CN109723629A - 一种压电晶片泵 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微流体传输领域，具体涉及一种压电晶片泵。泵体上设有出入孔、储气室及至少两个由体腔构成的体腔组，从入孔到出孔各体腔组所含体腔数量依次降低；体腔组中靠近入孔的体腔上设有进口腔、靠近出孔的体腔上设有与储气室连通的出口腔，入孔和出孔分别与其相邻体腔组的进口腔和出口腔连通；进出口腔与其内所装阀片构成进出口阀；两个泵体相连接并经密封圈将换能器压接在其体腔内，换能器及密封圈与泵体构成泵腔，同一体腔组内的泵腔并联成泵腔组，同一泵体上的泵腔组串联成泵单元，两个泵单元串联或并联；不同体腔组中的换能器经不同导线组与驱动电源相连，工作中同一泵单元内的同一体腔组中的换能器变形方向相同。

Description

一种压电晶片泵
技术领域
本发明属于微量气体传输与控制领域，具体涉及一种压电晶片泵。
背景技术
微型气体压缩与输送装置也称为微型气体压缩机、气泵、气体压缩装置等，主要用于气体采样、气体循环与供给、喷气冷却、负压保持、充气增压、加氧等诸多方面。根据工作原理，常用气体压缩装置可分为隔膜式、电磁式、叶轮式、活塞式等，其共性特点是都包含机械传动部分，故结构复杂，体积、重量及功耗等都较大，且存在较大的噪音和电磁干扰，不便于结构的微小化与集成化，在微机电领域的应用受到了一定的制约。近年来，人们相继提出了多种类型的压电式微型气体压缩与输送装置，如中国专利201110255709.2、201410104036.4、201410577904.0、201510649212.7等。尽管上述气体压缩与输送装置结构原理及性能差异较大，但都是利用晶片型压电振子在电场作用下产生的弯曲变形实现气体驱动的，因压电振子弯曲变形所引起的泵腔容积变化量相对较小，现有压电式气体压缩装置可实现的输出流量及压力还很低，尤其是不能同时获得较大的输出流量和较高的输出压力，推广应用受到了一定的制约。
发明内容
为提高供气压力，本发明提出一种压电晶片泵，本发明的实施方案是：由泵体、阀片及换能器构成，泵体上设有出入孔、至少两个由体腔构成的体腔组及与体腔组数量相等的储气室，入孔与各体腔组及出孔依次串联，从入孔到出孔的各体腔组所含体腔数量依次降低；各体腔组中靠近入孔一侧的体腔上设有进口腔、靠近出孔一侧的体腔上设有与储气室连通的出口腔，入孔与其相邻体腔组的进口腔连通，出孔与其相邻的体腔组的出口腔连通；同一体腔组内的各体腔经内通孔连通，两相邻体腔组的进出口腔经外通孔连通；进出口腔与其内所安装的阀片分别构成进出口阀，阀片为悬臂梁阀或碟形阀；两个泵体经螺钉连接且其含体腔数量相同的体腔组相对安装，两个泵体经密封圈将换能器压接在其体腔内，密封圈位于换能器上下两侧，换能器为单个压电振子或由两个压电振子及其中间压接的垫圈构成，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电片表面电极包括驱动单元和传感单元，压电片上驱动单元和传感单元与基板构成的复合层分别为驱动器和传感器，压电振子的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；换能器由两个压电振子构成时两个压电振子受电压作用时的弯曲变形方向相同，换能器变形方向即为两个压电振子的变形方向；换能器及密封圈与泵体构成泵腔，同一体腔组内的泵腔并联成泵腔组，一个泵体上的各泵腔组串联成一个泵单元，两个泵体上的泵单元经管路并联，并联是指两个泵单元的入孔和出孔分别连通；不同体腔组中的换能器经不同的导线组与驱动电源相连，工作中同一泵单元内的同一体腔组中的换能器变形方向相同。
本发明中，驱动电源输出给各体腔组中压电振子的驱动器的是直流电压信号或不同频率的交流电压信号，驱动电压为直流信号时根据传感器感应电压的变化情况使驱动电压换向，实现自激驱动，即：当传感器的感应电压到达极值时直流驱动电压及压电振子的变形方向换向，从而解决不同负载时压电振子谐振频率的跟踪问题。
以具有三个泵腔组气体泵为例，从入孔到出孔，体腔组依次定义为体腔组一、二和三，进口阀依次定义为进口阀一、二和三，出口阀依次定义为出口阀一、二和三，泵腔组依次定义为泵腔组一、二和三，储气室依次定义为储气室一、二和三；同一个泵单元内，泵腔组一经入孔从外界吸入气体进行第一级压缩后排入储气室一，泵腔组二从储气室一吸入气体进行第二级压缩后排入储气室二，泵腔组三从储气室二吸入气体进行第三级压缩后排入储气室三，储气室三内的气体经出孔排出。
本发明根据所需供气压力确定泵腔组的数量，单个泵腔组的压力增幅为ηp为压力修正系数，β0为气体体积模量，U0为驱动电压，hp压电片厚度，r为泵腔半径，H为泵腔高度，压电振子由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时β为空载时压电振子动态放大比，d31为压电常数。
特点及优势：采用具有不同泵腔的泵腔组串联的方法实现累积压缩的方法，动静态时都可获得较高的供气压力；易于通过增加泵腔组及泵腔组内泵腔的数量的方法获得所需的供气压力，两个泵单元同步工作，体积能量密度大、供气能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中泵的结构剖面示意图；
图2是换能器的结构示意图；
图3是压电振子表面电极的分割示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中阀片与换能器的变形关系示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中泵体的结构示意图；
图6是图5的俯视图。
具体实施方式
本发明的一种压电晶片泵由泵体a、阀片e及换能器D构成，泵体a上设有入孔a1、出孔a2、至少两个由体腔a3构成的体腔组Ai及与体腔组Ai数量相等的储气室qi，入孔a1与各体腔组Ai及出孔a2依次串联，从入孔a1到出孔a2的各体腔组Ai所含体腔a3的数量依次降低；各体腔组Ai中靠近入孔a1一侧的体腔a3上设有进口腔a4、靠近出孔a2一侧的体腔a3上设有与储气室qi连通的出口腔a5，入孔a1与其相邻体腔组Ai的进口腔a4连通，出孔a2与其相邻的体腔组Ai的出口腔a5连通；同一体腔组Ai内的各体腔a3经内通孔a6连通，两相邻体腔组Ai的进口腔a4和出口腔a5经外通孔a7连通；进口腔a4和出口腔a5与其内所安装的阀片e分别构成进口阀si和出口阀ti，阀片e为悬臂梁阀或碟形阀；两个泵体a经螺钉连接且其含体腔a3数量相同的体腔组Ai相对安装，两个泵体a经密封圈将换能器D压接在其体腔a3内，密封圈位于换能器D上下两侧，换能器D为单个压电振子d或由两个压电振子d及其中间压接的垫圈d’构成，压电振子d由基板d1和压电片d2粘接而成，压电片d2的表面电极包括驱动单元d21和传感单元d22，压电片d2上驱动单元d21和传感单元d22与基板d1构成的复合层分别为驱动器A和传感器S，压电振子d的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；换能器D由两个压电振子d构成时，两个压电振子d受电压作用时的弯曲变形方向相同，换能器D的变形方向即为两个压电振子d的变形方向；换能器D及密封圈与泵体a构成泵腔c，同一体腔组Ai内的泵腔c并联成泵腔组ci，一个泵体a上的各泵腔组ci串联成一个泵单元，两个泵体a上的泵单元经管路并联、即两个泵单元的入孔a1和出孔a2分别连通；不同体腔组Ai中的换能器D经不同的导线组与驱动电源相连，工作中同一泵单元内的同一体腔组Ai中的换能器D变形方向相同。
本发明中，驱动电源输出给各体腔组Ai中压电振子d的驱动器A的是直流电压信号或不同频率的交流电压信号，驱动电压为直流信号时根据传感器S感应电压的变化情况使驱动电压换向，实现自激驱动，即：当传感器S的感应电压到达极值时直流驱动电压及压电振子d的变形方向换向，从而解决不同负载时压电振子d谐振频率的跟踪问题。
本发明中，体腔组Ai、进口阀si、泵腔组ci、出口阀ti、储气室qi中的i代表从入孔a1到出孔a2的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个泵腔组ci气体泵为例，从入孔a1到出孔a2，体腔组Ai依次定义为体腔组一A1、二A2和三A3，进口阀si依次定义为进口阀一s1、二s2和三s3，出口阀ti依次定义为出口阀一t1、二t2和三t3，泵腔组ci依次定义为泵腔组一c1、二c2和三c3，储气室qi依次定义为储气室一q1、二q2和三q3；同一个泵单元内，泵腔组一c1经入孔a1从外界吸入气体进行第一级压缩后排入储气室一q1，泵腔组二c2从储气室一q1吸入气体进行第二级压缩后排入储气室二q2，泵腔组三c3从储气室二q2吸入气体进行第三级压缩后排入储气室三q3，储气室三q3内的气体经出孔a2排出。
本发明根据所需供气压力确定泵腔组ci的数量，单个泵腔组ci的压力增幅为ηp为压力修正系数，β0为气体体积模量，U0为驱动电压，hp压电片d2的厚度，r为泵腔c的半径，H为泵腔c的高度，压电振子d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时β为空载时压电振子d的动态放大比，d31为压电常数。

Claims (1)

1.一种压电晶片泵，由泵体、阀片及换能器构成，其特征在于：泵体上设有出入孔、至少两个由体腔构成的体腔组及与体腔组数量相等的储气室，入孔与各体腔组及出孔依次串联，从入孔到出孔的各体腔组所含体腔数量依次降低；各体腔组中靠近入孔一侧的体腔上设有进口腔、靠近出孔一侧的体腔上设有与储气室连通的出口腔，入孔与其相邻体腔组的进口腔连通，出孔与其相邻的体腔组的出口腔连通；同一体腔组内的各体腔经内通孔连通，两相邻体腔组的进出口腔经外通孔连通；进出口腔与其内所装阀片分别构成进出口阀；两个泵体经螺钉连接且其含体腔数量相同的体腔组相对安装，两个泵体经密封圈将换能器压接在其体腔内，换能器为单个压电振子或由两个压电振子及其中间压接的垫圈构成，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电片表面电极包括驱动单元和传感单元，压电片上驱动单元和传感单元与基板构成的复合层分别为驱动器和传感器；换能器及密封圈与泵体构成泵腔，同一体腔组内的泵腔并联成泵腔组，一个泵体上的各泵腔组串联成一个泵单元，两个泵体上的泵单元经管路并联，不同体腔组中的换能器经不同的导线组与驱动电源相连，工作中同一泵单元内的同一体腔组中的换能器变形方向相同。
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