改进的膨胀阀的制作方法

本发明总体涉及用于控制流体流动的阀。特别地，本发明涉及用于在诸如加热、通风、空调和制冷(hvac-r)系统的流体系统中使用的两级比例控制阀的改进结构。

背景技术：

一种已知的两级比例控制阀是膨胀阀，例如，模块化硅膨胀阀(msev)。msev是电子控制的常闭的单流向阀。msev可以用于常规hvac-r应用中的制冷剂质量流量控制。

msev的第一级是微阀，其用作先导(pilot)阀以控制第二级滑阀。当微阀接收到脉冲宽度调制(pwm)信号时，微阀调节以改变跨第二级滑阀的压力差。滑阀将移动以平衡压力差，有效地改变msev的孔口打开以控制制冷剂的流动。

然而，存在与已知的msev相关联的不期望的制造过程。例如，只有在流体入口和流体出口连接器管和毛细管已经被钎焊到阀体之后才能实现确保msev的阀体中所需的滑阀孔直径所需的最终加工步骤。需要该顺序是因为加工到阀体中的孔可能由于钎焊操作中使用的热而变形多达约30μm。在msev阀体中的典型的加工的滑阀孔具有大约+/﹣5μm的直径公差，并且如果在滑阀孔已经被加工之后执行钎焊操作，则钎焊操作可能导致加工的滑阀孔超出公差。因此，诸如流体入口和流体出口连接管和毛细管的部件通常在最终加工步骤之前钎焊到阀体。因为诸如流体入口和流体出口连接管和毛细管的部件在最终加工步骤之前钎焊到阀体，所以用于组装msev的固定装置和工具可能是复杂且昂贵的，并且制造时间可能不期望地长。

mems(微机电系统)是一类物理尺寸小、具有尺寸在微米范围内(即约10μm或更小)的特征的系统。这些系统具有电气和机械部件。术语“微加工”通常理解为意指mems装置的三维结构和移动部件的生产。mems最初使用修改的集成电路(计算机芯片)制造技术(如化学蚀刻)和材料(如硅半导体材料)来微加工这些非常小的机械装置。今天，存在更多的微加工技术和材料可用。

在本申请中使用的术语“微加工装置”是指具有一些尺寸为约10μm或更小的特征的装置，因此通过定义至少部分地通过微加工形成。更具体地，本申请中使用的术语“微阀”是指具有尺寸为约10μm或更小的特征的阀，并且因此通过定义至少部分地通过微加工形成。本申请中使用的术语“微阀装置”是指包括微阀并且可以包括其他部件的微加工装置。应当注意，如果除了微阀之外的部件被包括在微阀装置中，这些其它部件可以是微加工部件或标准尺寸(较大)的部件。类似地，微加工装置可以包括微加工部件和标准尺寸(较大)的部件。

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。典型的微阀装置包括由主体可移动地支撑以在关闭位置和完全打开位置之间移动的可移位构件或阀部件。当置于关闭位置时，阀部件基本上阻塞或关闭第一流体端口，否则第一流体端口与第二流体端口流体连通，从而基本上防止流体在流体端口之间流动。因此，已知的微阀允许一些流体通过关闭的阀端口泄漏，因此基本上防止，但不完全防止流体流动通过其中。当阀部件从关闭位置移动到完全打开位置时，增加地允许流体在流体端口之间流动。

美国专利6,523,560、6,540,203和6,845,962描述了由多层材料制成的微阀，其公开内容通过引用并入本文。多层被微加工并且结合在一起以形成微阀体和包含在其中的各种微阀部件，包括包含微阀的可移动部分的中间机械层。可移动部件通过从中间机械层去除材料(通过已知的微加工装置制造技术，例如、但不限于，深反应离子蚀刻)来形成，以产生通过弹簧类构件保持附接到部件的其余部分的可移动阀元件。通常，材料通过产生穿过材料的槽的图案来去除以实现期望的形状。然后，可移动阀元件将能够在一个或多个方向上移动大致等于槽宽度的量。

美国专利7,156,365描述了一种控制微阀的致动器的方法，其公开内容也通过引用并入本文。在公开的方法中，控制器向致动器提供初始电压，该初始电压有效地致动微阀。然后，控制器向致动器提供脉冲电压，该脉冲电压有效地继续微阀的致动。

由于与制造已知的两级比例控制阀相关联的不期望的过程，期望的是提供一种用于两级比例控制阀的改进的结构，该结构更容易制造，并且其中制造阀体必须的最终加工步骤可以在诸如流体入口和流体出口连接器管和毛细管的部件被钎焊到其上之前完成。

技术实现要素：

本发明涉及用于在诸如hvac-r系统的流体系统中使用的两级比例控制阀的改进结构。在一个实施例中，被配置为用于流体系统中的两级比例控制阀包括阀体，阀体具有穿过其形成的纵向延伸的阀体孔。第一级微阀安装在阀体孔内，第二级滑阀组件安装在微阀下游的阀体孔内。第二级滑阀组件包括套筒和可滑动地安装在套筒内的滑阀。

在第二实施例中，被配置为用于流体系统中的两级比例控制阀中的滑阀组件包括套筒。套筒是基本上圆柱形的，并且包括形成在其中并从套筒的打开的第一端延伸到打开的第二端的轴向延伸的套筒孔。滑阀包括从打开的第一端轴向地延伸到关闭的第二端的滑阀孔、并且可滑动地安装在套筒孔内。

在第三实施例中，一种组装被配置为用于流体系统中的两级比例控制阀的方法包括将滑阀可滑动地安装在套筒内以限定滑阀组件。滑阀组件安装在通过两级比例控制阀的阀体形成的纵向延伸的阀体孔中。第一级微阀也安装在阀体孔内。滑阀组件限定了两级比例控制阀的第二级滑阀组件，并且安装在微阀下游的阀体孔内。

当根据附图阅读时，从优选实施例的以下详细描述，本发明的各个方面对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的包括hvac-r膨胀阀的制冷系统的代表性实施例的框图。

图2是常规的hvac-r膨胀阀的侧视图。

图3是图2所示的常规的hvac-r膨胀阀的前视图。

图4是沿图3的4-4线截取并且去除插塞和滑阀的剖视图。

图5是根据本发明的改进的hvac-r膨胀阀的侧视图。

图6是图5所示的改进的hvac-r膨胀阀的前视图。

图7是沿图5的7-7线截取的剖视图。

图8是图7所示的阀体的放大剖视图。

图9是图7所示的改进的滑阀组件的端视图。

图10是沿图9的10-10线截取的改进的滑阀组件的剖视图。

图11是沿图10的11-11线截取的改进的滑阀组件的剖视图。

图12是沿图11所示的改进的滑阀组件的替代剖视图，示出了在完全致动位置的改进的滑阀组件。

图13是沿图12的13-13线截取的改进的滑阀组件的剖视图。

具体实施方式

现在参考附图，在图1中示出了根据本发明的总体上以10表示的制冷系统的代表性实施例的框图。所示的制冷系统10在很大程度上是本领域中常规的，并且仅旨在示出可以使用本发明的一个环境。因此，本发明的范围并非旨在限于与图1所示的制冷系统10的具体结构或一般的制冷系统一起使用。相反，如下面将变得显而易见的，本发明可以用于任何期望的环境中以用于下面描述的目的。

如本领域所公知的，制冷系统10使制冷剂循环通过闭合回路，在其中依次经受压缩、冷凝、膨胀和蒸发。循环制冷剂从一个区域移除热量(从而冷却该区域)并且在另一个区域排出热量。

为了实现这一点，所示的制冷系统10包括蒸发器11，例如，蒸发器盘管。蒸发器11在本领域中是常规的，并且适于在其入口处接收相对低压的液体制冷剂。可以使相对热的流体(例如，空气)流动通过蒸发器11，导致在蒸发器11中流动的相对低压的液体制冷剂膨胀，从在蒸发器11上流动的流体吸收热量，并在蒸发器11内蒸发。因此，进入蒸发器11的入口的相对低压的液体制冷剂变为从蒸发器11的出口排出的相对低压的制冷剂气体。

蒸发器11的出口与压缩机12的入口连通。压缩机12是本领域中常规的，并且适于压缩从蒸发器11排出的相对低压的制冷剂气体，并且使这种相对低压的制冷剂气体以相对高压移动通过制冷系统10。相对高压的制冷剂气体从与冷凝器13的入口连通的压缩机12的出口排出。冷凝器13是本领域中常规的，并且被配置为当相对高压的制冷剂气体经过它时从该相对高压的制冷剂气体中去除热量。因此，相对高压的制冷剂气体冷凝并且变成相对高压的制冷剂液体。

然后，相对高压的制冷剂液体从冷凝器13的出口移动到膨胀装置14的入口。在所示的实施例中，膨胀装置14是混合式滑阀，其被配置为限制流体流动通过其中。因此，相对高压的制冷剂液体在离开膨胀装置时变成相对低压的制冷剂液体。相对低压的制冷剂液体然后返回到蒸发器11的入口，并且重复制冷循环。

示出的制冷系统10可以附加地包括与提供从蒸发器11到压缩机12的流体连通的流体管线连通的常规的外部传感器15。外部传感器15响应于这样的流体管线中的一个或多个流体特性(例如，压力、温度等)，以用于产生代表控制器16的那个或那些特性的信号。响应于来自外部传感器15的信号(以及，如果需要，其它未示出的传感器或其它输入)，控制器16产生信号以控制膨胀装置14的操作。如果需要，外部传感器15和控制器16可以一起实施为常规通用的过热传感器—控制器，例如，可从austin，texas的dunanmicrostaq公司购买获得。arunasalam等人的美国专利9,140,613描述了过热传感器、控制器和处理器及其操作。美国专利9,140,613的公开内容通过引用并入本文。

图2到图4示出了常规的混合式滑阀。所示的常规的混合式滑阀是被配置为模块化硅膨胀阀(msev)14的两级比例控制阀。图4中，示出了msev14，其具有常规的第一插塞和附接的常规的第一级微阀、常规的第二插塞，以及为了清楚起见而移除的常规的第二级滑阀。

现在参考图5到图13，被配置为msev的改进的两级比例控制阀在50处示出。msev50包括阀体52，阀体52限定形成在其中的并且在阀体52的第一端52a和第二端52b之间延伸的纵向延伸孔54。孔54包括被配置为接纳限定微阀组件64(参见图7)的第一插塞的第一部分或塞孔60和被配置为接收滑阀组件66(参见图7)的第二部分或滑阀组件孔62。阀体52的第一端52a的轴向端面53(当观察图7时的向上面向的表面)包括形成在其中的环形密封槽53a。

在阀体52的第一端52a处的孔54的开口56(参见图8)可以由微阀组件64关闭。类似地，阀体52的第二端52b处的孔54的开口58(参见图8)可以由关闭构件或第二插塞68关闭。第二插塞68包括外螺纹并且被配置为用于在滑阀组件孔62内的螺纹附接。例如，通过焊接、压配合、滚压或如图所示通过螺纹连接保持就位，插塞64和68可以由任何合适的方式密封地固定在相应的开口56和58。如图7所示，微阀组件64包括在其第一端处的径向向外延伸的凸缘67。凸缘67的密封表面67a(当观察图7时向下面向的表面)包括从其向外延伸的环形密封脊部69。

微阀组件64可以通过限定在环形密封脊部69和环形密封槽53a之间的金属对金属干涉密封s1以及一个或多个环形密封件(例如，o形环70和72)而泄露密闭(leak-tight)。类似地，第二插塞68可以通过限定在第二插塞68的外表面和形成在滑阀组件孔62中的肩部63之间的金属对金属干涉密封s2而泄露密闭。第二插塞68还可以通过o形环73而泄露密闭。然而，应当理解，金属干涉密封s2可以足以密封滑阀组件孔62内的第二插塞68，并且可以不需要o形环73。电连接器74从微阀组件64的外部轴向端向外延伸。微阀76可以通过任何适当的方式(例如，利用焊料)安装到微阀组件64的内部轴向端(当观察图7时微阀组件64的下端)。

诸如柱或销78的电连接器在形成于微阀组件64的第一端64a中的腔65与微阀组件64的第二端64b之间延伸。第一电连接器(如电线83)将销78经由电连接器74连接到电源(未示出)。第二电连接器(如电线84)将微阀76电连接到微阀组件64的第二端64b处的销78。

基本上杯形的盖80在微阀组件64的第二端64b处附接到微阀组件64的外表面。盖80具有基本上圆柱形的外表面并且在其端壁中包括开口81，开口81限定用于微阀76和滑阀组件孔62之间的流体的流动路径。盖80的内部限定腔82，微阀76安装在腔82中。所示的盖80优选地由填充玻璃的尼龙形成。可替代地，盖80可以由任何期望的聚合物或其它材料形成。

参考图8，滑阀组件孔62包括邻近插塞孔60的第一直径部分62a、第二直径部分62b和在阀体52的第二端52b处的第三直径部分62c。第二直径部分62b大于第一直径部分62a，并且小于第三直径部分62c。第一周向延伸的流体流动槽85形成在滑阀组件孔62的第二直径部分62b的内表面中，并且第二周向延伸的流体流动槽86形成在滑阀组件孔62的第三直径部分62c的内表面中。

阀体52还包括分别经由流体流动槽85和86与滑阀组件孔62流体连通的横向延伸的流体入口端口88和横向延伸的流体出口端口90。如图7所示，流体入口端口88经由入口连接器导管36与冷凝器13流体连通，并且流体出口端口90经由出口连接器导管38与蒸发器11流体连通。因此，如图6和7所示，流体可以沿箭头a的方向流动通过msev50。

如图5所示，横向延伸的毛细孔92a和92b形成在阀体52中，并且分别从流体流动槽86和85向外延伸。横向延伸的毛细孔92c和92d也形成在阀体52中，并且从孔54的插塞孔60向外延伸并且与形成在微阀组件64中的流体流动导管(未示出)流体连通。这些流体流动导管(未示出)将流体供应到微阀76。

参考图5和图6，第一毛细管94a在毛细孔92a和毛细孔92d之间延伸。第二毛细管94b在毛细孔92b和毛细孔92c之间延伸。毛细管94a和94b与阀体52之间的接头可以是钎焊接头，并且在图5和图6中以b1示出。类似地，流体入口端口88和流体出口端口90以及入口连接导管36和出口连接导管38之间的接头分别也可以是钎焊接头，并且在图6和图7中以b2示出。

图2至图4所示的常规msev14包括限定纵向延伸的孔22的阀体20，所述孔22具有被配置为接收微阀组件64(为了清楚起见而被移除)的第一部分24和被配置为接收滑阀组件66(为了清楚起见而被移除)的第二部分或滑阀孔26。滑阀孔26包括三个部分26a，26b和26c，每个部分的内径需要大约+/﹣5μm的尺寸制造公差。

滑阀孔26还包括限定流体入口室28的周向延伸的第一槽和限定流体出口室30的周向延伸的第二槽。

阀体20还包括横向延伸的入口端口32和横向延伸的出口端口34。入口端口32经由入口连接器导管36与冷凝器13流体连通。出口端口34经由出口连接器导管38与蒸发器11流体连通。

毛细管40在入口端口32和出口端口34之间延伸，并且在微阀组件64中形成流体流动导管(未示出)。这些流体流动导管将流体供应到第一级微阀(未示出)。毛细管40和阀体20之间的接头通常是钎焊接头并且在图2和图3中以b1示出。类似地，入口端口32和出口端口34以及入口连接器导管36和出口连接器导管38之间的接头也通常是钎焊接头，并且在图3和图4中以b2示出。

当制造常规的msev14时，首先如图2到图4所示组装和钎焊阀体20、毛细管40以及入口和出口连接导管36和38。在制造过程中的钎焊步骤之后，可以完成孔22的滑阀孔26所需的最终加工步骤。该顺序是必需的，因为阀体20中的加工的滑阀孔26可能由于钎焊操作中使用的热量而变形多达30μm。这种变形是不期望的，因为滑阀孔(如滑阀孔20)通常需要大约+/﹣5μm的尺寸制造公差，并且如果在加工滑阀孔20之后执行钎焊操作，钎焊操作可能导致滑阀孔20变得超出公差。

参考图9到图13，示出了根据本发明的改进的滑阀组件66的第一实施例。滑阀组件包括在套筒112内的基本上圆柱形的滑阀110。滑阀110包括形成在其中并且从滑阀110的打开的第一端110a延伸到关闭的第二端110b的轴向延伸的孔114。滑阀110的第一端110a包括限定肩部118的直径减小部分116。基本上杯形的插入件115在滑阀110的打开的第一端110a处附接在孔114内。反馈压力室117可以限定在插入件115的内部中。插入件115具有基本上圆柱形的外表面并且在其端壁中包括开口119，开口119限定用于反馈压力室117和滑阀孔114之间的流体的流动路径。

第一周向延伸槽120形成在位于第一端110a和第二端110b中间的滑阀110的外表面上。周向延伸的槽120限定流体流动路径。第二周向延伸槽122形成在滑阀110的第一端110a附近的外表面上，第三周向延伸槽124形成在滑阀110的第二端110b附近的外表面上。周向延伸的压力槽126也形成在第二轴向端110b和第三周向延伸槽124之间的滑阀110的外表面上。

第一横向流体通道128在孔114和第二周向延伸槽122之间通过滑阀110的侧壁形成，并且第二横向流体通道130在孔114和第三周向延伸槽124之间通过滑阀110的侧壁形成。第三横向流体通道132在孔114和周向延伸的压力槽126之间通过滑阀110的侧壁形成。

套筒112是基本上圆柱形的，并且包括形成在其中并从套筒112的打开的第一端112a延伸到打开的第二端112b的轴向延伸的滑阀孔134。

第一周向延伸的密封部分136形成在套筒112的外表面上并且限定第一周向延伸的密封槽136a。第二周向延伸的密封部分138也形成在套筒112的外表面上并且限定第二周向延伸的密封槽138a。另外，第三周向延伸的密封部分140形成在套筒112的外表面上并且限定第三周向延伸的密封槽140a。

第一环形密封件142a(例如，o形环)可以设置在第一周向延伸的密封槽136a内。类似地，第二和第三环形密封件142b和142c(例如，o形环)可以分别设置在第二和第三周向延伸的密封槽138a和140a内。

周向延伸的入口流体流动槽144限定在第二和第三密封部分138和140之间在套筒112的外表面中。类似地，周向延伸的出口流体流动槽146限定在第一和第二密封部分136和138之间在套筒112的外表面中。

至少一个主流体流动入口通道148在孔134和入口流体流动槽144之间通过套筒112的侧壁形成，并且至少一个主流体流动出口通道150在孔134和出口流体流动槽146之间通过套筒112的侧壁形成。另外，至少一个反馈流动入口通道152在孔134和入口流体流动槽144之间通过套筒112的侧壁形成，并且至少一个反馈流动出口通道154在孔134和出口流体流动槽146之间通过套筒112的侧壁形成。

第一盖腔156形成在套筒112的第一端112a中，并且第二盖腔158形成在套筒112的第二端112b中。关闭构件或盖160安装在第一和第二盖腔156和158的每一个内，并且可以通过任何期望的方式附接在其中，例如，通过螺纹附接、铆接或通过焊接。盖160可以包括通过其形成的一个或多个流体通道162(参见图9和图11)。弹簧164在套筒112的第一端112a处的盖160与滑阀110的肩部118之间延伸。弹簧164朝向套筒112的第二端112b推动滑阀110的第二端110b，从而将滑阀110推动到未致动或关闭位置，如图10和图11所示。在关闭位置，主流体流动出口通道150被滑阀110关闭，从而防止流体流动通过滑阀组件66。在关闭位置，反馈流动入口通道152也被滑阀110关闭，但是反馈流动出口通道154是打开的并且与出口流体流动槽146、第二周向延伸的流体流动槽86(参见图8)和流体出口端口90(参见图8)流体连通。命令室166可以限定在滑阀110的第二端110b的轴向端面和相邻的盖160之间。

在操作中，当期望操作滑阀组件66并移动流体通过其中时，微阀76可以被致动。从微阀76排出的流体控制滑阀110的第二端110b上的命令压力。作用在滑阀110的第二端110b上的命令压力抵抗弹簧164的力推动滑阀110(当观察图7时向下并且当观察图10和图11时向右)。

因此，当被致动时，微阀76使得滑阀110从关闭位置移动到完全致动或完全打开位置，如图12和图13所示，以及在关闭位置和完全打开位置之间的多个部分打开位置(未示出)。在完全打开位置，主流体流动入口通道148和主流体流动出口通道150打开，因此允许主流体流动通过滑阀组件66，即通过主流体流动入口通道148、滑阀110的第一周向延伸槽120和主流体流动出口通道150。在完全打开位置，反馈流动出口通道154被滑阀110关闭，但是反馈流动入口通道152是打开的并且与入口流体流动槽144、第一周向延伸的流体流动槽85(参见图8)和流体入口端口88(参见图8)流体连通。

周向延伸的压力槽126和流体通道132与孔114流体连通，并且被配置为将命令室166与可能在滑阀110周围泄漏的(即当观察图10到图13时与压力槽126的右侧)并且可能压倒由微阀76引入的流体压力的流体隔离。可能泄漏到命令室166中的任何流体因此被束缚于孔114和反馈压力室117内的反馈压力。

在msev50的制造和组装期间，在毛细管40和入口和出口连接器导管36和38钎焊到阀体52之前，滑阀组件孔62可以在阀体52中加工。

滑阀110、套筒112和盖160可以形成和组装以独立于阀体52限定滑阀组件66。活塞孔134因此可以被加工成具有大约+/﹣5μm的直径公差，而不会受到来自阀体52上的钎焊操作的热的负面影响。一旦组装，则滑阀组件66可以安装在滑阀组件孔62内。

阀体52中的滑阀组件孔62被配置为接收滑阀套筒112并固定地安装其中，而不是如在常规的msev14中那样的可滑动的滑阀110。因为滑阀组件66可以通过金属对金属干涉密封s1以及通过o形环142a，142b和142c密封在滑阀组件孔62内，所以滑阀组件孔62的直径公差可以相对大于在常规阀体20中的滑阀孔26的公差，例如，大约+/﹣50μm。

因此，滑阀组件孔62可以在钎焊之前被加工，因此毛细管40以及入口和出口连接器导管36和38可以在之后被钎焊，而不会导致滑阀组件孔62变得超出公差。滑阀组件66中的滑阀110和套筒112之间的约+/﹣5μm的相对小的公差也可以在制造过程中实现并保持，该制造过程独立于并且位置上分离于制造和组装阀体52所需的加工和钎焊步骤。

因为滑阀110通过盖160关闭在套筒112内，所以滑阀组件66可以容易且安全地移动，并且可以容易地与msev50的阀体52独立地且分离地测试，从而节省时间并降低成本。

已经在优选实施例中解释和图示了本发明的操作的原理和模式。然而，必须理解，在不脱离其精神或范围的情况下，本发明可以以与具体解释和说明不同的方式实施。