CN112081723A - 一种基于谐振差分位移放大压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振差分位移放大压电泵，包括壳体，壳体两端通过前端盖和后端盖密封，流体从前端盖一侧流入，从后端盖一侧流出；在壳体和两个端盖围成的空间内，第一压电致动器、活塞、弹簧和活塞缸组成第一弹簧质量阻尼系统，在第一压电致动器驱动下，迫使第一弹簧质量阻尼系统产生谐振；第二压电致动器、换能器、活塞缸和活塞组成第二弹簧质量阻尼系统，在第二压电致动器驱动下，迫使换能器产生谐振，换能器带动嵌套其内的活塞缸往复运动；第一压电致动器和第二压电致动器驱动电压频率一致，且驱动电压相位差为零，使活塞和活塞缸振动频率一致，产生谐振差分位移放大。本发明结构紧凑，适用于高频工作场合，输出压力高，流量大，能耗低。

Description

一种基于谐振差分位移放大压电泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，尤其涉及一种基于谐振差分位移放大压电泵。

背景技术

随着压电智能材料的快速发展，压电泵作为流体输送过程中的关键部件，自20世纪70年代以来就引起了人们越来越多的关注。压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出的新型流体泵。因为压电泵在工作过程中无电动机，无旋转部件，仅利用压电陶瓷片为其动力驱动源，因此具有体积小、结构简单、效率高、控制方便、无电磁干扰、能耗低等优点，在生物医药工程、喷墨打印机、微机械等领域得到越来越多的应用和发展，多年来其形式和应用场合不断得到突破，性能也在不断提高。但由于单个压电陶瓷片变形小，且普通的止回阀在压电泵高频工作时会产生滞后，不能完全闭合而产生回流，压电驱动的往复泵中应用止回阀配流时遇到的流量瓶颈问题已无法满足对响应速度快、大流量、高精度、高压力要求的场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于谐振差分位移放大压电泵，该压电泵结构紧凑，可适用于高频工作场合，且输出压力高，流量精准可控，能耗低。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于谐振差分位移放大压电泵，包括壳体，壳体两端通过前端盖和后端盖密封，流体从前端盖一侧流入，从后端盖一侧流出；在壳体和两个端盖围成的空间内，第一压电致动器、活塞、弹簧和活塞缸组成第一弹簧质量阻尼系统，在第一压电致动器驱动下，迫使该第一弹簧质量阻尼系统产生谐振；第二压电致动器、换能器、活塞缸和活塞组成第二弹簧质量阻尼系统，在第二压电致动器驱动下，迫使换能器产生谐振，换能器带动嵌套其内的活塞缸往复运动；第一压电致动器和第二压电致动器驱动电压频率一致，且驱动电压相位差为零，使活塞和活塞缸振动频率一致，产生谐振及差分位移放大。

优选的，后端盖处设有螺栓，螺栓与换能器通过螺纹连接在一起，螺栓把第三垫片和第二压电致动器紧固在换能器一端。

优选的，前端盖、活塞、活塞缸、换能器、螺栓和后端盖均设有中心孔，各个部件中心孔的轴线重合，形成一流道，流体从前端盖一侧流入，从后端盖一侧流出，进出口及流道在一条轴线上；所述活塞与活塞缸之间安装有第一止回阀，活塞缸和换能器之间安装有第二止回阀。中心轴重合可以减少流道方向改变产生的压力损失。设置两个止回阀用于限制泵腔中流体的流向，并使得压电泵每次吸入和排出的液体流量固定，进而便于后续精确计算压电泵排出的流量。

更进一步的，所述活塞缸截面为U形，一端开口，U形底部加工有中心孔，且U形底部两端向外突出。

更进一步的，第一止回阀和第二止回阀结构相同，顶端为球体面，由三个120度均布的设有柔性铰链的弹性薄片支撑，底部为一个短圆柱，短圆柱内部开设锥形孔，其中弹性薄片与底部短圆柱固定连接。

优选的，所述换能器整体为圆筒形状，圆筒上开设有若干条螺旋槽，以降低其谐振频率，换能器内部设有若干个阶梯孔，第二止回阀安装在其中一个阶梯孔内。

优选的，施加到第一压电致动器和第二压电致动器上的驱动电压频率与第一弹簧质量阻尼系统、第二弹簧质量阻尼系统的固有频率相同或相近，第一止回阀和第二止回阀的固有频率高于两个弹簧质量阻尼系统的固有频率。

优选的，第一压电致动器和第二压电致动器中间为通孔，采用单片压电陶瓷，或者普通压电叠堆，或者拔型压电叠堆，工作时的振动模式为纵向振动。

优选的，前端盖末端通过第二垫片、第一压电致动器压紧活塞，活塞与壳体通过弹簧支撑。

更进一步的，在前端盖和壳体之间设有第一垫片。该第一垫片可以用于调节弹簧预紧力，也可以用于调节活塞和活塞缸组成泵腔的大小。

优选的，活塞缸通过扣接或螺纹连接嵌套在换能器内部，换能器与壳体通过螺纹连接或者扣接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过第一压电致动器、活塞、弹簧和活塞缸组成第一弹簧质量阻尼系统，第二压电致动器、换能器、活塞缸和活塞组成第二弹簧质量阻尼系统，两个弹簧质量阻尼系统工作频率保持一致且相向运动(排液)或反向运动(泵吸)，通过谐振差分位移放大来增加泵腔容积变化量，进而增加泵的排出流量。

2、本发明采用在圆周上呈120度均布的带柔性铰的弹性薄片作为止回阀支撑，该阀谐振频率高，泵在高频工作时仍然能够正常工作。

3、本发明采用带螺旋槽的套筒作为换能器，螺旋槽可降低换能器谐振频率，构成低频换能器，该换能器产生的谐振带动活塞缸往复运动，实现活塞与活塞缸的位移谐振差分放大。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于谐振差分位移放大压电泵的主剖视图。

图2是本发明实施例中第一止回阀结构图。

图3是本发明实施例中换能器结构图。

图4是本发明实施例一种基于谐振差分位移放大压电泵的爆炸图。

其中：1—前端盖；2—第一垫片；3—第二垫片；4—第一压电致动器；5—活塞；6—弹簧；7—活塞缸；8—第一止回阀；9—换能器；10—第二止回阀；11—第二压电致动器；12—第三垫片；13—后端盖；14—螺栓；15—壳体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、4所示，本实施例公开一种基于谐振差分位移放大压电泵，主要结构包括前端盖1、壳体15、第一压电致动器4、第二压电致动器11、活塞5、弹簧6、活塞缸7、换能器9、第一止回阀8、第二止回阀10、螺栓14、第一垫片2、第二垫片3、第三垫片12和后端盖13。

其中，前端盖1、壳体15和后端盖13三者密封，流体从前端盖一侧流入，从后端盖一侧流出。前端盖1与后端盖13均可通过螺纹与壳体15连接，其他部件均设置在壳体和两个端盖围成的空间内。壳体15内部加工有阶梯孔，阶梯孔用于其他部件的安装与定位。

本实施例中前端盖1末端通过第二垫片3、第一压电致动器4压紧活塞5，活塞5与壳体15通过弹簧6支撑，可通过第一垫片2调节弹簧6的预紧力。活塞缸7套在换能器9内部，活塞缸7与换能器9扣接或螺纹连接，换能器9与壳体15通过螺纹连接或者扣接。螺栓14与换能器9通过螺纹连接在一起，螺栓14把第三垫片12和第二压电致动器11紧固在换能器9一端；活塞5与活塞缸7之间安装有第一止回阀8，活塞缸7和换能器9之间安装有第二止回阀10，并通过第一垫片2调节活塞5和活塞缸7组成泵腔的大小，后端盖13将上述零部件封装于壳体15内部。

本实施例中，第一压电致动器4、活塞5、弹簧6和活塞缸7组成第一弹簧质量阻尼系统，在第一压电致动器4驱动下，迫使该弹簧质量阻尼系统产生强迫振动，当驱动频率与该系统固有频率一致时，该系统产生谐振，活塞5末端的位移最大。同时，第二压电致动器11、换能器9、活塞缸7和活塞5组成第二弹簧质量阻尼系统，在第二压电致动器11驱动下，迫使换能器9产生谐振，换能器9带动嵌套其内的活塞缸7往复运动。控制两个压电致动器工作频率，使活塞和活塞缸振动频率一致，从而产生谐振差分位移放大。

本实施例中，所述第一压电致动器4和第二压电致动器11中间为通孔，第一压电致动器4和第二压电致动器11可以是单片压电陶瓷，也可以是普通压电叠堆，也可以是拔型压电叠堆等，其工作时的振动模式为纵向振动。

本实施例中，所述前端盖1、活塞5、活塞缸7、换能器9、螺栓14和后端盖13均设有中心孔，流体从前端盖1一侧流入，从后端盖13一侧流出，进出口及流道在一条轴线上，以减少流道方向改变产生的压力损失。活塞缸7截面为U形，一端开口，U形底部加工有中心孔，且U形底部两端向外突出，便于进行定位。

如图2所示，本实施例中，第一止回阀8与第二止回阀10结构相同，顶端为球体面，由三个120度均布的设有柔性铰链的弹性薄片支撑，底部为一个短圆柱，短圆柱内部开设锥形孔；其中弹性薄片与底部短圆柱可一体成型或者二者焊接一起或者二者通过螺钉连接一起。

如图3所示，本实施例换能器9一端为圆筒并开设有若干条螺旋槽，以降低其谐振频率，换能器9另外一端加工有螺纹孔，换能器9中间为光滑圆孔，用于安装第二止回阀10。

本实施例压电泵的工作过程如下：

给第一压电致动器4和第二压电致动器11施加相同频率、同相位的正弦电压，施加的正弦电压频率与所设计的弹簧质量阻尼系统的固有频率相同或相近，第一止回阀8和第二止回阀10的固有频率高于以上两个弹簧质量阻尼系统的固有频率；

当电压逐渐增加时，第一压电致动器4产生纵向拉伸变形，推动活塞5向右运动；同时压电致动器11产生纵向拉伸变形，推动换能器9向左运动，换能器9带动活塞缸7一起向左运动，此时，泵腔被压缩，泵腔内压力升高，由于第一止回阀8阻挡了左侧流道，因此流体只能向右侧流动，并推开第二止回阀10向右侧出口流动，压电泵完成一次排液动作。此时活塞5和活塞缸7的运动位移除了第一压电致动器4和第二压电致动器11因施加电压产生的位移，还有因致动器振动频率与弹簧质量阻尼系统固有频率相同或相近而产生的谐振放大的位移；

当电压逐渐降低时，第一压电致动器4产生纵向压缩变形，在弹簧5弹力作用下推动活塞5向左运动；同时压电致动器11产生纵向压缩变形，推动换能器9向右运动，换能器9带动活塞缸7一起向右运动，此时，泵腔体积扩大，泵腔内压力降低，由于第二止回阀10阻挡了右侧流道，因此流体推开第一止回阀8流入泵腔，压电泵完成一次吸液动作。

在施加正弦电压后，压电泵不断完成以上两个动作，液体不断从入口吸入从出口排出，由于第一止回阀8和第二止回阀10的作用，压电泵每次吸入和排出的液体流量是固定的，压电泵排出的流量是可精确计算的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，包括壳体，壳体两端通过前端盖和后端盖密封，流体从前端盖一侧流入，从后端盖一侧流出；在壳体和两个端盖围成的空间内，第一压电致动器、活塞、弹簧和活塞缸组成第一弹簧质量阻尼系统，在第一压电致动器驱动下，迫使第一弹簧质量阻尼系统产生谐振；第二压电致动器、换能器、活塞缸和活塞组成第二弹簧质量阻尼系统，在第二压电致动器驱动下，迫使换能器产生谐振，换能器带动嵌套其内的活塞缸往复运动；第一压电致动器和第二压电致动器驱动电压频率一致，且驱动电压相位差为零，使活塞和活塞缸振动频率一致，产生谐振及差分位移放大。

2.根据权利要求1所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，后端盖处设有螺栓，螺栓与换能器通过螺纹连接在一起，螺栓把第三垫片和第二压电致动器紧固在换能器一端。

3.根据权利要求2所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，前端盖、活塞、活塞缸、换能器、螺栓和后端盖均设有中心孔，各个部件中心孔的轴线重合，形成一流道，流体从前端盖一侧流入，从后端盖一侧流出，进出口及流道在一条轴线上；所述活塞与活塞缸之间安装有第一止回阀，活塞缸和换能器之间安装有第二止回阀。

4.根据权利要求1所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，所述活塞缸截面为U形，一端开口，U形底部加工有中心孔，且U形底部两端向外突出。

5.根据权利要求3所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，第一止回阀和第二止回阀结构相同，顶端为球体面，由三个120度均布的设有柔性铰链的弹性薄片支撑，底部为一个短圆柱，短圆柱内部开设锥形孔，其中弹性薄片与底部短圆柱固定连接。

6.根据权利要求3所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，所述换能器整体为圆筒形状，圆筒上开设有若干条螺旋槽，换能器内部设有若干个阶梯孔，第二止回阀安装在其中一个阶梯孔内。

7.根据权利要求3或5所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，施加到第一压电致动器和第二压电致动器上的驱动电压频率与第一弹簧质量阻尼系统、第二弹簧质量阻尼系统的固有频率相同或相近，第一止回阀和第二止回阀的固有频率高于两个弹簧质量阻尼系统的固有频率。

8.根据权利要求1所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，前端盖末端通过第二垫片、第一压电致动器压紧活塞，活塞与壳体通过弹簧支撑。

9.根据权利要求8所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，在前端盖和壳体之间设有第一垫片。

10.根据权利要求1所述的基于谐振差分位移放大压电泵，其特征在于，活塞缸通过扣接或螺纹连接嵌套在换能器内部，换能器与壳体通过螺纹连接或者扣接；

第一压电致动器和第二压电致动器中间为通孔，采用单片压电陶瓷，或者普通压电叠堆，或者拔型压电叠堆，工作时的振动模式为纵向振动。

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