微型机电系统的控制阀技术方案

一种阀，如用于ＭＥＭＳ结构中的ＩＰ调节器的控制阀，包括由流体通道连接的流体进口（３）和流体出口（４），对玻璃和／或硅进行微量切削加工生产出的壁部和结构（５）构成上述通道和出入口。激励器（１，８，９）可以被设置在至少两个不同的位置上，用来使流体通道（２）的流动横截面发生改变。流体进口，出口和通道的几何形状有利于防止流体突然地改变其流动方向使得流体内液滴和／或微粒中的大部分撞击在结构的壁上，上述结构可以是符合或在下列两个极限之间的任何设置方式ｉ）流体出口与流体入口垂直，该出口的尺寸大于一个极限尺寸，Ｌ↓［ｃｒｉｔ］由一个根据ＣＦＤ－工具（计算机模拟的流体动力学）模拟给定的公式算出，ｉｉ）流体出口与流体通道平行，为完全单向流动方式。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种阀装置，尤其是应用于例如MEMS-结构(微型机电系统)中的微型控制阀。申请领域控制阀主要应用于气动系统，如气动制造系统中，用来控制大型气动执行机构中的压力。该执行机构应用于工艺处理设备中，例如应用于移动大型机械设备或对大型阀进行控制的生产过程中。该控制阀经常被用作为IP调节器，其具有一个电(I为电流)输入和一个气动(P为压力)输出，这样，当一个供给装置，如具有较高恒定压力的压缩机提供气体输入的时候，一个模拟的电信号就会在输出端产生相应比例的气动压力。现有技术目前大量使用的工业用IP调节器为ABB生产的TEIP 11型信号转换器，用来将标准的电输入信号转换为标准的气动压力输出，如将4-20mA的电流转换为0.2-1bar的气压输出信号。尽管安装大型气动压缩机的工厂几乎都配置有过滤装置用来在使用压缩空气时保护设备，并且设备本身也会安装过滤装置，众所周知，由于暴露在加压空气中的表面上的薄膜沉积会造成的狭窄空气通道的堵塞，从而常常限制这些设备的正常运转。另外，这样还会使可拆卸的部件永久地粘在其它部件上而变成废件。上述沉积在运转过程中积聚，最终会干扰设备正常的功能或者损坏部件而需要更换这些组件。这种影响限制了使用该设备的系统的运转寿命且增加了维修费用，由于这种情况下的IP调节器直接暴露在气流中，它们的正常运转决定了系统的正常运转，当觉得有上述问题发生时，在大多数情况下都只是用新设备更换掉有故障的调节器。专利技术目的本专利技术的目的之一是提供一种阀，使其对在供给空气中存在的杂质具有增大的容许度。本专利技术的另一个目的是提供一种控制阀，使其在可能被杂质或液滴污染的加压空气气流环境下具有更长的有效运转寿命。更进一步，本专利技术的另一个特殊目的是提供一种微型控制阀，使得杂质，特别是以油和微粒混合物形式存在的杂质可以顺利地通过阀体，使其不会附着在阀体表面上，并在阀体内部形成具有危害性的黏附膜。专利技术概述本专利技术的目的可以通过具有如权利要求1所述的特征的阀来实现。本专利技术的更多优选实施例可以根据从属权利要求，相应的描述和附图获得。附图说明图1A显示了根据现有技术的一种IP调节器的临界流出口情况。图1B显示了根据现有技术的第二种IP调节器的临界流出口情况。图2显示了在阀出口附近形成膜或层所涉及的一些可能的机构。图3A显示了图1B所示阀内的微粒传送的计算机模拟的流体动力学模型。图3B显示了图1A所示阀内的微粒传送的计算机模拟的流体动力学模型。图4显示了根据本专利技术具有可弯曲膜片的基于MEMS的IP调节器的例子中的一个工作部件。图5显示了在根据图4所示的阀的调节器内微粒流体的计算机模拟的流体动力学模型。图6显示了根据本专利技术的基于MEMS的IP调节器的另一个实施例。图7图示出在流体入口和流体出口之间具有90度弯角。图8显示了在90度弯角结构中，为了较好地阻止沉积的形成所用的结构规则或者设计规则。具体实施例方式下面将参考附图1-3对典型的现有技术中的局限性作出更具体的解释。附图1A显示了包含水/油/微粒等杂质的空气流体F流过典型IP调节器的出口部位的情况。受冲击的第一节流口或喷嘴D1被固定，在这种情况下，其横向尺寸为0.25mm。即使该喷嘴相对很窄，通常也不会造成受污染的供给空气在IP-阀中的重要部件上形成沉积的问题。第二节流口D2位于出口处，如图所示，在挡板100和阀体101之间具有宽度X可变化的一个间隙。间隙宽度X由于作用在挡板臂103上的作用力102而发生变化，该作用力使得挡板臂103围绕其旋转支点104转动一个微小的角度。X值通常非常小，在10-40μm的范围内。当宽度X变化时，气流发生变化，从而使压力Pst也发生相应的变化。该压力可以输送至下述的“增压器”或空气放大器(未示出)。空气放大器随后输送具有一定压力和速率的气流用以控制大型的气动执行机构等。附图1B显示了空气和微粒流体以直角通过可变宽度为X的间隙离开出口进入大气前，在横向尺寸为D2的圆形阀体101内流过的情况。附图2显示了在挡板100和出口2附近的重要区域110上形成膜或层的复杂过程中可能涉及到的一些机械装置。在此类阀中常见的故障表现为在阀座106和/或挡板100上的层105的沉积，当它们彼此接触或者离得非常近时，就会使挡板100粘在阀座106上。通常，调节作用力102和所述压力都没有大到可以使挡板100离开阀座106的程度。粘性的挡板100会造成整个IP调节器的失效，从而导致整个IP调节器的更换。仅仅由于上述故障，使得该存在故障的IP调节器通常被报废。值得注意的是，多年生产和使用这类IP调节器的经验已经显示出，喷嘴D1并不会导致上述问题的发生，而挡板部件100，103则是导致这类问题发生的重要原因。以上所述与在我们的实验室中建立的计算机模拟的流体动力学模型相一致。如附图3所示，该模型已经显示出气流中的绝大部分微粒与挡板100的重要区域110发生撞击，而只有极少数微粒与D1-喷嘴的狭窄通道发生撞击。附图3A显示出计算机模拟的流体动力学(CFD)模型的结果，图示出微粒流体如何随气流由左向右流动并垂直穿过位于阀体101和挡板100之间的狭缝G流向外部的情况。该图对应于附图1B的阀。附图3B图示出微粒如何随流体穿过附图1A中的阀的情况。微粒顺畅地通过横向尺寸为D1的喷嘴。模型中的微粒大小在1.8-20μm之间，模型被建立起来使得微粒撞击壁部并停止在撞击点不再随气流流动。可以看到几乎没有微粒可以穿过挡板间隙G，而几乎所有的微粒都穿过了喷嘴D1而没有撞到其壁上。在喷嘴D1中，一些微粒在进入喷嘴通道D1前撞到竖壁21上，然而，这并不是一个非常重要的区域。流体中所有的空气都被假设由带有至少一对(双)空气过滤器的压缩机供给，模拟的IP调节器也在它的入口处安装有良好的过滤器。尽管阀上都安装了过滤器以阻止微粒进入阀体，但是这种过滤器允许小尺寸的特定微粒通过。将阀体的流体流动通道设计成使得进入阀中的特定微粒沿弧线流动而不会撞到阀壁上的形状是本专利技术的一个主要特征。这主要由流速，微粒的尺寸，流体与微粒的密度差以及该装置的几何形状所决定。附图4为根据本专利技术的MEMS-阀，特别是用于IP调节器的控制阀的第一实施例的示意图。该阀包括由流体通道2连接的流体进口3和流体出口4，以上结构由通过对玻璃和/或硅进行微量切削加工而制造出的结构件5和壁形成。该阀还包括可以设置在至少两个不同位置的激励器1、8、9以用来使流体通道2的流动横截面发生改变。流体进口、出口和通道的几何形状有利于防止流体突然地改变其流动方向使得流体内液滴和/或微粒中的大部分撞击在阀壁上，而这种情况在流体出口和流体通道平行于流体入口而形成的充分单向流动方式中是非常普遍的。流体通道2连接流体入口3和流体出口4。本专利技术的这个实施例为比较理想的解决方案，其使气流具有大半径的曲率。通过使用静电式激励器、热激励器或者压电式激励器弯曲非刚性膜片1，改变流体通道的内横截面Y而使流体通道2形成节流部。如图4所示，在对着流体通道1的底板5C的表面上设有激励器的电极9，激励器的另一个电极8位于膜片1的底部。激励器产生的作用力由与激励器1、8、9相电耦合的控制装置(未示出)给出。本专利技术的第一实施例可以通过一个所谓的三层MEMS工艺实现。中间板5B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阀，如ＩＰ调节器中的控制阀，具有如ＭＥＭＳ－结构，包括由流体通道（２）连接的流体入口（３）和流体出口（４），对玻璃和／或硅进行微量切削加工生产出的壁部和结构（５）构成上述通道和出入口，该阀还包括可被设置在至少两个不同位置处的激励器（１，８，９）以改变流体通道（２）的流动截面，其特征在于：该流体入口，出口及通道的几何结构使得其可以防止流体突然地改变它们的方向，使流体中液滴和／或微粒等杂质的绝大部分撞击到结构的内壁上，该结构可以是满足下列两个极限情况或在它们之间的任何设置形式：ｉ）流体出口与流体入口垂直，流体出口的尺寸大于一个极限值，该极限值Ｌ↓［ｃｒｉｔ］由下式Ｌ↓［ｃｒｉｔ］＝Ｖ↓［１］.ρ↓［ｆ］.ｍ／３.π.μ↓［ｆ］.Δρ.ｄ估算出，其中，Ｖ↓［１］表示进口流体通道（３）的出口 端平均流速，ρ↓［ｆ］表示流体的密度，ｍ表示微粒或液滴的质量，μ↓［ｆ］表示流体的粘度，Δρ表示微粒或液滴与流体的密度差，ｄ表示微粒或液滴的直径，并且ｍ表示微粒的质量或者是由ＣＦＤ－工具（计算机模拟的流体动力学模型）估算出的，ｉｉ） 流体出口与流体通道和流体入口平行设置，呈完全单向流动方式。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K阿斯基尔德特，A尼斯韦恩，OM米德特加德，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]