CN101975154B - 对数螺旋组合管无阀压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微流体传输与控制领域的对数螺旋组合管无阀压电泵，包括泵体、泵盖和压电振子，泵体上设置进口流管、出口流管和泵腔，进口流管和出口流管的结构相同且同轴设置，并与泵腔的圆心等距；进口流管和出口流管均由汇流锥管和分别与汇流锥管大端连通的两个分流对数螺旋管组成，两个分流对数螺旋管中心线之间的夹角为120°且相对于汇流锥管的中心线对称布置；两个分流对数螺旋管的轮廓线是由对数螺旋线方程ρ＝ρ0×ekθ确定的包角为45°的相邻两段对数螺旋线；本发明尺度小，流阻系数比高；泵内流动涡流极小，对所输运介质无损伤；单向流阻较其它结构的无阀压电泵大为降低，故能耗小，节能效果显著；结构简单，流量较容易控制。
Description
技术领域
本发明涉及微流体传输与控制以及微机械技术领域，尤其涉及一种无阀压电泵。
背景技术
压电泵是机械式微泵的一种，属于容积泵，广泛应用在药物微量输运、细胞分离、电子产品(如CPU)降温、燃料微量喷射、化学微分析、管道流动中转捩控制等领域。目前压电泵主要分为有阀压电泵和无阀压电泵两类。有阀压电泵结构比较复杂，难于加工，而且不适合在高频的工作频率下工作，容易产生断流现象，工作时产生的噪音较大。无阀压电泵结构简单，更适合于小型化和微型化，可以满足在高频频率下的工作要求，克服了有阀压电泵断流有噪音的缺点，防疲劳性能良好。常用的无阀压电泵中，扩散/收缩管型无阀压电泵将传统泵的驱动源部分、传动部分及泵体三者合为一体，克服了由于运动导致的压力损失、磨损、疲劳破坏以及对某些敏感流体的性质所造成的不良影响。常用的扩散/收缩管型无阀压电泵具有“Y”形管无阀压电泵和“V”型管无阀压电泵，“Y”形管无阀压电泵的进出口流管由一个合流管和两个分流管组合成“Y”字形，其合流管和分流管均为等截面矩形管，其缺陷是：等截面矩形的合流管与分流管的尺度较大，不利于微型集成化。“V”型管无阀压电泵的进出口流管由一个等截面矩形管为合流管和两个扩散(收缩)分流管组合成，其缺陷是：进出口流管与泵腔不在同一个面上，导致加工和制作的困难，而且，等截面矩形的进出口流管使得正反向流阻比偏小，无法提高流量。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有的无阀压电泵流量小的不足而提供一种对数螺旋组合管无阀压电泵，体积小，流量大，体积流量系数高。
本发明采用的技术方案是：包括泵体、泵盖和压电振子，泵体和泵盖静电键合，压电振子固定于泵体下部正中，泵盖上具有泵进口和泵出口，泵体上设置进口流管、出口流管和泵腔，进口流管和出口流管分别连通泵腔，泵进口和泵出口分别连通进口流管和出口流管，进口流管和出口流管的结构相同且同轴设置，并与泵腔的圆心等距；进口流管和出口流管均由汇流锥管和分别与汇流锥管大端连通的两个分流对数螺旋管组成，两个分流对数螺旋管中心线之间的夹角为120°且相对于汇流锥管的中心线对称布置；两个分流对数螺旋管的轮廓线是由对数螺旋线方程ρ＝ρ0×ekθ确定的包角为45°的相邻两段对数螺旋线，e为自然对数函数的底数，ρ0为10μm，k为0.001，θ为3890.26°～(3890.26+α)°。
本发明的有益效果是：①尺度小，流阻系数比高，获得高容积效率的同时，有较高的体积流量系数(单位整泵体积可获得的流量)；②泵内流动涡流极小，对所输运介质无损伤；③单向流阻较其它结构的无阀压电泵大为降低，故能耗小，节能效果显著；④结构简单，防电磁干扰，流量较容易控制，可在较高频率下工作，可应用于细胞或高分子以及药物微量输运、化学及生化的定量、电磁场的干扰及电子产品降温等领域。
附图说明
图1是本发明结构剖视图；
图2是图1中A-A剖面图；
图3是图2中I局部放大图；
图4是图2中进口流管4(出口流管7)的几何结构放大图；
图5是本发明吸入过程工作原理图；
图6是本发明排出过程工作原理图；
图中：1.泵进口；2.泵盖；3.泵出口；4.进口流管；5.压电振子；6.泵腔；7.出口流管；8.泵体；9.汇流锥管；10、11.分流对数螺旋管。
具体实施方式
如图1-3，本发明包括泵体8、泵盖2和压电振子5，泵体8和泵盖2静电键合在一起。压电振子5通过黏结剂固定于泵体8下部正中位置，在泵盖2上加工出泵进口1和泵出口3，泵进口1和泵出口3分别外接进口管与出口管。应用MEMS加工技术在泵体8上加工出两个相同结构的进口流管4、出口流管7和一个泵腔6，其中，泵腔6位于进口流管4和出口流管7之间，进口流管4和出口流管7分别连通泵腔6，三者互相相通。这两个相同结构的进口流管4和出口流管7同轴设置，并且彼此与泵腔6的圆心距离相等。泵盖2上的泵进口1和泵出口3分别连通进口流管4和出口流管7。
进口流管4和出口流管7均是由汇流锥管9和两个分流对数螺旋管10、11组成的对数螺旋组合管，两个分流对数螺旋管10、11分别与汇流锥管9连通，两个分流对数螺旋管10、11相对于汇流锥管9的中心线对称布置。汇流锥管9是截面为矩形的锥管，两个分流对数螺旋管10、11在汇流锥管9的大端面处结合连通。
如图4，进口流管4和出口流管7的几何结构为：截面为矩形的汇流锥管9的管长L1为3000μm，位于汇流锥管9小端的最小截面的宽度b1为150μm，最小截面的长度为150μm，汇流锥管9的锥角θ1为7°，汇流锥管9小端的管口圆角半径r为75μm。在汇流锥管9大端面处延接分流对数螺旋管10、11，分流对数螺旋管10、11的结构由对数螺旋线方程ρ＝ρ0×ekθ确定，方程式中的e为数学常数，是自然对数函数的底数，大约等于2.71828，ρ0为10μm，k为0.001，选择截取θ为3890.26°～(3890.26+α)°的相邻两段对数螺旋线作为分流对数螺旋管10、11的轮廓线，对数螺旋线所对应的包角为45°。分流对数螺旋管10、11与汇流锥管9接合时对称布置，并且两者中心线之间的夹角β为120°。
本发明工作时，吸入过程如图5，压电振子5通电后，当压电振子5向下振动时，泵腔6体积增大，泵腔6内的压强降低且小于外界压强，因此流体从泵腔6外流向泵腔6内，由于进口流管4和出口流管7是由汇流锥管9和两个分流对数螺旋管10、11连通组成的对数螺旋组合管，在正反方向上形成的压力损失不相等，泵进口1的流进量Qd大于泵出口3的流进量Qn，即Qd＞Qn，压电泵总的流进量为Q＝Qd+Qn。
排出过程如图6所示，当压电振子5向上振动时，泵腔6体积减小，泵腔6内压强增大且大于外界压强，从而流体排出泵腔6，此时与吸入过程相反，泵进口1的流出量Q′d小于泵出口3的流出量Q′n，即Q′d＜Q′n，此时压电泵总的流出量为Q＝Q′d+Q′n。
由于压电泵振幅一定，流入泵腔6和流出泵腔6的流量相等，即Qd+Qn＝Q′d+Q′n，所以压电泵进出口的流出量为Qd-Q′d或Q′n-Qn，此值大于0，即一个往复周期里流体是从泵的进口流向出口，这就实现了整个压电泵对流体的单向输运，具体关系如下表1：
表1
Claims (2)
1.一种对数螺旋组合管无阀压电泵，包括泵体(8)、泵盖(2)和压电振子(5)，泵体(8)和泵盖(2)静电键合，压电振子(5)固定于泵体(8)下部正中，泵盖(2)上具有泵进口(1)和泵出口(3)，泵体(8)上设置进口流管(4)、出口流管(7)和泵腔(6)，进口流管(4)和出口流管(7)分别连通泵腔(6)，泵进口(1)和泵出口(3)分别连通进口流管(4)和出口流管(7)，进口流管(4)和出口流管(7)结构相同且同轴设置，并与泵腔(6)的圆心等距，其特征是：进口流管(4)和出口流管(7)均由汇流锥管(9)和分别与汇流锥管(9)大端连通的两个分流对数螺旋管(10、11)组成，两个分流对数螺旋管(10、11)中心线之间的夹角为120°且相对于汇流锥管(9)的中心线对称布置；两个分流对数螺旋管(10、11)的轮廓线均是由对数螺旋线方程ρ＝ρ0×ekθ确定的包角α＝45°的相邻两段对数螺旋线，e为自然对数函数的底数，ρ0为10μm，k为0.001，θ为3890.26°～(3890.26+α)°。
2.根据权利要求1所述的对数螺旋组合管无阀压电泵，其特征是：汇流锥管(9)截面为矩形，管长为3000μm，位于汇流锥管(9)小端的最小截面的宽度为150μm、长度为150μm；汇流锥管(9)的锥角为7°，汇流锥管(9)小端的管口圆角半径为75μm。
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