不同容积比的双腔串联压电泵测试分析

， ， ， (.吉林化工学院 机电工程学院， 吉林 吉林　30;. 中石油东北炼化工程有限公司 吉林机械制造分公司， 吉林 吉林　30)

引言

在多腔体压电泵[1-4]中，双腔体压电泵[1,2]是最早被设计与研究的，双腔体串联压电泵[2,5]和早期研究的单腔体压电泵比较，由于在输出流量和输出压力方面均有较大幅度的提高，而引起研究者更多关注。

国内最早出现关于双腔串联压电泵的报道是2004年吉林大学阚君武教授等研究者发表的《两腔体串联压电驱动微型泵的输出特性》文章，其所设计的双腔串联三阀压电泵，在70 V 交流信号驱动下，工作频率为50 Hz时，最大输出流量为11.75 mL/min ，最大输出压力为21.9 kPa。其后又在2006年发表了《两腔压电泵结构与特性》的文章，对串联泵的输出进行了理论分析与试验测试，得到结果为串联泵双腔交叉工作时输出压力是单个腔体工作时输出压力的2 倍，而其输出流量约为单个腔体流量的1.4 倍。笔者对双腔串联泵也研究多年，在早期研究者研究的基础上，对双腔串联泵结构设计进行了改进和优化，设计了带有导流槽和没有导流槽两种结构形式[6]，在相同试验条件下分别以水和空气为试验介质对两种结构泵进行输出性能试验。

分析以往研究的成果，关于双腔串联压电泵研究更多集中在结构设计和输出原理方面，而关于进一步提高其输出性能的优化设计方面很少，其试验研究也更多集中在两个振子异相工作(即交叉工作，两振子工作相位差为180°)泵送液体方面。本研究将从提高双腔串联泵的输出性能进行结构优化入手，改变进出口腔的容积比，并对两驱动振子同相工作时输送气体和液体进行试验测试与分析。

1　双腔串联泵优化设计

泵通常按工作原理分容积式泵、动力式泵和其他类型泵，压电泵属于往复式容积泵，这种泵的工作面或边界面产生的压力以周期性的方式直接作用在流体上，但它又不像许多较大泵的工作方式那样，活塞是移动的边界面，而是把作用在移动表面上的力由可变形的周边固定的板代替，板由压电驱动器来驱动，这个板像薄膜一样，因此也被称作薄膜泵。因此压电泵同样也具有容积泵的优点：

(1) 平均流量恒定即泵的流量只取决于工作腔容积的变化值及其频率，理论上与排出压力无关；

(2) 泵的输出压力取决于管路特性如果输送的流体是不可压缩的，在理论上可以认为泵的排出压力将不受任何限制，即可根据泵装置的管路特性，建立泵的任何所需的排出压力；

(3) 对输送的液体有较强的适应性原则上可以输送任何介质，不受其物理性能或化学性能的限制。当然在实际应用中，有时也会遇到不能适应的情况，但其原因多半是因为与液体接触的材料和制造工艺以及密封技术暂时不能解决的缘故。同时由于压电泵结构较小，受被动阀结构尺寸限制，含有较大颗粒的液体不能输送；

(4) 具有良好的自吸性能启动前通常不需灌泵。

本设计的串联泵是带有导流槽的三阀泵，其结构如图1所示。

从图1的双腔串联泵结构可以看出，当泵工作时，流体从进口腔进入出口腔的过程中，要经过导流槽5，因为导流槽和进口腔之间通过孔连接，且导流槽和出口腔之间通过中间阀隔开，因此导流槽可以看成进口腔的一部分。根据传统容积泵的工作理论，为提高双腔串联泵的输出压力，关键在于两腔工作过程的良好匹配(即进口腔吸入和出口腔增压排出过程的良好匹配)，减少液体从高压腔(出口腔)向低压腔(进口腔)的泄漏，因此增大低压腔(进口腔)容积能起到良好的效果。为此设计进口腔容积(包括进口腔和导流槽容积之和)和出口腔容积比γ(γ=进口腔容积/出口腔容积)分别为1.9、1.5、1.3三种结构的串联泵，并进行试验。在试验中，为消除不同压电振子驱动能力对泵输出结果的影响，试验中中间体的结构不同，而固定压电振子的下盖和拥有进出口的上盖均用同一构件。

1.紧固螺栓　2.上盖　3.密封圈　4.压电振子　5.导流槽　6.中间阀 7.出口腔　8.进口阀　9.进口腔　10.下盖　11.中间体　12.出口阀

2　双腔串联压电泵同相和异相工作原理分析

作为两振子驱动的双腔串联泵，其两个振子的基本驱动方式有两种，一种是两振子同一时刻的工作相位相同，这称为同相驱动；另一种是两振子同一时刻的工作相位相反(相位角相差180°)，这称为异相驱动。为分析二者在工作上的区别，以泵一个工作周期振子与阀的工作状况进行分析，其工作原理如图2所示。

图2a是在同相驱动时振子振动时和阀的开启情况。设在初始时刻两振子在平衡位置。在0～1/4周期过程中，两振子同时向下振动，这时进口腔和出口腔腔体容积变大，进口阀阀和中间阀在压差作用下逐渐开启，流体开始从进口流入；在1/4～1/2周期过程中，两振子回到平衡位置，这时进口腔和出口腔腔体容积变小，进口阀和中间阀关闭，出口阀开启，流体从出口流出；在1/2～3/4周期过程中，振子继续向上振动，进口腔和出口腔腔体容积继续变小，流体从出口继续流出；在3/4到1周期过程中，两振子又回到平衡位置，这时进口腔和出口腔容积又开始变大，进口阀和中间阀逐渐开启，出口阀关闭，流体又从进口流入。

关于异相工作时两振子和阀的工作状况(图2b)，在文献[7]中已经进行了详细论述，此处不再赘述。比较同相和异相工作时流体的流动状况，发现在同相驱动时，流体从进口流入和出口流出是在不同时刻进行的，而异步驱动时，流体从进口流入和出口流出是在同一时刻进行的。

图2　不同驱动方式下双腔串联压电泵的工作状况

3　泵的输出功率和效率计算

压电泵的输出性能参数主要有输出流量、输出压力、功率和效率等。它们表示了压电泵在一定电压驱动下，以水为介质在最高效率时的性能参数。压电泵是利用压电陶瓷的逆压电效应来工作，因此驱动电源的电能转化为泵驱动能力的机械能，如果在理想状态下，二者是相等的。因此压电泵的功率是泵每秒钟对排出液体所做的净功来表示，即：

Ne=ρ.g.H.Q

(1)

式中，ρ—— 液体密度，kg/m3

H—— 泵的输出扬程，m

Q—— 泵的流量，m3/s

g—— 重力加速度，m/s2

压电泵的效率是指泵对流体功Ne和电源对泵的电能N二者之间的比值，即：

η=Ne/N×100%

(2)

泵效率的高低标志着泵性能的好坏及对电能的利用程度，是—项重要的技术经济指标。压电泵由于结构及工作特点必然产生流量和压力的脉动，从而降低了泵的吸入性能。

4　试验测试与分析

4.1　试验装置

压电泵输送液体时的输出流量比较容易得到，但输送气体流量不易获得。早期受试验条件限制，最初通过排水法获得气体输出流量，但因气体的压缩性比较大，泵的输出压力又较小，实际获得的气体流量值误差较大，有时甚至达到50%左右的误差。本试验中测试气体流量采用GL-103B皂液式气体流量计，其工作原理是气体流动时推动皂液泡经过传感测试区，控制系统自动记录经过测试区的时间，显示出每分钟的体积流量。测量范围是5 mL/min～5 L/min。采用这种仪器测量时，误差较小，可以多次测量获得平均值。试验装置如图3所示。

图3　测试气体的试验装置

4.2　不同腔体容积比下的输出性能试验

本研究设计了三种腔体容积比的双腔串联泵，对容积比分别为1.9、1.5、1.3的双腔串联压电泵进行输出能力测试，测试曲线如图4和图5所示。

图4　不同腔体容积比下的输送气体压力曲线

图5　不同腔体容积比下的输送液体压力曲线

在试验中，泵的工作频率从40～400 Hz，驱动电压为110 V正弦交流电，试验介质为水和空气。图4和图5均为泵在异相工作时的输出压力曲线。从试验曲线中看出，在大部分工作频率段内，不论是泵送气体还是泵送液体，随着腔体容积比的增大，泵的输出压力减小，这与我们熟悉的传统容积泵的输出理论截然相反，分析其原因压电泵是依靠振子和阀构成的系统通过系统共振的方式来工作的，其输出性能关键取决于阀和振子之间的工作相位差及泵的压缩比[8-10](单个冲程内压电振子振动使腔体容积产生变化量ΔV与泵腔体初始容积V0的比值)，在输出压力方面，串联泵随着压缩比的增大，输出压力随之增大。

图6和图7是泵的输出流量曲线，从图中可以看出，随着腔体容积比的增大，泵的输出流量基本上成递增趋势，因为根据公式(1)可以得到，当驱动电源功率一定的情况下，随着输出压力减小，输出流量将增大，二者成反比关系。从曲线中还可以看出，双腔串联泵不管是同相驱动还是异步驱动，均可以泵送气体，而且在同腔体容积比下，输出气体量也比较接近；但是泵送液体时，仅有在异步驱动情况下才有流量输出，分析其原因可以从图2对泵的工作方式分析获得。在同相驱动下工作时，泵的吸入和吐出过程并不是在同一时刻进行，当泵送气体时，因为气体的扩散性能较强，气体能够充分的从进口腔经过中间阀进入到出口腔内，在1/2和3/4周期过程中实现气体的泵出；而在泵送液体时，液体还没有进入到出口腔时，中间阀就已经关闭，所以根本就没有液体泵出。

图6　不同腔体容积比下的输送气体流量曲线

图7　不同腔体容积比下的输送液体流量曲线

5　结论

(1) 通过增大进口腔和出口腔容积比的方式可以提高双腔串联压电泵的输出流量，但却减小了其输出压力；

(2) 在同相驱动和异步驱动方式下，双腔串联压电泵均可以输送气体，且两种情况下在各工作频率输送气体流量接近，但只有在异步驱动下才能输送液体，同相驱动没有液体输出；

(3) 在110 V正弦交流电驱动下，当腔体容积比γ=1.9时，最大输出液体和气体流量分别为589 mL和1826 mL；当腔体容积比γ=1.3时，最大输出液体和气体压力分别为78 kPa和6.2 kPa。

参考文献：

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