第一级先导阀的制作方法

专利名称：第一级先导阀的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及可以在各种动态流体环境中操作的阀和阀结构。更 具体地，本发明涉及第一级压力控制先导阀，其构造成向后续阀元件例如 压力控制阀提供控制或引导压力。
背景技术：
在各种公知的流体动态运行系统中，存在各种级别的阀系统，这些阀 系统通常包括第一级或先导阀，构造成向位于该先导阀下游的后续第二级 阀或阀系统提供输出。先导阀的输出通常是与输入控制信号成比例的流体 控制压力。出于一个或多个目的，例如指示第二级阀的运行性能，这种输 出控制可以用于后续阀或阀系统中。例如，控制压力可以用于操作主要或 过渡压力控制阀，所述压力控制阀构造成控制流动到各种致动元件例如液 压致动器的压力流体。
用于控制压力相比于脉冲宽度调节电信号的调制比、或者相比于应用 到它们的电压电平的电磁驱动先导阀是公知的。 一种传统类型的先导阀包 括阀芯，阀芯移动装配在阀体内，用于将阀入口可变联接到阀出口。马达， 例如电动转子马达，装配在阀体上或阀体内，并且响应于电输入控制信号， 所述信号致动马达，用于在阀芯的一个端部施加可变压力。阀出口压力反 馈回阀芯的对立/相对端部。该压力作用在阀芯的有效区域，产生与马达对立的力。因此，先导阀出口控制压力是马g加的输入力的函数，该输入 力进而是作用在马达上的输入控制信号的大小的函数。
使用阀芯的传统先导阀的一个问题在于，这些先导阀对阀芯的移动《艮 敏感，特别是在缩小尺寸以在微环境中运行的情况下。另外一个问题在于，
相对于移动的距离而言，阀芯的台肩(land)仅能提供面积的突然变化。 换句话说，打开的孔口或口的直径百分比决定了流量。这能由孔口或口的 面积变化速度与阀芯位移变化速度之比来表示，这是系统增益。传统的阀 使用具有尖锐边缘台肩的阀芯，这极大地增加了整个系统的增益，因为变 化速度是突然的。
另外一种常规类型的先导阀可以称之为瓣阀(flapper valve)。传统的 瓣阀包括磁性力矩马达(扭力马达，torque motor)(使用磁体、线圏、 磁板和磁极部)，该力矩马达构造成提供输入控制信号以控制电枢的移动， 这进而在联接到电枢的分离的挡^L/阀瓣(flapper)元件上造成移动。挡板 定位于具有阻力/才氐抗力相等的相等流体流量的对立喷嘴之间。供应的压力 流体连续地流经两个输入孔口，穿过对立喷嘴，以及穿过排放孔口到达回 流(return)。响应于电枢的摇摆运动，使阀瓣移动，从而流经一个喷嘴 或另一个喷嘴的流体节流，由此改流到阀芯的两个端部的其中一个。阀芯 在套筒或阀体的孔眼中滑动，所述阀体包括流体连接到供给压力和回流的 口。处于零位时，阀芯在阀体中居中，刚好盖住或关闭压力口和回流口。 阀芯移动到一侧或另 一侧会使流体从压力供应源流向一个控制口以及从另 一个控制口流向回流。这样，形成了压力差，造成阀芯移动以打开相应的 口，由此提供控制压力输出。
瓣阀还包括反馈系统，该反馈系统的形式为联接到接合阀芯的挡板上 的弹簧。该弹簧构造成使得阀芯的移动使弹簧移动以在挡板并由此在电枢 上产生回复力矩。由于反馈力矩变得与马达的力矩相等，驱使电枢和挡板 移回到中央位置。因此，阀芯的位置与马达的输入信号成比例。此外，由 于压力恒定，流动载荷与阀芯位置成比例。
传统瓣阀有几个问题，特别是当缩小尺寸以用于微环境中时。首先，它们的静态损失4艮大。事实上，当处于零位以及挡板停在喷嘴之间时，瓣 阀倾向于通过喷嘴泄漏大量的流体。这在宏观或微环境中是事实。如果试 图通过减小喷嘴孔口的尺寸来减小泄漏量，结果将会流量降低并由此降低 带宽。尽管可以减小泄漏量，但输出效率也降低。换句话说，大尺寸阀可 能效率更低，但它们提供更好的输出。反之，小尺寸阀尽管可能效率更高， 但它们提供更小的输出。为了在高频下获得驱动阀芯所必需的流体流量， 需要一定尺寸的孔口。但是，使用这样一种适当尺寸的孔口，当系统处于 静止时，喷嘴和挡板之间的间隙很大，系统会泄漏流体，因此造成阀的效 率不高。其次，将传统瓣阀缩小到适于在微环境中运行的尺寸既困难又费 钱。微环境需要运行阀的大小为大约一百至几百微米。将元部件和孔口加 工到与该尺寸相应是非常昂贵的。第三，缩小传统瓣阀增加了它们对阀芯 移动的敏感性，因为移动阀芯所需要的距离显著降低。第四，在期望的运 行参数下，缩小的瓣阀可能是不稳定的。事实上，为了恰当地服务后续阀， 先导阀的控制压力必须稳定。当在高频下运行时，尤其如此。如果传统瓣 阀的尺寸减小太多，更有可能发生扰动，因为流体经过的孔口太小，以至 于不能处理所需要的性能。换句话说，如果缩小尺寸以在微环境中执行， 传统瓣阀将对下游载荷(作用在先导阀的控制或输出压力上的载荷)扰动 并且不可靠地反应，因为相应的孔口没有大到足以处理流体流动。对于本 领域技术人员而言，还可以认识到其它问题。

发明内容
考虑到现有技术固有的问题和不足，本发明寻求通过提供一种先导阀 解决这些问题，所述先导阀具有阀芯，所述阀芯设置有相对的过渡段，所
面积变化速度。本发明的先导阀特别适用于在小型或微环境中提供必要的 流量或分配流体以驱动后续阀元件并且降低泄漏，所有这些都使用较低的 动力。但是，在使用传统阀芯或挡板构造的小型先导阀中获得所必需的流 动会引起阀变得不稳定，原因如上所述。因此，阀芯上的过渡段用于使开/关转换变化平緩并且降低增益，由此使阀稳定。调节增益是为了使阀稳定。 根据所实施以及这里宽泛描述的本发明，本发明提出了一种先导阀，
其构造成在动态流体系统中提供控制压力，所述先导阀包括(a)阀体， 所述阀体具有入口、回流口、以及控制压力口，所述控制压力口与后续阀 元件流体连通；(b)轴孔，所述轴孔成形在所述阀体中并与所述入口、回 流口和控制压力口中的每一个流体连通；(c)阀芯，所述阀芯可滑动地支 承在所述阀体的轴孔内，所述阀芯构造成控制流经所述入口、回流口和控 制压力口的流体流量，并且在^皮移动时改变所述入口和压力回流口 ( return pressure port)中至少其中一个的面积变化速度，由此对流经其中的流体 提供可变阻力，并降低所述先导阀的静态(消耗)功率(quiescent power ); (d)移动装置，所述移动装置选择性地使阀芯在所述轴孔内在所述入口、 回流口和控制压力口附近移动，从而分配流经其中的流体，以向所述后续 阀元件提供期望的控制压力。
所述先导阀还包括形成于阀体中并与控制压力口流体连通的反馈口 ； 以及与该反馈口和阀芯的一部分流体连通的反馈通道，所述反馈通道构造 成在那里接收压力流体，用以平衡马达作用在阀芯上的力。
在一个示例性实施例中，阀芯包括细长本体，该本体至少部分地具 有台肩，该台肩构造成装配在所述阀体的轴孔内部；沿着该细长本体的至 少一部分长度形成的颈部，该颈部具有减小的横截面积，以便于流体流经 阀体以及所述入口、回流口和控制压力口中的至少其中一个；以及在所述 台肩和颈部之间延伸的过渡段，该过渡段构造成当所述阀芯在入口和压力 回流口附近以及在阀芯通道内部移动时改变所述入口和压力回流口中至少 其中一个的面积变化速度。
在一个示例性实施例中，用于移动阀芯的装置包括力矩马达，该力矩 马达具有支撑在支撑结构上的转子，该转子构造成使摇臂围绕支点枢转； 以及从摇臂延伸的支柱，该支柱构造成与阀芯的第一端部接合，该支柱用 于当力矩马达致动时在轴孔内移动阀芯。
本发明还涉及一种先导阀，其包括(a)阀体，所述阀体具有入口、回流口、以及控制压力口，所述控制压力口与后续阀元件流体连通；(b) 轴孔，所述轴孔成形于所述阀体中并与所述入口、回流口和控制压力口中 的每一个流体连通；(c)阀芯，所述阀芯可滑动地支承在所述阀体的轴孔 内，包括分别在第一和第二台肩与颈部之间延伸的第一和第二过渡段，所 述阀芯构造成控制流经所述入口、回流口和控制压力口的流体流量，并且 当所述第 一和第二过渡段分别在其附近,皮拖曳时改变所述入口和压力回流 口中至少其中一个的面积变化速度，所述过渡段用于对流经所述入口和回 流口的流体提供可变阻力，并降低所述先导阀的静态功率；以及(d)马达， 该马达具有支柱，该支柱构造成当马达致动时选择性地移动所述阀芯。
本发明还涉及一种动态流体系统，包括(a)先导阀，所述先导阀用 作第一级阀以提供控制压力，所述先导阀包括(i)可滑动地支承在所述阀 体的轴《L内的阀芯，所述阀芯构造成控制流经入口、回流口和控制压力口 的流体流量，并且当所述阀芯被移动时改变所述入口和压力回流口中至少 其中一个的面积变化速度，由此对流经其中的流体提供可变阻力，并降低 所述先导阀的静态功率；(ii)力矩马达，所述力矩马达构造成可与先导阀 一起操作，并且使阀芯在所述轴孔内在所述入口、回流口和控制压力口附 近移动，从而分配流经其中的流体，以提供期望的控制压力；(b)第一压 力控制阀，所述第一压力控制阀具有与所述控制压力口流体连通的入口以 便接收控制压力，所述压力控制阀用于调节所述动态流体系统内的流体流 量和压力；以及(c)与所述第一压力控制阀流体连通并且可与所述第一压 力控制阀 一起操作来移动负载的致动器。
本发明另外还涉及一种在动态流体系统内提供控制压力的方法，该方 法包括(a)提供一种先导阀，所述先导阀构造成在动态流体系统内操作， 其中，所述先导阀包括与这里描述的那些元件类似的元件；(b)通过所述 入口和回流口分配流体，从而通过所述控制压力口提供期望的控制压力； 以及(c)当所述阀芯移动时改变所述入口和回流口的面积变化速度，以便 对流经其中的流体提供可变阻力。


结合附图，从下面的描述和所附权利要求可以更清楚地理解本发明。 考虑到这些附图仅仅描述了本发明的示例性实施例，因此，它们不应被看 作对保护范围的限制。容易理解， 一般描述和在这些图中示意的本发明的 元件可以布置和设计成各种不同的构型。尽管如此，通过使用附图，还是
更加具体和详细地描述和解释了本发明。附图中
图1显示了根据本发明的第一示例性实施例的第一级先导阀的透视
图2显示了才艮据一个示例性实施例的图1中的本发明先导阀的示意，
其中，马达提供马达力矩，从而将先导阀置于平衡状态；
图3显示了4艮据一个示例性实施例的图l中的本发明先导阀的示意， 其中，通过增加输入信号增加马达的马达力矩，从而使转子和摇臂围绕支 点沿逆时针方向枢转，以便打开入口并增加控制压力；
图4显示了才艮据一个示例性实施例的图1中的本发明先导阀的示意， 其中，通过减小输入信号降低马达的马达力矩，从而使转子和摇臂围绕支 点沿逆时针方向枢转，以便打开回流口并降低控制压力；
图5显示了示例性阀芯的示例性过渡段的详图，以及当(阀芯)在那 附近移动时与压力入口的关系；
图6-A显示了才艮据本发明另一示例性实施例的具有对立/相对的第一和 第二过渡段的示例性阀芯；
图6-B显示了根据本发明另一示例性实施例的具有对立的第一和第二 过渡段的示例性阀芯；
图6-C显示了根据本发明另一示例性实施例的具有对立的第一和第二 过渡段的示例性阀芯；
图6-D显示了根据本发明另一示例性实施例的具有对立的第一和第二 过渡段的示例性阀芯；以及
图7显示了包含根据本发明的示例性先导阀的流体控制系统。
具体实施例方式
本发明的示例性实施例的下述详细描述参照了附图，附图作为描述的 一部分并且示意显示了可以实施的本发明的示例性实施例。尽管这些示例 性实施例详细描述到本领域技术人员足以实施本发明，应该理解，在不脱 离本发明的精神和范围的情况下，可以实现本发明的其它实施例以及对本
发明进行各种改变。因此，图1至图7所示的本发明的实施例的下述详细 描述不是用于限制权利要求所述的本发明的范围，而是仅为了描述的目的， 不是限制描述本发明的特点和特征，而是提出本发明的最佳运行模式，足 以使本领域技术人员能够实施本发明。相应地，本发明的范围应当是由所 附权利要求单独限定。
参照附图，能对本发明的下述详细描述和示例性实施例有更好的理解， 其中，本发明的元件和特征始终用附图标记指代。
首先，这里所用的短语"微环境"或"微小环境"、或者"微流体控 制系统，，应该理解成在该种环境中操作的元件适于用微米测量的环境。例 如，」微环境可以包括具有直径在100和1000孩支米之间的流体流道、孔、口
以及/或者管线的阀元件。
本发明描述了一种向流体控制系统、特别是^f敫流体控制系统中的后续 阀元件提供控制压力的方法和系统。本发明相比于现有的相关先导阀具有 几个明显的优点，它们在接下来的更详细描述中叙述。参照附图，根据详 细描述，所述的每项优点都会显而易见。这些优点在任何情况下都不意味 着限制。事实上，本领域技术人员通过实施本发明，在那些具体叙述的优 点之外还可以实现其它优点。
参考图1,显示了根据本发明的第一示例性实施例的第一级先导阀的
透视图。具体而言，图1显示了先导阀10，其包括以选择性方式移动阀芯
卯的装置。这种移动装置包括能造成阀芯卯以预期方式移动的任意可致
动系统、设备或4几构。在所示示例性实施例中，移动装置包括马达14,更 具体地，是指本领域^^知的力矩马达。力矩马达14包括构造成支撑转子 22和摇臂26的支撑结构18，该摇臂还包括从那里延伸出的支柱34，该支柱34构造成与阀芯卯的端部接合。由于摇臂26的旋转运动，在支柱34 与阀芯90端部的机械界面处发生少量的滑移，支柱34用于使阀芯进行线 性运动。
一旦马达14致动，则产生马达力矩并且引起转子22旋转，由此造成 摇臂26围绕支点30枢转。摇臂26沿给定方向的旋转造成支柱34也旋转， 由于支柱34与阀芯90的相互作用，这进而造成阀芯卯的线性移动。可以 根据阀芯90的期望移动方向选择性地致动马达14,从而造成摇臂26围绕 支点30沿顺时针和逆时针方向旋转。
这里也考虑了用来移动阀芯卯的其它装置。例如，移动装置可包括各 种其它马达类型或致动器。因此，对力矩马达14的描述无论如何不应解释 为限制。
先导阀10还包括可操作地设置且与马达14相关的阀体50,从而使摇 臂26的支柱34与可操作地支撑于阀体50内部的阀芯卯接合或联接。阀 体50包括在阀体50内纵向形成的轴孔54，该轴孔54构造成容纳阀芯卯 并且促进其在轴孔内双向移动。阀体50还包括加压入口 58、加压回流口 62、可能加压，也可能不加压的控制压力口 66、以及反馈口 70,根据阀芯 卯的位置不同，各自构造成相互之间以及与轴孔54之间流体连通。
先导阀10用作压力控制阀，向流体控制系统中的后续阀元件(未示出， 但在图7中可见)、例如构造成致动启动器的后续压力控制阀提供控制压 力。当使阀芯90选择性地移动，并且容许压力流体从入口 58流经阀体50 并从回流口 62流出时，系统内的控制压力改变，该控制压力通过控制压力 口 66和在两者之间延伸的任意流体管线供应到后续阀元件，所述流体管线 用于将先导阀IO流体联接到所述后续阀元件上。在任意给定的时间，系统 中的控制压力由流经阀体50和控制压力口 66的流体支配/控制。
如图所示，先导阀10还包括阀芯卯。阀芯90可滑动地支承在阀体50 的轴孔54内，并构造成控制流经入口 58、回流口 62、控制压力口66、以 及反馈口 70的流体流量。更具体地，使阀芯90分别在阀体50的轴孔54 内在入口 58、回流口 62、控制压力口 66、以及反馈口 70的附近移动，从而分配流经其中的流体，以向后续阀元件提供期望的控制压力。可以通过
选择性地操纵阀芯90的位置来控制流经阀体50以及形成于其中的各个口 的压力流体的流量，从而改变控制压力。
与本领域中现有的相关先导阀不同，本发明的先导阀10由于能为孩支流 体控制系统中的微阀元件提供稳定的控制压力，从而在微环境中运行良好。 尽管这里讨论的本发明的先导阀的概念可以应用到宏观流体控制系统，但 它们特别适用于微流体控制系统。事实上，本发明的先导阀IO能用作微流 体控制系统中的微先导阀，因为它能在明显降低的静态功率下运行。如上 所述，现有的相关先导阀的设计和构造不能缩小尺寸从而在微流体系统中 运行，因为它们将会很快地变得不稳定。另一方面，由于其设计有助于使 流经阀体上成形的各个微(小)口的流体稳态分配，从而使先导阀保持稳 定，因此本发明的先导阀能在微流体系统中运行。在示例性的微环境中， 阀体的轴孔直径可以为200微米，阀芯的尺寸略小于该尺寸，从而阀芯能 在轴孔内滑动设置。
这种能在微环境或微流体控制系统中运行的能力是由于岡芯90的独 特构造。与现有的相关阀和阀芯不同，本发明包括阀芯卯，该阀芯构造成 在移动后分别改变入口 58和回流口 62中至少其中一个的面积变化速度， 由此对流经其中的流体提供可变阻力，并且降低先导阀IO的静态功率。换 句话说，阀芯90的构造用于降低增益。因此，流体能有效地流经小横截面 积的口，而不会使先导阀10变得不稳定。通过引导更少的流体去获得所需 要的控制，先导阀10更有效率，并且，通过改变各个口的面积变化速度， 实现了稳定性。此外，与现有的相关阀相比，先导阀IO的泄漏显著降低。
参考图1_4，示例性阀芯90包括第一端部94、第二端部98、第一台肩 102、第二台肩104、以及颈部106。阀芯卯还包括在第一台肩102和颈部 106之间延伸的第一过渡段110,以及在第二台肩104和颈部106之间延伸 的第二过渡段114。第一和第二过渡段110、 114的这种构造使得阀芯90 能改变入口和回流口 58、 62的面积变化速度，由此在微环境中起作用以通 过 制压力口 66向后续阀元件提供控制压力。在示例性的实施例中，过渡段包括从阀芯卯的纵轴测量为10°和30。之间的总的斜面，但是，也可 以包括其它斜面。
本发明解决了通过简单缩小现有的相关先导阀从而用于微环境或微流 体控制系统的问题，其中简单缩小能导致明显的泄漏以及高的增益。有利 地，与筒单缩小它们的宏观对应物/等同物版本的现有相关阀相比，本发明
的先导阀10提供了更小的泄漏和更低的增益。通过简单缩小现有的相关先 导阀时，由于必须显著降低流经阀的流量从而避免扰动阀，从而失去了带 宽。尽管减少流体可以造成泄漏减少，但输出效率也会降低。
阀芯卯的构造提供了从正向负转换的平緩变化。换句话说，阅芯90 的构造提供了在某些稳定状态下控制后续阀元件的控制压力输出变化的细 微转换。这与缩小h-型阀芯不同，在h-型阀芯中，尖锐边缘用于打开或关 闭口，输出的变化是突然的。先导阀的灵敏度可以根据口的直径与流经其 中的流体流量之比来描述。当降低直径来获得微环境中的功能性时，从零 流量至全流量转换所需的距离变得更小，直到即便阀芯的轻微移动也显得 突然。为了解决这些问题，本发明的先导阀IO通过改变阀芯卯的轮廓降 低增益。取代包括尖锐边缘或表面的台肩，阀芯90包括对立的过渡段IIO 和114。在图l-4所示的示例性实施例中，阀芯卯包括圆形截面，其中， 第一和第二过渡段110和114具有线性的锥形/渐缩构造。简而言之，本发 明的先导阀10可以描述为阀芯，该阀芯被修正来满足微运行环境中的泄漏 和增益目的，这些目的称之为低泄漏、低增益。
阀芯90的过渡段110、 114可以包括其它构型，例如其它线性构型、 非线性构型、或这些构型的组合。此外，先导阀IO可以构造成在如上所述 的微环境或宏观环境中运行。在微环境中，阀芯90通常包括适于以微米计 的横截面尺寸。例如，阀芯90可包括圆形的圆周构造，其直径在100和 1000孩i米之间。
先导阀IO还包括反馈系统。在所示实施例中，反馈系统包括反馈通道 80,构造为与阀体50上成形的反馈口 70流体连通的流体反馈通道。反馈 通道80包括与阀体50上成形的反馈口 70流体连通的第一端部82,以及与轴孔54和阀芯90的第二端部98流体连通的第二端部84。反馈通道80 构造成在那里接收压力流体并作用在阀芯卯上，并向着马达14的支柱34 方向推动阀芯以关闭入口 58。更具体地，当阀体50内的压力增加时，反 馈通道80接收压力流体并作用在阀芯90上，使其沿着与马达14的支柱 34推压的方向相反的方向移动，或者，换句话说，推动摇臂26沿着相反 的方向围绕支点30旋转，或者，平衡马达施加在阀芯90上的力。因此， 反馈通道80用于对抗马达14引起的作用在阀芯90上的力。反馈系统用于 在支柱34、以及摇臂26和马达14的转子22上形成回复力矩。当反馈力 矩变得与马达14引起的输入力矩相等时，摇臂26和支柱34被推压回静止 位置。因此，造成阀体50内阀芯卯的位置与马达14的输入信号成比例。
具体参考图2，显示了根据一个示例性实施例的图1中的本发明先导 阀的示意，其中，马达14提供马达力矩，从而将先导阀IO设置在平衡状 态。在这种状态下，先导阀IO处于平衡位置，入口 58和回流口 62的打开 程度基本相同，从而流经其中的流体相当。由于阀芯卯处于该位置，先导 阀IO通过控制压力口 66提供的控制压力大约是流经入口 58的流体压力或 供应压力的一半。这由与控制压力口 66流体连通的计量器显示，其读数为 低压和高压的中间值。
相对而言，岡芯90设置在平衡位置，从而，入口 58和回流口 62都部 分打开，压力流体能流经这些口以及控制压力口 66。压力流体的流入由流 经回流口 62的所述压力流体的一部分的流出量部分抵消。由于流体以这种 方式通过阀体50分配，先导阀IO供应给后续阀元件的控制压力没有回流 口 62完全关闭时那么高，也没有回流口 62完全打开时那么低。
先导阀10中的压力流体还流经阀体50，通过反馈口 70并流入反馈通 道80，在那里接触阀芯卯的第二端部98。在这种情况下，马达14在阀芯 90的第一端部94上施加马达力矩，反馈通道80作用在阀芯90的第二端 部98上的反馈力平衡成将阀芯卯定位在所示位置。
具体参考图3，显示了根据一个示例性实施例的图1中的本发明先导 阀的示意，其中，通过增加输入信号增加马达14的马达力矩，从而造成转子22和摇臂26围绕支点30沿逆时针方向枢转。由于转子22和摇臂26 旋转，从摇臂26向下延伸并与阀芯卯的第一端部94接合的支柱34也旋 转。换句话说，图3显示了马达14的致动造成阀芯90沿着打开入口 58 和关闭回流口的方向移动。事实上，支柱34的旋转有效地引起了阀芯卯 在阀体50中成形的轴孔54内线性移动，该线性移动打开入口 58,同时关 闭回流口 62。
增加马达14上的输入信号以增加马达力矩，由此更完全地打开入口 58，造成先导阀IO通过控制压力口 66提供的控制压力相应增加。这由与 控制压力口 66流体连通的计量器描述，该计量器的读数在高压范围内。由 于马达力矩增加，转子22围绕支点30枢转，引起摇臂26和支柱34也旋 转。这造成阀芯90在所述阀体50的轴孔54内移动，从而增加入口 58的 开启程度/开度并减小回流口 62的开启程度。由于入口 58打开，回流口 62 关闭，控制压力逐渐增加，直到所述控制压力达到最大压力，此时，入口 58完全打开，回流口62完全关闭。
而且，当控制压力增加时，反馈通道80中的反馈压力也增加，由此在 阀芯90的第二端部98上施加负的反馈力。马达力和作用在阀芯卯上的反 馈力之间的任何差异或误差将会使阀芯90移动，直到两个力平衡或相等。 换句话说，反馈压力用于推动阀芯卯以关闭入口 58。因此，如上所述， 控制压力与马达力矩成比例。
具体参考图4，显示了根据一个示例性实施例的图1中的本发明先导 阀的示意，其中，通过减小输入信号来降低马达14的马达力矩，从而引起 转子22和摇臂26围绕支点30沿逆时针方向枢转。由于使转子22和摇臂 26旋转，驱使从摇臂26向下延伸并联接到阀芯卯的第一端部94的支柱 34也旋转。换句话说，图4描述了马达14的致动造成阀芯卯沿着关闭入 口 58和打开回流口 62的方向移动。事实上，支柱34的旋转有效地引起阀 芯90在阀体50中形成的轴孔54内线性移动，这一线性移动关闭入口 58， 同时打开回流口 62。
降低马达14的输入信号以降低逆时针马达力矩造成了先导阀10通过
17控制压力口 66供应的控制压力相应降低。这由与控制压力口 66流体连通 的计量器显示，其读数在低压范围内。由于马达力矩降低，转子22围绕支 点30沿顺时针方向枢转，引起摇臂26和支柱34也顺时针旋转。这引起阀 芯卯在阀体50的轴孔54内如上所述移动，由此降低入口 58的打开程度 并增加回流口 62的打开程度。由于入口 58关闭和回流口 62打开，控制压 力逐渐降低，直到控制压力达到最小或零压力，此时，入口58完全关闭， 回流口 62完全打开。
随着控制压力降低，反>^贵通道80中的反馈压力也降低，从而在阀芯 卯的第二端部98上作用的负反馈力更小。另外，马达力和作用在阀芯90 上的反馈力之间的任何差异或误差将趋向于移动阀芯90，直到两个力平衡 或相等。马达力矩降低得越多，作用在阀芯卯上的反馈压力越小。此外， 对于所有位置的阀芯卯，控制压力与马达力矩成比例。
参考图5，显示了阀芯90的一部分的详图，以及其在移动时与压力入 口58的关系。可以看出，阀芯卯包括过渡段14，该过渡段构造成改变阀 体50的轴孔54内的阀芯卯沿着某一方向移动单位长度时入口 58的面积 或开启程度/开度的改变速度。显示为具有线性锥形构造以及圆形横截面的 过渡段114在阀芯卯的台肩104和颈部106之间延伸。在关闭入口 58的 位置，阀芯90位于入口 58的开口的附近，从而台肩104盖住开口，在开 口附近没有过渡段114或颈部106的部分。当选择性地增加马达力矩并选 择性地移动阀芯卯时，过渡段114根据马达的输入在入口 58的开口附近 移动一段距离。可以进一步增加马达力矩，从而完全移动阀芯卯并打开入 口 58。因此，阀芯90相对于入口和回流口的移动是选择性的和可变的。
当阀芯卯移动并且当过渡段114在入口 58的开口附近移动时，入口 的面积，更具体地是入口 58的面积改变。这种面积改变或者AA在图5 中用附图标记dA表示。阀芯卯的单位移动的变化用附图标记dX表示。 因此，阀芯卯的每一单位移动时入口 58的面积变化速度可以表示为 dA/dX，或者称系统增益，其决定了流经入口 58的压力流体的流量。
通过在阀芯卯上提供过渡段114,本发明先导阀10用于改变入口 58的面积变化速度，或者，换句话说，改变速率dA/dX或系统增益。当过渡 段114在入口 58的开口附近移动时，由于过渡段114的锥形构造，面积变 化速度是改变的。这种面积变化速度的改变有效地用于抵抗流经入口 58 的压力流体的流动。因此，过渡段114可以被当做可变阻滞器(流阻器， resistor)。与过渡段114相对设置的过渡段(未示出)对回流口 (未示出) 提供了类似的功能。从根本上来说，阀芯90通过其可变移动位置以及所导 致的相应口开口尺寸的可变变化对流体提供可变阻力。这种对流体的阻力 变化进一步用于变化或改变导出控制压力口 66的控制压力。
有利地，由于其设计，所述阀芯不像尖锐边缘伺服阀、也不类似尖锐 边缘祠服阀那样起作用，而是更类似一种可变阻滞器。其边缘更平緩(soft), 而现有的相关伺服阀具有从台肩延伸的突变边缘。边缘的平緩变化在微环 境中是特别有用的，因为在微环境中稳定性是主要的考虑因素。在使用h-型阀芯的现有的相关先导阀中，特别是那种缩小的先导阀，由于即使阀芯 的细小移动也会引起极大反应的事实，这将是不稳定的。通过在阀芯上提 供过渡段，本发明的先导阀相对于现有的相关先导阀具有更小的静态功率， 因为从正到负的转换平緩变化并且使用更少的流体。
现有的相关先导阀的另一个问题在于，即使是那些挡板型的阀，要提 供足够大的孔口或口来实现足够的流体流动、同时提供可工作的微先导阀 也是困难的。事实上，小的孔口或口 (以微米计的那些)难以在阀体上形 成，并且难以使其与挡板或阀芯一起操作。显然，阀中的口或孔口的尺寸 越小，其为后续阀元件提供服务的性能越低。而且，为了恰当地服务后续 岡元件，先导阀必须稳定地操作。换句话说，输出不仅是、而且必须是用 于下一个阀的控制压力，而且还必须稳定。当先导阀服务或控制的后续阀 元件高频操作时，所述先导阀如果尺寸减小太多以及构造不恰当，则可能 因为通过该过小孔口的流动而发生扰动。不像现有的相关先导阀 一一它们 是宏观等同物的缩小版，而且扰动和反作用不可靠地作用在下游载荷(作 用在先导阀的控制或输出压力的载荷)上，因为它们的过小的孔口不能处 理流体的流动，本发明的先导阀提供了能在微操作环境中降低增益、减小静态功率、稳定流体流动、以及减小泄漏的所有优点。这些优点是阀芯卯 上提供的过渡段实现的。
应该注意，并且对于本领域技术人员而言，这也是显而易见的，即，
似，并且以相似的方式操作和运行来改变入口 62的面积变化速度。因此， 该过渡段的细节在这里不再详细讨论。
参考图6-A—6-D，显示了根据本发明的其它示例性实施例的各种构造 阀芯的几幅侧视图。具体而言，图6-A显示了阀芯90,包括第一和第二台 肩102、 104、颈部106、以及分别在第一和第二台肩102、 104与颈部106 之间延伸的第一和第二过渡段IIO、 114。在该具体实施例中，过渡段IIO 和114包括非线性或弯曲构造。
图6-B显示了阀芯卯，其包括第一和第二台肩102、 104、颈部106、 分别在第一和第二台肩102、104与颈部106之间延伸的第一和第二过渡段 110、 114。在该具体实施例中，过渡段IIO、 114包括一系列的线性台阶或 突出部分。
图6-C显示了阀芯卯，其包括第一和第二台肩102、 104、颈部106、 分别在第一和第二台肩102、104与颈部106之间延伸的第一和第二过渡段 110、 114。在该具体实施例中，过渡段IIO、 114包括成形在一起的一系列 非线性凹、凸弯曲部分。
图6-D显示了阀芯90，其包括第一和第二台肩102、 104、颈部106、 分别在第一和第二台肩102、104与颈部106之间延伸的第一和第二过渡段 110、 114。在该具体实施例中，过渡段IIO、 114包括成形在一起的线性和 非线性部分的组合。
参考图7,显示了根据本发明一个示例性实施例的流体控制系统，其 中，所述流体控制系统使用根据本发明教导和要求保护的第 一级先导阀。 如图所示，所述流体控制系统包括如上所述的第一级先导阀10。先导阀10 与显示为压力控制阀150的后续或第二级阀元件流体连通，该压力控制阀 构造为双独立阀芯压力控制阀，例如在授予Jacobsen等人的美国专利No.7，308，848和No. 7,284,471中描述和要求保护的那些阀。更具体地，先导阀 10包括控制压力口 70,其与压力控制阀150内成形的引导腔154通过流体 管线140流体连通。先导阀10的控制压力口 70的压力用于设定作用于压 力控制阀150内的各个阀芯上的引导腔154内的引导压力，该引导压力促 ii^力控制阀150内的阀芯的控制。
压力控制阀150可以构造成执行一项或多项主动和/或^f皮动功能，例如 驱动或致动载荷/负载210,其中，压力控制阀150包括双独立阀芯160、 170以及组合的固有压力反馈系统。所述压力控制阀150设计成调节流体 流动，更重要的是调节伺服型系统内的压力，即，在控制或引导压力与载 荷210或由联接到载荷210的致动器180引起的载荷压力之间的压力，其 中，致动器180构造成将接收到的压力转换成驱动载荷210的力，并且响 应于作用在载荷210上的外部力反之亦然。致动器180与压力控制阀150 通过流体管线174流体连通。
使用上面描述且在图7中显示的各种元件的流体控制系统的一种特殊 示例是机器人系统，其中，先导阀构造成向第二级阀元件，例如压力控制 阀供应输入信号或控制压力，所述第二级阀元件用于控制各种驱动相应的 致动器活塞的致动器，所述致动器活塞驱动联接到其上的腱，所述腱用于 转动滑轮以移动机器人的肢。供应给先导阀的输入信号将设定压力控制阀 内的压力，并由此设定作用于驱动所述腱以致动滑轮的致动器活塞上的力。
上面的详细说明参考具体示例性实施例描述了本发明。但是，应该意 识到，在不脱离所附权利要求提出的本发明的范围的情况下，可以进行各 种修正和改变。详细说明和附图应该理解成仅仅是示意性的，而不是限制 性的，并且，如果有的话，所有的这种修正或改变都将落入这里已经描述 和提出的本发明的范围之内。
更具体地，尽管这里已经描述了本发明的说明性示例实施例，本发明 不限于这些实施例，而是包括了本领域技术人员在前述详细描述的基础上 将会预计到的进行了修正、省略、结合(例如，不同实施例的各方面的结 合)、适应性修改和/或变型的任意以及所有的实施例。权利要求的限定应根据权利要求采用的语言宽泛地解释，而不是局限于在前述详细描述或本申请的实施过程中描述的示例，所述示例应解释为非排他性的。例如，在本说明书中，术语"优选"是非排他性的，其含义指代"优选，但不限于"。在任意方法或过程/工艺权利要求中记载的任意步骤可以按任意顺序进行，而不限于权利要求中提出的顺序。装置+功能或步骤+功能限制将仅用于特
定的权利要求的限制，在那种限制中，具有下列所有条件a)"用于…的装置，，或"用于…的步骤"是明确记载的；以及b)相应的功能是明确记载的。支持所述装置+功能的结构、材料或作用在这里的描述中被明确地记载。相应地，本发明的范围仅由所附权利要求和它们的合法等同物确定，而不是由上面给出的描述和示例来确定。请求保护并且期望专利证书保护的是
权利要求
1.一种先导阀，所述先导阀构造成向动态流体系统中的后续阀元件提供控制压力，所述先导阀包括阀体，所述阀体具有入口、回流口、以及控制压力口，所述控制压力口与所述后续阀元件流体连通；轴孔，所述轴孔成形在所述阀体中并与所述入口、回流口和控制压力口中的每一个流体连通；阀芯，所述阀芯可滑动地支承在所述阀体的所述轴孔内，所述阀芯适于控制流经所述入口、回流口和控制压力口的流体流量，并且在被移动时改变所述入口和压力回流口中的至少一个的面积变化速度，由此为流经其中的流体提供可变阻力，并降低所述先导阀的静态功率；移动装置，所述移动装置选择性地使所述阀芯在所述轴孔内所述入口、回流口和控制压力口附近移动，从而分配流经其中的流体，以向所述后续阀元件提供期望的控制压力。
2. 如权利要求l所述的先导阀，其特征在于，所述先导阀包括 细长本体，所述细长本体至少在部分上具有台肩，所述台肩构造成装配在所述阀体的所述轴孔内部；沿着所述细长本体的至少一部分长度成形的颈部，所述颈部具有减小 的横截面积，以便于流体流经所述阀体以及所述入口、回流口和控制压力 口中的至少一个；在所述台肩和所述颈部之间延伸的过渡段，所述过渡段构造成当所述 阀芯在所述入口和压力回流口附近以及在所述阀芯通道内部移动时改变所 述入口和压力回流口中至少一个的面积变化速度。
3. 如权利要求2所述的先导阀，其特征在于所述过渡段包括线性 的锥形构型。
4. 如权利要求2所述的先导阀，其特征在于所述过渡段选自线性 构型、非线性构型、以及所述线性和非线性构型的组合。
5. 如权利要求1所述的先导阀，还包括反馈系统，所述反馈系统包括成形于所述阀体中并与所述控制压力口流体连通的反馈口；以及 与所述反馈口和所述阀芯的一部分流体连通的反馈通道，所述反馈通道构造成在其中接收压力流体以作用于所述阀芯并且沿平衡作用在所述阀芯上的力的方向推动所述阀芯。
6. 如权利要求l所述的先导阀，其特征在于所述阀体、所述阀芯 和所述移动装置都构造成可在微环境内操作。
7. 如权利要求l所述的先导阀，其特征在于所述阀芯包括圆形的 圆周构造，其直径在100和1000微米之间，可以装配在适当尺寸的所述阀 体内。
8. 如权利要求l所述的先导阀，其特征在于所述阀芯包括圆形横 截面。
9. 如权利要求l所述的先导阀，其特征在于用于移动所述阀芯的 移动装置包括力矩马达，该力矩马达具有支撑在支撑结构上的转子，所述转子构造 成使摇臂围绕支点枢转；以及从所述摇臂延伸的支柱，该支柱构造成与所述岡芯的第一端部接合， 所述支柱用于在所述力矩马达致动时在所述轴孔内移动所述阀芯。
10. —种先导阀，包括阀体，所述阀体具有入口、回流口、以及控制压力口，所述控制压力 口与后续阀元件流体连通；轴孔，所述轴孔成形于所述阀体中并与所述入口、回流口和控制压力 口中的每一个流体连通；阀芯，所述阀芯可滑动地支承在所述阀体的所述轴孔内，包括分别在 第一和第二台肩与颈部之间延伸的第一和第二过渡段，所述阀芯构造成控制流经所述入口、回流口和控制压力口的流体流量，并且当所述第一和第 二过渡段分别在那附近被拉动时改变所述入口和压力回流口中的至少一个的面积变化速度，所述过渡段用于对流经所述入口和回流口的流体提供可变阻力，并降低所述先导阀的静态功率；以及马达，所述马达具有支柱，所述支柱构造成当所述马达致动时选择性 地移动所述阀芯。
11. 一种动态流体系统，包^r:第一级先导阀，所述第一级先导阀用作第一级阀以提供控制压力，所 述先导阀包括阀芯，所述阀芯可滑动地支承在阀体的轴孔内，所述阀芯适于调 节流经入口、回流口和控制压力口的流体流量，并且在所述阀芯被移 动时改变所述入口和压力回流口中的至少一个的面积变化速度，由此 为流经其中的流体提供可变阻力，并降低所述先导阀的静态功率；移动装置，所述移动装置使所述阀芯在所述轴孔内所述入口、回 流口和控制压力口附近移动，从而分配流经其中的流体，以提供期望 的控制压力；以及第二级阀元件，所述第二级阀元件与所述控制压力口流体连通以接收 所述控制压力，所述第二级阀元件用于调节所述动态流体系统内的流体流 动和压力。
12. 如权利要求11所述的系统，还包括与所述第二级阀元件流体连 通的致动器，所述致动器可与所述第二级阀元件一起操作来移动负载。
13. 如权利要求11所述的系统，还包括由所述第一压力控制阀控制 并且可与所述第 一压力控制阀 一起操作的第二压力控制阀。
14. 一种用于在动态流体系统内提供控制压力的方法，所述方法包括提供一种先导阀，所述先导阀构造成在所述动态流体系统内操作，所 述先导阀包括阀体，所述阀体具有成形在所述阀体中的轴孔、入口、回流口和 控制压力口；设置在所述轴孔内的阀芯，所述阀芯具有台肩、颈部、以及在所述台肩和所述颈部之间延伸的过渡段；分配流经所述入口和回流口的流体，从而通过所述控制压力口提供期 望的控制压力；以及当所述阀芯移动时改变所述入口和回流口的面积变化速度，以便对流 经其中的流体提供可变阻力。
15. 如权利要求14所述的方法，还包括提供反馈系统，所述反馈系 统构造成作用于所述阀芯并且沿着关闭所述入口的方向推动所述阀芯。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述反馈系统包括 成形于所述阀体中并与所述控制压力口流体连通的反馈口 ；以及 与所述反馈口和所述阀芯的一部分流体连通的反馈通道，所述反馈通道构造成在其中接收压力流体以作用于所述阀芯并且沿平衡所述马达作用 在所述阀芯上的力的方向推动所述阀芯。
17. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述先导阀包括 阀体，所述阀体具有入口、回流口、以及控制压力口，所述控制压力口与后续阀元件流体连通；轴孔，所述轴孔成形在所述阀体中并与所述入口、回流口和控制压力 口中的每一个流体连通；阀芯，所述阀芯可滑动地支承在所述阀体的所述轴孔内，所述阀芯构 造成控制流经所述入口、回流口和控制压力口的流体流量，并且在,皮移动 时改变所述入口和压力回流口中的至少 一 个的面积变化速度；移动装置，所述移动装置选择性地使所述阀芯在所述轴孔内所述入口 、 回流口和控制压力口附近移动，从而改变所述控制压力。
18. 如权利要求14所述的方法，其特征在于所述改变包括在所述 入口和回流口中的至少 一个附近拉动所述阀芯的所述过渡段。
全文摘要
本发明涉及一种先导阀，所述先导阀构造成在动态流体系统中提供控制压力，所述先导阀包括(a)阀体，所述阀体具有入口、回流口、以及控制压力口，所述控制压力口与后续阀元件流体连通；(b)轴孔，所述轴孔成形在所述阀体中并与所述入口、回流口和控制压力口中的每一个流体连通；(c)阀芯，所述阀芯可滑动地支承在所述阀体的所述轴孔内，所述阀芯构造成控制流经所述入口、回流口和控制压力口的流体流量，并且在被移动时改变所述入口和压力回流口中至少其中一个的面积变化速度，由此对流经其中的流体提供可变阻力，并降低所述先导阀的静态功率；(d)移动装置，所述移动装置选择性地使阀芯在所述轴孔内、在所述入口、回流口和控制压力口附近移动，从而分配流经其中的流体，以向后续阀元件提供期望的控制压力。所述先导阀还包括成形于所述阀体中并与所述控制压力口流体连通的反馈口；以及与所述反馈口和所述阀芯的一部分流体连通的反馈通道，所述反馈通道构造成在那里接收压力流体，从而作用在所述阀芯上以平衡马达作用在阀芯上的力。
文档编号F15B13/04GK101663492SQ200880012950
公开日2010年3月3日 申请日期2008年2月22日 优先权日2007年2月22日
发明者S·C·雅各布森, S·奥尔森 申请人:雷神萨科斯公司