專利名稱：一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，涉及對(duì)流體機(jī)械學(xué)科中的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)及往復(fù)式錐形流管無閥泵的改進(jìn)，屬于流體機(jī)械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于容積型往復(fù)式泵而言，如果把閥定義為在泵的吸入和吐出過程中，至少有一時(shí)點(diǎn)，使原本在泵腔中連通的吸入和吐出口之間，產(chǎn)生不連通的原因；也就是說，閥造成的不連通，使泵產(chǎn)生了單向流動(dòng)。那么所謂無閥就是利用流體的某些性質(zhì)，創(chuàng)造出即可以產(chǎn)生單向流動(dòng)，又可在吸入和吐出口之間產(chǎn)生始終連通的特殊機(jī)構(gòu)。
1993年，瑞典的埃斯特門(E.Stemme)等人創(chuàng)造性地發(fā)明了錐形流管無閥壓電泵。因埃斯特門(E.Stemme)等人的無閥壓電泵是利用了互為倒置的圓錐形流管機(jī)構(gòu)，所以稱之為圓錐形流管無閥壓電泵。圖1所示為瑞典埃斯特門(E.Stemme)的無閥壓電泵，圖1(a)是互為倒置的圓錐形流管，圖1(b)為無閥壓電泵的構(gòu)造。
1995年，德國的特格拉奇(T.Gerlach)等人在硅板上開發(fā)出了微方錐形流管無閥壓電泵。圖2所示為德國特格拉奇(T.Gerlach)的無閥壓電泵，圖2(a)為在硅板上加工的方錐形，圖2(b)為無閥壓電泵的構(gòu)造。
圖3所示為綜合了圖1、圖2后的無閥壓電泵。在圖3中1為固定螺釘，2為振動(dòng)放大片，3為泵體，4為錐形體A，5為錐形體B，6為壓電片。振動(dòng)放大片2被兩片壓電片6夾在中間后粘接，粘接后的新結(jié)構(gòu)被稱為振動(dòng)子，由振動(dòng)子，泵體3、錐形體A4、錐形體B5及固定螺釘1所組成的結(jié)構(gòu)只有錐形體A4、錐形體B5的兩個(gè)與外界連同的開口，如果在振動(dòng)子的壓電片2的兩端施加交變電壓，振動(dòng)子就會(huì)產(chǎn)生交替伸長與收縮變形，這樣振動(dòng)子、泵體3、錐形體A4、錐形體B5所組成的空間就形成了容積變化，上述結(jié)構(gòu)也就夠成了可以單項(xiàng)流動(dòng)的錐形無閥壓電泵。
振動(dòng)子被固定螺釘1固定在泵體3上，錐形體A4、錐形體B5是互為倒置錐形體機(jī)構(gòu)，錐形體A4，錐形體B5與泵體3的連接可以是過盈配合連接，也可以是粘接，還可以是焊接。
錐形體A4與錐形體B5可以完全相同也可以不完全相同，其相同與否是指幾何尺寸的大小。錐形體A4、錐形體B5的主要幾何尺寸由圖4錐形無閥壓電泵給出，θ角為錐角。錐形體A4是擴(kuò)張管，錐形體B5是收縮管。
究其錐形流管無閥泵的深層原理，是利用了互為倒置的錐形體機(jī)構(gòu)，所產(chǎn)生的正反向流管流動(dòng)時(shí)的流阻差。也就是說，錐角θ的大小可以直接影響流體宏觀性質(zhì)--流阻，產(chǎn)生流阻的更深層原因是動(dòng)粘性底層的厚度，動(dòng)粘性底層厚度增加，宏觀上流阻也會(huì)增大，流路的流阻增大，流量就會(huì)減少。在錐形體機(jī)構(gòu)中流動(dòng)的流體，其正反向流動(dòng)宏觀上流阻不等，所以正反向流動(dòng)是存在流阻差，無閥泵單項(xiàng)流動(dòng)也就源自于正反向流管流動(dòng)時(shí)的流阻差。
圖5給出了一組錐形體錐角θ與流阻ξ的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)值，擴(kuò)張管的流阻定為ξd，收縮管的流阻定為ξn，由圖5可知，無論是擴(kuò)張管還是收縮管，其流阻ξ都隨錐角θ的增大而增大，可是，擴(kuò)張管的流阻ξd比收縮管的流阻ξn增加的快，即擴(kuò)張管的流阻曲線與收縮管的流阻曲線有交點(diǎn)。根據(jù)錐形流管無閥壓電泵流量方程可知，泵的流向取決于擴(kuò)張管、收縮管的流阻差。公式(1)為錐形流管無閥壓電泵流量方程。
Q=ΔVf(ξd-ξn)(2+ξd+ξn)---(1)]]>Q和f分別為這種泵的流量和壓電振子的頻率。ξd和ξn分別為擴(kuò)張管和收縮管的流體流阻。ΔV由公式(2)給出。在公式(2)中，w(r，0)和w(r,t02)]]>分別為壓電振子的位移量，R為振子半徑[4]。
如果ξd大于ξn，由公式(1)可得，泵流量Q大于0(正)。如果ξd小于ξn，則泵流量Q小于0(負(fù))。流量Q的正與負(fù)表明了泵的液流方向。換言之，ξd和ξn決定了這種泵的液流方向。
錐角θ與流阻ξ有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是錐角θ決定了泵的液流方向?？墒瞧駷橹沟囊延屑夹g(shù)，只能是制作固定錐角θ的錐形體，無法實(shí)現(xiàn)可連續(xù)變化錐角θ，來達(dá)到改變泵的流量、液流方向的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服以上不足，提出了可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵。
本發(fā)明的技術(shù)方案是為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化錐角θ，改變了圖4錐形體的構(gòu)造，本發(fā)明的技術(shù)方案如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示，為可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)及其帶有該機(jī)構(gòu)的往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵。本發(fā)明包括有泵體3，與泵體3相連接、并使流體通過其流動(dòng)的錐形體，被固定螺釘1固定在泵體3上、并置于錐形體上方的、可使泵體內(nèi)造成容積變化形成流體流動(dòng)的機(jī)電式振動(dòng)子，本發(fā)明的特征在于，錐形體是采用軸11把直線流路檔體9與可連續(xù)變化錐角的流路檔體10鉸鏈連接成為流體可通過的流路檔體；再采用上夾板8與下夾板12將由直線流路檔體9與可連續(xù)變化錐角的流路檔體10構(gòu)成的流路檔體置于兩夾板之間通過機(jī)械緊固件緊固構(gòu)成。
所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，錐形體中把流路檔體的直線流路檔體9或可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的未被鉸鏈連接的兩端部邊緣與上、下夾板8和12的邊緣對(duì)齊，并粘接在夾板的中心線兩側(cè)，最后，螺拴13穿過上夾板8與下夾板12緊固在螺母7上，這樣上夾板8、下夾板12、直線流路檔體9、可連續(xù)變化錐角的流路檔體10就構(gòu)成了平面上呈錐角的流路，兩只直線流路檔體9與兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的頭端部分別是流路的出入口，根據(jù)流體的流動(dòng)方向，兩只直線流路檔體9與兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的頭部既可以成為出口，也可以成為入口。
具體說來如圖6所示，如果流體是自上而下流動(dòng)，兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10就是入口，兩只直線流路檔體9就是出口；如果流體是自下而上流動(dòng)，兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10就是出口，兩只直線流路檔體9就是入口。
本發(fā)明中把兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10在上而直線流路檔體9在下的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)定義為14，把兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10在下而直線流路檔體9在上的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)定義為15。14與15可為兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)。
所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵中的可連續(xù)變化錐角的流路檔體10采用雙面帶溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽內(nèi)充填橡膠條；軸11、直線流路檔體9、可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的縫隙之間充填軟硅膠；兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10可以在上夾板8、下夾板12之間以軸11為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10與上夾板8、下夾板12之間為純滑動(dòng)。接觸面間的溝槽內(nèi)因充填了橡膠條所以可以認(rèn)為是密封接觸。
所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵中的機(jī)電振動(dòng)子，可采用由粘接在兩片壓電片6中間的振動(dòng)放大片2構(gòu)成的壓電式振動(dòng)子；也可采用傳統(tǒng)往復(fù)式壓電泵所使用的活塞構(gòu)成的機(jī)械式振動(dòng)子。
由前述的本發(fā)明的技術(shù)方案可見改變兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10，就可以得到不同錐角的流路，兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體10是可以連續(xù)精確轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以這種流路是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化錐角θ功能。
根據(jù)圖5所示錐形體錐角θ與流阻ξ的實(shí)驗(yàn)關(guān)系，可以知道改變錐角θ，就可以改變泵的流量與液流方向。圖8是可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的錐角增加與減小示意圖。依靠機(jī)電振動(dòng)子給予的外力就可以簡單的實(shí)現(xiàn)改變錐角θ。
施加外力的方法有多種形式，都屬于常規(guī)方法，在此只例舉一例在圖7中的施力箭頭處各連接一只鉸鏈，鉸鏈的另一端各連接一只滾動(dòng)絲杠，滾動(dòng)絲杠可以把轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)絲杠的直線運(yùn)動(dòng)端連接鉸鏈，滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)端連接電機(jī)，在此的所有連接都是螺栓連接，可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的錐角增加與減小都可以通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。
往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥壓電泵的工作原理在圖9中由振動(dòng)放大片2，壓電片6組成了壓電振子，壓電振子，泵體3，及兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15組成了具有兩個(gè)開口相對(duì)封閉的腔體。對(duì)壓電振子施加交變電壓，壓電振子將產(chǎn)生沿自身平面構(gòu)造面的垂直方向往復(fù)變形，這樣就對(duì)腔體內(nèi)流體施加以往復(fù)力，在吸入過程，通過兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15同時(shí)有流體被吸入腔體，只是兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15由于圖五實(shí)驗(yàn)所揭示的原理，一只被吸入的流體比另一只多；在吐出過程，通過兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15同時(shí)有流體被吐出腔體，只是兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15由于圖五實(shí)驗(yàn)所揭示的原理，在吸入過程吸入流體多的一只比在吸入過程吸入流體少的吐出的流體少；這樣就形成了在吸入與吐出過程的流體體積差，因此體積差就形成了泵的單向流動(dòng)；改變圖6中的可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的錐角θ(例如從小角度向大角度改變)，泵的流量將發(fā)生改變，進(jìn)一步加大錐角θ泵的流動(dòng)方向也將改變。
往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵的工作原理在圖10中由活塞環(huán)16，活塞17泵體3，及兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15組成了具有兩個(gè)開口相對(duì)封閉的腔體?；钊?7上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就對(duì)腔體內(nèi)流體施加以往復(fù)力，在吸入過程，通過兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15同時(shí)有流體被吸入腔體，只是兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15由于圖五實(shí)驗(yàn)所揭示的原理，一只被吸入的流體比另一只多；在吐出過程，通過兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15同時(shí)有流體被吐出腔體，只是兩只互為倒置的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)14與15由于圖五實(shí)驗(yàn)所揭示的原理，在吸入過程吸入流體多的一只比在吸入過程吸入流體少的吐出的流體少；這樣就形成了在吸入與吐出過程的流體體積差，因此體積差就形成了泵的單向流動(dòng)；改變圖6中的可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的錐角θ(例如從小角度向大角度改變)，泵的流量將發(fā)生改變，進(jìn)一步加大錐角θ泵的流動(dòng)方向也將改變。


圖1瑞典埃斯特門(E.Stemme)的無閥壓電泵；圖2德國特格拉奇(T.Gerlach)的無閥壓電泵；圖3錐形無閥壓電泵；圖4錐形體A4、錐形體B5的構(gòu)造及主要幾何尺寸；圖5錐形體錐角θ與流阻ξ的關(guān)系；圖6本發(fā)明的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)；(a)可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的主視圖；(b)可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖；圖7本發(fā)明的充填了橡膠條的密封溝槽示意圖(a)充填了橡膠條的密封溝槽，(b)橡膠條裝入溝槽的示意圖，10-1橡膠條；圖8本發(fā)明的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的錐角增加與減小示意圖；圖9本發(fā)明的壓電往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵；圖10本發(fā)明的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的活塞往復(fù)式無閥泵16為活塞環(huán)，17為活塞。
具體實(shí)施例方式參見附圖6-10，采用通用機(jī)件，即螺栓13為M3×15，螺母7為M3的標(biāo)準(zhǔn)件，上夾板8、直線流路檔體9、可連續(xù)變化錐角的流路檔體10、軸11及下夾板12均為有機(jī)玻璃板材機(jī)械加工而成。其他輔助材料軟硅膠、橡膠條及粘接劑均為市售材料。
所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，錐形體中把流路檔體的直線流路檔體9或可連續(xù)變化錐角的流路檔體10的未被鉸鏈連接的兩端部邊緣與上、下夾板8和12的邊緣對(duì)齊，并粘接在夾板的中心線兩側(cè)，間隔在2-10mm之間，最后，螺拴13穿過上夾板8與下夾板12緊固在螺母7上。圖9所示為安裝了可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的壓電往復(fù)式無閥泵。
圖9的壓電往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，采用固定螺釘1將振動(dòng)子固定在泵體3上，所用部件均為傳統(tǒng)往復(fù)式壓電泵所使用的部件。圖10所示的可連續(xù)變錐角機(jī)構(gòu)的活塞往復(fù)式無閥泵，所用部件也均為壓電泵通用部件。
權(quán)利要求
1.一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，包括有泵體(3)，與泵體(3)相連接、并使流體通過其流動(dòng)的錐形體，被固定螺釘(1)固定在泵體(3)上、并置于錐形體上方的、可使泵體內(nèi)造成容積變化形成流體流動(dòng)的機(jī)電式振動(dòng)子，本發(fā)明的特征在于，錐形體是采用軸(11)把直線流路檔體(9)與可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)鉸鏈連接成為流體可通過的流路檔體；再采用上夾板(8)與下夾板(12)將由直線流路檔體(9)與可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)構(gòu)成的流路檔體置于兩夾板之間通過機(jī)械緊固件緊固構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，其特征在于錐形體中把流路檔體的直線流路檔體(9)或可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)的未被鉸鏈連接的兩端部邊緣與上、下夾板(8)和(12)的邊緣對(duì)齊，并粘接在夾板的中心線兩側(cè)，最后，螺拴(13)穿過上夾板(8)與下夾板(12)緊固在螺母(7)上，這樣上夾板(8)、下夾板(12)、直線流路檔體(9)、可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)就構(gòu)成了平面上呈錐角的流路，兩只直線流路檔體(9)與兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)的頭端部分別是流路的出入口，根據(jù)流體的流動(dòng)方向，兩只直線流路檔體(9)與兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)的頭部既可以成為出口，也可以成為入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，其特征在于采用雙面帶溝槽結(jié)構(gòu)的可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)，溝槽內(nèi)充填橡膠條；軸(11)、直線流路檔體(9)、可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)的縫隙之間充填軟硅膠；兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)可以在上夾板(8)、下夾板(12)之間以軸(11)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩只可連續(xù)變化錐角的流路檔體(10)與上夾板(8)、下夾板(12)之間為純滑動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，其特征在于泵內(nèi)兩個(gè)錐形體可設(shè)置成互為倒置的錐形體機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，其特征在于所述的機(jī)電振動(dòng)子，可采用由粘接在兩片壓電片(6)中間的振動(dòng)放大片(2)構(gòu)成的壓電式振動(dòng)子；也可采用傳統(tǒng)往復(fù)式泵所使用的活塞構(gòu)成的機(jī)械式振動(dòng)子。
全文摘要
一種涉及流體機(jī)械領(lǐng)域的往復(fù)式可連續(xù)變錐角無閥泵，包括有泵體(3)，與泵體相連接、并使流體通過其流動(dòng)的錐形體，固定在泵體(3)的機(jī)電式振動(dòng)子，本發(fā)明的特征在于，錐形體是采用軸(11)把直線流路擋體(9)與可連續(xù)變化錐角的流路擋體(10)鉸鏈連接成為流體可通過的流路擋體；再采用上夾板(8)與下夾板(12)將由直線流路擋體(9)與可連續(xù)變化錐角的流路擋體(10)構(gòu)成的流路擋體置于兩夾板之間通過機(jī)械緊固件緊固構(gòu)成。振動(dòng)子可采用現(xiàn)有壓電泵采用的壓電式或活塞構(gòu)成的機(jī)械式振動(dòng)子。本發(fā)明改變兩只可連續(xù)變化錐角的流路擋體(10)，就可以得到不同錐角的流路，依靠機(jī)電振動(dòng)子給予的外力就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化錐角θ功能，因此本發(fā)明可方便地達(dá)到改變泵的流量、液流方向的目的。
文檔編號(hào)F04B43/04GK1558114SQ200410000669
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月16日
發(fā)明者張建輝, 賴德華, 李德勝, 寇杰, 侯波良 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)