CN103644103A - 一种连锁螺线管无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连锁螺线管无阀压电泵，包括泵体、泵盖，泵体上设有进口缓冲腔、出口缓冲腔、进口流管、出口流管和泵腔的下半部分，进口流管和出口流管均由一连锁螺线流管和相对于连锁螺线流管中心线对称布置的几个分流管连通组成，第二、第三分流管为几何结构尺寸相同的直流管、相对于连锁螺线流管中心线对称且两者的中心轴线与连锁螺线流管的中心轴线平行，第一、第四分流管为几何结构尺寸相同的半圆形管且相对于连锁螺线流管中心线对称；连锁螺线流管具有曲率半径线性过渡的良好性质，流体在其中流动时受均匀的横向作用力，流动稳定，振动小，能耗低，效率高。

Description

一种连锁螺线管无阀压电泵

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，具体是指一种新型连锁螺线管无阀压电泵。

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，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；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，“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，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，但直线型管壁的设计使得流体流动时的摩擦损失较大，能耗较高。公开号为CN102338066A的中国发明专利申请公开了一种连锁螺线流管无阀压电泵，该无阀压电泵的上盖与下盖之间设置有第一连锁螺线流管和第一直流管，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；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；所述的第一连锁螺线流管为以流体进口为起点顺时针旋向的流管。该种结构流管使用整体连锁螺线构造流管，流道过长，流体在弯曲流管中流动时沿正反方向的损失都很大，同时由于受到离心力的作用，在横截面上形成二次流，使得局部阻力增加，引起二次流损失，且所用直流管无流阻特性，从而微泵的效率较低，另外结构相对比较复杂，不利于集成化和微型化。

古希腊数学家和力学家阿基米德在他的论著《论螺线》中就对平面等距螺线的几何性质做了详尽的讨论，人们称之为“阿基米德螺线”，后来数学家们又发现了连锁螺线、费马螺线、对数螺线、双曲螺线、圆柱螺线、圆锥螺线等。螺线流管具有优越的结构特性和良好的流体力学性质，有利于一体化布置，广泛应用在能源、军舰、潜艇、空间站、船舶动力、石油化工、航天航空、为电子冷却与低温技术等领域。

 

发明内容

本发明的目的是为了避免上述技术的不足，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、边界层易分离等不良效果而提出的一种尺度小、流动稳定、能耗低、效率高、振动小的新型连锁螺线管无阀压电泵，同时扩大了螺旋流管技术在微流体机械领域的应用范围。

本发明采用的技术方案是：包括泵体、泵盖，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、出口流管和泵腔的下半部分，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，进口流管一端与进口缓冲腔连通，另一端与泵腔连通，出口流管一端与泵腔连通，另一端与出口缓冲腔连通，进口缓冲腔和出口缓冲腔分别连通泵进口和泵出口，进口流管和出口流管均由一连锁螺线流管和相对于连锁螺线流管中心线对称布置的几个分流管连通组成，第二、第三分流管为几何结构尺寸相同的直流管、相对于连锁螺线流管中心线对称且两者的中心轴线与连锁螺线流管的中心轴线平行，第一、第四分流管为几何结构尺寸相同的半圆形管且相对于连锁螺线流管中心线对称，第二分流管一端与第一分流管连通，另一端与泵腔连通，第三分流管一端与第四分流管连通，另一端与泵腔连通，第一、第四分流管分别与连锁螺线流管的大端贯通。

所述连锁螺线流管的轮廓线是由连锁螺旋线方程                                                

确定的包角为44.52°连锁螺旋线段，极角

为2°~3600°，常数k为70；连锁螺线流管的长度为1500μm~3500μm，高度为80μm~150μm，小端的最小截面宽度为130μm~170μm，小端管口圆角半径为60μm~90μm。

本发明的有益效果是：本发明将螺线流管技术与压电泵技术有机结合，采用轮廓线为连锁螺旋线的螺线流管和分流管组合的流管结构，与传统扩散/收缩管无阀压电泵以及三通管无阀压电泵相比，连锁螺线流管具有曲率半径线性过渡的良好性质，流体在其中流动时受均匀的横向作用力，流动稳定，振动小，能耗低，效率高；流体沿进口流管（出口流管）正向流动时，分流管在一定程度起到了抽吸作用，从而对边界层分离进行控制，防止流动分离，降低损失，使得正向流阻减小，通过流管的流量增加；流体沿进口流管（出口流管）反向流动时，相对于流动方向和壁面有一定倾斜角的分流管的合理应用，能够生成离散的纵向涡，对主流起到一定的扰流作用，使得反向流阻增大，通过流管的流量减小，则在一个工作周期沿正向流动方向可获得较高的净流量，提高了无阀压电泵的效率；同时，该泵可以在较高频率下工作，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是本发明所述一种连锁螺线管无阀压电泵的整体结构剖视图；

图2是图1的A-A向剖面图；

图3是图2中进口流管7或出口流管9的I局部放大图；

图4是图2中进口流管7或出口流管9的几何结构放大图；

图5是图2的B-B向剖面图；

图6是图5中M局部放大图；

图7是本发明所用极坐标系下的连锁螺旋线示意图；

图8是本发明中进口流管7吸入过程的工作原理图；

图9是本发明中进口流管7排出过程的工作原理图；

图10是本发明吸入过程的工作原理图；

图11是本发明排出过程的工作原理图；

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

具体实施方式

参照图1、图2和图5，本发明包括泵体8、泵盖2和压电振子3，泵体8的材料为硅片，泵盖2的材料为玻璃，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4的上半部分，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10、进口流管7、出口流管9和泵腔4的下半部分，进口流管7和出口流管9结构相同且同轴布置，并与泵腔4圆心等距；进口流管7一端与进口缓冲腔6连通，另一端与泵腔4连通，出口流管9一端与泵腔4连通，另一端与出口缓冲腔10连通，并且进口缓冲腔6和出口缓冲腔10分别连通泵进口1和泵出口5，泵体8和泵盖2通过阳极键合工艺紧密贴合在一起，用黏结剂将压电振子3固定粘结在泵盖2正上方。

参照图2、图3，进口流管7和出口流管9均由一连锁螺线流管11和相对于连锁螺线流管11中心线对称布置的几个分流管连通组成，分流管13、14为直流管，分流管13、14相对于连锁螺线流管11中心线对称布置，分流管13、14的中心轴线与连锁螺线流管11的中心轴线平行；分流管12、15为半圆形管，分流管12、15相对于连锁螺线流管11中心线对称布置。分流管13一端与分流管12连通，另一端与泵腔4连通，分流管14一端与分流管15连通，另一端与泵腔4连通，并且分流管12、15分别与连锁螺线流管11的大端贯通；分流管13、14的几何结构尺寸相同，分流管12、15的几何结构尺寸相同。

参照图4、图6和图7连锁螺线流管11的轮廓线是由连锁螺旋线方程

确定的包角φ为44.52°连锁螺旋线段MN，其中极角

为2°~3600°，常数k为70；连锁螺线流管11的长度

为1500μm~3500μm，高度

为80μm~150μm，小端的最小截面宽度

为130μm~170μm，小端管口圆角半径

为60μm~90μm。分流管13、14两者的中心轴线与连锁螺线流管11中心轴线的距离

为290μm~640μm，分流管13、14两者的长度

均为500μm~1150μm，宽度

均为，高度

与连锁螺线流管11的高度相同。分流管12、15两者的圆心到连锁螺线流管11的中心轴线的距离

为190μm~400μm，内半圆半径

为60μm~140μm，外半圆半径

为140μm~330μm。

   参照图8、图9、图10和图11，本发明的工作原理是：在压电振子3两端加载交变电压信号（正弦或矩形波信号）后压电振子3会发生弯曲变形并随电压频率上下振动，该振动带动泵腔4内的流体流动；可将压电振子3的运动分为向上位移运动和向下位移运动，则泵腔4内流动过程就相应的分为吸入过程和排出过程。当压电振子3向上振动时，泵腔4体积增大，泵腔4内的压力降低且小于外界压强，从而流体由泵进口1和泵出口5经过进口流管7和出口流管9流入泵腔4，这时压电泵处于吸入状态，由于进口流管7和出口流管9正反方向上的流阻系数不同，使得由泵进口1经过进口流管7流进泵腔4的流量大于由泵出口5经过出口流管9流进泵腔4的流量

，由于进口流管7和出口流管9均采用轮廓线为连锁螺旋线的螺线流管11和分流管12、13、14、15组合的流管结构，故在该吸入过程中，流体由进口缓冲腔6流过连锁螺线流管11时流动稳定，能量损失小，且连通连锁螺线流管11和泵腔4的分流管12、13、14、15可把连锁螺线流管11壁面欲滞止的流体引流入泵腔4，在一定程度上起到了抽吸作用，这种抽吸作用可使得连锁螺线流管11边界层内的流体克服反向压差的作用而继续流向泵腔4，从而在一定程度上防止了边界层分离，达到减小粘性摩擦阻力的效果，使得通过进口流管7流入泵腔4的流量增加，同时由于突扩作用在连锁螺线流管11出口形成的一对漩涡在由经过分流管12、13、14、15流体的作用下向泵腔4中心移动，在移动过程中涡的耗散变得缓慢，涡量变小，有效作用范围增大，从而进一步抑制或延缓流动分离的发生；同样的，流体由出口缓冲腔10流过连锁螺线流管11时，相比于直壁面流管（扩散/收缩管），连锁螺线流管11对流动阻力更大，且流体流过分流管12、13、14、15时能够生成离散的纵向涡，对主流起到一定的扰动作用，使得反向流阻增大，通过流管的流量

进一步减小，在吸入过程压电泵总的流进量为；当压电振子3向下振动时，泵腔4体积减小，泵腔4内的压力增大且大于外界压强，从而流体经过泵腔4两侧的进口流管7和出口流管9由泵进口1和泵出口5流出泵腔4，这时压电泵处于排出状态，此过程与泵吸入过程相反，泵腔4经过进口流管7由泵进口1排出的流量小于由泵腔4经过出口流管9由泵出口5排出的流量，在排出过程压电泵的总流出量为

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

，则有

，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通过出口流管9流出泵腔4的流量与流入泵腔4的流量的差值

，或通过进口流管7流入泵腔4流量与流出泵腔4的流量的差值

，则一个周期中泵送流量

为：

，

此值大于零，故无阀压电泵在一个工作周期内，吸入过程中通过进口流管7流入泵腔4的流量大于排出过程中排出的流量，而出口流管9则正好相反，即在吸入过程中流入泵腔4的流量小于排出过程中排出的流量，最终实现了流体的单向流动，完成了泵送功能。

Claims (3)

1.一种连锁螺线管无阀压电泵，包括泵体（8）、泵盖（2），泵盖（2）上设有泵进口（1）、泵出口（5）和泵腔（4）的上半部分，泵体（8）上设有进口缓冲腔（6）、出口缓冲腔（10）、进口流管（7）、出口流管（9）和泵腔（4）的下半部分，进口流管（7）和出口流管（9）结构相同且同轴布置并与泵腔（4）圆心等距，进口流管（7）一端与进口缓冲腔（6）连通，另一端与泵腔（4）连通，出口流管（9）一端与泵腔（4）连通，另一端与出口缓冲腔（10）连通，进口缓冲腔（6）和出口缓冲腔（10）分别连通泵进口（1）和泵出口（5），其特征是：所述进口流管（7）和出口流管（9）均由一连锁螺线流管（11）和相对于连锁螺线流管（11）中心线对称布置的几个分流管连通组成，第二、第三分流管（13、14）为几何结构尺寸相同的直流管、相对于连锁螺线流管（11）中心线对称且两者的中心轴线与连锁螺线流管（11）的中心轴线平行，第一、第四分流管（12、15）为几何结构尺寸相同的半圆形管且相对于连锁螺线流管（11）中心线对称，第二分流管（13）一端与第一分流管（12）连通，另一端与泵腔（4）连通，第三分流管（14）一端与第四分流管（15）连通，另一端与泵腔（4）连通，第一、第四分流管（12、15）分别与连锁螺线流管（11）的大端贯通。

2.根据权利要求1所述的一种连锁螺线管无阀压电泵，其特征是：所述连锁螺线流管（11）的轮廓线是由连锁螺旋线方程                                               

确定的包角为44.52°连锁螺旋线段，极角

为2°~3600°，常数k为70；连锁螺线流管（11）的长度为1500μm~3500μm，高度

为80μm~150μm，小端的最小截面宽度为130μm~170μm，小端管口圆角半径为60μm~90μm。

3.根据权利要求2所述的一种连锁螺线管无阀压电泵，其特征是：第二、第三分流管（13、14）两者的中心轴线与连锁螺线流管（11）中心轴线的距离为290μm~640μm，长度

均为500μm~1150μm，宽度均为，高度与连锁螺线流管11的高度相同；第一、第四分流管（12、15）两者的圆心到连锁螺线流管（11）的中心轴线的距离均为190μm~400μm，内半圆半径均为60μm~140μm，外半圆半径均为140μm~330μm。

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