（机械设计及理论专业论文）几种无阀压电泵的计算机模拟.pdf

摘要 摘要 为适应无阀压电泵在医疗、卫生、保健等领域越来越广泛的应用需求，人们 对无阀压电泵进行了越来越深入的研究，进行了一系列的理论与实验推导，但是 这些推导难免出现偏差，本文提出计算机数值模拟的研究方法，利用有限元数值 模拟对无阀压电泵的流体动力学参数进行了一系列的研究。 锥形流管无阀压电泵当锥形流管的锥角超过一定角度时，会使流体在流管内 产生相当大的漩涡，并且锥形流管的加工困难，限制了压电泵的使用。为避免这 些缺点，本文设计出一种新型“y 形流管无阀压电泵，并提出了一种新型的非 对称波纹腔底无阀压电泵的构想。 基于有限体积法，用有限元数值模拟分别模拟锥形流管中流体流场分布情 况，“y 形流管中流体的压力分布与速度矢量分布，将模拟结果与试验数据比较， 证实了模拟结果的正确性。 用有限元数值模拟的方法模拟非对称波纹腔底无阀压电泵内速度矢量分布 的情况，并且利用模拟的结果得出了非对称波纹腔底嵌块两侧的波纹是对泵腔内 流体的流场分布影响较大的关键因素等等一系列结论。 “y 形流管无阀压电泵在本质上克服与避免了圆锥流管无阀压电泵产生大 范围涡旋的缺点，并且易于微型化和集成化，可以适应于血液输送输等医疗保健 领域。非对称群峰无阀压电泵可以实现不同流体之间的高度均匀混合，可成为微 小型的流体传输器和搅拌器。 关键词压电泵；无阀；有限元法；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t ow i tt h eb r o a d e ra n db r o a d e ra p p l y i n gr e q u i r e m e n t so fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pi n m e d i c a lt r e a t m e n t , s a n i t a t i o n ，a n dh e a l t hc a ，e t c ，p e o p l ed od e e p e ra n dd e e p e rr e s e a r c ho n 沁 t h e yh a v ed o n eas e r i e so fi l l a t i o u si nb o t ht h e o r i e sa n de x p e r i m e n t a t i o n s ，b u tt h e s ei u a t i o n sa 托 h a r dt oa v o i dw a r p s ，i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o do fs i m u l a t i o nb yc o m p u t e ri sp r e s e n t e da n df i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i su s e dt or e s p e c t i v e l ys i m u l a t eh y d r o k i n e t i c sp a r a m e t e ro fv a l v e l e s s p i e z o d e e l r i cp u m p t h el i q u i dw i l lb r i n gs i z e a b l ew h i r l p o o lw h e nt h ea n g l eo fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t h n o z z l e d i f f u s ed e m e n t so v e l t u nad e f i n i t eo n e ，a n di ti sh a r dt op r o c e s s ，w h i c hl i m i tt h ea p p l y i n g o ft h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p t oa v o i dt h e s es h o r t c o m i n g s ，an e wt y p eo fv a l v e l e s s p i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hy - s h a p ep i p e si sp r e s e n t e di nt h i sr e s e a r c b ，a n dac o n c e i v i n ga b o u t v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hu n s y m m e t r i c a lr i d g e si sp r e s e n t e dt o o b a s e do nf i n i t ev o l u m em e t h o d , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i su s e dt or e s p e c t i v e l ys i m u l a t e f l o wf i e l di nt h en o z z l e d i f f u s ee l e m e n t sp i p e ，f l u i dp r e s s u r ea n dv e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o n si n t h ey - s h a p ep i p e t h e nt h es i m u l a t e do u t c o m e sa p r o v e dt ob ec o r r e c t e db yc o m p a r i n gt h e m 谢t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sa l s ou s e dt or e s p e c t i v e l ys i m u l a t ef l u i dv e l o c i t yv e c t o r d i s t r i b u t i o n si nv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hu n s y m m e t r i c a lr i d g e s a n dt h es i m u l a t i o n o u t c o m e si n d i c a t et h a tt h ek e y sw h i c he f f e c tt h ef l o wd i s t r i b u t i n g sm o s ta r et h er i p p l e sb e s i d e st h e q u a di nt h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hu n s y m m e t r i c a lr i d g e s ，e t e i ne s s e n c e ，t h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 诃t l ly - s h a p ep i p e sc a no v e r c o m ea n da v o i dt h e s h o r t c o m i n g so fg e n e r a t i n gl a r g e 卸陀ao fe d d i e sa n di t se a s yf o rm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n , s oi tc a nb ea p p h e do nt h ef i e l do fm e d i c a lc a r es u c ha sb l o o dt r a n s f u s i o n t h ev a l v e l e s s p i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hu n s y m m e t r i c a lr i d g e s ，w h i c hc o u l dm a k ed i f f e r e n tf l u i db l e n d i n g u n i f o r m l y , c a l lb em i c r o m i n i a t u r i z e dt r a n s f e ri n s t r u m e n ta n db l e n d e rf o rf l u i d k e y w o r d s ：p i e z o e l e c t r i cp u m p ；v a l v e - l e s s ；f e m ；s i m u l a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堡：! ：苤日期： 兰! ! 星：主：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：固! 蓝导师签名：缢边。盗日期：二竺堡多 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 压电泵是近年来被热门研究的一种新型的驱动器，是压电驱动器的一个重要 分支。它主要是利用压电振子的逆压电效应将电能转化为机械能从而驱动流体传 输。与传统的泵相比，压电泵的特点是机电转化率高、构造简单、控制方便、易 于小型化、无电磁干扰和环境污染等，因而在医疗、卫生、化学分析与检测、微 型化生产系统等诸多领域都有非常好的应用前景。最早关于压电泵的研究可以追 溯n - - 十世纪七八十年代，由美国s a n d i a 国家实验室的wj s p e n s e r 发表研究关 于“电控压电胰岛素泵和阀的论文n 1 ，人们开始对压电泵进行深入、广阔地研 究。 典型的有阀压电泵结构大致如图1 - 1 所示，其主要结构是由泵体、压电振子、 吸入与吐出阀三大部分构成。压电振子是由压电陶瓷片和金属发大片的粘结复合 体，利用其逆压电电效应将电能转化为机械能，进而使泵腔的容积发生周期性的 变化，从而成为压电泵的动力装置。吸入与吐出阀大都使用往复式泵所利用的蝶 形阀、板阀、球阀以及锥阀等阀体。有阀压电泵因存在运动的阀体，使得压电泵 在小型化、微型化和集成化方面突显不足，同时存在泵阀的滞后性，降低了压电 泵的工作效率。 图卜1 有阀压电泵 f i g u r e l - 1v a l v ep i e z o e l e c t r i cp u m p 1 9 9 3 年，瑞典的e s t e m m e 和q s t e m m e 首次提出利用收缩管扩张管制作 无阀压电泵，国内研究者称之为锥形流管无阀压电泵，这一创造性的发明，使压 电泵的研究进入到无阀阶段，开辟了压电泵研究的新天地乜1 。如图1 - 2 所示，他 们利用互为倒置的两锥形流管来取代传统的泵阀，同时利用锥形流管内流体流动 流阻不等的特性使流体产生单向流动而形成泵。与传统的有阀压电泵相比，这种 北京工业大学工学硕士学位论文 泵的特点是在任意时刻泵腔通过锥形流管都始终保持与外界相连通，泵体内除压 电驱动器外再无任何的运动部件，这样就可以使采用这种结构的压电泵的尺寸在 理论上变得无限小，同时，也避免泵阀跟从性差的问题，从而较大扩宽压电泵的 应用领域。 p l e 瑚l e 谢；od 警o d i f f u = = r d i r e c ti o n 图卜2e s t e m _ m e 等人发明的锥形流管无阀泵 f i g u r e1 - 2v a l v e l e s sp u m p 稍t hn o z z l e d i f f u s e ri n v e n t e db ye s t e m m e 在此之后，1 9 9 5 年，日本的h m a t u m o t o ( 松本) 等人利用周期性加热改变 流体局部粘度，提案了热粘度无阀压电泵口3 ，如图1 - 3 所示；1 9 9 5 年，德国的 t g e r l a c h 等人在硅板上开发出了微四方锥形流管无阀压电泵，他们的工作开创 了微压电泵的新局面h 3 ；意大利的d a c c o t o 和o t n e d e l c u 等人分析微压电泵 提出了一种简单的数学模型，根据模型能分析出压电振子振动时的应力一应变关 系，并做了实验璐3 。 图1 3m a t u m o t o 发明的热粘度无阀压电泵 f i g 1 3v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cm i c r o p u m pb a s e do nt e m p e r a t u r e d e p e n d e n c eo fl i q u i dv i s c o s i t yi n v e n t e db ym a t u m o t o 自燃卤 第1 章绪论 国内的研究者们对压电泵的研究也作了大量相关的工作。 1 9 9 8 年，中国的张建辉利用在倾斜纤毛流管中，流体阻力不同的原理，发明 了倾斜纤毛流管无阀压电泵怕1 ；2 0 0 0 年，中国的张建辉利用流体受作用于地球自 旋分力的原理，发明了螺旋流管无阀压电泵h 1 。 2 0 0 1 年吉林大学的陈西平、杨志刚等人对带有压电振子的矩形板和由弹性支 撑元件组合的动力学研究，分析借助压电振子的弯曲变形( 纵向振动) 来带动矩 形板和弹性元件的振动问题躔1 ；中国科学院的阚君武和吴一辉等人为提高压电泵 的输出能力，使用瑞利法对固定周边界叠片压电振子的振动进行了理论分析研 究，得出压电振子谐振频率及有效机电耦合系数的计算方法悖1 ；2 0 0 3 年浙江大学 陈坚美、应济对微压电泵分若干系统进行研究，分析各系统的终端特性及它们之 间耦合关系，用瑞利一李兹法分析研究压电振子振动的变形函数n 们；同年清华大 学的杨兴、周兆英等人提出一种压电驱动膜片式微型气泵，并对其振动参数、泵 流量进行了理论分析3 ；朴林华等对照压电射流角速度传感器的压电泵实际尺 寸，用有限元软件算出压电泵的谐振频率，为优化此类传感器提供了一个途径n 别。 2 0 0 4 年，中国的张建辉、赖德华等人利用平面机构开发成功了可连续变锥 角无阀泵口副。此外，中国的程光明等人仿制了e s t e m m e 等人的圆锥形流管无阀 压电泵，如图卜4 所示，并作了大量的实验工作n 钉；中国的张建辉等人从理论 上分析了圆锥形流管无阀压电泵n 7 1 ，同时，也就压电泵的许多特性进行了很多 分析与研究工作u 刚1 。 f t rv i b r l t a r t 嘣i 蜘o f 跚”啤础蔷 图卜4 程光明制作的圆锥形流管无阀泵 f i g u r e1 - 4v m v d e s sp u m pw i t hn o z z l e d i f f u s e rb yc h e n gc 抛n g m i n g 国际上有很多国家和地区的研究者相继做了很多有关于压电泵方面的研究 工作。 1 9 9 9 年，荷兰的s e b a s t i a nb o h m 基于传统的压电泵的原理、结构和材料的 基础上发明了采用塑料被动阀的微泵，如图l 一5 ，并在不同类型的驱动器驱动的 情况下进行了仿真与测量3 。 同年，新加坡南洋理工大学的yh m u 对微型压电泵进行了优化设计汹3 。 囱器 北京工业大学工学硕士学位论文 i n l e tv a l v es e 戤o u t l 瓯 图卜5s e b a s t i a nb o h m 采用塑料被动阀的微泵 f i g u r e1 - 5m i c r op u m p 、柝mp l a s t i cp a s s i v ev a l v eb ys e b a s t i a nb o h m 2 0 0 0 年，美国美国麻省理工学院的l s a g g c r c 利用叠堆的压电振子制作了高 频大流量的压电泵1 ，如图1 - 6 所示。美国海军国家实验室的j c r i f e 基于无 阀机理制作了高频效应下的“微小超声无阀泵及搅拌器汹】。同年，新加坡的 n a m - t r u n gn g u y c n 等人对锥形流管无阀压电泵进行了数值模拟研究豳。 i 阱m e m t r a r t 鲒知犍呐x 妁糖t x o t 糖h o l eo u t l e t 豳i忽甾r - x 3g l a s sm - np i 棚精靠i cr l 疆t t m a # 图1 - 6 堆叠振子大流量压电泵 f i g u r e1 - 6p i e z o e l e c t r i cd r i v e nh i g hh o w r a t em i c r o - p u m p 2 0 0 1 年，新加坡南洋理工大学的阮南忠博士在锥形流管无阀压电泵的创新 和基于m e m s 技术的锥形流管无阀泵做了大量研究。他提出了一种基于p c b 电 路板技术制作的无阀泵，并分别用锥形流管无阀泵的机理和蠕动无阀泵的机理实 现了这种泵，对这种泵进行了数值模拟和仿真的研究。他还对所提出的一种脉冲 带宽调制的微泵进行了数值仿真。 2 0 0 5 年，美国中佛罗里达大学的b ol i 制作了一种大流量的压电泵，如图 卜7 ，在这种泵里面他们设计了一种高跟从率的被动阀铂；同年，伊朗的m i rm a j i d 第1 章绪论 t e y m o o r i 年将静电驱动下的一种新型微泵应用于医疗送药领域1 。 a * a v 妇 图1 - 7b ol i 制作的具有高跟从率被动阀的压电泵 f i g u r e1 - 7l a r g ef l o wr a t e ，r o b u s t ，p a s s i v em i c r oc h e e kv a l v e sf o r c o m p a c tp i e z o e l e c t r i c a l l ya c t u a t e dp u m p s 此外，英国南安普顿大学的m i c h a e lk o c h 制作了基于德国的t g e r l a c h 的微 四方锥形流管无阀压电泵技术并采用了厚压电片的一种新型无阀压电泵m 3 ，如图 1 - 8 所示。 图卜8m i c h a e lk o c h 无阀压电泵 f i g u r e1 - 8v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pb ym i c h a e l k o c h 近年来，随着无阀压电泵研究工作的不断深入，新形式、新原理的无阀压电 泵正不断的产生，无阀压电泵也由最初的试验理论研究，向实用性方向研究迈进； 无阀压电泵的研究也已趋向微小化和基于m e m s 技术的微型化、集成化以及高精 度方向发展。 目前所研制的压电泵大多属于微型泵或小型泵，可应用于所需体积较小、输 出流量与输出压力要求不高的场合。如日本计器制作所生产的各种小型有阀压电 泵已投放市场，主要用于血液输送、微小部件清洗、粘接剂喷涂、化学分析等领 域。由于压电泵体积小、流量大、输出压力相对较小，因而其最有前景的应用领 域是作为液体冷却系统的驱动器。计算机芯片冷却一直是各大电脑公司关注的热 点，特别是奔腾i v c p u 推广应用以来，由于运算速度显著提高而发热更为严重， 北京工业人学工学硕士学位论文 风冷已经不能完全满足使用要求，国外一些电脑公司如n e c 、东芝、日立等均 在进行计算机c p u 水冷系统的研发工作。其中n e c 于2 0 0 3 年6 月推出了一款 采用压电泵进行冷却液循环驱动的水冷电脑，其冷却系统的工作过程如图l 一9 所 不o i # a 一、e 三三刍 图1 9 用压电泵驱动的计算机c p u 滩体降却系统 f i g u r e l - 9 l i q u i dc o o l i n gs ”t e m f o r c o m p u t e r c p u d r i v 衄b y p i e z o e l e e t t l ep u m p 压电驱动技术正在与生物医学工程精密结合。科学家普通认为：二十一世纪 是生命科学的世纪。当前在生物医学领域研究的主要问题之一：要寻求微小的、 能长期( o v e r t i m e ) 运行的压电驱动器( 如超声电机、压电泵等) 。图l 一1 0 为微 型泵将药物送到人体的实例。 图1 1 0 美国加州大学研发的智能药片( 具有微型压电泵) f i g u r e1 - 1 0 i n t e l l i g e n t t a b l e t 证v 咖i e d b y c a l i f o r n i a u n i v e r s i t y u s j a g m i c r op i e z o e l e c t r i cp u m p 无阀压电泵的主要性能有：流量、输出压力、寿命、能耗以及工作噪声等， 从目前的研究来看。对多种形式的无阀压电泵的某些性能分别进行了较深入的探 讨t 尤其以锥形流管无阀压电泵最为突出t 在理论方面进行了锥形流管无阀压电 泵的振动解析及窖积变化量的研究还包括对锥形流管无阀压电泵单向流动原 理及泵流量的研究”；这之后在实验方面进行了受流体温度及物质含量影响的流 第1 章绪论 量特性及气穴现象的研究陴泪1 。最近又从理论与实验两方面进行了锥形流管和流 向改变上做过一些研究h 。 综合目前的研究结果可以发现，大流量的压电泵( 流量大于l m l m i n ) 性能 相对较好，结构相对简单，易于加工制作；可是，有许多应用场合要求流量低( 一 般小于l m l m i n ) 、控制精确，如植入式( 人体动物体) 药品注入系统等。这种 情况下，就要求泵的使用寿命长( 3 v 于1 0 年) 、安全可靠、流量精确，并且不受 外界环境影响。这种性能优越的压电泵不仅限于应用于药品注入系统中，还有其 他潜在的应用领域，如微化学分析和基因工程等领域。目前还没达到如此优越的 压电泵，还需要做大量的研究工作。 1 2 压电泵的分类及典型的压电泵 压电泵是集机械、电子、材料以及流体等诸多学科与一体的综合性研究课题， 压电泵是压电驱动器的重要分支，它是利用压电振子作为换能器的流体传输装 置。压电泵自诞生以来，基于不同结构和原理，已经提出多种不同形式的压电泵。 根据压电振子能量转化方式，压电泵可分为压电薄膜泵和压电超声泵两大类。根 据阀的结构特点，压电薄膜泵又分为有阀压电薄膜泵( 悬臂梁、浮动球阀或锥形 阀等) 和无阀压电薄膜泵( 如锥形流管无阀压电薄膜泵，温控制动阀压电薄膜泵 等口3 ) ，每种压电薄膜泵又包括压电片驱动n 伯侧和压电叠堆驱动汹棚1 、单腔体( 大 多压电泵是单腔体) 和多腔体h 1 删等多种结构。目前，综合压电泵的工作原理及 工作状态，将压电泵大致分为有阀压电泵、无阀压电泵及压电超声泵。 1 2 1 有阀压电泵 有阀压电泵是利用运动的阀体让流体从吸入阀流入泵腔、从吐出阀排出泵 腔从而使流体形成单向流动，与传统的有阀泵相比，除驱动源不同外，形成泵单 向流动的阀体在工作本质上大致相同，都是靠阀体的不断闭合与开启。有阀压电 泵的阀体有很多种，如蝶形阀、板阀、球阀以及锥阀等，还有正在研究的蘑菇状 阀体等，尽管阀体的多样性，但如果仅从泵腔的数量上来看，有阀压电泵又可分 成单腔体有阀压电泵和多腔体有阀压电泵。 ( 1 ) 单腔体有阀压电泵 单腔体有阀压电泵，顾名思义，就是指有阀压电泵只有一个泵腔，因为单腔 体结构和工作简单，这在压电泵的初始研究当中较为普遍的结构形式。压电泵将 泵的驱动部分、传动部分及泵体合为一体，克服了由于运动部件导致的压力损失、 北京工业大学工学硕士学位论文 磨损、疲劳破坏及可能对某些敏感流体所造成的破坏，简化了泵的结构。同时， 由于压电陶瓷能准确地按照驱动源的电压和频率动作，使得压电泵在需要精确定 量控制输送流体的应用场合具有突出的优势。早期的压电泵大多属于单向阀式压 电薄膜泵，它包括压电片式有阀压电泵( 压电振子是单个压电片) ，压电叠堆式 有阀压电泵( 压电振子是压电堆叠) 。 典型的单腔体压电片式有阀压电泵的基本结构如图1 - 1 1 所示。主要由泵体、 薄片型压电振子和两个单向阀构成。压电泵工作时，压电振子在交变电信号的作 用下产生上、下弯曲振动，压电振子往复弯曲变形振动引起泵腔体积和压力的交 替变化，吸程时，泵腔体积增大、压力减小，使进口阀打开、出口阀关闭，流体 向腔内流动；反之，排程时，进口阀关闭，出口阀打开，流体从泵腔内排出。可 见，单向阀开启和关闭是通过泵腔内的压力的交替变化实现的，试验证明，有阀 压电泵的泵阀运动滞后于动力源压电振子的运动，也即泵阀的开启关闭动作滞 后于压电振子的振动，并且随着压电泵输入频率的增加，这种滞后性越来越大， 导致的结果是有阀压电泵输入频率的增加，泵流量就不升高反而降低。图1 - 1 2 所示的是单腔体球阀式压电泵结构示意图h 副。 c h e c kv “k e s 图卜1 1 压电片式有阀压电泵 f i g u r e1 - 11v a l v ep u m p 、航mp i e z o e l e c t r i cd i a p h r a g m 日本山形大学铃木胜义教授等对压电片式有阀压电泵进行了试验研究汹棚3 ， 结果标明，压电振子的工作频率有一个最佳范围，使得压电泵的输出流量最大。 他们制作的压电片式有阀压电泵的最佳频率为2 - - 一3 h z ；驱动电压1 2 0 v 、无负载 时的最大输出流量为1 1 0 m l m i n 。 第1 章绪论 图1 - 1 2 单腔体球阀式压电泵 f i g u r e1 - 1 2s i n g l e - c h a m b e rp z tp u m pu s i n gb a l lc h e c kv a l v e s 单腔体压电片式压电泵的优点是结构简单，制作成本低，但其缺点在于压电 振子所能承受的电压低、变形小、承载能力相对较弱。美国m i t 的h q l i 等 利用压电叠堆振子制作了高频、大流量压电叠堆式有阀压电泵口2 1 ，其结构如图 1 - 7 所示。压电叠堆振子的垂直方向变形引起腔体体积变化，吸程时腔体体积增 加，迫使进口微型硅单向阀片向上弯曲，使进口打开，同时出口阀片向下弯曲将 出口关闭，液体向泵腔内排出。压电叠堆式有阀压电泵的特点是可以在高电压、 高频率下工作。h q l i 等研制的压电叠堆式微型压电泵( 压电振子为直径1 衄、 高l m m 的圆柱形压电叠堆) ，在峰值电压1 2 0 0 v ( 基压6 0 0 v ) 、4 5 l ( h z 、输出 压力为零时的最大输出流量可达到3 m l m i n 。 压电叠堆式有阀压电泵的一种改进形式是利用位移放大机构来增加泵腔体 积的变化量，可一定程度改善泵的性能。如图1 - 1 3 所示，压电叠堆振子不是直 接作用在薄膜上，而是通过位移放大机构驱动薄膜，因此增加了泵腔体积的变化 量，提高了压电泵的输出流量。 图卜1 3 压电叠堆放大式有阀压电泵 f i g u r el - 1 3v a l v ep i e z o e l e c t r i cp u m p 、析mp i e z o e l e c t r i cs t a c k a c t u a t o re l e m e n t s ( 2 ) 多腔体有阀压电泵 有阀压电泵的性能不仅与压电振子的结构形式、工作参数有关，同时也受腔 9 北京工业大学工学硕士学位论文 体数量及其联结方式的影响。日本机械工程实验室的y o s h i ok o j i m a 等h 获得连 续的，低脉动的输出特性，制作了多通道、多段式( 多腔体串联、分步工作) 微 流量有阀压电泵，该结构可以有效地提高压电泵的输出流量和压力。他们设计的 三腔串联压电泵以1 0 h z 的频率同步工作时，输出压力1 8 k p a ，大约是同结构单 腔体泵输出压力的两倍。他们还认为，如果在各个腔体间安装单向阀，还可以使 泵的输出压力进一步提高。日本东北大学电子工程系的s h u i c h is h o j i 等m ，在研 究用于集成式化学分析系统的微型压电泵时，分别采用了两腔四阀( 并联) 两腔 三阀( 串联) 结构，利用两个腔体交叉工作( 即一个腔体吸入时，另一个腔体输 出) ，来实现低脉动输出。在电压相同( 1 0 0 v ) 、无负载的情况下，两腔四阀泵 的输出流量明显提高，工作频率2 0 - - 4 0 h z 时，其流量大约是相同结构单腔体泵 的两倍；工作频率在4 0 h z 以下时，两腔三阀泵与单腔体泵的流量无明显差别， 当频率增加( 低于8 0 h z ) 时，两腔三阀泵流量有增加趋势，而单腔体泵的流量 开始下降。 以上两个应用事例表明，增加腔体数量是提高有阀压电泵性能的有效途径。 目前，对多腔体有阀压电泵性能的系统性研究还不够充分，关于腔体的数量、联 结方式以及阀的安装形式等对压电泵的性能的影响规律还有待于进一步研究。 1 2 2 无阀压电泵 在压电泵的研究已趋向微小化和基于m e m s 技术的微型化、集成化以及高精 度方向发展，由于有阀压电泵的结构通常较复杂，在加工工艺和集成上存在一定 的难度，阻碍了压电泵在微型化、集成化以及高精度等等领域的应用，因此，人 们又开始利用管道的特殊结构或流体的粘度特性等实现流体的单向流动，从而进 入到研制无阀压电泵的阶段。 近年发明的无阎压电泵都属于容积型无阀压电泵，因为这类泵没有活塞部 件，工作时无摺动，所以不发生摩擦、磨损及润滑等问题，属于自身无磨料、 润滑残留物等化学污染源的流体机械；又因为没有电机之类的拖动部件，工作 时不产生电磁波干扰，所以不需要屏蔽装置，属于自身无电磁污染源的流体机 械，所以在生物、医疗、卫生、保健等领域倍受关注。与输液、输血有关的特 别是活体细胞与长链高分子输送方面无法使用有阀泵或轴流泵，有阀泵或轴流 泵可能击碎活体细胞或使长链高分子发生缠绕、拉断。 压电泵具有机电转换效率高，构造简单，控制方便等特点，所以，除可以替 代传统的小型往复式泵之外，还可以应用于微小流体机械领域及可控制定流量流 体机械领域，同时，压电泵在工作时不产生电磁场及自身污染( 无润滑、无磨损) ， 对于医疗、卫生、保健、环保等领域特别是对人用饮料机械领域都有广泛的应用 前景。对于有阀压电泵已经进行了很多的研究n 一4 帕1 ，可是其泵阀的存在限制 第1 章绪论 了在微小化及高频方面的应用，而采用锥形流管的无阀压电泵由于其无阀的特 性，使得泵体内除压电驱动器外再无任何的运动部件，这样就可以使采用这种结 构的压电泵的尺寸在理论上变得无限小，也就可以使锥形流管无阀压电泵的应用 领域很大的得到拓宽。 ( 1 ) 锥形流管无阀压电泵 1 9 9 3 年，瑞典c h a l m e r s - r 业大学计算机工程系的e s t e m m e 和gs t e m m e 首次 提出利用收缩管扩张管制作无阀压电泵瞳1 ，如图卜2 所示，国内研究者称之为锥 形流管无阀压电泵，这一创造性的发明，使压电泵的研究进入到无阀阶段，开辟 了无阀压电泵研究的新天地。 锥形流管无阀压电泵，这种泵没有可动阀体，它主要是利用互为倒置的一对 锥形流管对液体流阻的差值，使在锥形流管中流动的液体能在压电振子或活塞的 带动下，完成从一个锥形流管到另一个锥形流管的这种宏观上的定向流动。影响 锥形流管流阻的因素很多，主要有物理影响( 如：流体的物理状态、流体性质、 管壁材料等) 与几何影响( 如：管径、管长、锥角等) 。在研究锥形流管的几何 性质时，锥角被认为是最重要的参数。图1 - 1 4 所示为互为倒置的一对锥形流管， 在图中也标出了锥形流管的主要尺寸。 ld i f f u s e r dl l in o 臻l e i 图卜1 4 锥形流管结构图 f i g u r el 一1 4s t r u c t u r eo f n o z z l e d i f f u s e re l e m e n t s 锥形流管无阀压电泵的工作原理如图卜1 5 所示，当泵腔体积变化时，液体从 进口和出口同时流入或排出，但由于阀的结构特殊，每一个循环进出口吸入和 排出的流量不同。腔体增大时，进口( 作为扩张管) 流体压力损失小于出口( 作为 收缩管) 流体压力损失，从进口流入液体多；相反，泵腔体积减小时，出口( 作为 扩张管) 排出的液体比入口( 作为收缩管) 排出的多。因此，当泵腔体积不停地交 替变化时，就形成了流体的单向流动。锥形流管无阀压电泵的特点是可以实现微 北京工业大学工学硕士学位论文 型化；缺点是反向止流性能差。 图1 1 5 锥形流管无阀压电泵的工作原理 f i g 1 - 1 6w o r k i n gp r i n c i p l eo f v a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hn o z z l e d i f f u s e rt u b e s 图1 - 1 6 双腔体并联无阀压电泵 f i g u r e1 1 6v a l v e - l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 谢t hd o u b l ec h a m b e r si np a r a l l e lc o n n e c t i o n 同有阀压电泵一样，增加腔体数量也可改善锥形管无阀压电泵的性能。图 卜1 6 为吉林大学所研究的双腔体并联无阀压电泵h 钉，其输出流量最佳工作频率 为2 0 - - 5 0h z ，双腔泵的整体输出流量最大可以达到4 m l m i n 。并且通过实验比 较可知，在频率相同的情况下，双腔泵的输出流量接近于两腔体分别单独工作时 输出流量之和。瑞典皇家理工学院的a n d e r so l s s o n 等对两个腔体并联( 即将图 4 中泵的进口与进口出口与出口分别连在一起) 的锥形流管的实验研究标明： 两个腔体交叉工作( 一个吸入，另一个排出) 比两个腔体同步工作( 同时吸入或 排出) 的效率( 压力、流量) 高两倍，且输出脉动小，工作频率5 4 0 h z 时泵的 最大输出流量和压力分别为1 6 m l m i n 和1 6 7 k p a 。a n d c r so l s s o n 的另一项研究 ( 1 9 9 9 年) 表明，串联泵两个腔体交叉工作时最大输出流量和压力都优于单腔 体泵，根据仿真分析结果，他认为：减小锥形管的通流面积也可能提高输出压力 1 。以色列t e l a v i v 大学工程学院的a m o su l l m a n n 对两个腔体锥形流管无阀压 电泵的各种联结情况进行了理论分析，研究结果标明，两个腔体串联比并联更能 提高压电泵的性能h 如。 目前，对于微锥型管无阀压电泵业吸引了国内外众多的研究者在不断进行分 第1 章绪论 析研究，第一部分作了这方面的介绍。 ( 2 )“y 形流管无阀压电泵 “y 形流管可做成为方形流管，其加工近乎为平面加工，与圆形流管相比， 尤其在微尺度下，方形流管的加工非常简单，结构尺寸可进一步减小；方形流管 截面的两尺寸可在流管横截面面积不变的情况下任意变化，这就使方形流管适用 场合较多。 图1 - 1 7 “y ”形流管结构图1 泵体，2 压电振子，3 两“y 形流管，4 泵腔 f i g u r el 一1 7s t r u c t u r eo f y - s h a p ep i p e m l 一1 8 “y ”形流管无阀压电泵( 立体结构) f i g u r e1 - 18v a l v e s l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m p 、j l ，i my - s h a p ep i p e s ( s p a t i a ls t r u c t u r e ) 压电振子、泵体、泵腔及两“y 形流管共同构成了“y 形流管无阀压电 泵。“y ”形流管无阀压电泵是在泵腔的左右两边安装互为倒置的两支“y 形流 管，并组成泵腔的流入、排出口，如图2 3 所示。 在吸入阶段与排出阶段，“y ”形流管的正与逆，发生了翻转。吸入阶段的 正“y 形流管与逆“y 形流管在排出阶段分别变成逆“y ”形流管与正 “y ”形流管。反过来，排出阶段正“y 形流管与逆“y 形流管在吸入阶段 分别变成逆“y 形流管与正“y 形流管。因正、逆“y 形流管中的流阻系 数不同，就构成了宏观上的从一流管流进，从另一流管流出的单向流动。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 非对称波纹腔底无阀压电泵 1 泵体2 压电振子3 波纹腔底4 导管 1 p u m pb o d y2 p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r3 u n s y m m e t r i c a lc o r r u g a t i o n4 p i p e 图1 1 9 非对称波纹腔底无阀压电泵 f i g 1 19t h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hu n s y m m e t r i c a lc o r r u g a t i o nc h a m b e rb o t t o m 非对称波纹腔底嵌块在用螺栓将泵组装封闭前放入到泵腔内，嵌块的波纹线 与泵的两侧导管进出口的连线成垂直。在压电振子接通交流电之后，其周期运动 引起泵腔内容积的变化，进而使泵腔内压力也产生周期变化，从微观上看，这些 变化将导致泵腔内外流体作吸入与排出流动，流体将反复流经非对称波纹腔底嵌 块上的波纹，由于构成嵌块的每个波纹单元的左右两侧倾角不等，所以对流体产 生不同的能耗。这样，在非对称波纹腔底嵌块的作用下，流体在宏观上产生单向 流动，因此非对称波纹腔底嵌块这一结构起到了在宏观上迫使流体产生单向流动 的功能。 ( 4 ) 温控无阀压电泵 无阀压电泵的另一种形式是利用液体粘度对温度的依存关系，实现流体的单 向传输。图卜3 为日本a i s t m i t i 机械工程实验室的s m a t s u m o t o 等利用这个 原理研制了温控无阀双向流体压电泵呤，其工作原理如图1 - 3 所示。压电振予通 电时，薄膜向上弯曲，腔体减小，流体压力增大，同时出口加热器通电( 进口加 热器断电) ，则出口出流体温度升高、粘度降低，从出口排出的流量较大：相反， 压电振子断电时，进口加热器接通( 出口加热器断开) ，从进口吸入的流量较多。 提高压电振子的电压或延长加热器的通电时间可提高泵的输出流量。温控无阀压 电泵的特点是，可以通过置换进出口加热器的相位来改变流向。 1 2 3 压电超声泵 2 0 0 1 年美国国家航空宇航局( n a s a ) 利用压电陶瓷片可以产生行波的原理 来构造压电泵“钔。由于环形压电陶瓷片可以形成行波构造成行波旋转型超声电 第1 章绪论 机，行波型电机是通过激励压电陶瓷片使定子形成行波，从而驱动转子旋转。在 形成行波时，由于波峰波谷的存在，正好形成了多重封闭腔，因此可以利用形成 的封闭腔传送液体，其结构见图1 - 1 7 所示h 0 1 。由于压电泵不需要转子的转动， 因此去掉转子，以上下两个压电振子产生行波形成更大的封闭腔，液体传输方向 与行波的方向一致，该泵最大流量( 水溶液) 为4 5 c c m i n ，最大压力为1 1 0 0 p a s c a l 。 体 图卜2 0 压电超声泵 f i g u r e1 - 2 0u l t r a s o n i cp i e z o e l e c t r i cp u m p 新加坡南洋理工大学和美国加州大学也共同研制一种超声弯曲平面波微型 泵，简称为超声泵，是一种无阀泵腼。它是基于超声流现象实现流体输出的，当 弯曲波在薄膜内传播时，在烤近薄膜的液体内出现了高强度超声场，它促使超声 场内的液体沿着超声波的行进方向流动。 压电超声泵的特点是：工作电压低，不发热，而且对所传输的液体气体类 型没有限制，可用于传输包含d n a 及其它生物试样的液体等。美国喷气驱动实 验室，即j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) ，曾为美国国家航空和宇宙航行局 ( n a s a ) 研制了一种弯曲波驱动的压电蠕动泵h 蝴1 ，这种压电超声泵是基于压 电马达原理，将两个膜片按图方式固定，这样在两个膜片交界面上行波波峰之 间就形成了多个腔体( 其中充满了液体气体) ，腔体交替地形成与关闭将带动流 体沿着波的行进方向流动。 除以上所提到的种种压电泵外，利用压电驱动作为动力源的泵，还有其他类 型，比如压电齿轮泵、压电泵螺杆泵，都可称为集成型压电泵，即是将原有的驱 动源改换成压电驱动并集成在一起，省去了原来的动力驱动装置，使得其结构变 得较为简单，应用范围较为广泛，具有良好的前景。 1 3 本文主要研究内容 目前关于无阀压电泵研究中，圆锥形流管无阀压电泵的研究是较为充分的， 成果也是较多的，无阀压电泵大多采用锥形流管形式。但锥形流管无阀压电泵当 北京工业大学工学硕七学位论文 一m i m _