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无阀压电泵
作者:alex 发布日期:2017-10-08
无阀压电泵
    无阀压电泵相对有阀压电泵结构更简单,加工工艺易于实现。无阀泵是利用管道的特殊结构或流体的粘度特性等实现流体的单向流动。
压电泵
图1-4 锥形管无阀压电泵[23]
Fig. 1-4 The valve-less diffuser/nozzle-based fluid pump
    1993 年,瑞典Chalmers工业大学计算机工程系的Erik Stemme首次提出利用收缩管和扩张管制作无阀压电泵[23]。这种泵没有单向阀,它是利用流体流过收缩管和扩张管的阻力不同来实现流体输送。如图1-4 所示,当泵腔体积变化时,液体从进口和出口同时流入或排出,但由于进出孔的结构特殊,每一个循环进出口吸入和排出的流量不同。腔体增大时,进口(作为扩张管)流体压力损失小于出口(作为收缩管)流体压力损失,从进口流入液体多;泵腔体积减小时,出口(作为扩张管)排出的液体比入口(作为收缩管)排出的多。因此,当泵腔体积不停地交替变化时,就形成了流体的输送。锥型管无阀压电泵的特点是可以实现微型化;缺点是反向止流性能差。Erik Stemme利用直径16mm压电振子制作的第一个试验样机,在工作频率为100Hz左右时,最大输出流量为16mL/min,最大输出压力19.6kPa。锥型管无阀压电泵是目前微流动系统领域热门研究课题之一,许多国家(瑞典[12,13,23,24],以色列[11],德国[21,25,26],中国[19,27,28,29,30,31]等)都在进行这方面技术的研究。德国IImenau科技大学机械工程学院的Torsten Gerlach等制作的锥型管无阀压电泵进出口方向(收缩管出流)[25,26]与Erik Stemme设计的压电泵出口方向(扩张管出流)[23]相反。Torsten Gerlach认为出现这一现象的原因在于Erik Stemme的压电泵是用传统技术制造的,体积较大(Torsten Gerlach制作的压电泵泵腔尺寸为 10×10×(0.4~0.7)mm),而且进出口采用的是细长的锥型管道,因此具有不同的流体动力学特性[25]。吉林大学压电驱动技术研究室对该结构泵做了研究:认为锥型管无阀压电泵的出流方向与锥型管的角度有关,锥型角小于20°时扩张管出流;锥型角在20°~120°之间时收缩管出流[28]。
压电泵
图1-5 固定阀微型泵[31]
Fig. 1-5 Fixed-valve micropump
    除了锥形管无阀压电泵,美国华盛顿大学机械工程系的Ling-Sheng Jiang等研制一种固定阀微型泵[31],它是依靠特殊的管路形状实现流体的单向流动,如图1-5 所示。图中黑色区域为阀和泵腔、中间白色部分(直径最小处)是压电振子(直径为5mm)、灰色区域是导电环氧树脂、箭头指向流体流动方向。
    以上所提及的泵都是由压电片或压电叠堆直接或间接与泵体形成密闭腔体,由振子振动改变腔体体积,形成内外压力差使液体单向流动。还有基于超声流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,它促使超声场内的液体沿着超声波的行进方向流动[9]。该泵的特点是: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DNA及其它生物试样的液体等。图1-6 是美国喷气驱动实验室为美国国家航空和宇宙航行局研制了一种弯曲行波驱动的压电蠕动泵[7,32]。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,由两组压电振子分别驱动,使之波的传播保持同步,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(其中充满了液体或气体),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1.1kPa,流量4.5mL/min,工作频率为数十千赫兹,进一步的理论分析和实验研究仍在进行。
压电泵
图1-6 压电超声泵[32]
Fig. 1-6 The piezoelecric pump based on acoustic streaming

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