具有盤形腔的泵的制作方法
【專利摘要】公開一種具有盤形腔的泵。所述泵進(jìn)一步包括閥，該閥用于控制通過該閥的流體的流動(dòng)。所述閥具有帶有偏移孔的第一板和第二板，以及圍繞所述板的周界設(shè)置在所述板之間的側(cè)壁，以形成與所述孔流體連通的腔。所述閥進(jìn)一步包括薄片，該薄片設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng)，該薄片并具有從一個(gè)板的孔基本偏移且與另一個(gè)板的孔基本對(duì)準(zhǔn)的孔。所述薄片響應(yīng)越過所述閥的流體的壓差的方向的變化在兩個(gè)板之間被推動(dòng)。
【專利說明】具有盤形腔的累
[000。 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年6月3日，名稱為具有盤形腔的累，申請(qǐng)?zhí)枮?200980159668.8的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例大致設(shè)及用于流體的累，并且更具體而言，設(shè)及具有基本 盤形腔的累，該腔具有基本圓形的端壁和側(cè)壁，W及設(shè)及用于控制通過該累的流體的流動(dòng) 的閥。
【背景技術(shù)】
[0003] 閉合腔中高振幅壓力振蕩的產(chǎn)生在熱聲和累類型的壓縮器領(lǐng)域中已引起足夠的 重視。非線性聲學(xué)的最近發(fā)展已允許產(chǎn)生具有比先前認(rèn)為可能更高振幅的壓力波。
[0004] 已知使用共振來實(shí)現(xiàn)從規(guī)定入口到出口的流體累送。運(yùn)可使用在一端處具有聲學(xué) 驅(qū)動(dòng)器的圓柱形腔得W實(shí)現(xiàn)，該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)聲學(xué)駐波。在運(yùn)種圓柱形腔中，聲學(xué)壓力波 具有有限振幅。諸如錐形、角錐形、球形的可變橫截面腔已被用于實(shí)現(xiàn)高振幅的壓力振蕩， 由此顯著增大累送效果。在運(yùn)種高振幅波中，具有能量損耗的非線性機(jī)理已被抑制。然而， 高振幅的共鳴在盤形腔內(nèi)已不再被使用，其中徑向壓力振蕩直到最近才被激發(fā)。公開為WO 2006/111775('487申請(qǐng)）的國際專利申請(qǐng)PCT/GB2006/001487公開了具有基本盤形腔的累， 該盤形腔具有高縱橫比，即，腔的半徑與腔的高度的比率。
[0005] 運(yùn)種累具有基本圓柱形腔，該圓柱形腔包括在每一端由端壁閉合的側(cè)壁。該累還 包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)端壁中的任一個(gè)，W沿著基本垂直于驅(qū)動(dòng)端壁的表面振蕩。驅(qū)動(dòng) 端壁的運(yùn)動(dòng)的空間分布被描述成與腔內(nèi)的流體壓力振蕩的空間波動(dòng)匹配，該狀態(tài)在此被描 述成模式匹配。當(dāng)累被模式匹配時(shí)，由致動(dòng)器作用在腔中流體上的功越過驅(qū)動(dòng)端壁表面而 積極增大，由此增強(qiáng)腔中壓力振蕩的振幅并輸出高的累送效率。在未被模式匹配的累中，可 能有端壁的下述區(qū)域，其中由端壁作用在流體上的功減小而不是增強(qiáng)腔內(nèi)流體的流體壓力 振蕩。因而，由致動(dòng)器作用在流體上的有用功被減小，并且累變得效率更低。模式匹配累的 效率取決于驅(qū)動(dòng)端壁與側(cè)壁之間的界面。希望通過構(gòu)造該界面使其不減小或抑制驅(qū)動(dòng)端壁 的運(yùn)動(dòng)由此減輕腔內(nèi)流體壓力振蕩的振幅的任一減小來保持運(yùn)種累的效率。
[0006] 運(yùn)種累還需要用于控制通過該累的流體的流動(dòng)閥，更具體而言，能夠高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的 閥。傳統(tǒng)的閥對(duì)于多種應(yīng)用典型地W小于500Hz的較低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，許多傳統(tǒng)的壓縮器 典型地W 50或60化運(yùn)轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域中已知的線性共振壓縮器在150到350化之間運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，包 括醫(yī)療設(shè)備的許多便攜式電子設(shè)備需要傳送正壓力或者提供真空的累，該累尺寸相當(dāng)小， 并且運(yùn)種累有利的是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無聲，W提供離散操作。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)些目標(biāo)，運(yùn)種累必須W非常 高的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)需要能夠W大于20k化W及更大頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的閥，運(yùn)一般得不到。為了 W運(yùn) 些高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，閥必須響應(yīng)高頻振蕩壓力，其能夠被調(diào)整W產(chǎn)生通過該累的流體的凈流動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述累的致動(dòng)器引起驅(qū)動(dòng)端壁沿著基本垂直于端壁或 基本平行于圓柱形腔的縱軸線的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)（"位移振蕩"），在下文中被稱為腔內(nèi)的驅(qū) 動(dòng)端壁的"軸向振蕩"。驅(qū)動(dòng)端壁的軸向振蕩在腔內(nèi)產(chǎn)生基本成比率的"壓力振蕩"，形成徑 向壓力分布，該徑向壓力分布近似于如在'487申請(qǐng)中描述的第一類貝塞爾函數(shù)的壓力分 布，該申請(qǐng)通過引用合并于此，運(yùn)種振蕩在下文中被稱為腔內(nèi)的流體壓力的"徑向振蕩"。驅(qū) 動(dòng)端壁的在致動(dòng)器與側(cè)壁之間的一部分提供與累的側(cè)壁的接觸面，其減小位移振蕩的阻 尼，W減輕腔內(nèi)的壓力振蕩的任何減小，該部分在下文中被成稱為"隔離件"。隔離件的示例 性實(shí)施例與驅(qū)動(dòng)端壁的周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，W減小位移振蕩的阻尼。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，累包括:限定腔的具有基本圓柱形形狀的累體，該腔由 在兩端通過基本圓形端壁閉合的側(cè)壁形成，所述端壁中的至少一個(gè)為驅(qū)動(dòng)端壁，該驅(qū)動(dòng)端 壁具有中屯、部分和鄰近所述側(cè)壁的周界部分，其中所述腔在使用時(shí)容納流體。所述累進(jìn)一 步包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器與所述驅(qū)動(dòng)端壁的所述中屯、部分操作性地相關(guān)聯(lián)，W引起所述驅(qū) 動(dòng)端壁沿著與其基本垂直的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)，在所述驅(qū)動(dòng)端壁的大約中屯、處具有最大振 幅，由此在使用時(shí)產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)端壁的位移振蕩。所述累進(jìn)一步包括隔離件，該隔離件與所 述驅(qū)動(dòng)端壁的所述周界部分操作性地相關(guān)聯(lián)，W減小由所述端壁與所述腔的所述側(cè)壁的連 接引起的位移振蕩的阻尼。所述累進(jìn)一步包括設(shè)置在所述端壁中的一個(gè)的大約中屯、處的第 一孔，W及設(shè)置在所述累體中的任何其他位置處的第二孔，由此所述位移振蕩在所述累體 的所述腔內(nèi)產(chǎn)生流體壓力的徑向振蕩，使流體通過所述孔流動(dòng)。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，所述累包括設(shè)置在所述第一孔或所述第二孔中用于控 制通過所述累的流體的流動(dòng)的閥。該閥包括:第一板，該第一板具有大致垂直延伸通過該第 一板的孔；W及第二板，該第二板也具有大致垂直延伸通過該第二板的孔，其中所述第二板 的所述孔從所述第一板的所述孔基本偏移。所述閥進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第一板與所述第 二板之間的側(cè)壁，其中所述側(cè)壁圍繞所述第一板和所述第二板的周界被閉合，W在所述第 一板和所述第二板之間形成與所述第一板和所述第二板的所述孔流體連通的腔。所述閥進(jìn) 一步包括設(shè)置在所述第一板與所述第二板之間并在所述第一板與所述第二板之間能移動(dòng) 的薄片，其中所述薄片具有從所述第一板的所述孔基本偏移并與所述第二板的所述孔基本 對(duì)準(zhǔn)的孔。所述薄片響應(yīng)越過所述閥的所述流體的壓差的方向的變化在所述第一板與所述 第二板之間被推動(dòng)。
[0010] 示例性實(shí)施例的其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)在此描述，并且參照下文的附圖和詳細(xì)描 述將變得明顯。
【附圖說明】
[0011]圖IA至圖IC示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的第一累的示意性剖視圖，其提供正 壓力、累的驅(qū)動(dòng)端壁的位移振動(dòng)的圖表W及累的腔內(nèi)的流體壓力振蕩的圖表。
[0012]圖2示出圖IA的第一累的示意性俯視俯視圖。
[001引圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的第二累的示意性剖視圖，其提供負(fù)壓力。
[0014] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的具有截頭圓錐形底部的第=累的示意性剖 視圖。
[0015] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括兩個(gè)致動(dòng)器的第四累的示意性剖 視圖。
[0016] 圖6A示出圖3的累的示意性剖視圖，圖6B示出如圖IC中所示的累內(nèi)流體的壓力振 蕩的圖表。
[0017] 圖6C示出使用在圖3的累中的閥的示例性實(shí)施例的示意性剖視圖。
[0018] 圖7A示出處于閉合位置的閥的示例性實(shí)施例的示意性剖視圖，圖7B示出圖7A的閥 沿圖7D中的線7B-7B截取的分解截面圖。
[0019] 圖7C示出圖7B的閥的示意性立體圖。
[0020] 圖7D示出圖7B的閥的示意性俯視圖。
[0021] 圖8A示出圖7B中的閥在流體流動(dòng)通過該閥時(shí)處于打開位置的示意性剖視圖。
[0022] 圖8B示出圖7B中的閥處于打開位置與閉合位置之間過渡時(shí)的示意性剖視圖。
[0023] 圖9A示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的施加在圖7B的閥上的振蕩壓差的圖表。
[0024] 圖9B示出圖7B的閥在打開位置與閉合位置之間的操作循環(huán)的圖表。
[0025] 圖10示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的處于閉合位置的圖7B的閥的一部分的示意性剖 視圖。
[0026] 圖IlA示出具有釋放孔的圖7B的閥的改進(jìn)形式的示意性剖視圖。
[0027] 圖IlB示出圖IlA中的閥的一部分的示意性剖視圖。
[0028] 圖12A示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的圖7B的兩個(gè)閥的示意性剖視圖，其中一個(gè)閥被 倒置，W允許流體沿著與另一個(gè)閥相反的方向流動(dòng)。
[0029] 圖12B示出圖12A中所示的閥的示意性俯視圖。
[0030] 圖12C示出圖12A的閥在打開位置與閉合位置之間的操作循環(huán)的圖表。
[0031] 圖13示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的雙向閥的示意性剖視圖，該雙向閥具有允許流體 沿著相反方向流動(dòng)的兩個(gè)閥部，兩個(gè)閥部均具有常閉位置。
[0032] 圖14示出圖13的雙向閥的示意性俯視圖。
[0033] 圖15示出根據(jù)一示例性實(shí)施例的雙向閥的示意性剖視圖，該雙向閥具有允許流體 沿著相反方向流動(dòng)的兩個(gè)閥部，其中一個(gè)閥部具有常閉位置，另一個(gè)閥部具有常開位置。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 在下文對(duì)一些示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參考形成本文一部分的附圖，并且僅 通過可實(shí)施本發(fā)明的例示特定優(yōu)選實(shí)施例被顯示在附圖中。運(yùn)些實(shí)施例被足夠詳細(xì)地描 述，W使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，應(yīng)理解的是，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情 況下，可利用其他實(shí)施例，并且可進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子和化學(xué)變化。為了避免本領(lǐng)域技 術(shù)人員實(shí)施在此描述的實(shí)施例所不必要的細(xì)節(jié)，該描述可能省略本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的某 些信息。因此，下文的詳細(xì)描述不應(yīng)被理解為限制性的，并且示例性實(shí)施例的范圍僅由所附 權(quán)利要求限定。
[0035] 圖IA是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的累10的示意性剖視圖。同樣參照?qǐng)D1B，累10 包括:具有基本圓柱形形狀的累體，該累體包括一端由底部18閉合且另一端由端板17閉合 的圓柱形壁19; W及設(shè)置在端板17與累體的圓柱形壁19的另一端之間的環(huán)狀隔離件30。圓 柱形壁19和底部18可為包括累體的單個(gè)部件，并且可被安裝到其他部件或系統(tǒng)。圓柱形壁 19、底部18、端板17W及隔離件30的內(nèi)表面在累10內(nèi)形成腔11，其中腔11包括在兩端由端壁 12和13閉合的側(cè)壁14。端壁13為底部18的內(nèi)表面，側(cè)壁14為圓柱形壁19的內(nèi)表面。端壁12包 括對(duì)應(yīng)于端板17的內(nèi)表面的中屯、部分和對(duì)應(yīng)于隔離件30的內(nèi)表面的周界部分。盡管腔11在 形狀上為基本圓形，但腔11還可W為楠圓形或其他形狀。累體的底部18和圓柱形壁19可由 任何合適的剛性材料形成，該剛性材料包括但不限于金屬、陶瓷、玻璃或塑料，所述塑料包 括但不限于注塑塑料。
[0036] 累10還包括壓電盤20,壓電盤20操作性地連接到端板17 W形成致動(dòng)器40,該致動(dòng) 器40經(jīng)由端板17與端壁12的中屯、部分操作性地相關(guān)聯(lián)。壓電盤20并不必須由壓電材料形 成，而是可由任何振動(dòng)的電活性材料形成，諸如，例如由電致伸縮材料或磁致伸縮材料形 成。端板17優(yōu)選具有類似于壓電盤20的抗彎剛度，并且可由諸如金屬或陶瓷的電惰性材料 形成。當(dāng)壓電盤20被電流激勵(lì)時(shí)，致動(dòng)器40相對(duì)于腔11的縱軸線沿著徑向方向膨脹和收縮， 導(dǎo)致端板17彎曲，由此引起端壁12沿著基本垂直于端壁12的方向的軸向偏轉(zhuǎn)。端板17可替 代地還可由例如諸如壓電材料、磁致伸縮材料或電致伸縮材料的電活性材料形成。在另一 實(shí)施例中，壓電盤20可由與端壁12成傳力關(guān)系的設(shè)備替代，例如諸如由機(jī)械設(shè)備、磁設(shè)備或 靜電設(shè)備替代，其中端壁12可被形成為材料的電惰性或被動(dòng)層，該層被運(yùn)種設(shè)備(未示出） W如上所述的相同方式驅(qū)動(dòng)至振蕩。
[0037] 累10進(jìn)一步包括從腔11延伸到累10的外部的至少兩個(gè)孔，其中所述孔中的至少第 一個(gè)孔可包含閥W控制通過該孔的流體的流動(dòng)。盡管包含閥的孔可位于腔11中的如下文更 詳細(xì)描述的致動(dòng)器40產(chǎn)生壓差的任何位置，累10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括近似位于端壁12、 13中的任一個(gè)的中屯、的具有閥的孔。圖IA和圖IB中所示的累10包括初級(jí)孔16，該初級(jí)孔16 在端壁13的大約中屯、處從腔11延伸通過累體的底部18并包含閥46。閥46被安裝在初級(jí)孔16 內(nèi)，并允許流體沿著如箭頭所示的一個(gè)方向的流動(dòng)W使其用作累10的出口。第二孔15可位 于腔11內(nèi)除了具有閥46的孔16的位置之外的任何位置。在累10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二 孔被設(shè)置在端壁12、13中的任一個(gè)的中屯、與側(cè)壁14之間。圖IA和圖IB中所示的累10的實(shí)施 例包括從腔11延伸通過致動(dòng)器40的兩個(gè)次級(jí)孔15，運(yùn)兩個(gè)次級(jí)孔15被設(shè)置在端壁12的中屯、 與側(cè)壁14之間。盡管次級(jí)孔15在累10的該實(shí)施例中未裝有閥，但如果需要它們也可裝有閥 W改善性能。在累10的該實(shí)施例中，初級(jí)孔16裝有閥，從而流體如箭頭所示通過次級(jí)孔15被 吸入到累10的腔11中，并通過初級(jí)孔16被累送到腔11外，W在初級(jí)孔16處提供正壓力。
[0038] 參照?qǐng)D3,圖1的累10被示出為具有初級(jí)孔16的可替代構(gòu)造。更具體而言，初級(jí)孔 16'中的閥46'被倒置，W使流體如箭頭所示通過初級(jí)孔16'被吸入到腔11中，并通過次級(jí)孔 15被排出到腔11外，由此在初級(jí)孔16'處提供吸力或減壓源（source of reduced pressure)。在此使用的術(shù)語"減壓"（"reduced pressure")-般指的是小于累10所在位置 的周圍壓力。盡管術(shù)語"真空"和"負(fù)壓力"可用于描述減壓，但實(shí)際的減壓（pressure reduction)可顯著小于通常與絕對(duì)真空相關(guān)的減壓。壓力為"負(fù)"是指其為表壓力的含義， 即壓力被減小到低于周圍大氣壓力。除非另有說明，本文所說的壓力的值均為表壓力。提到 減壓的增大典型地指的是絕對(duì)壓力的減小，而減壓的減小典型地指的是絕對(duì)壓力的增大。
[0039] 現(xiàn)參照?qǐng)D4,根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的累70被示出。累70與圖1的累10基 本類似，除了累體包括具有上表面形成形狀為截頭圓錐狀的端壁13'的底部18'。因此，腔11 的高度從側(cè)壁14處的高度變化到端壁12、13 '之間的在端壁12、13 '的中屯、處的更小高度。端 壁13'的截頭圓錐形形狀加強(qiáng)了相對(duì)于腔11的側(cè)壁14處的壓力較小的腔11的中屯、處的壓 力，在腔11的中屯、處腔11的高度更大，在腔11的側(cè)壁處腔11的高度更小。因此，比較具有相 等的中屯、壓力振幅的圓柱形腔11和截頭圓錐形腔11，明顯的是截頭圓錐形腔11將在遠(yuǎn)離腔 11的中屯、的位置大致具有較小的壓力振幅:腔11的漸增高度用于減小壓力波的振幅。由于 在腔11中的流體振蕩期間經(jīng)歷的粘性損耗和熱能損耗均隨著運(yùn)種振蕩的振幅而增大，通過 采用截頭圓錐形腔11的設(shè)計(jì)減小減小了遠(yuǎn)離腔11的中屯、處的壓力振蕩的振幅對(duì)累70的效 率是有利的。在累70的一個(gè)示例性實(shí)施例中，腔11的直徑為近似20mm，腔11的高度從在側(cè)壁 14處的近似1. Omm逐漸減小到在端壁13 '的中屯、處的近似0.3mm。端壁12、13中的任一個(gè)或者 端壁12、13二者可具有截頭圓錐形形狀。
[0040] 現(xiàn)參照?qǐng)D5,根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的累60被示出。累60與圖1的累10基本 類似，除了包括替代累體的底部18的第二致動(dòng)器62。致動(dòng)器62包括第二盤64和設(shè)置在盤64 與側(cè)壁14之間的環(huán)狀隔離件66。累60還包括操作性地連接到盤64W形成致動(dòng)器62的第二壓 電盤68。致動(dòng)器62與端壁13操作性地相關(guān)聯(lián)，端壁13包括盤64的內(nèi)表面和隔離件66的內(nèi)表 面。第二致動(dòng)器62還W類似于如上所述的致動(dòng)器40相對(duì)于端壁12的方式使端壁13產(chǎn)生沿著 基本垂直于端壁13的方向的振蕩運(yùn)動(dòng)。當(dāng)致動(dòng)器40、62被致動(dòng)時(shí)，控制電路(未示出）被提供 W協(xié)調(diào)致動(dòng)器的軸向位移振蕩。優(yōu)選的是致動(dòng)器W相同頻率且近似異相地被驅(qū)動(dòng)，即，使得 端壁12、13的中屯、首先朝向彼此移動(dòng)然后分開。
[0041] 本文描述的累的尺寸應(yīng)優(yōu)選地相對(duì)于腔11的高度化)和腔的半徑(r)之間的關(guān)系 滿足某一不等式，半徑(r)為從腔11的縱軸線到側(cè)壁14的距離。運(yùn)些方程式如下：
[0042] r/h〉1.2;W及
[0043] h2/r〉4Xl〇-w 米。
[0044] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)腔11內(nèi)的流體為氣體時(shí)，腔半徑與腔高度的比率(r/ h)在大約10到大約50之間。在該實(shí)例中，腔11的體積可小于大約10ml。另外，比率h2/H尤選 在大約ICT3米到大約ICT6米的范圍內(nèi)，其中工作流體為與液體相對(duì)的氣體。
[0045] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，次級(jí)孔15位于腔11內(nèi)的壓力振蕩的振幅接近為零的地 方，即壓力振蕩的"波節(jié)"點(diǎn)處。當(dāng)腔11為圓柱形時(shí)，壓力振蕩的徑向相關(guān)性可由第一類貝塞 爾函數(shù)估計(jì)，并且腔11內(nèi)的最低階壓力振蕩的徑向波節(jié)發(fā)生在距端壁12的中屯、或腔11的縱 軸線近似0.6化± 0.化的距離處。因而，次級(jí)孔15優(yōu)選位于距端壁12、13的中屯、徑向距離(a) 處，其中（a)>〇.6化±0.化，即，接近壓力振蕩的波節(jié)。
[0046] 另外，在此公開的累應(yīng)優(yōu)選滿足關(guān)系到腔半徑(r)和工作頻率(f)的W下不等式， 工作頻率(f)為致動(dòng)器40振動(dòng)W產(chǎn)生端壁12的軸向位移所處的頻率。不等式如下：
[0047]
(方程式1 )
[0048] 其中如W上不等式中表示的腔11內(nèi)的工作流體的聲速k)可在大約115m/s的低速 (Cs巧I樽于大約1970m/s的快速(Cf)的范圍內(nèi)，并且ko為常數(shù)化0 = 3.83)。致動(dòng)器40的振動(dòng) 運(yùn)動(dòng)的頻率優(yōu)選大約等于腔11內(nèi)的徑向壓力振蕩的最低共振頻率，但可在其20% W內(nèi)。腔 11內(nèi)的徑向壓力振蕩的最低共振頻率優(yōu)選大于500Hz。
[0049] 現(xiàn)參照運(yùn)轉(zhuǎn)中的累10,壓電盤20被激勵(lì)W抵靠端板17沿著徑向方向膨脹和收縮， 運(yùn)導(dǎo)致致動(dòng)器40彎曲，由此引起驅(qū)動(dòng)端壁12沿著基本垂直于驅(qū)動(dòng)端壁12的方向軸向位移。 致動(dòng)器40如上所述與端壁12的中屯、點(diǎn)操作性地相關(guān)聯(lián)，W使致動(dòng)器40的軸向位移振蕩在大 約端壁12的中屯、處引起沿著端壁12的表面的具有最大振蕩振幅的軸向位移振蕩，即，反波 節(jié)位移振蕩。再次參照?qǐng)D1A，大致如上所述的累10的位移振蕩和最后的壓力振蕩分別更清 楚地顯示在圖IB和圖IC中。位移振蕩與壓力振蕩之間的相位關(guān)系可變化，并且具體的相位 關(guān)系不應(yīng)從任何圖形中暗示。
[0050] 圖IB示出例示腔11的驅(qū)動(dòng)端壁12的軸向振蕩的一個(gè)可能位移輪廓。實(shí)曲線和箭頭 代表驅(qū)動(dòng)端壁12在一個(gè)點(diǎn)即時(shí)的位移，虛曲線代表驅(qū)動(dòng)端壁12在一個(gè)半循環(huán)之后的位移。 該圖形和其他圖形中所示的位移被夸大。因?yàn)橹聞?dòng)器40在其周界并非剛性地安裝，而是通 過隔離件30懸垂，因而致動(dòng)器40在其基本振型中能夠圍繞其質(zhì)屯、自由振蕩。在該基本振型 中，致動(dòng)器40的位移振蕩的振幅在位于端壁12的中屯、與側(cè)壁14之間的環(huán)狀位移波節(jié)22處基 本為零。位移振蕩在端壁12上的其他點(diǎn)處的振幅具有如垂直箭頭所示的大于零的振幅。中 屯、位移反波節(jié)21存在于致動(dòng)器40的中屯、附近，圓周位移反波節(jié)21'存在于致動(dòng)器40的周界 附近。
[0051] 圖IC示出例示腔11內(nèi)的壓力振蕩的一個(gè)可能壓力振蕩輪廓，其由圖IB中所示的軸 向位移振蕩產(chǎn)生。實(shí)曲線和箭頭代表在一個(gè)點(diǎn)即時(shí)的壓力，虛曲線代表一個(gè)半循環(huán)之后的 壓力。在該模式和更高階模式下，壓力振蕩的振幅具有靠近腔11的中屯、的中屯、壓力反波節(jié) 23和靠近腔11的側(cè)壁14的圓周壓力反波節(jié)24。壓力振蕩的振幅在中屯、壓力反波節(jié)23與圓周 壓力反波節(jié)24之間的環(huán)狀壓力波節(jié)25處基本為零。對(duì)于圓柱形腔11，腔11中的壓力振蕩的 振幅的徑向相關(guān)性可由第一類貝塞爾函數(shù)估計(jì)。上述壓力振蕩由腔11中的流體的徑向運(yùn)動(dòng) 產(chǎn)生，并且為了與致動(dòng)器40的軸向位移振蕩區(qū)別將被稱為腔11內(nèi)的流體的"徑向壓力振 蕩"。
[0052] 進(jìn)一步參照?qǐng)DIB和圖1C，能夠看到，致動(dòng)器40的軸向位移振蕩的振幅的徑向相關(guān) 性(致動(dòng)器40的"振型"）應(yīng)近似為第一類貝塞爾函數(shù)，W更接近地匹配腔11中的所需壓力振 蕩的振幅的徑向相關(guān)性(壓力振蕩的"振型"）。通過未將致動(dòng)器40剛性安裝在其周界W及允 許其更自由地圍繞其質(zhì)屯、振動(dòng)，位移振蕩的振型基本匹配腔11中的壓力振蕩的振型，從而 獲得振型匹配，或更簡(jiǎn)單地說模式匹配。盡管模式匹配在運(yùn)點(diǎn)上可W不總是絕對(duì)的，但致動(dòng) 器40的軸向位移振蕩W及腔11中的相應(yīng)壓力振蕩在致動(dòng)器40的整個(gè)表面上具有基本相同 的相對(duì)相位，其中腔11中的壓力振蕩的環(huán)狀壓力波節(jié)25的徑向位置和致動(dòng)器40的軸向位移 振蕩的環(huán)狀位移波節(jié)22的徑向位置基本重合。
[0053] 由于致動(dòng)器40圍繞其質(zhì)屯、振動(dòng)，當(dāng)致動(dòng)器40在如圖IB所示的基本振型振動(dòng)時(shí)，環(huán) 狀位移波節(jié)22的徑向位置將必然落在致動(dòng)器40的半徑內(nèi)。因而，為了確保環(huán)狀位移波節(jié)22 與環(huán)狀壓力波節(jié)25重合，致動(dòng)器的半徑(。。〇應(yīng)優(yōu)選大于環(huán)狀壓力波節(jié)25的半徑，W使模式 匹配最優(yōu)。再次假設(shè)腔11中的壓力振蕩近似為第一類貝塞爾函數(shù)，則環(huán)狀壓力波節(jié)25的半 徑應(yīng)近似為從端壁13的中屯、到側(cè)壁14的半徑，即，在圖IA中所示的腔11的半徑(r)的0.63 倍。因此，致動(dòng)器40的半徑(ra。*)應(yīng)優(yōu)選滿足W下不等式:ra。* > 0.63r。
[0054] 隔離件30可為柔性膜，其使致動(dòng)器40的邊緣能夠通過響應(yīng)致動(dòng)器40的振動(dòng)（如圖 IB中的圓周位移振蕩21'的位移所示)彎曲和伸展而如上所述更自由地移動(dòng)。通過在致動(dòng)器 40與累10的圓柱形壁19之間提供較低的機(jī)械阻抗支撐W由此減小致動(dòng)器40的圓周位移振 蕩21'的軸向振蕩的阻尼，柔性膜克服側(cè)壁14對(duì)致動(dòng)器40的潛在阻尼影響。實(shí)質(zhì)上，柔性膜 31使從致動(dòng)器40傳遞到側(cè)壁14的能量最小，該能量保持基本固定。結(jié)果，環(huán)狀位移波節(jié)22將 與環(huán)狀壓力波節(jié)25保持基本對(duì)準(zhǔn)，W保持累10的模式匹配狀態(tài)。因而，驅(qū)動(dòng)端壁12的軸向位 移振蕩從圖IC中所示的中屯、壓力反波節(jié)23到位于側(cè)壁14處的圓周壓力反波節(jié)24在腔11內(nèi) 連續(xù)有效地產(chǎn)生壓力振蕩。
[0055] 圖6A示出圖3的累的示意性剖視圖，圖6B為如在圖IC中所示的累內(nèi)的流體的壓力 振蕩的圖表。閥46'（ W及閥46)允許流體如上所述僅沿著一個(gè)方向流動(dòng)。閥46'可W是止回 閥或者允許流體僅沿著一個(gè)方向流動(dòng)的任何其他閥。一些閥的類型可通過在打開位置與閉 合位置之間切換調(diào)節(jié)流體流動(dòng)。對(duì)于運(yùn)種閥，為了在致動(dòng)器40產(chǎn)生的高頻下運(yùn)轉(zhuǎn)，閥46和 46'必須具有極快的響應(yīng)時(shí)間，W使其能夠在明顯小于壓力振蕩的時(shí)標(biāo)的時(shí)標(biāo)下打開和閉 合。通過采用極輕的瓣閥實(shí)現(xiàn)閥46和46'的一個(gè)實(shí)施例，瓣閥具有較低的慣性，因此能夠響 應(yīng)閥結(jié)構(gòu)上的相對(duì)壓力的變化而迅速移動(dòng)。
[0056] 參照?qǐng)D7A-7D，根據(jù)示例性實(shí)施例，運(yùn)種瓣閥，閥110,根據(jù)一示例性實(shí)施例被顯示。 閥110包括基本圓柱形壁112,圓柱形壁112為環(huán)狀，在一端由保持板114閉合且在另一端由 密封板116閉合。壁112的內(nèi)表面、保持板114的內(nèi)表面和密封板116的內(nèi)表面在閥110內(nèi)形成 腔115。閥110進(jìn)一步包括設(shè)置在保持板114與密封板116之間但鄰近密封板116的基本圓形 薄片117。薄片117在可替代實(shí)施例中可鄰近保持板114設(shè)置，如將在下文中更詳細(xì)描述的， 在此意義上，薄片117被視為"偏置"抵靠密封板116或保持板114中的任一個(gè)。薄片117的圓 周部分被夾在密封板116與環(huán)狀壁112之間，W使薄片117的運(yùn)動(dòng)被限制在基本垂直于薄片 117的表面的平面中。薄片117在該平面中的運(yùn)動(dòng)在可替代實(shí)施例中還可被薄片117的直接 附接到密封板116或壁112的圓周部分、或者被緊密配合在環(huán)狀壁112內(nèi)的薄片117限制。薄 片117的其余部分足夠柔軟，并且能沿著基本垂直于薄片117的表面的方向移動(dòng)，W使施加 到薄片117的任一表面的力將促使薄片117位于密封板116與保持板114之間。
[0057] 保持板114和密封板116二者分別具有延伸通過每個(gè)板的孔桐118和120。薄片117 也具有孔桐122,孔桐122與保持板114的孔桐118基本對(duì)準(zhǔn)，W提供如圖6C和圖8A中虛箭頭 124所示的流體可流動(dòng)通過的通路。薄片117中的孔桐122還可部分對(duì)準(zhǔn)，即，與保持板114中 的孔桐118僅部分重疊。盡管孔桐118、120、122被顯示為具有基本一致的尺寸和形狀，但在 不限制本發(fā)明的范圍的情況下可具有不同直徑或甚至不同形狀。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 中，孔桐118和120在板的表面上形成交替圖案，如圖7D的實(shí)線圓和虛線圓分別所示。在其他 實(shí)施例中，孔桐118、120、122在不影響閥110相對(duì)于如單組虛箭頭124所示的孔桐118、120、 122的單對(duì)功能的操作的情況下可被布置成不同圖案。孔桐118、120、122的圖案可被設(shè)計(jì)成 增大或減小孔桐的數(shù)量，W根據(jù)需要控制通過閥110的流體的總流動(dòng)。例如，孔桐118、120、 122可被增大，W減小閥110的流動(dòng)阻力來增大閥110的總流量。
[0058] 當(dāng)沒有力施加到薄片117的任一表面W克服薄片117的偏置時(shí)，因?yàn)楸∑?17鄰近 密封板116被設(shè)置，其中薄片的孔桐122與密封板116的孔桐118偏移或未對(duì)準(zhǔn)，則閥110處于 "常閉"位置。在該"常閉"位置，通過密封板116的流體的流動(dòng)如圖7A和圖7B中所示被薄片 117的未穿孔部分基本阻擋或覆蓋。當(dāng)壓力施加抵靠薄片117的任一側(cè)時(shí)，該壓力克服薄片 117的偏置并如圖6C和圖8A中所示遠(yuǎn)離密封板116而朝向保持板114地推動(dòng)薄片117，閥110 經(jīng)過一段時(shí)間（打開時(shí)間延遲(To))從常閉位置移動(dòng)到"打開"位置，允許流體沿著虛箭頭 124所示的方向流動(dòng)。當(dāng)壓力如圖8B所示改變方向時(shí)，薄片117將被朝向密封板116推動(dòng)返回 到常閉位置。當(dāng)運(yùn)種情況發(fā)生時(shí)，流體將沿著虛箭頭132所示的相反方向流動(dòng)較短的時(shí)間 (閉合時(shí)間延遲(Tc)),直到薄片117密封密封板116的孔桐120, W基本阻擋通過密封板116 的流體流動(dòng)，如圖7B所示。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，薄片117可被偏置抵靠保持板114,其 中孔桐118、122在"常開"位置對(duì)準(zhǔn)。在該實(shí)施例中，對(duì)薄片117施加正壓力對(duì)于將薄片117推 動(dòng)進(jìn)入到"閉合"位置將是必須的。注意，如在此使用的關(guān)于閥操作的術(shù)語"密封的"和"阻擋 的"意在包括下述情況:發(fā)生基本(但不完全)密封或阻塞，W使閥的流動(dòng)阻力在"閉合"位置 比在"打開"位置大。
[0059] 閥110的操作為沿著越過閥110的流體的差壓（AP)的方向的變化的函數(shù)。在圖7B 中，壓差已被分配為如向下指示箭頭所示的負(fù)值(-AP)。當(dāng)壓差具有負(fù)值(-AP)時(shí)。保持板 114的外表面處的流體壓力大于密封板116的外表面處的流體壓力。該負(fù)壓差(-AP巧E動(dòng)薄 片117進(jìn)入到如上所述的完全閉合位置，其中薄片117受壓抵靠密封板116, W阻擋密封板 116中的孔桐120,由此基本阻止通過閥110的流體的流動(dòng)。當(dāng)越過閥110的壓差反轉(zhuǎn)變?yōu)槿?圖8A中的向上指示箭頭所示的正壓差(+AP)時(shí)，薄片117被遠(yuǎn)離密封板116并朝向保持板 114推動(dòng)進(jìn)入到打開位置。當(dāng)壓差具有正值(+AP)時(shí)，密封板116的外表面處的流體壓力大 于保持板114的外表面處的流體壓力。在打開位置，薄片117的移動(dòng)不堵塞密封板116的孔桐 120，W使流體能夠流動(dòng)通過孔桐120 W及薄片117和保持板114各自的對(duì)準(zhǔn)孔桐122和118， 如虛箭頭124所示。
[0060] 當(dāng)越過閥110的壓差變回到如圖8B中的向下指示箭頭所示的負(fù)壓差(-AP)時(shí)，流 體開始如需箭頭132所示沿著相反方向流動(dòng)通過閥110,運(yùn)迫使薄片117返回朝向圖7B中所 示的閉合位置。在圖8B中，薄片117與密封板116之間的流體壓力小于薄片117與保持板114 之間的流體壓力。因而，薄片117經(jīng)歷由箭頭138表示的合力，運(yùn)使薄片117加速朝向密封板 116W閉合閥110。通過運(yùn)種方式，變化的壓差基于閥110上的壓差的方向（即，正或負(fù)）使閥 110在閉合位置與打開位置之間循環(huán)。應(yīng)理解的是，當(dāng)沒有壓差施加在閥110上時(shí)，即，閥110 將因而處于"常開"位置時(shí)，薄片117可在打開位置被偏置抵靠保持板114。
[0061] 再次參照?qǐng)D6A，閥110被設(shè)置在累10的初級(jí)孔46'內(nèi)，W使流體如實(shí)箭頭所示通過 初級(jí)孔46'被吸入到腔11中并通過次級(jí)孔15從腔11排出，由此在累10的初級(jí)孔46'處提供減 壓源。如向上指示的實(shí)箭頭所示通過初級(jí)孔46 '的流體流動(dòng)對(duì)應(yīng)于如也指向上的虛箭頭124 所示通過閥110的孔桐118、120的流體流動(dòng)。如上所示，對(duì)于負(fù)壓累的運(yùn)種實(shí)施例，閥110的 操作為沿著越過閥110的保持板114的整個(gè)表面的流體的壓差（AP)的方向的變化的函數(shù)。 壓差（AP)被假設(shè)為在保持板114的整個(gè)表面上基本一致，運(yùn)是因?yàn)楸３职?14的直徑相對(duì) 于腔115中的壓力振蕩的波長(zhǎng)較小，并且因?yàn)殚y110位于靠近腔115的中央的初級(jí)孔46'（中 屯、壓力反波節(jié)71的振幅相對(duì)恒定）中。當(dāng)越過閥110的壓差反轉(zhuǎn)變?yōu)槿缭趫D6C和圖8A中所示 的正壓差(+AP)時(shí)，偏置的薄片117被遠(yuǎn)離密封板116正對(duì)保持板114推動(dòng)進(jìn)入到打開位置。 在該位置，薄片117的移動(dòng)不堵塞密封板116的孔桐120, W使流體如虛箭頭124所示被允許 流動(dòng)通過孔桐120W及保持板114的對(duì)準(zhǔn)孔桐118和薄片117的孔桐122。當(dāng)壓差變回到負(fù)壓 差(-AP)時(shí)，流體開始沿著相反方向流動(dòng)通過閥110(見圖8B)，運(yùn)迫使薄片117朝向閉合位 置返回（見圖7B)。因而，隨著腔11中的壓力振蕩使閥110在常閉位置與常開位置之間循環(huán)， 累160在閥110處于打開位置時(shí)的每半個(gè)循環(huán)提供減壓。
[0062] 壓差(AP)被假設(shè)為在保持板114的整個(gè)表面上基本一致，運(yùn)是因?yàn)槠淙缟纤鰧?duì) 應(yīng)于中屯、壓力反波節(jié)71，因此其為在閥110上的壓力中沒有空間變化的較好近似值。盡管在 實(shí)踐中閥上的壓力的時(shí)間依賴性可能近似為正弦曲線，在W下分析中，應(yīng)假設(shè)正壓差(+A P)值與負(fù)壓差(-AP)值之間的壓差(AP)能夠分別由如圖9A中所示的方波的正壓周期(tp+) 和負(fù)壓周期(tp-)上的方波表示。由于壓差（AP)使閥110在常閉位置與常開位置之間循環(huán)， 累10在閥110經(jīng)歷同樣如上所述并如在圖9B中所示的打開時(shí)間延遲(To)和閉合時(shí)間延遲 (Tc)而處于打開位置的每半個(gè)循環(huán)提供減壓。當(dāng)閥110上的壓差由于閥110閉合(見圖7A)而 初始為負(fù)并反轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎翰?+AP)時(shí)，偏置的薄片117在打開時(shí)間延遲(To)后被促使遠(yuǎn)離 密封板116朝向保持板114進(jìn)入到打開位置(見圖7B)。在該位置，薄片117的移動(dòng)不堵塞密封 板116的孔桐120, W使流體如虛箭頭124所示被允許流動(dòng)通過孔桐120W及保持板114的對(duì) 準(zhǔn)孔桐118和薄片117的孔桐122,由此在打開時(shí)間延遲(To)期間在累10的初級(jí)孔46'外提供 減壓源。當(dāng)閥110上的壓差變回負(fù)壓差(-AP)時(shí)，流體開始沿著相反方向流動(dòng)通過閥110(見 圖7C)，運(yùn)迫使薄片117在閉合時(shí)間延遲(Tc)后返回朝向閉合位置。閥110在半個(gè)循環(huán)的其余 時(shí)間或者閉合周期(tc)保持閉合。
[0063] 保持板114和密封板116應(yīng)足夠堅(jiān)固，W經(jīng)受它們承受的流體壓力振蕩而沒有明顯 的機(jī)械變形。保持板114和密封板116可由諸如玻璃、娃、陶瓷或金屬中的任一合適剛性材料 形成。保持板114和密封板116中的孔桐118、120可通過任一合適的工藝形成，包括化學(xué)腐 蝕、激光加工、機(jī)械鉆孔、火藥爆破和沖壓。在一個(gè)實(shí)施例中，保持板114和密封板116由100 微米到200微米厚的鋼板形成，并且其中的孔桐118、120通過化學(xué)腐蝕形成。薄片117可由諸 如金屬或聚合物膜的任何輕質(zhì)材料形成。在一個(gè)實(shí)施例中，如果在閥的保持板側(cè)134或密封 板側(cè)136存在20曲Z或更大的流體壓力振蕩時(shí)，薄片117可由厚度在1微米到20微米之間的聚 合物薄片形成。例如，薄片117可由厚度近似為3微米的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇醋(PET)或液晶 聚合物膜形成。
[0064] 為了獲得薄片117的最大單位面積質(zhì)量的振幅估計(jì)的階數(shù)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例，再次假設(shè)閥110上的壓力振蕩為如圖9A中所示的方波，并且總壓差在薄片117上降低。 進(jìn)一步假設(shè)薄片117如同剛體移動(dòng)，當(dāng)壓差從負(fù)值反轉(zhuǎn)成正值時(shí)，薄片117遠(yuǎn)離閉合位置的 加速度可親示化下：
[0065]
[方程式2]
[0066] 其中，X為薄片117的位置，j代表薄片117的加速度，P為振蕩壓力波的振幅，m為薄 片117的單仿而巧質(zhì)量。求該表達(dá)式的積分W得到薄片117在時(shí)間t行進(jìn)的距離d，得出W下：
[0067]
[方程式引
[0068] 該表達(dá)式可用于估計(jì)在任何情況下從壓力反向點(diǎn)開始的打開時(shí)間延遲(To)和閉 合時(shí)間延遲(Tc)。
[0069] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，薄片117在小于驅(qū)動(dòng)薄片117的運(yùn)動(dòng)的壓差振蕩的周 期，即，近似方波的周期(tpres)的大約四分之一 (25%)的周期內(nèi)應(yīng)行進(jìn)保持板114與密封板 116之間的距離，閥間隙（Vgap)為兩個(gè)板之間的垂直距離?；谠摻坪蚖上方程式，薄片 117的單位面積質(zhì)量(m)服從W下不等式：
[0070]
[方程式4]
[0071] 其中CU為薄片間隙，即，閥間隙(Vgap)減去薄片117的厚度，f為施加的壓差振蕩的 頻率(如圖10中所示）。在一個(gè)實(shí)施例中，P可為1化化，f可為20kHz，并且dgap可為25微米，表 明薄片117的單位面積質(zhì)量(m)應(yīng)小于大約每平方米60克。根據(jù)薄片117的單位面積質(zhì)量(m) 變換，薄片117的厚麼服從W下不等式：
[0072]
[方程式5]
[0073] 其中Pfiap為薄片117材料的密度。對(duì)于聚合物使用典型的材料密度（例如，近似 1400kg/m3)，對(duì)于閥110在W上條件下的操作，根據(jù)該實(shí)施例的薄片117的厚度小于大約45 微米。因?yàn)閳D9A中所示的方波通常過高估計(jì)閥110上的近似正弦曲線振蕩壓力波形，并且進(jìn) 一步因?yàn)橹挥惺┘釉陂y110上的壓差的一部分將用作薄片117上的加速壓差，薄片117的初 始加速度將小于W上估計(jì)，并且打開時(shí)間延遲(To)將實(shí)際上更高。因此，W上導(dǎo)出的薄片厚 度的極限上限非常高，并且實(shí)際上，為了補(bǔ)償薄片117的降低的加速度，薄片117的厚度可被 減小，W滿足方程式5的不等式。薄片117更薄，W使其加速更快，從而確保打開時(shí)間延遲 (To )小于壓差振蕩的周期(tpres )的大約四分之一(化％ )。
[0074] 由于影響可獲得的最大流量和失速壓力，使隨著空氣流動(dòng)通過閥110而發(fā)生的壓 降最小化對(duì)于最大化閥性能而言是重要的。減小板之間的閥間隙（Vgap)的尺寸或者板中的 孔桐118、120的直徑既使流動(dòng)阻力最大又增大通過閥110的壓降。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施 例，采用穩(wěn)態(tài)流方程式來估計(jì)通過閥110的流動(dòng)阻力的W下分析可用于改善閥110的操作。 通過任一板中的孔桐118或120的流動(dòng)的壓降能使用化gan-Pou i S i 11 e方程式估計(jì)：
[0075] [方程式6]
[OOM] ATtl戶」抓'伴W也、W度，q為通過孔桐的流量，tplate為板厚度，dhole為孔桐直徑。
[0077]當(dāng)閥110處于如圖7B所示的打開位置時(shí)，通過薄片117與密封板116之間間隙（與薄 片間隙dgap相同的值)的流體的流動(dòng)在徑向縮短到保持板114中的孔桐118之間，并在離開密 封板116中的孔桐120之后將大致徑向擴(kuò)散通過間隙到達(dá)第一近似值。如果兩個(gè)板中的孔桐 118、120的圖案為方形陣列，且如圖7B和圖7D所示在保持板114的孔桐118與密封板116的孔 桐120之間具有密封長(zhǎng)度S，通過閥110的腔115的壓降可通過W下方程式估計(jì)：
[007引
[方程式7]
[0079] 因而，總壓降（近似為A化ap+巧Aphoie)能夠?qū)淄?18、120的直徑的變化和薄片 117與密封板116之間的薄片間隙dgap非常敏感。應(yīng)注意，為了使閥110的打開時(shí)間延遲(To) 和閉合時(shí)間延遲(Tc)最小化所希望的更小的薄片間隙dgap可明顯增大壓降。根據(jù)W上方程 式，將薄片間隙dgap從25微米減小到20微米使壓降加倍。在閥的許多實(shí)際實(shí)施例中，正是響 應(yīng)時(shí)間與壓降之間的運(yùn)種權(quán)衡確定薄片117與密封板116之間的最佳薄片間隙dgap。在一個(gè) 實(shí)施例中，最佳薄片間隙dgap落在大約5微米到大約150微米之間的近似范圍內(nèi)。
[0080] 在設(shè)定密封板116的孔桐120的直徑時(shí)，應(yīng)考慮既要在閥10的操作期間將薄片117 經(jīng)歷的應(yīng)力保持在允許極限內(nèi)（運(yùn)種應(yīng)力通過使用密封板116的孔桐120的較小直徑被減 小)并確保通過孔桐120的壓降不會(huì)支配通過閥110的總壓降。關(guān)于后一考慮，W上針對(duì)孔桐 和間隙壓降的不等式6和7之間的比較針對(duì)孔桐120產(chǎn)生最小直徑，孔桐壓降在該最小直徑 大約等于閥間隙壓降。該計(jì)算對(duì)孔桐120的所希望的直徑設(shè)定下限，在該下限W上的直徑 時(shí)，孔桐壓降快速變到可忽略地那么小。
[0081] 關(guān)于與薄片117在操作中經(jīng)歷的應(yīng)力有關(guān)的前一考慮，圖10例示處于常閉位置的 圖7B的閥110的一部分。在該位置，由于薄片117密封和阻擋密封板116中的孔桐120,導(dǎo)致薄 片117如所示W(wǎng)延伸進(jìn)入到孔桐120的開口中的形狀變形，薄片117承受應(yīng)力。在該構(gòu)造中薄 片117上的應(yīng)力水平對(duì)于給定的薄片117的厚度隨著密封板116中的孔桐120的直徑增大。如 果孔桐120的直徑過大，薄片117的材料將往往更容易斷裂，從而導(dǎo)致閥110的失效。為了減 小薄片117的材料斷裂的可能性，孔桐120的直徑可被減小，W將薄片117在操作中經(jīng)歷的應(yīng) 力限制到低于薄片117的材料的疲勞應(yīng)力的水平。
[0082] 滿片11 7的材蠟化由經(jīng)吊的最大應(yīng)力可使用W下兩個(gè)方程式估計(jì)；
[008：3] [方穗或刮
[0084] [方稼或9]
[0085] 其中rhDie為密封板116中的孔桐120的半徑，t為薄片117的厚度，y為薄片117在孔 桐120的中屯、處的曉度，Apmax為密封時(shí)薄片117經(jīng)歷的最大壓差，E為薄片117的材料的楊氏 模量，W及Ki至K4為取決于薄片117的邊界條件細(xì)節(jié)和泊松比的常數(shù)。對(duì)于給定的薄片117的 材料和孔桐120的幾何結(jié)構(gòu)，方程式8能夠求解出變形y，并且然后用在方程式9中計(jì)算應(yīng)力。 對(duì)于y?t的值，方程式8和9中的y/t的S次方項(xiàng)和平方項(xiàng)分別變得較小，并且運(yùn)些方程式簡(jiǎn) 單化W匹配較小的板偏轉(zhuǎn)理論。簡(jiǎn)化運(yùn)些方程式產(chǎn)生與孔桐120的半徑的平方成正比且與 薄片117的厚度的平方成反比的最大應(yīng)力。對(duì)于y〉〉t的值或?qū)τ跊]有彎曲剛度的薄片，兩個(gè) 方程式中的y/t的S次方項(xiàng)和平方項(xiàng)變得更為明顯，W使最大應(yīng)力與孔桐120的半徑的2/3 次方成正比且與薄片117的厚度的2/3次方成反比。
[0086] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，薄片117由薄聚合物片形成，例如具有0.38泊松比的聚 醋薄膜，并在孔桐120的邊緣處被夾緊到密封板116。常數(shù)Ki至K4可分別被估計(jì)為6.23、3.04、 4.68和1.73。使用方程式8和9中的運(yùn)些值，并假設(shè)薄片117的厚度為大約3微米，在SOOmbar 壓差下具有4.3G化的楊氏模量，薄片117的曉度對(duì)于0.06mm的孔桐半徑將近似為1皿，對(duì)于 0.1 mm的孔桐半徑將為大約4]im，W及對(duì)于0.15mm的孔桐半徑將為大約祉m。運(yùn)些條件下的最 大應(yīng)力將分別為16、34和43MPa。考慮到在閥110的操作期間施加到薄片117的應(yīng)力循環(huán)的較 高數(shù)量，薄片117忍受的每循環(huán)的最大應(yīng)力應(yīng)明顯低于薄片117的材料的屈服應(yīng)力，從而減 小薄片117遭受疲勞斷裂的可能性，特別是在薄片117的延伸到孔桐120中的凹坑部分?；?針對(duì)大量循環(huán)編制的疲勞數(shù)據(jù)，已確定的是，薄片117的材料的實(shí)際屈服應(yīng)力應(yīng)比施加到薄 片117的材料上的應(yīng)力大至少大約四倍(例如，如上計(jì)算的16、34和43MPa)。因而，薄片117的 材料應(yīng)具有高達(dá)150M化的屈服應(yīng)力，W使針對(duì)在此情況下近似200微米的最大孔桐直徑的 運(yùn)種斷裂的可能性最小。
[0087] 在運(yùn)一點(diǎn)上減小孔桐120的直徑可能是所希望的，由于運(yùn)進(jìn)一步減小薄片117的應(yīng) 力，并且對(duì)閥流動(dòng)阻力沒有明顯影響，直到孔桐120的直徑接近與薄片間隙dgap相同的尺寸。 進(jìn)一步，孔桐120的直徑的減小針對(duì)給定的密封長(zhǎng)度允許閥110的表面的單位面積包括增大 量的孔桐120。然而，孔桐120的直徑的尺寸可通過制造閥110的板的方式被至少部分地限 審IJ。例如，化學(xué)腐蝕將孔桐120的直徑限制成近似大于板的厚度，從而實(shí)現(xiàn)可接受和可控的 腐蝕結(jié)果。在一個(gè)實(shí)施例中，密封板116中的孔桐120在直徑上在大約20微米到大約500微米 之間。在另一實(shí)施例中，保持板114和密封板116由大約100微米厚的鋼板形成，并且孔桐 118、120在直徑上為大約150微米。在該實(shí)施例中，閥薄片117由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇醋 (PET)形成并且大約3微米厚。密封板116與保持板114之間的閥間隙(Vgap)為25微米左右。
[0088] 圖1IA和圖1IB例示閥110的又一實(shí)施例，閥310，其包括在保持板114中的孔桐118 之間延伸通過保持板114的釋放孔桐318。釋放孔桐322便于當(dāng)閥310上的壓差改變方向時(shí)薄 片117遠(yuǎn)離保持板114的加速，由此進(jìn)一步減小閥310的響應(yīng)時(shí)間，即，減小閉合時(shí)間延遲 (Tc)。隨著壓差改變信號(hào)W及逆流開始(如虛箭頭332所示），薄片117與密封板112之間流體 壓力降低，因而薄片117遠(yuǎn)離保持板114移動(dòng)朝向密封板116。釋放孔桐318使薄片117的與保 持板114接觸的外表面暴漏于用于閉合閥310的壓差。而且，釋放孔桐318減小流體在保持板 114與薄片117之間必須穿過的距離360，從而如圖1IB所示從保持板114釋放薄片117。釋放 孔桐318與閥板中的其他孔桐118、120相比可具有不同直徑。在圖1IA和11B中，保持板114用 于限制薄片117的運(yùn)動(dòng)，并在打開位置支撐薄片117,同時(shí)與薄片117的表面317具有減小的 表面接觸面積。
[0089 ]圖12A和圖12B示出如圖7A所示的兩個(gè)閥110，其中一個(gè)閥410被定向成與圖7A的閥 110相同的位置，而另一閥420被倒置或反向，具有位于下側(cè)上的保持板114和位于上側(cè)上的 密封板116。閥410、420如關(guān)于圖7A-7C和8A-8B上述操作，但具有沿著對(duì)于閥410的虛箭頭 412和對(duì)于閥420虛箭頭422所示的相反方向的氣流，其中一個(gè)閥用作進(jìn)氣閥，另一個(gè)用作排 氣閥。圖12C顯示閥410、420在打開位置與閉合位置直徑的運(yùn)動(dòng)循環(huán)的圖表，其通過虛線（見 圖9A和9B)所示的壓差（AP)的方波循環(huán)被調(diào)制。圖表顯示對(duì)于閥410、420中的每一個(gè)從閉 合位置打開時(shí)的半個(gè)循環(huán)。當(dāng)閥410上的壓差初始為負(fù)并反向變?yōu)檎龎翰?+AP)時(shí)，閥410 如上所述打開并由圖表414顯示，其中流體沿著箭頭412所示的方向流動(dòng)。然而，當(dāng)閥420上 的壓差初始為正并反向變?yōu)樨?fù)壓差(-AP)時(shí)，閥420如上所述打開并由圖表424顯示，其中 流體沿著箭頭422所示的相反方向流動(dòng)。結(jié)果，閥410、420的組合用作響應(yīng)壓差（AP)的循環(huán) 允許沿著兩個(gè)方向的流體流動(dòng)的雙向閥。閥410、420可被方便地并排安裝在累10的初級(jí)孔 46'內(nèi)，從而提供半個(gè)循環(huán)沿著如圖6A所示的初級(jí)孔46'中的實(shí)箭頭所示方向、然后相反半 個(gè)循環(huán)沿著相反方向（未顯示)的流體流動(dòng)。
[0090] 圖13和14顯示圖12A的閥410、420的又一實(shí)施例，其中分別對(duì)應(yīng)于閥410、420的兩 個(gè)閥510、520形成在單一結(jié)構(gòu)505內(nèi)。實(shí)質(zhì)上，盡管其他構(gòu)造也是可W的，兩個(gè)閥510、520共 享共用壁或分割障壁540,障壁540在此情況下形成為壁112的一部分。當(dāng)閥510上的壓差初 始為負(fù)并反向變?yōu)檎龎翰?+AP)時(shí)，閥510從其常閉位置打開，其中流動(dòng)沿著箭頭512所示 的方向流動(dòng)。然而，當(dāng)閥520上的壓差初始為正并反向變?yōu)樨?fù)壓差(-AP)時(shí)，閥520從其常閉 位置打開，其中流動(dòng)沿著箭頭522所示的相反方向流動(dòng)。結(jié)果，閥510、520的組合用作響應(yīng)壓 差(AP)的循環(huán)允許沿著兩個(gè)方向的流體流動(dòng)的雙向閥。
[0091] 圖15顯示雙向閥555的又一實(shí)施例，其具有與圖14的雙向閥505類似的結(jié)構(gòu)。雙向 閥551也形成在單一結(jié)構(gòu)內(nèi)，具有共享也形成為壁112的一部分的共用壁或分割障壁560的 兩個(gè)閥510、530。閥510W如上所述的相反方式運(yùn)轉(zhuǎn)，其中處于常閉位置的所示薄片117也如 上所述阻擋孔桐20。然而，雙向閥550具有單一薄片117,其具有位于閥510內(nèi)的第一薄片部 分117a和位于閥530內(nèi)的第二薄片部分117b。第二薄片部分117b被偏置抵靠板516并包括孔 桐522,不同于上述閥，孔桐522與板516的孔桐120對(duì)準(zhǔn)，而不是與板514的孔桐118。實(shí)質(zhì)上， 閥130被處于與上述另一閥的常閉位置區(qū)分而處于常開位置的薄片部分117b偏置。因而，閥 510、530的組合用作在兩個(gè)閥的打開和閉合交替循環(huán)的情況下響應(yīng)壓差（AP)的循環(huán)允許 沿著兩個(gè)方向的流體流動(dòng)的雙向閥。
[0092] 根據(jù)上述應(yīng)明顯的是，已提供了具有明顯優(yōu)點(diǎn)的發(fā)明。然而，本發(fā)明僅通過少數(shù)形 式被示出，其并不是恰好被限制，而是在不背離其范圍的情況下可容許各種變化和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種瓣閥，用于設(shè)置在栗腔的端壁中的閥口內(nèi)，該瓣閥包括： 密封板，該密封板具有大致垂直延伸通過所述密封板的密封板孔； 保持板，該保持板具有大致垂直延伸通過所述保持板的保持板孔，所述保持板孔從所 述密封板孔基本偏移； 圓柱形壁，該圓柱形壁被設(shè)置在所述密封板與所述保持板之間以形成腔；以及 薄片，該薄片被設(shè)置在所述密封板與所述保持板之間，所述薄片具有從所述密封板孔 基本偏移并與所述保持板孔基本對(duì)準(zhǔn)的薄片孔； 所述薄片響應(yīng)所述瓣閥外部的流體的壓差的方向的變化在所述密封板與所述保持板 之間能移動(dòng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中： 所述薄片被設(shè)置為當(dāng)所述壓差基本為零時(shí)處于鄰近所述密封板和所述保持板中的任 一個(gè)的第一位置； 所述薄片在施加壓差時(shí)能移動(dòng)到所述密封板和所述保持板中的另一個(gè)處的第二位置； 所述薄片響應(yīng)所述瓣閥外部的所述流體的壓差的方向的變化從所述第一位置被推動(dòng) 到所述第二位置;并且 所述薄片響應(yīng)所述流體的壓差的方向的反轉(zhuǎn)從所述第二位置被推動(dòng)到所述第一位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的瓣閥，其中所述薄片被設(shè)置在鄰近所述保持板的常開位置，從 而，當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過所述瓣閥，當(dāng)所述薄片處于所述第 二位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述瓣閥阻擋。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的瓣閥，其中所述薄片被設(shè)置在鄰近所述密封板的常閉位置，從 而，當(dāng)所述薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述瓣閥阻擋，當(dāng)所述薄片處于所 述第二位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過所述瓣閥。5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的瓣閥，其中所述保持板進(jìn)一步包括釋放孔，該釋放 孔大致垂直延伸通過所述保持板并被隔開在所述保持板孔之間，從而在所述第二位置時(shí)所 述釋放孔從所述薄片的所述孔偏移。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中所述密封板和所述保持板由選自由金屬、塑料、硅 和玻璃組成的組中的一種基本剛性材料形成。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的瓣閥，其中所述金屬為具有約100微米到約200微米之間的厚 度的鋼。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，所述薄片以及所述密封板和所述保持板中的任一個(gè)被 分離開約5微米到約150微米之間的距離。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的瓣閥，其中所述薄片具有約3微米的厚度，并且所述薄片與所 述密封板和所述保持板中的任一個(gè)之間的距離在約15微米到約50微米之間。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中所述薄片由選自由聚合物和金屬組成的組中的一 種輕質(zhì)材料形成。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的瓣閥，其中所述輕質(zhì)材料為具有小于20微米的厚度的聚合 物。12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的瓣閥，其中所述聚合物為具有約3微米的厚度的聚對(duì)苯二甲 酸乙二醇酯。13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的瓣閥，其中所述聚合物為具有約3微米的厚度的液晶膜。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中每個(gè)所述密封板孔的直徑小于約500微米。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中所述薄片由具有約3微米厚度的聚合物形成，并且 每個(gè)所述密封板孔的直徑小于約150微米。16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中所述密封板和所述保持板由具有約100微米的厚 度的鋼形成，并且其中，所述密封板孔、所述保持板孔和所述薄片孔的直徑為約150微米，并 且所述薄片由具有約3微米厚度的聚合物膜形成。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中所述壓差的方向的變化以大于約20kHz的頻率振 蕩。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的瓣閥，其中所述薄片具有小于所述壓差振蕩的時(shí)間周期的 約百分之二十五的響應(yīng)時(shí)間延遲。19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的瓣閥，其中所述密封板是第一密封板，所述保持板是第一保 持板，所述圓柱形壁是第一圓柱形壁，所述薄片是第一薄片，并且所述第一密封板、所述第 一保持板、所述第一圓柱形壁和所述第一薄片構(gòu)成第一閥部分，并且所述瓣閥進(jìn)一步包括 第二閥部分，該第二閥部分包括： 第二密封板，該第二密封板具有大致垂直延伸通過所述第二密封板的第二密封板孔； 第二保持板，該第二保持板具有大致垂直延伸通過所述第二保持板的第二保持板孔， 所述第二保持板孔從所述第二密封板孔基本偏移； 第二圓柱形壁，該第二圓柱形壁被設(shè)置在所述第二密封板與所述第二保持板之間以形 成第二腔；以及 第二薄片，該第二薄片被設(shè)置在所述第二密封板與所述第二保持板之間，所述第二薄 片具有從所述第二密封板孔基本偏移并與所述第二保持板孔基本對(duì)準(zhǔn)的第二薄片孔； 所述薄片響應(yīng)所述第二閥部分外部的流體的壓差的方向的變化在所述第二密封板與 所述第二保持板之間能移動(dòng);并且 其中所述第一閥部分和所述第二閥部分相對(duì)于所述壓差被定向，以允許流體響應(yīng)所述 瓣閥外部的所述流體的壓差的變化沿兩個(gè)方向流動(dòng)通過所述瓣閥。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的瓣閥，其中： 所述第一薄片被設(shè)置為當(dāng)所述壓差基本為零時(shí)處于鄰近所述第一密封板和所述第一 保持板中的任一個(gè)的第一位置； 所述第一薄片在施加壓差時(shí)能移動(dòng)到所述第一密封板和所述第一保持板中的另一個(gè) 處的第二位置； 所述第一薄片響應(yīng)所述第一閥部分外部的所述流體的壓差的方向的變化從所述第一 位置被推動(dòng)到所述第二位置;并且 所述第一薄片響應(yīng)所述流體的壓差的方向的反轉(zhuǎn)從所述第二位置被推動(dòng)到所述第一 位置； 所述第二薄片被設(shè)置為當(dāng)所述壓差基本為零時(shí)處于鄰近所述第二密封板和所述第二 保持板中的任一個(gè)的第一位置； 所述第二薄片在施加壓差時(shí)能移動(dòng)到所述第二密封板和所述第二保持板中的另一個(gè) 處的第二位置； 所述第二薄片響應(yīng)所述第二閥部分外部的所述流體的壓差的方向的變化從所述第一 位置被推動(dòng)到所述第二位置;并且 所述第二薄片響應(yīng)所述流體的壓差的方向的反轉(zhuǎn)從所述第二位置被推動(dòng)到所述第一 位置。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的瓣閥，其中： 所述第一閥部分和所述第二閥部分關(guān)于所述壓差沿著相反方向定向；并且 所述第一閥部分的所述第一薄片被設(shè)置在鄰近所述第一保持板的常開位置； 所述第二閥部分的所述第二薄片被設(shè)置在鄰近所述第二保持板的常開位置； 當(dāng)所述第一薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過所述第一閥部分和所述第二 閥部分，當(dāng)所述第一薄片和所述第二薄片處于所述第二位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述第 一閥部分和所述第二閥部分阻擋。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的瓣閥，其中： 所述第一閥部分和所述第二閥部分關(guān)于所述壓差沿著相反方向定向； 所述第一閥部分的所述第一薄片被設(shè)置在鄰近所述第一密封板的常閉位置； 所述第二閥部分的所述第二薄片被設(shè)置在鄰近所述第二密封板的常閉位置； 從而，當(dāng)所述第一薄片和所述第二薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述 第一閥部分和所述第二閥部分阻擋，當(dāng)所述第一薄片和所述第二薄片處于所述第二位置 時(shí)，所述流體流動(dòng)通過所述第一閥部分和所述第二閥部分。23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的瓣閥，其中： 所述第一閥部分和所述第二閥部分關(guān)于所述壓差沿著相同方向定向； 所述第一閥部分的所述第一薄片被設(shè)置在鄰近所述第一密封板的常閉位置，從而當(dāng)所 述第一薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述第一閥部分阻擋，當(dāng)所述第一薄 片處于所述第二位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過所述第一閥部分;并且， 所述第二閥部分的所述第二薄片被設(shè)置在鄰近所述第二保持板的常開位置，從而當(dāng)所 述第二薄片處于所述第一位置時(shí)，所述流體流動(dòng)通過所述第二閥部分，當(dāng)所述第二薄片處 于所述第二位置時(shí)，所述流體的流動(dòng)被所述第二閥部分阻擋。
【文檔編號(hào)】F04B43/04GK105909511SQ201610235856
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2009年6月3日
【發(fā)明人】賈絲廷·羅克·巴克蘭, 斯圖亞特·安德魯·哈特菲爾德, 詹姆斯·愛德華·麥克龍, 理查德·揚(yáng)瑟·范·倫斯堡
【申請(qǐng)人】Kci 醫(yī)療資源有限公司