專利名稱：高頻閥壓電泵及其泵腔設計方法
技術領域：
本發明屬于流體機械技術領域，涉及對流體機械學科中一種壓電泵的泵腔及泵閥的改進。
目前傳統的有閥壓電泵及泵腔如
圖1所示，其中1為泵體，2為壓電振子，3為壓電振子固定器，4、5為吸入與吐出閥。其工作原理是由泵體1、壓電振子2、吸入閥4及吐出閥5組成封閉腔體，對壓電振子2施加交變電壓，壓電振子2將產生沿軸向的往復變形，這樣就對腔體內流體施加以往復力。在吸入過程，流體把產生的力傳遞到吸入閥4，4將開啟，傳遞到吐出閥5，5將在這壓力作用下關閉。在吐出過程，流體把產生的力傳遞到吐出閥5，5將開啟，傳遞到吸入閥4，4將在這壓力作用下關閉。這樣吸入閥4與吐出閥5在壓電振子2的周期性變化下，將產生周期性開啟與關閉，使泵內流體形成單向流動。當壓電振子2的振動頻率增加時，傳統形式的吸入閥4及吐出閥5將無法實現高頻下的良好跟從。傳統的有閥壓電泵是使用蝶形閥、板閥、球閥及錐閥的壓電泵，頻率增加后泵流量并沒有按預想的那樣增加反而出現了減少現象，閥滯后于壓電振子的運動，這種滯后嚴重時泵將在宏觀上出現零流量，可見傳統的泵閥也不能適應壓電泵高頻工作的特點。
本發明的技術方案如圖2所示，高頻閥壓電泵包括有泵體、壓電振子固定器3、固定在泵體腔內的壓電振子2、及吸入閥和吐出閥，其特征在于，在泵腔內壁上采用了為減少泵腔中流體傳遞時間、減小可壓縮體積的非直線形曲線形狀的泵體7，吸入閥和吐出閥中采用了“山”字型閥片10，將吸入閥片和吐出閥片采用通用技術分別固定在吸入閥和吐出閥所在位置的閥體11上、形成“山”字型(如圖3所示)吸入閥8和吐出閥9。
本發明的特征還包括，是在泵體安裝吸入閥和吐出閥一面的泵腔內壁位置、采用曲線形狀的泵腔，吸入閥8安裝在吸入閥所在位置的閥體11的下方，而吐出閥9安裝在吐出閥所在位置的閥體11的上方。并采用了用彈性薄板制成的“山”字型閥片10，閥片10上左右兩“豎”B-1、B-2的頂點處為固定點，中間一“豎”的圓形板A為吸入口及吐出口的隔斷板。
本發明的高頻閥壓電泵泵腔設計方法，其特征在于，如圖3所示，把壓電振子2的上表面及圓心作為坐標原點O，軸方向為Y方向，徑方向為X方向，用試驗測量方法和理論計算方法，求出壓電振子2在所要求工作電壓的最大值時的最大振動量的位移量、及給出壓電振子2與泵體7之間的間隙量，使泵腔內壁的曲線形在Y軸方向上的坐標，滿足壓電振子各處的最高振子到達點的位移量與間隙量的和，泵腔內壁曲線形的設計將符合以下公式hmax，n＝w(rn，t)+Δhn，n＝0，1，2，...n＜10也就是說泵腔內壁的曲線形在Y軸方向上滿足壓電振子各處的最高振子到達點的位移量w(rn，t)與間隙量Δhn，的和。其中的試驗測量方法步驟為其中的試驗測量方法步驟為(1)在前述坐標定位的基礎上，固定壓電振子2的外圓，所加外力為壓電振子實際工作時的禁錮力；(2)測量壓電振子2在所要求工作電壓的最大值時的最大振動量的位移量hmax，0mm，并依次在X方向為r0＝0mm，r1＝4mm...，等處測量壓電振子上的位移量w(r0，t)...w(rn，t)mm，n＜10，r表示X軸方向的選定值，w(rn，t)mm表示Y軸方向的測量值；(3)把[r0，w(r0，t)]，...[rn，w(rn，t)]作為(X，Y)的值，用通用公式回歸出曲線Y＝f(X)的方程式，X表示X軸方向坐標值，X＝r，Y表示Y軸方向坐標值Y＝w(rn，t)；(4)令y＝f(x)＝f(X)+ΔX，ΔX的取值為0.01Y＜ΔX＜0.1Y；(5)方程式y＝f(x)就是O-XY面的泵腔內壁曲線；其中的理論計算方法步驟為(1)在前述坐標定位的基礎上，按常用的拋物線計算公式計算出，在r0＝0mm，r1＝5mm...r1＝25mm，n＜10，點的w(r0，t)，w(r1，t) ...w(rn，t)的值，r表示X軸方向的選定值，w(rn，t)mm表示Y軸方向的計算值，t表示時間，n表示選定值數目；(2)令hmax，n＝w(rn，t)+Δhn，，Δhn，的取值為0.01w＜Δhn，＜0.1w，有hmax，n＝f(r)，Δhn，表示間隙量，hmax，n表示泵腔內壁的曲線形在Y軸方向上的坐標；(3)把[r，f(r)]作為[X，Y]的值，計算出曲線y＝f(x)的方程式；(4)方程式y＝f(x)就是O-XY面的泵腔內壁曲線。
本發明的高頻閥壓電泵的工作原理是由壓電振子2、泵體7、吸入閥8及吐出閥9組成關閉腔體，對壓電振子2施加交變電壓，壓電振子2將產生沿Y軸方向的往復變形，這樣就對腔體內流體施加以往復力，在吸入過程，流體把產生的力傳遞到吸入閥，吸入閥中的閥片將開啟，傳遞到吐出閥，吐出閥中的閥片將在這壓力作用下關閉。在吐出過程，流體把產生的力傳遞到吐出閥閥，吐出閥中的閥片將開啟，傳遞到吸入閥，吸入閥中的閥片將在這壓力作用下關閉。這樣吸入閥與吐出閥在壓電振子2的周期性變化下，將產生周期性開啟與關閉，使泵內流體形成單向流動。當壓電振子2的振動頻率增加時，新型高頻閥能實現高頻(目前實驗做到100Hz)下的良好跟從。也就是說，新型高頻閥及新泵腔克服了閥滯后現象。本發明由于改變了泵腔內壁的形狀，可以減少流體原因的泵閥開啟與關閉的滯后。壓電振子的振幅很小，一次振動往復的容積變化也很小，所以，一次振動往復所產生的泵流量也很少。要想提高泵流量，可采用提高壓電振子的振動頻率的方法。由于我們采用了如圖4、圖5所示的“山”字型閥片10構成的吸入閥和吐出閥。“山”字型閥具有與傳統的蝶形閥、板閥、球閥以及錐閥均不同的構造，利用“山”字形彈性薄板，當流體產生壓力作用于隔斷板時，隔斷板與另外兩“豎”薄板同時發生翹曲彈性變形，閥開啟快速，如圖5所示(其為吐出閥工作原理)。隔斷板的四周也因沒有阻礙流動的物體而省能，閥開啟時流動也快。反之，當壓力減小時，發生彈性變形的“山”字中的三“豎”變形體均各自復原，其反應高于單一隔斷板形式的蝶形閥、板閥，所以閥關閉也快速。
“山”字型閥片是一整體式結構，即吸入與吐出閥閥片10的材質可采用高分子及金屬，如0.1mm的不銹鋼。閥體11采用金屬。
本發明中泵腔設計方法可參見圖6，首先本發明的泵腔內壁為曲線形，其曲線將符合式(1)。
hmax，n＝w(rn，t)+Δhn，n＝0，1，2，...n＜10(1)其中w(rn，t)為壓電振子2最大振動的Y方向位移量，Δhn為壓電振子2最大振動位移時壓電振子2與泵體7之間的Y方向間隙量。hmax，n為在如圖2所示的O-XY坐標系中，XY平面上的泵腔內壁曲線的Y方向坐標。
也就是說泵腔內壁的曲線形在Y軸方向上滿足壓電振子各處的最高振子到達點的位移量w(rn，t)與間隙量Δhn，的和。其中w(rn，t)可按拋物線來計算，即w(rn，t)＝-ar2+br+c，r＝X，Y＝w(rn，t)(2)式中的a，b，c可由測量三組r等于某具體數值時的壓電振子2實際振動量來形成三元一次聯立方程計算得到。間隙量Δhn可由式(3)給出Δhn＝[w(rn，t)×(An％)](3)在壓電振子2的最大半徑為25mm時n＝6，r1＝0mm，A1＝10mm；r2＝5mm，A2＝8mm；r3＝10mm，A3＝6mm；r4＝15mm，A4＝4mm；r5＝20mm，A5＝2mm；r6＝25mm，A6＝0mm。根據上述設計方法泵腔內壁為曲線可表示為圖6。
當然，泵腔內壁曲線形也可以近似為其它曲線，如圓弧形、三角形等，總之只要是減少泵腔中流體傳遞時間、減小可壓縮體積的非直線形都可以減少泵閥開啟與關閉的滯后性。但本發明選擇的拋物線形最接近壓電振子2的最大振動移動量曲線。
權利要求
1.一種高頻閥壓電泵包括有泵體、壓電振子固定器(3)、固定在泵體腔內的壓電振子(2)、及吸入閥和吐出閥，本發明的特征在于，在泵腔內壁上采用了為減少泵腔中流體傳遞時間、減小可壓縮體積的非直線形曲線形狀的泵體(7)，吸入閥和吐出閥中采用了“山”字型閥片(10)，將吸入閥片和吐出閥片采用通用技術分別固定在吸入閥和吐出閥所在位置的閥體(11)上、形成“山”字型吸入閥(8)和吐出閥(9)。
2.根據權利要求1所述的高頻閥壓電泵，其特征在于，是在泵體安裝吸入閥和吐出閥一面的泵腔內壁位置、采用曲線形狀的泵腔，吸入閥(8)安裝在吸入閥所在位置的閥體(11)的下方，而吐出閥(9)安裝在吐出閥所在位置的閥體(11)的上方。
3.根據權利要求1所述的高頻閥壓電泵，其特征在于，采用了用彈性薄板制成的“山”字型閥片(10)，閥片(10)上左右兩“豎”B-1、B-2的頂點處為固定點，中間一“豎”的圓形板A為吸入口及吐出口的隔斷板。
4.一種高頻閥壓電泵泵腔設計方法，其特征在于，把壓電振子(2)的上表面及圓心作為坐標原點0，軸方向為Y方向，徑方向為X方向，用試驗測量方法和理論計算方法，求出壓電振子(2)在所要求工作電壓的最大值時的最大振動量的位移量、及給出壓電振子(2)與泵體(7)之間的間隙量，使泵腔內壁的曲線形在Y軸方向上的坐標，滿足壓電振子各處的最高振子到達點的位移量與間隙量的和，泵腔內壁曲線形的設計將符合以下公式hmax，n＝w(rn，t)+Δhn，n＝0，1，2，...n＜10其中的試驗測量方法步驟為(1)在前述坐標定位的基礎上，固定壓電振子(2)的外圓，所加外力為壓電振子實際工作時的禁錮力；(2)測量壓電振子(2)在所要求工作電壓的最大值時的最大振動量的位移量hmax，0mm，并依次在X方向為r0＝0mm，r1＝4mm...，等處測量壓電振子上的位移量w(r0，t)...w(rn，t)mm，n＜10，r表示X軸方向的選定值，w(rn，t)mm表示Y軸方向的測量值；(3)把[r0，w(r0，t)]，...[rn，w(rn，t)]作為(X，Y)的值，用通用公式回歸出曲線Y＝f(X)的方程式，X表示X軸方向坐標值，X＝r，Y表示Y軸方向坐標值Y＝w(rn，t)；(4)令y＝f(x)＝f(X)+ΔX，ΔX的取值為0.01Y＜ΔX＜0.1Y；(5)方程式y＝f(x)就是O-XY面的泵腔內壁曲線；其中的理論計算方法步驟為(1)在前述坐標定位的基礎上，按常用的拋物線計算公式計算出，在r0＝0mm，r1＝5mm...r1＝25mm，n＜10，點的w(r0，t)，w(r1，t)...w(rn，t)的值，r表示X軸方向的選定值，w(rn，t)mm表示Y軸方向的計算值，t表示時間，n表示選定值數目；(2)令hmax，n＝w(rn，t)+Δhn，，Δhn，的取值為0.01w＜Δhn，＜0.1w，有hmax，n＝f(r)，Δhn，表示間隙量，hmax，n表示泵腔內壁的曲線形在Y軸方向上的坐標；(3)把[r，f(r)]作為[X，Y]的值，計算出曲線y＝f(x)的方程式；(4)方程式y＝f(x)就是O-XY面的泵腔內壁曲線。
全文摘要
一種涉及流體機械中的新型高頻閥壓電泵及其泵腔設計方法,包括有泵體1、壓電振子固定器3、固定在泵體腔內的壓電振子2、及吸入閥和吐出閥,特征在于采用了泵腔內壁為曲線形狀的泵體7,吸入閥和吐出閥中采用“山”字型閥片10,將吸入閥片和吐出閥片固定在閥體11上、形成“山”字型吸入閥8和吐出閥9。吸入閥安裝在吸入閥體的下方,而吐出閥安裝在吐出閥體的上方。其中設計方法是將泵腔內壁設計為曲線形,其曲線符合公式。h
文檔編號F04B43/02GK1378041SQ0211735
公開日2002年11月6日 申請日期2002年5月20日 優先權日2002年5月20日
發明者張建輝 申請人:張建輝