一种仿生柔性瓣膜阀压电泵

技术领域

本发明属于微流体机械领域，具体涉及一种仿生柔性瓣膜阀压电泵。

背景技术

压电泵是一种利用压电材料的逆压电效应使压电振子发生变形，从而引起泵腔内容积发生变化，最后实现流体传输功能的新型流体驱动器。压电泵具有结构简单、易于安装、能量转换效率高和响应快速等诸多优点，在活体细胞输送领域有着重要应用前景。根据阀体的运动情况，压电泵可分为有阀压电泵和无阀压电泵。然而，有阀压电泵在输送活体细胞时，阀体运动容易对活体细胞造成破坏；无阀压电泵在输送活体细胞时存在严重的回流，导致输送性能不佳。因此，需要结合两种压电泵的优点设计一种适用于输送活体细胞且输送性能优良的新型结构压电泵。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生柔性瓣膜阀压电泵，该泵仿照鱼类心脏心室的结构和工作方式来输送流体，具有优良的输送性能，同时柔性瓣膜对活体细胞的损伤较小，适用于活体细胞的输送。

为实现上述目的，本发明专利的技术方案是：

一种仿生柔性瓣膜阀压电泵，其特征在于：包括六角螺栓、泵盖、环形密封圈、压电振子、矩形密封圈、柔性瓣膜、泵体、六角螺母；

所述泵盖设有圆形凹槽、上密封圈凹槽、上螺栓孔，外流道入水孔，外流道出水孔，所述圆形凹槽用于压紧压电振子，所述上密封圈凹槽用来放置环形密封圈；

所述压电振子由圆形压电陶瓷片和圆形铜片基底组成，所述圆形压电陶瓷片是压电多晶体材料，为系统的驱动元件；

所述泵体包含下螺栓孔、入口缓冲腔、入口流道、泵腔、下密封圈凹槽、圆形凸台、出口锥流道、出口缓冲腔、矩形密封圈凹槽，所述入口缓冲腔与外流道入水孔相接，所述出口缓冲腔与外流道出水孔相连接，所述入口缓冲腔和出口缓冲腔用于减小流体的冲击，避免能量损耗，所述入口流道为平形流道，左端连接着入口缓冲腔，右端连接着泵腔的左侧，所述出口锥流道为5°-9°锥角的锥形流道，小端连接着泵腔的右侧，大端连接着出口缓冲腔；

所述柔性瓣膜为硅胶材质，包括一对入口柔性瓣膜与多对出口柔性瓣膜，所述入口柔性瓣膜包括入口瓣膜凸面、入口瓣膜贴合面、入口瓣膜凹面，所述入口柔性瓣膜通过入口瓣膜贴合面贴合在入口流道的两侧面，所述出口柔性瓣膜包括出口瓣膜凸面、出口瓣膜贴合面、出口瓣膜凹面，所述出口柔性瓣膜通过出口瓣膜贴合面贴合在出口锥流道的两侧面，所述入口瓣膜凸面正对着入口缓冲腔，所述出口瓣膜凹面正对着出口缓冲腔；

所述环形密封圈为两个相同橡胶圈，一个放置在上密封圈凹槽和压电振子之间，另一个放置在下密封圈凹槽和压电振子之间，所述环形密封圈起密封和支撑压电振子的作用；

所述矩形密封圈为橡胶材质，放置在矩形凹槽内，位于泵盖与泵体之间，起到密封泵体的作用；

所述螺栓和螺母采用螺纹连接，用于对泵盖和泵体紧密配合。

所述仿生柔性瓣膜阀压电泵包括流体吸入和流体排出两个工作过程：

吸入过程：在正交流电的作用下，压电振子向上发生形变，泵腔容积变大使其压强减小，在外界大气压的作用下，流体介质沿外流道入水孔流入，流经入口缓冲腔和入口流道、流至入口瓣膜凸面时，入口柔性瓣膜在流动力的作用下张开，流体介质进入泵腔，同时流体介质沿外流道出水孔流入，流经出口缓冲腔和出口锥流道、流至出口瓣膜凹面时，出口柔性瓣膜在流动力的作用下闭合，阻碍流体介质进入泵腔，此时从入口流道进入泵腔的流量大于出口锥流道进入泵腔的流量。

排出过程：在负交流电的作用下，压电振子向下发生形变，泵腔容积变小使其压强变大，在泵腔压力的作用下，流体介质从入口流道排出，流经入口瓣膜凹面时，入口柔性瓣膜在流动力的作用下闭合，阻碍流体介质排出泵腔，同时流体介质在泵腔压力作用下从出口锥流道排出，流经出口瓣膜凸面时，出口柔性瓣膜在流动力的作用下张开，流体介质排出泵腔，此时从出口锥流道从泵腔排出的流量大于入口流道从泵腔排出的流量。

所述仿生柔性瓣膜阀压电泵经过上述吸入过程和排出过程的不断循环，宏观上实现了流体的单向流动。

本发明专利的突出优点为：

1.本发明所述仿生柔性瓣膜阀压电泵仿照鱼类心脏心室的结构和工作方式来输送流体，随着压电振子的周期性上下振动，柔性瓣膜在流体介质的流动力作用下极容易张开和关闭，起到了被动阀的作用，使得该泵具有优良的输送性能。

2.本发明所述仿生柔性瓣膜阀压电泵的柔性瓣膜由硅胶材质制造，具有高的柔韧性和弹性，柔性瓣膜的开闭平稳，在输送活体细胞的过程中产生的应力小，对活体细胞的损伤较小，从而提高了泵运输活体细胞的存活率。

附图说明

图1是本发明的仿生柔性瓣膜阀压电泵爆炸图；

图2是本发明的仿生柔性瓣膜阀压电泵半剖视图；

图3是本发明的泵盖结构示意图；

图4是本发明的压电振子结构示意图；

图5是本发明的柔性瓣膜与泵体的配合图；

图6是本发明的柔性瓣膜示意图；

图7是本发明的泵体结构示意图；

图8是鱼类心脏心室的结构示意图

图中标记：1为六角螺栓、2为泵盖、2-1为圆形凹槽、2-2为上密封圈凹槽、2-3为上螺栓孔、2-4为外流道入水孔、2-5为外流道出水孔、3为环形密封圈、4为压电振子、4-1为圆形压电陶瓷片、4-2为圆形铜片基底、5为矩形密封圈、6为柔性瓣膜、6-1为入口柔性瓣膜、6-1-1为入口瓣膜凸面、6-1-2为入口瓣膜贴合面、6-1-3为入口瓣膜凹面、6-2为出口柔性瓣膜、6-2-1为出口瓣膜凸面、6-2-2为出口瓣膜贴合面、6-2-3为出口瓣膜凹面、7为泵体、7-1为下螺栓孔、7-2为入口缓冲腔、7-3入口流道、7-4泵腔、7-5下密封圈凹槽、7-6圆形凸台、7-7出口锥流道、7-8出口缓冲腔、7-9矩形密封圈凹槽、8为六角螺母、A1为入口心室瓣膜、A2为心室腔、A3为动脉圆锥、A4为出口心室瓣膜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明专利保护的范围；本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

参阅图1-8，一种仿生柔性瓣膜阀压电泵，其特征在于：包括六角螺栓（1）、泵盖（2）、环形密封圈（3）、压电振子（4）、矩形密封圈（5）、柔性瓣膜（6）、泵体（7）、六角螺母（8）；

所述泵盖（2）设有圆形凹槽（2-1）、上密封圈凹槽（2-2）、上螺栓孔（2-3），外流道入水孔（2-4），外流道出水孔（2-5），所述圆形凹槽（2-1）用于压紧压电振子（4），所述上密封圈凹槽（2-2）用来放置环形密封圈（3）；

所述压电振子（4）由圆形压电陶瓷片（4-1）和圆形铜片基底（4-2）组成，所述圆形压电陶瓷片（4-1）是压电多晶体材料，为系统的驱动元件；

所述泵体（7）包含下螺栓孔（7-1）、入口缓冲腔（7-2）、入口流道（7-3）、泵腔（7-4）、下密封圈凹槽（7-5）、圆形凸台（7-6）、出口锥流道（7-7）、出口缓冲腔（7-8）、矩形密封圈凹槽（7-9），所述入口缓冲腔（7-2）与外流道入水孔（2-4）相接，所述出口缓冲腔（7-8）与外流道出水孔（2-5）相连接，所述入口缓冲腔（7-2）和出口缓冲腔（7-8）用于减小流体的冲击，避免能量损耗，所述入口流道（7-3）为平形流道，左端连接着入口缓冲腔（7-2），右端连接着泵腔（7-4）的左侧，所述出口锥流道（7-7）为5°-9°锥角的锥形流道，小端连接着泵腔（7-4）的右侧，大端连接着出口缓冲腔（7-8）；

所述柔性瓣膜（6）为硅胶材质，包括一对入口柔性瓣膜（6-1）与多对出口柔性瓣膜（6-2），所述入口柔性瓣膜（6-1）包括入口瓣膜凸面（6-1-1）、入口瓣膜贴合面（6-1-2）、入口瓣膜凹面（6-1-3），所述入口柔性瓣膜（6-1）通过入口瓣膜贴合面（6-1-2）贴合在入口流道（7-3）的两侧面，所述出口柔性瓣膜（6-2）包括出口瓣膜凸面（6-2-1）、出口瓣膜贴合面（6-2-2）、出口瓣膜凹面（6-2-3），所述出口柔性瓣膜（6-2）通过出口瓣膜贴合面（6-2-2）贴合在出口锥流道（7-7）的两侧面，所述入口瓣膜凸面（6-1-1）正对着入口缓冲腔（7-2），所述出口瓣膜凹面（6-2-3）正对着出口缓冲腔（7-8）；

所述环形密封圈（3）为两个相同橡胶圈，一个放置在上密封圈凹槽（2-2）和压电振子（4）之间，另一个放置在下密封圈凹槽（7-5）和压电振子（4）之间，所述环形密封圈（3）起密封和支撑压电振子（4）的作用；

所述矩形密封圈（5）为橡胶材质，放置在矩形凹槽（7-9）内，位于泵盖（2）与泵体（7）之间，起到密封泵体（7）的作用；

所述螺栓（1）和螺母（8）采用螺纹连接，用于对泵盖（2）和泵体（7）紧密配合。

所述仿生柔性瓣膜阀压电泵包括流体吸入和流体排出两个工作过程：

吸入过程：在正交流电的作用下，压电振子（4）向上发生形变，泵腔（7-4）容积变大使其压强减小，在外界大气压的作用下，流体介质沿外流道入水孔（2-4）流入，流经入口缓冲腔（7-2）和入口流道（7-3）、流至入口瓣膜凸面（6-1-1）时，入口柔性瓣膜（6-1）在流动力的作用下张开，流体介质进入泵腔（7-4），同时流体介质沿外流道出水孔（2-5）流入，流经出口缓冲腔（7-8）和出口锥流道（7-7）、流至出口瓣膜凹面（6-2-3）时，出口柔性瓣膜（6-2）在流动力的作用下闭合，阻碍流体介质进入泵腔（7-4），此时从入口流道（7-3）进入泵腔（7-4）的流量大于出口锥流道（7-7）进入泵腔（7-4）的流量。

排出过程：在负交流电的作用下，压电振子（4）向下发生形变，泵腔（7-4）容积变小使其压强变大，在泵腔（7-4）压力的作用下，流体介质从入口流道（7-3）排出，流经入口瓣膜凹面（6-1-3）时，入口柔性瓣膜（6-1）在流动力的作用下闭合，阻碍流体介质排出泵腔（7-4），同时流体介质在泵腔（7-4）压力作用下从出口锥流道（7-7）排出，流经出口瓣膜凸面（6-2-1）时，出口柔性瓣膜（6-2）在流动力的作用下张开，流体介质排出泵腔（7-4），此时从出口锥流道（7-7）从泵腔（7-4）排出的流量大于入口流道（7-3）从泵腔（7-4）排出的流量。

所述仿生柔性瓣膜阀压电泵经过上述吸入过程和排出过程的不断循环，宏观上实现了流体的单向流动。