不同结构形式的双腔串联泵设计

图5.14　双腔串联压电泵结构简图

流体从进口腔进入,由出口腔被输送出去,形成流体管路的串联连接,故称为双腔串联泵。在泵送液体情况下,两个压电振子工作相位相差180°,属于异步驱动。在同步驱动的情况下,双振子双腔串联泵不能够驱动液体工作。

双腔串联泵在结构设计上通常是三阀结构,即进口阀、中间阀和出口阀,但有些时候,为简化结构设计,在出口处不加阀,变成两阀结构压电泵也能工作。通过分析,三阀结构输出性能要好于两阀结构。

图5.14(a)与(b)在工作原理上都是双腔串联结构,当在两个压电振子上施加相位相反的交变电压时,流体都是从进口腔进入,从出口腔流出,形成串联流动。两种结构的最大差别就是图(a)结构比图(b)结构多了一个导流槽。导流槽是结构(a)式双腔串联压电泵流体从进口腔进入到出口腔的流道,也是腔体结构的一部分。由于导流槽的存在,使带有导流槽的串联泵比无导流槽结构的串联泵长度上要大一些,增大了泵的尺寸。

5.4.2.1 两种结构双腔串联泵输出性能比较

图5.15、5.16是两种结构双腔串联压电泵输出流量随工作频率变化曲线。从试验曲线中可以看出,带有导流槽的串联泵无论输送液体水还是输送气体空气,在工作频率内整体输送效果要好于无导流槽的串联泵,分析其主要原因是由于压电泵是依靠压电振子往复振动来工作,流体在输送过程中由于腔内压力的往复变化而产生脉动,而导流槽的存在会使双腔串联泵流体由进口腔进入到出口腔的过程中缓解脉动的激烈程度,使流量输出效果更好。但试验中观察发现,当液体流量较小时,导流槽内容易残留气泡,影响输出。

图5.15　气体输出流量随频率变化曲线

图5.16　液体输出流量随频率变化曲线

当双腔串联泵输送气体时,将两个压电振子分别进行了“同步驱动”和“异步驱动”输送气体试验,试验中发现,不论是哪种结构,同步工作时输出效果都好于异步工作,这与泵送液体时工作状况差别很大。这说明,当介质状态变化时,泵工作时对阀的阻力也发生了变化,导致依靠振动进行流体输送的双腔泵工作性能上也发生了变化。

图5.17是输出压力随频率变化曲线,从曲线中可以看出,不管是输送水还是输送空气,在大部分工作频率段内,两种结构形式的输出压力比较接近。

图5.18是自吸水柱高度随工作频率变化曲线,从试验曲线中可以看出,无导流槽的结构整体自吸性能比较好。对压电泵而言,泵的自吸性是指在泵腔干燥(仅有空气存在)情况下自我灌泵的性能。它是由于压电振子往复振动,使泵腔体和流动管道内的空气不断被排出并产生内外压差,使液体进入腔内。自吸能力的好坏常用泵自吸液体的高度多少来衡量,一般说来,泵的自吸性能主要受阀体密封性能的影响,但腔体初始容积也是影响其自吸性能的主要因素。没有导流槽的双腔串联泵自吸性能更好,主要原因是没有导流槽的存在,泵的结构更加紧凑,阀的反向截止性能更好,排空能力增强,使泵腔及管道内压力降得更低,自吸液面高度升高。

图5.17　输出压力随频率变化曲线

图5.18　自吸高度随频率变化曲线

5.4.2.2 阀的个数对双腔串联压电泵的影响

图5.14双腔串联泵均是三阀结构,如果将出口处阀去掉,则变成两阀结构,下面将两者在工作上的差异进行理论分析。

双腔串联泵在结构设计上通常是三阀结构,即进口阀、中间阀和出口阀,但有些时候,为简化结构设计,在出口处不加阀,变成两阀结构压电泵也能工作,下面就将两阀结构与三阀结构在工作原理上的区别进行介绍。

图5.19　双腔串联两阀泵工作原理

双腔串联两阀压电泵一个周期的工作过程如图5.19所示。设在初始时刻,压电振子处于平衡位置,这时进口阀和中间阀都关闭。在1/4周期过程中,进口腔的压电振子向下振动,出口腔的压电振子向上振动,这时进口阀打开,在进口流体被吸入,出口处流体流出。在1/2周期过程中,两个压电振子又回到平衡位置,在此过程中,进口阀逐渐关闭,在进口阀关闭过程中,进口处会有少量流体回流腔内;中间阀逐渐打开,流体由入口前腔进入到出口前腔,这个过程也叫蓄水过程;由于在出口处没有阀,这时会导致出口处液体回流,但由于蓄水过程的存在,回流的流体远远少于吐出的流体。在3/4周期过程中,进口腔压电振子向上振动,出口腔压电振子向下振动,进口阀已完全关闭,中间阀已完全打开,蓄水与回流仍在继续。一周期的过程中,两压电振子又回到平衡位置,这时进口阀又逐渐打开,中间阀逐渐关闭,流体又由进口处流入,出口处流出。

图5.20　双腔串联三阀泵工作原理

双腔串联三阀压电泵的一个周期的工作过程如图5.20所示。设在初始时刻,压电振子处于平衡位置,这时三个阀都处于关闭状态。在1/4周期过程中,进口腔的压电振子向下振动,出口腔的压电振子向上振动,这时进口阀逐渐打开,在进口流体被吸入,出口阀也逐渐打开,在出口处有流体流出。在1/2周期过程中,两个压电振子又回到平衡位置,在此过程中,进口阀逐渐关闭,在进口阀关闭过程中,进口处会有少量流体回流腔内;中间阀已逐渐打开,流体由入口前腔进入到出口前腔;出口阀逐渐关闭,这时在出口处也会有少量液体回流,但由于出口阀的存在,回流的流体会少于无阀时状况。在3/4周期过程中,进口腔压电振子向上振动,出口腔压电振子向下振动,这时进口阀已完全关闭,中间阀已打开,出口阀也已完全关闭,出口处不再有流体回流,蓄水过程仍在继续。一周期的过程中,两压电振子又回到平衡位置,这时进口阀又逐渐打开,中间阀逐渐关闭,出口阀逐渐打开,流体又由进口处流入,出口处流出。

通过对两阀泵与三阀泵一个周期工作过程的理论分析,可以了解到在1/2周期与3/4周期工作过程中,三阀泵的回流液体要少于两阀泵,因此三阀泵的整体输出性能理论上应好于两阀泵。

为证实理论分析,将两阀泵和三阀泵进行输送液体水试验,试验结果如图5.21所示。

图5.21　频率-流量曲线

通过图5.21频率—流量曲线可以看出,在流量输出上三阀泵的性能虽好于两阀泵,但两者的差别并不太大;但从图5.22频率—压力曲线和图5.23频率—自吸水柱高度曲线却可以看出,三阀泵的工作性能要远远好于两阀泵,尤其在较低频率段(小于200Hz),三阀泵的输出压力与自吸水柱高度是两阀泵的2倍左右,这说明前者工作时的截止性能是远远好于后者的,这与理论分析的结果相一致。另外从压力测试时压力表的显示结果发现,两阀结构的输出压力在工作频率小于200Hz时,压力输出十分不稳定,波动性较大,但两阀简化了串联泵的结构,也有很好的应用前景。

图5.22　频率-压力曲线

图5.23　频率-自吸水柱高度曲线

5.4.2.3 压缩比对双腔串联泵的影响

压缩比的大小,一定程度反映了作用在阀两侧压差的大小。但泵工作时,不仅和作用在阀两侧压差有关,也和流体在泵腔内能否充分流动、振子和阀能否充分振动有关。为研究压缩比对双腔串联泵的影响,分别加工了腔体初始容积分别为1.5×10-6m3、1.8×10-6 m3、1.9×10-6m3、2.3×10-6m3、3.1×10-6m3双腔串联泵,并计算了泵工作时的压缩比ε分别为1/24、1/28、1/30、1/36、1/47,对泵的输出流量、输出压力及自吸性进行了试验测试。

从图5.24输出流量曲线看出,当压缩比ε=1/30时,这时串联泵的整体输出流量最好。从图5.25输出压力曲线看出,压缩比的变化对输出压力影响不大。从图5.26自吸性曲线看出,随着压缩比变小,泵的自吸能力变差。

图5.24　不同压缩比下输出液体流量曲线

当泵自吸时,泵腔内没有液体存在,这时较大的压缩比使泵腔和管道内的气体被充分排出,腔内压力和大气压之间的压差变小,泵的自吸液体高度变大;当液体进入泵腔有液体输送时,泵工作效果的好坏则是由阀能否充分振动、阀的瞬时开启量、反向截止能力及由泵体、阀、振子、液体构成的整个系统谐振效果决定,因此会出现合适的压缩比情况下出现最佳输出效果的现象。

图5.25　不同压缩比下输出液体压力曲线

图5.26　不同压缩比下自吸高度曲线