专利名称：微型机械装置和控制方法
微型机械装置和控制方法相关申请的交叉引用本申请要求2009年8月17日提交的美国临时专利申请No. 61/234，522的利益， 其内容通过引用并入本文。
背景技术：
本公开涉及阀和半导体机电装置，并且涉及例如被微阀装置(即，微型机械先导阀)定位的压力控制阀等控制阀。MEMS(微电子机械系统)是这样一类系统，其物理上是小型的，具有尺寸处于微米级或者更小(即，小于约10微米)的一些特征或者间隙。这些系统具有电气和机械部件。 术语“微型加工”通常应理解为是指MEMS装置的移动部和三维结构的制造。MEMS最初使用改良的集成电路(例如，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)来微型加工这些非常小的机械装置。目前存在许多更微型的机械加工技术和材料。如本申请中可能使用的术语“MEMS装置”是指包括具有尺寸为微米级或者更小(S卩，小于约10 微米)的一些特征或者间隙的微型机械部件的装置。应该注意的是，如果除微型机械部件外的部件被包括在MEMS装置中，则这些其它部件可以是微型机械部件或者标准尺寸(即， 较大)的部件。相似地，如本申请中可能使用的术语“微阀”是指具有尺寸为微米级或者更小(即，小于约10微米)的特征或者间隙的阀，因此根据定义，所述阀至少部分地通过微型机械加工形成。如本文可能使用的术语“微阀装置”是指包括微阀并且可以包括其它部件的装置。应该注意的是，如果除微阀外的部件被包括在微阀装置中，则这些其它部件可以是微型机械部件或者标准尺寸(即，较大)的部件。本发明的各方面将从以下对优选实施例的详细描述中在参考附图进行阅读时，对本领域的技术人员变得清楚明了。
图1是实施为微阀装置的压力控制阀的部分分解透视图。 图2是压力控制阀的截面图。图3是快速施加位置的压力控制阀的截面图。图4是快速倾倒位置的压力控制阀的截面图。图5是在平衡位置附近进行调制的压力控制阀的截面图。 图6是具有两个串联可变孔口的先导微阀的示意性代表图。 图7是实施为微阀装置的压力控制阀的一个替代实施例的截面图。
图8是图6所示压力控制阀的分解透视图。 图9是类似于图8的视图，只不过是从另一视角显示。 图10是实施为微阀装置的压力控制阀的一个替代实施例的部分剖切的透视图。
图11是压力控制阀的操作方法。图12是实施为微阀装置的压力控制阀的一个替代实施例。
图13是实施为微阀装置的压力控制阀的一个替代实施例。
具体实施例方式现在参考附图，在图1中示出了呈压力控制阀形式的微阀装置，总体上以10示出。压力控制阀10可以包括具有主阀体14的先导操作主阀(pilot-operated main valve) 12。压力控制阀10可以进一步包括用于控制先导操作主阀12的先导微阀(pilot microvalve) 16，和用于相对于主阀体14安装先导微阀16的歧管18。如图2所示，主阀体14可以具有多个端口，包括负载端口 20、供给端口 22和返回端口 24，所有端口均与主阀体14中的纵向孔沈流体连通。更具体地说，供给端口 22可以经由供给通道2 与纵向孔沈流体连通。相似地，返回端口 M可以经由返回通道2 与纵向孔沈流体连通。此外，负载端口 20可以经由负载通道20a与纵向孔沈流体连通。注意，在一些实施例中，纵向孔沈可以直接与负载端口 20连通，这时纵向孔沈应该被看作形成负载通道20a的一部分。如图2中最佳看出的，纵向孔沈可以是台阶孔，具有从纵向孔沈的左端向右端直径逐渐增大的圆筒部分(如图2所示)。主阀12可以被支承在纵向孔沈内。主阀12可以包括套筒观、被支承成相对于套筒观移动的柱塞(spool) 30和在纵向孔沈中相对于主阀体14以固定关系支承套筒观的塞子32。套筒观可以具有可以与供给端口 20流体连通的环形沟槽34以及可以与返回端口 22流体连通的环形沟槽35。环形沟槽34、35可以被围绕套筒观形成的槽脊(land) 36、 38,40分开；S卩，槽脊36、38可以限定出环形沟槽34的壁，而槽脊38和40可以限定出环形沟槽35的壁。优选地，槽脊38具有比槽脊36大的直径，而槽脊40具有比槽脊38大的直径，以使每个槽脊与纵向孔26的径向相邻圆筒部分的直径紧密地匹配。该配置的一个优点是，套筒观只能沿一个取向组装到纵向孔中，因为套筒观的最大直径部分将装配到纵向孔 26的最大直径部分中，在套筒观与图2所示取向相反的情况下，不能进一步朝如图2所示的左侧前进以将套筒观完全设置在纵向孔26中。每个槽脊36、38、40可以优选地设置有支承相应密封件或者0形圈48、50、52的环形沟槽42、44、46。虽然示出的是圆形截面的0形圈，但是可以使用由任意适当材料制成的具有任意适当截面的任意适当类型的密封件。0形圈48、50、52可以在套筒观与限定出纵向孔沈的主阀体14的表面之间提供压力密封。0形圈48、50、52因此可以在环形沟槽34 中的流体与环形沟槽35中的流体之间形成压力边界。套筒观可以在一端具有环形肩部 54,该环形肩部M与位于纵向孔沈的相应端部的环形肩部56接合，以相对于纵向孔沈以及相对于主阀体14定位套筒观。可以穿过套筒观沿其中心轴线纵向地形成孔70。可以穿过套筒观形成一个或多个径向孔34a(见图幻，以在沟槽34与限定出孔70的套筒观的内表面之间提供流体连通。相似地，可以穿过套筒观形成一个或多个径向孔35a(见图2)， 以在沟槽35与限定出孔70的套筒观的内表面之间提供流体连通。套筒28可以通过塞子32抵靠肩部56保持在固定位置，从而相对于主阀体14处于固定关系。塞子32可以具有与纵向孔沈的内螺纹部60螺旋地接合的外螺纹部58。虽然可以提供任意适当的配置，但是塞子32可以呈包括有六角插孔61 (图1所示)的塞子的形式，所述六角插孔61接收六角键(扳手)，以相对于纵向孔沈的内螺纹部60拧紧塞子32的外螺纹部58。塞子32可以大小做成并被构造成接合套筒观，并使套筒观的环形肩部M与纵向孔沈的环形肩部56保持接合。可以在套筒观的与套筒观的肩部端相反的端部与纵向孔 26的与纵向孔沈的肩部端相反的端部之间设置间隙62。间隙62可以足够大，以确保套筒 28的环形肩部M与纵向孔沈的环形肩部56保持接合。柱塞30的外表面可以限定出环形沟槽64。环形沟槽64可以与柱塞30中的多个径向通道66、68流体连通，其进而可以与柱塞30中的纵向孔69流体连通。柱塞30的纵向孔69可以向左(如图2所示)延伸至柱塞30的左侧(如图2所示)轴向端面中的开口， 该开口可以在柱塞的纵向孔69与套筒观的纵向孔70之间提供流体连通。套筒观的纵向孔70的左向部分(如图2所示)进而可以提供与负载端口 20的流体连通。这样，沟槽64 能够一直与负载端口 20流体连通。柱塞30可以被支承成在套筒28中的纵向孔70中纵向移动。柱塞30可以移动至第一位置以使柱塞30中的环形沟槽64经由套筒28中的一个或多个径向孔3 和环形沟槽34与供给端口 22流体连通，或者柱塞30可以移动至第二位置以使柱塞30中的环形沟槽64经由形成于套筒28中的一个或多个径向孔3 和环形沟槽35与返回端口 M流体连通。这样，柱塞30可以是可移动的，以控制供给端口 22与负载端口 20之间的流体流动，如图3所示，或者控制负载端口 20与返回端口对之间的流体流动，如图4所示。虽然未示出，可以设置一个或多个弹簧来朝正常位置推压柱塞30，在所述正常位置柱塞30被设置成没有任何其它显著作用力作用于柱塞30上的状态。应该意识到的是， 在多数情况下，这种弹簧通常将被选择成使得由这种弹簧施加的作用力比起由操作期间作用于柱塞30的流体压力施加的作用力来说是比较次要的(并且在任何情况下，作用于柱塞阀的作用力的平衡中的弹簧预载的效果可以被设计这种柱塞阀的领域的技术人员轻松地理解)。因此，为了简明起见，将从对压力控制阀10的操作的描述中省略弹簧对主阀12的操作的次要效果的描述。主阀12可以调制在第三位置附近，该第三位置是平衡位置，如图5所示。在平衡位置，柱塞30中的环形沟槽36可以被防止与与供给端口 22连通的环形沟槽34连通，并且还可以被防止与和返回端口 M连通的环形沟槽35连通，从而在负载端口 20处保持压力恒定。以这种配置，主阀12可以被称为“中心关闭”阀。然而，也可以想到的是主阀12可以设计成“中心开放”阀，其中，在平衡位置(未示出)，柱塞30中的环形沟槽36将既与和供给端口 22连通的环形沟槽34连通又与和返回端口 M连通的环形沟槽35连通，使得从供给端口 22流入主阀12中的流体正好等于从返回端口对流出主阀12的流体。在流进和流出的流体如此平衡的情况下，将不会有流进或者流出负载端口 20的流体，压力在负载端口 20处将保持恒定。然而，该描述的其余部分将描述的是如图5所示的中心关闭阀情况下的阀的结构和操作。在纵向孔70的与负载端口 20相反的右端(如图2-5所示)可以设置指令室72。 被引入指令室72中的指令压力能够控制柱塞30的移动。施加高于负载端口 20中的负载压力的指令压力能够使柱塞30移动远离指令室72( S卩，观察图3时向左侧移动)。柱塞20 远离指令室72的这种移动能够使柱塞30中的环形沟槽64经由径向孔3 与套筒28中的环形沟槽34流体连通，并且经由与供给端口 30流体连通的环形沟槽34，来允许流体经由孔69,70和沈在供给端口 22与负载端口 20之间流动，如图3所示。如果指令室72中的压力低于负载压力，柱塞30能够移动成使得柱塞30中的环形沟槽64经由径向孔35a与套筒28中的环形沟槽35流体连通。环形沟槽35，如以上指出的，能够与返回端口 22流体连通，因此允许流体在负载端口 20与返回端口 M之间流动，如图4所示。这能够发挥作用，以使负载压力降低至指令压力。当负载压力等于指令室72中的压力时，柱塞30将移动成使得柱塞30中的环形沟槽64既不与环形沟槽34也不与环形沟槽35流体连通，从而使负载端口 20与供给端口 22和返回端口 M两者均隔离开，如图5 所示。指令室72中的指令压力可以受控于先导微阀16，所述先导微阀16可以经由歧管 18与指令室72流体连通，并且可以经由歧管18与供给端口 22和返回端口 M选择性地流体连通，以控制指令压力。先导微阀16可以包括可移动阀元件，其在移动时，同时改变串联配置在穿过先导微阀16的流路中的两个孔口的有效截面积。具有这种特征的一个微阀的示例是德克萨斯州奥斯汀城Microstaq公司开发的PDA-3型比例直动式3路微阀。两个串联孔口的操作可以参考图6得到理解，其中，根据标准符号表示法，穿过某部件的符号的箭头用于指示可变部件，在该情况下，可变孔口。先导微阀16可以显示为包括第一孔口 16a和与第一孔口 16a处于相同流体路径中的第二孔口 16b。因此，第一孔口 16a和第二孔口 16b以串联配置设置在流体管道16c中。虚线表示孔口 16a、16b以预定关系一起得到操作。给定密度的流体穿过先导微阀16的流体管道16c的流动、孔口 16a、16b 的截面积、供给至先导微阀16的压力以及在流体管道16c中位于孔口 16a、16b之间的流体的压力之间的关系可从数学上得出，如下
权利要求
1.一种装置，包括先导操作阀，响应于指令压力进行操作，以向负载供给处于负载压力的流体，该负载压力在稳定状态流动条件期间大致等于指令压力；和先导微阀，在与所述先导操作阀连通的流体管道中生成指令压力，使得指令压力能够在供给压力的0%到100%之间变化，该供给压力是供给至先导微阀的加压流体的压力。
2.如权利要求1所述的装置，所述先导微阀包括第一流体管道，接收处于供给压力的加压流体，并且与处于返回压力的较低压力的区域连通；设置在所述第一流体管道中的第一可变孔口；设置成在所述第一流体管道中与所述第一可变孔口串联配置的第二可变孔口，所述指令压力在所述第一流体管道中于第一可变孔口与第二可变孔口之间生成；和在第一可变孔口与第二可变孔口之间与第一流体管道流体连通的第二流体管道，所述第二流体管道是使指令压力与所述先导操作阀连通的流体管道。
3.如权利要求2所述的装置，还包括设置在第二流体管道中用于抑制指令压力的变化的抑制孔口。
4.如权利要求2所述的装置，还包括设置在第二流体管道中的过滤器。
5.如权利要求2所述的装置，还包括设置在所述先导微阀与所述先导操作阀之间的歧管，所述歧管限定出所述第二流体管道的一部分；和设置在所述歧管与所述先导操作阀之间的0形圈，所述0形圈形成第二流体管道的压力边界的一部分。
6.如权利要求5所述的装置，还包括设置在所述先导操作阀与所述歧管之间的过滤器，使得流经第二流体管道的流体被引导穿过所述过滤器。
7.如权利要求1所述的装置，所述先导操作阀包括在其中限定出纵向孔的本体，为来自加压流体源的流体向所述纵向孔提供流体连通的供给通道，从所述纵向孔向较低压力的区域提供流体连通的返回通道，以及从所述纵向孔向负载提供流体连通的负载通道；和设置成在所述孔中滑移的柱塞，所述柱塞具有第一端部，所述柱塞的第一端部与所述本体协作以在所述孔中限定出指令室，所述指令室与传送指令压力的第二流体管道流体连通，所述柱塞具有与所述第一端部相反的第二端部，所述柱塞的第二端部受到负载压力， 所述柱塞限定出围绕所述柱塞的外表面延伸的环形的阀沟槽， 所述柱塞限定出在所述柱塞的第二端部与所述阀沟槽之间提供流体连通的柱塞通道， 所述柱塞可定位至第一位置，在所述第一位置，所述阀沟槽与所述柱塞通道协作以在所述供给通道与所述负载通道之间限定出流路，所述柱塞可定位至第二位置，在所述第二位置，所述阀沟槽与所述柱塞通道协作以在所述负载通道与所述返回通道之间限定出流路。
8.如权利要求7所述的装置，所述柱塞限定出环形的第二沟槽，所述第二沟槽在所述阀沟槽与所述柱塞的第一端部之间的一个轴向位置处围绕所述柱塞的外表面延伸，所述柱塞通道与所述第二沟槽流体连通。
9.如权利要求7所述的装置，其中，所述柱塞可定位至第三位置，在所述第三位置，所述阀沟槽不与所述供给通道流体连通，并且在所述第三位置，所述阀沟槽不与所述返回通道流体连通。
10.如权利要求1所述的装置，还包括 用于主阀的本体，所述本体限定出 第一端口，第二端口，和纵向孔；和响应于指令压力在所述纵向孔中可移动的柱塞，所述柱塞在允许第一端口和第二端口之间流体连通的第一位置与阻止第一端口和第二端口之间流体连通的第二位置之间是可移动的。
11.如权利要求10所述的装置，还包括歧管，所述先导微阀安装在所述歧管上，所述歧管限定出形成从所述先导微阀向所述先导操作阀传送指令压力的第二流体管道的一部分的歧管流体管道；和将所述歧管紧固至所述本体的固位元件。
12.如权利要求11所述的装置，还包括由所述本体限定出的面，所述面具有进入所述纵向孔中的开口，其中所述歧管流体管道经由所述本体的所述面中的开口与所述纵向孔连通。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述固位元件是螺纹帽。
14.如权利要求11所述的装置，其中，所述固位元件是螺纹紧固件。
15.一种操作微阀装置的方法，所述微阀装置呈压力控制阀的形式，所述压力控制阀具有先导操作主阀和先导微阀，所述主阀向主阀体中的负载端口供给压力，所述先导微阀具有第一孔口和第二孔口，所述第一孔口具有第一可变截面面积A1,所述第二孔口具有第二可变截面面积A2，所述先导微阀在第一孔口与第二孔口之间生成控制压力，所述控制压力被所述先导微阀供给至所述主阀，以用于控制所述主阀的操作，所述方法包括a)向所述先导微阀的第一孔口A1和第二孔口 A2之一的上游供给处于压力P1的流体；b)向所述先导微阀供给控制信号以设定第一孔口的截面面积A1和第二孔口的截面面积A2;c)依照以下方程式作为向所述先导微阀供给的压力P1和所述孔口的截面面积A1和A2 的函数从所述微阀向所述主阀供给指令压力P2
16.一种微阀装置，包括 先导操作阀，包括在其中限定出纵向孔的本体，所述本体进一步限定出在第一轴向位置与所述纵向孔流体连通的供给端口，在第二轴向位置与所述纵向孔流体连通的负载端口，和在第三轴向位置与所述纵向孔流体连通的返回端口； 设置成响应于指令压力在所述纵向孔中移动的柱塞，所述柱塞具有第一端部和第二端部，所述第一端部具有轴向端面，所述第二端部具有轴向端面，所述第一端部的轴向端面与指令室流体连通， 所述第二端部的轴向端面与负载室流体连通，所述柱塞与所述本体协作以在沿轴向与第一端部隔开的位置处限定出压力空间， 在所述负载室与所述压力空间之间提供流体连通的负载通道， 所述柱塞可移动至第一位置，在所述第一位置，所述负载端口和所述负载室与所述供给端口流体连通，所述柱塞可移动至第二位置，在所述第二位置，所述负载端口和所述负载室与所述返回端口流体连通，所述柱塞可移动至第三位置，所述第三位置是关闭中心状态和开放中心状态之一， 所述负载端口和所述负载室在关闭中心状态下与所述供给端口和所述返回端口两者均隔离，所述负载端口和所述负载室在开放中心状态下与所述供给端口和所述返回端口两者均流体连通，所述压力空间沿轴向设置成在第一、第二和第三位置中的任一个处不比所述供给端口和所述返回端口中沿轴向最接近所述指令室的那个远离所述指令室；和先导微阀，所述先导微阀连接至所述先导操作阀，以向所述指令室供给指令压力，来控制所述柱塞在所述先导操作阀的纵向孔中的移动。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述负载通道被限定成穿过所述柱塞的一部分， 以在所述负载室与所述压力空间之间提供流体连通。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述压力空间是形成于所述柱塞的外表面中的沟槽。
19.如权利要求16所述的装置，其中，所述压力空间是形成于所述本体中的沟槽。
全文摘要
公开了一种微阀装置，用于控制流体回路中的流体流动。所述微阀装置包括在其中形成有孔的本体。被本体支承的先导操作主阀柱塞可移动地设置在孔中，以开闭形成于本体中的端口。先导微阀是可操作的，以控制先导操作主阀的移动。先导微阀可以包括控制两个串联可变孔口的截面积的可移动阀元件。当先导微阀静止时，一个孔口关闭，而另一个开放。在致动先导微阀时，关闭的孔口可以开始开放，而开放的孔口可以开始关闭。孔口之间的压力被用作指令压力，其用于定位压力控制阀以控制负载压力。还公开了操作微阀装置的方法。
文档编号F16K11/07GK102575782SQ201080046757
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月11日 优先权日2009年8月17日
发明者哈利·亨尼卡特 申请人:盾安美斯泰克股份有限公司