CN100365340C - 用于真空系统的伺服阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种伺服阀，其可在真空系统中操作，并可在打开状态和闭合状态之间切换，即使在采用较低的力的情况下。为此，所述阀具有闭合件(4)，所述闭合件(4)可分别在控制室(13)的控制压力和入口(2)、出口(3)的压力之间的压差作用下，在打开位置和闭合位置之间移动。控制室与入口恒定地流体连通，并与出口可调节地流体连通，以根据可调节的流体连通，主要通过入口压力和出口压力来影响控制压力。本发明还提供一种带有这种伺服阀的真空系统。

Description

用于真空系统的伺服阀
技术领域
本发明涉及一种伺服阀，该伺服阀用于打开和关闭在真空系统的流体入口和流体出口之间的通道，特别地，本发明涉及一种阀，其可插入高压差和低压差的系统中，并能够用简单的传动装置来操作。
背景技术
通常，存在用于压力系统的伺服阀，其中，在入口部或出口部与控制室之间的压差作用下，活塞可在闭合位置和打开位置之间移动。由于采用压差，可借助于相对简单的传动装置(actuator)，如螺线管来操作这种阀，其中，这种传动装置能耗低，重量低。所述传动驱使导阀在其中一个开口和控制室之间移动，其中，所述导阀用来打开和关闭流体通道。由于多方面的原因，现有的这种阀不适用于真空系统，如与泄漏探测应用有关的真空系统。在这种系统中，重要地是在阀的各种操作之间避免在阀内有任何残留液体。因而，阀以及类似的系统元件必须支持完全抽空，并由于相对复杂的结构布局，排泄通常是这些传统伺服阀所存在的问题，其中，所述结构布局带有各种或大或小的通道，所述通道将开口与控制室相连。而且，现有的伺服阀被制造用来在一定的预规定压差下操作。如果设计压差在1-100巴的范围内的阀用于压差小于1巴的情况，压差通常不能够满意地将阀打开，反之亦然。而且，由于压差在阀开启后迅速消失，传统伺服阀的伺服效应将消失。为此，传统的伺服阀不用于真空系统。
发明内容
本发明的一个实施例的目的是提供一种设计用于真空系统的阀，所述阀可插入在小于1巴的压差之间，在采用适度力(moderate force)的情况下经由伺服力仍可打开所述阀。
因而，本发明涉及一种用于真空系统的伺服阀，所述伺服阀包括壳体，所述壳体限定控制室和阀门通道，该阀门通道具有第一内部压力的流体入口部和第二内部压力的流体出口部，这两部分由闭合件分隔开，所述闭合件安装在壳体内，以分别在控制室的内部压力与第一、第二内部压力之间的压差作用下在打开位置和闭合位置之间移动，所述打开位置是阀门通道在所述两部分之间被打开的位置，所述闭合位置是阀门通道在所述两部分之间被关闭的位置，所述控制室连接到入口部和出口部，以便使其内部压力可主要由第一内部压力或者第二内部压力可切换地控制，以在其闭合和打开位置之间可切换地控制该闭合件的移动，反之亦然。
由于控制室连接到入口部和出口部，从而使得能够可切换地控制所述控制室内的压力，可通过利用压差而不施加过度力来操作所述阀。
闭合件可在出口和控制室之间形成导引通道，所述导引通道可被导引闭合件关闭，所述导引闭合件可相对于所述闭合件移动在打开位置和闭合位置之间，其中，所述导引通道在打开位置处被开启，所述导引通道在闭合位置处被关闭。在要打开阀时，导引闭合件移动到其打开位置，即导引通道开启的位置。在导引通道开启时，控制室与阀门通道的出口部流体流通，并且其间的内部压力相等。因而，产生了能够将闭合件从闭合位置移动到打开位置的压差。
在闭合件已经移动时，入口部和出口部内的压力相等，且在出口部与控制室流体连通时，控制室和阀门通道入口部之间的压差消失。由于这种压差已经用于将闭合件保持在打开位置，根据阀的方向和流体流过其间的流动速度，闭合件可向后移动到其闭合位置。为了避免这一点，阀可具有导引闭合件，所述导引闭合件经由弹性可变形的联结器，例如经由弹性橡胶带、弹簧如螺旋弹簧或者经由能够弹性拉伸的类似装置，被可移动地固定到闭合件上。特别地，弹簧常数在0.5-1.5N/mm范围，如1N/mm的弹簧适用于真空系统内所用的阀。所述弹簧可预拉伸至大约3N，即大约3mm。
为了提供“常闭”特征的阀，可通过弹性可压缩部件，如可伸缩橡皮管或者螺旋弹簧等，将闭合件偏置到闭合位置。
优选地，可通过电磁操作或者可替换地通过气动、液压操作或者仅仅通过按钮或者弹出扭来手动操作导引闭合件，并因此阀被打开和闭合。在任何情况下，为了降低打开阀所必须的力，有利地是，形成的导引通道的横截面面积小于阀门通道的开口面积，如其面积比阀门通道的面积小5-20倍。
在一些应用中，如与用于泄漏探测的真空系统中所用的阀有关的应用中，一个目的是确保在每个开启和闭合操作之间从阀内抽空所有的残余流体。为此，优选地，控制室可有利地设置在从流体出口到闭合件的通道延续部分内，因此，所述控制室至少与阀门通道的出口部同轴设置。实际上，阀门通道的出口部和控制室可形成为壳体内的一个纵向延伸的孔。
密封部件可形成为球阀或者形成为在壳体的圆柱形空腔内往复移动的活塞。活塞和圆柱形空腔可具有任何匹配的横截面形状。然而，为了支持阀的制造，有利地是提供具有圆形横截面的部件，以容许空腔形成为钻孔。
为了提高阀的灵敏性，一个目标是保持活塞的重量低。因而，活塞可成形为三个主要部分，即下密封凸缘、杯形部件和侧壁，其中，所述下密封凸缘通过细长的柄部向上连接到杯形部件，所述杯形部件形成了底壁，所述侧壁从底壁向上朝开口延伸，所述延伸方向与朝向密封凸缘的方向相反。导引通道可形成在活塞柄部之内，所述密封凸缘、所述杯形部件和细长柄部可共轴形成。
为了确保阀更可靠，其中，所述活塞在往复移动过程中可在壳体的圆柱形空腔内平滑地移动而不会发生倾斜，所述活塞可形成为其重心沿着活塞的中心轴在底壁和杯形部件开口之间的位置处。上述指定的杯形和柄形活塞使得阀能够在非常低的真空内，如1×10-3至1×10-6mBar的压力范围内使用，其中，所述活塞的重心在杯形部件的区域内。
在打开阀的过程中，通过沿着离开活塞的方向移动所述导引闭合件，该导引闭合件从其闭合位置上升，致使导引通道打开。在控制室和阀门通道的入口部之间所产生的压差致使活塞向上移动，并打开阀门通道。在这个移动过程中，活塞再次靠近导引闭合件。为了在活塞移向导引闭合件时避免导引通道关闭，导引闭合件的最大可能行程可有利地大于活塞的相应最大可能行程。为了确认闭合件的位置和/或导引闭合件的位置，所述阀可具有一个或多个磁铁，所述磁铁结合于壳体或者闭合件和相应的磁传感器的其中一个，如簧片开关，结合于壳体或者闭合件的其中一个。如果磁铁通过烧结形成，可利用涂层来密封某些多孔结构，所述涂层如包括锌或者夹层(如锌-铜锌)或任何类似紧紧密封地组合物。将多孔结构密封，以避免磁铁被油、湿气或气体污染。
活塞的密封凸缘可包括密封环，所述密封环由弹性材料制造，如粉末(flour)橡胶(FPM-来自DuPont，c.f.www.dupont.com)，并设置在凸缘凹槽内的两侧壁之间。为了提高阀的真空度，所述壁可包括穿过凹槽形成在两壁内的至少一个凹口，可选择地，所述凹口也形成在凹槽的底壁内。在抽空过程中，流体被迫经由凹口流出所述阀。
所述阀还可包括至少一个活塞环，所述活塞环如由聚醚醚酮(PEEK)制成。所述活塞环起到在圆柱形空腔内引导所述活塞的作用。为了容许在导引闭合件处于其闭合位置时阀门通道的入口部和控制室之间的压差相等，并由此容许阀关闭，所述活塞环可在阀门通道的入口部和控制室之间变形形成至少一个通风通道。所述通道可形成在活塞环内、或者形成在圆柱形空腔的壁和活塞环之间、或者形成在活塞侧壁和活塞环之间。作为替换并除了分别形成在活塞环与壳体或活塞之间的通道之外，一个或多个通道可设在控制室和阀门通道的入口部之间，即呈现为壳体壁内的钻孔。
为了使一个(或多个)活塞环固定地沿着活塞滑动，所述一个(或多个)活塞环可设置在凹槽的两个侧壁之间，其中，所述凹槽形成在活塞的杯形部件的周向外表面内。为了容许阀具有更好的真空度，所述凹槽的壁可在各个壁内形成至少一个凹口，并且所述凹口穿过所述凹槽。为了容许流体在一个(或多个)活塞环之后流过，即在活塞和活塞环之间流动，所述凹槽的底壁也可形成有凹口，其容许流体流过凹槽的其中一个侧壁内的一个凹口，向下流入凹槽底壁内的凹口，并流出形成在凹槽的其他侧壁内的凹口。为了进一步提高真空度，所述一个或多个凹槽也可具有多个凹口。
在第二个方面，本发明涉及一种真空系统，该真空系统包括前述种类的伺服阀。
附图说明
在下文中，将参考附图进一步详细叙述本发明的优选实施例，其中，
图1示出依照本发明的阀的横截面视图；
图2示出导引闭合件和闭合件之间的联结器的详细视图；
图3示出用于依照本发明的阀的闭合件的3-D视图；
图4示出在阀门通道的高压部分和控制室之间形成通风通道的活塞环的详细视图；
图5以横截面视图示出具有lib剖面的密封环；和
图6示出锚和锚管的放大视图。
具体实施方式
图1所示的阀具有壳体1，所述壳体1形成了阀门通道，该壳体具有入口部2和出口部3，它们由闭合件4分隔开。所述闭合件为活塞形，在活塞的闭合凸缘7的底面上形成了圆形密封面5。密封面保持lib剖面(也参见图5)或者O形剖面的环(O形环)8，所述环由弹性材料如橡胶制成。闭合凸缘具有相对的上表面9，其朝向阀的入口部。所述阀被示出，其活塞处于闭合位置，在该位置处，其密封面下降至O形环将壳体的座10密封的位置处。在其相对端，活塞呈杯形，带有底壁11和向上延伸的侧壁12，所述底壁和侧壁限制了形成在壳体内的控制室13，所述控制室13是阀门通道的低压力部件的延伸部分。活塞形成了导引通道14，该导引通道14自阀门通道的低压力部件延伸到控制室，并穿过活塞的柄部6，所述导引通道向上终止在导引阀座内，所述导引阀座可借助于导引闭合件16关闭。在披露的实施例中，导引闭合件制成棒形的细长锚形式，带有弹性橡胶衬垫17，所述弹性橡胶衬垫17起到将导引闭合件紧密封在导引阀座15周围的作用。导引闭合件可在锚管18内滑动，并可在例如螺线管(未示出)的作用下上升离开导引阀座15。导引闭合件朝向活塞偏置，因此所述活塞在螺旋弹簧19的力的作用下被偏置到闭合位置。螺旋弹簧20将闭合件联结到导引闭合件上，所述活塞环21、22起到沿着所述壳体的内壁23引导活塞的作用，也用来在控制室和阀门通道的高压部分之间形成外部通道。外部通道形成在壳体的内侧壁23和活塞的侧壁12之间。盖24连接到壳体上，所述盖24形成了控制室的顶壁。弹性的O形环25设在盖和壳体之间的凹槽26内。锚管18经由插头27固定到盖上，弹性O形环28确保了流体紧密封。可替换地，锚管和盖或者甚至壳体被制成一整块，如通过模塑成形。为了保持较低的重量，如图3更详细示出的杯形活塞被模塑成相对较小的壁厚，并用相对较轻的材料制成。活塞的几何形状可这样选择，即重心在从入口部到控制室的入口的上方。选择活塞相对细长的柄部，以降低重量。
在阀的打开操作过程中，如用220V的启动电压启动螺线管，直到导引闭合件从导引座被释放。在这一点上，如用一定的斩波频率将应用的电流分割成较小的单元，或者简单地通过将应用的电压降低至平均110V大小，由此通常可降低应用于螺线管的电压。在导引闭合件从座上被释放时，阀门通道的出口部内的真空将控制室排空，且由于阀门通道的入口部分别与控制室内和出口部之间的压差所导致的向上的力开始聚集。入口部内的相对较高的压力作用于活塞的杯形部件的底壁11的下表面上及闭合凸缘7的上表面上。相同的压力应用于压力相对较低的出口部和控制室内，其分别在相反方向上作用于闭合凸缘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，这样产生的力就将活塞从其闭合位置向上移动到打开位置。在活塞移动到其打开位置时，阀门通道的低压和高压部分内的压力相等，并经由外部通道和导引通道，控制室内的压力也与阀门通道内的压力相等。结果，由压差所产生的向上延伸力消失。在这一点上，活塞被导引闭合件和活塞间的联结器保持在其打开位置，例如所述联结器是螺旋弹簧20。
图2示出图1中的导引闭合件和闭合件之间的联结器的放大视图，其包括图1中的附图标记。在放大视图中，可以清楚看出，可通过将第一和最后一组线圈分别锁入活塞和导引闭合件的凹槽29、30内，从而将联结弹簧20固定到导引闭合件16和活塞6上。螺旋弹簧19压靠在导引闭合件的径向向外延伸的凸缘31上，所述螺旋弹簧19被设置成将导引闭合件偏置到活塞上，并由此将活塞偏置到其闭合位置。导引通道14向上受到限制，通道的较宽部分33和较窄部分34之间的过度32用斜面35限定，所述斜面35相对于活塞和通道的中心轴36形成一大约45度的角。
在图3中，用3-D视图示出图1中的活塞6。形成在活塞的杯形部件的侧壁12内的下凹槽41和上凹槽42起到将活塞环(图1中的附图标记21、22)保持在适当位置处的作用。凹口39、40起到提高阀在其各个开口和闭合操作之间被完全抽真空的能力，其中所述凹口39、40穿过凹槽形成，即形成在两个侧壁内以及所述凹槽的底壁中。形成在圆形闭合凸缘7内的凹槽43起到保持弹性材料制成的O形环或者lib剖面环的作用，以用于密封座10。而且，凹口37、38起到提高阀在各个开口和闭合操作之间被完全抽真空的能力，其中所述凹口37、38形成在各个侧壁内以及可选择地形成在凹槽的底壁内，并相互面对地穿过所述凹槽。在图3中，可清楚看出，导引通道14的开口具有多个平滑的圆角，所述圆角提高流动性以及在各个操作之间排空阀的能力。
图4中示出活塞环。所述环具有朝向活塞的内表面44和朝向壳体的圆柱形空腔的壁的外表面45、46。由于外表面呈阶梯状，通风通道形成在壁和环的圆柱形表面的各个部分之间，其中，所述圆柱形表面的径向尺寸最小，即图4中的表面45。
在图5中，示出用于凹槽43的弹性材料的密封环51的横截面视图。所述密封环具有lib剖面形状。
图6示出图1中披露的阀的锚和锚管的放大视图。锚内的一个或多个纵向延伸的凹槽61起到将空间62排空的作用，其中，所述空间62由锚的上表面63和锚管64限定。所述凹槽终止于控制室内的点65处。阀形成所需的尺寸，这样锚的最大可能行程L2就大于闭合件4的最大可能行程L1。因而，导引通道在阀打开过程中就保持开启，即使在闭合件处于其最大打开位置时。这一特征改善了阀的流动性，并因此支持了阀的快速完全排空。

Claims (14)

1.一种用于真空系统的伺服阀，其包括壳体(1)，所述壳体(1)限定了控制室(13)和阀门通道(2，3)，所述阀门通道(2，3)具有第一压力的流体入口部(2)和第二压力的流体出口部(3)，所述这两部分可由闭合件(4)分离开，其中所述闭合件(4)安装在壳体内，以在控制室的控制压力与第一、第二压力之间的压差作用下移动在闭合位置和打开位置之间，所述打开位置是阀门通道在入口部和出口部之间被打开的位置，所述闭合位置是阀门通道在入口部和出口部之间被关闭的位置，控制室经由持续打开的通道与入口部流体连通，并经由导引通道(14)与出口部可控地流体连通，所述导引通道(14)可由导引闭合件(16)闭合，所述导引闭合件(16)可相对于闭合件(4)移动在打开位置和闭合位置之间，其中所述导引通道(14)在该打开位置处被打开，在该闭合位置处被关闭，从而根据导引闭合件的位置，主要通过第一压力和第二压力中的一个来影响控制压力，并由此来控制闭合件(4)在其闭合位置和打开位置之间的移动，所述导引闭合件(16)经由可弹性闭合的联结器(20)固定到闭合件上，其特征在于，所述导引闭合件(16)被弹性可压缩的部件(19)偏置到其闭合位置处，其中所述弹性可压缩的部件(19)作用在壳体(1，24)和导引闭合件(16)之间。
2.如权利要求1所述的伺服阀，其特征在于，所述导引通道(14)形成在闭合件(4)内。
3.如权利要求2所述的伺服阀，其特征在于，所述闭合件可通过弹性可压缩的部件(19)偏置到闭合位置。
4.如权利要求3所述的伺服阀，其特征在于，所述导引闭合件(16)可经由电磁致动从其闭合位置移动到打开位置。
5.如权利要求1所述的伺服阀，其特征在于，所述导引通道(14)的横截面开口小于阀门通道(2，3)。
6.如权利要求1所述的伺服阀，其特征在于，所述控制室(13)位于导引通道(14)的延续部分内。
7.如权利要求1所述的伺服阀，其特征在于，所述闭合件(4)形成并相对于壳体(1)这样设置，即其重心被限定在阀门通道(2，3)和控制室(13)之间。
8.如权利要求1所述的伺服阀，其特征在于，所述闭合件(4)成形为活塞，并设置成可在壳体(1)的圆柱形空腔内前后移动。
9.如权利要求8所述的伺服阀，其特征在于，所述闭合件(4)和圆柱形空腔具有圆形横截面的匹配形状，以及其中持续打开的开口通道形成在闭合件(4)的侧壁(12)和圆柱形空腔的内侧壁(23)之间。
10.如权利要求9所述的伺服阀，其特征在于，所述导引通道(14)与闭合件(4)共轴形成。
11.如权利要求10所述的伺服阀，其特征在于，所述导引闭合件(16)被设置成可在圆柱形空腔内前后移动，其行程大于闭合件(4)的行程。
12.如权利要求11所述的伺服阀，其特征在于，所述闭合件(4)形成了用于闭合阀门通道(2，3)的密封凸缘(7)，所述密封凸缘(7)由细长柄部(6)联结到杯形部件(11，12)，所述杯形部件形成了底壁(11)，侧壁(12)从底壁沿着与朝向密封凸缘相对的方向朝开口延伸，所述杯形部件和细长柄部共轴形成。
13.如权利要求12所述的伺服阀，其特征在于，所述闭合件(4)包括至少一个凹槽(43)，所述凹槽(43)包括穿过凹槽形成的至少一个凹口(37，38)。
14.一种真空系统，包括依照前述任一权利要求所述的伺服阀。
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