CN109882380B - 一种双振子自激泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流体传输与控制领域，具体涉及一种双振子自激泵。泵体内装有传感器，泵体上下进口阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上下进口阀、上下出口阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上下出口阀，碟形阀由压环、阀片和阀座粘接而成；泵体上下两侧都装有泵盖，泵盖经密封圈将上下腔振子分别压接在泵体的上下体腔内，上腔振子和下腔振子都由基板和压电片粘接而成，传感器和上下腔振子经不同导线组与电源相连；上下腔振子、密封圈、上下进口阀及上下出口阀构成并联的上下泵腔；电源输出直流电压，流体压力达到极值时电源输出电压和上下腔振子变形方向换向。优势：根据泵腔流体压力变化状态自动形成激励频率，阀的效率高，输出能力和控制精度高。

Description

一种双振子自激泵

技术领域

本发明属于微流体传输与控制领域，具体涉及一种双振子自激泵。

背景技术

作为压电驱动器的一个重要分支，压电泵具有结构简单、体积小、反应快、无电磁干扰、易于操作、流量/压力可控性好等优势，在医疗、化学分析、航空航天、汽车发动机及燃料电池的燃料供给、微机电液系统等方面都有广泛的应用前景，其研制开发备受世界各国学者的广泛关注。为满足不同领域的应用需求，人们提出了多种结构形式的压电泵。尽管所提出的压电泵结构形式及性能差异较大，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流体驱动的。因压电泵的每个工作循环输出的流体即为压电振子变形所引起的泵腔的容积变化量，故可实现流量及压力的精确控制。但实际工作中压电泵输出流量及压力受工作条件影响较大，流体粘度、温度以及输出压力等通过影响系统阻尼影响泵的谐振频率，当压电振子在具体工况下的谐振频率与所设定的激励频率偏差较大时，泵的输出流量和压力都将大幅度下降。因此，压电泵在固定频率下的输出性能并不理想，且根据设定驱动电压及频率计算所得的输出流量和压力的精确度也较低。此外，现有压电泵大都采用悬臂梁型截止阀，其回弹刚度低、平整度与截止效果差，严重地影响了泵的输出流量和压力。

发明内容

为提高压电泵的输出性能，本发明提出一种双振子自激泵，本发明的实施方案是：泵体上设有进口、出口、上体腔和下体腔，上体腔的底壁上设有上进口阀腔和上出口阀腔，下体腔的顶壁上设有下进口阀腔和下出口阀腔，上体腔和下体腔的侧壁上都设有走线槽，上体腔的底壁上或下体腔顶壁上设有传感器腔，传感器腔的侧壁上设有走线孔；上进口阀腔和下进口阀腔与进口连通，上出口阀腔和下出口阀腔与出口连通；传感器腔内安装有传感器，传感器是由小基板和小压电片粘接而成的压电传感器；上进口阀腔和下进口阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上进口阀和下进口阀，上出口阀腔和下出口阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上出口阀和下出口阀；碟形阀由压环、阀片和中心带阀孔的阀座粘接而成，阀片由盖片、环片以及至少三条连接盖片与环片的螺旋片构成，环片的两侧分别与压环和阀座粘接；阀片粘接前的自然状态下，螺旋片向环片的一侧预弯，粘接后盖片顶靠在阀座上；泵体上下两侧都经螺钉安装有泵盖，泵盖的凸台经密封圈将上腔振子和下腔振子分别压接在泵体的上体腔和下体腔内，上腔振子和下腔振子的上下两侧均压接有密封圈；上腔振子和下腔振子都由基板和压电片粘接而成，上腔振子和下腔振子中的压电片的极化方向相同且都靠近泵盖安装；上腔振子和下腔振子的表面电极涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜，传感器、上腔振子和下腔振子经不同的导线组与电源连接；泵体、上腔振子、传感器、密封圈、上进口阀及上出口阀构成上泵腔，泵体、下腔振子、密封圈、下进口阀及下出口阀构成下泵腔，上泵腔与下泵腔并联。

本发明中，电源向驱动器输出直流电压或交流电压。电源输出直流电压时为自激驱动：电源输出给上腔振子和下腔振子的是相同或相反的直流电压，即输出的电压可同为正值或负值、或一正一负；利用传感器生成的电压信号判断上腔振子和下腔振子变形及上泵腔或下泵腔内流体压力的变化状态，当上泵腔和下泵腔内流体压力达到极值、即上腔振子和下腔振子变形量达到极值时，电源输出给上腔振子和下腔振子的电压换向，上腔振子和下腔振子的变形方向换向；电源输出正负电压的连续交替变化即形成了上腔振子和下腔振子的往复弯曲振动，并驱动流体沿上进口阀-上泵腔-上出口阀及下进口阀-下泵腔-下出口阀的方向单向流动。

以电源向上腔振子和下腔振子输出反向直流电压为例，稳态下的自激驱动过程为：电源向上腔振子和向下腔振子分别输出正负直流电压，上腔振子和下腔振子都向上弯曲变形，上泵腔容积增加、下泵腔容积减小，上进口阀和下出口阀开启、上出口阀和下进口阀关闭，上泵腔经上进口阀吸入流体、下泵腔经下出口阀排出流体，此为上吸下排过程；上吸下排过程中，传感器所受上泵腔的流体压力减小、输出电压由最大值逐步降低到最小值；传感器输出电压达到最小值时，电源向上腔振子和下腔振子输出电压换向，上腔振子和下腔振子都向下弯曲，上泵腔容积减小、下泵腔容积增加，上进口阀和下出口阀关闭、上出口阀和下进口阀开启，下泵腔经下进口阀吸入流体、上泵腔经上出口阀排出流体，此为上排下吸过程；上排下吸过程中，传感器所受上泵腔流体压力增加、输出电压再由最小值逐步增加到最大值；传感器输出电压达到最大值时，电源向上腔振子和下腔振子输出电压再次换向，上腔振子和下腔振子再都向上弯曲变形；上吸下排过程和上排下吸过程的不断交替即形成了流体的单向流动。上述自激驱动过程中，上下腔振子的激励频率是通过传感器输出电压最大值和最小值交替变换形成的，即激励频率是根据上腔振子和下腔振子变形及上泵腔和下泵腔内流体压力变化情况自动形成的，而上泵腔和下泵腔内流体压力变化情况取决于输出压力及流体粘度，故自激驱动工作模式的环境适应性强。

本发明中，上腔振子和下腔振子由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，泵水的最大流量和压力分别为：

式中：η_q、η_p分别为阀的流量系数和压力系数，R为上泵腔和下泵腔半径，H为上泵腔和下泵腔高度，H不小于输出压力为零时上腔振子和下腔振子中心点的变形量，h_p为压电片厚度，f为自激频率，U₀为电源输出电压。

特点及优势：根据泵腔内流体的压力变化状态使电源输出的直流驱动电压换向，实现振子自激驱动，激励频率与工作条件相匹配，激励频率对流体粘度、输出压力等变化的适应性强；此外，碟形阀的截止效果好、输出效率高，进一步提高了泵的输出能力和控制精度。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中双振子自激泵的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是本发明一个较佳实施例中泵体的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明一个较佳实施例中碟形阀的结构示意图；

图6是本发明一个较佳实施例中阀片的结构示意图；

图7是图6的B-B剖面图；

图8是本发明一个较佳实施例中驱动电压的波形图；

图9是本发明一个较佳实施例中传感电压的波形图。

具体实施方式

本发明的一种双振子自激泵由泵盖a、泵体b、碟形阀v、传感器c、上腔振子d、下腔振子d’、密封圈e、电源f及导线组构成。泵体b上设有进口b1、出口b2、上体腔b3和下体腔b3’，上体腔b3的底壁上设有上进口阀腔b4和上出口阀腔b5，下体腔b3’的顶壁上设有下进口阀腔b4’和下出口阀腔b5’，上体腔b3和下体腔b3’的侧壁上都设有走线槽，上体腔b3的底壁上或下体腔b3’顶壁上设有传感器腔b6，传感器腔b6的侧壁上设有走线孔；上进口阀腔b4和下进口阀腔b4’与进口b1连通，上出口阀腔b5和下出口阀腔b5’与出口b2连通；传感器腔b6内安装有传感器c，传感器c是由小基板c1和小压电片c2粘接而成的压电传感器；上进口阀腔b4和下进口阀腔b4’与其内所粘接的碟形阀v分别构成上进口阀v1和下进口阀v3，上出口阀腔b5和下出口阀腔b5’与其内所粘接的碟形阀v分别构成上出口阀v2和下出口阀v4；碟形阀v由压环k、阀片i和中心带阀孔的阀座j粘接而成，阀片i由盖片i1、环片i3以及至少三条连接盖片i1与环片i3的螺旋片i2构成，环片i3的两侧分别与压环k和阀座j粘接；阀片i粘接前的自然状态下，螺旋片i2向环片i3的一侧预弯，粘接后盖片i1顶靠在阀座j上；泵体b上下两侧都经螺钉安装有泵盖a，泵盖a的凸台a1经密封圈e将上腔振子d和下腔振子d’分别压接在泵体b的上体腔b3和下体腔b3’内，上腔振子d和下腔振子d’的上下两侧均压接有密封圈e；上腔振子d和下腔振子d’都由基板d1和压电片d2粘接而成，上腔振子d和下腔振子d’中的压电片d2的极化方向p相同且都靠近泵盖a安装，如上腔振子d和下腔振子d’中的压电片d2的极化方向p都是从基板d1指向压电片d2；上腔振子d和下腔振子d’的表面电极涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜，传感器c、上腔振子d和下腔振子d’经不同的导线组与电源f连接；泵体b、上腔振子d、传感器c、密封圈e、上进口阀v1及上出口阀v2构成上泵腔C1，泵体b、下腔振子d’、密封圈e、下进口阀v3及下出口阀v4构成下泵腔C2，，上泵腔C1与下泵腔C2并联。

本发明中，电源f输出直流电压或交流电压。电源f输出直流电压时为自激驱动：电源f输出给上腔振子d和下腔振子d’的是相同或相反的直流电压，即输出的电压可同为正值或负值、或一正一负；利用传感器c生成的电压信号判断上腔振子d和下腔振子d’的变形及上泵腔C1和下泵腔C2内流体压力的变化状态，当上泵腔C1和下泵腔C2内的流体压力达到极值、即上腔振子d和下腔振子d’的变形量达到极值时，电源f输出给上腔振子d和下腔振子d’的电压换向，上腔振子d和下腔振子d’的变形方向换向；电源f输出正负电压的连续交替变化即形成了上腔振子d和下腔振子d’的往复弯曲振动，并驱动流体沿上进口阀v1-上泵腔C1-上出口阀v2及下进口阀v3-下泵腔C2-下出口阀v4的方向单向流动。

以电源f向上腔振子d和下腔振子d’输出反向直流电压为例，稳态下的自激驱动过程为：电源f向上腔振子d输出正直流电压U₀、向下腔振子d’输出负直流电压-U₀，上腔振子d和下腔振子d’都向上弯曲变形，上泵腔C1容积增加、下泵腔C2容积减小，上进口阀v1和下出口阀v4开启、上出口阀v2和下进口阀v3关闭，上泵腔C1经上进口阀v1吸入流体、下泵腔C2经下出口阀v4排出流体，此为上吸下排过程；上吸下排过程中，传感器c所受上泵腔C1的流体压力减小、输出电压由最大值U_g逐步降低到最小值-U_g；传感器c的输出电压达到最小值-U_g时，电源f向上腔振子d和下腔振子d’输出电压换向，上腔振子d和下腔振子d’都向下弯曲，上泵腔C1容积减小、下泵腔C2容积增加，上进口阀v1和下出口阀v4关闭、上出口阀v2和下进口阀v3开启，下泵腔C2经下进口阀v3吸入流体、上泵腔C1经上出口阀v2排出流体，此为上排下吸过程；上排下吸过程中，传感器c所受上泵腔C1的流体压力增加、输出电压再由最小值-U_g逐步增加到最大值U_g；传感器c的输出电压达到最大值U_g时，电源f向上腔振子d和下腔振子d’输出电压再次换向，上腔振子d和下腔振子d’再都向上弯曲变形；上吸下排过程和上排下吸过程的不断交替即形成了流体的单向流动。上述自激驱动过程中，上腔振子d和下腔振子d’的激励频率是通过传感器c输出电压最大值和最小值交替变换形成的，即激励频率是根据上腔振子d和下腔振子d’变形及上泵腔C1和下泵腔C2内流体压力变化情况自动形成的，而上泵腔C1和下泵腔C2内流体压力变化情况取决于输出压力及流体粘度，故自激驱动工作模式的环境适应性强。

本发明中，上腔振子d和下腔振子d’由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，泵水的最大流量和压力分别为：

式中：η_q、η_p分别为阀的流量系数和压力系数，R为上泵腔C1和下泵腔C2的半径，H为上泵腔C1和下泵腔C2的高度，H不小于输出压力为零时上腔振子d和下腔振子d’中心点的变形量，h_p为压电片d2的厚度，f为自激频率，U₀为电源f的输出电压。

Claims (1)

1.一种双振子自激泵，其特征在于：泵体上设有进口、出口、上体腔和下体腔，上体腔的底壁上设有上进口阀腔和上出口阀腔，下体腔的顶壁上设有下进口阀腔和下出口阀腔，上体腔的底壁上或下体腔顶的壁上包括传感器腔；上进口阀腔和下进口阀腔与进口连通，上出口阀腔和下出口阀腔与出口连通；传感器腔内安装有传感器；上进口阀腔和下进口阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上进口阀和下进口阀，上出口阀腔和下出口阀腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上出口阀和下出口阀；碟形阀由压环、阀片和中心带阀孔的阀座粘接而成，阀片由盖片、环片以及至少三条连接盖片与环片的螺旋片构成，环片的两侧分别与压环和阀座粘接；阀片粘接前的自然状态下，螺旋片向环片的一侧预弯，粘接后盖片顶靠在阀座上；泵体上下两侧都装有泵盖，泵盖经密封圈将上腔振子和下腔振子分别压接在泵体的上体腔和下体腔内；上腔振子和下腔振子都由基板和压电片粘接而成，传感器、上腔振子和下腔振子经不同导线组与电源连接；泵体、上腔振子、传感器、密封圈、上进口阀及上出口阀构成上泵腔，泵体、下腔振子、密封圈、下进口阀及下出口阀构成下泵腔；电源向上腔振子和下腔振子输出直流电压，利用传感器生成的电压信号判断上泵腔或下泵腔内流体压力变化状态，当流体压力达到极值时，电源输出给上腔振子和下腔振子的电压换向，上腔振子和下腔振子的变形方向换向；电源输出正负电压的连续交替变化即形成了上腔振子和下腔振子的往复弯曲振动及流体的单向流动。

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