CN215672604U

CN215672604U - 一种微型动铁式直线真空泵

Info

Publication number: CN215672604U
Application number: CN202121687772.9U
Authority: CN
Inventors: 张成林
Original assignee: Jiangsu Zhenbo Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Zhenbo Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2031-07-23

Abstract

本实用新型公开了一种微型动铁式直线真空泵，属于真空泵技术领域。本实用新型的微型动铁式直线真空泵，包括腔体，腔体上连接有腔体真空控制机构，所述腔体的内侧设置有轭铁，所述轭铁的内侧设置有线圈绕组，所述线圈绕组的中部设置有轴向延伸的通孔，所述通孔中活动穿设有动铁芯，通过向线圈绕组通入交流电，控制动铁芯沿所述通孔做轴向往复运动。本实用新型提供的微型动铁式直线真空泵，结构紧凑、体积小、噪声低、流量大、效率高等特点，可用于实现冰箱密闭空间(20L)的低真空。

Description

一种微型动铁式直线真空泵

技术领域

本实用新型属于真空泵技术领域，具体涉及一种微型动铁式直线真空泵。

背景技术

真空保鲜作为新一代食品储藏技术，与零度保鲜媲美，可实现双重锁鲜的功效。而微型真空泵作为真空保鲜技术的核心显得尤为重要。微型真空泵应该具备诸如结构紧凑、噪音小、能耗低、稳定性好、便于电控等特点。

真空泵分为变容积真空泵和动量传输真空泵。变容积真空泵利用泵腔容积的周期性变化来实现吸气和排气，以达到抽真空的目的。按照驱动原理，变容积真空泵又可分为电机旋转驱动叶轮或活塞形式变容积真空泵、压电材料变形驱动膜片形式变容积真空泵、电磁直线驱动活塞形式变容积真空泵等。目前，在真空泵领域，大多是通过旋转运动结构驱动叶轮或活塞形式变容积真空泵，和压电材料变形驱动膜片形式变容积真空泵。

传统的真空泵多使用旋转电机驱动，经过传动机构如曲柄连杆或偏心轮机构，将旋转动力转换成直线往复运动，再驱动活塞做往复运动。其由于存在以下主要缺陷，不便于电控应用：

1)整机动力性能差、噪声大。由于曲柄连杆机构将电动机的旋转运动转换成活塞的往复直线运动，机体受到周期性的往复力和倾覆力矩，从而引起较大的振动和噪声。

2)机械效率低。电动机将电能转变为旋转机械能，通过曲柄连杆机构将旋转运动转变成活塞的往复运动，能量传递环节多，十字滑块和活塞受侧向力作用，产生较大的摩擦力，且不可避免地存在旋转摩擦功耗，因此整机的机械损失较大，机械效率低。

3)体积大。由于使用了旋转电机，曲柄连杆机构以及活塞等传动机构，整体结构占用空间较大。

压电材料变形驱动膜片形式的变容积真空泵(以下简称压电式膜片泵)多应用于微型气泵。通过压电材料(如PZT或ZnO)通电后产生应变变形，驱动膜片往复运动。这种驱动有反应速度快的优点。压电式膜片泵直接或间接利用压电振子机械变形来改变泵腔体积，通过单向阀实现流体的单向流动。压电式膜片泵流量一般以1ml/min为数量级，存在流量太小问题，且受压电材料本身物理特性的影响很大。

直线压缩机是一种利用电磁及机械振动原理驱动的新型制冷压缩机。目前，在直线压缩机领域，应用有电磁直线驱动活塞形式的压缩机(以下简称电磁驱动直线式)。电磁驱动直线式压缩机通过直线驱动装置直接带动活塞做往复运动，具有结构紧凑、噪声低、流量大、效率高等优点。根据直线驱动装置的特点可以把电磁驱动直线式压缩机分为三类：动圈式(moving-coil)、动铁式(Moving-iron)、动磁式(moving-magnet)。目前，在真空泵领域，还没有动铁式或动磁式真空泵。

发明内容

本实用新型目的是提供一种微型动铁式直线真空泵，具有结构紧凑、噪声低、流量大、效率高等特点。

具体地说，本实用新型提供一种微型动铁式直线真空泵，包括腔体，腔体上连接有腔体真空控制机构，所述腔体的内侧设置有轭铁，所述轭铁的内侧设置有线圈绕组，所述线圈绕组的中部设置有轴向延伸的通孔，所述通孔中活动穿设有动铁芯，通过向线圈绕组通入交流电，控制动铁芯沿所述通孔做轴向往复运动。

进一步的，所述微型动铁式直线真空泵，还包括与动铁芯相连的动铁芯运动缓冲部件。

进一步的，所述动铁芯运动缓冲部件为弹簧，所述弹簧连接于动铁芯的端部和腔体之间。

进一步的，所述腔体的一侧设置有进气口和出气口，所述腔体真空控制机构为单向阀，所述进气口和出气口分别安装有单向阀。

进一步的，所述腔体包括壳体和连接于壳体一侧的进出气口端盖，所述进出气口端盖上设置有与所述通孔连通的贯通孔，所述动铁芯的一端延伸至所述贯通孔中，并留有往复运动的活动空间，所述进气口和出气口设置于进出气口端盖上，并与所述活动空间相连通。

进一步的，所述动铁芯通过轴承安装于通孔内。

进一步的，所述腔体的另一侧设置有抽真空孔，使得所述腔体内外部相通，所述抽真空孔内安装有密封端盖。

进一步的，所述微型动铁式直线真空泵的机械系统固有频率等于所述交流电的频率。

进一步的，所述微型动铁式直线真空泵的机械系统固有频率为50Hz或60Hz。

进一步的，所述微型动铁式直线真空泵的机械系统中运动部分质量为0.2Kg，弹簧刚度为19739N/m，气缸直径为12mm，活塞行程为6-10mm，气隙磁感应强度为0.3-0.35T，线圈绕组的线圈有效长度为659.73m，线圈等效电感为0.01H，线圈电阻为1224Ω。

本实用新型的有益效果如下：本实用新型的微型动铁式直线真空泵，

1)结构简单，不需要曲柄连杆等动力转化机构；

2)活塞的驱动力始终与活塞运动方向保持一致，因此活塞不受侧向力作用；

3)由于传递环节少，因此摩擦少，机械系统的能量损失非常小；

4)容易实现无油润滑、迷宫密封、气体轴承支撑等；

5)活塞行程不受机械结构的限制，可以通过控制系统的输入对真空泵的排气量进行连续的调节。

6)通过将真空泵机械系统的固有频率设计成与通入线圈绕组的交流电频率相等，确保微型动铁式直线真空泵工作在共振点，进一步提升了工作效率、降低了噪声。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的半剖示意图。

图2是本实用新型实施例1的立体示意图。

图3是本实用新型实施例1的半剖面立体示意图。

图4是本实用新型实施例1的端盖立体示意图。

图5是本实用新型实施例1的动铁芯立体示意图。

图6是本实用新型实施例2的半剖示意图。

图7是本实用新型实施例2的立体示意图。

图8是本实用新型实施例2的半剖面立体示意图。

图9是本实用新型实施例2的动铁芯立体示意图。

图中的标号：1-壳体，11-抽真空孔，2-轭铁，21-密封端盖侧孔，22-进出气口端盖侧孔，3-线圈绕组，4-密封端盖，5-弹簧，6-通孔，7-轴承，8-动铁芯，80-动铁芯本体，81-凸台，9-进出气口端盖，90-端盖本体，91-进气口，92-出气口，93-贯通孔。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型的微型动铁式直线真空泵，包括腔体，腔体上连接有腔体真空控制机构，所述腔体的内侧设置有轭铁2，轭铁2的内侧设置有线圈绕组3，线圈绕组3的中部设置有轴向延伸的通孔6，通孔6中活动穿设有动铁芯8，通过向线圈绕组3通入交流电，控制动铁芯8沿通孔6做轴向往复运动。

优选的，本实用新型的微型动铁式直线真空泵，还包括与动铁芯8相连的动铁芯运动缓冲部件，例如弹簧5，弹簧5连接于动铁芯8的端部和腔体之间。

腔体包括壳体1和连接于壳体1一侧的进出气口端盖9，进出气口端盖9上设置有与通孔6连通的贯通孔93，动铁芯8的一端延伸至贯通孔93中，并留有往复运动的活动空间，腔体的一侧设置有进气口91和出气口92，例如进气口91和出气口92设置于进出气口端盖90上，并与活动空间相连通。腔体真空控制机构为单向阀，进气口91和出气口92分别安装有单向阀。

动铁芯通过轴承安装于通孔6内。

腔体的另一侧设置有抽真空孔11，使得所述腔体内外部相通，所述抽真空孔11内安装有密封端盖4。

实施例1：

本实用新型的一个实施例，为一种微型动铁式直线真空泵。

如图1～3所示，微型动铁式直线真空泵包括壳体1、轭铁2、线圈绕组3、密封端盖4、弹簧5、通孔6、轴承7、动铁芯8、进出气口端盖9。

通孔6位于线圈绕组3的中心，轴承7过盈配合固定在通孔6内部，动铁芯8通过轴承7支撑，动铁芯8兼作动铁芯和活塞。如图4所示，动铁芯8包括圆柱形动铁芯本体80和设置在动铁芯本体80一端的凸台81，动铁芯本体80用作活塞，凸台81与通孔6贴合。如图1～3所示，为提升工作效率和降低噪声，在动铁芯8的凸台81沿轴向两侧设置弹簧5。弹簧5的一端与凸台81抵接，另一端分别与轭铁2的内壁和轴承7抵接。弹簧5的直线最大行程小于活塞(即动铁芯本体80)的最大行程。线圈绕组3的外部设置有轭铁2，轭铁2的外部为壳体1，壳体1为圆柱形，一端安装有进出气口端盖9。如图5所示，进出气口端盖9包括端盖本体90、进气口91、出气口92和贯通孔93，动铁芯本体80远离凸台81的一端贴合放置在贯通孔93中，可沿贯通孔93轴向往复运动；进气口91和出气口92与贯通孔93相通，用于固定安装单向阀，实现抽真空功能。壳体1的另一端(即腔体的另一侧)设置有抽真空孔11，其内安装有密封端盖4，轭铁2紧贴壳体1内壁，紧贴密封盖4一侧的轭铁2上设置有密封端盖侧孔21，与壳体1上抽真空孔11孔径相同，通过抽真空孔11和密封端盖侧孔21使得腔体内外部相通，用于在本实施例的微型动铁式直线真空泵组装完成后对腔体内部抽真空，使得腔体内部满足真空泵工作所需的真空度。紧贴进出气口端盖9一侧的轭铁2上设置有进出气口端盖侧孔22，与动铁芯8的直径相同，动铁芯8从进出气口端盖侧孔22中贴合进出气口端盖侧孔22穿出。通孔6、轴承7、动铁芯8、轭铁2、壳体1、密封盖4和端盖9形成一个封闭的气室。

线圈绕组3通入交流电后，轭铁2、线圈绕组3形成一个交变的封闭磁场。动铁芯8在交变电磁力作用下，可沿轴向往复运动。

实施例2：

本实用新型的另一个实施例，为一种微型动铁式直线真空泵。

本实施例与实施例1不同之处在于活塞、弹簧位置不同。如图6～8所示，本实施例的微型动铁式直线真空泵包括壳体1、轭铁2、线圈绕组3、密封端盖4、弹簧5、通孔6、轴承7、动铁芯8、进出气口端盖9。

通孔6位于线圈绕组3的中心，轴承7过盈配合固定在通孔6内部，动铁芯8通过轴承7支撑。如图9所示，动铁芯8包括圆柱形动铁芯本体80和设置在动铁芯本体80一端的凸台81，凸台81的直径小于动铁芯本体80的直径，动铁芯本体80用作活塞，动铁芯本体80与轴承7的内壁贴合。如图6～8所示，为提升工作效率和降低噪声，在动铁芯8的沿轴向两侧设置弹簧5。弹簧5的一端与凸台81抵接，另一端分别与轭铁2的内壁和轴承7抵接。弹簧8的直线最大行程小于活塞的最大行程。线圈绕组3的外部设置有轭铁2，轭铁2的外部为壳体1，壳体1为圆柱形，一端安装有进出气口端盖9。如图4所示，进出气口端盖9包括端盖本体90、出气口92和贯通孔93，动铁芯本体80端部放置在贯通孔93中并与贯通孔93内壁贴合；进气口91和出气口92与贯通孔93相通，用于固定安装单向阀，实现抽真空功能。壳体1的另一端设置有抽真空孔11，其内安装有密封端盖4。轭铁2紧贴壳体1内壁，紧贴密封盖4一侧的轭铁2上设置有密封端盖侧孔21，与壳体1的抽真空孔11的孔径相同，通过抽真空孔11和密封端盖侧孔21使得腔体内外部相通，用于在本实施例的微型动铁式直线真空泵组装完成后对腔体内部抽真空，使得腔体内部满足真空泵工作所需的真空度。紧贴进出气口端盖9一侧的轭铁2上设置有进出气口端盖侧孔22，与动铁芯8的直径相同，动铁芯8从进出气口端盖侧孔22中贴合进出气口端盖侧孔22穿出。通孔6、轴承7、动铁芯8、轭铁2、壳体1、密封盖4和端盖9形成一个封闭的气室。

实施例3：

为进一步提升工作效率和降低噪声，在另一个实施例中，由实施例1的微型动铁式直线真空泵的动铁芯8、弹簧5形成的机械系统，其固有频率f设置成与通入线圈绕组3交流电频率相等，确保直线真空泵系统工作在共振点，以进一步提升工作效率和降低噪声。为有效利用能量，使得真空泵的工作效率最高，一般把真空泵机械系统的固有频率设计在50Hz或60Hz左右。

在另一个实施例中，由实施例2的微型动铁式直线真空泵的动铁芯8、弹簧5形成的机械系统，其固有频率f设置成与通入线圈绕组3的交流电的频率相等，确保本实用新型的微型动铁式直线真空泵系统工作在共振点，以进一步提升工作效率和降低噪声。优选地，在另一个实施例中，为有效利用能量，使得微型动铁式直线真空泵的工作效率最高，将微型动铁式直线真空泵机械系统的固有频率设计在50Hz或60Hz左右。

本实用新型的微型动铁式直线真空泵的动子(活塞6)的往复运动是一个涉及动力学、电磁学、热力学的复杂非线性过程。因此，该微型动铁式直线真空泵含有三个子系统，即机械动力系统、热力学系统、电磁系统。

其中，

m为运动部分质量(单位：kg)，

x为弹簧位移(单位：m)，

t为时间(单位：s)，

c为阻尼系数，

k为弹簧刚度(单位：N/m)

R为线圈电阻(单位：Ω)

i(t)为电流(单位：A)

u(t)为电压(单位：V)

B_e为气隙磁感应强度(单位：T)

L_e为线圈有效长度(单位：m)

L为线圈等效电感(单位：H)

F_m(t)＝B_eL_ei(t)，

P_o(t)为出气压力(单位：Pa)

P_o为出气压力(单位：Pa)

x₀为弹簧初始位移(单位：m)

按真空度0.5个大气压为输入条件，及

得到系统的方程如下：

其中：

n为线圈层数

通过对公式进行分析，发现本实用新型的微型动铁式直线真空泵的固有频率主要由决定弹簧8的刚度和活塞6及动圈3的质量。

k＝(2πf)²m

在一个实施例中，通过设计合理的机械参数使得直线泵系统工作在共振点，此时，活塞的位移最大，所需的电磁力最小，能够有效利用能量，工作效率最高。进一步的，在另一个实施例中，为了提高泵工作时的效率，且方便直接利用民用电，可以将机械系统的固有频率设计在50Hz左右。

在一个实施例中，按照交流电源220V/50Hz，最小进气压力Pi_min＝500mbar，出气压力P₀＝1bar，抽气量Q_v＝1L/min，进行有限元仿真计算，得到微型动铁式直线真空泵系统主要参数如下：

优选地，在另一个实施例中，线圈3的参数取值如下：

经实验验证，本实施例的微型动铁式直线真空泵，能够采用220V/50Hz的民电作为输入电源，尺寸小于80mm×70mm×40mm，工作时噪音小于40dB，最大真空度能够小于500mbar，可用于实现冰箱密闭空间(20L)的低真空。

本实用新型的微型动铁式直线真空泵，具有以下优势：

1)结构简单，不需要曲柄连杆等动力转化机构；

4)容易实现无油润滑、迷宫密封、气体轴承支撑等；

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本实用新型的。在不脱离本实用新型之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims

1.一种微型动铁式直线真空泵，其特征在于，包括腔体，腔体上连接有腔体真空控制机构，所述腔体的内侧设置有轭铁，所述轭铁的内侧设置有线圈绕组，所述线圈绕组的中部设置有轴向延伸的通孔，所述通孔中活动穿设有动铁芯，通过向线圈绕组通入交流电，控制动铁芯沿所述通孔做轴向往复运动。

2.如权利要求1所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，还包括与动铁芯相连的动铁芯运动缓冲部件。

3.如权利要求2所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述动铁芯运动缓冲部件为弹簧，所述弹簧连接于动铁芯的端部和腔体之间。

4.如权利要求1所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述腔体的一侧设置有进气口和出气口，所述腔体真空控制机构为单向阀，所述进气口和出气口分别安装有单向阀。

5.如权利要求4所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述腔体包括壳体和连接于壳体一侧的进出气口端盖，所述进出气口端盖上设置有与所述通孔连通的贯通孔，所述动铁芯的一端延伸至所述贯通孔中，并留有往复运动的活动空间，所述进气口和出气口设置于进出气口端盖上，并与所述活动空间相连通。

6.如权利要求1所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述动铁芯通过轴承安装于通孔内。

7.如权利要求4所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述腔体的另一侧设置有抽真空孔，使得所述腔体内外部相通，所述抽真空孔内安装有密封端盖。

8.如权利要求1～7任一所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述微型动铁式直线真空泵的机械系统固有频率等于所述交流电的频率。

9.如权利要求8所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述微型动铁式直线真空泵的机械系统固有频率为50Hz或60Hz。

10.如权利要求1～7任一所述的微型动铁式直线真空泵，其特征在于，所述微型动铁式直线真空泵的机械系统中运动部分质量为0.2Kg，弹簧刚度为19739N/m，气缸直径为12mm，活塞行程为6-10mm，气隙磁感应强度为0.3-0.35T，线圈绕组的线圈有效长度为659.73m，线圈等效电感为0.01H，线圈电阻为1224Ω。