CN102459900A - 流体盘形泵 - Google Patents

Abstract

公开一种泵，该泵具有基本圆柱形形状并限定由在侧壁的两个端部处被端壁封闭而形成的腔，其中所述腔包含流体。该泵进一步包括致动器，该致动器与所述端壁中的至少一个操作性地关联以引起所述被驱动端壁的振荡运动从而在所述腔内产生所述被驱动端壁的位移振荡。该泵进一步包括隔离件，该隔离件与所述被驱动端壁的外围部分操作性地的关联以减小所述位移振荡的阻尼。

Description

流体盘形泵

技术领域

本发明例示性实施例大致涉及一种用于流体的泵，更具体而言，涉及一种泵，该泵中的泵腔为具有基本圆形端壁和侧壁的基本盘形、圆柱形腔。

背景技术

在热声压缩机和泵型压缩机领域，在封闭腔中高振幅压力振荡的产生已经得到相当程度的关注。当前在非线性声学方面的研究已经允许产生具有比先前所能想到的更高的振幅的压力波。

已知的是使用声学谐振来实现从限定的入口和出口进行流体泵送。这能够通过使用在一端具有声学驱动器的圆柱形腔实现，该声学驱动器驱动声学驻波。在这种圆柱形腔中，声学压力波具有有限的振幅。横截面变化的腔，诸如圆锥形、角锥形、球形，已经被用于实现高振幅压力振荡，从而显著地增大泵送效应。在这种高振幅波中，具有能量消散的非线性机制已经被抑制。然而，高振幅声学振荡还没有在盘形腔中采用，在该盘形腔中的径向压力振荡直到当前还被激励。被公布为WO2006/111775(′487申请)的国际专利申请No.PCT/GB2006/001487公开了一种泵，该泵包括具有高纵横比(即，腔的半径与腔的高度之比)的基本盘形的腔。

这种泵具有包括在每个端部处通过端壁封闭的基本圆柱形的腔。该泵还包括致动器，该致动器驱动端壁中的任意个与被驱动端壁的表面基本垂直的方向振荡。被驱动端壁的运动的空间轮廓被描述为与腔内的流体压力振荡的空间轮廓相匹配，如本文中所描述的振型匹配状态。当泵振型匹配时，致动器施加在腔中流体上的作用相长性地增加到被驱动端壁表面上，从而加强腔中压力振荡的振幅并传递高的泵效率。在非振型匹配的泵中，端壁上可存在这样的区域，其中端壁施加在流体上的作用使腔内流体中的流体压力振荡的振幅减小而不是加强。因此，致动器施加在流体上的有用作用减小，泵变得效率更低。振型匹配泵的效率基于被驱动端壁与侧壁之间的接触面。期望的是通过构造接触面而维持这种泵的效率，使得不会削弱或抑制被驱动端壁的运动从而减轻腔内流体压力振荡的振幅中的任何减小。

发明内容

根据本发明的一个实施例，上文所描述的泵的致动器引起被驱动端壁沿与端壁基本垂直或与圆柱形腔的纵轴线基本平行的方向的振荡运动(“位移振荡”)，在下文中被提及为腔内被驱动端壁的“轴向振荡”。被驱动端壁的轴向振荡产生基本成比例的腔内流体“压力振荡”，形成如通过引用并入本文的487’申请所述的近似第一类贝塞尔函数的径向压力分布，这种振荡在下文中被提及为腔内流体压力的“径向振荡”。被驱动端壁的在致动器与侧壁之间的部分提供与泵的侧壁的接触面，其降低了对位移振荡的阻尼以减轻腔内压力振荡的任何减小，该部分在下文中被提及为“隔离件”。所例示的隔离件的实施例与被驱动端壁的外围部分操作性地关联以减小位移振荡的阻尼。

根据本发明另一实施例，泵包括具有基本圆柱形形状的泵体，该泵体限定了在两个端部处由基本圆形端壁封闭的侧壁形成的腔，所述端壁中的至少一个为具有中心部分和邻近侧壁的外围部分的被驱动端壁，其中所述腔在使用中包含流体。所述泵进一步包括致动器，该致动器与被驱动端壁的中心部分操作性地关联以引起被驱动端壁沿与被驱动端壁基本垂直的方向的振荡运动，最大振幅在约被驱动端壁的中心处，从而在使用时产生被驱动端壁的位移振荡。所述泵进一步包括隔离件，该隔离件与被驱动端壁的外围部分操作性地关联以减小由腔的端壁与侧壁之间的连接引起的位移振荡的阻尼。所述泵进一步包括设置在端壁中的一个的约中心处的第一孔和设置在泵体中的任何其它位置处的第二孔，从而位移振荡在所述泵体的腔内使流体压力产生径向振荡，引起流体流过所述孔。

例示性实施例的其它目的、特征和优点将通过下文的附图和详细描述而变得明显。

附图说明

图1A示出了根据本发明一例示性实施例的提供正压力的第一泵的示意性剖视图、泵的被驱动端壁的位移振荡的曲线图和泵的腔内的压力振荡的曲线图。

图1B示出图1A的第一泵的示意性俯视图。

图2A示出用于根据本发明例示性实施例的泵阀的示意性剖视图。

图2A(1)和图2A(2)示出图2A的阀在操作中的剖视图。

图2B示出图2A所示的阀示意性俯视图。

图3示出根据本发明例示性实施例的第二泵的示意性剖视图，该第二泵提供负压力。

图4示出根据本发明例示性实施例的第三泵的示意性剖视图，该第三泵具有截头圆锥形底座。

图5示出根据本发明另一示例性实施例的第四泵的示意性剖视图，该第四泵包括两个致动器。

图6示出图1A和图1B的泵的边缘分解示意性剖视图，其例示出隔离件的第一实施例和腔内的位移振荡和压力振荡的相应曲线图。

图7A和图7B示出图3的泵的示意性剖视图，其例示出图3的隔离件的不同实施例。

图8示出图1的泵的示意性剖视图，其例示出隔离件的另一实施例。

图9示出图1的泵的示意性剖视图，其例示出隔离件的又一实施例。

图10示出图1的泵的示意性剖视图，其例示出隔离件的又一实施例和腔内的位移振荡和压力振荡的相应曲线图。

具体实施方式

在若干示例性实施例的以下详细说明中，参考附图，该附图形成示例性实施例一部分，并且显示本发明在其中可被实施的例示特定优选实施例。这些实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施本发明，并且应理解的是，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可利用其它实施例，并且可进行逻辑结构、机械、电子和化学变化。为了避免使本领域技术人员在实施在此描述的实施例时非必须的细节，该说明可能省略本领域技术人员已知的某些信息。因此，以下详细说明不应以限制含义进行理解，并且示例性实施例的范围仅由所附权利要求限定。

图1A是根据本发明的示例性实施例的泵10的示意剖视图。还参照图1B，泵10包括：具有基本圆柱形状的泵体，该泵体包括在一端由底座18闭合且在另一端由端板17闭合的圆柱形壁19，和设置在端板17与泵体的圆柱形壁19的另一端之间的环状隔离件30。圆柱形壁19和底座18可为包括泵体的单个部件，并且可被安装到其它部件或系统。圆柱形壁19、底座18、端板17以及隔离件30的内表面在泵10内形成腔11，其中腔11包括在两端由端壁12和13闭合的侧壁14。端壁13为底座18的内表面，侧壁14为圆柱形壁19的内表面。端壁12包括对应于端板17的内表面的中心部分和对应于隔离件30的内表面的外围部分。尽管腔11在形状上为基本圆形，但腔11还可以为椭圆或其它形状。泵体的底座18和圆柱形壁19可由任意合适的刚性材料形成，包括但不限于金属、陶瓷、玻璃或塑料。

泵10还包括压电盘20，压电盘20操作性地连接到端板17以形成致动器40，该致动器40经由端板17操作性地与端壁12的中心部分相关联。压电盘20并不需要由压电材料形成，而是可由诸如例如电致伸缩或磁致伸缩材料的任何电活性材料形成。端板17优选具有类似于压电盘20的抗弯刚度，并且可由诸如金属或陶瓷的电惰性材料形成。当压电盘20被振荡电流激励时，压电盘20趋向于相对于腔11的纵向轴线沿着径向方向膨胀和收缩，引起端板17弯曲，由此引起端壁12沿着基本垂直于端壁12的方向轴向偏转。可替代地，端板17也可由例如诸如压电、磁致伸缩或电致伸缩材料的电活性材料形成。在另一实施例中，压电盘20可由与端壁12成力传递关系的设备替代，例如诸如机械、磁或静电设备，其中端壁12可被形成为电惰性或被动材料层，其由这种设备(未显示)以与如上所述的方式相同的方式被驱动而振荡。

泵10进一步包括从腔11延伸到泵10的外部的至少两个孔，其中所述孔中的至少第一个孔可包含阀以控制通过该孔的流体的流动。尽管包含阀的孔可位于腔11中的任意位置，致动器40在该位置如下文更详细描述的那样产生压差，但泵10的一个优选实施例包括孔，在该孔中的阀近似位于端壁12、13任意一个的中心。图1A和1B中所示的泵10包括约在端壁13的中心处从腔11延伸通过泵体的底座18并包含阀46的初级孔16。阀46被安装在初级孔16内，并允许流体沿着如箭头所示的一个方向的流动，以使阀46用作泵10的出口。第二孔15可位于腔11内除了具有阀46的孔16的位置之外的任意位置。在泵10的一个优选实施例中，第二孔被设置在端壁12、13任意个的中心与侧壁14之间。图1A和1B中所示的泵10的实施例包括从腔11延伸通过致动器40的两个次级孔15，其被设置在端壁12的中心与侧壁14之间。尽管次级孔15在泵10的该实施例中并未装阀，但根据需要它们也可装阀以改善性能。在泵10的该实施例中，初级孔16装有阀，以使流体如箭头所示通过次级孔15被吸入到泵10的腔11中，并通过初级孔16被泵送到腔11外，从而在初级孔16处提供正压力。

参照图3，图1的泵10被显示为具有初级孔16的可替代构造。更具体而言，初级孔16’中的阀46’被倒置，以使流体如箭头所示通过初级孔16’被吸入到腔11中，并通过次级孔15被排出到腔11外，由此在初级孔16’处提供吸力或减压源。如在此使用的术语“减压”一般指的是比泵10所处位置的周围压力小的压力。尽管术语“真空”和“负压力”可用于描述减压，但实际的减压可显著小于通常与绝对真空相关的减压。压力为“负”是指其为表压力的含义，即压力被减小到周围大气压力以下。除非另有说明，在此陈述的压力的值为表压力。提到减压的增大典型地指的是绝对压力的减少，而减压的减少典型地指的是绝对压力的增大。

阀46和46’允许流体如上所述基本沿一个方向流过。阀46和46’可为球阀、隔膜阀、回转阀、鸭嘴阀、瓣阀、提升阀或任何其它类型的单向阀或者允许流体基本沿一个方向流动的其它阀。一些类型的阀可通过在打开位置和关闭位置之间转换而调节流体流动。对于在由致动器40产生的高频率下操作的阀来说，阀46和46’必须具有特别快的响应时间，从而它们能够在显著短于压力变化时间的时间打开和关闭。阀46和46’的一个实施例通过使用特别轻的瓣阀来实现这一点，瓣阀具有低的惯性并且因此能够响应阀结构上的相对压力的变化而快速移动。

更具体地参照图2A，瓣阀50的一个实施例的示意性剖视图被示出为瓣阀50被安装在孔16(或16’)内。瓣阀50包括折板51，折板51设置在保持板52与密封板53之间，并且在处于不使用时的将瓣阀50密封的“关闭”位置时，即，瓣阀50为常闭时，被偏压抵靠密封板53。阀50被安装在孔16内，从而保持板52的上表面优选与端壁13平齐以维持腔11的共振特性。保持板52和密封板53分别具有通气孔54和55，通气孔54和55分别从板的一侧延伸到另一侧，如在图2B中分别由的虚线圆圈和实线圆圈所表示的那样，图2B为图2A的瓣阀50的俯视图。折板51也具有通气孔56，通气孔56与保持板52的通气孔54大致对准以提供一通道，流体可如图2A(1)中的虚线箭头所指示地通过该通道。然而，在图2A和图2B中可见，保持板52的通气孔54和折板51的通气孔56不与密封板53的通气孔55对准，当在所示的“关闭”位置时，密封板53的通气孔55被折板51阻塞，从而流体不能流过瓣阀50。

瓣阀50的操作是在瓣阀50上的流体的压差(ΔP)方向上的变化的函数。在图2A中，压差如向下指向的箭头所表示的已经被赋予负值(-ΔP)。该负压差(-ΔP)如上所述地将折板51驱动到完全关闭位置，其中折板51密封地抵靠密封板53以阻塞通气孔55并防止流体流过瓣阀50。当瓣阀50的压差逆变到变成如图2A(1)中的向上指向的箭头所示的正压差(+ΔP)时，被偏压的折板51被促动到远离密封板53而抵靠保持板52到达“打开”位置。在该位置，折板51的运动不阻碍密封板53的通气孔55，从而流体被允许流过通气孔55，并且然后如虚线箭头所指示地流过对准的折板51的通气孔56和保持板52的通气孔54。当压差如图2A(2)中的向下指向的箭头所指示地变回到负压差(-ΔP)时，流体如虚线箭头所指示地开始沿相反方向流动通过瓣阀50，这迫使折板51朝着图2A中所示的关闭位置返回。因此，当压差从正值变化到负值时，变化的压差使瓣阀50在关闭位置和打开位置之间循环以在关闭折板51之后阻塞流体的流动。应该理解的是，根据瓣阀50的应用，折板51可在不使用瓣阀50的“打开”位置时被偏压至抵靠保持板52，即，瓣阀50则将是常开的。

现参照图4，根据本发明的另一示例性实施例的泵70被显示。除了泵体具有底座18’和底座18’具有的上表面形成形状为截头圆锥状的端壁13’之外，泵70与图1的泵10基本类似。因此，腔11的高度从侧壁14处的高度变动到端壁12、13’的中心处端壁12、13’之间的更小高度。相对于腔11的侧壁14(腔11的高度在此处更大)处的压力，端壁13’的截头圆锥形状加强了腔11的中心(腔11的高度在此处更小)处的压力。因此，比较圆柱形和截头圆锥形的腔11，具有相等的中心压力振幅时，明显的是截头圆锥形腔11将在远离腔11的中心的位置通常具有更小的压力振幅：腔11的渐增高度用于减小压力波的振幅。由于在腔11中的流体振荡期间经历的粘性和热能损耗均随着这种振荡的振幅而增大，有利的是，通过采用截头圆锥形腔11的设计，泵70有效地减小了远离腔11的中心的压力振荡的振幅。在泵70的一个示例性实施例中，其中腔11的直径为近似20mm，腔11在侧壁14处的高度为近似1.0mm，逐渐减少到端壁13’的中心处近似0.3mm的高度。端壁12、13中的任意个或者端壁12、13二者可具有截头圆锥形状。

现参照图5，根据本发明另一示例性实施例的泵60被显示。除了包括替代泵体底座18的第二致动器62之外，泵60与图1的泵10基本类似。致动器62包括第二盘64和设置在盘64与侧壁14之间的环状隔离件66。泵60还包括操作性地连接到盘64以形成致动器62的第二压电盘68。致动器62操作性地与端壁13相关联，端壁13包括盘64和隔离件66的内表面。第二致动器62还以类似于如上所述的致动器40相对于端壁12的方式产生端壁13沿着基本垂直于端壁13的方向的振荡运动。当致动器40、62被致动时，控制电路(未显示)被提供以协调致动器的轴向位移振荡。优选的是致动器以相同频率且近似异相位地被驱动，即，使得端壁12、13的中心首先朝向彼此移动然后分开。

在此描述的泵的尺寸相对于腔11的高度(h)和腔的半径(r)之间的关系应优选满足某一不等式，半径(r)为从腔11的纵向轴线到侧壁14的距离。这些公式如下：

r/h＞1.2；以及

h²/r＞4×10^-10米。

在本发明的一个实施例中，当腔11内的流体为气体时，腔半径与腔高度之比(r/h)在约10到约50之间。在该实例中，腔11的体积可小于约10ml。另外，h²/r之比优选在约10^-3到约10^-6米的范围内，其中工作流体为气体而非液体。

在本发明的一个实施例中，次级孔15位于腔11内的压力振荡的振幅接近为零的地方，即压力振荡的“节”点。当腔11为圆柱形时，压力振荡的径向相关性可由第一类贝塞尔函数估计，并且腔内的最低阶压力振荡的径向节点发生在距端壁12的中心或腔11的纵向轴线近似0.63r±0.2r的距离处。因而，次级孔15优选位于距端壁12、13的中心径向距离(a)处，其中(a)≈0.63r±0.2r，即，接近压力振荡的节点。

另外，在此公开的泵应优选满足与腔半径(r)和工作频率(f)相关的以下不等式，工作频率(f)为致动器40振动以产生端壁12的轴向位移所在的频率。不等式如下：

$\frac{k_0\left(c_s\right)}{2\mathrm{\πf}}\≤r\≤\frac{k_0\left(c_f\right)}{2\mathrm{\πf}}$

其中如以上不等式中表示的腔11内的工作流体的声速(c)可在约115m/s的低速(c_s)到等于约1970m/s的快速(c_f)的范围内，并且k₀为常数(k₀＝3.83)。致动器40的振荡运动的频率优选约等于腔11内的径向压力振荡的最低共振频率，但可在其20％范围内。腔11内的径向压力振荡的最低共振频率优选大于500Hz。

现参照操作中的泵10，压电盘20被激励，以沿着径向方向膨胀和收缩并抵靠端板17，这引起致动器40弯曲，由此引起被驱动端壁12沿着与被驱动端壁12基本垂直的方向轴向位移。致动器40如上所述操作性地与端壁12的中心点相关联，以使致动器40的轴向位移振荡在约端壁12的中心处引起沿着端壁12的表面的具有最大振荡振幅的轴向位移振荡，即，反节点位移振荡。返回参照图1A，大致如上所述的位移振荡和引起的泵10的压力振荡分别更清楚地显示在图1A(1)和1A(2)中。位移振荡与压力振荡之间的相位关系可变化，并且具体的相位关系不应从任意图形中暗示。

图1A(1)显示例示出腔11的被驱动端壁12的轴向振荡的一个可能的位移轮廓。实曲线和箭头代表被驱动端壁12在一个点处实时的位移，虚曲线代表被驱动端壁12在一个半个循环之后的位移。该图形和其它图形中所示的位移被夸大。因为致动器40在其周界并非刚性地安装，而是通过隔离件30悬垂，因而致动器40在其基本模型中围绕其质心能够自由振荡。在该基本模型中，致动器40的位移振荡的振幅在位于端壁12的中心与侧壁14之间的环状位移节点22处基本为零。在端壁12上的其它点处的位移振荡振幅具有如垂直箭头所示的大于零的振幅。中心位移反节点21存在于致动器40的中心附近，圆周位移反节点21’存在于致动器40的周界附近。

图1A(2)显示例示出腔11内的压力振荡的一个可能的压力振荡轮廓，其由图1A(1)中所示的轴向位移振荡产生。实曲线和箭头代表在一个点事实的压力，虚曲线代表一个半个循环之后的压力。在该模型和更高阶模型下，压力振荡的振幅具有靠近腔11的中心的中心压力反节点23和靠近腔11的侧壁14的圆周压力反节点24。压力振荡的振幅在压力反节点23与24之间的环状压力节点25处基本为零。对于圆柱形腔，腔11中的压力振荡的振幅的径向相关性可由第一类贝塞尔函数估计。上述压力振荡由腔11中的流体的径向运动产生，并且为了与致动器40的轴向位移振荡区别将被称为腔11内的流体的“径向压力振荡”。

参照图3和图1A(2)，在泵10内的如上所述的瓣阀50的操作使得流体沿图2A(1)中虚线箭头所指示的方向流动，在泵10的初级孔16’外面产生负压。更具体地参照图3，瓣阀50设置在初级孔16’中，从而流体如实线箭头所指示地通过初级孔16’被吸入腔11中并通过次级孔15从腔11排出，从而在初级孔16’处提供减压源。如向上指向的实线箭头所指示的通过初级孔16’的流体流动对应于图2A(1)中的同样向上指向的虚线箭头所指示的通过瓣阀50的通气孔54和55的流体流动。如上文所指出的，瓣阀50的操作是瓣阀50上的流体压差(ΔP)方向上的变化的函数。假设由于压差(ΔP)的位置对应于如图1A(2)中所示的中心压力反节点而压差(ΔP)在保持板52的整个表面上基本均匀，该中心压力反节点与泵10的底座18中的初级孔16’大致对准，并且因此，阀50上的压力非常近似于没有空间差异。当瓣阀50上的压差逆变为变成如图2A(1)中所示的正压差(+ΔP)时，被偏压的折板51被促动到远离密封板53而抵靠保持板52到打开位置。在该位置，折板51的运动不阻碍密封板53的通气孔55，从而流体被允许流过通气孔55，并且然后如虚线箭头所指示地流过对准的保持板52的通气孔54和折板51的通气孔56。这提供了在泵10的底座18中的初级孔16’外部的同样由虚线箭头所指示的减压源。当压差变回到如图2A(2)中所指示的负压差(-ΔP)时，流体如虚线箭头所指示地开始沿相反方向流过瓣阀50，这迫使折板51朝着图2A中所示的关闭位置返回。因此，由于压差(ΔP)使瓣阀50在关闭位置和打开位置之间循环，泵10在瓣阀50处于打开位置时的每半个周期提供减小的压力。

进一步参照图1A(1)和图1A(2)，能够看到，致动器40的轴向位移振荡的振幅的径向相关性(致动器40的“振型”)应近似为第一类贝塞尔函数，以更接近地匹配腔11中的期望压力振荡的振幅的径向相关性(压力振荡的“振型”)。通过将致动器40非刚性地安装在其周界以及允许其更自由地围绕其质心振动，位移振荡的振型基本匹配腔11中的压力振荡的振型，从而实现振型匹配，或更简单地说模型匹配。尽管模型匹配在这点上可能不总是优选的，但致动器40的轴向位移振荡以及腔11中的相应压力振荡在致动器40的整个表面上具有基本相同的相对相位，其中腔11中的压力振荡的环状压力节点25的径向位置和致动器40的轴向位移振荡的环状位移节点22的径向位置基本重合。

由于致动器40围绕其质心振动，当致动器40在如图1A(1)所示的基本模型振动时，环状位移节点22的径向位置将必然落在致动器40的半径内。因而，为了确保环状位移节点22与环状压力节点25重合，致动器的半径(r_act)应优选大于环状压力节点25的半径，以使模型匹配最优。再次假设腔11中的压力振荡近似为第一类贝塞尔函数，则环状压力节点25的半径应近似为从端壁13的中心到侧壁14的半径的0.63，即，在图1中所示的腔11的半径(r)的0.63。因此，致动器40的半径(r_act)应优选满足以下不等式：r_act≥0.63r。

现参照图6，图6为图1的泵10的边缘的分解剖视图，隔离件30为柔性膜31，如图6(a)中的圆周位移振荡21’的位移所示，该柔性膜31通过响应致动器40的振动弯曲和拉伸，这使致动器40的边缘能够如上所述地更自由地移动。柔性膜31通过在致动器40与泵10的圆柱形壁19之间提供低机械阻抗支撑而克服致动器40上的侧壁14的潜在阻尼效应，从而减小了致动器40的圆周位移振荡21’的轴向振荡的阻尼。本质上，柔性膜31使得从致动器40传递到侧壁14的能量最小化，侧壁14保持基本静止。因此，环状位移节点22将保持与环状压力节点25基本对准，从而维持泵10的模型匹配条件。因此，被驱动端壁12的轴向位移振荡继续有效地在腔中产生从中心压力反节点(图1A)到在侧壁14处的圆周压力反节点24的压力振荡。

对于具有均匀厚度δ_m和横跨在致动器40边缘与腔11的侧壁14之间的环状缝隙(g)的杨氏模量(E_m)的如上所述由简单的片形成的柔性膜31来说，用来使柔性膜31的边缘移置一轴向位移(u)所需的单位长度的力(F_stretch)可近似为下述公式：

$F_{\mathrm{stretch}}=\frac{E_m{u}^2{\mathrm{\δ}}_m}{2g^2},$

其中u和δ_m远小于g。这可通过与将致动器40的盘的实施例的边缘弯曲相同的位移所需要的近似单位长度的力(F_bend)相比较：

$F_{\mathrm{bend}}=\frac{E_{a}u{\mathrm{\δ}}_a^3}{2R^3},$

其中致动器40具有有效的杨氏模量(E_a)、厚度(δ_a)和半径(R)。为了致动器40的边缘自由地振动，F_stretch应该远小于F_bend，这意味着简单的柔性膜31应优选具有由下述不等式限定的厚度(δ_m)：

${\mathrm{\&delta;}}_m<<\frac{E_a{g}^2{\mathrm{\&delta;}}_a^3}{E_{s}u{R}^3}.$

在一个实施例中，其中致动器40包括钢制端板17和压电陶瓷盘20，压电陶瓷盘20具有总尺寸g＝1mm、δ_a＝1mm、R＝10mm且u＝10μm，该不等式要求由卡普顿(Kapton)构成的柔性膜31的厚度优选为δ_m＜＜1000微米，由钢构成的柔性膜31的厚度优选为δ_m＜＜100微米。

在一个非限制性的实例中，致动器40的直径可比腔11的直径小1-2mm，从而柔性膜31横跨端壁12的外围部分。该外围部分可为在致动器40的边缘与腔11的侧壁14之间的0.5-1.0mm的环状缝隙。通常，柔性膜31的环状宽度应该与腔的半径(r)相比相对较小，从而致动器直径接近腔的直径，使得环状位移节点22的直径近似等于环状压力节点25的直径，进而大到有利于而不限制致动器40的振动。柔性膜31可由不均匀厚度的聚合物片材料制成，诸如，例如由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或Kapton制成。在一个实施例中，柔性膜31可由具有小于约200微米的厚度的Kapton片制成。柔性膜31还可以由不均匀厚度的薄金属片制成，诸如，例如由钢或黄铜或任何其它合适的柔性材料制成。在另一个实施例中，柔性膜31可由具有小于约20微米厚度的钢片制成。柔性膜31可由适于有利于如上所述的致动器40振动的任何其它柔性材料制成。柔性膜31可根据所使用的材料被胶合、焊接、夹紧、钎焊或其它方式附接到致动器40上，并且相同的过程或不同的过程可被用于将柔性膜31附接到侧壁14。

当致动器40的边缘的主要运动分量基本垂直于被驱动端壁12或者基本平行于腔11的纵轴线时(“轴向运动”)，致动器40的边缘还具有在垂直于腔11的纵轴线的平面中发生的较小的“径向运动”分量。至少为此原因，柔性膜31还应该被设计为沿径向方向拉伸。这种径向拉伸可如上所述通过由薄塑料材料形成致动器40或者通过将结构特征并入柔性膜31中而实现，以加强柔性构件31对拉伸和压缩的径向柔性，即，柔性膜31的拉伸能力，与致动器40的径向运动一起进一步有利于致动器40振动。

更具体地参照图7A和图7B，示出具有加强柔性构件31的拉伸能力以有利于致动器40的径向运动的结构特征的柔性膜31的另外的实施例。更具体地参照图7A，结构改变的柔性膜32的第一实施例被示出为包括在致动器40与侧壁14之间延伸的环状蛇腹形部分33。蛇腹形部分33包括在图7A中以波纹形式出现的柔性膜32中的环状弯曲，该环状弯曲随着致动器40的运动如手风琴般膨胀和收缩。柔性膜32的蛇腹形部分33有效地减小柔性膜32的径向刚度，从而加强柔性膜32的拉伸能力并使得致动器40能够更容易地沿径向扩张和收缩。

更具体地参照图7B，结构改变的柔性膜34的第二实施例被示出为包括在致动器40与侧壁14之间交错设置在柔性膜34的每一侧上的环状、半圆形凹槽35。柔性膜34的环状凹槽35可通过化学蚀刻、研磨或任何类似的过程形成，或者可通过层压形成。柔性膜34的环状凹槽35有效地减小柔性膜34的径向刚度，从而加强柔性膜34的拉伸能力以有利于致动器40沿径向的膨胀和收缩。需要注意的是，图7A和图7B中所示的结构和类似的结构还可以有益地减小沿轴向弯曲隔离件32、34所需要的力。

虽然前面的图中示出的隔离件30和柔性膜31、32和34为在侧壁14和致动器40之间延伸的环状部件，但隔离件30还可以具有不同的形状，并且在不完全延伸到腔11的侧壁14的情况下以不同的方式被圆柱形壁19支撑。参照图8和图9，柔性膜31的可替换实施例被示出为分别柔性膜36和37，柔性膜36和37包括以与其它柔性膜31、32和34类似的方式起作用。更具体地参照图8，柔性膜36形成为盘形，其内表面形成端壁12而不是端板17。端板17如所示的保持操作性地连接到柔性膜36的上表面。在图8和图9的实施例中，端壁12还包括操作性地的连接到致动器40的中心部分和在侧壁14和致动器40之间起隔离件30的作用的外围部分。这样，柔性构件36以与其它柔性膜31、32和34类似的方式操作。

更具体地参照图9，泵体的圆柱形壁19包括从泵体的侧壁14径向向内延伸的唇部19a。唇部19a的面向腔11的内表面形成端壁12的外围部分的与侧壁14相邻地设置的外部。柔性膜37可为所示的环状或盘形并附接到圆柱形壁19的唇19a的内表面以形成如上所述的端壁12的保持部分。除了柔性膜37的形状，端壁12还包括操作性地连接到致动器40的中心部分和在致动器40和圆柱形壁19的唇19a之间起隔离件30作用的外围部分。这样，柔性构件37以与其它柔性膜31、32和34类似的方式操作。应该明显的是，隔离件30的结构、悬挂和形状不限于这些实施例，而是可在不脱离本发明所述的精神的情况下进行各种改变和修改。

在图1-9中所示的泵的先前的实施例中，侧壁14在腔11的端壁12、13之间连续地延伸，致动器40的半径(r_act)小于腔11的半径(r)。在这些实施例中，侧壁14限定了非中断的表面，在操作期间形成在腔11中的径向声学驻波从该连续的表面反射。然而，可能期望的是致动器的半径(r_act)移置延伸到侧壁14，使其约等于腔的半径(r)以确保位移振荡的环状位移节点22与压力振荡的环状压力节点25更接近地对准，以更接近地维持上述模型匹配条件。

更具体地参照图10，示出泵10的又一个实施例，其中致动器40具有与腔11的直径相同的半径并且被具有与图5中所示的柔性膜31的特性相同的特性的柔性膜38支撑。由于柔性膜38必须使致动器40的边缘能够响应于致动器40振动的弯曲而自由地移动，泵体的圆柱形壁19包括在圆柱形壁19的上、内表面中从侧壁14径向向外延伸到环状边缘19c的环状台阶19b。环状台阶19b足够深入圆柱形壁19的上表面以便不干涉柔性膜38的弯曲，从而使得致动器40能够自由振动。台阶19b应该足够深以容纳柔性膜38的弯曲，但不应深到显著减小上文所提及的腔11的共振特性。

如在图10和图10(A)中可见，被驱动端壁12包括端板17的下表面和柔性膜38，并具有大于腔11的半径的半径(r_end)，即，r_end＞r。因此，端壁12的外围部分延伸超过在腔11的侧壁14。更具体地参照图10(A)和10(B)，致动器40的轴向振荡和腔11内相应的压力振荡在致动器40的整个表面上持续具有基本相同的相对相位，位移振荡的振幅和压力振荡的振幅在侧壁14处更接近均衡。结果是，腔11中压力振荡的环状压力节点25的径向位置和致动器40的轴向振荡的环状位移节点22的径向位置可以更一致，以进一步加强模型匹配。

为了确保侧壁14仍然限定基本连续的表面，在腔11内径向声学驻波从该基本连续的表面反射，台阶19b的深度优选如上所述的最小化。在一个非限制性实例中，台阶19b的深度的尺寸可被设定为尽量维持泵腔11的共振特性。例如，台阶19b的深度可小于或等于腔11的高度的10％。

从前文应明显看出，已经提供了具有显著优点的发明。虽然本发明仅以其一些形式被示出，但它不是限制性的，而是可在不脱离本发明所述的精神的情况下进行各种改变和修改。

Claims (52)

1.一种泵，包括：

泵体，该泵体具有限定用于包含流体的腔的基本圆柱形形状，所述腔通过在两个端部处被基本圆形端壁封闭的侧壁形成，所述端壁中的至少一个为被驱动端壁，该被驱动端壁具有中心部分和从所述被驱动端壁的所述中心部分径向向外延伸的外围部分；

致动器，该致动器与所述被驱动端壁的所述中心部分操作性地关联以引起所述被驱动端壁的振荡运动，从而在使用时产生所述被驱动端壁的沿与所述被驱动端壁基本垂直的方向的位移振荡，而环状节点位于所述被驱动端壁的中心与所述侧壁之间；

隔离件，该隔离件操作性地与所述被驱动端壁的所述外围部分关联以减小所述位移振荡的阻尼；

第一孔，该第一孔设置在所述腔中的除了所述环状节点的位置之外的任何位置并延伸穿过所述泵体；

第二孔，该第二孔设置在所述泵体中的除了所述第一孔的位置之外的任何位置并延伸穿过所述泵体；和

阀，该阀设置在所述第一孔和所述第二孔中的至少一个中；

由此在使用时，所述位移振荡使所述泵体的所述腔内的流体产生相应的径向压力振荡，引起所述流体流过所述第一孔和所述第二孔。

2.根据权利要求1所述的泵，其中所述腔的从所述腔的纵轴线延伸到所述侧壁的半径(r)与所述腔的所述侧壁的高度(h)之比大于约1.2。

3.根据权利要求2所述的泵，其中所述腔的高度(h)与所述腔的半径(r)进一步由下述公式确定关系：h²/r＞4×10^-10米。

4.根据权利要求2所述的泵，其中所述第二孔被设置在所述端壁中的一个中的距所述端壁的中心约0.63(r)±0.2(r)的距离处。

5.根据权利要求2所述的泵，其中所述致动器驱动与所述致动器关联的所述端壁以使得所述振荡运动以一频率(f)振荡。

6.根据权利要求2所述的泵，其中所述致动器驱动与所述致动器关联的所述端壁以使得所述振荡运动以一频率(f)振荡，其中所述半径(r)与所述频率(f)由下述公式确定关系：

$\frac{k_0{c}_s}{2\mathrm{\&pi;f}}\&le;r\&le;\frac{k_0{c}_f}{2\mathrm{\&pi;f}}$

其中，c_s≈115m/s

c_r≈1970m/s，且

k₀＝3.83。

7.根据权利要求1所述的泵，其中所述径向压力振荡的最低共振频率大于约500赫兹。

8.根据权利要求1所述的泵，其中所述被驱动端壁的所述位移振荡的频率约等于所述径向压力振荡的最低共振频率。

9.根据权利要求1所述的泵，其中所述被驱动端壁的所述位移振荡的频率在所述径向压力振荡的最低共振频率的20％以内。

10.根据权利要求1所述的泵，其中所述被驱动端壁的所述位移振荡被振型匹配到所述径向压力振荡。

11.根据权利要求1所述的泵，其中所述阀允许所述流体沿基本一个方向流过所述腔。

12.根据权利要求1所述的泵，其中所述隔离件为柔性膜。

13.根据权利要求12所述的泵，其中所述柔性膜由塑料形成。

14.根据权利要求13所述的泵，其中所述柔性膜的环状宽度在约0.5mm至1.0mm之间，并且所述柔性膜的厚度小于约200微米。

15.根据权利要求12所述的泵，其中所述柔性膜由金属形成。

16.根据权利要求15所述的泵，其中所述柔性膜的环状宽度在约0.5mm至1.0mm之间，并且所述柔性膜的厚度小于约20微米。

17.根据权利要求1所述的泵，其中所述泵的所述侧壁包括在所述腔内邻近所述端壁中的至少一个的径向向外延伸的凹槽。

18.根据权利要求2所述的泵，其中当使用中所述腔内的所述流体为气体时，r/h之比在约10与约50之间。

19.根据权利要求3所述的泵，其中当使用中所述腔内的所述流体为气体时，h²/r之比在约10^-3米与约10^-6米之间。

20.根据权利要求2所述的泵，其中所述腔的体积小于约10毫升。

21.根据权利要求1所述的泵，进一步包括：

第二致动器，该第二致动器与另一个端壁的中心部分操作性地关联以引起该端壁沿与该端壁基本垂直的方向的振荡运动；和

第二隔离件，该第二隔离件与该端壁的外围部分操作性地关联以在所述腔内通过所述侧壁减小该端壁的振荡运动的阻尼。

22.根据权利要求2所述的泵，其中所述致动器的半径大于或等于0.63(r)。

23.根据权利要求22所述的泵，其中所述致动器的所述半径小于或等于所述腔的所述半径(r)。

24.根据权利要求1所述的泵，其中所述致动器包括用于引起所述振荡运动的压电元件。

25.根据权利要求1所述的泵，其中所述致动器包括用于提供所述振荡运动的磁致伸缩的元件。

26.一种泵，包括：

泵体，该泵体具有基本圆柱形形状的用于包含流体的腔，该腔具有由两个端表面封闭的侧壁，该腔具有高度(h)和半径(r)，其中所述半径(r)与所述高度(h)之比大于约1.2；

致动器，该致动器与一个端表面的中心部分操作性地关联并且适于在使用时引起所述端表面的振荡运动，而环状节点位于所述端表面的中心与所述侧壁之间；

隔离件，该隔离件操作性地与所述端表面的外围部分关联以减小所述振荡运动的阻尼；

第一孔，该第一孔设置在所述腔中的除了所述环状节点的位置之外的任何位置并延伸穿过所述泵体；

第二孔，该第二孔设置在所述泵体中的除了所述第一孔的位置之外的任何位置并延伸穿过所述泵体；和

阀，该阀设置在所述第一孔和所述第二孔中的至少一个中以使得所述流体能够在使用时流过所述腔。

27.根据权利要求26所述的泵，其中所述振荡运动使所述腔内的所述流体产生径向压力振荡，使得所述流体流过所述第一孔和所述第二孔。

28.根据权利要求27所述的泵，其中所述径向压力振荡的最低共振频率大于约500赫兹。

29.根据权利要求27所述的泵，其中所述振荡运动的频率约等于所述径向压力振荡的最低共振频率。

30.根据权利要求27所述的泵，其中所述振荡运动的频率在所述径向压力振荡的最低共振频率的20％以内。

31.根据权利要求27所述的泵，其中所述振荡运动被振型匹配到所述径向压力振荡。

32.根据权利要求26所述的泵，其中所述泵的所述侧壁包括在所述腔内邻近所述端壁中的至少一个的径向向外延伸的凹槽。

33.根据权利要求26所述的泵，其中所述腔的所述高度(h)与所述腔的所述半径(r)进一步由下述公式确定关系：h²/r＞4×10^-10米。

34.根据权利要求26所述的泵，其中所述致动器驱动与其关联的所述腔的所述端表面以使得所述振荡运动以一频率(f)振荡，其中所述半径(r)与所述频率(f)通过下述公式确定关系：

$\frac{k_0{c}_s}{2\mathrm{\&pi;f}}\&le;r\&le;\frac{k_0{c}_f}{2\mathrm{\&pi;f}}$

其中，c_s≈115m/s

c_r≈1970m/s，且

k₀＝3.83。

35.根据权利要求26所述的泵，其中所述隔离件为柔性膜。

36.根据权利要求35所述的泵，其中所述柔性膜由塑料形成。

37.根据权利要求36所述的泵，其中所述柔性膜的环状宽度在约0.5mm至1.0mm之间，并且所述柔性膜的厚度小于约200微米。

38.根据权利要求35所述的泵，其中所述柔性膜由金属形成。

39.根据权利要求38所述的泵，其中所述柔性膜的环状宽度在约0.5mm至1.0mm之间，并且所述柔性膜的厚度小于约20微米。

40.根据权利要求26所述的泵，其中所述致动器的半径大于或等于0.63(r)。

41.根据权利要求40所述的泵，其中所述致动器的所述半径小于或等于所述腔的所述半径(r)。

42.根据权利要求26所述的泵，其中所述第二孔被设置在所述端表面中的一个中距该端表面的中心约0.63(r)±0.2(r)的距离处。

43.根据权利要求26所述的泵，其中所述阀允许所述流体沿基本一个方向流过所述腔。

44.根据权利要求26所述的泵，其中当使用中所述腔内的所述流体为气体时，r/h之比在约10与约50之间的范围内。

45.根据权利要求26所述的泵，其中当使用中所述腔内的所述流体为气体时，h²/r之比在约10^-3米与约10^-6米之间。

46.根据权利要求26所述的泵，其中所述腔的体积小于约10毫升。

47.根据权利要求26所述的泵，进一步包括：

第二致动器，该第二致动器与所述腔的另一个端表面的中心部分操作性地关联以引起该端表面的振荡运动；和

第二隔离件，该第二隔离件与该端表面的外围部分操作性地关联以减小所述振荡运动的阻尼。

48.根据权利要求26所述的泵，其中所述致动器包括用于引起所述振荡运动的压电元件。

49.根据权利要求26所述的泵，其中所述致动器包括用于提供所述振荡运动的磁致伸缩的元件。

50.根据权利要求26所述的泵，其中所述腔的所述端表面中的一个具有截头圆锥形形状，其中所述腔的所述高度(h)从在所述一个端表面的约中心处的第一高度变化到小于所述第一高度的邻近所述侧壁处的第二高度。

51.根据权利要求26所述的泵，其中所述腔的所述端表面中的一个具有截头圆锥形形状，其中所述腔的所述高度(h)从在所述一个端表面的约中心处的第一高度增加到邻近所述侧壁处的第二高度。

52.根据权利要求51所述的泵，其中所述第一高度与所述第二高度之比不小于约50％。

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