CN209892418U - 一种轴流式微型压电气体压缩机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微型气体压缩机技术领域，具体涉及一种轴流式微型压电气体压缩机，整体由套筒、上盖、上板、中间层、下板、下盖、压电振子、单向阀、冷却套、密封圈构成；上盖与上板之间设置有第一压电振子，上板与中间层之间设置有第二压电振子，中间层与下板之间设置有第三压电振子，下板与下盖之间设置有第四压电振子。四个压电振子的直径依次减小且中心均开设有中心孔，单向阀安装在压电振子中心孔处，单向阀由环形支座、阀片、悬臂组成。冷却套与盖板之间涂有导热胶，冷却套外表面设置有冷却通道，冷却套外侧设置有套筒。特色及优势：可同时实现大流量和高压力输出，能量密度大。

Description

一种轴流式微型压电气体压缩机

技术领域

本实用新型属于微型气体压缩机技术领域，具体涉及一种轴流式微型压电气体压缩机。

背景技术

由于微型压缩机体积小、结构紧凑以及高的控制精度等优势，目前已广泛应用于电子冷却、化学合成、气体输送以及航空航天等领域。中国专利CN105321404A提出一种电磁式压缩机，主要包括固定壳体、进气管、出气管、气缸、活塞、传动架、衔铁铁芯和电磁线圈，该电磁式压缩机控制容易，电磁力大；中国专利CN207048923U提出一种单驱动式天然气用微型循环压缩机，采用立式结构进行压缩机结构设计，通过电机驱动，占地面积小，便于维护和搬运。但电机驱动的微型气体压缩机结构复杂、体积大、功耗高且存在电磁干扰，不便用于系统的集成化和微型化。人们又相继提出了气动式和静电驱动式气体压缩机。其中，气动式需要单独气源进行驱动，无法用于便携式或者独立仪器设备；静电驱动式因膜片驱动力小且需要高电压驱动，很难输出高压力气体。

微型压电气体压缩机结构简单、功耗低、能量密度高、无电磁干扰且易于控制，是构造微型气体压缩机的有效方法。然而现有微型压电气体压缩机多为单腔体结构，导致压缩机的压升能力不足，只能达到对流体进行泵送的压力水平，且由于气体的易压缩性和单个压电振子自身驱动能力的限制，其能量密度不高，从而限制了微型压电气体压缩机的实际应用。

发明内容：

针对现有微型压电气体压缩机的不足，本实用新型提出一种能同时输出高压力/大流量、无电磁干扰、能量密度高、结构简单、成本低的轴流式微型压电气体压缩机(以下简称为轴流式微压缩机)，采用以下技术方案：轴流式微型压电气体压缩机整体由套筒、上盖、上板、中间层、下板、下盖、第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、冷却套和密封圈构成；上盖、上板、中间层、下板、下盖从上至下依次相连；所述上盖设置有气体入口；所述上盖与上板之间设置有第一压电振子，上盖在朝向第一压电振子方向设置有第一泵腔；所述第一泵腔与气体入口连通；所述上板与中间层之间设置有第二压电振子，上板在第一压电振子和第二压电振子之间设置有第二泵腔，第二泵腔连通第一压电振子与第二压电振子，第一压电振子与第二压电振子的变形可驱动第二泵腔；所述中间层与下板之间设置有第三压电振子，中间层在第二压电振子与第三压电振子之间设置有第三泵腔，第三泵腔连通第二压电振子与第三压电振子，第二压电振子与第三压电振子的变形可驱动第三泵腔；所述下板与下盖之间设置有第四压电振子，下板在第三压电振子与第四压电振子之间设置有第四泵腔，第四泵腔连通第三压电振子与第四压电振子，第三压电振子与第四压电振子的变形可驱动第四泵腔；所述下盖在朝向第四压电振子一侧设置有第五泵腔；所述下盖下端设置有气体出口；所述气体出口与第五泵腔连通；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子在金属基板外周边缘上下两侧均设置有密封圈，以此实现腔体密封；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的中心都开设有中心孔；所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀分别安装在第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的中心孔处；所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀的一种较优选择为轮式阀，由环形支座、阀片、悬臂组成，所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀工作时，阀片在压差和压电振子振动动能作用下可以实现平动开启；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的直径从上到下依次减小，第二泵腔、第三泵腔、第四泵腔的体积也依次减小，可以实现轴流式微压缩机的逐级压缩；这里需要说明的是，所述轴流式是指第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子按照直径大小从上到下轴向分布，第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀安置于压电振子中心，气体轴向流动。

为使轴流式微压缩机工作时能有效散热，轴流式微压缩机的外侧设置有冷却套，所述冷却套设置在上盖、上板、中间层、下板、下盖连接体外围，并与上盖、上板、中间层、下板、下盖连接体外围表面充分接触，接触面涂有导热胶；需要说明的是，上盖、上板、中间层、下板、下盖连接体，即是四者连接后形成的整体；所述冷却套外表面设置有冷却管道；所述冷却管道为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道是为了冷却液能在冷却套内滞留更长时间，强化散热效果；所述冷却套外围连接有套筒，套筒上设置有冷却液入口和冷却液出口；轴流式微压缩机工作时，冷却液从冷却液入口流入，经过冷却管道从冷却液出口流出从而带走热量，达到散热效果。

轴流式微压缩机的流量由第一压电振子和第二压电振子决定，第一压电振子和第二压电振子直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，弥补单向阀的气体反向泄露，可有效累积各级腔体气体压缩量，使轴流式微压缩机具有较大的能量密度，可获得高压力。

本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态、第二工作状态。

第一工作状态：给第一压电振子施加极化方向相同的电压，第二压电振子施加极化方向相反的电压，第三压电振子施加极化方向相同的电压，第四压电振子施加极化方向相反的电压，第一压电振子向上振动，第二压电振子向下振动，第三压电振子向上振动，第四压电振子向下振动；第二泵腔体积增大、压力减小，第一单向阀打开，气体入口的气体吸入第二泵腔；第三泵腔体积减小、压力增大，第四泵腔体积增大、压力减小，第三单向阀打开，第三泵腔内的气体压入第四泵腔。

第二工作状态：给第一压电振子施加极化方向相反的电压，第二压电振子施加极化方向相同的电压，第三压电振子施加极化方向相反的电压，第四压电振子施加极化方向相同的电压，第一压电振子向下振动，第二压电振子向上振动，第三压电振子向下振动，第四压电振子向上振动；第二泵腔体积减小、压力增大，第三泵腔体积增大、压力减小，第二单向阀打开，第二泵腔内的气体压入第三泵腔；第四泵腔体积减小、压力增大，第五泵腔体积增大、压力减小，第四单向阀打开，第四泵腔内的气体压入第五泵腔，气体排出。

在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，可连续输出气体，轴流型微压缩机在第二泵腔、第三泵腔、第四泵腔内对气体分别进行了第一级、第二级、第三级压缩，前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体进行气体压缩(大体积气体可弥补单向阀的反向泄露)，通过多级累积压缩即可获得高效率的气体增压效果；同时，由于单向阀与压电振子一体式安装(单向阀安装在压电振子中心处)，单向阀能充分利用压电振子的动能进行开启和关闭，有效提升了单向阀的动态性能，减少了气体的反向泄露且提高工作频率。

本实用新型的特色及优势在于：1、通过各腔体积逐级递减来实现气体累积增压，其流量由第一压电振子和第二压电振子决定，第一压电振子和第二压电振子直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；2、前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，可有效累积各级腔体气体压缩量，能量密度大，能量转换效率高，可输出高压力；3、轴流式微压缩机工作时，单向阀能充分利用压电振子的动能进行开启和关闭，有效提升了单向阀的动态性能，气体反向泄露少且工作频率高。

附图说明：

图1是本实用新型一个较佳实施例中初始状态的结构剖面图；

图2是本实用新型一个较佳实施例中第一工作状态的结构剖面图；

图3是本实用新型一个较佳实施例中第二工作状态的结构剖面图；

图4是本实用新型一个较佳实施例中螺旋式冷却通道的排布图；

图5是本实用新型一个较佳实施例中压电振子和单向阀组装后俯视图。

其中：1-套筒；11-冷却液入口；12-冷却液出口；2-上盖；21-第一泵腔；22-气体入口；3-上板；31-第二泵腔；4-中间层；41-第三泵腔；5-下板；51-第四泵腔；6-下盖；61-第五泵腔；62-气体出口；71-第一单向阀；72-第二单向阀；73-第三单向阀；74-第四单向阀；7a-环形支座；7b-阀片；7c-悬臂；81-第一压电振子；82-第二压电振子；83-第三压电振子；84-第四压电振子；8a-金属基板；8b-压电陶瓷片；9-冷却套；91-导热胶；92-冷却管道；10-密封圈。

具体实施方式：

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。

请参照图1、图2、图3、图4、图5，本实用新型提出一种轴流式微型压电气体压缩机，由套筒1、上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6、第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84、第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74、冷却套9和密封圈10构成；上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6从上至下依次相连；所述上盖2设置有气体入口22；所述上盖2与上板3之间设置有第一压电振子81，上盖2在朝向第一压电振子81方向设置有第一泵腔21；所述第一泵腔21与气体入口22连通；所述上板3与中间层4之间设置有第二压电振子82，上板3在第一压电振子81和第二压电振子82之间设置有第二泵腔31，第二泵腔31连通第一压电振子81与第二压电振子82，第一压电振子81与第二压电振子82的变形可驱动第二泵腔31；所述中间层4与下板5之间设置有第三压电振子83，中间层4在第二压电振子82与第三压电振子83之间设置有第三泵腔41，第三泵腔41连通第二压电振子82与第三压电振子83，第二压电振子82与第三压电振子83的变形可驱动第三泵腔41；所述下板5与下盖6之间设置有第四压电振子84，下板5在第三压电振子83与第四压电振子84之间设置有第四泵腔51，第四泵腔51连通第三压电振子83与第四压电振子84，第三压电振子83与第四压电振子84的变形可驱动第四泵腔51；所述下盖6在朝向第四压电振子84一侧设置有第五泵腔61；所述下盖6下端设置有气体出口62；所述气体出口62与第五泵腔61连通；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84均由金属基板8a和压电陶瓷片8b同心粘接而成；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84在金属基板8a外周边缘上下两侧均设置有密封圈10，以此实现腔体密封；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84的中心都开设有中心孔；所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74分别安装在第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84的中心孔处；所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74的一种较优选择为轮式阀，由环形支座7a、阀片7b、悬臂7c组成，所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74工作时，阀片7b在压差和压电振子振动动能作用下可以实现平动开启；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84的直径从上到下依次减小，第二泵腔31、第三泵腔41、第四泵腔51的体积也依次减小，可以实现轴流式微压缩机的逐级压缩；这里需要说明的是，所述轴流式是指第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84按照直径大小从上到下轴向分布，第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74安置于压电振子中心，气体轴向流动。

为使轴流式微压缩机工作时能有效散热，轴流式微压缩机的外侧设置有冷却套8，所述冷却套9设置在上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6连接体外围，并与上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6连接体外围表面充分接触，接触面涂有导热胶91；需要说明的是，上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6连接体，即是四者连接后形成的整体；所述冷却套9外表面设置有冷却管道92；所述冷却管道92为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道92是为了冷却液能在冷却套内滞留更长时间，强化散热效果；所述冷却套9外围连接有套筒1，套筒1上设置有冷却液入口11和冷却液出口12；轴流式微压缩机工作时，冷却液从冷却液入口11流入，经过冷却管道21从冷却液出口12流出从而带走热量，达到散热效果。

轴流式微压缩机的流量由第一压电振子81和第二压电振子82决定，第一压电振子81和第二压电振子82直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，可有效累积各级腔体气体压缩量，使轴流式微压缩机具有较大的能量密度，可获得高压力。

本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态、第二工作状态。

第一工作状态：给第一压电振子81施加极化方向相同的电压，第二压电振子82施加极化方向相反的电压，第三压电振子83施加极化方向相同的电压，第四压电振子84施加极化方向相反的电压，第一压电振子81向上振动，第二压电振子82向下振动，第三压电振子83向上振动，第四压电振子84向下振动；第二泵腔31体积增大、压力减小，第一单向阀71打开，气体入口22的气体吸入第二泵腔31；第三泵腔41体积减小、压力增大，第四泵腔51体积增大、压力减小，第三单向阀73打开，第三泵腔41内的气体压入第四泵腔51。

第二工作状态：给第一压电振子81施加极化方向相反的电压，第二压电振子82施加极化方向相同的电压，第三压电振子83施加极化方向相反的电压，第四压电振子84施加极化方向相同的电压，第一压电振子81向下振动，第二压电振子82向上振动，第三压电振子83向下振动，第四压电振子84向上振动；第二泵腔31体积减小、压力增大，第三泵腔41体积增大、压力减小，第二单向阀72打开，第二泵腔31内的气体压入第三泵腔41；第四泵腔51体积减小、压力增大，第五泵腔61体积增大、压力减小，第四单向阀74打开，第四泵腔51内的气体压入第五泵腔61，气体排出。

在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，可连续输出气体，轴流型微压缩机在第二泵腔31、第三泵腔41、第四泵腔51内对气体分别进行了第一级、第二级、第三级压缩，前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体进行气体压缩(大体积气体可弥补单向阀的反向泄露)，通过多级累积压缩即可获得高效率的气体增压效果；同时，由于单向阀与压电振子一体式安装(单向阀安装在压电振子中心处)，单向阀能充分利用压电振子的动能进行开启和关闭，有效提升了单向阀的动态性能，减少了气体的反向泄露且提高工作频率。

以上实施例供理解本实用新型之用，并非用于限制，在不违背本实用新型原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本实用新型所属的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种轴流式微型压电气体压缩机，其特征在于：整体由套筒、上盖、上板、中间层、下板、下盖、第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、冷却套和密封圈构成；上盖、上板、中间层、下板、下盖从上至下依次相连；所述上盖设置有气体入口；所述上盖与上板之间设置有第一压电振子，上盖在朝向第一压电振子方向设置有第一泵腔；所述第一泵腔与气体入口连通；所述上板与中间层之间设置有第二压电振子，上板在第一压电振子和第二压电振子之间设置有第二泵腔，第二泵腔连通第一压电振子与第二压电振子；所述中间层与下板之间设置有第三压电振子，中间层在第二压电振子与第三压电振子之间设置有第三泵腔，第三泵腔连通第二压电振子与第三压电振子；所述下板与下盖之间设置有第四压电振子，下板在第三压电振子与第四压电振子之间设置有第四泵腔，第四泵腔连通第三压电振子与第四压电振子；所述下盖在朝向第四压电振子一侧设置有第五泵腔；所述下盖下端设置有气体出口；所述气体出口与第五泵腔连通；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子在金属基板外周边缘上下两侧均设置有密封圈；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的中心都开设有中心孔；所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀分别安装在第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的中心孔处；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的直径从上到下依次减小，第二泵腔、第三泵腔、第四泵腔的体积也依次减小。

2.根据权利要求1所述的轴流式微型压电气体压缩机，其特征在于：所述冷却套套设在上盖、上板、中间层、下板和下盖连接体外围，并与上盖、上板、中间层、下板和下盖连接体外围表面充分接触，接触面涂有导热胶；所述冷却套设置有冷却管道；所述冷却套外围连接有套筒，套筒上设置有冷却液入口和冷却液出口。

3.根据权利要求2所述的轴流式微型压电气体压缩机，其特征在于：所述冷却管道为螺旋式冷却管道。

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