专利名称：可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵的制作方法
技术领域：
本发明属于精密机械中流体泵技术领域，特别涉及到新型的利用行波驱动的压电陶瓷泵的具体结构设计、制作方法和驱动方法。
背景技术：
在背景技术中，传统意义的压电泵多数采用压电陶瓷低阶模态的绕曲变形，导致泵腔体容积的变化，对腔体内的液体产生挤压作用而形成液体的流动。其工作原理决定了对压电泵有比较高的设计、装配和使用要求。如要求泵腔的密封性很高，避免腔体中有气泡，气泡的存在直接影响到压电泵的泵出效果，甚至很容易就导致压电泵无法正常工作。多数压电泵在工作之前，都需要有灌泵过程，即在真空环境下先将压电泵泵腔中充满液体，然后再加电工作。多数压电泵在出入口采用有单向阀结构，通过单向阀每秒钟几十次开启和关闭，控制流体不断从入口泵入和出口泵出。但是这种频繁往复动作的机械式单向阀响应速度慢，易造成磨损，且长时间使用流体中的悬浮物在泵腔中或单向阀中容易沉淀积累，尤其粘度较大的流体更容易造成死角堆积沉淀，导致泵的性能下降，可靠性降低。有些压电泵泵体材料采用导电金属，结构设计上还要考虑聚酯氟等高压绝缘材料进行隔离密封。目前，几乎所有的流体泵的驱动频率在几百Hz以下，特别是工作频率50Hz以下的泵比较常见。而且传统压电泵流量控制的手段比较单一，基本依靠调整压电陶瓷的输入电压来实现。
发明内容
为克服以上传统压电泵存在的诸多问题，本发明提出一种全新概念的压电陶瓷泵，该泵利用压电陶瓷在泵体腔中所激发出的行波波动，依靠声辐射力带动不同粘度的流体产生流动。可通过外加电激励的相位差来控制流体流动方向，流体流量和流速可通过所加电信号的电压、频率、相位差等多种方式进行调节。
本发明的特征在于，该行波驱动压电陶瓷泵含有(1)泵体，在该泵体外圆周上侧一方开有沿圆周分布的沟槽，该沟槽的横截面呈矩形；(2)泵盖，该泵盖连接在所述泵体的上端面上，对所述沟槽形成密封；(3)进流口和出流口，固接在所述泵盖上，分别与所述沟槽相通；在该进流口和出流口之间周长较短的一段沟槽上设有一个用以形成单一方向流体流动的挡流块；(4)压电陶瓷环片，该环片的正间分割成2n+1个电极区，n为所述压电陶瓷泵沿泵体圆周方向上的波节数，使得在所述沟槽中沿圆周方向形成n个波长为λ的超声波振动，所述每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反；所述环片的反面分割成三块电极区，其中第一个电极区与该环片正面的波长为λ/4的一个电极区在同一空间位置上，而其他两块电极区相对于所述第一个电极区呈对称分布；所述环片的正面与所述泵体的下端面用导电胶粘接；在工作情况下，所述压电陶瓷环片的正面或者泵体接电源的地线，而该环片反面上两个对称分布的电极区依次分别接正弦和余弦信号，该环片反面上的第一个电极区接反馈信号线实现该压电陶瓷泵对工作频率的自动跟踪；当该环片上对称分开的两个电极区依次分别接电源的两路余弦信号和正弦信号时则行波方向相反，使流体反向流动，所述电源的频率采用压电陶瓷泵的固有谐振频率，或者在固有谐振频率±1KHz范围内调整。
本发明的特征在于，该行波驱动压电陶瓷泵含有(1)泵体，在该泵体的外圆周上至少开有一条沿圆周分布的沟槽，该沟槽的横截面呈矩形；(2)泵盖，至少有一个，该泵盖连接在所述泵体的上端面上，称为上泵盖，对所述沟槽形成密封；(3)进流口和出流口，固接在所述泵盖上，分别与所述沟槽相通，在所述进流口与出流口之间周长较短的一段沟槽上设有一个用以形成单一方向流体流动的挡流块；(4)压电陶瓷环片，共有两片，所述环片分别位于所述泵体的上、下两个内侧面上，该两个环片的正面分别与所述泵体的上、下两个内侧面用导电胶粘接；所述每一个压电陶瓷片的正面均采用均匀等分的电极区，电极区的分割数量为n，n＝2，3，4，5，…，n为所述压电陶瓷泵沿泵体圆周方向上的波节数，使得在所述沟槽中沿泵体圆周方向形成n个波长为λ的超声波振动；所述压电陶瓷环片的反面是一个不分割且统一的电极区；所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反；所述上、下两个压电陶瓷环片彼此之间在圆周方向空间位置上相差λ/4，所述λ为两个电极区的圆周长，也是每个超声波的振动波长；在工作时所述上、下两个压电陶瓷环片的正面或者泵体接电源的地，而所述两个压电陶瓷环片的反面分别接电源的两路正弦信号和余弦信号；当所述两路正弦信号和余弦信号对调后再与所述两个压电陶瓷环片反面连接时则所述压电陶瓷泵内的流体换向流动，所述电源的频率采用压电陶瓷泵的固有谐振频率，或者在固有谐振频率±1KHz范围内调整。
同传统压电泵比较，行波驱动的压电流体泵具有非常显著的优点。
1、目前，唯一可实行双向流体驱动的流体泵，具有非常好的产业前景。
2、流体的传输是通过行波驱动的，而非传统压电泵中变化泵腔容积所产生的，空穴化对流体泵特性的影响不大，对泵腔密封性要求不高。
3、传统压电泵使用前多数需要灌泵才能动作，行波泵不需要灌泵，对具体的启泵条件要求不高。
4、流体的流动宏观上可采用连续电激励导致连续流动的工作方式，也可以采用间歇电激励导致流体间歇流动或一股一股脉动流动的方式。压电泵流量可在几十微升/分钟到几百毫升/分钟之间调节。
5、操作方便，流体的传输方向可通过驱动电源两路交流信号的相位差来控制，相位差90度或-90度，可分别导致流体正反向运动，即sin和cos两路信号对调就可以产生流体的换向流动。流体的流量可以通过电源两路驱动信号的频率、电压幅值、相位来实时调节。
6、传统泵多采用单向阀来控制流体流动方向，而行波泵方向控制通过电路供电相移来调节，省去了进出口处的单向阀结构，减少了机械磨损，增大了器件的可靠性。
7、行波泵在多个振动模式和驱动频率下都有泵流效果，即压电泵在多个高阶谐振频率下均可以泵出流体。通常，泵的工作频率大于1kHz。当泵的外形尺寸小于100mm时，其工作频率一般大于20kHz。可见，根据实际需要压电泵的柔性设计能力比较强。
8、泵的腔体部分与电源共地，泵体无需采用绝缘层高压绝缘，工作安全可靠，效果好。
9、实验中发现，泵腔中部分大尺寸的悬浮物的移动方向与流体流动方向相反，泵腔在行波激励下，对大尺寸悬浮颗粒有反向过滤作用，这主要与行波表面微观作用机理有关系。
10、由于流体流动依靠的是行波的波动引起的，因此，腔体的尺寸、形状和位置从设计的角度非常灵活，根据具体应用采用灵活的结构设计方式。
该行波压电泵可用于生物实验研究，精细化工，医疗给药，能源系统中需要精确控制的微量流体供给，满足诸多场合中对微量液体输送的要求。
图1为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例一的总体结构装配图。
图2为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例一的立体分解图。
图3为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例一的泵体结构图。
图4为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例一的压电陶瓷环片示意图。
图5为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例一的工作原理图。
图6为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例一的泵体照片。
图7为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例二的总体结构装配图。
图8为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例二的泵盖结构图。
图9为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例三的总体结构装配图。
图10为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例三的泵体结构图。
图11为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例四的总体结构装配图。
图12为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例四的压电陶瓷环片示意图。
图13为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例四的压电陶瓷环片表面电极丝网印刷图。
图14为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例四的泵体结构图。
图15为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例五的总体结构装配图。
图16为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例五的泵体结构图。
图17为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例六的总体结构装配图。
图18为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例六的泵体结构图。
图19为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例七的总体结构装配图。
图20为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例八的总体结构装配图。
图21为本发明行波驱动压电陶瓷泵实施例八的泵体结构图。
图22为本发明行波驱动压电陶瓷泵各实施例的固定方式示意图。
具体实施例方式
本发明提出的行波驱动流体压电泵典型结构之一，是由带有进流口和出流口的泵盖连接泵体，其泵体底端粘有压电陶瓷环片，在泵体的沟槽中设置有挡流块。其特征是在泵体外圆周上侧一方开有圆周分布的沟槽，沟槽横截面呈矩形，在泵体外圆周下侧一方粘有压电陶瓷环片。压电陶瓷环片是单层片，压电陶瓷环片的正面可以分割成2n+1个电极区，n为压电泵沿圆周方向上的波节数，n＝1，2，3...。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片的反面始终分割成三块电极区。
本发明提出的行波驱动流体压电泵典型结构之二，是由带有进流口的上泵盖和出流口的下泵盖连接泵体，其泵体上下面各粘有一片压电陶瓷环片，在沟槽中设置有挡流块。其特征是在泵体外圆周上下侧开有对称圆周分布的沟槽，沟槽横截面呈矩形，在上下沟槽之间开有多个均匀分布的通孔，将上下沟槽连通，在泵体上下侧各粘有一层压电陶瓷环片，且压电陶瓷片分布在沟槽的内侧。所述的压电陶瓷环片是单层片，且其正面采用均匀等分的电极面，电极面的分割数量2n，n＝2，3，4，5...，反面采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片13的厚度方向，且方向交替相反。上下两片压电陶瓷环片彼此之间在圆周方向空间位置相差λ/4，其中λ为两个电极区圆周长。
本发明压电泵的驱动电源的驱动波形为交流正弦波形、或者方波波形，驱动波的频率采用压电泵的固有谐振频率，也可以在谐振频率附近±1kHz范围内调整。压电泵可在其固有振动模式(2，0)、(3，0)、(4，0)...(n，0)，波节数n≥2下工作，且工作谐振频率＞1kHz。当泵的外形尺寸小于100mm时，其工作频率一般选用大于20kHz的情况。
所述压电泵的通常直径尺寸范围可在5mm-100mm之间，压电陶瓷片的厚度尺寸常用范围为50μm-1.2mm之间。
本发明提出的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵结合实施例及附图详细说明如下。
实施例一本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例一，如图1-6所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口14和出流口15的泵盖11连接泵体12，其泵体12底端粘有压电陶瓷环片13，在沟槽121中设置有挡流块16。其特征是在泵体12外圆周上侧一方开有圆周分布的沟槽121，沟槽横截面呈矩形，矩形的三端面依靠泵体12，上端面依靠泵盖11进行密封。在泵体12外圆周下侧一方粘有压电陶瓷环片13。所述的进流口14和出流口15用胶粘接固定在泵盖11的同一侧，且进流口14和出流口15可根据应用要求在任意圆周位置设置。挡流块16采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块16卡在沟槽121中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。泵盖11采用带边缘突台呈“凹”形的结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料，与泵体12用环氧胶或者AB胶粘接。泵体12采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。
所述的压电陶瓷环片13是单层片，压电陶瓷环片13的正面可以分割成2n+1个电极区，n为压电泵沿圆周方向上的波节数，n＝1，2，3...。本实施例n＝5，即在压电泵沟槽121中沿圆周方向可形成5个波长λ的超声波振动，其中电极区41、42、44、45分别占一个波长λ，电极区45占λ/4，电极区46占λ3/4。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片13的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片13的反面始终分割成三块电极区，电极区49与压电陶瓷环片13正面的电极区45在同一空间位置上，其它两块电极区47和48相对于电极区49呈对称分布。
所述的压电陶瓷环片13的正面与泵体12的下端面用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶粘接，工作时压电陶瓷环片13的正面或者泵体12接电源地，压电陶瓷环片13的反面对称分布的电极区47和电极区48分别接电源的两路sin和cos信号，电极区49接反馈信号线实现压电泵对工作频率的自动跟踪。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例二本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例二，如图7-8所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口74和出流口75的泵盖71连接泵体72，其泵体72底端粘有压电陶瓷环片73，在沟槽721中设置有挡流块76。其特征是在泵体72外圆周上侧一方开有圆周分布的沟槽721，沟槽横截面呈矩形，矩形的三端面依靠泵体72，上端面依靠泵盖71进行密封。在泵体72外圆周下侧一方粘有压电陶瓷环片73。所述的进流口74和出流口75用胶粘接固定在泵盖71的同一侧，且进流口74和出流口75可根据应用要求在任意圆周位置设置。挡流块76采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块76卡在沟槽721中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。泵盖71采用图8所示的圆环状扁平结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料，与泵体72用环氧胶或者AB胶粘接。泵体72采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。
所述的压电陶瓷环片73是单层片，压电陶瓷环片73的正面可以分割成2n+1个电极区，n为压电泵沿圆周方向上的波节数，n＝1，2，3...。本实施例压电陶瓷环片73正反面具体的电极分割方法，极化方式，与泵体72的粘接方式和加电方式同实施例一中介绍相同。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例三本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例三，如图9-10所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口94和出流口95的泵盖91连接泵体92，其泵体92底端粘有压电陶瓷环片93，在沟槽921中设置有挡流块96。其特征是在泵体92外圆周上侧一方开有圆周分布的沟槽921，沟槽横截面呈矩形，矩形的两个端面依靠泵体92，另外两个端面依靠泵盖91进行密封。在泵体92外圆周下侧一方粘有压电陶瓷环片93。所述的进流口94和出流口95用胶粘接固定在泵盖91的同一侧，且进流口94和出流口95可根据应用要求在任意圆周位置设置。挡流块96采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块96卡在沟槽921中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。泵盖91采用带边缘突台呈“凹”形的结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料，与泵体92用环氧胶或者AB胶粘接。泵体92采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。
所述的压电陶瓷环片93是单层片，压电陶瓷环片93的正面可以分割成2n+1个电极区，n为压电泵沿圆周方向上的波节数，n＝1，2，3...。本实施例压电陶瓷环片93正反面具体的电极分割方法，极化方式，与泵体92的粘接方式和加电方式同实施例一中介绍相同。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例四本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例四，如图11-14所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口114和出流口115的泵盖111连接泵体116，在泵体116内侧台阶上下侧各粘接有一片压电陶瓷环片112和113，在泵体116的外侧开有沟槽1161，沟槽1161中设置有挡流块117。其特征是在泵体116外圆周上侧靠泵盖111一方开有圆周分布的沟槽1161，沟槽横截面呈矩形，矩形槽依靠泵盖111进行密封。所述的进流口114和出流口115用胶粘接固定在泵盖111的同一侧，且进流口114和出流口115可根据应用要求在任意圆周位置设置。所述的挡流块117采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块117卡在沟槽1161中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。所述的泵盖111采用扁平圆环结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料制成，与泵体116用环氧胶或者AB胶粘接。所述的泵体116采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。
所述的压电陶瓷环片112和113是单层片，且其正面1121和1131采用均匀等分的电极面，电极面的分割数量2n，n＝2，3，4，5...，反面1122和1132采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片112和113的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片112与113彼此之间圆周方向空间位置相差λ/4，其中λ为两个电极区圆周长。
所述的压电陶瓷环片112和113的正面1121和1131分别与泵体116用环氧胶粘接，而反面1122和1132的电极暴露在外面，与压电泵的驱动电源的输入引线相连，且反面1122和1132的电极分别连接电源的sin和cos信号。泵体116接电源地。
所述的压电陶瓷环片112和113的表面电极丝网印刷图见图13，为防止电极印刷后的往外边沿的扩展和流动，一般丝网图的尺寸与陶瓷片的尺寸略有不同。丝网图中外直径尺寸比图12陶瓷片外直径尺寸略小，一般两者的差值控制在0.2-0.5mm，本实施例取0.5mm。丝网图中内直径尺寸比图12陶瓷片内直径尺寸略大，一般两者的差值控制在0.2-0.5mm，本实施例取0.5mm。丝网图中电极区之间的间隔尺寸比图12陶瓷片电极区之间的间隔尺寸要略大，一般两者的差值控制在0.2-0.5mm，本实施例取0.2mm。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例五本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例五，如图15-16所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口155和出流口156的上泵盖151连接泵体157，在泵体157内侧台阶上下侧各粘接有一片压电陶瓷环片152和154，在泵体157的外圆周上下侧各开有一条圆形沟槽1571和1572，沟槽1571和1572中设置有挡流块158。其特征是沟槽1571和1572横截面呈矩形，沟槽依靠上泵盖151和下泵盖153进行密封。所述的进流口155和出流口156用胶粘接固定在上泵盖151的同一侧，或者下泵盖153的同侧，或者分别在上泵盖151和下泵盖153上，且进流口155和出流口156可根据应用要求在任意圆周位置设置。所述的挡流块158采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块158卡在沟槽1571和1572中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。所述的上泵盖151和下泵盖153采用扁平圆环结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料制成，与泵体157用环氧胶或者AB胶粘接。所述的泵体157采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。所述的沟槽1571和1572中的流体通过泵体157上的两个通孔1573和1574连通，且压电泵装配后两个通孔1573和1574连通分别与进流口155和出流口156在同一圆周位置。
所述的压电陶瓷环片152和154是单层片，且其正面采用均匀等分的电极面，电极面的分割数量2n，n＝2，3，4，5...，反面采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片152与154彼此之间圆周方向空间位置相差λ/4，其中λ为两个电极区圆周长。具体的结构与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片152和154的正面分别与泵体157用环氧胶粘接，而反面电极暴露在外面，与压电泵的驱动电源的输入引线相连，且反面电极分别连接电源的sin和cos信号，泵体157接电源地。具体内容与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片152和154的表面电极丝网印刷图与实施例四所述内容相同。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例六本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例六，如图17-18所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口175和出流口176的上泵盖171连接泵体177，在泵体177内侧台阶上下侧各粘接有一片压电陶瓷环片172和174，在泵体177的外圆周上下侧各开有一条圆形沟槽1771和1772，沟槽1771和1772中设置有挡流块178。其特征是沟槽1771和1772横截面呈矩形，沟槽1771和1772依靠上泵盖171和下泵盖173进行密封。所述的进流口175和出流口176用胶粘接固定在上泵盖171的同一侧，或者下泵盖173的同侧，或者分别固定在上泵盖171和下泵盖173上，且进流口175和出流口176可根据应用要求在任意圆周位置设置。所述的挡流块178采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块178卡在沟槽1771和1772中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。所述的上泵盖171采用扁平圆环结构，下泵盖173采用外边缘有台阶的“凹”形结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料制成，上泵盖171和下泵盖173分别与泵体177用环氧胶或者AB胶上下粘接粘接。所述的泵体177采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。所述的沟槽1771和1772中的流体通过泵体177上的两个通孔1773和1774连通，且压电泵装配后两个通孔1773和1774连通分别与进流口175和出流口176在同一圆周位置。
所述的压电陶瓷环片172和174是单层片，且其正面采用均匀等分的电极面，电极面的分割数量2n，n＝2，3，4，5...，反面采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片172与174彼此之间圆周方向空间位置相差λ/4，其中λ为两个电极区圆周长。具体的结构与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片172和174的正面分别与泵体177用环氧胶粘接，而反面电极暴露在外面，与压电泵的驱动电源的输入引线相连，且反面电极分别连接电源的sin和cos信号，泵体177接电源地。具体内容与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片172和174的表面电极丝网印刷图与实施例四所述内容相同。所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例七本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例七，如图19所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口195和出流口196的上泵盖191连接泵体197，在泵体197内侧台阶上下侧各粘接有一片压电陶瓷环片192和194，在泵体197的外圆周上下侧各开有一条圆形沟槽1971和1972，沟槽1971和1972中设置有挡流块198。其特征是沟槽1971和1972横截面呈矩形，沟槽1971和1972依靠上泵盖191和下泵盖193进行密封。所述的进流口195和出流口196用胶粘接固定在上泵盖191的同一侧，或者下泵盖193的同侧，或者分别固定在上泵盖191和下泵盖193上，且进流口195和出流口196可根据应用要求在任意圆周位置设置。所述的挡流块198采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块198卡在沟槽1971和1972中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。所述的上泵盖191采用扁平圆环结构，下泵盖193采用外边缘有台阶的“凹”形结构且与泵体197之间留有间隙让上下沟槽1971和1972中的流体导通，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料制成，上泵盖191和下泵盖193分别与泵体197用环氧胶或者AB胶上下粘接粘接。所述的泵体197采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。所述的沟槽1971和1972中的流体通过泵体197上的两个通孔1973和1974连通，且压电泵装配后两个通孔1973和1974连通分别与进流口195和出流口196在同一圆周位置。
所述的压电陶瓷环片192和194是单层片，且其正面采用均匀等分的电极面，电极面的分割数量2n，n＝2，3，4，5...，反面采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片192与194彼此之间圆周方向空间位置相差λ/4，其中λ为两个电极区圆周长。具体的结构与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片192和194的正面分别与泵体197用环氧胶粘接，而反面电极暴露在外面，与压电泵的驱动电源的输入引线相连，且反面电极分别连接电源的sin和cos信号，泵体197接电源地。具体内容与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片192和194的表面电极丝网印刷图与实施例四所述内容相同。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
实施例八本发明设计出了行波驱动压电陶瓷泵的实施例八，如图20-21所示。在本实施例中行波驱动流体压电泵，由带有进流口205的上泵盖201和出流口206的下泵盖203连接泵体207，在泵体207内侧台阶上下侧各粘接有一片压电陶瓷环片202和204，在泵体207的外圆周上下侧各开有一条圆形沟槽2072和2073，沟槽2072和2073中设置有挡流块208。其特征是沟槽2072和2073横截面呈矩形，沟槽2072和2073依靠上泵盖201和下泵盖203进行密封。所述的进流口205和出流口206用胶粘接固定在上泵盖201的同一侧，或者下泵盖203的同侧，或者象本实施例分别固定在上泵盖201和下泵盖203上，且进流口205和出流口206可根据应用要求在任意圆周位置设置。所述的挡流块208采用橡胶、尼龙或工程塑料等柔性材料制成，挡流块208卡在沟槽2072和2073中起到流体阻流作用，避免流体循环流动，形成单一方向流体流动。所述的上泵盖201和下泵盖203采用圆环扁平结构，采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料制成，上泵盖201和下泵盖203分别与泵体207用环氧胶或者AB胶上下粘接粘接。所述的泵体207采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料，且泵体厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。所述的沟槽2072和2073中的流体通过泵体207上的若干均布的通孔2071连通，且压电泵装配后其中的两个通孔与进流口205和出流口206在同一圆周位置。
所述的压电陶瓷环片202和204是单层片，且其正面采用均匀等分的电极面，电极面的分割数量2n，n＝2，3，4，5...，反面采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反。压电陶瓷环片202与204彼此之间圆周方向空间位置相差λ/4，其中λ为两个电极区圆周长。具体的结构与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片202和204的正面分别与泵体207用环氧胶粘接，而反面电极暴露在外面，与压电泵的驱动电源的输入引线相连，且反面电极分别连接电源的sin和cos信号，泵体207接电源地。具体内容与实施例四所述内容相同。
所述的压电陶瓷环片202和204的表面电极丝网印刷图与实施例四所述内容相同。
所述的固定方式如图22采用中间集中开有若干通孔221，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者采用中间孔的内边缘开有若干通孔222，通过螺钉或螺栓把紧的方式。或者利用中间孔223，通过螺纹杆和螺母加以固定的方式。
权利要求
1.可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于，该行波驱动压电陶瓷泵含有(1)泵体，在该泵体外圆周上侧一方开有沿圆周分布的沟槽，该沟槽的横截面呈矩形；(2)泵盖，该泵盖连接在所述泵体的上端面上，对所述沟槽形成密封；(3)进流口和出流口，固接在所述泵盖上，分别与所述沟槽相通；在该进流口和出流口之间周长较短的一段沟槽上设有一个用以形成单一方向流体流动的挡流块；(4)压电陶瓷环片，该环片的正间分割成2n+1个电极区，n为所述压电陶瓷泵沿泵体圆周方向上的波节数，使得在所述沟槽中沿圆周方向形成n个波长为λ的超声波振动，所述每个电极区的极化方向沿压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反；所述环片的反面分割成三块电极区，其中第一个电极区与该环片正面的波长为λ/4的一个电极区在同一空间位置上，而其他两块电极区相对于所述第一个电极区呈对称分布；所述环片的正面与所述泵体的下端面用导电胶粘接；在工作情况下，所述压电陶瓷环片的正面或者泵体接电源的地线，而该环片反面上两个对称分布的电极区依次分别接正弦和余弦信号，该环片反面上的第一个电极区接反馈信号线实现该压电陶瓷泵对工作频率的自动跟踪；当该环片上对称分开的两个电极区依次分别接电源的两路余弦信号和正弦信号时则行波方向相反，使流体反向流动，所述电源的频率采用压电陶瓷泵的固有谐振频率，或者在固有谐振频率±1KHz范围内调整。
2.可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于，该行波驱动压电陶瓷泵含有(1)泵体，在该泵体的外圆周上至少开有一条沿圆周分布的沟槽，该沟槽的横截面呈矩形；(2)泵盖，至少有一个，该泵盖连接在所述泵体的上端面上，称为上泵盖，对所述沟槽形成密封；(3)进流口和出流口，固接在所述泵盖上，分别与所述沟槽相通，在所述进流口与出流口之间周长较短的一段沟槽上设有一个用以形成单一方向流体流动的挡流块；(4)压电陶瓷环片，共有两片，所述环片分别位于所述泵体的上、下两个内侧面上，该两个环片的正面分别与所述泵体的上、下两个内侧面用导电胶粘接；所述每一个压电陶瓷片的正面均采用均匀等分的电极区，电极区的分割数量为n，n＝2，3，4，5，…，n为所述压电陶瓷泵沿泵体圆周方向上的波节数，使得在所述沟槽中沿泵体圆周方向形成n个波长为λ的超声波振动；所述压电陶瓷环片的反面是一个不分割且统一的电极区；所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷环片的厚度方向，且方向交替相反；所述上、下两个压电陶瓷环片彼此之间在圆周方向空间位置上相差λ/4，所述λ为两个电极区的圆周长，也是每个超声波的振动波长；在工作时所述上、下两个压电陶瓷环片的正面或者泵体接电源的地，而所述两个压电陶瓷环片的反面分别接电源的两路正弦信号和余弦信号；当所述两路正弦信号和余弦信号对调后再与所述两个压电陶瓷环片反面连接时则所述压电陶瓷泵内的流体换向流动，所述电源的频率采用压电陶瓷泵的固有谐振频率，或者在固有谐振频率±1KHz范围内调整。
3.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述压电陶瓷泵在其周有振动模式(2，0)、(3，0)、(4，0)、...(n，0)，波节数n≥2下工作，且工作谐振频率＞1KHz。
4.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述电源为方波波形。
5.根据权利要求2所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述压电陶瓷泵泵体的上、下侧各开有一个横截面为矩形的沟槽，在该进流口和出流口之间周长较短的一段沟槽上分别设有一个用以形成单一方向流体流动的挡流块，所述的进流口和出流口都和所述的上、下两条沟槽相连通，而上、下两条沟槽之间也通过开在泵体上的多个通孔相连通，而且下侧的沟槽通过一个下泵盖密封。
6.根据权利要求5所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述的进流口和出流口都开在所述上泵盖的一侧。
7.根据权利要求5所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述的进流口开在上泵盖上，而出流口开在下泵盖上，且进流口和出流口都位于泵体的一侧。
8.根据权利要求5所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述上泵盖边缘有一个向下的凸台，而下泵盖边缘也有一个向上的凸台，所述上、下两个凸台从外侧对所述开在泵体上、下侧的两条沟槽形成密封。
9.根据权利要求5所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述上泵盖边缘有一个向下的凸台，而下泵盖边缘也有一个向上的凸台，且两个凸台相互连接，在两个凸台和所述泵体的外周间有一个间隙，使得对开在泵体上、下侧的两条沟槽外侧被密封，同时，也连通了所述两条沟槽。
10.根据权利要求1所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述上泵盖边缘一个向下的凸台，对所述沟槽以外侧进行密封。
11.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵，其特征在于所述泵体和泵盖的固定方式采用中间集中开有若干通孔，用螺钉或螺栓紧住的方式。
12.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述泵体和泵盖的固定方式采用中间孔的内边缘开有若干通孔，用螺钉和螺栓紧住的方式。
13.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述泵体和泵盖的固定方式采用中间孔，再通过螺钉或螺栓紧住的方式。
14.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述的压电陶瓷环片是单层片。
15.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述泵体采用铜、铜合金、铝、铝合金、不锈钢中的任何一种材料。
16.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述泵体的厚度尺寸沿半径方向呈阶梯变化。
17.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述泵盖采用玻璃钢、尼龙、工程塑料中的任何一种。
18.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反向流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述挡流块采用橡胶、尼龙、塑料中任何一种制成。
19.根据权利要求1或2中任何一项权利要求所述的可实现正反转流体流动的行波驱动压电陶瓷泵其特征在于所述电激励采用连续或间隙的方式，使流体连续流动或间歇流动，导致所述压电陶瓷泵流量在几十微升/分钟到几百毫升/分钟间调节。
全文摘要
本发明涉及精密机械中流体泵技术领域，其特征在于，它含有泵体，圆周边缘上下两侧开有沟槽，沟槽间开有多个通孔；上、下泵盖，把沟槽密封形成流体的流动通道；上、下环状压电陶瓷环片，正面分别粘接在泵体上、下两侧，且上、下二片沿圆周方向空间相差1/4个圆周波长，工作时在上、下沟槽形成所需的行波波动；进流口和出流口，分别放在压电陶瓷泵同侧或异侧，两者之间有档块卡在沟槽中保证流体从进流口流入，从出流口流出。流体的流向通过外加两路电激励±90度相位差来控制，流量、流速、背压则通过所加信号的幅度、频率、相位等来调节。它具有密封要求低、可靠性高、止流特性好、操作简便的优点，且工作频在10KHz以上。
文档编号F04B17/00GK1710280SQ20051001219
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月15日 优先权日2005年7月15日
发明者褚祥诚, 袁松梅, 李龙土 申请人:清华大学, 北京航空航天大学