲的占空因数，并且如果该电容器电压超出该阈值，则该微控制器降低该脉冲的占空因数。该阈值被设置成高于该电池电压，因此当微控制器随即再次开启该阀门驱动器时，在该电枢上的力量更大并且更可能开启或关闭该阀门。

说明的实施例仅是能够采用本发明指教的许多实施例的之一。例如，虽然优选使用一个声波检测器，具体地说是使用一个超声换能器，但是能够使用其它检测该电枢行程未端的方法。而且，尽管该示出的实施例在阀门开启时和关闭时都控制线圈驱动持续期，但是某些实施例可以仅控制在开启过程中的持续时间或仅控制在关闭过程中的持续时间。并且操作不同于阀门的机械结构的栓闭致动器系统也可以受益于本发明的指教。

而且，虽然采用了一个简单的幅度判据来确定该电枢是否已经到达其行程的未端，但是可以找到其它判据更适于某些应用。例如，可以对音频信号取样并且通过信号处理与知是该电枢达到其终点之一的特性的一个存储波形比较。该存储信号可以针对不同终点而不同，并且可以有这样的情况，其中认为有必要使用一个比较来区别致动器的两个状态。

上述阀门致动器的任何之一都适合于许多应用。例如，描述的阀门致动器可被用于2000年11月20日提交的美国申请No.718026中描述的一个双流体阀门，该美国申请在此结合作为参考。另外，该阀门致动器可被用于在美国专利6161726或PCT应用PCT/US99/30898(公开为WO 00/38561)中描述的一个流体分配系统，这两个专利都结合在此作为参考。此外，该阀门致动器可被用于使用在农业或园艺中的各种灌溉系统。

已经描述了本发明的实施例和实施方案，对于本专业的技术人员来说显见的是，上述内容只是以实例的方式进行说明而不是限制。在上述列出的出版物中描述有适合于上述实施例的其它实施例或元件，所有这些实施例或元件都结合在此作为参考。任何一个元件的功能可以用可选实施例中的各种方法实现。并且，在可选实施例中的几个元件的功能可以通过较少的或单一元件实现。

Claims (24)

1.一种电磁致动器，包括：

一个螺线管和一个电枢外壳，构成来用于形式一个电枢容器，用于容纳包括末梢部分的一个铁磁电枢，和

相对于所说的容器固定的一个膜片，用于至少局部地密封所说的末梢的梢端以便把电枢流体密封在所说的容器之内，其中所说的电枢末梢部分相对于由所说的致动器控制的阀门通道而移动所说的膜片。

2.权利要求1的致动器，还包括用于形式一个栓闭致动器的一个永久磁铁。

3.权利要求2的致动器，还包括一个偏置弹簧，定位所说的电枢并且用于把所说的电枢向其延伸位置偏置。

4.权利要求1、2或3的致动器，其中所说的电枢流体可以包括由抗腐剂构成的不可压缩的流体。

5.权利要求1、2或3的致动器，其中该不可压缩的流体可以实质上由水与抗腐蚀剂的混合物组成。

6.权利要求1、2或3的致动器，其中当所说的电枢处在其延伸的电枢位置时，所说的电枢的末梢部分用于压迫所说的膜片而顶压一个阀门座。

7.权利要求6的致动器，其中所说的末梢部分支承的区域对暴露于膜片的导管上游的所说的膜片的区域的比例是在1.4和12.3之间。

8.操作权利要求1的一个致动器的一种方法。

9.一种致动器系统包括：

一个致动器，包括一个电枢和可通过应用一个线圈驱动操作并且从而移动所说的电枢的一个线圈；

一个局部地密封所说的电枢的一个膜片；

一个电枢检测器，构成用于检测所说的电枢的位移；以及

一个控制电路，构成来响应来自所说的电枢检测器的输出而把所说的线圈驱动加到所说的线圈。

10.一种致动器系统包括：

包括一个电枢和一个线圈的一个栓闭致动器，可通过其上的线圈驱动的作用在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并且从而趋向把所说的电枢驱动到一个第一未端位置；

一个局部地密封所说的电枢的一个膜片；

耦合到该致动器的一个检测器，从而检测达到所说的第一未端位置的所说的电枢；以及

一个控制电路，可操作来开始在所说的第一方向把线圈驱动加到所说的线圈，并且响应来自所说的所说的检测器的满足一个预定的第一电流终止判据的输出，以便停止在所说的第一驱动方向把线圈驱动加到所说的线圈。

11.权利要求10的致动器系统，其中：

该线圈可在一个第二驱动方向上由其上施加的一个线圈驱动操作，以便在第二电流方向传导电流，并且从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置；

所说的检测器被耦合到所说的致动器，从而检测达到所说的第二末端位置的电枢；以及

所说的控制电路可操作来开始在第二方向把线圈驱动加到所说的线圈，并且响应满足一个预定的第二电流终止判据的所说的所说的检测器的输出，以便停止在第二驱动方向把线圈驱动加到所说的线圈。

12.权利要求11的致动器系统，其中该第一和第二电流终止判据不同。

13.权利要求9或10的致动器系统，其中所说的检测器包括一个压电换能器。

14.权利要求14的致动器系统，其中在控制电路开始以第一驱动方向把线圈驱动加到该线圈之后的一个预定的第一驱动持续期之内，如果该检测器输出不满足该第一电流终止判据，则该控制电路在该第一驱动方向上以一个比开始加到该线圈的线圈驱动电平更高的电平把线圈驱动加到该线圈。

15.权利要求14的致动器系统，其中，在控制电路开始以第二驱动方向把线圈驱动加到该线圈之后的一个预定第二驱动持续期之内，如果该检测器输出不满足该第二电流终止判据，则控制电路在第二驱动方向上以一个比开始加到第二线圈的线圈驱动电平更高的电平把线圈驱动加到线圈。

16.权利要求13的致动器系统，其中：所说的致动器系统包括一个包含所说的电枢和线圈的外壳；并且所说的压电换能器被固定到和所说的外壳。

17.一种致动器系统包括：

包括一个电枢和一个线圈的致动器，该线圈可通过其上的线圈驱动的作用在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并且从而趋向把该电枢驱动到一个第一未端位置；

一个局部地密封所说的电枢的一个膜片；

一个终点检测器，检测该电枢达到该第一末端位置并且通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢达到该第一末端位置；并且

一个控制电路，可操作以一个正常的第一方向驱动电平在第一方向上开始把线圈驱动加到该线圈，如果在该电枢已经达到该第一末端位置之后的一个预定第一驱动持续期中该检测器输出没有指示，则以比该正常第一方向驱动电平更高的一个提高的第一方向驱动电平把线圈驱动在该第一方向上加到该线圈。

18.一种流量控制系统，包括：

可在开启和关闭状态之间操作的一个阀门；

一个栓闭致动器，包括一个操作地连接到该阀门的一个电枢并且进一步包括在一个第一驱动方向上可由其上的一个线圈驱动的作用操作的一个线圈，以便在一个第一电流方向传导电流并且从而趋向把该电枢驱动到一个第一末端位置，其中该电枢保持该阀门处在所说的开启和关闭状态之一；

一个局部地密封所说的电枢的一个膜片；

一个终点检测器，检测该电枢达到该第一末端位置并且通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢达到该第一末端位置；和

一个控制电路，可操作来开始在该第一方向把线圈驱动加到该线圈，并且响应指示该电枢达到该第一末端位置的检测器输出，以便停止在该第一驱动方向把线圈驱动加到该线圈。

19.权利要求18的系统，其中：

该流动控制系统还包括一个目标检测器，生产一个目标检测器输出；和

该控制电路对该线圈的线圈驱动的操作取决于该目标检测器输出。

20.权利要求18的系统，其中：

该线圈可通过其上的一个线圈驱动的作用在第二驱动方向上操作，以便在一个第二电流方向上传导电流，并且从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置，其中该电枢把该阀门保持在所说的开启和关闭状态的另一状态中；

该终端检测器检测达到该第二末端位置的电枢并且通过产生一个检测器输出指示来响应达到该第二末端位置；和

该控制电路能以正常的第一方向驱动电平在该第二方向上开始把线圈驱动加到该线圈的操作，并且响应指示该电枢达到该第二末端位置的检测器输出，停止在该第二驱动方向上把线圈驱动加到该线圈。

21.权利要求9或10的系统，进一步包括一个运动检测器。

22.权利要求9或10的系统，进一步包括一个人的出现检测器。

23.用于控制一个致动器的方法，该致动器包括一个电枢和一个线圈的致动器，该线圈可通过其上的线圈驱动的作用在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并且从而趋向把该电枢驱动到一个第一未端位置，该方法包括：

在第一驱动方向上把线圈驱动加到该线圈；

确定该电枢是否已经到达该第一末端位置；以及

在其后的一个预定第一驱动持续期之内，如果该电枢没有达到该第一末端位置，则在第一方向上以比该正常第一方向驱动电平更高的一个提高的第一方向驱动电平把线圈驱动加到该线圈。

24.权利要求23的方法，其中该致动器是一个栓闭致动器。

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