CN109838367A - 一种高性能微型压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体输送技术领域，涉及一种高性能微型压电泵，包括：压电振子，压电振子包括振动基板和设于振动基板上的一个或多个压电元件，振动基板包括中心部和设置在中心部外周的框部，中心部和框部之间通过弹性支撑连接；挠性板，挠性板设于压电振子一侧，挠性板靠近振动基板的一侧设有流道，挠性板与中心部相对的区域内至少设有一个贯穿挠性板的通气孔；通过对压电元件施加驱动电压，振动基板发生弯曲变形，使挠性板产生谐振并随着振动基板朝着相反方向弯曲变形，从所述通气孔吸入流体，从通气孔的周向方向排出。本发明能够在恒定电压驱动下，提升微型压电泵输出压力和输出流量的同时解决泵体发热问题，具有较高的市场价值。
Description
技术领域
本发明属于流体输送设备技术领域，具体涉及一种高性能微型压电泵。
背景技术
近年来，随着微型压电泵的快速发展，微型压电泵已经广泛应用到精细化工、微机电***、医疗器械和消费电子等行业。其中医疗器械和消费电子市场潜力最大，产品对便携式的要求越来越高，这便对压电泵提出了更高的要求，即同时具备低电压、微型化、高输出性能。但是，越是要求微型化，越是要求低电压，则越是使得压电泵输出能力(输出压力和输出流量)降低，输出能力存在极限，无法逾越。恒定电压驱动的微型压电泵，输出流量越大，输出压力越小，反之亦然。因此，在低电压且微型化的前提下，同时提高压电泵的输出流量和输出压力具有重大意义。
已经公布的中国专利暂未考虑到上述问题，在恒定电压驱动下，只能单一地提高流量(压力下降)或压力(流量下降)，无法同时提高微型压电泵的输出性能(输出压力、输出流量)；若提高微泵的驱动电压，压电元件的变形增大，压电元件疲劳强度很低，导致微泵寿命大大缩减，并且驱动电压存在上限，带来的性能提升并不明显。例如，中国专利CN102597520B，致动器被载置在平面部上(发生接触)，致动器与平面部相对的面为平面，平面部与致动器相对的面也为平面，致动器朝向平面部方向发生凸起的弯曲变形后，二者之间的距离变得极小，流阻急剧增大，使得微型压电泵输出压力极大减弱；公布的结构容积变化率低，较低的容积变化率导致输出流量不足，同时大流阻导致能量转换为热量的部分增大，泵体发热严重。中国专利CN103140674A、中国专利CN208380823U也有同样的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的微型压电泵在恒定电压驱动下，输出压力、输出流量不足且泵体发热严重的问题，提供了一种高性能微型压电泵，能够在恒定电压驱动下，通过简单的结构同时提升微型压电泵的输出压力和输出流量，并巧妙解决泵体发热问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
由于流体流过流道的比摩阻hr为：
其中，α为摩擦阻力系数，S为过流断面面积，U为过流断面湿周，Q为流过过流断面的流量。
本发明提供一种高性能微型压电泵过流断面为柱面，若将过流断面高度增加一倍以上，即在挠性板上设置流道，则过流断面湿周不变，且过流断面面积变为原来的两倍以上，由上式可知，流量不变的前提下，流道的比摩阻变为原来的八分之一以下，甚至更小，使流体沿程阻力损失很小；
层流流动中粗糙元对流动阻力的影响比较大，本发明所述一种高性能微型压电泵挠性板上流道壁面粗糙度不高于Ra0.8(参照GB/T1031-2009)，使得α降低，进一步降低流体沿程阻力损失；
并且，本发明所述一种高性能微型压电泵挠性板上流道壁面相交处均做圆角处理，用于减小流体局部阻力损失。
流阻的大幅减小可以明显的提升微型压电泵输出压力。
将微型泵等效为一个单自由度振动***，设m为***等效质量，k为***等效刚度，c为***阻尼，F0coswt为压电振子在正弦激励下的驱动力，x(t)为挠性板悬空部中心位移，则***运动方程为：
挠性板悬空部稳态响应为：
其中：
流道的存在可以改变挠性板悬空部的等效质量m和等效刚度k，使得k＝mω2，此时压电振子与挠性板运动方向相反，当压电振子向靠近气孔方向凸起弯曲变形时，挠性板悬空部向远离气孔方向凸起弯曲变形；当压电振子向远离气孔方向凸起弯曲变形时，挠性板悬空部向靠近气孔方向凸起弯曲变形。
如此微型压电泵容积变化率增大，容积变化率增大可显著提升微型压电泵输出流量。
驱动电压恒定，即输入能量一定，能量更多的转换为流体的势能和动能，能量损失更小，即转换热能的部分更少，流量增大，带走的热量增加，同时，底板选用高导热系数材料，加强泵腔靠近底板方向的散热，这便解决了泵体发热问题
具体地，本发明提供的一种高性能微型压电泵，包括：
压电振子，所述压电振子包括振动基板和设于振动基板上的一个或多个压电元件，所述振动基板包括中心部和设置在中心部外周的框部，所述中心部和框部之间通过弹性支撑连接；
挠性板，所述挠性板设于压电振子一侧，所述挠性板靠近振动基板的一侧设有流道，所述挠性板与所述中心部相对的区域内至少设有一个贯穿挠性板的通气孔；
通过对所述压电元件施加驱动电压，振动基板发生弯曲变形，使挠性板产生谐振并随着振动基板朝着相反方向弯曲变形，从所述通气孔吸入流体，从通气孔的周向方向排出。
本发明所述压电泵还包括盖板、第一隔板、电极板和第二隔板，所述盖板、第一隔板、电极板、第二隔板、压电振子和挠性板由上至下依次密封连接并构成泵腔，所述盖板上设有连通泵腔的气孔，所述第一隔板、电极板和第二隔板上均设有通孔，所述电极板上设有置于泵腔外的外部电极和置于泵腔内的内部电极，所述第一隔板用于保证压电振子弯曲变形过程中，内部电极与压电振子的焊点不会接触盖板，所述第二隔板为绝缘板，第二隔板厚度大于驱动电压下的击穿厚度。
本发明所述中心部为呈圆板状，所述压电元件与中心部同轴设置。
本发明所述弹性支撑包括多个设置在中心部和框部之间的梁部，所述梁部宽度小于中心部和框部之间的间隙，且梁部的形状与中心部和框部之间的间隙形状相匹配，所述梁部两端通过连接部分别与中心部和框部连接。
本发明所述框部上还设有电极。
本发明所述流道深度小于挠性板的厚度，所述流道延伸至挠性板对应中心部的区域之外。
本发明所述流道与通气孔之间设有隔断层，流道壁面相交处采用圆角过度，流道壁面粗糙度不高于Ra0.8。
本发明所述通气孔与中心部同轴设置。
本发明所述挠性板远离振动基板的一侧还设有底板，所述底板上贯穿设有开孔，使所述通气孔能够在开孔中露出。
本发明所述压电元件设置在中心部的一侧，所述中心部远离压电元件的一侧内部设有密封腔体。
采用上述技术方案后，本发明提供的一种高性能微型压电泵具有以下有益效果：
本发明通过在振动基板的中心部和框部之间设置弹性支撑，能够防止振动基板弯曲振动时，因受到来自框部的约束而衰减，能增大弯曲振动的振幅，通过增大振动基板弯曲振动的振幅，在泵装置中，即使驱动电压较低，也能高效地获得流体压力和流量，提高输出能力；通过规定频率的电压驱动，使得振动基板和挠性板向相反方向弯曲变形，从而获得较大的吸入和排出压力，能够进一步提高泵的性能；通过挠性板上流道的设计，能够在恒定电压驱动下，通过简单的结构同时提升微型压电泵的输出压力和输出流量，并巧妙解决泵体发热问题；综上所述，本发明能够在恒定电压驱动下，提升微型压电泵输出压力和输出流量的同时解决泵体发热问题，具有较高的市场价值。
附图说明
图1为本发明一种高性能微型压电泵的结构***图；
图2为本发明一种高性能微型压电泵的结构剖视图；
图3为本发明挠性板的结构示意图；
图4为本发明一种高性能微型压电泵的吸入原理图；
图5为本发明一种高性能微型压电泵的排出原理图；
图6为本发明中心部设有密封腔体的结构示意图。
其中：压电振子1、泵腔2、密封腔体3、盖板10、气孔11、第一隔板20、电极板30、外部电极31、内部电极32、第二隔板40、振动基板50、中心部51、弹性支撑52、框部53、电极54、挠性板60、流道61、通气孔62、底板70、开孔71、压电元件80。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1-2所示，本实施例的高性能微型压电泵包括压电振子1和挠性板60，其中，压电振子1包括振动基板50和设于振动基板50上的压电元件80，压电元件80和振动基板50对中设置并连接为一体构成压电振子1，振动基板50为导体，压电元件80优选锆钛酸铅系列压电陶瓷，压电振子1两端加载交流电压可以产生往复振动，需要说明的是，压电元件80可以设置单个，也可以设置多个，多个压电元件80可以位于振动基板50单侧，也可以位于振动基板50两侧；具体地，振动基板50包括呈圆板状的中心部51和设置在中心部51外周的框部53，中心部51和框部53之间通过弹性支撑52连接，压电元件80同轴固定在中心部51上，框部53外侧设有电极54，具体地，弹性支撑52包括多个设置在中心部51和框部53之间的梁部，梁部宽度小于中心部51和框部53之间的间隙，且梁部的形状与中心部51和框部53之间的间隙形状相匹配，梁部两端通过连接部分别与中心部51和框部53连接，当振动基板50受迫振动时，中心部51能够避免受到框部53的约束而衰减，能增大弯曲振动的振幅，提高泵的输出能力。
其中，挠性板60设于振动基板50一侧，挠性板60靠近振动基板50的一侧设有流道61和通气孔62，挠性板60在泵腔中露出的部分挠性板60的悬空部。具体地，挠性板60与中心部51相对的区域内至少设有一个贯穿挠性板60的通气孔62，通气孔62与中心部51同轴设置，通气孔61设置于挠性板60受迫振动时的最大变形区域，流道61与通气孔62之间设有隔断层，二者只能通过压电振子1与挠性板60间的间隙连通，流道61位于泵腔2内，且流道61深度小于挠性板60的厚度，流道61向挠性板60***延伸至中心部51的边缘之外，流道61壁面粗糙度不高于Ra0.8(参照GB/T 1031-2009)，流道61壁面相交处均圆角过度；优选地，流道61为圆环状，如图3所示，流道61外径D与内径d比值D/d∈(2,8)，挠性板60厚度δ与流道61深度h比值δ/h∈(1,6)。进一步的，流道61深度大于2微米，通过流道61深度和形状的合理配置，使得挠性板60悬空部与压电振子1的振动方向相反。
进一步的，本实施例的高性能微型压电泵还包括盖板10、第一隔板20、电极板30和第二隔板40，盖板10、第一隔板20、电极板30、第二隔板40、压电振子1和挠性板60由上至下依次密封连接并构成泵腔2，盖板10上设有连通泵腔2的气孔11，第一隔板20、电极板30和第二隔板40上均设有大小一致的通孔，多个通孔组合成泵腔2的一部分，电极板30为导体，电极板30上设有置于泵腔2外的外部电极31和置于泵腔2内的内部电极32，内部电极32焊接在压电振子1远离挠性板60的一侧，位于往复振动波节处，第一隔板20用于保证压电振子1弯曲变形过程中，内部电极32与压电振子1的焊点不会接触盖板10，第二隔板40为绝缘板，第二隔板40厚度大于驱动电压下的击穿厚度。
进一步的，本实施例的高性能微型压电泵在挠性板60远离振动基板50的一侧还设有底板70，底板70上贯穿设有开孔71，使所述通气孔63能够在开孔71中露出，开孔71的形状包括但不限于圆形和多边形，在此不作具体限制。
图4-5示出了本实施例高性能微型压电泵的工作原理，在合适的工作频率下，压电振子1与挠性板60达到一定的谐振状态，即通过对压电振子1施加驱动电压，压电振子1向上凸起弯曲变形时，挠性板60悬空部向下凸起弯曲变形，如图4所示，压电振子1和挠性板60悬空部之间的间隙在压电振子1中央附近变大，该位置流阻较小，压电振子1和挠性板60之间的间隙在压电振子1外周较小，该位置流阻较大，因此，流体主要以从通气孔63吸入为主。
压电振子1向下凸起弯曲变形时，挠性板60悬空部向上凸起弯曲变形，如图5所示，压电振子1和挠性板60悬空部之间的间隙在压电振子1中央附近变小，该位置流阻较大，压电振子1和挠性板60之间的间隙在压电振子1外周较大，该位置流阻较小，因此，流体主要以从通气孔63周向至气孔11方向排出为主。
通过交变电流的控制，反复上述的吸入和排出的过程以达到连续输送流体的目的。
实施例二
如图6所示，本实施例的高性能微型压电泵与实施例一基本相同，区别在于，压电元件80设置在中心部51的一侧，中心部51远离压电元件80的一侧的内部设有密封腔体3，密封腔体3内充满液态或气态介质，能够在压元件80弯曲振动时放大中心部51远离压电元件80一侧端面的振幅。
本发明提供的一种高性能微型压电泵，通过在振动基板的中心部和框部之间设置弹性支撑，能够防止振动基板弯曲振动时，因受到来自框部的约束而衰减，能增大弯曲振动的振幅，通过增大振动基板弯曲振动的振幅，在泵装置中，即使驱动电压较低，也能高效地获得流体压力和流量，提高输出能力；通过规定频率的电压驱动，使得振动基板和挠性板向相反方向弯曲变形，从而获得较大的吸入和排出压力，能够进一步提高泵的性能；通过挠性板上流道的设计，能够在恒定电压驱动下，通过简单的结构同时提升微型压电泵的输出压力和输出流量，并巧妙解决泵体发热问题；综上所述，本发明能够在恒定电压驱动下，提升微型压电泵输出压力和输出流量的同时解决泵体发热问题，具有较高的市场价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高性能微型压电泵，其特征在于：包括：
压电振子(1)，所述压电振子(1)包括振动基板(50)和设于振动基板(50)上的一个或多个压电元件(80)，所述振动基板(50)包括中心部(51)和设置在中心部(51)外周的框部(53)，所述中心部(51)和框部(53)之间通过弹性支撑(52)连接；
挠性板(60)，所述挠性板(60)设于压电振子(1)一侧，所述挠性板(60)靠近振动基板(50)的一侧设有流道(61)，所述挠性板(60)与所述中心部(51)相对的区域内至少设有一个贯穿挠性板(60)的通气孔(62)；
通过对所述压电元件(80)施加驱动电压，振动基板(50)发生弯曲变形，使挠性板(60)产生谐振并随着振动基板(50)朝着相反方向弯曲变形，从所述通气孔(62)吸入流体，从通气孔(62)的周向方向排出。
2.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述压电泵还包括盖板(10)、第一隔板(20)、电极板(30)和第二隔板(40)，所述盖板(10)、第一隔板(20)、电极板(30)、第二隔板(40)、压电振子(1)和挠性板(60)由上至下依次密封连接并构成泵腔(2)，所述盖板(10)上设有连通泵腔(2)的气孔(11)，所述第一隔板(20)、电极板(30)和第二隔板(40)上均设有通孔，所述电极板(30)上设有置于泵腔(2)外的外部电极(31)和置于泵腔(2)内的内部电极(32)，所述第一隔板(20)用于保证压电振子(1)弯曲变形过程中，内部电极(32)与压电振子(1)的焊点不会接触盖板(10)，所述第二隔板(40)为绝缘板，第二隔板(40)厚度大于驱动电压下的击穿厚度。
3.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述中心部(51)为呈圆板状，所述压电元件(80)与中心部(51)同轴设置。
4.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述弹性支撑(52)包括多个设置在中心部(51)和框部(53)之间的梁部，所述梁部宽度小于中心部(51)和框部(53)之间的间隙，且梁部的形状与中心部(51)和框部(53)之间的间隙形状相匹配，所述梁部两端通过连接部分别与中心部(51)和框部(53)连接。
5.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述框部(53)上还设有电极(54)。
6.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述流道(61)深度小于挠性板(60)的厚度，所述流道(61)延伸至挠性板(60)对应中心部(51)的区域之外。
7.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述流道(61)与通气孔(62)之间设有隔断层，流道(61)壁面相交处采用圆角过度，流道(61)壁面粗糙度不高于Ra0.8。
8.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述通气孔(62)与中心部(51)同轴设置。
9.根据权利要求1所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述挠性板(60)远离振动基板(50)的一侧还设有底板(70)，所述底板(70)上贯穿设有开孔(71)，使所述通气孔(63)能够在开孔(71)中露出。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种高性能微型压电泵，其特征在于：所述压电元件(80)设置在中心部(51)的一侧，所述中心部(51)远离压电元件(80)的一侧内部设有密封腔体(3)。
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