氣泡對無閥微泵動態(tài)特性影響的實驗研究

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

無閥微泵可以實現(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)簡單和響應(yīng)快等優(yōu)點,無閥微泵在微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療器械和生化工程等領(lǐng)域具有越來越廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但是,當(dāng)泵腔中存在氣泡時,氣泡對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,微泵甚至無法正常工作,因此研究氣泡對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]研制了第一個可自灌裝的無閥微泵,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)對微泵中氣泡現(xiàn)象進(jìn)行理論解釋。同時指出泵腔氣泡將造成微泵的動力緩沖與滯后,但是文章沒有做相應(yīng)的實驗研究。

為了研究氣泡對微泵動態(tài)性能的影響,設(shè)計制作以超精密加工為基礎(chǔ)的收縮管/擴(kuò)張管型無閥壓電微泵,并介紹實驗裝置和測試系統(tǒng)。同時對泵腔中氣泡進(jìn)行實驗研究,包括氣泡運(yùn)動的拍攝和泵腔壓力脈動測試。

1 實驗裝置與測試系統(tǒng)

無閥壓電微泵由入口/出口、收縮管/擴(kuò)張管、振動薄膜和泵腔組成。由于流體通過收縮管和擴(kuò)張管時所受的阻力不同,所以存在一定的流量差,使收縮管和擴(kuò)張管能夠動態(tài)控制流體流動方向,最終在宏觀上實現(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)張管型無閥壓電微泵采用無色透明的有機(jī)玻璃為基材。整個泵體采用機(jī)械加工,泵腔和收縮管/擴(kuò)張管通過超精密加工設(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

實驗原理圖如圖3所示,包括氣泡的觀測以及泵腔壓力脈動測試。該實驗系統(tǒng)由驅(qū)動電源、檢測部件、圖像采集等組成。無閥微泵的驅(qū)動電源采用XFD-8B超低頻信號發(fā)生器,本實驗采用占空比為1∶1的連續(xù)方波作為驅(qū)動電壓。檢測部件為美國Kulite公司的壓阻式微型壓力傳感器XCL-080,用來測量微泵泵腔的壓力脈動。它具有體積小、響應(yīng)快、測量精度高等優(yōu)點,可以滿足泵腔壓力脈動測試要求。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、無腐蝕性的液體或氣體,因此本實驗采用去離子水作為無閥微泵的工作介質(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 無閥微泵氣泡實驗原理圖Fig.3 Principle scheme for the experiment of bubbles in the valve-less micropump

2 實驗結(jié)果與分析

實驗中對氣泡的進(jìn)入、移動、合并和分離等過程進(jìn)行了圖像拍攝以及泵腔壓力脈動測試。由于泵腔處需要安裝微型壓力傳感器和考慮密封問題,因而無法觀測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,當(dāng)氣泡體積Vb增加時,液體的有效體積彈性模量Ke降低,將會影響系統(tǒng)動態(tài)過程。

2.1 氣泡的進(jìn)入

對兩個氣泡先后進(jìn)入泵腔的整個過程進(jìn)行壓力脈動測試和氣泡圖像拍攝,其驅(qū)動電壓幅值為50V,頻率為500Hz。第1個氣泡體積約為0.009ml,第2個氣泡體積約為0.030ml。圖4為兩個氣泡進(jìn)入泵腔整個過程的壓力變化(pc)實驗曲線;圖5～9為各時間段放大圖,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,對微泵壓力動態(tài)特性和工作性能影響很大。

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

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

圖5 開啟電源時壓力脈動曲線Fig.5 Pressure pulsations when turning on power

圖6 開啟電源時壓力脈動曲線放大圖Fig.6 Zoomed figure of pressure pulsations when turning on power

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

圖7 第1個氣泡進(jìn)入泵腔時壓力脈動曲線Fig.7 Pressure pulsations with the first bubble into the pump chamber

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

圖9為關(guān)閉驅(qū)動電源時泵腔壓力脈動曲線。在16.91s時刻,驅(qū)動電源關(guān)閉,此時泵腔壓力恢復(fù)到大氣壓。通過以上實驗可知,氣泡進(jìn)入泵腔會引起微泵壓力脈動幅值明顯減小。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個氣泡進(jìn)入泵腔時壓力脈動曲線Fig.8 Pressure pulsations with the second bubble into the pump chamber

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

圖10(a)～(i)為高速攝像機(jī)拍攝的兩個氣泡進(jìn)入微泵泵腔全過程,其拍攝速度為2000幀/s。圖10(a)～(d)為第1個氣泡進(jìn)入全過程,圖10(e)～(i)為第2個氣泡進(jìn)入全過程。在初始時刻,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個氣泡通過入口錐管進(jìn)入,如圖10(b)所示;第1個氣泡繼續(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個氣泡實際體積基本吻合,如圖10(d)所示。

圖10 兩個氣泡進(jìn)入泵腔過程Fig.10 Two bubbles into the pump chamber

第2個氣泡開始通過入口錐管進(jìn)入泵腔,如圖10(e)所示;當(dāng)?shù)?個氣泡繼續(xù)進(jìn)入泵腔時,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)?個氣泡已經(jīng)完全進(jìn)入微泵泵腔時,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,整個大氣泡滯留在泵腔中,如圖10(i)所示。

2.2 氣泡的移動

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)動下往泵腔壁面移動,其移動過程如圖11所示,拍攝速度為4000幀/s。驅(qū)動電壓幅值為80V,驅(qū)動頻率為250Hz。初始時刻,氣泡位于靠近泵腔中心位置,如圖11(a)所示;圖11(b)為在壓電薄膜振動過程中,氣泡向泵腔邊壁移動;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,泵腔中兩個氣泡合并為一個大氣泡,其拍攝速度為4000幀/s。驅(qū)動電壓幅值為80V,頻率為250Hz。初始時刻,泵腔左側(cè)兩個氣泡距離約為1mm,如圖12(a)所示;在薄膜振動過程中,兩個氣泡開始合并,如圖12(b)所示;最后時刻,兩個氣泡合成為一個大氣泡,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)動電壓幅值為80V,驅(qū)動頻率為250Hz。初始時刻,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,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 泵腔中氣泡的移動過程Fig.11 Movement of bubble in the pump chamber

圖12 泵腔中氣泡的合并過程Fig.12 Combination of bubble in the pump chamber

圖13 泵腔中氣泡的分離過程Fig.13 Separation of bubble in the pump chamber

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

3 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明當(dāng)?shù)?個氣泡(體積為0.009ml,約為泵腔體積的1/4)進(jìn)入泵腔時,泵腔壓力脈動幅值從1.934×104Pa減少到5.85×103Pa;其后第2個氣泡(體積為0.030ml)進(jìn)入,壓力脈動幅值進(jìn)一步減小到2.07×103Pa?？梢娪捎跉馀蒹w積的增加導(dǎo)致流體有效體積彈性模量降低,對微泵動態(tài)特性和工作性能影響較大,甚至使微泵無法正常工作。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、合并和分離的過程中,由于泵腔中流體的有效體積彈性模量沒有改變,因此壓阻式微型壓力傳感器測量到的泵腔壓力脈動幅值和頻率沒有明顯變化。

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