（机械设计及理论专业论文）非对称波纹腔底无阀压电泵的研究.pdf

摘要 摘要 本文首先提出了一种新型的非对称波纹腔底无阀压电泵，这种泵巧妙地利用 了泵腔内部的空间，将泵腔底部沿吸入口和排出口垂直方向设计成非对称波纹形 状，非对称波纹形腔底与压电振子之间形成非对称交替排列的一组锥形流道( 或 称为楔形流道) ，替代了传统锥形流管无阀压电泵中安装在泵腔之外的锥形流管， 使流体产生单向流动。 然后对该无阀压电泵进行了一系列研究，该研究以非对称波纹腔底的置换作 为整个研究的出发点，对这种新概念的压电泵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，为非对称波纹腔底无阀压 电泵的微型化与产业化提供了理论依据。 通过设计一组非对称波纹腔底嵌块，实现非对称波纹腔底嵌块的一侧倾角从 2 0 度到6 0 度的连续改变。用该泵的样机和一组非对称波纹腔底嵌块进行了一系 列流量实验。在理论分析的基础上给出了该泵的流量公式。对泵腔内的流场流动 状况进行了计算流体动力学研究，模拟了在实验条件下泵腔内流场内速度分布等 情况。 与其它无阀泵相比，非对称波纹腔底无阀压电泵具有可以易改变流量，节省 泵外部空间和缩小泵体积的特点，所以该泵更适合于微小型化，尤其适合于微机 电系统( m e m s ) 随着泵体结构与设计的优化与完善，该泵将会有更加广阔应 用前景。 关键词压电；泵；非对称波纹腔底：计算流体动力学 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r , an o v e l 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 l c o r r u g a t i o nc h a m b e rb o t t o mi sp r e s e n t e d i ti n g e n i o u s l yt a k e sa d v a n t a g eo f t h es p a c e o ft h ec h a m b e rb yd e v e l o p i n gi t sb o t t o mi n t oau n s y m m e t r i c a lc o r r u g a t i o ns h a p e a l o n gt h ea x i so ft h e - i f i l e ta n do u t l e t a sar e s u l t ，as e r i e so fd i f f u s ep i p e sa n dn o z z l e p i p e s ( o rw e d g e s h a p e dp i p e s ) ，w h i c hs u b s t i t u t et h er e g u l a rd i f f u s e n o z z l ee l e m e n t s f l a e do u t s i d et h ec h a m b e r , a r ea l t e r n a t i v e l yf o r m e db e t w e e nt h eu n s y m m e t r i c a l c o r r u g a t i o nc h a m b e rb o t t o ma n dt h ep i e z o e l e c t r i cv i b r a t o r t h ep i e z o e l e c t r i c v i b r a t o ri so p p o s i t et ot h eu c c b ，a n dt h e s ed i f f u s ep i p e sa n dn o z z l ep i p e sa r ea b l et o f o r c et h ef l u i di nt h ec h a m b e rt of l o wa l o n gas i n g l ed i r e c t i o nw h e nt h ep u m pw o r k s t h e eas e r i e so fr e s e a r c h e sa b o u tt 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 h u 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 ma r ec a r r i e do u t t h ew h o l es t u d yi sb a s e d o nt h ec h a n g e a b i l i t yo ft h eu 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 mw i t ht h e d i f f e r e n ta n g l e a n dt h es t r u c t u r eo f t h i sn e wc o n c e p tv a l v e - l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pi s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d a l s o ，t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c e ，t h eh y d r o d y n a m i c s a n a l y s i si sa c h i e v e di nt h er e s e a r c h i tw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h e m i n i m i z a t i o na n di n d u s t r i a l i z a t i o no ft 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 h u 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 t h ea n g l eo fu 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 mo a nb ec h a n g e df r o m 2 0d e g r e et o6 0d e g r e e ，w h i c hi sr e a l i z e db yd e s i g n i n gas e r i e so fu n s y m m e t r i c a l c o r r u g a t i o nc h a m b e rb o t t o m s w i t h t h ep r o t o t y p eo fp u m pa n das e r i e so f u 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 s ，t h ee x p e r i m e n t so ff l o wr a t ec o u l db e i m p l e m e n t e d t h ef l o we q u a t i o n so ft h i sk i n do fv a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u m pi s g i v e nb a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s e m o r e o v e r , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a n a l y s i so ff l o wf i e l di nt h ep u m pc h a m b e ri sc o m p l e t e di nt h er e s e a r c h b e s i d e s t h ed i s t r i b u t i o no f t h ev e l o c i t yi ss i m u l a t e du n d e re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s c o m p a r i n gw i t h t h eo t h e rv a l v e - l e s s p i e z o e l e c t r i cp u m p s ，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 lc o r r u g a t i o nc h a m b e rb o t t o mh a s t h ec h a r a c t e r t h a tt h ef l o wr a t ec a nb ec h a n g e de a s i l ya n dt h ec h a r a c t e rt h a tt h ev o l u m eo f t h ep u m p i ss a v e d s ot h i sk i n d o f v a l v e - l e s sp i e z o e l e c t r i c p u m pi s m o r es u i t a b l ef o r m i n i m i z a t i o na n dm i c r o m i n i a t u r i z a t i o nt h a nt h ev a l v ep i e z o e l e c t r i cp u m p ，e s p e c i a l l y f o rt h em i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e r n ( m e m s ) b e c a u s eo f i t ss i m p l es t r u c t u r e w i m t h eo p t i m i z a t i o no ft h ep u m pi nt h es t r u c t u r ea n dd e s i g n ，t h ev a l v e - l e s sp i e z o e l e c t r i c p u m p w i t h u n s y m m e t r i c a l c o r r u g a t i o n c h a m b e r b o t t o m w i l l h a v e a b r o a d u t i l i z a t i o n k e y w o r d sp i e z o e l e c t r i c ；p u m p ；u n s y m m e t r i c a lc o r r u g a t i o n c h a m b e rb o t t o m ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 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：二盔掣广- 日期：二竺乏l 一 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) 躲埤导师张越魄习莎9 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 传统意义上的泵一般是由电磁机械或电机驱动的。无论在理论上、设计方法 或制造技术上，已达到十分完善的程度。但受工作原理和结构的限制，如需要附 加驱动电机，则体积较大，受电磁干扰，不易控制微小流量，因而难以满足当 前宇宙飞船、人造卫星、飞机、汽车、机器人、精密仪器及其它微机电系统的应 用需求。为此，世界各国都在努力研究各种新类型泵，其中，2 0 世纪7 0 年代 发展起来的压电泵是最典型的一种。 压电泵是一种新型流体驱动器。它不需要附加驱动电机。而是利用压电材料 的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输 出或者利用压电振子产生波动来传输液体。由于压电泵具有传统泵所不具备的特 点，如果能将传统泵的驱动源部分、传动部分及泵体三者合为一体，可实现结构 简单、体积小、重量轻、耗能低、无噪声、无电磁干扰，可根据旌加电压或频率 控制输出微小流量。尽管它的发明与发展仅2 0 多年的历史，但在航空航天器、 机器人，汽车、医疗器械、生物基因工程、微型机械等领域里得到成功的应用。 1 2 国内外研究现状 压电泵的研究可追溯n - - 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 年发表的关于“电控压电胰岛素泵 和阀”的文章“；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 ， 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。1 。 1 9 9 3 年，瑞典c h a l m e r s m 业大学计算机工程系的e r i ks t e m e 首次提出利用 收缩管扩张管制作无阀压电泵“1 ，即锥型管无阀压电泵( 图1 - 1 ) 。这种泵没 有可动阀体，它是利用流体流过收缩管和扩张管的不同阻力来实现流体单向输送 的。当泵腔体积变化时，液体从进口和出口同时流入或排出，但由于结构的特殊， 每一个循环进出口吸入和排出的流量不同。分析从两流管在压电泵处于吸入和 排出阶段时，流入和流出的流体体积的量的大小可以概括为：在压电泵处于吸入 阶段时流进流体体积多的，则在压电泵处于排出阶段时流出流体体积少；在压电 泵处于吸入阶段时流进流体体积少的，则在压电泵处于排出阶段时流出流体体积 北京工业大学工学硕士学位论文 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。 t h ep u m p 口r o t o t y p ec o n s is t i n go f 8 c 。5 c i i r c u l a i r h o u 5 i n g ：i i t h a n a t i n gt o pa p i r a ma n d 0 5 ci id i d i f f u s er n o z z f eej e m e n t s 幽i - ie s t e m m e 发明的锥形流管无阀泵 f i g u r e1 1t h ev a l v e l e s sp u m pw i 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 1 9 9 5 年，德国的t g e r l a c h 等人在硅板上丌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( 图卜2 ) 。 p i e z o b i m l d h _ 咖r a n e a n t i p a r a i l e i i ya r r a n g e d a y n a i cv a i v e $ c r o s s s e c t i o n s lv i e o f t h et e s t e dm j c r o p u m p s 图1 - 2 t 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 e1 - 2v 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 ha n f i p a r a l l d l ya r r a n g e d d y n a m i cv a l v e si n v e n t e db y t o e r l a c h 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，提出了热粘度无阀压电泵。( 图卜3 ) 。 图1 - 3 松本发明的热粘度无阀压电泵 f i g u r e1 - 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 p b a s e d0 1 1t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f l i q u i dv i s c o s i t y b ym a t u m o t o 与国外相比，国内在压电泵研究方面起步较晚，相关的研究机构也比较少。 第1 章绪论 目前主要是吉林大学、北京工业大学、清华大学和南京航空航天大学等高校进行 了压电泵的相关研究与设计。 1 9 9 8 年吉林大学压电驱动研究室的程光明教授仿制了e s t e p , h e 等人的圆锥 形流管无阀压电泵( 图1 4 ) ，并用其作了大量的实验工作“一。该泵由双压电晶 体元件压电振子驱动，内部安装有锥形的扩张管收缩管，利用流体通过扩张收 缩管时的流量差实现流体的连续吸入与排出。 图l - 4 程光明圆锥形流管无阀泵 f i g u r e1 - 4v a l v e - l 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 gg u a n y n i n g 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。1 ；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“”；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“。2 0 0 4 年，中国的张 建辉等人利用平面机构开发成功了可连续变锥角无阀泵“”。 2 0 0 1 年清华大学周兆英教授发表的论文介绍了一种利用压电驱动的微型喷 雾器“”( 图1 - 5 ) 。该喷雾器利用微机械加工技术，制作微米级的喷孔阵列，基 于喷墨打印机原理，微喷换能器采用压电驱动方式在其较高阶谐振状态下工作。 实验结果表明，这种喷雾器喷出的雾滴直径大小均一，工作稳定且容易控制喷 雾量。 图卜5 清华大学的压电微型喷雾器 f i g u r e1 - 5p i e z o e l e c t r i cm i n i a t u r ef o gs p r a y e r 2 0 0 4 年南京航空航天大学超声电机研究中心研制一种新型结构的压电泵。该 泵由两片双压电晶片元件驱动，进水口为一单向阀，出水口为锥形的喷嘴。该泵 由两片双压电晶片元件同时驱动，泵腔容积变化比较大，可以实现自吸，电压 l o o v 、频率3 0 h z 、流量为5 0 m l m i n ( 水溶液) 。 3 北京工业大学工学硕士学位论文 此外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。 1 9 9 9 年新加坡南洋理工大学的y h m u ，n p h u n ga n dk a n g o i 等 人研制了一种带有扩张n 收缩口的压电泵“”( 图1 - 6 ) 。 图1 6 新加坡南洋理工大学研制的压电泵 f i g u r el - 6v a l v e - l sp i c z o c l c c t r i cp u m pb yy h m 1 ln p h u n ga n dka n g o i 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“”( 图1 7 ) 。 图i tm i c h a e lk o c h 无阀压电泵 f i g u r ei - 7v h l v e d sp i e z o c l e c t r i cp u m pb ym i c h a dk o 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( 图1 - 8 ) ，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 2 年，他又制作了基于m f m s 技术采用了一种新 型阀的复合压电泵“。埘( 图卜9 ) 。 图i - 8 阮南忠p c b 电路板无阀泵 f i g u r e1 - 8v a l v e - 1 器sp u m po np c bb yn a m - t m n gn g u y e n 图1 - 9 新型阀复合压电泵 f i g u r e1 - 9c o m p l e xp i e z o e l e c t r i cp u m pw i t hn o v e lv a l v e 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“”1 ( 图卜1 0 ) 。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。 图1 1 0 压电超声泵 f i g u r e1 - 1 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 荷兰i 驹s e b a s tj 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( 图卜1 1 ) ，在不同类型的驱动器驱动的情况下进行了 仿真与测量胁1 。 醺赫 l l _ = = = = 二+ 厂1 f 一 | l ， e 罹曼型刿 。匪整 图l i ls 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 - 1 1m i c r o p u m pw i t hp l a s t i cp a s s i v ev a l v e 伊朗的m i rm a j i dt e y m o o r i 年将静电驱动下的一种新型微泵( 图卜1 2 ) 应 北京工业大学丁学硕士学位论文 用于医疗送药领域。”。 图1 - 1 2 m i r m a j i d t e y m o o r i 静电驱动微裂泵 f i g u r e l - 1 2s t a t i ce l e c t r i c d r i v e n m i c r o p u m p b y m i r m a j i d t e y m o o r i 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“o ( 图1 1 3 ) 。 图1 1 3j c r i f e 微小超声无阀泵及搅拌器 f i g u r e1 - 1 3m i n i a t t w ev a l v e - l e s su l t r a s o n i cp u m p sa n dm i x e r s 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“”( 图1 1 4 ) 。 捌嘲h a l 町口抽甜曲，蚺o 嘲 忍蛰鲫屡丑嚣3 咖囵p 眦蝴n m a l 图1 1 4 堆叠振子大流量压电泵 f i g u r e1 - 1 4p i e z o e l e c t r i cd r i v e nh i g hf l o wr a t em i c r o - p u m p 第1 章绪论 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嘲( 图卜1 5 ) 。 幽l - 1 5b ol i 制作的具有高跟从率破动阀的压电泵 f i g u r e1 - 1 5 【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 f o rc o m p a c tp i z e e e l e e t r i e a l l ya c m a c t e dp u m p s l ic a o ，s u s a nm a n t d la n dd e n n i sp o l l a 在2 0 0 1 年发表的一篇论文中提出一 种医用可移植的药物输送泵“1 ，泵的外形尺寸为7 0 m m 3 5 m 1 0 m m ，由进水 口、三个泵腔、三片硅膜、三个常闭的动力阀、三块叠堆式( 锆钛酸铅) 的压电 振子、微流通道和出水口组成( 图1 - 1 6 ) 。压电泵工作时，三个泵腔通过蠕动的 运动方式来完成输送液体的。该泵的主要特点在于它可以实现自吸，在断电后没 有倒流，可以精确控制流量( 1 0 i o o l l m i n ) ，特别适用于药品精确剂量输 送。 图卜1 6l ic a o 等人研制的压电泵 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 pb yl ic a o 1 3 压电泵的分类 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。 北京工业大学工学硕士学位论文 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。根据阀的结构特点，压电薄膜泵又分为有阀压电薄膜泵( 悬臂粱、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) ，每种压电薄膜泵又包括压电片“4 “矧驱动和压电叠堆嘲删驱 动、单腔体( 大多压电泵是单腔体) 和多腔体m “3 。州等多种结构。 1 3 1 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 压电片式有阀压电泵( 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卜1 7 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，因此其开启关闭动 作滞后于压电振予的振动。 c h e e k l e 划八斛v 心 9 、jf 隔热 图1 1 7 压电片式有阀压电泵 f i g u r e1 - 1 7v a l v ep u m pw i t hp i e z od i a p 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m r r 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，其结构如图1 1 4 所示啪】。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 8 第1 章绪论 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 o l i 等研制的压电叠堆式微型压电泵( 压电振子为直径l m m 、高l m m 的圆柱 形压电叠堆) ，在峰值电压1 2 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 。 ( 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 j i m a 等1 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 3 ，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 i - i 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 3 2 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：在泵的吸入与排出过程中，至少有一时点，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、 北京工业大学工学硕士学位论文 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。 ( 1 ) 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 r i ks t e m m e 首次提出利用收 缩管扩张管制作无阀压电泵“1 ，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和扩张管的不同阻力来实现流体单向输送 的。如图1 - 1 8 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 j n 压电振子制作的第一个试验样机，在工作频率1 0 0 h z 左右时，最大输出流量为1 6 m l m i n ，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。 蜜肇 图卜1 8 互为倒置的一对锥形流管 f i g u r e1 - 1 8n o z z l e d i f f u s e re l e m e n t s ( 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 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，其工作原理见图1 3 叫。压电振子通电时，薄膜向上 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 8 所示为互为倒置的一对锥形 第1 章绪论 流管。在图l - 1 8 中也标出了锥形流管的主要尺寸，图1 1 8 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1 。 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 。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微流动系统最热的研究可以之一，许多国家( 瑞 典“+ “”1 ，以色列”，德国“，中国“”等) 都在进行这方面技术的研究。德国 h m c 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 e h 等制作的锥形流管无阀压电泵 进出口方向( 收缩管出流) 。1 与e r i ks t e m m e 设计的压电泵出口方向“相反。t o r s t e n g 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 o r s t e n g e r l a c h 制作的压电泵泵腔尺寸为1 0 1 0 x ( o 4 o 7 ) i d 1 t 1 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】。吉林 大学压电驱动研究室的研究发现1 ：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 so l s s o n 等对两个腔体并联( 即将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 e r s o l s s o n 的另一项研究( 1 9 9 9 年) o “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 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。 ( 4 ) 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( f i x e d v a l v e m 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 r t s v a l v e p 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，可称为异型管无阀压电泵。实验标明，它可以输送直径为3 1 2 0 3 a m 的聚苯乙烯微球悬浮物，微球的密度高达9 0 0 0 粒, u l 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0 6 m l m i n 的速度从泵中流过。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 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 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) ，则出口出流体温度升高、粘 度降低，从出1 3 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 3 3 压电超声泵 新加坡n a n y a n gt e c h n o l o g 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 l t r a s o n i cf l e x u r a lp l a t ew a v em i c r o p u m p ) ，简称为超声泵 ( a c o u s t i cp u m p ) 或f p w 一泵，是一种无阀泵1 。它是基于超声流( a c o u s t i c s t r e a m i n 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 lt r a n s d u c e r ) 制作了压电超声泵( 结构及原理详见 文献 4 7 】) 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 r a 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1 0 0 n m 的束腰( b e a mw 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o “删( 图1 - 1 0 ) ， 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 k p 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。 1 4 压电泵的技术展望与应用前景 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、 第1 章绪论 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。 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“7 “】，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， 在未来的几年里我们应该着重解决压电泵