CN107461515B - 一种小型直驱式金属密封压电比例阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型直驱式金属密封压电比例阀，采用压电直驱的方式，无需采用放大结构，从而保证了压电驱动器的优点即输出力大、定位精度高的优点，压电驱动器的定位精度可高达在nm量级，此设计与其他发明比，有着可在较宽压力范围内进行高精度、高分辨率的比例流量控制，此外，由于是直驱方式，也可以通过增加密封通过的直径，从而降低所需开启高度的方式来进一步减少压电驱动器长度，实现阀门的小型化。

Description

一种小型直驱式金属密封压电比例阀

技术领域

本发明涉及一种小型直驱式金属密封压电比例阀，适用于低功耗、高精度、高分辨率、微流量、多种工作介质、大压力工作范围的流体控制系统。

背景技术

在微流量比例控制领域，压电驱动器作为一种智能材料执行器，具有位移分辨率高、输出力大、功耗低、响应快等优点，已经成为未来高精度流量控制的首选驱动方式，在无拖曳航天器、全电推平台上都有着广泛的应用前景。但压电陶瓷驱动器输出位移小的问题已成为制约其使用的一个关键瓶颈，一般为1/1000的变形比，如1mm的压电片在最大工作电压下输出位移仅1μm。而有效的密封变形量通常大于0.2mm，这就意味着需增加约20mm的压电驱动器，不容易实现小型化。此外，如果采用机械放大机构，虽然增加了驱动行程，但会不可避免的影响驱动器的响应性能(如损失定位精度)，降低输出力，只能在较低工作压力范围内工作。由于压电驱动器的输出力大，使得金属密封成为可能，金属密封的优点是和普通的非金属密封的方法比，和众多的工作介质有更好的相容性，有更广的使用范围。

申请号为CN201410506958.8的中国专利公开了一种新结构压电开关阀，包括上端盖与下端盖，它的特点是：由电极和压电片通过粘结层组成的悬臂梁一端固定于阀体的一端。压电片通过导线与电源的一极相连而金属电极通过导线与电源的另一极相连。悬臂梁与阀体的内壁有间隙。在阀体内对应于悬臂梁端部的上端盖与下端盖的底面分别设有排气孔与进气孔、导气孔。排、进气孔在开口处分别设有凸台。压电片可为两片，也可以为一片。阀体的上、下端盖的高度也可以不相等，在这种情况下悬臂梁在阀体内的高度随上、下端盖的高度不同而改变。其结构简单，便于批量生产，成本低廉适于在工业自动化领域广泛推广。此压电开关阀的不足之处在于不能实现比例控制；非直驱，采用了放大机构，造成输出力减少，工作压力范围不大；密封力由压电驱动器提供，密封效果不好，不适用于对密封有较高要求的场合。

申请号为CN201420664410.1的中国专利公开了一种压电阀，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，其特征在于：所述压电驱动片的自由端上固定设置密封垫，当密封垫关闭先导孔时，阀关闭，当密封垫打开先导孔，进而使先导孔导通时，所述的阀导通。此压电阀的不足之处在于采用非金属密封，意味着与金属密封相比需增加更长的压电驱动器来克服非金属材料的变形，体积较大，不适合小型化；此外，当用于有腐蚀性的工作介质时，对密封垫材料要求较高，不利于推广。

2013年3期《液压与气动》上，文章《压电比例阀仿真与优化》介绍了一种基于压电双晶片控制的新型压电比例先导阀，并利用FLUENT软件对压电比例阀进行模拟仿真。该阀泵结构的不足之处仍然是非直驱，定位精度低；且压电驱动片处于交变受力状态，使用寿命较低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出一种小型直驱式金属密封压电比例阀，以实现阀门小型化，并提高其使用寿命。

本发明的技术解决方案是：

一种小型直驱式金属密封压电比例阀，包括压板、密封碟簧、衔铁、陶瓷球、阀体、波纹管、驱动器阀体、预紧力碟簧、顶杆、压电驱动器、推块和螺帽，所述的压板靠近衔铁的一面与密封碟簧的一端搭接，压板的一端与阀体固接在一起；密封碟簧另一端与衔铁一端搭接，密封碟簧变形后将为衔铁提供轴向压缩力；衔铁另一端设有凹槽，陶瓷球放在凹槽中；阀体中一端设有密封腔，所述密封碟簧、衔铁、陶瓷球都放在该端的密封腔中，密封碟簧变形后通过衔铁将密封力传递在陶瓷球上，将陶瓷球压在阀体空腔中的圆孔端面上构成金属密封副；阀体的另一端设有驱动腔，两端的空腔通过中间的圆孔相连；阀体上有工作介质入口及工作介质出口；

波纹管一端与驱动器阀体固接，另一端与顶杆固接；预紧力碟簧一端与顶杆搭接，驱动器阀体中设有空腔，预紧力碟簧另一端放在驱动器阀体空腔中的台阶上；驱动器阀体与阀体固接在一起；驱动器阀体一侧开有槽，压电驱动器的引线从槽中引出；压电驱动器一端与顶杆一端搭接在一起，顶杆中另一端部分通过阀体两个空腔中间连接的圆孔；压电驱动器另一端与推块搭接在一起；

驱动器阀体上设有螺纹，螺帽与驱动器阀体上的螺纹螺接在一起，螺帽的一端与推块搭接。

压电比例阀密封部分与驱动部分分离，顶杆一端和陶瓷球之间的距离为2μm～5μm。

压电驱动器不加电的状态下，密封碟簧处于压缩状态，预紧力碟簧处于压缩状态，压电驱动器处于预紧状态。

工作时，工作介质由入口端进入至驱动腔，压电驱动器通电后，压电驱动器发生轴向的变形，压电驱动器驱动顶杆向陶瓷球运动，当顶杆接触到陶瓷球后克服密封碟簧施加在陶瓷球的密封力，将陶瓷球顶开，波纹管阻止工作介质进入压电驱动器端，工作介质通过被顶开的密封口直接进入密封腔，电压大小与压电驱动器变形大小成正比，通过给压电驱动器线性电压，则可以得到线性流量，实现比例控制。

当关闭比例阀时，降低施加在压电驱动器上的电压，顶杆在预紧力碟簧的作用下脱离陶瓷球，陶瓷球在密封碟簧的作用下压紧在阀体的密封口上，实现密封。

调节顶杆与密封球之间的距离的方法为：测量空程时波纹管、驱动器阀体、预紧力碟簧、顶杆、压电驱动器、推块和螺帽装配至一起时的输出距离，然后将整个比例阀装配在一起，通过给驱动器通电，测量衔铁的位移，得到顶杆与陶瓷球之间的距离，通过调节螺帽，进而调节顶杆与陶瓷球之间的距离，重复操作直至顶杆一端和陶瓷球之间的距离为2μm～5μm。

压电比例阀为常闭结构。

顶杆加工完成后还经过表面硬化处理。

陶瓷球的材料为硬质陶瓷，压电驱动器为具有压电功能的陶瓷。

压板、密封碟簧、衔铁、阀体、波纹管、驱动器阀体、预紧力碟簧、顶杆、压电驱动器、推块、螺帽的材料为金属。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用压电直驱的方式，无需采用放大结构，从而保证了压电驱动器的优点即输出力大、定位精度高的优点，如10×10mm的压电堆叠输出力约在4000牛左右；压电驱动器的定位精度可高达在nm量级，此设计与其他发明比，有着可在较宽压力范围内进行高精度、高分辨率的比例流量控制，此外，由于是直驱方式，也可以通过增加密封通过的直径，从而降低所需开启高度的方式来进一步减少压电驱动器长度，实现阀门的小型化；

(2)通常密封变形为0.2mm左右，而现有压电驱动器的输出位移和长度的比值为1/1000，则可以减少大约20mm长度，本发明通过采用压电驱动部分与密封部分分离的结构，不需要压电驱动器为密封提供所需的变形位移，可进一步提高压电驱动器的使用效率，从而大大减小了尺寸，实现了小型化；

(3)本发明包括压力预紧装置，为压电驱动器提供了预紧力，消除了压电驱动器空程，从而提高了压电驱动器的输出位移，此外，压电驱动器在交变力作用下容易失效，而预紧力的存在可以使得压电驱动器避免交变力使用环境，提高其使用寿命；

(4)本发明金属密封的密封力由碟簧提供，和普通的非金属密封的方法比，和众多的工作介质有相容，有更广的使用性，开启力由压电驱动器提供，这两者都有着较大的单位体积输出力，有利于小型化设计；

(5)本发明结构简单、紧凑、可扩展性强；通过研究改进，采用适当优化阀体通孔尺寸、压电驱动器面积、长度即可适用于不同工作压力、不同开度要求的高精度流体比例控制部组件。

附图说明

图1为本发明直驱式金属密封压电比例阀结构示意图；

图2为本发明密封部分结构示意图；

图3为本发明驱动部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明直驱式金属密封压电比例阀结构示意图，主要包括压板1、密封碟簧2、衔铁3、陶瓷球4、阀体5、波纹管6、驱动器阀体7、预紧力碟簧8、顶杆9、压电驱动器10、推块11、螺帽12。其中，陶瓷球4的材料为硬质陶瓷，压电驱动器10为具有压电功能的陶瓷，压板、密封碟簧、衔铁、阀体、波纹管、驱动器阀体、预紧力碟簧、顶杆、压电驱动器、推块、螺帽的材料为金属。

本发明采用压电驱动部分与密封部分分离的结构。如图2所示，密封部分包括压板1、密封碟簧2、衔铁3、陶瓷球4。压板1一端与密封碟簧2搭接，密封碟簧2一端与压板1搭接外，另一端与衔铁3搭接，陶瓷球4放在衔铁3中的凹槽里，陶瓷球在密封碟簧5变形产生的力的作用下与阀体5上的密封口接触构成密封副，阀体5密封端设有空腔，密封碟簧2、衔铁3、陶瓷球4都放置在图2所示的密封腔里。压板1最后与阀体5固接在一起，在固接前可通过调节压板1挤压密封碟簧2的变形量，从而提供不同的密封力，行成可靠密封，阀体5上有入口端、出口端及连通通道，流通路径为从阀体5的入口端到驱动腔。在阀门开启的时候再从驱动腔通过阀体5的密封口，达到出口端。在初始状态时，陶瓷球4在密封碟簧2变形产生的力的作用下处于常闭状态。压板1与阀体5压紧密封碟簧2后，通过焊接或螺接的方式紧固起来。

如图3所示，驱动部分包括阀体5、波纹管6、驱动器阀体7、预紧力碟簧8、顶杆9、压电驱动器10、推块11、螺帽12。阀体5与驱动器阀体7通过焊接或螺接的方式紧固起来。如图2所示，阀体5上与密封腔对应的一侧设置有驱动腔，两个腔体之间有通孔连通。波纹管6一端与驱动器阀体7用焊接方式固接，另一端与顶杆9用焊接方式固接；预紧力碟簧8一端与顶杆9搭接，驱动器阀体7中设有空腔，预紧力碟簧8另一端放在驱动器阀体7空腔中的台阶上。由于压电陶瓷本身硬且脆，这样做的好处是可以使压电陶瓷驱动器10处于受压状态，在工作过程中不会处于交变受力状态；驱动器阀体7与阀体5固接在一起；驱动器阀体7一侧开有槽，压电驱动器10的引线可以从槽中引出；压电驱动器10一端与顶杆9搭接在一起，顶杆9中另一端的一部分通过所述阀体5两腔中间连接的圆孔；压电驱动器10另一端与推块11搭接在一起；驱动器阀体7上设有螺纹，螺帽12与驱动器阀体7上的螺纹螺接在一起，螺帽12的一端与推块11搭接。通过旋紧螺帽12，螺帽12往下运动时将力沿着推动推块11、压电驱动器10、顶杆9传至预紧力碟簧8，预紧力碟簧8变形，同时为压电驱动器10提供预紧力。弹簧预压结构主要具有两个作用：1)为压电驱动器10提供预紧力，从而改善压电驱动器的受力条件；2)消除空程，提压电驱动器高利用率。推块11主要作用是避免螺帽直接接触压电驱动器10，改善压电陶瓷驱动器的初始受力状态。顶杆9的一端穿过阀体5密封腔及驱动腔之间的通孔，顶杆9与陶瓷球4中间的距离为2μm～5μm左右。

安装时，首先将陶瓷球4放入衔铁3凹槽中，然后依次将其及密封碟簧2、压板1放入阀体5中的密封腔中，调解压板1到合适的变形量，为陶瓷球4提供所需的变形量，形成可靠密封，压板1与阀体5压紧密封碟簧2后，通过焊接或螺接的方式紧固起来，这样完成密封端的装配。完成密封端的装配后，先将波纹管6一端与顶杆9用焊接的方法固接在一起，然后将预紧力碟簧8、波纹管6与顶杆9的组合件依次放入驱动器阀体7中，放入之后再将波纹管6剩下一端与驱动器阀体7用焊接的方式固接在一起；接着，依次将压电驱动器10、推块11、螺帽12放入驱动器阀体7，螺帽12与驱动器阀体7用螺纹固接在一起，拧动螺帽12控制预紧力碟簧8变形量，同时也驱动顶杆9穿过阀体5中的通道接近陶瓷球4，使得两者之间的距离为2μm～5μm左右。这样组成完整的直驱式金属密封压电比例阀。

本发明直驱式金属密封压电比例阀的工作过程如下：

压电驱动器10不加电的状态下，密封碟簧2处于压缩状态，预紧力碟簧8处于压缩状态，压电驱动器10处于预紧状态。

给压电驱动器10通电后，压电驱动器10将发生轴向的变形，压电驱动器10将驱动顶杆9向陶瓷球4运动，当顶杆9接触到陶瓷球4后将克服密封碟簧2施加在陶瓷球4的密封力，将陶瓷球4顶开。由于电压越大则压电驱动器10变形越大，电压越小则压电驱动器10变形也相应的越小。因此，可以通过控制电压的大小来控制压电驱动器10输出位移的大小。通过给压电驱动器10线性电压，则可以得到线性流量，实现比例控制流量的目的。当需要更大流量时，则增加施加在压电驱动器10上的电压，当需要降低流量时，则相应减少施加在压电驱动器10上的电压。当需要关闭比例阀时，降低施加在压电驱动器10上的电压，此时顶杆9在预紧力碟簧8的作用下脱离陶瓷球4，而陶瓷球4在密封碟簧2的作用下压紧在阀体5的密封口上，从而实现密封。当驱动电压降至0后，压电驱动器的输出也将回归至零位。

该小型直驱式金属密封压电比例阀结构适用于低功耗、高精度、高分辨率、微流量、多种工作介质、大压力工作范围、微流量的流体控制系统。微流控系统通常需要同时满足小体积、高精度、低功耗的要求。如无拖曳航天器的高精度比例控制、生化领域的微流量控制器等，都对体积和驱动位移输出有一定要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种小型直驱式金属密封压电比例阀，包括阀体(5)，其特征在于，还包括压板(1)、密封碟簧(2)、衔铁(3)、陶瓷球(4)、波纹管(6)、驱动器阀体(7)、预紧力碟簧(8)、顶杆(9)、压电驱动器(10)、推块(11)和螺帽(12)，所述的压板(1)靠近衔铁(3)的一面与密封碟簧(2)的一端搭接，压板(1)的一端与阀体(5)固接在一起；密封碟簧(2)另一端与衔铁(3)一端搭接，密封碟簧(2)变形后将为衔铁(3)提供轴向压缩力；衔铁(3)另一端设有凹槽，陶瓷球(4)放在凹槽中；阀体(5)中一端设有密封腔，所述密封碟簧(2)、衔铁(3)、陶瓷球(4)都放在该端的密封腔中，密封碟簧(2)变形后通过衔铁(3)将密封力传递在陶瓷球(4)上，将陶瓷球(4)压在阀体(5)空腔中的圆孔端面上构成金属密封副；阀体(5)的另一端设有驱动腔，两端的空腔通过中间的圆孔相连；阀体(5)上有工作介质入口及工作介质出口；

波纹管(6)一端与驱动器阀体(7)固接，另一端与顶杆(9)固接；预紧力碟簧(8)一端与顶杆(9)搭接，驱动器阀体(7)中设有空腔，预紧力碟簧(8)另一端放在驱动器阀体(7)空腔中的台阶上；驱动器阀体(7)与阀体(5)固接在一起；驱动器阀体(7)一侧开有槽，压电驱动器(10)的引线从槽中引出；压电驱动器(10)一端与顶杆(9)一端搭接在一起，顶杆(9)中另一端部分通过阀体(5)两个空腔中间连接的圆孔；压电驱动器(10)另一端与推块(11)搭接在一起；

驱动器阀体(7)上设有螺纹，螺帽(12)与驱动器阀体(7)上的螺纹螺接在一起，螺帽(12)的一端与推块(11)搭接。

2.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，压电比例阀密封部分与驱动部分分离，顶杆(9)一端和陶瓷球(4)之间的距离为2μm～5μm。

3.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，压电驱动器(10)不加电的状态下，密封碟簧(2)处于压缩状态，预紧力碟簧(8)处于压缩状态，压电驱动器(10)处于预紧状态。

4.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，工作时，工作介质由入口端进入至驱动腔，压电驱动器(10)通电后，压电驱动器(10)发生轴向的变形，压电驱动器(10)驱动顶杆(9)向陶瓷球(4)运动，当顶杆(9)接触到陶瓷球(4)后克服密封碟簧(2)施加在陶瓷球(4)的密封力，将陶瓷球(4)顶开，波纹管(6)阻止工作介质进入压电驱动器(10)端，工作介质通过被顶开的密封口直接进入密封腔，电压大小与压电驱动器(10)变形大小成正比，通过给压电驱动器(10)线性电压，则可以得到线性流量，实现比例控制。

5.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，当关闭比例阀时，降低施加在压电驱动器(10)上的电压，顶杆(9)在预紧力碟簧(8)的作用下脱离陶瓷球(4)，陶瓷球(4)在密封碟簧(2)的作用下压紧在阀体(5)的密封口上，实现密封。

6.如权利要求2所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，调节顶杆(9)与密封球之间的距离的方法为：测量空程时波纹管(6)、驱动器阀体(7)、预紧力碟簧(8)、顶杆(9)、压电驱动器(10)、推块(11)和螺帽(12)装配至一起时的输出距离，然后将整个比例阀装配在一起，通过给驱动器(10)通电，测量衔铁(3)的位移，得到顶杆(9)与陶瓷球(4)之间的距离，通过调节螺帽(12)，进而调节顶杆(9)与陶瓷球(4)之间的距离，重复操作直至顶杆(9)一端和陶瓷球(4)之间的距离为2μm～5μm。

7.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，压电比例阀为常闭结构。

8.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，顶杆(9)加工完成后还经过表面硬化处理。

9.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，陶瓷球(4)的材料为硬质陶瓷，压电驱动器(10)为具有压电功能的陶瓷。

10.如权利要求1所述的一种小型直驱式金属密封压电比例阀，其特征在于，压板(1)、密封碟簧(2)、衔铁(3)、阀体(5)、波纹管(6)、驱动器阀体(7)、预紧力碟簧(8)、顶杆(9)、压电驱动器(10)、推块(11)、螺帽(12)的材料为金属。