刘长庚

输送流体双腔并联压电泵性能分析与试验研究

姜德龙;程光明;孙晓锋;杨志刚

【摘要】为了提高压电泵的输出能力,采用压电双晶片进行驱动,设计了双腔并联被

动截止阀压电泵,并加工了试验样机.对不同压电振子驱动方式(同步驱动或异步驱动)

的双腔并联压电泵输出性能的影响规律进行了理论分析,分别以液体和气体为介质

对样机进行了试验测试.测试结果表明:在110V驱动电压下,工作频率小于400Hz

时,输送液体最大输出流量为1330mL/min,2个振子异步驱动泵的输出能力好于同

步驱动;输送气体最大输出流量为950mL/min时,2个振子同步驱动和异步驱动泵

的输出能力基本接近,从而确定了双腔并联压电泵输送流体时的最佳工作方式.

【期刊名称】《西安交通大学学报》

【年(卷),期】2010(044)003

【总页数】5页帮助的英文 (P82-8入的词语 5,89)

【关键词】双晶片;压电泵;并联;气体;液体

【作者】姜德龙;程光明;孙晓锋;杨志刚

【作者单位】吉林大学机械科学与工程学院,130025,长春;吉林化工学院信息与控

制工程学院,132022,吉林市;吉林大学机械科学与工程学院,130025,长春;吉林化工

学院信息与控制工程学院,132022,吉林市;吉林大学机械科学与工程学院,130025,

长春

【正文语种】中文

【中图分类】TH38

最早报道的压电泵来源于1978年美国Sandia国家试验室的Spenr等人[1]发

表的《电控压电胰岛素泵和阀》,1980年Standora大学的Smits又提出了压电

液体蠕动泵[2],3年后荷兰Twente大学利用硅微加工及薄膜技术研制了多个压电

驱动微型泵[3].目前,世界上许多国家都在进行压电泵的研制开发工作,而国内在压电

泵的研究方面起步较晚,早期只有清华大学、吉林大学等几个研究单位进行关于压

电泵的相关研究,其中清华大学在微流量系统和微型泵方面做了大量的研究工作[4].

吉林大学压电驱动与控制研究室1998年在国内首先报道了关于锥型管式无阀压电

泵的研究,之后又研发出最小分辨流量微升级可用于生物医药领域的微型压电泵,以

及流量每分钟上千毫升、可用于计算机CPU水冷的系列化微型压电泵[5].目前,国

内已有多所高校及研究院所在从事这方面的研究,如哈尔滨工业大学、南京航空航

天大学等[6-7].

目前,国内外有关压电泵的资料基本上都是介绍输送液体的单腔泵[8-11],对于既能

输送液体又能输送气体的双腔泵或多腔泵的研究却很少见报道.本文设计了带有被

动截止阀的双腔并联结构泵,对并联泵在同步驱动和异步驱动方式下的工作原理进

行了分析,并分别以液体和气体为输送介质,对理论分析结果进行了试验验证.

1双腔并联压电泵的工作原理

双腔并联压电泵在不同电信号驱动下进行工作时,流体经并联通道并从进口槽通道

进入泵中,分成两路进入2个泵腔,再经压电振子驱动后,同时向外界输出,在形式上

相当于把2个单腔泵并在一起,因此称为双腔并联泵.由于双腔并联压电泵的2个腔

体在结构上是相对独立的,因此每个腔体都有进口阀和出口阀,属于4阀结构.双腔并

联压电泵2个振子的电信号驱动方式为同步驱动和异步驱动.同步驱动是指2个压

电振子在同一时刻振动时,可使泵腔容积变化量同时增大或减小,只需压电振子连接

信号源时的极性相同.异步驱动是指压电振子在同一时刻振动时,各自引起的泵腔容

积变化量相反,因此在压电振子上施加的信号源极性相反(2个振子的电信号相位差

为180).

如图1所示,设在初始时刻0～1/4周期,两振子都由平衡位置向上振动,这时腔体容

积变大,进口阀逐渐打开,流体同时流入2个腔内;在1/4～1/2周期内,液体按箭头所

指的流动方向,两振子由最大变形位置向下运动,腔体容积逐渐变小,进口阀逐渐关闭,

出口阀打开,流体流出腔内到出口槽;在1/2～3/4周期内,振子继续向下振动,流体不

断从腔内流出;在3/4～1周期内,振子则向上振动,腔体容积开始增大,出口阀逐渐关

闭,进口阀逐渐打开,流体又开始流入腔内.

在向腔外输送流体并由导管流出的过程中,压电泵2个腔内流出的流体会在出口槽

内相遇,彼此间发生相互扰动,并可能有流体分好看的电视连续剧 别会流到相对的腔内,使净输出的流体

量减少.当异步驱动时,工作原理如图2所示.由于流体进入压电泵两腔内和排出到出

口槽内是交替进行的,可使压电泵两腔输出的流体扰动性很小,因此提高了输出效果.

根据双腔并联压春联怎么写 电泵的工作原理,设计的双腔并联压电泵的结构如图3所示.

图1双腔并联压电泵同步驱动时的工作原理图

图2双腔井联压电泵异步驱动时的工作原理图

2双腔并联压电泵输出流量理论计算

双腔并联压电泵的2个腔内的流体在独立运动时,其实际输出能力与电信号的驱动

情况有关.因为在不同驱动情况下,2个腔内流体的相互扰动状况及阀的工作效率不

同,导致输出能力存在很大差异.当工作性能不同的2个腔并联时,如果输出压力小于

单个腔体独立工作时输出压力的最小值,则总的输出流量应为各腔体独立工作时的

输出流量之和,即

图3双腔并联压电泵结构简图

对于每个腔的输出流量Q1和Q2可由单腔输出流量得到,即

式中:为截止阀的工作效率;Vs为压电振子单个冲程的容积变量;f为压电泵的工作

频率.当振子为圆形单晶片时,由文献[12]可知

式中:M0为压电陶瓷产生的弯矩;a为压电陶瓷片的半径;b为弹性基板半径;宝宝的英文 De和

ve分别为等效弯曲刚度和等效泊松比;Ds2和v2为弹性基板的弯曲刚度和泊松

比;w2为振子半径(r=a)处的振幅.

当振子为双晶片、陶瓷材料为PZT-5A、弹性基板为铍青铜、r=14.5mm、

b=15.5mm时,Vs=232.510-12U,其中U为加载在压电泵上的交流电压.

3压电泵输出流量的性能试验分析

3.1驱动液体的试验测试

对于有阀压电泵,被动截止阀的工作原理是,通过驱动器(压电振子)的往复振动引起

泵腔容积的变化,使阀体两端产生压力差,从而自动实现开启和关闭.对于有被动阀的

压电泵,阀的振动滞后于容腔的变化是不可避免的,且随着驱动频率的增加,阀的滞后

程度也不断加大,因此有阀压电泵存在最佳工作频率点,即由振子、阀和have的过去式是什么 泵体本身及

输送介质构成的压电泵系统谐振工作点.当工作介质为液体时,液体的流动阻力要比

气体大得多,驱动液体时阀的滞后程度也要远远大于驱动气体,因此驱动液体时泵的

最佳工作频率点要比驱动气体时低.

由于双腔并联压电泵电源驱动信号工作方式为同步驱动时的输出效果不如异步驱动

时的输出效果,因此以水为介质对双腔并联泵进行了输出性能测试.从图4中可以看

出,当输送液体时,电信号异步驱动的整体输出效果约为同步驱动时的2倍,同时还可

以看出,同步驱动和异步驱动时并联压电泵的最佳工作频率点均为220Hz,其实际

流量为550mL/min和1330mL/min.由式(1)～式(3)计算得到并联压电泵的流

量为1350mL/min,分别约为0.41和0.985,这说明在同步驱动时,液体的可压缩

性小,并联压电泵2个腔内的流体同步流出时发生相互扰动,增大了液体的输出阻力,

降低了阀的工作效率,从而削弱了泵的输出能力.

图4输送液体时的频率-流量曲线

3.2驱动气体的试验测试

压电泵输送气体和输送液体的差别很大,气体的压缩性要远远大于液体,但常温下的

黏度却远远小于液体.如果压电泵截止阀的截止性能不是很好,当压电泵输送流体时,

就会影响压电泵的自吸性.一旦流体进入腔体开始工作时,由于流体对截止阀的吸附

作用,可使压电泵输送液体的效果很好,但压电泵输送气体时,截止阀的截止性能不好

则可能会导致龙鱼的养殖方法 压电泵根本没有气体被泵出.

在试验室中准确测定气体的流量要比测定液体的流量困难,本文采用排水法直接测

量压电泵输出气体的流量,试验原理如图5所示.压电泵把气体由出气口排出并注入

到气体接收器中,由于气体接收器采用有机玻璃为主要加工材料,属于刚性容器,所以

气体接收器的空腔体积V是固定的.当注入气体不断增加时,气体接收器压力p会升

高p,当p增加到大于水柱高度h所产生的压力时,气体接收器内的液体由软管

右端流出.当液体流速稳定时,开始测量单位时间内由软管流出的液体流量,即气体的

实际输出流量.

图5压电泵测试气体流量的原理示意图

从图6的试验曲线中可以看出,在压电泵的进出口压差为0时,由于气体可压缩性大,

压电泵2个腔内的气体同步输出时,就不会像输送液体那样因相互扰动而产生相当

大的阻力,因此在2种驱动情况下,压电泵的输出能力基本相接近.由于采用排水法测

量气体的流量输出,使气体在很大程度上被压缩,因此测得的气体输送量要低于液体

的输送量.

图6输送气体时的频率-流量曲线

4结论

本文通过理论分析与试验测试相结合的方法,分析了双腔并联压电泵在不同电信号

驱动下的工作状态,并分别以液体和气体为介质进行试验测试,得出以下结论.

(1)双腔并联压电泵在电信号同步驱动和异步驱动的情况下均可以工作,在110V驱

动电压下,当工作频率小于400Hz时,输送液体时最大输出流量可达1330m

L/min,输送气体时最大输出流量可达950mL/min.

(2)双腔并联压电泵在同步和异步电信号的驱动形式下,输送液体和输送气体时的工

作状况并不相同,输送液体时异步驱动的输出效果要远远好于同步驱动,而输送气体

时2种驱动形式的输出效果基本相同.

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