具有方波驅(qū)動器的流體圓盤泵的制作方法
【專利摘要】在此披露了一種泵，這種泵具有一個基本上圓柱形的形狀并且限定了一個由側(cè)壁形成的空腔，該側(cè)壁在兩端處被端壁封閉，其中該空腔包含一種流體。這種泵進一步包括一個致動器，該致動器運作性地與這些端壁中的至少一個相關(guān)聯(lián)，以便造成受驅(qū)動的端壁的一種振蕩運動從而產(chǎn)生這個受驅(qū)動的端壁在該空腔內(nèi)的位移振蕩。這種泵進一步包括一個閥門用于控制穿過該閥門的流體的流動。
【專利說明】具有方波驅(qū)動器的流體圓盤栗
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的說明性實施方案總體上涉及一種用于泵送流體的泵，更確切地說，涉及一種泵，這種泵具有一個基本上圓盤形的空腔，該空腔具有多個基本上圓形的端壁以及一個側(cè)壁；這種泵還具有一個閥門，該閥門用于與電子電路聯(lián)合地控制穿過該泵的流體的流動，該電子電路用于對減少該泵的諧波激發(fā)的方波信號進行驅(qū)動。
【背景技術(shù)】
[0002]在封閉的空腔中產(chǎn)生高幅值壓力振蕩已在熱聲以及泵型壓縮機領(lǐng)域中倍受關(guān)注。在非線性聲學(xué)方面的最新進展已允許生成具有高于之前認為可能的幅值的壓力波。
[0003]人們已知使用聲共振來實現(xiàn)從限定的入口和出口進行流體泵送。這可以使用在一端帶有聲學(xué)驅(qū)動器的圓柱形空腔來實現(xiàn)，該聲學(xué)驅(qū)動器對聲駐波進行驅(qū)動。在這種圓柱形空腔中，聲壓波具有受限的幅值。人們已使用不同截面的空腔，例如，錐形、喇叭錐形、球形空腔，來實現(xiàn)高幅值壓力振蕩，從而顯著地增加泵送效果。在這些高幅值波中，帶有能量耗散的非線性機制受到抑制。然而，直到最近，高幅值聲共振一直未被用于徑向壓力振蕩受到激發(fā)的圓盤形空腔內(nèi)。公開為WO 2006/111775 (‘487申請案)的第PCT/GB2006/001487號國際專利申請披露了一種具有基本上圓盤形的空腔的泵，該空腔具有高縱橫比，即，該空腔的半徑與該空腔的高度的比率。
[0004]這種泵具有一個基本上圓柱形的空腔，該空腔包括被多個端壁封閉在每端處的一個側(cè)壁。該泵還包括一個致動器，該致動器驅(qū)動這兩個端壁中的任一端壁沿基本上垂直于受驅(qū)動的端壁的表面的方向進行振蕩。該受驅(qū)動的端壁的運動的空間分布被描述為與空腔內(nèi)的流體壓力振蕩的空間分布相匹配，即，一種在這里被描述為模態(tài)匹配的狀態(tài)。當泵處于模態(tài)匹配狀態(tài)時，在受驅(qū)動的端壁表面上，致動器對空腔中的流體所做的功顯著增加，從而增強該空腔中的壓力振蕩的幅值并且提供高泵送效率。模態(tài)匹配的泵的效率取決于受驅(qū)動的端壁與側(cè)壁之間的接合面。希望的是通過構(gòu)造該接合面來保持此類泵的效率，這樣使得它不會減少或阻止受驅(qū)動的端壁的運動，從而緩解空腔內(nèi)的流體壓力振蕩的幅值的任何減小。
[0005]上述泵的致動器使得受驅(qū)動的端壁沿基本上垂直于端壁或基本上平行于圓柱形空腔的縱向軸線的方向進行振蕩運動(“位移振蕩”)，在下文中稱作受驅(qū)動的端壁在空腔內(nèi)的“軸向振蕩”。受驅(qū)動的端壁的軸向振蕩在空腔內(nèi)產(chǎn)生了流體的基本上成比例的“壓力振蕩”，從而形成近似于第一類貝塞爾函數(shù)的分布的徑向壓力分布(如通過引用結(jié)合在此的‘487申請案中所述)，此類振蕩在下文中稱作流體壓力在空腔內(nèi)的“徑向振蕩”。位于致動器和側(cè)壁之間的受驅(qū)動的端壁的一部分提供了與泵的側(cè)壁的一個接合面，該接合面用來減小位移振蕩的阻尼，以緩解空腔內(nèi)的壓力振蕩的任何減小，該部分在下文中稱作“隔離件”。多個說明性實施方案的隔離件運作性地與受驅(qū)動的端壁的外圍部分相關(guān)聯(lián)，以便減小位移振蕩的阻尼。
[0006]更確切地說，這種泵包括一個具有基本上圓柱形形狀的泵本體，該泵本體限定了由一個側(cè)壁形成的空腔，該側(cè)壁在兩端處被多個基本上圓形的端壁封閉，這些端壁中的至少一個端壁是受驅(qū)動的端壁，該受驅(qū)動的端壁具有一個中央部分以及鄰近該側(cè)壁的一個外圍部分，其中該空腔在使用時包含一種流體。這種泵進一步包括一個致動器，該致動器運作性地與受驅(qū)動的端壁的中央部分相關(guān)聯(lián)，以使得受驅(qū)動的端壁沿基本上垂直于該端壁的方向進行振蕩運動，其中在該受驅(qū)動的端壁的中心附近處具有最大幅值；從而在使用時產(chǎn)生受驅(qū)動的端壁的位移振蕩。這種泵進一步包括一個隔離件，該隔離件運作性地與受驅(qū)動的端壁的外圍部分關(guān)聯(lián)，以減小因端壁到空腔的側(cè)壁的這種連接而造成的位移振蕩的阻尼，如第12/477，594號美國專利申請中具體所述，該申請案通過引用結(jié)合在此。這種泵進一步包括:一個第一孔，該第一孔設(shè)置在這些端壁中的一個端壁的中心附近；以及一個第二孔，該第二孔設(shè)置在所述泵本體中的任何其他位置處，由此位移振蕩在該泵本體的空腔內(nèi)產(chǎn)生流體壓力的徑向振蕩，從而使得流體流過所述這些孔。
[0007]此類泵還需要一個或多個閥門，用于控制穿過泵的流體的流動，并且更確切地說，這些閥門能夠以高頻率運行。對于多種應(yīng)用而言，傳統(tǒng)閥門通常以低于500Hz的較低頻率運行。例如，許多傳統(tǒng)壓縮機通常以50或60Hz運行?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的線性共振壓縮機在150與350Hz之間運行。然而，包括醫(yī)療裝置在內(nèi)的許多便攜式電子裝置需要多個泵來產(chǎn)生一個正壓力或者提供大小相對較小的真空，并且有利的是，此類泵在運行期間的聲音是聽不見的，從而實現(xiàn)獨立運行。要實現(xiàn)這些目標，此類泵必須以非常高的頻率運行，因此，要求閥門能夠以約20kHz或更高頻率運行。要以這些高頻率運行，閥門必須對一個高頻率的振蕩壓力作出響應(yīng)，該振蕩壓力能夠經(jīng)過修正以產(chǎn)生穿過泵的流體的凈流。
[0008]這種閥門在第PCT/GB2009/050614號國際專利申請中進行了更為具體的描述，該申請通過引用結(jié)合在此。多個閥門可設(shè)置在第一孔或第二孔中，也可同時設(shè)置在兩個孔中，用于控制穿過泵的流體的流動。每個閥門包括:一個第一板，該第一板具有基本上垂直地延伸穿過該第一板的多個孔；以及一個第二板，該第二板也具有基本上垂直地延伸穿過該第二板的多個孔，其中該第二板的這些孔基本上偏離該第一板的這些孔。該閥門進一步包括一個側(cè)壁，該側(cè)壁設(shè)置在該第一與第二板之間，其中該側(cè)壁圍繞該第一和第二板的圓周閉合以形成位于該第一與第二板之間的一個空腔，該空腔與該第一與第二板的這些孔流體聯(lián)通。該閥門進一步包括一個閥瓣，該閥瓣設(shè)置在該第一和第二板之間并且在這兩者之間是可移動的，其中該閥瓣具有多個孔，這些孔基本上偏離該第一板的這些孔并且基本上與該第二板的這些孔對齊。響應(yīng)于橫跨閥門的流體壓差的方向變化，在該第一與該第二板之間推動該閥瓣。
[0009]該致動器可為壓電致動器，該壓電致動器在除了基本頻率(即，致動器預(yù)期被驅(qū)動的頻率)之外還在多個頻率下進行共振。壓電驅(qū)動電路通常針對這些致動器采用方波驅(qū)動信號，因為，驅(qū)動電路電子設(shè)備可能成本較低并且更為緊湊。這些因素在(例如)可以用于產(chǎn)生一個減壓以治療創(chuàng)傷的醫(yī)療裝置中，以及需要一個緊湊的泵和驅(qū)動電子設(shè)備的其他應(yīng)用中非常重要。在使用方波作為這些致動器的驅(qū)動信號時面臨的一個問題是，方波包含是基本頻率(f)的倍數(shù)的額外頻率，即，諧波頻率，該頻率能夠與致動器的較高頻率的共振頻率相符或者足夠接近該共振頻率，該制動器的較高頻率的共振頻率與其他振蕩模態(tài)(例如，致動器的較高次“彎曲”模態(tài)或徑向“呼吸”膜態(tài))相關(guān)聯(lián)，這些振蕩膜態(tài)與致動器的基本膜態(tài)一起被激發(fā)。對這些模態(tài)的激發(fā)可以基本上降低致動器的性能，并且因此降低泵的性能。例如，激發(fā)這些較高頻率的模態(tài)可導(dǎo)致功率消耗增加，從而導(dǎo)致泵效率降低。
發(fā)明的披露
[0010]根據(jù)本發(fā)明的原理，該泵進一步包括具有一個輸出端的一個驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路主要以基本頻率對致動器的壓電部件進行驅(qū)動。驅(qū)動信號是一種方波信號，并且該驅(qū)動電路消除或衰減該方波信號的某些諧波頻率，這些諧波頻率會以其他方式激發(fā)該致動器的較高頻率共振模態(tài)并且從而降低泵效率。該驅(qū)動電路可以包括一個低通濾波器或者一個陷波濾波器，以便抑制方波中的不希望的諧波信號。替代地，這個處理電路可以改變該方波信號的占空比，以便實現(xiàn)同一效果。
[0011]多個說明性實施方案的其他目的、特征以及優(yōu)勢在這里進行了說明，并且參見附圖和以下詳細說明將是顯而易見的。附圖簡要說明
[0012]圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施方案的一個第一泵的截面示意圖。
[0013]圖1B示出了圖1A所示第一泵的俯視示意圖。
[0014]圖2A示出了圖1A所示第一泵的一個致動器的基本彎曲模態(tài)的軸向位移振蕩圖。
[0015]圖2B示出了響應(yīng)于圖2A所示的彎曲模態(tài)的在圖1所示第一泵的空腔內(nèi)流體的壓力振蕩圖。
[0016]圖2C示出了針對圖1A所示第一泵的一個致動器的一種可能的徑向位移振蕩(或“呼吸模態(tài)”)。
[0017]圖3A是阻抗譜圖，示出了圖1A和IB所示泵的致動器的共振模態(tài)。
[0018]圖3B是兩個方波(分別具有50%和43%的占空比)的傅立葉分量圖，示出了這些驅(qū)動信號的隨頻率而變的諧波含量。
[0019]圖4A示出了某些諧波頻率分量的幅值,并且圖4B示出了在圖1A到圖1B所示泵的諧波頻率下功率被致動器耗散的一個實例，這些諧波頻率隨施加到該致動器的方波信號的占空比而變。
[0020]圖5示出了根據(jù)一個說明性實施方案的一個驅(qū)動電路的方框示意圖，該驅(qū)動電路用于驅(qū)動圖1A到圖1B所示的泵。
[0021]圖6A到圖6C示出了針對分別具有50%、45%以及43%占空比的方波驅(qū)動信號的、穿過圖1A到圖1B所示泵的致動器的電壓以及電流。
[0022]圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施方案的一個第二泵的截面示意圖，在該實施方案中，閥門被倒轉(zhuǎn)，這樣使得該泵提供的壓差與圖1A所示實施方案中的壓差相反。
[0023]圖7B不出了用于圖7A所不泵中的一個閥門的一個說明性實施方案的截面不意圖。
[0024]圖8示出了在圖7A所示第二泵的空腔內(nèi)流體的壓力振蕩圖，如圖2B所示。
[0025]圖9A示出了處于關(guān)閉位置的一個閥門的一個說明性實施方案的截面示意圖。
[0026]圖9B示出了沿圖9D中的線9B-9B截得的圖9A所示閥門的分解剖視圖。
[0027]圖9C示出了圖9B所示閥門的透視示意圖。
[0028]圖9D示出了圖9B所示閥門的俯視示意圖。
[0029]圖1OA示出了當流體流過圖9B所示閥門時，處于打開位置的該閥門的截面示意圖。[0030]圖1OB示出了在關(guān)閉之前在打開位置與關(guān)閉位置之間過渡的圖9B所示閥門的截面示意圖。
[0031]圖1OC示出了當流體流被圖9B所示閥門所阻塞時，處于關(guān)閉位置的該閥門的截面
示意圖。
[0032]圖1lA示出了根據(jù)一個說明性實施方案的施加在圖9B所示閥門上的振蕩壓差。
[0033]圖1lB示出了處于打開位置與關(guān)閉位置之間的圖9B所示閥門的運作循環(huán)圖。
發(fā)明【具體實施方式】
[0034]在以下對若干說明性實施方案的詳細說明中，將對多個附圖進行參考，這些附圖構(gòu)成詳細說明的一部分，且以說明方式示出了能夠?qū)嵺`本發(fā)明的多個具體的優(yōu)選實施方案。這些實施方案的說明足夠詳細以便使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，并且應(yīng)理解的是可以利用其他實施方案并且可以做出合乎邏輯的、結(jié)構(gòu)的、機械的、電力的、和化學(xué)的改變而不背離本發(fā)明的精神或范圍。為了避免本領(lǐng)域技術(shù)人員實施此處描述的這些實施方案不必要的細節(jié)，描述可能忽略本領(lǐng)域的熟練人員已知的某些信息。因此下面的詳細描述沒有限制的意思，并且這些說明性的實施方案的范圍僅僅通過所附的權(quán)利要求進行確定。
[0035]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個說明性實施方案的泵10的截面示意圖。還參見圖1B，泵10包括一個基本上圓柱形的泵本體，該泵本體包括一個圓柱形壁19，該圓柱形壁的一端被一個基座18封閉并且另一端被一個端板17封閉，該泵本體還包括環(huán)形隔離件30，該環(huán)形隔離件設(shè)于端板17與泵本體的圓柱形壁19的另一端之間。圓柱形壁19和基座18可以是一個包括該泵本體的單個部件，并且可安裝到多個其他部件或系統(tǒng)上。圓柱形壁19的、基座18的、端板17的以及環(huán)形隔離件30的內(nèi)表面形成泵10內(nèi)的一個空腔11，其中空腔11包括一個側(cè)壁14，它的兩端被多個端壁12和13封閉。端壁13是基座18的內(nèi)表面，而側(cè)壁14是圓柱形壁19的內(nèi)表面。端壁12包括對應(yīng)于端板17的內(nèi)表面的一個中央部分、以及對應(yīng)于環(huán)形隔離件30的內(nèi)表面的一個外圍部分。盡管空腔11基本上為圓形，但空腔11也可為橢圓形或其他形狀。泵本體的基座18和圓柱形壁19可由任意合適的剛性材料形成,該剛性材料包括但不限于金屬、陶瓷、玻璃或塑料，該塑料包括但不限于注塑成型的塑料。
[0036]泵10還包括一個壓電圓盤20，該壓電圓盤運作性地連接到端板17上，以形成一個致動器40，該致動器通過端板17與端壁12的中央部分運作性地相關(guān)聯(lián)。壓電圓盤20不要求由壓電材料形成，而是可由使(例如)電致伸縮或磁致伸縮材料等振動的任意電活性材料形成。端板17優(yōu)選地具有類似于壓電圓盤20的彎曲剛度，且可由一種非電活性材料(如金屬或陶瓷)形成。當壓電圓盤20被電流激發(fā)后，致動器40相對于空腔11的縱向軸線沿徑向擴展并收縮，使得端板17彎曲，從而誘發(fā)端壁12沿基本上垂直于端壁12的方向進行軸向撓曲。替代地，端板17還可由一種電活性材料(例如像壓電材料、磁致伸縮材料或電致伸縮材料)形成。在另一個實施方案中，壓電圓盤20可被與端壁12具有傳力關(guān)系的裝置(例如像機械裝置、磁性裝置或靜電裝置)所替代，其中端壁12可形成為非電活性或電被動材料層，該材料層被此類裝置(未示出)以與上述方式相同的方式驅(qū)動進入振蕩狀態(tài)。
[0037]泵10還包括從空腔11延伸到泵10外部的至少兩個孔，其中這些孔中的至少第一個孔可包含一個閥門來控制穿過該孔的流體的流動。盡管這個含有閥門的孔可位于空腔11中的任何位置處，如下文更為詳細地說明的，在該位置上，致動器40產(chǎn)生壓差；泵10的一個優(yōu)選實施方案包括位于這兩個端壁12、13中的一個端壁的中心附近的帶有閥門的一個孔。圖1A和圖1B所示的泵10包括一個主孔16，該主孔從空腔11延伸，在端壁13的中心附近穿過泵本體的基座18，并且該主孔包含一個閥門46。閥門46被安裝在主孔16內(nèi)，且允許流體沿箭頭所示的一個方向流動，以便使得該閥門用作泵10的一個出口。一個第二孔15可位于空腔11的除帶有閥門46的主孔16所在位置之外的任何位置處。在泵10的一個優(yōu)選實施方案中，第二孔15設(shè)于這兩個端壁12、13中的一個端壁的中心與側(cè)壁14之間。圖1A和圖1B所示的泵10的實施方案包括兩個第二孔15，這些第二孔從空腔11延伸穿過設(shè)置于端壁12的中心與側(cè)壁14之間的致動器40。盡管在泵10的這個實施方案中，這些第二孔15未配備閥門，但它們也可在必要時配備閥門，以提高性能。在泵10的這個實施方案中，主孔16配有閥門，以使流體穿過這些第二孔15被抽吸到泵10的空腔11中，并穿過主孔16被泵送出空腔11，如箭頭所示，以在主孔16處提供一個正壓。
[0038]圖2A示出了對空腔11的受驅(qū)動的端壁12的軸向振蕩進行說明的一種可能的位移分布。實線曲線和箭頭表示在一個時間點上，受驅(qū)動的端壁12的位移，且虛線曲線表示在半個循環(huán)之后，受驅(qū)動的端壁12的位移。該圖和其他各圖中所示的位移均已被夸大。由于致動器40并未被剛性地安裝在自己的圓周上，而是通過環(huán)形隔離件30懸掛，因此致動器40能夠自由地以基本模態(tài)圍繞自己的質(zhì)心振蕩。在這個基本模態(tài)中，致動器40的位移振蕩幅值在一個環(huán)形位移波節(jié)22處基本為零，該環(huán)形位移波節(jié)位于端壁12的中心與側(cè)壁14之間。在端壁12上的其他各點處的位移振蕩幅值具有一個大于零的幅值，如豎直箭頭所示。一個中央位移波腹21存在于致動器40的中心附近，而一個外圍位移波腹21’存在于致動器40的圓周附近。
[0039]圖2B示出了 一種可能的壓力振蕩分布，展示了因空腔11內(nèi)的圖2A所示軸向位移振蕩而造成的壓力振蕩。實線曲線和箭頭表示在一個時間點上的壓力，虛線曲線表示在半個循環(huán)之后的壓力。在該模態(tài)和更高次模態(tài)中，壓力振蕩的幅值在空腔11的中心附近具有一個中央壓力波腹23，并且在空腔11的側(cè)壁14附近具有一個外圍壓力波腹24。在中央壓力波腹23與外圍壓力波腹24之間的環(huán)形壓力波節(jié)25處，壓力振蕩的幅值基本上為零。對于圓柱形空腔，空腔11中的壓力振蕩幅值的徑向依賴可近似于第一類貝塞爾函數(shù)。上述壓力振蕩起因于空腔11中的流體的徑向移動，因此將被稱為空腔11內(nèi)的流體的“徑向壓力振蕩”，以區(qū)別于致動器40的軸向位移振蕩。
[0040]進一步參見圖2A和圖2B可以看出，致動器40的軸向位移振蕩幅值的徑向依賴(致動器40的“模態(tài)形狀”)應(yīng)近似于第一類貝塞爾函數(shù)，從而更準確地與空腔11內(nèi)的所需壓力振蕩幅值的徑向依賴(壓力振蕩的“模態(tài)形狀”)匹配。通過不將致動器40剛性地安裝在自己的圓周處并且允許該致動器更自由地圍繞自己的質(zhì)心振動，位移振蕩的模態(tài)形狀大體與空腔11中的壓力振蕩的模態(tài)形狀匹配，從而實現(xiàn)模態(tài)形狀匹配或者，更簡單地說，模態(tài)匹配。盡管就這方面而言，模態(tài)匹配可能并非總是理想的，但致動器40的軸向位移振蕩以及空腔11內(nèi)相應(yīng)的壓力振蕩橫跨致動器40的整個表面具有基本上相同的相對相位，其中空腔11內(nèi)的壓力振蕩的環(huán)形壓力波節(jié)25的徑向位置以及致動器40的軸向位移振蕩的環(huán)形位移波節(jié)22的徑向位置基本上相符。
[0041]圖2A所示的致動器40的模態(tài)形狀是致動器40的最低頻率共振“彎曲”模態(tài)(“基本彎曲模態(tài)”)。箭頭表示致動器40的在實線與虛線之間移動的軸向位移。位移的波腹，即位移波腹21和21’分別位于致動器40的中心和邊緣。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，多個較高次彎曲模態(tài)存在于多個較高頻率下。在運作中，壓電圓盤20進行平面內(nèi)擴展和收縮，即，在平行于壓電圓盤20的平面的方向上擴展和收縮。除了產(chǎn)生上述彎曲模態(tài)之外，該運動還使得端板17進行平面內(nèi)擴展和收縮，如圖2C中的擴展的壓電圓盤20’和擴展的端板17’所示。復(fù)合型致動器40的對應(yīng)的平面內(nèi)擴展和收縮形成了致動器40的一個振動模態(tài)，稱作致動器40的“呼吸”模態(tài)(與軸向位移或彎曲模態(tài)相反)。典型地，最低次呼吸模態(tài)(“基本呼吸模態(tài)”)具有顯著高于基本彎曲模態(tài)的頻率的共振頻率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，多個較高次呼吸模態(tài)存在于多個較高頻率下。與致動器40的基本彎曲模態(tài)不同，致動器40的這種呼吸模態(tài)在泵10的空腔11內(nèi)不產(chǎn)生有用的壓力振蕩，如圖2B針對基本彎曲模態(tài)所示。[0042]隨著致動器40圍繞自己的質(zhì)心振動，當致動器40以圖2A所示的基本彎曲模態(tài)振動時，環(huán)形位移波節(jié)22的徑向位置將不可避免地位于致動器40的半徑內(nèi)。因此，為了確保環(huán)形位移波節(jié)22與環(huán)形壓力波節(jié)25相符，致動器的半徑(rac;t)應(yīng)優(yōu)選地大于環(huán)形壓力波節(jié)25的半徑，從而對模態(tài)匹配進行優(yōu)化。再次假定空腔11中的壓力振蕩近似于第一類貝塞爾函數(shù)，則環(huán)形壓力波節(jié)25的半徑為從端壁13的中心到側(cè)壁14的半徑(即，圖1A所示的空腔11的半徑(r))的大致0.63倍。因此，致動器40的半徑(raet)應(yīng)優(yōu)選地滿足以下不等式:ract ≥ 0.63r0
[0043]環(huán)形隔離件30可以是柔性膜，該柔性膜使致動器40的邊緣能夠通過響應(yīng)于致動器40的振動而彎曲并且伸展以便如上所述更自由地移動，如圖2Α中的外圍位移波腹21’處的位移所示。該柔性膜克服了側(cè)壁14對致動器40的潛在阻尼效果，方法是在致動器40與泵10的圓柱形壁19之間提供低機械阻抗支撐，從而減小對致動器40的外圍位移波腹21’處的軸向振蕩的阻尼。實質(zhì)上，該柔性膜使從致動器40傳遞到基本上保持靜止得側(cè)壁14的能量最小化。因此，環(huán)形位移波節(jié)22將保持基本上與環(huán)形壓力波節(jié)25對齊，從而保持泵10的模態(tài)匹配狀態(tài)。因此，受驅(qū)動的端壁12的軸向位移振蕩繼續(xù)在空腔11內(nèi)有效地產(chǎn)生從中央壓力波腹23到側(cè)壁14處的外圍壓力波腹24的壓力振蕩，如圖2Β所示。
[0044]參見圖3Α，一個說明性致動器40的阻抗譜圖300被示為包括隨頻率而變的阻抗300的幅值分量302和相位分量304。致動器40的阻抗譜圖300具有多個峰值，這些峰值對應(yīng)于各具體頻率下的致動器40的機電共振模態(tài)，包括約21kHz下的一個基本共振模態(tài)311以及多個較高頻率共振模態(tài)。此類較高頻率共振模態(tài)包括約83kHz下的第二共振模態(tài)312、約147kHz下的第三共振模態(tài)313、約174kHz下的第四共振模態(tài)314、以及約282kHz下的第五共振模態(tài)315。
[0045]約21kHz下的基本共振模態(tài)311是基本彎曲模態(tài)，該基本彎曲模態(tài)在空腔11中產(chǎn)生壓力振蕩，以便結(jié)合圖2A和圖2B根據(jù)上文所述對泵10進行驅(qū)動。83kHz下的第二共振模態(tài)312是第二彎曲模態(tài)，該第二彎曲模態(tài)除了基本模態(tài)311的單個環(huán)形位移波節(jié)22之外還具有一個第二環(huán)形位移波節(jié)(未示出)。分別在約174kHz和282kHz下的第四共振模態(tài)314和第五共振模態(tài)315也是較高次彎曲模態(tài)，這兩個彎曲模態(tài)是軸對稱的，除了基本彎曲模態(tài)311的單個環(huán)形位移波節(jié)22之外，這兩個彎曲模態(tài)分別具有兩個和三個額外的環(huán)形位移波節(jié)(未示出)。從圖3A可見，這些彎曲模態(tài)的強度通常隨頻率的增大而減小。
[0046]致動器40的第三共振模態(tài)313是基本呼吸模態(tài)(圖2C)，該基本呼吸模態(tài)導(dǎo)致上述的致動器40的徑向位移，而不在泵10的空腔11內(nèi)產(chǎn)生有用的壓力振蕩。實質(zhì)上，在這個頻率下致動器40的平面內(nèi)共振運動占主導(dǎo)，因而產(chǎn)生可從圖3A可見的極低阻抗。該基本呼吸模態(tài)的低阻抗意味著，當受到處于該頻率的驅(qū)動信號的激發(fā)時，該基本呼吸模態(tài)將獲取高的功率。
[0047]可使用經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方波信號來對上述致動器40進行驅(qū)動，該經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制的方波信號包括一個基本頻率和該基本頻率的多個諧波頻率。參見圖3B，示出了用于對致動器40進行驅(qū)動的傅立葉分量370 (η)的柱形圖，其中“η”是諧波級次，這些傅立葉分量表示用圖例370表示的PWM方波信號的諧波。每個諧波的傅立葉分量列在表I中，PWM方波信號的每個具有不同占空比的諧波分量有一個單獨的參考號。PWM方波信號370具有50%的占空比(“DC”)。我們所說的占空比是指信號處于兩種狀態(tài)中的一種狀態(tài)時的方波周期的百分數(shù)，例如，在50%的方波周期中為正的信號具有50%的占空比。占空比為50%的PWM方波信號的每個奇次諧波分量的幅值與諧波級次成反比地減小。占空比為50%的PWM方波信號的每個偶次諧波的幅值為零。
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種泵，包括: 一個泵本體，該泵本體具有一個基本上圓柱形的空腔，該空腔具有被兩個端表面封閉、用于包含一種流體的一個側(cè)壁，該空腔具有一個高度(h)以及一個半徑(r)，其中該半徑Cr)與該高度(h)之比是大于約1.2 ； 一個致動器，該致動器運作性地與一個端表面的中央部分相關(guān)聯(lián)，并且被適配成以便造成該端表面的在一個頻率(f)下的一種振蕩運動，由此響應(yīng)于施加到所述致動器上的一個驅(qū)動信號而在該空腔內(nèi)產(chǎn)生該流體的徑向壓力振蕩，這些徑向壓力振蕩包括至少一個環(huán)形壓力波節(jié)； 一個驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路具有電連接到所述致動器上的一個輸出端，用于在該頻率Cf)下將該驅(qū)動信號提供給所述致動器； 一個第一孔，該第一孔設(shè)置在該空腔中除該環(huán)形壓力波節(jié)的位置以外的任何位置處并且延伸穿過該泵本體； 一個第二孔，該第二孔設(shè)置在該泵本體中除所述第一孔的位置以外的任何位置處并且延伸穿過該泵本體；以及 一個閥門，該閥門設(shè)置在所述第一孔和第二孔中的至少一個之中，以便在使用時使該流體能夠穿過該空腔而流動。
2.如權(quán)利要求1所述的泵，其中該頻率(f)被設(shè)定為一個值，該值大約等于該致動器的基本彎曲模態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的泵，其中該空腔的高度(h)以及該空腔的半徑(r)是通過以下公式進一步關(guān)聯(lián)的V/rMXIO,米。
4.如權(quán)利要求1所述的泵，其中所述致動器的半徑是大于或等于0.63 (r)。
5.如權(quán)利要求4所述的泵，其中所述致動器的半徑小于或等于該空腔的半徑(r)。
6.如權(quán)利要求1所述的泵，其中所述第二閥門孔是設(shè)置在這些端表面之一中距該端表面的中心約0.63 (r) ±0.2 (r)的距離處。
7.如權(quán)利要求1所述的泵，其中所述閥門允許該流體在基本上一個方向中流動穿過該空腔。
8.如權(quán)利要求1所述的泵，其中當該空腔內(nèi)使用的流體是一種氣體時，該比值是在約10與約50之間的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的泵，其中當該空腔內(nèi)使用的流體是一種氣體時，該比值h2/r是在約10-3米與約10-6米之間。
10.如權(quán)利要求1所述的泵，其中該空腔的容積是小于約10ml。
11.如權(quán)利要求1所述的泵，其中所述致動器包括一個磁致伸縮部件，用于提供該振蕩運動。
12.如權(quán)利要求1所述的泵，其中所述致動器包括一個壓電部件，用于造成具有多個共振的彎曲模態(tài)和呼吸模態(tài)的振蕩運動。
13.如權(quán)利要求12所述的泵，其中該驅(qū)動信號是一種正弦信號。
14.如權(quán)利要求12所述的泵，其中該驅(qū)動信號是一種方波信號，并且所述驅(qū)動電路包括處理電路，該處理電路用于減弱該方波信號的一個諧波，該諧波與所述致動器的除其基本彎曲模態(tài)以外的一個模態(tài)的頻率相符。
15.如權(quán)利要求14所述的泵，其中該處理電路包括一個低通濾波器。
16.如權(quán)利要求14所述的泵，其中該處理電路包括一個陷波濾波器。
17.如權(quán)利要求14所述的泵，其中該處理電路設(shè)定了該方波的一個占空比，以便衰減該方波信號的一個諧波，該諧波與其他占空比相比與所述致動器的一個模態(tài)的頻率相符。
18.如權(quán)利要求17所述的泵，其中該占空比等于一個值，其中該方波的與所述致動器的一個模態(tài)的頻率相符的這個諧波分量被設(shè)定為零。
19.如權(quán)利要求18所述的泵，其中該占空比是約42.9%，以便衰減該方波的與所述致動器的一個基本呼吸模態(tài)的頻率相符的第七諧波分量。
20.如權(quán)利要求1所述的泵，進一步包括: 一個第一孔，該第一孔設(shè)置在該空腔中除一個環(huán)形波節(jié)的位置以外的任何位置處并且延伸穿過該泵本體； 一個第二孔，該第二孔設(shè)置在該泵本體中除所述第一孔的位置以外的任何位置處并且延伸穿過該泵本體；以及 一個閥門，該閥門設(shè)置在所述第一孔和第二孔的至少一個之中，以便在使用時使得該流體能夠流動穿過該空腔。
21.一種產(chǎn)生減壓用于對組織部位進行治療的泵，該泵包括: 一個泵本體，該泵本體具有一個基本上圓柱形的空腔，該空腔具有被兩個端表面封閉、用于包含一種流體的一個側(cè)壁； 一個致動器，該致動器運作性地與一個端表面的一個中央部分相關(guān)聯(lián)，并且被適配成以便造成該端表面的在一個頻率(f)下一種振蕩運動； 一個驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路具有與所述致動器聯(lián)通的一個輸出端，用于在該頻率(f)下將一個驅(qū)動信號提供給該致動器，該驅(qū)動電路是可運作的以便使用具有一個占空比的方波來驅(qū)動該致動器。
22.如權(quán)利要求21所述的泵，其中所述致動器包括一個壓電部件，用于造成具有多個共振的彎曲模態(tài)和呼吸模態(tài)的振蕩運動。
23.如權(quán)利要求22所述的泵，其中該驅(qū)動信號是一種經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制的信號。
24.如權(quán)利要求22所述的泵，其中所述驅(qū)動電路包括用于對該方波信號的一個諧波進行衰減的處理電路，該諧波與所述致動器除其基本彎曲模態(tài)以外的一個模態(tài)相符。
25.如權(quán)利要求24所述的泵，其中該處理電路包括一個低通濾波器。
26.如權(quán)利要求24所述的泵，其中該處理電路包括一個陷波濾波器。
27.如權(quán)利要求24所述的泵，其中該處理電路將該方波的占空比設(shè)定為一個值，該值對該方波信號的激發(fā)了所述致動器的這個模態(tài)的一個諧波進行衰減。
28.如權(quán)利要求27所述的泵，其中該占空比等于一個值，其中該方波的與所述致動器的這個模態(tài)相符的諧波分量被設(shè)定為零。
29.如權(quán)利要求28所述的泵，其中該占空比是約42.9%,以便衰減該方波的與所述致動器的呼吸模態(tài)相符的第七諧波分量。
30.如權(quán)利要求21所述的泵，進一步包括: 一個第一孔，該第一孔設(shè)置在該空腔中除一個環(huán)形波節(jié)的位置以外的任何位置處并且延伸穿過該泵本體；一個第二孔，該第二孔設(shè)置在該泵本體中除所述第一孔的位置以外的任何位置處并且延伸穿過該泵本體；以及 一個閥門，該閥門設(shè)置在所述第一孔和第二孔的至少一個之中，以便在使用時使得該流體能夠流過該空腔。
31.如權(quán)利要求21所述的泵，其中該頻率對于人類是無法聽見的。
32.一種產(chǎn)生壓差的泵，包括: 一個殼體； 一個電源； 一個致動器，該致動器設(shè)置在所述殼體之內(nèi)，并且被配置成用于產(chǎn)生一個壓差； 與電流傳感器聯(lián)通的一個轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是可以運作的以便將由該電源供應(yīng)的一個電壓轉(zhuǎn)換成在一個驅(qū)動信號中使用的一個方波用于使所述致動器運行；以及 與所述轉(zhuǎn)換器聯(lián)通的一個微控制器，該微控制器被配置成用于產(chǎn)生一個方波驅(qū)動信號，該方波驅(qū)動信號包括與所述致動器的一種彎曲模態(tài)的頻率相符的一個基本頻率。
33.如權(quán)利要求32所述的泵，其中該轉(zhuǎn)換器包括:一個電壓轉(zhuǎn)換器，用于對一個驅(qū)動信號將該電壓增加到一個可運作的電平；以及一個H橋電路，用于在施加到所述致動器時使該驅(qū)動信號進行交變。
34.如權(quán)利要求32所述的泵，進一步包括一個電流傳感器，該電流傳感器與所述電源以及所述致動器處于聯(lián)通、并且被配置成用于感測被所述致動器耗用的電流。
35.如權(quán)利要求32所述的`泵，其中所述致動器的彎曲模態(tài)的頻率超過人類能夠聽見的頻率。
36.如權(quán)利要求32所述的泵，其中對該驅(qū)動信號的占空比進行如下設(shè)定，即:這樣造成該驅(qū)動信號與所述致動器的除其基本彎曲模態(tài)以外的一個模態(tài)的頻率相符的一個諧波的幅值與該占空比被設(shè)定為其他值的情況相比是處于一個最小值。
37.如權(quán)利要求36所述的泵，其中該占空比被設(shè)定為42.9%。
38.一種用于對泵進行驅(qū)動以產(chǎn)生壓差的方法，該方法包括: 將由一個電源供應(yīng)的一個電壓轉(zhuǎn)換成一個向上轉(zhuǎn)換的電壓信號； 產(chǎn)生一個方波驅(qū)動信號，該方波驅(qū)動信號包括與該致動器的一種彎曲模態(tài)相符的一個頻率；并且 使用由該方波驅(qū)動信號調(diào)制的這個向上轉(zhuǎn)換的電壓信號來對該致動器進行驅(qū)動。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中產(chǎn)生一個方波驅(qū)動信號包括以超出人類能夠聽見的一個頻率來產(chǎn)生一個方波。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，進一步包括: 確定該致動器正在耗用超過一個電流閾值的電流；并且 響應(yīng)于確定該致動器正在耗用超過該電流閾值的電流而停止產(chǎn)生該方波驅(qū)動信號。
41.如權(quán)利要求38所述的方法，進一步包括響應(yīng)于確定該致動器正在耗用超過該電流閾值的電流而產(chǎn)生一個可聽見的警報。
42.如權(quán)利要求38所述的方法，進一步包括將該驅(qū)動信號的占空比設(shè)定為一個值，在該值下，該驅(qū)動信號與該致動器的除其基本彎曲模態(tài)以外的一個模態(tài)的頻率相符的一個諧波的幅值是一個最小值。
【文檔編號】F04B43/04GK103492717SQ201180007447
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2011年2月3日 優(yōu)先權(quán)日:2010年2月3日
【發(fā)明者】喬納森·賈伊伯, 克里斯多佛·約翰·帕德伯里 申請人:凱希特許有限公司