Регистрация / Вход
Прислать материал

14.583.21.0002

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.583.21.0002
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий"
Название доклада
Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки медицинских жидкостей малого объема
Докладчик
Виноградов Александр Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта состоит в разработке новых энергоэффективных устройств для точного дозирования жидких препаратов различной вязкости, функционирующих в условиях различной гравитации и в невесомости.
Задачами проекта являются:
- повышение степени автономности и прецизионности микронасосов;
- установление зависимости между физическими и геометрическими характеристиками элементов конструкции и их влияния на эксплуатационные параметры микронасосов;
- получение новых знаний в области прецизионной перекачки жидкостей малого объёма.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта заключается в разработке новых, более точных способов дозирования жидкостей малого объёма с минимальными затратами энергии. Это является важной задачей химии, биологии, медицины, исследований в области космоса и высоких технологий.
Описание исследования

Перистальтические пьезомикронасосы представляют собой малогабаритные устройства (размерами порядка единиц см) для перекачки обычных, вязких и чувствительных к перемешиванию жидкостей с производительностью от 1 мкл/мин до 100 мл/мин.  Такие устройства широко применяются в медицине, биологических и химических исследованиях для решения задач высокоточной подачи жидкостей малых объемов.

В работе представлены результаты исследования действующих макетов и математических моделей линейки истинно-перистальтических многофазных микронасосов с пьезоэлектрическим приводом (пьезоприводом). Для пьезоприводов с различными видами подложек определены вертикальные перемещения при деформации отдельных пьезоэлементов, определяющие производительность устройства. Установлены зависимости максимального выходного давления микронасосов от разности фаз управляющего напряжения.

Исследован разработанный действующий макет перистальтического пьезомикронасоса, в котором вдоль единого упругого канала распространяется бегущая волна деформаций, позволяющая обеспечить высокую не-прерывность потока с нестабильностью менее 5%.  Теоретическими и экспериментальными методами определены динамические характеристики пьезопривода, профили деформации отдельных его пьезоэлементов, а также определена зависимость выходного давления микронасоса от частоты и разности фаз.

На рисунке 1 представлена схема пьезопривода перистальтического микронасоса.

Рисунок 1 – Общая схема пьезопривода перистальтического микронасоса. На рисунке обозначены: 1 –подложка, h = 0,05 мм; 2 – припой, h = 0,08 мм; 3 – пьезоэлемент, h = 0,1 мм. Здесь h – толщина слоя

Экспериментальным методом определены профили деформации отдельных элементов пьезопривода с помощью специально разработанного стенда.

Конструкция пьезопривода исследована также методом конечных элементов (МКЭ) в программе APM Structure 3D 11.0 с использованием температурной аналогии пьезоэффекта. Карты вертикальных перемещений и эквивалентных напряжений пьезопривода в целом представлены на рисунках 2 а), б).  

                         а)                                                   б)

Рисунок 2 Результаты исследования микронасоса с помощью МКЭ – а) карта вертикальных перемещений UZ, мкм, б) – карта эквивалентных напряжений SVM, МПа

В ходе исследования экспериментальным методом и МКЭ получены аналогичные профили деформированных поверхностей. Различие значений вертикальных перемещений, рассчитанных двумя методами, в центральной области пьезоэлемента не превышает 10%.

Для определения динамических характеристик пьезопривода микронасоса был проведен модальный анализ конструкции.

Экспериментальным методом определена зависимость величины выходного давления макета перистальтического микронасоса (на латунной подложке) от частоты и разности фаз сигнала, подаваемого на пару соседних пьезоэлементов.

Результаты проведенных экспериментов хорошо согласуются с литературными данными.

Результаты исследования

Разработаны:

- теоретические методики моделирования пьезонасосов, работающих в квазистатическом и динамическом режимах;

- методика расчета оптимальных геометрических параметров перистальтических микронасосов с пьезоэлектрическим приводом по критерию минимизации энергозатрат;

- методика формирования управляющего сигнала с помощью генератора сигналов, обеспечивающего возникновение и поддержание непрерывной бегущей волны деформаций упругого канала, переносящего жидкость от входа к выходу пьезонасосов;

- методика планирования эксперимента и план проведения каждого натурного или численного испытания;

- методика и проведены измерения динамической вязкости двух рабочих жидкостей (спирта и 5%-го водного раствора глицерина), применяемых для перекачки перистальтическим микронасосом;

- система математического моделирования прецизионных перистальтических микронасосов на основе пьезоэлектрических многослойных структур с переменной жесткостью;

- программное обеспечение моделирования пьезонасосов на основе оригинальных методик, включая методику формирования бегущей волны деформаций.

Установлены взаимосвязи:

- между физическими и геометрическими параметрами элементов пьезонасоса;

- между производительностью и габаритами устройства;

- между свойствами материалов пьезонасоса и потреблением им электрической энергии.

Представлены методики трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния пьезоэлектрического микронасоса.

Проведено сравнение результатов аналитического моделирования с результатами, полученными методом конечных элементов.

Исследована зависимость упругих свойств эластомеров от частоты деформации.

Проведены предварительные испытания физических моделей и макетов пьезонасосов.

Составлена и опробована методика измерений вязкости рабочих жидкостей используемых при испытаниях физических моделей пьезонасосов.

Созданы экспериментальные макеты перистальтических пьезонасосов и описан метод герметизации пьезонасосов при помощи эластополимеров.

Получены:

- свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ «Расчёт трёхмерных моделей камер микронасоса» №2016619459 от 23 июня 2016 г. и «GRPP» №2016617183 от 21 марта 2016 г.;

- патент на полезную модель «Пьезоэлектрический привод» №162894 от 08 июня 2016 г.                                  

Практическая значимость исследования
Полученные результаты могут быть применены в машиностроении и приборостроении для медицинской, биологической и химической областей, в микроэлектронике, нанотехнологиях и в космических исследованиях.
Разработанные микронасосы планируется использовать в медицине как замену капельниц и шприцев при длительных инъекциях и инфузиях лекарственных средств, требующих высокой точности дозирования, например, инсулина. Разработанные методики расчета микронасосов могут применяться для моделирования широкого круга пьезоэлектрических устройств различного назначения.
Применение разрабатываемых перистальтических микронасосов в области медицины позволит повысить качество проводимой инфузионной терапии, повысить мобильность пациентов, страдающих заболеваниями, требующих регулярных высокоточных инъекций лекарств; в области микроэлектроники и микросистемной техники позволит расширить круг исследований в направлении био-МЭМС и разработки миниатюрных топливных метанольных элементов.