压电泵的研究状况

最早报道的压电泵来源于1978年美国Sandia国家实验室的W.J.Spenser发表的《电控压电胰岛素泵和阀》;1980年,Standora大学的Smits又提出了压电液体蠕动泵;三年后,荷兰Twente大学利用硅微加工及薄膜技术研制了多个压电驱动微型泵。随着压电驱动器的不断发展,从压电材料薄膜到圆片形压电驱动器再到压电叠堆,压电驱动器种类得到了不断的更新,基于不同压电驱动器,不同机械结构,不同工作方式的压电泵均有了广泛的报道,目前世界上许多国家(如日本、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。图1.7～1.10就是国内外生产的几款压电泵样机。国内在压电泵的研究方面起步较晚。早期只有清华大学、吉林大学等几个研究单位进行关于压电泵的相关研究。其中清华大学在微流量系统和微型泵方面做了大量的研究工作,如清华大学周兆英教授等在压电驱动式的微型喷雾器方面做了大量的研究工作;吉林大学压电驱动与控制研究室1998年在国内第一个报道了关于锥型管式无阀压电泵的研究之后,在国家自然基金、863计划等项目的持续支持下,已经研发从最小分辨流量微升级,可用于生物医药领域,到流量每分钟上千毫升,可以用于计算机CPU水冷的系列化微型压电泵。图1.11是吉林大学北斗公司研制的以压电出泵为动力源的CPU水冷系统。国内虽然在压电泵研究领域起步晚,但研发的势头很好,发展到今天已有多所高校及研究院所在从事这方面的研究,如:浙江大学、南京航空航天大学、上海交通大学等。同时几家公司也在从事微型压电泵的研发工作。如重庆金山科技有限公司早在2002年的高交会上,就与德国签约,共同开发硅微型泵项目。深圳也有企业从事压电泵的研发工作。

国外对于压电泵的研究还主要集中在微型泵的研究领域,最大输出流量都小于34.5ml/min,最大输出压力也仅为几十千帕。但随着市场应用的不断发展,每分钟能够输出上千毫升的压电泵的迫切需要,因此能够输出大流量的压电泵需要进一步的研究。

图1.7　日本工业株式会社压电泵

图1.8　深圳企业压电泵

图1.9　吉林大学金属壳体压电泵

图1.10　吉林大学多腔体压电泵

图1.11　吉大北斗公司的电脑CPU水冷系统

对于压电泵来说,截止阀的性能对压电泵输送性能起着决定性作用,它会影响泵的自吸性、最佳工作频率、输出流量和输出压力。压电泵在工作过程中按是否具有阀体单元可分为有阀压电泵和无阀压电泵。无阀压电泵因为没有阀的限制可使泵在很高频率下工作,其结构简单,制造工艺要求不高,具有独特的发展前景。存在的弊端就是自吸能力差,输出压力较小。有阀压电泵又可分为主动阀压电泵和被动阀压电泵,由于主动阀压电泵中阀单元需要额外的控制单元,使泵系统变得很复杂,在应用上受到了很大的限制;而被动阀压电泵因阀不需要额外控制系统,阀结构简单,因此得到了快速的发展。

近几年,具有不同阀结构的有阀压电泵和不同管道结构无阀压电泵不断出现,为压电泵的研究与发展提供了新的思路,以下就研究状况进行一下介绍。