專利名稱：無閥微壓電泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體機(jī)械領(lǐng)域，特指一種無閥微壓電泵。
背景技術(shù)：
基于壓電驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)制造的流體泵，稱為壓電泵。一般的機(jī)械泵由動(dòng)力源、機(jī)構(gòu)及直接作用于液體的葉片等組成，而壓泵由于動(dòng)力源與相當(dāng)于葉片合為一體，因此結(jié)構(gòu)大為簡化。利用壓電技術(shù)制造的超微型液壓電子泵是國際首創(chuàng)性技術(shù)，原理突出的革命性泵類制造技術(shù)產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的機(jī)械泵、電磁泵相比，具有體積小、重量輕、能耗低、無噪音、揚(yáng)程高、流量大、不泄壓、無污染、止逆效果好、安裝使用方便等特點(diǎn)?？蛇m用于不同介質(zhì)的液體(弱酸、弱鹼等有機(jī)溶液)，在同揚(yáng)程、同流量下體積和能耗僅為普通電磁泵的幾分之一到幾十之一，機(jī)電性能穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)原理新穎。利用壓電技術(shù)制造的液壓式電子泵其泵體結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、工藝簡潔、生產(chǎn)周期短、更適宜工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，壓電泵一直是微泵研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，是壓電技術(shù)、振動(dòng)學(xué)、波動(dòng)學(xué)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、電力電子技術(shù)、新材料和新加工工藝等多學(xué)科交叉的高新技術(shù)。它利用壓電陶瓷的壓電特性實(shí)現(xiàn)機(jī)電的能量轉(zhuǎn)換，為泵送作業(yè)提供動(dòng)力，替代傳統(tǒng)微型泵的電磁、電機(jī)驅(qū)動(dòng)作業(yè)的工作方式；創(chuàng)造性地發(fā)明了泵體超微型化和機(jī)電一體化；在同揚(yáng)程、同流量下體積和能耗僅為傳統(tǒng)泵的幾分之一到幾十分之一，機(jī)電性能穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)原理新穎。
目前所研制的壓電泵大多是微型泵，歷經(jīng)二十多年的發(fā)展，壓電泵的研究開始由理論研究向?qū)嵱眯匝芯糠较蜻~進(jìn)，日本計(jì)器制作所生產(chǎn)的各種小型有閥壓電泵已投放市場(chǎng)，可用于血液輸送、微小部件清洗、粘接劑噴涂、化學(xué)分析等領(lǐng)域。尤其近些年來，微流動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)的微型機(jī)械制造技術(shù)已經(jīng)成為了一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。在化學(xué)分析與檢測(cè)、生物工程、集成電路芯片、微型零部件以及微型化生產(chǎn)系統(tǒng)等領(lǐng)域迫切需要研制出一種便于小型化、微型化、可以精確定量輸送微小流量流體的微型泵.作為微流動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，微型泵的性能直接影響著整個(gè)微流量系統(tǒng)的性能，其本身也具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。但由于絕大多數(shù)這類流體泵采用了機(jī)械式單向閥作為流向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得它們普遍存在磨損嚴(yán)重、易發(fā)生疲勞破壞、可靠性低、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造成本較高、不易于向微型化、集成化方向發(fā)展等問題。
現(xiàn)有專利無閥壓電泵，申請(qǐng)?zhí)朇N200510090255.2.優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，利于壓電泵的小型化和微型化。但液體會(huì)通過動(dòng)態(tài)密封部位滲漏，而且存在機(jī)械磨損，磨損嚴(yán)重，響應(yīng)速度低，易發(fā)生疲勞破壞，可靠性低，流量小，輸出壓力低。
還有專利壓電泵，申請(qǐng)?zhí)朇N200410100784.1.優(yōu)點(diǎn)是配線作業(yè)較容易、耐久性較好、不會(huì)犧牲隔片的柔性而能得到良好的泵作用，但雙壓電晶片型壓電振子的變形小，承載能力相對(duì)較弱，存在機(jī)械磨損，磨損嚴(yán)重，響應(yīng)速度低，易發(fā)生疲勞破壞，可靠性低，流量小，輸出壓力低。
另有論文一種改進(jìn)的平板式無閥壓電流體泵，壓電與聲光，2001，23(5).平板式振子的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，裝配容易，成本低，但是壓電振子所能承受的電壓低，變形小，工作頻率偏低，承載能力相對(duì)較弱，流量小，輸出壓力低，由此限制了壓電泵性能的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種擴(kuò)大變形壓電體、高工作頻率、有足夠的泵腔體積變化、大輸出能力的新型無閥微壓電泵，使泵的輸出性能最優(yōu)及噪音最小，實(shí)現(xiàn)無閥壓電泵的小型化和微型化。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明綜合分析了各種微型閥，通過理論分析和有限元計(jì)算確定采用雙層壓電片鈸式驅(qū)動(dòng)器即Cymbal換能器作為壓電振子，并在箱蓋底部增加了三角直齒，以增加倒流阻力。Cymbal振子具有大變形、高頻響的特點(diǎn)，可以大幅度地增加泵體積變化，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，對(duì)提高泵的性能起著重要的作用。
本發(fā)明無閥微壓電泵主要由Cymbal振子、壓電陶瓷、安裝支座、箱蓋、水槽蓋、進(jìn)水管道組成；其特征是左、右進(jìn)水管道采用錐形管這種兼具備收縮管/擴(kuò)張管的閥結(jié)構(gòu)來代替有閥結(jié)構(gòu)；上下箱蓋內(nèi)泵腔邊緣處設(shè)有三角直齒，增加了倒流的阻力，實(shí)現(xiàn)泵的單向流動(dòng)；將上、下壓電陶瓷與上、下Cymbal振子粘結(jié)在一起，安裝在安裝支座內(nèi)，再將這作為一個(gè)整體安裝在上下箱蓋配合形成的環(huán)形槽當(dāng)中，與上下箱蓋構(gòu)成雙泵腔；上下箱蓋通過螺栓連接；在左、右進(jìn)水管道的外側(cè)分別安裝水槽蓋，利于水的輸入與輸出；在與水接觸的各配合面處分別加密封墊片防止水的泄漏。
泵的工作原理是在施加交流電場(chǎng)下，陶瓷徑向收縮，通過端帽的縱向彈性運(yùn)動(dòng)，在法向于端帽的方向產(chǎn)生一個(gè)放大的位移，從而在復(fù)合物的縱向產(chǎn)生較大的應(yīng)變S3。利用壓電振子的變形，引起泵腔內(nèi)體積變化，通過流體入口、出口的不同結(jié)構(gòu)，使流體宏觀上形成單向流動(dòng)。當(dāng)泵腔內(nèi)體積增大時(shí)，流體將由入口、出口同時(shí)進(jìn)入泵腔，但因?yàn)槿肟谔帪閳A錐形擴(kuò)展孔，此時(shí)外部壓力大，流體易流入；出口處為倒圓錐形收縮孔，流體流入少，從流體的宏觀流動(dòng)看，泵吸水；泵腔內(nèi)體積減少時(shí)，入口、出口將同時(shí)向外排出流體，但是由于出口處外部壓力小，入口處外部壓力大，相比之下出口排出的流體多。從宏觀上看，在壓電振動(dòng)片的一次變形周期中，流體將有一部分從入口流入，而在出口處又有一部分流體流出，所以，這種泵雖然沒有單向閥部件，也能形成流體的單向流動(dòng)。而腔體上部和底部的直三角齒對(duì)流體回流起阻礙作用，加強(qiáng)了其排液能力。由于上下腔體是連通的，所以這是一種同步驅(qū)動(dòng)雙腔體結(jié)構(gòu)，利用錐形孔和直角齒槽，形成出流效果的新型無閥壓電泵。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效地?cái)U(kuò)大了壓電體的變形、提高了工作頻率和獲得了泵腔足夠的體積變化。采用了錐形管既收縮管/擴(kuò)張管這一閥結(jié)構(gòu)來代替現(xiàn)有閥結(jié)構(gòu)。收縮管/擴(kuò)張管型無閥壓電泵將傳統(tǒng)泵的驅(qū)動(dòng)源部分、傳動(dòng)部分及泵體三者合為一體，克服了由于運(yùn)動(dòng)部件可能導(dǎo)致的壓力損失、磨損、疲勞破壞以及可能對(duì)某些敏感流體的性質(zhì)所造成的不良影響。在這類泵中，收縮管/擴(kuò)張管起流向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用，盡管其流向調(diào)節(jié)性能并不完美，但其結(jié)構(gòu)簡單且強(qiáng)度高，從流體系統(tǒng)的集成化與微型化的角度來看，它可以滿足各種微型泵的功能要求。從正壓電效應(yīng)來說，Cymbal振子把金屬頂蓋作為機(jī)械轉(zhuǎn)換器，去轉(zhuǎn)換頂蓋上所受到的力，從而綜合利用縱向和橫向壓電作用。例如在頂蓋上受到壓縮應(yīng)力時(shí)，使其轉(zhuǎn)換分解成壓電陶瓷上軸向壓縮應(yīng)力和徑向擴(kuò)張應(yīng)力兩部分，這樣，Cymbal振子就可綜合利用d33和d31，使其絕對(duì)值相加而不是相減，獲得了高的有效d33值，導(dǎo)致了大的電量輸出；從逆壓電效應(yīng)看，復(fù)合體在電極間外電場(chǎng)作用下，軸向形變來源于兩個(gè)不同方向，一個(gè)是壓電陶瓷自身通過d33的縱向形變，另一個(gè)是由于壓電陶瓷通過d31的徑向伸縮而產(chǎn)生金屬頂蓋彎曲拉伸運(yùn)動(dòng)，兩方面的形變疊加起來能產(chǎn)生比平板式壓電振子大得多的形變，從而導(dǎo)致了大的機(jī)械量輸出。


圖1是無閥微壓電泵的壓電振子的示意圖。
圖2是無閥微壓電泵的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中的標(biāo)號(hào)名稱1、上Cymbal振子，2、上壓電陶瓷片，3、下壓電陶瓷片，4、下Cymbal振子，5、右進(jìn)水管道，6、箱蓋，7、安裝支座，8、密封墊片，9、螺栓，10、密封墊片，11、水槽蓋，12、左進(jìn)水管道，13、密封墊片，14、彈簧墊圈，15、螺母。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明微型泵是微流動(dòng)系統(tǒng)中重要的執(zhí)行器件。左、右進(jìn)水管道5和12采用錐形管這一既收縮管/擴(kuò)張管的閥結(jié)構(gòu)來代替有閥結(jié)構(gòu)；上下箱蓋6內(nèi)泵腔邊緣處設(shè)有三角直齒，增加了倒流的阻力，實(shí)現(xiàn)泵的單向流動(dòng)；將上、下壓電陶瓷2和3與上、下Cymbal振子1和4粘結(jié)在一起，安裝在安裝支座7內(nèi)，再將這作為一個(gè)整體安裝在上下箱蓋6配合形成的環(huán)形槽當(dāng)中，與箱蓋6構(gòu)成雙泵腔；上下箱蓋6通過9螺栓連接；在左、右進(jìn)水管道5和12的外側(cè)分別安裝水槽蓋11，利于水的輸入與輸出；在會(huì)與水接觸的各配合面處分別加密封墊片8、10和13防止水的泄漏。該微型泵有以下特點(diǎn)1)壓電陶瓷的表面采用了覆膜技術(shù)，有效地解決了致動(dòng)的絕緣、防潮、防振碎和抗腐蝕等問題，提高了致器的性能，延長了微型泵使用壽命；2)采用雙面固體膜的鍵合工藝代替了傳統(tǒng)膠粘結(jié)工藝，克服了傳統(tǒng)膠粘結(jié)工藝操作復(fù)雜、層厚度和均勻度難以控制以及成功率低的缺點(diǎn)；3)因?yàn)楸景l(fā)明采用的壓電陶瓷t和Cymbal振子的尺寸都比較小，粘接工藝要十分精細(xì)嚴(yán)格，并且泵腔體積微小，尤其進(jìn)出口管道和水槽蓋尺寸十分細(xì)小，應(yīng)采用激光微雕技術(shù)，采用有機(jī)玻璃制作加工。
錐形管是收縮管還是擴(kuò)張管與流體的流動(dòng)方向有關(guān)。當(dāng)流體從其小端流向大端時(shí)，它作為擴(kuò)張管起作用；反之，當(dāng)流體從其大端向小端流動(dòng)時(shí)，它作為收縮管起作用。錐形管無閥壓電泵就是利用收縮管/擴(kuò)張管流阻特性實(shí)現(xiàn)流體的定向輸送的，即當(dāng)腔體增大時(shí)，進(jìn)口作為擴(kuò)張管，出口作為收縮管，從進(jìn)口流入液體比從出口流入的流體多；當(dāng)泵腔體積減小時(shí)，出口作為擴(kuò)張管，入口作為收縮管，從出口流出的流體比從進(jìn)口流出的流體多。這兩個(gè)工作過程構(gòu)成了壓電泵的一個(gè)工作周期，實(shí)現(xiàn)了一定量流體的輸入與輸出。因此，當(dāng)泵腔體積不停地交替變化時(shí)，從宏觀上就形成了流體的單向流動(dòng)。
權(quán)利要求
1.無閥微壓電泵，其由Cymbal振子、壓電陶瓷、安裝支座、箱蓋、水槽蓋、進(jìn)水管道組成，其特征是左、右進(jìn)水管道(5、12)采用錐形管；上下箱蓋(6)內(nèi)泵腔邊緣處設(shè)有三角直齒；將上、下壓電陶瓷(2、3)與上、下Cymbal振子(1、4)粘結(jié)在一起，安裝在安裝支座(7)內(nèi)，再將這個(gè)安裝支座(7)安裝在上下箱蓋(6)配合形成的環(huán)形槽當(dāng)中，與箱蓋(6)構(gòu)成雙泵腔；上下箱蓋(6)通過螺栓(9)連接；在左、右進(jìn)水管道(5、12)的外側(cè)分別安裝水槽蓋(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無閥微壓電泵，其特征是在與水接觸的各配合面處分別加密封墊片(8、10、13)。
全文摘要
本發(fā)明涉及流體機(jī)械，特指一種無閥微壓電泵。其由Cymbal振子、壓電陶瓷、安裝支座、箱蓋、水槽蓋、進(jìn)水管道組成；其特征是左、右進(jìn)水管道采用錐形管這種兼具備收縮管/擴(kuò)張管的閥結(jié)構(gòu)來代替有閥結(jié)構(gòu)；上下箱蓋內(nèi)泵腔邊緣處設(shè)有三角直齒，增加了倒流的阻力，實(shí)現(xiàn)泵的單向流動(dòng)；將上、下壓電陶瓷與上、下Cymbal振子粘結(jié)在一起，安裝在安裝支座內(nèi)，再將這作為一個(gè)整體安裝在上下箱蓋配合形成的環(huán)形槽當(dāng)中，與上下箱蓋構(gòu)成雙泵腔；上下箱蓋通過螺栓連接；在左、右進(jìn)水管道的外側(cè)分別安裝水槽蓋。本發(fā)明擴(kuò)大變形壓電體、高工作頻率、有足夠的泵腔體積變化、大輸出能力的新型無閥微壓電泵，使泵的輸出性能最優(yōu)及噪音最小，實(shí)現(xiàn)無閥壓電泵的小型化和微型化。
文檔編號(hào)F04B43/04GK1936326SQ20061009674
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者高建民, 唐為奇, 肖建凱, 李發(fā)義 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)