CN1306165C - 一种往复式可连续变锥角无阀泵 - Google Patents

Abstract

一种涉及流体机械领域的往复式可连续变锥角无阀泵，包括有泵体(3)，与泵体相连接、并使流体通过其流动的锥形体，固定在泵体(3)的机电式振动子，本发明的特征在于，锥形体是采用轴(11)把直线流路档体(9)与可连续变化锥角的流路档体(10)铰链连接成为流体可通过的流路档体；再采用上夹板(8)与下夹板(12)将由直线流路档体(9)与可连续变化锥角的流路档体(10)构成的流路档体置于两夹板之间通过机械紧固件紧固构成。振动子可采用现有压电泵采用的压电式或活塞构成的机械式振动子。本发明改变两只可连续变化锥角的流路档体(10)，就可以得到不同锥角的流路，依靠机电振动子给予的外力就可以实现连续变化锥角θ功能，因此本发明可方便地达到改变泵的流量、液流方向的目的。

Description

一种往复式可连续变锥角无阀泵

技术领域：

一种往复式可连续变锥角无阀泵，涉及对流体机械学科中的可连续变锥角机构及往复式锥形流管无阀泵的改进，属于流体机械领域。

背景技术：

对于容积型往复式泵而言，如果把阀定义为：在泵的吸入和吐出过程中，至少有一时点，使原本在泵腔中连通的吸入和吐出口之间，产生不连通的原因；也就是说，阀造成的不连通，使泵产生了单向流动。那么所谓无阀就是利用流体的某些性质，创造出即可以产生单向流动，又可在吸入和吐出口之间产生始终连通的特殊机构。

1993年，瑞典的埃斯特门(E.Stemme)等人创造性地发明了锥形流管无阀压电泵。因埃斯特门(E.Stemme)等人的无阀压电泵是利用了互为倒置的圆锥形流管机构，所以称之为圆锥形流管无阀压电泵。图1所示为瑞典埃斯特门(E.Stemme)的无阀压电泵，图1(a)是互为倒置的圆锥形流管，图1(b)为无阀压电泵的构造。

1995年，德国的特格拉奇(T.Gerlach)等人在硅板上开发出了微方锥形流管无阀压电泵。图2所示为德国特格拉奇(T.Gerlach)的无阀压电泵，图2(a)为在硅板上加工的方锥形，图2(b)为无阀压电泵的构造。

图3所示为综合了图1、图2后的无阀压电泵。在图3中1为固定螺钉，2为振动放大片，3为泵体，4为锥形体A，5为锥形体B，6为压电片。振动放大片2被两片压电片6夹在中间后粘接，粘接后的新结构被称为振动子，由振动子，泵体3、锥形体A4、锥形体B5及固定螺钉1所组成的结构只有锥形体A4、锥形体B5的两个与外界连同的开口，如果在振动子的压电片2的两端施加交变电压，振动子就会产生交替伸长与收缩变形，这样振动子、泵体3、锥形体A4、锥形体B5所组成的空间就形成了容积变化，上述结构也就够成了可以单项流动的锥形无阀压电泵。

振动子被固定螺钉1固定在泵体3上，锥形体A4、锥形体B5是互为倒置锥形体机构，锥形体A4，锥形体B5与泵体3的连接可以是过盈配合连接，也可以是粘接，还可以是焊接。

锥形体A4与锥形体B5可以完全相同也可以不完全相同，其相同与否是指几何尺寸的大小。锥形体A4、锥形体B5的主要几何尺寸由图4锥形无阀压电泵给出，θ角为锥角。锥形体A4是扩张管，锥形体B5是收缩管。

究其锥形流管无阀泵的深层原理，是利用了互为倒置的锥形体机构，所产生的正反向流管流动时的流阻差。也就是说，锥角θ的大小可以直接影响流体宏观性质——流阻，产生流阻的更深层原因是动粘性底层的厚度，动粘性底层厚度增加，宏观上流阻也会增大，流路的流阻增大，流量就会减少。在锥形体机构中流动的流体，其正反向流动宏观上流阻不等，所以正反向流动是存在流阻差，无阀泵单项流动也就源自于正反向流管流动时的流阻差。

图5给出了一组锥形体锥角θ与流阻ξ的关系实验数值，扩张管的流阻定为ξ_d，收缩管的流阻定为ξ_n，由图5可知，无论是扩张管还是收缩管，其流阻ξ都随锥角θ的增大而增大，可是，扩张管的流阻ξ_d比收缩管的流阻ξ_n增加的快，即：扩张管的流阻曲线与收缩管的流阻曲线有交点。根据锥形流管无阀压电泵流量方程可知，泵的流向取决于扩张管、收缩管的流阻差。公式(1)为锥形流管无阀压电泵流量方程。

$Q=\mathrm{\ΔVf}\frac{({\mathrm{\ξ}}_d-{\mathrm{\ξ}}_n)}{(2+{\mathrm{\ξ}}_d+{\mathrm{\ξ}}_n)}---\left(1\right)$

Q和f分别为这种泵的流量和压电振子的频率。ξ_d和ξ_n分别为扩张管和收缩管的流体流阻。ΔV由公式(2)给出。在公式(2)中，w(r，0)和

分别为压电振子的位移量，R为振动子的半径。

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\ΔV}=V_{\frac{t_0}{2}}-V_0\\ V_{\frac{t_0}{2}}=2\mathrm{\π}\underset{0}{\overset{2R}{\∫}}w(r,\frac{t_0}{2})\mathrm{dx}\\ V_0=2\mathrm{\π}\underset{0}{\overset{2R}{\∫}}w(r,0)\mathrm{dr}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

如果ξ_d大于ξ_n，由公式(1)可得，泵流量Q大于0(正)。如果ξ_d小于ξ_n，则泵流量Q小于0(负)。流量Q的正与负表明了泵的液流方向。换言之，ξ_d和ξ_n决定了这种泵的液流方向。

锥角θ与流阻ξ有着对应关系，也就是锥角θ决定了泵的液流方向。可是迄今为止的已有技术，只能是制作固定锥角θ的锥形体，无法实现可连续变化锥角θ，来达到改变泵的流量、液流方向的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，提出了可连续变锥角机构，并设计出一种往复式可连续变锥角无阀泵。

本发明的技术方案是为了实现连续变化锥角θ，改变了图4锥形体的构造，本发明的技术方案如图6、图7、图8、图9、图10所示，为可连续变锥角机构及其带有该机构的往复式可连续变锥角无阀泵。本发明包括有泵体3，与泵体3相连接、并使流体通过其流动的锥形体，被固定螺钉1固定在泵体3上、并置于锥形体上方的、可使泵体内造成容积变化形成流体流动的机电式振动子，本发明的特征在于，锥形体是采用轴11把直线流路档体9与可连续变化锥角的流路档体10铰链连接成为流体可通过的流路档体；再采用上夹板8与下夹板12将由直线流路档体9与可连续变化锥角的流路档体10构成的流路档体置于两夹板之间通过机械紧固件紧固构成。

所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵，锥形体中把流路档体的直线流路档体9或可连续变化锥角的流路档体10的未被铰链连接的两端部边缘与上、下夹板8和12的边缘对齐，并粘接在夹板的中心线两侧，最后，螺拴13穿过上夹板8与下夹板12紧固在螺母7上，这样上夹板8、下夹板12、直线流路档体9、可连续变化锥角的流路档体10就构成了平面上呈锥角的流路，两只直线流路档体9与两只可连续变化锥角的流路档体10的头端部分别是流路的出入口，根据流体的流动方向，两只直线流路档体9与两只可连续变化锥角的流路档体10的头部既可以成为出口，也可以成为入口。

本发明中把两只可连续变化锥角的流路档体10在上而直线流路档体9在下的可连续变锥角机构定义为14，把两只可连续变化锥角的流路档体10在下而直线流路档体9在上的可连续变锥角机构定义为15，14与15可为两只互为倒置的可连续变锥角的锥形体机构。

所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵中的可连续变化锥角的流路档体10.采用双面带沟槽结构，沟槽内充填橡胶条；轴11、直线流路档体9、可连续变化锥角的流路档体10的缝隙之间充填软硅胶；两只可连续变化锥角的流路档体10可以在上夹板8、下夹板12之间以轴11为轴转动，两只可连续变化锥角的流路档体10与上夹板8、下夹板12之间为纯滑动。接触面间的沟槽内因充填了橡胶条所以可以认为是密封接触。

所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵中的机电振动子，可采用由粘接在两片压电片6中间的振动放大片2构成的压电式振动子；也可采用传统往复式压电泵所使用的活塞构成的机械式振动子。

本发明的有益效果在于，通过改变锥形体的构造，实现了连续变化锥角θ，从而进一步达到了改变泵的流量、流向的目的。

附图说明：

图1瑞典埃斯特门(E.Stemme)的无阀压电泵；

图2德国特格拉奇(T.Gerlach)的无阀压电泵；

图3锥形无阀压电泵；

图4锥形体A4、锥形体B5的构造及主要几何尺寸；

图5锥形体锥角θ与流阻ξ的关系；

图6本发明的可连续变锥角机构；

(a)可连续变锥角机构的主视图；

(b)可连续变锥角机构的侧视图；

图7本发明的充填了橡胶条的密封沟槽示意图

(a)充填了橡胶条的密封沟槽，

(b)橡胶条装入沟槽的示意图，10-1：橡胶条；

图8本发明的可连续变锥角机构的锥角增加与减小示意图；

图9本发明的压电往复式可连续变锥角无阀泵；

图10本发明的可连续变锥角机构的活塞往复式无阀泵

16为活塞环，17为活塞；

具体实施方式：

参见附图6-10，采用通用机件，即螺栓13为M3×15，螺母7为M3的标准件，上夹板8、直线流路档体9、可连续变化锥角的流路档体10、轴11及下夹板12均为有机玻璃板材机械加工而成。其他辅助材料软硅胶、橡胶条及粘接剂均为市售材料。

所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵，锥形体中把流路档体的直线流路档体9或可连续变化锥角的流路档体10的未被铰链连接的两端部边缘与上、下夹板8和12的边缘对齐，并粘接在夹板的中心线两侧，间隔在2-10mm之间，最后，螺拴13穿过上夹板8与下夹板12紧固在螺母7上。

两只直线流路档体9与两只可连续变化锥角的流路档体10的头端部分别是流路的出入口，根据流体的流动方向，两只直线流路档体9与两只可连续变化锥角的流路档体10的头部既可以成为出口，也可以成为入口。具体说来就是：如图6所示，如果流体是自上而下流动，两只可连续变化锥角的流路档体10就是入口，两只直线流路档体9就是出口；如果流体是自下而上流动，两只可连续变化锥角的流路档体10就是出口，两只直线流路档体9就是入口。

由前述的本发明的技术方案可见改变两只可连续变化锥角的流路档体10，就可以得到不同锥角的流路，由于两只可连续变化锥角的流路档体10是可以连续精确转动的，所以这种流路是可以实现连续变化锥角θ功能。

根据图5所示锥形体锥角θ与流阻ξ的实验关系，可以知道改变锥角θ，就可以改变泵的流量与液流方向。图8是可连续变锥角机构的锥角增加与减小示意图。依靠机电振动子给予的外力就可以简单的实现改变锥角θ。

施加外力的方法有多种形式，都属于常规方法，在此只例举一例：在图7中的施力箭头处各连接一只铰链，铰链的另一端各连接一只滚动丝杠，滚动丝杠可以把转动运动改变为直线运动，滚动丝杠的直线运动端连接铰链，滚动丝杠的转动端连接电机，在此的所有连接都是螺栓连接，可连续变锥角机构的锥角增加与减小都可以通过电机的正反转来实现。

图9所示为安装了可连续变锥角机构的压电往复式无阀泵。它采用固定螺钉1将振动子固定在泵体3上，所用部件均为传统往复式压电泵所使用的部件。其工作原理为：由振动放大片2，压电片6组成了压电振子，压电振子，泵体3，及两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15组成了具有两个开口相对封闭的腔体。对压电振子施加交变电压，压电振子将产生沿自身平面构造面的垂直方向往复变形，这样就对腔体内流体施加以往复力，在吸入过程，通过两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15同时有流体被吸入腔体，只是两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15由于图5实验所揭示的原理，一只被吸入的流体比另一只多；在吐出过程，通过两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15同时有流体被吐出腔体，只是两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15由于图5实验所揭示的原理，在吸入过程吸入流体多的一只比在吸入过程吸入流体少的吐出的流体少；这样就形成了在吸入与吐出过程的流体体积差，因此体积差就形成了泵的单向流动；改变图6中的可连续变化锥角的流路档体10的锥角θ(例如：从小角度向大角度改变)，泵的流量将发生改变，进一步加大锥角θ泵的流动方向也将改变。

图10所示的可连续变锥角机构的活塞往复式无阀泵，所用部件也均为压电泵通用部件。其工作原理为：由活塞环16，活塞17泵体3，及两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15组成了具有两个开口相对封闭的腔体。活塞17上下往复运动，这样就对腔体内流体施加以往复力，在吸入过程，通过两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15同时有流体被吸入腔体，只是两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15由于图5实验所揭示的原理，一只被吸入的流体比另一只多；在吐出过程，通过两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15同时有流体被吐出腔体，只是两只互为倒置的可连续变锥角机构14与15由于图5实验所揭示的原理，在吸入过程吸入流体多的一只比在吸入过程吸入流体少的吐出的流体少；这样就形成了在吸入与吐出过程的流体体积差，因此体积差就形成了泵的单向流动；改变图6中的可连续变化锥角的流路档体10的锥角θ(例如：从小角度向大角度改变)，泵的流量将发生改变，进一步加大锥角θ泵的流动方向也将改变。

Claims (5)

1、一种往复式可连续变锥角无阀泵，包括有泵体(3)，与泵体(3)相连接、并使流体通过其流动的锥形体，被固定螺钉(1)固定在泵体(3)上、并置于锥形体上方的、可使泵体内造成容积变化形成流体流动的机电式振动子，本发明的特征在于，锥形体是采用轴(11)把直线流路档体(9)与可连续变化锥角的流路档体(10)铰链连接成为流体可通过的流路档体；再采用上夹板(8)与下夹板(12)将由直线流路档体(9)与可连续变化锥角的流路档体(10)构成的流路档体置于两夹板之间通过机械紧固件紧固构成。

2、根据权利要求1所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵，其特征在于锥形体中把流路档体的直线流路档体(9)或可连续变化锥角的流路档体(10)的未被铰链连接的两端部边缘与上、下夹板(8)和(12)的边缘对齐，并粘接在夹板的中心线两侧，最后，螺拴(13)穿过上夹板(8)与下夹板(12)紧固在螺母(7)上，这样上夹板(8)、下夹板(12)、直线流路档体(9)、可连续变化锥角的流路档体(10)就构成了平面上呈锥角的流路，两只直线流路档体(9)与两只可连续变化锥角的流路档体(10)的头端部分别是流路的出入口，根据流体的流动方向，两只直线流路档体(9)与两只可连续变化锥角的流路档体(10)的头部既可以成为出口，也可以成为入口。

3、根据权利要求1或2所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵，其特征在于采用双面带沟槽结构的可连续变化锥角的流路档体(10)，沟槽内充填橡胶条；轴(11)、直线流路档体(9)、可连续变化锥角的流路档体(10)的缝隙之间充填软硅胶；两只可连续变化锥角的流路档体(10)可以在上夹板(8)、下夹板(12)之间以轴(11)为轴转动，两只可连续变化锥角的流路档体(10)与上夹板(8)、下夹板(12)之间为纯滑动。

4、根据权利要求1或2所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵，其特征在于泵内两个锥形体可设置成互为倒置的锥形体机构。

5、根据权利要求1或2所述的一种往复式可连续变锥角无阀泵，其特征在于所述的机电振动子，可采用由粘接在两片压电片(6)中间的振动放大片(2)构成的压电式振动子；也可采用传统往复式泵所使用的活塞构成的机械式振动子。

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