CN111828290B - 一种无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电泵技术领域，公开了一种无阀压电泵，包括泵体、压电振子和流管。其中，泵体上设置有腔室。压电振子安装在腔室中，以形成泵腔。流管安装在泵体上，流管内设置有与泵腔连通的流道，流道是以曲线为母线形成的旋转体空腔，曲线包括光滑过渡的双曲线段和圆弧段，圆弧段的圆心位于流道外，双曲线段的曲率小于圆弧段的曲率，且流道的直径先减小后增大。本发明提供的无阀压电泵，可以使流体在流经流道时，速度总是呈现先增大后减少的趋势，减少流体的压差阻力，达到增大流速的同时，最大程度的减少漩涡的产生，使得无阀压电泵内部流场达到一个临界状态，兼容大流量与低漩涡的两个性能，另外，双曲线的结构稳定性更好。

Description

一种无阀压电泵

技术领域

本发明涉及压电泵技术领域，特别是涉及一种无阀压电泵。

背景技术

传统意义上的泵一般由电磁驱动或电机驱动，受工作原理的限制，难以微型化适应微机械系统的需求。而压电泵利用压电振子作为换能器，将驱动源部分、传动部分与泵体三者融合为一体。与传统意义上的泵相比这种泵具有可微型化、无电磁干扰、体积小、能耗低、输出准确等优点。因此，被广泛的应用在小型移动设备、CPU及显示卡、游戏机控制板、笔记本电脑、刀片服务器、航天、生物医疗、机械、家用电器、微化学混合以及一些电子设备的水冷等领域。

压电泵按照阀的结构可分为有阀压电泵与无阀压电泵。有阀压电泵通过阀片控制流体的流动方向，主要类型有压电片式有阀压电泵、压电叠堆式有阀压电泵和压电片式多腔体有阀压电泵，这类压电泵因有阀片的存在，导致泵的结构复杂、可靠性低。于是无阀压电泵应运而生，无阀压电泵利用流管或者泵腔的特殊结构或形状代替“阀”的功能，形成无移动部件阀。

大流量与低漩涡两个性能是设计无阀压电泵考虑的重要因素之一。由于漩涡的产生与雷诺数负相关，而雷诺数与流速正相关，所以现有的无阀压电泵难以兼容低漩涡与大流量两个性能。

因此，亟需一种新型的无阀压电泵以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无阀压电泵，其能够在增大流速的同时，最大程度的减少漩涡的产生，兼容大流量与低漩涡的两个性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无阀压电泵，包括：

泵体，其上设置有腔室；

压电振子，安装在所述腔室中，以形成泵腔；

流管，安装在所述泵体上，所述流管内设置有与所述泵腔连通的流道，所述流道是以曲线为母线形成的旋转体空腔，所述曲线包括光滑过渡的双曲线段和圆弧段，所述圆弧段的圆心位于所述流道外，所述双曲线段的曲率小于所述圆弧段的曲率，且所述流道的直径先减小后增大。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述双曲线段的方程为

或

其中，0<a<10，b²<7。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述双曲线段的高度H₁与所述圆弧段的高度H₂之间比值的取值范围为1<H₁/H₂<4。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述压电振子包括金属片和设置在所述金属片上方的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片与所述腔室的内壁连接，且所述压电陶瓷片的顶面朝向所述泵腔。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述泵体由聚乳酸塑料制成；和/或所述流管由聚乳酸塑料制成。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述腔室呈阶梯型圆台状，所述压电振子的顶面与所述腔室的阶梯面连接。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述泵体为一体成型结构。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述泵体上设置有安装孔，所述安装孔位于所述泵腔的上方，所述流管的一端安装在所述安装孔中且直接与所述泵腔连通。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述流管内还设置有第一端口和第二端口，所述第一端口与所述流道双曲线段的一端连通，所述第二端口与所述流道圆弧段的一端连通。

作为所述无阀压电泵的优选方案，所述第一端口呈圆柱状，所述第一端口的直径大于所述流道双曲线段的最大直径；和/或

所述第二端口呈圆柱状，所述第二端口的直径大于所述流道圆弧段的最大直径。

本发明提供的无阀压电泵与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提供的无阀压电泵，以包括双曲线段和圆弧段的流线型曲线为母线形成的旋转体空腔作为流道，且圆弧段的圆心位于流道外，双曲线段的曲率小于圆弧段的曲率，并使流道的直径无论是在正向流动还是反向流动时总是从先减小后增大，从而可以使流体在流经流道时，速度总是呈现先增大后减少的趋势，真正具备流线型的特性，尤其在正向流动时，可使边界层分离点后移(边界层指高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，分离点指边界层流体速度减小为零的那一点)，甚至不出现边界层分离现象(边界层脱离物面并在物面附近出现回流的现象)，极大减少流体的压差阻力，达到增大流速的同时，最大程度的减少漩涡的产生，使得无阀压电泵内部流场达到一个临界状态，兼容大流量与低漩涡的两个性能；另外，具有双曲线段的流道，其结构稳定性更好，强度更高，有利于保证无阀压电泵微型化之后各项性能更稳定。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无阀压电泵的剖视图；

图2是本发明实施例提供的流管的剖视图；

图3是本发明实施例提供的压电振子的剖视图；

图4是本发明实施例提供的泵体的剖视图；

图5是本发明实施例提供的无阀压电泵处于吸程阶段压电振子的位移线路图；

图6是本发明实施例提供的无阀压电泵处于排程阶段压电振子的位移线路图。

图中：

1-泵体；11-腔室；12-泵腔；13-安装孔；

2-压电振子；21-金属片；22-压电陶瓷片；

3-流管；31-流道；311-双曲线段；312-圆弧段；32-第一端口；33-第二端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本实施提供一种无阀压电泵，包括泵体1、压电振子2和流管3。其中，泵体1上设置有腔室11。压电振子2安装在腔室11中，以形成泵腔12。流管3安装在泵体1上，流管3内设置有与泵腔12连通的流道31，流道31是以曲线为母线形成的旋转体空腔，曲线包括光滑过渡的双曲线段311和圆弧段312，圆弧段312的圆心位于流道31外，双曲线段311的曲率小于圆弧段312的曲率，且流道31的直径先减小后增大。

需要指出的是，本实施例定义流体从圆弧段312流入双曲线段311为正向流动，流体从双曲线段311流入圆弧段312为反向流动。

真正具备流线型特性的曲线，应让流体流经流线型物体表面时，速度应呈现先迅速增大后缓慢减小的趋势，例如像飞机机翼、潜艇、导弹等物体的外形，流体流速流经这些物体表面时皆呈现上述趋势。在本实施例中，正向流动时，流体先经过曲率较大的圆弧段312，再经过曲率较小的双曲线段311，并且由于流道31的直径沿正向先减小后增大，所以流体流速先迅速增加，再缓慢减小，具备流线型曲线的特性，能够减小流阻，同时能够减小漩涡的产生；而在反向流动时，流体先经过曲率较小的双曲线段311，再经过曲率较大的圆弧段312，并且由于流道31的直径沿反向也是先减小后增大，所以流体流速先缓慢增加，再迅速减小，虽然与正向流动相比也可能会产生较小的漩涡，但是流速总体上是呈现先增加后减小的趋势，仍能起到一定的减小漩涡的作用，另外与正向流动相比流阻会有所增大，使正反流动时具有一定的流阻差，进而使得无阀压电泵的流量增大。而现有技术中有些无阀压电泵，虽然流管内的流体也呈流线型流动，但是无论流体是正向流动还是反向流动，流体流速变化趋势皆为先减小后增大，并不真正具备流线型曲线的特性，同时流量相对较小。

本实施例提供的无阀压电泵，以包括双曲线段311和圆弧段312的流线型曲线为母线形成的旋转体空腔作为流道31，且圆弧段312的圆心位于流道31外，双曲线段311的曲率小于圆弧段312的曲率，并使流道31的直径无论是在正向流动还是反向流动时总是从先减小后增大，从而可以使流体在流经流道31时，速度总是呈现先增大后减少的趋势，真正具备流线型的特性，尤其在正向流动时，可使边界层分离点后移(边界层指高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，分离点指边界层流体速度减小为零的那一点)，甚至不出现边界层分离现象(边界层脱离物面并在物面附近出现回流的现象)，极大减少流体的压差阻力，达到增大流速的同时，最大程度的减少漩涡的产生，使得无阀压电泵内部流场达到一个临界状态，兼容大流量与低漩涡的两个性能；另外，具有双曲线段的流道31，其结构稳定性更好，强度更高，有利于保证无阀压电泵微型化之后各项性能更稳定。

优选地，双曲线段311的方程为

或

其中，0<a<10，b²<7。当双曲线段311的方程为

时，此时焦点在x轴上，当双曲线段311的方程为

时，此时焦点在y轴上。但无论焦点在哪个轴上，式中参数需要满足0<a<10，b²<7。在这个参数范围内，双曲线段311的曲率较小，流体流经双曲线段311时，速度变化率变小，进而可使边界层分离点后移，甚至不出现边界层分离现象，从而减小压差阻力，使得流体流阻减小，流量增大，同时也减小了漩涡的产生。

优选地，双曲线段311的高度H₁与圆弧段312的高度H₂之间比值的取值范围为1<H₁/H₂<4。在这个取值范围内，可保证圆弧段312的高度H₂小于双曲线段311的高度H₂，使流体在正向流动时，流速先迅速增加，再缓慢减小，使得流道31具备流线型曲线的特性，从而减小压差阻力，使得边界层分离点后移甚至不会出现边界层分离现象，达到减小漩涡的目的。当然，双曲线段311与圆弧段312的具体结构参数的数值可以根据实际需求进行设计，以改变无阀压电泵的流量，适应不同应用场合对流量的需求。

在本实施例中，流道31圆弧段端部的直径小于双曲线段端部的直径。

可选地，流管3的数量至少为两个，且其中至少两个流管3互为倒置垂直安装在泵体1上。具体地，在本实施例中，流管3的数量为两个，两个流管3互为倒置垂直安装在泵体1上。当然，在其他实施例中，流管3的数量还可以为三个或四个等，流管3的数量可以根据实际的泵送需求进行调节。当流管3的数量大于两个时，只要保证其中至少一个为正置，至少另一个为倒置即可。

通过将两个流管3互为倒置垂直安装在泵体1上，可以实现无阀压电泵宏观上的单向泵送功能。具体原理如下：在反向流动中，流体先经过曲率较小的双曲线段311，再经过曲率较大的圆弧段312，并且由于流道31的直径沿反向先减小后增大，所以流体流速先缓慢增加，再迅速减小，可能会使得边界层分离点提前，导致流体在圆弧段312压差阻力增大；而在正向流动中，流体先经过曲率较大的圆弧段312，再经过曲率较小的双曲线段311，并且由于流道31的直径沿正向先减小后增大，所以流体流速先迅速增加，再缓慢减小，可使边界层分离点后移，甚至不出现边界层分离现象，从而减小了压差阻力。与反向流动相比，正向流动可以减小压差阻力，所以正向流动时流体所受的阻力小于反向流动时流体所受的阻力，可实现流体宏观上的单向泵送。

本实施例提供的压电振子2上设置有两个电极，两个电极分别通过导线与外部交流电源连接。通过两个电极对压电振子2施加交变电压，使压电振子2在垂直方向上产生周期性拉伸和收缩运动，进而使泵腔12的容积产生周期性变化，引起泵腔12内的流体运动。

如图3所示，本实施例提供的压电振子2包括金属片21和设置在金属片21上方的压电陶瓷片22，压电陶瓷片22与腔室11的内壁连接，且压电陶瓷片22的顶面朝向泵腔12。由于压电陶瓷片22的顶面朝向泵腔12，所以压电陶瓷片22能够直接与泵腔12中的液体接触，由于动力源是压电陶瓷片22产生的逆压电效应提供的，所以如果是压电陶瓷片22与液体直接接触，不会耗散动能，可以为驱动液体提供更多的能量，使得无阀压电泵的流量性能更好。具体地，在本实施例中，压电陶瓷片22与腔室11的内壁通过黏贴的方式连接。

为了保证泵腔12的密封性，在本实施例中，压电陶瓷片22的边缘与腔室11的内壁之间采用密封胶密封。进一步地，胶密封由环氧树脂A胶和环氧树脂B胶按照1：1的比例混合而成。

进一步地，金属片21和压电陶瓷片22均为圆形，且压电陶瓷片22的直径大于金属片21的直径。

在本实施例中，泵体1由聚乳酸塑料制成。进一步地，流管3由聚乳酸塑料制成。聚乳酸塑料是一种新型可再生生物降解材料，有较好的抗溶剂性，可应用于输送人体血液等一次性输送的器件。

具体地，在本实施中，腔室11呈阶梯型圆台状，压电振子2的顶面与腔室11的阶梯面连接。通过设置阶梯面，能够便于压电振子2的安装固定，保证压电振子2固定的稳定性。进一步地，压电陶瓷片22的顶面与腔室11的阶梯面黏贴。

本实施提供的泵体1为一体成型结构。与现有技术中包括上盖和底座的泵体相比，本实施例中一体成型的泵体1具有结构简单，体积小等优点，更适合应用在微型设备中。

进一步地，腔室11设置在泵体1的底部且开口朝下。将腔室11设置在泵体1的底部，可以降低腔室11的高度，使腔室11内的压强变化量变大，进而增加无阀压电泵的流量。另外，由于压电振子2在反复振动过程中存在气流，腔室11的开口可以有效使得气流流动，保证压电振子2稳定反复振动。

如图4所示，本实施例提供的泵体1上设置有安装孔13，安装孔13位于泵腔12的上方，流管3的一端安装在安装孔13中且直接与泵腔12连通。在现有技术中，通常需要借助其他流道等结构使流道31与泵腔12连通，而本实施例中，通过将安装孔13设置在泵腔12的上方，可以使流道31直接与泵腔12连通，无需借助其他流道，从而有利于简化泵体1的结构，减小泵体1的尺寸。

如图1所示，本实施例提供的流管3内还设置有第一端口32和第二端口33，第一端口32与流道31双曲线段的一端连通，第二端口33与流道31圆弧段的一端连通。即流体从第一端口32和第二端口33进出流道31。

进一步地，第一端口32呈圆柱状，第一端口32的直径大于流道31双曲线段的最大直径。第二端口33呈圆柱状，第二端口33的直径大于流道31圆弧段的最大直径。无论是正向流动还是反向流动，流体都是先经过收缩段(流管3内腔的横截面积变小)，然后再经过扩张段(流管3内腔的横截面积变大)，所以即便产生漩涡也是在尾端，漩涡扩散区域较小，流体流动比较稳定。而且由于正向流动时，由于流道31是以流线型曲线为母线形成的旋转体空腔，可使得流体边界层分离点后移，减少了漩涡的产生，而反向流动时，由于扩张段为流道31的圆弧段，此部分的区域较小，即便产生漩涡，可影响范围也较小。而现有技术中有些无阀压电泵，无论是正向流动还是在反向流动，流体都是先经过扩张段，然后再经过收缩段，根据伯努力方程，流体在扩张段流速减小，易产生边界层分离现象，因此容易产生漩涡，而漩涡不生不灭，一旦产生就不会消失，会一直向后扩散，导致在正向流动中会产生漩涡，反向流动时，也会产生漩涡，导致流体流动时会出现较大的脉动现象，在正反向流动时，被输送流体的流动稳定性较差。因此，本实施例提供的流管3，其内流体流动的稳定性更好，可以用于一些被输送物质对流体环境要求较高的应用场合，例如血液、细胞等物质的输送，且流量更大。另外由于脉动小，本实施例提供的无阀压电泵产生的噪音也越小。

下面结合图5和图6对本实施例提供的无阀压电泵的工作原理进行介绍：

首先，为了便于区分，本实施例中将第一端口32朝下的流管3称为第一流管(即将图5和图6中右侧的流管3称为第一流管)，将第一端口32朝上的流管3称为第二流管(即将图5和图6中左侧的流管3称为第二流管)；

当对压电振子2施加交变电压时，压电振子2会在垂直方向上产生周期性拉伸和收缩运动，导致泵腔12的容积产生周期性变化，引起泵腔12内的流体运动。当压电振子2垂直向下运动使泵腔12的容积变大时为吸程阶段(如图5所示)，流体经过导管流入两个流管3内，然后流入泵腔12。当压电振子2垂直向上运动使泵腔12的容积变小时为排程阶段(如图6所示)，泵腔12内的流体又通过两个流管3流出。由于吸程阶段与排程阶段流体流经两个流管3时存在流阻差，对于第一流管来说，流体从第二端口33流进，第一端口32流出为正向流动，反之为反向流动，对于第二流管来说，流体从第一端口32流进，第二端口33流出为反向流动，反之为正向流动。由于正向流动时流体所受的阻力小于反向流动时流体所受的阻力，导致从宏观上看流体是从第二流管流进，经过泵腔12，从第一流管流出，从而实现了无阀压电泵的泵送功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无阀压电泵，其特征在于，包括：

泵体(1)，其上设置有腔室(11)；

压电振子(2)，安装在所述腔室(11)中，以形成泵腔(12)；

流管(3)，安装在所述泵体(1)上，所述流管(3)内设置有与所述泵腔(12)连通的流道(31)，所述流道(31)是以曲线为母线形成的旋转体空腔，所述曲线包括光滑过渡的双曲线段(311)和圆弧段(312)，所述圆弧段(312)的圆心位于所述流道(31)外，所述双曲线段(311)的曲率小于所述圆弧段(312)的曲率，且所述流道(31)的直径先减小后增大。

2.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述双曲线段(311)的方程为

或

其中，0<a<10，b²<7。

3.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述双曲线段(311)的高度H₁与所述圆弧段(312)的高度H₂之间比值的取值范围为1<H₁/H₂<4。

4.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述压电振子(2)包括金属片(21)和设置在所述金属片(21)上方的压电陶瓷片(22)，所述压电陶瓷片(22)与所述腔室(11)的内壁连接，且所述压电陶瓷片(22)的顶面朝向所述泵腔(12)。

5.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述泵体(1)由聚乳酸塑料制成；和/或所述流管(3)由聚乳酸塑料制成。

6.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述腔室(11)呈阶梯型圆台状，所述压电振子(2)的顶面与所述腔室(11)的阶梯面连接。

7.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述泵体(1)为一体成型结构。

8.根据权利要求1所述的无阀压电泵，其特征在于，所述泵体(1)上设置有安装孔(13)，所述安装孔(13)位于所述泵腔(12)的上方，所述流管(3)的一端安装在所述安装孔(13)中且直接与所述泵腔(12)连通。

9.根据权利要求1-8任一项所述的无阀压电泵，其特征在于，所述流管(3)内还设置有第一端口(32)和第二端口(33)，所述第一端口(32)与所述流道(31)双曲线段的一端连通，所述第二端口(33)与所述流道(31)圆弧段的一端连通。

10.根据权利要求9所述的无阀压电泵，其特征在于，所述第一端口(32)呈圆柱状，所述第一端口(32)的直径大于所述流道(31)双曲线段的最大直径；和/或

所述第二端口(33)呈圆柱状，所述第二端口(33)的直径大于所述流道(31)圆弧段的最大直径。

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