具有位移放大器的压电压缩机的制作方法

专利名称：具有位移放大器的压电压缩机的制作方法技术领域：本发明涉及流体压缩机，特别是涉及压电装置在流体压缩机和泵中的使用。背景技术： 活塞压缩机是容积式压缩机。容积式压缩机连续吸入一定容积的流体，并将其封闭在充分密封的腔体中，然后将其提高到更高的压力或压缩。活塞压缩机使用汽缸中的活塞(活塞汽缸组件)作为压缩元件来完成这一功能。其中流体可以是气体或液体，也可以是二者的混合体，如在不同压力下的制冷剂。活塞压缩机在每个汽缸中至少使用两个单向阀，单向阀只有在阀两端作用有预定压差时才会开启。吸入单向阀(以下称作吸入阀)在汽缸内流体压力下降时开启，使得流体进入汽缸。排出单向阀(以下称作排出阀)在压缩结束，汽缸内流体压力增加时开启，以将流体压出汽缸。汽缸连续地吸入和排出流体就使得流体在高压下不断地被排出。为了使汽缸连续地吸入和排出流体，活塞必须在汽缸中进行直线往复运动。参见图1，该图所示为常规活塞压缩机，活塞汽缸组件包括吸入腔11、排出腔12、吸入阀13、排出阀14、汽缸15、缸膛21以及活塞16。这样的活塞汽缸组件是本领域技术人员所熟知的。在活塞压缩机中，进行吸入和排出流体过程的活塞16的直线往复运动是由机械组件完成的，例如回转电机组件。回转电机组件包括回转电机19、曲柄18以及连杆17。回转电机19的旋转运动，经过曲柄18和连杆17转换为直线上/下或前/后运动，形成活塞压缩机运行过程中所需要的直线往复运动。活塞16的向下运动降低了缸膛21中的压力，使得吸入阀13开启。结果，流体通过吸入腔11进入缸膛21。活塞16的向下运动称作吸入冲程。另一方面，活塞16向上运动压缩流体，使流体压力增加，使得吸入阀13关闭，排出阀14开启。这样，流体从缸膛21压入到排出腔12中。活塞16的向上运动称作排出冲程。上述回转电机组件使用了几个机械连接，因而具有多个运动零件。但是，这种回转电机组件不必要地较为复杂，并且需要润滑以及更换连接等各方面的维护。作用在活塞16上非同轴的机械力还造成了额外的振动和噪音。还有，上述回转电机组件因为磨损而容易造成机械故障。可以使用直线致动器代替回转电机组件。直线致动器是本领域技术人员所熟知的，很多这样的致动器中使用了压电元件。通常，在这样的致动器中压电元件将电能转换为机械能。在压电致动器中，电能作用于一个或多个压电元件上，使得压电元件变形，由此物理上地驱动至少另外一个元件。现有压电致动器的局限性是压电元件的物理变形量相对较小。所以，压电致动器的应用只局限于微型装置。通常，这种微型装置所需要的位移范围是从几微米到几毫米。为了克服压电致动器位移相对较小的局限性，美国专利5,063,542中，彼得潘(Petermann)等人阐述了一种用于连接压电致动器和位移元件的位移放大器。压电致动器具有波纹管部件，该部件形成能够充满液体的可膨胀的腔体，并能够对压电盘的直线位移做出响应，向位移元件提供经过放大的直线位移。但是，美国专利5,063,542中Petermann等人的位移放大器的问题是，可膨胀的腔体是不固定的，所以很难对所放大的直线位移进行精确的控制。这种结合液压位移放大器使用压电致动器的概念，在美国专利5,074,654中Alden等人和美国专利5,697,554中Auwaerter等人有进一步的阐述。在Alden等人的阐述中，连接在液压位移放大器上的多个压电致动器用来控制可变形的镜子。在Auwaerter等人的阐述中，用于计量燃料喷射流体的配量阀，使用了连接液压位移放大器的压电元件来驱动阀针，来控制所喷射的燃料量。所以，的确需要一种直线电机，采用具有可控位移放大器的压电元件，以克服或至少减小目前存在于往复压缩机中的复杂性、需要维护以及机械故障等问题。发明内容本发明的目的是提供一种用于流体压缩机和泵中的压电装置。因此，一方面本发明提供一种压缩机，具有能够连续地吸入和排出可压缩流体的活塞汽缸组件，从而在充分密封的腔体中增加可压缩流体的压力，其中活塞汽缸组件包括活塞、汽缸、缸膛、具有吸入阀的吸入腔以及具有排出阀的排出腔，该压缩机包括至少一个压电元件；连接于至少一个压电元件上的主位移部件；连接于活塞的从位移部件；以及在主位移部件和从位移部件的固定预定容积内所充满的不可压缩流体；其中在至少一个压电元件上的电驱动可控制地使主位移部件产生预定距离的位移，所产生预定距离的位移通过不可压缩流体的连接，使从位移部件产生一个取决于固定预定容积的放大距离的位移。另一方面，本发明提供一种压缩机，具有能够连续地吸入和排出可压缩流体的活塞汽缸组件，从而能够在充分密封的腔体中增加可压缩流体的压力，其中活塞汽缸组件包括活塞、汽缸、缸膛、具有吸入阀的吸入腔以及具有排出阀的排出腔，压缩机包括至少一个压电元件；连接于至少一个压电元件上的主位移部件；连接于活塞的从位移部件；以及在主位移部件和从位移部件的固定预定容积内所充满的不可压缩流体；其中，响应于至少一个压电元件上的电驱动，从位移部件的位移根据主位移部件的位移被放大，所放大的位移取决于固定预定容积以及主位移部件和从位移部件与不可压缩流体的接触面积。还有，本发明提供一种流体输送装置，具有能够连续地吸入和排出流体的活塞汽缸组件，其中活塞汽缸组件包括活塞、汽缸、具有吸入阀的吸入腔以及具有排出阀的排出腔，流体输送装置包括至少一个压电元件；连接于至少一个压电元件上的主位移部件；连接于活塞的从位移部件；以及在主位移部件和从位移部件的固定预定容积内所充满的不可压缩流体；其中，响应于至少一个压电元件上的电驱动，从位移部件的位移根据主位移部件的位移被放大，所放大的位移取决于固定预定容积以及主位移部件和从位移部件与不可压缩流体的接触面积。以下以举例的方式，结合附图详细说明本发明的首选实施例和另外两个 具体实施例方式参见图2，图中表示了根据本发明第一实施例的压电压缩机100。压电压缩机100包括活塞汽缸组件，该组件与如图1所示常规活塞压缩机中的活塞汽缸组件类似。但是，不同于回转电机19、曲柄18和连杆17所提供的常规直线往复运动，本压电压缩机100使用了至少一个直接连接于活塞16上的压电元件22。当驱动电信号传送到压电元件22上时，压电元件22产生变形，使得活塞16向上产生预定距离的直线位移(排出冲程)。这使得缸膛21中的流体压力增加，排出阀14开启，使得可压缩流体从缸膛21流入到排出腔12中。接着驱动电信号电驱动压电元件22产生变形，使得活塞16向下产生预定距离的直线位移(吸入冲程)。这使得缸膛21中的流体压力降低，吸入阀13开启，使得可压缩流体从吸入腔11流入到缸膛21中。传送到压电元件22上的驱动电信号通常与压电元件22的规范控制使用相一致。该驱动电信号包括一系列具有预定强度的电压或电流脉冲，用来驱动压电元件22。当驱动电信号连续传送到压电元件22上时，压电元件22在执行吸入冲程或排出冲程的各自方向，由电驱动产生相反的变形。因此，压电元件的直线往复运动同时使得活塞16进行操作压电压缩机100所需的直线往复运动。压电压缩机100中活塞汽缸组件的运行与常规活塞压缩机的运行相似。而压电压缩机100的优点是运动零件较少，并不易产生机械故障。该压电压缩机适宜作为小型或微型压缩机，应用于需要连续稳定动态运行同时承受固定载荷的场合。同样，该压电压缩机适宜作为流体输送装置，例如泵。当作为泵使用时，所输送的流体可以是可压缩的或不可压缩的。参见图3，图中示出了根据本发明第二实施例的经过改进的压电压缩机200。除使用至少一个压电元件22之外，还增加了位移放大装置，例如弹簧32。压电元件所能达到的典型直线位移的范围是从几微米到几毫米。在特定的应用中，这样小的位移难以形成足够的直线往复运动，从而无法使压电压缩机在足够大的容量下工作。弹簧32可以作为位移放大器，将压电元件22的直线往复运动转换为放大的直线往复运动。因此，活塞16的直线往复运动也被放大，从而增加了每次吸入和排出冲程的可压缩流体量，由此提高了压电压缩机200的容量。但是，这种带有弹簧32的放大的直线往复运动可能不易控制，还有可能形成谐波，最终可能阻碍压电元件22的直线往复运动。这还取决于弹簧32的固有机械弹簧系数，该值随着持续的使用而降低。参见图4，图中表示了根据本发明第三实施例的超级压电压缩机300。除了该压缩机除活塞16具有较大直线往复运动的可取之处外，同时还可以更好地控制活塞16的直线往复运动。通过使用液压位移放大器可以使超级压电压缩机300达到这样的功能。液压位移放大器包括连接于压电元件22的主位移部件46，连接于活塞16的从位移部件44，在主位移部件46和从位移部件44的固定预定容积内所充满的不可压缩流体45。这样，不可压缩流体45将主位移部件46和从位移部件44连接起来。这样的不可压缩流体45可以是液压油或者是压缩机润滑油。从位移部件44再通过活塞杆42与活塞16连接。主位移部件46与不可压缩流体45的接触面积通常大于从位移部件44与不可压缩流体45的接触面积。当驱动电信号传送到压电元件22上时，压电元件22使得主位移部件46变形并产生微小预定距离的位移。然而，从位移部件44通过不可压缩流体45产生了放大预定距离的位移，因而活塞16通过活塞杆42也产生了放大预定距离的位移。从位移部件44位移的放大程度取决于固定预定容积以及所述主位移部件和所述从位移部件的尺寸/表面积。所放大的位移与主位移部件46的表面积，主位移部件46预定距离的位移以及从位移部件44的位移之间的关系如下L=Aa×l]]>其中L为从位移部件44被放大的位移，l为主位移部件46的预定距离的位移。A为主位移部件46与不可压缩流体45的接触面积，a为从位移部件44与不可压缩流体45的接触面积。挡板47与活塞弹簧43相连，弹簧再与从位移部件44相连。挡板47和活塞弹簧43共同促使从位移部件44进行直线往复运动。从而也促使活塞16进行直线往复运动。液压位移放大器不仅具有对压电元件22的直线位移的放大功能，还可以对活塞16的直线往复运动进行更好的控制。图2、图3及图4中的压电压缩机100、200及300都是以竖向定位方式进行描述和说明的，并各自做了具体的解释。但是本领域技术人员可以理解的是，以其它方向操作所述压电压缩机100、200及300的方式不脱离本发明的范围。此外，压电压缩机也可以多个同时使用、在不同布置下使用、以及在非压缩机和泵的场合下使用，这些都不脱离本发明的范围。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域的技术人员可以做出各种调整和改进。权利要求1.一种压缩机，具有能够连续地吸入和排出可压缩流体的活塞汽缸组件，从而在充分密封的腔体中增加所述可压缩流体的流体压力，其中所述活塞汽缸组件包括活塞、汽缸、缸膛、具有吸入阀的吸入腔以及具有排出阀的排出腔，所述压缩机包括至少一个压电元件；连接于所述至少一个压电元件上的主位移部件；连接于所述活塞的从位移部件；以及在所述主位移部件和所述从位移部件的固定预定容积内所充满的不可压缩流体；其中在所述至少一个压电元件上的电驱动可控制地使所述主位移部件产生预定距离的位移，所述主位移部件通过不可压缩流体，使所述从位移部件产生一个取决于所述固定预定体积的放大距离的位移。2.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述至少一个压电元件适于接收电驱动的电信号。3.根据权利要求2所述的压缩机，其中所述电信号包含一系列电压脉冲。4.根据权利要求2所述的压缩机，其中所述电信号包含一系列电流脉冲。5.根据权利要求1所述的压缩机，还包括挡板和活塞弹簧，所述活塞弹簧安装在所述挡板和所述从位移部件之间。6.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述不可压缩流体包含液压油或压缩机润滑油。7.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述主位移部件与不可压缩流体的接触面积大于所述从位移部件与不可压缩流体的接触面积。8.一种压缩机，具有能够连续地吸入和排出可压缩流体的活塞汽缸组件，从而在充分密封的腔体中增加所述可压缩流体的流体压力，其中所述活塞汽缸组件包括活塞、汽缸、具有吸入阀的吸入腔以及具有排出阀的排出腔，所述压缩机包括至少一个压电元件；连接于所述至少一个压电元件上的主位移部件；连接于所述活塞的从位移部件；以及在所述主位移部件和所述从位移部件的固定预定容积内所充满的不可压缩流体；其中，响应于所述至少一个压电元件上的电驱动，所述从位移部件的位移根据所述主位移部件的位移被放大，所放大的所述位移取决于所述固定预定容积以及所述主位移部件和所述从位移部件与所述不可压缩流体的接触面积。9.根据权利要求8所述的压缩机，其中所述至少一个压电元件适于接收电驱动的电信号。10.根据权利要求9所述的压缩机，其中所述电信号包含一系列电压脉冲。11.根据权利要求9所述的压缩机，其中所述电信号包含一系列电流脉冲。12.根据权利要求8所述的压缩机，还包括挡板和活塞弹簧，所述活塞弹簧安装在所述挡板和所述从位移部件之间。13.根据权利要求8所述的压缩机，其中所述不可压缩流体包含液压油或压缩机润滑油。14.根据权利要求8所述的压缩机，其中所述主位移部件与不可压缩流体的接触面积大于所述从位移部件与不可压缩流体的接触面积。15.一种流体输送装置，具有能够连续地吸入和排出流体的活塞汽缸组件，其中所述活塞汽缸组件包括活塞、汽缸、具有吸入阀的吸入腔以及具有排出阀的排出腔，所述流体输送装置包括至少一个压电元件；连接于所述至少一个压电元件上的主位移部件；连接于所述活塞的从位移部件；以及在所述主位移部件和所述从位移部件的固定预定容积内所充满的不可压缩流体；其中，响应于所述至少一个压电元件上的电驱动，所述从位移部件的位移根据所述主位移部件的位移被放大，所放大的所述位移取决于所述固定预定容积以及所述主位移部件和所述从位移部件之间与所述不可压缩流体的接触面积。16.根据权利要求15所述的流体输送装置，其中所述至少一个压电元件适于接收电驱动的电信号。17.根据权利要求16所述的流体输送装置，其中所述电信号包含一系列电压脉冲。18.根据权利要求16所述的流体输送装置，其中所述电信号包含一系列电流脉冲。19.根据权利要求15所述的流体输送装置，还包括挡板和活塞弹簧，所述活塞弹簧安装在所述挡板和所述从位移部件之间。20.根据权利要求15所述的流体输送装置，其中所述不可压缩流体包含液压油或压缩机润滑油。21.根据权利要求15所述的流体输送装置，其中所述主位移部件与不可压缩流体的接触面积大于所述从位移部件与不可压缩流体的接触面积。全文摘要一种可以连续地吸入和排出可压缩流体的压缩机(300)，从而能够在充分密封的腔体中增加可压缩流体的流体压力，压缩机(300)包括至少一个压电元件(22)；连接于至少一个压电元件(22)的主位移部件(46)；连接于活塞(16)的从位移部件(44)；以及在主位移部件(46)和从位移部件(44)的固定预定容积内所充满的不可压缩流体(45)；其中压电元件上的电驱动可控制地使所述主位移部件(46)产生预定距离的位移，通过不可压缩流体的连接，使从位移部件(44)产生一个取决于固定预定体积的放大距离的位移。文档编号F04B35/04GK1668848SQ03816554 公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月24日 优先权日2002年9月4日发明者黄竟朝, 赵臣, 阮南忠 申请人:松下制冷工业(新加坡)私人有限公司