用于流体移动器的力均等的固定式线圈致动器

摘要

本发明涉及一种流体移动器，其包含附接到柔性部件的第一动态电枢及附接到第二柔性部件的第二动态电枢。所述流体移动器还包含外壳，且第一及第二柔性部件被附接到所述外壳，以便形成由所述外壳及第一及第二柔性部件定界的流体室容积。固定式电流携带线圈定位在第一与第二电枢之间。由所述线圈携带的所述电流产生作用于所述电枢上的磁力，且其中线圈及电枢经定位及配置以便确保无论所述电枢的相对位置且无论所述电流的时变性质如何，所述两个电枢经受的瞬时磁力将总是相同。

说明书

技术领域

背景技术

本申请案涉及用于容积式流体移动器(例如液体泵、气体压缩机及合成射流)的高功 率长寿命的致动器。

容积式流体移动器可提供高流动性及压力，然而，为了适合于许多应用(例如医疗装 置；计算机、服务器、LED照明的热管理；及其它电子器件冷却应用)，此些流体移动 器必须低振动操作且提供长寿命。另外，为了在不损失流体性能的情况下配合在空间受 限的产品平台中，此些应用要求所述流体移动器构造成越来越小的尺寸。

如果流体移动器可使用两个彼此相反移动的活塞，那么振动将最小化，但为了实现 这两个活塞的靠近，要求对每一活塞应用相同力波形。每一活塞的单独致动增加了尺寸、 机械复杂性及成本，且匹配每一活塞上的力这个难题将需要控制方案，这进一步增加复 杂性及成本。

因此，存在一个未满足的需要，即需要改进流体移动器致动，使得在不损失性能及 寿命的情况下，流体移动器组件的集成能够实现较小尺寸，同时提供简单方法以确保将 相同力波形施加到每一活塞。

发明内容

为了满足这些需要且克服现有成果的局限性，本申请案揭示具有安装在电枢之间的 固定线圈的双电枢/隔膜致动器，其中为了使振动最小化，将所产生的磁力直接施加在所 述两个活塞之间，从而确保这两个活塞经受相同的瞬时致动力。为了进一步满足此些需 要且克服现有成果的局限性，致动的方法集成活塞及致动器组件以对于给定抽吸功率输 出减小流体移动器的尺寸，同时消除可引起故障及寿命缩短的任何动态电气组件(例如振 动线)。

附图说明

并入且形成说明书的一部分的附图图解说明本发明的实施例，且与描述一起用来说 明本发明的原理。图中：

图1图解说明使得相同致动器力被施加到两个电枢的流体移动器致动器的实施例。

图2是展示当线圈通电时发生的磁通量路径的图1的致动器的截面图。

图3是图解说明图1的致动系统是如何应用于流体移动器的截面图。

图4是展示安装固定线圈的图3的流体移动器的截面图。

图5是图解说明各个隔膜的两侧如何可用于形成用于将能量施加到流体的额外流体 室的截面图。

图6提供通过改进线圈利用率而提高致动器效率的电枢设计的截面图及分解图。

具体实施方式

图1根据本发明的实例实施例图解说明流体致动器的某些关键功能概念，其中固定 线圈6定位在同一对的电枢2与4之间。当所述线圈通电时，在电枢2及4内产生磁场， 并且所述场的所得磁通量环路路径在图2中由虚线图解说明。所述磁场在所述电枢之间 的气隙内形成引力，所述引力拉动两个电枢向对方靠近。将所述力直接施加在所述两个 电枢之间，确保了电枢2及4经受的瞬时力及因此力波形总是相同。

图3图解说明图1的致动器如何用于流体移动装置中。电枢16及18结合到相应的 隔膜8及10。隔膜8及10每一者具有使所述隔膜能够进行较大轴向位移的环形悬臂弹 簧矩阵。在实践中，隔膜8及10将具有弹性体包覆模制件(未展示)以提供压力密封。隔 膜8及10表示可用在本发明的范围内的许多种隔膜中的一种，同时仍利用其中的致动 原理。所述隔膜可经配置为(举例来说)如在第PCT/US2011/022386号国际专利申请案中 所展示的，所述申请案全文以引用的方式并入本文中。隔膜8及10与外壳12形成压力 密封。压缩室20由隔膜8及10及外壳12定界。当线圈通电时，磁力引起电枢16及18 沿着其相应的隔膜8及10而向对方移动，从而使得流体室20的容积减小。当关断所述 线圈时，储存在隔膜弹簧中的势能将推动电枢及隔膜以相反方向返回，从而使得流体室 20的容积增加。与线圈的接通及切断相关联的所得循环容积减小及增加将会对流体室 20内的流体施加能量，从而提供特定应用(例如，举例来说抽吸液体及气体或为合成射 流提供动力或其它流体移动应用(例如，混合、计量或取样等等))所需要的流体能量。

电枢16及18的振荡引起反作用力经由相应隔膜8及10传输到外壳12。在电枢16 及18的质量相等并且隔膜8及10的弹簧刚度相等的程度上，如果电枢16及18的位移 相等，那么将消除反作用力，从而引起最低限度的外壳振动。通过向每一电枢递送相同 的力幅度及力波形，如本文所揭示的流体移动致动器可操作，使得每一电枢将执行相同 的位移幅度及位移波形，从而实现零或最低限度的外壳振动所要求的条件。

图3的流体移动器可以其力学质量弹簧谐振频率操作，其中所述谐振频率由隔膜及 流体的经组合弹簧刚度以及流体及电枢的质量所决定。

图3的流体移动器以不同的截面图在图4中展示，以便展示线圈如何可牢固地安装 到外壳12。为了展示所述安装布置，现在在图4中展示隔膜中的仅一者。线圈14由线 圈夹子22及24固持，这些线圈夹子又夹入外壳12中。此固定式线圈设计消除了对于 动态线圈的移动电力导线的需要且也消除了此些导线或引线的潜在故障，从而提高寿命 及可靠性。

对于上述的任何一个流体移动应用，隔膜的两侧均可用于流动工作。举例来说，图 5展示额外的端板26及28，所述端板形成相应的流体室30及32。对于上述应用中的任 一者，流体室30及32可用于向流体传递能量。

本发明的范围包含对于本文中所描述的流体移动器致动器的许多额外变体。举例来 说，可用许多方法更改电枢设计及所产生的磁通量路径，同时仍借助于位于电枢之间的 固定线圈而直接在电枢之间提供力。图6展示用于改进机电转换效率的电枢设计。如图 6中展示，对立的电枢40及42附接到相应的隔膜34及36，所述隔膜又被附接到外壳 38。固定式线圈44通过线圈臂46及48被牢固地安装到外壳38。在图6的设计中，与 图3及4中展示的设计相比，所述线圈更加完全地被电枢材料围绕，其中部分线圈在电 枢材料之外。线圈的在电枢材料之外的部分在电枢中产生较少的磁场，这降低了致动器 的效率。进一步的变体可包含用于形成力(例如永磁体及移动磁体固定线圈的音圈类型的 致动器)的替代组件，其中所述电枢将替换为音圈类型的磁体及支持磁铁以提供具有永磁 场的线圈气隙。对于根据本发明的致动器的特定子组件设计将响应于特定设计及最终的 产品要求而由良好的设计实践来确定。

根据本发明的流体致动器的各种实施例可以在本发明的范围内的任何频率下驱动。 虽然可通过以等于或接近于致动器的质量弹簧谐振的驱动频率来操作致动器而提供性 能优势，但是本发明的范围不限于驱动频率接近于质量弹簧谐振频率。当驱动频率足够 接近储存在谐振中的能量的质量弹簧谐振时，那么电枢-隔膜振幅将与所储存的能量成比 例增加。对于给定输入功率电平，驱动频率越接近于瞬时谐振频率，所储存的能量就越 大，并且电枢/隔膜位移就越大，并且输送到流体室中的流体的功率就越大。无论在有没 有储存能量的情况下操作根据本发明的致动器都被认为在本发明的范围内。

还应理解，根据根据本发明的流体移动器致动器的各个实施例，电枢通常将由具有 高导磁率的含铁类型金属制成，但所要求的磁导率及损失特性的程度将基于给定应用的 要求。

许多不同的驱动电路可用于为根据本发明的流体移动器致动器供应电力且将对于 所属领域的技术人员显而易见，且此些驱动电路可包含谐振锁定控制，例如锁相环路控 制及其它的基于CPU的控制，以保持驱动频率锁定为机械谐振频率(其可由于变化的系 统条件而改变)。许多不同的电压波形也可用于驱动根据本发明的流体移动器致动器，且 将根据最终产品及应用的要求选择波形特性及工作周期。

针对根据本发明的流体移动器致动器的应用包含经由气泵、液泵或合成射流而移动 空气或液体而用于热管理应用中的热交换，用于包含电子组件(例如微处理器、电力电子 组件(例如MODFETS)、HBLED及需要冷却的任何其它电子组件)以及第二热交换目标 (例如散热片、印刷电路卡及电子器件罩壳)的各种各样的热对象。需要此冷却的产品包 含服务器、PC塔、膝上型计算机、HBLED灯具、消费性电子器件、PDA或经密封的电 子器件罩壳(例如在手机、电信及军事应用中)。

其它应用包含(举几个来说)用于化学反应、流体计量的气体及颗粒物质的一般混合； 用于微型燃料电池的微型空气及燃油泵；用于液体取样、空气取样以用于生化战争药剂 及一般的化学分析或形成悬浮颗粒物的其它物质变化(例如粉碎或结块)或此些过程的任 何组合的微型泵。

已呈现对本发明的实施例中的一些的上述描述以用于进行说明及描述。在提供的图 中，为了功能清晰，本文提供的个别实施例的子组件不一定是彼此按比例绘制。在实际 产品中，个别组件的相对比例是通过特定工程设计要求来确定。本文提供的实施例不希 望是详尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式，且根据上文的教示，显然许多修改及 变更是可能的。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选择且描述了实施例，从 而使所属领域的其他技术人员能够在各种实施例中最好地利用本发明且具有各种如适 合于预期特定使用的各种修改。尽管以上描述含有许多规格，但这些不应解释为对本发 明范围的限制，而是作为对其替代实施例的例证。