一种适用于高压气体的压电比例调节阀的制作方法
【专利摘要】一种适用于高压气体的压电比例调节阀，包括入口端盖组件、双级柔性铰链位移放大式压电驱动器、阀体、导向片弹簧压环、导向片弹簧、阀杆和阀座；阀体为两端直径不同的空心圆柱体，直径小的圆柱体两端内壁加工有台阶，台阶上设置有导向片弹簧和导向片弹簧压环，双级柔性铰链位移放大式压电驱动器一侧与阀杆连接，阀杆穿过导向片弹簧后插入阀座中实现密封，双级柔性铰链位移放大式压电驱动器的电缆通过入口端盖组件与外部驱动电压连接，入口端盖组件与双级柔性铰链位移放大式压电驱动器另一侧连接，入口端盖组件与阀体、阀座与阀体通过电子束焊接方式连接在一起。本发明的压电比例调节阀质量轻、流量调节范围大、精度高、抗力学环境能力强。
【专利说明】
一种适用于高压气体的压电比例调节阀
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种适用于高压气体(10MPa-30MPa)的压电比例调节阀，用于气体的高精度微流量控制(如电推进贮供系统的工质控制)，属于高精度流体控制领域。【背景技术】
[0002]压电比例调节阀是利用压电陶瓷驱动器作为执行机构，带动阀芯运动而实现流量调节的一类阀门。由于压电陶瓷驱动器的位移与其输入电压成正比，进而实现阀门流量的比例控制。
[0003]目前的压电比例调节阀大都不适用于高压气体，主要是因为其压电陶瓷驱动器与流体介质通常通过波纹管或膜片隔离开来，这样会使其在高压气体下工作存在如下问题: (1)波纹管或膜片(特别是膜片)在高压气体下容易发生破裂；(2)即便波纹管或膜片可以承受高压气体，在高压气体作用下波纹管或膜片将受到很大的反作用力，这种反作用力具有使比例阀阀芯脱离阀座的趋势，使得压电阀的密封成为困难。例如，2000年1.Chakraborty 等发表在期刊《Sensors and Actuators》第83卷第2000期的文章《MEMS micro-valve for space applicat1ns》中提到一种适用于微推进系统的压电MEMS微阀，采用压电叠堆实现密封膜片的关闭和开启，控制流体的通断。由于采用了膜片来隔离流体和压电陶瓷驱动器， 其只能应用于IMPa以内的气体压力下。2006年M.C.A.M.Van der List等在42nd AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propuls1n Conference上发表文章《NEXT GENERAT1N ELECTRICAL PROPULS1N FEED SYSTEMS AND SPIN-OFF MICRO-PROPULS1N COMPONENTS)) 中提到一种用于离子推进系统氙气供给系统的压电比例阀，该阀利用框架式位移放大机构放大压电驱动器的位移，可以获得100M1的位移。由于使用波纹管将气体介质与压电驱动器隔离，使其只能工作在IMPa以内。
[0004]目前，文献中可查到的两种适用于高压气体的压电比例阀同样存在着各自的问题。2006年G.Matticari等在42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propuls1n Conference& Exhibit发表文章〈〈Cold Gas Micro Propuls1n Prototype for very fine spacecraft attitude/posit1n control》中提到一种适用于高压气体的压电比例阀，将压电驱动器完全沉浸在气体介质内，可承受30MPa压力。但是其采用压电片与弹性金属片焊接而成的驱动碟片作为驱动单元，整个驱动机构采用多片驱动碟片串联而成，虽然位移放大比大，但其输出力小、体积大，导致其流量调节精度不高且其抗力学环境的能力较弱。2007年G.Noci等在 30th Internat1nal Electric Propuls1n Conference上发表的文章〈〈Advanced fluidic components for Electric and Cold Gas Propuls1n applicat1ns:review of status of achievements at TAS-1 Florence》中提出一种适用于高压气体的压电比例阀，它采用两个环形压电叠堆驱动器作为执行机构，该驱动器虽然提高了输出力和抗力学环境能力，但是其位移没有得到放大，不但阀的流量范围和调节精度受到了限制，而且增大了其重量和体积。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种适用于高压气体的压电比例调节阀，质量轻、流量调节范围大、精度高、抗力学环境能力强。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种适用于高压气体的压电比例调节阀，包括入口端盖组件、双级柔性铰链位移放大式压电驱动器、阀体、导向片弹簧、阀杆、导向片弹簧压环和阀座；阀体为两端直径不同的空心圆柱体结构，直径小的圆柱体两端内壁加工有台阶，每个台阶面上设置有导向片弹簧和导向片弹簧压环，导向片弹簧中心开孔，导向片弹簧压环通过与阀体过盈配合将导向片弹簧压紧;双级柔性铰链位移放大式压电驱动器一侧通过螺纹与阀杆连接，连接后的组件放入阀体中，其中阀杆穿过导向片弹簧的中心孔后插入阀座中实现密封，且阀杆与导向片弹簧的中心孔间隙配合;双级柔性铰链位移放大式压电驱动器的电缆通过入口端盖组件与外部驱动电压连接，入口端盖组件通过螺纹与双级柔性铰链位移放大式压电驱动器另一侧连接，入口端盖组件与阀体、阀座与阀体通过电子束焊接方式连接在一起。
[0007]所述入口端盖组件包括入口端盖和两个绝缘引线端子;入口端盖组件由中心开有螺纹孔的不锈钢圆柱体和空心钛合金圆柱体组成，所述空心钛合金圆柱体套在不锈钢圆柱体外侧，且空心钛合金圆柱体和不锈钢圆柱体通过爆炸焊方式连接;在中心螺纹孔两侧不锈钢部分对称开有两个台阶孔，所述台阶孔用于放置绝缘引线端子，所述绝缘引线端子一端与外部驱动电压连接，另一端与双级柔性铰链位移放大式压电驱动器的电缆连接，用于实现为双级柔性铰链位移放大式压电驱动器供电；绝缘引线端子和入口端盖通过电子束焊接方式连接。
[0008]所述绝缘引线端子包括带有线孔的线针、绝缘陶瓷和可伐合金座，绝缘陶瓷位于可伐合金座上，且与可伐合金座通过钎焊方式连接，线针穿过绝缘陶瓷和可伐合金座，线针与绝缘陶瓷通过钎焊方式连接，且线针与可伐合金座不接触，所述绝缘引线端子通过可伐合金座与入口端盖连接。
[0009]所述双级柔性铰链位移放大式压电驱动器包括两个叠堆型压电驱动器、一个双级柔性铰链位移放大机构、两个压电驱动器顶丝和两个压电驱动器顶帽；
[0010]双级柔性铰链位移放大机构上开有两个槽口，每个叠堆型压电驱动器插入一个槽口中，然后戴上压电驱动器顶帽，所述压电驱动器顶帽上加工有凹槽，压电驱动器顶丝插入压电驱动器顶帽凹槽中，用于将叠堆型压电驱动器与双级柔性铰链位移放大机构紧固在一起，每个叠堆型压电驱动器的两根供电电缆分别通过入口端盖组件与外部驱动电压连接； 双级柔性铰链位移放大机构用于将两个叠堆型压电驱动器产生的水平位移转化为竖向位移。
[0011]所述阀座包括阀座骨架和中心开孔的密封垫，阀座骨架为“凸”型结构，中心开有台阶孔，密封垫放置于阀座骨架台阶孔大孔内，通过滚压阀座骨架将密封垫压成一定锥度， 所述密封垫的开孔和滚压阀座骨架台阶孔小孔同轴连通。
[0012]所述阀体与阀座的材料为钛合金。
[0013]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0014](1)本发明将压电驱动器内置在流体通道内，不需要采用弹性隔离机构(如膜片或波纹管)，相对于采用波纹管或膜片的压电比例阀，本发明适用于高压气体。
[0015](2)本发明采用压电叠堆式驱动器作为源动力，它由多片压电叠片粘结而成，相对于单片压电碟片驱动器，具有更好的抗力学环境的能力。
[0016](3)本发明空心钛合金圆柱体套在不锈钢圆柱体外侧，形成入口端盖组件，使得阀体和阀座都可以采用钛合金实现，重量比采用不锈钢材料减少将近一半。
[0017](4)本发明设计了双菱形的双级柔性铰链位移放大机构，实现压电叠堆式驱动器的位移放大，具有更大的位移放大比(约12倍)，有效减小了整个阀的体积、增大了流量调节范围，同时由于叠堆型压电驱动器产生的位移与输入电压成正比，所以可以通过控制电压来实现压电阀对气体流量的比例控制，提高了调节精度。
[0018](5)本发明通过滚压阀座骨架将密封垫压成一定锥度，保证了高压下的有效、安全密封。【附图说明】
[0019]图1为本发明结构简图；
[0020]图2为本发明端盖结构示意图；[0021 ]图3为本发明绝缘端子结构示意图；
[0022]图4为本发明双级柔性铰链式位移放大机构结构示意简图；[〇〇23]图5为本发明阀座结构示意图；[〇〇24]图6为本发明双级柔性铰链式位移放大原理图。【具体实施方式】
[0025]如图1所示，本发明一种适用于高压气体的新型压电比例调节阀，包括入口端盖组件1、双级柔性铰链位移放大式压电驱动器2、阀体3、上导向片弹簧压环4、上导向片弹簧5、 阀杆6、下导向片弹簧7、下导向片弹簧压环8和阀座9。
[0026]阀体3为两端直径不同的空心圆柱体结构，直径小的圆柱体两端内壁加工有台阶， 上端的台阶面上设置有上导向片弹簧4和上导向片弹簧压环6,上导向片弹簧压环6通过与阀体3过盈配合将上导向片弹簧4压紧；下端的台阶面上设置有下导向片弹簧7和下导向片弹簧压环8,阀座9和下导向片弹簧压环8通过与阀体3过盈配合将下导向片弹簧7压紧。上导向片弹簧4和下导向片弹簧7中心开孔。
[0027]双级柔性铰链位移放大式压电驱动器一侧通过螺纹与阀杆6—端连接，阀杆6另一端为针形，连接后的组件放入阀体3中，其中阀杆6穿过上导向片弹簧5中心孔、下导向片弹簧7中心孔后插入阀座9中实现密封，阀杆6分别与上导向片弹簧5中心孔、下导向片弹簧7中心孔间隙配合，上导向片弹簧5和下导向片弹簧7的作用是对阀杆6起到导向作用，保证阀杆 6与阀座9阀口的同轴性，双级柔性铰链位移放大式压电驱动器的电缆通过入口端盖组件1 与外部驱动电压连接，入口端盖组件1通过螺纹与双级柔性铰链位移放大式压电驱动器另一侧连接，入口端盖组件1与阀体3通过电子束焊接方式连接在一起，阀座9与阀体3通过电子束焊接方式连接在一起，保证高气压下的密封。
[0028]如图2所示，入口端盖组件1包括入口端盖11和两个绝缘引线端子12;入口端盖11 由中心开有螺纹孔的不锈钢圆柱体和空心钛合金圆柱体组成，空心钛圆柱体套在不锈钢圆柱体外侧，且空心钛合金圆柱体和不锈钢圆柱体通过爆炸焊方式连接，在中心螺纹孔两侧不锈钢部分对称开有两个台阶孔，用于放置绝缘引线端子12。入口端盖11采用外部钛与内部不锈钢形式的目的是可以实现这个压电比例阀的阀体3与阀座9都可以采用钛合金，以便减轻重量。如图3所示，绝缘引线端子12包括线针101、绝缘陶瓷102和可伐合金座103,绝缘陶瓷102位于可伐合金座103上，线针101穿过绝缘陶瓷102和可伐合金座103,且线针101与可伐合金座103不接触。线针101与绝缘陶瓷102通过钎焊方式连接在一起，绝缘陶瓷102和可伐合金座103通过钎焊方式连接在一起，这样就实现了引线端子的绝缘和高压密封。两个绝缘引线端子12都是通过可伐合金座103与入口端盖11通过电子束焊接方式连接在一起。
[0029] 双级柔性铰链位移放大式压电驱动器2包括两个叠堆型压电驱动器21、一个双级柔性铰链位移放大机构22、两个压电驱动器顶丝23和两个压电驱动器顶帽24。双级柔性铰链位移放大机构22用于将两个叠堆型压电驱动器21产生的水平位移转化为竖向位移。
[0030]如图4所示，双级柔性铰链位移放大机构22的一种具体实现形式如下:包括第一子机构221、第二子机构222和一个连接块223,第一子机构221和第二子机构222均包括基座 2211、端帽2212和外壁带有螺纹的圆柱体2213,基座2211上开有用于放置叠堆型压电驱动器21的槽，端帽2212为中空结构，端帽2212内壁加工有螺纹孔;第一子机构221基座和端帽上端分别通过铰链与外壁带有螺纹的圆柱体一侧连接，第一子机构221基座和端帽下端分别通过铰链与连接块223—侧连接，第二子机构222基座和端帽上端分别通过铰链与连接块 223另一侧连接，第二子机构222基座和端帽下端分别通过铰链与外壁带有螺纹的圆柱体一侧连接。双级柔性铰链位移放大机构22采用一体成型的方式加工。第一子机构221通过外壁带有螺纹的圆柱体与入口端盖组件1螺纹连接，第二子机构222通过外壁带有螺纹的圆柱体与阀杆6螺纹连接。
[0031] 两个叠堆型压电驱动器21分别插入第一子机构和第二子机构基座的槽口中，然后分别戴上压电驱动器顶帽24,压电驱动器顶帽24上加工有凹槽，压电驱动器顶丝23穿过端帽插入压电驱动器顶帽24凹槽中，且与端帽螺纹连接，用于将叠堆型压电驱动器21与双级柔性铰链位移放大机构22紧固在一起。每个叠堆型压电驱动器21有两根供电电缆，将两个叠堆型压电驱动器21的电缆并联后，分别连接在入口端盖组件1的线针101上。[〇〇32]如图5所示，阀座9包括密封垫91和阀座骨架92,密封垫中心开孔，阀座骨架92为“凸”型结构，中心开有台阶孔，密封垫91压入阀座骨架92的台阶孔大孔内，密封垫91的开孔和滚压阀座骨架92台阶孔小孔同轴连通，阀杆6与密封垫91接触的一端为针形，插入密封垫 91的开孔中实现密封。通过滚压阀座骨架92将密封垫91压成一定锥度，这样为了起到高气压下的密封效果。[〇〇33]本发明压电比例调节阀的工作过程为:[〇〇34]压电比例调节阀关闭时，通过阀杆6的针形尖部(锥形)插入到阀座9的密封垫91的阀口上实现密封；当通过两个线针101给两个叠堆型压电驱动器21供电时，叠堆型压电驱动器21将产生水平方向的位移1^-1^，如图6所示，经过双级柔性铰链位移放大机构22后(放大倍数大约为12倍)，产生向上的位移H，带动阀杆6向上运动，进而使得阀座9的阀口打开。由于叠堆型压电驱动器21产生的位移与输入电压成正比，在调节压电驱动器的输入电压时， 阀杆6的阀口开启高度H随之改变，所以可以通过控制电压来实现压电阀对气体流量的高精度比例控制。此外，由于采用双级柔性铰链位移放大机构22,可以将叠堆型压电驱动器21的位移放大10?12倍，从而增大阀杆6的位移，增大了压电比例阀的流量调节范围。[〇〇35] 本发明的压电比例调节阀在0-200V的输入电压下，20MPa压力下，流量调节范围达到0-lg/s〇
[0036]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0037]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种适用于高压气体的压电比例调节阀，其特征在于:包括入口端盖组件(1)、双级 柔性铰链位移放大式压电驱动器(2)、阀体(3)、导向片弹簧、阀杆(6)、导向片弹簧压环和阀 座(9);阀体(3)为两端直径不同的空心圆柱体结构，直径小的圆柱体两端内壁加工有台阶， 每个台阶面上设置有导向片弹簧和导向片弹簧压环，导向片弹簧中心开孔，导向片弹簧压 环通过与阀体(3)过盈配合将导向片弹簧压紧;双级柔性铰链位移放大式压电驱动器一侧 通过螺纹与阀杆(6)连接，连接后的组件放入阀体(3)中，其中阀杆(6)穿过导向片弹簧的中 心孔后插入阀座(9)中实现密封，且阀杆(6)与导向片弹簧的中心孔间隙配合;双级柔性铰 链位移放大式压电驱动器的电缆通过入口端盖组件(1)与外部驱动电压连接，入口端盖组 件(1)通过螺纹与双级柔性铰链位移放大式压电驱动器另一侧连接，入口端盖组件(1)与阀 体(3 )、阀座(9)与阀体(3)通过电子束焊接方式连接在一起。2.根据权利要求1所述的一种适用于高压气体的压电比例调节阀，其特征在于:所述入 口端盖组件(1)包括入口端盖(11)和两个绝缘引线端子(12);入口端盖组件(11)由中心开 有螺纹孔的不锈钢圆柱体和空心钛合金圆柱体组成，所述空心钛合金圆柱体套在不锈钢圆 柱体外侧，且空心钛合金圆柱体和不锈钢圆柱体通过爆炸焊方式连接;在中心螺纹孔两侧 不锈钢部分对称开有两个台阶孔，所述台阶孔用于放置绝缘引线端子(12)，所述绝缘引线 端子(12)—端与外部驱动电压连接，另一端与双级柔性铰链位移放大式压电驱动器的电缆 连接，用于实现为双级柔性铰链位移放大式压电驱动器供电；绝缘引线端子(12)和入口端 盖(11)通过电子束焊接方式连接。3.根据权利要求2所述的一种适用于高压气体的压电比例调节阀，其特征在于:所述绝 缘引线端子(12)包括带有线孔的线针(101)、绝缘陶瓷(102)和可伐合金座(103)，绝缘陶瓷 (102)位于可伐合金座(103)上，且与可伐合金座(103)通过钎焊方式连接，线针(101)穿过 绝缘陶瓷(102)和可伐合金座(103)，线针(101)与绝缘陶瓷(102)通过钎焊方式连接，且线 针(101)与可伐合金座(103)不接触，所述绝缘引线端子(12)通过可伐合金座(103)与入口 端盖(11)连接。4.根据权利要求1所述的一种适用于高压气体的压电比例调节阀，其特征在于:所述双 级柔性铰链位移放大式压电驱动器(2)包括两个叠堆型压电驱动器(21)、一个双级柔性铰 链位移放大机构(22)、两个压电驱动器顶丝(23)和两个压电驱动器顶帽(24);双级柔性铰链位移放大机构(22)上开有两个槽口，每个叠堆型压电驱动器(21)插入一 个槽口中，然后戴上压电驱动器顶帽(24)，所述压电驱动器顶帽(24)上加工有凹槽，压电驱 动器顶丝(23)插入压电驱动器顶帽(24)凹槽中，用于将叠堆型压电驱动器(21)与双级柔性 铰链位移放大机构(22)紧固在一起，每个叠堆型压电驱动器(21)的两根供电电缆分别通过 入口端盖组件(1)与外部驱动电压连接;双级柔性铰链位移放大机构(22)用于将两个叠堆 型压电驱动器(21)产生的水平位移转化为竖向位移。5.根据权利要求1所述的一种适用于高压气体的压电比例调节阀，其特征在于:所述阀 座(9)包括阀座骨架(92)和中心开孔的密封垫(91 )，阀座骨架(92)为“凸”型结构，中心开有 台阶孔，密封垫(91)放置于阀座骨架(92)台阶孔大孔内，通过滚压阀座骨架(92)将密封垫 (91)压成一定锥度，所述密封垫(91)的开孔和滚压阀座骨架(92)台阶孔小孔同轴连通。6.根据权利要求1所述的一种适用于高压气体的压电比例调节阀，其特征在于:所述阀 体(3)与阀座(9)的材料为钛合金。
【文档编号】F16K31/02GK106015685SQ201610587115
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】官长斌, 陈君, 汪旭东, 范旭丰, 李恒建, 宋新河, 张良
【申请人】北京控制工程研究所