本发明涉及一种气动脉冲阀及包括这种阀的流体脉冲分离系统。更具体来说，本发明涉及一种能够提供压缩流体的极快动阀，以及适于为飞机前缘表面除冰的流体脉冲分离系统。

从动力航空的开始，在某些飞行条件下，飞机就会遇到冰在飞机部件如机翼和翼间支柱表面积聚的问题。如不控制，冰的这种积聚最终会使飞机负载过重，使飞机翼面和操纵面形状改变，以至突然陷入无法飞行的状态。为防止和/或除去在飞行条件下这种冰的积聚已研究出三大类除去积聚的冰的方法，通称为除冰法。

在一种称为热除冰的除冰方式中，加热前缘以松弛积聚的冰和飞机部件之间的附着力。本说明书中所用“前缘”一词的意思是指飞机上那些生成冰的，受掠过飞机气流冲击的，具有一点或一线气流停滞的缘。附着力一旦松弛，冰就会被掠过飞机的气流吹离飞机部件。加热前缘有两种常用方法。在称为电除冰的方法中，将电加热件放置在飞机部件的前缘区域，将其包在套在前缘上的弹性套内，或装入飞机部件的表层结构中。这种加热件一般使用的电能是由一个或 多个飞机发动机驱动的发电装置提供的，并被接通和断开以提供松动积冰的热量。在小型飞机中，使用电热除冰法没有足够的电力供应。在另一种加热方法中，来自涡轮发动机的一个或多个压缩级的高温气体循环通过如机翼、翼间立柱等部件前缘，以便获得除冰或防止结冰的效果。这种方法一般只用于使用涡轮发动机的飞机，从涡轮发动机的一个或多个压缩级排出高温压缩气体。这种方法会降低燃料的经济性并降低发动机的功率输出。

第二种常用的除冰方式是化学法。在有限的情况下，在飞机整体或局部使用化学品来降低冰在飞机上的附着力或降低水在飞机表面上的冰点。

另一种常用的除冰法一般称为机械式除冰法。一种机械式除冰装置包括电机械锤击，见美国专利第3，549，964号。长期受锤击易使飞机表面发生应变疲劳，这种忧虑使这种技术无法得到显著的商业进展。

另一种电机械式除冰系统见于美国专利第4，690，353号。一个或多个交搭的挠性导体带，每条都向后折叠并嵌入弹性材料中。当强大电脉冲送入导体带时，在导体带相邻的反向段中的反并行电流产生相互作用的电磁场，从而在交搭的导体段之间产生电排斥力，使其瞬时分离。这种膨胀倾向于除去在弹性材料表面上的任何固体。

但是，主要的商业上的机械除冰装置称为气动除冰装置，其中，飞机的机翼或翼间立柱的前缘区域覆盖许多可膨胀的基本呈管形的 结构，当用流体（一般是空气）加压时，可充气膨胀。当充气时，管形结构使机翼或立柱的前缘形状显著膨胀，并使其上积聚的冰碎裂而散入掠过飞机部件的气流中。一般来说，这种管形结构的形状基本平行于飞机前缘。这种普通的低压气动除冰装置是用具有类似橡胶的性质或称弹性的材料制成的。一般来说，制造这种除冰结构上的可膨胀管的材料在充气膨胀循环中，可膨胀或拉伸40%以上，因而使除冰装置以及前缘的形状发生显著变化，从而使前缘上积聚的冰碎裂。这种普通的气动除冰装置需要大量空气使其可高度膨胀的管充气，一般来说并从历史上来看，使这种管充气的时间平均为大约2至6秒钟。管膨胀形成的翼面形状的变形可显著地改变掠过翼面的气流模型，有害于翼面的升力特性。制造这种普通气动除冰器的橡胶或类似材料一般要具有大约6900Kpa的杨氏弹性模量。据各种报告称，冰的弹性模量在大约275，000Kpa和大约3，450，000Kpa之间。人们知道冰所具有的弹性模量可使一般积聚的冰能够适应支承冰的表面形状的微小变化，不过，普通除冰器所用橡胶材料的弹性模量大大低于一般冰的弹性模量。普通除冰器的显著膨胀能使积聚的冰的结构碎裂，从而被冲击气流吹掉。

美国专利第4，706，911号，第4，747，575号和第4，878，647号公开的为前缘除冰的气动除冰装置中，利用加压流体脉冲迅速使设置在支承表面和弹性模量显著提高的表皮之间的可膨胀管充气。这种流体脉冲被送至可膨胀管，使高弹性模量的表皮离开原来位置，然 后突然停止。赋予积聚的冰的动量，使冰作附加运动，有助于冰的分离和位移。在某些实施例中的可膨胀管结构在不到0.1秒内充气，最好在不到0.5毫秒内充气。美国专利第4，706，911的图4和有关说明公开了一种喷射器/飞行员操纵的脉冲式除冰器。在美国专利第4，747，575号的图7和有关说明中描述了一种用于气动脉冲式除冰器中使用的一种跳动阀（Chattering valve），向固定在前缘上的除冰器的可膨胀管提供一系列迅速的流体压力脉冲。在美国专利第4，878，647号的图1和有关说明中描述了一种三级阀，该阀向固定在前缘上的除冰器的可膨胀管提供高速加压流体脉冲。为改进上述气动脉冲除冰系统，人们一直改力于改进输送所需流体脉冲的阀的效率和可靠性。

按照本发明的一个方面，一种改进的阀具有先导段，中间段和输出段，先导段包括先导壳，内有一先导腔，从先导壳外部伸至先导腔的进口通道装置，从先导腔伸至先导壳外部的排出通道装置，以及从先导腔伸至所述中间段的中间通道装置，门装置的形状适于从一装载位置和一排出位置的运动，在所述装载位置，所述进口通道装置与所述中间通道位置流体连通，在所述排出位置，所述排出通道装置与所述中间通道装置流体连通，而所述进口通道装置与所述中间通道装置断开;

所述中间段包括一中间壳，内有一中间腔，中间腔具有与所述中间通道装置流体连通的进口，一排出孔以及一个与输出通道装置连 通的出口，所述出口临近所述排出孔，一阀芯装在所述中间腔内，其形状适于从一装载位置和一排出位置的运动，在所述装载位置，压力下的流体可以进入中间腔并迫使阀芯封住流体进入排出孔的流动，而允许流体流入出口，在所述排出位置，压力下的流体可从所述输出通道装置流至所述排出孔;

所述输出段包括一输出壳，内有一输出腔，输出腔具有与所述输出通道装置流体连通的一进口，一出口和储存装置，该储存装置具有一个至所述输出腔的开口临近于所述出口，一活塞设置在所述输出腔内，其形状适于从一装载位置和一排出位置的运动，在所述装载位置上，压力下的流体可通过所述进口进入输出腔，并迫使活塞密封住流体流入出口的运动，而允许流体流入所述储存装置，在所述排出位置，压力下的流体可从所述储存装置流至所述出口，其特征在于：

所述阀芯具有：a）第一放出孔，允许在所述中间腔和所述出口之间的有限的流体连通;b）第一密封装置，以防止流体从除所述放出孔之外的任何通路从所述中间腔泄漏;

所述活塞具有：a）在所述输出腔中作往复运动的致动器，一个具有至少三只脚的颈部，每只脚有一端面径向向外从所述颈部延伸，所述颈部借助每一个所述端面与所述储存装置之间的接触在所述储存装置中作往复运动，以及一密封面，用于密封住当所述活塞处于装载位置时流体进入所述出口的运动。

在推荐实施例中，阀芯和中间腔是圆柱形的，阀芯面对排出孔的 端部有一截头圆锥形的面，当与阀座接合时能够密封住来自中间腔的流体流动。同样，活塞和输出腔也基本呈圆柱形，活塞面对出口的端部有一截头圆锥形面，当与活塞座相接合时能够密封住来自输出腔的流体流动。设置这些截头圆锥形密封面的作用是使阀加速打开，这是因为随着压力从中间腔和输出腔释放，以及阀芯和活塞分别开始从各自的环形座移开，较大的面积暴露于逸出的流体，从而使更大的力作用在阀芯和活塞上，使其更为迅速地从在各自座上的位置离开。

在一个实施例中，阀壳是整体的，由金属制成，而阀芯和活塞是由塑料制成的。

在一推荐实施例中，阀芯是由塑料制成的，活塞是由金属如铝或铝合金制成的，带有塑料制成的端面镶块。

在一推荐实施例中，门装置具有一球座装置，一个球，一个用于使球与所述球座装置接合的致动杆，以及一临近所述球座装置与所述球相对的O形环装置，用于提供弹力抵住所述球座以便缓冲所述球对所述球座装置的冲击。

按照本发明的另一个方面，前述阀与流体脉冲分离装置相结合使用，所述流体脉冲分离装置具有一个由杨氏模量至少为40，000Kpa的材料制成的外表面层和设置在所述外表面层之下的至少一个可膨胀的管形件，所述管形件充入流体脉冲而膨胀，使所述外表面层作相应的运动，从而使其上附着的任何物质如冰分离和移位。

现对照以下附图（构成本说明书的一部分），阅读对本发明的推荐实施例的详细说明可更清楚地理解本发明的上述的和其它的特征和优点。

图1是按照本发明的阀的局部剖开的侧视图;

图2是按照本发明的活塞座的横剖面图;

图3是沿图1中3-3线局部剖开的顶视图;

图4是按照本发明的阀和流体脉冲分离装置的局部剖视图。

现参阅图1，阀10包括一先导段20，一中间段50和一输出段70。先导段20包括内有先导腔22的先导壳21。进口通道装置23从先导壳21外部伸向先导腔。排出通道装置24从先导腔22伸至先导壳之外。中间通道装置25从先导腔22延伸并终止于中间腔52的输入孔53。先导段20也包括一个门装置28，其形状适于作从图1所示的排出位置的运动，在排出位置，进口通道装置23与所述中间通道装置25流体连通，在一装载位置（未画），进口通道装置23与中间通道装置25液体连通。当门装置28处于排出位置时，进口通道装置23与中间通道装置密封且断开连接。在图示推荐实施例中，门装置28包括一不锈钢球29，球29被从一流体源（未画）通过进口21和进口通道装置23提供的加压流体迫至装载位置，其中，在阀的工作循环的装载部分中，球29与排出通道装置24的环形排出通道座31相接触。

一普通的电磁阀36固定在阀10的先导段20，因而当电磁阀不 接通时，芯杆38的远端位于环形排出通道座31之内，从而并不干涉球29抵靠在排出通道座31上并密封排出通道装置34和先导腔22之间的流体连通。当电磁阀36接通时，芯杆38驱动离开电磁阀36以便将球29推离座31并推向环形进口通道座30。一隔环32用于限制球29在座30和31之间的运动。一O形环40设置在进口通道座30之后用于吸收当芯杆39撞击球29引起的对球29和座30的振动。已经发现，在现有技术的阀中作用在芯杆38，球29和座30上的力使这些零件迅速损坏，需经常维修。本发明的O形环缓解了这个问题。另外，在现有技术中，利用弹簧。滑阀在装载位置上使球迫向排出通道座31。本发明人发现，在本发明的实施例中未使用这些部件，并未影响装置的功能，却减少了易于发生故障的零件的数目。

隔环32具有许多径向延伸的通路39以利于在先导腔22和中间通道装置25之间的流体的流通。隔环32的形状使流体能从进口通道装置23通过进口通道座30和O形环40流入先导腔22。

中间段50包括一个与先导段壳和输出段70相连接的中间壳51。中间段50包括一中间腔52，中间腔52具有一进口53，进口53与中间通道装置25液体连通。在中间腔的相对端有一通入排出口54的环形阀芯座59。临近排出口54有一出口55基本与圆筒形中间腔和排出口的公共轴心线垂直。圆筒形阀芯57在中间腔52中可作往复运动。阀芯57形状适于作从图1所示装载位置至排出位置的运动（即图1中向右运动），在排出位置时，阀芯移至离开阀座59的位 置。阀芯57包括一截头圆锥形端面58，当其与环形阀座59接触时能阻止流体向排出口54的流动。阀芯57还包括阀芯的放出孔56，从中间腔52穿过阀芯到阀芯57上的环形槽60。阀芯57的外径应小于中间腔52的直径，因此，阀芯放出孔56和环形槽60使中间腔52与出口55流体连通。阀芯放出孔56的直径应足够小使流体当阀芯57处于装载位时能从中间腔52流至出口55，但并不干涉流体在阀芯57处于排出位置时流出排出口54。阀芯放出孔56的推荐直径为0.026英寸左右。图1中阀芯57处于装载位置，在该位置，在压力下的流体可通过进口通道装置23，先导腔22，中间通道装置25和阀芯孔56进入中间腔52。阀芯57的外径稍小于圆筒形中间腔52的内径。O形密封环62设在阀芯57上以防止流体的旁流。应注意，放出孔56和O形环62构成一个系统，该系统能减小现有技术所要求的阀芯紧配合于中间腔52的那种必要性。

输出段70包括与中间段50和先导段24共用的输出壳71。输出段包括一与输出通道装置55流体流通的输出腔72，以及在输出腔72相对端的出口74。临近出口74的预定容积的储存腔75与输出腔72相通。储存腔75的相对于输出腔72的端部有一环形活塞座78。一活塞76设在输出腔72和储存腔75中沿轴线79作往复运动，活塞76包括：a）一顶部圆柱形头部80，其外径小于输出腔72的内径以便在其中作往复运动;b）一中间圆柱形颈部81以便形成储存腔75，颈部81的外径小于储存腔75的内径，以便形成储存流体的区 域;c）一底部82，底部82具有至少三个从轴线79径向向外突出的脚98，与储存腔75的内壁接触，并保持活塞76的轴向对准;以及d）一端部83，具有一截头圆锥形端面84，能够密封住环形活塞座78，以便防止当截头圆锥形端面接触活塞座78时，加压流体从储存腔75和输出腔72流动。

顶部圆柱形头部80具有一活塞放出孔87，用于将流体从输出腔72放入储存腔75。活塞放出孔87应足够小，以便使流体当活塞76处于装载位置时从输出腔72流至储存腔75，而又并不干涉流体当活塞76处于排出位置时从出口74排出。放出孔87的直径应为0.031英寸左右。活塞76的顶部圆柱形头部80上设有环形槽85，用于安装密封于内壁的O形环86，从而防止流体从储存腔75绕顶部圆柱形头部80旁流至输出腔72。

活塞76的中间圆柱形颈部81和储存腔75内壁之间的直径差形成了储存流体的容积。上述间隙用来进一步减小活塞的质量，从而在阀的工作循环的排出部分开始时增加反应速度。

底部82最好具有三个脚98，脚98圆滑地从轴线79径向向外突出。脚98与颈部81的圆滑过渡减小了脚的应变，也减小了在排出循环中活塞的空气阻力。活塞76最好由金属如铝制成，在每个脚接触储存腔内壁的部分设有耐磨镶块88。耐磨镶块88应从每个脚的金属部分径向向外稍许突出。耐磨镶块88的推荐材料是耐用塑料如聚乙醚醚酮（polyetheretherketone）（PEEK）。但是，活塞76可以 整体由塑料如PEEK制成，从而无需设置耐磨镶块38。

活塞76的端部83具有并入延伸部分89的截头圆锥形表面84，以便装入活塞座78的孔中。

活塞座78具有一座部95（见图2）以接触活塞76，还有一环形槽93（见图2）以装入密封储存腔75的O形环77。

活塞76装在输出腔72和储存腔75中，其形状适于作从图1所示装载位置至排出位置（未画）的运动，在排出位置，活塞向着输出通道装置55移离活塞座78。当在装载位置时，压力下的流体可通过输出通道装置55进入输出腔78并通过放出孔87注入储存腔75。当在排出位置时，在储存腔75中的压力流体通过活塞76的截头圆锥形端面84和活塞座78之间的环形开口自由排入出口74。

阀壳可以为一整体，或者先导段、中间段和输出段可分为单件（如图所示），由连接装置90将这些单件连接起来。这些单件可由铝、钢或其它从结构上能承受适当压力的材料制成。与飞机除冰装置一起使用时推荐的材料是铝。虽然为有效地工作并具有多于一百万次循环的工作寿命，壳体并不需要进行阳极化处理，但是为了进一步提高其工作寿命，耐磨和耐腐蚀，最好进行阳极化处理。

中间段50的阀芯57最好制成中空圆柱体以便将其质量减至最小，从而为开始阀工作循环的排出部分能作最快的反应。阀芯57最好用工程塑料制成。一种适当的组合是在铝壳体中的由PEEK制成的阀芯和活塞，这是因为上述组合表现出极好的耐腐蚀性，低的滑动 摩擦系数，以及在飞机设备所需工作温度范围内热胀系数的良好匹配性。

在本发明中采用了放出孔56，87和O形环62，86是为了在装载循环中有适宜的注入特性，同时比现有技术的阀允许更大的制造间隙和公差。当采用上述材料组合时，在室温下阀芯和活塞与有关孔的间隙最好为0.003英寸左右。较大的间隙会使阀动作放慢并形成较低的输出压力脉冲，如果O形密封件出现旁流的话。最大的间隙据信为大约0.005英寸。然而应注意的是，上述间隙在数量级上要大于现有技术中的要求。

与先导段20相关，球29最好由不锈钢制成，最好为440C型不锈钢。电磁阀36可以是标准推力型28伏直流电磁阀，唯一的要求是其尺寸要适合于先导段，当接通时其运动要能使球29移离排出通道装置24的座31，与进口通道装置23的座30密封接合，并有足够的力度这样做。

虽然结合具有三段的阀描述了本发明，但是，为了获得更快的最后输出段的排出反应时间，也可以采用四个或更多的段，排出反应时间的定义是输出段活塞从完全闭合至完全打开位置所需要的时间。

在使用中，当阀10处于装载位置时使进口通道装置23，先导腔22，中间通道装置25，进口53，中间腔52，出口55，输出通道装置55，输出腔72和储存腔75都加压。压力下的流体能够由放出孔56和87流入输出腔72和储存腔75。一般来说，压力至少为80psig，对 于具体应用场合按需要可以高达5，000psig。球29与环形座31密封接触，从而防止了进口通道装置23或中间通道装置25的压力损失。本发明中推荐使用的流体是空气，不过也可采用其它可压缩的流体。

工作循环的排出部分起始于电磁阀36的接通。电磁阀36的接通迫使球29离开排出通道座31并与座30密封接合。这使先导腔22连通于排出通道装置24，并使进口通道装置23密封于先导腔22。在中间腔52中的流体压力由于流体通过中间通道装置25，先导腔22和排出通道装置24排出而减小，从使输出腔72中的流体压力瞬时大大高于中间腔52中的流体压力。这个压力差作用在由中间腔52直径和排出口54直径差形成的面积差上，从而使阀芯57的截头圆锥形端面58移离阀座59，使加压流体从输出腔72通过排出口54排出。在活塞76的头部80的平端面上作用的压力减小使储存腔75中的流体压力瞬时大大地高于输出腔72。这个压力差作用在由输出腔72直径和与活塞76接触的活塞座78直径差形成的面积差上，从而使活塞抬离活塞座78，并使储存腔75中的加压流体能排入出口74。由于阀芯57和活塞76开始从各自的座59和78上抬离，故各自的截头圆锥形端面58和84的较大面积承受流体压力差。这种结构导致所谓的“正空气动力弹簧刚度”，这使阀芯57和活塞76移离各自的座至各自的圆筒形腔52，72的相对端的完全打开位置时，其加速度迅速增大。如下文将详述的那样，在排出循环中，本发明的活塞端部83和活塞座78的形状提供了优于现有技术系统的输出流 体脉冲。还应注意的是，因为放出孔56，78的直径很小，所以在这种动力条件下通过放出孔的气流很小。

在排出循环及门装置28返回其装载位置后，在储存腔75中的流体压力短时内恢复至大约等于进口通道装置23的流体压力。

虽然本发明是结合某些推荐实施例描述的，但是本专业技术人员显然懂得，对本发明阀的其它修改是显而易见的并未超出本发明的范围。本发明装置的各段可按不同的方位来制造。例如，输出段可转180°设在电磁阀旁或转90°垂直于图1的图面。储存腔可加大或变小，可有不同的形状，也可以连接于一个外部的室或通道。可使用手动致动器，气动致动器或液压致动器来代替电磁阀。

现参阅图2，活塞78包括一环形体92，环形体上的一环形槽93用于装入O形环77。从储存腔75至出口74的座78的孔最好由圆柱形座面94限定，座面94具有一倒圆的或倒角的边缘并入截头圆锥形座面96，座面96则并入容纳活塞延伸部89的圆筒形输出孔97。轴线79和截头圆锥形座面96之间的夹角最好等于截头圆锥形座84的角如45°。已经发现，输出孔直径为0.71英寸，输出腔72直径为1.0英寸，可以提供优于现有技术中阀的活塞打开速度及较高的输出压力脉冲。

现参阅图1和2，在排出循环中，活塞76的截头圆锥形部分84一移离座部95，流体即进入截头圆锥形部分84和活塞座76的截头圆锥形部分96之间的区域，从而形成一个比以前由输出腔72直径 和座面94直径差限定的面积差更大的面积差，其作用是在活塞76上提供一个使其加速驱向输出通道装置55的更大的力。随着活塞76的加速，底缘104在其行程中超过活塞座78的角部106，储存腔75中的流体迅速排出。由于底缘104到达角部106时，活塞已加速至很高的速度，因而活塞达到其完全打开位置所需的时间比起现有技术来说大为缩短。本发明阀的这一特性意义很大，它使阀以比以前所能实现的高得多的速度和更高的输出压力峰值排出储存腔75中的气体。

现参阅图3，活塞76包括中间圆柱形颈部81，端部83，至少三个径向向外从端部83突出的脚98以及设在每只脚上的一个塑料镶块88。如果设置三个脚，那么最好相互间隔120°，如图所示。

现参阅图4，图4示出一个流体脉冲分离系统200。流体脉冲分离系统200具有一个按照本发明的，如图1所示的流体脉冲阀202以及连至一个流体脉冲分离装置204的脉冲通道装置201，在图示实施例中分离装置204是飞机机翼的翼面。流体脉冲分离装置204具有一翼面形状的外表面层或称外皮205，一粘接于外皮205的正面的弹性层206，以及织物加固的可膨胀管207和弹性底层208。底层208用于将上述图示结构粘接于一刚性的基底如翼面的底层支承结构209上。适当的流体脉冲分离装置的进一步细节请参阅美国专利第4，747，575号，第4，807，515号，第4，826，108号，第4，836，474号，第5，098，061号，第4，878，647号，第4，865，291号，第4，878， 647号，第5，098，037号，以及第4，706，911号，这些专利文献的技术内容本说明书引作参考。

虽然已借助实施例对本发明作了图示和描述，但是本专业技术人员懂得，可对上述实施例作各种增删修改而并不超出本发明的范围。