CN109931250B - 一种串联腔体阵列式微型压电气体压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型气体压缩机技术领域，具体涉及一种串联腔体阵列式微型压电气体压缩机，整体由外套、冷却套、上板、中间板、下板、密封圈、单向阀、第四单向阀、压电振子构成；上板的下端面与中间板的上端面之间从左到右依次安装有第一压电振子和第三压电振子，中间板的下端面与下板的上端面之间安装有第二压电振子，第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的直径依次减小。冷却套与盖板之间涂有导热胶，冷却套外表面设置有冷却管道，冷却套外侧设置有外套。特色及优势：前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，可有效累积各级腔体气体压缩量，能量转换效率高，能量密度大，且可同时实现大流量和高压力气体输出。

Description

一种串联腔体阵列式微型压电气体压缩机

技术领域

本发明属于微型气体压缩机技术领域，具体涉及一种串联腔体阵列式微型压电气体压缩机。

背景技术

由于微型压缩机体积小、结构紧凑以及高的控制精度等优势，目前已广泛应用于电子冷却、化学合成、气体输送以及航空航天等领域。中国专利CN105321404A提出了一种电磁式压缩机，主要包括固定壳体、进气管、出气管、气缸、活塞、传动架、衔铁铁芯和电磁线圈，该电磁式压缩机控制容易，电磁力大；中国专利CN207048923U提出一种单驱动式天然气用微型循环压缩机，采用立式结构进行压缩机结构设计，通过电机驱动，占地面积小，便于维护和搬运。但电机驱动的微型气体压缩机结构复杂、体积大、功耗高且存在电磁干扰，不便用于***的集成化和微型化。人们又相继提出了气动式和静电驱动式气体压缩机。其中，气动式需要单独气源进行驱动，无法用于便携式或者独立仪器设备；静电驱动式因膜片驱动力小且需要高电压驱动，很难输出高压力气体。

微型压电气体压缩机结构简单、功耗低、能量密度高、无电磁干扰且易于控制，是构造微型气体压缩机的有效方法。然而现有微型压电气体压缩机多为单腔体结构，导致压缩机的压升能力不足，只能达到对流体进行泵送的压力水平，且由于气体的易压缩性和单个压电振子自身驱动能力的限制，其能量密度不高，从而限制了微型压电气体压缩机的实际应用。

发明内容：

针对现有微型压电气体压缩机的不足，本发明提出一种能同时输出高压力/大流量、无电磁干扰、能量密度高、结构简单、成本低的串联腔体阵列式微型压电气体压缩机(以下简称为阵列式微压缩机)，采用以下技术方案：阵列式微压缩机由外套、冷却套、上板、中间板、下板、密封圈、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子构成；所述上板、中间板和下板从上到下依次相连，上板与中间板之间从左到右依次安装有第一压电振子和第三压电振子，中间板与下板之间安装有第二压电振子；所述第一压电振子、第三压电振子与中间板之间分别设置有第一腔、第三腔，所述第二压电振子与中间板之间设置有第二腔，第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的变形分别作用于第一腔、第二腔、第三腔，以此实现腔体的体积变化；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘结而成，且金属基板的直径大于压电陶瓷片；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子与中间板连接时均采用了密封圈进行密封，以此保证第一腔、第二腔以及第三腔的密封性；所述第一腔的进口设置有气体入口，气体入口与第一腔之间设置有第一单向阀，第一腔与第二腔之间设置有第二单向阀，第二腔与第三腔之间设置有第三单向阀；所述第三腔出口设置有气体出口，气体出口与第三腔之间设置有第四单向阀；所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀实现气体入口到第一腔、第一腔到第二腔、第二腔到第三腔、第三腔到气体出口的气体单向流动；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的直径依次减小，所述第一腔、第二腔、第三腔的体积也依次减小，以此实现阵列式微压缩机的逐级累积压缩；这里需要说明的是，所谓串联腔体阵列式是指第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子按照压电振子直径以及其相对应的腔体体积从大到小平铺阵列式排布，同时第一腔、第二腔、第三腔构成串联腔体；为使阵列式微压缩机工作时能有效散热，阵列式微压缩机的外侧设置有冷却套，所述冷却套设置在上板、中间板以及下板连接体***，并与上板、中间板以及下板表面充分接触，接触面涂有导热胶；所述冷却套外表面设置有冷却管道；所述冷却管道为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道是为了冷却液能在冷却套内滞留更长时间，强化散热效果；所述冷却套***连接有外套，外套上设置有冷却液入口和冷却液出口；阵列式微压缩机工作时，冷却液从冷却液入口流入，经过冷却管道从冷却液出口流出从而带走压缩机工作产生的热量，达到散热效果。

阵列式微压缩机的流量由第一压电振子决定，第一压电振子直径大，腔体体积变化量大，在相同电压和频率驱动下，可获得大流量；输出压力由第三压电振子决定，第三压电振子直径小，刚度大，可输出高压力，使得阵列式微压缩机可同时实现大流量和高压力输出。同时压电振子高频率振动驱动过程中，单向阀会存在一定的气体反向泄露，通过前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体累积压缩(前一级腔体多供入的气体可以弥补单向阀的气体反向泄露)，可有效累积各级腔体气体压缩量，使阵列式微压缩机具有较大的能量密度。

本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态。

第一工作状态：第一压电振子和第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子均向上振动，第一腔体积增大压力减小，第二腔体积减小压力增大，第三腔体积增大压力减小，促使第一单向阀和第三单向阀打开，气体通过气体入口进入第一腔，第二腔内的气体被压入第三腔。

第二工作状态：第一压电振子和第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子均向下振动，第一腔体积减小压力增大，第二腔体积增大压力减小，第三腔体积减小压力增大，促使第二单向阀和第四单向阀打开，第一腔内的气体被压入第二腔，第三腔通过气体出口将高压气体排出。

阵列式微压缩机在第一腔、第二腔、第三腔内分别实现了第一级、第二级、第三级气体累积压缩，通过前一级腔体供入大体积气体以充足供应下一级腔体有效增压，多级累积压缩即可获得优良的气体增压效果；在交变电压持续驱动下，第一、二工作状态反复转变，可输出连续大流量/高压力气体。

本发明的特色及优势在于：1、通过各腔体积逐级递减来实现气体累积增压，其流量由第一压电振子决定，第一压电振子直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；输出压力由第三压电振子决定，第三压电振子直径小，刚度大，可输出高压力，使得阵列式微压缩机可同时实现大流量和高压力输出；2、前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，可有效累积各级腔体气体压缩量，能量密度大，能量转换效率高；3、整体由压电振子、单向阀以及盖板组成，结构简单，易于集成。

附图说明：

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图；

图2是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的结构剖面图；

图3是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的结构剖面图；

图4是本发明一个较佳实施例中螺旋式冷却管道的排布图。

其中：1-外套；11-冷却液入口；12-冷却液出口；2-冷却套；20-导热胶；21-冷却管道；3-上板；4-中间板；41-气体入口；42-气体出口；5-下板；6-密封圈；71-第一单向阀；72-第二单向阀；73-第三单向阀；74-第四单向阀；81-第一腔；82-第二腔；83-第三腔；91-第一压电振子；92-第二压电振子；93-第三压电振子；9a-金属基板；9b-压电陶瓷片。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参照图1、图2、图3和图4，本发明提出一种串联腔体阵列式微型压电气体压缩机，由外套1、冷却套2、上板3、中间板4、下板5、密封圈6、第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74、第一压电振子91、第二压电振子92、第三压电振子93构成；所述上板3、中间板4和下板5从上到下依次相连，上板3与中间板4之间从左到右依次安装有第一压电振子91和第三压电振子93，中间板4与下板5之间安装有第二压电振子92；所述第一压电振子91、第三压电振子93与中间板4之间分别设置有第一腔81、第三腔83，所述第二压电振子92与中间板4之间设置有第二腔82，第一压电振子91、第二压电振子92、第三压电振子93的变形分别作用于第一腔81、第二腔82、第三腔83，以此实现腔体的体积变化；所述第一压电振子91、第二压电振子92、第三压电振子93均由金属基板9a和压电陶瓷片9b同心粘结而成，且金属基板9a的直径大于压电陶瓷片9b；所述第一压电振子91、第二压电振子92、第三压电振子93与中间板4连接时均采用了密封圈6进行密封，以此保证第一腔81、第二腔82以及第三腔83的密封性；所述第一腔81的进口设置有气体入口41，气体入口41与第一腔81之间设置有第一单向阀71，第一腔81与第二腔82之间设置有第二单向阀72，第二腔82与第三腔83之间设置有第三单向阀73；所述第三腔83出口设有气体出口42，气体出口42与第三腔86之间设置有第四单向阀74；所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74实现气体入口41到第一腔81、第一腔81到第二腔82、第二腔82到第三腔83、第三腔83到气体出口42的气体单向流动；所述第一压电振子91、第二压电振子92、第三压电振子93的直径依次减小，所述第一腔81、第二腔82、第三腔83的体积也依次减小，以此实现阵列式微压缩机的逐级累积压缩；这里需要说明的是，所谓串联腔体阵列式是指第一压电振子91、第二压电振子92、第三压电振子93按照压电振子直径从大到小平铺阵列式排布，同时第一腔81、第二腔82、第三腔83构成串联腔体；为使阵列式微压缩机工作时能有效散热，阵列式微压缩机的外侧设置有冷却套2，所述冷却套2设置在上板3、中间板4以及下板5连接体***，并与上板3、中间板以及下板5连接体***表面充分接触，接触面涂有导热胶20；需要说明的是，上板3、中间板4以及下板5连接体，既是三者连接后形成的整体；所述冷却套2外表面设置有冷却管道21；所述冷却管道21为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道21是为了冷却液能在冷却套内滞留更长时间，强化散热效果；所述冷却套2***连接有外套1，外套1上设置有冷却液入口11和冷却液出口12；阵列式微压缩机工作时，冷却液从冷却液入口11流入，经过冷却管道21从冷却液出口12流出从而带走热量，达到散热效果。

阵列式微压缩机的流量由第一压电振子91决定，第一压电振子91直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；输出压力由第三压电振子93决定，第三压电振子93直径小，刚度大，可输出高压力，使得阵列式微压缩机可同时实现大流量和高压力输出。压电振子高频率振动驱动过程中，单向阀会存在一定的气体反向泄露，通过前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体累积压缩(前一级腔体多供入的气体可以弥补单向阀的气体反向泄露)，可有效累积各级腔体气体压缩量，使阵列式微压缩机具有较大的能量密度。

本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态。

第一工作状态：第一压电振子91和第三压电振子93施加与压电陶瓷片9b极化方向相反的电压，第二压电振子92施加与压电陶瓷片9b极化方向相同的电压，第一压电振子91、第二压电振子92和第三压电振子93均向上振动，第一腔81体积增大压力减小，第二腔82体积减小压力增大，第三腔83体积增大压力减小，促使第一单向阀71和第三单向阀73打开，气体通过气体入口41进入第一腔81，第二腔82内的气体被压入第三腔83。

第二工作状态：第一压电振子91和第三压电振子93施加与压电陶瓷片9b极化方向相同的电压，第二压电振子92施加与压电陶瓷片9b极化方向相反的电压，第一压电振子91、第二压电振子92和第三压电振子93均向下振动，第一腔81体积减小压力增大，第二腔82体积增大压力减小，第三腔83体积减小压力增大，促使第二单向阀72和第四单向阀74打开，第一腔81内的气体被压入第二腔82，第三腔83通过气体出口42将高压气体排出。

阵列式微压缩机在第一腔81、第二腔82、第三腔83内分别实现了第一级、第二级、第三级气体累积压缩，通过前一级腔体供入大体积气体以充足供应下一级腔体有效增压，多级累积压缩即可获得优良的气体增压效果；在交变电压持续驱动下，第一、二工作状态反复转变，可输出连续大流量/高压力气体。

以上实施例供理解本发明之用，并非用于限制，在不违背本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种串联腔体阵列式微型压电气体压缩机，其特征在于：整体由外套、冷却套、上板、中间板、下板、密封圈、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子构成；所述上板、中间板和下板从上到下依次相连，上板与中间板之间从左到右依次安装有第一压电振子和第三压电振子，中间板与下板之间安装有第二压电振子；所述第一压电振子、第三压电振子与中间板之间分别设置有第一腔、第三腔，所述第二压电振子与中间板之间设置有第二腔，第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的变形分别作用于第一腔、第二腔、第三腔；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘结而成；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子与中间板连接时均采用了密封圈进行密封；所述第一腔的进口设置有气体入口，气体入口与第一腔之间设置有第一单向阀，第一腔与第二腔之间设置有第二单向阀，第二腔与第三腔之间设置有第三单向阀；所述第三腔出口设置有气体出口，气体出口与第三腔之间设置有第四单向阀；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的直径依次减小，所述第一腔、第二腔、第三腔的体积也依次减小；工作过程可分为第一工作状态和第二工作状态；第一工作状态时，第一压电振子和第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压；第二工作状态时，第一压电振子和第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压；在交变电压持续驱动下，第一、二工作状态反复转变，输出连续气体。

2.根据权利要求1所述的串联腔体阵列式微型压电气体压缩机，其特征在于：所述冷却套设置在上板、中间板以及下板连接体***，并与上板、中间板以及下板连接体***表面充分接触，接触面涂有导热胶；所述冷却套设置有冷却管道；所述冷却套***连接有外套，外套上设置有冷却液入口和冷却液出口。