CN101285458B - 一种液体输送混合用无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

一种液体输送混合用无阀压电泵属于液体机械领域。无阀压电泵没有阀门，泵中的液体会反复在流道中流动，降低了输送效率；且目前泵和混合搅拌器是两种相互独立的设备。本发明特征在于：泵中至少有一个压电振子(1)，压电振子(1)的一端被固定在泵腔(6)中；泵中有至少两根输送管，该两根输送管的出口靠近压电振子(1)的另一不固定端；所述压电振子(1)是由一矩形金属片(11)扭转为相互垂直的两部分作为压电振子基底(12)，并在这相互垂直的两部分别粘贴两组压电陶瓷片；两组引线分别连接两组压电陶瓷后接在两台可变频变压的电源上。本发明使不同的液体能够在输送中定量混合；同时，克服目前无阀压电泵在工作时，其流道中的液体反复流动，造成效率低的缺陷。

Description

一种液体输送混合用无阀压电泵

技术领域

本发明涉及一种无阀压电液体混合泵，属于液体机械领域。

背景技术

压电泵大多属于容积式泵。压电振子作为泵腔壁的一部分，在被施加了交变电压后会产生周期性的翘曲变形，使泵的容积发生周期变化，带动液体的流动。压电泵根据有无阀门又可分为：有阀压电泵和无阀压电泵。有阀压电泵由于安装了单向阀，可驱使液体向单一方向流动，因此效率较无阀压电泵高，但由于必须安装单向阀，至少要安装一只，所以结构较无阀压电泵复杂；无阀压电泵没有阀门，结构简单，更合适于小型化和微型化，故在医疗、卫生、保健等领域有广阔的应用前景。但由于没有阀门，泵中的液体会反复在流道中流动，降低了输送效率。

同时，在医疗、科研等领域，常需要微小型液体混合搅拌器，将多种药品或化学试剂按比例混合。目前，泵和混合搅拌器是两种相互独立的设备。

发明内容

本发明的目的在于：将泵的输送与混合器一体化，使不同的液体能够在输送中定量混合；同时，克服目前无阀压电泵在工作时，其流道中的液体反复流动，造成效率低的缺陷。

图7是验证该泵原理的装配图。压电振子1的一端(以下称为前端)被固定在泵腔6中；泵中有至少两根输送管深入泵腔，靠近压电振子1的另一不固定端(以下称为尾端)；泵中可以有1个压电振子1，也可以根据需要，布置多个；

图1所示压电振子1是由一矩形金属片11扭转为相互垂直的两部分作为压电振子基底12(图2)，并在这相互垂直的两部分的一部分的两面上分别粘贴第一组压电陶瓷片9、在垂直的两部分的另一部分的两面上分别粘贴第二组压电陶瓷片10；输送管I 7和输送管II 8深入泵腔，两根输送管的出口靠近压电振子1的尾端，分别流入待混合与输送的不同液体，如果要混合两种以上的液体，也可根据需要，多接入输送管；为压电振子1供电的第一组引线2、第二组引线3分别连接上述两组压电陶瓷片通过密封垫引出泵腔外，分别接在两台可变频变压的电源上。泵腔盖通过密封垫及螺钉与泵腔紧密联接。

本发明提出的混合用无阀压电泵的工作原理叙述如下：

在压电振子1中，两片第一组压电陶瓷9在粘贴时，使压电极性同向，使之在施加电压后，翘曲的方向一致，压电振子的挠度L_y将随电压的增高而增大，如图3所示；第二组压电陶瓷片10也按同样方式粘贴，施加电压后，在与第一组压电陶瓷片相垂直的平面内产生翘曲，其挠度L_x将随电压的增高而增大，如图4所示。此时若仅对第二组压电陶瓷片10施加对称的交流电压，则压电振子会产生对称的鱼尾状摆动，在粘度与离心力的作用下，液体向尾端方向流动，从而实现了泵的原理。这种无阀压电泵既有传统无阀压电泵结构简单的特点，又克服了其由于液体反复流动，造成低效的缺点。在此基础上，若对第一组压电陶瓷片9施加与第二组压电陶瓷片10相同的对称交流电压，在忽略非线性变形的条件下，且L_y≠L_x时，压电振子的尾端运动轨迹为椭圆形如图5a所示，整个压电振子在空间作近似椭圆锥的运动，从而压电振子在驱动液体单向流动的同时，也对液体进行了混合与搅拌。忽略非线性变形的影响，压电振子尾端运动轨迹在XY平面内的投影可以表达为

$\left\{\begin{array}{c}y=L_y\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+a{V}_1\\ x=L_x\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)+a{V}_2\end{array}\right.---1$

1式中：V₁、V₂分别为加在第一、二组压电陶瓷片上的直流偏置电压，a为系数，表示单位电压在尾端产生的位移；ω₁、ω₂分别表示施加在第一组和第二组压电陶瓷片上的电压频率。

当V₁＝V₂＝0，ω₁＝0，ω₂≠0时，压电振子只作鱼尾状摆动，主要体现为泵的功能，ω₂越大，泵的流量越大。由于ω₁＝0，泵的混合能力较弱。

当V₁＝V₂＝0，ω₁＝ω₂，L_y≠L_x时，尾端轨迹为椭圆图5a；若L_y＝L_x，尾端轨迹为圆，压电泵既有液体输送的功能，又有混合搅拌功能。

当V₁＝V₂＝0，ω₁≠ω₂时，压电振子的尾端可作非常复杂的轨迹运动，图5a～e所示为其中几种频率比下的尾端运动轨迹。此时该泵既有液体输送的功能，又有非常有效的混合搅拌功能。

在以上V₁＝V₂＝0的情况下，尾端的的轨迹图形中心均为原点。

当直流偏置电压V₁和V₂不全为0时，驱动电压的波形如图6所示，此时尾端运动的轨迹图形的中心不再是图形的原点。

当V₁＞0，V₂＞0时，轨迹图形的中心在第一象限，如图5f所示；

当V₁＞0，V₂＜0时，轨迹图形的中心在第二象限；

当V₁＜0，V₂＜0时，轨迹图形的中心在第三象限；

当V₁＜0，V₂＞0时，轨迹图形的中心在第四象限；

当V₁，V₂之一为0时，轨迹图形的中心在座标轴上。

由于尾端运动的区域为低压区，若低压区靠近输送管I 7，则输送管I 7内的流体将更多地注入泵腔；若低压区靠近输送管II 8，则输送管II 8内的流体将更多地注入泵腔。适当地调节低压区位置，就可实现预定量的液体进入泵腔，从而实现不同液体的定量混合与输送，不同的偏置电压和驱动频率可混合使用，以达到精确控制流量及不同液体混合比的目的。

本发明根据鱼尾运动原理，将液体的混合与输送在泵中同时完成，非常简洁高效地实现了多种液体流量的控制与定量混合并输送的目的，使得该泵拥有广阔的实际应用前景。

附图说明

图1压电振子1图。

图2压电振子基底的制作示意图。

图3压电振子第一组压电陶瓷片9加电变形示意图。

图4压电振子第二组压电陶瓷片10加电变形示意图。

图5a～f压电振子上两组压电陶瓷片被施加不同频率与直流偏置电压时，压电振子尾端运动轨迹图。

图6施加直流偏置电压后，压电振子上的电压波形图。

图7实验用压电泵装配图。

图中：1、压电振子，2、第一组引线，3、第二组引线，4、端盖，5、密封垫圈，6、泵体，7、输送管I，8、输送管II  9、第一组压电陶瓷片，10、第二组压电陶瓷片，11、矩形金属片，12、基底。

具体实施方式

本发明实施方式如图1-图7所示，压电振子1前端通过橡胶密封垫被固定在泵腔6中，压电振子基底12为宽10mm，长100mm，厚0.1mm的黄铜片扭转90度而成，其上粘贴第一组压电陶瓷片9和第二组压电陶瓷片10，它们的第一组引线2、第二组引线3通过固定在泵腔6上的密封垫从泵腔6引出，第一组引线2、第二组引线3分别联接到两台可控变频变压的电源上，以实现对两组压电陶瓷用不同的电压与频率分别驱动，实现所需要的运动；两根液体输送管I 7和输送管II 8由外面通入泵腔6内，密封圈、端盖和螺钉完成对输送管I 7和输送管II 8的密封工作，泵盖为有机玻璃制成，以方便观测，泵盖通过密封垫和螺钉与泵腔6密封联接，实验泵的驱动电压为220V，频率30-100Hz，直流偏置电压为-20-+20V。

实验时，使用了蓝墨水和自来水作1.5∶1混合与输送实验，在以上频率与直流偏置电压范围内调节，流量达600ml/min，混合状况良好，流入泵腔内的流体没有回流现象。

Claims (1)

1.一种液体输送混合用无阀压电泵，泵中有至少一个压电振子(1)；压电振子(1)一端被固定在泵腔(6)中；其特征在于：泵中有至少两根输送管，该两根输送管出口靠近压电振子(1)的另一不固定端；

所述压电振子(1)是由一矩形金属片(11)扭转为相互垂直的两部分作为压电振子基底(12)，并在这相互垂直的两部分的一部分的两面上分别粘贴第一组压电陶瓷片(9)、在垂直的两部分的另一部分的两面上分别粘贴第二组压电陶瓷片(10)；为压电振子(1)供电的第一组引线(2)、第二组引线(3)分别连接上述两组压电陶瓷片，引出泵腔外后分别接在两台可变频变压的电源上。

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