CN113958500B - 一种微型容积式液泵 - Google Patents

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Abstract

一种微型容积式液泵，包括泵体及密封连接在泵体两端的第一泵体端盖和第二泵体端盖，泵体设置有容积腔，定子系统包括轴套、定子和绕组，绕组缠绕在定子上，轴套与转子系统的轴转动配合；转子系统包括摆动活塞、偏心轮、转子、永磁体和轴，转子为圆盖型结构，偏心轮固定套装在转子外壁上，摆动活塞套装在偏心轮外部，偏心轮与摆动活塞之间能够相对运动，永磁体装配在转子的内侧；摆动活塞包括活塞环和摆杆，在摆杆的内部开设流道，且摆杆上开设有与流道相通的流道入口和流道出口；摆杆夹持在滑履之间；泵体上开设有与第一容积腔相通的第一工质通道和第二工质通道，第一容积腔在摆动活塞的外部空间容纳工作液体。本发明泵的厚度小，结构简单。

Description

一种微型容积式液泵
技术领域
本发明属于小型电子设备散热技术领域，具体涉及一种微型容积式液泵。
背景技术
随着微电子产业的发展和人民对物质生活需求的不断提高，电子产品不断趋向于小型化和高性能化。在这个发展过程中，产品小型化要求产品的散热系统体积越来越小，传统散热系统的散热能力逐渐到达瓶颈；芯片高性能化造成芯片的发热量增加，芯片的热流密度急剧增大，芯片的散热需求不断提高。传统散热系统的低散热能力和如今芯片的高散热需求成为电子产品发展道路上的一个重要矛盾。目前小型电子设备的散热系统中大多使用超薄型毛细力驱动的热管，热管将芯片的热量传导至散热端。然而，随着芯片技术的发展，芯片的发热量不断增加，由于毛细结构等造成的低传热极限，超薄型毛细力驱动的热管导热能力受到制约，强行使用该种热管传导高热量将导致失效等风险。泵驱动的热管作为新一代散热系统的导热部件，其传热极限、可靠性均优于超薄型毛细力驱动的热管，且相较于毛细力驱动的热管，泵驱动热管的设计更为灵活多变，适宜于电子产品的小型化发展。
微型液泵是泵驱动热管的核心部件。液泵为工作流体提供驱动力，使得工作流体得以克服系统中的流动阻力，完成散热循环。经估算，传导50—200W的发热量，泵驱动热管内工作流体的流量介于1-10mL/s。目前，国内市场上排量在该范围内的容积式泵多为隔膜泵和齿轮泵。隔膜泵使用寿命为100—200小时，以笔记本电脑3—4年正常使用年限作比较，隔膜泵无法保证其在电子设备正常使用年限内的可靠性；齿轮泵大多输送高粘度工质，市场上几乎没有输送低粘度制冷剂(即动力粘度为0.1cP左右)的齿轮泵，且基于工作原理，齿轮泵的噪声、体积均较大，很难应用于小型电子设备的散热系统中。
对于泵驱动热管所用微型液泵，目前存在以下问题：1、规定排量范围内，泵体尺寸较大，不能和小型电子设备的尺寸适配，不能满足小型电子设备轻薄化要求；2、泵流量难以精确控制，机械效率、容积效率等很低；3、液泵输送的工质为低粘度液体，低粘度液体的润滑性很差，这使得泵的零部件之间磨损较大，如果使用润滑油润滑，那么润滑油极易堵塞散热系统的微小管路；4、泵寿命较短，存在泵失效损毁电子设备的风险。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种微型容积式液泵，其体积较小，能够高效地输送低粘度液体，可以保证泵驱动热管散热系统的高性能、高可靠性。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种微型容积式液泵，包括泵体及密封连接在泵体两端的第一泵体端盖和第二泵体端盖，泵体设置有第一容积腔、第二容积腔以及第三容积腔，第一容积腔用于容纳定子系统和转子系统，第二容积腔用于容纳密封件，第三容积腔用于容纳滑履；所述定子系统包括轴套、定子和绕组，绕组缠绕在定子上，轴套设置在定子的中心，与转子系统的轴转动配合；转子系统包括摆动活塞、偏心轮、转子、永磁体和轴，转子为圆盖型结构，偏心轮固定套装在转子外壁上，摆动活塞套装在偏心轮外部，且偏心轮与摆动活塞间隙配合，偏心轮与摆动活塞之间能够相对运动，永磁体装配在转子的内侧；所述的第一容积腔和第三容积腔相邻开设，第三容积腔环绕泵体的侧壁开设在端面上；所述的摆动活塞包括活塞环和摆杆，摆杆的内部开设流道，且摆杆上开设有与流道相通的流道入口和流道出口；所述的摆杆夹持在滑履之间，滑履限制摆动活塞做规定的摆动运动，泵体上开设有与第一容积腔相通的第一工质通道和第二工质通道，第一工质通道与流道相通，第一容积腔在摆动活塞的外部空间容纳工作液体。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的第一容积腔的内表面喷涂有减摩自润滑材料，材料的摩擦因数小于0.15；所述的第一泵体端盖和第二泵体端盖朝向泵体的一侧表面喷涂有减摩自润滑材料。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的转子与偏心轮之间设置弹性材料薄层，偏心轮采用具有刚度的自润滑材料加工成型。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的偏心轮采用热套工艺固定套装在转子外壁上。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的轴套与定子一体成型，转子的中心开设有轴孔，轴采用过盈配合安装在轴孔上；轴插入轴套，实现转子系统与定子系统的转动连接；所述的轴从轴孔伸出0.1mm，用于减少转子系统与第一泵体端盖发生接触时的磨损面积。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的定子与泵体一体成型，避免转子系统工作时与第一容积腔的侧面发生干涉磨损。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的滑履采用具有刚度的自润滑材料加工成型；所述的滑履为圆柱形结构，并沿径向对称铣削出方形槽道将摆杆夹持，所述滑履的周向柱面进行曲面处理，用于避免摆动活塞在运动过程中和滑履发生接触干涉。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的泵体采用轻质合金材料加工而成，所述的第一泵体端盖、第二泵体端盖和泵体通过固定组件连接，固定组件采用与泵体相同材料的扁平头铆钉，通过冷铆方式连接第一泵体端盖、第二泵体端盖和泵体。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述的密封件为能够放置在第二容积腔当中的环形密封件，采用耐老化且不与工作液体发生理化反应的弹性材料制成；所述的工作液体采用在40℃～70℃温度范围内饱和压力不高于1MPa，并且能够与绕组绝缘接触的粘性制冷剂。
作为本发明微型容积式液泵的一种优选方案，所述摆杆上的流道入口和流道出口分别开设在摆杆与塞环连接一端的侧壁及另一端的端面上。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
本发明通过采用容积式泵的工作特点，提高了泵送液体过程的容积效率和机械效率，减少了泵的整体能耗。本发明的泵体积小于15cm3，特别是厚度方向尺寸小于10mm；本发明泵的部件结构简单，易于加工制造和装配成型。本发明适用于小流量、低扬程工况，特别适宜小型电子设备液冷系统或泵驱动热管散热系统。针对现有技术目前无法满足微型液泵的小型低排量、高性能、高可靠性要求的问题，本发明对于填补小微型低粘度容积式泵的空缺，以及对于推动新一代小型电子产品用散热系统的发展，具有重大意义。
进一步的，本发明关键部件直接采用或表面喷涂自润滑材料，减少了部件之间的磨损程度，特别适用于低粘度的工作液体，特别适用于少油、无油润滑的工作系统。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微型液泵的爆炸结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微型液泵的剖面结构正视图；
图3为图2本发明实施例提供的微型液泵的A-A剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的微型液泵的转子系统结构示意图；
图5为本发明实施例提供的微型液泵的偏心轮结构示意图；
图6为本发明实施例提供的微型液泵的摆动活塞结构示意图；
图7为本发明实施例提供的微型液泵的滑履结构示意图；
附图中：1-第一泵体端盖；2-密封件；3-转子系统；301-摆动活塞；3011-活塞环；3012-摆杆；3013-流道；302-偏心轮；303-转子；304-永磁体；305-轴；4-滑履；5-泵体；501-第一容积腔；502-第二容积腔；503-第三容积腔；504-第一工质通道；505-第二工质通道；6-第二泵体端盖；7-定子系统；701-轴套；702-定子；703-绕组；8-固定组件；801-第一固定件；802-第二固定件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1，图2和图3所示，本申请实施例提供的微型容积式液泵包括第一泵体端盖1、密封件2、转子系统3、滑履4、泵体5、第二泵体端盖6、定子系统7和固定组件8。其中：
第一泵体端盖1、第二泵体端盖2和泵体5通过第一固定件801连接形成微型液泵的壳体，泵体5设有第一容积腔501、第二容积腔502和第三容积腔503；第一容积腔501和第三容积腔503均为圆柱形腔体，第二容积腔502为环绕泵体5侧壁的凹槽。
定子系统7安装在第一容积腔501内，定子系统7主要包括轴套701、定子702以及绕组703，定子系统7用于产生交变磁场。
如图4，图5和图6所示，转子系统3包括摆动活塞301、偏心轮302、转子303、永磁体304以及轴305；转子系统3与定子系统7通过转子303和轴套701实现转动连接，转子系统3整体处于第一容积腔501内。
第一容积腔501、转子系统3、滑履4和第一泵体端盖1、第二泵体端盖2之间形成密封腔体，为转子系统3和工作液体提供空间；第二容积腔502和第一泵体端盖1之间形成密封腔体，用于安装密封件2，密封件2防止工作液体从泵体5和第一泵体端盖1经接触面泄漏；第三容积腔503和第一泵体端盖1之间形成密封腔体，用于安装滑履4，滑履4限制了转子系统进行规定的摆动运动。
本申请微型容积式液泵的工作过程具体描述如下：
接通电源后，绕组703中通入电流，产生交变磁场；转子303在交变磁场作用下带动摆动活塞301运动，其中活塞环3011绕轴305偏心旋转，活塞环3011和第一容积腔501的侧面相切，形成线密封，从而将第一容积腔中的工作液体分为两区域：进液区域和排液区域，其中连通第一工质通道504的区域为进液区域，连通第二工质通道505的区域为排液区域；摆杆3012和滑履4做相对的直线运动；工作液体从第一工质通道504流入泵体，经流道3013流入进液区域；随着转子系统3的运动，转子系统3对排液区域的工作液体做功，提高工作液体的压力，排液区域容积不断缩小，进液区域容积不断增大，排液区域的工作液体通过第二工质通道505排出泵体。
为了实现转子303在交变磁场中的转动，转子303的内侧装配有永磁体304，永磁体304的材料为永磁材料，包括但不限于永磁铁氧体。
转子系统3的轴305插入定子系统7的轴套701中，实现了转子系统3与定子系统7的转动连接。
轴305与转子303过盈配合，轴305从转子303的轴孔略微伸出，伸出量约0.1mm，以减少转子系统3与第一泵体端盖1发生接触时的磨损面积。
轴套701通过模内注塑工艺与定子702一体成型，降低了装配复杂度，提高了轴套701与定子702的位置度。
定子702通过模内注塑工艺与泵体5一体成型，保证了定子系统7在第一容积腔501中的位置度，更好地避免转子系统3与第一容积腔501的侧面发生干涉磨损。
轴套701与轴305采取间隙配合，保证轴305可以在轴套701中旋转；轴套701的材料要求低摩擦因数、具有一定承载力的自润滑材料，包括但不限于填充的聚四氟乙烯。
如图4和图5所示，为实现转子系统平稳运动，偏心轮302通过热套工艺与转子303装配，偏心轮302与转子303之间无相对运动；
偏心轮302与摆动活塞301之间间隙配合，偏心轮302与摆动活塞301之间有相对运动；
偏心轮302应具有一定的刚度，耐热性和良好的自润滑性，其所用材料包括但不局限于聚醚醚酮(PEEK)。
偏心轮302和转子301之间存在具有较高高弹性系数材料的薄层，用于降低热应力、缓解热变形。
泵体5还包括第一工质通道504和第二工质通道505，第一工质通道504和工质进口505实现微型液泵内部与外部系统的工作液体交换。
第一工质通道504和第二工质通道505并未规定工作液体在微型液泵中的流动方向。也就是说，并非特指工作液体从第一工质通道504流进泵体5的第一容积腔501；并非特指工作液体从第二工质通道505流出泵体5。
可以通过改变定子702产生的交变磁场，改变转子303的旋转方向，从而改变工作液体的流动方向。
可以通过改变定子702产生的交变磁场的速度，改变转子303的旋转速度，从而改变微型液泵的工作液体排量。
第一工质通道504和第二工质通道505的截面形状包括但不局限于圆形。
为减轻微型液泵的总体重量，泵体5的材料为轻质合金，包括但不限于铸造铝合金(ZL101)。
泵体5的第一容积腔501与摆动活塞301和滑履4存在接触磨损。可选地，第一容积腔501的表面喷涂自润滑材料，材料的摩擦因数小于0.15，材料包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)。
如图6所示，摆动活塞301包括活塞环3011、摆杆3012、流道3013，活塞环3011和摆杆3012一体成型，流道3013处于摆杆3012的内部。
流道3013处在摆杆3012的头部和摆杆3012与活塞环3011的交接位置之间，流道3013用于连通泵体5的第一工质通道504和第一容积腔501。
流道3013的截面形状包括但不局限于方形。
摆动活塞301通过模内注塑成型工艺获得，其材料要求具有良好的力学性能，材料包括但不限于铸造铝合金(如ZL101)。
第二容积腔502的凹槽对称分布在泵体5的两个端面上。
如图7所示，滑履4为圆柱形柱体，沿径向对称铣削出方形槽道，用于安装摆杆3012。
滑履4安装在第三容积腔503内，滑履4与摆杆3012滑动连接，与泵体5转动连接。
滑履4与第三容积腔503之间采用小间隙配合，一定程度上避免了第一工质通道504和第一容积腔501的直接工作液体交换。
滑履4的周向柱面经过曲面处理，避免摆动活塞301在运动过程中和滑履4发生接触干涉，减少了滑履4的应力集中问题。
滑履4的材料要求具有一定的刚度的自润滑材料，包括但不限于聚醚醚酮(PEEK)。
第一泵体端盖1，第二泵体端盖2通过静密封方式密封泵体5中的工作液体。
第一泵体端盖1，第二泵体端盖6的材料具有一定刚度，以防止在充入高压力工质时产生较大变形，增加内部泄漏量。可选地，第一泵体端盖1、第二泵体端盖6的材料与泵体5一致。
第一泵体端盖1、第二泵体端盖6与转子系统3、滑履4之间发生相对滑动，易造成磨损，进而缩短部件使用寿命，降低微型液泵的效率。因此，第一泵体端盖1、第二泵体端盖6靠近泵体5一侧表面喷涂低摩擦因数的自润滑材料，以减少转子系统3与第一泵体端盖1、第二泵体端盖6的磨损，自润滑材料包括但不限于类金刚石镀膜(DLC)。
第一泵体端盖1、第二泵体端盖6和泵体5通过固定件连接。固定件和固定方式包括但不限于使用与泵体5相同材料的扁平头铆钉，通过冷铆方式连接第一泵体端盖1、第二泵体端盖6和泵体5，避免第一泵体端盖1、第二泵体端盖6、泵体5的连接孔因热膨胀出现间隙。
为减少工作液体的泄漏，在泵体5的第二容积腔502中放置环形密封件2，密封件2的材料要求具有较好弹性性能、耐老化且不与工作液体发生理化反应。材料包括但不限于丁腈橡胶。
工作液体，在40℃～70℃温度范围内，其饱和压力不高于1MPa，优选饱和压力不低于0.1MPa、粘度相对较大的制冷剂，且制冷剂电气绝缘性好，可直接与绕组703接触。本实施例中，制冷剂优选为R601(正戊烷)制冷剂。
本发明提出的微型容积式液泵体积小，尤其是厚度方向较小，能够高效地输送低粘度液体，并且可以保证泵驱动热管散热系统的高性能、高可靠性，适用于小型电子设备散热系统。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微型容积式液泵，其特征在于：包括泵体(5)及密封连接在泵体(5)两端的第一泵体端盖(1)和第二泵体端盖(6)，泵体(5)设置有第一容积腔(501)、第二容积腔(502)以及第三容积腔(503)，第一容积腔(501)用于容纳定子系统(7)和转子系统(3)，第二容积腔(502)用于容纳密封件(2)，第三容积腔(503)用于容纳滑履(4)；所述定子系统(7)包括轴套(701)、定子(702)和绕组(703)，绕组(703)缠绕在定子(702)上，轴套(701)设置在定子(702)的中心，与转子系统(3)的轴(305)转动配合；转子系统(3)包括摆动活塞(301)、偏心轮(302)、转子(303)、永磁体(304)和轴(305)，转子(303)为圆盖型结构，偏心轮(302)固定套装在转子(303)外壁上，摆动活塞(301)套装在偏心轮(302)外部，且偏心轮(302)与摆动活塞(301)间隙配合，偏心轮(302)与摆动活塞(301)之间能够相对运动，永磁体(304)装配在转子(303)的内侧；所述的第一容积腔(501)和第三容积腔(503)相邻开设，第三容积腔(503)环绕泵体(5)的侧壁开设在端面上；所述的摆动活塞(301)包括活塞环(3011)和摆杆(3012)，摆杆(3012)的内部开设流道(3013)，且摆杆(3012)上开设有与流道(3013)相通的流道入口和流道出口；所述的摆杆(3012)夹持在滑履(4)之间，滑履(4)限制摆动活塞(301)做规定的摆动运动，泵体(5)上开设有与第一容积腔(501)相通的第一工质通道(504)和第二工质通道(505)，第一工质通道(504)与流道(3013)相通，第一容积腔(501)在摆动活塞(301)的外部空间容纳工作液体；所述摆杆(3012)上的流道入口和流道出口分别开设在摆杆(3012)与塞环(3011)连接一端的侧壁及另一端的端面上；所述的轴套(701)与定子(702)一体成型，转子(303)的中心开设有轴孔，轴(305)采用过盈配合安装在轴孔上；轴(305)插入轴套(701)，实现转子系统(3)与定子系统(7)的转动连接；所述的定子(702)与泵体(5)一体成型，避免转子系统(3)工作时与第一容积腔(501)的侧面发生干涉磨损。
2.根据权利要求1所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的第一容积腔(501)的内表面喷涂有减摩自润滑材料，材料的摩擦因数小于0.15；所述的第一泵体端盖(1)和第二泵体端盖(6)朝向泵体(5)的一侧表面喷涂有减摩自润滑材料。
3.根据权利要求1所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的转子(303)与偏心轮(302)之间设置弹性材料薄层，偏心轮(302)采用具有刚度的自润滑材料加工成型。
4.根据权利要求1或3所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的偏心轮(302)采用热套工艺固定套装在转子(303)外壁上。
5.根据权利要求1所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的轴(305)从轴孔伸出0.1mm，用于减少转子系统(3)与第一泵体端盖(1)发生接触时的磨损面积。
6.根据权利要求1所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的滑履(4)采用具有刚度的自润滑材料加工成型；所述的滑履(4)为圆柱形结构，并沿径向对称铣削出方形槽道将摆杆(3012)夹持，所述滑履(4)的周向柱面进行曲面处理，用于避免摆动活塞(301)在运动过程中和滑履(4)发生接触干涉。
7.根据权利要求1所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的泵体(5)采用轻质合金材料加工而成，所述的第一泵体端盖(1)、第二泵体端盖(6)和泵体(5)通过固定组件(8)连接，固定组件(8)采用与泵体(5)相同材料的扁平头铆钉，通过冷铆方式连接第一泵体端盖(1)、第二泵体端盖(6)和泵体(5)。
8.根据权利要求1所述的微型容积式液泵，其特征在于：所述的密封件(2)为能够放置在第二容积腔(502)当中的环形密封件，采用耐老化且不与工作液体发生理化反应的弹性材料制成；所述的工作液体采用在40℃～70℃温度范围内饱和压力不高于1MPa，并且能够与绕组(703)绝缘接触的粘性制冷剂。
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