CN107605713A - 一种大流量的无阀微泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大流量的无阀微泵，属于流体机械领域。本发明通过设计收缩/扩散管的窄口宽度为与主腔体连接口的最小长度；以及控制泵膜使主腔体体积改变的方向与压缩管和扩散管在一个平面内。有助于在扩散/收缩管出口处形成湍流，减少液体回流，提高微泵工作输出效率；泵体材料选用玻璃或金属的易加工材料。相比现有技术，本发明的加工成型和装配方便；减少液体不必要的回流，大幅提高微泵工作效率，提升流量。

Description

一种大流量的无阀微泵

技术领域

本发明涉及一种大流量的无阀微泵，属于流体机械领域。

背景技术

微机电系统MEMS自被提出以来，一直保持着高速发展态势，并已经从早期单纯的微电子和微机械元件扩展到包含热、光、磁和流体等诸多元素的复杂系统。其功能也由最初的信号采集、处理和执行拓展到显示、控制以及作为生物化学试验和检测的载体。目前，MEMS正在压力/加速度传感器、喷墨打印喷头、生物医药、化学分析等领域得到越来越广泛的应用，有着广阔的发展前景和巨大的市场潜力。

微流体系统是MEMS的一个重要分支，其组成包括微泵、微阀、微流道、微混合器等过流元件，以及微传感器、I/O接口、微光学检测仪器等设备。其功能有微流体的输送、流量控制、混合或分离以及成分分析等。基于MEMS的微流体系统具有集成度高和易于大批量生产的特点，同时由于其尺寸小、功耗低、响应快和精度高等优点，在化学分析、生物技术、微芯片冷却、微流体供给等领域有广阔的应用前景。

微泵是微流体系统中的重要组成部件，是能将外界输入的能量进行转化后用于为流体提供压力或动能以克服流动阻力损失的设备。微泵中流动通道的特征尺寸一般为亚毫米或微米级，在该尺度下流体流动的物理环境及其流体特性会发生变化，其输出流量范围从纳升每分钟到几百毫升每分钟。其功耗小，适合规模生产，并容易与其他系统集成。目前主要承担微流控芯片试验室中流体的驱动和控制功能，在微化学分析系统、微混合器、芯片冷却系统、微动力系统、轴承润滑、燃料供给装置和微量注射系统中都有着广泛的应用。

微泵的类型多种多样，按驱动方式可分为压电致动式、气动式、热气动式、热机械驱动式以及静电致动式；按工作过程可分为往复式、蠕动式、电气液力式以及超声波式。泵体也有多种选择，尤为引人注目的是低损耗的无阀式泵体，它既提高了器件的寿命，也降低了工艺的难度。泵体的制备工艺和材料选择也发展得很迅速，如LICA技术，DEM技术、高性能、低成本的塑料热压成型技术，甚至传统的塑料材料及其工艺都可用来制作泵体。按照对流体作用方式的不同，微泵可以分为机械式和非机械式两大类。非机械微泵指不利用机械部件的运动，而是针对流体介质本身的特性，通过电、热、光等手段驱动流体的微泵。驱动方式包括电渗驱动、磁流体驱动、电液动力驱动等。机械式微泵指利用运动的机械部件，如振动的膜片或者阀片等对流体做功来驱动流体的微泵。机械式微泵包括膜片式微泵，旋转式微泵等。

另外，微泵根据其有无可动阀片可分为有阀型微泵和无阀型微泵。常见的有阀微泵通过单向阀控制进出口的开闭来泵送流体，输送压力较高，但由于其结构较为复杂，阀片的疲劳或者损伤会严重影响泵的性能，在输送含有较大颗粒溶质时有发生堵塞的风险。

而无阀微泵没有阀结构，是利用流体在特殊流管中双向流动的流阻差异来泵送流体，其典型结构为扩散收缩管无阀压电微泵，如图1所示，其工作原理由图2～3所示，在图2中，当振膜1c受外力驱动向上变形时，腔体体积增大，液体由两边腔体3c和4c分别经扩散管和收缩管5c和6c吸入，但由于流体在流管中沿扩散方向流动的流阻小于收缩方向，因此在吸入过程中，经5c流入的流量大于由6c流入的流量，而在腔体体积减小时，液体排出过程中则相反，经6c排出的液体流量大于5c流出的流量，故一个周期内出口与进口流量的净差即为输出流量。

然而，该无阀微泵具有下列的问题：

1.如图4所示，泵膜驱动装置驱动方向与收缩/扩撒管方向垂直，不能充分限制液体回流，效率无法提高；

2.如图5所示，泵体通常为扁平化的，腔体深度不够，收缩/扩散管在作为收缩管时与腔体衔接处不能充分发展出漩涡和湍流，无阀有效的限制了液体的回流，导致无阀微泵的效率不高。

发明内容

针对现有技术的不足，为了提高无阀微泵的输出流量和容积效率。本发明提供了一种大流量的无阀微泵，对泵体结构进行了优化，提高了微泵性能，能够在不显著增大尺寸的前提下、具有较好流动特性、可输出大流量的无阀微泵。

一种大流量的无阀微泵，包括泵体、出入口导管、泵膜和泵膜驱动装置。

所述泵体内部结构由依次连接的入口侧腔体、入口收缩/扩散管、主腔体、出口收缩/扩散管和出口侧腔体组成。最中间是主腔体，与主腔体相连接的是两个收缩/扩散管，分为入口收缩/扩散管和出口收缩/扩散管，与入口收缩/扩散管相连的是入口侧腔体，与出口收缩/扩散管相连的是出口侧腔体。出口侧腔体另一端接出口导管，入口侧腔体另一端接入口导管，与外界进行液体流动。

所述主腔体设有一开口，开口处设有大小相适应的泵膜，并配以泵膜驱动装置使泵膜形变从而使主腔体体积改变。

所述收缩/扩散管的窄口宽度为与主腔体连接口的最小长度。

进一步的，所述薄膜驱动装置驱动主腔体变化的方向与压缩管和扩散管在一个平面内。

进一步的，所述收缩/扩散管的窄口宽度与其同主腔体连接口其余边的比值范围为2～10倍。此时收缩/扩散管的在处于收缩管状态时与腔体衔接处能很好的发展出漩涡和湍流，限制液体不必要的回流，提高泵出效率。

进一步的，所述大流量的无阀微泵泵体材料为玻璃或金属。

进一步的，所述泵体采用上下盖板两部分制备，将上下两片盖板相对应的密封固定在一起形成泵体及其内部结构。

本发明中，当主腔体体积增大时，外部导管中液体经过两个侧腔体和两个收缩/扩散管向主腔体流动，由于收缩/扩散管的特殊角度结构，此时入口收缩/扩散管起的是扩散管作用，液体可以很容易通过其流入主腔体，而此时出口收缩/扩散管起的是收缩管的作用，液体在通过其流入主腔体时，会在出口收缩/扩散管与主腔体衔接处形成漩涡和湍流，从而减缓液体的流动，因此从入口收缩/扩散管流入主腔体的液体体积大于从出口收缩/扩散管流入主腔体的液体体积。

当主腔体体积减小时，主腔体内的液体被压缩通过两个收缩/扩散管和两个侧腔体流入两侧导管中，由于收缩/扩散管的特殊角度结构，此时出口收缩/扩散管起的是扩散管作用，液体可以很容易通过其流入出口侧腔体，而此时入口收缩/扩散管起的是收缩管的作用，液体在通过其流入出口侧腔体时，会在入口收缩/扩散管与入口侧腔体衔接处形成漩涡和湍流，从而减缓液体的流动，因此从主腔体流经出口收缩/扩散管的液体体积大于流经入口收缩/扩散管的液体体积。

一个循环下来，便形成了经入口收缩/扩散管和出口收缩/扩散管的净流量。因此,当泵腔体积在泵膜驱动装置驱动下不停地交替变化时，产生净流量差，就形成了流体的单向流动。

本发明利用微泵的扩散/收缩管窄边宽度小于微泵的腔体和扩散/收缩管的窄边垂直方向的宽度，并且微泵的泵膜驱动装置位置与扩散/收缩管在同一平面；这两方面的设计均有助于在扩散/收缩管出口处形成湍流，减少液体回流，提高微泵工作输出效率。

综上所述，本发明的优点在于：泵体材料选用玻璃或金属的易加工材料，加工成型和装配方便；减少液体不必要的回流，大幅提高微泵工作效率，提升流量。

附图说明

图1为常见无阀微泵平衡模式图；

图2为常见无阀供给模式图；

图3为常见无阀微泵泵出模式图；

图4为常见无阀微泵主视图；

图5为常见无阀微3D视图；

图6为实施例的无阀微泵3d图；

图7为实施例的无阀微泵3d透视图；

图8为实施例的无阀微泵的剖分示意图；

图9为实施例的无阀微泵在供给模式下的流体示意图；

图10为实施例的无阀微泵在泵出模式下的流体示意图；

图11为传统无阀微泵仿真模型图；

图12为实施例的无阀微泵仿真模型图；

图13为传统无阀微泵和实施例的无阀微泵仿真得出的流量曲线对比图。

附图标记：

主腔体-1a；上盖板-2a；下盖板-3a；入口收缩/扩散管-4a；出口收缩/扩散管-5a；导管-6a；泵膜驱动装置-7a；入口侧腔体-8a；出口侧腔体-9a；

传统无阀微泵泵膜驱动装置-1c；传统无阀微泵主腔体-2c；传统无阀微泵入口侧腔体-3c；传统无阀微泵出口侧腔体-4c；传统无阀微泵入口收缩/扩散管-5c；传统无阀微泵出口收缩/扩散管-6c。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

如图7所示，一种大流量的无阀微泵，包括有主腔体-1a；上盖板-2a；下盖板-3a；入口收缩/扩散管-4a；出口收缩/扩散管-5a；导管-6a；泵膜驱动装置-7a；入口侧腔体-8a；出口侧腔体-9a。

所述的泵体由上盖板-1a、下盖板-2a通过键合封装而成，泵体内部结构包括位于中间部分的主腔体-1a，在主腔体-1a两侧分别为入口收缩/扩散管-4a和出口收缩/扩散管-5a，在两个收缩/扩散管旁边分别又为入口侧腔体-8a和出口侧腔体-9a，在主腔体上方是泵膜驱动装置-7a，而两个侧腔体则与导管-6a相连，一起构成了无阀微泵的结构。

主腔体-1a在泵膜驱动装置的驱动下，即可使其体积发生改变。如图9所示，当主腔体-1a体积增大时，外部导管-6a中液体经过两个侧腔体8a、9a和两个收缩/扩散管4a、5a向主腔体-1a流动，由于收缩/扩散管的特殊角度结构，此时入口收缩/扩散-4a管起的是扩散管作用，液体可以很容易通过其流入主腔体-1a，而此时出口收缩/扩散管-5a起的是收缩管的作用，液体在通过其流入主腔体-1a时，会在出口收缩/扩散管-5a与主腔体-1a衔接处形成漩涡和湍流，从而减缓液体的流动，因此从入口收缩/扩散管-4a流入主腔体-1a的液体体积大于从出口收缩/扩散管-5a流入主腔体-1a的液体体积。

而如图10所示，当主腔体体积-1a减小时，主腔体-1a内的液体被压缩通过两个收缩/扩散管-4a、5a和两个侧腔体-8a、9a流入两侧导管-6a中，由于收缩/扩散管的特殊角度结构，此时出口收缩/扩散管-5a起的是扩散管作用，液体可以很容易通过其流入出口侧腔体-9a，而此时入口收缩/扩散管-4a起的是收缩管的作用，液体在通过其流入入口侧腔体-4a时，会在入口收缩/扩散管-4a与入口腔体-8a衔接处形成漩涡和湍流，从而减缓液体的流动，因此从主腔体-1a流经出口收缩/扩散管-5a的液体体积大于流经入口收缩/扩散管-4a的液体体积。一个循环下来，便形成了经入口收缩/扩散管-4a和出口收缩/扩散管-5a的净流量。因此，当主腔体-1a体积在泵膜驱动装置-7a驱动下不停地交替变化时,产生净流量差，就形成了流体的单向流动。

本发明在充分研究该收缩/扩散管的原理以及其和三个腔体的关系的情况下，经过流体力学分理论分析和有限元分析软件进行精确仿真计算，得出了可以在液体流经处于收缩管状态下的收缩/扩散管时充分发展出漩涡和湍流从而减少液体不必要的回流的新结构。

作为对比，本发明选择了有限元仿真软件对传统无阀微泵和实施例结构微泵进行多物理场仿真，观察在仿真情况下液体流动的具体情况，以及对比二者在相同时间内输出的流量大小。

图5是传统无阀微泵，图7是实施例结构微泵，根据建模设计，图5所示传统无阀微泵整体体积为40mm*20mm*0.5mm＝400mm³，图7所示实施例结构微泵体积为40mm*10mm*20mm＝8000mm³，后者体积约为前者的20倍。通过抽象出二者的仿真模型，传统无阀微泵仿真模型如图11所示，实施例无阀微泵仿真模型如图12所示。在二者均施以相同初始条件和边界条件下经过精确仿真得出结果，传统无阀微泵计算出流量约为0.041ml/min，实施例结构微泵计算出流量约为51.97ml/min，后者约为前者1267.56倍，再除去体积因素，可以得出在相同体积下，实施例结构微泵在相同条件下是传统无阀微泵流量的63.37倍。两者对比流量曲线图如图13所示。

综上所述，可见本发明可以实现大大提高微泵流量的输出。

Claims (5)

1.一种大流量的无阀微泵，包括泵体、出入口导管、泵膜和泵膜驱动装置，其特征在于：

所述泵体内部结构由依次连接的入口侧腔体、入口收缩/扩散管、主腔体、出口收缩/扩散管和出口侧腔体组成；最中间是主腔体，与主腔体相连接的是两个收缩/扩散管，分为入口收缩/扩散管和出口收缩/扩散管，与入口收缩/扩散管相连的是入口侧腔体，与出口收缩/扩散管相连的是出口侧腔体；出口侧腔体另一端接出口导管，入口侧腔体另一端接入口导管，与外界进行液体流动；

主腔体设有一开口，开口处设有大小相适应的泵膜，并配以泵膜驱动装置使泵膜形变从而使主腔体体积改变；

所述收缩/扩散管的窄口宽度为与主腔体连接口的最小长度。

2.如权利要求1所述大流量的无阀微泵，其特征在于：所述薄膜驱动装置驱动主腔体变化的方向与压缩管和扩散管在一个平面内。

3.如权利要求1所述大流量的无阀微泵，其特征在于：所述收缩/扩散管的窄口宽度与其同主腔体连接口其余边的比值范围为2～10倍。

4.如权利要求1所述大流量的无阀微泵，其特征在于：所述泵体的材料为玻璃或金属。

5.如权利要求1所述大流量的无阀微泵，其特征在于：所述泵体采用上下盖板两部分制备，将上下两片盖板相对应的密封固定在一起形成泵体及其内部结构。