專利名稱：肋條式微型無閥泵的制作方法
技術領域：
本發明為肋條式微型無閥泵，是一種用于泵送氣體的流體輸送設備，屬于微流動系統的動力源裝置。
背景技術：
在微電子機械系統(MEMS)近年所取得的飛速發展基礎之上，作為微流動系統的動力源，微泵不僅成功應用于微量藥品輸送、集成電路冷卻、微型機構的推進等方面，還可以應用于各類軍、民用航空器以及汽車、船舶等的流場主動控制，是具有重要技術價值的微執行器。
當前國內外研制的微泵按有無活動閥門可分為有閥泵和無閥泵兩種。有閥泵的工作原理較簡單、制造工藝較成熟，但對于尺寸縮小到厘米或毫米量級的微型系統而言，閥片制作與裝配是兩個很難解決的技術問題，同時閥片的頻繁開合導致有閥泵可靠性和使用壽命降低，在輸送含顆粒流體時還存在閥門堵塞的危險；而無閥泵具有結構簡單、易于加工、功耗低、可在高頻下工作的優點，便于微型化，但其最大的問題是效率太低。為解決這一問題，目前國內外學者主要在使用新材料和新驅動方式、增大泵腔輸出容積與無效容積之比、優化擴散口/噴嘴參數等方面進行研究，基本上沒有提出改變無閥泵工作原理的新設計方案。
發明內容
本發明的目在于針對現有技術存在的問題，提出一種輸送氣體的肋條式微型無閥泵，旨在通過一種新的流體力學原理來增大正、反向流量差，從而顯著提高效率；同時又保持了無閥泵制造容易、成本低的優點，并能滿足高頻場合的使用要求。
本發明的技術解決方案其結構是由噴嘴、逆向導氣肋條、泵腔和壓電振膜構成。其中噴嘴位于微泵的左右兩端，逆向導氣肋條設在兩噴嘴的右側，壓電振膜粘貼于泵腔的上表面。肋條式微型無閥泵依靠帶肋條的噴嘴及其它匹配設計可以獲得較大的噴嘴正、反向流量差，從而顯著提高微泵效率。
(1)采用圓弧過渡收斂型噴嘴來替代傳統的尖角型噴嘴，并將噴嘴的下游壁面由常規的垂直壁改為傾斜壁，以減小氣流正向流動時的壓力損失，從而增大正向流動時的流量；(2)提出逆向導氣肋條的構型設計方案，使得反向流動時的氣體流量顯著減小；(3)將振動薄膜與壓電材料粘貼以構成壓電振膜，通過壓電材料的壓電效應驅動振動薄膜在垂直方向上來回振動。
依靠合理的肋條設計與噴嘴設計，振動膜向上運動時，泵腔吸氣，左側孔的氣體正向流動而右側孔為反向流動，左側可以獲得較高的凈流入量；振動膜向下運動時，泵腔排氣，左側孔的氣體反向流動而右側孔為正向流動，右側有較高的凈流出量。這樣就在宏觀上實現了氣流由左側吸入、右側噴出的單向流動，并使微泵的效率得到提高。
肋條式微型無閥泵的制作方法分三個工藝步驟(1)線切割加工工藝，采用線切割機，在沿導軌運動的金屬絲構成的工具電極與被加工件構成的工件電極之間施加脈沖電壓，使間隙中的電解液被電離擊穿而形成脈沖放電，產生瞬時高溫使被加工件局部熔化甚至化，從而制得微細電火花加工所需電極；(2)微細電火花加工工藝，采用電火花加工設備，在步驟(1)所制得的電極與被加工件之間施加電壓，通過產生的電火花造成材料微團的去除和放電坑的形成，從而制得噴嘴、肋條與泵腔結構；(3)微操作工藝，通過微定位平臺系統、微操作機械手將壓電陶瓷振動薄膜與泵腔開口表面對準后采用粘結劑粘貼在一起，以獲得最終的肋條式微型無閥泵。
本發明的優點提出了逆向導氣肋條的構型設計方案，一方面在氣流正向流動時，依靠按圓弧形收斂的噴嘴設計減小壓力損失；另一方面在氣流反向流動時，通過將噴嘴的下游壁面由常規的垂直壁改為傾斜壁，并配以適當的導氣肋條，使一定比例的氣流在兩側導氣肋條的引導下改變流動方向，然后沖擊噴嘴中的反向氣流，三股氣流呈“Y”形匯集并發生強烈撞擊，可以顯著減小反向氣流量，從而大幅提高一個振動周期內微泵輸出的氣體凈流量，也就提高了微型無閥泵的效率。本發明設計的微型無閥泵容易制造，成本低，適用場合廣，因為沒有活動閥門結構而大幅提高了可靠性與壽命；線切割加工工藝制得的電極可重復使用，并可進行微型鑄造以批量生產；噴嘴、肋條和泵腔可用電極一次加工成型；加工過程中采用交流脈沖電源技術，保證較低的加工粗糙度；采用微操作組裝平臺，保證裝配的技術要求。
附圖1是肋條式微型無閥泵結構示意圖。
附圖2是噴嘴、肋條局部放大圖。
附圖3、4分別是氣體在帶肋條的噴嘴中正、反向流動的示意圖。
附圖5是微細電火花加工所需電極的示意圖。
圖中1是噴嘴、2是逆向導氣肋條、3是泵腔，4是壓電材料，振動薄膜粘貼于泵腔的上表面以封閉空腔，壓電材料粘貼于振動薄膜之上；B是噴嘴寬度、D是泵腔寬度、α是噴嘴收斂角、β為噴嘴下游傾斜壁面的傾斜角(即噴嘴與水平壁面的夾角)、R1是噴嘴過渡圓弧段半徑、L1是噴嘴與逆向肋條的流向間距、R2是逆向導氣肋條過渡圓弧段半徑、L2是導氣肋條斜向長度，各段過渡圓弧的圓心角均取β；5是微細電火花加工所需電極。
具體實施例方式
對照圖1，其結構由噴嘴、逆向導氣肋條、泵腔和壓電振膜構成。其中噴嘴位于微泵的左右兩端，逆向導氣肋條設在兩噴嘴的右側，振動振膜粘貼于泵腔的上表面以封閉空泵，壓電材料粘貼于振動薄膜之上。
噴嘴為圓弧過渡收斂型，采用平面結構，噴嘴寬度B取0.1～5mm，泵腔寬度D≥6倍的噴嘴寬度B，泵腔高度為(0.5～5)倍的噴嘴寬度B，收斂角α取90～150度，噴嘴下游壁面為傾斜壁，傾斜角β≥0.5倍的收斂角α，過渡圓弧段半徑R1取(1～2)倍的噴嘴寬度B，圓心角取值與噴嘴傾斜角β相同；逆向導氣肋條傾角與噴嘴傾斜角β相同，其斜向長度L2取(1～2)倍的噴嘴寬度B，過渡圓弧段半徑R2為(1～2)倍的噴嘴寬度B，圓心角取值與噴嘴傾斜角β相同，逆向導氣肋條與噴嘴的流向間距為(0.3～0.6)倍的噴嘴寬度B，兩逆向導氣肋條之間的孔口寬度約為噴嘴寬度B；壓電振膜由振動薄膜與壓電材料粘貼構成，尺寸可根據所需驅動力的大小選擇；微泵長度和寬度可根據壓電振膜的尺寸來選擇，厚度可根據不同的應用靈活選擇。
實施例采用不銹鋼為結構材料，振動薄膜使用聚酰亞胺，壓電材料選用PZT-4，各部分尺寸按照具體實施方式
中的比例規定取值如下噴嘴寬度取1mm，收斂角α為120度，噴嘴下游壁面的傾斜角β為60度，過渡圓弧段半徑R1取1mm(圓心角為60度)；泵腔寬度D取10mm，泵腔高度取1.5mm；逆向導氣肋條傾角60度，其斜向長度L2取2mm，過渡圓弧段半徑R2取1mm(圓心角為60度)，肋條與噴嘴的流向間距L1取0.5mm；壓電薄膜直徑6mm，厚50μm；聚酰亞胺覆蓋膜(包含振動膜)長16mm，寬12mm，厚100μm；微泵長16mm，寬12mm，厚3mm。
肋條式微型無閥泵的制作方法(1)線切割加工使用普通線切割機，用預先打好通孔的工件制得如圖5所示的電極。
(2)微細電火花加工使用普通電火花加工設備，利用上述步驟(1)所制得的電極一次成型，加工出噴嘴、逆向導氣肋條和泵腔。
(3)微操作工藝通過微定位平臺系統、微操作機械手將壓電振膜與泵腔開口表面對準后采用強力膠粘貼在一起，以獲得最終的微型無閥泵。肋條式微型無閥泵的效果微型無閥泵效率(其定義為一個工作周期內的凈氣流量與泵腔總排氣量之比)一般可按下式估算 ξ反、ξ正分別是噴嘴內兩種狀態下的流動損失系數。
采用普通噴嘴的微型無閥泵，其ξ反/ξ正值約為1.5，效率為5％～10％，而本發明中的肋條式微型無閥泵能將ξ反/ξ正值增大到約5.0，效率可提高至約30％。這樣，在體積和重量一定的情況下，將顯著增大微型無閥泵輸送的氣體流量和為氣流添加的能量。
權利要求
1.肋條式微型無閥泵，其特征是由圓弧過渡收斂型噴嘴、逆向導氣肋條、泵腔和壓電振膜構成，其中噴嘴位于微泵的左右兩端，逆向導氣肋條設在兩噴嘴的右側，壓電振膜粘貼于泵腔的上表面。
2.根據權利要求1所述的肋條式微型無閥泵，其特征是圓弧過渡收斂型噴嘴，采用平面結構，噴嘴寬度B取0.1～5mm，泵腔寬度D≥6倍的噴嘴寬度B，泵腔高度為(0.5～5)倍的噴嘴寬度B，收斂角α取90～150度，噴嘴下游壁面為傾斜壁，傾斜角β≥收斂角α/2，過渡圓弧段半徑R1取(1～2)倍的噴嘴寬度B，圓心角取值與噴嘴傾斜角β相同。
3.根據權利要求1所述的肋條式微型無閥泵，其特征是逆向導氣肋條傾角與噴嘴傾斜角β相同，其斜向長度L2取(1～2)倍的噴嘴寬度B，過渡圓弧段半徑R2為(1～2)倍的噴嘴寬度B，圓心角取值與噴嘴傾斜角β相同，逆向導氣肋條與噴嘴的流向間距為(0.3～0.6)倍的噴嘴寬度B，兩逆向導氣肋條之間的孔口寬度約為噴嘴寬度B。
4.微型無閥泵的制作方法，其特征是分(1)線切割加工工藝，采用線切割機，在沿導軌運動的金屬絲構成的工具電極與被加工件構成的工件電極之間施加脈沖電壓，使間隙中的電解液被電離擊穿而形成脈沖放電，產生瞬時高溫使被加工件局部熔化甚至氣化，從而制得微細電火花加工所需電極；(2)微細電火花加工工藝，采用電火花加工設備，在步驟(1)所制得的電極與被加工件之間施加電壓，通過產生的電火花造成材料微團的去除和放電坑的形成，從而制得噴嘴、逆向導氣肋條與泵腔結構；(3)微操作工藝，通過微定位平臺系統、微操作機械手將壓電振膜與泵腔開口表面對準后采用粘結劑粘貼在一起，以獲得最終的微型無閥泵。
全文摘要
本發明為肋條式微型無閥泵，其結構由圓弧過渡收斂型噴嘴、逆向導氣肋條、泵腔和壓電振膜構成，其中噴嘴位于微泵的左右兩端，逆向導氣肋條設在兩噴嘴的右側，壓電振膜粘貼于泵腔的上表面。肋條式微型無閥泵依靠帶肋條的噴嘴及其它匹配設計可以獲得較大的噴嘴正、反向流量差，其優點為顯著提高了微泵效率，容易制造、成本低、適用場合廣，因為沒有活動閥門結構而大幅提高了可靠性與壽命。總的來說，本發明在保持微型無閥泵傳統優勢的同時，有效地克服了現有技術輸送氣體效率低的缺陷，為各種應用場合，包括各類軍、民用航空器以及汽車、船舶等的流場主動控制，提供了一種綜合性能好的微流動系統動力源裝置。
文檔編號F04B45/047GK1811183SQ20061003827
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月14日 優先權日2006年2月14日
發明者黃國平, 王鑫, 梁德旺 申請人:南京航空航天大學