CN109772224B - 一种主-被动混合器 - Google Patents

Abstract

本发明属流体驱动领域，具体涉及一种主‑被动混合器。端盖装在主体上下两侧并经密封圈将换能器压在主体沉腔内；换能器由基板和压电片粘接而成，压电片靠近端盖安装；上下进口腔与其内安装的单向阀分别构成上下进口阀，上下出口腔与其内部所安装的单向阀分别构成上下出口阀；上下沉腔内的换能器与主体及密封圈分别构成上下容腔，同一沉腔组中的上下容腔并联成一个容腔组，左右相邻的两个容腔组串联；同一容腔组的上下容腔交叉地吸入和排出流体，所排出的流体经混流孔被动混合后再同时进入到下一容腔组的上下容腔进行主动混合，主动混合后再进入另一混流孔进行被动混合。优势与特色：混合且主被动混合相结合，效果好、配比精度高、泵送能力强。

Description

一种主-被动混合器

技术领域

本发明属于流体传输与控制领域，具体涉及一种主-被动混合器。

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的，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

为提高混合器的输送能力、混合效果及混合配比精度，本发明提出一种主-被动混合器，本发明的实施方案是：主体上设有上下入孔、出孔及上下沉腔，上下沉腔数量相等且其侧壁上都设有走线槽，上沉腔的底壁上设有上进出口腔、下沉腔的顶壁上设有下进出口腔；主体上下两侧对称设置的上下沉腔构成一个沉腔组，最左侧沉腔组的上下进口腔分别与上下入孔连通，最右侧沉腔组的上下出口腔与出孔连通，其余沉腔组的上下进口腔经进流孔连通、上下出口腔经出流孔连通，左右两相邻的进出流孔经混流孔连通，进出流孔的通流面积相等且不超过混流孔通流面积的一半；主体上下两侧经螺钉安装有端盖，端盖凸台经密封圈将换能器压接在上下沉腔内，密封圈位于换能器上下两侧；换能器由基板和压电片粘接而成，压电片靠近端盖安装，换能器表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；上下进口腔与其内部所安装的单向阀分别构成上下进口阀，上下出口腔与其内部所安装的单向阀分别构成上下出口阀；单向阀由压环、阀片和阀座依次粘接而成，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，环片两侧分别与压环和阀座粘接；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；上下沉腔内的换能器与主体及密封圈分别构成上下容腔，同一沉腔组中的上下容腔并联成一个容腔组，左右相邻的两个容腔组串联；混流孔的容积至少为一个周期内一个容腔组中上下容腔容积变化量之和的两倍；上下容腔中的换能器经不同的导线组与电源相连。

本发明中，同一容腔组的上下容腔交叉地吸入和排出流体，所排出的流体经混流孔被动混合后再同时进入到下一容腔组的上下容腔进行主动混合，主动混合后再进入另一混流孔进行被动混合，如此反复即完成了流体的输送和混合过程。

以具有三个容腔组的混合器为例，从左至右，上进口阀依次定义为上进口阀一、二和三，下进口阀依次定义为下进口阀一、二和三，上出口阀依次定义为上出口阀一、二和三，下出口阀依次定义为下出口阀一、二和三，上容腔依次定义为上容腔一、二和三，下容腔依次定义为下容腔一、二和三；工作过程为：上半周期内，上容腔一和三及下容腔二的容积增加，上容腔二及下容腔一和三的容积减小，上进口阀一和三、下出口阀一和三及上出口阀二开启，上容腔一从上入孔吸入流体、上容腔三及下容腔二从混流孔吸入流体，上容腔二、下容腔一和三内的流体排入混流孔；类似地，下半周期内，下容腔一从下入孔吸入流体、上容腔二和下容腔三从混流孔中吸入流体，上容腔一和三及下容腔二内的流体排入混流孔；由于混流孔的容积是一个周期内一个容腔组中上下容腔容积变化量之和的两倍以上，故与上下容腔一相邻的混流孔内同时且间隔地存在两种流体，流体经初步混合后再进入下一个容腔组，经换能器振动主动混合后再进入下一个混流孔进行被动混合；上述工作过程中，除了上下容腔一外，其它容腔都具有流体泵送与主动混合的双重功能。

本发明中，换能器由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成；上下容腔中换能器的驱动电压相同时通过上下入孔通流面积控制流体混合比例，上下入孔通流面积相同时通过上下容腔中换能器的驱动电压调节两种流体的混合比例；上下入孔通流面积相同、两种粘度及体积模量相同或相近流体等比例混合后，其输出流量和压力为：

式中：η_q、η_p分别为流量和压力的修正系数，R、H分别为沉腔半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下换能器中心点的变形量，h_p为压电片厚度，f为激励频率，U₀为驱动电压，N为容腔组的数量，β₀为流体的体积模量。

优势与特色：通过多腔同步驱动与混合，流体输送能力强，腔内主动混合与混流孔被动混合相结合，混合效果好，适于大粘度流体的连续混合与配送；采用两个容腔吸入不同流体，易于通过驱动电压或入孔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是本发明一个较佳实施例中上半周换能器变形及阀的开关示意图；

图3是本发明一个较佳实施例中下半周换能器变形及阀的开关示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明一个较佳实施例中碟形阀的结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中阀片的结构示意图；

图8是图7的B-B剖面图。

具体实施方式

主体a上设有上入孔a1、下入孔a1’、出孔a2、上沉腔a3及下沉腔a4，上沉腔a3和下沉腔a4数量相等且其侧壁上都设有走线槽a5，上沉腔a3的底壁上设有上进口腔a6和上出口腔a7、下沉腔a4的顶壁上都设有下进口腔a6’和下出口腔a7’；主体a上下两侧对称设置的上沉腔a3和下沉腔a4构成一个沉腔组，最左侧沉腔组的上进口腔a6和下进口腔a6’分别与上入孔a1和下入孔a1’连通，最右侧沉腔组的上出口腔a7和下出口腔a7’与出孔a2连通，其余沉腔组的上进口腔a6和下进口腔a6’经进流孔a8连通、上出口腔a7和下出口腔a7’经出流孔a9连通，两个左右相邻的进流孔a8和出流孔a9经混流孔a10连通，进流孔a8和出流孔a9的通流面积相等且不超过混流孔a10通流面积的一半；主体a的上下两侧经螺钉安装有端盖b，端盖凸台b1经密封圈e将换能器d压接在上沉腔a3和下沉腔a4内，密封圈e位于换能器d上下两侧；换能器d由基板d1和压电片d2粘接而成，压电片d2靠近端盖b安装，换能器d的表面涂有绝缘漆或粘接有绝缘薄膜；上进口腔a6和下进口腔a6’与其内部所安装的单向阀c分别构成上进口阀sin和下进口阀xin，上出口腔a7和下出口腔a7’与其内部所安装的单向阀c分别构成上出口阀son和下出口阀xon单向阀c由压环k、阀片i和阀座j依次粘接而成，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，环片i3的两侧分别与压环k和阀座j粘接；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；上沉腔a3内的换能器d与主体a及密封圈e构成上容腔scn，下沉腔a4内的换能器d与主体a及密封圈e构成下容腔xcn；同一沉腔组中的上容腔scn和下容腔xcn并联成一个容腔组，左右相邻的两个容腔组串联；混流孔a10的容积至少为一个周期内一个容腔组中上容腔scn和下容腔xcn容积变化量之和的两倍；上容腔scn中的换能器d和下容腔xcn中的换能器d经不同的导线组与电源相连；本发明中，sin、xin、son、xon、scn和xcn中的n表示从左到右的序号，n＝1，2，3，...。

本发明中，一个容腔组中的上容腔scn和下容腔xcn交叉地吸入和排出流体，所排出的流体经混流孔a10被动混合后再进入到下一容腔组的上容腔scn和下容腔xcn进行主动混合，主动混合后再进入另一混流孔a10进行被动混合，如此反复即完成了流体的输送和混合过程。

以具有三个容腔组的混合器为例，从左至右，上进口阀sin依次定义为上进口阀一si1、二si2和三si3，下进口阀xin依次定义为下进口阀一xi1、二xi2和三xi3，上出口阀son依次定义为上出口阀一so1、二so2和三so3，下出口阀xon依次定义为下出口阀一xo1、二xo2和三xo3，上容腔scn依次定义为上容腔一sc1、二sc2和三sc3，下容腔xcn依次定义为下容腔一xc1、二xc2和三xc3；工作过程为：上半周期内，上容腔一sc1和三sc3及下容腔二xc2的容积增加，上容腔二sc2及下容腔一xc1和三xc3的容积减小，上进口阀一si1和三si3、下出口阀一xo1和三xo3及上出口阀二so2开启，上容腔一sc1从上入孔a1吸入流体、上容腔三sc3及下容腔二xc2从混流孔a10吸入流体，上容腔二sc2、下容腔一xc1和三xc3内的流体排入混流孔a10；类似地，下半周期内，下容腔一xc1从下入孔a1’吸入流体、上容腔二sc2和下容腔三xc3从混流孔a10中吸入流体，上容腔一sc1和三sc3及下容腔二xc2内的流体排入混流孔a10；由于混流孔a10的容积是一个周期内一个容腔组中上容腔scn和下容腔xcn容积变化量的两倍以上，故与上容腔一sc1和下容腔一xc1相邻的混流孔a10内同时且间隔地存在两种流体，流体经初步混合后再进入下一个容腔组，经换能器d振动主动混合后再进入下一个混流孔进行被动混合；上述工作过程中，除了上容腔一sc1和下容腔一xc1外，其它容腔都具有流体泵送与主动混合的双重功能。

本发明中，换能器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成；上容腔scn与下容腔xcn中换能器d的驱动电压相同时通过上入孔a1和下入孔a1’通流面积控制流体混合比例，上入孔a1和下入孔a1’通流面积相同时通过上容腔scn及下容腔xcn中换能器d的驱动电压调节两种流体的混合比例；上入孔a1和下入孔a1’通流面积相同、两种粘度及体积模量相同或相近流体等比例混合后，其输出流量和压力为：

式中：η_q、η_p分别为流量和压力的修正系数，R、H分别为沉腔半径和高度，H不小于P＝0时最大输入电压作用下换能器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为容腔组的数量，β₀为流体的体积模量。

Claims (1)

1.一种主-被动混合器，其特征在于：主体上设有上下入孔、出孔及上下沉腔，上沉腔的底壁上设有上进出口腔、下沉腔的顶壁上设有下进出口腔；主体上下两侧对称设置的上下沉腔构成一个沉腔组，最左侧沉腔组的上下进口腔分别与上下入孔连通，最右侧沉腔组的上下出口腔与出孔连通，其余的上下进口腔经进流孔连通、上下出口腔经出流孔连通，左右两相邻的沉腔组中的进出流孔经混流孔连通，进出流孔的通流面积相等且不超过混流孔通流面积的一半；主体上下两侧装有端盖，端盖凸台经密封圈将换能器压接在上下沉腔内；换能器由基板和压电片粘接而成，压电片靠近端盖安装；上下进口腔与其内部所安装的单向阀分别构成上下进口阀，上下出口腔与其内部所安装的单向阀分别构成上下出口阀；上下沉腔内的换能器与主体及密封圈分别构成上下容腔，同一沉腔组中的上下容腔并联成一个容腔组，左右相邻的两个容腔组串联；混流孔容积至少为一个周期内一个容腔组中上下容腔容积变化量之和的两倍；同一容腔组的上下容腔交叉地吸入和排出流体，所排出的流体经混流孔被动混合后再同时进入到下一容腔组的上下容腔进行主动混合，主动混合后再进入另一混流孔进行被动混合。

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