CN111043017B - 一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵 - Google Patents

一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开微流体领域中的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微，泵体上的第一泵腔的下半部分左侧连接第一汇流锥管的小端，第二泵腔的下半部分右侧连接第二汇流锥管的小端，第一汇流锥管的大端分别连接第一后分流直管和第一前分流直管，第二汇流锥管的大端分别连接第二前分流直管和第二后分流直管，第一、第二后分流直管共同连接进口扩散/收缩管的前端，进口扩散/收缩管后端与进口缓冲腔相连，第一、第二前分流直管共同连接出口扩散/收缩管的后端，出口扩散/收缩管前端连接出口缓冲腔相连，采用双腔并联的方式来增大泵出流体的动能，使微泵在出口处的背压性能得到提升。

Description

一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵
技术领域
本发明涉及微流体技术领域，具体是无阀压电微型泵的结构，是微流体系统的核心部件和动力元件。
背景技术
压电泵是往复膜片式微泵的一种，通过利用压电材料的逆压电效应来实现压电材料的塑性变形，改变了泵腔的容积，从而达到输送流体的目的。相比于其他驱动方式的微型泵，压电泵具有结构简单、体积小、响应速度快、致动力大、无电磁干扰、对输送介质的粘度、离子强度、酸碱性不敏感等优点，因此被广泛应用于化学分析、生物芯片等领域。
附壁效应也称康达效应(Coanda)，是流体的流动现象，即流体(水流或气流)由离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。其原理是射流与周围流体交换动量，进而卷吸流体，但是有限空间的固壁限制了卷吸的流场，引起射流两侧产生压力差，造成射流的偏转，最终射流沿着壁面流动。
传统的扩散/收缩管利用流管正、反两个方向流动阻力不同这一特性实现流体单向泵送，其泵送流体的流量或者效率都是比较低的，泵出的流体流速很慢，出口的背压性能很差。
对于大部分无阀压电微泵而言，需要不断的改进微泵中微通道的结构来增大微泵的出流量，例如中国专利公告号为CN203067241U的文献中提出了一种具有附壁射流结构的无阀压电微泵，利用了康达效应增大微泵出口的流量。但是随着科学技术的发展，在越来越多的场合(例如心脏泵)都需要微型泵能泵出具有较大动能的流体，也就是具有很好的背压性能，多腔串联的微泵只能增大泵出的流量，例如中国专利公告号为CN104500373A的文献中提到了一种串联式无阀压电泵，也仅是在出口流量上进行了提高，而对微泵背压性能的提升不大。
发明内容
本发明的目的是提供一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，利用双腔并联的方式来提高微泵泵出流体的动能，改善微泵的背压性能；利用基于Coanda效应的附壁射流结构和传统扩散/收缩管的结合来增大进出口的流动阻力差，加大泵腔的容积变化，从而提高微泵的泵出流量，进而提高了微泵的容积效率，适应更多的场合。
为实现上述目的，本发明提供的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵采用的技术方案是：其包括泵体和泵盖，泵盖上设有进口、出口和第一、第二泵腔的上半部分，第一泵腔的上半部分和第二泵腔的上半部分左右对称布置，出口和进口前后对称布置；泵体上设有第一、第二泵腔的下半部分、两个汇流锥管、四个分流直管、一个进口扩散/收缩管、一个出口扩散/收缩管、一个进口缓冲腔和一个出口缓冲腔；第一泵腔的下半部分左侧连接第一汇流锥管的小端，第二泵腔的下半部分右侧连接第二汇流锥管的小端，第一、第二汇流锥管左右对称布置；第一汇流锥管的大端分别连接前后对称布置的第一后分流直管和第一前分流直管，第二汇流锥管的大端分别连接前后对称布置的第二前分流直管和第二后分流直管，第一后分流直管和第二后分流直管左右对称布置，第一前分流直管和第二前分流直管左右对称布置；第一后分流直管和第二后分流直管共同连接进口扩散/收缩管的前端，进口扩散/收缩管的后端与进口缓冲腔相连，进口缓冲腔与正上方的进口相通，第一前分流直管和第二前分流直管共同连接出口扩散/收缩管的后端，出口扩散/收缩管的前端与出口缓冲腔相连，出口缓冲腔与正上方的出口相通。
进一步地，第一汇流锥管的小端后侧壁与第一泵腔连接面之间以及第二汇流锥管的小端后侧壁与第一泵腔连接面之间均采用直角壁过渡连接，第一汇流锥管的小端前侧壁与第一泵腔连接面之间以及第二汇流锥管的小端前侧壁与第一泵腔连接面之间均采用圆弧面过渡连接。
本发明采用上述技术方案后的有益效果：
1、本发明不仅具有普通无阀压电泵结构简单、易加工、成本低的优点，而且通过采用双腔并联的方式来增大泵出流体的动能，使微泵在出口处的背压性能得到了提升。
2、本发明采用附壁射流元件与扩散/收缩管的结合，不仅利用了Coanda效应，在附壁射流元件内形成了有益的旋涡，在微泵排出过程，旋涡卷吸进口的流体加大出口的泵出流量，而且利用了传统扩散/收缩管的流动阻力的不同，进一步加大进出口流动的不同，从而增大了泵腔的容积变化，进而提高了微泵的容积效率。
3、相比基于附壁效应的三腔无阀压电泵，本发明只有两个并列的泵腔，大大减小了结构尺寸，更容易加工，不受电磁干扰，有利于微型化和集成化，极大地缩短了设计周期与成本；相比附壁射流单腔无阀压电微泵，本发明利用附壁射流元件与扩散/收缩管的结合，无论是在微泵的净流量还是背压性能，都有极大的提升。
附图说明
图1是本发明一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵的主视结构剖视图；
图2是图1中A-A剖视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图1中局部I的结构放大图；
图5是本发明排出过程的工作原理图；
图6是本发明吸入过程的工作原理图；
图中:1.泵体；2.进口缓冲腔；3.进口；4.进口扩散/收缩管；5.第一后分流直管；6.第一分流锥管；7.第一泵腔；8.第一前分流直管；9.出口扩散/收缩管；10.出口缓冲腔；11.出口；12.第二前分流直管；13.第二分流锥管；14.第二泵腔；15.第二后分流直管；16.第二压电振子；17.第二振动膜片；18.第一压电振子；19.第一振动膜片；20.泵盖。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明包括一个泵体1、一个泵盖20、两个压电振子16、18和两个振动膜片17、19。泵体1的材料是硅，泵盖20在泵体1的正上方，泵盖20的材料是玻璃。泵体1和泵盖20通过真空氧等离子体键合工艺或者是粘合剂使其紧密贴合在一起。泵盖20的上面连接两个振动膜片，分别是第一振动膜片19和第二振动膜片17，每个振动膜片上面是一个压电振子，即第一压电振子18和第一压电振子16，两个压电振子是驱动元件，两个压电振子16、18通过环氧树脂一一对应地粘结在两个振动膜片17、19的正上方。
在泵盖20上加工进口3、第一泵腔7的上半部分、出口11、第二泵腔14的上半部分，均为贯通孔。第一泵腔7的上半部分和第二泵腔14的上半部分相对于中心线M左右对称布置，出口11和进口3则前后对称布置。两个振动膜片17、19的直径略大于泵腔的直径，和进口3则前后对称布置。两个振动膜片17、19为黄铜或其他弹性材料制成，通过粘结剂固定在泵腔的上半部分的正上方。
在泵体1上加工有微泵的主要流道结构:两个泵腔7、14的下半部分、两个汇流锥管、四个分流直管、一个进口扩散/收缩管4、一个出口扩散/收缩管9、一个进口缓冲腔2和一个出口缓冲腔10。所有流道结构的上下深度是相同的，深度均为0.2～0.5mm。两个汇流锥管分别是第一汇流锥管6和第二汇流锥管13，四个分流直管分别是第一后分流直管5、第一前分流直管8、第二前分流直管12、第二后分流直管15。
其中，第一泵腔7的下半部分、第二泵腔14的下半部分两者并联，两者分布在泵体1左右两侧，且相对于中心线M左右对称布置。第一泵腔7的上半部分和第一泵腔7的下半部分上下键合成第一泵腔7，第二泵腔14的上半部分和第二泵腔14的下半部分上下键合成第二泵腔14。两个泵腔7、14结构相同，内径均为R。
第一泵腔7、第一振动膜片19和第一压电振子18的垂直中心线共线，第二泵腔14、第二振动膜片17和第二压电振子16的垂直中心线共线。
第一泵腔7的下半部分左侧连接第一汇流锥管6的小端，第二泵腔14的下半部分右侧连接第二汇流锥管13的小端，第一汇流锥管6和第二汇流锥管13左右对称布置。第一汇流锥管6的大端分别连接第一后分流直管5和第一前分流直管8这两个分流直管，第一前分流直管8和第一后分流直管5前后对称布置。第二汇流锥管13的大端分别连接第二前分流直管12和第二后分流直管15这两个分流直管，第二前分流直管12和第二后分流直管15前后对称布置。第一后分流直管5和第二后分流直管15左右对称布置，第一前分流直管8和第二前分流直管12左右对称布置。这样，四个分流直管围成一个棱形结构。
第一后分流直管5和第二后分流直管15这两个后分流直管共同连接进口扩散/收缩管4的前端，进口扩散/收缩管4的后端与进口缓冲腔2相连，而进口缓冲腔2的正上方是泵盖20上的进口3，进口缓冲腔2与进口3相通。第一前分流直管8和第二前分流直管12这两个前分流直管共同连接出口扩散/收缩管9的后端，出口扩散/收缩管9的前端连接与出口缓冲腔10相连，而出口缓冲腔10的正上方是泵盖20上的出口11，出口缓冲腔10与出口11相通。
进口扩散/收缩管4和出口扩散/收缩管9均呈锥形，进口扩散/收缩管4的大端连接两个后分流直管5、6，小端连接进口缓冲腔2。出口扩散/收缩管9的小端连接两个前分流直管8、12，小端连接出口缓冲腔10。
泵体1上的进口缓冲腔2和进口3的垂直中心线共线；泵体1上的出口缓冲腔10和出口11的垂直中心线共线。
如图1和图4所示，第一汇流锥管6的小端后侧壁与第一泵腔7连接面之间的夹角是直角，为直角壁过渡连接，第一汇流锥管6的小端前侧壁与第一泵腔7连接面之间采用圆弧面过渡连接，该圆弧半径r1＝1～2mm。同样，第二汇流锥管13与第一泵腔7之间的连接方式相同。
第一汇流锥管6和第二汇流锥管13的小端的断面前后宽度是a，管道长度是L1，L1与a的比值为5～15。第一汇流锥管6和第二汇流锥管13的锥角α为15°～45°。四个分流直管5、8、12、15的长度L2相同，断面宽度是b，L2和b的比值为10～30。
在第一后分流直管5和第一前分流直管8之间的第一汇流锥管6处为圆弧过渡壁面，第一汇流锥管6的大端处采用圆弧过渡壁面连接第一后分流直管5和第一前分流直管8，该圆弧过渡壁面的圆弧半径为r2＝2mm～4mm。同样，第二汇流锥管13的大端处采用圆弧过渡壁面连接第二前分流直管12和第二后分流直管15，该圆弧过渡壁面的圆弧半径也为r2＝2mm～4mm。两个圆弧过渡壁面彼此向对方的方向凸出。
第一后分流直管5和第二后分流直管15这两个后分流直管之间的夹角是θ，第一前分流直管8和第二前分流直管12这两个后分流直管之间的夹角也是θ，由于四个分流直管5、8、12、15围成一个棱形结构，所以锥度α和夹角θ互补。
如图1所示，进口扩散/收缩管4和出口扩散/收缩管9的锥形角度相同,角度β均为15°～30°；小端的断面宽度均为c，长度L3与小端c的比值为5～15。
本发明工作时，在两个压电振子16、18的两端加载交变电压信号(正弦或矩形波信号)，两个压电振子16、18会发生弯曲变形并随电压频率上下周期性振动，从而引起第一泵腔7、第二泵腔14的容积和内部压强的变化，并从进出口吸入排出流体，两个两个压电振子16、18施加电压幅值、频率、相位完全相同的交变电压。
在吸入过程中，如图5所示，当外界施加的电场激励两个压电振子16、18向上振动时，第一泵腔7和第二泵腔14体积增大，第一泵腔7、第二泵腔14内压强迅速降低，低于外界大气压强，使得外部流体通过进口3和出口11同时流入进口缓冲腔2和出口缓冲腔10中。当流体经过进口扩散/收缩管4时，由于流动方向为扩散方向，流动阻力越来越小，增大进口的吸入量；当流体经过出口扩散/收缩管9时，由于流动方向为收缩方向，流动阻力越来越大，减小出口的吸入量，从而造成了流体在进口扩散/收缩管4和出口扩散/收缩管9的流量差。经过进口扩散/收缩管4和出口扩散/收缩管9后，由于微泵的对称性，流体均匀地流入四个分流直管5、8、12、15中，然后流体在经过第一汇流锥管6和第二汇流锥管13后，最终流进了第一泵腔7和第二泵腔14。当流体进入第一汇流锥管6和第二汇流锥管13大端时，由于分流直管过来的流体速度较快，会在两个汇流锥管的圆弧壁处形成两个小旋涡，靠近其中的第一、第二后分流直管5、15处的旋涡为逆时针方向，靠近第一、第二前分流直管8、12处的旋涡为顺时针方向。由于扩散/收缩管的影响，第一、第二后分流直管5、15内的流量比第一、第二前分流直管8、12内的流量大，所以逆时针旋涡会逐渐吞没顺时针旋涡，从而阻碍下分流直管8和12内的流体流入泵腔7和14，进而造成进口3和出口11更大的流量差。排出过程泵腔的流体排出量QP。
在排出过程中，如图6所示，当外界施加的电场激励两个压电振子16、18向下振动时，第一泵腔7和第二泵腔14的体积减小，第一泵腔7和第二泵腔14的内压强迅速提高，高于外界大气压强，使得第一泵腔7和第二泵腔14内的流体通过第一、第二汇流锥管6、13、四个分流直管5、8、12、15、进口扩散/收缩管4、出口扩散/收缩管9、进口缓冲腔2和出口缓冲腔10，从进口3和出口11同时排出。当流体经过时，由于第一、第二汇流锥管6、13的小端与第一泵腔7、第二泵腔14之间的圆弧面的Coanda效应，使更多流体贴近两个前分流直管8、12的内壁流出，从而在第一、第二汇流锥管6、13与前后分流直管之间的圆弧壁处形成较大的旋涡，该漩涡方向为逆时针方向，所以旋涡的形成增大了两个前分流直管8、12的流量，并且阻止流体从两个后分流直管5、15出流，反过来会卷吸两个后分流直管5、15中的滞留流体。流体经过进出口扩散/收缩管的情况为：当流体经过进口扩散/收缩管4时，由于旋涡的卷吸作用，该部分的流体流入泵腔，所以流动方向为扩散方向，流动阻力越来越小，增大旋涡的卷吸作用，并卷吸进口缓冲腔2中的滞留流体；当流体经过出口扩散/收缩管9时，由于流动方向也为扩散方向，流动阻力越来越大，增大出口的排出量，从而造成了流体在进口扩散/收缩管4和出口扩散/收缩管9处的流量差。吸入过程泵腔的流体吸入量QX。
设出口11处的瞬时流量为qout，则一个周期内的出口11的净流量为
Figure BDA0002340892920000061
泵腔体积变化量为QP+QX，因此本发明的容积效率为
Figure BDA0002340892920000062
容积效率高达85％以上。

Claims (8)

1.一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，包括泵体（1）和泵盖（20），泵盖（20）上设有进口（3）、出口（11）、第一泵腔（7）的上半部分和第二泵腔（14）的上半部分，其特征是：第一泵腔（7）的上半部分和第二泵腔（14）的上半部分左右对称布置，出口（11）和进口（3）前后对称布置；泵体（1）上设有第一泵腔（7）的下半部分、第二泵腔（14）的下半部分、第一汇流锥管（6）、第二汇流锥管（13）、第一前分流直管（8）、第一后分流直管（5）、第二前分流直管（12）、第二后分流直管（15）、一个进口扩散收缩管（4）、一个出口扩散收缩管（9）、一个进口缓冲腔（2）和一个出口缓冲腔（10）；第一泵腔（7）的下半部分左侧连接第一汇流锥管（6）的小端，第二泵腔（14）的下半部分右侧连接第二汇流锥管（13）的小端，第一汇流锥管（6）和第二汇流锥管（13）左右对称布置；第一汇流锥管（6）的大端分别连接前后对称布置的第一后分流直管（5）和第一前分流直管（8），第二汇流锥管（13）的大端分别连接前后对称布置的第二前分流直管（12）和第二后分流直管（15），第一后分流直管（5）和第二后分流直管（15）左右对称布置，第一前分流直管（8）和第二前分流直管（12）左右对称布置；第一后分流直管（5）和第二后分流直管（15）共同连接进口扩散收缩管（4）的前端，进口扩散收缩管（4）的后端与进口缓冲腔（2）相连，进口缓冲腔（2）与正上方的进口（3）相通，第一前分流直管（8）和第二前分流直管（12）共同连接出口扩散收缩管（9）的后端，出口扩散收缩管（9）的前端与出口缓冲腔（10）相连，出口缓冲腔（10）与正上方的出口（11）相通。
2.根据权利要求1所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一汇流锥管（6）的小端后侧壁与第一泵腔（7）连接面之间以及第二汇流锥管（13）的小端后侧壁与第二泵腔（14）连接面之间均采用直角壁过渡连接，第一汇流锥管（6）的小端前侧壁与第一泵腔（7）连接面之间以及第二汇流锥管（13）的小端前侧壁与第二泵腔（14）连接面之间均采用圆弧面过渡连接。
3.根据权利要求1所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一汇流锥管（6）和第二汇流锥管（13）的小端的断面前后宽度都是a，管道长度都是L1，L1与a的比值为5～15；第一汇流锥管（6）和第二汇流锥管（13）的锥角α都为15°～45°。
4.根据权利要求3所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一后分流直管（5）和第二后分流直管（15）之间的夹角、第一前分流直管（8）和第二前分流直管（12）之间的夹角均是θ，夹角θ和所述的锥角α互补。
5.根据权利要求1所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一前分流直管（8）、第一后分流直管（5）、第二前分流直管（12）和第二后分流直管（15）的长度L2相同，断面宽度是b，L2和b的比值为10～30。
6.根据权利要求1所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：进口扩散收缩管（4）和出口扩散收缩管（9）的锥形角度均为15°～30°、小端的断面宽度均为c，进口扩散收缩管（4）和出口扩散收缩管（9）的长度均为L3，长度L3与小端c的比值为5～15。
7.根据权利要求1所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一汇流锥管（6）的大端处采用圆弧过渡壁面分别连接第一后分流直管（5）和第一前分流直管（8），第二汇流锥管（13）的大端处采用圆弧过渡壁面分别连接第二前分流直管（12）和第二后分流直管（15），两个圆弧过渡壁面彼此向对方的方向凸出。
8.根据权利要求7所述的一种扩散收缩式双腔并联附壁射流无阀压电微泵，其特征是：两个所述的圆弧过渡壁面的圆弧半径r2=2～4mm。
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