CN102678528A

CN102678528A - 一种串-并联混合驱动的压电泵

Info

Publication number: CN102678528A
Application number: CN2012101755067A
Authority: CN
Inventors: 王淑云; 阚君武; 王鸿云; 曾平; 程光明
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明涉及一种串-并联混合驱动的压电泵，属于流体传输与控制领域。上、下泵体通过螺钉连接，所述两泵体的泵腔间压接有2-20个压电振子，上、下泵体的泵腔及阀腔进口处粘有阀片；上泵体进口与其相邻泵腔之间、两相邻泵腔间、及阀腔与相邻泵腔间分别通过腔间流道连通，阀腔还与出口连通，再与压电振子构成串联泵I；下泵体进口与其相邻泵腔之间、两相邻泵腔间、以及阀腔与相邻泵腔间分别通过腔间流道连通，再与压电振子共同构成串联泵II；串联泵I和II进口连通、阀腔连通、阀腔再与上泵体上的出口连通。特色与优势：采用多个两侧同时驱动流体的压电振子构成串-并联泵，流量大、压力及能量效率高、脉动小，适于构造系统背压较高的压电液压驱动。

Description

一种串-并联混合驱动的压电泵

技术领域

本发明属于微流体传输与控制领域应用的微小精密压电泵，具体涉及一种串-并联混合驱动压电泵。

背景技术

作为微机电系统的重要组成部分，压电泵的研究一直深受国内外学者的广泛关注。最初的压电泵仅以微流体输出为目的，历经数十年的发展，某些类型的压电泵已在化学分析、生物制药、医疗药品控释等微流体输送与控制方面获得了实际应用。除了单纯的流体输送外，近年来人们又基于压电泵驱动的微小型液压系统，简称压电液压驱动器或压电液压马达：如中国专利200810051156.7、200920093242.4、201020180067.5等，其目的是利用流体的耦合作用将压电体的微幅往复振动转换成液压缸活塞的宏观直线运动。

为满足不同的应用需求，人们提出了多种类型的压电晶片泵及压电叠堆泵；为进一步提高泵的输出压力和流量，满足燃料电池燃料供给、压电液压驱动器等新兴应用领域的需求，人们又先后提出了基于多个晶片型压电振子驱动的串联及并联泵、以及基于两个压电叠堆驱动的双腔并联泵，如中国专利02132855.2、201010118038.0等，其中的压电叠堆泵可获得较高的输出压力和较大流量，但造价过高，压电叠堆的价格通常为数千甚至上万元人民币，不利于泵的推广应用；压电晶片泵虽驱动能力相对较弱，但成本低廉，压电晶片的价格仅几元，且便于通过多腔串联或并联提高泵的输出能力，更具实用性。

上述多振子压电泵的共同特点是压电振子单侧驱动流体，即：压电叠堆泵的泵腔隔膜及晶片型压电振子自身仅单侧与流体接触，压电振子对流体的驱动能力未得到充分发挥；更主要地，这种类型的泵不适于构造压电液压驱动器。原因在于：压电振子的变形极其微小、且实际流体具有可压缩性，压电液压驱动器必须采用蓄能器提供背压以增加系统刚度、避免液压缸活塞爬行；由于压电振子或泵腔隔膜单侧与流体接触，此时的系统背压已成为压电振子的负载、严重地降低了驱动器总体的有效功率输出，系统背压过大时还会导致晶片型压电振子破损，故现有多振子压电泵的能量效率及可靠性都很低。

发明内容

针对现有压电泵自身所固有的某些局限性或弊端，以及燃料电池及压电液压驱动器等新兴应用领域对高压力、大流量压电泵的需求现状，本发明提出一种多压电振子构成的串-并联混合驱动压电泵，从而同步提升压电泵的输出流量、压力及能量效率。

本发明采用的技术方案是：上泵体与下泵体通过螺钉连接；2-20个压电振子通过密封圈压接在所述上泵体上的泵腔与下泵体上的泵腔之间，所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；在上泵体的泵腔和出口阀腔的进口处、以及下泵体的泵腔和出口阀腔的进口处均粘接有阀片；在所述的上泵体上，进口与其相邻泵腔之间、两个相邻泵腔之间、以及出口阀腔与相邻泵腔之间分别通过腔间流道连通，出口阀腔还与出口连通，所述位于上泵体上的串联泵腔与压电振子共同构成串联泵I；在所述的下泵体上，进口与其相邻泵腔之间、两个相邻泵腔之间、以及出口阀腔与相邻的泵腔之间分别通过腔间流道连通，所述位于下泵体上的串联泵腔与压电振子共同构成串联泵II；所述串联泵I的进口和串联泵II的进口连通，所述串联泵I的出口阀腔与串联泵II的出口阀腔连通、再与位于上泵体上的出口连通，从而将串联泵I和II串联泵并联。

本发明中，两个相邻泵腔中压电振子所施加的交流电压相位差为180度。压电振子在交流电压作用下所产生的往复弯曲变形使串联泵I和串联泵II的泵腔容积交替地增加或减小、阀片交替地开启与关闭，从而使流体从所述两个串联泵的进口流入、出口流出。

本发明的压电泵工作时，每个循环周期内存在两次流体吸入和排出过程，故出流平稳、脉动小。串联泵I和串联泵II单独输出流体的流量及压力分别相等，压力为P_c＝nP_o、流量为

其中：n为压电振子的数量，Q_o和P_o分别为单个压电振子工作时串联泵I或串联泵II的输出流量和压力。因此，串联泵I与串联泵II并联后所构成的串-并联混合驱动压电泵的的输出流量为P_b＝P_c＝nP_o、输出压力为

Q_{b} = 2 Q_{c} = 2 \sqrt{n} Q_{o} .

本发明的特色在于：采用多个两侧同时驱动流体的压电振子构成串-并联混合驱动压电泵，由此所带来的优势：①可大幅度地提高压电泵的输出流量、压力及压电振子的能量效率；②每个工作周期中有两次流体输出，流体输出平稳、脉动小；③用于构造压电液压驱动器时，系统背压不会成为压电振子的负载、亦不至因系统背压过大而使压电振子破损。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例压电泵的结构剖面示意图；

图2是图1的C-C向视图；

图3a是本发明一个较佳实施例压电振子的结构剖面示意图；

图3b是图3a的左视图；

图4是本发明一个较佳实施例压电泵前半工作周期的结构剖面示意图；

图5是本发明一个较佳实施例压电泵后半工作周期的结构剖面示意图；

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示，上泵体1与下泵体2通过螺钉连接；2-20个压电振子3通过密封圈4压接在所述上泵体1上的泵腔102与下泵体2上的泵腔202之间，所述压电振子3由金属基板301和压电晶片302粘接而成；在上泵体1上的泵腔102和出口阀腔103的进口处、以及下泵体2上的泵腔202和出口阀腔203的进口处均粘接有阀片5；在所述的上泵体1上，进口A与其相邻泵腔102之间、两个相邻泵腔102之间、以及出口阀腔103与相邻的泵腔102之间分别通过腔间流道101连通，出口阀腔103还与出口B连通，所述位于上泵体1上的串联泵腔102与压电振子3共同构成串联泵I；在所述的下泵体2上，进口A’与其相邻泵腔202之间、两个相邻泵腔202之间、以及出口阀腔203与相邻的泵腔202之间分别通过腔间流道201连通，所述位于下泵体2上的串联泵腔202与压电振子3共同构成串联泵II；所述串联泵I的进口A和串联泵II的进口A’连通，所述串联泵I的出口阀腔103与串联泵II的出口阀腔203连通、再与位于上泵体1上的出口B连通，从而将串联泵I和II串联泵并联。

本发明中，两个相邻泵腔中压电振子3所施加的交流电压相位差为180度，压电振子在交流电压作用下所产生的往复弯曲变形使得串联泵I和串联泵II的泵腔容积交替地增加或减小、阀片5交替地开启与关闭，从而使流体从所述的两个串联泵进口A和A’流入、出口B流出。

如图4所示的前半周期中，从左至右的第一及第三个压电振子3向下弯曲变形、第二个压电振子3向上弯曲变形，从而使得：串联泵I中，从左至右的第一及第三泵腔102容积增加、第二泵腔102容积减小，第一及第三阀片5开启、第二及第四阀片5关闭，流体从进口A进入第一泵腔、从第二泵腔进入第三泵腔；同时，串联泵II中，从左至右的第一及第三泵腔202容积减小、第二泵腔202容积增加，第一及第三阀片5关闭、第二及第四阀片开启，流体从第一腔进入第二腔、从第三腔进入阀腔203、再经出口B排出。

如图5所示的后半周期中，从左至右的第一及第三个压电振子3向上弯曲变形、第二个压电振子3向下弯曲变形，从而使得：串联泵II中，从左至右的第一及第三泵腔202容积增加、第二泵腔202容积减小，第一及第三阀片5开启、第二及第四阀片5关闭，流体从进口A经进口A’进入第一腔、从第二腔进入第三腔；同时，串联泵I中，从左至右的第一及第三泵腔102容积减小、第二泵腔102容积增加，第一及第三阀片5关闭、第二及第四阀片开启，流体从第一腔进入第二腔、从第三腔进入阀腔103、再经出口B排出。

Claims

1.一种串-并联混合驱动的压电泵，其特征在于：上泵体与下泵体通过螺钉连接；2-20个压电振子通过密封圈压接在所述上泵体上的泵腔与下泵体上的泵腔之间，所述压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；在上泵体的泵腔和出口阀腔的进口处、以及下泵体的泵腔和出口阀腔的进口处均粘接有阀片；在所述的上泵体上，进口与其相邻泵腔之间、两个相邻泵腔之间、以及出口阀腔与相邻泵腔之间分别通过腔间流道连通，出口阀腔还与出口连通，所述位于上泵体上的串联泵腔与压电振子共同构成串联泵I；在所述的下泵体上，进口与其相邻泵腔之间、两个相邻泵腔之间、以及出口阀腔与相邻的泵腔之间分别通过腔间流道连通，所述位于下泵体上的串联泵腔与压电振子共同构成串联泵II；所述串联泵I的进口和串联泵II的进口连通，所述串联泵I的出口阀腔与串联泵II的出口阀腔连通、再与位于上泵体上的出口连通。

2.根据权利要求1所述一种串-并联混合驱动的压电泵，其特征在于：两个相邻泵腔中压电振子所施加的交流电压相位差为180度。