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。     

双腔薄膜阀压电泵的实验研究

实验研究了理论所不能解释的多种因素对双腔压电泵输出流量的影响规律。选取了一种高效的橡胶薄膜阀片,设计并制作了具有较高输出能力的双腔泵样机。120 V交流信号下,双腔串联压电泵最佳工作频率为180 Hz,输出参数为520 ml/min、22 kPa;双腔并联压电泵最佳工作频率为420 Hz,输出参数为980 ml/min、28 kPa。通过实验确定了双腔压电泵的最佳腔体高度及双腔串联、并联压电泵压电片的最佳驱动方式。     

不同容积比的双腔串联压电泵测试分析

为提高双腔串联压电泵的输出性能,对泵的进口腔与出口腔的容积比进行了优化设计。分别设计了容积比为1.9、1.5、1.3三种串联压电泵样机,并对样机进行了试验测试。试验结果显示,采用增加容积比的方式可以提高双腔串联压电泵的输出流量,但不能提高其输出压力;对每个不同腔体容积比的双腔串联压电泵在异步驱动和同步驱动下进行了输出性能测试,测试结果显示,当输送气体时,两种驱动方式均有很好的流量输出,且输出结果比较接近,但仅有异相驱动时才能输出液体。分析结果为提高双腔串联压电泵的输出性能提供了很好的依据。     

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。     

非对称分叉流管无阀压电泵的设计及试验

具有微混合功能的多级Y型流管无阀压电泵存在着输出流量与振子带载能力不平衡的问题。为此,提出了一种非对称分叉流管无阀压电泵。首先,理论分析了该无阀压电泵输出流量与流管流阻间的关系;其次,利用有限元软件数值计算了多级Y型流管的流阻特性;最后,采用光固化快速成型技术加工了样机,并进行了泵特性试验和振子振动测试。试验结果表明：在峰峰值200 V正弦波交流电驱动下,该压电泵的流量、扬程和压电振子的振幅都随驱动频率增加呈现先增大后减小的趋势;当驱动频率为31 Hz时,最大流量为4 g/min;驱动频率为38 Hz时,最大扬程为40.5 mmH2O。在试验施加电压范围内,该泵的输出性能与驱动电压呈正相关性。本研究验证了非对称流道树型无阀压电泵的可行性,为非对称无阀压电泵在微流道滴灌和微混合等领域的应用提供了参考。     

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。     

无阀气体压电泵仿真分析与实验

为了提高微型泵输出流量以及获得连续出流能力,设计了一种基于合成射流原理的无阀气体压电泵。首先,分析了压电气泵的工作原理,测试了压电振子的振幅;其次,利用CFX软件对无阀气泵进行仿真分析,得到压电气泵在0T,1/4T,2/4T和3/4T时刻的气体流速分布,以及容腔高度、泵腔高度、射流孔直径和出口直径对气泵流量的影响规律;最后,制作了无阀气体压电泵的实验样机。测试结果表明,当无阀压电气泵在驱动电压为120V、驱动频率为400Hz、容腔高度为0.1mm、泵腔高度为1.4mm、射流孔直径为1.3mm和出口直径为2mm时,泵输出气体流量为1800ml/min左右,实验与仿真分析基本吻合。该气泵能输出较大气体流量并具有连续出流的能力。     

微型压电泵系统的设计研究

提出了一种整机采用迭片式结构,单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了实验用样机泵,设计了正弦信号发生器电路,将产生的正弦信号经过电压放大和功率放大后,作为该泵的电源驱动,通过对该泵的工作性能进行较为系统的实验测试和研究,提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。实验测试表明,该泵工作性能稳定(样机尺寸:Φ15 mm×1.8 mm;50 V正弦信号输入,80 Hz条件下,最大输出压力22 kPa,流量达到3.6 ml/min)。该泵的设计方法及所用制作工艺可用于研发大量生产的实用微型泵。     

螺旋线形阀压电泵的理论与试验研究*

有阀压电泵在精细化工、MEMS、生物医学工程等领域具有重大应用前景。为了克服有阀压电泵结构复杂、跟从与截止性差、成本高等缺点,设计一种异形拟悬臂梁结构的螺旋线形弹性固支阀,其螺旋臂长是简单悬臂梁阀的数倍,工作时开启度大,且因其螺旋线形弹性结构,阀体不仅可以上下回位,左右也具有对中功能,并把这种阀安装在有阀压电泵的泵腔内形成螺旋线形阀压电泵。在深入分析有阀压电泵优缺点的基础上分析螺旋线形阀压电泵的工作原理,依照泵内部能量传递的路径建立压电驱动(电压、频率)为输入与泵流动(流量、压差)为输出之间的关系式,加工试验样机,并进行性能测试试验,螺旋线形阀压电泵具有泵功能,证明了其有效性和理论分析的正确性。试验结果表明：随着驱动电压的增大,泵的输出流量和压差呈上升趋势,这个结果与Matlab数值仿真计算结果趋势一致。在电压为220 V、频率为30 Hz时,得到仿真流量41.26 mL/min,实际试验流量为10.2 mL/min,误差75.3%;在电压为220 V、频率为20 Hz时,得到仿真流量27.51 mL/min,实际试验流量为22.8 mL/min,误差17.2%。     

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。     

层叠型双腔并联压电泵性能研究

为提高层叠型双腔并联压电泵的输出性能,在出口通孔处设计了隔板结构,以阻止流体同时出流时产生的正向碰撞和向对面腔内回流问题。采用液体水和空气作为输送介质,对试验样机进行了试验测试,结果表明:隔板结构可以大幅度提高层叠型双腔并联压电泵输送液体介质的能力,在80 V正弦交流电驱动下,最大输出流量可达460 mL·min^-1,与没有隔板结构比较,输出流量可提高约30%。对该结构压电泵单个振子驱动与2个振子驱动时的关系进行了试验验证,结果表明:当工作介质为气体时,不管是同步驱动或异步驱动,2个振子工作时输出流量约为2个单个振子独立工作时输出流量之和;当工作介质为液体时,在2个振子同步驱动时输出流量出现小于单个振子工作时的输出流量情况,而异步驱动输出流量约为2个单个振子独立工作时输出流量和的1.4倍。     

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。     

Present situation and classification of piezoelectric pump

According to the present classification method for a piezoelectric pump, this paper reviews the development and present situation of piezoelectric pumps in the latest 30 years and finally puts forward a new classification. A volumetric piezoelectric pump, which belongs to traditional volumetric pumps, can be divided into a piezoelectric pump with or without valves. A new valveless piezoelectric pump nowadays becomes a hot issue in scientific research. It is constructed by using no-moving-part valves, which can induce positive flow resistance and negative flow resistance different, and in which the inlet and outlet are connected all the time. New forms of piezoelectric pumps, different from traditional ones, are only at the stage of conception and principle, and no practical application has been reported.     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

多级“Y”型流管无阀压电泵的原理与试验验证(实验视频)

针对目前微流体混合器多需要外接动力源,且多数微混合器只能进行液体混合而不能输送液体的问题,提出将无阀压电泵引入微混合器领域,并研制了一种集混合与输送于一体的多级“Y”型流管无阀压电泵。首先,提出了多级“Y”型流管,进而设计了多级“Y”型流管无阀压电泵,并分析其工作原理;然后,对该无阀压电泵的流管流阻特性及泵流量进行理论分析;同时,利用有限元软件对多级“Y”型流管无阀压电泵进行了流场模拟,结果表明该压电泵具有单向传输作用。最后,制作了多级“Y”型流管无阀压电泵样机,并进行了泵流量与背压试验。试验结果显示：驱动电压峰峰值为100 V,频率为16 Hz时,流量达到最大,为16.2 ml/min;驱动电压峰峰值为100 V,频率为14 Hz时,输出背压最大,约为64 mm水柱。得到的试验数据证明了多级“Y”型流管无阀压电泵的有效性。(实验视频)     

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。