一种高能量密度压电泵

技术领域

本发明涉及压电液压技术领域，特别是涉及一种高能量密度压电泵。

背景技术

压电泵基于压电陶瓷的逆压电效应，产生压电振子变形，引起泵腔的容积的变化，实现液体的输送。压电泵具有结构简单、无噪声、无电磁干扰等优点，目前已广泛用于航空航天、生物医疗、微电子等领域。

现有的压电陶瓷泵根据其结构是否有阀，可见其分为两类：有阀压电泵和无阀压电泵。无阀压电泵和同尺度的有阀压电泵相比，存在输出力小、能量密度低等缺点，而现有的有阀压电泵在高频驱动时，阀片容易疲劳，输送液体有滞后性，能量密度低，因此现有的有阀压电泵存在不适合在高频状态下作业的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种高能量密度压电泵，解决了现有技术中有阀压电泵在高频工作状态下，有滞后性以及能量密度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种高能量密度压电泵，其包括上壳体和与上壳体可拆卸连接的下壳体；上壳体的顶部设置有入油口和出油口，上壳体内部为空腔结构，上壳体内部设置有液压组件；下壳体内部为空腔结构，下壳体内部设置有压电陶瓷驱动件；液压组件和压电陶瓷驱动件之间形成密封空腔；压电陶瓷驱动件适于将电能转化为位移输出，调节密封空腔内的压力，入油口和出油口分别与密封空腔连通；

液压组件包括单向阀片，单向阀片分别设置于入油口和出油口与密封空腔连通处；密封空腔为负压，配合单向阀片从入油口吸入流体，密封空腔为正压，配合单向阀片将内部流体排出出油口。在压电陶瓷驱动件接入高频正向正弦交流电压后，压电陶瓷驱动件可以改变密封空腔内的流体压力，单向阀片因为密封腔压力而产生形变实现将流体吸入或者排出密封空腔，单向阀片的形变频率与密封空腔压力改变频率相同进而形成共振，实现高频驱动。

进一步地，作为液压组件的一种具体设置方式，液压组件还包括入油固定件和出油固定件；入油固定件呈圆柱结构，入油固定件外壁上设置有环形槽，环形槽与上壳体内壁接触形成入油区，入油区与入油口连通，环形槽侧壁上设置有多个与入油区连通的第一通孔，多个第一通孔与密封空腔连通；入油固定件内部设置有送液通道，送液通道与密封空腔连通；出油固定件呈圆柱结构，出油固定件设置于入油固定件一侧，出油固定件的端面与入油固定件端面紧密接触，出油固定件上设置有多个第二通孔，出油口通过多个第二通孔与出油口连通；

为了减少输送流体的滞后性，两个单向阀片均为圆形片状结构，每个单向阀片上设置有多个沿其圆心均匀环形阵列的过油区，每个过油区均包括多条通槽，多条通槽呈长条弯曲结构，多条通槽呈圆周环形布置，相邻两条通槽相互独立，多条通槽内部形成挡板；两个单向阀片分别设置于多个第一通孔和第二通孔与密封空腔的连接处，两个单向阀片分别与入油固定件和出油固定件的端面接触，挡板用于封堵多个第一通孔和第二通孔。

在密封空腔内部因压电陶瓷驱动件驱动而产生压力变化时，单向阀片会向压力方向产生形变，形变后的单向阀片与入油固定件和出油固定件的端面产生空隙，流体经过缝隙穿过过油区进入密封空腔或者排出出油口；多个过油区的设置，可以增加流体穿过单向阀片的通道，减少流体穿过单向阀片的时间，减少压电泵的滞后性。

进一步地，入油区内设置有蓄能器，蓄能器包括缓冲柱，缓冲柱的材质为海绵，缓冲柱为中空柱状结构，缓冲柱的一端面与入油区侧壁固定连接，另一端面上覆盖有一层过滤网。蓄能器具有消除泄露补偿，吸收振动和减震平滑的作用，可以使得压电泵工作的时候噪音减小，运行稳定；过滤网的设置，防止流体中的杂质进入缓冲柱内，防止因杂质而导致缓冲柱的功能下降。

进一步地，为了防止压电泵在工作过程中，流体泄露，单向阀片与入油固定件之间设置有密封件，单向阀片与出油固定件之间设置有密封件，出油固定件的端面与入油固定件端面之间设置有密封件。密封件可以为丁氰材质的密封圈。

进一步地，为了使得液压组件的结构紧凑和微型化，入油固定件的直径和出油固定件的直径相同，优化液压组件的内部结构。

进一步地，为了限制单向阀片的形变量，避免因形变量过大而导致单向阀片塑性形变损坏，丧失单向导流的作用，两个单向阀片形变方向均设置有限位件，两个限位件均为圆环片状结构，限位件上设置有多个流通槽，限位件的端面上设置有多个限位凸起，限位件固定设置于上壳体内部，单向阀片形变后与限位凸起接触。

进一步地，为了将单向阀片与限位件固定以及限制单向阀片的形变方向，两个单向阀片上设置有多个导向孔，限位件上设置有多个与导向孔相匹配的导向柱，多个导向柱与多个导向孔间隙连接。

进一步地，下壳体尾端上设置有用于将压电陶瓷驱动件固定在下壳体内部的后盖；压电陶瓷驱动件包括带有导线呈圆柱状的驱动叠堆陶瓷，驱动叠堆陶瓷一端端面上设置有用于改变密封空腔内部压力的钢片，另一端与后盖内端面接触；导线穿过后盖位于下壳体外部。

本发明的有益效果为：在压电陶瓷驱动件接入高频正向正弦交流电压后，压电陶瓷驱动件可以改变密封空腔内的流体压力，单向阀片因为密封腔压力而产生形变实现将流体吸入或者排出密封空腔，单向阀片的形变频率与密封空腔压力改变频率相同进而形成共振，实现高频驱动；单向阀片的优化设置，可以增加流体穿过单向阀片的通道，减少流体穿过单向阀片的时间，减少压电泵的滞后性。

附图说明

图1为一种高能量密度压电泵的内部结构示意图。

图2为上壳体的内部结构示意图。

图3单向阀片与限位件的装配结构示意图。

图4单向阀片与限位件的装配剖视结构示意图。

图5为单向阀片的结构示意图。

其中，1、上壳体；2、下壳体；3、入油口；4、出油口；5、液压组件；501、单向阀片；5011、过油区；5012、通槽；5013、挡板；5014、导向孔；502、入油固定件；5021、环形槽；5022、第一通孔；5023、送液通道；503、出油固定件；5031、第二通孔；6、压电陶瓷驱动件；601、驱动叠堆陶瓷；602、钢片；603、导线；7、密封空腔；8、入油区；9、蓄能器；901、缓冲柱；902、过滤网；10、限位件；1001、流通槽；1002、限位凸起；1003、导向柱；11、后盖。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～3所示，本发明提供的一种高能量密度压电泵，其包括上壳体1和与上壳体1可拆卸连接的下壳体2；上壳体1的顶部设置有入油口3和出油口4，上壳体1内部为空腔结构，上壳体1内部设置有液压组件5；下壳体2内部为空腔结构，下壳体2内部设置有压电陶瓷驱动件6；下壳体2尾端上设置有用于将压电陶瓷驱动件6固定在下壳体2内部的后盖11；压电陶瓷驱动件6包括带有导线603呈圆柱状的驱动叠堆陶瓷601，驱动叠堆陶瓷601一端端面上设置有用于改变密封空腔7内部压力的钢片602，另一端与后盖11内端面接触；导线603穿过后盖11位于下壳体2外部。

液压组件5和压电陶瓷驱动件6之间形成密封空腔7；压电陶瓷驱动件6适于将电能转化为位移输出，调节密封空腔7内的压力，入油口3和出油口4分别与密封空腔7连通；液压组件5包括单向阀片501，单向阀片501分别设置于入油口3和出油口4与密封空腔7连通处；密封空腔7为负压，配合单向阀片501从入油口3吸入流体，密封空腔7为正压，配合单向阀片501将内部流体排出出油口4。在压电陶瓷驱动件6接入高频正向正弦交流电压后，压电陶瓷驱动件6可以改变密封空腔7内的流体压力，单向阀片501因为密封腔压力而产生形变实现将流体吸入或者排出密封空腔7，单向阀片501的形变频率与密封空腔7压力改变频率相同进而形成共振，实现高频驱动。

作为液压组件5进一步地的优选方式，液压组件5还包括入油固定件502和出油固定件503；入油固定件502呈圆柱结构，入油固定件502外壁上设置有环形槽5021，环形槽5021与上壳体1内壁接触形成入油区8，入油区8与入油口3连通，环形槽5021侧壁上设置有多个与入油区8连通的第一通孔5022，多个第一通孔5022与密封空腔7连通；入油固定件502内部设置有送液通道5023，送液通道5023与密封空腔7连通；出油固定件503呈圆柱结构，出油固定件503设置于入油固定件502一侧，出油固定件503的端面与入油固定件502端面紧密接触，出油固定件503上设置有多个第二通孔5031，出油口4通过多个第二通孔5031与出油口4连通；入油固定件502的直径和出油固定件503的直径相同，使得液压组件5的结构紧凑和微型化，可以优化液压组件5的内部结构。

入油区8内设置有蓄能器9，蓄能器9包括缓冲柱901，缓冲柱901的材质为海绵，缓冲柱901为中空柱状结构，缓冲柱901的一端面与入油区8侧壁固定连接，另一端面上覆盖有一层过滤网902。蓄能器9具有消除泄露补偿，、吸收振动和减震平滑的左右，可以使得压电泵工作的时候噪音减小，运行稳定；过滤网902的设置，防止流体中的杂质进入缓冲柱901内，防止因杂质而导致缓冲柱901的功能下降。

两个单向阀片501均为圆形片状结构，每个单向阀片501上设置有多个沿其圆心均匀环形阵列的过油区5011，每个过油区5011均包括多条通槽5012，多条通槽5012呈长条弯曲结构，多条通槽5012呈圆周环形布置，相邻两条通槽5012相互独立，多条通槽5012内部形成挡板5013；两个单向阀片501分别设置于多个第一通孔5022和第二通孔5031与密封空腔7的连接处，两个单向阀片501分别与入油固定件502和出油固定件503的端面接触，挡板5013用于封堵多个第一通孔5022和第二通孔5031。为了防止压电泵在工作过程中，流体泄露，单向阀片501与入油固定件502之间设置有密封件，单向阀片501与出油固定件503之间设置有密封件，出油固定件503的端面与入油固定件502端面之间设置有密封件。密封件可以为丁氰材质的密封圈。

在密封空腔7内部因压电陶瓷驱动件6驱动而产生压力变化时，单向阀片501会向压力方向产生形变，形变后的单向阀片501与入油固定件502和出油固定件503的端面产生空隙，流体经过缝隙穿过过油区5011进入密封空腔7或者排出出油口4；多个过油区5011的设置，可以增加流体穿过单向阀片501的通道，减少流体穿过单向阀片501的时间，减少压电泵的滞后性。

两个单向阀片501形变方向均设置有限位件10，两个限位件10均为圆环片状结构，限位件10上设置有多个流通槽1001，限位件10的端面上设置有多个限位凸起1002，限位件10固定设置于上壳体1内部，单向阀片501形变后与限位凸起1002接触，限制单向阀片501的形变量，避免因形变量过大而导致单向阀片501塑性形变损坏，丧失单向导流的作用；两个单向阀片501上设置有多个导向孔5014，限位件10上设置有多个与导向孔5014相匹配的导向柱1003，多个导向柱1003与多个导向孔5014间隙连接，可以将单向阀片501与限位件10固定以及限制单向阀片501的形变方向。

在压电泵吸入流体过程中，通过导线603对压电陶瓷驱动件6施加高频正弦正向电压，由于压电陶瓷材料的逆压电效应，陶瓷材料产生变形，变形通过钢片602传递到密封空腔7中，改变密封空腔7压强，当施加高频正弦正向电压幅值减小，压电陶瓷驱动件6回缩，密封空腔7的体积增大，密封空腔7内的压强减小，位于出油固定件503端面侧的单向阀片501会产生朝向受力方向的形变，也就是流体进入方向，单向阀片501产生形变后会与出油固定件503端面产生缝隙，流体沿第一通孔5022经过单向阀片501，因为单向阀片501上开设有多个过油区5011，多个过油区5011由多个通槽5012构成，流体经过单向阀片501时会从通槽5012内流出，流出的流体进入密封空腔7内，完成对流体的吸入工作；压电泵吸入流体过程中，位于出油固定件503端面的单向阀片501是受到密封空腔7吸力的，使得单向阀片501紧贴出油固定件503端面，空气不会经出油口4进入密封空腔7，保证密封空腔7负压正常。

在压电泵排出流体过程中，施加高频正弦正向电压幅值增大，压电陶瓷驱动件6伸出，密封空腔7的体积减小，密封空腔7内的压强增大，位于出油固定件503端面侧的单向阀片501会受到向出油固定件503端面方向的推力，但是因为出油固定件503端面对单向阀片501有支撑作用，单向阀片501不会变形，单向阀片501与出油固定件503端面紧密贴合，关闭入油口3和密封腔体之间的连接通道，流体不会从入油口3流出；位于出油固定件503端面侧的单向阀片501，会受到远离出油固定件503端面侧的推力，单向阀片501会朝远离入油固定件502端面的方向产生形变，也就是流体流出方向，形变的单向阀片501与固定件端面产生缝隙，密封空腔7内的经过缝隙流出出油口4，完成排出流体工作。因为高频正弦电压变化频率高，压电陶瓷驱动件6形变往复周期极短，所以压电泵在吸入流体和排出流体之间转换时间很短，实现了对流体的连续吸入和排出。