一种压电阀门 技术领域 本发明涉及一种阀门, 更特别地说, 是指一种采用传统制造工艺与微制造工艺相 结合制造的采用压电驱动器驱动柔性铰链的压电式阀门。
背景技术 高精度的控制阀门是一种很重要的流体介质控制器件, 被广泛地应用在各种需要 对流量等参数作精确控制的场合。 对于某些场合, 如航天器中的推进系统, 不仅要求阀门具 有很高的控制精度, 很好的密封性, 很低的功耗, 还要求其体积和质量很小, 此外推进系统 中的高温喷气容易产生恶劣的流体介质环境, 还要求阀门能耐一定的温度 ( 温度一般可达 200℃ )。
压电驱动器作为一种新型的智能驱动元件目前被广泛地应用在各种驱动场合。 其 控制精度极高, 驱动力很大, 功耗很低, 并且结构紧凑, 可应用于对体积和质量要求较小的 场合。 此外, 其不受外界的热、 电磁等的干扰, 自身也不产生电磁干扰, 有利于在航天器中应 用。
从制造工艺来看, 采用压电驱动的阀门主要分为微制造工艺型和传统制造工艺型 两种。对于微制造工艺型来说, 其主要采用硅材料经过光刻、 刻蚀等制作而成, 其在体积和 质量上能做到很小, 但其耐压低、 流量小、 耐温低, 只适合于用在生物芯片等微流体领域 ; 对 于传统制造工艺型来说, 其主要采用金属材料经过传统制造工艺如切削、 钻削等制作而成, 其能满足对耐压、 流量和耐温的要求, 但其控制精度不够高, 体积和质量一般也较大。综上 所述, 单纯地采用微制造工艺或者传统制造工艺来制作阀门已不能同时满足对控制精度、 密封性、 体积和质量、 耐压、 流量和耐温的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用传统制造工艺与微制造工艺相结合制造的压电阀 门, 该压电阀门通过压电陶瓷堆驱动柔性支架, 在施力螺钉、 滑动钢珠的力传递过程中, 通 过阀体组件与 T 形柔性件的配合实现了阀门的开 / 闭。在本发明中压电陶瓷堆能产生对应 于电压的不同的伸长量, 从而改变 T 形柔性件的行程, 从而改变了阀芯和阀座之间的间隙, 即改变了流量, 实现对流量的精确控制。
本发明的一种压电阀门, 其包括有前挡板 (1)、 柔性支架 (2)、 后挡板 (3)、 阀体组 件 (4)、 压电驱动器 (5)、 施力螺钉 (6) 和滑动钢珠 (7) ; 前挡板 (1) 与后挡板 (3) 的结构相 同; 柔性支架 (2) 安装在前挡板 (1) 与后挡板 (3) 之间, 压电驱动器 (5) 安装在柔性支架 (2) 内, 阀体组件 (4) 安装在柔性支架 (2) 的下方, 施力螺钉 (6) 和滑动钢珠 (7) 安装在柔 性支架 (2) 上方, 且施力螺钉 (6) 一端与滑动钢珠 (7) 接触 ;
前挡板 (1) 上设有 A 导线通孔 (1A)、 B 导线通孔 (1B) 和四个 A 通孔 (1C), 所述的 A 通孔 (1C) 用于螺钉穿过, 且该螺钉穿过后螺纹连接在柔性支架 (2) 正面的左框梁 (23) 和 右框梁 (24) 的螺纹孔中, 所述的 A 导线通孔 (1A) 用于一导线穿过后与压电驱动器 (5) 的A 压电陶瓷堆 (51) 上的 A 接线柱 (511) 连接, B 导线通孔 (1B) 用于另一导线穿过后与压电 驱动器 (5) 的 B 压电陶瓷堆 (52) 上的 B 接线柱 (521) 连接 ;
后挡板 (3) 上设有四个 B 通孔 (3A), 所述的 B 通孔 (3A) 用于螺钉穿过, 且该螺钉 穿过后螺纹连接在柔性支架 (2) 背面的左框梁 (23) 和右框梁 (24) 的螺纹孔中 ;
柔性支架 (2) 为一体成型加工件 ; 支架 (2) 上设有上框梁 (21)、 下框梁 (22)、 左框 梁 (23)、 右框梁 (24) 和 T 形柔性件 (25) ; T 形柔性件 (25) 的左侧端面与左框梁 (23) 的内 侧板面接合处为左柔性铰链 (252), T 形柔性件 (25) 的右侧端面与右框梁 (24) 的内侧板面 接合处为右柔性铰链 (251), T 形柔性件 (25) 的下端面与下框梁 (22) 的内侧板面接合处为 下柔性铰链 (253) ;
上框梁 (21) 的上面板上设有凸台 (211), 凸台 (211) 的中心开有 C 螺纹孔 (212), 所述的 C 螺纹孔 (212) 用于安装施力螺钉 (6) ; 上框梁 (21) 的下面板与 T 形柔性件 (25) 的 上面板之间有一间隙 (26) ;
下框梁 (22) 的下面板的下方设有螺纹连接柱 (221), 螺纹连接柱 (221) 的中心是 C 通孔 (223), 所述的 C 通孔 (223) 用于支撑杆 (402) 穿过, 螺纹连接柱 (221) 的两侧设有 D 螺纹孔 (222)、 F 螺纹孔 (224), 所述的螺纹连接柱 (221) 安装在阀体组件 (4) 的上阀体 (401) 的 E 螺纹孔 (401A) 中 ; 所述的 D 螺纹孔 (222) 用于放置 A 调节螺钉 (57), F 螺纹孔 (224) 用于放置 B 调节螺钉 (58) ;
左框梁 (23) 上设有 A 螺纹孔 (231) ;
右框梁 (24) 上设有 B 螺纹孔 (241) ;
T 形柔性件 (25) 的上板面的中心设有一凹腔, 该凹腔内放置有滑动钢珠 (7) ;
阀 体 组 件 (4) 包 括 有 上 阀 体 (401)、 支 撑 杆 (402)、 密 封 膜 片 (403)、 A 支撑环 (404)、 施力钢珠 (405)、 定位环 (406)、 B 支撑环 (407)、 支撑膜片 (408)、 定位块 (409)、 阀芯 (410)、 阀座 (411)、 下阀体 (412) ;
上阀体 (401) 的上面板 (401C) 中心开有 E 螺纹孔 (401A), 该 E 螺纹孔 (401A) 内 连接有支架 (2) 的螺纹连接柱 (221) ; 上阀体 (401) 的下方开有螺纹沉头孔 (401B), 该螺纹 沉头孔 (401B) 用于安装下阀体 (412) ;
下阀体 (412) 的外缘上设有外螺纹 (412A), 该外螺纹 (412A) 实现了上阀体 (401) 与下阀体 (412) 之间的螺纹连接 ; 下阀体 (412) 的上部设有沉头孔 (412B), 沉头孔 (412B) 内 设 有 C 通 孔 (412E) 和 D 通 孔 (412F), 沉 头 孔 (412B) 内 设 有 A 挡 块 (412C) 和 B 挡 块 (412D) ;
阀体组件 (4) 的连接关系为 : 阀座 (411) 通过胶粘剂与下阀体 (412) 粘接, 定位 块 (409) 通过胶粘剂与支撑膜片 (408) 粘接, 阀芯 (410) 再通过胶粘剂与定位块 (409) 粘 接; 粘接了定位块 (409) 和阀芯 (410) 的支撑膜片 (408) 向下与粘接了阀座 (411) 的下阀 体 (412) 沿轴线对齐安装 ; B 支撑环 (407) 沿轴线对齐安装于支撑膜片 (408) 上 ; 施力钢珠 (405) 置于定位环 (406) 中, 再将其沿轴线对齐安装于 B 支撑环 (407) 中 ; A 支撑环 (404) 沿轴线对齐安装于 B 支撑环 (407) 上 ; 密封膜片 (403) 沿轴线对齐安装于 A 支撑环 (404) 上; 上面已安装好的各零件最后通过螺纹与上阀体 (401) 连接 ; 最后将支撑杆 (402) 穿过 上阀体 (401) ;
压电驱动器 (5) 包括有 A 压电陶瓷堆 (51)、 B 压电陶瓷堆 (52)、 A 导向块 (53)、 B导向块 (54)、 A 垫片 (55)、 B 垫片 (56)、 A 调节螺钉 (57)、 B 调节螺钉 (58) ;
A 压电陶瓷堆 (51) 的上端粘接有 A 导向块 (53), A 压电陶瓷堆 (51) 的下端粘接 有 A 垫片 (55), A 压电陶瓷堆 (51) 上的 A 接线柱 (511) 连接有 A 导线, 该 A 导线经前挡板 (1) 上的 A 导线通孔 (1A) 穿过 ;
B 压电陶瓷堆 (52) 的上端粘接有 B 导向块 (54), B 压电陶瓷堆 (52) 的下端粘接 有 B 垫片 (56), B 压电陶瓷堆 (52) 上的 B 接线柱 (521) 连接有 B 导线, 该 B 导线经前挡板 (1) 上的 B 导线通孔 (1B) 穿过 ;
A 调节螺钉 (57) 穿过 D 螺纹孔 (222) 后与 A 垫片 (55) 顶紧, 从而实现对 A 压电陶 瓷堆 (51) 的位置的初步固定 ;
B 调节螺钉 (58) 穿过 F 螺纹孔 (224) 后与 B 垫片 (56) 顶紧, 从而实现对 B 压电陶 瓷堆 (52) 的位置的初步固定。
本发明压电阀门的优点在于 :
①采用微制造工艺制作了阀门密封关键件阀芯、 阀座, 克服了压电驱动器位移较 小的困难, 并且其密封性很好和有利于提高对流量的控制精度。
②采用传统制造工艺制作了柔性铰链机构, 其使刚度符合动态特性的要求, 能施 加所需要的密封预紧力, 并且结构紧凑, 减小了体积和质量。 ③采用传统制造工艺制作了具有膜片结构的封闭式密封腔, 使阀门能同时适用于 气体和液体介质, 及工作环境恶劣的介质情况。
附图说明 图 1 是本发明压电阀门的正面结构图。
图 1A 是本发明压电阀门的背面结构图。
图 1B 是本发明压电阀门的分解图。
图 1C 是本发明压电阀门的 A-A 视图。
图 2 是本发明压电阀门中的支架的结构图。
图 2A 是本发明压电阀门中的支架的另一视角图。
图 3 是本发明压电阀门中阀体组件的分解图。
图 3A 是本发明阀体组件中的上阀体的结构图。
图 3B 是本发明阀体组件中的下阀体的结构图。
图 4 是本发明压电阀门中压电驱动器的分解图。
图中 : 1. 前挡板 1A.A 导线通孔 1C.A 通孔
2. 支架 21. 上框梁 211. 凸台 22. 下框梁
221. 螺纹连接柱 222.D 螺纹孔 223.C 通孔 23. 左框梁
231.A 螺纹孔 24. 右框梁 241.B 螺纹孔 251. 右柔性铰链
252. 左 柔 性 铰 链 253. 下 柔 性 铰 链 26. 间 隙
61B.B 导线通过 212.C 螺纹孔 224.F 螺纹孔 25.T 形柔性件 3. 后 挡 板102072352 A CN 102072356说明书4/7 页3A.B 通孔
4. 阀体组件 401. 上阀体 401A.E 螺纹孔 401B. 螺纹沉头孔 401C. 上面板
402. 支撑杆 403. 密封膜片 404.A 支撑环 405. 施力钢珠 406. 定位环
407.B 支 撑 环 408. 支 撑 膜 片 409. 定 位 块 410. 阀 芯 411. 阀座
412. 下阀体 412A. 外螺纹 412B. 沉头孔 412C.A 挡块 412D.B 挡块
412E.C 通孔 412F.D 通孔 5. 压电驱动器 51.A 压电陶瓷堆 511.A 接线柱
52.B 压 电 陶 瓷 堆 521.B 接 线 柱 53.A 导 向 块 54.B 导 向 块 55.A 垫片
56.B 垫片 57.A 调节螺钉 58.B 调节螺钉 6. 施力螺钉 7. 滑动滚珠 具体实施方式 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明设计的压电阀门采用微制造工艺制作阀体组件 4 中的密封关键件阀芯 410 和阀座 411, 阀体组件 4 中的其余部分采用传统制造工艺制作 ; 采用传统制造工艺制作柔性 支架 2 中的 T 形柔性件 25, 以及三处铰链。采用微制造工艺制作的密封关键件克服了压电 驱动器 5 位移较小的困难, 并能保证阀体组件 4 具备较好的密封性能和较高的控制精度, 同 时能从一定程度上减小阀体组件 4 的体积和质量 ; 采用传统制造工艺制作的柔性支架 2 柔 和阀体组件 4 其余部分, 能满足耐压、 流量和耐温的要求。
参见图 1、 图 1A、 图 1B、 图 1C 所示, 本发明的一种能同时适用于气体和液体两种介 质的压电阀门, 其包括有前挡板 1、 柔性支架 2、 后挡板 3、 阀体组件 4、 压电驱动器 5、 施力螺 钉 6 和滑动钢珠 7 ; 前挡板 1 与后挡板 3 的结构相同 ; 柔性支架 2 安装在前挡板 1 与后挡板 3 之间, 压电驱动器 5 安装在柔性支架 2 内, 阀体组件 4 安装在柔性支架 2 的下方, 施力螺钉 6 和滑动钢珠 7 安装在柔性支架 2 上方, 且施力螺钉 6 一端与滑动钢珠 7 接触。
一、 前挡板 1 与后挡板 3
参见图 1、 图 1A、 图 1B、 图 1C 所示, 前挡板 1 上设有 A 导线通孔 1A、 B 导线通孔 1B 和四个 A 通孔 1C, 所述的 A 通孔 1C 用于螺钉穿过, 且该螺钉穿过后螺纹连接在柔性支架 2 正面的左框梁 23 的 A 螺纹孔 231 和右框梁 24 的 B 螺纹孔 241 中, 从而实现前挡板 1 与柔 性支架 2 正面的安装。所述的 A 导线通孔 1A 用于一导线穿过后与压电驱动器 5 的 A 压电 陶瓷堆 51 上的 A 接线柱 511 连接, B 导线通孔 1B 用于另一导线穿过后与压电驱动器 5 的 B 压电陶瓷堆 52 上的 B 接线柱 521 连接。
后挡板 3 上设有 B 通孔 3A, 所述的 B 通孔 3A 用于螺钉穿过, 且该螺钉穿过后螺纹 连接在柔性支架 2 背面的左框梁 23 的 A 螺纹孔 231 和右框梁 24 的 B 螺纹孔 241 中, 从而 实现后挡板 3 与柔性支架 2 背面的安装。
在本发明中, 前挡板 1 与后挡板 3 通过螺钉与螺纹孔 ( 左框梁 23 上的 A 螺纹孔 231、 右框梁 24 上的 B 螺纹孔 241) 的配合, 实现其与支架 2 的左框梁 23 与右框梁 24 的安 装, 即一螺钉穿过前挡板 1 上的 A 通孔 1C 后螺纹连接在左框梁 23 和右框梁 24 上的螺纹孔 内, 另一螺钉穿过后挡板 3 上的 B 通孔 3A 后螺纹连接在左框梁 23 和右框梁 23 上的螺纹孔 内。对于前挡板 1、 后挡板 3 与柔性支架 2 的安装也可以采用一螺钉顺次从前挡板 1 上的 A 通孔 1C 穿入, 经柔性支架 2 的框梁上的通孔 ( 不是 A 螺纹孔或 B 螺纹孔, 孔的结构不同 )、 后挡板 3 上的 B 通孔 3A 后连接一螺母来实现三者的安装。
二、 柔性支架 2
参见图 1B、 图 1C、 图 2、 图 2A 所示, 柔性支架 2 为一体成型加工件。柔性支架 2 上 设有上框梁 21、 下框梁 22、 左框梁 23、 右框梁 24 和 T 形柔性件 25 ; T 形柔性件 25 的左侧端 面与左框梁 23 的内侧板面接合处为左柔性铰链 252, T 形柔性件 25 的右侧端面与右框梁 24 的内侧板面接合处为右柔性铰链 251, T 形柔性件 25 的下端面与下框梁 22 的内侧板面接合 处为下柔性铰链 253 ;
上框梁 21 的上面板上设有凸台 211, 凸台 211 的中心开有 C 螺纹孔 212, 所述的 C 螺纹孔 212 用于安装施力螺钉 6 ; 上框梁 21 的下面板与 T 形柔性件 25 的上面板之间有一 间隙 26 ; 所述的间隙 26 能够使上框梁 21 与 T 形柔性件 25 在施力螺钉 6 的作用下产生变 形时不发生干涉。 下框梁 22 的下面板的下方设有螺纹连接柱 221, 螺纹连接柱 221 的中心是 C 通孔 223, 所述的 C 通孔 223 用于支撑杆 402 穿过, 螺纹连接柱 221 的两侧设有 D 螺纹孔 222、 F 螺纹孔 224, 所述的螺纹连接柱 221 安装在阀体组件 4 的上阀体 401 的 E 螺纹孔 401A 中。 所述的 D 螺纹孔 222 用于放置 A 调节螺钉 57, F 螺纹孔 224 用于放置 B 调节螺钉 58。
左框梁 23 上设有 A 螺纹孔 231, 左框梁 23 的上端与 T 形柔性件 25 的一左侧端为 左柔性铰链 252 连接。
右框梁 24 上设有 B 螺纹孔 241, 右框梁 24 的上端与 T 形柔性件 25 的一右侧端为 右柔性铰链 251 连接。
T 形柔性件 25 的上板面的中心设有一凹腔, 该凹腔内放置有滑动钢珠 7( 参见图 1C 所示 )。该滑动钢珠 7 与施力螺钉 6 的一端接触, 能够起到传递力的作用, 同时在施力螺 钉 6 进行调节时, 防止柔性支架 2 中上框梁 21 和 T 形柔性件 25 相对扭转。
在本发明中, 柔性支架 2 采用铰链结构, 在压电驱动器输出较小位移时, 也能阀体 组件 4 达到较高的控制精度。
三、 阀体组件 4
参见图 1B、 图 3、 图 3A、 图 3B 所示, 阀体组件 4 包括有上阀体 401、 支撑杆 402、 密 封膜片 403、 A 支撑环 404、 施力钢珠 405、 定位环 406、 B 支撑环 407、 支撑膜片 408、 定位块 409、 阀芯 410、 阀座 411、 下阀体 412。
参见图 3A 所示, 上阀体 401 的上面板 401C 中心开有 E 螺纹孔 401A, 该 E 螺纹孔 401A 内连接有支架 2 的螺纹连接柱 221 ; 上阀体 401 的下方开有螺纹沉头孔 401B, 该螺纹 沉头孔 401B 用于安装下阀体 412。
参见图 3B 所示, 下阀体 412 的外缘上设有外螺纹 412A, 该外螺纹 412A 实现了上阀 体 401 与下阀体 412 之间的螺纹连接 ; 下阀体 412 的上部设有沉头孔 412B, 沉头孔 412B 内
设有 C 通孔 412E 和 D 通孔 412F, 沉头孔 412B 内设有 A 挡块 412C 和 B 挡块 412D。
阀体组件 4 的连接关系为 : 阀座 411 通过胶粘剂与下阀体 412 粘接, 定位块 409 通 过胶粘剂与支撑膜片 408 粘接, 阀芯 410 再通过胶粘剂与定位块 409 粘接 ; 粘接了定位块 409 和阀芯 410 的支撑膜片 408 向下与粘接了阀座 411 的下阀体 412 沿轴线对齐安装 ; B支 撑环 407 沿轴线对齐安装于支撑膜片 408 上 ; 施力钢珠 405 置于定位环 406 中, 再将其沿轴 线对齐安装于 B 支撑环 407 中 ; A 支撑环 404 沿轴线对齐安装于 B 支撑环 407 上 ; 密封膜片 403 沿轴线对齐安装于 A 支撑环 404 上 ; 上面已安装好的各零件最后通过螺纹与上阀体 401 连接 ; 最后将支撑杆 402 穿过上阀体 401。
四、 压电驱动器 5
参见图 4 所示, 压电驱动器 5 包括有 A 压电陶瓷堆 51、 B 压电陶瓷堆 52、 A 导向块 53、 B 导向块 54、 A 垫片 55、 B 垫片 56、 A 调节螺钉 57、 B 调节螺钉 58 ;
A 压电陶瓷堆 51 的上端粘接有 A 导向块 53, A 压电陶瓷堆 51 的下端粘接有 A 垫 片 55, A 压电陶瓷堆 51 上的 A 接线柱 511 连接有 A 导线, 该 A 导线经前挡板 1 上的 A 导线 通孔 1A 穿过 ;
B 压电陶瓷堆 52 的上端粘接有 B 导向块 54, B 压电陶瓷堆 52 的下端粘接有 B 垫 片 56, B 压电陶瓷堆 52 上的 B 接线柱 521 连接有 B 导线, 该 B 导线经前挡板 1 上的 B 导线 通孔 1B 穿过 ;
在本发明中, A 导线、 B 导线的另一端连接在控制电源上, 该控制电源为 A 压电陶瓷 堆 51、 B 压电陶瓷堆 52 供电。
A 调节螺钉 57 穿过 D 螺纹孔 222 后与 A 垫片 55 顶紧, 从而实现对 A 压电陶瓷堆 51 的位置的初步固定 ;
B 调节螺钉 58 穿过 F 螺纹孔 224 后与 B 垫片 56 顶紧, 从而实现对 B 压电陶瓷堆 52 的位置的初步固定。
在本发明中, 可以通过调节施加在 A 压电陶瓷堆 51、 B 压电陶瓷堆 52 上的电压, 实 现阀门流量的调节。
本发明的压电阀门的工作原理如下 : 压电堆 (A 压电陶瓷堆 51、 B 压电陶瓷堆 52) 在断电状态下, 通过调节施力螺钉 6, 使柔性支架 2 上部的上框梁 21 产生变形, 进而使 T 形 柔性件 25、 以及柔性支架 2 上的三处柔性铰链 ( 左柔性铰链 252、 右柔性铰链 251、 下柔性铰 链 253) 变形 ; 在施力螺钉 6 调节时产生的力通过滑动钢珠 7 顺次传递给 T 形柔性件 25、 支 撑杆 402、 密封膜片 403、 施力钢珠 405、 支撑膜片 408、 定位块 409, 最后施加到阀芯 410 和阀 座 411 上, 从而实现密封 ; 当压电堆 (A 压电陶瓷堆 51、 B 压电陶瓷堆 52) 通电后, A 压电陶 瓷堆 51 和 B 压电陶瓷堆 52 伸长, 抬起 T 形柔性件 25、 上框梁 21, 从而消除施加在阀芯 410 和阀座 411 上的力, 阀芯 410 在流体压力的作用下抬起, 打开阀门。流体可以是气体、 液体。
本发明设计的压电阀门的驱动机构采用微制造工艺制作阀门密封关键件阀芯阀 座, 其属于硬接触式密封, 能克服压电驱动器位移较小的困难, 同时其密封性很好并有利于 提高对流量的控制精度。 在此基础上, 设计了柔性铰链驱动机构, 在柔性铰链机构中取消位 移放大功能, 使刚度符合动态特性的要求, 同时设计柔性铰链机构和施加预紧力的结构在 一体的支架中, 使结构紧凑, 减小了体积和质量。 此外, 在阀体部分, 设计了具有膜片结构的 封闭式密封腔, 使阀门能同时适用于气体和液体介质, 及工作环境恶劣的介质情况。 综上所述, 此阀门同时满足了对控制精度、 密封性、 体积和质量、 耐压、 流量和耐温的要求。