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.
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. 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 с входным и выходным каналами, размещенные внутри него запорный элемент и пьезоэлектрический привод его перемещения, соединенный с генератором напряжения (см. заявку на патент RU №2005113824, опубл. 20.06.2006 г. - прототип).
Особенностью известного клапана для дозирования топлива в двигатель внутреннего сгорания является наличие силового пьезокерамического привода запорного элемента и прецизионного компенсатора давления. Корпус известного клапана содержит направляющую с коническим седлом и многослойный пьезокерамический привод, который своим нижним торцом закреплен в корпусе клапана, а верхний упор компенсатора давления поджат пружиной сжатия к верхнему торцу силового многослойного пьезоэлектрического привода.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции компенсатора давления, наборного пьезокерамического привода и механизма привода запорного элемента, что не позволяет использовать такой клапан в качестве малогабаритного клапанного устройства, в том числе, для управления газовыми потоками в системах автоматики малогабаритных источников питания на топливных элементах.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого по конструкции, надежного и эффективного 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 с входным и выходным каналами, размещенные внутри него запорный элемент и пьезоэлектрический привод его перемещения, соединенный с генератором напряжения, согласно полезной модели, пьезоэлектрический привод выполнен в виде пластины из пьезобиморфного керамического материала, консольно закрепленной в изолирующей пробке на торце корпуса с возможностью изгиба в плоскости минимальной жесткости в направлении седла входного канала, причем на свободном конце пластины установлен запорный элемент из эластичного материала, ее противоположные стороны имеют токопроводящие покрытия, электрические выводы от которых размещены в изолирующей пробке для подключения через блок управления к источнику питания, а входной канал выполнен в виде штуцера с возможностью осевого смещения в направлении к запорному элементу для регулировки давления срабатывания клапана.
Кроме того, пластина пьезоэлектрического привода может быть выполнена из пьезобиморфного керамического материала марки ЦТС-46, изолирующая пробка - из твердеющего герметика или эпоксидного компаунда, запорный элемент - из резины или полиуретана, корпус клапана - из металла или диэлектрика, а генератор может быть выполнен на рабочее напряжение 0 - 200 В.
Кроме того, пластина пьезоэлектрического привода может быть выполнена составной, по крайней мере, из двух пьезоэлектрических пластин, скрепленных по токопроводящему покрытию. Кроме того, пластина пьезоэлектрического привода может быть выполнена составной, на одной из сторон которой в контакте с токопроводящим покрытием закреплена металлическая пластина с упругими свойствами.
Такое выполнение пьезоэлектрического клапана позволяет в максимальной степени упростить его конструкцию. При этом устройство клапана содержит, по существу, три основных функциональных элемента - корпус, входной канал и пьезоэлемент, определяющих высокую надежность клапана, в том числе, в системах автоматики для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах.
Повышение функциональных возможностей клапана обеспечивается наличием регулировки взаимного расположения седла и запорного элемента, а также способностью пьезоэлектрического привода гибко реагировать на амплитудные и частотные характеристики подаваемого на его обкладки управляющего напряжения.
На фиг.1 изображен продольный разрез малогабаритного пьезоэлектрического клапана для систем автоматики.
Клапан содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, размещенные внутри него запорный элемент 4 и пьезоэлектрический привод его перемещения, соединенный с генератором напряжения (не показан). Пьезоэлектрический привод выполнен в виде пластины 5 из пьезобиморфного керамического материала. Пластина 5 консольно закреплена в изолирующей пробке 6 на торце корпуса 1 с возможностью изгиба в плоскости минимальной жесткости в направлении седла 7 входного канала 2. Запорный элемент 4 выполнен из эластичного материала и установлен на свободном конце пластины 5. Противоположные стороны пластины 5 имеют токопроводящие покрытия 8, 9 с электрическими выводами 10, 11, которые размешены в изолирующей пробке 6 для подключения через блок управления к источнику питания (не показаны). При этом входной канал 2 выполнен в виде штуцера с возможностью осевого смещения к запорному элементу 4 для регулировки давления срабатывания клапана.
Опытные экземпляры предложенного пьезоэлектрического клапана были изготовлены с использованием следующих материалов. Корпус 1, входной и выходной каналы 2, 3 выполнены из латуни, пластина 5 пьезоэлектрического привода выполнена из пьезобиморфного материала марки ЦТС-46, изолирующая пробка 6 - из эпоксидного компаунда, запорный элемент 4 - из полиуретана, а источник питания выполнен на рабочее напряжение 0 - 200 В. Клапан рассчитывался на расход воздуха или водорода в диапазоне 1 - 20 мл/с при рабочем давлении до 0,2 МПа и режимах отсечки газа в области давления 0,05 МПа. Герметичность клапана в сопряжении запорного элемента 4 и седла 7 штуцера 2 обеспечивается за счет выполнения запорного элемента 4 из эластичных материалов, например резины или полиуретана.
Габаритные размеры одного из вариантов изготовленного пьезоэлектрического клапана для управления газовыми потоками в малогабаритных источниках питания на топливных элементах: диаметр корпуса 6 мм, длина 40 мм и внутренний диаметр 4 мм.
Для нормального функционирования пьезоэлектрического клапана возможно выполнение корпуса 1 из диэлектрического материала (пластмассы) или из любого металла (латунь, нержавеющая сталь).
Предложенный пьезоэлектрический клапан был испытан на проходных сечениях 0,6; 0,8; 1 мм, в качестве рабочей среды использовался воздух и водород с избыточным давлением до 0,1 МПа. Материал пластины 5 - пьезокерамический материал ЦТС-46 длиной 35 мм, шириной 2,5 мм, толщиной 0,6 мм. Напряжение электропитания пьезокерамической пластины 5 при электрической емкости 3 - 4 нФ находится в диапазоне от 0 до 200 В, в зависимости от давления, на которое регулируется клапан. При этом максимальное блокирующее усилие при настройке составляло 0,12 Н, а максимальная амплитуда деформации пластины 5 достигала 1,2 мм.
Для увеличения блокирующего усилия пластина 5 пьезоэлектрического привода может быть выполнена составной, в частности, из двух синхронно работающих пьезоэлектрических пластин указанного типа, скрепленных по токопроводящим покрытиям, вывод от которых становится общим. Для той же цели пластина пьезоэлектрического привода может быть выполнена составной, на одной из сторон которой в контакте с токопроводящим покрытием закреплена упругая металлическая пластина.
Пьезоэлектрический клапан работает следующим образом.
Предварительно осуществляют настройку пьезоэлектрического клапана путем регулирования усилия прижатия седла 7 входного канала 2 или иначе плунжера к эластичному запорному элементу 4, таким образом, что при положении плунжера 2 в состоянии закрыто, запорный элемент 4 отжимается от седла 7 при заданном давлении. В этом случае запорный элемент 4 и штуцер 2 с седлом 7 могут работать в качестве обратного или предохранительного клапана.
После предварительной настройки пьезоэлектрический клапан может находиться в закрытом положении, когда токопроводящие покрытия на пьезоэлектрической пластине 5 находятся под напряжением, полярность которого соответствует закрытому положению клапана. Запорный элемент 4 может отжиматься от седла 7 при давлении большем, чем было задано в случае предварительной настройки. Закрытое положение клапана фиксируется за счет накопленного на пьезоэлектрической пластине 5 электрического заряда заданного потенциала или за счет поддержания на ней напряжения от внешнего источника, при этом энергопотребление клапана мало из-за высокого электрического сопротивления пьезоэлектрической пластины.
Открытие клапана происходит в случае подачи на токопроводящие покрытия напряжения обратной полярности, при этом запорный элемент 4 отходит от седла 7
плунжера 2 и фиксируется в этом положении определенное время за счет поддержания указанного уровня напряжения в соответствии с сигналами блока управления напряжением. При этом регулируемый поток воздуха или водорода проходит из входного канала 2 через внутреннюю полость корпуса 1 клапана и поступает к потребителю через выходной канал 3.
Если в состоянии закрыто давление на входе в клапан превышает установленное регулировкой, то запорное устройство 4 отжимается от седла и излишек давления стравливается до тех пор, пока оно не будет соответствовать установленному регулировкой, после чего клапан закрывается. При возникновении противодавления запорный элемент 4 также прижимается к седлу 7 и перекрывает противоток.
Механизм привода предложенного клапана совершает только изгибное перемещение пьезоэлектрической пластины, что существенно упрощает конструкцию 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, что позволяет экономить электроэнергию из-за отсутствия потерь, свойственных, например, электромагнитному приводу, при этом усилие на запорном элементе зависит от величины электрического напряжения на пластине 5. Технический результат в части экономичности клапана определяется малыми инерционными характеристиками его подвижных частей и минимальным энергопотреблением привода запорного элемента. Кроме того, данный клапан обладает повышенной надежностью в сравнении с другими модификациями клапанов, содержащих сложные механические узлы.
Предложенный пьезоэлектрический клапан отличается высокой технологичностью и минимальным количеством конструктивных элементов, что обеспечивает простоту изготовления и надежность эксплуатации при малогабаритном исполнении клапана для систем автоматического регулирования параметров газовых и жидких потоков.