一种两级主动式流体混合器

本发明属于流体传输与混合领域，具体涉及一种两级主动式流体混合器，用于气体和液体的驱动与混合。

背景技术：

1、在生化、医疗、食品、环境监测等领域，流体传输与混合技术及产品都是不可不可或缺的。最初，流体输送装置都是体积较大的电磁泵，其体积大、无法实现微小流量下的精确控制。从流体混合方面，最初的流体混合器大都是被动式的，通过在流体运动路径中设置特殊形状和尺度的机械结构改变流场分布并结合流体扩散运动实现混合，该方法虽具有结构简单、易于加工制作且性能稳定等优势，但所需的混合路径较长、速度慢、混合过程与效果难以精确控制。近年来，人们相继提出了多种形式的微小型的主动式流体驱动与混合器，通过外部动力来促使流体运动并混合，有效地提高了流体混合效果及可控性。目前，所提出的流体主动驱动与混合器主要有电磁式和压电式两类，其中压电流体驱动与混合器结构简单、体积小、混合效果及过程可控较好。从公开发表研究论文和所申报的相关专利不难发现，现有的压电式主动驱动与混合器基本都是基于主动或被动阀压电泵为动力源的驱混一体结构，不足之处在于：①工作中利用流体压力变化实现阀控器的开合，阀控器开度及闭合状态仅受流体压力变化梯度及阀控器的动力学特性影响，阀控器运动及其与压电振子的相位关系难以人为控制，致使系统有效频带窄、流量可调性差，不适于流体粘度及所需流量较大的应用场合；②阀控器依靠弹性力、流体压力或所施加的电压复位并维持闭合状态，长期高频弯曲变形时阀控器会出现塑性变形，故反流截止性及精量控制能力差，非工作时需经施加恒定电压维持紧密闭合；③流体驱混过程通过系统压力脉动变化实现，流体运动及混合过程不连续，故混合效果好欠佳。

技术实现思路

1、为提高流体输送能力、混合效果及配比精度，本发明提出一种两级主动式流体混合器，由相互串联的驱混单元和旋混单元构成。

2、驱混单元由至少两个相互并联的驱动器，驱动器由上盖、驱动振子、阀控器及机体构成，阀控器由阀座、阀振子、压块及阀吸环构成。

3、旋混单元为一个或多个相互串联的旋混器，旋混器由旋体架、旋转体及线圈构成。

4、各个驱动器的进流孔相互独立，各个驱动器的内出流孔经聚流孔并联后再经脉混孔进入旋混单元。

5、本发明中，流体混合器为整体结构或分体结构，所谓的整体结构是指各驱动器及旋混器都集成或安装在机体上，所谓的分体结构是指各驱动器及旋混器之间经管路连接；本发明中，仅以整体式流体混合器为例进行结构原理及工作过程进行说明。

6、驱动振子为片状结构的弯曲驱动器，驱动振子由驱动基片与其一侧或两侧所粘接的驱动晶片构成的复合片，驱动振子为圆形结构时其驱动晶片与驱动基片的直径比为0.8，驱动晶片和驱动基片分别由压电材料和金属材料制成。

7、上盖上设有阶梯型的上盖腔；机体上设有：混流器腔和至少两个阶梯型的机体腔，机体腔由相互连通的机体上腔和机体下腔构成，机体上腔的直径比机体下腔的直径大；机体腔的底壁、即机体下腔的底壁上均设有进流孔和内出流孔，各机体腔的内出流孔经聚流孔相互连通，聚流孔经脉混孔与混流器腔连通；机体腔的底壁上还设有用于进流孔密封腔和内出流孔密封腔，进流孔密封腔和内出流孔密封腔用于安装密封圈。

8、阀控器由阀座、阀振子、压块及阀吸环构成，阀吸环为轴向极化的环形永磁体；阀座上设有两组配置方向相反的腔孔组，腔孔组由相互连通的阀腔和阀孔组成，阀腔和阀孔沿阀座的厚度方向配置，两组腔孔组沿阀座的长度方向配置；腔孔组的设置方向相反是指：一个腔孔组的阀腔位于阀孔的上方，另一个腔孔组的阀腔位于阀孔的下方；阀座内部镶嵌有两个阀吸环，阀吸环套在阀孔外侧，阀吸环与阀孔同轴；阀振子为由阀基片与其一侧所粘接的阀晶片构成的长方形复合片，阀基片比阀晶片长；阀晶片和阀基片分别由压电材料和铁磁性金属材料制成，铁磁性金属包括镍、钴、镍及其合金；阀振子经压块安装在阀腔的底壁上，压块将阀基片压接在阀座上，阀振子、压块及阀座间通过胶接的方法安装；阀振子安装后为悬臂梁结构，即阀振子的一端固定、另一端自由，阀振子的阀基片一侧靠近阀腔的底壁，阀振子的自由端封堵在阀孔上；安装后的阀振子与其相邻阀孔和阀吸环构成流控阀，两个阀振子与其相邻阀孔和阀吸环分别构成进流阀和出流阀；阀振子靠近并最终封堵在阀孔上的过程称为关闭，阀振子远离其所封堵的阀孔的过程称为开启；驱动振子和阀振子为压电型振子。

9、旋混器由旋体架、旋转体、线圈构成，旋转体为球状或柱状的永磁体，旋转体表面附有带滚花或螺旋槽的高分子或塑料护套；旋体架上设有相互连通的旋混腔和旋混孔，线圈镶嵌在旋体架中，线圈套在旋混腔的外侧，旋转体置于旋混腔中，线圈围绕在旋转体的周围，旋转体在旋混腔可自由滚动，柱状的旋转体的轴线与线圈的轴线垂直。

10、上盖和下盖经螺钉安装在机体上，上盖和下盖分别安装在机体腔和混流器腔的端部，上盖将驱动振子和阀控器压接在机体腔中；下盖将旋混单元、即一个或多个串联的旋混器压接在混流器腔中；阀控器和旋混器亦可经粘接方法安装分别安装在机体腔和混流器腔内。

11、上盖将驱动振子压接在机体腔的端口处，驱动振子的驱动基片被压接在上盖和机体之间，驱动振子的外缘被上盖压接在机体上腔的环形底壁上；驱动基片位于驱动晶片的下方，驱动晶片位于上盖腔内；阀控器安装在机体下腔内，阀控器经粘接方法安装在机体下腔内，或阀控器经上盖、驱动振子及密封环压接在机体下腔内；阀座的下表面顶靠在机体下腔的底壁上，阀座的上表面与驱动振子的驱动基片之间留有间隙，阀座的上表面与驱动振子的驱动基片之间压接有密封环，密封环压接在阀座的外缘处；阀座与机体下腔的底壁之间设有进流孔密封圈和内出流孔密封圈，所述进流孔和内出流孔密封圈分别置于进流孔密封腔和内出流孔密封腔内，驱动振子及阀控器经粘接方法安装时无需密封环、进流孔密封圈及内出流孔密封圈；阀控器的阀孔和阀腔分别与机体下腔的底壁上的进流孔和内出流孔正对安装，阀控器、驱动振子及机体下腔的侧壁围成驱动腔，阀控器上靠近驱动腔一侧的流控阀为进流阀，远离驱动腔一侧的流控阀为出流阀，进流孔和内出流孔分别经进流阀和出流阀与驱动腔连通。

12、旋混器安装在混流器腔中，旋混器经粘接方法安装在混流器腔中，或旋混器经下盖压接在混流器腔的顶壁上，旋混器经下盖压接时旋体架与混流器腔的侧壁之间设有密封圈；旋混器的旋混腔与机体的脉混孔连通，旋混孔经旋混腔、脉混孔、聚流孔、内出流孔、出流阀与驱动腔连通；旋混器的旋混孔与脉混孔分别位于旋转体的左右两侧；旋混单元由两个或两个以上旋混器串联构成时：两个相邻旋混器的旋混腔和旋混孔相互连通，旋混腔上下两侧的旋混孔分别位于旋转体的左右两侧，两个旋混器中的旋转体之间无耦合力作用、即不影响彼此的旋转运动，最外侧的、即与下盖接触的旋混器的旋混孔为混合器的外出流孔。

13、线圈、驱动振子及各阀振子分别经独立的导线与驱动电源连接，进流阀的阀振子与驱动振子的驱动电压同相位，出流阀的阀振子与驱动振子的驱动电压相位相反；在驱动电源额定驱动电压作用下，各进流阀及出流阀中阀振子的开启力大于其所受相邻阀吸环的吸引力。

14、非工作时，驱动振子和各阀振子处于自然的平直状态，阀振子在阀吸环引力及电压作用下处于闭合状态，即非工作时出流阀及各进流阀均处于闭合状态；工作过程中驱动振子、阀振子及线圈受交流电压作用，各驱动腔连续的吸入和排出流体，流体在脉混孔及旋混腔中完成两级混合。

15、工作过程中，各阀振子同时承受流体力、阀吸环吸力及驱动电压产生的作用力；驱动振子受电压作用变形并使驱动腔的容积增加、流体压力降低时，进流阀开启、出流阀关闭，即进流阀的阀振子开启、出流阀中的阀振子关闭，流体经进流孔、进流阀进入驱动腔；驱动振子及各阀振子所受驱动电压换向时，驱动振子受电压及其自身弹性力作用复位，驱动腔容积减小、流体压力增加，各进流阀关闭、出流阀开启，即各进流阀的阀振子关闭、出流阀中的阀振子开启，流体经出流阀排出并进入脉混孔，至此完成了流体的驱动过程；各个驱动腔排出的流体在脉混孔内混合，流体在脉混孔内所进行的混合为脉动混合；流体经脉动混合后进入旋混腔中，旋混腔内的旋转体在通电线圈所产生磁场的作用下连续滚动，迫使旋混腔内的流体进一步充分混合，流体在旋混腔内的混合为连续混合，至此完成流体的驱动与两次混合过程，最终经外出流孔排出。

16、本发明中，通过各驱动器的驱动振子和阀振子的驱动电压调节流体流量和流体混合比例，通过旋转体的转速、即线圈的驱动电压及其频率控制流体混合效果；驱动振子通电时，各阀振子和线圈可根据需要选择通电与否，流体混合器可用作驱混一体化装置、单纯的主动阀或被动阀流体驱动装置、及单纯的流体混合器。

17、本发明中，阀振子不通电时可作为流量监测装置，即利用阀晶片变形时产生的电压及其形变频率表征流量，并据此控制流量；阀振子不通电时可亦可仅由阀基片构成。

18、较之于现有的流体驱动与混合控制装置，本发明中的驱动振子与阀振子的变形协调性好，工作频率易于调节、有效频带宽；阀吸环与旋混器相结合，流体截止与反流控制能力强、配比精度高、混合效果好。

19、优势与特色：非工作时亦可使阀控器闭合紧密，工作中阀控器反流截止能力强，流量可控性好、配比精度高；将驱动与两种主动混合方法相结合，同步实现驱动、脉动混合及连续混合；可用于单纯的流体输送或混合。