CN103644099B - 一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵，包括两个压电振子、泵盖和泵体，泵盖和泵体通过键合或黏结剂结合，两个压电振子固定在泵盖上，泵盖上设有两个泵腔上半部分，泵体上设有两个泵腔下半部分、两个锥管、连接管、进口管和出口管及进口腔和出口腔；第一锥管截面较小的一端与泵腔下半部分连通、截面较大的一端连通出口管和连接管；第二锥管截面较小的一端与泵腔下半部分连通，截面较大的一端连通进口管和连接管；第一、第二锥管通过连接管连通；分别加载相位相差180度的交变电压使两个压电振子发生振幅相同、相位相差180度的异步振动：结构简单，易于微型化，流量高，可以持续出流。
Description
技术领域
本发明涉及微流体传输与控制以及微机械技术领域，具体是一种双腔无阀压电泵。
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运、细胞分离、电子产品（如CPU）降温、燃料微量喷射、化学微分析、管道流动中转捩控制等领域。依据有无阀片结构，可将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵两类。无阀压电泵没有单向阀结构，加工简单，易于微型化，且流体介质不会因为阀结构而被隔断，避免一些敏感介质受到影响。大多数无阀压电泵的结构是将两个特殊结构流管与泵腔连接，利用特殊结构流管不同方向流动的流阻差异产生泵送效果，常见的特殊结构流管有锥形管、tesla管、三通管等。由于特殊结构流管的流阻差异不大，导致该类型无阀压电泵的容积效率较低且不能持续出流。为解决这些问题，利用附壁效应的射流控制元件被用于无阀压电泵。
发明内容
本发明针对已有无阀压电泵容积效率低、不能持续出流的问题，提出一种基于附壁效应的高流量、可持续出流的双腔无阀压电泵。
本发明采用技术方案是：包括两个压电振子、泵盖和泵体，泵盖和泵体通过键合或黏结剂结合，两个压电振子固定在泵盖上，泵盖上设有两个泵腔上半部分，泵体上设有两个泵腔下半部分、两个锥管、连接管、进口管和出口管及进口腔和出口腔；第一锥管截面较小的一端与第一个泵腔下半部分连通、截面较大的一端连通出口管和连接管；第二锥管截面较小的一端与第二个泵腔下半部分连通，截面较大的一端连通进口管和连接管；第一、第二锥管通过连接管连通；分别加载相位相差180度的交变电压使两个压电振子发生振幅相同、相位相差180度的异步振动。
本发明的有益效果是：结构简单，易于微型化，流量高，可以持续出流。
附图说明
图1为本发明的结构主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中A-A剖面图；
图4为图3中I局部放大图；
图5为图2中B-B剖面图；
图6为图2中C-C剖面图；
图7为压电振子1向下振动，压电振子2向上振动时工作原理图；
图8为压电振子2向下振动，压电振子1向上振动时工作原理图；
图9为实施例1中一个周期内出口腔12的瞬时流量线图。
图中：1、2.压电振子；3.泵盖；4.泵体；5、6.泵腔下半部分；7、10.锥管；8.进口腔；9.进口管；11.连接管；12.出口腔；13.出口管；14、15泵腔上半部分。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5、6所示，本发明包括两个压电振子1、2、泵盖3和泵体4。泵盖3和泵体4通过键合或黏结剂结合，两个压电振子1、2通过黏结剂固定在泵盖3上。泵盖3上加工有两个泵腔上半部分14、15。泵体4上加工有两个泵腔下半部分5、6、两个锥管7、10、连接管11、进口管9和出口管13、以及进口腔8和出口腔12。锥管7截面较小的一端与泵腔下半部分5连通，截面较大的一端与出口管13和连接管11连通；锥管10截面较小的一端与泵腔下半部分6连通，截面较大的一端与进口管9和连接管11连通；两个锥管7、10通过连接管11连通。连接管11位于进口腔8和出口腔12之间。进口管9、锥管10、连接管11、锥管7、出口管13以Z字型布置，进口管9和出口管13相平行。
两个锥管7、10的结构尺寸相同，锥管7与出口管13相连的一侧壁面与泵腔下半部分5的壁面为圆角过渡连接且两壁面相互垂直，锥管7与连接管11相连的一侧壁面与泵腔下半部分5的壁面为尖角连接；锥管10与连接管11相连的一侧壁面与泵腔下半部分6的壁面为圆角过渡连接且两壁面相互垂直，锥管10与进口管9相连的一侧壁面与泵腔下半部分6的壁面为尖角连接。进口管9和出口管13结构尺寸相同，进口腔8和出口腔12结构尺寸相同。
影响压电泵性能的主要结构参数的取值范围为：锥管7、10最小截面处宽度a为50μm到500μm；锥管7、10长度L 1为最小截面处宽度a的5到10倍；锥管7、10锥角θ为20°到40°；锥管7、10圆角过渡半径r为最小截面处宽度a的1倍到2倍；进口管9和出口管13的宽度b 1为锥管7、10最小截面处宽度a的1.5倍到5倍；进口管9和出口管13的长度L 2为宽度b 1的4倍到10倍；连接管11长度L 3为进口管9和出口管13的长度L 2的2倍到6倍；泵腔下半部分5、6、锥管7、10、进口管9、连接管11、进口管9和出口管13的深度h为锥管7、10最小截面处宽度a的1到2倍。
本发明工作时，分别加载相位相差180度的交变电压使两个压电振子1、2发生振幅相同、相位相差180度的异步振动。
当压电振子1向下位移，压电振子2向上位移时，如图7所示，泵腔上半部分14体积变小，流体从泵腔下半部分5经由锥管7排出，流量为，由于锥管7与出口管13相连的一侧壁面与泵腔下半部分5的壁面为圆角过渡连接，流动损失小；而锥管7与连接管11相连的一侧壁面与泵腔下半部分5的壁面为尖角连接，流动损失大，根据附壁效应原理，在很短时间内,射流将会偏转并沿着有圆角过渡的管壁流向出口管13，即泵腔排出的大部分流体由出口腔12流出，而少量流体流入连接管11，流量为，所以由出口腔12流出的流量为；与此同时，泵腔上半部分15体积变大，流体经由锥管10被吸入泵腔下半部分6，流量也为，大部分流体由进口腔8经由进口管9吸入，流量也为。
当压电振子2向下位移，压电振子1向上位移时，如图8所示，泵腔上半部分15体积变小，流体从泵腔下半部分6经由锥管10排出，流量为，由于锥管10和锥管7结构相同，根据附壁效应原理，在很短时间内,射流将会偏转并沿着有圆角过渡的管壁流向连接管11，而该射流产生的低压区将从进口管9吸入少量流体，流量为，所以流向连接管11的流量为；与此同时，泵腔上半部分14体积变大，流体经由锥管7被吸入泵腔下半部分5，流量为,由于连接管11流入锥管7的流量为，所以少量流体由出口管13流出，流量为。
由上述工作原理可知一个周期里该无阀压电泵的进口腔8为持续吸入流体状态，出口腔为持续排出流体状态，流量都为，容积效率η为泵送流量与一个周期内泵腔体积变形量之比，即
由于和比小很多，所以该无阀压电泵的容积效率可以达到0.5左右，具有较高的泵送流量。
以下提供本发明的一个实施例：
实施例1
本实施例为流体数值模拟，具体尺寸为：锥管7、10最小截面处宽度；锥管7、10长度；锥管7、10锥角；锥管7、10圆角过渡半径；进口管9和出口管13的宽度；进口管9和出口管13的长度；连接管11长度;泵腔下半部分5、6，锥管7、10，进口管9，连接管11，进口管9和出口管13的深度。用正弦变化的速度边界条件模拟压电振子振动，频率为100Hz，锥管7、10最小截面处平均速度最大为10m/s，流体介质为水。图9所示的是实施例1一个周期内出口腔12的瞬时流量，流量为正值表示流体由出口腔12流出，即一个周期内该实施例为持续出流，其容积效率为59.4%。
Claims (5)
1.一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵，包括两个压电振子（1、2）、泵盖（3）和泵体（4），泵盖（3）和泵体（4）通过键合或黏结剂结合，两个压电振子（1、2）固定在泵盖（3）上，泵盖（3）上设有两个泵腔上半部分（14、15），其特征是：泵体（4）上设有两个泵腔下半部分（5、6）、两个锥管（7、10）、连接管（11）、进口管（9）和出口管（13）及进口腔（8）和出口腔（12）；第一锥管（7）截面较小的一端与第一个泵腔下半部分（5）连通、截面较大的一端连通出口管（13）和连接管（11）；第二锥管（10）截面较小的一端与第二个泵腔下半部分（6）连通，截面较大的一端连通进口管（9）和连接管（11）；第一、第二锥管（7、10）通过连接管（11）连通；分别加载相位相差180度的交变电压使两个压电振子（1、2）发生振幅相同、相位相差180度的异步振动。
2.根据权利要求1所述一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵，其特征是：连接管（11）位于进口腔（8）和出口腔（12）之间，进口管（9）、两个锥管（7、10）、连接管（11）、出口管（13）以Z字型布置，进口管（9）和出口管（13）相平行。
3.根据权利要求2所述一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵，其特征是：第一锥管（7）与出口管（13）相连的一侧壁面与第一个泵腔下半部分（5）的壁面为圆角过渡连接且两壁面相互垂直，第一锥管（7）与连接管（11）相连的一侧壁面与第一个泵腔下半部分（5）的壁面为尖角连接；第二锥管（10）与连接管（11）相连的一侧壁面与第二个泵腔下半部分（6）的壁面为圆角过渡连接且两壁面相互垂直，第二锥管（10）与进口管（9）相连的一侧壁面与第二个泵腔下半部分（6）的壁面为尖角连接。
4.根据权利要求1所述一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵，其特征是：第一、第二锥管（7、10）的结构尺寸相同，进口管（9）和出口管（13）结构尺寸相同，进口腔（8）和出口腔（12）结构尺寸相同。
5.根据权利要求4所述一种基于附壁效应的双腔无阀压电泵，其特征是：第一、第二锥管（7、10）最小截面处宽度a均为50μm至500μm；两个锥管（7、10）的长度L 1为两个锥管（7、10）最小截面处宽度a的5至10倍、最小截面处宽度的锥角θ为20°至40°；进口管（9）和出口管（13）的宽度b 1为两个锥管（7、10）最小截面处宽度a的1.5倍至5倍；进口管（9）和出口管（13）的长度L 2为进口管（9）和出口管（13）宽度的4倍至10倍；连接管（11）的长度L 3为进口管（9）和出口管（13）长度L 2的2倍到6倍；泵腔下半部分（5、6）、两个锥管（7、10）、进口管（9）、连接管（11）、进口管（9）和出口管（13）的深度均为两个锥管（7、10）最小截面处宽度a的1至2倍。
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