專利名稱：閉鎖式電磁閥的制作方法
技術領域：
本發明涉及螺線管(solenoid)驅動閥的門，尤其是涉及帶有閉鎖式螺線管致動器的閥門。
作為這些機械式自動化水龍頭的一種替代品，已經提出了一些電控電磁閥模型。然而，傳統的電磁閥只有當電流通過螺線管致動器的電磁線圈時才保持打開狀。隨著電流的消失，彈簧促使螺線管關閉閥門。因此，電磁閥要使用相當數量的電流，這使它們用電池驅動操作不切實際。所以，一般由建筑物的電線提供動力，這樣在洗盆的下面需要一個電輸出端，并在電路故障中防止使用者遭受電擊。
本發明的另一個目的是提供這樣一種閉鎖式電磁閥，即在電磁線圈內設置一個永磁鐵的閉鎖式電磁閥。
本發明的再一個目的是提供這樣一種閥，它能在電池更換之間的相當長的時間內，由電池提供動力。
本發明的這些和其它的目的是通過一個閉鎖式電磁線圈實現的，該閉鎖式螺線管具有一個帶有中心孔的非磁性材料的繞線軸。電磁線圈被纏繞在繞線軸上，形成一個電磁體，當電流流過線圈時，產生磁場。一塊永磁體與一個可透磁材料的磁通量集中器一起共同設置在繞線軸的中心孔內。一個柱塞(plunger)可滑動地位于中心孔內并從繞線軸軸向地向外伸出。
一個透磁材料的外殼將繞線軸封閉，并有一個或與永磁體或磁通量集中器接觸的第一元件。外殼的第二元件有一個開口，柱塞穿過該開口而不與第二元件接觸，以使柱塞上的磨擦力減至最小。
螺線管操縱一個引導閥機構，該引導閥機構包括一個與外殼連接的非磁性材料的閥蓋座(cage)，并有一個凹槽容納和支撐柱塞的一端。所述蓋座包括一個引導管，該引導管有一個具有第一開口的通道通向圍繞第一開口的一個引導閥座的凹槽中。
閥體連接到外殼上并有一個入口和一個出口。入口通過一個開口與出口連通，并且主閥座圍繞該開口伸出。一塊彈性膜片選擇性地與主閥座接合以關閉所述開口。該彈性膜片有一個通道，引導管被緊緊地安裝在其內部。
圖2表示龍頭的閥和管組合件。
圖3是閉鎖式電磁閥的截面圖。
本發明的詳細說明首先參照
圖1，水龍頭10有一個空心體12，該空心體12帶有一個向上伸出并遠離空心體的主部13的殼體套管(spout)14。空心體有一個基板16，它適合安裝在洗盆的表面或鄰近洗盆的臺面頂部。空心體12的上部有一個圓柱形開口15，它用來安裝帶有一個可移動頂罩20的致動器部件18，通過把螺釘17插入到致動器部件芯部21的凹槽19中，所述可移動頂罩20可滑動地保持在相應的位置。
致動器部件18裝有電池22，電池22由蓋38固定靠在一對電接觸件24和26上，帽38由另一螺釘39固定在致動器組件體21上。頂罩20和蓋38能容易地取下以更換電池，而不必切斷水龍頭10的水源，也不必接近安裝水龍頭的表面下方的組件。位于空心體12內的印刷電路板28通過安裝在其上的電池接觸件24接收電池電流。一個殼體49封閉印刷電路板28使之免受潮濕的損害，螺釘53將殼體保持在相應的位置，也將致動器部件18固定在水龍頭體12上。
印刷電路板有一個計時器電路29和一個啟動計時器電路的電開關32。開關推桿34從頂罩20的內表面處的緊下面向下伸展穿過致動器部件18至印刷電路板28的開關32。彈簧36也使頂罩20與蓋38偏置，并與開關推桿34脫離接觸。
計時器電路29的電輸出驅動水龍頭殼體12內的電磁閥30。電磁閥30連接到進水管40上，該進水管向下伸出穿過水龍頭10的基板16。在進水管40的遠端的管接頭33裝有一個過濾器(未示出)，該過濾器捕獲可能堵塞電磁閥30的小孔的顆粒。送水管42從電磁閥30伸出通過套管14至出口管接頭41，一個通氣裝置44由螺紋連接在出口管接頭41上。從圖2看出，電磁閥30、進水管40、送水管42和出水口管接頭41構成一個完整的管道組合件45，被嵌置在圖1所示的龍頭10的空心體12內。水只流過管道組合件45并不進入水龍頭體12與之接觸。
把管道組件45預先裝配，然后將其作為一個部件從水龍頭體12的開口底部插入。在插入過程中，將送水管向上推入殼體套管14中，直到組件的出口接頭41與殼體套管14的遠端下面的開口47對準。然后把通氣裝置穿過殼體套管開口47擰到出口管接頭上。向上推進電磁閥30直到平斜表面43與封閉印刷電路板28的殼體49相接。固定橫跨空心體12底部開口上的基板16，將管道組件45保持在其應有的位置，使進水管40穿過基板向下伸出。這個過程是可逆的，以便取出管道組件45修理或更換。
正如將要更詳細描述的，使用者向下推動頂罩20以起動水龍頭。致動器頂罩20的位移把推進桿32向下壓，關閉開關32并起動印刷電路板28上的計時器電路29。當計時器電路起動，電磁閥30處于打開狀，允許水從進水管40流過通氣裝置44。
參照圖3，電磁閥30包括一個鎖式螺線管(電磁)致動器50，該致動器50有一個外殼51，外殼51封閉纏繞在非磁性材料，如塑料制成的繞線軸54上的電磁線圈52。外殼51是由鋼或其它透磁材料制成。繞線軸54有一個穿過中心線伸展的中心孔56，其孔內裝有一個圓柱形金屬磁通量集中器58，該磁通量集中器58內有一個裝有O形環60的環形凹槽。磁通量集中器58被電磁線圈52環繞。永磁體62緊靠在磁通量集中器58的一端并與中心孔56的外端相鄰。磁通量集中器58和O形環60密封繞線軸54的中心孔，以使處于閥的下部的水不到達磁體62。因此，可以使用一個稀土磁體，相對其大小，它提供了相對大的磁力。磁極片64由螺紋旋擰到螺線管外殼51的整體接頭66內，并將磁體62緊靠磁通量集中器58固定在繞線軸中心孔內。在組裝過程中可以軸向地調節磁極片64以補償相關零部件的加工公差。
不銹鋼柱塞68可滑動地定位于繞線軸中心孔56內，相對于永磁體62在磁通量集中器58的另一端，并由彈簧70使之與磁通量集中器58偏離。在柱塞68的遠端有一個凹槽，彈性密封墊72裝入其內。柱塞68的遠端從繞線軸54的內端向外伸出。
繞線軸54的內端有向外伸出的法蘭74，該法蘭74有一個圍繞繞線軸中心孔56開口擴展的環形凹槽76。透磁材料，如不銹鋼的端蓋80的圓柱形凸緣78插入到所述凹槽76內，并由第二O形環82頂靠在凹槽內密封。外殼51的開口端圍繞端蓋80的邊緣卷邊，完成對電磁致動器50的封閉。圓柱形凸緣78的通孔的直徑比由此伸出的柱塞68的外徑稍大，從而形成了磁通量間隙69。這導致了柱塞68能軸向移動而不與端蓋80接觸。端蓋有一個第二大直徑管狀凸出部分84，它從端蓋的另一邊向外伸出。
磁極片64、外殼51、端蓋80、柱塞68和磁通量集中器58為永磁體62創建了一個磁通道并由線圈52形成電磁場。該磁通道在柱塞68和端蓋80之間有一個恒定磁通量間隙96，在磁通量集中器58和柱塞68之間有一個可變磁通量間隙67。正如將要說明的，可變磁通量間隙的大小隨柱塞在中心孔56內移動而變化。
由剛性非磁性材料，例如塑料制成的襯套狀(plug-like)閥蓋座86有一封閉端在第二端蓋凸出部分84的開口內，在端蓋的凸出部分之間構成一個空腔85。該空腔85由閥蓋座86上的凹槽90部分地限定，該凹槽90中插有柱塞68的遠端。凹槽90的內徑與柱塞68的外徑緊密匹配，引導柱塞軸向移動而使柱塞的外表面與透磁端蓋84保持間隙。第三O形環88在閥蓋座86和端蓋80之間提供密封。泄漏孔87從空腔85穿過蓋座86提供一個流體通道。閥蓋座86有一個引導管92，向下伸出到端蓋80的開口凸緣94的下方。穿過引導管92的小孔96有一面向柱塞68的向上收的錐面開口，從而提供了一個引導閥座98。如下面所要描述的，當電磁閥30處于關閉狀態時，柱塞密封墊72接合(engage)這個引導閥座98。
彈性材料，如橡膠的膜片100橫跨在閥蓋痤86的開口凸緣94之間并固定就位，構成引導室115。膜片100的周邊被壓在閥蓋座86和閥體102之間，閥體102由螺紋擰到端蓋84上。膜片100有一個穿過中心的通孔104，端蓋的引導管92緊緊地固定在中心通孔內。膜片100的中心部分106駐留在閥體102內的入口114中，并有一個泄漏孔107穿過。在閉鎖式電磁閥30處于關閉狀態時，膜片100的中心部分106貼靠在主閥座108上，該主閥座是圍繞從入口114到送水管42的出口110的一個開口構成的。入口114處的水壓通過泄漏孔107傳遞，以致膜片100后面的空腔85的壓力大于出口110處的壓力，因此，使閥座108的入口和出口之間的小孔關閉。
在電磁閥30的關閉狀態，由彈簧70的力或任何存在的氣壓或水壓力，使在引導管92開口處的柱塞68緊靠住引導閥座98。因此，柱塞密封墊72關閉了那個開口。軸向磁力作用把柱塞68拉向永磁體62，該磁力的大小由磁通量集中器58和柱塞之間的可變磁能間隙67的長度，以及磁通量間隙中的磁通密度確定。磁通量間隙67增長或磁通密度減小，則磁力減小。柱塞68、磁通量集中器58和永磁體62的設計使磁通量間隙的磁通密度隨間隙長度增加而迅速降低。柱塞68處于關閉位置時，可變磁通量間隙67有足夠的長度，以使永磁體62施加的軸向磁力減至最小，并且不能克服彈簧力。因此沒有電流通過線圈52，柱塞被鎖在關閉位置。
基本上恒定的磁通量間隙69存在于柱塞68和端蓋80之間的磁通道中。這個間隙中磁通量產生一個徑向力作用于柱塞，能產生不希望的磨擦，妨礙了柱塞68的軸向移動。本結構通過將柱塞68的鄰近端支撐在塑料閥蓋座86上，降低了這個磨擦力的作用。該支撐使柱塞基本保持在磁通量間隙69中心，徑向力被減至最小，因而為柱塞滑動提供了低磨擦、低磨損。通過用塑料繞線軸54和塑料閥蓋痤86支撐柱塞，恒定的磁通量間隙69可以制得比較小，因而改善了鎖式電磁(螺線管)致動器50的效率。
當使用者按壓致動器部件18的頂罩20時，計時器電路起動并對電磁線圈52施以短暫的電流脈沖。該脈沖時間段(例如0.025秒)剛夠使線圈52產生一個與永磁體62相同極性的附加磁場，把柱塞68進一步拉向線圈繞線軸中心孔56內，遠離在引導管92開口處的引導閥座98，如圖3所示。電流脈沖足夠大，使柱塞68碰到磁通量集中器58，從而消除了磁通道中的磁通量間隙67，因此使永磁體62的磁力達到最大。該永磁力自身足以克服彈簧70的力，并使柱塞保持離開引導管92的開口。換言之，此時永磁體62的磁力大于彈簧力。因此，在計時器電路29的電脈沖結束時，柱塞被永磁體62鎖住處于打開狀，此時線圈52產生的磁場消失。
柱塞行程的距離保持較短，以使柱塞在它的行程的兩端位置之間移動所需的能量最小。該柱塞行程由將磁極片64移進或移出繞線軸中心孔56調節。
當柱塞68從引導閥座98移開時，閥蓋座空腔85通向與送水管42連通的引導通道96。這通過泄漏孔87從空腔85內和膜片100后的引導室115內釋放了壓力。隨著壓力的釋放，入口114內的壓力迫使膜片100離開主閥座108，打開入口40和送水管42之間的通道。這使水流過閥并流出通氣裝置44。
當閥打開期間(例如3至11秒)已過，計時器電路29自動送出另一個電流脈沖通過電磁線圈52，該電流脈沖與第一個電流脈沖的方向相反，因而產生一個與永磁體62的極性相反的磁場。當電磁閥打開時，使用者通過按壓頂罩20操作開關32，計時器電路也產生那樣的脈沖。該脈沖產生一個電磁場，基本上抵消了永磁體的磁力，允許彈簧施力給柱塞68，使其移出繞線軸54靠緊蓋座86，關閉引導通道96。這個運動也增加了磁通量集中器58和柱塞之間的可變磁通量間隙67，所以在電脈沖結束時，電磁場消失，永磁體的磁力被減弱至小于彈簧力。因此，彈簧70使柱塞處于關閉狀態。
柱塞68靠緊在引導管96開口處的引導閥座98密封，膜片100后的引導室115內的壓力大于出口110處的壓力。由于壓差，膜片100受力緊靠著主閥座108，從而關閉了入口40和送水管42之間的通道。膜片100保持在此位置直至由于柱塞68再次從引導閥座98上移開而壓力相等。因為柱塞68接合剛性蓋座86，關閉了引導通道，它不直接施力給膜片100。這產生了一個更柔和、更平靜的膜片操作。
權利要求
1.一種閉鎖式電磁閥，包括一個螺線管，它具有一個中心孔和一個線圈，當電流通過線圈時，產生磁場；一個永磁體位于所述中心孔內；一個透磁材料的磁通量集中器位于所述中心孔內；一個透磁材料的柱塞可滑動地定位于所述中心孔內并從所述螺線管向外伸出；一個其內裝有螺線管的透磁材料的外殼，它具有與所述永磁體和磁通量集中器之一接觸的第一元件，和帶有一個通孔的第二元件，柱塞穿過所述通孔；一個連接到外殼上的非磁性材料的閥蓋座，它具有一個凹槽，柱塞的一端在其內并被支撐，閥蓋座包括一個引導管，該引導管有一個通到凹槽的第一開口，該引導管還有一個第二開口，所述蓋座有一個圍繞第一開口的引導閥座和從凹槽穿過蓋座的泄漏孔；一個連接到外殼上的閥體，它有一個入口和一個出口，出口經一通孔與入口連通，其中主閥座圍繞所述通孔伸展；和一個彈性膜片，與端蓋一起構成一個與泄漏孔連通的室，并通過選擇性地接合主閥座響應室內的壓力以關閉與入口和出口相通的孔，彈性膜片有一個引導孔與出口連通，其內裝有引導管。
2.如權利要求1所述的閉鎖式電磁閥，其中所述螺線管包括一個由非磁性材料構成的繞線軸，線圈被纏繞在其上。
3.如權利要求1所述的閉鎖式電磁閥，其中所述柱塞有一個彈性密封墊，選擇性地貼合所述引導閥座。
4.如權利要求1所述的閉鎖式電磁閥，其中所述磁通量集中器包括一個密封墊圈，防止流體從中心孔流到磁通量集中器。
5.一種閉鎖式電磁閥，包括一個磁性材料外殼，它具有一個開口端和一個帶有螺紋孔的封閉端；一個磁極片被旋擰在所述螺紋孔內；一個在外殼內由非磁性材料構成的繞線軸，它有一個中心孔；一個纏繞在繞線軸上的電磁線圈，當電流通過線圈時，產生磁場；一個位于繞線軸中心孔內的永磁體，它與所述磁極片貼合；一個透磁材料的磁通量集中器位于繞線軸的中心孔內，與永磁體貼合；一個透磁材料的柱塞可滑動地位于繞線軸的中心孔內并從繞線軸向外伸出；一個使柱塞偏離磁通量集中器的彈簧；一個磁性材料的端蓋與外殼接合并封閉開口端，所述端蓋有一個孔，柱塞穿過所述孔而不與端蓋接觸；一個連接到所述端蓋上的剛性非磁性材料的閥蓋座，它具有相對的第一側和第二側，第一側有一個凹槽，柱塞的一端在凹槽內并被支撐，所述閥蓋座包括一個引導管，該引導管在通到凹槽中的開口的一端具有一個引導閥座，并有一個第二端，所述蓋座還包括一個在凹槽與第二側之間擴展的泄漏孔；一個連接到外殼上的閥體，它包括一個入口和一個出口，出口與入口經一個開口連通，其中主閥座圍繞所述開口伸展；和一個彈性膜片，與所述蓋座的第二側相鄰，在它們之間構成引導室，并通過選擇性地接合主閥座響應室內的壓力以關閉入口與出口之間的連通，彈性膜片有一個引導孔，其內有引導管，其中所述引導管的第二端與出口連通。
5.如權利要求4所述的閉鎖式電磁閥，其中所述彈簧是在繞線軸的中心孔內。
6.如權利要求4所述的閉鎖式電磁閥，其中所述永磁體是稀土磁體。
7.如權利要求4所述的閉鎖式電磁閥，其中所述柱塞具有選擇性接合引導閥座的彈性密封墊。
8.如權利要求4所述的閉鎖式電磁閥，其中所述磁通量集中器包括一個密封墊圈，防止流體從中心孔流到磁通量集中器。
全文摘要
一種由螺線管操縱的引導閥,該螺線管由線圈(52)纏繞在具有中心孔(56)的非磁性繞線軸上構成。中心孔內的稀土永磁體(62)在中心孔內與在該孔內的磁通量集中器的一端相鄰并與之貼合。一個柱塞(68)可滑動地位于中心孔內,通過彈簧(70)偏離磁通量集中器并伸出中心孔的另一端。一個磁性材料的外殼封閉螺線管(電磁線圈)組成磁通道,外殼上有一個小孔,柱塞從小孔伸出。引導閥包括一個剛性非磁性材料的閥蓋座(86),其貼合外殼并在其上有一個凹槽,該凹槽支撐柱塞不與外殼接觸。柱塞通過蓋座選擇性地打開或關閉引導管(92),以控制膜片(100),該膜片(100)通過接合主閥座響應控制流體流過閥體。
文檔編號F16K31/36GK1281542SQ98811925
公開日2001年1月24日 申請日期1998年10月26日 優先權日1997年10月27日
發明者安德魯·J·佩斯, 李·卡斯滕, 約翰·奎拉, 凱溫·威特 申請人:科勒公司