CN109578686A - 流体系统 - Google Patents

Abstract

一种集成化制出的流体系统，包含一流体作动区、一流体通道、一汇流腔室以及多个阀，该流体作动区由一或多个导流单元所构成，各导流单元由入口板、基材、共振板、致动板以及出口板依序堆叠所构成，致动板更贴附一压电元件，以受驱使振动而使流体导入该导流单元并加压导出。该流体通道连通流体作动区，且具有多个分歧通道以分流流体作动区所传输的流体。汇流腔室连通流体通道。多个阀分别设置于该多个分歧通道中，借由控制其启闭状态以控制流体由该分歧通道中输出。透过以上设置，可获取特定流速、压力与传输量的流体输出。

Description

流体系统

【技术领域】

本案是关于一种流体系统，尤指一种集成化制出的微型流体控制系统。

【背景技术】

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微帮浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体输送结构为其关键技术，是以，如何借创新结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

随着科技的日新月异，流体输送装置的应用上亦愈来愈多元化，举凡工业应用、生医应用、医疗保健、电子散热等等，甚至近来热门的穿戴式装置皆可见它的踨影，可见传统的流体输送装置已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。

然而，目前微型化的流体输送装置虽能持续传输气体，但在微型化的有限容积的腔室或流道上设计要求提升更多的气体传输量，显然具有一定困难度，因此结合阀门的设计，不仅可控制气流传输的持续或中断，也可控制气体单向的流动，而且让有限容积的腔室或流道去累积气体，以提升气体量的输出，这是本案所欲发明的主要课题。

【发明内容】

为了解决已知技术无法满足流体系统微型化的需求的问题，本案提供一种集成化制出的流体系统，包含一流体作动区、一流体通道、一汇流腔室以及多个阀。该流体作动区由一或多个导流单元所构成，而各导流单元由入口板、基材、共振板、致动板以及出口板依序堆叠所构成。共振板与入口板之间具有一第一腔室，共振板及致动板之间具有一间隙形成一第二腔室，且致动板及出口板之间形成一第三腔室。致动板的悬浮板的表面更贴附一压电元件，以受驱动而使致动板产生弯曲共振，使流体由入口板的入口孔导入该导流单元的第一腔室，流经共振板的中空孔洞进入第二腔室，并经由致动板的空隙进入第三腔室，最后从出口板的出口孔加压导出。该流体通道连通流体作动区中所有导流单元的出口孔，且具有多个分歧通道，以分流流体作动区所传输的流体。汇流腔室连通流体通道，以让流体累积在该汇流腔室内。多个阀分别设置于这些分歧通道中，借由控制其启闭状态，以控制流体由该分歧通道中输出。

在本案的一较佳实施例中，流体系统更包含一控制器，这些阀为主动阀，控制器电性连接这些阀以控制其开关状态。控制器与这些导流单元以系统封装构成一集成化。流体作动区包含多个导流单元，且这些导流单元以串并联排列设置。这些分歧通道的长度与宽度，皆依需求特定传输量或流速来预先设定。这些分歧通道以串并联排列设置。

在本案的一较佳实施例中，阀包含一通道基材、一压电致动器以及一连杆。通道基材具有一第一通孔及一第二通孔相互隔开设置，且连通分歧通道。通道基材更凹设一腔室，该腔室设置连通该第一通孔的第一出口以及连通该第二通孔的第二出口。压电致动器由一载板以及该载板的一表面上所贴附的一压电陶瓷所构成，且该压电致动器封盖该腔室。连杆连接该载板的另一表面，并穿伸入该第二出口中自由位移；该连杆一端具有截面积大于该第二出口的孔径的一挡阻部，以封闭该第二出口。其中，压电致动器受致动而驱动该载板位移，连动该连杆的挡阻部控制该第二出口的启闭状态，以控制流体由该分歧通道输出。透过以上作动，阀可在压电致动器未致能的状态下使其设置的分歧通道维持开启状态，并在压电致动器致能的状态下，封闭该分歧通道；或者，在压电致动器未致能的状态下，使其设置的分歧通道维持关闭状态，并在压电致动器致能的状态下，开启该分歧通道。

透过以上设置，本案的流体系统可具有微型化体积，并获取特定流速、压力与传输量的流体输出。

【附图说明】

图1为本案的一较佳实施例的流体系统的结构示意图。

图2A为本案的一较佳实施例的导流单元的结构示意图。

图2B至图2D为图2A所示的导流单元的作动示意图。

图3A为本案的一较佳实施例的流体作动区的结构示意图。

图3B为本案的导流单元以串联方式设置的结构示意图。

图3C为本案的导流单元以并联方式设置的结构示意图。

图3D为本案的导流单元以串并联方式设置的结构示意图。

图4为本案的另一较佳实施例的流体作动区的结构示意图。

图5为本案的再一较佳实施例的流体作动区的结构示意图。

图6A以及图6B为本案的阀的第一实施态样的作动示意图。

图7A以及图7B为本案的阀的第二实施态样的作动示意图。

【具体实施方式】

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本案。

请参阅第1图，其为本案的一较佳实施例的流体控制系统的结构示意图。本案的流体系统100包含一流体作动区10、一流体通道20、一汇流腔室30、多个阀50a、50b、50c及50d，以及一控制器60。在本案的较佳实施例中，上述所有元件皆系统封装于一基材11以构成一集成化的微型结构。其中，流体作动区10由一或多个导流单元10a所构成，这些导流单元10a可透过串联、并联或串并联的排列方式设置，各导流单元可在致能后于自身内部产生一压力差，借以吸入一可为气体的流体并经由其所具备的一出口孔(未显示于图1)加压排出，借此达成流体的传输。

在本实施例中，流体作动区10包含四个导流单元10a，且所述的导流单元10a以串并联排列设置。流体通道20连通流体作动区10中所有导流单元10a的出口孔(未显示于图1)，以接收这些导流单元10a所排出的传输流体。导流单元10a与流体通道20的结构、作动方式与设置方式将于后段详述。流体通道20更具有多个分歧通道20a及20b，以分流该流体作动区10所排出的传输流体，构成所需的传输量，实施例中仅以分歧通道20a及20b作说明，并非以此为限。汇流腔室30透过连通分歧通道20a及20b而连通于流体通道20，以使传输流体得以累积在汇流腔室30内储存，在流体系统100控制需求输出时，可供输给流体通道20的输出，加大流体传输量。

上述的分歧通道20a及20b连通于流体通道20的方式，虽图式中仅以分歧通道20a及20b连通于流体通道20采并联排列方式设置来表示，但不以此为限，可进一步以多个分歧通道20a及20b采以串联排列方式设置，或者以多个分歧通道20a及20b采以串并联排列方式设置。其中，多个分歧通道20a及20b的长度与宽度，皆可依所需求特定传输量来预先设定，亦即是分歧通道20a及20b的长度与宽度设置的变化可影响传输量的流速及传输量的大小，即可依需求特定传输量来预先计算出所设定需求的长度与宽度。

在本实施例中，如图所示，分歧通道20a更包含有分歧连通的二分歧通道21a、22a；类似地，分歧通道20b亦包含有分歧连通的二分歧通道21b、22b，虽图式中仅以分歧通道21a、22a分别连通于分歧通道20a及20b采串联排列方式设置来表示，但不以此为限，可进一步以多个分歧通道21a、22a采以并联排列方式设置，或者以多个分歧通道21a、22a采以串并联排列方式设置。多个阀50a、50c、50b及50d可为主动阀或被动阀，在本实施例中为主动阀，且分别依序设置于分歧通道21a、22a、21b、22b中。阀50a、50c、50b及50d可控制所设置的分歧通道21a、22a、21b、22b的连通状态。例如，当阀50a开启，可开启分歧通道21a输出流体至输出区A；当阀50b开启，可开启分歧通道21b输出流体至输出区A；当阀50c开启，可开启分歧通道22a输出流体至输出区A；当阀50d开启，可开启分歧通道22b输出流体至输出区A。控制器60具有二电性连接线路610、620，电性连接线路610电性连接控制阀50a、50d的开关状态，而电性连接线路620电性连接控制阀50b、50c的开关状态。如此一来，阀50a、50b、50c及50d可受控制器60驱动，进而控制所对应设置的分歧通道21a、22a、21b、22b的一连通状态，进而控制流体输出至一输出区A。

请同时参阅图2A，其为本案的一较佳实施例的导流单元的结构示意图。在本案的一较佳实施例中，导流单元10a可为一压电泵。如图所示，每一导流单元10a由入口板17、基材11、共振板13、致动板14、压电元件15以及出口板16等元件依序堆叠所构成。其中，入口板17具有至少一入口孔170，共振板13具有中空孔洞130及可动部131，可动部131为共振板13未固设于基材11上的部分所形成的一可挠结构，且中空孔洞130开设于邻近可动部131的中心点的位置。共振板13与该入口板17之间形成第一腔室12。致动板14为一中空悬浮结构，具有悬浮部141、外框部142及多个空隙143。致动板14的悬浮部141是透过多个连接部(图未示)连接外框部142，使悬浮部141悬浮于外框部142中，并于悬浮部141及外框部142之间定义出多个空隙143，用以供气体流通。悬浮部141、外框部142及空隙143的设置方式、实施态样及数量均不以此为限，可依据实际情形变化。较佳者，致动板14以一金属材料薄膜或多晶硅薄膜所制成，但不以此为限。致动板14与共振板13之间具有一间隙g0，形成一第二腔室18。出口孔160设置于出口板16，且致动板14与出口板16之间形成第三腔室19。

在本案的一些较佳实施例中，导流单元10a的基材11更包含一驱动电路(图未示)，用以电性连接压电元件15的正极及负极，借此提供压电元件15驱动电源，但不以此为限；驱动电路亦可设置于导流单元10a内部任一位置，可依实际情形任施变化。

请同时参阅图2A至图2C，图2B至图2D为图2A所示的导流单元10a的作动示意图。图2A所示的导流单元10a处于未致能状态(即初始状态)。当压电元件15受施加一电压，即产生形变，驱动致动板14沿一垂直方向进行往复式振动。如图2B所示，当致动板14的悬浮部141向上振动，会使第二腔室18体积增大、压力减小，则流体由入口板17上的入口孔170顺应外部压力进入，并汇集到第一腔室12处，再经由共振板13上与第一腔室12对应设置的中央孔洞130向上流入至第二腔室18中。

接着，如图2C所示，致动板14的悬浮部141的振动会带动共振板13产生共振，使其可动部131亦随之向上振动，而致动板14的悬浮部141同时向下振动，会造成共振板13的可动部131贴附抵触于致动板14的悬浮部141下方。此时，共振板13的中央孔洞130与第二腔室18之间的流通空隙关闭，第二腔室18受到压缩而体积变小、压力增大，而第三腔室19则是体积增大、压力变小，进而形成压力梯度，使第二腔室18中的流体受压而向两侧流动，并经由致动板14的多个空隙143流入第三腔室19中。再如图2D所示，致动板14的悬浮部141继续向下振动，并带动共振板13的可动部131随的向下振动，使第二腔室18进一步压缩，并使其中大部分流体流至第三腔室19中暂存。

最后，致动板14的悬浮部141向上振动，使第三腔室19压缩而体积变小、压力变大，进而使第三腔室19内的流体自出口板16的出口孔160导出至出口板16之外部，完成流体的传输。上述作动为致动板14进行往复式振动时，完成一次完整振动的作动过程。在压电元件15致能的状态下，致动板14的悬浮部141与共振板13的可动部131即反复进行上述作动，持续将流体由进入口170导向出口孔160加压排出，俾实现流体的传输。于本案的一些实施例中，共振板13的垂直往复式振动频率可与致动板14的振动频率相同，即两者可同时向上或同时向下，可依实际施作情形而任施变化，并不以本实施例所示的作动方式为限。

经由本实施例的导流单元10a的流道设计中产生压力梯度，使流体高速流动，并透过流道进出方向的阻抗差异，将流体由吸入端传输至排出端，且在排出端有压力的状态下，仍有能力持续推出流体，并可达到静音的效果。

请参阅图3A，其为本案的一较佳实施例的流体作动区的结构示意图。该流体作动区10包含多个导流单元10a，这些导流单元10a可依特定排列方式来调整该流体作动区10其输出的流体传输量，在本实施例中，这些导流单元10a以串并联方式排列设置于基材11。

请参阅图3B至图3C。图3B为本案的导流单元以串联方式设置的结构示意图；图3C为本案的导流单元以并联方式设置的结构示意图；图3D为本案的导流单元以串并联方式设置的结构示意图。如图3B所示，该流体作动区10内的这些导流单元10a依串联方式排列，借由串联方式连接这些导流单元10a，来提升该流体作动区10的出口孔160其流体压力值；请参阅图3C所示，该流体作动区10内的这些导流单元10a利用并联方式排列，通过并联方式连接这些导流单元10a，进一步增加该流体作动区10的出口孔160的输出流体量；请参阅图3D所示，该流体作动区10内的这些导流单元10a依串并联的方式来排列设置，加以同步提升该流体作动区10其输出流体的压力值及输出量。

请参阅图4与图5。图4为本案的另一较佳实施例的流体作动区的结构示意图；图5为本案的再一较佳实施例的流体作动区的结构示意图。如图4所示，该流体作动区10内的这些导流单元10a以环状方式排列设置来传输流体；请参阅图5所示，该流体作动区10内的这些倒流单元10a使用蜂巢状方式排列设置。

于本实施例中，流体系统100的导流单元10a可配合驱动电路的连接，其灵活度极高，更应用于各式电子元件的中，且可同时致能传输气体，可因应大流量的气体传输需求；此外，导流单元10a、另一导流单元10a亦可单独控制作动或停止，例如：导流单元10a作动、另一导流单元10a停止，亦可以是交替运作，但均不以此为限，借此可轻易达成各种气体传输流量的需求，并可达到大幅降低功耗的功效

请参阅图6A以及图6B，其为本案的阀的第一实施态样的作动示意图。阀50包含通道基材51、压电致动器52以及连杆53，以下就本实施例阀50设置于分歧通道21a中来说明，相对其他分歧通道22a、21b、22b中设置阀50的结构与作动皆相同，以下就不予赘述。通道基材51具有一第一通孔511及一第二通孔512，分别连通于分歧通道21a中，并以通道基材51相互隔开设置，且通道基材51上方凹置一腔室513，腔室513设置有连通第一通孔511的第一出口514，以及设置有连通第二通孔512的第二出口515。压电致动器52包含载板521以及压电陶瓷522，载板521以可挠性材质所制成，而压电陶瓷522则贴附于载板521的一表面上，并电性连接控制器60。压电致动器52封盖腔室513而设置在载板521上。而连杆53连接载板521的另一表面，并穿伸入第二出口515中沿一垂直方向自由位移，且连杆53的一端具有截面积大于第二出口515的孔径的一挡阻部531，以封闭限制第二出口515的连通。其中，挡阻部531可为平板状或蕈状。

如图6A所示，阀50于压电致动器52未致能的状态下，连杆53处于一常开初始位置。此时，挡阻部531与第二出口515之间具有一流动空间，使第二通孔512、腔室513与第一通孔511透过该流动空间得以相互接通而连通于分歧通道21a中，使传输流体得以通过。相对的，如图6B所示，当压电致动器52致能，压电陶瓷522驱动载板521向上弯曲形变，连杆53受到载板521的连动而向上移动，进而使挡阻部531挡阻第二出口515的孔径。此时，挡阻部531封闭第二出口515，而使传输流体无法通过。借由上述作动方式，阀50在未致能状态下可维持分歧通道21a开启状态，而在致能状态下则封闭分歧通道21a；亦即，阀50借由控制第二通孔512的一开关状态，可进而控制流体由分歧通道21a输出。

请参阅图7A以及图7B，其为本案的阀的第二实施态样的作动示意图。阀50的结构完全相同，在此就不予赘述，只说明阀50未致能的状态下为一常闭状态的动作设计。

如图7A所示，阀50于压电致动器52未致能的状态下，连杆53处于一常闭初始位置。此时，挡阻部531封闭第二出口515的孔径，使传输流体无法通过。如图7B所示，当压电致动器52致能，压电陶瓷522驱动载板521向下弯曲形变，连杆53受到载板521的连动而向下移动时，挡阻部531与第二出口515之间具有一流动空间，使第二通孔512、腔室513与第一通孔511透过该流动空间得以相互接通而连通于分歧通道21a中，使传输流体得以通过。借由上述作动方式，阀50在未致能状态下可维持分歧通道21a的封闭状态，而在致能状态下则开启分歧通道21a；亦即，阀50借由控制第二通孔512的一开关状态，可进而控制流体由分歧通道21a的输出。

综上所述，本案所提供的流体系统，透过至少一导流单元将气体传输至汇流腔室内，并利用分歧通道内的阀来进一步控制及调整流体系统所输出的流体的流量、流速及压力。再者，本案亦透过导流单元、分歧通道的数量、设置方式及驱动方式的灵活变化，可因应各种不同装置及气体传输流量的需求，可达到高传输量、高效能、高灵活性等功效。

本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

【符号说明】

100：流体系统

10：流体作动区

10a：导流单元

11：基材

12：第一腔室

13：共振板

130：中空孔洞

131：可动部

14：致动板

141：悬浮部

142：外框部

143：空隙

15：压电元件

16：出口板

160：出口孔

17：入口板

170：入口孔

18：第二腔室

19：第三腔室

20：流体通道

20a、20b、21a、21b、22a、22b：分歧通道

30：汇流腔室

50、50a、50b、50c、50d：阀

51：通道基材

511：第一通孔

512：第一通孔

513：腔室

514：第一出口

515：第二出口

52：压电致动器

521：载板

522：压电陶瓷

53：连杆

531：挡阻部

60：控制器

610、620：电性连接线路

g0：间隙

A：输出区

Claims (14)

1.一种流体系统，集成化制出，包含：

一流体作动区，由至少一个导流单元所构成，该导流单元包含：

一入口板，具有至少一入口孔；

一基材；

一共振板，具有一中空孔洞，且该共振板与该入口板之间具有一第一腔室；

一致动板，具有一悬浮部、一外框部及至少一空隙；

一压电元件，贴附于该致动板的该悬浮部的一表面；以及

一出口板，具有一出口孔；

其中，该入口板、该基材、该共振板、该致动板及该出口板依序对应堆叠设置，该共振板及该致动板之间具有一间隙形成一第二腔室，该致动板及该出口板之间形成一第三腔室，该压电元件驱动该致动板产生弯曲共振，以使该第二腔室及该第三腔室形成一压力差，使流体由该入口板的该入口孔进入该第一腔室而流经该共振板的该中空孔洞，以进入该第二腔室内，并由该至少一空隙导入该第三腔室内，且由该出口板的该出口孔导出以传输流体；

一流体通道，连通该流体作动区的该出口孔，并具有多个分歧通道，使该流体作动区所传输流体得以分流构成需求传输量；

一汇流腔室，连通于该流体通道中，以让流体累积在该汇流腔室内；以及

多个阀，设置于该分歧通道中，借由控制其启闭状态以供流体由该分歧通道中输出。

2.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该流体作动区由多个导流单元以串联排列设置以传输流体流动。

3.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该流体作动区由多个导流单元以并联排列设置以传输流体流动。

4.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该流体作动区由多个导流单元以串并联排列设置以传输流体流动。

5.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该流体作动区由多个导流单元以环状方式排列设置以传输流体流动。

6.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该流体作动区由多个导流单元以蜂巢状方式排列设置以传输流体流动。

7.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该多个分歧通道的长度依需求特定传输量来预先设定。

8.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该多个分歧通道的宽度依需求特定传输量来预先设定。

9.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，每一该阀包含：

一通道基材，具有一第一通孔及一第二通孔相互隔开设置，且连通该分歧通道，以及该通道基材凹设一腔室，该腔室设置有连通该第一通孔的第一出口，以及设置有连通该第二通孔的第二出口；

一压电致动器，由一载板以及该载板的一表面上所贴附的一压电陶瓷所构成，且该压电致动器封盖该腔室；以及

一连杆，连接该载板的另一表面，并穿伸入该第二出口中自由位移，且该连杆一端具有截面积大于该第二出口的孔径的一挡阻部，以封闭该第二出口；

其中，该压电致动器受致动而驱动该载板位移，连动该连杆的该挡阻部控制该第二出口的启闭状态，以控制流体由该分歧通道输出。

10.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该多个阀由一控制器控制其开关状态。

11.如权利要求10所述的流体系统，其特征在于，该控制器与该导流单元以系统封装构成一集成化的结构。

12.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该多个分歧通道以串联排列设置。

13.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该多个分歧通道以并联排列设置。

14.如权利要求1所述的流体系统，其特征在于，该多个分歧通道以串并联排列设置。