锁定阀的制作方法

锁定阀
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年8月9日提交的共同未决的美国临时专利申请62/884,885的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
3.本发明涉及一种阀，更具体地说，涉及一种锁定阀。


背景技术：

4.许多电子致动阀需要持续施加来自电源的电流，以抵抗偏压构件的力保持在致动位置。当电源断电时，偏压构件使阀返回到其非致动位置或中间位置。因此，将阀保持在致动位置一段延长的时间可能会从电源中吸取大量的能量，导致致动器的低效和不希望的加热。


技术实现要素：

5.在一个方面，本发明提供了一种气动阀，该气动阀包括壳体、第一端口、第二端口和第三端口，每个端口都与壳体连通；与壳体联接的线圈组件；柱塞，该柱塞能响应于被驱动通过线圈组件的电流在壳体内在第一位置和第二位置之间轴向移动；以及永磁体，该永磁体配置为将柱塞保持在第一位置或第二位置中的至少一个位置。
6.另一方面，本发明提供了一种气动阀，其包括具有第一端口的壳体、与壳体联接的线圈组件、能响应于被驱动通过线圈组件的电流而在壳体内在第一位置和第二位置之间轴向移动的柱塞、以及配置为将柱塞保持在第一位置或第二位置中的至少一个位置的永磁体。柱塞配置成当柱塞处于第一位置时打开第一端口，第一端口配置成当柱塞处于第二位置时被关闭。
7.另一方面，本发明提供了一种车辆座椅系统，其包括座位、设置在座位内的可充气气囊、电源、与电源电联接/电耦合的空气泵以及可操作来控制气囊充气和放气的阀。该气囊包括壳体、与空气泵流体联接的压力端口、与可充气气囊流体联接的气囊端口、通气口、与壳体联接并与电源电耦合/电联接的线圈组件、能响应于被驱动通过线圈组件的电流在壳体内在第一位置和第二位置之间轴向移动的柱塞、以及配置为将柱塞保持在第一位置或第二位置中的至少一个位置的永磁体。柱塞配置成当柱塞处于第一位置时打开压力端口，并且柱塞配置成当柱塞处于第二位置时打开排气端口。
8.通过考虑以下详细描述和附图，本发明的其他特征和方面将变得显而易见。
附图说明
9.图1是根据本公开一个实施例的阀的透视图。
10.图2是包括图1的阀的车辆座椅系统的示意图。
11.图3a是图1的阀的剖视图，其中阀的柱塞处于第一位置。
12.图3b是图1的阀的剖视图，其中柱塞处于第二位置。
13.图4是根据本公开的另一实施例的阀的示意图，其中阀的柱塞处于第一位置。
14.图5是图4的阀的示意图，其中柱塞处于第二位置。
15.图6是图4的阀的示意图，其中柱塞处于居间位置/中间位置。
16.图7是根据本公开的另一实施例的阀的示意图，其中阀的柱塞处于第一位置。
17.图8是图7的阀的示意图，其中柱塞处于第二位置。
18.图9是根据本公开的另一实施例的阀的示意图，其中阀的柱塞处于第一位置。
19.图10是图9的阀的示意图，其中柱塞处于第二位置。
20.在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够有其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行。
具体实施方式
21.图1-3b示出了根据本公开实施例的阀10。阀10包括大致圆柱形的壳体14，壳体14具有第一端壁18、与第一端壁18相对的第二端壁22以及在第一端壁18和第二端壁22之间延伸的侧壁26。在另一些实施例中，壳体14可以具有其他形状以适合特定应用。
22.参考图3a和图3b，壁18、22、26共同限定了壳体14内的空腔30。导电线圈组件34联接/结合到侧壁26(例如，在侧壁26中形成的凹部中)，使得线圈组件34与空腔30同心对齐。在所示实施例中，线圈组件34是双线圈组件，其包括由铜、银、金或任何其他合适的导电材料制成的两个单独的线圈35a、35b(图2)。线圈35a、35b可以重叠，并且线圈35a、35b可以以相反的方向缠绕。在一些实施例中，线圈35a、35b可以集成到多层印刷电路板(“pcb”)中。在这样的实施例中，线圈35a、35b中的每一个可以由被绝缘薄层分开的多个螺旋形导体形成。
23.图2示出了示例性的车辆座椅系统100，阀10可以结合在其中。车辆座椅系统100包括座位102、设置在座位102内(例如，在座位102的腰部区域内)的可充气气囊104、电源106(例如，12v或24v电源，其可以是车辆电气系统的一部分)以及与电源106电耦合的空气泵108。如下文更详细描述的，阀10可操作以控制气囊104的充气和放气。在一些实施例中，车辆座椅系统100可以包括多个气囊104和/或多个阀10。此外，应当理解，阀10可以用于其他应用，例如气动按摩装置。
24.继续参考图2，电源106与线圈组件34电耦合，使得电源106和线圈组件34形成电路，其中电源106能够驱动电流通过线圈组件34。在所示实施例中，电源106与开关110电耦合，并且开关110与第一线圈35a和第二线圈35b电耦合。开关110具有第一位置或第一状态，其中开关110将电源106与第一线圈35a电连接，以及第二位置或第二状态，其中开关110将电源106与第二线圈35b电连接。
25.当开关110处于第一位置时，电源106可以驱动电流沿第一方向(例如，正向)通过第一线圈35a，当开关110处于第二位置时，电源106可以驱动电流沿第二方向(例如，负向)通过第二线圈35b。以这种方式，开关110可以在第一位置和第二位置之间被致动，以反转由线圈组件34产生的磁场，并且阀10因此可以与单向电源106一起使用，单向电源106可以是车辆电气系统的现有部分，或者可以比双向电源更简单、更便宜、更有效并且尺寸更小。
26.在另一些实施例中，线圈组件34可以包括单个线圈，并且电源106能够选择性地驱
动电流沿第一方向(例如，正向)和第二方向(例如，负向)通过线圈。可选地，通过使用正-负转换器(例如，h桥)，通过选择性地将两个不同的电源106与线圈组件34电耦合，或者通过任何其他合适的方式，可以选择性地改变流过线圈组件34的电流的方向。在这样的实施例中，线圈组件34被简化，并且阀10需要的电端子更少，这可以使得阀10制造成本更低。因此，线圈组件34可以有利地包括单个线圈或多个线圈，以适合阀10的特定应用。
27.图示的阀10包括三个端口：第一端口或压力端口46、第二端口或气囊端口50以及第三端口或排气端口54。压力端口46流体联接到空气泵108或任何其他加压流体源。气囊端口50与气囊104流体联接。在另一些实施例中，气囊端口50可以流体联接到下游阀组件或流体切换模块，该下游阀组件或流体开关模块配置成将加压空气引导到一个或多个这样的气囊104。排气端口54与阀10周围的环境流体连通。在图示的实施例中，压力端口46和气囊端口50从侧壁26延伸，并且排气端口54从第一端壁18延伸。在一些实施例中，端口46、50、54可以从壳体14的不同部分延伸，或者端口46、50、54可以凹进壳体14中。在一些实施例中，端口46、50、54可以不同地配置(例如，第一端口46可以是排气端口，第三端口54可以是压力端口等)。在另一些实施例中，阀10可以配置有不同数量的端口(例如，两个端口、四个端口、五个端口等)来适应特定的应用。
28.参考图3a-3b，阀10包括致动组件56，该致动组件56具有柱塞58、永磁体62和设置在该柱塞58和该磁体62之间的铁芯66。响应于线圈组件34的通电，柱塞58可在壳体14内在第一位置(图3a)和第二位置(图3b)之间沿轴向移动。柱塞58包括邻近铁芯66的基部68和与基部68相对的鼻部70。阀元件74联接到鼻部70，使得阀元件74可与柱塞58一起移动。阀元件74可以压合在鼻部70上，与鼻部70成一体，或者以任何其他合适的方式(例如，使用粘合剂、固定螺钉等)联接到鼻部70。
29.阀元件74包括第一密封表面78，当柱塞58处于密封排气端口54的第一位置时，第一密封表面78可与围绕排气端口54的第一座部80接合(图3a)。阀元件74还包括与第一密封表面78相对的第二密封表面82。当柱塞58处于第二位置时(图3b)，第二密封表面82可与第二座部84接合，以密封压力端口46和气囊端口50之间的通道86。偏压元件88接合第一密封表面78和第二密封表面82之间的阀元件74的肩部90，以朝向第一位置偏压阀元件74和柱塞58(图3a)。在图示的实施例中，偏压元件88是螺旋弹簧，但是在另一些实施例中，偏压元件可以是盘簧、一组相斥磁体或者用于将柱塞58和阀元件74朝向第一位置偏压的任何其他合适的装置。
30.柱塞58由与永磁体62和线圈组件34产生的磁场相互作用的铁磁材料制成。当柱塞58处于第二位置时，基部68接触铁芯66(图3b)。铁芯66将磁场从永磁体62传递到柱塞58。这样，柱塞58被磁力吸向铁芯66。在没有任何外力(例如，由线圈组件34产生的磁力)的情况下，永磁体62抵抗偏压元件88的偏压力将柱塞58保持在第二位置。当柱塞58(例如在线圈组件34产生的磁力的影响下)移动到第一位置时，柱塞58与铁芯66间隔开，以在其间限定空气间隙92(图3a)。空气间隙92减小了磁体62和柱塞58之间的磁引力，使得偏压元件88的偏压力大于磁引力。在没有任何外力(例如线圈组件34产生的磁力)的情况下，偏压元件88将柱塞58保持在第一位置。因此，偏压元件88和永磁体62将柱塞58分别锁定在第一位置和第二位置。
31.在操作中，为了给气囊104充气，开关110被致动到第一位置，以将电源106连接到
第一线圈35a(图2)。电源106驱动电流沿第一方向通过第一线圈35a，这产生第一磁场。第一磁场以足以克服永磁体62的磁引力的力作用在柱塞58上。柱塞58然后移动到图3a所示的第一位置。在第一位置，第一密封表面78接合第一座部80以密封排气端口54，并且第二密封表面82背离第二座部84移动以提供压力端口46和气囊端口50之间的流体连通。空气泵108然后通过阀10供应压缩空气，这使气囊104充气(图2)。因为一旦柱塞58被第一线圈35a致动，偏压元件88就将柱塞58保持在第一位置，所以电源106只需要输送电流脉冲来给气囊104充气。也就是说，阀10可以保持在其充气构型，而不需要通过线圈组件34连续施加电流。
32.为了给气囊104放气，开关110被致动到第二位置，以将电源106连接到第二线圈35b(图2)。电源106驱动电流沿第二方向通过第二线圈35b，这产生第二磁场。第二磁场以足以克服偏压元件88的偏压力的力作用在柱塞58上。柱塞58然后移动到图3b所示的第二位置。在第二位置，第二密封表面82接合第二座部84以密封通道86，从而基本上阻止压力端口46和气囊端口50之间的流体连通。此外，第一密封表面78背离第一座部80移动，以在气囊端口50和排气端口54之间提供流体连通。因此，包含在气囊104内的加压空气可以通过排气端口54排放到大气中，以对气囊104放气。因为一旦柱塞58被第二线圈35b致动，永磁体62就将柱塞58保持在第二位置，所以电源106只需要输送电流脉冲来对气囊104放气。也就是说，阀10可以保持其放气构型，而不需要通过线圈组件34连续施加电流。
33.在一些实施例中，柱塞58可以响应于来自电源106的、持续时间在大约2毫秒(ms)到大约10毫秒之间的电流脉冲而在第一位置和第二位置之间被致动。在所示实施例中，电流脉冲的持续时间约为3毫秒。短脉冲持续时间最小化了由阀10汲取的功率，例如，当阀10被结合到电池供电的电动车辆的座椅组件中时，这可能是特别有利的。
34.在一些实施例中，柱塞58可在第一位置和第二位置之间移动约0.2毫米(mm)至约1.0毫米的轴向移动距离。在所示实施例中，柱塞58的轴向移动距离约为0.4毫米。因此，所示阀10可有利地制成非常紧凑的尺寸。
35.图4-6示出了根据另一实施例的阀210。阀210类似于上面参照图1-3b描述的阀10，并且可以以类似的方式结合到车辆座椅系统100(图2)中。阀210也可以用于其他应用。与阀10的特征相对应的阀210的特征以类似的附图标记加上“200”给出。此外，以下描述主要集中在阀210和阀10之间的差异。
36.阀210包括壳体214和联接到壳体214的导电线圈组件234。在所示实施例中，线圈组件234包括由铜、银、金或任何其他合适的导电材料制成的两个单独的线圈235a、235b。在所示实施例中，线圈235a、235b被集成到相应的第一多层印刷电路板pcb1和第二多层印刷电路板pcb2中。在这样的实施例中，线圈235a、235b中的每一个线圈可以由被绝缘薄层分开的多个螺旋导体形成。在所示实施例中，印刷电路板pcb1、pcb2间隔开，并且联接到壳体214的相对端。在所示实施例中，印刷电路板pcb1、pcb2中的每一个印刷电路板可以以在它们之间形成基本气密密封的方式联接到壳体214。
37.图示的阀210包括三个端口:第一端口或压力端口246、第二端口或气囊端口250以及第三端口或排气端口254。压力端口246穿过第一印刷电路板pcb1延伸到壳体214的内部。压力端口246可以流体联接到空气泵108(图2)或任何其他加压流体源。气囊端口250可以流体联接到气囊104(图2)。在另一些实施例中，气囊端口250可以流体联接到下游阀组件或流体开关模块，该下游阀组件或流体开关模块配置成将加压空气引导到一个或多个这样的气
囊104。排气端口254穿过第二印刷电路板pcb2延伸到壳体214的内部。排气端口254与阀210周围的环境流体连通。在一些实施例中，端口246、250、254可以不同地配置(例如，第一端口246可以是排气端口，第三端口254可以是压力端口等)。在另一些实施例中，阀210可以配置有不同数量的端口(例如，两个端口、四个端口、五个端口等)来适应特定的应用。
38.图示的阀210包括致动组件256，该致动组件256具有柱塞258和固定到柱塞258上以便与其一起移动的永磁体262。响应于相应的第一线圈235a和第二线圈235b的通电，致动组件256可在壳体214内在第一位置(图4)和第二位置(图5)之间沿轴向移动。当致动组件256处于第一位置时(图4)，柱塞258接合第一阀元件274a以打开压力端口246，并且当致动组件256处于第二位置时(图5)，柱塞258的相对端接合第二阀元件274b以打开排气端口254。阀元件274a、274b被偏压向关闭位置，在关闭位置，阀元件274a、274b密封相应的端口246、254。
39.永磁体262与线圈组件234产生的磁场相互作用，以使致动组件256在第一位置和第二位置之间移动。一个或多个铁磁元件223、225设置在第一印刷电路板pcb1和第二印刷电路板pcb2的每一个印刷电路板上。在所示实施例中，铁磁元件223、225设置在相应印刷电路板pcb1、pcb2的外侧(即，壳体214的外侧)。在另一些实施例中，铁磁元件223、225可以设置在印刷电路板pcb1、pcb2的内侧(即，在壳体214内部)。在一些实施例中，铁磁元件223、225可以使用表面安装技术固定到印刷电路板pcb1、pcb2。
40.当致动组件256处于第一位置(图4)时，永磁体262位于第一印刷电路板pcb1附近。永磁体262被吸引到铁磁元件223，从而将致动组件256保持在第一位置。同样，当致动组件256处于第二位置(图5)时，永磁体262位于第二印刷电路板pcb2附近。磁体262被吸引到铁磁元件225，从而将致动组件256保持在第二位置。因此，永磁体262配置成将致动组件256分别锁定在第一位置和第二位置中的每一个位置，使得当线圈组件234断电时，致动组件256可以保持在第一位置和第二位置中的每一个位置。
41.在操作中，为了将致动组件256从第一位置(图4)移动到第二位置(图5)，第一线圈235a被通电以产生第一磁场。第一磁场以足以克服永磁体262和铁磁元件225的磁引力的力作用在永磁体262上。致动组件256然后移动到图5所示的第二位置。在另一些实施例中，第二线圈235b可以被通电以将致动组件256朝向第二位置移动，或者两个线圈235a、235b都可以用于移动致动组件256。在第二位置，柱塞258接合第二阀元件274b以打开排气端口254。永磁体262将致动组件256保持在第二位置，使得仅需要通过第一线圈235a的短暂电流脉冲来致动阀210。
42.相反，为了将致动组件256从第二位置(图5)移动到第一位置(图4)，第二线圈235b被通电以产生第二磁场。第二磁场以足以克服永磁体262和铁磁元件223的磁引力的力作用在永磁体262上。致动组件256然后移动到图4所示的第一位置。在另一些实施例中，第一线圈235a可被通电以朝向第一位置移动致动组件256，或者两个线圈235a、235b可用于移动致动组件256。在第一位置，柱塞258接合第一阀元件274a以打开压力端口246。永磁体262将致动组件256保持在第一位置，使得仅需要通过第二线圈235b的短暂电流脉冲来致动阀210。
43.参考图6，在一些实施例中，致动组件256也可以移动到第三位置或中间位置，该位置是第一位置和第二位置之间的居间位置。为了移动到中间位置，两个线圈235a、235b都可以被通电。在中间位置，柱塞258与阀元件274a、274b间隔开，使得压力端口246和排气端口
254都关闭。在图示的实施例中，设置定中弹簧288以将致动组件256偏压向中间位置。定中弹簧288的强度足以在线圈235a、235b断电时将致动组件256保持在中间位置。在另一些实施例中，可以提供其他装置，例如止挡件或棘爪/制动件，以将致动组件256保持在中间位置。
44.因此，图示的阀210能够提供多个锁定位置。短脉冲持续时间最小化了由阀210汲取的功率，例如，当阀210被结合到电池供电的电动车辆的座椅组件中时，这可能是特别有利的。此外，通过提供两个线圈235a、235b，阀可以有利地使用单向电源操作。可选地，线圈235a、235b可以各自通过反转电源的极性来产生不同方向的磁场。最后，将线圈235a、235b结合在印刷电路板pcb1、pcb2中允许阀210尺寸更小，成本更低，并且比传统的电磁阀更容易组装。可以与阀210一起提供的其他部件，例如控制电子器件(例如，微处理器)、开关等，可以使用表面安装技术附接到印刷电路板pcb1、pcb2中的任一个或两个印刷电路板，从而简化阀210的组装。
45.图7-8示出了根据另一实施例的阀410。阀410类似于上面参照图4-6描述的阀210，并且同样可以结合到图2所示的车辆座椅系统100中。阀410也可以用于其他应用。与阀210的特征相对应的阀410的特征以类似的附图标记加上“200”给出。此外，以下描述主要集中在阀410和阀210之间的差异。
46.阀410包括壳体414和联接到壳体414的导电线圈组件434。代替像上述阀210那样包括多个线圈和印刷电路板，阀410的线圈组件434包括集成到多层印刷电路板pcb1中的单个线圈435。此外，图示的阀410仅包括两个端口:延伸穿过印刷电路板pcb1的第一端口或压力端口446和第二端口或气囊端口450。
47.图示的阀410包括具有柱塞458的致动组件456，柱塞458可在壳体414内的轴向方向上在第一位置(图7)和第二位置(图8)之间移动。永磁体462联接到柱塞458上，用于相对于壳体414一起移动。当致动组件458处于第一位置时(图7)，柱塞458接合第一阀元件474a以打开压力端口246，并且柱塞458与第一阀元件474a间隔开，以允许第一阀元件474a在致动组件456处于第二位置时关闭(图8)。阀元件474a被偏压向关闭位置，在关闭位置，阀元件474a密封端口446。
48.一个或多个铁磁元件423设置在印刷电路板pcb1上。在所示实施例中，铁磁元件423设置在印刷电路板pcb1的外侧(即，壳体414的外侧)。在另一些实施例中，铁磁元件423可以设置在印刷电路板pcb1的内侧(即，壳体414的内部)。在所示实施例中，柱塞458包括凸缘部分491，该凸缘部分491接合偏压构件488(例如，螺旋弹簧)的端部。偏压构件488作用在凸缘部分491上，以将致动组件456朝向第二位置(图8)并背离铁磁元件423偏压。
49.在操作中，为了将致动组件从第一位置(图7)移动到第二位置(图8)，线圈435被通电以产生磁场。磁场以足以克服永磁体462和铁磁元件423的磁引力的力作用在永磁体462上。致动组件456然后在偏压构件488的帮助下移动到图8所示的第二位置，并且阀元件474a关闭。偏压构件488然后将致动组件456保持在第二位置，使得仅需要通过线圈435的短暂电流脉冲来致动阀410。
50.相反，为了将致动组件从第二位置(图8)移动到第一位置(图7)，线圈435在相反方向(即负向)上被通电以产生第二磁场。第二磁场以足以克服偏压构件488的偏压力的力作用在磁体462上。致动组件456然后移动到图7所示的第一位置。在第一位置，柱塞458接合第
一阀元件474a以打开压力端口446。然后，永磁体462和铁磁元件423之间的吸引力将致动组件456保持在第一位置，使得仅需要通过线圈435的短暂电流脉冲来致动阀410。
51.因此，图示的阀410能够提供多个锁定位置。短脉冲持续时间最小化了由阀410汲取的功率，例如，当阀410被结合到电池供电的电动车辆的座椅组件中时，这可能是特别有利的。最后，将线圈435结合在印刷电路板pcb1中允许阀410尺寸更小，成本更低，并且比传统的电磁阀更容易组装。可以与阀410一起提供的其他部件，例如控制电子器件(例如，微处理器)、开关等，可以使用表面安装技术附接到印刷电路板pcb1，从而简化阀410的组装。
52.图9-10示出了根据另一实施例的阀610。阀610类似于上面参照图7-8描述的阀410，并且同样可以结合到图2所示的车辆座椅系统100中。阀610也可以用于其他应用。与阀410的特征相对应的阀610的特征以类似的附图标记加上“200”给出。此外，以下描述主要集中在阀610和阀410之间的差异。
53.与上述阀410类似，阀610包括集成到单个印刷电路板pcb1中的单个线圈635。然而，不同于两个端口，阀610包括第一端口或压力端口646、第二端口或气囊端口650以及与压力端口646相对的第三端口或排气端口654。阀610的致动组件656以类似于阀410的致动组件456的方式起作用，除了柱塞458配置成当致动组件656处于打开排气端口654的第二位置时接合第二阀元件674b。
54.本发明的各种特征和方面在以下权利要求中阐述。