CN112412757B - 随动式v形阻流体无阀泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随动式V形阻流体无阀泵，所述无阀泵包括螺纹泵盖、压电振子和泵体，所述压电振子和所述泵体之间形成泵腔，所述泵体侧壁上设有入口管和出口管，所述出口管与泵腔底面的中心的出口通道相通；所述泵体底面槽内设有固定架，所述固定架表面呈内凹形状且中间设有通孔，所述固定架上设有V形阻流体，所述V形阻流体包括两个定位销、挡圈、两个随动臂、挡销，所述定位销的一端固定在所述固定架上，所述随动臂可转动的设置在所述定位销上，所述挡圈设置在所述定位销的顶端，所述挡销位于两个随动臂之间。实现液体混合、搅拌及泵送功能的集成，提高无阀泵混合泵送效果。

Description

随动式V形阻流体无阀泵

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种随动式V形阻流体无阀泵。

背景技术

压电泵是集驱动部件、工作部件和控制部件于一体的便于集成的新型微型泵，其利用压电元器件的逆压电效应，将电能转换为机械能，再经特定结构传递给流体，形成流体泵。与传统泵相比，压电泵具有：结构简单、可实现微型化和集成化、无噪声、无电磁干扰、可根据施加电压或频率控制输出微小流量等显著优点，故而在化学分析、MEMS器件及其散热、燃料供给等领域有着广阔的应用前景。

无阀压电泵主要利用管道或者泵腔的特殊结构或形状，形成无移动部件阀，实现流体的单向运动，针对无阀压电泵的无移动部件阀，目前研究比较成熟的有管道“阀”类、腔底“阀”类和阻流体“阀”类等。管道“阀”类无阀压电泵如锥形流管无阀压电泵、异形流管无阀压电泵、Y形流管无阀压电泵等，均靠流管的特殊形状形成流阻差，从而实现泵的功能。但是此类泵存在着显著的问题：起到阀作用的进出水管道设置于泵腔外面，增大了泵的整体尺寸，不利于压电泵的微型化，同时管道类无阀压电泵输出流量较小，属于微流泵。腔底“阀”类无阀压电泵如扁锥腔无阀压电泵、波纹腔底无阀压电泵等，针对管道“阀”类无阀压电泵的不足进行改进，将泵的无移动部件阀置于泵腔内，类似效果的还有阻流体“阀”类无阀压电泵，如可旋转嵌块无阀压电泵、半球缺阻流体无阀压电泵等，这类泵结构紧凑，易于实现泵的微小型化，虽然其输出量较管道“阀”类泵有所提高，但泵送能力依然有限，且此种结构使得泵腔内结构复杂，增大了加工难度。另外，传统无阀泵对不同相液体间的混合搅拌作用有限，且回流影响较大，限制了无阀泵的应用。

传统机械系统或机构都是由刚性构件以运动副连接而成的，这在高速、精密、微型等高性能的要求下容易暴露一些不可避免的问题，如由机械结构决定的加工、安装、误差等，从而使得机器的精度降低、寿命缩短、成本增加。

随动结构的出现则从机构设计这一根本角度为解决上述问题提供了新颖彻底的方法。随动结构利用随动性构件的变形来实现机构的主要运动和功能，其在降低成本和提供性能这两大方面比传统刚性机构具有明显的优势，并在轻型、微型化领域有着广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种随动式V形阻流体无阀泵，目的是实现液体混合、搅拌及泵送功能的集成，能够高效输送混合液体，拓宽无阀泵应用领域。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种随动式V形阻流体无阀泵，所述无阀泵包括螺纹泵盖、压电振子和泵体，所述压电振子和所述泵体之间形成泵腔，所述泵体侧壁上设有入口管和出口管，所述出口管与泵腔底面的中心的出口通道相通；所述泵体底面 槽内设有固定架，所述固定架表面呈内凹形状且中间设有通孔，所述固定架上设有V形阻流体，所述V形阻流体包括两个定位销、挡圈、两个随动臂、挡销，所述定位销的一端固定在所述固定架上，所述随动臂可转动的设置在所述定位销上，所述挡圈设置在所述定位销的顶端，所述挡销位于两个随动臂之间。

进一步的，每个所述入口管均与一个所述V形阻流体相对应，所述V形阻流体中的所述定位销靠近所述入口管，所述V形阻流体的两个随动臂形成的开口与所述出口通道相对应。

进一步的，所述随动臂外侧是曲线形结构，内侧是陡直的壁面形状，所述V形阻流体的两个所述随动臂的开口形成的夹角范围为30°~120°。

进一步的，所述入口管数量为四个并均匀分布在所述泵体侧壁的圆周面上，所述出口管数量为两个，两个所述出口管互相垂直，且所述出口管与相邻所述入口管的夹角45°。

进一步的，所述出口管直径为所述入口管直径的1.8~2.2倍。

进一步的，所述泵腔底面上设有安装孔，所述安装孔形成所述出口通道，所述安装孔中设有搅拌器。

进一步的，所述搅拌器包括大半圆叶片、小半圆叶片、阶梯轴、上嵌套 和下嵌套；所述下嵌套设置有开口朝下的第一锥形孔，所述上嵌套设置有开口朝上的第二锥形孔，所述上嵌套设置在所述下嵌套上，所述第一锥形孔与所述第二锥形孔对接连通，所述阶梯轴设置在所述上嵌套和所述下嵌套之间，所述大半圆叶片和所述小半圆叶片交替设置在所述阶梯轴上并位于所述第一锥形孔或所述第二锥形孔中。

进一步的，所述第一锥形孔的底部设有橡胶塞。

进一步的，所述固定架表面与所述通孔之间形成坡面，所述坡面朝向所述通孔方向倾斜。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

（1）本发明提供了一种随动式V形阻流体无阀泵，随动臂对水流波动和压力变化敏感，只要泵腔内压力有变化随动臂即刻响应自行调整转动状态，回应快速、随动性好，因而能够自动调节吸入和排出的流量；随动臂构成的动夹角V形阻流体随着夹角的自由变化而自动调整水流阻力，实现高效混合泵送。而以往无阀泵中的阻流体均是具有固定形状结构的阻流件，无动态响应，同时混合效果不佳。

（2）本发明出口通道设置在泵腔底面中心，配合固定架中心孔区域做成内凹的坡面形状，能够增大反向吸入和反向排出流体的势能，确保不反流，而降低正向排出流体动能，确保产生大的流阻差，提高泵流量。多输入口、输出口，确保实现多相流体的混合输送，若输送单一流体时，多入口多出口更能确保大流量输出。

（3）本发明将V形阻流体嵌入到固定架上，固定架和泵体是可装配的，搅拌器和泵体也是可装配的，因而实现了泵体和“阀”、搅拌器结构的分离，为更换阻流体结构和优化阻流体模型及搅拌器提供了方便，也延长泵寿命。

（4）本发明在泵腔底面中心处设计成大出口流通通道，且内置搅拌器，搅拌器包括两种型号的叶片，根据不同型号半圆叶片的选择设置，使全部叶片组关于阶梯轴处于临界平稳状态（介于平衡和非平衡之间），能够确保当有水流冲击到任一叶片时，阶梯轴能够带动叶片即刻转动起来，即刻实现混合搅拌流体。同时，半圆叶片可以做得很薄，并且半圆形叶片面积比其它形状叶片面积大得多，叶片在摆动、转动时，能够搅动起大量的水流。

另外，随动式V形阻流体无阀泵除具有传统无阀泵作用和应用领域外，还可和传统泵相结合，亦可用于作物培植、果园疏花等药剂及营养剂（水、肥、药）的精准喷施。

附图说明

图1为随动式V形阻流体无阀泵的结构示意图；

图2为随动式V形阻流体无阀泵的俯视结构示意图；

图3为V形阻流体的结构示意图；

图4为V形阻流体受正向水流冲击产生的随动形变；

图5为V形阻流体受反向水流冲击产生的随动形变；

图6为搅拌器的结构示意图；

图7为随动式V形阻流体无阀泵吸入流体过程-正向吸入示意图；

图8为随动式V形阻流体无阀泵吸入流体过程-反向吸入示意图；

图9为随动式V形阻流体无阀泵排出过程-出口排出示意图；

图10为随动式V形阻流体无阀泵排出过程-入口排出示意图；

其中，1、螺纹泵盖，2、压电振子，3、密封圈，4、入口管，5、泵体，6.橡胶塞，7、搅拌器，701、大半圆叶片，702、小半圆叶片，703、阶梯轴，704、定位销，705、上嵌套，706下嵌套，8、固定架，9、出口管，10、V形阻流体，101、定位销，102、挡圈，103、随动臂，104、挡销。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

本发明提供了一种随动式V形阻流体无阀泵，包括螺纹泵盖1、压电振子2和泵体5，所述压电振子2和所述泵体5形成泵腔，所述螺纹泵盖1和所述泵体5之间设有密封圈3，所述螺纹泵盖1与所述泵体5端部内螺纹旋紧并压紧在所述密封圈3上。所述泵体5侧壁的圆周面上均匀分布四个入口管4和两个出口管9，两个出口管9之间垂直布置，出口管9与相邻入口管4的夹角45°，两个出口管9与泵腔底面的中心的出口通道相通。

固定架8嵌入泵体5底面槽内，固定架8中心处平面呈内凹形状，且中心有通孔。固定架8上设有四组V形阻流体10。V形阻流体10包括定位销101、挡圈102、随动臂103、挡销104。随动臂103用定位销101、挡圈102固定于固定架8的槽内，且可绕定位销101转动，挡圈102设置在定位销101的顶端，用以限制随动臂103的移动，定位销101的另一端固定在泵腔内的固定架8上。挡销104固定于固定架8上，挡销104用以限制随动臂103的转动位置。两个随动臂103正好组成一个夹角可变的V形阻流体10，即随动式V形阻流体。随动臂103外侧是光滑流畅的曲线形结构，内侧是陡直的壁面形状。泵腔内均匀设置有4组V形阻流体10，所有V形阻流体10均通过定位销101固定于固定架8上，固定架8置于泵腔内，实现了随动阻流体10的可装配、可替代性。所述V形阻流体10的数量与入口数一致，且V形阻流体10的顶端指向入口。也即，所述V形阻流体10均与入口管4相对应，所述V形阻流体与定位销连接的部分靠近入口管，V形阻流体10的两个随动臂103形成的开口与出口通道相对应。

图 4、图5是V形阻流体10受水压变化变形示意图。图4中的V形阻流体10当受到正向来流冲击时，两个随动臂沿水流方向分别绕定位销101转动，所形成的V形阻流体夹角减小，当随动臂103内侧壁面碰到挡销104时停止摆动，此时形成最小夹角 （约30°），且因其形成的V形阻流体外侧是光滑流畅的曲面因而对正向来流的流体阻力趋于最小。图5中V形阻流体10当受到反向来流冲击时，两个随动臂103沿水流方向分别绕定位销101转动，使V形阻流体夹角增大，当夹角增大至 （约120°）时，形成的V形阻流体内部区域较大，能够大面积阻挡反向来流流体，且随动臂103的陡直壁面对流体的阻力趋于最大。随动臂103能够根据水流、水压瞬时变化而即刻地产生转动，且能够自主的调整V形阻流体10的夹角，起到进出口“阀”的作用。V形阻流体10对正向来流阻力小，反向回流阻力大，因而正向来流和反向来流能够形成较大的反、正向流阻差，迫使流体经入口吸入经出口流出。

泵腔底面上设有安装孔，安装孔形成出口通道，固定架的通孔与安装孔连通。安装孔内固定有搅拌器7，所述搅拌器7包括大半圆叶片701、小半圆叶片702、阶梯轴703、定位销704、上嵌套 705和下嵌套706。所述下嵌套设置有开口朝下的第一锥形孔，所述上嵌套设置有开口朝上的第二锥形孔，所述上嵌套设置在所述下嵌套上，所述第一锥形孔与所述第二锥形孔对接连通，所述阶梯轴设置在所述上嵌套和所述下嵌套之间，所述大半圆叶片和所述小半圆叶片交替设置在所述阶梯轴上并位于所述第一锥形孔或所述第二锥形孔中。沿出口路径上的第一锥形孔用橡胶塞6密封。经固定架底面中心孔涌入出口通道的流体流经通道内的搅拌器7实现对液体的二次混合和搅拌作用。

大半圆叶片701和小半圆叶片702均为半圆形薄片，二者质量相差甚微，大半圆叶片701的直径略大于小半圆叶片702。

阶梯轴703的外圆柱面上的插槽数量不小于2个，如装两个叶片，就选大半圆叶片701和小半圆叶片702各一个对称布置。如装三个叶片，选大半圆叶片701两个小半圆叶片702一个对称布置。如装四个叶片：选大半圆叶片701三个小半圆叶片702一个对称布置。也即，选择叶片时，选一个小半圆叶片702、其余均选择大半圆叶片701且对称设置。目的是使全部叶片组关于阶梯轴703趋于平衡状态，但还未达到平衡，即处于临界平稳与非平稳状态的边缘，这样能够确保只有有水流波动或水流冲击到任一叶片时，阶梯轴703即能够瞬时带动叶片转动起来，即刻混合搅拌流体。

半圆叶片可以做得很薄，同时，因半圆形叶片面积比其它形状叶片面积大得多，叶片在摆动、转动时，能够搅动起大量的水流。两片叶片转动一周，即能够搅动起搅拌室内的全部水流转动一周，使混合搅拌高效、均匀。所用半圆叶片存在两种尺寸，即大半圆叶片701和小半圆叶片702，且二者质量差应尽量小，以使对称布置的叶片组相对于阶梯轴703处于临界失稳（或平衡）状态，只要有水流流动、水压波动搅拌器的叶片组总是处于摆动的动态状态下，这样即使是泵处于吸入阶段中，因水压、水流的波动，也能激起半圆叶片的持续摆动或转动，实现持续、高效混合，尤其适用用于悬浊液、乳浊液、大浓度液体的混合传输过程。

另外，半圆形叶片在摆动中，还能部分地阻止反向吸入阶段流体的反向回流的影响。

安装时，半圆形叶片嵌装进阶梯轴的插槽内，阶梯轴两端置于下嵌套的卡槽内，将下嵌套（及其上的阶梯轴、叶片）置于泵腔底面安装孔内（稍紧的过渡配合），然后找正上嵌套与下嵌套出水口位置并用定位销固定，将上嵌套压入到安装孔上方，下嵌套与安装孔间用密封胶密封，第一锥形孔用胶塞6密封。

用橡胶塞6密封第一锥形孔后，整个的安装孔形成一个搅拌室。泵在排出流体阶段，腔内水压增大，使涌入安装孔内的水流、水压均增大，本身就处于失稳的、动态摆动半圆形搅拌叶片接受到水流的冲击，瞬时加大摆动力度，迫使叶片一起绕阶梯轴703中心线回转，实现对不同相液体间的混合搅拌。

随动式V形阻流体无阀泵的工作原理：

（1）泵吸入液体阶段

压电振子2振动方向向上，腔内体积增大压强减小，液体自入口管4、出口管9同时吸入。但正向吸入和反向吸入的流体量差别较大，原因在于流体受到的流动阻力不同。

正向吸入流体阻力分析：①流体经各入口管4吸入泵腔（图7），在水流压力作用下，随动臂103绕定位销101转动，使形成的V形阻流体10夹角变小，直至随动臂103转动到挡销104位置形成最小夹角（夹角变化范围： ），此时，随动臂103在转角范围内达到最小阻力；②随动臂103的光滑曲面轮廓对流体的摩擦力较小；③吸入至泵腔内的液体流至固定架8的坡面时形成负势能，使流体动能增大流动阻力减小。

反向吸入流体阻力分析：①流体自底面中心处的出口通道反流至泵腔（图8），冲击V形阻流体10的内臂面，使两个随动臂103绕定位销101转动，V形阻流体10夹角增大，沿圆周方向形成了封闭的接近正方形区域，完全遮挡了流体的反向流动，对反向流动的流体形成很大的流动阻力；②反流流体流经随动臂103的陡直臂面时能够形成更大的压差阻力；③流体自中心流道反流和流经固定架8内凹的坡面都要克服流体势能，消耗掉大部分泵腔内外的压差能，形成很大的流动阻力。

综合比较正向、反向吸入流体时的阻力，可知正向吸入时流体阻力远远小于反向吸入时的流体阻力，在泵吸入阶段，大量液体经4个入口管4被同时吸入泵腔，随动式V形阻流体10根据水压波动及流体阻力自主调节两个随动臂103开度，抑制反向回流流体，使反向不能吸入或吸入极少量回流液体，泵实现液体的吸入过程。

（2）泵排出液体阶段

压电振子2振动方向向下，腔内体积减小压强增加，液体自入口管4、出口管9同时排出。但由于正、反向排出时流体阻力不同，正向排出和反向排出的流体量差别较大。

正向（出口）排出流体时（图9），流体绕流过光滑随动臂103轮廓曲面的阻力小于陡直臂面阻力，同时，固定架8的中心部位是内凹的坡面，流体动能大阻力小。故压电振子2向下运动时，随动臂103受水流作用绕定位销101转动收拢成趋于最小的夹角，水流自各V形区域间隙顺着坡面即可顺利涌入中心的出口通道，因而正向排出流体阻力远远小于反向排出阻力。同时，搅拌器混合、搅拌流体。

反向（入口）排出流体时（图10），流体绕流过随动臂103陡直臂面的阻力大于流体绕流过光滑曲面的阻力；V形阻流体10被反向水流冲击形成大夹角区域，4组V形阻流体10沿圆周方向形成封闭的接近正方形区域，完全遮挡了流体的反向流动；部分流体克服流经固定架8上升的坡面，消耗动能多、流动阻力大。使反向出流阻力远远大于正向出流阻力。

综合分析比较，由于正向排出流体阻力远远小于反向排出流体阻力，最终腔内水流在压力作用下绕过收缩的V形阻流体涌入出口通道，实现泵腔内流体的排出过程。

伴随着振子的往复运动，即实现了液体的连续吸入和排出的泵送过程。

泵在吸入流体、排出流体阶段，随动臂103绕定位销101的转动过程会带动水流产生湍流和脉动，产生大大小小的旋涡，旋涡的迂回运动即实现了不同相液体间的初步混合，流经出口中心通道内的搅拌器时实现了对液体的二次混合和搅拌。随动式V形阻流体无阀泵提高泵送性能的同时也实现了对不同相液体间的混合、搅拌及泵送功能的集成。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述无阀泵包括螺纹泵盖、压电振子和泵体，所述压电振子和所述泵体之间形成泵腔，所述泵体侧壁上设有入口管和出口管，所述出口管与泵腔底面的中心的出口通道相通；所述泵体底面槽内设有固定架，所述固定架表面呈内凹形状且中间设有与所述出口通道相通的通孔，所述固定架上设有V形阻流体，所述V形阻流体包括两个定位销、挡圈、两个随动臂、挡销，所述定位销的一端固定在所述固定架上，所述随动臂可转动的设置在所述定位销上，所述挡圈设置在所述定位销的顶端，所述挡销位于两个随动臂之间。

2.根据权利要求1所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：每个所述入口管均与一个所述V形阻流体相对应，所述V形阻流体中的所述定位销靠近所述入口管，所述V形阻流体的两个随动臂形成的开口与所述出口通道相对应。

3.根据权利要求2所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述随动臂外侧是曲线形结构，内侧是陡直的壁面形状，所述V形阻流体的两个所述随动臂的开口形成的夹角范围为30°~120°。

4.根据权利要求2所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述入口管数量为四个并均匀分布在所述泵体侧壁的圆周面上，所述出口管数量为两个，两个所述出口管互相垂直，且所述出口管与相邻所述入口管的夹角45°。

5.根据权利要求4所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述出口管直径为所述入口管直径的1.8~2.2倍。

6.根据权利要求1所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述泵腔底面上设有安装孔，所述安装孔形成所述出口通道，所述安装孔中设有搅拌器。

7. 根据权利要求6所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述搅拌器包括大半圆叶片、小半圆叶片、阶梯轴、上嵌套 和下嵌套；所述下嵌套设置有开口朝下的第一锥形孔，所述上嵌套设置有开口朝上的第二锥形孔，所述上嵌套设置在所述下嵌套上，所述第一锥形孔与所述第二锥形孔对接连通，所述阶梯轴设置在所述上嵌套和所述下嵌套之间，所述大半圆叶片和所述小半圆叶片交替设置在所述阶梯轴上并位于所述第一锥形孔或所述第二锥形孔中。

8.根据权利要求7所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述第一锥形孔的底部设有橡胶塞。

9.根据权利要求1所述的随动式V形阻流体无阀泵，其特征在于：所述固定架表面与所述通孔之间形成坡面，所述坡面朝向所述通孔方向倾斜。

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