專利名稱:三肋式微型氣動閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及的是一種三肋式微型氣動閥,用于對流體流動方向及 流量大小進(jìn)行控制,屬于微流動系統(tǒng)的控制裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
近年來,隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)、微流動系統(tǒng)、微加工技術(shù)的飛速發(fā)展, 以微泵、合成噴為主要代表的微型射流器不僅成功應(yīng)用于微型注射、微噴
打印、藥物微量配給、微型部件散熱等方面(參見WoiasP,"微泵20年發(fā) 展歷程總結(jié)"("Micropumps-su腿arizing the first two decades"), 國際光學(xué)工程學(xué)會會議錄(Proceedings of SPIE), 2001年第4560巻,第 39-52頁);參見Bratter R L,"微電子機(jī)械系統(tǒng)市場取得的商業(yè)成功"
("Commercial success in the MEMS marketplace" ), 2000年光學(xué)微電 子機(jī)械系統(tǒng)會議論文集(Proceedings of Optical MEMS'2000),第29-30 頁),更在DNA分離與輸送、流動主動控制、微飛行器與微小型衛(wèi)星推進(jìn)等 領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景(參見Ivan A,"微型器械掀起微觀領(lǐng)域革命"
("Micromachines: Fomenting a revolution, in miniature"),《禾斗學(xué)》 雜志,1998年第282巻,第402-405頁;參見McMichael J M,"采用微電 子機(jī)械系統(tǒng)的流場主動控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望"("Progress and prospects for active flow control using Microfabricated ElectromechanicalSystems"),美國航空航天協(xié)會報告,編號96-0306 (AIAA-96-0306))。 作為微型射流器中控制流動方向與流量大小的關(guān)鍵組成部分,微閥一 直是微流動系統(tǒng)中的一個重要研究領(lǐng)域。微閥按照有無活動部件可分為主 動閥與被動閥兩種,目前國內(nèi)外研究主要集中在被動閥,并且多為三角結(jié) 構(gòu)的動態(tài)被動閥(Dynamic Passive Valve),它利用流體從正、逆兩個方 向流過微閥時流動損失不同的原理,來實現(xiàn)流體的單向傳輸,并且具有結(jié) 構(gòu)簡單、可靠性好、壽命長、不造成額外的流動阻力與能量消耗、可以工 作于高頻諧振狀態(tài)等優(yōu)點,但是其效率只有5% 10% (參見Gerlach T 等,"動態(tài)微泵工作原理與性能"("Working Principle and Performance of the Dynamic Microp卿"),《傳感器與執(zhí)行器A》(《Sensors and Actuators A》),1995年第50巻,第135-140頁),這樣低的效率必然會降 低微型射流器的效果甚至影響應(yīng)用的可行性。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的旨在克服動態(tài)被動閥效率很低的缺陷,提出一種可 應(yīng)用于微型射流器、控制流體流動方向與流量大小的三肋式微型氣動閥, 通過新的流體力學(xué)原理來抑制逆流,從而增大正、逆向流量差以顯著提高 效率,進(jìn)而提高微型射流器的應(yīng)用效果。本實用新型的技術(shù)解決方案其特征是一級肋條、二級肋條、三級肋條 按照從左到右的順序依次布置,構(gòu)成三肋式微型氣動閥,其中一級肋條由 上下對稱的兩部分組成,位于微閥的左端,二級肋條也由上下對稱的兩部 分組成,設(shè)在一級肋條的右側(cè),與一級肋條平行,三級肋條左頂角采用圓弧結(jié)構(gòu),位于微閥的右端。三級肋條由圓弧段、傾斜段和垂直壁構(gòu)成。 本實用新型的有益效果是,三肋式微型氣動閥通過新的流體力學(xué)原理 來抑制逆流,從而增大正、逆向流量差,一、二、三級肋條的構(gòu)型設(shè)計方 案大幅度地提高了微閥的效率,達(dá)到動態(tài)被動閥效率的4倍,顯著增大了 微泵等微型射流器輸送的流體流量并提高工作效率,而且可靠性高、壽命 長,容易加工、成本低。可為各種軍、民用場合,包括航空、航天、醫(yī)療、 汽車等領(lǐng)域,提供一種綜合性能好的微流動系統(tǒng)控制裝置。
附圖1是三肋式微型氣動閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是流體從正向通過三肋式微型氣動閥的流動示意圖。
附圖3是流體從逆向通過三肋式微型氣動閥的流動示意圖。
圖中l(wèi)是一級肋條,2是二級肋條,3是三級肋條;W是微閥內(nèi)部寬度, d是一、二級肋條噴口寬度,e是一、二級肋條收斂角度,4)是一級肋條下 游傾斜壁面與水平壁面的夾角,Ll是一級肋條與二級肋條的水平間距,L2 是二級肋條的斜向長度,L3是二級肋條噴口與三級肋條圓弧段頂點的水平 間距,L4是三級肋條的垂直壁長度;Rl是一級肋條過渡圓弧段半徑,R2 是二級肋條過渡圓弧段半徑,e是三級肋條左頂角角度。
具體實施方式
對照圖l,其結(jié)構(gòu)是一級肋條l、 二級肋條2、三級肋條3按照從左到 右的順序依次布置,構(gòu)成三肋式微型氣動閥,其中一級肋條l由上下對稱的兩部分組成,位于微閥的左端,二級肋條2也由上下對稱的兩部分組成,
設(shè)在一級肋條1的右側(cè),與一級肋條1平行,三級肋條3左頂角采用圓弧
結(jié)構(gòu),位于微閥的右端。依靠這三級肋條的構(gòu)型設(shè)計,三肋式微型氣動閥
可以獲得較大的正、逆向流量差,從而顯著提高效率
所述的一級肋條l、 二級肋條2均釆用收斂型結(jié)構(gòu),并在噴口處使用了
圓弧過渡,以減小流體正向流動時的壓力損失,同時三級肋條3的圓弧段
和傾斜段保證了正向流道的截面形狀平緩過渡,使流體流動順暢,幾乎不
造成流動損失(如圖2所示),從而增大正向流動時的流量;
所述的一級肋條1、二級肋條2的下游壁面由常規(guī)的垂直壁改為傾斜壁, 可引導(dǎo)逆向流體沿著有利于增大逆向損失的流線流動,同時三級肋條3的 垂直壁阻擋住部分流體,剩余流體繞過三級肋條3后,在慣性作用下,幾 乎不向二級肋條2與三級肋條3的中間區(qū)域流動,而是直接流向一級肋條1 與二級肋條2之間,然后于一級肋條l噴口處發(fā)生強(qiáng)烈碰撞,被進(jìn)一步削 弱后才從噴口流出(如圖3所示),這樣就顯著減小了逆向流動時的流量。 依靠這三級肋條的構(gòu)型設(shè)計,三肋式微型氣動閥可以獲得較大的正、逆向 流量差,從而顯著提高效率。
所述的一級肋條l、 二級肋條2噴口寬度d取0. 1 5imi,微閥內(nèi)部寬 度W》6倍的一、二級肋條噴口寬度d, 一級肋條l、 二級肋條2收斂角度 e取90 150度, 一級肋條1下游壁面為傾斜壁,與水平壁面的夾角4>=0. 5 倍的一級肋條1、 二級肋條2收斂角度e ,過渡圓弧段半徑Rl取(1 2) 倍的一、二級肋條噴口寬度d, 一級肋條1過渡圓弧段的圓心角a 1取值與 一級肋條下游傾斜壁面與水平壁面的夾角小相同;二級肋條與一級肋條平行, 一級肋條1與二級肋條2的水平間距Ll取《0. 3 0. 6)倍的一、二級 肋條噴口寬度d, 二級肋條2斜向長度L2取(1 2)倍的一、二級肋條噴 口寬度d,過渡圓弧段半徑R2取(1 2)倍的一、二級肋條噴口寬度d, 二級肋條2過渡圓弧段的圓a2取值與一級肋條下游傾斜壁面與水平壁面 的夾角小相同;
三級肋條3由圓弧段、傾斜段和垂直壁構(gòu)成。
三級肋條3圓弧段頂點與二級肋條2噴口的水平間距L3取(0. 5 1) 倍的一、二級肋條噴口寬度d,三級肋條3左頂角角度P取30 90度,三 級肋條的垂直壁長度L4取(0.4 0.8)倍的微閥內(nèi)部寬度W。
三肋式微型氣動閥的厚度可根據(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇。
三肋式微型氣動閥的制作方法,其特征是該方法的工藝步驟分為,(一) 采用線切割機(jī),在沿導(dǎo)軌運動的金屬絲構(gòu)成的工具電極與金屬工件之間施 加脈沖電壓,使工具電極與金屬工件之間發(fā)生脈沖火花放電,電蝕、去除 金屬并且切割成型,從而制得微細(xì)電火花加工所需電極;(二)采用電火花 加工設(shè)備,在工藝步驟(一)所制得的電極與被加工件之間施加周期性快 速變化電場,通過脈沖放電產(chǎn)生的局部高溫使工件表面金屬熔化、氣化并 蝕除金屬,從而制得三肋式微型氣動閥結(jié)構(gòu)。
實施例
首先采用紫銅為電極材料,通過所述的線切割加工工藝制得如圖5所 示的電極,然后以硬鋁為結(jié)構(gòu)材料,使用所述的電火花加工工藝得到如圖6 所示的三肋式微型氣動閥。各部分尺寸按照具體實施方式
中的比例規(guī)定取 值如下一、二級肋條噴口寬度d取lmm,微閥內(nèi)部寬度W取10mm, 一、 二級 肋條收斂角度e取120度, 一級肋條1下游傾斜壁面與水平壁面的夾角d> 為60度, 一級肋條1過渡圓弧段半徑Rl取lmm, 一級肋條1過渡圓弧段的 圓心角a 1為60度, 一級肋條1與二級肋條2水平間距LI取0. 3mm, 二級 肋條2斜向長度L2取1. 8腿,二級肋條2過渡圓弧段半徑R2取1. 5mm, 二 級肋條2過渡圓弧段的圓心角a 2為60度,三級肋條3圓弧段頂點與二級 肋條2噴口的水平間距L3取0. 7mm,三級肋條3左頂角角度P取60度,三 級肋條3的垂直壁長度L4取5mm。三肋式微型氣動閥的厚度為lmm。
實施例的有益效果通過數(shù)值計算與實驗手段,對三角結(jié)構(gòu)的動態(tài)被 動閥與三肋式微型氣動閥實施例進(jìn)行了效率對比,結(jié)果表明三角結(jié)構(gòu)動態(tài) 被動閥的效率為6% 7%,而三肋式微型氣動閥實施例的效率為28% 29 %,提高到動態(tài)被動閥的4倍。這樣,在應(yīng)用于微型射流器時,三肋式微 型氣動閥可以顯著增大輸送的流體流量并提高工作效率。
權(quán)利要求1、三肋式微型氣動閥,其特征是一級肋條、二級肋條、三級肋條按照從左到右的順序依次布置,構(gòu)成三肋式微型氣動閥,其中一級肋條由上下對稱的兩部分組成,位于微閥的左端,二級肋條也由上下對稱的兩部分組成,設(shè)在一級肋條的右側(cè),與一級肋條平行,三級肋條左頂角采用圓弧結(jié)構(gòu),位于微閥的右端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三肋式微型氣動閥,其特征是所述的三級肋條由 圓弧段、傾斜段和垂直壁構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三肋式微型氣動閥,其特征是所述的一級肋條、 二級肋條均采用收斂型結(jié)構(gòu),并在噴口處用圓弧過渡,下游壁面均為傾斜壁。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的三肋式微型氣動閥,其特征是所述的三級肋條圓 弧段頂點與二級肋條噴口的水平間距取(0. 5 1)倍的一、二級肋條噴口寬度, 三級肋條左頂角角度取30 90度,三級肋條的垂直壁長度取(0.4 0.8)倍 的微閥內(nèi)部寬度。
專利摘要本實用新型是用于控制流體流動方向與流量大小的三肋式微型氣動閥,其結(jié)構(gòu)是一級肋條、二級肋條、三級肋條按照從左到右的順序依次布置,構(gòu)成三肋式微型氣動閥,其中一級肋條由上下對稱的兩部分組成,位于微閥的左端,二級肋條也由上下對稱的兩部分組成,設(shè)在一級肋條的右側(cè),與一級肋條平行,三級肋條左頂角采用圓弧結(jié)構(gòu),位于微閥的右端。優(yōu)點三肋式微型氣動閥通過新的流體力學(xué)原理來抑制逆流,增大正、逆向流量差,顯著增大了微泵等微型射流器輸送的流體流量,效率提高到動態(tài)被動閥的4倍,可靠性高、壽命長,易加工、成本低??蔀楦鞣N軍、民用場合,包括航空、航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域,提供一種綜合性能好的微流動系統(tǒng)控制裝置。
文檔編號F15D1/00GK201125904SQ200720044910
公開日2008年10月1日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者廖文和, 鑫 王, 黃國平 申請人:南京航空航天大學(xué)