具有盘形腔的泵的制作方法

专利名称：具有盘形腔的泵的制作方法
技术领域：
本发明的示例性实施例大致涉及用于流体的泵，并且更具体而言，涉及具有基本盘形腔的泵，该腔具有基本圆形的端壁和侧壁，以及涉及用于控制通过该泵的流体的流动的阀。
背景技术：
闭合腔中高振幅压力振荡的产生在热声和泵类型的压缩器领域中已引起足够的重视。非线性声学的最近发展已允许产生具有比先前认为可能更高振幅的压力波。已知使用共振来实现从规定入口到出口的流体泵送。这可使用在一端处具有声学驱动器的圆柱形腔得以实现，该声学驱动器驱动声学驻波。在这种圆柱形腔中，声学压力波具有有限振幅。诸如锥形、角锥形、球形的可变横截面腔已被用于实现高振幅的压力振荡，由此显著增大泵送效果。在这种高振幅波中，具有能量损耗的非线性机理已被抑制。然而，高振幅的共鸣在盘形腔内已不再被使用，其中径向压力振荡直到最近才被激发。公开为 W02006/111775( ‘487申请)的国际专利申请PCT/GB2006/001487公开了具有基本盘形腔的泵，该盘形腔具有高纵横比，即，腔的半径与腔的高度的比率。这种泵具有基本圆柱形腔，该圆柱形腔包括在每一端由端壁闭合的侧壁。该泵还包括致动器，该致动器驱动端壁中的任一个，以沿着基本垂直于驱动端壁的表面振荡。驱动端壁的运动的空间分布被描述成与腔内的流体压力振荡的空间波动匹配，该状态在此被描述成模式匹配。当泵被模式匹配时，由致动器作用在腔中流体上的功越过驱动端壁表面而积极增大，由此增强腔中压力振荡的振幅并输出高的泵送效率。在未被模式匹配的泵中，可能有端壁的下述区域，其中由端壁作用在流体上的功减小而不是增强腔内流体的流体压力振荡。因而，由致动器作用在流体上的有用功被减小，并且泵变得效率更低。模式匹配泵的效率取决于驱动端壁与侧壁之间的界面。希望通过构造该界面使其不减小或抑制驱动端壁的运动由此减轻腔内流体压力振荡的振幅的任一减小来保持这种泵的效率。这种泵还需要用于控制通过该泵的流体的流动阀，更具体而言，能够高频运转的阀。传统的阀对于多种应用典型地以小于500Hz的较低频率运转。例如，许多传统的压缩器典型地以50或60Hz运转。本领域中已知的线性共振压缩器在150到350Hz之间运转。 然而，包括医疗设备的许多便携式电子设备需要传送正压力或者提供真空的泵，该泵尺寸相当小，并且这种泵有利的是运转时无声，以提供离散操作。为了实现这些目标，这种泵必须以非常高的频率运转，这需要能够以大于20kHz以及更大频率运转的阀，这一般得不到。 为了以这些高频率运转，阀必须响应高频振荡压力，其能够被调整以产生通过该泵的流体的净流动。

发明内容
根据本发明的一个实施例，上述泵的致动器引起驱动端壁沿着基本垂直于端壁或基本平行于圆柱形腔的纵轴线的方向的振荡运动(“位移振荡”)，在下文中被称为腔内的驱动端壁的“轴向振荡”。驱动端壁的轴向振荡在腔内产生基本成比率的“压力振荡”，形成径向压力分布，该径向压力分布近似于如在‘487申请中描述的第一类贝塞尔函数的压力分布，该申请通过引用合并于此，这种振荡在下文中被称为腔内的流体压力的“径向振荡”。 驱动端壁的在致动器与侧壁之间的一部分提供与泵的侧壁的接触面，其减小位移振荡的阻尼，以减轻腔内的压力振荡的任何减小，该部分在下文中被成称为“隔离件”。隔离件的示例性实施例与驱动端壁的周界部分操作性地相关联，以减小位移振荡的阻尼。根据本发明的另一实施例，泵包括限定腔的具有基本圆柱形形状的泵体，该腔由在两端通过基本圆形端壁闭合的侧壁形成，所述端壁中的至少一个为驱动端壁，该驱动端壁具有中心部分和邻近所述侧壁的周界部分，其中所述腔在使用时容纳流体。所述泵进一步包括致动器，该致动器与所述驱动端壁的所述中心部分操作性地相关联，以引起所述驱动端壁沿着与其基本垂直的方向的振荡运动，在所述驱动端壁的大约中心处具有最大振幅，由此在使用时产生所述驱动端壁的位移振荡。所述泵进一步包括隔离件，该隔离件与所述驱动端壁的所述周界部分操作性地相关联，以减小由所述端壁与所述腔的所述侧壁的连接引起的位移振荡的阻尼。所述泵进一步包括设置在所述端壁中的一个的大约中心处的第一孔，以及设置在所述泵体中的任何其他位置处的第二孔，由此所述位移振荡在所述泵体的所述腔内产生流体压力的径向振荡，使流体通过所述孔流动。根据本发明的又一实施例，所述泵包括设置在所述第一孔或所述第二孔中用于控制通过所述泵的流体的流动的阀。该阀包括第一板，该第一板具有大致垂直延伸通过该第一板的孔；以及第二板，该第二板也具有大致垂直延伸通过该第二板的孔，其中所述第二板的所述孔从所述第一板的所述孔基本偏移。所述阀进一步包括设置在所述第一板与所述第二板之间的侧壁，其中所述侧壁围绕所述第一板和所述第二板的周界被闭合，以在所述第一板和所述第二板之间形成与所述第一板和所述第二板的所述孔流体连通的腔。所述阀进一步包括设置在所述第一板与所述第二板之间并在所述第一板与所述第二板之间能移动的薄片，其中所述薄片具有从所述第一板的所述孔基本偏移并与所述第二板的所述孔基本对准的孔。所述薄片响应越过所述阀的所述流体的压差的方向的变化在所述第一板与所述第二板之间被推动。示例性实施例的其他目标、特征和优点在此描述，并且参照下文的附图和详细描述将变得明显。


图IA至图IC示出根据本发明的示例性实施例的第一泵的示意性剖视图，其提供正压力、泵的驱动端壁的位移振动的图表以及泵的腔内的流体压力振荡的图表。图2示出图IA的第一泵的示意性俯视俯视图。图3示出根据本发明的示例性实施例的第二泵的示意性剖视图，其提供负压力。图4示出根据本发明的示例性实施例的具有截头圆锥形底部的第三泵的示意性剖视图。图5示出根据本发明的另一示例性实施例的包括两个致动器的第四泵的示意性剖视图。图6A示出图3的泵的示意性剖视图，图6B示出如图IC中所示的泵内流体的压力
9振荡的图表。图6C示出使用在图3的泵中的阀的示例性实施例的示意性剖视图。图7A示出处于闭合位置的阀的示例性实施例的示意性剖视图，图7B示出图7A的阀沿图7D中的线7B-7B截取的分解截面图。图7C示出图7B的阀的示意性立体图。图7D示出图7B的阀的示意性俯视图。图8A示出图7B中的阀在流体流动通过该阀时处于打开位置的示意性剖视图。图8B示出图7B中的阀处于打开位置与闭合位置之间过渡时的示意性剖视图。图9A示出根据一示例性实施例的施加在图7B的阀上的振荡压差的图表。图9B示出图7B的阀在打开位置与闭合位置之间的操作循环的图表。图10示出根据一示例性实施例的处于闭合位置的图7B的阀的一部分的示意性剖视图。图IlA示出具有释放孔的图7B的阀的改进形式的示意性剖视图。图IlB示出图IlA中的阀的一部分的示意性剖视图。图12A示出根据一示例性实施例的图7B的两个阀的示意性剖视图，其中一个阀被倒置，以允许流体沿着与另一个阀相反的方向流动。图12B示出图12A中所示的阀的示意性俯视图。图12C示出图12A的阀在打开位置与闭合位置之间的操作循环的图表。图13示出根据一示例性实施例的双向阀的示意性剖视图，该双向阀具有允许流体沿着相反方向流动的两个阀部，两个阀部均具有常闭位置。图14示出图13的双向阀的示意性俯视图。图15示出根据一示例性实施例的双向阀的示意性剖视图，该双向阀具有允许流体沿着相反方向流动的两个阀部，其中一个阀部具有常闭位置，另一个阀部具有常开位置。
具体实施例方式在下文对一些示例性实施例的详细描述中，参考形成本文一部分的附图，并且仅通过可实施本发明的例示特定优选实施例被显示在附图中。这些实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施本发明，应理解的是，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可利用其他实施例，并且可进行逻辑结构、机械、电子和化学变化。为了避免本领域技术人员实施在此描述的实施例所不必要的细节，该描述可能省略本领域技术人员已知的某些信息。因此，下文的详细描述不应被理解为限制性的，并且示例性实施例的范围仅由所附权利要求限定。图IA是根据本发明的示例性实施例的泵10的示意性剖视图。同样参照图1B，泵 10包括具有基本圆柱形形状的泵体，该泵体包括一端由底部18闭合且另一端由端板17 闭合的圆柱形壁19 ；以及设置在端板17与泵体的圆柱形壁19的另一端之间的环状隔离件 30。圆柱形壁19和底部18可为包括泵体的单个部件，并且可被安装到其他部件或系统。圆柱形壁19、底部18、端板17以及隔离件30的内表面在泵10内形成腔11，其中腔11包括在两端由端壁12和13闭合的侧壁14。端壁13为底部18的内表面，侧壁14为圆柱形壁19 的内表面。端壁12包括对应于端板17的内表面的中心部分和对应于隔离件30的内表面的周界部分。尽管腔11在形状上为基本圆形，但腔11还可以为椭圆形或其他形状。泵体的底部18和圆柱形壁19可由任何合适的刚性材料形成，该刚性材料包括但不限于金属、陶瓷、玻璃或塑料，所述塑料包括但不限于注塑塑料。泵10还包括压电盘20，压电盘20操作性地连接到端板17以形成致动器40，该致动器40经由端板17与端壁12的中心部分操作性地相关联。压电盘20并不必须由压电材料形成，而是可由任何振动的电活性材料形成，诸如，例如由电致伸缩材料或磁致伸缩材料形成。端板17优选具有类似于压电盘20的抗弯刚度，并且可由诸如金属或陶瓷的电惰性材料形成。当压电盘20被电流激励时，致动器40相对于腔11的纵轴线沿着径向方向膨胀和收缩，导致端板17弯曲，由此引起端壁12沿着基本垂直于端壁12的方向的轴向偏转。端板 17可替代地还可由例如诸如压电材料、磁致伸缩材料或电致伸缩材料的电活性材料形成。 在另一实施例中，压电盘20可由与端壁12成传力关系的设备替代，例如诸如由机械设备、 磁设备或静电设备替代，其中端壁12可被形成为材料的电惰性或被动层，该层被这种设备 (未示出)以如上所述的相同方式驱动至振荡。泵10进一步包括从腔11延伸到泵10的外部的至少两个孔，其中所述孔中的至少第一个孔可包含阀以控制通过该孔的流体的流动。尽管包含阀的孔可位于腔11中的如下文更详细描述的致动器40产生压差的任何位置，泵10的一个优选实施例包括近似位于端壁12、13中的任一个的中心的具有阀的孔。图IA和图IB中所示的泵10包括初级孔16，该初级孔16在端壁13的大约中心处从腔11延伸通过泵体的底部18并包含阀46。阀46被安装在初级孔16内，并允许流体沿着如箭头所示的一个方向的流动以使其用作泵10的出口。第二孔15可位于腔11内除了具有阀46的孔16的位置之外的任何位置。在泵10的一个优选实施例中，第二孔被设置在端壁12、13中的任一个的中心与侧壁14之间。图IA 和图IB中所示的泵10的实施例包括从腔11延伸通过致动器40的两个次级孔15，这两个次级孔15被设置在端壁12的中心与侧壁14之间。尽管次级孔15在泵10的该实施例中未装有阀，但如果需要它们也可装有阀以改善性能。在泵10的该实施例中，初级孔16装有阀，从而流体如箭头所示通过次级孔15被吸入到泵10的腔11中，并通过初级孔16被泵送到腔11外，以在初级孔16处提供正压力。参照图3，图1的泵10被示出为具有初级孔16的可替代构造。更具体而言，初级孔16’中的阀46’被倒置，以使流体如箭头所示通过初级孔16’被吸入到腔11中，并通过次级孔15被排出到腔11外，由此在初级孔16’处提供吸力或减压源(source of reduced pressure) 0在此使用的术语“减压”(“reduced pressure") 一般指的是小于泵10所在位置的周围压力。尽管术语“真空”和“负压力”可用于描述减压，但实际的减压(pressure reduction)可显著小于通常与绝对真空相关的减压。压力为“负”是指其为表压力的含义， 即压力被减小到低于周围大气压力。除非另有说明，本文所说的压力的值均为表压力。提到减压的增大典型地指的是绝对压力的减小，而减压的减小典型地指的是绝对压力的增大。现参照图4，根据本发明的另一示例性实施例的泵70被示出。泵70与图1的泵 10基本类似，除了泵体包括具有上表面形成形状为截头圆锥状的端壁13’的底部18’。因此，腔11的高度从侧壁14处的高度变化到端壁12、13’之间的在端壁12、13’的中心处的更小高度。端壁13’的截头圆锥形形状加强了相对于腔11的侧壁14处的压力较小的腔11 的中心处的压力，在腔11的中心处腔11的高度更大，在腔11的侧壁处腔11的高度更小。因此，比较具有相等的中心压力振幅的圆柱形腔11和截头圆锥形腔11，明显的是截头圆锥形腔11将在远离腔11的中心的位置大致具有较小的压力振幅腔11的渐增高度用于减小压力波的振幅。由于在腔11中的流体振荡期间经历的粘性损耗和热能损耗均随着这种振荡的振幅而增大，通过采用截头圆锥形腔11的设计减小减小了远离腔11的中心处的压力振荡的振幅对泵70的效率是有利的。在泵70的一个示例性实施例中，腔11的直径为近似20mm，腔11的高度从在侧壁14处的近似1. Omm逐渐减小到在端壁13’的中心处的近似 0. 3mm。端壁12、13中的任一个或者端壁12、13 二者可具有截头圆锥形形状。现参照图5，根据本发明另一示例性实施例的泵60被示出。泵60与图1的泵10 基本类似，除了包括替代泵体的底部18的第二致动器62。致动器62包括第二盘64和设置在盘64与侧壁14之间的环状隔离件66。泵60还包括操作性地连接到盘64以形成致动器 62的第二压电盘68。致动器62与端壁13操作性地相关联，端壁13包括盘64的内表面和隔离件66的内表面。第二致动器62还以类似于如上所述的致动器40相对于端壁12的方式使端壁13产生沿着基本垂直于端壁13的方向的振荡运动。当致动器40、62被致动时， 控制电路(未示出)被提供以协调致动器的轴向位移振荡。优选的是致动器以相同频率且近似异相地被驱动，即，使得端壁12、13的中心首先朝向彼此移动然后分开。本文描述的泵的尺寸应优选地相对于腔11的高度(h)和腔的半径(r)之间的关系满足某一不等式，半径(r)为从腔11的纵轴线到侧壁14的距离。这些方程式如下r/h>1.2;以及h2/r > 4Χ1(Γ10 米。在本发明的一个实施例中，当腔11内的流体为气体时，腔半径与腔高度的比率 (r/h)在大约10到大约50之间。在该实例中，腔11的体积可小于大约10ml。另外，比率 h2/r优选在大约10_3米到大约10_6米的范围内，其中工作流体为与液体相对的气体。在本发明的一个实施例中，次级孔15位于腔11内的压力振荡的振幅接近为零的地方，即压力振荡的“波节”点处。当腔11为圆柱形时，压力振荡的径向相关性可由第一类贝塞尔函数估计，并且腔11内的最低阶压力振荡的径向波节发生在距端壁12的中心或腔 11的纵轴线近似0. 63ι 士0. 2r的距离处。因而，次级孔15优选位于距端壁12、13的中心径向距离(a)处，其中(a) 0·63ι 士0·2ι·，S卩，接近压力振荡的波节。另外，在此公开的泵应优选满足关系到腔半径(r)和工作频率(f)的以下不等式，工作频率(f)为致动器40振动以产生端壁12的轴向位移所处的频率。不等式如下方程式 1)其中如以上不等式中表示的腔11内的工作流体的声速(c)可在大约115m/s的低速(cs)到等于大约1970m/s的快速(cf)的范围内，并且kQ为常数(k0 = 3. 83)。致动器40 的振动运动的频率优选大约等于腔11内的径向压力振荡的最低共振频率，但可在其20% 以内。腔11内的径向压力振荡的最低共振频率优选大于500Hz。现参照运转中的泵10，压电盘20被激励以抵靠端板17沿着径向方向膨胀和收缩， 这导致致动器40弯曲，由此引起驱动端壁12沿着基本垂直于驱动端壁12的方向轴向位移。致动器40如上所述与端壁12的中心点操作性地相关联，以使致动器40的轴向位移振荡在大约端壁12的中心处引起沿着端壁12的表面的具有最大振荡振幅的轴向位移振荡，
12艮口，反波节位移振荡。再次参照图1A，大致如上所述的泵10的位移振荡和最后的压力振荡分别更清楚地显示在图IB和图IC中。位移振荡与压力振荡之间的相位关系可变化，并且具体的相位关系不应从任何图形中暗示。图IB示出例示腔11的驱动端壁12的轴向振荡的一个可能位移轮廓。实曲线和箭头代表驱动端壁12在一个点即时的位移，虚曲线代表驱动端壁12在一个半循环之后的位移。该图形和其他图形中所示的位移被夸大。因为致动器40在其周界并非刚性地安装， 而是通过隔离件30悬垂，因而致动器40在其基本振型中能够围绕其质心自由振荡。在该基本振型中，致动器40的位移振荡的振幅在位于端壁12的中心与侧壁14之间的环状位移波节22处基本为零。位移振荡在端壁12上的其他点处的振幅具有如垂直箭头所示的大于零的振幅。中心位移反波节21存在于致动器40的中心附近，圆周位移反波节21’存在于致动器40的周界附近。图IC示出例示腔11内的压力振荡的一个可能压力振荡轮廓，其由图IB中所示的轴向位移振荡产生。实曲线和箭头代表在一个点即时的压力，虚曲线代表一个半循环之后的压力。在该模式和更高阶模式下，压力振荡的振幅具有靠近腔11的中心的中心压力反波节23和靠近腔11的侧壁14的圆周压力反波节M。压力振荡的振幅在中心压力反波节 23与圆周压力反波节M之间的环状压力波节25处基本为零。对于圆柱形腔11，腔11中的压力振荡的振幅的径向相关性可由第一类贝塞尔函数估计。上述压力振荡由腔11中的流体的径向运动产生，并且为了与致动器40的轴向位移振荡区别将被称为腔11内的流体的“径向压力振荡”。进一步参照图IB和图1C，能够看到，致动器40的轴向位移振荡的振幅的径向相关性(致动器40的“振型”)应近似为第一类贝塞尔函数，以更接近地匹配腔11中的所需压力振荡的振幅的径向相关性(压力振荡的“振型”)。通过未将致动器40刚性安装在其周界以及允许其更自由地围绕其质心振动，位移振荡的振型基本匹配腔11中的压力振荡的振型，从而获得振型匹配，或更简单地说模式匹配。尽管模式匹配在这点上可以不总是绝对的，但致动器40的轴向位移振荡以及腔11中的相应压力振荡在致动器40的整个表面上具有基本相同的相对相位，其中腔11中的压力振荡的环状压力波节25的径向位置和致动器 40的轴向位移振荡的环状位移波节22的径向位置基本重合。由于致动器40围绕其质心振动，当致动器40在如图IB所示的基本振型振动时， 环状位移波节22的径向位置将必然落在致动器40的半径内。因而，为了确保环状位移波节22与环状压力波节25重合，致动器的半径(ra。t)应优选大于环状压力波节25的半径， 以使模式匹配最优。再次假设腔11中的压力振荡近似为第一类贝塞尔函数，则环状压力波节25的半径应近似为从端壁13的中心到侧壁14的半径，S卩，在图IA中所示的腔11的半径(r)的0. 63倍。因此，致动器40的半径(ra。t)应优选满足以下不等式ra。t彡0. 63r。隔离件30可为柔性膜，其使致动器40的边缘能够通过响应致动器40的振动(如图IB中的圆周位移振荡21’的位移所示)弯曲和伸展而如上所述更自由地移动。通过在致动器40与泵10的圆柱形壁19之间提供较低的机械阻抗支撑以由此减小致动器40的圆周位移振荡21’的轴向振荡的阻尼，柔性膜克服侧壁14对致动器40的潜在阻尼影响。实质上，柔性膜31使从致动器40传递到侧壁14的能量最小，该能量保持基本固定。结果，环状位移波节22将与环状压力波节25保持基本对准，以保持泵10的模式匹配状态。因而，驱动端壁12的轴向位移振荡从图IC中所示的中心压力反波节23到位于侧壁14处的圆周压力反波节M在腔11内连续有效地产生压力振荡。图6A示出图3的泵的示意性剖视图，图6B为如在图IC中所示的泵内的流体的压力振荡的图表。阀46’(以及阀46)允许流体如上所述仅沿着一个方向流动。阀46’可以是止回阀或者允许流体仅沿着一个方向流动的任何其他阀。一些阀的类型可通过在打开位置与闭合位置之间切换调节流体流动。对于这种阀，为了在致动器40产生的高频下运转， 阀46和46’必须具有极快的响应时间，以使其能够在明显小于压力振荡的时标的时标下打开和闭合。通过采用极轻的瓣阀实现阀46和46’的一个实施例，瓣阀具有较低的惯性，因此能够响应阀结构上的相对压力的变化而迅速移动。参照图7A-7D，根据示例性实施例，这种瓣阀，阀110，根据一示例性实施例被显示。阀110包括基本圆柱形壁112，圆柱形壁112为环状，在一端由保持板114闭合且在另一端由密封板116闭合。壁112的内表面、保持板114的内表面和密封板116的内表面在阀110内形成腔115。阀110进一步包括设置在保持板114与密封板116之间但邻近密封板116的基本圆形薄片117。薄片117在可替代实施例中可邻近保持板114设置，如将在下文中更详细描述的，在此意义上，薄片117被视为“偏置”抵靠密封板116或保持板114中的任一个。薄片117的圆周部分被夹在密封板116与环状壁112之间，以使薄片117的运动被限制在基本垂直于薄片117的表面的平面中。薄片117在该平面中的运动在可替代实施例中还可被薄片117的直接附接到密封板116或壁112的圆周部分、或者被紧密配合在环状壁112内的薄片117限制。薄片117的其余部分足够柔软，并且能沿着基本垂直于薄片117的表面的方向移动，以使施加到薄片117的任一表面的力将促使薄片117位于密封板116与保持板114之间。保持板114和密封板116 二者分别具有延伸通过每个板的孔洞118和120。薄片 117也具有孔洞122，孔洞122与保持板114的孔洞118基本对准，以提供如图6C和图gA 中虚箭头IM所示的流体可流动通过的通路。薄片117中的孔洞122还可部分对准，S卩，与保持板114中的孔洞118仅部分重叠。尽管孔洞118、120、122被显示为具有基本一致的尺寸和形状，但在不限制本发明的范围的情况下可具有不同直径或甚至不同形状。在本发明的一个实施例中，孔洞118和120在板的表面上形成交替图案，如图7D的实线圆和虚线圆分别所示。在其他实施例中，孔洞118、120、122在不影响阀110相对于如单组虚箭头124 所示的孔洞118、120、122的单对功能的操作的情况下可被布置成不同图案。孔洞118、120、 122的图案可被设计成增大或减小孔洞的数量，以根据需要控制通过阀110的流体的总流动。例如，孔洞118、120、122可被增大，以减小阀110的流动阻力来增大阀110的总流量。当没有力施加到薄片117的任一表面以克服薄片117的偏置时，因为薄片117邻近密封板116被设置，其中薄片的孔洞122与密封板116的孔洞118偏移或未对准，则阀 110处于“常闭”位置。在该“常闭”位置，通过密封板116的流体的流动如图7A和图7B中所示被薄片117的未穿孔部分基本阻挡或覆盖。当压力施加抵靠薄片117的任一侧时，该压力克服薄片117的偏置并如图6C和图gA中所示远离密封板116而朝向保持板114地推动薄片117，阀110经过一段时间(打开时间延迟(To))从常闭位置移动到“打开”位置，允许流体沿着虚箭头1 所示的方向流动。当压力如图8B所示改变方向时，薄片117将被朝向密封板116推动返回到常闭位置。当这种情况发生时，流体将沿着虚箭头132所示的相
14反方向流动较短的时间(闭合时间延迟(Tc))，直到薄片117密封密封板116的孔洞120， 以基本阻挡通过密封板116的流体流动，如图7B所示。在本发明的其他实施例中，薄片117 可被偏置抵靠保持板114，其中孔洞118、122在“常开”位置对准。在该实施例中，对薄片 117施加正压力对于将薄片117推动进入到“闭合”位置将是必须的。注意，如在此使用的关于阀操作的术语“密封的”和“阻挡的”意在包括下述情况发生基本(但不完全)密封或阻塞，以使阀的流动阻力在“闭合”位置比在“打开”位置大。阀110的操作为沿着越过阀110的流体的差压(ΔΡ)的方向的变化的函数。在图 7B中，压差已被分配为如向下指示箭头所示的负值(-ΔΡ)。当压差具有负值(-ΔΡ)时。保持板114的外表面处的流体压力大于密封板116的外表面处的流体压力。该负压差(-ΔΡ) 驱动薄片117进入到如上所述的完全闭合位置，其中薄片117受压抵靠密封板116，以阻挡密封板116中的孔洞120，由此基本阻止通过阀110的流体的流动。当越过阀110的压差反转变为如图8A中的向上指示箭头所示的正压差(+ΔΡ)时，薄片117被远离密封板116并朝向保持板114推动进入到打开位置。当压差具有正值(+ΔΡ)时，密封板116的外表面处的流体压力大于保持板114的外表面处的流体压力。在打开位置，薄片117的移动不堵塞密封板116的孔洞120，以使流体能够流动通过孔洞120以及薄片117和保持板114各自的对准孔洞122和118，如虚箭头IM所示。当越过阀110的压差变回到如图8B中的向下指示箭头所示的负压差(-ΔΡ)时， 流体开始如需箭头132所示沿着相反方向流动通过阀110，这迫使薄片117返回朝向图7B 中所示的闭合位置。在图8B中，薄片117与密封板116之间的流体压力小于薄片117与保持板114之间的流体压力。因而，薄片117经历由箭头138表示的合力，这使薄片117加速朝向密封板116以闭合阀110。通过这种方式，变化的压差基于阀110上的压差的方向 (即，正或负)使阀110在闭合位置与打开位置之间循环。应理解的是，当没有压差施加在阀110上时，S卩，阀110将因而处于“常开”位置时，薄片117可在打开位置被偏置抵靠保持板 114。再次参照图6A，阀110被设置在泵10的初级孔46’内，以使流体如实箭头所示通过初级孔46’被吸入到腔11中并通过次级孔15从腔11排出，由此在泵10的初级孔46’ 处提供减压源。如向上指示的实箭头所示通过初级孔46’的流体流动对应于如也指向上的虚箭头IM所示通过阀110的孔洞118、120的流体流动。如上所示，对于负压泵的这种实施例，阀110的操作为沿着越过阀110的保持板114的整个表面的流体的压差(ΔΡ)的方向的变化的函数。压差(ΔΡ)被假设为在保持板114的整个表面上基本一致，这是因为保持板114的直径相对于腔115中的压力振荡的波长较小，并且因为阀110位于靠近腔115 的中央的初级孔46’(中心压力反波节71的振幅相对恒定)中。当越过阀110的压差反转变为如在图6C和图8A中所示的正压差(+ΔΡ)时，偏置的薄片117被远离密封板116正对保持板114推动进入到打开位置。在该位置，薄片117的移动不堵塞密封板116的孔洞 120，以使流体如虚箭头IM所示被允许流动通过孔洞120以及保持板114的对准孔洞118 和薄片117的孔洞122。当压差变回到负压差(-ΔΡ)时，流体开始沿着相反方向流动通过阀110(见图8B)，这迫使薄片117朝向闭合位置返回(见图7B)。因而，随着腔11中的压力振荡使阀110在常闭位置与常开位置之间循环，泵160在阀110处于打开位置时的每半个循环提供减压。
压差(ΔΡ)被假设为在保持板114的整个表面上基本一致，这是因为其如上所述对应于中心压力反波节71，因此其为在阀110上的压力中没有空间变化的较好近似值。尽管在实践中阀上的压力的时间依赖性可能近似为正弦曲线，在以下分析中，应假设正压差 (+ΔΡ)值与负压差(-ΔΡ)值之间的压差(ΔΡ)能够分别由如图9A中所示的方波的正压周期(tp+)和负压周期(tp_)上的方波表示。由于压差(ΔΡ)使阀110在常闭位置与常开位置之间循环，泵10在阀110经历同样如上所述并如在图9B中所示的打开时间延迟(To)和闭合时间延迟(Tc)而处于打开位置的每半个循环提供减压。当阀110上的压差由于阀110 闭合(见图7A)而初始为负并反转变为正压差(+ΔΡ)时，偏置的薄片117在打开时间延迟 (To)后被促使远离密封板116朝向保持板114进入到打开位置(见图7B)。在该位置，薄片117的移动不堵塞密封板116的孔洞120，以使流体如虚箭头IM所示被允许流动通过孔洞120以及保持板114的对准孔洞118和薄片117的孔洞122，由此在打开时间延迟(To) 期间在泵10的初级孔46’外提供减压源。当阀110上的压差变回负压差(-ΔΡ)时，流体开始沿着相反方向流动通过阀110(见图7C)，这迫使薄片117在闭合时间延迟(Tc)后返回朝向闭合位置。阀110在半个循环的其余时间或者闭合周期(tc)保持闭合。保持板114和密封板116应足够坚固，以经受它们承受的流体压力振荡而没有明显的机械变形。保持板114和密封板116可由诸如玻璃、硅、陶瓷或金属中的任一合适刚性材料形成。保持板114和密封板116中的孔洞118、120可通过任一合适的工艺形成，包括化学腐蚀、激光加工、机械钻孔、火药爆破和冲压。在一个实施例中，保持板114和密封板116 由100微米到200微米厚的钢板形成，并且其中的孔洞118、120通过化学腐蚀形成。薄片 117可由诸如金属或聚合物膜的任何轻质材料形成。在一个实施例中，如果在阀的保持板侧134或密封板侧136存在20kHz或更大的流体压力振荡时，薄片117可由厚度在1微米到20微米之间的聚合物薄片形成。例如，薄片117可由厚度近似为3微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或液晶聚合物膜形成。为了获得薄片117的最大单位面积质量的振幅估计的阶数，根据本发明的一个实施例，再次假设阀110上的压力振荡为如图9A中所示的方波，并且总压差在薄片117上降低。进一步假设薄片117如同刚体移动，当压差从负值反转成正值时，薄片117远离闭合位置的加速度可表示如下
权利要求
1.一种泵，包括泵体，该泵体具有限定用于容纳流体的腔的基本圆柱形形状，所述腔由在两端处通过基本圆形端壁闭合的侧壁形成，所述端壁中的至少一个为驱动端壁，该驱动端壁具有中心部分和从所述驱动端壁的所述中心部分径向向外延伸的周界部分；致动器，该致动器与所述驱动端壁的所述中心部分操作性地相关联，以引起所述驱动端壁的振荡运动，由此在使用时产生所述驱动端壁沿着与之基本垂直的方向的位移振荡， 该位移振荡在所述驱动端壁的中心与所述侧壁之间具有环状波节；隔离件，该隔离件与所述驱动端壁的所述周界部分操作性地相关联，以减小所述位移振荡的阻尼；第一孔，该第一孔被设置在所述腔中除了所述环状波节的位置之外的任一位置，并延伸通过所述泵体；第二孔，该第二孔被设置在所述泵体中除了所述第一孔的位置之外的任一位置，并延伸通过所述泵体；以及瓣阀，该瓣阀被设置在所述第一孔和所述第二孔中的至少一个中；从而在使用时，所述位移振荡在所述泵体的所述腔内产生所述流体的相应的径向压力振荡，使得流体流过所述第一孔和所述第二孔。
2.根据权利要求1所述的泵，其中所述腔的从所述腔的纵轴线延伸到所述侧壁的半径 (r)与所述腔的所述侧壁的高度(h)的比率大于大约1. 2。
3.根据权利要求2所述的泵，其中所述腔的高度(h)和所述腔的半径ω通过以下方程式进一步相关h2/r > 4X IO-10米。
4.根据权利要求2所述的泵，其中所述第二孔被设置在所述端壁之一中距该端壁的中心大约0. 63 (r) 士 0. 2 (r)的距离处。
5.根据权利要求2所述的泵，其中所述致动器驱动与其相关联的端壁，从而以频率(f) 引起所述振荡运动。
6.根据权利要求2所述的泵，其中所述致动器驱动与其相关联的端壁，从而以频率(f) 引起所述振荡运动，其中所述半径(r)通过以下方程式与所述频率(f)相关Kcs^rMf27rf7.7^其中 Cs ^ 115m/s,cr ^ 1970m/s,以及k0 = 3. 83ο
7.根据权利要求1所述的泵，其中所述径向压力振荡的最低共振频率大于大约500Hz。
8.根据权利要求1所述的泵，其中所述驱动端壁的所述位移振荡的频率大约等于所述径向压力振荡的最低共振频率。
9.根据权利要求1所述的泵，其中所述驱动端壁的所述位移振荡的频率在所述径向压力振荡的最低共振频率的20%以内。
10.根据权利要求1所述的泵，其中所述驱动端壁的所述位移振荡为与所述径向压力振荡匹配的振型。
11.根据权利要求1所述的泵，其中所述阀允许所述流体基本沿着一个方向流动通过所述腔。
12.根据权利要求2所述的泵，其中当在所述腔内使用的所述流体为气体时，所述比率在大约10到大约50之间的范围内。
13.根据权利要求3所述的泵，其中当所述腔内使用的所述流体为气体时，所述比率 h2/r在大约10_3米到大约10_6米之间。
14.根据权利要求2所述的泵，其中所述腔的体积小于大约10ml。
15.根据权利要求1所述的泵，进一步包括第二致动器，该第二致动器与另一端壁的中心部分操作性地相关联，以引起该端壁沿着与其基本垂直的方向的振荡运动；以及第二隔离件，该第二隔离件与该端壁的周界部分操作性地相关联，以在所述腔内通过所述侧壁减小该端壁的振荡运动的阻尼。
16.根据权利要求1所述的泵，其中所述致动器包括用于引起所述振荡运动的压电部件。
17.根据权利要求1所述的泵，其中所述致动器包括用于提供所述振荡运动的磁致伸缩部件。
18.根据权利要求2所述的泵，其中所述致动器的半径大于或等于0.63 (r)。
19.根据权利要求18所述的泵，其中所述致动器的半径小于或等于所述腔的半径(r)。
20.一种泵，包括泵体，该泵体具有用于容纳流体的基本圆柱形的腔，所述腔具有由两个端表面闭合的侧壁，所述腔具有高度(h)和半径(r)，其中所述半径(r)与所述高度(h)的比率大于大约 1. 2 ；致动器，该致动器与一个端表面的中心部分操作性地相关联，并适于在使用时引起所述端表面的振荡运动，该振荡运动在所述端表面的中心与所述侧壁之间具有环状波节；隔离件，该隔离件与所述端表面的周界部分操作性地相关联，以减小所述振荡运动的阻尼；第一阀孔，该第一阀孔被设置在所述腔中除了所述环状波节的位置之外的任一位置， 并延伸通过所述泵体；第二阀孔，该第二阀孔被设置在所述泵体中除了所述第一孔的位置之外的任一位置， 并延伸通过所述泵体；和瓣阀，该瓣阀被设置在所述第一阀孔和所述第二阀孔中的至少一个中，以使所述流体能够在使用时流动通过所述腔。
21.根据权利要求20所述的泵，其中所述瓣阀包括第一板，该第一板具有大致垂直延伸通过所述第一板的孔；第二板，该第二板具有大致垂直延伸通过所述第二板的第一孔，所述第一孔从所述第一板的所述孔基本偏移；间隔件，该间隔件被设置在所述第一板与所述第二板之间，以在所述第一板与所述第二板之间形成与所述第一板的所述孔和所述第二板的所述第一孔流体连通的腔；以及薄片，该薄片被设置在所述第一板与所述第二板之间并在所述第一板与所述第二板之间能移动，所述薄片具有从所述第一板的所述孔基本偏移并与所述第二板的所述第一孔基本对准的孔；从而，所述薄片响应越过所述瓣阀的所述流体的压差的方向的变化在所述第一板与所述第二板之间被推动。
22.根据权利要求21所述的泵，其中所述第二板包括第二孔，该第二孔大致垂直延伸通过所述第二板并在所述第二板的所述第一孔之间被隔开，从而所述第二孔从所述薄片的所述孔偏移。
23.根据权利要求21所述的泵，其中所述薄片被设置为当所述压差基本为零时处于邻近所述第一板和所述第二板中的任一个的第一位置，并在施加压差时能移动到所述第一板和所述第二板中的另一个处的第二位置，从而，所述薄片响应越过所述瓣阀的所述流体的压差的方向的变化从所述第一位置被推动到所述第二位置，并响应所述流体的压差的方向的反转被推动回到所述第一位置。
24.根据权利要求23所述的泵，其中所述薄片被设置在邻近所述第二板的常开位置， 从而，当所述薄片处于所述第一位置时，所述流体流动通过所述瓣阀，当所述薄片处于所述第二位置时，所述流体的流动被所述瓣阀阻挡。
25.根据权利要求M所述的泵，其中所述第二板进一步包括第二孔，该第二孔大致垂直延伸通过所述第二板并在所述第二板的所述第一孔之间被隔开，从而在所述第二位置时所述第二孔从所述薄片的所述孔偏移。
26.根据权利要求23所述的泵，其中所述薄片被设置在邻近所述第一板的在常闭位置，从而，当所述薄片处于所述第一位置时，所述流体的流动被所述瓣阀阻挡，当所述薄片处于所述第二位置时，所述流体流动通过所述瓣阀。
27.根据权利要求沈所述的泵，其中所述第二板进一步包括第二孔，该第二孔大致垂直延伸通过所述第二板并在所述第二板的所述第一孔之间被隔开，从而在所述第二位置时所述第二孔从所述薄片的所述孔偏移。
28.根据权利要求21所述的泵，其中所述第一板和所述第二板由选自由金属、塑料、硅和玻璃组成的组的基本刚性材料形成。
29.根据权利要求观所述的泵，其中所述金属为具有大约100微米到大约200微米之间的厚度的钢。
30.根据权利要求21所述的泵，其中所述薄片以及所述第一板和所述第二板中的任一个在所述薄片被设置邻近另一所述板时被分离开大约5微米到大约150微米之间的距离。
31.根据权利要求30所述的泵，其中所述薄片由具有大约3微米的厚度的聚合物形成， 并且所述薄片与所述第一板和所述第二板中的任一个之间的距离在所述薄片被设置邻近另一所述板时在大约15微米到大约50微米之间。
32.根据权利要求21所述的泵，其中所述薄片由选自由聚合物和金属组成的组的轻质材料形成。
33.根据权利要求32所述的泵，其中所述轻质材料为具有小于大约20微米的厚度的聚合物。
34.根据权利要求33所述的泵，其中所述聚合物为具有大约3微米的厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯。
35.根据权利要求33所述的泵，其中所述聚合物为具有大约3微米的厚度的液晶膜。
36.根据权利要求21所述的泵，其中所述第一板中的所述孔的直径小于大约500微米。
37.根据权利要求21所述的泵，其中所述薄片由具有大约3微米厚度的聚合物形成，并且所述第一板中的所述孔的直径小于大约150微米。
38.根据权利要求21所述的泵，其中所述第一板和所述第二板由具有大约100微米的厚度的钢形成，并且其中，所述第一板的所述孔、所述第二板的所述第一孔和所述薄片的所述孔的直径为大约150微米，并且其中，所述薄片由具有大约3微米厚度的聚合物膜形成。
39.根据权利要求21所述的泵，其中所述压差的方向的变化以大于大约20kHz的频率振荡。
40.根据权利要求39所述的泵，其中所述薄片具有小于所述压差振荡的时间周期的大约百分之二十五的响应时间延迟。
41.根据权利要求21所述的泵，其中所述第一板和所述第二板、所述间隔件和所述薄片包括第一阀部分，并且所述瓣阀进一步包括第二阀部分，该第二阀部分包括第一板，该第一板具有大致垂直延伸通过所述第一板的孔；第二板，该第二板具有大致垂直延伸通过所述第二板的第一孔，所述第一孔从所述第一板的所述孔基本偏移；间隔件，该间隔件被设置在所述第一板与所述第二板之间，以在所述第一板与所述第二板之间形成与所述第一板的所述孔和所述第二板的所述第一孔流体连通的腔；以及薄片，该薄片被设置在所述第一板与所述第二板之间并在所述第一板与所述第二板之间能移动，所述薄片具有从所述第一板的所述孔基本偏移并与所述第二板中的所述第一孔基本对准的孔；从而，所述薄片响应越过所述瓣阀的所述流体的压差的方向的变化在所述第一板与所述第二板之间被推动；以及其中所述第一阀部分和所述第二阀部分相对于所述压差被定向，以允许流体响应越过所述阀的所述流体的压差的循环沿着相反方向流动通过所述阀的所述两个部分。
42.根据权利要求41所述的泵，其中每个阀部分的所述薄片被设置为当所述压差基本为零时处于邻近所述第一板和所述第二板中的任一个的第一位置，并在施加压差时能移动到所述第一板和所述第二板中的另一个处的第二位置，从而，所述薄片中的每一个响应越过所述瓣阀的所述流体的压差的方向的变化从所述第一位置被推动到所述第二位置，并响应所述流体的压差的方向的反转被推动回到所述第一位置。
43.根据权利要求41所述的泵，其中所述第一阀部分和所述第二阀部分关于所述压差沿着相反方向定向，并且每个阀部分的所述薄片被设置在邻近所述第二板的常开位置，从而，当所述薄片处于所述第一位置时，所述流体流动通过所述阀部分中的每一个，当所述薄片处于所述第二位置时，所述流体的流动被所述阀部分阻挡。
44.根据权利要求41所述的泵，其中所述第一阀部分和所述第二阀部分关于所述压差沿着相反方向定向，并且每个阀部分的所述薄片被设置在邻近所述第一板的常闭位置，从而，当所述薄片处于所述第一位置时，所述流体的流动被所述阀部分阻挡，当所述薄片处于所述第二位置时，所述流体流动通过所述阀部分。
45.根据权利要求41所述的泵，其中所述第一阀部分和所述第二阀部分关于所述压差沿着相反方向定向，所述第一阀部分的所述薄片被设置在邻近所述第一板的常闭位置，从而当所述薄片处于所述第一位置时，所述流体的流动被所述第一阀部分阻挡，当所述薄片处于所述第二位置时，所述流体流动通过所述第一阀部分；并且，所述第二阀部分的所述薄片被设置在邻近所述第二板的常开位置，从而当所述薄片处于所述第一位置时，所述流体流动通过所述第二阀部分，当所述薄片处于所述第二位置时，所述流体的流动被所述第二阀部分阻挡。
46.根据权利要求20所述的泵，其中所述振荡运动在所述腔内产生所述流体的径向压力振荡，使流体流过所述第一孔和所述第二孔。
47.根据权利要求46所述的泵，其中所述径向压力振荡的最低共振频率大于大约 500Hz。
48.根据权利要求46所述的泵，其中所述振荡运动的频率大约等于所述径向压力振荡的最低共振频率。
49.根据权利要求46所述的泵，其中所述振荡运动的频率在所述径向压力振荡的最低共振频率的20%以内。
50.根据权利要求46所述的泵，其中所述振荡运动为与所述径向压力振荡匹配的振型。
51.根据权利要求20所述的泵，其中所述腔的高度(h)和所述腔的半径ω通过以下方程式进一步相关h2/r > 4X ΙΟ"10米。
52.根据权利要求20所述的泵，其中所述致动器驱动与其相关联的所述腔的端表面， 从而以频率(f)引起所述振荡运动，其中半径(r)通过以下方程式与所述频率(f)相关 其中
53.根据权利要求20所述的泵，其中所述致动器的半径大于或等于0.63 (r)。
54.根据权利要求53所述的泵，其中所述致动器的半径小于或等于所述腔的半径(r)。
55.根据权利要求20所述的泵，其中所述第二阀孔被设置在所述端表面之一中距该端表面的中心大约0. 63 (r) 士 0. 2(r)的距离处。
56.根据权利要求20所述的泵，其中所述阀允许所述流体基本沿着一个方向流动通过所述腔。
57.根据权利要求20所述的泵，其中当在所述腔内使用的所述流体为气体时，所述比率在大约10到大约50之间的范围内。
58.根据权利要求20所述的泵，其中当所述腔内使用的所述流体为气体时，所述比率 h2/r在大约10_3米到大约10_6米之间。
59.根据权利要求20所述的泵，其中所述腔的体积小于大约10ml。
60.根据权利要求20所述的泵，进一步包括第二致动器，该第二致动器与所述腔的另一端表面的中心部分操作性地相关联，以引起该端表面的振荡运动；以及第二隔离件，该第二隔离件与该端表面的周界部分操作性地相关联，以减小所述振荡运动的阻尼。
61.根据权利要求20所述的泵，其中所述致动器包括用于引起所述振荡运动的压电部件。
62.根据权利要求20所述的泵，其中所述致动器包括用于提供所述振荡运动的磁致伸缩部件。
63.根据权利要求20所述的泵，其中所述腔的所述端表面中的一个具有截头圆锥形形状，其中所述腔的高度(h)从位于所述一个端表面的大约中心处的第一高度变化至邻近所述侧壁的小于所述第一高度的第二高度。
64.根据权利要求20所述的泵，其中所述腔的所述端表面中的一个具有截头圆锥形形状，其中所述腔的高度(h)从位于所述一个端表面的大约中心处的第一高度增大至邻近所述侧壁的第二高度。
65.根据权利要求64所述的泵，其中所述第一高度与所述第二高度的比率不小于大约 50%。
66.根据权利要求20所述的泵，其中所述瓣阀为用于控制沿着两个方向的流体流动的双向阀，所述双向阀包括用于控制所述流体流动的至少两个阀部分，所述阀部分中的每一个包括第一板，该第一板具有大致垂直延伸通过所述第一板的孔；第二板，该第二板具有大致垂直延伸通过所述第二板的孔，第一孔从所述第一板的所述孔基本偏移；间隔件，该间隔件被设置在所述第一板与所述第二板之间，以在所述第一板与所述第二板之间形成与所述第一板的所述孔和所述第二板的所述孔流体连通的腔；以及薄片，该薄片被设置在所述第一板与所述第二板之间并在所述第一板与所述第二板之间能移动，所述薄片具有从所述第一板的所述孔基本偏移并与所述第二板的所述孔基本对准的孔；从而，所述薄片响应越过所述阀的所述流体的压差的方向的变化在所述第一板与所述第二板之间被推动；以及其中所述第一阀部分和所述第二阀部分相对于所述压差被定向，以允许流体响应越过所述阀的所述流体的压差的循环沿着相反方向流动通过所述阀的所述两个部分。
67.根据权利要求66所述的双向阀，其中每个阀部分的所述薄片被设置为当所述压差基本为零时处于邻近所述第一板和所述第二板中的任一个的第一位置，并在施加压差时能移动到所述第一板和所述第二板中的另一个处的第二位置，从而，所述薄片中的每一个响应越过所述阀的所述流体的压差的方向的变化从所述第一位置被推动到所述第二位置，并响应所述流体的压差的方向的反转被推动回到所述第一位置。
全文摘要
公开一种泵，其具有基本圆柱形形状并限定腔，该腔由在两端通过端壁闭合的侧壁形成，其中所述腔容纳流体。所述泵进一步包括致动器，该致动器与所述端壁中的至少一个操作性地相关联，以引起驱动端壁的振荡运动，从而在腔内产生驱动端壁的位移振荡。所述泵进一步包括隔离件，该隔离件与驱动端壁的周界部分操作性地相关联，以减小位移振荡的阻尼。所述泵进一步包括阀，该阀用于控制通过该阀的流体的流动。所述阀具有带有偏移孔的第一板和第二板，以及围绕所述板的周界设置在所述板之间的侧壁，以形成与所述孔流体连通的腔。所述阀进一步包括薄片，该薄片设置在所述第一板与所述第二板之间并在所述第一板与所述第二板之间能移动，该薄片并具有从一个板的孔基本偏移且与另一个板的孔基本对准的孔。所述薄片响应越过所述阀的流体的压差的方向的变化在两个板之间被推动。
文档编号F04B43/04GK102459899SQ200980159668
公开日2012年5月16日 申请日期2009年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者斯图亚特·安德鲁·哈特菲尔德, 理查德·扬瑟·范·伦斯堡, 詹姆斯·爱德华·麦克龙, 贾丝廷·罗克·巴克兰 申请人:技术合伙公司