CN102261324A - 一种锥形螺旋流管无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锥形螺旋流管无阀压电泵，包括由密封连接的下盖和上盖组成的泵体，下盖和上盖之间设有容纳有压电振子的泵腔，还包括固定在泵体上的第一、第二锥形螺旋流管，所述的第一锥形螺旋流管和第二锥形螺旋流管分别设置在泵腔的两侧；各锥形螺旋流管包括圆台、设置在圆台表面的锥形螺旋槽、包覆圆台表面的锥形罩，锥形罩设有与锥形螺旋槽顶端连通的流体进口；第一锥形螺旋流管和第二锥形螺旋流管底端分别与泵腔相连通。本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵将螺旋流管技术与压电技术有机结合，采用了锥形螺旋流管，与锥形流管无阀压电泵相比具有较好的单向流动性，减少流动流体的能量损失，提高了泵的工作效率；同时，扩大了螺旋流管在传热、混合等领域的应用范围，尤其适用在对磁场敏感的环境下。

Description

一种锥形螺旋流管无阀压电泵

技术领域

本发明涉及一种无阀压电泵，尤其涉及一种采用锥形螺旋流管的无阀压电泵。

背景技术

属于容积式的压电泵如果按阀体分类的话，可分为有阀和无阀压电泵。若将阀定义为：在泵的吸入和排出过程中，至少有一时段，使泵腔与吸入口或排出口之间，产生不连通的机械装置，那么所谓的“无阀”就是：在任意时刻，泵腔与吸入口或排出口之间都是连通的。此时，流体的单向流动时依靠特殊的机械装置。这种装置利用了流体的性质，使得泵腔始终与吸入与排出口连通，而又可驱使流体单向流动。目前，无阀压电泵多采用互为倒置的收缩管和扩张管来作为控制流体单向流动的部件，比较典型的是锥形流管。图1为锥形流管无阀压电泵，这种泵的特点是结构简单，可以实现微型化；但圆锥形流管存在不同截面尺寸的突变，能量损失大，流量较小，反向止流性能差，这些缺点都影响了压电泵在实际领域的应用。

由于螺旋流管具有优越的结构特性、自生离心力场、二次流和高效换热率等特点，使螺旋流管技术在传热、混合等领域均有着广泛应用，而且近年来有研究者将螺旋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。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，这样对螺旋流管技术的应用受到限制，如果附加动力源是电磁电机，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。

发明内容

1.技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种可微型化，具有较好单向流动特性，可对流体流量进行精确控制的锥形螺旋流管无阀压电泵。克服了现有无阀压电泵反向止流性能差等缺点，同时，扩大螺旋流管技术在传热、混合等领域的应用范围。

2.技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵包括由密封连接的下盖和上盖组成的泵体，下盖和上盖之间设有容纳有压电振子的泵腔，还包括固定在泵体上的第一、第二锥形螺旋流管，所述的锥形螺旋流管为立体弯曲流管，由于该流管的中心轴线属于圆锥螺旋线，因此将该流管称为“锥形螺旋流管”。一动点沿圆锥面上的一条直母线作等速移动，而该直母线又绕圆锥面的轴线作等角速的旋转运动，则动点在此圆锥面上的运动轨迹称为圆锥螺旋线，如图2所示。圆锥螺旋线的参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{\ρ}\sin {\mathrm{\α}}_0\cos \mathrm{\θ}\\ y=\mathrm{\ρ}\sin {\mathrm{\α}}_0\sin \mathrm{\θ}\\ z=\mathrm{\ρ}\cos {\mathrm{\α}}_0\\ \mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0\exp \left(\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.$

其中，α₀为圆锥顶角的一半，β为螺旋角，ρ₀，α₀，β都是常数，θ为螺旋运动角参变量，ρ为螺距。

所述的第一锥形螺旋流管包括第一圆台、刻在第一圆台表面的第一锥形螺旋槽、包覆第一锥体表面的第一锥形罩，第一锥形罩设有与第一锥形螺旋槽顶端连通的流体进口；所述的第二锥形螺旋流管包括第二圆台、设置在第二圆台表面的第二锥形螺旋槽、包覆第二锥体表面的第二锥形罩，第二锥形罩设有与第二锥形螺旋槽顶端连通的流体出口；第一锥形螺旋槽底端和第二锥形螺旋槽底端分别与泵腔相连通。所述的流体进口、第一锥形螺旋槽、泵腔、第二锥形螺旋槽、流体出口形成流体的通道。所述的锥形螺旋流管中的锥形螺旋槽为蚀刻在一般为金属材质的圆台侧面的槽道，整体呈螺旋状，锥形罩包覆在除圆台上下底面的圆台侧表面，从而使槽道开口封闭形成流管。

为使得所述的第一锥形螺旋槽、第二锥形螺旋槽相连通，在第一锥形管与泵腔之间设置有第一直流槽，同样地，在第二锥形螺旋槽与泵腔之间设置有第二直流槽；为了使锥形螺旋槽和直流槽更好地相连通，直流槽与锥形螺旋槽之间在圆台上还设置一过渡槽。

一般地，为与圆形压电振子的形状相配合，所述的泵腔为圆柱形，而压电振子为圆柱泵腔的一个底面。

为实现流体的单向流动，第一、第二锥形螺旋槽的旋向是相反的，例如，第一锥形螺旋槽以第一圆台上底面为起点呈顺时针旋向，而第二锥形螺旋槽以第二圆台上底面为起点呈逆时针旋向。

所述的泵腔包括位于下盖并且开口朝向上盖的第一凹槽，以及位于上盖并且开口朝向第一凹槽的第二凹槽，第一、第二凹槽开口大小相同，与压电振子一起构成腔体，腔体两侧有与第一、第二锥形螺旋槽相连通的开口。为了使压电振子工作时达到最佳的效果并考虑上盖其他结构的设置、加工，将第二凹槽边缘设计成阶梯状，压电振子粘结固定在第二凹槽内。

为便于流槽的加工，第一锥形螺旋槽和第二锥形螺旋槽截面呈矩形，与此相适应，所述的第一、第二直流槽和第一、第二过渡槽截面也呈相同的矩形。

本技术方案的锥形螺旋流管无阀压电泵的工作时，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。由于受到地球自转科氏力和流体自旋科氏力影响，对沿逆时针和顺时针方向旋转的流体产生不同作用，使从锥形螺旋流管流入和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，流体从两锥形螺旋流管流入泵腔，此时压电泵处于吸入阶段，但从两管流入泵腔的流体体积不相同；当泵腔体积减小时，流体从两锥形螺旋流管流出泵腔，此时压电泵处于排出阶段，但从两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时流入流体体积多的，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。

3.有益效果：

本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵将螺旋流管技术与压电技术有机结合，采用了锥形螺旋流管，与锥形流管无阀压电泵相比具有较好的单向流动性，减少流动流体的能量损失，提高了泵的工作效率；同时，扩大了螺旋流管在传热、混合等领域的应用范围，尤其适用在对磁场敏感的环境下；此外，本发明的无阀压电泵中，流管均为矩形截面，其加工近乎平面加工，与圆截面流管相比，尤其是在微尺度下，矩形截面流管的加工比较简单。

附图说明

图1是现有锥形流管无阀压电泵结构示意图；

图2是圆锥螺旋线示意图；

图3是本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵整体结构主视图；

图4是本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵整体结构俯视图；

图5是本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵上盖主视图；

图6是本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵上盖A-A剖视图；

图7是本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵下盖主视图；

图8是本发明的锥形螺旋流管无阀压电泵下盖B-B剖视图；

图9是本发明的锥形螺旋槽(顺时针旋向)示意图；

图10是本发明的锥形螺旋槽(顺时针旋向)C-C剖视图；

图11是本发明的锥形螺旋槽(逆时针旋向)示意图；

图12是本发明的锥形螺旋槽(逆时针旋向)D-D剖视图；

图13是本发明的锥形罩主视图；

图14是本发明的锥形罩E-E剖视图；

图15是本发明的锥形螺旋流管(逆时针旋向)整体结构剖视图；

图16是本发明的单侧型压电振子示意图。

图中标记含义为：1-泵体，2-压电振子，4-下盖，5(A、B)-第一、第二直流管，6(A、B)-定位螺钉，7-上盖，8(A、B)-第一、第二锥形罩，9(A、B)-刻有锥形螺旋槽的第一、第二圆台，10-锥形螺旋槽(A顺时针旋向，B逆时针旋向)，11(A、B)-流体进口及出口，12(A、B)-第一、第二过渡槽，13-螺栓和螺母，14-泵腔，15-螺栓孔，16(A、B)-定位螺孔，17(A、B)-第一、第二定位凹坑，18(A、B)-第一、第二方槽，19(A、B)-螺纹孔，20-压电陶瓷片，21-金属片，22(A、B)-第一、第二锥形螺旋流管，23-第一凹槽，24-第二凹槽(阶梯状通孔)。

具体实施方式

如图2、图3所示，本实施例的锥形螺旋流管无阀压电泵包括由密封连接的下盖4和上盖7组成的泵体1，下盖4和上盖7之间设有容纳有压电振子2的泵腔14，还包括固定在上盖4的第一锥形螺旋流管22A、第二锥形螺旋流管22B，所述的第一锥形螺旋流管22A和第二锥形螺旋流管22B分别设置在泵腔14的两侧；所述的第一锥形螺旋流管22A包括第一圆台9A、设置在第一圆台9A表面的第一锥形螺旋槽10A、包覆第一圆台9A表面的第一锥形罩8A，锥形罩8A设有与第一锥形螺旋槽10A顶端连通的流体进口11A；所述的第二锥形螺旋流管22B包括第二圆台9B、设置在第二圆台9B表面的第二锥形螺旋槽10B、包覆第二锥体9B表面的第二锥形罩8B，第二锥形罩8B设有与第二锥形螺旋槽10B顶端连通的流体出口11B；第一锥形螺旋槽10A底端和第二锥形螺旋槽10B底端分别与泵腔14相连通。所述的流体进口11A、第一锥形螺旋槽10A、泵腔14、第二锥形螺旋槽10B、流体出口11B形成流体的通道。上盖7与下盖4通过周围的螺栓孔15使用四个螺栓13连接在一起。

如图2、图4、图5、图6所示，本实施例中，所述的第一锥形螺旋槽10A底端通过第一直流槽5A与泵腔14一侧的第一方槽18A相连通；所述的第二锥形螺旋槽10B底端通过第二直流槽5B与泵腔14另一侧的第二方槽18B相连通；为了使流体流动更流畅，第一直流槽5A与第一锥形螺旋槽10A之间设有第一过渡槽12A，第二直流槽5B与第二锥形螺旋槽10B之间设有第二过渡槽12B。

如图5、图6、图7所示，所述的泵腔14为圆柱形，包括位于下盖4并且开口朝向上盖7的第一凹槽23，以及位于上盖7并且开口朝向第一凹槽23的第二凹槽24，第二凹槽24边缘设计成阶梯状的通孔，压电振子2粘结固定在第二凹槽24内。

如图3、图4所示，第一锥形螺旋流管22A和第二锥形螺旋流管22B以泵腔14的中心线相对称地固定在上盖7上。如图2、图5、图11所示，第一锥形螺旋流管22A底部通过第一定位螺钉6A、第一定位螺孔16A和第一螺纹孔19A定位在上盖上第一圆形定位凹坑17A内；如图2、图5、图9所示，第二锥形螺旋流管22B底部通过第二定位螺钉6B、第二定位螺孔16B和第二螺纹孔19B定位在上盖上第二圆形定位凹坑17B内。

如图8、图9所示，第一锥形螺旋槽10A以第一圆台9A上底面上的一点为起点呈顺时针旋向；如图10、图11所示，第二锥形螺旋槽10B以第二圆台9B上底面上的一点为起点呈逆时针旋向。第一锥形螺旋槽10A和第二锥形螺旋槽10B截面呈矩形。

如图12、图13、图14所示，第一锥形罩8A、第二锥形罩8B包覆在圆台的侧表面上，使得锥形螺旋流槽开口处形成流管。第一锥形罩8A、第二锥形罩8B顶端开口与锥形螺旋槽相连通，形成流体进口和出口。

本实施例中，使用单侧型压电振子。如图15所示，压电振子2一般由圆形的压电陶瓷片20和金属片(如铜)21粘贴成的圆形振动片。

为了防止连接处渗漏，可以在部件的连接处均匀涂硅胶进行密封。

Claims (8)

1.一种锥形螺旋流管无阀压电泵，包括由密封连接的下盖（4）和上盖（7）组成的泵体（1），下盖（4）和上盖（7）之间设有容纳有压电振子（2）的泵腔（14），其特征在于，还包括固定在泵体（1）上的第一、第二锥形螺旋流管（22A、22B），所述的第一锥形螺旋流管（22A）和第二锥形螺旋流管（22B）分别设置在泵腔（14）的两侧；所述的第一锥形螺旋流管（22A）包括第一圆台（9A）、设置在第一圆台（9A）表面的第一锥形螺旋槽（10A）、包覆第一圆台（9A）表面的第一锥形罩（8A），第一锥形罩（8A）设有与第一锥形螺旋槽（10A）顶端连通的流体进口（11A）；所述的第二锥形螺旋流管（22B）包括第二圆台（9B）、设置在第二圆台（9B）表面的第二锥形螺旋槽（10B）、包覆第二圆台（9B）表面的第二锥形罩（8B），第二锥形罩（8B）设有与第二锥形螺旋槽（10B）顶端连通的流体出口（11B）；第一锥形螺旋槽（10A）底端和第二锥形螺旋槽（10B）底端分别与泵腔（14）相连通。

2.如权利要求1所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一锥形螺旋槽（10A）底端依次通过第一过渡槽（12A）、第一直流槽（5A）与泵腔（14）相连通。

3.如权利要求1或2所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第二锥形螺旋槽（10B）底端通过第一过渡槽（12B）、第二直流槽（5B）与泵腔（14）相连通。

4.如权利要求1所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（14）为圆柱形的腔体。

5.如权利要求1所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，第一锥形螺旋槽（10A）以圆台（9A）的上底面为起点呈顺时针旋向；第二锥形螺旋槽（10B）以圆台（9B）的上底面为起点呈逆时针旋向。

6.如权利要求1所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（14）包括位于下盖（4）并且开口朝向上盖（7）的第一凹槽(23)，以及位于上盖（7）并且开口朝向第一凹槽(23)的第二凹槽(24)。

7.如权利要求7所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，压电振子（2）固定在第二凹槽(24)内。

8.如权利要求1所述的锥形螺旋流管无阀压电泵，其特征在于，第一锥形螺旋槽（10A）和第二锥形螺旋槽（10B）截面呈矩形。

Images