CN101858331A - 无阀压电叠堆泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无阀压电叠堆泵，包括密封的泵腔、置于泵腔内的振子和压电叠堆，振子的固定部通过调整垫片固定在泵腔的底座上；振子的自由部与固定端通过接触部连接；振子的自由部的截面呈渐变形状，即自由部非与固定部连接的一端的截面积小于与固定部连接的一端的截面积。本发明的无阀压电叠堆泵中使用的变截面振子，巧妙的模仿了鱼类生物的游动模式，在80V电压的激励下，流量可达600ml/分钟，比传统的无阀压电泵提高了500％；集驱动部件和流向控制部件于一体，既有有阀压电泵流量大、能承受背压的优点，还有无阀压电泵无接触磨损、寿命长、结构简单的优点，另外，还具有流动脉动小这一传统有阀压电泵和无阀压电泵都不具备的特点。

Description

无阀压电叠堆泵

一、技术领域

本发明涉及一种压电叠堆激励的摆动振子无阀压电叠堆泵，尤其涉及一种采用变截面振子的压电叠堆泵。

二、背景技术

根据泵阀的有无将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵。有阀压电泵的工作原理可简要叙述为，压电振子的往复振动引起泵腔容积的周期性变化，而容积的变化又引起泵腔内压力的变化，控制着泵阀的开启和关闭。由于传统有阀压电泵压电振子的振幅很小，限制了泵的流量和所能承受的背压。中国专利申请CN101608611A提出了一种利用压电叠堆驱动的大流量有阀压电泵，但这种压电泵仍然存在着泵阀响应慢、泵阀频繁开关存在摩擦磨损、结构复杂、寿命低等问题。

为了克服有阀压电泵的上述缺点，人们提出了无阀压电泵的概念，通过设计进水口和出水口的形状差异，使得流体流进泵腔和流出泵腔的流阻不同，从而引起流体的单向流动。但是传统的锥形流管无阀压电泵仍存在以下几个问题：(一)周边固定的支撑方式限制了压电振子的变形能力，从而限制了泵的流量；(二)锥形流管无阀压电泵是利用泵腔由于体积的变化，在一个周期的吸程和排程两个阶段通过进口(或出口)的流体的量的不同而形成宏观单向流动的，因而它的流量小、背压小、效率低，并且流动脉动较大；(三)两锥形流管的加工困难、安装定位不好。申请号为200810050240.7、名称为“压电叠堆泵”的中国发明专利申请公开了一种这种结构的压电叠堆泵。

为解决锥形流管无阀压电泵锥形流管加工困难、泵的流动脉动大的问题，巴西学者提出了利用鱼的游动原理(如图1、图3所示)而使振子泵水的双晶片压电泵，为了提高振子的端部振幅，双晶压电片被粘贴在振子的摆动端，这和鱼的变截面结构、柔性尾鳍大相径庭，泵的流量为100ml/min。因此，本技术领域需要一种集有阀、无阀优点于一身的压电泵，即大流量、能够承受背压、结构简单，而又无接触磨损、寿命长。

三、发明内容

1、技术问题

本发明要解决的技术问题是为了克服上述现有压电泵的缺陷，提供一种新型的压电叠堆驱动的无阀压电泵，该压电泵运用仿生学原理，模仿鱼类水下生物的游动模式，采用变截面的振子结构，有效的提高了泵的流量和背压，并且减小了泵的流动脉动。

2、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明的无阀压电叠堆泵包括密封的泵腔、置于泵腔内的振子和压电叠堆，其中，泵腔由泵上盖和底座组成，泵腔的泵上盖一端设有进流口，另一端设有出流口，振子的固定部通过调整垫片固定在泵腔的底座上；振子的自由部与固定端通过接触部连接；振子的自由部的截面呈渐变形状，即自由部非与固定部连接的一端的截面积小于与固定部连接的一端的截面积；压电叠堆置于底座上的通槽内，通槽的位置与振子的自由部位置对应；振子的自由部下端与压电叠堆的顶端接触。

自由部的截面呈渐变形状是指自由部的横截面的面积在长度方向是变化的，一般地，与固定部连接的部分的截面积大于另一端的截面积，这样就使得振子具有仿生的结构，类似于鱼的尾鳍形状。本发明具体可采取不同结构形式的自由部，例如，自由部可由具有不同截面面积的第一、第二自由部组成，其中，第二自由部的截面面积小于第一自由部的截面面积；也可以根据泵腔的容量延长自由部的长度，从而将自由部划分为三个以上不同截面的部分。类似地，振子的自由部也可采用截面渐变的锥形结构，即自由部的剖面呈等腰三角形。

为了使振子获得与鱼类更接近的巡游模式，振子还包括一个柔性尾鳍，该柔性尾鳍的一端与自由部的末端连接，其整体为细长的金属针状或呈金属薄片状。

所述的调整垫片由一组铜片叠置组成，所述的铜片厚度为0.01-0.1毫米。调整垫片这样设置是为了通过增加或减少铜皮的片数调整振子的柔性铰链的变形量，使压电叠堆获得合适的预压力。压电堆正常工作所需要的预紧力由柔性铰链的静变形提供。

更进一步地，自由部上设有锥形槽，该锥形槽通过一钢球与隔离块接触，所述的隔离块与压电叠堆粘接在一起，隔离块的面积一般要稍稍大于压电堆的受力面的面积。这样的结构使压电叠堆的受力面受力均匀，压电叠堆产生的振动通过隔离块和钢球传递给振子，振子上的锥形槽具有定位钢球的作用，隔离块与压电叠堆粘接在一起，隔离块不仅使压电叠堆受力均匀，避免压电叠堆因受力不均而遭到破坏，还可以将压电叠堆与泵腔内的液体分开，实现干湿分离，避免压电叠堆接触到水而损坏。类似地，还可以采用振子的自由部通过一钢球与一端设有锥形槽的隔离块接触、隔离块另一端与压电叠堆粘接在一起的方式，即容纳钢球的锥形槽开设在隔离块上，与前述的方式类似。

为了保证无阀压电叠堆泵的密封效果，隔离块密封地安装在底座上，隔离块上端处于泵腔内，与振子的自由部或者与钢球接触，下端与设置在通槽内的压电叠堆接触，其与泵体之间通过密封胶密封。

本发明技术方案的无阀压电叠堆泵模仿了鱼类尤其是金枪鱼在游动时身体的前半部分基本不动而后半部分特别是尾部大幅摆动的特点，振子在压电叠堆的激励下，产生鱼尾式摆动，推动水向出水口流动。在工作情况下，给压电叠堆激励以正向偏置的简谐信号或方波信号，压电叠堆里面的压电陶瓷层在交变电压的激励下产生伸缩，通过钢球和隔离块传递给振子；驱动频率为系统的高阶弯振共振频率时泵的流量和所能承受的背压达到峰值，可通过调节电压和频率来控制泵的流量。

3、有益效果

本发明的无阀压电叠堆泵中使用的变截面振子，巧妙的模仿了鱼类生物的游动模式，在80V电压的激励下，流量可达600ml/分钟，比传统的无阀压电泵提高了500％。本发明集驱动部件和流向控制部件于一体，既有有阀压电泵流量大、能承受背压的优点，还有无阀压电泵无接触磨损、寿命长、结构简单的优点，另外，还具有流动脉动小这一传统有阀压电泵和无阀压电泵都不具备的特点。

四、附图说明

图1金枪鱼的巡游模式示意图；

图2变截面振子及驱动方式示意图；

图3振子的工作振型示意图；

图4本发明的一种实施例的压电叠堆泵主视图；

图5本发明的一种实施例的压电叠堆泵俯视图；

图6本发明的一种实施例的压电叠堆泵B——B剖视图；

图7本发明的一种实施例的振子示意图；

图8本发明的一种实施例的压电叠堆泵的隔离块干湿分离部分示意图；

图9本发明的另一种实施例的压电叠堆泵主视图；

图10本发明的另一种实施例的压电叠堆泵俯视图；

图11本发明的另一种实施例的压电叠堆泵B——B剖视图；

图12本发明的另一种实施例的振子示意图；

图13本发明的另一种实施例的压电叠堆泵的隔离块干湿分离部分示意图。

五、具体实施方式

实施例一：

如图2、图4、图5、图6所示，本实施例的无阀压电叠堆泵，包括密封的泵腔14、置于泵腔内的振子9和压电叠堆16，其中，泵腔14由泵上盖6和底座18组成，通过螺钉8将泵上盖6和底座18紧固，泵上盖6和底座18之间通过密封垫13密封，泵腔14的泵上盖6一端设有进流口5，另一端设有出流口12，振子9的固定部91通过调整垫片17固定在泵腔14的底座18上；振子9的自由部92与固定端91通过接触部93连接；振子9的自由部92的截面呈渐变形状，即自由部92非与固定部91连接的一端的截面积小于与固定部91连接的一端的截面积；压电叠堆16置于底座18上的通槽182内，通槽182的位置与振子9的自由部92位置对应；振子9的自由部92下端与压电叠堆16的顶端接触。

所述的调整垫片17由一组铜片叠置组成，本实施例采用10片厚度为0.01毫米的铜片。

如图4、图7所示，自由部92由具有不同截面面积的第一、第二自由部921、922组成，其中，第二自由部922的截面面积小于第一自由部921的截面面积。振子9还包括一个柔性尾鳍11，该柔性尾鳍11的一端与第二自由部922的末端连接。本实施例中柔性尾鳍11呈薄片状。

如图4、图8所示，自由部92上设有锥形槽，该锥形槽通过一钢球10与隔离块19接触，所述的隔离块19与压电叠堆16粘接在一起，隔离块19安装在底座18上，周围使用玻璃胶15进行密封；底座18上设有固定螺钉8的螺孔181。为使压电叠堆受力均匀，压电叠堆16的受力面的面积要稍小于隔离块19的截面积。

实施例二：

如图2、图9、图10、图11、图12所示，本实施例的无阀压电叠堆泵，包括密封的泵腔14、置于泵腔内的振子9和压电叠堆16，其中，泵腔14由泵上盖6和底座18组成，通过螺钉8将泵上盖6和底座18紧固，泵上盖6和底座18之间通过密封垫13密封，泵腔14的泵上盖6一端设有进流口5，另一端设有出流口12，振子9的固定部91通过调整垫片17固定在泵腔14的底座18上；振子9的自由部92与固定端91通过接触部93连接；振子9的自由部92的截面呈渐变形状，即自由部92非与固定部91连接的一端的截面积小于与固定部91连接的一端的截面积，本实施例中，自由部92的截面呈细长的等腰三角形的形状；压电叠堆16置于底座18上的通槽182内，通槽182的位置与振子9的自由部92位置对应；振子9的自由部92下端与通过钢球10与压电叠堆16的顶端接触。振子9还包括一个柔性尾鳍11，该柔性尾鳍11的一端与自由部92的末端连接，本实施例的柔性尾鳍11呈细长的金属针状。

所述的调整垫片17由15片厚度为0.01-0.1毫米的铜片叠置组成。

如图9、图13所示，振子9的自由部92通过一钢球10与一端设有锥形槽的隔离块19接触，隔离块19另一端与压电叠堆16粘接在一起。隔离块19密封地安装在底座18上，周围使用玻璃胶15进行密封；底座18上设有固定螺钉8的螺孔181。为使压电叠堆受力均匀，压电叠堆16的受力面的面积要稍小于隔离块19的截面积。

Claims (9)

1.一种无阀压电叠堆泵，包括密封的泵腔(14)、置于泵腔内的振子(9)和压电叠堆(16)，其中，泵腔(14)由泵上盖(6)和底座(18)组成，泵腔(14)的泵上盖(6)一端设有进流口(5)，另一端设有出流口(12)，其特征在于，振子(9)的固定部(91)通过调整垫片(17)固定在泵腔(14)的底座(18)上；振子(9)的自由部(92)与固定端(91)通过接触部(93)连接；振子(9)的自由部(92)的截面呈渐变形状，即自由部(92)非与固定部(91)连接的一端的截面积小于与固定部(91)连接的一端的截面积；压电叠堆(16)置于底座(18)上的通槽(182)内，通槽(182)的位置与振子(9)的自由部(92)位置对应；振子(9)的自由部(92)下端与压电叠堆(16)的顶端接触。

2.如权利要求1所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，自由部(92)由具有不同截面面积的第一、第二自由部(921、922)组成，其中，第二自由部(922)的截面面积小于第一自由部(921)的截面面积。

3.如权利要求1或2所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，振子(9)还包括一个柔性尾鳍(11)，该柔性尾鳍(11)的一端与自由部(92)的末端连接。

4.如权利要求1所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，调整垫片(17)由一组铜片叠置组成。

5.如权利要求4所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，所述的铜片厚度为0.01-0.1毫米。

6.如权利要求2所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，自由部(92)上设有锥形槽，该锥形槽通过一钢球(10)与隔离块(19)接触，所述的隔离块(19)与压电叠堆(16)粘接在一起。

7.如权利要求1所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，振子(9)的自由部(92)通过一钢球(10)与一端设有锥形槽的隔离块(19)接触，隔离块(19)另一端与压电叠堆(16)粘接在一起。

8.如权利要求6或7所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，隔离块(19)密封地安装在底座(18)上。

9.如权利要求6或7所述的无阀压电叠堆泵，其特征在于，压电叠堆(16)的受力面的面积小于隔离块(19)的截面积。

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