專利名稱:用壓電材料制造的液體泵送、開關(guān)器件的制作方法
本發(fā)明-用壓電材料制造的液體泵送、開關(guān)器件。根據(jù)壓電材料可直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能-場(chǎng)致伸縮-的特性設(shè)計(jì)出行波式、魚尾式、蜂翅式和心臟式等壓電泵以及雙極型雙向閥、利用重力作用從低汽壓空間向高汽壓空間傳遞液體的緩沖重力閥以及可精確控制閘流量的大功率閥門-H閥門等新型壓電材料器件。
本發(fā)明涉及壓電元件制造、參科學(xué)出版社出版的《壓電陶瓷》〔英〕;三相行波電磁場(chǎng)，參顧繩谷著《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》等技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明為解決許多場(chǎng)合下存在的液體泵送、開關(guān)器件的體積、成本、效率、可靠性和控制等問(wèn)題而產(chǎn)生。通常這些場(chǎng)合只需要很小的輸送功率，如1瓦左右。下面結(jié)合圖例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。
附圖的圖1中標(biāo)記①、②是壓電陶瓷片在正、反向電壓下的變形，從圖可見壓電片分別變薄或變厚如虛線。這就是場(chǎng)致伸縮效應(yīng)。
圖2是由兩種壓電特性相反的壓電片組成的雙極型壓電片，見標(biāo)記①，虛線分別對(duì)應(yīng)外加正、反向電壓時(shí)的變形情況。
圖3是對(duì)一塊壓電片-未加電場(chǎng)時(shí)如虛線③示-分別間隔一定的距離加上極性相反的電壓時(shí)情況，如標(biāo)記②實(shí)線部分所示。以空心框標(biāo)記①和深色標(biāo)記④分別表示正、反向電壓，如果我們加上交變電壓則壓電片會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，但這種振動(dòng)并不會(huì)移動(dòng)稱為駐波。
如我們順序?qū)⑷嚯妷杭釉谝粔K各電極適當(dāng)分開的壓電材料上，并將這材料平行對(duì)齊放置或制成管形。則在三相電壓作用下這平行板或管中的形如圖4中②所示的空間將會(huì)高速向前移動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)與交流直線電機(jī)的行波磁場(chǎng)相像如我們利用管壁對(duì)液體的摩擦力就可制成行波式壓電泵，管式或平行板式的。圖4為其工作原理圖。圖中標(biāo)記①為振動(dòng)中的壓電材料。A、B、C為三相電源的電極。
圖5是所謂心臟式壓電泵，其工作原理是用電源使壓電材料制的管子擴(kuò)張和壓縮并同時(shí)使其兩端的雙極型壓電片相應(yīng)地打開和閉合以實(shí)現(xiàn)泵水的功能。①、②、③、④分別為壓電片和壓電管的運(yùn)動(dòng)范圍，⑤為需泵送的液體，⑥為勢(shì)能不同的液體的阻擋層。
圖6是所謂魚尾式壓電泵的工作原理示意圖。標(biāo)記①為外殼，2為運(yùn)動(dòng)中的雙極型壓電片，它不僅作簡(jiǎn)諧振動(dòng)而且還在控制相電壓的作用下產(chǎn)生一個(gè)將管中水推向前的力-就像魚尾產(chǎn)生的力。
圖8中的①、②、③分別是一種四層壓電材料制成的薄片在零電壓、正向電壓和反向電壓下的狀態(tài)。圖中為容易辯認(rèn)而畫得較厚。中間兩層的功能與圖2的一樣。外面兩層的功能是使其作相對(duì)于橫向的扭曲，其在正、反向電壓作用下的情況如④、⑤。(零電位時(shí)介于這兩種情況之中，圖未畫)從圖中可見標(biāo)記⑤的壓電片的橫截面在X軸的投影要比標(biāo)記④的短2倍D長(zhǎng)度，如圖中虛線所示。這樣當(dāng)我們對(duì)這4片(兩組)壓電片加上如圖7所示的不對(duì)稱鋸齒波電壓時(shí)由于壓電片在每半個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)-將液體向前、后方推動(dòng)的作用面和沖量-有一個(gè)差值，這就對(duì)管子⑦中的液體⑧有個(gè)方向不變的軸向力，這個(gè)力就是蜂翅型壓電泵的泵送力。標(biāo)記⑥表示四層壓電片在泵中的安裝位置。
下面對(duì)附圖9加以說(shuō)明。這是所謂的緩沖重力閥。其中①低壓區(qū)。②、⑥，液體。③，閥殼。④，緩沖區(qū)。⑤、8，雙極型壓電片。⑦，高壓蒸汽區(qū)。⑨，表示雙極型壓電片處于開的狀態(tài)，其工作原理是在重力作用下將低壓區(qū)的液體先送入緩沖區(qū)再送入高壓區(qū)。其具體過(guò)程為先將壓電片⑤打開并關(guān)閉壓電片⑧，低壓區(qū)液體流入緩沖區(qū)，再關(guān)上⑤，打開⑧，液體流入高壓區(qū)，平時(shí)由于壓力作用閥門能較好地阻止高壓汽體泄漏。
圖10是一個(gè)雙極型壓電閥，是一種利用電能來(lái)控制的閥門。壓電片③在電場(chǎng)作用下的彎曲作用相當(dāng)于普通閥門的開啟。標(biāo)記④處的閥口與不加電場(chǎng)時(shí)的壓電片吻合而使閥門關(guān)閉，①為閥門壁，②為液體。這個(gè)器件可兩個(gè)反相串聯(lián)以加強(qiáng)作用。
圖11是利用雙極型壓電片彎曲作用來(lái)推動(dòng)齒輪的示意圖，壓電片分成兩段以加強(qiáng)效果、壓電片①可控制以保持與齒輪②接觸或脫離。壓電片在一個(gè)交變電壓波形作用下推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。
圖12是利用圖11壓電片推動(dòng)齒輪的作用而設(shè)計(jì)的可控大功率閥門。標(biāo)記②所示齒輪有上下兩排方向相反的齒，以配合壓電片①和⑤來(lái)作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)可通過(guò)螺母③使螺桿⑥帶動(dòng)其下的方型閘門⑧上下運(yùn)動(dòng)以開啟或關(guān)閉閥門。這樣就可控制管道④中的液體的流量。標(biāo)記⑦為液體，⑨為液流方向。該閥門又稱作H閥門。
本發(fā)明的各種壓電泵能適應(yīng)控制要求很高的場(chǎng)合。它一開始是為了應(yīng)用在一種可控抗重力熱管之中。與現(xiàn)有的各種可控動(dòng)力泵相比它具有體積小，如管型泵幾乎不占空間。造價(jià)低，約為其它電動(dòng)泵的十分之一或更低。(在小功率情況下)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件而使工作壽命大大延長(zhǎng)并且運(yùn)行可靠。并還有沒(méi)有磁場(chǎng)，可耐高壓和低溫等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的閥門也有以上所述一般壓電產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。
由于對(duì)于各種不同情況，各種形式的壓電泵和閥門各具特點(diǎn)。所以要根據(jù)具體情況選用或設(shè)計(jì)各種壓電泵和閥門。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種用壓電材料制造的液體泵送、開關(guān)器件。它們是根據(jù)壓電材料可直接將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能-場(chǎng)致伸縮-特性來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的。
2.權(quán)項(xiàng)1中講的用壓電材料制造的液體泵送器件包括利用壓電材料制成的容器的收縮和擴(kuò)張所引起其內(nèi)部體積的變化而產(chǎn)生的泵力來(lái)工作的壓電泵，也稱為心臟式壓電泵;還包括利用行波電場(chǎng)產(chǎn)生的壓電材料之間以及壓電材料與其它材料之間形狀不變但高速移動(dòng)的空間所產(chǎn)生的力來(lái)工作的泵，也稱為行波式壓電泵;還包括利用壓電片由于不對(duì)稱振動(dòng)所產(chǎn)生的力來(lái)工作的壓電泵，也稱為蜂翅式壓電泵。還包括利用壓電片在作其它非弦振運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力來(lái)工作的壓電泵，也稱為魚尾式壓電泵。
3.權(quán)項(xiàng)1中講的壓電材料制造的液體開關(guān)器件包括利用場(chǎng)致伸縮效壓及其延拓-雙層壓電材料的場(chǎng)致彎曲效應(yīng)來(lái)改變對(duì)管道中液體的阻擋作用而制成的閥門。還包括由這些單獨(dú)的閥門的變形及其組合而得到的具有更高級(jí)功能的閥門。還包括利用場(chǎng)致彎曲效應(yīng)來(lái)推動(dòng)齒輪或圓盤以帶動(dòng)其它各種形式的閥而制成的各種閥門。
4.權(quán)項(xiàng)1所講的用壓電材料制造的液體泵送器件，包括利用壓電材料的其它特性-如多細(xì)孔陶瓷所具有的毛細(xì)作用力來(lái)一起作用以得到具有更好泵送液體效果的器件。
專利摘要
本發(fā)明——用壓電材料制造的液體泵送，開關(guān)器件。為解決許多場(chǎng)合下存在的液體泵送，開關(guān)器件的體積、成本、效率和控制等問(wèn)題而產(chǎn)生。本發(fā)明根據(jù)壓電材料可直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能——場(chǎng)致伸縮——的特性。設(shè)計(jì)出了行波式、魚尾式、蜂翅式和心臟式等壓電泵和雙極型等壓電閥門，從而為今后在各領(lǐng)域開發(fā)更多新產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)F16K31/02GK85104890SQ85104890
公開日1986年7月2日 申請(qǐng)日期1985年6月21日
發(fā)明者施國(guó)梁 申請(qǐng)人:施國(guó)梁導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan