一种压电计量阀

1.本发明涉及压电驱动及流量控制领域，尤其涉及一种压电计量阀。


背景技术：

2.目前，社会上存在的各种阀，各有优劣。电磁式的流量调节范围小，计量精度低；机械式计量精度比电磁式高，但结构体积较大。一种计量精度高，体积小的计量阀被人们所需求；特别在生物、医学等高精尖领域，急切需要一种能够精确控制流速和流出流量的计量阀。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电计量阀，，利用材料的纵向振动和泊松效应，实现了阀门动态打开、阀门闭合、推动流体进行单向流动，结构简单、紧凑，易于实现流量的精确控制。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种压电计量阀，包含出口阀门、入口阀门、阀管、阀芯、弹簧、压电模块、以及第一至第二夹板；所述出口阀门、入口阀门结构相同，均包含阀头和阀体，其中，所述阀体为两端开口的空心圆柱体；所述阀头呈圆台状，其沿轴线设有通孔，该通孔的直径小于阀体的内径；所述阀头面积较大的端面的直径和阀体的外径相等，且阀头面积较大的一端和所述阀体的一端同轴固连；所述阀管为两端开口的空心圆柱体，其两端分别伸入出口阀门、入口阀门中阀体远离其阀头的一端且分别和出口阀门、入口阀门的阀体密闭同轴固连；所述阀管在其中点处的外壁上设有环形凸起；所述阀芯包含依次相连的限位部、连接部、接触部、杆部、尖部，其中，所述连接部为圆柱体，连接部端面的直径小于出口阀门阀体的内径、大于阀管的内径；所述限位部呈圆台状，其面积较大的端面的直径小于所述连接部端面的直径，且限位部面积较大的一端和所述连接部的一端同轴固连；所述接触部呈圆台状，其面积较大的端面的直径等于所述连接部端面的直径，且接触部面积较大的一端和所述连接部的令一端同轴固连；所述杆部长度大于阀管的长度，杆部端面的直径小于阀管的内径；所述尖部呈圆锥状，其底面直径等于杆部端面的直径；所述限位部、连接部、接触部均设置在出口阀门的阀体中；所述弹簧套在所述限位部上，呈压缩状，其一端和所述出口阀门阀头面积较大的端面相抵，另一端和所述连接部靠近限位部的端面相抵，使得接触部的侧壁和所述阀管伸入出口阀门内一端的内缘相抵；所述弹簧的内径等于限位部面积较大端面的直径；所述杆部一端和所述接触部面积较小的端面同轴固连，另一端穿过阀管的通孔伸入入口阀门的阀体内和所述尖部的底面同轴固连；所述尖部和所述入口阀门不接触；所述压电模块包含2n个压电陶瓷片组，n为大于等于1的自然数，所述压电陶瓷片
组包含两片同轴相叠的圆环形压电陶瓷片，均沿厚度方向极化且极化方向相反；所述2n压电陶瓷片组均套在所述阀管外，其中n个压电陶瓷片组位于阀管环形凸起的一侧，另外n个压电陶瓷片组位于阀管环形凸起的另一侧；所述第一夹板、第二夹板中心均设有和所述阀管相匹配的通孔，均套在所述阀管外且位于压电模块的两侧；所述所述第一夹板、第二夹板相互固连，用于将2n个压电陶瓷片组紧压在阀管环形凸起的两侧；所述阀管的三阶纵向振动模态频率和所述阀芯的四阶纵向振动模态频率之间的差值小于等于预设的频率阈值，且阀管的三阶纵向振动模态频率为所述弹簧、阀芯组成的振动系统固有振动频率的倍频。
5.作为本发明一种压电计量阀进一步的优化方案，所述n取4。
6.作为本发明一种压电计量阀进一步的优化方案，所述第一夹板、第二夹板结构相同，均包含夹持基板、第一夹持耳和第二夹持耳，其中，所述夹持基板呈圆环状；所述第一夹持耳、第二夹持耳对称设置在所述夹持基板外壁的两侧，均和所述夹持基板固连，且第一夹持耳、第二夹持耳上均设有平行于夹持基板轴线的通孔；所述第一夹板、第二夹板的第一夹持耳通过螺栓和螺母固定，第一夹板、第二夹板的第二夹持耳通过螺栓和螺母固定，使得第一夹板、第二夹板的夹持基板将2n个压电陶瓷片组紧压在阀管环形凸起的两侧。
7.本发明还公开了一种该压电计量阀的驱动方法，包含以下过程：对各个压电陶瓷片组施加电信号，激发阀管的三阶纵向振动模态，阀管进行三阶纵向振动，此时，弹簧与阀芯组成振动系统受到激励，阀芯进行往复振动，同时通过共振阀芯产生时间相差π/2的四阶纵向振动模态；由于阀芯和阀管的泊松效应，阀芯和阀管的纵向振动模态在横向上是弯曲振动模态，阀管的三阶纵向振动和阀芯的四阶纵向振动使得阀管和阀芯杆部之间的液体由入口阀门到出口阀门单向移动；断电时，弹簧使阀芯接触部和阀管伸入出口阀门内一端的内缘相抵，阀门关闭，实现断电自锁；通过调节电信号电压的大小，能够改变阀门开合幅度的大小和液体输送能力。
8.本发明还公开了另一种贴片式压电计量阀，包含出口阀门、入口阀门、阀管、阀芯、弹簧和压电模块；所述出口阀门、入口阀门结构相同，均包含阀头和阀体，其中，所述阀体为两端开口的空心圆柱体；所述阀头呈圆台状，其沿轴线设有通孔，该通孔的直径小于阀体的内径；所述阀头面积较大的端面的直径和阀体的外径相等，且阀头面积较大的一端和所述阀体的一端同轴固连；所述阀管为两端开口的空心圆柱体，其两端分别伸入出口阀门、入口阀门中阀体远离其阀头的一端且分别和出口阀门、入口阀门的阀体密闭同轴固连；所述阀管在其中点处设有套管；所述套管为沿其轴线设有通孔的正四棱柱，所述套管套在所述阀管外，其内壁和阀管外壁同轴固连；所述阀芯包含依次相连的限位部、连接部、接触部、杆部、尖部，其中，所述连接部为圆柱体，连接部端面的直径小于出口阀门阀体的内径、大于阀管的内径；所述限位部呈圆台状，其面积较大的端面的直径小于所述连接部端面的直径，且限位部面积较大的一端和
所述连接部的一端同轴固连；所述接触部呈圆台状，其面积较大的端面的直径等于所述连接部端面的直径，且接触部面积较大的一端和所述连接部的令一端同轴固连；所述杆部长度大于阀管的长度，杆部端面的直径小于阀管的内径；所述尖部呈圆锥状，其底面直径等于杆部端面的直径；所述限位部、连接部、接触部均设置在出口阀门的阀体中；所述弹簧套在所述限位部上，呈压缩状，其一端和所述出口阀门阀头面积较大的端面相抵，另一端和所述连接部靠近限位部的端面相抵，使得接触部的侧壁和所述阀管伸入出口阀门内一端的内缘相抵；所述弹簧的内径等于限位部面积较大端面的直径；所述杆部一端和所述接触部面积较小的端面同轴固连，另一端穿过阀管的通孔伸入入口阀门的阀体内和所述尖部的底面同轴固连；所述尖部和所述入口阀门不接触；所述压电模块包含第一至第四矩形压电陶瓷片，所述第一至第四矩形压电陶瓷片分别一一对应设置在所述套管的四个侧壁上，沿其厚度方向同时朝内或朝外极化；所述阀管的三阶纵向振动模态频率和所述阀芯的四阶纵向振动模态频率之间的差值小于等于预设的频率阈值，且阀管的三阶纵向振动模态频率为所述弹簧、阀芯组成的振动系统固有振动频率的倍频。
9.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 本发明结构简单，便于小型化；2. 控制方式简单，有广阔的应用前景；3. 生产成本低，可大量制造；4. 可以实现流速和流量的精确控制。
附图说明
10.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明中入口阀门的结构示意图；图3为本发明中阀管的结构示意图；图4为本发明中阀芯的结构示意图；图5为本发明中弹簧的结构示意图；图6为本发明中夹板的结构示意图；图7为本发明中压电模块的结构示意图；图8为本发明中阀管的三阶纵向振动模态示意图；图9为本发明中阀芯的四阶纵向振动模态示意图；图10为本发明中压电阀阀门开合的示意图。
11.图11（a）、图11（b）分别为本发明中压电阀内部空腔的工作周期振幅放大云图、工作周期真实云图；图12为本发明提供的另一种贴片式压电计量阀的结构示意图。
12.图中，1
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出口阀门，2
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弹簧，3
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阀芯，4
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阀管，5
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第二夹板，6
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压电模块，7
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入口阀门，8
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出口阀门的阀头，9
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出口阀门的阀体，10
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阀管上的环形凸起，11
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限位部，12
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连接部，13
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接触部，14
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杆部，15
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尖部，16
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夹持基板，17
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第一夹持耳，18
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第二夹持耳。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
14.应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
15.具体如图1所示，本发明公开了一种压电计量阀，包含出口阀门、入口阀门、阀管、阀芯、弹簧、压电模块、以及第一至第二夹板；如图2所示，所述出口阀门、入口阀门结构相同，均包含阀头和阀体，其中，所述阀体为两端开口的空心圆柱体；所述阀头呈圆台状，其沿轴线设有通孔，该通孔的直径小于阀体的内径；所述阀头面积较大的端面的直径和阀体的外径相等，且阀头面积较大的一端和所述阀体的一端同轴固连；如图3所示，所述阀管为两端开口的空心圆柱体，其两端分别伸入出口阀门、入口阀门中阀体远离其阀头的一端且分别和出口阀门、入口阀门的阀体密闭同轴固连；所述阀管在其中点处的外壁上设有环形凸起；如图4所示，所述阀芯包含依次相连的限位部、连接部、接触部、杆部、尖部，其中，所述连接部为圆柱体，连接部端面的直径小于出口阀门阀体的内径、大于阀管的内径；所述限位部呈圆台状，其面积较大的端面的直径小于所述连接部端面的直径，且限位部面积较大的一端和所述连接部的一端同轴固连；所述接触部呈圆台状，其面积较大的端面的直径等于所述连接部端面的直径，且接触部面积较大的一端和所述连接部的令一端同轴固连；所述杆部长度大于阀管的长度，杆部端面的直径小于阀管的内径；所述尖部呈圆锥状，其底面直径等于杆部端面的直径；所述限位部、连接部、接触部均设置在出口阀门的阀体中；如图5所示，所述弹簧采用压簧，套在所述限位部上，呈压缩状，其一端和所述出口阀门阀头面积较大的端面相抵，另一端和所述连接部靠近限位部的端面相抵，使得接触部的侧壁和所述阀管伸入出口阀门内一端的内缘相抵；所述弹簧的内径等于限位部面积较大端面的直径；所述杆部一端和所述接触部面积较小的端面同轴固连，另一端穿过阀管的通孔伸入入口阀门的阀体内和所述尖部的底面同轴固连；所述尖部和所述入口阀门不接触；所述压电模块包含2n个压电陶瓷片组，n为大于等于1的自然数，所述压电陶瓷片组包含两片同轴相叠的圆环形压电陶瓷片，均沿厚度方向极化且极化方向相反；所述2n压电陶瓷片组均套在所述阀管外，其中n个压电陶瓷片组位于阀管环形凸起的一侧，另外n个压电陶瓷片组位于阀管环形凸起的另一侧；所述第一夹板、第二夹板中心均设有和所述阀管相匹配的通孔，均套在所述阀管外且位于压电模块的两侧；所述所述第一夹板、第二夹板相互固连，用于将2n个压电陶瓷片组紧压在阀管环形凸起的两侧；所述阀管的三阶纵向振动模态频率和所述阀芯的四阶纵向振动模态频率之间的差值小于等于预设的频率阈值，且阀管的三阶纵向振动模态频率为所述弹簧、阀芯组成的
振动系统固有振动频率的倍频。
16.所述n优先取4。
17.如图6所示，所述第一夹板、第二夹板结构相同，均包含夹持基板、第一夹持耳和第二夹持耳，其中，所述夹持基板呈圆环状；所述第一夹持耳、第二夹持耳对称设置在所述夹持基板外壁的两侧，均和所述夹持基板固连，且第一夹持耳、第二夹持耳上均设有平行于夹持基板轴线的通孔；所述第一夹板、第二夹板的第一夹持耳通过螺栓和螺母固定，第一夹板、第二夹板的第二夹持耳通过螺栓和螺母固定，使得第一夹板、第二夹板的夹持基板将2n个压电陶瓷片组紧压在阀管环形凸起的两侧。
18.本发明还公开了一种该压电计量阀的驱动方法，包含以下过程：如图7所示，对各个压电陶瓷片组施加电信号，激发阀管的三阶纵向振动模态，阀管进行三阶纵向振动，如图8所示，此时，弹簧与阀芯组成振动系统受到激励，阀芯进行往复振动，实现阀的动态打开，如图10所示，同时通过共振阀芯产生时间相差π/2的四阶纵向振动模态，如图9所示；由于阀芯和阀管的泊松效应，阀芯和阀管的纵向振动模态在横向上是弯曲振动模态，阀管的三阶纵向振动和阀芯的四阶纵向振动使得阀管和阀芯杆部之间的液体由入口阀门到出口阀门单向移动，如图11（a）、图11（b）所示；断电时，弹簧使阀芯接触部和阀管伸入出口阀门内一端的内缘相抵，阀门关闭，实现断电自锁；通过调节电信号电压的大小，能够改变阀门开合幅度的大小和液体输送能力。
19.如图12所示，本发明还公开了另一种贴片式压电计量阀，包含出口阀门、入口阀门、阀管、阀芯、弹簧和压电模块；所述出口阀门、入口阀门结构相同，均包含阀头和阀体，其中，所述阀体为两端开口的空心圆柱体；所述阀头呈圆台状，其沿轴线设有通孔，该通孔的直径小于阀体的内径；所述阀头面积较大的端面的直径和阀体的外径相等，且阀头面积较大的一端和所述阀体的一端同轴固连；所述阀管为两端开口的空心圆柱体，其两端分别伸入出口阀门、入口阀门中阀体远离其阀头的一端且分别和出口阀门、入口阀门的阀体密闭同轴固连；所述阀管在其中点处设有套管；所述套管为沿其轴线设有通孔的正四棱柱，所述套管套在所述阀管外，其内壁和阀管外壁同轴固连；所述阀芯包含依次相连的限位部、连接部、接触部、杆部、尖部，其中，所述连接部为圆柱体，连接部端面的直径小于出口阀门阀体的内径、大于阀管的内径；所述限位部呈圆台状，其面积较大的端面的直径小于所述连接部端面的直径，且限位部面积较大的一端和所述连接部的一端同轴固连；所述接触部呈圆台状，其面积较大的端面的直径等于所述连接部端面的直径，且接触部面积较大的一端和所述连接部的令一端同轴固连；所述杆部长度大于阀管的长度，杆部端面的直径小于阀管的内径；所述尖部呈圆锥状，其底面直径等于杆部端面的直径；所述限位部、连接部、接触部均设置在出口阀门的阀体中；所述弹簧套在所述限位部上，呈压缩状，其一端和所述出口阀门阀头面积较大的端面相抵，另一端和所述连接部靠近限位部的端面相抵，使得接触部的侧壁和所述阀管伸入出口阀门内一端的内缘相抵；所述弹簧的内径等于限位部面积较大端面的直径；所述杆部一端和所述接触部面积
较小的端面同轴固连，另一端穿过阀管的通孔伸入入口阀门的阀体内和所述尖部的底面同轴固连；所述尖部和所述入口阀门不接触；所述压电模块包含第一至第四矩形压电陶瓷片，所述第一至第四矩形压电陶瓷片分别一一对应设置在所述套管的四个侧壁上，沿其厚度方向同时朝内或朝外极化；所述阀管的三阶纵向振动模态频率和所述阀芯的四阶纵向振动模态频率之间的差值小于等于预设的频率阈值，且阀管的三阶纵向振动模态频率为所述弹簧、阀芯组成的振动系统固有振动频率的倍频。
20.本发明结构简单，便于小型化，控制方式简单，可以实现流速和流量的精确控制，有广阔的应用前景。
21.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
22.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。