CN114017542A - 一种高压气体微流控制压电阀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压气体微流控制压电阀，包括振子、进气块和出气块，进气块沿轴向开有进气孔；出气块与进气块套接，沿轴向开有出气孔；振子包括压电陶瓷片和框架，框架中心有一圆盘，圆盘与外圈通过一条过圆心的横梁连接，压电陶瓷片钎焊在圆盘上；振子设置在进气块和出气块之间，压电陶瓷片覆盖在出气孔上；压电陶瓷片的两极分别与进气块和出气块表面的导电涂层形成电通路，进气块和出气块之间通过涂覆绝缘材料保证电位独立；通过向压电陶瓷片施加正、反向电压驱动压电陶瓷片阻塞或打开气路。本发明，能够满足用于高压气体微流控制的阀门体积小、响应快、精度高的要求。
Description
技术领域
本发明属于航空航天系统技术领域，是一种用于高压气体微流控制的微型阀门。
背景技术
在航空航天系统技术领域，高压气体微流控制是一项重要的技术。用于高压气体微流控制的阀门，需要体积小，响应快，精度高，普通阀门难以满足以上要求。
1880年居里兄弟发现了压电效应，自上世纪40年代以来压电陶瓷材料获得了广泛的应用。使用电信号对压电陶瓷进行控制，可以做到响应快、精度高。只是压电陶瓷变形幅度相对较小，解决的方式通常有两类：一类是将多个压电陶瓷单元进行堆叠来放大变形，另一类是在弹性梁两侧对称安置压电陶瓷单元，一侧压电陶瓷单元收缩而另一侧膨胀使弹性梁产生弯曲从而放大变形。从结构上讲，这两类方式均不太利于将阀体做的很小，而体积小往往是航空航天系统技术领域里一个很常见的要求。
本产品用压电陶瓷制成振子，通过振动控制气流。目前国内尚未有与本产品原理相同的产品。国外有基本原理相同的产品，但因要求更高，用本产品结构无法达到要求，所以也未见结构实现方式类似的产品。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高压气体微流控制压电阀，能够满足用于高压气体微流控制的阀门体积小、响应快、精度高的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高压气体微流控制压电阀，包括振子、进气块和出气块。
所述的进气块沿轴向开有进气孔；所述的出气块与进气块套接，沿轴向开有出气孔；所述的振子包括压电陶瓷片和框架，所述的框架外圈为圆环结构，中心有一用于放置压电陶瓷片的圆盘，圆盘与外圈通过一条过圆心的横梁连接，所述的压电陶瓷片钎焊在所述的圆盘上；所述的振子设置在进气块和出气块之间，压电陶瓷片覆盖在出气孔上；所述的框架在金属基材上涂覆绝缘涂层，绝缘涂层上涂有导电层，将压电陶瓷片的两极分别引至进气块和出气块，与进气块和出气块表面的导电涂层形成电通路；进气块和出气块之间通过涂覆绝缘材料保证电位独立；通过向压电陶瓷片施加正、反向电压驱动压电陶瓷片阻塞或打开气路。
所述的框架在金属基材上涂有三氧化二铝或氧化锆涂层作为绝缘涂层，绝缘涂层上涂有导电的银或铜涂层。
所述的进气块外表镀有银或铜涂层；进气端端面开有螺纹孔，孔末连接进气孔，用于安装气路接头；另一端面开有与出气块套接的圆柱凹槽，凹槽与进气孔之间还有一个空腔作为储气室，储气室底与进气孔相连。
所述的进气块圆柱凹槽涂覆漆包线漆，使进气块与出气块之间电位独立。
所述的框架与进气块圆柱凹槽内底面之间设置有弹性材料制成的鞍垫，用于补偿装配间隙，将相关各零件压紧。
所述的出气块外表镀有银或铜涂层，出气端端面开有螺纹孔，孔末连接出气孔，用于安装气路接头；另一端面开有与进气块套接及对振子轴向限位的圆形凸台。
所述的出气块圆形凸台侧壁涂覆三氧化二铝或氧化锆涂层，保证出气块与进气块之间电位独立，圆形凸台顶面涂有导电的银或铜涂层，以提高与振子电气连接的可靠性。
所述的进气块外壁两侧开有贯通的长圆孔，用于插入卡板，与出气块外壁对应位置的凹槽配合，将进气块与出气块固定。
所述的卡板为绝缘材料，卡板与进气块或出气块的接缝处涂绝缘胶。
本发明的有益效果是：利用压电陶瓷安装在框架上形成振子，通过振动实现高压气体的微流控制，实现了响应快、精度高的控制。本发明对气流的控制是动态的，可以根据输入电信号对气流进行精确、迅速的控制，其响应速度和控制精度是普通压电阀开关量控制或比例控制无法相比的。
本发明在结构上实现了很小的体积，尺寸为厘米级，比常见压电阀至少小一个数量级，非常适合于航空航天系统技术领域的需求。
本发明满足了体积小、响应快、精度高的要求，解决了普通阀门难于在航空航天系统技术领域高压气体微流控制方面应用的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是振子结构示意图；
图3是进气块结构示意图；
图4是出气块结构示意图；
图5是卡板结构示意图；
图6是鞍垫结构示意图；
图中，1-进气块；2-振子；3-出气块；4-卡板；5-鞍垫。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括：振子(由压电陶瓷片和框架组成)、进气块、出气块、鞍垫、卡板等，结构如图1所示。
振子由压电陶瓷片和框架两部分焊接而成。压电陶瓷片为圆柱形薄片外形。框架外圈为圆环结构，中心有一用于放置压电陶瓷片的圆盘，圆盘与外圈通过一条过圆心的横梁连接(也可以说是两段呈180°夹角的径向横梁)。压电陶瓷片钎焊在框架的圆盘上。
框架的金属基材上涂有绝缘的三氧化二铝或氧化锆涂层，绝缘层上涂有导电的银或铜涂层，将压电陶瓷片的两极分别引至进气块和出气块，形成电通路，从而在结构设计上避免了使用导线，提高了在振动环境下的可靠性。
进气块外形基本为圆柱形，中央有进气孔。进气端外圆制扁(在外圆上对称去除材料，生成可夹持的一对平面)，便于夹持，并镀有银或铜涂层，该结构用于固定阀体、装配过程中的夹持以及电通路一端的电气连接。进气端端面开有螺纹孔，孔末连接进气孔，用于安装气路接头。另一端面开有与出气块套接及安装振子和鞍垫的圆柱凹槽。该孔之后有一直径略小的圆柱凹槽，为储气室，储气室底与进气孔相连。该端外圆两侧开有长圆孔，用于插入卡板，将进气块与出气块固定。进气块与出气块套接及安装振子和鞍垫的圆柱凹槽，涂有相对质软的绝缘材料——漆包线漆，使进气块与出气块之间电位独立，保证电回路能够形成。
出气块外形基本为圆柱形，中央有出气孔。出气端外圆制扁(在外圆上对称去除材料，生成可夹持的一对平面)，便于夹持，并镀有银或铜涂层，该结构用于固定阀体、装配过程中的夹持以及电通路另一端的电气连接。出气端端面开有螺纹孔，孔末连接出气孔，用于安装气路接头。另一端面开有与进气块套接及对振子轴向限位的圆形凸台。该端外圆两侧开有长圆孔，用于插入卡板，将出气块与进气块固定。出气块与进气块套接及对振子轴向限位的圆形凸台的圆柱面涂有硬质绝缘材料——三氧化二铝或氧化锆涂层，保证出气块与进气块之间电位独立，其顶面涂有导电的银或铜涂层以提高与振子电气连接的可靠性。
卡板为绝缘材料，是固定出气块与进气块的基本手段。辅助固定的方法，是在进气块与出气块外圆预留的接缝涂绝缘胶。
鞍垫为弹簧材料制成的非标鞍形垫圈，用于补偿装配间隙，将相关各零件压紧，保证电气连接可靠。在补偿装配间隙的同时，避免了使用标准弹簧，以免减低系统的刚性，将对振动控制的影响降至最低。
本产品用压电陶瓷制成振子，通过振动控制气流。具体是将单个压电陶瓷片置于框架中形成振子，施加正、反向静电压时分别阻塞或打开气路，施加动态控制信号时通过振动不断地阻塞和打开气路从而精确控制气流。从本质上讲该振子结构也属于一种类似悬臂梁的结构，但与普通压电阀中的在弹性梁两侧对称安置压电陶瓷单元的结构明显不同，首先本产品直接使用压电陶瓷片在框架中间产生振动，而不是在弹性梁两侧对称安置压电陶瓷单元使弹性梁变形；其次本产品只使用了单个压电陶瓷单元；最后本产品直接使用压电陶瓷片阻塞或打开气路。目前国内尚未有与本产品原理相同的产品。国外有基本原理相同的产品，但因要求更高，用本产品结构无法达到要求，所以也未见结构实现方式类似的产品。
本发明以一个研制中的小型飞行器中的高压气体微流控制压电阀门为例，要求最大外形尺寸不超过φ15mm×20mm，最大气压1MPa，气道尺寸φ1mm，能够进行精确的高压气体微流控制。
因其最大外形尺寸要求只有20mm，且要能够进行精确的高压气体微流控制不能使用普通阀门，就使用了本产品的结构。
振子使用的压电陶瓷尺寸为φ3mm×0.5mm，振子框架材料根据具体产品特性要求使用了超硬铝5A09-T73状态，该材料具有高硬度，高断裂韧度且具备优异的耐应力腐蚀性能。横梁截面尺寸1mm×0.6mm。绝缘涂层为0.1mm厚的等离子喷涂三氧化二铝层。导电涂层为0.1mm厚的等离子喷涂无氧铜层。
进气块、出气块材料为超硬铝5A04-T6状态。该材料强度较高，能满足耐压要求，且使用铝材质可以减轻产品重量。气路螺纹接口使用M5螺纹，可以使用标准接头连接φ3或φ4气管，也便于与专用接头连接。气室有效容积0.30ml。出气块与压电陶瓷接触面粗糙度0.2μm，阀体常闭状态下通过反向电压使振子压紧。进气块、出气块各一端有5mm宽可夹持的平面对，其衔接的立面喷涂有0.1mm厚的无氧铜层，为阀体对外的电气接口。进气块、出气块套接面分别有由三氧化二铝层和漆包线漆层构成的一硬一软绝缘层。装配后进气块、出气块外露接缝处有0.5mm间隙，涂乐泰环氧胶E-20HP，但进气块、出气块的连接主要靠卡板固定。
卡板使用具有高强度的新型酚醛类树脂——苯并恶嗪树脂增强玻璃布板，厚度1.5mm，宽度7.3mm，高度3.5mm。
鞍垫材料为0.7mm厚的铍铜带QBe1.9-CY，280℃时效处理，外径12.7mm，自由状态高度2.5mm。
该实例经验证能满足用户要求。
Claims (9)
1.一种高压气体微流控制压电阀，包括振子、进气块和出气块，其特征在于，所述的进气块沿轴向开有进气孔；所述的出气块与进气块套接，沿轴向开有出气孔；所述的振子包括压电陶瓷片和框架，所述的框架外圈为圆环结构，中心有一用于放置压电陶瓷片的圆盘，圆盘与外圈通过一条过圆心的横梁连接，所述的压电陶瓷片钎焊在所述的圆盘上；所述的振子设置在进气块和出气块之间，压电陶瓷片覆盖在出气孔上；所述的框架在金属基材上涂覆绝缘涂层，绝缘涂层上涂有导电层，将压电陶瓷片的两极分别引至进气块和出气块，与进气块和出气块表面的导电涂层形成电通路；进气块和出气块之间通过涂覆绝缘材料保证电位独立；通过向压电陶瓷片施加正、反向电压驱动压电陶瓷片阻塞或打开气路。
2.根据权利要求1所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的框架在金属基材上涂有三氧化二铝或氧化锆涂层作为绝缘涂层，绝缘涂层上涂有导电的银或铜涂层。
3.根据权利要求1所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的进气块外表镀有银或铜涂层；进气端端面开有螺纹孔，孔末连接进气孔，用于安装气路接头；另一端面开有与出气块套接的圆柱凹槽，凹槽与进气孔之间还有一个空腔作为储气室，储气室底与进气孔相连。
4.根据权利要求3所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的进气块圆柱凹槽涂覆漆包线漆，使进气块与出气块之间电位独立。
5.根据权利要求3所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的框架与进气块圆柱凹槽内底面之间设置有弹性材料制成的鞍垫，用于补偿装配间隙，将相关各零件压紧。
6.根据权利要求1所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的出气块外表镀有银或铜涂层，出气端端面开有螺纹孔，孔末连接出气孔，用于安装气路接头；另一端面开有与进气块套接及对振子轴向限位的圆形凸台。
7.根据权利要求6所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的出气块圆形凸台侧壁涂覆三氧化二铝或氧化锆涂层，保证出气块与进气块之间电位独立，圆形凸台顶面涂有导电的银或铜涂层，以提高与振子电气连接的可靠性。
8.根据权利要求1所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的进气块外壁两侧开有贯通的长圆孔，用于插入卡板，与出气块外壁对应位置的凹槽配合，将进气块与出气块固定。
9.根据权利要求8所述的高压气体微流控制压电阀，其特征在于，所述的卡板为绝缘材料，卡板与进气块或出气块的接缝处涂绝缘胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220208 |