CN108612643A - 一种设有立体流管的无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设有立体流管的无阀压电泵，包括压电泵泵体、电控系统和两个水滴状立体流管，压电泵泵体设置有泵腔，泵腔内设置有用于调节其容积的压电振子，压电振子与电控系统电连接；压电泵泵体还设置有与泵腔相连通的第一流道和第二流道，第一流道和第二流道分别设置有一个水滴状立体流管，水滴状立体流管的内壁为曲面结构且其内壁面光滑过渡。采用本发明技术方案的设有立体流管的无阀压电泵，水滴状立体流管结构相对于二维平面结构流道，其流阻系数更小，能够减少流体流动的湍流和旋流，增加流体流动的平稳性，水滴状立体流管的流阻小，由此能够减少流体在流动时损耗的能量，从而提高了流体的输送效率。

Description

一种设有立体流管的无阀压电泵

技术领域

本发明涉及压电泵技术领域，具体涉及一种设有立体流管的无阀压电泵。

背景技术

压电泵相比于其它传统泵，它结构简单、体积小、质量轻、能耗低、无噪声、无电磁干扰且可以精确控制微流体等优点，得到了国内外广大研究人员的关注，目前已广泛用在航空航天、生物医疗、机械、小家电、微化学混合，微电子冷却等领域上。

压电泵的泵送原动力来源于压电振子的逆压电效应产生的变形，其工作原理为，在交变电流的作用下，压电陶瓷驱动金属片实现压电振子的反复振动，从而使得压电泵泵腔体积发生周期性的变化，实现液体的输送。从有无阀片可划分压电泵为有阀压电泵和无阀压电泵。无阀压电泵结构简单，利用进出流管的流阻系数不同，在泵腔的容积变化下形成宏观上流体的单向流动。

目前的研究中，现有的无阀压电泵都是在平面上形成如锥形流道无阀压电泵、“Y”形流道无阀压电泵或其他曲线形流管无阀压电泵，上述压电泵都是在其流道上以某个基底为基础并刻蚀流道，即现有技术中的无阀压电泵均是采用二维的平面流道结构，在流道上设置扩张部及收缩部，由此实现流体的单向流动，由于流体在扩张部及收缩部流动时，流速在发生改变过快时容易导致湍流的出现，单一的扩张部形成的流道在其最大的一端会产生较大的湍流以及旋流，由此使得流体流动不够稳定；此外，二维流道结构的流阻大，流体流过时损失较多能量，进而导致流体的输送效率低下。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种设有立体流管的无阀压电泵，采用该无阀压电泵能够减少流体流动的湍流和旋流，增加流体流动的平稳性，且提高了流体的输送效率。

基于此，本发明提供了一种设有立体流管的无阀压电泵，包括压电泵泵体、电控系统和两个水滴状立体流管，所述压电泵泵体设置有泵腔，所述泵腔内设置有用于调节其容积的压电振子，所述压电振子与所述电控系统电连接；所述压电泵泵体还设置有与所述泵腔相连通的第一流道和第二流道，所述第一流道和所述第二流道分别设置有一个所述水滴状立体流管，所述水滴状立体流管的内壁为曲面结构且其内壁面光滑过渡。

作为优选方案，两个所述水滴状立体流管相互倒置且垂直设置于所述泵腔的上侧，各所述水滴状立体流管包括大口径端和小口径端，所述第一流道上的所述水滴状立体流管大口径端朝上设置，所述第二流道上的所述水滴状立体流管的小口径端朝上设置。

作为优选方案，所述水滴状立体流管包括半球管和圆台管，所述圆台管包括小圆端和大圆端，所述半球管的半径与所述圆台管的大圆端的半径相等，所述半球管与所述圆台管的大圆端相连接，且所述半球管一端为所述大口径端，所述圆台管的小圆端为所述小口径端。

作为优选方案，记所述半球管的半径为R，所述圆台管的长度为L，所述半球管的半径与所述圆台管的长度之间的比值的取值范围为0.1＜R/L＜0.35。

作为优选方案，所述压电泵泵体包括可拆卸连接的上盖和底座，所述上盖扣接于所述底座的上侧，所述底座设置有凹槽，所述凹槽的槽腔构成所述泵腔，所述压电振子固设于所述泵腔的顶侧，且所述上盖设置有与所述压电振子相对应的通孔。

作为优选方案，所述压电振子包括金属片和粘接于所述金属片上侧的压电陶瓷片，所述金属片和所述压电陶瓷片均为圆形，且所述压电陶瓷片的直径小于所述金属片的直径。

作为优选方案，所述上盖的内壁设有卡槽，所述金属片卡接于所述卡槽内。

作为优选方案，所述压电振子和所述泵腔之间设置有密封圈，所述底座在所述泵腔上侧设置有台阶，所述密封圈设置于所述台阶的台阶面上。

作为优选方案，还包括连接管，各所述水滴状立体流管分别通过所述连接管而与所述压电泵泵体相连接，且各所述连接管分别与所述第一流道和所述第二流道相连通。

作为优选方案，各所述水滴状立体流管的顶侧均连接有弧形弯折管，且两个所述弧形弯折管的管口相背设置。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、周期性变化的压电振子能够周期性改变泵腔的容积，从而使得压电泵完成流体的泵送过程，而第一流道和第二流道具有一个导流作用，能够使得流体在进出泵腔时流动稳定，从而使得该压电泵泵送的流体流动更加稳健；水滴状立体流管结构相对于二维结构流道，其流阻系数更小，流体流经该水滴状流管时能够减少湍流及旋流，进一步地，水滴状立体流管使得流经的流体呈现类流线型流动结构，曲面结构且光滑过渡的管壁使得流体在流经时速度能够发生连续性缓慢变化，从而增加流体流动的平稳性；此外，由于该水滴状立体流管的流阻小，由此能够减少流体在流动时损耗的能量，从而提高流体的输送效率。

2、水滴状立体流管相互倒置且垂直设置于泵腔的上侧，在一个工作周期内，压电泵的吸程阶段中，从第一水滴状立体流管进入到泵腔的流体体积大于从第二水滴状立体流管进入到泵腔的流体体积，而在压电泵的排程阶段中，从第一水滴状立体流管排出的流体体积小于从第二水滴状立体流管排出的流体体积，由此使得流体沿第一水滴状立体流管一侧流向第二水滴状立体流管一侧，进而该无阀压电泵能够实现流体的宏观单向流动。

3、半球管的半径与圆台管的长度之间的比值的取值范围为0.1＜R/L＜0.35，即能够保证良好的湍流抑制效果，也可以减少流体流动能量的消耗。

4、压电泵泵体包括可拆卸连接的上盖和底座，压电振子固设于泵腔的顶侧，且上盖设置有与压电振子相对应的通孔，压电泵采用可拆卸的上盖及底座结构，由此使得整个压电泵拆装维护更加方便，而上盖中部设置有通孔，由此便于电控系统与压电振子通过导线进行直接连接，此外，由于压电振子在反复振动过程中存在气流，上盖的通孔可以有效使得气流流动，保证压电振子稳定反复振动。

5、各水滴状立体流管的顶侧均连接有弧形弯折管，且两个弧形弯折管的管口相背设置，弧形弯折管使得流体在进出水滴状立体流管时具有一个缓冲过程，进一步提高了流体流动的稳定性，此外，相背设置的弧形弯折管的管口使得两个水滴状立体流管的流体进出口分别位于泵体的两侧，由此流体在通过上述水滴状立体流管时不会发生相互干扰，进而使得流体的整个流动过程更加平稳，进一步提高该无阀压电泵泵送流体的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中设有立体流管的无阀压电泵的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例中设有立体流管的无阀压电泵底座与水滴状立体流管相配合的结构示意图。

图3为本发明实施例中水滴状立体流管所对应的等效锥管。

图中：1－压电泵泵体，2－水滴状立体流管，3－泵腔，4－压电振子，5－第一流道，6－第二流道，7－密封圈，8－连接管，9－弧形弯折管，10－等效锥管；11－上盖，12－底座，21－半球管，22－圆台管，2a－第一水滴状立体流管，2b－第二水滴状立体流管，41－金属片，42－压电陶瓷片，101－上侧锥管，102－下侧锥管；11a－通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

如图1至图3所示，本实施例提供一种设有立体流管的无阀压电泵，包括压电泵泵体1、电控系统和两个水滴状立体流管2，所述压电泵泵体1设置有泵腔3，所述泵腔3内设置有用于调节其容积的压电振子4，所述压电振子4与所述电控系统电连接，需要指出的是，电控系统提供周期性变化的交流电压，通过电控系统在压电振子4两端施加电压时，压电陶瓷片42在逆压电效应下径向伸缩，从而使压电振子4弯曲变形，进而改变泵腔3的容积，具体地，当压电振子4正向弯曲时，泵腔3容积增大，腔内流体压力减小，压电泵外界流体进入至泵腔3内，而当压电振子4向反向弯曲时，泵腔3容积减小，腔内流体压力增大，流体从泵腔3流出至泵腔3外部，压电振子4的周期性变化实现压电泵的流体泵送过程；所述压电泵泵体1还设置有与所述泵腔3相连通的第一流道5和第二流道6，所述第一流道5和所述第二流道6分别设置有一个所述水滴状立体流管2，所述水滴状立体流管2的内壁为曲面结构且其内壁面光滑过渡，水滴状立体流管2结构相对于二维结构流道，其流阻系数更小，流体流经该水滴状流管时能够减少湍流及旋流，进一步地，水滴状立体流管2使得流经的流体沿着类流线型结构流动，曲面结构且光滑过渡的管壁使得流体在流经时速度能够发生连续性缓慢变化，从而增加流体流动的平稳性；此外，由于该水滴状立体流管2的流阻小，由此能够减少流体在流动时损耗的能量，从而提高流体的输送效率。具体地，参加图3，在本实施例中，以第一水滴状立体流管2a为例进行进一步说明，第一水滴状立体流管2a可以近似于等效锥管10，其包括两个相互倒置的上侧锥管101和下侧锥管102，当流体从第一水滴状立体流管2a上侧进入泵腔3时，流体在第一水滴状立体流管2a的上侧锥管101流动时具有扩散作用，而下侧锥管102会对流体的扩散效果进行抑制，由此可知等效锥管10所对应的流阻小于单一锥形流管结构对应的流阻，相应地，流体从泵腔3流出时，流体在第一水滴状立体流管2a的下侧锥管102流动时具有汇聚作用，而上侧锥管101使得该汇聚效果进行抑制，进而等效锥管10结构所对应的流阻小于单一锥形流管结构对应的流阻，即水滴状立体流管2的流阻小于单一锥形流管结构所对应的流阻，进一步地，由于水滴状立体流管2内壁相对于等效锥管10更加光滑，水滴状立体流管2的流阻也小于等效锥管10结构所对应的流阻，综上可知，水滴状立体流管2的流阻系数小于传统的二维流道结构以及单一锥形流道结构的流阻系数，相对于流体在传统流管中流动，水滴状立体流管2能够有效抑制流体流动产生的湍流，增加了流体流动的平稳性。

基于以上技术方案，周期性变化的压电振子4能够周期性改变泵腔3的容积，从而使得压电泵完成流体的泵送过程，而第一流道5和第二流道6具有一个导流作用，能够使得流体在进出泵腔3时流动稳定，从而使得该压电泵泵送的流体流动更加稳健；水滴状立体流管2结构相对于二维结构流道，其流阻系数更小，流体流经该水滴状流管时能够减少湍流及旋流，进一步地，水滴状立体流管使得流经的流体呈现类流线型流动结构，曲面结构且光滑过渡的管壁使得流体在流经时速度能够发生连续性缓慢变化，从而增加流体流动的平稳性；此外，由于该水滴状立体流管2的流阻小，由此能够减少流体在流动时损耗的能量，从而提高流体的输送效率。

在本实施例中，两个所述水滴状立体流管2相互倒置且垂直设置于所述泵腔3的上侧，各所述水滴状立体流管2包括大口径端和小口径端，所述第一流道5上的所述水滴状立体流管2大口径端朝上设置，所述第二流道6上的所述水滴状立体流管2的小口径端朝上设置。基于上述结构，记与第一流道5连接的水滴状立体流管2为第一水滴状立体流管2a，与第二流道6连接的水滴状立体流管2为第二水滴状立体流管2b，在一个工作周期内，当泵腔3的体积增大时，内部压力小于外部压力，流体介质将会从第一流道5和第二流道6进入至泵腔3内，而第一水滴状立体流管2a的大口径端朝上设置，第二水滴状立体流管2b的小口径端朝上设置，流体从上之下流入泵腔3时，第一水滴状立体流管2a的流阻比第二水滴状立体流管2b的流阻小，从而从第一水滴状立体流管2a进入到泵腔3的流体体积大于从第二水滴状立体流管2b进入到泵腔3的流体体积，该过程构成压电泵的吸程阶段；相应地，当泵腔3的体积减小时，泵腔3内的流体分别经过第一水滴状立体流管2a和第二水滴状立体流管2b排出，由于流阻的原因，从第一水滴状立体流管2a排出的流体体积小于从第二水滴状立体流管2b排出的流体体积，该过程构成压电泵的排程阶段，由此使得流体沿第一水滴状立体流管2a一侧流向第二水滴状立体流管2b一侧，进而该无阀压电泵能够实现流体的宏观单向流动。

具体地，所述水滴状立体流管2包括半球管21和圆台管22，所述圆台管22包括小圆端和大圆端，所述半球管21的半径与所述圆台管22的大圆端的半径相等，所述半球管21与所述圆台管22的大圆端相连接，且所述半球管21一端为所述大口径端，所述圆台管22的小圆端为所述小口径端，半球管21和圆台管22的组成结构使得流体呈现流线型流动状态，且该结构的水滴状立体流管2加工方便，成本低廉。

优选地，记所述半球管21的半径为R，所述圆台管22的长度为L，所述半球管21的半径与所述圆台管22的长度之间的比值的取值范围为0.1＜R/L＜0.35。需要指出的是，当R/L的比值越大时，该水滴状立体流管2对于湍流的抑制效果越强，但相应地会消耗更多的能量，在本实例中，R/L的比值范围落在0.1－0.35时即能够保证良好的湍流抑制效果，也可以减少流体流动能量的消耗，为优选方案。而R/L的具体比值需要根据实际情况考虑，需要评估使用过程对于湍流抑制程度及能量损耗量的具体需求。

其中，所述压电泵泵体1包括可拆卸连接的上盖11和底座12，在本实施例中上盖11和底座12具体采用螺栓进行可拆卸连接，螺栓的连接形式成本低廉且拆装方便，所述上盖11扣接于所述底座12的上侧，所述底座12设置有凹槽，所述凹槽的槽腔构成所述泵腔3，所述压电振子4固设于所述泵腔3的顶侧，且所述上盖11设置有与所述压电振子4相对应的通孔11a。压电泵采用可拆卸的上盖11及底座12结构，由此使得整个压电泵拆装维护更加方便，而本实施例中上盖11中部设置有通孔11a，由此便于电控系统与压电振子4通过导线进行直接连接，此外，由于压电振子4在反复振动过程中存在气流，上盖11的通孔11a可以有效使得气流流动，保证压电振子4稳定反复振动。而在本实例中，压电振子4边缘则采用密封胶进行密封，进而确保该无阀压电泵密封性能良好。

此外，所述压电振子4包括金属片41和粘接于所述金属片41上侧的压电陶瓷片42，所述金属片41和所述压电陶瓷片42均为圆形，且所述压电陶瓷片42的直径小于所述金属片41的直径，由此保证压电陶瓷片能够完全粘贴在金属片上，并有效的将陶瓷片的径向振动变为轴向振动，从而使得压电振子4振动时效果明显，泵腔3的容积变化也更明显。进一步地，为了使得压电振子4的安装结构更加稳定，所述上盖11的内壁设有卡槽，所述金属片41卡接于所述卡槽内。

在本实施例中，所述压电振子4和所述泵腔3之间设置有密封圈7，密封圈7使得压电振子4与泵腔3之前相互隔离，且保证泵腔3的密封性良好，具体地，本实施例中的密封圈7为硅胶圈，硅胶圈的化学性质稳定，保证密封性能良好，所述底座12在所述泵腔3上侧设置有台阶，所述密封圈7设置于所述台阶的台阶面上，由此使得密封圈7安装更加稳定。

进一步优选的，还包括连接管8，各所述水滴状立体流管2分别通过所述连接管8而与所述压电泵泵体1相连接，且各所述连接管8分别与所述第一流道5和所述第二流道6相连通，连接管8的设置使得各水滴状立体流管2的安装更方便，且使得水滴状立体流管2能够通过不同的连接管8连接至不同的无阀压电泵中，进而使得其适用范围更广。

在本实施例中，各所述水滴状立体流管2的顶侧均连接有弧形弯折管9，且两个所述弧形弯折管9的管口相背设置，弧形弯折管9使得流体在进出水滴状立体流管2时具有一个缓冲过程，进一步提高了流体流动的稳定性，此外，相背设置的弧形弯折管9的管口使得两个水滴状立体流管2的流体进出口分别位于泵体的两侧，由此流体在通过上述水滴状立体流管2时不会发生相互干扰，进而使得流体的整个流动过程更加平稳，进一步提高该无阀压电泵泵送流体的稳定性。

采用本发明实施例的设有立体流管的无阀压电泵，周期性变化的压电振子4能够周期性改变泵腔3的容积，从而使得压电泵完成流体的泵送过程，而第一流道5和第二流道6具有一个导流作用，能够使得流体在进出泵腔3时流动稳定，从而使得该压电泵泵送的流体流动更加稳健；水滴状立体流管2结构相对于二维结构流道，其流阻系数更小，流体流经该水滴状流管时能够减少湍流及旋流，进一步地，水滴状立体流管2使得流经的流体呈现类流线型流动结构，曲面结构且光滑过渡的管壁使得流体在流经时速度能够发生连续性缓慢变化，从而增加流体流动的平稳性；此外，由于该水滴状立体流管2的流阻小，由此能够减少流体在流动时损耗的能量，从而提高流体的输送效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：包括压电泵泵体、电控系统和两个水滴状立体流管，所述压电泵泵体设置有泵腔，所述泵腔内设置有用于调节其容积的压电振子，所述压电振子与所述电控系统电连接；所述压电泵泵体还设置有与所述泵腔相连通的第一流道和第二流道，所述第一流道和所述第二流道分别设置有一个所述水滴状立体流管，所述水滴状立体流管的内壁为曲面结构且其内壁面光滑过渡。

2.根据权利要求1所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：两个所述水滴状立体流管相互倒置且垂直设置于所述泵腔的上侧，各所述水滴状立体流管包括大口径端和小口径端，所述第一流道上的所述水滴状立体流管大口径端朝上设置，所述第二流道上的所述水滴状立体流管的小口径端朝上设置。

3.根据权利要求2所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：所述水滴状立体流管包括半球管和圆台管，所述圆台管包括小圆端和大圆端，所述半球管的半径与所述圆台管的大圆端的半径相等，所述半球管与所述圆台管的大圆端相连接，且所述半球管一端为所述大口径端，所述圆台管的小圆端为所述小口径端。

4.根据权利要求3所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：记所述半球管的半径为R，所述圆台管的长度为L，所述半球管的半径与所述圆台管的长度之间的比值的取值范围为0.1＜R/L＜0.35。

5.根据权利要求1所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：所述压电泵泵体包括可拆卸连接的上盖和底座，所述上盖扣接于所述底座的上侧，所述底座设置有凹槽，所述凹槽的槽腔构成所述泵腔，所述压电振子固设于所述泵腔的顶侧，且所述上盖设置有与所述压电振子相对应的通孔。

6.根据权利要求5所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：所述压电振子包括金属片和粘接于所述金属片上侧的压电陶瓷片，所述金属片和所述压电陶瓷片均为圆形，且所述压电陶瓷片的直径小于所述金属片的直径。

7.根据权利要求6所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：所述上盖的内壁设有卡槽，所述金属片卡接于所述卡槽内。

8.根据权利要求5所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：所述压电振子和所述泵腔之间设置有密封圈，所述底座在所述泵腔上侧设置有台阶，所述密封圈设置于所述台阶的台阶面上。

9.根据权利要求1至8任一项所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：还包括连接管，各所述水滴状立体流管分别通过所述连接管而与所述压电泵泵体相连接，且各所述连接管分别与所述第一流道和所述第二流道相连通。

10.根据权利要求1至8任一项所述的设有立体流管的无阀压电泵，其特征在于：各所述水滴状立体流管的顶侧均连接有弧形弯折管，且两个所述弧形弯折管的管口相背设置。