双腔体压电泵设计方法研究

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,采用多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径。通过分析腔体容积与压力变化过程得出：双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式。制作双腔并联、串联压电泵样机进行测试：串联压电泵在驱动电压200VAC,频率152Hz时,输出流量达到最大为1150ml/min,并联泵在驱动电压140VAC,频率220Hz时,输出流量达到最大为640ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能。     

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

三腔并联压电泵结构设计与性能分析

为提高压电泵的输出性能,设计了两种结构的三腔并联压电泵。一种采用"层叠式"结构,另一种采用"一字"排列式结构。比较两种结构的体积,"层叠式"压电泵体积为74880 mm~3,"排式"压电泵体积为98928 mm~3,前者是后者的0.75倍。在80 V正弦交流电驱动下,工作频率在40～400 Hz内,对两种结构的三腔并联压电泵进行输出性能测试。可得,两种结构压电泵最大输出气体流量可达3405 mL/min,输出液体流量可达708 mL/min,输送液体压力最大可达20.6 kPa。结果显示,三腔并联压电泵可大幅提高泵的输出能力,并且采用"层叠式"结构设计可大幅度减小泵体体积。     

层叠型双腔并联压电泵结构设计

为减小双腔并联压电泵的泵体体积,采用新的设计方法设计了一种新型层叠型双腔并联有阀压电泵。将层叠型与一字型双腔并联泵的泵体体积进行比较,前者的体积为38 400 mm3,后者体积为59 904 mm3,前者是后者的0.64倍。分别以水和空气为介质对2种结构压电泵进行输出性能试验,试验结果显示:层叠型输送气体流量和输送液体压力好于一字型,最大输送气体流量为3 834 mL/min,最大输送液体压力为21.2 kPa;而输送液体流量不及后者,最大输出流量为744 mL/min。结果表明,层叠型结构极大减小了双腔并联压电泵体积,并在输出性能方面有所提高。     

双腔串联两阀与三阀压电泵的性能研究

研究了双腔串联两阀压电泵与三阀压电泵的输出性能,分析了这两种泵的结构和工作原理,理论分析得出:三阀泵输出性能优于两阀泵。设计制作了两阀泵与三阀泵实验样机,并通过实验测试证明了理论分析的正确性。分别对两阀泵和三阀泵进口腔和出口腔独立工作时流量输出进行了实验测试,并把进口腔和出口腔独立工作时输出流量相加之和,与两腔一起交叉工作时进行了比较。实验测试表明:两阀泵和三阀泵样机在200 V交流驱动电压下,最大输出流量分别 为972 ml/min和1 035 ml/min,最大输出压力分别为28.7 kPa和40 kPa,最大自吸高度分别为0.41 m和0.43 m水柱高。     

双腔四振子混联气体压电泵性能分析

为构造输出能力较大的气体压电泵,采用四振子驱动的方式,设计了双腔四振子混联气体压电泵。通过理论推导,得到四振子混联泵输出能力的理论计算公式,并计算了在工作频率段内理论输出结果。应用GL-103B型皂液式气体流量计,测试了泵送空气时的输出流量值及输送液体水的流量输出。试验结果显示,当工作介质为空气时,泵的最佳工作频率点很高,大约在360Hz附近,最大输出流量可达3405mL/min,但零流量时输出压力却非常小,仅能达到2.7kPa;当工作介质为水时,泵的最佳工作频率点在140Hz附近,最大输出流量为1078 mL/min,零流量时输出压力可达49kPa。这表明,四振子混联泵在泵送气体介质和液体介质时工作性能存在很大差异,研究结果为泵的实际应用提供了参考数据。     

泵送大粘度液体的双腔并联压电泵设计与试验研究

为使双腔并联压电泵能够输送较大粘度的液体,设计了一种以5⁷μm厚度铍青铜材料加工而成的薄片型轮式平板阀。在理论上分析了阀的过流特性,确定了影响通过阀体流量的因素,即阀自身的几何尺寸、作用在阀两侧的压力差及液体粘度对其影响,并以试验的方法确定了当阀片半径为3.25mm、阀孔半径为2.75mm时,双腔并联压电泵输出流量最好。分别以不同浓度的甘油水溶液作为试验液体,测试了在不同液体粘度、不同工作频率下双腔并联压电泵的输出流量。试验发现,随着液体粘度的增加,阀开启时的阻力增大,开启量变小,阀和压电振子之间振动相位差不断加大,截止性能变差,压电泵净输出量减少。在液体粘度μ=1.311mPa·s时,压电泵的最大输出流量可达1300mL/min,而当液体粘度μ=234.6mPa·s时,压电泵的最大输出流量仅为30 mL/min左右。试验结果为获得双腔并联压电泵输送不同粘度液体的能力提供了可靠的数据。     

整体开启阀与悬臂梁阀压电泵性能研究

设计了两种形式的被动截止薄膜阀一整体开启阀与悬臂梁阀,对两种形式阀的过流特性进行了理论分析,并应用两种形式的阀体制成了双腔串联压电泵的样机.对样机的实验测试表明,整体开启阀压电泵的自吸能力和输出流量都要好于悬臂梁阀压电泵.在200V交流电压驱动下,前者的最大自吸高度和输出流量分别为430 mm水柱和972 ml/min,而后者为410 mm水柱和480 ml/min.     

四腔并联压电泵结构设计

为提高压电泵的输出性能,设计了一种层叠型四腔并联有阀压电泵。在80 V正弦交流电驱动下,40~400 Hz工作频率内,以水和空气作为介质,分别选用不同数量的压电振子进行驱动,在不同的驱动方式(指振子间工作时的相位差)下对泵的输出性能进行试验测试。结果显示,当泵送空气时,不管多少个振子进行驱动,驱动方式对泵的输出流量几乎不产生任何影响,在测试频率范围内,输出流量随频率成线性变化,最大输出气体流量可达3600 mL/min;当泵送液体时,驱动方式对泵的输出流量影响很大,当同侧的压电振子为异步驱动时,输出流量的效果更好,在工作频率180 Hz时,最大输出液体流量可达830 mL/min。试验结果为多振子驱动压电泵选择合适的振子间驱动方式提供了参考依据。     

一种新型单腔双振子压电泵的结构设计和性能试验

为优化单腔双振子压电泵的结构,提高输出性能,设计了一种新型结构的单腔双振子压电泵。将新设计结构同前期设计结构进行了比较,并对两种结构的试验样机进行了输出流量测试。试验显示,新结构的输出流量是前期结构输出流量的2倍,最大流量可达800mL/min。将新结构加工了不同腔体初始容积样机,得到了压缩比对泵输出性能的影响。试验发现,当腔体高度为1.2mm,工作时的压缩比为1/46,此时单腔双振子压电泵整体输出效果最好。分析了单腔双振子压电输送液体和气体时工作特点,得到泵输送液体介质时最佳工作频率点远远低于输送气体介质。     

无阀压电泵的流固耦合仿真及试验验证

提出利用结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYS CFX对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析,以研究无阀压电泵的输出性能。分别对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置的3种不同结构形式的无阀压电泵进行了流固耦合仿真分析。结果显示,上述3种无阀压电泵中,出口在中间进口在一侧结构形式的无阀压电泵的宏观输出流量最大。制作了3种无阀压电泵的试验样机,并搭建了相应的试验测试系统,在幅值为45 V、频率为0~700Hz的正弦信号激励下对其输出流量进行了测试。结果表明,3种不同结构形式的无阀压电泵的最大输出流量分别为3.8、6.0和4.0ml/min,出口在中间进口在一侧的压电泵输出流量最大,与流固耦合仿真分析的结果相吻合,验证了本文提出的流固耦合仿真分析的方法可以指导压电泵的设计。     

组合式压电驱动芯片水冷系统

为了提高压电驱动芯片水冷系统的适用性、可维护性以及冷却效率,本文提出一种组合式压电驱动芯片水冷系统。首先,测试和分析了芯片水冷系统中组合式泵单元在220Vpp方波驱动下不同组合方式(串/并联)、泵工作数量以及相对位置时的输出性能,接着,基于组合式泵单元的试验结果进行芯片水冷系统的水冷效果研究。实验结果表明:串联组合双泵工作时,双泵位于串联组合首尾位置(AD)时性能较优,在30Hz时获得最大输出压力(25kPa);串联组合四泵工作时,分别在35Hz和55Hz获得了最大压力(23.5kPa)和最大流量(13.5mL/min);并联组合双泵工作时,双泵都位于组合首位(AC)时性能较差;并联组合四泵工作时,分别在50Hz和60Hz获得最大输出流量(22mL/min)和最大输出压力(12.6kPa);通过串并联以及泵工作数量的切换获得了芯片水冷系统的冷却效果,不同的组合方式以及泵工作数量可以获得不同的冷却效果。获得了组合式压电驱动芯片水冷系统的驱动参数,为计算机芯片有效散热提供一条新途径。     

单振子双腔体无阀压电泵结构设计与机理分析

提出了一种单振子双腔体无阀压电泵,应用小挠度弹性弯曲理论导出了圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,分析了采用一个压电振子形成两个工作腔体压电泵的结构和工作机理,并与单振子单腔体压电泵对比分析了该结构与输出流量的关系。设计研制了结构独特、输出性能更高的单振子双腔体无阀压电泵,通过试验表明:单振子双腔体无阀压电泵比单振子单腔体无阀压电泵输出流量有明显提高。     

An improved resonantly driven piezoelectric gas pump

Piezoelectric pumps have the potential to be used in a variety of applications, such as in air circulation and compression. However, piezoelectric membrane pumps do not have enough driving capacity, and the heat induced during the direct contact between the driving part and the gas medium cannot be dissipated smoothly. When the gas is blocked, the piezoelectric vibrator generates heat quickly, which may eventually lead to damage. Resonantly driven piezoelectric stack pumps have high performance but no price advantage. In this situation, a novel, resonantly driven piezoelectric gas pump with annular bimorph as the driver is presented. In the study, the working principle of the novel pump was analyzed, the vibration mechanics model was determined, and the displacement amplified theory was studied. The outcome indicates that the displacement amplification factor is related with the original displacement provided by the piezoelectric bimorph. In addition, the displacement amplification effect is related to the stiffness of the spring lamination, adjustment spring, and piezoelectric vibrator, as well as to the systematic damping factor and the driving frequency. The experimental prototypes of the proposed pump were designed, and the displacement amplification effect and gas output performance were measured. At 70 V of sinusoidal AC driving voltage, the improved pump amplified the piezoelectric vibrator displacement by 4.2 times, the maximum gas output flow rate reached 1685 ml/min, and the temperature of the bimorph remained normal after 2000 hours of operation when the gas medium was blocked.     

磁力弹簧式压电共振型气泵的设计

利用压电振子的振动激励相连接的隔膜共振原理,提出了用磁力弹簧式压电共振型气泵来提高压电泵对气体的驱动能力.首先,分析磁力弹簧式共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,计算得出了影响隔膜振幅的主要因素.接着,设计和制作了样机,使用阻抗分析仪和激光位移计分别测得系统的共振频率及压电振子的位移放大倍数.最后,设计了测量共振泵流量和输出压力的实验装置,得出了磁力弹簧轴向间距对输出流量和输出压力的影响.实验测试表明:当输入正弦电压为200 V,系统共振频率为134 Hz,磁力弹簧的轴向间距为9 mm时,压电振子的位移放大倍数约为4.3,其最佳输出流量为524 ml/min,最佳输出压力为9.2 kPa.结果显示,提出的磁力弹簧式压电共振型气泵提高了气体的输送能力.     

超高速切线泵扬程系数试验

为获得切线泵在超高工作转速下的扬程系数、摩擦功耗损失、温升特性与工作转速关系,针对外径42 mm的8叶片切线泵开展了试验研究,将切线泵装配至涡轮轴系上,通过高压氦吹驱动涡轮轴系进行超高速运转试验。试验过程中通过控制高压气源压力及切线泵输出流量,获得了切线泵在52.8×10³~80.8×10³ r/min转速范围内的输入轴功率、输出压力、输出流量及温升特性数据。通过对实测数据的分析与计算,取得了外径42 mm的切线泵在超高转速条件下泵扬程系数、功耗损失及工作过程中温升特性试验数据。试验结果表明:外径42 mm的8叶片切线泵在52.8×10³~80.8×10³ r/min转速范围内,转速每增长1000 r/min,功耗损失约增加1.486 kW,所耗功率全部用于泵叶轮搅油摩擦损失,同时转速增加内泄增大,导致扬程系数由0.70缓降至0.66,零输出流量时由摩擦损失导致的液体介质温升速率达2.38 ℃/s,试验结束时油温最高达到274.5 ℃。试验研究提供了一种切线泵特性测试方法,可作为切线泵及涡轮泵设计和分析的依据。     

A cost-effective extracorporeal magnetically-levitated centrifugal blood pump employing a disposable magnet-free impeller

In the field of rotary blood pumps, contactless support of the impeller by a magnetic bearing has been identified as a promising method to reduce blood damage and enhance durability. The authors developed a two-degrees-of-freedom radial controlled magnetic bearing system without a permanent magnet in the impeller in order that a low-cost disposable pump-head for an extracorporeal centrifugal blood pump could be manufactured more easily. Stable levitation and contactless rotation of the 'magnet-free' impeller were realized for a prototype blood-pump that made use of this magnetic bearing. The run-out of the impeller position at between 1000 r/min and 3000 r/min was less than 40 microm in the radial-controlled directions. The total power consumption of the magnetic bearing was less than 1 W at the same rotational speeds. When the pump was operated, a flow rate of 5 l/min against a head pressure of 78.66 kPa was achieved at a rotational speed of 4000 r/min, which is sufficient for extracorporeal circulation support. The proposed technology offers the advantage of low-cost mass production of disposable pump heads.