CN111075696B - 一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开微流体传输与控制以及微机械领域中的一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵，泵体设有泵腔的下部分、缓冲腔、分流管、进口流管、出口流管、进口腔和出口腔，分流管和出口流管的横截面都呈水平的锥形，分流管的左端小端是单通道，与缓冲腔连通，右端大端是双通道，双通道的一个通道与进口流管的左端连通，另一个通道与出口流管的左端小端连通，泵腔的下部分具有前后对称的中心面，分流管关于中心面前后对称，出口流管的后侧面与中心面重合，出口流管的前侧面和进口流管后侧面关于中心面前后对称；分流管后侧壁与进口流管后侧壁平齐，出口流管前侧壁与分流管前侧壁平齐；采用混合管结构，一个完整的工作循环后，净流量得到提高。

Description

一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵
技术领域
本发明涉及微流体传输与控制以及微机械技术领域，特别是一种机械式无阀压电泵的结构。
背景技术
压电泵属于机械式微泵，动力源部件直接作用于液体，结构简单，可根据施加电压或频率控制输出流量。压电泵根据有无可动阀结构，可分为无阀压电泵和有阀压电泵，无阀压电泵通过特殊流道的导向能力泵送流体，与有阀压电泵相比，无阀压电泵在运输细胞或大颗粒介质时，不易发生堵塞，但是与有阀压电泵相比，又存在着流量小的问题。
应用基于附壁效应设计的射流元件的无阀压电微泵，可以大幅提高泵的流量，同时有着结构简单等优点。例如，中国专利公开号CN102691647A的文献中公开了一种基于附壁效应的无阀压电泵，其采用附壁元件实现进口流管流量和出口流管流量产生差值，从而达到单向流动且流量得到提高的效果，但其存在的问题是：并没有充分利用进、出口流管的性能，在泵吸入过程中，进口流管和出口流管的流量基本一致，流量的提升空间有限。
发明内容
本发明针对已有无阀压电泵流量低的问题，提供了一种应用附壁效应的混合管无阀压电泵，采用混合管的结构以增加进口流管和出口流管在吸入和排出过程中的流量差，从而提高流量。
本发明采用的技术方案是：包括压电振子、泵盖和泵体，压电振子固定连接泵盖，泵盖键合在泵体上方，泵盖上开有泵进口和泵出口，泵盖上设有泵腔的上部分，泵体设有泵腔的下部分、缓冲腔、分流管、进口流管、出口流管、进口腔和出口腔，分流管和出口流管的横截面都呈水平的锥形，分流管的左端小端是单通道，与缓冲腔连通，右端大端是双通道，双通道的一个通道与进口流管的左端连通，另一个通道与出口流管的左端小端连通，出口流管的右端大端连通出口腔，进口流管的右端连通进口腔，进口腔连通正上方的泵进口，出口腔连通正上方的泵出口。
进一步地，泵腔的下部分具有前后对称的中心面，分流管关于所述的中心面前后对称，出口流管的后侧面与所述的中心面重合，出口流管的前侧面和进口流管后侧面关于所述的中心面前后对称；分流管的后侧壁与进口流管的后侧壁平齐，出口流管的前侧壁与分流管的前侧壁平齐。
更进一步地，在分流管的小端与缓冲腔连接处，分流管的后侧壁与缓冲腔的管壁之间采用尖角连接，分流管的前侧壁与缓冲腔的管壁之间采用圆角过渡连接。
本发明的有益效果为：
本发明在原本应用附壁效应使得排出过程中出口腔流量更大的基础上，采用混合管结构，使得在泵吸入过程中，出口流管内流体相当于在收缩管内流动，出口流管的流量小于进口流管的流量，即在吸入过程中，泵腔从进口腔吸入更多的流体；排出过程中，在附壁效应的作用下，流体大多流向出口流管，同时出口流管里的流体相当于在扩散管内流动，出口流管的流量更加大于进口流管的流量。一个完整的工作循环后，出口腔进入泵腔的流量更低，同时泵腔进入出口腔的流量更大，净流量得到提高。
附图说明
图1为本发明一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵的结构主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中的A-A剖面放大图；
图4为图3中的B-B旋转剖视图；
图5为图3中的I局部放大图；
图6为图5所示部分的关键尺寸标注图。
图中：1.压电振子；2.泵盖；3.泵体；4.泵腔的上部分；5.泵进口；6.泵出口；7.泵腔的下部分；8.缓冲腔；9.分流管；10.进口流管；11.出口流管；12.进口腔；13.出口腔。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明包括一个压电振子1、泵盖2和泵体3。压电振子1通过粘合剂固定在泵盖2上，泵盖2和泵体3键合，泵盖2键合在泵体3上方。泵盖2上开有泵进口5和泵出口6，泵进口5和泵出口6位于压电振子1的左或中的同侧，例如图2显示在压电振子1的右侧，并且泵进口5和泵出口6一后一前布置。
如图3、4所示，在泵盖2上还加工泵腔的上部分4，泵体3上加工泵腔的下部分7、缓冲腔8、分流管9、进口流管10、出口流管11、进口腔12和出口腔13。泵腔的下部分7、缓冲腔8、分流管9、进口流管10、出口流管11、进口腔12和出口腔13的上下深度相同，都是h。泵腔的上部分4和下部分7上下对合相通，压电振子1连接在泵腔的上部分4处。
缓冲腔8与泵腔的下部分7相交且相通，缓冲腔8左端连通泵腔的下部分7，右端连通分流管9的小端，分流管9的横截面呈水平的锥形，其左端是小端，小端是单通道，与缓冲腔8连通，右端是大端，是双通道结构，双通道的一个通道与进口流管10左端连通，另一个通道与出口流管11左端小端连通。出口流管11横截面也呈水平的锥形，其左端小端连通分流管9，右端大端连通出口腔13。进口流管10的右端连通进口腔12。进口流管10整体位于出口流管11的后侧，进口腔12的正上方是图2中的泵进口5，与泵进口5相连通。出口腔13的正上方是泵出口6，与泵出口6相连通，进口腔12通过泵进口5与外界连通，出口腔13通过泵出口6与外界连通。
泵腔的下部分7是上端开口的圆筒形，前后对称，对称中心面是中心面O，分流管9关于中心面O前后对称。出口流管11的后侧面与中心面O重合，位于中心面O上。出口流管11的前侧面和进口流管10后侧面关于中心面O前后对称。
分流管9的后侧壁与进口流管10的后侧壁平齐，出口流管11的前侧壁与分流管9的前侧壁平齐。
再结合图5、6所示，分流管9大端的两个通道的尺寸相同，即进口流管10和分流管9连接部分的尺寸与出口流管11和分流管9连接部分的尺寸相同。
在分流管9的小端与缓冲腔8连接处，分流管9的后侧壁与缓冲腔8的管壁之间采用尖角连接，分流管9的前侧壁与缓冲腔8的管壁之间采用圆角过渡连接，圆角半径为R。
出口流管11与分流管9连接的小端处的纵截面的断面面积最小，出口流管11与出口腔13连接的大端处的断面面积最大。进口流管10的断面面积保持不变。也就是进口流管10的横截面呈长方形，而出口流管11因其横截面呈锥形，纵截面的断面面积由左端向右端逐渐变大。
分流管9小端的前后宽度a＝80～360μm。分流管9与缓冲腔8过渡连接的圆角半径R＝(0.75～2)a。分流管9的锥角θ＝25°～45°。进口流管10、出口流管11与分流管9大端连接处的前后宽度b相同，b＝(1.5～3)a。分流管9两端之间的长度L1＝(4～9)a；进口流管10两端之间的长度和出口流管11之间的长度相等，都是L2＝(6～10)b；流道的深度h＝(0.8～1.5)b。
本发明工作时，对压电振子1两端加载交流电压信号，使压电振子1产生弯曲变形并随电压频率上下振动，根据压电振子1的上下运动，可将泵腔内的流动分为吸入和排出过程。
在当压电振子1向上运动时，泵腔的上部分4体积变大，泵腔内的压力降低且小于外界压强，压电泵处于吸入状态，此时流体由泵入口5和泵出口6经过进口流管10和出口流管11，流经分流管9，最终进入泵腔内，流量为Qc。由于进口流管10和出口流管11的流阻系数不同，使得流体从进口腔12通过进口流管10进入泵腔的流量Qb大于流体从出口腔13通过出口流道11进入泵腔的流量Qa，而Qa+Qb＝Qc，所以
Figure BDA0002336379230000041
当压电振子1向下运动时，泵腔的上部分4体积变小，泵腔内的压力升高且大于外界压强，压电泵处于排出状态，流体通过分流管9排出泵腔，流量也为Qc。流体通过分流管9流向进口流管10的流量为Q′b，由于流阻系数的不同，流体通过分流管9流向出口流管11的流量为Q′a>Q′b，而Q′a+Q′b＝Qc，所以
Figure BDA0002336379230000042
由于分流管9靠近进口流管10的管壁与缓冲腔8的管壁采用尖角连接，流动损失比较大，分流管9靠近出口流管11的管壁与缓冲腔8的管壁采用圆角过渡连接，流动损失比较小，根据附壁效应，射流会偏转并贴附在具有圆角的管壁上流动，即偏转流入出口流道11，同时分流管9内靠近进口流管10的一侧产生一个涡，卷吸流量为Qd的一部分流向进口流管10的流体，因此实际进入进口流管10的流量为Q′b-Qd，实际进入出口流管11的流量为Q′a+Qd。
在一个完整的周期内，该无阀压电微泵完成了吸入流体和排出流体的过程，经历完吸入排出过程后，泵出口6的流量为Q′a+Qd-Qa>0，在采用了混合管的结构后，Qa的值比原来的更小，Q′a的值比原来的更大，流量得到了提高。

Claims (4)

1.一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵，包括压电振子(1)、泵盖(2)和泵体(3)，压电振子(1)固定连接泵盖(2)，泵盖(2)键合在泵体(3)上方，泵盖(2)上开有泵进口(5)和泵出口(6)，泵盖(2)上设有泵腔的上部分(4)，其特征是：泵体(3)上设有泵腔的下部分(7)、缓冲腔(8)、分流管(9)、进口流管(10)、出口流管(11)、进口腔(12)和出口腔(13)，分流管(9)和出口流管(11)的横截面都呈水平的锥形，分流管(9)的左端小端是单通道，与缓冲腔(8)连通，右端大端是双通道，双通道的一个通道与进口流管(10)的左端连通，另一个通道与出口流管(11)的左端小端连通，出口流管(11)的右端大端连通出口腔(13)，进口流管(10)的右端连通进口腔(12)，进口腔(12)连通正上方的泵进口(5)，出口腔(13)连通正上方的泵出口(6)；泵腔的下部分(7)具有前后对称的中心面，分流管(9)关于所述的中心面前后对称，出口流管(11)的后侧面与所述的中心面重合，出口流管(11)的前侧面和进口流管(10)后侧面关于所述的中心面前后对称；分流管(9)的后侧壁与进口流管(10)的后侧壁平齐，出口流管(11)的前侧壁与分流管(9)的前侧壁平齐；在分流管(9)的小端与缓冲腔(8)连接处，分流管(9)的后侧壁与缓冲腔(8)的管壁之间采用尖角连接，分流管(9)的前侧壁与缓冲腔(8)的管壁之间采用圆角过渡连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵，其特征是：分流管(9)的小端的前后宽度a＝80～360μm，分流管(9)与缓冲腔(8)过渡连接的圆角半径R＝(0.75～2)a，分流管(9)的锥角θ＝25°～45°，进口流管(10)、出口流管(11)与分流管(9)大端连接处的前后宽度b＝(1.5～3)a，分流管(9)两端之间的长度L1＝(4～9)a，进口流管(10)两端之间的长度和出口流管(11)之间的长度L2＝(6～10)b。
3.根据权利要求1所述的一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵，其特征是：分流管(9)大端的两个通道的尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于附壁效应的混合管无阀压电泵，其特征是：出口流管(11)的纵截面的断面面积由左端向右端逐渐变大，进口流管(10)的横截面呈长方形且断面面积不变。
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