CN105317665A - 一种压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电泵。该压电泵包括板状的泵体、贴附在所述泵体上下端的压电陶瓷片以及封盖在所述泵体上下端的端盖；在所述泵体的侧面分别开有通往泵体内腔的注液通道和出液通道，在所述注液通道的外侧端和所述出液通道的外侧端分别设置有单向阀。本发明一方面可使压电泵直接利用压电陶瓷片的伸缩振动所产生的变形改变泵腔的容积，以提高泵的工作效率；另一方面使压电泵具备更为合理的振动模态，此模态不仅能保证一定的泵腔容积变化，同时能提高泵腔容积变化的速度，以减小脉动效应。

Description

一种压电泵

技术领域

本发明涉及一种压电器件，具体地说是一种压电泵。

背景技术

压电泵是一种不需要另外附加驱动电机的流体驱动器，其基本工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生振动变形，利用此振动变形，带动泵腔的容积发生周期性变化，从而实现流体的定向传输。由于压电泵具有响应快速、控制精度高、无电磁干扰等优点，因此在医疗仪器、精细化工、微型机械等领域有很好的应用前景。世界上许多国家都很重视这方面的研究工作，为满足不同领域的具体需求，多种结构形式的压电泵得以问世。

虽然目前压电泵的结构形式及性能各有不同，但均利用压电振子在电场作用下产生的振动变形实现流体传输，压电泵在工作时，压电振子产生周期性变形，带动压电泵的腔体体积及压力产生周期性变化，从而完成流体的定向输送。因此压电振子的变形所产生的作用力通过何种方式作用于压电泵的腔体，使腔体产生容积与压力的变化，对泵的工作效率有重要影响。通常的压电泵多利用薄板的弯曲振动变形使压电泵腔体体积发生周期变化。具体而言是将压电陶瓷片粘接于一个薄板，当陶瓷片产生伸缩变形时，与之粘接的薄板阻碍这种变形，其结果是使陶瓷片与薄板产生弯曲，用此薄板构成的泵腔会发生体积的改变。但是，现有的压电泵的工作效率相对较低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种压电泵，该压电泵能够直接利用压电陶瓷片产生沿其表面的伸缩变形来改变压电泵腔体体积，从而可提高压电泵的工作效率。

本发明是这样实现的：一种压电泵，包括有：板状的泵体，贴附在所述泵体上下端的压电陶瓷片，以及封盖在所述泵体上下端的端盖；在所述泵体的侧面分别开有通往泵体内腔的注液通道和出液通道，在所述注液通道的外侧端和所述出液通道的外侧端分别设置有单向阀；

所述泵体包括外置本体、内置本体和连接所述外置本体与所述内置本体的四个辐板；所述外置本体为正方形板状体，在其板面中心开有居中的圆形内腔；所述内置本体为中空的圆柱体，同心设置在所述外置本体的圆形内腔中；所述辐板均布在所述外置本体的内圆面与所述内置本体的外圆面之间，并与所述外置本体和所述内置本体一体相接；

所述压电陶瓷片为正方形，居中贴附在所述内置本体上下两端的端面上，其四个顶角各自指向一个所述辐板的中心线；

所述注液通道和所述出液通道分别穿过所述外置本体、所述辐板和所述内置本体，与所述内置本体的中空内腔相连通。

所述内置本体的高度与所述外置本体的厚度相同。

所述辐板位于所述外置本体侧平面的中心对称线上。

所述注液通道和所述出液通道开在所述外置本体的两个相背的侧平面上，且所述注液通道和所述出液通道在一条直线上。

本发明中压电泵的泵体包括外置本体、内置本体以及连接外置本体和内置本体的四个辐板；外置本体为正方形板状体，在其板面中心开有居中的圆形内腔；内置本体为中空的圆柱体，内置本体的中空内腔即为泵体的内腔，内置本体同心设置在外置本体的圆形内腔中；四个辐板均匀设置；压电陶瓷片贴附在内置本体上下两端的端面上；注液通道和出液通道分别穿过外置本体、辐板和内置本体，并与内置本体的中空内腔相连通；在注液通道和出液通道的外侧端分别接有单向阀。压电泵工作时，给贴附在内置本体上下两端面的压电陶瓷片接通特定频率的交变电压，激发泵体的特定振动模态，该模态下泵体的变形主要集中于内置本体的径向，表现为内置本体横截面面积的改变。当驱动电压处于正半周时，内置本体的横截面面积增大，从而使泵腔体积增大，液体通过注液通道外侧端的单向阀流入注液通道，在注液通道内部依次流过外置本体、辐板后流入内置本体的中空内腔；当驱动电压处于负半周时，内置本体的横截面面积减小，即：泵腔体积减小，液体由内置本体的中空内腔流入出液通道，在出液通道内经辐板、外置本体后由出液通道外侧端的单向阀流出。液体流动过程中泵腔的变形直接利用了贴附在内置本体上下端面的压电陶瓷片的伸缩变形，因此可提高压电泵的工作效率。

压电泵依靠泵腔体积及压力的周期性变化推动流体，这种推动必然会引起流体流量的脉动。而本发明中直接利用压电陶瓷片产生沿其表面的伸缩变形来改变泵腔体积，压电泵工作时泵腔为径向振动模态，径向振动模态的振动频率明显高于内置本体上下端面沿内置本体轴向向上或向下弯曲振动模态的振动频率，也就是说本发明可提高泵腔容积变化的速度，从而显著减小流体流动的脉动性，进一步提高压电泵的工作性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是沿图1中A-A向的剖视图。

图3是本发明中压电陶瓷片的设置方式示意图。

图4是本发明中泵体的有限元结构模型图；图4（a）为立体图，图4（b）为正视图。

图5是本发明中泵体的内置本体横截面面积增大时的振动模态振型图；图5（a）为立体图，图5（b）为正视图。

图6是本发明中泵体的内置本体横截面面积减小时的振动模态振型图；图6（a）为立体图，图6（b）为正视图。

具体实施方式

如图1~图3所示，本发明中的压电泵包括板状结构的泵体7、贴附在泵体7上端的上压电陶瓷片4、贴附在泵体7下端的下压电陶瓷片8、封盖在泵体7上端的上端盖3和封盖在泵体7下端的下端盖9。在泵体7的相对的两个侧面分别开有通往泵体7内腔的注液通道14和出液通道15，在注液通道14的外侧端设置有注液单向阀1，在出液通道15的外侧端设置有出液单向阀6。

泵体7包括外置本体10、内置本体13和连接外置本体10与内置本体13的四个辐板12。外置本体10为正方形板状体，在外置本体10的板面中心开有居中的圆形内腔11。内置本体13为中空的圆柱体，内置本体13的中空内腔即为泵体7的内腔。内置本体13设置在外置本体10的圆形内腔11中，内置本体13的中心与外置本体10的中心重合，内置本体13的高度与外置本体10的厚度相同。

本实施例中上端盖3和下端盖9均为边缘具有凸起沿的方形板状结构，上端盖3和下端盖9的边缘凸起沿与泵体7的外置本体10之间通过螺钉2连接，且在凸起沿与泵体7的外置本体10之间设置有弹性胶垫5。

四个辐板12均匀分布在外置本体10的圆形内腔11的内壁与内置本体13的外侧壁之间，四个辐板12的横截面均为矩形，四个辐板12与外置本体10和内置本体13呈一体连接结构。优选的，四个辐板中，其中两个不相邻的辐板位于外置本体10的两个相背的侧平面的中心对称线（中心对称线即为穿过平面中心且与平面垂直的直线）上；另两个不相邻的辐板位于外置本体10另外两个相背的侧平面的中心对称线上。

上压电陶瓷片4和下压电陶瓷片8均为正方形结构。上压电陶瓷片4居中贴附在内置本体13的上端面，下压电陶瓷片8居中贴附在内置本体13的下端面。且上压电陶瓷片4和下压电陶瓷片8的四个顶角各自指向一个辐板12的中心线（见图3中上压电陶瓷片4的设置方式）。通过压电陶瓷片可以激发泵体的振动模态，使内置本体13的内腔产生容积的变化，以推动流体（或液体）定向运动。

本实施例中注液通道14和出液通道15在一条直线上，且注液通道14和出液通道15的轴心线为外置本体10的两个相背的侧平面的中心对称线。注液通道14穿过外置本体10、辐板12和内置本体13与内置本体13的内腔相连通；出液通道15同样穿过外置本体10、辐板12和内置本体13与内置本体13的内腔相连通。优选的，注液通道14和出液通道15的横截面为圆形。给上、下压电陶瓷片接通驱动用的交变电压，若驱动电压处于正半周，则泵体的内置本体13的容积扩大，注液单向阀1开启，出液单向阀6关闭，流体经注液通道14流入泵体7的内置本体13的内腔。当驱动电压处于负半周时，内置本体13容积缩小，注液单向阀1关闭，出液单向阀6开启，泵体7的内置本体13内的流体经出液通道15流出。

本发明实施例中泵体7的外置本体10的厚度为6mm，外置本体10的边长尺寸为60mm，圆形内腔11的直径为Φ40mm，内置本体13的内、外径分别为Φ28mm及Φ36mm，内置本体13的上下两端端面的厚度均为1mm。上、下压电陶瓷片均通过强力胶粘接在内置本体13的上端面和下端面，上、下压电陶瓷片的边长为25mm，厚度为0.5mm，压电陶瓷片采用不分区整体极化的方式设置。连接外置本体10和内置本体13的辐板12的宽度均为4mm，泵体7内注液通道14和出液通道15的内径均为Φ2mm。

本发明泵体7的有限元结构模型如图4所示，图5和图6为压电泵工作时泵体的振动模态振型图，图5为内置本体横截面面积增大时的振动模态振型图，图6为内置本体横截面面积减小时的振动模态振型图，图5和图6为通过设置有限元软件ANSYS的变形系数并计算所成的图，而实际变形量为10^-6m数量级。通过图4、图5和图6的比较可以看出，在此振动模态下，内置本体横截面面积的增大或减小，使得内置本体的容积得以改变，因此可实现内置本体中流体的定向输送。且本发明中内置本体横截面面积的改变直接源自于上压电陶瓷片与下压电陶瓷片的伸缩变形，而不是通过间接的弯曲变形。

Claims (4)

1.一种压电泵，其特征是，包括有：板状的泵体，贴附在所述泵体上下端的压电陶瓷片，以及封盖在所述泵体上下端的端盖；在所述泵体的侧面分别开有通往泵体内腔的注液通道和出液通道，在所述注液通道的外侧端和所述出液通道的外侧端分别设置有单向阀；

所述泵体包括外置本体、内置本体和连接所述外置本体与所述内置本体的四个辐板；所述外置本体为正方形板状体，在其板面中心开有居中的圆形内腔；所述内置本体为中空的圆柱体，同心设置在所述外置本体的圆形内腔中；所述辐板均布在所述外置本体的内圆面与所述内置本体的外圆面之间，并与所述外置本体和所述内置本体一体相接；

所述压电陶瓷片为正方形，居中贴附在所述内置本体上下两端的端面上，其四个顶角各自指向一个所述辐板的中心线；

所述注液通道和所述出液通道分别穿过所述外置本体、所述辐板和所述内置本体，与所述内置本体的中空内腔相连通。

2.根据权利要求1所述的压电泵，其特征是，所述内置本体的高度与所述外置本体的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的压电泵，其特征是，所述辐板位于所述外置本体侧平面的中心对称线上。

4.根据权利要求3所述的压电泵，其特征是，所述注液通道和所述出液通道开在所述外置本体的两个相背的侧平面上，且所述注液通道和所述出液通道在一条直线上。