Слайд 1 - НИИ ПМТ

ФГБНУ «НИИ ПМТ»
Отчет о прикладных научных исследованиях и
экспериментальных разработках по теме:
Разработка линейки прецизионных
пьезоэлектрических микронасосов точного
дозирования с низким энергопотреблением для
перекачки медицинских жидкостей малого объема
(шифр заявки "2014-14-585-0008-006")
Руководитель темы: в.н.с., к.т.н. Виноградов А.Н.
Москва, 2014 год
1
Соглашение № 14.583.21.0002 о предоставление субсидии от 16.07.2014 г.
Тема проекта: "Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических микронасосов
точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки медицинских
жидкостей малого объема" (шифр заявки "2014-14-585-0008-006")
Заказчик – Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»
Получатель
учреждение
субсидии:
федеральное
"Научно-исследовательский
государственное
институт
бюджетное
перспективных
научное
материалов
и
технологий" (ФГБНУ "НИИ ПМТ").
Индустриальный партнер: Институт технологии Харбинского политехнического
института (г. Харбин, Китайская Народная республика).
2
Цели проекта
1.Создание новых энергоэффективных устройств для точного дозирования
жидких препаратов различной вязкости, функционирующих в условиях
различной гравитации и в невесомости.
2. Повышение степени автономности и прецизионности микронасосов.
3. Установление влияния свойств материалов
эксплуатационные параметры микронасосов.
конструкции
на
4. Изучение влияния свойств перекачиваемой жидкости на характеристики
исследуемых типов пьезонасосов.
5. Определение зависимости энергоэффективности от геометрических и
физических параметров и выходных характеристик микронасосов с
пьезоэлектрическим возбуждением.
6. Получение новых знаний в области прецизионной перекачки жидкостей
малого объёма.
3
Основные планируемые результаты
1. Взаимоувязанная система математического моделирования, оптимизации схем и
принципов конструирования прецизионных перистальтических микронасосов на
основе пьезоэлектрических многослойных структур с переменной жесткостью, в
том числе моделирование напряженно-деформированного состояния с учетом
свойств перекачиваемой жидкости.
2. Оптимизированные схемы пьезоэлектрических микронасосов в зависимости от
физических свойств материалов и эксплуатационных параметров, требований
безопасности и экономической эффективности.
3. Методика гидродинамических расчетов с учетом молекулярного взаимодействия
жидкости с материалом камеры насоса.
4. Физические модели и макеты оптимизированных
микронасосов и протоколы их испытаний.
пьезоэлектрических
5. Система параметров качества микронасосов с учетом экологичности и
энергоэффективности.
6. Технология и оснастка для изготовления рабочей камеры пьезоэлектрического
перистальтического микронасоса.
7. Стенды для испытаний пьезоэлектрических микронасосов перистальтического
типа, их элементов и рабочих жидкостей.
4
Научно-технические задачи
1. Создание системы математического моделирования прецизионных
перистальтических
микронасосов
на
основе
пьезоэлектрических
многослойных структур с переменной жесткостью.
2. Оптимизация схем и принципов конструирования микронасосов по
выработанным критериям в зависимости от физических свойств материалов
и
эксплуатационных
параметров,
требований
безопасности
и
экономической эффективности.
3. Создание экспериментальной базы исследования физических моделей
пьезонасосов и их элементов.
4. Корректировка и оптимизация конструктивных характеристик по целевым
функциям производительности и точности дозирования микронасосов.
5. Разработка проекта технического задания на ПНИЭР по созданию
линейки
прецизионных
энергоэффективных
пьезоэлектрических
микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением.
5
Работы, проведенные в отчетном периоде
1. Составлен аналитический обзор 23 научных информационных источников за
2009 – 2013 годы, в которых исследовались модели и конструкции микронасосов с
пьезоэлектрическим приводом и построенные на других физических принципах.
2. Проведены патентные исследования, выявлены аналоги разрабатываемых
устройств и их недостатки по отношению к предлагаемым схемным решениям по
разработке энергоэффективных пьезонасосов перистальтического типа.
3. На базе патентных исследований и аналитического обзора литературы
определены пути построения решений основных задач для достижения
поставленных целей проекта.
4. Разработаны возможные решения отдельных исследовательских задач путем
математического и физического моделирования микронасосов.
5. Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений
исследований по разработке линейки прецизионных пьезоэлектрических
микронасосов точного дозирования.
6. Обоснован выбор оптимального варианта схемного решения поставленных
задач с применением аналитических и численных методов математического
моделирования с экспериментальным уточнением на физических моделях.
7. Разработана двумерная аналитическая модель напряжённо-деформированного
состояния элементов пьезоэлектрического микронасоса многослойной структуры.
6
Результаты литературного обзора
Основными техническими характеристиками микронасосов являются
производительность, максимальное обратное давление, габариты,
энергопотребление.
В ходе обзора установлено, что из всех известных схем микронасосов самым
широким диапазоном производительности (0,015 … 90,28 мл/мин/мм2) и обратных
давлений обладают микронасосы с пьезоэлектрическим приводом.
7
Результаты патентных исследований
Piezoelectric vacuum pump and method.
E.L. Upton, Terabeam Corporation (US). –
Patent US 6450773 B1. – 2002.
Piezoelectrically actuated peristaltic pump.
Bishop R.P. et al. Face International Corp.
(US) – Patent US 6074178. – 2000.
Среди патентов США найдены ближайшие аналоги разрабатываемых нами микронасосов.
Однако, как показали наши исследования, применение биморфных пьезоэлементов
(схема слева) не эффективно при закреплении их на подложке. На правой схеме не
используются пьезодеформации в направлении потока рабочего тела микронасоса, что
существенно снижает его эффективность.
8
Основные уравнения теоретических моделей
1. Статические модели построены на теории упругости с учетом пьезоэффекта:
{j} = [sij]{j} +
t
Э
[djn] {E n}
+ { j}T
Здесь {j} – вектор деформаций; {j} – вектор напряжений; (i,j = 1..6);
[sij] – матрица податливости; {EЭn} – вектор напряженности (n = 1..3);
[djn]t – транспонированная матрица пьезомодулей.
2. Динамические задачи моделирования решаются по дифференциальным
уравнениям поперечных колебаний для каждого участка камер пьезонасоса:
 2 2   2v2v   2v2 v
 D D 2 2  mm 2 20,0,
2 2 
xx  xx  tt
D  A Ez 2 dA — обобщённая жесткость,
m  A dA — обобщённая масса сечения.
Решение имеет форму гармонических колебаний
v(x, t) = V(x)sin(t).
9
Основным расчетным параметром при моделировании является кривизна
многослойной системы, по которой рассчитываются остальные параметры
деформированного состояния каждой секции пьезонасоса.
Нами разработаны алгоритмы расчёта кривизны  двухслойной системы в
относительных величинах (=h2/h1, e=E2/E1) и определения их оптимальных
значений без построения графических зависимостей.
Здесь E2, E1 – модули Юнга слоёв, EЭ – напряжённость поля, d31 – пьезомодуль.
Кривизна  

h1


6e d 31EЭ 1  
1

 h1 e24  43e  6e2  4e  1
f ()
h2

f () 
0

  оптим  0
На рисунке показано решение в
комплексной области.
Физический смысл имеет Re()>0.
  оптим
Im()
Re()
10
Зависимость прогиба от толщины подложки пьезопривода насосной камеры
Прогибом определяется
производительность
микронасоса!
Максимальный прогиб
в моделях с различными подложками
Wm (мм)
L=50 мм b=4 мм.
Прогиб Wm, мм
2. Активный пьезоэлемент (ПЭ)
0,5
0,4
Сталь
Медь
Титан
Латунь
Стекло Кварц.
Плексиглас
1. Слой подложки
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Толщина
0,9
1,0
h2
(мм)
подложки h , мм
1
Длина камеры 50 мм, ширина 4 мм. Толщина ПЭ (пьезокерамика ЦТС) 0,2 мм.
Напряженность электрического поля в пьезокерамике - 1500 В/мм.
11
Выбор оптимальной жёсткости подложки камеры пьезонасоса
Прогибом определяется производительность микронасоса!
Wmax (мкм)
Зависимости деформации камеры ПН от жёсткости подложки.
Полная длина модели 10 мм, ширина 4 мм. Длина ПЭ (ЦТС): 5 мм,
толщина h2=0,2 мм. Напряжённость поля в ПЭ: 1400 В/мм
4,5
h2
4,0
h1
3,5
3,0
h1 - оптимальная
h1=0,09 мм - Const
2,5
2,0
1,5
0,E+00
1,E+05
2,E+05
3,E+05
4,E+05
5,E+05
Модуль упругости подложки E1 (МПа)
Оптимальное отношение модулей Юнга: E2/E1=6,5 - для оптимальной толщины подложки.
E2/E1=3,25 - для неоптимальной толщины подложки, деформация на 34% меньше.
12
Квазистатические двухслойные модели насосной камеры длиной L = 50 мм
a)
Варианты расположения
пьезопривода (верхний слой) на
нижнем слое подложки
Напряжение 30 В
b)
Латунь
Латунь
V = –44,5 мкм
a) Шарнирное опирание – для
камер, соединённых с соседними
гибкой связью.
Напряжение 30 В
V = –37,4 мкм
b) Шарнирное опирание. Длина
ПЭ составляет 60% длины L.
c) Концы защемлены – форма
изгиба, близкая к форме волны
камеры насоса
d) Пьезоэлементы – у
защемлённых краев. Направление
прогиба изменилось на обратное.
Толщины подложек для разных
материалов оптимизированы.
Максимальный прогиб – на
модели сталь-ЦТС - 50 мкм,
минимальный – на модели
плексиглас-ЦТС - около 8 мкм.
c)
Напряжение 30 В
Латунь
d)
Напряжение 30 В
Латунь
V = –6,6 мкм
V = +7,6 мкм
13
Физическое моделирование
B
24
1.2
A
20.5
22.5
1
4
96
0.39
0.005
0.005
0.1
B
Латунь
ЦТС-19
Серебро
Схематический чертеж разработанного пьезопривода для микропьезонасоса
(все размеры в мм)
Фотография физической модели пьезопривода «Латунь-ЦТС» для микропьезонасоса
14
Достигнутые результаты:
1. Проведенный анализ возможных направлений исследований по созданию
энергоэффективных устройств для точного дозирования жидкостей
различной вязкости показал преимущества пьезоэлектрического принципа
построения и анализа моделей микронасосов.
2. Разработаны решения отдельных исследовательских задач путем
математического и физического моделирования микронасосов.
3. Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений
исследований. Установлено, что наиболее перспективными являются
перистальтические пьезонасосы с линейным расположением рабочих камер.
Поддержка проекта Индустриальным партнером:
За отчетный период иностранным партнером за счет собственных средств:
- были проведены маркетинговые исследования в машиностроительном
комплексе КНР, как основного потребителя результатов ПНИЭР;
- составлен перечень и обоснование потенциальных потребителей
прецизионных микронасосов.
15
Заключение
На
основании
проведённых
литературных,
патентных
и
маркетинговых исследований можно сделать вывод о высокой
востребованности
разрабатываемых
малогабаритных
перистальтических микронасосов в медицинской сфере, химических
и биологических лабораториях, микро- и наноэлектронике для
решения задач прецизионной и непрерывной перекачки жидкостей и
газов.
Полученные
результаты
математического
моделирования
указывают на работоспособность и возможность достижения высоких
эксплуатационных
характеристик
разрабатываемых
микропьезонасосов.
Необходимо продолжение исследований по разработке и
испытаниям макетов микронасоса в соответствии с утверждённым
планом-графиком.
16