CN101617155B - 微阀装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制流体流动的微阀装置，包括限定具有第一端和第二端的腔室的主体。该第一端与指令压力源连通。该第二端与负载压力源连通。微加工的滑阀被设置在腔室内，位于第一端和第二端之间，以在越过滑阀的压差作用下在第一位置和第二位置之间进行滑动运动，其中，在所述第一位置允许负载压力源和供应压力源之间的流体流动，在所述第二位置允许负载压力源和压力排放口之间的流体流动。该滑阀具有位于第一位置和第二位置中间的闭合位置，其限制负载压力源与供应压力源和压力排放口之间的流体流动。该滑阀可活动地与主体相连接。

Description

微阀装置

技术领域

本发明通常涉及用于控制液压或气动系统中的流体流动的阀门。更具体地，本发明涉及一种改进的微阀装置。

背景技术

阀门被广泛用于控制流体从加压流体源到负载装置或者从负载装置到压力排放口的流动。泵或其它装置常常被设置用作加压流体源。通过阀门选择性地控制流体的流动以控制负载装置的操作。

一种类型的阀门是微阀。微阀系统是指通常涉及半导体电子机械装置的微电子机械系统(MEMS)。

MEMS是指实际非常小的、具有尺寸在微米范围内的零件的一类系统。这些系统既具有电子元件又具有机械元件。术语“微加工”通常理解成指MEMS装置的三维结构和运动部件的制造。MEMS最初使用改进的集成电路(计算机芯片)制造技术(诸如化学刻蚀)和材料(诸如硅半导体材料)来微加工这些非常小的机械装置。现在有了更多可供使用的微加工技术和材料。当用于本申请中时，术语“微阀”指的是具有尺寸在微米范围的零件的阀门，并且因此定义为至少部分由微加工形成。当用于本申请中时，术语“微阀装置”指的是包括微阀，并且还可以包括其它元件的装置。应当注意的是：如果在微阀装置中还包括了除微阀之外的元件，则这些其它元件可以是经过微加工的元件或者标准尺寸(较大)的元件。

已经提出了各种微阀装置用于控制流体回路内的流体流动。一种典型的微阀装置包括可移动构件或者阀门，其可活动地由主体支承并且可操作地与致动器耦合以便在闭合位置和完全打开位置之间运动。当处于闭合位置时，阀门堵塞或关闭与第二流体端口流体连通的第一流体端口，由此阻止流体在所述流体端口之间流动。当阀门从闭合位置运动至完全打开位置时，逐渐允许流体在所述流体端口之间流动。

一种典型的阀门包括在一端处由主体弹性支承的梁。在操作中，致动器强迫梁绕它的被支承端弯曲。为了使梁弯曲，致动器必须产生足以克服与梁相关的弹性力的力。通常，致动器所需的使梁弯曲或移动的输出力随着梁的位移要求的增加而增加。

除了产生足以克服与梁相关的弹性力的力之外，致动器还必须产生能够克服与梁的期望位移相反的、作用在梁上的流体流动力的力。这些流体流动力通常随着通过流体端口的流速的增加而增加。

因此，致动器的输出力的需求、进而致动器的尺寸和驱动致动器所需要的功率通常必定随着梁的位移要求的增加和/或通过流体端口的流速要求的增加而增加。

一种特殊类型的微阀是导阀控制的微阀。典型地，这种微阀装置包括由上述类型的微阀进行导阀控制的微滑阀。例如，美国专利No.6,494,804、6,540,203、6,637,722、6,694,998、6,755,761、6,845,962和6,994,115公开了导阀控制的微阀，这些文献的公开内容以参考的方式并入本文。

发明内容

本发明具体涉及一种改进的微阀装置。

用于控制流体流动的微阀装置包括主体，该主体限定出具有第一和第二端的腔室。第一端与指令压力源连通。第二端与负载压力源连通。微加工的滑阀设置在腔室内，位于第一端和第二端之间，以通过越过滑阀的压差在第一位置和第二位置之间滑动运动，其中，在第一位置上允许负载压力源和供应压力源之间的流体流动，在第二位置上允许负载压力源和压力排放口之间的流体流动。滑阀具有位于第一位置和第二位置中间的闭合位置，其限制负载压力源与供应压力源和压力排放口之间的流体流动。滑阀可活动地与主体相连接。

当参考附图阅读时从以下对优选实施例的详细描述中，本发明的各种目的和优点将对于本领域技术人员而言变得显而易见。

附图说明

图1是包括根据本发明的第一实施例的微阀装置的流体回路图；

图2是图1的微阀装置的顶视图；

图3是根据本发明的第二实施例的微阀装置的顶视图；

图4是图3的微阀装置的底视图。

具体实施方式

现在参见附图，在图1中示出了流体回路系统10。该流体回流系统10包括负载装置12、主阀14、导阀16、泵18和储存器20。

负载装置12是弹簧加载的活塞装置。然而，必须理解的是：负载装置12可以是任何合适的可以包括在这样的系统中的装置，在该系统中，该装置使得流体进入和/或离开该装置的流动受到控制。负载装置12包括大致圆柱形的壳体22。壳体22具有第一端24和第二端26。活塞28被设置在壳体22内，用于在壳体内在第一端24和第二端26之间进行往复运动。弹簧30被设置在壳体22内，位于第一端24和第二端26之间，以将活塞28偏置在第一端24和第二端26之间的位置上。壳体22和活塞28限定出可变容积的负载腔室32。该负载腔室32包含负载(即控制)容积。在壳体22中形成有主端口34，该主端口34通过主流体导管36提供负载腔室32和主阀14之间的流体连通。在壳体22中形成有可选的释放端口38，该释放端口38通过释放流体导管40提供负载腔室32和储存器20之间的流体连通。在释放流体导管40中设有单向减压止回阀42以在高出预定压力时只允许从负载腔室32到储存器20的流体连通。

如图所示，导阀16是微阀式导阀，并且期望是公知的微阀式导阀的示例。然而，必须理解的是：导阀16不必是微阀式导阀，而实际上可以是任何适于控制主阀14的装置，这将在下面作进一步讨论。导阀16包括引导-倾泄端口42，该引导-倾泄端口42通过引导-倾泄流体导管44提供导阀16和储存器20之间的流体连通。导阀16包括引导-供应端口46，该引导-供应端口46通过引导-供应流体导管48提供导阀16和泵18之间的流体连通。导阀16包括引导-指令端口50，该引导-指令端口50通过引导-指令流体导管52提供导阀16和主阀14之间的流体连通。导阀16是可操作的以选择性地使引导-指令端口50处于引导-倾泄端口42和引导-供应端口46之间的流体连通中。

泵18通过泵-供应流体导管54与储存器20流体连通。

主阀14是导阀控制的微滑阀，其在图2中最佳示出且总体上用56标识。该微滑阀56包括顶层(未示出)、中间层58和底层60。底层60包括主指令端口62(第一参考端口)，该主指令端口62用于通过引导-指令流体导管52与导阀16流体连通。底层60包括主供应端口64，该主供应端口64用于通过主供应流体导管48a与泵18流体连通。底层60包括主倾泄端口66，该主倾斜端口66用于通过主倾泄流体导管68与储存器20流体连通。底层60还包括第一和第二主负载端口70和72以及负载参考端口74(第二参考端口)，它们分别通过第一、第二和第三负载流体导管36a、36b和36c经由主流体导管36与负载装置12流体连通。虽然已将微滑阀56描述成具有第一和第二主负载端口70和72(主流动端口)，然而，必须理解的是：微滑阀56可以根据需要具有任何合适数量的主负载端口。

中间层58形成主体76。该主体76限定阀芯腔78。该阀芯腔具有第一端80和第二端82。第一端80与指令压力源连通，也就是说指令端口62靠近第一端80以提供阀芯腔78的靠近第一端80的容积与导阀16的流体连通。第二端82与负载压力源连通，也就是说负载参考端口74靠近第二端82以提供阀芯腔78的靠近第二端82的容积与负载装置12的流体连通。

微加工的阀芯84被设置在阀芯腔78内，位于第一端80和第二端82之间。该阀芯84可操作以由于越过阀芯84的压差而沿阀芯腔78滑动运动，其中所述压差是由第一端80和第二端82之间的压力差引起的。在指令压力低于负载压力的第一情形下，阀芯84运动至靠近第一端80的第一位置，其允许流体经由第一窗口84a在负载压力源和供应压力源之间流动，也就是说负载装置12通过第一负载端口70和供应端口64之间的流体连通与泵18形成流体连通。在指令压力大于负载压力的第二情形下，阀芯84运动至靠近第二端82的第二位置，其允许流体经由第二窗口84b在负载压力源和压力排放口之间流动，也就是说负载装置12通过第二负载端口72和倾泄端口66之间的流体连通与储存器20形成流体连通。如图2所示，阀芯84在介于第一位置和第二位置中间的第三闭合位置上，该第三位置限制流体在负载压力源与供应压力源和压力排放口之间的流动，也就是说负载装置12脱离了与泵18和储存器20的流体连通。阀芯84包括压力平衡窗口86，其用于在阀芯84处于闭合位置中时平衡阀芯84顶侧和底侧上的流体压力。

窗口84a和84b形成有“D”形以便使流体的流动随着阀芯84运动的位置而逐渐增加。然而，必须理解的是：窗口84a和84b可以具有任何需要的形状。如图2所示，第二窗口84b设有可选的加强杆85以加强阀芯84。该可选的杆85可以在操作过程中保留在微滑阀56中，或者可选择地在制造之后可以取出。

阀芯84和阀芯腔78的内壁分别具有凸起88和凹部90，并且在处于闭合位置时，所述凸起88和凹部90相互吻合。凸起88足够浅以致于不会干扰阀芯84在阀芯腔78内行进。然而，当阀芯84离开闭合位置时，凸起88与阀芯腔78的内壁的其它部分之间的间隙要比在凹部90内时小，因此减少了在处于允许流体流入或流出负载装置12的位置中时的泄漏。

中间层58还包括弹簧92形式的系绳。该弹簧92可活动地将主体76与阀芯84相连。这提供了制造的便利性，因为当顶层、中间层58和底层60形成在一起时，阀芯84相对于主体76被维持。

优选地，弹簧92将阀芯84偏置在闭合位置中。

在一个优选的制造操作中，主体76、阀芯84和弹簧92由形成中间层58并且限定阀芯腔78的板一体地形成。

在示例性的流体回路系统10中，主阀14是导阀控制的中央闭合的滑阀，然而必须理解的是：主阀14可以不同于所示出和所描述的。在图1的示例性实例中，主阀14被示出用于控制腔室32内的压力，进而控制作用在壳体22内的活塞28上的压力。然而，必须理解的是：负载装置12可以是任何合适的想要通过使用主阀14来控制流体流动的装置。

在图1示出的实例中，第一和第二主负载端口70和72分别用于控制流入和流出腔室32的流体流动。在该实例中，第一和第二主负载端口70和72用作中央分裂端口，其具有分别用于流入和流出腔室32的流动的独立通道。然而，预期微滑阀56可以形成有用于流入和流出腔室32的流动的单个端口，或者微滑阀56可以形成有用于为流入和流出腔室32的流动提供多个端口的附加端口。

如图1所示，微滑阀56构造成使用“U形流动”结构，其中流体均是在阀门56的同一侧(例如整个底层60)流过端口64、66、70和72。然而必须理解的是：可以根据需要将微滑阀56构造成使用其它流动结构。例如，端口可以设置在顶层和底层60中以使用“流通”(flowthrough)结构。此外，微滑阀56可以构造成端口在中间层58中以使用“流过”(flow across)结构。

在图1所示的示例性系统10中，导阀16被显示为比例阀，即在未被致动的位置上，导阀16完全向储存器20打开，而在完全被致动的位置上，导阀16完全向泵18打开，并且在处于这两个极端之间的位置上，流动与致动量成比例。必须理解的是：可以使用其它的导阀结构，包括“数字”型阀门，在该“数字”型阀门中，流动被接通或切断、或者可以在关闭、供应和倾泄之间进行切换。

对于另外的实例，在一种控制策略下，当需要压力增加时，导阀16将高压从泵18引至滑阀56的指令端口62。这将使得阀芯84朝向将同一或另一高压源向负载腔室32打开的方向运动，从而使压力增加。随着负载腔室32内的压力增加，阀芯84的相对端上的参考压力也增加，因此当想要的指令压力在负载腔室32内获得匹配时，阀芯“重新回到中央”。通过将流体倾泄到储存器20而由导阀16减小指令压力，类似的过程可以被用来减小负载腔室32中的压力。

优选地，微滑阀56是具有3或4个用于控制流入和流出负载装置的控制腔室的流动的端口的MEMS装置的阀。优选地，滑阀56在正常情况下是向负载装置关闭的。滑阀优选包括能够根据阀芯84的运动方向向第一负载端口64或第二负载端口66打开控制腔室的双向阀芯84，虽然这并不被要求。优选地，导阀16是用于控制阀芯84的一端上的压力的MEMS装置的导阀，虽然这并不被要求。阀芯84的相对端优选地与负载腔室32连通。因此，阀芯84处在一种优选结构下，其中，当来自导阀16的指令压力与来自负载装置32的控制压力相等时，阀芯84达到压力平衡。在用于获得负载腔室32内的压力变化的优选操作中，导阀16的致动状态发生变化，这进而导致阀芯84的指令侧上的压力发生变化。在该操作实例中，指令压力将与指令信号成比例，并且将与想要的控制压力相当。如果阀芯84的控制侧上的参考压力大于指令压力，则阀芯将朝向指令侧移动，并且向倾泄端口64打开第一负载端口70。如果控制压力小于指令压力，则阀芯84将运动离开指令端，并且向供应端口66和高压源打开第二负载端口72。

在一个优选应用中，系统10的负载装置12不需要提供连续流动。系统10的操作被设计成在零位置上存在“死区”，其中，在该死区，负载压力保持不变(假设不存在泄漏)。死区的大小可以根据需要而发生变化，并且在一个实例中可以取决于第一负载端口70和第二负载端口72之间嵌入到阀芯84中的交叠量。如果需要，可以通过向系统10的负载装置12添加提供可选的附加端口来获得连续的流动，其中该附加端口提供流入或流出负载腔室32的流动。

在图3和4中示出了根据本发明的另一实施例的微滑阀156。图3是微滑阀156的顶视图，图4是微滑阀156的底视图。与图1和2类似的元件被标以类似的附图标记加上100。除了下面提及的内容之外，图3和4的微滑阀156与微滑阀56相似。

微滑阀156包括中间层158和底层160。底层160包括多个指令端口162和多个负载参考端口174。

中间层158包括阀芯184，该阀芯184分别在第一窗口184a和第二窗口184b中具有第一加强杆185a和第二加强杆185b。第一和第二窗口184a和184b为“D”形，第一和第二加强杆185a和185b分别包括沿着弯曲壁附连的菱形支承突出部，所述弯曲壁限定第一和第二“D”形窗口184a和184b中的每一个的弯曲侧。如图3所示，第一和第二“D”形窗口184a和184b的弯曲壁形成为光滑的椭圆形。

在朝向负载参考端口174的位置上，阀芯184的底部将至少部分覆盖负载参考端口174。

虽然已经关于特定实施例解释和说明了本发明的原理和操作模式，然而必须理解的是：本发明可以以不同于特别解释和说明的方式的其它方式来实施，而不脱离其精神或保护范围。

Claims (20)

1.一种用于控制流体流动的微阀装置，其包括：

限定具有第一端和第二端的腔室的主体，所述第一端与指令压力源连通，所述第二端与负载压力源连通；以及

微加工的阀芯，其设置在所述腔室内，位于所述第一端和所述第二端之间，以在越过所述微加工的阀芯的压差作用下进行滑动运动，所述微加工的阀芯可以在第一位置和第二位置之间运动，其中，在所述第一位置允许所述负载压力源和所述供应压力源之间的流体流动，在所述第二位置允许所述负载压力源和压力排放口之间的流体流动，所述微加工的阀芯具有位于所述第一位置和所述第二位置中间的闭合位置，所述闭合位置限制所述负载压力源与所述供应压力源和所述压力排放口之间的流体流动，其中，所述微加工的阀芯可活动地连接到所述主体上。

2.如权利要求1所述的微阀装置，其中：

所述微加工的阀芯通过系绳可活动地连接到所述主体上。

3.如权利要求2所述的微阀装置，其中：

所述系绳是弹簧。

4.如权利要求3所述的微阀装置，其中：

所述弹簧将所述微加工的阀芯偏置在所述闭合位置中。

5.如权利要求2所述的微阀装置，其中：

所述主体包括板，所述板限定所述腔室，所述系绳和所述微加工的阀芯由所述板一体地形成。

6.如权利要求1所述的微阀装置，其中：

所述主体包括靠近所述第一端的第一参考端口、靠近所述第二端的第二参考端口、设在所述第一参考端口和第二参考端口之间的第一流动端口、设在所述第一参考端口和所述第一流动端口之间的第一供应端口、以及倾泄端口，其中第一参考端口、第二参考端口、第一流动端口、第一供应端口以及倾泄端口均与所述腔室流体连通。 

7.如权利要求1所述的微阀装置，其中：

所述指令压力源包括用于控制指令压力的导阀，所述微加工的阀芯在所述腔室内的位置至少部分基于所述指令压力。

8.如权利要求7所述的微阀装置，其中：

所述导阀是微阀型的导阀。

9.如权利要求7所述的微阀装置，其中：

所述导阀是比例阀。

10.如权利要求7所述的微阀装置，其中：

所述导阀是数字阀。

11.如权利要求7所述的微阀装置，其中：

所述微加工的阀芯限定至少一个窗口，该至少一个窗口用于流体穿过其通过。

12.如权利要求11所述的微阀装置，其中：

所述窗口形成有D形横截面。

13.如权利要求11所述的微阀装置，其中：

所述窗口形成为光滑的椭圆。

14.如权利要求11所述的微阀装置，其中：

在所述窗口内设有加强杆，所述加强杆从所述微加工的阀芯的一部分延伸至所述微加工的阀芯的另一部分。

15.如权利要求7所述的微阀装置，其中：

所述负载压力源包括负载装置。

16.如权利要求15所述的微阀装置，其中：

所述微加工的阀芯和所述主体构造成U形流动阀和流通阀中的一种。

17.如权利要求15所述的微阀装置，其中：

所述负载装置是弹簧加载的活塞装置。

18.如权利要求15所述的微阀装置，其中：

所述负载装置限定可变容积的负载腔室，在该可变容积的负载腔室中，通过流体的流入和流出所述负载装置的流动中的至少一种来调节控制容积。

19.如权利要求15所述的微阀装置，其中：

所述微加工的阀芯被构造成允许与所述微加工的阀芯沿着所述阀芯腔的滑动运动相关地增大或减小流体的流入或流出所述负载装置的流动。

20.如权利要求15所述的微阀装置，其中：

所述微加工的阀芯在中央位置周围具有死区，在该死区中，流体被禁止流入或流出所述负载装置。 

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