CN113217358B - 一种压电泵驱动的涡轮式精密送液装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，它包括：压电泵驱动的涡轮式驱动器、丝杠、丝母、连接推杆、丝母滑套、活塞、药仓、微控制器、显示器。所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，包括：压电泵、涡轮器、驱动轴和循环工质；压电泵泵体进口和泵体出口安装在涡轮器壳体上，泵体进口方向和泵体出口方向相切于同一圆弧上。解决了压电泵动力小，实现了泵和药液的分离，扩大了压电泵使用范围。
Description
技术领域
本发明属于机械动力及精密送液技术领域，具体涉及一种压电泵驱动的涡轮式精密送液装置。
背景技术
压电泵由压电振子、泵阀和泵体组成。工作中，当压电振子两端施加交流电源U时，压电振子在电场作用下径向压缩，内部产生拉应力，从而使压电振子弯曲变形。当压电振子正向弯曲时，压电振子伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵阀打开，液体进入泵腔；当压电振子向反向弯曲时，压电振子收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵阀关闭，泵腔液体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动。
压电泵目前主要的应用场景有药物在人体内的输送、微型航空航天器及微型探测器的燃料供给、微电子液体冷却系统冷却液的输送、化工用品的输送以及药物的精确配制等方面。但是现有的技术尚不能完全满足以上各种场景的应用需求。
压电泵是一种压电驱动器，它是利用压电效应直接或间接利用压电振子机械变形来改变泵腔体积, 通过阀实现流体的单向流动。相比于传统泵，压电泵的优点是体积小、以及重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰的特点；而目前压电泵的相关技术正朝着可气液两用、小型化、精度高、集成度高的方向发展。
然而，压电泵不仅提供动力，而其本体也是液体或气体的通路，用在药物在人体内的输送（例如胰岛素泵）以及药物的精确配制时，生产压电泵的企业需具备行业资质，压电泵的生产条件和材料要求高，增加了压电泵成本，限制了压电泵产业化发展。另外压电泵动力小，应用领域范围也受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，而提供了一种压电泵驱动涡轮式驱动器及压电泵驱动的涡轮式精密注液装置；
压电泵驱动的涡轮式驱动器，它包括：压电泵、涡轮器、驱动轴和循环工质；压电泵泵体进口和泵体出口安装在涡轮器壳体上，泵体进口方向和泵体出口方向相切于同一圆弧上；
所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，还包括传感器、微控制器；
所述的泵体进口方向和泵体出口方向分别相切于同一圆弧上，两切点对称；
所述的压电泵为N个；
所述的N为偶数；
所述的压电泵为两个或四个；
所述的压电泵，两个相邻的压电泵，一个压电泵出口与另一个压电泵进口相对应，间隔至少1个涡轮叶片；
所述的两个相邻的压电泵压电振子，在同一时刻，弯曲方向相反；
一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，它采用了上述的压电泵驱动的涡轮式驱动器；
所述的一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，还包括：丝杠3、丝母4、连接推杆5、丝母滑套6、活塞7、药仓8、微控制器、显示器。
本发明提供了一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，它包括：压电泵驱动的涡轮式驱动器、丝杠3、丝母4、连接推杆5、丝母滑套6、活塞7、药仓8、微控制器、显示器。所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，包括：压电泵、涡轮器、驱动轴和循环工质；压电泵泵体进口和泵体出口安装在涡轮器壳体上，泵体进口方向和泵体出口方向相切于同一圆弧上。解决了压电泵动力小，实现了泵和药液的分离，扩大了压电泵使用范围。
附图说明
图1是本发明的压电泵结构示意图；
图2是本发明一种双压电泵驱动的涡轮式驱动器的局部剖视示意图；
图3是本发明一种双压电泵驱动的涡轮式驱动器涡轮器壳体结构示意图；
图4是本发明一种双压电泵驱动的涡轮式驱动器涡轮结构示意图；
图5是本发明一种双压电泵驱动的涡轮式驱动器的工作示意图；
图6是本发明一种多压电泵驱动的涡轮式驱动器的工作示意图；
图7是一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置的整体剖视示意图；
图8是本发明一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置的丝杠涡轮结构示意图；
图9是本发明一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置的连接杆剖视示意图；
图10是本发明一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置的系统硬件图。
（图中：第一压电泵1a，第二压电泵1b，第一泵体进口11a，第一泵体出口12a，第二泵体进口11b，第二泵体出口12b，第三泵体出口12c，第四泵体出口12d，压电振子13，泵腔14，入口阀15，出口阀16，涡轮器壳体21，第一出口211，壳体第一进口212，壳体第二出口213，壳体第二进口214，稳压阀24，涡轮22，连轴套口221，轴承A231，轴承B232，密封圈233，光耦传感器25，丝杠3，涡轮连接部31，丝母4，连接推杆5，丝母螺口41，丝母滑套6，活塞7，药仓8）。
具体实施方式
实施例1一种双压电泵驱动的涡轮式驱动器
参见图1至图5所示，一种双压电泵驱动的涡轮式驱动器，它包括：压电泵、涡轮器2；压电泵设有两个，两个压电泵结构完全相同，并相对设在涡轮器2两侧；
所述的压电泵是种新型流体驱动器；它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；压电泵上设有压电振子13、泵腔14、入口阀15、出口阀16；压电泵工作时使用输入电激励信号，在电脉冲的作用下入口阀15打开、出口阀16关闭, 流体向腔内流动；相反, 压电振子13向下弯曲时, 泵腔14体积减小、压力增加, 入口阀15关闭、出口阀16打开, 流体从泵腔14内排出；
所述的压电泵上设有泵体进口和泵体出口；泵体进口和泵体出口设在压电泵一侧；
所述的两个压电泵分别是：第一压电泵1a、第二压电泵1b； 第一压电泵1a上设有第一泵体进口11a、第一泵体出口12a；第二压电泵1b上设有第二泵体进口11b、第二泵体出口12b；
所述的涡轮器2包括：涡轮器壳体21、涡轮22、轴封组件、稳压阀24、光耦传感器25；涡轮器壳体21中设有空腔，涡轮22设在涡轮器壳体21的空腔中；稳压阀24设在涡轮器壳体21外一侧，稳压阀24与涡轮器壳体21内相通；光耦传感器25设在涡轮器壳体21内一侧；
所述的涡轮器壳体21上设有壳体第一出口、壳体第一进口、壳体第二出口、壳体第二进口；
壳体第一排口与第一泵体进口11a连接；壳体第一进口与第一泵体出口12a连接；壳体第二出口与第二泵体进口11b连接；壳体第二进口与第二泵体出口12b连接；
所述的涡轮22的叶片为弧形；第一泵体进口11a、第一泵体出口12a、第二泵体进口11b和第二泵体出口12b的中心线与叶片的弧心线圆22A相切；
涡轮转动时，一个叶片扫过涡轮壳体内的光耦传感器25使得传感器获得信号，当涡轮持续转动，叶片持续扫过光耦传感器25进而传感器获得连续的信号，通过叶片的数量可以知道一个叶片扫掠过光耦传感器25代表着涡轮转过多少对应的角度，对涡轮转动时通过光耦传感器25时得到的信号进行处理和分析，可以得到涡轮的转速；
所述的涡轮22设在涡轮器壳体21中，涡轮22中部设有连轴套口221；被驱动的驱动轴（转轴或者丝杠）的一端通过键或者过盈连接的方式固定在涡轮22的连轴套口221中；驱动轴通过轴封组件与涡轮器壳体21密封轴接；涡轮22驱动驱动轴旋转；
所述的轴封组件包括：轴承A231、轴承B232、密封圈233；轴承A231和轴承B232分别设在涡轮22两侧，丝杠3通过轴承A231和轴承B232与涡轮器壳体21轴接；密封圈233设有两个，两个密封圈233封堵在轴承A231和轴承B232外侧；
压电泵与涡轮器2内循环工质为液体或者气体。
第一压电泵1a和第二压电泵1b其工作时序可为：
1、参见图5中（a）所示，第一泵体出口12a迸出（压）和第二泵体进口11b的迸入（吸）同时工作；第一泵体进口11a和第二泵体出口12b关闭；
2、参见图5中（b）所示，第一泵体进口11a（吸）的迸入和第二泵体出口12b的迸出（压）同时工作；第一泵体出口12a和第二泵体进口11b关闭；
3、第一压电泵1a和第二压电泵1b重复上述两部工作时序。
实施例2一种多压电泵驱动的涡轮式驱动器
参见附图6所示，一种多压电泵驱动的涡轮式驱动器，它包括：压电泵、涡轮器2；压电泵设有四个，四个压电泵结构完全相同，并俩俩相对设在涡轮器2边侧；
所述的四个压电泵分别是：第一压电泵1a、第二压电泵1b、第三压电泵1c、第四压电泵1d；
第一压电泵1a上设有第一泵体进口11a、第一泵体出口12a；第二压电泵1b上设有第二泵体进口11b、第二泵体出口12b；第三压电泵1c上设有第二泵体进口11c、第二泵体出口12c；第四压电泵1d上设有第四泵体进口11d、第四泵体出口12d；
所述的涡轮器2包括：涡轮器壳体21、涡轮22、轴封组件、稳压阀24、光耦传感器25；
所述的所述的涡轮器壳体21中设有空腔，涡轮22设在涡轮器壳体21的空腔中；稳压阀24设在涡轮器壳体21外一侧，稳压阀24与涡轮器壳体21内相通；光耦传感器25设在涡轮器壳体21内一侧；
所述的涡轮器壳体21上设有第一出口、壳体第一进口、壳体第二出口、壳体第二进口、壳体第三出口、壳体第三进口、壳体第四出口、壳体第四进口；
壳体第一出口与第一泵体进口11a连接；壳体第一进口与第一泵体出口12a连接；壳体第二出口与泵体进口11b连接；壳体第三出口与第三泵体进口11c连接；壳体第三进口与第三泵体出口12c连接；壳体第四出口与第四泵体进口11d连接；壳体第四进口与第四泵体出口12d连接；
第一泵体进口11a、第一泵体出口12a、第二泵体进口11b、第二泵体出口12b、第二泵体进口11c、第二泵体出口12c、第四泵体进口11d和第四泵体出口12d的中心线与叶片的弧心线圆22A相切；
所述的涡轮22的叶片为弧形；
涡轮转动时，一个叶片扫过涡轮壳体内的光耦传感器25使得传感器获得信号，当涡轮持续转动，叶片持续扫过光耦传感器25进而传感器获得连续的信号，通过叶片的数量可以知道一个叶片扫掠过光耦传感器25代表着涡轮转过多少对应的角度，对涡轮转动时通过光耦传感器25时得到的信号进行处理和分析，可以得到涡轮的转速；
所述的涡轮22设在涡轮器壳体21中，涡轮22中部设有连轴套口221；被驱动的驱动轴（转轴或者丝杠）的一端通过键或者过盈连接的方式固定在涡轮22的连轴套口221中；驱动轴通过轴封组件与涡轮器壳体21密封轴接；涡轮22驱动驱动轴旋转；
所述的轴封组件包括：轴承A231、轴承B232、密封圈233；轴承A231和轴承B232分别设在涡轮22两侧，丝杠3通过轴承A231和轴承B232与涡轮器壳体21轴接；密封圈233设有两个，两个密封圈233封堵在轴承A231和轴承B232外侧；
压电泵与涡轮器2内循环工质为液体或者气体。
所述的第一压电泵1a、第二压电泵1b、第三压电泵1c、第四压电泵1d，四个电压泵工作时序可为：
1、参见图6（a）所示，第一泵体出口12a和第二泵体出口12b同时迸出（压）工作时，第三泵体进口11c和四泵体进口11d同时迸入（吸）工作；
2、参见图6（b）所示，第一泵体进口11a和第二泵体进口11b同时迸入（吸）时，第三泵体出口12c和第四泵体出口12d同时迸出（压）工作；
当需要扭矩或驱动力大时，也可两个压电泵并联，即两个压电泵的泵体进口和泵体进口连接，泵体出口和泵体出口连接，两个并联的压电泵为一组，每组中泵体进口和泵体出口依次循环工作；
采用并联压电泵组可使用二组或四组，使其产生持续泵出动力和持续吸入动力。
实施例3一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置
参见图7至图9所示，一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，它包括：压电泵驱动的涡轮式驱动器、丝杠3、丝母4、连接推杆5、丝母滑套6、活塞7、药仓8；
所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器为实施例1或实施例2所述压电泵驱动的涡轮式驱动器；
所述的丝杠3一端设有涡轮连接部31，涡轮22的连轴套口221处套接在丝杠3的涡轮连接部处，并通过键32固定；
所述的丝母4外侧为多边形，丝母4与连接推杆5一体成型，丝母4中部设有丝母螺口41，丝母螺口41套接在丝杠3螺纹上，连接推杆5一侧设有活塞连接乳头；活塞7通过活塞连接乳头固定在连接推杆5上；
所述的丝母4套接在丝母滑套6中，丝母滑套6内筒为多边形；丝母滑套6与丝母4间隙配合；丝母滑套6一端与涡轮器2固定连接；
所述的药仓8为注射器管筒或者盛装药剂管体，活塞7套接在药仓8中。
所述的一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，还包括：微控制器（STM32）、显示器。
一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置工作原理：
参见图10所示，双压电泵驱动或者多压电泵驱动的涡轮式驱动器，其采用医用小型的微控制器控制，微控制器控制控制双压电泵驱动或者多压电泵驱动的工作方式切换（吸或压）；涡轮驱动驱动轴旋转，驱动轴驱动丝母直线运动；丝母推动药仓中的活塞；光耦传感器25采集到的叶片转动信号反馈回微控制器控制中，通过丝杠3转动情况得知活塞7步进情况，从而精确控制药仓推出药液量，实现精准注药。
Claims (9)
1.一种压电泵驱动的涡轮式驱动器，包括：压电泵、涡轮器（2）、驱动轴、循环工质；压电泵泵体进口和泵体出口安装在涡轮器壳体上，泵体进口方向和泵体出口方向相切于同一圆弧上；
所述的压电泵上设有压电振子（13）、泵腔（14）、入口阀（15）、出口阀（16）；压电泵至少有两个，其中，压电泵至少包括第一压电泵（1a）、第二压电泵（1b）；第一压电泵（1a）上设有第一泵体进口（11a）、第一泵体出口（12a）；第二压电泵（1b）上设有第二泵体进口（11b）、第二泵体出口（12b）；
所述的涡轮器（2）包括：涡轮器壳体（21）、涡轮（22）、轴封组件、稳压阀（24）、光耦传感器（25）；涡轮器壳体（21）中设有空腔，涡轮（22）设在涡轮器壳体（21）的空腔中；稳压阀（24）设在涡轮器壳体（21）外一侧，稳压阀（24）与涡轮器壳体（21）内相通；光耦传感器（25）设在涡轮器壳体（21）内一侧；
所述的涡轮器壳体（21）上设有壳体第一出口、壳体第一进口、壳体第二出口、壳体第二进口；
壳体第一出口与第一泵体进口（11a）连接；壳体第一进口与第一泵体出口（12a）连接；壳体第二出口与第二泵体进口（11b）连接；壳体第二进口与第二泵体出口（12b）连接；
涡轮（22）中部设有连轴套口（221）；被驱动的驱动轴的一端通过键或者过盈连接的方式固定在涡轮（22）的连轴套口（221）中；驱动轴通过轴封组件与涡轮器壳体（21）密封轴接；涡轮（22）驱动驱动轴旋转；涡轮转动时，一个叶片扫过涡轮壳体内的光耦传感器（25）使得传感器获得信号，当涡轮持续转动，叶片持续扫过光耦传感器（25）进而传感器获得连续的信号，通过叶片的数量可知一个叶片扫掠过光耦传感器（25）代表着涡轮转过多少对应的角度，对涡轮转动时通过光耦传感器（25）时得到的信号进行处理和分析，可以得到涡轮的转速。
2.根据权利要求1所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，其特征在于：涡轮转动时，光耦传感器（25）采集到的叶片转动信号反馈回微控制器中。
3.根据权利要求2所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，其特征在于：所述的泵体进口方向和泵体出口方向分别相切于同一圆弧上，两切点对称。
4.根据权利要求1-3之一所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，其特征在于：所述的压电泵为N个，所述的N为偶数。
5.根据权利要求4所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，所述的压电泵为四个。
6.根据权利要求5所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，两个相邻的压电泵，一个压电泵出口与另一个压电泵进口相对应，间隔至少1个涡轮叶片。
7.根据权利要求6所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器，两个相邻的压电泵中的压电振子，在同一时刻，弯曲方向相反。
8.一种压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，其特征在于：它采用了权利要求1-7之一所述的压电泵驱动的涡轮式驱动器。
9.根据权利要求8所述的压电泵驱动的涡轮式精密注液装置，其特征在于：还包括：丝杠、丝母、连接推杆、丝母滑套、活塞、药仓、微控制器、显示器；
所述的丝杠（3）一端设有涡轮连接部（31），涡轮（22）的连轴套口（221）处套接在丝杠（3）的涡轮连接部处，并通过键（32）固定；
所述的丝母（4）外侧为多边形，丝母（4）与连接推杆（5）一体成型，丝母（4）中部设有丝母螺口（41），丝母螺口（41)套接在丝杠（3）螺纹上，连接推杆（5）一侧设有活塞连接乳头；活塞（7）通过活塞连接乳头固定在连接推杆（5）上；
所述的丝母（4）套接在丝母滑套（6）中，丝母滑套（6）内筒为多边形；丝母滑套（6）与丝母（4）间隙配合；丝母滑套（6）一端与涡轮器（2）固定连接；
活塞（7）套接在药仓（8）中。
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