CN1047831C - 用于流体输送系统的微型阀 - Google Patents

Abstract

一种流体输送力致动阀，例如适用于电子工业的气体输送气压致动阀，采用波纹管装置以便致动装置可以用来开启或闭合该阀而与加压流体的力无关。还公开了一种用于输送该加压流体，例如气体的方法。

Description

用于流体输送系统的微型阀

本发明涉及一种适用于如气体输送系统那样的压力流体输送系统的流体输送力致动的阀，特别是涉及一种使用波纹管装置的阀，因此，该阀可以基本上与待输送的流体的压力无关地操作。

在半导体加工工业中和在各种其他工业营运中，用气箱来将高纯度的生产气体输送到使用位置，通常是指工具位置。这种箱包含高纯度气体供应缸和气体操纵台用于将气体输送到工具位置。对于高纯度气体作业来说，使带有最少杂质的生产气体输送到工具位置是很重要的，因为即使百万分之几的杂质含量都会对半导体和其他高纯度产品的性能产生不利的影响。此外，必须确保气体操纵台能够安全地，无漏气地工作，否则会危及气箱操作者的健康和安全。因此，要求气体操纵台能以希望的压力水平输送气体，同时保持气体的纯度和维持安全的完善性。气体操纵台还必须提供净化功能以便使气缸的更换能安全地进行而没有气体污染。为此目的，典型的气体操纵台是由特殊的阀、元件、互连管道和相关的附件构成的，高纯度的、危险的气缸装接到气体操纵台的输入口上，而气体操纵台的输出口通过合适的输送管装接到一个过程反应器上。

在现有技术中所使用的用于以各种压力输送气体的阀有许多种类型。波纹管类型的阀已被用在纯度和/或安全性是第一重要的应用中，例如在半导体工业中以及在采用纯的和/或危险的(腐蚀性的、易燃性的、有毒的等)气体的其他高科技工业中见到的应用。在美国专利4526341；4634099；4687017；4712576；4763690；和4995589中都公开了现有技术的实例。

现有技术的阀具有依赖于压力的阀密封力，它会限制阀密封装置的寿命并会在过压状态下产生不安全的状态。压缩弹簧一般会将阀密封装置偏压在阀的“闭合”位置。当施加入口压力时，弹簧(偏压)力的一部分会因入口压力作用在密封区域上并产生一个反作用力而抵消掉。阀密封力是与入口压力成反比的。这意味着，入口压力越高，试图将阀保持在“闭合”位置上的偏压力就越低。因此，密封件必须足够的灵敏以便在高压力/低偏压力状态下能提供可靠的密封作用，并且要足够坚固耐用以便能在低压力/高偏压力状态下承受相当大的挤压力。如果入口压力无意地增大超过最大的额定压力，阀就无法处在“开启”位置上，由此产生了不安全的状态。美国专利4763690公开了一种在过压状态下提供失效安全闭合作用的阀，其中密封力与入口压力成正比。现有技术的高压型阀因其气压致动器的实际尺寸一般不能多个集成为一个单体。在致动器尺寸和其阀操作压力额定值之间存在一种比例关系。尝试将两个以上的阀，特别是高压阀，形成整体会减小潜在的纯度、安全性和模件性优点，同时会增加相关的成本、重量、制造问题、和安装问题。因此，将各个阀焊接在一起要比将这些类型的阀合并为一个单体更有利。

本发明的目的是提供一种流体输送力致动阀，该阀可以与流体入口压力无关地有效工作。

本发明的另一个目的是提供一种流体输送力致动阀，该阀采用波纹管装置以便有效地抵消流体的压力，从而使阀的致动装置不依赖于流体的入口压力而工作。

本发明的再一个目的是提供一种气体输送气动力致动阀，该阀特别适用于电子工业中输送高纯度气体。

本发明的又一个目的是提供一种流体输送力致动阀，该阀生产起来成本低。

考虑到这些和其他目的，后面将对本发明进行详细说明，其新颖的特征会在权利要求书中具体指出。

本发明涉及一种流体输送力致动阀，其包括至少一个与一个包含波纹管装置的第一室相连通的输入口；至少一个与一个第二室相连通的输出口；一个将所述第一室连到所述第二室的通道；用于阻塞所述通道以防止流体在所述室之间通过的可移动装置，所述可移动装置具有将其保持在第一位置以阻塞所述通道的偏压力，并且当施加一个相对着该偏压力并超过该偏压力的力时，可移动装置可以被移动到第二位置以开启所述通道，所述波纹管装置与所述可移动装置是这样相联系的，当来自输入第一室内的加压流体的力直接作用在可移动装置上使其移动到第二位置时，所述加压流体将使波纵管装置收缩并且所述波纹管装置会在可移动装置上施加一个力以便将可移动装置保持在第一位置上，所述由加压流体施加在该可移动装置上的力和所述由波纹管装置施加在该可移动装置上的力是基本上相等的，使得将该可移动装置移动到第二位置的加压流体的力由波纹管装置作用在该可移动装置上以将其保持在第一位置上的力有效地抵消；并且其中，施加在该可移动装置上超过偏压力的力将使该可移动装置移动到第二位置上并开启该通道以允许流体在两个室之间流动而基本上与加压流体的力无关。

本发明的一个较佳的实施例是该输入口的设置位置要使得流到第一室的输入流体被引向波纹管装置的顶部或上部，而该输出口的设置位置要使得该流体在波纹管装置的底部从第一室中排出。这将迫使流体绕着波纹管被输送，由此防止流体在第一室内的任何滞留，因而保证了被输送流体的纯洁度。

虽然流体可以是气体或流体，但较佳的流体还是气体。对阀进行致动的力可以是任何力，例如来自作用在阀的致动装置上的固体、液体和气体的力。该阀可以结合其他类似的阀以提供组装在一个较小的装置内的多个阀，其可以被用来控制在贮箱或缸与工位之间的流体流动，例如气体流动。本发明的气体输送气动力致动阀的优点是：

a)纯结度增加——潮湿表面区域减小了，净化的容积减小了，滞留区域减小了，并且对大气(气态污染源)进行密封的密封件减少了；

b)安全性增加——从泄漏源，例如对大气进行密封的密封件、机械连接处、和焊接缝处泄漏的潜的性减小了；

c)渗漏/降压容积最小；和

d)成本低——存货要求减少了；组装/制造劳力减少了；系统设计和维护简化了。

本发明还涉及一种用于提供流体输送系统的方法，其中，输送入一个输入口并从一个排出口排出的加压流体可以应用一个与该流体的压力无关的力加以调节，所述方法包括下述步骤：

a)提供一个用于接纳输入流体的封闭的第一室；提供一个用于接纳从第一室排出流体的封闭的第二室；和提供一个在所述第一室和所述第二室之间的通道；

b)提供一个用于闭合或开启所述通道的可移动的阀密封装置和提供偏压装置用于将所述可移动的阀密封装置保持在闭合位置；

c)在所述第一室中提供装接到该可移动的阀密封装置上的波纹管，以便使流入的流体直接在波纹管上作用一个指向该可移动的阀密封装置的力从而使其处在关闭位置，与此同时，流入的流体将施加一个直接作用在该可移动的阀密封装置上的力，以使该通道打开，并且选择所述波纹管使得由波纹管施加到可移动的阀密封装置上的力等于或大于由进入的流体直接作用在该可移动的阀密封装置上的力；和

d)将进入的加压流体供给该第一室并施加一个推动该可移动的阀密封装置的独立的力以使其移动到第二位置，以便将所述进入的加压流体从第一室输入所述第二室排出并且使所述流动根据施加在可移动的阀密封装置上与进入的加压流体的力无关的独立的力继续流动或停止。

与流体相关的压力的作用力的有效抵消使用于致动器的偏压装置，例如弹簧只强到能产生可靠的密封作用，由此导致偏压装置的尺寸大大减小。这样克服偏压装置所需的致动力可以大大地减小。使用可以为两个或两个以上的阀所共有一个孔口或通道可以制成在一个装置内的阀总成。每个阀的输入室或输出室可以通到一个公用的通道，以便使阀上的一个孔口可以连通到一个不同的阀的另一个孔口。这样，就可以很容易实现大量的相互连接的构形。

以下结合附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明流体输送力致动阀的大部分剖视的侧视立面图；

图2是图1所示流体输送力致动阀处在闭合位置上的大部分剖视的侧视立面图；

图3是图1所示流体输送力致动阀处在开启位置上的大部分剖视的侧视立面图。

图1示出了一个流动输送力致动阀2，该阀2包括一个具有一输入口6和一输出口8的阀体4。输入口6经通道10与包含波纹管14的室12连通。输出口8经通道16与室18连通。一个在室12的下端处的通道20与室18连通。一个提动阀22设置在室18内并具有一个阀密封装置19，该阀密封装置19设定在通道20上，以便在其被迫盖住通道20的开口时其可阻塞住通道20防止流体流入室18，或在其从通道20的开口离开时允许流体流动。提动阀22被固定到阀杆24上，而阀杆24则被固定到设置在致动器外壳28内的致动器活塞26上。致动器外壳28内的开口30允许来自气体、固体或液体装置的外力作用在致动器活塞26的面32上，并使致动器活塞26沿轴向向下移动，以便其迫使提动阀22将阀密封装置19从室12的通道20移开。为了将阀密封闭置19保持在通道20上的闭合位置，在活塞26的面36和阀体4的面38之间设置压缩弹簧34。最好是，所选择的压缩弹簧34要能在竖直方向上在活塞26上施加一个预定的力以便使阀密封装置19受到偏压从而在稳定的状态下关闭通道20。当使用来自流体、例如气体、的力致动活塞26时，通过使用一个设置在活塞26中合适的O型环42将气体保持在室40中，该O型环42贴靠着致动器外壳28的内壁44。图1中示出了一个螺旋销54，该销54被用来防止波纹管19在提动阀组装过程中扭转。如图1所示，阀体4的下内壁56将会限制阀杆24经过提动阀22可以向下移动的距离。

波纹管14设置在室12内并以其一端46密封地固定到一个端盖47上，该端盖固定到阀体4上，而相反端48则固定到阀杆24上。这使波纹管14形成为对大气或室50的密封件。图中示出一个0型环52作为一个为波纹管14对室50进行密封的辅助密封件。这样，波纹管的内压力最好是大气压力或可以是任何所需要的压力。波纹管14设计成这样，使得在压力流体，例如气体，被输入室12内时，它将在阀密封件19上作用一个力，并且同时施加一个使波纹管14收缩的力。施加在波纹管14上的力将迫使波纹管14收缩。由于波纹管14的端部46经端盖47固定到阀体4上，端部46将保持不动。不过，波纹管14的端部48被固定到阀杆24上，并将在竖直方向上移动迫使阀杆24向上，从而保持阀密封件19阻塞住通道20。波纹管14设计成使得进入的加压气体在向下方向上作用在阀密封件19上的力基本上等于收缩的波纹管施加在阀杆24上的力，从而使进入的流体的力相对于阀密封件19被有效地抵消掉。确保进入的流体的力相对于密封件19被有效地抵消掉的较佳的方法是将波纹管设计成使波纹管14的有效面积等于或稍大于阀座的有效面积。阀座的有效面积是通道20的模截面面积，并且波纹管14的有效面积大致等于外径和内径的平均直径的平方并乘以0.785后的数值。同时，正是等效的活塞面积产生了同样的流体位移，该流体位移就是波纹管在压缩或伸展开中为同样的位移所产生的。

图2和3示出了图1的流体输送力致动阀，同样的元件用同样的标号表示。在图2中，示出阀2处在闭合位置上。在此图中，压缩弹簧34在活塞26上施加一个向上的力，而活塞26则迫使提动阀22向上，由此使阀密封件19座置在通道20上。这样就防止在室12和室18之间的流体流动。即使压力流体被输入输入口6，此流体的力也会作用在阀密封件19和波纹管14上。采用本发明的新颖的波纹管结构，由收缩的波纹管14施加在阀杆24上使其在向上方向上移动的力将会等于或稍大于由加压流体施加在阀密封件19上的力。这样即使在加压流体被输入输入口6内时，流体也不会开启阀密封件19。开启阀密封件19的唯一办法是在活塞26上施加一个向下的力，该力要大到足以克服由压缩弹簧34作用在活塞26上的力。如图3所示，大于压缩弹簧34的向上弹力的力，例如致动器外壳28的开口30内的气动压力，会使阀杆24向下突伸出，这样就使阀密封件19开启。这将让流体，例如气体从输入口6流到输出口8。

开启图3所示阀2所需的力可以通过改变压力、活塞面积、和/或弹簧弹力的方式改变。

最好是本发明的流体输送力致动阀具有一个输入口，一个输出口，并且波纹管应设计成使作用在波纹管上的压力总是施加一个等于或稍大于作用在阀密封件上的向下的力的向上的力，以便在没有致动力时，阀不会被开启。

如图1、2和3所示，进入的压力流体在室12的顶部进入室12内，绕波纹管14环流，并在室12的下端排出。这将防止流体囊泡滞留在室12内，由此保证了高纯度的流体的输送。

Claims (10)

1.一种流体输送力致动阀，其包括至少一个与一个包含波纹管装置的第一室相连通的输入口；至少一个与一个第二室相连通的输出口；一个将所述第一室连到所述第二室的通道；用于阻塞所述通道以防止流体在所述室之间流过的可移动装置，所述可移动装置具有将其保持在第一位置以阻塞所述通道的偏压力，并且当施加一个相对着该偏压力并超过该偏压力的力时，可移动装置可以被移动到第二位置以开启所述通道，所述波纹管装置与所述可移动装置是这样相联系的，当来自输入第一室内的加压流体的作用于该可移动装置的力迫使其移动到第二位置时，所述加压流体将使波纹管装置收缩并且所述波纹管装置会在可移动装置上施加一个力以便将可移动装置保持在第一位置上，所述由加压流体施加在该可移动装置上的力和所述由波纹管装置施加在该可移动装置上的力是基本上相等的，使得将该可移动装置移动到第二位置的加压流体的力基本上由波纹管装置作用在该可移动装置上以将其保持在第一位置上的力所抵消；并且其中，施加在该可移动装置上超过作用在该可移动装置上的偏压力的力将使该可移动装置移动到第二位置上并开启该通道以允许流体在两个室之间流动而基本上与加压流体的力无关。

2.如权利要求1所述的流体输送力致动阀，其特征在于：该一个输入口与该第一室连通。

3.如权利要求2所述的流体输送力致动阀，其特征在于：该一个输出口与该第二室连通。

4.如权利要求3所述的流体输送力致动阀，其特征在于：该一个输入口与第一室连通，该一个输入口设定成将进入的流体导向在第一室中的该波纹管装置的顶部，并且所述第一室具有一个通到位于波纹管装置的底部的通道的排出口，以便迫使进入的流体绕在第一室中的波纹管装置循环流动。

5.如权利要求1所述的流体输送力致动阀，其特征在于：所述可移动装置包括一个固定到密封装置上的活塞，所述密封装置设置在该第二室内，在这里，它可以移动到第一位置以阻塞住该两个室之间的所述通道，并且可以移动到背离所述通道的第二位置，以使流体可以从该输入口输送到该输出口。

6.如权利要求1所述的流体输送力致动阀，其特征在于：所述波纹管装置与所述可移动装置是这样相联系的，即当来自加压流体的力输入第一室内时，波纹管装置会收缩并施加一个大于加压流体直接作用在该可移动装置上的力的力，以便将可移动装置保持在第一位置上。

7.如权利要求4所述的流体输送力致动阀，其特征在于：所述可移动装置包括一个固定到密封装置上的活塞，并且所述密封装置位于第二室内，在这里，它可以移动到一个第一位置以阻塞住该两个室之间的所述通道，并且可以移动到背离所述通道的一个第二位置，以使流体可以从该输入口输送到该输出口。

8.如权利要求6所述的流体输送力致动阀，其特征在于：所述可移动装置包括一个固定到密封装置上的活塞，并且所述密封装置位于第二室内，在这里，它可以移动到一个第一位置以阻塞住该两个室之间的所述通道，并且可以移动到背离所述通道的一个第二位置，以使流体可以从该输入口输送到该输出口。

9.一种用于提供流体输送系统的方法，其中，输送入一个输入口并从一个输出口排出的加压流体可以应用一个与该流体的压力无关的力加以调节，所述方法包括下述步骤：

(a)提供一个用于接纳输入流体的封闭的第一室；提供一个用于接纳来自第一室的输入流体的封闭的第二室；和提供一个在所述第一室和所述第二室之间的通道；

(b)提供一个用于闭合或开启所述通道的可移动的阀密封装置和提供偏压装置用于将所述阀密封装置保持在闭合位置；

(c)在所述第一室中提供装接到该可移动的阀密封装置上的波纹管，以便使流入的流体直接在波纹管上作用一个指向该可移动的阀密封装置的力从而使其开启，并且使所述波纹管设置得由进入的流体经波纹管施加到可移动的阀密封装置上的力等于或大于由进入的流体直接作用在该可移动的阀密封装置上的力；和

(d)将进入的加压流体供给该第一室并施加一个推动该可移动的阀密封装置的独立的力以使其开启，以便将所述进入的流体输入所述第二室排出并且使所述流动根据施加在可移动的阀密封装置上与进入的加压流体的力无关的该独立的力继续流动或停止。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：该第一室具有一个位于波纹管上方用于进入流体的口和一个位于波纹管下方排出该流体的口，以便使进入的流体绕波纹管循环流动并且有效地消除流体在该第一室内的滞留现象。

Images