压电泵用被动截止阀的发展

2018-12-13孙晓锋杨立奇于文鑫祝明威

吉林化工学院学报 2018年11期

孙晓锋，杨立奇，于文鑫，祝明威，接勐

(吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林 132022)

压电泵的发展是伴随着泵用被动截止阀的研究而发展起来的.众所周知，压电泵由于受其工作原理的限制，压电振子振动时使工作阀两侧产生的压差非常小，因此要求工作阀的开启压力不能太大，否则阀会因打不开而不能工作.压电泵根据是否带有截止阀分为有阀压电泵和无阀压电泵，其中有阀压电泵又可分为主动阀压电泵和被动阀压电泵，主动阀压电泵因为需要额外的阀控制原件，使压电泵在结构设计上变得相对复杂，而被动阀压电泵阀的设计大多都采用薄片结构，这样不仅使泵的结构简单，还可保证阀在压电振子的驱动下以较小压力就能打开使压电泵正常工作.下面就几种常用压电泵用阀进行介绍.

1 悬臂梁阀

悬臂梁阀[1-4]的工作原理非常简单，不论阀的设计形状什么样，在安装上都是一端固定，一端与泵的进出口接触.在工作的时候，和泵进出口接触的部分在压差作用下发生偏移，实现控制流动方向.在加工材质上多采用硅雕刻或者弹性较好金属薄片雕刻.图1(a)是由硅雕刻加工的悬臂梁阀，此种悬臂梁阀是由两个硅片粘结在一起构成，上面的部分是悬臂的执行部分，下面是通流孔部分，因为硅具有极好的机械强度，因此能够使悬臂部分产生连续的偏移让流体通过.为保证阀的工作精度，在加工过程中胶的粘结、硅的表面处理及杂物清理都是影响阀工作性能的关键.图1(b)和(c)是由金属薄片加工的悬臂梁阀.因为压电泵的工作环境比较复杂，比如工作介质温度较高，或具有一定的腐蚀性，因此阀的材质要根据实际需要进行选择.图1(b)所示的悬臂梁阀由三层结构组成，中间体部分将两阀隔开形成进出口阀.图1(c)所示的悬臂梁阀是由0.05～0.07 mm厚的铍青铜加工而成，安装方法是将两个阀粘结在一起形成进出口阀.

图1 悬臂梁阀

悬臂梁阀的优点在于结构简单，易于加工.缺点是阀的开启度大小受悬臂长度影响，悬臂越长则阀的开启度越大，但长度过长会影响阀的反向截止性.

2 平板阀

平板阀[5-9]同悬臂梁阀比较，在安装上是周边固定，这种固定形式使阀的执行部分比较平整，实现阀与泵出流孔平面之间的紧密接触，提高了阀的反向截止性.图2是不同结构的几种平板阀.中间平板也就是阀片(flap)是阀的执行部分，与出流孔的所在平面接触，阀片四周都与阀臂相连接，阀臂起到弹簧梁的作用，提供阀工作时的恢复力，其中图2(b)在中间阀片部分又加了十字筋结构以加强阀的承载能力.最外周是固定环，可通过粘结等方式将阀固定在泵腔内.

图2 平板阀

平板阀的最大优点是阀的执行部分阀片受力均匀，提高了阀的反向截止性.不利之处是有的结构加工起来比较复杂，阀臂的弹簧力太大会使阀开启困难，长期工作使阀臂变形而导致阀片部分不再平整，影响阀的截止效果.

3 蝶阀与“V”型阀

蝶阀[10,11](dual cantilever valve)的工作原理与悬臂梁阀的工作原理相似如图3(a)所示，只是每个这种形式的阀都包含两个悬臂部分和一个出口间隙，因两个悬臂成对出现，像蝴蝶一样，故称蝶阀.蝶阀的缺点是阀的加工工艺比较复杂，优点是可把进口阀和出口阀在一个基板上加工而成.

图3(b)是“V”阀(bivalvular valve)的结构图，这种结构形式的阀的执行部分是一对可产生变形的阀翼，依靠压差将阀翼打开，剖面形如“V”型.“V”阀优点是阀的执行部分直接在硅层上加工而成，不需要胶结，缺点是一对阀翼之间存在缝隙，在工作时容易产生泄露.

图3 蝶阀与“V”型阀

4 其它结构用阀

随着压电泵研究的不断发展，对阀的要求也越来越高.能够承载很大的输出压力，在较高的频率下仍然能够很好工作的阵列结构阀[12,13]随之出现.这种形式的阀的承载压力可以达到10 MPa，工作频率也高达10 kHz.图4就是两种结构形式的阵列阀，通常情况下，这种阀都安装在叠堆驱动的压电泵中，因为叠堆压电泵往往输出压力较大，因此要求阀具有较高的承载能力.