CN108105073A - 一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵，包括：基座、压电振子、第一磁铁、第二磁铁、双稳态机架、泵体结构。其中，压电振子由压电纤维复合材料与金属基板粘贴而成，一端固定在基座上，一端与振动管连接，带动振动管往复上下振动；泵体由振动管与球阀组成，球阀布置在振动管中；第一磁铁安装在压电梁的自由端处，第二磁铁安装在双稳态机架的可移动滑块上，与第一磁铁同极相对，并且压电振子、双稳态机架、第一磁铁和第二磁铁在同一轴线上。本发明采用双稳态结构可以增加压电泵的工作带宽，利用两磁铁间的相对作用，压电振子在两稳态点做大幅周期振动，同时具有较大的驱动力和振幅，因此可以提高压电泵的输出流量。
Description
技术领域
本发明涉及微流体机械领域，具体涉及一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵。
背景技术
泵作为一种流体输送机械，一般有电机驱动，结构庞大，制作工艺复杂，不易控制微小流量，因此在一些药物输送、医疗器械、航空航天等领域难以满足要求。压电泵作为一种新型材料驱动的微泵，利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，通过压电振子驱动隔膜产生形变，从而使泵腔体积发生变化，配合单向阀的使用，从而实现流体输送。由于其结构简单、无电磁干扰、体积小易于集成、噪声低，以广泛应用于电脑散热、药物输送、航空航天、燃料输送等领域。然而以往的容积式压电泵，其压电振子变形量小，泵腔容积变化率低，无法充分发挥压电陶瓷高能量密度的特性，从而导致压电泵输出性能有限。
发明内容
本发明针对上述压电泵中存在的问题，本文将双稳态结构应用在压电泵中，提出了一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵。由于双稳态结构可以增加压电泵的工作带宽，当压电泵系统发生共振时，压电振子利用结构的非线性特性，将在两稳态点做大幅周期振动，利用两磁铁间的相互作用，增大压电振子的输出力和位移，从而增大了压电泵的输出流量。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵，包括：基座、压电振子、第一磁铁、第二磁铁、双稳态机架、振动管、移动滑块和球阀。其中压电振子由压电纤维复合材料与金属基板粘贴而成，一端固定在基座上，一端与振动管连接，带动振动管往复上下振动；球阀由阀座与阀球组成，并布置在振动管中；第一磁铁安装在压电振子自由端，第二磁铁安装在双稳态机架的移动滑块上，与第一磁铁同极相对，并且可以通过移动滑块调节第一、二永磁铁间的距离；压电振子、振动管、第一磁铁、第二磁铁、双稳态机架在同一轴线上。
所述的双稳态机架两边开有凹槽，移动滑块安装在机架的凹槽上，通过移动滑块调节两磁铁的相对距离。
工作时，泵体的底部浸入到液面以下，压电振子带动振动管上下往复运动，受到容器内液体动压以及阀球自身惯性力的作用，球阀开启，液体在静压和动压的工作作用下，由容器经阀孔流入到振动管中，当球阀所受到的压差小于开启压力时，球阀关闭，防止流体回流。如此周而复始达到泵送的目的。
附图说明
图1是本发明一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵的结构示意图。
图2是本发明所采用的双稳态结构的俯视图
图3是本发明的工作原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构和原理做进一步的描述
一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵，包括：基座(1)、压电振子(2)、第一磁铁(5)、第二磁铁(6)、双稳态机架(8)、振动管(3)、移动滑块(7)和球阀(4)。其中压电振子由压电纤维复合材料(21)与金属基板(22)粘贴而成，一端固定在基座(1)上，一端与振动管(3)连接，带动振动管(3)往复上下振动；球阀(4)由阀座(42)与阀球(41)组成，并布置在振动管(3)中；第一磁铁(5)安装在压电振子(2)自由端，第二磁铁(6)安装在双稳态机架的移动滑块(7)上，与第一磁铁(5)同极相对，并且可以通过移动滑块(7)调节第一、二永磁铁间的距离；压电振子(2)、振动管(3)、第一磁铁(5)、第二磁铁(6)、双稳态机架(8)在同一轴线上。本发明采用双稳态结构可以增加压电泵的工作带宽，当压电泵系统发生共振时，压电振子(2)利用结构的非线性特性，将在两稳态点做大幅周期振动，利用两磁铁间排斥力的作用，因此压电振子在上下运动过程中，会产生更大的力和位移，由于压电泵的输出流量由压电振子(2)的输出力与振幅决定，因此可以显著提高压电泵的输出性能。
参照图3(a)，初始状态时，振动管(3)的下端浸入到容器(9)内的液体中，根据连通器原理，在内外压差的作用下，球阀(4)开启，流体通过球阀(4)流入到振动管(3)中，直到振动管(3)内外液面高度相同，此时振动管(3)内充有一定高度的水柱。
参照图3(a)-(b)，第一阶段从中间平衡位置运动到最高点。在初始时刻，由于受到压电振子(2)驱动力以及两磁铁产生的磁力，振动管(3)与振动管的水柱一起向上运动，当运动到某一点，当振动管(3)的加速度小于重力加速度时，管内水柱与振动管(3)分离，水柱与振动管(3)产生相对运动，当开启压力大于球阀(4)的临界开启压力时，球阀(4)打开，流体流入到振动管(3)中。
参照图3(b)-(c)，第二阶段从最高点运动到平衡位置。在最高点位置，振动管(3)的速度为零，因此振动管(3)将加速向下运动，同时，只要管内水柱与球阀(4)相对距离增加，球阀(4)将一直保持开启状态，流体将由容器(9)流入到振动管(3)中，直到两者相对距离保持恒定。当两者之间距离不变时，球阀(4)关闭。
参照图3(c)-(d)，第三阶段从中间平衡位置运动到最低点。当运动到最低点，为了使水柱与球阀(4)之间相对距离达到最大，以使泵的输出流量最大化，最理想的状态为在此阶段结束时，球阀(4)关闭，同时，水柱的高度在平衡位置以上达到最大值。
参照图3(d)-(e)，第四阶段从最低点运动到平衡位置。系统将加速运动到最高点，直到运动到平衡位置，这此阶段，球阀(4)始终处于关闭状态。
Claims (2)
1.一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵，包括：基座(1)、压电振子(2)、第一磁铁(5)、第二磁铁(6)、双稳态机架(8)、振动管(3)、移动滑块(7)和球阀(4)；其中压电振子由压电纤维复合材料(21)与金属基板(22)粘贴而成，一端固定在基座(1)上，一端与振动管(3)连接，带动振动管(3)往复上下振动；球阀(4)由阀座(42)与阀球(41)组成，并布置在振动管(3)中；第一磁铁(5)安装在压电振子(2)自由端，第二磁铁(6)安装在双稳态机架的移动滑块(7)上，与第一磁铁(5)同极相对，并且可以通过移动滑块(7)调节第一、二永磁铁间的距离；压电振子(2)、振动管(3)、第一磁铁(5)、第二磁铁(6)、双稳态机架(8)在同一轴线上；本发明采用双稳态结构可以增加压电泵的工作带宽，当压电泵系统发生共振时，压电振子(2)利用结构的非线性特性，将在两稳态点做大幅周期振动，利用两磁铁间的相互作用，增大压电振子(2)的输出力和位移，由于该驱动原理压电泵的输出流量正比于压电振子的输出力和位移，因此单周期内有更多的流体流入到振动管中，从而提高压电泵的输出性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的双稳态惯性式压电泵，其特征在于：所述的双稳态机架(8)两边开有凹槽，移动滑块(7)安装在机架(8)的凹槽上，通过移动滑块(7)调节两磁铁的相对距离。
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