微型振膜压缩机在压电静电复合驱动下运行机理研究

In order to analyze deeply the diaphragm micro compressor operating with high efficiency, this proposal is focused on a new kind actuator combined with piezoelectric and electrostatic actuation, moreover it will operate with self-oscillation mode to obtain high compression ratio. The operation mechanism is related to dynamics coupling the elastic, flexible membranes, micro scale flow and heat transfer, MEMS apparatus, piezoelectric and electrostatic actuators. The theoretical model will be discussed, and related experiment will be compared with the theoretical works. This research will promote the research on micro scale thermal processes, and expand the theoretical and experimental research on micro refrigeration. The research and discussion have a deep application background on electronic cooling and microclimate.

项目以微型振膜压缩机内对可压缩流体高效压缩的深入分析为目的，通过采用将振膜以弹性压电部分和柔性静电部分复合驱动，兼以自激共振运行模式提高最大压缩比，可一定程度上综合静电微泵和压电微泵的优点，形成高效紧凑的微型压缩机结构。其运行机理的讨论综合了弹性、柔性振膜耦合动力学分析、微尺度流动传热、MEMS机构、静电和压电驱动等方面的研究内容，并建立相关的振膜型微型压缩机的瞬态工作过程的理论分析模型，并进行相关的实验研究，其实施将发展和深化微尺度热力过程研究，丰富微型制冷热力系统的理论和试验研究，促进微型动力机械的深入发展。项目实施成果电子冷却技术、微气候调节装备等场合具有广阔的应用背景。

微型压缩机是微流体系统的重要组成部分，在微型制冷以及微型气体驱动系统具有深远的应用前景。目前微型振膜压缩机，特别是高增压比气体压缩机的研究相对较少。.本课题以提升微型振膜压缩机的增压比为目标，针对驱动器、振膜和振腔结构，提出驱动器共振运行、液体传动结构等方法，用于提升微型压缩机性能。针对所提出的静电压电复合驱动、带有惯性质量的二阶自激振荡复合驱动、复合液压传动振膜的多种相关的复合微型振膜压缩机概念建立了理论模型，针对其相关的运行机理进行讨论分析，对比了典型静电驱动柔性膜、压电堆驱动的微型振膜压缩机性能，加工制作了微型振膜压缩机样品，通过实验研究，验证了自激振荡大挠度压电薄膜驱动器、液体传动压电薄膜驱动器等运行性能。.课题在进行过程中针对基于薄板大挠度理论建立了驱动器非线性形变模型；针对圆形薄膜压电驱动器应用Hamilton原理和变分法建立了振动控制方程，采用多尺度法获得了主共振下的一阶近似解；结合泛函和最优化方法优化了复合液压膜和曲面腔体结构匹配性能；所建立的模型和计算方法在实验室进行了验证，实验与计算有较好的一致性。.采用复合有惯性质量的微型振膜实验样机在共振运行状态下，90 V驱动电压下的最大压升为39.7 kPa（进气压力为当地大气压），最大流量为3.2 mL/s，若在100 V驱动电压下，微型压缩机的最大压比可达1.67。复合有液压振膜的微型振膜压缩机在实验样机上，最大应力降低8%，压升和输气量可提高40%以上。根据研究获得的压缩机性能数据，选择合适制冷剂，采用100V以下的驱动电压已经可以构建3W制冷能力的微型制冷系统。.本课题的进行将为电子散热等应用中的微型压缩机和微型制冷技术，以及柔体机器人的气体驱动技术发展提供参考和技术支撑。