一种微冷却系统用液体泵   0    0

[0001] 本发明属于散热冷却技术领域，具体涉及一种微冷却系统用液体泵。

[0002] 近年来，随着电子产品的集成化与微小化程度的提升、以及芯片与集成电路等电子元器件运行速度及其配置密度的持续提高，电子设备内部通风性能在不断的下降、电子元器件发热量在不断攀升，采用传统风扇、外置散热片等冷却方法已无法满足实际需求，电子设备内部元器件的冷却及散热效果已成为制约其可靠性及运行稳定性的关键要素。有基于此，人们相继提出了多种基于压电原理的新型风冷及水冷装置，主要包括：①微型风扇，如中国专利200880107653.2、201010566656.1、201110063172.X、201510004147.2等；②微型泵及其循环系统，如中国专利200480022287.2、200510017291.6、200710076996.4、200810187318.X、200810179958.6、201510906271.8等。由于所提出的微型风扇及微型泵送系统所形成的流体压力及流体循环能力有限、散热冷却效果不尽理想，实际应用上有一定的局限性，如：因实际工作中压电泵输出流量及压力受工作条件影响较大，流体粘度、温度以及输出压力等通过影响系统阻尼影响泵的谐振频率，当压电振子在具体工况下的谐振频率与所设定的激励频率偏差较大时，泵的输出流量和压力都将大幅度下降。因此，压电泵在固定频率下的输出性能并不理想，且根据设定驱动电压及频率计算所得的输出流量和压力的精确度也较低；此外，现有压电泵大都采用悬臂梁型截止阀，其平整度及截止效果差，严重地影响了泵的输出流量和压力。

[0003] 本发明提出一种微冷却系统用液体泵，本发明的实施方案是：泵盖经螺钉安装在泵体上，泵盖上设有带上进口的左凸台、带上出口的右凸台及至少两个体腔凸台，最右侧体腔凸台上设有上进出口腔，其余体腔凸台上设有上进口腔和上出口；最左侧的上进口腔与上进口连通，上出口腔与上出口连通，其余的两相邻上进口腔与上出口连通；泵体上的进出口分别与左右孔腔连通，泵体上的侧壁上带走线槽的体腔数量与体腔凸台数量相等，最右侧体腔的底壁上设有下进出口腔，其余体腔的底壁上设有下进口腔和下出口；最左侧的下进口腔与进口及左孔腔连通，下出口腔与出口及右孔腔连通，其余两个相邻的下进口腔和下出口连通；左右孔腔中分别经左右凸台压接有小密封圈，上进口与进口连通、上出口与出口连通；体腔凸台经大密封圈将换能器压接在体腔内，大密封圈位于换能器上下两侧；换能器由经密封垫隔开的两个压电振子构成，压电振子由基板和压电片粘接而成，换能器中两个压电片的极化方向相同且靠近安装，即两个压电片的极化方向都是由下至上或由上至下，两相邻体腔内换能器的安装方向相反，即一个换能器中压电片的极化方向是由下至上、另一个换能器中压电片的极化方向由上至下；压电振子表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；上下出口腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上下出口阀，上下进口腔与其内所粘接的碟形阀分别构成上下进口阀；碟形阀由压环、阀片和阀座粘接而成，阀片由盖片、环片以及至少三条连接盖片与环片的螺旋片构成，环片两侧分别与压环和阀座粘接；阀片粘接前螺旋片向环片的一侧预弯、粘接后盖片堵在阀座的阀孔上；换能器及大密封圈与泵盖和泵体分别构成上下泵腔，相互串联的上泵腔与相互串联的下泵腔并联；至少一个压电振子包括驱动器和传感器两部分，即至少一个压电振子中的压电片表面电极被分割成驱动单元和传感单元，驱动单元面积远远大于传感单元面积，基板与压电片中驱动单元及传感单元的复合层分别构成驱动器和传感器；驱动器及其它不带驱动器的压电振子经导线组一与电源相连，传感器经导线组二与电源相连。

[0004] 本发明中，电源输出的驱动电压为直流或交流电压信号；驱动电压为直流电压信号时，利用传感器生成的传感电压判断压电振子变形状态，当传感电压达到极值即压电振子变形量达到极值时，驱动电压及压电振子变形方向换向；正负驱动电压的交替换向即形成了压电振子的往复弯曲振动及流体的单向流动，故属自激驱动。

[0005] 以具有三个换能器的液体泵为例，从左到右：换能器依次定义为换能器一、二、三，上进口阀依次定义为上进口阀一、二、三，下进口阀依次定义为下进口阀一、二、三，上泵腔依次定义为上泵腔一一、二、三，下泵腔依次定义为下泵腔一、二、三。令换能器一下方的压电振子带驱动器和传感器，则自激驱动的过程为：电源输出的驱动电压为正直流电压，换能器一和三向上弯曲、换能器二向下弯曲，上泵腔一和三及下泵腔二容积减小，上泵腔二及下泵腔一和三容积增加，上进口阀一和三、下进口阀二及下出口阀关闭，上进口阀二、下进口阀一和三及上出口阀开启，流体流动方向为：上泵腔一→上泵腔二、上泵腔三→出口，及进口→下泵腔一、下泵腔二→下泵腔三，此为上排下吸过程；上排下吸过程中，传感器随其所在的压电振子向上弯曲、传感电压由最小值逐步增加到最大值；驱动器及各压电振子变形量最大时，传感电压达到最大值，驱动电压换向、由正直流电压变成负直流电压，换能器一和三向下弯曲、换能器二向上弯曲，上泵腔一和三及下泵腔二容积增加，上泵腔二及下泵腔一和三容积减小，上进口阀一和三、下进口阀二及下出口阀开启，上进口阀二、下进口阀一和三及上出口阀关闭，流体流动方向为：进口→上泵腔一、上泵腔二→上泵腔三，及下泵腔一→下泵腔二、下泵腔三→出口，此为上吸下排过程；上吸下排过程中，传感电压再由最大值变成最小值，驱动电压再次换向；驱动电压的交替换向即形成了压电振子的往复弯曲振动和流体单向流动；上述工作过程中，驱动电压的频率是通过传感电压最大值和最小值交替变换形成的，即激励频率是根据压电振子变形情况自动形成的，而压电振子变形情况取决于输出压力及流体粘度，故环境适应性强。

[0006] 本发明中，压电振子由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，所需换能器数量可根据所需最大流量及最大压力求得，即换能器的数量需同时满足最大输出流量和最大输出压力的需求，泵水时的最大输出流量Q和压力P为：式中：ηq、ηp分别为与碟形阀和压电振子相关的流量和压力系数，R、H分别为泵腔半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下压电振子中心点的变形量，hp为压电片厚度，f为激励频率，U0为电源电压，N为换能器数量。

[0007] 本发明特点及优势在于：根据泵腔内流体的压力变化即换能器的变形状态使电源输出的直流驱动电压换向，实现换能器自激驱动，激励频率与工作条件相匹配，激励频率对流体粘度、输出压力等变化的适应性强；碟形阀截止效果好、输出效率高，进一步提高了泵的输出能力和控制精度；采用双振子构成的换能器通过多腔体串-并联混合驱动方式，单位体积能量密度大、同时获得较大的输出流量及压力。

[0019] 本发明的一种微冷却系统用液体泵由泵体a、泵盖b、碟形阀c、压电振子d、大密封圈e、小密封圈e’、密封垫e1、电源f、导线组一g及导线组二h构成。泵盖b经螺钉安装在泵体a上，泵盖b上设有带上进口b1的左凸台b3、带上出口b2的右凸台b4及至少两个体腔凸台b5，最右侧体腔凸台b5上设有上进口腔b7和上出口腔b8，其余体腔凸台b5上设有上进口腔b7和上出口b9；最左侧的上进口腔b7与上进口b1连通，上出口腔b8与上出口b2连通，其余的两个相邻上进口腔b7与上出口b9连通；泵体a上的进口a1和出口a2分别与左孔腔a3和右孔腔a4连通、侧壁上带走线槽a6的体腔a5的数量与体腔凸台b5数量相等，最右侧体腔a5的底壁上设有下进口腔a7和下出口腔a8，其余体腔a5的底壁上设有下进口腔a7和下出口a9；最左侧的下进口腔a7与进口a1及左孔腔a3连通，下出口腔a8与出口a2及右孔腔a4连通，其余两个相邻的下进口腔a7和下出口a9连通；左孔腔a3和右孔腔a4中分别经左凸台b3和右凸台b4压接有小密封圈e’，上进口b1与进口a1连通、上出口b2与出口a2连通；体腔凸台b5经大密封圈e将换能器Dn压接在体腔a5内，大密封圈e位于换能器Dn上下两侧；换能器Dn由经密封垫e1隔开的两个压电振子d构成，压电振子d由基板d1和压电片d2粘接而成，换能器Dn中两个压电片d2的极化方向相同且靠近安装，即两个压电片d2的极化方向都是由下至上或由上至下，两相邻体腔a5内换能器Dn的安装方向相反，即一个换能器Dn中压电片d2的极化方向是由下至上、另一个换能器Dn中压电片d2的极化方向由上至下；压电振子d的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；上出口腔b8和下出口腔a8与其内所粘接的碟形阀c分别构成上出口阀so和下出口阀xo，上进口腔b7和下进口腔a7与其内所粘接的碟形阀c分别构成上进口阀sin和下进口阀xin；碟形阀c由压环k、阀片i和阀座j粘接而成，阀片i由盖片i1、环片i3以及至少三条连接盖片i1与环片i3的螺旋片i2构成，环片i3的两侧分别与压环k和阀座j粘接；阀片i粘接前螺旋片i2向环片i3的一侧预弯、粘接后盖片i1堵在阀座j的阀孔上；换能器Dn及大密封圈e与泵盖b和泵体a分别构成上泵腔scn和下泵腔xcn，相互串联的上泵腔scn与相互串联的下泵腔xcn并联；至少一个压电振子d包括驱动器D和传感器S两部分，即至少一个压电振子d中的压电片d2的表面电极被分割成驱动单元d21和传感单元d22，驱动单元d21的面积远远大于传感单元d22的面积，基板d1与压电片d2中驱动单元d21及传感单元d22的复合层分别构成驱动器D和传感器S；驱动器D及其它不带驱动器D的压电振子d经导线组一g与电源f相连，传感器S经导线组二h与电源f相连；sin、xin、scn、xcn、Dn中的n代表从左到右的序号，n＝1、2、3...。

[0020] 本发明中，电源f输出的驱动电压为直流或交流电压信号；驱动电压为直流电压信号时，利用传感器S生成的传感电压判断压电振子d的变形状态，当传感电压达到极值即压电振子d变形量达到极值时，驱动电压换向、压电振子d的变形方向改变；正负驱动电压的交替换向即形成了压电振子d的往复弯曲振动及流体的单向流动，故属自激驱动。

[0021] 以具有三个换能器Dn的液体泵为例，从左到右：换能器Dn依次定义为换能器一D1、二D2、三D3，上进口阀sin依次定义为上进口阀一si1、二si2、三si3，下进口阀xin依次定义为下进口阀一xi1、二xi2、三xi3，上泵腔scn依次定义为上泵腔一sc1、二sc2、三sc3，下泵腔xcn依次定义为下泵腔一xc1、二xc2、三xc3。令换能器一D1下方的压电振子d带驱动器D和传感器S，则自激驱动的过程为：电源f输出的驱动电压为正直流电压U0，换能器一D1和三D3向上弯曲、换能器二D2向下弯曲，上泵腔一sc1和三sc3及下泵腔二xc2的容积减小，上泵腔二sc2及下泵腔一xc1和三xc3的容积增加，上进口阀一si1和三si3、下进口阀二xi2及下出口阀xo关闭，上进口阀二si2、下进口阀一xi1和三xi3及上出口阀so开启，流体流动方向为：上泵腔一sc1→上泵腔二sc2、上泵腔三sc3→出口a2，及进口a1→下泵腔一xc1、下泵腔二xc2→下泵腔三xc3，此为上排下吸过程；上排下吸过程中，传感器S随其所在的压电振子d向上弯曲、传感电压由最小值-Ug逐步增加到最大值Ug；驱动器D及各压电振子d变形量最大时，传感电压达到最大值Ug，驱动电压换向、由正直流电压U0变成负直流电压-U0，换能器一D1和三D3向下弯曲、换能器二D2向上弯曲，上泵腔一sc1和三sc3及下泵腔二xc2的容积增加，上泵腔二sc2及下泵腔一xc1和三xc3的容积减小，上进口阀一si1和三si3、下进口阀二xi2及下出口阀xo开启，上进口阀二si2、下进口阀一xi1和三xi3及上出口阀so关闭，流体流动方向为：进口a1→上泵腔一sc1、上泵腔二sc2→上泵腔三sc3，及下泵腔一xc1→下泵腔二xc2、下泵腔三xc3→出口a2，此为上吸下排过程；上吸下排过程中，传感电压再由最大值Ug变成最小值-Ug，驱动电压再次换向；驱动电压的交替换向即形成了压电振子d的往复弯曲振动和流体单向流动；上述工作过程中，驱动电压的频率是通过传感电压最大值和最小值交替变换形成的，即激励频率是根据压电振子d的变形情况自动形成的，而压电振子d的变形情况取决于输出压力及流体粘度，故环境适应性强。

[0022] 本发明中，压电振子d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成，所需换能器Dn的数量可根据所需最大流量及最大压力求得，即换能器Dn的数量需同时满足最大输出流量和最大输出压力的需求，泵水时的最大输出流量Q和压力P为：式中：ηq、ηp分别为与碟形阀c和压电振
子d相关的流量和压力系数，R、H分别为泵腔半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下压电振子d中心点的变形量，hp为压电片d2的厚度，f为激励频率，U0为电源f的输出电压，N为换能器Dn的数量。

[0008] 图1是本发明一个较佳实施例中泵的结构剖面示意图；

[0009] 图2是图1的A-A剖视图；

[0010] 图3换能器变形与碟形阀开关的关系简图；

[0011] 图4是本发明一个较佳实施例中泵体的结构示意图；

[0012] 图5是图4的俯视图；

[0013] 图6是本发明一个较佳实施例中泵盖的结构示意图；

[0014] 图7是本发明一个较佳实施例中碟形阀的结构示意图；

[0015] 图8是本发明一个较佳实施例中阀片的结构示意图；

[0016] 图9是图8的B-B剖面图；

[0017] 图10是本发明一个较佳实施例中驱动电压的波形图；

[0018] 图11是本发明一个较佳实施例中传感电压的波形图。