CN115163465B - 一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，泵体的正中间是泵体腔，泵盖的底部正中间开有与泵体腔相通的泵盖腔，泵盖腔中设置一个壳体、一个超声波换能器、一个左隔膜片和一个右隔膜片，壳体为U形结构，U形的顶壁和两个侧壁均与泵盖腔的内壁密封且固定连接，左隔膜片和右隔膜片与泵盖腔内壁之间留有空间；左隔膜片、右隔膜片和壳体围成一个封闭方形腔室，该封闭方形腔室的内部正中间设有超声波换能器，封闭方形腔室的内部充满水；壳体的U形底壁与泵盖腔内壁之间固定连接PTFE防水透气膜；利用超声空化产生的空泡溃灭时产生的压力作用于左、右隔膜片上，驱动两个隔膜片的振动，从而导致泵体腔的体积发生变化，进而吸液和排液。
Description
技术领域
本发明属于输送机械领域，涉及一种微型的隔膜泵，特指一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵。
背景技术
隔膜泵是目前比较新颖的一种泵类，是借助薄膜将被输液体与活柱和泵缸隔开，从而保护活柱和泵缸。在工业生产中，隔膜泵主要用于输送腐蚀性液体或含有固体悬浮物的液体。目前使用较为广泛的是气动隔膜泵，气动隔膜泵在气缸腔内安装隔膜片将气缸腔和工作液分开，通过气缸腔活塞往复运动压缩空气使隔膜片往复运动，隔膜片往复运动使得工作腔内的压力产生变化，进而达到输送液体的目的。气动隔膜泵通过活塞往复运动压缩空气作为动力源，对于高粘度、易挥发、各种腐蚀性的液体，气动隔膜泵均能予以抽光吸尽，但是活塞往复运动压缩空气时，需要克服重力做功，容易造成能量损耗。同时现有的隔膜片也是气动隔膜泵中较为薄弱的部件，长期使用会导致其内部的膜片磨损造成穿孔，使泵体失去作用。此外，随着科学技术的发展，无论是在医药、工业、能源等领域都对要求隔膜泵这一产品微型化，因此，对微型化后的微型隔膜泵的能量损耗和隔膜片的使用寿命提出新的要求。
中国专利公开号为CN212296804U的文献中公开了一种节能内控式气动隔膜泵，该隔膜泵采用节能阀来减少能量损耗，结构上仍然是采用传统的活塞运动压缩空气作为动力源，活塞杆在滑动的时候与泵体之间的摩擦力较大，在工作时会造成能量损耗，而且，由于采用活塞杆，使隔膜泵无法实现微型化，同时也未考虑隔膜片的磨损问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有微型隔膜泵存在容易造成能量损耗、活塞杆的存在不利于隔膜泵微型化、隔膜片存在磨损状况等问题，提出一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵采用的技术方案是：其包括键合在一起的泵体和泵盖，泵体的正中间是泵体腔，泵盖的底部正中间开有与泵体腔相通的泵盖腔，泵盖腔中设置一个壳体、一个超声波换能器、一个左隔膜片和一个右隔膜片，壳体为U形结构，U形的顶壁和两个侧壁均与泵盖腔的内壁密封且固定连接，U形底壁水平且朝着泵体腔，左隔膜片和右隔膜片分别密封壳体贯通的两侧，左隔膜片和右隔膜片与泵盖腔内壁之间留有空间；左隔膜片、右隔膜片和壳体围成一个封闭方形腔室，该封闭方形腔室的内部正中间设有超声波换能器，封闭方形腔室的内部充满水；壳体的U形底壁与泵盖腔内壁之间固定连接PTFE防水透气膜；超声波换能器发出超声波作用于左隔膜片和右隔膜片上，左隔膜片和右隔膜片上产生空化泡使其振动，泵体腔体积和压强交替变化而吸液和排液。
进一步地，超声波换能器与泵体外部的计算机相连，所述的封闭方形腔室的内部，左隔膜片和右隔膜片的内壁上分别设有压力传感器和计数传感器，两个压力传感器和计数传感器均经信号线与外部的计算机相连，分别监测左隔膜片和右隔膜片的压力和振动频率并传送给计算机，计算机根据压力值调节超声波换能器发射的超声波的强度，根据振动频率调节超声波换能器发射的超声波的频率。
进一步地，左隔膜片和右隔膜片的结构相同，均内置有加强层和弹性层，弹性层在左隔膜片和右隔膜片内部正中间，弹性层外部包裹一层加强层，加强层的材质为高分子材料聚偏氟乙烯，弹性层的材质为乙丙橡胶。
进一步地，泵体腔是中心轴上下垂直的圆形腔，从泵体的底面向上开有进口和出口，进口和出口分布在泵体腔的两侧，进口与进口缓冲腔相连通，进口缓冲腔通过进口扩散/收缩管与泵体腔相连通，出口与出口缓冲腔相连通，出口缓冲腔通过出口扩散/收缩管与泵体腔相连通。
进口扩散/收缩管和出口扩散/收缩管的中心轴共线，且与泵体腔的中心轴相垂直；进口扩散/收缩管和出口扩散/收缩管均是锥形结构，进口扩散/收缩管与进口缓冲腔相连接的这端为小端，与泵体腔相连接的这端为大端，锥角为20°；出口扩散/收缩管与出口缓冲腔相连接的这端为大端，与泵体腔相连接的这端为小端，锥角为10°。
泵体腔外围设置一圈环形流道，出口扩散/收缩管连接环形流道，由环形流道分流后分别经第一进/出口和第三进/出口与泵体腔内部相通；进口扩散/收缩管连接环形流道，由环形流道分流后分别经第二进/出口和第四进/出口与泵体腔内部相通。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
(1)本发明利用超声空化产生的空泡溃灭时产生的压力作用于左、右隔膜片上，驱动两个隔膜片的振动，从而导致泵体腔的体积发生变化，进而吸液和排液，解决了传统的活塞运动压缩空气作为动力源时活塞杆需要克服阻力做功容易造成能量损耗、且不利于隔膜泵微型化的问题。
(2)本发明利用Coanda效应与扩散/收缩管的结合，泵体进口、出口处不需要再安装阀门，泵体结构更简单，泵腔的体积变化更大，容积效率更高，泵出流量大，更有利于隔膜泵的微型化。
(3)本发明通过在隔膜片上安装相应的传感器，可实时监测并调节隔膜片的压力和振动频率，避免压力过大造成隔膜片破坏，从而延长隔膜片的使用寿命。
(4)本发明中的隔膜片内置有加强层和弹性层，可增强隔膜片的耐磨性，使得隔膜泵的稳定性增强，降低了隔膜片的维护和保养成本，能有效避免对原料进行二次污染。
(5)本发明整个泵体通过计算机控制，可根据实际需要调节超声换能器发射超声波的强度，进而控制进口和出口的流量。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵的主视剖视图；
图2是图1中A-A剖视图；
图3是图1中B-B剖视图；
图4是图1中隔膜片的结构放大剖面图；
图5是图1中超声波换能器工作时隔膜片向外弯曲的状态图；
图6是图5中隔膜片向外弯曲时的排液过程原理图；
图7是图1中超声波换能器工作时隔膜片向内弯曲的状态图；
图8是图7中隔膜片向内弯曲时的吸液过程原理图。
图中：1.泵盖；2.泵体；3.出口缓冲腔；4.出口；5.出口扩散/收缩管；6.泵体腔；7：壳体；8.进口扩散/收缩管；9.进口缓冲腔；10.进口；11.第一PTFE防水透气膜；12.第二计数传感器；13.右隔膜片；14.第二压力传感器；15.水；16.超声波换能器；17.第一压力传感器；18.左隔膜片；19.泵盖腔；20.第一计数传感器；21.第二PTFE防水透气膜；22.第一进/出口；23.第二进/出口；24.第三进/出口；25.第四进/出口；26.空化泡；27.超声波；28.弹性层；29.加强层。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵包括一个泵体2和泵盖1，泵体2的材料是硅，泵盖1的材料是玻璃，泵盖1在泵体2的正上方，泵盖1和泵体2通过真空氧等离子体键合工艺使两者紧密贴合在一起。
泵盖1的底部正中间开有泵盖腔19，泵体2上设有一个泵体腔6、一个进口10、一个出口4、一个进口缓冲腔9和一个出口缓冲腔3，组成泵体2上的流道结构。泵盖腔19在泵体腔6的正上方并且与泵体腔6相通。泵体2的正中间是泵体腔6，泵体腔6是圆形腔，中心轴上下垂直。进口10和出口4分别分布在泵体腔6的两侧，相对于泵体腔6的中心对称。进口10和出口4是从泵体2的底面向上开口。进口缓冲腔9和出口缓冲腔3分别分布在泵体腔6的两侧，相对于泵体腔6的中心对称。进口10与进口缓冲腔9相连通，进口10与进口缓冲腔9的中心轴共线，与泵体腔6的中心轴平行。进口缓冲腔9通过进口扩散/收缩管8与泵体腔6相连通。出口4与出口缓冲腔3相连通，出口4与出口缓冲腔3，中心轴共线，且与泵体腔6的中心轴平行。出口缓冲腔3通过出口扩散/收缩管5与泵体腔6相连通。进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5的中心轴共线，且与泵体腔6的中心轴相垂直。
泵体腔6外围设置一圈环形流道，环形流道经第一进/出口22、第二进/出口23、第三进/出口24和第四进/出口25这四个环形流道与泵体腔6内部相通。出口扩散/收缩管5连接环形流道，由环形流道分流后分别经第一进/出口22和第三进/出口24与泵体腔6内部相通。进口扩散/收缩管8连接环形流道，由环形流道分流后分别经第二进/出口23和第四进/出口25与泵体腔6内部相通。
进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5沿上下方向上的深度为0.2mm，进口缓冲腔9和出口缓冲腔3沿上下方向上的深度为0.5mm。
进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5均是锥形结构，进口扩散/收缩管8与进口缓冲腔9相连接的这端为小端，与泵体腔6相连接的这端为大端，小端和大端之间的长度为15mm。进口扩散/收缩管8的锥形角度为20°。
出口扩散/收缩管5与出口缓冲腔3相连接的这端为大端，与泵体腔6相连接的这端为小端。小端和大端之间的长度为15mm。出口扩散/收缩管5的锥形角度为10°。出口扩散/收缩管5的小端与泵体腔6相连接处采用圆弧面过渡连接，圆弧半径为1mm。
在泵盖腔19中设置一个壳体7、一个超声波换能器16、一个左隔膜片18和一个右隔膜片13，壳体7为U形结构，U形开口朝向上方，U形的顶壁水平，U形的两个侧壁垂直，U形的顶壁和两个侧壁均与泵盖腔19的内壁密封且固定连接，U形底壁水平，朝着泵体腔6。如图1和图3所示，本发明中将壳体7的U形的两个侧壁前后布置，则壳体7内部便左右贯通泵盖腔19。在泵盖腔19和壳体7内部之间用一个左隔膜片18和一个右隔膜片13密封且固定连接，左隔膜片18和右隔膜片13分别密封住壳体7贯通的两侧，使左隔膜片18、右隔膜片13和壳体7围成一个封闭方形腔室。在该封闭方形腔室内部正中间固定安装一个超声波换能器16，超声波换能器16的体积小于该封闭方形腔室的体积，超声波换能器16的底部固定在壳体7内的底壁上。在该封闭方形腔室的内部充满水15。左隔膜片18和右隔膜片13与泵盖腔19内壁之间留有空间。由此，由壳体7、左隔膜片18、右隔膜片13、超声波换能器16和水组成了空化发生器。左隔膜片18和右隔膜片13相对于超声波换能器16的中心对称布置，左隔膜片18和右隔膜片13都是弹性隔膜片。
超声波换能器16的主频为50Hz，可调节频率为0～50Hz，超声波换能器16与泵体2外部的计算机相连，通过计算机控制其发射超声波的频率。当超声波换能器16工作，发出的超声波正对着两侧的左隔膜片18和右隔膜片13，作用于两侧的左隔膜片18和右隔膜片13上，可在左隔膜片18和右隔膜片13表面引起超声空化。
壳体7的U形底壁采用硅材制成，在壳体7的U形底壁与泵盖腔19内壁之间固定连接PTFE防水透气膜，底壁的左右侧分别是第一PTFE防水透气膜11和第二PTFE防水透气膜21。第一PTFE防水透气膜11与左隔膜片18之间留有空间，第二PTFE防水透气膜21与右隔膜片13之间留有空间。第一PTFE防水透气膜11和第二PTFE防水透气膜21均水平设置，通过粘结剂分别与壳体7底壁和泵腔6顶部内壁面连接。第一PTFE防水透气膜11和第二PTFE防水透气膜21的作用是会阻碍水分子通过，但允许气体通过。
如图4所示，左隔膜片18和右隔膜片13的结构完全相同，内置有加强层29和弹性层28，弹性层28在左隔膜片18和右隔膜片13内部正中间，弹性层28外部包裹一层加强层29。加强层29的材质为人工合成的高分子材料聚偏氟乙烯，弹性层28的材质为乙丙橡胶，聚偏氟乙烯和乙丙橡胶均具较好的弹性，可增强左隔膜片18和右隔膜片13的弹性和耐磨性，使得左隔膜片18和右隔膜片13的稳定性增强，降低左隔膜片18和右隔膜片13的维护和保养成本。
如图1和图5所示，在该封闭方形腔室内部，左隔膜片18的内壁上安装第一压力传感器17和第一计数传感器20，分别监测左隔膜片18受到的压力和隔膜片的振动频率。右隔膜片13的内壁上安装第二压力传感器14和第二计数传感器12，分别监测右隔膜片13受到的压力和隔膜片的振动频率。第一压力传感器17、第一计数传感器20、第二压力传感器14和第二计数传感器12均通过各自的信号线与外部的计算机相连，将压力和振动频率信号及时传送给计算机。计算机根据监测到压力值调节超声波换能器16发射的超声波的强度，根据监测到的振动频率调节超声波换能器16发射的超声波的频率。当计算机监测到左隔膜片18和右隔膜片13上的压力超过设定的压力值，表示压力过大时，可调节超声波换能器16发射的超声波27的强度，以减少空化泡26的产生，减少左隔膜片18和右隔膜片13所受到的压力。左隔膜片18和右隔膜片13的最大振动频率为50Hz，持续时间为5s，当计算机监测到左隔膜片18和右隔膜片13的振动频率大于50Hz，表明振动频率过快时，计算机调节超声波换能器16发射的超声波27的频率，减少左隔膜片18和右隔膜片13的振动频率。
参见图5，本发明工作时，空化发生器中的超声波换能器16发出超声波27，超声波27作用于左隔膜片18和右隔膜片13上，在左隔膜片18和右隔膜片13上产生空化泡26，空化泡26产生、发展、溃灭时释放能量，会产生巨大的压力作用于左隔膜片18和右隔膜片13上使其左右振动，由于第一PTFE防水透气膜11和第二PTFE防水透气膜21允许气体通过，故左隔膜片18和右隔膜片13的振动会导致泵体腔6的体积和压强发生变化。左隔膜片18和右隔膜片13往复振动会导致泵体腔6的体积和压强交替变化，从而达到吸液、排液的目的。
当左隔膜片18和右隔膜片13向外弯曲时，壳体7和泵体腔6之间腔室的体积减小，压强增大，泵体腔6中的液体被排出，如图6所示。在排出过程中,超声波换能器16发出超声波27作用于左隔膜片18和右隔膜片13上会在其表面产生空化泡26，空化泡26产生、发展和溃灭时释放能量会产生巨大的压力，该压力作用于左隔膜片18和右隔膜片13上使其向外弯曲，从而导致壳体7和泵体腔6之间腔室的体积减小，内部压强迅速升高，高于外界大气压强，使得泵体腔6内的流体通过进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5、进口缓冲腔9和出口缓冲腔3，从进口10和出口4同时排出。但当流体经过出口扩散/收缩管5时，由于流动方向为扩散方向，流动阻力越来越小，故出口4的排出量不断增大；当流体经过进口扩散/收缩管8时，由于流动方向为收缩方向，阻力越来越大，进口4的排出量不断减少，从而造成了流体在进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5的流量差，和出口4的排出量相比，进口3的排出量比较小，可以忽略不计。
如图7所示，当左隔膜片18和右隔膜片13向内弯曲时，壳体7和泵体腔6之间的腔室的体积增大，压强减小，泵体腔6外部的液体被吸入泵体腔6，如图8所示。在吸液过程中，左隔膜片18和右隔膜片13在惯性力的作用下向内弯曲，壳体7和泵体腔6之间腔室的体积增大，内部压强迅速降低，低于外界大气压强，使得外部流体通过进口10和出口4同时进入进口缓冲腔9和出口缓冲腔3中，进入进口缓冲腔9中的流体经过进口扩散/收缩管8时，由于流动方向为扩散方向，流动阻力越来越小，进口10的吸入量不断增大；进入出口缓冲腔3中的流体经过出口扩散/收缩管5时，由于流动方向为收缩方向，阻力越来越大，出口4的吸入量不断减少，从而造成了流体在进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5的流量差。进入进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5的流体会继续沿着如图8所示的环形流道流动，由于进入进口扩散/收缩管8时流体的流动方向为扩散方向，流动阻力小，故由进口扩散/收缩管8进入的流体在环形流道流动时流速快，同理，由于进入出口扩散/收缩管5的流体的流动方向为收缩方向，流动阻力大，故由出口扩散/收缩管5进入的流体在环形流道流动时流速慢，从而导致通过进口扩散/收缩管8进入环形流道的流速快的流体会与通过出口2进入环形流道的流体相撞对其进入环形流道造成阻碍。此外，当流体流经出口扩散/收缩管5的小端时，由于出口扩散/收缩管5的小端与泵体腔6连接面之间采用圆弧面过渡连接，故在圆弧出会形成Coanda效应，即在圆弧壁上部和下部处会分别形成顺时针和逆时针的旋涡，从而阻碍流体进一步流经出口扩散/收缩管5，进而造成进口10和出口4处更大的流量差。经过进口扩散/收缩管8和出口扩散/收缩管5吸入的流体会随着环形流道流动，通过第一进/出口22、第二进/出口23、第三进/出口24、第四进/出口25进入泵体腔6中。
通过控制超声波换能器16发射的超声波27的频率和强度，可控制空化泡26产生压力的大小，进而控制左隔膜片18和右隔膜片13振动的频率和强度，从而控制泵的吸入量和排出量。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，包括键合在一起的泵体(2)和泵盖(1)，泵体(2)的正中间是泵体腔(6)，其特征是：泵盖(1)的底部正中间开有与泵体腔(6)相通的泵盖腔(19)，泵盖腔(19)中设置一个壳体(7)、一个超声波换能器(16)、一个左隔膜片(18)和一个右隔膜片(13)，壳体(7)为U形结构，U形的顶壁和两个侧壁均与泵盖腔(19)的内壁密封且固定连接，U形底壁水平且朝着泵体腔(6)，左隔膜片(18)和右隔膜片(13)分别密封壳体(7)贯通的两侧，左隔膜片(18)和右隔膜片(13)与泵盖腔(19)内壁之间留有空间；左隔膜片(18)、右隔膜片(13)和壳体(7)围成一个封闭方形腔室，该封闭方形腔室的内部正中间设有超声波换能器(16)，封闭方形腔室的内部充满水；壳体(7)的U形底壁与泵盖腔(19)内壁之间固定连接PTFE防水透气膜；超声波换能器(16)发出超声波作用于左隔膜片(18)和右隔膜片(13)上，左隔膜片(18)和右隔膜片(13)上产生空化泡使其振动，泵体腔(6)体积和压强交替变化而吸液和排液。
2.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：超声波换能器(16)与泵体(2)外部的计算机相连，所述的封闭方形腔室的内部，左隔膜片(18)和右隔膜片(13)的内壁上分别设有压力传感器和计数传感器，两个压力传感器和计数传感器均经信号线与外部的计算机相连，分别监测左隔膜片(18)和右隔膜片(13)的压力和振动频率并传送给计算机，计算机根据压力值调节超声波换能器(16)发射的超声波的强度，根据振动频率调节超声波换能器(16)发射的超声波的频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：左隔膜片(18)和右隔膜片(13)的结构相同，均内置有加强层(29)和弹性层(28)，弹性层(28)在左隔膜片(18)和右隔膜片(13)内部正中间，弹性层(28)外部包裹一层加强层(29)，加强层(29)的材质为高分子材料聚偏氟乙烯，弹性层(28)的材质为乙丙橡胶。
4.根据权利要求2所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：超声波换能器(16)的主频为50Hz，调节频率为0～50Hz。
5.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：超声波换能器(16)的体积小于所述的封闭方形腔室的体积。
6.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：壳体(7)的U形底壁采用硅材制成。
7.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：泵体腔(6)是中心轴上下垂直的圆形腔，从泵体(2)的底面向上开有进口(10)和出口(4)，进口(10)和出口(4)分布在泵体腔(6)的两侧，进口(10)与进口缓冲腔(9)相连通，进口缓冲腔(9)通过进口扩散/收缩管(8)与泵体腔(6)相连通，出口(4)与出口缓冲腔(3)相连通，出口缓冲腔(3)通过出口扩散/收缩管(5)与泵体腔(6)相连通。
8.根据权利要求7所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：进口扩散/收缩管(8)和出口扩散/收缩管(5)的中心轴共线，且与泵体腔(6)的中心轴相垂直；进口扩散/收缩管(8)和出口扩散/收缩管(5)均是锥形结构，进口扩散/收缩管(8)与进口缓冲腔(9)相连接的这端为小端，与泵体腔(6)相连接的这端为大端，锥角为20°；出口扩散/收缩管(5)与出口缓冲腔(3)相连接的这端为大端，与泵体腔(6)相连接的这端为小端，锥角为10°。
9.根据权利要求8所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：泵体腔(6)外围设置一圈环形流道，出口扩散/收缩管(5)连接环形流道，由环形流道分流后分别经第一进/出口(22)和第三进/出口(24)与泵体腔(6)内部相通；进口扩散/收缩管(8)连接环形流道，由环形流道分流后分别经第二进/出口(23)和第四进/出口(25)与泵体腔(6)内部相通。
10.根据权利要求7所述的一种基于空化效应的脉冲式微型无阀隔膜泵，其特征是：进口(10)与进口缓冲腔(9)的中心轴共线，与泵体腔(6)的中心轴平行，出口(4)与出口缓冲腔(3)的中心轴共线，且与泵体腔(6)的中心轴平行。
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