CN110094329A - 一种工作在工频下的谐振式压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工作在工频下的谐振式压电泵，属于压电共振装置。它包括由压电陶瓷、音叉型振子、质量块、螺栓、连接器、椭圆形连接片组成的激振系统和上泵体、中间体、下泵体、泵腔薄膜、进口阀、出口阀、进水管板、出水管板组成的泵体构成。在工频电源的驱动下，压电振子弯曲变形产生周期变化的惯性冲击力，惯性冲击力通过连接器与椭圆连接片作用于泵腔薄膜上，从而实现对流体的定向驱动。

Description

一种工作在工频下的谐振式压电泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，尤其涉及一种工作在工频下的谐振式压电泵。

背景技术

压电泵是以压电振子作为驱动力源的新型流体传输装置，具有显著的优点，如体积小、成本低、结构简单、无电磁干扰等。在化学分析、生物医学以及微机电工程等领域具有很大需求。

现有的压电泵在工频下驱动时，是工作在准静态下，不利于压电陶瓷输出阻抗与泵腔的匹配，同时相较于谐振驱动压电泵机电转换的效率较低。工作在准静态下压电振子需要与传输的液体直接接触，降低了压电振子的使用寿命。

发明内容

本发明为了提高压电泵的使用寿命和输出性能，降低驱动电路复杂性，提出了一种工作在工频下的谐振式压电泵。

本发明采用如下技术方案：

一种工作在工频下的谐振式压电泵，中间体两侧设有进水口和出水口，上泵体和与中间体之间设有上泵腔薄膜，下泵体与中间体之间设有下泵腔薄膜，泵腔薄膜与中间体一起组成泵腔，泵腔两侧分别设有进水口与出水口，进水口处固定连接进水阀，出水口处固定连接出水阀。

压电振子由压电陶瓷和音叉型振子粘结而成，音叉振子外端侧固定有质量块。

压电振子通过连接器和椭圆连接片与泵腔薄膜连接，所述连接器内攻有螺纹，压电振子通过螺栓与连接器连接。

处于工作状态时，采用压电振子作为驱动动力源，驱动力源与泵腔薄膜、单向阀(进水阀和出水阀)、泵腔、被驱动流体组成谐振系统。

当给压电振子施加正弦交变的激励信号时，压电振子弯曲变形产生周期变化的惯性冲击力，惯性冲击力通过连接器与椭圆连接片作用于泵腔薄膜上，从而实现对流体的定向驱动。

质量块是为了控制压电振子的谐振频率而设置，通过改变质量块的尺寸与质量，将压电振子的谐振频率调整到工频。

音叉振子选用音叉型结构，是因为音叉工作在谐振状态下，工作模态为反向工作模态，工作频率为工频(50HZ/60HZ)。

压电振子通过压电陶瓷的逆压电效应将交变电压转换为交变变形，从而为压电泵系统提供激励，但其本身的交变变形并不直接作用于流体之上，而是通过连接器与椭圆连接片进行传递。

连接器是为了将压电振子输出的交变变形传递到泵腔薄膜上而设置。

音叉型振子上设置有长槽，方便连接器调整位置，实现压电振子输出与泵腔腔体的阻抗匹配优化。

泵腔薄膜上固定有椭圆连接片，是为了增加泵腔薄膜的受力面积。

进水口和出水口设置在泵腔两侧，是为了避免流体在泵腔内的流动方向发生90°和180°的大角度变化，以利于降低能量损耗。

本发明的有益效果：

压电陶瓷不与被驱动流体直接接触，提高了压电陶瓷材料的使用寿命。压电振子处于开放的空间内，散热好，适于驱动不宜散热的流体，如大粘度液体。

本发明的压电泵系统工作在工频下，有利于降低驱动电路的复杂性和成本。工作在谐振状态下有利于提高压电泵的流量和压力的输出能力，还能提高系统机电转换的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明激振系统示意图；

图3为本发明泵体结构示意图；

图4为本发明结构爆炸图Ⅰ；

图5为本发明结构爆炸图Ⅱ；

图6为本发明压电振子的振动模态图Ⅰ；

图7为本发明压电振子的振动模态图Ⅱ。

图中：1-压电陶瓷、

101-上压电陶瓷片、102-下压电陶瓷片、

2-音叉型振子、

201-上振动梁、202-下振动梁、

3-质量块、

301-上质量块、302-下质量块、

4-出水管板、

5-螺栓、

501-上螺栓、502-下螺栓、

6-连接器、

601-上连接器、602-下连接器、

7-椭圆连接片、

701-上椭圆连接片、702-下椭圆连接片、

8-上泵体、

901-上泵腔薄膜、902-下泵腔薄膜、

10-中间体、

11-进口阀、

111-左进水阀、112-右进水阀、

12-出水阀、13-下泵体、14-进水管板、

15-进水口、

151-左进水口，152-右进水口、

16-出水口、

17-长槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明的一种工作在工频下的谐振式压电泵，由激振系统和泵体组成，激振系统由压电陶瓷1、音叉型振子2、质量块3、螺栓5、连接器6、椭圆连接片7组成。

如图2，压电陶瓷1分为上压电陶瓷片101和下压电陶瓷片101，音叉型振子2分为上振动梁201和下振动梁202，质量块3分为上质量块301和下质量块302，上压电陶瓷片101粘接在上振动梁201上，下压电陶瓷片101粘接在下振动梁202上，上振动梁201外端侧固定有上质量块301，下振动梁202外端侧固定有下质量块302。压电陶瓷1和音叉型振子2及质量3块构成压电振子。

连接器6分为上连接器601和下连接器602，椭圆连接片7分为上椭圆连接片701和下椭圆连接片702，上振动梁201的内侧通过粘接剂与上连接器601上端面粘接连接，上连接器601的下端面通过粘接剂与上椭圆连接片701的上端面粘接连接，上椭圆连接片701的下端面通过粘接剂与上泵腔薄膜901粘接连接。

同理，下振动梁202的内侧端面通过粘接剂与下连接器602的下端面粘接连接，下连接器602的上端面通过粘接剂与下椭圆连接片702的下端面粘接连接，下椭圆连接片702的上端面通过粘接剂与下泵腔薄膜902粘接连接。

并且，螺栓5分为上螺栓501和下螺栓502，上连接器601、下连接器602内攻有螺纹，上螺栓501穿过上振动梁201上的长槽17连接上连接器601内螺纹，下螺栓502穿过下振动梁202上的长槽17连接下连接器602内螺纹。

如图3，泵体由上泵体8、中间体10、下泵体13、上泵腔薄膜901、下泵腔薄膜902、进口阀11、出口阀12、进水管板14和出水管板4组成。上泵腔薄膜901粘接与中间体10和上泵体8之间，下泵腔薄膜902粘接于中间体10和下泵体13之间，上泵腔薄膜901、中间体10、下泵腔薄膜901构成泵腔，泵腔两侧开有进水口15和出水口16，进水管板14与进水口15连通，出水管板4与出水口16连通，左进水阀111和右进水阀112均为悬臂梁式隔膜单向阀，左进水阀111通过两端粘接在中间体10上方式固定在进水口15处，右进水阀112也通过两端粘接在中间体10上的方式固定在进水口15处。

出口阀12两端粘接在中间体10上的方式固定于出水口16处。

所述上泵体8、中间体10、下泵体13、进水管板14和出水管板4均由3D打印制作，材料为树脂，使用密封胶密封固定，使用DP460胶按1:2比例配置，均匀涂抹于泵体边缘，放入烤箱在60℃烤制60mi n。

本发明的工作模式是：

在工频电源的激励下，音叉型压电振子2的振动梁会发生周期性的弯曲变形，如图6、图7所示，通过连接器6与椭圆连接片7使泵腔薄膜发生上下往复塑性变形，从而引起泵腔的腔体容积和压强发生周期性变化。

音叉型振子2的上振动梁201和下振动梁202在谐振状态下同时向外弯曲时，上连接器601与上椭圆连接片701随之向上移动，下连接器602与下椭圆连接片702随之向下移动，带动上泵腔薄膜901向上产生塑性变形，下泵腔薄膜902向下产生塑性变形，泵腔的腔体容积增大，压强减小，从而进口阀11和出口阀12同时向泵腔内方向拉伸，左进水阀111和右进水阀112均处于打开状态，流体通过进水管板14、进水口15、进口阀11进入泵腔。

音叉型振子2的上振动梁201和下振动梁202在谐振状态下向内弯曲时，上连接器601与上椭圆连接片701随之向下移动，下连接器602与下椭圆连接片702随之向上移动，带动上泵腔薄膜901向下产生塑性变形，上泵腔薄膜902向上产生塑性变形，泵腔的腔体容积减小，压强增大，从而进口阀11和出口阀12同时向泵腔外部方向拉伸，出口阀12处于打开状态，流体通过出水口16、出口阀12、出水管板4流出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种工作在工频下的谐振式压电泵，由激振系统和泵体组成，激振系统包括压电陶瓷，音叉型振子，质量块，螺栓，连接器，椭圆形连接片，其特征在于，所述压电陶瓷粘接在音叉型振子上，音叉型振子外端侧固定有质量块，音叉型振子与连接器粘接连接，连接器与椭圆形连接片粘接连接，连接器上攻有螺纹，音叉型振子还通过螺栓与连接器通过螺纹连接，压电陶瓷和音叉型振子粘接构成压电振子。

2.根据权利要求1所述的一种工作在工频下的谐振式压电泵，其特征在于，所述的音叉型振子上设有长槽，螺栓固定于长槽内。

3.根据权利要求1所述的一种工作在工频下谐振式压电泵，其特征在于，所述质量块的质量和尺寸均可根据谐振频率改变，使压电振子的谐振频率为工频。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种工作在工频下的谐振式压电泵，其特征在于，泵体包括上泵体、下泵体、中间体、上泵腔薄膜、下泵腔薄膜、进口阀、出口阀、进水管板、出水管板，上泵腔薄膜粘接与上泵体与中间体之间，下泵腔薄膜粘接于下泵体与中间体之间，上泵腔薄膜、下泵腔薄膜、中间体构成泵腔，泵腔两侧开有进水口和出水口，进水阀和出水阀均通过两端粘接在中间体上的形式分别固定在进水口和出水口处，进水管板与进水口连通，出水管板与出水管连通。

5.根据权利要求4所述的一种工作在工频下的谐振式压电泵，其特征在于，压电陶瓷分为上压电陶瓷和下压电陶瓷，音叉型振子分为上振动梁和下振动梁，质量块分为上质量块和下质量块，螺栓分为上螺栓和下螺栓，连接器分为上连接器和下连接器，椭圆形连接片分为上椭圆形连接片和下椭圆形连接片，上压电陶瓷片粘接在上振动梁上，下压电陶瓷片粘接在下振动梁上，上振动梁外端侧固定有上质量块，下振动梁外端侧固定有下质量块，上振动梁的内侧通过粘接剂与上连接器上端面粘接连接，上连接器的下端面通过粘接剂与上椭圆连接片的上端面粘接连接，上椭圆连接片的下端面通过粘接剂与上泵腔薄膜粘接连接，下振动梁的内侧端面通过粘接剂与下连接器的下端面粘接连接，下连接器的上端面通过粘接剂与下椭圆连接片的下端面粘接连接，下椭圆连接片的上端面通过粘接剂与下泵腔薄膜粘接连接。

6.根据权利要求4所述的一种工作在工频下谐振式压电泵，其特征在于，所述进水阀为2个，分为左进水阀和右进水阀；进水阀和出水阀均为悬臂梁式隔膜单向阀，材料为PDMS，厚度为0.1mm～0.5mm。

7.根据权利要求4所述的一种工作在工频下谐振式压电泵，其特征在于，所述上泵体、下泵体、中间体、进水管板、出水管板均通过3D打印制作，材料为树脂。