可实现输送方向切换的合成射流型无阀压电泵及工作方法

摘要

本发明公开一种可实现输送方向切换的合成射流型无阀压电泵及工作方法，包括泵体、泵体正上方的泵盖和固定在泵盖上的三个压电振子，泵体上设有三个泵腔下半部分、三个直流管、汇流锥管、两个分流管、合成射流腔的下半部分、进口管的下半部分及出口管的下半部分；两个分流管的一端均与汇流锥管的大端连通、另一端分别与合成射流腔连通且此另一端的轴线分别与进口管、出口管的轴线重合，三个直管的一端分别对应地连接三个泵腔，三个直管的另一端相互交汇并与汇流锥管小端连通，第一直管内的液体流动方向为主射流方向，第二、第三直管内的液体流动使主射流方向发生改变，应用附壁效应改变射流方向，可实现输送方向切换和持续出流。

说明书

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，具体是一种合成射流型无阀压电泵。

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将两个特殊结构流管与泵腔连接，利用特殊结构流管不同方向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。以上类型流管微泵不能实现持续出流，而且由于特殊结构流管不同方向流动的流阻差异不大，导致该类型无阀压电泵的容积效率较低。为解决这些问题，合成射流技术被应用于无阀压电泵。合成射流是指通过控制漩涡的融合产生的射流，常见形式是通过激振器振动造成流体在喷口处的不断排出和吸入，其排出过程中射流产生的漩涡在吸入过程中没有立即消失，该漩涡卷吸周围流体并向远处喷射，所以远处呈现出流体的持续射流状态。压电激振器非常适用于产生这种合成射流。

中国专利申请号为200980137489.4的专利文献公开的射流喷射器泵，将一个合成射流器接入流动管道，其喷口方向为流动方向，利用合成射流原理驱动流体流动，由于喷口方向不能改变，该泵只能单向输送，不能切换输送方向。

发明内容

本发明针对已有无阀压电泵容积效率低、只能单向泵送的问题，提出一种应用附壁效应实现输送方向切换的结构简单、流量高、可持续出流的合成射流型无阀压电泵，同时提出该合成射流型无阀压电泵的工作方法。

 

本发明所述可实现输送方向切换的合成射流型无阀压电泵采用的技术方案是：   包括泵体、泵体正上方的泵盖和固定在泵盖上的三个压电振子，泵盖上设有三个泵腔上半部分、合成射流腔的上半部分、进口管的上半部分、出口管的上半部分，泵体上设有三个泵腔下半部分、三个直流管、汇流锥管、两个分流管、合成射流腔的下半部分、进口管的下半部分及出口管的下半部分；两个分流管的一端均与汇流锥管的大端连通、另一端分别与合成射流腔连通且此另一端的轴线分别与进口管、出口管的轴线重合，三个直管的一端分别对应地连接三个泵腔，三个直管的另一端相互交汇并与汇流锥管小端连通，第一直管的中心线与进口管、出口管均平行，第一直管内的液体流动方向为主射流方向，第二、第三直管内的液体流动使主射流方向发生改变。

 本发明所述可实现输送方向切换的合成射流型无阀压电泵的工作方法的技术方案是采用以下两种方法：

第一种：分别加载同相位的交变电压使三个压电振子同步振动，第一压电振子和第二压电振子的振动幅度相同且大于第三压电振子的振动幅度；

压电泵工作在排出过程：三个压电振子向下位移，流体分别由三个直流管流入汇流锥管，经第二直流管的流量大于经第三直流管的流量，使汇流锥管中射流两侧区域压强不同，因附壁效应，主射流向压力较小的一侧偏移并最终附壁；

压电泵工作在吸入过程：三个压电振子向上位移，经由第二直流管流入的流量大于经由第三直流管流入的流量，出口管排出流体，进口管吸入流体；

第二种；分别加载同相位的交变电压使第一压电振子和第三压电振子的振动幅度相同且大于第二压电振子的振动幅度； 

压电泵工作在排出过程：三个压电振子向下位移，流体分别由三个直流管流入汇流锥管，流经第三直流管的流量大于流经第二直流管的流量，使汇流锥管中射流两侧区域压强不同，因附壁效应，主射流向压力较小的一侧偏移并最终附壁；

压电泵工作在吸入过程：三个压电振子向上位移，流体经由第三直流管的流量大于经由第一直流管的流量，进口管排出流体，出口管吸入流体。

本发明结构简单，易于集成化，流量高，应用附壁效应改变射流方向，可实现输送方向切换和持续出流。 

附图说明

图1为本发明的结构主剖视图；

图2为图1的俯视图；

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为图2中C-C剖面图；

图7为本发明工作状态Ⅰ时排出过程工作原理图；

图8为本发明工作状态Ⅰ时吸入过程工作原理图；

图9为本发明工作状态Ⅱ时排出过程工作原理图；

图10为本发明工作状态Ⅱ时吸入过程工作原理图；

图11为实施例1中在一个周期内进口管或出口管的瞬时流量图曲线；

图中：1、7、8.压电振子；2、20、21.泵腔上半部分；6、9、12.泵腔下半部分；3.泵盖；4.合成射流腔；5.泵体；10.进口管；11.出口管；13、14、17.直流管；15.汇流锥管；16、19.分流管；18.凹劈。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括泵体5、泵盖3和三个压电振子1、7、8。泵体5在泵盖3的正下方，泵体5和泵盖3通过键合或黏结剂结合，三个压电振子1、7、8通过黏结剂固定在泵盖3上。

泵盖3上加工有三个泵腔上半部分2、20、21、合成射流腔4的上半部分、进口管10的上半部分、出口管11的上半部分。如图3和图4所示，泵体5上加工有三个泵腔下半部分6、9、12、三个直流管13、14、17、汇流锥管15、两个分流管16、19、合成射流腔4的下半部分、进口管10的下半部分、出口管11的下半部分。三个压电振子1、7、8分别对应于三个泵腔，在三个泵腔的正上方。

汇流锥管15截面积较大的大端有一段向合成射流腔4方向凹陷的圆弧形凹劈18,两个分流管16、19的一端均与汇流锥管15的大端连通，另一端分别与合成射流腔4连通，且此端的轴线与分别与进口管10、出口管11的轴线重合，两个分流管16、19关于汇流锥管15中心线呈中心对称。三个直管13、14、17的一端分别连接三个泵腔下半部分6、9、12，三个直管13、14、17的另一端相互交汇并与汇流锥管15截面积较小的小端连通。直管13的中心线与进口管10、出口管11平行，直管13内的液体流动方向为主射流方向，其他两个直管14、17内的流动可使主射流方向发生改变。两个直管14、17关于汇流锥管15中心线呈中心对称，整个泵结构关于汇流锥管15中心线呈中心对称。

如图5和图6所示，泵盖3上加工有泵腔上半部分20、21，合成射流腔4的上半部分和进口管10的上半部分、出口管11的上半部分。

影响微泵性能的主要结构参数的取值范围为：如图3、图4所示，直管14、17的宽度a₂为直管13宽度a₁的0.5到1倍；汇流锥管15的小端的宽度b₁为直管13宽度a₁的1到2倍；汇流锥管15的长度L₁为汇流锥管15小端的宽度b₁的5到10倍；汇流锥管15大端的圆弧形凹劈18的圆弧半径r为汇流锥管15小端宽度b₁的1到2倍；汇流锥管15的锥角θ为30°到60°；分流管16、19的出口宽度b₂为汇流锥管15小端宽度b₁的0.5到1倍；分流管16、19与合成射流腔4连接处的喷管长度L₃为分流管16、19的出口宽度b₂的2~6倍；合成射流腔4的长度c₁为分流管16、19出口宽度b₂的5到20倍；合成射流腔4的宽度c₂为合成射流腔4的长度c₁的3到6倍；分流管16、19的距离L₂为合成射流腔宽度c₂的0.3到0.6倍；进口管10和出口管11的宽度b₃为分流管16、19的出口宽度b₂的2到5倍。如图1所示，泵腔下半部分6、9、12、直管13、14、17、汇流锥管15、分流管16、19的高度均为h₁，且等于直管13宽度b₁；泵腔上半部分2、20、21的高度h₂为泵腔下半部分6、9、12高度h₁的0.5到2倍。如图6所示，合成射流腔4的高度h₃为分流管16、19的出口宽度b₂的5到20倍；进口管10和出口管11的高度h₄等于进口管10和出口管11的宽度b₃。按上述取值得到的直管13截面为方形，其他管道截面为矩形，具体尺寸按取值范围确定。

本发明工作时，压电振子1、7、8向下位移为排出过程，泵腔上半部分2、20、21体积减少，流体由直流管13、14、17流入汇流锥管15；压电振子1、7、8向上位移为吸入过程，泵腔上半部分2、20、21体积增加，流体由汇流锥管15流入直流管13、14、17。

本发明有以下两种工作方法：

第一种，分别加载同相位的交变电压使三个压电振子1、7、8同步振动，使压电振子1和压电振子7的振动幅度相同，压电振子8的振动幅度较小，此时微泵处于工作状态Ⅰ。

微泵处于工作状态Ⅰ的排出过程中时，压电振子1、7、8向下位移，压电泵内部流动情况如图7所示，流体分别由直流管13、14、17流入汇流锥管15，由于压电振子7的振动幅度大于压电振子8的振动幅度，故从泵腔9、20流经直流管14的流量大于从泵腔12、21流经直流管17的流量，造成汇流锥管15中射流两侧区域压强不同，由于附壁效应，主射流向压力较小的一侧偏移并最终附壁，通过这种方式可以控制射流方向，使大部分流体由分流管19流入合成射流腔4，流量为                                               ,小部分由分流管16流入合成射流腔4，流量为。由分流管19排出的流体在合成射流腔4中形成射流并产生强烈漩涡，由于漩涡的卷吸，流体由进（出）口管10被吸入。漩涡卷吸的流量为，所以从进口管10流入的流量为，合成射流腔4中形成的射流经出口管11排出，流量为。

微泵处于工作状态Ⅰ的吸入过程中时，压电振子1、7、8向上位移，由于压电振子7的振动幅度大于压电振子8的振动幅度，故经由直流管14流入泵腔9、20的流量大于经由直流管17流入泵腔12、21的流量。压电泵内部流动情况如图8所示，从分流管16、19流入汇流锥管15的流量基本相同，为，而合成射流腔4中在排出过程形成的漩涡并没有立即消失，而是向下游移动并继续卷吸流体，卷吸的流量为，这种合成射流效应造成出口管11仍然排出流体，流量为，进口管10表现为吸入流体，流量为。

一个排出过程和一个吸入过程构成一个周期，所以在一个周期内流体持续从进口管10流向出口管11，流量为。其中变量和为合成射流效应产生的卷吸流量，与泵腔容积变化量没有直接关系。该泵的泵送流量与泵腔容积变化量的比值可以超过1。

第二种，分别加载同相位的交变电压使压电振子1和压电振子8的振动幅度相同，压电振子7的振动幅度较小，此时微泵处于工作状态Ⅱ。

微泵处于工作状态Ⅱ的排出过程中时，压电振子1、7、8向下位移，压电泵内部流动情况如图9所示，流体分别由直流管13、14、17流入汇流锥管15，由于压电振子8的振动幅度大于压电振子7的振动幅度，故从泵腔12、21流经直流管17的流量大于从泵腔9、20流经直流管14的流量，造成汇流锥管15中射流两侧区域压强不同，由于附壁效应，主射流向压力较小的一侧偏移并最终附壁，使大部分流体由分流管16流入合成射流腔4，流量为,小部分由分流管19流入合成射流腔4，流量为。由分流管16排出的流体在合成射流腔4中形成射流并产生强烈漩涡，由于漩涡的卷吸，流体由出口管11被吸入。漩涡卷吸的流量为，所以从出口管11流入的流量为，合成射流腔4中形成的射流经进口管10排出，流量为。

微泵处于工作状态Ⅱ的吸入过程中时，压电振子1、7、8向上位移，由于压电振子8的振动幅度大于压电振子7的振动幅度，故经由直流管17流入泵腔12、21的流量大于经由直流管14流入泵腔9、20的流量。吸入过程中压电泵内部流动情况如图10所示，从分流管16、19流入汇流锥管15的流量基本相同，为，而合成射流腔4中在排出过程形成的漩涡并没有立即消失，而是向下游移动并继续卷吸流体，卷吸的流量为，该合成射流效应造成进口管10仍然排出流体，流量为，出口管11表现为吸入流体，流量为。一个排出过程和一个吸入过程构成一个周期，所以一个周期内流体持续从出口管11流向进口管10，流量也为。

由上述可知，通过调节压电振子7和压电振子8的振动幅度，该微泵可以在工作状态Ⅰ和工作状态Ⅱ之间切换，从而改变微泵输送流体的方向。

以下提供本发明的一个实施例：

实施例1

本实施例为流体数值模拟，实施例为工作状态Ⅰ。具体尺寸为：直管13的宽度a₁为1mm，直管14、17的宽度a₂为1mm，汇流锥管15的宽度b₁为1mm，锥角θ为30°，中心线长度L₁为6mm，圆弧半径r为1.5mm。分流管16、19宽度b₂为1mm，宽度L₂为8mm，长度L₃为4mm，高度h₁为1mm，合成射流腔4长度c₁、宽度c₂和高度c₃分别为10mm、36mm和20mm，进（出）口管10、11宽度b₃和高度h₄都为5mm。用正弦变化的速度边界条件代替因压电振子1、7、8振动产生的泵腔上半部分2、20、21的容积变化，频率为2Hz，直流管13、14、17的最大平均速度分别为0.8m/s、0.8m/s、0.08m/s，流体介质为水。图11所示的是实施例一个周期内进（出）口管10、11的瞬时流量和三个泵腔上半部分2、20、21的总容积变化量，计算可得该实施例的泵送流量与泵腔容积变化量的比值为3.69。

工作状态Ⅱ的数值模拟只需改变直流管13、14、17的最大平均速度分别为0.8m/s、0.08m/s、0.8m/s，由于微泵为对称结构，流量与工作状态Ⅰ的模拟结果相同，输送方向相反。