一种微型压缩机

本发明属于流体传输与控制领域，具体涉及一种微型压缩机，用于气体和液体的驱动与控制。

背景技术：

1、微型流体压缩与输送装置也称为微型泵及压缩机等，主要用于气体与液体的采样、供给、冷却、负压与增压保持等诸多方面。根据工作原理，传统的微小型压缩机可分为隔膜式、电磁式、叶轮式、活塞式等，其共性特点是都包含机械传动部分，故其结构复杂、体积与重量较大、功耗大，且工作中存在较大的噪音及可能得电磁干扰，不便于流体泵自身及装备总体结构的微小化与集成化，在微机电领域的应用受到了一定的制约。近年来，人们相继提出了多种类型的压电式流体驱动与控制输送装置。从已经公开得论文与专利可以发现，现有的压电式流体输送与压缩装置大都是基于单纯的压电驱动器与被动阀为动力元件和控制元件的，由于单纯的压电驱动器及被动阀自身的驱动与控制能力有限，致使现有压电流体装置存在以下不足：①工作中利用流体压力变化控制阀的开启与关闭，阀开度及闭合状态仅受流体压力变化梯度及阀的动力学特性影响，阀运动及其与压电驱动器的相位关系难以人为控制，致使系统有效频带窄、流量可调性差，不适于流体粘度及所需流量较大的应用场合；②阀依靠弹性力、流体压力或所施加的电压复位并维持闭合状态，长期高频弯曲变形时会出现塑性变形，故反流截止性及精量控制能力差，非工作时需经施加恒定电压维持紧密闭合。因此，新型的具有有效频带宽、反向截止能力强、控制精度高、流体驱动能力强等特性的流体压缩机依然是很多领域所急需的。

技术实现思路

1、一种微型压缩机，由驱动单元和流控单元构成，驱动单元由主壳体、主壳盖、防扭垫、压电叠堆、顶块、动磁体及膜片构成，流控单元由副壳体、悬臂阀、副壳盖及定磁体构成。

2、主壳体的主壳壁为阶梯筒结构，主壳壁的内腔由依次连通的主壳腔、顶块腔及驱动器腔构成，驱动器腔的端部设有螺纹及导槽，即驱动器腔上远离顶块腔一端的腔壁内缘上设有螺纹及导槽。

3、副壳盖与副壳体为整体结构或分体结构，分体结构是指副壳盖和副壳体为由注塑或3d打印方法制成的整体结构，分体结构是指副壳盖和副壳体分别单独制成最后通过装配方法形成整体，本发明仅就整体结构进行说明。

4、副壳体的一侧设有副壳腔，副壳体的另一侧设有副盖腔、进流腔、出流腔及定磁主腔，进流腔的底壁上设有阀凸台，出流腔的底壁上设有减阻腔，进流腔、出流腔及定磁主腔分别与副盖腔连通，进流腔、出流腔及定磁主腔彼此不相互连通；副壳体上设有内进流孔和内出流孔，副壳腔经内进流孔和内出流孔分别与进流腔和出流腔连通；进流腔和出流腔对称配置在定磁主腔的两侧。

5、副壳盖的副壳盖体为平板结构，副壳盖体上设有进流孔、出流孔、减阻腔、定磁副腔及阀顶块，副壳盖上的减阻腔、定磁副腔及阀顶块位于副壳盖体的同侧，进流孔和出流孔位于定磁副腔的两侧，减阻腔和进流孔位于定磁副腔的同侧，定磁副腔的腔高可为零。

6、副壳体经螺钉安装在主壳体的主壳腔端部并将膜片压接在主壳腔的底壁上，副壳体的副壳腔与膜片相对安装，副壳腔的端部顶靠在膜片上，副壳体与膜片之间设有密封圈，膜片将副壳腔封闭成压缩腔，即膜片、密封圈及副壳体围成压缩腔；主壳盖经螺纹安装在主壳体的驱动器腔的端部，主壳盖经防扭垫及压电叠堆将顶块顶靠在膜片上，压电叠堆和顶块分别置于驱动器腔和顶块腔内，顶块与膜片为一体结构或分体粘接结构，顶块内部镶嵌有动磁体；顶块与膜片的直径比为0.8，即顶块与膜片接触部分的直径与膜片的直径比为0.8；膜片为由金属材料制成的弹簧片，防扭垫为外缘带有定位块的圆片；安装后的主壳盖、主壳体、防扭垫、压电叠堆、顶块、动磁体及膜片共同构成驱动单元；非工作状态下、即压电叠堆不受电压作用的自然状态下，膜片有两种初始状态：无预紧变形和有预紧变形，膜片无预紧变形和有预紧变形时动磁体的磁极配置方式相反，动磁体的磁极沿压电叠堆的长度方向配置。

7、副壳盖安装在副壳体上，副壳盖经粘接方法安装在副壳盖的副盖腔中，副壳盖封堵在进流腔、出流腔及定磁主腔上，副壳盖将定磁体压接在副壳体内，定磁体的两端分别置于定磁主腔和定磁副腔内，定磁体的磁极沿其自身的轴向配置，即定磁体的磁极沿副壳体及副壳盖的厚度方向排布，定磁体与动磁体的同性或异性磁极相对安装；副壳盖与副壳体共同围成进流阀腔和出流阀腔，即副壳盖将进流腔和出流腔分别封闭成进流阀腔和出流阀腔；进流阀腔和出流阀腔内均设有悬臂阀，悬臂阀经粘接及压接的方法安装；悬臂阀由悬臂基片与压电片粘接而成，悬臂基片的一侧粘接有压电片，悬臂基片的材料为铁磁性的金属，压电片的材料为压电陶瓷或高分子压电材料；或悬臂阀仅为悬臂基片；进流阀腔内的悬臂阀的固定端被副壳盖压接在进流腔的底壁上的阀凸台上，出流阀腔内的悬臂阀的固定端被副壳盖的阀顶块压接在出流腔的底壁上，悬臂阀的悬臂基片一侧靠近并抵靠在副壳体或副壳盖上的减阻腔上，减阻腔的宽度大于悬臂阀的宽度，悬臂阀的自由端分别封堵在与其相邻的进流孔或内出流孔上，悬臂阀与其所封堵的进流孔或内出流孔分别构成进流阀和出流阀；安装后的副壳体、悬臂阀、副壳盖及定磁体构成流控单元。

8、动磁体与定磁体的耦合力与其间距离呈非线性关系，故利用动磁体与定磁体间的磁作用力调节驱动单元的动力学特性：①膜片无预紧变形时，动磁体与定磁体的同性磁极相对安装，动磁体与定磁体间的磁作用力用于膜片复位，该方案的优势是膜片的可变形量大、即压缩腔的容积变化量大，初始时磁阻力小及膜片的弹性阻力均小，当两个磁体间距很小的时候才产生较大的用于膜片复位磁排斥力，用于压缩量较大的气体使用环境；额定电压作用下、压电叠堆伸长量一定时，压电叠堆的驱动力不小于流体力、膜片的弹性力及磁排斥力之和；②膜片有预紧变形时，动磁体与定磁体的异性磁极相对安装，初始时磁吸力小、膜片的弹性阻力大，当两个磁体间距很小的时候才产生较大的吸引力、可平衡膜片的弹性阻力，用于压缩量较小的液体环境，流体压力为零时膜片的最大弹性恢复力大于动磁体与定磁体间的最大吸引力。

9、本发明中，定磁体与悬臂阀间的耦合力与其间距离呈非线性关系，故利用悬臂阀与定磁体间的位置及耦合力变化调节悬臂阀开关特性；悬臂阀与定磁体构成的非线性振动系统易称磁作用系统，悬臂阀自由端与定磁体中截面、即n极与s极交界面靠近时不稳定，悬臂阀自由端与定磁体的n极或s极的端部靠近时较稳定，故定磁体的功能是增加悬臂阀的开合力及反流截止效果，开合力体现为开合量及开合速度；①悬臂阀不受流体力及电力作用并处于原始的平直状态时，进流阀和出流阀中的悬臂阀对称配置在定磁体轴向中截面的两侧，两个悬臂阀距离其较近和较远的定磁体的端面的距离分别相等，定磁体与悬臂阀间的磁作用增加悬臂阀的闭合力、即增加悬臂阀的反流截止效果；②悬臂阀受流体力及电力作用向开启方向运动且未越过定磁体的中截面时，定磁体的磁作用力方向与悬臂阀运动方向相反、阻碍悬臂阀运动；悬臂阀继续运动且越过定磁体中截面后，定磁体的磁作用力方向与悬臂阀运动方向相同、促进悬臂阀开启运动并增加开度，增加开度即增加流量；③悬臂阀受流体力及电力作用向关闭方向运动且未越过定磁体的中截面时，定磁体的磁作用力方向与悬臂阀运动方向相反、阻碍悬臂阀关闭运动；悬臂阀继续向关闭方向运动且越过定磁体中截面后，定磁体的磁作用力方向与悬臂阀关闭运动方向相同、促进悬臂阀关闭运动并增加闭合力。

10、压电叠堆及各悬臂阀分别经独立的导线与驱动电源连接，各悬臂阀作为驱动器需要输入电压、或作为传感器输出电压，即本发明的压缩机为主动阀压缩机或自感知压缩机；悬臂阀作为驱动器需要输入电压时，进流阀与压电叠堆的驱动电压同相位、即进流阀腔中的悬臂阀与压电叠堆的驱动电压同相位，出流阀与压电叠堆的驱动电压相位相反、即出流阀腔中的悬臂阀与压电叠堆的驱动电压相位相反；在驱动电源额定驱动电压及流体压力作用下，进流阀及出流阀中悬臂阀的开启与关闭过程中越过定磁体中截面前所受的电压及流体作用力大于其所受定磁体的反向阻力，悬臂阀的开合运动依然由驱动电压及流体力控制，磁作用力起辅助调节作用。

11、非工作时，压电叠堆和悬臂阀处于自然的非变形状态，悬臂阀在定磁体引力作用下处于闭合状态，即非工作时出流阀及进流阀均处于闭合状态；作过程中，压电叠堆和悬臂阀都同时承受交流电压、磁作用力及流体力作用；压电叠堆受外力作用交替伸缩变形时，压电叠堆经膜片迫使压缩腔的容积交替地增加和减小；同时，出流阀和进流阀按照一定规则交替地开启与闭合，驱动流体连续不断地经进流阀进入压缩腔、再经出流阀从压缩腔排出，具体地如下。

12、膜片受压电叠堆、磁作用力、流体力及其自身弹性力作用变形并使压缩腔的容积增加、流体压力降低时，进流阀开启、出流阀关闭，即进流阀的悬臂阀开启、出流阀中的悬臂阀关闭，流体经进流阀进入压缩腔；压电叠堆及悬臂阀所受驱动电压换向时，膜片受压电叠堆、磁作用力作用、流体力及其自身弹性力作用使压缩腔容积减小、流体压力增加时，进流阀关闭、出流阀开启，即进流阀的悬臂阀关闭、出流阀中的悬臂阀开启，流体经出流阀排出。

13、本发明中，通过压电叠堆和悬臂阀的驱动电压及频率调节流体流量；压电叠堆通电时，悬臂阀可根据需要选择通电与否，悬臂阀不通电时可作为监测流量与压力的的传感器，利用压电片变形时产生的电压及其形变频率表征流量，并据此控制流量；悬臂阀不通电时亦可仅由悬臂基片构成。

14、本发明中，根据使用中所需的流量和压力，将多个压缩机串联、并联、串-并联、或并-串联使用，所谓并联是指多个压缩机的进流孔和出流孔分别连接在一起，所谓串联是指多个压缩机的出流孔与进流孔依次连接。

15、本发明中，压电叠堆与悬臂阀的变形协调性好，工作频率易于调节、有效频带宽；磁作用力与压电叠堆相结合、定磁体与悬臂阀相结合，驱动能力强、流体截止与反流控制能力强、流量控制精度高，输出流量大、压力高。

16、优势与特色：通过磁作用提高压电叠堆驱动器的驱动力及阀的闭合力，流体输送量大，非工作时亦可使阀闭合紧密、工作中阀反流截止能力强、流量控制精度高；阀的开关具有双稳态特性，在增加闭合和开启距离的同时增加了闭合力，即可同时增加流量与反向截止效率。