本发明属于微型气体压缩机技术领域，具体涉及一种轴流式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，本发明提出一种能同时输出高压力/大流量、无电磁干扰、能量密度高、结构简单、成本低的轴流式微型压电气体压缩机(以下简称为轴流式微压缩机)，采用以下技术方案：轴流式微型压电气体压缩机整体由套筒、上盖、上板、中间层、下板、下盖、第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、冷却套和密封圈构成；上盖、上板、中间层、下板、下盖从上至下依次相连；所述上盖设置有气体入口；所述上盖与上板之间设置有第一压电振子，上盖在朝向第一压电振子方向设置有第一泵腔；所述第一泵腔与气体入口连通；所述上板与中间层之间设置有第二压电振子，上板在第一压电振子和第二压电振子之间设置有第二泵腔，第二泵腔连通第一压电振子与第二压电振子，第一压电振子与第二压电振子的变形可驱动第二泵腔；所述中间层与下板之间设置有第三压电振子，中间层在第二压电振子与第三压电振子之间设置有第三泵腔，第三泵腔连通第二压电振子与第三压电振子，第二压电振子与第三压电振子的变形可驱动第三泵腔；所述下板与下盖之间设置有第四压电振子，下板在第三压电振子与第四压电振子之间设置有第四泵腔，第四泵腔连通第三压电振子与第四压电振子，第三压电振子与第四压电振子的变形可驱动第四泵腔；所述下盖在朝向第四压电振子一侧设置有第五泵腔；所述下盖下端设置有气体出口；所述气体出口与第五泵腔连通；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四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、第四压电振子在金属基板外周边缘上下两侧均设置有密封圈，以此实现腔体密封；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的中心都开设有中心孔；所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀分别安装在第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的中心孔处；所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀的一种较优选择为轮式阀，由环形支座、阀片、悬臂组成，所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀工作时，阀片在压差和压电振子振动动能作用下可以实现平动开启；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子的直径从上到下依次减小，第二泵腔、第三泵腔、第四泵腔的体积也依次减小，可以实现轴流式微压缩机的逐级压缩；这里需要说明的是，所述轴流式是指第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子、第四压电振子按照直径大小从上到下轴向分布，第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀安置于压电振子中心，气体轴向流动。
为使轴流式微压缩机工作时能有效散热，轴流式微压缩机的外侧设置有冷却套，所述冷却套设置在上盖、上板、中间层、下板、下盖连接体外围，并与上盖、上板、中间层、下板、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、中间层、下板、下盖连接体，即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；轴流式微压缩机工作时，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。
轴流式微压缩机的流量由第一压电振子和第二压电振子决定，第一压电振子和第二压电振子直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，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，使轴流式微压缩机具有较大的能量密度，可获得高压力。
本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态、第二工作状态。
第一工作状态：给第一压电振子施加极化方向相同的电压，第二压电振子施加极化方向相反的电压，第三压电振子施加极化方向相同的电压，第四压电振子施加极化方向相反的电压，第一压电振子向上振动，第二压电振子向下振动，第三压电振子向上振动，第四压电振子向下振动；第二泵腔体积增大、压力减小，第一单向阀打开，气体入口的气体吸入第二泵腔；第三泵腔体积减小、压力增大，第四泵腔体积增大、压力减小，第三单向阀打开，第三泵腔内的气体压入第四泵腔。
第二工作状态：给第一压电振子施加极化方向相反的电压，第二压电振子施加极化方向相同的电压，第三压电振子施加极化方向相反的电压，第四压电振子施加极化方向相同的电压，第一压电振子向下振动，第二压电振子向上振动，第三压电振子向下振动，第四压电振子向上振动；第二泵腔体积减小、压力增大，第三泵腔体积增大、压力减小，第二单向阀打开，第二泵腔内的气体压入第三泵腔；第四泵腔体积减小、压力增大，第五泵腔体积增大、压力减小，第四单向阀打开，第四泵腔内的气体压入第五泵腔，气体排出。
在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，可连续输出气体，轴流型微压缩机在第二泵腔、第三泵腔、第四泵腔内对气体分别进行了第一级、第二级、第三级压缩，前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体进行气体压缩(大体积气体可弥补单向阀的反向泄露)，通过多级累积压缩即可获得高效率的气体增压效果；同时，由于单向阀与压电振子一体式安装(单向阀安装在压电振子中心处)，单向阀能充分利用压电振子的动能进行开启和关闭，有效提升了单向阀的动态性能，减少了气体的反向泄露且提高工作频率。
本发明的特色及优势在于：1、通过各腔体积逐级递减来实现气体累积增压，其流量由第一压电振子和第二压电振子决定，第一压电振子和第二压电振子直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；2、前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，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，可输出高压力；3、轴流式微压缩机工作时，单向阀能充分利用压电振子的动能进行开启和关闭，有效提升了单向阀的动态性能，气体反向泄露少且工作频率高。
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；
图5是本发明一个较佳实施例中压电振子和单向阀组装后俯视图。
其中：1-套筒；11-冷却液入口；12-冷却液出口；2-上盖；21-第一泵腔；22-气体入口；3-上板；31-第二泵腔；4-中间层；41-第三泵腔；5-下板；51-第四泵腔；6-下盖；61-第五泵腔；62-气体出口；71-第一单向阀；72-第二单向阀；73-第三单向阀；74-第四单向阀；7a-环形支座；7b-阀片；7c-悬臂；81-第一压电振子；82-第二压电振子；83-第三压电振子；84-第四压电振子；8a-金属基板；8b-压电陶瓷片；9-冷却套；91-导热胶；92-冷却管道；10-密封圈。
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”“第四”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、图5，本发明提出一种轴流式微型压电气体压缩机，由套筒1、上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6、第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84、第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74、冷却套9和密封圈10构成；上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6从上至下依次相连；所述上盖2设置有气体入口22；所述上盖2与上板3之间设置有第一压电振子81，上盖2在朝向第一压电振子81方向设置有第一泵腔21；所述第一泵腔21与气体入口22连通；所述上板3与中间层4之间设置有第二压电振子82，上板3在第一压电振子81和第二压电振子82之间设置有第二泵腔31，第二泵腔31连通第一压电振子81与第二压电振子82，第一压电振子81与第二压电振子82的变形可驱动第二泵腔31；所述中间层4与下板5之间设置有第三压电振子83，中间层4在第二压电振子82与第三压电振子83之间设置有第三泵腔41，第三泵腔41连通第二压电振子82与第三压电振子83，第二压电振子82与第三压电振子83的变形可驱动第三泵腔41；所述下板5与下盖6之间设置有第四压电振子84，下板5在第三压电振子83与第四压电振子84之间设置有第四泵腔51，第四泵腔51连通第三压电振子83与第四压电振子84，第三压电振子83与第四压电振子84的变形可驱动第四泵腔51；所述下盖6在朝向第四压电振子84一侧设置有第五泵腔61；所述下盖6下端设置有气体出口62；所述气体出口62与第五泵腔61连通；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84均由金属基板8a和压电陶瓷片8b同心粘接而成；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84在金属基板8a外周边缘上下两侧均设置有密封圈10，以此实现腔体密封；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84的中心都开设有中心孔；所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74分别安装在第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84的中心孔处；所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74的一种较优选择为轮式阀，由环形支座7a、阀片7b、悬臂7c组成，所述第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74工作时，阀片7b在压差和压电振子振动动能作用下可以实现平动开启；所述第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84的直径从上到下依次减小，第二泵腔31、第三泵腔41、第四泵腔51的体积也依次减小，可以实现轴流式微压缩机的逐级压缩；这里需要说明的是，所述轴流式是指第一压电振子81、第二压电振子82、第三压电振子83、第四压电振子84按照直径大小从上到下轴向分布，第一单向阀71、第二单向阀72、第三单向阀73、第四单向阀74安置于压电振子中心，气体轴向流动。
为使轴流式微压缩机工作时能有效散热，轴流式微压缩机的外侧设置有冷却套8，所述冷却套9设置在上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6连接体外围，并与上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6连接体外围表面充分接触，接触面涂有导热胶91；需要说明的是，上盖2、上板3、中间层4、下板5、下盖6连接体，即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92；所述冷却管道92为螺旋式冷却管道；需要说明的是，设置螺旋式冷却管道92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；轴流式微压缩机工作时，冷却液从冷却液入口11流入，经过冷却管道21从冷却液出口12流出从而带走热量，达到散热效果。
轴流式微压缩机的流量由第一压电振子81和第二压电振子82决定，第一压电振子81和第二压电振子82直径大，腔体体积变化量大，可获得大流量；前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体压缩，可有效累积各级腔体气体压缩量，使轴流式微压缩机具有较大的能量密度，可获得高压力。
本实施例理想的工作过程可分为第一工作状态、第二工作状态。
第一工作状态：给第一压电振子81施加极化方向相同的电压，第二压电振子82施加极化方向相反的电压，第三压电振子83施加极化方向相同的电压，第四压电振子84施加极化方向相反的电压，第一压电振子81向上振动，第二压电振子82向下振动，第三压电振子83向上振动，第四压电振子84向下振动；第二泵腔31体积增大、压力减小，第一单向阀71打开，气体入口22的气体吸入第二泵腔31；第三泵腔41体积减小、压力增大，第四泵腔51体积增大、压力减小，第三单向阀73打开，第三泵腔41内的气体压入第四泵腔51。
第二工作状态：给第一压电振子81施加极化方向相反的电压，第二压电振子82施加极化方向相同的电压，第三压电振子83施加极化方向相反的电压，第四压电振子84施加极化方向相同的电压，第一压电振子81向下振动，第二压电振子82向上振动，第三压电振子83向下振动，第四压电振子84向上振动；第二泵腔31体积减小、压力增大，第三泵腔41体积增大、压力减小，第二单向阀72打开，第二泵腔31内的气体压入第三泵腔41；第四泵腔51体积减小、压力增大，第五泵腔61体积增大、压力减小，第四单向阀74打开，第四泵腔51内的气体压入第五泵腔61，气体排出。
在交变电压信号驱动下，第一、第二工作状态交替转变，可连续输出气体，轴流型微压缩机在第二泵腔31、第三泵腔41、第四泵腔51内对气体分别进行了第一级、第二级、第三级压缩，前一级腔体吸入大体积气体以充足供应下一级腔体进行气体压缩(大体积气体可弥补单向阀的反向泄露)，通过多级累积压缩即可获得高效率的气体增压效果；同时，由于单向阀与压电振子一体式安装(单向阀安装在压电振子中心处)，单向阀能充分利用压电振子的动能进行开启和关闭，有效提升了单向阀的动态性能，减少了气体的反向泄露且提高工作频率。
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。