Линейный цифровой пропорциональный пьезоэлектрический клапан

Группа изобретений относится к клапанам с электрическим управлением, а также к способу регулирования потока текучей среды. Клапан, содержит вал, пьезоэлектрический электромотор, прикрепленный к концу вала, который приводит в действие вал в первом направлении и во втором противоположном направлении. Также содержит контроллер, который подает питание в пьезоэлектрический электромотор, чтобы перемещать вал с первой скоростью и второй скоростью, причем первая скорость больше второй скорости. Клапан содержит толкатель, который принимает вал и плавно перемещается относительно вала в ответ на перемещение вала с первой скоростью и захватывает и перемещается с валом в ответ на перемещение со второй скоростью и включает в себя элемент клапана. Клапан содержит элемент клапана, который перемещается с помощью толкателя, а также седло клапана. Причем элемент клапана выполнен с возможностью перемещаться посредством толкателя в направлении к седлу клапана, с тем чтобы ограничивать поток текучей среды, и перемещаться посредством толкателя в направлении от седла клапана, с тем чтобы увеличивать поток текучей среды. Группа изобретений позволяет снизить потребляемую мощность, а также еще одно преимущество включает в себя низкий гистерезис. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Нижеприведенное, в целом, относится к клапанам с электрическим управлением, которые могут работать в сильном магнитном поле. Оно находит конкретное применение в связи с гидроклапанами низкого давления, которые работают около сканера для магнитно-резонансной визуализации, и описывается с конкретной ссылкой на них. Тем не менее, следует понимать, что оно также находит применение в других сценариях использования и не обязательно ограничивается вышеуказанным вариантом применения.

На клапаны с электрическим управлением с соленоидами или частями из черных металлов оказывается негативное влияние около сильных магнитных полей, например, в кабинете для магнитного резонанса (MR) или в отверстии MRI-сканера. Клапаны, которые работают в сильном магнитном поле, включают в себя немагнитные материалы либо сконструированы таким образом, что магнитные материалы извлекаются или экранируются от магнитного поля. Наличие магнитных материалов может влиять на работу клапанного устройства и потенциально может приводить к появлению быстролетящих предметов. Клапаны используются для управления текучими средами, например, при подаче анестезирующего газа во время хирургии на основе магнитного резонанса, управлении давлением воздуха при мониторинге неинвазивного артериального давления (NIBP), снабжении кислородом для жизнеобеспечения пациента, измерении выдоха газов пациента и т.п. Одна важнейшая область применения включает в себя варианты применения для новорожденных, в которых объемы газа являются небольшими, и точное регулирование потока текучей среды является важным.

Один подход заключается в том, чтобы использовать клапан, переключаемый пневматически из традиционного местоположения клапана за пределами магнитного поля, например, расположенного за пределами экранированного кабинета с пневматическими магистралями. Недостаток заключается в использовании подачи сжатого воздуха, в громоздкой системе пневматических трубок и шуме. Другой подход заключается в использовании экранирования для того, чтобы экранировать части клапана из черных металлов от внешних магнитных полей. Тем не менее, экранирование использует материалы из черных металлов, такие как железо, что приводит к тому, что экранирование подвержено искажению магнитного поля и потенциальному появлению летящих предметов.

Клапаны типично включают в себя пружинный или смещающий элемент, который смещает клапан, по умолчанию открытый или закрытый. Пружинные материалы подвергаются действию сильных магнитных полей и в некоторых случаях могут выходить из строя под действием магнитных сил. Альтернативно, пружины могут быть изготовлены из немагнитных материалов, например, бериллиевой меди или фосфористой бронзы, но материал является дорогостоящим. Кроме того, может выявляться, что немагнитные материалы изменяют свою жесткость пружины во времени, что делает их менее надежными в вариантах применения для медицинского обслуживания.

Другой подход заключается в использовании материалов для клапана, которые не подвергаются действию магнитного поля. Например, используются пьезоэлектрические диафрагменные клапаны, но они типично являются физически большими и требуют очень высоких напряжений для приведения в действие. Диафрагма включает в себя покрытие из пьезоэлектрического материала, который работает с возможностью изменять форму и непосредственно открывать или закрывать порт клапана, когда прикладывается электрический заряд. Формирователи сигналов управления высокого напряжения являются дорогими, и их затруднительно реализовывать в магнитном поле, поскольку зачастую они имеют компоненты, которые также подвергаются действию магнитного поля. Другой пример включает в себя пьезоэлектрические изгибающиеся актуаторы, такие как створка, которая изгибается, чтобы непосредственно открывать или закрывать клапан. Оба примера включают в себя пружинный элемент или смещающий элемент, который подвержен износу, и который затруднительно заменять и/или ремонтировать. Оба примера включают в себя клапан, который работает аналоговым способом между полным открытием или полным закрытием клапана.

Ниже раскрывается новый и улучшенный линейный цифровой пропорциональный пьезоэлектрический клапан, который решает вышеуказанные и другие проблемы.

В соответствии с одним аспектом, клапан с электрическим управлением включает в себя вал, пьезоэлектрический электромотор, прикрепленный к концу вала, контроллер, толкатель, элемент клапана и седло клапана. Пьезоэлектрический электромотор приводит в действие вал в первом направлении и во втором противоположном направлении. Контроллер предоставляет мощность в пьезоэлектрический электромотор, чтобы перемещать вал с первой скоростью и второй скоростью, причем первая скорость больше второй скорости. Толкатель принимает вал и плавно перемещается относительно вала в ответ на перемещение вала с первой скоростью и захватывает и перемещается с валом в ответ на перемещение со второй скоростью и включает в себя элемент клапана. Элемент клапана перемещается с помощью толкателя. Элемент клапана выполнен с возможностью перемещаться посредством толкателя в направлении к седлу клапана, с тем чтобы ограничивать поток текучей среды, и перемещаться посредством толкателя в направлении от седла клапана, с тем чтобы увеличивать поток текучей среды.

В соответствии с другим аспектом, способ регулирования потока текучей среды включает в себя применение электрических импульсов к пьезоэлектрическому электромотору, который перемещает вал, прикрепленный к пьезоэлектрическому электромотору, чтобы перемещать вал с первой скоростью и второй скоростью, причем вторая скорость больше первой скорости. Вал перемещается со второй скоростью таким образом, что толкатель, который принимает вал, плавно перемещается относительно вала. Вал перемещается с первой скоростью таким образом, что толкатель захватывает вал и перемещается с валом. Импульсы многократно применяются для того, чтобы попеременно убирать вал в направлении к седлу клапана на первой скорости и в направлении от седла клапана на второй скорости, чтобы перемещать элемент клапана, который перемещается с помощью толкателя, в направлении к седлу клапана, с тем чтобы ограничивать поток текучей среды. Импульсы многократно применяются для того, чтобы попеременно перемещать вал в направлении к седлу клапана на второй скорости и в направлении от седла клапана на первой скорости, чтобы перемещать элемент клапана, который перемещается с помощью толкателя, в направлении от седла клапана, с тем чтобы увеличивать поток текучей среды.

В соответствии с другим аспектом, клапан с электрическим управлением, который работает в сильном магнитном поле, включает в себя стержень, толкатель, расположенный рядом по периметру со стержнем, элемент клапана, присоединенный к толкателю, элемент клапана, присоединенный к элементу клапана, и инертный в отношении магнитного поля корпус. Толкатель дает возможность стержню преодолевать силы трения с помощью толкателя с первой силой, приложенной к стержню, и плавно перемещаться вдоль стержня и захватывать и перемещаться с помощью стержня в ответ на вторую приложенную противодействующую силу. Элемент клапана определяет центральную полость в форме лунки, чтобы принимать стержень. Инертный в отношении магнитного поля корпус определяет полость, которая удерживает толкатель и элемент клапана, принимает стержень и определяет первый порт, соединенный с полостью, второй порт, соединенный с полостью, и седло. Первый порт принимает приток текучей среды. Второй порт обеспечивает отток принимаемой текучей среды. Седло принимает элемент клапана и ограничивает поток текучей среды между первым портом и вторым портом пропорционально расстоянию от элемента клапана до седла.

Одно преимущество представляет собой низкую потребляемую мощность.

Другое преимущество включает в себя низкий гистерезис.

Еще одно преимущество состоит в низких затратах на изготовления.

Еще одно преимущество состоит в низком противодавлении и низком дифференциальном давлении.

Еще одно преимущество состоит в простоте управления без управления напряжением.

Еще одно преимущество состоит в цифровом режиме работы, в частности, цифровом управлении степени, в которой клапан является открытым.

Еще одно преимущество состоит в простой конструкции без пружинного или смещающего элемента.

Дополнительные преимущества должны приниматься во внимание специалистами в данной области техники после прочтения и понимания нижеследующего подробного описания.

Изобретение может принимать форму различных компонентов и компоновок компонентов, а также различных этапов и компоновок этапов. Чертежи служат только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов выполнения и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.

Фиг. 1 схематично иллюстрирует вариант выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана в сильном магнитном поле с покомпонентным видом в поперечном сечении линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана.

Фиг. 2 схематично иллюстрирует один вариант выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана в поперечном сечении.

Фиг. 3A-3C схематично иллюстрируют, в одном варианте выполнения, линейную цифровую пропорциональную пьезоэлектрическую силу, направление линейного перемещения и ассоциированную форму интенсивности электрических импульсов формирователя сигналов управления.

Фиг. 4A-4C схематично иллюстрируют линейную цифровую пропорциональную пьезоэлектрическую силу, противоположное направление линейного перемещения и ассоциированную форму интенсивности электрических импульсов.

Фиг. 5A-5B схематично иллюстрируют вариант выполнения трехходового линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана в поперечном сечении в двух конфигурациях.

Фиг. 6 является блок-схемой последовательности операций способа применения варианта выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана.

Со ссылкой на фиг. 1, схематично проиллюстрирован вариант выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана 10 в сильном магнитном поле 12 с покомпонентным видом в поперечном сечении линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана. В качестве примера, показаны два медицинских устройства с линейным цифровым пропорциональным пьезоэлектрическим клапаном 10, устройство 14 подачи анестезирующего газа и устройство 16 измерения неинвазивного артериального давления (NIBP). Магнитно-резонансный сканер 18 показан в частичном поперечном сечении, которое формирует сильные магнитные поля, например, статическое основное магнитное поле B₀, градиентные магнитные поля, RF-импульсы B₁ и т.п. Типичные варианты применения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана включают в себя регулирование доставки текучих сред, например, анестезирующих газов в обследуемого 20, мониторинг газов, выдыхаемых обследуемым, мониторинг NIBP и т.п. Проиллюстрированный клапан выполнен с возможностью работать при приблизительно вплоть до 0,68 атмосфер (10 фунтов на кв. дюйм; 0,69 бар), что делает его подходящим для этих типов вариантов применения. Вариант применения может включать в себя регулирование газов для вариантов применения для новорожденных, например, NIBP, которые отличаются от NIBP взрослых на несколько порядков величины.

Клапан 10 включает в себя корпус 22 клапана из инертного MR-материала, например, пластмассы. Корпус 22 определяет внутреннюю полость 24 с двумя портами 26, один для притока текучих сред, таких как анестезирующие газы, газовые дыхательные смеси, воздух и т.д., и один для оттока. Порты могут работать в любом направлении. Основание определяет седло 28 клапана и отверстие 30 для доступа, охваченное посредством сильфона 32. Полость принимает элемент 33 клапана через отверстие для доступа, например, элемент клапана позиционируется внутри полости 24. Элемент клапана определяет центральную полость 38 в форме лунки, чтобы принимать приводной стержень 36.

Пьезоэлектрический электромотор 34 прикреплен к концу приводного стержня или вала 36 напротив толкателя, и стержень проходит через отверстие в уплотнении 32 вовнутрь элемента 33 клапана. Например, электромотор и стержень образуют форму гвоздя с пьезоэлектрическим материалом, прикрепленным к поверхности шляпки гвоздя. Пьезоэлектрический электромотор приводит в действие стержень на основе принимаемых импульсов электрического тока с первой силой тока, которая прикладывает первую силу к стержню, и второй силой тока, которая прикладывает вторую противодействующую силу к стержню. Например, первая сила тока быстро сгибает пьезоэлектрический материал, который прикладывает первую силу к стержню. Вторая сила тока медленно выпрямляет пьезоэлектрический материал, который прикладывает вторую противодействующую силу к стержню. В другом примере, первая сила тока медленно сгибает пьезоэлектрический материал, который прикладывает одну силу, и вторая сила тока быстро выпрямляет пьезоэлектрический материал, который прикладывает другую противодействующую силу. Стержень 36 может включать в себя такие материалы, как медь, алюминий и т.п.

Толкатель 42 перемещается линейно вдоль стержня, приводимого в действие посредством пьезоэлектрического электромотора, чтобы открывать или закрывать клапан 10. В закрытой позиции, седло 28 клапана принимает элемент 40 клапана, например, уплотнительное кольцо, и ограничивает поток текучей среды между портами пропорционально смещению между элементом 40 клапана и седлом 28 клапана. Например, клапан полностью закрывается за счет сжатия элемента клапана к седлу. Клапан может быть частично открыт посредством применения фиксированного числа электрических импульсов к пьезоэлектрическому электромотору, чтобы частично открывать клапан. Клапан может быть полностью открыт посредством перемещения толкателя таким образом, что конец стержня напротив пьезоэлектрического электромотора зацепляет дно лунки 38, заданной в элементе клапана. Позиция толкателя со стержнем, зацепляющим дно лунки, полностью открывает клапан и разрешает поток текучей среды между портами. Чертеж иллюстрирует клапан в полностью открытой конфигурации.

Толкатель 42, который плавно перемещается вдоль стержня 36 в ответ на силу, приложенную посредством пьезоэлектрического электромотора к стержню, который преодолевает трение, например, с быстрым сгибанием или быстрым выпрямлением пьезоэлектрического материала. Толкатель 42 захватывает и перемещается со стержнем 36 в ответ на силу, приложенную посредством пьезоэлектрического электромотора, который перемещает стержень с недостаточной скоростью для того, чтобы преодолевать трение, например, с медленным сгибанием или медленным выпрямлением пьезоэлектрического материала. Толкатель 42 присоединяется к элементу 33 клапана и расположен по периметру и с фрикционным зацеплением стержня 36. Толкатель 42 может включать в себя такой материал, как олово, медь, латунь, резина, пластмасса и т.п.

Со ссылкой на фиг. 2, схематично проиллюстрирован один вариант выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана 10 в поперечном сечении. Клапан 10 показан в полностью закрытой конфигурации, в которой элемент 40 клапана принимается посредством седла 28 и ограничивает поток между портами 26. Седло 28 и элемент 40 клапана могут иметь клиновидную форму для более плотной посадки. Элемент 33 клапана может включать в себя носовую направляющую 50, которая направляет элемент 40 клапана в седло и поддерживает толкатель и элемент клапана в корректной позиции внутри полости 24.

Пьезоэлектрический электромотор включает в себя пластину 52 из пьезоэлектрического материала, присоединенную к концу стержня 36. Пьезоэлектрический электромотор включает в себя микроконтроллер 54, соединенный с пьезоэлектрическим материалом 52, который предоставляет электрические импульсы для того, чтобы сгибать и выпрямлять пьезоэлектрический материал 52 согласно расстоянию и направлению хода для толкателя 42. Фиксирующее кольцо 56 из резины или другого подходящего гибкого материала с низким коэффициентом трения может использоваться в качестве фиксатора.

Толкатель 42 может приводиться в действие посредством пьезоэлектрического электромотора на дискретные расстояния и в различных направлениях. Например, каждый импульс перемещает толкатель на дискретное расстояние вдоль стержня или вала 36 с храповым эффектом. Толкатель перемещается посредством пьезоэлектрического электромотора с дискретными шагами. Пьезоэлектрический электромотор может избыточно приводиться в действие, чтобы обеспечивать герметичное уплотнение между элементом клапана и седлом клапана в закрытой позиции.

Рычаги 58 присоединяют толкатель 42 к элементу 33 клапана. Рычаги могут быть разнесены, с тем чтобы давать возможность текучей среде протекать в полость 24, когда вал принимается в лунку 38.

Со ссылкой на фиг. 3A-3C схематично проиллюстрирован один вариант выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического электромотора, направления линейного перемещения и ассоциированной формы интенсивности электрических импульсов. Импульсы тока примера показаны на фиг. 3C с медленным повышением и быстрым снижением интенсивности импульсов тока. Медленное повышение интенсивности медленно сгибает пьезоэлектрический материал 52, как проиллюстрировано на фиг. 3A, который прикладывает силу к валу 36, чтобы перемещать вал в дискретном расстоянии. Толкатель 42 фрикционно захватывает вал 36 и перемещается с валом в направлении хода. При быстром снижении интенсивности электрического импульса, как показано на фиг. 3C, пьезоэлектрический материал 52 быстро выпрямляется, как показано на фиг. 3B. Быстрое выпрямление пьезоэлектрического материала 52 прикладывает противодействующую силу 62 к валу со скоростью, которая является достаточной для того, чтобы преодолевать силы трения между толкателем 42 и валом. Толкатель 42 и элемент 33 клапана остаются относительно неподвижными, в то время как вал перемещается в направлении, противоположном направлению по фиг. 3A, и плавно перемещается мимо толкателя.

В примере, повторяющееся дискретное число импульсов по фиг. 3C перемещает толкатель на дискретное число шагов, т.е. на дискретное расстояние в направлении хода, как показано на фиг. 3A. Расстояние хода является линейным вдоль вала и пропорциональным числу электрических импульсов. Управление напряжением не требуется. В проиллюстрированном варианте выполнения, импульсы работают с возможностью перемещать толкатель в закрытую или частично закрытую конфигурацию. Степень закрытия основана на расстоянии между элементом клапана и седлом.

Со ссылкой на фиг. 4A-4C, направление хода изменено на противоположное. Фиг. 4C иллюстрирует кривые интенсивности электрических импульсов, которые приводят в действие пьезоэлектрический электромотор. Проиллюстрированные импульсы включают в себя резкое увеличение интенсивности и последующее медленное снижение интенсивности. Резкое увеличение быстро сгибает пьезоэлектрический материал 52, как показано на фиг. 4A, что приводит в действие вал со скоростью 64, достаточной для того, чтобы преодолевать силы трения между валом 36 и толкателем 42. Вал плавно перемещается на дискретное расстояние мимо толкателя, определенное посредством расстояния сгибания пьезоэлектрической пластины. Медленное снижение медленно выпрямляет пьезоэлектрический материал 52, который прикладывает силу 66, противодействующую относительно силы на фиг. 4A, но со скоростью, недостаточной для того, чтобы преодолевать силы трения между валом и толкателем. Вал перемещается в направлении хода, захватываемого посредством толкателя 42, который перемещает элемент клапана на дискретную величину в направлении хода. Направление хода определяется в направлении к открытой или частично открытой конфигурации.

В одном варианте выполнения, микроконтроллер ограничивает открытие на дискретную величину, например, подходящую для вариантов применения для новорожденных. Частичное открытие дает возможность текучим средам протекать между портами, но в ограниченном или пропорциональном объеме. В другом варианте выполнения, клапан может предварительно подготавливаться на дискретную величину таким образом, чтобы перемещаться из полностью закрытой конфигурации к частичному открытию.

Со ссылкой на фиг. 5A и 5B, показан вариант выполнения трехходового линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана в поперечном сечении в двух конфигурациях. Первый порт 70 с потоком текучей среды, ограниченным из второго порта 72 посредством элемента 40 клапана и седла 28. Третий порт 73 соединяет со вторым портом 72 с потоком текучей среды, ограниченным посредством второго седла 74 и второго элемента 76 клапана.

На фиг. 5A показан клапан, выполненный с отверстием для текучей среды между вторым или центральным портом 72 и третьим портом 73, открытым для потока текучей среды. Элемент 40 клапана сконфигурирован рядом с седлом 28, которое закрывает первый или конечный порт 70.

На фиг. 5B, показан клапан, выполненный с отверстием для текучей среды между вторым портом 72 и первым портом 70. Элемент 40 клапана отделен от седла 28, в то время как второй элемент 76 клапана зацепляет второе седло 74. Поток текучей среды в третий порт 73 закрывается посредством второго элемента 76 клапана, зацепляющего второе седло 74.

Между позициями, показанными на фиг. 5A и 5B, порт 72 для входа потока текучей среды разделен между портами 70 и 73 пропорционально местоположению элементов клапана. В другом варианте выполнения, толкатель сконфигурирован с клиновидным элементом второго клапана, и захватный механизм расположен между элементом 40 клапана и вторым элементом 76 клапана. Другие варианты выполнения трехходового клапана рассматриваются без лунки толкателя, поскольку второй элемент клапана и второе седло действуют с возможностью ограничивать позицию толкателя внутри полости.

Со ссылкой на фиг. 6, на блок-схеме последовательности операций показан один способ применения варианта выполнения линейного цифрового пропорционального пьезоэлектрического клапана. На этапе 80 выполняется инициализация клапана. Этап может включать в себя предварительную подготовку клапана с помощью предварительно определенного числа электрических импульсов. Этап может включать в себя определение пределов открытия и/или закрытия клапана, например, для вариантов применения для новорожденных. Клапан является немагнитным и может позиционироваться в магнитном поле, таком как MRI, без отрицательного эффекта.

Требования по потоку принимаются на этапе 82. Требования по потоку включают в себя направление и расстояние хода элемента 33 клапана. Требования по потоку принимаются посредством микроконтроллера, который управляет пьезоэлектрическим электромотором. Например, текущая позиция клапана, сконфигурированного в качестве двухходового клапана, является закрытой, и требования по потоку включают в себя открытие клапана на такую величину, как, x, где x выражается как расстояние и направление изменения позиции толкателя. Требование по потоку, выражаемое как объемная величина, может преобразовываться в расстояние и направление на основе размера и физических свойств клапана. Элемент клапана ограничивает поток текучей среды между первым портом и вторым портом на дискретную величину, пропорциональную размеру открытия, который является пропорциональным расстоянию от элемента клапана до седла клапана.

Форма импульсов определяется на этапе 84. Форма импульсов приводит в действие пьезоэлектрический материал таким образом, что он сгибается с первой быстротой с помощью первой предварительно определенной силы тока и выпрямляется со второй быстротой с помощью второй предварительно определенной силы тока. Взаимосвязь между силой тока и направлением хода толкателя описывается выше в отношении фиг. 3A-3C и фиг. 4A-4C.

Количество импульсов определяется на этапе 86, что дополнительно ограничивает или открывает поток текучей среды через клапан на дискретную величину. Количество импульсов направляет пьезоэлектрический электромотор таким образом, чтобы перемещать толкатель с храповым движением на дискретное расстояние на основе требований по принимаемому потоку.

На этапе 88, определенная форма импульсов и количество импульсов применяются к пьезоэлектрическому материалу клапана, который перемещает толкатель на дискретное расстояние. Пьезоэлектрический материал прикреплен и центрирован на конце вала. Толкатель принимает вал и перемещается с элементом клапана. Толкатель дает возможность валу преодолевать силы трения и плавно перемещаться в ответ на быстрое сгибание или быстрое выпрямление пьезоэлектрического материала. Вал может включать в себя медь, алюминий, пластмассу и т.п. Захватный механизм захватывает и перемещается с валом в ответ на медленное сгибание или медленное выпрямление пьезоэлектрического материала. Захватный механизм включает в себя олово, медь, латунь, резину, пластмассу и т.п. Толкатель ограничивает поток текучей среды между портами на дискретную величину, пропорциональную расстоянию от элемента клапана до седла. Поток текучей среды основан на линейном перемещении толкателя, управляемого цифровым способом посредством пьезоэлектрического электромотора на основе формы импульсов, которая определяет направление, и количества импульсов, которое определяет расстояние. Расстояние и направление дискретно открывают и/или закрывают клапан согласно требованиям к принимаемой текучей среде.

Перемещение толкателя может быть ограничено посредством зацепления конца вала напротив дна лунки 38 или зацепления второго седла 72 со вторым элементом 76 клапана, или ограничения перемещения толкателя посредством зацепления седла 28 клапана с элементом 40 клапана. Дополнительные электрические импульсы могут применяться с тем, чтобы обеспечивать герметичное уплотнение седла и элемента клапана. Время для того, чтобы приводить в действие или изменять позицию, является небольшим, например 6-8 мс.

На этапе 90 принятия решения, определяется изменение открытия и/или закрытия клапана. При изменении открытия/закрытия клапана, что включает в себя изменение позиции толкателя, предыдущие этапы могут повторяться. Например, при закрытой текущей позицией клапана, и когда принимаются требования по потоку, которые запрашивают полностью открытый клапан, может определяться изменение позиции толкателя, которое удовлетворяет требованиям по потоку, могут определяться форма импульсов и количество импульсов, и импульсы могут применяться для того, чтобы полностью открывать клапан. Альтернативно, монитор потока располагается ниже клапана. Контроллер 54 регулирует открытие клапана согласно фактическому потоку или давлению, измеренному посредством монитора, в соответствии с заранее выбранным потоком.

Следует принимать во внимание, что в связи с конкретными иллюстративными вариантами выполнения, представленными в данном документе, конкретные структурные и/или функциональные признаки описываются как включенные в заданные элементы и/или компоненты. Тем не менее, предполагается, что эти признаки, с идентичным или аналогичным преимуществом, также аналогично могут включаться в другие элементы и/или компоненты при необходимости. Также следует принимать во внимание, что различные аспекты примерных вариантов выполнения могут избирательно использоваться надлежащим образом, чтобы достигать других альтернативных вариантов выполнения, подходящих для требуемых вариантов применения, причем другие альтернативные варианты выполнения в силу этого реализуют соответствующие преимущества аспектов, включенных в них.

Также следует принимать во внимание, что конкретные элементы или компоненты, описанные в данном документе, могут иметь функциональность, надлежащим образом реализованную через аппаратные средства, программное обеспечение, микропрограммное обеспечение или комбинацию вышеозначенного. Дополнительно, следует принимать во внимание, что определенные элементы, описанные в данном документе как включенные вместе, в надлежащих случаях могут представлять собой автономные элементы или разделяться иным способом. Аналогично, множество конкретных функций, описанных как выполняемые посредством одного конкретного элемента, могут выполняться посредством множества различных элементов, действующих независимо, чтобы выполнять отдельные функции, или конкретные отдельные функции могут разделяться и выполняться посредством множества различных элементов, действующих совместно. Альтернативно, некоторые элементы или компоненты, иными способами описанные и/или показаны в данном документе как отличающиеся друг от друга, могут быть физически или функционально комбинированы при необходимости.

Вкратце, настоящее описание изобретения изложено в отношении предпочтительных вариантов выполнения. Очевидно, чтобы модификации и изменения должны становиться очевидными другим после прочтения и понимания настоящего описания изобретения. Изобретение должно трактоваться как включающее в себя все подобные модификации и изменения до тех пор, пока они попадают в пределы объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов. Другими словами, следует принимать во внимание то, что различные из вышеизложенных и других признаков и функций либо их альтернатив предпочтительно могут комбинироваться во множество других различных систем или вариантов применения, а также то, что различные непрогнозируемые или неочевидные в настоящее время альтернативы, модификации, вариации или улучшения впоследствии могут вноситься специалистами в данной области техники, которые, как предполагается, также охватываются прилагаемой формулой изобретения.

1. Клапан (10) с электрическим управлением, содержащий:

- вал (36);

- пьезоэлектрический электромотор (34), прикрепленный к концу вала (36), который приводит в действие вал в первом направлении и во втором противоположном направлении;

- контроллер (54), который подает питание в пьезоэлектрический электромотор (34), чтобы перемещать вал с первой скоростью и второй скоростью, причем первая скорость больше второй скорости;

- толкатель (42), который принимает вал (36) и плавно перемещается относительно вала в ответ на перемещение вала с первой скоростью и захватывает и перемещается с валом в ответ на перемещение со второй скоростью и включает в себя элемент (40) клапана;

- элемент (40) клапана, который перемещается с помощью толкателя (42);

- седло (28) клапана, причем элемент (40) клапана выполнен с возможностью перемещаться посредством толкателя (42) в направлении к седлу (28) клапана, с тем чтобы ограничивать поток текучей среды, и перемещаться посредством толкателя (42) в направлении от седла клапана, с тем чтобы увеличивать поток текучей среды.

2. Клапан (10) по п. 1, в котором пьезоэлектрический электромотор (34) дополнительно включает в себя:

- пьезоэлектрический материал (52), который сгибается с первой быстротой, с тем чтобы приводить в действие вал (36) со скоростью (60, 64), и выпрямляется со второй быстротой, с тем чтобы приводить в действие вал (36) со второй скоростью (62, 66).

3. Клапан (10) по п. 2, в котором контроллер (54) соединен с пьезоэлектрическим материалом (52) и выдает электрические импульсы для того, чтобы избирательно сгибать и выпрямлять пьезоэлектрический материал (52) с первой быстротой и со второй быстротой, с тем чтобы перемещать вал с первой и второй скоростями.

4. Клапан (10) по любому из пп. 1-3, в котором толкатель (42) окружает по периметру вал (36), и вал (36) и толкатель (42) выполнены с возможностью позволять валу (36) преодолевать силы трения и плавно перемещаться в ответ на относительное движение на первой скорости и захватывать и перемещаться вместе в ответ на относительное движение на второй скорости.

5. Клапан (10) по п. 1, дополнительно включающий в себя:

- второй элемент (76) клапана, соединенный с толкателем.

6. Клапан (10) по п. 1, дополнительно включающий в себя:

- корпус (22), который определяет полость (24), седло (28) клапана и первый и второй порты (26) клапана, соединенные с полостью (24) и отделенные посредством седла (28) клапана.

7. Клапан (10) по п. 1, дополнительно включающий в себя:

- второй элемент (76) клапана, который перемещается с помощью толкателя (42); и

- при этом корпус дополнительно определяет третий порт (73), соединенный с полостью (24), и второе седло (74) клапана, которое отделяет третий порт (73) от первого и второго портов (26), причем второй элемент (76) клапана перемещается в направлении ко второму седлу (72) клапана, с тем чтобы ограничивать поток текучей среды третьего порта (73), и второй элемент (76) клапана перемещается в направлении от второго седла клапана, с тем чтобы увеличивать поток текучей среды третьего порта (73).

8. Клапан (10) по п. 1, в котором корпус (22), пьезоэлектрический электромотор (34), толкатель (42), элемент (40) клапана и седло (28) клапана являются магнитно инертными.

9. Клапан (10) по п. 1, дополнительно включающий в себя:

- элемент (33) клапана, соединенный с толкателем (42) и элементом (40) клапана, причем элемент (33) клапана определяет центральную лунку (38), которая принимает вал (36) таким образом, что дно лунки зацепляет конец вала (36) в полностью открытой конфигурации.

10. Способ регулирования потока текучей среды, содержащий этапы, на которых:

- применяют (88) электрические импульсы к пьезоэлектрическому электромотору (34), который перемещает вал (36), прикрепленный к пьезоэлектрическому электромотору (34), чтобы перемещать вал (36) с первой скоростью и второй скоростью, причем вторая скорость больше первой скорости;

- перемещают вал (36) с первой скоростью таким образом, что толкатель (42), который принимает вал (36), плавно перемещается относительно вала (36);

- перемещают вал (36) со второй скоростью таким образом, что толкатель (42) захватывает вал (36) и перемещается с валом (36);

- многократно применяют импульсы для того, чтобы попеременно перемещать вал в направлении к седлу клапана на второй скорости и в направлении от седла клапана на первой скорости, чтобы перемещать элемент (40) клапана, который перемещается с помощью толкателя (42), в направлении к седлу (28) клапана, с тем чтобы ограничивать поток текучей среды; и

- многократно применяют импульсы для того, чтобы попеременно перемещать вал в направлении к седлу клапана на первой скорости и в направлении от седла клапана на второй скорости, чтобы перемещать элемент (40) клапана, который перемещается с помощью толкателя (42), в направлении от седла (28) клапана, с тем чтобы увеличивать поток текучей среды.

11. Способ по п. 10, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:

- определяют (84) форму электрических импульсов для пьезоэлектрического электромотора (34), чтобы приводить в действие вал (36) с первой скоростью в одном направлении и второй скоростью в противоположном направлении;

- определяют (86) количество электрических импульсов, которые изменяют поток текучей среды через клапан на дискретную величину.

12. Способ по п. 10 или 11, в котором пьезоэлектрический электромотор (34) включает в себя пьезоэлектрический материал (52), и в ответ на применение электрических импульсов выполняется один из этапов, на которых:

- сгибают пьезоэлектрический материал (52) с первой быстротой, с тем чтобы приводить в действие вал с первой скоростью, и выпрямляют пьезоэлектрический материал (52) со второй быстротой, с тем чтобы приводить в действие вал со второй скоростью для того, чтобы перемещать толкатель (42) в направлении к пьезоэлектрическому электромотору; и

- сгибают пьезоэлектрический материал (52) с первой быстротой, с тем чтобы приводить в действие вал со второй скоростью, и выпрямляют пьезоэлектрический материал (52) со второй быстротой, с тем чтобы приводить в действие вал с первой скоростью для того, чтобы перемещать толкатель (42) в направлении от пьезоэлектрического электромотора.

13. Способ по п. 10, в котором толкатель (33) соединяется со вторым элементом (76) клапана; и в ответ на применение электрических импульсов выполняется этап, на котором:

- ограничивают поток текучей среды между первым портом (70) и третьим портом (73) пропорционально расстоянию от второго элемента (76) клапана до второго седла (74).

14. Способ по п. 10, в котором применение (88) дополнительно включает в себя этап, на котором:

- выбирают дискретное открытие клапана посредством числа электрических импульсов, применяемых на основе предварительно определенного предела открытия.

15. Способ по п. 10, дополнительно включающий в себя, по меньшей мере, один из этапов, на которых:

- предварительно подготавливают (80) клапан с помощью предварительно определенного числа применяемых электрических импульсов; и

- применяют дополнительные электрические импульсы для того, чтобы обеспечивать герметичное уплотнение седла (28) и элемента (40) клапана.