基于串、并联结构的大流量压电泵的设计及实验研究

【摘要】：作为微流控系统的重要组成部分,压电泵因结构简单、制作方便、成本低廉、体积微小且输出性能可控制等优点,在生物医药、化学化工、微电子器件冷却等领域有着广泛的应用。不同应用场合对压电泵的输出流量和输出压力的需求不同,例如,胰岛素推注压电泵需保证小流量、高精度;而计算机芯片水冷用压电泵则需要较大的输出流量及输出压力。因此研究一款结构简单、成本低廉且可以产生较大输出压力的大流量压电泵是非常有意义的。提升压电泵性能的方式主要有三种:一是换用尺寸较大的压电振子;二是借助位移放大机构提高压电振子的振幅;三是增加压电振子的数量,并随着泵腔数目的增加,进而衍生出不同的多腔体结构。目前多腔体压电泵的联接方式主要有三种,分别是串联式、并联式、混联式。虽然压电振子数量的增加,可以有效提升输出流量和输出压力,但也会使压电泵整体体积变大。因此本文基于串、并联结构,提出泵腔的“层叠式”分布,以实现压电泵大流量、高压力的输出性能。研究内容如下:1、结合压电理论以及振动力学,对压电振子的振动过程进行理论分析,并讨论压电振子的振动模式以及支撑方式。选定黄铜基板直径为20mm和压电陶瓷直径为14mm的压电振子,并依据压电振子尺寸设计单向阀以及泵体。2、结合仿真软件Ansys对压电振子以及悬臂梁阀片进行固有频率的仿真分析,得到其在不同共振频率下的振型,选取合适的工作频率范围。通过激光位移传感器测量压电振子的振幅,由此结果作为设计泵体尺寸的参考。3、制作、装配单腔压电泵样机,使用控制变量法对压电泵的泵腔高度以及支撑宽度进行实验对比,得到性能最佳结构参数。结合得到的参数设计、制作双腔串联压电泵、四腔串联压电泵、由两个四腔串联压电泵并联而成的八腔并联压电泵,测试其输出流量和输出压力,进而得到串、并联结构对压电泵性能的影响规律。4、实验测试压电泵输出性能。在电压有效值为170V、工作频率为210Hz的情况下,单腔压电泵最大输出流量为36m L/min;在电压有效值170V、工作频率为120Hz的情况下,双腔串联压电泵输出流量最大为49m L/min,输出压力最大为35k Pa;在电压有效值为170V、工作频率为400Hz的情况下,四腔串联压电泵输出流量最大为114m L/min,输出压力最大为145k Pa;在电压有效值170V、工作频率为400Hz的情况下,八腔并联压电泵异步驱动的输出流量最大为210m L/min,同步驱动的输出流量最大为211m L/min。由实验得到的数据可得:在多腔压电泵中,串联可以有效提升输出压力,并联可以有效提升输出流量,而将两者结合则既有输出压力也有输出流量。利用本文提出的结构以及串、并联构造方式可以制作出高性能压电泵,为未来研发更高性能压电泵奠定基础。