泵腔结构参数对压电气泵性能影响

贺春山，李沈芳，刘金龙，林佳颖，侯 俊，田晓超 (长春大学 机械与车辆工程学院，吉林 长春 130022)

0 引言

压电泵是近些年新兴发展起来的流体输送泵[1]，其具有高位移分辨率，定位精度高，体积小，无磁干扰，输出力大，能耗低及响应速度快等优点，在药物输送领域、航空航天、微精密机械及微电子等领域具有广泛的应用[2-6]。由于压电振子的输出能力有限，导致压电泵系统输出流量小，输出压力低，满足不了实际应用需求。因此，国内外学者通过研究影响压电泵性能的泵腔及其他结构参数，优化压电泵的结构，以提高压电泵的输出性能[7-8]。

Moradi-Dastjerdi等[9]为了提高压电泵的流速和输出压力，采用无源聚合物膜制成了新型柔性隔膜，分析了隔膜的结构参数对压电泵性能的影响，表明膜片厚度在设计压电泵的动态响应中起着重要作用。文献[10]通过在压电隔膜泵的泵腔中引入导向肋结构，提高了压电隔膜泵的输出流量，使输出流量最高达196 mL/min。文献[11]通过模仿鱼游动姿态研制出仿鱼尾摆动式无阀压电泵，将矩形压电振子放在泵腔内部来驱动流体输送，流量最大可达266 mL/min。文献[12-13]通过研究泵腔数量对压电泵输出性能的影响，先后设计了多腔串联和多腔并联的压电泵，使压电泵的输出压力和流量明显增强。

为了探究泵腔结构参数对压电气体隔膜泵性能的影响，本文设计了一种压电气泵腔体结构，分析了不同结构参数对气体隔膜泵输出性能的影响，并进行了系统的实验测试。这为压电气体微泵的腔体设计提供了理论参考。

1 腔体结构设计

图1为泵腔结构示意图。图中，上、下腔体通过紧固螺栓连接构成密闭泵腔。上腔体下表面开有环形凹槽，用来放置O型密封圈以保持泵腔的气密性；上腔体设有两个沉头孔，孔的上端通过环氧树脂胶粘接进、出气孔，沉头孔的下端使用环氧树脂胶粘接单向阀底座。单向阀采用伞形阀结构，并与单向阀底座的中间孔连接。在上、下腔体的连接处固定有弹簧片，并通过O型密封圈固定；金属膜片下表面通过环氧树脂胶与立柱粘接。

图1 泵腔结构示意图

图2为泵腔工作原理。当施加交变信号时，压电振子会产生周期性的上下往复振动，驱动系统发生振动，当外界激励的频率接近系统的固有频率时，系统会发生共振，并将压电振子的振幅放大后作用到泵腔金属膜片上。腔体是一个密闭空间，当金属膜片向下振动时，腔体容积变大，腔体的内部气压减小，外界气压大于腔内气压入口伞形阀开启，气体吸入。当金属膜片向上振动时，腔体容积变小，腔体的内部气压增大，腔内气压大于外界气压出口伞形阀开启，气体排出。由此气体吸入-排出往复实现气体单向流动。

图2 泵腔工作原理图

2 泵腔理论分析与仿真

2.1 泵腔理论分析

图3为腔体内部参数示意图。图中，p1、p2分别为泵腔变化前、后的压强，p3为单向阀的开启气压，h为腔体高度(即腔高)，ΔV为腔体体积变化，V3为出口气体流速，d为进出直径，r为泵腔半径。

图3 腔体内部结构参数图

金属膜片振动一个周期，腔体体积从V1变为V2，腔体内压强从p1变为p2，则：

(1)

式中：T1为压缩前的气体温度；T2为压缩后的气体温度。

当隔膜泵处于工作状态时，气体压强为

pV=nRT

(2)

式中：p为腔内压强；V为腔内体积；n为物质的量；R为气体常数；T为绝对温度。

设腔体内瞬时气压为瞬时状态下气体物质的量，则：

nR=p[V1-bsin(x-Δt)]-ΔvcpΔt

(3)

式中：Δv为气体排出速度；c=(d/2)2bπ为开口面积，b为金属膜片的最大振幅；bsin(x-Δt)为金属膜片随着正弦信号驱动的体积变化。

p={p[V1-bsin(x-Δt)]-ΔvcpΔt}/

(V-bsinx)

(4)

引入伯努利方程：

(5)

式中：hw为压力损失；pa为标准大气压；v3为气体的出口流速；vt=0为气体初始流速，大气压可视为处处相等。

联立式(4)、(5)可得：

(6)

出口气体的流速为

(7)

2.2 仿真分析

2.2.1 腔高对气泵性能的影响

仿真选取腔体半径为25 mm，初始压强为10 100 Pa，气体密度为1.293 kg/m3。通过Matlab仿真分析得出不同腔高与腔体内的瞬时气压、气流速度、气体流量的影响，如图4～6所示。

图4 腔高对瞬时气压影响

图5 腔高对气流瞬时速度的影响

图6 腔高对流量的影响

由图4可知，腔高为1～6 mm时，腔内气压可达到阀门开启气压(105 000 Pa)，系统正常工作。当腔高大于6 mm，腔体内瞬时气压逐渐减小，小于阀门开启气压，系统不能正常工作。由图5可知，当腔高为1～7 mm时，腔高与瞬时速度呈线性关系，气体瞬时速度随着腔高的增加不断减小。当腔高大于7 mm时，气体流速为0，系统不能正常工作。由图6可知，当腔高为1～7 mm时，腔高与气体流量呈线性关系，气体流量随着腔高的增加不断减小。

2.2.2 气孔直径对气泵性能的影响

不同进-出气孔直径对腔体内的瞬时气压、气流速度及气体流量的影响，如图7～9所示。

图7 气孔直径对腔体内瞬时气压的影响

图8 气孔直径对气流瞬时速度的影响

图9 气孔直径对流量的影响

由图7可知，气孔直径在∅2 mm前变化幅度较大，腔体内瞬时气压随着气孔直径的增大而减小，且远高于开启气压(105 000 Pa)，系统正常工作。当气孔直径大于∅2 mm后，腔体内气压趋于平稳。由图8可知，气孔直径与瞬时速度呈线性关系，气体瞬时速度随着气孔直径的增加不断减小，最后瞬时速度趋近于0。由图9可知，气体流量随着气孔直径的增加而增大，当气孔直径小于∅2 mm时，流量随气孔直径的变化量较大；当气孔直径大于∅2 mm时，流量的变化量较小，最后趋近平稳。

3 实验测试

结合理论分析与仿真结果分析，制作了5种不同腔体结构参数的样机，测试不同腔高与气孔直径对气体隔膜泵输出流量的影响，搭建了试验测试平台如图10所示。泵腔主要结构参数如表1所示。

图10 压电气体隔膜泵试验装置图

表1 泵腔结构参数

分别对5种不同样机对应的压电气体隔膜泵进行输出流量测试，结果如图11所示。

图11 理论流量与实际流量对比曲线

由图11可知，实际流量与理论流量的曲线相吻合，但实际流量值略小于理论流量值，这是由于样机在制作和实验环境中存在误差。由图还可知，腔高越低，压电气泵工作的流量越高，当腔高为3 mm时，输出流量最大(为3 400 mL/min)。输出流量的大小随着气孔直径的增大而增大，但气孔直径越大，输出流量增幅越小。

4 结束语

为了探究泵腔结构参数对压电气体隔膜泵性能的影响，设计了一种压电气体隔膜泵的泵腔结构。通过理论仿真和实验测试得出腔高与气孔直径对气泵性能的影响。对不同腔高和气孔直径的压电气泵输出流量进行测试，测试结果与仿真结果相吻合，验证了理论分析的合理性。泵腔作为气泵的重要组成部分，其性能的影响因素较多，如腔体直径、弹性膜片刚度、单向阀结构及动态特性等，还需进行大量的理论和实验研究。