CN115467813A - 一种压电气体压缩机及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体压缩机领域，具体涉及一种压电气体压缩机及其控制装置。从上到下依次连接上盖板、中间板以及下盖板；所示上盖板和中间板之间安装有压电振子；所述中间板设置有介质腔；所述中间板和下盖板之间设置有柔性传感器；所述腔体的形状为球冠；所述柔性传感器为多层弹性薄膜。特色与优势：体积小、功耗低、气体压缩率高、输出性能稳定。

Description

一种压电气体压缩机及其控制装置

技术领域

本发明属于气体压缩机领域，具体涉及一种压电气体压缩机及其控制装置。

背景技术

压电驱动具有结构简单、成本低、无电磁干扰等优点，在微型气体压缩机有着良好的应用前景。随着集成化***对小体积、低功耗的新要求，低功耗的微型气体压缩机的需求越来越迫切。微型压电气体压缩机当前主要为电磁式驱动，通过电磁式电动机带动，一般存在体积大、功耗高、电磁干扰等缺点。为了降低能耗，压电气体压缩机应运而生，但是现有压电气体压缩机普遍存在气体压缩率低（无法被压缩的死体积大）的缺点。

发明内容

针对现有微型气体压缩机的不足，本发明提出一种压电气体压缩机及其控制装置。

本发明实施例提供了一种压电气体压缩机及其控制装置，采用以下技术方案：从上到下依次连接上盖板、中间板以及下盖板；所示上盖板和中间板之间安装有压电振子；所述压电振子***配套安装有第一密封圈、第二密封圈，这实现了压电振子的柔性支撑，柔性支撑可以实现压电振子自身大位移的振动输出；所述中间板设置有介质腔；所述中间板和下盖板之间设置有柔性传感器；所述介质腔由压电振子、第二密封圈、中间板和柔性传感器依次相连形成密封腔体；所述介质腔内填充满流体介质，柔性传感器在介质腔内流体介质压力作用下保持微凸状态；所述下基板设有腔体、入口通道和出口通道，被压缩气体从入口通道流入、从出口通道流出；所述入口通道、腔体和出口通道依次连通；所述柔性传感器工作时体积变化作用于腔体内；所述入口通道内设置有入口阀，入口阀实现流体从入口流道至腔体的单向流通；所述出口通道内设置有出口阀，出口阀实现流体从腔体至出口流道的单向流动。

进一步地，所述压电振子由压电陶瓷晶片和金属基板同心粘接而成，且压电陶瓷晶片的直径小于金属基板的直径。

进一步地，所述介质腔的截面直径从上至下逐步减小，如此，柔性传感器可以将压电振子的位移放大，从而提高压缩机的输出性能。

进一步地，所述腔体的形状为球冠，其球冠的高小于球半径，这样柔性传感器可完全填满腔体，腔体的死体积小，这样可实现气体的高压缩率。

进一步地，所述柔性传感器为多层弹性薄膜；所述多层弹性薄膜外层为柔性封装层；所述柔性封装层为绝缘柔性材料；所述多层弹性薄膜内部从上至下依次设置有第一柔性电极、柔性介电薄膜和第二柔性电极，这里需要说明的是，第一柔性电极、柔性介电薄膜和第二柔性电极构成一个基于电容的传感器，传感器的电容计算公式为：

，式中

为传感器的介电常数，A为第一柔性电极和第二柔性电极相对的感应面积，b为柔性介电薄膜的厚度；当多层弹性薄膜被拉伸（柔性薄膜通过液体介质挤压凸起）时，感应面积A增大、柔性介电薄膜厚度b减小，传感器电容C增大，通过感知多层弹性薄膜的电容，即可获得其伸缩情况，进而感知柔性传感器的伸缩变化情况，通过感知柔性传感器的伸缩情况，即可实现气体压缩机的状态监控，当外部环境改变时，如负载压力增大，柔性传感器的变形会变小，监测的多层弹性薄膜的最大电容C也会变小，这时通过控制装置改变所述压电振子的驱动信号，进而适应负载压力的改变，压电气体压缩机的输出性能可以更稳定。

进一步地，所述出口流道竖直并分布于腔体的中央，即柔性传感器最大位移输出处的正下方，这样柔性传感器的动作可以更有效的将气体通过出口流道排出，同时，在柔性传感器带动下出口流道中的出口阀可更有效的开闭，出口阀的动态特效变好，气体压缩的能量转换效率提高。

进一步地，所述入口阀和所述出口阀为柔性瓣膜阀且结构一致，通过柔性瓣膜阀的正/反安装实现入口阀和出口阀相反的单向流体流通；所述柔性瓣膜阀为高弹性橡胶材料制成；所述柔性瓣膜阀由两组对称且依次相连的阀座、阀膜、阀片构成；所述下盖板在入口流道和出口流道处均设置有安装座；所述阀座配合安装座安装入口阀和出口阀；所述阀膜的厚度自阀座至阀片方向逐步减小，对称的所述阀膜自阀座至阀片方向逐步靠近；在不工作条件下，对称的所述阀片保持接触，以此实现入口阀和出口阀良好的密封性。

一种较佳实施例的工作过程可分为初始状态、第一工作状态和第二工作状态。

初始状态：所述压电振子不施加电压，压电振子保持初始平直状态，柔性驱动器保持微凸起状态。

第一工作状态：所述压电振子施加与压电陶瓷晶片极化方向相同的电压，所述压电振子向下弯曲变形，通过介质腔内的液体介质的液力传导，所述柔性传感器向下弯曲变形，填充满腔体（死体积小），腔体内的体积变小、压力增大，入口阀关闭、出口阀打开，腔体内的气体从出口通道排出；

第二工作状态：所述压电振子施加压电陶瓷晶片极化方向相反的电压，所述压电振子向上弯曲变形，通过自身弹性力以及介质腔内液体介质带动下，所述柔性传感器向上运动，腔体内体积变大、压力减小，入口阀打开、出口阀关闭，腔体从入口通道吸入气体。

压电振子施加交变电压信号，第一工作状态和第二工作状态交替进行，压电振子带动柔性传感器上下运动，结合入口阀和出口阀的流体单向流动，气体实现从入口流道至出口流道的单向泵送。球冠形状的腔体结合柔性传感器，柔性传感器在工作过程中可以实现腔体的完全填充，气体在腔体内的压缩率高。

一种控制装置，包括：压电驱动控制电路、微控制器、电容传感器、用户操作接口、存储器、***电源、DC-DC升压电路；所述压电驱动控制电路生成交变电压信号用于驱动压电振子；所述微控制器例如由CPU（Central Processing Unit：中央处理器）构成，是用于对压电气体压缩机进行整体控制的单元；所述用户操作接口用于接收使用者的操作、并将来自外部的命令输入微控制器；所述***电源用于提供***的电力；所述存储器用于存储程序和存储测量结果，所述程序用于微控制器等执行压电气体压缩机驱动的步骤；所述微控制器将用于驱动压电振子的控制信号输入压电驱动控制电路；所述微控制器通过电容传感器获得柔性传感器的伸缩变形情况；所述DC-DC升压电路是将作为***电源的电池的电压升压至适于驱动压电气体压缩机的电压的电路；所述压电驱动控制电路根据从微控制器输入的控制信号来提供给压电振子驱动电压和频率；所述电容传感器通过实时检测电容实现对柔性传感器伸缩变形情况的监测。

本项目的特色及优势在于：1.输出性能好，通过介质腔内流体介质实现压电振子的位移放大，同时通过柔性传感器结合球冠形状腔体，压缩过程中的死体积（无法被压缩的泵腔体积）小，气体的压缩率高，输出性能好；3.采用柔性传感器作为液体驱动装置，通过电容监测可实时获得柔性传感器的伸缩状态，结合控制装置，压电气体泵工作性能更稳定，可避免外部环境变化（如温度）对输出性能的影响；3.通过压电驱动，具有功耗低、结构简单、体积下、控制方便、无电磁干扰的优势。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的剖面图；

图2是本发明实施例的第一工作状态示意图；

图3是本发明实施例的第二工作状态示意图；

图4是图1中A区域的放大视图；

图5是图1中B区域的放大视图；

图6是图4中入口阀（61）打开时的示意图；

图7是柔性传感器（5）未被拉伸时的剖面示意图；

图8是柔性传感器（5）被拉伸时的剖面示意图；

图9是本发明控制装置的组件方块图；

其中：1-上盖板；2-中间板；3-下盖板；31-腔体；32-进口通道；33-出口通道；34-安装座； 4-压电振子；41-压电陶瓷晶片；42-金属基板；5-柔性传感器；500-柔性封装层；501-第一柔性电极；502-第二柔性电极；503-柔性介电薄膜；61-入口阀；62-出口阀；601-阀座；602-阀壁；603-阀片；7-介质腔；81-第一密封圈；82-第二密封圈；200-微控制器；201-压电驱动控制电路；202-DC-DC升压电路；203-***电源；204-存储器；205-用户操作接口；206-电容传感器。

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，完整的描述，需要说明的是，术语“中间”、“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。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9，本发明提出一种压电气体压缩机及其控制装置，从上到下依次连接上盖板1、中间板2以及下盖板3；所示上盖板1和中间板2之间安装有压电振子4；所述压电振子4***配套安装有第一密封圈81、第二密封圈82；所述中间板2设置有介质腔7；所述中间板2和下盖板3之间设置有柔性传感器5；所述介质腔7由压电振子4、第二密封圈32、中间板2和柔性传感器5依次相连形成密封腔体；所述介质腔7内填充满流体介质，柔性传感器5在介质腔7内流体介质压力作用下保持微凸状态；所述下基板3设有腔体31、入口通道32和出口通道33，被压缩气体从入口通道32流入、从出口通道33流出；所述入口通道32、腔体31和出口通道33依次连通；所述柔性传感器5工作时体积变化作用于腔体31内；所述入口通道32内设置有入口阀61，入口阀61实现流体从入口流道32至腔体31的单向流通；所述出口通道23内设置有出口阀62，出口阀62实现流体从腔体31至出口流道33的单向流动。

进一步地，所述压电振子4由压电陶瓷晶片41和金属基板42同心粘接而成，且压电陶瓷晶片41的直径小于金属基板42的直径。

进一步地，所述介质腔7的截面直径从上至下逐步减小，如此，柔性传感器5可以将压电振子4的位移放大，从而提高压缩机的输出性能。

进一步地，所述腔体31的形状为球冠，其球冠的高小于球半径，这样柔性传感器5可完全填满腔体31，腔体31的死体积小，这样可实现气体的高压缩率。

进一步地，如图7、图8所示，所述柔性传感器5为多层弹性薄膜；所述多层弹性薄膜外层为柔性封装层500；所述柔性封装层500为绝缘柔性材料；所述多层弹性薄膜内部从上至下依次设置有第一柔性电极501、柔性介电薄膜503和第二柔性电极502，这里需要说明的是，第一柔性电极501、柔性介电薄膜503和第二柔性电极502构成一个基于电容的传感器，传感器的电容计算公式为：

，式中

为传感器的介电常数，A为第一柔性电极501和第二柔性电极502相对的感应面积，b为柔性介电薄膜503的厚度；当多层弹性薄膜被拉伸（柔性薄膜通过液体介质挤压凸起）时，感应面积A增大、柔性介电薄膜503厚度b减小为b1，传感器电容C增大，通过感知多层弹性薄膜的电容，即可获得其伸缩情况，进而感知柔性传感器5的伸缩变化情况。

进一步地，所述出口流道23竖直并分布于腔体31的中央，即柔性传感器5最大位移输出处的正下方，这样柔性传感器5的动作可以更有效的将气体通过出口流道33排出，同时，在柔性传感器5带动下出口流道33中的出口阀62可更有效的开闭，出口阀62的动态特效变好，气体压缩的能量转换效率提高。

进一步地，如图4、图5、图6所示，所述入口阀61和所述出口阀62为柔性瓣膜阀且结构一致，通过柔性瓣膜阀的正/反安装实现入口阀61和出口阀62相反的单向流体流通；所述柔性瓣膜阀为高弹性橡胶材料制成；所述柔性瓣膜阀由两组对称的瓣膜构成，所述瓣膜前后两侧均相互连接进而保证阀的密封；所述瓣膜由依次相连的阀座601、阀膜602、阀片603构成；所述下盖板3在入口流道32和出口流道33处均设置有安装座34；所述阀座601配合安装座34安装入口阀61和出口阀62；所述阀膜602的厚度自阀座601至阀片603方向逐步减小，对称的所述阀膜602自阀座601至阀片603方向逐步靠近；在不工作条件下，对称的所述阀片603保持接触，以此实现入口阀61和出口阀62良好的密封性。

一种较佳实施例的工作过程可分为初始状态、第一工作状态和第二工作状态，如图1、图2、图3所示。

初始状态：所述压电振子4不施加电压，压电振子4保持初始平直状态，柔性驱动器5保持微凸起状态。

第一工作状态：所述压电振子4施加与压电陶瓷晶片41极化方向相同的电压，所述压电振子4向下弯曲变形，通过介质腔7内的液体介质的液力传导，所述柔性传感器5向下弯曲变形，填充满腔体31（死体积小），腔体31内的体积变小、压力增大，入口阀61关闭、出口阀62打开，腔体31内的气体从出口通道33排出；

第二工作状态：所述压电振子4施加压电陶瓷晶片41极化方向相反的电压，所述压电振子4向上弯曲变形，通过自身弹性力以及介质腔7内液体介质带动下，所述柔性传感器5向上运动，腔体31内体积变大、压力减小，入口阀61打开、出口阀62关闭，腔体31从入口通道32吸入气体。

压电振子4施加交变电压信号，第一工作状态和第二工作状态交替进行，压电振子4带动柔性传感器5上下运动，结合入口阀61和出口阀62的流体单向流动，气体实现从入口流道32至出口流道33的单向泵送。球冠形状的腔体31结合柔性传感器5，柔性传感器5在工作过程中可以实现腔体31的完全填充，气体在腔体31内的压缩率高。

一种控制装置，如图9所示，包括：压电驱动控制电路201、微控制器200、电容传感器206、用户操作接口205、存储器204、***电源203、DC-DC升压电路202；所述压电驱动控制电路201生成交变电压信号用于驱动压电振子4；所述微控制器200例如由CPU（CentralProcessing Unit：中央处理器）构成，是用于对压电气体压缩机进行整体控制的单元；所述用户操作接口205用于接收使用者的操作、并将来自外部的命令输入微控制器200；所述***电源203用于提供***的电力；所述存储器204用于存储程序和存储测量结果，所述程序用于微控制器200等执行压电气体压缩机驱动的步骤；所述微控制器200将用于驱动压电振子4的控制信号输入压电驱动控制电路201；所述微控制器200通过电容传感器206获得柔性传感器5的伸缩变形情况；所述DC-DC升压电路202是将作为***电源203的电池的电压升压至适于驱动压电气体压缩机的电压的电路；所述压电驱动控制电路201根据从微控制器200输入的控制信号来提供给压电振子4驱动电压和频率；所述电容传感器206通过实时检测电容实现对柔性传感器5伸缩变形情况的监测。

Claims (3)

1.一种压电气体压缩机，其特征在于：从上到下依次连接上盖板、中间板以及下盖板；所示上盖板和中间板之间安装有压电振子；所述中间板设置有介质腔；所述中间板和下盖板之间设置有柔性传感器；所述介质腔由压电振子、中间板和柔性传感器依次相连形成密封腔体；所述介质腔内填充满流体介质，柔性传感器在介质腔内流体介质压力作用下保持微凸状态；所述下基板设有腔体、入口通道和出口通道，被压缩气体从入口通道流入、从出口通道流出；所述入口通道、腔体和出口通道依次连通；所述柔性传感器工作时体积变化作用于腔体内；所述入口通道内设置有入口阀，入口阀实现流体从入口流道至腔体的单向流通；所述出口通道内设置有出口阀，出口阀实现流体从腔体至出口流道的单向流动；所述压电振子由压电陶瓷晶片和金属基板同心粘接而成，且压电陶瓷晶片的直径小于金属基板的直径；所述介质腔的截面直径从上至下逐步减小；所述腔体的形状为球冠，其球冠的高小于球半径；所述柔性传感器为多层弹性薄膜；所述多层弹性薄膜外层为柔性封装层；所述柔性封装层为绝缘柔性材料；所述多层弹性薄膜内部从上至下依次设置有第一柔性电极、柔性介电薄膜和第二柔性电极；所述出口流道竖直并设置于腔体的中央；所述入口阀和所述出口阀为柔性瓣膜阀且结构一致；所述柔性瓣膜阀为高弹性橡胶材料制成；所述柔性瓣膜阀由两组对称的瓣膜构成，所述瓣膜前后两侧均相互连接；所述瓣膜由依次相连的阀座、阀膜、阀片构成；所述下盖板在入口流道和出口流道处均设置有安装座；所述阀座配合安装座安装入口阀和出口阀；所述阀膜的厚度自阀座至阀片方向逐步减小，对称的所述阀膜自阀座至阀片方向逐步靠近；在不工作条件下，对称的所述阀片保持接触。

2.一种如权利要求1所述的压电气体压缩机，其特征在于：所述压电振子***配套安装有第一密封圈、第二密封圈；所述第一密封圈和第二密封圈夹持住压电振子并提供柔性支撑。

3.一种控制装置，用于权利要求1或2任一项的压电气体压缩机，其特征在于：包含压电驱动控制电路、微控制器、电容传感器、用户操作接口、存储器、***电源、DC-DC升压电路；所述压电驱动控制电路生成交变电压信号用于驱动压电振子；所述微控制器例用于对压电气体压缩机进行整体控制的单元；所述用户操作接口用于接收使用者的操作、并将来自外部的命令输入微控制器；所述***电源用于提供***的电力；所述存储器用于存储程序和存储测量结果；所述微控制器将用于驱动压电振子的控制信号输入压电驱动控制电路；所述微控制器通过电容传感器获得柔性传感器的电容；所述DC-DC升压电路是将作为***电源的电池的电压升压至适于驱动压电气体压缩机的电压的电路；所述压电驱动控制电路根据从微控制器输入的控制信号来提供给压电振子的驱动电压和频率；所述电容传感器通过实时检测电容监测柔性传感器的伸缩变形情况。

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