CN112081729B - 一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵，包括进水口、第一端盖、进口滑阀、铙钹型压电叠堆、外壳、中间连接管、活塞、带螺旋槽圆筒、出口滑阀、第二端盖、出水口。外壳两端通过第一端盖和第二端盖密封，第一端盖上设有进水口，第二端盖上设有出水口；在外壳和两个端盖围成的空间内，依次设有固定连接的进口滑阀、中间连接管、活塞、出口滑阀；铙钹型压电叠堆套在中间连接管上，其远离进水口一端与中间连接管上的凸缘侧面贴合在一起，另一端与第一端盖贴合在一起，铙钹型压电叠堆在交变电压驱动下带动活塞做往复运动。本发明的压电叠堆泵具有工作频率高、阀口启闭无滞后、流量可精准控制、能耗低等优点。

Description

一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，尤其涉及一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵。

背景技术

随着压电智能材料的快速发展，压电泵作为流体输送过程中的关键部件，自20世纪70年代以来就引起了人们越来越多的关注。压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出的新型流体泵。因为压电泵在工作过程中无电动机、无旋转部件，仅利用压电陶瓷片为其动力驱动源，因此具有体积小、结构简单、效率高、控制方便、无电磁干扰、能耗低等优点。在生物医药工程、喷墨打印机、微机械等领域得到越来越多的应用和发展。多年来其形式和应用场合不断得到突破，性能也在不断提高。但由于单个压电陶瓷片变形小，且普通的止回阀在压电泵高频工作时会产生滞后，不能完全闭合而产生回流，压电驱动的往复泵中应用止回阀配流时遇到的流量瓶颈问题已无法满足对响应速度快、高精度、高压力要求的场合。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵，该压电叠堆泵结构紧凑，活塞运动位移大，排出流量大，且阀门开启与关闭与活塞运动一致无滞后，可适用于高频工作场合，流量精准可控，能耗低。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵，包括进水口、第一端盖、进口滑阀、铙钹型压电叠堆、外壳、中间连接管、活塞、、出口滑阀、第二端盖、出水口，外壳两端通过第一端盖和第二端盖密封，第一端盖上设有进水口，第二端盖上设有出水口；在外壳和两个端盖围成的空间内，依次设有固定连接的进口滑阀、中间连接管、活塞、出口滑阀；铙钹型压电叠堆套在中间连接管上，其远离进水口一端与中间连接管上的凸缘侧面贴合在一起，另一端与第一端盖贴合在一起，铙钹型压电叠堆在交变电压驱动下带动活塞做往复运动；所述活塞通过带螺旋槽圆筒与第二端盖柔性连接在一起，当铙钹型压电叠堆的驱动频率与带螺旋槽圆筒的固有频率相同时产生谐振，活塞位移实现谐振放大，铙钹型压电叠堆工作在非谐振状态。本发明的压电叠堆泵利用压电陶瓷的逆压电效应，以及铙钹型压电叠堆的大位移、大推力的特点，将滑阀与往复泵相结合，实现流量的精密泵送，具有工作频率高、阀口启闭无滞后、流量可精准控制、能耗低等优点，同时，在当铙钹型压电叠堆的驱动频率与带螺旋槽圆筒的固有频率相同时产生谐振，同样可增加活塞位移，增大排出流量。

优选的，所述铙钹型压电叠堆为复合式夹心压电陶瓷叠堆在一起，最外层为金属钹盖，其次为径向极化压电陶瓷，径向极化压电陶瓷由若干片扇形压电陶瓷粘结组合成圆环形，中间层为轴向极化压电陶瓷，且中间两压电陶瓷极化方向相反。

更进一步的，铙钹型压电叠堆中间层中，最中间两片压电陶瓷中间接触面上施加负电压或接地，从该接触面向两边的压电陶瓷面上施加依次交替的正负电压。

优选的，所述进口滑阀的中间孔一端封闭，在封闭端与第一端盖接触面边缘的柱面上开设圆形通孔，在活塞向进水口方向运动时圆形通孔将泵腔与入口处连通，实现泵吸。

优选的，所述出口滑阀在中间凹槽处开设通孔，该通孔将泵腔与液体流道连通，在出口滑阀与第二端盖内部接触面的边缘圆形柱面上开设圆形通孔，在活塞向出水口方向运动时该圆形通孔将泵腔与出口连通。

优选的，所述进口滑阀与中间连接管、活塞、出口滑阀固定连接为一体，活塞做压缩泵腔运动时进口滑阀关闭，出口滑阀开启；活塞做泵吸运动时，进口滑阀开启，出口滑阀关闭；活塞与进口滑阀、出口滑阀同步运动，活塞在高频往复运动时，进口滑阀、出口滑阀的开启和关闭不存在延时。

优选的，所述带螺旋槽圆筒的固有频率通过改变螺旋槽数目、螺距及圆筒的厚度来调节，以适应不同的应用场合。

优选的，所述第一端盖设置有偏置圆通孔，壳体上开设凹槽，用于布置铙钹型压电叠堆的电源线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用铙钹型压电叠堆，可增加活塞位移，增大排出流量。

2、本发明活塞通过带螺旋槽圆筒与第二端盖柔性连接在一起，在当铙钹型压电叠堆的驱动频率与带螺旋槽圆筒的固有频率相同时产生谐振，同样可增加活塞位移，增大排出流量。

3、本发明进口滑阀与中间连接管、活塞、出口滑阀固定连接为一体，采用滑阀来精准控制压电泵流量的吸入和排除，阀门开启与关闭与活塞运动一致无滞后。

附图说明

图1是本发明实施例带滑阀的谐振式压电叠堆泵主剖视图。

图2是本发明实施例中的铙钹型压电致动器结构图。

图3是本发明实施例中的铙钹型压电致动器压电陶瓷极化方向布置及电压施加方式示意图。

图4是本发明实施例带滑阀的谐振式压电叠堆泵的三维旋转剖视图。

图5是本发明实施例中的进口滑阀三维剖视图。

图6是本发明实施例中的出口滑阀三维剖视图。

其中：1—进水口；2—第一端盖；3—密封圈；4—进口滑阀；5—铙钹型压电叠堆；6—外壳；7—中间连接管；8—活塞；9—密封垫片；10—带螺旋槽圆筒；11—出口滑阀；12—密封圈；13—第二端盖；14—出水口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-6所示，本实施例提供一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵，主要结构包括进水口1、第一端盖(右端盖)2、密封圈3、进口滑阀4、铙钹型压电叠堆5、外壳6、中间连接管7、活塞8、密封垫片9、带螺旋槽圆筒10、出口滑阀11、密封圈12、第二端盖(左端盖)13、出水口14。

其中，本实施例进水口1和右端盖2通过螺纹连接为一体，实际应用中也可以通过快速拔插接口连接。右端盖2和壳体6通过螺纹连接。右端盖2设置有偏置圆通孔，壳体6右端开设凹槽，用于布置铙钹型压电叠堆5的电源线。左端盖14与壳体6也通过螺纹连接，左端盖14左端与出水口14通过螺纹连接或者快速拔插接口连接。

参见图1、4，进口滑阀4、中间连接管7、活塞8、带螺旋槽圆筒10从右往左依次通过螺纹连接为一体，活塞8左端通过螺纹与出口滑阀11连接，这一连接体即是活塞又是滑阀。铙钹型压电叠堆5套在中间连接管7上，其左端与中间连接管7的凸缘侧面贴合在一起，右端与右端盖贴合在一起，右端盖2将铙钹型压电叠堆5、中间连接管7、活塞8和带螺旋槽圆筒10压紧在左端盖13上；左端盖13右侧圆筒、活塞8左端面和出口滑阀12中间凹槽之间组成泵腔。

参见图2、3，本实施例中，铙钹型压电叠堆5为复合式夹心压电陶瓷叠堆在一起，最外层为金属钹盖501，其次为径向极化压电陶瓷503，径向极化压电陶瓷503由多片扇形压电陶瓷粘结组合成圆环形，中间层为轴向极化压电陶瓷502，且中间两压电陶瓷极化方向相反。铙钹型压电制动器最中间两片压电陶瓷502中间接触面上施加负电压(也可接地)，从该接触面向两边的压电陶瓷面上施加的电压为依次交替的正负电压。压电泵利用压电陶瓷的逆压电效应，以及铙钹型压电致动器的大位移、大推力的特点将滑阀与往复泵相结合，实现流量的精密泵送。

参见图5，本实施例进口滑阀4的中间孔一端封闭，在封闭端与右端盖2接触面右边缘的柱面上开设圆形通孔，在活塞8向右运动时圆形通孔将泵腔与入口处连通，实现泵吸。进口滑阀4和右端盖2之间设有密封圈3。

参见图6，本实施例出口滑阀11在中间凹槽处开设通孔，该通孔将泵腔与液体流道连通，在出口滑阀4与左端盖内部空接触面的左边缘圆形柱面上开设圆形通孔，在活塞向左运动时该圆形通孔将泵腔与出口连通。出口滑阀11和左端盖13之间设有密封圈12。

本实施例中，进口滑阀4、中间连接管7、活塞8、出口滑阀11通过螺纹连接为一体，活塞8做压缩泵腔运动时进口滑阀4关闭，出口滑阀11开启；活塞8做泵吸运动时，进口滑阀4开启，出口滑阀11关闭；活塞8与滑阀4、11同步运动，活塞8在高频往复运动时，阀的开启和关闭不存在延时。

本实施例中，活塞8通过带螺旋槽圆筒10与左端盖13柔性连接在一起，当铙钹型压电叠堆泵5的驱动频率与带螺旋槽圆筒10的固有频率相同时产生谐振，活塞8位移实现谐振放大，铙钹型压电叠堆5工作在非谐振状态，金属钹盖501与压电陶瓷503粘结处不会产生过大的应力集中，提高了其使用寿命。带螺旋槽圆筒10的固有频率可通过改变螺旋槽数目、螺距及圆筒的厚度来调节。

下面结合图3对本发明实施例利用压电陶瓷的逆压电效应实现泵送的原理，具体如下：

(1)按照图3的方式给铙钹型压电致动器施加余弦交流电。

(2)当电压逐渐增加时，铙钹型压电叠堆中的压电陶瓷502产生轴向拉伸和径向收缩(d33变形和d3变形)，压电陶瓷503产生径向收缩(d15变形)，金属钹盖501将径向收缩变形转换为轴向拉伸变形，从而实现了压电陶瓷轴向位移的增加。铙钹型压电叠堆5则产生更大的轴向位移，推动活塞8、中间连接管7、进口滑阀4和出口滑阀11向左移动，活塞8推动带螺旋槽圆筒10向左实现压缩运动，带螺旋槽圆筒10存储弹性势能。此时泵腔体积减小，进口滑阀4上的通孔被右端盖2左侧通孔内表面堵塞，进口关闭；出口滑阀11左侧圆柱表面上的通孔与左端盖13中间通孔内表面脱离，出口开启，流体则从泵腔内通过出口滑阀11凹槽内的通孔流出，再通过出口滑阀11左侧通孔流进出水口14，这样压电泵就完成了一次排液动作。

(3)当施加电压逐渐减小为负值时，铙钹型压电叠堆5则产生轴向收缩，带螺旋槽圆筒10推动活塞8、中间连接管7、进口滑阀4和出口滑阀11向右运动，从而实现左侧出口滑阀11出口关闭，右侧进口滑阀4入口开启，流体从入口通过进口滑阀4右侧通孔流入内部管道，并通过出口滑阀11凹槽内的通孔流如泵腔，实现泵吸动作。

另外，当施加的余弦交流电频率与带螺旋槽圆筒10的固有频率一致时，***产生谐振，活塞8的往复运动行程增加，则可实现大流量输出。本发明通过谐振及铙钹型压电叠堆大大增加了活塞位移，进而增大了排出流量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带滑阀的谐振式压电叠堆泵，其特征在于，包括进水口、第一端盖、进口滑阀、铙钹型压电叠堆、外壳、中间连接管、活塞、带螺旋槽圆筒、出口滑阀、第二端盖、出水口，外壳两端通过第一端盖和第二端盖密封，第一端盖上设有进水口，第二端盖上设有出水口；在外壳和两个端盖围成的空间内，依次设有固定连接的进口滑阀、中间连接管、活塞、出口滑阀；铙钹型压电叠堆套在中间连接管上，其远离进水口一端与中间连接管上的凸缘侧面贴合在一起，另一端与第一端盖贴合在一起，铙钹型压电叠堆在交变电压驱动下带动活塞做往复运动；所述活塞通过带螺旋槽圆筒与第二端盖柔性连接在一起，当铙钹型压电叠堆的驱动频率与带螺旋槽圆筒的固有频率相同时产生谐振，活塞位移实现谐振放大，铙钹型压电叠堆工作在非谐振状态；

所述进口滑阀的中间孔一端封闭，在封闭端与第一端盖接触面边缘的柱面上开设圆形通孔，在活塞向进水口方向运动时圆形通孔将泵腔与入口处连通，实现泵吸；

所述出口滑阀在中间凹槽处开设通孔，该通孔将泵腔与液体流道连通，在出口滑阀与第二端盖内部接触面的边缘圆形柱面上开设圆形通孔，在活塞向出水口方向运动时该圆形通孔将泵腔与出口连通；

所述进口滑阀与中间连接管、活塞、出口滑阀固定连接为一体，活塞做压缩泵腔运动时进口滑阀关闭，出口滑阀开启；活塞做泵吸运动时，进口滑阀开启，出口滑阀关闭；活塞与进口滑阀、出口滑阀同步运动，活塞在高频往复运动时，进口滑阀、出口滑阀的开启和关闭不存在延时。

2.根据权利要求1所述的带滑阀的谐振式压电叠堆泵，其特征在于，所述铙钹型压电叠堆为复合式夹心压电陶瓷叠堆在一起，最外层为金属钹盖，其次为径向极化压电陶瓷，径向极化压电陶瓷由若干片扇形压电陶瓷粘结组合成圆环形，中间层为轴向极化压电陶瓷，且中间两压电陶瓷极化方向相反。

3.根据权利要求2所述的带滑阀的谐振式压电叠堆泵，其特征在于，铙钹型压电叠堆中间层中，最中间两片压电陶瓷中间接触面上施加负电压或接地，从该接触面向两边的压电陶瓷面上施加依次交替的正负电压。

4.根据权利要求1所述的带滑阀的谐振式压电叠堆泵，其特征在于，所述带螺旋槽圆筒的固有频率通过改变螺旋槽数目、螺距及圆筒的厚度来调节。

5.根据权利要求1所述的带滑阀的谐振式压电叠堆泵，其特征在于，所述第一端盖设置有偏置圆通孔，壳体上开设用于布置铙钹型压电叠堆的电源线的凹槽。

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