CN111637042A - 一种无阀压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无阀压电泵，包括基板、设置在所述基板上端的盖板、设置在所述基板上的进液口、出液口、混合通道以及压电机构；所述进液口包括第一进液口与第二进液口，所述第一进液口与所述混合通道之间设有第一进液通道，所述第二进液口与所述混合通道之间第二进液通道；所述第一进液通道与所述第二进液通道的末端汇聚且与所述混合通道连通；所述混合通道上设有扰动件；所述压电机构包括泵腔、压电振子、锥形进口通道以及锥形出口通道。该压电泵不仅结构简单，体积小，质量轻，而且能够将两种不同的液体相互混合，实现对混合液体的单向泵送功能；与此同时，该微泵没有复杂的机械结构。

Description

一种无阀压电泵

技术领域

本发明涉及压电泵技术领域，具体涉及一种无阀压电泵。

背景技术

泵是输送流体或使流体增压的机械，它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。泵的发展对传统的农业、工业产生、建筑、航空等领域的发展有着显著的影响。随着科技的发展，泵逐渐广泛运用在MEMS、生物、医疗、制药、化学分析、微流控、芯片实验等领域。传统的泵装置体积大、结构复杂、噪声大、重量大等缺点，因此，简化泵的结构成为研究的热点。尤其是随着对微流控的深入研究，简单、微型化的泵体结构得到了广泛的关注。

目前，市场上泵的类型多样，其驱动控制技术包括光、电、磁、热等，在微型化泵体中，压电驱动的微泵最为广泛。压电微泵是基于晶体的压电特性来驱动薄膜振动，在交变电流的作用下，由压电材料做成的振子会反复的振动，从而使压电泵泵腔体容积发生周期变化，从而实现流体的输送。压电泵根据有无阀片可以分为有阀压电泵和无阀压电泵。有阀压电泵的可移动部件阀在压力的作用下呈周期性开、关状态，从而控制流体的单向流动，但是阀片的存在使得压电泵结构变得复杂且产生能量的损失。无阀压电泵利用几何结构的特殊性，通过流道特殊形状，产生流体动力学效应，实现流体的单向流动，与有阀压电泵相比，无阀压电泵结构简单，制作简易，便于泵的微型化、集成化，能精确检测和控制流量。而现有的无阀压电泵多运用于对现有单一液体的泵送，不能进行多种液体在泵体内混合再进行泵送功能；虽然漩涡泵通过叶轮和泵体间的作用实现环形流动，具有将液体混合的功能，但是结构复杂，体积大，且输送效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种无阀压电泵，该压电泵不仅结构简单，体积小，质量轻，而且能够将两种不同的液体相互混合，实现对混合液体的单向泵送功能；与此同时，该微泵没有复杂的机械结构，泵送液体的过程可以避免压电泵产生机械磨损，从而提高了压电泵的使用寿命。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种无阀压电泵，包括基板、设置在所述基板上端的盖板、设置在所述基板上的进液口、出液口、设置在所述进液口与所述出液口之间的混合通道以及用于将液体从所述进液口泵送至所述出液口的压电机构；其中，

所述进液口包括第一进液口与第二进液口，所述第一进液口与所述混合通道之间设有与所述第一进液口连通的第一进液通道，所述第二进液口与所述混合通道之间设有与所述第二进液口连通的第二进液通道；所述第一进液通道与所述第二进液通道的末端汇聚且与所述混合通道连通；所述混合通道上设有用于促进所述第一进液通道与所述第二进液通道的液体进行混合的扰动件；

所述压电机构包括设置在所述基板与所述盖板之间的泵腔、设置在所述泵腔上用于提供液体泵送动力的压电振子、设置在所述混合通道与所述泵腔之间的锥形进口通道以及设置在所述泵腔与所述出液口之间的锥形出口通道；其中，所述锥形进口通道的一端与所述混合通道连通，另一端与所述泵腔连通；所述锥形出口通道的一端与所述泵腔连通，另一端与所述出液口连通；所述锥形进口通道与所述锥形出口通道的宽度沿着液体泵送的方向逐渐增大。

上述无阀压电泵的工作原理是：

工作时，将压电振子与外置电源相接，压电振子在逆压电效应的作用下发生周期性的向上、向下的弯曲形变；使得泵腔压强发生改变，具体过程为：

两种不同的液体在外压力的作用下分别从第一进液通道和第二进液通道进入，两种液体在第一进液通道和第二进液通道的末端相遇，然后同时进入混合通道中，进入混合通道后，混合的液体会冲击扰动件，液体在通过扰动件时，会发生卡门漩涡现象(即在一定的条件下，流体流绕过物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反的两列漩涡。若两种相溶的液体同时流过物体时，液体会在卡门漩涡的作用下发生混合作用)；使得两种液体在混合通道中充分混合，液体从锥形进口通道流入泵腔时，当压电振子发生向上的弯曲形变时，泵腔的压强减小，锥形进口通道与锥形出口通道处的压强大，此时，泵腔处于吸程状态，由于锥形进口通道与锥形出口通道的宽度沿着液体泵送的方向逐渐增大，当液体从宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；当液体从宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；因此，从锥形进口通道流入泵腔的液体的量远多于从锥形出口通道流入泵腔的液体的量；当压电振子发生向下的弯曲形变时，泵腔的压强增大，此时，泵腔处于排程状态，泵腔中的液体从锥形出口通道排出的量远多于泵腔中的液体从锥形进口通道排出的量；压电振子在吸程-排程的一个周期的作用下，使得泵腔中的液体最终在出液口排出；因此，本发明的无阀压电泵在宏观上可实现单向的泵送功能。

本发明的一个优选方案，其中，所述扰动件设置在靠近所述第一进液通道与所述第二进液通道的末端汇聚处，该扰动件包括阻流柱以及连接在所述阻流柱后端的扰动片，所述扰动片沿着所述混合通道的轴线延伸。通过设置上述结构，当两种液体进入混合通道时，在阻流柱的阻挡下，液体从阻流柱的两侧经过沿着扰动片流动，此时两侧的液体会出现旋转方向相反的两列漩涡，当完全通过扰动片后，在漩涡的作用下，两侧的液体会充分混合；扰动片不仅起到导向作用，还更有利于液体形成漩涡。

进一步地，所述混合通道在与所述阻流柱对应的位置上设有安装槽，所述安装槽与所述阻流柱的下端配合连接。

进一步地，所述扰动片为弹性薄片。

优选地，所述第一进液通道和所述第二进液通道的末端汇聚处与所述混合通道之间设有锥形口；所述第一进液通道和所述第二进液通道的末端汇聚后通过所述锥形口与所述混合通道连通，所述锥形口的宽度沿着所述液体泵送的方向逐渐增大。通过设置锥形口，有利于第一进液通道与第二进液通道的液体在末端汇聚后沿着锥形口顺利流入混合通道上。

进一步地，所述锥形口的锥度为30°～60°。

优选地，所述压电振子设置在所述盖板与所述基板之间，该压电振子将所述泵腔分隔成位于所述盖板的缓冲腔以及位于所述基板上的动力腔，所述动力腔的两端分别与所述锥形进口通道、所述锥形出口通道连通。工作时，压电振子在逆压电效应的作用下发生周期性的向上、向下的弯曲形变，使得动力腔的体积发生周期性的增大与减小，进而使得动力腔的压强发生周期性的减小与增大，最终实现动力腔的吸液与排液的过程，为液体输送提供动力。由于采用上述结构，使得无阀压电泵的结构更加紧凑，与此同时，也有利与压电振子的安装。

优选地，所述盖板与所述压电振子之间设有用于密封的密封圈，其作用在于，对缓冲腔起密封作用，可以防止动力腔的液体进入缓冲腔中。

优选地，所述压电振子包括弹簧片和设置在弹簧片上的振子。

优选地，所述盖板的侧边设有用于安装导线的导线孔，所述导线孔从所述上端盖的一侧延伸至所述缓冲腔内。通过这样设计，外接电源可以与压电振子相连接时，可以通过导线穿过导线孔然后经过缓冲腔与压电振子连接。

优选地，所述锥形进口通道与所述锥形出口通道的锥度均为7°～15°。

优选地，所述第一进液通道与所述第二进液通道对称设置在所述基板上，所述第一进液通道、所述第二进液通道和所述混合通道呈“T”字型分布。通过上述结构设计，使得无阀压电泵结构更加紧凑。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中的无阀压电泵，在混合通道上设有扰动件，当两种不同的液体进入混合通道后，混合的液体会冲击扰动件，液体在通过扰动件时，会发生卡门漩涡现象，使得两种液体在混合通道中充分混合，实现对混合液体的单向泵送功能。

2、本发明中，通过设置锥形进口通道与锥形出口通道，由于锥形进口通道与锥形出口通道的宽度沿着液体泵送的方向逐渐增大，当液体从宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；当液体从宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；本发明利用该几何结构的特殊性实现了液体的单向泵送功能。

3、本发明中的无阀压电泵，没有复杂的机械结构、设计简单，工作过程中不会造成各个部件的磨损，有效防止了部件的损坏，从而提高了微泵的使用寿命，可靠性强。

4、在本发明中，由于没有复杂的机械结构，制造过程简单，可以进一步缩小微泵体积，使得质量更轻，适用范围更广，可在微米量级的特征尺寸下工作，可以应用在一些对微泵体积要求较高的领域，例如MEMS、航天航空、医疗、化学分析、血管机器人和芯片实验室等领域。

附图说明

图1-图3为本发明中的一种无阀压电泵的第一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为立体图，图2为爆炸图，图3为俯视图。

图4-图5为本发明中的基板内部结构示意图，其中，图4为俯视图，图5为立体图。

图6为本发明中的扰动件的立体结构示意图。

图7为图3沿着A-A方向的剖视图。

图8为本发明中的一种无阀压电泵处于吸程状态的结构示意图。

图9为本发明中的一种无阀压电泵处于排程状态的结构示意图。

图10为本发明中的一种无阀压电泵的第二种具体实施方式的；立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

参见图1-图5，本实施例公开了一种无阀压电泵，包括基板1、设置在所述基板1上端的盖板2、设置在所述基板1上的进液口、出液口3、设置在所述进液口与所述出液口3之间的混合通道4以及用于将液体从所述进液口泵送至所述出液口3的压电机构。

参见图1-图5，所述进液口包括第一进液口5与第二进液口6，所述第一进液口5与所述混合通道4之间设有与所述第一进液口5连通的第一进液通道7，所述第二进液口6与所述混合通道4之间设有与所述第二进液口6连通的第二进液通道8；其中，所述第一进液通道7与所述第二进液通道8对称设置在所述基板1上；所述第一进液通道7与所述第二进液通道8的末端汇聚且与所述混合通道4连通。

具体的，所述第一进液通道7、所述第二进液通道8和所述混合通道4呈“T”字型分布；通过上述结构设计，使得无阀压电泵结构更加紧凑。

参见图2-图4和图6-图7，所述混合通道4上设有用于促进所述第一进液通道7与所述第二进液通道8的液体进行混合的扰动件9；该扰动件9设置在靠近所述第一进液通道7与所述第二进液通道8的末端汇聚处，该扰动件9包括截面为等腰三角形的阻流柱9-1、连接在所述阻流柱9-1后端的扰动片9-2以及设置在所述阻流柱9-1下端用于固定在所述混合通道4上的固定部9-3，所述扰动片9-2沿着所述混合通道4的轴线延伸。通过设置上述结构，当两种液体进入混合通道4时，在阻流柱9-1的阻挡下，液体从阻流柱9-1的两侧经过沿着扰动片9-2流动，此时两侧的液体会脱落出旋转方向相反的两列漩涡，当完全通过扰动片9-2后，在漩涡的作用下，两侧的液体会充分混合；扰动片9-2不仅起到导向作用，还更有利于液体形成漩涡。

参见图4，所述混合通道4在与所述阻流柱9-1对应的位置上设有安装槽1-1，所述安装槽1-1与所述固定部9-3的下端配合连接。

进一步地，所述扰动片9-2为弹性薄片。

参见图4-图5，所述第一进液通道7和所述第二进液通道8的末端汇聚处与所述混合通道4之间设有锥形口10；所述第一进液通道7和所述第二进液通道的末端汇聚后通过所述锥形口10与所述混合通道4连通，所述锥形口10的宽度沿着所述液体泵送的方向逐渐增大。通过设置锥形口10，有利于第一进液通道7与第二进液通道8的液体在末端汇聚后沿着锥形口10顺利流入混合通道4上。

进一步地，所述锥形口10的锥度为30°～60°。

参见图2-图5，所述压电机构包括设置在所述基板1与所述盖板2之间的泵腔11、设置在所述泵腔11上用于提供液体泵送动力的压电振子12、设置在所述混合通道4与所述泵腔11之间的锥形进口通道13以及设置在所述泵腔11与所述出液口3之间的锥形出口通道14；其中，所述锥形进口通道13的一端与所述混合通道4连通，另一端与所述泵腔11连通；所述锥形出口通道14的一端与所述泵腔11连通，另一端与所述出液口3连通；所述锥形进口通道13与所述锥形出口通道14的宽度沿着液体泵送的方向逐渐增大。

进一步地，所述泵腔11为圆形。

参见图7-图9，所述压电振子12设置在所述盖板2与所述基板1之间，该压电振子12将所述泵腔11分隔成位于所述盖板2的缓冲腔11-1以及位于所述基板1上的动力腔11-2，所述动力腔11-2的两端分别与所述锥形进口通道13、所述锥形出口通道14连通。工作时，压电振子12在逆压电效应的作用下发生周期性的向上、向下的弯曲形变，使得动力腔11-2的体积发生周期性的增大与减小，进而使得动力腔11-2的压强发生周期性的减小与增大，最终实现动力腔11-2的吸液与排液的过程，为液体输送提供动力。由于采用上述结构，使得无阀压电泵的结构更加紧凑，与此同时，也有利与压电振子12的安装。

参见图2和图7-图9，所述盖板2与所述压电振子12之间设有用于密封的密封圈15，其作用在于，对缓冲腔11-1起密封作用，可以防止动力腔11-2的液体进入缓冲腔11-1中。

参见图7-图9，所述压电振子12包括弹簧片12-1和设置在弹簧片12-1上的振子12-2。

参见图1，所述盖板2的侧边设有用于安装导线的导线孔2-1，所述导线孔2-1从所述上端盖的一侧延伸至所述缓冲腔11-1内。通过这样设计，当压电振子12需要连接外置电源时，导线可以通过导线孔2-1与缓冲腔11-1的压电振子12相接。

进一步地，所述锥形进口通道13与所述锥形出口通道14的锥度均为7°～15°。

参见图2-图5和图7-图9，上述无阀压电泵的工作原理是：

工作时，将压电振子12与外置电源相接，压电振子12在逆压电效应的作用下发生周期性的向上、向下的弯曲形变；使得泵腔11压强发生改变，具体过程为：

两种不同的液体在外压力的作用下分别从第一进液通道7和第二进液通道8进入，两种液体在第一进液通道7和第二进液通道8的末端相遇，然后同时进入混合通道4中，进入混合通道4后，混合的液体会冲击扰动件9，液体在通过扰动件9时，会发生卡门漩涡现象(即在一定的条件下，流体流绕过物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反的两列漩涡。若两种相溶的液体同时流过物体时，液体会在卡门漩涡的作用下发生混合作用)；使得两种液体在混合通道4中充分混合，液体从锥形进口通道13流入泵腔11时，当压电振子12发生向上的弯曲形变时，泵腔11的压强减小，锥形进口通道13与锥形出口通道14处的压强大，此时，泵腔11处于吸程状态，由于锥形进口通道13与锥形出口通道14的宽度沿着液体泵送的方向逐渐增大，当液体从宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；当液体从宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；因此，从锥形进口通道13流入泵腔11的液体的量远多于从锥形出口通道14流入泵腔11的液体的量；当压电振子12发生向下的弯曲形变时，泵腔11的压强增大，此时，泵腔11处于排程状态，泵腔11中的液体从锥形出口通道14排出的量远多于泵腔11中的液体从锥形进口通道13排出的量；压电振子在吸程-排程的一个周期的作用下，使得泵腔中的液体最终在出液口排出3；因此，本发明的无阀压电泵在宏观上可实现单向的泵送功能。

实施例2

参见图10，本实施例中的其它结构与实施例1相同，不同之处在于，所述第一进液通道7、第二进液通道8和混合通道4之间呈“Y”字型。

实施例3

本实施例中的其它结构与实施例1相同，不同之处在于，所述阻流柱9-1的截面为圆形。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无阀压电泵，包括基板、设置在所述基板上端的盖板、设置在所述基板上的进液口、出液口、设置在所述进液口与所述出液口之间的混合通道以及用于将液体从所述进液口泵送至所述出液口的压电机构；其特征在于，

所述进液口包括第一进液口与第二进液口，所述第一进液口与所述混合通道之间设有与所述第一进液口连通的第一进液通道，所述第二进液口与所述混合通道之间设有与所述第二进液口连通的第二进液通道；所述第一进液通道与所述第二进液通道的末端汇聚且与所述混合通道连通；所述混合通道上设有用于促进所述第一进液通道与所述第二进液通道的液体进行混合的扰动件；

所述压电机构包括设置在所述基板与所述盖板之间的泵腔、设置在所述泵腔上用于提供液体泵送动力的压电振子、设置在所述混合通道与所述泵腔之间的锥形进口通道以及设置在所述泵腔与所述出液口之间的锥形出口通道；其中，所述锥形进口通道的一端与所述混合通道连通，另一端与所述泵腔连通；所述锥形出口通道的一端与所述泵腔连通，另一端与所述出液口连通；所述锥形进口通道与所述锥形出口通道的宽度沿着液体泵送的方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述扰动件设置在靠近所述第一进液通道与所述第二进液通道的末端汇聚处，该扰动件包括阻流柱以及连接在所述阻流柱后端的扰动片，所述扰动片沿着所述混合通道的轴线延伸。

3.根据权利要求2所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述混合通道在与所述阻流柱对应的位置上设有安装槽，所述安装槽与所述阻流柱的下端配合连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述第一进液通道和所述第二进液通道的末端汇聚处与所述混合通道之间设有锥形口；所述第一进液通道和所述第二进液通道的末端汇聚后通过所述锥形口与所述混合通道连通，所述锥形口的宽度沿着所述液体泵送的方向逐渐增大。

5.根据权利要求4任一项所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述锥形口的锥度为30°～60°。

6.根据权利要求1或2所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述压电振子设置在所述盖板与所述基板之间，该压电振子将所述泵腔分隔成位于所述盖板的缓冲腔以及位于所述基板上的动力腔，所述动力腔的两端分别与所述锥形进口通道、所述锥形出口通道连通。

7.根据权利要求6所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述盖板与所述压电振子之间设有用于密封的密封圈。

8.根据权利要求1或2所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述压电振子包括弹簧片和设置在弹簧片上的振子。

9.根据权利要求1或2所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述盖板的侧边设有用于安装导线的导线孔，所述导线孔从所述上端盖的一侧延伸至所述缓冲腔内。

10.根据权利要求1或2所述的一种无阀压电泵，其特征在于，所述锥形进口通道与所述锥形出口通道的锥度均为7°～15°。

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