層疊型雙腔并聯壓電泵性能研究

陳 亮， 孫曉鋒， 林燕霞， 王盈學， 劉 勇

(1.長治職業技術學院機械電子工程系， 山西長治 046000； 2.常州工學院航空與機械工程學院， 江蘇常州 213032；3.吉林大學機械與航天航空工程學院， 吉林長春 130025)

引言

雙腔并聯壓電泵是多腔并聯壓電泵中最早開始研究的結構形式。1990年，SHOJI S等[1]為了構造集成式的化學分析系統，開始了并聯壓電泵的研究，這種并聯壓電泵采用壓電疊堆進行驅動，帶有單向截止閥，驅動2個壓電疊堆的電信號相位差相差180° ，屬于異步驅動。1995年，OLSSON A等[2]為了提高壓電泵的輸出流量，設計了雙腔并聯錐形管無閥四振子壓電泵，其中每個腔體具有一對錐形管進口閥和出口閥，并由2個壓電振子進行驅動，2個腔體之間“一”字形排列，由共同的進口槽和出口槽將2個腔體連接在一起，在異步驅動和同步驅動下進行輸出性能試驗，異步驅動時的輸出流量和輸出壓力為同步驅動時的2倍。2004年，KIM J H等[3]設計了由2個振子驅動的錐形管無閥壓電泵，其設計結構與文獻[2]設計的雙腔并聯泵相似，該壓電泵由矩形波交流電進行驅動，試驗測試結果顯示，隨著驅動電壓的增加，輸出流量也隨之增大。

國內學者關于雙腔并聯壓電泵的研究始于2004年，吳博達[4]設計了收縮管/擴張管無閥雙腔并聯壓電泵。曾平[5]和闞君武[6]分別設計了雙腔并聯有閥壓電泵，由于被動截止閥的應用，使泵在輸送時截止性能增強，輸出流量和輸出壓力進一步增加。

近年來，關于并聯壓電泵的研究，在結構設計上已經從傳統的“一”字形結構[7-8]發展到層疊型結構[9-11]設計，使并聯壓電泵的結構更加緊湊，內部流道變短，極大減小了泵工作時的流動阻力，提高了輸出性能。

本研究對層疊型雙腔并聯壓電泵的結構進行了進一步優化設計，在通孔上設計了隔板結構，把這種結構的輸出性能同早期結構進行了比較，并通過試驗對雙腔并聯壓電泵的輸出理論問題進行了驗證。

1 雙腔并聯壓電泵結構

改進后的層疊型雙腔并聯壓電泵在通流板出口端通孔上設計了隔板，如圖1所示，隔板的作用是避免兩腔內流體排出時在通孔內正向碰撞而產生能量損失，影響泵的輸出結果。

層疊型雙腔并聯壓電泵是上下完全對稱結構，在中間通流板上設計有泵進出口通道。早期設計的通流板結構如圖2a所示，這種結構的通流板使流體進入上下2個腔體后，在向出口排出時，兩股流體在通孔內會產生正向碰撞，由此發生能量損失。圖2b所示通流板結構是在出口處的通孔增加隔板，使上下腔內排出的流體直接進入出口，避免了正向碰撞發生。

圖1 層疊型雙腔并聯壓電泵結構Fig.1 Structure of stacked double-chamber parallel piezoelectric pump

圖2 不同結構通流板Fig.2 Different structural flow plates

2 雙腔體并聯泵的輸出特性

雙振子壓電泵并聯時，2個腔內的流體獨立運動，其輸出能力與電信號的驅動情況有關。當2個壓電振子在一個振動周期T內振動時，腔內流體流入和流出泵腔的狀況，如圖3所示，圖中箭頭表示同一時刻流體的流動。

圖3 電信號不同驅動方式下泵腔容積變化情況Fig.3 Volume change of pump chamber under different driving modes of electrical signal

當電信號同步驅動時，以一個工作周期進行分析，如圖3a所示，流體進入2個腔體和從2個腔體排出是同時進行的，總的輸出流量理論上應為2個腔體獨立工作時輸出流量之和：

Qout=Q1+Q2

(1)

式中，Q1和Q2為2個腔體單獨工作時的輸出流量。

但是在實際工作時，從排出過程的原理圖可以看出，2個腔內流體流動時會存在相當大的回流量，因此實際流量可能要遠遠小于理論值。

所能達到的最大輸出壓力為：

pout=max{p1,p2}

(2)

式中，p1和p2為2個腔體單獨工作時的輸出壓力。

當電信號是異步驅動時，由圖3b可以看出，流體進入一個泵腔時，另一個泵腔內的流體正在排出，兩腔內流體在排出過程中可以避免碰撞的發生，回流現象不明顯，此時的輸出流量為：

Qout=Q1+Q2

(3)

輸出的壓力與串聯泵的輸出壓力情況相同，理論上應為：

pout=p1+p2

(4)

3 試驗測試分析

3.1 輸出性能比較

試驗條件：驅動振子為壓電單晶片，基板為銅基板，厚度0.2 mm，直徑35 mm；壓電陶瓷為PZT-5A，厚度0.2 mm，直徑29 mm。驅動電壓為110 V正弦交流電，工作頻率40～400 Hz。試驗裝置有驅動電源、計時器、壓力表、皂液式氣體流量計、天平、燒杯等，如圖4所示。

圖4 試驗裝置Fig.4 Test apparatus

試驗介質：水和空氣，分別以水和空氣為介質，對帶有隔板和沒有隔板的層疊型雙腔并聯壓電泵的輸出性能進行測試，獲得2種結構形式的雙腔并聯壓電泵輸送氣體的流量曲線，如圖5所示。

圖5 電信號不同驅動方式下輸出氣體流量曲線Fig.5 Output gas flow-rate under different driving modes of electrical signal

從圖5中可以看出，不管是同步驅動還是異步驅動，隔板的存在對輸出氣體流量影響極小，其原因是氣體密度小，黏度也小，氣體間發生相互碰撞時能量損失相對較小，因此隔板是否存在對氣體流量輸出影響不大。

圖6 電信號不同驅動方式下輸出液體流量曲線Fig.6 Output liquid flow-rate under different driving modes of electrical signal

另外同步驅動輸送液體時，泵的工作性能和單腔泵[12]的工作性能比較相似，最佳工作頻率點較低，而且當工作頻率超過160 Hz時，幾乎沒有液體流出。

從壓電泵的工作原理上看，在相同頻率驅動下，腔體容積的變化量大小決定輸出流量大小，而在同步驅動和異步驅動下，產生的腔體容積變化量是相同的，而之所以產生不同的輸出結果，其原因可能有以下兩方面：一方面，同步工作時對稱性的輸出影響了閥的開啟；另一方面，文獻[13]研究表明，壓電泵出流應當包括兩部分：一部分由腔體容積變化產生，可稱為容積流，另一部分是慣性流。慣性流是指壓電泵在排程末時會使泵腔內出現一定的負壓，促使入口閥打開，流體從入口直接流向出口，形成出流，因此將這種因慣性而形成的出流稱為慣性流。慣性流在壓電泵的總輸出中占有多大比重尚不確定，但同步驅動時并聯壓電泵的有效工作頻率較低，輸出流量較小，而在異步驅動時有效工作頻率較高，輸出流量增大，說明慣性流在高頻工作時可能是壓電泵流量輸出很重要的部分。

不管是哪種驅動方式，隔板的存在都會在一定程度上緩解正面碰撞產生的能量損失，使輸出液體流量有所提高。尤其在異步驅動時，隔板存在還會有效阻止一個腔體內流體向另一個腔體內的回流。

圖7是輸送液體水時的輸出壓力曲線。同步驅動時隔板的存在對輸出壓力幾乎沒有產生影響，而當異步驅動時，帶有隔板會提高輸出壓力。

圖7 電信號不同驅動方式輸出液體壓力曲線Fig.7 Output liquid pressure under different driving modes of electrical signal

3.2 輸出理論的試驗驗證

雙腔并聯壓電泵的總體輸出能力和單個壓電振子輸出能力的關系，會隨著2個振子的驅動方式不同而產生差異，其理論關系如式(1)～式(4)，試驗中測試了2個振子單獨工作時的輸出流量和輸出壓力，將其計算結果和2個振子同時工作時結果進行比較。

圖8是單振子驅動和2個振子同時驅動時輸送氣體流量曲線。從結果來看，2個單個振子進行驅動時所得輸出流量之和與2個振子同時工作時的輸出流量幾乎完全相同，并且驅動方式對2個振子的輸出結果也幾乎沒有影響。這說明當輸送氣體時，理論式(1)、式(3)是完全正確的。

圖8 單振子驅動和雙振子驅動時輸出氣體流量曲線Fig.8 Graph of output gas flow-rate drived by single-vibrator or double-vibrator

圖9是不同數量振子輸送液體流量曲線。當2個振子同步驅動時，輸出效果很差，驅動頻率超過160 Hz 時幾乎不再工作，且在大部分工作頻率下，其輸出流量比單個振子驅動輸出流量還差。這種情況下的輸出結果與式(1)已存在相當大的誤差，式(1)不再滿足實際輸出狀況。而當異步驅動時，2個振子同時工作時的實際輸出流量約為2個單個振子進行驅動時所得輸出流量加和的1.4倍，與理論式(3)也存在一定誤差，這說明前面闡述的壓電泵輸出流量是由體積流和慣性流兩部分組成是正確的。因為只有體積流的存在，才有可能出現這樣的試驗結果。

圖9 單振子驅動和雙振子驅動時輸出液體流量曲線Fig.9 Graph of output liquid flow-rate drived by single-vibrator or double-vibrator

圖10是不同數量振子驅動時輸出壓力曲線。2個振子同步工作時，驅動頻率超過160 Hz時沒有流量輸出，因此也不能再輸出壓力，但在有效工作頻率范圍內，其輸出壓力值和單振子工作時的輸出壓力值比較接近，也驗證了理論式(2)的正確性。當2個振子異步工作時，輸出壓力值整體好于單振子工作；當工作頻率大于140 Hz時，其輸出壓力值比2個單振子獨立工作時輸出壓力之和略大，但比較接近。

圖10 單振子驅動和雙振子驅動時輸出液體壓力曲線Fig.10 Output liquid pressure drived by single-vibrator or double-vibrator

4 結論

通過對帶有隔板的層疊型雙腔并聯壓電泵進行試驗測試，得出如下結論：

(1) 出口通孔處隔板的存在，可以提高該結構壓電泵輸送液體時的性能；

(2) 當工作介質為氣體時，不管是同步驅動還是異步驅動，2個振子同時工作時輸出流量為2個振子各自單獨工作時輸出流量之和；

(3) 當工作介質為液體時，在2個振子同步驅動時輸出流量出現小于單個振子工作時的輸出流量情況，而異步驅動輸出流量約為2個單個振子工作時的輸出流量和的1.4倍；

(4) 當工作介質為液體時，同步驅動時輸出壓力為單個振子工作時輸出壓力的最大值，而異步驅動當工作頻率大于140 Hz時，輸出壓力與2個振子單獨工作時輸出壓力之和基本接近。