傘狀浮動閥壓電泵的設計與試驗

摘要：針對球閥壓電泵輸出性能不佳和傘閥壓電泵易于疲勞失效的問題，基于球閥的浮動式工作原理和傘閥的結構特征，設計了一種性能優良且不易疲勞失效的傘狀浮動閥壓電泵。制作了傘狀浮動閥壓電泵與球閥壓電泵的樣機，測試分析了兩種泵的輸出性能。研究結果表明，當驅動電壓為300 V（峰峰值）時，傘狀浮動閥壓電泵的最大流量和最高壓力差均優于球閥壓電泵。對傘狀浮動閥壓電泵進行了雙入口結構改進，試驗對比了雙入口與單入口傘狀浮動閥壓電泵的輸出性能。試驗結果表明，在驅動電壓300 Vpp下，雙入口傘狀浮動閥壓電泵的最大流量和最大壓力差分別為121.66 g/min和7.71 kPa，較單入口傘狀浮動閥壓電泵分別提高17.23%和32.93%。

關鍵詞：球閥；傘狀浮動閥；壓電泵；流量；壓力差

中圖分類號：TH38；TN384

DOI：10.3969/j.issn.1004 132X.2024.11.008

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and Tests of Piezoelectric Pumps with Umbrella Floating Valves

YAN Tianxiang^1，2 SONG Jianxiang^1，2 NI Hui^1，2 LI Xianxuan^1，2 CHEN Hucheng3

1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Automation Technology（Guilin University

of Technology），Education Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Guilin，

Guangxi，541006

2.School of Mechanical and Control Engineering，Guilin University of Technology，Guilin，

Guangxi，541006

3.School of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，

Guilin，Guangxi，541004

Abstract： Aiming at the problems including the poor output performance of piezoelectric pumps with ball valve and the easy fatigue failure of piezoelectric pumps with umbrella valve， a piezoelectric pump with umbrella floating valve was designed based on the floating working principle of ball valve and the structure feature of umbrella valve that had excellent performance and was not easy to fatigue failure. The prototypes of piezoelectric pump with umbrella floating valve and piezoelectric pump with ball valve were made， and the output performances of two pumps were tested and analyzed. The results show that when the driving voltage is as 300 V（peak-to-peak value）， the maximum rate of flow and maximum pressure difference of piezoelectric pumps with umbrella floating valve are better than those of piezoelectric pumps with ball valve. The double-inlet structure improvement of piezoelectric pumps with umbrella floating valve was carried out， and the output performances of double-inlet and single-inlet piezoelectric pumps with umbrella floating valve were compared by tests. The testing results show that the maximum rate of flow and maximum pressure difference of double-inlet piezoelectric pumps with umbrella floating valve are as 121.66 g/min and 7.71 kPa at a driving voltage of 300 V， which are 17.23% and 32.93% higher than those of single-inlet piezoelectric pumps with umbrella floating valve， respectively.

Key words： ball valve； umbrella floating valve； piezoelectric pump； rate of flow； pressure difference

0 引言

壓電泵是一種利用逆壓電效應使壓電振子產生機械形變來改變泵腔內壓力，利用壓力差來驅動液體或氣體流動的流體輸送裝置^［1-4］。壓電泵將驅動件、傳動件和腔體結合為一體，具有體積小、耗能低、抗電磁干擾和流量易控等優點，廣泛應用于芯片液冷^［5］、化學試劑分析^［6］和臨床激素注射^［7］等領域。根據泵腔內有無運動閥體可將壓電泵分為有閥壓電泵^［8-9］和無閥壓電泵^［10-11］。無閥壓電泵是利用非對稱流管或泵腔結構的正反向流阻差來實現流體宏觀上的單向流動，存在流量小和壓力差低的問題，導致該類泵的應用范圍受限^［12］。有閥壓電泵是利用單向閥的交替開啟和關閉來驅動流體流動，流量大且壓力差高^［13］。

近年來，國內外學者對有閥壓電泵進行了廣泛研究，提出了多種閥體結構的有閥壓電泵。YE等^［14］設計了一種懸臂梁閥壓電泵，懸臂梁閥結構簡單，但易于疲勞失效且截止性差。YE等^［15］提出了一種雙端固支閥壓電泵，核心是將懸臂梁閥的兩端進行固定，該閥經反復變形后易不平整，使用壽命短。HE等^［16］設計了一種三腔串聯輪式閥壓電泵，輪式閥截止性好，但結構復雜，長期工作易使閥臂變形而不平整，影響閥的截止效果。PAN等^［17］提出了一種球閥壓電泵，球閥結構簡單，但截止性不佳，導致泵的輸出性能一般。PENG等^［18］設計了一種多腔傘閥壓電泵，傘閥截止性好，但反復開啟和關閉后容易產生疲勞失效，導致截止性變差。

針對球閥壓電泵輸出性能不佳和傘閥壓電泵易于疲勞失效的問題，基于球閥的浮動式工作原理和傘閥的結構特征，本文提出了一種傘狀浮動閥壓電泵。首先闡述傘狀浮動閥壓電泵的結構和工作原理，從理論上分析閥的工作條件和泵的輸出性能；然后制作傘狀浮動閥壓電泵與球閥壓電泵的樣機，通過試驗分析兩種泵的輸出性能；最后，對傘狀浮動閥壓電泵進行雙入口結構改進，試驗對比雙入口與單入口傘狀浮動閥壓電泵的輸出性能。研究結果驗證了傘狀浮動閥壓電泵的輸出性能優于球閥壓電泵的輸出性能，雙入口結構改進使傘狀浮動閥壓電泵輸出性能進一步得到提升。

1 結構及工作原理

圖1a為傘狀浮動閥壓電泵的爆炸圖，它由螺栓、泵蓋、密封圈、壓電振子、出口孔板、入口格柵、傘狀浮動閥、泵體和螺母等組成。圖1b為出口孔板、入口格柵和傘狀浮動閥等流道部件及泵體的結構圖。出口孔板包含通水的圓孔、傘狀浮動閥軸向上浮限位的擋板及限制傘狀浮動閥徑向位移的環形凸緣，入口格柵包含4個通水的細孔、傘狀浮動閥軸向上浮限位的十字擋板及限制傘狀浮動閥徑向位移的環形凸緣，傘狀浮動閥包含傘膜和傘柄。泵體包含入口流道、泵腔和出口流道，入口流道設有傘狀浮動閥軸向下浮限位的下臺階、放置入口格柵的上臺階及放置傘狀浮動閥的空心圓柱，出口流道設有放置出口孔板的臺階和放置傘狀浮動閥的空心圓柱。

圖2為傘狀浮動閥壓電泵的工作原理圖。在流入階段，壓電振子產生向上的形變，泵腔內體積增大導致壓力減小，入口流道的傘狀浮動閥向上浮動至入口格柵處，液體經入口格柵的細孔流入泵腔，出口流道的傘狀浮動閥向上浮動至出口孔板處，堵住出口孔板的圓孔，防止液體從出口流道流入泵腔，如圖2a所示。

在流出階段，壓電振子發生向下的形變，泵腔內體積減小導致壓力增大，入口流道的傘狀浮動閥下沉遠離入口格柵，抵至入口流道下臺階并與之貼合，防止泵腔內液體從入口流道流出，出口流道的傘狀浮動閥下沉遠離出口孔板，與出口孔板產生間隙，泵腔內液體經出口孔板的圓孔后從出口流道流出，如圖2b所示。在正弦電壓作用下，傘狀浮動閥的上下浮動使入口流道和出口流道不斷開啟和關閉，從而實現了液體的單向輸送。傳統傘閥是利用傘膜的反復變形來實現閥的開啟和關閉^［19］，容易導致傘閥的疲勞失效。與傳統傘閥相比，由于傘狀浮動閥的運動形式為上下浮動而非依靠傘膜變形，因而能有效避免傳統傘閥變形產生的疲勞失效。

2 理論分析

2.1 閥的工作條件

壓電泵的輸出性能在很大程度上依賴于閥的工作性能，當泵腔內外產生的最大壓力差大于閥臨界開啟壓力時，閥才能夠開啟工作。定義壓電泵在每個工作周期內泵腔體積的最大變化量ΔVm與泵腔初始體積V0的比值為壓縮比ε，則其表達式為^［19］

ε=ΔVmV0（1）

泵腔體積變化時，設泵腔內外產生的最大壓力差為|Δpm|，閥臨界開啟壓力為|pcrit|，則壓電泵能夠工作必須滿足

|Δpm|gt;|pcrit|（2）

壓電泵輸送的流體介質為液體時，液體壓縮系數β可表示為

β=－ΔVm/V0Δpm（3）

聯立式（1）～式（3）可得，壓電泵輸送液體時的閥臨界開啟壓力必須滿足

|pcrit|lt;εβ（4）

2.2 泵的輸出性能

對壓電泵的壓電振子施加正弦電壓時，其變形曲面近似旋轉拋物面，以壓電振子的中心為原點、半徑方向為極軸、振動方向為縱坐標建立極坐標系，則壓電振子運動到最大振幅時各點的位移可表示為^［20］

ω（r）=ωm（1－r2/R2）（5）

式中，ωm為壓電振子中心的最大運動位移；r為壓電振子上各點到其中心的距離；R為壓電振子的半徑。

由壓電方程可知，在每個工作周期內壓電振子中心的最大運動位移為^［21］

ωm=3d31UR22t2（6）

式中，d31為壓電常數；t為壓電振子的厚度；U為壓電振子的驅動電壓。

通過積分可得壓電泵在每個工作周期內泵腔體積的最大變化量為

ΔVm=2π∫R0ω（r）rdr=πωmR22=3πd31UR44t2（7）

由文獻［18］和式（7）可得，壓電泵的流量q和壓力差Δp分別為

q=2CvΔVmf=3Cvfπd31UR42t2（8）

Δp=12ρ（qCdA）2=9ρC2vf2π2d231U2R88C2dA2t4（9）

式中，Cv為閥的響應系數，即閥對泵腔體積變化的延遲響應；f為壓電振子的驅動頻率；ρ為流體密度；Cd為流量系數；A為通流面積。

由式（8）、式（9）可知，壓電泵的流量及壓力差與驅動電壓有關，驅動電壓越大，壓電泵的流量越大且壓力差越大。

3 試驗研究

3.1 性能對比

為比較傘狀浮動閥壓電泵和球閥壓電泵的輸出性能，本文進行了樣機制作與性能測試。圖3所示為兩種泵的內部腔體結構，其泵腔直徑D和高度H均分別為29 mm和1 mm。圖3a中，傘柄的直徑和長度分別為1.5 mm和2.8 mm，傘膜的直徑和厚度分別為7 mm和0.5 mm，其余腔體的結構尺寸見表1。圖3b中，球閥壓電泵的流道內部包含格柵、球形流道和球閥，主要腔體的結構尺寸見表1。除傘狀浮動閥外，泵體和流道部件均使用光固化3D打印機進行加工，打印材料為光敏樹脂，打印精度為0.05 mm。傘狀浮動閥采用注塑工藝制作^［22］，材料為食品級硅膠。兩種泵樣機使用相同的壓電振子，由直徑分別為35 mm和25 mm的銅基底和壓電陶瓷片構成。

圖4為壓電泵的流量測試裝置圖。信號發生器產生正弦驅動電壓，功率放大器對驅動電壓進行放大，其調節范圍為0～300 V（電壓峰峰值），平口鉗夾持壓電泵，燒杯盛裝實驗用的去離子水，電子秤稱重壓電泵輸送的液體，其精度為0.01 g。

圖5所示為驅動頻率10 Hz時，傘狀浮動閥壓電泵和球閥壓電泵的流量與驅動電壓的關系。由圖5可知，兩種泵的流量均隨驅動電壓的升高而增加，在相同驅動電壓下傘狀浮動閥壓電泵的流量均高于球閥壓電泵的流量。當驅動電壓較低時，兩種泵的流量變化不明顯，這是由于此時壓電振子的形變較小，泵腔體積變化不大，閥未完全開啟。當驅動電壓為150 V時，傘狀浮動閥壓電泵開始有較明顯的流量，而球閥壓電泵的流量仍不太明顯，說明與球閥相比，傘狀浮動閥的臨界開啟壓力更小，更容易開啟。

圖6所示為驅動電壓300 V時，傘狀浮動閥壓電泵和球閥壓電泵的流量與驅動頻率的關系。由圖6可知，兩種泵的流量均隨驅動頻率的提高先增大后減小。當驅動頻率較低時，提高驅動頻率使閥的響應加快，從而導致流量增大；隨著驅動頻率繼續提高，閥的響應跟不上泵腔體積變化，流量開始逐漸減小。當驅動頻率為14 Hz時，球閥壓電泵的最大流量為46.12 g/min，傘狀浮動閥壓電泵的最大流量為103.78 g/min，較球閥壓電泵得到了明顯提高，這是由于傘狀浮動閥較球閥更容易開啟，與圖5的分析一致。

圖7為壓電泵的壓力差測試裝置圖。U形壓力計通過液面高度差h計算壓電泵的壓力差，其量程為0～10 kPa，精度為10 Pa。

圖8所示為驅動電壓300 V時，傘狀浮動閥壓電泵和球閥壓電泵的壓力差與驅動頻率的關系。由圖8可知，當驅動頻率為13 Hz時，球閥壓電泵的最大壓力差為4 kPa，當驅動頻率為11 Hz時，傘狀浮動閥壓電泵的最大壓力差為5.8 kPa，明顯優于球閥壓電泵，這是由于傘狀浮動閥的反向截止性更好，減少了回流，從而增大了壓電泵的壓力差。

3.2 雙入口結構改進

由文獻［23］可知，雙入口傘閥壓電泵通過增加入口個數來增大入口截面積，有效提高了單入口傘閥壓電泵的輸出性能，因此本文提出雙入口傘狀浮動閥壓電泵來提高單入口傘狀浮動閥壓電泵的輸出性能，其泵體如圖9所示。為驗證雙入口傘狀浮動閥壓電泵是否具有更優越的輸出性能，對其進行流量及壓力差測試，并與單入口傘狀浮動閥壓電泵進行性能對比。

圖10所示為驅動電壓300 V時，雙入口和單入口傘狀浮動閥壓電泵的流量和壓力差與驅動頻率的關系。由圖10a可知，當驅動頻率為16 Hz時，雙入口傘狀浮動閥壓電泵的最大流量為121.66 g/min，較單入口傘狀浮動閥的最大流量提高17.23%，這是因為雙入口傘狀浮動閥壓電泵通過增加入口個數增大了入口截面積^［21］。由圖10b可以看出，當驅動頻率為17 Hz時，雙入口傘狀浮動閥壓電泵的最大壓力差為7.71 kPa，較單入口傘狀浮動閥的最大壓力差提高32.93%，這是由于雙入口傘狀浮動閥壓電泵在工作過程中能將泵腔內的空氣排空，減少了氣泡的存在，使得壓電泵的壓力差得到提高^［23］。

4 結論

（1）基于球閥的浮動式工作原理和傘閥的結構特征，設計了一種傘狀浮動閥壓電泵，傘狀浮動閥的運動形式為上下浮動，能有效避免傳統傘閥變形產生的疲勞失效。

（2） 傘狀浮動閥較球閥具有更小的臨界開啟壓力。當驅動電壓為300 V時，傘狀浮動閥壓電泵的最大流量和最大壓力差分別為103.78 g/min和5.8 kPa，較球閥壓電泵均得到明顯提高。

（3） 雙入口結構改進提升了傘狀浮動閥壓電泵的輸出性能。在驅動電壓為300 V條件下，雙入口傘狀浮動閥壓電泵的最大流量和最大壓力差為121.66 g/min和7.71 kPa，較單入口傘狀浮動閥壓電泵分別提高17.23%和32.93%。

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（編輯 胡佳慧）

作者簡介：

嚴天祥，男，1987年生，高級實驗師。研究方向為壓電材料與器件。E-mail：yangtxboy@163.com。