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        介電彈性體無閥微泵設(shè)計

        2018-01-26 05:34:32鄭國華崔春華馬小晶
        流體機械 2017年10期
        關(guān)鍵詞:微泵彈性體錐形

        陳 潔,鄭國華,崔春華,馬小晶

        (新疆大學,烏魯木齊市 830047)

        1 前言

        無閥微泵利用流體在微尺下的新特性,原理比較新穎,具有更大的發(fā)展前景。但目前常見的壓電式無閥微泵工藝復(fù)雜,成本高昂[1]。

        介電彈性體作為一種電場型電致動聚合物(EAP),是一種新型的智能材料。它在外電場的作用下可以產(chǎn)生很大的電致應(yīng)變,一旦電場撤除,介電彈性體材料能夠迅速恢復(fù)到其初始的尺寸。同時,介電彈性體材料還具有質(zhì)量輕(丙烯酸聚合物密度近似1 g/m3),輸出應(yīng)力大(最大應(yīng)力可達7.2 MPa),響應(yīng)速度快(響應(yīng)頻率在0.1~20 kHz),質(zhì)量能力密度高(可高達3.4 J/g),極強的環(huán)境適應(yīng)性(硅樹脂薄膜可工作在260 ℃的高溫下),耐用性(最高可工作1千萬次工作周期,使用壽命超過3年),大柔順性,好的負載匹配性等優(yōu)點,這些特點使得它在驅(qū)動器應(yīng)用領(lǐng)域具有其它材料不可比擬的優(yōu)越性[2]。

        本設(shè)計中采用VHB4910制備的介電彈性體材料作為無閥微泵的驅(qū)動膜,自制錐形介電彈性體作為驅(qū)動部件。

        2 介電彈性體的加壓變形測試

        由于橡膠材料初次加載時,會產(chǎn)生應(yīng)力軟化(Mullins效應(yīng)),本文采用在預(yù)拉伸前循環(huán)加載5次的方法來減小應(yīng)力軟化對試驗誤差的影響[3,4]。均勻預(yù)拉伸后的VHB4910膜型材料利用其自身黏性粘到中間開直徑φ40 mm窗口的絕緣框架上,并在正反兩面中心位置涂抹柔性電極材料,最后由導線連接到直流高壓發(fā)生器上,如圖1所示,并將絕緣框架垂直固定到絕緣支座上。

        圖1 試驗單元構(gòu)成

        用數(shù)碼相機采集加電壓前后的圖像數(shù)據(jù),利用基于OpenCV中cvContourArea函數(shù)設(shè)計的C程序計算出加電壓前后柔性電極區(qū)域的面積變化,進而計算出變形量(變形前后面積差與變形前面積之比)。

        通過數(shù)碼相機采集得到加電壓前后的圖像,如圖2所示。

        圖2 加電壓前后DE圖像

        通過設(shè)計的C程序經(jīng)預(yù)處理、灰度化、二值化、輪廓提取翻轉(zhuǎn)后計算出面積[5],得到變形量為149.8%。

        3 無閥微泵設(shè)計

        無閥微泵工作原理如圖3所示。本設(shè)計采用收縮-擴散型微泵。收縮—擴散型微泵是一種比較典型的無閥微泵,用收縮和擴散的不同形狀通道代替了單向閥,并以流道不對稱所引起的壓力損失的不對稱性來實現(xiàn)流體的泵送。微泵的流量取決于2個因素:驅(qū)動器的工作頻率和泵體的收縮-擴散管的幾何尺寸[6]。

        圖3 無閥微泵工作原理示意

        3.1 流道設(shè)計

        無閥微泵流道設(shè)計重點在于擴散管/收縮管的結(jié)構(gòu)設(shè)計,錐管參數(shù)決定了微泵的流動特性。擴散/收縮結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 擴散/收縮管結(jié)構(gòu)示意α.收縮/擴散角;L .收縮/擴散管長度;h.最小直徑

        根據(jù)流體力學的理論,對擴散/收縮管進行分析,得到了α,L,h對擴散率 ξ 的影響。當α=10 ℃、L=1.2 mm、h= 0.12 mm時,ξ 達到最大值,即流量達到最大[6]。因為ξ的值直接影響微泵的流量,當 ξ 值越大時流量和效率越大,本設(shè)計中的收縮/擴散管長度L為5 mm,收縮/擴散角α為10 ℃,最小直徑h為1 mm。

        收縮/擴散管的擴散率為:

        式中 ζd——擴散管流阻系數(shù)

        ζn——收縮管流阻系數(shù)

        根據(jù)文獻[7]可查出 ζd和 ζn的值,從而計算得到擴散率 ξ=4.71。

        3.2 泵體幾何尺寸的確定

        為了得到較高的液體流量,增大了驅(qū)動膜的工作頻率,但是工作頻率的提高使驅(qū)動膜的驅(qū)動能力和響應(yīng)速度下降[8]。

        設(shè)計錐形介電彈性體驅(qū)動器來提供驅(qū)動膜的振動,無閥微泵的供給模式和泵出模式由驅(qū)動膜的振動來實現(xiàn)。圖5為錐形介電彈性體驅(qū)動器安裝后的無閥微泵。錐形介電彈性體驅(qū)動器的驅(qū)動能力和驅(qū)動響應(yīng)速度比較合適本設(shè)計無閥微泵的工作頻率,并且z方向產(chǎn)生的位移也較高,使泵的流量更大。

        圖5 錐形彈性體驅(qū)動器安裝后的無閥微泵

        錐型介電彈性體驅(qū)動器在通電后可以產(chǎn)生較大的向下線性位移,產(chǎn)生的最大線性位移約為7 mm,面積變化率為15.49%;斷電后又能較快地恢復(fù)初始位置[8]。

        根據(jù)已設(shè)定好的收縮-擴散管的尺寸大小,確定微泵總體長度為44 mm,寬度為20 mm,厚度為4.5 mm,上下泵蓋的厚度為1 mm,泵體的厚度為2.5 mm。上銅片的厚度為0.7 mm,外直徑為17.4 mm。下銅片的厚度為0.3 mm,外直徑為18 mm。泵體中間有直徑為16 mm的泵腔,兩邊有2個直徑為8 mm的緩沖腔。上泵蓋中間有直徑為18 mm的打孔,左邊是直徑為10 mm的進水口,右邊是直徑為10 mm的出水口,無閥微泵的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        圖6 無閥微泵的三維結(jié)構(gòu)

        4 流量理論分析和計算

        外固定框架的半徑R為8 mm,內(nèi)固定框架的半徑r為4 mm,內(nèi)固定框架的拉升高度為12 mm,變形前后錐形的高度h1,h2分別為5 mm和9 mm。

        錐形初始體積為:

        加電后錐形的體積為:

        泵腔的體積變化量為:

        ξ=4.71,泵一個工作周期(設(shè)為0.2 s)內(nèi)的流量為:

        泵的效率為:

        式中 VT—— 一個周期內(nèi)從微泵出口流出的液體體積,mL,VT=0.284 mL

        5 結(jié)語

        本文設(shè)計了一種介電彈性體無閥微泵。該微泵采用收縮管/擴張管結(jié)構(gòu),利用自制錐形介電彈性體作為驅(qū)動部件。同時對介電彈性體微泵的流量和效率進行了分析,無閥壓電微泵一個工作周期(設(shè)為0.2 s)內(nèi)的流量為1.4212 mL/s,效率為0.738。本文設(shè)計的無閥壓電微泵結(jié)構(gòu)簡單,得到了較為理想的流量和效率。

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