泵腔結構參數對壓電氣泵性能影響

賀春山，李沈芳，劉金龍，林佳穎，侯 俊，田曉超 (長春大學 機械與車輛工程學院，吉林 長春 130022)

0 引言

壓電泵是近些年新興發展起來的流體輸送泵[1]，其具有高位移分辨率，定位精度高，體積小，無磁干擾，輸出力大，能耗低及響應速度快等優點，在藥物輸送領域、航空航天、微精密機械及微電子等領域具有廣泛的應用[2-6]。由于壓電振子的輸出能力有限，導致壓電泵系統輸出流量小，輸出壓力低，滿足不了實際應用需求。因此，國內外學者通過研究影響壓電泵性能的泵腔及其他結構參數，優化壓電泵的結構，以提高壓電泵的輸出性能[7-8]。

Moradi-Dastjerdi等[9]為了提高壓電泵的流速和輸出壓力，采用無源聚合物膜制成了新型柔性隔膜，分析了隔膜的結構參數對壓電泵性能的影響，表明膜片厚度在設計壓電泵的動態響應中起著重要作用。文獻[10]通過在壓電隔膜泵的泵腔中引入導向肋結構，提高了壓電隔膜泵的輸出流量，使輸出流量最高達196 mL/min。文獻[11]通過模仿魚游動姿態研制出仿魚尾擺動式無閥壓電泵，將矩形壓電振子放在泵腔內部來驅動流體輸送，流量最大可達266 mL/min。文獻[12-13]通過研究泵腔數量對壓電泵輸出性能的影響，先后設計了多腔串聯和多腔并聯的壓電泵，使壓電泵的輸出壓力和流量明顯增強。

為了探究泵腔結構參數對壓電氣體隔膜泵性能的影響，本文設計了一種壓電氣泵腔體結構，分析了不同結構參數對氣體隔膜泵輸出性能的影響，并進行了系統的實驗測試。這為壓電氣體微泵的腔體設計提供了理論參考。

1 腔體結構設計

圖1為泵腔結構示意圖。圖中，上、下腔體通過緊固螺栓連接構成密閉泵腔。上腔體下表面開有環形凹槽，用來放置O型密封圈以保持泵腔的氣密性；上腔體設有兩個沉頭孔，孔的上端通過環氧樹脂膠粘接進、出氣孔，沉頭孔的下端使用環氧樹脂膠粘接單向閥底座。單向閥采用傘形閥結構，并與單向閥底座的中間孔連接。在上、下腔體的連接處固定有彈簧片，并通過O型密封圈固定；金屬膜片下表面通過環氧樹脂膠與立柱粘接。

圖1 泵腔結構示意圖

圖2為泵腔工作原理。當施加交變信號時，壓電振子會產生周期性的上下往復振動，驅動系統發生振動，當外界激勵的頻率接近系統的固有頻率時，系統會發生共振，并將壓電振子的振幅放大后作用到泵腔金屬膜片上。腔體是一個密閉空間，當金屬膜片向下振動時，腔體容積變大，腔體的內部氣壓減小，外界氣壓大于腔內氣壓入口傘形閥開啟，氣體吸入。當金屬膜片向上振動時，腔體容積變小，腔體的內部氣壓增大，腔內氣壓大于外界氣壓出口傘形閥開啟，氣體排出。由此氣體吸入-排出往復實現氣體單向流動。

圖2 泵腔工作原理圖

2 泵腔理論分析與仿真

2.1 泵腔理論分析

圖3為腔體內部參數示意圖。圖中，p1、p2分別為泵腔變化前、后的壓強，p3為單向閥的開啟氣壓，h為腔體高度(即腔高)，ΔV為腔體體積變化，V3為出口氣體流速，d為進出直徑，r為泵腔半徑。

圖3 腔體內部結構參數圖

金屬膜片振動一個周期，腔體體積從V1變為V2，腔體內壓強從p1變為p2，則：

(1)

式中：T1為壓縮前的氣體溫度；T2為壓縮后的氣體溫度。

當隔膜泵處于工作狀態時，氣體壓強為

pV=nRT

(2)

式中：p為腔內壓強；V為腔內體積；n為物質的量；R為氣體常數；T為絕對溫度。

設腔體內瞬時氣壓為瞬時狀態下氣體物質的量，則：

nR=p[V1-bsin(x-Δt)]-ΔvcpΔt

(3)

式中：Δv為氣體排出速度；c=(d/2)2bπ為開口面積，b為金屬膜片的最大振幅；bsin(x-Δt)為金屬膜片隨著正弦信號驅動的體積變化。

p={p[V1-bsin(x-Δt)]-ΔvcpΔt}/

(V-bsinx)

(4)

引入伯努利方程：

(5)

式中：hw為壓力損失；pa為標準大氣壓；v3為氣體的出口流速；vt=0為氣體初始流速，大氣壓可視為處處相等。

聯立式(4)、(5)可得：

(6)

出口氣體的流速為

(7)

2.2 仿真分析

2.2.1 腔高對氣泵性能的影響

仿真選取腔體半徑為25 mm，初始壓強為10 100 Pa，氣體密度為1.293 kg/m3。通過Matlab仿真分析得出不同腔高與腔體內的瞬時氣壓、氣流速度、氣體流量的影響，如圖4～6所示。

圖4 腔高對瞬時氣壓影響

圖5 腔高對氣流瞬時速度的影響

圖6 腔高對流量的影響

由圖4可知，腔高為1～6 mm時，腔內氣壓可達到閥門開啟氣壓(105 000 Pa)，系統正常工作。當腔高大于6 mm，腔體內瞬時氣壓逐漸減小，小于閥門開啟氣壓，系統不能正常工作。由圖5可知，當腔高為1～7 mm時，腔高與瞬時速度呈線性關系，氣體瞬時速度隨著腔高的增加不斷減小。當腔高大于7 mm時，氣體流速為0，系統不能正常工作。由圖6可知，當腔高為1～7 mm時，腔高與氣體流量呈線性關系，氣體流量隨著腔高的增加不斷減小。

2.2.2 氣孔直徑對氣泵性能的影響

不同進-出氣孔直徑對腔體內的瞬時氣壓、氣流速度及氣體流量的影響，如圖7～9所示。

圖7 氣孔直徑對腔體內瞬時氣壓的影響

圖8 氣孔直徑對氣流瞬時速度的影響

圖9 氣孔直徑對流量的影響

由圖7可知，氣孔直徑在?2 mm前變化幅度較大，腔體內瞬時氣壓隨著氣孔直徑的增大而減小，且遠高于開啟氣壓(105 000 Pa)，系統正常工作。當氣孔直徑大于?2 mm后，腔體內氣壓趨于平穩。由圖8可知，氣孔直徑與瞬時速度呈線性關系，氣體瞬時速度隨著氣孔直徑的增加不斷減小，最后瞬時速度趨近于0。由圖9可知，氣體流量隨著氣孔直徑的增加而增大，當氣孔直徑小于?2 mm時，流量隨氣孔直徑的變化量較大；當氣孔直徑大于?2 mm時，流量的變化量較小，最后趨近平穩。

3 實驗測試

結合理論分析與仿真結果分析，制作了5種不同腔體結構參數的樣機，測試不同腔高與氣孔直徑對氣體隔膜泵輸出流量的影響，搭建了試驗測試平臺如圖10所示。泵腔主要結構參數如表1所示。

圖10 壓電氣體隔膜泵試驗裝置圖

表1 泵腔結構參數

分別對5種不同樣機對應的壓電氣體隔膜泵進行輸出流量測試，結果如圖11所示。

圖11 理論流量與實際流量對比曲線

由圖11可知，實際流量與理論流量的曲線相吻合，但實際流量值略小于理論流量值，這是由于樣機在制作和實驗環境中存在誤差。由圖還可知，腔高越低，壓電氣泵工作的流量越高，當腔高為3 mm時，輸出流量最大(為3 400 mL/min)。輸出流量的大小隨著氣孔直徑的增大而增大，但氣孔直徑越大，輸出流量增幅越小。

4 結束語

為了探究泵腔結構參數對壓電氣體隔膜泵性能的影響，設計了一種壓電氣體隔膜泵的泵腔結構。通過理論仿真和實驗測試得出腔高與氣孔直徑對氣泵性能的影響。對不同腔高和氣孔直徑的壓電氣泵輸出流量進行測試，測試結果與仿真結果相吻合，驗證了理論分析的合理性。泵腔作為氣泵的重要組成部分，其性能的影響因素較多，如腔體直徑、彈性膜片剛度、單向閥結構及動態特性等，還需進行大量的理論和實驗研究。