三腔串联压电泵设计

5.4.3.1 三腔串联压电泵结构设计

为进一步提高压电泵的输出压力,分析多腔串联压电泵的工作性能,结合双腔串联压电泵的工作特点,设计了三腔串联泵,结构简图如图5.27所示。三腔泵在设计上为了保证结构上的紧凑性,并借鉴两腔泵没有导流槽输送液体时易于排出气泡、工作性能稳定的特点,在设计上采用没有导流槽结构。

图5.27　三腔串联压电泵结构简图

5.4.3.2 三腔串联压电泵工作特点分析

作为三腔串联压电泵,是由三个振子来驱动,三个振子的工作方式也可以有两种:

(1)振子1与振子3同步工作,和2异步(简称第一种工作方式)

以三腔串联压电泵一个周期的工作过程进行分析,设在初始时刻,压电振子处于平衡位置,这时所有阀都处于关闭状态,如图5.28(a)所示。在1/4周期过程中,三个压电振子均向下振动,此过程中,进口腔和出口腔的腔体容积逐渐变大,中间腔腔体容积逐渐变小,1、3阀逐渐开启,流体在进口处被吸入,在出口处流出;在1/2周期过程中,三个压电振子均回到平衡位置,在此过程中,1、3阀逐渐关闭,2、4阀逐渐打开,流体由进口腔进入中间腔,同时在出口腔有流体流出;在3/4周期过程中,三个压电振子均向上振动,进口腔和出口腔的腔体容积逐渐变小,中间腔腔体容积逐渐变大,1、3阀仍然处于关闭状态,2、4阀打开,流体继续由进口腔进入中间腔,出口处有流体流出;在一个周期过程中,三个振子又回到平衡位置,阀1和阀3逐渐开启,2、4阀逐渐关闭,流体在由进口流入的同时,并由中间腔进入到出口腔。

图5.28　三腔串联压电泵不同工作方式

(2)振子1与振子2同步工作,和3异步(简称第二种工作方式)

此种工作方式如图5.28(b)所示。在1/4周期过程中,振子1向下振动,振子2、3向上振动,此过程中进口腔和中间腔腔体容积变大,出口腔腔体容积变小,1、2、4阀逐渐开启,流体在进口处流入,在出口处流出;在1/2周期过程中,三个压电振子均回到平衡位置,1、4阀关闭,2、3阀打开,流体经过中间腔由进口腔进入到出口腔内;在3/4周期过程中,振子1向上振动,振子2、3向下振动,进口腔和中间腔腔体容积变小,出口腔腔体容积变大,2、3、4阀开启,1阀仍然关闭,流体经过中间腔由进口腔进入到出口腔的同时,并由出口流出;在一个周期过程中,三个振子又回到平衡位置,1、2、4阀开启,3阀关闭,流体在进口处流入,在出口处流出。分析此工作过程发现,此种工作方式下,2阀一直处于开启状态,因此在工作过程中可以把2阀去掉,三个截止阀也可很好的工作。

比较两种工作方式发现,后一种工作方式在一个周期的工作过程中,会比前一种工作方式多一个流量输出过程,因此在流量输出方面,要比前一种工作方式好。

5.4.3.3 试验测试

在前面的理论分析中,分析了振子1与振子3同步工作,和2异步,及振子1与振子2同步工作,和3异步时两种工作方式下三腔串联压电泵的工作特点,为验证理论分析的正确性,对其进行了试验测试。从图5.29的试验结果中可以看出,在工作频率小于200Hz时,第二种工作方式的输出流量好于第一种工作方式,这与理论分析结果相吻合。可是随着工作频率的增加,阀工作时与压电振子间的相位差也越来越大,因此这时实际工作效果会与理论分析存在一定差异,这时泵的输出性能好坏主要取决于泵中所有工作阀体与振子振动时的同步程度。

图5.29　不同驱动方式下泵的输出流量

当对第二种工作方式进行理论分析时,发现阀2一直处于开启状态,因此可以把阀2去掉,图5.30为带有阀2和去掉阀2时的输出结果比较。从试验曲线中发现,两种情况的输出结果基本一致,证明理论分析是正确的。

图5.30　截止阀数量对泵输出性能的影响

将三腔串联压电泵的输出结果和两腔串联压电泵的输出结果进行比较,试验曲线如图5.31、5.32所示。

从流量输出来看,不管是泵送液体还是气体,三腔串联的输出效果与两腔串联比较,在整个测试工作频率范围内,高频段输出流量有所提高,而在低频段,二者输出比较接近。

图5.31　两腔与三腔串联泵流量输出比较

图5.32　两腔与三腔串联泵压力输出比较

从压力输出性能看,三腔串联在整个工作频率段的输出压力约为两腔串联的1.5倍,这与理论公式结果基本是一致的,这说明三腔串联结构可以提高输出压力的能力。