CN102230465B - 一种阿基米德螺线流管无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阿基米德螺线流管无阀压电泵，包括由下盖和上盖组成的泵体、设置在下盖与上盖之间的泵腔，以及容纳在泵腔内的压电振子，还包括设置在下盖与上盖之间的第一阿基米德螺线流管和第一连通槽，所述的阿基米德螺线流管一端与设置在泵体上的流体进口连接，另一端与泵腔连接，第一连通槽的一端与泵腔连接，另一端与流体出口连接。本发明的无阀压电泵结构简单，安装简便，可批量生产，流阻小，利于流量供给控制，尤其适用在对磁场敏感的环境下的流体运输。

Description

一种阿基米德螺线流管无阀压电泵

技术领域

本发明涉及一种无阀压电泵，尤其涉及一种采用阿基米德螺线流管的无阀压电泵。

背景技术

压电泵的分类大致可以分为：容积式泵与回转式泵。目前，压电泵大多属于容积式泵，根据泵阀的有无可将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵，如图1所示为有阀压电泵，其工作时，压电振子的往复振动引起泵腔容积的周期性变化，而容积的变化又引起泵腔内压力的变化，控制着泵阀的开启和关闭，由于有阀压电泵压电振子的振幅很小，限制了泵的流量和所能承受的背压。而无阀压电泵因为省去了复杂的动作阀体，使得压电泵结构更加简单，加工制作容易，并且易于使压电泵向小型化方向发展，其自身又无化学及电磁污染，故在医疗、卫生、保健等领域有广阔的应用前景。

螺线流管在散热、溶液混合等领域均有很大的用处，而且近年来有研究者将螺线流管技术应用在微滤、纳滤、渗透以及膜蒸馏等中空纤维传质分离过程，都取得了良好的效果(朱建国、仇性启著，《螺线管技术研究》，《工业加热》，2004年33卷1期，第13页-17页)。但是这些应用都是在外界给予液体流动动力的前提下进行的，这样对螺线流管技术的应用受到限制，如果附加动力源是电磁动力，那在一些电磁敏感的地方就不能够使用，而且在需要精确控制流体流量的环境下时，也不能够满足要求。

公开号为CN101975154A的中国发明专利申请公开了一种对数螺线组合管无阀压电泵，其中的流体进、出口流管由汇流锥管和两个分别与汇流锥管大端相连通的两个分流对数螺线管组成，两个分流对数螺线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。其所述的两个分流对数螺线管的轮廓线为在对数螺线线上截取的一段。这种无阀压电泵实际上仍为锥形流管压电泵，其汇流锥管和分流对数螺线管的加工难度比较高，不利于其产业化。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高螺线流管技术在散热、混合等方面的应用效能，能够使螺线流管技术微型化，并对流体流量进行精确控制的阿基米德螺线流管无阀压电泵

技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的阿基米德螺线流管无阀压电泵，包括由下盖和上盖组成的泵体、设置在下盖与上盖之间的泵腔，以及容纳在泵腔内的压电振子，还包括设置在下盖与上盖之间的第一阿基米德螺线流管和第一连通槽，所述的阿基米德螺线流管一端与设置在泵体上的流体进口连接，另一端与泵腔连接，第一连通槽的一端与泵腔连接，另一端与流体出口连接，即流体进口、第一阿基米德螺线流管、泵腔、第一连通槽和流体出口形成流体的流通通道。

所述的第一阿基米德螺线流管可以直接与泵腔连接，也可通过起到过渡作用的第二连通槽与泵腔连接，第二连通槽起到减小流阻的效果。

第一连通槽与流体出口之间还可设置一个第二阿基米德螺线流管；一般地，所述的第一阿基米德螺线流管为以流体进口为中心和起点逆时针方向设置的螺线流管，终点为与泵腔相连的连接点或者与第二连通槽相连的连接点；所述的第二阿基米德螺线流管为以流体出口为中心和起点顺时针方向设置的螺线流管，其终点为与第一连通槽相连的连接点。

所述的阿基米德螺线流管为刻蚀在下盖上的整体处于同一平面上的螺线状槽道，本发明的阿基米德螺线流管的轮廓线为阿基米德螺线，亦称阿基米德曲线或等速螺线，最先由阿基米德在著作《论螺线》中给出了定义。如图2所示，当一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为“阿基米德螺线”。其极坐标方程为：r＝aθ，这种螺线的每条臂的距离永远相等于2πa，其中，公式中r为半径，a为常数，θ为极角。

所述的流体进口和流体出口以泵腔中心线为对称轴相对称，尤其当本技术方案的无阀压电泵中有两个阿基米德螺线流管时，这两个阿基米德螺线流管也以泵腔中心线为对称轴相对称。

所述的泵腔设置在下盖上并且开口朝向上盖，也可以由设置在下盖上的第一凹槽和设置在上盖上的第二凹槽封闭组成，所述的压电振子容纳在第二凹槽内，考虑到压电振子一般由圆形的压电片和有弹性的铜片叠制而成并且压电振子的直径小于铜片的直径，并且本发明的无阀压电泵在工作时压电振子需要进行往复运动，第二凹槽边缘呈阶梯状以与压电振子的形状相对应。

为便于安装压电振子，根据压电振子的结构，所述的泵腔的横截面呈圆形。

为了便于流体在泵体内和泵体外方便地流动，流体进口通过第一流体流管与外界连接，流体出口通过第二流体流管与外界连接。

本技术方案的阿基米德螺线流管无阀压电泵工作时，把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子通交流电时，压电陶瓷片会产生沿其径向的伸缩变形，由于压电陶瓷片和金属片粘结成一体，并且压电陶瓷片和金属片的径向伸缩不同，所以当压电陶瓷片产生沿径向的伸缩变形时，金属片也会产生伸缩变形，且伸缩方向与压电陶瓷片相反，则压电振子必然会产生沿轴向(压电陶瓷片的法向方向)的往复变形振动，把压电振子作为压电泵的动力源，随着压电振子的轴向往复变形振动，从而导致压电泵泵腔的体积周期性变化。压电振子在逆压电效应下产生轴向振动，引起泵腔容积变化；一般可将压电泵的一个工作周期分为两个阶段：从下死点(压电振子在泵腔内远离平衡位置的最大位移)经平衡位置到达上死点(压电振子在泵腔外远离平衡位置的最大位移)为泵的吸程阶段；从上死点经平衡位置到达下死点为泵的排程阶段。当压电振子从下死点向上死点运动，即泵腔容积从最小向最大变换过程中，在压电泵的一边，流体从第一连通槽直接进入泵腔，而另一边流体经过阿基米德螺线流管进入泵腔或者通过第二连通槽进入泵腔，这个过程中，流体在阿基米德螺线流管中的流动方向，是该螺线流管的曲率逐渐减小的方向；当压电振子从上死点向下死点运动，即泵腔容积从最大向最小变换过程中，流体从泵腔向外排出，流体通过阿基米德螺线流管时，是螺线流管的曲率逐渐增大的方向。由于曲率的变化不同，受到地球科氏力和自旋科氏力的影响不同，曲率逐渐增大，，流体受到的阻力是逐渐增大的，曲率逐渐减小，阻力是逐渐减小的，那么流体在通过阿基米德螺线流管的往返方向上流动受到的阻力不同，那么流体从一边的阿基米德螺线流管向泵腔流入的流量，和从泵腔向另一边流出的流量就会不同，使得整个周期内会有一个净流量从泵的一边流向泵的另一边，当压电振子连续振动时，流体在宏观上就会呈现出单向流动，实现泵的功能。

同理，当本技术方案的阿基米德螺线流管无阀压电泵中有两个阿基米德螺线流管，即第一、第二阿基米德螺线流管时，同样地，把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子通交流电时，压电陶瓷片会产生沿其径向的伸缩变形，由于压电陶瓷片和金属片粘结成一体，并且压电陶瓷片和金属片的径向伸缩不同，所以当压电陶瓷片产生沿径向的伸缩变形时，金属片也会产生伸缩变形，且伸缩方向与压电陶瓷片相反，则压电振子必然会产生沿轴向(压电陶瓷片的法向方向)的往复变形振动，把压电振子作为压电泵的动力源，随着压电振子的轴向往复变形振动，从而导致压电泵泵腔的体积周期性变化。由于流体的运动受地球自转的影响，以及流体自身沿阿基米德螺线流管运动时也会产生科氏力，对沿逆时针和顺时针方向旋转的流体产生不同作用，使从流体进口流入和从流体出口流出的流体所受的阻力不相同，而流入或流出流体的体积大小又与流管的流阻大小成反比，所以当泵腔体积增大时，流体从第一阿基米德螺线流管和第二阿基米德螺线流管流入泵腔，此时压电泵处于吸程阶段，但从两流管流入泵腔的流体体积不相同；当泵腔体积减小时，流体从第一阿基米德螺线流管和第二阿基米德螺线流管流出泵腔，此时压电泵处于排出阶段，但从两流管流出泵腔的流体体积不相同；分析从两流管在压电泵处于吸入和排出阶段时，流入和流出的流体体积的多少可以概括为：在压电泵处于吸入阶段，流入流体体积多的流管，则在压电泵处于排出阶段时流出流体的体积少；在压电泵处于吸入阶段流入流体体积少的流管，则在压电泵处于排出阶段时流出流体的体积多；从宏观上看，压电泵总是使流体从一个流管流入，从另一个流管流出，从而实现了流体的单向流动，实现了泵的功能。

有益效果：本发明的无阀压电泵结构简单，安装简便，可批量生产；流阻小，从而使整个泵体的关键部位螺线流管的作用发挥极致，提高了压差并且增大了流量；同时，其中的阿基米德螺线流管起到进行流体散热的作用，使得本发明的阿基米德螺线流管无阀压电泵尤其适用在对磁场敏感的环境下；本发明的无阀压电泵还有搅拌的作用，用于不同液体的拌合；由于阿基米德螺线流管具有稳定流体的作用，使得泵体出口时流体的流动比较稳定，利于使用过程中进行流量供给的控制。

附图说明

图1是有阀压电泵的结构示意图；

图2是阿基米德螺线示意图；

图3是本发明一个实施例的装配结构示意图。

图4是本发明一个实施例的剖视图；

图5是本发明一个实施例的下盖结构示意图；

图6是本发明一个实施例的上盖结构示意图；

图7是本发明一个实施例的上盖的剖视图；

图8是本发明另一个实施例的下盖结构示意图。

具体实施方式

实施例一：如图3、图4、图5所示，本实施例的阿基米德螺线流管无阀压电泵，包括由下盖1和上盖2组成的泵体3、设置在下盖1与上盖2之间的泵腔4，以及容纳在泵腔4内的压电振子5，还包括设置在下盖1与上盖2之间的第一阿基米德螺线流管6和第一连通槽7，所述的阿基米德螺线流管6一端与设置在泵体3上的流体进口8连接，另一端与泵腔4连接，第一连通槽7的一端与泵腔4连接，另一端与流体出口9连接。下盖1和上盖2之间通过螺栓相互固定，并且整体是密封的。本实施例中，所述的第一阿基米德螺线流管6为预先在矩形金属铝板上铣出的槽道，矩形金属铝板即本实施例中的下盖1。

所述的第一阿基米德螺线流管6通过第二连通槽10与泵腔4连接，这样由于第二连通槽10的过渡作用，流体在流管中的流阻大大减小。

如图5所示，本实施例的第一阿基米德螺线流管6为以流体进口8为中心和起点逆时针方向设置的螺线流管，考虑到本实施例压电泵的体积，第一阿基米德螺线流管6的角度为0°到360°。流体进口8和流体出口9分别设置在泵腔4的两侧，为获得较好的效果，二者可以泵腔4的中心线相对称，即所述的第一连通槽7和第二连通槽10以泵腔中心线为对称轴相对称。

如图4、图6、图7所示，本实施例的泵腔4截面呈圆形，由设置在下盖1上的第一凹槽41和设置在上盖2上的第二凹槽42封闭组成，所述的压电振子5容纳在第二凹槽内42内，压电振子5一般由圆形的压电片和有弹性的铜片叠制而成并且压电振子的直径小于铜片的直径；第二凹槽42边缘呈阶梯状。

如图3所示，为使流体能顺畅地在泵体内和泵体外流动，流体进口8通过第一流体流管12与外界连接，流体出口9通过第二流体流管13与外界连接。

本实施例的阿基米德螺线流管无阀压电泵工作过程如下：把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子5通交流电时，压电陶瓷片会产生沿其径向的伸缩变形，由于压电陶瓷片和金属片粘结成一体，并且压电陶瓷片和金属片的径向伸缩不同，所以当压电陶瓷片产生沿径向的伸缩变形时，金属片也会产生伸缩变形，且伸缩方向与压电陶瓷片相反，则压电振子5必然会产生沿轴向(压电陶瓷片的法向方向)的往复变形振动，把压电振子作为压电泵的动力源，随着压电振子的轴向往复变形振动，从而导致压电泵泵腔的体积周期性变化。压电振子5在逆压电效应下产生轴向振动，引起泵腔容积变化；把泵的一个工作周期分为两个阶段：从下死点(压电振子5在泵腔4内远离平衡位置的最大位移)经平衡位置到达上死点(压电振子5在泵腔4外远离平衡位置的最大位移)为泵的吸程阶段；从上死点经平衡位置到达下死点为泵的排程阶段。当泵处于吸程时，泵腔4容积变大，压强变小，在负压作用下第一连通槽7和第二连通槽10中的流体向泵腔4中流动，从流体进口8流进的流体经过阿基米德螺线流管6时，由于受到地球科氏力和自旋科氏力的影响，阿基米德螺线流管的轮廓线的线曲率变化方向是逐渐减小的，相对与阿基米德螺线线曲率逐渐增大的过程，对流体的流动阻碍小，那么进入泵腔4的流量相对大些，当泵进入排程时，泵腔4容积变小，在压力下泵腔4中的流体向两侧连通槽流出，当从泵腔4向阿基米德螺线流管6流动的流体经过阿基米德螺线流管时，由于受到地球科氏力和自旋科氏力作用的影响是阿基米德螺线的曲率逐渐增大的过程，相对阿基米德螺线曲率逐渐减小，此刻阿基米德螺线流管6对流体的阻碍程度大，那么从泵腔4向阿基米德螺线流管6流出的流量就会相对较小，往返的过程中就会产生一个流量差，由于泵腔4吸程和排程体积变化基本相等，那么就会使得由泵腔4向第一连通槽7流出的流量大于由第二连通槽10向泵腔4流入的流量，整个周期会产生一个单向运动的净流量，当压电振子5连续振动，流体在宏观上就表现出单向流动，从而形成泵的功能。

实施例二：本实施例的主要结构与实施例一基本相同，不同的是本实施例中含有两个阿基米德螺线流管，即第一阿基米德螺线流管6和第二阿基米德螺线流管11。如图8所示，本实施例中，第一阿基米德螺线流管6为以流体进口8为中心和起点逆时针方向设置的螺线流管，第二阿基米德螺线流管11为以流体出口9为中心和起点顺时针方向设置的螺线流管。流体进口8和流体出口9以泵腔4的中心线中对称轴相对称，相应地，第一阿基米德螺线流管6和第二阿基米德螺线流管11也以泵腔4的中心线中对称轴相对称。

本实施例的阿基米德螺线流管无阀压电泵工作时，把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子5通交流电时，压电陶瓷片会产生沿其径向的伸缩变形，由于压电陶瓷片和金属片粘结成一体，并且压电陶瓷片和金属片的径向伸缩不同，所以当压电陶瓷片产生沿径向的伸缩变形时，金属片也会产生伸缩变形，且伸缩方向与压电陶瓷片相反，则压电振子5必然会产生沿轴向(压电陶瓷片的法向方向)的往复变形振动，把压电振子5作为压电泵的动力源，随着压电振子的轴向往复变形振动，从而导致泵腔4的体积周期性变化。由于流体的运动受地球自转的影响，以及流体自身沿阿基米德螺线流管运动时也会产生科氏力，对沿逆时针和顺时针方向旋转的流体产生不同作用，使从流体进口流入和从流体出口流出的流体所受的阻力不相同，而流入或流出流体的体积大小又与流管的流阻大小成反比，所以当泵腔4体积增大时，流体从第一阿基米德螺线流管6和第二阿基米德螺线流管11流入泵腔4，此时压电泵处于吸程阶段，但从两流管流入泵腔的流体体积不相同；当泵腔4体积减小时，流体从第一阿基米德螺线流管6和第二阿基米德螺线流管11流出泵腔4，此时压电泵处于排出阶段，但从两流管流出泵腔的流体体积不相同；分析从两流管在压电泵处于吸入和排出阶段时，流入和流出的流体体积的多少可以概括为：在压电泵处于吸入阶段，流入流体体积多的，则在压电泵处于排出阶段时流出流体的体积少；在压电泵处于吸入阶段是流入流体体积少的，则在压电泵处于排出阶段时流出流体的体积多；从宏观上看，压电泵总是使流体从一个流管流入，从另一个流管流出，从而实现了流体的单向流动，实现了泵的功能。

Claims (10)

1.一种阿基米德螺线流管无阀压电泵，包括由下盖（1）和上盖（2）组成的泵体（3）、设置在下盖（1）与上盖（2）之间的泵腔（4），以及容纳在泵腔（4）内的压电振子（5），其特征在于，还包括设置在下盖（1）与上盖（2）之间的第一阿基米德螺线流管（6）和第一连通槽（7），所述的第一阿基米德螺线流管（6）一端与设置在泵体（3）上的流体进口（8）连接，另一端与泵腔（4）连接，第一连通槽（7）的一端与泵腔（4）连接，另一端与流体出口（9）连接。

2.如权利要求1所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一阿基米德螺线流管（6）通过第二连通槽（10）与泵腔（4）连接。

3.如权利要求1或2所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，第一连通槽（7）通过第二阿基米德螺线流管（11）与流体出口（9）连接。

4.如权利要求1所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一阿基米德螺线流管（6）为以流体进口（8）为中心和起点逆时针方向设置的阿基米德螺线流管。

5.如权利要求3所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第二阿基米德螺线流管（11）为以流体出口（9）为中心和起点顺时针方向设置的阿基米德螺线流管。

6.如权利要求1或2或4或5所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的流体进口（8）和流体出口（9）以泵腔（4）的中心线为对称轴相对称。

7.如权利要求1所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（4）设置在下盖（1）上并且开口朝向上盖（2）。

8.如权利要求1所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（4）由设置在下盖（1）上的第一凹槽（41）和设置在上盖（2）上的第二凹槽（42）封闭组成，所述的压电振子（5）容纳在第二凹槽（42）内。

9.如权利要求8所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（4）截面呈圆形。

10.如权利要求1所述的阿基米德螺线流管无阀压电泵，其特征在于，流体进口（8）通过第一流体流管（12）与外界连接，流体出口（9）通过第二流体流管（13）与外界连接。

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