摘　要：微小流体控制阀是微流体控制系统的关键部件之一，是微流量系统中不可缺少的重要组成部分，它的性能直接影响着整个微流体控制系统的工作状况。本文设计了一适用于在较低的工作压力下满足流量要求的以步进电机致动的可控微型阀门。并利用ANSYS软件进行了阀门内部流场的模拟，根据模拟结果，提出了阀门的结构优化方案。

　　关键词：微型阀门 数值模拟 结构优化

　　Abstract: Controllable mini-valve is one of the most important and indispensable parts in the microfluidic controling systems, whose performance affects the working conditions of the systems directly. In this paper, we designed and made a controllable mini-valve drived by the step servo motor and based on low pressure to meet the flow demand. Besides, we used ANSYS for making numerical calculation and simulation to the internal flow field of the valve. According to the calculation results, we optimized the structure of the vive.

　　Key words: Mini-valve, Numerical Simulation, Structural Optimization 0.引言随着现代工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，微机电系统在现代工业中占有越来越重要的地位。微流体控制系统是微机电系统的一个活跃的分支，主要用于控制和驱动微量流体的流动。以往的流体控制系统通常结构较大，其应用在许多领域受到限制。目前，微流体控制系统以广泛应用于工业微量气/液过程控制、微量化学分析、微量医学注射、药物输送、环境检测、生物芯片、高精度喷墨打印、微型推进系统、微型发电机和微型燃料电池等发面。微小流体控制阀(简称微型阀)是微流体控制系统的关键部件之一，是微流量系统中不可缺少的重要组成部分，它的性能直接影响着整个微流体控制系统的工作状况。

　　国内外多年来对微型阀进行了持续的研究[1-3]。T.Ohnstein等人研制的静电致动微型常开气体阀最高可控压力，流量，泄漏。Hal Jerman研制的双金属致动常开气体微型阀可控压力114mmHg，可控流量150ml/min，泄漏0.045ml/min(20psi,gas)，驱动响应时间100s。Xing Yang等人研制的热气致动气液常开微型阀可控压力33psi，工质加热常数1.5s，散热常数1.8s。米智楠等人设计的形状记忆合金阀在0.4MPa的工作气压下，当通电电流为5A时，开启时间0.8s ，关闭时间2.6s。但是目前还未有成熟的产品。将已有微型阀的性能参数与微型推进系统用阀所需性能比较，现有的微型阀一般控制压力偏低，响应速度慢或者泄漏大。针对上述情况，笔者设计了一种适用于在较低的工作压力下满足流量要求的以步进电机致动的可控微型阀门，可用在液冷服的温度调节、微量医学注射的微流量调节等行业中。 1.结构简介本文所设计的微型可控阀门的结构简单，安装方便，组装后的尺寸为8×20×15mm，其结构如图1所示：

　　图1微型可控阀门

　　Figure 1 Controllable Mini-Valve

　　其结构主要由三部分组成：步进电机及其控制系统，模具注塑件，机械加工件。

　　(1)步进电机及其控制系统：微型阀门的控制动力输出部分。

　　(2)模具注塑件：材料为高压聚丙烯，是微型阀门的核心部件，它将其他的零部件联系在一起。

　　(3)机械加工件：材料为不锈钢，其主要作用是构成阀座和传动。通过螺纹螺杆结构将步进电机的径向旋转转换为阀芯的移动。

　　1.1控制系统简介

该微型阀门采用微型步进电机致动，微型步进电机由小型单片机控制[4]。步进电机的旋转来带动螺杆旋转，通过螺纹螺杆传动机构，将步进电机的轴向移动转换为径向移动，再通过杠杆转换为阀芯的移动。即将电机的转动转换为阀芯的位移，以实现阀门开度的调节。对于步进电机的控制原理如图2所示：

　　图2 阀门工作原理示意图

　　Figure 2 Operation Principle of Valve

　　这种微型阀致动方案具有较好的控制精度和动态性，而且其制造装配工艺并不复杂，较易实现。由于阀的致动采用微型步进电机，具有较高的控制性能和性价比。

　　1.2模具注塑件

　　模具注塑件是微型阀门的核心部件，它将其他的零部件联系在一起。对模具注塑件进行设计时，首先要根据其功能设计出它的基本结构，再根据阀芯，阀座，步进电机的尺寸来确定模具注塑件的具体尺寸。由于要将控制阀芯位置的一个小型不锈钢件注塑在阀芯内部，所以在注塑成型时要采用两侧抽芯的方式，这样在模具注塑件的结构设计的过程中还要考虑注塑抽芯的问题[5]。模具注塑件的结构如图3所示：

　　图3 模具注塑件结构图 图4 机械加工件

　　Figure 3 Injection Mould Figure 4 Machined Part

　　1.3机械加工件

　　机械加工件的材料均为不锈钢，其尺寸根据磨具注塑件的尺寸设计，主要包括阀座，螺纹螺杆传动机构，步进电机套和阀门外套。由于加工件的数量较少，考虑到加工工艺和加工成本的问题，未对阀门出口处的结构进行优化，依然按照原方案进行加工。每个相互连接的零件之间都设计了至口，这样起到了对端的作用，特别是螺纹螺杆传动机构，如果螺杆是倾斜进入螺纹孔的，那么在旋转过程中，将会遇到很到的阻力。各加工件如图4所示。 2基于ANSYS软件的微型可控阀门的流场模拟2.1 物理模型与几何模型

　　微型可控阀门的几何模型如图5所示，在ANSYS软件进行网格划分如图6所示。

　　图5 模型三维图 图6 网格划分

　　Figure5 Three-Dimensional of Model Figure 6 Mesh Generations

　　对于微型可控阀门内部流体的流动，应满足下列控制方程：

　　动量方程：

(1)

　　连续性方程：

(2)

　　2.2数值模拟工况的确定

　　在流体机械中，阀门的特性[6]包括阻力特性和流量特性。阻力特性是指阀门的阻力系数与阀门开度的关系，流量特性是指通过阀门的流量与其开度的关系。所设计的微型阀门是一个局部阻力可以改变的节流原件。当流体通过阀门时，由于阀芯，阀座所造成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，它使流体的压力和速度发生变化。流体通过阀门时产生的能量损失，通常用阀前后的压差来表示阻力损失的大小。本文主要研究所设计的微型阀门的阻力特性，因此数值模拟所要得到的主要数据是阀门在不同开度，不同流速时阀门入口与出口的压差。

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