壓電泵用被動截止閥的發(fā)展

孫曉鋒，楊立奇，于文鑫，祝明威，接 勐

(吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

壓電泵的發(fā)展是伴隨著泵用被動截止閥的研究而發(fā)展起來的.眾所周知，壓電泵由于受其工作原理的限制，壓電振子振動時使工作閥兩側(cè)產(chǎn)生的壓差非常小，因此要求工作閥的開啟壓力不能太大，否則閥會因打不開而不能工作.壓電泵根據(jù)是否帶有截止閥分為有閥壓電泵和無閥壓電泵，其中有閥壓電泵又可分為主動閥壓電泵和被動閥壓電泵，主動閥壓電泵因為需要額外的閥控制原件，使壓電泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計上變得相對復(fù)雜，而被動閥壓電泵閥的設(shè)計大多都采用薄片結(jié)構(gòu)，這樣不僅使泵的結(jié)構(gòu)簡單，還可保證閥在壓電振子的驅(qū)動下以較小壓力就能打開使壓電泵正常工作.下面就幾種常用壓電泵用閥進行介紹.

1 懸臂梁閥

懸臂梁閥[1-4]的工作原理非常簡單，不論閥的設(shè)計形狀什么樣，在安裝上都是一端固定，一端與泵的進出口接觸.在工作的時候，和泵進出口接觸的部分在壓差作用下發(fā)生偏移，實現(xiàn)控制流動方向.在加工材質(zhì)上多采用硅雕刻或者彈性較好金屬薄片雕刻.圖1(a)是由硅雕刻加工的懸臂梁閥，此種懸臂梁閥是由兩個硅片粘結(jié)在一起構(gòu)成，上面的部分是懸臂的執(zhí)行部分，下面是通流孔部分，因為硅具有極好的機械強度，因此能夠使懸臂部分產(chǎn)生連續(xù)的偏移讓流體通過.為保證閥的工作精度，在加工過程中膠的粘結(jié)、硅的表面處理及雜物清理都是影響閥工作性能的關(guān)鍵.圖1(b)和(c)是由金屬薄片加工的懸臂梁閥.因為壓電泵的工作環(huán)境比較復(fù)雜，比如工作介質(zhì)溫度較高，或具有一定的腐蝕性，因此閥的材質(zhì)要根據(jù)實際需要進行選擇.圖1(b)所示的懸臂梁閥由三層結(jié)構(gòu)組成，中間體部分將兩閥隔開形成進出口閥.圖1(c)所示的懸臂梁閥是由0.05～0.07 mm厚的鈹青銅加工而成，安裝方法是將兩個閥粘結(jié)在一起形成進出口閥.

圖1 懸臂梁閥

懸臂梁閥的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，易于加工.缺點是閥的開啟度大小受懸臂長度影響，懸臂越長則閥的開啟度越大，但長度過長會影響閥的反向截止性.

2 平板閥

平板閥[5-9]同懸臂梁閥比較，在安裝上是周邊固定，這種固定形式使閥的執(zhí)行部分比較平整，實現(xiàn)閥與泵出流孔平面之間的緊密接觸，提高了閥的反向截止性.圖2是不同結(jié)構(gòu)的幾種平板閥.中間平板也就是閥片(flap)是閥的執(zhí)行部分，與出流孔的所在平面接觸，閥片四周都與閥臂相連接，閥臂起到彈簧梁的作用，提供閥工作時的恢復(fù)力，其中圖2(b)在中間閥片部分又加了十字筋結(jié)構(gòu)以加強閥的承載能力.最外周是固定環(huán)，可通過粘結(jié)等方式將閥固定在泵腔內(nèi).

圖2 平板閥

平板閥的最大優(yōu)點是閥的執(zhí)行部分閥片受力均勻，提高了閥的反向截止性.不利之處是有的結(jié)構(gòu)加工起來比較復(fù)雜，閥臂的彈簧力太大會使閥開啟困難，長期工作使閥臂變形而導(dǎo)致閥片部分不再平整，影響閥的截止效果.

3 蝶閥與“V”型閥

蝶閥[10,11](dual cantilever valve)的工作原理與懸臂梁閥的工作原理相似如圖3(a)所示，只是每個這種形式的閥都包含兩個懸臂部分和一個出口間隙，因兩個懸臂成對出現(xiàn)，像蝴蝶一樣，故稱蝶閥.蝶閥的缺點是閥的加工工藝比較復(fù)雜，優(yōu)點是可把進口閥和出口閥在一個基板上加工而成.

圖3(b)是“V”閥(bivalvular valve)的結(jié)構(gòu)圖，這種結(jié)構(gòu)形式的閥的執(zhí)行部分是一對可產(chǎn)生變形的閥翼，依靠壓差將閥翼打開，剖面形如“V”型.“V”閥優(yōu)點是閥的執(zhí)行部分直接在硅層上加工而成，不需要膠結(jié)，缺點是一對閥翼之間存在縫隙，在工作時容易產(chǎn)生泄露.

圖3 蝶閥與“V”型閥

4 其它結(jié)構(gòu)用閥

隨著壓電泵研究的不斷發(fā)展，對閥的要求也越來越高.能夠承載很大的輸出壓力，在較高的頻率下仍然能夠很好工作的陣列結(jié)構(gòu)閥[12,13]隨之出現(xiàn).這種形式的閥的承載壓力可以達到10 MPa，工作頻率也高達10 kHz.圖4就是兩種結(jié)構(gòu)形式的陣列閥，通常情況下，這種閥都安裝在疊堆驅(qū)動的壓電泵中，因為疊堆壓電泵往往輸出壓力較大，因此要求閥具有較高的承載能力.

圖4 陣列閥

5 結(jié) 論

文中通過對壓電泵用閥的結(jié)構(gòu)特點進行介紹，得出以下結(jié)論：

(1) 因壓電泵腔體容積變化時作用在閥兩側(cè)的壓力較小，因此在閥設(shè)計上必須保證開啟壓力較??；

(2) 壓電泵用閥在結(jié)構(gòu)上基本選擇薄片結(jié)構(gòu)，方便在泵腔內(nèi)狹小的空間安裝并易于開啟；

(3) 平板閥在安裝時因固定的周邊均勻受力，截止性能更好，因此在壓電泵的設(shè)計中被較多采用.