Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния разработок в области микронасосов для культивирования клеток и медико-биологических исследований 14
Глава 2. Конструкция и принцип работы микронасоса 24
2.1. Конструкция микронасоса 24
2.2. Разработка технологии изготовления элементов микронасоса 26
2.3. Пневмопривод и блок управления 29
2.4. Разработка блока управления 30
2.5. Пневматическая часть 31
2.6. Программно-аппаратная часть 34
2.7. Принцип работы микронасоса 35
Глава 3. Физико-математическое моделирование микронасоса 37
3.1. Обзор и постановка задачи 37
3.2. Объекты и режимы моделирования 44
3.3. Методы моделирования 45
3.4. Определение закона изменения давления над мембраной 48
3.5. Решение уравненений, описывающих движение мембраны 51
3.6. Зависимость расхода от движения мембраны 56
3.7. Результаты численного моделирования 57
Глава 4. Экспериментальные исследования характеристик микронасосов 67
4.1. Определение модуля Юнга материала мембран 67
4.2. Постановка задачи 67
4.3. Описание объектов исследования 67
4.4. Описание экспериментальной установки 68
4.5. Результаты эксперимента 68
4.6. Проведение гидродинамических испытаний микронасосов для определения влияния на характеристики насоса геометрических и режимных параметров 70
4.7. Постановка задачи 70
4.8. Описание объектов исследования 70
4.9. Описание экспериментальной установки 72
4.10. Результаты гидродинамических испытаний 74
4.11. Сравнение результатов расчетного и экспериментального исследований 85
Глава 5. Проектирование микронасосов для микрофлюидных систем 89
Список литературы 94
- Обзор современного состояния разработок в области микронасосов для культивирования клеток и медико-биологических исследований
- Разработка технологии изготовления элементов микронасоса
- Результаты численного моделирования
- Результаты гидродинамических испытаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Во всех областях знаний от медицины и биологии до освоения космоса и микроэлектроники существуют задачи связанные с транспортировкой микрообъемов различных жидкостей. Для решения таких задач создаются системы, которые хранят, транспортируют, смешивают жидкости и выполняют другие разнообразные действия. Некоторые микросистемы изготавливаются тысячами копий для применения в серийных изделиях, другие существуют в единственном экземпляре, например, созданные для проверки научной теории. Одним из примеров применения таких микросистем является направление «Лаборатория на чипе» (lab-on-a-chip или micro total analysis systems, сокр. LOC; TAS). Это миниатюрные устройства, размером несколько квадратных миллиметров, открывают уникальные возможности для проведения исследований в различных областях биологии, экологии и медицины. Такие системы позволяют упростить создание и изучение клеточных моделей тканей, моделировать их взаимодействия, развивать персонализированную медицину, ускорить фармакологические исследования препаратов и токсинов и решать многие другие задачи. Данные системы могут содержать один или несколько элементов, объединенных между собой или являющимися независимыми модулями. Назначение данных элементов может быть самым разнообразным: от резервуаров или каналов, до сложнейших систем химического анализа.
Основной мотивацией работ по разработке микрофлюидных элементов является необходимость уменьшения размеров лабораторных комплексов, автоматизация работ и снижение объемов анализируемых проб. В настоящее время появилась целая наука микрогидродинамика или микрофлюидика (англ. microfluidics) — междисциплинарная наука, описывающая поведение малых (порядка микро и нано литра) объёмов жидкостей. Микрофлюидные устройства становятся многообещающим промышленным инструментом создания новых методов и продуктов. Они уже широко применяются в химической промышленности, молекулярной биологии, микроэлектронике и многих других. Интеграция в микрофлюидные устройства специальных функциональных элементов позволяет создавать новые аналитические системы и приборы с уникальными техническими и эксплуатационными характеристиками. Использование микро и наноразмерных элементов дает возможность реализовать новые методы анализа, например, осуществлять исследование отдельных биологических объектов (клеток, бактерий и малочисленных колоний), проводить разнообразные анализы и тесты.
Обязательным элементом микрофлюидных систем является нагнетательное устройство – насос. Для этого применяются как насосы, расположенные вне микрофлюидной системы, так и встроенные в них.
Медико-биологические исследования на клетках являются сложными, трудоемкими и многоступенчатыми процессами, требуют определенных навыков и затрат времени. Использование микрофлюидных устройств, с интегрированными микронасосами, при проведении микробиологических исследований позволит повысить достоверность результатов, увеличить разнообразие тестов, снизить затраты времени исследователей и уменьшить влияние человеческого фактора на результаты. Применение внешних насосов и вытесняющих систем не всегда позволяет удовлетворить требованиям к постановке
эксперимента, так как, неизбежно, влечет увеличение объема жидкости и появление паразитных объемов.
Результаты исследований, проведенных различными учеными на Земле и в условиях космического полета на орбитальной станции, указывают на то, что клетки восприимчивы к любым внешним воздействиям и характер течения жидкости в системе с клеточными структурами влияет на их жизнедеятельность. Изменение давления и наличие течения жидкости запускают процессы не характерные для клеток в покое, что доказывает важность обеспечения определенного характера течения жидкости в системах для биологических исследований.
Поэтому разработка микронасосов, интегрированных в микрофлюидную систему, имеющих минимальные размеры и обеспечивающих точно дозируемые объемы жидкости является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Из анализа литературных данных следует, что несмотря на огромное количество разных конструкций и моделей, ни одна из них не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к насосам для подачи микрообъемов жидкости и интеграции их в система культивирования клеток. Большинство известных микрофлюидных систем используют внешние насосы или вытеснительные системы. Такие решения не обладают требуемой в некоторых устройствах точностью в подаче микрообъемов жидкости и создаваемого давления.
Обобщая опыт разработки и применения микронасосов в медико-биологических исследованиях можно отметить, что наиболее перспективной и оптимальной конструкцией является мембранный насос с активными клапанами с пневматическим приводом. Пневматический привод не создает электромагнитных полей, как пьезоэлектрический привод, и позволяет осуществлять управление клапанами любого возможного размера, его применение позволяет создавать насосы в широком диапазоне подач и напоров.
Однако, в настоящее время нет рекомендаций и методов проектирования таких насосов под конкретную задачу, отсутствуют какие-либо математические модели для микронасосов с подвижными мембранами, позволяющие определять характеристики насосов, отсутствуют зависимости по влиянию основных параметров насоса на его динамические характеристики. В литературе приводятся отрывочные данные, которые часто не согласуются между собой даже для однотипных насосов. Такое положение объясняется сложностью явлений, происходящих в процессе работы насоса и тем, что эти явления недостаточно изучены.
Целью работы является разработка метода проектирования микронасосов интегрированных в микрофлюидные системы различных типов для культивирования клеток.
Основные задачи: 1. Разработать математическую модель, позволяющую определить параметры нагнетаемой жидкости в каналах микронасоса; 2. Провести расчетные исследования динамических характеристик микронасосов (получить зависимости напора и подачи от его основных геометрических и режимных параметров); 3. Разработать технологию изготовления микронасосов на требуемые гидродинамические параметры; 4. Разработать метод определения динамических параметров микронасосов в микрофлюидных
системах без нарушения их герметичности; 5. Создать экспериментальный стенд для проведения исследований микронасосов и определить расчетно-эмпирические зависимости.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан метод проектирования мембранных микронасосов с тремя активными элементами для систем культивирования клеток;
впервые предложена математическая модель движения мембран микронасоса, изготовленных из вязко-эластичного материала, позволяющая осуществить расчетно-эмпирическое прогнозирование его характеристик;
- разработан алгоритм решения уравнений, описывающих работу микронасоса,
позволяющий определить влияние геометрических и режимных параметров на его
характеристики с учетом сопутствующих параметров;
- на основании расчетно-экспериментальных методов исследовано влияние основных
геометрических и режимных параметров на работоспособность микронасоса;
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что полученные выводы дополняют теорию транспорта жидкости в биотехнических системах микромасштаба. Решена задача, которая достоверно описывает движение вязко-эластичных мембран микронасоса, что позволяет разрабатывать насосы разного назначения и разного масштаба. Основные теоретические результаты могут стать фундаментом для дальнейших разработок насосов для нагнетания жидкости в микрообъёмах.
Практическая значимость работы:
разработана конструкция микронасоса для нагнетания микрообъемов жидкости с активными клапанами и пневматическим приводом, встраиваемая в микрофлюидные системы разных типов для культивирования клеток.
разработан способ проектирования микронасосов для нагнетания микрообъемов питательной жидкости на заданные параметры, позволяющий оптимизировать геометрические параметры насосов и принимать конструктивные решения, которые могут быть использованы при разработке новых перспективных высокоэффективных микронасосов различного назначения;
разработана технология изготовления микронасосов с конкретными динамическими параметрами, обеспечивающая стерильность и повторяемость результатов, что имеет большое значение для эксплуатации;
- спроектированы, изготовлены и испытаны микрофлюидные насосные системы
разного назначения. Некоторые из них производятся серийно и используются для медико-
биологических исследований.
Методология и методы исследования. Методологическую основу работы составили научные труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования и изготовления микрофлюидных устройств, проведения медико-биологических клеточных исследований, а также в области проектирования микронасосов разного назначения.
Информационные источники научного исследования:
проанализированы литературные данные в виде книг, научных статей, докладов о медико-биологических исследованиях с применением микрофлюидных устройств, разработках в области микрофлюидных устройств,
отечественные и зарубежные официальные документы: постановления и ГОСТы;
собственные расчетные алгоритмы, результаты расчетов и экспериментов.
Постоянные, которые использовались или получены в расчетном исследовании, определялись и проверялись специальными экспериментальными исследованиями.
Основные положения, выносимые на защиту: метод математического моделирования движения мембран микронасоса и алгоритм решения; расчетно-эмпирические зависимости динамических характеристик микронасосов от геометрических и режимных параметров; технология изготовления микронасосов, обеспечивающая требуемые гидродинамические параметры.
Достоверность результатов работы обеспечена: использованием при физическом и математическом моделировании фундаментальных законов механики; применением достоверных опытных данных, полученных с минимальными допущениями и ограничениями; большим экспериментальным и статистическим материалом с использованием при их проведении проверенных методов исследований, приборов и измерений, обеспечивающих точность регламентированную ГОСТами; хорошим согласованием теоретических и экспериментальных результатов, полученных при испытании микронасосов. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась общепринятыми методами статистики. Для оценки отклонений результатов от средних значений использовалось распределение Стьюдента с достоверной вероятностью 95%.
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-ой Международной конференции "Авиация и космонавтика - 2014", XLII Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения» 2016 и на заседании отдела ГГМ ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2017 году.
Личный вклад автора. Диссертантом поставлена актуальная задача по разработке микронасоса для нагнетания питательной жидкости в системы для культивирования клеток. Им предложен метод моделирования движения мембран микронасоса, разработан алгоритм решения поставленной задачи, проведены оптимизационные расчеты по влиянию геометрических и режимных параметров насосов на динамические характеристики, разработана технология изготовления микронасосов на требуемые параметры. Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд, проведены испытания насосов, имеющих разные геометрические параметры на разных режимах работы. Проанализированы
расчетные и экспериментальные данные по проектированию микронасосов для систем культивирования клеток. Лично и в соавторстве написаны научные работы, которые обсуждались на научных конференциях.
Внедрение результатов работы. Материал, полученный в результате работы, используется для обучения студентов старших курсов ФГБОУ «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», по специальности «Системы жизнеобеспечения летательных аппаратов». Полученный в результате исследований метод применяется в научно-техническом центре «БиоКлиникум» для проектирования микронасосов разного назначения. На основе полученных результатов разработаны различные микронасосы, интегрированные в микрофлюидные устройства для культивирования и сокультивирования клеток. Некоторые из них производятся серийно.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 12 печатных работах: 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из них 2 по специальности 05.04.00, 2 статьи в журналах, входящих в международную реферативную базу данных Scopus, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 3 в тезисах конференций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 102 страницы, 11 таблиц, 55 рисунков. Список литературы включает 85 наименований.
Обзор современного состояния разработок в области микронасосов для культивирования клеток и медико-биологических исследований
Развитие микронасосов началось в семидесятые годы. Первая работающая конструкция микронасоса на пьезодисках описана в патенте США в 1976 году [7]. Рабочая камера данного насоса образована двумя пьезодисками, которые прогибаясь, нагнетают жидкость.
Классическим примером микронасоса, получившего массовое распространение, является насос, подающий инсулин в кровь для поддержания уровня сахара. Первая публикация датирована 1978 годом [17]. Первоначально конструкция представляла собой систему, которая забирала инсулин из бутылочки. Современные микронасосы для подачи инсулина представляют собой автоматизированные системы, контролирующие уровень сахара и самостоятельно дозирующие препарат. Компактные модели с управляющим модулем на поясе пациента включают поршневой насос, выполненный в виде шприца, с объемом инсулина на два-три дня.
Микрофлюидные устройства, применяемые сегодня для биологических исследований, используют технологии, впервые разработанные для полупроводниковой промышленности [18]. Такие устройства обычно называют «системы миниатюрного общего анализа» или «лаборатория на чипе». В биологии микрофлюидные системы позволяют рационализировать проведение исследований, уменьшить объем образца, снизить затраты на реагенты и максимизировать сведения, почерпнутые из каждого образца, обеспечить групповую обработку образцов аналогично мульти-луночным планшетам, предоставить исследователю существенно больший контроль и повысить достоверность клеточных исследований.
Разработка микросистем давно уже перешла из областей биологии и клинических исследований в инженерные области [19]. В настоящее время существует множество устройств, которые можно отнести к микронасососам. Их можно разделить на те же классы, что и полноразмерные насосы: объемные и динамические.
В динамических насосах энергия от рабочего элемента, например, рабочего колеса, непрерывно передается протекающей через него жидкости. К динамическим относятся лопаточные насосы (осевые, диагональные, центробежные) и насосы трения (струйные и дисковые). Основными преимуществами этого класса насосов являются их простота и надежность работы. Однако при миниатюризации этих насосов существенно падает их эффективность, и не удается обеспечить точное дозирование жидкости. Тем не менее существуют образцы динамических микронасосов. Например, осевой насос для подачи крови в печень [20,21](рис 1.1). Такой насос создает равномерное течение жидкости.
В 2005 году было предложено использовать дисковые насосы [22]. Вращающиеся диски за счет действия вязких сил увлекают за собой жидкость, создавая давление до 1кПа и обеспечивая подачу до трех миллилитров в минуту. Данный насос, как и осевой, не обеспечивает пульсирующего характера течения жидкости. Существенным недостатком предложенной конструкции является сложность интеграции в микрофлюидное устройство.
Еще одним примером динамического микронасоса является электроосмотический насос. Такие насосы можно изготовить практически любых размеров. Принцип работы основан на перемещении жидкости в результате взаимодействия внешнего электрического поля с электрическими зарядами, диполями или частицами, внедренными в нагнетаемую жидкость. Конструкция насоса представляет собой две системы электродов, находящихся в контакте с жидкостью. Заряды могут быть введены в жидкость с помощью процессов полевой эмиссии или полевой ионизации. Электрическое поле образуется между парой электродов. Кулоновские силы, создаваемые внешним электрическим полем, действуют на заряды в жидкости. Благодаря наличию вязких сил движущиеся к коллектору ионы увлекают за собой рабочую жидкость, создавая эффект перекачивания. Преимуществами электроосмотических насосов являются отсутствие движущихся частей и возможность тончайшего дозирования жидкостей при их перекачивании. Однако данные микронасосы имеют ряд ограничений, главным из которых является электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его состава, а также газовыделению, что в свою очередь может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости. Предложенные до настоящего времени приемы электрокинетического перекачивания не обеспечивает одновременного выполнения двух обязательных условий: стабильной работы микронасоса и исключение влияния процессов электролиза на химический состав перекачиваемой жидкости.
Одна из необычных конструкций микронасоса описана в 2004 году [23], рис. 1.2. За основу взят принцип движения живых организмов в природе. Например, рыбы для перемещения в толще воды создают локальные вихри, которые уменьшают сопротивление среды, что позволяет достигать огромных скоростей. Активным элементом насоса является пластинка, закрепленная на оси. Колебания пластинки создают вихри, которые обеспечивают перепад давлений насоса. Данный насос имеет значительные ограничения по напору и не может обеспечивать точную подачу.
Объемный насос - это гидравлическая машина, в которой энергия от рабочего элемента, например, мембраны или поршня, передается некоторому объему жидкости, ограниченному объемом его рабочей камеры. Рабочая камера объемного насоса попеременно сообщается с линиями нагнетания и всасывания - входом и выходом насоса. К ним относят: возвратно-поступательные и роторные насосы. Возвратно-поступательные насосы – это, прежде всего, поршневые и мембранные насосы. В них вытеснение жидкости в область повышенного давления, а также засасывание осуществляется через клапаны. В роторных насосах ,в отличие от поршневых, вытеснение жидкости происходит из рабочих камер ротора, совершающего вращательное движение. Отличительной особенностью роторных насосов является отсутствие всасывающих и напорных клапанов.
Объемные насосы мембранного типа широко применяются в «лаборатории на чипе». Они хорошо масштабируются. Существует огромное многообразие различных конструкций мембранных насосов. Разделяют два основных класса: мембранные насосы с активными и пассивными клапанами. Активные клапаны насосов имеют самостоятельные приводы, а пассивные - меняют свое состояние под воздействием потока жидкости. Насосы с пассивными клапанами получили значительно большее распространение из-за их простоты.
Известны конструкции насосов, где функцию клапанов выполняют участки канала определенной формы [24]. Гидравлическое сопротивление этих элементов зависит от направления движения жидкости (рис 1.3) - за счет этого, при уменьшении объема рабочей камеры, больше жидкости поступает из выходного канала по направлению 2, чем из подающего в направлении 1. Такие насосы могут перекачивать жидкость только в одном направлении.
Во многих известных микромембранных насосах деформация мембраны происходит под действием пьезоэффекта. В ранних конструкциях пьезонасосов использовались обычные пьезоэлектрические актуаторы, рассчитанные на значительные нагрузки, требующие приложения нескольких сотен вольт при изменении размеров на несколько микрометров [25]. Для увеличения амплитуды использовались механические или гидравлические усилители [26]. Более удачным оказалось использование пьезодисков, например, используемых в зуммерах или звукоснимателях (рис. 1.4) [18]. Большая площадь поверхности позволяет использовать их в контакте с мембраной. При этом прикладываемое напряжение составляет всего десятки вольт. Низкая стоимость пьезодисков позволяет делать одноразовые изделия.
Разработка технологии изготовления элементов микронасоса
Процесс изготовления микронасоса состоит из нескольких этапов, первым из которых является изготовление поликарбонатной основы. Для мелкосерийного или штучного производства удобнее всего изготовить основу фрезеровкой на станке с числовым программным управлением. При серийном производстве основу можно изготавливать формовкой при помощи термопласт-автомата.
Дальнейший процесс изготовления микронасоса связан с формированием микроканалов и клапанов в ПДМС методом мягкой литографии.
Все детали, необходимые для сборки, проходят очистку в несколько стадий. Сначала с их поверхностей механически удаляют загрязнения - все детали помещаются в этиловый спирт на несколько часов. Обезжиренные детали тщательно протираются салфетками и помещаются в автоклав при температуре 120С. Затем тщательно высушиваются в камере при температуре 60С.
Два компонента ПДМС дозируются на весах в пропорции 10:1 (компаунд к отвердителю). Отвердитель добавляется в компаунд, и смесь тщательно перемешивается. Удобнее всего использовать для приготовления смеси одноразовую посуду.
Перед сборкой на основу из поликарбоната в месте контакта с ПДМС, наносится праймер-грунт. Сушка праймера происходит в течение 10 минут. Далее собирается форма для изготовления микронасоса (рис. 2.2) таким образом, что между матрицей-штампом, боковыми и верхними частями образуется полость для заполнения (поз. 9).
Мастер-шаблон (поз. 4) и рамка (поз. 3) плотно совмещаются друг с другом. На верхнюю часть рамки помещается панель из поликарбоната (поз. 6), совмещаются проточки и рисунок мастер-шаблона с отверстиями и лунками панели. Закрепляются вставки (поз. 11, 12), формирующие клапаны и мембраны насоса. Устанавливаются образующие лунки МФУ вставки (поз. 7). Устанавливаются сливная (поз. 8) и заливочная емкости (поз. 1) через уплотнительные прокладки (поз. 5). Соединяется мастер-шаблон, рамка, крышка формы (поз. 2) при помощи винтов (поз. 10). После сборки в заливочную емкость (поз. 1) заливается приготовленный состав ПДМС.
Собранные формы размещаются на роторе центрифуги таким образом, чтобы ось вращения ротора, заливная и сливная емкости находились на одной прямой (Рис 2.3), причём так, чтобы заливная ёмкость находилась ближе к оси. При вращении центрифуги под действием центробежных сил форма заполняется ПДМС. Далее происходит полимеризация. Для ускорения полимеризации процесс проходит при повышенной температуре (60 С).
После отверждения ПДМС формы извлекаются из центрифуги и разбираются. К полученному микро флюидному устройству необходимо приклеить стекло, которое формирует дно канала. Предметное стекло (15) помещается на рамку (поз. 14) (Рис 2.4), тщательно протирается этиловым, а затем изопропиловым спиртом.
Перед склеиванием стекло и заготовка МФУ помещаются в плазменную камеру на 1,5 мин. для обработки плазмой низкого давления склеиваемых поверхностей. В течение 1 минуты необходимо совместить, строго соблюдая расположение клапанов, обработанную поверхность стекла с поверхностью полидиметилсилоксана, тем самым герметизируя микроканалы. Готовое изделие зажимается в рамке на 2 мин. Заключительным этапом сборки является установка фитингов для подключения управляющих выходов воздуха, пробок для лунок и заглушек (рис. 2.5).
Результаты численного моделирования
Для решения полученных уравнений была написана программа на C++, использующая библиотеки Boost для работы с цилиндрическими функциями и Eigen для работы с разреженными матрицами. Последняя понадобилась для эффективного решения задачи (3.19), так как из-за очень быстрого роста давления использование функций Грина требует очень мелкого разбиения области интегрирования, что ведет к существенным временнным затратам. Из-за её жесткости (stiff system) был использован неявный метод BDF (backward differentiation formula) 6-го порядка [78].
При численном моделировании оценивалось влияние геометрических параметров насоса: диаметра и толщины мембран, сопротивления канала, диаметра трубок, подводящих воздух, а также режимных параметров: частоты переключения клапанов, величины управляющего давления на характеристики насоса – подачу и напор. На рисунке 3.7 привено окно программы, позволяющей на основе разработанного алгоритма определять характеристики насоса. На данную программу получено свидетельсво о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017617885, 14.07.2017 «Программа для определения расходных характеристик насосов с пневматическим приводом»
За базовый был выбран насос с диаметрами клапанов и мембраны рабочей камеры равной 2,5 мм и толщиной 0,550 мм. На рис 3.8 приведены составляющие подачи, создаваемые каждым из элементов насоса по формуле (3.21) при управляющем давлении равном +/-30кПа и управляющей частоте равной 3 Гц.
На рис. 3.9 показано влияние площади отверстия подводящей трубки A на эффективную подачу насоса. Видно, что чем больше отверстие, тем быстрее нарастает давление и тем меньше по времени переходный процесс. Объемы жидкости, выталкиваемые мембраной рабочей камеры за один такт приведены в таблице 3.1. Сужение подводящей трубки значительно уменьшает амплитуду подачи, но подача насоса (площадь под кривыми) одинакова вне зависимости от сечения трубок.
На рис. 3.10 изображены пики подачи от закрытия рабочей камеры при различных сопротивлениях выходного канала. Синая кривая соответствует минимальному сопротивлению на выходе из микронасоса (эквивалентное гидравлическое сопротивление 0,3 кПа с/мкл). Желтая кривая – большее сопротивление (эквивалентное гидравлическое сопротивление 2,5 кПа с/мкл). Зеленая - 6 кПа с/мкл. Красная - 15 кПа с/мкл. Объемы жидкости, выталкиваемые мембраной рабочей камеры за один такт, приведены в таблице 3.2. Видно, что увеличение сопротивления на выходе насоса уменьшает максимальное значение мгновенной подачи и среднюю подачу насоса.
Уменьшение толщины мембраны (рис. 3.11) приводит к тому, что мембрана становится более эластичной и отклоняется на большее расстояние, тем самым увеличивая подачу насоса. Синяя кривая – мембрана толщиной 300 мкм, желтая – 350 мкм, зеленая – 400 мкм, красная 500 мкм. Объемы жидкости, выталкиваемые мембраной рабочей камеры за один такт приведены в таблице 3.3.
Увеличение диаметра мембраны (рис. 3.121) значительно увеличивает объем жидкости, пререкачиваемый за один такт. Синая кривая - 2,8 мм, Желтая – 2,4 мм, Зеленая – 2 мм, Красная – 1,6 мм. Объемы жидкости, выталкиваемые мембраной рабочей камеры за один такт, приведены в таблице 3.4.
На графике (рис. 3.13) приведены подачи при различных частотах управляющего давления. Как видно, частота не влияет на форму составляющих подачи.
На рис. 3.14 показано влияние величины управляющего давления на подачу насоса: чем больше давление, тем больше изгиб и, как следствие, больший объем перекачивается при каждом срабатывании мембраны.
Как видно, режимные параметры (управляющее давление и частота переключения клапанов) оказывают значительное влияние на подачу микронасоса. На графике (рис. 3.15) представлена зависимость подачи микронасоса от частоты при различных управляющих давлениях.
Все немногочисленные приведенные в литературе методы моделирования течения жидкости в микронасосах используют существенные упрощения. Так, все исследователи рассматривают стационарные течения, что не отвечает физиологичности течения жидкости. Моделей пульсирующих течений не представлено. В большинстве работ жидкость принимается идеальной (невязкой), хотя для рассматриваемых режимов (число Рейнольдса менее 10) вязкость приобретает доминирующее значение. Даже для стационарных моделей течения не представлено математических моделей, которые позволили бы получить зависимости подачи насоса и создаваемого напора от его геометрических параметров и физических свойств используемых материалов.
Поэтому была разработана физическая и математическая модель нестационарного течения вязкой жидкости в пространственных каналах микронасоса. Разработанная на основе этих моделей программа позволила выявить влияние основных режимных (зависимости изменения управляющего давления, противодавления, частоты тактов) и геометрических параметров (толщины и радиуса мембран) на динамические характеристики (величину, форму пиков подачи) насосов.
Результаты гидродинамических испытаний
На рис. 4.5 приведен график перепада давления и изменения подачи от времени на элементах насоса 1 от времени.
Первый и пятый пики компенсируют друг друга, так как являются результатами закрытия и открытия клапана 2. Второй и четвертый пики вызваны работой клапана 1 и также компенсируют друг друга. Третий пик обусловлен заполнением объема рабочей камеры из подающей магистрали. Шестой пик вызван выталкиванием объема рабочей камеры в выходную магистраль. Таким образом, подача насоса определяется работой мембраны рабочей камеры. Все остальные элементы перемещают жидкость, не выдавая ее потребителю. На рис. 4.6 показана динамическая характеристика насоса 1, которая является насосной характеристикой.
Площадь под графиком рис. 4.6 соответствует объему, выбрасываемому насосом за один цикл. Интегрируя, получаем 0,157 мкл. Для определения средней подачи необходимо данную величину поделить на время цикла. Для частоты 3 Гц получаем расход 0,079 мкл/с.
Изменение частоты переключения клапанов приводит к смещению пиков по времени без изменения формы (рис. 4.7). Увеличение частоты с 3 до 5 Гц привело к сокращению времени цикла с 2 секунд до 1,2 секунд.
Увеличение значений управляющего давления увеличивает амплитуду мембран, тем самым увеличивая скачок подачи от каждого срабатывания (рис. 4.8).
Изменение частоты переключения клапанов и величин управляющего давления влияет на подачу насоса. На графике рис. 4.9 представлена зависимость подачи микронасоса от частоты срабатывания клапанов при различных управляющих давлениях.
На рис. 4.10 показано влияние диаметров клапанов на динамические параметры. Видно, что вклады в составляющие подач от срабатывания клапанов уменьшаются при уменьшении диаметра клапанов. Это объясняется меньшим объемом жидкости, который помещается под клапаном меньшей площади. В то же время подача насоса не изменилась, так как параметры мембраны рабочей камеры у данных насосов одинаковы.
На рис. 4.11 показано влияние толщины мембраны рабочей камеры. Сравнивая графики насоса 1 и насоса 3, видно, что пики, вызванные срабатыванием рабочей камеры насоса 3 значительно больше по амплитуде.
Были измерены средние расходы трех исследуемых насосов на различных режимах. Результаты измерений приведены в таблице 4.8.
На графике рис. 4.12 видно, что подачи насосов 1 и 2 отличаются незначительно в пределах погрешности. Подача насоса 3 значительно больше, так как мембрана рабочей камеры отклоняется сильнее и перекачивает за такт большее колличество жидкости.
Оценка влияния сопротивления канала на выходе микронасоса моделировалась изменением проходного сечения дросселя (поз. 9, рис. 4.4). Исследования проводились на насосе 3. На рис. 4.13 и таблице 4.9 показано влияние сопротивления на выходе насоса на его подачу. Видно, что увеличение сопротивления приводит не только к уменьшению амплитуды пика, но и понижает подачу насоса.
Оценка влияния скорости нарастания управляющего давления моделировалась изменением проходного сечения дросселя, установленного на подводящую трубку мембраны рабочей камеры (поз. 8, рис. 4.4). Амплитуда пика подачи уменьшается при уменьшении сечения подводящей трубки, меняется форма, пик становится шире (рис. 4.14), при этом площадь под кривой остается неизменной, т.е. подача (таблица 4.10) не зависит от скорости нарастания управляющего давления.
В процессе экспериментов было замечено, что форма пика давления и подачи при открытии любого клапана на всех насосах отличается от формы других пиков. Форма данных пиков имеет непрогнозируемую форму. Например, второй и четвертый пики на рис. 4.5. Данный эффект скорее всего связан с процессами, происходящими при отрыве перемычки клапана от дна канала. Для проверки данной гипотезы был изготовлен насос 4 с перемычками большей ширины. Сравнивая пик открытия клапана насоса 1 и насоса 4 (рис. 4.15), видно, что имеются значительные различия в форме пиков. Отсюда можно сделать вывод о зависимости формы пика при открытии клапана от ширины перемычки.