（机械设计及理论专业论文）连续可变锥角的锥形流管无阀压电泵的优化与实验研究.pdf

摘要 本文对连续可改变锥角的锥形流管无阀压电泵进行了研究，以锥形流管锥角的 连续改变作为整个研究的出发点，对这种新概念的锥形流管进行了结构设计与制造 的研究，并深入分析了其工作性能，泵内流体流动的动力学性能，为锥形流管无阀 泵的微型化与产业化提供了理论依据。 通过设计种可改变锥角的锥形流管结构，实现锥形流管的锥形角从0 度到9 0 度的连续改变。可以进行锥形流管锥角的连续变化下，不同频率下工作的流量实验。 对锥形流管内的流场流动状况进行了计算流体动力学研究，模拟了泵内锥形流管在 实验条件下流场内速度、压力、流场类型的分布等情况。在本研究中，设计了一套 气穴观察装置，能够观察压电泵内的气穴发生、生长、流出的状况，开发了一种三 维阻网结构来抑制气穴的生成与流出。 连续可变锥角锥形流管无阀压电泵与其他锥形流管无阀泵相比，具有可以连续 改变流量的特点，并且可以根据输送物质的不同，选择合适的流管流场类型所对应 的锥形角，可以应用于某些避免出现湍流的场合。三维阻网法的发明可以有效地减 少压电泵内气穴的流出，可以使锥形流管无阀压电泵应用于血液输送等医疗保健领 域。 关键词；连续可变锥角；无阀： 计算流体动力学；立体阻网法 a b s t r a c t 工n t l l i sp a p e r ，m er e s e 盯c ho fv a l v e l e s sp i e z o e l e c 丽cp 衄pw i 如c h 柚g e 曲1 eo o n e 柚g l e n o z z l e d i f 如s e re l e m e n t s ( c c n d e ) i sc a r r b do u t t h ew h o kg 沁d ybb a s e do nt h ec h a g e a b n 姆o f c c n d e a 卫dt h es t m c t u r eo f m i sn e wc o n c 印t o z z i e d i 仃h s e re l e m e ti sd e s i g e da n dm 札u f a 酿啪d ， a l s o ，t l l ew o r k i n gp e r f o 瑚a n c e ，也eh y d t o d y n 锄i c sa 士l a l y s i si s 扯h i e v e dj nt h er e s e a r c h i tw i l lp r o v i d e t h e o r e t i c a lt e f b r e n c ef 撕t l l em i n i m i z a t i o n 姐d 如d u s 怔a l i 刎叩o fv a l v e l e s sp i e z o e l e c 砸cp 岫pw 曲 n o z z l e ，d i 疗h s e re l e m e n t s t h ec o n ea n g l eo fn o z z l e ，d m s 盯d e m e n t sc 眦b ec h a n g e d 奇o mod e 舯et o9 0d e g r e e ，w h 曲i s 阳a l i 2 e db yd e s 蜘i i l gas t n l c n l r eo fc h g e a b l ec o n ea n g l e 吐。嘲c ，d 螗u 3 e re l 锄e n t s w 弛也ec o 雎 姐g l eb e i 玉l gc o r n i n u o u s l yc h 锄g e d ，也ee x p e r i m e n t so fn o wr 啦c o l l l d b ei i i i p l e m e n t e d 岫d e rd i 彘咄n 仔e q u e n c i e s m o r e o v c o m p u t a t i o n a lf l u i dd ”姗i c s ( c f d ) 趾a l y s i so fn o wf i e l di nc c n d ei s c o m p l e t e di n 也er e s e a r c h b e s i d e s ，i ti ss i m u l a t e d 山a tt h ed i s 研b u t i o no fl l l ev e l o c i 吼p r e s s u m ，孤d n o wf i e l d 乜，p eb r eu n d e re x p e r i m e n t a lc o n d h i o n s f o rt l i es a k eo f 曲s e r v i l 坞t l l eo c c u r r e n c e ，粤啦 a n df l o w j n go u tp h e n o m e n o no ft h ec a “t a t i o n si l l 廿艟v a l v e i e s sp i e z o e l e c 砸cp 咖1 pw 岫c 口4 d e ，as 既 o fd e “c ew 懿d e v e l o p e dt oa c h i e v e 也ep r o p o s e dp u r p o b la d d i i i o n ，a3 d 妇e n s i o n a lm e s hw 够 i l l v e n t e dt or e s i s t 血eo c c u r r e n c ea n dn o wo f c a v i t a 娃o n s c o m p 抽gt oo 血e rv a l v e l e s sp i e z o e l e c 砸cp i 皿p sw 岫n o z d “d i f m s e re l e i n e n t s ，t h ev a l v e i e s s p i e z o e l e c 炳cp u m pw i 血c c n d eh a sm ec h a r a c 研t l l a tn l en o wr a i ec a i ib ec h 锄g e dc o n t i 曲叫s l y a 1 s o ， a c c o r d m gt ot l l ed i 行e r e tm 删酊sw h i c ha r eh 谢l s p o r t e dt h r o u g b1 h ep 啪p m 。p r o p e rc o n e 如g i ec 锄 b es e l e c t e d _ oc r e a t e 也op r o p o s e dn o wf 硝dt y p es ot h a tm i sp 衄pc o u l db ea p p k dj i is o m eo c c 雏i 咄 t h a t 山em l 机l c es h o u l db ea v o i d e d w h a ti sm o | e 。d l ej v 龃t i o no f3 - d i n l e n s i o n a lc a v i 乜虹o n s r e s i s t 粕c ei n e t l l o dw o u l de f f e c d v e l ye 丘h c et h ef l 。w i n go u to f t l l ec a v h 州o n si 1 1t h ep i e e l 时i cp 岫p ， w h i c hw o u i dm a k et h i sp u n l pa p p l i e do nt h en e l do f m e d i c a lc a r es u c h 鼬b l o o d 仃铷f i l s i o n k o y w o r d sc h a n g e a b l ec o n e 蛆g l e ；v a l v e l e s s ；c o m p u t a d 蚀a lf 1 u i dd ”a m i c s ；3 - d i m e n s i o n a l c a v i t a t i o n sr e s i s 协i l c em e 也o d - 第1 章绪论 1 1 课题背景与国内外研究现状 压电泵是压电驱动器的重要分支，其是利用压电振子将电能转化为机械能的流体 传输装置。压电泵的研究可以追溯倒二十世纪七十年代。1 9 7 8 年，美国s a n d j a 国家 实验室的砒j s d e n s e r 发表了关于“电控压电胰岛素泵和阀”的文章：此后，s m i t s 于 1 9 8 5 年提出了压电液体蠕动泵1 2 】，1 9 8 3 年，荷兰t w e m 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旺 1 9 9 3 年，瑞典的e s t e 衄e 等人创造性地发明了锥形流管无阀压电泵【4 】( 图1 1 ) 。 如果把阀定义为：在泵的吸入及吐出过程中，至少有一时点，原本在泵腔中连通的吸 八及吐出口之间，产生不连通的原因；也就是说，阀造成的不连通，使泵产生了单 向流动。那么所谓无阀就是利用流体的某些性质，创造出的一些即可以产生单向流 动，同时，吸入及吐出口之间又始终连通的特殊机构。因e s t e m m e 等人的无阀压电 泵是利用了互为倒置的圆锥形流管机构，所以称之为圆锥形流管无阀压电泵。这一 创造性的工作，使压电泵进入到无阀阶段，同时，也为避免泵阀跟从性差的问题， 开辟了新天地。 t h ep u 哪p r o t o t y p e n s is t j n eo f ac ir c u ia rh o u 8 i n g 鲥t h a na s c ii l a t l n gt o pd i 印h r a 舯a n d d i 什u s e r n o z z i ee l m e n t s d lr e 。t 1 0 n 图1 1e s t e l i n e 发明的锥形流管无阀泵 f j g 啪2 - ln ev a j v e l e s s p u m p w 曲z z l 洲m s c r i n 啪t e d b y e s t e m i i l e 卤燃奁 p ie z o b i m o r 口hm e w b r a n e a n t i p a r a i e l l y8 r r a n g e d d y n a m i cv a l v e s c r o s s s e c t i o n a iv i e wo f t h et e s t e dm ic r o p u t i l p s ， c o n f i o d f r e c t i o n v e 图1 2 g e r l a c h 发明的四方锥形流管无阀压电泵 f i g u r e l 2v a l v e l e s s p i e z o e l e c 憾p 哪p w i m a n 郾a 豫n e l l y 蛐g e d d y n a m i cv a l v e sk v e m e db yt g e r i a c h 图l 一3 松本发明的热秸度无阀压电泵 f 远l l r el 3v m v e l e s sp i e e l e c t f i c 】咀i c r o p u m p b a s e do nt e m p e r a t i l r ed e p 蜘d e n c eo f l m mv i s c o s 时b ym a 嘶。t o 这之后，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 压电泵吼他们的工作开创了微压电泵的新局面( 图l 一2 ) ；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【6 ( 图 l 一3 ) ：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i7 】：1 9 9 9 年，中国的张建辉利用“y ”形流管的特殊流动性， 发明了“y ”形流管无阀压电泵1 8 】；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1 9 】。2 0 0 0 年，新加坡的n a m 1 h n g n 套u y e n 等人对锥形流管无阀压电泵进行了数值模拟研究 1 0 1 ；2 0 0 4 年，中国的张建辉、赖德 华、寇杰、侯波电等人利用平面机构开发成功了可连续变锥角无阀烈1 “。此外值得 一提的是，中国的程光明等人于1 9 9 8 年，仿制了e s t e m m e 等人的圆锥形流管无阀压 电泵，并作了大量的实验工作 1 2 1 3 ；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【1 4 】【1 ”，同时也就压电泵进行了很多分析与研究 1 6 】( 2 2 】。 图1 4 程光明圆锥形流管无阀泵 f i g w c1 - 4v a l v e l e s s pw i c h 口l 曲i 肺s e r b yc h e n gg u 驴啦 国际上有很多国家和地区的研究者相继傲了很多有关于压电泵方面的研究。 1 9 9 9 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口。 英国南安普顿大学的m i c h 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种新型无阀压电泵【2 4 。 圜1 5m i c h a c 】k o c h 无阀压电泵 f 酒】r el 一5v a i v e l e s sp i e z o e l e c 晡cp 硼叩b ym i c h a e lk 0 c h 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阔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 2 年，他又制作了基于啪e m s 技术采用了一种新型阀的复合压电泵 2 5 卜 2 6 1 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 6 阮南忠p c b 电路板无阀泵 f i g u r el 6v “v e k s sp u 呻o np c bb yn 锄t n l n gn g 时e n 7 q 1 一 图l - 7 新型阀复合压电泵 f i g u r el 7c 咖p l e xp i e z o e l e 硎cp u m pw i mn o v e l v e 荷兰的s e b a s t i a nb o h n l 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( 见图1 8 ) ，在不同类型的驱动器驱动的情况下进行了仿真与 测量【2 7 1 。 伊朗的m i r m a j i d1 e y m 0 0 r i 年将静电驱动下的一种新型微泵( 见图1 9 ) 应用于医 疗送药领域f “。 美国海军国家实验室的j c r i 峨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【2 9 1 ( 见图1 1 0 ) 。 美国美国麻省理工学院的l s a g g e r e 利用叠堆的压电振子制作了高频大流量的压 电泵 3 0 】( 见图1 1 1 ) 。 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，在这种泵里面他们设 计了一种高跟从率的被动阀口i 】( 见图l 1 2 ) 。 | l 翼 图1 8s e b a m b o h m 采用塑料被动阀的微泵 f i g u r el 8m i c m p 岫叩w i mp i a s t i cp 雒s i v ev a l v e 图l 9m i rm a j i dt e y m 0 0 r i 静电驱动微型泵 f i g l l r e1 - 9s 蜥ce l e 训c 删v 蚰m i c r o p 哪pb ym i r 删i dt b 珊o o r i 图l 一1 0j ，c r i f e 微小超声无阀泵及搅拌器 f i g u r e1 一l om i n i a t mv a l v e i e s su l m l s o n i cp 唧p sa n dm i x e 体 图1 1 1 堆叠振子大流量压电泵 f i g u r el 1 1p i c z o e l e c 埘cd r i v e n 碰g l lf l d wr a 把m i c r o - p u i n p 图1 1 2b o “制作的具有高跟从率被动阀的压电泵 f i g u r ei 1 2l a 唱en o wr a t e ，r o b u s t ，p a s s i v em i c r oc h e c kv a l v e s f 曲c o m p a c tp i z e o e l e c 翻c a u ya 咖牡t e dp u m p s 随着压电泵的研究的逐步的深入，新原理、新形式的无阀压电泵正在不断的产 生，国内外对于无阀压电泵研究的趋势朝向微小化和与m b m s 技术结合的方向发展。 这些研究很多是采用了锥形流管无阀泵的原理，且热衷于横向开发各种各样采用锥 形流管无阀泵的及微小化的泵【3 2 1 。无阀压电泵的性能主要包括：流量、压力、能 耗、寿命、噪声及气穴等。然而针对锥形流管自身特性的研究却开展的很少，只针 对某一种形式的压电泵的研究，已经再原理、压力、能耗、寿命、噪声、气穴等方 面进行过较深入的探讨。例如：1 9 9 9 年进行了锥形流管无阀压电泵锥角与泵性能的 实验研究1 3 4 j ；同时，在理论方面进行了锥形流管无阀压电泵的振动解析及容积变化 量的研究【1 8 】，2 0 0 1 年进行了单向流动原理及泵流量的研究 1 9 l ；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量特性的研究，气穴现象的研究【1 0 【2 i l 。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【j “。 目前所研制的压电泵大多是微型泵( m i c 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 3 6 】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入市场，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。日本山形大学铃木胜义教授正在进行小型压电泵改进开发工作，以 期通过改进泵的结构( 如多腔体) 来提高性能价格比。同传统泵相比，压电泵有很 多优点，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 应用标明，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l m l 触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 lm ，砌折) 、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与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1 3 7 】【3 8 】 3 9 】【删【4 1 1 ，加工方法【4 2 1 ，以及适于规模 化生产的新型压电材料( 硅复合压电薄膜) 【2 4 】。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、输出流量商精度方向发展。 1 2 压电泵 1 2 1 压电泵的定义与分类 压电泵是压电驱动器的重要分支，它是利用压电振予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。压电 薄膜泵和压电超声泵的主要区别在于：压电薄膜泵是直接或间接利用压电振子机械 变形来改变泵腔体积，通过阀来实现流体的单向流动；而压电超声泵则是利用压电 振子产生的超声波，无须借助阀即可实现流体的单向( 沿着波的传播方向) 流动。 根据阍的结构特点，压电薄膜泵又分为有阕压电薄膜泵( 悬臂粱、浮动球阀或锥形 i l 童三些奎耋三耋堡圭耋堡鎏銮 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 6 】) ， 每种压电薄膜泵又包括压电片郾，“ 4 】驱动和压电叠堆【4 5 1 4 7 1 驱动、单腔体( 大多压电 泵是单腔体) 和多腔体f 5 2 s 3 ，5 4 - 3 8 等多种结构。 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【3 - “、化学分析以及汽车发动机燃料供给【7 】等领域都可以应用。 1 2 2 有阀压电泵 早期的压电泵大多属于单向阀式压电薄膜泵，以下简称有阀压电泵。它包括压 电片式有阔压电泵( 压电振子式单个压电片) ，压电叠堆式有阀压电泵( 压电振子式 压电堆叠) 和压电片式多腔体有阀压电泵。 ( 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1 1 3 所示。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，进口闻关闭，出口阀打开，流体从泵腔内排出。可见，单向阎开启 和关闭是通过泵腔内的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阅压电泵进行了试验研究( 2 l 【”， 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 3 h z ；驱动电压1 2 0 v 、无负载时的 最大输出流量为i1 0 m i ，m i n 。 c b 瞄v 斛八斛v 蚪 慧一烈 憝测蕊忒 图l - 1 3 压电片式有阀压电泵 f i g u r e1 1 3 v e p i l i p w 曲p i e z 0d 坤h a r g m ( 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t 的h q l i 等利用压电叠堆振子制作 - 8 第l 章绪论 了高频、大流量压电叠堆式有阀压电泵，其结构如图l 一1 2 所示嗍。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 m m 、高1 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 k h z 、输出压力为零时的最大输出流量可达到3 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 4 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。日本计器制作所采用积层放大结构开发的压电泵已进入实用阶 段，c h 3 0 s 6 n 0 1 型压电泵在施加电压1 1 0 v 、工作频率1 0 h z 时，其输出流量达 5 0 m l m i n ，输出压力6 0 k p a 。 有阀压电泵虽然结构相对复杂，但可实现流量精确控制。瑞士学者d i d i e r m a i l i e f c r 等设计一种植入式低流量微型硅截至阀压电泵，在流量为o o 1 m 妇的范围 内，每个工作循环输出流量进度可达1 0 【删 图l 一1 4 压电叠堆放大式有阎压电泵 f i g i l r e1 1 4 v a l v e p u m p w 弛p i e z o s t a c k a c t l l a t o r e l e m e m ( 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 数量及其联结方式的影响。日本机械工程实验室的y o s h i ok o i i m a 等 5 2 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【4 5 1 ，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 j ! 奎三些奎兰三耋鎏圭兰垡篁耋 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，两腔四阎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，两腔三阍泵 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 3 无阀压电泵 有阀压电泵的结构通常比较复杂，在加工工艺和集成上存在一定的难度，因此， 人们又开始研究无阀压电泵，利用管道的特殊结构或流体的粘度特性等来实现流体 的单向流动。 如果把阀定义为：在泵的吸八与排出过程中，至少有时点，在泵腔中连通的吸 入与排出口之间瞬时不连通：也就是说，是由于阀造成的瞬时不连通，使泵在工作 过程中产生单向流动。那么所谓无阀泵的“无阀”，就是利用流体在特殊流路中的流 动特性，创造出了可以产生单向流动，并且吸入与排出口之间又始终连通的机构。 近年发明的无阀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，有阔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【1 1 - 【5 ，可是其泵阀的存在限制了在微小化及高 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。 n ) 锥形流管无阀压电泵 1 9 9 3 年，瑞典皇家理工学院计算机工程系的e 缺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 “在国内统称为锥形流管无阀压电泵。这种泵没有可动阀体， 它是利用流体流过收缩管积扩张管的不同阻力来实现流体单向输送的。如图l 1 5 所 示，当泵腔体积变化时，液体从进口和出口同时流入和排出，但由于阀的结构特殊， 每一个循环进出口吸入和排除的流量不同。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) 排除的多。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 的特点是实现微型化；缺点是反向止流性能差。e r i ks t e m m e 利用直径1 6 m m 压电振 子制作的第一个试验样机，在工作频率l h z 左右对，最大输出流量为1 6 m m m ， 最大输出压力1 9 6 k p a 。 锥形流管无阀泵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予或活塞的带动下，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， 图l 1 5 互为倒置的一对锥形流管 f i g l l r e1 - 1 5n 0 2 z l e 仍i m 墙e re i e m e n 乜 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 5 所示为互为倒置的一对锥形流管。在 图1 1 5 中也标出了锥形流管韵主要尺寸，图1 1 5 的左图为扩张流管，右图收缩流管。 对锥形流管无阀压电泵的变锥角的研究开展的非常少，只有中国的张建辉用不 同锥角的若干只锥形流管无阀泵进行过初步的研究 3 5 ) 。 至此已经从理论与实验两方面证明了，锥形流管的锥角可以改变泵的流向口”。 其原理为具有相同锥角的扩张流管与收缩流管湍流耗能不同，也就是动粘性底层的 厚度不同，宏观上表现为流阻的不同，即产生了流阻差。锥角变化流阻也随之变化。 但是，扩张流管与收缩流管流阻变化率不同，所以锥角决定了泵流向。 锥形流管无阀压电泵是目前馓流动系统最热的研究可以之一，许多国家( 瑞典 8 ，4 2 ，5 4 1 ，以色列【5 3 】，德国【5 ：4 6 1 ，中国【1 8 - 2 1 等) 都在进行这方面技术的研究。德国h m e n a u 。交。努 科技大学机械工程学院的t o r s t e ng e r i a c h 等制作的锥形流管无阀压电泵进出口方向 ( 收缩管出流) 【s l 与尉ks t e m m e 设计的压电泵出口方向i 4 1 相反。t o t 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 m m e 的压电泵是用传统技术制造的，体积较大 ( t 0 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 ) m m 3 ，而且进出口采 用的是细长的锥形管道，因此具有不同的流体动力学特性l 。吉林大学压电驱动研究 室的研究发现口4 l ：锥形管无阀压电泵的出流方向与锥形管的角度有关，锥形角小于 2 0 。时扩张管出流；锥形角在2 0 。1 2 0 。之间时收缩管出流。 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。瑞典皇 家理工学院的a n d e r s 0 1 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【5 4 】，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 e r s0 1 s s o n 的另一项研究( 1 9 9 9 年) p 8 标明，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。以色列t e l a v i v 大学工程学院的a m o su l l n l a l l l l i ”j 对两个腔体锥形流管无阊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。 ( 2 ) 异型管无阀压电泵 由于无阀压电泵没有运动阀体，因此它可以输送带有悬浮颗粒的流体，诸如大 分子和活体细胞等。美国华盛顿大学机械工程系的l i n g s h e n gj i a n g 等研制一种固 定阀微型泵( 丘x e d v a l v em i c r o p u m p ) ，亦成为无移动阀泵( n o - m o v i n g - p a n sv a l v ep u m p ) ， 它是依靠特殊的管路形状实现流体的单向流动。为有别于其它形式的无阀压电泵， 可称为异型管无阚压电泵。实验标明，它可以输送直径为3 1 2 0 1 3 “m 的聚苯乙烯 微球悬浮物，微球的密度高达9 0 0 0 粒卢，时仍然能够正常工作，不堵塞，这相当于 每秒钟有9 0 0 0 0 多个微球以o 6 m i n 的速度从泵中流过。 ( 3 ) 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。日本a i s t m 1 1 r i 机械工程实验室的s m a t s u n l o t o 等利用这个原理研制了温控 无阀双向流体压电泵，其工作原理见图1 3 【6 l 。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( 迸口加热器断电) 。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 4 压电超声泵 新加坡n a n y a n gt e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r i s t y 和美国加州大学共同研制一种超声弯曲 平面波微型泵( u 1 廿a s o n i cf l e x u r a lp l a t ew a v em k r o p u m p ) 简称为超声泵( a c o u s t i c p u m p ) 或f p w 一泵，是一种无阀泵【3 7 1 。它是基于超声流( a c o u s t i cs t r e a m i r i g ) 现象 实现流体输出的，当弯曲波在薄膜内传播时，在靠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。加州大学的a u d r ah m e n g 等利用辐射超声波振子( r a d i a l t 啪s d u c e r ) 制作了压电超声泵( 结构及原理详见文献【5 0 】) 在输入电压为1 2 v 、工作 频率3 7 9 m h z 时，可获得最大输出流速1 1 5 m m s ；另外，辐射超声波振子还成功地 把直径2 m m 的聚苯乙烯球聚束，使其通过宽度不足l o o n m 的柬腰( b e 锄w a i s t ) 。 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 ) ，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【4 9 】【5 1 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。目前，该泵最大输出压力1 1 ”a ，流量4 5 m l m i n ，工作频 率为数十k h z ，进一步的理论分析和试验研究仍在进行。 图1 - 1 6 压电超声泵 f 龟u r el 1 6u l t r a s o n i cp i e z o e k c 研cp 【l m p 1 3 本文主要研究内容 在传统的锥形流管无阀压电泵的结构的基础上加入可调节锥角的锥形流管机 构，得到可变锥角的锥形流管无阀泵的雏形。通过设计一种带有螺旋调节机构的锥 形流管使锥形流管的收缩口和扩张口的锥角能够在螺旋调节下实现一定范围内的任 意角度。实际制作出一只连续可变锥角的锥形流管无闽压电泵，并用该泵进行一系 列变锥角下的泵内流体流动的实验。利用已制成的可变锥角的锥形流管无阀泵进行 固定频率下可变锥角锥形流管关无阀泵的流量随锥角的变化测量固定锥角下可 变锥角锥形流管无阀泵的流量随压电振子振动频率的变化测量。 北京工业大学工学硕士学位论文 恩有限元数值模拟的方法模拟连续可交锥角的锥形流彗无阀压电泵内流体流 动，比较与实验的趋势、规律，分析结果。用所得到的有限元模型对该泵的结构参 数等进行仿真和优化。用有限元和计算流体力学1 仿真软件c f x 对可变锥角锥形流管 无阀泵内的流体流动进行模拟，建立连续可变锥角的锥形流管无阀压电泵的有限元 分析模型，给出不同固定频率下流量随锥角变化的仿真结果以及固定锥角下泵 流量随压电振子频率变化的仿真结果并给出泵内流体流动的速度和压力分布情况 的仿真结果。 1 4 本童小结 本章介绍了研究课题的内容、意义，研究背景以及该研究领域内的国内外现状分 析。对压电泵的定义与分类进行了叙述，详细的给出了有阀、无阀等各种压电泵的 介绍。 第2 章连续可变锥角的锥形流管无阀泵的设计与制作 将锥形流管无阀压电泵的锥形流管的锥角制作成可以连续改变【”，可以研究对于 同一只锥形流管无阀压电泵当其除了锥角以外其他因素相同时泵内流体流动随锥角 改变的流动特性。可变锥角结构如图2 一l 。而且通过数值模拟的方法对该泵进行仿 真，可以找到可变锥角锥形流管无阀压电泵的最优化的模型。通过建立锥角与流量 在固定频率下的数值模型，可以开发种通过控制量化的锥角改变来得到流量控制 的新型无阀压电泵。因此，对连续可变锥角的锥形流管无阀压电泵的研究将会对锥 形流管无阀泵的理论和实际应用都有着重要的意义。 图2 1 连续可变锥角锥形流管无阀压电泵的可变锥角流管机构简图 f i g u r e 2 lc h 瓤g e a b i e c 。n e a n 西e n 吲西i 甑s e r b i 唧e n t s 2 1 连续可变锥角锥形流管结构 l 前挡板2 后挡板3 螺栓导向滑块 4 密封槽与密封胶5 导向凸起与固体润滑剂6 锥角调节螺栓 7 弹性密封填充物8 可动流路挡体9 连接铆钉1 0 固定流路挡体 7 弹性密封填充物8 可动流路挡体9 连接铆钉1 0 固定流路挡体 衄盯口鄹 盈2 2 连续可变锥角的锥形流管结构图 f i g u r e2 2s t 兀l c t u r eo f m ec h a l l g e a b l ec o n ea n g l en o z z b d i 瓶s e re l e m e m s 图2 2 所示为可变锥角结构。由前后挡板、固定流路挡体、可动流路挡体组成封 闭的二维锥形流路。锥角调节螺栓在螺栓导向滑块所构成的螺母内转动时，可使可动 流路挡体在以连接铆钉为轴心，可动流路挡体和调整螺栓的连接处到固定流路挡体处 的距离为半径转动，此时，螺栓导向滑块也随之在前后挡板组成的滑道上滑动，以使 锥角调节螺栓不发生卡死现象。 可动与固定流路挡体两端成凸凹配对性圆弧形状，其间隙由弹性密封填充物充 满，设计方案模仿了人体弘胫骨间的膝盖关节。这样既可以方便连接。又可以提高密 封性。 可变锥角结构的机械及几何关系可由图2 1 所示的锥角调整机构简图给出，具体 计算表达由公式( 2 1 ) 表示。 口：兰! ：坚：兰竺兰堡 p y?=yhs t np ? 口= 属 f = f ， ( 2 一1 ) 式中“，螺栓旋转角度 羁部分锥角 目锥形流管的锥角 m 锥角调节螺栓的移动量 卜螺距 其它参数如图2 1 所示。当儿= y 时，屏为零；当几；o 时，屈取得最大值。 由图2 一l 可知，当“，。，时，得到的连续可变锥角的锥形流管是非对称锥形， 这种非对称结构是传统锥形流管难于实现的。 2 2 连续可变锥角锥形流管无阀泵的流量试验 图2 3 所示为采用了一对互为倒置的连续可变锥角锥形流管的无阀泵的照片。连 续可变锥角锥形流管的具体几何参数由表2 1 给出。调节不同锥角角度进行了泵的工 作实验，得到锥角与泵流量关系曲线如图2 4 所示。 量：耋壅竺里查篁鱼丝垄鎏篁垂塑圣塑堡盐皇型堡 图2 3 采用了一对互为倒置的连续可变锥角锥形流管的无阀泵 f i g u r e 2 3 v 矗l v e l e s s p u m p w i m c h a n g e a b l e c o n e a