CN103016317B - 一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流体传输与控制以及微机械技术领域，特指一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵。包括射流控制元件，其特征在于：射流控制元件由一个三通管和三个直流管组成，其中三通管是由一个汇流锥管和两个相同的分流管组成的三通结构，两个分流管的一端与汇流锥管截面积较大的一端连通，另一端分别与进出口腔连通，三个直流管的一端分别连接三个下泵腔，另一端交汇并与汇流锥管最小截面连通，射流控制元件关于汇流锥管中心线呈中心对称。本发明的有益效果是：结构简单，易于微型化，泵的容积效率高，并且可以实现双向输送流体。

Description

一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵
技术领域
本发明涉及微流体传输与控制以及微机械技术领域，特指一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵。
背景技术
压电泵是机械式微泵的一种，属于容积泵，广泛应用在药物微量输运、细胞分离、电子产品（如CPU）降温、燃料微量喷射、化学微分析、管道流动中转捩控制等领域；依据有无阀片结构，可将压电泵分为有阀压电泵和无阀压电泵两类，无阀压电泵没有单向阀结构，加工简单，易于微型化，且流体介质不会因为阀结构而被隔断，避免一些敏感介质受到影响；大多数无阀压电泵的结构是在泵腔连接两个特殊结构流管，利用特殊结构流管两个方向上流动的流阻差异产生泵送效果，常见的特殊结构流管有锥形管，tesla管，三通管等；由于特殊结构流管的流阻差异不大，该类型无阀压电泵的容积效率较低，且输送方向无法改变，限制了无阀压电泵的应用，利用附壁效应改变射流方向的射流控制元件具有结构简单，易于控制的特点，通过调节射流两侧的压强即可偏转流动方向，可以被应用于研制双向输送的无阀压电泵。
发明内容
本发明的目的是针对已有无阀压电泵容积效率低、单向泵送的不足，提供一种基于附壁效应设计的结构简单、容积效率高、可实现双向输送的三腔无阀压电泵。
本发明采用的技术方案是：包括泵体、泵盖和三个压电振子，泵体和泵盖键合，三个压电振子固定于泵盖上方，泵盖上设置有三个上泵腔，一个进口和一个出口，泵体上设置有对应于上泵腔的三个下泵腔，进口腔、出口腔以及射流控制元件；三个下泵腔与三个上泵腔分别连通，进出口腔分别与泵的进出口连通，其特征在于：射流控制元件由一个三通管和三个直流管组成，其中三通管是由一个汇流锥管和两个相同的分流管组成的三通结构，两个分流管的一端与汇流锥管截面积较大的一端连通，另一端分别与进出口腔连通，三个直流管的一端分别连接三个下泵腔，另一端交汇并与汇流锥管最小截面连通，射流控制元件关于汇流锥管中心线呈中心对称。
汇流锥管最小截面宽度a的取值范围为40μm至1mm，汇流锥管长度L为2至10倍的汇流管最小截面宽度，汇流锥管锥角                                                为20°至60，三个交汇的直流管中相邻的两个直流管之间的夹角相同，为30°至90°，其余结构尺寸参数为常规取值。
当压电振子变形使泵腔变小时，该泵处于排出过程，通过分别调节分布在三通管两侧的两个压电振子的变形量可以分别调节三通管两侧两个直流管的流量，两股流量不同的射流在汇流锥管中与另一沿汇流锥管方向的射流汇合，造成汇流锥管两侧区域压强不同，发生附壁效应并改变射流方向，使流体紧贴汇流锥管一侧并从其中一个分流管流出，当压电振子变形使泵腔变大时，该泵处于吸入过程，从两个分流管流入泵腔的流量基本相同，分流管两个方向上流量的差值为一个周期的泵送流量。
本发明的有益效果是：结构简单，易于微型化，泵的容积效率高，并且可以实现双向输送流体。
附图说明
图1为本发明结构剖视图；
图2为本发明俯视图；
图3为图1中A-A剖面图；
图4为图3中I局部放大图；
图5为图2中B-B剖面图；
图6是图2中C-C剖面图；
图7是本发明工作状态Ⅰ时排出过程工作原理图；
图8是本发明工作状态Ⅰ时吸入过程工作原理图；
图9是本发明工作状态Ⅱ时排出过程工作原理图；
图10是本发明工作状态Ⅱ时吸入过程工作原理图；
图11是实施例1在排出过程中的速度矢量图；
图12是实施例1在吸入过程中的速度矢量图；
图13是实施例1一个周期内分流管18、19的瞬时流量曲线；
图14是实施例1的结构尺寸；
图中：1、7、10.压电振子；2、21、22.上泵腔；3.泵盖；4、11、14.下泵腔；5.射流控制元件；6.泵体；8、9.泵的进出口； 12、13.进出口腔；15、16、20.直流管；17.汇流锥管；18、19.分流管。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5、6所示，本发明包括泵体6、泵盖3和三个压电振子1、7、10，泵体6和泵盖3键合，三个压电振子1、7、10通过黏结剂固定于泵盖3上方，在泵盖上加工出三个上泵腔2、21、22，两个泵的进出口8、9，在泵体加工出三个下泵腔4、11、14，两个进出口腔12、13以及射流控制元件5；下泵腔4与上泵腔2连通，下泵腔11与上泵腔21连通，下泵腔14与上泵腔22连通，进出口腔12、13分别与进出口8、9连通，射流控制元件5为一个由汇流锥管17和两个相同的分流管18、19组成的三通结构和三个直流管15、16、20；分流管18和分流管19的一端交汇并与汇流锥管17截面积较大的一端连通，另一端分别与进口腔12和出口腔13连通，直流管15、直流管16和直流管20的一端分别连接下泵腔4、下泵腔11和下泵腔14，另一端交汇并与汇流锥管17最小截面连通，射流控制元件5关于汇流锥管17中心线呈中心对称。
本发明工作时，分别加载同相位的交变电压使三个压电振子1、7、10同步振动，若压电振子1和压电振子7的振动幅度相同，压电振子10的振动幅度较小，为工作状态Ⅰ；若压电振子1和压电振子10的振动幅度相同，压电振子7的振动幅度较小，为工作状态Ⅱ。
压电振子1、7、10向下振动为排出过程，上泵腔2、21、22体积减小，流体从下泵腔4、11、14经由射流控制元件5排出，压电振子1、7、10向上振动为吸入过程，上泵腔2、21、22体积增加，流体从外界经由射流控制元件5流入下泵腔4、11、14；若处于工作状态Ⅰ下，排出过程中射流控制元件5中流动情况如图7所示，直流管15和直流管16中的流量为，直流管20中的流量较小，为，由于附壁效应，汇流锥管17中流动偏向分流管19一侧，并经由分流管19流出，同时分流管18中的部分流体被卷吸进入分流管19，流量为，从分流管19流出的总流量为；吸入过程中射流控制元件5中流动情况如图8所示，由于压电振子1、7、10向上振动和向下振动的变形量相同，直流管15、16、20中的流量分别与排出过程时相同，而流动方向相反，经由分流管18和分流管19流入汇流管的流量相同，为。一个周期的泵送流量为分流管18或分流管19两个方向上流量的差值，即。
若处于工作状态Ⅱ下，排出过程中射流控制元件5中流动情况如图9所示，直流管15和直流管20中的流量为，直流管16中的流量较小，为，由于附壁效应，汇流锥管17中流动偏向分流管18一侧，并经由分流管18流出，同时分流管19中的部分流体被卷吸进入分流管18，流量为，从分流管18流出的总流量为；吸入过程中射流控制元件5中流动情况如图10所示，流动与工作状态Ⅰ相似，经由分流管18和分流管19流入汇流管的流量相同，为，工作状态Ⅱ一个周期的泵送流量也为，工作状态Ⅱ与工作状态Ⅰ相比输送方向相反，泵送流量相同。
实施例1：本实施例为流体数值模拟，图14所示的是本实施例的结构尺寸，具体尺寸为：汇流锥管17最小截面宽度a为150μm，锥角为32°，长度L为700μm，三个交汇的直流管中相邻的两个直流管之间的夹角相同，为90°；分流管18、19宽度、均为235μm，夹角为32°，直流管15、16、20的宽度、、均为100μm，管道深度h均为100μm；用正弦变化的速度边界条件代替因压电振子1、7、10振动产生的上泵腔2、21、22和下泵腔4、11、14的容积变化，频率为100Hz，直流管15、16、20的最大平均速度分别为10m/s、10m/s、1m/s，流体介质为水，使用SST湍流模型。
图11和图12所示的分别是实施例在排出过程和吸入过程的速度矢量图，在排出过程中发生附壁效应，吸入过程中分流管18、19的流速分布相差不大；图13所示的是实施例一个周期内分流管18、19的瞬时流量，计算可得该实施例的泵送流量为67.6%。

Claims (2)

1.一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵，包括泵体、泵盖和三个压电振子，泵体和泵盖键合，三个压电振子固定于泵盖上方，泵盖上设置有三个上泵腔，一个进口和一个出口，泵体上设置有对应于上泵腔的三个下泵腔，进口腔、出口腔以及射流控制元件；三个下泵腔与三个上泵腔分别连通，进出口腔分别与泵的进出口连通，其特征在于：射流控制元件由一个三通管和三个直流管组成，其中三通管是由一个汇流锥管和两个相同的分流管组成的三通结构，两个分流管的一端与汇流锥管截面积较大的一端连通，另一端分别与进出口腔连通，三个直流管的一端分别连接三个下泵腔，另一端交汇并与汇流锥管最小截面连通，射流控制元件关于汇流锥管中心线呈中心对称。
2.如权利要求1所述的一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵，其特征在于：汇流锥管最小截面宽度a的取值范围为40μm至1mm，汇流锥管长度L为2至10倍的汇流管最小截面宽度，汇流锥管锥角                                                为20°至60°，三个交汇的直流管中，两边的直流管与中间的直流管的夹角相同，为30°至90°。
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