專利名稱：壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微型氣泵，尤其是指一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵(簡(jiǎn)稱壓電泵)。
二背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的微型氣泵，工作介質(zhì)為氣態(tài)，主要用于氣體采樣、氣體循環(huán)、真空吸附、真空保壓、抽氣、打氣、增壓、加氧等多種用途的氣體輸送裝置。微型氣泵按用途分為微型負(fù)壓泵，微型真空泵，微型氣體循環(huán)泵，微型氣泵，微型加氧泵，微型氣體采樣泵，微型打氣泵，微型抽氣泵，微型抽氣打氣兩用泵，微型氣水混合泵寸。微型氣泵其工作原理分為，隔膜式、電磁式、葉輪式、活塞式等。其工作原理決定了泵的體積較大，(約100*6(^20mm)重量大(130g_350g)，噪音大，功耗大(5W-20W)，有電磁干擾。其結(jié)構(gòu)由工作泵腔及機(jī)械傳動(dòng)兩大部分組成泵體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，不能實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和泵體超微型化。隔膜泵簡(jiǎn)介隔膜泵一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力， 可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三種，其功能和特性分類很多，結(jié)構(gòu)也多種多樣，一般來(lái)說泵閥是通用的，既可以與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配，也可以與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配。隔膜泵是由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作原理近似于柱塞泵，其特點(diǎn)是在泵的兩個(gè)對(duì)稱工作腔中各裝有一塊隔膜，由中心聯(lián)桿將其連結(jié)成一體。壓縮空氣從泵的進(jìn)氣口進(jìn)入配氣閥，一旦到達(dá)行程終點(diǎn)，配氣機(jī)構(gòu)自動(dòng)將壓縮空氣引入另一工作腔，推動(dòng)隔膜朝相反方向運(yùn)動(dòng)，從而使兩個(gè)隔膜連續(xù)同步地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，介質(zhì)被擠壓排出。電磁泵簡(jiǎn)介電磁泵是利用磁場(chǎng)和導(dǎo)電流體中電流的相互作用，使流體(氣體)受電磁力作用而產(chǎn)生壓力梯度，從而推動(dòng)流體(氣體)運(yùn)動(dòng)的一種裝置。電磁泵按電源形式可分為交流泵和直流泵。按液態(tài)金屬中電流饋給的方式可分為傳導(dǎo)式(電導(dǎo)式)電磁泵和感應(yīng)式電磁泵。電導(dǎo)式電磁泵用直流或交流電。它有一根非磁性難熔金屬制的管，管周圍是磁鐵，磁力線與管垂直。當(dāng)通入與管和磁力線均垂直的電流時(shí)，根據(jù)左手定則，產(chǎn)生機(jī)械力把導(dǎo)電流體壓送出管。傳導(dǎo)式電磁泵中，電流由外部電源經(jīng)泵溝兩側(cè)的電極直接傳導(dǎo)給液態(tài)金屬。感應(yīng)泵中，感應(yīng)式使用多相交流電。電流則由交變磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生。電磁泵類似普通電磁閥，它以交流電為工作動(dòng)力，電流通過電磁繞組形成交變固定磁場(chǎng)，與可運(yùn)動(dòng)的泵體形成交互作用，帶動(dòng)泵體振動(dòng)，推動(dòng)液體(氣體)輸出?；钊煤?jiǎn)介活塞泵又叫電動(dòng)往復(fù)泵，從結(jié)構(gòu)分為單缸和多缸，活塞泵靠活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得泵腔工作容積周期變化，實(shí)現(xiàn)吸入和排出液體(氣體)。由泵腔、活塞、進(jìn)出氣閥、 連桿和傳動(dòng)裝置組成。靠動(dòng)力帶動(dòng)活塞在泵腔內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體(氣體)閥開啟，液體(氣體)進(jìn)入泵腔，同時(shí)活塞上的液體(氣體)閥關(guān)閉，活塞上部的液體 (氣體)隨活塞向上提升；當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體(氣體)閥關(guān)閉，活塞上的閥門開啟，同時(shí)泵腔的液體(氣體)壓入泵腔，如此反復(fù)進(jìn)液(氣體)和提升，使液體(氣體)不斷排出。[0008]葉輪式(離心泵)簡(jiǎn)介葉輪式(離心)泵的工作原理是，由高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪(葉片)帶動(dòng)水轉(zhuǎn)動(dòng)，將水甩出，從而達(dá)到輸送的目的。離心氣泵的工作原理是，借助離心水泵的工作原理，不同的是在泵腔中分別設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)單項(xiàng)截止閥，由電機(jī)帶動(dòng)偏心凸輪高速旋轉(zhuǎn)，擠壓泵腔膜片的凹凸變化，在單項(xiàng)閥的配合作用下，截止氣體流動(dòng)，使進(jìn)入泵腔的氣體定向擠壓排出，從而達(dá)到輸送的目的。綜上所述，傳統(tǒng)的微氣泵(包括隔膜式、電磁式、葉輪式、活塞式等)其工作原理決定了泵體由多部分組成，其核心趨動(dòng)器件必須使用矽鋼片疊壓，電磁鐵、銅線繞組組成，且泵腔和機(jī)械傳動(dòng)器件均為獨(dú)立、分散設(shè)置，不易集成，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，不能實(shí)現(xiàn)泵體微型化和機(jī)電一體化。在現(xiàn)有技術(shù)中，本專利申請(qǐng)人在2005年申請(qǐng)了名稱為“一種用于制造微型泵的壓電陶瓷片和微型氣泵”的專利，申請(qǐng)?zhí)?00510012575. 6，授權(quán)公告號(hào)CN100365278C，該泵存在著流量小、結(jié)構(gòu)松散，泵閥設(shè)計(jì)欠缺，泵的負(fù)載壓力小，工作效率低問題，其造成的主要原因是1、壓電陶瓷片的主要技術(shù)指標(biāo)中，KP較小，介電常數(shù)低，d33低等因素所致。其中 KP是壓電陶瓷換能片徑向振動(dòng)的機(jī)電耦合系數(shù)，反映材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換率。KP大小決定陶瓷片的工作性能，KP大則機(jī)電轉(zhuǎn)換率高。介電常數(shù)是在交流情況下測(cè)試的電阻容抗。交流電阻容抗體現(xiàn)在電容量上，容抗大，介電常數(shù)就高，介電常數(shù)與電容成正比關(guān)系。d33是指壓電換能系數(shù)，代表徑向振動(dòng)的大小。陶瓷片有極化方向，分正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。d33 是指垂直的負(fù)壓電效應(yīng)，壓電泵中，d33大有助于提高泵腔的容積量，泵腔容積量變化直接影響液體或氣體的吞吐量。在這三個(gè)重要指標(biāo)中，原專利技術(shù)指標(biāo)為KP ^ 0. 60，介電常數(shù) K25°C 彡 5000，d33 = 520士30。2、閥座圈盤面積和泵閥(進(jìn)氣閥、排氣閥)的進(jìn)、排氣閥口面積之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其相互合理配比都影響著泵閥的流量，由于壓電陶瓷片(也稱壓電陶瓷換能片)在高頻振蕩過程中，泵閥缺乏良好的跟從性，且滯后于壓電陶瓷片的工作頻率，使壓電泵的整體工作性能大大降低，影響流體(氣體)運(yùn)動(dòng)速度和傳速效率。3、還有其他不太合理的結(jié)構(gòu)，如有專門的進(jìn)氣道、壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)和材料復(fù)雜等。 三
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，申請(qǐng)人在原來(lái)專利“一種用于制造微型泵的壓電陶瓷片和微型氣泵”的基礎(chǔ)上，利用壓電驅(qū)動(dòng)方式研制一種機(jī)電一體化的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。徹底改變傳統(tǒng)微型隔膜式氣泵、微型電磁式氣泵、微型葉輪式氣泵、微型活塞式氣泵的工作原理。達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積微型化、降低能耗，噪音低于 30 40dB、節(jié)能環(huán)保、便于安裝維護(hù)、降低生產(chǎn)成本的目的；實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和泵體超微型化的效果。本實(shí)用新型目的還有通過修改壓電陶瓷換能片的電器參數(shù)，改進(jìn)泵閥、優(yōu)化泵腔、 增加電子元件、提高了壓電陶瓷換能片的機(jī)電轉(zhuǎn)換率和背景技術(shù)的工作性能及泵的負(fù)載壓力。使其結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝維護(hù)，降低生產(chǎn)成本，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、無(wú)噪音、壓力大、不瀉壓、無(wú)污染、止逆效果好、安裝使用方便等特點(diǎn)。適用于科研、氣體采樣、儀器儀表、化工分析、醫(yī)療器械、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物醫(yī)學(xué)、
5生物工程、自動(dòng)控制、環(huán)保、水處理、精密計(jì)量、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)、微流量配給、微全分析系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室和PCR芯片等多種領(lǐng)域和場(chǎng)合。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下為了更好地說明和理解技術(shù)內(nèi)容，下面所述零部件后帶上標(biāo)號(hào)，故煩同時(shí)參看附圖和標(biāo)號(hào)說明。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，由泵體內(nèi)裝配泵芯組成，其特征是泵體是由泵下蓋 1和泵座5與泵殼組件固定連接組成，泵芯就是壓電陶瓷換能片2，該壓電陶瓷換能片2周邊密封彈性固定在泵體內(nèi)，泵體中還裝配單向進(jìn)氣閥7和單向排氣閥8;進(jìn)氣閥7進(jìn)氣入口處空腔就是進(jìn)氣腔26，該進(jìn)氣腔沈與泵體裝配間隙連通，排氣閥8排氣出口處空腔就是排氣腔27，該排氣腔27連通泵嘴排氣口 ；位于泵體中的進(jìn)氣閥7與壓電陶瓷換能片2振動(dòng)幅度最大處中心相對(duì)應(yīng)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案還包括所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是泵體是由泵下蓋1和泵上蓋6分別與泵座5密封固定連接組成，作為泵芯的壓電陶瓷換能片2的周邊在泵座5安裝糟內(nèi)的密封圈與泵下蓋1共同夾持下彈性固定，其之間形成一個(gè)密封的獨(dú)立工作的泵腔25，泵座5上連接單向進(jìn)氣閥7和單向排氣閥8，其中進(jìn)氣閥7與壓電陶瓷換能片2振動(dòng)幅度最大處中心相對(duì)應(yīng)；進(jìn)氣閥7進(jìn)氣入口處空腔就是泵上蓋6中的進(jìn)氣腔沈，該進(jìn)氣腔沈與泵體裝配間隙連通，排氣閥8排氣出口處空腔就是泵上蓋6中的排氣腔27，該排氣腔27連通泵上蓋 6中的泵嘴排氣口 ；電源線12固定在泵體上；上述整體組成具有一個(gè)獨(dú)立工作泵腔25的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。所述的任意一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是泵體是由泵下蓋1和泵上蓋6分別與泵座5密封固定連接組成，作為泵芯的壓電陶瓷換能片2的周邊在泵座5安裝糟內(nèi)的密封圈與泵下蓋1共同夾持下彈性固定，其之間形成一個(gè)密封的獨(dú)立工作的泵腔 25，泵座5上連接單向進(jìn)氣閥7和單向排氣閥8，其中進(jìn)氣閥7與壓電陶瓷換能片2振動(dòng)幅度最大處中心相對(duì)應(yīng)；進(jìn)氣閥7進(jìn)氣入口處空腔就是泵上蓋6中的進(jìn)氣腔沈，該進(jìn)氣腔沈與泵體裝配間隙連通，排氣閥8排氣出口處空腔就是泵上蓋6中的排氣腔27，該排氣腔27 連通泵上蓋6中的泵嘴排氣口 ；市電部分的電源線12改成電源插頭14，電源插頭14固定在泵體上；上述整體組成具有可直接插電源的一個(gè)獨(dú)立工作泵腔25的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是泵體是由泵下蓋1和泵座5與泵殼組件固定連接組成，此處泵殼組件指排氣連接件18、A泵殼15和B泵殼16以及泵嘴20 ；在泵座5和泵下蓋1以及排氣連接件18之間形成的密封空腔中，兩側(cè)泵座5和泵下蓋1之間彈性固定一個(gè)壓電陶瓷換能片2，構(gòu)成該壓電陶瓷換能片2的兩側(cè)空腔均為兩個(gè)獨(dú)立工作的雙氣泵腔25 ；在泵下蓋1和泵座5上分別安裝有兩個(gè)獨(dú)立的單向進(jìn)氣閥7，該兩個(gè)進(jìn)氣閥 7與壓電陶瓷換能片2振動(dòng)幅度最大處中心均相互對(duì)應(yīng)；泵下蓋1和泵座5上的出氣口處連接排氣連接件18，該排氣連接件18上安裝有兩個(gè)獨(dú)立的單向排氣閥8，泵嘴20密封連接在泵座5上，兩個(gè)進(jìn)氣閥7進(jìn)氣入口處空腔就是泵座5和泵下蓋1中的進(jìn)氣腔沈，該兩個(gè)進(jìn)氣腔26與泵體裝配間隙連通，兩個(gè)排氣閥8排氣出口處空腔就是排氣連接件18上的排氣腔27，該排氣腔27連通泵嘴20排氣口 ；電源線12卡接在A泵殼15上，并由B泵殼16與A 泵殼15壓緊連接固定一體化；上述整體組成具有一個(gè)壓電陶瓷換能片2、兩個(gè)獨(dú)立工作的雙氣泵腔25的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是卡接在A泵殼15上電源線12通過橡膠密封塊17固定穿過，橡膠密封塊17壓入泵下蓋1上的孔中密封固定。所述的任意一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是進(jìn)氣閥7和排氣閥8作為閥門結(jié)構(gòu)是不等臂長(zhǎng)的雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，或者是等臂長(zhǎng)的雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，或者采用傘形閥結(jié)構(gòu)；其閥片材質(zhì)為硅橡膠，閥體比重0. 95-1. 4g/m3，厚度0. 30-0. 8毫米之間，肖氏硬度在48-56度之間。所述的任意一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是在泵體中固定相串聯(lián)的電容9、電阻10和保險(xiǎn)絲11，其電容9 一端連接電源線12電源，保險(xiǎn)絲11 一端連接壓電陶瓷換能片2中銀層24，電源線12的或者電源插頭14的電源一端連接壓電陶瓷換能片2中的金屬基片21上。所述的任意一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是壓電陶瓷換能片2是由金屬基片21粘接帶有正反兩面銀層M的陶瓷片22構(gòu)成，整體呈圓盤狀或者近似圓盤狀； 其中的粘接層即膠層23，金屬基片21專指用銅或者用不銹鋼制作的金屬基片21。所述的任意一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是所述的泵腔25在靜態(tài)下是一個(gè)規(guī)則的腔體或者是一個(gè)不規(guī)則的腔體；所說的規(guī)則的腔體形狀是圓盤狀；所說的不規(guī)則的腔體是一邊大一邊小的盤狀，且都是在排氣閥8處的腔體空間大于進(jìn)氣閥7處的腔體空間。所述的任意一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是其主要技術(shù)指標(biāo)特點(diǎn)為①機(jī)電轉(zhuǎn)換率高，KP ^ 0. 65 ；②介電常數(shù)高K25 °C彡6000 ；③ D33 高，d33 彡 560 士 30 ；④機(jī)械品質(zhì)好，彎曲強(qiáng)度大，不易龜裂，脫膠；⑤陶瓷表面居里溫度彡700C ；⑥耐壓高彡180V ；⑦頻率彡3. 20KHz ；⑧電容彡90nF;⑨電阻彡61歐姆；掃頻范圍1 6KHz;頻長(zhǎng)10Hz;金屬基片21直徑Φ 41mm，厚度為0. 20 0. 40mm ； 陶瓷片22直徑Φ 35mm,厚度為0. 20 0. 40mm ；氣泵體積長(zhǎng)62士 IOmmX寬50士5mmX 16士2mm ；重量12 18g ；噪音低于30 40dB ；功耗1 1. 5ff0本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案與申請(qǐng)人前一個(gè)專利Q00510012575. 6，授權(quán)公告號(hào) CN100365278C，“一種用于制造微型泵的壓電陶瓷片和微型氣泵”)相比，其主要改進(jìn)的是1、設(shè)計(jì)制作一種壓電陶瓷換能片，該壓電陶瓷換能片經(jīng)由壓電特性良好的PZT復(fù)合材料配制成陶瓷片22，與銅或者不銹鋼制作的金屬基片21粘接、窯燒而成，其主要技術(shù)特點(diǎn)見后面所述。上述本實(shí)用新型經(jīng)過材料配方改進(jìn)提高了本實(shí)用新型及陶瓷片22三個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，比原專利技術(shù)指標(biāo)為KP彡0. 60，介電常數(shù)K25°C彡5000，d33 = 520士30，現(xiàn)分別提升為KP 彡 0. 65，介電常數(shù) K25°C 彡 6000，d33 = 560士30。可在不改變尺寸的情況下，以此件壓電陶瓷換能片2為基準(zhǔn)作為動(dòng)力件，用在(制作)上述不同型號(hào)的各種各樣的微型氣泵中，壓電陶瓷氣泵包括壓電式超微型負(fù)壓泵，壓電式超微型真空泵，壓電式超微型氣體循環(huán)泵，壓電式超微型氣泵，壓電式超微型氣體采樣泵，壓電式超微型打氣泵，壓電式超微型抽氣泵，壓電式超微型抽氣打氣兩用泵等。2、設(shè)計(jì)一種特殊的單向?qū)忾y，該單向閥主要技術(shù)特點(diǎn)為泵閥是不等臂長(zhǎng)的雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)(參見圖11a)，或等臂長(zhǎng)雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)(參見圖11b)，也可以是傘形閥結(jié)構(gòu)(參見圖lie)。閥片材質(zhì)為硅橡膠，閥體比重0. 95-1. 4g/m3，厚度0. 30-0. 8毫米之間，肖氏硬度在48-56度之間，根據(jù)負(fù)載工作壓力的需要，調(diào)整泵閥材質(zhì)的比重、軟硬度和厚度，而適應(yīng)泵閥與壓電陶瓷換能片(諧振頻率一致)的跟從和配合，提高壓電氣泵的泵閥密封效果和工作性能。3、本實(shí)用新型在泵座5和泵上蓋6之間裝有電容9、電阻10和保險(xiǎn)絲11，用于改變施加在壓電陶瓷換能片2上的交流電壓，通過調(diào)整元器件的參數(shù)，可適用100V/50Hz、60Hz ； 115V-120V/60HZ ；220V-230V/50Hz的通用電網(wǎng)工作，擴(kuò)大工作使用范圍，保險(xiǎn)絲11用于產(chǎn)品的安全保護(hù)，防止短路時(shí)電流過大引起失火等危險(xiǎn)。4、本實(shí)用新型包括采用另一種插頭結(jié)構(gòu)的機(jī)電一體化泵體，益處是可以節(jié)約原材料的使用，節(jié)省使用空間，使整個(gè)泵看起來(lái)更為簡(jiǎn)單、實(shí)用、緊湊、明了。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)包括但不限于上述結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型徹底改變了傳統(tǒng)微型隔膜式氣泵、微型電磁式氣泵、微型葉輪式氣泵、 微型活塞式氣泵的工作原理，由于本實(shí)用新型壓電泵是采用了一種新型流體驅(qū)動(dòng)器。它不需要附加驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而是利用壓電陶瓷換能片的逆壓電效應(yīng)使壓電陶瓷換能片產(chǎn)生變形， 再由變形產(chǎn)生泵腔的容積變化實(shí)現(xiàn)流體輸出，或者說利用壓電陶瓷換能片產(chǎn)生波動(dòng)來(lái)傳輸流體(包含氣體和液體)。傳統(tǒng)的微氣泵其核心趨動(dòng)器件必須使用矽鋼片疊壓，電磁鐵、銅線繞組組成，且泵腔零部件多達(dá)60多個(gè)，而壓電泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單到則由2個(gè)單向閥和泵體組成， 零部件只有5-6個(gè)。且泵的腔體既是趨動(dòng)部件，又是工作泵腔，因而可稱為機(jī)電一體化。與上述的微型氣泵相比較，體積是微型氣泵的五分之一到十分之一，重量是微型泵的十分之一到二十分之一，具有明顯的超微形特征和機(jī)電一體化特征。縮小體積到Φ45*12πιπι，與傳統(tǒng)的電磁泵相比，縮小體積5-10倍，減少重量到12g，可減少重為10- 倍、降低能耗，僅需要工作功率1. 3W、噪音低于30 40dB、節(jié)能環(huán)保、便于安裝維護(hù)、降低生產(chǎn)成本。與上述傳統(tǒng)原理、同等用途的國(guó)內(nèi)微型泵相比，降低生產(chǎn)成本5倍以上；實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和泵體超微型化的效果。為了提高本實(shí)用新型壓電氣泵工作性能，對(duì)壓電氣泵泵閥(懸臂梁閥片)結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過有限元仿真推導(dǎo)其理論流量及過流面積公式，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)壓電泵腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能對(duì)比、過流特性、泄漏、耐壓等特性進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化泵腔結(jié)構(gòu)，提高了壓電泵整體工作效率。解決閥座圓盤面積和泵閥(進(jìn)氣閥、排氣閥)的進(jìn)、排氣閥口面積之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其相互合理配比，解決由于壓電陶瓷換能片在高頻振蕩過程中，泵閥缺乏良好的跟從性；且滯后于壓電陶瓷換能片的工作頻率，使壓電泵的整體工作性能大大降低， 影響流體運(yùn)動(dòng)速度和傳速效率的問題。通過推導(dǎo)其理論流量及過流面積公式，得出了閥座圓盤面積和泵閥(進(jìn)氣閥、排氣閥)的進(jìn)、排氣閥口面積之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其相互合理配比是影響泵閥流量因素的結(jié)論，且利用如ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)制作泵閥，優(yōu)化泵腔，提高了壓電泵整體工作效率。該壓電陶瓷換能片具有良好的機(jī)械性能，韌性好，彈性模量大，工作時(shí)不出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，性能穩(wěn)定，安全可靠。擴(kuò)大了用途范圍，使用該壓電陶瓷換能片的微型氣泵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，效率高，噪音小，成本底，壽命長(zhǎng)，特別適用于適用于科研、氣體采樣、儀器儀表、化工分析、醫(yī)療器械、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物醫(yī)學(xué)、生物工程、自動(dòng)控制、環(huán)保、水處理、精密計(jì)量、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)、微流量配給、微全分析系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室和PCR芯片等多種設(shè)備配置和微小氣量供給的場(chǎng)合。為了本實(shí)用新型的工作噪音大大降低，采用了懸臂梁閥片或散狀閥片結(jié)構(gòu)；另外還采用了沒有專門的進(jìn)氣孔、進(jìn)氣道，而采用泵體之間的間隙作為進(jìn)氣通道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)使其工作噪音大大降低，尤其是使閥在運(yùn)動(dòng)過程中可以防止其偏移，使閥的密封進(jìn)一步提高， 噪音進(jìn)一步降低。壓電泵的特點(diǎn)是泵腔由一片壓電振子或者稱作壓電陶瓷換能片或者壓電陶瓷片組成，壓電陶瓷換能片既是泵腔腔體組成的重要一部分，又是動(dòng)力器件，與上述的微型氣泵相比較，體積是微型氣泵的五分之一到十分之一，重量是微型泵的十分之一到二十分之一， 具有明顯的超微形特征，且泵的腔體既是趨動(dòng)部件，又是工作泵腔，因而可稱為機(jī)電一體化。
四
圖1是本實(shí)用新型的實(shí)施例1的外形結(jié)構(gòu)立體示意圖。圖2是圖1結(jié)構(gòu)的分解示意圖。圖3是圖1的剖視示意圖。圖4是本實(shí)用新型的實(shí)施例2的外形結(jié)構(gòu)立體示意圖。圖5是圖4結(jié)構(gòu)的分解示意圖。圖6是圖4的剖視示意圖。圖7是本實(shí)用新型的實(shí)施例3的外形結(jié)構(gòu)立體示意圖。圖8是圖7結(jié)構(gòu)的分解示意圖。圖9是圖7的剖視示意圖。 圖10 (a)是壓電陶瓷換能片2的剖視示意圖，圖10(b)是圖10 (a)的局部放大示意圖。圖 11(a)是進(jìn)氣閥7和排氣閥8不等臂長(zhǎng)雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)的主視示意圖。圖11(b)是等臂長(zhǎng)雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)示意圖。圖11(c)是傘形閥及其裝配的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是上述實(shí)施例中的電路接線圖。上述圖中標(biāo)號(hào)說明1.泵下蓋，2.壓電陶瓷換能片，3. ο型密封圈Α，4. ο型密封圈B，5.泵座，6.泵上蓋，7.進(jìn)氣閥，8.排氣閥，9.電容，10.電阻，11.保險(xiǎn)絲，12.電源線， 13.螺釘，14.電源插頭，15. A泵殼，16. B泵殼，17.橡膠密封塊，18.排氣連接件，19. ο型密封圈C，20.泵嘴，21.金屬基片，22.陶瓷片，23.膠層24.銀層25.泵腔，26.進(jìn)氣腔，27.排氣腔。
五具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型便于理解和更加清晰，下面通過附圖和實(shí)施例對(duì)其作進(jìn)一步說明。[0060]實(shí)施例1，參看圖1-圖3。本實(shí)施例的泵體有泵下蓋1、泵座5和泵上蓋6，在泵座 5和泵下蓋1裝配后構(gòu)成的空腔中裝有壓電陶瓷換能片2 ；在泵座5的進(jìn)氣口和排氣口處分別裝有進(jìn)氣閥7和排氣閥8，其中進(jìn)氣閥7與壓電陶瓷換能片2擺動(dòng)幅度最大處中心相對(duì)應(yīng)，進(jìn)氣閥7進(jìn)氣入口處空腔就是泵上蓋6中的進(jìn)氣腔沈，該進(jìn)氣腔沈與泵體裝配間隙連通；壓電陶瓷換能片2和泵座5之間裝有ο型密封圈A3，在泵座5的背面(圖3泵座5右側(cè))和泵上蓋6之間裝有ο型密封圈B4。泵上蓋1、泵座5和泵下蓋6用螺釘13緊固連接組成整體微型泵的泵體，同時(shí)壓緊ο型密封圈A3和ο型密封圈B4，這樣壓電陶瓷換能片2、 泵座5、進(jìn)氣閥7和排氣閥8共同形成一個(gè)密封不漏氣的獨(dú)立工作的泵腔25，泵腔25形狀是一個(gè)不規(guī)則的對(duì)稱的或者不對(duì)稱的形狀，該形狀是一邊大一邊小的盤狀或者圓盤狀，其空腔靠近排氣閥8處較大，靠近進(jìn)氣閥7處較小。泵腔25的形狀也可以是規(guī)則的對(duì)稱的或者不對(duì)稱的形狀。在泵座5和泵上蓋6之間鑲嵌裝有彼此相串聯(lián)的電容9、電阻10和保險(xiǎn)絲11，其相串聯(lián)的電容9 一端連接電源線12電源，保險(xiǎn)絲11 一端連接壓電陶瓷換能片2，接線方式參見圖12，電容9和電阻10用于改變施加在壓電陶瓷換能片2上的交流電壓，保險(xiǎn)絲11用于產(chǎn)品的安全保護(hù)，防止短路時(shí)電流過大引起失火等危險(xiǎn)。電源線12卡接在泵座5上，并由泵下蓋1和泵上蓋6壓緊，其一個(gè)接線端焊接在壓電陶瓷換能片2中的金屬基片21上，另一個(gè)接線端穿過泵座5上的出線孔與電容9的一個(gè)端子焊接。接線方式參見圖12。壓電陶瓷換能片2通電工作后，同時(shí)作徑向拉伸運(yùn)動(dòng)的和軸向的伸縮運(yùn)動(dòng)，徑向拉伸運(yùn)動(dòng)和軸向伸縮運(yùn)動(dòng)同時(shí)反復(fù)重復(fù)進(jìn)行，從而改變泵腔25體積的大小，當(dāng)壓電陶瓷換能片2向外拱起時(shí)，就是泵腔25體積增大時(shí)，進(jìn)氣閥7打開，排氣閥8關(guān)閉，外面的氣體通過泵體連接縫隙進(jìn)入泵腔25內(nèi)，不需要過濾網(wǎng)；當(dāng)壓電陶瓷換能片2向內(nèi)拱起時(shí)，就是泵腔 25體積減小時(shí)，氣體被壓縮，泵腔25壓力增大，進(jìn)氣閥7關(guān)閉，排氣閥8打開，進(jìn)入泵腔25 內(nèi)的氣體通過泵上蓋6中排氣腔27泵嘴排出，進(jìn)氣和排氣見箭頭所示。通過這樣反復(fù)有規(guī)律的高頻率運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輸出一定壓力和流量的氣體。參見圖10(a)和圖10(b)，壓電陶瓷換能片2的結(jié)構(gòu)由金屬基片21、陶瓷片22、膠層23和銀層M構(gòu)成，由銅或者由不銹鋼制作的金屬基片21用膠層23粘接帶有銀層M的陶瓷片22，陶瓷片22兩個(gè)面均有銀層24。參見圖11 (a)，本實(shí)施例中的進(jìn)氣閥7和排氣閥8的結(jié)構(gòu)是不等臂長(zhǎng)雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，但也可以采用圖11(b)和圖11(c)的結(jié)構(gòu)；圖11(b)是等臂長(zhǎng)雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，圖 11(c)是傘形閥結(jié)構(gòu)。上述圖11(a)和11(b)中進(jìn)氣閥7和排氣閥8的閥片的兩端分別熱鉚固定在泵座5的柱子上，當(dāng)采用圖11(c)的傘形閥時(shí)，可上下運(yùn)動(dòng)的傘形閥的連接結(jié)構(gòu)需要改變泵座5的結(jié)構(gòu)，使其傘形閥柄密封套接在泵座5孔中。本實(shí)施例中閥的結(jié)構(gòu)包括但不限于上述結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2，參見圖4-圖6。本實(shí)施例中僅在接通市電部分改成插頭結(jié)構(gòu)，取代實(shí)施例1中的電源線12。電源插頭14模塑固定在泵座5上。其中一個(gè)插片通過引線焊接到電容9上，另一個(gè)插片通過引線焊接到壓電陶瓷換能片2的金屬基片21上。接線方式參考圖 12，除了只是用電源插頭14取代電源線12 (僅僅這一個(gè)具體結(jié)構(gòu)不同)以外，其它結(jié)構(gòu)均同實(shí)施例1中的泵。采用電源插頭14結(jié)構(gòu)的益處是可以節(jié)約原材料的使用，節(jié)省使用空間，使整個(gè)泵看起來(lái)更為簡(jiǎn)單明了。工作原理同實(shí)施例1。實(shí)施例3，參見圖7-圖9。本實(shí)施例是單個(gè)壓電陶瓷換能片2雙腔氣泵25結(jié)構(gòu)， 包括泵下蓋1和泵座5，在泵座5和泵下蓋1以及端部排氣連接件18裝配后構(gòu)成密封的空腔中，在泵座5和泵下蓋1之間裝有壓電陶瓷換能片2，構(gòu)成壓電陶瓷換能片2兩邊密封且獨(dú)立的工作泵腔25，泵下蓋1和泵座5上分別裝有進(jìn)氣閥7、ο型密封圈A3和ο型密封圈 Β4 ；在泵下蓋1和泵座5的上端面出氣口處裝有排氣連接件18，其作用是將兩個(gè)泵腔25的氣體匯集到一起；在排氣連接件18上安裝有兩個(gè)排氣閥8和ο型密封圈C19。泵下蓋1和泵座5用螺釘緊固連接，同時(shí)壓緊ο型密封圈A3和壓電陶瓷換能片2 ；泵嘴20用螺釘緊固連接到泵座5上(由于不在圖中截面上，故看不見)，同時(shí)壓緊排氣連接件18、ο型密封圈 C19和ο型密封圈Β4 ；上述結(jié)構(gòu)安裝好后用螺釘13把泵座5固定到B泵殼16上，最后把A 泵殼15用螺釘13安裝固定到B泵殼16上。一個(gè)壓電陶瓷換能片2、兩個(gè)進(jìn)氣閥7、兩個(gè)排氣閥8分別和泵下蓋1與泵座5形成2個(gè)對(duì)稱的或者不對(duì)稱的密封泵腔25，工作原理同實(shí)施例1。在泵下蓋1和A泵殼15之間裝有電容9、電阻10和保險(xiǎn)絲11，其接線方式參見圖 12。作用同實(shí)施例1。電源線12卡接在A泵殼15上，并由B泵殼16與A泵殼15壓緊連接固定一體化。 接線方式參見圖12。壓電陶瓷換能片2的金屬基片21和銀層M上分別焊接兩根引線，并從橡膠密封塊17的孔中穿出，一根引線與電源線12其中一個(gè)端子焊接，另一根引線與電容 9的一個(gè)端子焊接。橡膠密封塊17壓入泵下蓋1上的孔中，起密封固定作用。該泵實(shí)施例中的泵電路接線方式參考圖12。需要說明的是1、本實(shí)用新型的目的還包括，利用壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為微型真空泵，微型干式真空泵，微型氣泵，微型抽氣泵，微型打氣泵，微型吸氣泵，微型氣體增壓泵， 微型氣體采樣泵，微型氣體循環(huán)泵，微型充氣泵，泵，微型氣水混合兩用泵送作業(yè)提供動(dòng)力。2、以上僅為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，但其并不限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，即不偏離本實(shí)用新型的權(quán)利要求所作之等同變化與修飾，仍應(yīng)屬于本實(shí)用新型之保護(hù)范圍。 如采用兩個(gè)壓電陶瓷換能片2組成的兩個(gè)泵腔25或者四個(gè)泵腔25的微型泵，或者還有其他等同結(jié)構(gòu)組成3個(gè)至多個(gè)泵腔25的微型泵。3、在實(shí)施例3中，圖9中的泵嘴20、排氣連接件18、Α泵殼15和B泵殼16都是各自獨(dú)立的零件裝配，當(dāng)然也可制作成泵嘴20和排氣連接件18為一體的獨(dú)立件。
權(quán)利要求1.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，由泵體內(nèi)裝配泵芯組成，其特征是泵體是由泵下蓋 (1)和泵座(5)與泵殼組件固定連接組成，泵芯就是壓電陶瓷換能片0)，該壓電陶瓷換能片(2)周邊密封彈性固定在泵體內(nèi)，泵體中還裝配單向進(jìn)氣閥(7)和單向排氣閥(8)；進(jìn)氣閥(7)進(jìn)氣入口處空腔就是進(jìn)氣腔( )，該進(jìn)氣腔06)與泵體裝配間隙連通，排氣閥(8) 排氣出口處空腔就是排氣腔(27)，該排氣腔(XT)連通泵嘴排氣口 ；位于泵體中的進(jìn)氣閥 (7)與壓電陶瓷換能片( 振動(dòng)幅度最大處中心相對(duì)應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是泵體是由泵下蓋(1) 和泵上蓋(6)分別與泵座(5)密封固定連接組成，作為泵芯的壓電陶瓷換能片(2)的周邊在泵座( 安裝糟內(nèi)的密封圈與泵下蓋(1)共同夾持下彈性固定，其之間形成一個(gè)密封的獨(dú)立工作的泵腔(25)，泵座(5)上連接單向進(jìn)氣閥(7)和單向排氣閥⑶；進(jìn)氣閥(7)進(jìn)氣入口處空腔就是泵上蓋(6)中的進(jìn)氣腔(沈)，排氣閥(8)排氣出口處空腔就是泵上蓋(6) 中的排氣腔(27)，該排氣腔(XT)連通泵上蓋(6)中的泵嘴排氣口 ；電源線(12)固定在泵體上；上述整體組成具有一個(gè)獨(dú)立工作泵腔0 的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是泵體是由泵下蓋(1) 和泵上蓋(6)分別與泵座(5)密封固定連接組成，作為泵芯的壓電陶瓷換能片O)的周邊在泵座( 安裝糟內(nèi)的密封圈與泵下蓋(1)共同夾持下彈性固定，其之間形成一個(gè)密封的獨(dú)立工作的泵腔(25)，泵座(5)上連接單向進(jìn)氣閥(7)和單向排氣閥⑶；進(jìn)氣閥(7)進(jìn)氣入口處空腔就是泵上蓋(6)中的進(jìn)氣腔(沈)，排氣閥(8)排氣出口處空腔就是泵上蓋(6) 中的排氣腔(27)，該排氣腔(XT)連通泵上蓋(6)中的泵嘴排氣口 ；市電部分的電源線(12) 改成電源插頭(14)，電源插頭(14)固定在泵體上；上述整體組成具有可直接插電源的一個(gè)獨(dú)立工作泵腔0 的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是此處泵殼組件指排氣連接件(18)、A泵殼(15)和B泵殼(16)以及泵嘴OO)；在泵座(5)和泵下蓋(1)以及排氣連接件(18)之間形成的密封空腔中，兩側(cè)泵座( 和泵下蓋(1)之間彈性固定一個(gè)壓電陶瓷換能片O)，構(gòu)成該壓電陶瓷換能片O)的兩側(cè)空腔均為兩個(gè)獨(dú)立工作的雙氣泵腔0 ；在泵下蓋(1)和泵座( 上分別安裝有兩個(gè)獨(dú)立的單向進(jìn)氣閥(7)，該兩個(gè)進(jìn)氣閥 (7)與壓電陶瓷換能片( 振動(dòng)幅度最大處中心均相互對(duì)應(yīng)；泵下蓋(1)和泵座( 上的出氣口處連接排氣連接件(18)，該排氣連接件(18)上安裝有兩個(gè)獨(dú)立的單向排氣閥(8)， 泵嘴OO)密封連接在泵座( 上，兩個(gè)進(jìn)氣閥(7)進(jìn)氣入口處空腔就是泵座( 和泵下蓋 (1)中的進(jìn)氣腔(26)，該兩個(gè)進(jìn)氣腔06)與泵體裝配間隙連通，兩個(gè)排氣閥(8)排氣出口處空腔就是排氣連接件18上的排氣腔(27)，該排氣腔(XT)連通泵嘴OO)排氣口 ；電源線 (12)卡接在A泵殼(1 上，并由B泵殼(16)與A泵殼(1 壓緊連接固定一體化；上述整體組成具有一個(gè)壓電陶瓷換能片O)、兩個(gè)獨(dú)立工作的雙氣泵腔0 的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是卡接在A泵殼(15) 上電源線(12)通過橡膠密封塊(17)固定穿過，橡膠密封塊(17)壓入泵下蓋(1)上的孔中密封固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的任意一項(xiàng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是進(jìn)氣閥(7)和排氣閥(8)作為閥門結(jié)構(gòu)是不等臂長(zhǎng)的雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，或者是等臂長(zhǎng)的雙懸臂梁閥片結(jié)構(gòu)，或者采用傘形閥結(jié)構(gòu)；其閥片材質(zhì)為硅橡膠，閥體比重0. 95-1.4g/m3，厚度 0. 30-0. 8毫米之間，肖氏硬度在48-56度之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的任意一項(xiàng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是在泵體中固定相串聯(lián)的電容(9)、電阻(10)和保險(xiǎn)絲(11)，其電容(9) 一端連接電源線(12)電源，保險(xiǎn)絲(11) 一端連接壓電陶瓷換能片⑵中銀層04)，電源線(12)的或者電源插頭 (14)的電源一端連接壓電陶瓷換能片(2)中的金屬基片上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的任意一項(xiàng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是壓電陶瓷換能片(2)是由金屬基片粘接帶有正反兩面銀層04)的陶瓷片02)構(gòu)成，整體呈圓盤狀或者近似圓盤狀；其中的粘接層即膠層(23)，金屬基片專指用銅或者用不銹鋼制作的金屬基片01)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的任意一項(xiàng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是所述的泵腔0 在靜態(tài)下是一個(gè)規(guī)則的腔體或者是一個(gè)不規(guī)則的腔體；所說的規(guī)則的腔體形狀是圓盤狀；所說的不規(guī)則的腔體是一邊大一邊小的盤狀，且都是在排氣閥(8)處的腔體空間大于進(jìn)氣閥(7)處的腔體空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的任意一項(xiàng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵，其特征是其主要技術(shù)指標(biāo)特點(diǎn)為①機(jī)電轉(zhuǎn)換率高，KP>0.65;②介電常數(shù)高K25°C>6000 ；③D33 高，d33 彡 560士30 ；④機(jī)械品質(zhì)好，彎曲強(qiáng)度大，不易龜裂，脫膠；⑤陶瓷表面居里溫度彡700C；⑥耐壓高彡180V；⑦頻率彡3.20KHz ；⑧電容彡90nF；⑨電阻彡61歐姆；掃頻范圍1 6KHz ；頻長(zhǎng)=IOHz ；金屬基片Ql)直徑Φ41mm，厚度為0. 20 0. 40mm ；陶瓷片02)直徑Φ 35mm，厚度為0. 20 0. 40mm ；氣泵體積長(zhǎng)62士 IOmmX寬50士5讓X 16士2讓；重量12 18g ；噪音低于30 40dB ；功耗1 1. 5ff0
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵?，F(xiàn)微型氣泵，工作介質(zhì)為氣態(tài)，分為微型負(fù)壓泵，微型真空泵等，存在體積大、工作范圍受限制等缺點(diǎn)。本實(shí)用新型的目的是利用壓電驅(qū)動(dòng)方式研制一種機(jī)電一體化的泵體超微型化的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式超微型氣泵。結(jié)構(gòu)是泵體是由泵下蓋1和泵座5與泵殼組件固定連接組成，泵芯就是壓電陶瓷換能片2，泵體中還裝配單向進(jìn)氣閥7和單向排氣閥8；進(jìn)氣閥7進(jìn)氣入口處空腔就是進(jìn)氣腔26，該進(jìn)氣腔26與泵體裝配間隙連通，排氣閥8排氣出口處空腔就是排氣腔27；位于泵體中的進(jìn)氣閥7與壓電陶瓷換能片2振動(dòng)幅度最大處中心相對(duì)應(yīng)。徹底改變傳統(tǒng)微型隔膜式氣泵、微型電磁式氣泵等的工作原理。
文檔編號(hào)F04B45/047GK202300955SQ20112032484
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者楊竹君, 胡軍 申請(qǐng)人:楊竹君, 胡軍