具有过滤功能的无阀压电泵的制作方法

本发明属于流体机械技术领域，涉及一种无阀压电泵，具体的说，涉及一种具有过滤功能的无阀压电泵。

背景技术：

在化学分析与检测、生物工程、集成电路芯片的散热与冷却、微型零部件以及微型化生产系统(微型工厂)等领域，急需高性能、高可靠性的微小流量的液体输送装置，这使微小流量流体泵的开发研究工作具有重要的实际意义。

压电泵作为微型泵领域的一种新型流体驱动器，是压电驱动技术和流体泵技术相结合的产物。压电驱动技术是一门利用逆压电效应来驱动机构或流体运动的技术。

近年来随着微机械加工技术、微机电系统(MEMS)的飞速发展，微流量系统也得到了长足发展。压电泵作为微机械流体系统的一个重要分支，因其结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰等特点，作为微小型流体输送装置已越来越多受到众多的研究者的青睐，在精密仪器、生物化学、医疗器械、航空航天、生物基因工程、化学燃料供给、电子器件水冷技术方案及微机电系统等领域里得到成功的应用。

目前，有阀压电泵和无阀压电泵是备受研究者们关注的两种压电泵。

有阀压电泵泵腔内有运动着的阀体，因而会引起泵阀跟随性差、阀片磨损、污染等问题。无阀压电泵同有阀压电泵的最大区别就是泵腔内没有运动的实体阀，泵内流体的吸入及排出则是利用了管道或者泵腔等的非对称结构形成的“无移动部件阀”，迫使流体沿同一流道流入、流出泵腔时所受的流动阻力不等，在压电振子的一个振动周期中，通过同一个流道流入和流出的流体体积必然不相等，这就形成了宏观上泵的单向流动，达到泵送流体的功能。

无阀压电泵由于其无阀的特性，使得泵体内除压电驱动器外再无任何的运动部件，这样就可使泵的结构尺寸在理论上做得很小；无阀压电泵在工作时不产生电磁场及自身污染(无润滑、无磨损)；无阀压电泵因其控制方便，更易于集成及微小型化，因而具有广阔的应用前景。

根据驱动方式的不同，无阀压电泵可分为管道阀类泵(锥形流管、Y形流管、V形流管、椭圆形组合管等)，腔底阀类(如波纹腔底、锥形腔底等)，阻流体阀类(阻流体无阀压电泵复合阻流体无阀压电泵)等，都能很好地实现泵送流体的功能。

但对某些工况不仅仅是需要输送流体，而且要求输送流体的同时完成对流体的过滤作用，如：活体组织输送中大分子颗粒的过滤、生物流体过滤，化学试剂的过滤，医用喷雾药液过滤，农药喷雾及滴灌施肥系统中杂质、微粒的过滤等方面。而当前的无阀压电泵大都只是用来单一地泵送流体而没有过滤流体的作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种在泵送流体的过程中，可完成对流体过滤的具有过滤功能的无阀压电泵。

本发明的技术方案为：具有过滤功能的无阀压电泵，包括泵体、泵盖及压电振子；所述泵体为槽状，所述泵盖形状与槽状泵体的顶部开口形状匹配，安装于泵体顶部开口处，与泵体形成一泵腔结构，槽状泵体侧壁上设置有流体入口和流体出口；流体入口和流体出口之间的泵腔内，设置有过滤环，包括过滤环本体；泵腔内设置有搭接台，过滤环本体置于搭接台上，且与泵体内壁围成一过滤腔；过滤环本体上设置有过滤孔；过滤环本体与搭接台间为可拆卸的结构；

过滤环包括一段环状侧壁，侧壁的上端面和下端面向过滤环外侧延伸；过滤环与流体出口的相接处包括一段由侧壁到流体出口的实体延伸部；流体入口位于其上端面和下端面之间，过滤环与泵体内壁环绕形成过滤腔；过滤环上设置有与流体出口相通的流出通孔。

优选的是：过滤孔为锥形孔，且其窄口一端朝向泵腔，其宽口一端朝向过滤腔。即流体流入泵腔时，经滤孔的宽口端、窄口端后，流入泵腔；过滤物由过滤孔的窄口端向宽口端逐渐堆积。

优选的是：过滤孔设置在过滤环的下端面，过滤环侧壁及上端面均为实体。这种结构，只有过滤环下端面可形成过滤环与泵腔之间的通道，流体只能经过滤环下端面流出，在一个压电振子工作周期，流体回流过程中，避免过多流体经过滤环侧壁回流至过滤腔。

优选的是：流出通孔包括与过滤环底部泵腔相通的通孔I及流体出口相通的通孔II，通孔I与通孔II连通。过滤后的流体会先进入过滤环与泵体底面的泵腔内，通孔I与通孔II为过滤后的流体流出泵腔，以及流体回流泵腔提供了流出通道。

优选的是：过滤环与流体出口的相接处包括一段由侧壁到流体出口的实体延伸部，流出通孔位于实体延伸部处。这种结构将流体通孔的位置与过滤环本体所形成的过滤腔隔离开，避免过滤流出的流体与流入泵腔未过滤的流体混合。

优选的是：通孔II还直接与泵腔相通。通孔I与通孔II连通可实现通孔II与泵腔的间接连通，而通孔II直接与泵腔连通，为流体的流出及回流提供了另一条通道。具体的说，通孔II经通孔I与过滤环底部的泵腔相通，通孔II直接与过滤环上部的泵腔相通。泵腔内流体可经通孔I与通孔II的通道流出泵腔，也可经通孔II的通道直接流出泵腔，增加了流体流出的通道，保证泵送流体的稳定性。

优选的是：压电振子安装于过滤环本体的上端面上，与过滤环间为非固定安装结构，且压电振子与泵盖之间安装有密封圈。

优选的是：所述流体入口和流体出口均为锥形口，且沿流体流入泵腔的方向，流体入口呈扩张的锥形；沿流体流出泵腔的方向，流体出口也呈扩张的锥形；且锥形口的锥角小于23°。无阀压电泵为锥形管无阀压电泵。

优选的是：泵体底面上设置有阻流体，阻流体包括朝向流体入口的引流面和朝向流体出口的阻流面。无阀压电泵为阻流体无阀压电泵。

优选的是：所述泵体底面设置有泵体通孔，泵体通孔处安装有可拆卸的塞堵。拆下塞堵后，可通过泵体通孔向泵腔内通入气体或液体，清洗过滤环。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种可在泵送流体过程中完成对流体过滤的具有过滤功能的无阀压电泵，使无阀压电泵可用于生物流体过滤、化学试剂过滤等多领域，扩大了无阀压电泵的应用领域。

(2)过滤环的应用不但增加了压电泵的过滤作用，同时，由于其为非连通环，与流体入口侧为非连通结构，与流体出口侧为连通结构，压电振子向上隆起中使吸入流体过程中，从出口端回流的流体流入泵腔而不是流入过滤腔，辅助提高流体泵送及过滤效果。

(3)过滤孔为激光加工而成微孔，加工工艺简单，加工难度低，成本低。

(4)过滤环与泵体之间为非固定连接结构，可拆卸清洗或拆卸更换过滤环，保证过滤效果；同时经泵体通孔通入高压水或高压气体，用于辅助清理过滤环；锥形过滤孔结构，相比直孔，在进行反向冲洗时，杂质堆积物更利于从过滤孔中清理出。

(5)流出通孔可设计为单流出孔或双流出孔，采用双流出孔结构可使单位时间内流体的排出量显著增加，提高了传统无阀压电泵的泵送效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明俯视结构示意图。

图3为过滤环结构示意图。

图4为过滤环俯视结构示意图。

图5为过滤环结构示意图。

图6为过滤孔结构示意图(图3中I部放大图)。

图7为锥形流管无阀压电泵泵体结构示意图。

图8为阻流体无阀压电泵泵体结构示意图。

其中：1-泵体，101-流体入口，102-流体出口，104-搭接台，2-泵盖，3-压电振子，4-过滤环，401-侧壁，402-上端面，403-下端面，404-实体延伸部，5-密封圈，6-流出通孔，601-通孔I，602-通孔II，7-泵体通孔，8-胶塞，9-阻流体

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

具有过滤功能的无阀压电泵，包括泵体1、泵盖2及压电振子3。

如图1和图2所示，泵体1为槽状，本实施例中泵体1截面为圆形，包括一段圆柱体状的槽体，泵体1上方具有圆形顶部开口。泵盖2形状与槽状泵体1的顶部开口形状匹配，安装于泵体1顶部开口处，泵盖2覆盖住泵体1槽口，并与泵体1形成一泵腔结构。槽状泵体1侧壁上设置有流体入口101和流体出口102；无阀压电泵工作时，流体经流体入口101流入并经流体出口102流出，为达到更好的泵送流体的效果，流体入口101和流体出口102的位置进一步位于同一轴线上。

为了在泵送流体的过程中实现过滤的作用，在流体入口101和流体出口102之间的泵腔内，设置有过滤环4，包括过滤环本体；环绕泵腔内周设置有搭接台104，过滤环本体置于搭接台104上，与泵体1之间为非固定连接结构，可拆卸更换；过滤环本体上设置有过滤孔。流体流经过滤孔时，杂质被过滤。

作为一种实施方式，过滤环4的形状可采用一种可覆盖住搭接台104一周端面的结构，过滤环4位于流体入口101之下，流体出口102之上，则压电振子3收张过程中，流体经流体入口流入后，经过滤环4过滤后再经流体出口102流出。

但作为另一种更优的实施方式，本发明设计了一种新型过滤环4结构。

如图3至图5所示，过滤环4包括一段环状侧壁401，侧壁401的上端面402和下端面403向过滤环4外侧延伸；流体入口101和流体出口102位于过滤环4上端面401和下端面402之间，过滤环4上设置有与流体出口102相通的流出通孔6。过滤环4的这种结构使其本体与泵体1内壁配合形成一过滤腔，流体流入后，首先进入的为该过滤腔。过滤孔至少设置在过滤环本体的下端面。

作为两种不同的实施方式，一种为：可以在过滤环4的上端面402、侧壁401及下端面403均设置过滤孔，这种结构的优势在于，当流入过滤腔的流体过多时，可增加过滤效率；但也会带来问题，当流体回流至泵腔时，过多过滤后的流体会经过滤孔重新流入过滤腔。而另一种实施方式为：只在过滤环4的下端面403设置过滤孔，在完成过滤的同时，

流出通孔包括位于过滤环本体底面的与泵腔相通的通孔I601及位于过滤环本体侧壁与流体出口相通的通孔II602，通孔I601与通孔II602连通。

更进一步的，通孔II602还与泵腔相通。

压电振子3安装于过滤环4本体的上端面上，与过滤环4间为非固定、可拆卸的安装结构，为增强无阀压电泵的密封性，在压电振子3与泵盖之间安装有密封圈5。

过滤环4不仅有过滤的作用，在压电振子3收缩过程中，流体经流体出口102回流过程中，流体直接流流入泵腔内，少部分流体经过滤孔回流，回流流体不直接冲击流体入口101流入的流体，增强压电泵过滤效率。

如图6所示，过滤孔为锥形孔，且其窄口一端朝向泵腔。具体如图6所示，过滤孔具有纵向剖面所呈现的锥角为θ。这种结构保证流体经流体入口101流入泵腔时，首先经过的为过滤孔的宽口端。

前文已述，根据驱动方式的不同，无阀压电泵可分为管道阀类泵(锥形流管、Y形流管、V形流管、椭圆形组合管等)，腔底阀类(如波纹腔底、锥形腔底等)，阻流体阀类等，都能很好地实现泵送流体的功能。具有过滤功能的无阀压电泵适用于以上各种形式的无阀压电泵，只需要对泵腔内结构做相应改变即可。

因此，为实现更佳的无阀压电泵的功能，还需对泵体结构进行进一步的设计。

如图7所示，作为一种实施方式，设计了一种锥形管无阀压电泵。流体入口101和流体出口102均为锥形口，且沿流体流入泵腔的方向，流体入口101呈扩张的锥形；沿流体流出泵腔的方向，流体出口102也呈扩张的锥形；且锥形口的锥角小于23°

根据实验验证，锥形口无阀压电泵的流体入口101和流体出口102的确定与锥形口的锥角范围有关。其中锥形口可分为锥形扩张口或锥形收缩口，锥形扩张口和锥形收缩口的定义是按锥形口锥角的不同来定义的，锥角不同，流体流入和流出的流向也不同，当锥角在30°～120°之间的范围时，流体沿收缩的锥形口流入量大于沿扩张的锥形口的流入量，即宏观上，流体沿收缩的锥形口流入，锥形口定义为锥形收缩口；当锥角小于30°时，流体沿扩张的锥形口的流入量大于沿收缩的锥形口的流入量，即宏观上，流体沿扩张的锥形口流入，锥形口定义为锥形扩张口。相对于本申请，采用锥形扩张口，当锥角范围为均小于23°时，为由流体入口101流向流体出口102，且可获得更好的泵送流体效果。

无阀压电泵工作时，为压电振子5通电，其将会做向上隆起和向下凹陷的往复变形运动。当压电振子5向上隆起时，泵腔容积增大，腔内压强减小，产生负压，在外界大气压作用下流体经流体入口101和流体出口102共同流入泵腔内，由于流体入口101对流体的流动阻力小于流体出口102对流体的流动阻力，因此，从流体入口101流入的流体多于从流体出口102流入的流体；当压电振子5向下凹陷时，泵腔容积减小，腔内压强增大，流体经流体入口101和流体出口102共同流出泵腔内，由于流体入口101对流体的流动阻力大于流体出口102对流体的流动阻力，因此，从流体入口101流出的流体少于从流体出口102流出的流体。

流体进入泵腔后，在过滤环4形成的过滤腔内流动，经过滤环4过滤后，流入过滤环4与泵体底面形成的腔体内。随流入流体增多，流体的液面逐渐增高。当流体液面超过通孔I601的高度时，越过通孔I601，经通孔II602、流体出口102流出泵腔外。

考虑到压电振子5向上隆起的过程中会有一部分流体经流体出口102回流，且要保证流出泵腔的流体不与未过滤的流体混合，进一步在过滤环4与流体出口102的相接处包括一段由侧壁到流体出口的实体延伸部404，流出通孔6位于实体延伸部404处，即通孔I601经实体延伸部404向下与过滤环4和泵体底面之间的泵腔相通，通孔II602经实体延伸部404向流体出口102延伸，与流体出口相通；且通孔I601与通孔II602连通。

如图8所示，作为另一种实施方式，设计了一种阻流体无阀压电泵。泵体地面上设置有阻流体，阻流体包括朝向流体入口的引流面和朝向流体出口的阻流面。

阻流体无阀压电泵与锥形管无阀压电泵不同之处在于，锥形管无阀压电泵的流阻效果是考流体入口101和流体出口102配合作用实现，而阻流体无阀压电泵的流阻效果是靠置于泵体底座上阻流体的引流和阻流作用而实现的。阻流体可采用如球缺、球壳、棱柱、锥台等具有非对称结构的二维、三维阻结构。对流体阻力较小的一面作为引流面，对流体阻力较大的一面作为阻流面。

无阀压电泵工作时，为压电振子5通电，其将会做向上隆起和向下凹陷的往复变形运动。当压电振子5向上隆起时，泵腔容积增大，腔内压强减小，产生负压，在外界大气压作用下流体经流体入口101和流体出口102共同流入泵腔内。由于阻流体引流面对流体的阻力相对较小，因此，从流体入口101流入的流体多于从流体出口102流入的流体；当压电振子5向下凹陷时，泵腔容积减小，腔内压强增大，由于阻流体阻流面对流体的阻力相对较大，因此，从流体入口101流出的流体少于从流体出口102流出的流体。一个工作循环内，实现流体从流体入口101向流体出口102的相对运动。

同理，流体进入泵腔后，在过滤环4形成的过滤腔内流动，经过滤环4过滤后，流入过滤环4与泵体底面之间的泵腔内。随流入流体增多，流体的液面逐渐增高。当流体液面超过通孔II602与泵腔之间联通出的高度时，流体可直接经通孔II602、流体出口102流出泵腔外。

更进一步的，过滤环4长期使用，过滤物将堵塞过滤孔，可拆下泵盖2，卸下压电振子5，并将过滤环4取出，清洗或更换。

为更便于清洗过滤环，避免每次清洗时拆卸的麻烦，进一步在泵体1底面设置一泵体通孔7，泵体通孔7处安装有可拆卸的塞堵，本实施例中塞堵采用胶塞8。无阀压电泵使用时，胶塞堵住泵体通孔7，清洁过滤环4时，取出泵体通孔7处胶塞8，经泵体通孔7向泵腔内部通入气体或高压水。气体或高压水的流向与流体流经过滤孔的流向相反，对过滤孔起到反向冲击的作用，将卡在过滤孔内的颗粒、杂质等介质反向冲洗出，并顺着水流或气流经流体入口101或流体出口102排出。与采用圆柱状过滤孔相比，采用锥形过滤更利于冲洗。