CN114962204A - 一种压电叠堆驱动的液体泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电泵领域，具体涉及一种压电叠堆驱动的液体泵及其控制方法。壳体内部从左至右依次设置有第一驱动单元和第二驱动单元；所述第一驱动单元和第二驱动单元均包含压电叠堆、输送管和压缩弹簧；所述输送管内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由滑块连杆机构组成；滑块为高密度金属材料加工而成。特色与优势：功耗低、输出性能高、可用于高粘度液体或含活性组织的液体泵送。

Description

一种压电叠堆驱动的液体泵及其控制方法

技术领域

本发明属于压电泵领域，具体涉及一种压电叠堆驱动的液体泵及其控制方法。

背景技术

压电驱动具有结构简单、功耗低、控制简单且无电磁干扰等优势，在微小型液体泵中具有广泛的应用前景，如中国专利CN200910146813.0提出一种高流量压电泵，包括壳体和位于所述壳体内的致动器，通过压电致动器和活塞之间的液力偶合器驱动泵腔产生容积变化，进而实现高流量输出。当前压电泵主要为容积式泵，即通过压电振子驱动泵腔产生体积变化结合阀体动作进而实现流体的泵送，由于压电振子变形小（需要高频驱动）以及阀体结构的限制，当前压电泵在泵送高粘度或具有活体组织的液体时，泵送效果差。

发明内容

针对现有压电泵的不足，本发明提出一种压电叠堆驱动的液体泵及其控制方法。

本发明采用的技术方案：包含壳体、第一驱动单元和第二驱动单元；所述壳体内部从左至右依次设置有第一驱动单元和第二驱动单元；所述壳体内部设置有入口流道、腔体以及出口通道，泵送液体从入口流道流入、泵送液体从出口流道流出；所述第一驱动单元内部设置有第一中间流道；所述第二驱动单元内部设置有第二中间流道；所述入口流道、第一中间流道、腔体、第二中间流道、出口流道从左至右依次连通。

进一步的，所述第一驱动单元和第二驱动单元结构完全一致；所述第一驱动单元和第二驱动单元均包含压电叠堆、输送管和压缩弹簧；所述输送管与壳体为间隙滑动配合，并配套设置有第二密封圈和第一密封圈，这主要实现液体泵的密封；所述输送管设置有连接块和基体；所述连接块位于输送管的径向外围；所述第一中间流道和所述第二中间流道位于所述输送管的内部；所述压电叠堆左右两端分别连接有连接块和壳体；所述连接块左部连接有压缩弹簧，所述压缩弹簧用于输送管的复位。

进一步的，所述输送管内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由依次相连的第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链、滑块组成；所述第一柔性铰链连接阀板和基体；所述输送管内部设置有滑道；所述滑块固定在滑道内且与输送管滑动配合；上下对称的两个滑块通过连接件连接为一体，因此上下对称的两个滑块动作完全同步；所述滑块为高密度金属材料加工而成，滑块质量大于第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链质量之和；所述滑块的质量为

，第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链质量之和为

，且

，这样可以保证滑块的惯性足够带动阀板动作；对称的两个阀板在往复摆动工作过程中不直接接触。

进一步的，所述滑块右部与基体间连接有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的拉力用于滑块的复位；所述滑块为初始位置时，第三柔性铰链位于第二柔性铰链的左部，所述阀板与连杆之间的夹角为β，且30°<β<45°。

进一步的，对称的两个阀板之间形成由左向右逐步扩大的扩张口，扩张口的夹角为θ1，且20°<θ1< 50°。

本发明中，压电叠堆在周期性交变电压信号驱动下，产生左右弯曲变形，带动输送管左右振动，两个阀板在滑块带动下运动，两个阀板形成的流阻差改变（扩张口夹角θ转变），通过第一驱动单元和第二驱动单元之间的流阻差实现液体的输送。一种压电叠堆驱动的液体泵分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：入口流道内部填充满液体，不施加电压信号，第一驱动单元和第二驱动单元中压电叠堆保持预定初始状态；

第一工作状态：第一驱动单元中压电叠堆施加正电压、第二驱动单元中压电叠堆施加负电压，第一驱动单元中压电叠伸长并带动输送管向左运动、第二驱动单元中压电叠堆缩短并带动输送管向右运动，在惯性作用下，第一驱动单元中滑块带动阀板沿径向向外摆动、阀口变大，第二驱动单元中滑块带动阀板沿径向向内摆动、阀口变小，同时腔体体积增大、压力变小，腔体吸入流体，由于第一驱动单元中的阀口大、第二驱动单元中的阀口小，所以第一中间流道内的流阻小、第二中间流道内的流阻大，在不同流阻作用下，腔体吸入流体中入口流道流入的体积大于出口流道。需要说明的是，施加的驱动电压为负值时，驱动电压与压电叠堆极化方向相反；当驱动电压为正值时，驱动电压与压电叠堆极化方向相同。

第二工作状态：第一驱动单元中压电叠堆施加负电压、第二驱动单元中压电叠堆施加正电压，第一驱动单元中压电叠堆缩短并带动输送管向右运动、第二驱动单元中压电叠堆伸长并带动输送管向左运动，在惯性作用下，第一驱动单元中滑块带动阀板沿径向向内摆动、阀口变小，第二驱动单元中滑块带动阀板沿径向向外摆动、阀口变大，同时腔体体积变小、压力变大，腔体排出流体，由于第一驱动单元中的阀口小、第二驱动单元中的阀口大，所以第一中间流道内的流阻大、第二中间流道内的流阻小，在不同流阻作用下，腔体排出流体中出口流道获得的流体体积大于入口流道。

在流阻差值作用下，一个工作周期（包含第一工作状态和第二工作状态）内，液体在管道内存在一个向右的净流量。

第一驱动单元和第二驱动单元中的压电叠堆均施加交变电压信号，第一工作状态和第二工作状态交替转变，进而实现入口流道中的液体持续向出口流道泵送。当需要对液体泵清洗时，直接注入清洁液体，即可实现清洗。

本发明的特色及优势在于：1. 输出性能高，压电叠堆输出力大、输出位移小，结合惯性装置，这可将压电叠堆的位移放大并带动阀板运动，阀板大位移往复摆动实现液体驱动，液体泵可获得高性能输出；2.可泵送高粘度液体和含有活性组织的液体，阀板往复摆动但是不完全闭合，这可避免阀完全闭合时对液体内活性组织的损坏，同时通过大质量的滑块带动阀板大位移往复摆动实现液体泵送，因此可用于高粘度的液体泵送，这可避免压电泵输送高粘度液体时单向阀无法正常开闭的弊端；3.结构简单、体积小、功耗低，通过压电叠堆驱动，驱动输送管产生的位移大，可实现输送管内液体的输送，功耗低、结构简单、易集成。

附图说明

图1是本发明一种较佳实施例初始状态的剖面示意图；

图2是图1中第一驱动单元（21）区域的局部放大图；

图3是本发明一种较佳实施例第一工作状态剖面示意图；

图4是本发明一种较佳实施例第二工作状态剖面示意图；

图标：1-壳体；21-第一驱动单元；22-第二驱动单元；31-入口流道；32-腔体；33-出口流道；34-第一中间流道；35-第二中间流道；200-压电叠堆；210-输送管；211-连接板；212-第一柔性铰链；213-阀板；214-第二柔性铰链；215-连杆；216-第三柔性铰链；217-滑块；218-滑道；219-基体；230-第一密封圈；240-第二密封圈；220-压缩弹簧；221-拉伸弹簧；340-阀口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体化连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参阅图1、图2、图3和图4，下面将结合附图对本发明实施的一种压电叠堆驱动的液体泵作详细说明。

本发明实施例提供了一种压电叠堆驱动的液体泵及其控制方法，包括：壳体1、第一驱动单元21和第二驱动单元22；所述壳体1内部从左至右依次设置有第一驱动单元21和第二驱动单元22；所述壳体1内部设置有入口流道31、腔体32以及出口通道33，泵送液体从入口流道31流入、泵送液体从出口流道33流出；所述第一驱动单元21内部设置有第一中间流道34；所述第二驱动单元22内部设置有第二中间流道35；所述入口流道31、第一中间流道34、腔体32、第二中间流道35、出口流道33从左至右依次连通。

进一步的，所述第一驱动单元21和第二驱动单元22结构一致；所述第一驱动单元21和第二驱动单元22均包含压电叠堆200、输送管210和压缩弹簧220；所述输送管5与壳体1为间隙滑动配合，并配套设置有第二密封圈240和第一密封圈230，这主要实现液体泵的密封；所述输送管5设置有连接块211和基体219；所述连接块211位于输送管5的径向外围；所述第一中间流道34和所述第二中间流道35位于所述输送管5的内部；所述压电叠堆200左右两端分别连接有连接块211和壳体1；所述连接块211左部连接有压缩弹簧220，所述压缩弹簧220用于输送管210的复位。

进一步的，所述输送管210内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由依次相连的第一柔性铰链212、阀板213、第二柔性铰链214、连杆215、第三柔性铰链216、滑块217组成；所述第一柔性铰链212连接阀板213和基体219；所述输送管210内部设置有滑道218；所述滑块217固定在滑道218内且与输送管210滑动配合；所述滑块217为高密度金属材料加工而成，滑块217质量大于第一柔性铰链212、阀板213、第二柔性铰链214、连杆215、第三柔性铰链216质量之和；所述滑块217的质量为

，第一柔性铰链212、阀板213、第二柔性铰链214、连杆215、第三柔性铰链216质量之和为

，且

，这样可以保证滑块217的惯性足够带动阀板213动作。

进一步的，所述滑块217右部与基体219间连接有拉伸弹簧221，所述拉伸弹簧221的拉力用于滑块217的复位；所述滑块217为初始位置时，第三柔性铰链216位于第二柔性铰链214的左部，所述阀板213与连杆215之间的夹角为β，且30°<β<45°。

进一步的，如图1所示，对称的两个阀板213之间形成由左向右逐步扩大的扩张口，扩张口的夹角为θ1，且20°<θ1< 50°；对称的两个阀板213距离最短处（即扩张口小端）形成阀口340。

进一步地，所述压电叠堆200为圆环管状，这样可以有更大的输出力。

本发明中，压电叠堆200在周期性交变电压信号驱动下，产生伸缩变形，带动输送管210左右振动，两个阀板213在滑块217带动下运动，两个阀板213形成的流阻差改变（扩张口夹角θ转变），通过第一驱动单元21和第二驱动单元22之间的流阻差实现液体的输送。一种压电叠堆驱动的液体泵分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：如图1所示，入口流道61内部填充满液体，不施加电压信号，第一驱动单元21和第二驱动单元22中压电叠堆200保持预定初始状态，滑块217位于复位初始状态；

第一工作状态：如图3所示，第一驱动单元21中压电叠堆200施加正电压、第二驱动单元中压电叠堆200施加负电压，第一驱动单元21中压电叠堆200伸长并带动输送管210向左运动、第二驱动单元22中压电叠堆200缩短并带动输送管210向右运动，在惯性作用下，第一驱动单元21中滑块217带动阀板213向外摆动、阀口340变大，第二驱动单元22中滑块217带动阀板213向内摆动、阀口340变小，同时腔体32体积增大、压力变小，腔体32吸入流体，由于第一驱动单元21中的阀口340大、第二驱动单元22中的阀口340小，所以第一中间流道34内的流阻小、第二中间流道35内的流阻大，在不同流阻作用下，腔体32吸入流体中入口流道31流入的体积大于出口流道33。需要说明的是，施加的驱动电压为负值时，驱动电压与压电叠堆200极化方向相反；当驱动电压为正值时，驱动电压与压电叠堆200极化方向相同。

第二工作状态：如图4所示，第一驱动单元21中压电叠堆200施加负电压、第二驱动单元中压电叠堆200施加正电压，第一驱动单元21中压电叠堆200缩短并带动输送管210向右运动、第二驱动单元22中压电叠堆200伸长并带动输送管210向左运动，在惯性作用下，第一驱动单元21中滑块217带动阀板213向内摆动、阀口340变小，第二驱动单元22中滑块217带动阀板213向外摆动、阀口340变大，同时腔体32体积变小、压力变大，腔体32排出流体，由于第一驱动单元21中的阀口340小、第二驱动单元22中的阀口340大，所以第一中间流道34内的流阻大、第二中间流道35内的流阻小，在不同流阻作用下，腔体32排出流体中出口流道33获得的流体体积大于入口流道31。

在流阻差值作用下，一个工作周期（包含第一工作状态和第二工作状态）内，液体在管道内存在一个向右的净流量。

第一驱动单元21和第二驱动单元22中的压电叠堆200均施加交变电压信号，第一工作状态和第二工作状态交替转变，进而实现入口流道31中的液体持续向出口流道33泵送。当需要对液体泵清洗时，直接注入清洁液体，即可实现清洗。

Claims (2)

1.一种压电叠堆驱动的液体泵，其特征在于：包括壳体、第一驱动单元和第二驱动单元；所述壳体内部从左至右依次设置有第一驱动单元和第二驱动单元；所述壳体内部设置有入口流道、腔体以及出口通道，泵送液体从入口流道流入、泵送液体从出口流道流出；所述第一驱动单元内部设置有第一中间流道；所述第二驱动单元内部设置有第二中间流道；所述入口流道、第一中间流道、腔体、第二中间流道、出口流道从左至右依次连通；所述第一驱动单元和第二驱动单元结构一致；所述第一驱动单元和第二驱动单元均包含压电叠堆、输送管和压缩弹簧；所述输送管与壳体为间隙滑动配合，并配套设置有第二密封圈和第一密封圈；所述输送管设置有连接块和基体；所述连接块位于输送管的径向外围；所述第一中间流道和所述第二中间流道位于所述输送管的内部；所述压电叠堆左右两端分别连接有连接块和壳体；所述压电叠堆为圆环管状；所述连接块左部连接有压缩弹簧，所述压缩弹簧用于输送管的复位；所述输送管内部上下对称设置有两组惯性装置，所述惯性装置由依次相连的第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链、滑块组成；所述第一柔性铰链连接阀板和基体；所述输送管内部设置有滑道；所述滑块固定在滑道内且与输送管滑动配合；所述滑块为高密度金属材料加工而成；所述滑块的质量为

，第一柔性铰链、阀板、第二柔性铰链、连杆、第三柔性铰链质量之和为

，且

；所述滑块右部与基体间连接有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的拉力用于滑块的复位；所述滑块为初始位置时，第三柔性铰链位于第二柔性铰链的左部，所述阀板与连杆之间的夹角为β，且30°<β<45°；对称的两个阀板之间形成由左向右逐步扩大的扩张口，扩张口的夹角为θ1，且20°<θ1< 50°；对称的两个阀板距离最短处形成阀口，阀口不完全关闭。

2.一种控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1所述压电叠堆驱动的液体泵，包括以下步骤：

第

步，第一驱动单元中压电叠堆施加正电压、第二驱动单元中压电叠堆施加负电压，第一驱动单元中压电叠伸长并带动输送管向左运动、第二驱动单元中压电叠堆缩短并带动输送管向右运动，在惯性作用下，第一驱动单元中滑块带动阀板沿径向向外摆动、阀口变大，第二驱动单元中滑块带动阀板沿径向向内摆动、阀口变小，同时腔体体积增大、压力变小，腔体吸入流体，在不同流阻作用下，腔体吸入流体中从入口流道流入的体积大于出口流道；

第

步，第一驱动单元中压电叠堆施加负电压、第二驱动单元中压电叠堆施加正电压，第一驱动单元中压电叠堆缩短并带动输送管向右运动、第二驱动单元中压电叠堆伸长并带动输送管向左运动，在惯性作用下，第一驱动单元中滑块带动阀板沿径向向内摆动、阀口变小，第二驱动单元中滑块带动阀板沿径向向外摆动、阀口变大，同时腔体体积变小、压力变大，腔体排出流体，在不同流阻作用下，腔体排出流体中出口流道获得的流体体积大于入口流道；

第

步，第一驱动单元和第二驱动单元中的压电叠堆均施加交变电压信号，第

步和第

步交替转变，进而实现入口流道中的液体持续向出口流道泵送。

Images