CN110425333B - 一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀 - Google Patents

一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀，利用形状记忆合金材料应变感知和驱动一体化特征，直接将压差参数与形状记忆合金微丝驱动电流参数关联，即时将压差参数反馈，并驱动阀芯运动调整流道，起到流量控制的作用。本发明相比传统流量控制阀，结构简单，体积和构件复杂程度大幅度降低，尤其适合应用于毫米至微米尺度的微型流道中的流量控制。本发明微型流量控制阀的整体精度达到93％以上，相应频率高，这一技术有望在精密制造、生物医疗等领域获得推广应用。

Description

一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀
技术领域
本发明涉及一种微型流量控制阀，具体为一种基于形状记忆合金智能控制的微米级流量控制阀。
背景技术
流量控制阀是一种采用高精度先导方式控制流量的多功能阀门。该阀体适用于需控制流量和压力的管路之中，可以控制并保持预定流量不变，将过大流量限制在一个预定值范围，并将上游高压适当减低。即使主阀上游的压力发生变化，也不会影响主阀下游的流量。从工作原理上讲，流量控制阀是基于进口与出口压力差，通过改变节流口液阻的大小来控制节流口的流量，从而调节执行元件(液压缸或液压马达)运动速度的阀类。流量控制阀品种主要包括节流阀、调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。
然而，常规的流量控制阀存在一些缺点：
(1)流量控制阀一般有最小工作差的要求，一般产品要求最小工作压差为20KPa，这就要求循环水泵多增加2米水柱的工作扬程。在部分特定的工作场景下，这种流量控制阀的使用就受到较大的限制。
(2)现在的流量控制阀结构主要是由自动阀芯、手动阀芯和显示器组成，具体还包括流量阀机芯、传感器发讯器、电子计算器显示器等部件，工作极其复杂。被测液流经阀门，液流冲击流量机芯内的叶轮，叶轮旋转与传感发讯器感应，使传感器发出与流量成正比的电讯号，流量电讯号通过导线送入电子计算器，经过计算器计算、微处理器处理后，流量值得以测试和反馈。多种信号转换和传输往往带来很多问题，常出现控制不稳或误报等现象。
而对于微通道中的液流流量控制场景，已经明确提出了体积占比小、压差感知精度要求高等特点，传统的流量控制技术和器件显然难以满足要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于形状记忆合金执行元件阀芯的微型流量控制阀，利用形状记忆合金材料应变感知和驱动一体化特征，直接将压差参数与形状记忆合金微丝驱动电流参数关联，即时反馈压差参数，并驱动阀芯运动调整流道，起到流量控制的作用。本发明相比传统流量控制阀，结构简单，体积和构件复杂程度大幅度降低，尤其适合应用于毫米至微米尺度的微型流道中的流量控制。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀，包括液流连接管道、具有双丝对拉式结构的形状记忆合金微丝阀芯和压差测试仪；
所述液流连接管道包括进液流连接管道和出液流连接管道；
所述形状记忆合金微丝阀芯包括阀芯腔、形状记忆合金驱动微丝、阀体、超弹性合金复位微丝和电流源，电流源向形状记忆合金驱动微丝提供电流；阀芯腔同时与进液流连接管道和出液流连接管道连通，阀体设置在阀芯腔内，通过阀体在阀芯腔内的移动调节形状记忆合金微丝阀芯的开度(即调节进液流连接管道和出液流连接管内的流量关系)；形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的一端位置固定，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的另一端分别拉住阀体的两端，通过形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的伸缩驱动阀体在阀芯腔内移动；当电流流经形状记忆合金驱动微丝后，形状记忆合金驱动微丝会产生温度随动，电流值大小与形状记忆合金驱动微丝的温度形成一一对应的关系，由于形状记忆合金本身对温度的记忆特性，形状记忆合金驱动微丝在不同的温度下会变化成对应相应温度的形状，这种变化会牵动阀芯相对阀芯腔移动，进而调节形状记忆合金微丝阀芯的开度；在形状记忆合金驱动微丝变化的过程中，超弹性合金复位微丝起到了弹簧复位的作用，让阀体始终处于一种受力平衡状态，也是让阀体始终处于一种能够被量化监控的环境。
所述压差测试仪对进液流连接管道和出液流连接管道内的液流压力差进行测量。
本方案在实施时，调整电流源提供给由于形状记忆合金驱动微丝的电流大小，就能够调整形状记忆合金驱动微丝的形状进而调节阀体相对阀芯腔的位置，也即调节了形状记忆合金微丝阀芯的开度，调节了进液流连接管道和出液流连接管道内的液流压力差，让电流源提供给形状记忆合金驱动微丝的电流与液流压力差形成了对应关系。通过前期的对应表或者智能学习(比如神经网络等)方法，能够进行可靠的反馈控制，并且能够越发智能。在超弹性合金复位微丝能够提供的调节的范围内，进行高精度的流量控制。
一种优选方案为，所述阀芯腔分为三个空间，分别称为第一空间、第二空间和第三空间，进液流连接管道和出液流连接管道均与第二空间连通，形状记忆合金驱动微丝设置在第一空间内，超弹性合金复位微丝设置在第三空间内；阀体隔断第一空间和第二空间。这是一种比较基本的方案，通过对第二空间和阀体形状或通路设计，能够设计出种类繁多的阀体，可根据需要具体选择。
更为优选的，所述第一空间内安装阀芯的区域为直线滑管机构，在阀芯的移动直线上，第三空间对应位置为截面相同的直线滑管机构；阀芯沿移动直线上的长度大于两个直线滑管机构相对端面之间的间距。该设计可以将形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝分别封闭在第一空间和第三空间内，使得形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝也能够得到比较好的保护；通过阀体的形状设计和位置状态调节实现整个流量控制阀的开度调节。该设计也可以直接采用普通的柱体阀体(不对阀体进行特殊设计)，让第二空间和第三空间连通起来，这样超弹性合金复位微丝会与液体接触到，但是方案整体设计较为简单，当阀体两端分别置于两个直线滑管机构中时，可以让整个流量控制阀的开度为0。当然，具体能够实现何种效果，还要看阀体的可移动范围，具体设计可以参照现有的阀体设计。
优选的，所述形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝分别与阀体两端的几何中心连接，且形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的中心线在同一直线上。该设计是考虑到形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的伸缩变化，让阀体能够稳定移动，便于通过统计或者学习的方法得到电流与压力差的关系。
另一种优选方案为，所述阀芯腔为柱形腔，通过阀体将柱形腔分为两个空间，分别称为干空间和湿空间，进液流连接管道和出液流连接管道均与湿空间连通，形状记忆合金驱动微丝设置在干空间内，超弹性合金复位微丝设置在湿空间内；柱形腔为横截面的形状尺寸保持一致的柱形腔。
更为优选的，所述阀芯腔、进液流连接管道和出液流连接管道为一体成型的十字交叉管结构，通过阀体将纵向管分为两个空间，分别称为干空间和湿空间，形状记忆合金驱动微丝设置在干空间内，超弹性合金复位微丝设置在湿空间内；纵向管将横向管分为两个空间，分别作为进液流连接管道和出液流连接管道，进液流连接管道和出液流连接管道均与湿空间连通。这种设计方案是我们目前比较推崇的方案，由于超弹性合金复位微丝带动下的阀体变化量有限，这种设计一方面简化了产品结构，减小产品尺寸的同时减少了附属设施的配置；另一方面还能够提高流量控制阀的流量调节范围，让形状记忆合金驱动微丝每一点形状记忆都能够产生有效的流量控制。
优选的，所述横向管和纵向管的内径均为d(阀体的直径与纵向管的内径一致，也为d)，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的直径为0.05d～0.2d，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的长度为2d～10d，阀体的长度为1.2d～2d。在产品设计和试验过程中，该范围内的尺寸设计，流量控制的精度更高。
优选的，所述阀体的材质为不导热和不导电的材质，比如不锈钢或陶瓷，所述形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的材质均为镍钛基合金；更为具体的，所述形状记忆合金驱动微丝为Ni50.9Ti49.1，所述超弹性合金复位微丝为Ni50.9Ti49.1。
优选的，所述形状记忆合金驱动微丝的相变温度为50～80℃，超弹性合金复位微丝的相变温度为-30～-10℃，电流源向形状记忆合金驱动微丝提供的电流为60～200mA。
有益效果：本发明提供的微型形状记忆合金双丝流量控制阀，结构简洁、精密度高；可以避免传统的电机或液压式驱动装置适配需求，体积占比极小；操作过程中，阀体位移控制精度可达到0.5微米，信号转换环节少，因此阀芯系统稳定可靠。本发明创造性地提出一种双丝构架，并给出了精确的匹配关系；同时通过建立形状记忆合金驱动材料控制电流与液流压差的相关性，提供了非常直接的控制模型。尽管这一相关性是非线性的，但是却非常稳定；对于设备制造商而言，更加容易把控和保护自己的核心技术。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中包括：1-形状记忆合金驱动微丝；2-超弹性合金复位微丝；3-阀体；4-压差测试仪；5-电流源(驱动电流)；6-出液流连接管道；7-进液流连接管道；P1-进液流连接管道内液体压力；P2-出液流连接管道内液体压力；△P＝P1-P2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀，包括液流连接管道、具有双丝对拉式结构的形状记忆合金微丝阀芯和压差测试仪。
所述液流连接管道包括进液流连接管道和出液流连接管道。
所述形状记忆合金微丝阀芯包括阀芯腔、形状记忆合金驱动微丝、阀体、超弹性合金复位微丝和电流源，电流源向形状记忆合金驱动微丝提供电流；阀芯腔同时与进液流连接管道和出液流连接管道连通，阀体设置在阀芯腔内，通过阀体在阀芯腔内的移动调节形状记忆合金微丝阀芯的开度；形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的一端位置固定，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的另一端分别拉住阀体的两端，通过形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的伸缩驱动阀体在阀芯腔内移动。
所述压差测试仪对进液流连接管道和出液流连接管道内的液流压力差进行测量。
如图1所示，本案设计的阀芯腔、进液流连接管道和出液流连接管道为十字交叉管结构，横向管和纵向管均为圆管，阀体也是圆柱体；通过阀体将纵向管分为两个空间，分别称为干空间和湿空间，形状记忆合金驱动微丝设置在干空间内，超弹性合金复位微丝设置在湿空间内；纵向管将横向管分为两个空间，分别作为进液流连接管道和出液流连接管道，进液流连接管道和出液流连接管道均与湿空间连通。同时，所述形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝分别与阀体两端的几何中心连接，且形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的中心线在同一直线上。设所述横向管和纵向管的内径均为d(阀体的直径与纵向管的内径一致，也为d)，则我们推荐的各个部件设计参数表1。
表1各个部件的设计参数
Figure BDA0002155267780000051
在设计时，特别要注意形状记忆合金驱动微丝、超弹性合金复位微丝之间的长度匹配性，以及微丝直径与驱动电流之间的匹配度。形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的几何尺度可以保持一致，便于设计计算和控制；形状记忆合金驱动微丝是主动控制元件，通过电加热控制温度，调控收缩力值，从而精确控制阀体的位置。超弹性合金复位微丝是约束单元，负责每次任务执行之后的阀体位置归零。驱动电流大小与形状记忆合金驱动微丝的直径有关，丝材越细，驱动电流越小；比如：20微米级别对应60mA左右驱动电流，100微米丝材则对应150mA电流。应用时可根据实际调试数据确定。
一般来说形状记忆合金驱动微丝的有效驱动行程为1～8％，行程越小，器件寿命越高；但为了达到相同的调节量，小的行程会导致整个流量控制阀的阀体长度增大，实际应用可根据需求设计阀芯的整体尺度和驱动行程数值。
本例对液流管路材质无具体要求，压差测试仪的精度要求可根据实际应用需求选择使用。通过压差测试，将测得压差数据转换成指令，指导驱动电源工作；当测量压差低于设定压差，则增加驱动电流，调控阀体位置，使实际压差与设定压差一致；反之则降低驱动电流。系统工作示意图见图1。
下面基于上述基础设计，我们给出一些参数更为具体的实施例，对本发明进行进一步的说明。
我们考虑到形状记忆合金驱动微丝的最佳工作直径为20～100微米，对应的液流通道直径范围在0.1～2mm，因此，本发明设计的微型流量控制系统适用于0.1～2mm的微型液流管道控制。
实施例一
测试对象液流管道的内径为0.5mm，阀芯系统选用Ni50.2Ti49.8形状记忆合金丝材作为驱动元件，Ni50.9Ti49.1形状记忆合金丝材作为超弹性合金复位微丝，直径均为50微米；阀体使用不锈钢材质，内径也是0.5mm。阀门的总行程为0.6mm，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的长度均设计为2cm，阀体总长度(纵向管长度)5cm左右。驱动电流峰值设置为80mA，初始值为0，以20mA/s的速率变化。进行初始态测试发现：初始状态，阀门处于液流管道外，随着电流输入，至25.5mA，阀门启动，进入液流管道，开始调控液流流量；电流升至51.4mA，阀门调整到中段位置，液流压差为输入液压的50％；电流升至68.4mA，阀门完全阻挡液流的流动。电流值与压差的相关性是非线性的，需要通过人工训练获得相关性，用于液体流量的精确控制。获得关系式之后，再次进行测试，实测压差和模型的吻合度良好，精度达到95.2％，相应速率不超过3s，效果优异。
实施例二
测试对象液流管道的内径为0.2mm，阀芯系统选用Ni50.2Ti49.8形状记忆合金丝材作为驱动元件，Ni50.9Ti49.1形状记忆合金丝材作为超弹性合金复位微丝，直径均为20微米；阀体使用不锈钢材质，内径也是0.2mm。阀门的总行程为0.25mm，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的长度均设计为5mm，阀体总长度(纵向管长度)1.5cm左右。驱动电流峰值设置为60mA，初始值为0，以20mA/s的速率变化。进行初始态测试发现：初始状态，阀门处于液流管道外，随着电流输入，至18.5mA，阀门启动，进入液流管道，开始调控液流流量；电流升至33.2mA，阀门调整到中段位置，液流压差为输入液压的50％；电流升至49.6mA，阀门完全阻挡液流的流动。电流值与压差的相关性通过人工训练获得，用于液体流量的精确控制。获得关系式之后，再次进行测试，实测压差和模型的吻合度良好，精度达到93.2％，相应速率不超过3s。
实施例三
测试对象液流管道的内径为1.2mm，阀芯系统选用Ni50.2Ti49.8形状记忆合金丝材作为驱动元件，Ni50.9Ti49.1形状记忆合金丝材作为超弹性合金复位微丝，直径均为150微米；阀体使用不锈钢材质，内径也是1.2mm。阀门的总行程为1.5mm，形状记忆合金驱动微丝和超弹性合金复位微丝的长度均设计为3cm，阀体总长度(纵向管长度)8cm左右。驱动电流峰值设置为200mA，初始值为0，以50mA/s的速率变化。进行初始态测试发现：初始状态，阀门处于液流管道外，随着电流输入，至46.8mA，阀门启动，进入液流管道，开始调控液流流量；电流升至96.7mA，阀门调整到中段位置，液流压差为输入液压的50％；电流升至168.9mA，阀门完全阻挡液流的流动。通过人工训练获得电流值与压差相关性，用于液体流量的精确控制。获得关系式之后，再次进行测试，实测压差和模型的吻合度良好，精度达到96.4％，相应速率不超过5s，效果优异。
从实施例结果来看，应用形状记忆合金这一智能材料的独特属性，开发的双丝智能控制阀芯系统并应用于微型流量阀设计开发，取得非常显著的效果。整体精度达到93％以上，且将稳流系统的尺度范围降至微米级，这一技术有望在精密制造、生物医疗等领域获得推广应用。随着液流管道内径降低，控制精度略有下降，主要是由于液流与管道内表面之间的粘附性产生的影响逐步凸显。通过表面技术优化流体与管道界面，降低粘附，有助于系统进一步优化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微型形状记忆合金双丝流量控制阀，其特征在于：包括液流连接管道、具有双丝对拉式结构的形状记忆合金微丝阀芯和压差测试仪；
所述液流连接管道包括进液流连接管道和出液流连接管道；
所述形状记忆合金微丝阀芯包括阀芯腔、形状记忆合金驱动微丝、阀体、弹性合金复位微丝和电流源，电流源向形状记忆合金驱动微丝提供电流；阀芯腔同时与进液流连接管道和出液流连接管道连通，阀体设置在阀芯腔内，通过阀体在阀芯腔内的移动调节形状记忆合金微丝阀芯的开度；形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的一端位置固定，形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的另一端分别拉住阀体的两端，通过形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的伸缩驱动阀体在阀芯腔内移动；
所述压差测试仪对进液流连接管道和出液流连接管道内的液流压力差进行测量；
所述阀芯腔分为三个空间，分别称为第一空间、第二空间和第三空间，进液流连接管道和出液流连接管道均与第二空间连通，形状记忆合金驱动微丝设置在第一空间内，弹性合金复位微丝设置在第三空间内；阀体隔断第一空间和第二空间；所述第一空间内安装阀芯的区域为直线滑管机构，在阀芯的移动直线上，第三空间对应位置为截面相同的直线滑管机构；阀芯沿移动直线上的长度大于两个直线滑管机构相对端面之间的间距；
所述形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝分别与阀体两端的几何中心连接，且形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的中心线在同一直线上；
所述阀体的材质为不锈钢或陶瓷，所述形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的材质均为镍钛基合金；所述形状记忆合金驱动微丝为Ni50.9Ti49.1，所述弹性合金复位微丝为Ni50.9Ti49.1；所述形状记忆合金驱动微丝的相变温度为50～80℃，弹性合金复位微丝的相变温度为-30～-10℃，电流源向形状记忆合金驱动微丝提供的电流为60～200mA。
2.根据权利要求1所述的微型形状记忆合金双丝流量控制阀，其特征在于：所述阀芯腔为柱形腔，通过阀体将柱形腔分为两个空间，分别称为干空间和湿空间，进液流连接管道和出液流连接管道均与湿空间连通，形状记忆合金驱动微丝设置在干空间内，弹性合金复位微丝设置在湿空间内。
3.根据权利要求1所述的微型形状记忆合金双丝流量控制阀，其特征在于：所述阀芯腔、进液流连接管道和出液流连接管道为十字交叉管结构，通过阀体将纵向管分为两个空间，分别称为干空间和湿空间，形状记忆合金驱动微丝设置在干空间内，弹性合金复位微丝设置在湿空间内；纵向管将横向管分为两个空间，分别作为进液流连接管道和出液流连接管道，进液流连接管道和出液流连接管道均与湿空间连通。
4.根据权利要求3所述的微型形状记忆合金双丝流量控制阀，其特征在于：所述横向管和纵向管的内径均为d，形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的直径为0.05d～0.2d，形状记忆合金驱动微丝和弹性合金复位微丝的长度为2d～10d，阀体的长度为1.2d～2d。
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