一种新型单腔双振子压电泵的结构设计和性能试验

中图分类号： TH138；$277.9 文献标志码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.04.003Structural Design of a New Single-chambered Piezoelectric Pump with Double ActuatorsSUN Xiao.feng ，SHAO Ze.bo ，HE Ye.rong ，JANG De.1ong(1.Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132000，China；2.PetroChina Northeast Refining&ChemicalEngineering Co.Ltd.，Jilin Machinery Manufacture Branch，Jilin 132022，China)Abstract： In order to optimize the structure of single-chambered piezoelectric pump with double actuators to improve the outputperformance，and design a new structure of it.The structure of the new design with pre-designed structure compared to experimen-tal prototype output flow-rate test of the two structures.The trials have shown that the new structure of the output flow rate is 2times the pre-structure the output flow rate，maximum flow rate of up to 800mlMmin.The new structure pump of diferent initialchamber volume were designed and manufactured ，Compression ratio on pump output performance was obtained.The study foundthat when the chamber height is 1.2mm，compression ratio of 1/46，then the overall output efect of pump is best.The workingcharacteristics of single-chambered piezoelectric pump with double actuators conveying the liquid and the gas were analyzed，itshows that when pumping the liquid medium the best working frequency is much lower than the gas medium。

Key words： piezoelectric pump；single-chambered；double-actuaor；compression ratio1 前言在压电泵的研究过程中，单腔体压电泵是结构最简单的形式。其工作原理与工作性能的研究，为其它结构形式压电泵的研究提供了理论基矗查阅国内外的研究资料以及对单腔体压电泵的研究发现，单腔体压电泵受单个振子驱动能力的限制，往往输出能力比较差，不能够 自吸，输送液体时受到气泡干扰时输出不稳定 J。但单腔体压电泵的最佳工作频率点比较低，工作噪声比较校为提高单腔体压电泵的输出能力，保证其工作上的优点，进行单腔体双振子压电泵设计，并在以往设计的基础上，提出-种新结构，并对新结构的输出性能进行试验测试。

收稿日期： 2012-09-14基金项目： 国家863”高技术研究发展计划基金资助项目(2007AA04Z336)；吉林侍育厅十二五”科学技术研究项 目(2012286)；吉林市科技发展计划资助项 目(201112208)2013年第4l卷第4期 流 体 机 械 l32 单腔双振子压电泵的结构设计图 1所示为2种不同结构的单腔双振子压电泵。在早期的设计中，结构 A是最初被采用的结构形式，在这种结构中，进口阀和出口阀分别被安装在泵腔之外。在工作的时候，流体从进 口处流进后 ，通过进口流道分别进入两个压电振子所在的腔内，然后再经过出口流道，从出口阀处流出。

这种结构设计的缺点是过长的流体通道导致泵腔体的初始容积太大，流动阻力加大，振子和阀之间工作时的相位差也相对较大，输出性能不理想。

结构 B在设计 中将两个压电振子在位置上相互错开，进口阀和出口阀分别设计在两个压电振子所在的腔内，并通过-个通道将两个振子所在的腔连接起来，这在工作原理上也是单腔体双振子结构。这种结构的优点是可以根据工作条件合理改变腔体的初始容积，泵腔内流道较短，流动阻力小，振子和阀之间工作时的相位差也相对较小，工作性能理想。

进 口阀 中间体 上盖 下盖 出口阀密封圈 电压振子 紧紧同螺栓(a)结构 A进 口阀 中间体 上盖 下盖 出口阀密封圈 电压振子 紧紧同螺栓(b)结构 B图1 单腔双振子压电泵结构3 双振子单腔泵的理论输出双振子单腔泵当单个振子工作时每分钟流量输流量理论公式为：Q 2 vf (i1，2) (1)式中 --阀的效率系数 ，0≤ ≤1△ --振子单向振动时泵腔容积变化量.厂--压电振子的工作频率单腔双振子泵的总输出流量为：QQ Q2 (2)从式(2)可以看出，如果两个压电振子的工作性能-样，单腔双振子压电泵的理论输出流量应该为单振子工作时的2倍。

4 压缩比对压电泵输出性能影响定义单个冲程压电振子振动使腔体容积产生变化量AV与泵腔体初始容积 的比值为压缩比，则有压缩比 l4-61： ㈩ 因为腔体容积变化量很小，腔体的初始容积又相对较大，所以压缩 比通常很校在腔体容积变化过程中，腔体内外产生的最大压差为 I△p I，对与有阀压电泵来说，阀能够开启的临界压力为I△p l，因此泵能够工作必须满足的条件是：I△p I>I△p I (4)当泵送气体时，假设泵送的是理想气体，腔体变化过程为绝热变化过程，绝热系数为 (对于空气y1.4)，大气压力P。，腔体容积变化产生的最大压力差为△p，由气体绝热过程公式有：PoWo(P0△p)( AV) (5)将式(1)、(3)代入式(2)得：占 南 (6)泵工作在较低频率时，可看作是等温过程，此时绝热系数 趋近等于1，临界压力比大气压力要小得多，这时式(6)为：gas > (7) 当泵送的介质为液体时，设液体的压缩比为，c，发生在腔内的最大压差为 △p，由振子振动引起的腔体容积变化量为 △ ，则有：AVVo(1-K△ ) (8)联立式(3)、(4)、(8)得：fq>，c l△p 础l (9)从式(7)和(9)可以看出，不论何种结构形式的压电泵，要使压电泵能够工作，压缩比要满足-14 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.4，2013定条件，否则泵将无法工作。因此要使压缩比达到压电泵能够工作的条件，可以通过两种途径来实现：如果保证腔体的初始容积不变，可以提高压电振子单个循环周期内产生的容积变化量，通常采用工作性能良好的压电振子材料或加大泵工作时的驱动电压来实现，但驱动电压不能太高，否则会影响振子的工作寿命；另-种就是压电振子工作时的变形量确定，可以通过合理减小泵腔的初三 175蜩遐5 单腔双振子压电泵输出性能试验5.1 压缩比对输 出性能影响试验将所设计的2种结构单腔双振子压电泵加工试验样机，采用的是基板直径为 35mm，陶瓷材料为 PZT-5H压电双晶片进行驱动，驱动电压为 110V正弦交流电。输出流量曲线如图 2所示 。

，- 800面 400媛0频率(Hz)图 2 2种结构输出流量曲线从试验曲线中可以看出，在相同工作条件下，所设计的新型结构 B的输出流量约为结构 A输出流量的2倍，这说明，新结构形式大大提高了单腔双振子压电泵的输出能力。

另外从试验曲线中可以发现，作为单腔双振子压电泵，仍然保持单腔单振子压电泵的工作特点，最佳工作频率点比较低，约为40Hz左右。这远远低于被研究的双振子双腔串联和双腔并联压电泵的最佳工作频率点 。 为了获得压缩比对结构 B单腔双振子压电泵输出性能的影响，分别加工了腔体高度为O.2、0.6、1、1.2、1.4、1.6mm的试验样机，并测得了各自在工作时的压缩比，得到了输出流量曲线，如图3所示。

3O频率(Hz)图3 不同压缩比下输出流量曲线试验中发现，当压缩比 1/46(腔体高度为1.2mm)时，泵的输出性能最好。这说明，在泵的设计过程中，合理的确定泵腔的初始容积，有助于提高泵的输出性能。

5.2 振子约束支撑方式对输出性能影响压电振子与泵腔之间的密封采用0型”橡胶圈时，振子安装在上、下盖上，当上、下盖上装有密封圈等柔性物质与振子接触时，振子的支撑方式就为柔性支撑。柔性支撑时振子的固定方式可以看成是简支固定。如果在上、下盖上不加密封圈，而让振子直接安装在刚性盖上，此时振子的固定方式可看成固支固定。

图4示出振子两侧都有橡胶圈和仅在泵腔接触侧有0型”橡胶圈2种不同情况下对双振子单腔泵的流量测试曲线。

0若是咖避8000lO 40 70频率(Hz)图4 振子不l司支撑方式下输出流量曲线从图中试验曲线可以看出，当振子两侧都有0型”橡胶圈时，泵的最佳工作频率点降低，但在最佳工作频率点输出液体流量却和单侧有0型”橡胶圈时最佳工作频率点液体流量输出基本- 样。这说明柔性支撑可以降低泵的最佳工作频201"3年第4l卷第 4期 流 体 机 械 l5率但却不影响泵的流量输出，因为从式(1)可以看出，输出流量是关于工作频率和腔体容积变化量的函数。

5.3 输送不同介质时特性作为有阀压电泵，依靠阀体两侧腔内外压差交替变化实现流体的连续输送，其输出流量最大时有个最佳工作频率点，这个点由泵体、振子、阀体及工作介质等几个因素决定，因此输送液体介质时和输送气体介质时压电泵的最佳工作频率点会有很大不同，图 5示出双振子单腔泵输送水和空气时输出流量随电信号驱动频率之间的变化曲线。

l200g 600皿旺l0O 250 500频率(Hz)图5 输送不同介质时流量曲线由于是两个振子驱动，所以两个振子间驱动的电信号相位可以有同相和异相驱动两种形式，在这两种工作情况下输送液体和气体随频率变化试验被获得。从试验中可以看出，不管是哪种驱动形式，输送气体时的最佳工作频率点都要远远高于输送液体。这主要是由于气体的粘度及密度和液体有很大差别造成的。

6 结论结合单腔体双振子压电泵的工作原理，在前期研究的基础上，对其进行结构上优化设计，得到了-种新的结构形式，将新结构加工 了不 同腔体初始容积的样机，通过试验测试，得到以下结论 ：(1)新结构的单腔双振子压电泵的输出流量是原有结构输出流量的2倍，在 110正弦交流电驱动下，最大输出流量可达 800mL/min；(2)泵腔初始容积对单腔双振子压电泵的输出性能有影响，所设计的新结构泵腔高度为1.2mm，工作时的压缩比 1/46时，输出的综合性能最好；(3)输送液体介质和气体介质时，泵的最佳工作频率点相差很大。