專利名稱：先導(dǎo)式滑閥的制作方法
先導(dǎo)式滑閥
背景技術(shù)：
本發(fā)明 一般涉及用于控制液壓或氣壓系統(tǒng)中的流體流動的閥。更 具體地，本發(fā)明涉及一種改進的滑閥組件。
閥被廣泛地用于控制流體從加壓流體源到載荷裝置或從載荷裝置
到壓力排出孔(pressure vent)的流動。通常，提供泵或其他裝置作 為加壓流體源。流體流動由閥來選擇性地控制，從而控制載荷裝置的 操作。
一種類型的閥是微型閥。 一種微型閥系統(tǒng)是微型機電系統(tǒng) (MicroElectroMechanical System ) (MEMS)，該孩史型才幾電系統(tǒng)一般
涉及半導(dǎo)體機電裝置。
MEMS是一類這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)物理上是小的，且具有在微米 范圍內(nèi)的尺寸的特征。MEMS裝置是至少部分地形成該種系統(tǒng)的 一部 分的裝置。這些系統(tǒng)具有電子部件和機械部件。術(shù)語"微加工 (micromachining )"通常蜂皮理解為是指制造MEMS裝置的三維結(jié)構(gòu) 和移動部件。
MEMS最初使用改進的集成電路(電腦芯片)制造技術(shù)(例如化 學(xué)刻蝕)和材料(例如硅半導(dǎo)體材料)來微加工這些非常小的機械裝 置。如今有更多的可用的微加工技術(shù)和材料。
術(shù)語"微型閥"，如該申請中所使用的，是指具有在微米范圍內(nèi) 的尺寸的特征的閥，因此，根據(jù)定義，其至少部分地通過微加工而形 成。術(shù)語"微型閥裝置，，，如該申請中所使用的，是指包括微型閥且 可能包括其他部件的裝置。應(yīng)注意，如果微型閥裝置中包括不同于微 型閥的部件，則這些其他部件可以是微加工的部件(micromachined component)或標(biāo)準(zhǔn)(大)尺寸(較大)部件。
已經(jīng)提出各種微型閥裝置來用于控制流體回路內(nèi)的流體流動。一種典型的^t型閥裝置包括可移置構(gòu)件(displaceable member)或閥， 該可移置構(gòu)件或閥由主體可移動地支撐，并可操作地連接到致動器以 便在關(guān)閉位置和完全打開位置之間移動。當(dāng)設(shè)置在關(guān)閉位置時，閥阻 擋或關(guān)閉設(shè)置成與第二流體口流體連通的第一流體口 ，從而阻止流體 在流體口之間流動。當(dāng)閥從關(guān)閉位置移動到完全打開位置時，流體逐
漸地被允許在流體口之間流動。
一種類型的微型閥是微型滑閥。微型滑閥典型地由主閥主體組成， 該主閥主體設(shè)置在腔中，而該腔在多層閥殼的中間層中形成。通過殼 的層的各種口提供與腔的流體連通。主閥主體在腔中是可移動的，以 根據(jù)所期望的結(jié)果通過阻擋特定的口來可選擇地允許通過腔的流體連 通。在操作中，橫跨主閥主體施加壓力差來使主閥主體移動到期望的 位置中。典型地，壓力差由先導(dǎo)閥(pilotvalve)來控制。
另一種類型的微型閥，通常被用作先導(dǎo)閥，由橫梁組成，該橫梁 在一端部由主體彈性支撐。在操作中，致動器迫使橫梁圍繞橫梁的支 撐端彎曲。為了彎曲橫梁，致動器必須產(chǎn)生足以克服與橫梁相關(guān)的彈 簧力的力。 一般而言，隨著橫梁的移置需求的增加，致動器所需的用 來彎曲或移置橫梁的輸出力也增加。
致動器除了產(chǎn)生足以克服與橫梁相關(guān)的彈簧力的力之外，還必須 產(chǎn)生能夠克服作用在橫梁上的流體流動力，該流體流動力對抗橫梁的 預(yù)期移置(intended displacement)。 一般地，這些流體流動力隨著 通過流體口的流速增力口而增力口 。
同樣， 一般地，隨著橫梁的移置需求的增加和/或隨著通過流體口 的流速需求的增加，致動器所需的輸出力以及致動器的尺寸和驅(qū)動致 動器所需的動力也必須增加。
一種具體類型的微型閥系統(tǒng)是先導(dǎo)式微型閥(pilot operated microvalve)。典型地，這樣的微型閥裝置包括微型滑閥，該微型滑 閥是由如上所述的類型的微型閥先導(dǎo)式操作的。例如，美國專利 No.6，494，804、 6,540,203、 6,637,722、 6,694,998、 6,755,761、 6,845,962 和6,994,115公開了先導(dǎo)式微型閥，其公開內(nèi)容通過引用并入于此。發(fā)明概述
本發(fā)明涉及一種用于控制液壓或氣壓系統(tǒng)中的流體流動的改進的 滑閥裝置。
滑閥組件包括先導(dǎo)式滑閥(pilot operated spool valve )，該先導(dǎo)
式滑閥可根據(jù)橫跨該閥的壓力差而移動。在一個實施方式中，滑閥組 件包括設(shè)置在腔中的閥芯。處于控制壓力下的第一流體容積設(shè)置在第 一閥芯端部和第一腔端部之間。處于參考壓力(reference pressure ) 下的第二流體容積設(shè)置在第二閥芯端部和第二腔端部之間。由于滑閥 的并發(fā)的節(jié)流效應(yīng)，參考壓力隨著滑閥位置的改變而改變。在另一個 實施方式中，滑閥組件包括微型先導(dǎo)閥，該微型先導(dǎo)閥設(shè)定控制壓力， 主滑閥的閥芯響應(yīng)于該控制壓力而移動。主滑閥的口的流通橫截面積 以與微型先導(dǎo)閥的促動成比例地變化。
當(dāng)參照附圖閱讀時，從以下的優(yōu)選實施方式的詳細描述中，本發(fā) 明的各種目的和優(yōu)勢對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得明顯。
附圖簡述


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的滑閥組件的透視圖。
圖2是從圖1的安裝結(jié)構(gòu)(mounting structure )的下方的透視圖。
圖3是圖1的組件的半透明透視圖。
圖4是圖3的組件沿4-4線剖切所得的橫截面圖。
圖5是圖3的組件沿5-5線剖切所得的橫截面圖。
圖6是圖5的主滑閥處于完全打開位置的橫截面圖。
圖7是圖5的主滑閥處于中間位置的橫截面圖。
圖8是圖5的主滑閥處于完全關(guān)閉位置的橫截面圖。
圖9是圖7的橫截面放大圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的滑閥組件的主滑閥的橫截 面圖，其示出了處于完全關(guān)閉位置的主滑閥。
圖11是圖10的主滑閥處于中間位置的橫截面圖。圖12圖10的主滑閥處于完全打開位置的橫截面圖。圖13是圖11的橫截面放大圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的滑閥組件的主滑閥的透視圖，其示出了具有兩個主輸入口 ( main input port)和兩個主輸出口(main output port)的主滑閥。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式的滑閥組件的主滑閥的透視圖，其示出了具有四個主輸入口和四個主輸出口的主滑閥。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式的滑閥組件的主滑閥的透視圖，其示出了具有八個主輸入口和八個主輸出口的主滑閥。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的滑閥組件的橫截面示意圖，其圖解了處于中間位置時的流體壓力。
圖18是圖17的滑閥組件的前透視示意圖。
圖19是圖17的滑閥組件的后透視示意圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的第七實施方式的滑閥組件的半透明透視示意圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明的第八實施方式的滑閥組件的橫截面示意圖，其圖解了處于完全打開位置時的流體壓力。
圖22是根據(jù)本發(fā)明的第九實施方式的滑閥組件的半透明透視示意圖。
優(yōu)選實施方式詳述
圖l和圖3-5中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的滑閥組件IO。注意，貫穿所有附圖，具有相似的結(jié)構(gòu)和功能的元件被標(biāo)以相似的標(biāo)識符(參考數(shù)字)。組件10包括由微型先導(dǎo)閥14驅(qū)動的大尺寸的主滑閥(macro-sized main spool valve ) 12。 雖然組件10已經(jīng)被描述成包括大尺寸的主滑閥12和孩i型先導(dǎo)閥14，但是，應(yīng)理解，組件10可包括適用于將使用組件10的應(yīng)用的任何主滑閥或先導(dǎo)閥。在操作中，主滑閥12跟隨先導(dǎo)閥14的運動。也就是說，先導(dǎo)閥14的打開-關(guān)閉位置的變化由主滑閥12的打開-關(guān)閉位置的線性等效變化來匹配。在該例子中，由于直接的線性關(guān)系，因此，如果微型先導(dǎo)閥14是半打開的，則主滑閥12將是半打開的，等等。而不管操作組件10的壓力和流量條件是怎么樣的。組件IO優(yōu)選地為可電子調(diào)節(jié)的。與其他閥組件相比，組件IO優(yōu)選地能夠處理對于其尺寸的高流量，并還優(yōu)選地具有
快速響應(yīng)o
主滑閥12是常開閥。但是，應(yīng)理解，主滑閥12可以是常閉閥或其他形式的常定位閥(normally positioned valve )。圖4和5中最佳地示出處于完全打開位置的滑閥12。
主滑閥12設(shè)置在塊狀閥殼(block valve housing ) 16中，但是這不是必要的。主滑閥12可設(shè)置在任何合適的環(huán)境中。
微型先導(dǎo)閥14經(jīng)由安裝結(jié)構(gòu)18固定到閥殼16,如圖2中最佳地示出的，但是這不是必要的。應(yīng)理解，先導(dǎo)閥14可以根據(jù)需要以任何方式合適地布置在組件10中的任何地方。
閥殼16包括各種通道和口，以便將裝置10的不同部分連接到流體回路的其他部分或互相連接。
如圖5中最佳地示出的，主滑閥12包括閥芯20,該閥芯20設(shè)置在套筒22內(nèi)，而該套筒22設(shè)置在形成在閥殼16中的腔24內(nèi)。在一個優(yōu)選的實施方式中，閥芯20為6mm直徑的閥芯。套筒22包^^多個主流動口 ( primary flow port),該多個主流動口包括主輸入口 26和主輸出口 28。如圖4中所示，主流在Pl處進入腔24并在P2處離開腔24。再次參照圖5，先導(dǎo)閥14將在Cl處設(shè)定控制壓力，并且閥芯20將響應(yīng)該控制壓力而移動并在Rl處設(shè)定對應(yīng)的參考壓力。優(yōu)選地，閥芯20的總行程為1.0mm,但是這不是必要的。套筒22還包括至少一個參考輸入口 30和一個參考輸出口 32。最優(yōu)選地，參考輸入口 30和參考輸出口 32為串聯(lián)的兩個直徑1.0mm的孔。
多個可選的球形止回閥34被壓入到安裝架18和殼16中的一系列通道內(nèi)，以根據(jù)需要提供附加的流動控制。
在優(yōu)選的實施方式中，微型先導(dǎo)閥14是開心式三通閥(opencenter 3-way valve)。先導(dǎo)閥14控制如Cl所指處閥芯20上的控制壓力。主滑閥12的閥芯20將移動到一個位置，該位置以如R1所指處閥芯20的一個端部上的參考壓力復(fù)制(replicate)控制壓力。該動作在主輸入口 26和主輸出口 28之間調(diào)整滑閥12的主流通開口面積。
圖6中示出了處于完全打開位置的主滑閥12。在常閉(在未致動狀態(tài)是關(guān)閉的)先導(dǎo)閥的情況下，這代表了先導(dǎo)閥的動力切斷例子。在該例子中，來自供應(yīng)源的壓力前往微型先導(dǎo)閥14的常閉輸入口?；亓鞯蛪簩ξ⑿突y14的輸出口開放。Cl處的壓力為回流壓力。閥芯20向著Cl處的低壓而定位，并且主滑閥12對主輸入口 26和主輸出口 28之間的主流MF完全開放。參考輸入口 30對參考壓力Rl關(guān)閉。參考輸出口 32對參考壓力Rl開放。
圖7中示出了處于中間位置的主滑閥12。在該例子中，這代表了先導(dǎo)閥的中間動力設(shè)定(mid-power setting)。先導(dǎo)閥14部分地打開，給出控制壓力Cl中的中間(向供應(yīng)和回流)壓力。通過滑閥12的主流MF部分地打開。參考輸入口 30和參考輸出口 32之間有設(shè)定參考壓力Rl的反饋流FF。優(yōu)選地，參考壓力Rl在閥芯20的中央和閥芯20的端部槽36中存在。
圖8是圖5的主滑閥處于完全關(guān)閉位置的橫截面圖。在該例子中，這代表了處于完全動力(full power)下的先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥14對源壓力完全開放，以產(chǎn)生最大的控制壓力Cl。主滑閥12的閥芯20被向著參考壓力R1施力，且因此，通過滑閥12的主流被關(guān)閉。反饋流也被關(guān)閉，而僅僅連接參考壓力Rl和參考輸入口 30,這導(dǎo)致在參考壓力Rl處的供應(yīng)壓力。
參照圖6-8所描述的例子參考常閉先導(dǎo)閥以及常開主滑閥而被描述。然而，應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明的滑閥組件可包括常開閥、常閉閥或其他形式的常定位閥的任何期望的組合。
應(yīng)注意，在優(yōu)選的實施方式中，在控制壓力C1下，控制壓力Cl從先導(dǎo)閥14基本地轉(zhuǎn)入到閥芯20的端部，來致動閥芯20的運動。還應(yīng)理解，在優(yōu)選的實施方式中，反饋流FF通過閥芯20，以減少控制壓力Cl和參考壓力Rl之間的泄漏。這在相對于先導(dǎo)閥14的位置和
9施加到先導(dǎo)閥14的動力來復(fù)制岡芯20的運動方面是有用的。圖9中示出了圖7的放大圖。
圖10中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的滑閥組件的主滑閥112,其中，主滑閥112是常閉閥，并且先導(dǎo)閥(未示出)是常閉閥。圖10中，主滑閥112示出為完全關(guān)閉位置。在該例子中，該情況代表了先導(dǎo)閥的動力切斷狀態(tài)。先導(dǎo)閥的先導(dǎo)輸入口 (pilot input port)對高壓源關(guān)閉，而先導(dǎo)閥的先導(dǎo)輸出口 ( pilot output port)對回流低壓開放。處于控制壓力C2下的流體容積經(jīng)由先導(dǎo)閥與回流低壓連通?；y112的閥芯120被向著處于控制壓力C2下的容積牽引。因此，滑岡112對主流關(guān)閉。反饋流在參考輸入口 130和參考輸出口 132之間被關(guān)閉。
圖11中示出了處于中間位置的主滑閥112。在該例子中，這代表了先導(dǎo)閥的中間動力促動。先導(dǎo)輸入口將對高壓源部分地開放，并且先導(dǎo)輸出口將對回流低壓部分地開^L因此，先導(dǎo)閥向滑閥112提供中間(向供應(yīng)壓力和回流壓力)壓力控制壓力Cl。閥芯120被向著參考壓力R2牽引?；y120對主輸入口 126和主輸出口 128之間的主流MF部分地開》文?；y120對反饋流FF部分地開放。
圖12中示出了處于完全打開位置的主滑閥112。在該例子中，該情況是先導(dǎo)閥114的完全動力促動。先導(dǎo)輸入口對供應(yīng)源完全開放，而先導(dǎo)輸出口對回流低壓完全關(guān)閉。因此，控制壓力C2與高壓供應(yīng)相等。閥芯120被向著參考壓力R2施力。主流完全打開。參考壓力與高壓供應(yīng)源完全連通，并且對回流低壓完全關(guān)閉。
優(yōu)選地，在該例子中，加壓流體容積存在于閥芯120內(nèi)，以減少控制壓力C2和參考壓力R2之間的泄漏。這在通過主閥芯復(fù)制先導(dǎo)閥位置方面是有用的。
圖13中示出了圖11的放大圖。
根據(jù)本發(fā)明的幾個實施方式，主流的流動能力可根據(jù)需要通過調(diào)節(jié)設(shè)置在閥芯套筒中的孔的數(shù)量和/或尺寸來調(diào)節(jié)。
圖14中示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的主滑閥212,該主滑閥212具有包括兩個主輸入口 226(示出了一個)和兩個主輸出口 (示出了一個)的套筒222。優(yōu)選地，形成主輸入口 226和主輸出口 228的孔的直徑為l.Omm，但是這些孔可以為任何期望的直徑。
圖15中示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式的主滑閥312，該主滑閥312具有包括四個主輸入口 326(示出了兩個)和四個主輸出口 (示出了兩個)的套筒322。優(yōu)選地，形成主輸入口 326和主輸出口 328的孔的直徑為l.Omm，但是這些孔可以為任何期望的直徑。
圖16中示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實施方式的主滑岡412，該主滑閥412具有包括八個主輸入口 426(示出了四個)和八個主輸出口 (示出了四個)的套筒422。優(yōu)選地，形成主輸入口 426和主輸出口 428的孔的直徑為l.Omm，但是這些孔可以為任何期望的直徑。
圖17-19中示出了根據(jù)本發(fā)明的第六實施方式的滑閥組件510,其圖解了處于中間位置時的流體壓力。
圖20中示出了根據(jù)本發(fā)明的第七實施方式的滑閥組件610。
圖21中示出了根據(jù)本發(fā)明的第八實施方式的滑閥組件710，其圖解了處于完全打開位置時的流體壓力。
圖22中示出了根據(jù)本發(fā)明的第九實施方式的滑閥組件810。
在本發(fā)明的一個方面，閥裝置包括用于控制主流開口的尺寸的控制結(jié)構(gòu)。例如，在常開和常閉滑閥的所圖解的情況下，試圖改變主流節(jié)流孔中的 一個的尺寸的任何擾動力被反饋所抵抗。
盡管根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的閥組件由例如鋁或不銹鋼的金屬制成，但是，應(yīng)理解，閥組件可由陶瓷或適用于使用閥的應(yīng)用的任何材料制成。
口流通橫截面積和系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系可以通過以下的數(shù)學(xué)方程式1和3來i兌明。
方程式1 <formula>formula see original document page 11</formula>
其中，P2是由先導(dǎo)閥14設(shè)定的控制容積Cl的壓力(注意，參考容積R1的壓力也將為Cl) ， Pl是由供應(yīng)源提供的通過主輸入Pl的流體的壓力，Al是先導(dǎo)輸入口的流通橫截面積，以及A2是先導(dǎo)輸 出口的橫截面積。
以下方程式2通過重新布置方程式1而獲得。 方程式2
此外，方程式3
其中，A3是參考輸入口 30的流通橫截面積，以及A4是參考輸 出口 32的橫截面積。
以下方程式4通過重新布置方程式3而獲得。 方程式4
A3
因此，方程式5
A2
A,A3
示出了，先導(dǎo)輸入口和先導(dǎo)輸出口的流通橫截面積之比與參考輸
入口 30和參考輸出口 32的流通橫截面積之比相等。
雖然已經(jīng)關(guān)于具體的實施方式說明和圖解了本發(fā)明的操作的原理 和模式，然而，應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可 以以與如所具體說明和圖解的不同的方式實踐本發(fā)明。
1權(quán)利要求
1.一種用于控制流體流動的滑閥組件，其包括主體，其界定具有第一端部和第二端部的腔，所述主體具有輸入口和輸出口，所述輸入口用于流體連通進入所述腔，所述輸出口用于流體連通離開所述腔；閥芯，其具有設(shè)置在所述腔中的第一端部和第二端部，以便在第一位置和第二位置之間滑動，所述第一位置允許流體從所述輸入口流動到所述輸出口，而所述第二位置限制流體從所述輸入口流動到所述輸出口，所述滑閥通過第一流體容積和第二流體容積之間的橫跨所述滑閥的壓力差來定位，所述第一流體容積處于控制壓力下，且設(shè)置在所述第一閥芯端部和所述腔的所述第一端部之間，而所述第二流體容積處于參考壓力下，且設(shè)置在所述第二閥芯端部和所述腔的所述第二端部之間，其中，所述參考壓力通過改變所述閥芯的位置而改變。
2. 如權(quán)利要求1所述的滑閥組件，其中，所述主體包括滑閥套筒， 所述套筒界定所述腔。
3. 如權(quán)利要求l所述的微型閥裝置，其中，所述主體包括參考進 口和參考出口 ，所述參考進口用于第二流體容積流體連通進入所述腔， 而所述參考出口用于所述笫二流體容積流體連通離開所述腔，其中， 當(dāng)所述閥芯處于所述第一位置時，所述參考進口和所述參考出口中的 一個具有第一流動能力，而當(dāng)所述閥芯處于所述第二位置時，所述參 考進口和所述參考出口中的所述一個具有第二流動能力。
4. 一種滑閥組件，其包括主體，其界定閥芯腔、輸入口、輸出口、控制口、參考進口和參 考出口，所述閥芯腔具有第一端部和第二端部，所述輸入口與所述閥 芯腔連通，所述控制口適于接收控制壓力信號，所述參考進口適于連 接到處于第一壓力下的流體源，并且所述參考出口適于連接到處于第 二壓力下的流體區(qū)域，所述第二壓力小于所述第一壓力；以及閥芯，其具有設(shè)置在所述閥芯腔中的控制側(cè)和參考側(cè)，且所述控制側(cè)靠近所述閥芯腔的所述第一端部，所述控制端部與所述主體相配 合，以在所述控制側(cè)和所述閥芯腔的所述第一端部之間界定可變大小 的控制容積，所述控制容積與所述控制口連續(xù)流體連通，所述閥芯的 所述參考側(cè)與所述主體相配合，以在所述閥芯的所述參考側(cè)和所述閥 芯腔的所述第二端部之間界定可變大小的參考容積，所述閥芯在第一 位置和第二位置之間是可移動的，同時實質(zhì)上防止了所述控制容積和 所述參考容積之間流體泄漏通過所述閥芯腔，所述第 一位置鄰近所述 閥芯腔的所述第一端部，所述第二位置鄰近所述閥芯腔的所述第二端 部，當(dāng)所述閥芯處于所述第一位置時，所述閥芯允許所述輸入口和所 述輸出口之間的流體連通，當(dāng)所述閥芯處于所述第二位置時，所述閥芯阻擋所述輸入口和所述輸出口之間的流體連通，隨著所述閥芯從其 所述第一位置向著其所述第二位置移動，所述閥芯逐漸地減小所述參 考出口和所述控制容積之間的流體連通，并逐漸地增加所述參考進口 和所述控制容積之間的流體連通，以隨著所述閥芯從其所述第 一位置 向著其所述第二位置移動，引起所述參考容積中的壓力上升，所述閥 芯根據(jù)所述控制容積和所述參考容積之間的壓力差而移動。
5. —種滑閥組件，其包括滑閥組件，其包括閥芯，所述閥芯響應(yīng)于由微型先導(dǎo)閥所設(shè)定的 控制壓力而移動，其中，所述滑閥的口的流通橫截面積與微型先導(dǎo)閥 的促動成比例地變化。
6. 如權(quán)利要求5所述的滑閥組件，其進一步包括微型先導(dǎo)閥，所 述微型先導(dǎo)岡與所述滑閥流體連通，其中，所述微型先導(dǎo)閥是設(shè)定所 述控制壓力的微型先導(dǎo)閥。
7. 如權(quán)利要求5所述的滑閥組件，其中，所述滑閥包括界定腔的 主體，所述閥芯設(shè)置在所述腔中。
全文摘要
一種滑閥組件包括閥芯，該閥芯可根據(jù)橫跨該閥芯的壓力差而移動。
文檔編號F16K11/00GK101668973SQ200880014037
公開日2010年3月10日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月31日
發(fā)明者H·A·亨尼克特 申請人:麥克羅斯塔克公司