CN112112815A - 一种泵体轴承一体化的超薄微型泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械泵领域，并公开了一种泵体轴承一体化的超薄微型泵。所描述微型泵包括叶轮、上盖、底座、滚珠以及电机定子，其中，所述叶轮包括轮毂以及环向排布的叶片，叶轮轮毂上设有球形凹槽；所述上盖设置有流体工作腔、环形凹槽和密封圈槽；所述底座设置有流体工作腔、环形凹槽和电机槽；滚珠位于叶轮轮毂上的球形凹槽与底座和上盖的环形凹槽之间，用于支承叶轮，并减小叶轮的旋转摩擦。本发明通过将泵体与叶轮作为滚珠轴承的一部分，减小了轴承结构的厚度，同时此种设计无轴承与转子之间的连接件，大幅降低了微型泵的轴向厚度。

Description

一种泵体轴承一体化的超薄微型泵

技术领域

本发明属于微型泵领域，更具体地，涉及一种泵体轴承一体化的超薄微型泵。

背景技术

随着芯片工艺技术的发展，芯片单位面积内晶体管的数量急剧上升，芯片性能飞升的同时，其单位面积的发热功率也急剧增加，传统的风冷散热方式已越来越难满足急剧增加的散热需求。相比于风冷散热，液冷散热技术具有散热能力强、输送距离长、噪声低等显著优点。随着各种电子器件向小型化、轻薄化发展，液冷散热系统对驱动泵的厚度提出了更高的要求。

传统的机械泵大多采用电机与泵体分开设计的结构，由电机内部引出一根轴与泵体的叶轮连接，带动叶轮旋转对流体做功。此种结构电机与泵体相互独立，其整机厚度为两者相互叠加的总和，难以适应轻薄化的场景需求。

针对微型泵的厚度问题，专利CN109356856A公开了一种超薄离心式微型泵，通过将轴承、电机定子、磁环与叶轮设置在同一水平面上排布的方法，使各部件的厚度不会叠加，整机厚度较小。但是，此种方案的轴系设计是一个巨大的挑战。如专利一种具有陶瓷轴系的超薄微型泵(CN110762024A)所公开的轴系设计，其采用陶瓷滑动轴承系统，叶轮通过转子组件与轴连接，但此种方案存在着两个问题：一是轴承系统与叶轮仍需一个圆盘来提供连接，圆盘的存在会导致整机的厚度增加；二是叶片直径相对于轴承直径来说较大，轴在轴承处的微小偏移将会引起叶片处较大的偏移，造成叶片撞击临近壁面，导致噪音和磨损等问题。

此外，专利CN1558990A公开了一种超薄泵及包括该泵的冷却系统，其摒弃了传统意义上的轴承系统，在磁性元件的径向和轴向方向设置凸起结构，此种结构通过凸起结构与泵体之间的滑动摩擦来支承叶轮的旋转。一方面在径向方向设置凸起会增大电机与磁性元件的距离(气隙)，极大影响电机的驱动能力和效率；另一方面靠凸起结构与泵体之间的滑动摩擦工作，其摩擦力较大，且磁性元件不具防腐蚀的能力，长期磨损导致其表面的镀层破坏后会带来严重的可靠性问题。

综上所述，在超薄微型泵的设计当中，轴承系统的设计是一个重要的难点，如何设计一种在有限厚度下具有摩擦力小、可靠性高的轴承系统是目前急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种泵体轴承一体化的超薄微型泵，其目的在于，通过对泵体与叶轮的结构进行改进，直接将泵体和叶轮作为轴承系统的一部分，使得微型泵的厚度大大降低，同时，通过直接在叶轮与上盖和底座之间设置滚珠，使得叶轮泵与滚珠轴承合二为一，将滑动摩擦转为滚动摩擦，降低了叶轮旋转时的摩擦阻力，并且此种结构中轴承上的滚珠距旋转中心的距离与叶片直径几乎相同，减小了由于轴承系统轴系设计原因引起的叶轮偏摆。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种泵体轴承一体化的超薄微型泵，包括上盖、滚珠、叶轮、磁环、底座以及定子，其中：

叶轮包括叶轮轮毂和分布在叶轮轮毂外圈的叶片；叶轮轮毂的上下两个端面分别设有环形槽，上盖与底座分别设有与该环形槽相匹配的球形槽，或者，叶轮轮毂的上下两个端面分别设有球形槽，上盖与底座均设有与该球形槽相匹配的环形槽；

多个滚珠分别位于相互匹配的球形槽和环形槽之间，以将叶轮与上盖、底座之间的滑动摩擦转换为滚动摩擦，减小摩擦阻力；同时，球形槽、环形槽与滚珠的形状相配合，从而限定滚珠的位置，并限定叶轮旋转时的轴向和径向位置，以对叶轮进行支撑和定位；

底座包括定子套筒以及进出口流道；上盖与底座密封、紧固连接，且上盖与底座中的至少一个设有流体工作腔，该流体工作腔为叶轮旋转做功和流体增压的工作腔；底座上设有定子套筒，定子套筒位于流体工作腔内；设于底座上的球形槽或环形槽环绕于定子套筒外围且位于流体工作腔内；进出口流道连通底座的外部与流体工作腔；

定子同轴安装于定子套筒的内部，用于产生交变磁场，激励磁环旋转；

磁环同轴固定于叶轮内侧且同轴套设于定子套筒的外部，在定子产生的交变磁场的激励下，带动叶轮旋转。

进一步地，上盖包括盖板、第一流体工作腔和第一环形槽；底座还包括底板、第二环形槽和第二流体工作腔；底板上表面开设有第二流体工作腔，第二流体工作腔中部设有定子套筒，第二环形槽环绕于定子套筒外围且位于第二流体工作腔内；进出口流道连通底板的外部与第二流体工作腔；上盖的第一流体工作腔与所述底座的第二流体工作腔连通形成叶轮旋转做功和流体增压的工作腔；。

进一步地，定子与磁环的中心位于同一水平面上。

进一步地，叶轮和流体工作腔采用旋涡泵的型式。

进一步地，球形槽的直径与滚珠的直径相等，球形槽为半球状，环形槽的深度小于滚珠的半径。

进一步地，叶轮上下两端的滚珠的数量均至少为4个，以保持叶轮在高速旋转时的稳定性。

进一步地，上盖和底座分别与定子套筒存在一交界面，该交界面密封。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明中上盖和底座分别设置有环形槽用来限定滚珠运动轨迹，叶轮的轮毂端面设置有球形槽，用来维持滚珠的相对位置，从而使得叶轮泵与滚珠轴承合二为一，无需额外的部件来连接叶轮与轴承系统，并创新性地将泵体作为轴承系统的一部分，使得微型泵的厚度能够进一步地降低。并且此种结构中轴承上的滚珠距旋转中心的距离与叶片直径几乎相同，相比于CN110762024A中采用的轴承结构，本发明相当于提升了轴承的直径与叶轮外径的比值，从而减小了由于轴承系统轴系设计原因引起的叶轮偏摆，在同等的有限厚度下本发明具有摩擦力小、可靠性高的优势。

2.本发明采用滚珠轴承系统，相对于滑动轴承系统具有更小的摩擦阻力，且更加易于实现叶轮泵与滚珠轴承的融合设计。

3.本发明通过将轴承系统设计在叶轮轮毂处，轴承距中心距离与叶片直径几乎相同，避免了在中心处设置轴承结构导致轴的微小偏移引起叶片处较大的偏移，较少叶片撞击临近壁面导致的噪音和磨损等问题。

4、定子与流体工作腔由定子套筒分隔开，可以避免液体进入定子区域，导致定子短路。

5、球形槽的直径与滚珠的直径相等，球形槽为半球状，环形槽的深度小于滚珠的半径，可以防止叶轮轮毂端面与上盖和底座接触。

附图说明

图1为按照本发明优选实施例构建的泵体轴承一体化的超薄微型泵的爆炸图；

图2为本发明涉及的微型泵的剖面结构示意图；

图3为本发明涉及的叶轮示意图；

图4为本发明涉及的底座示意图；

图5为本发明涉及的上盖示意图；

图6为本发明涉及的整机装配示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-上盖，101-第一流体工作腔，102-密封槽，103-第一环形槽；2-滚珠；3-叶轮，301-球形槽，302-叶轮轮毂，303-叶片；4-磁环；5-底座，501-定子套筒，502-第二环形槽，503-第二流体工作腔，504-进出口管道；6-定子。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

【实施例1】

如图1-5中所示，本发明实施例提出了一种泵体轴承一体化的超薄微型泵，该超薄微型泵包括上盖1、滚珠2、叶轮3、磁环4、底座5、定子6，其中：

上盖1包括流体工作腔101、密封槽102和环形槽103；叶轮3包括球形槽301、叶轮轮毂302和分布在轮毂外圈的叶片303；底座5包括定子套筒501、环形槽502和流体工作腔503以及进出口流道504；定子6安装在定子套筒501的内部，用于产生交变磁场，激励磁环4旋转；磁环4设置于叶轮3内侧，在交变磁场的激励下，带动叶轮3旋转。

上盖1与底座5通过紧固件进行连接，上盖1的流体工作腔101与所述底座5的流体工作腔503连通形成叶轮3旋转做功和流体增压的工作腔；上盖1的密封圈槽102内设置有密封圈，同时上盖1和底座5均在与定子套筒501的交界面处通过焊接或胶封等方式实现密封，防止液体向外泄露。

超薄微型泵的轴承系统由三部分构成，分别为滚珠2、叶轮上的球形槽301、302、上盖1和底座5上的环形槽103、502，滚珠2位于叶轮3与上盖1、底座5之间，对叶轮3的旋转转换为滚动摩擦，减小摩擦阻力；同时，球形槽301、302与环形槽103、502与滚珠2的形状相配合，限定滚珠2的位置，以限定叶轮3旋转时的轴向和径向位置，达到对叶轮3进行支撑和定位的作用。

在本实施例中，为了保证运行的稳定和低噪音，采用每侧8个滚珠的结构；微型泵在运转时，叶轮在重力的作用下压紧一边的滚珠，对叶轮进行滚动支承，另外一边的滚珠则被限制在球形槽和圆环形凹槽中，不会脱离运行轨道，从而使得叶轮在运转的时候会有一个很微小的轴向窜动量，避免卡死的风险。

下面对本发明提供的泵体轴承一体化的超薄微型泵的工作过程作具体描述，定子6在电机驱动器的电流驱动下产生交变磁场，磁环4在交变磁场的作用下带动叶轮4旋转，工作液体从进口管道504流入流体工作腔101、503，旋转叶轮4对液体做功，使得工作液体的总压升高，并从出口管道流出，使得超薄微型泵产生驱动工作液体流动的功能。

【实施例2】

本实施例与实施例1的主要区别在于，仅在上盖1与底座5中的一个设有流体工作腔，例如仅设置第二流体工作腔503，此时可以配合将底座5加厚而将上盖1减薄。同时，考虑到密封可靠性的问题，可以将密封槽102设置在底座5上，或者将上盖1更换为强度更高的材料。此外，还可以将环形槽103、502与球形槽301交换位置。

总体而言，本发明通过将泵体与叶轮作为滚珠轴承的一部分，减小了轴承结构的厚度，同时此种设计无轴承与转子之间的连接件，大幅降低了微型泵的轴向厚度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，包括上盖(1)、滚珠(2)、叶轮(3)、磁环(4)、底座(5)以及定子(6)，其中：

叶轮(3)包括叶轮轮毂(302)和分布在叶轮轮毂(302)外圈的叶片(303)；叶轮轮毂(302)的上下两个端面分别设有环形槽，上盖(1)与底座(5)分别设有与该环形槽相匹配的球形槽(301)，或者，叶轮轮毂(302)的上下两个端面分别设有球形槽(301)，上盖(1)与底座(5)均设有与该球形槽(301)相匹配的环形槽；

多个滚珠(2)分别位于相互匹配的球形槽(301)和环形槽之间，以将叶轮(3)与上盖(1)、底座(5)之间的滑动摩擦转换为滚动摩擦，减小摩擦阻力；同时，球形槽(301)、环形槽与滚珠(2)的形状相配合，从而限定滚珠(2)的位置，并限定叶轮(3)旋转时的轴向和径向位置，以对叶轮(3)进行支撑和定位；

底座(5)包括定子套筒(501)以及进出口流道(504)；上盖(1)与底座(5)密封、紧固连接，且上盖(1)与底座(5)中的至少一个设有流体工作腔，该流体工作腔为叶轮(3)旋转做功和流体增压的工作腔；底座(5)上设有定子套筒(501)，定子套筒(501)位于流体工作腔内；设于底座上的球形槽(301)或环形槽环绕于定子套筒(501)外围且位于流体工作腔内；进出口流道(504)连通底座(5)的外部与流体工作腔；

定子(6)同轴安装于定子套筒(501)的内部，用于产生交变磁场，激励磁环(4)旋转；

磁环(4)同轴固定于叶轮(3)内侧且同轴套设于定子套筒(501)的外部，在定子(6)产生的交变磁场的激励下，带动叶轮(3)旋转。

2.如权利要求1所述的泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，上盖(1)包括盖板(104)、第一流体工作腔(101)和第一环形槽(103)；底座(5)还包括底板、第二环形槽(502)和第二流体工作腔(503)；底板(505)上表面开设有第二流体工作腔(503)，第二流体工作腔(503)中部设有定子套筒(501)，第二环形槽(502)环绕于定子套筒(501)外围且位于第二流体工作腔(503)内；进出口流道(504)连通底板(505)的外部与第二流体工作腔(503)；上盖(1)的第一流体工作腔(101)与所述底座(5)的第二流体工作腔(503)连通形成叶轮(3)旋转做功和流体增压的工作腔。

3.如权利要求1或2所述的泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，定子(6)与磁环(4)的中心位于同一水平面上。

4.如权利要求1或2所述的泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，叶轮(3)和流体工作腔采用旋涡泵的型式。

5.如权利要求1或2所述的泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，球形槽(301)的直径与滚珠(2)的直径相等，球形槽(301)为半球状，环形槽的深度小于滚珠(2)的半径。

6.如权利要求1或2所述的泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，叶轮(3)上下两端的滚珠(2)的数量均至少为4个，以保持叶轮在高速旋转时的稳定性。

7.如权利要求1或2所述的泵体轴承一体化的超薄微型泵，其特征在于，上盖(1)和底座(5)分别与定子套筒(501)存在一交界面，该交界面密封。

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