一种压电叠堆式气泵   0    0

[0001] 本发明属于微量气体传输与控制领域，具体涉及一种压电叠堆式气泵。

[0002] 微型气体压缩与输送装置也称为微型空压机、气泵、气体压缩装置等，主要用于气体采样、气体循环与供给、喷气冷却、负压保持、充气增压、加氧等诸多方面。根据工作原理，常用气体压缩装置可分为隔膜式、电磁式、叶轮式、活塞式等，其共性特点是都包含机械传动部分，故结构复杂，体积、重量及功耗都较大，且存在较大的噪音和电磁干扰，不便于结构的微小化与集成化，在微机电领域的应用受到了一定的制约。近年来，人们相继提出了多种类型的压电式微型气体压缩与输送装置，如中国专利 201410104036.4、201410577904.0、201510649212.7、201710697409.7等。尽管上述气体压缩与输送装置结构原理及性能差异较大，但都是利用晶片型压电振子在电场作用下产生的弯曲变形实现气体驱动的，因压电振子弯曲变形所引起的泵腔容积变化量相对较小，现有压电式气体压缩装置可实现的输出流量及压力还很低，尤其是不能同时获得较大的输出流量和较高的输出压力，推广应用受到了一定的制约。

[0003] 为提高供气压力，本发明提出一种压电叠堆式气泵，本发明的实施方案是：由泵体、压盖、压电叠堆、活塞、阀片、隔膜及密封圈构成；泵体上设有出入孔、至少两个由体腔构成的体腔组及与体腔组数量相等的储气室，入孔与各体腔组及出孔依次串联，从入孔到出孔的各体腔组所含体腔数量依次减少；各体腔组中靠近入孔一侧的体腔上设有进口腔、靠近出孔一侧的体腔上设有与储气室连通的出口腔，入孔与其相邻体腔组的进口腔连通，出孔与其相邻的体腔组的出口腔连通；同一体腔组内的各体腔经内通孔连通，两相邻体腔组的进出口腔经外通孔连通；进出口腔与其内所安装的阀片分别构成进出口阀，阀片为悬臂梁或碟形结构；压盖经螺钉安装在泵体上并将隔膜压接在泵体上，压盖的导向孔的直径与泵体的体腔的直径相等，导向孔和体腔对称配置在隔膜两侧，隔膜将密封圈压接在体腔内形成泵腔；同一体腔组内的泵腔并联成泵腔组，各泵腔组串联；导向孔中装有压电叠堆和活塞，压盖经压电叠堆将活塞压接在隔膜上，活塞为T型且其小端与隔膜接触、大端侧壁与导向孔内壁接触；压电叠堆包括驱动单元和传感单元；为获得最大压缩比，隔膜为0.1、0.2和0.3mm厚的铍青铜时最佳的活塞的小端半径与体腔的半径比分别为0.79、 0.65和0.55，泵腔的高度为驱动单元受电压作用的伸长量；压缩比是指压电叠堆伸缩变形所引起的泵腔的容积变化量与泵腔的静容积之比；不同泵腔组中的压电叠堆的驱动单元和传感单元经不同的导线组与驱动电源相连，即各泵腔组中的驱动单元和传感单元都采用两组独立的导线组与驱动电源相连；工作中，同一泵腔组中隔膜的变形方向相同，即同一泵腔组内压电叠堆驱动单元受驱动电压作用均伸长或缩短。

[0004] 本发明中，驱动电源输出给各泵腔组中驱动单元的是直流电压信号或不同频率的交流电压信号，驱动电源输出直流信号时根据传感单元感应电压的变化情况使驱动电压换向、实现自激驱动，即当传感单元的感应电压到达极值时直流电压在0和最大正电压之间变换、驱动单元交替地伸缩变形，从而解决不同负载时压电叠堆谐振频率的跟踪问题。

[0005] 本发明中，气泵的最大输出压力为Pmax＝P0ηp{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]n-1-1}，其中：P0为标准大气压，ηp为效率系数，α＞0为压缩比，β＞1为各相邻泵腔组中所含泵腔数量比的最小值，n≥2为泵腔组的数量。

[0006] 以具有三个泵腔组的气泵为例，从入孔到出孔，体腔组依次定义为体腔组一、二和三，进口阀依次定义为进口阀一、二和三，泵腔组依次定义为泵腔组一、二和三，出口阀依次定义为出口阀一、二和三；储气室依次定义为储气室一、二和三；工作中，泵腔组一经入孔从外界吸入气体进行第一级压缩后排入储气室一，泵腔组二从储气室一吸入气体进行第二级压缩后排入储气室二，泵腔组三从储气室二吸入气体进行第三级压缩后排入储气室三，储气室三内的气体经出孔排出。

[0007] 特点及优势：采用具有不同泵腔的泵腔组串联实现累积压缩的方法，动静态时都可获得较高的供气压力；易于通过增加泵腔组及泵腔组内泵腔的数量的方法获得所需的供气压力。

[0014] 本发明的一种压电叠堆式气泵由泵体a、压盖b、压电叠堆d、活塞e、阀片g、隔膜f及密封圈h构成。泵体a上设有入孔a1、出孔a2、至少两个由体腔a3构成的体腔组Ai及与体腔组数量相等的储气室 qi，入孔a1与各体腔组Ai及出孔a2依次串联，从入孔a1到出孔a2的各体腔组Ai所含体腔a3的数量依次降低；各体腔组Ai中靠近入孔a1一侧的体腔a3上设有进口腔a4、靠近出孔a2一侧的体腔a3上设有与储气室qi连通的出口腔a5，入孔a1与其相邻体腔组Ai的进口腔a4连通，出孔a2与其相邻的体腔组 Ai的出口腔a5连通；同一体腔组Ai内的各体腔a3经内通孔a6连通，两相邻体腔组Ai的进口腔a4和出口腔a5经外通孔a7连通；进口腔a4和出口腔a5与其内所安装的阀片g分别构成进口阀vi和出口阀Vi，阀片g为悬臂梁或碟形结构；压盖b经螺钉安装在泵体a上并将隔膜f压接在泵体a上，压盖b的导向孔 b1的直径与泵体a的体腔a3的直径相等，导向孔b1和体腔a3对称配置在隔膜f的上下两侧，隔膜f将密封圈h压接在体腔a3内并形成泵腔c；同一体腔组Ai内的泵腔c并联成泵腔组ci，各泵腔组ci串联；导向孔b1中装有压电叠堆d和活塞e，压盖b经压电叠堆d将活塞e压接在隔膜f上，活塞e为T型且其小端与隔膜f接触、大端侧壁与导向孔b1的内壁接触；压电叠堆d包括驱动单元d1和传感单元d2；为获得最大压缩比，隔膜f为0.1、0.2和0.3mm厚的铍青铜时最佳的活塞e的小端半径与体腔a3的半径比分别为0.79、0.65和0.55，泵腔c的高度为驱动单元d1受电压作用的伸长量；压缩比是指压电叠堆d伸缩变形所引起的泵腔c的容积变化量与泵腔c的静容积之比；不同泵腔组ci中的压电叠堆d经不同的导线组与驱动电源相连，即各泵腔组ci中的驱动单元d1和传感单元d2都采用两组独立的导线组与驱动电源相连；工作中，同一泵腔组ci中隔膜f的变形方向相同、即同一泵腔组ci内压电叠堆d的驱动单元d1受驱动电压作用均伸长或缩短。

[0015] 本发明中，驱动电源输出给各泵腔组ci中驱动单元d1的是直流电压信号或不同频率的交流电压信号，驱动电源输出直流信号时根据传感单元d2感应电压的变化情况使驱动电压换向、实现自激驱动，即当传感单元d2的感应电压到达极值时直流电压在0和最大正电压之间变换、驱动单元d1交替地伸缩变形，从而解决不同负载时压电叠堆d谐振频率的跟踪问题。

[0016] 本发明中，气泵的最大输出压力为Pmax＝P0ηp{(1+α)/(1-α)[β+(1+α)/(1-α)]n-1-1}，其中：P0为标准大气压，ηp为效率系数，α＞0为压缩比，β＞1为各相邻泵腔组ci中所含泵腔c数量比的最小值，n≥2 为泵腔组ci的数量。

[0017] 本发明中，体腔组Ai、进口阀vi、泵腔组ci、出口阀Vi中的i代表从入孔a1到出孔a2的序号，i＝1，2，3，...；以具有三个泵腔组ci的气泵为例，从入孔a1到出孔a2，体腔组Ai依次定义为体腔组一A1、二A2和三 A3，进口阀vi依次定义为进口阀一v1、二v2和三v3，泵腔组ci依次定义为泵腔组一c1、二c2和三c3，出口阀Vi依次定义为出口阀一V1、二V2和三V3；储气室qi依次定义为储气室一q1、二q2和三q3；工作中，泵腔组一c1经入孔a1从外界吸入气体进行第一级压缩后排入储气室一q1，泵腔组二c2从储气室一q1吸入气体进行第二级压缩后排入储气室二q2，泵腔组三c3从储气室二q2吸入气体进行第三级压缩后排入储气室三q3，储气室三q3内的气体经出孔a2排出。

[0008] 图1是本发明一个较佳实施例中气泵的结构剖面示意图；

[0009] 图2是图1的A-A剖视图；

[0010] 图3是本发明一个较佳实施例中泵体的结构示意图；

[0011] 图4是图3的俯视图；

[0012] 图5是本发明一个较佳实施例中压电叠堆的结构示意图；

[0013] 图6是本发明一个较佳实施例中阀片变形与压电叠堆伸缩变形的关系图。