四腔串联压电泵设计

5.4.4.1 结构设计

本文所设计的四腔串联压电泵结构如图5.33所示。泵的结构分为上下两部分,每一部分都相当于一个带有导流槽的两阀的双腔串联泵。这种设计的最大优点是泵结构紧凑,腔体内流道较短,体积较小。

图5.33　四腔串联压电泵结构简图

5.4.4.2 振子不同振动模式下试验测试

在多振子驱动的压电泵中,振子间在同一时刻的工作方式有两种,一种是“同步驱动”,是指压电振子在同一时刻振动使泵腔容积变化量同时增大或减小,只需压电振子连接信号源时极性相同;另一种是“异步驱动”,是指压电振子在同一时刻振动各自引起泵腔容积变化量恰恰相反,须使压电振子上施加的信号源极性相反。

本文测试了两种工作模式下四腔串联泵的输出性能试验,试验曲线如图5.34、5.35所示。从试验曲线中可以看出,作为四阀四腔串联压电泵来说,A、C振子同相与B、D异相工作时的输出能力要远远好于A、B振子同相与C、D异相工作时的输出能力。

5.4.4.3 四腔串联压电泵输出性能测试

图5.34　不同驱动方式下输出流量

图5.35　不同驱动方式下输出压力

四腔串联压电泵是由四个振子进行驱动,可分别由单个、两个、三个、四个振子进行驱动测试出其输出流量和输出压力值,试验曲线如图5.36、5.37所示。假设每个振子的驱动性能是相同的,在获得单个振子工作时的输出数据的基础上,由公式(5-16)和(5-21)分别计算出两个、三个、四个振子进行驱动的输出流量和输出压力,将计算结果和实际输出结果比较,结果发现,在输出流量方面,三种情况实际输出与理论输出结果的比值在1.0～2.5倍之间,输出压力在0.6～1.0倍之间。从这个结果上来看,当有多个振子驱动时,由于振子间工作时的谐振效应,使实际输出流量远远大于通过单个振子计算获得的值;而输出压力并不受到这种效应的影响,实际输出值与计算值之间比较接近。

图5.36　输出流量与工作频率曲线

图5.37　输出压力与工作频率曲线

5.4.4.4 阀的位置对泵输出性能影响测试

对于本文所设计的四腔串联压电泵,带有四个截止阀,如果只让A、B两个压电振子异相工作,并将阀3和阀4去掉,则工作方式和双腔串联泵的工作方式一样。保证阀1的位置固定不变,测试另一出口阀分别在阀2、阀3、阀4三个不同位置时,泵工作频率与输出流量的关系,试验曲线如图5.38所示。

图5.38　阀位置不同时输出流量曲线

从试验中可以看出,当出口阀位于阀2位置时,这时相当于串联工作的两阀都位于振子工作腔内,振子振动产生的腔内外压差直接作用在阀上,由B振子和出口阀所组成的工作腔较小,泵工作时压缩比较大,泵输出工作性能较好;随着出口阀远离振子工作腔,由B振子和出口阀所组成的工作腔越来越大,泵工作时压缩比变小,输出性能变差。因此在压电泵的设计过程中,尽量将进出口阀设计在工作腔内,会提高压电泵的输出性能。

5.4.4.5 多腔体串联泵输出能力比较

将所设计加工的串联泵输送液体时的输出性能进行比较,其输出流量和输出压力曲线如图5.39和5.40所示。从流量曲线看出,三腔泵和四腔泵在高频(大于200Hz)工作时输出效果要远远好于两腔泵,而在低频阶段三者的输出效果比较接近;在输出压力方面,三腔泵输出压力比较平稳,四腔泵输出压力波动较大,但随着串联级数的增加,输出压力不断增大。

图5.39　输出流量比较

图5.40　输出压力比较

5.4.4.6 进出口管几何尺寸对泵性能的影响

压电泵进口处和出口处的连接管也是泵工作系统的一部分,其几何尺寸不仅变化,不仅影响泵输出结果的大小,同时对泵工作时的最佳频率点也可能产生影响。本文中采用市场上常用的三种内径的硅胶管,几何尺寸分别为内径φ=4mm、φ=5mm、φ=6mm三种,试验测试了三种规格胶管在进口管长度恒定、出口管长度变化和出口管长度恒定、进口管长度变化情况下输出性能曲线,试验结果如图5.41、5.42所示。

图5.41　出口管长度变化对输出流量影响

图5.42　出口管长度变化对输出压力影响

图5.41、5.42是采用内径为4mm的硅胶管,将进口管长度固定、出口管长度变化时的输出流量和输出压力曲线,从试验结果上看,随着出口管长度的变化,管道流动阻力增加,输出结果都略有减少,但泵工作时出现的最佳工作频率点并没有太大变化。根据伯努利方程,因为流量衰减的程度大些,所以压力的减小幅度很微小。

图5.43是出口管内径变化对输出流量的影响曲线,从曲线中看出,泵输出液体流动速度在某个极限范围内,管道内径尺寸已能够使流体充分流动,这时增加管道内径并不会使输出流量产生太大变化。

图5.43　内径变化对输出流量的影响

图5.44、5.45是采用同样内径为4mm的硅胶管,将出口管长度固定、进口管长度变化时输出流量和输出压力曲线。

图5.44　进口管长度变化对输出流量的影响

从试验曲线中看出,进口管长度的变化对泵的输出性能影响很大,输出流量和输出压力都会随着管长的增加而不断变小。

图5.45　进口管长度变化对输出压力的影响

图5.46、5.47是进口管内径尺寸的变化对输出性能的影响曲线。从这个曲线可以看出,对于试验所用的压电泵来说,采用内径为5mm的胶管,已经能够使其充分输出,再增大管的内径,已经不能够提高它的输出性能。

图5.46　进口管内径变化对输出流量的影响

图5.47　进口管内径变化对输出压力的影响