具有第一级机械阀和第二级微型阀的两级流体控制阀的制作方法

本发明总体涉及流体控制阀。更确切地说，本发明涉及一种例如用在需要正压截止功能的系统中的包括第一级机械阀和第二级微型阀的改进的两级流体控制阀。

背景技术：

微电子机械系统(mems)是一类体积很小、具有尺寸为微米级(即，大约10微米或更小)的构造的系统。这些系统既具有电气部件又具有机械部件。术语“微型加工”通常应理解为指mems装置的三维结构和运动部件的制造。mems最初采用经过改进的集成电路(计算机芯片)制造技术(例如化学蚀刻)和材料(例如硅半导体材料)对这些极小的机械装置进行微型加工。今天，有很多的微型加工技术和材料可用。在本申请中使用的术语“微型加工装置”指具有尺寸大约为10微米或更小的构造的装置，因此从定义上说是至少部分地通过微型加工形成的。更确切地说，在本申请中使用的术语“微型阀”指具有尺寸大约为10微米或更小的构造的阀门，因此从定义上说是至少部分地通过微型加工形成的。在本申请中使用的术语“微型阀装置”指包括微型阀并可包括其它部件的微型加工装置。应说明的是，如果在微型阀装置中除了微型阀外还包含其它部件，那么这些其它部件可以是微型加工部件，也可以是标准尺寸(较大的)部件。类似地，微型加工装置可包括微型加工部件和标准尺寸(较大的)部件。

为了控制流体回路中的流体流动，业已开发了多种微型阀装置。一种典型的微型阀装置包括由主体可移动地支撑、可在关闭位置和全开位置之间移动的可移位构件或阀门部件。在处于关闭位置时，所述阀门部件基本上阻塞或封闭在其它情况中与第二流体端口流体相通的第一流体端口，从而防止流体在这些流体端口之间流动。在所述阀门部件从关闭位置移动至全开位置时，越来越多的流体能够在这些流体端口之间流动。

美国专利6，523，560、6，540，203和6，845，962说明了一种由多层材料制成的微型阀，这些专利的公开内容通过引用结合在此。所述的多个层经过微型加工并粘合在一起，从而形成微型阀主体和包含在其中的多个微型阀部件，包括中间机械层，该层包含微型阀的运动部件。所述运动部件是(利用已知的微型加工装置制造技术，例如但不局限于深反应离子刻蚀)通过从中间机械层去除材料以产生活动阀门元件而形成的，该活动阀门元件仍通过类似于弹簧的构件附接至部件的其余部分。在典型情况下，通过在材料中产生一定形式的贯通凹槽来去除材料，以实现所需的形状。这样，所述活动阀门元件能够沿一个或多个方向移动，其移动量大致等于凹槽的宽度。

美国专利7，156，365说明了一种控制微型阀的致动器的方法，该专利的公开内容也通过引用结合在此。在所公开的方法中，控制器向致动器提供能够使微型阀致动的初始电压。然后，控制器向致动器提供能够使微型阀继续致动的脉冲电压。

常规的燃气灶和燃气炉使用流体控制阀分别控制天然气或丙烷向灶顶和炉中的一个或多个燃烧嘴的流动。这些常规燃气灶和燃气炉需要精确的火焰或温度控制以及流量控制阀中的正压截止功能，以防止在燃气灶或燃气炉处于关机位置时不必要的和有潜在危险的天然气或丙烷流动。另外，在硅制造(例如用于mems微型阀、微芯片等装置的硅片的制造)时气流的控制过程也需要正压截止功能，以防止在制造过程中出现缺陷。

众所周知的是，常规的mems微型阀能提供很精确的流体流量控制，但是在典型情况下，在正常运转过程中会发生少量流体渗漏，因此这些mems微型阀不适合用作在燃气灶应用中使用的独立流量控制阀。

因此，需要提供一种具有与第一级机械阀结合的第二级微型阀的两级流体控制阀，这种两级流体控制阀具有更好的正压截止功能。

技术实现要素：

本发明涉及一种具有更好的正压截止功能的两级流体控制阀结构。在一种实施方式中，所述两级流体控制阀包括第一级机械控制阀和第二级微型阀，所述第一级机械控制阀可在开启位置和无渗漏的关闭位置之间移动，所述第二级微型阀配置为在所述第一级机械控制阀处于开启位置时控制流过所述两级流体控制阀的流体出口的流体流量。

在另一种实施方式中，用于燃气灶和燃气炉的两级燃烧嘴控制阀包括第一级机械控制阀和第二级微型阀，所述第一级机械控制阀可在开启位置和不渗漏的关闭位置之间移动，所述第二级微型阀配置为在所述第一级机械控制阀处于开启位置时控制流过所述两级燃烧嘴控制阀的流体出口的气体流量。

通过参照附图阅读下文中的优选实施方式的详细说明，本发明各个方面对于本领域技术人员来说将变得更明显。

附图说明

图1是本发明的改良型两级流体控制阀的第一种实施方式的透视图；

图2是图1中的改良型两级流体控制阀在去除了阀体时的侧视图；

图3是图1中所示的改良型两级流体控制阀的分解透视图；

图4是图1中所示的改良型两级流体控制阀的分解立面图；

图5是图2至4中所示的内阀体的放大立面图；

图5a是图2至5中所示的内阀体的第一端和杯状护帽的端视图；

图5b是图2至5中所示的内阀体的第二端和电气护帽的端视图；

图6是沿图5a中的6-6线剖切而获得的截面图，其中示出了处于关闭位置的第一级机械阀；

图7是沿图5a中的7-7线剖切而获得的截面图，其中示出了处于开启位置的第一级机械阀；

图8是图1至4中所示的改良型两级流体控制阀的端视图；

图9是沿图8中的9-9线剖切而获得的截面图；

图10是沿图8中的10-10线剖切而获得的截面图；

图11是图1至4中所示的对开套管的透视图；

图12是图2至7中所示的内阀体的透视图；

图13是图3、4、6、7、9、10和12中所示的多密封件的透视图；

图14是本发明的改良型两级流体控制阀的第二种实施方式的透视图；

图15是图14中所示的改良型两级流体控制阀的端视图；

图16是沿图15中的16-16线剖切而获得的截面图；

图17是可在图1和图14中所示的改良型流体控制阀的第一和第二种实施方式中使用的微型阀的透视图。

具体实施方式

本发明涉及一种改良型两级流体控制阀结构，该两级流体控制阀作为常规燃气灶(未示出)或燃气炉122(参见图10和16)的燃烧嘴控制阀10。燃烧嘴控制阀10包括下文中所述的第一级机械阀110(参见图9和10)和第二级微型阀44，该燃烧嘴控制阀用于需要正压截止功能的系统，例如常规燃气灶(未示出)或燃气炉122。

如图1至9所示，燃烧嘴控制阀10包括可操作地连接至第一阀体(或称外阀体)14的常规控制旋钮12。外阀体14具有基本上为矩形棱柱的形状，该矩形棱柱形状具有第一端14a和第二端14b。在其第一端14a中形成有基本上为圆筒状的台阶孔16。所示的外阀体14优选由铝构成。可替代地，外阀体14可由任何所需的金属、金属合金和非金属材料(例如塑料)构成。如果需要，外阀体14可模铸而成。

流体入口接头18可从外阀体14向外延伸，并限定流体入口19。出口接头20可从外阀体14向外延伸，并限定流体出口21。流体入口19和流体出口21与孔16流体相通。如果需要，入口和出口接头18和20可分别通过螺纹连接附接至外阀体14。另外，入口和出口接头18和20可具有外螺纹。

如图9和图10所示，环形壁22在孔16的第一端的周围从外阀体14的第一端14a的表面向外延伸。在孔16的第一直径部分16a和第二直径部分16b之间限定肩部24，其中，第一直径部分16a大于第二直径部分16b。

在图6和图7中显示得最清楚，第二阀体(或内阀体)26安装在孔16中。内阀体26基本上为圆筒状，并限定用于阀座构件50的壳体和用于微型阀44的安装面27，这些构造在下文中说明。在内阀体26的外表面上形成有第一周向延伸的密封部28，该密封部28限定第一周向延伸的密封槽28a。在内阀体26的外表面上还形成有第二周向延伸的密封部30，该密封部30限定第二周向延伸的密封槽30a。在内阀体26的外表面上，在第一和第二密封部28和30之间形成有周向延伸的流体流动槽32。

在第一周向延伸的密封槽28a内可布置第一环状密封件58a，例如o型圈。类似地，在第二周向延伸的密封槽30a内可布置第二环状密封件58b，例如o型圈。

电连接件(例如接线柱或引脚31)在内阀体26的第一端26a和内阀体26的第二端26b的安装面27之间延伸。在从内阀体26的第一端26a向外延伸的引脚31上延伸出电连接件(例如引线84a)，该电连接件将引脚31电连接至电源(未示出)。

在内阀体26的第一端26a中形成有基本上为圆筒状的台阶孔34。在孔34的第一端形成有径向向内且周向延伸的法兰35。在孔34的第一直径部分34a和第二直径部分34b之间限定第一肩部36，其中，第一直径部分34a大于第二直径部分34b。在孔34的第二直径部分34b和第三直径部分34c之间限定第二肩部38，其中，第二直径部分34b大于第三直径部分34c。在孔34的第三直径部分34c和第四直径部分34d之间限定第三肩部39，其中，第三直径部分34c大于第四直径部分34d。在周向延伸槽32和孔34的第三直径部分34c之间形成穿过内阀体26的侧壁的横向流体通道40(参见图6)。

在孔34的第四直径部分34d和内阀体26的第二端26b之间形成有穿过内阀体26的端壁的轴向延伸的流体通道42(参见图7)。在如下所述的密封腔68内形成穿过内阀体26的侧壁的横向致动器销槽43(参见图7)。微型阀44可通过任何适当的方法(例如焊接)安装到内阀体26的第二端26b的安装面27上。所示的内阀体26优选由钢构成。内阀体26的选定部分可镍镀和/或镀金。可替代地，内阀体可由任何所需的金属、金属合金和非金属材料构成，选定部分可镍镀、镀金和/或镀其它金属和金属合金。

在内阀体26的第二端26b的外表面上附接有大致为杯状的护帽46。护帽46具有基本上为圆筒状的外表面，并在其端壁中包括孔口46a，该孔口46a限定微型阀44和流体出口21之间的流体流路。护帽46的内部限定腔体48，微型阀44安装在该腔体48中。所示的护帽46优选由玻璃纤维尼龙构成。可替代地，护帽46可由任何所需的聚合材料或其它材料构成。

阀座构件50基本上为圆筒状，具有第一端50a和第二端50b，并具有从第一端50a延伸到第二端50b的轴向延伸通道52。环形阀座54在轴向延伸通道52的周围从阀座构件50的第一端50a的表面向外延伸。所示的阀座构件50优选由金属构成。可替代地，阀座构件50可由任何其它所需的材料构成，例如金属合金和非金属材料。

在阀座构件50的第一外径部分51a和第二外径部分51b之间限定肩部56，其中，第一外径部分51a大于第二外径部分51b。阀座构件50安装在孔34中，使得阀座构件50上的肩部56与孔34的第三肩部39接合。在所示的实施方式，阀座构件50压装到孔34的第四直径部分34d中。另外，在孔34的第三直径部分34c和阀座构件50的第一外径部分51a之间形成环形流体通道57。

在内阀体26的第一端26a附接有基本上为圆筒状的电气护帽60。电气护帽60具有第一端60a和第二端60b，并在其第一端60a中形成有电气腔62。在电气护帽60的第二端60b中形成有护帽密封腔64，该护帽密封腔64包括基本上为圆筒状的第一腔体部分64a、以及形成在第一腔体部分64a的表面的中央的基本上为圆筒状的第二腔体部分64b。在电气护帽60的第二端60b形成有多个贯穿的引脚孔(未示出)，电气引脚31穿过这些引脚孔。

在电气护帽60的第一外径部分61a和第二外径部分61b之间限定肩部66，其中，第一外径部分61a小于第二外径部分61b。电气护帽60的第二外径部分61b安装在内阀体26的孔34中，使得电气护帽60上的肩部66与法兰35的内表面接合。在内阀体26和电气护帽60之间限定密封腔68。所示的电气护帽60优选由塑料构成。可替代地，电气护帽60可由任何所需的材料构成。

在密封腔68内布置有多功能密封件70(参见图6、7、12和13)，该多功能密封件70包括环形主体71和终止在阀门关闭件74中的径向向内延伸的臂72。致动器销80安装在形成在多功能密封件70的臂72中的轴向延伸孔72a中，并径向向外延伸，穿过形成在密封腔68的孔34的侧壁中的横向致动器销槽43。所示的多功能密封件70还包括多个径向向内延伸的电气引脚连接片76，该电气引脚连接片76具有形成在其中的引脚孔78。所示的致动器销80优选由不锈钢构成。可替代地，致动器销80可由任何所需的金属、金属合金和非金属材料构成。

多功能密封件70最好提供三个不漏流体的密封件。首先，在阀门关闭件74和阀座构件50的阀座54之间布置不漏流体的密封件。其次，主体71在内阀体26和电气护帽60之间提供不漏流体的密封件。第三，引脚连接片76在引脚31的周围提供不漏流体的密封件。

多功能密封件70优选由弹性体材料构成，例如氯丁橡胶、腈类、硅、epdm橡胶等。可替代地，多功能密封件70可由任何所需的弹性体材料构成。

在形成在电气护帽60的第一端60a中的电气腔62中安装有位置传感器82。电连接件(例如引线84b)从位置传感器82伸出，并将位置传感器82电连接至控制器(未示出)和电源(未示出)。位置传感器82可以是任何所需的位置传感器，它配置为检测如下详述的对开套管96的转动。

请参考图9和图10，基本上为圆筒状的阀门护圈86附接至外阀体14。阀门护圈86具有第一端86a和限定周向延伸并基本上为长方形的法兰88的第二端86b，并在其中形成有轴向延伸通道90。在阀门护圈86的外表面上，在靠近其第一端86a的位置形成有周向延伸槽92，在阀门护圈86的侧壁中可形成有贯穿的第一横向通道93，引线84a和84b穿过该第一横向通道93。在阀门护圈86的侧壁中还可形成贯穿的第二横向通道94，致动器销80穿过该第二横向通道94。阀门护圈86可通过任何所需的方式(例如通过焊接或使用螺纹紧固件95)附接至外阀体14。所示的阀门护圈86优选由铝构成。可替代地，阀门护圈86可由任何所需的金属、金属合金和非金属材料(例如塑料)构成。

在图11中最清楚地示出，基本上为圆筒状的对开套管96包括第一端96a和限定周向延伸的法兰98的第二端96b。法兰98为台阶式，并限定肩部100。在法兰98上形成有环形凸轮件或斜坡102，并且该环形凸轮件或斜坡102从该处轴向向外延伸。斜坡102的轴向端面限定凸轮面103。斜坡102包括锥形斜坡部分102a和第二部分102b，该第二部分102b具有从法兰98算起的基本上一致的高度。锥形部分102a从法兰98的轴向端面过渡至第二部分102b的高度。在对开套管96的侧壁中形成有一个或多个轴向延伸的膨胀槽104。在对开套管96的侧壁的内表面上可形成有周向和径向向内延伸的脊106(参见图9和图10)。对开套管96可移动地安装在阀门护圈86的周围，使得脊106位于形成在阀门护圈86的外表面上的槽92中。所述的对开套管96优选由铜构成。可替代地，对开套管96可由任何所需的金属、金属合金和非金属材料构成。

常规控制按钮12具有附接在对开套管96的侧壁的外表面周围的颈圈12a，从而该颈圈12a与对开套管96的肩部100接合，并且控制按钮12的旋转运动也使对开套管96围绕阀门护圈86运动。所示的控制按钮12优选由塑料构成。可替代地，控制按钮12可由任何所需的材料构成。

内阀体26、阀座构件50、多功能密封件70、阀门护圈86和对开套管96共同限定第一级机械阀110。

在操作时，用户可沿顺时针方向转动控制按钮12，该控制按钮12也使附接的对开套管96沿顺时针方向转动。斜坡102的凸轮面103与致动器销80接合，并迫使致动器销80朝外阀体14(即，朝箭头112的方向(参见图6、7、9和10))移动，因而将阀门关闭件74抬离阀座54，允许气体从流体入口19通过横向流体通道40、环形流体通道57、密封腔68、阀座54和流体通道42流至微型阀44，即，朝箭头114的方向(参见图6和7)流动。这样可调节微型阀44，以实现非常精确地控制通过流体出口21向外流出的流体的流量。微型阀44还能显著改善火焰控制和改善温度控制。例如，可将流过燃烧嘴控制阀10的气体的流量控制在燃烧嘴控制阀10的最大流量的大约5％至大约100％范围内。

随着控制按钮12和对开套管96转动，位置传感器82可检测运动，并向控制器(未示出)发送信号。然后，控制器使微型阀44致动，从而允许气体从其中通过。如果需要，控制器还可发送信号以致动电子点火装置(如果布置有电子点火装置)，同时使用信号致动微型阀44。

因此，第一级机械阀110和燃烧嘴控制阀10可在如图6中最清楚地示出的关闭位置和如图7中最清楚地示出的开启位置之间移动，其中，在关闭位置时，不允许气体通过阀座54，在开启位置时，阀门关闭件74从阀座54移离，并允许气体通过阀座54流到第二级微型阀44，通过该第二级微型阀44能够非常精确地控制流体流量。

燃烧嘴控制阀10中的独特的第一级机械阀110和第二级微型阀44的组合提供一种具有有利的正压截止功能的流体控制阀。在本文中，第一级机械阀110的正压截止位置定义为不渗漏的关闭位置。

因此，微型阀(例如微型阀44)可在不允许阀内渗漏但需要精确流体流量控制(例如由微型阀44实现)的两级流体控制阀应用中使用。

实践表明，在致动器销80上施加大约0.1牛的力就足以迫使致动器销80朝箭头112的方向移动，因而将阀门关闭件74从阀座54抬离大约0.4毫米的距离(即，开启位置)。

如果需要，可在如图10中所示的燃气炉122中安装温度传感器，例如热电偶120。利用热电偶120，可将燃烧嘴控制阀10构造为一个闭环系统，可通过安装有燃烧嘴控制阀10的燃气炉122的温度控制该闭环系统。

现在请参考图14至16，改良型流体控制阀的第二种实施方式也作为以标号210示出的燃气灶(未示出)或燃气炉122的燃烧嘴控制阀。可替代地，所示的燃烧嘴控制阀210可在其它应用中使用，例如在硅制造过程中作为控制工艺气体流量的气体质量流量控制器。在这种应用中，流体入口239处的流体压力可为大约90至110psi。因此，作用在坐在阀座54上的阀门关闭件74上的压力可为大约1至3牛。因此，需要大于大约1至3牛的相应力以克服流体入口239处的流体压力，并迫使致动器销80移离阀座54。

燃烧嘴控制阀210与燃烧嘴控制阀10相似，但是由螺线管212致动。燃烧嘴控制阀210包括基本上与外阀体14类似的外阀体213，该外阀体213具有基本上为矩形棱柱的形状、具有第一端213a和第二端213b。在其第一端213a中形成有基本上为圆筒状的台阶孔16。流体入口接头238和流体出口接头240可从外阀体213向外延伸，并分别限定流体入口239和流体出口241。流体入口239和流体出口241的出口接头与孔16流体相通。如果需要，入口和出口接头238和240可分别通过螺纹连接附接至外阀体213。另外，入口和出口接头238和240可具有外螺纹。

燃烧嘴控制阀210还包括内阀体26、护帽46、阀座构件50、微型阀44和多功能密封件70，所有这些部件都已在上文中详述。

基本上为圆筒状的电气护帽组件214包括具有第一端216a和第二端216b的护帽主体216、以及形成在其第一端216a中的电气腔218。在电气护帽主体216的第二端216b中形成有护帽密封腔220，该护帽密封腔220包括基本上为圆筒状的第一腔体部分220a、以及形成在第一腔体部分220a的表面的中央的基本上为圆筒状的第二腔体部分220b。在电气护帽主体216的第二端216b形成有多个贯穿的引脚孔(未示出)，电气引脚31穿过这些引脚孔。

护帽主体216包括第一外径部分217a、第二外径部分217b和第三外径部分217c。在第二外径部分217b和第三外径部分217c之间限定肩部222，其中，第二外径部分217b小于第三外径部分217c。电气护帽主体216的第三外径部分217c安装在内阀体26的孔34中，使得电气护帽主体216上的肩部222与法兰35的内表面接合。在内阀体26和电气护帽主体216之间限定密封腔221。

电气护帽组件214还包括随护帽主体216安装的用于封闭护帽主体216的第一端216a的护帽224。电连接器组件226附接至护帽224和电连接件(例如引线242)，该电连接件从连接器组件226延伸至电源(未示出)。引线244还从引脚延伸至电连接器组件226。

螺线管212可附接至盖板215，并包括螺线管壳体228。螺线管线圈(未示出)可通过常规方式安装在线圈壳体(未示出)中。可轴向移动的柱塞230可滑动地安装在螺线管212的线圈中。柱塞230向外延伸到螺线管212之外，并附接至致动器销80。电连接件(例如引线246)从螺线管212延伸至电源(未示出)。

在操作所述的改良型燃烧嘴控制阀210时，用户可通过接合致动器开关(未示出)来使螺线管212致动。在致动时，螺线管柱塞230被推入螺线管212中，从而还迫使致动器销80的附接端朝箭头232的方向(向图16中的左侧)移动。通过上述的方式，阀门关闭件74因而被抬离阀座54，允许气体从流体入口239通过横向流体通道40、环形流体通道57、密封腔221、阀座54和流体通道42流至微型阀44。这样可按已知的方式调节微型阀44，以控制通过流体出口241向外流出的流体的流量。如上所述，微型阀44还能改善火焰控制和改善温度控制。

与燃烧嘴控制阀10类似的是，燃烧嘴控制阀210的内阀体26、阀座构件50、多功能密封件70和螺线管212共同限定第一级机械阀234。

如上所述，燃烧嘴控制阀210可安装到燃气炉(例如燃气炉122)上。热电偶120可安装在如图16中示意性地示出的燃气炉122中。利用热电偶120，可将燃烧嘴控制阀210构造为一个闭环系统，可通过燃气炉122的温度控制该闭环系统。

图17是在本文中所述的改进型燃烧嘴控制阀10和210的实施方式中使用的微型阀44的透视图。所示的微型阀44包括盖板252、中间板254和底板256。

盖板252包括电气端口258，相应的电线259穿过该电气端口258，以连接至在中间板254上的相互分隔的部分上形成的相应焊盘(未示出)，从而在连接至电源(未示出)并接通时允许电流在它们之间通过。盖板252还包括公共流体端口260。

中间板254包括致动器262，该致动器262具有形成为人字形图案的多个致动器肋264。肋264的中央肋区266接合至可移动中央脊268，可移位的致动器臂270可操作地耦合至脊268。中间板254还可包括一个或多个气流通道272，该气流通道272用于从肋264的开口端肋区274向微型阀44外喷吹空气。

致动器臂270包括枢轴锚栓或铰链276，该枢轴锚栓或铰链276弯曲或弯折，以适应致动器臂270在基本上平行于盖板252、中间板254和底板256的平面内的弧形运动。致动器臂270还包括阀门元件278，该阀门元件278具有用于控制流过微型阀44的流体的流量的凹槽280和281以及用于减少或防止阀门元件278的压力不平衡的多个均压口282，这种压力不平衡可能导致致动器臂270的运动在致动和非致动过程中脱离正常弧形运动的平面。

在本发明的说明书和所附的权利要求中所用的术语“非致动”定义为在通电前(即，在微型阀装置的致动器致动前)微型阀装置的稳态状况。

底板256的内表面284包括允许流体通过微型阀44的多个流体端口，其中包括常开流体端口286和常闭流体端口288。底板256的内表面284还包括致动器腔体290。

在微型阀44的致动过程中，肋264由于电流从中通过而升温。然后，肋264发生热膨胀和伸长，这会将脊268和附接的致动器臂270朝远离肋264的方向(朝图17中的右侧)推动。然后，致动器臂270在铰链276处弯曲或弯折，以适应脊268的移动，从而导致阀门元件278和其凹槽280和281在正常运动平面内沿弧形路径(朝图17中的右侧)移动至受力位置，而这会关闭常开流体端口286并打开常闭流体端口288。

当肋264中的电流消失时，肋264会冷却并收缩，迫使中央脊268朝肋264的方向(朝图17中的左侧)返回。然后，致动器臂270和阀门元件278返回至例如图17中所示的非致动位置，其中，常开流体端口286再次开启，而常闭流体端口288再次关闭。

本发明的原理和工作方式是通过其优选实施方式说明和示出的。但是，应理解，在不脱离本发明的精神或范围的前提下，能够以与具体说明和示出的方式不同的方式实施本发明。