一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置

1.本发明涉及压电泵技术领域，尤其是涉及一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置。


背景技术：

2.压电泵分类为有阀与无阀两大类，区别在于泵内是否具有单向阀体。有阀虽然可以达到较大的输出压强，但是泵阀具有滞后性，即阀体的开关频率与压电振子的驱动频率之间存在天然的相位差，导致泵的输出流量不大。并且阀体的存在使得液体中不能含有固体杂质或气泡，否则会堵塞阀口导致压电泵失效。为了避免上述劣势，实现在生物医学应用中输送细胞液、高分子溶液，将有阀压电泵转型升级为无阀压电泵。
3.无阀压电泵在实现无阀的方式上可以分为外流管式无阀压电泵、内置结构式无阀压电泵等，其中内置结构式无阀压电泵的原理是利用特定的泵腔结构制造局部湍流，使液体朝一个方向流动时的流阻大于反方向流动时的流阻，达到宏观上液体单向流动的效果。这里局部湍流既具有有益的一面即带来了双向流阻差，但同时湍流消耗了能量，使泵的效率变低。
4.压电泵不管是有阀还是无阀，都因高频振动带来一个与生俱来的“缺陷”：空化现象。当压电振子进行高频振动时，泵腔内的液体压强剧烈变化，在液体内部发生气体空泡的出现、发展和溃灭过程。压电振子的振动传导到泵体，进而传导到液体中，这更加剧了空化现象的产生。空化现象也可以看作是消耗能量的过程，同样会降低泵的总效率，并且会增加泵的不稳定性，空化腐蚀还会减少泵体寿命。基于上述问题，充分利用压电泵的湍流、空化现象这两个不可避免的效应，本发明提出一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置，利用无阀压电泵在高频振动下产生的空化效应，充分将无阀压电泵的天然劣势转化为优势应用，满足泵的多个特种使用方式。
6.根据本发明的一个目的，本发明提供一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置，包括壳体和超声动力元件，所述壳体内壁具有若干阻流体，所述壳体的一端设有单向管，所述壳体的另一端设有收缩口，所述超声动力元件与所述壳体连接。
7.进一步地，所述单向管内具有使液体或固液混合体单向流动的单向体。
8.进一步地，所述单向体包括设置在所述单向管内壁上的纤毛或瓣膜。
9.进一步地，所述超声动力元件包括若干个压电陶瓷片以及对应的谐振体。
10.进一步地，所述超声动力元件包括位于所述壳体一侧的压电陶瓷片一和谐振体一以及位于所述壳体另一侧的压电陶瓷片二和谐振体二。
11.进一步地，所述谐振体一和所述谐振体二与所述壳体相连围成泵腔，所述压电陶瓷片一和所述压电陶瓷片二分别位于所述谐振体一和所述谐振体二的外侧。
12.进一步地，所述压电陶瓷片一和所述压电陶瓷片二施加相同频率但相位相差180
°
的两组交流电，所述谐振体一和所述谐振体二产生大小相同、方向相反的隆起或凹陷变形。
13.进一步地，所述收缩口靠近所述壳体一侧的截面大于远离所述壳体一侧的截面。
14.进一步地，所述收缩口收缩的角度不小于40
°
，使得液体、固液混合体由大截面流向小截面时的流阻小于由小截面流向大截面时的流阻。
15.进一步地，所述阻流体沿所述单向管到所述收缩口的方向高度逐渐升高，所述阻流体朝向所述单向管的一面为抛物线型的弧面，所述阻流体朝向所述收缩口的一面为竖直的平面。
16.本发明的技术方案利用无阀压电泵在高频振动下产生的空化效应，可将自来水中的氯气析出，形成气泡脱离出去；或将淡奶油中的气体激发，并充分打发与淡奶油混合，形成细腻柔软的奶盖；或将啤酒原浆中的气泡打散成更加绵密的气泡，泵出雪白细腻的啤酒花。本发明在保证相同流量与压强大小、相同颗粒大小与密度的前提下，采用无阀结构可以极大减少颗粒与阀体之间的摩擦，减少颗粒与泵腔的磨损，大幅提升泵的寿命。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明实施例的结构示意图；
19.图2是本发明实施例阻流体的示意图；
20.图3是本发明实施例单向管的示意图；
21.图4是本发明实施例发泡原理示意图；
22.图5是本发明实施例射流加工逆流示意图；
23.图6是本发明实施例射流加工顺流示意图；
24.图中，101：壳体；102：阻流体；103：收缩口；201：单向管；202：单向体；3：谐振体一；4：压电陶瓷片一；6：谐振体二；5：压电陶瓷片二。
具体实施方式
25.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例1
29.如图1-图4所示，一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置，本实施例用于发泡机的应用，包括发泡腔、超声发泡片以及至少一个单向管201。发泡腔的结构类似一张大鼓，壳体101、阻流体102、收缩口103构成了这面大鼓的鼓身，共同围出发泡腔的内腔；超声发泡片至少有一对，分别由压电陶瓷片一4与谐振体一3、压电陶瓷片二5与谐振体二6构成，对向分布在发泡腔的两面，如同大鼓的蒙皮。单向管201放置于收缩口103的对向，液体从单向管201流经发泡腔，再由收缩口103离开发泡装置，其流动轨迹大约在一个流畅的路径上，尽量避免流道发生90
°
以上的偏折，减少由此造成的流量损失。
30.壳体101在与单向管201的相接处具有连通口，使单向管201中的流体可以顺畅地进入发泡腔内。单向管201对面的收缩口103中也开有若干个小口，使发泡腔内已经完成发泡的流体可以流出发泡腔。壳体101、阻流体102、收缩口103可以作为一个工件被整体加工出来，也可以分别作为若干个零件组合装配在一起。超声发泡片与上述组合体相连，连接方式包括且不限于螺栓连接、螺纹连接、胶接、焊接、铆接等，要求连接后保证发泡腔的密封性，必要时可添加密封圈。
31.单向管201的内壁上具有若干个单向体202，这些单向体202的形式包括且不限于纤毛、瓣膜等。单向体202的布置朝向应当一致，或绝大多数单向体202的朝向方向应当一致。单向体202应当具有一定的柔性，当管内流体向一个方向流动时，单向体202可以倒伏或依附于管壁之上，使管内流体可通过的横截面积增大，进而使流体流量增大；当管内流体向另一个方向流动时，单向体202可以张开或平铺于管内，在不完全堵塞单向管201的同时尽量减小流体通过的横截面积，进而降低流体的流量。
32.超声发泡片一由压电陶瓷片一4、谐振体一3构成，压电陶瓷片一4与谐振体一3应紧密连接乃至合为一体，其连接方式包括且不限于胶接、焊接等永久性连接。压电陶瓷片一4具有逆压效应，对其施加一定电压后可激发出一阶模态，发生中部隆起、凹陷的往复变形。谐振体一3是具有一定刚度和一定质量的金属片，与压电陶瓷片一4连接后起到放大振幅的作用，并将整体结构的固有频率控制在压电陶瓷片一4的基频附近。
33.同理，超声发泡片二与超声发泡片一类似，将压电陶瓷片一4替换为压电陶瓷片二5，将谐振体一3替换为谐振体二6。
34.阻流体102的优选形状如图2所示，自单向管201到收缩口103的方向上，其高度应从低到高，朝向单向管201方向的一面为抛物线型的弧面，朝向收缩口103方向的一面为竖直的平面。阻流体102相互间的排列，如空间位置排布和相距距离应满足分形原则，右侧的阻流体102可以充分利用左侧阻流体102产生的湍流，使流体可以充分产生涡流，达到混合搅拌的效果。
35.收缩口103的收口角度不小于40
°
，使流体从大口流向小口时的流阻小于反方向流
动时的流阻。
36.下面结合图4介绍发泡机的工作过程。
37.与无阀压电泵相似，对压电陶瓷片一4、压电陶瓷片二5施加相同频率但相位相差180
°
的两组交流电，在压电陶瓷逆压效应的作用下，谐振体一3与谐振体二6将产生大小相同、方向相反的隆起、凹陷变形。这一变形带来发泡腔内容积的周期变化，使发泡腔周期性地吸入、泵出流体。压电陶瓷片的一个工作周期内，发泡腔相继经历一次吸入与泵出过程。在单向管201与收缩口103的共同作用下，流体向右流动时的流阻远小于向左流动时的流阻，所以在发泡腔吸入的过程中，从单向管201吸入的流体多于从收缩口103回流的流体，反之在发泡腔泵出的过程中，从收缩口103泵出的流体多于从单向管201回流的流体，达到宏观上流体向右流动的效果。
38.压电陶瓷片的高频振荡传递到流体中，使泵腔内的液体压强剧烈变化，在液体内部发生气体空泡的出现。压电陶瓷片与壳体101连接紧密，因此振动会传递到壳体101以及阻流体102上，在阻流体102类似肋板的排列作用下，空化现象的产生被进一步放大。流体中的气泡被充分激发出来。
39.发泡腔内由于阻流体102的存在，流体在流动时会产生多阶涡流，在这些涡流的作用下，气泡与流体搅拌混合，其中一部分气泡破裂产生冲击射流，使流体的化学性质发生改变，即促使雷诺数较低的淡奶油变成雷诺数较高的浓稠的奶油，完成发泡过程。
40.实施例2
41.如图1-图6所示，一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置，本实施例用于固液射流的应用。其结构与实施例1相似，将流体更换成带有细小固体颗粒的流体。
42.下面结合图5、图6介绍固液射流泵的工作过程。
43.在无阀压电泵工作的一个周期内，当固液流体向左流动，即逆流时，在阻流体102产生的涡流作用下，固液流体中的固体小颗粒被阻流体102挡住，防止固体小颗粒回流；当固液流体向右流动，即顺流时，先前被阻流体102挡住的固体小颗粒被卷起，随液体一同向右流动。于是在宏观上达到了液体与固体颗粒一同向右流动的效果，同时由于阻流体的存在，固体颗粒回流的情况较少，避免了固体颗粒左右往返运动，进而避免了能量的损失。
44.对于压电泵特别是无阀压电泵，现如今的应用大多集中在微流注射、芯片散热、精密驱动上，本发明提出的一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置，可以将这种广义上的无阀压电泵应用于激发液体中气体的场合，比如自来水除氯气、奶油与啤酒发泡等情景。其原理是利用无阀压电泵在高频振动下产生的空化效应，可将自来水中的氯气析出，形成气泡脱离出去；或将淡奶油中的气体激发，并充分打发与淡奶油混合，形成细腻柔软的奶盖；或将啤酒原浆中的气泡打散成更加绵密的气泡，泵出雪白细腻的啤酒花。
45.目前市面上的射流颗粒管内加工/管内清洗装置多采用叶片泵、柱塞泵等泵体，不仅结构复杂体积笨重，而且采用的有阀式结构会大幅增加泵腔内的磨损。本发明的一种基于压电陶瓷的无阀单向流动装置，在保证相同流量与压强大小、相同颗粒大小与密度的前提下，采用无阀结构可以极大减少颗粒与阀体之间的摩擦，减少颗粒与泵腔的磨损，大幅提升泵的寿命。
46.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。