功能材料與器件學報文章編號1007熱驅動薄膜式微型泵的效率研究徐寧，胡桅林，過增元清華大學工程力學系，北京100084膜式微泵達到最大工作效率的工作條件，對泵的溫度響應和振動響應進行數值模擬，分別得到種加熱功率下微泵的流率頻率曲線，效率頻率曲線以及微泵的最佳效率曲線。發(fā)現微泵的流率在45出達到最大，當加熱功率大于2賈時，微泵的流量不再顯著增加；微泵在加熱功率為1賈時的效率最大，最佳工作條件是加熱功率lW加熱頻率5Hz，此時微泵的效率為l刖目近十幾年來，微流動系統(tǒng)以及相關的微型機械制造技術直是非�；钴S的研宄領域。微型泵作為種重要的微型執(zhí)行器，可廣泛應用于體內葡萄糖濃度監(jiān)控和藥物輸送DNA合成微量流體供給和精確控制芯片冷卻系統(tǒng)和微型衛(wèi)星等等，其廣泛的應用前景引起研究者的極大興趣和深入細致的研宄。目前，已研制出的微型泵結構加工工藝形式多收稿日期20000905；修訂日期2000基金項目國家自然科學基金599955502樣，驅動原理分別有靜電致動壓電致動電磁致動熱致動氣動電液致動凝膠致動光致動超聲波致動朽，氣泡驅動以及形狀記憶合金膜片驅動微型泵的數值模擬和結構性能優(yōu)化方面的研宄剛剛起步。對無閥壓電微泵的膜片材料形狀厚度驅動電壓和頻率進行擇優(yōu)2；肘，選擇最佳的加熱強度使形狀記憶合金驅動膜片產生最大的振幅3；86分別從聲波幅值管道高度背壓值個方面優(yōu)化叮，微泵的設計；尹執(zhí)中對鋁膜硅膜雙金屬熱驅動微泵的驅動膜片形狀和厚度加熱區(qū)域位置加熱頻率進行了優(yōu)化5.以上的研究工作都是以流率或膜片變形量為優(yōu)化準則，沒有考慮微泵的效率，本文將對雙金屬熱驅動微泵的工作過程進行數值模擬，并以微泵的效率為優(yōu)化準則對微泵的工況進行擇優(yōu)。為方便起，定義微泵的效率為單位輸入功率下的輸出流率。確定微泵達到最佳效率的工作條件，可以更加有效的利用能源，提高泵2雙金屬熱驅動薄膜微泵的數值模擬者之間的多晶硅加熱電阻組成，氧化硅作為電隔離介質。鋁膜的厚度為10μm，半徑為為多晶硅電阻在方波電流的作用下周期性地發(fā)熱冷卻，致使熱容量很小的驅動膜片溫度亦呈周期性變化。由于鋁膜和硅膜熱膨脹系數的差異，復合膜片產生周期性的變形，從而使泵腔的容積發(fā)生周期性變化，使流體不斷地吸入和排出。
7卷泵體溫度達到室溫且均勻致，然后加以占空比為的交變熱源。計算中認為熱源強度均勻分布在靠近雙膜交接處的硅膜中。模擬溫度響應時，泵體上熱邊界條件，腔體內為對流換熱條件。模擬泵體振動時，泵體周邊以及底面為固支條件。在整個計算過程中，不考慮溫度響應與振動的耦合。
2.2控制方程在軸對稱的圓柱坐標系中，非穩(wěn)態(tài)導熱問的控制方程如下6數，0為熱源項，在加熱時間段，加熱區(qū)的0值按加熱功率算得，在其它時間和空間段值為零。
有限單元法求結構對動力載荷響應的運動方陣且尼矩陣和載荷向量纟人庠分別是系統(tǒng)的節(jié)點加速度向量節(jié)點速度向量和節(jié)點位移向量。其中1取決于熱應力以及面力，由人陽5軟件自動計算出來。
2.1計算模型和簡化假定采用ANSYS5，5軟件對雙金屬熱驅動微泵的溫度響應和振動情況進行數值模擬，建立維軸對稱簡化模型，網格劃分2.為了考慮預應力對振動的影響，溫度響應模擬從蒸鍍溫度開始，認為3計算結果和討論通過對不同工況下微泵的流量以及單位輸入功率下流率的比較選擇，確定所研究微泵的最佳工作頻率和最佳加熱功率。3和4分別膜片下零時鬼，林胃致，漠片平格。經過3然冷卻后，31苡。可以看出，遷定的，熱疋下，膜片的17均溫度幾乎不受加熱頻率的影響，但溫度波動的幅度則隨頻率的升高而減小。還可以看出，隨著加熱功率值也增大。
片中心節(jié)點的振動響應。膜片在蒸鍍溫度3431下是平整的。在自然冷卻過程中逐漸變形下凹，致中心點偏離初始零位置91.從交變加熱時刻開始膜片產生振動，達到穩(wěn)定時，中心點振幅分別為51加熱功率0.5評和561加熱功率4賈。
變化率的變化率在最佳頻率上達到峰值。不同的加熱功率下，這個最佳頻率點均在45HZ.峰值現象或許可作這樣的解釋頻率越低。溫度波動范圍越大4，因而膜片變形越大。有利于流率增大；但另方面，膜片單位時間振動次數減小。這兩種因素共同作用的結果。就使流率頻率曲線出現了個峰值。6還說明。加熱功率從5賈增加到1界和從1賈增加到2賈時。流率大幅度增加。但隨著加熱功率的繼續(xù)增加，微泵的流量增大幅度明顯減小，微泵在加熱功率為2界3賈4賈條件下的泵送流量基本相同。這是因為膜片的變形量與溫度變化量之間不是線性關系，當溫度變化幅度增加到定數值時，膜片的變形量不再明顯增加，使得微泵的流量保持基本不變。
由6可進步得到微泵的流量與加熱功率的比值曲線7.在加熱功率為1界左右時，微泵的效率最高，加熱功率為0.51和4時，微泵的效率最低。這是因為當加熱功率大于1以時，微泵的輸出流率增大幅度減小。不同加熱功率下，微栗分別在最佳頻率值上達到最大的效率。8微泵在最佳頻率點上的效率值隨著加熱功率的變化。在所有計算4結論在不同的加熱功率和加熱頻率下，所研究的熱驅動微泵具有流率和效率的峰值。當加熱功率大于2時，微栗的流率將保持基本不變，其最佳加熱頻率為45HZ.在加熱功率為1W時，單位輸入功率可以得到較大的輸出流率。加熱功率為1賈，加熱頻率為5出時，微泵的效率達到最大值，為尹執(zhí)中。熱驅動微型泵的性能分析和實驗研宄舊。 |