CN107202003B - 一种仿生型压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种仿生型压电泵，包括上密封片、下密封片、腔体、进水软管、出水软管、柔性压电驱动片B和柔性压电驱动片A；上密封片上设有沉孔A、进水口和出水口；进水口安装有瓣膜阀A，出水口安装有瓣膜阀C；腔体上设有泵腔、进水连接管、出水连接管、进水集水孔和出水集水孔；泵腔内设有单向流动瓣膜阀B；沉孔A的位置和泵腔对应，用于安放柔性压电驱动片A；下密封片上设有沉孔B，沉孔B用于安装粘接柔性压电驱动片B；下密封片上设有沉孔B，沉孔B用于安装粘接柔性压电驱动片B；本发明采用双腔体双振子结构，在泵腔及进出口安放瓣膜阀，仿照人体心脏，带有多泵腔和多瓣膜阀，可有效增大泵流量和压力。为人工心脏的研究提供新的参考。
Description
技术领域
本发明属于压电泵研究领域，具体涉及一种全柔性多腔体瓣膜阀仿生压电泵。
背景技术
压电泵在柔性压电驱动片驱动下，通过周期性改变泵腔的容积，实现介质的输送。为实现介质的单向输送，增大泵流量并提高泵输送的效率，可在泵进口或出口安装阀，称之为有阀压电泵。现阶段有阀压电泵的阀一般为硬质薄片，在压力差作用下改变闭合状态。由于这种阀为硬质薄片，在开启和闭合过程中对输送介质的损害较大，不利于传输一些活性介质或长分子链等。同时这种阀的开启和闭合有滞后性，不利于流量的提高，也限制了压电泵的工作频率。该种有阀压电泵的输出有间断性，也使输出有较大脉动，流量和压力周期性的发生较大变化，对出水软管有较大要求，也不能满足一些要求平稳输出、脉动较小的场合。
近年来随着仿生学的发展及软质材料微加工技术的进步，使用软质材料加工压电泵并应用瓣膜阀控制介质单向流动逐渐成为可能。同时心脏泵的研究发展缓慢，原有结构难以满足身体对血液流动及压力的较高要求。为此，本发明根据仿生学的理论，仿照人体心脏的结构及流动传输特性设计全柔性多腔体瓣膜阀结构压电泵。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种全柔性多腔体瓣膜阀仿生压电泵，克服传统压电泵脉动大流量小的缺点。
本发明的技术方案是：一种仿生型压电泵，包括上密封片、下密封片、腔体、进水软管、出水软管、柔性压电驱动片B和柔性压电驱动片A；
所述上密封片上设有沉孔A、进水口和出水口；所述进水口安装有瓣膜阀A，出水口安装有瓣膜阀C，且瓣膜阀A和瓣膜阀C的安装方向相反；
所述腔体上设有泵腔、进水连接管、出水连接管、进水集水孔和出水集水孔；所述泵腔内设有单向流动瓣膜阀B；进水连接管一端连接进水集水孔，另一端连接泵腔的上腔室A；出水连接管一端连接出水集水孔，另一端连接泵腔的下腔室B；
所述进水口的一端对应进水集水孔，另一端与进水软管连接；所述出水口的一端对应出水集水孔，另一端与出水软管连接；所述沉孔A的位置和泵腔对应，用于安放所述柔性压电驱动片A；
所述下密封片上设有沉孔B，沉孔B用于安装粘接柔性压电驱动片B；
所述上密封片、下密封片和腔体之间密封连接；所述进水软管、出水软管分别和上密封片密封连接；所述沉孔A和柔性压电驱动片A密封连接；所述沉孔B和柔性压电驱动片B密封连接。
上述方案中，所述瓣膜阀B根据上腔室A和下腔室B之间的压力变化，瓣膜阀B的闭合状态随之变化，当上腔室A压力大于下腔室B时，瓣膜阀B开启，当上腔室A压力小于下腔室B时，瓣膜阀B闭合，实现腔室A和下腔室B之间介质的单向流动。
上述方案中，所述进水连接管和出水连接管为双向流动阻力不同的异型管管。
进一步的，所述进水连接管和出水连接管为锥形管、叉管或树状分形流管。
上述方案中，所述压电泵材料采用全柔性材料。
进一步的，所述压电泵材料采用聚甲基丙烯酸酯或聚偏二氟乙烯。
上述方案中，所述瓣膜阀A、瓣膜阀B和瓣膜阀C采用超柔性材料，有利于介质通过时减少对介质的伤害，同时有利于减小输出脉动。
上述方案中，所述柔性压电驱动片B和柔性压电驱动片A采用压电薄膜。
上述方案中，所述沉孔A的外径和柔性压电驱动片A的直径相同；所述沉孔B的外径和柔性压电驱动片B的直径相同；
所述沉孔A与沉孔B的中心和腔体的泵腔中心重合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明瓣膜阀采用软性材料，有利于输送活性介质或长分子链。同时瓣膜阀将泵腔隔成两个腔室，通过两个柔性压电驱动片同时驱动，有利于提高泵的流量和压力。
2.本发明仿照人体心脏结构，采用双腔体双振子，同时通过多个瓣膜阀控制介质的单向流动。
3.本发明结构全部采用柔性材料，可有效减小输出脉动。用作心脏泵还可减小材料对人体的伤害，减少排异反应，用于植于皮下。
4.本发明所述压电泵采用双腔体双振子结构，同时多个该结构可串联或并联或混联。通过多个该结构的串联或并联或混联，可进一步提高泵的输出流量和压力以及减小脉动。
5.本发明采用双腔体双振子，同时在腔室及进出口安放瓣膜阀，可有效增大泵流量和压力。该压电泵采用全柔性材料，在多腔体和柔性材料的作用下，可减少输出脉动。该结构仿照人体心脏，带有多腔室和多瓣膜阀，为人工心脏的研究提供新的参考，同时也可用于输送活性介质或长分子链。
附图说明
图1为本发明所述一种仿生型压电泵的立体分解示意图。
图2为本发明所述一种仿生型压电泵的腔体3俯视图。
图3为图2中A-A剖视图。
图4为图2中的仰视图。
图5为图2中瓣膜阀9的示意图，图5a为主视图，图5b为俯视图。
图6为本发明所述一种仿生型压电泵的上密封片2俯视图。
图7为图6中B-B剖视图。
图8为本发明所述一种仿生型压电泵的下密封片4俯视图。
图9为图8中的C-C剖视图。
图中：1-瓣膜阀C，2-上密封片，3-腔体，4-下密封片，5-沉孔B，6-柔性压电驱动片B，7-出水连接管，8-出水集水孔，9-瓣膜阀B，10-泵腔，11-进水连接管，12-进水集水孔，13-沉孔A，14-瓣膜阀A，15-进水口，16-进水软管，17-柔性压电驱动片A，18-出水软管，19-出水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明所述仿生型压电泵的一种实施方式，所述仿生型压电泵，包括上密封片2、下密封片4、腔体3、进水软管16、出水软管18、柔性压电驱动片B6和柔性压电驱动片A17。所述上密封片2、下密封片4和腔体3之间密封连接，可通过胶水粘接或热固化、一体成型。所述进水软管16、出水软管18分别和上密封片2密封连接，可通过胶粘，以保证密封性。所述沉孔A13和柔性压电驱动片A17密封连接；所述沉孔B5和柔性压电驱动片B6密封连接，可以通过胶粘。
如图2、3、4和5所示，所述腔体3上设有泵腔10、进水连接管11、出水连接管7、进水集水孔12和出水集水孔8；所述泵腔10内设有单向流动瓣膜阀B9；进水连接管11一端连接进水集水孔12，另一端连接泵腔10；出水连接管7一端连接出水集水孔8，另一端连接泵腔10。为方便加工，进水连接管11和出水连接管7的截面为矩形。所述进水连接管11和出水连接管7为直线管、锥形管或其他双向流动阻力不同的异型管。所述瓣膜阀B9将泵腔10分为上腔室A和下腔室B形成双腔体，瓣膜阀B9具有单向流通性，根据上腔室A和下腔室B之间的压力变化，瓣膜阀B9的闭合状态随之变化，当上腔室A压力大于下腔室B时，瓣膜阀B9开启，反之闭合，实现两腔室之间介质的单向流动，以达到瓣膜阀B9的单向流动截止功能。
所述进水口15的一端对应进水集水孔12，另一端与进水软管16连接；所述出水口19的一端对应出水集水孔8，另一端与出水软管18连接。
如图6和7所示，所述上密封片2上设有沉孔A13、进水口15和出水口19；所述进水口15安装有瓣膜阀A14，出水口19安装有瓣膜阀C1，且瓣膜阀A14和瓣膜阀C1的安装方向相反；所述沉孔A13的位置和泵腔10对应，用于安放所述柔性压电驱动片A17。瓣膜阀A14和瓣膜阀C1亦具有单向流通性。瓣膜阀A14和瓣膜阀C1作为优选分别安装在进水口15和出水口19处，也可分别安装在进水部分和出水部分的任一位置。进水口15和出水口19的中心分别和腔体3上的进水集水孔12、出水集水孔8相对应。瓣膜阀A14和瓣膜阀C1安装方向相反，控制的单向流通方向相同，即瓣膜阀A14控制介质从进水口15单向流入进水孔，瓣膜阀C1控制介质从出水孔单向流入出水口19。
如图8和图9所示，所述下密封片4上设有沉孔B5，沉孔B5用于安装粘接柔性压电驱动片B6。
所述柔性压电驱动片B6和柔性压电驱动片A17采用压电薄膜，利于减小对输送介质的损害，同时作为心脏泵减小对人体的伤害。
所述沉孔A13的外径和柔性压电驱动片A17的直径相同；所述沉孔B5的外径和柔性压电驱动片B6的直径相同；所述沉孔A13与沉孔B5的中心和腔体3的泵腔中心重合。
上述方案中，所述压电泵材料采用全柔性材料。
进一步的，所述压电泵材料采用聚甲基丙烯酸酯或聚偏二氟乙烯。
所述瓣膜阀A14、瓣膜阀B9和瓣膜阀C1采用超柔性材料，有利于介质通过时减少对介质的伤害，同时有利于减小输出脉动。
本发明选用两个腔体串联的形式，中间通过瓣膜阀隔开，柔性泵体进出口处分别安装瓣膜阀。泵腔处的瓣膜阀和进出口处的瓣膜阀控制介质流动的方向相同，即进口处瓣膜阀控制流入，出口处瓣膜阀控制流出。
本发明中两个柔性压电驱动片同时工作，作用在两个柔性压电驱动片上的交流电压相位不同，彼此之间相位相差180度，即柔性压电驱动片A17向下凹，腔室A压力增大时，柔性压电驱动片B6向上凸起，腔室B压力减小，反之亦然。
可将本发明中的双腔体双振子结构可多个串联或并联或混联，以提高输出压力、流量及减小输出脉动。
本发明工作原理：
本发明所述仿生型压电泵工作时，可将一个循环分为两个过程。两个柔性压电驱动片的工作使用的交流电电压相位差相差180度，即同一时间由两个柔性压电驱动片组成的两个振子的振动方向相反，由于在该结构中两个振子，即柔性压电驱动片B6和柔性压电驱动片A17为对称放置，所以两振子振动方向表现为向同一方向振动。在过程一中，柔性压电驱动片A17向上振动时，上腔室A的容积增大，压力减小，同时柔性压电驱动片B6向上振动，腔室B的容积减小，压力增大。在此过程中，腔室B的压力始终大于腔室A的压力，所以瓣膜阀B9始终处于关闭状态。腔室A压力小于外部压力，在外部压力的作用下，瓣膜阀A14被打开，介质被吸入腔室A。同时，腔室B的压力大于外部压力，瓣膜阀B9被打开，介质流出腔室B。在过程二中，振子柔性压电驱动片A17向下振动，腔室A的容积减小，压力增大；振子柔性压电驱动片B6向下振动，腔室B容积增大，压力减小。在此过程中，腔室A的压力大于外部压力，同时大于腔室B的压力，腔室B压力小于外部压力，在压力差的作用下，瓣膜阀A14和瓣膜阀C1关闭，瓣膜阀B9开启，介质由腔室A流入腔室B。完成过程一和过程二，腔室A和腔室B就完成了一次吸入和排出过程。
在此循环过程中，由于存在压力脉动，不适应一些要求压力脉动较小的场合。所以，本发明的材料优选柔性材料。整体结构采用柔性材料，可有效吸收部分脉动，同时植入人体内可避免硬性材料对人体的伤害，应用生物相容性软性材料可减小人体的排异反应。仿照人体心脏的结构、材料特性及对输出的特殊要求，该结构能产生较大流量和较大压力输出，同时输出脉动较小。该发明能实现心脏的基本功能，可以作为心脏泵研究的新结构，其中双腔双振子、多瓣膜阀结构以及柔性材料在该类型泵中的应用，可为心脏泵的研究提供新的思路。
该结构为作为优选，设计为三维结构，同时也可设计二维结构。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种仿生型压电泵，其特征在于，包括上密封片(2)、下密封片(4)、腔体(3)、进水软管(16)、出水软管(18)、柔性压电驱动片B(6)和柔性压电驱动片A(17)；
所述上密封片(2)上设有沉孔A(13)、进水口(15)和出水口(19)；所述进水口(15)安装有瓣膜阀A(14)，出水口(19)安装有瓣膜阀C(1)，且瓣膜阀A(14)和瓣膜阀C(1)的安装方向相反；
所述腔体(3)上设有泵腔(10)、进水连接管(11)、出水连接管(7)、进水集水孔(12)和出水集水孔(8)；所述泵腔(10)内设有瓣膜阀B(9)，所述瓣膜阀B(9)将泵腔(10)分为上腔室A和下腔室B；进水连接管(11)一端连接进水集水孔(12)，另一端连接泵腔(10)的上腔室A；出水连接管(7)一端连接出水集水孔(8)，另一端连接泵腔(10)的下腔室B；
所述进水口(15)的一端对应进水集水孔(12)，另一端与进水软管(16)连接；所述出水口(19)的一端对应出水集水孔(8)，另一端与出水软管(18)连接；所述沉孔A(13)的位置和泵腔(10)对应，用于安放所述柔性压电驱动片A(17)；
所述下密封片(4)上设有沉孔B(5)，沉孔B(5)用于安装粘接柔性压电驱动片B(6)；
所述上密封片(2)、下密封片(4)和腔体(3)之间密封连接；所述进水软管(16)、出水软管(18)分别和上密封片(2)密封连接；所述沉孔A(13)和柔性压电驱动片A(17)密封连接；所述沉孔B(5)和柔性压电驱动片B(6)密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述瓣膜阀B(9)根据上腔室A和下腔室B之间的压力变化，瓣膜阀B(9)的闭合状态随之变化，当上腔室A压力大于下腔室B时，瓣膜阀B(9)开启，当上腔室A压力小于下腔室B时，瓣膜阀B(9)闭合，实现腔室A和下腔室B之间介质的单向流动。
3.根据权利要求1所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述进水连接管(11)和出水连接管(7)为双向流动阻力不同的异型管。
4.根据权利要求3所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述进水连接管(11)和出水连接管(7)为锥形管、叉管或树状分形流管。
5.根据权利要求1所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述压电泵材料采用全柔性材料。
6.根据权利要求5所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述压电泵材料采用聚甲基丙烯酸酯或聚偏二氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述瓣膜阀A(14)、瓣膜阀B(9)和瓣膜阀C(1)采用超柔性材料。
8.根据权利要求1所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述柔性压电驱动片B(6)和柔性压电驱动片A(17)采用压电薄膜。
9.根据权利要求1所述的一种仿生型压电泵，其特征在于，所述沉孔A(13)的外径和柔性压电驱动片A(17)的直径相同；所述沉孔B(5)的外径和柔性压电驱动片B(6)的直径相同；
所述沉孔A(13)与沉孔B(5)的中心和腔体(3)的泵腔中心重合。
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