CN111350875A - 一种微流量比例控制阀 - Google Patents

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刘冲
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周雨欣
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Abstract

本发明公开了一种微流量比例控制阀，属于控制阀和微卫星及微推进技术领域，解决了现有微流量控制阀量程大、可调比低、功耗高等问题。该微流量比例控制阀包括阀盖、设有流体出口的阀身、设有流体入口的阀座、位于阀身内部的阀芯组件和压电驱动元件，阀芯组件包括第一阀杆、第二阀杆、第三阀杆和阀芯。通过精确调节施加在压电元件上的电压，压电元件输出不同位移同时输出推力，带动阀芯组件向上移动，阀芯与阀座内孔之间形成节流微通道，实现微流量流体的比例控制。本发明结合压电元件在输出精密位移同时保持高位移分辨率的特点，改变阀门节流微通道的尺寸，实现对微流量流体高可调比精确控制，且具有结构简单、体积小、重量轻、功耗低等优点。

Description

一种微流量比例控制阀
技术领域
本发明涉及一种微流量控制阀，特别涉及一种适用于微卫星及微推进领域的微流量流体高可调比精确控制阀，可用于微流控芯片技术领域。
背景技术
流量控制阀是气液压系统的关键部件之一，其作用是控制流体的流向、流量以及压力。随着气液压技术从传统工业领域不断地向各种新兴技术领域发展，如微流控技术、精密机械与控制技术、化学分析、遗传基因与生物工程等，为了实现对微流量流体的高精度输送和分配控制，对现代流量控制阀的控制精度和调节能力都有了更高的要求。
在微卫星及微推进领域的电推进和冷气推进系统中，推力器需输出毫牛或微牛级的推力，其关键技术之一为微流量流体介质的高可调比连续精确控制。因此，对于一种体积小、重量轻、可调比高、功耗低、响应快、寿命长的微流量流体控制阀的研制需求越来越迫切。
常见的微小流量流体控制阀一般采用电磁铁驱动，将施加在电磁线圈上的电信号转化为电磁力，带动阀芯产生位移，实现流量的控制和调节。但该种阀门存在体积大、发热量大、功耗高、响应速度慢、会产生电磁辐射等缺点，且对于流体流量要求比较严格的情况下，无法达到精确地控制。目前发展的磁致式流量控制阀，以磁致伸缩材料为基础，利用铁磁性物质在外界磁场作用下沿磁感线方向产生变形的原理进行工作。但同传统的电磁阀一样，会产生电磁泄露，同时需要提供产生外加磁场的线圈，功耗较大，由此产生的发热会影响材料本身的精度，进而影响微流量流体的控制精度。
发明内容
本发明的目的在于解决上述缺陷，提供了一种微流量比例控制阀，利用压电元件输出精密位移同时保持高位移分辨率的特点，改变阀门节流微通道的尺寸，实现高可调比的微流量流体的精确控制，以满足推进系统的需求，且阀门整体体积小、重量轻、功耗低。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微流量比例控制阀，包括阀盖、预紧弹簧、设有流体出口的阀身、设有流体入口的阀座和位于阀身内部的阀芯组件。
所述的阀座上端面与阀身下端面之间设有密封元件；所述的阀盖设于阀身上端面，阀盖中部设有通孔结构，用于通过第二阀杆。
所述阀芯组件包括第一阀杆、第二阀杆、第三阀杆和阀芯，第一阀杆、第二阀杆、第三阀杆和阀芯依次呈刚性连接；所述的第二阀杆顶部嵌入第一阀杆内部，底部穿过阀盖后嵌入第三阀杆；所述第三阀杆、阀芯设于阀身内部，第三阀杆与阀身内壁之间设有密封和导向元件；所述阀芯顶端与第三阀杆连接，下端与阀座的内孔之间形成节流微通道，该内孔与流体入口连通。
所述预紧弹簧安装在阀盖内表面与第三阀杆之间，且套装在所述第三阀杆上，预紧弹簧呈预紧状态。
所述的阀杆组件上安装压电元件，压电元件下端固定在阀盖外表面，上端与第一阀杆形成刚性接触，可自由伸缩，且套装在第二阀杆上；所述压电元件与电源控制器连接，压电元件通电时输出的位移和推力直接作用于所述阀芯组件。
进一步的，所述的流体入口垂直设于阀座中部，中心线与阀芯组件中心线共线。
进一步的，所述的流体出口水平设于阀身侧面，与阀身内部腔体相通。
进一步的，所述第二阀杆和阀座材质为工程塑料，其他所述零件材质为金属材料。
进一步的，所述阀芯采用锥形结构，与阀座形成密封时为线接触。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)该阀门由压电元件直接驱动，压电元件位移直接转化为阀芯的位移，由于压电元件具有的纳米级的精密位移输出能力，使得该阀能利用其极高的位移精度改变阀门节流微通道的尺寸，在微位移量程范围内仍能保持极高的可调比。
(2)压电元件由控制电压直接驱动，并且随着驱动电压的改变而快速产生位移的变化，响应频率高，而且其运动刚性和动态稳定性良好，因此该阀的响应速度快、可靠性高、控制简单。
(3)由于压电元件材料轻，且阀门直接由压电原件进行驱动，无需搭载其他中间部件，因此该阀整体结构简单、体积尺寸更小，重量更轻。
(4)由于压电元件的位移输出量与驱动电压成一定比例关系，进而阀芯的开启程度与驱动电压也成一定比例关系，因此，直接采用电压控制，即可实现微流体流量的比例调节功能。
(5)当压电元件静态使用时，即压电元件的位移输出量保持不变时，几乎不产生功耗，因此该阀的整体功耗几乎为零。
附图说明
图1是本发明实施例微流量比例控制阀剖面图；
图2是本发明实施例微流量比例控制阀节流微通道处局部放大结构示意图。
图中：1阀盖；2阀身；3阀座；4第一阀杆；5第二阀杆；6第三阀杆；7阀芯；8预紧弹簧；9压电元件；10流体入口；11流体出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
一种微流量比例控制阀，包括阀盖1、压电元件9、预紧弹簧8、设有流体出口11的阀身2、设有流体入口10的阀座3，和位于阀身内部的阀芯组件。所述阀座3上端面与所述阀身2下端面之间设有密封元件，所述的阀盖1设于阀身2上端面，阀盖1中部设有通孔结构，用于通过第二阀杆5。所述阀芯组件包括第一阀杆4、第二阀杆5、第三阀杆6和阀芯7，所述第一阀杆4、第二阀杆5、第三阀杆6和阀芯7依次呈呈刚性连接，所述的第二阀杆5顶部嵌入第一阀杆4内部，底部穿过阀盖1后嵌入第三阀杆6，所述第三阀杆6、阀芯7设于阀身2内部，所述第三阀杆6与所述阀身2内壁之间设有密封和导向元件，所述阀芯7顶端与第三阀杆6连接，下端与阀座3的流体入口10连通的内孔之间形成节流微通道。所述预紧弹簧8安装在阀盖1内表面与第三阀杆6之间，且套装在所述第三阀杆6，所述预紧弹簧8呈预紧状态，所述的阀杆组件上安装压电元件9，压电元件9下端固定在阀盖1外表面，上端与第一阀杆4形成刚性接触，可自由伸缩，且套装在第二阀杆5上。所述压电元件9与电源控制器连接，压电元件9通电时输出的位移和推力直接作用于所述阀芯组件。
所述的流体入口10垂直设于阀座3中部，中心线与阀芯组件中心线共线。
所述的流体出口11水平设于阀身2侧面，与阀身2内部腔体相通。
所述第二阀杆5和阀座3材质为工程塑料，前者为了保证压电元件处于绝缘状态，后者可与所述阀身2和所述阀芯7之间更好的实现密封，减小漏率，其他所述零件材质为金属材料。
所述阀芯7采用锥形结构，与阀座3形成密封时为线接触。
本具体实施例的工作原理为：该阀在预紧弹簧8的作用下处于常闭状态，流体入口10用于流体的流入，电源控制器给压电元件9施加电压时，压电元件9由于逆压电效应，产生微小变形输出位移，同时输出很大推力，克服预紧弹簧8的预紧力，推动第一阀杆4向上产生位移，第一阀杆4与第二阀杆5之间为刚性连接，从而带动第二阀杆5向上移动，以此类推，驱动阀芯7向上运动，阀芯7与阀座3之间形成节流微通道，从而完成流体的贯通，流体经节流微通道和阀身2流至流体出口11处。去除施加在压电元件9上的电压时，压电元件9伸长的位移恢复到初始状态，阀芯组件在预紧弹簧8的作用下整体向下运动，关闭节流微通道，实现流体的截止。
由于压电元件9具有纳米级的位移分辨率，可根据调整电源控制器输出给压电元件9的电压的大小，调节压电元件9输出的位移，进而控制阀芯组件抬起的高度，改变节流微通道的尺寸，控制流过流体流量的大小，从而实现微流量流体高可调比的连续精确控制。此外，该阀装置还具有响应速度快、体积小、重量轻、功耗低等优点。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微流量比例控制阀，其特征在于，包括阀盖(1)、预紧弹簧(8)、设有流体出口(11)的阀身(2)、设有流体入口(10)的阀座(3)和位于阀身(2)内部的阀芯组件；
所述的阀座(3)上端面与阀身(2)下端面之间设有密封元件；所述的阀盖(1)设于阀身(2)上端面，阀盖(1)中部设有通孔结构，用于通过第二阀杆(5)；
所述阀芯组件包括第一阀杆(4)、第二阀杆(5)、第三阀杆(6)和阀芯(7)，第一阀杆(4)、第二阀杆(5)、第三阀杆(6)和阀芯(7)依次呈刚性连接；所述的第二阀杆(5)顶部嵌入第一阀杆(4)内部，底部穿过阀盖(1)后嵌入第三阀杆(6)；所述第三阀杆(6)、阀芯(7)设于阀身(2)内部，第三阀杆(6)与阀身(2)内壁之间设有密封和导向元件；所述阀芯(7)顶端与第三阀杆(6)连接，下端与阀座(3)的内孔之间形成节流微通道，该内孔与流体入口(10)连通；
所述的所述预紧弹簧(8)安装在阀盖(1)内表面与第三阀杆(6)之间，且套装在所述第三阀杆(6)上，预紧弹簧(8)呈预紧状态；
所述的阀杆组件上安装压电元件(9)，压电元件(9)下端固定在阀盖(1)外表面，上端与第一阀杆(4)形成刚性接触，可自由伸缩，且套装在第二阀杆(5)上；所述压电元件(9)与电源控制器连接，通电时输出的位移和推力直接作用于所述阀芯组件。
2.根据权利要求1所述的一种微流量比例控制阀，其特征在于，所述第二阀杆(5)和阀座(3)材质为工程塑料，其他零件材质为金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种微流量比例控制阀，其特征在于，所述阀芯(7)采用锥形结构，与阀座(3)形成密封时为线接触。
4.根据权利要求1所述的一种微流量比例控制阀，其特征在于，所述的流体入口(10)垂直设于阀座(3)中部，其中心线与阀芯组件中心线共线。
5.根据权利要求1所述的一种微流量比例控制阀，其特征在于，所述的流体出口(11)水平设于阀身(2)侧面，与阀身(2)内部腔体相通。
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