CN106369207A - 一种微小流量比例控制阀 - Google Patents

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张天平
李沛
杨福全
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Abstract

本发明涉及一种微小流量比例控制阀，属于空间电推进及阀门技术领域。该比例控制阀主要包括进气管、进气法兰、过滤网、导向基座、弹簧、活塞杆、线圈骨架、导磁块、磁致伸缩环、激励磁钢、外套筒、驱动线圈、活塞基座以及出气管；通过调节驱动线圈的输入电流进而改变磁致伸缩环所处环境的磁场强度，磁致伸缩环受驱动磁场的作用而沿其轴向产生应变并通过活塞杆在弹簧上产生反向作用力，当作用力足以抵消弹簧弹力时，活塞杆沿应变作用力方向移动，从而在活塞杆与活塞基座之间产生微小流通流道，实现气体的流通。本发明所述比例控制阀能实现微小流量的精确控制，具有结构紧凑、控制简单、重量轻、无噪声、无振动、功耗低以及安全可靠等优点。

Description

一种微小流量比例控制阀
技术领域
本发明涉及一种实现气体微小流量精确调节的比例控制阀，属于空间电推进及阀门技术领域。
背景技术
电推力器作为先进的空间电推进技术，具有比冲高、寿命长、工作模式可调节等优点，主要用于卫星在轨期间的轨道转移、位置保持、姿态调节和动量轮卸载等空间轨道任务，在国外航天器上已经获得了广泛的应用，取得了显著的技术效益和经济效益。现阶段，卫星在轨的高精度姿轨控机动和无阻尼控制需求对电推进系统贮供单元供气提出了非常严格的要求，传统的利用电爆阀承担高/低压隔离功能，并使用机械调压或机械与电子组合实现调压功能的贮供单元技术方案已无法满足电推进系统使用要求。
比例控制阀是集推进剂隔离、压力调节和流量控制三种功能为一体的多功能阀门，这种阀门不仅极大地简化了电推进系统贮供单元的结构设计与配置，在有效降低整机质量和体积的同时，还能够有效克服电子调压精度低、响应慢以及“Bang-Bang”电磁阀开关工作寿命短、噪声大的缺点，而且比例控制阀工作时也不需其它阀门和增压容器配合，不存在附加质量，是实现电推进系统贮供单元推进剂流量宽范围、高精度和快速稳定调节，及其小型化、轻量化的关键技术，更是重力梯度卫星及全电推进卫星的必备技术之一。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种微小流量比例控制阀，所述比例控制阀能够实现微小流量的精确控制和比例调节功能，具有结构紧凑、重量轻、无噪声、无振动、功耗低以及安全可靠等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种微小流量比例控制阀，所述比例控制阀主要包括进气管、进气法兰、过滤网、导向基座、弹簧、活塞杆、线圈骨架、导磁块、磁致伸缩环、激励磁钢、外套筒、驱动线圈、活塞基座以及出气管；
所述导向基座分为圆形的底盘和圆柱形的导向筒两部分，底盘与导向筒的结合面所在的底盘端面上设有凹槽；
所述活塞杆为中空的回转体，活塞杆一端的外圆周面上设有径向的环形凸起结构，另一端为圆锥形结构，圆锥形结构上设有与活塞杆的空腔贯穿的通孔；
所述活塞基座为回转体，一端设有内凹结构，内凹结构的底部加工有贯穿活塞基座另一端的轴向中心通孔；
进气管穿过进气法兰上的轴向通孔且与进气法兰固定连接；过滤网在进气管的出口端与导向基座的底盘之间，导向基座的底盘与进气法兰固定连接；线圈骨架一端与进气法兰固定连接，另一端与出气管的进口端固定连接；活塞杆穿过线圈骨架，活塞杆的一端嵌套在导向基座的导向筒上，另一端的圆锥形结构与活塞基座的内凹结构配合，活塞基座与出气管的进口端固定连接；弹簧套装在导向基座的导向筒上，一端置于导向基座的底盘凹槽内，另一端与活塞杆相接触；磁致伸缩环套装在活塞杆上，磁致伸缩环的两端分别吸附一块激励磁钢；导磁块的一部分在活塞杆的环形凸起结构与激励磁钢之间，沿径向向外延伸的另一部分与线圈骨架相接触，对活塞杆起到支撑定位的作用；外套筒套装在线圈骨架上，外套筒与线圈骨架的线槽中缠绕驱动线圈。
所述外套筒的材质为不锈钢。
所述活塞基座的材质为聚四氟乙烯。
线圈骨架的线热膨胀系数与磁致伸缩环的线热膨胀系数相接近，二者差值不大于1×10-6μm/K，可有效抑制驱动线圈长时间连续通电后产生的热膨胀应变对磁致伸缩环磁场应变的影响。
有益效果：
(1)由于采用磁致伸缩材料作为核心驱动器，通过利用磁致伸缩材料在外加磁场作用下内部磁畴的磁化方向重新排布产生宏观尺寸变化的特性和微小流量通道的节流作用，在恒定入口气体压力的情况下，通过调节和控制磁致伸缩材料应变量进而改变流道的结构尺寸，实现气体微小流量的精准调节；而且，采用磁致伸缩材料作为核心驱动器，可以在保持磁致伸缩材料结构尺寸较小的情况下，通过改变驱动磁场的强弱来满足不同因变量的需求，从而可在较宽范围内实现微小气体高精度流量调节与控制；
(2)本发明所述比例控制阀能实现微小流量的精确控制和比例调节，具有结构紧凑、加工方便、控制简单、重量轻、无噪声、无振动、功耗低以及安全可靠等优点，可作为氙离子推力器、霍尔推力器等电推力器的推进剂流量控制核心部件或其它需要气体微小流量调节的场合。
附图说明
图1为实施例中所述比例控制阀的结构示意图。
其中，1-进气管，2-进气法兰，3-过滤网，4-导向基座，5-弹簧，6-活塞杆，7-线圈骨架，8-导磁块，9-磁致伸缩环，10-激励磁钢，11-外套筒，12-驱动线圈，13-活塞基座，14-出气管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种微小流量比例控制阀，所述比例控制阀主要包括进气管1、进气法兰2、过滤网3、导向基座4、弹簧5、活塞杆6、线圈骨架7、导磁块8、磁致伸缩环9、激励磁钢10、外套筒11、驱动线圈12、活塞基座13以及出气管14；
所述导向基座4分为圆形的底盘和圆柱形的导向筒两部分，底盘与导向筒的结合面所在的底盘端面上设有凹槽；
所述活塞杆6为中空的回转体，活塞杆6一端的外圆周面上设有径向的环形凸起结构，另一端为圆锥形结构，且圆锥形结构上设有与活塞杆6内部的空腔贯穿的通孔；
所述线圈骨架7中空的回转体，线圈骨架7的一端设有内螺纹，另一端的端面上沿周向设有环形槽，环形槽的内表面上设有螺纹；
所述活塞基座13的材质为聚四氟乙烯；活塞基座13为回转体，一端设有内凹结构，内凹结构的底部加工有贯穿活塞基座13另一端的轴向中心通孔；
所述出气管14的进口端设有外螺纹；
所述外套筒11的材质为不锈钢；
线圈骨架7的线热膨胀系数与磁致伸缩环9的线热膨胀系数的差值为1×10-7μm/K；
进气管1穿过进气法兰2的上轴向通孔且通过钎焊与进气法兰2固连在一起；过滤网3在进气管1的出口端与导向基座4的底盘之间，导向基座4的底盘通过螺钉与进气法兰2固定连接；进气法兰2置于线圈骨架7一端的环形槽内且与线圈骨架7螺纹连接，线圈骨架7的另一端与出气管14的进口端螺纹连接；活塞杆6从线圈骨架7的空腔中穿过，活塞杆6的一端嵌套在导向基座4的导向筒上，另一端的圆锥形结构与活塞基座13的内凹结构配合且活塞杆6圆锥形结构上的通孔与活塞基座13上的轴向中心通孔不贯穿，活塞基座13卡在出气管14进口端的燕尾槽中；弹簧5套装在导向基座4的导向筒上，一端在活塞基座4的底盘凹槽内，另一端与活塞杆6相接触；两块磁致伸缩环9分别套装在活塞杆6上，两个磁致伸缩环9的一端分别吸附一块激励磁钢10，两块磁致伸缩环9的接触面之间放置一块激励磁钢10，且一块激励磁钢10和一块磁致伸缩环9卡在活塞杆6与线圈骨架7之间的空隙内；导磁块8的一部分在活塞杆6的环形凸起结构与激励磁钢10之间，沿径向向外延伸的另一部分导磁块8与线圈骨架7相接触，对活塞杆6起到支撑定位的作用；外套筒11套装在线圈骨架7上，外套筒11与线圈骨架7的线槽中缠绕驱动线圈12；
通过调整进气法兰2与线圈骨架7之间螺纹的拧紧程度实现弹簧5所受预紧压力的调节，通过拧紧出气管14与线圈骨架7之间的螺纹实现活塞杆6的外表面与活塞基座13内表面紧密贴合，满足内漏率要求；上述所有螺纹连接在调整好螺纹拧紧程度后，再采用电子束焊接的方式进行封接，确保本实施例所述比例控制阀的外漏率的要求；
本实施例所述的比例控制阀中的活塞杆6与活塞基座13之间出现微小流通流道时，实现进气管1与出气管14之间气体的连通，即实现气体的流通；具体工作原理如下：
本实施所述比例控制阀处于常闭状态，通过调节驱动线圈12的输入电流进而改变磁致伸缩环9所处环境的磁场强度，磁致伸缩环9受驱动磁场的作用，会出现整体结构伸长的现象，从而沿其轴向产生应变并通过活塞杆6在弹簧5上产生反向作用力；当作用力足以抵消弹簧5弹力时，活塞杆6沿应变作用力方向移动，产生微小位移，从而在活塞杆6与活塞基座13之间产生微小流通流道，实现氙气的流通；在恒定入口气体压力的情况下，通过调节驱动线圈12的电流，控制磁致伸缩环9应变量进而改变流道的结构尺寸，从而实现气体微小流量的精准控制与调节。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微小流量比例控制阀，其特征在于：所述比例控制阀主要包括进气管(1)、进气法兰(2)、过滤网(3)、导向基座(4)、弹簧(5)、活塞杆(6)、线圈骨架(7)、导磁块(8)、磁致伸缩环(9)、激励磁钢(10)、外套筒(11)、驱动线圈(12)、活塞基座(13)以及出气管(14)；
所述导向基座4分为圆形的底盘和圆柱形的导向筒两部分，底盘与导向筒的结合面所在的底盘端面上设有凹槽；
所述活塞杆(6)为中空的回转体，活塞杆(6)一端的外圆周面上设有径向的环形凸起结构，另一端为圆锥形结构，圆锥形结构上设有与活塞杆(6)的空腔贯穿的通孔；
所述活塞基座(13)为回转体，一端设有内凹结构，内凹结构的底部加工有贯穿活塞基座(13)另一端的轴向中心通孔；
进气管(1)穿过进气法兰(2)上的轴向通孔且与进气法兰(2)固定连接；、过滤网(3)在进气管(1)的出口端与导向基座(4)之间，导向基座(4)的底盘与进气法兰(2)固定连接；线圈骨架(7)一端与进气法兰(2)固定连接，另一端与出气管(14)的进口端固定连接；活塞杆(6)穿过线圈骨架(7)，活塞杆(6)的一端嵌套在导向基座(4)的导向筒上，另一端的圆锥形结构与活塞基座(13)的内凹结构配合，活塞基座(13)与出气管(14)的进口端固定连接；弹簧(5)套装在导向基座(4)的导向筒上，一端置于导向基座(4)的底盘凹槽内，另一端与活塞杆(6)相接触；磁致伸缩环(9)套装在活塞杆(6)上，磁致伸缩环(9)的两端分别吸附一块激励磁钢(10)；导磁块(8)的一部分在活塞杆(6)的环形凸起结构与激励磁钢(10)之间，沿径向向外延伸的另一部分与线圈骨架(7)相接触；外套筒(11)套装在线圈骨架(7)上，外套筒(11)与线圈骨架(7)的线槽中缠绕驱动线圈(12)。
2.根据权利要求1所述的一种微小流量比例控制阀，其特征在于：所述外套筒(11)的材质为不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种微小流量比例控制阀，其特征在于：所述活塞基座(13)的材质为聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的一种微小流量比例控制阀，其特征在于：线圈骨架(7)的线热膨胀系数与磁致伸缩环(9)的线热膨胀系数的差值不大于1×10-6μm/K。
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