（机械设计及理论专业论文）非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究.pdf

l _ m i l | 1 1 | 1 1 1 i l | | 1 1 1 1 l i l l y 18 2 5 5 2 6 n 粕j i n gu i l i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s 仃o n a u t i c s t h e ( h a d u a t es c h o o l c 0 1 l e g eo f a e r o s p a c ee n 百n e e r i n g e x p e r i m e n ta n dr e s e a r c ho np i e z o e l e c t r i cp u 1 p w i t hu n s y m m e t r i cs 1 0 p e se 1 e m e n t a t h e s i si n m e c h a n i c a ld e s i 印a n dt h e o 巧 b y c h e n gw 萌 a d 讥s e db y p r o z h a n gj i a n h u i s u b n l i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ft l l er e q u i r e m e n t s f - o rt h ed e 铲e eo f m a s t e to fe n g i n e e 血g m a r c h ，2 0 l o | 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：】盐壶 日期： 坦! ：! ：三2 i y ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于国家自然科学基金项目( 项目编号：5 0 7 7 5 1 0 9 ) 。 压电泵不同于传统意义上的泵，它利用压电陶瓷的逆压电效应，在电场作用下，压电振子 产生微小变形直接驱动流体，省去了传统泵的传动链，减少了磨损部件，结构简单，易于微小 型化。压电泵的这种特殊工作方式和性能，使其成为近年来流体机械研究的热点。无阀压电泵 作为压电泵的一种，因为在整个工作周期内，进出口之间是连通的，所以，在一些特殊的场合 ( 医疗药物输送、化学药剂分析以及高分子活性细胞) ，无阀压电泵有着广阔的应用空间。 本文对非对称坡面腔底无阀压电泵进行研究，利用a n s y s 软件，对压电振子在不同支撑方 式下的模态和谐响应进行分析，得出振型、谐振频率以及最大振幅，比较结果，选择弹性支撑 方式对压电振子进行夹持，在降低其谐振频率的同时，也增大了压电振子的振幅；通过激光多 普勒测振仪对压电振子在空载和加载两种情况下进行测试，得出压电振子振幅与驱动频率的变 化关系；对不同坡面腔底无阀压电泵泵腔建立三维模型，借助f l i j e n t 软件，运用动网格技术， 对泵腔流场进行研究，模拟在压电振子振动条件下的压力、速度分布情况，得出不同坡面角度 下的泵流量的理论值；并在该模型的基础上对该泵的混合搅拌作用做了初步探索；最后，对无 阀压电泵的流量测量方法进行讨论，分析了传统测量方法上存在的不足和缺陷，提山一种合理 简单的流量测量方法，并对该泵流量进行测量，得出泵流量随坡面角度以及驱动电压的变化关 系。 关键词：压电振子，无阀，非对称，坡面腔底，流场，流量 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 a b s t r a c t 1 1 1 i ss u b j e c tc 锄e 缸mn 撕o m ln a n 蚰l s c i e n c ef 0 u n d a t i p r o j e c t( p r o j e c t n u m b e r ：5 0 7 7 51 0 9 ) p i e z o e l e c t r i cp l l i 】叩i sd i s t i n c t 肺mt r a d i t i o n a lp u r n p i tu t i l i z e s l ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce 腩c t o ft h ep i e z o c r e 锄i c s u _ n d e rt h ee 惋c to ft h ee l e c t r i cf i e i d ，t h ep i e z o e i e c t r i c b m t o rw l l i c hi st h e 酾访n gp a no f 吐l ep i e z o e l e c 伍cp u 】p ，w i l lg e n e m t es m a l ld e f o m l a t i o nt oa c h i e v et i l eg o a lo f “、，i n g t l l en u i dd i r e c t l y 丽t l l o u tt h e 缸v i i l gc h 豳曲ti sa l m o s tm c e s s a r yf o rt h et r a d i t i o n a lp u m p 1 l l e r e f o r e c o m p a r e d 、) l ，i mt l l e 位a d i t i o n a lp u n l p ，t l l ep i e z o e l e c t r i cp u m p0 b t a i 舾t h ea d v 锄t a _ g e 舔f o l l o w s ：l e s s a b r a s i o np a r t ，s 证l p i yi i ls 仉j c t u r e ，m o 陀i n c i i i 圮dt 0b ei i l i c r o m 妯i 删z a t i o n f o rt h e s ep o i i l t s ，岫 p i e z o e l e c t r i cp 眦l pl l a sc 眦e n n yt u 玎1 e d 叫tt 0h o ts p o ti i l n u i dn l a c h i n e 哆b e i i l g 伽et ) ，p e0 f p i e z o e l e c t r i cp l l i i l p ，l ev a l e l e s sp i e z o e l e c t r i cp l m 甲h o i d sm ec i l 缸a c t c r i s t i cm a tt l 圮i i l l e t 觚dt l l e o u u e ta r ec o 衄e c t e dd l l 血gt h ew h o l ew o r k i n gp e d o d t h u st 1 1 i st y p eo fp u l ps k i r e sap r o l l l i s i i l g a p p i i c a t i o ni nf i e i d sl i k et h ed r u gd e l i v e r i n g ，c h e l t l i c a ia g e n t s 孤a i y s i sa l l dh i 曲p o i y h 埘a c 6 v ec e i i s 呦s p o n i n g t h i sp 印e rc o n d u c t e dt l l er e s e a r c h t 1 1 ep i e z o e l e c t r i cp u l pw 洫u 1 1 s y m m e t r i c a ls l 叩e s e l e m e n t - u t i l i z i n gm ec o m m e r c i a lf e ms o f h a 陀p a c k a g ea n s y s ，b o mt l 佗r n o d a la 1 1 dh 鲫m o i l i c 锄a i y s i so nt h ep i e z o e i e c t r i c 讥b m t o ru n d e rd i 脆r c n ts u p p o r t i n gc o n d i t i o nw 弱c 枷e d o u tt od m 、t i l e c o n c l u s i o no f b f a t i o nm o d e s ，r 骼o n a n t 自b q u e n c i e s 锄dm a x i m u m 锄p l i t u d e s t h r o u 曲m e c o m p a r i s o n ，t h ee i a s t i cs u p p o n i n gc o n d i t i o nw 弱s e l e c t e df o rt l l ev i b r a t o rf 0 rn l ep 删节o s eo fr e d u c i n g i t sf i r s ts t a t er e s o n a n t 自言q u e n c y 锄da tt l l es a m et i m e 洒c r e 够e l em a x i m u ma i n p l i t u d e t h es c a n n i n g i a s e rd o p p l e r “b r o m e t e rw 罄孤l o p t e dt on 他a 蛐r et 1 1 ev i b r a t i o nc o n d i t i o nw i t i la n d 、析t t lt l l el o a d r e s p e c t i v e l y ，吐l e r e b yt 1 1 er e l a t i o 璐h i p sb e 押e e nm ea m p l i t i j d e s 锄d 嘶v i i l gf 沁q u e n c i e sw e r eg e t n e x t m e3 dm o d e l sf o rm ep u n 】pc h a 皿b e r sd i s t i n g u i s h m gi i lt l l es i o p e sw e r eg e n e r a t e d 锄da s s i s t e db yt h e f l u e n ts o r w a r e ，m em o 访n g 荫dt e c l l n i q u ew 豁u t i l i z e da i r n j n ga tr e s e a r c h i i l gt h en u i di m c h 锄i c s o fm ep u m pc k i i i i b e ra n ds 曲u i a “n gm ep r e s s u r e 锄ds p e e d i n gd i s t r i b u t i o n 雒t i l ev i b r a t o rw 舔 w o d d n g 砀e r e f o r e ，廿1 en l e o r c t i c a la o w m t e sf o rd i 虢r 髓ts l 叩e sw e r e0 b t a i n e d a d d i t i o i 】a l l y b a s e d o nt h em o d e lt h em n c t i o no ft i i em i ) 【i n g 锄ds t i i t i n gw e r ep r e l 蛐a r i l ye x p l o r e d f i n a l l y 也em e 山o d f b rr n e 孤u 咖gt h ev a l v e l e s sp i e z o e l e c t r i cp u r r l pw 雒d i s c u s s e da n d 吐l ed r 耐b a c k se x i s t i n gi i lm e 舰d i t i o n a im e t t l o dw e r ea l s o 锄a l y z e d u p 0 i lt h ep o i n t ss t a t e d ，am o 咒r e 2 l s o m b i ey e ts i n l p i em e t l l o d w 弱p r o p o s e d ，w h i c hw 嬲惦e di nm e 2 u s u r i l l gn l er e l a t i o 曲1 i p sn l a tt l l en o wm t e s 、谢e d 谢mt 1 1 e c h a n g i n gi i lt i l es l o p e s 锄dt h e 础咖gv o l t a g e 蠲w e l l 1 ( e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cv i b 忍t o r ，v a l v e l e s s ，u 璐) r r n m e t r i c ，s 1 0 p ee l e l l n t s ，n o w r a t e i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言。l 1 2 压电泵分类及国内、外发展状况一l 1 2 1 压电泵的分类。l 1 2 2 国外状况2 1 2 3 国内现状7 1 3 本课题研究的内容。9 第二章压电驱动技术与压电振子结构性能分析l o 2 1 压电效应与压电陶瓷1 0 2 1 1 压电效应1 0 2 1 2 压电陶瓷材料性能参数1 1 2 1 - 3 压电方程1 3 2 2 圆形压电振子的振动分析1 5 2 2 1 支撑方式对压电振子的影响1 6 2 2 2 驱动电压波形对压电振子的影响1 8 2 2 3 压电振子试验测试l8 2 3 本章小结2 0 第三章无阀压电泵工作原理。2 1 3 1 流体基本特性2 1 3 1 1 流体基本性质2 l 3 1 2 流体力学中的力与压强2 2 3 1 3 流体运动的描述2 3 3 2 非对称坡面腔底无阀压电泵工作原理2 6 3 2 1 非对称坡面腔底无阀压电泵结构设计2 6 3 2 2 非对称坡面腔底无阀压电泵工作原理2 7 3 3 本章小结2 8 第四章非对称坡面腔底无阀压电泵流场分布分析2 9 4 1 数值模拟方法2 9 4 1 1 基本控制方程2 9 i 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 4 1 2 湍流模型选择3l 4 1 - 3 模型的离散有限体积法3 4 4 2 流场分析3 6 4 2 1 模型建立3 6 4 2 2 压电振子振动模拟3 8 4 2 3 流场分析3 9 4 2 4 流量分析4 3 4 3 混合搅拌作用初步研究4 5 4 3 1 模型建立4 6 4 3 2 数值分析4 6 4 4 本章小结4 9 第五章试验研究5 0 5 1 压电泵样机结构5 0 5 2 压电泵输出性能试验5 0 5 2 1 零流量下液面差试验5 0 5 2 2 流量试验5 3 5 3 本章小结5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 全文总结5 8 6 2 下一步工作一5 8 参考文献。6 0 致谢6 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 5 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 压电泵的分类2 图1 2 樽崎哲二的压电泵。3 图1 3 美国压电叠堆式无阀压电泵3 图1 - 4m i c h a e lk o c h 等人研制的有阀压电泵3 图1 5e s t e 哪e ，s w e d e n ，1 9 9 3 一4 图1 6t o r c hg e r l a c h ，g e m a n y ，1 9 9 5 4 图1 7s e b a s t i a nb o h m 采用塑料被动阀的微泵4 图1 8j c r i f e 微小超声无阀泵及搅拌器5 图1 9b ol i 制作的具有高跟从率被动阀的压电泵5 图1 1 0 压电超声泵6 图1 1 1 两腔体串联有阀压电泵6 图1 1 2 两腔体并联压电泵6 图1 1 30 l s s o n 等制作的两腔体并联无阀压电泵照片一7 图1 1 4 吉林大学金属壳体压电泵7 图1 1 5 吉林大学多腔体压电泵7 图1 1 6 吉林大学应用压电泵的c p u 水冷系统7 图1 1 7 “y ”形流管无阀压电泵及其流管8 图1 1 8 清华大学研制的微型喷雾器8 图2 1 压电效应k 1 0 图2 2 压电振子的四种振动模式一1 5 图2 3 压电振子结构1 5 图2 4 压电振予支撑方式1 6 图2 5 几何模型1 6 图2 6 有限元模型1 6 图2 7 周边同支情况下压电振子模态1 7 图2 8 振子模态振型1 9 图2 9 电压1 0 0 v 时振幅与频率的关系1 9 图2 1 0 电压2 0 0 v 时振幅与频率的关系2 0 图3 1 泵体结构示意图2 7 图3 2 坡面腔底结构2 7 图3 32 0 。非对称坡面嵌块2 7 图3 4 泵实体结构图2 7 图3 5 吸程周期2 8 图3 6 排程周期2 8 图4 1 常用湍流数值模拟方法3l 图4 2 一维有限体积法网格3 5 图4 3 二维有限体积法网格3 5 图4 4 不同坡面角度几何模型3 7 图4 53 0 。泵腔有限元模型3 7 v 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 v l 图4 6 压电振子运动到最高处时的位移3 8 图4 7 压电振子运动到中间时的位移。3 8 图4 8 压电振子运动到最低处时的位移3 9 图4 9 泵腔压强分布4 0 图4 1 0 泵腔速度矢量分布4 0 图4 1 1o 0 2 s 振子在中间位置时粒子迹线4 1 图4 1 20 0 2 5 s 振子在最高位置时粒子迹线4 1 图4 1 30 0 3 s 振子在中间位置时粒子迹线4 2 图4 1 4o 0 3 5 s 振子在最低位置时粒子迹线一4 2 图4 1 5 进口体积流量变化检测4 3 图4 1 6 出口体积流量变化检测4 4 图4 1 7 泵流量随坡面角度变化关系4 4 图4 1 8 泵流量随压电振子位移变化关系- 4 5 图4 1 9 坡面嵌块旋转1 6 。时泵腔俯视图一4 5 图4 2 02 0 。坡面嵌块旋转1 6 。4 6 图4 2 l3 0 。坡面嵌块旋转2 8 7 0 4 6 图4 2 22 0 。坡面嵌块旋转不同角度与流场的关系4 7 图4 2 33 0 。坡面嵌块旋转不同角度与流场的关系4 7 图4 2 42 0 。坡面嵌块旋转角度与流量关系4 8 图4 2 52 0 。坡面嵌块旋转角度与两入口流量比关系4 8 图4 2 63 0 0 坡面嵌块旋转角度与流量关系4 8 图4 2 73 0 。坡面嵌块旋转角度与两个入口流量比关系4 9 图5 1 泵体爆炸图5 0 图5 2 泵体实物图5 0 图5 3 液面差试验方案实物图5l 图5 42 0 。坡面时液面差与频率的关系5 l 图5 53 0 。坡面时液面差与频率的关系5l 图5 64 0 0 坡面时液面差与频率的关系5 2 图5 75 0 0 坡面时液面差与频率的一5 2 图5 86 0 0 坡面时液面差与频率的关系5 2 图5 97 0 0 坡面时液面差与频率的关系。5 2 图5 1 0 传统流量测量原理5 3 图5 1 l 新流量测量方法原理图5 4 图5 1 2 试验设备实物5 4 图5 1 3 流量测量实物。5 4 图5 1 42 0 。坡面流量与频率的关系5 5 图5 1 53 0 。坡面流量与频率的关系5 5 图5 1 64 0 。坡面流量与频率的关系5 5 图5 1 75 0 。坡面流量与频率的关系5 5 图5 1 86 0 。坡面流量与频率的关系5 6 图5 1 97 0 。坡面流量与频率的关系5 6 图5 2 0 最大流量与坡面角度的关系5 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 2 1 流量随电压变化关系5 6 表2 1 压电振子的四类边界条件1 4 表2 2 四类压电方程1 4 表2 3 压电振子参数1 7 表2 4 不同支撑方式下压电振子振幅1 8 表3 1 几种异型管道的临界雷诺数2 5 表3 2 泵腔结构尺寸。2 6 表4 1 通用控制方程中各个符号的具体形式3 0 表4 2 常见离散格式的性能对比3 6 v i i 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 i i 电偶极距电场强度 距离 真空介电常数 应力 为弹性刚度系数 压电常数 机械品质因子 谐振频率 动力粘度 切应力 体积 压强 表面张力系数 流量 旋度 质量 注释表 口 气 d s s 尼 r l ，- _ ，4 y p k f l ，l ， 1 r q m r e c i 电荷 介电常数 电位移矢量 应变 为弹性柔顺系数 机电耦合系数 等效电阻 反谐振频率 运动粘度 密度 体积压缩率 质量力在坐标轴上的投影 表面张力 质量流量 雷诺数 等效电容 p ， 毛t c 办q 厶 r 矿 p 盯q 缈 m 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论弟一旱硒y 匕 1 - 1引言 泵是将某种形式的能量转化为流体的动能或势能的装置，最早的泵的模型归功于古代灌溉 用的水车，它先将河流中水的动能转化为势能，在势能最大时又转化为动能来对耕田灌溉。随 着蒸汽机和电动机的相继出现，使泵的应用领域更加广泛，也逐步走向成熟。泵作为一种流体 输送装置广泛应用于日常生活、工业生产、医疗设备、航空航天等领域。以汽车为例，水箱散 热用的离心水泵，机油传输用的齿轮泵，低压高压柴油泵，柱塞喷射泵，液压系统的活塞泵等， 总共有十多种。由此可见，泵在日常生活中的无可替代的作用。 随着人类文明和科学技术的不断发展，新材料和新能源的出现，多种形式的泵应用而生， 同时也出现了一些区别于传统的电磁驱动的泵，如静电驱动、记忆合金驱动、热驱动、超声波 驱动、压电驱动等多种形式的泵。尤其近三十年来，微流体机械成为一个非常活跃的研究领域， 在生物工程、化学分析，精密加工以及精确定位等领域都迫切需要研出一种结构简单，易于小 型化，能够精确输送液体的微型泵。作为流体机械系统核心部件，微型泵的性能直接影响到整 个系统的性能。在众多的新型泵中，压电泵是目前诸类新型微泵中较为成熟的一种。 压电泵是上个世纪8 0 年代开始发展起来的一种全新感念的微型泵。其工作原理是利用压电 陶瓷的逆压电效应，将电能转化为弹性体机械能驱动流体运动的一种能量转化装置，是压电驱 动的一个重要分支。作为一种新型原理结构的事物，压电泵具有以下优点： 结构简单，设计灵活，易于微小型化； 响应快速，易于控制： 噪音小： 不产生磁场，也不受电磁干扰； 流量精确，一般为m i i l 聊，m i i l 。 由于压电陶瓷材料极易脆裂损坏，作为压电泵的动力源，一般都是将陶瓷片贴在金属或者 硅片上做成压电振子，激发其模态进行工作的。这样做的优点就是：保护了陶瓷，利用金属也 放大了变形，同时，也方便了压电振子的安装固定。由于压电泵由以上优点，在医疗、卫生、 健康、航空航天、军事等领域有着很好的应用前景。 1 2 压电泵分类及国内、外发展状况 1 2 1 压电泵的分类 压电泵的研究可追溯到二十世纪七十年代，对压电泵的分类目前还没有统一的标准，根据 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 是否有阀分为：有阀压电泵和无阀压电泵；根据泵腔变化分为：容积式压电泵和非容积式压电 泵，目前研究多为容积式压电泵，非容积式的如：压电螺杆泵，桨式压电泵等；根据驱动方式 有分为：压电片驱动压电泵和压电叠堆驱动压电泵等等。图1 1 为压电泵的分类。 压电泵 容积式泵 驱动方式 i 广 压 电 晶 片 驱 动 压 电 叠 堆 驱 动 非容积式泵 厂j - 网奏萎 浆 式 压 电 泵 压 电 超 ： 日 泵 图1 1 压电泵的分类 1 2 2 国外状况 早期的压电泵均在泵的进出口端采用了一对方向相反的单向阀，因此统称为有阀压电泵。 最早报道的压电泵来源于1 9 7 8 年美国s a n d i a 国家实验室的矾j s p e n s e r 发表的“电控压电胰 岛素泵和阀”n 1 。同年，日本学者樽崎哲二心1 也提出一种有阀压电泵( 见图1 2 ) 。随后，日本 东京国家航空实验室提出由双压电晶片元件构造成圆柱形的泵腔心1 ，两端分别安装单向阀作为 进水口和出水口，通过双压电晶体振子的应变来实现泵腔容积变化。1 9 8 5 年，s t a n d o r a 大学 的s m i t s 又提出了压电液体蠕动泵他1 。1 9 8 8 年，荷兰v a l ll i n t e lhtg 等人利用硅微加工及 薄膜技术研制多个压电驱动微型泵嗨1 。随着压电驱动器的不断发展，为了得到大的变形和承受 更高的电压，压电叠堆逐渐取代压电陶瓷片，这样制作成本也大大提高了，美国m a s s a c h u s e t t s 工学院的h q l i 等利用压电叠堆振子制作了高频率、大流量压电叠堆式有阀压电泵( 图1 3 ) 嘲。1 9 9 8 年，s o u t h 硼p t o n 大学的m i c h a e lk o c h 等人 研制的一种厚p z t 膜( 1 0 0pm ) 驱动的 2 南京航宅航天大学硕士学位论文 薄膜微型泵( 如图1 4 所示) ，它在泵膜上直接加工了压电薄膜，最大流量达1 2 0 斗1 m i n ，最 大背压为2 k p a 。 单向陶 浏州划v 曝 添恚蕊蕊 鬣体压电振子 图1 2 樽崎哲二的压电泵图1 3 美国压电叠堆式无阀压电泵 图1 4m i c h a e lk o c h 等人研制的有阀压电泵 1 9 9 3 年，瑞典的e s t e 衄e 等人创造性地发明了锥形流管压电泵哺1 ( 图1 5 ) ，利用两个倒 置的锥形流道，流体从正反两个方向通过流道所受的阻力不同，从而实现流量的差异，达到泵 的作用。因为该结构上没有传统意义上的阀结构，所以称这种类型的泵为无阀压电泵。与有阀 压电泵相比，无阀压电泵在结构上更加简单，不存在阀门的开启和受阀之后等因素的影响，控 制更加简单，而且，在泵整个工作周期内，进出口始终是连通的。在对传输介质要求严格的条 件下，如传送高分子材料、活性细胞以及生物链等介质时，无阀压电泵对其组织的损伤较有阀 压电泵要小的多，所以，无阀压电泵的应用更胜一筹。 自e s t e m m e 等人开创了锥形流管无阀压电泵的先河以来，相继又出现了多种形式的无阀压 电泵，1 9 9 5 年，德国的t g e r l a c h 等人在硅板上开发出了微四方锥形流管无阀压电泵憎1 ，他们 的工作开创了微压电泵的新局面( 图1 6 ) 。同年，日本的h m a t u m o t o 等人利用加热来改变流 体粘度的方法，提出了热粘度无阀压电泵引。2 0 0 0 年，新加坡的n 鲫一t r u n gn g u y e n 等人对锥 3 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 形流管无阀压电泵进行了数值仿真研究1 。荷兰的s e b a s t i a nb o l l 皿基于传统的压电泵的原理、 结构和材料的基础上发明了采用塑料被动阀的微泵( 见图1 7 ) ，在不同类型的驱动器驱动的情 况下进行了仿真与测型1 2 1 。 口i d 曲i c 矗i h c h b o d k h a 曙tm o d 图1 5e s t e m m e ，s w e d e n ，1 9 9 3 图1 6t o r c hg e r l a c h ， g e m a n y ，1 9 9 5 图1 7s e b a s t i a nb o h l 采用塑料被动阀的微泵 2 0 0 1 年，新加坡南洋理工大学的阮南忠对锥形流管无阀压电泵的改进，结合m e n s 技术对 锥形流管无阀压电泵做了大量研究，他提出了一种基于p c b 电路板技术制作的无阀泵，并分别 用锥形流管无阀泵的机理和蠕动无阀泵的机理实现了这种泵，对这种泵进行了数值模拟和仿真 的研究。他还对所提出的一种脉冲带宽调制的微泵进行了数值仿真。2 0 0 2 年，他义制作了基于 m e m s 技术采用了一种新型阀的复合压电泵n 3 h h l 。 美国海军国家实验室的j c r i f e 基于无阀机理制作了高频效应下自勺微小超声无阀泵及搅 拌器u 。1 ( 见图1 8 ) 。 美国中佛罗里达大学的b o l i 制作了一种大流量的压电泵，在这种泵里面他们设计了一种高 跟从率的被动阀引( 见图1 9 ) 。 新加坡n y a n gt e c h n o l o g i c a lu n i v e r i s t y 和美国加州大学共同研制一种超声弯曲平面波 微型泵( u l t r a s o n i cf l e x u r a lp l a t e 吼v em i c r o p u l n p ) ，简称为超声泵( a c o u s t i c p u m p ) 或 f p w 一泵，是一种无阀泵n 刀( 见图1 1 0 ) 。它是基于超声流( a c o u s t i cs t r e 鲫i n g ) 现象实现流 体输出的，当弯曲波在薄膜内传播时，在靠近薄膜的液体内出现了高强度超声场，它促使超声 4 南京航空航天大学硕士学位论文 场内的液体沿着超声波的行进方向流动。压电超声泵的特点是：工作电压低，不发热，而且对 所传输的液体气体类型没有限制，可用于传输包含d n a 及其它生物试样的液体等。加州大学的 a u d r ah m e n g 等利用辐射超声波振子( r a d i a l t r a n s d u c e r ) 制作了压电超声泵，在输入电压为 1 2 v 、工作频率3 7 9 删z 时，可获得最大输出流速1 1 5 咖s ；另外，辐射超声波振子还成功地 把直径2 i 姗的聚苯乙烯球聚束，使其通过宽度不足1 0 0 舳的束腰( b e 锄w 2 l i s t ) 。美国喷气驱 动实验室，即j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) ，为美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 研 制了一种弯曲波驱动的压电蠕动泵e 删，这种压电超声泵是基于压电马达原理，将两个膜片按 图方式固定，这样在两个膜片交界面上行波波峰之间就形成了多个腔体( 其中充满了液体气 体) ，腔体交替地形成与关闭将带动流体沿着波的行进方向流动。目前，该泵最大输出压力 1 1 k p a ，流量4 5 m 1 m i n ，工作频率为数十l 【i i z ，进一步的理论分析和试验研究仍在进行。 h 挑瑚c k 2 2 嗍 盹 1 臻l z | 渺s 刚n ，嘲s 哺s t r t e 弼$ 卿 互5 狮d 执乩 l p 峨 b 舳 图1 8j c r i f e 微小超声无阀泵及搅拌器 a 。p 瑚晔 ab l v e c a a 稍哪 图1 9b ol i 制作的具有高跟从率被动阀的压电泵 5 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 图1 1 0 压电超声泵 为了提高压电泵的输出效率，人们又开发出了两腔和多腔体压电泵。瑞典的a n d e r so l s s o n 等 【2 0 1 研究表明两个腔体交叉工作( 一个吸入，另一个排出，如图1 1 l 所示) 比两个腔体同步工作( 同时 吸入或排出如图1 1 2 ) 的效率( 压力、流量) 高两倍、且输出脉动小。a n d e r so l s s o n 等的另一项研 究表明，串联泵两个腔体交叉工作时最大输出流量和压力都优于单腔体泵，减小锥型管的通流面 积也可能提高输出压力。1 9 9 0 年，j gs m i t s f 2 l 】制作的压电驱动三腔蠕动微泵是一种新型的串联 多腔有阀压电泵，该泵由三个泵腔串联而成，其结构简图如图1 1 2 所示。1 9 9 6 年，瑞典的a n d e 娼 o l s s o n 等2 2 ，2 3 捌人将半导体制程技术运用在制作无阀压电微泵上( 如图1 1 3 所示) ，制作成了两腔 体压电锥形流管无阀压电泵，并对其进行了研究。该泵流管截面为矩形，最小截面宽仅为8 8 弘m ， 深度为2 4 肛m 。 6 - 遗口：2 6 一函电薯喷瓤动嚣1 3 7 8 尊骥一片“一一体1 5 一出口 图1 1 l 两腔体串联有阀压电泵 扩魏管振动腰片 图1 1 2 两腔体并联压电泵 孔 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 3 国内现状 图1 1 30 l s s o n 等制作的两腔体并联无阀压电泵照片 经历近三十年的发展，美国、日本、荷兰、瑞士、瑞典、英国、德国、新加坡、意大利、 韩国、以色列等国家对压电泵的研究已经做了很大贡献。国内对压电泵的研究起步较晚，吉林 大学压电驱动与控制研究室程光明等人，1 9 9 8 年在国内第一个报道了关于锥型管式无阀压电泵 的研究之后，并在国家自然基金、8 6 3 计划等项目的持续支持下，已经研发出从最小分辨流量 微升级可用于生物医药领域，到流量每分钟上千毫升可以用于计算机c p u 水冷的系列化微型压 电 图1 1 4 吉林大学金属壳体压电泵 图1 1 5 吉林大学多腔体压电泵 图1 1 6 吉林大学应用压电泵的c p u 水冷系统 7 非对称坡面腔底无阀压电泵试验与研究 1 9 9 9 年，南京航空航天大学的张建辉等提出y 形流管无阀压电泵，并对该泵做了大量实 验研究嘲，同时对有阀泵的阀片的滞后性m 1 、气穴现象b 卜3 9 1 以及压电泵噪音方面n 叫铂也作出 了深入的研究。“y ”形流管无阀压电泵采用了一种特殊的流管“y ”形流管( 图1 1 7 ( a ) 所 示) 作为其无移动部件阀。“y ”形流管实际上是一种三通形流管，它