蔣 丹,李松晶,楊 平

(1.電子科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院,成都 611731;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,哈爾濱 150001)

0 引 言

無(wú)閥微泵可以實(shí)現(xiàn)微小流量流體的精確輸運(yùn),是微流控系統(tǒng)的重要組成部分。由于具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),無(wú)閥微泵在微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療器械和生化工程等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但是,當(dāng)泵腔中存在氣泡時(shí),氣泡對(duì)微泵輸出性能有很大的影響。當(dāng)泵腔中氣泡達(dá)到一定體積時(shí),微泵甚至無(wú)法正常工作,因此研究氣泡對(duì)微泵性能的影響是很重要的[4-5]。

Richter等[6]為了研究微泵的抗氣泡能力,將氣泡(體積為8μ l)從入口送入泵腔,壓縮比(泵腔死區(qū)體積/泵腔總體積)小的微泵立即停止工作,而壓縮比大的微泵卻可以繼續(xù)泵送液體。Wijngaart等[7]研制了第一個(gè)可自灌裝的無(wú)閥微泵,該微泵可用于泵送液體和氣體,并具有抗氣泡能力。中科院光電技術(shù)研究所王皓[8]從熱力學(xué)角度出發(fā),采用氣泡的卡諾循環(huán)和空化激波的熱效應(yīng)對(duì)微泵中氣泡現(xiàn)象進(jìn)行理論解釋。同時(shí)指出泵腔氣泡將造成微泵的動(dòng)力緩沖與滯后,但是文章沒(méi)有做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。

為了研究氣泡對(duì)微泵動(dòng)態(tài)性能的影響,設(shè)計(jì)制作以超精密加工為基礎(chǔ)的收縮管/擴(kuò)張管型無(wú)閥壓電微泵,并介紹實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)泵腔中氣泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,包括氣泡運(yùn)動(dòng)的拍攝和泵腔壓力脈動(dòng)測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)

無(wú)閥壓電微泵由入口/出口、收縮管/擴(kuò)張管、振動(dòng)薄膜和泵腔組成。由于流體通過(guò)收縮管和擴(kuò)張管時(shí)所受的阻力不同,所以存在一定的流量差,使收縮管和擴(kuò)張管能夠動(dòng)態(tài)控制流體流動(dòng)方向,最終在宏觀上實(shí)現(xiàn)微泵連續(xù)定向輸送流體[5]。

為了觀察泵腔中氣泡體積的變化,收縮管/擴(kuò)張管型無(wú)閥壓電微泵采用無(wú)色透明的有機(jī)玻璃為基材。整個(gè)泵體采用機(jī)械加工,泵腔和收縮管/擴(kuò)張管通過(guò)超精密加工設(shè)備“精雕機(jī)”制作完成(由吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院加工制造)。安裝微型壓力傳感器的無(wú)閥微泵外觀如圖1所示,其中黑色的O型圈起密封作用。微泵的錐管尺寸示意圖如圖2所示,幾何參數(shù)如表1所列,其壓電薄膜選用直徑為7mm的壓電陶瓷片PZT-5H,黃銅基片的直徑為12mm。

圖1 無(wú)閥微泵外觀圖Fig.1 Outside view of valve-less micropump

圖2 微泵錐管示意圖Fig.2 Schematic of micropump cone tube

表1 微泵幾何參數(shù)Table 1 Construction parameters of micropump

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖3所示,包括氣泡的觀測(cè)以及泵腔壓力脈動(dòng)測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電源、檢測(cè)部件、圖像采集等組成。無(wú)閥微泵的驅(qū)動(dòng)電源采用XFD-8B超低頻信號(hào)發(fā)生器,本實(shí)驗(yàn)采用占空比為1∶1的連續(xù)方波作為驅(qū)動(dòng)電壓。檢測(cè)部件為美國(guó)Kulite公司的壓阻式微型壓力傳感器XCL-080,用來(lái)測(cè)量微泵泵腔的壓力脈動(dòng)。它具有體積小、響應(yīng)快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),可以滿(mǎn)足泵腔壓力脈動(dòng)測(cè)試要求。該傳感器頭部直徑為2mm,其工作量程為0～1.7×105Pa(絕壓)。該微型壓力傳感器要求流體介質(zhì)為非導(dǎo)電性、無(wú)腐蝕性的液體或氣體,因此本實(shí)驗(yàn)采用去離子水作為無(wú)閥微泵的工作介質(zhì)。圖像采集采用高速攝像機(jī)(Fastcam Ultima APX)記錄微泵泵腔氣泡的變化,其最高拍攝速度可達(dá)120000幀/s。

圖3 無(wú)閥微泵氣泡實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Principle scheme for the experiment of bubbles in the valve-less micropump

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中對(duì)氣泡的進(jìn)入、移動(dòng)、合并和分離等過(guò)程進(jìn)行了圖像拍攝以及泵腔壓力脈動(dòng)測(cè)試。由于泵腔處需要安裝微型壓力傳感器和考慮密封問(wèn)題,因而無(wú)法觀測(cè)到泵腔中心處的氣泡體積變化。

流體有效體積彈性模量Ke可表示為[9]：

其中,Kg為氣體的體積彈性模量,Kl為液相體積彈性模量,Vb為氣泡體積,V為流體體積。由此可見(jiàn),當(dāng)氣泡體積Vb增加時(shí),液體的有效體積彈性模量Ke降低,將會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

2.1 氣泡的進(jìn)入

對(duì)兩個(gè)氣泡先后進(jìn)入泵腔的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行壓力脈動(dòng)測(cè)試和氣泡圖像拍攝,其驅(qū)動(dòng)電壓幅值為50V,頻率為500Hz。第1個(gè)氣泡體積約為0.009ml,第2個(gè)氣泡體積約為0.030ml。圖4為兩個(gè)氣泡進(jìn)入泵腔整個(gè)過(guò)程的壓力變化(pc)實(shí)驗(yàn)曲線;圖5～9為各時(shí)間段放大圖,可以看出氣泡體積的增加導(dǎo)致流體有效體積彈性模量降低,對(duì)微泵壓力動(dòng)態(tài)特性和工作性能影響很大。

圖5和6分別為開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)電源時(shí)泵腔壓力脈動(dòng)曲線及其放大圖,可以看出初始泵腔壓力為大氣壓(1×105Pa),當(dāng)啟動(dòng)電源之后,泵腔壓力脈動(dòng)幅值逐漸增加,最大壓力為1.073×105Pa,最小壓力為9.164×104Pa,其脈動(dòng)幅值為1.566×104Pa。

圖4 兩個(gè)氣泡進(jìn)入泵腔時(shí)壓力變化曲線Fig.4 Pressure pulsations with two bubbles into the pump chamber

圖5 開(kāi)啟電源時(shí)壓力脈動(dòng)曲線Fig.5 Pressure pulsations when turning on power

圖6 開(kāi)啟電源時(shí)壓力脈動(dòng)曲線放大圖Fig.6 Zoomed figure of pressure pulsations when turning on power

圖7為第1個(gè)氣泡進(jìn)入時(shí)泵腔壓力脈動(dòng)曲線。由圖可知,當(dāng)?shù)?個(gè)氣泡進(jìn)入時(shí),壓力脈動(dòng)振幅減小。在5.54s時(shí)刻,最大壓力為1.093×105Pa,最小壓力為8.996×104Pa,其脈動(dòng)幅值為 1.934×104Pa;在5.64s時(shí)刻,泵腔最大壓力為1.058×105Pa,泵腔最小壓力為9.514×104Pa,泵腔壓力脈動(dòng)幅值為1.066×104Pa。當(dāng)?shù)?個(gè)氣泡完全進(jìn)入泵腔之后,最大壓力為1.028×105Pa,最小壓力為9.695×104Pa,其泵腔壓力脈動(dòng)幅值減少到5.85×103Pa。

圖7 第1個(gè)氣泡進(jìn)入泵腔時(shí)壓力脈動(dòng)曲線Fig.7 Pressure pulsations with the first bubble into the pump chamber

圖8為第2個(gè)氣泡進(jìn)入時(shí)泵腔壓力脈動(dòng)曲線。由圖可知,當(dāng)?shù)?個(gè)氣泡進(jìn)入時(shí),泵腔壓力脈動(dòng)振幅進(jìn)一步減小。在7.35s時(shí)刻,最大壓力為1.015×105Pa,最小壓力為9.943×104Pa,壓力脈動(dòng)幅值為2.07×103Pa。

圖9為關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電源時(shí)泵腔壓力脈動(dòng)曲線。在16.91s時(shí)刻,驅(qū)動(dòng)電源關(guān)閉,此時(shí)泵腔壓力恢復(fù)到大氣壓。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知,氣泡進(jìn)入泵腔會(huì)引起微泵壓力脈動(dòng)幅值明顯減小。因此,為了使微泵工作性能穩(wěn)定,須盡可能避免氣泡進(jìn)入泵腔。

圖8 第2個(gè)氣泡進(jìn)入泵腔時(shí)壓力脈動(dòng)曲線Fig.8 Pressure pulsations with the second bubble into the pump chamber

圖9 關(guān)閉電源時(shí)壓力脈動(dòng)曲線Fig.9 Pressure pulsations when turning off power

圖10(a)～(i)為高速攝像機(jī)拍攝的兩個(gè)氣泡進(jìn)入微泵泵腔全過(guò)程,其拍攝速度為2000幀/s。圖10(a)～(d)為第1個(gè)氣泡進(jìn)入全過(guò)程,圖10(e)～(i)為第2個(gè)氣泡進(jìn)入全過(guò)程。在初始時(shí)刻,泵腔中存在很多小氣泡,泵腔右側(cè)為入口錐管,左側(cè)為出口錐管,如圖10(a)所示;第1個(gè)氣泡通過(guò)入口錐管進(jìn)入,如圖10(b)所示;第1個(gè)氣泡繼續(xù)進(jìn)入泵腔,泵腔中氣泡體積迅速增加,如圖10(c)所示;第1個(gè)氣泡完全進(jìn)入泵腔,氣泡的體積約為泵腔體積(0.04ml)的1/4,這與第1個(gè)氣泡實(shí)際體積基本吻合,如圖10(d)所示。

圖10 兩個(gè)氣泡進(jìn)入泵腔過(guò)程Fig.10 Two bubbles into the pump chamber

第2個(gè)氣泡開(kāi)始通過(guò)入口錐管進(jìn)入泵腔,如圖10(e)所示;當(dāng)?shù)?個(gè)氣泡繼續(xù)進(jìn)入泵腔時(shí),泵腔中氣泡體積繼續(xù)增加,如圖10(f)所示;當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)到泵腔出口處,部分氣泡從出口錐管流出,如圖10(g)所示;當(dāng)?shù)?個(gè)氣泡已經(jīng)完全進(jìn)入微泵泵腔時(shí),部分氣泡繼續(xù)從微泵出口流出,如圖10(h)所示;當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),整個(gè)大氣泡滯留在泵腔中,如圖10(i)所示。

2.2 氣泡的移動(dòng)

由于微泵泵腔壁面四周為低流速區(qū)域,泵腔中的氣泡在壓電薄膜的驅(qū)動(dòng)下往泵腔壁面移動(dòng),其移動(dòng)過(guò)程如圖11所示,拍攝速度為4000幀/s。驅(qū)動(dòng)電壓幅值為80V,驅(qū)動(dòng)頻率為250Hz。初始時(shí)刻,氣泡位于靠近泵腔中心位置,如圖11(a)所示;圖11(b)為在壓電薄膜振動(dòng)過(guò)程中,氣泡向泵腔邊壁移動(dòng);圖11(c)為氣泡到達(dá)泵腔邊壁。

2.3 氣泡的合并

如圖12所示,泵腔中兩個(gè)氣泡合并為一個(gè)大氣泡,其拍攝速度為4000幀/s。驅(qū)動(dòng)電壓幅值為80V,頻率為250Hz。初始時(shí)刻,泵腔左側(cè)兩個(gè)氣泡距離約為1mm,如圖12(a)所示;在薄膜振動(dòng)過(guò)程中,兩個(gè)氣泡開(kāi)始合并,如圖12(b)所示;最后時(shí)刻,兩個(gè)氣泡合成為一個(gè)大氣泡,如圖12(c)所示。

2.4 氣泡的分離

在微泵泵腔中,大氣泡有時(shí)被分離為很多小氣泡,如圖13所示,其拍攝速度為4000幀/s。驅(qū)動(dòng)電壓幅值為80V,驅(qū)動(dòng)頻率為250Hz。初始時(shí)刻,大氣泡位于泵腔的邊壁,如圖13(a)所示;當(dāng)大氣泡運(yùn)動(dòng)到微泵出口錐管處,由于出口處流速很大,大氣泡被分離為很多小氣泡,分離出的小氣泡或直接進(jìn)入錐管并從泵腔出口泵出,或向泵腔中心處運(yùn)動(dòng),如圖13(b)所示;由于小氣泡的分離,大氣泡體積明顯減小,如圖13(c)所示。

圖11 泵腔中氣泡的移動(dòng)過(guò)程Fig.11 Movement of bubble in the pump chamber

圖12 泵腔中氣泡的合并過(guò)程Fig.12 Combination of bubble in the pump chamber

圖13 泵腔中氣泡的分離過(guò)程Fig.13 Separation of bubble in the pump chamber

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知,由于泵腔中流體的有效體積彈性模量沒(méi)有改變,氣泡在收縮管/擴(kuò)張管型無(wú)閥壓電微泵泵腔中移動(dòng)、合并和分離的過(guò)程中,壓阻式微型壓力傳感器測(cè)量到的泵腔壓力脈動(dòng)幅值和頻率沒(méi)有明顯變化。因此泵腔中氣泡移動(dòng)、合并和分離過(guò)程對(duì)收縮管/擴(kuò)張管型無(wú)閥壓電微泵壓力動(dòng)態(tài)特性影響較小。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)?shù)?個(gè)氣泡(體積為0.009ml,約為泵腔體積的1/4)進(jìn)入泵腔時(shí),泵腔壓力脈動(dòng)幅值從1.934×104Pa減少到5.85×103Pa;其后第2個(gè)氣泡(體積為0.030ml)進(jìn)入,壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)一步減小到2.07×103Pa?？梢?jiàn)由于氣泡體積的增加導(dǎo)致流體有效體積彈性模量降低,對(duì)微泵動(dòng)態(tài)特性和工作性能影響較大,甚至使微泵無(wú)法正常工作。因此,為了保證微泵工作性能穩(wěn)定,須盡可能避免氣泡進(jìn)入泵腔。

在氣泡移動(dòng)、合并和分離的過(guò)程中,由于泵腔中流體的有效體積彈性模量沒(méi)有改變,因此壓阻式微型壓力傳感器測(cè)量到的泵腔壓力脈動(dòng)幅值和頻率沒(méi)有明顯變化。

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