一种具有凹槽和阻块的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具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，泵体上设有从左至右沿泵体的左右水平中心线前后对称且依次串接的下泵腔、附壁部分、出口直流管和泵出口缓冲腔，附壁部分由缓冲腔、汇流锥管、阻块和两个凹槽组成，缓冲腔左端与下泵腔，右端与汇流锥管的小端连通，第一、第二进口直流管、出口直流管的左端之间的侧壁上是横截面为圆弧形的凹槽，汇流锥管小端处的正中间是将汇流锥管小端分隔成了前后两个相同窄流道的阻块，阻块由左侧的半圆形柱和右侧的三角柱连接成一体组成；利用阻块诱导流体附壁流动，增加出口流量，利用凹槽减少对漩涡的破坏，增加出口直流管的排出量，改善背压性能。

权利要求

1.一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，包括泵体（23），其特征是：泵体（23）上设有从左至右沿泵体（23）的左右水平中心线前后对称且依次串接的下泵腔（4）、附壁部分（Ⅱ）、出口直流管（11）和泵出口缓冲腔（14）；附壁部分（Ⅱ）右端分别经第一进口直流管（13）连接第一泵进口缓冲腔（16）、经第二进口直流管（12）连接第二泵进口缓冲腔（18），第一泵进口缓冲腔（16）和第二泵进口缓冲腔（18）关于泵体（23）的左右水平中心线前后对称；

所述附壁部分（Ⅱ）由缓冲腔（6）、汇流锥管（8）、阻块（7）和两个凹槽组成，缓冲腔（6）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）的大端分别连接第一、第二进口直流管（13、12）和出口直流管（11）的左端；第一、第二进口直流管（13、12）、出口直流管（11）的左端之间有两个侧壁，每个侧壁上是横截面是圆弧形的凹槽，两个凹槽的槽口正对汇流锥管8的大端面；汇流锥管（8）小端处的正中间是将汇流锥管（8）小端分隔成了前后两个相同窄流道的阻块（7），阻块（7）由左侧的半圆形柱和右侧的三角柱连接成一体组成，三角柱的前后两侧壁与半圆形柱的前后两侧壁相连接，阻块（7）的横截面是半圆形和三角形相接的形状，三角形的左边边长等于半圆形的直径。

2.根据权利要求1所述的一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，其特征是：汇流锥管（8）的长度为4 8倍的窄流道的最小宽度d，阻块（7）的圆弧半径为1 2倍的窄流道最~ ~小宽度d，阻块（7）右端尖端的夹角为60°。

3.根据权利要求1所述的一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，其特征是：两个凹槽所占圆弧中心角均为90°。

4.根据权利要求2所述的一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一、第二进口直流管（13、12）的长度L2相等，L2:d为15:1。

5.根据权利要求2所述的一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，其特征是：下泵腔（4）的半径与窄流道最小宽度d之比为25:1。

6.根据权利要求1所述的一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，其特征是：第一、第二进口直流管（13、12）与汇流锥管（8）端面之间的夹角均为60°。

说明书

一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵

技术领域

[0001] 本发明涉及微流体系统领域，具体是无阀压电式微型泵的结构。

背景技术

[0002] 微型泵是微流体系统的核心部件和动力元件，其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。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，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。

[0003] 压电泵分为无阀和有阀结构，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。

[0004] 附壁效应又称为康达效应，是一种流动现象，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。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为克服现有无阀压电泵的不足之处，提供一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵，结合附壁效应，利用特殊结构的阻块诱导射流产生附壁效应来改变射流方向，实现大流量出流，利用圆弧形的凹槽提高背压。

[0006] 为实现上述目的，本发明一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵采用的技术方案是：包括泵体，泵体上设有从左至右沿泵体的左右水平中心线前后对称且依次串接的下泵腔、附壁部分、出口直流管和泵出口缓冲腔；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，第一泵进口缓冲腔和第二泵进口缓冲腔关于泵体的水平中心线前后对称；所述附壁部分由缓冲腔、汇流锥管、阻块和两个凹槽组成，缓冲腔左端与下泵腔，右端与汇流锥管的小端连通，汇流锥管的大端分别连接第一、第二进口直流管和出口直流管的左端；第一、第二进口直流管、出口直流管的左端之间有两个侧壁，每个侧壁上是横截面为圆弧形的凹槽，两个凹槽的槽口正对汇流锥管的大端面；汇流锥管小端处的正中间是将汇流锥管小端分隔成了前后两个相同窄流道的阻块，阻块由左侧的半圆形柱和右侧的三角柱连接成一体组成，三角柱的前后两侧壁与半圆形柱的前后两侧壁相连接，阻块的横截面是半圆形和三角形相接的形状，三角形的左边边长等于半圆形的直径。

[0007] 本发明的有益效果是：

[0008] 1、本发明不仅具有普通无阀压电泵结构简单、易加工和成本低的优点，而且通过利用特殊结构的阻块诱导流体附壁流动，使得射流过程中产生的漩涡得到强化，极大地增加了出口流量，使微泵容积效率能够达到80.1%。

[0009] 2、本发明利用进出口之间的圆弧形的凹槽结构能够减少对漩涡的破坏，促进漩涡的形成和发展，从而这些漩涡能够卷吸流体由进口直流管流入出口直流管，进一步增加了出口直流管的排出量，改善了压电泵的背压性能。能通过改变进出口直流管间最小距离来改变凹槽的圆弧半径从而控制进出口直流管的宽度，使进出口直流管达到理想的宽度，同时使得漩涡能够持续卷吸流体，加强附壁效应，且圆弧半径越大，压电泵背压性能越好。

[0010] 3、相比基于附壁效应的三个泵腔的无阀压电泵，本发明只有一个泵腔，大大减小了结构尺寸，更有利于微型化和集成化；相比利用微流管的双向流阻差来产生净流量的无阀压电微泵，本发明利用特殊结构的阻块诱导来流沿着阻块表面流动，使得排出过程中泵腔排出的流体进入出口直流管的比例增大；同时由于附壁射流效应在阻块两侧均产生漩涡。

[0011] 4、本发明在一个周期内泵出口的排出量远远大于泵出口的吸入量，导致微泵的容积效率得到提高，实现了大流量平稳出流的目标，且可以适应频率在0 1000Hz范围变化，频~率适用范围广，拓宽了压电微泵的应用领域，利于微型化和集成化。

附图说明

[0012] 图1是本发明一种具有凹槽和阻块的附壁射流无阀压电微泵的主视结构剖视图；

[0013] 图2是图1中泵盖22的俯视图；

[0014] 图3是图1中泵体23在A-A向的剖面图；

[0015] 图4是图3中附壁部分Ⅱ的放大图；

[0016] 图5-6是本发明排出过程的工作原理图；

[0017] 图7-8是本发明吸入过程的工作原理图；

[0018] 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.第一凹槽；10.第二凹槽；11.出口直流管；12.第二进口直流管；13.第一进口直流管；14.泵出口缓冲腔；15.泵出口；16.第一泵进口缓冲腔；17.第一泵进口；18.第二泵进口缓冲腔；19.第二泵进口；20.振动膜片；21.压电振子；22.泵盖；23.泵体；Ⅱ.附壁部分。

具体实施方式

[0019] 参见图1-3所示，本发明包括泵体23、泵盖22、压电振子21和振动膜片20。泵体23的正上方是泵盖22，泵体23和泵盖22通过真空氧等离子体键合工艺紧密贴合在一起。泵体23的材料是硅，泵体23上的结构可通过模塑法加工而成，泵盖22的材料是玻璃，泵盖22上的结构可利用激光加工工艺加工而成。

[0020] 如图2所示，在泵盖22上加工出灌泵口1、上泵腔5、第一泵进口17、第二泵进口19以及泵出口15。

[0021] 如图3所示，泵体23的水平横截面为矩形，且关于泵体23的左右水平中心线M前后对称。在泵体23上加工出灌泵腔2、灌泵管3、下泵腔4、附壁部分Ⅱ、第一泵进口缓冲腔16、第一进口直流管13、第二泵进口缓冲腔18、第二进口直流管12和泵出口缓冲腔14、出口直流管11。其中，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13连接第一泵进口缓冲腔16、经第二进口直流管12连接第二泵进口缓冲腔18以及经出口直流管11连接泵出口缓冲腔14。出口直流管11和泵出口缓冲腔14的左右水平中心线与泵体23的左右水平中心线M相重合，第一泵进口缓冲腔16和第二泵进口缓冲腔18关于泵出口缓冲腔14的左右水平中心线M中心前后对称，第一进口直流管13和第二进口直流管12关于泵出口缓冲腔14的左右水平中心线M中心前后对称。

[0022] 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16在第一泵进口17的正下方且与第一泵进口17相通，第二泵进口缓冲腔18在第二泵进口19的正下方且与第二泵进口19相通，泵出口缓冲腔14在泵出口15的正下方且与泵出口15相通。

[0023] 振动膜片20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，与圆形泵腔5键合或胶合。压电振子21是驱动元件，通过环氧树脂粘结在振动膜片20上表面。压电振子21，振动膜片20、上泵腔4和下泵腔5的上下垂直中心轴共线。

[0024] 参见图4，附壁部分Ⅱ由缓冲腔6、汇流锥管8、阻块7和两个凹槽9、10组成。缓冲腔6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的大端分别连接第一进口直流管13、第二进口直流管12和出口直流管11的左端。第二进口直流管12右端与第二进口缓冲腔18连通，第一进口直流管13右端与第一进口缓冲腔16连通，出口直流管11右端与出口缓冲腔14连通。

[0025] 第一进口直流管13、第二进口直流管12、出口直流管11的左端之间有两个侧壁，每个侧壁上设有一个横截面是圆弧形的凹槽，分别是第一凹槽9和第二凹槽10，两个凹槽9、10的结构相同且槽口正对汇流锥管8的大端面，两个凹槽9、10的上下高度等于直流管的上下高度。

[0026] 在汇流锥管8的小端处的正中间设有一个阻块7，将汇流锥管8小端分成了前、后两个相同的窄流道。阻块7关于泵体23的左右水平中心线M前后对称，阻块7的上下高度与泵体23的上下高度相同，且固定在泵体23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的前后两侧壁相连接，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的左右长度为L1，两个窄流道的最小的前后宽度d为100μm-200μm，等于汇流锥管8的上下高度。汇流锥管8的长度L1为4~8倍的窄流道最小宽度d。阻块7的圆弧半径为R，圆弧半径R为1~2倍的最小宽度d，阻块7的尖端夹角α为60°。下泵腔4的半径是RC，与窄流道最小宽度d之比RC:d为25:1。

[0027] 第一进口直流管13、第二进口直流管12与汇流锥管8的端面的夹角θ均为60°。两个凹槽9、10的圆弧半径为r，所占圆弧中心角β为90°，所占的弦长为c。第一进口直流管13、第二进口直流管12的长度相等、宽度也相等，宽度都是b，长度都是L2，L2:d为15:1。两个进口直流管13、12的宽度b随着凹槽9、10的弦长c的变化而变化。

[0028] 参见图1-4以及图5-8所示，本发明工作时：在压电振子21两端加载交变电压信号（正弦或矩形波信号），压电振子21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：

[0029] 排出过程如图5-6所示：当外界施加的电场激励压电振子21使其向下振动时，泵腔体积减小，泵腔内压强迅速增加，使得泵腔内的流体从缓冲腔6流向汇流锥管8内。如图6所示，由于阻块7的圆弧过渡结构促使射流发生偏转最终在附壁流动，并且由于射流与周围流体发生能量交换产生漩涡，不断卷吸周围流体进入出口直流管11，从而使得泵腔排出的流体进入出口直流管11的比例大幅度增加。在排出阶段的初期，附壁产生漩涡涡量较小，卷能力较弱，第一进口直流管13、第二进口直流管12和出口直流管11同时向外排出流体（如图5所示）。随着振子加速度的增大，由于两个凹槽9、10的作用，漩涡得到充分发展，卷吸能力也随之增强，使得流体从进口直流管第一进口直流管13和第二进口直流管12被卷吸后进入到出口直流管11中（如图6所示），排出过程的泵腔排出量为 。

[0030] 吸入过程如图7-8所示：当外界施加的电场激励压电振子21使其向上振动时，泵腔体积增大，泵腔内压强迅速降低，使得外部流体通过第一泵进口17和第二泵进口19同时流向汇流锥管8。在压电泵刚刚由排出过程转变为吸入过程时，因两个凹槽9、10的作用，使得排出阶段的漩涡得到了很好的保护，漩涡存在的时间得到了延长，再加上流体的惯性作用，此时泵出口15仍然表现为排出流体（如图7所示）。随着时间的推移漩涡逐渐消失，而泵腔吸入加速度不断增加，泵出口14表现为吸入流体（如图8所示）。吸入过程的泵腔吸入量为 。

[0031] 设泵出口14的瞬时流量为 ，则一个周期内的泵出口14的净流量为，泵腔体积变化量为 ，因此本发明的容积效率为 ，容积
效率 高达80.1%以上。