一种混联腔体驱动的微型压电气体压缩机的制作方法

本发明属于微型气体压缩机技术领域，具体涉及一种混联腔体驱动的微型压电气体压缩机。

背景技术：

由于微型压缩机体积小、结构紧凑以及高的控制精度等优势，目前已广泛应用于电子冷却、化学合成、气体输送以及航空航天等领域。中国专利cn105321404a提出了一种电磁式压缩机，主要包括固定壳体、进气管、出气管、气缸、活塞、传动架、衔铁铁芯和电磁线圈，该电磁式压缩机控制容易，电磁力大；中国专利cn207048923u提出一种单驱动式天然气用微型循环压缩机，采用立式结构进行压缩机结构设计，通过电机驱动，占地面积小，便于维护和搬运。但电机驱动的微型气体压缩机结构复杂、体积大、功耗高且存在电磁干扰，不便用于系统的集成化和微型化。人们又相继提出了气动式和静电驱动式气体压缩机。其中，气动式需要单独气源进行驱动，无法用于便携式或者独立仪器设备；静电驱动式因膜片驱动力小且需要高电压驱动，很难输出高压力气体。

微型压电气体压缩机结构简单、功耗低、能量密度高、无电磁干扰且易于控制，是构造微型气体压缩机的有效方法。然而现有微型压电气体压缩机多为单腔体结构，导致压缩机的压升能力不足，只能达到对流体进行泵送的压力水平，且由于气体的易压缩性和单个压电振子自身驱动能力的限制，其能量密度不高，从而限制了微型压电气体压缩机的实际应用。

技术实现要素：

针对现有微型压电气体压缩机的不足，本发明提出一种混联腔体驱动的微型压电气体压缩机(以下简称为微型压电气体压缩机)，采用以下技术方案：整体由套筒、上盖、上板、下板、下盖、第一驱动组块、第二驱动组块、第三驱动组块、密封圈、冷却套组成；所述上盖、上板、下板和下盖从上至下依次连接；所述上盖与上板之间安装有第一驱动组块；所述第一驱动组块包含三个气体压缩单元，三个气体压缩单元在上盖和上板之间均匀分布，气体压缩单元均由第一压电振子、第一单向阀、上腔以及密封圈构成；所述上板朝向三组第一压电振子方向均设置有上腔，三组第一压电振子驱动可实现其对应三组上腔的容积变化，以此实现腔体内的气体驱动；所述上板与下板之间安装有第二驱动组块；所述第二驱动组块包含两个气体压缩单元，两个气体压缩单元在上板与下板之间均匀分布，气体压缩单元均由第二压电振子、中腔、第二单向阀以及密封圈构成；所述下板朝向两组第二压电振子方向均设置有中腔，两组第二压电振子的变形可实现其对应两组中腔的容积变化，以此实现腔体内的气体驱动；所述下板与下盖之间安装有第三驱动组块；所述第三驱动组块包含一个气体压缩单元，气体压缩单元由第三压电振子、下腔、第三单向阀以及密封圈构成；所述下盖朝向第三压电振子方向设置有下腔，第三压电振子的变形可实现其对应下腔的容积变化，以此实现腔体内的气体驱动；需要说明的是，所述第一驱动组块、第二驱动组块、第三驱动组块所包含的气体压缩单元结构完全一致；所述上盖开设有气体入口，上盖与上板内部开设有第一气流通道；所述第一气流通道一端连通气体入口，另一端与三组上腔连接；所述第一气流通道与三组上腔之间均设置有第一单向阀，第一单向阀实现气体入口到上腔的气体单向流动；所述上板与下板内部开设有第二气流通道；所述第二气流通道一端连通三组上腔，另一端与两组中腔连接；所述第二通道与两组中腔之间均设置有第二单向阀，第二单向阀实现上腔到中腔的气体单向流动；所述下板与下盖内部开设有第三气流通道；所述第三气流通道一端连通两组中腔，另一端连接下腔；所述第三通道与下腔之间设置有第三单向阀，第三单向阀实现中腔到下腔的气体单向流动；所述下盖内部开设有气体出口；所述气体出口与下腔之间设置有出口阀，出口阀实现下腔到气体出口的气体单向流动；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由金属基板和压电陶瓷片同心粘接而成；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子朝向腔体一侧均配合安装有密封圈，以此保证相对应腔体的密封性；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的个数依次减少，所对应上腔、中腔、下腔的个数也随之依次减少，即气体压缩单元数量沿气体流动方向依次减少，可实现压缩机的逐级累积压缩；这里需要说明的是，所谓混联腔体驱动是指第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的个数从上到下阶梯式排布，构成上腔、中腔、下腔个数逐级递减的串联腔体，同时第一驱动组块、第二驱动组块、第三驱动组块所包含的各独立气体压缩单元又分别构成一组并联腔体；为使微型压电气体压缩机工作时能有效散热，微型压电气体压缩机的外侧设置有冷却套，所述冷却套套设在上盖、上板、下板和下盖连接体外围，并与上盖、上板、下板和下盖连接体外围表面充分接触，接触面涂有导热胶；需要说明的是，上盖、上板、下板和下盖连接体，既是四者连接后形成的整体；所述冷却套外表面设置有冷却管道；所述冷却管道为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道是为了冷却液能在冷却套内滞留更长时间，强化散热效果；所述冷却套外围连接有套筒，套筒上设置有冷却液入口和冷却液出口；微型压电气体压缩机工作时，冷却液从冷却液入口流入，经过冷却管道从冷却液出口流出从而带走热量，达到散热效果。

由于压电陶瓷自身材料特性(脆性)的限制，单个压电振子直径不能过大(变形大)，以此避免压电晶片的破裂，所以入口腔体的容积变化量将受限(即输出流量受限)，微型压电气体压缩机通过气体压缩单元的并联数量扩展获得入口腔大的容积变化量，突破单个晶片型压电振子直径不能过大的限制，可实现大的流量输出。同时微型压电气体压缩机在上腔、中腔、下腔内对气体分别进行第一级压缩、第二级压缩、第三级气体累积压缩。压电振子高频率振动驱动过程中，单向阀会存在一定的气体反向泄露，通过前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体累积压缩(前一级腔体多供入的气体可以弥补单向阀的气体反向泄露)，可有效累积各级腔体气体压缩量，获得大压力，使微型压电气体压缩机具有较大的能量密度。

本实施例理想的工作过程可分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态。

初始状态：不施加交变电压，所有压电振子均不变形。

第一工作状态：给第一驱动组块内的三个第一压电振子和第三驱动组块内的第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第二驱动组块内的两个第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压；第一驱动组块内的三个第一压电振子和第三驱动组块内的第三压电振子均向上振动，第二驱动组块内的两个第二压电振子均向下振动，所有上腔体积均增大腔内压力均减小，所有中腔体积均减小腔内压力均增大，下腔体积增大压力减小，促使所有第一单向阀和第三单向阀打开，气体依次通过气体入口和第一气流通道进入上腔；中腔内的气体被压入下腔。

第二工作状态：给第一驱动组块内的三个第一压电振子和第三驱动组块内的第三压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第二驱动组块内的两个第二压电振子施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压；第一驱动组块内的三个第一压电振子和第三驱动组块内的第三压电振子均向下振动，第二驱动组块内的两个第二压电振子均向上振动，所有上腔体积均减小腔内压力均增大，所有中腔体积均增大腔内压力均减小，下腔体积减小压力增大，促使所有第二单向阀和出口阀打开，上腔内的气体被压入中腔；下腔通过气体出口将高压气体排出。

微型压电气体压缩机在上腔、中腔、下腔内对气体分别进行第一级压缩、第二级压缩、第三级气体累积压缩，通过前一级腔体供入大体积气体以充足供应下一级腔体有效增压，弥补单向阀的反向泄露，多级累积压缩即可获得优良的气体增压效果；在交变电压持续驱动下，第一、第二工作状态反复转变，可输出连续的大流量/高压力气体。

本发明的特色及优势在于：1、通过气体压缩单元的并联数量扩展获得入口腔大的容积变化量，突破单个压电振子直径不能过大的限制，可实现大的流量输出；2、前一级驱动组块的腔体吸入大量气体以充足供应下一级驱动组块的腔体压缩，弥补单向阀的反向泄露，可有效累积各级腔体气体压缩量，能量密度大，能量转换效率高，可实现高压力气体输出；3、整体由压电振子、单向阀以及盖板组成，结构简单，易于集成。

附图说明：

图1是本发明一个较佳实施例中初始状态的结构剖面图；

图2是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的结构剖面图；

图3是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的结构剖面图；

图4是本发明一个较佳实施例中螺旋式冷却通道的排布图。

其中：1-套筒；11-冷却液入口；12-冷却液出口；2-上盖；20-第一气流通道；21-气体入口；3-上板；30-第二气流通道；31-上腔；4-下板；40-第三气流通道；41-中腔；5-下盖；51-下腔；52-气体出口；61-第一压电振子；62-第二压电振子；63-第三压电振子；6a-压电陶瓷片；6b-金属基板；71-第一单向阀；72-第二单向阀；73-第三单向阀；74-出口阀；8-密封圈；9-冷却套；91-冷却通道；92-导热胶；i-第一驱动组块；ii-第二驱动组块；iii-第三驱动组块。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参照图1、图2、图3、图4，本发明提出一种混联腔体驱动的微型压电气体压缩机，整体由套筒1、上盖2、上板3、下板4、下盖5、第一驱动组块i、第二驱动组块ii、第三驱动组块iii、密封圈8、冷却套9组成；所述上盖2、上板3、下板4和下盖5从上至下依次连接；所述上盖2与上板3之间安装有第一驱动组块i；所述第一驱动组块i包含三个气体压缩单元，三个气体压缩单元在上盖2和上板3之间均匀分布，气体压缩单元均由第一压电振子61、第一单向阀71、上腔31以及密封圈8构成；所述上板3朝向三组第一压电振子61方向均设置有上腔31，三组第一压电振子61的变形可实现其对应三组上腔31的容积变化，以此实现腔体内的气体驱动；所述上板3与下板4之间安装有第二驱动组块ii；所述第二驱动组块ii包含两个气体压缩单元，两个气体压缩单元在上板3与下板4之间均匀分布，气体压缩单元均由第二压电振子62、中腔41、第二单向阀72以及密封圈8构成；所述下板4朝向两组第二压电振子62方向均设置有中腔41，两组第二压电振子62的变形可实现其对应两组中腔41的容积变化，以此实现腔体内的气体驱动；所述下板4与下盖5之间安装有第三驱动组块iii；所述第三驱动组块iii包含一个气体压缩单元，气体压缩单元由第三压电振子63、下腔51、第三单向阀73以及密封圈8构成；所述下盖5朝向第三压电振子63方向设置有下腔51，第三压电振子63的变形可实现其对应下腔51的容积变化，以此实现腔体内的气体驱动；需要说明的是，所述第一驱动组块i、第二驱动组块ii、第三驱动组块iii所包含的气体压缩单元结构完全一致；所述上盖2开设有气体入口21，上盖2与上板3内部开设有第一气流通道20；所述第一气流通道20一端连通气体入口21，另一端与三组上腔31连接；所述第一气流通道20与三组上腔31之间均设置有第一单向阀71，第一单向阀71实现气体入口21到上腔31的气体单向流动；所述上板3与下板4内部开设有第二气流通道30；所述第二气流通道30一端连通三组上腔31，另一端与两组中腔41连接；所述第二通道30与两组中腔41之间均设置有第二单向阀72，第二单向阀72实现上腔31到中腔41的气体单向流动；所述下板4与下盖5内部开设有第三气流通道40；所述第三气流通道40一端连通两组中腔41，另一端连接下腔51；所述第三通道40与下腔51之间设置有第三单向阀73，第三单向阀73实现中腔41到下腔51的气体单向流动；所述下盖5内部开设有气体出口52；所述气体出口52与下腔51之间设置有出口阀74，出口阀74实现下腔51到气体出口52的气体单向流动；所述第一压电振子61、第二压电振子62、第三压电振子63均由金属基板6b和压电陶瓷片6a同心粘接而成；所述第一压电振子61、第二压电振子62、第三压电振子63朝向腔体一侧均配合安装有密封圈8，以此保证相对应腔体的密封性；所述第一压电振子61、第二压电振子62、第三压电振子63的个数依次减少，所对应上腔31、中腔41、下腔51的个数也随之依次减少，即气体压缩单元数量沿气体流动方向依次减少，可实现压缩机的逐级累积压缩；这里需要说明的是，所谓混联腔体驱动是指第一压电振子61、第二压电振子62、第三压电振子63的个数从上到下阶梯式排布，构成上腔31、中腔41、下腔51个数逐级递减的串联腔体，同时第一驱动组块i、第二驱动组块ii、第三驱动组块iii所包含的各独立气体压缩单元又分别构成一组并联腔体；为使微型压电气体压缩机工作时能有效散热，微型压电气体压缩机的外侧设置有冷却套9，所述冷却套9套设在上盖2、上板3、下板4和下盖5连接体外围，并与上盖2、上板3、下板4和下盖5连接体外围表面充分接触，接触面涂有导热胶92；需要说明的是，上盖2、上板3、下板4和下盖5连接体，既是四者连接后形成的整体；所述冷却套9外表面设置有冷却管道91；所述冷却管道91为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道91是为了冷却液能在冷却套内滞留更长时间，强化散热效果；所述冷却套9外围连接有套筒1，套筒1上设置有冷却液入口11和冷却液出口12；微型压电气体压缩机工作时，冷却液从冷却液入口11流入，经过冷却管道91从冷却液出口12流出从而带走热量，达到散热效果。

由于压电陶瓷自身材料特性(脆性)的限制，单个压电振子直径不能过大(变形大)，以此避免压电晶片的破裂，所以入口腔体的容积变化量将受限(即输出流量受限)，微型压电气体压缩机通过气体压缩单元的并联数量扩展获得入口腔大的容积变化量，突破单个晶片型压电振子直径不能过大的限制，可实现大的流量输出。同时微型压电气体压缩机在上腔31、中腔41、下腔51内对气体分别进行第一级压缩、第二级压缩、第三级气体累积压缩。压电振子高频率振动驱动过程中，单向阀会存在一定的气体反向泄露，通过前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体累积压缩(前一级腔体多供入的气体可以弥补单向阀的气体反向泄露)，可有效累积各级腔体气体压缩量，获得大压力，使微型压电气体压缩机具有较大的能量密度。

本实施例理想的工作过程可分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态。

初始状态：不施加交变电压，所有压电振子均不变形。

第一工作状态：给第一驱动组块i内的三个第一压电振子61和第三驱动组块iii内的第三压电振子63施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压，第二驱动组块ii内的两个第二压电振子62施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压；第一驱动组块i内的三个第一压电振子61和第三驱动组块iii内的第三压电振子63均向上振动，第二驱动组块ii内的两个第二压电振子62均向下振动，所有上腔31体积均增大腔内压力均减小，所有中腔41体积均减小腔内压力均增大，下腔51体积增大压力减小，促使所有第一单向阀71和第三单向阀73打开，气体依次通过气体入口21和第一气流通道20进入上腔31；中腔41内的气体被压入下腔51。

第二工作状态：给第一驱动组块i内的三个第一压电振子61和第三驱动组块iii内的第三压电振子63施加与压电陶瓷片极化方向相同的电压，第二驱动组块ii内的两个第二压电振子62施加与压电陶瓷片极化方向相反的电压；第一驱动组块i内的三个第一压电振子61和第三驱动组块iii内的第三压电振子63均向下振动，第二驱动组块ii内的两个第二压电振子62均向上振动，所有上腔31体积均减小腔内压力均增大，所有中腔41体积均增大腔内压力均减小，下腔51体积减小压力增大，促使所有第二单向阀72和出口阀74打开，上腔31内的气体被压入中腔41；下腔51通过气体出口52将高压气体排出。

微型压电气体压缩机在上腔31、中腔41、下腔51内对气体分别进行第一级压缩、第二级压缩、第三级气体累积压缩，通过前一级腔体供入大体积气体以充足供应下一级腔体有效增压，弥补单向阀的反向泄露，多级累积压缩即可获得优良的气体增压效果；在交变电压持续驱动下，三个工作状态反复转变，可输出连续的大流量/高压力气体。

以上实施例供理解本发明之用，并非用于限制，在不违背本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出多种变化和变形，但这些相应的变化和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。