CN103306951B - 一种压电陶瓷隔膜泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷隔膜泵，包括弹性薄膜，球壳，振动管，压电元件，泵腔上盖，密封垫，泵腔底盖，进口单向阀，出口单向阀和隔膜，所述振动管的一端外壁连接所述压电元件，另一端的端面连接所述球壳，且所述球壳的开口处由所述弹性薄膜密封，所述压电元件和所述振动管的共同端固定连接于所述泵腔上盖，所述泵腔上盖内安装有所述隔膜，且所述泵腔上盖与所述密封垫、所述泵腔底盖固定连接，所述泵腔底盖上安装有所述进口单向阀和所述出口单向阀。采用本发明技术方案，具有结构简单、控制方便、输出效率高和高频驱动的特点，还可以做到无污染、耐腐蚀；单次抽液量大；并且具有能够将定量的输入液体保持住的特性。

Description

一种压电陶瓷隔膜泵

技术领域

本发明属于精密机械中流体泵技术领域，具体涉及一种压电陶瓷隔膜泵。

背景技术

传统的有阀式压电陶瓷容积泵，（如中国专利CN100392245C、CN102192135B、CN101589233B、CN1179127C）利用压电金属层合结构的周期性弯曲变形，改变泵腔体积，从而引起泵腔压力变化，在进出口单向阀的配合开闭下实现液体的定向流动。其压电陶瓷层合结构的谐振频率一般在几百赫兹以上才能较好的发挥压电陶瓷材料的性能。但是传统的单向阀动态响应特性较差，和压电层合结构配合工作时存在严重的滞后性，导致有阀式压电容积泵的最佳工作频率一般都在200Hz以下，故其效率没有得到充分发挥。相比于被动式单向阀，虽然使用压电驱动式主动阀，如压电叠堆式或压电晶片式主动阀（如中国专利CN201057136Y），对提高压电泵的工作频率有利，在一定程度上减小了阀的滞后性，但其存在阀口开启位移较小或输出力较小而导致流量下降的问题，高频条件下泵振子与阀振子不易同步，且需要的阀控制系统复杂，不易于集成化设计。减小阀的尺寸有利于其谐振频率的提高，因此利用MEMS技术制作的单向微阀具有优良的高频特性（如美国专利US20090214358A1），但MEMS制作工艺复杂，成本较高，不利于推广。

再者，压电陶瓷层合结构由于阀的滞后性无法工作在共振频率下，其形变量较小，导致单次抽取液流量较小。而单向阀不可能完全理想化,单向阀处或多或少会存在液流损失，最终导致泵的抽液效率下降。在液流中含有气泡或杂质的情况下，单次抽液量小较易导致单向阀堵塞，无法正常抽取液体。

因此，单向阀的低频特性和压电元件的高频特性之间的矛盾以及增加单次抽液量成为有阀式压电陶瓷容积泵需要解决的问题。

另外，在中国科学技术大学的专利申请（一种利用离心力原理实现流体流动的压电陶瓷泵）中，专利号（CN101435421B）使用压电元件驱动金属管做扇形或者圆周摆头运动，在离心力的作用下将金属管内的液体抽出。该泵工作时液体出流口始终处于振动状态，液体呈喷洒状，很难满足实际应用的需求。本发明提出的压电陶瓷隔膜泵可以有效解决这一问题，利用隔离膜还可以做到无污染并且耐腐蚀，提高了使用寿命。

发明内容

为了解决有阀压电容积泵中压电元件的高频特性和阀的低频特性不兼容的问题，本发明提供一种压电陶瓷隔膜泵。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种压电陶瓷隔膜泵，包括弹性薄膜，球壳，振动管，压电元件，泵腔上盖，密封垫，泵腔底盖，进口单向阀，出口单向阀和隔膜，所述振动管的一端外壁连接所述压电元件，另一端的端面连接所述球壳，且所述球壳的开口处由所述弹性薄膜密封，所述压电元件和所述振动管的共同端固定连接于所述泵腔上盖，所述泵腔上盖内安装有所述隔膜，且所述泵腔上盖与所述密封垫、所述泵腔底盖固定连接，所述泵腔底盖上安装有所述进口单向阀和所述出口单向阀。

进一步的，所述弹性薄膜，所述球壳，所述振动管，所述泵腔上盖和所述隔膜组成密封腔，且所述密封腔内注有驱动液体；所述泵腔上盖，所述密封垫和所述泵腔底盖组成了泵腔；所述泵腔底盖上还安装有进流口和出流口。

进一步的，所述压电元件可以为一个且连接于所述振动管的外壁一侧；所述压电元件可以为两个且连接于所述振动管的外壁相对位置而产生方向相反的形变；所述压电元件可以为2n（n=2,3,4…）个且连接于所述振动管的外壁沿所述振动管的外径均匀放置，振子平均分为位置相互对称的两组，所述两组振子产生方向相反的变形。

进一步的，所述压电元件可以采用压电陶瓷片、压电陶瓷管、压电陶瓷中空纤维或沉积于所述振动管外壁的压电薄膜结构中的一种。

进一步的，所述压电元件采用所述压电陶瓷管，所述压电陶瓷管套接在所述振动管上，其内壁与所述振动管的外壁粘结，且共同粘结端固定于所述泵腔；所述压电陶瓷管外壁电极平均等分为2份，施加的两路驱动电压信号在振动管振动时相位相差180度，停止振动时保持一致。

进一步的，所述振动管采用金属材料；所述球壳采用塑料或玻璃材料；所述弹性薄膜和所述隔膜采用橡胶或乳胶材料；所述驱动液体为水或者密度与粘度之比大于水的液体。

进一步的，所述金属管外径为0.1～6mm，内径为0.05～5mm，长度大于等于外径的20倍，所述金属管长度大于所述压电元件长度的3倍。

进一步的，所述压电陶瓷片厚度为0.01～5mm，宽度为0.5～10mm，长度大于厚度的5倍；所述沉积在金属管外层的压电陶瓷薄膜厚度为0.01～0.2mm，长度大于外径的5倍；所述压电陶瓷管或所述压电陶瓷中空纤维外径为0.1～10mm，内径为0.08～5mm，长度大于外径的5倍。

进一步的，所述压电元件与所述振动管采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结，或所述压电元件采用压电陶瓷烧结工艺固结在金属管外壁上。

进一步的，所述隔膜与所述泵腔上盖采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结，所述弹性薄膜与所述球壳采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结。

优选的，本发明可以采用不同的压电元件结构，从而实现金属管的面内扇形摆头运动，存在以下四种技术方案：

技术方案一：

如图5所示，压电元件采用压电片结构，压电片沿厚度方向极化，沿长度方向与金属管平行排列，连接于金属管外壁，与金属管粘结的一侧电极接公共地，另一侧电极接驱动电压信号。可通过压电元件极化方向的改变减少需要的驱动电压信号数量。

技术方案二：

如图6所示，压电元件采用压电管或者压电中空纤维结构，压电管径向极化，沿长度方向与金属管平行排列，连接于金属管外壁。压电管外壁电极接地，内壁电极接驱动电压信号，可提高操作安全性。

技术方案三：

如图7所示，压电元件采用压电薄膜结构，采用镀膜工艺直接附着在金属管外壁上。压电薄膜沿径向极化，与金属管附着的内壁电极接地，外壁电极等分为两份后分别接驱动信号，施加的两路驱动电压信号在振动管振动时相位相差180度，停止振动时保持一致。

技术方案四：

如图8所示，压电元件采用内径较大的压电管结构，压电管内径稍大于金属管外径，压电陶瓷管套接在金属管上，其内壁与金属管外壁粘结。压电管径向极化，压电管内壁电极接地，外壁电极等分为两份后分别接驱动信号，施加的两路驱动电压信号在振动管振动时相位相差180度，停止振动时保持一致。

进一步的，可以采用不同的振动管结构，实现压电元件与振动管的有效耦合，存在以下两种技术方案：

技术方案五：

如图9所示，金属管截面为方形，内孔截面为圆形。压电元件连接在位置相对的两个方形面上。采用压电片时耦合效果较好。

技术方案六：

如图10所示，使用阵列式金属管结构，如将四个金属管互成90度位置放置粘结在一起，共用一个球壳,压电元件连接在振动体的两边。

对于本发明的压电陶瓷隔膜泵，还存在一些经过特殊设计的环节，总结如下所示：

本发明压电陶瓷隔膜泵，由于驱动部分是振动的，如果要使驱动部分的振动能量有尽可能少的损失，增大泵腔的体积和重量是最直接的办法，但此法不利于泵的微型化；如图11所示，采用音叉式固定结构的技术方案，对底座的重量要求大大降低，泵体可以做的更小，两个相同的驱动结构A1和A2平行放置在同一平面，共用一个泵腔，两个驱动部分同时振动同时停止，但振动方向始终相反，底座的受力始终是平衡的，隔断了振动传播的路径。

本发明压电陶瓷隔膜泵，由于驱动部分和抽液部分的各自独立性，可以采用阵列驱动的方式，实现较大流量和压力的输出，其技术方案为：各个驱动部分相互独立，排成阵列，共用一个泵腔，保持同步振动和停止。

本发明压电陶瓷隔膜泵，一个工作周期由吸液和释液两个过程组成，吸液时间过长会加剧液体流动的不连续。为了改善液体流动的持续性；如图12所示，可以采用双驱动技术方案：两个隔膜泵共用一个流体通道，四个被动式单向阀调节流体的吸入和压出，驱动部分A1和A2交替振动，左半部分吸液时右半部分释液，右半部分吸液时左半部分释液。

本发明压电陶瓷隔膜泵，振动时可采用正弦波、方波或三角波驱动压电元件，驱动频率为系统的一阶弯曲谐振频率，之后停止加电，完成一个抽液周期，一种如图13所示的驱动波形U1和U2为两路驱动电压信号，两路信号在振动管振动时相位相差180度，停止振动时保持一致。振动管在振动过程中，管道内驱动液体从开始流动到与振动管保持轴向相对静止，整个振动系统的谐振频率会发生变化，系统的共振频率主要呈下降趋势，平衡后保持不变；闭环控制时，通过检测压电元件上的电流与电压的相位差来获得谐振频率的漂移，加入反馈电路进行频率补偿。可通过调节驱动电压幅值来控制泵的流量和输出压力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用驱动部分和抽液部分分离设计，解决了有阀压电容积泵中压电元件较好的高频特性和单向阀只能工作在低频的问题；单次液体抽取量大，降低了对单向阀和待抽液体理想度的要求；且单次抽取的液体可长时间保持；结构和驱动方式简单；由于隔离膜的作用，还可以做到无污染和耐腐蚀：待抽液体和驱动液体相互分离，待抽液体只接触泵腔，泵体其他任何部件不受污染及接触;泵体其他部件也不会对待抽液体产生污染，在泵腔部位涂上耐腐蚀材料可以抽取腐蚀性液体。采用音叉式的结构设计减少了振动能量的损失，提高了泵的运行效率；采用阵列式结构可以满足不同的流量需求；采用双驱动结构可以减小液流的脉动性。径向尺寸可达毫米、亚毫米级别。可用在医疗制药、航空航天等领域。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明压电隔膜泵的结构主剖视图。

图2为本发明压电隔膜泵采用单个压电元件激励时压电元件与振动管的位置关系图；

图3为本发明压电隔膜泵采用两个压电元件激励时压电元件与振动管的位置关系图；

图4为本发明压电隔膜泵采用多个压电元件激励时压电元件与振动管的位置关系图；

图5（a）为本发明压电隔膜泵采用两个压电片时压电元件与振动管连接的剖面图；

图5（b）为本发明压电隔膜泵采用两个压电片时压电元件与振动管连接的另一剖面图；

图6（a）为本发明压电隔膜泵采用两个压电管或者压电中空纤维时压电元件与振动管连接的剖面图；

图6（b）为本发明压电隔膜泵采用两个压电管或者压电中空纤维时压电元件与振动管连接的另一剖面图；

图7为本发明压电隔膜泵采用压电薄膜时压电元件与振动管连接的剖面图；

图8为本发明压电隔膜泵采用内径较大的压电管时压电元件与振动管连接的剖面图；

图9为本发明压电隔膜泵采用外方内圆振动管时压电元件与振动管连接的剖面图；

图10为本发明压电隔膜泵采用阵列式振动管时压电元件与振动管连接的剖面图；

图11为本发明压电隔膜泵采用音叉式结构的主剖视图；

图12为本发明压电隔膜泵采用双驱动式结构的主剖视图；

图13为本发明压电隔膜泵的一种驱动电压波形图。

图中标号说明：1、弹性薄膜，2、球壳，3、驱动液体，4、振动管，5、压电元件，501、压电片，502、压电管或压电中空纤维，503、压电薄膜，504、内径较大的压电管，6、泵腔上盖，7、密封垫，8、泵腔底盖，9、进口单向阀，10、出口单向阀，11、隔膜，12、环氧胶或快干胶或AB胶，13、外方内圆的振动管，A1、第一驱动部分，A2第二驱动部分，U1、第一驱动电压信号，U2、第二驱动电压信号。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1所示，一种压电陶瓷隔膜泵，包括弹性薄膜1，球壳2，振动管4，压电元件5，泵腔上盖6，密封垫7，泵腔底盖8，进口单向阀9，出口单向阀10和隔膜11，所述振动管4的一端外壁连接所述压电元件5，另一端的端面连接所述球壳2，且所述球壳2的开口处由所述弹性薄膜1密封，所述压电元件5和所述振动管4的共同端固定连接于所述泵腔上盖6，所述泵腔上盖6内安装有所述隔膜11，且所述泵腔上盖6与所述密封垫、所述泵腔底盖8固定连接，所述泵腔底盖8上安装有所述进口单向阀9和所述出口单向阀10。

进一步的，所述弹性薄膜1，所述球壳2，所述振动管4，所述泵腔上盖6和所述隔膜11组成密封腔，且所述密封腔内注有驱动液体3；所述泵腔上盖6，所述密封垫7和所述泵腔底盖8组成了泵腔；所述泵腔底盖8上还安装有进流口和出流口。

进一步的，如图2所示，所述压电元件5可以为一个且连接于所述振动管4的外壁一侧；如图3所示，所述压电元件5可以为两个且连接于所述振动管4的外壁相对位置而产生方向相反的形变；如图4所示，所述压电元件5可以为2n（n=2,3,4…）个且连接于所述振动管4的外壁沿所述振动管4的外径均匀放置，振子平均分为位置相互对称的两组，所述两组振子产生方向相反的变形。

进一步的，所述压电元件5可以采用压电陶瓷片、压电陶瓷管、压电陶瓷中空纤维或沉积于所述振动管4外壁的压电薄膜结构中的一种。

进一步的，如图8所示，所述压电元件5采用所述压电陶瓷管，所述压电陶瓷管套接在所述振动管4上，其内壁与所述振动管4的外壁粘结，且共同粘结端固定于所述泵腔；所述压电陶瓷管外壁电极平均等分为2份，施加的两路驱动电压信号在振动管振动时相位相差180度，停止振动时保持一致。

进一步的，所述振动管4采用金属材料；所述球壳2采用塑料或玻璃材料；所述弹性薄膜1和所述隔膜11采用橡胶或乳胶材料；所述驱动液体3为水或者密度与粘度之比大于水的液体。

进一步的，所述金属管外径为0.1～6mm，内径为0.05～5mm，长度大于等于外径的20倍，所述金属管长度大于所述压电元件5长度的3倍。

进一步的，所述压电陶瓷片厚度为0.01～5mm，宽度为0.5～10mm，长度大于厚度的5倍；所述沉积在金属管外层的压电陶瓷薄膜厚度为0.01～0.2mm，长度大于外径的5倍；所述压电陶瓷管或所述压电陶瓷中空纤维外径为0.1～10mm，内径为0.08～5mm，长度大于外径的5倍。

进一步的，所述压电元件5与所述振动管4采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结，或所述压电元件5采用压电陶瓷烧结工艺固结在金属管外壁上。

进一步的，所述隔膜11与所述泵腔上盖6采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结，所述弹性薄膜1与所述球壳2采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结。

实施例：

以采用两个压电片式振子以及一个圆形金属管为典型实例来说明本发明压电陶瓷隔膜泵的具体制作过程和驱动方式。

压电片501长度为20mm，宽度为5mm，厚度为1mm。使用导电胶粘结或电烙铁焊接将导线固定于压电片501的电极上，固定位置尽量靠近压电片501底部固定端边缘处，以不影响压电片与金属管的固结和系统振动为主。将压电片501置于80度的硅油中极化，极化电压为2000V/mm，持续20分钟。极化后的压电片501使用酒精或其他清洗剂清洗干净。将橡胶隔膜11粘连在泵腔上盖6的腔体内，将被动式单向阀9、10安装在泵腔底盖8上，将密封垫7置于泵腔上盖6和泵腔底盖8之间后三者固定连接在一起。金属管采用不锈钢管，内径1mm，外径3mm，长度130mm。使用环氧树脂胶12将压电片与金属管粘连在一起，保证压电片501与金属管轴向平行放置，相对排列在金属管的两侧。将金属管端面打磨平整，将其固定在泵腔上盖6的开孔上，与泵腔上盖6腔内连通，伸出泵腔上盖6金属管长度100mm。塑料半球壳2底部开孔直径与金属管内径相等，与金属管相连后注入驱动液体3，再使用橡胶薄膜1将半球壳顶部密封，可能会在存放驱动液体3的密封腔内残留气泡，但不影响泵的正常功能的发挥。在泵腔内注满待抽液体，进口处通过塑料软管连接水源。两个压电元件5与金属管连接的一侧电极接公共地端，外侧电极施加信号频率、幅值相同，振动相位相差180度的电压信号U1、U2。金属管振动时，隔膜11产生上凸形变，泵腔内压力减小，待抽液体经进口单向阀9流入泵腔。金属管停止振动时，隔膜11产生反向形变，泵腔内压力增大，待抽液体经出口单向阀10流出泵腔。

本发明的工作原理：

工作之前泵腔内充满待抽液体，然后施加驱动电压，电能做正功，由压电元件带动振动管在其谐振频率做面内扇形摆头运动产生离心力，离心力推动驱动液体向振动球壳流动，由于液体的连续和不可压缩性，弹性薄膜产生上凸形变，同时连接于泵腔上盖的隔膜产生上凸形变，在腔内负压的作用下待抽液体由进口单向阀流入泵腔；之后电能停止做功或者做负功，压电元件停止振动，振动管恢复原位，驱动液体在弹性薄膜的弹性回复力的作用下产生回流，隔膜恢复原状，将待抽液体由出流口压出，完成单次液体输送；循环不断，即可连续输送待抽液体。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压电陶瓷隔膜泵，包括弹性薄膜（1），球壳（2），振动管（4），压电元件（5），泵腔上盖（6），密封垫（7），泵腔底盖（8），进口单向阀（9），出口单向阀（10）和隔膜（11），其特征在于，所述振动管（4）的一端外壁连接所述压电元件（5），另一端的端面连接所述球壳（2），且所述球壳（2）的开口处由所述弹性薄膜（1）密封，所述压电元件（5）和所述振动管（4）的共同端固定连接于所述泵腔上盖（6），所述泵腔上盖（6）内安装有所述隔膜（11），且所述泵腔上盖（6）与所述密封垫（7）、所述泵腔底盖（8）固定连接，所述泵腔底盖（8）上安装有所述进口单向阀（9）和所述出口单向阀（10）；所述弹性薄膜（1），所述球壳（2），所述振动管（4），所述泵腔上盖（6）和所述隔膜（11）组成密封腔，且所述密封腔内注有驱动液体（3）；所述泵腔上盖（6），所述密封垫（7）和所述泵腔底盖（8）组成了泵腔；所述泵腔底盖（8）上还设有进流口和出流口；所述压电元件（5）为两个连接于所述振动管（4）的外壁相对位置而产生方向相反的形变或为2n（n=2,3,4…）个且连接于所述振动管（4）的外壁沿所述振动管（4）的外径均匀放置，所述压电元件（5）即为压电振子并平均分为位置相互对称的两组，两组振子产生方向相反的变形；所述压电元件（5）采用压电陶瓷片、压电陶瓷管、压电陶瓷中空纤维或沉积于所述振动管（4）外壁的压电薄膜结构中的一种。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷隔膜泵，其特征在于，所述压电元件（5）采用所述压电陶瓷管，所述压电陶瓷管套接在所述振动管（4）上，其内壁与所述振动管（4）的外壁粘结，且共同粘结端固定于泵腔；所述压电陶瓷管外壁电极平均等分为2份，施加的两路驱动电压信号在振动管振动时相位相差180度，停止振动时保持一致。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷隔膜泵，其特征在于，所述振动管（4）采用金属材料；所述球壳（2）采用塑料或玻璃材料；所述弹性薄膜（1）和所述隔膜（11）采用橡胶或乳胶材料；驱动液体（3）为水或者密度与粘度之比大于水的液体。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷隔膜泵，其特征在于，所述振动管（4）外径为0.1～6mm，内径为0.05～5mm，长度大于等于外径的20倍，所述振动管（4）长度大于所述压电元件（5）长度的3倍。

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷隔膜泵，其特征在于，压电陶瓷片厚度为0.01～5mm，宽度为0.5～10mm，长度大于厚度的5倍；沉积在所述振动管（4）外层的压电薄膜厚度为0.01～0.2mm，长度大于外径的5倍；压电陶瓷管或压电陶瓷中空纤维外径为0.1～10mm，内径为0.08～5mm，长度大于外径的5倍。

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷隔膜泵，其特征在于，所述压电元件（5）与所述振动管（4）采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结，或所述压电元件（5）采用压电陶瓷烧结工艺固结在所述振动管（4）外壁上；所述隔膜（11）与所述泵腔上盖（6）采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结，所述弹性薄膜（1）与所述球壳（2）采用环氧树脂胶或AB胶或快干胶相粘结。