CN102312822A - 一种旋转行波无阀压电驱动泵 - Google Patents

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金家楣
吴飞
陈小建
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Abstract

本发明公开一种旋转行波无阀压电驱动泵，包括上盖腔、橡胶盘、底座腔、压电陶瓷阵列和两根导管，其中，底座腔的中心开设有穿孔，且顶面设有至少两个分腔，每个分腔分别经由导槽与穿孔连通，而底座腔的底面则设有压电陶瓷阵列；橡胶盘固定于底座腔的上方，对应底座腔的各个分腔分别开设透孔；上盖腔固定于橡胶盘的上方，所述上盖腔的中心开设有一通孔，而底面还开设有至少两条汇流槽，所述汇流槽的数目与分腔的数目一致，且汇流槽的一端与通孔连通，另一端对应橡胶盘的透孔位置；两根导管分别连接上盖腔的通孔和底座腔的穿孔。此种驱动泵的体积可以做得较小，且泵出口流量连续可调，并可实现泵的反向流动。

Description

一种旋转行波无阀压电驱动泵
技术领域
 本发明属于压电机械、流体机械等技术领域，特别涉及一种旋转行波无阀压电驱动泵结构。 
背景技术
 超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动。在线性声学中，声压是时间的周期函数，且在一个周期中的时间平均值为零。但在高声强度条件下，声波非线性效应越来越显著，会在声压中产生一个“直流”项，这一项的时间平均值具有固定的大小和方向，称之为声辐射压力。声流也对流体产生一定的推动，置于强声场中的物体表面会产生一层较薄的边界层声流，声流使边界层的流体产生流动，由于流体具有黏性，没有被直接推动的流体也被带动流动。 
基于以上原理，本发明人利用超声电机技术，并在超声电机的基础上进行改进，研究出本案所提供的体积较小的压电驱动泵。 
发明内容
 本发明的主要目的，在于提供一种旋转行波无阀压电驱动泵，其利用表面质点椭圆运动和高频率行波产生的声辐射压力和声流推动流体流动，因此体积可以做得较小，且泵出口流量连续可调，并可实现泵的反向流动。 
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是： 
一种旋转行波无阀压电驱动泵，包括上盖腔、橡胶盘、底座腔、压电陶瓷阵列和两根导管，其中，底座腔的中心开设有穿孔，且顶面设有至少两个分腔，每个分腔分别经由导槽与穿孔连通，而底座腔的底面则设有压电陶瓷阵列；橡胶盘固定于底座腔的上方，对应底座腔的各个分腔分别开设透孔；上盖腔固定于橡胶盘的上方，所述上盖腔的中心开设有一通孔，而底面还开设有至少两条汇流槽，所述汇流槽的数目与分腔的数目一致，且汇流槽的一端与通孔连通，另一端对应橡胶盘的透孔位置；两根导管分别连接上盖腔的通孔和底座腔的穿孔。
上述底座腔的顶面在穿孔周围形成环状凹槽，所述的凹槽内设有至少两个挡垣，将凹槽分隔成至少两个分腔。 
上述底座腔的顶面设有三个分腔，橡胶盘上对应各分腔分别开设透孔，而上盖腔的底面对应各透孔分别开设汇流槽。 
上述底座腔、橡胶盘和上盖腔的对应位置分别开设固定孔，使用螺栓和螺母进行固定。 
采用上述方案后，本发明通过设计上盖腔和底座腔相叠合的结构，并在二者之间增加橡胶盘，当对底座腔底部的压电陶瓷阵列施加激励时，会产生旋转的行波，驱动分腔内表面质点产生椭圆运动，接触流体靠质点椭圆运动直接流动，非接触流体靠行波产生的切向声辐射压力、声流和声黏性力流动，而非体积变化，因此可以将体积做得较小，另外，可在一定范围内通过调整驱动频率的大小，以改变泵出口流量的大小，实现泵出口流量的连续可调；另外，还可以通过改变驱动频率的相位差，改变行波的旋转方向，从而实现泵的反向流动，可以应用于航空航天领域和医疗器械方面。 
附图说明
 图1是本发明的立体结构分解图； 
图2是本发明的组合剖视图；
图3是本发明中上盖腔的底侧示意图；
图4是本发明中橡胶盘的结构示意图；
图5是本发明中底座腔的结构示意图。
具体实施方式
 以下将结合附图和具体实施例，对本发明的结构及工作原理进行详细说明。 
如图1所示，本发明提供一种旋转行波无阀压电驱动泵，包括上盖腔3、橡胶盘4、底座腔5、压电陶瓷阵列7和两根导管1、9，以下将分别介绍。 
如图3所示，上盖腔3的中心开设有一通孔31，且上盖腔3的底面还开设有三条汇流槽32，所述三条汇流槽32的一端均与通孔31连通，并呈放射状均匀排布，使流体可以从周边向中心汇流；此外，所述上盖腔3上还开设有两个贯通顶面与底面的固定孔33。 
橡胶盘4位于上盖腔3的下方，其结构如图4所示，所述的橡胶盘4上开设有三个透孔41，分别对应前述上盖腔3上三条汇流槽32的另一端；此外，橡胶盘4上还开设有两个贯通顶面和底面的固定孔42，分别与上盖腔3上的两个固定孔33位置对应。 
配合图5所示，底座腔5位于橡胶盘4的下方，其中心开设有穿孔51，而顶面则在穿孔51周围形成环状凹槽，所述的凹槽内设有三个挡垣52，从而将凹槽均匀分隔成三个分腔53，并使得每个分腔53分别对应橡胶盘4上的一个透孔41，且每个分腔53分别经由导槽54与穿孔51连通；此外，所述底座腔5上还对应两个固定孔42分别开设固定孔55。 
压电陶瓷阵列7由若干压电陶瓷片排列而成环状结构，并固定于底座腔5的底面。 
所述两根导管1、9分别连接上盖腔3的通孔31和底座腔5的穿孔51。 
组装时，配合图1和图2所示，将上盖腔3、橡胶盘4和底座腔5依次叠合，然后使用螺栓6依次穿过固定孔55、42、33，并在另一端使用垫片10和螺母11加以固定，本实施例中将橡胶盘4设于上盖腔3和底座腔5之间，一方面可起到密封和吸振的作用，另一方面，橡胶盘4上开设的透孔41还可起到配流的作用；并利用螺母2将导管1固定于上盖腔3的通孔31中，利用螺母8将导管9固定于底座腔5的穿孔51中。 
工作时，对压电陶瓷阵列7施加sin(ωt)、cos(ωt)激励，通过两个在空间上具有 
Figure DEST_PATH_570104DEST_PATH_IMAGE001
相位差的同形振动模态，以时间上具有一定相位差
Figure DEST_PATH_774821DEST_PATH_IMAGE002
（
Figure DEST_PATH_662137DEST_PATH_IMAGE003
）的振动相叠加，可以获得轴对称体上沿周向的行波。在行波的行进过程中，轴对称体表面质点形成椭圆运动，两个在空间上具有
Figure DEST_PATH_455649DEST_PATH_IMAGE004
（为弯曲驻波的波长）相位差（即空间上
Figure DEST_PATH_829441DEST_PATH_IMAGE001
的相位差），且在时间上也具有相位差的弯曲驻波相叠加，可合成沿周向的行波，其是底座腔5在激励下的振型图，其中，箭头方向表示行波的旋转方向，F表示法向声辐射压力，θ为法向声辐射压力与行波所在平面的夹角，F1和F2分别是F的两个垂直方向分量。当行波在结构中行进时，结构表面上的质点将产生椭圆运动，可以推动接触的流体的直接流动；而不接触的流体，靠周向运动的行波推动。由于驱动频率很高（一般超过10kHz），在高频率下，声波的非线性效应会越来越显著，会在声压中产生一个“直流”项，这一项的时间平均值具有固定的方向和大小，产生声辐射压力，顺时针旋转的行波，在波峰和波谷上升沿一侧某个质点处产生法向声辐射压力F，波峰处和下降沿一侧质点向下运动，不压缩流体，所以不产生声辐射压力。力F与行波所在平面的夹角为θ，角度θ随质点的位置不同而改变，在波谷处θ为90度。推动流体运动的切向声辐射压力F1=F cos(θ)，F1随θ(
Figure DEST_PATH_214472DEST_PATH_IMAGE006
)的改变而改变，非接触流体在切向声辐射压力的作用下向前流动，而远离声辐射压力作用的流体靠声流和声黏性力向前流动。假如激励使底座腔5上的分腔53产生顺时针旋转的行波，流体在此行波的推动下，经导管9和底座腔5上的三条导槽54流入分腔53，流体在分腔53内由于行波的推动向前流动。因此，流体前进的方向流体增多，压力增大，把高压流体经橡胶盘4上的三个透孔41压入上盖腔3，流来的流体经上盖腔3上的三条汇流槽32汇流，之后流体经与上盖腔3相连的导管1流入工作腔。而后部压力减小，使更多的流体不断进入泵腔里，依次循环工作。在一定范围内，调整驱动频率的大小可以改变泵出口流量的大小，实现泵出口流量的连续可调；改变驱动频率的相位差，可以实现行波的旋转方向，实现泵的反向流动。 
需要指出的是，在本实施例中，底座腔5上设置了3个分腔53，位于底座腔5上方的橡胶盘4上则对应开设三个透孔41，而上盖腔3的底面对应三个透孔41开设三条汇流槽32；而在实际结构中，底座腔5上还可设置两个分腔，或多于三个分腔，而橡胶盘4上透孔的数目和上盖腔3上汇流槽的数目与分腔的数目相一致，不以本实施例为限，只要使得透孔与分腔分别对应，而汇流槽与透孔分别对应即可。 
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种旋转行波无阀压电驱动泵，其特征在于：包括上盖腔、橡胶盘、底座腔、压电陶瓷阵列和两根导管，其中，底座腔的中心开设有穿孔，且顶面设有至少两个分腔，每个分腔分别经由导槽与穿孔连通，而底座腔的底面则设有压电陶瓷阵列；橡胶盘固定于底座腔的上方，对应底座腔的各个分腔分别开设透孔；上盖腔固定于橡胶盘的上方，所述上盖腔的中心开设有一通孔，而底面还开设有至少两条汇流槽，所述汇流槽的数目与分腔的数目一致，且汇流槽的一端与通孔连通，另一端对应橡胶盘的透孔位置；两根导管分别连接上盖腔的通孔和底座腔的穿孔。
2.如权利要求1所述的一种旋转行波无阀压电驱动泵，其特征在于：所述底座腔的顶面在穿孔周围形成环状凹槽，所述的凹槽内设有至少两个挡垣，将凹槽分隔成至少两个分腔。
3.如权利要求1所述的一种旋转行波无阀压电驱动泵，其特征在于：所述底座腔的顶面设有三个分腔，橡胶盘上对应各分腔分别开设透孔，而上盖腔的底面对应各透孔分别开设汇流槽。
4.如权利要求1所述的一种旋转行波无阀压电驱动泵，其特征在于：所述底座腔、橡胶盘和上盖腔的对应位置分别开设固定孔，使用螺栓和螺母进行固定。
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