一种压电喷流泵

1.本发明涉及微流体驱动领域，具体涉及一种压电喷流泵。


背景技术：

2.微流体控制系统在微型化学分析系统、电子冷却系统和便携式医疗系统等领域有着广泛的应用。设计强大的微流体控制系统，需要使其具备高效且可靠的流体输送机制。随着科技的发展，人类对微型流体控制设备提出了小型化、构造简单、对流体样品具有独立性无干扰、可以持续稳定输出以及对流量进行精确控制等要求，传统的泵则无法满足上述的要求，例如，基于电磁电机的传统的空气冷却系统，它们体积庞大、消耗能量大、效率低下以及工作时产生高噪音，这就需要更有效的冷却系统来处理散热问题，从而提高器件的性能，满足人类生活的需求。而根据逆压电效应制作的压电泵具有构造简单、体积小、对流体样品具有独立无干扰性、成本低等优点，可以很好的满足人类生活的需求，在医疗器械、计算机芯片散热、电池燃料运送、辅助人工心脏泵、航空电子设备等领域应用广泛。
3.现有大部分压电泵的输出性能受到阀门的限制，且工作频率较低。由于阀门的工作频率较低，高频状态工作时阀门易损坏且存在滞后性，导致了压电泵在高频状态下工作时性能表现并不优越，未能把压电材料高能量密度的优势发挥出来。并且压电泵在低频状态下工作存在不可避免的脉动问题和噪声问题。


技术实现要素：

4.为了解决目前压电泵存在的脉动、噪声问题，提高泵的性能，本发明提出了一种压电喷流泵。基于驻波共振原理，使用柔性隔膜优化声压场，提高泵的输出性能。通过高横纵比的喇叭型的泵腔对压电振子产生的超声波进行聚焦，在泵腔内形成高声压，增强声流效应；使用微阀阵列的阀门进行整流，实现更好的泵送；所述一种压电喷流泵利用声流效应驱动流体，将泵的工作频率提升到的超声范围，发挥出压电材料高能量密度的优势，解决脉动、噪声问题，实现快响应、无声。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种压电喷流泵，包括：泵体(1)、柔性隔膜(2)、入口通道(3)、压电振子(4)、泵腔(5)、螺钉(6)、阀门(7)、出口通道(8)、圆锥销(9)。其中，所述压电振子(4)粘在柔性隔膜(2)上；所述入口通道(3)设置在压电振子(4)压力节点处；所述出口通道(8)设置在泵体(1)上部的压力最大处；所述阀门(7)采用微阀阵列的方式提高固有频率，由入口层、阀瓣层、出口层组成，出口层中间凹陷，中间与阀瓣层有一点的间隙，以便阀瓣的开闭；所述阀门(7)由圆锥销(9)安装在泵体(1)压力最大处，可快速响应压力变化；所述泵腔(5)呈高横纵比喇叭型，由泵体(1)和柔性隔膜(2)通过螺钉(6)连接而成，可对压电振子(4)产生的超声波进行聚焦。
7.工作时，压电振子(4)振动产生超声波，超声波在流体中传播时会产生声流效应，即沿声束传播方向上产生声压的梯度变化，从而形成从压电振子(4)流向出口通道(8)的射
流，实现流体的泵送。基于驻波共振原理，使用柔性隔膜(2)优化声压场，提高泵的输出性能。由于超声波在流体内的衰减随传播距离增加而减小，使用高横纵比喇叭型的泵腔(5)增强声流效应，产生更大的射流。使用高响应的阀门(7)整流，实现更好的泵送，并且可以通过调节输入声压幅度调节流体的泵送速率。
8.所述一种压电喷流泵具备脉动小、无噪声、体积小、流量大、压力高等优点，在微流体、声化学、电子冷却和混合等领域具有很高的应用潜力。
附图说明
9.图1为一种压电喷流泵的等轴测试图；
10.图2为一种压电喷流泵的结构示意图；
11.图3为一种微阀阵列阀门的结构爆炸图；
12.图4为一种压电喷流泵的工作原理图。
13.附图标记说明：1—泵体，2—柔性隔膜，3—入口通道，4—压电振子，5—泵腔，6—螺钉，7—阀门，7—1—入口层，7—2—阀瓣层，7—2—1—阀瓣单元，7—3—出口层，8—出口通道，9—圆锥销。
具体实施方式
14.为使本发明的技术方案和技术效果更加清楚明白，下面结合附图，通过具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
15.下面参考图1—图4描述本发明实施例的一种压电喷流泵的具体结构与工作原理。
16.参照图1—2，一种压电喷流泵，其特征在于：由泵体1、柔性隔膜2、入口通道3、压电振子4、泵腔5、螺钉6、阀门7、出口通道8以及圆锥销9组成。压电振子4粘贴在柔性隔膜2上；压电振子4压力节点处开有孔口，作为入口通道3；带阀门7的出口通道8设置在泵体1上部的压力最大处；泵腔5呈高横纵比喇叭型，由泵体1和柔性隔膜2通过螺钉6连接而成，可对压电振子4产生的超声波进行聚焦。
17.参照图3，一种压电喷流泵，其特征在于：采用微阀阵列的方式提高的阀门7的固有频率；用圆锥销9将阀门7安装在泵体1上部的压力最大处；微阀阵列的阀门7由入口通道层、阀瓣层、出口通道层组成，出口通道层中间凹陷，并且与阀瓣层有一定的间隙，以便阀瓣层的开闭。阀门7可快速响应压差的变化，不限制泵的性能。所述阀门7材料可为镍、镍钛合金、不锈钢、聚酯等弹性强的薄片。
18.参照图4，工作时，对压电振子4施加正弦信号，压电振子4振动产生超声波，超声波在流体中传播时会产生声流效应，即沿声束传播方向上产生声压的梯度变化，从而形成从压电振子4流向出口通道8的射流，实现流体的泵送。基于驻波共振原理，使用柔性隔膜2优化声压场，提高泵的输出性能。由于超声波在流体内的衰减随传播距离增加而减小，使用高横纵比喇叭型的泵腔5增强声流效应，产生更大的射流。使用高响应的阀门7整流，实现更好的泵送，并且可以通过调节输入声压幅度调节流体的泵送速率。


技术特征：
1.一种压电喷流泵，其特征在于：所述一种压电喷流泵利用声流效应驱动流体，其原理如下：根据声流效应，即压电振子(4)振动产生超声波在流体中传播时，声压会沿声束传播方向上梯度变化，从而形成从压电振子(4)流向出口通道(8)的射流，实现流体的泵送；基于驻波共振原理，使用柔性隔膜(2)优化声压场，提高泵的输出性能；由于超声波在流体内的衰减随传播距离增加而减小，使用高横纵比喇叭型的泵腔(5)增强声流效应，产生更大的射流；使用高响应的阀门(7)整流，实现更好的泵送；所述一种压电喷流泵包括：泵体(1)、柔性隔膜(2)、入口通道(3)、压电振子(4)、泵腔(5)、螺钉(6)、阀门(7)、出口通道(8)、圆锥销(9)。2.根据权利要求1所述一种压电喷流泵，其特征在于：所述入口通道(4)设置在压电振子(4)压力节点处；所述出口通道(8)设置在泵体(1)上部的压力最大处；所述压电振子(4)粘接在柔性隔膜(2)上。3.根据权利要求1所述一种压电喷流泵，其特征在于：所述泵腔(5)可对压电振子(4)产生的超声波进行聚焦。4.根据权利要求1所述一种压电喷流泵，其特征在于：所述阀门(7)采用微阀阵列的方式提高固有频率，由入口层、阀瓣层、出口层组成；所述阀门(7)由圆锥销(9)安装在泵体(1)上部的压力最大处，可快速响应压力变化；所述阀门(7)材料可为镍、镍钛合金、不锈钢、聚酯等弹性强的薄片。

技术总结
本发明涉及一种压电喷流泵，包括：泵体、柔性隔膜、入口通道、压电振子、泵腔、螺钉、阀门、出口通道、圆锥销。其中，入口通道设置在压电振子压力节点处；出口通道设置在泵体上部的压力最大处；压电振子粘接在柔性隔膜上；阀门采用微阀阵列的方式提高固有频率。所述一种压电喷流泵利用声流效应驱动流体，其原理如下：根据声流效应，即压电振子振动产生超声波在流体中传播时，声压会沿声束传播方向上梯度变化，从而形成从压电振子流向出口通道的射流，实现流体的泵送。使用柔性隔膜优化声压场，提高泵的输出性能。使用高横纵比喇叭型的泵腔增强声流效应，产生更大的射流。使用高响应的阀门整流，实现更好的泵送。发挥出压电材料高能量密度的优势。优势。优势。


技术研发人员：黄浩 张起勋 董景石 罗煜 王宇 于敏泽 丁肇辰 李韬 李俊杰 班志天
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.12.23
技术公布日：2023/3/21