CN110594137A - 一种板式无阀压电泵及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板式无阀压电泵及其工作方法，板式无阀压电泵包括板式压电基体、柔性矩形条、预压力框架和压电陶瓷片；压电基体为矩形板结构，上端面设置矩形凹槽，下端面设置进流孔和出流孔；预压力框架为开口的框架结构，上部内壁设置凸起矩形结构，用于压紧柔性矩形条；四片矩形压电陶瓷片对称设置在压电基体两侧；工作时，进流孔充满液体，采用具有π/2相位差的同频等幅电信号分别激励四片压电陶瓷片，使压电基体产生二阶弯振和一阶纵振，二阶弯振和一阶纵振耦合成驻波运动，在与柔性矩形条的配合界面形成可移动腔体，将液体从进流孔运输液体至出流孔。本发明结构简单，输出流量高，能够有效减少回流，可实现微型化。

Description

一种板式无阀压电泵及其工作方法

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，具体是指一种板式无阀压电泵及其工作方法。

背景技术

与传统泵相比，压电泵以其精确控制微流量、结构简单、无噪声、低功率、没有电磁干扰也不产生电磁干扰等优点，在生物医疗，航空航天、微电子冷却等领域上得到了广泛应用。

压电泵运输液体的动力来自于压电基体的逆压电效应产生的变形；从有无阀片角度，压电泵可以分为有阀压电泵和无阀压电泵，对于使用单向阀的有阀压电泵，存在着结构复杂不易小型化的问题，以及在高频率工况下，单向阀工作不能跟踪动作导致无法输送液体；无阀压电泵易于小型化，也不存在高频工况无法跟踪动作的问题；然而无阀压电泵一般存在着输出流量小、输出压力低，回流严重的问题。

国内微机电系统的快速发展，对微型压电泵的设计提出了更高的要求。因此，设计出一种输出压力高，易于小型化、减少回流的无阀压电泵具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术缺点，提供一种板式无阀压电泵及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种板式无阀压电泵，包括压电基体、柔性矩形条、预压力框架和压电陶瓷片，所述压电基体卡接配合在预压力框架内侧，所述压电基体主体形状为矩形板状，所述压电基体上部设有矩形凹槽，所述压电基体内设有沿其中心对称的进流孔和出流孔，所述预压力框架为底部设有开口的矩形框架，所述预压力框架内侧顶部设有和矩形凹槽相配合的矩形凸台，所述矩形凸台和矩形凹槽之间设有柔性矩形条，所述压电陶瓷片主体形状为矩形板状，所述压电陶瓷片数量为四个且分别对称固定在压电基体中部竖直两侧。

进一步的，所述矩形凸台、矩形凹槽和柔性矩形条的水平长度均等于压电基体的主体长度，所述柔性矩形条和矩形凹槽之间过盈配合，所述柔性矩形条底部两端和矩形凹槽表面之间通过环氧树脂胶密封固定。

进一步的，所述进流孔和出流孔均为竖直贯通压电基体的通孔，所述进流孔和出流孔底端设置在预压力框架底部开口内侧。

进一步的，所述预压力框架底部开口处两侧主体上对称设有两个螺纹通孔，所述螺纹通孔内配合设有抵住压电基体的螺栓，用于调节矩形凸台对柔性矩形条的预压力。

进一步的，所述压电陶瓷片单一极化分区，且极化方向均沿厚度方向，所述压电基体上进流孔和出流孔两侧对称分布的两个压电陶瓷片为一组。

一种板式无阀压电泵的工作方法，包括如下工作步骤：

S1、工作状态下，进流孔注满液体，给两组压电陶瓷片施加电信号，采用具有π/2相位差的两相电信号，使压电基体分别产生二阶弯振和一阶纵振；

S2、被激发出的二阶弯振和一阶纵振在压电基体上耦合出驻波运动，在与柔性矩形条的配合下，产生可移动空腔，将液体运输至出流孔处；

S3、当可移动空腔从进流孔运动至出流孔时，压电基体上部中间的矩形凸台与柔性矩形条配合将进流孔与出流孔分隔开，有效减少了液体回流；

S4、出流孔处腔体体积在密闭的状态下迅速减小，将液体挤压出去，该处作用能够提高输出液体压力；

S5、随着驻波不断地形成可移动空腔，液体不断地从进流孔处被运输至出流孔处；

S6、根据输入电信号的大小可以改变压电基体表面的振幅大小，改变压电基体与柔性矩形条配合处空腔大小，进而调节流量的大小。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、能够实现微流量泵出，易于控制，可用于精密计量领域；

2、能够有效减少液体回流，提高输出压力；

3、结构简单，易于小型化。

附图说明

图1是本发明中整体结构示意图；

图2是本发明中整体结构剖面示意图；

图3是本发明中压电基体结构示意图；

图4是本发明中预压力框架结构示意图；

图5是本发明中压电基体二阶弯曲振动模态示意图；

图6是本发明中压电基体一阶纵向振动模态示意图；

图7是本发明中压电基体与压电陶瓷片俯视图相对位置示意图；

图8是本发明中运输液体工作原理示意图。

如图所示：1、压电基体，2、柔性矩形条，3、预压力框架，4、压电陶瓷片，5、进流孔，6、出流孔，7、矩形凹槽，8、矩形凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

如图1所示，本发明公开了一种板式无阀压电泵，包含压电基体1、柔性矩形条2、预压力框架3和压电陶瓷片4，所述四片压电陶瓷片4在压电基体两侧对称分布，同侧的两个压电陶瓷片不接触，压电基体材料是金属材料。

如图2、图3、图4所示，进流孔5和出流孔6沿压电基体1中心对称分布；柔性矩形条2与矩形凹槽7过盈配合，两端通过环氧树脂胶粘贴固定，环氧树脂胶在柔性矩形条底部两端，将柔性矩形条底部两端与矩形凹槽表面粘贴在一起，起到固定和密封作用。

预压力框架3的矩形凸台8压在柔性矩形条2上，矩形凸台直接压到柔性矩形条上，提供预压力，不用胶水粘连，通过两个螺栓旋进或旋出调节两者之间的压力；工作液体从进流孔5进入，经过压电基体工作状态下与柔性矩形条配合产生的腔体，从出流孔6出来。

如图5、图6所示，图5为所述压电基体1的两阶弯振的两种状态，图6为所述压电基体1的一阶纵振的两种状态；给所述两组压电陶瓷片4施加相同频率，相同电压的sin(ωt)信号和cos(ωt)信号，同时激发出压电基体1的两阶弯振和一阶纵振模态，两个模态耦合在压电基体1上表面形成驻波，在与柔性矩形条2的配合下形成可移动腔体，将液体从进流孔5运输至出流孔6。

如图7所示，箭头方向代表压电陶瓷片4极化方向，两个对称分布在压电基体1两侧的陶瓷片4为一组，给两组压电陶瓷片4分别施加等幅同频的sin(ωt)电信号和cos(ωt)电信号，压电基体1接地；通过改变施加电信号的大小，可以改变压电基体的振幅，进而改变压电基体1与柔性矩形条2的配合形成的可移动空腔的大小，实现流量的调节。

如图8所示，为压电基体1一个周期运输液体的原理示意图，左侧虚线为进流孔5，右侧虚线为出流孔6，小圆圈代表液体；工作状态下进流孔注满液体，施加电信号；

在时，两阶弯振模态和一阶纵振模态耦合出图8(a)的模态，进流孔液体进入形成的腔体，此时纵振模态处于平衡位置，变形很小，而弯振模态处于形变最大位置，如图5(a)，故耦合模态形变以弯振模态为主，图8(c)同理；

在时，两个模态耦合出图8(b)所示的模态，液体从进流孔流向出流孔处；此时弯振模态处于平衡位置，纵振处于形变最大位置，故耦合模态形变以纵振模态为主，图8(d)同理；

在时，如图8(c)所示，进流孔和出流孔之间被压电基体凸起部分隔开，出流孔出形成密闭空腔，在由图8(c)向图8(d)变化的过程中，密闭腔体迅速变小，将液体挤压出去；被隔开形成的出流孔处的密闭腔体能够有效减少回流，同时密闭腔体容积迅速减小可提供较大输出压力的液体；通过改变施加电信号的大小，可以改变压电基体的振幅，即改变密闭腔体的容积，据此可以调节输出流量的大小，实现流量的精密控制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种板式无阀压电泵，其特征在于，包括压电基体(1)、柔性矩形条(2)、预压力框架(3)和压电陶瓷片(4)，所述压电基体(1)卡接配合在预压力框架(3)内侧，所述压电基体(1)主体形状为矩形板状，所述压电基体(1)上部设有矩形凹槽(7)，所述压电基体(1)内设有沿其中心对称的进流孔(5)和出流孔(6)，所述预压力框架(3)为底部设有开口的矩形框架，所述预压力框架(3)内侧顶部设有和矩形凹槽(7)相配合的矩形凸台(8)，所述矩形凸台(8)和矩形凹槽(7)之间设有柔性矩形条(2)，所述压电陶瓷片(4)主体形状为矩形板状，所述压电陶瓷片(4)数量为四个且分别对称固定在压电基体(1)中部竖直两侧。

2.根据权利要求1所述的一种板式无阀压电泵，其特征在于：所述矩形凸台(8)、矩形凹槽(7)和柔性矩形条(2)的水平长度均等于压电基体(1)的主体长度，所述柔性矩形条(2)和矩形凹槽(7)之间过盈配合，所述柔性矩形条(2)底部两端和矩形凹槽(7)表面之间通过环氧树脂胶密封固定。

3.根据权利要求1所述的一种板式无阀压电泵，其特征在于：所述进流孔(5)和出流孔(6)均为竖直贯通压电基体(1)的通孔，所述进流孔(5)和出流孔(6)底端设置在预压力框架(3)底部开口内侧。

4.根据权利要求1所述的一种板式无阀压电泵，其特征在于：所述预压力框架(3)底部开口处两侧主体上对称设有两个螺纹通孔，所述螺纹通孔内配合设有抵住压电基体(1)的螺栓，用于调节矩形凸台(8)对柔性矩形条(2)的预压力。

5.根据权利要求1所述的一种板式无阀压电泵，其特征在于：所述压电陶瓷片(4)单一极化分区，且极化方向均沿厚度方向，所述压电基体(1)上进流孔(5)和出流孔(6)两侧对称分布的两个压电陶瓷片(4)为一组。

6.根据权利要求1所述的一种板式无阀压电泵的工作方法，其特征在于，包括如下工作步骤：

S1、工作状态下，进流孔(5)注满液体，给两组压电陶瓷片(4)施加电信号，采用具有π/2相位差的两相电信号，使压电基体(1)分别产生二阶弯振和一阶纵振；

S2、被激发出的二阶弯振和一阶纵振在压电基体(1)上耦合出驻波运动，在与柔性矩形条(2)的配合下，产生可移动空腔，将液体运输至出流孔(6)处；

S3、当可移动空腔从进流孔(5)运动至出流孔(6)时，压电基体(1)上部中间的矩形凸台(8)与柔性矩形条(2)配合将进流孔(5)与出流孔(6)分隔开，有效减少了液体回流；

S4、出流孔(6)处腔体体积在密闭的状态下迅速减小，将液体挤压出去，该处作用能够提高输出液体压力；

S5、随着驻波不断地形成可移动空腔，液体不断地从进流孔(5)处被运输至出流孔(6)处；

S6、根据输入电信号的大小可以改变压电基体(1)表面的振幅大小，改变压电基体(1)与柔性矩形条(2)配合处空腔大小，进而调节流量的大小。