低功耗的超洁净差动电磁阀

技术领域

本发明涉及阀技术领域的一种电磁阀，具体涉及一种适用于超洁净场合的低功耗电磁阀。

背景技术

半导体、生物医药、电子级化工等领域对颗粒物、离子等污染物十分敏感，对于生产工艺所需的液体或气体提出了非常高的洁净度要求，达到一定洁净度标准的材料或工艺称为超洁净材料或超洁净工艺。输送超洁净流体介质的流控元件，须做到严格杜绝内部介质与外界相通，要安全可靠耐腐蚀，同时阀本身的启闭过程中不能产生磨损和颗粒物。

在需要超洁净流体或腐蚀性流体输控的领域，常需要使用超洁净电磁阀作为超洁净流控的基础元件，而传统电磁阀通常设置有类似阀杆这样的外部伸入控制件，这导致其原理上难以消除动密封点，在长期、多次的启闭过程中易产生外泄漏。此外，传统电磁阀往往采用金属弹性元件(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。

对此，业界的常见措施是使用电动隔膜阀，(详情见专利WO2007089689A2，CN101365904A,CN1836124A，US20030722168)，通过电机推动具有弹性的挠性元件形变实现阀口启闭与开度控制，挠性元件隔膜作为密封件来将外侧阀杆等驱动器件和流道完全隔离开，保障了流体的洁净特性，但存在隔膜易疲劳破裂、控制响应速度慢等问题。申请号为CN202011163914.1的中国发明，提供一种超洁净比例电动阀，利用最小磁阻原理实现启闭阀口，对阀口位置可以实现精确控制；但相对于电磁线圈驱动形式，存在整体结构体积大，对阀口的控制响应速度慢的问题。

相对于电机驱动的电动阀，依靠线圈驱动的电磁阀具有结构紧凑、控制响应迅速等优势，但制约线圈驱动的电磁阀应用于超洁净流控领域的重要因素之一在于：受到超洁净特性的限制，相较于传统电磁阀，超洁净电磁阀的衔铁气隙较大，导致维持阀芯位置需要的线圈电流较大，发热较严重，这会改变超洁净流体介质的温度，导致依靠线圈驱动的电磁阀方案很少用于超洁净流控领域。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种低功耗的超洁净差动电磁阀，解决了线圈驱动的超洁净电磁阀中电流较大，发热严重以致超洁净介质温升过高的问题，减小了线圈式超洁净电磁阀的功耗。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括永磁体和致动线圈、阀芯位移传感器、超洁净阀芯；其中超洁净材料的阀盖和阀座紧密装配并内部合围形成超洁净流室，超洁净流室具有与外部环境连通的进入流路和排出流路；超洁净流室内部设置超洁净阀芯，超洁净阀芯位于进入流路出口在阀座顶面位置的正上方，超洁净阀芯在超洁净流室中可沿超洁净流室轴向方向活动，超洁净流室顶部和底部外的阀盖外壁分别安装有环形的外侧上层永磁体和外侧下层永磁体；外侧上层永磁体和外侧下层永磁体之间的阀盖外壁套装设有致动线圈，致动线圈外套装固定套进行封装，固定套外套装有阀芯位移传感器。

所述的超洁净阀芯包括环形体、块状体、内嵌永磁体、连接臂和外层的超洁净材料裹覆层；环形体位于块状体上方，环形体内设有环形空腔，环形空腔内嵌安装有内嵌永磁体，环形体开设通流孔，环形体和块状体之间具有上下方向的间隙，环形体和块状体之间通过周围沿周向间隔设置的多个连接臂紧密连接，环形体内部设置为带有环形腔的空心结构，块状体内部实心。

所述的阀座顶面在进入流路出口端处设有凸起表面作为密封凸台，超洁净阀芯底面设有内凹表面作为环形密封面，密封凸台和环形密封面对应相线嵌装。

所述阀芯位移传感器包含但不仅限于LVDT传感器、LDC传感器。

所述的阀芯位移传感器采用LVDT传感器，包括LVDT二次绕组和LVDT一次绕组；固定套外设有两个LVDT二次绕组和一个LVDT一次绕组，LVDT一次绕组布置在中间，LVDT一次绕组上下两侧分别布置LVDT二次绕组；LVDT二次绕组和一个LVDT一次绕组外包覆设置绕组外壳。

所述的阀芯位移传感器0采用LDC传感器，包括外固定壳、LDC传感器，固定套外的一侧表面设有LDC传感器，LDC传感器为传感线圈，传感线圈以平面螺旋布置，传感线圈一侧的线圈密度低于对称另一侧的线圈密度，LDC传感器外用外固定壳封装。

所述的外侧上层永磁体、外侧下层永磁体、超洁净阀芯的内嵌永磁体充磁方向相同，均沿上下方向，磁性排布方向相同。

通过外侧上层永磁体和外侧下层永磁体控制超洁净阀芯的静态磁性吸附，通过致动线圈通电与否、电流大小控制超洁净阀芯在超洁净流室轴向的上下方向移动和位置，调整超洁净阀芯和进入流路之间的间距，进而调整开度超洁净差动电磁阀。超洁净阀芯和进入流路之间的间距越大，流动阻力越小，开度越大。

所述的阀盖、阀座以及超洁净阀芯的环形体、块状体和连接臂均采用超洁净材料。

所述的内嵌永磁体在注塑过程中嵌入超洁净材料的环状永磁体，或以超洁净材料涂层、裹覆其表面，形成超洁净阀芯，为保障超洁净特性，所有与流体接触的壁面均使用超洁净材料。

所述的超洁净材料为含氟塑料，包括过氟烷氧基、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯，或其任意组合。

所述的内嵌永磁体，在制造时需进行金属镀层，其表面至少存在微米级以上厚度的金属膜。

所述超洁净差动电磁阀用于半导体、生物医药、电子级化工等领域的超洁净流体输控。

本发明的超洁净差动电磁阀，能够用于半导体、生物医药、电子级化工等领域的超洁净流体输控。

LVDT是指线性可变差动变压器，LDC是指电感式传感器。

本发明的有益效果是：

本发明通过对不同位置下阀芯需要的维持力分析与实验中，发现在工程实际中，闭合时阀芯密封流体所受的静压力相较于开启状态下阀芯维持固定位置承受的流体冲击力高一个数量级，在闭合密封时，需要的线圈电流最大，发热也最严重的。

所述阀利用两块永磁体构建对称磁路，通过控制通电线圈的电流大小改变阀芯的受力，依靠阀芯位置传感检测阀芯位置，调节线圈电流对阀芯位置偏移引起的磁力差动量进行补偿，从而控制阀芯的位置，实现阀口启闭与开度功能。

由于调节开度所需要的磁力较完成密封闭合所需要的的磁力小几个数量级，而具有差动磁路的超洁净电磁阀在闭合时仅依靠永磁体磁力密封，线圈仅需在维持开度时通电，故该发明解决了线圈驱动的超洁净电磁阀中电流较大，发热严重以致超洁净介质温升过高的问题，减小了线圈式超洁净电磁阀的功耗。

附图说明

图1为本发明实施例的打开状态的结构示意图；

图2为本发明实施例超洁净阀芯的示意图；(a)为超洁净阀芯的立体图，(b)为超洁净阀芯的剖视图；

图3为本发明实施例的闭合状态的结构示意图；

图4为本发明实施例基于LVDT的阀芯位置检测原理示意图；

图5为本发明实施例基于LDC的阀芯位置检测原理示意图。

图6为本发明实施例中LDC传感器布线示意图。

在图中，1：排出流路；2：阀盖；3：超洁净流室；4：外侧上层永磁体；5：固定套；6：致动线圈；7：外侧下层永磁体；8：螺纹密封面；9：阀座；10：通流孔；11：内嵌永磁体；12：超洁净裹覆层；13：连接臂；14：环形密封面；15：超洁净阀芯；16：密封凸台；17：进入流路；18：LVDT二次绕组；19：LVDT一次绕组；20：阀芯位移传感器；21：外壳；22：外固定壳；23：LDC传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，阀结构包括阀座9、阀盖2、两个永磁体4、7和致动线圈6、阀芯位移传感器20、超洁净阀芯15；阀盖2呈筒体形，阀盖2安装在阀座9上，超洁净材料的阀盖2和阀座9紧密装配并内部合围形成超洁净流室3，超洁净流室3轴向方向沿竖直方向布置，超洁净流室3具有与外部环境连通的进入流路17和排出流路1；具体实施中，阀盖2顶端开设连通外界和超洁净流室3的通孔作为排出流路1，阀座9底端内开设连通外界和超洁净流室3的通道作为进入流路17，流体经进入流路17进入超洁净流室3，经排出流路1从超洁净流室3排出。

超洁净流室3内部设置超洁净阀芯15，超洁净阀芯15位于进入流路17出口在阀座9顶面位置的正上方，超洁净阀芯15在超洁净流室3中可沿超洁净流室3轴向方向活动，超洁净流室3顶部和底部外的阀盖2外壁分别安装有环形的外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7，外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7充磁方向与强度相同，设置在阀盖2外壁的上、下部；外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7之间的阀盖2外壁套装设有致动线圈6，致动线圈6外套装固定套5进行封装，固定套5外套装有阀芯位移传感器20，阀芯位移传感器20布置在阀盖外侧，阀芯位移传感器20用于实时检测超洁净阀芯15在超洁净流室3中的轴向位置。

如图2所示，超洁净阀芯15包括环形体、块状体、内嵌永磁体11、连接臂13和外层的超洁净材料裹覆层12；环形体位于块状体上方，环形体内设有密闭的环形空腔，环形空腔内嵌安装有内嵌永磁体11，内嵌永磁体11外的环形体形成对内嵌永磁体11的超洁净裹覆层12，内嵌永磁体11通过注塑的方式内嵌入超洁净裹覆层12，即保证永磁体不与输送介质接触，环形体开设通流孔10，环形体和块状体之间具有上下方向的间隙，环形体和块状体之间通过周围沿周向间隔设置的多个连接臂13紧密连接，连接臂13呈L形，环形体内部设置为带有环形腔的空心结构，块状体内部实心；环形体、块状体均为非导磁材料。阀盖2、阀座9以及超洁净阀芯15的环形体、块状体和连接臂13均采用超洁净材料。

内嵌永磁体11的环形体开设的通流孔10开设在超洁净阀芯15中央，起到更新流体与平衡压差的作用，进入流路和排出流路开设在超洁净流室的上下两端，超洁净流室内的流体流动更新，无流动死区。

进入超洁净阀芯15下方的超洁净流室3内的流体依次经过环形体和块状体间的间隙、通流孔10后进入超洁净阀芯15上方的超洁净流室3内。

连接臂13优选为3-4根，沿着圆周均布在环形体和块状体之间的周围。

阀座9顶面在进入流路17出口端处设有凸起表面作为密封凸台16，超洁净阀芯15的块状体底面设有内凹表面作为环形密封面14，密封凸台16和环形密封面14对应相线嵌装；环形密封面14可与密封凸台16紧密贴合并阻塞流道，当密封凸台16嵌入环形密封面14，使得超洁净阀芯15密封安装阀座9上而阻塞进入流路17。

致动线圈6通电，且致动线圈具有电流调节功能，根据阀芯位置的反馈量调节不同强度的电流产生不同强度的磁场。

根据阀芯位置向致动线圈6通入不同强度的电流，产生不同强度的磁场，从而对超洁净流室3内的超洁净阀芯15产生不同大小的驱动力，实现阀芯运动的非接触式控制，在保证流体介质的超洁净特性的前提下，实现阀口启闭、密封与开度控制。

阀芯位移传感器布置在阀盖外侧，并与致动线圈相连接，阀芯位移传感器时时检测超洁净阀芯位置，并与超洁净阀芯位置设定的目标值进行比较，反馈输出给致动线圈，进而由致动线圈闭环控制超洁净阀芯15的移动和位置。

外侧上层永磁体4、外侧下层永磁体7、超洁净阀芯15的内嵌永磁体11充磁方向相同，均沿平行于超洁净流室3轴向的上下方向，磁性排布方向相同。

在图1中，外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7充磁方向与强度相同。二者上下位置的对称线处于阀芯工作区间内，内嵌永磁体与外置永磁体充磁方向相同，依靠吸力工作。

当阀芯内嵌永磁体11处于外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7之间的正中间时，外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7对内嵌永磁体11的磁力相互抵消，或剩余很小；

当阀处于闭合状态时，如图3所示，超洁净阀芯15受重力作用，此时仅靠外侧下层永磁体7与内嵌永磁体11的磁性吸力完成密封，致动线圈6无需通电，阀芯密封所需要的磁力比调节开度所需要的磁力大一两个数量级，在闭合时不通电大大降低了功耗。

外侧上层永磁体4和外侧下层永磁体7对超洁净阀芯15中的内嵌永磁体11的磁性吸引力小于超洁净阀芯15的重力。

当阀处于打开状态时，如图4所示，对致动线圈6通电，产生磁场，带动超洁净阀芯15中的内嵌永磁体11上升，使得超洁净阀芯15脱离阀座9顶面的进入流路17出口，进而打开了阀门。

对致动线圈6通电电流增大，带动超洁净阀芯15中的内嵌永磁体11上升，使得超洁净阀芯15和进入流路17之间的间距增大，开度越大。

具体实施中的阀芯位移传感器包含但不仅限于LVDT传感器、LDC传感器。

如图3和图4所示，一种实施方式的阀芯位移传感器20采用LVDT传感器，包括LVDT二次绕组18和LVDT一次绕组19；固定套5外设有两个LVDT二次绕组18和一个LVDT一次绕组19，LVDT一次绕组19布置在中间，LVDT一次绕组19上下两侧分别布置LVDT二次绕组18；LVDT二次绕组18和一个LVDT一次绕组19外包覆设置绕组外壳21，通过绕组外壳21。

如图5和图6所示，另一种实施方式的阀芯位移传感器20采用LDC传感器，包括外固定壳22、LDC传感器23，固定套5外的一侧表面设有LDC传感器23，LDC传感器23为传感线圈，传感线圈以平面螺旋布置，传感线圈一侧的线圈密度低于对称另一侧的线圈密度，即传感线圈一侧的线圈间的间距低于对称另一侧的线圈间的间距，LDC传感器23外用外固定壳22封装。

如图4所示，为阀处于开度调节时的工作状态，致动线圈6外侧布置有LVDT传感器20，其分为中央的LVDT一次绕组19和两侧对称的LVDT二次绕组18，内嵌永磁体11在制造时，表面需要带有镀锌或者镀镍涂层，且该金属涂层的厚度一般在50微米以上，金属涂层整体在超洁净材料的环形体内，根据电流的集肤效应，当LVDT一次绕组19通电时，此金属镀层可以产生电磁感应影响两侧LVDT二次绕组18中的感应电流。

金属涂层是在超洁净材料的环形体内，金属涂层是内嵌永磁体11的一部分，其类似永磁体11自带的一层外皮，内嵌永磁体一般为钕铁硼永磁体，其制造工艺一般是钕铁硼烧结为棒料，机械加工为固定尺寸的磁块，然后充磁，充磁完成后会有一道镀层工艺，一般采用镀锌或者镀镍，厚度为几十微米，工业界镀层的主要目的是防腐蚀，此处是根据金属电磁感应的集肤效应，表面产生感应电流，其反电动势作用于LVDT的次级线圈改变次级线圈的电流大小，且此厚度的镀层就足够产生用于定位阀芯的感应电流。

工作时，中央的LVDT一次绕组19通电，而两侧对称的LVDT二次绕组18产生感应电流，两侧线圈电流的差值即与阀芯的位置线性相关，当内嵌永磁体11处于正中间位置时，两侧线圈电流的差值为0。当内嵌永磁体11产生偏移距离时，两侧线圈电流的差值不为0并时时反馈到致动线圈6，改变致动线圈6中电流的大小，进而改变超洁净阀芯15的轴向位置。例如当调节开度所需内嵌永磁体11的目标偏移量为a时，LVDT传感器20则会时时检测阀芯位置，并在控制电路中与a值进行比较，同时调节致动线圈6的电流大小，直到阀芯轴向位置与目标a值相等，此时LVDT传感器20反馈输出为0，致动线圈6的电流大小不再改变，阀芯位置动态稳定在目标偏移量a。

由于两侧永磁体磁路对称，阀芯受到的磁力差别仅仅因为阀芯位置产生了偏移量a而引起，线圈的驱动力仅需要补偿由两侧磁力的差动量，且在开度调节中，需要的偏移距离a往往很小，磁力差动量较小，致动线圈6仅需要较小的电流维持开度。综上，阀芯密封时致动线圈6无需通电，且维持开度时，致动线圈6仅需要较小的电流，因此本发明能够降低电磁阀线圈的功耗，解决线圈驱动式电磁阀发热的问题，使线圈驱动电磁阀可以用于超洁净流控领域。

进一步地，LVDT传感器20可替代为LDC传感器23，如图5所示，其基本工作原理与前述大致相同，区别在于以LDC传感器23代替LVDT传感器20，其中LDC传感器23的走线方式如图6所示，形成对称两侧线圈间距密度不同的布置，超洁净阀芯中的内嵌永磁体11在制造时带有金属镀层，当超洁净阀芯15在LDC布线区间内移动时，其表面的金属镀层由于电磁感应原理和集肤效应在永磁体表面产生感应电流，其产生的感应磁场进一步作用于LDC线圈，改变其中电流，完成阀芯轴向位置的检测，从而反馈到致动线圈6，改变致动线圈6的电流大小，改变阀芯轴向位置，完成阀口开度的调节。

为了适应高洁净度场合的需求，超洁净磁悬浮阀内与流体接触的壁面应当是超洁净材料，空间分层排布的内嵌永磁体阵列19在注塑过程中嵌入超洁净材料，或以超洁净材料涂层、裹覆其表面，形成超洁净磁悬浮阀芯22，可选的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。

在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。