三腔并联压电泵结构设计与性能分析

2020-07-14杨立奇孙晓锋于文鑫

液压与气动 2020年7期

杨立奇，孙晓锋,2，于文鑫

(1.吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林 132022；2.常州工学院航空与机械工程学院，江苏常州 213032)

引言

压电泵的工作原理是在交流电驱动下使压电振子产生往复振动(产生形变)引起泵腔容积的交替变化，由于截止阀的作用使泵腔内外产生压力差，推动流体不断的流入流出[1-3]。通过调节振子两端输入电压与工作频率可调节压电泵的输出流量与输出压力，达到精准调节。压电泵有着广泛的应用领域，在医学领域可作为压电驱动胰岛素泵、植入式血液输送泵等；在水冷领域可用于计算机CPU、手机等电子产品水冷散热；还可以应用于电池燃料供给等各个领域。为满足不同领域对泵流量的不同需求，研发出多种形式的压电泵。

为提高压电泵的输出流量，目前主要方式是增加驱动振子个数，因此出现了不同种结构形式的多腔体压电泵。多腔压电泵的结构形式主要有3种，即串联式、并联式及混联式[4-5]。从以往压电泵的研究中可知，多腔压电泵既能提高输出压力，又能提高输出流量。多腔并联泵主要能够增加输出流量，多腔串联泵主要能够提高输出压力[6-8]。

随着振子个数的增加，泵体尺寸也随之增大。为减小泵体体积适应各种应用领域，采用 “排式”和“层叠式”两种设计方式，设计了三腔并联有阀压电泵，并将两种结构的输出能力进行比较，研究二者性能上存在的差异。

1 三腔并联压电泵结构设计

并联压电泵在结构形式上相当于把多个单腔泵排列在一起同时工作，每个单腔的结构上一般都是独立完整的，包括腔体及进出口阀。但单腔之间在位置排列上却可以采用两种形式[9]。一种是泵腔一字排开，通过一个共同的进口槽和出口槽，使流体从进口槽进入各个单腔泵后从出口槽流出，这种结构形式称作“排式”并联泵。另一种是将泵腔的位置采用上下排列形式，上下泵腔使用同一个进出口孔道，这种结构形式称作“层叠式”并联泵。多腔并联压电泵随着腔体数量的增加，泵的整体尺寸也变大。尤其“排式”并联泵，随着泵腔数量增多导流槽长度不断增长，在泵送液体时进出口导流槽内容易存留气泡，影响泵的输送性能。

图1所示为“排式”三腔并联压电泵结构简图。泵的结构为3层，分为上下压板和中间三腔泵体板，在上压板上安装进出口接管，中间腔体板的一面加工进出口导流槽，另一面加工3个泵腔，两侧还分别安有导流槽密封圈、振子密封圈以及伞形橡胶阀。下压板用于固定压电振子。泵体尺寸为114.5 mm×78 mm×48 mm (长×宽×高)，体积为98928 mm3。

图2所示为“层叠式”三腔并联压电泵结构简图。该泵共有4层构成，分别为单振子压板、单腔泵体板、双腔泵体板以及双振子压板。单腔泵体板一面加工泵腔，另一面加工进出口通孔，两侧安有进出口接管。双腔泵体板的一面加工进出口导流槽，另一面加工2个泵腔。单振子压板及双振子压板用于固定压电振子。泵体尺寸为78 mm×48 mm×20 mm(长×宽×高)，体积为74880 mm3。

1.紧固螺栓 2.上压板 3.伞型橡胶阀 4.三腔泵体板 5.进出口接管 6.密封圈 7.压电振子1 8.下压盖 9.压电振子2 10.压电振子3 11.进口导流槽 12.出口导流槽图1 “排式”三腔并联压电泵结构简图

1.紧固螺栓 2.单振子压板 3.单腔体结构板 4.密封圈 5.压电振子1 6.伞型橡胶阀 7.压电振子2 8.双振子压板 9.双腔体结构板 10.压电振子3 11.进口导流槽 12.出口导流槽图2 “层叠式”三腔并联压电泵结构简图

通过对比可以看出，“层叠式”结构设计方式减小了进出口导流槽的长度，还减小了泵体整体长度，从而减小了泵体体积。其体积为“排式”结构泵体积的0.75倍。

2 新加数学模型分析

三腔并联泵在理论上相当于3个单腔泵同时工作，因此根据往复式容积泵工作原理，在完全理想的工作状态下，每分钟输出流量为：

Qth=6ΔVthf×60 (m3/min)

(1)

式中，f—— 压电振子的工作频率

ΔVth—— 振子单向振动时泵腔容积变化量

驱动压电泵的压电振子为基板直径35 mm、基板和陶瓷厚度均为0.2 mm的压电单晶片，安装结构简图如图3所示。压电陶瓷性能参数为：压电常数d31为-300×10-12C.N-1，泊松比νpzt为0.3，弹性模量Epzt为62.75 GPa，直径2a为29 mm；铜基板性能参数：泊松比νp为0.34，弹性模量Ep为117 GPa，直径2b为31 mm。在工作电压80 V的正弦交流电驱动下，单向振动时所产生的容积变化量为[10-11]：

(2)

式中，计算参数K1=0.042/U，U为驱动电压。

图3 压电振子单向振动时力学模型

3 工作方式

三腔并联压电泵由3个振子构成，属于多振子工作泵，其中每个振子输出性能相同。在多振子工作的压电泵中，多个振子在同一时刻的驱动方式可有两种，一种为“同步驱动”，另一种为“异步驱动”。“同步驱动”指2个振子连接的电信号源的极性相同，使得振子的振动方向(形变方向)在同一时刻相同；“异步驱动”指2个振子连接的电信号源的极性相反，使得振子的振动方向(形变方向)在同一时刻相反[12-13]。3个振子在同一时刻工作分为三种工作方式，即1，2，3同步；1，2同步与3异步；1，3同步与2异步。两种结构形式压电泵不同驱动方式下工作原理及振子形变情况如图4～图6所示。

图4 振子1，2，3同步驱动形变情况

图5 振子1，2同步3异步驱动形变情况

图6 振子1，3同步2异步驱动变形情况

4 实验测试

压电泵中，压电振子与截止阀是对泵的性能影响较大的2个重要元件，选择合适的压电振子与截止阀可以提高压电泵的输出性能。制作实验样机时，选用PZT-5A型陶瓷压电振子和伞形橡胶阀。压电振子由陶瓷片和铜片构成，由于陶瓷片具有脆性，当压电振子形变量过大时，陶瓷片容易碎裂，使压电振子失效。电压过高或者工作频率过大，压电振子的变形程度都会过大，都容易使压电振子的陶瓷片碎裂。因此试验中驱动电压80 V正弦交流电，电信号驱动频率为40～400 Hz之间。伞形橡胶阀具有很好的反向截止能力[14]。

试验中以空气和水为试验介质，分别对“排式”(泵1)和“层叠式”(泵2)在振子1，2，3同步驱动、1，2同步3异步驱动以及1，3同步2异步驱动3种方式下进行试验，试验中应用的设备有：正弦交流驱动电源，输出电压为0～200 V，驱动频率为40～400 Hz，测量气体流量时采用GL-103B型皂液式气体流量计，其测量气体流量范围是5～5000 mL/min。

图7是两种结构的压电泵输送气体时输出频率与输出气体体积流量的关系曲线。从试验曲线可以看出，在40～400 Hz的驱动频率内，“排式”三腔并联压电泵的输送气体性能要略好于“层叠式”，但差异并不明显。主要原因是“层叠式”压电泵减小了导流槽长度，但单腔泵体板另一面进出口通孔的存在，并未增大压缩比。两种结构形式压电泵随工作频率增加输出气体流量整体成递增趋势。

图7 气体流量随频率变化曲线

如图8所示，是两种结构的压电泵输出液体流量与频率关系曲线。从试验曲线可以看出，当压电振子1，2，3同步驱动时，输出液体流量非常小。主要原因是压电振子同步驱动时，振子形变方向相同，泵腔内同时进水，同时排水，液体间相互扰动，影响泵腔内水的排出。异步驱动时，振子形变方向相反，泵腔内一个排水一个进水，交替进行，减小了液体间的扰动。“排式”压电泵在工作频率140 Hz时，输出液体流量出现极大值。在相同驱动条件下，“排式”三腔并联压电泵的输送液体性能要好于“层叠式”。

图8 输出液体流量随频率变化曲线

如图9所示，是两种结构的压电泵输出液体压力随频率变化曲线。从试验结果来看，在输出频率240～400 Hz区间，三腔并联“层叠式”“排式”压电泵异步驱动输出液体压力都随频率增加出现递增趋势。“层叠式”三腔并联压电泵在压电振子1，3同步与2异步驱动下输出液体压力最好，输出最大压力值可达20.6 kPa。

5 输出流量理论计算与试验测试结果比较

取工作频率在400 Hz和140 Hz时泵理论计算输出结果和试验结果进行比较，由式(1)和式(2)计算理论输出气体流量值约为6308 mL/min，理论输出液体流量值约为2208 mL/min。而实际工作时泵出的最大气体流量3045 mL/min，液体流量708 mL/min，实际输出值仅达到理论值的48%和32%。可见泵的输出性能还有很大提高。可以通过合理选用被动截止阀、设计腔体结构以及减小流动阻力等方法来实现。