CN109882386A - 一种阵列式微型气体压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流体传输与控制领域，具体涉及一种阵列式微型气体压缩机。设有圆台组的上盖安装在设有体腔组的箱体上，上盖的上进出口腔和箱体的下进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成上进出口阀和下进出口阀；上盖的凸台置于箱体的孔腔内并使上盖的上出口腔与箱体的下出口腔及储气室连通，上盖的圆台经密封圈将驱动器压接在箱体体腔内，驱动器由两个压电振子及环形垫圈构成，压电振子由基板和压电片粘接而成；驱动器及密封圈与上盖和箱体分别构成上下压缩腔，同一体腔组内的上下压缩腔分别并联成上下压缩腔组，上下压缩腔组分别串联成上下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中，上下压缩单元分别对气体进行逐级累积压缩后交替地排入储气室。

Description

一种阵列式微型气体压缩机

技术领域

本发明属于微量气体传输与控制领域，具体涉及一种阵列式微型气体压缩机。

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、201710697409.7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压缩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，本发明提出一种阵列式微型气体压缩机，本发明的实施方案是：上盖上设有上进气孔、带上出口腔的凸台及至少两个圆台组，从右到左各圆台组所含圆台的数量依次增加；各圆台组中的一个圆台上设有上进口腔和上出气孔，其它圆台上仅设有上通气孔；最左侧圆台组中的上进口腔与上进气孔连通，最右侧圆台组中的上出气孔与上出口腔连通；同一圆台组中的上出气孔和上通气孔经上连通孔连通，其它两左右相邻圆台组中的上进口腔和上出气孔连通；上盖的上进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成上进出口阀，单向阀为悬臂梁阀或碟形阀；箱体上设有下进气孔、带下出口腔的孔腔、与下出口腔连通的储气室及与圆台组及其所含圆台数量分别相等的体腔组和体腔；各体腔组中的一个体腔上设有下进口腔和下出气孔，其它体腔上仅设有下通气孔；最左侧体腔组中的下进口腔与下进气孔连通，最右侧体腔组中的下出气孔与下出口腔连通；同一体腔组中的下出气孔和下通气孔经下连通孔连通，其它两左右相邻体腔组中的下进口腔和下出气孔连通；箱体的下进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成下进出口阀。

上盖经螺钉安装在箱体上，上盖的凸台置于箱体的孔腔内并使上盖的上出口腔与箱体的下出口腔及储气室连通；上盖的圆台置于箱体的体腔内并经密封圈将驱动器压接在体腔内，密封圈位于驱动器上下两侧，驱动器由两个压电振子及其中间压接的环形垫圈构成，压电振子由基板和压电片粘接而成，，压电片靠近环形垫圈安装，压电振子的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；驱动器中两个压电振子受电压作用时的弯曲变形方向相同，驱动器的变形方向即为两个压电振子的变形方向；驱动器及密封圈与上盖和箱体分别构成上下压缩腔，同一体腔组内的上压缩腔和下压缩腔分别并联成上压缩腔组和下压缩腔组，各上压缩腔组串联成上压缩单元、各下压缩腔组串联成下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中，同一体腔组内驱动器的变形方向相同，两相邻体腔组中驱动器的变形方向相反，上下压缩单元分别对气体进行逐级累积压缩后交替地排入储气室。

以具有三个上下压缩腔组的气体压缩机为例，从右到左，圆台组依次定义为圆台组一、二和三，体腔组依次定义为体腔组一、二和三，上进口阀依次定义为上进口阀一、二和三，下进口阀依次定义为下进口阀一、二和三，上压缩腔组依次定义为上压缩腔组一、二和三，下压缩腔组依次定义为下压缩腔组一、二和三，则具体工作过程为：上半周内，体腔组一和三中的驱动器向下弯曲、体腔组二中的驱动器向上弯曲，上进口阀一和三、下进口阀二及下出口阀开启，上进口阀二、上出口阀及下进口阀一和三关闭，上压缩腔组一和三、下压缩腔二吸入气体，上压缩腔组二、下压缩腔一和三排出气体，此为上吸下排过程，所排出的气体经历了上压缩腔组三、二和一的逐级累积压缩；下半周内，体腔组一和三中的驱动器向上弯曲、体腔组二中的驱动器向下弯曲，上进口阀一和三、下进口阀二及下出口阀关闭，上进口阀二、上出口阀及下进口阀一和三开启，上压缩腔组一和三、下压缩腔二排出气体，上压缩腔组二、下压缩腔一和三吸入气体，此为上排下吸过程，所排出的气体经历了下压缩腔组三、二和一的逐级累积压缩。

本发明中，上压缩单元所含上压缩腔组的数量与下压缩单元所含下压缩腔组的数量相等，同一个体腔组中所含的上压缩腔与下压缩腔的数量相等，上下压缩腔的高度和半径分别相等；压缩机的最大储气压力为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比、即压电振子变形引起的上压缩腔的容积变化量与上压缩腔的容积之比，β＞1为各相邻上压缩腔组所含上压缩腔数量之比的最小值，n≥2为上压缩单元所含上压缩腔组的数量；工作中，两相邻上或下压缩腔组相互连通、即其间的单向阀开启时，含压缩腔数量较多的压缩腔组的容积变化量不小于含压缩腔数量较少的压缩腔组的容积变化量；为获得最大压缩比，上下压缩腔的高度等于压电振子中心点的变形量，压电振子由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时上压缩腔的高度为η_h、U₀分别为动态修正系数和驱动电压，d₃₁为压电常数，h_p为压电片厚度，r为上下压缩腔半径。

特点及优势：采用具有不同压缩腔的压缩腔组串联实现累积压缩的方法，动静态时都可获得较高的供气压力；易于通过增加压缩腔组及压缩腔组内压缩腔的数量的方法获得所需的供气压力；上下压缩单元同步工作，单位体积能量密度大、供气能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中气体压缩机的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是驱动器的结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中上半周内气体的上吸下排过程；

图5是本发明一个较佳实施例中下半周内气体的上排下吸过程；

图6是本发明一个较佳实施例中上盖的结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中箱体的结构示意图；

图8是图6的仰视图；

图9是图7的俯视图。

具体实施方式

本发明的一种阵列式微型气体压缩机由上盖a、箱体b、单向阀e及驱动器D构成。上盖a上设有上进气孔a1、带上出口腔a6的凸台a3及至少两个圆台组Ai，从右到左各圆台组Ai所含圆台a2的数量依次增加；各圆台组Ai中的一个圆台a2上设有上进口腔a4和上出气孔a5，其它圆台a2上仅设有上通气孔a8；最左侧圆台组Ai中的上进口腔a4与上进气孔a1连通，最右侧圆台组Ai中的上出气孔a5与上出口腔a6连通；同一圆台组Ai中的上出气孔a5和上通气孔a8经上连通孔a7连通，两左右相邻圆台组Ai中的上进口腔a4和上出气孔a5连通；上盖a的上进口腔a4和上出口腔a6与其内所安装的单向阀e分别构成上进口阀vi和上出口阀v，单向阀e为悬臂梁阀或碟形阀；箱体b上设有下进气孔b1、带下出口腔b6的孔腔b3、与下出口腔b6连通的储气室b9及与圆台组Ai及其所含圆台a2数量分别相等的体腔组Bi和体腔b2；各体腔组Bi中的一个体腔b2上设有下进口腔b4和下出气孔b5，其它体腔b2上仅设有下通气孔b8；最左侧体腔组Bi中的下进口腔b4与下进气孔b1连通，最右侧体腔组Bi中的下出气孔b5与下出口腔b6连通；同一体腔组Bi中的下出气孔b5和下通气孔b8经下连通孔b7连通，其它两个左右相邻体腔组Bi中的下进口腔b4和下出气孔b5连通；箱体b的下进口腔b4和下出口腔b6与其内所安装的单向阀e分别构成下进口阀Vi和下出口阀V。上盖a经螺钉安装在箱体b上，上盖a的凸台a3置于箱体b的孔腔b3内并使上盖a的上出口腔a6与箱体b的下出口腔b6及储气室b9连通；上盖a的圆台a2置于箱体b的体腔b2内并经密封圈将驱动器D压接在体腔b2内，密封圈位于驱动器D上下两侧，驱动器D由两个压电振子d及其中间压接的环形垫圈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靠近环形垫圈d’安装，压电振子d的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；驱动器D中两个压电振子d受电压作用时的弯曲变形方向相同，驱动器D的变形方向即为两个压电振子d的变形方向；驱动器D及密封圈与上盖a和箱体b分别构成上压缩腔c和下压缩腔C，同一体腔组Bi内的上压缩腔c并联成上压缩腔组ci、下压缩腔C并联成下压缩腔组Ci，各上压缩腔组ci串联成上压缩单元、各下压缩腔组Ci串联成下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中，同一体腔组Bi内驱动器D的变形方向相同，两相邻体腔组Bi中驱动器D的变形方向相反，上下压缩单元分别对气体进行逐级累积压缩后交替地排入储气室b9。

本发明中，圆台组Ai、体腔组Bi、上进口阀vi、下进口阀Vi、上压缩腔组ci、下压缩腔组Ci中的i代表从右到左的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个上压缩腔组ci和三个下压缩腔组Ci的气体压缩机为例，从右到左，圆台组Ai依次定义为圆台组一A1、二A2和三A3，体腔组Bi依次定义为体腔组一B1、二B2和三B3，上进口阀vi依次定义为上进口阀一v1、二v2和三v3，下进口阀Vi依次定义为下进口阀一V1、二V2和三V3，上压缩腔组ci依次定义为上压缩腔组一c1、二c2和三c3，下压缩腔组Ci依次定义为下压缩腔组一C1、二C2和三C3，则具体工作过程为：上半周内，体腔组一B1和三B3中的驱动器D向下弯曲、体腔组二B2中的驱动器D向上弯曲，上进口阀一v1和三v3、下进口阀二V2及下出口阀V开启，上进口阀二v2、上出口阀v及下进口阀一V1和三V3关闭，上压缩腔组一c1和三c3、下压缩腔二C2吸入气体，上压缩腔组二c2、下压缩腔一C1和三C3排出气体，此为上吸下排过程，所排出的气体经历了上压缩腔组三c3、二c2和一c1的逐级累积压缩；下半周内，体腔组一B1和三B3中的驱动器D向上弯曲、体腔组二B2中的驱动器D向下弯曲，上进口阀一v1和三v3、下进口阀二V2及下出口阀V关闭，上进口阀二v2、上出口阀v及下进口阀一V1和三V3开启，上压缩腔组一c1和三c3、下压缩腔二C2排出气体，上压缩腔组二c2、下压缩腔一C1和三C3吸入气体，此为上排下吸过程，所排出的气体经历了下压缩腔组三C3、二C2和一C1的逐级累积压缩。

本发明中，上压缩单元所含上压缩腔组ci的数量与下压缩单元所含下压缩腔组Ci的数量相等，同一个体腔组Bi中所含的上压缩腔c与下压缩腔C的数量相等，上压缩腔c和下压缩腔C的高度和半径分别相等；压缩机的最大储气压力为P_max＝P₀η_p{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]^n-1-1}，其中：P₀为标准大气压，η_p为效率系数，α＞0为压缩比、即压电振子d变形引起的上压缩腔c的容积变化量与上压缩腔c的容积之比，β＞1为各相邻上压缩腔组ci所含上压缩腔c数量之比的最小值，n≥2为上压缩单元所含上压缩腔组ci的数量；工作中，两相邻上压缩腔组ci相互连通、即其间的单向阀e开启时，含上压缩腔c数量较多的上压缩腔组ci的容积变化量不小于含上压缩腔c数量较少的上压缩腔组ci的容积变化量；为获得最大压缩比，上压缩腔c的高度等于压电振子d中心点的变形量，压电振子d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成时上压缩腔c的高度为η_h、U₀分别为动态修正系数和驱动电压，d₃₁为压电常数，h_p为压电片d2的厚度，r为上压缩腔c的半径。

Claims (1)

1.一种阵列式微型气体压缩机，其特征在于：上盖上设有上进气孔、带上出口腔的凸台及至少两个圆台组，从右到左各圆台组所含圆台的数量依次增加；各圆台组中的一个圆台上设有上进口腔和上出气孔，其它圆台上仅设有上通气孔；上进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成上进出口阀；箱体上设有下进气孔、带下出口腔的孔腔、储气室及与圆台组数量相等的体腔组；各体腔组中的一个体腔上设有下进口腔和下出气孔，其它体腔上仅设有下通气孔；下进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成下进出口阀；上盖安装在箱体上，凸台置于孔腔内并使上出口腔与下出口腔及储气室连通，圆台经密封圈将驱动器压接在体腔内，驱动器由两个压电振子及其中间压接的环形垫圈构成，压电振子由基板和压电片粘接而成，驱动器中两个压电振子受电压作用时的弯曲变形方向相同；驱动器及密封圈与上盖和箱体分别构成上下压缩腔，同一体腔组内的上压缩腔和下压缩腔分别并联成上压缩腔组和下压缩腔组，各上压缩腔组串联成上压缩单元、各下压缩腔组串联成下压缩单元，上下压缩单元并联；工作中，同一体腔组内驱动器的变形方向相同、两相邻体腔组中驱动器的变形方向相反，上下压缩腔的高度等于压电振子中心点的变形量，两相邻上或下压缩腔组相互连通时含压缩腔数量较多的压缩腔组的容积变化量不小于含压缩腔数量较少的压缩腔组的容积变化量，上下压缩单元分别对气体进行逐级累积压缩后交替地排入储气室。