一、企业简介

      中国工程物理研究院机械制造工艺研究所是以发展国防尖端制造技术为主的，集理论、设计、实验和生产为一体的综合性研究所，长期从事新材料、新工艺和新装备的研发，在精密、超精密制造和高端工艺装备研发方面具有国内领先优势。中国工程物理研究院机械制造工艺研究所在高端科学仪器核心功能部件方面具有一定的研究基础和较强的研制能力，在“十二五”期间曾牵头承担了国家重大科学仪器设备开发专项“高精度四极质量分析器工程化研制与应用”和“高速小型复合分子泵的开发和应用”两个项目的研究工作，为促进国产科学仪器核心功能部件的国产化做出了突出贡献。目前，我所已经形成了以呼吸机用高精度比例阀、质谱仪用四极杆及分子泵等为代表的核心产品，相关产品的技术指标处于国内外先进水平。

二、企业展示产品先进性及应用情况

1、呼吸机用高精度比例阀

（1）应用领域

      医疗用呼吸机

(2)产品先进性

      最高流量可达200L/min，其它技术指标接近国外同类产品的先进水平。

（3）主要技术及关键零部件

①高精度比例阀弹性力学、电磁学和流体力学等多学科协同设计与性能优化；

②高精度比例阀用高性能弹簧钢、气囊柔性片和阀门密封垫等金属和高分子材料的制备、性能表征与测试；

③精度比例阀零部件的高精度高效制造与装配。

（4）国内外现状对比

      目前，国外呼吸机用高精度比例阀主要使用电磁比例阀技术，即通过一个电磁铁提供电磁力来抵抗弹簧力，从而控制阀芯的开闭，实现按比例控制的精确流量输出。电磁比例阀的经典结构示意图如图所示：

高精度电磁比例阀结构示意图

      如图所示，当电磁铁不通电时，密封阀体在弹性元件的弹力作用下会将进气口密封，从而实现比例阀的关闭；当电磁铁通电后，在电磁力的作用下，密封阀体会抬起，从而呈比例地打开进气口，形成一个体积呈比例的气流通道供气流通过，实现比例阀开启及精确的气体流量控制。

      目前，全球市场份额较大的电磁比例阀厂商主要包括：IMI FAS(原诺冠)、SMC、Paker Hannifin、ASCO、Burkert、Clippard等，其主要产品及性能参数如表所示。

      呼吸机用高精度电磁比例阀主流产品及技术参数对比

      另外，随着新冠疫情的蔓延，许多跨行业的公司也利用自身的制造能力参与到比例阀的研发制造中来，以尽力提高比例阀乃至呼吸机的产量，应对日益严重的疫情。例如，Space X公司在8到10周的时间内，利用其生产火箭的专业阀门技术及制造能力，生产了大约9000个美敦力呼吸机使用的电磁比例阀，如图所示。

Space X跨界生产的高精度电磁比例阀

      但无论是专业厂商还是跨界厂商，所生产的电磁比例阀在核心原理上是一致的，仅在结构上有些许差别。电磁比例阀也是目前应用于呼吸机的最为成熟的气体流量精确控制技术，其应用也最为广泛。目前，国内外应用电磁比例阀的呼吸机在市场份额上占到了95%以上。

      除了电磁比例阀技术外，目前国外的某些特殊呼吸机还选择了压电陶瓷比例阀技术。压电陶瓷比例阀使用一个调校好的压电陶瓷来控制阀芯的开闭，结构如图所示：

压电陶瓷比例阀结构与工作原理示意

      该压电陶瓷比例阀通过控制压电陶瓷的弯曲程度来精确控制气体流量，其气体流量的控制精度与电磁比例阀相比更高。另外，压电陶瓷比例阀的功耗相比电磁比例阀降低了90%以上。在尺寸方面，FESTO公司的压电陶瓷比例阀尺寸为17.2×52.1×7.2 mm3，相比电磁比例阀有更小的体积。但是，压电陶瓷比例阀目前的劣势在于其流量低（最大30L/min），因此，相比电磁比例阀而言，其应用范围非常局限，目前仅用于有特殊尺寸要求的呼吸机上。

      在国内方面，近年来我国在医用微型比例阀方面完全依赖进口，且目前尚未见到国产比例阀成功市场化应用的案例和报道。我所属于较早开展比例阀研发的国内单位，前期针对比例阀进行了大量的调研和研发工作，目前已经取得了一定进展。由于电磁比例阀目前仍然是行业主流，且具有流量大的巨大优势，因此，我所主要针对电磁比例阀进行了研发，在弹性力学、电磁学和流体力学等方法基础上，分析设计了比例阀的恢复弹簧片刚度、电磁铁吸力和阀门流量等，成功研制出了具有自主知识产权的比例阀样机，如图所示：

我所自主研发的电磁比例阀样机

      目前，我所自主研发的比例阀已经能够获得最大200L/min的额定流量，重复精度、迟滞、响应时间等主要核心指标已接近国际先进水平。