НАСОС
PUMP

Настоящее изобретение относится к насосу для текучих субстанций, в частности к насосам, в которых полость накачки является цилиндрической полостью, близкой к дискообразной, имеющей торцевые стенки, близкие к круговым. Конструкция такого насоса раскрыта в публикации WO 2006/111775.
В таком насосе одна или обе торцевые стенки приводятся приводом в колебательное перемещение в направлении, по существу перпендикулярном плоскости торцевой стенки. Когда торцевая стенка приводится в такое движение, поверхность этой торцевой стенки может сама, но не обязательно, превратиться в элемент привода сложных вибраций униморфного или биморфного пьезоэлемента. Альтернативно, торцевая стенка может быть выполнена в виде пассивного слоя материала, приводимого в колебательное состояние отдельным приводом посредством силового передаточного (то есть, механического, магнитного или электростатического) взаимодействия с ним.
Предпочтительно согласовать пространственное распределение перемещения приводимой торцевой стенки (стенок) с пространственным распределением колебаний давления в полости накачки - условие, называемое далее согласованием мод. Согласование мод означает, что работа, производимая приводом текучей субстанции в полости накачки, конструктивно - через активизированную поверхность торцевой стенки - суммируется, увеличивая амплитуду колебаний давления в полости накачки и обеспечивая высокую эффективность насоса. В насосе, работающем без согласования мод, на поверхности торцевой стенки могут быть области, в которых работа, выполняемая торцевой стенкой над текучей субстанцией, уменьшает, а не увеличивает амплитуду колебаний давления в текучей субстанции внутри полости накачки, при этом полезная работа, выполняемая приводом, уменьшается, и насос становится менее эффективным.
Эта проблема предшествующего уровня техники показана на фиг.3 публикации WO 2006/111775. На фиг.3А публикации WO 2006/111775 показан насос, в котором одна торцевая стенка 12 выполнена в виде нижней поверхности диска 17, и в ней пьезоэлектрическим приводом, образованным диском 17 и пьезоэлектрическим диском 20, возбуждено вибрационное движение. Вместе диск 17 и пьезоэлектрический диск 20 образуют привод изгибных мод, чьи вибрации возбуждают в текучей субстанции внутри камеры накачки 11 радиально-симметричные волны давления. Амплитуда движения торцевой стенки 12 максимальна в центре камеры накачки и минимальна по ее краям. Насос, включающий в себя такой составной привод, относительно прост в производстве, поскольку привод может быть жестко прикреплен к камере накачки по ее периметру, где амплитуда движения привода близка к нулю. Однако во многих практических конструкциях, использующих для построения криволинейных боковых стенок камеры накачки обычные сплошные материалы, акустический импеданс таких боковых стенок больше, чем импеданс рабочей текучей субстанции, и следовательно, колебания давления в текучей субстанции внутри камеры накачки у торцевой стенки будут иметь пучность. Поскольку в этом месте торцевая стенка, как показано на фиг.3 публикации WO 2006/111775, имеет узел, такая конфигурация не может обеспечить такого согласования мод, которое бы эффективно сохранялось по всей поверхности торцевой стенки. Действительно, отсутствие согласования мод принципиально имеет место по внешним радиусам торцевых стенок, так что существенные участки поверхности торцевых стенок и рабочего объема текучей субстанции остаются в режиме отсутствия вибрационного согласования мод.
На фиг.3В публикации WO 2006/111775 показана предпочтительная конфигурация, в которой движение привода и, следовательно, торцевой стенки 12 аппроксимируется функцией Бесселя и имеет пучность. В этом случае приводная торцевая стенка и колебания давления в текучей субстанции внутри камеры накачки имеют согласованные моды, и эффективность насоса увеличена. Однако не очевидно, каким образом может быть построен такой насос, поскольку привод должен иметь пучность вибрации у боковой стенки, к которой он обычно может быть прикреплен.
Еще две проблемы предшествующего уровня техники проиллюстрированы на фиг.1 публикации WO 2006/111775, которая показывает насос, приводимый от простого униморфного привода. Привод состоит из пьезоэлектрического диска, скрепленного со вторым диском. Если такой привод установлен по периметру камеры накачки, его мода колебаний низшего порядка будет иметь вид, показанный на фиг.3А.
Эта конструкция имеет два ограничения. Во-первых, толщина и диаметр пьезоэлектрического диска определяются необходимостью достижения требуемой частоты вибрации и формы моды в приводе, тем самым эффективно ограничивая объем пьезоэлектрического материала, который может быть использован. Поскольку существует предел по мощности на единицу объема пьезоэлектрического материала, которая может быть эффективно передана, это ограничение по объему пьезоэлектрического диска накладывает ограничение на выход полезной мощности привода. Во-вторых, пьезоэлектрический диск подвержен большим напряжениям в центре, где амплитуда движения привода и его радиус кривизны являются максимальными. Известно, что высокие напряжения могут привести к постепенной деградации пьезоэлектрического материала вследствие его деполяризации, тем самым уменьшая амплитуду движения привода и, таким образом, ограничивая срок службы привода. Такие высокие напряжения в центре привода могут также привести к усталости слоя клея между пьезоэлектрическим диском и вторым диском, если они соединены клеем, что также ведет к сокращению срока службы привода.
Задачей настоящего изобретения является решение одной или большего количества определенных выше проблем.
В соответствии с настоящим изобретением предложен насос для текучей субстанции, содержащий:
- камеру, которая во время работы вмещает перекачиваемую текучую субстанцию, при этом камера включает в себя основную полость, имеющую по существу цилиндрическую форму, ограниченную первой и второй торцевыми стенками и боковой стенкой, и дополнительную полость, продолжающуюся в радиальном направлении от основной полости;
- один или большее количество приводов, которые во время работы вызывают колебательное перемещение первой торцевой стенки в направлении, по существу перпендикулярном плоскости первой торцевой стенки; и
где во время работы осевые колебания торцевых стенок вызывают радиальные колебания давления текучей субстанции в основной полости; и
где дополнительная полость разделяет боковую стенку от первой торцевой стенки таким образом, что первая торцевая стенка при включенном приводе может перемещаться относительно боковой стенки.
Дополнительная полость может отдалять боковую стенку от первой торцевой стенки таким образом, что первая торцевая стенка при включенном приводе может перемещаться независимо от боковой стенки.
Настоящее изобретение решает проблему позиционирования пучности вибрации привода у края основной полости физическим разделением механического узла крепления привода и боковой стенки.
В одном варианте выполнения привод жестко установлен на диаметре, большем, чем диаметр боковой стенки, причем основная полость определена боковой стенкой, которая приближена к поверхности привода, но не касается ее. В такой конфигурации радиальная акустическая волна в основной полости по существу отражается боковой стенкой, создавая в основной полости нужную стоячую волну с пучностью давления у искривленных боковых стенок, но привод не касается боковой стенки, позволяя ей вибрировать вместе с пучностью смещения или близко с ней на таком радиусе, на котором необходимо. Другие варианты выполнения боковой стенки определяются подобным же образом, но при этом совместимый материал заполняет зазор между вершиной боковой стенки и поверхностью привода.
В предпочтительном варианте выполнения использование привода, активный элемент которого представляет собой кольцо из пьезоэлектрического или магнитострикционного материала для возбуждения колебаний привода, еще в большей степени преодолевает проблемы ограниченного объема пьезоэлектрического материала и высоких напряжений внутри пьезоэлектрического материала. Поскольку такое пьезоэлектрическое кольцо может быть значительно большего внешнего диаметра, чем его дисковый аналог, оно может иметь значительно большую площадь. Это позволяет использовать больший объем пьезоэлектрического материала и исключает пьезоэлектрический материал из области с высоким напряжением в центре привода.
Предпочтительно, между вершиной боковой стенки и первой торцевой стенкой обеспечен зазор. Между вершиной боковой стенки и первой торцевой стенкой может быть обеспечен слой совместимого материала.
Дополнительная полость может включать в себя более тонкий участок между жестким креплением, расположенным радиально от боковой стенки, и первой торцевой стенкой и более глубокий участок в радиальном направлении от этой боковой стенки. Боковая стенка может сужаться в направлении первой торцевой стенки.
Первая торцевая стенка, предпочтительно, установлена на радиально самом внешнем участке дополнительной полости.
Предпочтительно, в стенках камеры выполнены по меньшей мере два отверстия, по меньшей мере одно из которых является отверстием, оснащенным клапаном.
Может быть обеспечен второй привод, такой, что во время работы этот второй привод вызывает колебательное перемещение второй торцевой стенки в направлении, по существу перпендикулярном второй торцевой стенке.
Один или оба привода могут включать в себя активный элемент, который является либо пьезоэлектрическим, либо магнитострикционным и может быть диском или кольцом.
В активном элементе, предпочтительно, возбуждены радиальные колебания для индуцирования осевого отклонения одной или обеих торцевых стенок.
Расстояние между внутренней и внешней окружностями активного элемента составляет приблизительно половину длины волны моды привода. В этом случае привод, предпочтительно, выполнен таким образом, что его внутренняя и внешняя окружности расположены по существу в узлах моды вибрации привода, то есть, материал привода перекрывает зону между двумя такими узлами вибрации.
Расстояние между внутренней и внешней окружностями активного элемента может быть равно приблизительно одной четверти длины волны моды привода. В этом случае привод, предпочтительно, выполнен таким образом, что его внешний диаметр кольца по существу смежен с радиально самым внешним участком дополнительной полости.
В альтернативной конфигурации привод может включать в себя электромагнитную катушку.
Форма толщины первой торцевой стенки образована с возможностью оптимизации распределения смещения привода для согласования мод.
Привод, предпочтительно, построен таким образом, что в выключенном состоянии привода пьезоэлектрический или магнитострикционный материал предварительно сжат.
а
h
Радиус основной полости  и высота , предпочтительно, удовлетворяют следующим неравенствам:
a/h
больше чем 1,2; и
h
/а
2
-10
больше чем 4×10 м.
Радиус основной полости а, кроме того, предпочтительно, удовлетворяют следующему неравенству:
c_min
c_max
f
k
k
0
0
где  есть 115 м/с,  есть 1970 м/с,  - рабочая частота, а  есть постоянная (=3,83).
Движение приводимой торцевой стенки (стенок) и колебания давления в основной полости, предпочтительно, согласованы по модам, а частота колебательного движения может быть в пределах 20% от нижней резонансной частоты радиальных колебаний давления в основной полости.
a/h
Отношение  может быть больше чем 20. Объем основной камеры может быть меньше чем 10 мл.
Частота колебательных движений, предпочтительно, равна самой нижней резонансной частоте радиальных колебаний давления в основной полости.
Нижняя резонансная частота радиальных колебаний давления в основной полости, предпочтительно, больше чем 500 Гц.
Одна или обе торцевые стенки могут иметь усеченную коническую форму, такую, что торцевые стенки в центре разделены на минимальное расстояние, а по краям - на максимальное расстояние.
Движение торцевой стенки, предпочтительно, происходит в согласованном модовом режиме с колебаниями давления в основной полости.
Амплитуда движения торцевой стенки, предпочтительно, аппроксимируется формой функции Бесселя.
а
а
а
Предпочтительно, чтобы не имеющие клапанов отверстия в стенках камеры были расположены на расстоянии в 0,63 плюс-минус 0,2 от центра основной полости, где  есть радиус основной полости.
Предпочтительно, чтобы отверстия в стенках камеры, имеющие клапаны, были расположены около центра основной полости.
h
/а
2
-7
Отношение , предпочтительно, больше чем 10 м, а рабочей текучей субстанцией, предпочтительно, является газ.
Теперь будут описаны примеры настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, в которых:
Фиг.1А-1С представляют собой условное изображение насоса в соответствии с предшествующим уровнем техники, в котором смещения привода и колебания давления в полости накачки по моде не согласованы.
Фиг.2 представляет собой условное изображение предпочтительного варианта исполнения в соответствии с предшествующим уровнем техники, в котором смещения привода и колебания давления в полости накачки согласованы по моде.
Фиг.3 показывает один вариант исполнения настоящего изобретения, позволяющий достичь предпочтительного режима согласования по моде.
Фиг.4А-4С иллюстрируют другие варианты исполнения настоящего изобретения.
Фиг.5 и 6 иллюстрируют возможные конструкции привода, которые могут быть использованы в настоящем изобретении.
Фиг.7 иллюстрирует еще одну возможную конструкцию привода, которая может быть использована в настоящем изобретении, и
Фиг.8 показывает сужающуюся основную полость.
Фиг.1 представляет собой условное изображение насоса в соответствии с предшествующим уровнем техники. Полость 11 образована торцевыми стенками 12 и 13 и боковой стенкой 14. Эта полость по форме по существу круговая, хотя могли бы использоваться эллиптическая и другие формы. Полость 11 оснащена узловым впускным отверстием 15, которое в данном примере не имеет клапана. Есть также выпускное отверстие 16 с клапаном, расположенное по существу в центре торцевой стенки 13. Первая торцевая стенка 12 образована нижней поверхностью диска 17, прикрепленной к основному корпусу 18. Впуск и выпуск проходят через основной корпус 18.
Привод содержит пьезоэлектрический диск 20, скрепленный с диском 17. Когда приложен соответствующий приводной электрический сигнал, привод вынужден вибрировать в направлении, по существу перпендикулярном плоскости полости, генерируя тем самым колебания давления внутри текучей субстанции в полости.
На фиг.1В показана одна возможная эпюра смещения приводной стенки 12 полости. В этом случае амплитуда движения максимальна в центре полости и минимальна по ее краям. Сплошная кривая линия и стрелки показывают смещение стенки в данный момент времени, а пунктирной линией обозначено ее положение на полцикла позже. Смещения изображены сильно преувеличенными, а пьезоэлектрический диск для ясности на чертеже не показан.
На фиг.1С показана одна возможная эпюра колебаний давления для полости, показанной на фиг.1А и 1В. Сплошная кривая линия и стрелки показывают величину давления в данный момент времени, а пунктирной линией обозначена величина давления на полцикла позже. Для этого режима и для мод высоких порядков область пучности давления - у стенки полости. Радиальная зависимость давления в полости приблизительно представляет собой функцию Бесселя, имеющую следующие характеристики:
Уравнение 1
r
а
P
0
где  есть радиальное расстояние от центра полости,  - радиус полости, а - давление в центре полости.
Фиг.1В и 1С показывают моды смещений привода и колебания давления, которые обычно используются при работе насоса по фиг.1А. Из их рассмотрения может быть видно, что в данном случае эти две моды лишь "умеренно" совпадают: если, где привод действует на увеличение колебания давления в центре полости, он необходимо должен действовать на их уменьшение у стенки полости, где колебание давления имеет противоположный знак.
Степень согласования мод может быть выражена произведением скорости привода на давление, проинтегрированное по площади полости. Например, если скорость привода и давление могут быть представлены как
Уравнение 2
V(r)
P(r)
t
где функция выражает радиальную зависимость скорости привода,  выражает радиальную зависимость колебаний давления в полости, ω есть угловая скорость,  - время, а φ - разность фаз между давлением и скоростью.
Степень согласования мод может быть определена интегралом от давления и скорости по поверхности привода
Уравнение 3
М
V(0)
P(0)
dA
где  выражает степень согласования мод,  и  -  соответственно скорость привода и давление в центре полости,  - есть элемент площади, а интеграл взят по площади привода, находящейся в непосредственном сообщении с полостью. В конструкции по фиг.1 амплитуда движения привода взята близкой к краю полости, а в интеграле доминирует центральная площадь привода.
V(r)
P(r)
На фиг.2 показана одна возможная предпочтительная конфигурация, в которой привод имеет моду, которая хорошо согласована с модой колебаний давления в полости. В этом случае привод работает на уменьшение амплитуды колебаний давления в полости во всех точках, и степень согласования мод, выраженная уравнением 2, увеличена. Следует заметить, что в то время, как произведение  и  меньше в направлении периметра полости, чем оно есть в центре полости, увеличение зоны взаимодействия, которая ближе к периметру полости, означает, что периметр полости вносит значительный вклад в общую степень согласования мод. В настоящем изобретении рассматриваются практические пути достижения этой предпочтительной конфигурации, то есть достижения пучности смещения привода у стенки полости.
а
На фиг.3 показан один возможный вариант выполнения настоящего изобретения, в котором камера насоса теперь разделена на главную полость 110 и дополнительную полость 23. В этой конструкции диск 17 привода установлен на диске 18 по его периметру. Крепление привода таким образом позволяет использовать относительно жесткую установку, облегчая производство насоса. Привод, предпочтительно, введен в режим вибрации с модой, показанной на фиг.3В. Боковая стенка 14 образована ступенчатым изменением глубины полости на радиусе , а дополнительная полость 23 продолжается за этот радиус при уменьшенной глубине до радиуса, на котором привод прикреплен к корпусу 21 насоса. Ступенчатое изменение глубины полости у боковой стенки 14 воздействует на отражение акустической волны внутри главной полости 110, генерируя необходимую стоячую волну, в то время как движение привода остается на этом диаметре не ограниченным, создавая возможность получения необходимого результата - создания пучности вибраций привода у эффективного края главной полости 110. Степень отражения у боковой стенки 14 фиг.3А зависит главным образом от двух факторов: акустического импеданса материала боковой стенки и высоты этой боковой стенки 14 относительно глубины главной полости 110. В первом приближении коэффициент отражения R главной полости с полной высотой дается уравнением
Уравнение 4
Z
Z
Wall
Fluid
где  есть акустический импеданс материала боковой стенки, а  - акустический импеданс текучей субстанции.
Поэтому для достижения сильного резонанса главной полости важно, чтобы акустический импеданс материала боковой стенки был либо значительно больше, либо значительно меньше, чем акустический импеданс текучей субстанции в главной полости. Первое условие может быть легко выполнимо, если стенка выполнена из пластика, а текучей субстанцией в главной полости является газ, правда, возможны и иные комбинации.
В тех случаях, когда боковая стенка не продолжается на всю высоту главной полости, степень отражения будет уменьшена. В первом приближении коэффициент отражения в этом случае дается уравнением
Уравнение 5
h
h
Wall
Cavity
где  есть высота боковой стенки, а  - высота основной полости.
Поэтому важно, чтобы для конструкции, показанной на фиг.3А, высота боковой стенки была бы максимальна.
На фиг.4А-4С показаны варианты настоящего изобретения. На фиг.4А показан насос, в котором дополнительная полость снаружи боковой стенки 14 имеет увеличенную глубину. Этот конструктивный признак предназначен для минимизации протяженности узкого зазора между верхней частью боковой стенки 14 и диском 17 привода, поскольку в этом зазоре может создаваться высокое давление, приводящее к потере эффективности насоса. По этой причине предпочтительно, чтобы боковая стенка 14 по фиг.4 была настолько узкой, насколько это разумно возможно, при сохранении своего акустического импеданса, а значит, и своего коэффициента отражения. Может быть предпочтительной сужающаяся боковая стенка 14, пример которой показан на фиг.4С. Для того чтобы достичь оптимального акустического отражения на внутреннем краю такой боковой стенки, предпочтительно, чтобы внутренний край этой боковой стенки оставался вертикальным, как показано. Фиг.4В показывает насос, в котором соответственно совместимый элемент заполняет зазор между вершиной боковой стенки 14 и диском 17 привода. Такой совместимый элемент предназначен для дальнейшего увеличения отражения акустической энергии от боковой стенки. Твердость этого совместимого элемента должна быть выбрана очень тщательно во избежание значительного демпфирования движения привода.
На фиг.5 показана одна возможная конструкция привода, которая может быть использована в настоящем изобретении и которая содержит пьезоэлектрический диск 20. Для оптимальной работы радиус диска должен быть приблизительно равен радиусу первого узла вибрации привода, и поэтому для конструкции насоса с модовым согласованием радиус диска должен быть приблизительно равен радиусу первого узла колебаний давления в основной полости. За этим первым узлом вибрации привода знак кривизны привода меняется: плоскостное расширение пьезоэлектрического диска, которое создает кривизну области центральной пучности привода, действует против создания требуемой кривизны (теперь противоположного знака) за первым узлом вибрации. Как первое правило, - простой униморфный привод данного типа должен быть сконфигурирован таким образом, чтобы пьезоэлектрический элемент перекрывал только те зоны, в которых кривизна привода имеет один знак.
На фиг.6 показана вторая возможная конструкция привода, которая может быть использована в настоящем изобретении. На фиг.6А показано приблизительное радиальное положение пьезоэлектрического кольца 20 диска 17. На фиг.6В показана результирующая эпюра смещения привода, на котором для ясности само пьезоэлектрическое кольцо отсутствует. В этой конфигурации пьезоэлектрический преобразователь перекрывает приблизительно полволны моды вибрации привода, и в этой зоне кривизна привода снова одного знака. В результате, плоскостное расширение и сокращение пьезоэлектрического кольца (указанное двойной стрелкой) эффективно возбуждает вибрацию привода.
а
а
а
2
Вариант выполнения по фиг.6 предпочтителен варианту выполнения по фиг.5, поскольку в нем и объем пьезоэлектрического материала больше, и - вследствие этого - максимальная выходная мощность привода выше. Например, если насос модально согласованный, то тогда радиальная зависимость движения привода будет соответствовать радиальной зависимости колебаний давления в основной полости и поэтому будет оппроксимироваться функцией Бесселя по уравнению 1. Поэтому пьезодиск по фиг.5А может продолжаться до радиуса приблизительно в 0,63, то есть будет являться радиусом первого нуля функции Бесселя, которая имеет свой первый максимум на радиусе  основной полости. Тогда максимально полезная площадь такого пьезоэлектрического диска будет приблизительно равна 1,2.
а
а
а
2
Предполагая снова зависимость по функции Бесселя, пьезоэлектрическое кольцо по фиг.6 может продолжаться от радиуса 0,63 до радиуса 1,44 (следующий ноль функции Бесселя), и в этой области кривизна функции Бесселя снова имеет один знак. Тогда максимально полезная площадь такого пьезоэлектрического кольца будет приблизительно равна 5,3. Движение привода может только аппроксимироваться функцией Бесселя, однако это простое вычисление иллюстрирует важное преимущество перехода к кольцевому приводу в параметрах площади пьезоэлектрического материала и, следовательно, максимальной выходной мощности привода.
На фиг.7 показана еще одна возможная конструкция привода, которая может быть использована в настоящем изобретении. На фиг.7А показано приблизительное радиальное положение пьезоэлектрического кольца 20 диска 17. На фиг.7В показана результирующая эпюра смещения привода, на котором для ясности само пьезоэлектрическое кольцо отсутствует. В этой конфигурации пьезоэлектрический преобразователь перекрывает приблизительно четверть волны моды вибрации привода, и в этой зоне кривизна привода снова одного знака. В результате, плоскостное расширение и сокращение пьезоэлектрического кольца (указанное двойной стрелкой) эффективно возбуждает вибрацию привода.
На фиг.8 показана сужающаяся основная полость, в которой одна торцевая стенка, в данном случае вторая торцевая стенка, имеет усеченную коническую форму. Можно видеть, насколько основная полость 11 имеет большую высоту у боковой стенки 14, в то время как в центре расстояние между торцевыми стенками 12, 13 минимально. Такая форма обеспечивает увеличенное давление в центре полости. Обычно диаметр полости составляет 20 мм, высота в центре - 0,25 мм, а высота на конце радиуса - 0,5 мм.