一种腔外线圈驱动式无弹性元件超洁净阀

1.本实用新型涉及一种阀，具体涉及一种应用于半导体、生物医药、电子级化工等超洁净流控领域的腔外线圈驱动式无弹性元件超洁净阀。


背景技术：

2.目前，隔膜阀和波纹管阀广泛应用于半导体、生物医药、电子级化工等超洁净流控领域。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，使用传统的电磁阀结构，若采用金属弹性元件(如返簧)，会给整个超洁净环境带来污染，若采用非金属的弹性元件(如聚四氟乙烯ptfe弹簧)，又存在刚度不足、制造困难、使用寿命短等问题。
3.为满足超洁净环境的需求，隔膜阀(详情见专利wo2007089689a2，cn101365904a,cn1836124a，us20030722168)用挠性膜或组合隔膜将介质通路和动作件分隔开，波纹管阀用波纹管将介质通路和外界分隔开，上述阀中介质接触的仅仅是隔膜、波纹管和阀体，所以能够保证介质的洁净。但隔膜阀和波纹管阀的弹性动作元件在长期的工作过程中，易发生疲劳失效，表现为弹性动作元件破裂和穿孔。同时，相比于传统的电磁阀，隔膜阀和波纹管阀对介质的流量调节能力较差，只能在小范围调节，响应速度较慢。电磁隔膜阀同样存在弹性动作元件疲劳失效的问题。
4.申请号为cn201911054740.2的中国实用新型，提供了一种手动式超洁净开关阀，该阀依靠磁力实现阀芯运动的非接触式控制，虽然避免了隔膜疲劳破裂引发的泄漏与寿命问题，但同时也存在了弹性动作元件裹覆超洁净材料涂层加工工艺困难、和无法控制阀口开度的问题。申请号为cn202011163914.1的中国实用新型,提供了一种电动式超洁净阀，该阀通过内嵌永磁体和外部控制永磁体的配合方式设置磁力驱动组件，利用最小磁阻原理实现启闭阀口，对阀口位置可以实现开度控制，但电机对阀口的控制响应速度较慢。上述两实用新型的阀腔外部均有动作件(旋转手轮、步进电机)，存在整体结构偏大，阀腔外部结构可靠性低的问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种腔外线圈驱动式无弹性元件超洁净阀，该超洁净电磁阀能满足超洁净环境的需求，在阀腔外使用线圈驱动，阀腔内无弹性动作元件，不易发生疲劳失效，同时可以控制阀的开度，具有电磁阀相对体积小，控制精度高，响应速度快的优点，解决了常见应用在超洁净流控领域的阀都有隔膜、弹簧等弹性元件的技术问题。
6.本实用新型采取的技术方案为：
7.本实用新型包括阀座、阀芯、外套、垫片、主极靴、限位片、线圈组件、磁环导套组件、衔铁、导磁外壳和内隔层；阀座内部的两侧分别设有入口流道和出口流道，阀座上固定安装有外套，外套内部和阀座之间形成阀腔，入口流道和出口流道均连通到阀腔；
8.阀腔周围的内壁紧贴固定地设置有导磁外壳，导磁外壳套装有线圈组件，线圈组
件上方的导磁外壳内设有永磁体或者次极靴，永磁体/次极靴的顶面和外套内顶面接触，线圈组件上方的导磁外壳内设有主极靴；主极靴中心开设有用于阀芯贯穿过的竖直通孔，主极靴底面设有垫片，垫片通过阀座顶面的环形凸台支撑，使得垫片和阀座底面之间具有间隔形成活动过渡腔；
9.线圈组件内周面布置有磁环导套组件，磁环导套组件内装有内隔层，内隔层内装有衔铁，衔铁下端和阀芯上端固定连接，阀芯活动穿过主极靴中心的竖直通孔后伸入到垫片和阀座之间的活动过渡腔中；阀芯下端位于阀座入口流道的出口的正上方。
10.本实用新型的整体阀是上下沿重力方向布置，衔铁和内隔层之间具有间隙，衔铁在内隔层内能够自由上下升降移动。
11.所述的线圈组件通过主极靴和永磁体/次级线圈的辅助结构在磁环导套组件内形成强力磁场，磁场施加到衔铁带动衔铁及其连接的阀芯上下升降移动，进而控制阀芯下端堵住阀座入口流道的出口的是否，控制衔铁所受磁力与重力平衡，衔铁稳定在行程内的任一位置并保持开度，最终实现超洁净阀在隔膜等无弹性元件下的开闭和开度控制。
12.主极靴、主隔磁环、前导套引导磁感线走向，形成两条主要磁路，改善衔铁位移与所受磁力的水平特性。
13.所述的阀芯下端面设有内凹槽，阀座入口流道的出口在阀座表面设有凸台，在阀芯落下到入口流道的出口处时，凸台嵌入到内凹槽，使得阀芯封堵住阀座入口流道的出口。
14.所述的线圈组件主要由主线圈构成；所述的磁环导套组件主要由从下到上依次设置的前导套、主隔磁环和后导套构成，前导套、主隔磁环和后导套在同一圆周上下布置，主隔磁环位于前导套和后导套之间。
15.本实用新型设计永磁体磁力源，包括但不仅限于异形永磁体，用以改变永磁体与衔铁之间的距离和磁力大小变化的关系。所述永磁体产生的磁力代替传统返簧产生的对衔铁的力来辅助已有线圈控制阀芯位置。
16.所述永磁体置于阀的上部，用永磁体产生的磁力代替返簧产生的对衔铁的力来辅助控制，磁力随永磁体和衔铁之间距离的增大而减小，方向与线圈产生的磁力方向相反。
17.所述的线圈组件主要由从下到上依次布置的主线圈、导磁环、次级线圈构成；所述的磁环导套组件主要由从下到上依次设置的前导套、主隔磁环、中导套、次隔磁环、后导套构成，各个隔磁环和各个导套均在同一圆周上下布置，主隔磁环位于前导套和中导套之间，次隔磁环位于中导套和后导套之间。
18.本实用新型设计双线圈磁力源，可以包括位于同侧的主线圈与次级线圈，主线圈与次级线圈控制电流的大小与方向可控，次级线圈代替传统返簧产生的对衔铁的力来控制阀芯位置。
19.所述次级线圈与主线圈位于同侧，次级线圈通电后，产生的磁力方向与主线圈产生的磁力方向相反，大小由控制电流决定，同时主线圈和次级线圈的磁流回路通过导磁环引向衔铁，代替传统返簧产生的对衔铁的力来控制阀芯位置。
20.上述可见本实用新型至少存在永磁体和双线圈两种通过其他磁力源来辅助阀芯和衔铁复位、保持阀的启闭、保持阀的开度的方案。
21.所述的衔铁表面涂覆超洁净涂层。
22.所述的衔铁为环形，环形的底部和阀芯上端固定连接。
23.所述的磁环导套组件内的主极靴上表面和主极靴通孔的孔壁表面均设有限位片，限位片位于内隔层下方。
24.所述的阀座、阀芯、垫片、限位片、内隔层由超洁净材料制成，超洁净材料包括但不仅限于如过氟烷氧基pfa、聚四氟乙烯ptfe、聚偏二氟乙烯pvdf等含氟塑料或其任意组合，组件以洁净可靠的连接方式连接，包括但不仅限于如超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热焊接或其任意组合的方式，介质流经所述阀只与超洁净材料接触。
25.本实用新型的阀用超洁净材料将介质通路同阀的其他结构、外界分隔开，保证了超洁净环境的需求，阀腔外电磁线圈通电后控制阀芯和衔铁运动，实现阀的启闭和流量控制功能，同时避免了阀腔内含弹性动作元件的结构，通过其他磁力源来辅助阀芯和衔铁复位、保持阀的启闭与开度，从而实现超洁净流控。
26.本实用新型采用超洁净材料，具备良好的耐腐蚀性、热稳定性与自润滑性，包括但不仅限于如过氟烷氧基pfa、聚四氟乙烯ptfe、聚偏二氟乙烯pvdf等含氟塑料或其任意组合。
27.阀用超洁净材料(包括但不仅限于如过氟烷氧基pfa、聚四氟乙烯ptfe、聚偏二氟乙烯pvdf等含氟塑料或其任意组合)将介质通路同其他阀的结构、外界分隔开的存在形式包括含超洁净涂层的衔铁11、直接成型的隔层(内隔层13、限位片6、垫片4)与一体成型的零件(阀座1、阀芯2)，以保证介质只与超洁净材料接触。
28.超洁净材料将介质通路同其他阀的结构、外界分隔开的存在形式包括各衔铁的超洁净涂层、直接成型的隔层与一体成型的零件，同时涂层零件、隔层、一体成型零件的连接方式为洁净可靠的方式，包括但不仅限于如超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热焊接或其任意组合的方式。
29.所述阀的辅助阀芯和衔铁复位、保持阀的启闭与开度的其他磁力源包括但不仅限于永磁体、双线圈或其任意组合。
30.本实用新型的线圈组件中的电磁线圈紧贴阀腔外壁，属于非动作件。动作件拆分为阀芯和衔铁两部分，在安装过程中以洁净可靠的方式连接。
31.由此，阀用阀腔外的电磁线圈驱动阀腔内的阀芯和衔铁，而非使用动作件驱动(包括但不限于旋转手轮、步进电机等动作件或其任意组合)，电磁线圈紧贴阀腔外壁，整体结构紧凑。
32.本实用新型的有益效果是：
33.本实用新型电磁线圈通电后控制阀芯和衔铁运动，实现阀的启闭和流量控制功能，同时通过其他磁力源来辅助阀芯和衔铁复位、保持阀的启闭与开度。腔外线圈驱动的本实用新型相较于现有超洁净阀的阀腔外无可动部件，整体结构紧凑，可靠性高。
34.阀腔内无弹性元件的本实用新型则相较于隔膜阀和波纹管阀避免了弹性动作元件的结构，不易发生疲劳失效，同时本实用新型具有电磁阀相对体积小，控制精度高，响应速度快的优势。
35.本实用新型能够解决和满足半导体、生物医药、电子级化工等领域面临工艺介质的超洁净流控需求，即实现介质输控的同时确保其不被金属、离子、颗粒物、细菌等污染，以保障后续工艺效果。
附图说明
36.下面结合附图以及实施方式对本实用新型进行进一步的说明。
37.图1为本实用新型实施例ⅰ永磁体方案的结构示意图。
38.图2为本实用新型实施例ⅱ双线圈方案的结构示意图。
39.图中，1：阀座；2：阀芯；3：外套；4：垫片；5：主极靴；6：限位片；7：主线圈；8：前导套；9：主隔磁环；10：后导套；11：衔铁(超洁净涂层)；12：导磁外壳；13：内隔层；14：永磁体；15：中导套；16：导磁环；17：次级线圈；18：次隔磁环；19：次极靴。
具体实施方式
40.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
41.实施例ⅰ：
42.如图1所示，本实施例包括阀座1、阀芯2、外套3、垫片4、主极靴5、限位片6、主线圈7、前导套8、主隔磁环9、后导套10、衔铁11、导磁外壳12、内隔层13和永磁体14；阀座1内部的两侧分别设有入口流道和出口流道，阀座1上固定安装有外套3，外套3内部和阀座1之间形成阀腔，入口流道和出口流道均连通到阀腔。
43.阀腔周围的内壁紧贴固定地设置有导磁外壳12，导磁外壳12套装有主线圈7，主线圈7上方的导磁外壳12内设有永磁体14，永磁体14顶面和外套3内顶面接触，主线圈7上方的导磁外壳12内设有主极靴5。
44.主极靴5中心开设有用于阀芯2贯穿过的竖直通孔，主极靴5底面设有垫片4，垫片4通过阀座1顶面的环形凸台支撑，使得垫片4和阀座1底面之间具有间隔形成活动过渡腔；主线圈7内周面布置由磁环导套组件，磁环导套组件主要由从下到上依次设置的前导套8、主隔磁环9和后导套10构成，前导套8、主隔磁环9和后导套10在同一圆周上下布置，主隔磁环9位于前导套8和后导套10之间；磁环导套组件内装有内隔层13，内隔层13内装有衔铁11，衔铁11下端和阀芯2上端固定连接，阀芯2活动穿过主极靴5中心的竖直通孔后伸入到垫片4和阀座1之间的活动过渡腔中；阀芯2下端位于阀座1入口流道的出口的正上方。
45.磁环导套组件内的主极靴5上表面和主极靴5通孔的孔壁表面均设有限位片6，限位片6位于内隔层13下方。
46.具体实施中，衔铁11采用超洁净材料，且表面涂覆超洁净涂层。衔铁11为环形，环形的底部和阀芯2上端固定连接。
47.工作过程：
48.主线圈7不通电时，永磁体14与衔铁11吸附，衔铁11紧靠在内隔层13的上部，此时阀的开度最大，介质从阀座1左侧的入口流道流入，从阀座1右侧出口流道流出。
49.当主线圈7开始通电，衔铁11受到向下的磁力，开始脱离内隔层13向下移动。
50.衔铁11与阀芯2所受的重力与主线圈7产生的磁吸力同永磁体14的吸力相平衡时，阀的开度相较于不通电时变小，控制电流不变时阀的开度也保持不变。
51.当主线圈7的控制电流继续增大，衔铁11继续向下移动，直至阀芯2与阀座1紧密接触，介质无法从阀座1左侧的入口流道进入到阀腔内，此时阀关闭。之后减小主线圈7的控制电流，阀又将开启，阀的开度由主线圈7的控制电流决定。
52.主要磁路如图1所示：
53.磁路1：由主线圈7形成，主极靴5—限位片6—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—后导套10—导磁外壳12—主极靴5。
54.磁路2：由主线圈7形成，主极靴5—前导套8—内隔层13—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—后导套10—导磁外壳12—主极靴5。
55.磁路3：由永磁体14形成，永磁体14—内隔层13—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—后导套10—导磁外壳12—永磁体14。
56.实施例ⅱ：
57.如图2所示，阀包括阀座1、阀芯2、外套3、垫片4、主极靴5、限位片6、主线圈7、导磁环16、次级线圈17、前导套8、主隔磁环9、中导套15、次隔磁环18、后导套10、衔铁11、导磁外壳12、内隔层13和次极靴19；阀座1内部的两侧分别设有入口流道和出口流道，阀座1上固定安装有外套3，外套3内部和阀座1之间形成阀腔，入口流道和出口流道均连通到阀腔。
58.阀腔周围的内壁紧贴固定地设置有导磁外壳12，导磁外壳12套装有线圈组件，线圈组件主要由从下到上依次布置的主线圈7、导磁环16、次级线圈17构成，线圈组件上方的导磁外壳12内设有次极靴19，次极靴19的顶面和外套3内顶面接触。
59.线圈组件上方的导磁外壳12内设有主极靴5；主极靴5中心开设有用于阀芯2贯穿过的竖直通孔，主极靴5底面设有垫片4，垫片4通过阀座1顶面的环形凸台支撑，使得垫片4和阀座1底面之间具有间隔形成活动过渡腔；线圈组件内周面布置由磁环导套组件，磁环导套组件主要由从下到上依次设置的前导套8、主隔磁环9、中导套15、次隔磁环18、后导套10构成，各个隔磁环和各个导套均在同一圆周上下布置，主隔磁环9位于前导套8和中导套15之间，次隔磁环18位于中导套15和后导套10之间；
60.磁环导套组件内的主极靴5上表面和主极靴5通孔的孔壁表面均设有限位片6，限位片6位于内隔层13下方。
61.磁环导套组件内装有内隔层13，内隔层13内装有衔铁11，衔铁11下端和阀芯2上端固定连接，阀芯2活动穿过主极靴5中心的竖直通孔后伸入到垫片4和阀座1之间的活动过渡腔中；阀芯2下端位于阀座1入口流道的出口的正上方。
62.具体实施中，衔铁11采用超洁净材料，且表面涂覆超洁净涂层。衔铁11为环形，环形的底部和阀芯2上端固定连接。
63.工作过程：
64.主线圈7和次级线圈17不通电时，阀芯2由于重力与阀座1相接触，
65.当主线圈7通电，衔铁11受到向下的磁力，阀芯2与阀座1紧密接触，介质无法从阀座1左侧的入口流道进入到阀腔内，此时阀关闭。
66.当次级线圈17通电，衔铁11受到来自次级线圈17产生的向上的磁力，直至这个磁力克服阻力，衔铁11开始向上运动，介质从阀座1左侧的入口流道流入，从阀座1右侧出口流道流出，阀开启。
67.在此基础上，合理设置主线圈7和次级线圈17的控制电流，使主线圈7的磁力和衔铁11、阀芯2的重力同次级线圈17的磁力相平衡，就能将衔铁11稳定在行程的任意位置，即阀的开度受调节。
68.当主线圈7不通电，次级线圈17通电，此时衔铁11紧靠在内隔层13的上部，阀的开度最大。
69.主要磁路如图2所示：
70.磁路1：由主线圈7形成，主极靴5—限位片6—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—后导套10—导磁外壳12—主极靴5。
71.磁路2：由主线圈形成，主极靴5—前导套8—内隔层13—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—后导套10—导磁外壳12—主极靴5。
72.磁路3：由次级线圈17形成，次极靴19—内隔层13—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—中导套15—导磁环16—导磁外壳12—次极靴19。
73.磁路4：由次级线圈17形成，次极靴19—后导套10—内隔层13—气隙—衔铁11—气隙—内隔层13—中导套15—导磁环16—导磁外壳12—次极靴19。