双腔串联两阀与三阀压电泵的性能研究

研究了双腔串联两阀压电泵与三阀压电泵的输出性能,分析了这两种泵的结构和工作原理,理论分析得出:三阀泵输出性能优于两阀泵。设计制作了两阀泵与三阀泵实验样机,并通过实验测试证明了理论分析的正确性。分别对两阀泵和三阀泵进口腔和出口腔独立工作时流量输出进行了实验测试,并把进口腔和出口腔独立工作时输出流量相加之和,与两腔一起交叉工作时进行了比较。实验测试表明:两阀泵和三阀泵样机在200 V交流驱动电压下,最大输出流量分别 为972 ml/min和1 035 ml/min,最大输出压力分别为28.7 kPa和40 kPa,最大自吸高度分别为0.41 m和0.43 m水柱高。     

螺旋线形阀压电泵的理论与试验研究*

有阀压电泵在精细化工、MEMS、生物医学工程等领域具有重大应用前景。为了克服有阀压电泵结构复杂、跟从与截止性差、成本高等缺点,设计一种异形拟悬臂梁结构的螺旋线形弹性固支阀,其螺旋臂长是简单悬臂梁阀的数倍,工作时开启度大,且因其螺旋线形弹性结构,阀体不仅可以上下回位,左右也具有对中功能,并把这种阀安装在有阀压电泵的泵腔内形成螺旋线形阀压电泵。在深入分析有阀压电泵优缺点的基础上分析螺旋线形阀压电泵的工作原理,依照泵内部能量传递的路径建立压电驱动(电压、频率)为输入与泵流动(流量、压差)为输出之间的关系式,加工试验样机,并进行性能测试试验,螺旋线形阀压电泵具有泵功能,证明了其有效性和理论分析的正确性。试验结果表明：随着驱动电压的增大,泵的输出流量和压差呈上升趋势,这个结果与Matlab数值仿真计算结果趋势一致。在电压为220 V、频率为30 Hz时,得到仿真流量41.26 mL/min,实际试验流量为10.2 mL/min,误差75.3%;在电压为220 V、频率为20 Hz时,得到仿真流量27.51 mL/min,实际试验流量为22.8 mL/min,误差17.2%。     

半柔性阀压电泵理论与实验

根据静脉瓣结构形式,设计了一种半柔性阀压电泵。首先,介绍了半柔性阀压电泵的结构及工作原理;其次,对阀体进行了理论分析;最后,加工了实验样机,对样机进行性能测试实验。实验结果表明:在驱动电压为220V、频率为7Hz时,半柔性阀压电泵的进出口压差可达到199mm;在驱动电压为220V、频率为11Hz时,半柔性阀压电泵的实验流量为44.5ml/min。随着驱动电压的升高,工作频率与流量出现单峰与双峰的现象。该研究证明了半柔性阀压电泵具有泵的功能并可以实现有阀和无阀状态,验证了其有效性和理论分析的正确性。     

双腔薄膜阀压电泵的实验研究

实验研究了理论所不能解释的多种因素对双腔压电泵输出流量的影响规律。选取了一种高效的橡胶薄膜阀片,设计并制作了具有较高输出能力的双腔泵样机。120 V交流信号下,双腔串联压电泵最佳工作频率为180 Hz,输出参数为520 ml/min、22 kPa;双腔并联压电泵最佳工作频率为420 Hz,输出参数为980 ml/min、28 kPa。通过实验确定了双腔压电泵的最佳腔体高度及双腔串联、并联压电泵压电片的最佳驱动方式。     

阀参数对螺旋线形阀压电泵输出性能的影响

为了提高拟悬臂梁结构的螺旋线形阀压电泵输出性能,探讨了阀的几何参数和阀的材料参数与泵输出量之间的优化关系。首先,推导了泵流量输出与阀几何参数关系式;然后,在该理论指导下,通过多组试验研究了阀的几何参数对泵输出的量的影响关系,得出选用适当的螺旋极角以及适当降低阀的臂宽和厚度可以提高压电泵的输出;最后,对关键元器件螺旋线形阀材料参数的选用进行了比较,得出选用较低切变模量的阀材料可以提高压电泵输出。试验结果表明:要获得较高的泵流量,阀的极角取值为1.5π、阀厚度取值为0.1mm时最佳,而流量受臂宽的影响呈单边的趋势性不明显;相同条件下,由于铍青铜的材料切变模量小于弹簧钢的材料切变模量,铍青铜阀压电泵的输出流量高于弹簧钢阀压电泵的输出流量。     

对称螺旋线形阀压电泵的研究

为克服单臂螺旋线形阀压电泵单臂阀运行时侧向力造成的阀体在开启与关闭中倾斜而产生的负面影响,有效地发挥螺旋线形阀压电泵阀体"慢开启、快关闭"的优势,首先,构造了悬臂固支旋转对称双臂阀体结构,并针对该阀体设计了对称螺旋线形阀压电泵;然后,进行了悬臂固支旋转对称双臂阀体的力学分析,并据此进行了泵流量关系式的解析;最后,利用实际样机进行了单臂阀与旋转对称双臂阀的阀参数对泵参数影响的试验研究。试验结果表明:在输入电压为220 V、频率为10 Hz时,旋转对称双臂阀的臂宽为0.3 mm时的泵流量最高,达到124.2ml/min;旋转对称双臂阀泵比单臂阀泵流量提高1.25~2.84倍;对称阀的进出口阀臂宽不同时的泵流量大于阀臂宽相同时的泵流量,且进口阀臂宽大出口阀臂宽小时的泵流量大于进口阀臂宽小出口阀臂宽大时的泵流量。     

压电泵用截止阀设计与性能测试

为设计出适用于压电泵的被动截止阀,对压电泵用阀的设计要求和阀的工作条件进行了理论分析与阐述,并应用上述理论分别设计了悬臂梁阀、轮式平板阀和伞形橡胶阀等三种不同的结构压电泵用阀。理论分析了三种阀的静态过流特性,确定了各种结构尺寸因素对阀工作性能的影响。建立了测试被动截止阀性能的试验方法,并对所设计的三种阀的最小开启压力和静态过流能力进行了试验测试。试验结果表明,所设计的三种阀在0.2 kPa工作压力时都已开启工作,在静态过流能力上橡胶伞形橡胶阀与轮式平板阀比较接近,悬臂梁阀最差。将三种阀安装在结构相同的压电泵中,测试了安装三种阀泵的输出能力,结果显示,安装伞形橡胶阀压电泵的输出流量最大,轮式平板阀次之,悬臂梁阀最差。     

螺旋线形阀压电泵单臂阀和双臂阀的性能比较

为拓展有阀压电泵的应用,开发了输出性能优于传统有阀压电泵的螺旋线形阀压电泵,同时设计了单臂螺旋线形弹性固支阀和旋转对称(双臂)螺旋线形固支阀两种结构形式。首先介绍了两种结构阀压电泵及阀的结构,然后比较了两种泵的流量公式,结合实验结果分析了当流体密度、黏度及阀材料的切变模量、阀的曲臂宽和曲臂厚等参数变化时,两种阀的适用性。结果显示当流体密度ρ1和运动黏度υ、阀材料的切变模量G、阀曲臂厚b较大时,可优先选用双臂阀压电泵,当阀曲臂宽a较大时可优先选用单臂阀压电泵。     

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

基于悬臂梁阀的微型压电泵的实验研究

利用压电晶片致动式压电泵的工作原理,提出一种整机采用迭片式结构,单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了实验样机,并对该泵的工作性能进行了较为系统的实验测试和研究,并提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。通过实验测试:该泵工作性能稳定,整机具有较高的体积功能比(样机尺寸:15 mm×1.8 mm;50 V正弦信号输入,80 Hz条件下,最大输出压力22 kPa,流量达到3.6 m l/m in)。该泵的设计方法及所用制作工艺对研发适于大量生产的实用微型泵是一个有益的尝试。     

钹型开槽式阀压电泵的设计

由于有阀压电泵内部阀体所受应力过大易导致阀体失效,本文提出了钹型开槽式截止阀来减小有阀压电泵内部阀体所受应力。基于钹型开槽式截止阀设计了有阀压电泵,分析了钹型开槽式阀压电泵的工作原理。对钹型开槽膜片进行了受力分析,研究了该压电泵的输出性能及耦合作用下的膜片应力。加工制作了钹型开槽式阀压电泵样机,建立了钹型开槽式阀压电泵的有限元模型,数值计算了流固耦合作用下的阀体应力值。计算结果表明:在压电泵正常输出的驱动频率范围内,当驱动频率为418Hz时,膜片所受应力的计算值也达到最大,为81.74 MPa。最后,进行了压电泵性能试验。试验结果显示:该压电泵的输出流量最大值和振子振幅最大值均出现在低频段;当驱动电压为160V,驱动频率为5Hz时,输出流量达到最大,为6.6g/min;驱动频率为4Hz时,压电振子振幅达到最大,为165.8μm。文中的研究验证了钹型开槽式阀体压电泵的有效性,并得出当钹型开槽式阀压电泵工作在低频段时,阀门所受应力远小于高频段时阀门的应力值。     

无阀压电泵的流固耦合仿真及试验验证

提出利用结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYS CFX对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析,以研究无阀压电泵的输出性能。分别对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置的3种不同结构形式的无阀压电泵进行了流固耦合仿真分析。结果显示,上述3种无阀压电泵中,出口在中间进口在一侧结构形式的无阀压电泵的宏观输出流量最大。制作了3种无阀压电泵的试验样机,并搭建了相应的试验测试系统,在幅值为45 V、频率为0~700Hz的正弦信号激励下对其输出流量进行了测试。结果表明,3种不同结构形式的无阀压电泵的最大输出流量分别为3.8、6.0和4.0ml/min,出口在中间进口在一侧的压电泵输出流量最大,与流固耦合仿真分析的结果相吻合,验证了本文提出的流固耦合仿真分析的方法可以指导压电泵的设计。     

泵送大粘度液体的双腔并联压电泵设计与试验研究

为使双腔并联压电泵能够输送较大粘度的液体,设计了一种以5⁷μm厚度铍青铜材料加工而成的薄片型轮式平板阀。在理论上分析了阀的过流特性,确定了影响通过阀体流量的因素,即阀自身的几何尺寸、作用在阀两侧的压力差及液体粘度对其影响,并以试验的方法确定了当阀片半径为3.25mm、阀孔半径为2.75mm时,双腔并联压电泵输出流量最好。分别以不同浓度的甘油水溶液作为试验液体,测试了在不同液体粘度、不同工作频率下双腔并联压电泵的输出流量。试验发现,随着液体粘度的增加,阀开启时的阻力增大,开启量变小,阀和压电振子之间振动相位差不断加大,截止性能变差,压电泵净输出量减少。在液体粘度μ=1.311mPa·s时,压电泵的最大输出流量可达1300mL/min,而当液体粘度μ=234.6mPa·s时,压电泵的最大输出流量仅为30 mL/min左右。试验结果为获得双腔并联压电泵输送不同粘度液体的能力提供了可靠的数据。     

四腔并联压电泵结构设计

为提高压电泵的输出性能,设计了一种层叠型四腔并联有阀压电泵。在80 V正弦交流电驱动下,40~400 Hz工作频率内,以水和空气作为介质,分别选用不同数量的压电振子进行驱动,在不同的驱动方式(指振子间工作时的相位差)下对泵的输出性能进行试验测试。结果显示,当泵送空气时,不管多少个振子进行驱动,驱动方式对泵的输出流量几乎不产生任何影响,在测试频率范围内,输出流量随频率成线性变化,最大输出气体流量可达3600 mL/min;当泵送液体时,驱动方式对泵的输出流量影响很大,当同侧的压电振子为异步驱动时,输出流量的效果更好,在工作频率180 Hz时,最大输出液体流量可达830 mL/min。试验结果为多振子驱动压电泵选择合适的振子间驱动方式提供了参考依据。     

Theory and experimental verification on valveless piezoelectric pump with multistage Y-shape treelike bifurcate tubes

Among most traditional piezo water cooling systems, piezoelectric valve pumps are adopted as their driving sources. The valves in these pumps induce problems of shock and vibration and also make their structure complicated, which is uneasy to minimize and reduce their reliability and applicability of the whole system. In order to avoid these problems caused by valve structure, a novel valveless piezoelectric pump is developed, which integrates both functions of transforming and cooling. The pump’s Y-shape tree-like construction not only increases the efficiency of cooling but also the system reliability and applicability. Firstly, a multistage Y-shape treelike bifurcate tube is proposed, then a valveless piezoelectric pump with multistage Y-shape treelike bifurcate tubes is designed and its working principle is analyzed. Then, the theoretical analysis of flow resistance characteristics and the flow rate of the valveless piezoelectric pump are performed. Meanwhile, commercial software CFX is employed to perform the numerical simulation for the pump. Finally, this valveless piezoelectric pump is fabricated, the relationship between the flow rates and driving frequency, as well as the relationship between the back pressure and the driving frequency are experimentally investigated. The experimental results show that the maximum flow rate is 35.6 mL/min under 100 V peak-to-peak voltage (10.3 Hz) power supply, and the maximum back pressure is 55 mm H2O under 100 V (9 Hz) power supply, which validates the feasibility of the valveless piezoelectric pump with multistage Y-shape treelike bifurcate tubes. The proposed research provides certain references for the design of valveless piezoelectric pump and improves the reliability of piezo water cooling systems.     

Theory and Experimental Verification on Cymbal-shaped Slotted Valve Piezoelectric Pump

Valve piezoelectric pumps usually have larger flow rate than that of valveless ones. However, the traditional cantilever valve easily induces stress concentration which impacts the reliability of pumps. Therefore, a cymbal-shaped slotted check valve is proposed to be applied in a piezoelectric pump in order to reduce the stress concentration of the valve and thus improve the reliability of the piezoelectric pump. The structure and working principle of the piezoelectric pump are analyzed; the stress analysis of the cymbal-shaped slotted valve diaphragm is conducted. In addition, finite element software is employed to analyze the difference of the Von-Mises stress between the cymbal-shaped slotted diaphragm and the slotted flat diaphragm. The simulation results show that, the Von-Mises stress of cymbal-shaped slotted diaphragm is smaller than that of the slotted flat one. Furthermore, the cymbal-shaped slotted valve piezoelectric pump is also fabricated, and flow rate experiment is performed. The experimental results indicate that the flow rate of piezoelectric pump working in low frequencies(0 Hz f 50 Hz) is larger than that working in high frequencies(200 Hz f 2000 Hz). When driven at voltage of 160 V and frequency of 5 Hz, the pump reaches its maximum flow rate of 6.6 g/min. The experimental results validate the feasibility of the cymbal-shaped slotted check valve. This research can effectively solve the problem of stress concentration of valve piezoelectric pumps and is helpful for improving the reliability of them.     

悬臂梁阀单腔压电泵设计方法研究

给出了悬臂梁阀单腔压电泵的理论分析,根据压电振子与流体耦合的理论,建立了压电泵系统的动态模型.分析了流体质量、输出压力和系统阻尼对压电泵最佳工作频率的影响,认为减小腔体高度可以提高压电泵的最佳工作频率,提高压电泵的稳定性.通过分析压电振子结构参数对变形量的影响规律,确定了振子的最佳结构参数,认为压电陶瓷层与金属基板厚度比取0.45～0.55,直径比取0.8～0.9最佳.研究了压电泵出流形式对压电泵输出能力的影响,认为轴後向出流有利于提高压电泵的输出能力.