Малогабаритный пьезоэлектрический клапан для систем автоматики
Полезная модель относится к области точного машиностроения, именно к клапанным устройствам пьезоэлектрического типа для регулирования параметров газовых и жидкостных потоков в системах автоматики и может быть использовано в устройствах для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Решаемой задачей является создание сравнительно простого по конструкции, надежного и эффективного малогабаритного пьезоэлектрического клапана для систем автоматики, в том числе, для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Дополнительно решаются задачи повышения функциональных возможностей клапана и экономичности. Решение указанной задачи достигается тем, что в малогабаритном пьезоэлектрическом клапане для систем автоматики, содержащем корпус, входное и выходное отверстия для протока текучей среды, запорный элемент, механизм его перемещения и многослойный пьезоэлектрический привод, соединенный с генератором напряжения, согласно полезной модели, запорный элемент выполнен в виде подвижного стержня клиновидного сечения, контактирующего с эластичным трубопроводом с возможностью пережима его проходного сечения между входным и выходным отверстиями, причем механизм перемещения подвижного стержня запорного элемента включает первый поршень малого диаметра, гидроцилиндр, заполненный буферной жидкостью, и второй поршень большего диаметра, примыкающий к свободной торцевой поверхности многослойного пьезоэлектрического привода. Кроме того, первый поршень может быть сопряжен с подвижным стержнем запорного элемента непосредственно или через рычажный механизм, эластичный трубопровод может быть выполнен из резины или полиуретана, а пластины многослойного пьезоэлектрического привода - из керамического материала ЦТС-46. Описание на 6 л., илл. на 1 л.
Полезная модель относится к области точного машиностроения, именно к клапанным устройствам пьезоэлектрического типа для регулирования параметров газовых и жидкостных потоков в системах автоматики и может быть использовано в устройствах для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
Известно клапанное устройство для впрыскивания топлива в двигатель внутреннего сгорания, содержащее клапан подачи топлива через распылительные отверстия и распределительный клапан сливного канала, управляемый пьезоэлектрическим приводом (см. заявку на патент RU №98104468, опубл. 10.01.2000 г.).
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и значительные габариты, не позволяющие использовать данный тип клапана в качестве малогабаритного клапанного устройства для систем автоматики.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является пьезоэлектрический клапан для систем автоматики, содержащий корпус, входное и выходное отверстия для протока текучей среды, запорный элемент, механизм его перемещения и многослойный пьезоэлектрический привод, соединенный с генератором напряжения (см. патент RU №2293873, опубл. 20.02.2007 г. - прототип).
Особенностью известного клапана для дозирования топлива в двигатель внутреннего сгорания является наличие силового пьезоэлектрического привода запорного элемента и прецизионного компенсатора давления. Корпус известного клапана содержит направляющую с коническим седлом, дроссель, подпружиненный затвор, полость для подвода топлива от источника давления и сливную полость. Пьезоэлектрический привод нижним торцом закреплен в корпусе клапана и имеет центральное отверстие для штока прецизионного компенсатора давления, снабженного упором, поджатым к верхнему торцу указанного пьезоэлектрического привода.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, связанная с наличием полостей подвода и слива топлива и подпружиненного компенсатора давления, контактирующего с механизмом перемещения запорного элемента клапана. Это ограничивает его использование при управлении малорасходными газовыми потоками в системах автоматики источников питания на топливных элементах при необходимости размещения клапана в пространстве объемом порядка 1 см3 .
Решаемой задачей является создание сравнительно простого по конструкции, надежного и эффективного малогабаритного пьезоэлектрического клапана для систем автоматики, в том числе, для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Дополнительно решаются задачи повышения функциональных возможностей клапана и экономичности.
Решение указанной задачи достигается тем, что в малогабаритном пьезоэлектрическом клапане для систем автоматики, содержащем корпус, входное и выходное отверстия для протока текучей среды, запорный элемент, механизм его перемещения и многослойный пьезоэлектрический привод, соединенный с генератором напряжения, согласно полезной модели, запорный элемент выполнен в виде подвижного стержня клиновидного сечения, контактирующего с эластичным трубопроводом с возможностью пережима его проходного сечения между входным и выходным отверстиями, механизм перемещения подвижного стержня запорного элемента включает контактирующий с ним первый поршень малого диаметра и размещенный в гидроцилиндре второй поршень большего диаметра, примыкающий к свободной торцевой поверхности многослойного пьезоэлектрического привода, причем гидроцилиндр заполнен буферной жидкостью для передачи усилия от второго к первому поршню.
Кроме того, механизм перемещения запорного элемента может быть выполнен в виде подвижного стержня, сопряженного с первым поршнем непосредственно или через рычаг, эластичный трубопровод может быть выполнен из резины или полиуретана, а пластины многослойного пьезоэлектрического привода - из керамического материала ЦТС-46.
Такое выполнение пьезоэлектрического клапана позволяет в максимальной степени уменьшить габариты и упростить его конструкцию. При этом устройство клапана содержит минимальное число основных функциональных элементов: корпус, эластичный трубопровод, запорный элемент, гидроцилиндр и многослойный пьезоэлектрический привод.
Указанное выполнение малогабаритного пьезоэлектрического клапана определяет его высокую надежность, в том числе, при использовании в системах автоматики для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
Повышение функциональных возможностей клапана обеспечивается способностью пьезоэлектрического привода гибко реагировать на амплитудные и частотные характеристики подаваемого на его обкладки управляющего напряжения. Использование гидроцилиндра позволяет увеличить усилие на запорном элементе клапана от многослойного пьезоэлектрического привода пропорционально отношению площадей второго и первого поршней.
На фиг.1 изображен продольный разрез малогабаритного пьезоэлектрического клапана для систем автоматики с рычажным механизмом, на фиг.2 дано сечение клапана с подвижным стержнем, сопряженным с первым поршнем непосредственно.
Клапан (фиг.1, 2) предназначен для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
Малогабаритный пьезоэлектрическом клапане (фиг.1) содержит корпус 1, эластичный трубопровод 2 с входным и выходным отверстиями для протока газа, запорный элемент 3 с механизмом его перемещения и многослойный пьезоэлектрический привод 4. Запорный элемент 3 выполнен в виде подвижного стержня клиновидного сечения, контактирующего с эластичным трубопроводом 2 с возможностью пережима его проходного сечения между входным и выходным отверстиями.
Механизм перемещения подвижного стержня запорного элемента 3 включает контактирующий с ним первый поршень 5 малого диаметра. Второй поршень 6 большего диаметра размещен в гидроцилиндре, выполненном в виде втулки 7 и примыкает к свободной торцевой поверхности многослойного пьезоэлектрического привода 4. Гидроцилиндр заполнен буферной жидкостью для передачи усилия от второго 6 к первому 5 поршню. Корпус 1 соединен через герметичную эластичную прокладку 8 с втулкой 7. Второй поршень 6 снабжен прокладкой 9, размещенной в кольцевой проточке на его внешней цилиндрической поверхности. С противоположной стороны втулки 7 имеется винтовой прижим 10.
Пьезоэлектрический привод 4 выполнен в виде многослойного пьезоактюатора, размещенного внутри втулки 3 между прижимом 10 и вторым поршнем 6 с возможностью деформации в осевом направлении. Эластичный трубопровод 2 установлен в выемке корпуса 1 перпендикулярно подвижному стержню запорного элемента 3. Последний выполнен в виде рычага, один конец которого закреплен в корпусе 1 посредством оси 11. Его противоположный конец имеет клиновидное сечение для пережима проходного сечения трубопровода 2 между его входным и выходным отверстиями. Средняя часть указанного рычага запорного элемента 3 контактирует с верхним торцом первого поршня 5.
Пьезоэлектрический привод 4 имеет электрические выводы 12, 13, которые проходят через отверстие во втулке 7 для подключения через блок управления к источнику питания (не показаны).
Опытные экземпляры предложенного пьезоэлектрического клапана были изготовлены в ОИВТ РАН с использованием следующих материалов. Корпус 1, втулка 7, поршни 5, 6, прижим 10 и рычаг 3 выполнены из латуни, прокладки 8, 9 - из полиуретана. Для нормального функционирования пьезоэлектрического клапана возможно выполнение корпуса 1 из диэлектрического материала (пластмассы) или из любого металла (латунь, нержавеющая сталь). Слои пьезоэлектрического привода 4 выполнены из пьезокерамического материала ЦТС-46, а источник питания выполнен на рабочее напряжение 0-100 В.
Клапан рассчитывался на расход воздуха или водорода в диапазоне 1-50 мл/с при рабочем давлении до 0,8 МПа и режимах отсечки газа в области давления от 0,05 МПа. Герметичность клапана обеспечивается за счет выполнения трубопровода 2 из эластичных материалов, например резины или полиуретана.
Клапан (фиг.2) выполнен аналогично за исключением того, что шток первого поршня 5 в нем совмещен непосредственно с подвижным стержнем 14 клиновидного сечения.
Габаритные размеры одного из вариантов изготовленного пьезоэлектрического клапана для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах: диаметр корпуса 10 мм, длина 12 мм и внутренний диаметр втулки 8 мм.
Пьезоэлектрический клапан по схеме фиг.1 работает следующим образом.
Предварительно осуществляют настройку пьезоэлектрического клапана путем регулирования усилия прижатия рычага 3 к трубопроводу 2, таким образом, что при закрытом состоянии клапана, эластичный трубопровод 2 открывается под действием заданного давления газа на его входе. В этом случае клапан может работать в качестве предохранительного клапана.
После предварительной настройки пьезоэлектрический клапан может находиться в закрытом положении, когда многослойный пьезоэлектрический привод 4 находится под напряжением, полярность которого соответствует закрытому положению клапана. Закрытое положение клапана фиксируется за счет накопленного на пьезоэлектрическом приводе 4 электрического заряда заданного потенциала или за счет поддержания на нем напряжения от внешнего источника.
Открытие клапана происходит в случае подачи на многослойный пьезоэлектрический привод 4 напряжения обратной полярности, при этом клапан открывается и фиксируется в этом положении определенное время за счет поддержания указанного уровня напряжения в соответствии с сигналами блока управления рабочим напряжением. В этом случае регулируемый поток воздуха или водорода свободно проходит через эластичный трубопровод 2 от входного к выходному отверстию. Если в состоянии закрыто давление на входе в клапан превышает установленное регулировкой, то клапан открывается, отжимая рычаг 3 и излишек давления стравливается до тех пор, пока оно не будет соответствовать установленному регулировкой, после чего клапан закрывается.
Работа клапана по схеме фиг.2 осуществляется аналогично предыдущему за исключением того, что давление штока первого поршня 5 в нем передается непосредственно через подвижный стержень 14 клиновидного сечения на эластичный трубопровод 2.
Механизм привода предложенного клапана связан только с поступательным перемещением пластин пьезоэлектрического привода 4, что существенно упрощает конструкцию устройства и снижает требования по точности его изготовления. Для переключения клапана и поддержания его запорного элемента в нужном положении требуется подача напряжения необходимых полярности и потенциала. Энергопотребление предложенного клапана мало из-за высокого электрического сопротивления набора пьезоэлектрических пластин, что позволяет экономить электроэнергию из-за отсутствия потерь, свойственных, например, электромагнитному приводу.
Технический результат в части экономичности клапана определяется также малыми инерционными характеристиками его подвижных частей. Предложенный пьезоэлектрический клапан был испытан на проходных сечениях 0,6; 0,8; 1,6 мм, в качестве рабочей среды использовался воздух и водород с избыточным давлением до 0,8 МПа. Материал многослойного пьезоэлектрического привода 4 - пьезокерамический материал ЦТС-46, габариты привода 4: длина 6,5×6×5,5 мм. Напряжение электропитания многослойного пьезоэлектрического привода 4 при электрической емкости 925 нФ находится в диапазоне от 0 до 100 В, в зависимости от давления, на которое регулируется клапан. Блокирующее усилие пьезоэлектрического привода 4 составляло 1350 Н при максимальной амплитуде деформации и рабочем напряжении 100 В. Для увеличения блокирующего усилия пьезоэлектрический привод может быть выполнен на большее поперечное сечение и большую высоту за счет увеличения количества активных пластин в его наборе.
Предложенный пьезоэлектрический клапан разработан в ОИВТ РАН. Проведенные испытания опытных образцов подтвердили высокую технологичность и простоту изготовления клапана, надежность и эффективность его эксплуатации при малогабаритном исполнении для систем автоматического регулирования параметров газовых потоков в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
1. Малогабаритный пьезоэлектрический клапан для систем автоматики, содержащий корпус, входное и выходное отверстия для протока текучей среды, запорный элемент, механизм его перемещения и многослойный пьезоэлектрический привод, соединенный с генератором напряжения, отличающийся тем, что запорный элемент выполнен в виде подвижного стержня клиновидного сечения, контактирующего с эластичным трубопроводом с возможностью пережима его проходного сечения между входным и выходным отверстиями, причем механизм перемещения подвижного стержня запорного элемента включает контактирующий с ним первый поршень малого диаметра и размещенный в гидроцилиндре второй поршень большего диаметра, примыкающий к свободной торцевой поверхности многослойного пьезоэлектрического привода, причем гидроцилиндр заполнен буферной жидкостью для передачи усилия от второго к первому поршню.
2. Малогабаритный пьезоэлектрический клапан для систем автоматики по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения запорного элемента выполнен в виде подвижного стержня, сопряженного с первым поршнем непосредственно или через рычаг, эластичный трубопровод выполнен из резины или полиуретана, а пластины многослойного пьезоэлектрического привода - из керамического материала ЦТС-46.
