无摩擦的超洁净磁悬浮阀

技术领域

本发明涉及阀技术领域的一种磁悬浮阀，具体涉及一种适用于超洁净场合的无摩擦的超洁净磁悬浮阀。

背景技术

半导体、生物医药、电子级化工等领域对颗粒物等污染物十分敏感，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。在需要超洁净流体或腐蚀性流体输控的领域，要求阀门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。而传统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，甚至内部介质与外界相通，而发生外漏所导致的安全隐患、输送的流体受污染等后果代价十分巨大。此外，传统阀(如球阀、闸阀、蝶阀)因普遍存在滑动密封副，这些部件在长期密封动作过程中本身会产生磨损和颗粒脱落，导致介质被污染和密封不严。

对此，业界的一般措施是使用具有弹性的挠性元件作为密封件来将外侧阀杆等驱动器件和流道完全隔离开，如业内广为使用的隔膜阀(详情见专利WO2007089689A2，CN101365904A,CN1836124A，US20030722168)和波纹管阀,但是在这些实例中因为须满足超洁净的要求，其弹性动作元件往往需要使用超洁净的含氟塑料制作，但这些材料做成的弹性薄膜件力学性能尤其是疲劳受力性能较差，其寿命远远低于弹簧等常见致动件，在长期动作过程中易破裂、穿孔，严重制约了阀整体的寿命、增加了发生破裂的风险。

申请号为CN201911054740.2的中国发明，提供一种永磁体内嵌式超洁净阀，其将封装有超洁净材料外壳的永磁体嵌入流室内部，而控制启闭的元件(如外置电磁铁、外置永磁体)置于流室之外，通过磁力非接触地远程作用于永磁体阀芯以实现阀的启闭控制，消除了传统阀因设置阀杆等控制元件而存在的动密封点，在保证超洁净、耐腐蚀的前提下，从根本上杜绝了外泄漏的可能性；较现有隔膜阀、波纹管阀而言，解决了其弹性膜片寿命短、破裂后防护能力弱等问题，大幅提升了超洁净阀的使用寿命与安全性能。但该发明还存在缺点：其内嵌磁体形式单一，只能作为一种开关阀，难以精确控制阀芯位置实现流量调节功能。

申请号为CN202011163914.1的中国发明，提供一种超洁净比例阀，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；但是由于其磁路是依靠吸力驱动阀芯运动的，导致阀芯径向与壁面有接触，这使壁面与阀芯之间存在少量摩擦，增加了颗粒脱落，损害介质的超洁净特性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无摩擦的超洁净磁悬浮阀，通过对磁悬浮阀芯和外置驱动组件中的磁组进行空间分层，使磁悬浮阀芯既可实现径向的被动悬浮，避免阀芯与流室内壁面的碰壁，又可以依靠磁力实现阀芯运动的非接触式控制，控制阀口启闭与开度，从而无摩擦地实现流量调节功能。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括阀座和阀盖，阀盖安装在阀座上，还包括磁悬浮阀芯及致动组件；阀座和阀盖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口流道和出口流道；磁悬浮阀芯位于超洁净流室内；致动组件安装在阀盖外，致动组件内嵌装有外置永磁体分层磁组，通过致动组件带动外置永磁体分层磁组沿超洁净流室轴向上下移动，进而磁性带动超洁净流室中的磁悬浮阀芯沿超洁净流室轴向上下移动进而靠近或者远离进口流道在阀座的出口，实现阀控。

所述的致动组件整体设置在阀盖外壁，致动组件包括空间分层排布的外置永磁体分层磁组、调距手轮和连接卡箍，调距手轮通过螺纹套装在阀盖上端的螺纹轴上，调距手轮下方的阀盖外套装有连接卡箍，连接卡箍底部和阀盖之间设有环形腔，环形腔中安装外置永磁体分层磁组。

所述的连接卡箍上端设有环状凹槽和环状凸起，调距手轮下端也设有环状凹槽和环状凸起，调距手轮的环状凸起嵌装于连接卡箍的环状凹槽，连接卡箍的环状凸起嵌装于调距手轮的环状凹槽，使得连接卡箍和调距手轮相互之间形成轴向的固接关系。

所述的磁悬浮阀芯包括环形体、块状体、内嵌空间分层磁组和连接臂；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空间分层磁组，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口流道出口端处设有凸起表面作为密封凸台，磁悬浮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。

所述的内嵌空间分层磁组分为从上层到下层依次布置的上层内磁体、中层内连接块和下层内磁体，中层内连接块位于上层内磁体和下层内磁体之间；所述的外置永磁体分层磁组分为从上层到下层依次布置的上层外磁体、中层外连接块和下层外磁体，中层外连接块位于上层外磁体和下层外磁体之间；

上层内磁体和上层外磁体均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反；下层内磁体和下层外磁体均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反；上层内磁体和下层内磁体的充磁方向相同，上层外磁体和下层外磁体的充磁方向相同。

在内嵌空间分层磁组被外置永磁体分层磁组通过排斥力磁性吸附时，其中内嵌空间分层磁组的上层内磁体安装位置低于外置永磁体分层磁组的上层内磁体，同时，内嵌空间分层磁组的下层内磁体安装位置高于外置永磁体分层磁组的下层内磁体。

所述的内嵌空间分层磁组分为位于最上层的上层内磁体、位于最下层的下层内磁体以及位于上层内磁体和下层内磁体之间的至少一层磁环；所述的外置永磁体分层磁组分为位于最上层的上层外磁体、位于最下层的下层外磁体以及位于上层外磁体和下层外磁体之间的至少一层中层halbach环形阵列；

上层内磁体和上层外磁体均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反；下层内磁体和下层外磁体均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反；上层内磁体和下层内磁体的充磁方向相同，上层外磁体和下层外磁体的充磁方向相同；磁环沿径向的直径单方向充磁，中层halbach环形阵列整体沿径向的直径单方向充磁，且磁环和中层halbach环形阵列整体的充磁方向相同。

所述的阀座底端内开设连通外界和超洁净流室的两个通道分别作为进口流道和出口流道，流体经进口流道进入超洁净流室，经出口流道从超洁净流室排出。

本发明的内嵌空间分层磁组与外置永磁体分层磁组在阀安装的垂直方向上至少包含两层永磁体，内嵌空间分层磁组与外置永磁体分层磁组对应最上与最下层内磁体采用径向充磁方式，内嵌磁体与外置磁体相对充磁，以使同层靠近端同名磁极产生斥力，实现阀芯径向方向的被动悬浮。

所述阀芯具有轴向位置调节功能，可以由两层排布的外置永磁体分层磁组依靠斥力夹持内嵌空间分层磁组进行阀芯定位与开度调节，也可由三层或更多层排布的磁阵列在中间层设置吸力拖动层来实现阀芯轴向调节。

所述的空间分层排布的内嵌空间分层磁组与外置永磁体分层磁组，可通过多块不同充磁方向的永磁体夹具压合、粘结或固连成型，也可通过对一块大的永磁体分区域充磁得到分层的空间结构。

所述的阀盖、阀座以及磁悬浮阀芯的环形体、块状体和连接臂均采用超洁净材料。

为保障超洁净特性，所述的空间分层排布的内嵌空间分层磁组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。

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。

通过本发明这样磁体层结构的布置能够使得磁悬浮阀芯22在超洁净流室中更好地悬浮，磁悬浮阀芯22外周面和超洁净流室内壁之间保持一定间隙，不接触无摩擦。

本发明通过调距手轮拖动外置永磁体分层磁组，改变内嵌空间分层磁组与外置永磁体分层磁组的相对位置，实现阀芯运动的非接触式控制，保证流体介质的超洁净特性，并实现阀口启闭与开度控制。

本发明的超洁净磁悬浮阀能够用于半导体、生物医药、电子级化工等领域的超洁净流体输控。

本发明的有益效果是：

所述阀利用超洁净材料分层包覆永磁体组，形成分层布置的永磁体内嵌式磁悬浮阀芯，通过磁组分层，该磁悬浮阀芯既可实现径向的被动悬浮，避免阀芯与流室内壁面的碰壁，又可以依靠磁力实现阀芯运动的非接触式控制，控制阀口启闭与开度。

相比于传统阀，本发明避免了阀杆推动阀芯所需的动密封结构，杜绝了外泄漏的风险。相比于现有主流超洁净阀，无需隔膜等易损部件，大大提高了阀整体寿命。相比于现有超洁净磁驱比例阀，可以调节开度的同时实现了阀芯的被动磁悬浮，避免了阀芯碰壁，减少了摩擦副引发的颗粒脱落污染，可更好地满足超洁净需求。

附图说明

图1为本发明实施例Ⅰ的结构示意图；

图2为本发明实施例磁悬浮阀芯的示意图；(a)为磁悬浮阀芯的立体图，(b)为磁悬浮阀芯的剖视图；

图3为本发明实施例Ⅰ的外观示意图；

图4为本发明实施例Ⅱ的结构示意图；

图5为本发明实施例Ⅱ中间层使用的Halbach阵列及其内部磁场示意图。

图中：进口流道1、阀座2、螺纹密封面3、阀盖4、下层外磁体5、中层外连接块6、上层外磁体7、外置永磁体分层磁组8、连接卡箍9、环状凸起10、调距手轮11、螺纹12、轴13、超洁净壁面层14、通流孔15、上层内磁体16、中层内连接块17、下层内磁体18、内嵌空间分层磁组19、连接臂20、环形密封面21、磁悬浮阀芯22、密封凸台23、出口流道24、下层外磁体25、中层halbach环形阵列26、上层外磁体27、外置永磁体分层磁组28、上层内磁体29、磁环30、下层内磁体31、内嵌空间分层磁组32。

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。

本发明的实施例如下：

实施例Ⅰ

如图1和图3所示，一种实施阀结构包括阀座2、阀盖4、磁悬浮阀芯22及致动组件；阀盖4呈筒体形，阀盖4安装在阀座2上，阀座2和阀盖4紧密装配并内部合围形成超洁净流室，阀座2和阀盖4通过螺纹密封面3连接，超洁净流室具有与外部环境连通的进口流道1和出口流道24；阀座9底端内开设连通外界和超洁净流室的两个通道分别作为进口流道1和出口流道24，流体经进口流道1进入超洁净流室，经出口流道24从超洁净流室排出。阀座2和阀盖4通过3处的密封面螺纹连接，二者合围形成内部的流室；磁悬浮阀芯22位于超洁净流室内。

致动组件整体设置在阀盖4外壁，致动组件为位移装置，致动组件包括空间分层排布的外置永磁体分层磁组8、调距手轮11和连接卡箍9，调距手轮11通过螺纹12套装在阀盖4上端的螺纹轴13上，阀盖4上端有带螺纹12的轴13，调距手轮11旋合在轴13上，可以上下移动；调距手轮11下方的阀盖4外套装有连接卡箍9，连接卡箍9底部和阀盖4之间设有环形腔，环形腔中安装外置永磁体分层磁组8。外置永磁体分层磁组8和磁悬浮阀芯22相对配合布置。

连接卡箍9上端设有环状凹槽和环状凸起10，调距手轮11下端也设有环状凹槽和环状凸起，连接卡箍9和调距手轮11的环状凹槽和环状凸起10交替嵌装，调距手轮11的环状凸起嵌装于连接卡箍9的环状凹槽，连接卡箍9的环状凸起嵌装于调距手轮11的环状凹槽，使得连接卡箍9和调距手轮11相互之间形成轴向的固接关系。

如图2所示，磁悬浮阀芯22包括环形体、块状体、内嵌空间分层磁组19和连接臂20；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空间分层磁组19，内嵌空间分层磁组19外的环形体形成对内嵌永磁体11的超洁净壁面层14，内嵌空间分层磁组19通过注塑的方式内嵌入超洁净壁面层14，即保证永磁体不与输送介质接触，环形体开设通流孔15，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20紧密连接，连接臂20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。

阀座2顶面在进口流道1出口端处设有凸起表面作为密封凸台23，磁悬浮阀芯22的块状体底面设有内凹表面作为环形密封面21，密封凸台23和环形密封面21对应相线嵌装；环形密封面21可与密封凸台23紧密贴合并阻塞流道，当密封凸台23嵌入环形密封面21，使得磁悬浮阀芯22密封安装阀座9上而阻塞进口流道1。这样，磁悬浮阀芯前端具有环形密封面，可与阀座的凸台面紧密配合阻塞流体。

通过旋转调距手轮11带动连接卡箍9相对阀盖4轴向上下移动，进而带动阀盖4的环形腔内的外置永磁体分层磁组8上下移动，改变磁悬浮阀芯22的内嵌空间分层磁组19与外置永磁体分层磁组8的相对位置。

由此，通过致动组件改变磁悬浮阀芯22的位置，调整磁悬浮阀芯22与阀座2上的密封凸台23的距离，或使环形密封面21和阀座2上的密封凸台23闭合以阻塞出口流道24，实现阀的流量调节与启闭控制功能。

如图1和图2所示，空间分层排布的内嵌空间分层磁组19分为从上层到下层依次布置的上层内磁体16、中层内连接块17和下层内磁体18，中层内连接块17位于上层内磁体16和下层内磁体18之间；与之对应的，空间分层排布的外置永磁体分层磁组8分为从上层到下层依次布置的上层外磁体7、中层外连接块6和下层外磁体5，中层外连接块6位于上层外磁体7和下层外磁体5之间；

上层内磁体16和上层外磁体7均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反，具体地若上层内磁体16内圈N极外圈S极，则上层外磁体7外圈N极内圈S极；下层内磁体18和下层外磁体5均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反，具体地若下层内磁体18内圈N极外圈S极，则下层外磁体5外圈N极内圈S极；上层内磁体16和下层内磁体18的充磁方向相同，上层外磁体7和下层外磁体5的充磁方向相同。这样使得内嵌空间分层磁组19和外置永磁体分层磁组8之间形成排斥力性质的磁性吸附。

中层外连接块6和中层内连接块17均为非导磁材料，中层外连接块6的厚度和中层内连接块17的厚度之间的关系是：中层内连接块17的厚度小于中层外连接块6的厚度，保证内嵌空间分层磁组19的整体厚度小于外置永磁体分层磁组8的整体厚度。，这样能使得内嵌空间分层磁组19受排斥力稳定在外置永磁体分层磁组8施加的磁场中间。

在内嵌空间分层磁组19被外置永磁体分层磁组8通过排斥力磁性吸附时，其中内嵌空间分层磁组19的上层内磁体16安装位置低于外置永磁体分层磁组8的上层内磁体7，同时，内嵌空间分层磁组19的下层内磁体18安装位置高于外置永磁体分层磁组8的下层内磁体5，即磁悬浮阀芯22轴向方向受到外置永磁体分层磁组8的夹持力。

由磁悬浮阀芯22上下层内磁体各自中轴线确定的区域为图中(b)区域，由外置磁阵列8上下层内磁体各自中轴线确定的区域为图中(a)区域，阀芯良好工作的区间为(b)区域不可超出(a)区域，此时，磁悬浮阀芯22受到外置永磁体分层磁组8稳定的夹持力，通过旋转调距手轮11带动连接卡箍9上下移动，拖动外置永磁体分层磁组8调节磁悬浮阀芯22的位置，实现阀芯运动的非接触式控制，完成阀口启闭与开度调节功能。

如图2，磁悬浮阀芯22包括超洁净材料壁面14、用于更新流体并平衡两侧压差的通流孔15、分为上中下三层的内嵌永磁阵列19、沿着圆周分布的超洁净材料连接臂20和密封凸台21。

优选地，通流孔15开设在阀芯的中央，可以减少磁极间的气隙，提高磁体的力学效率；超洁净材料连接臂20的数量优选为沿圆周120°排布的三个；密封凸台21为锥状环形，与阀座2上的密封凸台23可以紧密配合，密封可靠。

这样同层的内外磁体之间采用相对径向充磁，使内环外层与外环内层为同名磁极，如图1和图4所示，图中箭头指向为永磁体的N极，末端为S极，内外环充磁方向可以互换，上层与下层的内外层靠近端同名磁极分别产生斥力，实现阀芯径向方向的被动悬浮，减少磁悬浮阀芯22与阀盖4内壁的接触，从而减少摩擦与颗粒脱落，保障介质的超洁净特性。

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是超洁净材料，空间分层排布的内嵌空间分层磁组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。

空间分层排布的内嵌空间分层磁组19与外置永磁体分层磁组8，可通过多块不同充磁方向的永磁体夹具压合、粘结或固连成型，也可通过对一块大的永磁体分区域充磁得到分层的空间结构。

进一步地，本发明的调距手轮和电机构成了外置磁组拖动装置，但外置磁组拖动装置包含但不仅限于调距手轮11，也可使用电机等电动装置或液压装置拖动外置永磁体分层磁组8轴向移动。

实施例Ⅱ

如图4所示，空间分层排布的内嵌空间分层磁组32分为位于最上层的上层内磁体29、位于最下层的下层内磁体31以及位于上层内磁体29和下层内磁体31之间的至少一层磁环30，若有多个磁环30，多个磁环30上下层叠布置，上层内磁体29、下层内磁体31和磁环30均紧密布置；与之对应的，空间分层排布的外置永磁体分层磁组28分为位于最上层的上层外磁体27、位于最下层的下层外磁体25以及位于上层外磁体27和下层外磁体25之间的至少一层中层halbach环形阵列26，若有多中层halbach环形阵列26，多个中层halbach环形阵列26上下层叠布置，上层外磁体27、下层外磁体25和中层halbach环形阵列26均紧密布置；中层halbach环形阵列26的数量和磁环30的数量相同且一一对应。

上层内磁体29和上层外磁体27均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反，具体地若上层内磁体29内圈N极外圈S极，则上层外磁体27外圈N极内圈S极；下层内磁体31和下层外磁体25均沿径向从内向外或者从外向内充磁，且充磁方向相反，具体地若下层内磁体31内圈N极外圈S极，则下层外磁体25外圈N极内圈S极；上层内磁体29和下层内磁体31的充磁方向相同，上层外磁体27和下层外磁体25的充磁方向相同；磁环30沿径向的直径单方向充磁，中层halbach环形阵列26整体沿径向的直径单方向充磁，且磁环30和中层halbach环形阵列26整体的充磁方向相同。这样使得内嵌空间分层磁组32和外置永磁体分层磁组28在最上层和最下层之间形成排斥力性质的磁性吸附，但是在中间层之间形成吸引力性质的磁性吸附，扩大了磁悬浮阀芯22在超洁净流室中的可移动工作范围。

如图5所示，中层halbach环形阵列26分为多个在环形圆依次布置的多个弧形磁块，多个弧形磁块的充磁方向不同，以一定规律排布但使得中层halbach环形阵列26两侧的弧形磁块的充磁对称，且中层halbach环形阵列26整体沿径向的直径单方向充磁。

这样上层和下层同层间的内外磁体之间采用相对径向充磁，使内环外层与外环内层为同名磁极，如图所示，图中箭头指向为永磁体的N极，末端为S极，内外环充磁方向可以互换，上层与下层的内外层靠近端同名磁极分别产生斥力，实现阀芯径向方向的被动悬浮，避免磁悬浮阀芯22与阀盖4内壁的接触与摩擦。

而在轴向方向上，磁悬浮阀芯22的定位和阀的开度控制不再依赖于上下两层磁环的夹持力，而是通过中层halbach环形阵列26与中层沿直径方向充磁的磁环30的吸力来定位阀芯控制开度的，如图5所示，外磁组中层halbach环形阵列26的轴向视图为一组充磁方向各异的环形永磁体阵列，当按照箭头所示的充磁形式进行组合时，阵列内环面的磁场分布如图5，其对中层沿直径方向充磁的磁环30产生吸引作用，当旋转调距手轮11拖动外置永磁体分层磁组28，改变内嵌空间分层磁组32与外置永磁体分层磁组28的相对位置时，磁悬浮阀芯轴向受力随动，实现阀芯位置的调节和流量调节功能。此时阀芯工作段的设计不必按照实例Ⅰ中(a)(b)区间的限制，磁悬浮阀芯22的上端面与外置磁组最上层磁环27的上端面平齐或略低即可。

空间分层排布的内嵌空间分层磁组32、外置永磁体分层磁组28以及外磁组中层halbach环形阵列26，可通过多块不同充磁方向的永磁体夹具压合、粘结或固连成型，也可通过对一块大的永磁体分区域充磁得到分层的空间结构。

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。