CN111750160A - 一种高速电磁脉冲气阀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速电磁脉冲气阀装置，在阀体(18)和气室外壳(6)之间有空腔作为气室，进气口(7)用来给空腔通入工作气体，碟状线圈(16)产生的磁场通过不锈钢薄片(13)的扩散时间不足1微秒。将进气口(7)设计在活塞(12)的背面上方，通过活塞(12)上的活塞孔(11)来流动气体，使得活塞(12)两侧的气压差和弹簧(9)的弹性力共同作为活塞(12)向下关闭的恢复力，减少关闭过程的运动时间。通过调节碟状线圈(16)的脉冲电流的大小，可以调节活塞(12)弹开的高度，进而改变活塞(12)开关的运动时间以及进气量的大小。碟状线圈(16)通过不锈钢薄片(13)隔离在气室外，经试验，本气阀可用于氢气等易燃易爆气体的脉冲进气，可承受的气体工作压强超过0.3Mpa。

Description

一种高速电磁脉冲气阀装置
技术领域
本发明涉及电磁气体阀门的技术领域，特别涉及一种高速电磁脉冲气阀装置。
背景技术
传统的电磁气体阀门脉宽通常在几十毫秒以上，当阀门关闭时，喷入的气体早已在真空 腔中扩散均匀。如果需要在更短的时间(如毫秒量级)内喷入一定量的气体，或者在实验操 作之前需要气体分布于真空腔体的局部区域时，这些传统电磁阀门已不能满足需求。
传统电磁阀动作缓慢的原因可以归纳为以下几点：1)传统的直动式电磁阀的动铁芯质 量较大，导致动铁芯的运动响应时间较慢；2)由于缠绕了外部线圈的静铁芯和作为活塞的 动铁芯沿磁场扩散方向的线径通常在几个厘米，导致外部线圈产生的磁场从静铁芯完全扩散 到动铁芯所需的时间达到几百微秒，当停止供电时，动铁芯的响应也会延迟几百微秒。
本发明为脉冲式的电磁气体阀门，目的就是为了能够短时间内向真空腔体(或具有内外 压力差的腔体)中喷入气体，时间达到百微秒量级，使得阀门关闭时气体在真空腔体还未扩 散到其他区域，只局域的存在于某特定位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种高速电磁脉冲气阀装置，主要解决在气阀开关过 程中实现短脉冲进气的问题。
本发明采用的技术方案是：一种高速电磁脉冲气阀装置，在阀体18和气室外壳6之间 有空腔作为气室，进气口7用来给空腔通入工作气体，空腔内有可以上下活动的圆盘状的活 塞12，活塞12的材料为铝以减轻其重量；在弹簧9的作用下，活塞12压在下阀杆21顶端的第二O圈10上，从而断开气室与下阀杆21的气路。弹簧9的松紧程度由弹簧固定座8 的上下位置决定。通过旋转把手1，带动上阀杆2沿着上部外壳3的螺纹通道旋进旋出，即 可调整弹簧固定座8的上下位置，滚珠5用来减小上阀杆2与弹簧固定座8在旋转时的摩擦 力，第一O圈4用来密封上阀杆2与气室外壳6之间的间隙。碟状线圈16安装在阀体18 的凹槽中，凹槽与外部有孔槽可以通过引线17连接在外部接线柱22上。碟形的不锈钢薄片13盖在碟状线圈16上，不锈钢薄片13的内外两侧通过第四O圈15和第三O圈14来压紧 密封，避免外界空气沿着阀体18和气室外壳6的缝隙进入气室。对接法兰20用来与真空腔 的窗口对接，气阀整体随下阀杆21沿着对接法兰20的中心螺纹槽旋进，压紧第五O圈19 实现密封，避免气体沿下阀杆21和对接法兰20的间隙进入真空腔。
快速气阀的工作方式如下：外部的电容电路通过接线柱22给碟状线圈16提供单脉冲电 流，由于不锈钢薄片13的厚度只有0.03mm，通电碟状线圈16产生的磁场能快速穿过不锈 钢薄片13，在活塞12上感应出电流，将质量很轻的铝制活塞12弹开。此时，活塞12与第二O圈10之间有缝隙，从而气室中的气体通过活塞孔11流入下阀杆21的通道，喷入真空 腔内。
碟状线圈16为由铜漆包线密绕而成的单层碟状线圈，内外直径分别为20mm和42mm， 铜漆包线直径为1mm，密绕22圈，安装在气阀中测得的电感5μH，所接外部电路的电容为 200μF。通过选择合适的外部电阻，使得放电为过阻尼放电，得到半高宽约为100μs的单脉 冲电流，因此活塞12受到电磁力向上加速的时间约为200μs。此后，活塞12在弹簧9的弹性力以及活塞12上下两侧气压差的共同作用下减速，并最终向下回落，重新压紧第二O圈10，此时气阀关闭，活塞12上下运动的半高宽时间不超过500μs。
本发明与现有技术相比的优点为：
(1)相比于传统的电磁阀，笨重的柱状活塞(动铁芯)替换成了质量轻且扁平状的铝 制活塞12。相应地，用来驱动动铁芯的螺绕线圈替换成了扁平状的碟状线圈16。碟状线圈 16与活塞12之间的不锈钢薄片13只有0.03mm，线圈产生的磁场通过不锈钢薄片13的扩散时间不足1微秒。
(2)传统电磁阀的进气通路和出气通路均位于动铁芯的一侧，当动铁芯替换成质量很 轻的活塞时，在关闭过程中需要克服进气口背压的阻力，导致关闭时间较长。本气阀将进气 口7设计在活塞12的背面上方，通过活塞12上的活塞孔11来流通气体，使得活塞12两侧 的气压差和弹簧9的弹性力共同作为活塞12向下关闭的恢复力，减少关闭过程的运动时间。
(3)尽管本气阀的进气脉冲只有几百微秒，但是开关的时间和进气量仍然是可调的。 通过调节碟状线圈16的脉冲电流的大小，可以改变活塞12弹开的高度，进而改变活塞12 开关的运动时间以及进气量的大小。而传统的电磁阀中，动铁芯在电磁力的作用下会直接吸 附在缠绕了螺状线圈的静铁芯上，因而动铁芯的弹开高度是固定的。
(4)本气阀的碟状线圈16通过不锈钢薄片13隔离在气室外，经试验，本气阀可用于氢气等易燃易爆气体的脉冲进气，可承受的气体工作压强超过0.3Mpa。
附图说明
图1为本发明高速脉冲气阀的剖面示意图；
图2为本发明高速脉冲气阀的外观示意图；
图3为用于测量活塞弹开时间的开孔气阀；
图4为在不同放电电压下光电探测器测得的光强随时间的变化；
图5为气阀进气量与电容放电电压的关系。
图中附图标记含义为：1-把手；2-上阀杆；3-上部外壳；4-第一O圈；5-滚珠；6-气室外 壳；7-进气口；8-弹簧固定座；9-弹簧；10-第二O圈；11-活塞孔；12-活塞；13-不锈钢薄片； 14-第三O圈；15-第四O圈；16-碟状线圈；17-引线；18-阀体；19-第五O圈；20-对接法兰；21-下阀杆；22-接线柱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种高速电磁脉冲气阀装置，在阀体18和气室外壳6之间有空腔作为气室，进 气口7用来给空腔通入工作气体，空腔内有可以上下活动的圆盘状的活塞12，活塞12的材 料为铝以减轻其重量。在弹簧9的作用下，活塞12压在下阀杆21顶端的第二O圈10上， 从而断开气室与下阀杆21的气路。弹簧9的松紧程度由弹簧固定座8的上下位置决定。通 过旋转把手1，带动上阀杆2沿着上部外壳3的螺纹通道旋进旋出，即可调整弹簧固定座8 的上下位置。滚珠5用来减小上阀杆2与弹簧固定座8在旋转时的摩擦力，第一O圈4用来 密封上阀杆2与气室外壳6之间的间隙。碟状线圈16安装在阀体18的凹槽中，凹槽与外部 有孔槽可以通过引线17连接在外部接线柱22上。碟形的不锈钢薄片13盖在碟状线圈16上， 不锈钢薄片13的内外两侧通过第四O圈15和第三O圈14来压紧密封，避免外界空气沿着 阀体18和气室外壳6的缝隙进入气室。对接法兰20用来与真空腔的窗口对接，气阀整体随 下阀杆21沿着对接法兰20的中心螺纹槽旋进，压紧第五O圈19实现密封，避免气体沿下 阀杆21和对接法兰20的间隙进入真空腔。
快速气阀的工作流程如下：
外部的电容电路通过接线柱22给碟状线圈16提供单脉冲电流，由于不锈钢薄片13的 厚度只有0.03mm，通电碟状线圈16产生的磁场能快速穿过不锈钢薄片13，在活塞12上感应出电流，将质量很轻的铝制活塞12弹开。图1显示的即为活塞12已弹开的状态，此时， 活塞12与第二O圈10之间有缝隙，从而气室中的气体通过活塞孔11流入下阀杆21的通道， 喷入真空腔内。
碟状线圈16为由铜漆包线密绕而成的单层碟状线圈，内外直径分别为20mm和42mm， 铜漆包线直径为1mm，密绕22圈，安装在气阀中测得的电感5μH，所接外部电路的电容为 200μF。通过选择合适的外部电阻，使得放电为过阻尼放电，得到半高宽约为100μs的单脉 冲电流，因此活塞12受到电磁力向上加速的时间约为200μs。此后，活塞12在弹簧9的弹性力以及活塞12上下两侧气压差的共同作用下减速，并最终向下回落，重新压紧第二O圈10，此时气阀关闭，活塞12上下运动的半高宽时间不超过500μs。
为了测得气阀打开到闭合的时间，对气阀做了如图3所示的改造。在气室外壳6和活塞 12上沿径向凿出对穿的直径3mm的孔洞。从图3中左侧发射激光，当活塞12闭合时，激光被活塞12阻挡，不能从右侧孔中射出。当活塞12被弹起时，右侧出射的光强与活塞12 弹起的高度正相关。在右侧出光孔使用光电探测器测量光强，即可得到活塞12上下运动的 特征时间。测试电路为LCR脉冲放电电路，使用脉冲电容器作为储能电容对阀内碟状线圈 16进行放电，使用晶闸管作为开关。脉冲电容器的电容为200μF，电压分别设置为400-480V。测试结果如图4所示，可以看出，活塞12弹开的高度和弹开的时间随着电容放电电压的增大而增加，当电容电压为480V时，活塞12从弹起到关闭的时间约为650μs，半高宽时间不 超过500μs。
将气阀安装在体积为0.06m3、真空度小于1×10-4Pa的真空罐上，气阀的气室气压设 置为1个大气压，外接电路的电容为200μF。通过改变电容的放电电压，可以得到气阀进气 后真空罐内的气压与放电电压的关系，如下图5所示。在相同的气室气压下，放电电压越大， 气阀打开时间越长，进气量就越大。当放电电压为500V时，计算得喷入的气体分子数约为 2×1019个。

Claims (2)

1.一种高速电磁脉冲气阀装置，其特征在于：在阀体(18)和气室外壳(6)之间有空腔作为气室，进气口(7)用来给空腔通入工作气体，空腔内有可以上下活动的圆盘状的活塞(12)，活塞(12)的材料为铝以减轻其质量，在弹簧(9)的作用下，活塞(12)压在下阀杆(21)顶端的第二O圈(10)上，从而断开气室与下阀杆(21)的气路，弹簧(9)的松紧程度由弹簧固定座(8)的上下位置决定，通过旋转把手(1)，带动上阀杆(2)沿着上部外壳(3)的螺纹通道旋进旋出，即可调整弹簧固定座(8)的上下位置，滚珠(5)用来减小上阀杆(2)与弹簧固定座(8)在旋转时的摩擦力，第一O圈(4)用来密封上阀杆(2)与气室外壳(6)之间的间隙，碟状线圈(16)安装在阀体(18)的凹槽中，凹槽与外部有孔槽可以通过引线(17)，连接在外部接线柱(22)上，碟形的不锈钢薄片(13)盖在碟状线圈(16)上，不锈钢薄片(13)的内外两侧通过第四O圈(15)和第三O圈(14)来压紧密封，避免外界空气沿着阀体(18)和气室外壳(6)的缝隙进入气室，对接法兰(20)用来与真空腔的窗口对接，气阀整体随下阀杆(21)沿着对接法兰(20)的中心螺纹槽旋进，压紧第五O圈(19)实现密封，避免气体沿下阀杆(21)和对接法兰(20)的间隙进入真空腔。
2.根据权利要求1所述的一种高速电磁脉冲气阀装置，其特征在于：快速气阀的工作方式如下：外部的电容电路通过接线柱(22)给碟状线圈(16)提供单脉冲电流，由于不锈钢薄片(13)的厚度只有0.03mm，通电碟状线圈(16)产生的磁场能快速穿过不锈钢薄片(13)，在活塞(12)上感应出电流，将质量很轻的铝制活塞(12)弹开，此时，活塞(12)与第二O圈(10)之间有缝隙，从而气室中的气体通过活塞孔(11)流入下阀杆(21)中间的通道，喷入真空腔内；碟状线圈(16)为由铜漆包线密绕而成的单层碟状线圈，内外直径分别为20mm和42mm，铜漆包线直径为1mm，密绕22圈，安装在气阀中测得的电感为5μH，所接外部电路的电容为200μF，通过选择合适的外部电阻，使得放电为过阻尼放电，得到半高宽约为100μs的单脉冲电流，因而活塞(12)受到电磁力向上加速的时间约为200μs，此后，活塞(12)在弹簧(9)的弹性力以及活塞(12)上下两侧气压差的共同作用下减速，并最终向下回落，重新压紧第二O圈(10)，此时气阀关闭，活塞(12)上下运动的半高宽时间不超过500μs。
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