三腔并聯壓電泵結構設計與性能分析

楊立奇，孫曉鋒,2，于文鑫

(1.吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022；2.常州工學院 航空與機械工程學院，江蘇 常州 213032)

引言

壓電泵的工作原理是在交流電驅動下使壓電振子產生往復振動(產生形變)引起泵腔容積的交替變化，由于截止閥的作用使泵腔內外產生壓力差，推動流體不斷的流入流出[1-3]。通過調節振子兩端輸入電壓與工作頻率可調節壓電泵的輸出流量與輸出壓力，達到精準調節。壓電泵有著廣泛的應用領域，在醫學領域可作為壓電驅動胰島素泵、植入式血液輸送泵等；在水冷領域可用于計算機CPU、手機等電子產品水冷散熱；還可以應用于電池燃料供給等各個領域。為滿足不同領域對泵流量的不同需求，研發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動振子個數，因此出現了不同種結構形式的多腔體壓電泵。多腔壓電泵的結構形式主要有3種，即串聯式、并聯式及混聯式[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。多腔并聯泵主要能夠增加輸出流量，多腔串聯泵主要能夠提高輸出壓力[6-8]。

隨著振子個數的增加，泵體尺寸也隨之增大。為減小泵體體積適應各種應用領域，采用 “排式”和“層疊式”兩種設計方式，設計了三腔并聯有閥壓電泵，并將兩種結構的輸出能力進行比較，研究二者性能上存在的差異。

1 三腔并聯壓電泵結構設計

并聯壓電泵在結構形式上相當于把多個單腔泵排列在一起同時工作，每個單腔的結構上一般都是獨立完整的，包括腔體及進出口閥。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，通過一個共同的進口槽和出口槽，使流體從進口槽進入各個單腔泵后從出口槽流出，這種結構形式稱作“排式”并聯泵。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進出口孔道，這種結構形式稱作“層疊式”并聯泵。多腔并聯壓電泵隨著腔體數量的增加，泵的整體尺寸也變大。尤其“排式”并聯泵，隨著泵腔數量增多導流槽長度不斷增長，在泵送液體時進出口導流槽內容易存留氣泡，影響泵的輸送性能。

圖1所示為“排式”三腔并聯壓電泵結構簡圖。泵的結構為3層，分為上下壓板和中間三腔泵體板，在上壓板上安裝進出口接管，中間腔體板的一面加工進出口導流槽，另一面加工3個泵腔，兩側還分別安有導流槽密封圈、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”三腔并聯壓電泵結構簡圖。該泵共有4層構成，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，另一面加工進出口通孔，兩側安有進出口接管。雙腔泵體板的一面加工進出口導流槽，另一面加工2個泵腔。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.進口導流槽 12.出口導流槽圖1 “排式”三腔并聯壓電泵結構簡圖

1.緊固螺栓 2.單振子壓板 3.單腔體結構板 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.雙腔體結構板 10.壓電振子3 11.進口導流槽 12.出口導流槽圖2 “層疊式”三腔并聯壓電泵結構簡圖

通過對比可以看出，“層疊式”結構設計方式減小了進出口導流槽的長度，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”結構泵體積的0.75倍。

2 新加數學模型分析

三腔并聯泵在理論上相當于3個單腔泵同時工作，因此根據往復式容積泵工作原理，在完全理想的工作狀態下，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—— 振子單向振動時泵腔容積變化量

驅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，安裝結構簡圖如圖3所示。壓電陶瓷性能參數為：壓電常數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：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的正弦交流電驅動下，單向振動時所產生的容積變化量為[10-11]：

(2)

式中，計算參數K1=0.042/U，U為驅動電壓。

圖3 壓電振子單向振動時力學模型

3 工作方式

三腔并聯壓電泵由3個振子構成，屬于多振子工作泵，其中每個振子輸出性能相同。在多振子工作的壓電泵中，多個振子在同一時刻的驅動方式可有兩種，一種為“同步驅動”，另一種為“異步驅動”。“同步驅動”指2個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)在同一時刻相同；“異步驅動”指2個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)在同一時刻相反[12-13]。3個振子在同一時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。兩種結構形式壓電泵不同驅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同步驅動形變情況

圖5 振子1，2同步3異步驅動形變情況

圖6 振子1，3同步2異步驅動變形情況

4 實驗測試

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。制作實驗樣機時，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成，由于陶瓷片具有脆性，當壓電振子形變量過大時，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。因此試驗中驅動電壓80 V正弦交流電，電信號驅動頻率為40～400 Hz之間。傘形橡膠閥具有很好的反向截止能力[14]。

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

圖7是兩種結構的壓電泵輸送氣體時輸出頻率與輸出氣體體積流量的關系曲線。從試驗曲線可以看出，在40～400 Hz的驅動頻率內，“排式”三腔并聯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”壓電泵減小了導流槽長度，但單腔泵體板另一面進出口通孔的存在，并未增大壓縮比。兩種結構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，是兩種結構的壓電泵輸出液體流量與頻率關系曲線。從試驗曲線可以看出，當壓電振子1，2，3同步驅動時，輸出液體流量非常小。主要原因是壓電振子同步驅動時，振子形變方向相同，泵腔內同時進水，同時排水，液體間相互擾動，影響泵腔內水的排出。異步驅動時，振子形變方向相反，泵腔內一個排水一個進水，交替進行，減小了液體間的擾動。“排式”壓電泵在工作頻率140 Hz時，輸出液體流量出現極大值。在相同驅動條件下，“排式”三腔并聯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，是兩種結構的壓電泵輸出液體壓力隨頻率變化曲線。從試驗結果來看，在輸出頻率240～400 Hz區間，三腔并聯“層疊式”“排式”壓電泵異步驅動輸出液體壓力都隨頻率增加出現遞增趨勢。“層疊式”三腔并聯壓電泵在壓電振子1，3同步與2異步驅動下輸出液體壓力最好，輸出最大壓力值可達20.6 kPa。

5 輸出流量理論計算與試驗測試結果比較

取工作頻率在400 Hz和140 Hz時泵理論計算輸出結果和試驗結果進行比較，由式(1)和式(2)計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。而實際工作時泵出的最大氣體流量3045 mL/min，液體流量708 mL/min，實際輸出值僅達到理論值的48%和32%。可見泵的輸出性能還有很大提高。可以通過合理選用被動截止閥、設計腔體結構以及減小流動阻力等方法來實現。

圖9 輸出液體壓力隨頻率變化曲線

6 結論

對三腔并聯壓電泵進行了結構設計,以實驗的方式對其在同步驅動和異步驅動下進行了實驗測試得出以下結論：

(1) 改變泵體結構形式會影響三腔并聯壓電泵的輸出性能，“排式”結構的輸出性能要略好于“層疊式”結構。“層疊式”結構形式減小了泵體體積，但輸出性能未得到提高；

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

(3) 工作頻率在40～400 Hz之間，三腔并聯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3405 mL/min而輸出液體流量在頻率140 Hz左右時出現極大值，最大值可達708 mL/min。在輸出頻率240～400 Hz區間，輸出液體壓力隨頻率增加也出現遞增趨勢。