TWI448414B

TWI448414B - 微型幫浦

Info

Publication number: TWI448414B
Application number: TW099147390A
Authority: TW
Inventors: An Bang Wang; Ming Che Hsieh; Wen Hui Tsai
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2014-08-11
Also published as: TW201226309A

Description

微型幫浦

本發明係指一種無閥式微型幫浦，尤其是一種機械薄膜無閥式微幫浦。

目現有技術之中微幫浦的種類繁多，主要可概分為機械式與非機械式兩種。機械式微幫浦的最大優點為不受特殊的工作流體限制，其依致動器與閥門種類不同而各有設計；非機械式幫浦大致上則受其工作流體之性質所限制，像是電泳、電滲透式等只適用於帶有電荷或具極性分子的工作流體，這種微幫浦流速偏低，通常需要較大的工作電壓，其他如氣泡式、磁性流體動力式等的微幫浦，也各有其應用上的限制。

在機械式微幫浦中又以薄膜位移式(簡稱薄膜式)占其中的大多數，為目前研究的主流之一；倘針對微幫浦的致動元件與閥門進行文獻整理暨專利檢索，可發現「壓電式」係為目前眾多種類的致動器中產學研究應用之主流，倘依閥門種類，壓電式微幫浦可分為「有閥式」與「無閥式」兩大類，其中有閥式又可分為具有主動閥與具有被動閥兩種，被動閥在近幾年已逐漸邁入成熟期，所投入之單位研究力已趨向飽和，無閥式的專利統計件數雖少於其他閥門種類，但由於其結構簡單、無動件及不需耗能且無疲勞、阻塞等問題，近年來已成為學界研究之主流，顯示無閥式微幫浦仍處於萌芽開發期，擁有很高的發展性與發明的空間。

最早由Stemme等人，在美國專利第US6203291號中提出之擴散器/噴嘴幾何構型的無閥式幫浦，2003年涂等人(涂智凱，「新式無閥門微幫浦之開發」，台灣大學應用力學研究所碩士論文2004)也提出一擋體式之無閥式微幫浦設計，2005年新加坡的Ng等人，在美國專利第US6910869號中提出利用機翼形狀(airfoil)之擋體來進行幫浦流道設計，而在2006年Izzo等人(Ivano Izzo,Dino Accoto,Arianna Menciassi,Lothar Schmitt,Paolo Dario,“Modeling and experimental validation of a piezoelectric micropump with novel no-moving-part valves”,Sensors and Actuators A-Physical,Vol.133: 128-140,2007)改變擴散器/噴嘴的幾何構型，讓流體指向性能夠再有所提高，同年韓國的Yoon等人(Jae Sung Yoon,Jong Won Choi,Il Hwan Lee,Min Soo Kim,“A valveless micropump for bidirectional applications”,Sensors and Actuators A-Physical,Vol. 135: 833-838,2007)提出另一創新無閥式之設計，並提出此一幫浦具有雙方向之流動性，由上述文獻可確知，無閥式幫浦之研究是目前極為熱門的主題。

目前無閥式微幫浦主要可分為以下四類：

(1)　噴嘴/擴散器：利用漸擴有較小流阻(正向)、漸縮有較大流阻(反向)之差異性，而有淨流量，約占無閥式微幫浦設計的60%，為目前主要之無閥式研究主題。

(2)　主、側支流道：此類型設計皆是利用主、側支流道之流阻差異性來其功用。例如：特斯拉(Tesla)閥是由一直線和彎曲流道所構成，直線流道正向流阻較小，而利用彎曲流道來增加反向流阻，以造成正反向之差異性，約占無閥式微幫浦設計的15%，如美國專利第US5876187號所揭露。另外，在2006年Yoon所提出的在直線流道加上一側支流道連接振動腔，來達成不對稱結構之設計；其並嘗試反向串聯兩個微幫浦，以達雙向輸送流體之目的。

(3)　擋體式：在直線流道內加入擋體(梯形、機翼形檔體)，其為噴嘴/擴散器之延伸變形設計，約占無閥式微幫浦設計的5%。

(4)　血管流式：在哺乳動物的胚胎期時，心臟尚未發育形成，血液在血管中的流動方式亦是無閥式的概念之一，即在流道結構不對稱點處為往復運動的施力點而有淨流量產生(Liebau phenomenon)，約占無閥式微幫浦設計的15%。

綜觀上述的各種無閥式微幫浦的研究皆著重在整流器(rectifier)的設計及最佳化，而其他部位元件的影響卻鮮少被加以考量及探討，此原因為無閥式微幫浦作動的原理是運用整流器正反相流阻的差異，配合一週期性變化之壓力源使流體可以在這往復運動中產生一淨流量，而達流體傳輸之目的；所以在過往無閥式微幫浦的研究中，皆單純以壓力的角度來看待其他部份元件，如振動腔體的功用只被視為提供整流器有一壓力源的變化，且流體的入、出口也只單純被考量為與外界連通之介面而已。

2003年Higashino等人，在美國專利第US7094040號中曾提出一新式的無閥驅動概念，其整流器之設計方式為在振動腔體兩側分別接上一短一長之不對稱流道，接著利用一非對稱工作周期(即duty cycle不等於50%)之壓力變化源來達到流體驅動，特別在於此專利中提出一緩衝區(壓力吸收區)的設計概念可改善流體傳輸的效率，但其出發點仍與過往無閥式普遍以壓力為考量的立場相同，並未真正考慮整流器以外其他部分元件流場變化所帶來之影響。

2009年由王等人(謝明哲，「無閥式微幫浦之腔體設計與作動機制研究」，台灣大學應用力學研究所碩士論文2009)提出一新型微幫浦腔體設計，其發現無閥式微幫浦的振動腔體內存在著渦漩對之流場，而此一渦漩流場之發展與微幫浦之效能有著顯著且高度相關之特性，其根據此一渦漩發展在振動腔體內加入導流元件，期使微幫浦效率獲得明顯提升。

有鑑於此，申請人，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「微型幫浦」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。

本發明係在流體入(出)口與整流器之間加入一適當大小與數目的「流態發展區」，在流態發展區中，入口渦漩/渦流與出口渦漩/渦流可充分發展，同時可降低入口處與出口處的流阻，因此工作流體可以很容易的流入進流口，也可以很容易的排出出流口，故可使得幫浦的流體傳輸效率獲得大幅之改善並增加輸送流量流態發展區可進一步的被設計與被變化為各種不同的尺寸、大小、形狀的組合，以調整微幫浦的工作曲線，使本發明的微型幫浦具有更多元而廣泛的應用。

因此根據本發明的第一構想，提出一種微型幫浦，用以輸送一工作流體，其包括：一振動腔室，用以容納且驅動該工作流體；一進流口與一出流口，其分別與該振動腔室相連通，供該工作流體經由該進流口流入該振動腔室並經由該出流口流出該振動腔室；以及一第一流態發展區，其具有一流態發展空間供該工作流體發展其流態，該振動腔室係經由該第一流態發展區與該進流口或者該出流口相連通。

因此根據本發明的第二構想，提出一種微幫浦，用以輸送一流體，其包括：一進口與一出口；一流態發展區，其具有一流動發展空間供該流體發展其流態；一振動腔體，其經由該流態發展區與該進口或者該出口相連通並容納且驅動該流體。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

第一實施例

請參閱第1A圖及第1B圖，其揭示的微幫浦100主要包括振動腔室110、進流口120、出流口130、進流段整流器140、出流段整流器150、振動薄膜160、致動器170、進流段流態發展區180及出流段流態發展區190。

進流口120是連通於進流段流態發展區180，其用以銜接外部輸送管路，以垂直(vertical)或水平(horizontal)的方式導入流體；出流口130是連通於出流段流態發展區190，其用以銜接外部輸送管路，可以垂直或水平的方式導出流體。

如第1B圖所示，振動薄膜160是設置於振動腔室110之上；致動器170則連接於振動薄膜160，其用於振動薄膜160進行往復振動，致動器170較佳地可以是壓電元件、電磁驅動元件、熱驅動元件、氣動薄膜元件、機械振動元件或熱氣驅動元件；舉例來說，當致動器170為壓電元件時，藉由壓電元件之往復伸縮，即可使得振動薄膜160產生往復擴張與擠壓之變形，進而達成振動薄膜160產生往復運動(reciprocating motion)之效果，從而使振動腔室110內的流體產生運動。

如前所述，當致動器170驅使振動薄膜160進行往復運動時，振動腔室110之內部空間或體積即可產生往復的增大與縮小。更詳細的說，當振動薄膜160向上運動(吸入模式)時，振動腔室110內之壓力會低於外界壓力而產生負壓狀態，因而使得流體經由進流口120、進流段流態發展區180、出流段流態發展區190和出流口130被吸入至振動腔室110之中；反之，當振動薄膜160向下運動(排出模式)時，振動腔室110內之壓力會高於外界壓力，因而使得流體經由進流口120、進流段流態發展區180、出流段流態發展區190和出流口130流出振動腔室110。

進流段整流器140是連接於振動腔室110與進流段流態發展區180之間，其用以匯整並緩衝於進流段流態發展區180及振動腔室110間往復來回流動之流體；出流段整流器150是連接於振動腔室110與出流段流態發展區190之間，其用以匯整並緩衝於振動腔室110及出流段流態發展區190間往復來回流動之流體；進流段整流器和出流段整流器經由改變其幾何形狀設計，而使得流阻具有方向性，以提升薄膜式微幫浦之運作效能。進流段整流器140與出流段整流器150係作為連通器，進流口120與出流口130可分別經由兩個連通器與振動腔室110相連通。

更具體而言，進流段整流器140具有從進流段流態發展區180往振動腔室110逐漸擴大之形狀，而出流段整流器150具有從振動腔室110往進流段流態發展區190逐漸擴大之形狀。當振動薄膜160向上運動(吸入模式)時，對於流體經由進流段整流器140相較於經由出流段整流器150至振動腔室110之流動而言，其流阻較小；反之，當振動薄膜160向下運動(排出模式)時，對於流體由振動腔室110經由出流段整流器150相較於經由進流段整流器140之流動而言，其流阻較小，因而達到薄膜式微幫浦100之運作效能。本實施例之進流段整流器及出流段整流器亦可以採用噴嘴、擴散器、特斯拉閥或其他任何可達成流阻具有差異性之結構及處理(如表面親疏水處理)。

進流段流態發展區180是連通於進流段整流器140和進流口120之間，其可緩衝流入和流出振動腔室110之流體；出流段流態發展區190是連通於出流段整流器150和出流口130之間，其可緩衝流入和流出振動腔室110之流體。進流段流態發展區180與出流段流態發展區190，經研究後發現，其可降低工作流體流入進流口120或者流出出流口130之流阻，也就是由於進流口120與出流口130的低流阻，因此工作流體可以很容易的流入進流口120，也可以很容易的排出出流口130，故可有效地增加從振動腔室110輸送到出流口130的流體的流量，從而提升微幫浦100的整體輸送流量。

進流段流態發展區180與出流段流態發展區190還可以抑制振動腔室之流體回流(back flow)現象，防止回流流至進流口120或者出流口130，且進流段流態發展區180與出流段流態發展區190，其分別又連接進流段整流器140與出流段整流器150，可提供由振動腔室110擠壓變形時於進流口120處所誘發之渦漩充份發展其流態，故還具有流體緩衝、暫存之功用。

藉由改變進流段流態發展區180與出流段流態發展區190在進流段與出流段串接數量的不同，或者，改變在進流段與出流段上尺寸的大小，也可造成流阻上的不對稱性而有類似整流器之效果，配合振動薄膜週期性之運動(排出和吸入模式)，微幫浦因而有淨流量的產生。

進流段流態發展區180與出流段流態發展區190的幾何尺寸除了可以提升流體傳輸效能外，亦是影響系統共振頻的主要因素之一，此可提供設計者一個更直觀的共振頻設計參數，且可藉由串接一個到數個不等之渦漩發展區得到微幫浦系統之各式工作曲線，以因應使用者端不同之需求。

值得注意的是，當致動器170往復作動時，經由流場可視化(flow field visualization)技術可以觀察到，在振動腔室110之腔體入口111與腔體出口112處會分別存在有第一流體渦漩對F1與第二流體渦漩對F2，如第1A圖所示，當致動器170於共振頻下往復作動時，藉由進流段流態發展區180和出流段流態發展區190的設計，振動腔室110內之流體渦漩對F1和F2可以得到完全發展，以便於進行流體交換與傳送，因而可以大幅提升薄膜式微幫浦100之流體傳輸效率。

此設計概念與先前技術以壓力差為主要考量因素有著截然不同之差異，本發明在振動腔室110外提供額外之空間(即進流段流態發展區180和出流段流態發展區190)，作為流場內渦漩對之發展區，當渦漩在進流段流態發展區180和出流段流態發展區190之中完全發展後，可以使振動腔室110內之流體渦漩對F1和F2加速達到完全發展之狀態，從而將提升薄膜式微幫浦100之整體傳輸流量(discharge)。

請繼續參閱第1C圖，值得注意的是，在前述實施例中，進流口之中心線與入口緩衝區之壁面法線之夾角均為0°，但並不僅侷限於此，只要介於±90°即可；出流口之中心線與出口緩衝區之壁面法線之夾角均為0°，但並不僅侷限於此，只要介於±90°即可；例如，第1C圖中，進流口之中心線C3與進流段流態發展區之中心線C1之夾角Φ約為45°，而出流口之中心線C4與出流段流態發展區之中心線C2之夾角Ψ約為45°；此外，進流段流態發展區與出流段流態發展區之中心線夾角α並不限定於180°，只要介於±180°即可，第1C圖揭示了夾角α為45°之情況。

第二實施例

請參閱第2A圖及第2B圖，其揭示的薄膜式微型幫浦200主要包括有振動腔體210、進流口220、出流口230、進流段連通器240、出流段連通器250、振動薄膜260、致動器270、進流段流態發展區280及出流段流態發展區290。

進流口220是連接於進流段流態發展區280內，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導入流體；出流口230是連接於出流段流態發展區290內，其用以銜接外部輸送管路，可以垂直或水平的方式導出流體。

如第2B圖所示，振動薄膜260是設置於振動腔體210之上。致動器270是連接於振動薄膜260，其用於振動薄膜260進行往復振動；致動器270較佳地可以是壓電元件、電磁驅動元件、熱驅動元件、氣動薄膜元件、機械振動元件或熱氣驅動元件。舉例來說，當致動器270為壓電元件時，藉由壓電元件之往復伸縮，即可使得振動薄膜260產生往復擴張與擠壓之變形，進而達成振動薄膜260產生往復振動之效果。

如前所述，當致動器270驅使振動薄膜260進行往復振動時，振動腔體210之內部空間或體積即可產生往復的增大與縮小。更詳細的說，當振動薄膜260向上運動(吸入模式)時，振動腔體210內之壓力會低於外界壓力而產生負壓狀態，因而使得流體經由進流口220、入口渦漩發展280、出流段流態發展區290和出流口230被吸入至振動腔體210內；反之，當振動薄膜260向下運動(排出模式)時，振動腔體210內之壓力會高於外界壓力，因而使得流體經由進流口220、進流段流態發展區280、出流段流態發展區290和出流口230流出振動腔體210。當致動器270往復作動時，進流段流態發展區280內之流體渦漩對F2’將流體導入振動腔體210，而振動腔體210內之流體渦漩對F1’則將由進流段流態發展區所流入之流體導引至出流段流態發展區290，最後出流段流態發展區290內之流體渦漩對F3’將流體導引至出流口230；藉由進流段流態發展區280和出流段流態發展區290的幾何大小的不對稱之設計，可達到一類似整流器之效果而有淨流量產生。

進流段連通器240是用來連接於振動腔體210與進流段流態發展區280，其用以匯整並傳輸於進流段流態發展區280及振動腔體210間往復來回流動之流體；出流段連通器250是用來連接於振動腔體210與出流段流態發展區290，其用以匯整並傳輸於振動腔體210及出流段流態發展區290間往復來回流動之流體。

進流段連通器240與出流段連通器250，亦可如第一實施例所揭露，較佳地為整流器，以對工作流體提供方向性流阻，用以加強該薄膜式微幫浦之流體指向性，更進一步地提升該薄膜式微幫浦之運作效能。

廣義來說，進流段連通器240和出流段連通器250可以以不具流體導引性(flow directing)之流道存在，舉例來說，一截面積固定之直線流道，如第2A圖所示。而此連通器亦可採用整流器之設計，經由改變其幾何形狀設計，而使得流阻具有方向性，可進一步提升薄膜式微幫浦之運作效能。更具體而言，進流段連通器240可設計為一從進流段流態發展區280往振動腔體210逐漸擴大之形狀，而出流段連通器250亦可採用一從振動腔體210往出口緩衝區290逐漸擴大之形狀。當振動薄膜260向上運動(吸入模式)時，對於流體經由進流段連通器240相較於經由出流段連通器250至振動腔體210之流動而言，其流阻較小；反之，當振動薄膜260向下運動(排出模式)時，對於流體由振動腔體210經由出流段連通器250相較於經由進流段整流器240之流動而言，其流阻較小，因而使流體的指向性獲得提升，可加強薄膜式微幫浦200之運作效能。本實施例之進流段連通器及出流段連通器亦可以採用特斯拉閥或其他任何可達成流阻具有差異性之結構及處理(如表面親疏水處理)。

進流段流態發展區280是連接於進流段連通器240與振動腔體210之間，其可緩衝流入和流出振動腔體210之流體；出流段流態發展區290是連接於出流段連通器250與振動腔體210之間其可緩衝流入和流出振動腔體210之流體。在第二實施例之中，進流段流態發展區280與出流段流態發展區290兩者具有不同的大小，但在第一實施例之中，進流段流態發展區180與出流段流態發展區190兩者是具有相同的大小。

第三實施例

請參閱第3A圖及第3B圖，其揭示的薄膜式微幫浦300主要包括有振動腔體310、進流口320、出流口330、第一進流段連通器340a、第二進流段連通器340b、第一出流段連通器350a、第二出流段連通器350b、第三出流段連通器350c、振動薄膜360、致動器370、進流段流態發展區380、第一出流段流態發展區390a及第二出流段流態發展區390b。

進流口320是連接於與第一進流段整流器340a，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導入流體；出流口330是連接於與第三出流段連通器350c，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導出流體。

如第3B圖所示，振動薄膜360是設置於振動腔體310之上。致動器370是連接於振動薄膜360，其用於振動薄膜360進行往復振動，致動器370較佳地可以是壓電元件、電磁驅動元件、熱驅動元件、氣動薄膜元件、機械振動元件或熱氣驅動元件。舉例來說，當致動器370為壓電元件時，藉由壓電元件之往復伸縮，即可使得振動薄膜360產生往復擴張與擠壓之變形，進而達成振動薄膜360產生往復振動之效果。

如前所述，當致動器370驅使振動薄膜360進行往復振動時，振動腔體310之內部空間或體積即可產生往復的增大與縮小。更詳細的說，當振動薄膜360向上運動(吸入模式)時，振動腔體310內之壓力會低於外界壓力而產生負壓狀態，因而使得流體經由進流口320、進流段流態發展區380、第一出流段流態發展區390a、第二出流段流態發展區390b和出流口330被吸入至振動腔體310內；反之，當振動薄膜360向下運動(排出模式)時，振動腔體310內之壓力會高於外界壓力，因而使得流體經由進流口320、進流段流態發展區380、第一出流段流態發展區390a、第二出流段流態發展區390b和出流口330流出振動腔體310。當致動器370往復作動時，進流段流態發展區380內之流體渦漩對F2”將流體導入振動腔體310，振動腔體310內之流體渦漩對F1”順勢將流體導入第一出流段流態發展區390a，第一出流段流態發展區390a內之流體渦漩對F3”和F4”兩者互相交流，將流體再導入第二出流段流態發展區390b，第二出口緩衝區390b內之流體渦漩對F5”將流體導入出流口330；藉由於振動腔體310兩側設置不同緩衝區數量(以第3A圖為例，一入口緩衝區380和兩出口緩衝區390a、390b的不對稱設計)，此幾何結構的不對稱可達到類似整流器之效果而有淨流量產生，以達成薄膜式微幫浦300之運作功能。

第一進流段連通器340a是連接於進流段流態發展區380與進流口320之間，其用以匯整並緩衝於進流口320及進流段流態發展區380間往復來回流動之流體；第二進流段連通器340b是連接於振動腔體310與入口渦漩區380之間，其用以匯整並緩衝於振動腔體310及進流段流態發展區380間往復來回流動之流體。

第一出流段連通器350a是連接於振動腔體310與第一出流段流態發展區380a之間，其用以匯整並緩衝於振動腔體310及第一出流段流態發展區380a間往復來回流動之流體；第二出流段連通器350b是連接於第一出流段流態發展區380a與第二出流段流態發展區380b之間，其用以匯整並緩衝於第一出流段流態發展區380a及第二出流段流態發展區380b間往復來回流動之流體；第三出流段連通器350c是連接於第二出流段流態發展區380b與出流口330之間，其用以匯整並緩衝於第二出流段流態發展區380b及出流口330間往復來回流動之流體。

廣義來說，進流段連通器340a、340b和出流段連通器350a、350b、350c可以以不具流體導引性(flow directing)之流道存在，舉例來說，一截面積固定之直線流道，如第3A圖所示。而此連通器亦可採用整流器之設計，經由改變其幾何形狀設計，而使得流阻具有方向性，以提升薄膜式微幫浦之運作效能。更具體而言，在如第3C圖所示之薄膜式微幫浦300中，第一進流段連通器340a具有從進流口320往入口緩衝區380逐漸擴大之形狀，第二進流段連通器340b具有從進流段流態發展區380往振動腔體310逐漸擴大之形狀；而第一出流段連通器350a具有從振動腔體310往第一出流段流態發展區390a逐漸擴大之形狀，第二出流段連通器350b具有從第一出流段流態發展區390a往第二出流段流態發展區390b逐漸擴大之形狀，第三出流段連通器350c具有從第二出流段流態發展區390b往出流口330逐漸擴大之形狀。當振動薄膜360向上運動(吸入模式)時，對於流體經由第一進流段連通器340a和第二進流段連通器340b相較於經由第一出流段連通器350a、第二出流段連通器350b和第三出流段連通器350c至振動腔體310之流動而言，其流阻較小；反之，當振動薄膜360向下運動(排出模式)時，對於流體由振動腔體310經由第一出流段連通器350a、第二出流段連通器350b和第三出流段連通器350c相較於經由第一進流段連通器340a和第二進流段連通器340b之流動而言，其流阻較小，因而使流體的指向性獲得提升，可加強薄膜式微幫浦300之運作效能。本實施例之進流段連通器及出流段連通器亦可以採用特斯拉閥或其他任何可達成流阻具有差異性之結構及處理(如表面親疏水處理)。

進流段流態發展區380是連接於第一進流段連通器340a和第二進流段連通器340b之間，其可緩衝流入和流出振動腔體310之流體；第一出流段流態發展區390a是連接於第一出流段連通器350a和第二出流段連通器350b之間，其可緩衝流入和流出振動腔體310之流體；第二出流段流態發展區390b是連接於第二出流段連通器350b和第三出流段連通器350c之間，其可緩衝流入和流出振動腔體310之流體。

另外，進流段流態發展區和出流段流態發展區設置數量的不同除了可以使流道具有流體指向性外，此一設計可得到一較寬廣的流量高峰效能曲線。多個進流段流態發展區和出流段流態發展區亦可因需求不同，而有不同之流態發展區幾何形狀設計。

第四實施例

請參閱第4A圖及第4B圖，其揭示的薄膜式微幫浦400主要包括有第一振動腔體410a、第二振動腔體410b、進流口420、出流口430、第一進流段連通器440a、第二進流段連通器440b、第一出流段連通器450a、第二出流段連通器450b、第三出流段連通器450c、第一振動薄膜460a、第二振動薄膜460b、第一致動器470a、第二致動器470b、進流段流態發展區480及出流段流態發展區490。

進流口420是連接於第一進流段連通器440a，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導入流體；出流口430是連接於第三出流段連通器450c，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導出流體。

如第4B圖所示，第一振動薄膜460a是設置於第一振動腔體410a之上，第二振動薄膜460b是設置於第二振動腔體410b之上，第一致動器470a是連接於第一振動薄膜460a，其用於第一振動薄膜460a進行往復振動。第二致動器470b是連接於第二振動薄膜460b，其用於第二振動薄膜460b進行往復振動，第一致動器470a和第二致動器470b較佳地可以是壓電元件、電磁驅動元件、熱驅動元件、氣動薄膜元件、機械振動元件或熱氣驅動元件；舉例來說，當第一致動器470a和第二致動器470b為一壓電元件時，藉由壓電元件之往復伸縮，即可使得第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b產生往復擴張與擠壓之變形，進而達成第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b產生往復振動之效果。而因應使用端不同之需求，可調變兩致動器(第一致動器470a和第二致動器470b)回往復振動之相位差來改變傳輸效率。

亦可因需求不同而使用多個致動器(兩個以上的致動器)，藉由控制各致動器的作動時序，亦可達一流體傳輸目的，此即為世人所熟稔之蠕動式微幫浦的作動原理，而進流段流態發展區和出流段流態發展區之概念亦可用於此類微幫浦，作為提升微幫浦效能方法之一，並非僅僅侷限於無閥式微幫浦上而已。

如前述，當第一致動器470a和第二致動器470b分別驅使第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b進行往復振動時，第一振動腔體410a和第二振動腔體410b之內部空間或體積即可產生往復的變大與縮小。更詳細的說，若第一致動器470a和第二致動器470b兩者為同相振動，當第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b向上運動(吸入模式)時，第一振動腔體410a和第二振動腔體410b內之壓力會低於外界壓力而產生負壓狀態，因而使得流體經由進流口420、進流段流態發展區480、出流段流態發展區490和出流口430被吸入至第一振動腔體410a和第二振動腔體410b內；反之，當第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b向下運動(排出模式)時，第一振動腔體410a和第二振動腔體410b內之壓力會高於外界壓力，因而使得流體經由進流口420、進流段流態發展區480、第一出流段流態發展區490a和出流口430流出第一振動腔體410a和第二振動腔體410b。當第一振動腔體410a和第二振動腔體410b往復作動時，進流段流態發展區480內之流體渦漩對將流體導入第一振動腔體410a，第一振動腔體410a內之流體渦漩對則接著將流體導入第二振動腔體410b，第二振動腔體410b內之流體渦漩對兩者互相作用，將流體再導入出渦漩發展區490，出流段流態發展區490內之流體渦漩對將流體導入出流口430；藉由進流段流態發展區480、出流段流態發展區490的不對稱設計，可使其具有流體指向性而有淨流量產生，以達成薄膜式微幫浦400之運作功能。

第一進流段連通器440a是連接於進流段流態發展區480與進流口420之間，其用以匯整並緩衝於進流口420及進流段流態發展區480間往復來回流動之流體；第二進流段連通器440b是連接於振動腔體410與進流段流態發展區480之間，其用以匯整並緩衝於第一振動腔體410a及入口緩衝區480間往復來回流動之流體。

第一出流段連通器450a是連接於第一振動腔體410a與第二振動腔體410b之間，其用以匯整並緩衝於第一振動腔體410a及第二振動腔體410b間往復來回流動之流體；第二出流段連通器450b是連接於第二振動腔體410b與出流段流態發展區480之間，其用以匯整並緩衝於第二振動腔體410b及出流段流態發展區480間往復來回流動之流體；第三出流段連通器450c是連接於出流段流態發展區480與出流口430之間，其用以匯整並緩衝於出流段流態發展區480及出流口430間往復來回流動之流體。

廣義來說，進流段連通器440a、440b和出流段連通器450a、450b、450c可以不具流體導引性(flow directing)之流道形式存在，舉例來說，一截面積固定之直線流道，如第4A圖所示。而此連通器亦可採用整流器之設計，經由改變其幾何形狀設計，而使得流阻具有方向性，以提升薄膜式微幫浦之運作效能。更具體而言，第一進流段連通器440a具有從進流口420往進流段流態發展區480逐漸擴大之形狀，第二進流段連通器440b具有從進流段流態發展區480往第一振動腔體410a逐漸擴大之形狀；而第一出流段連通器450a具有從第一振動腔體410a往第二振動腔體410b逐漸擴大之形狀，第二出流段連通器450b具有從第二振動腔體410b往出流段流態發展區490逐漸擴大之形狀，第三出流段連通器450c具有從出流段流態發展區490往出流口430逐漸擴大之形狀。舉例來說，當第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b向上運動(吸入模式)時，對於流體經由第一進流段連通器440a和第二進流段連通器440b相較於經由第一出流段連通器450a、第二出流段連通器450b和第三出流段連通器450c至第一振動腔體410a和第二振動腔體410b之流動而言，其流阻較小；反之，當第一振動薄膜460a和第二振動薄膜460b向下運動(排出模式)時，對於流體由第一振動腔體410a和第二振動腔體410b經由第一出流段連通器450a、第二出流段連通器450b和第三出流段連通器450c相較於經由第一進流段連通器440a和第二進流段連通器440b之流動而言，其流阻較小，因而使流體的指向性獲得提升，可加強薄膜式微幫浦400之運作效能。本實施例之進流段連通器及出流段連通器亦可以採用特斯拉閥或其他任何可達成流阻具有差異性之結構及處理(如表面親疏水處理)。

進流段流態發展區480是連接於第一進流段連通器440a和第二進流段連通器440b之間，其可緩衝流入和流出第一振動腔體410a及第二振動腔體410b之流體；出流段流態發展區490是連接於第二出流段連通器450b和第三出流段連通器450c，其可緩衝流入和流出第一振動腔體410a及第二振動腔體410b之流體。

此外，進流段流態發展區、出流段流態發展區及振動腔體可採用不同的配置方式以因應使用端各種不同工作曲線需求之應用。舉例來說，進流段流態發展區480或出流段流態發展區490之任一者或兩者可置放於兩振動體之間，如第4C圖、第4D圖所示。

更具體而言，以第4C圖為例，由進流口420至出流口430，其配置方式依序為進流段流態發展區480連接於第一進流段連通器440a和第二進流段連通器440b之間；第一振動腔體410a連接於第二進流段連通器440b和第一出流段整流器450a之間；而出口緩衝區490則連接於第一出流段連通器450a和第二出流段連通器450b之間；最後，第二振動腔體410b則連接於第二出流段連通器450b和第三出流段連通器450c之間。

第五實施例

請參閱第5A圖及第5B圖，其揭示的薄膜式微幫浦500主要包括有振動腔體510、第一進流口520a、第二進流口520b、出流口530、第一進流段連通器540a、第二進流段連通器540b、第三進流段連通器540c、第四進流段連通器540d、第一出流段連通器550a、第二出流段連通器550b、振動薄膜560、第一進流段流態發展區580a、第二進流段流態發展區580b及出流段流態發展區590。

第一進流口520a是連接於第一進流段連通器540a，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導入流體；第二進流口520b是連接於第三進流段連通器540c，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導入流體；出流口530是連接於第二出流段連通器550b，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導出流體。

致動器570是連接於振動薄膜560，其用於振動薄膜560進行往復振動，致動器570較佳地可以是壓電元件、電磁驅動元件、熱驅動元件、氣動薄膜元件、機械振動元件或熱氣驅動元件。舉例來說，當致動器570為壓電元件時，藉由壓電元件之往復伸縮，即可使得振動薄膜560產生往復擴張與擠壓之變形，進而達成振動薄膜560產生往復振動之效果。

如前所述，當致動器570驅使振動薄膜560進行往復運動時，振動腔體510之內部空間或體積即可產生往復的增大與縮小。更詳細的說，當振動薄膜560向上運動(吸入模式)時，振動腔體510內之壓力會低於外界壓力而產生負壓狀態，因而使得兩流體分別經由第一進流口520a、第二進流口520b、第一進流段流態發展區580a和第二進流段流態發展區580b、出流段流態發展區590和出流口530被吸入至振動腔體510內；反之，當振動薄膜560向下運動(排出模式)時，振動腔體510內之壓力會高於外界壓力，因而使得流體經由第一進流口520a、第二進流口520b、第一進流段流態發展區580a、第二進流口520b、出流段流態發展區590和出流口530流出振動腔體510。當振動腔體510往復作動時，第一進流段流態發展區580a內之流體渦漩對和第二進流段流態發展區580b內之流體渦漩對將流體導入振動腔體510，振動腔體510內之流體渦漩對將流體導向出流口530；藉由第一進流段流態發展區580a和第二進流段流態發展區580b的幾何形狀與大小的不對稱設計，可使得兩進流口至振動腔體之流道上有不同之流阻大小，因而使得第一進流口520a和第二進流口520b可以導入不等比例之兩種流體，達到特定比例之流體混合作用；同時，也因為入口、出口渦漩發展的幾何不對稱性，亦使流道設計具有流體指向性而有淨流量往出流口530流動，以達成薄膜式微幫浦500之運作功能。

第一進流段連通器540a是連接於第一進流段流態發展區580a與第一進流口520a之間，其用以匯整並緩衝於第一進流口520a及第一進流段流態發展區580a間往復來回流動之流體；第二進流段連通器540b是連接於振動腔體510與第一進流段流態發展區580a間往復來回流動之流體；第三進流段連通器540c是連接於第二進流段流態發展區580b與第二進流口520b之間，其用以匯整並緩衝於第二進流口520c及第二進流段流態發展區580b間往復來回流動之流體；第四進流段連通器540d是連接於振動腔體510與第二進流段流態發展區580b之間，其用以匯整並緩衝於振動腔體510及第二進流段流態發展區580b間往復來回流動之流體。

第一出流段連通器550a是連接於振動腔體510與出流段流態發展區590之間，其用以匯整並緩衝於振動腔體510及出流段流態發展區590間往復來回流動之流體；第二出流段連通器550b是連接於出流段流態發展區590與出流口530之間，其用以匯整並緩衝於出流段流態發展區590及出流口530間往復來回流動之流體。

廣義來說，進流段連通器540a、540b、540c、540d和出流段連通器550a、550b可以以不具流體導引性(flow directing)之流道形式存在，舉例來說，一截面積固定之直線流道，如第5A圖所示。而此連通器亦可採用整流器之設計，經由改變其幾何形狀設計，而使得流阻具有方向性，以提升薄膜式微幫浦之運作效能。更具體而言，第一進流段連通器540a具有從第一進流口520a往第一進流段流態發展區580a逐漸擴大之形狀，第二進流段連通器540b具有從第一進流段流態發展區580a往振動腔體510逐漸擴大之形狀，第三進流段連通器740c具有從第二進流口520b往第二進流段流態發展區580b逐漸擴大之形狀，第四進流段連通器540d具有從第二進流段流態發展區580b往振動腔體510逐漸擴大之形狀；而第一出流段連通器550a具有從振動腔體510往出流段流態發展區590出流口530逐漸擴大之形狀，第二出流段連通器550b具有從出流段流態發展區590往出流口530逐漸擴大之形狀。

舉例來說，當振動薄膜560和向上運動(吸入模式)時，對於流體經由第一進流段連通器540a、第二進流段連通器540b、第三進流段連通器540c、第四進流段連通器540d相較於經由第一出流段連通器550a、第二出流段連通器550b至振動腔體510之流動而言，其流阻較小；反之，當振動薄膜560向下運動(排出模式)時，對於流體由振動腔體510經由第一出流段連通器550a、第二出流段連通器550b相較於經由第一進流段連通器540a、第二進流段連通器540b、第三進流段連通器540c、第四進流段連通器540d之流動而言，其流阻較小，因而使流體的指向性獲得提升，可加強薄膜式微幫浦500之運作效能。本實施例之進流段整流器及出流段整流器亦可以採用特斯拉閥或其他任何可達成流阻具有差異性之結構及處理(如表面親疏水處理)。

第一進流段流態發展區580a是連接於第一進流段連通器540a和第二進流段連通器540b之間，其可緩衝流入和流出振動腔體510之流體；第二進流段流態發展區580b是連接於第三進流段連通器540c和第四進流段連通器540d之間，其可緩衝流入和流出振動腔體510之流體。

請繼續參閱第5C圖，亦可採用多個進流段流態發展區及多個出流段渦漩發展區同時存在，並以進流段流態發展區和出流段流態發展區的設置數量不同或入、出口渦漩發展的幾何形狀不同，除了可以提升薄膜式微幫浦500之運作效能外，更可達到流體混合和分配等一連串的操控動作。具體來說，如第5C圖，第一進流段流態發展區580a之中心線C6與振動腔體入口側之中心線C10之夾角β1約為45°，第二進流段流態發展區580b之中心線C7與振動腔體入口側之中心線C10之夾角β2約為45°；而出流段流態發展區之中心線C8和C9與振動腔體出口側之中心線C11之夾角γ1和γ2約為45°。其中，第一進流段流態發展區580a和第二進流段流態發展區580b用於同時引入兩流體進入振動腔體510，用以增加進入振動腔體510之流量及進行流體混合之功用。出流段流態發展區用於引導流體由振動腔體510往第一出流口530a、第二出流口530b流出，除了提昇流體傳輸效能外，亦具有流體分配之功用。

第六實施例

請參閱第6圖，其揭示的薄膜式微幫浦600主要包括有振動腔體610、進流口620、出流口630、進流段連通器640、出流段連通器650、振動薄膜(設於振動腔體之上，未示於圖中)、進流段流態發展區680、出流段流態發展區690、兩個第一導流部613、兩個第二導流部614、進流導流部681、第一出流導流部691及兩第二出流導流部692，其中第一導流部613係對稱於腔體入口611，並且係位於腔體入口611附近，用以減少流體往進流口流動；第二導流部614係對稱於腔體出口612，並且係為振動腔體側壁之一部份，增加流體往出流口流動，，用以提供朝向出流口方向一正向流體淨流量；進流導流部681是用來導引由進流口流往振動腔體610之設計，第一出流導流部691是導引流體從振動腔體610流至出流口630，第二出流導流部692則是用來減少流體往回流至振動腔體610。

進流口620是連接於進流段流態發展區680內，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導入流體；出流口630是連接於出流段流態發展區690內，其用以銜接外部輸送管路，以垂直或水平的方式導出流體。

如前所述，當致動器(設於振動薄膜之上，未示於圖中)驅使振動薄膜進行往復振動時，振動腔體610之內部空間或體積即可產生往復的增大與縮小。更詳細的說，當振動薄膜向上運動(吸入模式)時，振動腔體610內之壓力會低於外界壓力而產生負壓狀態，因而使得流體經由進流口620、入口渦漩發展680、出流段流態發展區690和出流口630被吸入至振動腔體610內；反之，當振動薄膜向下運動(排出模式)時，振動腔體610內之壓力會高於外界壓力，因而使得流體經由進流口620、進流段流態發展區680、出流段流態發展區690和出流口630流出振動腔體610。當致動器往復作動時，進流段流態發展區680內之流體渦漩對將流體導入振動腔體610，而振動腔體610內之流體渦漩對則將由進流段流態發展區所流入之流體導引至出流段流態發展區690，最後出流段流態發展區690內之流體渦漩對將流體導引至出流口630；藉由進流段流態發展區680和出流段流態發展區690的幾何大小的不對稱之設計，可達到一類似整流器之效果而有淨流量產生。

進流段連通器640是用來連接於振動腔體610與進流段流態發展區680，其用以匯整並傳輸於進流段流態發展區680及振動腔體610間往復來回流動之流體；出流段連通器650是用來連接於振動腔體610與出流段流態發展區690，其用以匯整並傳輸於振動腔體610及出流段流態發展區690間往復來回流動之流體。

廣義來說，進流段連通器640和出流段連通器650可以以不具流體導引性(flow directing)之流道存在，舉例來說，一截面積固定之直線流道，如第6圖所示。而此連通器亦可採用整流器之設計，經由改變其幾何形狀設計，而使得流阻具有方向性，可進一步提升薄膜式微幫浦之運作效能。更具體而言，進流段連通器640可設計為一從進流段流態發展區680往振動腔體610逐漸擴大之形狀，而出流段連通器650亦可採用一從振動腔體610往出口緩衝區690逐漸擴大之形狀。當振動薄膜向上運動(吸入模式)時，對於流體經由進流段整流器640相較於經由出流段整流器650至振動腔體610之流動而言，其流阻較小；反之，當振動薄膜向下運動(排出模式)時，對於流體由振動腔體610經由出流段連通器650相較於經由進流段連通器640之流動而言，其流阻較小，因而使流體的指向性獲得提升，可加強薄膜式微幫浦600之運作效能。本實施例之進流段連通器及出流段連通器亦可以採用特斯拉閥或其他任何可達成流阻具有差異性之結構及處理(如表面親疏水處理)。

進流段流態發展區680是連接於進流段整流器640與振動腔體610之間，其可緩衝流入和流出振動腔體610之流體；出流段流態發展區690是連接於出流段整流器650與振動腔體610之間其可緩衝流入和流出振動腔體610之流體。

此外，進流段流態發展區中心線C12與出流段流態發展區之中心線C13夾角α並不限定於180°，只要介於±180°即可，第6圖為夾角α為45°之情況。第六實施例的特點在於針對渦漩發展之特性分別在振動腔體610、進流段流態發展區680、出流段流態發展區690分別加入一種以上的導流部，使流場內之渦漩能有更完整之發展，此一概念皆可應用在前述的第一到第五之實施例上，而使微幫浦之流體傳輸效率獲得更一進一步之提升。

總結言，本發明為機械薄膜式微幫浦振動腔體之創新設計，可以有效提升微幫浦效率，並增加可傳輸的流體流量，還可廣泛與其他各種薄膜式微幫浦作接軌而深具發展與產業上之潛力。

實施方式

(1)一種微型幫浦，用以輸送一工作流體，其包括：一振動腔室，用以容納該工作流體；一進流口與一出流口，其分別與該振動腔室相連通，供該工作流體經由該進流口流入該振動腔室並經由該出流口流出該振動腔室；以及一第一流態發展區，其具有一流態發展空間供該工作流體發展其流態，該振動腔室係經由該第一流態發展區與該進流口或者該出流口相連通。

(2)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，還包括：一第二流態發展區，其具有一流態發展空間供該工作流體發展其流態，該振動腔室係經由該第二流態發展區與該進流口或者該出流口相連通。

(3)如第(2)實施方式所述之微型幫浦，還包括：一振動薄膜，其設置於該振動腔室之上；一致動器，其與該振動薄膜相接觸，係用以驅動該振動薄膜使其進行往復運動，以驅使該工作流體經由該進流口流入該振動腔室並經由該出流口流出該振動腔室；以及一第一連通器與一第二連通器，該振動腔室經由該第一連通器以及該第二連通器而分別與該第一流態發展區與該第二流態發展區相連通。

(4)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，其中該第一連通器與該第二連通器為一整流器，其可對該工作流體提供一方向性流阻，該整流器為一噴嘴、一擴散器、一特斯拉閥、一親水表面或者一疏水表面。

(5)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，其中該進流口和該出流口係以垂直或水平的方式將工作流體導出。

(6)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，其中該致動器為一壓電元件、一電磁驅動元件、一熱驅動元件、一氣動薄膜元件、一機械振動元件或一熱氣驅動元件。

(7)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，其中該第一流態發展區或該第二流態發展區中心線與該振動腔室中心線之間的夾角係介於0°~360°之間。

(8)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，其中該進流段整流器中心線與該第一流態發展區壁面法線之間的夾角係介於0°~360°之間，該出流段整流器中心線與該第二流態發展區壁面法線之間的夾角係介於0°~360°之間。

(9)如第(1)實施方式所述之微型幫浦，其中該進流口中心線與該第一流態發展區壁面法線之間的夾角係介於0°~360°之間，該出流口中心線與該第二流態發展區壁面法線之間的夾角係介於0°~360°之間，進流口之中心線與第一或第二流態發展區中心線之間的夾角係介於0°~360°之間，出流口之中心線與第一或第二流態發展區中心線之間的夾角係介於0°~360°之間。

(10)一種微幫浦，用以輸送一流體，其包括：一進口與一出口；一流態發展區，其具有一流動發展空間供該流體發展其流態；以及一振動腔體，其經由該流態發展區與該進口或者該出口相連通並容納且驅動該流體。

本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

100‧‧‧微幫浦

110‧‧‧振動腔室

120‧‧‧進流口

130‧‧‧出流口

140‧‧‧進流段整流器

150‧‧‧出流段整流器

160‧‧‧振動薄膜

170‧‧‧致動器

180‧‧‧進流段流態發展區

190‧‧‧出流段流態發展區

F1‧‧‧第一流體渦漩對

F2‧‧‧第二流體渦漩對

C1、C2、C3、C4‧‧‧中心線

Φ、Ψ、α‧‧‧夾角

200‧‧‧微型幫浦

210‧‧‧振動腔體

220‧‧‧進流口

230‧‧‧出流口

240‧‧‧進流段連通器

250‧‧‧出流段連通器

260‧‧‧振動薄膜

270‧‧‧致動器

280‧‧‧進流段流態發展區

290‧‧‧出流段流態發展區

F1’、F2’、F3’‧‧‧流體渦漩對

300‧‧‧微型幫浦

310‧‧‧振動腔體

320‧‧‧進流口

330‧‧‧出流口

340a‧‧‧第一進流段連通器

340b‧‧‧第二進流段連通器

350a‧‧‧第一出流段連通器

350b‧‧‧第二出流段連通器

350c‧‧‧第三出流段連通器

360‧‧‧振動薄膜

370‧‧‧致動器

380‧‧‧進流段流態發展區

390a‧‧‧第一出流段流態發展區

390b‧‧‧第二出流段流態發展區

F1”、F2”、F3”、F4”、F5”‧‧‧流體渦漩對

400‧‧‧微幫浦

410a‧‧‧第一振動腔體

410b‧‧‧第二振動腔體

420‧‧‧進流口

430‧‧‧出流口

440a‧‧‧第一進流段連通器

440b‧‧‧第二進流段連通器

450a‧‧‧第一出流段連通器

450b‧‧‧第二出流段連通器

450c‧‧‧第三出流段連通器

460a‧‧‧第一振動薄膜

460b‧‧‧第二振動薄膜

470a‧‧‧第一致動器

470b‧‧‧第二致動器

480‧‧‧進流段流態發展區

490‧‧‧出流段流態發展區

500‧‧‧微幫浦

510‧‧‧振動腔體

520a‧‧‧第一進流口

520b‧‧‧第二進流口

530‧‧‧出流口

540a‧‧‧第一進流段連通器

540b‧‧‧第二進流段連通器

540c‧‧‧第三進流段連通器

540d‧‧‧第四進流段連通器

550a‧‧‧第一出流段連通器

550b‧‧‧第二出流段連通器

560‧‧‧振動薄膜

580a‧‧‧第一進流段流態發展區

580b‧‧‧第二進流段流態發展區

590‧‧‧出流段流態發展區

β1、β2、γ1、γ2‧‧‧夾角

C6、C7、C8、C9、C10、C11‧‧‧中心線

600‧‧‧微幫浦

610‧‧‧振動腔體

620‧‧‧進流口

630‧‧‧出流口

640‧‧‧進流段連通器

650‧‧‧出流段連通器

680‧‧‧進流段流態發展區

690‧‧‧出流段流態發展區

613‧‧‧第一導流部

614‧‧‧第二導流部

681‧‧‧進流導流部

691‧‧‧第一出流導流部

692‧‧‧第二出流導流部

611‧‧‧腔體入口

612‧‧‧腔體出口

C12、C13‧‧‧中心線

第1A、1B與1C圖係為本發明第一實施例之示意圖；第2A與2B圖係為本發明第二實施例之示意圖；第3A與3B圖係為本發明第三實施例之示意圖；第4A、4B、4C與4D圖係為本發明第四實施例之示意圖；第5A、5B與5C圖係為本發明第五實施例之示意圖；以及第6圖係為本發明第六實施例之示意圖。