مقاله تاثیر تغییرات فرکانس بر ارتعاشات دیافراگم میکروپمپ الکترومغناطیسی

بخشی از مقاله

چکیده

در سیستم های میکرو فلوئیدی ، میکروپمپ ها نقش اصلی انتقال مواد را به عهده دارند .نحوه ی حرکت و ارتعاش دیافراگم از مهمترین پارامترهای موثر در راندمان میکرو پمپ می باشد. کنترل حرکت دیافراگم موجب کنترل حرکت مایع می گردد . در همین راستا در این مقاله به شبیه سازی رفتار این المان پرداخته شده است. میکروپمپ مورد بررسی یک سیستم مکانیکی است که در آن نیروی الکترومغناطیسی موجب حرکت ارتعاشی دیافراگم می گردد. تغییرات جریان عبوری از سیم پیچ ، نیروی مغناطیسی متغیر را تبدیل به جریان مایع می کند . در این میان نحوه ی تاثیر فرکانس بر ارتعاشات دیافراگم و در نتیجه بر میزان انتقال مایع از اهمیت بسزایی برخوردار است. در این مقاله اثر این پارامتر بر راندمان سیستم مورد بررسی قرار می گیرد.

 .1  مقدمه 

پیشرفت تکنولوژی سیستمهای میکرو الکترو مکانیکی2، امکان ساخت بسیاری از قطعات مانند موتورهای بسیار کوچک، شیرها، پمپ و دیگر ادوات در مقیاس میکرو و با حساسیت بیشتر را فراهم ساخته است . در این میان سیستم های میکروفلوئیدی نه تنها در علوم مکانیکی و الکترونیکی که در سایر علوم نیز مانند هوافضا، پزشکی و نظامی جایگاه ویژه ای یافته اند. یکی از مهمترین اجزاء این سیستم ها میکرو پمپ ها هستندکه کاربرد بسیاری در سیستم هایی چون تحویل دارو3 ، میکرو رادیاتورها و... دارند.

میکرو پمپ ها را بر اساس مکانیزم پمپاژ بکار رفته به دو دسته کلی تقسیم می کنند. میکروپمپ های مکانیکی وغیر مکانیکی. میکروپمپ های مکانیکی دارای دیافراگم - قسمت متحرک - می باشند و ارتعاش ناشی ازیک محرک فیزیکی موجب شکل گیری فرایند پمپاژ می گردد.

از مزایای این دسته سادگی ساخت آنها در عین حال راندمان بسیار بالای آنهاست و از معایب آنها طول عمر کمتر دیافراگم به دلیل استهلاک و نیز ایجاد نوسانات جریان در دبی مایع است. اما در نوع غیر مکانیکی نیروی غیر مکانیکی موجب حرکت سیال در درون میکرو کانالها می گردد.[1] از مزایای آنها امکان دستیابی به فرکانس بالاتر و نیز دبی جریان پیوسته تر است و از معایب آنها اینکه نیاز به تکنولوژی ساخت بالاتر دارند.

از انواع میکرپمپ های مکانیکال می توان به نوع الکترومغناطیسی اشاره کرد که در این مقاله مورد بحث قرار می گیرد. میکروپمپ مورد بحث به عنوان سیستم تحویل دارو برای مصارف پزشکی طراحی شده است - مانند تحویل انسولین به بیماران دیابتی -

.2 میکروپمپ الکترومغناطیسی نمونه ساخته شده

.2.1 اجزاء میکروپمپ ساخته شده

دیافراگم: پرده بسیار نازک ارتجاعی است که فرایند پمپاژ را ایجاد می نماید. در انتخاب ماده دیافراگم پارامترهایی نظیر خاصیت ارتجاعی، عدم واکنش پذیری با مایع انتقال و نیز سهولت فرایندهای ساخت نظیر ماشین کاری میکرونی4، ایجاد پیوند5 و قیمت حائز اهمیت می باشند . امروزه مواد پلیمری بدلیل ویژگی های خاص آنها - قیمت مناسب، خاصیت الاستیک و ارتجاعی درعین مقاومت بالا و عدم واکنش با طیف وسیع از حلال های اسیدی و بازی - به عنوان دیافراگم یا پایه اصلی سیستم استفاده می شوند. در این پروژه از poly-methyl methacrylate جهت دیافراگم استفاده شده است.
مگنت: ماده مغناطیس شونده از جنس .[4]NdFeB

مخزن و دریچه ها: در این پروژه مخزن و دریچه های ورودی و خروجی در زیرلایه ای از poly-methyl methacrylate قرار گرفته اند.

سیم پیچ: سیم پیچ متشکل از تعداد 2000 دور سیم AWG32 که حول هسته آهن با قطر 5mm پیچیده شده است.

مدار راه انداز: درایور سیستم یک اسیلاتور موج مربعی با خروجی Push Pull ، با فرکانس کاری 0 تا 200 هرتز و با قابلیت کنترل توان خروجی می باشد.

.2.2 اصول عملکرد 

ارتعاش و حرکات رفت و برگشتی دیافراگم ، مایع را از دریچه ورودی دریافت و به دریچه خروجیانتقال می دهد. نوع ساختار ورودی و خروجی ها بگونه ای طراحی شده است که میزان بازگشت مایع را به حداقل می رساند.

همانطور که اشاره شد تامین نیروی این سیستم بر اساس یک محرک الکترومغناطیسی خارجی می باشد. این محرک یک سیم پیج با هسته ی آهن با قطر5 میلیمتر است که تعداد 2000 دور سیم مسی AWG32 حول آن چرخیده است. مقداراندوکتانس سیم پیچ برابر 140 میلی هانری و میزان مقاومت آن برابر 170 اهم می باشد - ×اندازه گیری توسط GPS132Aدر فرکانس 100 هرتز - . با عبور جریان از درون سیم پیچ میدان مغناطیسی ایجاد می گردد. نیرویی الکترومغناطیسی حاصل که موجب حرکت دیافراگم در جهت عمودی می گردد از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در آن مولفه عمودی میدان حاصل از سیم پیچ، پسماند مغناطیسی، مساحت سطح، و ضخامت مگنت و گرادیان میدان مغناطیسی می باشند. همانطور که رابطه نشان می دهد، میزان نیروی حاصله علاوه بر پارامترهایی نظیر نوع و ابعاد مگنت بکار رفته و نیز مشخصات سیم پیچ ، رابطه ی مستقیم با گرادیان تغییرات میدان دارد.×بنابراین هرچه گرادیان میدان بیشتر باشد، نیروی حاصله بیشتر و جابجایی دیافراگم بیشتر خواهد بود. از طرفی گرادیان میدان مغناطیسی رابطه مستقیم با تغییرات و میزان جریان عبوری از سیم پیچ دارد .

سیم پیچ با مشخصات ذکر شده در فاصله 5 میلیمتر از دیافراگم قرار داده شده است. توسط نیروسنج دقیق ماکزیمم نیرویی معادل 23.7 میلی نیوتن در حالت مکش و 21.7 میلی نیوتن در حالت دهش اندازه گیری شد. - ولتاژ درایور برابر 12 ولت و جریان عبوری از سیم پیچ 70 میلی آمپر می باشد. -

.3 شبیه سازی

با دانستن تغییرات نیرو، رفتار دیافراگم در نرم افزار COMSOL 4.3 مورد بررسی قرار گرفته و نتایج زیر استخراج گردید:

شکل .1میکروپمپ شبیه سازی شده

شکل .2بیشینه جابجایی دیافراگم به ازاء نیروی مکش