ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАСОС
PIEZOELECTRIC PUMP

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть применено для перекачивания различных жидкостей.
31
Широко известны пьезоэлектрические насосы. Данный класс пьезоэлектрических насосов отличается повышенной эффективностью, компактностью и простотой в управлении. В известной статье (см А.Н. Виноградов, Г.Е. Духовенский «Исследование пьезоэлектрических микронасосов для медицинской и космической техники», сайт http://nuclphys.sinp.msu.ru/school/s11/11_16.pdf) даны общие принципы построения пьезоэлектрических насосов. С нашей точки зрения интересно упоминание о построении пьезоэлектрического насоса на основе принципа бегущей волны. Другими словами, используется принцип, когда форма волны является движителем жидких масс или бегущая волна движется и «гонит» перед собой жидкую массу и тем самым обеспечивает перекачку указанной жидкой массы. Указанный принцип достигается тем, что на ряд пьезокерамических пластин подается напряжение со сдвигом по фазе, которое заставляет их колебаться не в режиме стоячей волны, а в режиме бегущей волны. Прототипом данного изобретения является патент «Пьезоэлектрический насос» (см. пат. США №5,192,197, опубликован 9 марта 1993, МПК F04B 35/04). Данный насос наглядно показывает преимущества применения принципа бегущей волны. Однако существует ряд недостатков, а именно относительно низкое значение пьезоэлектрического коэффициента d, определяющего эффективность электромеханического преобразования, низкое результирующее смещение каждого пьезоэлемента, необходимость в конструкции из стопки склеенных пьезоэлектрических пластин с соответствующей схемой управления.
51
Наиболее близким аналогом, который частично решает указанные проблемы, является Пьезоэлектрический ротационный насос (см. пат. США №6,787,972, опубликован 7 октября 2004 г., МПК F04B 43/08). Преобразующим элементом в насосе является продольно сегментированный пьезоэлектрический преобразователь крутильных колебаний. В этом преобразователе использовались пьезоэлектрические сегменты с поляризацией, перпендикулярной оси вращения преобразователя при подаваемом напряжении электроды находящихся на смежных плоскостях пьезоэлектрических сегментов. Крутильные колебания преобразуются в круговое движение посредством шарниров, которые могут вращаться в одну сторону и блокируются при движении в обратную сторону. Круговые движения преобразует в поступательные движения жидкости специальная циклоидообразная трубка. Преимуществами данного конструктива являются компактная конструкция, использование высокого значения пьезоэлектрического коэффициента d, определяющего эффективность электромеханического преобразования. Недостатками являются: 1. Относительная механическая ненадежность клееного сегментированного пьезоэлектрического элемента; 2. Механическое преобразование крутильных колебаний во вращение основывается на использовании вращающихся шарниров, которые не могут быть постоянно надежными при высоких частотах и высоких нагрузках.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
51
Пьезоэлектрический привод представлен в виде монолитного пьезоэлектрического кольца с аксиальной, относительно оси вращения, поляризацией, с нанесенными на боковые стороны электродами, выполненными в виде полос, параллельных своими длинными сторонами оси вращения, при этом на каждую пару двух противолежащих относительно друг друга полос подается напряжение со сдвигом по фазе относительно рядом расположенной аналогичной пары. Каждые две пары противолежащих относительно друг друга электродов обеспечивают сдвиговые колебания кольца по одной направляющей с использованием при расчете пьезоэлектрического коэффициента d. Другая же пара противолежащих относительно друг друга электродов, на которые подается сигнал сдвинутый по фазе (например на 90°), обеспечивают сдвиговые колебания кольца по другой направляющей, что в сумме дает круговые качательные колебания пьезоэлектрического кольца. Другими словами, имея два вектора разнесенных в пространстве колебаний, но с единой точкой пересечения, мы получаем итоговые круговые колебания, что по существу соответствует бегущей волне, идущей по образующей описываемого круга, соосного оси вращения пьезоэлектрического кольца. Для усиления абсолютных значений указанных смещений может быть использован эффект концентрации, коэффициент усиления которого пропорционален отношению толщины стенки кольца к толщине стенок преобразующего элемента.
Преобразующий элемент может быть представлен в виде перевернутого усеченного конуса, закрепленного на пьезоэлектрическом кольце. Полученные вращательно-качательные движения преобразуются в движения жидкости тем, что на внутренних или внешних стенках указанного преобразователя, выполненного в виде усеченного конуса, прикреплены стоки для жидкости, назначение которых захватывать и направлять жидкость в одном полупериоде вращения, а в другом полупериоде - проделывать обратный ход. Устройство стока представляет собой обыкновенный клин, который, имея при одном полупериоде вращения относительно высокое сопротивление потоку жидкости и захватывает жидкости и другое сопротивление на обратном ходу. Или, другими словами, точка стока преобразующего элемента, находящаяся на плоскости, перпендикулярной оси вращения пьезоэлектрического кольца, совершая вращательное движение, синфазное движение с другими точками, захватывает за счет своего одностороннего раскрыва жидкость, которая дальше продавливается за счет наклона стока в сторону, перпендикулярную плоскости вращения.
На Фиг. 1 представлен пример пьезоэлектрического привода качающе-вращающегося пьезоэлектрического насоса. В пьезоэлектрический привод входит пьезоэлектрическое кольцо 1, расположенные на внешних и внутренних боковых поверхностях кольца пары электродов 2, 3, 4, 5. Направление поляризации Р пьезоэлектрического кольца 1.
На Фиг. 2 представлен пример пьезоэлектрического привода качающе-вращающегося пьезоэлектрического насоса в виде сверху. В пьезоэлектрический привод входит пьезоэлектрическое кольцо 1, расположенные на внешних и внутренних боковых поверхностях кольца пары электродов 2, 3, 4, 5, на которые подается напряжение со сдвигом 90° относительно каждой последующей пары электродов по боковой поверхности.
На Фиг. 3 представлен пример качающе-вращающегося пьезоэлектрического насоса, состоящего из пьезоэлектрического кольца 1, и закрепленный на нем преобразующий элемент 6.
На Фиг. 4 представлен пример преобразующего элемента, где изображена часть корпуса преобразующего элемента 6 с закрепленным направляющим стоком 7, который за счет определенного направления вращения вызывает движение жидкости в направлении 8.
На Фиг. 5 представлен пример двухстороннего качающе-вращающегося пьезоэлектрического насоса, состоящего из пьезоэлектрического кольца 1 и закрепленного на нем преобразующего элемента 6.
Качающе-вращающийся пьезоэлектрический насос работает следующим образом: В соответствии с Фиг. 1 и Фиг. 2 пьезоэлектрическое кольцо 1, имея аксиальную поляризацию и соответственно аналогичную ориентацию доменов, при подаче переменного напряжения на пару электродов 2 будет испытывать колебательные сдвиговые смещения своих торцевых плоскостей в направлении под углом 45° между осями X и Y. Те же колебательные смещения будем иметь на паре электродов 4, причем на электрод, находящийся на внутренней боковой стороне этой пары, теперь уже будет подаваться напряжение обратной полярности, чем на электрод, находящийся на внутренней боковой стороне пары 2, и аналогично для электродов на внешних боковых сторонах. На пару электродов 3 подается переменное напряжение со сдвигом 90° относительно пары электродов 2. Соответственно такое же синфазное напряжение подается на противолежащую пару электродов 5. При этом получаем колебательные сдвиговые смещения торцевых плоскостей в направлении под углом 135° между осями X и Y. Пространственное сложение двух сдвиговых колебаний с разностью фаз в 90° с единой точкой опоры естественно дает круговые качательные движения пьезоэлектрического кольца, а именно пьезоэлектрического привода. Причем за неподвижную часть мы берем, например, нижнюю плоскость пьезоэлектрического кольца. В соответствии с этим по Фиг. 3 верхняя плоскость пьезоэлектрического кольца 1 движется по кругу, то есть каждая точка плоскости пьезоэлектрического кольца описывает круговые движения в одной фазе с любой другой точкой плоскости пьезоэлектрического кольца и вместе закрепленный на ней и преобразующий элемент 6 также описывает такие круговые движения. Эти движения могут усиливаться по амплитуде при переходе от пьезокерамического кольца к преобразующему элементу за счет коэффициента, пропорционального отношению толщины кольца к толщине преобразующего элемента. Таким образом каждая точка преобразующего элемента испытывает синфазные вращения. В этом случае расположенные на корпусе 6 преобразующего элемента согласно Фиг. 4 направляющие стоки 7 в одну половину периода вращения могут захватывать жидкость за счет соответствующей ориентации своего наклона к плоскости преобразующего элемента и продавливать в необходимом направлении 8 за счет наклона к плоскости вращения. Определенное количество этих направляющих стоков 7, расположенных на внутренней поверхности преобразующего элемента, позволяет создавать поток жидкости в необходимом направлении.
Для динамической компенсации со свободной стороны пьезоэлектрического привода может надстраиваться такой же пьезоэлектрический привод со своим преобразующим элементом, но работающий в противофазе.