阅读说明：本技术 多腔压电气液泵 (Multi-cavity piezoelectric gas-liquid pump ) 是由 纪晶 胡彩旗 李胜多 隋仁东 黄素真 于 2020-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种多腔压电气液泵,包括压电气泵和压电液泵,压电气泵底座与压电液泵螺纹连接；压电气泵包括螺纹泵盖I、密封圈I、三个压电振子I和泵体I,三个压电振子I分别和泵体I形成泵腔并将泵腔分为第一泵腔、第二泵腔和第三泵腔,在第一泵腔和第二泵腔对应的入口和出口内分别设有随动式薄圆片阀,泵体I底部设有第一固定架,第一固定架上设有第一V形阻流体。随动式薄圆片阀响应快速、开启压力小、泵阀跟随性好,配合盘形振子,极大地提高了并联泵的泵送性能。本发明将有阀泵、无阀泵、气泵、液泵集成为一体,各泵可联合控制亦可单独控制,可实现气、液同时泵送及单独泵送,流量范围宽,能够满足多种工作需求。(The invention provides a multi-cavity piezoelectric gas-liquid pump which comprises a piezoelectric gas pump and a piezoelectric liquid pump, wherein a base of the piezoelectric gas pump is in threaded connection with the piezoelectric liquid pump; the piezoelectric air pump comprises a threaded pump cover I, a sealing ring I, three piezoelectric vibrators I and a pump body I, wherein the three piezoelectric vibrators I respectively form a pump cavity with the pump body I and divide the pump cavity into a first pump cavity, a second pump cavity and a third pump cavity, follow-up thin wafer valves are respectively arranged in inlets and outlets corresponding to the first pump cavity and the second pump cavity, a first fixing frame is arranged at the bottom of the pump body I, and a first V-shaped fluid resistor is arranged on the first fixing frame. The follow-up type thin wafer valve has the advantages of quick response, small starting pressure and good follow-up performance of the pump valve, and the pumping performance of the parallel pump is greatly improved by matching with the disk-shaped vibrator. The invention integrates a valve pump, a valveless pump, an air pump and a liquid pump, each pump can be controlled jointly or independently, can realize the simultaneous pumping and the independent pumping of air and liquid, has wide flow range and can meet various working requirements.)

多腔压电气液泵

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及多腔压电气液泵。

技术背景

压电泵是集驱动部件、工作部件和控制部件于一体的便于集成的新型微型泵，其利用压电元器件的逆压电效应，将电能转换为机械能，再经特定结构传递给流体，形成流体泵。与传统泵相比，压电泵具有：结构简单、可实现微型化和集成化、无噪声、无电磁干扰、可根据施加电压或频率控制输出微小流量等显著优点，故而在化学分析、MEMS器件及其散热、燃料供给等领域有着广阔的应用前景。目前，压电气泵和压电液泵多是彼此独立的，有阀泵和无阀泵也是彼此独立的，对一些需要气体、液体同时输送的工作场合或需要微流量和中小流量同时输送的场合，独立结构的压电气泵和压电液泵，无阀泵和有阀泵就不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多腔压电气液泵，可以满足气体、液体同时输送，微流量和中小流量同时输送。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种多腔压电气液泵，包括压电气泵和压电液泵，所述压电气泵位于所述压电液泵上方，所述压电气泵底座外缘有外螺纹，所述压电液泵的上端部的内螺纹，所述压电气泵底座与所述压电液泵螺纹连接；所述压电气泵包括螺纹泵盖I、密封圈I、三个压电振子I和泵体I，三个所述压电振子I分别和所述泵体I形成泵腔并将所述泵腔分为第一泵腔、第二泵腔和第三泵腔，在所述第一泵腔和所述第二泵腔对应的入口和出口内分别设有随动式薄圆片阀，所述泵体I底部设有第一固定架，所述第一固定架上设有第一V形阻流体。

进一步的，所述压电液泵包括多个并联设置的液泵。

进一步的，所述液泵包括泵体II、密封圈II和压电振子II，所述泵体II侧壁上设有入口和出口，所述泵体II的底部设有固定架，所述第二固定架上设有第二V形阻流体。

进一步的，所述第一V形阻流体与所述第二V形阻流体的结构相同，均包括两个定位销、挡圈、两个随动臂和挡销，所述随动臂可转动的设置在对应的所述定位销上，所述挡圈设置在所述定位销的上端部，所述挡销位于两个所述随动臂之间。

进一步的，所述随动臂外侧是曲线形结构，内侧是陡直的壁面形状，两个所述随动臂的开口形成的夹角范围为30°～120°。

进一步的，所述压电振子I的中间弹性金属片折弯成盘形形状，相邻所述压电振子I之间设有支撑套；所述第一泵腔由上、下两组互为倒置的盘形所述压电振子I围成，上下两个所述压电振子I振动方向相反；所述第二泵腔由方向相同的盘形所述压电振子I围成，两个所述压电振子I振动方向相反，所述第三泵腔由所述压电振子I和所述泵体I的底部围成。

进一步的，所述随动式薄圆片阀包括支撑轴、固定板条、挡环和薄圆片。

进一步的，所述出口的薄圆片中心设有孔，所述薄圆片套在所述支撑轴上，所述支撑轴与所述固定板条连接，所述支撑轴的两端设有所述挡环，所述挡环的两端分别固定在所述支撑套和所述泵体I上。

进一步的，入口处的随动式薄圆片阀的所述固定板条与所述支撑套连接，出口处的所述随动式薄圆片阀的所述固定板条与所述泵体I连接。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

(1)本发明提供了多腔压电气液泵，具有可并联式泵结构和多种泵集成式结构，能够实现气液泵并联、气气泵、液液泵并联，也能够实现有阀泵和无阀泵的并联；工作时根据需要可以随时随地增加或减少工作泵的数量，连接或拆卸方便。

(2)本发明公开的三腔并联气泵，也可做液泵使用，其结构简单，三个振子围成3腔且共用一个泵体，形成“一体三泵”并联泵；其中1、2两腔是由双层振子围成的有阀泵，且压电振子具有特殊的盘形折边结构，提高了腔体压缩体积比，同时，盘形折边也能够最大程度地释放振子的振幅，使泵气、泵液性能极佳，泵送量大。

(3)本发明将有阀气泵、无阀气泵、无阀液泵集成为一体，各泵可联合控制亦可单独控制，可实现气体、液体的同时泵送及单独泵送，亦可实现微量气液泵送和中小量气液泵送，能够满足多种工作需求，可应用于无土栽培、实验室栽培等的水、肥、药、气一体化滴灌装置，生化反应器等领域，亦可集成于传统泵，用于作物栽培、果园疏花等药剂及营养剂(水、肥、药)的精准喷施。

(4)本发明提供了随动式薄圆片阀随动性好，响应快速，开启压力小，泵阀跟随性好，薄圆片作为出入口阀片，对水流波动和压力变化敏感，可沿轴向自由移动，能够配合锥形流道进一步调整进出口流道范围，调整进出口流量；只要泵腔内压力有变化阀片即刻沿着压力增大方向移动，阀片响应快速，配合泵的吸入或排出过程，跟随性强，而不必需要积累到当前阀片所需要的开启压力，所以，泵阀跟随性好，使泵能够更好地发挥泵送性能。

(5)本发明提供了一种随动式V形阻流体，随动臂对水流波动和压力变化敏感，只要泵腔内压力有变化随动臂即刻响应自行调整转动状态，回应快速、随动性好，因而能够自动调节吸入和排出的流量；随动臂构成的动夹角V形阻流体随着夹角的自由变化而自动调整水流阻力，同时使泵回流减少，实现高效混合泵送气体液体。

附图说明

图1为多腔压电气液泵的结构示意图；

图2为多腔并联压电气泵的第三泵腔的俯视示意图；

图3为多腔并联压电气泵的结构示意图；

图4为泵体I的结构示意图；

图5为压电振子I的结构示意图；

图6为支撑套的结构示意图；

图7为随动式薄圆片阀的结构示意图；

图8为随动式薄圆片阀的吸入和排出气体的结构示意图，a为入口吸入，b为出口吸入，c为入口排出，d为出口排出；

图9为V形阻流体I、V形阻流体II的结构示意图

图10为V形阻流体受正向水流冲击产生的随动形变；

图11为V形阻流体受反向水流冲击产生的随动形变；

图12为固定架与V形阻流体的结构示意图；

图13为多腔并联压电液泵结构示意图；

图14为反向吸入及反向排出时V形阻流体I、V形阻流体II状态；

图15为正向吸入及正向排出时V形阻流体I、V形阻流体II状态。

其中，1、螺纹泵盖I，2、密封圈I，3、泵体I，4、随动式薄圆片阀，5、支撑套，6、压电振子I，7、入口I，8、V形阻流体I，9、第一泵腔，10、第二泵腔，11、第三泵腔，12、出口I，13、薄圆片，14、挡环，15、液泵I，16、液泵II，17、密封圈II，18、压电振子II，19、泵体II，20、入口II，21、出口II，22、随动臂，23、V形阻流体II，24、支撑轴，25、固定板条，26、挡销，27、固定架，28、定位销，29、挡圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

请参阅图1～图15，本发明提供了多腔压电气液泵，是集成式压电泵结构，包括多腔并联压电气泵和并联无阀混合液泵，同时，也是有阀泵和无阀泵的集成，其中多腔并联压电气泵也可用于泵送液体，本专利均以泵送气体为例进行说明。多腔并联压电气泵位于并联无阀混合液泵上方。

多腔并联压电气泵和并联无阀混合液泵可同时工作亦可独立工作，其中的各个泵亦可单独控制。

针对多腔并联压电气泵而言，多腔并联压电气泵包括螺纹泵盖I1，密封圈I2，泵体I3，压电振子I6，和泵体I3形成泵腔，泵腔内设有三个压电振子I6，将泵腔分为第一泵腔9，第二泵腔10，第三泵腔11，压电振子I6的中间弹性金属片折弯成盘形形状。泵体I3侧壁上设有入口I7和出口I12，第一泵腔9，第二泵腔10所对应的入口I7和出口I12内设有随动式薄圆片阀4，相邻压电振子I6之间设有支撑套5，支撑套5可以支撑并顶紧压电振子I6，且可在其壁面开设气道口，在支撑套5和泵体I3出入口对应处加工出锥孔和通孔，以形成第一泵腔9、第二泵腔10的出入口气道，泵体I3的底部设有固定架27，固定架27上设有V形阻流体8。第三泵腔11的出入口气道开在泵体I3的底座两侧上，气道末端呈收缩的锥形。

第一泵腔9、第二泵腔10、第三泵腔11分别为三个独立的泵腔，每个泵可独立使用，也可同时使用。多腔并联压电气泵在结构上是一体的，多腔并联压电气泵底座外缘有外螺纹，与并联无阀混合液泵的上端部的内螺纹相适配。

折弯成盘形形状的压电振子I6作用：(1)盘形端部能够形成较大空间，利用该空间设置支撑和气道；(2)使相邻的压电振子I6围成的泵腔高度尽量小，提高腔体压缩体积比，提高泵送性能；(3)有折弯部分的缓冲，使压电振子I6振幅不再受约束力的限制，能够充分发挥压电振子I6最大振幅，最大程度地提高泵送性能。

第一泵腔9由上、下两组互为倒置的盘形压电振子I6围成，工作时上下两个压电振子I6振动方向相反，以使第一泵腔9形成最大的体积变化量，提高泵气量。第二泵腔10由方向相同的盘形压电振子I6围成，同时，两个压电振子I6振动方向相反，以使第二泵腔10形成最大的体积变化量，提高泵气量。第三泵腔11由压电振子I6和泵体I底及固定架27围成，压电振子I6的振动方向由第二泵腔10中方向确定。

第一泵腔9、第二泵腔10对应设置的是有阀气泵，其使用的阀是随动式薄圆片阀4，随动式薄圆片阀4包括支撑轴24、固定板条25、挡环14、薄圆片13，如7所示。其中，薄圆片13材料为软质弹性树脂类材料，薄圆片13中心设有孔。薄圆片13空套在支撑轴24上(二者有间隙)，支撑轴24一端用螺钉与固定板条25连接，固定板条25用螺钉与支撑套5或泵体I3连接，具体的：入口处的随动式薄圆片阀4的固定板条25与支撑套5连接，出口处的随动式薄圆片阀4的固定板条25与泵体I3连接。支撑轴24的两端设有挡环14，挡环14的两端分别固定在支撑套5和泵体I3上。随动薄圆片阀4能够根据水压大小自由调整薄圆片13在支撑轴24上的位置，移动范围由两端的挡环14限定。

随动式薄圆片阀4随动性好，响应快速，开启压力小，泵阀跟随性好，薄圆片13作为出入口阀片，对水流波动和压力变化敏感，可沿轴向自由移动，能够配合锥形流道进一步调整进出口流道范围，调整进出口流量；只要泵腔内压力有变化阀片即刻沿着压力增大方向移动，阀片响应快速，配合泵的吸入或排出过程，跟随性强，而不必需要积累到当前阀片所需要的开启压力，因而泵阀跟随性好，使泵能够更好地发挥泵送性能。

多腔并联压电气泵工作过程如下：

1.多腔并联压电气泵

(1)第I、II气泵(有阀泵)

1)泵吸入气体阶段

入口阀片初始状态是位于入口阀收缩的锥端(取决于上一个工作循环由入口排出气体时阀片的状态(关闭))，出口阀片的初始状态是位于锥面上扩张端的端部(取决于上一个工作循环由出口排出气体时阀片的状态(开启))。

吸入气体阶段：压电振子I6振动方向向上，腔内体积增大压强减小，气体自入口、出口同时吸入，入口I7的随动式薄圆片阀(图8(a)所示)在气流压力作用下，压力作用到薄圆片13上，薄圆片13由入口端沿支撑轴24快速移动，入口阀片开启，薄圆片13运动至右端挡环14处停止移动，支撑套5内部的锥形入口区域流道通畅，气体自入口迅速吸入泵腔。出口I12的随动式薄圆片阀(图8(b)所示)，在反向回流气流压力作用下，薄圆片13沿支撑轴24向入口方向快速移动，移动至中间挡环14处停止移动，由挡环14、薄圆片13将反向回流气流截止，阀片关闭，阻挡气体吸入到泵腔。

综上，在泵吸入阶段，入口阀片开启，吸入气体至泵腔，出口阀片关闭，阻止出口管道内气体回流进入泵腔。

2)泵排出气体阶段

压电振子I6振动方向向下，腔内体积减小压强增大，泵腔内气流同时涌向入口、出口，其中，经出口阀排出气体过程薄圆片13的运动过程与经入口阀吸入气体过程薄圆片13的运动相似，经入口阀排出气体过程薄圆片13的运动过程与经出口阀吸入气体过程薄圆片13的运动相似。

(2)第三气泵(无阀泵)

1)工作原理

第三泵腔11内设置的是无阀气泵，其形成流阻差的阻流体是V形阻流体I8。V形阻流体I8包括定位销28、挡圈29、随动臂22、挡销26。随动臂22用定位销28、挡圈29固定于固定架27的槽内，且可绕定位销28转动，挡圈29设置在定位销28的顶端，用以限制随动臂22的移动，定位销28的另一端固定在泵腔内的固定架27上。挡销26用以限制随动臂22的转动位置。两个随动臂22正好组成一个夹角可变的V形阻流体I8，即随动式V形阻流体。随动臂22外侧是光滑流畅的曲线形结构，内侧是陡直的壁面形状。泵腔内均匀设置有9组V形阻流体I8，所有V形阻流体I8均通过定位销28固定于固定架27上，固定架27置于泵腔内，实现了V形阻流体I8的可装配、可替代性。

V形阻流体I8的排列方式，与第三泵腔11相对的泵体I3的侧壁上设置两个入口I7、两个出口I12，泵腔内设有9组V形阻流体I8。反向吸入(出口吸入)时气流冲击各个随动臂22的内侧壁面，舒展开的随动臂22围成的扇面区域能够阻挡出口管内气体的反向回流，故正对2个出口I12位置放2组V形阻流体I8；反向排出(入口排出)时，气流冲击随动臂22的内侧壁面，使舒展开的随动臂22围成的扇面区域能够阻挡腔内气体经入口I7排出，为此围绕入口I7放置4组阻流体，其中两组正对入口I7放置，另外2组放置在入口I7两侧，且使其4组V形阻流体I8展开后能围成封闭的扇形区域。同时，还要兼顾正向吸入、正向排出时气体阻力最小，最终确定其排列位置，见图2。

图10、图11是V形阻流体I8受气压变化变形示意图。图10中的V形阻流体I8当受到正向来流冲击时，两个随动臂22沿气流方向分别绕定位销28摆动，所形成的V形阻流体夹角减小，当随动臂22内侧壁面碰到挡销31时停止摆动，此时形成最小夹角α(约30°)，且因其形成的V形阻流体外侧是光滑流畅的曲面因而对正向来流的流体阻力趋于最小。图11中V形阻流体I8当受到反向来流冲击时，两个随动臂22沿气流方向分别绕定位销28转动，使V形阻流体夹角增大，当夹角增大至β(约120°)时，形成的V形阻流体内部区域较大，能够大面积阻挡反向来流，且随动臂22的陡直壁面对气流的阻力趋于最大。随动臂22能够根据气流、气压瞬时变化而瞬时地产生转动，且能够自主的调整V形阻流体I8的夹角，起到进出口“阀”的作用。V形阻流体I8对正向来流阻力小，反向回流阻力大，因而正向来流和反向来流能够形成较大的反、正向流阻差，迫使气体经入口吸入、经出口排出。

2)工作过程

①泵吸入气体阶段

压电振子I6振动方向向上，腔内体积增大压强减小，气体自入口I7、出口I12同时吸入。

气流经入口I7吸入泵腔：在气流压力作用下，随动臂22绕定位销28转动，使形成的V形阻流体I8夹角变小，直至随动臂22转动到挡销26位置形成最小夹角(夹角变化范围：30°～120°)，随动臂22在转角范围内达到最小阻力，同时，其光滑曲面轮廓对气流的摩擦力也较小，气体自入口迅速吸入泵腔。

气流经出口I12反流至泵腔：冲击V形阻流体I8的内臂面，使两个随动臂22绕定位销28转动，V形阻流体I8夹角增大，增大的阻流体区域能够阻挡更多反流气体，4组V形阻流体I8舒展开、沿圆周方向围成扇形区域，完全遮挡了气流的反向流动；同时，陡直臂面对气流能够形成更大的压差阻力；能够最大限度的限制反向回流气体。

综上，在泵吸入阶段，通过V形阻流体I8夹角的动态变化，使气体经入口吸入泵腔，同时，抑制出口处的反向回流。

②泵排出气体阶段

压电振子I6振动方向向下，腔内体积减小压强增加，气体自入口I7、出口I12同时排出。

气体经入口I7排出：气流绕流过随动臂22陡直臂面的阻力大于气流绕流过光滑曲面的阻力；同时，V形阻流体I8被反向气流冲击形成大夹角区域，同时，4组V形阻流体I8舒展开，沿圆周方向围成了连续的扇形区域，使反向出流阻力远远大于正向排出阻力，抑制了气流经入口I7的反向排出。

气体经出口I12排出：因气流绕流过光滑随动臂22轮廓曲面的阻力小于陡直臂面阻力；同时，随动臂22受气流作用绕定位销28转动收拢成最小夹角，对气流阻力趋于最小，因而正向排出流体阻力远远小于反向排出阻力，气流自各V形区域间隙经出口I12排出泵腔。

综上，由于正向排出气流阻力远远小于反向排出气流阻力，最终腔内气流在腔内压强作用下绕过收缩的V形阻流体经I12排出，而入口处的V形阻流体能够抑制气体的反向排出。

2.并联无阀混合液泵

并联无阀混合液泵包括液泵I15和液泵II16，液泵I15位于液泵II16上方，液泵I15上方连接气泵泵体I3，液泵I15和液泵II16结构完全相同，包括泵体II19、密封圈II17和压电振子II18，泵体II19侧壁上设有入口II20和出口II21，泵体II19的底部设有固定架27，固定架27上设有V形阻流体II23。V形阻流体II23的结构与V形阻流体I8完全相同。

液泵I15和液泵II16为两个独立的液泵，分别包括两个独立的泵腔，液泵I15和液泵II16可单独工作也可同时工作。位于下方的泵体II 19的上端内壁与位于上方的泵体II19的底面外壁螺纹连接，且位于上方的泵体II19的底面通过密封圈II17压紧在下方液泵II16的压电振子II17上，充当了液泵II16的螺纹端盖。以此类推，当需要同时传输多种流体时，只需要相应地增加液泵的数量，并进行螺纹连接即增加了并联泵的数量，可得到并联多腔泵。

每个液泵的泵体上端部加工有内螺纹，下端部加工有外螺纹，最上方的液泵的泵体上端部的内螺纹与多腔并联压电气泵底部的外螺纹进行连接，第二个液泵上部内螺纹与第一个液泵底面外螺纹连接，依次类推，若想多液泵联合使用可以继续并联，形成N个液泵集成，形成可并联的液泵结构。每个液泵均可以独立工作也可同时工作。

V形阻流体II23的排列方式：泵体II19的侧壁上设置两个入口II20、两个出口II21，泵腔内设有9组V形阻流体II23。反向吸入(出口吸入)时舒展开的随动臂22围成的扇面区域能够阻挡出口管的反向回流，故正对2个出口II21位置放2组V形阻流体II23；反向排出(入口排出)时，舒展开的随动臂22围成的扇面区域能够阻挡腔内液体经入口II20排出，为此围绕入口II20放置4组阻流体，其中两组正对入口II20放置，另外2组放置在入口II20两侧，且使其4组V形阻流体II23展开后能围成连接的扇形区域。同时，还要兼顾正向吸入、正向排出时流体阻力最小，最终确定其排列位置，见图14、图15。

并联无阀混合液泵的V形阻流体II23工作原理与压电气泵中V形阻流体I8工作原理相同。

液泵在吸入液体、排出液体阶段，随动臂22绕定位销28的转动过程中会带动液体产生湍流和脉动，使液体产生大小不一的旋涡，旋涡的迂回运动能够实现对不同相流体的混合，因而并联无阀液泵能耗实现不同相液体间的混合泵送。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。