CN113431765A - 一种压电式微型泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式微型泵，包括压电振子、上泵体、下泵体和阀片，压电振子与上泵体形成泵腔；所述上泵体与下泵体之间形成以进出口阀腔，阀片设置在阀腔内，具有一定的上下自由运动空隙，阀片在开启的过程中第一阶段为整体平动，第二阶段为阀片变形。本发明既扩大了阀片的开启程度，又能够使阀片与泵腔压力变化具有很好的跟随性，解决了现有技术中压电泵阀片开度小，流动阻力大，阀片粘接工艺复杂的问题。
Description
技术领域
本发明属于微型泵技术领域，更具体地，涉及一种压电式微型泵。
背景技术
微型泵作为一种微型流体驱动器件被广泛地应用于生物医疗、化学分析和电子芯片冷却等领域。在众多的微型泵中，压电式微型泵具有结构紧凑、功耗低、控制精度高和噪声低等显著优点，是最具发展前景的微型泵之一。
压电式微型泵的工作原理为：压电振子在交变电压的作用下产生变形，使泵腔容积产生变化，泵腔内压力的变化驱动阀片运动，使进出口流道开启或关闭，产生单向流通的效果。如此往复，流体经进口流道被吸入泵腔、由出口流道排出，形成对流体的泵送。
作为压电式微型泵中的关键功能部件，单向阀的工作性能决定了压电泵的输出性能，设计良好的单向阀应具有较低的流动阻力和较好的单向流通性能。目前的压电式微型泵大多采用金属或者橡胶阀片，通过粘接或者焊接的固定方式安装在泵体上。此种方式有两个显著的缺点：一是工艺复杂，需要较高的加工精度和复杂的粘接工艺；二是阀片在开启的过程中需要克服阀片变形的阻力，导致阀片的开启程度较小，流体流经阀片时的流动阻力较大，影响压电式微型泵的输出性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压电式微型泵，解决现有技术中压电泵阀片开度小，流动阻力大，阀片粘接工艺复杂的问题。
一种压电式微型泵，包括压电振子、上泵体、阀片和下泵体，阀片包括进口阀和出口阀；所述压电振子与上泵体配合形成泵腔；所述上泵体与下泵体之间配合形成以泵腔为中心对称设置的进口阀腔和出口阀腔；
进口阀腔的下端通过第一下过流孔连通进口流道，上端连通第一上过流孔，进口阀腔内非固定地放置有进口阀；
出口阀腔的下端通过第二下过流孔连通出口流道，上端连通第二上过流孔，出口阀腔内非固定地放置有出口阀；
吸入阶段，在压电振子作用下泵腔容积变大压力减小，驱使进口阀在进口阀腔内向上运动，此时第一下过流孔开启，流体依次通过进口流道、第一下过流孔、进口阀腔、第一上过流孔后被吸入泵腔；出口阀在出口阀腔内同步向上运动直至第二上过流孔处，第二上过流孔被关闭；
排出阶段，在压电振子作用下泵腔)容积变小压力增大，驱使进口阀在进口阀腔内向下运动直至第一下过流孔处，第一下过流孔被关闭；出口阀在出口阀腔内同步向下运动，第二上过流孔开启，泵腔)内流体依次通过第二上过流孔、第二下过流孔和出口流道)排出。
进一步地，所述进口阀腔的高度大于进口阀的厚度，出口阀腔的高度大于出口阀的厚度。
进一步地，所述进口阀的阀片完全覆盖第一下过流孔的端口，但不完全覆盖第一上过流孔的端口；所述出口阀的阀片完全覆盖第二上过流孔的端口，但不完全覆盖第二下过流孔的端口。
进一步地，所述进口阀包括限位体、阀片和悬臂，限位体)环绕于阀片的外围，且通过悬臂与阀片固定连接。
进一步地，所述出口阀与进口阀的结构相同。
进一步地，所述限位体的尺寸大于第一上过流孔的端口尺寸。
进一步地，所述进口阀和出口阀采用PET、PI或者PDMS材料制备而成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，所述阀片非固定地设置在阀腔内，上下具有一定的自由运动空隙，阀片在开启的过程中第一阶段为阀腔内整体上下移动，第二阶段为阀片本身变形。既扩大了阀片的开启程度，又能够使阀片与泵腔压力变化具有很好的跟随性，具有良好的单向流通性能阀片组件无需粘接，简化了压电式微型泵的装配工序，便于工业化批量生产。
附图说明
图1为本发明压电式微型泵较佳实施方式的分解示意图；
图2为本发明压电式微型泵较佳实施方式的剖视图；
图3为本发明压电式微型泵较佳实施方式的工作原理示意图，其中(a)为吸入阶段，(b)为排出阶段；
图4为本发明压电式微型泵较佳实施方式的阀结构示意图；
图5为本发明压电式微型泵较佳实施方式的双阶段单向阀工作原理示意图；
图6为本发明无底座的压电式微型泵结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-压电振子，2-上泵体，3-阀片，4-下泵体，5-底座；
201-泵腔，202-第一上过流孔，203-第二上过流孔，204-出口阀腔；
301-进口阀，302-出口阀，3011-限位体，3012-阀片，3013-悬臂；
401-第一下过流孔，402-进口阀腔，403-第二下过流孔；
501-进口流道，502-出口流道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明压电式微型泵较佳实施方式解剖图，包括压电振子1、上泵体2、阀片3、下泵体4和底座5。
参见图2，阀片3包括进口阀301和出口阀302；所述压电振子1与上泵体2配合形成泵腔201；所述上泵体2与下泵体4之间配合形成以泵腔201为中心对称设置的进口阀腔402和出口阀腔204。
进口阀腔402的下端通过第一下过流孔401连通进口流道501，上端连通第一上过流孔202，进口阀腔402内非固定地放置有进口阀301。
出口阀腔204的下端通过第二下过流孔403连通出口流道502，上端连通第二上过流孔203，出口阀腔204内非固定地放置有出口阀302。
如图3所示，压电振子1在交变电压的作用下发生振动，造成泵腔201容积发生改变。
吸入阶段：泵腔201容积变大压力减小，驱使进口阀301在进口阀腔402内向上运动，此时第一下过流孔401开启，流体依次通过进口流道501、第一下过流孔401、进口阀腔402、第一上过流孔202后被吸入泵腔201；出口阀302在出口阀腔204内同步向上运动直至第二上过流孔203处，第二上过流孔203被关闭，出口流道502内的流体无法被吸入泵腔201。
排出阶段：泵腔201容积变小压力增大，驱使进口阀301在进口阀腔402内向下运动直至第一下过流孔401处，第一下过流孔401被关闭；出口阀302在出口阀腔204内同步向下运动，第二上过流孔203开启，泵腔201内流体依次通过第二上过流孔203、第二下过流孔403和出口流道502排出。
在本发明较佳实施方式中，所述进口阀腔402的高度大于进口阀301的厚度，出口阀腔204的高度大于出口阀302的厚度，如此保证进口阀301和出口阀302有一定的移动行程，形成足够的开度。
在本发明较佳实施方式中，所述进口阀301的阀片需要足以完全覆盖第一下过流孔401的端口，如此保证排出阶段中对第一下过流孔401的关闭。但进口阀301的阀片不完全覆盖第一上过流孔202的端口，如此保证在吸入阶段，进口流道501、第一下过流孔401、进口阀腔402、第一上过流孔202和泵腔201形成连通通道。
相应地，所述出口阀302的阀片完全覆盖第二上过流孔203的端口，如此保证吸入阶段中对第二上过流孔203的关闭。但出口阀302的阀片不完全覆盖第二下过流孔403的端口,如此保证在排出阶段泵腔201、第二上过流孔203、第二下过流孔403和出口流道502形成连通通道。
图4给出了本发明进口阀301的较佳实施方式，进口阀301包括限位体3011、阀片3012和悬臂3013，限位体3011环绕于阀片3012的外围，且通过悬臂3013与阀片3012固定连接。阀片3012的直径大于第一下过流孔401的端口直径，但小于第一上过流孔202的端口直径。进口阀腔402的直径大于第一下过流孔401的端口直径，使得进口阀腔402与第一下过流孔401的相接面形成一个环形的下限位面，进口阀301的限位体3011非固定地放置在下限位面上。进口阀腔402的直径大于第一上过流孔202的端口直径，使得进口阀腔402与第一上过流孔202的端口的相接面形成一个环形的上限位面。吸入阶段，进口阀301无阻力地整体上移直至第一上过流孔202处，限位体3011被上限位面限位。
出口阀302与进口阀301结构相同，但与上、下过流孔的配合需要调反。在出口阀腔中，阀片3012的直径大于第二上过流孔203的端口直径，但小于第二下过流孔403的端口直径。出口阀腔204的直径大于第二下过流孔403的端口直径，使得出口阀腔204与第二下过流孔403的相接面形成一个环形的下限位面，出口阀302的限位体3011非固定地放置在下限位面上。出口阀腔204的直径大于第二上过流孔203的端口直径，使得出口阀腔204与第二上过流孔203的端口相接面形成一个环形的上限位面。吸入阶段，出口阀302无阻力地整体上移直至第二上过流孔203处，限位体3011被上限位面限位；排出阶段，出口阀302无阻力地整体下移直至第二下过流孔403处，限位体3011被下限位面限位。
限位体3011与阀片3012之间采用悬臂3013相接，没有全连接，既保证整体性又减轻质量，相邻悬臂之间的空隙作为流体通道。作为优化，限位体3011的厚度可以尽量薄，阀片3012的厚度略高于限位体3011，阀片3012具有足够的变形度，并且具有一定的刚度以防止过度变形。
所述进口阀(301)和出口阀(302)采用PET、PI或者PDMS材料制备而成。
图5是本发明的双阶段单向阀的工作原理，阀腔内具有一定的自由间隙，在压力的作用下阀片可以无阻力地运动，在阀片的开启过程中有两个阶段，第一阶段为阀片在压力的作用下无阻力的整体运动到大过流孔处，阀片限位体的存在防止了阀片继续整体向下运动，第二阶段为阀片在压力的作用下克服阀片变形的弹性力使阀片的开度继续增大。通过增加一段无阻力的自由间隙，使阀片在初始阶段更容易开启，并增加了阀片的整体开启程度，减小了流体流经阀片的流动阻力，使压电泵的输出性能提高。
图6所示为本发明应用于系统集成时的实施例，在将压电式微型泵泵集成到系统中时，无需底座5，可直接将第一下过流孔401和第二下过流孔403与系统进出口相连，使系统更加紧凑。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种压电式微型泵，包括压电振子(1)、上泵体(2)、阀片(3)和下泵体(4)，阀片(3)包括进口阀(301)和出口阀(302)；所述压电振子(1)与上泵体(2)配合形成泵腔(201)；所述上泵体(2)与下泵体(4)之间配合形成以泵腔(201)为中心对称设置的进口阀腔(402)和出口阀腔(204)；其特征在于，
进口阀腔(402)的下端通过第一下过流孔(401)连通进口流道(501)，上端连通第一上过流孔(202)，进口阀腔(402)内非固定地放置有进口阀(301)；
出口阀腔(204)的下端通过第二下过流孔(403)连通出口流道(502)，上端连通第二上过流孔(203)，出口阀腔(204)内非固定地放置有出口阀(302)；
吸入阶段，在压电振子作用下泵腔(201)容积变大压力减小，驱使进口阀(301)在进口阀腔(402)内向上运动，此时第一下过流孔(401)开启，流体依次通过进口流道(501)、第一下过流孔(401)、进口阀腔(402)、第一上过流孔(202)后被吸入泵腔(201)；出口阀(302)在出口阀腔(204)内同步向上运动直至第二上过流孔(203)处，第二上过流孔(203)被关闭；
排出阶段，在压电振子(1)作用下泵腔(201)容积变小压力增大，驱使进口阀(301)在进口阀腔(402)内向下运动直至第一下过流孔(401)处，第一下过流孔(401)被关闭；出口阀(302)在出口阀腔(204)内同步向下运动，第二上过流孔(203)开启，泵腔(201)内流体依次通过第二上过流孔(203)、第二下过流孔(403)和出口流道(502)排出。
2.根据权利要求1所述的压电式微型泵，其特征在于，所述进口阀腔(402)的高度大于进口阀(301)的厚度，出口阀腔(204)的高度大于出口阀(302)的厚度。
3.根据权利要求1所述的压电式微型泵，其特征在于，所述进口阀(301)的阀片完全覆盖第一下过流孔(401)的端口，但不完全覆盖第一上过流孔(202)的端口；所述出口阀(302)的阀片完全覆盖第二上过流孔(203)的端口，但不完全覆盖第二下过流孔(403)的端口。
4.根据权利要求1或2或3所述的压电式微型泵，其特征在于，所述进口阀(301)包括限位体(3011)、阀片(3012)和悬臂(3013)，限位体(3011)环绕于阀片(3012)的外围，且通过悬臂(3013)与阀片(3012)固定连接。
5.根据权利要求4所述的压电式微型泵，其特征在于，所述出口阀(302)与进口阀(301)的结构相同。
6.根据权利要求4或5所述的压电式微型泵，其特征在于，所述限位体(3011)的尺寸大于第一上过流孔(202)的端口尺寸。
7.根据权利要求4或5所述的压电式微型泵，其特征在于，所述进口阀(301)和出口阀(302)采用PET、PI或者PDMS材料制备而成。
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