田曉超， 楊志剛， 吳 越， 王 銳， 楊樹臣， 于建群

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 長春，130025) (2.長春大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院 長春，130022) (3.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院 長春，130025) (4.長春師范大學(xué)工程學(xué)院 長春，130032)

引 言

壓電微泵具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、易集成和控制好等特點，主要應(yīng)用在氣體或液體監(jiān)測、微電子器件的冷卻、血液分析、微型燃料電池及藥物輸送等領(lǐng)域[1-3]。在這些領(lǐng)域使用的微泵已經(jīng)達到高流量小體積的要求，其中無閥氣體壓電微泵[4-6]備受關(guān)注。

Glezer等[7]利用壓電振子首次研發(fā)出了一種典型的無閥氣體壓電泵。該微泵的驅(qū)動元件為壓電振子，沒有閥片，利用流體與周圍環(huán)境之間形成漩渦對，從而形成流體的持續(xù)出流能力。文獻[8]等設(shè)計了一種新型氣泵，該泵是用一種新型的合成射流激勵器集成一個綜合噴氣室和主噴射器來提高氣流速度。羅小兵等[9]提出一種新型結(jié)構(gòu)的無閥氣體微泵，該泵基于合成射流的原理形成對流體流動方向的控制能力，對該泵工作的前半個周期和后半個周期建立模型進行數(shù)值模擬，利用氣體慣量在兩個腔體流動。羅劍等[10]對無閥氣體壓電微泵進行多域耦合數(shù)值模擬，完成了無閥微泵的真實物理過程的數(shù)值仿真，分析激勵電壓和泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵性能的影響效果，為無閥壓電微泵的優(yōu)化設(shè)計與控制提供了參考。沈丹東等[11]對合成射流式無閥壓電泵進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，采用正交分析法并結(jié)合仿真軟件進行數(shù)值模擬，對影響壓電泵性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

筆者設(shè)計的無閥氣體壓電泵驅(qū)動氣體主要是由密封腔內(nèi)壓電振子振動在孔口邊緣產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)渦偶的交互作用產(chǎn)生的。該結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)迅速、適用于微小型器件的熱管理，特別應(yīng)用在功率器件、發(fā)光二極管(light-emitting diode，簡稱LED)及芯片冷卻等場合。

1 系統(tǒng)工作原理與振幅測試

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

無閥氣體壓電泵的爆炸圖如圖1所示。該無閥氣體壓電泵主要由入口、出口、射流孔、壓電振子、泵蓋、壓蓋、泵腔墊圈、容腔墊圈及中間板等部分組成。壓電振子由壓電陶瓷與基板粘合而成，射流孔位于中間板的中心位置。容腔由壓電振子、容腔墊圈及中間板構(gòu)成。泵腔由中間板、泵腔墊圈和泵蓋組成。在泵蓋的4個側(cè)面有4個開口，在泵腔墊圈上有4個開口，與泵蓋的4個側(cè)面相對應(yīng)，構(gòu)成無閥氣體壓電泵的4個入口。射流孔和出口的軸線重合，壓電振子、容腔墊圈、中間板及泵腔墊圈依次處于壓蓋和泵蓋之間并用4個螺栓連接固定。

圖1 無閥氣體壓電泵爆炸圖Fig.1 Explosion diagram of valve-less gas piezoelectric pump

1.2 工作原理

圖2 無閥氣體壓電泵工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of valve-less gas piezoelectric pump

無閥氣體壓電泵的工作原理如圖2所示，主要分為吸氣過程和排氣過程。壓電振子在交變電壓的作用下產(chǎn)生周期性振動。在吸氣過程中，壓電振子向下振動，容腔體積變大，壓力變小，泵腔中的氣體通過射流孔吸入到容腔中，但漩渦對在自身動量的作用下已經(jīng)遠離射流孔，不受其影響。在排氣過程中，壓電振子向上振動，容腔體積變小，壓力變大，容腔中的氣體通過射流孔排出，在射流孔邊緣部位，氣體在強烈的剪切作用下發(fā)生了分離，形成射流，產(chǎn)生漩渦對。依據(jù)合成射流原理，形成的漩渦對對周圍氣體產(chǎn)生卷吸作用，并以自誘導(dǎo)速度向出口遷移，泵腔中的氣體通過出口進入周圍環(huán)境，同時有氣體從入口進入到泵腔中。該無閥氣體壓電泵在整個工作周期，無論是在氣體吸入過程還是排出過程，都有氣體從泵的出口排出，實現(xiàn)連續(xù)出流能力。

1.3 壓電振子振幅測試

利用激光測微儀測量壓電振子的振幅，測試裝置如圖3所示。壓電氣泵驅(qū)動頻率為為400 Hz，得到壓電振子的振幅隨驅(qū)動電壓的變化關(guān)系如圖4所示。可以看出，壓電振子中心點振幅隨著驅(qū)動電壓的增加而增大，呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動電壓為120 V時，壓電振子的振幅達到35 μm。

圖3 壓電振子振幅測試裝置圖Fig.3 Amplitude measurement device diagram of piezoelectric vibrator

圖4 壓電振子振幅隨電壓變化曲線Fig.4 Curve of amplitude variation of piezoelectric vibrator with voltage

2 仿真分析2.1 有限元模型建立

該無閥氣體壓電泵通過壓電振子與氣體相互作用實現(xiàn)氣體的連續(xù)出流能力，利用CFX軟件對其進行仿真模擬。假設(shè)該無閥氣體壓電泵的泵體是剛性的，在此基礎(chǔ)上建立流體域的三維幾何模型，并對模型的邊界類型、初始條件及湍流模型等條件進行設(shè)置。

該無閥氣體壓電泵的流體域主要由入口、出口、泵腔、容腔及射流孔等構(gòu)成。在建立有限元模型時，建立容腔模型、射流孔模型、泵腔模型和出口模型，各個模型均為圓柱狀且軸線均重合。建立泵腔模型時，在該模型的柱面均勻?qū)ΨQ布置4個進口，4個進口由4個對稱均勻布置的壁面隔開，這樣可以最大限度地模擬系統(tǒng)工作的實際情況。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模式對該模型進行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

無閥氣體壓電泵中壓電振子作周期性振動，容腔先吸入氣體，然后再排出氣體，如此反復(fù)進行。氣體在泵內(nèi)部的流動狀態(tài)復(fù)雜，屬于非定常流動，所以分析類型選擇瞬態(tài)模型。對壓電振子施加400 Hz的交流電壓，一個周期T=0.002 5 s，分析4個周期

圖5 壓電泵流體模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshing of fluid model of piezoelectric pump

(4T)，所以計算持續(xù)時間為0.01 s，時間步長為0.000 25 s。仿真中壓電振子的振幅A=35 μm。壓電振子振動規(guī)律為Y=A[1-(r/a)2]2sin(2πft)，其中：a為壓電振子半徑；r為壓電振子某點到中軸線的距離。

2.2 仿真模態(tài)云圖

可以看出，在0T時刻，壓電振子處于向上運動階段并運動至平衡位置擠壓容腔，使容腔中的體積變小、壓力變大，氣體從容腔進入泵腔形成射流產(chǎn)生漩渦對，壓電振子向上振動速度最大，此時產(chǎn)生的氣流處于最大值，有氣體從氣泵出口排出。

圖6 仿真模態(tài)云圖Fig.6 Simulation mode cloud image

區(qū)域已經(jīng)離開泵腔位置并進入出口中。此時有氣體從氣泵出口中排出。

從以上分析可知，該泵工作原理的本質(zhì)是利用壓電振子產(chǎn)生周期性振動，引起容腔的體積發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生漩渦對，利用合成射流的原理，將氣體從入口搬運到出口，在氣體壓電泵的出口產(chǎn)生持續(xù)的出流能力。容腔在氣體移動過程中起到了一個過渡容積的作用。

2.3 仿真結(jié)果分析

無閥氣體壓電泵的主要性能評價指標(biāo)是流量。選取對流量影響較大的4個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為容腔高度H、泵腔高度h、射流孔直徑D和出口直徑d進行單一變量法仿真分析。分析各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示。驅(qū)動頻率為400 Hz，驅(qū)動電壓為120 V。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.7 Structural parameter diagram

2.3.1 容腔高度

取容腔高度H分別為0.1， 0.2， 0.3， 0.4和0.5 mm，得到不同容腔高度下的流量變化曲線，如圖8所示?？梢钥闯?，無閥氣體壓電泵的流量隨容腔高度的升高逐漸降低，變化緩慢。當(dāng)容腔高度H為0.1 mm時，氣體流量達到最大，為1 810 ml/min。

圖8 流量隨容腔高度的變化曲線Fig.8 Variation curve of flow rate with the height of the chamber

2.3.2 泵腔高度

選泵腔高度h分別為0.4，0.8，1.0，1.2，1.4， 1.6和1.8 mm，得到不同泵腔高度下的流量變化曲線，如圖9所示?？梢钥闯觯髁侩S泵腔高度的升高而增加，達到最大值后開始降低，最大值與最小值差值較大，變化幅度較大，因此泵腔高度對泵流量影響較大。當(dāng)泵腔高度h=1.6 mm時，壓電氣泵的流量達到最大值，為1 790 ml/min。

圖9 流量隨泵腔高度的變化曲線Fig.9 Variation curve of flow rate with the height of the pump chamber

2.3.3 射流孔直徑

取射流孔直徑D分別為0.4，0.7，1.0，1.3和1.6 mm，得到不同射流孔直徑流量變化曲線，如圖10所示?？梢钥闯?，流量隨射流孔直徑的增大而增加，達到最大值后逐漸下降，變化幅度較大。這說明射流孔直徑對流量的影響較大。當(dāng)射流孔直徑D=1.3 mm時，流量達到最大，為1 750 ml/min。

圖10 流量隨射流孔直徑的變化曲線Fig.10 Variation curve of flow rate with the diameter of jet hole

2.3.4 出口直徑

選出口直徑d分別為1.2，1.6，2.0和2.4 mm，得到不同出口直徑時流量變化曲線，如圖11所示?？梢钥闯?，流量隨出口直徑的增大先上升后下降，且曲線漲幅較大，說明出口直徑對流量的影響也較大。當(dāng)出口直徑d=2mm時，流量達到最大，為1 820 ml/min。

圖11 流量隨出口直徑的變化曲線Fig.11 Variation curve of flow rate with the diameter of outlet

從以上仿真分析可見，當(dāng)無閥壓電氣泵容腔高度為0.1 mm、泵腔高度為1.4 mm、射流孔直徑為1.6 mm、出口直徑為2 mm時，驅(qū)動頻率為400 Hz，泵輸出氣體流量最大，為1 800 ml/min左右。

3 實驗研究

3.1 實驗裝置

圖12 流量測試裝置Fig.12 Flow measurement system

測試裝置如圖12所示，主要包括GL-103B電子皂膜流量計、硅膠管、電源和無閥氣體壓電泵樣機。測試方法：取少量皂液灌入到流量計的玻璃管中形成皂膜，皂膜在氣流的推動下，由玻璃管的底端上升到玻璃管的頂端直至從流量計的出口噴出，記錄皂膜通過兩個傳感器位置時所需時間，由控制系統(tǒng)進行計算，然后在顯示屏上讀取氣體的流量。實驗時為了減少測試誤差，對流量多次測取，求取平均值再記錄。

3.2 實驗測試

為了驗證仿真結(jié)果的正確性以及進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，測試主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，即容腔高度H、泵腔高度h、射流孔直徑D、出口直徑d對流量的影響。為了確定單一因素的影響程度，其他參數(shù)固定不變。

3.2.1 容腔高度

容腔高度H分別選0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 mm(驅(qū)動電壓為120 V，驅(qū)動頻率變化范圍為40～400 Hz以下實驗均用此參數(shù))，得到不同容腔高度時的流量隨頻率變化曲線，如圖13所示。5種容腔高度最大流量曲線如圖14所示?？梢钥闯?，不同容腔高度時流量隨頻率的升高而升高，達到最大值后開始下降。流量的最大值隨容腔高度增大而減小。變化趨勢與仿真結(jié)果(圖8)基本吻合。當(dāng)容腔高度H=0.1 mm時，流量達到最大，為1 750 ml/min。

圖13 不同容腔高度時流量隨頻率變化曲線Fig.13 Different cavity height of the flow versus frequency change curve

圖14 最大流量隨容腔高度變化曲線Fig.14 Maximum flow with the cavity height change curve

3.2.2 泵腔高度

泵腔高度h分別選取0.4，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6和1.8 mm，得到不同泵腔高度時流量隨頻率的變化曲線，如圖15所示。這7種泵腔高度最大流量曲線如圖16所示?？梢钥闯?，不同泵腔高度時的流量隨頻率的增加而升高，達到最大值后開始下降。流量的最大值隨泵腔高度先增大而減小。變化趨勢與仿真結(jié)果(圖9)基本吻合。當(dāng)泵腔高度h=1.4 mm時，流量達到最大，為1 790 ml/min。

圖15 不同泵腔高度時流量隨頻率變化曲線Fig.15 Different pump chamber height of the flow versus frequency change curve

圖16 最大流量隨泵腔高度變化曲線Fig.16 Maximum flow with the pump cavity height change curve

3.2.3 射流孔直徑

射流孔直徑D分別選取0.7, 1.0, 1.3, 1.6和1.9 mm，得到不同射流孔直徑時流量隨頻率變化曲線，如圖17所示。這5種射流孔直徑最大流量曲線如圖18所示?？梢钥闯?，不同射流孔直徑的流量隨頻率的升高而增大，流量的最大值隨射流孔直徑先增大后減小。變化趨勢與仿真結(jié)果(圖10)相吻合。當(dāng)射流孔直徑D=1.3 mm時，流量達到最大，為1 810 ml/min。

圖17 不同射流孔直徑時流量隨頻率變化曲線Fig.17 Different jet hole diameter of the flow versus frequency change curve

圖18 最大流量隨射流孔直徑變化曲線Fig.18 Curve of maximum flow rate versus jet diameter

3.2.4 出口直徑

出口直徑d分別選取1.3，1.5，2.0和2.5 mm，得到不同出口直徑時流量隨頻率變化關(guān)系曲線，如圖19所示。這4種出口直徑最大流量曲線如圖20所示。從圖中可以看出，不同出口直徑的流量隨頻率的升高而增大，流量的最大值隨出口直徑先增大后減小。變化趨勢與仿真結(jié)果(圖11)基本相符合。當(dāng)出口直徑d=2.0 mm時，流量達到最大，為1 807 ml/min。

圖19 不同出口直徑時流量隨頻率變化曲線Fig.19 Different outlet diameter of the flow versus frequency curve

圖20 最大流量隨出口直徑變化曲線Fig.20 Maximum flow with the outlet diameter change curve

從以上實驗測試可知，當(dāng)無閥壓電氣泵容腔高度為0.1 mm、泵腔高度為1.4 mm、射流孔直徑為1.3 mm、出口直徑為2.0 mm時，驅(qū)動頻率為400 Hz，泵輸出氣體流量最大為1 800 ml/min左右。這與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了仿真分析的正確性。

4 結(jié)束語

設(shè)計的基于合成射流原理的無閥氣體壓電泵體積小、結(jié)構(gòu)簡單。通過泵內(nèi)流體運動狀態(tài)仿真確定了氣體流速的分布，驗證了壓電氣泵具有連續(xù)出流能力。進行壓電氣泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量影響規(guī)律仿真分析和實驗驗證，當(dāng)無閥壓電氣泵的容腔高度為0.1 mm、泵腔高度為1.4 mm、射流孔直徑為1.3 mm、出口直徑為2.0 mm時，驅(qū)動頻率為400 Hz，泵輸出氣體流量最大為1 800 m/min左右。實驗測試與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了所設(shè)計的無閥氣體壓電泵結(jié)構(gòu)的可行性。該微型氣泵適用于微小型器件、功率器件、LED及芯片冷卻等場合。