CN101986787A - 泵 - Google Patents

Abstract

一种流体泵，包括：室，在使用时包含待被泵浦的流体，该室包括主腔和次腔，所述主腔具有由第一和第二端壁以及侧壁限界的大致圆柱形形状，所述次腔从所述主腔径向向外延伸；一个或多个致动器，在使用时引起所述第一端壁沿大致垂直于所述第一端壁的平面的方向振荡运动；并且由此在使用时，所述端壁的轴向振荡驱动所述主腔中的流体压力径向振荡；并且其中所述次腔将所述侧壁与所述第一端壁分隔开，使得当所述致动器被启动时，所述第一端壁能够相对于所述侧壁运动。

Description

泵

技术领域

本发明涉及一种用于流体的泵，特别是一种其中泵浦腔为近似盘形圆柱形腔、具有近似圆形的端壁的泵。这种泵的设计被公开在WO2006/111775中。

背景技术

在这种泵中，一个或两个端壁被致动器驱动沿大致垂直于该端壁的平面的方向振荡位移。其中，端壁被这样驱动：端壁表面可以但不必自身形成为例如单压电晶片或双压电晶片的复合振动致动器(composite vibration actuator)的元件。可替换地，端壁可形成为通过与其具有力传递关系(例如，机械接触、磁或静电)的分立的致动器来驱动振荡的无源材料层。

优选将从动端壁的运动的空间轮廓(spatial profile)与腔中的压力振荡的空间轮廓相匹配，即本文描述为模匹配(mode-matching)的条件。模匹配确保由致动器对腔中的流体所做的功有利地添加在从动端壁表面上，从而提高腔中的压力振荡的幅度并输出较高的泵效率。在未被模匹配的泵中可能存在这样的端壁表面的区域，其中由端壁对流体所做的功减少，而不是提高腔内流体中的压力振荡的幅度：致动器对流体所做的有用功减少且泵的效率变低。

该问题在现有技术中由WO2006/111775的图3证实。WO2006/111775的图3A示出一种泵，其中一个端壁12由盘17的下表面形成，且被由盘17和压电盘20形成的压电致动器激励而振荡运动。盘17和压电盘20共同形成复合弯曲模致动器，其振动在腔11内的流体中激励径向对称的压力波。端壁12的运动幅度在腔的中心处最大，在其边缘处最小。包含这种复合致动器的泵构造起来相对简单，这是因为致动器可围绕腔的周界被刚性夹持到腔上，在腔的周界处致动器的运动幅度接近于零。然而，在使用常规固体材料构造腔的曲形侧壁的许多实际设计中，这些侧壁的声阻抗大于工作流体的声阻抗，因而腔内流体的压力振荡将在端壁处具有波腹。由于在该位置，如WO2006/111775的图3所示的侧壁具有波节，因此这种设置无法输出在端壁的整个表面区域上有效的模匹配。确实，模匹配的失效主要发生在端壁的外半径处，因此端壁的大量区域部分与工作流体容积无法振动模匹配。

WO2006/111775的图3B示出优选设置，其中致动器以及端壁12的运动幅度近似于贝塞尔函数且在腔周界处具有波腹。在该情况下，从动端壁和腔内流体的压力振荡是模匹配的，且泵的效率得到改善。然而，由于致动器必须在其通常被安装所在的侧壁处具有振动波腹，这种泵可被如何构造并不明显。

现有技术的两个另外的问题由WO2006/111775的图1例示，其示出由简单单压电晶片致动器驱动的泵。致动器包括附接到第二盘的压电盘。如果这种致动器被夹持在腔周界处，则其最低阶模态将如图3A示意性示出。

该设计存在两个局限。首先，压电盘的厚度和直径通过在致动器中实现所需的振动频率和模态振型的需求来确定，从而实际上固定可被使用的压电材料的量。由于压电材料每单位量可有效输出的功率存在限制，该对压电盘量的局限对致动器的有效功率输出造成限制。其次，压电盘在其中心受到高应变，在其中心处致动器的运动幅度及其曲率半径最高。已知高应变可导致压电材料通过其去极化而退化，由此减小致动器的运动幅度并因而限制致动器寿命。如果压电盘与第二盘通过胶合结合，则在致动器中心的这种高应变还可能导致压电盘与第二盘之间的胶层疲劳，从而再次导致致动器寿命减少。

发明内容

本发明致力于解决一个或多个以上提出的问题。

根据本发明，提供一种流体泵，包括：

室，在使用时包含待被泵浦的流体，该室包括主腔和次腔，所述主腔具有由第一和第二端壁以及侧壁限界的大致圆柱形形状，所述次腔从所述主腔径向向外延伸；

一个或多个致动器，在使用时引起所述第一端壁沿大致垂直于所述第一端壁的平面的方向振荡运动；并且

由此在使用时，所述端壁的轴向振荡驱动所述主腔中的流体压力的径向振荡；并且

其中所述次腔将所述侧壁与所述第一端壁分隔开，使得当所述致动器被启动时，所述第一端壁能够相对于所述侧壁运动。

所述次腔可将所述侧壁与所述第一端壁分隔开，使得当所述致动器被启动时，所述第一端壁能够独立于所述侧壁移动。

本发明通过将机械致动器安装(actuator mount)与所述侧壁物理上分离解决将致动器振动的波腹定位在主腔边缘处的任务。

在一个实施例中，致动器被刚性安装在直径大于侧壁的直径处，其中主腔由靠近但不碰触致动器表面的侧壁限定。在这种构造中，主腔中的径向声波基本上被侧壁反射，从而在主腔中产生希望的径向驻波，且压力波腹位于曲形侧壁处，但致动器不接触侧壁，从而使其能够根据需要振动为或接近为位移的波腹在期望半径处。在另外的实施例中，侧壁被类似地限定，但带有填充侧壁顶部与致动器表面之间的间隙的顺从材料。

在优选实施例中，使用有源元件为压电材料环的致动器来驱动致动器振荡进一步克服有限的压电材料量和在压电材料内高应变的问题。由于这种压电环的外直径可显著大于其对等的压电盘的外直径，因此其可具有显著较大的面积。这使得能够采用较大量的压电材料，并将压电材料从致动器中心的高应变区域移除。

优选地，在所述侧壁的顶部与所述第一端壁之间提供有间隙。在所述侧壁的顶部与所述第一端壁之间可提供有一层顺从材料。

所述次腔可包括在所述侧壁与所述第一端壁之间的较薄部分以及在所述侧壁的径向外部的较深部分。所述侧壁可朝向所述第一端壁渐缩。

所述第一端壁优选被安装在所述次腔的径向最外部。

优选被提供有通过所述室壁的至少两个孔道，所述至少两个孔道的至少一个是设有阀的孔道。

第二致动器可被提供为在使用时，该第二致动器引起所述第二端壁沿大致垂直于所述第二端壁的方向振荡运动。

一个或两个致动器可包括为压电或磁致伸缩的并可为盘或环的有源元件。

所述有源元件优选以径向模态被激励，以致使端壁中的一个或两个轴向变形。

优选地，有源元件的内外圆周之间的径向距离为所述致动器模态振型的波长的近似一半。在这种情况下，所述有源元件优选被设计为其内外圆周被大致定位在所述致动器振动模态振型的波节处，即，致动器材料大致跨越这两个振动波节之间的面积。

所述有源元件的内外圆周之间的距离可为所述致动器模态振型的波长的近似四分之一。在这种情况下，所述有源元件优选被设计为其外直径与所述次腔的所述径向最外部大致相邻。

在可替换构造中，所述致动器可包括螺线管。

所述第一端壁的厚度优选被成形为优化所述致动器的位移轮廓以进行模态振型匹配。

所述致动器优选被构造为所述压电或磁致伸缩材料被预压缩在所述致动器的静止位置(rest position)中。

所述主腔的半径a和高度h优选满足以下不等式：

a/h大于1.2；并且

h²/a大于4×10^-10m。

所述主腔的半径a还优选满足以下不等式：

$\frac{k_0.c\_\min }{2\mathrm{\&pi;f}}<a<\frac{k_0.c\_\max }{2\mathrm{\&pi;f}},$

其中c_min为115m/s，c_max为1970m/s，f为操作频率，k₀为常数(k₀＝3.83)。

从动端壁的运动和所述主腔中的压力振荡是模态振型匹配的，且振荡运动的频率可为所述主腔中的径向压力振荡的最低共振频率的20％以内。

比率

可大于20。所述主腔的容积可小于10ml。

所述振荡运动的频率优选等于所述主腔中的径向压力振荡的最低共振频率。

所述主腔中的径向流体压力振荡的最低共振频率优选大于500Hz。

所述端壁中的一个或两个可具有截锥形形状，使得所述端壁在中心处分离最小距离，在边缘处分离最大距离。

所述端壁运动优选与所述主腔中的压力振荡是模态振型匹配的。

端壁运动的幅度优选近似于贝塞尔函数的形式。

优选地，所述室壁中的任何未设有阀的孔道被定位在距所述主腔的中心0.63a加或减0.2a的距离处，其中a为主腔半径。

优选地，所述室壁中的任何设有阀的孔道被定位在所述主腔的中心附近。

比率

优选大于10^-7米，且工作流体优选为气体。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的示例，附图中：

图1A至1C为其中致动器位移和腔中的压力振荡未模匹配的根据现有技术的泵的示意图；

图2为其中致动器位移和腔中的压力振荡模匹配的根据现有技术的优选实施例的示意图；

图3为本发明的一个实施例，其使优选的模匹配条件能够实现；

图4A至4C例示出本发明的另外的实施例；

图5和6例示出可被应用在本发明中的可能的致动器构造；

图7示出可被应用在本发明中的一个另外的可能的致动器设计；

图8例示出渐缩的主腔。

具体实施方式

图1A为根据现有技术的泵的示意图。腔11由端壁12和13以及侧壁14限定。腔为大致圆形形状，但也可使用椭圆或其他形状。腔11被提供有波节空气入口(nodal air inlet)15，在此示例中该波节空气入口未设有阀。此外，设有阀的空气出口16被大致定位在端壁13的中心。第一端壁12由盘17的附接到主体18的下表面限定。入口和出口穿过主体18。

致动器包括附接到盘17的压电盘20。当施加合适的电驱动时，引发致动器沿大致垂直于腔的平面的方向振动，由此在腔中的流体内产生径向压力振荡。

图1B示出腔的从动壁12的一个可能的位移轮廓。在该情况下，运动幅度在腔的中心处最大，在其边缘处最小。实曲线和箭头表示在时间上一点的壁位移，虚曲线表示半周期之后的壁的位置。所绘制的位移被夸大，且压电盘出于清晰起见从附图中省略。

图1C示出对于图1A和1B所示的腔的一个可能的压力振荡轮廓。实曲线和箭头表示时间上一点的压力，虚曲线表示半个周期之后的压力。对于该模态和较高阶的模态，在腔壁处存在压力的波腹。腔中的压力的径向关系式近似于具有以下特性的贝塞尔函数：

k₀≈3.83                   方程式1

其中r为距腔中心的径向距离，a为腔半径，P₀为腔中心处的压力。

图1B和1C示出典型地应用在图1A的泵的操作中的致动器位移和压力振荡的模态。通过观察可知，两个模态在该情况下仅仅中等程度地配合：致动器致力于提高腔中心处的压力振荡，但其必然致力于减小在压力振荡为反号的腔壁附近的压力振荡。

模匹配的程度可通过致动器速度与压力的乘积在腔的面积上的积分表达。例如，其中致动器速度和压力可被表示为：

V(r，t)＝V(r).sin(ωt)

P(r，t)＝P(r).sin(ωt+φ)                方程式2

其中函数V(r)表示致动器速度的径向关系式，P(r)表示腔中的压力振荡的径向关系式，ω为角速度，t为时间，为压力与速度之间的相位差。模匹配的程度可通过压力和速度在致动器表面上的积分限定：

$M=\frac{\&Integral;V\left(r\right)P\left(r\right).\mathrm{dA}}{V\left(0\right)P\left(0\right)}$ 方程式3

其中M表示模匹配的程度，V(0)和P(0)分别为腔中心处的致动器速度和压力，dA为面积元素，积分在致动器的与腔直接连通的面积上进行。在图1的设计中，致动器的运动幅度略靠近腔的边缘，且致动器的中心区域主导该积分。

图2示出一个可能的优选设置，其中致动器具有与腔中的压力振荡的模态振型良好匹配的模态振型。致动器现在致力于增大腔中所有点处的压力振荡的幅度，由方程式2表示的模匹配的程度增大。应该注意到，尽管V(r)和P(r)的乘积在朝向腔周界处小于腔中心处，但靠近腔周界的较大的相互作用面积意味着腔周界对模匹配的总程度产生显著的贡献。本发明涉及实现该优选设置(即，在腔壁处实现致动器位移的波腹)的实践方式。

图3A示出本发明的一个可能的实施例，其中泵室现在被分为主腔110和次腔23。在该设计中，致动器盘17被安装到18围绕其周界。以此方式安装致动器使得能够使用相对刚性的安装，便于泵的制造。致动器优选在图3B所示的振动模态下被驱动。侧壁14通过腔深度在半径a处的阶跃变化而形成具有次腔23，该次腔23以减小的深度延伸超过该半径到达致动器附接到泵主体21的半径处。侧壁14处腔深度的阶跃变化用于反射主腔110内的声波，从而产生必要的驻波，而致动器运动在该直径处保持不受约束，从而能够获得在主腔110的有效边缘处产生致动器振动的波腹的期望结果。在图3A的侧壁14处的反射程度主要取决于两个因素：侧壁材料的声阻抗以及相对于主腔110的深度的侧壁14的高度。对于一次近似，全高度主腔壁的反射系数R给定为：

$R={\left(\frac{Z_{\mathrm{Wall}}-Z_{\mathrm{Fluid}}}{Z_{\mathrm{Wall}}+Z_{\mathrm{Fluid}}}\right)}^2$ 方程式4

其中Z_wall为侧壁材料的声阻抗，Z_Fluid为主腔110中的流体的声阻抗。为了获得强主腔共振，因而壁材料的声阻抗显著大于或显著小于主腔中的流体的声阻抗是重要的。当壁由金属或某些塑料制成且主腔中的流体为气体时，前者条件可易于满足，但其他组合也是可能的。

当侧壁没有延伸到主腔的全高度时，反射程度将被减小。对于一次近似，反射系数在该情况下给定为：

$R_{\mathrm{Effective}}=R\frac{h_{\mathrm{Wall}}}{h_{\mathrm{Cavity}}}$ 方程式5

其中h_Wall为侧壁的高度，h_Cavity为主腔的高度。因此，为了图3A所示的设计将侧壁的高度最大化是重要的。

图4A至4C示出本发明的变型。图4A示出一种泵，其中次腔在侧壁14的外部具有增大的深度。该设计特征致力于将侧壁14的顶部与致动器盘17之间的狭窄间隙的长度最小化，这是因为在该间隙中可能产生高压力而导致泵效率损失。为此原因，优选的是，图4A的侧壁14应该尽可能狭窄并同时维持其声阻抗从而维持其反射系数。渐缩侧壁14可以是优选的，例如图4C所示。为了在这种侧壁的内部边缘处获得最佳声反射，优选的是，侧壁的内部边缘如所图示保持竖直。图4B示出一种泵，其中适当的顺从构件(compliant member)填充侧壁14的顶部与致动器盘17之间的间隙。这种顺从构件用于进一步改进侧壁处的声能量反射。顺从构件的硬度必须谨慎选择，以避免限制衰减致动器运动。

图5示出一个可能的致动器设计，其可被应用在本发明中并具体实施为压电盘20。为了优选操作，该盘的半径应该近似等于致动器的第一振动波节的半径，因此，为了模匹配泵设计，压电盘的半径应该近似等于主腔中的压力振荡的第一波节的半径。超过致动器的该第一振荡波节，致动器曲率的符号变化：压电盘的产生中心致动器波腹区域的曲率的面内延展防止超过第一振动波节产生所需的曲率(现在是相反符号)。一般而言，该类型的简单的单压电晶片致动器应该被配置为压电元件仅跨越致动器曲率为单一符号的区域。

图6示出可应用在本发明中的又一可能的致动器设计。图6A示出盘17上的压电环20的近似径向定位。图6B示出所产生的致动器的位移轮廓，其中压电盘出于清晰起见从该附图中省略。在该设置中，PZT跨越致动器振动模态振型的近似一半波长，在该区域，制动器的曲率再次为一个符号。因此，压电环的面内延展和收缩(由双头箭头表示)有效驱动致动器振动。

图6的实施例比图5的实施例更优选，这是因为压电材料的量以及致动器的最大功率输出都较高。例如，如果泵是模匹配的，则致动器运动的径向关系式将匹配主腔中的压力振荡的径向关系式，并将因而近似于方程式1的贝塞尔函数。图5A的压电盘可因此延伸到近似0.63a的半径，这为在主腔半径a处具有其第一个最大值的贝塞尔函数的第一个零点的半径。这种压电盘的最大有效面积因此为近似1.2a²。

再次假设贝塞尔函数关系式，图6的压电环可从0.63a的半径延伸到1.44a的半径(下一个贝塞尔函数零点)，在该区域中，贝塞尔函数的曲率再次为单一符号。这种压电环的最大有效面积因此为近似5.3a²。致动器运动可仅近似于贝塞尔函数，但该简单计算例示出环致动器移动关于压电材料的面积以及致动器的最大功率输出的显著优点。

图7示出可应用在本发明中的一个另外可能的致动器设计。图7A示出盘17上的压电环20的近似径向定位。图7B示出所产生的致动器的位移轮廓，其中压电环出于清晰起见从附图中省略。在该设置中，PZT跨越致动器振动模态振型的四分之一波长，在该区域中，制动器的曲率再次为一个符号。因此，压电环的面内延展和收缩(由双头箭头表示)有效驱动致动器振动。

图8例示出渐缩主腔，其中一个端壁(在该情况下为第二端壁)为截锥形形状。可以看出主腔110如何在侧壁14处具有较大高度，而在中心处端壁12、13之间的距离最小。这种形状在腔的中心处提供增大的压力。典型地，腔的直径为20mm，中心处的高度为0.25mm，径向极限处的高度为0.5mm。

Claims (31)

1.一种流体泵，包括：

室，在使用时包含待被泵浦的流体，该室包括主腔和次腔，所述主腔具有由第一和第二端壁以及侧壁限界的大致圆柱形形状，所述次腔从所述主腔径向向外延伸；

一个或多个致动器，在使用时引起所述第一端壁沿大致垂直于所述第一端壁的平面的方向振荡运动；并且

由此在使用时，所述端壁的轴向振荡驱动所述主腔中的流体压力的径向振荡；并且

其中所述次腔将所述侧壁与所述第一端壁分隔开，使得当所述致动器被启动时，所述第一端壁能够相对于所述侧壁运动。

2.根据权利要求1所述的流体泵，其中在所述侧壁的顶部与所述第一端壁之间提供有间隙。

3.根据权利要求2所述的泵，其中在所述侧壁的顶部与所述第一端壁之间提供有一层顺从材料。

4.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述次腔包括在所述侧壁与所述第一端壁之间的较薄部分以及在所述侧壁的径向外部的较深部分。

5.根据权利要求4所述的泵，其中所述侧壁朝向所述第一端壁渐缩。

6.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述第一端壁被安装在所述次腔的径向最外部。

7.根据前述权利要求中任一项所述的泵，进一步包括通过所述室壁的至少两个孔道，所述至少两个孔道的至少一个是设有阀的孔道。

8.根据前述权利要求中任一项所述的泵，进一步包括第二致动器，其中在使用时，该第二致动器引起所述第二端壁沿大致垂直于所述第二端壁的方向振荡运动。

9.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述致动器包括为压电或磁致伸缩盘的有源元件。

10.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述致动器包括压电或磁致伸缩环的有源元件。

11.根据权利要求9或10所述的泵，其中所述有源元件以径向模态被激励，以致使所述端壁中的一个或两个轴向变形。

12.根据权利要求11所述的泵，其中有源元件环的内外圆周之间的径向距离为所述致动器模态振型的波长的近似一半。

13.根据权利要求12所述的泵，其中所述有源元件环的内外圆周被大致定位在所述致动器振动模态振型的波节处。

14.根据权利要求11所述的泵，其中所述环的内外圆周之间的距离为所述致动器模态振型的波长的近似四分之一。

15.根据权利要求14所述的泵，其中所述环的外圆周与所述次腔的所述径向最外部大致相邻。

16.根据权利要求1至8中任一项所述的泵，其中所述致动器包括螺线管。

17.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述第一端壁的厚度被成形为优化所述致动器的位移轮廓以进行模态振型匹配。

18.根据权利要求9至15中任一项所述的泵，其中所述致动器被构造为使得所述压电或磁致伸缩材料被预压缩在所述致动器的静止位置中。

19.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述主腔的半径a和高度h满足以下不等式：

a/h大于1.2；并且

h²/a大于4×10^-10m。

20.根据权利要求19所述的泵，其中所述主腔的半径a还满足以下不等式：

$\frac{k_0.c\_\min }{2\mathrm{\&pi;f}}<a<\frac{k_0.c\_\max }{2\mathrm{\&pi;f}},$

其中c_min为115m/s，c_max为1970m/s，f为操作频率，k₀为常数(k₀＝3.83)。

21.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中在使用时，从动端壁的运动和所述主腔中的压力振荡是模态振型匹配的，且振荡运动的频率为所述主腔中的径向压力振荡的最低共振频率的20％以内。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的泵，其中比率

大于20。

23.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述主腔的容积小于10ml。

24.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中在使用时，所述振荡运动的频率等于所述主腔中的径向压力振荡的最低共振频率。

25.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中在使用时，所述主腔中的径向流体压力振荡的最低共振频率大于500Hz。

26.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述端壁中的一个或两个具有截锥形形状，使得所述端壁在中心处分离最小距离，在边缘处分离最大距离。

27.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述端壁运动与所述腔中的压力振荡是模态振型匹配的。

28.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中端壁运动的幅度近似于贝塞尔函数的形式。

29.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述室壁中的任何未设有阀的孔道被定位在距所述主腔的中心0.63a加或减0.2a的距离处，其中a为主腔半径。

30.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述室壁中的任何设有阀的孔道被定位在所述主腔的中心附近。

31.根据权利要求19至30中任一项所述的泵，其中比率

大于10^-7米，且工作流体为气体。

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