專利名稱：具有盤(pán)形腔的泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性實(shí)施例大致涉及用于流體的泵，并且更具體而言，涉及具有基本盤(pán)形腔的泵，該腔具有基本圓形的端壁和側(cè)壁，以及涉及用于控制通過(guò)該泵的流體的流動(dòng)的閥。
背景技術(shù)：
閉合腔中高振幅壓力振蕩的產(chǎn)生在熱聲和泵類(lèi)型的壓縮器領(lǐng)域中已引起足夠的重視。非線性聲學(xué)的最近發(fā)展已允許產(chǎn)生具有比先前認(rèn)為可能更高振幅的壓力波。已知使用共振來(lái)實(shí)現(xiàn)從規(guī)定入口到出口的流體泵送。這可使用在一端處具有聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的圓柱形腔得以實(shí)現(xiàn)，該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)聲學(xué)駐波。在這種圓柱形腔中，聲學(xué)壓力波具有有限振幅。諸如錐形、角錐形、球形的可變橫截面腔已被用于實(shí)現(xiàn)高振幅的壓力振蕩，由此顯著增大泵送效果。在這種高振幅波中，具有能量損耗的非線性機(jī)理已被抑制。然而，高振幅的共鳴在盤(pán)形腔內(nèi)已不再被使用，其中徑向壓力振蕩直到最近才被激發(fā)。公開(kāi)為 W02006/111775( ‘487申請(qǐng))的國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/GB2006/001487公開(kāi)了具有基本盤(pán)形腔的泵，該盤(pán)形腔具有高縱橫比，即，腔的半徑與腔的高度的比率。這種泵具有基本圓柱形腔，該圓柱形腔包括在每一端由端壁閉合的側(cè)壁。該泵還包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)端壁中的任一個(gè)，以沿著基本垂直于驅(qū)動(dòng)端壁的表面振蕩。驅(qū)動(dòng)端壁的運(yùn)動(dòng)的空間分布被描述成與腔內(nèi)的流體壓力振蕩的空間波動(dòng)匹配，該狀態(tài)在此被描述成模式匹配。當(dāng)泵被模式匹配時(shí)，由致動(dòng)器作用在腔中流體上的功越過(guò)驅(qū)動(dòng)端壁表面而積極增大，由此增強(qiáng)腔中壓力振蕩的振幅并輸出高的泵送效率。在未被模式匹配的泵中，可能有端壁的下述區(qū)域，其中由端壁作用在流體上的功減小而不是增強(qiáng)腔內(nèi)流體的流體壓力振蕩。因而，由致動(dòng)器作用在流體上的有用功被減小，并且泵變得效率更低。模式匹配泵的效率取決于驅(qū)動(dòng)端壁與側(cè)壁之間的界面。希望通過(guò)構(gòu)造該界面使其不減小或抑制驅(qū)動(dòng)端壁的運(yùn)動(dòng)由此減輕腔內(nèi)流體壓力振蕩的振幅的任一減小來(lái)保持這種泵的效率。這種泵還需要用于控制通過(guò)該泵的流體的流動(dòng)閥，更具體而言，能夠高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的閥。傳統(tǒng)的閥對(duì)于多種應(yīng)用典型地以小于500Hz的較低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，許多傳統(tǒng)的壓縮器典型地以50或60Hz運(yùn)轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域中已知的線性共振壓縮器在150到350Hz之間運(yùn)轉(zhuǎn)。 然而，包括醫(yī)療設(shè)備的許多便攜式電子設(shè)備需要傳送正壓力或者提供真空的泵，該泵尺寸相當(dāng)小，并且這種泵有利的是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)聲，以提供離散操作。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，這種泵必須以非常高的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，這需要能夠以大于20kHz以及更大頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的閥，這一般得不到。 為了以這些高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，閥必須響應(yīng)高頻振蕩壓力，其能夠被調(diào)整以產(chǎn)生通過(guò)該泵的流體的凈流動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述泵的致動(dòng)器引起驅(qū)動(dòng)端壁沿著基本垂直于端壁或基本平行于圓柱形腔的縱軸線的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)(“位移振蕩”)，在下文中被稱為腔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)端壁的“軸向振蕩”。驅(qū)動(dòng)端壁的軸向振蕩在腔內(nèi)產(chǎn)生基本成比率的“壓力振蕩”，形成徑向壓力分布，該徑向壓力分布近似于如在‘487申請(qǐng)中描述的第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)的壓力分布，該申請(qǐng)通過(guò)引用合并于此，這種振蕩在下文中被稱為腔內(nèi)的流體壓力的“徑向振蕩”。 驅(qū)動(dòng)端壁的在致動(dòng)器與側(cè)壁之間的一部分提供與泵的側(cè)壁的接觸面，其減小位移振蕩的阻尼，以減輕腔內(nèi)的壓力振蕩的任何減小，該部分在下文中被成稱為“隔離件”。隔離件的示例性實(shí)施例與驅(qū)動(dòng)端壁的周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以減小位移振蕩的阻尼。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，泵包括限定腔的具有基本圓柱形形狀的泵體，該腔由在兩端通過(guò)基本圓形端壁閉合的側(cè)壁形成，所述端壁中的至少一個(gè)為驅(qū)動(dòng)端壁，該驅(qū)動(dòng)端壁具有中心部分和鄰近所述側(cè)壁的周界部分，其中所述腔在使用時(shí)容納流體。所述泵進(jìn)一步包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器與所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述中心部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以引起所述驅(qū)動(dòng)端壁沿著與其基本垂直的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)，在所述驅(qū)動(dòng)端壁的大約中心處具有最大振幅，由此在使用時(shí)產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)端壁的位移振蕩。所述泵進(jìn)一步包括隔離件，該隔離件與所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以減小由所述端壁與所述腔的所述側(cè)壁的連接引起的位移振蕩的阻尼。所述泵進(jìn)一步包括設(shè)置在所述端壁中的一個(gè)的大約中心處的第一孔，以及設(shè)置在所述泵體中的任何其他位置處的第二孔，由此所述位移振蕩在所述泵體的所述腔內(nèi)產(chǎn)生流體壓力的徑向振蕩，使流體通過(guò)所述孔流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，所述泵包括設(shè)置在所述第一孔或所述第二孔中用于控制通過(guò)所述泵的流體的流動(dòng)的閥。該閥包括第一板，該第一板具有大致垂直延伸通過(guò)該第一板的孔；以及第二板，該第二板也具有大致垂直延伸通過(guò)該第二板的孔，其中所述第二板的所述孔從所述第一板的所述孔基本偏移。所述閥進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間的側(cè)壁，其中所述側(cè)壁圍繞所述第一板和所述第二板的周界被閉合，以在所述第一板和所述第二板之間形成與所述第一板和所述第二板的所述孔流體連通的腔。所述閥進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng)的薄片，其中所述薄片具有從所述第一板的所述孔基本偏移并與所述第二板的所述孔基本對(duì)準(zhǔn)的孔。所述薄片響應(yīng)越過(guò)所述閥的所述流體的壓差的方向的變化在所述第一板與所述第二板之間被推動(dòng)。示例性實(shí)施例的其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)在此描述，并且參照下文的附圖和詳細(xì)描述將變得明顯。


圖IA至圖IC示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的第一泵的示意性剖視圖，其提供正壓力、泵的驅(qū)動(dòng)端壁的位移振動(dòng)的圖表以及泵的腔內(nèi)的流體壓力振蕩的圖表。圖2示出圖IA的第一泵的示意性俯視俯視圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的第二泵的示意性剖視圖，其提供負(fù)壓力。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的具有截頭圓錐形底部的第三泵的示意性剖視圖。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括兩個(gè)致動(dòng)器的第四泵的示意性剖視圖。圖6A示出圖3的泵的示意性剖視圖，圖6B示出如圖IC中所示的泵內(nèi)流體的壓力
9振蕩的圖表。圖6C示出使用在圖3的泵中的閥的示例性實(shí)施例的示意性剖視圖。圖7A示出處于閉合位置的閥的示例性實(shí)施例的示意性剖視圖，圖7B示出圖7A的閥沿圖7D中的線7B-7B截取的分解截面圖。圖7C示出圖7B的閥的示意性立體圖。圖7D示出圖7B的閥的示意性俯視圖。圖8A示出圖7B中的閥在流體流動(dòng)通過(guò)該閥時(shí)處于打開(kāi)位置的示意性剖視圖。圖8B示出圖7B中的閥處于打開(kāi)位置與閉合位置之間過(guò)渡時(shí)的示意性剖視圖。圖9A示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的施加在圖7B的閥上的振蕩壓差的圖表。圖9B示出圖7B的閥在打開(kāi)位置與閉合位置之間的操作循環(huán)的圖表。圖10示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的處于閉合位置的圖7B的閥的一部分的示意性剖視圖。圖IlA示出具有釋放孔的圖7B的閥的改進(jìn)形式的示意性剖視圖。圖IlB示出圖IlA中的閥的一部分的示意性剖視圖。圖12A示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的圖7B的兩個(gè)閥的示意性剖視圖，其中一個(gè)閥被倒置，以允許流體沿著與另一個(gè)閥相反的方向流動(dòng)。圖12B示出圖12A中所示的閥的示意性俯視圖。圖12C示出圖12A的閥在打開(kāi)位置與閉合位置之間的操作循環(huán)的圖表。圖13示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的雙向閥的示意性剖視圖，該雙向閥具有允許流體沿著相反方向流動(dòng)的兩個(gè)閥部，兩個(gè)閥部均具有常閉位置。圖14示出圖13的雙向閥的示意性俯視圖。圖15示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的雙向閥的示意性剖視圖，該雙向閥具有允許流體沿著相反方向流動(dòng)的兩個(gè)閥部，其中一個(gè)閥部具有常閉位置，另一個(gè)閥部具有常開(kāi)位置。
具體實(shí)施例方式在下文對(duì)一些示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參考形成本文一部分的附圖，并且僅通過(guò)可實(shí)施本發(fā)明的例示特定優(yōu)選實(shí)施例被顯示在附圖中。這些實(shí)施例被足夠詳細(xì)地描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，應(yīng)理解的是，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可利用其他實(shí)施例，并且可進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子和化學(xué)變化。為了避免本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施在此描述的實(shí)施例所不必要的細(xì)節(jié)，該描述可能省略本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的某些信息。因此，下文的詳細(xì)描述不應(yīng)被理解為限制性的，并且示例性實(shí)施例的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。圖IA是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的泵10的示意性剖視圖。同樣參照?qǐng)D1B，泵 10包括具有基本圓柱形形狀的泵體，該泵體包括一端由底部18閉合且另一端由端板17 閉合的圓柱形壁19 ；以及設(shè)置在端板17與泵體的圓柱形壁19的另一端之間的環(huán)狀隔離件 30。圓柱形壁19和底部18可為包括泵體的單個(gè)部件，并且可被安裝到其他部件或系統(tǒng)。圓柱形壁19、底部18、端板17以及隔離件30的內(nèi)表面在泵10內(nèi)形成腔11，其中腔11包括在兩端由端壁12和13閉合的側(cè)壁14。端壁13為底部18的內(nèi)表面，側(cè)壁14為圓柱形壁19 的內(nèi)表面。端壁12包括對(duì)應(yīng)于端板17的內(nèi)表面的中心部分和對(duì)應(yīng)于隔離件30的內(nèi)表面的周界部分。盡管腔11在形狀上為基本圓形，但腔11還可以為橢圓形或其他形狀。泵體的底部18和圓柱形壁19可由任何合適的剛性材料形成，該剛性材料包括但不限于金屬、陶瓷、玻璃或塑料，所述塑料包括但不限于注塑塑料。泵10還包括壓電盤(pán)20，壓電盤(pán)20操作性地連接到端板17以形成致動(dòng)器40，該致動(dòng)器40經(jīng)由端板17與端壁12的中心部分操作性地相關(guān)聯(lián)。壓電盤(pán)20并不必須由壓電材料形成，而是可由任何振動(dòng)的電活性材料形成，諸如，例如由電致伸縮材料或磁致伸縮材料形成。端板17優(yōu)選具有類(lèi)似于壓電盤(pán)20的抗彎剛度，并且可由諸如金屬或陶瓷的電惰性材料形成。當(dāng)壓電盤(pán)20被電流激勵(lì)時(shí)，致動(dòng)器40相對(duì)于腔11的縱軸線沿著徑向方向膨脹和收縮，導(dǎo)致端板17彎曲，由此引起端壁12沿著基本垂直于端壁12的方向的軸向偏轉(zhuǎn)。端板 17可替代地還可由例如諸如壓電材料、磁致伸縮材料或電致伸縮材料的電活性材料形成。 在另一實(shí)施例中，壓電盤(pán)20可由與端壁12成傳力關(guān)系的設(shè)備替代，例如諸如由機(jī)械設(shè)備、 磁設(shè)備或靜電設(shè)備替代，其中端壁12可被形成為材料的電惰性或被動(dòng)層，該層被這種設(shè)備 (未示出)以如上所述的相同方式驅(qū)動(dòng)至振蕩。泵10進(jìn)一步包括從腔11延伸到泵10的外部的至少兩個(gè)孔，其中所述孔中的至少第一個(gè)孔可包含閥以控制通過(guò)該孔的流體的流動(dòng)。盡管包含閥的孔可位于腔11中的如下文更詳細(xì)描述的致動(dòng)器40產(chǎn)生壓差的任何位置，泵10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括近似位于端壁12、13中的任一個(gè)的中心的具有閥的孔。圖IA和圖IB中所示的泵10包括初級(jí)孔16，該初級(jí)孔16在端壁13的大約中心處從腔11延伸通過(guò)泵體的底部18并包含閥46。閥46被安裝在初級(jí)孔16內(nèi)，并允許流體沿著如箭頭所示的一個(gè)方向的流動(dòng)以使其用作泵10的出口。第二孔15可位于腔11內(nèi)除了具有閥46的孔16的位置之外的任何位置。在泵10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二孔被設(shè)置在端壁12、13中的任一個(gè)的中心與側(cè)壁14之間。圖IA 和圖IB中所示的泵10的實(shí)施例包括從腔11延伸通過(guò)致動(dòng)器40的兩個(gè)次級(jí)孔15，這兩個(gè)次級(jí)孔15被設(shè)置在端壁12的中心與側(cè)壁14之間。盡管次級(jí)孔15在泵10的該實(shí)施例中未裝有閥，但如果需要它們也可裝有閥以改善性能。在泵10的該實(shí)施例中，初級(jí)孔16裝有閥，從而流體如箭頭所示通過(guò)次級(jí)孔15被吸入到泵10的腔11中，并通過(guò)初級(jí)孔16被泵送到腔11外，以在初級(jí)孔16處提供正壓力。參照?qǐng)D3，圖1的泵10被示出為具有初級(jí)孔16的可替代構(gòu)造。更具體而言，初級(jí)孔16’中的閥46’被倒置，以使流體如箭頭所示通過(guò)初級(jí)孔16’被吸入到腔11中，并通過(guò)次級(jí)孔15被排出到腔11外，由此在初級(jí)孔16’處提供吸力或減壓源(source of reduced pressure) 0在此使用的術(shù)語(yǔ)“減壓”(“reduced pressure") 一般指的是小于泵10所在位置的周?chē)鷫毫?。盡管術(shù)語(yǔ)“真空”和“負(fù)壓力”可用于描述減壓，但實(shí)際的減壓(pressure reduction)可顯著小于通常與絕對(duì)真空相關(guān)的減壓。壓力為“負(fù)”是指其為表壓力的含義， 即壓力被減小到低于周?chē)髿鈮毫?。除非另有說(shuō)明，本文所說(shuō)的壓力的值均為表壓力。提到減壓的增大典型地指的是絕對(duì)壓力的減小，而減壓的減小典型地指的是絕對(duì)壓力的增大?，F(xiàn)參照?qǐng)D4，根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的泵70被示出。泵70與圖1的泵 10基本類(lèi)似，除了泵體包括具有上表面形成形狀為截頭圓錐狀的端壁13’的底部18’。因此，腔11的高度從側(cè)壁14處的高度變化到端壁12、13’之間的在端壁12、13’的中心處的更小高度。端壁13’的截頭圓錐形形狀加強(qiáng)了相對(duì)于腔11的側(cè)壁14處的壓力較小的腔11 的中心處的壓力，在腔11的中心處腔11的高度更大，在腔11的側(cè)壁處腔11的高度更小。因此，比較具有相等的中心壓力振幅的圓柱形腔11和截頭圓錐形腔11，明顯的是截頭圓錐形腔11將在遠(yuǎn)離腔11的中心的位置大致具有較小的壓力振幅腔11的漸增高度用于減小壓力波的振幅。由于在腔11中的流體振蕩期間經(jīng)歷的粘性損耗和熱能損耗均隨著這種振蕩的振幅而增大，通過(guò)采用截頭圓錐形腔11的設(shè)計(jì)減小減小了遠(yuǎn)離腔11的中心處的壓力振蕩的振幅對(duì)泵70的效率是有利的。在泵70的一個(gè)示例性實(shí)施例中，腔11的直徑為近似20mm，腔11的高度從在側(cè)壁14處的近似1. Omm逐漸減小到在端壁13’的中心處的近似 0. 3mm。端壁12、13中的任一個(gè)或者端壁12、13 二者可具有截頭圓錐形形狀。現(xiàn)參照?qǐng)D5，根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的泵60被示出。泵60與圖1的泵10 基本類(lèi)似，除了包括替代泵體的底部18的第二致動(dòng)器62。致動(dòng)器62包括第二盤(pán)64和設(shè)置在盤(pán)64與側(cè)壁14之間的環(huán)狀隔離件66。泵60還包括操作性地連接到盤(pán)64以形成致動(dòng)器 62的第二壓電盤(pán)68。致動(dòng)器62與端壁13操作性地相關(guān)聯(lián)，端壁13包括盤(pán)64的內(nèi)表面和隔離件66的內(nèi)表面。第二致動(dòng)器62還以類(lèi)似于如上所述的致動(dòng)器40相對(duì)于端壁12的方式使端壁13產(chǎn)生沿著基本垂直于端壁13的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)。當(dāng)致動(dòng)器40、62被致動(dòng)時(shí)， 控制電路(未示出)被提供以協(xié)調(diào)致動(dòng)器的軸向位移振蕩。優(yōu)選的是致動(dòng)器以相同頻率且近似異相地被驅(qū)動(dòng)，即，使得端壁12、13的中心首先朝向彼此移動(dòng)然后分開(kāi)。本文描述的泵的尺寸應(yīng)優(yōu)選地相對(duì)于腔11的高度(h)和腔的半徑(r)之間的關(guān)系滿足某一不等式，半徑(r)為從腔11的縱軸線到側(cè)壁14的距離。這些方程式如下r/h>1.2;以及h2/r > 4Χ1(Γ10 米。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)腔11內(nèi)的流體為氣體時(shí)，腔半徑與腔高度的比率 (r/h)在大約10到大約50之間。在該實(shí)例中，腔11的體積可小于大約10ml。另外，比率 h2/r優(yōu)選在大約10_3米到大約10_6米的范圍內(nèi)，其中工作流體為與液體相對(duì)的氣體。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，次級(jí)孔15位于腔11內(nèi)的壓力振蕩的振幅接近為零的地方，即壓力振蕩的“波節(jié)”點(diǎn)處。當(dāng)腔11為圓柱形時(shí)，壓力振蕩的徑向相關(guān)性可由第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)估計(jì)，并且腔11內(nèi)的最低階壓力振蕩的徑向波節(jié)發(fā)生在距端壁12的中心或腔 11的縱軸線近似0. 63ι 士0. 2r的距離處。因而，次級(jí)孔15優(yōu)選位于距端壁12、13的中心徑向距離(a)處，其中(a) 0·63ι 士0·2ι·，S卩，接近壓力振蕩的波節(jié)。另外，在此公開(kāi)的泵應(yīng)優(yōu)選滿足關(guān)系到腔半徑(r)和工作頻率(f)的以下不等式，工作頻率(f)為致動(dòng)器40振動(dòng)以產(chǎn)生端壁12的軸向位移所處的頻率。不等式如下方程式 1)其中如以上不等式中表示的腔11內(nèi)的工作流體的聲速(c)可在大約115m/s的低速(cs)到等于大約1970m/s的快速(cf)的范圍內(nèi)，并且kQ為常數(shù)(k0 = 3. 83)。致動(dòng)器40 的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的頻率優(yōu)選大約等于腔11內(nèi)的徑向壓力振蕩的最低共振頻率，但可在其20% 以內(nèi)。腔11內(nèi)的徑向壓力振蕩的最低共振頻率優(yōu)選大于500Hz?，F(xiàn)參照運(yùn)轉(zhuǎn)中的泵10，壓電盤(pán)20被激勵(lì)以抵靠端板17沿著徑向方向膨脹和收縮， 這導(dǎo)致致動(dòng)器40彎曲，由此引起驅(qū)動(dòng)端壁12沿著基本垂直于驅(qū)動(dòng)端壁12的方向軸向位移。致動(dòng)器40如上所述與端壁12的中心點(diǎn)操作性地相關(guān)聯(lián)，以使致動(dòng)器40的軸向位移振蕩在大約端壁12的中心處引起沿著端壁12的表面的具有最大振蕩振幅的軸向位移振蕩，
12艮口，反波節(jié)位移振蕩。再次參照?qǐng)D1A，大致如上所述的泵10的位移振蕩和最后的壓力振蕩分別更清楚地顯示在圖IB和圖IC中。位移振蕩與壓力振蕩之間的相位關(guān)系可變化，并且具體的相位關(guān)系不應(yīng)從任何圖形中暗示。圖IB示出例示腔11的驅(qū)動(dòng)端壁12的軸向振蕩的一個(gè)可能位移輪廓。實(shí)曲線和箭頭代表驅(qū)動(dòng)端壁12在一個(gè)點(diǎn)即時(shí)的位移，虛曲線代表驅(qū)動(dòng)端壁12在一個(gè)半循環(huán)之后的位移。該圖形和其他圖形中所示的位移被夸大。因?yàn)橹聞?dòng)器40在其周界并非剛性地安裝， 而是通過(guò)隔離件30懸垂，因而致動(dòng)器40在其基本振型中能夠圍繞其質(zhì)心自由振蕩。在該基本振型中，致動(dòng)器40的位移振蕩的振幅在位于端壁12的中心與側(cè)壁14之間的環(huán)狀位移波節(jié)22處基本為零。位移振蕩在端壁12上的其他點(diǎn)處的振幅具有如垂直箭頭所示的大于零的振幅。中心位移反波節(jié)21存在于致動(dòng)器40的中心附近，圓周位移反波節(jié)21’存在于致動(dòng)器40的周界附近。圖IC示出例示腔11內(nèi)的壓力振蕩的一個(gè)可能壓力振蕩輪廓，其由圖IB中所示的軸向位移振蕩產(chǎn)生。實(shí)曲線和箭頭代表在一個(gè)點(diǎn)即時(shí)的壓力，虛曲線代表一個(gè)半循環(huán)之后的壓力。在該模式和更高階模式下，壓力振蕩的振幅具有靠近腔11的中心的中心壓力反波節(jié)23和靠近腔11的側(cè)壁14的圓周壓力反波節(jié)M。壓力振蕩的振幅在中心壓力反波節(jié) 23與圓周壓力反波節(jié)M之間的環(huán)狀壓力波節(jié)25處基本為零。對(duì)于圓柱形腔11，腔11中的壓力振蕩的振幅的徑向相關(guān)性可由第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)估計(jì)。上述壓力振蕩由腔11中的流體的徑向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，并且為了與致動(dòng)器40的軸向位移振蕩區(qū)別將被稱為腔11內(nèi)的流體的“徑向壓力振蕩”。進(jìn)一步參照?qǐng)DIB和圖1C，能夠看到，致動(dòng)器40的軸向位移振蕩的振幅的徑向相關(guān)性(致動(dòng)器40的“振型”)應(yīng)近似為第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)，以更接近地匹配腔11中的所需壓力振蕩的振幅的徑向相關(guān)性(壓力振蕩的“振型”)。通過(guò)未將致動(dòng)器40剛性安裝在其周界以及允許其更自由地圍繞其質(zhì)心振動(dòng)，位移振蕩的振型基本匹配腔11中的壓力振蕩的振型，從而獲得振型匹配，或更簡(jiǎn)單地說(shuō)模式匹配。盡管模式匹配在這點(diǎn)上可以不總是絕對(duì)的，但致動(dòng)器40的軸向位移振蕩以及腔11中的相應(yīng)壓力振蕩在致動(dòng)器40的整個(gè)表面上具有基本相同的相對(duì)相位，其中腔11中的壓力振蕩的環(huán)狀壓力波節(jié)25的徑向位置和致動(dòng)器 40的軸向位移振蕩的環(huán)狀位移波節(jié)22的徑向位置基本重合。由于致動(dòng)器40圍繞其質(zhì)心振動(dòng)，當(dāng)致動(dòng)器40在如圖IB所示的基本振型振動(dòng)時(shí)， 環(huán)狀位移波節(jié)22的徑向位置將必然落在致動(dòng)器40的半徑內(nèi)。因而，為了確保環(huán)狀位移波節(jié)22與環(huán)狀壓力波節(jié)25重合，致動(dòng)器的半徑(ra。t)應(yīng)優(yōu)選大于環(huán)狀壓力波節(jié)25的半徑， 以使模式匹配最優(yōu)。再次假設(shè)腔11中的壓力振蕩近似為第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)，則環(huán)狀壓力波節(jié)25的半徑應(yīng)近似為從端壁13的中心到側(cè)壁14的半徑，S卩，在圖IA中所示的腔11的半徑(r)的0. 63倍。因此，致動(dòng)器40的半徑(ra。t)應(yīng)優(yōu)選滿足以下不等式ra。t彡0. 63r。隔離件30可為柔性膜，其使致動(dòng)器40的邊緣能夠通過(guò)響應(yīng)致動(dòng)器40的振動(dòng)(如圖IB中的圓周位移振蕩21’的位移所示)彎曲和伸展而如上所述更自由地移動(dòng)。通過(guò)在致動(dòng)器40與泵10的圓柱形壁19之間提供較低的機(jī)械阻抗支撐以由此減小致動(dòng)器40的圓周位移振蕩21’的軸向振蕩的阻尼，柔性膜克服側(cè)壁14對(duì)致動(dòng)器40的潛在阻尼影響。實(shí)質(zhì)上，柔性膜31使從致動(dòng)器40傳遞到側(cè)壁14的能量最小，該能量保持基本固定。結(jié)果，環(huán)狀位移波節(jié)22將與環(huán)狀壓力波節(jié)25保持基本對(duì)準(zhǔn)，以保持泵10的模式匹配狀態(tài)。因而，驅(qū)動(dòng)端壁12的軸向位移振蕩從圖IC中所示的中心壓力反波節(jié)23到位于側(cè)壁14處的圓周壓力反波節(jié)M在腔11內(nèi)連續(xù)有效地產(chǎn)生壓力振蕩。圖6A示出圖3的泵的示意性剖視圖，圖6B為如在圖IC中所示的泵內(nèi)的流體的壓力振蕩的圖表。閥46’(以及閥46)允許流體如上所述僅沿著一個(gè)方向流動(dòng)。閥46’可以是止回閥或者允許流體僅沿著一個(gè)方向流動(dòng)的任何其他閥。一些閥的類(lèi)型可通過(guò)在打開(kāi)位置與閉合位置之間切換調(diào)節(jié)流體流動(dòng)。對(duì)于這種閥，為了在致動(dòng)器40產(chǎn)生的高頻下運(yùn)轉(zhuǎn)， 閥46和46’必須具有極快的響應(yīng)時(shí)間，以使其能夠在明顯小于壓力振蕩的時(shí)標(biāo)的時(shí)標(biāo)下打開(kāi)和閉合。通過(guò)采用極輕的瓣閥實(shí)現(xiàn)閥46和46’的一個(gè)實(shí)施例，瓣閥具有較低的慣性，因此能夠響應(yīng)閥結(jié)構(gòu)上的相對(duì)壓力的變化而迅速移動(dòng)。參照?qǐng)D7A-7D，根據(jù)示例性實(shí)施例，這種瓣閥，閥110，根據(jù)一示例性實(shí)施例被顯示。閥110包括基本圓柱形壁112，圓柱形壁112為環(huán)狀，在一端由保持板114閉合且在另一端由密封板116閉合。壁112的內(nèi)表面、保持板114的內(nèi)表面和密封板116的內(nèi)表面在閥110內(nèi)形成腔115。閥110進(jìn)一步包括設(shè)置在保持板114與密封板116之間但鄰近密封板116的基本圓形薄片117。薄片117在可替代實(shí)施例中可鄰近保持板114設(shè)置，如將在下文中更詳細(xì)描述的，在此意義上，薄片117被視為“偏置”抵靠密封板116或保持板114中的任一個(gè)。薄片117的圓周部分被夾在密封板116與環(huán)狀壁112之間，以使薄片117的運(yùn)動(dòng)被限制在基本垂直于薄片117的表面的平面中。薄片117在該平面中的運(yùn)動(dòng)在可替代實(shí)施例中還可被薄片117的直接附接到密封板116或壁112的圓周部分、或者被緊密配合在環(huán)狀壁112內(nèi)的薄片117限制。薄片117的其余部分足夠柔軟，并且能沿著基本垂直于薄片117的表面的方向移動(dòng)，以使施加到薄片117的任一表面的力將促使薄片117位于密封板116與保持板114之間。保持板114和密封板116 二者分別具有延伸通過(guò)每個(gè)板的孔洞118和120。薄片 117也具有孔洞122，孔洞122與保持板114的孔洞118基本對(duì)準(zhǔn)，以提供如圖6C和圖gA 中虛箭頭IM所示的流體可流動(dòng)通過(guò)的通路。薄片117中的孔洞122還可部分對(duì)準(zhǔn)，S卩，與保持板114中的孔洞118僅部分重疊。盡管孔洞118、120、122被顯示為具有基本一致的尺寸和形狀，但在不限制本發(fā)明的范圍的情況下可具有不同直徑或甚至不同形狀。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，孔洞118和120在板的表面上形成交替圖案，如圖7D的實(shí)線圓和虛線圓分別所示。在其他實(shí)施例中，孔洞118、120、122在不影響閥110相對(duì)于如單組虛箭頭124 所示的孔洞118、120、122的單對(duì)功能的操作的情況下可被布置成不同圖案?？锥?18、120、 122的圖案可被設(shè)計(jì)成增大或減小孔洞的數(shù)量，以根據(jù)需要控制通過(guò)閥110的流體的總流動(dòng)。例如，孔洞118、120、122可被增大，以減小閥110的流動(dòng)阻力來(lái)增大閥110的總流量。當(dāng)沒(méi)有力施加到薄片117的任一表面以克服薄片117的偏置時(shí)，因?yàn)楸∑?17鄰近密封板116被設(shè)置，其中薄片的孔洞122與密封板116的孔洞118偏移或未對(duì)準(zhǔn)，則閥 110處于“常閉”位置。在該“常閉”位置，通過(guò)密封板116的流體的流動(dòng)如圖7A和圖7B中所示被薄片117的未穿孔部分基本阻擋或覆蓋。當(dāng)壓力施加抵靠薄片117的任一側(cè)時(shí)，該壓力克服薄片117的偏置并如圖6C和圖gA中所示遠(yuǎn)離密封板116而朝向保持板114地推動(dòng)薄片117，閥110經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(打開(kāi)時(shí)間延遲(To))從常閉位置移動(dòng)到“打開(kāi)”位置，允許流體沿著虛箭頭1 所示的方向流動(dòng)。當(dāng)壓力如圖8B所示改變方向時(shí)，薄片117將被朝向密封板116推動(dòng)返回到常閉位置。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，流體將沿著虛箭頭132所示的相
14反方向流動(dòng)較短的時(shí)間(閉合時(shí)間延遲(Tc))，直到薄片117密封密封板116的孔洞120， 以基本阻擋通過(guò)密封板116的流體流動(dòng)，如圖7B所示。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，薄片117 可被偏置抵靠保持板114，其中孔洞118、122在“常開(kāi)”位置對(duì)準(zhǔn)。在該實(shí)施例中，對(duì)薄片 117施加正壓力對(duì)于將薄片117推動(dòng)進(jìn)入到“閉合”位置將是必須的。注意，如在此使用的關(guān)于閥操作的術(shù)語(yǔ)“密封的”和“阻擋的”意在包括下述情況發(fā)生基本(但不完全)密封或阻塞，以使閥的流動(dòng)阻力在“閉合”位置比在“打開(kāi)”位置大。閥110的操作為沿著越過(guò)閥110的流體的差壓(ΔΡ)的方向的變化的函數(shù)。在圖 7B中，壓差已被分配為如向下指示箭頭所示的負(fù)值(-ΔΡ)。當(dāng)壓差具有負(fù)值(-ΔΡ)時(shí)。保持板114的外表面處的流體壓力大于密封板116的外表面處的流體壓力。該負(fù)壓差(-ΔΡ) 驅(qū)動(dòng)薄片117進(jìn)入到如上所述的完全閉合位置，其中薄片117受壓抵靠密封板116，以阻擋密封板116中的孔洞120，由此基本阻止通過(guò)閥110的流體的流動(dòng)。當(dāng)越過(guò)閥110的壓差反轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D8A中的向上指示箭頭所示的正壓差(+ΔΡ)時(shí)，薄片117被遠(yuǎn)離密封板116并朝向保持板114推動(dòng)進(jìn)入到打開(kāi)位置。當(dāng)壓差具有正值(+ΔΡ)時(shí)，密封板116的外表面處的流體壓力大于保持板114的外表面處的流體壓力。在打開(kāi)位置，薄片117的移動(dòng)不堵塞密封板116的孔洞120，以使流體能夠流動(dòng)通過(guò)孔洞120以及薄片117和保持板114各自的對(duì)準(zhǔn)孔洞122和118，如虛箭頭IM所示。當(dāng)越過(guò)閥110的壓差變回到如圖8B中的向下指示箭頭所示的負(fù)壓差(-ΔΡ)時(shí)， 流體開(kāi)始如需箭頭132所示沿著相反方向流動(dòng)通過(guò)閥110，這迫使薄片117返回朝向圖7B 中所示的閉合位置。在圖8B中，薄片117與密封板116之間的流體壓力小于薄片117與保持板114之間的流體壓力。因而，薄片117經(jīng)歷由箭頭138表示的合力，這使薄片117加速朝向密封板116以閉合閥110。通過(guò)這種方式，變化的壓差基于閥110上的壓差的方向 (即，正或負(fù))使閥110在閉合位置與打開(kāi)位置之間循環(huán)。應(yīng)理解的是，當(dāng)沒(méi)有壓差施加在閥110上時(shí)，S卩，閥110將因而處于“常開(kāi)”位置時(shí)，薄片117可在打開(kāi)位置被偏置抵靠保持板 114。再次參照?qǐng)D6A，閥110被設(shè)置在泵10的初級(jí)孔46’內(nèi)，以使流體如實(shí)箭頭所示通過(guò)初級(jí)孔46’被吸入到腔11中并通過(guò)次級(jí)孔15從腔11排出，由此在泵10的初級(jí)孔46’ 處提供減壓源。如向上指示的實(shí)箭頭所示通過(guò)初級(jí)孔46’的流體流動(dòng)對(duì)應(yīng)于如也指向上的虛箭頭IM所示通過(guò)閥110的孔洞118、120的流體流動(dòng)。如上所示，對(duì)于負(fù)壓泵的這種實(shí)施例，閥110的操作為沿著越過(guò)閥110的保持板114的整個(gè)表面的流體的壓差(ΔΡ)的方向的變化的函數(shù)。壓差(ΔΡ)被假設(shè)為在保持板114的整個(gè)表面上基本一致，這是因?yàn)楸３职?14的直徑相對(duì)于腔115中的壓力振蕩的波長(zhǎng)較小，并且因?yàn)殚y110位于靠近腔115 的中央的初級(jí)孔46’(中心壓力反波節(jié)71的振幅相對(duì)恒定)中。當(dāng)越過(guò)閥110的壓差反轉(zhuǎn)變?yōu)槿缭趫D6C和圖8A中所示的正壓差(+ΔΡ)時(shí)，偏置的薄片117被遠(yuǎn)離密封板116正對(duì)保持板114推動(dòng)進(jìn)入到打開(kāi)位置。在該位置，薄片117的移動(dòng)不堵塞密封板116的孔洞 120，以使流體如虛箭頭IM所示被允許流動(dòng)通過(guò)孔洞120以及保持板114的對(duì)準(zhǔn)孔洞118 和薄片117的孔洞122。當(dāng)壓差變回到負(fù)壓差(-ΔΡ)時(shí)，流體開(kāi)始沿著相反方向流動(dòng)通過(guò)閥110(見(jiàn)圖8B)，這迫使薄片117朝向閉合位置返回(見(jiàn)圖7B)。因而，隨著腔11中的壓力振蕩使閥110在常閉位置與常開(kāi)位置之間循環(huán)，泵160在閥110處于打開(kāi)位置時(shí)的每半個(gè)循環(huán)提供減壓。
壓差(ΔΡ)被假設(shè)為在保持板114的整個(gè)表面上基本一致，這是因?yàn)槠淙缟纤鰧?duì)應(yīng)于中心壓力反波節(jié)71，因此其為在閥110上的壓力中沒(méi)有空間變化的較好近似值。盡管在實(shí)踐中閥上的壓力的時(shí)間依賴性可能近似為正弦曲線，在以下分析中，應(yīng)假設(shè)正壓差 (+ΔΡ)值與負(fù)壓差(-ΔΡ)值之間的壓差(ΔΡ)能夠分別由如圖9A中所示的方波的正壓周期(tp+)和負(fù)壓周期(tp_)上的方波表示。由于壓差(ΔΡ)使閥110在常閉位置與常開(kāi)位置之間循環(huán)，泵10在閥110經(jīng)歷同樣如上所述并如在圖9B中所示的打開(kāi)時(shí)間延遲(To)和閉合時(shí)間延遲(Tc)而處于打開(kāi)位置的每半個(gè)循環(huán)提供減壓。當(dāng)閥110上的壓差由于閥110 閉合(見(jiàn)圖7A)而初始為負(fù)并反轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎翰?+ΔΡ)時(shí)，偏置的薄片117在打開(kāi)時(shí)間延遲 (To)后被促使遠(yuǎn)離密封板116朝向保持板114進(jìn)入到打開(kāi)位置(見(jiàn)圖7B)。在該位置，薄片117的移動(dòng)不堵塞密封板116的孔洞120，以使流體如虛箭頭IM所示被允許流動(dòng)通過(guò)孔洞120以及保持板114的對(duì)準(zhǔn)孔洞118和薄片117的孔洞122，由此在打開(kāi)時(shí)間延遲(To) 期間在泵10的初級(jí)孔46’外提供減壓源。當(dāng)閥110上的壓差變回負(fù)壓差(-ΔΡ)時(shí)，流體開(kāi)始沿著相反方向流動(dòng)通過(guò)閥110(見(jiàn)圖7C)，這迫使薄片117在閉合時(shí)間延遲(Tc)后返回朝向閉合位置。閥110在半個(gè)循環(huán)的其余時(shí)間或者閉合周期(tc)保持閉合。保持板114和密封板116應(yīng)足夠堅(jiān)固，以經(jīng)受它們承受的流體壓力振蕩而沒(méi)有明顯的機(jī)械變形。保持板114和密封板116可由諸如玻璃、硅、陶瓷或金屬中的任一合適剛性材料形成。保持板114和密封板116中的孔洞118、120可通過(guò)任一合適的工藝形成，包括化學(xué)腐蝕、激光加工、機(jī)械鉆孔、火藥爆破和沖壓。在一個(gè)實(shí)施例中，保持板114和密封板116 由100微米到200微米厚的鋼板形成，并且其中的孔洞118、120通過(guò)化學(xué)腐蝕形成。薄片 117可由諸如金屬或聚合物膜的任何輕質(zhì)材料形成。在一個(gè)實(shí)施例中，如果在閥的保持板側(cè)134或密封板側(cè)136存在20kHz或更大的流體壓力振蕩時(shí)，薄片117可由厚度在1微米到20微米之間的聚合物薄片形成。例如，薄片117可由厚度近似為3微米的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)或液晶聚合物膜形成。為了獲得薄片117的最大單位面積質(zhì)量的振幅估計(jì)的階數(shù)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，再次假設(shè)閥110上的壓力振蕩為如圖9A中所示的方波，并且總壓差在薄片117上降低。進(jìn)一步假設(shè)薄片117如同剛體移動(dòng)，當(dāng)壓差從負(fù)值反轉(zhuǎn)成正值時(shí)，薄片117遠(yuǎn)離閉合位置的加速度可表示如下
權(quán)利要求
1.一種泵，包括泵體，該泵體具有限定用于容納流體的腔的基本圓柱形形狀，所述腔由在兩端處通過(guò)基本圓形端壁閉合的側(cè)壁形成，所述端壁中的至少一個(gè)為驅(qū)動(dòng)端壁，該驅(qū)動(dòng)端壁具有中心部分和從所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述中心部分徑向向外延伸的周界部分；致動(dòng)器，該致動(dòng)器與所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述中心部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以引起所述驅(qū)動(dòng)端壁的振蕩運(yùn)動(dòng)，由此在使用時(shí)產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)端壁沿著與之基本垂直的方向的位移振蕩， 該位移振蕩在所述驅(qū)動(dòng)端壁的中心與所述側(cè)壁之間具有環(huán)狀波節(jié)；隔離件，該隔離件與所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以減小所述位移振蕩的阻尼；第一孔，該第一孔被設(shè)置在所述腔中除了所述環(huán)狀波節(jié)的位置之外的任一位置，并延伸通過(guò)所述泵體；第二孔，該第二孔被設(shè)置在所述泵體中除了所述第一孔的位置之外的任一位置，并延伸通過(guò)所述泵體；以及瓣閥，該瓣閥被設(shè)置在所述第一孔和所述第二孔中的至少一個(gè)中；從而在使用時(shí)，所述位移振蕩在所述泵體的所述腔內(nèi)產(chǎn)生所述流體的相應(yīng)的徑向壓力振蕩，使得流體流過(guò)所述第一孔和所述第二孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述腔的從所述腔的縱軸線延伸到所述側(cè)壁的半徑 (r)與所述腔的所述側(cè)壁的高度(h)的比率大于大約1. 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述腔的高度(h)和所述腔的半徑ω通過(guò)以下方程式進(jìn)一步相關(guān)h2/r > 4X IO-10米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述第二孔被設(shè)置在所述端壁之一中距該端壁的中心大約0. 63 (r) 士 0. 2 (r)的距離處。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)與其相關(guān)聯(lián)的端壁，從而以頻率(f) 引起所述振蕩運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)與其相關(guān)聯(lián)的端壁，從而以頻率(f) 引起所述振蕩運(yùn)動(dòng)，其中所述半徑(r)通過(guò)以下方程式與所述頻率(f)相關(guān)Kcs^rMf27rf7.7^其中 Cs ^ 115m/s,cr ^ 1970m/s,以及k0 = 3. 83ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述徑向壓力振蕩的最低共振頻率大于大約500Hz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述位移振蕩的頻率大約等于所述徑向壓力振蕩的最低共振頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述位移振蕩的頻率在所述徑向壓力振蕩的最低共振頻率的20%以內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述位移振蕩為與所述徑向壓力振蕩匹配的振型。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述閥允許所述流體基本沿著一個(gè)方向流動(dòng)通過(guò)所述腔。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中當(dāng)在所述腔內(nèi)使用的所述流體為氣體時(shí)，所述比率在大約10到大約50之間的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泵，其中當(dāng)所述腔內(nèi)使用的所述流體為氣體時(shí)，所述比率 h2/r在大約10_3米到大約10_6米之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述腔的體積小于大約10ml。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，進(jìn)一步包括第二致動(dòng)器，該第二致動(dòng)器與另一端壁的中心部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以引起該端壁沿著與其基本垂直的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)；以及第二隔離件，該第二隔離件與該端壁的周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以在所述腔內(nèi)通過(guò)所述側(cè)壁減小該端壁的振蕩運(yùn)動(dòng)的阻尼。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述致動(dòng)器包括用于引起所述振蕩運(yùn)動(dòng)的壓電部件。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述致動(dòng)器包括用于提供所述振蕩運(yùn)動(dòng)的磁致伸縮部件。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述致動(dòng)器的半徑大于或等于0.63 (r)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的泵，其中所述致動(dòng)器的半徑小于或等于所述腔的半徑(r)。
20.一種泵，包括泵體，該泵體具有用于容納流體的基本圓柱形的腔，所述腔具有由兩個(gè)端表面閉合的側(cè)壁，所述腔具有高度(h)和半徑(r)，其中所述半徑(r)與所述高度(h)的比率大于大約 1. 2 ；致動(dòng)器，該致動(dòng)器與一個(gè)端表面的中心部分操作性地相關(guān)聯(lián)，并適于在使用時(shí)引起所述端表面的振蕩運(yùn)動(dòng)，該振蕩運(yùn)動(dòng)在所述端表面的中心與所述側(cè)壁之間具有環(huán)狀波節(jié)；隔離件，該隔離件與所述端表面的周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以減小所述振蕩運(yùn)動(dòng)的阻尼；第一閥孔，該第一閥孔被設(shè)置在所述腔中除了所述環(huán)狀波節(jié)的位置之外的任一位置， 并延伸通過(guò)所述泵體；第二閥孔，該第二閥孔被設(shè)置在所述泵體中除了所述第一孔的位置之外的任一位置， 并延伸通過(guò)所述泵體；和瓣閥，該瓣閥被設(shè)置在所述第一閥孔和所述第二閥孔中的至少一個(gè)中，以使所述流體能夠在使用時(shí)流動(dòng)通過(guò)所述腔。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述瓣閥包括第一板，該第一板具有大致垂直延伸通過(guò)所述第一板的孔；第二板，該第二板具有大致垂直延伸通過(guò)所述第二板的第一孔，所述第一孔從所述第一板的所述孔基本偏移；間隔件，該間隔件被設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間，以在所述第一板與所述第二板之間形成與所述第一板的所述孔和所述第二板的所述第一孔流體連通的腔；以及薄片，該薄片被設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng)，所述薄片具有從所述第一板的所述孔基本偏移并與所述第二板的所述第一孔基本對(duì)準(zhǔn)的孔；從而，所述薄片響應(yīng)越過(guò)所述瓣閥的所述流體的壓差的方向的變化在所述第一板與所述第二板之間被推動(dòng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述第二板包括第二孔，該第二孔大致垂直延伸通過(guò)所述第二板并在所述第二板的所述第一孔之間被隔開(kāi)，從而所述第二孔從所述薄片的所述孔偏移。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述薄片被設(shè)置為當(dāng)所述壓差基本為零時(shí)處于鄰近所述第一板和所述第二板中的任一個(gè)的第一位置，并在施加壓差時(shí)能移動(dòng)到所述第一板和所述第二板中的另一個(gè)處的第二位置，從而，所述薄片響應(yīng)越過(guò)所述瓣閥的所述流體的壓差的方向的變化從所述第一位置被推動(dòng)到所述第二位置，并響應(yīng)所述流體的壓差的方向的反轉(zhuǎn)被推動(dòng)回到所述第一位置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，其中所述薄片被設(shè)置在鄰近所述第二板的常開(kāi)位置， 從而，當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過(guò)所述瓣閥，當(dāng)所述薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述瓣閥阻擋。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的泵，其中所述第二板進(jìn)一步包括第二孔，該第二孔大致垂直延伸通過(guò)所述第二板并在所述第二板的所述第一孔之間被隔開(kāi)，從而在所述第二位置時(shí)所述第二孔從所述薄片的所述孔偏移。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，其中所述薄片被設(shè)置在鄰近所述第一板的在常閉位置，從而，當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述瓣閥阻擋，當(dāng)所述薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過(guò)所述瓣閥。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的泵，其中所述第二板進(jìn)一步包括第二孔，該第二孔大致垂直延伸通過(guò)所述第二板并在所述第二板的所述第一孔之間被隔開(kāi)，從而在所述第二位置時(shí)所述第二孔從所述薄片的所述孔偏移。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述第一板和所述第二板由選自由金屬、塑料、硅和玻璃組成的組的基本剛性材料形成。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的泵，其中所述金屬為具有大約100微米到大約200微米之間的厚度的鋼。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述薄片以及所述第一板和所述第二板中的任一個(gè)在所述薄片被設(shè)置鄰近另一所述板時(shí)被分離開(kāi)大約5微米到大約150微米之間的距離。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的泵，其中所述薄片由具有大約3微米的厚度的聚合物形成， 并且所述薄片與所述第一板和所述第二板中的任一個(gè)之間的距離在所述薄片被設(shè)置鄰近另一所述板時(shí)在大約15微米到大約50微米之間。
32.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述薄片由選自由聚合物和金屬組成的組的輕質(zhì)材料形成。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的泵，其中所述輕質(zhì)材料為具有小于大約20微米的厚度的聚合物。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的泵，其中所述聚合物為具有大約3微米的厚度的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的泵，其中所述聚合物為具有大約3微米的厚度的液晶膜。
36.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述第一板中的所述孔的直徑小于大約500微米。
37.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述薄片由具有大約3微米厚度的聚合物形成，并且所述第一板中的所述孔的直徑小于大約150微米。
38.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述第一板和所述第二板由具有大約100微米的厚度的鋼形成，并且其中，所述第一板的所述孔、所述第二板的所述第一孔和所述薄片的所述孔的直徑為大約150微米，并且其中，所述薄片由具有大約3微米厚度的聚合物膜形成。
39.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述壓差的方向的變化以大于大約20kHz的頻率振蕩。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的泵，其中所述薄片具有小于所述壓差振蕩的時(shí)間周期的大約百分之二十五的響應(yīng)時(shí)間延遲。
41.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述第一板和所述第二板、所述間隔件和所述薄片包括第一閥部分，并且所述瓣閥進(jìn)一步包括第二閥部分，該第二閥部分包括第一板，該第一板具有大致垂直延伸通過(guò)所述第一板的孔；第二板，該第二板具有大致垂直延伸通過(guò)所述第二板的第一孔，所述第一孔從所述第一板的所述孔基本偏移；間隔件，該間隔件被設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間，以在所述第一板與所述第二板之間形成與所述第一板的所述孔和所述第二板的所述第一孔流體連通的腔；以及薄片，該薄片被設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng)，所述薄片具有從所述第一板的所述孔基本偏移并與所述第二板中的所述第一孔基本對(duì)準(zhǔn)的孔；從而，所述薄片響應(yīng)越過(guò)所述瓣閥的所述流體的壓差的方向的變化在所述第一板與所述第二板之間被推動(dòng)；以及其中所述第一閥部分和所述第二閥部分相對(duì)于所述壓差被定向，以允許流體響應(yīng)越過(guò)所述閥的所述流體的壓差的循環(huán)沿著相反方向流動(dòng)通過(guò)所述閥的所述兩個(gè)部分。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的泵，其中每個(gè)閥部分的所述薄片被設(shè)置為當(dāng)所述壓差基本為零時(shí)處于鄰近所述第一板和所述第二板中的任一個(gè)的第一位置，并在施加壓差時(shí)能移動(dòng)到所述第一板和所述第二板中的另一個(gè)處的第二位置，從而，所述薄片中的每一個(gè)響應(yīng)越過(guò)所述瓣閥的所述流體的壓差的方向的變化從所述第一位置被推動(dòng)到所述第二位置，并響應(yīng)所述流體的壓差的方向的反轉(zhuǎn)被推動(dòng)回到所述第一位置。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的泵，其中所述第一閥部分和所述第二閥部分關(guān)于所述壓差沿著相反方向定向，并且每個(gè)閥部分的所述薄片被設(shè)置在鄰近所述第二板的常開(kāi)位置，從而，當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過(guò)所述閥部分中的每一個(gè)，當(dāng)所述薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述閥部分阻擋。
44.根據(jù)權(quán)利要求41所述的泵，其中所述第一閥部分和所述第二閥部分關(guān)于所述壓差沿著相反方向定向，并且每個(gè)閥部分的所述薄片被設(shè)置在鄰近所述第一板的常閉位置，從而，當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述閥部分阻擋，當(dāng)所述薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過(guò)所述閥部分。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的泵，其中所述第一閥部分和所述第二閥部分關(guān)于所述壓差沿著相反方向定向，所述第一閥部分的所述薄片被設(shè)置在鄰近所述第一板的常閉位置，從而當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述第一閥部分阻擋，當(dāng)所述薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過(guò)所述第一閥部分；并且，所述第二閥部分的所述薄片被設(shè)置在鄰近所述第二板的常開(kāi)位置，從而當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過(guò)所述第二閥部分，當(dāng)所述薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述第二閥部分阻擋。
46.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述振蕩運(yùn)動(dòng)在所述腔內(nèi)產(chǎn)生所述流體的徑向壓力振蕩，使流體流過(guò)所述第一孔和所述第二孔。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的泵，其中所述徑向壓力振蕩的最低共振頻率大于大約 500Hz。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的泵，其中所述振蕩運(yùn)動(dòng)的頻率大約等于所述徑向壓力振蕩的最低共振頻率。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的泵，其中所述振蕩運(yùn)動(dòng)的頻率在所述徑向壓力振蕩的最低共振頻率的20%以內(nèi)。
50.根據(jù)權(quán)利要求46所述的泵，其中所述振蕩運(yùn)動(dòng)為與所述徑向壓力振蕩匹配的振型。
51.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述腔的高度(h)和所述腔的半徑ω通過(guò)以下方程式進(jìn)一步相關(guān)h2/r > 4X ΙΟ"10米。
52.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)與其相關(guān)聯(lián)的所述腔的端表面， 從而以頻率(f)引起所述振蕩運(yùn)動(dòng)，其中半徑(r)通過(guò)以下方程式與所述頻率(f)相關(guān) 其中
53.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述致動(dòng)器的半徑大于或等于0.63 (r)。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的泵，其中所述致動(dòng)器的半徑小于或等于所述腔的半徑(r)。
55.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述第二閥孔被設(shè)置在所述端表面之一中距該端表面的中心大約0. 63 (r) 士 0. 2(r)的距離處。
56.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述閥允許所述流體基本沿著一個(gè)方向流動(dòng)通過(guò)所述腔。
57.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中當(dāng)在所述腔內(nèi)使用的所述流體為氣體時(shí)，所述比率在大約10到大約50之間的范圍內(nèi)。
58.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中當(dāng)所述腔內(nèi)使用的所述流體為氣體時(shí)，所述比率 h2/r在大約10_3米到大約10_6米之間。
59.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述腔的體積小于大約10ml。
60.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，進(jìn)一步包括第二致動(dòng)器，該第二致動(dòng)器與所述腔的另一端表面的中心部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以引起該端表面的振蕩運(yùn)動(dòng)；以及第二隔離件，該第二隔離件與該端表面的周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以減小所述振蕩運(yùn)動(dòng)的阻尼。
61.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述致動(dòng)器包括用于引起所述振蕩運(yùn)動(dòng)的壓電部件。
62.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述致動(dòng)器包括用于提供所述振蕩運(yùn)動(dòng)的磁致伸縮部件。
63.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述腔的所述端表面中的一個(gè)具有截頭圓錐形形狀，其中所述腔的高度(h)從位于所述一個(gè)端表面的大約中心處的第一高度變化至鄰近所述側(cè)壁的小于所述第一高度的第二高度。
64.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述腔的所述端表面中的一個(gè)具有截頭圓錐形形狀，其中所述腔的高度(h)從位于所述一個(gè)端表面的大約中心處的第一高度增大至鄰近所述側(cè)壁的第二高度。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的泵，其中所述第一高度與所述第二高度的比率不小于大約 50%。
66.根據(jù)權(quán)利要求20所述的泵，其中所述瓣閥為用于控制沿著兩個(gè)方向的流體流動(dòng)的雙向閥，所述雙向閥包括用于控制所述流體流動(dòng)的至少兩個(gè)閥部分，所述閥部分中的每一個(gè)包括第一板，該第一板具有大致垂直延伸通過(guò)所述第一板的孔；第二板，該第二板具有大致垂直延伸通過(guò)所述第二板的孔，第一孔從所述第一板的所述孔基本偏移；間隔件，該間隔件被設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間，以在所述第一板與所述第二板之間形成與所述第一板的所述孔和所述第二板的所述孔流體連通的腔；以及薄片，該薄片被設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng)，所述薄片具有從所述第一板的所述孔基本偏移并與所述第二板的所述孔基本對(duì)準(zhǔn)的孔；從而，所述薄片響應(yīng)越過(guò)所述閥的所述流體的壓差的方向的變化在所述第一板與所述第二板之間被推動(dòng)；以及其中所述第一閥部分和所述第二閥部分相對(duì)于所述壓差被定向，以允許流體響應(yīng)越過(guò)所述閥的所述流體的壓差的循環(huán)沿著相反方向流動(dòng)通過(guò)所述閥的所述兩個(gè)部分。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的雙向閥，其中每個(gè)閥部分的所述薄片被設(shè)置為當(dāng)所述壓差基本為零時(shí)處于鄰近所述第一板和所述第二板中的任一個(gè)的第一位置，并在施加壓差時(shí)能移動(dòng)到所述第一板和所述第二板中的另一個(gè)處的第二位置，從而，所述薄片中的每一個(gè)響應(yīng)越過(guò)所述閥的所述流體的壓差的方向的變化從所述第一位置被推動(dòng)到所述第二位置，并響應(yīng)所述流體的壓差的方向的反轉(zhuǎn)被推動(dòng)回到所述第一位置。
全文摘要
公開(kāi)一種泵，其具有基本圓柱形形狀并限定腔，該腔由在兩端通過(guò)端壁閉合的側(cè)壁形成，其中所述腔容納流體。所述泵進(jìn)一步包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器與所述端壁中的至少一個(gè)操作性地相關(guān)聯(lián)，以引起驅(qū)動(dòng)端壁的振蕩運(yùn)動(dòng)，從而在腔內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)端壁的位移振蕩。所述泵進(jìn)一步包括隔離件，該隔離件與驅(qū)動(dòng)端壁的周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，以減小位移振蕩的阻尼。所述泵進(jìn)一步包括閥，該閥用于控制通過(guò)該閥的流體的流動(dòng)。所述閥具有帶有偏移孔的第一板和第二板，以及圍繞所述板的周界設(shè)置在所述板之間的側(cè)壁，以形成與所述孔流體連通的腔。所述閥進(jìn)一步包括薄片，該薄片設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng)，該薄片并具有從一個(gè)板的孔基本偏移且與另一個(gè)板的孔基本對(duì)準(zhǔn)的孔。所述薄片響應(yīng)越過(guò)所述閥的流體的壓差的方向的變化在兩個(gè)板之間被推動(dòng)。
文檔編號(hào)F04B43/04GK102459899SQ200980159668
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者斯圖亞特·安德魯·哈特菲爾德, 理查德·揚(yáng)瑟·范·倫斯堡, 詹姆斯·愛(ài)德華·麥克龍, 賈絲廷·羅克·巴克蘭 申請(qǐng)人:技術(shù)合伙公司