专利名称:用压电材料制造的液体泵送、开关器件的制作方法
本发明-用压电材料制造的液体泵送、开关器件。根据压电材料可直接将电能转换为机械能-场致伸缩-的特性设计出行波式、鱼尾式、蜂翅式和心脏式等压电泵以及双极型双向阀、利用重力作用从低汽压空间向高汽压空间传递液体的缓冲重力阀以及可精确控制闸流量的大功率阀门-H阀门等新型压电材料器件。
本发明涉及压电元件制造、参科学出版社出版的《压电陶瓷》〔英〕;三相行波电磁场，参顾绳谷著《电机与拖动基础》等技术领域：
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本发明为解决许多场合下存在的液体泵送、开关器件的体积、成本、效率、可靠性和控制等问题而产生。通常这些场合只需要很小的输送功率，如1瓦左右。下面结合图例来说明本发明的内容。
附图的图1中标记①、②是压电陶瓷片在正、反向电压下的变形，从图可见压电片分别变薄或变厚如虚线。这就是场致伸缩效应。
图2是由两种压电特性相反的压电片组成的双极型压电片，见标记①，虚线分别对应外加正、反向电压时的变形情况。
图3是对一块压电片-未加电场时如虚线③示-分别间隔一定的距离加上极性相反的电压时情况，如标记②实线部分所示。以空心框标记①和深色标记④分别表示正、反向电压，如果我们加上交变电压则压电片会产生振动，但这种振动并不会移动称为驻波。
如我们顺序将三相电压加在一块各电极适当分开的压电材料上，并将这材料平行对齐放置或制成管形。则在三相电压作用下这平行板或管中的形如图4中②所示的空间将会高速向前移动，这种运动与交流直线电机的行波磁场相像如我们利用管壁对液体的摩擦力就可制成行波式压电泵，管式或平行板式的。图4为其工作原理图。图中标记①为振动中的压电材料。A、B、C为三相电源的电极。
图5是所谓心脏式压电泵，其工作原理是用电源使压电材料制的管子扩张和压缩并同时使其两端的双极型压电片相应地打开和闭合以实现泵水的功能。①、②、③、④分别为压电片和压电管的运动范围，⑤为需泵送的液体，⑥为势能不同的液体的阻挡层。
图6是所谓鱼尾式压电泵的工作原理示意图。标记①为外壳，2为运动中的双极型压电片，它不仅作简谐振动而且还在控制相电压的作用下产生一个将管中水推向前的力-就像鱼尾产生的力。
图8中的①、②、③分别是一种四层压电材料制成的薄片在零电压、正向电压和反向电压下的状态。图中为容易辩认而画得较厚。中间两层的功能与图2的一样。外面两层的功能是使其作相对于横向的扭曲，其在正、反向电压作用下的情况如④、⑤。(零电位时介于这两种情况之中，图未画)从图中可见标记⑤的压电片的横截面在X轴的投影要比标记④的短2倍D长度，如图中虚线所示。这样当我们对这4片(两组)压电片加上如图7所示的不对称锯齿波电压时由于压电片在每半个周期的运动-将液体向前、后方推动的作用面和冲量-有一个差值，这就对管子⑦中的液体⑧有个方向不变的轴向力，这个力就是蜂翅型压电泵的泵送力。标记⑥表示四层压电片在泵中的安装位置。
下面对附图9加以说明。这是所谓的缓冲重力阀。其中①低压区。②、⑥，液体。③，阀壳。④，缓冲区。⑤、8，双极型压电片。⑦，高压蒸汽区。⑨，表示双极型压电片处于开的状态，其工作原理是在重力作用下将低压区的液体先送入缓冲区再送入高压区。其具体过程为先将压电片⑤打开并关闭压电片⑧，低压区液体流入缓冲区，再关上⑤，打开⑧，液体流入高压区，平时由于压力作用阀门能较好地阻止高压汽体泄漏。
图10是一个双极型压电阀，是一种利用电能来控制的阀门。压电片③在电场作用下的弯曲作用相当于普通阀门的开启。标记④处的阀口与不加电场时的压电片吻合而使阀门关闭，①为阀门壁，②为液体。这个器件可两个反相串联以加强作用。
图11是利用双极型压电片弯曲作用来推动齿轮的示意图，压电片分成两段以加强效果、压电片①可控制以保持与齿轮②接触或脱离。压电片在一个交变电压波形作用下推动齿轮转过一个齿。
图12是利用图11压电片推动齿轮的作用而设计的可控大功率阀门。标记②所示齿轮有上下两排方向相反的齿，以配合压电片①和⑤来作正转或反转，这个转动可通过螺母③使螺杆⑥带动其下的方型闸门⑧上下运动以开启或关闭阀门。这样就可控制管道④中的液体的流量。标记⑦为液体，⑨为液流方向。该阀门又称作H阀门。
本发明的各种压电泵能适应控制要求很高的场合。它一开始是为了应用在一种可控抗重力热管之中。与现有的各种可控动力泵相比它具有体积小，如管型泵几乎不占空间。造价低，约为其它电动泵的十分之一或更低。(在小功率情况下)没有机械传动部件而使工作寿命大大延长并且运行可靠。并还有没有磁场，可耐高压和低温等优点。
本发明的阀门也有以上所述一般压电产品的优点。
由于对于各种不同情况，各种形式的压电泵和阀门各具特点。所以要根据具体情况选用或设计各种压电泵和阀门。
权利要求
1.本发明是一种用压电材料制造的液体泵送、开关器件。它们是根据压电材料可直接将电能转换成机械能-场致伸缩-特性来实现其功能的。
2.权项1中讲的用压电材料制造的液体泵送器件包括利用压电材料制成的容器的收缩和扩张所引起其内部体积的变化而产生的泵力来工作的压电泵，也称为心脏式压电泵;还包括利用行波电场产生的压电材料之间以及压电材料与其它材料之间形状不变但高速移动的空间所产生的力来工作的泵，也称为行波式压电泵;还包括利用压电片由于不对称振动所产生的力来工作的压电泵，也称为蜂翅式压电泵。还包括利用压电片在作其它非弦振运动时所产生的力来工作的压电泵，也称为鱼尾式压电泵。
3.权项1中讲的压电材料制造的液体开关器件包括利用场致伸缩效压及其延拓-双层压电材料的场致弯曲效应来改变对管道中液体的阻挡作用而制成的阀门。还包括由这些单独的阀门的变形及其组合而得到的具有更高级功能的阀门。还包括利用场致弯曲效应来推动齿轮或圆盘以带动其它各种形式的阀而制成的各种阀门。
4.权项1所讲的用压电材料制造的液体泵送器件，包括利用压电材料的其它特性-如多细孔陶瓷所具有的毛细作用力来一起作用以得到具有更好泵送液体效果的器件。
专利摘要
本发明——用压电材料制造的液体泵送，开关器件。为解决许多场合下存在的液体泵送，开关器件的体积、成本、效率和控制等问题而产生。本发明根据压电材料可直接将电能转换为机械能——场致伸缩——的特性。设计出了行波式、鱼尾式、蜂翅式和心脏式等压电泵和双极型等压电阀门，从而为今后在各领域开发更多新产品打下了基础。
文档编号F16K31/02GK85104890SQ85104890
公开日1986年7月2日 申请日期1985年6月21日
发明者施国梁 申请人:施国梁导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan