CN103016318A - 一种基于附壁效应的无阀压电泵 - 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无阀压电泵。本发明采用的技术方案是：包括泵体、泵盖和压电振子，泵体和泵盖键合，压电振子固定于泵盖上方，泵盖上设置泵进口和泵出口，泵体上设置泵腔、进口腔、出口腔以及三通管；进口腔与泵进口连通，出口腔与泵出口连通，三通管的两分流管分别为进口流管和出口流管，进口流管与进口腔连通，出口流管和出口腔连通，三通管的汇流管为平面锥管，与泵腔连通，其特征在于：汇流管最小截面处靠近出口流管的管壁与泵腔为圆角过渡连接，靠近进口流管的管壁与泵腔为尖角连接。本发明的有益效果是：结构简单，易于微型化，泵的容积效率可达50%以上。

Description

一种基于附壁效应的无阀压电泵
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，有阀压电泵具有阀片结构，不易加工，限制泵体微型化，且工作频率一般较低；无阀压电泵结构简单，更适合于微型化，可以满足在高频频率下的工作要求，且流体介质不会因为阀片结构而被隔断，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，特殊结构流管产生的流阻差异越大，则容积效率越高，但通过改变流管结构参数难以得到很大的流阻差异，这导致大部分此类结构的无阀压电泵容积效率很低，与有阀压电泵相比流量偏小，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，可以被应用于无阀压电泵的设计。
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的不足，提供一种基于附壁效应的结构简单、容积效率高的无阀压电泵。
本发明采用的技术方案是：包括泵体、泵盖和压电振子，泵体和泵盖键合，压电振子固定于泵盖上方，泵盖上设置泵进口和泵出口，泵体上设置泵腔、进口腔、出口腔以及三通管；进口腔与泵进口连通，出口腔与泵出口连通，三通管的两分流管分别为进口流管和出口流管，进口流管与进口腔连通，出口流管和出口腔连通，三通管的汇流管为平面锥管，与泵腔连通，其特征在于：汇流管最小截面处靠近出口流管的管壁与泵腔为圆角过渡连接，靠近进口流管的管壁与泵腔为尖角连接。
汇流管最小截面宽度a取值范围为40μm至1mm，过渡圆角半径r为0.25至2倍的汇流管最小截面宽度，汇流管长度L为2至10倍的汇流管最小截面宽度，汇流管锥角                                                
Figure 447618DEST_PATH_IMAGE001
为20°至60°，其他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，泵腔流体进入汇流管时圆角过渡连接处压力损失小，尖角过渡连接处压力损失大，导致汇流管两侧压强不同，由于附壁效应，泵腔排入汇流管的流体沿着圆角过渡的侧壁流入出口流管，由泵出口流出，此过程除从泵腔中排出的流体外，还有进口流管中的部分流体被卷吸进入出口流管，当压电振子变形使泵腔变大时，该泵处于吸入过程，经由进口流管和出口流管流入泵腔的流量基本相同，进口流管（或出口流管）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，泵的容积效率可达50%以上。
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是图3中 I局部放大图；
图5为图2中B-B剖面图；
图6是本发明排出过程工作原理图；
图7是本发明吸入过程工作原理图；
图8是实施例1在排出过程中的速度矢量图；
图9是实施例1在吸入过程的速度矢量图；
图10是实施例1一个周期内进口流管和出口流管的瞬时流量曲线；
图11是实施例1的结构尺寸；
图中：1.压电振子；2.泵盖；3.泵腔；4.三通管；5.泵体；6.泵进口；7.泵出口； 8.进口腔；9.出口腔；10.汇流管；11.进口流管；12.出口流管。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，本发明包括泵体5、泵盖2和压电振子1，泵体5和泵盖2键合，压电振子1通过黏结剂固定于泵盖2上方，泵盖2上钻孔加工出泵进口6和泵出口7，泵体5上一次加工出具有相同深度的泵腔3、进口腔8、出口腔9以及三通管4；泵腔3位于压电振子1下方，进口腔8与泵进口6连通，出口腔9与泵出口7连通，三通管4的所有截面为矩形，其两分流管分别为进口流管11和出口流管12，与进口腔8和出口腔9连通，汇流管10为平面锥管，与泵腔3连通。
汇流管10靠近出口流管12的管壁与泵腔3为圆角过渡连接，靠近进口流管11的管壁与泵腔3为尖角连接；本发明工作时，加载交变电压使压电振子5振动，并带动泵盖2的一部分随之运动，使泵腔体积发生变化，压电振子5向下振动为排出过程，泵腔3体积减小，泵腔3内压强大于外界，流体从泵腔3经由三通管4排出，其流量为
Figure 722741DEST_PATH_IMAGE002
，三通管4中流动情况如图6所示；该流动为射流状态，由于汇流管10靠近出口流管12的管壁与泵腔3为圆角过渡连接，压力损失小；而靠近进口流管11的管壁与泵腔3为尖角连接，压力损失大，根据附壁效应原理，在很短时间内，射流将会偏转并沿着有圆角过渡的汇流管10的管壁流向出口流管12，而另一侧管壁附近出现回流漩涡，即泵腔中的流体从出口流管12流出，同时进口流管11中的部分流体被卷吸进入出口流管12，流量为
Figure 2012105363337100002DEST_PATH_IMAGE003
，从出口流管12流出的总流量为
Figure 303895DEST_PATH_IMAGE004
，且 
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
压电振子5向上振动为吸入过程，泵腔3体积增大，泵腔3内压强小于外界，流体由三通管4流入泵腔3，由于压电振子5向上振动和向下振动的变形量相同，所以流量为
Figure 2012105363337100002DEST_PATH_IMAGE007
，三通管4中流动情况如图6所示；从泵进口6经由进口流管11流入的流量为
Figure 826012DEST_PATH_IMAGE008
，从泵进口7经由出口流管12流入的流量为，
Figure 571431DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 69409DEST_PATH_IMAGE013
基本相等，即
Figure 841056DEST_PATH_IMAGE014
。
    一个泵送周期包括一个排出过程和一个吸入过程为，一个周期内泵进口6吸入的流量为
Figure 791694DEST_PATH_IMAGE015
，泵出口7排出的流量为
Figure 861150DEST_PATH_IMAGE016
，即为泵的泵送流量；压电泵容积效率
Figure 213634DEST_PATH_IMAGE017
为净流量与一个泵送周期内泵腔体积变形量之比，如式（1）所示，由该式可知，本发明涉及的无阀压电泵容积效率可达50%以上；
Figure 156182DEST_PATH_IMAGE018
    （1）。
 
实施例1：本实施例为流体数值模拟，该实施例结构尺寸如图11所示，具体尺寸为：汇流管10最小截面宽度a为100μm，长度L为450μm，锥角
Figure 531800DEST_PATH_IMAGE001
为40°，靠近出口流管12的管壁与泵腔3的过渡圆角半径r为100μm，进口流管11和出口流管12的宽度、
Figure 424987DEST_PATH_IMAGE020
均为210μm，夹角
Figure 538436DEST_PATH_IMAGE021
为30°，整个腔体深度h为100μm，用正弦变化的速度边界条件代替因压电振子5振动产生的泵腔3的容积变化，频率为100Hz，汇流管10最小截面平均速度最大为10m/s，流体介质为水，采用SST湍流模型。
图8和图9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，流体由出口流管12流出；吸入过程中进口流管11和出口流管12的流速分布相差不大，图10所示的是实施例一个周期内进口流管11和出口流管12的瞬时流量，计算可得该实施例的容积效率为60.7%。

Claims (2)

1.一种基于附壁效应的无阀压电泵，包括泵体、泵盖和压电振子，泵体和泵盖键合，压电振子固定于泵盖上方，泵盖上设置泵进口和泵出口，泵体上设置泵腔、进口腔、出口腔以及三通管；进口腔与泵进口连通，出口腔与泵出口连通，三通管的两分流管分别为进口流管和出口流管，进口流管与进口腔连通，出口流管和出口腔连通，三通管的汇流管为平面锥管，与泵腔连通，其特征在于：汇流管最小截面处靠近出口流管的管壁与泵腔为圆角过渡连接，靠近进口流管的管壁与泵腔为尖角连接。
2.如权利要求1所述的一种基于附壁效应的无阀压电泵，其特征在于：汇流管最小截面宽度a取值范围为40μm至1mm，过渡圆角半径r为0.25至2倍的汇流管最小截面宽度，汇流管长度L为2至10倍的汇流管最小截面宽度，汇流管锥角                                                
Figure 2012105363337100001DEST_PATH_IMAGE001
为20°至60°值。
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