CN112152506A - 一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，包括：超磁致伸缩驱动器；主体与超磁致伸缩驱动器相连；第一腔设于主体，第一腔设有传压介质，且超磁致伸缩驱动器的输出轴伸入第一腔；第一活塞组件设于第一腔且与其滑动密封连接，输出轴与第一活塞组件固连；第二腔设于主体且其第一端与第一腔连通；第三腔设于主体且与第二腔的第二端连通；隔膜设于第三腔且将其分隔成工作腔和容置腔，容置腔与第二腔连通，工作腔设有进口和出口，且进口和出口分别设有第一单向阀和第二单向阀；第二活塞组件，设于容置腔且其第一端滑动密封连接于第二腔，第二活塞组件通过一弹性件使其第二端与隔膜相抵触。该装置流量控制精度高，且体积小、结构简单。

Description

一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置

技术领域

本发明属于流量控制技术领域，尤其涉及一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置。

背景技术

流量控制装置是用于驱动工质流动且控制工质流量大小的装置，今年来，随着技术的不断发展，如今流量控制装置的结构越来越向着节能减排、智能控制、微型化方向发展。类似于液压泵等装置作为液压传动系统中至关重要的器件，它的性能好坏将直接影响整个生产过程，在整个流体机械行业中，对其进行设计分析也是工作重心之一。

在微流量控制领域中，传统的控制装置存在许多不足，而且因其体积庞大、内部结构过于复杂、机械加工难度大，并且对于流量的控制精度较低，从而无法实现对微流量的传输。因此，各行各业尤其是军事、科研、航天等领域对于结构简单、体积小、易加工、可智能控制输出流量的新型微流量泵的研究十分重视，尤其新型医疗设备领域，研发微流量给药装备正成为热点研究方向。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，该装置流量控制精度高，且体积小、结构简单。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，包括：

超磁致伸缩驱动器；

主体，与所述超磁致伸缩驱动器相连；

第一腔，设于所述主体，所述第一腔设有传压介质，且所述超磁致伸缩驱动器的输出轴伸入所述第一腔；

第一活塞组件，设于所述第一腔且与其滑动密封连接，所述输出轴与所述第一活塞组件固连；

第二腔，设于所述主体且其第一端与所述第一腔连通；

第三腔，设于所述主体且与所述第二腔的第二端连通；

隔膜，设于所述第三腔且将其分隔成工作腔和容置腔，所述容置腔与所述第二腔连通，所述工作腔设有进口和出口，且所述进口和所述出口分别设有第一单向阀和第二单向阀；

第二活塞组件，设于所述容置腔且其第一端滑动密封连接于所述第二腔，所述第二活塞组件通过一弹性件使其第二端与所述隔膜相抵触；

工作时，所述输出轴往复伸缩，带动所述第一活塞组件往复滑动以反复压缩所述传压介质，通过所述传压介质传压带动所述第二活塞组件往复滑动以带动所述隔膜振动，所述隔膜振动使所述工作腔体积反复增大、减小；所述工作腔体积增大时，所述第一单向阀打开、所述第二单向阀关闭，工质从所述进口被吸入所述工作腔；所述工作腔体积减小时，所述第一单向阀关闭、所述第二单向阀打开，所述工质从所述出口被排出。

根据本发明一实施例，所述弹性件设于所述容置腔，所述第二活塞组件设有一凸缘，所述容置腔设有一固定部，所述弹性件的两端分别连接于所述凸缘和所述固定部。

根据本发明一实施例，所述固定部为螺纹连接于所述容置腔内壁的紧固圆盘，所述第二活塞组件的第二端穿设于所述紧固圆盘。

根据本发明一实施例，所述第二腔的截面积小于所述第一腔。

根据本发明一实施例，所述第一腔靠近所述第二腔一端的截面积逐渐向所述第二腔减小。

根据本发明一实施例，所述第二腔为通孔。

根据本发明一实施例，所述超磁致伸缩驱动器包括外壳、第一端盖和碟簧，所述第一端盖螺纹连接于所述外壳，所述输出轴穿设且伸出于所述第一端盖，所述碟簧设于所述第一端盖和所述输出轴之间，且所述主体固连于所述第一端盖。

根据本发明一实施例，所述第一单向阀和所述第二单向阀均为盘状阀片，所述进口和所述出口均固设有紧固圆环，所述盘状阀片的阀肩固连于所述紧固圆环的一端面。

根据本发明一实施例，所述传压介质为液压油。

根据本发明一实施例，所述第一腔设有注油口。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明实施例中通过使用超磁致伸缩驱动器作为驱动源，且将超磁致伸缩驱动器输出轴的微位移通过第一活塞组件和第二活塞组件放大以引起隔膜的振动，实现工质的流动和工质流量的控制，使得可控性能更高，对微流量的控制精度更高，且体积小，结构简单。

(2)本发明实施例中固定部为螺纹连接于容置腔内壁的紧固圆盘，通过旋转紧固圆盘即可实现将第二活塞组件的第二端抵触于隔膜，使得安装和拆卸时更加方便。

(3)本发明实施例中第二腔的截面积小于第一腔，使得第二活塞组件可以通过传压介质放大第一活塞组件的位移，以实现放大输出轴的微位移。

(4)本发明实施例中第一腔靠近第二腔一端的截面积逐渐向第二腔减小，以减小传压介质的压力损失，使得流量控制精度更高。

(5)本发明实施例中主体固连于超磁致伸缩驱动器第一端盖上，使得通过旋转第一端盖压紧碟簧与输出杆形成预压力，以形成超磁致伸缩驱动器的预压力机构。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置整体截面图；

图2为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置局部截面图一；

图3为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置局部截面图二；

图4为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置整体外观图；

图5为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置爆炸图；

图6为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置工质吸入示意图；

图7为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置工质排出示意图；

图8为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置的盘状阀片示意图；

图9为本发明的一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置的紧固圆环示意图。

附图标记说明：

1：超磁致伸缩驱动器；2：输出轴；3：第一腔；4：第一活塞组件；5：第二腔；6：隔膜；7：工作腔；8：容置腔；9：进口；10：出口；11：第一单向阀；12：第二单向阀；13：凸缘；14：紧固圆盘；15：外壳；16：第一端盖；17：碟簧；18：盘状阀片；19：紧固圆环；20：阀肩；21：流道；22：注油口；23：驱动线圈；24：线圈骨架；25：相变材料；26：滑动轴承；27：套筒；28：超磁致伸缩材料；29：圆形永磁铁；30：底座；31：出线孔；32：第一壳体；33：第二壳体；34：第三壳体；35：第二端盖；36：第二活塞组件；37：活塞杆；38：导向环；39：弹簧；40：顶杆；41：滑动密封圈；42：弹性垫圈；43：进口导管；44：出口导管；45：密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

参看图1至9，本发明的核心是提供一种基于超磁致伸缩驱动器1的流量控制装置，包括超磁致伸缩驱动器1、主体、第一腔3、第一活塞组件4、第二腔5、第三腔、隔膜6、第二活塞组件36。主体与超磁致伸缩驱动器1相连；第一腔3设于主体，第一腔3设有传压介质，且超磁致伸缩驱动器1的输出轴2伸入第一腔3；第一活塞组件4，设于第一腔3且与其滑动密封连接，输出轴2与第一活塞组件4固连；第二腔5设于主体且其第一端与第一腔3连通；第三腔设于主体且与第二腔5的第二端连通；隔膜6设于第三腔且将其分隔成工作腔7和容置腔8，容置腔8与第二腔5连通，工作腔7设有进口9和出口10，且进口9和出口10分别设有第一单向阀11和第二单向阀12；第二活塞组件36设于容置腔8且其第一端滑动密封连接于第二腔5，第二活塞组件36通过一弹性件使其第二端与隔膜6相抵触。

工作时，超磁致伸缩驱动器1的输出轴2往复伸缩，带动第一活塞组件4在第一腔3中往复滑动以反复压缩传压介质，传压介质受压压力变大，带动第二活塞组件36在第二腔5中往复滑动，第二活塞组件36的第二端反复顶起隔膜6以带动隔膜6振动，隔膜6振动使工作腔7体积反复增大、减小；工作腔7体积增大时，第一单向阀11打开、第二单向阀12关闭，工质从进口9被吸入工作腔7；工作腔7体积减小时，第一单向阀11关闭、第二单向阀12打开，工质从出口10被排出。

通过使用超磁致伸缩驱动器1作为驱动源，且将超磁致伸缩驱动器1输出轴2的微位移通过第一活塞组件4和第二活塞组件36放大以引起隔膜6的振动，实现工质的流动和工质流量的控制，使得可控性能更高，对微流量的控制精度更高，且体积小，结构简单。

下面对本发明的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置作详细说明：

超磁致伸缩驱动器1为通过超磁致伸缩材料28制成的直线驱动器，超磁致伸缩材料28是以焦耳效应为基础的，由稀土金属铽(Tb)、镝(Dy)和金属铁(Fe)组成的合金，是一种换能材料、致动材料、传感材料，也是一种智能材料，被广泛应用于工业和医疗设备领域。在磁场作用时，材料自身会发生晶格变形，也就是说棒材会沿着磁化的方向伸长或者缩短，当外加磁场消失后，其又恢复至原来的形状，此现象被称为线性磁致伸缩。由于超磁致伸缩材料28具有驱动力大(对于直径为50mm的棒可产生60kN以上的驱动力)、响应速度快(微秒级)、精度高(10-1～10-3微米)、可靠性极好(无疲劳和老化)等特性，被广泛应用于换能器、制动器、微动元件控制等领域，在航空航天、精密仪器、军事、声呐、医疗等领域具有广泛的研究应用前景，近年来逐渐成为热门研究的方向。

具体的，参看图1，超磁致伸缩驱动器1包括外壳15、第一端盖16和碟簧17、驱动线圈23、线圈骨架24、相变材料25、输出轴2、滑动轴承26、套筒27、超磁致伸缩材料28、圆形永磁铁29、底座30。第一端盖16螺纹连接于外壳15，输出轴2穿设且伸出于第一端盖16，输出轴2和第一端盖16之间设有滑动轴承26，以使输出轴2可相对第一端盖16滑动。碟簧17设于第一端盖16和输出轴2之间。

超磁致伸缩驱动器1工作时需要对超磁致伸缩材料28提供预压力，因此第一端盖16通过螺纹结构与外壳15相连接，并通过旋转第一端盖16压紧碟簧17，以对输出轴2形成预压力。驱动线圈23缠绕在线圈骨架24上，并从出线孔31处拉出接入外置电源设备中，用以对超磁致伸缩驱动器1进行供电。超磁致伸缩材料28放置于套筒27中，并在材料下方放置直径相当的圆形永磁铁29以进行消除倍频效应。在线圈骨架24和套筒27中间放置相变材料25，吸收超磁致伸缩驱动器1运行中产生的热量，保证工作的平稳性。

当驱动线圈23中通入电流产生磁场后，超磁致伸缩材料28长度变化，使输出轴2产生微小的往复直线运动。通过改变电流大小即可实现调节超磁致伸缩材料28伸缩量，以调节输出轴2的往复直线运动行程。

本实施例中主体固连于第一端盖16。具体的，主体包括第一壳体32、第二壳体33、第三壳体34、第二端盖35。

第一壳体32下端开口，且开口一端设有法兰，通过法兰和螺栓将第一壳体32安装在第一端盖16上。第一壳体32设有第一腔3，且第一壳体32的上部设有部分第二腔5。第一活塞组件4设于第一腔3内，并通过滑动密封圈41与第一腔3内壁滑动密封连接，第一活塞组件4的下端与输出轴2螺纹连接，螺纹连接方便安装和拆卸。第一活塞组件4上部的第一腔3中充满传压介质，本实施例中传压介质为液压油。第一腔3还设有连通外部的注油口22，用于向第一腔3中注射液压油。

第二壳体33的下端通过法兰和螺栓与第一壳体32的上端固连，且第二壳体33和第一壳体32之间通过密封圈45密封。第二壳体33的下部设有部分第二腔5，与第一壳体32上部的部分第二腔5共同组成完整的第二腔5，第二腔5的截面积小于第一腔3，使得第二活塞组件36可以通过液压油放大第一活塞组件4的位移，以实现放大输出轴2的微位移，本实施例中放大比例为10:1。本实施例中，第二腔5为通孔。第二壳体33的上部设有容置腔8，且第二壳体33上端开口。

第三壳体34的下端通过螺栓连接于第二壳体33的上端，且第三壳体34与第二壳体33之间通过该螺栓连接有隔膜6，隔膜6的材料为铍青铜，可柔性上下起伏动作，第三壳体34与第二壳体33之间还设有密封圈45以密封。第三壳体34设有工作腔7，工作腔7和容置腔8通过隔膜6分隔，且工作腔7和容置腔8组成第三腔。

第二活塞组件36的下端为活塞杆37，活塞杆37通过滑动密封圈41滑动密封连接于第二腔5内，且第二腔5上端还设有导向环38，活塞杆37穿设于导向环38，导向环38用于对活塞杆37导向，防止其径向偏移，导致控制精度变差。

弹性件设于容置腔8，本实施例中弹性件为弹簧39，第二活塞组件36中部设有一凸缘13，容置腔8设有一固定部，弹簧39的两端分别固定连接于凸缘13和固定部。

本实施例中固定部为螺纹连接于容置腔8内壁的紧固圆盘14，紧固圆盘14设于凸缘13的上方、隔膜6的下方。紧固圆盘14的两侧分别固连有一弹簧39，弹簧39的另一端固连于凸缘13。第二活塞组件36的第二端为顶杆40，顶杆40穿设于紧固圆盘14，弹簧39施加弹性力给第二活塞组件36使其顶杆40抵触于隔膜6。且优选的紧固圆盘14和顶杆40之间还设有导向环38，用于对顶杆40杆导向，防止其径向偏移，导致控制精度变差。通过弹簧39以及液压油的初始压力使顶杆40抵触于隔膜6，使两者紧密接触，避免因为产生间隙导致整个装置工作失灵。且通过旋转紧固圆盘14即可实现将第二活塞组件36的第二端抵触于隔膜6，使得安装和拆卸时更加方便。

隔膜6的上端面与第三壳体34上端内壁之间还设有弹性垫圈42，防止输出力过大损坏隔膜6。

第三壳体34的上端还设有连通外部工作腔7的进口9和出口10。本实施例中第三壳体34上端还螺纹连接有第二端盖35，第二端盖35中穿设有进口导管43和出口导管44，进口导管43和出口导管44分别连通进口9和出口10，且进口导管43与进口9之间设有第一单向阀11、出口导管44与出口10之间设有第二单向阀12。

本实施例中，第一单向阀11和第二单向阀12均为盘状阀片18，由铍青铜材料制成，参看图6、图7，进口9和出口10均焊接有一紧固圆环19，盘状阀片18的阀肩20固连于紧固圆环19的一端面，也就是说紧固圆环19压紧盘状阀片18的非工作阀肩20，且盘状阀片18中心工作区略大于进口9和出口10的直径。进口9处的盘状阀片18设于紧固圆盘14的上方，出口10处的盘状阀片18设于紧固圆盘14的下方，以使得工作腔7体积增大时，工质流体压力使得进口9的盘状阀片18发生形变，使盘状阀片18的流道21打开，使进口9打开，工质被吸入工作腔7，而此时出口10处的盘状阀片18在压力作用下压紧在紧固圆盘14上不发生形变，出口10关闭；工作腔7体积减小时，工质被挤压产生压力，使得出口10处的盘状阀片18发生形变，使其流道21打开，使出口10打开，工质从出口10流出，而此时进口9处的盘状阀片18在压力作用下压紧在紧固圆盘14上不发生形变，进口9关闭，使得工质进出形成单向流动。

优选的，第一腔3靠近第二腔5一端的截面积逐渐向第二腔5减小，也就是说第一腔3逐渐向第二腔5呈一梯度过渡，使截面积变化更加平稳，以减小液压油的压力损失，使得流量控制精度更高。

下面对本发明工作过程作进一步说明：

首先给超磁致伸缩驱动器1通电，超磁致伸缩材料28长度变化使输出轴2形成直线往复运动，输出轴2带动第一活塞组件4上下往复运动，第一活塞组件4反复压缩液压油，液压油带动第二活塞组件36上下往复运动，第二活塞组件36不断顶起隔膜6使其振动。

当隔膜6向下动作时，工作腔7体积增大，第一单向阀11打开使进口9开启、第二单向阀12关闭使出口10关闭，工质从进口9被吸入工作腔7；当隔膜6向上动作时，工作腔7体积减小，第一单向阀11关闭使进口9关闭、第二单向阀12打开使出口10开启，工质从出口10被排出工作腔7；如此反复达到驱动工质流动的功能。

通过控制超磁致伸缩驱动器1的电流大小来控制超磁致伸缩材料28的伸缩量，从而控制输出轴2、第一活塞组件4、第二活塞组件36的往复行程，进而控制隔膜6的振动幅度，以实现调节工质流量输送大小的功能。

本发明的液压放大式结构利用帕斯卡定律进行线性放大超磁致伸缩驱动器1的微小位移，且通过超磁致伸缩驱动器1中的超磁致伸缩材料28作为驱动材料，与传统的液压、气动相比，可控性能更高，在微流量控制领域精度更高，且体积小，结构简单。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，包括：

超磁致伸缩驱动器；

主体，与所述超磁致伸缩驱动器相连；

第一腔，设于所述主体，所述第一腔设有传压介质，且所述超磁致伸缩驱动器的输出轴伸入所述第一腔；

第一活塞组件，设于所述第一腔且与其滑动密封连接，所述输出轴与所述第一活塞组件固连；

第二腔，设于所述主体且其第一端与所述第一腔连通；

第三腔，设于所述主体且与所述第二腔的第二端连通；

隔膜，设于所述第三腔且将其分隔成工作腔和容置腔，所述容置腔与所述第二腔连通，所述工作腔设有进口和出口，且所述进口和所述出口分别设有第一单向阀和第二单向阀；

第二活塞组件，设于所述容置腔且其第一端滑动密封连接于所述第二腔，所述第二活塞组件通过一弹性件使其第二端与所述隔膜相抵触；

工作时，所述输出轴往复伸缩，带动所述第一活塞组件往复滑动以反复压缩所述传压介质，通过所述传压介质传压带动所述第二活塞组件往复滑动以带动所述隔膜振动，所述隔膜振动使所述工作腔体积反复增大、减小；所述工作腔体积增大时，所述第一单向阀打开、所述第二单向阀关闭，工质从所述进口被吸入所述工作腔；所述工作腔体积减小时，所述第一单向阀关闭、所述第二单向阀打开，所述工质从所述出口被排出。

2.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述弹性件设于所述容置腔，所述第二活塞组件设有一凸缘，所述容置腔设有一固定部，所述弹性件的两端分别连接于所述凸缘和所述固定部。

3.根据权利要求2所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述固定部为螺纹连接于所述容置腔内壁的紧固圆盘，所述第二活塞组件的第二端穿设于所述紧固圆盘。

4.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述第二腔的截面积小于所述第一腔。

5.根据权利要求4所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述第一腔靠近所述第二腔一端的截面积逐渐向所述第二腔减小。

6.根据权利要求4所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述第二腔为通孔。

7.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述超磁致伸缩驱动器包括外壳、第一端盖和碟簧，所述第一端盖螺纹连接于所述外壳，所述输出轴穿设且伸出于所述第一端盖，所述碟簧设于所述第一端盖和所述输出轴之间，且所述主体固连于所述第一端盖。

8.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述第一单向阀和所述第二单向阀均为盘状阀片，所述进口和所述出口均固设有紧固圆环，所述盘状阀片的阀肩固连于所述紧固圆环的一端面。

9.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述传压介质为液压油。

10.根据权利要求9所述的基于超磁致伸缩驱动器的流量控制装置，其特征在于，所述第一腔设有注油口。

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