一种多级流体混合器
技术领域
本发明属于流体传输与控制领域,具体涉及一种多级流体混合器。
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,本发明提出一种多级流体混合器,本发明的实施方案是:主体上设有上下入孔、出孔、至少两个相邻且由对称配置的上下驱腔构成的驱腔组及至少两个相邻且由对称配置的上下混腔构成的混腔组,上下驱腔和上下混腔的侧壁上部设有走线槽;上驱腔的底壁上都设有上出口腔,最左侧上驱腔的底壁上还设有上进口腔、其它上驱腔的底壁上还设有上进口;下驱腔的顶壁上都设有下出口腔,最左侧下驱腔的顶壁上还设有下进口腔、其它下驱腔的顶壁上还设有下进口;上下进口腔分别与上下入孔连通,最右侧的上下出口腔经驱腔孔连通,其余的上下出口腔分别与其相邻驱腔组的上下进口连通;上混腔的底壁上设有上混流孔,最左侧的上混流孔与驱腔孔连通,下混腔的顶壁上设有下混流孔,最右侧的下混流孔与出孔连通,其余上混流孔与其相邻混腔组的下混流孔连通,同一个混腔组的上下混腔经混腔孔连通;端盖经螺钉安装在主体上下两侧并经密封圈将换能器压接在上下驱腔及上下混腔内,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,环片的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;上驱腔内的换能器与主体及密封圈构成上驱动腔,下驱腔内的换能器与主体及密封圈构成下驱动腔,各上驱动腔相互串联构成上驱动单元、各下驱动腔相互串联构成下驱动单元,上下驱动单元并联;上混腔内的换能器与主体及密封圈构成上混合腔,下混腔内的换能器与主体及密封圈构成下混合腔;对称配置的上下混合腔串联成一个混合单元,两左右相邻的混合单元相互串联。
以具有两个驱腔组和两个混腔组的混合器为例,从左至右,上出口阀依次定义为上出口阀一和二,下出口阀依次定义为下出口阀一和二,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;上混合腔依次定义为上混合腔一和二,下混合腔依次定义为下混合腔一和二。
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、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、上驱动腔和上混合腔以及两个上混合腔中换能器变形方向分别相反;上下对称配置的上下驱动腔及上下混合腔中的换能器的变形方向分别相同;工作过程为:上半周期内,上驱动腔一、下驱动腔二、上混合腔一及下混合腔二的容积增加,上驱动腔二、下驱动腔一、上混合腔二及下混合腔一的容积减小,上进口阀、上出口阀二和下出口阀一开启,上出口阀一、下进口阀及下出口阀二关闭,上驱动单元从上入孔吸入流体、从上出口阀二排出流体,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;下半周期内,上驱动腔一、下驱动腔二、上混合腔一及下混合腔二的容积减小,上驱动腔二、下驱动腔一、上混合腔二及下混合腔一的容积增加,上进口阀、上出口阀二和下出口阀一关闭,上出口阀一、下进口阀及下出口阀二开启,下驱动单元从下入孔吸入流体、从下出口阀二排出流体,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。
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、下半周期内无排出流体,具体地:左右相邻的两个上驱动腔、上驱动腔和上混合腔以及两个上混和腔中换能器变形方向分别相反;上下对称配置的上下驱动腔、上下混合腔中的换能器的变形方向分别相反;工作过程为:上半周期内,上驱动腔一、下驱动腔一、上混合腔一及下混合腔一的容积增加,上驱动腔二、下驱动腔二、上混合腔二及下混合腔二的容积减小,上进口阀、下进口阀、上出口阀二及下出口阀二开启,上出口阀一和下出口阀一关闭,上驱动单元从上入孔吸入流体、从上出口阀二排出流体,下驱动单元从下入孔吸入流体、从下出口阀二排出流体;下半周期内,上驱动腔一、下驱动腔一、上混合腔一及下混合腔一的容积减小,上驱动腔二、下驱动腔二、上混合腔二及下混合腔二的容积增加,上进口阀和下进口阀、上出口阀二及下出口阀二关闭,上出口阀一和下出口阀一开启,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各串联的混合单元进行多级主动混合后再经出孔排出;上下驱动单元中换能器的驱动电压值相同时,通过上下入孔通流面积调节流体混合比例;上下入孔通流面积相同时,通过上下驱动单元中换能器的驱动电压调节两种流体的混合比例。
本发明中,换能器由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成,上下入孔通流面积相同时,上下驱动单元输出的流体流量和压力可通过换能器的驱动电压U0调节,即可通过下式获得:式中:ηq、ηp分别为系统参数相关的流量和压力修正系数,R、H分别为驱动腔及混合腔的半径和高度,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,hp为压电片厚度,f为激励频率,U0为驱动电压,N为上驱动单元或下驱动单元中换能器数量,β0为流体体积模量。
优势与特色: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两个驱动单元交替输出流体时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两个驱动单元交替输出流体时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两个驱动单元同时输出流体时上半周换能器变形及阀的开关示意图;
图5是本发明一个较佳实施例中两个驱动单元同时输出流体时下半周换能器变形及阀的开关示意图;
图6是本发明一个较佳实施例中主体的结构示意图;
图7是图6的俯视图;
图8是本发明一个较佳实施例中碟形阀的结构示意图;
图9是本发明一个较佳实施例中阀片的结构示意图;
图10是图9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a2、出孔a3、至少两个相邻且由对称配置的上驱腔a4和下驱腔a4’构成的驱腔组X及至少两个相邻且由对称配置的上混腔a5和下混腔a5’构成的混腔组Y,上驱腔a4、下驱腔a4’、上混腔a5和下混腔a5’的侧壁上都设有走线槽a6;上驱腔a4的底壁上都设有上出口腔a8,最左侧上驱腔a4的底壁上还设有上进口腔a7、其它上驱腔a4的底壁上还设有上进口a9;下驱腔a4’的顶壁上都设有下出口腔a8’,最左侧下驱腔a4’的顶壁上还设有下进口腔a7’、其它下驱腔a4’的顶壁上还设有下进口a9’;上进口腔a7和下进口腔a7’分别与上入孔a1和下入孔a2连通,最右侧的上出口腔a8和下出口腔a8’经驱腔孔a10连通,其余的上出口腔a8和下出口腔a8’分别与其相邻驱腔组X的上进口a9和下进口a9’连通;上混腔a5的底壁上设有上混流孔a11,最左侧的上混流孔a11与驱腔孔a10连通,下混腔a5’的顶壁上设有下混流孔a11’,最右侧的下混流孔a11’与出孔a3连通,其余上混流孔a11与其相邻混腔组Y的下混流孔a11’连通,同一个混腔组Y的上混腔a5和下混腔a5’经混腔孔a12连通;端盖b经螺钉安装在主体a的上下两侧,端盖凸台b1经密封圈e将换能器d压接在上驱腔a4和下驱腔a4’、上混腔a5和下混腔a5’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a7和下进口腔a7’与其内部所安装的单向阀c分别构成上进口阀si和下进口阀xi,上出口腔a8和下出口腔a8’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;上驱腔a4内的换能器d与主体a及密封圈e构成上驱动腔scn,下驱腔a4’内的换能器d与主体a及密封圈e构成下驱动腔xcn,各上驱动腔scn相互串联构成上驱动单元I、各下驱动腔xcn相互串联构成下驱动单元II,上驱动单元I和下驱动单元II并联;上混腔a5内的换能器d与主体a及密封圈e构成上混合腔Scn,下混腔a5’内的换能器d与主体a及密封圈e构成下混合腔Xcn;对称配置的上混合腔Scn和下混合腔Xcn串联成一个混合单元III,两左右相邻的混合单元III相互串联。
本发明中,son、xon、scn、xcn、Scn、Xcn中的n表示从左到右的序号,n=1,2,3,...;以具有两个驱腔组X和两个混腔组Y的混合器为例,从左至右,上出口阀son依次定义为上出口阀一so1和二so2,下出口阀xon依次定义为下出口阀一xo1和二xo2,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上混合腔Scn依次定义为上混合腔一Sc1和二Sc2,下混合腔Xcn依次定义为下混合腔一Xc1和二Xc2。
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、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、上驱动腔scn和上混合腔Scn以及两个上混合腔Scn中换能器d变形方向分别相反;上下对称配置的上驱动腔scn和下驱动腔xcn、上混合腔Scn和下混合腔Xcn中的换能器d的变形方向分别相同;工作过程为:上半周期内,上驱动腔一sc1、下驱动腔二xc2、上混合腔一Sc1及下混合腔二Xc2的容积增加,上驱动腔二sc2、下驱动腔一xc1、上混合腔二Sc2及下混合腔一Xc1的容积减小,上进口阀si、上出口阀二so2和下出口阀一xo1开启,上出口阀一so1、下进口阀xi及下出口阀二xo2关闭,上驱动单元I从上入孔a1吸入流体、从上出口阀二so2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;下半周期内,上驱动腔一sc1、下驱动腔二xc2、上混合腔一Sc1及下混合腔二Xc2的容积减小,上驱动腔二sc2、下驱动腔一xc1、上混合腔二Sc2及下混合腔一Xc1的容积增加,上进口阀si、上出口阀二so2和下出口阀一xo1关闭,上出口阀一so1、下进口阀xi及下出口阀二xo2开启,下驱动单元II从下入孔a2吸入流体、从下出口阀二xo2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。
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、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、上驱动腔scn和上混合腔Scn以及两个上混合腔Scn中换能器d变形方向分别相反;上下对称配置的上驱动腔scn和下驱动腔xcn、上混合腔Scn和下混合腔Xcn中的换能器d的变形方向分别相反;工作过程为:上半周期内,上驱动腔一sc1、下驱动腔一xc1、上混合腔一Sc1及下混合腔一Xc1的容积增加,上驱动腔二sc2、下驱动腔二xc2、上混合腔二Sc2及下混合腔二Xc2的容积减小,上进口阀si、下进口阀xi、上出口阀二so2及下出口阀二xo2开启,上出口阀一so1和下出口阀一xo1关闭,上驱动单元I从上入孔a1吸入流体、从上出口阀二so2排出流体,下驱动单元II从下入孔a2吸入流体、从下出口阀二xo2排出流体;下半周期内,上驱动腔一sc1、下驱动腔一xc1、上混合腔一Sc1及下混合腔一Xc1的容积减小,上驱动腔二sc2、下驱动腔二xc2、上混合腔二Sc2及下混合腔二Xc2的容积增加,上进口阀si和下进口阀xi、上出口阀二so2及下出口阀二xo2关闭,上出口阀一so1和下出口阀一xo1开启,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排出的流体进入各串联的混合单元III进行多级主动混合,主动混合后的流体再经出孔a3排出;上驱动单元I和下驱动单元II中换能器d的驱动电压值相同时,通过上入孔a1和下入孔a2通流面积调节流体混合比例;上入孔a1和下入孔a2通流面积相同时,通过上驱动单元I和下驱动单元II中换能器d的驱动电压调节两种流体的混合比例。
本发明中,换能器d由等厚度PZT4晶片与黄铜基板粘接而成,上入孔a1和下入孔a2通流面积相同时,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换能器d的驱动电压U0调节,即可通过下式获得:式中:ηq、ηp分别为系统参数相关的流量和压力修正系数,R、H分别为驱动腔及混合腔的半径和高度,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,hp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中换能器d的数量,β0为流体体积模量。