Пьезоэлектрический микронасос

Полезная модель относится к устройствам для прецизионной перекачки жидкости или газа, а именно к пьезоэлектрическим насосам мембранного типа, и может применяться в медицине, в космической, вакуумной технике и в других областях.
Известен пьезоэлектрический микронасос, включающий корпус насоса, верхнюю камеру, вентиляционные отверстия, нижний корпус, нижнюю камеру, диафрагму круглой формы и пьезоэлектрический привод. Корпус насоса и нижний кожух соединены вместе. Насос находится в нижней части нижней камеры (Патент Китая №203248325, МПК F04B 23/10, опубл. 23.10.2013).
Недостатком известного устройства является низкая точность дозирования, поскольку для перекачки жидкости используется вихревое турбулентное движение от входного отверстия к выходному без определенного направления и нерегламентированного объема. Кроме того, наличие двух камер, соединенных отверстием, усложняет конструкцию и снижает надежность ее работы.
Известен пьезоэлектрический микронасос, способный транспортировать жидкость без использования обратного клапана и обеспечить желаемую скорость потока с помощью простой конструкции. Микронасос имеет диафрагму, на которой закреплен пьезоэлектрический элемент в ее центральной части, насос, камеру, образованную между корпусом насоса и диафрагмой. Диафрагма с пьезоэлементом расположена внутри камеры. Изгиб диафрагмы вызывается вибрацией пьезоэлектрического элемента на одной из двух низших резонансных частот (Патент Японии №5429317, МПК F04B 43/04, F04B 43/02, опубл. 26.02.2014).
Недостатком известного устройства является ограниченное управление производительностью, так как работа насоса требует фиксированной резонансной частоты возбуждения, которая существенно зависит от свойств перекачиваемой жидкости (или газа). Кроме того, поскольку диафрагма с пьезоэлементом расположена внутри камеры, то возможен контакт перекачиваемой жидкости с электродом пьезоэлемента, который находится под напряжением, что повышает опасность разрушения устройства.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для переноса жидкости, включающее корпус, выполненный из твердого материала; дисковый пьезоэлемент, выполненный изгибаемым на корпусе; на котором расположено множество кольцевых концентрических сегментов электродов; устройство подачи напряжения, выполненное с возможностью приложения напряжений к сегментам электродов таким образом, что напряжения последовательно сдвигаются по фазе; напряжения прикладываются к сегментам электродов с фазами, которые сдвинуты так, чтобы обеспечить волнообразную кольцевую деформацию на пьезоэлементе и переместить полость, возникающую между пьезоэлементом и корпусом в радиальном направлении так, чтобы жидкость перемещалась между наружной преимущественно кольцевой частью и центральной областью корпуса. Дисковый пьезоэлектрический элемент соединен с корпусом вдоль внешней кольцевой части дискового пьезоэлектрического элемента (Патент США №8308454, МПК F04B 17/03, опубл. 13.11.2012).
В одном из конструктивных вариантов исполнения дисковый пьезоэлемент выполнен из двух пьезоэлектрических слоев, разделенных сплошным внутренним электродом, а внешние кольцевые сегменты электродов находятся напротив друг друга (фиг. 4 к описанию патента). В технической литературе такой пьезоэлемент известен как биморф. Оба пьезоэлектрических слоя поляризованы по толщине в одинаковом направлении (см. строки 40-45 колонки 6 описания), в результате чего одинаковое напряжение на противоположных сегментах относительно среднего электрода приводит к локальному изгибу кольцевого участка пьезодиска. Переменное напряжение смещает в радиальном направлении амплитуду изгиба, что приводит к смещению кольцевой полости с жидкостью к выходному отверстию.
Недостатком известного устройства является небольшой прогиб дискового пьезоэлемента при волнообразной кольцевой деформации из-за повышенной жесткости. Постоянная жесткость изгиба по все плоскости дискового пьезоэлемента не позволяет увеличить локальный прогиб до необходимой величины и повысить производительность микронасоса. Для увеличения прогибов потребуется повысить подаваемое напряжение, что не всегда возможно в силу ограниченной электрической прочности пьезоматериала, превышение которой может привести к разрушению приводного элемента.
Другим недостатком предложенного в прототипе микронасоса является то, что по мере приближения к центральной части корпуса с выходным отверстием объем полости с жидкостью при волновом движении уменьшается пропорционально квадрату радиуса, что создает избыточное давление на пьезодиск, нарушив герметичность между кольцевыми полостями, возникает неопределенность в производительности, поскольку не вся поступившая жидкость дойдет до выходного отверстия.
Кроме того, использование биморфа в качестве изгибаемого дискового пьезоэлемента требует расположения электродов на обеих его поверхностях, одна из которых обращена к плоскости корпуса, образуя зазор, в котором находится перекачиваемая жидкость, что создает опасность электрического пробоя и/или изменения свойств перекачиваемой жидкости.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение производительности пьезоэлектрического микронасоса.
Поставленная техническая задача решается тем, что в пьезоэлектрическом микронасосе, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, закрепленную на нем мембрану с пьезоэлектрическими элементами, согласно заявляемой полезной модели мембрана выполнена в форме тонкого диска толщиной от 0,03 мм до 0,5 мм, а пьезоэлектрические элементы выполнены в виде колец, концентрически расположенных на поверхности мембраны с образованием между ними радиальных зазоров с пониженной жесткостью изгиба мембраны и обеспечивающих при подаче переменного напряжения с разной фазой ее волнообразную деформацию, перемещающую рабочую жидкость или газ от входного отверстия к выходному.
Кроме того, пьезоэлектрический микронасос содержит по меньшей мере два пьезоэлектрических элемента.
Кроме того, пьезоэлектрические элементы выполнены с одинаковыми площадями торцевых поверхностей.
Кроме того, ширина каждого кольцевого пьезоэлектрического элемента выбирается из условия сохранения равенства площадей торцевых поверхностей всех пьезоэлектрических элементов.
Кроме того, пьезоэлектрический микронасос дополнительно снабжен пьезоэлектрическим элементом в форме диска, закрепленным в центре на поверхности мембраны.
Кроме того, на плоской поверхности корпуса под мембраной выполнена кольцевая проточка, соединенная с входным отверстием.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией заявляемой совокупности существенных признаков, состоит в увеличении амплитуды локального прогиба кольцевых полостей в бегущей волне деформаций мембраны пьезоэлектрического микронасоса за счет использования участков пониженной жесткости в зазорах между пьезоэлектрическими элементами, что позволяет повысить производительность пьезоэлектрического микронасоса по перекачке жидкости.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 представлена схема конструкции пьезоэлектрического микронасоса в разрезе;
на фиг. 2 приведен пример реализации пьезоэлектрического микронасоса с четырьмя кольцевыми пьезоэлементами, при этом количество кольцевых пьезоэлементов не ограничивается приведенным примером выполнения;
на фиг. 3 представлена схема мембраны с четырьмя кольцевыми пьезоэлементами и форма бегущей волны деформаций мембраны микронасоса в соответствии с расчетной моделью;
на фиг. 4 приведен пример реализации пьезоэлектрического микронасоса с тремя кольцевыми пьезоэлементами и одним пьезоэлементом в форме диска;
на фиг. 5 представлена схема мембраны с тремя кольцевыми пьезоэлементами и одним дисковым пьезоэлементом и форма бегущей волны деформаций мембраны в соответствии с расчетной моделью.
Рисунок на фиг. 1 содержит следующие позиции: 1 - корпус, 2 - выходное отверстие, 3 - входное отверстие, 4 - мембрана, 5 - кольцевой пьезоэлектрический элемент, 6 - рабочая камера.
Пьезоэлектрический микронасос (фиг. 1) содержит корпус 1 с входным отверстием 3 и выходным отверстием 2, закрепленную на корпусе 1 своей периферийной частью мембрану 4, к которой прикреплены деформирующие ее, по меньшей мере, два пьезоэлектрических элемента 5. Между корпусом и мембраной образуется рабочая камера 6. Выходное отверстие 2 выполнено в центральной части корпуса 1, а входное отверстие 3 выполнено на периферии корпуса.
Мембрана 4 выполнена в форме тонкого круглого диска толщиной от 0,03 мм до 0,5 мм.
Круглая форма мембраны обладает преимуществом над прямоугольными полосами и лентами, состоящим в том, что на ее прогиб оказывают влияние два вида деформаций: радиальная и окружная при пьезоэлектрическом расширении или сокращении скрепленного с ней кольцевого пьезоэлектрического элемента. Образующиеся кольцевые полости оказываются замкнутыми, что позволяет их использовать как локальные камеры микронасоса.
Материалом для мембраны могут служить металлы: сталь нержавеющая, никель, латунь и другие, а также диэлектрики: полиметилметакрилат, полистирол, углепласт, стекло и другие, возможно металлизированные, по крайней мере, с одной стороны.
Оптимальная толщина мембраны зависит от свойств ее материала и свойств пьезоэлектрического элемента: если жесткость (модуль упругости) мембраны выше жесткости пьезоматериала, то ее толщина должна составлять 20-50% от толщины кольцевого пьезоэлемента. Для пластмассовых мембран оптимальная толщина больше толщины пьезоэлектрического элемента, если модуль упругости мембраны меньше, чем для пьезоматериала. Например, если кольцевые пьезоэлектрические элементы изготовлены из пьезокерамики системы цирконата-титаната свинца (ЦТС или PZT) толщиной 0,2 мм, то для латунной мембраны оптимальной будет толщина 0,06 мм, а для стальной - 0,04 мм.
Толстые мембраны (металлические, более 0,5 мм) обладают повышенной жесткостью на изгиб, и их применение дает слишком малые прогибы, что недостаточно для перекачки жидкости. Тонкие (менее 0,03 мм) металлические мембраны не создают достаточного изгибающего момента от действия пьезоэлемента при его деформации, поэтому результирующий прогиб получается недостаточным для перекачки жидкости.
К мембране прикреплены деформирующие ее, по меньшей мере, два пьезоэлектрических элемента 5.
Каждый пьезоэлектрический элемент 5 выполнен в форме кольца, при этом все пьезоэлектрические элементы расположены концентрически на поверхности мембраны 4. Между пьезоэлектрическими элементами 5 находятся радиальные зазоры с пониженной жесткостью изгиба мембраны, за счет которых увеличиваются амплитуды локального прогиба кольцевых полостей в бегущей волне деформаций мембраны пьезоэлектрического микронасоса, что позволяет повысить производительность пьезоэлектрического микронасоса по перекачке жидкости. Кольцевые пьезоэлектрические элементы 5 закреплены на мембране 4 с радиальными зазорами, примерно равными ширине кольца. Пьезоэлектрические элементы 5 выполнены с одинаковыми площадями торцевых поверхностей. При этом ширина каждого кольцевого пьезоэлектрического элемента 5 выбирается из условия сохранения равенства площадей торцевых поверхностей всех пьезоэлектрических элементов, что позволяет выравнить объемы кольцевых полостей с различными радиусами и повысить точность дозирования перекачиваемой насосом жидкости. Под торцевой поверхностью в данном описании понимается широкая верхняя или нижняя сторона кольцевого пьезоэлектрического элемента.
Указанная мембрана 4 и пьезоэлектрические элементы 5 выполнены с возможностью их волнообразного деформирования.
На фиг. 3 представлена форма бегущей волны деформаций мембраны микронасоса в соответствии с расчетной моделью.
Дополнительно на мембране (фиг. 4) в центре может быть размещен пьезоэлектрический элемент 7 в форме диска. Кроме того, на плоской поверхности корпуса 1 под мембраной 4 может быть выполнена дополнительно кольцевая проточка 8, соединенная с входным отверстием 3, выполняющая функцию насосной камеры. Наличие кольцевой проточки 8 в периферийной части корпуса, соединенной с входным отверстием 3, позволяет расширить объем поступающей в насос жидкости и облегчает поступление жидкости под мембрану. В период всасывания периферийная раскрывающаяся полость заполняется жидкостью из входного отверстия 3. Чтобы заполнить весь объем полости ей приходится бежать от отверстия 3 по длинной окружности. В прототипе облегчение заполнению обеспечивается четырьмя входными отверстиями.
На фиг. 5 представлена форма бегущей волны деформаций мембраны с тремя кольцевыми пьезоэлементами и одним дисковым пьезоэлементом в соответствии с расчетной моделью при возбуждении напряжением со сдвигом фаз 90°.
При работе устройства для создания волнообразного движения на кольцевые пьезоэлектрические элементы 5 подают переменное напряжение со сдвигом фаз между соседними пьезоэлементами. Так, например, в случае трех пьезоэлектрических элементов сдвиг фаз составляет 120°, для четырех пьезоэлектрических элементов сдвиг фаз - 90°, для шести - 60°.
При этом обеспечивается волнообразная деформация мембраны 4 таким образом, что образовываются кольцевые участки выпуклостей и вогнутостей, меняющие свое положение. Бегущая волна деформаций мембраны распространяется от периферии с входным отверстием к центральной области с выходным отверстием. Образующаяся бегущая волна деформаций мембраны 4 перемещает текучее тело в зазоре с корпусом от входного отверстия 3 к выходному отверстию 2.
Для выравнивания объемов в деформированных кольцевых участках пьезоэлектрические элементы выполнены с одинаковыми площадями торцевых поверхностей.
Предложенный пьезоэлектрический микронасос позволяет повысить производительность перекачки жидкости за счет увеличения рабочего хода мембраны путем использования деформаций кольцевых участков пониженной жесткости в зазорах между пьезоэлектрическими элементами, а также применения пьезоэлектрических элементов кольцевой формы с одинаковыми площадями торцевой поверхности.