CN111895176A - 一种压电式阀门及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式阀门及其使用方法，包括：出气阀体、压电陶瓷体和进气阀体；进气阀体为圆柱体；进气阀体内，依次设置有相连通的进气管道、压电陶瓷活动腔和阀体安装腔；压电陶瓷体安装于阀体安装腔内；出气阀体为圆柱体；出气阀体内设置有出气管道；出气阀体设置出气管道进气口的一端，设置有出气阀凸出体；其中，压电陶瓷块未通电时，能够封堵出气管道进气口。本发明的阀门，无需螺丝加固，一体性更高，能够满足精密的气流管道控制需求，可解决目前微型气流管道的通断控制问题。

Description

一种压电式阀门及其使用方法

技术领域

本发明属于阀门技术领域，特别涉及一种压电式阀门及其使用方法。

背景技术

在气体介质管道中，需要高精度的控制阀门对流体的流速流量实现有效控制。在诸多精密仪器中，流体管道趋于小型化；例如，在航天器设备研发中，不仅要求气阀具有极高的控制精度和响应速度，也要求气阀具有很高的耐压性和耐久性。此外，受限于管道大小，气阀设计也趋向于更为紧凑的微型化，适用于更精密的设备中。

目前，传统的压电阀门多采用传统工艺制成，结构比较分散，通过大量的螺丝固定，体积偏大，一体性较差，无法达到微型气阀对密封性、响应速度和耐压的需求。

综上，亟需一种新的微型压电式阀门。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电式阀门及其使用方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的阀门，无需螺丝加固，一体性更高，能够满足精密的气流管道控制需求，可解决目前微型气流管道的通断控制问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种压电式阀门，包括：出气阀体、压电陶瓷体和进气阀体；

所述进气阀体为圆柱体；所述进气阀体内，沿预设气体流动方向，依次设置有相连通的进气管道、压电陶瓷活动腔和阀体安装腔；所述阀体安装腔靠近所述压电陶瓷活动腔的一端加工有安装腔台阶面，另一端加工有进气阀台阶面；

所述压电陶瓷体安装于所述阀体安装腔内；所述压电陶瓷体包括：金属壳体、金属垫片、金属悬臂梁和压电陶瓷块，所述金属垫片通过所述金属悬臂梁固定设置于所述金属壳体内，所述压电陶瓷块固定设置于所述金属垫片上；其中，所述压电陶瓷块通电，能够带动金属垫片通过金属悬臂梁振动；所述金属壳体接触所述安装腔台阶面的一端加工有压电陶瓷下台阶面，另一端加工有压电陶瓷上台阶面；所述压电陶瓷上台阶面设置有第一金属电极；所述第一金属电极与所述压电陶瓷块相连接；所述压电陶瓷块的表面与所述压电陶瓷上台阶面平齐；

所述出气阀体为圆柱体；所述出气阀体内设置有出气管道；所述出气阀体设置所述出气管道进气口的一端，设置有出气阀凸出体；所述出气阀凸出体设置所述出气管道进气口的一端加工有出气阀下台阶面，另一端加工有出气阀上台阶面；所述出气阀上台阶面设置有第二金属电极；其中，所述出气阀凸出体安装于所述阀体安装腔内，所述出气阀上台阶面与所述进气阀台阶面接触且固定连接，所述压电陶瓷上台阶面与所述出气阀下台阶面相接触，所述第二金属电极与所述第一金属电极相连接，用于连接外部电源；

其中，所述压电陶瓷块未通电时，能够封堵所述出气管道进气口。

本发明的进一步改进在于，所述压电陶瓷活动腔和所述阀体安装腔均为圆柱状，所述金属壳体为环形金属壳体；所述压电陶瓷活动腔、所述阀体安装腔和所述环形金属壳体的半径尺寸相同。

本发明的进一步改进在于，所述压电陶瓷体具体包括：环形金属壳体、金属垫片、第一金属悬臂梁、第二金属悬臂梁和压电陶瓷块；所述金属垫片通过第一金属悬臂梁和第二金属悬臂梁与所述环形金属壳体固定连接，所述压电陶瓷块固定连接在所述金属垫片上；其中，所述第一金属悬臂梁和所述第二金属悬臂梁关于所述金属垫片的中心对称。

本发明的进一步改进在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极均采用微纳加工工艺制作。

本发明的进一步改进在于，所述第一金属电极包括：第一绝缘涂层和第一金属电极薄膜；所述第一绝缘涂层涂覆在壳体的压电陶瓷上台阶面和悬臂梁上，所述第一金属电极薄膜涂覆在第一绝缘涂层上；所述第二金属电极包括：第二绝缘涂层和第二金属电极薄膜；所述第二绝缘涂层涂覆在出气阀上台阶面上，所述第二金属电极薄膜涂覆在第二绝缘涂层上。

本发明的进一步改进在于，所述出气阀体和所述进气阀体由铝合金材料制成。

本发明的进一步改进在于，还包括：电源，所述电源通过第一金属电极和第二金属电极与所述压电陶瓷块相连接。

本发明的进一步改进在于，所述压电陶瓷活动腔用于给通电状态下压电陶瓷块和垫片的振动提供空间。

本发明的一种压电式阀门的使用方法，包括以下步骤：

压电陶瓷块未通电时，气流通过进气管道进入压电陶瓷活动腔，压电陶瓷块和出气管道的进气口完全贴合，气流无法进入出气管道，实现气流阻断；

压电陶瓷块通电时，在压电效应作用，压电陶瓷块振动，引起金属悬臂梁在压电陶瓷活动腔中产生位移，使得压电陶瓷块与出气管道进气口之间出现缝隙，实现气流导通。

本发明的进一步改进在于，压电陶瓷块通电时，通过第一金属电极和第二金属电极外接电源正极，金属壳体接地，实现压电陶瓷块通电；通过改变压电陶瓷块的供压，改变压电陶瓷块的振动频率，实现阀门的开关以及不同流速的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用直通式柱状气体阀门设计，能够与微型管道更好的贴合，对于管道通断处气密性的保证更高；无需螺丝加固，结构设计一体性更高，阀门本身的气密性也可得到更好的保障。本发明能适用于精密的微型管道气流控制，且可以采用占空比可调的方波信号控制气阀的通断，对于气流量的控制也可以达到更高的标准。

本发明中，阀体安装腔用于给出气阀体、压电陶瓷体、进气阀体安装贴合提供空间，空间大小完全将三者贴合在一起，保证很好的密封效果；安装腔台阶面在安装时和压电陶瓷下台阶面完全贴合，和出气阀体一起夹紧金属壳体，既保证气密性，也能固定金属壳体；压电阀整体安装后，进气阀台阶面刚好和出气阀上台阶面完全贴合；在接口处可用点焊等工艺将整体完全固定。

本发明的电极核心部分采用微纳加工工艺制作，结构紧密，可靠性高，不使用传统的螺丝固定方案。

本发明中，第二金属电极的制作是先在出气阀上台阶面上镀一层绝缘涂层，再在绝缘涂层上镀一层金属电极，既保证贴合时，第二金属电极和第一金属电极导通，也能避免电极和金属外壳导通。

本发明的使用方法，可用于操作本发明的压电式阀门，改变压电陶瓷块的供压方式可以改变压电陶瓷的振动频率，实现阀门的快速开关，实现不同流速的控制，结合反馈电路和闭环控制算法，可实现阀门气流量的高精度控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种毫米级微型压电式阀门的整体结构示意图；

图2是图1中进气阀体的结构示意图；

图3是图1中压电陶瓷体的结构示意图；

图4是图1中出气阀体的结构示意图；

图5是第一金属电极的示意图；

图6是本发明实施例中，理论仿真实验示意图；

图1至图5中，1-出气阀体，2-压电陶瓷体，3-进气阀体，4-进气阀台阶面，5-阀体安装腔，6-安装腔台阶面，7-压电陶瓷活动腔，8-进气管道，9-压电陶瓷块，10-压电陶瓷上台阶面，11-第一金属悬臂梁，12-第二金属悬臂梁，13-金属垫片，14-环形金属壳体，15-第一金属电极，16-压电陶瓷下台阶面，17-出气管道，18-出气阀上台阶面，19-第二金属电极，20-出气阀下台阶面面，21-出气阀凸出体，22-第一金属电极薄膜，23-第一绝缘涂层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例的一种毫米级微型压电式阀门，包括：进气阀体3、压电陶瓷体2和出气阀体1；其为一种结合微纳加工工艺制备的高精度毫米级微型压电式阀门。其中，高精度体现在压电陶瓷材料本身的性质，陶瓷的振动频率和施载电压的电压值大小以及频率成正相关。基于此，可以利用闭环控制使得气阀的气流量相对恒定。

请参阅图2，进气阀体3采用铝合金材料，可加工为圆柱体。所述进气阀体3从底端到顶端依次设置有进气管道8、压电陶瓷活动腔7和阀体安装腔5；其中，进气管道8和压电陶瓷活动腔7相连通，压电陶瓷活动腔7用于给通电状态下压电陶瓷块9和金属垫片13的振动提供空间；阀体安装腔5与压电陶瓷活动腔7相连通，阀体安装腔5用于给出气阀体1、压电陶瓷体2、进气阀体3安装贴合提供空间，空间大小完全将三者贴合在一起，保证很好的密封效果；安装腔台阶面6在安装时和压电陶瓷下台阶面16完全贴合，和出气阀体1一起夹紧环形金属壳体14，既保证气密性，也能固定环形金属壳体14；阀体安装腔5开口处连接进气阀台阶面4，压电阀整体安装后，进气阀台阶面4刚好和出气阀上台阶面18完全贴合，再在接口处用点焊等工艺将整体完全固定。

请参阅图3，压电陶瓷体2设计重点分为两部分。一是压电陶瓷结构，环形金属壳体14和出气阀凸出体21在安装时，高度累加刚好和阀体安装腔5的高度相等，且三者半径大小相等，保证安装时的密封性和牢固程度；压电陶瓷上台阶面10、压电陶瓷块9表面高度一致；安装时，两者和出气阀下台阶面面20完全贴合，压电陶瓷块刚好堵住出气管道17。另一种是电极结构的设计，第一金属电极15和第二金属电极19在阀体安装时贴合，再外接引线到电源。

优选的，金属电极的制作采用微纳加工工艺，参见图5，首先在第二金属悬臂梁12和环形金属壳体14连通部分上镀一层纳米级第一绝缘涂层23，再在压电陶瓷块9和第一绝缘涂层23上方镀一层第一金属电极薄膜22并连通第一金属电极15，此金属电极的加工增强了一体性，无需在内部添加引线。

请参阅图4，出气阀体1整体采用合金材料，出气管道17保证气流通过；出气阀凸出体21在安装时和阀体安装腔5内壁紧密贴合；第二金属电极19的制作是先在出气阀上台阶面18上镀一层第二绝缘涂层，再在第二绝缘涂层上镀一层第二金属电极薄膜，既保证贴合时，第二金属电极19和第一金属电极15导通，也避免电极和金属外壳导通；出气阀下台阶面面20和压电陶瓷体2半径相等，安装时既保证完全贴合，也能和进气阀体3共同固定压电陶瓷体2。

本发明阀门的使用过程：本发明装置，在安装在微型管道中时，金属电极外接电源正极信号，整个金属外壳接地，保证压电陶瓷块9能顺利供电，实现控制。

出气阀体1、压电陶瓷体2、进气阀体3安装完成后。压电陶瓷块9未通电条件下，气流通过进气管道8进入压电陶瓷活动腔7；由于压电陶瓷块9和出气管道17完全贴合，气流无法通过出气管道17，导致气流阻断。并且由于气压作用，力作用在金属垫片13表面，促使压电陶瓷块9与出气管道17更加贴合，气密性更好。

在压电陶瓷块9通电条件下，在压电效应作用，压电陶瓷块9会振动，进而引起第一金属悬臂梁11和第二金属悬臂梁12在压电陶瓷活动腔7中产生位移，使得压电陶瓷块9与出气管道17之间出现缝隙，气流通过。改变压电陶瓷块9的供压方式可以改变压电陶瓷的振动频率，实现阀门的快速开关，实现不同流速的控制，结合反馈电路和闭环控制算法，可实现阀门气流量的高精度控制。

请参阅图6，下述是对结构进行理论仿真的实验图，首先参照上述技术方案建立理论模型，输入材料的各种参数，设定腔体压强，给定电压激励信号。为了显示更直观，将进气阀体和压电陶瓷体的部分实体进行隐藏，这部分实体参与计算后，不显示在图中。可以看到，通过给定电压激励后，PZT材料的振动最终转化为位移，向下方偏移，导致气流管道露出，从而实现气阀的打开。

综上，本发明采用的是直通式柱状气体阀门设计，可以与微型管道更好的贴合，对于管道通断处气密性的保证更高。本发明的结构设计一体性更高，阀门本身的气密性也得到更好的保障。本发明核心部分采用微纳加工工艺制作，结构紧密，可靠性高，不使用传统的螺丝固定方案。本发明能适用于精密的微型管道气流控制，且可以采用占空比可调的方波信号控制气阀的通断，对于气流量的控制也可以达到更高的标准。本发明方案合理，有理论支撑，结构简单，结合成熟的微纳加工工艺容易实现。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电式阀门，其特征在于，包括：出气阀体(1)、压电陶瓷体(2)和进气阀体(3)；

所述进气阀体(3)为圆柱体；所述进气阀体(3)内，沿预设气体流动方向，依次设置有相连通的进气管道(8)、压电陶瓷活动腔(7)和阀体安装腔(5)；所述阀体安装腔(5)靠近所述压电陶瓷活动腔(7)的一端加工有安装腔台阶面(6)，另一端加工有进气阀台阶面(4)；

所述压电陶瓷体(2)安装于所述阀体安装腔(5)内；所述压电陶瓷体(2)包括：金属壳体、金属垫片(13)、金属悬臂梁和压电陶瓷块(9)，所述金属垫片(13)通过所述金属悬臂梁固定设置于所述金属壳体内，所述压电陶瓷块(9)固定设置于所述金属垫片(13)上；其中，所述压电陶瓷块(9)通电，能够带动所述金属垫片(13)通过所述金属悬臂梁振动；所述金属壳体接触所述安装腔台阶面(6)的端面加工有压电陶瓷下台阶面(16)，另一端面加工有压电陶瓷上台阶面(10)；所述压电陶瓷上台阶面(10)固定设置有第一金属电极(15)；所述第一金属电极(15)与所述压电陶瓷块(9)相连接；所述压电陶瓷块(9)的表面与所述压电陶瓷上台阶面(10)平齐；

所述出气阀体(1)为圆柱体；所述出气阀体(1)内设置有出气管道(17)；所述出气阀体(1)设置所述出气管道(17)进气口的一端，设置有出气阀凸出体(21)；所述出气阀凸出体(21)设置所述出气管道(17)进气口的端面加工有出气阀下台阶面(20)，另一端面加工有出气阀上台阶面(18)；所述出气阀上台阶面(18)固定设置有第二金属电极(19)；其中，所述出气阀凸出体(21)安装于所述阀体安装腔(5)内，所述出气阀上台阶面(18)与所述进气阀台阶面(4)接触且固定连接，所述压电陶瓷上台阶面(10)与所述出气阀下台阶面(20)相接触，所述第二金属电极(19)与所述第一金属电极(15)相连接，用于连接外部电源；

其中，所述压电陶瓷块(9)未通电时，能够封堵所述出气管道(17)进气口。

2.根据权利要求1所述的一种压电式阀门，其特征在于，所述压电陶瓷活动腔(7)和所述阀体安装腔(5)均为圆柱状，所述金属壳体为环形金属壳体(14)；所述压电陶瓷活动腔(7)、所述阀体安装腔(5)和所述环形金属壳体(14)的半径尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的一种压电式阀门，其特征在于，所述压电陶瓷体(2)具体包括：环形金属壳体(14)、金属垫片(13)、第一金属悬臂梁(11)、第二金属悬臂梁(12)和压电陶瓷块(9)；所述金属垫片(13)通过第一金属悬臂梁(11)和第二金属悬臂梁(12)与所述环形金属壳体(14)固定连接，所述压电陶瓷块(9)固定连接在所述金属垫片(13)上；其中，所述第一金属悬臂梁(11)和所述第二金属悬臂梁(12)关于所述金属垫片(13)的中心对称。

4.根据权利要求1所述的一种压电式阀门，其特征在于，所述第一金属电极(15)和所述第二金属电极(19)均采用微纳加工工艺制作。

5.根据权利要求4所述的一种压电式阀门，其特征在于，所述第一金属电极(15)包括：第一绝缘涂层(23)和第一金属电极薄膜(22)；所述第一绝缘涂层(23)涂覆在壳体的压电陶瓷上台阶面(10)和悬臂梁上，所述第一金属电极薄膜(22)涂覆在第一绝缘涂层(23)上；

所述第二金属电极(19)包括：第二绝缘涂层和第二金属电极薄膜；所述第二绝缘涂层涂覆在出气阀上台阶面(18)上，所述第二金属电极薄膜涂覆在第二绝缘涂层上。

6.根据权利要求1所述的一种压电式阀门，其特征在于，所述出气阀体(1)和所述进气阀体(3)均由铝合金材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种压电式阀门，其特征在于，还包括：

电源，所述电源通过第一金属电极(15)和第二金属电极(19)与所述压电陶瓷块(9)相连接，用于为所述压电陶瓷块(9)供电。

8.根据权利要求1所述的一种压电式阀门，其特征在于，所述压电陶瓷活动腔(7)用于给通电状态下压电陶瓷块(9)和金属垫片(13)的振动提供空间。

9.一种权利要求1所述的压电式阀门的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

压电陶瓷块(9)未通电时，气流通过进气管道(8)进入压电陶瓷活动腔(7)，压电陶瓷块(9)和出气管道(17)的进气口完全贴合，气流无法进入出气管道(17)，实现气流阻断；

压电陶瓷块(9)通电时，在压电效应作用，压电陶瓷块(9)振动，引起金属悬臂梁在压电陶瓷活动腔(7)中产生位移，使得压电陶瓷块(9)与出气管道(17)进气口之间出现缝隙，实现气流导通。

10.根据权利要求9所述的一种压电式阀门的使用方法，其特征在于，

压电陶瓷块(9)通电时，通过第一金属电极(15)和第二金属电极(19)外接电源正极，金属壳体接地，实现压电陶瓷块(9)通电；

通过改变压电陶瓷块(9)的供压，改变压电陶瓷块(9)的振动频率，实现阀门的开关以及不同流速的控制。

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