CN100356061C - 肋条式微型无阀泵 - Google Patents
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Abstract
本发明为肋条式微型无阀泵，其结构由圆弧过渡收敛型喷嘴、逆向导气肋条、泵腔和压电振膜构成，其中喷嘴位于微泵的左右两端，逆向导气肋条设在两喷嘴的右侧，压电振膜粘贴于泵腔的上表面。肋条式微型无阀泵依靠带肋条的喷嘴及其它匹配设计可以获得较大的喷嘴正、反向流量差，其优点为显著提高了微泵效率，容易制造、成本低、适用场合广，因为没有活动阀门结构而大幅提高了可靠性与寿命。总的来说，本发明在保持微型无阀泵传统优势的同时，有效地克服了现有技术输送气体效率低的缺陷，为各种应用场合，包括各类军、民用航空器以及汽车、船舶等的流场主动控制，提供了一种综合性能好的微流动系统动力源装置。
Description
技术领域
本发明为肋条式微型无阀泵，是一种用于泵送气体的流体输送设备，属于微流动系统的动力源装置。
背景技术
在微电子机械系统(MEMS)近年所取得的飞速发展基础之上，作为微流动系统的动力源，微泵不仅成功应用于微量药品输送、集成电路冷却、微型机构的推进等方面(参见Bratter R L，“微电子机械系统市场取得的商业成功”(“Commercial success in the MEMS marketplace”)，2000年光学微电子机械系统会议论文集(Proceedings of Optical MEMS’2000)，第29-30页)，还可以应用于各类军、民用航空器以及汽车、船舶等的流场主动控制(参见McMichael J M，“采用微电子机械系统的流场主动控制技术现状与展望”(“Progress and prospects for active flow control usingMicrofabricated Electromechanical Systems”)，美国航空航天协会报告，编号96-0306(AIAA-96-0306))，是具有重要技术价值的微执行器。
当前国内外研制的微泵按有无活动阀门可分为有阀泵和无阀泵两种。有阀泵的工作原理较简单、制造工艺较成熟，但对于尺寸缩小到厘米或毫米量级的微型系统而言，阀片制作与装配是两个很难解决的技术问题，同时阀片的频繁开合导致有阀泵可靠性和使用寿命降低，在输送含颗粒流体时还存在阀门堵塞的危险(参见Woias P，“微泵——20年发展历程总结”(“Micropumps-summarizing the first two decades”)，国际光学工程学会会议录(Proceedings of SPIE)，2001年第4560卷，第39-52页)；而无阀泵具有结构简单、易于加工、功耗低、可在高频下工作的优点，便于微型化，但其最大的问题是效率太低(参见Gerlach T等，“动态微泵工作原理与性能”(“Working Principle and Performance of the DynamicMi cropump”)，《传感器与执行器A》(《Sensors and Actuators A》)，1995年第50卷，第135-140页)。为解决这一问题，目前国内外学者主要在使用新材料和新驱动方式、增大泵腔输出容积与无效容积之比、优化扩散口/喷嘴参数等方面进行研究，基本上没有提出改变无阀泵工作原理的新设计方案。
发明内容
本发明提出一种输送气体的肋条式微型无阀泵，旨在通过一种新的流体力学原理来增大正、反向流量差，从而显著提高效率；同时又保持了无阀泵制造容易、成本低的优点，并能满足高频场合的使用要求。
本发明的技术解决方案：
肋条式微型无阀泵，其总体结构如图1所示，由喷嘴、逆向导气肋条、泵腔和压电振膜构成。其中喷嘴位于微泵的左右两端，逆向导气肋条设在两喷嘴的右侧，压电振膜粘贴于泵腔的上表面。肋条式微型无阀泵依靠带肋条的喷嘴及其它匹配设计可以获得较大的喷嘴正、反向流量差，从而显著提高微泵效率。
(1)采用圆弧过渡收敛型喷嘴来替代传统的尖角型喷嘴，并将喷嘴的下游壁面由常规的垂直壁改为倾斜壁，以减小气流正向流动时的压力损失，从而增大正向流动时的流量(如图3所示)；
(2)提出逆向导气肋条的构型设计方案，使得反向流动时的气体流量显著减小(如图4所示)；
(3)将振动薄膜与压电材料粘贴以构成压电振膜，通过压电材料的压电效应驱动振动薄膜在垂直方向上来回振动。依靠合理的肋条设计与喷嘴设计，振动膜向上运动时，泵腔吸气，左侧孔的气体正向流动而右侧孔为反向流动，左侧可以获得较高的净流入量；振动膜向下运动时，泵腔排气，左侧孔的气体反向流动而右侧孔为正向流动，右侧有较高的净流出量。这样就在宏观上实现了气流由左侧吸入、右侧喷出的单向流动，并使微泵的效率得到提高。
肋条式微型无阀泵的制作方法分三个工艺步骤：
(1)线切割加工工艺，采用线切割机，在沿导轨运动的金属丝构成的工具电极与被加工件构成的工件电极之间施加脉冲电压，使间隙中的电解液被电离击穿而形成脉冲放电，产生瞬时高温使被加工件局部熔化甚至气化，从而制得微细电火花加工所需电极；
(2)微细电火花加工工艺，采用电火花加工设备，在步骤(1)所制得的电极与被加工件之间施加电压，通过产生的电火花造成材料微团的去除和放电坑的形成，从而制得喷嘴、肋条与泵腔结构；
(3)微操作工艺，通过微定位平台系统、微操作机械手将压电陶瓷振动薄膜与泵腔开口表面对准后采用粘结剂粘贴在一起，以获得最终的肋条式微型无阀泵。
本发明的优点：提出了逆向导气肋条的构型设计方案，一方面在气流正向流动时，依靠按圆弧形收敛的喷嘴设计减小压力损失；另一方面在气流反向流动时，通过将喷嘴的下游壁面由常规的垂直壁改为倾斜壁，并配以适当的导气肋条，使一定比例的气流在两侧导气肋条的引导下改变流动方向，然后冲击喷嘴中的反向气流，三股气流呈“Y”形汇集并发生强烈撞击，可以显著减小反向气流量，从而大幅提高一个振动周期内微泵输出的气体净流量，也就提高了微型无阀泵的效率。本发明设计的微型无阀泵容易制造，成本低，适用场合广，因为没有活动阀门结构而大幅提高了可靠性与寿命；线切割加工工艺制得的电极可重复使用，并可进行微型铸造以批量生产；喷嘴、肋条和泵腔可用电极一次加工成型；加工过程中采用交流脉冲电源技术，保证较低的加工粗糙度；采用微操作组装平台，保证装配的技术要求。
附图说明
附图1是肋条式微型无阀泵结构示意图。
附图2是喷嘴、肋条局部放大图。
附图3、4分别是气体在带肋条的喷嘴中正、反向流动的示意图。
附图5是微细电火花加工所需电极的示意图。
图中1是喷嘴、2是导气肋条、3是泵腔，4是压电材料，振动薄膜粘贴于泵腔的上表面以封闭空腔，压电材料粘贴于振动薄膜之上；B是喷嘴宽度、D是泵腔宽度、α是喷嘴收敛角、β为喷嘴下游倾斜壁面的倾斜角(即喷嘴与水平壁面的夹角)、R1是喷嘴过渡圆弧段半径、L1是喷嘴与肋条的流向间距、R2是导气肋条过渡圆弧段半径、L2是导气肋条斜向长度，各段过渡圆弧的圆心角均取β；5是微细电火花加工所需电极。
具体实施方式
对照图1，其结构由喷嘴、逆向导气肋条、泵腔和压电振膜构成。其中喷嘴位于微泵的左右两端，逆向导气肋条设在两喷嘴的右侧，振动薄膜粘贴于泵腔的上表面以封闭空泵，压电材料粘贴于振动薄膜之上。
喷嘴为圆弧过渡收敛型，采用平面结构，喷嘴宽度B取0.1～5mm，泵腔宽度D≥6倍的喷嘴宽度B，泵腔高度为(0.5～5)倍的喷嘴宽度B，收敛角α取90～150度，喷嘴下游壁面为倾斜壁，倾斜角β≥0.5倍的收敛角α，过渡圆弧段半径R1取(1～2)倍的喷嘴宽度B，圆心角取值与喷嘴倾斜角β相同；
逆向导气肋条倾角与喷嘴倾斜角β相同，其斜向长度L2取(1～2)倍的喷嘴宽度B，过渡圆弧段半径R2为(1～2)倍的喷嘴宽度B，圆心角取值与喷嘴倾斜角β相同，肋条与喷嘴的流向间距为(0.3～0.6)倍的喷嘴宽度B，两肋条之间的孔口宽度约为喷嘴宽度B；
压电振膜由振动薄膜与压电材料粘贴构成，尺寸可根据所需驱动力的大小选择；微泵长度和宽度可根据压电振膜的尺寸来选择，厚度可根据不同的应用灵活选择。
实施例
采用不锈钢为结构材料，振动薄膜使用聚酰亚胺，压电材料选用PZT-4，各部分尺寸按照具体实施方式中的比例规定取值如下：喷嘴宽度取1mm，收敛角α为120度，喷嘴下游壁面的倾斜角β为60度，过渡圆弧段半径R1取1mm(圆心角为60度)；泵腔宽度D取10mm，泵腔高度取1.5mm；肋条倾角60度，其斜向长度L2取2mm，过渡圆弧段半径R2取1mm(圆心角为60度)，肋条与喷嘴的流向间距L1取0.5mm；压电薄膜直径6mm，厚50μm；聚酰亚胺覆盖膜(包含振动膜)长16mm宽12mm，厚100μm；微泵长16mm，宽12mm，厚3mm。
肋条式微型无阀泵的制作方法
(1)线切割加工：使用普通线切割机，用预先打好通孔的工件制得如图5所示的电极。
(2)微细电火花加工：使用普通电火花加工设备，利用上述步骤(1)所制得的电极一次成型，加工出喷嘴、逆向导气肋条和泵腔。
(3)微操作工艺：通过微定位平台系统、微操作机械手将压电振膜与泵腔开口表面对准后采用强力胶粘贴在一起，以获得最终的微型无阀泵。肋条式微型无阀泵的效果
微型无阀泵效率(其定义为：一个工作周期内的净气流量与泵腔总排气量之比)一般可按下式估算：
ξ反、ξ正分别是喷嘴内两种状态下的流动损失系数。
采用普通喷嘴的微型无阀泵，其ξ反/ξ正值约为1.5，效率为5％～10％，而本发明中的肋条式微型无阀泵能将ξ反/ξ正值增大到约5.0，效率可提高至约30％。这样，在体积和重量一定的情况下，将显著增大微型无阀泵输送的气体流量和为气流添加的能量。
Claims (3)
1、肋条式微型无阀泵，其特征是由圆弧过渡收敛型喷嘴、逆向导气肋条、泵腔和压电振膜构成，其中喷嘴位于微泵的左右两端，逆向导气肋条设在两喷嘴的右侧，压电振膜粘贴于泵腔的上表面。
2、根据权利要求1所述的肋条式微型无阀泵，其特征是圆弧过渡收敛型喷嘴，采用平面结构，喷嘴宽度B取0.1～5mm，泵腔宽度D≥6倍的喷嘴宽度B，泵腔高度为0.5～5倍的喷嘴宽度B，收敛角α取90～150度，喷嘴下游壁面为倾斜壁，倾斜角β≥收敛角α/2，过渡圆弧段半径R1取1～2倍的喷嘴宽度B，圆心角取值与喷嘴倾斜角β相同。
3、根据权利要求1所述的肋条式微型无阀泵，其特征是逆向导气肋条，倾角与喷嘴倾斜角β相同，其斜向长度L2取1～2倍的喷嘴宽度B，过渡圆弧段半径R2为1～2倍的喷嘴宽度B，圆心角取值与喷嘴倾斜角β相同，肋条与喷嘴的流向间距为0.3～0.6倍的喷嘴宽度B，两肋条之间的孔口宽度约为喷嘴宽度B。
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