專利名稱：一種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)閥壓電泵，具體是指ー種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵。
背景技術(shù)：
壓電泵是機(jī)械式微泵的ー種，屬于容積泵，廣泛應(yīng)用在藥物微量輸送，細(xì)胞分離，電子產(chǎn)品降溫，燃料微量噴射，化學(xué)微分析，管道流動(dòng)轉(zhuǎn)捩控制等領(lǐng)域；目前壓電泵主要分為有閥壓電泵和無(wú)閥壓電泵兩類，有閥壓電泵由于閥的存在，流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的壓カ損失，而且啟動(dòng)注水過(guò)程過(guò)于困難，加工和集成化難度比較大，限制了壓電泵向更微型化方向的發(fā)展，另外活動(dòng)部件會(huì)對(duì)某些微分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，且由于閥片的頻繁開(kāi)關(guān)使得泵的響應(yīng)速度慢，工作頻率低，同時(shí)可動(dòng)閥片材料的疲勞失效和性能不穩(wěn)定都會(huì)影響壓電泵的使用壽命；無(wú)閥壓電泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更適合于小型化和微型化，可以滿足高頻率下 的工作要求，克服了有閥壓電泵斷流有噪音的缺點(diǎn)，防疲勞性能良好。常用的無(wú)閥壓電泵中，擴(kuò)散/收縮管型無(wú)閥壓電泵將傳統(tǒng)泵的驅(qū)動(dòng)源部分、傳動(dòng)部分及泵體三者合為一體，克服了由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的壓カ損失，磨損，疲勞破壞以及對(duì)某些敏感流體的性質(zhì)所造成的不良影響。常用的擴(kuò)散/收縮管型無(wú)閥壓電泵有“ Y”型管無(wú)閥壓電泵和“ V”型管無(wú)閥壓電泵，“Y”型管無(wú)閥壓電泵的進(jìn)出口流管由ー個(gè)合流管和兩個(gè)分流管組成“ Y”字形，其合流管和分流管均為等截面矩形管，其缺陷是等截面矩形的合流管與分流管的尺度較大，不利于微型集成化；“ V”管無(wú)閥壓電泵的進(jìn)ロ流管由一個(gè)等截面矩形管為合流管和兩個(gè)擴(kuò)散(收縮)分流管組成，其缺陷是進(jìn)出口流管和泵腔不在同一個(gè)平面上，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，加工制作困難。專利201010505915. X公開(kāi)ー種用于微流體傳輸與控制領(lǐng)域的對(duì)數(shù)螺旋組合管無(wú)閥壓電泵，該無(wú)閥壓電泵的進(jìn)ロ流管和出口流管均由匯流錐管和分別與匯流錐管大端連通的兩個(gè)分流對(duì)數(shù)螺旋管組成，且均為矩形斷面管，該對(duì)數(shù)螺旋組合管無(wú)閥壓電泵流量較易控制，能耗有一定的降低，但結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，不利于集成化和微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目地就是為了避免上述技術(shù)中的不足而提出的一種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵，它主要是針對(duì)現(xiàn)有無(wú)閥壓電泵所存在的問(wèn)題如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)紊亂等而發(fā)明的尺度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)穩(wěn)定，容積效率較高的軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵，該泵可在較高頻率下工作。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵包括泵體、泵蓋和壓電振子，泵蓋正上方是壓電振子，泵蓋上設(shè)有泵進(jìn)口和泵出口，泵體上設(shè)置進(jìn)ロ流管、出口流管和圓形泵腔，進(jìn)ロ流管的小端和泵進(jìn)ロ連通，進(jìn)ロ流管的大端和泵腔連通，出ロ流管的小端和泵腔連通，出ロ流管的大端和泵出口連通，進(jìn)ロ流管和出口流管結(jié)構(gòu)相同且同軸設(shè)置，并且與泵腔的圓心等距，其特征在于進(jìn)ロ流管和出ロ流管均為以圓形泵腔的水平中心線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管，軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管是由對(duì)數(shù)螺旋線方程P=PtlXek0確定的包角α為45°的一段對(duì)數(shù)螺旋線段繞圓形泵腔水平方向中心線旋轉(zhuǎn)一周所形成的圓管，其中e為自然対數(shù)函數(shù)的底數(shù)，其值約為 2. 71828，P。為 10ym，k 為 0.001，Θ 為 10035。 (10035° + α )。所述軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管小端的管ロ圓角半徑!■為D/2。所述軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管小端的最小截面的直徑D為80 150 μ m
進(jìn)ロ流管的大端與泵腔相接，出口流管的大端與泵出口相接，泵腔為圓柱狀，其半徑為R1，在泵體上開(kāi)設(shè)的泵腔的深度為h，泵進(jìn)口和泵出口為矩形狀，在泵體上開(kāi)設(shè)的深度為h，長(zhǎng)和寬均為c ;泵腔的尺寸與泵進(jìn)口和泵出口的尺寸的取值范圍同現(xiàn)有技術(shù)中的取值范圍，不是本發(fā)明的創(chuàng)新之處。
本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明進(jìn)出口流管無(wú)分叉的特殊結(jié)構(gòu)，可零損傷地輸送介質(zhì)，可用于活體細(xì)胞以及高分子物質(zhì)的輸送；本發(fā)明進(jìn)出口流管軸對(duì)稱的特殊結(jié)構(gòu)使其具有較高的正反向流阻系數(shù)比，提高了所發(fā)明泵的容積效率，表I所示為同尺度不同結(jié)構(gòu)流管所對(duì)應(yīng)泵的容積效率比較；本發(fā)明泵單向壓力損失進(jìn)ー步減小，極大程度上降低了能耗；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成和微型化；該泵可應(yīng)用于藥物微量輸送、生化試劑定量以及電子產(chǎn)品降溫等領(lǐng)域。表I
序號(hào)__I _2_3 _4_5 _
無(wú)閥壓電泵名稱傳統(tǒng)擴(kuò)散收縮管無(wú)閥壓電泵 V型管無(wú)閥壓電泵Y型管無(wú)閥壓電泵対數(shù)螺旋組合管無(wú)閥壓電泵軸對(duì)稱対數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵容積效率_11. 7% _ 13. 3%_ 12. 5% _ 15. 9%_24. 7% _


圖I本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視 圖2是圖I中的A-A向剖面 圖3是圖2中I的局部放大 圖4是圖2進(jìn)ロ流管4和出ロ流管5的幾何結(jié)構(gòu)放大 圖5是本發(fā)明吸水過(guò)程工作原理 圖6是本發(fā)明排水過(guò)程工作原理 圖中1.泵進(jìn)ロ ；2.泵出ロ ；3.泵腔；4.進(jìn)ロ流管；5.出ロ流管；6.泵體；7.泵蓋；8.壓電振子；9.軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管。
具體實(shí)施例方式如圖1-3，本發(fā)明包括泵體6、泵蓋7和壓電振子8，泵體6和泵蓋7靜電鍵合在一起，壓電振子8通過(guò)黏結(jié)劑固定于泵蓋7的正上方，在泵蓋7上加工出泵進(jìn)ロ I和泵出口 2，泵進(jìn)ロ I和泵出口 2分別外接進(jìn)ロ管和出口管；應(yīng)用MEMS加工技術(shù)在泵體6及泵蓋7上加エ出兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的進(jìn)ロ流管4、出口流管5和一個(gè)圓柱形泵腔3，其中泵腔3位于進(jìn)ロ流管4和出口流管5之間，且進(jìn)ロ流管4、出口流管5和泵腔3在水平方向同軸線，進(jìn)ロ流管4和出ロ流管5分別連通泵腔3，三者相互連通；這兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的進(jìn)ロ流管4和出ロ流管5同軸設(shè)置，并且彼此與泵腔3的圓心距離相等；泵蓋7上的泵進(jìn)ロ I和泵出ロ 2分別連通進(jìn)ロ流管4和出口流管5，進(jìn)ロ流管4和出ロ流管5均為軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管9，對(duì)數(shù)螺旋管9的輪廓線是由對(duì)數(shù)螺旋線方程P=PtlXek0確定的包角α為45°的一段對(duì)數(shù)螺旋線，其中e為自然対數(shù)函數(shù)的底數(shù)，其值約為2. 71828，P。為10 μ m，k為0.001，Θ為10035° (10035° + α )，泵腔3為圓柱狀,其半徑Rl為(5 6mm),在泵體6上開(kāi)設(shè)的深度為h,泵進(jìn)ロ I和泵出口 2為矩形狀，在泵體6上開(kāi)設(shè)的深度為h (80 150 μ m)，長(zhǎng)和寬均為c(3. 5 5. Omm);如圖4所示，對(duì)數(shù)螺旋管是由對(duì)數(shù)螺旋線方程P=PtlXek0確定的包角α為45°的一段對(duì)數(shù)螺旋線繞泵腔水平方向軸心線旋轉(zhuǎn)一周所形成的圓管，對(duì)數(shù)螺旋管小端的管ロ圓角半徑為r，位于對(duì)數(shù)螺旋管喉部的最小截面的直徑為D，進(jìn)ロ流管的大端與泵腔相接，出ロ流管的大端與泵出ロ相接。本發(fā)明的工作原理
(I)吸入過(guò)程如圖5所不
壓電振子8受到外界電場(chǎng)激勵(lì)作用而向上振動(dòng)時(shí)，泵腔3體積增大，泵腔3內(nèi)的壓強(qiáng)降低且小于外界壓強(qiáng)，從而流體從泵腔3外通過(guò)進(jìn)ロ流管4和出口流管5同時(shí) 流向泵腔3內(nèi)，由于進(jìn)ロ流管4和出ロ流管5均為具有一定錐度的軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管，正反方向上流管的流動(dòng)阻カ不同，造成的壓カ損失也不相等，泵進(jìn)ロ I的流進(jìn)量
大于泵出口 2的流進(jìn)量Qe，即込> a，壓電泵總的流進(jìn)量為β =Qii +a。( 2 )排出過(guò)程如圖6所示
當(dāng)壓電振子8受到外界電場(chǎng)激勵(lì)作用而向下振動(dòng)時(shí)，泵腔3的體積減小，泵腔3內(nèi)壓強(qiáng)增大且大于外界壓強(qiáng)，從而流體從泵腔3內(nèi)通過(guò)進(jìn)ロ流管4和出口流管5同時(shí)排出泵腔
3夕卜，此過(guò)程與泵吸入過(guò)程相反，泵進(jìn)ロ I的流出量Q小于泵出口 2的流出量2〗，即這<OJ ,此時(shí)壓電泵的總流出量為β H。由于壓電泵振幅一定，流入泵腔3的流量和流出泵腔3的流量相等，即β + Qn=Gi + β〗，所以壓電泵通過(guò)進(jìn)ロ流管4流入泵腔3的凈流量為a -ぱ，壓電泵通過(guò)出ロ流
管5流出泵腔3的凈流量為Qtd - Qs ,此值大于零，故在無(wú)閥壓電泵的ー個(gè)工作周期內(nèi)，進(jìn)ロ
流管4處流體介質(zhì)在吸入過(guò)程中流入泵腔3的流量大于在排出過(guò)程中排出的流量，而出ロ流管5則相反，即在吸入過(guò)程中流入泵腔3的流體介質(zhì)的流量小于排出的流量。最終實(shí)現(xiàn)了流體介質(zhì)的單向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了泵的輸送功能。
權(quán)利要求
1.一種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵，包括泵體、泵蓋和壓電振子，泵蓋正上方是壓電振子，泵蓋上設(shè)有泵進(jìn)口和泵出口，泵體上設(shè)置進(jìn)ロ流管、出口流管和圓形泵腔，進(jìn)ロ流管的小端和泵進(jìn)ロ連通，進(jìn)ロ流管的大端和泵腔連通，出ロ流管的小端和泵腔連通，出ロ流管的大端和泵出口連通，進(jìn)ロ流管和出口流管結(jié)構(gòu)相同且同軸設(shè)置，并且與泵腔的圓心等距，其特征在于進(jìn)ロ流管和出ロ流管均為以圓形泵腔的水平中心線為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管，軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管是由對(duì)數(shù)螺旋線方程P=PtlXek0確定的包角α為45°的一段對(duì)數(shù)螺旋線段繞圓形泵腔水平方向中心線旋轉(zhuǎn)一周所形成的圓管，其中e為自然対數(shù)函數(shù)的底數(shù)，P。為 10ym，k*0.001，Θ 為 10035。 (10035。+ α )。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵，其特征在于所述軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管小端的最小截面的直徑D為80 150 μ m。
3.如權(quán)利要求2所述的ー種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵，其特征在于所述軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管小端的管ロ圓角半徑!■為D/2。
全文摘要
本發(fā)明涉及無(wú)閥壓電泵，具體是指一種軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵。所述軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵包括泵體、泵蓋和壓電振子，泵體上設(shè)置進(jìn)口流管、出口流管和泵腔，進(jìn)口流管和出口流管結(jié)構(gòu)相同且同軸布置，并與泵腔圓心同心等距；進(jìn)口流管和出口流管均為軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管，對(duì)數(shù)螺旋管的輪廓線是由對(duì)數(shù)螺旋線方程ρ=ρ0×ekθ確定的對(duì)數(shù)螺旋線；本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是尺度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化；可獲得穩(wěn)定的壓力且泵內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定幾乎無(wú)渦流，對(duì)所輸送介質(zhì)無(wú)損傷；較其他結(jié)構(gòu)的無(wú)閥壓電泵，軸對(duì)稱對(duì)數(shù)螺旋管無(wú)閥壓電泵具有較低的單向流阻和較高的正反向流阻系數(shù)比，因此容積效率較高，故可獲得更穩(wěn)定的流量，能量損失顯著減小。
文檔編號(hào)F04B53/16GK102691648SQ20121013105
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者何秀華, 蔡盛川, 鄧志丹 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)