微阀装置及控制流体流动的方法与流程

本发明的实施例涉及一种控制流体流动的微阀装置和利用微阀装置控制流体流动的方法。

背景技术：
先导阀门可以用于控制流体的流动以控制主阀，并对主阀的开度进行控制。微阀是其中一种典型的可用于控制主阀的先导阀。通过控制先导微阀，获得相应的控制流体流量，该控制流体可以对主阀的开度实现精确的控制。一般而言，微阀是指利用微电子工艺加工的微电子机械系统(MEMS)。利用微电子工艺加工的微阀中，核心构件(执行器)的尺寸通常在微米量级。通过给执行器施加电激励获得执行器的机械运动。除此之外，微阀还可以包括其他通过或者不通过微加工工艺制造得到的部件。目前，已经有多种微阀结构用于控制微阀中流体通路中的流体流动。图1和2示意性地示出了一种现有的微阀装置。该微阀装置包括执行器(未示出)和可移动构件20组成。可移动构件20的运动由执行器控制，执行器可通过施加电信号实现可控的运动。可移动构件20中具有多个贯穿孔。通过可移动构件的运动，可以对微阀中的流体端口31和33的开启程度进行控制，从而控制流出微阀的流体流量(流体在微阀腔室内的流动)，进而对主阀进行控制。一种典型的执行器由一端固支的梁构成，可移动构件与梁的另一端连接。执行器在电信号的驱动下产生足够的位移和驱动力，驱动可移动构件在腔室内滑动，改变控制端口流体的流动状态，从而达到控制主阀的目的。例如，图1和图2分别示出可移动构件20分别在不同位置处对流体流动控制的不同状态。图中的箭头表示流体的流向。执行器的尺寸和输入电信号的功率由可移动构件需要移动的位移、微阀对位移的放大作用和所需的驱动力共同决定。

技术实现要素：
如背景技术部分中描述的先导微阀存在以下问题：一个问题是确定的控制电信号并不能唯一地确定电热执行器的位移，导致流体流量的控制不精确，使得先导微阀的开环控制无法实现。另一个问题是用于控制三个端口的滑动机构在电热执行器的驱动下整体地移动，这使得三个端口的开闭状态是相关的，导致控制先导阀的电信号和主阀开度之间不是线性关系，使主阀控制变得复杂。针对上述技术问题，本发明的一个实施例提供一种控制流体流动的微阀装置，包括：微阀本体，该微阀本体由多层构成，并且包括第一层以及与所述第一层结合并具有多个流体端口的第二层；腔体，设置在所述第一层和所述第二层之间；多个执行器，分别对应于每个流体端口设置，其中所述多个流体端口的开闭由所述多个执行器独立地控制。在上述实施例中，所述多个流体端口设置于与所述腔室对应的区域内，且所述多个流体端口贯穿所述第二层。在上述任一实施例中，所述多个流体端口中的每个流体端口被一个执行器完全覆盖，且在所述流体端口处于关闭的状态下，所述执行器与端口周边的第二层的表面紧密接触，以阻断通过所述流体端口的流体流动。在上述任一实施例中，所述执行器的一端或两端可以固定在相应端口的周围。在上述任一实施例中，所述执行器能够响应于开启信号的施加发生变形，从而在执行器与相应端口周围的第二层的表面之间形成供流体通过的间隙以开启相应的端口。在上述任一实施例中，所述第一层用于引出与执行器连接的电极，从而对所述执行器输入信号。在上述任一实施例中，所述执行器能够响应于所施加的信号的大小而产生不同程度的变形，从而在执行器下表面与端口周围的第二层的表面之间产生尺寸不同的间隙。在上述任一实施例中，所述执行器包括电热执行器和压电执行器。在上述任一实施例中，所述执行器为金属-压电双层膜执行器。在上述任一实施例中，所述多个执行器可以与包含所述多个流体端口的第二层通过微机械加工工艺一次形成。在上述任一实施例中，所述微阀装置包括流体源端口、控制端口和回流端口，所述流体源端口与流体源连通，且所述控制端口与控制主阀的机构连通。在该实施例中，当所述流体源端口和所述控制端口打开、所述回流端口关闭时，流体从流体源端口流向控制端口；而所述流体源端口关闭、所述控制端口和所述回流端口打开时，流体从控制端口流向回流端口。本发明的另一实施例提供一种利用微阀装置控制流体流动的方法，所述微阀装置包括微阀本体，该微阀本体由多层构成，并且包括第一层以及与所述第一层结合并具有多个流体端口的第二层，在所述第一层和所述第二层之间构成腔室，所述方法包括：采用多个执行器分别对所述多个流体端口的开闭独立地进行控制，以实现对应于流体在各端口间流动的不同模式的不同流体端口开闭组合方式。在上述实施例的方法中，在每一种流体端口开闭组合方式中，每一个端口的开启程度可以独立地控制。在上述任一实施例的方法，其中通过对各执行器施加电信号以对相应端口进行控制。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。图1是一种常规微阀在第一控制状态的示意图；图2是该常规微阀在第二控制状体的示意图；图3是根据本发明第一实施例的微阀装置的构造示意图；图4是图3所示微阀中某一个流体端口的俯视图(包含该端口的执行器)；图5示出了微阀装置处于第一状态(加压模式)的示意图；以及图6示出了微阀装置处于第二状态(回流模式)的示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。针对现有技术中的上述问题，本发明的实施例提供了一种用于控制流体流动的方法和微阀装置。在根据本发明的实施例的方法中，对微阀装置中流体通路的各个端口进行独立地控制，以获得由电信号控制的用于控制主阀的流体。该方法通过对每一个端口独立控制可以实现对主阀开度的开环控制。同时，通过控制每一端口的开启程度，可以实现对主阀开度的线性控制。基于上述控制流体流动的方法，本发明也提出一种微阀装置。例如，该微阀装置可以为用于控制主阀的先导微阀。该微阀装置的微阀本体包括用于引出电极的第一层和包含多个流体端口的第二层。第一层和第二层彼此结合以在它们之间形成用于流体流动的腔室。这些端口贯穿第二层并且设置在对应于腔室的区域。也就是说，当控制端口处于打开的状态时，该端口与该腔室流体连通。每个流体端口的开闭通过独立的执行器控制。例如，第二层可以包括三个端口：用于连通流体源的端口(第一端口)、输出用于控制主体阀门的流体的端口(第二端口)和控制流体的回流的端口(第三端口)。通过三个独立的执行器的操作可以实现流体在三个端口之间不同的流动模式，起到控制与微阀装置连通的主阀的作用。另外，本申请中的“微阀”是指至少作为核心构件的执行器的尺寸在微米量级。该执行器例如可通过微加工工艺制造。下面结合本发明的具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的介绍。第一实施例图3示出了根据本发明第一实施例的微阀装置的构造示意图。图4示出了图3所示微阀中某一个流体端口的俯视图。图5示出了微阀装置处于第一状态(加压模式)的示意图。图6示出了微阀装置处于第二状态(回流模式)的示意图。该微阀装置可以为用于控制主阀开度的先导微阀。如图3所示，该微阀装置包括用于引出电极的第一层1和包含流体端口的第二层2。第一层1可具有凹形结构。第一层1和第二层2彼此结合且第一层1具有凹形结构的一侧面对第二层2，从而在第一层1和第二层2之间构成一个腔室6。第一层1和第二层2可以由硅制造，但第一层1和第二层2的材料并不仅限定于硅。第一层1和第二层2优选由相同的材料制成，但也可以由不同的材料制成。在第二层2中，形成了三个流体端口7、8、9。流体端口7、8、9贯穿第二层2，并构成腔室6与外界连通的通道。例如，流体可以通过端口流入腔室6或者从腔室6排出。流体端口7、8和9的开闭分别由执行器3、4、5独立地控制。流体端口7、8、9均设置在于与腔室6对应的区域中，从而在流体端口7、8、9的任何一个被开启时可以与腔室6流体连通。在该实施例中，流体端口7用作流体源端口，流体端口8用作控制端口，而流体端口9用作回流端口。例如，流体端口7可与流体源连通，且流体端口8可与控制主阀的机构连通。在本实施例中，第一层引出的电极(未示出)可以与执行器3、4、5连接，以便给执行器3、4、5施加驱动信号。在本实施例中，执行器3、4、5分别是膜层式执行器，例如，金属-压电双层膜执行器。然而，应当注意的是，执行器3、4、5可以是任何其他种类的能够对流体端口进行控制的执行器，例如，具有电热驱动的双层膜结构的执行器。执行器3、4、5以两端(例如，相对的两端)固定在端口周围的第二层2的表面的形式覆盖在流体端口7、8、9上方。如图4所示，固定的两端表示为“11”和“12”。图2中“13”表示图3或5中一个流体端口的俯视图，“10”表示执行器的一个未被固定的侧边。在该俯视图中看，执行器3、4、5需要完全覆盖端口7、8、9的区域，以在端口关闭时能够完全防止流体流过端口。在端口处于关闭状态时，执行器与端口周围的第二层的表面紧密接触(例如，图3中的执行器3、4、5，图5中的执行器5和图6中的执行器3)，因此能够阻挡流体流过端口。当给执行器施加与开启端口相应的电信号时，执行器将产生形变(例如执行器的中央隆起)，因此，在执行器的未固定的两侧，执行器与端口周围的第二层的表面之间会形成间隙，流体可以通过该间隙流动。结合图3-6可以很容易地看出，流体从未固定的两侧通过，从而开启对应的流体端口(例如，图5中的执行器3和4以及图6中的执行器4和5中央隆起，以开启相应的端口)。另外，根据所施加的开启信号的大小，执行器变形的程度(抬起或隆起的程度)会不同，因此，在执行器与端口周围的第二层的表面之间会形成不同程度的间隙(即，尺寸不同的间隙)，进而可以精确地控制通过端口的流体流速或流量。对于上述三个端口7、8、9，可以以控制端口开闭的不同组合方式来控制流体的流动。例如，当端口7、8开启、端口9关闭时(第一状态)，如图5所示，来自流体源的流体通过端口7流入腔室6，通过端口8流向控制主阀的机构(例如，作为主阀阀芯的弹簧加载的活塞装置)。当端口8、9开启，端口7关闭时(第二状态)，如图6所示，由于控制端口8的流体压力大于回流端口9的流体压力，流体将沿图3中箭头所示的方向流动。上述第一状态和第二状态是本实施例中典型的控制主阀的模式。需要注意的是，由于三个端口的开闭状态是独立控制的(不同于背景技术中所述的先导微阀)，因此，可以通过对各个端口控制的不同组合实现更多的控制模式。另外，还可以实现利用该微阀装置对主阀的开度进行开环控制。对于每一种模式，通过对控制施加给执行器的电信号的大小，可以对每一个端口的开启程度实现精确的控制。在此基础上，可以获得对主阀的线性控制。修改示例上述仅为本发明的一个典型实施例。本发明通过上述端口控制结构对每个端口进行独立控制，并且可以精确地控制每个端口的开启程度，因此，可以实现各个端口控制的不同组合方式以及对主阀的线性控制和开环控制。然而，本发明并不限定于上述具体实施例。例如，三个端口可以不同程度地同时打开：在流体源端口完全打开的情况下，调整控制端口和回流端口的开启程度，可以对流入的流体源流量进行精确的分配。上述实施例给出了在第二层中具有三个流体端口的示例，然而需要注意的是，第二层上可以根据不同需要设计不同数量的流体端口(例如两个或四个以上)，并且在进行控制时可以根据需要采用各种不同的端口开闭的组合方式。此外，各个流体端口可以用作不同的用途，并不限定于以上所述的流体源端口、控制端口和回流端口。另外，虽然在附图中示出端口的截面形状为圆形，但本发明对端口的截面形状并没有特别限制，例如可以为矩形、正方形或多边形。另外，本发明的附图示意性地示出了根据本发明实施例的微阀结构，然而，为了清楚起见，其并非按照实际的尺寸比例绘制。在实际应用中，微阀装置的尺寸及其各种部件的尺寸可以根据实际需要任意调节。例如，微阀的尺寸取决于流体端口的尺寸，而端口的尺寸取决于对流体流量控制的要求。例如，端口和微阀的尺寸一般控制在1厘米以下，也就是在微米量级。另外，根据本发明实施例的微阀装置还可以根据需要添加其他的部件。上述描述了微阀结构由具有凹形的第一层和第二层相结合以构成中间的腔室结构。然而，也可以在第二层中形成凹形结构或者在第一层和第二层中均形成凹形结构，以在第一层和第二层结合时在其之间形成腔室。另外，具有凹形的第一层和/或第二层可以是一体成型的，例如，通过蚀刻硅材料形成的一体结构。然而，第一层和/或第二层也可以是由平板层和从平板层突出以围成凹形结构的层组合而成。上述实施例中以执行器中央隆起的形变来控制流体端口的开闭状态，然而，本发明并不限制于此。本发明实施例中可以利用执行器的各种形变来控制流体端口的开闭状态。只要执行器与端口周围的第二层的表面有缝隙，则可以使对应的端口打开；而只要使得执行器与端口周围的第二层的表面紧密接触，则可以使对应的端口闭合。上述实施例中以执行器的相对两端固定在端口周围为例进行了描述，然而，本发明并不限制于此。本发明的实施例也可以采用执行器一端固定在端口周围的第二层的表面的方式。在这种情况下，通过控制未固定端的翘起程度，可以控制对应端口的开闭状态以及开启的程度。上述实施例中以通过执行器沿垂直于第二层的表面的方向的形变来调节执行器与第二层的表面之间的缝隙大小为例进行了描述，然而，本发明对于流体端口的开闭状态的控制方式也不限制于此。例如，执行器可以沿平行于第二层表面的方向运动，从而能够露出相应端口的至少一部分以打开相应端口。或者，只要每个流体端口被相应的执行器独立地控制，本发明的实施例也可以采用执行器控制端口开闭的任何其他方式。上述实施例描述为在常态下相应端口处于关闭状态，而在施加开启信号时将端口打开。然而本发明不限制于此，本发明的实施例也可以是在常态下某些或全部端口处于打开状态，而在施加关闭信号时使相应的端口关闭。对于本发明的执行器，可以利用本领域所公知的任何执行器结构，本发明对执行器的具体类型和结构并无特别限制，只要能够覆盖住微阀中的端口并在施加信号时能够发生变形以控制微阀的开闭即可。另外，本发明的执行器可以与包含端口的层通过微机械加工工艺一次形成，也可以分开形成。第二实施例根据本发明的第二实施例提供一种利用微阀装置控制流体流动的方法。该微阀装置例如包括微阀本体，该微阀本体由多层构成，并且包括第一层以及与所述第一层结合并具有多个流体端口的第二层，在第一层和第二层之间构成腔室。根据该实施例的控制流体的方法，采用多个执行器分别对所述多个流体端口的开闭独立地进行控制。根据该实施例的控制方法可以实现各个流体端口开闭状态的不同组合方式，对应于流体在各端口间流动的不同模式。根据该实施例的方法，在各个端口的每一种开闭组合方式中，每一个端口的开启程度可以独立地控制。因此，根据该实施例的控制方法可以实现每一种流动模式下定量的精确控制。根据该实施例的方法，通过电信号控制各个独立的执行器，进而对相应端口进行控制。另外，根据上述实施例的控制流体的方法可以利用根据本发明上述任何实施例的微阀装置实现，因此，也能够实现相应的功能和效果，这里不再一一赘述。以上对结合实施例对本发明的技术方案进行了介绍，但本发明并不仅限于上述实施例的具体方案而旨在包含与其等同的技术方案。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改、替代或者组合。