壓電泵用被動截止閥的發展

孫曉鋒，楊立奇，于文鑫，祝明威，接 勐

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

壓電泵的發展是伴隨著泵用被動截止閥的研究而發展起來的.眾所周知，壓電泵由于受其工作原理的限制，壓電振子振動時使工作閥兩側產生的壓差非常小，因此要求工作閥的開啟壓力不能太大，否則閥會因打不開而不能工作.壓電泵根據是否帶有截止閥分為有閥壓電泵和無閥壓電泵，其中有閥壓電泵又可分為主動閥壓電泵和被動閥壓電泵，主動閥壓電泵因為需要額外的閥控制原件，使壓電泵在結構設計上變得相對復雜，而被動閥壓電泵閥的設計大多都采用薄片結構，這樣不僅使泵的結構簡單，還可保證閥在壓電振子的驅動下以較小壓力就能打開使壓電泵正常工作.下面就幾種常用壓電泵用閥進行介紹.

1 懸臂梁閥

懸臂梁閥[1-4]的工作原理非常簡單，不論閥的設計形狀什么樣，在安裝上都是一端固定，一端與泵的進出口接觸.在工作的時候，和泵進出口接觸的部分在壓差作用下發生偏移，實現控制流動方向.在加工材質上多采用硅雕刻或者彈性較好金屬薄片雕刻.圖1(a)是由硅雕刻加工的懸臂梁閥，此種懸臂梁閥是由兩個硅片粘結在一起構成，上面的部分是懸臂的執行部分，下面是通流孔部分，因為硅具有極好的機械強度，因此能夠使懸臂部分產生連續的偏移讓流體通過.為保證閥的工作精度，在加工過程中膠的粘結、硅的表面處理及雜物清理都是影響閥工作性能的關鍵.圖1(b)和(c)是由金屬薄片加工的懸臂梁閥.因為壓電泵的工作環境比較復雜，比如工作介質溫度較高，或具有一定的腐蝕性，因此閥的材質要根據實際需要進行選擇.圖1(b)所示的懸臂梁閥由三層結構組成，中間體部分將兩閥隔開形成進出口閥.圖1(c)所示的懸臂梁閥是由0.05～0.07 mm厚的鈹青銅加工而成，安裝方法是將兩個閥粘結在一起形成進出口閥.

圖1 懸臂梁閥

懸臂梁閥的優點在于結構簡單，易于加工.缺點是閥的開啟度大小受懸臂長度影響，懸臂越長則閥的開啟度越大，但長度過長會影響閥的反向截止性.

2 平板閥

平板閥[5-9]同懸臂梁閥比較，在安裝上是周邊固定，這種固定形式使閥的執行部分比較平整，實現閥與泵出流孔平面之間的緊密接觸，提高了閥的反向截止性.圖2是不同結構的幾種平板閥.中間平板也就是閥片(flap)是閥的執行部分，與出流孔的所在平面接觸，閥片四周都與閥臂相連接，閥臂起到彈簧梁的作用，提供閥工作時的恢復力，其中圖2(b)在中間閥片部分又加了十字筋結構以加強閥的承載能力.最外周是固定環，可通過粘結等方式將閥固定在泵腔內.

圖2 平板閥

平板閥的最大優點是閥的執行部分閥片受力均勻，提高了閥的反向截止性.不利之處是有的結構加工起來比較復雜，閥臂的彈簧力太大會使閥開啟困難，長期工作使閥臂變形而導致閥片部分不再平整，影響閥的截止效果.

3 蝶閥與“V”型閥

蝶閥[10,11](dual cantilever valve)的工作原理與懸臂梁閥的工作原理相似如圖3(a)所示，只是每個這種形式的閥都包含兩個懸臂部分和一個出口間隙，因兩個懸臂成對出現，像蝴蝶一樣，故稱蝶閥.蝶閥的缺點是閥的加工工藝比較復雜，優點是可把進口閥和出口閥在一個基板上加工而成.

圖3(b)是“V”閥(bivalvular valve)的結構圖，這種結構形式的閥的執行部分是一對可產生變形的閥翼，依靠壓差將閥翼打開，剖面形如“V”型.“V”閥優點是閥的執行部分直接在硅層上加工而成，不需要膠結，缺點是一對閥翼之間存在縫隙，在工作時容易產生泄露.

圖3 蝶閥與“V”型閥

4 其它結構用閥

隨著壓電泵研究的不斷發展，對閥的要求也越來越高.能夠承載很大的輸出壓力，在較高的頻率下仍然能夠很好工作的陣列結構閥[12,13]隨之出現.這種形式的閥的承載壓力可以達到10 MPa，工作頻率也高達10 kHz.圖4就是兩種結構形式的陣列閥，通常情況下，這種閥都安裝在疊堆驅動的壓電泵中，因為疊堆壓電泵往往輸出壓力較大，因此要求閥具有較高的承載能力.

圖4 陣列閥

5 結 論

文中通過對壓電泵用閥的結構特點進行介紹，得出以下結論：

(1) 因壓電泵腔體容積變化時作用在閥兩側的壓力較小，因此在閥設計上必須保證開啟壓力較小；

(2) 壓電泵用閥在結構上基本選擇薄片結構，方便在泵腔內狹小的空間安裝并易于開啟；

(3) 平板閥在安裝時因固定的周邊均勻受力，截止性能更好，因此在壓電泵的設計中被較多采用.