层叠式多腔并联压电泵结构设计与性能分析

发布时间：2020-11-19 14:24

　　 压电泵因结构简单、易于加工、输出流量可以精准调控等优点有着广泛的应用前景。面对不同的应用领域对泵的输出流量有着不同的要求,不同输出能力的压电泵得到了不断地研究与发展。为提高压电泵的输出流量,目前主要方式是增加驱动振子个数,因此出现了不同种结构形式的多腔体压电泵。多腔压电泵的结构形式主要有三种,即串联式、并联式及混联式。从压电泵的研究中知道,多腔压电泵既能提高输出压力,也能提高输出流量。随着振子个数的增加,泵体尺寸也随之增大。为减小泵体体积适应各种应用领域。本文采用“排式”和“层叠式”两种设计方式设计了多腔并联有阀压电泵。压电泵的输出性能不仅取决于压电振子工作性能、进口和出口截止阀性能,还取决于腔体的结构形式和多个压电振子工作方式有关。利用压电振子驱动压电泵,设计了多种层叠式多腔并联结构的微型压电泵。在研发多腔并联压电泵的基础上,开展了层叠式多腔并联压电泵的结构设计以及试验等方面的研究。本文具体研究内容如下:(1)本文简要地阐述了压电驱动理论,利用解析法建了立压电振子理论力学模型,从理论上计算出压电泵腔体容积变化,并利用有限元分析法对单晶片压电振子的动态特性进行了仿真分析。(2)对被动截止阀的类型、工作原理进行简要阐述。对比了几种被动截止阀,综合其加工工艺、截止能力、开启所需压力,最终选用伞形橡胶阀为试验所用。(3)结合压电泵并联结构能够提高输出流量特点,分别设计制作了“排式”和“层叠式”多腔并联压电泵。根据各种并联结构的工作特点,结合试验样机,对各个结构工作时表现特性进行试验测试与分析。并对压电泵结构进行了优化。
【学位单位】：吉林化工学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TH38
【部分图文】：

第1章绪论1第1章绪论1.1引言压电泵按照流量大小方式进行划分，归属于微型液体泵类，压电泵的出现，在很大程度上带动了社会经济发展以及提高了工业生产水平。由于压电泵的广泛用途以及广泛的使用前景，目前国际上很多国家研究机构都对其进行了深入研究。压电泵的主要组成结构有两部分，一为压电振子，二为截止阀。由于压电泵的部件少，且压电泵的体积较小，这就使压电泵的生产便利且其功率也较小，同时压电泵的抗干扰性也十分良好。虽然压电泵的出现时间较短，仅仅40多年，但目前在很多领域都有着广泛的应用[1]。从整体发展趋势上来看，目前人们对压电泵的探究主要分为两个方向：一是缩小尺寸使压电泵微型化，主要研究内容是在缩小压电泵的尺寸的同时，压电泵的输出精度不变，甚至是提高其输出精度，该类压电泵的主要应用领域是药物靶向输送[2-3]、精密医疗设备和生物医疗等方面；压电泵的另一个研究方向是大流量方向，该类压电泵的一个特点是输出流量大，输出压力高，与此同时该类压电泵的体积也较大，其主要应用领域是打英喷刷、大型设备水冷冷却等[4-5]，此外还包括燃料电池[6-7]、现代汽车油料供给[8-9]等方面，具体应用如下图所示。图1.1心脏血泵外观图图1.2压电式胰岛素泵Figure1.1AppearanceoftheheartbloodpumpFigure1.2Piezoelectricinsulinpump

第1章绪论1第1章绪论1.1引言压电泵按照流量大小方式进行划分，归属于微型液体泵类，压电泵的出现，在很大程度上带动了社会经济发展以及提高了工业生产水平。由于压电泵的广泛用途以及广泛的使用前景，目前国际上很多国家研究机构都对其进行了深入研究。压电泵的主要组成结构有两部分，一为压电振子，二为截止阀。由于压电泵的部件少，且压电泵的体积较小，这就使压电泵的生产便利且其功率也较小，同时压电泵的抗干扰性也十分良好。虽然压电泵的出现时间较短，仅仅40多年，但目前在很多领域都有着广泛的应用[1]。从整体发展趋势上来看，目前人们对压电泵的探究主要分为两个方向：一是缩小尺寸使压电泵微型化，主要研究内容是在缩小压电泵的尺寸的同时，压电泵的输出精度不变，甚至是提高其输出精度，该类压电泵的主要应用领域是药物靶向输送[2-3]、精密医疗设备和生物医疗等方面；压电泵的另一个研究方向是大流量方向，该类压电泵的一个特点是输出流量大，输出压力高，与此同时该类压电泵的体积也较大，其主要应用领域是打英喷刷、大型设备水冷冷却等[4-5]，此外还包括燃料电池[6-7]、现代汽车油料供给[8-9]等方面，具体应用如下图所示。图1.1心脏血泵外观图图1.2压电式胰岛素泵Figure1.1AppearanceoftheheartbloodpumpFigure1.2Piezoelectricinsulinpump

第1章绪论2图1.3压电泵水冷笔记本电脑图1.4燃料电池用无阀压电泵样机Figure1.3NECpiezoelectricpumpwater-cooledlaptopFigure1.4PrototypeofvalvelesspiezoelectricpumpforfuelcellPiezoelectricinsulinpump1.2压电泵的国内外研究现状日本科学家樽崎哲二于1978年发明了压电泵[10]，同一年，美国科学家Spenser等发表了“电控压电胰岛素泵和阀”的文章[11]。压电泵之所以能在国际上多个国家得到充足的发展，正是由于其组成部件少，工作性能稳定，抗干扰性强，与此同时压电泵输出精度高，调控简便[12-13]等。在国内早期，只有很少的研究单位，如清华大学和吉林大学。清华大学周兆英教授研究小组在压电驱动式微型喷雾器方面做了大量的研究工作[14-15]。我国对压电泵的研究起步较晚，但其技术发展迅速。1998年吉林大学报道国外压电泵的相关研究后[16-17]，相继研发出了用于电脑CPU冷却所用压电泵和应用于医疗领域的微型压电泵[18-19]。目前已有许多大学和研究机构从事这一领域的研究，如浙江大学[20]、南京航空航天大学、上海交通大学[21]等。自压电泵发展至今，随着其应用领域的不断扩大，对其输出能力有了更多要求，其结构和驱动方式得到了快速发展。1.3压电泵的分类压电泵按结构、驱动源以及阀体等不同而有着不同的分类方式。根据驱动源不同，将压电泵分为三类：压电振子泵、压电叠堆泵和压电超声泵[22]。本文所要研究的压电泵是压电振子泵。根据是否存在可开启闭合的阀片，将压电振子泵分为有阀
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本文编号：2890100