CN102338066A - 一种连锁螺线流管无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连锁螺线流管无阀压电泵，包括由密封连接的上盖和下盖组成的泵体，上盖和下盖之间设有容纳有压电振子的泵腔，上盖和下盖之间还包括一个第一连锁螺线流管和第一直流管，所述的第一连锁螺线流管一端与泵腔连接，另一端与设置在泵体上的流体进口连接，所述的第一直流管一端与泵腔连接，另一端与设置在泵体上的流体出口连接。本发明的无阀压电泵采用连锁螺线流管，抛弃了传统的锥形流管，改变了压电泵的工作原理，与现有的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。为了加工方便本发明采用的连锁螺线流管均为矩形截面。

Description

一种连锁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，尤其涉及一种采用连锁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在于克服现有无阀压电泵的缺陷，提供一种单向流动特性好的连锁螺线流管无阀压电泵。

2.技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的连锁螺线流管无阀压电泵包括由密封连接的上盖和下盖组成的泵体，上盖和下盖之间设有容纳有压电振子的泵腔，上盖和下盖之间还包括一个第一连锁螺线流管和第一直流管，所述的第一连锁螺线流管一端与泵腔连接，另一端与设置在泵体上的流体进口连接，所述的第一直流管一端与泵腔连接，另一端与设置在泵体上的流体出口连接。如图1所示，所述的连锁螺线流管为弯曲的流管，这种弯曲流管是在泵体上蚀刻出的平面流管，由于该流管的中心轴线属于连锁螺线，因此将该流管命名为“连锁螺线流管”。连锁螺线的所有形式都可以用一个表达式写出来：r²·θ＝k，公式中r为半径，θ为夹角，k为斜率。

所述的第一连锁螺线流管可以直接与泵腔连接，也可通过一个第二直流管与泵腔连接，这样可以起到减小流阻的效果。

所述的第一直流管与泵腔之间还可通过第二连锁螺线流管相连通；一般地，所述的第一连锁螺线流管为以流体进口为起点顺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直流管相连的连接点；所述的第二连锁螺线流管为以流体出口为中心和起点逆时针方向设置的螺线流管，其终点为与第一直流管相连的连接点。

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连锁螺线流管时，这两个连锁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。

本发明的连锁螺线流管无阀压电泵中，流体进口、第一连锁螺线流管、泵腔、第二连锁螺线流管和流体出口共同形成流体流通的通道，而第一连锁螺线流管和第二连锁螺线流管在上盖、下盖上的设置可以有多种方式，如第一连锁螺线流管为位于上盖上的连锁线形开槽，而第二连锁螺线流管为位于下盖上连锁螺线形开槽，也可以是第一连锁螺线流管和第二连锁螺线流管都设置在下盖上。所述的连锁螺线流管截面呈矩形。

本技术方案的连锁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，流体从第一直流管直接进入泵腔，而另一边流体经过连锁螺线流管进入泵腔或者通过第二直流管进入泵腔，这个过程中，流体在连锁螺线流管的流动方向，是该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，流体通过连锁螺线流管时，是其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，受阻力是逐渐减小的，那么流体在通过连锁螺线流管的往返方向上流动受到的阻力不同，那么流体其从一边的连锁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，流体在宏观上就会变现出单向流动，实现泵的功能。

同理，当本技术方案的连锁螺线流管无阀压电泵有两个连锁螺线流管时，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。由于流体的运动受地球自转的影响，以及流体自身沿连锁螺线流管运动时产生的自旋科氏力影响，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，流体从第一连锁螺线流管和第二连锁螺线流管流入泵腔，此时压电泵处于吸入阶段，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，流体从第一连锁螺线流管和第二连锁螺线流管流出泵腔，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，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。

3.有益效果：本发明的无阀压电泵采用连锁螺线流管，抛弃了传统的锥形流管，改变了压电泵的工作原理，与现有的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。本发明采用的连锁螺线流管均为矩形截面，其加工近乎平面加工，与圆截面流管相比更便于加工。

附图说明

图1是连锁螺线示意图；

图2是锥形流管无阀压电泵示意图；

图3是第一个实施例的连锁螺线流管无阀压电泵分解结构示意图；

图4是第一个实施例的连锁螺线流管无阀压电泵中螺线流管示意图；

图5是第二个实施例的连锁螺线流管无阀压电泵整体结构图；

图6是连锁螺线流管无阀压电泵剖视图；

图7是连锁螺线流管无阀压电泵上盖示意图；

图8是图7的剖视图；

图9是第二个实施例的连锁螺线流管无阀压电泵下盖示意图；

图10是压电振子结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图3、图4、图6所示，本实施例的连锁螺线流管无阀压电泵包括由密封连接的上盖2和下盖3组成的泵体1，上盖1和下盖2之间设有容纳有压电振子4的泵腔5，上盖1和下盖2之间还包括一个第一连锁螺线流管6和第一直流管7，所述的第一连锁螺线流管6一端与泵腔5连接，另一端与设置在泵体1上的流体进口11连接，所述的第一直流管7一端与泵腔5连接，另一端与设置在泵体1上的流体出口12连接，第一连锁螺线流管6、泵腔5和第一直流管7都设置在下盖3上；压电振子4一般由圆形的压电片和有弹性的铜片叠制而成。所述的第一连锁螺线流管6通过第二直流管61与泵腔5连接，第二直流管61起到减小流体在对数螺线流槽中受到的流阻的作用。

如图3、图5所示，所述的第一连锁螺线流管6为以流体进口11为起点顺时针旋向的流管，终点为与第二直流管61的连接点，其角度为0-360度。

本实施例中，所述的流体进口11和流体出口12设置在泵腔5的两侧，流体进口11、第一连锁螺线流管6、泵腔5、第一直流管7和流体出口12形成流体流动的通道；流体进口11和流体出口12也可以泵腔4的中心线为对称轴相对称。

如图7所示，所述的泵腔5设置在下盖3上并且开口朝向上盖2，且其截面呈圆形。

本实施例的连锁螺线流管无阀压电泵的工作过程如下：把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子4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4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4作为压电泵的动力源，随着压电振子4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4在逆压电效应下产生轴向振动，引起泵腔5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4在泵腔5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4在泵腔5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5容积变大，压强变小，在负压作用下第一直流管7和第二直流管61中的流体向泵腔5中流动，从流体进口8流进的流体经过连锁螺线流管6时，由于受到地球科氏力和自旋科氏力的影响，连锁螺线流管的轮廓线的线曲率变化方向是逐渐减小的，相对于连锁螺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5的流量相对大些，当泵进入排程时，泵腔5容积变小，在压力下泵腔5中的流体向两侧直流管流出，当从泵腔5向连锁螺线流管6流动的流体经过连锁螺线流管时，由于受到地球科氏力和自旋科氏力作用的影响是连锁螺线的曲率逐渐增大的过程，相对连锁螺线曲率逐渐减小，此刻第一连锁螺线流管6对流体的阻碍程度大，那么从泵腔5向第一连锁螺线流管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5吸程和排程体积变化基本相等，那么就会使得由泵腔5向第一直流管7流出的流量大于由第二直流管61向泵腔5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4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：

如图3、图5、图6、图8所示，本实施例的连锁螺线流管无阀压电泵包括由密封连接的上盖2和下盖3组成的泵体1，上盖1和下盖2之间设有容纳有压电振子4的泵腔5，上盖1和下盖2之间设置有二个连锁螺线流管6、8，所述的第一连锁螺线流管6一端通过第二直流管61与泵腔5连接，另一端与设置在泵体1上的流体进口11连接，所述的第二连锁螺线流管8通过第一直流管7与泵腔5连接，另一端与设置在泵体1上的流体出口12连接。

如图6、图8所示，泵腔5为在下盖3中间位置直接刻出的圆形凹坑，在泵腔5的两侧直接刻出截面形状为矩形的第一连锁螺线流管6和第二连锁螺线流管8，即泵腔5、第一连锁螺线流管6和第二连锁螺线流管8与下盖3是一体的；第一连锁螺线流管6有流体进口11为起点，以与第二直流管61相连的连接点为终点，整体呈顺时针方向的螺线形；第二连锁螺线流管8以流体出口12为起点，以与第一直流管7连接的连接点为终点，整体呈逆时针方向的螺线形。

如图5、图6、图9、图10所示，泵腔5由设置在下盖3上的第一凹槽31和设置在上盖2上的第二凹槽21封闭组成，所述的压电振子4固定在第二凹槽21内，压电振子4的压电陶瓷片41位于泵腔5外侧；上盖2与下盖3通过周围的多个螺栓连接在一起，此时，连锁螺线流管的一端与泵腔贯通，另一端与泵口相连通构成了流体流动的通道。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。

本实施例采用220V、50Hz交流电压，也可使用其它频率的电压；如图10所示，使用单侧型压电振子，把交流电加于压电振子4的两极——压电陶瓷片41和金属片42上面，使压电振子4产生周期性的轴向弯曲变形，从而驱动压电泵的工作。

本实施例中，压电泵上盖2、压电泵下盖3均采用有机玻璃加工制造，也可以采用铝加工制造；压电振子4采用市售件，直径为50mm，压电陶瓷片41和金属片42厚均为0.1mm，金属片42的材料为黄铜。

本实施例的连锁螺线流管无阀压电泵工作时，把压电陶瓷片41和金属片42作为两极，向压电振子4通交流电时，压电振子4会产生沿轴向的往复变形振动，把压电振子4作为压电泵的动力源，随着压电振子4的轴向往复变形振动，从而导致压电泵泵腔5的体积周期性变化。当泵腔5体积增大时，流体从第一连锁螺线流管6和第二连锁螺线流管8流入泵腔5，此时压电泵处于吸入阶段，但从两个流管流入泵腔5的流体体积不相同；当泵腔5体积减小时，流体从第一连锁螺线流管6和第二连锁螺线流管8流出泵腔5，此时压电泵处于排出阶段，但从两个流管流出泵腔的流体体积也不相同；在压电泵处于吸入阶段，从第一连锁螺线流管6流入的流体体积大于从第二连锁螺线流管8流入的流体体积，但是在压电泵处于排出阶段时，从第一连锁螺线流管6流出的流体体积小于从第二连锁螺线流管8流出的流体体积；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)

1.一种连锁螺线流管无阀压电泵，包括由密封连接的上盖（2）和下盖（3）组成的泵体（1），上盖（2）和下盖（3）之间设有容纳有压电振子（4）的泵腔（5），其特征在于，上盖（1）和下盖（2）之间还包括一个第一连锁螺线流管（6）和第一直流管（7），所述的第一连锁螺线流管（6）一端与泵腔（5）连接，另一端与设置在泵体（1）上的流体进口（11）连接，所述的第一直流管（7）一端与泵腔（5）连接，另一端与设置在泵体（1）上的流体出口（12）连接。

2.根据权利1所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一连锁螺线流管（6）通过第二直流管（61）与泵腔（5）连接。

3.根据权利1或2所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一直流管（7）通过第二连锁螺线流管（8）与流体出口（12）相连接。

4.根据权利1所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一连锁螺线流管（6）为以流体进口（11）为起点顺时针旋向的流管。

5.根据权利3所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述第二连锁螺线流管（8）为以流体出口（12）为起点逆时针旋向的流管。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的流体进口（11）和流体出口（12）以泵腔（5）的中心线为对称轴相对称。

7.根据权利要求5所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的第一、第二连锁螺线流管（6、8）设置在下盖（3）上并且分别对称地与泵腔（5）相连接。

8.根据权利要求1所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（5）设置在下盖（3）上并且开口朝向上盖（2）。

9.根据权利要求1所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（5）由设置在下盖（3）上的第一凹槽（31）和设置在上盖（2）上的第二凹槽（21）封闭组成，所述的压电振子（4）固定在第二凹槽（21）内。

10.根据权利要求1所述的连锁螺线流管无阀压电泵，其特征在于，所述的泵腔（5）截面呈圆形。

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