【技术实现步骤摘要】
一种流体致动器设计，一种驱动流体的压电泵设计，压电或其它电致动材料的往复摆动驱动流体的设计和其非对称驱动方式。
技术介绍
1、在压电泵的设计中，cn112196769 a设计的如图1所示的仿胸鳍压电无阀泵，其中压电致动部件1向下驱动空气，希望获得气流从左流到右。但实际上，压电致动部件1向下运动时确实是可以获得气流向下运动，进而从右侧流出。但是压电致动部件1从下极限运动位置回复时，反过来会驱动空气向上运动，进而从左侧溢出。虽然因为结构(上部空间小)和进出气口的单向阻流装置，可以减小一些反向驱动的流体流量，但是反向驱动相互抵消的根本原因依然存在，导致效率大为降低。
2、cn 116044719 a在图2中给出了另一种压电泵的设计，中间的压电部件1上下往复摆动，驱动空气向下运动，但因为往复对称运动的驱动正负对消问题，实际效率很低，实际所得仅是由于进气和出气的结构差异导致的进气和出气的量差异，从而获得正负抵消后的较小的一些出气净流量,效率较低。
3、在图3和图4中，美国专利us20230137610a1给出了另一个压电无阀泵的设计，如图4所示，压电致动部件1上下摆动，驱动流体从上面进口流向下面出口。其原理与前述的压电泵设计相仿，结构有所变化(号称jet喷射式，气流被直接压迫向出气口而喷射出去)。往复摆动的驱动正负对消问题依然存在，导致效率降低。
4、总之，压电无阀泵设计很多，使用其它致动材料的往复摆动流体泵也很多。但申请人认为都存在往复摆动中驱动相互抵消、效率较低问题，存在很大局限。而使用扩张管和收缩
技术实现思路
1、为此，本申请提出了改进设计，其构思来自于对人们游泳的动作分析，人们游泳手臂划水时：当手臂自前向后划水(击水)时，动作要领是：手掌垂直于划水方向，手指并拢，加大划水面积，二是加力高速划水。反过来，当手臂划完水，自后向前移动时，手掌面平行于移动方向，减少迎水面积，同时动作柔缓不加力，低速减少阻力。分析来看，如果向后划水和向前移臂的动作完全相同的话，向后划水获得的推力和向前移臂产生的阻力应该全同(面积相同、速度相同)，两个过程互相抵消或接近抵消，效率很低。人类游泳的技巧或称“水性”、“水感”实际上就是自觉不自觉地加大推力、减少阻力，获得高效率。而这种高效率就来自于划水和移臂两个动作的不对称，除了手掌方向和手指并拢与否之外，加力与不加力的作用很关键，手臂在水里移动时，阻力与移动速度高度相关，根据流体力学，阻力与速度的平方相关。因而快速向后划水获得大的推力加速游动，然后向前移臂时速度减慢，减少阻力。换言之，人类游泳时一个动作周期的两个阶段是不对称的：获得推力阶段高速，获得阻力阶段低速，使得推力大于阻力，从而获得整体的推力净值，高速高效率游动。
2、受此启发，分析压电致动部件1摆动的过程，发现同样存在类似的“正向驱动--反向驱动”两个阶段。如图5和图6所示，是压电致动部件1往复摆动的动作示意。压电致动部件1摆动时有上下两个最大位置分别为“l”和“h”，而压电致动部件1中间平衡位是“m”。压电致动部件1往复摆动的轨迹为：l---m---h---m---l如此反复，因为对称性，仅需要分析l---m---h这个过程即可。图5是压电致动部件1处于l---m(由l趋于m)阶段，图6则是压电致动部件1继续摆动过了中点m后处于m---h(由m趋于h)的阶段。这两个阶段压电致动部件1的运动方向都是指向h，如图中的速度v所示。此时压电致动部件1驱动流体产生的反作用力f与速度v在一条直线上但方向相反。在图5中，反作用力f可以分解为水平方向和垂直方向的两个分力，此时水平方向的分力f1是指向左，反过来此时被驱动的流体的流向是向右，是正向驱动。而在图6中，水平方向的分力f1是与图5相反，指向右，而流体被驱动向左流动，成为反向驱动。
3、根据流体力学，恒速运动的物体在流体中受到的力与运动速度的平方成正比，
4、
5、式中，ρ为流体密度，s为物体的截面积，v为物体的运动速度。
6、而f1为水平分量，需要乘于一个sinθ，因而
7、
8、如果在l---m和m---h两个阶段的速度相同或对称，则两个阶段获得的平均阻力f1和f′1也相同或对称，但方向相反。因而不考虑其它结构因素(如进出气口的单向阻流设置、腔室体积等)，两个阶段整体的平均阻力的驱动作用完全对消，总效率为零。
9、
10、而如果采用不同的速度或不对称，比如l---m阶段用时为t，而m---h阶段用时为2t或更多，则m---h阶段平均速度是l---m阶段的二分之一或以下，则m---h阶段的平均阻力f′1是l---m阶段的平均阻力f1的四分之一或更少。整个过程就可以获得抵消后的净推力冲量:
11、
12、而根据动量守恒，压电致动部件受到的这个净推力冲量等于流体被向左驱动所获得的动量，也就是一次摆动中流体获得的正向流动的动量。如此不断地往复摆动高效地驱动流体，效率会远高于现有技术对称驱动的效率。根据试验，现有技术的效率约为10～20％，而本申请的设计效率可以达到50～70％。
13、目前现有技术设计的流体泵或压电泵，设计机理相通，构思相同，都存在往复摆动过程中类似的推力抵消，导致效率过低的问题。而根据以上分析，和人类游泳技巧的启示，根本原因在于：在往复摆动流体泵的流体驱动设计中，都存在相连的两个运动阶段：一个阶段产生有益的正向驱动，另一个阶段则产生相反的反向驱动。而现有设计都是采用正弦波方波等对称驱动信号来驱动或机械的对称驱动，结果两个阶段的时长相同、运动速度相同，产生的推力和冲量大小相同，方向相反，产生的驱动冲量完全相互抵消，使得驱动流体的效率低下。解决这个问题，就必须依据人类游泳技巧的启示，采用合适的驱动信号或不对称的机械驱动(可以理论设计，也可以试验改进)获得两个阶段运动的不对称性，产生两个阶段显著不同的摆动速度，产生大小显著不同的推力，在抵消后仍然可以获得净的、较大的、有益的、正的推力冲量，高效率地推动流体流动。
14、因此，本申请提出，可以采用非对称的驱动信号改进现有技术设计图1、图2和图3的效率，在图1、图2和图3的设计中，往复摆动一样可以分为向下的有益驱动阶段和向上的有害驱动阶段。设置驱动信号使得压电等致动部件向下运动阶段的时长明显短于压电致动部件向上运动阶段的时长，比如向上运动(从最低位置回复到最高位置)的时长两倍于向下运动(从最高位置到最低位置)的时长，则向上运动的平均速度为向下运动的平均速度的一半。如此驱动空气的正作用力冲量和负作用力冲量抵消后仍然有正作用力冲量二分之一的净值(不考虑本身其它结构设计的附加作用)，不再是抵消为零了。
15、对于现有技术cn112196769 a，在图1中，压电致动部件1由平衡位置(驱动电压为零的自由状态)向下摆动，到达下摆极限位置后回复，因而驱动电压信号波形可以本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种驱动流体的往复摆动致动器，往复摆动有两个阶段，有益驱动阶段和有害驱动阶段，其特征在于，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度。
2.由权利要求1所述的驱动流体的往复摆动的致动器，其特征还在于，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的2/3，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度的3/2倍。
3.由权利要求1所述的驱动流体的往复摆动的致动器，其特征还在于，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的一半，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度的两倍。
4.一种流体泵，包括外壳，电致动部件和流体进出口，其特征在于，外壳呈长条状，电致动部件沿外壳的长度方向布置，并在外壳的高度方向上下往复摆动，流体沿外壳的长度方向流动，由一侧进口进入，另一侧出口流出。
5.由权利要求3所述的流体泵，其特征还在于，电致动部件多于一个，且各电致动部件的驱动峰值交错设置，平滑流体流速的波动
6.由权利要求3所述的流体泵，其特征还在于，电致动部件往复摆动有两个阶段，有益驱动阶段和有害驱动阶段，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度。
7.由权利要求3所述的流体泵，其特征还在于，电致动部件往复摆动有两个阶段，有益驱动阶段和有害驱动阶段，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的2/3，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度的3/2倍。
8.由权利要求3所述的流体泵，其特征还在于，电致动部件往复摆动有两个阶段，有益驱动阶段和有害驱动阶段，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的一半，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度的两倍。
...【技术特征摘要】
1.一种驱动流体的往复摆动致动器，往复摆动有两个阶段，有益驱动阶段和有害驱动阶段，其特征在于，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度。
2.由权利要求1所述的驱动流体的往复摆动的致动器，其特征还在于，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的2/3，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度的3/2倍。
3.由权利要求1所述的驱动流体的往复摆动的致动器，其特征还在于，往复摆动的有益驱动阶段的时长小于有害驱动阶段的时长的一半，往复摆动的有益驱动阶段的摆动的平均速度大于有害驱动阶段的摆动的平均速度的两倍。
4.一种流体泵，包括外壳，电致动部件和流体进出口，其特征在于，外壳呈长条状，电致动部件沿外壳的长度方向布置，并在外壳的高度方向上下往复摆动，流体沿外壳的长度方向流动，由一侧进口进入，另一侧出口流出。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：张明达，张百良，
申请(专利权)人：广州博良电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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