Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки медицинских жидкостей малого объема

Докладчик: Виноградов Александр Николаевич

Должность: Ведущий научный сотрудник, доцент, кандидат технических наук

Цель проекта:
1. Основная научно-техническая задача заключается в создании взаимоувязанной системы математического моделирования, оптимизации схем и принципов конструирования истинно перистальтических микронасосов точного дозирования на основе пьезоэлектрических многослойных структур с переменной жесткостью. 2. Цель проекта: Создание новых энергоэффективных устройств для точного дозирования жидких препаратов различной вязкости, функционирующих в условиях различной гравитации и в невесомости. Пьезоэлектрические микронасосы-инфузоры точного дозирования способны заменить пассивные гравитационные инфузионные системы (капельницы), шприцевые системы инъекций и дозаторы. Результаты, полученные на базе построения, анализа и оптимизации математических и физических моделей микронасосов, являются основой выполнения поставленной задачи проекта. При этом используются как аналитические методы, так и численные на основе метода конечных элементов. Конечный продукт проекта – техническое задание на проведение НИОКР по созданию новых пьезоэлектрических микронасосов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В первом этапе работ, на базе проведенного анализа литературных источников и патентных исследовании выбран и обоснован оптимальный вариант схемного решения, состоящий в построении и анализе двумерной модели пьезонасоса перистальтического типа. В теоретической части получен новый алгоритм оптимизации параметров камеры насоса по максимальному объему при минимальных энергозатратах. Установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами двухслойной системы и жесткостями слоёв, дающая оптимальные выходные характеристики в модели пьезонасоса. Разработана методика квазистатического моделирования двухслойных элементов пьезонасоса. Так, например, в двухслойной модели длиной 50 мм с пьезокерамическими элементами, толщиной 0,2 мм и шириной 4 мм максимально возможный прогиб при напряженности электрического поля в 1500 В/мм составляет 550 мкм для стальной подложки оптимальной толщины 0,06 мм, что соответствует производительности 4,4 мл/мин при частоте 1 Гц. На рабочей частоте 50 Гц при напряжении 30 В производительность составляет 22 мл/мин при давлении 0,9 кПа (~ 0,09 мН2О). При тех же условиях для слоя подложки из полиметилметакрилата с жесткостью в 67 раз меньше стальной оптимальная толщина возрастает в 5,8 раза, а производительность падает до 8 мл/мин. При увеличении производительности обратное давление падает. Для медицинских целей дальнейшее повышение давления не столь важно по сравнению с точностью дозирования при низком безопасном напряжении. Полученные зависимости позволяют найти для каждого пьезоэлемента оптимальный материал подложки.

2. Планируемые результаты, в частности, предполагают разработку трехмерной модели, методику и программное обеспечение по расчету пьезонасоса перистальтического типа с формированием бегущей волны деформаций камер; разработку методики учета свойств жидкости на динамические параметры микронасоса.
Планируется также разработка физических моделей микронасосов, проведение их испытаний и сравнение результатов с теоретическими данными. Габариты моделей, ориентировочно, от 20х2х2 мм до 100х25х8 мм с герметизацией силиконовой резиной. Ожидаемая производительность от 10 мкл/мин. до 1 мл/мин. Возбуждение колебаний – специально разработанным многофазным генератором на частотах от 0,1 до 1000 Гц.
Основные характеристики, описывающие результат разработки: производительность микронасоса, давление, энергопотребление, массогабаритные параметры, точность подачи жидкости.

3. Разработана оригинальная методика моделирования микронасосов с пьезоэлектрическим приводом, позволяющая рассчитывать конструкции с произвольным количеством пьезоэлектрических и упругих слоев по толщине, а также произвольным количеством участков по длине микронасоса. Предложена линейная схема расположения пьезоэлементов, позволяющая реализовать непрерывную плавную прокачку рабочей жидкости за счет усовершенствованного режима возбуждения бегущей волны деформаций.

4. Из зарубежных научных журналов (Японии, Южной Кореи, Китая, США и Европы) известно о разработке микронасосов со схожим принципом действия. Например, в статье автора Oh "Design of a Piezoelectric Pump Using No Physically Moving Components" (2009) описывается пьезоэлектрический микронасос с производительностью 0,58 мл/мин при давлении 0,85 кПа, напряжении 150 В и частоте 57 кГц; а в работе Кim "Design of a Valveless Type Piezoelectric Pump for Micro-Fluid Devices" (2010) микронасос имеет производительность 0,6 мл/мин, максимальное давление 0,88 кПа при напряжении 130 В. Недостатками известных аналогов является низкая производительность, высокое напряжение питания. Кроме того, известные по публикациям модели не являются в прямом смысле перистальтическими, так как из-за импульсного характера изменения рабочего объема они не обеспечивают непрерывной подачи жидкости.
В наших моделях пьезонасосов применяется перистальтический принцип плавного и непрерывного перемещения жидкости, что позволяет более точно управлять дозированием и снизить энергозатраты.

5. Для разработки микронасосов планируется использовать коммерческие расчетные пакеты (MATLAB, MAPLE, APM WinMachine) а также собственные программные продукты на основе проверенных методик расчета. Для разработки и исследований экспериментальных моделей планируется использовать широкий парк закупленного аналитического, исследовательского и технологического оборудования.
Научно-технические риски представляются невысокими, поскольку имеется существенный научный задел, достаточная материально-техническая база, в ходе предварительных исследований достигнуты положительные результаты.
Финансовые риски: невозможность вхождения в соответствующий рынок и непривлекательность новой технологии для потребителя; правовая защищенность базовой идеи (интеллектуальной собственности); наличие продуманной стратегии коммерциализации представляются средними.
Пути защиты интеллектуальной собственности: подача заявки в Госкомитет для получения патента на полезную модель.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основные области применения микронасосов: медицинские системы инфузии и инъекций; космонавтика – поддержание жизнеобеспечения при длительных полётах, мониторинг среды в микрообъёмах; биотехнологии – бактериологические исследования; химия – химический анализ жидкостей и газов; микроэлектроника – охлаждение электронных устройств; нанотехнологии – дозирование и исследование материалов на микро- и наноуровне; вакуумная техника – откачка газов малых объёмов; другие: использование топливных насосов в автомобилях, струйных принтерах и перспективных топливных элементах.

2. Основными потребителями микронасосов являются отечественные и зарубежные фирмы, занимающиеся разработкой медицинского и химического оборудования. Список китайских потенциальных потребителей результатов настоящего проекта приведен в аннотационном отчете зарубежного партнера – Института технологии Харбинского политехнического института КНР.
Суммарный объем мирового рынка микрожидкостных устройств (пьезонасосы, ингаляторы и др.) составил в 2013 году по оценке Yole Development около $400 млн.

3. Разработка пьезоэлектрических микронасосов с пьезоэлектрическим приводом, обладающих возможностью прокачки жидкостей с широким диапазоном свойств, позволит существенно расширить область применения микронасосов в медицине, химии, биологии и нанотехнологиях.

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор (23 публикации за период 2009–2013 годы) и проведены патентные исследования (53 источника).
2. Выбран и обоснован оптимальный вариант схемного решения поставленных задач, а именно: построение и исследование линейной модели перистальтического микронасоса многослойной структуры аналитическими и численными методами.
3. Получен новый алгоритм оптимизации параметров камеры насоса по целевой функции максимальной производительности при минимальных энергетических затратах.
4. Установлена закономерность между геометрическими параметрами двухслойной камеры микронасоса и жёсткости слоёв, дающая оптимальные выходные характеристики насоса в модели с участками переменной жёсткости.
5. Оптимизированная двумерная модель микронасоса положена в основу построения более сложной трёхмерной модели, на базе которой разрабатываются физические модели.