双腔并联压电泵设计

5.5.2.1 不同驱动方式下双腔并联压电泵工作原理

双腔并联压电泵是指流体通道并联。因在其工作时,流体从进口槽通道进入泵中,分成两路进入两个泵腔,经压电振子驱动后,同时向外界输出,在形式上相当于把两个单腔泵并在一起,故称为双腔并联泵。由于并联泵的两个腔体在结构上是相对独立的,因此每个腔体都有进口阀和出口阀,属于四阀结构,如图5.48。

图5.48　双腔并联压电泵结构简图

双腔并联泵两个振子电信号驱动方式可有两种,一种是“同步驱动”,一种是“异步驱动”。“同步驱动”是指两个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;“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(两个振子的电信号相位差为180°)。

图5.49是双腔并联泵在电信号同步驱动时振子振动一个周期的工作原理图。设在初始时刻0～1/4周期,两振子都由平衡位置向上振动,这时腔体容积变大,进口阀逐渐打开,流体同时流入两个腔内;在1/4～1/2周期内,两振子由最大变形位置向下运动,腔体容积逐渐变小,进口阀逐渐关闭,出口阀打开,流体流出腔内到出口槽;在1/2～3/4周期内,振子继续向下振动,流体不断从腔内流出;在3/4～1周期内,振子向上振动,腔体容积开始增大,出口阀逐渐关闭,进口阀逐渐打开,流体又开始流入腔内。

图5.49　双腔并联泵同步驱动时工作原理图

由上述分析可知,在向腔外输送流体由导管流出的过程中,两个腔内流出的流体会在出口槽内相遇,彼此间发生相互扰动,并可能有流体分别会流到相对的腔内,使净输出的流体量减少。

当异步驱动时,工作原理图如图5.50所示。由原理图可以看出,流体进入两腔内和排出到出口槽内是交替进行的,这使两腔输出的流体扰动性很小,提高了输出效果。

图5.50　双腔并联泵异步驱动时工作原理图

5.5.2.2 双腔并联泵输送液体和气体时的试验

对于有阀压电泵来说,被动截止阀的工作原理是通过驱动器(压电振子)的往复振动,引起泵腔容积的变化,使阀体两端产生压力差,从而自动实现开启和关闭。对于有被动阀压电泵来说,阀的振动滞后于容腔的变化是不可避免的,且随着驱动频率的增加,阀的滞后程度也不断加大,因此有阀压电泵均存在最佳工作频率点,这个最佳工作频率点是由振子、阀和泵体本身及输送介质构成的压电泵系统谐振工作点。当工作介质为液体时,液体的流动阻力要比气体大得多,驱动液体时阀的滞后程度也要远远大于驱动气体,因此驱动液体时泵的最佳工作频率点要比驱动气体时低。压电泵输送气体和输送液体的差别很大,气体的压缩性要远远大于液体,而气体常温下的黏度却远远小于液体。如果泵的截止阀截止性能不是很好,当泵输送液体时,会影响泵的自吸性,可一旦流体进入腔体开始工作,由于流体对截止阀的吸附作用,泵送液体的效果却很好;但泵送气体时,截止阀截止性能不好可能导致压电泵根本没有气体被泵出。

在前面的理论分析中得知,当双腔并联泵电源驱动信号工作方式为“同步驱动”时的输出效果不如“异步驱动”,以水和空气为介质对双腔并联泵进行输出性能测试,图5.51为泵在进出口压差为零时工作频率与输出流量曲线。

图5.51　双腔并联泵输出流量曲线

从试验曲线中可以看出,由于气体可压缩性大,两个腔内的气体同步输出时不像输送流体那样因相互扰动而产生相当大的阻力,因此在两种驱动情况下泵的输出能力基本接近。

图5.52为泵送液体和气体时的最大输出压力曲线,从曲线中可以看出,异相驱动输出液体时的输出压力要好于同相驱动,而在输出气体时,二者输出压力比较接近。

图5.52　双腔并联泵输出压力曲线

5.5.2.3 腔体初始容积对泵性能影响的试验

(1)输送液体时腔体初始容积对泵的影响

泵腔初始的大小一定程度上决定了泵工作时压缩比的大小,为了探究压缩比对双腔体并联压电泵工作性能的影响,分别设计了腔体高度为0.1mm、0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.5mm、5mm几种不同尺寸的并联结构进行试验,在110V正弦交流工作电压下,以液体水为介质进行试验测试的曲线如图5.53所示。

从图5.53的流量曲线可以看出,泵的腔体高度为0.3mm时输出流量最好,此时单个腔体的初始容积为56.75×10-8m3(压缩比ε=1/18),此后随着腔体初始容积的增加,压缩比的减小,流量输出的能力逐渐减弱。这说明适当的压缩比有利于泵输出流量的提高。

图5.53　不同压缩比输出液体流量曲线

从图5.54的压力曲线中发现,输出压力会随着腔体初始容积的增加,压缩比的减小,输出能力越来越弱。

图5.54　不同压缩比输出压力曲线

图5.55是对不同腔高(不同压缩比)泵的自吸性试验。泵的自吸性是指在泵腔干燥(仅有空气存在)情况下自我灌泵的能力。它是由于压电振子往复振动,使泵腔体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来衡量,它也是衡量泵性能的一项重要指标。一般说来,泵的自吸性能主要受阀体密封性能的影响,但腔体高度的大小(压缩比的大小)也是影响其自吸性能的主要因素。从试验中发现,自吸高度随着泵工作时压缩比的减小,自吸性能越来越差,当腔体高度超过0.9mm(压缩比ε=1/32)时,泵已经失去了自吸能力。

图5.55　自吸高度随频率变化曲线

(2)输送气体时腔体初始容积对泵的影响

压电泵输送气体和输送液体的差别很大,气体的压缩性要远远大于液体,而气体的常温下的黏度却远远小于液体。泵送气体时,由于气体的压缩性比较大,黏度较小,在腔内气体的附加质量也比较小,因此气体对阀和振子的阻尼同液体比也会小得多,阀和振子工作时同步性更好。

图5.56和图5.57是不同初始容积的双腔并联压电泵泵送气体时的输出流量和输出压力曲线。从试验中可以发现,在保证压电振子能够自由振动的情况下,腔体的初始容积越小,泵送气体时输出效果越好。当腔体的初始容积大于0.9mm(ε小于1/32)时,泵开始失去工作能力。

图5.56　不同压缩比输出气体流量曲线

图5.57　不同压缩比输出气体压力曲线

从并联压电泵输送液体和气体的试验可以看出,在能够使压电振子和阀自由充分振动的情况下,腔体的初始容积越小,压缩比越大,在相同条件下泵腔内外产生的压差也越大,从而使输出性能提高。