一种阻块式附壁射流无阀压电微泵

摘要

本发明公开微流体系统领域中一种阻块式附壁射流无阀压电微泵，下泵腔连接附壁部分左端，附壁部分右端分别经第一进口直流管连接第一泵进口缓冲腔、经第二进口直流管连接第二泵进口缓冲腔以及经出口直流管连接泵出口缓冲腔；附壁部分由缓冲腔、汇流锥管和阻块组成，缓冲腔左端与下泵腔连通，右端与汇流锥管小端连通，汇流锥管大端分别与第一、第二进口直流管和出口直流管的左端连通；在汇流锥管小端的正中间是阻块，阻块将汇流锥管小端处的流道分隔成前后两个相同的窄流道；阻块由左侧的半圆形柱和右侧的三角柱连接组成，三角柱的前后两侧壁与半圆形柱相切；利用阻块诱导流体附壁流动，增加出口排出的净流量，提高容积效率。

说明书

技术领域

本发明涉及微流体系统领域，具体是一种无阀压电微型泵结构，为微流体系统的核心部件和动力元件。

背景技术

微型泵的性能直接决定了微流体系统的性能。 压电泵是往复膜片式微泵的一种，通过利用压电材料的逆压电效应来实现电能向机械能的转化，从而达到输送流体的目的。相比于其他驱动方式的微型泵，压电泵具有结构简单、体积小、响应速度快、致动力大、无电磁干扰、对输送介质的粘度、离子强度、酸碱性不敏感等优点，因此被广泛应用于化学分析、电子器件冷却、环境检测、药物精确输送、生物芯片等领域。

附壁效应又称为康达效应，是流体的流动现象，即流体（水流或气流）由离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。其原理是射流与周围流体交换动量，进而卷吸流体，但是有限空间的固壁限制了卷吸的流场，引起射流两侧产生压力差，造成射流的偏转，最终射流沿着壁面流动。

大多数无阀压电泵是将两个特殊结构流管与泵腔连接,利用特殊微流管的双向流阻差来产生净流量。对于这种类型的无阀压电泵，流管的流动性能直接决定了无阀压电微泵的整流性能。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。为了产生更大的流阻差，获得更高的容积效率，出现了许多新型结构的微泵，例如中国专利公告号为CN203248339U的文献中提出一种基于附壁效应的三腔无阀压电泵，设计了三个泵腔，通过控制不同泵腔的振幅来控制出流量以及流动方向，但三个泵腔使得结构占用空间变大，增加了加工成本，使用场合也有局限性，不利于微型化和集成化，此外实际应用中并没有达到理想的控制流动方向的特点；中国专利公开号为CN102913422A的文献中提出一种阻流体阻流无阀压电泵，在泵腔底部设计了许多阻流体，虽然能够节约空间，但该种微泵几乎不能承受背压，实际应用效果不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻块式附壁射流无阀压电微泵，利用特殊结构的阻块诱导来流产生附壁效应，使得这种微泵具有大流量出流，容积效率高。

为实现上述目的，本发明一种阻块式附壁射流无阀压电微泵采用的技术方案是：具有一个泵体，泵体上设有下泵腔，下泵腔连接附壁部分的左端，附壁部分的右端分别经第一进口直流管连接第一泵进口缓冲腔、经第二进口直流管连接第二泵进口缓冲腔以及经出口直流管连接泵出口缓冲腔；下泵腔、附壁部分和出口直流管的左右方向的水平中心轴重合；所述附壁部分由缓冲腔、汇流锥管和阻块组成，缓冲腔左端与下泵腔连通，右端与汇流锥管小端连通，汇流锥管的大端分别与第一进口直流管、第二进口直流管和出口直流管的左端连通；在汇流锥管小端的正中间是阻块，阻块将汇流锥管小端处的流道分隔成前、后两个相同的窄流道；阻块由左侧的半圆形柱和右侧的三角柱连接组成，三角柱的前后两侧壁与半圆形柱相切。

本发明的有益效果是：本发明不仅具有普通无阀压电泵结构简单、易加工、成本低的优点，而且通过利用特殊结构的阻块诱导流体附壁流动，阻块的设计增大了排出和吸入过程的流阻差，极大地增加了出口排出的净流量，进一步提高了容积效率，使得该泵具有较好的承压能力。相比基于附壁效应的三腔的无阀压电泵，本发明只有一个泵腔，大大减小了结构尺寸，更容易加工，不受电磁干扰，有利于微型化和集成化，极大缩短了设计周期与成本；相比扩散收缩管型无阀压电微泵，本发明利用阻块诱导来流沿着阻块表面流动，使得排出过程中射流在阻块两侧同时产生漩涡，从而卷吸流体由两个进口直流管均流入出口直流管，进一步增加了出口直流管的排出量，容积效率在高雷诺数高频率下可高达84.5%以上，且能在高雷诺数（1000）高频（1000Hz）下使用，整个排出过程时间占周期的80%。

附图说明

图1是本发明一种阻块式附壁射流无阀压电微泵的主视结构剖视图；

图2是图1中泵盖的俯视图；

图3是图1中A-A向放大剖面图以及几何尺寸标注图；

图4是图3中附壁部分结构放大图以及几何尺寸标注图；

图5-6是本发明排出过程的工作原理图；

图7-8是本发明吸入过程的工作原理图；

图中：1.灌泵口；2.灌泵腔；3.灌泵管；4.下泵腔；5.上泵腔；6.缓冲腔；7.阻块；8.汇流锥管；9.出口直流管；10.第一进口直流管；11.第二进口直流管；12.泵出口缓冲腔；13.泵出口；14.第一泵进口缓冲腔；15.第一泵进口；16.第二泵进口缓冲腔；17.第二泵进口；18.振动膜片；19.压电振子；20.泵盖；21.泵体；Ⅱ.附壁部分。

具体实施方式

参照图1-3所示,本发明包括泵体21、泵盖20、压电振子19和振动膜片18。泵体21的材料是硅，泵盖20在泵体21的正上方，泵盖20的材料是玻璃，泵体21和泵盖20通过真空氧等离子体键合工艺紧密贴合在一起。

如图2，在泵盖20上加工出灌泵口1、上泵腔5、第一泵进口15、第二泵进口17和泵出口13，泵盖20上加工出的结构上下高度均和泵盖20的上下高度相同。

如图3，在泵体21上加工出灌泵腔2、灌泵管3、下泵腔4、附壁部分Ⅱ、第一进口直流管10、第一泵进口缓冲腔14、第二进口直流管11、第二泵进口缓冲腔16以及出口直流管9、泵出口缓冲腔12。泵体21上加工出的结构上下高度均与泵体21同高，纵截面均为矩形，且均关于泵体21所在的左右方向的水平中心轴M前后对称分布。泵体21上的结构可通过模塑法加工而成，泵盖20上的结构可利用激光加工工艺加工而成。

振动膜片18为黄铜（或其他弹性材料），通过粘结剂固定在上泵腔5的正上方。压电振子19是驱动元件，压电振子19通过环氧树脂粘结在振动膜片18上表面。压电振子19、振动膜片18、上泵腔4和下泵腔5的垂直中心线共线。

灌泵腔2、灌泵管3、下泵腔4和附壁部分Ⅱ从左至右沿泵体23的左右水平中心线M前后对称，依次串接且依次连通。附壁部分Ⅱ的右端分别经第一进口直流管10连接第一泵进口缓冲腔14、经第二进口直流管11连接第二泵进口缓冲腔12以及经出口直流管9连接泵出口缓冲腔12。出口直流管9和泵出口缓冲腔12的左右方向的水平中心线与泵体21的左右水平中心轴M相重合。第一泵进口缓冲腔14和第二泵进口缓冲腔16关于泵出口缓冲腔12的左右水平中心轴M前后对称，第一进口直流管10和第二进口直流管11关于泵出口缓冲腔9的左右水平中心轴M前后对称。

灌泵腔2在灌泵口1的正下方且与灌泵口1相通，下泵腔4在上泵腔5的正下方且与下泵腔4相通，上泵腔5和下泵腔4的水平横截面均是圆形且内径相等，上泵腔5和下泵腔4形成微泵的泵腔。第一泵进口缓冲腔14在第一泵进口15的正下方且与第一泵进口15相通，第二泵进口缓冲腔16在第二泵进口17的正下方且与第二泵进口17相通，泵出口缓冲腔12在泵出口13的正下方且与泵出口13相通。

参见图3和图4，附壁部分Ⅱ由缓冲腔6、汇流锥管8和阻块7组成。汇流锥管8的左端是小端，右端是大端，缓冲腔6的左端与下泵腔4连通，右端与汇流锥管8的小端连通。汇流锥管8的大端分别与第一进口直流管10、第二进口直流管11和出口直流管9的左端连通。第一进口直流管10的右端与第一进口缓冲腔14连通，第二进口直流管11的右端与第二进口缓冲腔16连通。出口直流管9的右端与出口缓冲腔12连通。

在汇流锥管8的小端的正中间是阻块7，阻块7将汇流锥管8小端处的流道分隔成了前、后两个相同的窄流道。阻块7关于泵体21的左右水平中心轴M前后对称，阻块7的上下高度与泵体21的上下高度相同，且固定在泵体21的底面上。阻块7由左侧的半圆形柱和右侧的三角柱连接合成一体组成，三角柱的前后两侧壁与半圆形柱相切，阻块7的右端是三角柱的尖端。阻块7的横截面是半圆形和三角形相接的形状，三角形的前后两边与半圆形相切，三角形的左边边长等于半圆形的直径，阻块7的半圆形中心是汇流锥管8小端面的中心。

汇流锥管8小端处的窄流道最小宽度为d，d为100μm-200μm。汇流锥管8的左右长度L₁为4~8倍的窄流道最小宽度d。阻块7的圆弧半径R为1~2倍的窄流道最小宽度d，阻块7的右端三角形的夹角α为60°。第一进口直流管10、第二进口直流管11与汇流锥管8两端面之间的夹角θ均为60°。第一进口直流管10、第二进口直流管11和出口直流管9的前后宽度相等，都是b，b等于。第一进口直流管10、第二进口直流管11和出口直流管9的左右长度相等，均是L₂，要求L₂:d为15:1。下泵腔4的半径R_c与窄流道最小宽度d之比R_c:d为25:1。

参见图5-6所示，本发明工作时，在压电振子19两端加载交变电压信号（正弦或矩形波信号）后压电振子19会发生弯曲变形并随电压频率上下周期性振动，该振动带动上泵腔5和下泵腔4内的流体流动，该流动过程可分为排出过程和吸入过程：排出过程如图5-6所示：压电振子19受到外界电场激励作用而向下振动时，泵腔体积减小，使得泵腔内的压强增大且大于外界压强，从而流体从泵腔内通过缓冲腔6排至汇流锥管8内。如图5所示，由于阻块7的圆弧过渡结构诱导射流沿着阻块7表面流动，使得泵腔排出的流体进入出口直流管9的比例大幅度增加，同时在汇流锥管8靠近进口直流管的地方形成两对漩涡。在排出阶段的前一段时间内，由于漩涡卷吸强度较弱，进出口直流管同时排出流体（如图6所示），但随着漩涡卷吸强度增大，流体从第一进口直流管10、第二进口直流管11被卷吸进入出口直流管9，如图6所示，排出过程的泵腔排出量为。吸入过程如图7-8所示，压电振子19受到外界电场激励作用而向上振动时，泵腔体积增大，泵腔内的压强降低且小于外界压强，从而流体通过第一泵进口15和第二泵进口17同时流入下泵腔4内。由于排出阶段的漩涡仍然存在以及从进口进入的流体对出口进入的流体有一定的阻碍作用，出口直流管9内流体既有排出又有吸入。在吸入阶段前一段时间内泵出口13表现为排出流体，如图7所示，而随着漩涡的削弱消失以及泵腔吸入速度的增加，泵出口13表现为吸入流体，如图8所示，吸入过程的泵腔吸入量为。设泵出口13的瞬时流量为，则一个周期内的泵出口13的净流量为，泵腔体积变化量为，因此该阻块式附壁射流无阀压电微泵的容积效率为，容积效率高达84.5%。