无阀压电泵

无阀结构压电泵主要是利用管道的特殊结构或流体的黏度特性等实现流体的单向流动。无阀压电泵脱离了工作过程中阀的限制,因此可以在很高频率下工作,但也存在一些缺点,一般基本不能自吸,截止性差,输出流量和输出压力比较小。

1.3.1.1 扩张管/收缩管无阀压电泵

Stemme于1993年首次提出利用收缩管/扩张管制作无阀压电泵,其后很多文献对其研究进行了大量详细的报道。其工作原理如图1.12所示。当可动薄膜向上运动时,两端的流体同时进入腔内,但由于出口端的阻力较大,导致入口端流入腔体的流体较多;当薄膜向下运动时,流体从两端同时流出腔体,但与向上运动时相反,这时入口端的阻力较大,从而出口处流出的流体较多,这样就实现了流体从入口到出口的泵送。对与扩张管/收缩管无阀压电泵来说,扩张管与收缩管的长度与角度很大程度上决定着泵的输送能力,A-mos Ullmann等对这种结构的压电泵加工了实验样机并在理论上建立了动态工作模型,所研究的压电泵喷嘴的最小直径为0.15mm,平均直径是0.29mm,喷嘴长度为4.2mm,在100V的正弦交流驱动电压下,当电流驱动频率在550Hz时,最大输出流量和输出压力分别为1.6ml/min和13kPa。

1.3.1.2 “Y”形流管无阀压电泵

图1.12　扩张管/收缩管无阀压电泵

图1.13　“Y”形管无阀压电泵

图1.14　“Y”形流管

“Y”形流管无阀压电泵是将一种三通形的流管——“Y”形流管作为无移动部件阀而工作的,如图1.13所示。这种流管具有结构简单、加工制作方便、流管内涡旋小、速度压强变化平缓等优点。阀的工作原理如图1.14所示。当流体在“Y”形流管中流动时,合管A的端口作为输入口、两支管B、C的端口作为排出口(定义为正流)与合管A的端口作为排出口、两支管B、C的端口作为输入口(定义为反流)的流动阻力是不同的。将这样一对“Y”形流管互相倒置地装在压电泵泵腔的两端,则形成“Y”形流管无阀压电泵。张建辉等人加工此种结构形式的压电泵样机并进行了实验测试,测试结果显示,当压电振子直径为35mm,驱动电压为220V,电压频率为50Hz,采用的流体为水,支管夹角为5°时,压差达到723Pa。同时也测得“Y”形流管无阀压电泵进出口端压差随支管夹角增大而减小;另外支管宽度对泵流量有很大影响,当两支管宽的宽度和接近主管宽时,泵流量达到最小值,往两侧相应增大,当支管宽度为1.2mm时,压差达到520Pa。

1.3.1.3 非对称坡面腔底无阀压电泵

非对称坡面腔底无阀压电泵是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方向设计成非对称坡面形状,这组内置于泵腔内的非对称起伏坡面恰好与压电振子之间形成了非对称交替排列的一组锥形流道或称为楔形流道,替代了传统的外置于泵腔的锥形流管的功能,使流体产生单向流动,如图1.15、图1.16所示。理论分析与实验测试结果表明在一定范围内时,当α1与α2相差越大,流量和压强差也就越大。试验中在坡面倾角差Δα=α2-α1最小为30°时,泵的压强差为1.33mm水柱,在坡面倾角差Δα最大为70°时,泵的压强差为4.67mm水柱。