本發(fā)明涉及微流體機械領(lǐng)域，具體是其中的合成射流無閥壓電微泵。

背景技術(shù)：

隨著微機電系統(tǒng)mems及其配套加工技術(shù)的發(fā)展，在其基礎(chǔ)上的微流體系統(tǒng)近年來已廣泛應(yīng)用。微泵是微流體系統(tǒng)內(nèi)的核心驅(qū)動部件，微泵按照有無閥部件可以分為有閥和無閥微泵，有閥微泵由于閥結(jié)構(gòu)存在閥損壞的風險、通過性能不佳、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等缺點在微流體系統(tǒng)中的使用存在著諸多限制；而無閥微泵結(jié)構(gòu)簡單加工方便，體積小易于集成，其中的以壓電振子作為驅(qū)動元件的無閥壓電泵在無閥微泵的優(yōu)點之上又具有抗電磁干擾、能耗低、效率高等優(yōu)點。

無閥壓電泵通常利用特殊微流管的雙向流阻差來產(chǎn)生凈流量，對于這種類型的無閥壓電泵，流管的流動性能直接決定了無閥壓電微泵的整流性能。但通過改變流管結(jié)構(gòu)參數(shù)難以得到很大的流阻差異，這導(dǎo)致大部分此類結(jié)構(gòu)的無閥壓電泵容積效率很低，且不能連續(xù)出流，所以大流量且能夠連續(xù)出流及脈動相對平穩(wěn)的無閥壓電泵是目前本領(lǐng)域匠迫切需求。

將壓電式合成射流激勵器與微泵技術(shù)結(jié)合并進行一定的改進，可以很好改善無閥壓電微泵的性能。中國專利公開號為cn101397988b的文獻中提出了一種連續(xù)流微泵，可以解決微泵不連續(xù)出流的問題，但是由于其模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動膜位于泵體內(nèi)且具有導(dǎo)流擋板，增加了加工周期與成本，且不利于微泵的微型化和集成化。中國專利公開號為cn103016296a的文獻中提出了一種基于合成射流的壓電微泵，由于該結(jié)構(gòu)流動方向為豎直方向，導(dǎo)致出口流量穩(wěn)定性差，不能承受較大的背壓，增大了實際加工的難度，且實際運行效果與設(shè)計偏離較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種平面型合成射流無閥壓電微泵，該泵具有普通無閥壓電微泵的優(yōu)勢如結(jié)構(gòu)簡單易于加工，不受電磁干擾，響應(yīng)快速，易于微型和集成化等優(yōu)點，此外結(jié)合了合成射流技術(shù)，又使得這種微泵具有大流量且連續(xù)輸出的特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：具有一個泵體，泵體上從左到右設(shè)有灌泵腔、灌泵管、圓形泵腔的下半部分、圓形泵腔的出口緩沖腔、噴管、合成射流腔、合成射流腔的出口緩沖腔，灌泵腔通過灌泵管與圓形泵腔聯(lián)通，圓形泵腔與圓形泵腔的出口緩沖腔連成一體，圓形泵腔的出口緩沖腔通過噴管與合成射流腔聯(lián)結(jié)，合成射流腔與其出口緩沖腔連成一體；灌泵腔、灌泵管、圓形泵腔的出口緩沖腔、噴管、合成射流腔、合成射流腔的出口緩沖腔的水平橫截面均為矩形，且關(guān)于泵體的水平中心軸前后對稱分布，圓形泵腔的水平橫截面為圓形且關(guān)于水平中心軸前后對稱分布。

進一步地，噴管的前后寬度da為0.2mm-1mm，噴管的左右長度是la，長寬比la/da為10:1，合成射流腔的左右長度lh與噴管的寬度比值lh/da范圍為30-60，合成射流腔的前后寬度dh與噴管的寬度da之比dh/da為140:1，圓形泵腔的半徑rc與噴管的前后寬度da之比rc/da為45:1。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用壓電式合成射流激勵器，結(jié)合了合成射流技術(shù)，不僅具有普通無閥壓電泵的優(yōu)點，而且通過利用合成射流特點，提高了容積效率，使得容積效率高達78.3%以上。相比具有上下泵體和腔室的現(xiàn)有的合成射流無閥壓電微泵，本發(fā)明只有一個圓形泵腔和合成射流腔，大大減小了結(jié)構(gòu)尺寸與空間，微型化程度更高，更有利于集成化。

2、現(xiàn)有的立式的合成射流微泵的出口流量需在第十個周期才能達到穩(wěn)定且承受背壓能力差，本發(fā)明使用平面型設(shè)計，流體在微泵中的水平流動方向使得出流在較短時間內(nèi)就能達到穩(wěn)定，能在第三個周期變可達到穩(wěn)定出流，且有效地提高了整泵抗背壓能力，可以適應(yīng)頻率在0-5000hz范圍變化，極大地縮短了設(shè)計周期與成本，拓寬了壓電微泵的應(yīng)用領(lǐng)域。

3、本發(fā)明中的圓形泵腔上下兩部分相互連通，且具有一個完整的合成射流腔，兩進口和出口關(guān)于泵腔水平中心軸對稱分布，灌泵管、合成射流腔及其緩沖腔、噴管的橫截面皆為矩形，壓電振子、振動膜片與圓形泵腔的中心線在豎直方向共線，這樣的設(shè)計使得該微泵結(jié)構(gòu)更簡單，尺寸更小，加工更方便，經(jīng)濟性較高。

4、相比現(xiàn)有的利用正反向流阻不同特性的無閥壓電微泵，本發(fā)明能在較短時間內(nèi)在合成射流腔內(nèi)形成漩渦，不斷卷吸地周圍流體向出口方向流動，實現(xiàn)了大流量連續(xù)出流，當驅(qū)動頻率為100hz，雷諾數(shù)為1000時，流量可達5.744ml/min。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種平面型合成射流無閥壓電微泵的結(jié)構(gòu)主視剖視圖；

圖2是圖1中泵蓋的俯視圖；

圖3是圖1中中a-a向剖面圖；

圖4是圖2中b-b向剖面圖；

圖5是圖2中c-c向剖面圖；

圖6是圖3中ⅱ部分的幾何結(jié)構(gòu)放大圖；

圖7是本發(fā)明排出過程的工作原理示意圖；

圖8是本發(fā)明吸入過程的工作原理示意圖；

圖中：1.灌泵口；2.灌泵腔；3.灌泵管；4.圓形泵腔；5.圓形泵腔的出口緩沖腔；6.噴管；7.泵進口；8.泵進口；9.合成射流腔；10.合成射流腔的出口緩沖腔；11.泵出口；12.振動膜片；13.壓電振子；14.泵體；15.泵蓋；16.泵體的水平中心軸。

具體實施方式

參照圖1所示，本發(fā)明包括泵體14、泵蓋15、壓電振子13和振動膜片12。泵蓋15在泵體14的正上方，在泵體14上從左到右加工出灌泵腔2、灌泵管3、圓形泵腔4的下半部分、圓形泵腔的出口緩沖腔5、噴管6、合成射流腔9、合成射流腔的出口緩沖腔10，泵體14上加工出的這些腔室和管道的高度均為h2。再參見圖2，在泵蓋15上加工出灌泵口1、圓形泵腔4的上半部分、泵進口7、泵進口8、泵出口11，泵蓋15上所加工出的這些高度均為h1。泵體14和泵蓋15通過真空氧等離子體鍵合工藝緊密聯(lián)結(jié)貼合在一起。振動膜片12通過粘結(jié)劑固定在圓形泵腔4的正上方，壓電振子13通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)在振動膜片12上表面，壓電振子13、振動膜片12和圓形泵腔4的中心線在豎直方向上下共線。

泵體14的材料是pdms，泵體14上所加工出的結(jié)構(gòu)可通過模塑法加工而成，泵蓋15的材料是玻璃，泵蓋15上所加工出的結(jié)構(gòu)可利用激光加工工藝加工而成，振動膜片12為黃銅或其他彈性材料，可與圓形泵腔4鍵合或膠合，壓電振子13是驅(qū)動元件，可用溶膠凝膠工藝沉積在振動膜片12上。

參見圖3和圖2，灌泵腔2、灌泵管3、圓形泵腔的出口緩沖腔5、噴管6、合成射流腔9、合成射流腔的出口緩沖腔10的水平橫截面均為矩形，且均關(guān)于泵體14的水平中心軸16前后對稱分布，形成平面型結(jié)構(gòu)。圓形泵腔4的水平橫截面為圓形，且關(guān)于泵體14的水平中心軸16前后對稱分布。泵進口7和泵進口8結(jié)構(gòu)相同，且關(guān)于水平中心軸16對稱分布在合成射流腔9兩側(cè)。

再結(jié)合圖4和圖5，泵蓋15上開有的灌泵口1在灌泵腔2的正上方，并且灌泵口1聯(lián)通泵體14上的灌泵腔2，泵進口7和泵進口8聯(lián)通泵體14上的合成射流腔9，泵出口11在合成射流腔的出口緩沖腔10的正上方，并且泵出口11聯(lián)通泵體14上的合成射流腔的出口緩沖腔10。

泵體14上的灌泵腔2通過灌泵管3與圓形泵腔4聯(lián)通，而圓形泵腔4與其出口緩沖腔5連成一體，圓形泵腔的出口緩沖腔5通過噴管6與合成射流腔9聯(lián)結(jié)，而合成射流腔9與其出口緩沖腔10連成一體。

參見圖6和圖3，噴管6的前后寬度da為0.2mm-1mm，噴管6的左右長度是la，長寬比la/da為10:1。合成射流腔9的左右長度lh與噴管6的寬度比值lh/da范圍為30-60，合成射流腔9的前后寬度dh與噴管6的寬度da之比dh/da為140:1，圓形泵腔4的半徑rc與噴管6的前后寬度da之比rc/da為45:1。泵體14上所刻蝕的結(jié)構(gòu)高度h2與噴管6的直徑da之比h2/da為1:1。

參見圖2，灌泵口1、泵進口7、8和泵出口11的水平橫截面均為圓形，灌泵口1的半徑為rg，泵進口7和泵進口8的半徑為ri，泵出口11的半徑為ro。參見圖3，灌泵管2的左右長度為lg、前后寬度為dg。合成射流腔的出口緩沖腔10的長、寬分別為lo，do。參見圖6，圓形泵腔的出口緩沖腔5的長、寬分別為lc、dc。尺寸rg、ri、ro、lg、dg、lo，do、lc、dc按常規(guī)技術(shù)手段選取，在這些尺寸指標范圍內(nèi)，使本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)出流，且泵送流量較大，工作穩(wěn)定。

本發(fā)明工作時，在壓電振子13的兩端加載交變電壓信號（正弦或矩形波信號），壓電振子13會發(fā)生彎曲變形并隨電壓頻率上下周期性振動，該振動帶動圓形泵腔4內(nèi)的流體流動，該流動過程可分為排出過程和吸入過程。排出過程如圖7所示，壓電振子13受到外界電場激勵作用而向下振動時，圓形泵腔4的體積減小，使得圓形泵腔4內(nèi)的壓強增大且大于外界壓強，從而流體從圓形泵腔4內(nèi)通過噴管6排至合成射流腔9內(nèi)。由于噴管6與合成射流腔9連接處形成突擴結(jié)構(gòu)，流體受到強烈的剪切作用,從而在噴管6與合成射流腔9連接處產(chǎn)生流動分離形成漩渦對,漩渦對卷吸周圍的流體向泵出口11流動，同時泵進口7，泵進口8以外的少量流體也被卷吸向泵出口11流動，大大增加了泵出口11的出流量。泵進口7和泵進口8的流進量分別為和，圓形泵腔4排出量為，泵出口11的排出量，則有。吸入過程如圖8所示，壓電振子13受到外界電場激勵作用而向上振動時，圓形泵腔4的體積增大，圓形泵腔4內(nèi)的壓強降低且小于外界壓強，從而流體通過泵進口7和泵進口8同時流入合成射流腔9內(nèi)。由于排出過程中形成的漩渦已遠離噴管6不受吸入過程的影響,并且卷吸泵進口7和泵進口8流入的少量流體，最終一起由泵出口11流出，使得吸入過程中泵出口11仍然在排出，實現(xiàn)了連續(xù)出流的目標。泵進口7和泵進口8流進量分別為和，圓形泵腔4流進量為，泵出口11流出量為，則有。根據(jù)合成射流的原理，流體在這種吸入和排出交替的過程中，形成連續(xù)不斷的漩渦對并卷吸泵進口7和泵進口8流入的少量流體向泵出口11遷移，泵出口11在一個周期內(nèi)一直有流體流出從而形成大流量連續(xù)出流。一個周期內(nèi)總排出量為，泵腔體積變化量為，因此該平面型合成射流無閥壓電微泵的容積效率為，容積效率高達78.3%以上。