一种变截面圆弧形流管无阀压电泵

1.本发明属于流体机械领域，具体涉及一种变截面圆弧形流管无阀压电泵。


背景技术：

2.压电泵是一种集驱动与运输于一体的新型流体传动装置。压电泵根据内部有无“阀”结构可以分为有 阀压电泵和无阀压电泵。有阀压电泵存在“泵阀滞后性”现象，不利于其进一步推广和应用。
3.无阀压电泵则是通过特殊的流道结构来实现“阀”的功能，其内部没有“实体阀”，避免了有阀压电 泵的“泵阀滞后性”现象，同时无阀压电泵由于没有阀结构，整体结构更加简单，在微流控、生物医学、 细胞传输等领域具有重要的应用价值。根据不同的结构将无阀压电泵分为外置流管式无阀压电泵、内置结 构式无阀压电泵。其中，外置流管式无阀压电泵最为常见，主要有锥形流管无阀压电泵、y形流管无阀压 电泵、圆弧形流管无阀压电泵等；内置结构式无阀压电泵主要有非对称坡面腔底无阀压电泵、半球缺无阀 压电泵、锥形螺线泵腔无阀压电泵等。
4.科里奥利发现：在北半球，地球自转产生的哥氏力对顺时针方向运动的流体有抑制作用，对逆时针方 向运动的流体有促进作用。利用该原理，可以制作螺线形流管无阀压电泵，同时通过研究发现螺线管式无 阀压电泵对角速度和所处地理位置敏感，可以将其运用于导航设备中，降低导航装置的成本，拓展无阀压 电泵的应用领域。
5.虽然螺线形流管无阀压电泵在导航领域具有广阔的应用前景，但是螺线形流管为阿基米德曲线，其形 状复杂、加工精度难以保证，将其运用在导航设备中会影响测量精度。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种变截面圆弧形流管无阀压电泵，该压电泵结构简单，在不同的纬 度流量不同，能够用于制作成本低廉的导航装置。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变截面圆弧形流道无阀压电泵，包括进水管、泵体、压电 振子、沉孔、出水管，所述泵体上开设有沉孔，所述压电振子包括圆形金属基片和圆形压电陶瓷片，所述 圆形金属基片一面与圆形压电陶瓷片粘接，一面与所述沉孔表面粘接；
8.所述泵体上设有第一连接管、进水口储水槽、进水侧变截面圆弧形流管、出水侧变截面圆弧形流管、 出水口储水槽、第二连接管、泵腔；所述进水管外径与第一连接管内径一致，且密封连接；所述第一连接 管一端与进水管相连，一端与进水口储水槽相连；所述进水侧变截面圆弧形流管一端与进水口储水槽相连， 一端与泵腔相连；所述出水管外径与第二连接管内径一致，且密封连接；所述第二连接管一端与出水管相 连，一端与出水口储水槽相连；所述出水侧变截面圆弧形流管一端与出水口储水槽相连，一端与泵腔相连； 所述泵腔与所述沉孔中心位置对齐；
9.所述进水侧变截面圆弧形流管的截面由与所述泵腔相连的一端到与所述进水口
储水槽相连的一端逐 渐变小，所述出水侧变截面圆弧形流管的截面由与所述泵腔相连的一端到与所述出水口储水槽相连的一端 逐渐变大。
10.优选的，所述泵体通过3d打印技术整体打印而成，所述泵体的打印材料为透明树脂。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
12.本发明通过结合圆弧形流管和锥形流管，提出一种变截面圆弧形流管无阀压电泵。与圆弧形流管无阀 压电泵相比，变截面圆弧形流管无阀压电泵的泵流量得到显著提升，同时泵的输出流量源自地球自转产生 的哥氏力，泵流量的大小能够反映所处位置地球的转速，具有陀螺仪的功能，有助于无阀压电泵在导航领 域的推广。
附图说明
13.图1为本发明所述变截面圆弧形流管无阀压电泵的立体分解示意图；
14.图2为本发明所述压电振子示意图；
15.图3为本发明所述变截面圆弧形流管的流道结构示意图；
16.图4为本发明所述变截面圆弧形流管无阀压电泵的工作原理图；
17.图5为本发明另一个实施的流道结构示意图；
18.图6为本发明仿真实验中圆弧形流管无阀压电泵示意图；
19.图7为本发明仿真实验中变截面圆弧形流管无阀压电泵示意图；
20.图8为本发明仿真实验中圆弧形流管无阀压电泵泵流量与驱动电压、驱动频率的关系图；
21.图9为本发明仿真实验中变截面圆弧形流管无阀压电泵泵流量与驱动电压、驱动频率的关系图；
22.图10为本发明仿真实验中不同电压下的变截面圆弧形流管无阀压电泵相比于圆弧形流管无阀压电泵 的泵流量增幅；
23.图中标号名称：1、进水管；2、泵体；2-1、第一连接管；2-2、进水口储水槽；2-3、进水侧变截面圆 弧形流管；2-4、出水侧变截面圆弧形流管；2-5、出水口储水槽；2-6、第二连接管；2-7、泵腔；3、圆形 金属基片；4、圆形压电陶瓷片；5、压电振子；6、沉孔；7、出水管。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不限于此。
25.实施例一：
26.如图1-3所示，一种变截面圆弧形流道无阀压电泵，包括进水管1、泵体2、第一连接管2-1、进水口储 水槽2-2、进水侧变截面圆弧形流管2-3、出水侧变截面圆弧形流管2-4、出水口储水槽2-5、第二连接管2-6、 泵腔2-7、圆形金属基片3、圆形压电陶瓷片4、压电振子5、沉孔6、出水管7。所述圆形金属基片3一面与圆 形压电陶瓷片4粘接，一面与沉孔6表面粘接。
27.所述泵体2上设有第一连接管2-1、进水口储水槽2-2、进水侧变截面圆弧形流管2-3、出水侧变截面圆 弧形流管2-4、出水口储水槽2-5、第二连接管2-6、泵腔2-7；所述进水管
1外径与第一连接管2-1内径一致， 通过密封胶密封连接；所述第一连接管2-1一端与进水管1相连，一端与进水口储水槽2-2相连；所述进水侧 变截面圆弧形流管2-3一端与进水口储水槽2-2相连，一端与泵腔2-7相连；所述出水管7外径与第二连接管 2-6内径一致，通过密封胶密封连接；所述第二连接管2-6一端与出水管7相连，一端与出水口储水槽2-5相 连；所述出水侧变截面圆弧形流管2-4一端与出水口储水槽2-5相连，一端与泵腔2-7相连；所述泵腔2-7与所 述沉孔6中心位置对齐；所述泵体通过3d打印技术整体打印而成，打印材料为透明树脂。
28.进水侧变截面圆弧形流管2-3的截面由与泵腔2-7相连的一端到与进水口储水槽2-2相连的一端逐渐 变小，出水侧变截面圆弧形流管2-3的截面由与泵腔2-7相连的一端到与出水口储水槽2-2相连的一端逐 渐变大。
29.变截面圆弧形流管2-3、2-4用于产生流体正、反流动时的流阻差，实现流体的单向流动。
30.所述圆形金属基片3与圆形压电陶瓷片4粘接在一起形成压电振子5。
31.如图4所示为本发明变截面圆弧形流管无阀压电泵的工作原理图，此时变截面圆弧形流管无阀压电泵 的工作过程如下：
32.如图4(a)所示，在吸程阶段，压电振子5向上弯曲，此时泵腔2-7容积增大，内部压强减小，流体分 别由进水管1经第一连接管2-1、进水口储水槽2-2、进水侧变截面圆弧形流管2-3和经第二连接管2-6、出水 口储水槽2-5、出水侧变截面圆弧形流管2-4流进泵腔，
33.如图4(b)所示，在排程阶段，压电振子5向下弯曲，此时泵腔2-7容积减小，内部压强增大，流体分 别由进水侧变截面圆弧形流管2-3、进水口储水槽2-2、第一连接管2-1、进水管1和出水侧变截面圆弧形流 管2-4、出水口储水槽2-5、第二连接管2-6、出水管7流出泵腔。
34.综上所述，在一个振动周期中，变截面圆弧形流管无阀压电泵会产生由进水口1到出水口7的单向流动， 具有泵的功能。变截面圆弧形流管无阀压电泵的净流量为q
a-qb，qa是进口流量，qb是出口流量。
35.实施例二：
36.本实例的主要结构与实例一基本相同，不同的是本实例中，如图5所示，在泵腔2-7内部增加了一排阻 流体2-7a，所述的阻流体2-7a能够进一步增大流体正、反流动时的流阻差，从而增加变截面圆弧形流管无 阀压电泵的输出性能。
37.为了验证圆弧形流管无阀压电泵和变截面圆弧形流管的输出性能，制作了如图6和图7所示的圆弧形 流管无阀压电泵和变截面圆弧形流管无阀压电泵。圆弧形流管深度为1mm，内径r
i1
＝12mm，外径r
e1
＝13 mm，泵腔半径r
c1
＝15mm，深度为1.5mm；变截面圆弧形流管的内径为r
i2
＝12mm，流道外侧的圆心o
t3
与o
t2
的距离为ξ(ξ2＝a2+b2；a＝0.58mm，为o
t3
与o
t2
竖直方向的距离；b＝2.61mm，为o
t3
与o
t2
水平方向的 距离)，流道外侧半径r
b2
＝17.33mm，泵腔半径r
c1
＝15mm，深度为1.5mm。压电振子基体由黄铜制成，直 径为35mm，厚度为0.18mm；压电陶瓷直径为25mm，厚度为0.25mm。
38.为了简化制作过程、便于观察流管内部流动情况和避免液体泄漏，本研究采用联泰lite 600打印机制 作了圆弧形流管无阀压电泵和变截面圆弧形流管无阀压电泵的泵体，打印材料为无色透明树脂。试验流体 介质为蒸馏水。
39.图8所示为圆弧形流管无阀压电泵泵流量与驱动电压、驱动频率的关系。由图8可知，当驱动电压为 180～300v时，泵流量均在驱动频率为10hz时达到峰值；当驱动频率为5～25hz时，泵流量均随驱动电 压的增加而增加；当驱动频率为10hz、驱动电压为300v
p-p
时，泵流量达到最大，为1.76ml/min。
40.图9所示为变截面圆弧形流管无阀压电泵泵流量与驱动电压、驱动频率的关系。由图9可知，当驱动 电压为180～300v时，泵流量均在驱动频率为14hz时达到峰值；当驱动频率为5～25hz时，泵流量均随 驱动电压的增加而增加；当驱动频率为14hz、驱动电压为300v
p-p
时，泵流量达到最大，为7.2ml/min。
41.通过对比变截面圆弧形流管无阀压电泵和圆弧形流管无阀压电泵的泵流量-驱动电压-驱动频率三维曲 面图发现：在哥氏力和扩展/收缩流管正、反流阻差的共同作用下，变截面圆弧形流管无阀压电泵的泵流量 显著增加。
42.为了进一步比较变截面圆弧形流管无阀压电泵泵流量的增幅，分别选取了圆弧形流管无阀压电泵和变 截面圆弧形流管无阀压电泵的峰值频率点，绘制了图10所示的不同电压下的变截面圆弧形流管无阀压电 泵相比于圆弧形流管无阀压电泵的泵流量增幅。由图10可知，与圆弧形流管无阀压电泵相比，变截面圆 弧形流管无阀压电泵的输出流量有显著提升，在驱动电压为180v
p-p
时，输出流量的增幅最低，为137％； 在驱动频率为260v
p-p
时，输出流量的增幅最高，达到320％。通过计算可知，与圆弧形流管无阀压电泵相 比，变截面圆弧形流管无阀压电泵的输出流量平均增加了235％。
43.以上所述仅为本技术的优选实例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可 以有各种更改和变换。凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等(如不同结构 的阻流体、将阻流体放置于流管等位置)，均应包含在本技术的保护范围之内。