CN102661269B - 基于多振子串联驱动的柱塞式压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多振子串联驱动的柱塞式压电泵，属于流体传输与控制领域。驱动器壳体通过螺钉固定在底板上，泵腔壳体通过螺钉固定在驱动器壳体上；泵腔壳体内部安装有活塞、端部设有进口阀和出口阀；销钉通过螺母紧固在活塞上，销钉通过驱动器壳体上端的通孔进入驱动器壳体内；2-50个压电驱动器通过空心铆钉串联、并置于驱动器壳体内，压电驱动器由一对钵型压电振子通过铆钉铆接而成，钵型压电振子由钵型壳与环形压电晶片粘接而成；串联的第一个压电振子与销钉铆接、最后一个压电振子与底座铆接。本发明采用多个钵型压电振子串联驱动活塞的方法构造压电泵，具有大流量、高压力及性能稳定的特点，可用于输送液体及气体。
Description
技术领域
本发明属于流体传输与控制领域应用的压电泵， 具体涉及一种基于多振子串联驱动的柱塞式压电泵，用于燃料电池等需要大流量、高压力、性能稳定和可靠性高的场合。
背景技术
作为压电驱动器的一个重要分支，压电晶片泵以其结构简单、体积小、反应快、无电磁干扰、易于操作、流量/压力可控性好等诸多优势，在医疗、化学分析、航空航天、汽车发动机及燃料电池的燃料供给、微机电液系统等方面都有广泛的应用前景，其研制开发备受世界各国学者的广泛关注。为满足不同领域的应用需求，人们提出了多种结构形式的压电晶片泵。尽管所提出的压电晶片泵结构形式及性能差异较大，但都是利用薄片型压电振子在电场作用下产生的弯曲变形实现流体驱动的。因压电晶片的每个工作循环输出的流体即为薄片型压电振子变形所引起的泵腔的容积变化量，故可实现流量及压力的精确控制，尤其适用于药品控释（如中国专利200610016573.9、200610030183.7）、化学试剂配比（如中国专利200810050550.9），燃料电池燃料供给（如中国专利201120194934.5）等方面。
由于现有压电晶片泵的单个泵腔都是由单一的压电晶片驱动的，其输出流量及压力较低，仅能用于低压力和微流量的场合；为获得较高的压力和流量，通常以提高工作电压为代价，其弊端是：过高的电压会使压电晶片破碎或击穿，从而降低可靠性，同时高电压也会带来安全隐患，不适于医疗及药品控释等领域；此外，现有压电晶片泵直接利用薄片型压电振子驱动流体，因其变形后的形状为球冠，而泵腔为圆柱形，泵腔的实际压缩比（泵腔容积变化量与泵腔原始容积之比）较小（最大为1/3），从而降低了压电泵的输出流量、压力以及输出稳定性，且当泵腔内残存气体较多或液体气化严重时压电泵无法工作。
发明内容
本发明提供一种基于多振子串联驱动的柱塞式压电泵，用以提高压电晶片泵的输出流量、压力、以及输出性能的稳定性及可靠性。
本发明采取的技术方案是：驱动器壳体通过螺钉固定在底板上，泵腔壳体通过螺钉固定在所述的驱动器壳体上；所述泵腔壳体上设有进口阀和出口阀，所述泵腔壳体的内部安装有活塞，所述泵腔壳体、进口阀、出口阀及活塞共同围成泵腔，泵腔的高度为H；销钉通过螺母紧固在活塞上，销钉通过驱动器壳体上端的通孔进入驱动器壳体内；2-50个压电驱动器通过空心铆钉串联、并置于驱动器壳体内，所述压电驱动器由一对钵型压电振子通过铆钉铆接而成，钵型压电振子由钵型壳与环形压电晶片粘接而成；串联后的上端的第一个压电振子与销钉铆接，下端最后一个压电振子与底座铆接，所述底座通过螺钉固定在底板上；所述同一个压电驱动器上的两个压电晶片通过导线一连接，不同压电驱动器上的压电晶片通过导线二连接；所述下端最后一个压电振子上的钵型壳及压电晶片再经导线组与驱动电源连接。
在本发明中，驱动电源输出的是交流电：在电压的正半周，压电换能器伸长，泵腔的容积减小；在电压的负半周，压电换能器缩短，泵腔的容积增加，一个周期内泵腔的容积变化量及单位时间内压电泵的输出流量分别为 和，其中n、分别为压电振子数量及单个压电振子的变形量，R为泵腔C的半径，为工作频率，因此压电泵的输出流量与压电振子数量n成正比。
在本发明中压电泵非工作状态时，泵腔高度为，所对应的泵腔压缩比（泵腔容积变化量与泵腔原始容积之比）高达1，因此可有效地提高压电泵的输出压力、抗气泡干扰能力及输出的稳定性；特别地，本发明的压电泵可用于气体输送。
由于压电振子的变形量与驱动电压成正比，故本发明的压电泵可通过增加压电振子数量的方法降低驱动电压，从而避免因驱动电压过高而使压电晶片击穿或破裂；此外，采用低电压驱动还提高了使用中的安全性，可用于便携式药品输送及医疗等领域。
本发明的特点及优势在于：采用多压电振子串联驱动，在较低驱动电压下即可获得较大的流量和压力，压电振子不致因驱动电压过高而击穿或破裂；采用活塞驱动流体，泵腔容积的压缩比可达1，可用于液体及气体输送，且工作性能稳定。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中压电泵的结构剖面示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构剖面示意图；
图3是图2的俯视图；
图4本发明一个较佳实施例中压电驱动器的安装过程示意图。
具体实施方式：
如图1、图2、图3所示，驱动器壳体2通过螺钉固定在底板1上，泵腔壳体5通过螺钉固定在所述的驱动器壳体2上；所述泵腔壳体5上设有进口阀6和出口阀7，所述泵腔壳体5的内部安装有活塞8，所述泵腔壳体5、进口阀6、出口阀7及活塞8共同围成泵腔C，泵腔C的高度为H；销钉10通过螺母9紧固在所述活塞8上，销钉10通过驱动器壳体2上端的通孔2-1进入驱动器壳体2内；2-50个压电驱动器3通过空心铆钉11串联、并置于驱动器壳体2内，所述压电驱动器3由一对钵型压电振子3-2通过铆钉3-1铆接而成，钵型压电振子3-2由钵型壳3-2-2与环形压电晶片3-2-1粘接而成；所述上端的第一个压电振子3-2与销钉10铆接，下端最后一个压电振子3-2与底座15铆接，所述底座15通过螺钉固定在底板1上；所述同一个压电驱动器3-2上的两个压电晶片3-2-1通过导线一4连接，不同压电驱动器3-2上的压电晶片3-2-1通过导线二12连接；所述下端最后一个压电振子3-2上的钵型壳3-2-2及压电晶片3-2-1再经导线组13与驱动电源14连接。
如图4所示，本发明中各压电驱动器3的安装过程是这样的：首先将压电振子3-2与销钉10、或空心铆钉11或底座15分别铆接；然后，再通过铆钉3-1将已于铆钉10、或空心铆钉11或底座15分别铆接的两个相邻的压电振子3-2铆接。
在本发明中，驱动电源输出的是交流电：在电压的正半周，压电换能器3-2伸长，泵腔C的容积减小；在电压的负半周，压电换能器3-2缩短，泵腔C的容积增加，一个周期内泵腔C的容积变化量及单位时间内压电泵的输出流量分别为和，其中n、分别为压电振子3-2的数量及单个压电振子的变形量，R为泵腔C的半径，为工作频率，因此压电泵的输出流量与压电振子数量n成正比。在本发明中压电泵非工作状态时，泵腔高度为，所对应的泵腔压缩比（泵腔容积变化量与泵腔原始容积之比）高达1，因此可有效地提高压电泵的输出压力、抗气泡干扰能力及输出的稳定性；特别地，本发明的压电泵可用于气体输送。由于压电振子的变形量与驱动电压成正比，故本发明的压电泵可通过增加压电振子数量的方法降低驱动电压，从而避免因驱动电压过高而使压电晶片击穿或破裂；此外，采用低电压驱动还提高了使用中的安全性，可用于便携式药品输送及医疗等领域。
Claims (1)
1.一种基于多振子串联驱动的柱塞式压电泵，其特征在于：驱动器壳体通过螺钉固定在底板上，泵腔壳体通过螺钉固定在驱动器壳体上；泵腔壳体内部安装有活塞、端部设有进口阀和出口阀；泵腔壳体、进口阀、出口阀及活塞共同围成泵腔；销钉通过螺母紧固在活塞上，销钉通过驱动器壳体上端的通孔进入驱动器壳体内；2-50个压电驱动器通过空心铆钉串联、并置于驱动器壳体内，压电驱动器由一对钵型压电振子通过铆钉铆接而成，钵型压电振子由钵型壳与环形压电晶片粘接而成；串联后的第一个压电振子与销钉铆接，最后一个压电振子与底座铆接，底座通过螺钉固定在底板上；同一个压电驱动器上的两个压电晶片通过导线一连接，不同压电驱动器上的压电晶片通过导线二连接；所述最后一个压电振子再经导线组与驱动电源连接;驱动电源输出交流电：在电压的正半周，压电驱动器伸长，泵腔的容积减小；在电压的负半周，压电驱动器缩短，泵腔的容积增加，一个周期内泵腔的容积变化量及单位时间内压电泵的输出流量分别为 和，其中n、分别为压电振子数量及单个压电振子的变形量，R为泵腔半径，为工作频率。
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