CN113007077B - 一种阵列式压电隔膜泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列式压电隔膜泵，属于压电泵技术领域。包括压电驱动器和两只以上的隔膜泵；压电驱动器的工字型本体的顶板为上驱动臂、底板为下驱动臂、中部为直立板；每只驱动臂的根部上下侧面上分别设有压电片，直立板的两侧面上分别设有压电片，均构成压电双晶片结构；所有压电片通过导线串联或并联；两只以上的隔膜泵分组，分别固定设于直立板两侧的工字型本体内；当交流电源的激励频率为所述压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率时，所述压电驱动器驱动多个隔膜泵以同一谐振频率连续泵送流体。本发明采用一个驱动器驱动多个隔膜泵，只需一路驱动电源，可有效降低阵列式压电隔膜泵驱动电源的复杂性和控制要求，提高输出性能和工作可靠性。

Description

一种阵列式压电隔膜泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，具体涉及一种阵列式压电隔膜泵。

背景技术

压电泵是一种新型的流体输送装置，常见的压电隔膜泵的结构可分为压电驱动器和隔膜泵两部分；压电驱动器一般为压电陶瓷片和弹性金属层粘接而成的压电双晶片（或单晶片），在交变电场的作用下，压电陶瓷片产生平面伸缩变形，致使压电双晶片发生弯曲变形并使隔膜泵的泵腔体积交替变化，再配合单向阀的使用，从而实现流体输送功能。

在压电隔膜泵中，一般将作为压电驱动器的压电双晶片与隔膜泵的泵腔设计成一体式结构，压电双晶片四周固定以使泵腔密封。这种一体式结构虽然有利于减小压电泵的整体尺寸，但不利于易损部件的更换，增加了压电泵的运行和维护成本。从压电泵的性能上来说，压电驱动器直接作用于泵腔及流体，不利于压电驱动器与泵腔及流体的机械阻抗匹配，也会缩短压电驱动器的使用寿命；压电双晶片的四周固定，约束了其弯曲变形的幅度，从而导致压电泵的输出性能和运行效率较低。理论上，可以使压电驱动器工作在谐振状态，以增加其振动幅度，提高压电隔膜泵的输出性能和效率；但对于四周固定的压电双晶片，其一阶弯曲振动的谐振频率一般较高，而传统单向阀因其滞后性，很难与压电驱动器的谐振频率相匹配。

为了解决上述问题，可以分别设计压电驱动器与隔膜泵，然后装配成压电泵，一方面压电驱动器与隔膜泵可拆卸，易于更换损坏部件，有效降低了压电泵的运行维护成本；另一方面压电驱动器的振动位移通过一定的连接机构作用于泵腔隔膜，可以改善压电驱动器与泵腔及流体的机械阻抗匹配特性，有助于延长压电驱动器的使用寿命。特别地，由于压电驱动器的谐振频率可以通过结构设计方便地调整到合适的范围，此类压电泵通常工作在谐振状态，其输出性能和运行效率都有较大的提高。需要注意的是，为了使压电泵工作在谐振状态，驱动电源的频率应尽可能接近压电驱动器的谐振频率，或者设计可自动追踪压电泵谐振频率的振荡电路进行闭环控制。

当对压电泵的输出流量、压强或功率有较高的需求时，可以将多个压电泵级联组成压电泵阵列。但是对于在谐振状态工作的压电泵，即使采用相同结构和尺寸的压电驱动器，由于加工和装配误差，以及压电泵的工作环境和工作状态不同，不同压电泵的谐振频率会有一定差别，无法共用同一路驱动电源。因此，当需要将多个谐振式压电泵级联组成压电泵阵列时，为使所有压电泵工作在最佳状态，需要设置多路驱动电源，并将每一路驱动电源的输出频率调节至相应压电泵的谐振频率，这将极大增加系统的复杂性和成本，降低系统的可靠性。

发明内容

为了解决阵列式压电泵系统中由于各个压电泵的谐振频率不一致而造成的驱动电路复杂、控制成本高、工作可靠性低等问题，本发明设计出一种采用一个驱动器和多个隔膜泵组成的阵列式压电隔膜泵。

一种阵列式压电隔膜泵包括压电驱动器1和两只以上的隔膜泵2；

所述压电驱动器1包括工字型本体3，工字型本体3的顶板为上驱动臂6、底板为下驱动臂5、中部为直立板7；直立板7两侧的上驱动臂6分别为第一驱动臂61和第二驱动臂62，第一驱动臂61的外端和第二驱动臂62的外端分别连接着质量块9；直立板7两侧的下驱动臂5分别为第三驱动臂51和第四驱动臂52，第三驱动臂51的外端和第四驱动臂52的外端分别连接着质量块9；每只驱动臂的根部上下侧面上分别设有压电片4，构成压电双晶片结构；直立板7的两侧面上分别设有压电片4，构成压电双晶片结构；所有压电片4通过导线10串联或并联连接；

所述两只以上的隔膜泵2为两对隔膜泵或两只隔膜泵；所述两对隔膜泵分别固定设于直立板7两侧的工字型本体3内；所述两只隔膜泵分别固定设于直立板7两侧的工字型本体3内；

当交流电源的激励频率为所述压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率时，所述压电驱动器1驱动两对隔膜泵或两只隔膜泵以同一谐振频率连续泵送流体。

进一步地具体技术方案如下：

所述工字型本体3的材料为金属，除压电片4外的其余表面涂覆有绝缘漆。

所述上驱动臂6和下驱动臂5结构相同，上驱动臂6的宽度为5～200mm、厚度为0.5～5mm、长度为20～200mm；所述直立板7的厚度为0.5～5mm、长度为10～50mm；所述质量块9的长度为1～25mm、高度为1～20mm。

所述压电片4材料为压电陶瓷或压电单晶；压电片4的厚度为0.01～1mm、宽度与上驱动臂6的宽度相同、长度为1～50mm。

每对隔膜泵呈重叠状，且背靠背固定设于直立板7两侧的工字型本体3内。

所述工字型本体3的第一驱动臂61和第三驱动臂51上分别开设有上下对应的一对腰形孔8、第二驱动62和第四驱动52上分别开设有上下对应的一对腰形孔8，用于调整两对隔膜泵在驱动臂上的位置，实现调整机械阻抗匹配特性，进而实现调节所述阵列式压电隔膜泵的输出特性。

所述两对隔膜泵中的每对隔膜泵并联连接或串联连接。

所述直立板7上设有第一压电片41和第二压电片42，构成第一压电双晶片401；

所述第一驱动臂61设有第四压电片44和第三压电片43，构成第二压电双晶片402；

所述第二驱动臂62上设有第五压电片45和第六压电片46，构成第三压电双晶片403；

所述第三驱动臂51上设有第七压电片47和第八压电片48，构成第四压电双晶片404；

所述第四驱动臂52上设有第十压电片40和第九压电片49，构成第五压电双晶片405。

所述第一驱动臂61外端的质量块9和第二驱动臂62外端的质量块9均连接着外端的下部；所述第三驱动臂51外端的质量块9和第四驱动臂52外端的质量块9均连接着外端的上部。

所述隔膜泵2为层叠式隔膜泵。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明提出一种新型的压电驱动器结构，可以采用一个驱动器在谐振状态同时驱动多个隔膜泵，只需要一路驱动电源，有效降低了阵列式压电隔膜泵所需驱动电源的复杂性和控制要求，提高了输出性能和工作可靠性。

（2）本发明的压电驱动器采用音叉式的对称结构设计，结构紧凑、易于加工；工作模态为一阶反相弯曲谐振模态，该谐振模态具有压电片表面应变分布均匀、机械品质因子高的特点，因而驱动性能高、工作可靠性好。

（3）本发明采用可循环利用的压电驱动器和可替换的隔膜泵，易于更换损坏部件，降低使用成本；多个隔膜泵之间可以并联或串联连接，易于调整压电泵的整体输出性能；隔膜泵在压电驱动器上的安装位置容易调节，可以方便地调节压电驱动器和隔膜泵之间的机械阻抗匹配特性，实现最佳阻抗匹配。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是压电驱动器的结构示意图。

图3是压电片设置为并联压电双晶片时，各个压电片的极化方向设置及驱动电源的连接方式示意图。

图4是压电片设置为串联压电双晶片时，各个压电片的极化方向设置及驱动电源的连接方式示意图。

图5是当两组隔膜泵安装位置远离驱动臂根部时的示意图。

图6是当两组隔膜泵安装位置靠近驱动臂根部时的示意图。

图7是当驱动电源的激励电压为正时，压电驱动器的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图8是当驱动电源的激励电压为负时，压电驱动器的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图9是当不同组隔膜泵之间采用并联连接的示意图。

图10是当不同组隔膜泵之间采用串联连接的示意图。

图11是当同组的两个隔膜泵共用进口流道和出口流道的示意图。

图12是通过长金属片固定安装阵列式压电隔膜泵的示意图。

图13是通过长金属片将阵列式压电隔膜泵固定安装到铝型材搭建的支架上的结构示意图。

图14是当每组隔膜泵只设置一个隔膜泵的示意图。

图15是通过增加压电驱动器的宽度尺寸以增加阵列式隔膜泵的数量的结构示意图。

在图1至图15中：压电驱动器1、隔膜泵2、工字型本体3、压电片4、下驱动臂5、上驱动臂6、直立板7、腰形孔8、质量块9、导线10、连接器11、泵腔隔膜12、泵腔13、进口单向阀阵列14、出口单向阀阵列15、进口流道16、出口流道17、振动滤波器板18、振动滤波器薄膜19、第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22、管道23、长金属片24、铝型材支架25、第十压电片40、第一压电片41、第二压电片42、第三压电片43、第四压电片44、第五压电片45、第六压电片46、第七压电片47、第八压电片48、第九压电片49、第一驱动臂61、第二驱动臂62、第三驱动臂51、第四驱动臂52，第一压电双晶片401、第二压电双晶片402、第三压电双晶片403、第四压电双晶片404、第五电双晶片405、驱动电源U1。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1，一种阵列式压电隔膜泵包括压电驱动器1和两对隔膜泵2。

参见图2，压电驱动器1包括工字型本体3，工字型本体3的顶板为上驱动臂6、底板为下驱动臂5、中部为直立板7。参见图2、图3、图4，直立板7两侧的上驱动臂6分别为第一驱动臂61和第二驱动臂62，第一驱动臂61的外端和第二驱动臂62的外端分别连接着质量块9；直立板7两侧的下驱动臂5分别为第三驱动臂51和第四驱动臂52，第三驱动臂51的外端和第四驱动臂52的外端分别连接着质量块9。

参见图3、图4，直立板7上设有第一压电片41和第二压电片42，构成第一压电双晶片401；第一驱动臂61设有第四压电片44和第三压电片43，构成第二压电双晶片402；第二驱动臂62上设有第五压电片45和第六压电片46，构成第三压电双晶片403；第三驱动臂51上设有第七压电片47和第八压电片48，构成第四压电双晶片404；第四驱动臂52上设有第十压电片40和第九压电片49，构成第五压电双晶片405。参见图2，第一驱动臂61外端的质量块9和第二驱动臂62外端的质量块9均连接着外端的下部；第三驱动臂51外端的质量块9和第四驱动臂52外端的质量块9均连接着外端的上部。

参见图3和图4，所有的压电片4通过导线10串联或并联连接。

参见图5，两对隔膜泵2为层叠式隔膜泵。两对隔膜泵2分别固定安装于直立板7两侧的工字型本体3内，形成第一组隔膜泵21和第二组隔膜泵22；每组隔膜泵呈重叠状，且背靠背固定安装。

参见图5、图6，工字型本体3的第一驱动臂61和第三驱动臂51上分别开设有上下对应的一对腰形孔8、第二驱动臂62和第四驱动臂52上分别开设有上下对应的一对腰形孔8，用于调整两组隔膜泵在驱动臂上的位置，实现调整机械阻抗匹配特性，进而实现调节所述阵列式压电隔膜泵的输出特性。

实施例1的工作原理详细叙述如下：

参见图3，当第一压电双晶片401、第二压电双晶片402、第三压电双晶片403、第四压电双晶片404、第五压电双晶片405的极化方向和连接方式设置为并联压电双晶片，或者按图4所示设置为串联压电双晶片时，所有压电双晶片可由一路交流驱动电源U1激励产生弯曲变形，并且所述各个压电双晶片的弯曲变形方式与压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振模态的变形方式一致。

参见图7、图8，上驱动臂6和下驱动臂5的弯曲振动变形可以通过连接器11传递至泵腔隔膜12，使泵腔隔膜12产生弹性振动变形，进而使泵腔13的密封体积周期性变化；当所述上驱动臂6和下驱动臂5拉动连接器11使泵腔隔膜12向泵腔13外部变形时，泵腔13的密封体积变大、压强变小，在内外压差的作用下，进口单向阀阵列14开启，出口单向阀阵列15关闭，流体从进口流道16通过进口单向阀阵列14流入泵腔13，即吸入流体过程；当所述上驱动臂6和下驱动臂5推动连接器11使泵腔隔膜12向泵腔13内部变形时，泵腔13的密封体积变小、压强变大，在内外压差的作用下，进口单向阀阵列14关闭，出口单向阀阵列15开启，流体从泵腔13通过出口单向阀阵列15流出出口流道17，即排出流体过程。

参见图7，当所述驱动电源U1的激励电压为正时，所产生的电场强度方向沿压电片4的厚度方向，并且电场强度方向与第一压电片41、第三压电片43、第五压电片45、第七压电片47、第九压电片49的极化方向相同，与第二压电片42、第四压电片44、第六压电片46、第八压电片48、第十压电片40的极化方向相反；因此，直立板7中部向左侧弯曲，第二驱动臂62和第四驱动臂52向外侧弯曲，第一驱动臂61和第三驱动臂51向内侧弯曲，此时第一组隔膜泵21处于吸入流体过程，第二组隔膜泵22处于排出流体过程。

参见图8，所述驱动电源U1的激励电压为负时，所产生的电场强度方向沿压电片4的厚度方向，并且电场强度方向与第一压电片41、第三压电片43、第五压电片45、第七压电片47、第九压电片49的极化方向相反，与第二压电片42、第四压电片44、第六压电片46、第八压电片48、第十压电片40的极化方向相同；因此，直立板7中部向右侧弯曲，第二驱动臂62和第四驱动臂52向内侧弯曲，第一驱动臂61和第三驱动臂51向外侧弯曲，此时第一组隔膜泵21处于排出流体过程，第二组隔膜泵22处于吸入流体过程。

当所述交流驱动电源U1的激励频率接近所述压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率时，所述压电驱动器1将在一阶反相弯曲谐振模态产生大幅度的周期振动，从而驱动与所述上驱动臂6和下驱动臂5连接的第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22在同一谐振频率连续泵送流体。

驱动电源U1的驱动波形为交流正弦波、三角波或方波，驱动频率为所述压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率，或在该谐振频率附近一定范围内调整；压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率受被驱动负载（包括所述连接器11、泵腔隔膜12、被泵送流体等）的影响会有所变动，可以增加可自动追踪谐振频率的振荡电路进行闭环控制。

压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率，可以通过调节直立板7的厚度和长度、上驱动臂6和下驱动臂5的厚度和长度、以及所述质量块9的长度和高度，实现大范围调节；压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率与其宽度尺寸无关。

第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22在压电驱动器1的一个振动周期内分别完成一次吸入流体过程和一次排出流体过程；当压电驱动器1在一阶反相弯曲谐振模态振动时，同组内的两个隔膜泵2的吸入流体过程和排出流体过程同步进行（相位差为0°），不同组的第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22之间的吸入流体过程和排出流体过程异步进行（相位差为180°）。

参见图9和图10，由于所述同组内的两个隔膜泵2同步吸入流体和排出流体，可以利用管道23将它们并联连接，以增大同组隔膜泵泵送流体的流量大小。

由于所述第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22之间的吸入流体过程和排出流体过程异步进行，如图9所示，当将第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22之间并联连接时，可以增大本发明的阵列式压电隔膜泵泵送流体的流量大小，并且由于第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22在一个振动周期内交替吸入流体和排出流体，因而可以改善所述阵列式压电隔膜泵吸入和排出流体的连续性，降低流量脉动，此时该阵列式压电隔膜泵的输出流量为1-10L/min；如图10所示，当将第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22之间串联连接时，可以增大本发明的阵列式压电隔膜泵泵送流体的压强大小，并且当第一组隔膜泵21排出流体时，第二组隔膜泵22正好吸入流体，可以减小流体流动的阻力，提高阵列式压电隔膜泵的工作效率，此时该阵列式压电隔膜泵的输出流量为0.5-5L/min。

参见图11，当所述隔膜泵2中不采用由振动滤波器薄膜19和振动滤波器板18构成的振动滤波器结构时，所述同组内的两个隔膜泵2可以共用进口流道16和出口流道17。

参见图7、图8，当压电驱动器1在一阶反相弯曲谐振模态振动以驱动第一组隔膜泵21、第二组隔膜泵22泵送流体时，由于同组的隔膜泵2同时受到上驱动臂6和下驱动臂5施加的大小相等、方向相反的驱动力，因此同组的隔膜泵2可以互为支撑，隔膜泵2的反作用力相互抵消，理论上无需外界提供额外的夹持力，实际中只需夹持装置在隔膜泵2泵体外壁维持较小的夹持力即可进行固定。

参见图12，为了便于固定安装本发明的阵列式压电隔膜泵，可以在所述同组的两个背靠背的隔膜泵2之间粘接一根长金属片24，通过固定所述长金属片24的外端部进而固定安装所述阵列式压电隔膜泵；通过长金属片24与外部连接固定是一种柔性固定方式，一方面可以尽量减小外部约束力对所述阵列式压电隔膜泵的工作状态产生影响，使所述阵列式压电隔膜泵能以一个整体谐振；另一方面柔性长金属片24具有隔离高频振动的功能，可以隔离所述阵列式压电隔膜泵工作时高频振动向外界传播，减小系统振动能量的扩散。

参见图13，可以将阵列式压电隔膜泵通过所述长金属片24固定安装于铝型材搭建的支架25上。

实施例2

参见图14，一种阵列式压电隔膜泵包括压电驱动器1和两只隔膜泵2。两只隔膜泵分别固定安装于直立板7两侧的工字型本体3内。

其他结构同实施例1。

实施例2的工作原理与实施例1相同，区别在于，当其他条件相同时，实施例2的理论输出流量是实施例1的一半，当两只隔膜泵2并联连接时输出流量为0.5-5L/min，当两只隔膜泵2串联连接时输出流量为0.25-2.5L/min。

实施例3

参见图15，一种阵列式压电隔膜泵包括压电驱动器1和四对隔膜泵2。四对隔膜泵分成两组，分别固定安装于直立板7两侧的工字型本体3内。

由于压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率与其宽度尺寸无关，因此可以在不影响其工作频率的基础上通过增加压电驱动器1的宽度尺寸来增加阵列式隔膜泵2的数量；如图15所示，是通过增加压电驱动器1的宽度尺寸从而使压电驱动器1可以同时驱动四对隔膜泵2，进而提高所述阵列式压电隔膜泵的输出流量、压强和功率。

实施例3的工作原理与实施例1相同，区别在于，当其他条件相同时，实施例3的理论输出流量是实施例1的两倍，当四对隔膜泵2并联连接时输出流量为2-20L/min，当四对隔膜泵2串联连接时输出流量为1-10L/min。

Claims (10)

1.一种阵列式压电隔膜泵，包括压电驱动器（1）和两只以上的隔膜泵（2），其特征在于：

所述压电驱动器（1）包括工字型本体（3），工字型本体（3）的顶板为上驱动臂（6）、底板为下驱动臂（5）、中部为直立板（7）；直立板（7）两侧的上驱动臂（6）分别为第一驱动臂（61）和第二驱动臂（62），第一驱动臂（61）的外端和第二驱动臂（62）的外端分别连接着质量块（9）；直立板（7）两侧的下驱动臂（5）分别为第三驱动臂（51）和第四驱动臂（52），第三驱动臂（51）的外端和第四驱动臂（52）的外端分别连接着质量块（9）；每只驱动臂的根部上下侧面上分别设有压电片（4），构成压电双晶片结构；直立板（7）的两侧面上分别设有压电片（4），构成压电双晶片结构；所有压电片（4）通过导线（10）串联或并联连接；

所述两只以上的隔膜泵（2）为两对隔膜泵或两只隔膜泵；所述两对隔膜泵分别固定设于直立板（7）两侧的工字型本体（3）内；所述两只隔膜泵分别固定设于直立板（7）两侧的工字型本体（3）内；

当交流电源的激励频率为所述压电驱动器（1）的一阶反相弯曲谐振频率时，所述压电驱动器（1）驱动两对隔膜泵或两只隔膜泵以同一谐振频率连续泵送流体。

2.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述工字型本体（3）的材料为金属，除压电片（4）外的其余表面涂覆有绝缘漆。

3.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述上驱动臂（6）和下驱动臂（5）结构相同，上驱动臂（6）的宽度为5～200mm、厚度为0.5～5mm、长度为20～200mm；所述直立板（7）的厚度为0.5～5mm、长度为10～50mm；所述质量块（9）的长度为1～25mm、高度为1～20mm。

4.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述压电片（4）材料为压电陶瓷或压电单晶；压电片（4）的厚度为0.01～1mm、宽度与上驱动臂（6）的宽度相同、长度为1～50mm。

5.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：每对隔膜泵呈重叠状，且背靠背固定设于直立板（7）两侧的工字型本体（3）内。

6.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述工字型本体（3）的第一驱动臂（61）和第三驱动臂（51）上分别开设有上下对应的一对腰形孔（8）、第二驱动臂（62）和第四驱动臂（52）上分别开设有上下对应的一对腰形孔（8），用于调整两对隔膜泵在驱动臂上的位置，实现调整机械阻抗匹配特性，进而实现调节所述阵列式压电隔膜泵的输出特性。

7.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述两对隔膜泵中的每对隔膜泵并联连接或串联连接。

8.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述直立板（7）上设有第一压电片（41）和第二压电片（42），构成第一压电双晶片（401）；

所述第一驱动臂（61）设有第四压电片（44）和第三压电片（43），构成第二压电双晶片（402）；

所述第二驱动臂（62）上设有第五压电片（45）和第六压电片（46），构成第三压电双晶片（403）；

所述第三驱动臂（51）上设有第七压电片（47）和第八压电片（48），构成第四压电双晶片（404）；

所述第四驱动臂（52）上设有第十压电片（40）和第九压电片（49），构成第五压电双晶片（405）。

9.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述第一驱动臂（61）外端的质量块（9）和第二驱动臂（62）外端的质量块（9）均连接着外端的下部；所述第三驱动臂（51）外端的质量块（9）和第四驱动臂（52）外端的质量块（9）均连接着外端的上部。

10.根据权利要求1所述的一种阵列式压电隔膜泵，其特征在于：所述隔膜泵（2）为层叠式隔膜泵。

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