採用壓電技術的閥門

在醫療技術領域高效地控制和調節氣體

某些陶瓷具有壓電特性,也就是說,當這些陶瓷發生機械變形時,其中會產生一定的電壓。同樣地,如果反過來向這些陶瓷施加電壓,就會導致陶瓷變形。

這種壓電效應可用於許多應用,例如用於產生或偵測超音波,用作打火機或丙烷燒烤架的點火源(火花),或精細移動光學鏡頭,以使智慧手機的相機自動對焦。

壓電技術也為開發用於控制氣體壓力或流量的閥門帶來了新的可能性。將電壓施加到壓電彎曲片時,它會彎曲並脫離閥座。電壓越高,執行器彎曲幅度越大,流過閥門的氣體就越多。

為壓電陶瓷施加電壓會使陶瓷充電,導致其彎曲,其作用原理類似於小型電容器。為了恢復原來的形狀,必須主動使陶瓷放電。壓電陶瓷不需要任何能量來維持現有的機械變形。即使斷電後,閥門也會保持在當前位置。

這也意味著,只有在要改變壓電彎曲片的形狀,即要自行改變壓電彎曲片的充電狀態時,才需要通電。此時所需的電能非常少(1 mWs 級別),因為壓電陶瓷的電容很小(介於 20 nF 至 40 nF)。相比之下,電磁閥需要持續輸入幾瓦的功率才能維持打開狀態,在此過程中,電磁閥會發熱。

由於能耗低,這種壓電技術非常適合用於採用電池供電的設備(其功耗比電磁閥低得多),禁止閥門加熱氣體時的應用。

壓電技術具有以下特殊優勢:

  • 成比例控制
  • 不發熱
  • 能耗極低
  • 結構精巧,重量輕
  • 使用壽命長
  • 本質安全

壓電閥不能替代電磁閥。壓電閥的工作電壓較高,可達 310 V,而電磁閥的工作電壓為 5 V、12 V 或 24 V。如需從 5 V、12 V 或 24 V 電源中產生所需的 250 - 310 V 電壓,並對壓電彎曲片進行充電和放電,必須使用簡單的壓電動電子裝置。雖然看似 310 V 電壓很高,但對應的電流卻很低(輸出端使用 50 kOhm 串聯電阻時,最大電流為 5 mA)。壓電電子裝置可以設計成電氣安全型,如此一來,當接觸到觸點時,電壓會立即降至遠低於 50 V。

Festo 開發各種採用壓電技術的閥門,可滿足各種應用中的不同流量或壓力要求。這些閥門也可用於控制 100% 的氧氣,因為其材質經過氧氣相容性測試。

作者介紹

Thomas Kunert
MedLab 產品管理部門
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