箭头型阻流体无阀压电泵的设计与试验

针对三棱柱阻流体无阀压电泵输出流量小的问题,基于箭头结构流阻小的特点设计了一种箭头型阻流体无阀压电泵,介绍了该泵的结构及工作原理。利用有限元软件模拟仿真了箭头型阻流体无阀压电泵的泵腔速度流线图,并将该泵与三棱柱阻流体无阀压电泵的阻力特性进行了对比分析。结果表明,箭头型阻流体无阀压电泵能单向运输流体,且其效率较三棱柱阻流体无阀压电泵提升了19.51%。利用3D打印机制作了2种泵的样机,进行了流量和压差试验。试验结果表明,在300 V的驱动电压下,箭头型阻流体无阀压电泵的最大流量和压差分别为17.40 g/min和470 Pa,较三棱柱阻流体无阀压电泵分别提升了22.71%和37.03%。

锥形阶梯流管无阀压电泵仿真及实验

针对锥形流管无阀压电泵输出流量小、回流流量多等问题,结合锥形流管和溢流坝阶梯式结构的阻流作用,研制了一种锥形阶梯流管无阀压电泵。对锥形阶梯流管的流阻特性进行了理论分析,利用有限元软件对锥形阶梯流管无阀压电泵和锥形无阶梯无阀压电泵进行了流场仿真对比,制作了锥形阶梯流管无阀压电泵实验样机,测量不同频率和驱动电压下两种泵的流量。实验结果表明:当驱动电压峰峰值为180 V、驱动频率为18 Hz时,锥形无阶梯流管无阀压电泵流量最大为6.20 ml/min,锥形阶梯流管无阀压电泵输出流量最大为8.04 ml/min,与锥形无阶梯流管无阀压电泵相比泵最大输出流量提升了29%,验证了锥形阶梯流管无阀压电泵能有效抑制锥形流管中的回流现象,且相比于无阶梯流管无阀压电泵具有更好的输出流量。

柔性鸭嘴阀压电泵的设计与试验

为了提高压电泵的输出性能,根据鸭嘴结构形式设计了一种柔性鸭嘴阀压电泵。首先阐述了柔性鸭嘴阀压电泵的结构及工作原理,其次对柔性鸭嘴阀压电泵的输出流量和输出压力进行理论分析,最后制作了柔性鸭嘴阀压电泵样机,并研究了其流量变化规律以及进出口压力差的变化规律。实验结果表明,在220 V、45 Hz正弦交流电驱动下,柔性鸭嘴阀压电泵进出口最大压力差可达15.5 kPa;在220 V、55 Hz正弦交流电驱动下,柔性鸭嘴阀压电泵的最大流量为39 mL/min。结果验证了柔性鸭嘴阀压电泵具有良好的输送能力。

四腔混联压电泵结构设计与试验分析

为提高压电泵的输出性能,结合串并联结构压电泵的优点,提出一种四腔混联压电泵设计。在110 V,40~400 Hz范围的正弦交流电驱动下,对制作的试验样机进行气体介质、液体介质的输送性能试验。结果显示:压电泵输送空气时,压电振子的工作模式对输出性能的影响可忽略不计,最大输出流量可达3046 mL/min。压电泵输送液体水时,采用异步驱动,输出性能更好,驱动频率为140 Hz时输出流量达到最大,为1067 mL/min。试验结果为多腔体混联压电泵的实际应用提供一定参考。

内置混合器式无阀压电泵性能

为了在输送流体过程中实现不同流体的充分混合,设计挡板式内置混合器、阻流体式内置混合器及绕流体式内置混合器等3种内置混合器式压电泵.采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对压电泵流场混合效果进行数值模拟,提取流场典型切面混合浓度,并通过混合试验验证混合度数值模拟的可靠性,同时研究了内置混合器对压电泵泵送能力的影响.研究结果表明:内置混合器可显著提高压电泵的混合能力;内置混合器的结构与参数不同时对混合度有较大影响,在驱动频率为727 Hz,驱动电压为150 V时,具有6个混合单元的绕流体式内置混合器压电泵的混合度可达99.35%;无内置混合器式压电泵的泵送流量为457.3 mL/min,安装内置混合器的压电泵均有不同程度的流量损失.试验结果进一步验证了仿真分析的正确性,为研究压电泵混合和泵送综合性能提供了一定的参考.

三叉四通管无阀压电泵的设计与试验

为了提高Y形管无阀压电泵的流量,基于三叉树的结构特征提出了一种三叉四通管无阀压电泵。模拟分析了三叉四通管的速度流线图,对比了该流管与Y形管的阻力特性,制作了2种流管的泵样机,进行了流量和压力差试验。研究结果表明:流体在三叉四通管中正、反向流动时均没有产生明显的旋涡,三叉四通管无阀压电泵的效率比Y形管无阀压电泵提高了22.69%。在220 V驱动电压下,三叉四通管无阀压电泵的最大流量为7.41 g/min,比Y形管无阀压电泵提升了21.47%;三叉四通管无阀压电泵的最大压力差为421 Pa,比Y形管无阀压电泵高出了79.17%。

半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵

为了提高半圆柱阻流体无阀压电泵的流量,结合锥形腔的流阻不等特性,该文设计了一种半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵,并建立了其流量的理论公式。数值模拟了该泵的泵腔流速分布,对比分析了其与半圆柱阻流体无阀压电泵的阻力特性。模拟结果表明,半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵能实现流体的单向输送,且其输送能力优于半圆柱阻流体无阀压电泵。制作了两种泵的样机并进行了流量和压力差试验。试验结果表明,在驱动电压220 V下,半圆柱阻流体锥形腔无阀压电泵的最高流量和压力差分别为30.96 g/min和394 Pa,与半圆柱阻流体无阀压电泵相比,其流量和压力差均得到提高。

微流控系统中压电泵及其应用的研究进展

微流控系统作为微机电系统的一个重要分支,被广泛应用于微尺度环境下的航空航天、生物医疗、化学检测等领域。压电泵作为微流控系统的“心脏”,负责为微流控系统提供动力,体现了微流控系统的发展水平。压电泵将驱动部件、工作部件和控制部件集为一体,有效减少传统泵类中由于不同部件在运动过程中产生的能量损耗,具有体积小、结构简单、能耗低等特点。介绍了近年来国内外关于压电泵的研究成果,并根据压电泵的相关结构、工作模式等方面进行分类、归纳、总结,分析目前压电泵发展过程中存在的主要问题,并从多方面讨论压电泵的性能优化研究,对其潜在的应用前景及发展趋势进行展望,给开展压电泵技术研究提供一定参考。

带放大器阀驱压电泵出口流量特性及参数优化

对压电驱动伺服阀运行控制过程进行了优化,引入了液压放大系统,设计了一种带液压位移功能的放大结构。在给出数学模型的基础上,开展了参数优化仿真分析以及实验验证。研究结果表明:当阀芯发生开启与关闭的过程中,泵出口流量产生了较大幅度的振荡,逐渐提高驱动频率后,靠近零位的区域发生了出口流量的剧烈波动。随着阀座直径增大,最大流量几乎未受到影响,当阀座直径与阀芯尺寸相近时,靠近零位的部位发生了泵出口流量的大幅波动。提高阀芯弹簧刚度后,形成了更慢的响应速度,阀芯弹簧5 kN/m下形成了最大瞬时回流,逐渐提高阀芯弹簧刚度,获得了更优的最大出口流量,通过适当提高弹簧刚度来优化最大瞬时回流流量。应用实验验证了仿真的准确性。

谐振型压电泵的振子结构设计与优化

针对目前压电振子体积大、频率低等问题,提出了悬臂梁式和折叠振子式两种振子结构。通过建立模型仿真和样机泵测试结果可得:压电泵在其系统谐振频率处有最大的输出流量;与传统的悬臂梁式压电泵相比,优化后的折叠振子式压电泵体积减小了60%,输出流量提升了3倍。因此,经过结构优化设计的折叠式压电振子不仅结构紧凑,而且具备较好的机电耦合特性,表面应力分布更为均匀,压电材料的利用率和能量转换率有较大提升。

螺旋线形阀压电泵的理论与试验研究

有阀压电泵在精细化工、MEMS、生物医学工程等领域具有重大应用前景。为了克服有阀压电泵结构复杂、跟从与截止性差、成本高等缺点,设计一种异形拟悬臂梁结构的螺旋线形弹性固支阀,其螺旋臂长是简单悬臂梁阀的数倍,工作时开启度大,且因其螺旋线形弹性结构,阀体不仅可以上下回位,左右也具有对中功能,并把这种阀安装在有阀压电泵的泵腔内形成螺旋线形阀压电泵。在深入分析有阀压电泵优缺点的基础上分析螺旋线形阀压电泵的工作原理,依照泵内部能量传递的路径建立压电驱动(电压、频率)为输入与泵流动(流量、压差)为输出之间的关系式,加工试验样机,并进行性能测试试验,螺旋线形阀压电泵具有泵功能,证明了其有效性和理论分析的正确性。试验结果表明:随着驱动电压的增大,泵的输出流量和压差呈上升趋势,这个结果与Matlab数值仿真计算结果趋势一致。在电压为220 V、频率为30 Hz时,得到仿真流量41.26m L/min,实际试验流量为10.2 m L/min,误差75.3%;在电压为220 V、频率为20 Hz时,得到仿真流量27.51 m L/min,实际试验流量为22.8 m L/min,误差17.2%。

细胞或高分子输送用“Y”形流管无阀压电泵的工作原理及流量特性

在泵腔上安装两支互为倒置的具有一定夹角的三通流管,组成泵腔的流入、排出口,并与压电振子、泵体及其他部件共同构成了"Y"形流管无阀压电泵。该泵无自身化学污染源及电磁污染源,也没有阀的开启过程;同时,具有极大的可微小化和集成化的结构能力;而且,在流管内产生的漩涡相对较小,有利于输送活体细胞及长链高分子。提出新型"Y"形流管无阀压电泵的结构。基于有限体积法,分别模拟锥形流管与"Y"形流管中的压力分布与速度矢量分布,证明"Y"形流管中的漩涡远小于圆锥流管中的漩涡,速度、压力的变化也较圆锥流管低。通过具体分析压电振子的振动,建立泵容积变化方程;同时建立泵流量与压电振子频率之间的关系式。最后,通过对所研究的"Y"形流管无阀压电泵进行流量试验后证明"Y"形流管无阀压电泵具有泵特性,进而证明了上述理论模型的正确性。

双腔薄膜阀压电泵的实验研究

实验研究了理论所不能解释的多种因素对双腔压电泵输出流量的影响规律。选取了一种高效的橡胶薄膜阀片,设计并制作了具有较高输出能力的双腔泵样机。120V交流信号下,双腔串联压电泵最佳工作频率为180Hz,输出参数为520ml/min、22kPa;双腔并联压电泵最佳工作频率为420Hz,输出参数为980ml/min、28kPa。通过实验确定了双腔压电泵的最佳腔体高度及双腔串联、并联压电泵压电片的最佳驱动方式。

输送流体双腔并联压电泵性能分析与试验研究

为了提高压电泵的输出能力,采用压电双晶片进行驱动,设计了双腔并联被动截止阀压电泵,并加工了试验样机.对不同压电振子驱动方式(同步驱动或异步驱动)的双腔并联压电泵输出性能的影响规律进行了理论分析,分别以液体和气体为介质对样机进行了试验测试.测试结果表明:在110 V驱动电压下,工作频率小于400 Hz时,输送液体最大输出流量为1 330 mL/min,2个振子异步驱动泵的输出能力好于同步驱动;输送气体最大输出流量为950 mL/min时,2个振子同步驱动和异步驱动泵的输出能力基本接近,从而确定了双腔并联压电泵输送流体时的最佳工作方式.

压电泵的现状与发展

压电泵作为一种新型压电驱动器,有着广阔的发展前景。本文综合国内外现有研究情况,分析了现有各类压电泵的结构、原理、性能、特点及应用情况,提出了压电泵目前存在的问题,并预测了未来几年的发展前景。

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径。通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式。制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能。

两腔压电泵结构与特性

介绍了两个压电振子所构成的两腔串联和两腔并联压电泵的结构及工作原理,分析了两个压电振子驱动方式(同步工作和交叉工作)对两种结构压电泵输出性能的影响规律。制作了两腔串联和两腔并联压电泵的试验样机,分别测试了两个腔体同步工作和交叉工作状态下压电泵的输出能力,并与理论分析的结果进行了对比。理论和试验两方面的研究结果表明,在相同驱动电压和频率条件下,两个腔体交叉工作时压电泵的输出能力较好,其中并联泵的流量最大,为单个腔体流量的2倍;而串联泵的流量串联泵压力最大,是单个腔体输出压力的2倍,同时其流量也有大幅度提高,约为单个腔体流量的1.4倍。

微型压电泵系统的设计研究

提出了一种整机采用迭片式结构,单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了实验用样机泵,设计了正弦信号发生器电路,将产生的正弦信号经过电压放大和功率放大后,作为该泵的电源驱动,通过对该泵的工作性能进行较为系统的实验测试和研究,提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。实验测试表明,该泵工作性能稳定(样机尺寸:Φ15mm×1.8mm;50V正弦信号输入,80Hz条件下,最大输出压力22kPa,流量达到3.6ml/min)。该泵的设计方法及所用制作工艺可用于研发大量生产的实用微型泵。

“Y”形流管无阀压电泵模拟与试验

对"Y"形流管无阀压电泵内部流场及泵流量特性进行了模拟及试验研究。采用CFX软件对"Y"形流管无阀压电泵泵腔内的流场特性进行了模拟分析。结果表明:"Y"形流管无阀压电泵工作时泵腔内的压强变化很小,涡旋对流体传输活体细胞及长链大分子基本无影响。实际制作了"Y"形流管无阀压电泵,并通过改变"Y"形流管的几何尺寸,研究了压电泵进出口端压差的变化规律。试验结果表明,压差随支管夹角增大而减小,并且当两支管宽的和接近主管宽时,压差值达到最小,当支管夹角为5°,宽为1.2 mm时,压差达到最大725 Pa。

柔性尾长对尾鳍式压电泵的影响

为克服传统的容积型无阀压电泵存在的流动波动大、有回流、泵水能力差等通病,提出并设计模仿鱼尾摆动的无阀泵,并针对具有柔性尾鳍的变截面摆动子进行研究。在研究巡游速度最大的金枪鱼尾鳍摆动的基础上,设计具有柔性尾鳍的变截面摆动子;基于有限元分析软件ANSYS进行摆动子在水中的谐响应分析,提取不同长度的柔性尾鳍工作在二阶谐振下的端部振幅,分析表明,摆动子端部振幅对泵的理论流量影响较大;利用电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)激光位移传感器对摆动子的端部振幅进行测量,柔性尾鳍长度为5 mm时,摆动子的二阶弯振端部振幅达到0.4 mm,端部振幅随柔性尾鳍长度变化的趋势和ANSYS分析结果一致;对泵进行试验研究:在60 V的电压的激励下,柔性尾鳍长度为5 mm时,泵的压差达到78 mm。研究表明,在摆动子的其他结构参数一定的情况下,泵的性能对柔性尾长较为敏感,并存在最优的柔性尾鳍长度值。