CN102691647A - 一种轴对称椭圆管无阀压电泵 - Google Patents

一种轴对称椭圆管无阀压电泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无阀压电泵，具体是指一种轴对称椭圆管无阀压电泵。所述的轴对称椭圆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结构相同且同轴布置，并与泵腔圆心等距；进口流管和出口流管均为轴对称椭圆管，椭圆管的轮廓线是长半轴长度与短半轴长度的比值等于6且包角为80°的一段椭圆线段。本发明流动稳定，泵内流动几乎无涡流，对所输送介质无损伤；具有较高的容积效率，压力损失进一步减小，极大程度上降低了能耗；结构简单，易于集成和微型化。该泵可应用于药物微量输送、生化试剂定量以及电子产品降温等领域。

Description

一种轴对称椭圆管无阀压电泵
技术领域
本发明涉及无阀压电泵，具体是指一种轴对称椭圆管无阀压电泵。
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送，细胞分离，电子产品降温，燃料微量喷射，化学微分析，管道流动转捩控制等领域；目前压电泵主要分为有阀压电泵和无阀压电泵两类，有阀压电泵由于阀的存在，流体通过阀门时会产生很大的压力损失，而且启动注水过程过于困难，加工和集成化难度比较大，限制了压电泵向更微型化方向的发展，另外活动部件会对某些微分子结构产生破坏作用，且由于阀片的频繁开关使得泵的响应速度慢，工作频率低，同时可动阀片材料的疲劳失效和性能不稳定都会影响压电泵的使用寿命；无阀压电泵结构简单，更适合于小型化和微型化，可以满足高频率下的工作要求，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有“Y”型管无阀压电泵和“V”型管无阀压电泵，“Y”型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”管无阀压电泵的进口流管由一个等截面矩形管为合流管和两个扩散（收缩）分流管组成，其缺陷是：进出口流管和泵腔不在同一个平面上，导致了结构相对比较复杂，加工制作困难，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；专利201010505904.1公开一种用于微流体传输与控制领域的椭圆组合管无阀压电泵，该无阀压电泵的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椭圆管组成，且均为矩形断面管，该椭圆组合管无阀压电泵流量较易控制，能耗有一定的降低，但结构相对比较复杂，不利于集成化和微型化。
发明内容
本发明的目地就是为了避免上述技术中的不足而提出的一种轴对称椭圆管无阀压电泵，它主要是针对现有无阀压电泵所存在的问题如结构复杂，流量小等而发明的尺度小，结构简单，流动稳定，容积效率较高的轴对称椭圆管无阀压电泵，该泵可在较高频率下工作。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种轴对称椭圆管无阀压电泵，包括泵体、泵盖和压电振子，泵盖正上方是压电振子，泵盖上设有泵进口和泵出口，泵体上设置进口流管、出口流管和圆形泵腔，进口流管的小端和泵进口连通，进口流管的大端和泵腔连通，出口流管的小端和泵腔连通，出口流管的大端和泵出口连通，进口流管和出口流管结构相同且与圆形泵腔的水平方向中心线同轴设置，并且与泵腔的圆心等距，其特征在于：进口流管和出口流管均为以圆形泵腔的水平中心线为对称轴的轴对称椭圆管，轴对称椭圆管是由长半轴长度a与短半轴长度b的比值等于6且包角为80°椭圆线段绕圆形泵腔水平方向中心线旋转一周所形成的圆管，短半轴与圆形泵腔水平方向中心线垂直。
所述椭圆管小端的管口圆角半径r为D/2。
所述椭圆管小端的最小截面的直径D为80~150μm。
所述椭圆管的长半轴长度a为2800~3200μm，短半轴长度b为a/6。
进口流管的大端与泵腔相接，出口流管的大端与泵出口相接，泵腔为圆柱状，其半径为R1，在泵体上开设的泵腔的深度为h，泵进口和泵出口为矩形状，在泵体上开设的深度为h，长和宽均为；泵腔的尺寸与泵进口和泵出口的尺寸的取值范围同现有技术中的取值范围，不是本发明的创新之处。
本发明的有益效果是：由于本发明进出口流管无分叉的特殊结构，可零损伤地输送介质，可用于活体细胞以及高分子物质的输送；本发明进出口流管轴对称的特殊结构使其具有较高的正反向流阻系数比，提高了所发明泵的容积效率，表1所示为同尺度不同结构流管所对应泵的容积效率比较；本发明泵单向压力损失进一步减小，极大程度上降低了能耗；结构简单，易于集成和微型化；该泵可应用于药物微量输送、生化试剂定量以及电子产品降温等领域。
表 1
附图说明
图1是本发明的结构剖视图；
图2是图1的A-A向剖面图；
图3是图2中I的局部放大图；
图4是图2 进口流管4和出口流管5的几何结构放大图；
图5是本发明吸水过程工作原理图；
图6是本发明排水过程工作原理图；
图中：1.泵进口；2.泵出口；3.泵腔；4.进口流管；5.出口流管；6.泵体；7.泵盖；8.压电振子；9.轴对称椭圆管。 
具体实施方式
如图1-3，本发明包括泵体6、泵盖7和压电振子8，泵体6和泵盖7静电键合在一起，压电振子8通过黏结剂固定于泵盖7的正上方，在泵盖7上加工出泵进口1和泵出口2，泵进口1和泵出口2分别外接进口管和出口管；应用MEMS加工技术在泵体6及泵盖7上加工出两个结构相同的进口流管4、出口流管5和一个圆柱形泵腔3，其中泵腔3位于进口流管4和出口流管5之间，且进口流管4、出口流管5和泵腔3在水平方向同轴线，进口流管4和出口流管5分别连通泵腔3，三者相互连通；这两个结构相同的进口流管4和出口流管5同轴设置，并且彼此与泵腔3的圆心距离相等；盖7上的泵进口1和泵出口2分别连通进口流管4和出口流管5，进口流管4和出口流管5均为轴对称椭圆管9；泵腔（3）为圆柱状，其半径R1为（5～6mm），在泵体（6）上开设的深度为h，泵进口（1）和泵出口（2）为矩形状，在泵体（6）上开设的深度为h（80～150μm），长和宽均为c（3.5～5.0mm）；如图4所示，椭圆管9是由圆心为o、长半轴长a与短半轴长b的比值等于6且包角α为80°的椭圆线段绕泵腔水平方向轴心线旋转一周所形成的圆管，椭圆管9小端的管口圆角半径为r，位于椭圆管9小端的最小截面的直径为D，圆心为o、长半轴长为a、短半轴长为b的椭圆的短轴与泵腔水平方向轴心线垂直，进口流管的大端与泵腔相接，出口流管的大端与泵出口相接。
本发明的工作原理：
（1）吸入过程如图5所示：
压电振子8受到外界电场激励作用而向上振动时，泵腔3体积增大，泵腔3内的压强降低且小于外界压强，从而流体从泵腔3外通过进口流管4和出口流管5同时流向泵腔3内，由于进口流管4和出口流管5均为具有一定锥度的轴对称椭圆管，正反方向上流管的流动阻力不同，造成的压力损失也不相等，泵进口1的流进量
Figure 107427DEST_PATH_IMAGE002
大于泵出口2的流进量
Figure 442593DEST_PATH_IMAGE003
，即>
Figure 188012DEST_PATH_IMAGE003
，压电泵总的流进量为
Figure 685990DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 129741DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 345958DEST_PATH_IMAGE003
。
（2）排出过程如图6所示：
当压电振子8受到外界电场激励作用而向下振动时，泵腔3的体积减小，泵腔3内压强增大且大于外界压强，从而流体从泵腔3内通过进口流管4和出口流管5同时排出泵腔3外，此过程与泵吸入过程相反，泵进口1的流出量
Figure 228464DEST_PATH_IMAGE005
小于泵出口2的流出量
Figure 580948DEST_PATH_IMAGE006
,即﹤
Figure 899113DEST_PATH_IMAGE006
，此时压电泵的总流出量为
Figure 319731DEST_PATH_IMAGE004
Figure 792300DEST_PATH_IMAGE007
Figure 577854DEST_PATH_IMAGE005
。
由于压电泵振幅一定，流入泵腔3的流量和流出泵腔3的流量相等，即
Figure 503084DEST_PATH_IMAGE002
+=
Figure 992151DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 276502DEST_PATH_IMAGE005
，所以压电泵通过进口流管4流入泵腔3的净流量为
Figure 689029DEST_PATH_IMAGE002
-
Figure 392061DEST_PATH_IMAGE005
，压电泵通过出口流管5流出泵腔3的净流量为
Figure 573644DEST_PATH_IMAGE006
-
Figure 28896DEST_PATH_IMAGE003
，此值大于零，故在无阀压电泵的一个工作周期内，进口流管4处流体介质在吸入过程中流入泵腔3的流量大于在排出过程中排出的流量，而出口流管5则相反，即在吸入过程中流入泵腔3的流体介质的流量小于排出的流量，最终实现了流体介质的单向流动，从而实现了泵的输送功能。

Claims (4)

1.一种轴对称椭圆管无阀压电泵，包括泵体、泵盖和压电振子，泵盖正上方是压电振子，泵盖上设有泵进口和泵出口，泵体上设置进口流管、出口流管和圆形泵腔，进口流管的小端和泵进口连通，进口流管的大端和泵腔连通，出口流管的小端和泵腔连通，出口流管的大端和泵出口连通，进口流管和出口流管结构相同且与圆形泵腔的水平方向中心线同轴设置，并且与泵腔的圆心等距，其特征在于：进口流管和出口流管均为以圆形泵腔的水平中心线为对称轴的轴对称椭圆管，轴对称椭圆管是由长半轴长度a与短半轴长度b的比值等于6且包角为80°椭圆线段绕圆形泵腔水平方向中心线旋转一周所形成的圆管，短半轴与圆形泵腔水平方向中心线垂直。
2.如权利要求1所述的一种轴对称椭圆管无阀压电泵，其特征在于：所述椭圆管小端的最小截面的直径D为80~150μm。
3.如权利要求2所述的一种轴对称椭圆管无阀压电泵，其特征在于：所述椭圆管小端的管口圆角半径r为D/2。
4.如权利要求1所述的一种轴对称椭圆管无阀压电泵，其特征在于：所述椭圆管的长半轴长度a为2800~3200μm，短半轴长度b为a/6。
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