CN108105050B - 一种变刚度压电振子驱动的微滴泵 - Google Patents

一种变刚度压电振子驱动的微滴泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种变刚度压电振子驱动的微滴泵，包括支撑夹块、变刚度压电振子、泵体、入口软管、出口软管和辅助软管。其中变刚度压电振子由压电纤维复合材料与金属基板粘合而成，中间开有圆孔，用于连接泵体。压电振子周边采用变刚度夹持的支撑方式，通过旋转压电振子的角度，以改变其刚度，达到刚度连续可变的目的；泵体由入口管、出口管、入口泵体、中间泵体、出口泵体、阀座和阀片组成，其中阀片粘贴在泵体下游一侧；辅助软管连通容器与出口软管，并且在辅助软管中设有辅助止回阀。本发明压电振子采用垂直于水平面的布置方式，消除压电振子与泵体自身重力对压电振子振动性能的影响，此外通过设置辅助软管可以增大微滴泵的工作效率。

Description

一种变刚度压电振子驱动的微滴泵
技术领域
本发明属于微流体传输与控制以及微机械技术领域，是一种利用惯性力输送流体的泵送装置，具体涉及一种基于压电纤维复合材料驱动的变刚度压电振子微滴泵
背景技术
压电驱动微泵结构简单，不受磁场的干扰，便于控制，能量密度高，频率范围广，体积小，耗能低，可靠性强等特点，具有其他驱动微泵无法比拟的优势，故受到了国内外学者广泛的追捧。压电泵作为新型驱动泵，现已广泛应用于航空航天、生物医学、电子器件及燃料供给等各个领域内。其典型的工作模式为压电振子往复振动引起泵腔容积变化。泵腔内的两个单向阀对应动作形成吸程与排程两个工作阶段。然而，由于压电振子在电场作用下的驱动位移小，从而产生的泵腔体积变化也小，效率较低；另外，由于传统的压电陶瓷经常出现发热、容易破碎、严重影响了压电泵的工作寿命。
发明内容
压电纤维复合材料作为一种新型压电材料，其驱动力大、不易破碎，具有良好的应用前景，发明将柔性压电纤维复合材料应用于微泵驱动方向，将其与微泵相结合，利用惯性原理，设计出一种基于压电纤维复合材料驱动的、可精确控制流量的微滴泵，
上述目的主要通过以下技术方案来实现：
本发明一种变刚度压电振子驱动的微滴泵，包括支撑夹块、变刚度压电振子、泵体、入口软管、出口软管、辅助软管。其中变刚度压电振子由压电纤维复合材料与金属基板粘合而成，中间开有圆孔，用于连接泵体，并且压电振子采用垂直于水平面的布置方式，消除压电振子与泵体自身重力对压电振子振动性能的影响；泵体由入口管、出口管、入口泵体、中间泵体、出口泵体、左阀座、左阀片、右阀座和右阀片组成，其中阀片粘贴在阀座下游一侧；辅助软管连通容器与出口软管，并且在辅助软管中设有辅助止回阀片；软管的出口位置高于容器液面高度，防止流体自动流出。初始状态，泵体位置低于容器内流面高度，因此泵腔中始终充满流体。工作时，压电振子带动泵体左右往复振动，泵体中的阀片受到自身惯性力和上下游泵腔中流体压力差的作用，泵体中阀片开启，流体通过阀孔流入到下游泵腔中；出口处的流体具有较高的动能，使辅助软管与泵体出口连接处的静压降低，将辅助软管中流体通过辅助止回阀片吸入到出口软管中，因此在压电振子连续振动过程中流体将持续从出口泵出，如此周而复始可达到连续泵送的目的。
所述的压电泵在泵体结构外设有辅助软管，连接容器与出口软管，容器内的流体一部分从泵体中泵出，一部分从辅助软管中泵出，增大了压电泵的输出流量。
所述的变刚度压电振子周边采用变刚度夹持的支撑方式，通过旋转压电振子的角度，以改变其刚度，达到刚度连续可变、固有频率连续可调的目的。
所述的阀座可以为两层、单层，或者多层，形成多腔串联微滴泵，增大其输出压力。
所述的阀座可以布置单个阀孔，也可以布置多个阀孔，止回阀片可以为悬臂梁阀、轮式阀，也可以为多瓣止回阀。
附图说明：
图1为本发明一种变刚度压电振子驱动的微滴泵的结构示意图
图2为本发明所采用的变刚度压电振子结构图
图3为本发明所采用的一种多阀孔的阀座与其想对应的多瓣止回阀片图
图4为本发明的工作原理图
其中：1-支撑夹块；2-变刚度压电振子；3-入口管；4-入口泵体；5-左阀座；6-左阀片；7-中间泵体；8-出口泵体；9-右阀座；10-右阀片；11-出口管；12-辅助软管；13-辅助止回阀；14-入口软管；15-出口软管；16-容器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构和原理做进一步的描述
一种变刚度压电振子驱动的微滴泵，包括支撑夹块1、变刚度压电振子(2、泵体、入口软管14、出口软管15、辅助软管12。其中变刚度压电振子2由压电纤维复合材料22与金属基板21粘合而成，中间开有圆孔，用于连接泵体，并且压电振子2采用垂直于水平面的布置方式，消除压电振子2与泵体自身重力对压电振子振动性能的影响；泵体由入口管3、出口管11、入口泵体4、中间泵体7、出口泵体8、左阀座5、左阀片6、右阀座9和右阀片10组成，其中阀片粘贴在阀座下游一侧；辅助软管12连通容器16与出口软管15，并且在辅助软管12中设有辅助止回阀片13；软管15的出口位置高于容器16液面高度，防止流体自动流出。初始状态，泵体位置低于容器12内流面高度，因此泵腔中始终充满流体。
参照图4(a)-(b)，当压电振子2向右运动时，带动泵体一起由中间平衡位置运动到最右端，由于在中间位置时泵体速度最大，因此泵体向右做减速运动，此时泵体内的阀片6、10在自身惯性力和上下游泵腔中流体压力差的作用下开启，流体通过阀孔流入到下游泵腔中；由于出口管11处的流体具有较高的动能，使辅助软管12与泵体出口软管15连接处的静压降低，将辅助软管12中流体通过辅助止回阀片13吸入到出口软管15中，出口软管中流体由出口泵出。
参照图4(b)-(c)，当压电振子带动泵体从最右端运动到中间平衡位置时，在这一阶段，由于泵体与泵体中流体的相对运动，阀片在自身惯性力、上下游泵腔中流体压力差的作用下始终保持开启状态，流体由阀孔流入到下游泵腔中，由于出口管11处的流体具有较高的动能，使辅助软管12与泵体出口软管15连接处的静压降低，将辅助软管12中流体通过辅助止回阀片13吸入到出口软管15中，出口软管中流体由出口泵出。
参照图4(c)-(d)，泵体由中间平衡位置运动到最左端，在这一阶段，泵体将减速向左运动。由于泵体与流体同样具有相对运动，因此阀片6、10将一直开启，流体经阀孔流入到右侧泵腔中，同时只要右侧出口流体具有较高的动能，辅助止回阀片13将始终保持开启状态。
参照图4(d)-(a)，泵体由最左端运动到中间平衡位置，在这一阶段，阀片6、10、13始终处于关闭状态。

Claims (2)

1.一种变刚度压电振子驱动的微滴泵，包括支撑夹块（1）、变刚度压电振子（2）、泵体、入口软管（14）、出口软管（15）、辅助软管（12）；其中变刚度压电振子（2）由压电纤维复合材料（22）与金属基板（21）粘合而成，中间开有圆孔，用于连接泵体，并且压电振子（2）采用垂直于水平面的布置方式，消除压电振子（2）与泵体自身重力对压电振子振动性能的影响，且变刚度压电振子（2）周边采用变刚度夹持的支撑方式，通过旋转压电振子（2）的角度，以改变其刚度，达到刚度连续可变、固有频率连续可调的目的；泵体由入口管（3）、出口管（11）、入口泵体（4）、中间泵体（7）、出口泵体（8）、左阀座（5）、左阀片（6）、右阀座（9）和右阀片（10）组成，其中阀片粘贴在阀座下游一侧；且所述的阀座（5、9）根据实际工作条件选择使用单层阀座或多层阀座，形成单腔或多腔串联微滴泵；辅助软管（12）连通容器（16）与出口软管（15），并且在辅助软管（12）中设有辅助止回阀片（13）；软管（15）的出口位置高于容器（16）液面高度，防止流体自动流出；初始状态，泵体位置低于容器（16）内流面高度，因此泵腔中始终充满流体；工作时，压电振子（2）带动泵体左右往复振动，泵体中的阀片受到自身惯性力和上下游泵腔中流体压力差的作用，泵体中阀片（6、10）开启，流体通过阀孔流入到下游泵腔中；出口处的流体具有较高的动能，使辅助软管（12）与泵体出口连接处的静压降低，将辅助软管中流体通过辅助止回阀片（13）吸入到出口软管（15）中，因此在压电振子连续振动过程中流体将持续从出口泵出，如此周而复始可达到连续泵送的目的。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度压电振子驱动的微滴泵，其特征在于：所述的阀座（5、9）上阀孔根据实际使用情况调整为单孔或多孔；单向阀根据实际使用情况选择使用轮式阀、悬臂梁阀或者多瓣阀。
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