CN102966521A - 一种双活塞串联驱动的压电叠堆泵 - Google Patents

一种双活塞串联驱动的压电叠堆泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双活塞串联驱动的压电叠堆泵，属于微流体传输与控制领域。泵体上固定有上壳体和下端盖；泵体与上壳体之间压接有弹性隔膜，压缩腔活塞通过螺钉与弹性隔膜及顶块连接，调节螺钉通过防扭垫片将置于上壳体内腔中的压电叠堆挤压在顶块上；泵腔活塞小端以及置于其上的单向阀与压缩腔活塞及泵体构成压缩腔；下端盖通过平衡弹簧将泵腔活塞大端挤压在隔板上，压缩腔与泵腔通过单向阀连通。优点是利用一个压电叠堆驱动两个由可自行填充的流体压缩腔串联的活塞输出流体、且压电叠堆非工作时不受流体作用，故泵的流量大、体积小、成本低、机电能量转换效率高。

Description

一种双活塞串联驱动的压电叠堆泵
技术领域
本发明属于微流体传输与控制领域应用的微小型压电泵，具体涉及一种双活塞串联驱动压电叠堆泵。
背景技术
利用压电叠堆在电场作用下产生的伸缩变形，人们提出了多种结构的压电叠堆泵，如中国专利200810050240.7、 200810064461.X、200910146813.0、201110173933.7等。同传统的机械式液压泵相比，压电叠堆泵具有结构简单、体积小、无电磁干扰、流量及压力可控性好等诸多优势，因此在医疗、化学分析、航空航天、汽车发动机燃料供给、微机电液系统等方面具有广泛的应用前景。众所周知，压电叠堆驱动器具有较高的驱动力、其抗压应力高达数十甚至上百兆帕，但伸缩变形能力极其微小、仅微米级，因此现有的直推式压电叠堆泵、即直接利用压电叠堆驱动活塞实现流体输出的压电泵的输出流量还十分有限，无法满足大流量的应用领域的需求，尤其不能满足中国专利200810051156.7等所提出的以压电叠堆泵为动力源的微小型液压系统的应用需求。因此，人们又提出了采用两个压电叠堆驱动的压电叠堆泵以提高流量，如中国专利201010118038.0，该方法虽可提高泵的流量，但因采用两个压电叠堆而增加了泵的制作成本和体积，成本和体积均接近单个压电叠堆泵的两倍，不利于推广与应用。
发明内容
本发明提出一种双活塞串联驱动压电叠堆泵，以解决压电叠堆泵的输出流量小的问题。
本发明采取的技术方案是：泵体的上下两端分别通过螺钉固定有上壳体和下端盖，泵体上设有由隔板分隔而成的上腔和下腔，所述上腔和下腔通过所述隔板上的活塞孔连通；泵体与上壳体之间压接有弹性隔膜；压缩腔活塞置于泵体的上腔内、并通过螺钉与弹性隔膜及顶块连接，顶块的上表面顶靠在上壳体的内壁上；调节螺钉固定在上壳体上，并通过防扭垫片将置于上壳体内腔中的压电叠堆挤压在顶块上；阶梯型泵腔活塞的小端和大端分别置于隔板上的活塞孔和泵体的下腔内，泵腔活塞的小端上设有单向阀；泵腔活塞的小端以及置于其上的单向阀与压缩腔活塞及泵体共同构成压缩腔；下端盖通过平衡弹簧将泵腔活塞的大端挤压在隔板上，泵腔活塞的大端与泵体、下端盖以及设置于下端盖上的进口阀和出口阀共同构成泵腔，泵腔活塞的大端与泵体及隔板共同构成缓冲腔，缓冲腔通过设置于泵体上的通孔与外界大气相通；压缩腔与泵腔通过单向阀连通。
安装调试时，首选向泵腔内注入高压流体并使单向阀开启，流体由泵腔进入压缩腔，并确保压缩腔内流体压力大于压电泵工作时的最高输出压力，以确保单向阀始终处于关闭状态；压缩腔填充流体后，压缩腔活塞在流体压力作用下处于最上端、并将顶块挤压在上壳体的内壁上，同时，泵腔活塞在压缩腔流体及平衡弹簧的作用下也处于最上端，即泵腔活塞的大端顶靠在隔板上；最后，通过调整螺钉使压电叠堆顶靠在顶块上，并确保压电叠堆不受预紧力或预紧力较小，从而确保压电叠堆在工作时具有较大的驱动和形变能力。
压电泵非工作时，压电叠堆不通电，压缩腔活塞及泵腔活塞均处于最上端，压缩腔及泵腔容积最大；压电叠堆通电且电压不断升高时，压电叠堆开始伸长并推动顶块、泵腔隔膜及活塞向下运动，从而使压缩腔内流体压力增加并推动泵腔活塞向下运动，致使泵腔内流体压力增加、出口阀开启、进口阀关闭，泵腔内流体经出口阀排出；当驱动电压换向且电压不断降低时，压电叠堆在泵腔隔膜及压缩腔内流体压力的共同作用下开始收缩，并带动压缩腔活塞向上运动，致使压缩腔容积增加、流体压力降低；同时，泵腔活塞在平衡弹簧及压缩腔流体作用下向上运动，并使泵腔容积增加、出口阀关闭，流体由进口阀进入；当驱动电压降至0时，压电叠堆、压缩腔活塞及泵腔活塞的位置均恢复至初始状态，至此完成一个工作循环。
令压电叠堆在电压作用下的伸长量即压缩腔活塞的移动量为l，则泵腔活塞的移动量为L=(Rs/Rxx)2l，压缩腔活塞及泵腔活塞向下运动时所产生的腔体容积变化量分别为Vs=πRs 2l和
Figure BDA0000257773621
，故采用双活塞构造压电泵的流量为直推式压电泵流量的n=Vx/Vs=(Rxd/Rxx)2倍，式中Rs为压缩腔活塞半径，Rxx和Rxd分别为泵腔活塞小端和大端半径；如泵腔活塞的大小端半径比为4,则泵的流量可提高16倍。
本发明特色与优势在于：①以一个压电叠堆为动力源，通过两个由可自行填充的流体压缩腔串联的活塞驱动流体，在不增加制作成本及总体体积的前提下可大幅度提高泵的输出流量，流量提高幅度为泵腔活塞大小端半径之比的平方；②压电叠堆非工作时不受流体压力作用，通电后其伸长量及机电能量转换效率高。
附图说明
 图1是本发明一个较佳实施例压电泵非工作时的结构剖面示意图；
图2是本发明一个较佳实施例压电泵排出流体时的结构剖面示意图；
图3是本发明一个较佳实施例泵体的结构剖面示意图。
具体实施方式
泵体7的上下两端分别通过螺钉固定有上壳体4和下端盖9，泵体7上设有由隔板71分隔而成的上腔C1和下腔C2，所述上腔C1和下腔C2通过所述隔板71上的活塞孔72连通；泵体7与上壳体4之间压接有弹性隔膜6；压缩腔活塞8置于泵体7的上腔C1内、并通过螺钉与弹性隔膜6及顶块5连接，顶块5的上表面顶靠在上壳体4的内壁42上；调节螺钉1固定在上壳体4上，并通过防扭垫片2将置于上壳体4的内腔41中的压电叠堆3挤压在顶块5上；阶梯型泵腔活塞13的小端131和大端132分别置于隔板71上的活塞孔72和泵体7的下腔C2内，泵腔活塞13的小端131上设有单向阀14；泵腔活塞13的小端131以及置于其上的单向阀14与压缩腔活塞8及泵体7共同构成压缩腔C11；下端盖9通过平衡弹簧12将泵腔活塞13的大端132挤压在隔板71上，泵腔活塞13的大端132与泵体7、下端盖9以及设置于下端盖9上的进口阀11和出口阀10共同构成泵腔C21，泵腔活塞13的大端132与泵体7及隔板71共同构成缓冲腔C22，缓冲腔C22通过设置于泵体7上的通孔73与外界大气相通；压缩腔C11与泵腔C21通过单向阀14连通。
安装调试时，首选堵住出口阀12、并从进口阀11向泵腔C21内注入高压流体，泵腔C21内流体压力的升高使单向阀14开启，流体进入压缩腔C11、并使其内的流体压力为P1；然后开启出口阀12，使泵腔C21内流体压力降低、单向阀14关闭；为确保压电泵工作过程中单向阀14始终处于关闭状态，压缩腔C11内的流体压力P1应大于压电泵工作时的最大输出压力P0；当压缩腔C11填充流体结束后，压缩腔活塞8在流体压力及弹性隔膜作用下处于最上端、并将顶块5挤压在上壳体4的内壁42上，同时，泵腔活塞13在压缩腔流体及平衡弹簧12的作用下也处于最上端，即泵腔活塞13的大端132顶靠在隔板71上；最后，通过调整螺钉1使压电叠堆3顶靠在顶块5上，并确保压电叠堆3不受预紧力或预紧力较小，从而确保压电叠堆3在工作时具有较大的驱动和形变能力。
压电泵非工作时，压电叠堆3不通电，压缩腔活塞8及泵腔活塞13均处于最上端，压缩腔C11及泵腔C21的容积最大；压电叠堆3通电、且在电压不断升高的半个工作周期内，压电叠堆开始伸长并推动顶块5、泵腔隔膜6及活塞8向下运动，从而使压缩腔C11内流体压力增加；压缩腔C11内不断增加的流体压力使泵腔活塞13向下运动，故泵腔C21容积减小、其内流体压力增加，从而使出口阀10开启、进口阀11关闭，泵腔C21内的流体经出口阀10排出；当驱动电压换向，即驱动电压由高到低的半个工作周期内，压电叠堆3在泵腔隔膜7及压缩腔C11内流体压力的共同作用下开始收缩，并带动压缩腔活塞8向上运动，致使压缩腔C11的容积增加、流体压力降低；同时，泵腔活塞13在平衡弹簧12及不断减小的压缩腔C11内流体压力的作用下向上运动，并使泵腔C21容积增加、出口阀10关闭，流体由进口阀11进入；当压电叠堆3的驱动电压降至0时，压电叠堆3、压缩腔活塞8及泵腔活塞13的位置均恢复至初始状态，至此完成一个工作循环。
令压电叠堆3在电压作用下的伸长量即压缩腔活塞8的移动量为l则泵腔活塞13的移动量为L=(Rs/Rxx)2l，压缩腔活塞8及泵腔活塞13向下运动时所产生的腔体容积变化量分别为Vs=πRs 2l和
Figure BDA0000257773622
，故采用双活塞构造压电泵的流量为直推式压电泵流量的n=Vx/Vs=(Rxd/Rxx)2倍，式中Rs为压缩腔活塞8的半径、Rxx为泵腔活塞13的小端131的半径、Rxd为泵腔活塞13的大端132的半径；如泵腔活塞13的大小端半径比为4,则泵的流量可提高16倍。

Claims (1)

1.一种双活塞串联驱动的压电叠堆泵，其特征在于: 泵体上下两端分别通过螺钉固定有上壳体和下端盖，泵体上设有由隔板分隔而成的上腔和下腔，所述上腔和下腔通过隔板上的活塞孔连通；泵体与上壳体之间压接有弹性隔膜；压缩腔活塞置于泵体的上腔内、并通过螺钉与弹性隔膜及顶块连接，顶块的上表面顶靠在上壳体的内壁上；调节螺钉固定在上壳体上，并通过防扭垫片将置于上壳体内腔中的压电叠堆挤压在顶块上；阶梯型泵腔活塞的小端和大端分别置于隔板上的活塞孔和泵体的下腔内，泵腔活塞的小端上设有单向阀；泵腔活塞的小端以及置于其上的单向阀与压缩腔活塞及泵体共同构成压缩腔；下端盖通过平衡弹簧将泵腔活塞的大端挤压在隔板上，泵腔活塞的大端与泵体、下端盖以及设置于下端盖上的进口阀和出口阀共同构成泵腔，泵腔活塞的大端与泵体及隔板共同构成缓冲腔，缓冲腔通过设置于泵体上的通孔与外界大气相通；压缩腔与泵腔通过单向阀连通。
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