CN103644102A - 一种三通结构的双腔无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三通结构的双腔无阀压电泵，泵体上设有进口缓冲腔、出口缓冲腔、进口流管、两个出口流管和两个泵腔的下半部分，进口流管由一汇流锥管与相对于汇流锥管中心线对称布置的两个分流锥管连通组成；进口流管的汇流锥管与进口缓冲腔连通，两个分流锥管一端与汇流锥管大端连通，另一端分别与两个泵腔之一连通；两个出口流管一端分别与两个泵腔之一连通，另一端均与出口缓冲腔连通，进口缓冲腔连通泵进口，出口缓冲腔连通和泵出口；两个压电振子3上分别加载相同相位的交变电压信号，增强了流体沿正向流动的过流能力，避免了大锥角高频率下流动易发生边界层分离及附壁流动现象的产生，降低了能量损失，提高了无阀压电泵的效率。

Description

一种三通结构的双腔无阀压电泵

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，具体是指一种三通结构的双腔无阀压电泵。

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，无阀压电泵无可动阀片，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，避免一些敏感介质受到影响。大多数无阀压电泵是将两个特殊结构流管与泵腔连接，利用流体沿特殊结构流管不同方向流动时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、涡旋管、三通管等。

锥形管结构简单，易于设计和加工，但其正反向流阻差异较小，导致微泵的效率很低，且在较高的驱动频率和较大的锥角下易发生流动分离和附壁流动现象；tesla管也称为异型管，其主要结构以直流道搭配弯曲流道所组成，流体在往复流动时由于流道长度的差异与流体的惯性效应，产生出口方向的净流量，但其正反向流阻差异同样很小，微泵在一个工作周期内获得的净流量有限；涡旋管实质是在二维平面锥形管壁面增加了一系列三角形或圆弧的漩涡区域，这些三角形涡旋区与锥形流管一起组成了涡旋通道，但涡旋面的存在加大了流道的制作难度，并且这种流管的正反向流阻都很大，使得微泵能耗大，效率低；三通管包括Y型管和V型管等，Y型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，由于其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”型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，但由于其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；三通管在一定程度上减小了正向流阻，提高了反向流阻，使得微泵在一个工作周期内沿正向获得较高的净流量，但同样适用于较低频率下汇流管为小角度的工况。

发明内容

本发明的目地是为了克服上述技术的不足，主要是针对现有无阀压电泵所存在的问题如流动紊乱、粘性阻力大、边界层易分离、易出现附壁流动等不良效果而提出的一种流动稳定、能耗低、效率高的三通结构的新型双腔无阀压电泵。

 本发明采用的技术方案是：包括泵体、泵盖和两个压电振子，泵体和泵盖键合在一起，泵盖上设有泵进口、泵出口和泵腔的上半部分，泵体上设有进口缓冲腔、出口缓冲腔、进口流管、两个出口流管和两个泵腔的下半部分，进口缓冲腔与出口缓冲腔的中心线在水平方向共线，在垂直方向平行，两个出口流管的轴线相互平行，第一出口流管的轴心线与第一泵腔的轴心线在同一垂直面上且相互垂直，第二出口流管的轴心线与第二泵腔的轴心线在同一垂直面上且相互垂直；两个压电振子分别位于两个泵腔的正上方；进口流管由一汇流锥管与相对于汇流锥管中心线对称布置的两个分流锥管连通组成；进口流管的汇流锥管与进口缓冲腔连通，两个分流锥管的一端与汇流锥管的大端连通，另一端分别与对应的两个泵腔之一连通；两个出口流管一端分别与相对应的两个泵腔之一连通，另一端均与出口缓冲腔连通，进口缓冲腔连通泵进口，出口缓冲腔连通和泵出口；两个压电振子上分别加载相同相位的交变电压信号。

本发明的有益效果是：与传统扩散/收缩管无阀压电泵和三通管无阀压电泵相比，一种三通结构的新型双腔无阀压电泵采用将分流锥管分别与两个泵腔连通的结构设置方式，增强了流体沿正向流动的过流能力，避免了大锥角高频率下流动易发生边界层分离及附壁流动现象的产生，降低了能量损失，提高了无阀压电泵的效率，同时，该无阀压电泵防电磁干扰能力强，流量易于控制，可应用于生物芯片，微流控芯片,微型全分析系统以及临床药物微量输液系统等领域。

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1的俯视图；

图4是图3中的B-B向剖面图；

图5是图3中的C-C向剖面图；

图6是图3中的D-D向剖面图；

图7是图2中进口流管7的局部I放大图；

图8是图2中出口流管12、13的局部M放大图；

图9是图2中进口流管7的几何结构放大图；

图10是图2中出口流管12、13的几何结构放大图；

图11是本发明在排出过程的工作原理图；

图12是本发明在排出过程中局部I流动情况图；

图13是本发明在吸入过程的工作原理图；

图14是本发明在吸入过程中局部I流动情况图；

图中：1.泵进口；2.泵盖；3、4.压电振子；5.泵出口；6.进口缓冲腔；7.进口流管；8.泵体；9.出口缓冲腔；10、11.泵腔；12、13.出口流管；14.汇流锥管；15、16.分流锥管。

具体实施方式

参照图1~图8，本发明包括泵体8、泵盖2和压电振子3、4，泵体8的材料为硅片，泵盖2的材料为玻璃，泵体8和泵盖2通过阳极键合工艺结合在一起，用黏结剂将两个压电振子3、4分别固定粘结在泵盖2的上方。

在泵盖2上利用激光加工工艺加工出泵进口1、泵出口5和泵腔10、11的上半部分，两个压电振子3、4分别位于两个泵腔10、11的正上方。在泵体8上利用干法刻蚀工艺加工出进口缓冲腔6、出口缓冲腔9、进口流管7、出口流管12、13和泵腔10、11的下半部分，进口缓冲腔6与出口缓冲腔9的中心线在水平方向共线，在垂直方向平行，两个出口流管12、13的轴线相互平行，出口流管12的轴心线与泵腔10的轴心线在同一垂直面上且相互垂直，出口流管13的轴心线与泵腔11的轴心线在同一垂直面上且相互垂直。

进口流管7由一汇流锥管14与相对于汇流锥管14中心线对称布置的两个分流锥管15、16连通组成；进口流管7的汇流锥管14与进口缓冲腔6连通，两个分流锥管15、16的一端与汇流锥管14截面积较大的大端连通，另一端分别与泵腔10和泵腔11连通；出口流管12一端与泵腔10连通，出口流管13一端与泵腔11连通，出口流管12和出口流管13的另一端与均与出口缓冲腔9连通，并且进口缓冲腔6连通泵进口1，出口缓冲腔9连通和泵出口5。 

参照图9，汇流锥管14的长度                                                

为1200μm~3000μm，高度h为80μm~150μm，小端的最小截面宽度

为80μm~150μm，锥角

为15°~40°，小端管口圆角半径为60μm~120μm；两个分流锥管15、16间的夹角φ为90°~120°，长度

为600μm~1500μm，高度与汇流锥管14的高度相同，小端的最小截面宽度

是汇流锥管14小端最小截面宽度

的4.5倍，锥角

是汇流锥管14锥角

的0.5倍。

参照图10，出口流管12、13为平面锥管，其长度

为1000μm~3000μm，小端的最小截面宽度

为60μm~120μm，高度与汇流锥管14的高度相同，小端管口圆角半径

为60μm~90μm，锥角

为5°~12°。

本发明的工作原理是：在压电振子3、4上分别加载相同相位的交变电压信号（正弦或矩形波信号）后，压电振子3、4会随电压频率的变化发生振幅相同的同步振动，该振动带动泵腔10、11内的流体流动；可将压电振子3、4的运动分为向上位移运动和向下位移运动，则泵腔10、11内流动过程就相应的分为吸入过程和排出过程。

压电振子3、4向下位移运动时泵腔10、11体积减小，泵腔10、11内的压强增大且大于外界压强，从而流体被排出泵腔10、11，这时压电泵处于排出状态，泵内流动情况如图11、12所示，部分流体经过出口流管12、13由泵腔10、11流入出口缓冲腔9，并由泵出口5排出，此时出口流管12、13为扩散管，排出流量较大，通过出口流管12、13的流量均为

；另一部分流体经过分流锥管15、16由泵腔10、11流入汇流锥管14，并经过进口缓冲腔6由泵进口1排出，此时分流锥管15、16均为收缩管，排出流量较小，且两分流锥管15、16排出的两股射流在与汇流锥管14的交汇处发生动量交换，造成很大的能量损失，进一步减小了流量，流出进口流管7的流量为

。

压电振子3、4向上位移时泵腔10、11体积增大，泵腔10、11内的压力降低且小于外界压强，从而流体被吸入泵腔10、11，这时压电泵处于吸入状态，泵内流动情况如图13、14所示，部分流体经过出口流管12、13由出口缓冲腔9流入泵腔10、11，此时出口流管12、13为收缩管，吸入流量较小，通过出口流管12、13的流量均为；另一部分流体经过进口流管7由进口缓冲腔6流入泵腔10、11，此时分流锥管15、16，汇流锥管14均为扩散管，流入泵腔10、11的流量较大，且由于双泵腔结构的设置使得通过汇流锥管14的流体在压电振子3、4的驱动下高速通过分流锥管15、16，避免了流动分离和附壁流动现象的发生，减小了正向流阻，提高了通过进口流管7的流量，此时通过进口流管7的流量为

。

本发明在吸入过程和排出过程中压电振子3、4的振幅一定，流入泵腔10、11的流量和流出泵腔10、11的流量相等，记为，有

；一个排出过程和吸入过程组成一个周期，一个周期的泵送流量为出口流管12、13的流出流量与流入流量的差值，或进口流管7流入流量与流出流量的差值，则一个周期中泵送流量

为：

，

在吸入过程中由于双泵腔结构的设置使得通过汇流锥管14的流体在压电振子3、4的驱动下高速通过分流锥管15、16，避免了流动分离和附壁流动现象的发生，减小了正向流阻，提高了通过进口流管7的流量

，使得整泵的流量显著提高。

Claims (3)

1.一种三通结构的双腔无阀压电泵，包括泵体（8）、泵盖（2）和两个压电振子（3、4），泵体（8）和泵盖（2）键合在一起，其特征是：泵盖（2）上设有泵进口（1）、泵出口（5）和泵腔（10、11）的上半部分，泵体（8）上设有进口缓冲腔（6）、出口缓冲腔（9）、进口流管（7）、两个出口流管（12、13）和两个泵腔（10、11）的下半部分，进口缓冲腔（6）与出口缓冲腔（9）的中心线在水平方向共线，在垂直方向平行，两个出口流管（12、13）的轴线相互平行，第一出口流管（12）的轴心线与第一泵腔（10）的轴心线在同一垂直面上且相互垂直，第二出口流管（13）的轴心线与第二泵腔（11）的轴心线在同一垂直面上且相互垂直；进口流管（7）由一汇流锥管（14）与相对于汇流锥管（14）中心线对称布置的两个分流锥管（15、16）连通组成；进口流管（7）的汇流锥管（14）与进口缓冲腔（6）连通，两个分流锥管（15、16）的一端与汇流锥管（14）的大端连通，另一端分别与对应的两个泵腔（10、11）之一连通；两个出口流管（12、13）一端分别与相对应的两个泵腔（10、11）之一连通， 另一端均与出口缓冲腔（9）连通，进口缓冲腔（6）连通泵进口（1），出口缓冲腔（9）连通和泵出口（5）；两个压电振子（3、4）分别位于两个泵腔（10、11）的正上方并分别加载相同相位的交变电压信号。

2.根据权利要求1所述一种三通结构的双腔无阀压电泵，其特征是：汇流锥管（14）的长度为1200μm~3000μm、高度为80μm~150μm、小端的最小截面宽度                                               为80μm~150μm、锥角

为15°~40°、小端管口圆角半径为60μm~120μm；两个分流锥管（15、16）之间的夹角为90°~120°、长度均为600μm~1500μm、高度与汇流锥管（14）的高度相同、小端的最小截面宽度是宽度

的4.5倍、锥角

是锥角

的0.5倍。

3.根据权利要求3所述一种三通结构的双腔无阀压电泵，其特征是：两个出口流管（12、13）为锥管，长度为1000μm~3000μm、小端的最小截面宽度为60μm~120μm、高度与汇流锥管（14）的高度相同、小端管口圆角半径为60μm~90μm、锥角为5°~12°。

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