專利名稱：用于真空系統(tǒng)的伺服閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種伺服閥，該伺服閥用于打開和關(guān)閉在真空系統(tǒng)的流體入口和流體出口之間的通道，特別地，本發(fā)明涉及一種閥，其可插入高壓差和低壓差的系統(tǒng)中，并能夠用簡單的傳動裝置來操作。
背景技術(shù)：
通常，存在用于壓力系統(tǒng)的伺服閥，其中，在入口部或出口部與控制室之間的壓差作用下，活塞可在閉合位置和打開位置之間移動。由于采用壓差，可借助于相對簡單的傳動裝置(actuator)，如螺線管來操作這種閥，其中，這種傳動裝置能耗低，重量低。所述傳動驅(qū)使導(dǎo)閥在其中一個開口和控制室之間移動，其中，所述導(dǎo)閥用來打開和關(guān)閉流體通道。由于多方面的原因，現(xiàn)有的這種閥不適用于真空系統(tǒng)，如與泄漏探測應(yīng)用有關(guān)的真空系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，重要地是在閥的各種操作之間避免在閥內(nèi)有任何殘留液體。因而，閥以及類似的系統(tǒng)元件必須支持完全抽空，并由于相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)布局，排泄通常是這些傳統(tǒng)伺服閥所存在的問題，其中，所述結(jié)構(gòu)布局帶有各種或大或小的通道，所述通道將開口與控制室相連。而且，現(xiàn)有的伺服閥被制造用來在一定的預(yù)規(guī)定壓差下操作。如果設(shè)計壓差在1-100巴的范圍內(nèi)的閥用于壓差小于1巴的情況，壓差通常不能夠滿意地將閥打開，反之亦然。而且，由于壓差在閥開啟后迅速消失，傳統(tǒng)伺服閥的伺服效應(yīng)將消失。為此，傳統(tǒng)的伺服閥不用于真空系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實(shí)施例的目的是提供一種設(shè)計用于真空系統(tǒng)的閥，所述閥可插入在小于1巴的壓差之間，在采用適度力(moderate force)的情況下經(jīng)由伺服力仍可打開所述閥。
因而，本發(fā)明涉及一種用于真空系統(tǒng)的伺服閥，所述伺服閥包括殼體，所述殼體限定控制室和閥門通道，該閥門通道具有第一內(nèi)部壓力的流體入口部和第二內(nèi)部壓力的流體出口部，這兩部分由閉合件分隔開，所述閉合件安裝在殼體內(nèi)，以分別在控制室的內(nèi)部壓力與第一、第二內(nèi)部壓力之間的壓差作用下在打開位置和閉合位置之間移動，所述打開位置是閥門通道在所述兩部分之間被打開的位置，所述閉合位置是閥門通道在所述兩部分之間被關(guān)閉的位置，所述控制室連接到入口部和出口部，以便使其內(nèi)部壓力可主要由第一內(nèi)部壓力或者第二內(nèi)部壓力可切換地控制，以在其閉合和打開位置之間可切換地控制該閉合件的移動，反之亦然。
由于控制室連接到入口部和出口部，從而使得能夠可切換地控制所述控制室內(nèi)的壓力，可通過利用壓差而不施加過度力來操作所述閥。
閉合件可在出口和控制室之間形成導(dǎo)引通道，所述導(dǎo)引通道可被導(dǎo)引閉合件關(guān)閉，所述導(dǎo)引閉合件可相對于所述閉合件移動在打開位置和閉合位置之間，其中，所述導(dǎo)引通道在打開位置處被開啟，所述導(dǎo)引通道在閉合位置處被關(guān)閉。在要打開閥時，導(dǎo)引閉合件移動到其打開位置，即導(dǎo)引通道開啟的位置。在導(dǎo)引通道開啟時，控制室與閥門通道的出口部流體流通，并且其間的內(nèi)部壓力相等。因而，產(chǎn)生了能夠?qū)㈤]合件從閉合位置移動到打開位置的壓差。
在閉合件已經(jīng)移動時，入口部和出口部內(nèi)的壓力相等，且在出口部與控制室流體連通時，控制室和閥門通道入口部之間的壓差消失。由于這種壓差已經(jīng)用于將閉合件保持在打開位置，根據(jù)閥的方向和流體流過其間的流動速度，閉合件可向后移動到其閉合位置。為了避免這一點(diǎn)，閥可具有導(dǎo)引閉合件，所述導(dǎo)引閉合件經(jīng)由彈性可變形的聯(lián)結(jié)器，例如經(jīng)由彈性橡膠帶、彈簧如螺旋彈簧或者經(jīng)由能夠彈性拉伸的類似裝置，被可移動地固定到閉合件上。特別地，彈簧常數(shù)在0.5-1.5N/mm范圍，如1N/mm的彈簧適用于真空系統(tǒng)內(nèi)所用的閥。所述彈簧可預(yù)拉伸至大約3N，即大約3mm。
為了提供“常閉”特征的閥，可通過彈性可壓縮部件，如可伸縮橡皮管或者螺旋彈簧等，將閉合件偏置到閉合位置。
優(yōu)選地，可通過電磁操作或者可替換地通過氣動、液壓操作或者僅僅通過按鈕或者彈出扭來手動操作導(dǎo)引閉合件，并因此閥被打開和閉合。在任何情況下，為了降低打開閥所必須的力，有利地是，形成的導(dǎo)引通道的橫截面面積小于閥門通道的開口面積，如其面積比閥門通道的面積小5-20倍。
在一些應(yīng)用中，如與用于泄漏探測的真空系統(tǒng)中所用的閥有關(guān)的應(yīng)用中，一個目的是確保在每個開啟和閉合操作之間從閥內(nèi)抽空所有的殘余流體。為此，優(yōu)選地，控制室可有利地設(shè)置在從流體出口到閉合件的通道延續(xù)部分內(nèi)，因此，所述控制室至少與閥門通道的出口部同軸設(shè)置。實(shí)際上，閥門通道的出口部和控制室可形成為殼體內(nèi)的一個縱向延伸的孔。
密封部件可形成為球閥或者形成為在殼體的圓柱形空腔內(nèi)往復(fù)移動的活塞。活塞和圓柱形空腔可具有任何匹配的橫截面形狀。然而，為了支持閥的制造，有利地是提供具有圓形橫截面的部件，以容許空腔形成為鉆孔。
為了提高閥的靈敏性，一個目標(biāo)是保持活塞的重量低。因而，活塞可成形為三個主要部分，即下密封凸緣、杯形部件和側(cè)壁，其中，所述下密封凸緣通過細(xì)長的柄部向上連接到杯形部件，所述杯形部件形成了底壁，所述側(cè)壁從底壁向上朝開口延伸，所述延伸方向與朝向密封凸緣的方向相反。導(dǎo)引通道可形成在活塞柄部之內(nèi)，所述密封凸緣、所述杯形部件和細(xì)長柄部可共軸形成。
為了確保閥更可靠，其中，所述活塞在往復(fù)移動過程中可在殼體的圓柱形空腔內(nèi)平滑地移動而不會發(fā)生傾斜，所述活塞可形成為其重心沿著活塞的中心軸在底壁和杯形部件開口之間的位置處。上述指定的杯形和柄形活塞使得閥能夠在非常低的真空內(nèi)，如1×10-3至1×10-6mBar的壓力范圍內(nèi)使用，其中，所述活塞的重心在杯形部件的區(qū)域內(nèi)。
在打開閥的過程中，通過沿著離開活塞的方向移動所述導(dǎo)引閉合件，該導(dǎo)引閉合件從其閉合位置上升，致使導(dǎo)引通道打開。在控制室和閥門通道的入口部之間所產(chǎn)生的壓差致使活塞向上移動，并打開閥門通道。在這個移動過程中，活塞再次靠近導(dǎo)引閉合件。為了在活塞移向?qū)б]合件時避免導(dǎo)引通道關(guān)閉，導(dǎo)引閉合件的最大可能行程可有利地大于活塞的相應(yīng)最大可能行程。為了確認(rèn)閉合件的位置和/或?qū)б]合件的位置，所述閥可具有一個或多個磁鐵，所述磁鐵結(jié)合于殼體或者閉合件和相應(yīng)的磁傳感器的其中一個，如簧片開關(guān)，結(jié)合于殼體或者閉合件的其中一個。如果磁鐵通過燒結(jié)形成，可利用涂層來密封某些多孔結(jié)構(gòu)，所述涂層如包括鋅或者夾層(如鋅-銅鋅)或任何類似緊緊密封地組合物。將多孔結(jié)構(gòu)密封，以避免磁鐵被油、濕氣或氣體污染。
活塞的密封凸緣可包括密封環(huán)，所述密封環(huán)由彈性材料制造，如粉末(flour)橡膠(FPM-來自DuPont，c.f.www.dupont.com)，并設(shè)置在凸緣凹槽內(nèi)的兩側(cè)壁之間。為了提高閥的真空度，所述壁可包括穿過凹槽形成在兩壁內(nèi)的至少一個凹口，可選擇地，所述凹口也形成在凹槽的底壁內(nèi)。在抽空過程中，流體被迫經(jīng)由凹口流出所述閥。
所述閥還可包括至少一個活塞環(huán)，所述活塞環(huán)如由聚醚醚酮(PEEK)制成。所述活塞環(huán)起到在圓柱形空腔內(nèi)引導(dǎo)所述活塞的作用。為了容許在導(dǎo)引閉合件處于其閉合位置時閥門通道的入口部和控制室之間的壓差相等，并由此容許閥關(guān)閉，所述活塞環(huán)可在閥門通道的入口部和控制室之間變形形成至少一個通風(fēng)通道。所述通道可形成在活塞環(huán)內(nèi)、或者形成在圓柱形空腔的壁和活塞環(huán)之間、或者形成在活塞側(cè)壁和活塞環(huán)之間。作為替換并除了分別形成在活塞環(huán)與殼體或活塞之間的通道之外，一個或多個通道可設(shè)在控制室和閥門通道的入口部之間，即呈現(xiàn)為殼體壁內(nèi)的鉆孔。
為了使一個(或多個)活塞環(huán)固定地沿著活塞滑動，所述一個(或多個)活塞環(huán)可設(shè)置在凹槽的兩個側(cè)壁之間，其中，所述凹槽形成在活塞的杯形部件的周向外表面內(nèi)。為了容許閥具有更好的真空度，所述凹槽的壁可在各個壁內(nèi)形成至少一個凹口，并且所述凹口穿過所述凹槽。為了容許流體在一個(或多個)活塞環(huán)之后流過，即在活塞和活塞環(huán)之間流動，所述凹槽的底壁也可形成有凹口，其容許流體流過凹槽的其中一個側(cè)壁內(nèi)的一個凹口，向下流入凹槽底壁內(nèi)的凹口，并流出形成在凹槽的其他側(cè)壁內(nèi)的凹口。為了進(jìn)一步提高真空度，所述一個或多個凹槽也可具有多個凹口。
在第二個方面，本發(fā)明涉及一種真空系統(tǒng)，該真空系統(tǒng)包括前述種類的伺服閥。


在下文中，將參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)敘述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，圖1示出依照本發(fā)明的閥的橫截面視圖；圖2示出導(dǎo)引閉合件和閉合件之間的聯(lián)結(jié)器的詳細(xì)視圖；圖3示出用于依照本發(fā)明的閥的閉合件的3-D視圖；圖4示出在閥門通道的高壓部分和控制室之間形成通風(fēng)通道的活塞環(huán)的詳細(xì)視圖；圖5以橫截面視圖示出具有l(wèi)ib剖面的密封環(huán)；和圖6示出錨和錨管的放大視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的閥具有殼體1，所述殼體1形成了閥門通道，該殼體具有入口部2和出口部3，它們由閉合件4分隔開。所述閉合件為活塞形，在活塞的閉合凸緣7的底面上形成了圓形密封面5。密封面保持lib剖面(也參見圖5)或者O形剖面的環(huán)(O形環(huán))8，所述環(huán)由彈性材料如橡膠制成。閉合凸緣具有相對的上表面9，其朝向閥的入口部。所述閥被示出，其活塞處于閉合位置，在該位置處，其密封面下降至O形環(huán)將殼體的座10密封的位置處。在其相對端，活塞呈杯形，帶有底壁11和向上延伸的側(cè)壁12，所述底壁和側(cè)壁限制了形成在殼體內(nèi)的控制室13，所述控制室13是閥門通道的低壓力部件的延伸部分?；钊纬闪藢?dǎo)引通道14，該導(dǎo)引通道14自閥門通道的低壓力部件延伸到控制室，并穿過活塞的柄部6，所述導(dǎo)引通道向上終止在導(dǎo)引閥座內(nèi)，所述導(dǎo)引閥座可借助于導(dǎo)引閉合件16關(guān)閉。在披露的實(shí)施例中，導(dǎo)引閉合件制成棒形的細(xì)長錨形式，帶有彈性橡膠襯墊17，所述彈性橡膠襯墊17起到將導(dǎo)引閉合件緊密封在導(dǎo)引閥座15周圍的作用。導(dǎo)引閉合件可在錨管18內(nèi)滑動，并可在例如螺線管(未示出)的作用下上升離開導(dǎo)引閥座15。導(dǎo)引閉合件朝向活塞偏置，因此所述活塞在螺旋彈簧19的力的作用下被偏置到閉合位置。螺旋彈簧20將閉合件聯(lián)結(jié)到導(dǎo)引閉合件上，所述活塞環(huán)21、22起到沿著所述殼體的內(nèi)壁23引導(dǎo)活塞的作用，也用來在控制室和閥門通道的高壓部分之間形成外部通道。外部通道形成在殼體的內(nèi)側(cè)壁23和活塞的側(cè)壁12之間。蓋24連接到殼體上，所述蓋24形成了控制室的頂壁。彈性的O形環(huán)25設(shè)在蓋和殼體之間的凹槽26內(nèi)。錨管18經(jīng)由插頭27固定到蓋上，彈性O(shè)形環(huán)28確保了流體緊密封。可替換地，錨管和蓋或者甚至殼體被制成一整塊，如通過模塑成形。為了保持較低的重量，如圖3更詳細(xì)示出的杯形活塞被模塑成相對較小的壁厚，并用相對較輕的材料制成。活塞的幾何形狀可這樣選擇，即重心在從入口部到控制室的入口的上方。選擇活塞相對細(xì)長的柄部，以降低重量。
在閥的打開操作過程中，如用220V的啟動電壓啟動螺線管，直到導(dǎo)引閉合件從導(dǎo)引座被釋放。在這一點(diǎn)上，如用一定的斬波頻率將應(yīng)用的電流分割成較小的單元，或者簡單地通過將應(yīng)用的電壓降低至平均110V大小，由此通常可降低應(yīng)用于螺線管的電壓。在導(dǎo)引閉合件從座上被釋放時，閥門通道的出口部內(nèi)的真空將控制室排空，且由于閥門通道的入口部分別與控制室內(nèi)和出口部之間的壓差所導(dǎo)致的向上的力開始聚集。入口部內(nèi)的相對較高的壓力作用于活塞的杯形部件的底壁11的下表面上及閉合凸緣7的上表面上。相同的壓力應(yīng)用于壓力相對較低的出口部和控制室內(nèi)，其分別在相反方向上作用于閉合凸緣7的下表面上及底壁11的上表面上。然而，由于向下和向上指向的表面的大小不同，這樣產(chǎn)生的力就將活塞從其閉合位置向上移動到打開位置。在活塞移動到其打開位置時，閥門通道的低壓和高壓部分內(nèi)的壓力相等，并經(jīng)由外部通道和導(dǎo)引通道，控制室內(nèi)的壓力也與閥門通道內(nèi)的壓力相等。結(jié)果，由壓差所產(chǎn)生的向上延伸力消失。在這一點(diǎn)上，活塞被導(dǎo)引閉合件和活塞間的聯(lián)結(jié)器保持在其打開位置，例如所述聯(lián)結(jié)器是螺旋彈簧20。
圖2示出圖1中的導(dǎo)引閉合件和閉合件之間的聯(lián)結(jié)器的放大視圖，其包括圖1中的附圖標(biāo)記。在放大視圖中，可以清楚看出，可通過將第一和最后一組線圈分別鎖入活塞和導(dǎo)引閉合件的凹槽29、30內(nèi)，從而將聯(lián)結(jié)彈簧20固定到導(dǎo)引閉合件16和活塞6上。螺旋彈簧19壓靠在導(dǎo)引閉合件的徑向向外延伸的凸緣31上，所述螺旋彈簧19被設(shè)置成將導(dǎo)引閉合件偏置到活塞上，并由此將活塞偏置到其閉合位置。導(dǎo)引通道14向上受到限制，通道的較寬部分33和較窄部分34之間的過度32用斜面35限定，所述斜面35相對于活塞和通道的中心軸36形成一大約45度的角。
在圖3中，用3-D視圖示出圖1中的活塞6。形成在活塞的杯形部件的側(cè)壁12內(nèi)的下凹槽41和上凹槽42起到將活塞環(huán)(圖1中的附圖標(biāo)記21、22)保持在適當(dāng)位置處的作用。凹口39、40起到提高閥在其各個開口和閉合操作之間被完全抽真空的能力，其中所述凹口39、40穿過凹槽形成，即形成在兩個側(cè)壁內(nèi)以及所述凹槽的底壁中。形成在圓形閉合凸緣7內(nèi)的凹槽43起到保持彈性材料制成的O形環(huán)或者lib剖面環(huán)的作用，以用于密封座10。而且，凹口37、38起到提高閥在各個開口和閉合操作之間被完全抽真空的能力，其中所述凹口37、38形成在各個側(cè)壁內(nèi)以及可選擇地形成在凹槽的底壁內(nèi)，并相互面對地穿過所述凹槽。在圖3中，可清楚看出，導(dǎo)引通道14的開口具有多個平滑的圓角，所述圓角提高流動性以及在各個操作之間排空閥的能力。
圖4中示出活塞環(huán)。所述環(huán)具有朝向活塞的內(nèi)表面44和朝向殼體的圓柱形空腔的壁的外表面45、46。由于外表面呈階梯狀，通風(fēng)通道形成在壁和環(huán)的圓柱形表面的各個部分之間，其中，所述圓柱形表面的徑向尺寸最小，即圖4中的表面45。
在圖5中，示出用于凹槽43的彈性材料的密封環(huán)51的橫截面視圖。所述密封環(huán)具有l(wèi)ib剖面形狀。
圖6示出圖1中披露的閥的錨和錨管的放大視圖。錨內(nèi)的一個或多個縱向延伸的凹槽61起到將空間62排空的作用，其中，所述空間62由錨的上表面63和錨管64限定。所述凹槽終止于控制室內(nèi)的點(diǎn)65處。閥形成所需的尺寸，這樣錨的最大可能行程L2就大于閉合件4的最大可能行程L1。因而，導(dǎo)引通道在閥打開過程中就保持開啟，即使在閉合件處于其最大打開位置時。這一特征改善了閥的流動性，并因此支持了閥的快速完全排空。
權(quán)利要求
1.一種用于真空系統(tǒng)的伺服閥，其包括殼體(1)，所述殼體(1)限定了控制室(13)和閥門通道(2，3)，所述閥門通道(2，3)具有第一壓力的流體入口部(2)和第二壓力的流體出口部(3)，所述這兩部分可由閉合件(4)分離開，其中所述閉合件(4)安裝在殼體內(nèi)，以在控制室的控制壓力與第一、第二壓力之間的壓差作用下移動在閉合位置和打開位置之間，所述打開位置是閥門通道在入口部和出口部之間被打開的位置，所述閉合位置是閥門通道在入口部和出口部之間被關(guān)閉的位置，控制室經(jīng)由持續(xù)打開的通道與入口部流體連通，并經(jīng)由導(dǎo)引通道(14)與出口部可控地流體連通，所述導(dǎo)引通道(14)可由導(dǎo)引閉合件(16)閉合，所述導(dǎo)引閉合件(16)可相對于閉合件(4)移動在打開位置和閉合位置之間，其中所述導(dǎo)引通道(14)在該打開位置處被打開，在該閉合位置處被關(guān)閉，從而根據(jù)導(dǎo)引閉合件的位置，主要通過第一壓力和第二壓力中的一個來影響控制壓力，并由此來控制閉合件(4)在其閉合位置和打開位置之間的移動。
2.如權(quán)利要求1所述的伺服閥，其特征在于，所述導(dǎo)引通道(14)形成在閉合件(4)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的伺服閥，其特征在于，所述導(dǎo)引閉合件(16)經(jīng)由彈性可變形的聯(lián)結(jié)器(20)被固定到閉合件上。
4.如權(quán)利要求1-3所述的伺服閥，其特征在于，所述閉合件可通過彈性可壓縮的部件(19)偏置到閉合位置。
5.如權(quán)利要求2-4所述的伺服閥，其特征在于，所述導(dǎo)引閉合件(16)可經(jīng)由電磁致動從其閉合位置移動到打開位置。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的伺服閥，其特征在于，所述導(dǎo)引通道(14)的橫截面開口小于閥門通道(2，3)。
7.如權(quán)利要求2-6中任一權(quán)利要求所述的伺服閥，其特征在于，所述控制室(13)位于導(dǎo)引通道(14)的延續(xù)部分內(nèi)。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的伺服閥，其特征在于，所述閉合件(4)形成并相對于殼體(1)這樣設(shè)置，即其重心形成在閥門通道(2，3)和控制室(13)之間。
9.如前述任一權(quán)利要求所述的伺服閥，其特征在于，所述閉合件(4)成形為活塞，并可在殼體(1)的圓柱形空腔內(nèi)前后移動。
10.如權(quán)利要求9所述的伺服閥，其特征在于，所述閉合件(4)和圓柱形空腔具有圓形橫截面的匹配形狀，其中持續(xù)打開的開口通道形成在閉合件(4)的側(cè)壁(12)和圓柱形空腔的內(nèi)側(cè)壁(23)之間。
11.如權(quán)利要求9-10所述的伺服閥，其特征在于，所述導(dǎo)引通道(14)與閉合件(4)共軸形成。
12.如權(quán)利要求9-11所述的伺服閥，其特征在于，所述導(dǎo)引閉合件(16)可在圓柱形空腔內(nèi)前后移動，其行程大于閉合件(4)的行程。
13.如權(quán)利要求9-12中任一權(quán)利要求所述的伺服閥，其特征在于，所述閉合件(4)形成了用于閉合閥門通道(2，3)的密封凸緣(7)，所述密封凸緣(7)由細(xì)長柄部(6)聯(lián)結(jié)到杯形部件(11，12)，所述杯形部件形成了底壁(11)和側(cè)壁(12)，其從底壁沿著與朝向密封凸緣相對的方向朝開口延伸，所述杯形部件和細(xì)長柄部共軸形成。
14.如權(quán)利要求9-13中任一權(quán)利要求所述的伺服閥，其特征在于，所述閉合件(4)包括至少一個凹槽(43)，所述凹槽(43)包括穿過凹槽形成的至少一個凹口(37，38)。
15.一種真空系統(tǒng)，包括依照前述任一權(quán)利要求所述的伺服閥。
全文摘要
本發(fā)明提供一種伺服閥，其可在真空系統(tǒng)中操作，并可在打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)之間切換，即使在采用較低的力的情況下。為此，所述閥具有閉合件(4)，所述閉合件(4)可分別在控制室(13)的控制壓力和入口(2)、出口(3)的壓力之間的壓差作用下，在打開位置和閉合位置之間移動?？刂剖遗c入口恒定地流體連通，并與出口可調(diào)節(jié)地流體連通，以根據(jù)可調(diào)節(jié)的流體連通，主要通過入口壓力和出口壓力來影響控制壓力。本發(fā)明還提供一種帶有這種伺服閥的真空系統(tǒng)。
文檔編號F16K51/02GK1795344SQ200480014708
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月26日
發(fā)明者漢斯·K·彼得森 申請人:丹佛斯公司