CN1936326A

CN1936326A - 无阀微压电泵

Info

Publication number: CN1936326A
Application number: CN 200610096746
Authority: CN
Inventors: 高建民; 唐为奇; 肖建凯; 李发义
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-03-28

Abstract

本发明涉及流体机械，特指一种无阀微压电泵。其由Cymbal振子、压电陶瓷、安装支座、箱盖、水槽盖、进水管道组成；其特征是：左、右进水管道采用锥形管这种兼具备收缩管/扩张管的阀结构来代替有阀结构；上下箱盖内泵腔边缘处设有三角直齿，增加了倒流的阻力，实现泵的单向流动；将上、下压电陶瓷与上、下Cymbal振子粘结在一起，安装在安装支座内，再将这作为一个整体安装在上下箱盖配合形成的环形槽当中，与上下箱盖构成双泵腔；上下箱盖通过螺栓连接；在左、右进水管道的外侧分别安装水槽盖。本发明扩大变形压电体、高工作频率、有足够的泵腔体积变化、大输出能力的新型无阀微压电泵，使泵的输出性能最优及噪音最小，实现无阀压电泵的小型化和微型化。

Description

无阀微压电泵

技术领域

本发明涉及流体机械领域，特指一种无阀微压电泵。

背景技术

基于压电驱动原理设计制造的流体泵，称为压电泵。一般的机械泵由动力源、机构及直接作用于液体的叶片等组成，而压泵由于动力源与相当于叶片合为一体，因此结构大为简化。利用压电技术制造的超微型液压电子泵是国际首创性技术，原理突出的革命性泵类制造技术产品。与传统的机械泵、电磁泵相比，具有体积小、重量轻、能耗低、无噪音、扬程高、流量大、不泄压、无污染、止逆效果好、安装使用方便等特点。可适用于不同介质的液体(弱酸、弱硷等有机溶液)，在同扬程、同流量下体积和能耗仅为普通电磁泵的几分之一到几十之一，机电性能稳定，驱动原理新颖。利用压电技术制造的液压式电子泵其泵体结构简单、生产成本低、工艺简洁、生产周期短、更适宜工业化规模生产。因此，压电泵一直是微泵研究领域的一个热点，是压电技术、振动学、波动学、动态设计、电力电子技术、新材料和新加工工艺等多学科交叉的高新技术。它利用压电陶瓷的压电特性实现机电的能量转换，为泵送作业提供动力，替代传统微型泵的电磁、电机驱动作业的工作方式；创造性地发明了泵体超微型化和机电一体化；在同扬程、同流量下体积和能耗仅为传统泵的几分之一到几十分之一，机电性能稳定、驱动原理新颖。

目前所研制的压电泵大多是微型泵，历经二十多年的发展，压电泵的研究开始由理论研究向实用性研究方向迈进，日本计器制作所生产的各种小型有阀压电泵已投放市场，可用于血液输送、微小部件清洗、粘接剂喷涂、化学分析等领域。尤其近些年来，微流动系统及相关的微型机械制造技术已经成为了一个非常活跃的研究领域。在化学分析与检测、生物工程、集成电路芯片、微型零部件以及微型化生产系统等领域迫切需要研制出一种便于小型化、微型化、可以精确定量输送微小流量流体的微型泵.作为微流动系统的关键部件，微型泵的性能直接影响着整个微流量系统的性能，其本身也具有重要的研究价值和广阔的应用前景。但由于绝大多数这类流体泵采用了机械式单向阀作为流向调节机构，使得它们普遍存在磨损严重、易发生疲劳破坏、可靠性低、结构比较复杂、制造成本较高、不易于向微型化、集成化方向发展等问题。

现有专利：无阀压电泵，申请号：CN200510090255.2.优点是结构简单，利于压电泵的小型化和微型化。但液体会通过动态密封部位渗漏，而且存在机械磨损，磨损严重，响应速度低，易发生疲劳破坏，可靠性低，流量小，输出压力低。

还有专利：压电泵，申请号：CN200410100784.1.优点是配线作业较容易、耐久性较好、不会牺牲隔片的柔性而能得到良好的泵作用，但双压电晶片型压电振子的变形小，承载能力相对较弱，存在机械磨损，磨损严重，响应速度低，易发生疲劳破坏，可靠性低，流量小，输出压力低。

另有论文：一种改进的平板式无阀压电流体泵，压电与声光，2001，23(5).平板式振子的优点是结构简单，制作方便，装配容易，成本低，但是压电振子所能承受的电压低，变形小，工作频率偏低，承载能力相对较弱，流量小，输出压力低，由此限制了压电泵性能的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扩大变形压电体、高工作频率、有足够的泵腔体积变化、大输出能力的新型无阀微压电泵，使泵的输出性能最优及噪音最小，实现无阀压电泵的小型化和微型化。

为实现上述目的，本发明综合分析了各种微型阀，通过理论分析和有限元计算确定采用双层压电片钹式驱动器即Cymbal换能器作为压电振子，并在箱盖底部增加了三角直齿，以增加倒流阻力。Cymbal振子具有大变形、高频响的特点，可以大幅度地增加泵体积变化，并且结构相对简单，对提高泵的性能起着重要的作用。

本发明无阀微压电泵主要由Cymbal振子、压电陶瓷、安装支座、箱盖、水槽盖、进水管道组成；其特征是：左、右进水管道采用锥形管这种兼具备收缩管/扩张管的阀结构来代替有阀结构；上下箱盖内泵腔边缘处设有三角直齿，增加了倒流的阻力，实现泵的单向流动；将上、下压电陶瓷与上、下Cymbal振子粘结在一起，安装在安装支座内，再将这作为一个整体安装在上下箱盖配合形成的环形槽当中，与上下箱盖构成双泵腔；上下箱盖通过螺栓连接；在左、右进水管道的外侧分别安装水槽盖，利于水的输入与输出；在与水接触的各配合面处分别加密封垫片防止水的泄漏。

泵的工作原理是在施加交流电场下，陶瓷径向收缩，通过端帽的纵向弹性运动，在法向于端帽的方向产生一个放大的位移，从而在复合物的纵向产生较大的应变S3。利用压电振子的变形，引起泵腔内体积变化，通过流体入口、出口的不同结构，使流体宏观上形成单向流动。当泵腔内体积增大时，流体将由入口、出口同时进入泵腔，但因为入口处为圆锥形扩展孔，此时外部压力大，流体易流入；出口处为倒圆锥形收缩孔，流体流入少，从流体的宏观流动看，泵吸水；泵腔内体积减少时，入口、出口将同时向外排出流体，但是由于出口处外部压力小，入口处外部压力大，相比之下出口排出的流体多。从宏观上看，在压电振动片的一次变形周期中，流体将有一部分从入口流入，而在出口处又有一部分流体流出，所以，这种泵虽然没有单向阀部件，也能形成流体的单向流动。而腔体上部和底部的直三角齿对流体回流起阻碍作用，加强了其排液能力。由于上下腔体是连通的，所以这是一种同步驱动双腔体结构，利用锥形孔和直角齿槽，形成出流效果的新型无阀压电泵。

本发明与现有技术相比，有效地扩大了压电体的变形、提高了工作频率和获得了泵腔足够的体积变化。采用了锥形管既收缩管/扩张管这一阀结构来代替现有阀结构。收缩管/扩张管型无阀压电泵将传统泵的驱动源部分、传动部分及泵体三者合为一体，克服了由于运动部件可能导致的压力损失、磨损、疲劳破坏以及可能对某些敏感流体的性质所造成的不良影响。在这类泵中，收缩管/扩张管起流向调节机构的作用，尽管其流向调节性能并不完美，但其结构简单且强度高，从流体系统的集成化与微型化的角度来看，它可以满足各种微型泵的功能要求。从正压电效应来说，Cymbal振子把金属顶盖作为机械转换器，去转换顶盖上所受到的力，从而综合利用纵向和横向压电作用。例如在顶盖上受到压缩应力时，使其转换分解成压电陶瓷上轴向压缩应力和径向扩张应力两部分，这样，Cymbal振子就可综合利用d₃₃和d₃₁，使其绝对值相加而不是相减，获得了高的有效d₃₃值，导致了大的电量输出；从逆压电效应看，复合体在电极间外电场作用下，轴向形变来源于两个不同方向，一个是压电陶瓷自身通过d₃₃的纵向形变，另一个是由于压电陶瓷通过d₃₁的径向伸缩而产生金属顶盖弯曲拉伸运动，两方面的形变叠加起来能产生比平板式压电振子大得多的形变，从而导致了大的机械量输出。

附图说明：

图1是无阀微压电泵的压电振子的示意图。

图2是无阀微压电泵的总体结构示意图。

图中的标号名称：1、上Cymbal振子，2、上压电陶瓷片，3、下压电陶瓷片，4、下Cymbal振子，5、右进水管道，6、箱盖，7、安装支座，8、密封垫片，9、螺栓，10、密封垫片，11、水槽盖，12、左进水管道，13、密封垫片，14、弹簧垫圈，15、螺母。

具体实施方式：

本发明微型泵是微流动系统中重要的执行器件。左、右进水管道5和12采用锥形管这一既收缩管/扩张管的阀结构来代替有阀结构；上下箱盖6内泵腔边缘处设有三角直齿，增加了倒流的阻力，实现泵的单向流动；将上、下压电陶瓷2和3与上、下Cymbal振子1和4粘结在一起，安装在安装支座7内，再将这作为一个整体安装在上下箱盖6配合形成的环形槽当中，与箱盖6构成双泵腔；上下箱盖6通过9螺栓连接；在左、右进水管道5和12的外侧分别安装水槽盖11，利于水的输入与输出；在会与水接触的各配合面处分别加密封垫片8、10和13防止水的泄漏。该微型泵有以下特点：

1)压电陶瓷的表面采用了覆膜技术，有效地解决了致动的绝缘、防潮、防振碎和抗腐蚀等问题，提高了致器的性能，延长了微型泵使用寿命；

2)采用双面固体膜的键合工艺代替了传统胶粘结工艺，克服了传统胶粘结工艺操作复杂、层厚度和均匀度难以控制以及成功率低的缺点；

3)因为本发明采用的压电陶瓷t和Cymbal振子的尺寸都比较小，粘接工艺要十分精细严格，并且泵腔体积微小，尤其进出口管道和水槽盖尺寸十分细小，应采用激光微雕技术，采用有机玻璃制作加工。

锥形管是收缩管还是扩张管与流体的流动方向有关。当流体从其小端流向大端时，它作为扩张管起作用；反之，当流体从其大端向小端流动时，它作为收缩管起作用。锥形管无阀压电泵就是利用收缩管/扩张管流阻特性实现流体的定向输送的，即当腔体增大时，进口作为扩张管，出口作为收缩管，从进口流入液体比从出口流入的流体多；当泵腔体积减小时，出口作为扩张管，入口作为收缩管，从出口流出的流体比从进口流出的流体多。这两个工作过程构成了压电泵的一个工作周期，实现了一定量流体的输入与输出。因此，当泵腔体积不停地交替变化时，从宏观上就形成了流体的单向流动。

Claims

1.无阀微压电泵，其由Cymbal振子、压电陶瓷、安装支座、箱盖、水槽盖、进水管道组成，其特征是：左、右进水管道(5、12)采用锥形管；上下箱盖(6)内泵腔边缘处设有三角直齿；将上、下压电陶瓷(2、3)与上、下Cymbal振子(1、4)粘结在一起，安装在安装支座(7)内，再将这个安装支座(7)安装在上下箱盖(6)配合形成的环形槽当中，与箱盖(6)构成双泵腔；上下箱盖(6)通过螺栓(9)连接；在左、右进水管道(5、12)的外侧分别安装水槽盖(11)。

2.根据权利要求1所述的无阀微压电泵，其特征是在与水接触的各配合面处分别加密封垫片(8、10、13)。