2-74　Z箍缩快速电磁阀的研制

戴英敏　邹杰　欧阳凯　李军　黄显宾　杨礼兵

　　等离子体科学研究中（如气体放电学，Z箍缩物理等），经常需要产生质量为几十微克且快速形成的圆柱型气体负载，其出口的压力上升率希望达到约133MPa/s。根据相关实验要求设计了一种磁场驱动的、阀内充满几个大气压气体、能产生非常高的压力上升率的快速电磁阀，该阀具有结构简单、喷气速度快、工作可靠、可重复使用（达2000次以上）、容易操作等特点。该电磁阀气室容量约100cm3，充气压力可以根据实验要求自由选择，范围为1.0´105~1.0´107Pa，阀门外一般是真空环境（约1.0´10-3Pa）。

　　该电磁阀基本工作过程为：在初始状态时，钛杆阀门密封隔离电磁阀储气室（高压气体）与外真空环境。当外界电容器组对线圈放电时，软铁锤受到磁场作用快速磁化，并产生磁化电流，在电磁场相互作用的原理下，软铁锤将向上运动压缩弹簧，并将阀门提起快速放出气体，而后因电流的消失及弹簧的作用，钛阀门迅速关闭储气室。释放气体的质量、速度、时间与软铁锤、弹簧、线圈、放电电流等器件的性能密切相关。

　　由此，可以得出钛阀门提起速度为

式中，磁场衰减系数g约10-2量级，包括穿透不锈钢室体以及磁化软铁中的衰减；软铁的磁导率mir约6×103H/m；真空磁导率m0=4p´10-7H/m；线圈匝数N=104；电容器充电电压U0=2000V；电容器的电容C=400mF；线圈电感L=690mH；线圈半径r=5.5/2cm；Sir指软铁的表面积；Mti指钛杆的质量；t取线圈产生的磁场穿透不锈钢室体的时间，忽略了磁场磁化软铁所需的时间。

　　由以上数据可粗略计算出钛阀门初始速度约为27.6m/s。考虑储气室对磁场的衰减及其它损耗、真空和储气室压力的共同作用，阀门提起速度应小于10m/s。

表1实验数据

实验条件

延迟时间/ms

运动时间/ms

剩余气压/MPa

释放气体质量/g

充电电压/kV

充气气压/MPa

平均值

标准偏差

平均值

标准偏差

平均值

标准偏差

1.8

0.3

3.400

0.086

1.093

0.096

0.280

0.001

0.026

0.4

3.413

0.102

1.073

0.064

0.384

0.004

0.021

0.5

3.453

0.038

0.993

0.067

0.490

0.000

0.013

2.0

0.3

2.916

0.041

2.336

0.135

0.224

0.010

0.099

0.4

2.928

0.047

1.704

0.130

0.332

0.010

0.088

0.5

2.944

0.020

1.240

0.056

0.440

0.006

0.078

　　在电容器两端的充电电压为1.8，2.0kV，以及阀内所充氮气的压强为0.3，0.4，0.5MPa时，将电磁阀的出口处抽成真空状态，利用氙灯发光，光敏管测量的方法，测量了电磁阀从电磁线圈产生电流到阀门打开的延迟时间，电磁阀从阀门打开到阀门关闭的钛杆运动时间，以及电磁阀阀门关闭后阀内氮气的压强。典型的实验数据见表1。

　　还测量了充电电压为2.0kV，充气压强为0.3MPa,电磁阀从电磁线圈产生电流到阀门打开的延迟时间定位为2.96ms时拍摄了钛杆抬起过程。结果表明阀门抬起平均速度为3m/s，瞬时初速度可达10m/s以上，抬起高度约为1.8mm，抬起时间总共为2.0ms。实验同时表明放电电流的起点与阀门开启时刻的时延约为2.9ms，多次重复实验表明阀门开启时间抖动约为50ms。

　　在实验过程中，与空气动力研究中心合作对快速电磁阀+Laval喷管进行了二维非定常流场计算，结果表明其性能优于采用涡流原理制作的电磁阀，气体壳层线密度容易并快速达到10~25mg/cm，位形理想。

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