基于变容积串联腔体累积压缩的塔式微型压电气体压缩机研究

An innovative method for pressurization of cumulative gas compression actuated by decreasing volume progressively in a set of serial chambers is proposed. The cumulative gas compression mechanism with stage-by-stage driving in serial chambers, associated with the forming theory and method of gas pressurization capability will be investigated theoretically and experimentally. Therefore, a piezoelectric micro gas compressor characterized with low power consumption, small volume, simple structure, easy control, no electromagnetic interference and high output pressure/large flow was developed for applications in J-T cooler/ chemical analysis/ monitor device/ fuel cell and so on. The main research topics include as follows: 1) The dynamic/kinematics models of gas compressor will be built according to the coupling relationships of impacting factors. Numerical simulation will be further conducted to investigate the effects of mechanics, electrics and pneumatics system on the performance of micro gas compressor, and the optimal matching relationship of system elements; 2) The dynamic performance of piezoelectric vibrators and check valves affected by geometrical structure, driving parameters and system loading will be studied. Among them, the focus on studying key factors restricting stage-by-stage cumulative capacity will be highlighted for a better understanding of the essential principle of gas pressurization; 3) The prototypes with optimal scheme of driving and control strategies, mechanical structure and dynamic parameters will be fabricated and tested; 4) The final project result will be presented by 2 integrated prototypes as well as the design details and key technologies.

提出通过一组容积变化量递减串联腔体逐级驱动实现气体累积压缩增压的新方法，研究串联腔体逐级驱动下气体累积压缩机理及其气体增压能力的形成理论和方法，进而构造一种功耗低、体积小、结构简单、易于控制、无电磁干扰并能实现高压力/大流量输出的微型压电气体压缩机，用于节流制冷器、化学分析/监测设备、燃料电池等领域。研究内容：①统筹考虑压缩机系统要素间的耦合关系，建立系统的动力/运动学模型，通过模拟仿真获得机、电、气系统要素对输出性能的影响规律和参数匹配关系；②研究系统结构、驱动参数及压力负载等对压电振子及单向阀动态性能的影响规律，提取制约气体逐级累积压缩的关键要素，揭示逐级累积压缩形成气体增压的本质机理；③进行样机的制作与试验，获得最优驱动与控制方案、结构及动力学参数；④试制集成样机2套，提供设计方法及关键制造技术参数。

为了满足集成化系统高压力/大流量/低功耗的气体输出需求，本项目提出通过一组容积变化量递减串联腔体逐级驱动实现气体累积压缩增压的新方法，研究串联腔体逐级驱动下气体累积压缩机理及其气体增压能力的形成理论和方法，进而构造一种功耗低、体积小、结构简单、易于控制、无电磁干扰并能实现高压力/大流量输出的塔式微型压电气体压缩机。基于各类塔式微型压电气体压缩机的构成及原理分析，压电振子、单向阀以及流固耦合作用是形成压缩机多级累积增压及其流体输出能力不可或缺的关键要素，本项目在以下几方面展开了研究：①塔式微型压电气体压缩机系统的理论建模与仿真分析，针对塔式压电气体压缩机系统构成要素间存在复杂耦合作用的特点，建立压电气体压缩机系统的理论模型，从理论上获得了机械单元与气体间耦合作用规律、影响气体逐级累积压缩的关键要素；②关键部件特性分析及结构优化设计，确定了合理的机械单元结构与参数；③塔式微型气体压缩机工作性能影响因素的研究，分析和测试了压电振子/单向阀/腔体的结构及尺度、流体特性、压缩级数、工作频率等对微型压电气体压缩机的输出性能、响应特性以及其机电能量传递效率的影响规律；④电控单元的设计分析与优化，研究了压缩机累积压缩用压电振子间驱动电压的相位、电压波形及频率等控制参数对微型气体压缩机累积压缩性能和响应特性的影响，确定最优驱动方案；⑤样机的制作与综合试验，本项目进行了塔式微型压电气体压缩机的总体设计和零部件加工，进行了多种类/多规格微型压电气体压缩机的制备与基础试验测试, 完成了数据采集及测试分析系统的设计制作。本项目通过理论和实验验证了项目最初的构思，即通过一组容积变化量递减串联腔体逐级驱动可以提升压电压缩机的输出性能。本项目在执行期间获得授权发明专利4项、发表SCI/EI论文10篇，培养硕士研究生3人。本课题的研究工作可为获得具有我国自主知识产权的新型微气体压缩机的驱动理论和控制技术做出贡献。