四腔并联压电泵结构设计

陈 亮, 孙晓锋, 林燕霞，王盈学，刘 勇

(1.长治职业技术学院 机械电子工程系，山西 长治 046000； 2.常州工学院 航空与机械工程学院，江苏 常州 213032；3.吉林大学 机械与航天航空工程学院，吉林 长春 130025)

引言

近年来，在生物仪器医疗领域[1-2]、实验室芯片[3-4]、药物输送系统[5-6]、微分析系统和电子产品冷却系统[7-8]、人工智能机器人等方面[9]，均需要流体泵来控制从微观到宏观流体的精确流动。压电泵因其结构简单、能耗低、输出流体易于精确控制、制作成本低等特点，在应用上具有其他结构流体泵不具备的优势。

回顾压电泵的发展史，最早关于压电泵研究的报道可以追溯到20世纪70年代，1978年SPENSER W J等[10]发表关于“电控压电胰岛素泵和阀”的文章，开始了压电泵的研究。此后，NARASAKI T[11-12]提出设计一个圆柱形泵腔，在泵的进出口安装2个截止阀，通过压电振子的振动产生容积变化实现压电泵的工作。早期关于多腔体压电泵的研究并不多，直到1990 年，日本SHOJI S等[13]采用两腔并联及两腔串联结构形式设计压电泵，用于构造集成式化学分析系统，开启了多腔体压电泵的研究。1995年，OLSSON A等[14]为了提高压电泵的输出流量，设计了双腔并联锥形管无阀压电泵，该并联压电泵2个腔体在空间排列上采用左右并列的结构形式，通过共同的进口槽和出口槽将2个腔体进出口连接在一起。此后，国外关于并联压电泵的研究更多集中在无阀压电泵上，而在结构形式上更多集中在双腔体上，关于其他结构形式的多腔并联压电泵没有相关报道。

国内关于并联压电泵的研究报道始于2004年，吴博达等[15]设计了收缩管/扩张管无阀双腔并联和四腔并联压电泵，该结构采用层与层叠加的方式形成腔体和收缩管/扩张管，使得泵体的径向尺寸减小；2005年，曾平等[16]设计了双腔有阀压电泵，泵在结构设计上采用左右并列结构，对2个振子在异步驱动和同步驱动上进行了输出性能试验，试验结果显示，异步驱动效果要好于同步驱动；2006年，阚君武等[17]采用悬臂梁阀设计了双腔并联压电泵，泵在结构设计上采用层与层叠加的方式，并在理论上说明2个压电振子异步驱动输出效果要好于同步驱动的原因；2009年，彭太江等[18]对双腔并联压电泵进行了研究，并提出并联泵需要进一步改进腔体结构，使压电泵工作在较高的频率点，以增加流量输出；2010年，姜德龙等[19]设计了带有伞形阀的双腔并联压电泵，采用压电双晶片对泵进行驱动，使泵的输出能力进一步提高。此后，国内学者对多腔并联压电泵进一步研究，HE Xiuhua等[20-21]分别设计了双腔并联和三腔并联无阀压电泵，腔体在空间的位置均采用并列的形式，而研究的重点更多集中在几何形状阀对压电泵性能产生的影响。

本研究采用“层叠”设计方式，设计一种四腔并联有阀压电泵，这种结构形式压电泵不仅可以大幅度提高压电泵对流体的驱动能力，还可以减少由于腔体个数增加而产生泵体体积增大；同时，对压电泵在多振子驱动情况下，振子之间的相位差对输出性能的影响进行了试验研究。

1 四腔并联压电泵结构设计

多腔体并联压电泵的设计在方法上通常采取两种形式：一种是腔体一字排开的方式，通过公共的进口槽(或孔)和出口槽(或孔)将各个腔体连接在一起，被称作“一字形”，优点是各个腔体在工作时比较独立，相互干扰较小，缺点是随着腔体数量的增加，公共进口槽和出口槽尺寸增加，输送液体时容易在槽内残存气泡，影响泵的稳定输出，另外，随着腔体数量的增加，泵的整体体积变大；另一种是腔体在空间上采用上下叠加的方式，通常被称作“层叠型”，优点是泵的整体结构比较紧凑，随着腔体数量增加，整体体积变化相对较小，缺点是各个腔体之间一般通过孔来连接，泵送液体时，容易在狭小的孔道中彼此产生干扰。

图1是“层叠型”四腔并联压电泵结构示意图。整个结构主要由5部分构成，即2个固定压电振子的压盖、2个带有腔体结构和被动截止阀的腔体结构板和1个中间隔板。整个压电泵是上下左右完全对称的结构，在每个固定压电振子的压盖上固定2个压电振子，以进行驱动；在每个带有腔体结构和被动截止阀的腔体结构板上安装进口阀和出口阀，通过俯视图(B-B)可看出，进口阀安装在泵腔内，而出口阀安装在出口槽内，阀体采用了伞形橡胶阀；在中间隔板上加工有进口孔和出口孔，孔的通道分别与腔体结构板上的进口槽与出口槽相连接，将上下两部分连在一起，并将进口管和出口管安装在中间隔板上，实现流体的流进与流出。

2 四腔并联压电泵输出能力理论计算

四腔并联压电泵在工作时，流体从进口槽通道流入，然后分别进入各个泵腔，经压电振子驱动后，向外界输出，在形式上相当于把多个单腔泵并在一起，各个腔在结构上相对独立。由于各个腔内的流体独立运动，其实际输出能力与电信号的驱动情况有关。在不同驱动情况下，由于各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。当工作性能不同的多个腔并联时，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，此时总的输出流量应为各腔体独立工作时输出流量之和，即:

1.泵腔 2.压电振子压盖 3.压电振子 4.腔体结构板5.隔板 6.进口阀 7.出口阀 8.密封圈 9.进口孔10.进口管 11.出口孔 12.出口管 13.出口槽14.进口槽 15.紧固螺栓图1 四腔并联压电泵结构示意图

(1)

对于每个腔的输出流量，Qi可由式(2)得到：

Qi=2ΔVif×60

(2)

式中, ΔVi—— 单个冲程泵腔容积变化量

f—— 泵工作频率

所能达到的最大输出压力为:

pout=max(p1,p2,p3,p4)

(3)

式中，p1，p2，p3，p4为各腔单独工作时的压力值。

3 试验测试

试验过程中选用的压电振子为基板直径35 mm、陶瓷直径29 mm的压电单晶片，压电陶瓷性能参数为：压电常数d31=171×10-12C/N，压电陶瓷泊松比vpzt=0.3，弹性模量Epzt=62.75 GPa；铜基板性能参数：vp=0.34，弹性模量Ep=117 GPa。

所用的主要试验测试设备有：GL-103B皂液式气体流量计，测量气体流量范围为5～5000 mL/min；调频正弦交流驱动电源，可调电压0～220 V，可调频率40～400 Hz；智能数字压力表，最小测量压力0.1 kPa；计时器等,如图2所示。

图2 试验中所用测试设备

在交变电压驱动下的多振子压电泵，如果各个振子在同一时刻使腔体容积同时增大或减小，这种驱动被称作同步驱动，反之则称为异步驱动。当振子处于不同驱动状态时，流体在腔内的流动状况会产生差异，因此会对泵的输出性能产生影响。

试验采用80 V正弦交流电驱动，在常温条件下以空气和水作为工作介质，电信号驱动频率在40～400 Hz之间。

图3是当用4个压电振子各自单独驱动时，输送液体水和空气时输出流量随频率变化曲线。4个泵腔输出性能比较接近，输出流量相差不大。从泵水的流量曲线看，在小于400 Hz频率范围内，会出现一个最佳工作频率点，约在160 Hz附近；而泵送气体时，泵送流量一直随频率的增加而增大。

图3 单个振子驱动时输出流量随频率变化曲线

图4是选用2个压电振子在不同驱动方式下，输出流量随频率变化曲线。可以看出，当泵送液体时，所选的2个压电振子异步驱动时的输出流量要远远好于同步驱动，这说明对于并联压电泵，液体交替进出泵腔的出流效果更好；而泵送气体时，驱动方式对流量输出几乎不产生影响。

图4 2个振子驱动时输出流量随频率变化曲线

图5是3个压电振子驱动的工作曲线，可以看出，当3个压电振子同步驱动泵送液体时，其输出效果和单个压电振子工作时比较接近，说明不同腔内的流体在输送过程中相互干扰比较严重，其中一部分输出被抵消；而输送气体流量几乎不受驱动方式影响。

图5 3个振子驱动时输出流量随频率变化曲线

图6是4个压电振子驱动时输出流量曲线。在泵送液体时，当4个振子同步工作时，几乎没有液体输出，而输出效果较好的驱动方式是振子1，3同步与2，4异步和振子1，4同步与2，3异步两种。结合图1压电泵的结构特点来分析不同位置振子驱动方式对输出效果影响，可以看出，当4个振子工作时，同一侧(指上侧或下侧)的2个振子在同一时刻为异步驱动时，这时输送液体的效果更好，分析其原因是此时同一侧两个腔内的流体交替流入和排出，可以避免流体在共同的出口槽内产生碰撞而产生能量损失；而泵送气体时，由于气体密度小，运动过程中动量较小，驱动方式对输出结果影响不大。

图6 4个振子驱动时输出流量随频率变化曲线

4 结果分析

通过单振子驱动、双振子驱动、三振子及四振子驱动的试验结果可以看出，当输送气体时，在40～400 Hz工作频率范围内，振子之间的驱动方式对输送结果几乎不产生影响，随着频率的增大，输出气体的流量一直增加，其原因可由文献[22]的研究成果进行解释，试验发现，压电泵在不同频率工作时，其振子振动的振幅变化并不明显，说明在不同频率下压电振子产生的容积变化量基本是相同的；有阀压电泵在高频下工作时单向阀会处于不完全关闭状态，这使压电泵工作定向出流主要靠阀片与阀座间距离变化所引起的流阻差来实现。这很好的解释了多腔压电泵输送气体时的试验现象，由于阀的不完全关闭状态，由式(1)和式(2)可以看出，泵的输出流量随着频率的增加而增加，又由于气体密度小，易于压缩和扩散性好，高速流动动量较小，相互碰撞产生的能量损失小，因此驱动方式的变化对输出流量几乎不产生影响，在相同驱动电压作用下，压电泵输出气体流量的大小仅和驱动频率有关。

泵送液体时，不管是多少个振子来驱动，泵的最佳工作频率均在160 Hz附近，这说明泵的结构形式和压电振子的性能参数确定后，压电振子的工作个数及驱动方式对该结构形式的四腔并联压电泵最佳工作频率产生影响不大。

从试验数据上看，泵送液体时，在最佳工作频率点，双振子驱动输出流量约为单振子驱动输出流量2倍，三振子驱动输出流量约为单振子驱动输出流量2.3倍，四振子驱动输出流量约为单振子驱动输出流量3.3倍，可见随着驱动振子数量的增加，输出流量并未随振子数量等倍数增加。这说明输送液体时，由于受流动阻力、阀的滞后性等因素影响，随着振子数量增加，净输出流量损失较大。

5 结论

通过对所设计的 “层叠型”四腔并联压电泵进行试验研究，得出以下结论：

(1) 四腔并联压电泵可以提高泵的输出流量，当输送气体时，不同振子数量驱动方式对输出流量多少不产生影响；输送液体时，振子间不同的驱动方式会对输出流量产生影响；

(2) 当用不同数量的振子进行驱动时，不管是驱动气体还是液体，在试验测试的工作频率段内，同单个振子输出流量比较，在大部分工作频率内，输出流量并不随驱动振子数量成等倍数增长；

(3) 多振子驱动时，同侧(指上侧或下侧)振子间异步驱动时输出流量的效果要好于同步驱动。