双腔四振子混联气体压电泵性能分析

t52机械设计与制造Machinery Design & Manufacture第 10期2013年 lO月双腔四振子混联气体压电泵性能分析何 森，孙晓锋，姜德龙(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)摘 要 ：为构造输出能力较大的气体压电泵，采用四振子驱动的方式，设计了双腔四振子混联气体压电泵。通过理论推导，得到四振子混联泵输出能力的理论计算公式，并计算了在工作频率段内理论输出结果。应用GL-103B型皂液式气体流量计，测试了泵送空气时的输出流量值及输送液体水的流量输出。试验结果显示，"-3X-作介质为空气时，泵的最佳工作频率点很高，大约在360Hz附近，最大输出流量可达3405mUmin，但零流量时输出压力却非常小，仅能达到2．7kPa；当工作介质为水时，泵的最佳工作频率点在 140Hz附近，最大输出流量为 1078 mUmin，零流量时输出压力可达 49kPa。这表明，四振子混联泵在泵送气体介质和液体介质时工作性能存在很大差异，研究结果为泵的实际应用提供了参考数据。

关键词：压电泵；双腔；四振子；混联；气泵中图分类号：TH16；TH3 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0152—03Performance Analysis on Dual——Chamber Series-Paralel GasPiezoelectric PUmp with Four-Vibrator- - HE Sen，SUN Xiao-feng，JIANG De-long(Department of Machinery and Electricity Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022，China)Abstract：In order to improve the output gas low rote and pressure，a new piezoelectric pump with two-chamber Wasstructured by four-vibrator powered，nam ely dual—chamber series-parallel gas piezoelectric pump with four-vibrator．Thetheoreticalformula ofoutput capability Was obtained by theory deduction and calculating the theoret&al output results withinthe operotingfrequency．It apples the GL-103B soap gasJ'~OW meter，testing the outputflow-rate when itpumps air．By othermethods，but also it tests pumping liquid woterflow—rote．The test results show that when the working medium is air，optimaloperatingfrequency is ，at about 360Hz the maximum outputflow-rate is up to 3405mL／min，but outputpressure is verysmall，only reached Z7kPa；when the working medium is water，optimal operatingfrequency is at about 140Hz，themaximum outputflow—rate is up to 1078mL／min，and zeroflow output pressure is up to 49kPa．This shows that there is a bigdifference when the work peforma~ce offour vibrator series-parallel gas pump is pumping gas medium and liquid me dium.

The study resultsprovide reference dotaforthepracticalapplicationofthepump.

Key W ords：Piezoelectric Pump；Double-Chamber；Four-Vibrator；Series-Paralel；Gas Pump1引言气体泵可广泛应用于气体采集、正负气压生成等方面，是气体监测仪器 环境探测仪器、化学定量分析仪器、气相色谱分析等设备不可缺少的基础部件Ⅱ 。将压电泵作为气体泵应用，具有小、轻、薄、脆、软及输出精确等特点。查阅近年来有关压电泵的资料，更多的研究集中在输送液体泵上面，而关于输送气体的报道不多 。

在压电泵的研究中，串联结构可以提高压电泵的输出流量，而并联压电泵可以提高输出压力，为构造出在两方面均有很强输出能力的气体压电泵，采用双腔四振子混联结构，设计出高输出性能的气体压电泵。采用四振子进行驱动设计气体压电泵，可以充分发挥系统谐振下压电振子功率大、气一固耦合状态好、换能效率高的功效优势 ，能够大幅度提高气体输出压力与流量，并通过调整驱动信号的频率与相位获得气体脉动或连续的输出，操作上具有方法简单、精度高等优点。

通过对双腔四振子混联气体压电泵的设计 ，并对试验样机进行泵送空气和水的试验，寻找出压电泵输送不同形态流体时工作性能上的特点。

2混联气体压电泵结构设计双腔体四振子压电泵结构，如图 1所示。在设计中，采用四层叠加结构，上下盖为压电振子的固定安装部分，上下中间体为泵的主体部分，泵腔、流道及阀体都在这两部分，两部分间通过密封圈进行密封，流道通过孔连接在一起。设计中采用四阀结构，如果为了增加泵工作时的截止性，也可以采用六阀结构，只需在上下中间体的出口各安装一个阀。采用这种设计方法，不仅在单件加工过程中比较容易，而且方便拆装。

来稿日期：2012—12一O1’基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(2012286)；吉林市科技发展计划资助项 目(201112208)作者简介：何 森，(1970一)，男，吉林吉林人，本科 ，讲师，主要研究方向：压电驱动与控制技术研究；孙晓锋，(1974一)，男，吉林公主岭人，研究生，副教授，主要研究方向：压电驱动与控制技术研究第 10期 何 森等：双腔四振子混联气体压电泵性能分析 15351．上盖 2．密封圈3．上中间体 4．下中间体5．阀 6．下盖 7．压电振子图 1双腔四振子混联气体压电泵Fig．1 Structural Schematics of Dual—-Dhamber Series—-ParallelGas Piezoelectric Pump with Four Vibrators3混联压电泵理论输出计算由文献呵 知，双腔四振子混联压电泵工作性能上相当于两个串联压电泵并联在一起工作，因此根据其工作特点，得出每个串联部分理论输出压力为：P伽I=∑ - (1)式中： 。—第个腔体单独工作时的输出压力。i=1，2。整个泵的输出压力为：P=-max(P上 ，尸下 ) (2)式中：P上。． ，P下 —上下串联部分工作时的输出压力值。

根据伯努利方程输出压力与输出流量的关系：AV (3)式中： —流量系数；A—压电泵管道的流通面积；p—流体密度。

由式(1)、(3)可得两腔串联压电泵的总流量为：CaA‘V 7P-：C
a
A＼／ (4)如果串联部分每个腔体的输出能力相同，上式可简化为：。．.

= 、／2 单 (5)整个四振子混联泵的输出流量为：W out=2x／~-W堇 (6)单个振子工作时的流量输出可以通过下式获得重= △vf (7)式中； —压电振子的工作频率； 一阀的效率系数，0 ≤1；△ 一振子单向振动时泵腔容积变化量。

采用文献 的双晶片进行驱动，在 1 10V正弦交流电驱动下的理论容积变化量值为AV=3．6x10-sm3则泵的输出流量为：W总。．。=21×10。跏 (8)从式(8)看出，双腔四振子混联泵的输出流量会随着泵工作频率变大而增加。但在实际工作中，当工作频率太大时，阀和振子间的相位差变大，二者间同步性变差 ，阀的效率系数变小，实际输出流量降低。

4压电振子的发热试验由压电陶瓷的性质知道，压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度代，当温度高于Tc时，压电陶瓷就会发生结构相转变，自发极化消失，这个临界温度Tc称为居里温度。当温度过高时，电偶极子就会回到无序状态(退极化)，在某一 温度(称为居里点)以上压电性能完全消失。因此，要连续工作而又不会出现明显的退极化 ，必须在远低于居里点的温度下工作，一般安全温度的极限是在 0℃和居里点之间的一半处。对于试验中选用的PZT-5A压电陶瓷，居里温度为(300-400)~C。压电振子工作时的发热量不仅与工作电压有关，还与工作频率有关。

当工作流体为液体时，液体的流动对压电振子就起到了冷却作用，但当驱动气体时，振子的发热就是决定其是否能够长期安全稳定工作的重要因素。压电振子在 1 IOV正弦交流工作电压下驱动气体时发热状况试验曲线，如图2所示。在试验中发现，即使工作在400Hz的频率下，振子的热平衡温度都在7O℃以下，这说明压电振子在(0-400)Hz频率段内驱动气体工作安全可靠。

7060—
50￡40餐30201O0_◆_频率 60Hz -．1--频率 lOOHz—● 频率 140Hz— ■÷一频率 180Hz叫l}__频率 220Hz—·一 频率 400Hz0 l0 20 30 50 70 90 llu时间t(rain)图2压电振子不同工作频率下的发热试验Fig．2 Heating Test of the Piezoelectric VibratorUnder Different Operating Frequency5试验测试与结果分析压电泵泵送气体和泵送液体时的试验测试方法有很大不同，因为气体很容易被压缩，又很难被收集，因此在试验室中准确测定气体流量要比液体难很多。采用GL一103B皂液式气体流量计，测量范围是(5 5)Umin。采用这种仪器测量时，误差较小，可以多次测量获得平均值，如图3所示。

图3测试气体的试验装置Fig．3 Test System of Measuring Gas—Flow Rate皂液式气体流量计测试气体的工作原理是气体流动时推动皂液泡经过传感测试区，控制系统自动记录经过测试区的时间，显示出每分钟的体积流量。

试验中泵工作频率在(40-,400)Hz之间，采用基板直径35mm的压电双晶片，驱动电压为 110V正弦交流电。从实验结果上看，试验中的四振子混联气体压电泵在泵送空气和液体水时泵的工作性能差异很大。当工作介质为空气时，泵的最佳工作频率点很高，大约在 360Hz附近，最大输出流量可达 3405mL／min，但零流154 机械设计与制造No．10Oct．201 3量时输出压力却非常小，仅能达到2．7kPa；当工作介质为水时，泵的最佳工作频率点在140Hz附近，最大输出流量为 1078mL／min，零流量时输出压力可达 49kPa。分析其原因，是因为空气粘度要远远小于液体水，工作过程中对阀的阻力较小，阀比较容易开启工作，但空气的压缩性却远远大于水，因此输出压力较小。

将试验中测试得到的输出空气和水的流量值与通过式(8)计算得到的流量值比较，结果如表1所示。

表 1输出流量值Tab．1 Value of Output Flow-Rate频率／Hz 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220篙 5o 75 lO8,f 126o~151鸳l76 201 26 252 27实际气体流量 94 228 448 570 663 857 954 913 920 1137mI_／min实际液体流量 464 695 855 1017 1054 1078 975 701 495 415mL／min频~／I-Iz 240 260 280 300 320 340 360 380 400兰 352 378 403 428 453 478 5o4实际气 ．一，体流量 3’1558 1970 2553 2998 3363 3405 3385 3224mI／min实际液体流量 346 390 235 254 345 285 348 255 257mldmin通过表 1可以发现，泵送水时，阀在低频段工作效率较高，这时阀受迫振动时与振子间工作同步I生较好，因此能有较大流量输出；而泵送空气时，阀在高频段工作效率较高，又由于工作频较大，因此输出的气体量也比较大。通过试验数据还可以看出，对于输送气体和液体不同形态的介质时，由于整个压电泵系统内二者产生的附加质量不同，对振子和阀体阻力也不同，导致泵工作时系统最佳谐振工作频率点相差很大，输出的最大流量也有很大差距。

泵送气体和泵送液体时压力输出曲线，如图4所示。通过曲线可以看出，当泵送空气时，在低频和高频阶段，零流量的输出压力都为0。这是因为此频率段，输出压力很小，测试过程中能量又被泵与压力表的连接胶管吸收，因此压力表显示结果为0。

R 出丑婢图4泵送气体和液体时输出压力Fig．4 Output Pressure of Pumping Gas and Liquid6结论应用四振子设计的双腔混联气体压电泵具有很好的输出性能，通过理论分析与试验测试，得出如下结论：(1)双腔四振子混联泵在泵送气体和液体表现出截然不同的性能，在泵送气体时输出流量的最佳工作频率点很高，大约在360Hz附近，而泵送液体时最佳工作频率点在140Hz附近。

(2)泵送气体时零流量下的输出压力值很小，最大输出压力为2．7kPa，而泵送液体时却能达到很大的输出压力值，最大值约为49kPa。

(3)四振子混联压电泵在工作上兼容了串联泵提高输出压力和并联泵提高输出流量的优点，因此不管用来输送气体还是液体，都具有很好的发展前景。

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