CN114542436B - 一种仿鱼鳞结构无阀压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体机械领域，公开了一种仿鱼鳞结构无阀压电泵。本发明提供的仿鱼鳞结构无阀压电泵中，仿鱼鳞结构是一种仿鱼类鳞片制作的柔性阻流体结构，其面向进水口处的流阻较小，面向出水口处的流阻较大。压电泵工作时，在流体的作用下，鳞片结构和基座之间的夹角会增大，从而进一步增加流体流动时的反向流阻，进一步提升压电泵的输出性能。本发明提供的仿鱼鳞结构无阀压电泵还可以通过旋转仿鱼鳞结构固定器使所述鳞片结构与进、出口流体的迎流角发生变化，从而实现压电泵的流量和流体流动方向的改变，结构简单，应用面广。
Description
技术领域
本发明属于流体机械领域，具体涉及一种仿鱼鳞结构无阀压电泵。
背景技术
压电泵是一种新型流体驱动器件。利用压电材料的逆压电效应使压电振子产生形变，再由形变引起泵腔容积变化实现流体的输送。根据有无阀体结构可以将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵。有阀压电泵存在可移动阀体，当频率达到一定值时，压电泵将会出现动态平衡，宏观上泵流量下降至零，出现“泵阀滞性”现象，严重制约着有阀压电泵的进一步推广应用。
无阀压电泵内部没有可移动阀体结构，能够有效的避免有阀压电泵的“泵阀滞后性”现象，而且无阀压电泵还具有结构简单、功耗低、无电磁干扰、易微型化等优点，在航空航天、生物化学、微流控、医疗卫生等领域具有重要的应用前景。它主要通过正、反流阻差来实现“阀”的功能，从而使液体产生单向流动，完成流体的传输。根据不同的结构将无阀压电泵分为外置流管式无阀压电泵、内置结构式无阀压电泵。其中，外置流管式无阀压电泵最为常见，主要有锥形流管无阀压电泵、Y形流管无阀压电泵、圆弧形流管无阀压电泵等；内置结构式无阀压电泵主要有非对称坡面腔底无阀压电泵、半球缺无阀压电泵、锥形螺线泵腔无阀压电泵等。
近年来，随着仿生学的发展，逐渐被应用于各个领域，在无阀压电泵的设计上也出现了仿生学的踪影，如模仿鱼类的游动发明了仿鱼尾无阀压电泵。但是，这类无阀压电泵结构复杂，且需要对其进行动力学分析，很难建立一套统一的设计方法，不利于仿生学在无阀压电泵领域的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种仿鱼鳞结构无阀压电泵，该泵利用鱼鳞结构正向减阻作用，使得流体流经鱼鳞结构时会与其反向流经鱼鳞结构时形成流阻差，从而实现流体的单向流动。
本发明提供了一种仿鱼鳞结构无阀压电泵，包括压电振子、仿鱼鳞结构和泵体；
所述泵体上设有进水口、沉孔、泵腔、出水口、进水口蓄水槽、第一连接管、第二连接管、出水口蓄水槽；
所述的第一连接管一端与泵腔连接，另一端与进水口蓄水槽连接；所述的进水口蓄水槽与进水口相连；所述的第二连接管一端与泵腔连接，另一端与出水口蓄水槽连接；所述的出水口蓄水槽与出水口相连；
所述沉孔开设于所述泵腔上方，用于安装压电振子；
所述仿鱼鳞结构通过仿鱼鳞结构固定器通过贯穿所述泵体底部的通孔配合仿鱼鳞结构固定器螺母固定在所述泵腔的底部；
所述仿鱼鳞结构为若干个间隔排列的鳞片结构，所述鳞片结构包括鳞片、基座和用于连接鳞片和基座的连接结构，所述鳞片与基座之间呈一定夹角，所述夹角为锐角，所述鳞片为柔性体，在流体的作用下会发生形变，用于增加流体正、反流动时的流阻差。夹角角度在流体的作用下会发生变化。
优选的，所述仿鱼鳞结构固定器可以旋转，从而使所述鳞片结构与泵腔进口、出口处流体的迎流角发生变化，所述进口为所述第一连接管与所述泵腔连接处，所述出口为所述第二连接管与所述泵腔连接处。
优选的，所述压电振子由圆形金属基片与圆形压电陶瓷片粘接在一起形成，所述圆形金属基片的半径小于所述圆形压电陶瓷片。
优选的，所述仿鱼鳞结构固定器包括固定结构和与所述仿鱼鳞结构固定器螺母的内螺纹相配合的外螺纹，所述基座粘接在所述固定结构上。
优选的，所述鳞片为半圆形铜片。
优选的，所述鳞片的半径为2mm，所述鳞片与所述基座之间的夹角为10°。
优选的，所述鳞片结构的水平距离和竖直距离均为4.2mm。
优选的，仿鱼鳞结构无阀压电泵还包括上垫圈和下垫圈，所述上垫圈夹在所述固定结构与所述泵腔底部表面之间，所述下垫圈夹在所述仿鱼鳞结构固定器螺母与所述泵体底部之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的仿鱼鳞结构无阀压电泵中，仿鱼鳞结构是一种仿鱼类鳞片制作的柔性阻流体结构，其面向进水口处的流阻较小，面向出水口处的流阻较大。压电泵工作时，在流体的作用下，鳞片结构和基座之间的夹角会增大，从而进一步增加流体流动时的反向流阻，进一步提升压电泵的输出性能。本发明提供的仿鱼鳞结构无阀压电泵还可以通过旋转仿鱼鳞结构固定器使所述鳞片结构与进、出口流体的迎流角发生变化，从而实现压电泵的流量和流体流动方向的改变，结构简单，应用面广。
附图说明
图1为本发明所述仿鱼鳞结构无阀压电泵的立体分解示意图；
图2为本发明所述仿鱼鳞结构轴测视图；
图3为本发明所述仿鱼鳞结构的前视图；
图4为本发明所述仿鱼鳞结构的分布示意图；
图5为本发明所述仿鱼鳞结构固定器轴测视图；
图6为本发明所述仿鱼鳞结构无阀压电泵的泵体俯视图；
图7为本发明所述仿鱼鳞结构无阀压电泵的泵体剖视图；
图8为本发明所述仿鱼鳞结构无阀压电泵的工作原理图；
图9为本发明所述仿鱼鳞结构无阀压电泵中仿鱼鳞结构的分布图；
图10为本发明所述仿鱼鳞结构无阀压电泵中固定器旋转一定角度时的仿鱼鳞结构的分布图；
图中标号名称：1、圆形压电陶瓷片；2、圆形金属基片；3、压电振子；4、鳞片结构；4-1、鳞片；4-2、连接结构；4-3、基座；5、仿鱼鳞结构固定器；5-1、仿鱼鳞结构固定器固定结构；5-2、仿鱼鳞结构固定器外螺纹；6、上垫圈；7、泵体；7-1、进水口；7-2、沉孔；7-3、泵腔；7-4、通孔；7-5、出水口；7-6、进水口蓄水槽；7-7、第一连接管；7-8、第二连接管；7-9、出水口蓄水槽；8、下垫圈；9、仿鱼鳞结构固定器螺母。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不限于此。
如图1所示，一种仿鱼鳞结构无阀压电泵，包括圆形压电陶瓷片1、圆形金属基片2、仿鱼鳞结构、仿鱼鳞结构固定器5、上垫圈6、泵体7、下垫圈8、仿鱼鳞结构固定器螺母9，圆形压电陶瓷片1的直径小于圆形金属基片2的直径；圆形压电陶瓷片1和圆形金属基片2粘接在一起形成压电振子3。
如图2至图4所示，仿鱼鳞结构为若干个间隔排列的鳞片结构4，鳞片结构4包括鳞片4-1、基座4-3和用于连接鳞片4-1和基座4-3的连接结构4-2，鳞片4-1与基座4-3之间呈一定夹角，夹角为锐角，优选为10°。鳞片4-1为柔性体，在流体的作用下会发生形变，用于增加流体正、反流动时的流阻差。鳞片4-1、基座4-3和连接结构4-2均由铜片制成。各个鳞片结构4的水平距离为a和竖直距离为b优选4.2mm。
如图5所示，仿鱼鳞结构固定器5包括固定结构5-1、外螺纹5-2；基座4-3通过AB胶粘接固定在固定结构5-1的上表面；所述的外螺纹5-2用于与仿鱼鳞结构固定器螺母9的内螺纹9-1相配合。
如图6、图7所示，泵体7通过3D打印制作而成，包括进水口7-1、沉孔7-2、泵腔7-3、出水口7-5、进水口蓄水槽7-6、第一连接管7-7、第二连接管7-8、出水口蓄水槽7-9。第一连接管7-7一端与泵腔7-3连接，另一端与进水口蓄水槽7-6连接；进水口蓄水槽7-6与进水口7-1相连；第二连接管7-8一端与泵腔7-3连接，另一端与出水口蓄水槽7-9连接；出水口蓄水槽7-9与出水口7-5相连；泵腔7-3、沉孔7-2、通孔7-4中心位置对齐。圆形金属基片2的直径略小于沉孔7-2的直径；圆形金属基片2的另一面通过AB胶固定在沉孔7-2上。
仿鱼鳞结构固定器5的外螺纹5-2依次穿过上垫圈6、贯穿泵体7底部的通孔7-4和下垫圈8后与仿鱼鳞结构固定器螺母9的内螺纹配合。上垫圈6夹在泵腔7-3和仿鱼鳞结构固定器5之间；一方面用于保护泵腔7-3的上表面和仿鱼鳞结构固定器5的下表面；另一方面通过仿鱼鳞结构固定器5和仿鱼鳞结构固定器螺母9的配合，起密封作用，防止泵腔内部液体的泄漏。下垫圈8夹在泵体7和仿鱼鳞结构固定器螺母9之间，起到保护泵体7下表面和仿鱼鳞结构固定器螺母9上表面作用。
图9所示为本发明仿鱼鳞结构无阀压电泵的工作原理图，此时仿鱼鳞结构无阀压电泵的工作过程如下：
在0-T/4周期中，驱动电压逐渐增加，压电振子3由平衡位置逐渐向上弯曲运动至极限位置，此时泵腔7-3容积也在逐渐增大，内部压强减小，偏出水口7-5处一侧的仿鱼鳞结构4向外侧变形，偏进水口7-1处一侧的仿鱼鳞结构4向内侧变形，流体分别由进水口7-1、出水口7-5流入泵腔7-3。
在T/4-T/2周期中，驱动电压逐渐降低，压电振子3由上极限位置向平衡位置运动，泵腔7-3容积逐渐减小，内部压强不断增强，偏出水口7-5处一侧的仿鱼鳞结构4逐渐向内侧恢复，偏进水口7-1处一侧的仿鱼鳞结构4向外侧恢复，流体分别由进水口7-1、出水口7-5流出泵腔7-3。
在T/2-3T/4周期中，驱动电压逐渐增加，压电振子3逐渐由平衡位置向下弯曲运动至极限位置，泵腔7-3容积不断减小，内部压强逐渐增大，偏出水口7-5处一侧的仿鱼鳞结构4向内侧变形，偏进水口7-1处一侧的仿鱼鳞结构4向外侧变形，流体分别由进水口7-1、出水口7-5流出泵腔7-3。
在3T/4-1T周期中，驱动电压逐渐降低，压电振子3逐渐由下极限位置向平衡位置运动，泵腔7-3容积逐渐增加，内部压强逐渐减小，偏出水口7-5处一侧的仿鱼鳞结构4逐渐向外侧恢复，偏进水口7-1处一侧的仿鱼鳞结构4向内侧恢复，流体分别由进水口7-1、出水口7-5流入泵腔7-3。
压电振子3沿S3-S4-S1运动时，泵腔7-3体积增加，泵腔7-3内部出现负压，偏出水口7-5处一侧的仿鱼鳞结构4向外侧变形(即鳞片与基底的夹角变大)，偏进水口7-1处一侧的仿鱼鳞结构4向内侧变形(即鳞片与基底的夹角变小)，流体分别由进水口7-1、出水口7-5流入泵腔7-3，为压电泵的吸程阶段，由于偏进水口7-1处的仿鱼鳞结构4向内侧变形，流体进入泵腔7-3截面变大，流阻减小，偏出水口处7-5的仿鱼鳞结构4向外侧变形，流体流入泵腔7-3的截面减小，流阻增大，因此吸程阶段由进水口7-1流入泵腔流体的体积比出水口7-5大；
压电振子3沿S1→S2→S3运动时，泵腔7-3体积减小，泵腔7-3内部压强增大，偏出水口7-5处一侧的仿鱼鳞结构4向内侧变形，偏进水口7-1处一侧的仿鱼鳞结构4向外侧变形，流体分别由进水口7-1、出水口7-5流出泵腔7-3，为压电泵的排程阶段，由于偏进水口7-1处的仿鱼鳞结构4向外侧变形，流体进入泵腔7-3截面变小，流阻增大，偏出水口处7-5的仿鱼鳞结构4向内侧变形，流体流入泵腔7-3的截面增大，流阻减小，因此吸程阶段由出水口7-5流出泵腔流体的体积比进水口7-1大。
综上所述，在一个振动周期中，仿鱼鳞结构无阀压电泵会产生由进水口7-1到出水口7-5的单向流动。
如图9所示，为压电泵中鱼鳞结构4在泵腔7-3内部的分布图。
如图10所示，为压电泵中仿鱼鳞结构固定器5转动一定角度后鱼鳞结构4在泵腔内部的分布图，此时由于仿鱼鳞结构的迎流角发生了变化，使得正、反流阻差发生变化，从而引起压电泵输出性能的变化。因此，通过旋转仿鱼鳞结构固定器5可以实现对压电泵输出性能的调节，使其满足需求。
当仿鱼鳞结构固定器5旋转到一定角度之后，由于正、反流阻差发生了变化，压电泵中液体的流动方向会发生改变，转变为由出口向进口流动。
本发明所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵在工作时可以通过旋转仿鱼鳞结构固定器5来调节压电泵的输出性能，同时还可以实现液体的双向流动，进一步拓展了无阀压电泵的应用领域。
以上所述仅为本申请的优选实例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变换。凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等(如不同结构的阻流体、将阻流体放置于流管等位置)，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，包括压电振子、仿鱼鳞结构和泵体；
所述泵体上设有进水口、沉孔、泵腔、出水口、进水口蓄水槽、第一连接管、第二连接管、出水口蓄水槽；
所述的第一连接管一端与泵腔连接，另一端与进水口蓄水槽连接；所述的进水口蓄水槽与进水口相连；所述的第二连接管一端与泵腔连接，另一端与出水口蓄水槽连接；所述的出水口蓄水槽与出水口相连；
所述沉孔开设于所述泵腔上方，用于安装压电振子；
所述仿鱼鳞结构由仿鱼鳞结构固定器通过贯穿所述泵体底部的通孔配合仿鱼鳞结构固定器螺母固定在所述泵腔的底部；
所述仿鱼鳞结构为若干个间隔排列的鳞片结构，所述鳞片结构包括鳞片、基座和用于连接鳞片和基座的连接结构，所述鳞片与基座之间呈一定夹角，所述夹角为锐角，所述鳞片为柔性体，在流体的作用下会发生形变，使所述的夹角的角度发生变化。
2.根据权利要求1所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，所述仿鱼鳞结构固定器可以旋转，从而使所述鳞片结构与泵腔进口、出口处流体的迎流角发生变化，所述进口为所述第一连接管与所述泵腔连接处，所述出口为所述第二连接管与所述泵腔连接处。
3.根据权利要求1所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，所述压电振子由圆形金属基片与圆形压电陶瓷片粘接在一起形成，所述圆形金属基片的半径小于所述圆形压电陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，所述仿鱼鳞结构固定器包括固定结构和与所述仿鱼鳞结构固定器螺母的内螺纹相配合的外螺纹，所述基座粘接在所述固定结构上。
5.根据权利要求1所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，所述鳞片为半圆形铜片。
6.根据权利要求5所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，所述鳞片的半径为2mm，所述鳞片与所述基座之间的夹角为10o。
7.根据权利要求1所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，所述鳞片结构的水平距离和竖直距离均为4.2mm。
8.根据权利要求4所述的仿鱼鳞结构无阀压电泵，其特征在于，还包括上垫圈和下垫圈，所述上垫圈夹在所述固定结构与所述泵腔底部表面之间，所述下垫圈夹在所述仿鱼鳞结构固定器螺母与所述泵体底部之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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