楊立奇，孫曉鋒,2，于文鑫

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.常州工學(xué)院 航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

引言

壓電泵的工作原理是在交流電驅(qū)動下使壓電振子產(chǎn)生往復(fù)振動(產(chǎn)生形變)引起泵腔容積的交替變化，由于截止閥的作用使泵腔內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，推動流體不斷的流入流出[1-3]。通過調(diào)節(jié)振子兩端輸入電壓與工作頻率可調(diào)節(jié)壓電泵的輸出流量與輸出壓力，達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。壓電泵有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可作為壓電驅(qū)動胰島素泵、植入式血液輸送泵等；在水冷領(lǐng)域可用于計(jì)算機(jī)CPU、手機(jī)等電子產(chǎn)品水冷散熱；還可以應(yīng)用于電池燃料供給等各個(gè)領(lǐng)域。為滿足不同領(lǐng)域?qū)Ρ昧髁康牟煌枨?，研發(fā)出多種形式的壓電泵。

為提高壓電泵的輸出流量，目前主要方式是增加驅(qū)動振子個(gè)數(shù)，因此出現(xiàn)了不同種結(jié)構(gòu)形式的多腔體壓電泵。多腔壓電泵的結(jié)構(gòu)形式主要有3種，即串聯(lián)式、并聯(lián)式及混聯(lián)式[4-5]。從以往壓電泵的研究中可知，多腔壓電泵既能提高輸出壓力，又能提高輸出流量。多腔并聯(lián)泵主要能夠增加輸出流量，多腔串聯(lián)泵主要能夠提高輸出壓力[6-8]。

隨著振子個(gè)數(shù)的增加，泵體尺寸也隨之增大。為減小泵體體積適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域，采用 “排式”和“層疊式”兩種設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)了三腔并聯(lián)有閥壓電泵，并將兩種結(jié)構(gòu)的輸出能力進(jìn)行比較，研究二者性能上存在的差異。

1 三腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)壓電泵在結(jié)構(gòu)形式上相當(dāng)于把多個(gè)單腔泵排列在一起同時(shí)工作，每個(gè)單腔的結(jié)構(gòu)上一般都是獨(dú)立完整的，包括腔體及進(jìn)出口閥。但單腔之間在位置排列上卻可以采用兩種形式[9]。一種是泵腔一字排開，通過一個(gè)共同的進(jìn)口槽和出口槽，使流體從進(jìn)口槽進(jìn)入各個(gè)單腔泵后從出口槽流出，這種結(jié)構(gòu)形式稱作“排式”并聯(lián)泵。另一種是將泵腔的位置采用上下排列形式，上下泵腔使用同一個(gè)進(jìn)出口孔道，這種結(jié)構(gòu)形式稱作“層疊式”并聯(lián)泵。多腔并聯(lián)壓電泵隨著腔體數(shù)量的增加，泵的整體尺寸也變大。尤其“排式”并聯(lián)泵，隨著泵腔數(shù)量增多導(dǎo)流槽長度不斷增長，在泵送液體時(shí)進(jìn)出口導(dǎo)流槽內(nèi)容易存留氣泡，影響泵的輸送性能。

圖1所示為“排式”三腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)簡圖。泵的結(jié)構(gòu)為3層，分為上下壓板和中間三腔泵體板，在上壓板上安裝進(jìn)出口接管，中間腔體板的一面加工進(jìn)出口導(dǎo)流槽，另一面加工3個(gè)泵腔，兩側(cè)還分別安有導(dǎo)流槽密封圈、振子密封圈以及傘形橡膠閥。下壓板用于固定壓電振子。泵體尺寸為114.5 mm×78 mm×48 mm (長×寬×高)，體積為98928 mm3。

圖2所示為“層疊式”三腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)簡圖。該泵共有4層構(gòu)成，分別為單振子壓板、單腔泵體板、雙腔泵體板以及雙振子壓板。單腔泵體板一面加工泵腔，另一面加工進(jìn)出口通孔，兩側(cè)安有進(jìn)出口接管。雙腔泵體板的一面加工進(jìn)出口導(dǎo)流槽，另一面加工2個(gè)泵腔。單振子壓板及雙振子壓板用于固定壓電振子。泵體尺寸為78 mm×48 mm×20 mm(長×寬×高)，體積為74880 mm3。

1.緊固螺栓 2.上壓板 3.傘型橡膠閥 4.三腔泵體板 5.進(jìn)出口接管 6.密封圈 7.壓電振子1 8.下壓蓋 9.壓電振子2 10.壓電振子3 11.進(jìn)口導(dǎo)流槽 12.出口導(dǎo)流槽圖1 “排式”三腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)簡圖

1.緊固螺栓 2.單振子壓板 3.單腔體結(jié)構(gòu)板 4.密封圈 5.壓電振子1 6.傘型橡膠閥 7.壓電振子2 8.雙振子壓板 9.雙腔體結(jié)構(gòu)板 10.壓電振子3 11.進(jìn)口導(dǎo)流槽 12.出口導(dǎo)流槽圖2 “層疊式”三腔并聯(lián)壓電泵結(jié)構(gòu)簡圖

通過對比可以看出，“層疊式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式減小了進(jìn)出口導(dǎo)流槽的長度，還減小了泵體整體長度，從而減小了泵體體積。其體積為“排式”結(jié)構(gòu)泵體積的0.75倍。

2 新加數(shù)學(xué)模型分析

三腔并聯(lián)泵在理論上相當(dāng)于3個(gè)單腔泵同時(shí)工作，因此根據(jù)往復(fù)式容積泵工作原理，在完全理想的工作狀態(tài)下，每分鐘輸出流量為：

Qth=6ΔVthf×60 (m3/min)

(1)

式中，f—— 壓電振子的工作頻率

ΔVth—— 振子單向振動時(shí)泵腔容積變化量

驅(qū)動壓電泵的壓電振子為基板直徑35 mm、基板和陶瓷厚度均為0.2 mm的壓電單晶片，安裝結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。壓電陶瓷性能參數(shù)為：壓電常數(shù)d31為-300×10-12C.N-1，泊松比νpzt為0.3，彈性模量Epzt為62.75 GPa，直徑2a為29 mm；銅基板性能參數(shù)：泊松比νp為0.34，彈性模量Ep為117 GPa，直徑2b為31 mm。在工作電壓80 V的正弦交流電驅(qū)動下，單向振動時(shí)所產(chǎn)生的容積變化量為[10-11]：

(2)

式中，計(jì)算參數(shù)K1=0.042/U，U為驅(qū)動電壓。

圖3 壓電振子單向振動時(shí)力學(xué)模型

3 工作方式

三腔并聯(lián)壓電泵由3個(gè)振子構(gòu)成，屬于多振子工作泵，其中每個(gè)振子輸出性能相同。在多振子工作的壓電泵中，多個(gè)振子在同一時(shí)刻的驅(qū)動方式可有兩種，一種為“同步驅(qū)動”，另一種為“異步驅(qū)動”?！巴津?qū)動”指2個(gè)振子連接的電信號源的極性相同，使得振子的振動方向(形變方向)在同一時(shí)刻相同；“異步驅(qū)動”指2個(gè)振子連接的電信號源的極性相反，使得振子的振動方向(形變方向)在同一時(shí)刻相反[12-13]。3個(gè)振子在同一時(shí)刻工作分為三種工作方式，即1，2，3同步；1，2同步與3異步；1，3同步與2異步。兩種結(jié)構(gòu)形式壓電泵不同驅(qū)動方式下工作原理及振子形變情況如圖4～圖6所示。

圖4 振子1，2，3同步驅(qū)動形變情況

圖5 振子1，2同步3異步驅(qū)動形變情況

圖6 振子1，3同步2異步驅(qū)動變形情況

4 實(shí)驗(yàn)測試

壓電泵中，壓電振子與截止閥是對泵的性能影響較大的2個(gè)重要元件，選擇合適的壓電振子與截止閥可以提高壓電泵的輸出性能。制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)時(shí)，選用PZT-5A型陶瓷壓電振子和傘形橡膠閥。壓電振子由陶瓷片和銅片構(gòu)成，由于陶瓷片具有脆性，當(dāng)壓電振子形變量過大時(shí)，陶瓷片容易碎裂，使壓電振子失效。電壓過高或者工作頻率過大，壓電振子的變形程度都會過大，都容易使壓電振子的陶瓷片碎裂。因此試驗(yàn)中驅(qū)動電壓80 V正弦交流電，電信號驅(qū)動頻率為40～400 Hz之間。傘形橡膠閥具有很好的反向截止能力[14]。

試驗(yàn)中以空氣和水為試驗(yàn)介質(zhì)，分別對“排式”(泵1)和“層疊式”(泵2)在振子1，2，3同步驅(qū)動、1，2同步3異步驅(qū)動以及1，3同步2異步驅(qū)動3種方式下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中應(yīng)用的設(shè)備有：正弦交流驅(qū)動電源，輸出電壓為0～200 V，驅(qū)動頻率為40～400 Hz，測量氣體流量時(shí)采用GL-103B型皂液式氣體流量計(jì)，其測量氣體流量范圍是5～5000 mL/min。

圖7是兩種結(jié)構(gòu)的壓電泵輸送氣體時(shí)輸出頻率與輸出氣體體積流量的關(guān)系曲線。從試驗(yàn)曲線可以看出，在40～400 Hz的驅(qū)動頻率內(nèi)，“排式”三腔并聯(lián)壓電泵的輸送氣體性能要略好于“層疊式”，但差異并不明顯。主要原因是“層疊式”壓電泵減小了導(dǎo)流槽長度，但單腔泵體板另一面進(jìn)出口通孔的存在，并未增大壓縮比。兩種結(jié)構(gòu)形式壓電泵隨工作頻率增加輸出氣體流量整體成遞增趨勢。

圖7 氣體流量隨頻率變化曲線

如圖8所示，是兩種結(jié)構(gòu)的壓電泵輸出液體流量與頻率關(guān)系曲線。從試驗(yàn)曲線可以看出，當(dāng)壓電振子1，2，3同步驅(qū)動時(shí)，輸出液體流量非常小。主要原因是壓電振子同步驅(qū)動時(shí)，振子形變方向相同，泵腔內(nèi)同時(shí)進(jìn)水，同時(shí)排水，液體間相互擾動，影響泵腔內(nèi)水的排出。異步驅(qū)動時(shí)，振子形變方向相反，泵腔內(nèi)一個(gè)排水一個(gè)進(jìn)水，交替進(jìn)行，減小了液體間的擾動?！芭攀健眽弘姳迷诠ぷ黝l率140 Hz時(shí)，輸出液體流量出現(xiàn)極大值。在相同驅(qū)動條件下，“排式”三腔并聯(lián)壓電泵的輸送液體性能要好于“層疊式”。

圖8 輸出液體流量隨頻率變化曲線

如圖9所示，是兩種結(jié)構(gòu)的壓電泵輸出液體壓力隨頻率變化曲線。從試驗(yàn)結(jié)果來看，在輸出頻率240～400 Hz區(qū)間，三腔并聯(lián)“層疊式”“排式”壓電泵異步驅(qū)動輸出液體壓力都隨頻率增加出現(xiàn)遞增趨勢。“層疊式”三腔并聯(lián)壓電泵在壓電振子1，3同步與2異步驅(qū)動下輸出液體壓力最好，輸出最大壓力值可達(dá)20.6 kPa。

5 輸出流量理論計(jì)算與試驗(yàn)測試結(jié)果比較

取工作頻率在400 Hz和140 Hz時(shí)泵理論計(jì)算輸出結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，由式(1)和式(2)計(jì)算理論輸出氣體流量值約為6308 mL/min，理論輸出液體流量值約為2208 mL/min。而實(shí)際工作時(shí)泵出的最大氣體流量3045 mL/min，液體流量708 mL/min，實(shí)際輸出值僅達(dá)到理論值的48%和32%?？梢姳玫妮敵鲂阅苓€有很大提高。可以通過合理選用被動截止閥、設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)以及減小流動阻力等方法來實(shí)現(xiàn)。

圖9 輸出液體壓力隨頻率變化曲線

6 結(jié)論

對三腔并聯(lián)壓電泵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以實(shí)驗(yàn)的方式對其在同步驅(qū)動和異步驅(qū)動下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試得出以下結(jié)論：

(1) 改變泵體結(jié)構(gòu)形式會影響三腔并聯(lián)壓電泵的輸出性能，“排式”結(jié)構(gòu)的輸出性能要略好于“層疊式”結(jié)構(gòu)?！皩盈B式”結(jié)構(gòu)形式減小了泵體體積，但輸出性能未得到提高；

(2) 三腔并聯(lián)壓電泵可大幅提高泵的輸出能力。3個(gè)壓電振子驅(qū)動的三腔并聯(lián)壓電泵，同一時(shí)刻3個(gè)壓電振子不同驅(qū)動方式會對泵的輸出性能影響很大，異步驅(qū)動輸出性能要好于同步驅(qū)動，當(dāng)3個(gè)壓電振子同步驅(qū)動時(shí)泵水輸出性能最差；

(3) 工作頻率在40～400 Hz之間，三腔并聯(lián)壓電泵輸出氣體流量隨頻率增大成一直遞增趨勢，最大值可達(dá)3405 mL/min而輸出液體流量在頻率140 Hz左右時(shí)出現(xiàn)極大值，最大值可達(dá)708 mL/min。在輸出頻率240～400 Hz區(qū)間，輸出液體壓力隨頻率增加也出現(xiàn)遞增趨勢。