一种双稳态脉冲气泵及其泵气方法与流程

1.本发明属于气泵领域，具体涉及一种双稳态脉冲气泵及其泵气方法。


背景技术：

2.脉冲泵广泛地应用于生物医疗，流体分配罐装等领域。一般脉冲泵使用电机驱动。通过电机转动，使得滚轴周期性挤压气管，实现脉冲泵气的效果；或者在电机的驱动下，带动齿轮啮合转动，从而将腔内的流体泵出。目前的电机驱动的脉冲泵都需要电机连续转动才能实现泵气效果，或驱动元件直接与被泵送流体接触，导致污染。在脉冲泵工作过程中，若工况发生变化，还需重新设置参数或更换脉冲泵。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种双稳态脉冲气泵及其泵气方法，驱动器不需要连续转动即可完成泵气。当工况发生变化时，不需要修改驱动程序或更换脉冲气泵，只需更换弹簧钢带即可适应不同的工况。
4.本发明一种双稳态脉冲气泵，包括稳态切换装置、下支撑板和支撑架。下支撑板与稳态切换装置均安装在支撑架上，且相互对齐。所述的稳态切换装置包括动力元件、旋转体、弹簧钢带和储气囊。旋转体能够在动力元件的驱动下旋转。弹簧钢带的一端与下支撑板的一端固定，另一端与旋转体固定。弹簧钢带呈弯曲状。储气囊固定在下支撑板与弹簧钢带之间。弹簧钢带能够在旋转体旋转带动下能够在上凸状态和下凹状态之间切换。储气囊上连接有进气接头和出气接头。进气接头与第一单向阀的输出端连接，出气接头与第二单向阀的输入端连接。第一单向阀的输入端与流体源连接。第二单向阀的输出端用于输出脉冲气流。
5.作为优选，所述的弹簧钢带与下支撑板和旋转体可拆卸连接，通过更换不同长度和弹性系数的弹簧钢带来改变双稳态脉冲气泵的输出流量、流速，以及驱动效率。
6.作为优选，所述的储气囊为内外双层结构，外层材质为聚乙烯材料，内层材质为聚苯乙烯。
7.作为优选，所述下支撑板的两侧均设置有侧挡板。两块侧挡板覆盖储气囊两侧区域的部分或全部。
8.作为优选，所述的动力元件采用旋转舵机；旋转舵机通过安装架固定在支撑架上。旋转舵机的输出轴与旋转体的内端固定。
9.作为优选，所述的进气接头、出气接头、第一单向阀和第二单向阀均安装在下支撑板上。
10.作为优选，所述的下支撑板包括通过螺栓依次首尾相连的第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板、第四支撑板和第五支撑板。第二支撑板呈下凹的l形；第一单向阀安装在第二支撑板上，且输入端倾斜朝下设置。第二单向阀安装在第五支撑板上。
11.作为优选，所述的支撑架包括间隔设置的第一支脚和第二支脚。安装架固定在第
一支脚上。下支撑板的两端与第一支脚、第二支脚的顶部分别固定。
12.该双稳态脉冲气泵的泵气方法，具体如下：
13.弯曲的弹簧钢带具有双稳态，分别上凸稳态和下凹稳态。弹簧钢带处于上凸稳态时储气囊的容积大于弹簧钢带处于下凹稳态时储气囊的容积。初始状态下，弹簧钢带处于上凸稳态。
14.泵气过程中，旋转体在动力元件的驱动下带动弹簧钢带的自由端正向旋转，使得弹簧钢带从上凸稳态逐渐向下凹稳态进行弯曲变形；弹簧钢带在上凸稳态与下凹稳态之间存在一个临界平衡状态；当弹簧钢带从上凸稳态变形至越过临界平衡状态时，弹簧钢带迅速向下凹稳态变化，使得储气囊的容积以更快的速度减小，储气囊内的气体从第二单向阀喷出，实现脉冲泵气；完成脉冲泵气后，旋转体在动力元件的驱动下带动弹簧钢带的自由端反向旋转，使得弹簧钢带从上凸稳态逐渐向下凹稳态进行弯曲变形；储气囊的容积重新增大，从第一单向阀吸入气体；以此循环往复，实现间歇性脉冲泵气。
15.本发明具有的有益效果是：
16.1、本发明利用弹簧钢带的弯曲变形进行气囊的泵气和吸气，由于弹簧钢带的两个稳态之间具有临界位置，通过临界位置后会在弹力作用下快速变形，从而能够达到脉冲泵气的效果；此外，由于本发明的弹簧钢带具有两个稳定状态，在泵气结束后或吸气结束后均能够在动力元件零功率的情况下保持待机，能够降低能耗并提高动力元件的使用寿命。
17.2、本发明的弹簧钢带便于安装拆卸，使用不同规格和参数的弹簧钢带可以达到不同的泵气效率和流速。
18.3、本发明在泵气过程中，驱动机构不与工质流体直接接触，可有效避免污染问题。
附图说明
19.图1是本发明的总体结构示意图；
20.图2是本发明中稳态切换装置的结构示意图；
21.图3是本发明中下支撑板的结构示意图；
22.图4a是本发明在弹簧钢带处于上凸稳态的示意图；
23.图4b是本发明在弹簧钢带处于上凹稳态的示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明作进一步说明。
25.如图1所示，一种双稳态脉冲气泵，包括安装架1、稳态切换装置2、下支撑板3、支撑架4、第一侧挡板5.1和第二侧挡板5.2。支撑架4包括间隔设置的第一支脚4.1和第二支脚4.2。安装架1固定在第一支脚4.1上。下支撑板3的两端与第一支脚4.1、第二支脚4.2的顶部分别固定。
26.如图2和3所示，稳态切换装置2安装在安装架1上，其包括旋转舵机2.1、旋转体2.2、弹簧钢带2.3和储气囊2.4。旋转舵机2.1通过螺栓连接在安装架上。旋转舵机2.1的输出轴与旋转体2.2的内端固定。旋转舵机2.1转动时，带动旋转体2.2绕旋转舵机2.1输出轴转动。旋转体的外端开设有相互平行的两个螺纹孔。下支撑板3靠近旋转舵机2.1的端部为输入端，远离旋转舵机2.1的端部为输出端。旋转体2.2位于下支撑板3输入端的正上方。旋
转体2.2的转动轴线垂直于下支撑板3的长度方向。
27.弹簧钢带2.3为矩形状的高弹韧性弹簧钢带；弹簧钢带2.3长度大于旋转体2.2外端的螺纹孔与下支撑板3输出端的距离。弹簧钢带2.3的一端与下支撑板3的输出端通过螺栓固定，另一端与旋转体2.2上的螺纹孔通过螺栓固定。储气囊2.4设置在下支撑板3与弹簧钢带2.3之间，且两侧与下支撑板3、弹簧钢带2.3分别粘接。
28.第一侧挡板5.1和第二侧挡板5.2分别固定在下支撑板3的两侧。位于第一侧挡板5.1与第二侧挡板5.2之间。第一侧挡板5.1和第二侧挡板5.2用于在弹簧钢带2.3向下翻转向储气囊2.4施压时避免储气囊2.4向两侧膨胀，确保储气囊2.4内的气体能够快速喷射出去，达到脉冲泵气的效果。图1中，第一侧挡板5.1与第二侧挡板5.2仅覆盖储气囊2.4两侧的部分区域；但第一侧挡板5.1与第二侧挡板5.2也可以覆盖储气囊2.4两侧的全部区域，以提高对储气囊2.4的限位效果，提供脉冲泵气的瞬时速度。
29.储气囊2.4为内外双层结构，外层由聚乙烯材料制成，内层由聚苯乙烯制成，可有效防止储气囊2.4在多次充放气之后发生褶皱。下支撑板3靠近输入端的位置设置有进气接头，输出端设置有出气接头。储气囊2.4在靠近进气接头、出气接头的位置均设置有进气口和出气口。储气囊2.4的进气口、出气口与支撑板3上的出气接头、进气接头分别密封连接。
30.下支撑板3的进气接头与第一单向阀3.7的输出端连接，出气接头与第二单向阀3.6的输入端连接。第一单向阀3.7的输入端与流体源连接。第二单向阀3.6的输出端与需要使用脉冲气流的气动元件连接。流体源中存储有被泵送的流体；当被泵送流体为空气时，流体源为外界环境。
31.由于弹簧钢带2.3的长度大于旋转体2.2与下支撑板3输出端的间距，即弹簧钢带2.3呈现弯曲状态，故弹簧钢带具有双稳态，即上凸稳态和下凹稳态。当旋转体2.2带动处于上凸稳态的弹簧钢带的自由端向下旋转时(即如图4a到图4b的过程)，弹簧钢带2.3从上凸稳态逐渐向下弯曲变形；弹簧钢带2.3在上凸稳态与下凹稳态之间存在一个临界平衡状态；弹簧钢带2.3从上凸稳态变形至越过临界平衡状态时，弹簧钢带会迅速向下凹稳态变化；弹簧钢带2.3快速变化的过程中，储气囊的容积迅速减小，气压升高，向外进行脉冲泵气；同理，当弹簧钢带从下凹稳态向上凸稳态变化时，也会存在一个临界平衡状态；当旋转体2.2带动处于下凹稳态的弹簧钢带的自由端向上旋转时(即如图4b到图4a的过程)；弹簧钢带2.3从下凹稳态转化为上凸稳态，储气囊通过第一单向阀3.7从外界环境中吸气。因此，本发明能够实现快速吸气和脉冲泵气的效果。
32.如图3所示，下支撑板3包括通过螺栓依次首尾相连的第一支撑板3.1、第二支撑板3.2、第三支撑板3.3、第四支撑板3.4和第五支撑板3.5。第一支撑板3.1固定在第一支脚4.1的顶部；第五支撑板3.5固定在第二支脚4.2的顶部。第二支撑板3.2呈下凹的l形；第一单向阀3.7安装在第二支撑板3.2靠近第一支脚4.1的一侧，且输入端倾斜朝下设置。
33.第二单向阀3.6安装在第五支撑板3.5上。
34.该双稳态脉冲气泵的泵气方法，具体如下：
35.步骤1、安装储气囊。将储气囊的进气口、出气口分别与第一单向阀3.7和第二单向阀3.6相连。
36.步骤2、安装弹簧钢带。选取固定长度的弹簧钢带，并将其一端安装在旋转体2.2上，另一端安装在第五支撑板3.5上，并在弹簧钢带的下表面涂抹胶水，使弹簧钢带与储气
囊相连。
37.步骤3、测量脉冲泵性能参数。启动旋转舵机，测量脉冲泵输出气体流量、流速，并计算脉冲泵驱动效率。更换不同长度的弹簧钢带和不同弹性系数的弹簧钢带，测量脉冲泵气体流量、流速，计算驱动效率，并将弹簧钢带的长度(l)和脉冲泵驱动效率(η)拟合成η
l
曲线；将相同长度下不同弹性系数(k)的弹簧钢带和脉冲泵驱动效率(η)拟合成ηk曲线。
38.步骤4、根据所得的多条拟合曲线和实际使用需求，选取合适长度和弹性系数的弹簧钢带，安装在脉冲泵上，双稳态脉冲泵开始工作。