先导式微型滑阀

摘要

一种微型阀装置包括微型滑阀，该微型滑阀可根据横跨该阀的压力差而移动。

权利要求

1.一种微型阀装置，其包括：

先导阀，其具有先导输入口和先导输出口；

微型滑阀，其具有阀芯输入口和阀芯输出口，所述微型滑阀响应所述先导阀，以使所述阀芯输入口和所述阀芯输出口的流通横截面积之比保持与所述先导输入口和所述先导输出口的流通横截面积之比相等。

2.如权利要求1所述的微型阀装置，所述微型滑阀还包括：

主体，其界定具有第一端部和第二端部的腔，所述阀芯输入口用于流体连通进入所述腔，所述阀芯输出口用于流体连通离开所述腔；以及微加工的阀芯，其具有第一阀端部和第二阀端部，所述微加工的阀芯设置在所述腔中，以便在第一位置和第二位置之间滑动，所述第一位置允许流体从所述阀芯输入口流动到所述阀芯输出口，而所述第二位置限制流体从所述阀芯输入口流动到所述阀芯输出口，所述微加工的阀芯设置在处于控制压力下的第一流体容积和处于参考压力下的第二流体容积之间，所述第一流体容积设置在所述第一阀端部和所述腔的所述第一端部之间，而所述第二流体容积设置在所述第二阀端部和所述腔的所述第二端部之间，其中，所述参考压力通过改变所述微加工的阀芯的位置而改变，所述微加工的阀芯通过所述控制压力和所述参考压力之间的任何压差而被推动到一位置，在该位置，所述参考压力改变到等于所述控制压力的一压力。

3.如权利要求2所述的微型阀装置，其中，所述主体包括板，所述板界定所述腔，并且其中，所述微加工的阀芯与所述板一体地形成。

4.如权利要求2或3所述的微型阀装置，其中，

所述阀芯输入口是参考输入口，所述参考输入口用于流体进入所述腔与所述第二流体容积连通；

所述阀芯输出口是参考输出口，所述参考输出口用于从所述第二流体容积流体连通离开所述腔，其中，当所述微加工的阀芯处于所述第一位置时，参考输入口和参考输出口中的一个具有第一参考流动能力，而当所述微加工的阀芯处于所述第二位置时，参考输入口和参考输出口中的所述一个具有不同于所述第一参考流动能力的流动能力；

所述主体还界定了主阀芯输入口，用于流体连通进入所述腔；并且

所述主体还界定了主阀芯输出口，用于流体连通离开所述腔，当所述微加工的阀芯处于所述第一位置时，所述主阀芯输入口和所述主阀芯输出口中的至少一个具有第一主阀芯流动能力，而当所述微加工的阀芯处于所述第二位置时，所述主阀芯输入口和所述主阀芯输出口中的所述至少一个具有不同于所述第一主阀芯流动能力的流动能力。

5.如权利要求1所述的微型阀装置，所述微型滑阀还包括：

主体，其界定：阀芯腔，所述阀芯腔具有第一端部和第二端部；与所述阀芯腔连通的第二阀芯输入口；与所述阀芯腔连通的第二阀芯输出口；控制口，所述控制口适于接收控制压力信号；所述阀芯输入口是第一阀芯输入口并适于连接到处于第一压力下的流体源；所述阀芯输出口是第一阀芯输出口并适于连接到处于第二压力下的流体区域，所述第二压力小于所述第一压力；以及阀芯，其具有设置在所述阀芯腔中的控制侧和参考侧，且所述控制侧靠近所述阀芯腔的所述第一端部，所述控制侧与所述主体相配合，以在所述控制侧和所述阀芯腔的所述第一端部之间界定可变大小的控制容积，所述控制容积与所述控制口连续流体连通，所述阀芯的所述参考侧与所述主体相配合，以在所述阀芯的所述参考侧和所述阀芯腔的所述第二端部之间界定可变大小的参考容积，所述阀芯在第一位置和第二位置之间是可移动的，同时防止了所述控制容积和所述参考容积之间流体泄漏通过所述阀芯腔，所述第一位置邻近所述阀芯腔的所述第一端部，所述第二位置邻近所述阀芯腔的所述第二端部，当所述阀芯处于所述第一位置时，所述阀芯允许所述第二阀芯输入口和所述第二阀芯输出口之间的流体连通，当所述阀芯处于所述第二位置时，所述阀芯阻挡所述第二阀芯输入口和所述第二阀芯输出口之间的流体连通，随着所述阀芯从其所述第一位置向着其所述第二位置移动，所述阀芯逐渐地减小所述第一阀芯输出口和所述控制容积之间的流体连通，并逐渐地增加所述第一阀芯输入口和所述控制容积之间的流体连通，以随着所述阀芯从其所述第一位置向着其所述第二位置移动，引起所述参考容积中的压力上升，所述阀芯根据所述控制容积和所述参考容积之间的压力差而移动。

说明书

先导式微型滑阀

[0001] 发明背景

[0002] 本发明一般涉及用于控制液压或气压系统中的流体流动的阀。更具体地，本发明涉及一种改进的微型阀装置。

[0003] 阀被广泛地用于控制流体从加压流体源到载荷装置或从载荷装置到压力排出孔(pressure vent)的流动。通常，提供泵或其他装置作为加压流体源。流体流动由阀来选择性地控制，从而控制载荷装置的操作。

[0004] 一 种 类 型 的 阀 是 微 型 阀。 一 种 微 型 阀 系 统 是 微 型 机 电 系 统(MicroElectroMechanical System)(MEMS)，该微型机电系统一般涉及半导体机电装置。

[0005] MEMS是一类这样的系统，该系统物理上是小的，且具有在微米范围内的尺寸的特征。MEMS装置是至少部分地形成该种系统的一部分的装置。这些系统具有电子部件和机械部件。术语“微加工(micromachining)”通常被理解为是指制造MEMS装置的三维结构和移动部件。

[0006] MEMS最初使用改进的集成电路(电脑芯片)制造技术(例如化学刻蚀)和材料(例如硅半导体材料)来微加工这些非常小的机械装置。如今有更多的可用的微加工技术和材料。

[0007] 术语“微型阀”，如该申请中所使用的，是指具有在微米范围内的尺寸的特征的阀，因此，根据定义，其至少部分地通过微加工而形成。术语“微型阀装置”，如该申请中所使用的，是指包括微型阀且可能包括其他部件的装置。应注意，如果微型阀装置中包括不同于微型阀的部件，则这些其他部件可以是微加工的部件(micromachined component)或标准尺寸(较大)部件。

[0008] 已经提出各种微型阀装置来用于控制流体回路内的流体流动。一种典型的微型阀装置包括可移置构件(displaceable member)或阀，该可移置构件或阀由主体可移动地支撑，并可操作地连接到致动器以便在关闭位置和完全打开位置之间移动。当设置在关闭位置时，阀阻挡或关闭设置成与第二流体口流体连通的第一流体口，从而阻止流体在流体口之间流动。当阀从关闭位置移动到完全打开位置时，流体逐渐地被允许在流体口之间流动。

[0009] 一种类型的微型阀是微型滑阀。微型滑阀典型地由主阀主体组成，该主阀主体设置在腔中，而该腔在多层阀壳的中间层中形成。通过壳的层的各种口提供与腔的流体连通。主阀主体在腔中是可移动的，以根据所期望的结果通过阻挡特定的口来可选择地允许通过腔的流体连通。在操作中，横跨主阀主体施加压力差来使主阀主体移动到期望的位置中。典型地，压力差由先导阀(pilot valve)来控制。

[0010] 另一种类型的微型阀，通常被用作先导阀，由横梁组成，该横梁在一端部由主体弹性支撑。在操作中，致动器迫使横梁围绕横梁的支撑端弯曲。为了弯曲横梁，致动器必须产生足以克服与横梁相关的弹簧力的力。一般而言，随着横梁的移置需求的增加，致动器所需的用来弯曲或移置横梁的输出力也增加。

[0011] 致动器除了产生足以克服与横梁相关的弹簧力的力之外，还必须产生能够克服作用在横梁上的流体流动力，该流体流动力对抗横梁的预期移置(intended displacement)。一般地，这些流体流动力随着通过流体口的流速增加而增加。

[0012] 同样，一般地，随着横梁的移置需求的增加和/或随着通过流体口的流速需求的增加，致动器所需的输出力以及致动器的尺寸和驱动致动器所需的动力也必须增加。

[0013] 一种具体类型的微型阀系统是先导式微型阀(pilot operated microvalve)。典型地，这样的微型阀装置包括微型滑阀，该微型滑阀是由如上所述的类型的微型阀先导式操作的。例如，美国专利No.6,494,804、6,540,203、6,637,722、6,694,998、6,755,761、6,845,962和6,994,115公开了先导式微型阀，其公开内容通过引用并入于此。

[0014] 发明概述

[0015] 本发明涉及一种用于控制液压或气压系统中的流体流动的改进的微型阀装置。

[0016] 该微型阀装置包括微型滑阀，该微型滑阀可根据横跨该阀的压力差而移动。在一个实施方式中，微型滑阀包括设置在腔中的阀芯。处于控制压力下的第一流体容积设置在第一滑阀端部和第一腔端部之间。处于参考压力(reference pressure)下的第二流体容积设置在第二滑阀端部和第二腔端部之间。由于滑阀的并发的节流效应，参考压力随着滑阀位置的改变而改变。在另一个实施方式中，微型滑阀包括阀芯，该阀芯响应于由先导阀所设定的控制压力而移动。微型滑阀的口的流通横截面积与先导阀的促动成比例地变化。

[0017] 当参照附图阅读时，从以下的优选实施方式的详细描述中，本发明的各种目的和优势对于本领域技术人员而言将变得明显。

[0018] 附图简述

[0019] 图1是根据本发明的一个实施方式的微型阀装置的俯视图。

[0020] 图2是微型阀装置沿图1的2-2线剖切所得的横截面图。

[0021] 图3是包括图1的微型阀装置的流体回路图的示意图；以功能简图示出了微型阀装置。

[0022] 图4是图1的微型阀装置的俯视图，示出了打开位置。

[0023] 图5是图1的微型阀装置的俯视图，示出了中间位置。

[0024] 图6是图1的微型阀装置的俯视图，示出了关闭位置。

[0025] 图7是沿图4的微型阀装置的7-7线剖切所得的横截面图。

[0026] 图8是沿图5的微型阀装置的8-8线剖切所得的横截面图。

[0027] 图9是沿图6的微型阀装置的9-9线剖切所得的横截面图。

[0028] 图10是包括图4的微型阀装置的流体回路图的示意图；以功能简图示出了微型阀装置。

[0029] 图11是包括图5的微型阀装置的流体回路图的示意图；以功能简图示出了微型阀装置。

[0030] 图12是包括图6的微型阀装置的流体回路图的示意图；以功能简图示出了微型阀装置。

[0031] 图13是图解了先导阀行程(pilot travel)和所施加的动力之间的线性关系的图。

[0032] 图14是图解了阀芯行程(spool travel)和先导阀行程之间的线性关系的图。

[0033] 图15是图解了在对齐的常开阀中的主要开口面积和阀芯行程之间的线性关系的图。

[0034] 图16是图解了在对齐的常闭阀中的主要开口面积和阀芯行程之间的线性关系的图。

[0035] 图17是图解了在重叠的常开阀中的主要开口面积和阀芯行程之间的线性关系的图。

[0036] 图18是图解了在重叠的常闭阀中的主要开口面积和阀芯行程之间的线性关系的图。

[0037] 图19是图解了在负重叠(under-lapped)的常开阀中的主要开口面积和阀芯行程之间的线性关系的图。

[0038] 图20是图解了在负重叠的常闭阀中的主要开口面积和阀芯行程之间的线性关系的图。

[0039] 优选实施方式详述

[0040] 现在参照附图，图1、图2和图3图解了根据本发明的一个实施方式的微型阀装置，其一般以10表示。注意，贯穿所有附图，具有相似的结构和功能的元件被标以相似的标识符(参考数字)。还应注意，图3不是微型阀装置10的截面图，而是功能简图；使用剖面线来使附图变得明晰。下面讨论的图10、11和12是类似的在功能上相等的示意图，而不应被认为是实体装置的横截面。

[0041] 装置10包括一般以12表示的先导式微型滑阀(pilot operated micro spool valve)。如图2中最佳地示出的，微型滑阀12包括顶层14、中间层16和底层18，这几个层相互配合形成主体19。术语“上部”和“下部”用来在描述它们被首次使用的附图(在该情况下，图2)时，使引用变得容易，而并不意味着以任何方式限制所要求保护的本发明在使用时的方向。此外，虽然仅图解了三层12、14和16，但是考虑了在本发明的MEMS装置中可以使用附加的层。

[0042] 底层18包括主输入口(main input port)20和主输出口(main output port)22。底层18还包括参考进口(reference inlet port)24和参考出口(reference outlet port)26(图1中所示)。此外，底层18包括参考通道(reference channel)28，该参考通道
28形成在底层18的内表面上。底层18还包括控制口(command port)30。

[0043] 如图3中最佳地示出的，主输入口20与供应源32流体连通，该供应源32为，例如泵、蓄能器(accumulator)或提供例如高压源的加压流体的任何其他装置。参考进口24也与供应源32流体连通。如所图解的，主输入口20、参考进口24和供应源32经由供应流体导管34而连通，但是这种普通的导管不是必要的，并且主输入口20、参考进口24和供应源32可布置成任何合适的流体连通布置(fluid communication arrangement)。

[0044] 主输出口22与终端装置(destination device)36流体连通，该终端装置36为，例如流体容器或流体蓄能器或用于例如低压终端或低压区域的有选择地控制的加压流体的任何合适的终端。应理解，终端装置36可以是通往供应源32的回流管。参考出口26也与终端装置36流体连通。如所图解的，主输出口22、参考出口26和终端装置36经由终端流体导管38而流体连通，但是这种普通的导管不是必要的，并且主输出口22、参考出口26和终端装置36可布置成任何合适的流体连通布置。

[0045] 一个或更多个载荷装置L以流体连通的方式设置在供应源32与主输入口20之间和/或主输出口22与终端装置36之间。载荷装置L可以是任何流体促动或流体调节装置，其适合于具有由滑阀12控制的流体流量。应理解，任何载荷装置L根据需要可以位于滑阀12的上游或下游。

[0046] 虽然微型滑阀12的底层18被图解为具有单个主输入口20、单个输出口22、单个参考进口24和单个参考出口26，然而，应理解，微型滑阀12根据需要，可具有任何合适位置的任何合适数量的主口和参考口。例如，可能期望形成由微型滑阀12的不同部分阻挡或未阻挡的多个较小的口，而不是单个较大的口，单个较大的口是为了使可靠的制造变得容易，或为了改进的操作性能的缘故。

[0047] 控制口30与供应控制压力的先导阀40(图3)流体连通。如所图解的，先导阀40经由先导供应导管(pilot supply conduit)42与供应源连通。而且，先导阀40经由先导放卸流体导管(pilot dump fluid conduit)44与终端装置36连通。尽管不是必要的，但优选，先导阀40的上游侧与微型滑阀12的上游侧直接流体连通，而先导阀40的下游侧与微型滑阀12的下游侧直接流体连通。优选地，先导阀40是可操作的，以允许控制口30可选择地与供应源32和终端装置36连通，以便可选择地提供加压和卸压。

[0048] 在优选的实施方式中，先导阀40的位置与施加到先导阀40的致动器的动力成比例。优选地，先导阀40被布置成使得促动逐渐地打开与先导供应导管42连通的先导供应口40a，同时相等地和相对地关闭与先导放卸流体导管44流体连通的先导放卸口40b。先导排出口(pilot vent port)40c优选地布置在这些先导供应口40a和先导放卸口40b之间。先导排出口40c与控制口30连通，并将控制容积48a的压力设置成先导阀40处的上游压力和下游压力之间的差值的函数，并且通过打开和关闭先导供应口40a和先导放卸口40b来调节该差值。优选地，该函数仅仅依赖于先导供应口40a和先导放卸口40b的开口面积，而不依赖于系统的任何压力参数或流动参数，但这种方式不是必要的。

[0049] 因此，在一个优选的实施方式中，参考输入口24的开口面积百分比直接和先导供应口40a的开口面积百分比有关，而参考输出口26的开口面积百分比直接和先导放卸口40b的开口面积百分比有关。以这种方式，在该实施方式中，微型滑阀12不被控制来设定压力或流量。微型滑阀12设定与先导阀40的位置直接有关的节流孔口横截面积。

[0050] 微型阀装置10的构造被显示为这样一种方式：当控制压力容积48a通过先导阀40被设定时，阀芯54移动，直到参考压力容积48b平衡控制压力容积48a和由弹簧66施加的力。这导致，参考输入口24和参考输出口26的开口横截面积的百分比变化以与先导供应口40a和先导放卸口40b的开口横截面积的百分比变化直接相关的方式而改变。因此，以这种方式，在该实施方式中，微型滑阀12复制了先导阀40的运动变化和位置变化。因此，微型滑阀12以与先导阀40成线性关系地移动。

[0051] 图13中示出了一幅图，该图图解了先导阀40的位置变化和施加到先导阀40的动力之间的线性关系。图14中的图图解了阀芯54的行程和先导阀40的位置变化之间的线性关系。图15则示出了一幅图，该图图解了在对齐的常开滑阀的例子的情况下，主输入口20的横截面积和阀芯54的行程之间的线性关系。

[0052] 此外，应理解，流动通过主口20和22与流动通过参考口24和26同步不是必要的。例如，可能期望偏移主口20和22中的一个或更多个口，使得其稍微在先导阀之前或之后关闭。

[0053] 本发明的可选的实施方式包括重叠或负重叠的常开滑阀和对齐、重叠或负重叠的常闭滑阀。图16图解了在对齐的常闭阀的情况下，主口的横截面积和阀芯行程之间的线性关系。图17中的图图解了在重叠的常开阀的情况下，主口的横截面积和阀芯行程之间的线性关系。在图18中，一幅图图解了在重叠的常闭阀的情况下，主口的横截面积和阀芯行程之间的线性关系。图19示出了在负重叠的常开阀的情况下，主口的横截面积和阀芯行程之间的线性关系。最后，图20图解了在负重叠的常闭阀的情况下，主口的横截面积和阀芯行程之间的线性关系。

[0054] 再次参照图1-3，中间层16界定了宽的并且优选地为矩形的阀芯腔48，并界定了相邻的、优选地为较窄的并且同样优选地为矩形的弹簧腔49。阀芯腔48和弹簧腔49彼此流体连通。

[0055] 阀芯腔48具有第一端部50，该第一端部50与弹簧腔49邻近并与弹簧腔49流体连通。阀芯腔48还具有与第一端部50相对的第二端部51。阀芯腔48的在第一端部50和第二端部51之间延伸的壁中的每个壁都具有形成在其中的多个向外延伸的凹部(outwardly extending recess)52，该凹部52的目的将在下面进行描述。阀芯腔48的位于第二端部51处的壁具有形成在其上的向外延伸的凹部53，该凹部53的目的将在下面进行描述。

[0056] 微加工的阀芯(micromachined spool)54设置在阀芯腔48中，并在阀芯腔48的第一端部50和第二端部51之间。阀芯54在第一位置和第二位置之间是可移动的，其中，第一位置邻近阀芯腔48的第一端部50(在图4、7和10中图解)，第二位置邻近阀芯腔48的第二端部51(在图6、9和12中图解)。

[0057] 阀芯54一般为矩形。阀芯54具有第一端部(控制端部(command end))54a，该第一端部54a设置在阀芯腔48的第一端部50的最近点。阀芯54的第一端部54a与主体19相互配合，以界定第一端部54a和阀芯腔48的第一端部50之间的可变大小的控制容积
48a。阀芯54具有第二端部(参考端部)54b，该第二端部54b设置在阀芯腔48的第二端部
51的最近点。阀芯54的第二端部54b与主体19相互配合，以界定第二端部54b和阀芯腔
48的第一端部51之间的可变大小的参考容积48b。阀芯54还具有中央部分54c，该中央部分54c位于第一端部54a和第二端部54b之间。中央部分54c界定了中央孔56，该中央部分54c优选地为矩形。中央孔56在阀芯54的所有位置保持与输出口22流体连通。如所示的，在阀芯54中且在中央孔56和第一端部54a之间紧邻中央孔56处界定了一个或更多个压力平衡微孔(pressure-balancing micro vent)60。微孔60的目的将在下面进行描述。阀芯54还包括与参考进口24和参考出口26相关的压力平衡微孔70和72。

[0058] 阀芯54还在阀芯54的中央孔56和第二端部54b之间界定了参考窗(reference window)68。参考窗68允许参考进口24、参考出口26和参考通道28之间的可选择的连通。更具体地，参考窗68被定位成使得，如图4、7和10中最佳的所示，当阀芯54处于其第一位置时，参考窗68与参考出口26和参考通道28流体连通，而参考窗68不与参考进口24流体连通。如图6、9和12中最佳的所示，当阀芯54处于其第二位置时，参考窗68与参考进口24和参考通道28流体连通，而参考窗68不与参考出口26流体连通。如图5、8和11所示，当阀芯54处于第一位置和第二位置之间的中间位置时，参考窗68同时与参考进口24、参考出口26和参考通道28流体连通。

[0059] 阀芯54还具有多个突出部64，该多个突出部64被界定在阀芯54的横向向外的壁(laterally outward wall)上，该壁在第一端部54a和第二端部64b之间延伸，当阀芯54处于第一位置时，每个突出部64与凹部52中的对应的一个凹部对齐，其中该凹部52形成在阀芯腔48的壁中。突出部64足够浅，从而不会干涉阀芯54在阀芯腔48内移动。然而，当阀芯54离开第一位置时，阀芯54上的向外延伸的突出部64不再位于对应的向外延伸的凹部52的附近，因此，已经减小了在靠着阀芯腔48的内壁的非凹入的其余部分时的间隙。这种布置限制了阀芯54的横向外壁和阀芯腔48的邻近壁之间存在的泄漏路径，当阀芯54不处于其第一位置时，流体可以通过该泄漏路径在阀芯腔48的第一端部50和第二端部51之间流动。

[0060] 中间层16还包括系链，该系链是弹簧66的形式，设置在弹簧腔49中。弹簧66可移动地将中间层16的固定部分连接到阀芯54。弹簧66将阀芯54保持在阀芯腔48中，在制造期间简化了中间层16的处理。在一个优选的制造操作中，阀芯54和弹簧66由板一体地形成，该板形成了中间层16并界定了阀芯腔48和弹簧腔49。优选地，弹簧66将阀芯54偏置在第一位置。

[0061] 微孔60、70和72都优选地分别与对应的微槽(micro trough)60a、70a和72a相关，这些微槽60a、70a和72a形成在上层14中。美国专利No.6,540,203且题为“Pilot Operated Microvalve Device(先导式微型阀装置)”，其公开内容通过引用并入于此，描述了一种适用于微型阀的类似的孔和槽布置，并解释了微孔和微槽的压力平衡目的，该压力平衡目的就是一般地当口被阀芯54阻挡时，帮助平衡阀芯54的在流体口的区域中的上表面和下表面之间的流体静压力。在一个可选的实施方式中，与微槽不同的是，对于通过下层18形成的可能被阀芯54所阻挡的每个口，流体口通过上层14而形成，且该流体口与通过下层形成的对应的口的位置相对，并且与通过下层形成的对应的口平行连接。在这样的布置中，可以除去通过阀芯54的微孔；然而，即使在这样的布置中，可能的是，压力不平衡可在通过上层14的口和下层中的对应的口之间随时地(momentarily)存在，使得保留通过阀芯的微孔以帮助平衡这种压力不平衡是有优势的。

[0062] 在示例性的装置10中，微型滑阀12是先导式微型滑阀，但是应理解，微型滑阀12可不同于如所示和所描述的。在图3中，以例示的形式将微型滑阀12示出为用于控制供应源32和终端装置36之间的流体流动。然而，应理解，微型滑阀12可用于任何合适的装置，在这些装置之间期望通过使用微型滑阀12来控制流体流动。

[0063] 在所图解的例子中，主输入口20和主输出口22被设置成允许通过在阀芯54中形成的孔56分别流入和流出腔48。考虑了，微型滑阀12可形成有附加的口，以提供用于通过孔56流入和流出腔48的多个口，或形成有各自的附加的孔，该各自的附加的孔形成在阀芯54中，且功能上类似于孔56。

[0064] 在所图解的例子中，使用“U型流(U-flow)”布置来构造微型滑阀12，在该“U型流”布置中，流动通过口20、22、24和26发生在阀12的同一侧上，例如，都通过底层18。流动向上通过输入口20，大致水平通过孔56，然后向下通过输出口22，一般描述成倒U形。然而，应理解，可根据需要使用其他流动布置(flow arrangement)来构造微型滑阀12。例如，输入口和输出口中的一个可设置在顶层14中，而输入口和输出口中的另一个设置在底层18中，以形成“流动通过(flow through)”布置。此外，微型滑阀12可被构造成口位于中间层14中来使用“流动横过(flow across)”布置。

[0065] 在操作中，参考压力根据阀芯54的位置而产生在参考窗68中。当阀芯54处于第一位置时(图4、7和10中图解)，参考进口24完全被阀芯54所阻挡，而参考出口26与参考窗68的连通完全未被阻挡。这将引起参考窗68中的参考压力与参考出口26中的压力匹配，而由于参考出口26与终端装置36连通，因此参考出口26中的压力将是一个低压。当阀芯54处于第二位置时(图6、9和12中图解)，参考进口24完全未被阀芯54所阻挡，而参考出口26与参考窗68的连通完全被阻挡。这将引起参考窗68中的参考压力与参考进口24中的压力匹配，而由于参考进口24与供应源32连通，因此参考进口24中的压力将是一个高压。当阀芯54处于第一位置和第二位置之间时(图5、8和11中图解)，参考进口24部分地未被阀芯54所阻挡，并且参考出口26与参考窗68的连通部分地未被阻挡。这将引起参考窗68中的参考压力处于供应源32的压力和终端装置36的压力之间，且与从第一位置到第二位置的移动量成比例，因为进口24逐渐地不被阻挡而参考出口26逐渐地被阻挡。因此，随着阀芯54从其第一位置移动到其第二位置，参考压力将从终端装置36的压力上升至供应源32的压力；随着阀芯54从其第二位置移动到其第一位置，参考压力将从供应源32的压力下降至终端装置36的压力。

[0066] 参考窗68经由参考通道28与阀芯54的参考侧(reference side)(阀芯54的第二端部54b的轴向端面)连续连通，使得参考压力连续地施加到阀芯54的参考侧。

[0067] 控制压力从先导阀40供应到微型阀装置10的控制口30。控制口30经由弹簧腔49与阀芯腔48的第一端部50连通，因此，控制压力被施加到阀芯54的第一端部54a的轴向面(阀芯54的“控制侧(command side)”)。如果由先导阀40供应在阀芯54的控制侧上的控制压力在阀芯54上产生的力大于由弹簧66施加的总的力和由作用在阀芯54的参考侧上的参考压力产生的力，则阀芯54将远离阀芯腔48的第一端部50并向着阀芯腔48的第二端部51移动，从而打开参考进口24并关闭参考出口26，这引起参考压力上升。典型地，弹簧66将施加一个相对微小的力，因而在实践上其可以被忽略。因此，在该讨论的剩余部分中，参考将不再考虑由弹簧66所施加的力。然而，应领悟，在某些应用中，由于具有相对低的压力和相对强的弹簧66，弹簧66的贡献可变得重要，并且因此当控制微型阀装置10时，可能需要计算在内。

[0068] 阀芯54将向着其第二位置继续移动，直到到达第二位置，或直到参考压力上升至与所施加的控制压力相等。

[0069] 如果控制压力小于参考压力，则阀芯54将向着阀芯腔48的第一端部50移动，直到阀芯54到达其第一位置，或直到参考压力下降至与所施加的控制压力相等。

[0070] 当供应源32和终端装置36之间的控制压力和参考压力相等时，阀芯54压力平衡。阀芯54将倾向于保持在该位置。如果阀芯54例如由于振动而移动到更靠近第一位置的位置，则参考压力将如上所述下降，而控制压力将保持恒定。这将引起压力不平衡，该压力不平衡使阀芯54向着第二位置移动回去，直到阀芯54回到压力平衡位置。明显地，压力平衡位置依赖于控制压力，并与控制压力成比例。

[0071] 应注意，虽然在附图中，微型滑阀12被图解为布置成使得主输入口20始终打开，而主输出口22与阀芯54的移动成比例而有选择地打开和关闭，但是，微型滑阀12可被布置成使得主输出口22始终打开，而主输入口20与阀芯54的移动成比例而有选择地打开和关闭，或者主输入口20和主输出口22都与阀芯54的移动成比例而有选择地打开和关闭。此外，应理解，虽然一般优选地，主输入口和20主输出口22的宽度都比参考输入口24和参考输出口26的宽度大，但是可根据具体的应用来选择口的特定的几何结构，而不需要如所图解和描述的那样精确。

[0072] 在微型阀装置10的所图解的实施方式中，微型阀装置10是常开阀。当阀芯54处于其未致动的第一位置时，来自供应源32的加压流体将进入进口20，流动通过阀芯54中的孔56，然后从出口22流出到达终端装置36。当期望流量降低时，先导阀40将来自供应源32的高压引导到微型滑阀12的控制口30内。这将使阀芯54从第一位置移动，引起阀芯54逐渐地开始覆盖进口20并限制进口20和孔56之间的流体连通，由此降低从供应源32到终端装置36的流量。随着流量降低，阀芯54的相对的端部上的参考压力增加，因为参考进口24打开且参考出口26关闭，因此增加了继续移动阀芯54所需的控制压力。阀芯54将停留在一个位置上，在该位置，调整后的参考压力与重新设定的控制压力匹配。通过利用先导阀40来通过将流体放卸至终端装置36来减小控制压力，可使用类似的程序来增加流量。

[0073] 虽然已经关于常开微型滑阀并结合常闭先导阀描述了优选实施方式，但是，应理解，本发明的其他实施方式包括常闭微型滑阀，并且本发明的各种实施方式包括单独的常开微型滑阀或常闭微型滑阀，或者结合包括常开先导阀的各种先导阀。

[0074] 优选地，微型滑阀12是MEMS装置阀，其带有两个主口和一个可移动的阀芯，该可移动的阀芯可选择地阻挡和允许两个主口之间的连通，以便控制供应源和载荷装置之间的流动，但是这不是必要的。优选地，微型滑阀12是常开装置，当其阀芯42没有受命而移向其他位置时，阀芯42移动到其第一位置，以完全打开通过微型滑阀12的流体路径，并允许供应源32和终端装置36之间的流体连通。然而，应理解，微型滑阀12可布置成另外的方式，例如常闭阀。微型滑阀12可以以任何合适的方式形成为常闭阀，例如通过将输入口20重新定位在输出口22和参考出口26之间，使得当阀芯54处于其第一位置时，输入口20被阀芯54阻挡，而当阀芯处于与其第一位置不同的其他位置时，输入口20经由孔56与输出口22流体连通。

[0075] 在示例性的装置10中，先导阀40优选地为比例阀，即，在未致动的位置，先导阀40完全打开控制口30和终端装置36之间的路径，并完全关闭控制口30和供应源32之间的路径，以去除来自阀芯腔48的第一端部50的压力，以便允许参考压力将阀芯54推至其第一位置。在完全致动的位置，先导阀40完全打开控制口30和供应源32之间的路径，并完全关闭控制口30和终端装置36之间的路径，以增加阀芯腔48的第一端部50处的压力，以便使阀芯54移动离开其第一位置。在两个极端之间的位置，从先导阀40供应到第一端部50的压力的量与供应到先导阀40的信号以及结果的先导阀40的促动的量成比例。应理解，可使用其他先导阀布置，包括“数字”型阀，在该“数字”型阀中，对于任何一个装置，流动被打开或关闭或可在关闭和打开之间转换。

[0076] 在一个优选的实施方式中，主输入口20、主输出口22、参考进口24和参考出口26沿着阀芯54移动的方向都具有共同的长度。优选地，与主输入口20和主输出口22相比，参考进口24和参考出口26具有相对小的宽度。在该优选的几何结构中，由先导阀40引起的控制压力的变化大致与阀芯54的长度错位(length displacement)以及主输入口20、主输出口22、参考进口24和参考出口26的打开大小的变化成线性关系，其中，主输入口20、主输出口22、参考进口24和参考出口26的打开大小的变化大致与供应源32和终端装置36之间的流量变化成线性关系。

[0077] 在一个优选的操作方法中，以与阀12的位置的期望的变化成线性比例的方式致动先导阀40。在该优选的操作中，微型滑阀12的位置被设定成控制节流的横截面积，而不直接控制流量或压力。在该优选的操作中，微型滑阀12的移动直接地并线性地与先导阀40的移动相关。在该例子中，微型滑阀12的目的不是设定流速或系统压力，而是呈现了这样一种流体系统：其节流孔的尺寸是可选择的。在一个这种系统中，期望，另外的装置，例如可变压力蓄能器(variable pressure accumulator)或可变容积泵(variable volume pump)，将设定流速和/或系统压力，但是这不是必要的。该目的和很多传统的先导阀的目的一样。然而，传统的先导阀的对于很多应用而言太小。因此，根据本发明的装置或系统至少在以下这个方面是有优势的：它考虑了一种方法和一种装置，从而在带有较大的可变节流孔的微型阀中成比例地复制先导阶段阀的运动。还应注意，在至少一个实施方式中，定位微型滑阀所必需的动力由流体系统单独提供。

[0078] 口流通横截面积和系统压力之间的关系可由以下数学方程式1和3所图解。

[0079] 方程式1

[0080] 其中，P2是由先导阀40设定的控制容积48a的压力(注意，参考容积48b的压力也将为P2加上或减去由弹簧66施加的力)，P1是由供应源32提供的流体的压力，A1是先导供应口40a的流通横截面积，以及A2是先导放卸口40b的横截面积。

[0081] 以下方程式2通过重新布置方程式1而获得。

[0082] 方程式2

[0083] 此外，方程式3

[0084] 其中，A3是参考输入口24的流通横截面积，以及A4是参考输出口26的横截面积。

[0085] 以下方程式4通过重新布置方程式3而获得。

[0086] 方程式4

[0087] 因此，方程式5

[0088] 方程式5显示了先导供应口40a和先导放卸口40b的流通横截面积之比与参考输入口24和参考输出口26的流通横截面积之比相等。

[0089] 概括地说，在至少一个方面，本发明涉及一种用于控制流体流动的微型阀装置，该微型阀装置包括主体，该主体界定具有第一端部和第二端部的腔。该主体具有输入口和输出口，输入口用于流体连通进入腔，输出口用于流体连通离开腔。微型阀装置还包括微加工的滑阀，该微加工的滑阀具有设置在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间滑动，其中，第一位置允许流体从输入口流动到输出口，而第二位置限制流体从输入口流动到输出口。滑阀通过第一流体容积和第二流体容积之间的横跨滑阀的压差来定位，其中，第一流体容积处于控制压力下，且设置在第一阀端部和腔的第一端部之间，而第二流体容积处于参考压力下，且设置在第二阀端部和腔的第二端部之间，其中，参考压力通过改变滑阀的位置而改变。

[0090] 本发明还涉及一种常开微型阀装置，其包括主体，该主体界定阀芯腔、输入口、输出口、控制口、参考进口和参考输出口，其中，阀芯腔具有第一端部和第二端部，输入口与阀芯腔连通，控制口适于接收控制压力信号，参考进口适于连接到处于第一压力下的流体源，并且参考输出口适于连接到处于第二压力下的流体区域，该第二压力小于第一压力。微型阀装置还包括阀芯，该阀芯具有设置在阀芯腔中的控制侧和参考侧，且控制侧靠近阀芯腔的第一端部。控制端部与主体相配合，以在控制侧和阀芯腔的第一端部之间界定可变大小的控制容积。控制容积与控制口连续流体连通。阀芯的参考侧与主体相配合，以在阀芯的参考侧和阀芯腔的第二端部之间界定可变大小的参考容积。阀芯在第一位置和第二位置之间是可移动的，同时实质上防止了控制容积和参考容积之间流体泄漏通过阀芯腔，其中，第一位置邻近阀芯腔的第一端部，而第二位置邻近阀芯腔的第二端部。当阀芯处于第一位置时，阀芯允许输入口和输出口之间的流体连通，而当阀芯处于第二位置时，阀芯阻挡输入口和输出口之间的流体连通。随着阀芯从其第一位置向着其第二位置移动，阀芯逐渐地减小参考出口和参考容积之间的流体连通，并逐渐地增加参考进口和参考容积之间的流体连通，因此，随着阀芯从其第一位置向着其第二位置移动，引起参考容积中的压力上升。阀芯根据控制容积和参考容积之间的压力差而移动。

[0091] 本发明还涉及一种常闭微型阀装置，其包括主体，该主体界定阀芯腔、输入口、输出口、控制口、参考进口和参考出口，其中，阀芯腔具有第一端部和第二端部，输入口与阀芯腔连通，控制口适于接收控制压力信号，参考进口适于连接到处于第一压力下的流体源，并且参考出口适于连接到处于第二压力下的流体区域，该第二压力小于第一压力。微型阀装置还包括阀芯，该阀芯具有设置在阀芯腔中的控制侧和参考侧，且控制侧靠近阀芯腔的第一端部。控制端部与主体相配合，以在控制侧和阀芯腔的第一端部之间界定可变大小的控制容积。控制容积与控制口连续流体连通。阀芯的参考侧与主体相配合，以在阀芯的参考侧和阀芯腔的第二端部之间界定可变大小的参考容积。阀芯在第一位置和第二位置之间是可移动的，同时实质上防止了控制容积和参考容积之间流体泄漏通过阀芯腔，其中，第一位置邻近阀芯腔的第一端部，而第二位置邻近阀芯腔的第二端部。当阀芯处于第一位置时，阀芯阻止输入口和输出口之间的流体连通，而当阀芯处于第二位置时，阀芯允许输入口和输出口之间的流体连通。随着阀芯从其第一位置向着其第二位置移动，阀芯逐渐地减小参考出口和参考容积之间的流体连通，并逐渐地增加参考进口和参考容积之间的流体连通，因此，随着阀芯从其第一位置向着其第二位置移动，引起参考容积中的压力上升。阀芯根据控制容积和参考容积之间的压力差而移动。

[0092] 虽然已经关于具体的实施方式说明和图解了本发明的操作的原理和模式，然而，应理解，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以以与如所具体说明和图解的不同的方式实践本发明。