CN104421137A - 一种新型压电泵 - Google Patents

Abstract

压电泵是微型泵制造技术的革命性产品，由于其结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰。但由于周边支撑固定陶瓷片的变形首先要克服支撑对陶瓷片变形的限制，做变形运动所需能量较大而变形量较小，故输出流量低效率不高。本发明的主要目的是设计一种新的压电陶瓷驱动压电陶瓷泵，克服上述压电泵工作中的不足，实现使用较小的能量即能做到较高的输出流量和压力。其主要特征包括压电振子为一端固定在壳体上或中心固定，其余部分悬空于腔体内形成一个悬臂式支撑。这种方式可使压电振子前端产生较大的挠曲变形，同时具有较低的谐振频率；压电振子周边与壳体之间的缝隙用单向密封圈密封，构成双腔体泵或压电振子周边与壳体之间也可以用弹性膜结构密封，构成一个典型的单腔泵。

Description

一种新型压电泵

所属技术领域

本发明属于微电子流体机械领域，可用于医疗器械，生物工程，微型器械等技术领域的微型液体或气体驱动泵，具体的说是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出的一种微泵制造技术。 

背景技术

压电泵是微型泵制造技术的革命性产品，尽管它的发明与发展仅20多年的历史，但由于其结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰，可根据施加电压或频率控制输出微小流量，所以在众多领域得到成功应用。1978年美国Sandia国家实验室的W.J.Spenser发表了《电控压电胰岛素泵和阀》；1980年Standora大学的Smits又提出了压电液体蠕动泵；三年后，荷兰Twente大学利用硅微加工及薄膜技术研制了多个压电驱动微型泵。随着压电驱动器的不断发展，从压电材料薄到圆片形压电驱动器再到压电叠堆，压电驱动器种类得到了不断的更新，基于不同压电驱动器，不同机械结构，不同工作方式的压电泵均有了广泛的报道。 

目前，已有的有阀压电泵工作时，其腔体的体积变化量大大超过了其流体输出量；无阀压电泵则会产生速度及压强显著变化的湍流流场，影响含活性成分液体的输送，或有截止性能和工作输出压力的不足。 

究其原因是由于压电泵腔体内关键部件压电陶瓷片的设计及安装方式造成的。现有的压电泵其压电陶瓷电极片是四周都固定在壳体内侧，当给予交流电时，压电振子在电场的作用下径向压缩，内部产生压力而使其自身变形。但由于周 边支撑固定陶瓷片的变形首先要克服支撑对陶瓷片变形的限制，做变形运动所需能量较大而变形量较小，故输出流量低效率不高。 

发明内容

本发明的主要目的是设计一种新的压电陶瓷驱动压电陶瓷泵，克服上述压电泵工作中的不足，实现使用较小的能量即能做到较高的输出流量和压力；进口阀或出口阀分别位于压电陶瓷的两侧，克服回流现象。 

该产品不同于现有产品的设计是：其一，压电振子为一端固定在壳体上或中心固定，其余部分悬空于腔体内形成一个悬臂式支撑。这种方式可使压电振子前端产生较大的挠曲变形，同时具有较低的谐振频率。压电振子是指压电陶瓷片与之粘接在一起的金属片的组合体。当向压电振子施加电压时，若电压方向与压电陶瓷的极化方向相同，压电陶瓷就会收缩，反之，若电压方向与压电陶瓷的极化方向相反，则压电陶瓷就会延伸。压电陶瓷的伸缩变形会使与之粘结在一起的金属片也发生伸缩变形，但压电陶瓷片与金属片的伸缩能力不同，当压电振子的一端被固定时，将会使压电振子发生纵向的弯曲变形。所以当外加电压为交变信号时，压电振子便会沿纵向形成周期性的弯曲变形振动，将电能转化为变形机械能。振子的周期性变形使得振子于上下盖之间的体积也发生周期性变化，振子与上盖间体积变大时其与下盖间体积就变小，反之振子与上盖间体积变小时其与下盖间体积就变大。在单向阀的作用下这种体积的变化就驱动液体或气体向一个方向流动。其二，压电振子为一端固定在壳体上或中心固定在壳体上，其周边与壳体之间的缝隙用单向密封圈密封，构成双腔体泵，流体能够从一个方向流过此间隙。此种设计使压电陶瓷片在通电后做变形运动更加轻便灵活，不受壳体限制；变形量大，驱动功率小，效率高。其三，进口 阀或出口阀位于压电振子片两侧的壳体上，当压电陶瓷片工作时，弯曲运动所产生的泵腔容积变化使液体从一侧通过单向密封圈流往另一侧。压电振子周边的单向密封圈起到一个单向阀的作用，所以只需要一个进口阀或一个出口阀，而不需要装两个单向阀。其四，压电振子周边与壳体之间也可以用弹性膜结构密封，构成一个典型的单腔泵。此种结构的悬臂泵就需要两个单向阀。 

本发明具有以下优势：首先是效率提高。由于固定点位于压电体的中心，边缘可以自由活动，在相同电压下其变形量能达到常规边缘支撑的数倍。泵的输出流量和输出压强也大大提高。 

附图说明：

图1是新型压电泵的结构图，其中1是泵上壳；2是单向密封圈；3是压电振子；4是阀膜固定片；5是单向阀膜；6是泵下壳。 

图2是实施方式1中方形或长方形泵腔，方形或长方形压电振子端点固定压电泵的结构图，其中1是下壳体；2是单向密封圈；3是压电振子；4是单向阀膜；5是上壳体。 

图3是实施方式2中方形或长方形泵腔，方形或长方形压电陶瓷中间固定压电泵的结构图，其中1是下壳体；2是单向密封圈；3是压电振子；4是单向阀膜；5是上壳体；6是压电振子固定梁。 

图4是实施方式3中圆形泵腔，圆形压电陶瓷片，中点固定弹性膜密封压电泵的结构图，其中1是上壳体；2是压电振子；3是弹性密封膜；4是单向阀膜；5是下壳体。 

具体实施方式：

实施方式1 

方形或长方形泵腔，方形或长方形压电振子端点固定 

图2：1下壳体  2单向密封圈  3压电振子  4单向阀膜  5上壳体 

泵壳由上下两部分组成，上下壳体中间有一方形或长方形的槽。压电振子片的宽度小于壳体槽的宽度，长度大于壳体槽的长度。单向密封圈夹在上下壳体之间，压电振子片位于单向密封圈的一侧与单向密封圈接触。压电振子片的三个边缘与槽的侧壁保持一定的间隙，另外一边固定在槽的侧壁。 

实施方式2 

方形或长方形泵腔，方形或长方形压电陶瓷中间固定 

泵壳由上下两部分组成，上下壳体中间有一方形或长方形的槽。槽的中央有一 根梁用于固定压电振子片。压电振子片小于壳体上的槽。单向密封圈夹在上下壳体之间，压电振子片位于单向密封圈的一侧与单向密封圈接触。压电振子片的边缘与槽的侧壁保持一定的间隙。 

图3：1下壳体  2单向密封圈  3压电振子  4单向阀膜  5上壳体 

6压电振子固定梁 

实施方式3 

圆形泵腔，圆形压电陶瓷片，中点固定弹性膜密封 

图4：1上壳体  2压电振子  3弹性密封膜  4单向阀膜  5下壳体 

泵壳由上下两部分组成，上下壳体中间有一圆形的腔体。上下壳体之间有弹性薄膜将腔体分为上下两部分，薄膜边缘有波纹可以使薄膜边缘固定在上下壳体之间而薄膜本身可以振动。压电振子片位于薄膜的一侧，其直径小于腔体的直径。另一侧腔体的壳体上设置两个单向阀，流体方向相反。 

Claims (7)

1.一种压电陶瓷驱动的低能耗高效率压电陶瓷泵，由壳体，进口，进口单向阀门，一端固定的压电陶瓷片和电极，与压电陶瓷相连接的弹性材料片，压电陶瓷振动片四周的单向密封圈和出水口组成。进口与出口分别位于壳体前后侧，压电陶瓷片两侧分别是电镀银膜和弹性材料电极片，此压电陶瓷三明治结构的各边悬空在壳体内，空隙由单向密封圈密封，中间或一边固定在壳体上，其余各边与壳体间的空隙由单向密封圈密封。 

2.根据权利要求1所述的液体泵，其壳体特征在于上述所有部件都装配在壳体内部同一区域构成一个密封而美观的整体。 

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷泵，其进口端有单向阀而出口端无需单向设计。 

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷泵，压电陶瓷片两面分别是弹性材料电极片和一层银膜组成压电陶瓷振动片。当给予此压电陶瓷三明治结构以交流电时陶瓷片由于逆压电效应而收缩和伸长变形带动振动片作弯曲运动。 

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷泵，压电陶瓷振动片为一端或中心固定在壳体上，其余部分悬空于腔体内构成一个悬臂或舌簧，或周边都悬空于腔体内，其形状可根据泵腔的形状而定。压电陶瓷振动悬臂除中心或固定端外其余边缘与泵腔体有一个小的缝隙，缝隙有单向密封圈密封。单向密封圈与压电陶瓷振动片相互接触，可以在泵腔体内壁滑动。因为是中间或一端固定，悬臂自由端的振幅大、振动效率高，在相同电压下，泵的输出流量、输出压力大大提高。 

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷泵，其弹性材料电极片，有良好的弹性和导电性(若是弹性材料不导电则可在弹性材料与陶瓷片之间再镀一层银膜)并与压电陶瓷紧密相连接。弹性材料和陶瓷片的厚度为0.05-0.5mm，弹性材料和陶瓷片直间的粘接厚度为0.01-0.1mm 。

7.根据权利要求1所述的压电陶瓷泵，其单向密封圈为环形或长条形一边固定在壳体上或一边固定在压电陶瓷片上，另一边搭在压电陶瓷片上或壳体上形成单向液体通道。当通电后压电陶瓷片作弯曲摇摆时，密封圈跟随其一起活动并将液体单向送往另一侧。