CN109772223A - 一种流体混合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流体驱动与控制领域，具体涉及一种流体混合器。上下盖装在主体上下两侧，上盖上设有上进出口阀，主体上设有下进出口阀；主体驱腔内经上盖凸台、密封圈及垫圈压接有两个驱动器，主体的各混腔内都经下盖凸台及密封圈压接有驱动器；驱腔中的驱动器及密封圈与上盖构成上驱动腔、与主体构成下驱动腔，各上下驱动腔分别串联成上下驱动单元；混腔内的驱动器及密封圈与主体构成混合腔，各混合腔串联成混合单元；上下驱动单元并联后再与混合单元串联；上下驱动单元中驱动器的驱动频率相同且不大于混合单元中驱动器激励频率的二分之一，上下驱动单元交替或同时排出流体，上下驱动单元排出的流体进入混合单元进行多级主动混合后再经出流孔排出。

Description

一种流体混合器

技术领域

本发明属于流体驱动与控制领域，具体涉及一种流体混合器。

背景技术

流体混合器是生化、医疗、食品、环境监测等领域不可或缺的关键流控器件。最初的流体混合器大都是被动式的，通过在流体运动路径中设置特殊几何结构改变流场分布并结合流体分子的自由扩散实现混合，其结构简单、易于制造与集成且性能稳定，缺点是混合流程较长、速度慢及混合过程不可控；近年来，人们相继提出了多种形式的主动流体混合器，通过外部动力来促进流体混合，根据动力来源，现有主动混合器主要有电磁式和压电式两类，其中压电流体混合器结构简单、体积小、混合效果及过程可控也较好。现有压电式主动混合器基本都是以单个压电振子为换能器同步实现流体泵送与混合的双重功能，其流体泵送能量有限，无法用于流体粘度高、管道流阻大或需要混合流体输送量较大的场合；此外，现有压电流体混合器采用同一个换能器同步驱动两种粘度不同流体、即通过同一个腔的两个入口同时吸入流体，无法精确控制两种流体的泵送量。显然，压电流体混合器的驱动能力、混合效果及混合配比精度等方面都有待进一步提升。

发明内容

为提高压电泵的输出性能，本发明提出一种流体混合器，本发明的实施方案是：本发明的一种流体混合器由上下盖、主体、单向阀、驱动器、密封圈及垫圈构成。上盖上设有上进流孔、带上出流孔的上盖圆台和至少两个上盖凸台，最右侧上盖凸台上设有上进口腔和上出口腔，其它上盖凸台上设有上进口腔和上出口；最左侧的上进口腔与上进流孔连通，上出口腔与上出流孔连通，其余的上进口腔与其相邻上盖凸台上的上出口连通；主体上设有下进流孔、下出流孔、出流孔、与上盖凸台数量相等的驱腔、与连通孔连通的主体圆腔及至少两个混腔，驱腔和混腔的侧壁上都设有走线槽；最右侧驱腔的底壁上设有下进口腔和下出口腔，其它驱腔的底壁上设有下进口腔和下出口，混腔的顶壁上设有混腔进口和混腔出口；最左侧的下进口腔与下进流孔连通，其余的下进口腔与其相邻驱腔上的下出口连通；连通孔经下出流孔与下出口腔连通，连通孔与最右侧的混腔进口连通；最左侧的混腔出口与出流孔连通，其余的混腔出口与其相邻的混腔的混腔进口连通；上下盖经螺钉安装在主体上下两侧，上盖的上进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成上进口阀和上出口阀，主体的下进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成下进口阀和下出口阀，单向阀为碟形阀，单向阀由阀片和阀座粘接而成，阀片由盖片、环片以及至少三条连接盖片与环片的螺旋片构成，阀片粘接前螺旋片向环片的一侧预弯、粘接后盖片堵在阀座的阀孔上；上盖圆台置于主体圆腔内并经主体的连通孔使上盖的上出流孔与主体上的下出流孔及混腔进口连通，主体的各驱腔内都经上盖凸台、密封圈及垫圈压接有两个驱动器，主体的各混腔内都经下盖凸台及密封圈压接有驱动器，垫圈位于两个驱动器之间、密封圈位于驱动器与上盖、主体或下盖之间；驱动器由基板和压电片粘接而成，基板和压电片的厚度相等，基板和压电片的材料分别为黄铜和PZT4；驱腔中的驱动器及密封圈与上盖构成上驱动腔、与主体构成下驱动腔，各上驱动腔串联成上驱动单元、各下驱动腔串联成下驱动单元；混腔内的驱动器及密封圈与主体构成混合腔，各混合腔串联成混合单元；上下驱动单元并联后再与混合单元串联。

以具有两个上驱动腔、两个下驱动腔和两个混合腔的混合器为例，从左至右，上进口阀依次定义为上进口阀一和二，下进口阀依次定义为下进口阀一和二，上驱动腔依次定义为上驱动腔一和二，下驱动腔依次定义为下驱动腔一和二；从右至左，混合腔依次定义为混合腔一和二。

本发明中，上下驱动单元中驱动器的驱动频率相同且不大于混合单元中驱动器激励频率的二分之一。

本发明中，上下驱动单元可交替地排出流体，如上半周期内上驱动单元排出流体，则下半周期内下驱动单元排出流体，具体地：左右相邻的两个上驱动腔及左右相邻的两个下驱动腔中驱动器的变形方向都分别相反，上下相对的上下驱动单元中驱动器的变形方向相同；上半周期内，上驱动腔一及下驱动腔二的容积减小，上驱动腔二及下驱动腔一的容积增加，上进口阀一、上出口阀和下进口阀二关闭，上进口阀二、下进口阀一及下出口阀开启，下驱动单元从下进流孔吸入流体、从下出口阀排出流体，上驱动单元中上驱动腔一内流体进入上驱动腔二内、对外无流体输出；下半周期内，上驱动腔一及下驱动腔二容积增加，上驱动腔二及下驱动腔一的容积减小，上进口阀一、上出口阀和下进口阀二开启，上进口阀二、下进口阀一及下出口阀关闭，上驱动单元从上进流孔吸入流体、从上出口阀排出流体，下驱动单元中下驱动腔一内流体进入下驱动腔二内、对外无流体输出。

本发明中，上下驱动单元可同时排出流体，如上半周期内上下驱动单元都排出流体，则下半周期内无排出流体，具体地：左右相邻的两个上驱动腔及左右相邻的两个下驱动腔中驱动器的变形方向都分别相反，上下相对的上下驱动单元中驱动器的变形方向相反；上半周期内，上下驱动腔一的容积增加，上下驱动腔二的容积减小，上下进口阀一及上下出口阀开启，上下进口阀二关闭，上驱动单元从上进流孔吸入流体、从上出口阀排出流体，下驱动单元从下进流孔吸入流体、从下出口阀排出流体；下半周期内，上下驱动腔一的容积减小，上下驱动腔二的容积增加，上驱动单元中上驱动腔一内流体进入上驱动腔二内、对外无流体输出，下驱动单元中下驱动腔一内流体进入下驱动腔二内、对外无流体输出。

上下驱动单元排出的流体进入混合单元进行多级主动混合后再经出流孔排出；上下驱动单元中驱动器的驱动电压值相同时，通过上下进流孔通流面积调节流体混合比例；上下进流孔通流面积相同时，通过上下驱动单元中驱动器的驱动电压调节两种流体的混合比例，上下驱动单元输出的流体流量和压力可通过驱动器的驱动电压U₀调节，水类液体混合时： 式中：η_q、η_p分别为系统参数相关的流量和压力修正系数，R、H分别为驱动腔的半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下驱动器中心点的变形量，h_p为压电片厚度，f为激励频率，U₀为驱动电压，N为一个驱动单元中驱动器的数量，β₀为流体体积模量。

特点及优势：通过多腔同步驱动与多级混合，流体输送能力强、混合效果好，适于大粘度流体的连续混合与配送；采用两个驱动单元吸入不同流体，易于通过驱动电压或通流面积控制混合比例，配比精度高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中混合器的结构剖面示意图；

图2是上下驱动单元交叉吸入、交叉排出流体时换能器变形与碟形阀的开关状态；

图3是上下驱动单元同步吸入、同步排出流体时换能器变形与碟形阀的开关状态；

图4是本发明一个较佳实施例中上盖的结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明一个较佳实施例中碟形阀的结构示意图；

图8是本发明一个较佳实施例中阀片的结构示意图；

图9是图8的B-B剖面图。

具体实施方式

本发明的一种流体混合器由上盖a、主体b、下盖c、单向阀v、驱动器d、密封圈e及垫圈e1构成。上盖a上设有上进流孔a1、带上出流孔a2的上盖圆台a7和至少两个上盖凸台a3，最右侧上盖凸台a3上设有上进口腔a4和上出口腔a5，其它上盖凸台a3上设有上进口腔a4和上出口a6；最左侧的上进口腔a4与上进流孔a1连通，上出口腔a5与上出流孔a2连通，其余的上进口腔a4与其相邻上盖凸台a3上的上出口a6连通；主体b上设有下进流孔b1、下出流孔b2、出流孔b12、与上盖凸台a3数量相等的驱腔b3、与连通孔b8连通的主体圆腔b7及至少两个混腔b9，驱腔b3和混腔b9的侧壁上都设有走线槽b13；最右侧驱腔b3的底壁上设有下进口腔b4和下出口腔b5，其它驱腔b3的底壁上设有下进口腔b4和下出口b6，混腔b9的顶壁上设有混腔进口b10和混腔出口b11；最左侧的下进口腔b4与下进流孔b1连通，其余的下进口腔b4与其相邻驱腔b3上的下出口b6连通；连通孔b8经下出流孔b2与下出口腔b5连通，连通孔b8与最右侧的混腔进口b10连通；最左侧的混腔出口b11与出流孔b12连通，其余的混腔出口b11与其相邻的混腔b9的混腔进口b10连通；上盖a和下盖c经螺钉安装在主体b的上下两侧，上盖a的上进口腔a4和上出口腔a5与其内所安装的单向阀v分别构成上进口阀svn和上出口阀so，主体b的下进口腔b4和下出口腔b5与其内所安装的单向阀v分别构成下进口阀xvn和下出口阀xo，单向阀v为碟形阀，单向阀v由阀片i和阀座j粘接而成，阀片i由盖片i1、环片i3以及至少三条连接盖片i1与环片i3的螺旋片i2构成，阀片i粘接前螺旋片i2向环片i3的一侧预弯、粘接后盖片i1堵在阀座j的阀孔上；上盖圆台a7置于主体圆腔b7内并经主体b的连通孔b8使上盖a的上出流孔a2与主体上b的下出流孔b2及混腔进口b10连通；主体b的各驱腔b3内都经上盖凸台a3、密封圈e及垫圈e1压接有两个驱动器d，主体b的各混腔b9内都经下盖凸台c1及密封圈e压接有驱动器d，垫圈e1位于两个驱动器d之间、密封圈e位于驱动器d与上盖a、主体b或下盖c之间；驱腔b3中的驱动器d及密封圈e与上盖a构成上驱动腔scn、与主体b构成下驱动腔xcn，各上驱动腔scn串联成上驱动单元I、各下驱动腔xcn串联成下驱动单元II；混腔b9内的驱动器d及密封圈e与主体b构成混合腔hcn，各混合腔hcn串联成混合单元III；上驱动单元I和下驱动单元II并联后再与混合单元III串联；驱动器d由基板d1和压电片d2粘接而成，基板d1和压电片d2的厚度相等，基板d1和压电片d2的材料分别为黄铜和PZT4。

本发明中，svn、xvn、scn、xcn中的n表示从左到右的序号，hcn中的n表示从右到左的序号，n＝1，2，3，...；以具有两个上驱动腔scn、两个下驱动腔xcn和两个混合腔hcn的混合器为例，从左至右，上进口阀svn依次定义为上进口阀一sv1和二sv2，下进口阀xvn依次定义为下进口阀一xv1和二xv2，上驱动腔scn依次定义为上驱动腔一sc1和二sc2，下驱动腔xcn依次定义为下驱动腔一xc1和二xc2；从右至左，混合腔hcn依次定义为混合腔一hc1和二hc2。

本发明中，上驱动单元I和下驱动单元II中驱动器d的驱动频率相同且不大于混合单元III中驱动器d的激励频率的二分之一。

本发明中，上驱动单元I和下驱动单元II可交替地排出流体，如上半周期内上驱动单元I排出流体，则下半周期内下驱动单元II排出流体，具体地：左右相邻的两个上驱动腔scn及左右相邻的两个下驱动腔xcn中驱动器d的变形方向都分别相反，上下相对的上驱动单元I和下驱动单元II中驱动器d的变形方向相同；上半周期内，上驱动腔一sc1、下驱动腔二xc2的容积减小，上驱动腔二sc2、下驱动腔一xc1的容积增加，上进口阀一sv1、上出口阀so和下进口阀二xv2关闭，上进口阀二sv2、下进口阀一xv1及下出口阀xo开启，下驱动单元II从下进流孔b1吸入流体、从下出口阀xo排出流体，上驱动单元I中上驱动腔一sc1内流体进入上驱动腔二sc2内、对外无流体输出；下半周期内，上驱动腔一sc1、下驱动腔二xc2的容积增加，上驱动腔二sc2、下驱动腔一xc1的容积减小，上进口阀一sv1、上出口阀so和下进口阀二xv2开启，上进口阀二sv2、下进口阀一xv1及下出口阀xo关闭，上驱动单元I从上进流孔a1吸入流体、从上出口阀so排出流体，下驱动单元II中下驱动腔一xc1内流体进入下驱动腔二xc2内、对外无流体输出。

本发明中，上驱动单元I和下驱动单元II可同时排出流体，如上半周期内上驱动单元I和下驱动单元II都排出流体，则下半周期内无排出流体，具体地：左右相邻的两个上驱动腔scn及左右相邻的两个下驱动腔xcn中驱动器d的变形方向都分别相反，上下相对的上驱动单元I和下驱动单元II中驱动器d的变形方向相反；上半周期内，上驱动腔一sc1、下驱动腔一xc1的容积增加，上驱动腔二sc2、下驱动腔二xc2的容积减小，上进口阀一sv1、下进口阀一xv1、上出口阀so和下出口阀xo开启，上进口阀二sv2、下进口阀二xv2关闭，上驱动单元I从上进流孔a1吸入流体、从上出口阀so排出流体，下驱动单元II从下进流孔b1吸入流体、从下出口阀xo排出流体；下半周期内，上驱动腔一sc1、下驱动腔一xc1的容积减小，上驱动腔二sc2、下驱动腔二xc2的容积增加，上驱动单元1中上驱动腔一sc1内流体进入上驱动腔二sc2内、对外无流体输出，下驱动单元II中下驱动腔一xc1内流体进入下驱动腔二xc2内、对外无流体输出。

上驱动单元I和下驱动单元II排出的流体进入混合单元III进行多级主动混合，主动混合后的流体再经出流孔b12排出；上驱动单元I和下驱动单元II中驱动器d的驱动电压值相同时，通过上进流孔a1和下进流孔b1通流面积调节流体混合比例；上进流孔a1和下进流孔b1通流面积相同时，通过上驱动单元I和下驱动单元II中驱动器d的驱动电压调节两种流体的混合比例，上驱动单元I和下驱动单元II输出的流体流量和压力可通过驱动器d的驱动电压U₀调节，水类液体混合时： 式中：η_q、η_p分别为系统参数相关的流量和压力修正系数，R、H分别为驱动腔的半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下驱动器d中心点的变形量，h_p为压电片d2的厚度，f为激励频率，U₀为驱动电压，N为上驱动单元I或下驱动单元II中驱动器d的数量，β₀为流体体积模量。

Claims (1)

1.一种流体混合器，其特征在于：上下盖装在主体上下两侧，上盖的上进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成上进口阀和上出口阀，主体的下进出口腔与其内所安装的单向阀分别构成下进口阀和下出口阀；上盖圆台置于主体圆腔内并经主体的连通孔使上盖的上出流孔与主体上的下出流孔及混腔进口连通，主体的各驱腔内都经上盖凸台、密封圈及垫圈压接有两个驱动器，主体的各混腔内都经下盖凸台及密封圈压接有驱动器，驱动器由基板和压电片粘接而成；驱腔中的驱动器及密封圈与上盖构成上驱动腔、与主体构成下驱动腔，各上驱动腔串联成上驱动单元、各下驱动腔串联成下驱动单元；混腔内的驱动器及密封圈与主体构成混合腔，各混合腔串联成混合单元；上下驱动单元并联后再与混合单元串联；上下驱动单元中驱动器的驱动频率相同且不大于混合单元中驱动器激励频率的二分之一，上下驱动单元可交替或同时排出流体；上下驱动单元排出的流体进入混合单元进行多级主动混合后再经出流孔排出；上下驱动单元中驱动器的驱动电压值相同时通过上下进流孔通流面积调节流体混合比例，上下进流孔通流面积相同时，通过上下驱动单元中驱动器的驱动电压调节两种流体的混合比例。