TWI653395B

TWI653395B - 流體系統

Info

Publication number: TWI653395B
Application number: TW106133653A
Authority: TW
Inventors: 莫皓然; 黃啟峰; 韓永隆; 陳宣愷
Original assignee: 研能科技股份有限公司
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-03-11
Also published as: TW201915333A; US20190101111A1; JP7177632B2; JP2019065847A

Abstract

一種積體化製出的流體系統，包含一流體作動區、一流體通道、一匯流腔室以及複數個閥，該流體作動區由一或多個導流單元所構成，各導流單元由入口板、基材、共振板、致動板以及出口板依序堆疊所構成，致動板更貼附一壓電元件，以受驅使振動而使流體導入該導流單元並加壓導出。該流體通道連通流體作動區，且具有複數個分歧通道以分流流體作動區所傳輸之流體。匯流腔室連通流體通道。複數個閥分別設置於該等分歧通道中，藉由控制其啟閉狀態而控制流體由該分歧通道中輸出。透過以上設置，可獲取特定流量、壓力與傳輸量之流體輸出。

Description

流體系統

本案係關於一種流體系統，尤指一種積體化製出的微型流體控制系統。

目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印、能源等工業，產品均朝精緻化及微小化方向發展，其中微幫浦、噴霧器、噴墨頭、工業列印裝置等產品所包含之流體輸送結構為其關鍵技術，是以，如何藉創新結構突破其技術瓶頸，為發展之重要內容。

隨著科技的日新月異，流體輸送裝置的應用上亦愈來愈多元化，舉凡工業應用、生醫應用、醫療保健、電子散熱等等，甚至近來熱門的穿戴式裝置皆可見它的踨影，可見傳統的流體輸送裝置已漸漸有朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。

然而，目前微型化之流體輸送裝置雖能持續傳輸氣體，但在微型化之有限容積的腔室或流道上設計要求提升更多的氣體傳輸，顯然具有一定困難度，因此結合閥門之設計，不僅可控制氣流傳輸之持續或中斷，也可控制氣體單向之流動，而且讓有限容積的腔室或流道去累積氣體，以提升氣體量的輸出，這是本案所欲發明的主要課題。

為了解決習知技術無法滿足流體系統微型化之需求的問題，本案提供一種流體系統，積體化製出，包含：一流體作動區，由至少一個導流單元所構成，該導流單元包含：一入口板，具有至少一入口孔；一基材；一共振板，具有一中空孔洞，且該共振板與該入口板之間具有一第一腔室；一致動板，具有一個懸浮部及一外框部及至少一空隙；一壓電元件，貼附於該致動板之該懸浮部之一表面；以及一出口板，具有一出口孔；其中，該入口板、該基材、該共振板、該致動板及該出口板係依序對應堆疊設置，該共振板及該致動板之間具有一間隙形成一第二腔室，該致動板及該出口板之間形成一第三腔室，該壓電元件驅動該致動板產生彎曲共振，以使該第二腔室及該第三腔室形成一壓力差，使流體由該入口板之該入口孔進入該第一腔室而流經該共振板之該中空孔洞，以進入該第二腔室內，並由該至少一空隙導入該第三腔室內，且由該出口板之該出口孔導出以傳輸流體；一流體通道，連通該流體作動區之該出口孔，並具有複數個分歧通道，使該流體作動區所傳輸之流體得以分流構成需求傳輸量；一匯流腔室，連通於該流體通道中，供流體累積在該匯流腔室內；一感測元件，設置於該流體通道中，用以感測該流體通道內之流體；以及複數個閥，設置於該分歧通道中，藉由控制其啟閉狀態而控制流體由該分歧通道中輸出。

在本案之一實施例中，流體系統更包含一控制器，電性連接該等閥以控制其啟閉狀態。控制器與該等導流單元以系統封裝構成一積體化之結構。流體作動區包含多個導流單元，且該等導流單元以並串聯排列設置傳輸流體流動。該等分歧通道之長度與寬度，皆依需求特定傳輸量來預先設定，且該等分歧通道以串並聯排列設置。透過以上設置，可利用本案之流體系統獲取特定流量、壓力與傳輸量之流體輸出。

在本案之一實施例中，閥包含：一通道基材，具有一第一通孔及一第二通孔相互隔開設置，並凹置一腔室連通該第一通孔及該第二通孔；一壓電致動器，由一載板以及該載板之一表面上所貼附之一壓電陶瓷所構成，且該壓電致動器封蓋該腔室；以及一連桿，連接該載板之另一表面，並穿伸入該第二通孔中自由位移，且該連桿一端具有截面積大於該第二通孔之孔徑之一擋阻部，以限位該連桿並封閉該第二通孔。壓電致動器受致動而驅動該載板位移，連動該連桿之該擋阻部控制該第二通孔之啟閉狀態，以控制流體由該分歧通道輸出。透過以上作動，閥可在壓電致動器未致能的狀態下使所接通之分歧通道維持一開啟狀態，並在壓電致動器致能的狀態下封閉該分歧通道；或者在壓電致動器未致能的狀態下使所接通之分歧通道維持一關閉狀態，並在壓電致動器致能的狀態下開啟該分歧通道。

1‧‧‧流體系統

10‧‧‧流體作動區

10a‧‧‧導流單元

11‧‧‧基材

12‧‧‧第一腔室

13‧‧‧共振板

130‧‧‧中空孔洞

131‧‧‧可動部

14‧‧‧致動板

141‧‧‧懸浮部

142‧‧‧外框部

143‧‧‧空隙

15‧‧‧壓電元件

16‧‧‧出口板

160‧‧‧出口孔

17‧‧‧入口板

170‧‧‧入口孔

18‧‧‧第二腔室

19‧‧‧第三腔室

20‧‧‧流體通道

20a、20b、21a、21b、22a、22b‧‧‧分歧通道

30‧‧‧匯流腔室

40‧‧‧感測元件

50、50a、50b、50c、50d‧‧‧閥

51‧‧‧通道基材

511‧‧‧第一通孔

512‧‧‧第一通孔

513‧‧‧腔室

514‧‧‧第一出口

515‧‧‧第二出口

52‧‧‧壓電致動器

521‧‧‧載板

522‧‧‧壓電陶瓷

53‧‧‧連桿

531‧‧‧擋阻部

60‧‧‧控制器

610、620‧‧‧電性連接線路

g0‧‧‧間隙

A‧‧‧輸出區

第1圖為本案之一較佳實施例之流體系統之結構示意圖。

第2A圖為本案之一較佳實施例之導流單元之結構示意圖。

第2B圖至第2D圖為第2A圖所示之導流單元之作動示意圖。

第3A圖為本案另一較佳實施例之流體作動區之結構示意圖。

第3B圖為本案之導流單元以串聯方式設置之結構示意圖。

第3C圖為本案之導流單元以並聯方式設置之結構示意圖。

第3D圖為本案之導流單元以串並聯方式設置之結構示意圖。

第4圖為本案之再一較佳實施例之流體作動區之結構示意圖。

第5圖為本案之又一較佳實施例之流體作動區之結構示意圖。

第6A圖以及第6B圖為本案之閥之第一實施態樣之作動示意圖。

第7A圖以及第7B圖為本案之閥之第二實施態樣之作動示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第1圖，其為本案之一較佳實施例之流體系統之結構示意圖。本案之流體系統100包含一流體作動區10、一流體通道20、一匯流腔室30、一感測元件40、複數個閥50a、50b、50c及50d以及一控制器60。在本案之較佳實施例中，上述所有元件皆系統封裝於一基材11以構成一積體化之微型結構，即其係以積體化製出。其中，流體作動區10由一或多個導流單元10a所構成，該等導流單元10a可透過串聯、並聯或串並聯的排列方式設置，各導流單元可在致能後於自身內部產生一壓力差，藉以吸入一可為氣體之流體並經由其所具備之一出口孔160(如第2A圖所示)加壓排出，藉此達成流體之傳輸。

在本實施例中，流體作動區10包含四個導流單元10a，且所述之導流單元10a以並串聯排列設置。流體通道20連通流體作動區10中所有導流單元10a之出口孔160(如第3C圖所示)，以接收該等導流單元10a所排出之傳輸流體。導流單元10a與流體通道20之結構、作動方式與設置方式將於後段詳述。流體通道20更具有複數個分歧通道20a及20b，以分流該流體作動區10所排出之傳輸流體，構成所需之傳輸量，實施例中僅以分歧通道20a及20b作說明，並非以此為限。匯流腔室30透過連通分歧通道20a及20b而連通於流體通道20，以使傳輸流體得以累積在匯流腔室30內儲存，在流體系統100控制需求輸出時，可供輸給流體通道20之輸出，加大流體傳輸量。此外，感測元件40設置於該流體通道20中，用以感測該流體通道20內之流體。

上述之分歧通道20a及20b連通於流體通道20之方式，雖圖式中僅以分歧通道20a及20b連通於流體通道20採並聯排列方式設置來表示，但不以此為限，可進一步以複數個分歧通道20a及20b採以串聯排列方式設置，或者以複數個分歧通道20a及20b採以串並聯排列方式設置。其中，複數個分歧通道20a及20b之長度與寬度，皆可依所需求特定傳輸量來預先設定，亦即是分歧通道20a及20b之長度與寬度設置之變化可影響傳輸量之流速及傳輸量的大小，即可依需求特定傳輸量來預先計算出所設定需求之長度與寬度。

在本實施例中，如圖所示，分歧通道20a更包含有分歧連通之二分歧通道21a、22a；類似地，分歧通道20b亦包含有分歧連通之二分歧通道21b、22b，雖圖式中僅以分歧通道21a、22a分別連通於分歧通道20a及20b採串聯排列方式設置來表示，但不以此為限，可進一步以複數個分歧通道21a、22a採以並聯排列方式設置，或者以複數個分歧通道21a、22a採以串並聯排列方式設置。複數個閥50a、50c、50b及50d可為主動閥或被動閥，在本實施例中為主動閥，且分別依序設置於分歧通道21a、22a、21b、22b中。閥50a、50c、50b及50d可控制所設置之分歧通道21a、22a、21b、22b之連通狀態。例如，當閥50a開啟，可開啟分歧通道21a輸出流體至輸出區A，當閥50b開啟，可開啟分歧通道21b輸出流體至輸出區A，當閥50c開啟，可開啟分歧通道22a輸出流體至輸出區A，當閥50d開啟，可開啟分歧通道22b輸出流體至輸出區A。控制器60具有二電性連接線路610、620，電性連接線路610電性連接控制閥50a、50d之啟閉狀態，而電性連接線路620電性連接控制閥50b、50c之啟閉狀態。如此一來，閥50a、50b、50c及50d可受控制器60驅動，進而控制所對應設置之分歧通道21a、22a、21b、22b之一連通狀態，進而控制流體輸出至一輸出區A。

請同時參閱第2A圖，其為本案之一較佳實施例之導流單元之結構示意圖。在本案之一較佳實施例中，導流單元10a可為一壓電泵浦。如圖所示，每一導流單元10a由入口板17、基材11、共振板13、致動板14、壓電元件15以及出口板16等元件依序堆疊所構成。其中，入口板17具有至少一入口孔170，共振板13具有中空孔洞130及可動部131，可動部131為共振板13未固設於基材11上之部分所形成之一可撓結構，且中空孔洞130開設於鄰近可動部131之中心點之位置。共振板13與該入口板17之間形成第一腔室12。致動板14為一中空懸浮結構，具有懸浮部141、外框部142及複數個空隙143。致動板14之懸浮部141係透過複數個連接部(圖未示)連接外框部142，使懸浮部141懸浮於外框部142中，並於懸浮部141及外框部142之間定義出複數個空隙143，用以供氣體流通。懸浮部141、外框部142及空隙143之設置方式、實施態樣及數量均不以此為限，可依據實際情形變化。較佳者，致動板14以一金屬材料薄膜或多晶矽薄膜所製成，但不以此為限。致動板14與共振板13之間具有一間隙g0，形成一第二腔室18。出口孔160設置於出口板16，且致動板14與出口板16之間形成第三腔室19。

在本案之一些較佳實施例中，導流單元10a之基材11更包含一驅動電路(圖未示)，用以電性連接壓電元件15之正極及負極，藉此提供壓電元件15驅動電源，但不以此為限；驅動電路亦可設置於導流單元10a內部任一位置，可依實際情形任施變化。

請同時參閱第2A圖至第2C圖，第2B圖至第2D圖為第2A圖所示之導流單元10a之作動示意圖。第2A圖所示之導流單元10a處於未致能狀態(即初始狀態)。當壓電元件15受施加一電壓，即產生形變，驅動致動板14沿一垂直方向進行往復式振動。如第2B圖所示，當致動板 14之懸浮部141向上振動，會使第二腔室18體積增大、壓力減小，則流體由入口板17上的入口孔170順應外部壓力進入，並匯集到第一腔室12處，再經由共振板13上與第一腔室12對應設置的中央孔洞130向上流入至第二腔室18中。

接著，如第2C圖所示，致動板14之懸浮部141之振動會帶動共振板13產生共振，使其可動部131亦隨之向上振動，而致動板14之懸浮部141同時向下振動，會造成共振板13之可動部131貼附抵觸於致動板14之懸浮部141下方。此時，共振板13之中央孔洞130與第二腔室18之間的流通空隙關閉，第二腔室18受到壓縮而體積變小、壓力增大，而第三腔室19則是體積增大、壓力變小，進而形成壓力梯度，使第二腔室18中之流體受壓而向兩側流動，並經由致動板14之複數個空隙143流入第三腔室19中。再如第2D圖所示，致動板14之懸浮部141繼續向下振動，並帶動共振板13之可動部131隨之向下振動，使第二腔室18進一步壓縮，並使其中大部分流體流至第三腔室19中暫存。

最後，致動板14之懸浮部141向上振動，使第三腔室19壓縮而體積變小、壓力變大，進而使第三腔室19內之流體自出口板16之出口孔160導出至出口板16之外部，完成流體之傳輸。上述作動為致動板14進行往復式振動時，完成一次完整振動之作動過程。在壓電元件15致能的狀態下，致動板14之懸浮部141與共振板13之可動部131即反覆進行上述作動，持續將流體由入口孔170導向出口孔160加壓排出，俾實現流體之傳輸。於本案之一些實施例中，共振板13之垂直往復式振動頻率可與致動板14之振動頻率相同，即兩者可同時向上或同時向下，可依實際施作情形而任施變化，並不以本實施例所示之作動方式為限。

經由本實施例之導流單元10a之流道設計中產生壓力梯度，使流體高速流動，並透過流道進出方向之阻抗差異，將流體由吸入端傳輸至排出端，且在排出端有壓力之狀態下，仍有能力持續推出流體，並可達到靜音之效果。

請參閱第3A圖，其為本案之一較佳實施例之流體作動區之結構示意圖。該流體作動區10包含複數個導流單元10a，該些導流單元10a可依特定排列方式來調整該流體作動區10其輸出之流體傳輸量，在本實施例中，該些導流單元10a以串並聯方式排列設置於基材11。

請參閱第3B圖至第3C圖。第3B圖為本案之導流單元以串聯方式設置之結構示意圖；第3C圖為本案之導流單元以並聯方式設置之結構示意圖；第3D圖為本案之導流單元以串並聯方式設置之結構示意圖。如第3B圖所示，該流體作動區10內的該些導流單元10a依串聯方式排列，藉由串聯方式連接該些導流單元10a，來提升該流體作動區10的出口孔160其流體壓力值；請參閱第3C圖所示，該流體作動區10內的該些導流單元10a利用並聯方式排列，通過並聯方式連接該些導流單元10a，進一步增加該流體作動區10的出口孔160的輸出流體量；請參閱第3D圖所示，該流體作動區10內的該些導流單元10a依並串聯的方式來排列設置，加以同步提升該流體作動區10其輸出流體之壓力值及輸出量。

請參閱第4圖與第5圖。第4圖為本案之另一較佳實施例之流體作動區之結構示意圖；第5圖為本案之再一較佳實施例之流體作動區之結構示意圖。如第4圖所示，該流體作動區10內的該些導流單元10a以環狀方式排列設置來傳輸流體；請參閱第5圖所示，該流體作動區10內的該些導流單元10a使用蜂巢狀方式排列設置。

於本實施例中，流體系統100之導流單元10a可配合驅動電路之連接，其靈活度極高，更應用於各式電子元件之中，且可同時致能傳輸氣體，可因應大流量之氣體傳輸需求；此外，導流單元10a、另一導流單元10a亦可單獨控制作動或停止，例如：導流單元10a作動、另一導流單元10a停止，亦可以是交替運作，但均不以此為限，藉此可輕易達成各種氣體傳輸流量之需求，並可達到大幅降低功耗之功效。

請參閱第6A圖以及第6B圖，其為本案之閥之第一實施態樣之作動示意圖。閥50包含通道基材51、壓電致動器52以及連桿53，以下就本實施例閥50設置於分歧通道21a中來說明，相對其他分歧通道22a、21b、22b中設置閥50之結構與作動皆相同，以下就不予贅述。通道基材51具有一第一通孔511及一第二通孔512，分別連通於分歧通道21a中，並以通道基材51相互隔開設置，且通道基材51上方凹置一腔室513，腔室513設置有連通第一通孔511之第一出口514，以及設置有連通第二通孔512之第二出口515。壓電致動器52包含載板521以及壓電陶瓷522，載板521以可撓性材質所製成，而壓電陶瓷522則貼附於載板521之一表面上，並電性連接控制器60。壓電致動器52封蓋腔室513而設置在載板521上。而連桿53連接載板521之另一表面，並穿伸入第二出口515中沿一垂直方向自由位移，且連桿53之一端具有截面積大於第二出口515之孔徑之一擋阻部531，以封閉限制第二出口515之連通。其中，擋阻部531可為平板狀或蕈狀。

如第6A圖所示，閥50於壓電致動器52未致能之狀態下，連桿53處於一常開初始位置。此時，擋阻部531與第二出口515之間具有一空隙，使第二通孔512、腔室513與第一通孔511透過該空隙得以相互接通而連通於分歧通道21a中，使傳輸流體得以通過。相對的，如第6B圖所示，當壓電致動器52致能，壓電陶瓷522驅動載板521向上彎曲形變，連桿53受到載板521之連動而向上移動，進而使擋阻部531擋阻第二出口515之孔徑。此時，擋阻部531封閉第二出口515，而使傳輸流體無法通過。藉由上述作動方式，閥50在未致能狀態下可維持分歧通道21a開啟狀態，而在致能狀態下則封閉分歧通道21a；亦即，閥50藉由控制第二通孔512之一開關狀態，可進而控制流體由分歧通道21a之輸出。

請參閱第7A圖以及第7B圖，其為本案之閥之第二實施態樣之作動示意圖。閥50之結構完全相同，在此就不予贅述，只說明閥50未致能之狀態下為一常閉狀態之動作設計。

如第7A圖所示，閥50於壓電致動器52未致能之狀態下，連桿53處於一常閉初始位置。此時，擋阻部531封閉第二出口515之孔徑，使傳輸流體無法通過。如第7B圖所示，當壓電致動器52致能，壓電陶瓷522驅動載板521向下彎曲形變，連桿53受到載板521之連動而向下移動時，擋阻部531與第二出口515之間具有一流動空間，使第二通孔512、腔室513與第一通孔511透過該流動空間得以相互接通而連通於分歧通道21a中，使傳輸流體得以通過。藉由上述作動方式，閥50在未致能狀態下可維持分歧通道21a之封閉狀態，而在致能狀態下則開啟分歧通道21a；亦即，閥50藉由控制第二通孔512之一開關狀態，可進而控制流體由分歧通道21a之輸出。

綜上所述，本案所提供之流體系統，透過至少一導流單元將氣體傳輸至匯流腔室內，並利用分歧通道內的閥來進一步控制及調整流體系統所輸出之流體的流量、流速及壓力。再者，本案亦透過導流單元、分歧通道之數量、設置方式及驅動方式之靈活變化，可因應各種不同裝置及氣體傳輸流量之需求，可達到高傳輸量、高效能、高靈活性等功效。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims

一種流體系統，積體化製出，包含：一流體作動區，由至少一個導流單元所構成，該導流單元包含：一入口板，具有至少一入口孔；一基材；一共振板，具有一中空孔洞，且該共振板與該入口板之間具有一第一腔室；一致動板，具有一個懸浮部及一外框部及至少一空隙；一壓電元件，貼附於該致動板之該懸浮部之一表面；以及一出口板，具有一出口孔；其中，該入口板、該基材、該共振板、該致動板及該出口板係依序對應堆疊設置，該共振板及該致動板之間具有一間隙形成一第二腔室，該致動板及該出口板之間形成一第三腔室，該壓電元件驅動該致動板產生彎曲共振，以使該第二腔室及該第三腔室形成一壓力差，使流體由該入口板之該入口孔進入該第一腔室而流經該共振板之該中空孔洞，以進入該第二腔室內，並由該至少一空隙導入該第三腔室內，且由該出口板之該出口孔導出以傳輸流體；一流體通道，連通該流體作動區之該出口孔，並具有複數個分歧通道，使該流體作動區所傳輸之流體得以分流構成需求傳輸量；一匯流腔室，連通於該流體通道中，供流體累積在該匯流腔室內；一感測元件，設置於該流體通道中，用以感測該流體通道內之流體；以及複數個閥，設置於該分歧通道中，藉由控制其啟閉狀態而控制流體由該分歧通道中輸出。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該流體作動區由複數個導流單元以串聯排列設置以傳輸流體流動。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該流體作動區由複數個導流單元以並聯排列設置以傳輸流體流動。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該流體作動區由複數個導流單元以並串聯排列設置以傳輸流體流動。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該流體作動區由複數個導流單元係以環狀方式排列設置以傳輸流體流動。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該流體作動區由流動複數個導流單元係以蜂巢狀方式排列設置以傳輸流體流動。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該複數個分歧通道之長度依需求特定傳輸量來預先設定。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該複數個分歧通道之寬度依需求特定傳輸量來預先設定。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該等閥中之每一者包含：一通道基材，具有一第一通孔及一第二通孔相互隔開設置，且連通該分歧通道，以及該通道基材凹設一腔室，該腔室設置有連通該第一通孔之第一出口，以及設置有連通該第二通孔之第二出口；一壓電致動器，由一載板以及該載板之一表面上所貼附之一壓電陶瓷所構成，且封蓋該腔室；及一連桿，連接該載板之另一表面，並穿伸入該第二出口中自由位移，且該連桿一端具有截面積大於該第二出口之孔徑之一擋阻部，以封閉該第二出口；其中，該壓電致動器受致動而驅動該載板位移，連動該連桿之該擋阻部控制該第二出口之啟閉狀態，以控制流體由該分歧通道輸出。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該等閥由一控制器控制其啟閉狀態。
如申請專利範圍第10項所述之流體系統，其中該控制器與該導流單元以系統封裝構成一積體化之結構。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該複數個分歧通道以串聯排列設置。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該複數個分歧通道以並聯排列設置。
如申請專利範圍第1項所述之流體系統，其中該複數個分歧通道以串並聯排列設置。