CN104913097A

CN104913097A - 压电阀

Info

Publication number: CN104913097A
Application number: CN201510346242.0A
Authority: CN
Inventors: 肖国选
Original assignee: 肖国选
Current assignee: Susong Wangtao intelligent fire housekeeper Co., Ltd
Priority date: 2015-06-20
Filing date: 2015-06-20
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2035-06-20
Also published as: CN104913097B

Abstract

本发明涉及一种压电阀，包括阀和驱动电路两部分，所述阀内设置压电驱动片（7），驱动电路控制压电驱动片（7）的动作，通过压电驱动片（7）控制阀门的开启与关闭，其特征在于：所述压电驱动片（7）的一端为自由端，另一端为固定端，该端固定在阀座（4）上，控制压电驱动片（7）的多股导线（13）通过该固定端引出连接至驱动电路，所述压电驱动片（7）的自由端上固定设置密封垫（12），当所述的密封垫（12）关闭先导孔（10）时，所述的阀关闭，当所述的密封垫（12）打开先导孔（10），进而使先导孔（10）导通时，所述的阀导通，在所述的阀芯上腔（2）内固定设置支撑装置（6），该支撑装置（6）与压电驱动片（7）之间设置一微小间隙。

Description

压电阀

技术领域

本发明涉及一种压电阀，包括阀和驱动电路两部分，所述阀内设置压电驱动片，驱动电路控制压电驱动片的动作，通过压电驱动片控制阀门的开启与关闭。

背景技术

使用压电驱动片控制阀门开关动作的压电阀具有耗能低、结构简单、质轻的优点，现有的压电阀通常用压电致动器（压电驱动片也是一种压电致动器）直接控制阀芯的开关动作，在控制小流量或低压力的流体的情况下是可以实现的，但在控制大流量或高压力流体（例如民用自来水）的情况下，则需要压电致动器能够提供大的输出位移和推力，要达到此目的，根据现有技术制作的压电致动器是非常昂贵的，进而导致用其制作的压电阀没有推广普及。

所以要推广普及压电阀，特别是要使平民百姓也能用上压电阀，就必须大幅度地降低压电阀的成本，也就是要大幅度的降低压电阀中压电致动器的成本。

根据现有技术和市场需要，已有厂家推出了自己的压电阀产品，但它们无一例外的价格昂贵，其单价是同规格电磁阀的数十甚至上百倍，并且对所控制的流体也有严格的要求，例如不能用于对自来水的控制，否则所用的压电致动器将会损坏；根据对现有专利的检索结果发现，与压电阀有关的技术均存在与此类似的缺陷。究其原因是由于所用的压电致动器没有很好地绝缘隔离被控制流体介质。

在压电阀的高压力流体应用中，有可能由于压电致动器所驱动的阀芯存在轻微粘连而使压电致动器自身有变形和出力，但没有输出位移，使压电阀的动作不可靠。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种成本低、环保节能、寿命长、工作稳定可靠的压电阀。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电阀，包括阀和驱动电路两部分，所述的阀设置有阀座和上盖，在阀座内设置先导孔、主阀进口和主阀出口，主阀进口连通阀的进口，主阀出口连通阀的出口，主阀进口与主阀出口之间设置挠性膜主阀芯，设置压环把挠性膜主阀芯的周边紧固在阀座上，挠性膜主阀芯与阀座和上盖共同包围形成阀芯上腔，先导孔的一端连通主阀出口或阀的出口，先导孔的另一端连通阀芯上腔，在挠性膜主阀芯或底座内设置平衡孔，平衡孔的一端连通主阀进口或阀的进口，平衡孔的另一端连通阀芯上腔，在阀芯上腔内设置压电驱动片，其特征在于：平衡孔的过流面积不大于先导孔的过流面积，所述压电驱动片的一端为自由端，另一端为固定端，该端固定在阀座上，连接压电驱动片的多股导线通过该固定端引出连接至驱动电路，所述压电驱动片的自由端上固定设置密封垫，当所述的密封垫关闭先导孔时，所述的阀关闭，当所述的密封垫打开先导孔，进而使先导孔导通时，所述的阀导通，在所述的阀芯上腔内固定设置支撑装置，该支撑装置与压电驱动片之间设置一微小间隙。

支撑装置与压电驱动片之间的间隙值为0.1mm～0.3mm，支撑装置至压电驱动片的固定端之间的距离a约为压电驱动片总长度L的1/3～1/2，以提高压电驱动片工作的稳定性和可靠性。

所述的压电驱动片包括弹性基板和压电陶瓷片，在弹性基板的两面或仅一个面设置一片或多片压电陶瓷片，且压电陶瓷片包括单层或多层压电陶瓷体；所述的压电陶瓷片是根据逆压电效应之横效应或电致应变效应工作的；所述的压电驱动片采用通电弯曲变形的工作方式，压电驱动片的固定端部分区段中压电陶瓷片的固定长度b约为1mm～3mm。

所述的压电驱动片的表面由内向外依次包裹高强度绝缘漆层和绝缘弹性胶层，该绝缘弹性胶层应具有良好耐介质侵蚀性能，提高了压电驱动片的适应性，也降低了压电驱动片的装配工艺。

所述的密封垫采用具有良好弹性的橡胶或硅胶材料制作，以提供良好的密封性能。

所述的驱动电路完全采用半导体电子电路设计，无任何机械可动部件，熔断器FU1和熔断器FU2串联在输入电压回路中，整流二极管D1—D4组成桥式整流电路，该桥式整流电路的输出负极接地，电阻R3的一端、电容C1～C3的一端、压电驱动片JZ的一端和场效应三极管VT的源极依次接地，电阻R1～R3依次串联，二极管D6的正极连接在电阻R1和电阻R2之间的连线上，二极管D6的负极连接电容C2和反相器IC的电源端VDD，电容C1和反相器IC的输入端A连接到电阻R2和电阻R3之间的连线上，反相器IC的输出端Y连接场效应三极管VT的栅极，场效应三极管VT的漏极串联电阻R4串联形成放电开关支路，二极管D5串联在电阻R1和电阻R0之间的连线上，且二极管D5的正极连接电阻R1和桥式整流电路的输出正极，二极管D5的负极连接电阻R0，电阻R0的另一端连接电阻R4的一端，先串联后再并联在一起，压电驱动片JZ和电容C3与电阻R4场效应三极管VT串联支路相并联；当所述的输入为直流电压时，驱动电路中不设置整流二极管D1—D4、电容C1和电容C3，以消除不必要的材料消耗。

本发明所述的压电阀所具有的有益效果是：本发明所述的压电阀能够适应大流量或高压力流体介质的控制需要；采用的压电驱动片成本低，大幅度地降低了压电阀的成本；在压电驱动片的外表设置绝缘隔离层，很好地保护了压电驱动片，有利于适应流体介质，延长了压电阀的寿命，也降低了压电驱动片的装配工艺要求，相对于现有的电磁阀，本发明所述的压电阀耗材少，特别是铜的消耗更是大幅度的降低，设置压电驱动片的支撑装置，使压电驱动片的工作稳定可靠。

本发明所述的压电阀设计新颖，实用性强，具有突出的实质性特点和显著的进步，完全能够满足百姓的实际需要。

附图说明

图1a所示为本发明所述压电阀的阀部分的剖面原理图，在该图中，压电阀为关闭状态,且平衡孔设置在阀芯内；

图1b所示为本发明所述压电阀的阀部分的剖面原理图，在该图中，压电阀为关闭状态,且平衡孔设置在阀座内；

图2所示为本发明所述的压电阀在开启状态时的剖面原理图；

图3所示为在弹性基板两侧表面均粘贴压电陶瓷片的压电驱动片示意图；

图4所示为在弹性基板的一侧表面粘贴压电陶瓷片的压电驱动片示意图；

图5所示为所述压电阀的驱动电路的电气原理图；

图6所示为图1a的局部放大图；

其中：1、挠性膜主阀芯 2、阀芯上腔 3、上盖 4、阀座 5、压环 6、支撑装置71、压电陶瓷片 72、弹性基板 7、JZ、压电驱动片 8、主阀进口 9、主阀出口 10、先导孔 11、平衡孔 12、密封垫 13、多股导线 FU1、FU2、熔断器 D1～D6、二极管 R0～R4、电阻 C1～C3、电容 IC、与非门 VT、场效应三极管。

还有，a为支撑装置（6）至压电驱动片（7）的固定端之间的距离，b为压电驱动片（7）的固定端部分区段中压电陶瓷片（71）的固定长度，L为压电驱动片（7）的总长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的压电阀的具体实施方式作进一步说明。

本发明所述的压电阀包括阀和驱动电路两部分。

图1a和图1b分别所示为本发明所述压电阀的阀部分的剖面原理图，压电阀为关闭状态,在图1a中，平衡孔设置在阀芯内，在图1b中，平衡孔设置在阀座内。在图1a和图1b中，所述的阀设置有阀座（4）和上盖（3），在阀座（4）内设置先导孔（10）、主阀进口（8）和主阀出口（9），主阀进口（8）连通阀的进口，主阀出口（9）连通阀的出口，主阀进口（8）与主阀出口（9）之间设置挠性膜主阀芯（1），设置压环（5）把挠性膜主阀芯（1）的周边紧固在阀座（4）上，挠性膜主阀芯（1）与阀座（4）和上盖（3）共同包围形成阀芯上腔（2），先导孔（10）的一端连通主阀出口（9）或阀的出口，先导孔（10）的另一端连通阀芯上腔（2），在挠性膜主阀芯（1）或底座（4）内设置平衡孔（11），平衡孔（11）的一端连通主阀进口（8）或阀的进口，平衡孔（11）的另一端连通阀芯上腔（2），在阀芯上腔（2）内设置压电驱动片（7），其特征在于：平衡孔（11）的过流面积不大于先导孔（10）的过流面积，所述压电驱动片（7）的一端为自由端，另一端为固定端，该端固定在阀座（4）上，连接压电驱动片（7）的多股导线（13）通过该固定端引出连接至驱动电路，所述压电驱动片（7）的自由端上固定设置密封垫（12），当所述的密封垫（12）关闭先导孔（10）时，所述的阀关闭，当所述的密封垫（12）打开先导孔（10），进而使先导孔（10）导通时，所述的阀导通。

在所述的阀芯上腔（2）内固定设置支撑装置（6），该支撑装置（6）与压电驱动片（7）之间设置一微小间隙，该间隙值为0.1mm～0.3mm，支撑装置（6）至压电驱动片（7）的固定端之间的距离a约为压电驱动片（7）总长度L的1/3～1/2，从而提高压电驱动片（7）工作的稳定性和可靠性。

密封垫（12）采用具有良好弹性的橡胶或硅胶材料制作，以满足关闭先导孔时的密封需要。

如附图3和附图4所示，所述的压电驱动片（7）包括弹性基板（72）和压电陶瓷片（71），在弹性基板（72）的两面或仅一个面设置一片或多片压电陶瓷片（71），且压电陶瓷片（71）包括单层或多层压电陶瓷体；所述的压电陶瓷片（71）是根据逆压电效应之横效应或电致应变效应（有的文献称为电致伸缩效应）工作的；所述的压电驱动片（7）采用通电弯曲变形的工作方式，有关压电驱动片（7）工作性能方面的完整描述已在专利号为ZL 2012 1 0594004.8中提出，在此加以借鉴。

如附图1a、附图3附图4和附图6所示，压电驱动片（7）的固定端部分区段中压电陶瓷片（71）的固定长度b约为1mm～3mm，有利于发挥压电驱动片（7）的出力。

所述的压电驱动片（7）的表面由内向外依次包裹高强度绝缘漆层和绝缘弹性胶层，该绝缘弹性胶层应具有良好耐介质侵蚀性能，在不影响压电驱动片（7）工作性能的前提下，使压电驱动片（7）与被控制流体介质很好的绝缘隔离，提高了压电驱动片（7）的适应性，经过绝缘隔离处理后的压电驱动片已经成为单独的装配组件，所以装配容易，进而也降低了压电驱动片（7）的装配工艺要求。

如附图5所示，所述的驱动电路完全采用半导体电子电路设计，无任何机械可动部件，其特征在于：熔断器FU1和熔断器FU2串联在输入电压回路中，整流二极管D1—D4组成桥式整流电路，该桥式整流电路的输出负极接地，电阻R3的一端、电容C1～C3的一端、压电驱动片JZ的一端和场效应三极管VT的源极依次接地，电阻R1～R3依次串联，二极管D6的正极连接在电阻R1和电阻R2之间的连线上，二极管D6的负极连接电容C2和反相器IC的电源端VDD，电容C1和反相器IC的输入端A连接到电阻R2和电阻R3之间的连线上，反相器IC的输出端Y连接场效应三极管VT的栅极，场效应三极管VT的漏极串联电阻R4串联形成放电开关支路，二极管D5串联在电阻R1和电阻R0之间的连线上，且二极管D5的正极连接电阻R1和桥式整流电路的输出正极，二极管D5的负极连接电阻R0，电阻R0的另一端连接电阻R4的一端，先串联后再并联在一起，压电驱动片JZ和电容C3与电阻R4场效应三极管VT串联支路相并联；当所述的输入为直流电压时，驱动电路中不设置整流二极管D1—D4、电容C1和电容C3，以消除不必要的材料消耗。当然，此电路总体方案也已在专利号为ZL 2012 1 0594004.8中提出，在此加以借鉴，其中电阻R0为缓冲电阻。

以控制自来水为例，本发明所述的压电阀的工作原理为：

如附图1a和附图1b所示，此时压电驱动片（7）没有通电，压电驱动片（7）没有产生变形而使密封垫（12）封闭导阀孔（10），主阀进口（8）处的水经平衡孔（11）进入阀芯上腔（2），此时阀芯上腔（2）内的压力大于主阀出口（9）处的压力，从而使挠性膜主阀芯（1）封闭主阀出口（9），截断水流，阀门处于关闭状态。

如附图2所示，当压电驱动片（7）通电后，压电驱动片（7）产生弯曲变形而带动密封垫（12）离开导阀孔（10），从而打开导阀孔（10），阀芯上腔（2）通过导阀孔（10）与主阀出口（9）连通，阀芯上腔（2）内的压力降低，阀芯上腔（2）内的水通过导阀孔（10）流进主阀出口（9），主阀进口（8）处水的压力大于阀芯上腔（2）内的压力且方向朝上，从而推动挠性膜主阀芯（1）产生向上的挠曲变形，使挠性膜主阀芯（1）打开主阀出口（9），水从进水口经主阀进口（8）进入主阀出口（9），最后从出水口流出，如附图2中弯曲箭头所指示的方向，阀门处于开启状态。

当压电驱动片（7）断电后，驱动电路中的场效应三极管VT立刻泄放掉压电驱动片（7）中存储的电荷，压电驱动片（7）带动密封垫（12）恢复到附图1a和附图1b所示的状态，进而使密封垫（12）封闭导阀孔（10），此时阀芯上腔（2）内的压力大于主阀出口（9）处的压力，主阀进口（8）处的水平衡孔（11）进入阀芯上腔（2），推动挠性膜主阀芯（1）产生向下的挠曲变形，直到使挠性膜主阀芯（1）封闭主阀出口（9）的状态，阀门处于关闭状态。

先导孔（10）的横截面积远小于主阀进口（8）和主阀出口（9）的横截面积，所以通过主阀进口（8）和主阀出口（9）的流体流量和压力远大于通过先导孔（10）的流体流量和压力，也就是压电驱动片（7）以较小的出力和位移控制大流量和高压力的流体，所以压电驱动片（7）的成本很低。

根据专利号为ZL 2012 1 0594004.8的叙述和针对压电阀的研究以及结合本发明所述方案发现，与现有的同规格电磁阀相比，压电阀的稳态功耗几乎可以忽略不计，但成本差别不大。

压电驱动片（7）的固定端部分区段中压电陶瓷片（71）的固定长度b约为1mm～3mm，b值过大将会影响压电驱动片（7）的输出位移，b值过小对增强压电驱动片（7）的出力效果不大。

还有，在工作过程中，如果压电驱动片（7）不能带动密封垫（12）离开先导孔（10），则压电驱动片（7）的自身将会产生弯曲变形，以附图1a所示为例，压电驱动片（7）将会呈现凹面朝上的形状，且中间部分将会向下移动，当碰触到支撑装置（6）时，由于支撑装置（6）对压电驱动片（7）的支撑作用，从而增大了压电驱动片（7）自由端的出力，进而带动密封垫（12）离开先导孔（10），提高了压电阀动作的可靠性。

支撑装置（6）距离压电驱动片（7）的固定端和自由端越近，则支撑装置（6）的支撑效果越差。

最后，以上实施例所述的压电阀为常闭阀，根据本发明所述的技术方案还可以实现常开阀，也就是平时阀门是开启的，当压电驱动片（7）得到驱动电压时阀门关闭，当然，技术人员在明白本发明所述的技术方案的情况下，此实施例也是显而易见的。

当然，在不脱离本发明的框架的情况下，还可以有其它的选择和发展以及我们能够预想得到的等效装置。

Claims

1.一种压电阀，包括阀和驱动电路两部分，所述的阀设置有阀座（4）和上盖（3），在阀座（4）内设置先导孔（10）、主阀进口（8）和主阀出口（9），主阀进口（8）连通阀的进口，主阀出口（9）连通阀的出口，主阀进口（8）与主阀出口（9）之间设置挠性膜主阀芯（1），设置压环（5）把挠性膜主阀芯（1）的周边紧固在阀座（4）上，挠性膜主阀芯（1）与阀座（4）和上盖（3）共同包围形成阀芯上腔（2），先导孔（10）的一端连通主阀出口（9）或阀的出口，先导孔（10）的另一端连通阀芯上腔（2），在挠性膜主阀芯（1）或底座（4）内设置平衡孔（11），平衡孔（11）的一端连通主阀进口（8）或阀的进口，平衡孔（11）的另一端连通阀芯上腔（2），在阀芯上腔（2）内设置压电驱动片（7），其特征在于：平衡孔（11）的过流面积不大于先导孔（10）的过流面积，所述压电驱动片（7）的一端为自由端，另一端为固定端，该端固定在阀座（4）上，连接压电驱动片（7）的多股导线（13）通过该固定端引出连接至驱动电路，所述压电驱动片（7）的自由端上固定设置密封垫（12），当所述的密封垫（12）关闭先导孔（10）时，所述的阀关闭，当所述的密封垫（12）打开先导孔（10），进而使先导孔（10）导通时，所述的阀导通；在所述的阀芯上腔（2）内固定设置支撑装置（6），该支撑装置（6）与压电驱动片（7）之间设置一微小间隙。

2.根据权利要求1所述的压电阀，其特征在于：支撑装置（6）与压电驱动片（7）之间的间隙值为0.1mm～0.3mm，支撑装置（6）至压电驱动片（7）的固定端之间的距离a约为压电驱动片（7）总长度L的1/3～1/2。

3.根据权利要求1所述的压电阀，其特征在于：所述的压电驱动片（7）包括弹性基板（72）和压电陶瓷片（71），在弹性基板（72）的两面或仅一个面设置一片或多片压电陶瓷片（71），且压电陶瓷片（71）包括单层或多层压电陶瓷体；所述的压电陶瓷片（71）是根据逆压电效应之横效应或电致应变效应工作的；所述的压电驱动片（7）采用通电弯曲变形的工作方式，压电驱动片（7）的固定端部分区段中压电陶瓷片（71）的固定长度b约为1mm～3mm。

4.根据权利要求1或3所述的压电阀，其特征在于：所述的压电驱动片（7）的表面由内向外依次包裹高强度绝缘漆层和绝缘弹性胶层。

5.根据权利要求1所述的压电阀，其特征在于：所述的密封垫（12）采用具有良好弹性的橡胶或硅胶材料制作。

6.根据权利要求1所述的压电阀，所述的驱动电路完全采用半导体电子电路设计，无任何机械可动部件，其特征在于：熔断器FU1和熔断器FU2串联在输入电压回路中，整流二极管D1—D4组成桥式整流电路，该桥式整流电路的输出负极接地，电阻R3的一端、电容C1～C3的一端、压电驱动片JZ的一端和场效应三极管VT的源极依次接地，电阻R1～R3依次串联，二极管D6的正极连接在电阻R1和电阻R2之间的连线上，二极管D6的负极连接电容C2和反相器IC的电源端VDD，电容C1和反相器IC的输入端A连接到电阻R2和电阻R3之间的连线上，反相器IC的输出端Y连接场效应三极管VT的栅极，场效应三极管VT的漏极串联电阻R4串联形成放电开关支路，二极管D5串联在电阻R1和电阻R0之间的连线上，且二极管D5的正极连接电阻R1和桥式整流电路的输出正极，二极管D5的负极连接电阻R0，电阻R0的另一端连接电阻R4的一端，先串联后再并联在一起，压电驱动片JZ和电容C3与电阻R4场效应三极管VT串联支路相并联；当所述的输入为直流电压时，驱动电路中不设置整流二极管D1—D4、电容C1和电容C3，以消除不必要的材料消耗。