專利名稱：一種基于附壁效應(yīng)的三腔無(wú)閥壓電泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流體傳輸與控制以及微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于附壁效應(yīng)的三腔無(wú)閥壓電泵。
背景技術(shù)：
壓電泵是機(jī)械式微泵的一種，屬于容積泵，廣泛應(yīng)用在藥物微量輸運(yùn)、細(xì)胞分離、電子產(chǎn)品(如CPU)降溫、燃料微量噴射、化學(xué)微分析、管道流動(dòng)中轉(zhuǎn)捩控制等領(lǐng)域；依據(jù)有無(wú)閥片結(jié)構(gòu)，可將壓電泵分為有閥壓電泵和無(wú)閥壓電泵兩類，無(wú)閥壓電泵沒有單向閥結(jié)構(gòu)，加工簡(jiǎn)單，易于微型化，且流體介質(zhì)不會(huì)因?yàn)殚y結(jié)構(gòu)而被隔斷，避免一些敏感介質(zhì)受到影
響；大多數(shù)無(wú)閥壓電泵的結(jié)構(gòu)是在泵腔連接兩個(gè)特殊結(jié)構(gòu)流管，利用特殊結(jié)構(gòu)流管兩個(gè)方向上流動(dòng)的流阻差異產(chǎn)生泵送效果，常見的特殊結(jié)構(gòu)流管有錐形管，tesla管，三通管等；由于特殊結(jié)構(gòu)流管的流阻差異不大，該類型無(wú)閥壓電泵的容積效率較低，且輸送方向無(wú)法改變，限制了無(wú)閥壓電泵的應(yīng)用，利用附壁效應(yīng)改變射流方向的射流控制元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)射流兩側(cè)的壓強(qiáng)即可偏轉(zhuǎn)流動(dòng)方向，可以被應(yīng)用于研制雙向輸送的無(wú)閥壓電泵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有無(wú)閥壓電泵容積效率低、單向泵送的不足，提供一種基于附壁效應(yīng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容積效率高、可實(shí)現(xiàn)雙向輸送的三腔無(wú)閥壓電泵。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括泵體、泵蓋和三個(gè)壓電振子，泵體和泵蓋鍵合，三個(gè)壓電振子固定于泵蓋上方，泵蓋上設(shè)置有三個(gè)上泵腔，一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，泵體上設(shè)置有對(duì)應(yīng)于上泵腔的三個(gè)下泵腔，進(jìn)口腔、出口腔以及射流控制元件；三個(gè)下泵腔與三個(gè)上泵腔分別連通，進(jìn)出口腔分別與泵的進(jìn)出口連通，其特征在于射流控制元件由一個(gè)三通管和三個(gè)直流管組成，其中三通管是由一個(gè)匯流錐管和兩個(gè)相同的分流管組成的三通結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分流管的一端與匯流錐管截面積較大的一端連通，另一端分別與進(jìn)出口腔連通，三個(gè)直流管的一端分別連接三個(gè)下泵腔，另一端交匯并與匯流錐管最小截面連通，射流控制元件關(guān)于匯流錐管中心線呈中心對(duì)稱。匯流錐管最小截面寬度a的取值范圍為40 μ m至Imm,匯流錐管長(zhǎng)度L為2至10倍的匯流管最小截面寬度，匯流錐管錐角兮力20°至60，三個(gè)交匯的直流管中相鄰的兩個(gè)直流管之間的夾角相同，為30°至90°，其余結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為常規(guī)取值。當(dāng)壓電振子變形使泵腔變小時(shí)，該泵處于排出過程，通過分別調(diào)節(jié)分布在三通管兩側(cè)的兩個(gè)壓電振子的變形量可以分別調(diào)節(jié)三通管兩側(cè)兩個(gè)直流管的流量，兩股流量不同的射流在匯流錐管中與另一沿匯流錐管方向的射流匯合，造成匯流錐管兩側(cè)區(qū)域壓強(qiáng)不同，發(fā)生附壁效應(yīng)并改變射流方向，使流體緊貼匯流錐管一側(cè)并從其中一個(gè)分流管流出，當(dāng)壓電振子變形使泵腔變大時(shí)，該泵處于吸入過程，從兩個(gè)分流管流入泵腔的流量基本相同，分流管兩個(gè)方向上流量的差值為一個(gè)周期的泵送流量。本發(fā)明的有益效果是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化，泵的容積效率高，并且可以實(shí)現(xiàn)雙向輸送流體。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖視圖2為本發(fā)明俯視圖3為圖1中A-A剖面圖4為圖3中I局部放大圖5為圖2中B-B剖面圖6是圖2中C-C剖面圖7是本發(fā)明工作狀態(tài)I時(shí)排出過程工作原理8是本發(fā)明工作狀態(tài)I時(shí)吸入過程工作原理9是本發(fā)明工作狀態(tài)II時(shí)排出過程工作原理10是本發(fā)明工作狀態(tài)II時(shí)吸入過程工作原理圖11是實(shí)施例1在排出過程中的速度矢量圖12是實(shí)施例1在吸入過程中的速度矢量圖13是實(shí)施例1 一個(gè)周期內(nèi)分流管18、19的瞬時(shí)流量曲線；
圖14是實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)尺寸；
圖中1、7、10.壓電振子；2、21、22.上泵腔；3.泵蓋；4、11、14.下泵腔
件；6.泵體；8、9·泵的進(jìn)出口 ； 12、13.進(jìn)出口腔；15、16、20.直流管；17.
19.分流管。
5.射流控制元匯流錐管；18具體實(shí)施例方式如圖1、2、3、4、5、6所示，本發(fā)明包括泵體6、泵蓋3和三個(gè)壓電振子1、7、10，泵體
6和泵蓋3鍵合，三個(gè)壓電振子1、7、10通過黏結(jié)劑固定于泵蓋3上方，在泵蓋上加工出三個(gè)上泵腔2、21、22，兩個(gè)泵的進(jìn)出口 8、9，在泵體加工出三個(gè)下泵腔4、11、14，兩個(gè)進(jìn)出口腔12、13以及射流控制元件5 ;下泵腔4與上泵腔2連通，下泵腔11與上泵腔21連通，下泵腔14與上泵腔22連通，進(jìn)出口腔12、13分別與進(jìn)出口 8、9連通，射流控制元件5為一個(gè)由匯流錐管17和兩個(gè)相同的分流管18、19組成的三通結(jié)構(gòu)和三個(gè)直流管15、16、20 ;分流管18和分流管19的一端交匯并與匯流錐管17截面積較大的一端連通，另一端分別與進(jìn)口腔12和出口腔13連通，直流管15、直流管16和直流管20的一端分別連接下泵腔4、下泵腔11和下泵腔14，另一端交匯并與匯流錐管17最小截面連通，射流控制元件5關(guān)于匯流錐管17中心線呈中心對(duì)稱。本發(fā)明工作時(shí)，分別加載同相位的交變電壓使三個(gè)壓電振子1、7、10同步振動(dòng)，若壓電振子I和壓電振子7的振動(dòng)幅度相同，壓電振子10的振動(dòng)幅度較小，為工作狀態(tài)I ;若壓電振子I和壓電振子10的振動(dòng)幅度相同，壓電振子7的振動(dòng)幅度較小，為工作狀態(tài)II。壓電振子1、7、10向下振動(dòng)為排出過程，上泵腔2、21、22體積減小，流體從下泵腔4、11、14經(jīng)由射流控制元件5排出，壓電振子1、7、10向上振動(dòng)為吸入過程，上泵腔2、21、22體積增加，流體從外界經(jīng)由射流控制元件5流入下泵腔4、11、14 ;若處于工作狀態(tài)I下，排出過程中射流控制元件5中流動(dòng)情況如圖7所示，直流管15和直流管16中的流量為1 ，直
流管20中的流量較小，為Q':，由于附壁效應(yīng)，匯流錐管17中流動(dòng)偏向分流管19 一側(cè)，并經(jīng)
由分流管19流出，同時(shí)分流管18中的部分流體被卷吸進(jìn)入分流管19，流量為，從分流
管19流出的總流量為I ., = IQc +名+ Qin ;吸入過程中射流控制元件5中流動(dòng)情況如圖
8所示，由于壓電振子1、7、10向上振動(dòng)和向下振動(dòng)的變形量相同，直流管15、16、20中的流量分別與排出過程時(shí)相同，而流動(dòng)方向相反，經(jīng)由分流管18和分流管19流入?yún)R流管的流量
相同，為込=奮(2< c+0。一個(gè)周期的栗送流量為分流管18或分流管19兩個(gè)方向上流量
的差值，即I (2 + ! ) +I。
若處于工作狀態(tài)II下，排出過程中射流控制元件5中流動(dòng)情況如圖9所示，直流管15和直流管20中的流量為< ε，直流管16中的流量較小，為泛:，由于附壁效應(yīng)，匯流錐管17中流動(dòng)偏向分流管18 —側(cè)，并經(jīng)由分流管18流出，同時(shí)分流管19中的部分流體被卷吸進(jìn)
入分流管膚為匕’從分流管_的總流量為
流動(dòng)情況如圖10所示，流動(dòng)與工作狀態(tài)I相似，經(jīng)由分流管18和分流管19流入?yún)R流管的流量相同，為￠,,工作狀態(tài)II 一個(gè)周期的泵送流量也為I (2^ T⑩T ,工作狀態(tài)II與工
作狀態(tài)I相比輸送方向相反，泵送流量相同。
實(shí)施例1 :本實(shí)施例為流體數(shù)值模擬，圖14所示的是本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)尺寸，具體尺寸為匯流錐管17最小截面寬度a為150 μ m，錐角各為32°，長(zhǎng)度L為700 μ m,三個(gè)交匯的直
流管中相鄰的兩個(gè)直流管之間的夾角相同，為90° ;分流管18、19寬度均為235μπι，
夾角4力32°，直流管15、16、20的寬度·&!、 2、4均為100 μ m，管道深度h均為IOOym;用
正弦變化的速度邊界條件代替因壓電振子1、7、10振動(dòng)產(chǎn)生的上泵腔2、21、22和下泵腔4、11、14的容積變化，頻率為100Hz，直流管15、16、20的最大平均速度分別為10m/s、10m/s、lm/s,流體介質(zhì)為水,使用SST瑞流模型。圖11和圖12所示的分別是實(shí)施例在排出過程和吸入過程的速度矢量圖，在排出過程中發(fā)生附壁效應(yīng)，吸入過程中分流管18、19的流速分布相差不大；圖13所示的是實(shí)施例一個(gè)周期內(nèi)分流管18、19的瞬時(shí)流量，計(jì)算可得該實(shí)施例的泵送流量為67. 6%。
權(quán)利要求
1.一種基于附壁效應(yīng)的三腔無(wú)閥壓電泵，包括泵體、泵蓋和三個(gè)壓電振子，泵體和泵蓋鍵合，三個(gè)壓電振子固定于泵蓋上方，泵蓋上設(shè)置有三個(gè)上泵腔，一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，泵體上設(shè)置有對(duì)應(yīng)于上泵腔的三個(gè)下泵腔，進(jìn)口腔、出口腔以及射流控制元件；三個(gè)下泵腔與三個(gè)上泵腔分別連通，進(jìn)出口腔分別與泵的進(jìn)出口連通，其特征在于射流控制元件由一個(gè)三通管和三個(gè)直流管組成，其中三通管是由一個(gè)匯流錐管和兩個(gè)相同的分流管組成的三通結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分流管的一端與匯流錐管截面積較大的一端連通，另一端分別與進(jìn)出口腔連通，三個(gè)直流管的一端分別連接三個(gè)下泵腔，另一端交匯并與匯流錐管最小截面連通，射流控制元件關(guān)于匯流錐管中心線呈中心對(duì)稱。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于附壁效應(yīng)的三腔無(wú)閥壓電泵，其特征在于匯流錐管最小截面寬度a的取值范圍為40 μ m至1mm，匯流錐管長(zhǎng)度L為2至10倍的匯流管最小截面寬度，匯流錐管錐角每為20°至·60，三個(gè)交匯的直流管中相鄰的兩個(gè)直流管之間的夾角相同，為30°至90°。
全文摘要
本發(fā)明涉及微流體傳輸與控制以及微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于附壁效應(yīng)的三腔無(wú)閥壓電泵。包括射流控制元件，其特征在于射流控制元件由一個(gè)三通管和三個(gè)直流管組成，其中三通管是由一個(gè)匯流錐管和兩個(gè)相同的分流管組成的三通結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分流管的一端與匯流錐管截面積較大的一端連通，另一端分別與進(jìn)出口腔連通，三個(gè)直流管的一端分別連接三個(gè)下泵腔，另一端交匯并與匯流錐管最小截面連通，射流控制元件關(guān)于匯流錐管中心線呈中心對(duì)稱。本發(fā)明的有益效果是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化，泵的容積效率高，并且可以實(shí)現(xiàn)雙向輸送流體。
文檔編號(hào)F04B53/00GK103016317SQ20121053632
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者楊嵩, 袁壽其, 何秀華, 禚洪彩, 李富 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)