CN107387378A - 内置柔顺结构无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械领域，涉及一种内置柔顺结构无阀压电泵，包括由泵盖和泵座组成的泵体，设置在泵盖和泵座之间的泵腔，以及设置在泵腔内的压电振子和密封圈，所述的泵座侧壁设有连通泵腔与外界的第一、二导管，所述的第一、二导管对称地设置在泵座侧壁上；所述的泵腔底座底部设有至少一个直通槽；所述的直通槽内设有至少一个结构体。所述结构体沿第一、二导管方向排列，其具有迎流面。该无阀压电泵在无阀压电泵小型化和微型化基础上实现大流量输出。

Description

内置柔顺结构无阀压电泵

技术领域：

本发明属于流体机械领域，涉及一种内置柔顺结构无阀压电泵。

技术背景：

压电泵是集驱动部件、工作部件和控制部件于一体的便于集成的新型微型泵，其利用压电元器件的逆压电效应，将电能转换为机械能，再经特定结构传递给流体，形成流体泵。与传统泵相比，压电泵具有：结构简单、可实现微型化和集成化、无噪声、无电磁干扰、可根据施加电压或频率控制输出微小流量等显著优点，故而在化学分析、MEMS器件及其散热、燃料供给等领域有着广阔的应用前景。

无阀压电泵主要利用管道或者泵腔的特殊结构或形状，形成无移动部件阀，实现流体的单向运动，针对无阀压电泵的无移动部件阀，目前研究比较成熟的有管道“阀”类、腔底“阀”类和阻流体“阀”类等。管道“阀”类无阀压电泵如锥形流管无阀压电泵、异形流管无阀压电泵、Y形流管无阀压电泵等，均靠流管的特殊形状形成流阻差，从而实现泵的功能。但是此类泵存在着显著的问题：起到阀作用的进出水管道设置于泵腔外面，增大了泵的整体尺寸，不利于压电泵的微型化，同时管道类无阀压电泵输出流量较小，属于微流泵。腔底“阀”类无阀压电泵如扁锥腔无阀压电泵、波纹腔底无阀压电泵等，针对管道“阀”类无阀压电泵的不足进行改进，将泵的无移动部件阀置于泵腔内，类似效果的还有阻流体“阀”类无阀压电泵，如可旋转嵌块无阀压电泵、半球缺阻流体无阀压电泵等，这类泵结构紧凑，易于实现泵的微小型化，虽然其输出量较管道“阀”类泵有所提高，但泵送能力依然有限，且此种结构使得泵腔内结构复杂，增大了加工难度。

传统机械系统或机构都是由刚性构件以运动副连接而成的，这在高速、精密、微型等高性能的要求下容易暴露一些不可避免的问题，如由机械结构决定的加工、安装、误差等，从而使得机器的精度降低、寿命缩短、成本增加。柔顺结构的出现则从机构设计这一根本角度为解决上述问题提供了新颖彻底的方法。柔顺机构利用柔性构件的变形来实现机构的主要运动和功能，同样的也能实现运动、力和能量的传递和转换，其在降低成本和提供性能这两大方面比传统刚性机构具有明显的优势，并在轻型、微型化领域有着广泛的应用前景。

发明内容：

针对上述技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种利用可变柔顺结构体代替传统无移动部件阀的无阀压电泵，并在进一步减小体积及结构尺寸的同时增大泵送能力。

为了实现上述效果，本发明提供了一种内置柔顺结构无阀压电泵，包括由泵盖和泵座组成的泵体、设置在泵盖和泵座之间的泵腔，以及设置在泵腔内的压电振子和密封圈，所述的泵座侧壁设有连通泵腔与外界的第一、二导管，所述的第一、二导管对称地设置在泵座侧壁上；所述的泵腔底座设有至少一个直通槽；所述的直通槽内设有至少一个结构体。

所述的结构体宏观上表现为但不仅限于1/4薄壁圆筒，圆筒外壁为第一迎流面，圆筒内中空区域可视为第二迎流面。所述的第一迎流面和第二迎流面组成结构体的工作部分，其可为光滑、圆顺的曲面。

进一步的，所述的结构体5为软质材料制成，或者所述结构体5为软质的柔顺结构，在泵工作时，其由第一迎流面51和第二迎流面52组成的工作部分可在水流中产生移动。

进一步的，所述的结构体5包括底面53，其通过底面53固结在直通槽8中，且所述结构体5的第一迎流面51与底面53的交线与直通槽8中轴线垂直。

作为一种优选，所述的结构体5包括若干个，各结构体5等距设置在直通槽8中；所述的结构体5其相邻两个之间有间距或没有间距设置。

作为一种优选，所述的直通槽8中轴线与第一、二导管7a，7b的中轴线平行。

作为一种优选，所述的压电振子4由一金属片42和分别粘贴在其两面的第一、二压电片41a、41b组成。

作为一种优选，所述的压电振子4水平设置于泵腔3中，且压电振子4与泵腔3周缘之间设有密封圈6。

与现有技术相比，本发明的优势在于，结构上，本发明的内置柔顺结构无阀压电泵将起到“阀”作用的结构体置于泵腔内部，同流管“阀”类无阀压电泵相比，省去泵腔外部管道，优化泵整体结构，缩小泵体体积，利用实现泵的微小型化；同腔底“阀”类及阻流体“阀”类无阀压电泵相比，本发明创新性地引入柔顺结构的概念，使得无阀压电泵中起到“阀”作用的部件可随泵整体工作状态发生改变。功能上，同上述三类无阀压电泵相比，本发明的内置柔顺结构无阀压电泵能够提供更大的输出量，在泵微小型化的同时，提高泵送能力。

附图说明：

图1是内置柔顺结构无阀压电泵的俯视图；

图2是内置柔顺结构无阀压电泵A-A向主剖视图；

图3是内置柔顺结构无阀压电泵A-A向主剖视工作原理图；

图4是内置柔顺结构无阀压电泵泵腔俯视图；

图5是内置柔顺结构无阀压电泵泵腔B-B向主剖视图；

图6是压电振子主剖视图；

图7是结构体单元俯视图；

图8是结构体单元C-C向主剖视图。

图中序号说明

1 泵盖

2 泵座

3 泵腔

4 压电振子

41a、41b 压电片

42 金属片

5 结构体

51 第一迎流面

52 第二迎流面

53 底面

6 密封圈

7a、7b 第一、二导管

8 直通槽

9 螺钉。

具体实施方式：

如图1、图2、图4、图5、图6、图8所示，本实施实例的内置柔顺结构无阀压电泵，包括由泵盖1和泵座2组成的泵体、设置在泵盖1和泵座2之间的泵腔3，以及设置在泵腔内的压电振子4和密封圈6。所述的泵座2侧壁设有连通泵腔3与外界的第一导管7a及第二导管7b，所述的第一导管7a和第二导管7b对称地设置在泵座2侧壁上；导管7与泵座2通过市售密封胶固接，泵盖1与泵座2之间通过标准螺钉9联接。直通槽以及结构体的数量根据泵底座的大小而定。

如图1、图2所示，本实施例的内置柔顺结构无阀压电泵在腔底开设一个直通槽8，所述的直通槽8沿泵腔3直径方向设置，且其横向中心线与第一导管7a及第二导管7b的中轴线平行且在同一竖直平面内。所述的直通槽8内等距的设置5个结构体5。所述的直通槽设置在泵腔内，其中轴线与第一、二导管的中轴线平行，直通槽的数量由泵底座的大小而确定，直通槽数量增多，相应的阻流体数量也增加。

如图7、图8所示，所述的结构体5具有第一迎流面51、第二迎流面52以及底面53，结构体5以底面53与腔底固接方式配合，且第一迎流面51与底面53的交线与直通槽8横向中心线垂直，所述的第一迎流面51采用1/4圆筒形式。从外部导管流进泵腔的来流沿两个方向同时作用在结构体上时，结构体各方向受到的阻力不同，受到阻力大的表面所流过的体积小于受到阻力小的一则所流过的体积。另外，本发明所设计的结构体为柔顺结构，在腔内压力和流体的作用下，理论上其工作部分可绕结构体轴线在0°——90°范围内旋转，即角α在0°——90°之间变化。所述的结构体通过其底面固结在直通槽上，相邻的两个结构体单元等距排列，两者之间有间距或者没有间距，泵工作时，同一直通槽内的不同结构体不同步变化，从而形成较大的流阻差，提高泵送能力。

如图6所示，所述的压电振子4由一金属片42和分别粘贴在其两面的第一压电片41a和第二压电片41b组成，所述的压电振子4为非标准件，本实施例中采用的压电振子4为直径50mm圆形振子，相应的，泵腔3的横截面也为圆形。压电振子一般由圆形的金属片和粘贴在其两面的第一、第二压电片组成的振动片，以此作为本发明无阀压电泵的动力源。为与圆形的压电振子形状相适应，所述的泵腔截面也呈圆形。同时，压电振子与泵腔之间设有密封圈，以使得本发明的无阀压电泵具有良好的密封性。

如图3所示，本实施例的内置柔顺结构无阀压电泵的工作过程可描述如下：将220V、50Hz的交流电压施加于压电振子4，压电振子4在逆压电效应下在平衡位置两侧产生轴向振动，轴向振动位移引起泵腔容积变化。吸程时，压电振子4向上隆起，泵腔3容积增大，腔内压强减小，水流从两侧导管7同时流入，由于从第一导管7a流入的水流经过结构体受到的阻力远小于从第二导管7b流入的水流所受到的阻力，所以从第一导管7a流入的水流体积大于从第二导管7b流入的水流体积；排程时，压电振子4向下凹入，泵腔3容积减小，腔内压强增大，水流由泵腔3内同时经由两侧导管7排出，同吸程原理一致，从第二导管7b流出的水流体积大于从第一导管7a流出的水流体积。从宏观角度来看，本实施例内置柔顺结构无阀压电泵工作时，水流总是从第一导管7a流入泵腔3，再经第二导管7b流出，实现了水流的单向运动，进而起到泵送流体的功能。

本技术方案的内置柔顺结构无阀压电泵工作时，其工作原理为，对压电振子施加交流电压，压电振子在逆压电效应的作用下产生轴向运动，从而引起泵腔容积的变化。当压电振子从最低点向上运动到最高点时，泵腔体积增大，腔内压强减小，结构体逆时针转动，即角α增大，压电泵处于吸程状态，流体经由第一、二导管进入泵腔，但由于流体经第一导管流向结构体第一迎流面所受到的阻力远小于流体经第二导管流向结构体第二迎流面所受到的阻力，致使经第一导管进入泵腔的流体体积大于经第二导管进入泵腔的流体体积；当压电振子从最高点向下运动到最低点时，泵腔体积减小，压强增大，结构体顺时针转动，即角α减小，压电泵处于排程状态，表现为腔内流体经结构体及两侧导管同时排出腔外，但腔内流体经过结构体第二迎流面所受到的阻力远大于流体经过第一迎流面所受到的阻力，致使流体经第二迎流面进入第一导管的体积小于流体经第一迎流面进入第二导管的体积。综合分析本无阀压电泵吸程和排程状态的流动过程，吸程状态时吸入流体多的一侧导管排程状态时排出的流体就少；吸程状态吸入流体少的一侧导管排程状态时排出的流体就多。从而宏观上可表现为流体总是从一侧导管流入泵腔，再经由另一侧导管流出，实现了流体的单向运动，起到泵送流体的作用。

本发明所设计的结构体不同于此前自身无法变化的管道“阀”、腔底“阀”以及阻流体“阀”，在起到“阀”作用的同时，其自身可随工作状态改变方向，宏观上考虑流体的单向运动：吸程状态时，结构体角α最大，排程状态时，结构体角α最小。故而排程时流体经由第一迎流面所受到的阻力小于吸程时流体经由第一迎流面所受到的阻力，从而增大流体的输出量，提高泵送能力。理论上结构体的工作部分沿两个相反方向上的迎流面为非对称结构，均可起到“阀”的作用，例如圆弧形曲面、平面、不规则折弯面等，考虑泵的工作效果，优选圆弧形曲面作为结构体的工作部分。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内置柔顺结构无阀压电泵，包括由泵盖(1)和泵座(2)组成的泵体，设置在泵盖(1)和泵座(2)之间的泵腔(3)，以及设置在泵腔内的压电振子(4)，其特征在于，所述的泵座(2)侧壁设有连通泵腔(3)与外界的第一、二导管(7a，7b)，所述的第一、二导管(7a，7b)对称地设置在泵座(2)侧壁上；所述的泵腔(3)底部设有至少一个直通槽(8)；所述的直通槽(8)内设有至少一个结构体(5)；

所述结构体(5)沿第一、二导管(7a，7b)方向排列，其具有迎流面。

2.如权利要求1所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的结构体(5)的迎流面方向一致，每个结构体(5)具有第一迎流面(51)和第二迎流面(52)，所述的第一迎流面(51)和第二迎流面(52)组成结构体的工作部分，其为光滑的曲面或平面。

3.如权利要求1或2所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的结构体(5)为软质材料制成，或者所述结构体(5)为软质的柔顺结构，在泵工作时，其由第一迎流面(51)和第二迎流面(52)组成的工作部分可在水流中产生移动。

4.如权利要求1或2或3所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的结构体(5)包括底面(53)，其通过底面(53)固结在直通槽(8)中，且所述结构体(5)的第一迎流面(51)与底面(53)的交线与直通槽(8)中轴线垂直。

5.如权利要求4所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的结构体(5)包括若干个，各结构体(5)等距设置在直通槽(8)中。

6.如权利要求5所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的结构体(5)其相邻两个之间有间距或没有间距设置。

7.如权利要求5所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的直通槽(8)中轴线与第一、二导管(7a，7b)的中轴线平行。

8.如权利要求1所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的压电振子(4)由一金属片(42)和分别粘贴在其两面的第一、二压电片(41a、41b)组成。

9.如权利要求1或8所述的内置柔顺结构无阀压电泵，其特征在于，所述的压电振子(4)水平设置于泵腔(3)中，且压电振子(4)与泵腔(3)周缘之间设有密封圈(6)。