（机械设计及理论专业论文）“y”型流管无阀压电泵的模拟及实验研究.pdf

摘要 摘要 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。对于它的研究可以追溯至1 9 世纪七十年代。同传统泵相比，压电泵的 特点是结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰，可根据施 加电压或频率控制输出流量等。因此，压电泵具有相当广泛的应用领域，在医 疗、化学分析、航空航天以及汽车发动机燃料供给等领域都可应用。目前世界 上许多国家( 如日本、美国、荷兰、瑞典、中国等) 都在进行压电泵的研制开发 工作。历经二十多年的发展，具有某些功能的小型压电泵已商品化，满足更高 功能要求的压电泵正在进一步研制开发中。 压电泵可以分为有阀压电泵和无阀压电泵两种。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，且会出现泵阀滞后现象。无阀压 电泵的结构简单，控制方便、精确，机电能量转换效率商，而且无阀泵的机械 部分无相对运动，无摩擦，不需要润滑，是一种无污染的绿色机械。在微小机 械、人工脏器，定量流动控制，临床治疗等领域有着广泛的应用前景。因此， 无阀泵成为压电泵一个新的研究热点。 “y ”型流管无阀压电泵属于无阀压电泵的一种，它利用分流、合流“y ” 型流管的流阻差实现流体的单向流动。对于“y ”型流管无阀泵的研究还尚未有 相关论著发表，特别是本文对“y ”型流道结构参数对流量影响的规律所作分析 在本领域尚属首例。 本研究课题将运用如今更为科学，先进，准确的c f d 模拟方法，结合对样 品泵的试验测量，找出规律，确定“y ”型流管各主要尺寸参数对流量的定性影 响规律，从而优化流管的结构尺寸，使泵流量达到最佳值，为“y ”型流管无阀 压电泵尽快在生产生活中应用提供更为准确的理论依据。 关键词无阀压电泵；c f d 模拟；“y ”型流管 a b g t r a c t a b s t r a c t p i e z o e l e c 埘cp u m pi sad e v i c et h a tc a l lf o mu n i d i r e c t i o n a l l i q u i dn o wb y v i b r a t i o n s i n c et h cf i r s tp i e z o e l e c 廿i cp u m pm o d e i 、sp r e s e m e di ne i 曲t i e st w e m y c e n t u 以“s h o w e ds p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，t h e r e a r et w ot y p e so fp i e z o e l e c t r i cp u m p ，、i t hc h c c kv a l v ea n d 谢t h o u tc h c c kv a l v e t h e f o m e rc a nw o r kb u tl o w e rf r e q u e n c yb e c a u s eo ft h ei n e m ao fc h e c kv a l v e ；t h e1 a t e r c a nw o r ka th i g h e r 雠q u e n c y ，s oi th a s1 a 瞎e ro u l p u tc a p a b 姗y o nl h eb a s i so f r e l e v a n tl i t e r a t u r e ，an e wv i e w p o i n tw a sd e v e l o p e df i r s t l y ，t h a ti s ，d i 仃e r e m i a le x i s t a n dc o u l db eu s e dt op u m pl i q u i d s t u d yc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o h o w e d p i 2 z o e l e c t r i cp u m p 啪ss t l l d i e di nt w oa s p e c t so fi n l e 讹u t l e ta n dp i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r s f i r s t l y ，a i m e da ti 芏l l e ta n da u t i e tr e g i o n ，l i q l l i dn o w s t a t u ea n do r i f i c en o w c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e db yu s i n gb e m o u i i i ，se q 删0 n p o s “i v ea n dn c g a t i v e d i r e c t i o n so ff l o w nl i n ea n dc o n eo r i f i c e sa l lh a v eo b v i o u sd i 丘b r e n c ei no l l t n o w c 印a b i l i t y b a s e do nt h i su s e f u ld i 仃c r e n c e ，ad i 髓r e 而a lo u m o wt h e o r ya n dt w o o u t n o wm o d e s ，w i l i c ha r cd i f r c r c m i a lc j e c t i n go m n o w w e r e p r e s e m e d 0 nm eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w et e s t c dt h eg t m c t u 咒趴dc o m m l p 缸锄e t e r so no u t f l o wc a p a b i l 崎ad e s i 2 n 汹叫ef o ro r i 矗c ew 舔p e s e n t e da n d t h r e ep r o t o t y p e sb a s e dp r o d u c e d a 船r 也a tw ev e r i 6 e dm et l l e o r i e so fd i 疏r e n t i a ! o u t n o wa n dd i 侬槌m i a lc j e c t m go u m o w f i n a l l y ，b 淞e do n 也e s et h r c ep r o t o t y p e s ， w es m d i e dt h ei n n u e n c e so fi m p a c ta g a i n s t 谢f i c e ，c o n e 锄g l e ，v o l t a g e ，肌q u c n c y o r i f i c e 盯e a ，e t c ，o nt l l eo u t n o wc a p a b i l i t yo f m ep l m p t h i sp a p e ri sap a r to fv a l v e l e s sp u m pr e s e a l hp r d g r a m ，碱c hv e r i f i e d 也e f e a s i b i l i t yo fu s i n gd i s s i m i l i t u d eo r i f l c e st or e p l a c ev a l v e smap u m pa i i dl a i dm e f o u n d a t i o nf o rs u c hi n v e s t i g a t i o n - mt h cf u t u r e l ( e y w o r d s p i e z o e l e c t r i cp u m p ；y s h a p ed u c t ；c f da l l a l y s i s h 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究丁作及瞅得 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。与我一问工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：奄毛盔包r 期：生垒盟竺宴 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：5 塞；查l 导师签名日期：碰! 兰! 堡 第1 章绪论 在流体机械的发展过程中，泵作为流体的驱动和传输装置，至今己经历了几 千年的发展和演变，从有记载的最早的泵模型，入力水车、屏水车到现在微机械 泵，泵的发展经历着从低功率、大体积到高功率微体积的翻天覆地的发展。 最早的泵装置大都是带有提升的下冲式水车。当提斗潜入水中时在装满水的 同时被水流推动，沿水流方向而运动，带动转轮转动。当提斗被转轮带至最高点 时，水就会注入集水槽。这种机械巧妙地利用了水流的能量用以提升和输送，尽 管其效率功率都难以有很大提高，但其结构简单、实用，至今一些地区仍在使用 这种装置川。 随着科学技术的不断发展，新材料、新机构、新驱动形式的不断产生，流体 泉的机理和结构也在不断发展。每当一种新的驱动形式出现，都会引发泵的工作 机理和结构的创新。近年来，压电驱动技术作为种全新概念的驱动方式正蓬勃 兴起。压电驱动利用压电材料的压电效应形成压电驱动器的振动、位移或变形， 直接驱动从动件。由于压电驱动具有体积小、单位体积输出功率大、无电磁辐射、 便于小型化等优势，在中小驱动功率机械、精密机械、微型机械等领域有着广阔 应用前景“。 压电泵是压电驱动器的鼋要分支，它是利用压电振子作为换能器的流体传输 装置。对于它的研究可以追溯至1 9 世纪七十年代。如今在微机械领域受到很高的 重视，显示出特有的潜力和广阔的发展应用前景。同传统泵相比，压电泵的特点 是结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰，可根据施j j u 电压 或频率控制输出流量等【”。因此，压电泵具有相当广泛的应用领域，在医疗【7 、”、 化学分析f 9 1 、航空航天以及汽车发动机燃料供给等领域都可应用。目前世界上 许多国家( 如日本、美国、荷兰、瑞典、中国等) 都在进行压电泵的研制丌发工 作。历经一十多年的发展，具有某些功能的小型压电泵已商品化，满足更高功能 要求的压电泵正在进一步研制丌发中。 早期的压电泵大多在往复式泵腔上利闩j 机械结构的单向阀形成输出j ，由丁 单向阀执行原件具有惯性其t 作频率很难提高，而无阀式压电泵则有希望获得 较高频率下的工作能力。目前国内、国外学者在压电泵的无机械式单向阀研究方 较高频率下的工作能力。目前国内、国外学者在压电泵的尢机械式单向阀研究方 北京工业丈学烹学碌士学位论文 面提出了一些观点1 1 2 16 1 ，但是工作机理研究仍处在发展阶段，有关理论研究有待 发展完善。 本课题将利用“y ”型流管的正、反向流动阻力差的原理设计了“y ”型流管 无阀压电泵，通过实验确定“y ”形流管各参数对流动阻力的影响；然后建立“y ” 形流管中的流体动力学模型并基于有限体积法进行计算流体动力学模拟。目前在 国内外尚未检索到与该研究有关的其他研究者的文献。 本章，我们先简单介绍压电驱动技术、压电泵和无阀压电泵技术的发展现状， 说明压电泵发展中存在的一些有待解决的问题，并在此基础上提出本文的研究方 向。 1 1 压电驱动技术 1 1 1 压电驭动器的产生与发展 压电驱动技术是以压电学为基础发展起来的。压电学是关于压电体的弹性、 压电性、介电性与光控磁控等物性的基本理论与应用的学科，早在4 0 年代就己成 为物理学的一个重要分支1 7 1 9 】。近二十年来，随着现代科学技术的发展，压电学 已深入到各个学科和技术领域，由此出现了许多性能优良的压电、铁电材料及其 功能器件，并已在电子、激光、超声、微波、导航及生物学等方面获得了广泛应 用。从而为压电驱动技术的发展奠定了良好的材料学与器件学基础。 压电驱动技术是压电学在机械领域中的延伸与发展。压电驱动器的主要实现 过程是振动的生成与转换，因而要求作为动力器件的压电体提供较大的振动或振 动激励，同时要求转换机构效能较高而结构简单，这给压电学与超声学提出了新 的课题。此外压电驱动器也是一个机电的耦合系统，它是一个多学科交叉的综合 研究领域，它的发展也依赖于材料学、电子学、机械力学、实验科学等的发展。 最早开发的、也是发展最快的一类压电驱动器是压电超声波马达早在1 9 7 0 年一1 9 7 2 年，德国的西门子公司和日本的松下公司即申报了超声马达的实用新型 专利，1 9 7 3 年，i b m 公司的h v b a r t h 先生提出了另一种结构的超声马达【2 0 】，他利 用压电元件使一种尖型的振子产生振动，并通过尖部与转子的接触摩擦驱动转子 运动，使转子的转速有了较大提高，同时实现了正反旋转。”。与此同时，前苏联 第l 章靖稔 的v v l a v r i n e n k o 等人研究了具有相似结构的几种超声马达，并指出了超声马达 具有结构简单成本低、低速大转矩、运转精确而易于控制的一些特点。日本的指 田年生( t s a s h i d a ) 在前人的基础上，于1 9 8 0 年提出并成功地制造了一种驻波 型超声马达当时称之为楔型马达。这种马达在郎之万振子的前部加设了振幅放大 装置和楔形拨齿，通过振子纵向振动与拨齿弯曲振动的配合实现对转子的拨动， 效果良好。1 9 8 2 年，指田年生又成功地开发出了环形的行波型超声马达，实现了 对转子的连续拨动，大大地降低了定子与转子之间的摩擦与磨损，改善了压电超 声马达的性能，大幅度提高了其实用价值。1 9 9 1 年，日本的广濑精二先生提出了 无接触压电超声马达的概念，试制了端面型的超声马达，转速达到了1 0 0 0 r p m 以 上，首次实现了振动能向机械能的非接触转换，开辟了超声马达新的研究方向( 2 甜。 压电超声减磨机构也是近年提出的压电驱动的新应用口3 1 。摩擦能够产生振 动，振动也会影响摩擦。在高频振动物体的接触表面，会出现摩擦系数减小的现 象，这种现象说明超声振动还具有改变物体接触表面摩擦系数的作用，超声频率 振动下的接触表面，由于振动频率较高( 2 万赫兹以上) ，形态变化也有其特殊 性。 总之，压电驱动技术是一个新兴的研究领域，是一个综合运用压电学、声学、 振动分析、电学、机械学、摩擦学、材料学等多种学科知识的研究方向。压电振 子是压电驱动的关键部件，它的工作能力是由压电体及其产生的振动生成的，它 可以根据压电体与振动的特点灵活设计结构与性能，可以满足多种目的与多类用 途。由于材料与性能的特殊性，它将比电磁型驱动器产生更多的种类，具有更为 广泛的用途。压电驱动技术将成为2 1 世纪很有前景的研究领域之一。 1 1 2 压电驱动器工作原理与结构 压电驱动器是利用压电体的逆压电效应生成振动并将振动通过有摩擦或无 摩擦的转换形成为从动件的机械能。由于雎电体生成的振动频率与普通电源不 同，因而它需要专用的电气控制回路以提供相应频率的驱动电源或控制信号。 压电驱动器是将压电体的振动加以转换形成被驱动体需要的运动或动力的 一种装置，它可以根据被驱动体对性能、尺寸与结构等诸方面的要求，构造出专 用的结构或方式，随着机器人、精密机械，特别是微机械的迅猛发展，使以转换 振动能量为特征的压电驱动技术也得到了长足的进展，各国学者相继提出了许多 北京工业太学工学硕士学位论文 新颖的压电驱动机构，而且有些已经作为产品推向了市场。 1 1 3 压电驱动器的特点 压电驱动器的特点可以主要归纳为以下几点： ( 1 ) 压电驱动器单位重量可获得较大的输出功率。 ( 2 ) 当压电驱动器依靠振动或摩擦传递运动或动力时，一般启动灵活，停止 迅速，定位不需要其它机构及能量。 ( 3 ) 压电驱动器具有低速、大扭矩的优点。因此，对于低速传动，可不需要 减速机构而直接驱动工作部件，整体结构较小。尤其适于小型机械驱动。 ( 4 ) 压电驱动器的结构可以根据需要制成多种型式，比如可作成圆片形、圆 环形、棒形、圆柱形、长条形、跑道形、板形等。 ( 5 ) 压电驱动器的磁干扰极小，同时，外界的磁场对其作用亦很小。因此， 对于要求磁干扰影响较小的场合，或在电磁干扰极强，其他电磁驱动器无法工作 的场合，压电驱动器具有特殊的应用价值。 目前所开发出的压电驱动器也存在一些缺点，主要表现是： ( 1 ) 作为机械振动的发生元件压电晶体难以做成太大的结构尺寸； ( 2 ) 作为产生振动变形的弹性振动体，因为一般要在共振频率下工作，结构 尺寸受到一定的限制； ( 3 ) 在依靠摩擦传递动力的场合，因摩擦副间的摩擦、磨损导致影响工作可 靠性及寿命： ( 4 ) 压电驱动器元件的加工精度要求较高，尤其是微小件，加工工艺难度较 大，因而成本较高； 1 2 压电泵 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 装黄。压电泵是将压电驱动换能机理引入流体泵的开发而产生的，可以说是这两 门学科交叉的产物。这种交叉为流体泵的家族带来了新的生机，补充了新的驱动 方式，增添了新的工作机理。压电泵的研究可追溯到二十世纪七十年代。早期的 具有代表性文献之一是美国s a n d i a 国家实验室的w j 、s p e n s e r 于1 9 7 8 年发表的 嚣l 苹鞲论 关于“电控压电胰岛素泵和阀”的文章冽；此后，s t a n d o r a 大学的s m i t s 于1 9 8 0 年提出了压电液体蠕动泵，1 9 8 3 年，荷兰t w e n t e 大学利用硅微加工及薄膜技术研 制多个压电驱动微型泵。基于不同结构和原理，已经提出多种不同形式的压电泵。 压电泵是将压电体激发的振动直接作用于流体，使其产生动压或流量输出的 一种新型压电驱动机构，它可以将传统泵的驱动源部分、传动部分及工作部分三 者合为一体，克服了由于运动部件可能导致的压力损失、磨损、疲劳破坏以及可 能对敏感流体所造成的破坏，大大地简化了泵的结构，而且为泵的小型化、微型 化奠定了基础。此外，由于压电陶瓷能够准确地按照驱动源的电压和频率动作， 使压电泵的输出量无需节流机构而可自行调节。这个特点使压电泵在需要精确定 量地输送微小流量流体的场合具有传统结构的泵无法比拟的优越性。 根据已收集到的资料，最早的压电泵结构是由日本学者蹲崎哲二于1 9 7 8 年提 出来的。它的主要部件为一个可双向弯曲的压电振予与一对机械式的单向阀，工 作中由两者的动作配合实现流量的输出。该泵采用的是双压电片振子，压电振子 在交变电信号的驱动下将产生如图所示的变形，使泵腔容积反复膨胀与压缩，形 成泵的功能。 这种泵的主要特点是：结构简单，易于小型化、微型化，控制性能好；存在 的主要问题是：由于压电振子必须适应单向阀的机械动作节拍，使其工作频率较 低，输出流体的流量较小且有较大的波动，功耗高。为了提高压电泵的流量输出 而提高压电泵的工作频率时，会造成单向阀跟不上压电振子的振动频率，导致严 重的泄漏问题，致使泵的工作能力显著下降，因此单向阀的频率响应特性对这种 压电泵的工作性能起决定性的作用。 英国南安普敦( s o u t h a m p t o n ) 大学电子与计算机科学系的h i g h f i e l d 于1 9 9 8 年提出来微犁泵结构【2 5 】。该泵由三层硅片叠成，其中下面两层构成进、出口阀门， 卜面一层是膜片振子。该泵是靠振动的膜片来改变泵腔的容积而工作的，在较低 的激振频率下，当泵腔容积增大时，流体通过进口阀吸入，此时出口阀关闭；当 泵腔容积减小时，进口阀关闭，流体通过出口阀泵出。当驱动电压为6 0 0 v pp i 频率为2 0 0 h z 时，泵的最大压力为2 k p a ，最大输出流量为1 2 0 l m i n 。试验表明， 随着流量增加压力几乎呈直线下降趋势，而且工作频率越高赢线的斜率越大。这 表明该泵在高频下性能较差，不易进一步提高流量。 一 北京工业大学工学硕士学位论文 根据压电泵的流动控制阀结构特点，压电泵可分为有阀压电泵和无阀压电 泵两大类【2 “。有阀压电泵利用阀的开启、关闭来控制流体的流入和流出。无阀 压电泵利用进出口流管的压力差控制流体的流向。根据阀的结构特点，有阀压 电泵又分为悬臂粱、浮动球阀或锥型阀式有阀压电泵等：无阀压电泵分为圆( 方) 锥型流管无阀压电泵，”y ”型流管无阀压电泵，螺旋流管无阀压电泵，温控制 动阀压电薄膜泵等。每种压电薄膜泵又包括压电片驱动和压电叠堆驱动、单腔 体( 大多压电泵是单腔体) 和多腔体等多种结构f 6 】。 同传统泵相比，压电泵的特点是结构简单、体积小、重量轻、耗能低、无 噪声、无电磁干扰，可根据施加电压或频率控制输出流量等。因此，压电泵 具有相当广泛的应用领域，在医疗、化学分析以及汽车发动机燃料供给等领域 都可应用。目前世界上许多国家( 如同本、美国、荷兰、瑞典、瑞士、英国、 德国、新加坡、以色列等) 都在进行压电泵的研制开发工作，而国内从事这方 面研究的科研机构还很少、起步较晚。历经二十多年的发展，具有某些功能的 小型压电型泵在日本已商品化，满足更高功能要求的压电泵正在进一步研制开 发中【2 s 】。 1 2 1 有阀压电泵 所谓传统意义上的阀体机构，就是在一次吸入与吐出过程的流路中，最少 要有一瞬流路不联通，而使这流路不联通的机构即为阀体 2 9 l 。 早期的压电泵大多属于单向阀式压电泵，以下简称有阀压电泵。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 振子是压电叠堆) 和压电片式多腔体有阀压电泵。 1 2 1 1 压电片式有阀压电泵 压电片式有阀压电泵的基本结构如图卜1 所示。其主要由泵体、薄片型压 电振子和两个单向阀构成。压电振子往复弯曲变形振动引起泵腔体积和压力交 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，吐程时，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压力的交替变化实现的，因此其开启关 闭动作滞后于压电振子的振动。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1 2 】，结果表明，压电振子的工作频率有一个最佳范围， 第l 章塘谂 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 3 h z ；驱动电压1 2 0 v 、无负载时的最大输出流量为“0 m l m i n 。 闷八斛v 蚪 - 孓h、卜n 蕊热蕊懋 升锄m 叩岫t g 咀 图卜l 有阀压电泵结构不意图 f i gl ls t m c t u r eo f p i e 蕾o e l c c t r i c i 粤p u i n pw i 也v a l v e s 1 2 1 2 压电叠堆式有阀压电泵 压电片式压电泵的优点是结构简单，制作成本低；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 a s 8 a c h u s e t t s 工学院的 h q l i 等利用压电叠堆振子制作了高频率、大流量压电叠堆式有阀压电泵【3 l l 。 压电叠堆振子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，液体向泵腔内流动；同理，排程时，进口被关闭，出口打开，流体从 泵腔内排出。压电叠堆式育阀压电泵的特点是可以在高电压、高频率下工作。 j 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 咖、高1 姗的圆 柱形压电叠堆) ，在峰值电压1 2 0 0 v ( 基压6 0 0 v ) 、4 5 k 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 【8 1 。 1 2 1 3 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 腔体数量及其联接方式的影响。同本机械工程实验室的y o s h i ok o j i m a 等为了 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 i ， s h o j i 等【9 】，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，增加腔体数量是提商有阀压电泵性能的有效途径。 目前，对多腔体有阀压电泵的系统性研究还不够充分，关于腔体的数量、联接 方式以及阀的安装形式等对压电泵性能的影响规律还有待于进一步研究。 1 2 2 无阀压电泵 1 9 9 3 年，瑞典c h a l m e r s 工业大学计算机工程系的e r i ks t e 呻e 首次提出 利用收缩管、扩张管制作无阀压电泵n 1 。这一创造性的工作是压电泵进入无阀 阶段。 与有阀压电泵相比，无阀压电泵的结构简单，效率高，可靠性高，无泵阀 滞后性。因此，无阀泵成为压电泵一个新的研究热点，人们开始研制各种无阀 压电泵，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。 无阀压电泵目前有圆( 方) 锥流管无阀压电泵，“y ”型流管无阀压电泵【19 1 ， 螺旋流管无阀压电泵，倾斜纤毛无阀压电泵”】，温控无闻压电泵等几种。前四 种都是利用流管的特殊形状使两个流管起到不同的进、出口作用，引起流体的 单向流动；而最后一种则是利用流体热粘度的性质，使流体单向流动。下面根 据原理主要介绍圆( 方) 锥流管无阀压电泵和温控无阀压电泵两种。 1 2 2 1 锥型管无阀压电泵 锥型管无阀压电泵的主要组成部件包括带有驱动膜片的腔体和两个扩散口 喷嘴结构，其工作原理图如图1 2 所示。 锥型管无阀压电泵通过压电振动子发生形变引起腔体体积的变化来驱动流 体流动，扩散口是横截面面积在流体流动方向上逐渐扩大的流通通道：喷嘴是 横截面面积在流体流动方向上逐渐缩小的流通通道其工作原理是基于扩散口 喷嘴具有整流特性。如果扩散口喷嘴结构设计合理，在同样的压强差驱动下， 鬻l 掌壤谂 扩散口的流量将大于喷嘴的流量。锥型管无阀压电泵的一个工作周期可以分为 “吸入模式”和“输出模式”。当加压时，振动子向下弯曲进入“输出模式” ( 图b ) ，此时腔体体积减小，泵的出口充当扩散口，进口充当喷嘴，结果出 口( 扩散口) 流出量大于入口( 喷嘴)的流出量；相反，当不加压时，膜片 的弹性使微泵进入“吸入模式”( 图a ) ，此时入口充当扩散口，出口充当喷 嘴，其结果是入口( 扩散口) 流进量大于出口( 喷嘴) 的流进量。无阀泵经过 一个工作周期的最终结果是使一定的净流量靠腔体的振动膜片的驱动到达出口 侧。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。 i +a n i 一 ! + 6p i 0 一 錾：攀 悉焉。_ ；荤囊熹薹蒸 ：广：薯_ t - 。 j ：_ 产一 e 董 ：= = = - f = = = = ：ii ：= = 北京工业大学王毕帧士学位论文 为1 6 m l m i n ，最大输出压力1 9 6 k p a 。 锥型管无阀压电泵是目前微流动系统最热的研究课题之一，许多国家( 瑞 典，以色列【3 5 1 ，德国【1 0 3 6 4 7 1 ，闩本【3 74 6 1 ，中国【3 8 _ 4 5 4 8 5 3 】等) 都在进行这方 面技术的研究，有些研究内容是重复性的，甚至有的研究结论似乎相互矛盾。 德国ii m e n a u 科技大学机械工程学院的t o r s t e ng e r l a c h 等制作的锥型管无阀 压电泵进出口方向( 收缩管出流) 与e r i ks t e m m e 设计的压电泵出口方向( 扩 张管出流) 相反。t o r s t e ng e r l a c h 认为出现这一现象的原因在于e r i ks t e 唧e 的压电泵是用传统技术制造的，体积较大( t o r s t e ng e r l a c h 制作的压电泵泵 腔尺寸为1 0 1 0 ( o 4 o 7 ) 岫3 ) ，而且进出口采用的是细长的锥型管道，因此 具有不同的流体动力学特性。吉林大学压电驱动技术研究室的研究发现：锥型 管无阀压电泵的出流方向与锥型管的角度有关，锥型角小于2 0 0 时扩张管出流； 锥型角在2 0 0 _ 1 2 0 0 之间时收缩管出流。 1 2 2 2 温控无阀压电泵 无阀压电薄膜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。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。 压电振子通电时，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) ，则出口处流体温度升高、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) ， 从进口吸人的流量较多。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。温控无阀压电泵特点是，可以通过置换进出口加热器的相位 来改交流向。 1 2 3 压电泵的应用与发展 目前所研制的压电泵大多是微型泵( m i c r o p u m p ) p e t e rw o i a s 在“微型 泵前2 0 年的总结与回顾”一文中列举( 引用) 最早、最多的都是压电泵。历经 二十多年的发展，压电泵的研究开始由理论研究向实用性研究方向迈进。日本 计器制作所生产的各种小型有阀压电泵已投放市场，可用于血液输送、微小部 件清洗、粘接剂喷涂、化学分析等领域。同传统泵相比，压电泵有很多优点， 第l 章缮沦 但是，从试验样机发展到可靠的、易于应用的产品还存在许多困难。实际应用 表明，对用户来说，目前在操作上还存在较大的难度，不足之处主要在于：微 型泵灌泵操作太困难、再现性不好；另外一点是可靠性低。 综合目前的研究结果不难发现，大流量( 大于1 m 1 m i n ) 的压电泵性能相 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1 ，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( 大于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。具有这种功能的 压电泵尚在研制之中，距离实际应用还有相当长的距离。 压电泵是集机械、电子、材料以及流体等诸多学科于一体的综合性研究课 题，研究机构遍布世界十几个国家，研究的重点也由以前的结构原理型向实用 化方向转变，研究内容包括：仿真分析、优化设计，加工方法，以及适于规模 化生产的新型压电材料( 硅复合压电薄膜) 。压电泵总的发展趋势是向着高压、 大流量，以及结构尺寸微小化、低能耗、输出流量高精度方向发展。 同其他国家相比，我国压电泵研究较晚，有关的理论与试验尚处于起步阶 段，在比较了国内外的研究进展和相关领域的发展趋势后，我们发现，在未来 的几年里本领域应该着重解决压电泵的实用性研究方面的问题，主要包括： ( 1 ) 结构分析及参数优化设计：主要包括腔体、阀及管道尺寸因素分析与设 计，多腔体压电泵的联接特性等； ( 2 ) 产品部件化：开发耗能低( 低电压、高频率或可用直流电驱动) 、集成 化的便携式控制系统，如便携式医用点滴注射器、内植式自动给药系统等： ( 3 ) 开发压电控制主动阀，实现高频下流量的精确控制。 1 3 本课题研究内容 压电泵具有辅助体积小、功耗低、控制精度高、响应快、无电磁于扰等优 点。这些特点是传统流体泵所不具备的，是对流体泵的补充。因而有望于不久 的将来在化学分析与检测、生物工程、医疗保健、集成电路芯片等领域作为冷 北京工业天掌王学碛士学短论文 却或微型机械中的润滑部件而广泛应用。 由以上的分析可知，机械结构的单向阀在压电泵工作时，由于其执行原件 的惯性影响，其工作频率很难提高。而无机械式单向阀的压电泵则有可能在较 高频率获得工作能力。目前无机械式单向阀的压电泵在实验和理论上都有一些 进展，关于工作机理也提出了几种观点，基于有些观点所制做的样机的实验结 果存在一定差异。例如瑞典的e r i ks t e 舢e 等和德国的t o r s t e n ge r l a c h 等所 做的微型压电泵，结构相似但是输出方向完全相反【1 3 16 1 ，说明其工作机理的解 释与实际情况尚有差距，而理论上的差距阻碍了压电泵的进一步研究发展。因 而，无阀式压电泵的有关理论有待发展完善。 由于现有的有阀压电泵采用的基本都是被动阀，阀片的开启和关闭以及工 作状态无法控制，而且阎片开启程度随着泵内压力的变化而不同，很难建立精 确的数学模型，因此在微型泵的机构设计中，无法进行有效的参数改进。 在压电泵应用的重要领域医疗卫生领域，传统的活体细胞或大分子输 送方法一般都采用电磁式蠕动泵、手指泵。这类泵不仅结构复杂，而且产生电 磁波干扰，对于高危病室的精密仪器，特别是对身带启博器的患者都会产生直 接的威胁，所以需要严密的屏蔽装置，为此这类泵大都重量沉、体积大，不利 于搬运与安装，特别是对于野战条件和意外的户外抢救，更显得不适。为了克 服电磁式蠕动泵、手指泵结构复杂、电磁干扰以及该成本所带来的重复使用等 弊病，近年压电式蠕动泵、手指泵也取得了研究进展。例如：2 0 0 1 年，新加坡 的n a m t r u n gn g u y e n 等人研究开发了压电蠕动泵【删；2 0 0 2 年，中国的张建辉 等人研究开发了压电手指式泵【5 5 】。但是由于压电式蠕动泵、手指泵仍存在着大 量待解决的问题，一时还不能进入到应用领域。 “y ”形流管无阀压电泵具备了上述无阀压电泵的全部优点。“y ”形流管 就是三通型的流管。流体在“y ”形流管中，向不同方向流动时，流管对流体 所产生的阻力不同。如果把一对互为倒置的“y ”形流管与振动子( 由压电陶 瓷片与金属放大片组成) 构成封闭空间，就是最简单的“y ”形流管无阀压电 泵。 “y ”形流管在本质上克服了圆锥流管无阀压电泵产生大范围涡旋的弱点， 适用于活体细胞与大分子的输送；同时，“y ”形流管属于二维( 圆锥流管属于 第l 荦鳍论 三维) ，成形与加工成本极低，可以实现一次性使用，避免重复使用所带来的 污染。 活体细胞可以认为是被挤压、剪切而破坏，大分子可以认为是被拉伸、扭 转而拉断、缠绕。可见在相同输入压力场的情况下，“y ”形流管中的涡旋远小 于属于圆锥流管。速度、压力的变化也较圆锥流管中不显著。活体细胞通过“y ” 形流管被挤压破坏的概率减小，保持活性的概率提高；大分子通过“y ”形流 管发生相互缠绕、拉断的可能降低，保持原有机能与性质的可能提高。正如洗 衣机中互相缠绕的衣物，洗净度会降低。 “y ”型流管无阀压电泵采用两支“y ”型结构的流管形式，利用流体延流 管流动方向不同流阻不同的原理，产生单向流动，结构简单，容易建立精确的 数学模型，因此可以对其形状和结构尺寸进行仿真，研究它们对微型泵流量、 压力等性能参数的影响，从而实现参数化设计。 本研究课题通过设计出一种独特的“y ”型流管无阀压电泵并仿真分析无 阀压电泵的“y ”型流管结构，通过比较分析仿真和样机实验数据，对“y ”型流 管无阀压电泵的进一步研究和发展提供了借鉴性的依据。 具体内容概述如下： ( 1 ) 对压电驱动技术、压电泵以及压电泵的种类和特性进行了归纳总结。 ( 2 ) 从流体力学和计算流体力学的理论出发，研究复杂流动状态下“y ”型 流管内流体进、出口区域局部的规律，进行理论分析，有限元模拟和流量计算， 发现不同结构因素对流动影响。 ( 3 ) 设计、制作样机；测量“y ”型流管的 ，目等各个关键结构参数对流 量的影响，找出影响规律；对比分析模拟仿真结果与实验结果，得出最优化的“y ” 型流管结构。 北京工业太掌翼学硕士学位论文 第2 章流体力学分析 压电泵的目前有关理论的解析尚较为少见，且几乎都是关于锥形流管无阀 泵。本章将对具有“y ”型流管无阀压电泵内流体的流动进行较为全面的流体力 学理论分析。 本章主要运用流体动力学的一些基本理论，分析复杂流动状态下“y ”型流 管无阀压电泵的单向流动原理，并给出泵流量的定性公式，从理论上说明“y ” 型流管无阀压电泵的工作机理，证明其输出能力。在总结了现有无阀压电泵工作 机理的基础上，提出“有效流阻长度”概念，通过简要分析说明此概念可以统一 解释无阀压电泵的共性，统一无阀压电泵的评价与优化标准的重要意义。 2 1 流动状态分析 2 1 1 流动状态 层流和紊流。粘性力起主要作用的流动是层流，也叫粘性流动。其特点是液 体的运动是整齐的、平滑的且流线之间呈不相交的均匀流动。 惯性力起主要作用的流动通常叫紊流。其特点是液体质点的路线呈无规律 的、不稳定的旋涡状。 判断层流和紊流的标准是雷诺数。雷诺数定义为惯性力与粘性力的比值 式中p 液体的密度； 矗：丝坐( 2 1 ) 弘 液体的绝对粘度： ”平均流动速度； d 液体流动的特征尺寸。 对于每一流动的情况，所用的特征尺寸应该是一致的。对于非圆形截面流管 来说是矩形出口的当量直径d 0 。 第2 苹流体力学分析 d w ：尝 ( 2 2 ) ”口( 而+ 口) 7 粘滞性是流体的固有属性。在管道中的真实流动都是具有一定粘性的流动。 但是由于常见的液体和气体的粘性系数的数值很小，因而在速度梯度不是很大的 流场中，粘滞力相对于其它力而言为小量，故可不考虑粘滞力的作用，从而可以 假定为理想流体。针对此实验我们一般选择理想流体为流动介质，流体特性按照 理想流体参数选择。 有时，粘滞力只对边界层的流动液体起作用，而在边界层以外的流动液体的 主体部分仍然是惯性力起主要作用，并且流动呈有秩序的状态，类似于层流。这 种情况下，如果忽略边界层力，则这种流动称为势流或流线流。液体通过节流孔 和从腔体流出孔口就是这种流动的例子。科研中经常对一些状态进行假设和简 化，目的是抓主要矛盾，简化分析过程。势流就是忽略了边界层力的简化( 假设) 流动状态【5 6 】。 势流是非紊流型的、流线型的以及无摩擦的液体流动形态，理论上势流的雷 诺数为无穷大。因此，我们可以将雷诺数很大的流动液体的局部看作为势流进行 分析。 在细小的“y ”型流管内，除了长直区段外，还存在几何形状不规则的突变 区段，这些区段内的流体一般都处于湍流状态，运动十分复杂，可能出现脱体流 动、二次流；形成旋涡造成局部障碍及损失。这些漩涡的发生和发展对边界几 何形状有着强烈的依赖性，其形状和强度因流道的不同而不同，是非均匀和高度 各项异性的。其中大涡对平均运动有强烈的影响，大部分质量、动量和能量的输 运都是大涡引起的；二次涡的大小、位置及发生的频率会对流动系统的阻力、能 量损失产生重大的作用。因而我们选定流道内流体为复杂的紊流运动。 2 1 2 流动状态方程 液体由分子组成，精确分析应考虑每个分子的运动，这在实际上是作不到的。 因此，只能依靠“连续”理论，对流动整体从宏观上用统计特性来分析。这么处 理对实际问题有足够的精确性。 由于液体的流动没有一个通用的分析方法，因此对液体流动的每个特定状态 都必须看成是一个特殊情况来处理。实用公式通常是由经验和对实际情况进行分 析得出的。在应用这些公式时，往往需要对实际情况做出许多判断。 “y ”型流管内流动的液体属于特殊的状态，要研究这种流动状态，我们只 能先从流体的一般状态分析着手进行，以便发现可用规律。 为了对一股液体进行描述，可以把液体看成由许多小立方体组成单元液体应 用牛顿第二定律可以得到三个方程： p c 詈+ “罢+ v 考+ w 嚣，= p 一寨+ c 窘+ 害+ 警， c z 一。， p c 詈+ “塞+ v 考+ w ，= p y 一詈+ c 窘+ 雾+ 窘， c z 咀z ， 优戚 鲫洲卵出。咖出 p c 詈+ “尝+ v 筹+ w 考： ，= p z 一謇+ c 警+ 害+ 窘， c z 吨s ， d f嬲卯烈 也珊一d v 出 此三个方程称为纳维一斯托克斯方程。 式中“，v ，w 工，衍口z 方向上的速度分量。 ，时间； p 单位面积上的压力； p 质量密度； 口液体的粘度。 这些方程左边各项是由液体的惯性产生的，右边的后三项是由粘性摩擦产生 的。在稳定流动的状态下，惯性项可以略去，则方程组称为斯托克斯方程；如果 采用低粘度的流体作为研究对象，为了计算方便，也可将将粘度项略去，则方程 成为欧拉方程。 每个液体单元都受到重力，浮力，惯性力，由于液体的内摩擦( 粘性) 产生的 力，由于表面张力产生的力以及由电场和磁场产生的力等等。对于泵来说，重力、 浮力、磁场力、电场力以及张力对流体的作用极其微小，因而可以忽略不计。那 么，剩下的就只有惯性力和粘性力，