CN106979145A - 一种平面型合成射流无阀压电微泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开微流体机械领域中的一种平面型合成射流无阀压电微泵，泵体上从左到右设有灌泵腔、灌泵管、圆形泵腔的下半部分、圆形泵腔的出口缓冲腔、喷管、合成射流腔、合成射流腔的出口缓冲腔，灌泵腔通过灌泵管与圆形泵腔联通，圆形泵腔与圆形泵腔的出口缓冲腔连成一体，圆形泵腔的出口缓冲腔通过喷管与合成射流腔联结，合成射流腔与其出口缓冲腔连成一体；灌泵腔、灌泵管、圆形泵腔的出口缓冲腔、喷管、合成射流腔、合成射流腔的出口缓冲腔的水平横截面均为矩形且关于泵体的水平中心轴前后对称分布，圆形泵腔的水平横截面为圆形且关于水平中心轴前后对称分布；本发明使用平面型设计，提高了容积效率。
Description
技术领域
本发明涉及微流体机械领域，具体是其中的合成射流无阀压电微泵。
背景技术
随着微机电系统MEMS及其配套加工技术的发展，在其基础上的微流体系统近年来已广泛应用。微泵是微流体系统内的核心驱动部件，微泵按照有无阀部件可以分为有阀和无阀微泵，有阀微泵由于阀结构存在阀损坏的风险、通过性能不佳、结构较为复杂等缺点在微流体系统中的使用存在着诸多限制；而无阀微泵结构简单加工方便，体积小易于集成，其中的以压电振子作为驱动元件的无阀压电泵在无阀微泵的优点之上又具有抗电磁干扰、能耗低、效率高等优点。
无阀压电泵通常利用特殊微流管的双向流阻差来产生净流量，对于这种类型的无阀压电泵，流管的流动性能直接决定了无阀压电微泵的整流性能。但通过改变流管结构参数难以得到很大的流阻差异，这导致大部分此类结构的无阀压电泵容积效率很低，且不能连续出流，所以大流量且能够连续出流及脉动相对平稳的无阀压电泵是目前本领域匠迫切需求。
将压电式合成射流激励器与微泵技术结合并进行一定的改进，可以很好改善无阀压电微泵的性能。中国专利公开号为CN 101397988B的文献中提出了一种连续流微泵，可以解决微泵不连续出流的问题，但是由于其模型结构复杂，振动膜位于泵体内且具有导流挡板，增加了加工周期与成本，且不利于微泵的微型化和集成化。中国专利公开号为CN103016296A的文献中提出了一种基于合成射流的压电微泵，由于该结构流动方向为竖直方向，导致出口流量稳定性差，不能承受较大的背压，增大了实际加工的难度，且实际运行效果与设计偏离较大。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种平面型合成射流无阀压电微泵，该泵具有普通无阀压电微泵的优势如结构简单易于加工，不受电磁干扰，响应快速，易于微型和集成化等优点，此外结合了合成射流技术，又使得这种微泵具有大流量且连续输出的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：具有一个泵体，泵体上从左到右设有灌泵腔、灌泵管、圆形泵腔的下半部分、圆形泵腔的出口缓冲腔、喷管、合成射流腔、合成射流腔的出口缓冲腔，灌泵腔通过灌泵管与圆形泵腔联通，圆形泵腔与圆形泵腔的出口缓冲腔连成一体，圆形泵腔的出口缓冲腔通过喷管与合成射流腔联结，合成射流腔与其出口缓冲腔连成一体；灌泵腔、灌泵管、圆形泵腔的出口缓冲腔、喷管、合成射流腔、合成射流腔的出口缓冲腔的水平横截面均为矩形，且关于泵体的水平中心轴前后对称分布，圆形泵腔的水平横截面为圆形且关于水平中心轴前后对称分布。
进一步地，喷管的前后宽度Da为0.2mm-1mm，喷管的左右长度是La，长宽比La/Da为10:1，合成射流腔的左右长度Lh与喷管的宽度比值Lh/Da范围为30-60，合成射流腔的前后宽度Dh与喷管的宽度Da之比Dh/Da为140:1，圆形泵腔的半径Rc与喷管的前后宽度Da之比Rc/Da为45:1。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用压电式合成射流激励器，结合了合成射流技术，不仅具有普通无阀压电泵的优点，而且通过利用合成射流特点，提高了容积效率，使得容积效率高达78.3%以上。相比具有上下泵体和腔室的现有的合成射流无阀压电微泵，本发明只有一个圆形泵腔和合成射流腔，大大减小了结构尺寸与空间，微型化程度更高，更有利于集成化。
2、现有的立式的合成射流微泵的出口流量需在第十个周期才能达到稳定且承受背压能力差，本发明使用平面型设计，流体在微泵中的水平流动方向使得出流在较短时间内就能达到稳定，能在第三个周期变可达到稳定出流，且有效地提高了整泵抗背压能力，可以适应频率在0-5000Hz范围变化，极大地缩短了设计周期与成本，拓宽了压电微泵的应用领域。
3、本发明中的圆形泵腔上下两部分相互连通，且具有一个完整的合成射流腔，两进口和出口关于泵腔水平中心轴对称分布，灌泵管、合成射流腔及其缓冲腔、喷管的横截面皆为矩形，压电振子、振动膜片与圆形泵腔的中心线在竖直方向共线，这样的设计使得该微泵结构更简单，尺寸更小，加工更方便，经济性较高。
4、相比现有的利用正反向流阻不同特性的无阀压电微泵，本发明能在较短时间内在合成射流腔内形成漩涡，不断卷吸地周围流体向出口方向流动，实现了大流量连续出流，当驱动频率为100Hz，雷诺数为1000时，流量可达5.744ml/min。
附图说明
图1是本发明一种平面型合成射流无阀压电微泵的结构主视剖视图；
图2是图1中泵盖的俯视图；
图3是图1中中A-A向剖面图；
图4是图2中B-B向剖面图；
图5是图2中C-C向剖面图；
图6是图3中Ⅱ部分的几何结构放大图；
图7是本发明排出过程的工作原理示意图；
图8是本发明吸入过程的工作原理示意图；
图中：1.灌泵口；2.灌泵腔；3.灌泵管；4.圆形泵腔；5.圆形泵腔的出口缓冲腔；6.喷管；7.泵进口；8.泵进口；9.合成射流腔；10.合成射流腔的出口缓冲腔；11.泵出口；12.振动膜片；13.压电振子；14.泵体；15.泵盖；16.泵体的水平中心轴。
具体实施方式
参照图1所示，本发明包括泵体14、泵盖15、压电振子13和振动膜片12。泵盖15在泵体14的正上方，在泵体14上从左到右加工出灌泵腔2、灌泵管3、圆形泵腔4 的下半部分、圆形泵腔的出口缓冲腔5、喷管6、合成射流腔9、合成射流腔的出口缓冲腔10，泵体14上加工出的这些腔室和管道的高度均为h2。再参见图2，在泵盖15上加工出灌泵口1、圆形泵腔4的上半部分、泵进口7、泵进口8、泵出口11，泵盖15上所加工出的这些高度均为h1。泵体14和泵盖15通过真空氧等离子体键合工艺紧密联结贴合在一起。振动膜片12通过粘结剂固定在圆形泵腔4的正上方，压电振子13通过环氧树脂粘结在振动膜片12上表面，压电振子13、振动膜片12和圆形泵腔4的中心线在竖直方向上下共线。
泵体14的材料是PDMS，泵体14上所加工出的结构可通过模塑法加工而成，泵盖15的材料是玻璃，泵盖15上所加工出的结构可利用激光加工工艺加工而成，振动膜片12为黄铜或其他弹性材料，可与圆形泵腔4键合或胶合，压电振子13是驱动元件，可用溶胶凝胶工艺沉积在振动膜片12上。
参见图3和图2，灌泵腔2、灌泵管3、圆形泵腔的出口缓冲腔5、喷管6、合成射流腔9、合成射流腔的出口缓冲腔10的水平横截面均为矩形，且均关于泵体14的水平中心轴16前后对称分布，形成平面型结构。圆形泵腔4的水平横截面为圆形，且关于泵体14的水平中心轴16前后对称分布。泵进口7和泵进口8结构相同，且关于水平中心轴16对称分布在合成射流腔9两侧。
再结合图4和图5，泵盖15上开有的灌泵口1在灌泵腔2的正上方，并且灌泵口1联通泵体14上的灌泵腔2，泵进口7和泵进口8联通泵体14上的合成射流腔9，泵出口11在合成射流腔的出口缓冲腔10的正上方，并且泵出口11联通泵体14上的合成射流腔的出口缓冲腔10。
泵体14上的灌泵腔2通过灌泵管3与圆形泵腔4联通，而圆形泵腔4与其出口缓冲腔5连成一体，圆形泵腔的出口缓冲腔5通过喷管6与合成射流腔9联结，而合成射流腔9与其出口缓冲腔10连成一体。
参见图6和图3，喷管6的前后宽度Da为0.2mm-1mm，喷管6的左右长度是La，长宽比La/Da为10:1。合成射流腔9的左右长度Lh与喷管6的宽度比值Lh/Da范围为30-60，合成射流腔9的前后宽度Dh与喷管6的宽度Da之比Dh/Da为140:1，圆形泵腔4的半径Rc与喷管6的前后宽度Da之比Rc/Da为45:1。泵体14上所刻蚀的结构高度h2与喷管6的直径Da之比h2/ Da为1:1。
参见图2，灌泵口1、泵进口7、8和泵出口11的水平横截面均为圆形，灌泵口1的半径为Rg，泵进口7和泵进口8的半径为Ri，泵出口11的半径为Ro。参见图3，灌泵管2的左右长度为Lg、前后宽度为Dg。合成射流腔的出口缓冲腔10的长、宽分别为LO，Do。参见图6，圆形泵腔的出口缓冲腔5的长、宽分别为Lc、Dc。尺寸Rg、Ri、Ro、Lg、Dg、LO，Do、Lc、Dc按常规技术手段选取，在这些尺寸指标范围内，使本发明能够实现连续出流，且泵送流量较大，工作稳定。
本发明工作时，在压电振子13的两端加载交变电压信号（正弦或矩形波信号），压电振子13会发生弯曲变形并随电压频率上下周期性振动，该振动带动圆形泵腔4内的流体流动，该流动过程可分为排出过程和吸入过程。排出过程如图7所示，压电振子13受到外界电场激励作用而向下振动时，圆形泵腔4的体积减小，使得圆形泵腔4内的压强增大且大于外界压强，从而流体从圆形泵腔4内通过喷管6排至合成射流腔9内。由于喷管6与合成射流腔9连接处形成突扩结构，流体受到强烈的剪切作用,从而在喷管6与合成射流腔9连接处产生流动分离形成漩涡对,漩涡对卷吸周围的流体向泵出口11流动，同时泵进口7，泵进口8以外的少量流体也被卷吸向泵出口11流动，大大增加了泵出口11的出流量。泵进口7和泵进口8的流进量分别为和，圆形泵腔4排出量为，泵出口11的排出量，则有。吸入过程如图8所示，压电振子13受到外界电场激励作用而向上振动时，圆形泵腔4的体积增大，圆形泵腔4内的压强降低且小于外界压强，从而流体通过泵进口7和泵进口8同时流入合成射流腔9内。由于排出过程中形成的漩涡已远离喷管6不受吸入过程的影响,并且卷吸泵进口7和泵进口8流入的少量流体，最终一起由泵出口11流出，使得吸入过程中泵出口11仍然在排出，实现了连续出流的目标。泵进口7和泵进口8流进量分别为和，圆形泵腔4流进量为，泵出口11流出量为，则有。根据合成射流的原理，流体在这种吸入和排出交替的过程中，形成连续不断的漩涡对并卷吸泵进口7和泵进口8流入的少量流体向泵出口11迁移，泵出口11在一个周期内一直有流体流出从而形成大流量连续出流。一个周期内总排出量为，泵腔体积变化量为，因此该平面型合成射流无阀压电微泵的容积效率为，容积效率高达78.3%以上。
Claims (6)
1.一种平面型合成射流无阀压电微泵，具有一个泵体（14），其特征是：泵体（14）上从左到右设有灌泵腔（2）、灌泵管（3）、圆形泵腔（4 ）的下半部分、圆形泵腔的出口缓冲腔（5）、喷管（6）、合成射流腔（9）、合成射流腔的出口缓冲腔（10），灌泵腔（2）通过灌泵管（3）与圆形泵腔（4）联通，圆形泵腔（4）与圆形泵腔的出口缓冲腔（5）连成一体，圆形泵腔的出口缓冲腔（5）通过喷管（6）与合成射流腔（9）联结，合成射流腔（9）与其出口缓冲腔（10）连成一体；灌泵腔（2）、灌泵管（3）、圆形泵腔的出口缓冲腔（5）、喷管（6）、合成射流腔（9）、合成射流腔的出口缓冲腔（10）的水平横截面均为矩形，且关于泵体（14）的水平中心轴前后对称分布，圆形泵腔4的水平横截面为圆形且关于泵体（14）的水平中心轴前后对称分布。
2.根据权利要求1所述一种平面型合成射流无阀压电微泵，其特征是：喷管（6）的前后宽度Da为0.2mm-1mm，喷管（6）的左右长度是La，长宽比La/Da为10:1，合成射流腔（9）的左右长度Lh与喷管6的宽度比值Lh/Da范围为30-60，合成射流腔（9）的前后宽度Dh与喷管（6）的宽度Da之比Dh/Da为140:1，圆形泵腔（4）的半径Rc与喷管（6）的前后宽度Da之比Rc/Da为45:1。
3.根据权利要求2所述一种平面型合成射流无阀压电微泵，其特征是：泵体（14）上所设结构高度h2与喷管（6）的直径Da之比h2/ Da为1:1。
4.根据权利要求1所述一种平面型合成射流无阀压电微泵，其特征是：泵体（14）的正上方是泵盖（15），泵体（14）和泵盖（15）通过真空氧等离子体键合工艺紧密联结。
5.根据权利要求4所述一种平面型合成射流无阀压电微泵，其特征是：泵盖（15）上设有灌泵口（1）、圆形泵腔（4）的上半部分、第一个泵进口（7）、第二个泵进口（8）、泵出口（11），第一个泵进口（7）和第一个泵进口（8）结构相同且关于泵体（14）的水平中心轴对称分布在合成射流腔（9）两侧，第一个泵进口（7）和第一个泵进口（8）联通合成射流腔（9）；灌泵口（1）在灌泵腔（2）的正上方且与其联通，泵出口（11）在合成射流腔的出口缓冲腔（10）的正上方且与其联通。
6.根据权利要求1所述一种平面型合成射流无阀压电微泵，其特征是：振动膜片（12）固定连接在圆形泵腔（4）的正上方，压电振子（13）通固定连接在振动膜片（12）上表面，压电振子（13）、振动膜片（12）和圆形泵腔（4）的中心线在竖直方向上下共线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181009 Termination date: 20190314 |