一种单向涡流管结构无阀压电泵及控制方法与流程

本发明涉及到一种无阀压电泵，尤其是一种采用单向涡流管的无阀压电泵。

背景技术：

无阀压电泵内部无复杂的动作阀瓣，使得压电泵结构更加简单，加工制作容易，并且易于使压电泵向微型化、集成化方向发展，其自身又无化学及电磁污染，故在医疗、卫生、保健等领域有广阔的应用前景。

现有的无阀压电泵大多是采用互为反向的锥形流管来作为控制流体单向流动的部件，基于扩散口、收缩口流量差异这一现象而设计开发的，由于扩散口与收缩口内压力分布不同，引起的流量不同。这种泵的特点是结构简单，容易实现微型化。但是锥形管存在不同位置的截面尺寸突变，流量小，能量损失大等特征，在很多实际领域使用起来存在一定的缺陷。

由于单向涡流管具有优越的结构特性，流体工质在反向通过单向涡流管时具有很高的流阻，而正向流通时，流阻相对要小很多，具有一定的止回特性。在正向流动时，流场相对比较简单，而反向流动时，内部流场呈现为复杂的三维强剪切湍流场，在其腔室中心附近形成强旋流结构，类似于旋风分离器、涡流放大器等设备的内部流态。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可微型化，流量易于控制，具有良好单向流动性的无阀压电泵，用以解决现有无阀压电泵止回特性差，能力损失大等缺点。同时，提高了单向涡流管结构在传热以及传质领域的应用范围。

本发明的技术方案为：

一种单向涡流管结构无阀压电泵，包括由密封连接的上盖板和下盖板，以及放置在一侧的第一单向涡流管和另一侧的第二单向涡流管共同组成的泵体；上盖板和下盖板之间设有容纳压电振子的泵腔，所述泵腔上设有连接泵腔和涡流管的第一直流管和第二直流管；所述的第一直流管一端与泵腔相连，另一端连接在第一涡流管的切向管出口处；所述的第二直流管一端与泵腔相连，另一端连接在第二涡流管的轴向管进口处。

进一步，所述的第一单向涡流管包括第一切向管、第一轴向管、第一涡旋腔；所述第一轴向管为进口，开口朝上；所述第一切向管为出口，开口朝向第一直流管；所述第一涡旋腔水平放置在第一单向涡流管内部。

进一步，所述的第二单向涡流管包括第二切向管、第二轴向管、第二涡旋腔；所述第二轴向管为进口，开口朝向第二直流管；所述第二切向管为出口，开口朝上；所述第二涡旋腔垂直放置在第二单向涡流管内部。

进一步，所述的第一直流管和第二直流管分别设置在下盖板两侧中段的上部，且分别与中间的泵腔相连。

进一步，所述的泵腔设置在下盖板上且开口朝上，所述的压电振子固定在上盖板下端面的凹槽内。

进一步，所述第一切向管为矩形管；第一涡旋腔为圆柱形涡流腔室。

进一步，所述第二切向管为矩形管；第二涡旋腔为圆柱形涡流腔室。

单向涡流管由两根不同安装位置的矩形管和圆柱形涡流腔室组成。其中一根矩形管与涡流腔切向相连，称切向管；另一根矩形管与涡流腔轴向相连，称为轴向管。在此，定义流体从单向涡流管轴向管流入，切向管流出为正向流动；流体从单向涡流管切向管流入，轴向管流出为反向流动。

所述的第一单向涡流管可以直接和泵腔相连，也可以通过第一直流管与泵腔相连，这样可以起到减小流阻的作用。一般的，所述的第一单向涡流管以轴向管为流体进口起点，终点为第一直流管和切向管的连接点或与泵腔相连的连接点。所述的第二单向涡流管以第二直流管和切向管的连接点或与泵腔相连的连接点为流体进口起点。终点为轴向管出口点。

本发明的方法的技术方案为；

当压电泵接入交流电源时，在吸程时，圆形压电振子在交流电的一个半周期中，向泵腔外侧弯曲，泵腔内压力下降；在这个过程中，流体从第一单向涡流管的轴向管进入，第一切向管排出，通过第一直流管流入泵腔；从第二单向涡流管的第二切向管进入，第二轴向管排出，通过第二直流管流入泵腔；

当交流电改变周期时，圆形压电振子向内弯曲，泵腔体积下降，压力升高，泵腔内的流体经过直流管流出，为排程过程；在这个过程中，泵腔中的流体通过第一直流管沿切线方向流入第一单向涡流管，并从第一轴流管排出；通过第二直流管沿着第二轴向管流入第二单向涡流管，从第二切向管排出。

本发明的技术效果为：由于单向涡流管的典型结构，沿着不同方向流入流出将产生很大的阻力差异。流体反向流动即从切向口进入时，在涡流腔形成强旋流，旋转过程中产生很大的能量损失，导致高阻。因此，流体在通过单向涡流管的正反方向上流动受到的阻力不同，流体从单向涡流管正向流入泵腔的流量，和泵腔从单向涡流管反向排出的流量就会不同，使得流体从一侧的单向涡流管进入，再从另一侧的单向涡流管排出，整个周期会有一个净流量从压电泵的一侧流向另一侧，宏观上产生单向流动，实现泵的动能。

本发明的单涡流管结构无阀压电泵将单向涡流技术与压电技术结合，采用了单向涡流管结构，与现有的锥形流管相比具有更好的单向流动性，减少了流体的动能损失，提高了压电泵的工作效率；单向涡流管中流管及涡流腔多为矩形截面，易于加工制作。

附图说明

图1单向涡流管结构无阀压电泵结构分解示意图；

图2压电泵水体图；

图3单向涡流管正反流向压力损失示意图；(a)单向涡流管反向示意图(切向管流入，进口流速1m/s)；(b)单向涡流管正向示意图(轴向管流入，进口流速1m/s)；

图4单向涡流管结构无阀压电泵整体结构示意图；

图5为图4的剖视图；

图6无阀压电泵结构剖视图；

图7压电振子结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例的单向涡流管无阀压电泵包括由密封连接的上盖板1和下盖板2，以及放置在一侧的第一单向涡流管3和另一侧的第二单向涡流管4共同组成的泵体。上下盖板之间设有容纳压电振子5的泵腔6，还包括连接泵腔和涡流管的第一直流管61和第二直流管62。所述的第一直流管61一端与泵腔6相连，一端连接在第一涡流管的切向管31出口处；所述的第二直流管一端与泵腔6相连，另一端连接在第二涡流管的轴向管进口处42。

如图4、图5、图6所示，所述的第一单向涡流管3一端通过第一直流管61与泵腔6连接，另一端与设置在泵体上的进口水管7连接；所述的第二单向涡流管4一端通过第二直流管62与泵腔6连接，另一端与设置在泵体上的出口水管8相连。第一单向涡流管3以流体进口71为起点，以与第一直流管相连接的连接点为终点，涡旋腔为水平位置放置在泵体中。第二单向涡流管4以与第二直流管相连接的连接点为起点，以流体出口81为终点，涡旋腔为垂直位置放置在泵体中。

如图6、图7所示，本实施例的单向涡流管无阀压电泵工作时，对设置在泵腔6内的压电振子5通交流电。压电振子5会沿轴向产生往复变形振动，从而形成泵腔6容积的周期性变化。当泵腔6容积增大时，流体从第一单向涡流管3的轴向管32进入，切向管31排出，通过第一直流管61流入泵腔6；流体从第二单向涡流管4的切向管41进入，经涡流腔产生强旋流后从轴向管42排出，通过第二直流管62流入泵腔6，此过程为压电泵的吸入过程。图7中的51为压电陶瓷片，52为金属片。

当泵腔6容积减小时，泵腔中的流体通过第一直流管61沿切线管31流入第一单向涡流管，经涡流腔产生强旋流后从轴向管32排出；流体通过第二直流管62沿着轴向管42流入第二单向涡流管4，从切向管41排出，此过程为压电泵的排出过程。

但由于两个方向的流阻不同，泵腔6从两个直流管流入和排出的流体体积也不同。在压电泵处于吸入阶段，从第一单向涡流管3流入泵腔的流体体积大于从第二单向涡流管4流入体积；在压电泵处于排出阶段，泵腔6从第一单向涡流管3流出的流体体积小于从第二单向涡流管4流出的体积。整个周期会有一个净流量从压电泵的一侧流向另一侧，宏观上产生单向流动，实现泵的动能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。