馬小康臺灣大學:機械工程學研究所蕭育政Hsiao, Yu-ChengYu-ChengHsiao2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-0307200914081000http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187144本文乃根據過去本研究團隊所設計的單邊擺動方法進行無閥式壓電薄膜微泵之研發，利用壓電片改變薄膜形狀以驅動流體，並設計各式流向元件取代傳統壓電式薄膜微泵內之閥體。本研究是以商用數值套裝軟體作為單邊擺動壓電式無閥薄膜微泵之分析工具，模擬薄膜微泵需要設定移動邊界條件，故本文分析與比較使用兩種移動邊界方法之薄膜微泵主腔室。文中接著探討單邊擺動壓電式無閥薄膜微泵加入各種流向元件之效應，流向元件包括副腔室、漸縮/漸擴管與U型流道，最後設計性能參數比較各式薄膜微泵之表現。另外，本研究亦以主腔搭配副腔之微泵進行實驗驗證，其中發現數值結果於頻率150Hz下可得到最大流量1.25ml/s，而最大揚程為1318 Pa，與實驗量測結果相當接近。In this study, a novel valveless diaphragm micropump based on one-side actuation has been successfully developed. A three-dimension, transition numerical model of the micropump established by commercial CFD software was employed to analyze the performance. A primary chamber with the dimensions of 45 mm?28mm?4mm is designed in the micropump. A 37.5 mm?20 mm piezoelectric device fixed on the one side of the primary chamber was seen as a driving device and drains liquid in one-direction. The moving boundary was studied with two methods to simulate the flow field of the primary chamber in the micropump. In addition, the several components, including secondary chamber, nozzle/diffuser and U-channel, were individually designed to connect the primary chamber as the flow-direction devices. The simulation results show that the micropumps were strongly affected by the frequencies, flow-direction devices, and applied force. Finally, the performance of the valveless micropump with secondary chamber numerical model was selected to compare with the experimental results. The maximum flow rate and pump head of numerical results were 1.25ml/s and 1318Pa under the force of 0.28 N at the frequency of 150Hz, which were also close to the results of experimental work.誌謝I要IIbstractIII錄IV目錄VII目錄XII號說明XIII、英文字母XIII、希臘符號XIV一章　緒論1.1　前言1.2　泵的介紹2.3　文獻回顧3.4　單邊擺動微泵介紹7.5　研究動機與目的8二章　理論基礎9.1　數值模型建立9.1.1　單邊擺動薄膜泵9.1.2　流向元件模型之建立10.2　薄膜微泵之性能參數11.2.1　流向元件效率11.2.2　薄膜微泵效率12.3　基本假設12.4　統御方程式13.5　PDMS薄膜參數與特性15.6　CFDRC軟體介紹16三章　移動式邊界數值模擬分析17.1　基本壓電原理17.2　網格固定位移法17.3　壓電片固定應力法19.4　網格獨立測試20四章　結果與討論22.1　無閥式薄膜微泵主腔數值模擬22.1.1　薄膜微泵主腔之流場表現23.1.2　薄膜微泵主腔之移動邊界分析24.1.3　薄膜微泵主腔之流量分析25.2　無閥式薄膜微泵副腔效應26.2.1　薄膜微泵加入副腔之流場表現26.2.2　薄膜微泵加入副腔之振動模式分析28.2.3　薄膜微泵加入副腔之流量分析29.2.4　副腔變化對流量之影響30.2.5　實驗結果比對與分析31.3　無閥式薄膜微泵之流向元件建立與分析32.3.1　漸擴/漸縮管之無閥式薄膜微泵32.3.2　U型流道之無閥式薄膜微泵33.3.3　薄膜微泵加入流向元件之流量分析33.4　無閥式薄膜微泵之性能分析34.4.1　流向元件效率34.4.2　薄膜微泵效率35五章　結論與建議 36.1　結論36.2　建議與未來展望37考文獻39目錄1- 1　第一款使用被動逆止閥應用於微型泵內之設計。[1]421- 2　使用漸縮、漸擴管(nussle/diffuser)元件之無閥微泵。[3]421- 3　漸擴式閥門(diffuser-valve)。[5]431- 4　活門式導管(valvular-conduit)。[5]431- 5　串聯活門式導管。[6]441- 6　磁性微泵示意圖。[11]441- 7　熱氣泡致動微泵示意圖。[13]441- 8　壓電式薄膜微泵實驗原型。[23]451- 9　無閥薄膜微泵數值模擬流程圖452- 1　常見壓電片類型。462- 2　單邊擺動薄膜泵主腔室規格。462- 3　加入副腔室之單邊擺動薄膜泵。462- 4　使用漸擴/漸縮管元件之單邊擺動薄膜泵。472- 5　漸擴/漸縮管元件規格。472- 6　使用U型流道元件之單邊擺動薄膜泵。482- 7　U型流道元件規格。482- 8　主腔體積變化示意圖。492- 9　物體受力產生軸向與橫向應變示意圖。492- 10　實驗用圓柱狀PDMS。502- 11　簡易PDMS拉伸實驗之模擬結果(掛重258.9g)。503- 1　壓電效應示意圖。513- 2　位移式壓電片振動圖形。513- 3　應力式壓電片振動圖形。513-4　高速攝影機拍攝壓電片之圖片。523-5　無閥式微泵格點測試，網格固定位移法。523-6　無閥式微泵格點測試，壓電片固定應力法。533-7　固定頻率下無閥式微泵格點測試。534- 1　位移法無閥式微型泵主腔，數值模型。544- 2　應力法無閥式微型泵主腔，數值模型。544- 3　位移法薄膜泵出口端質量流率變化情形，150Hz。554- 4　應力法薄膜泵出口端質量流率變化情形，150Hz。554- 5　一單位計算時間內位移法薄膜泵質量流率變化情形，150Hz。564- 6　一單位計算時間內應力法薄膜泵質量流率變化情形，150Hz。564- 7　位移法微泵主腔流場，t=0.987數值結果。574- 8　應力法微泵主腔流場，t=0.987數值結果。574- 9　位移法微泵主腔流場，t=0.990數值結果。584- 10　應力法微泵主腔流場，t=0.990數值結果。584- 11　位移法微泵主腔流場，t=0.994數值結果。594- 12　應力法微泵主腔流場，t=0.994數值結果。594- 13　位移法微泵主腔流場，t=0.997數值結果。604- 14　應力法微泵主腔流場，t=0.997數值結果。604- 15　一單位計算時間內位移法壓電片最大振幅變化情形，150Hz。614- 16　一單位計算時間內應力法壓電片最大振幅變化情形，150Hz。614- 17　主腔流量與頻率之關係圖。624- 18　無閥式微型泵加入副腔，數值模型。624- 19　一單位計算時間內薄膜泵入口端質量流率變化情形，150Hz。634- 20　加入副腔薄膜泵出口端質量流率變化情形，150Hz。634- 21　一單位計算時間內加入副腔薄膜泵質量流率變化情形，150Hz。644- 22　加入副腔之無閥微泵流場，t=0.987數值結果。654- 23　Y方向截面副腔放大圖，t=0.987數值結果。654- 24　加入副腔之無閥微泵流場，t=0.990數值結果。664- 25　Y方向截面副腔放大圖，t=0.990數值結果。664- 26　加入副腔之無閥微泵流場，t=0.994 數值結果。674- 27　Y方向截面副腔放大圖，t=0.994數值結果。674- 28　加入副腔之無閥微泵流場，t=0.997 數值結果。684- 29　Y方向截面副腔放大圖，t=0.997數值結果。684- 30　一單位計算時間內壓電片與副腔薄膜最大振幅變化情形，150Hz。694- 31　一單位計算時間內正交化最大振幅變化情形，150Hz。694- 32　加入副腔前後頻率對流量關係圖。704- 33　正交化頻率與流量變化情形。704- 34　薄膜泵主腔出口端質量流率變化情形，130Hz。714- 35　薄膜泵主腔出口端質量流率變化情形，160Hz。714- 36　一單位計算時間內薄膜泵主腔質量流率變化情形，130Hz。724- 37　一單位計算時間內薄膜泵主腔質量流率變化情形，160Hz。724- 38　加入副腔薄膜泵出口端質量流率變化情形，130Hz。734- 39　加入副腔薄膜泵出口端質量流率變化情形，160Hz。734- 40　一單位計算時間內薄膜泵加入副腔質量流率變化情形，130Hz。744- 41　一單位計算時間內薄膜泵加入副腔質量流率變化情形，160Hz。744- 42　無閥式微型泵加入副腔，副腔寬度12mm，數值模型。754- 43　無閥式微型泵加入副腔，副腔寬度28mm，數值模型。754- 44　無閥式微型泵加入副腔，副腔深度2mm，數值模型。764- 45　不同副腔尺寸下，流量與頻率關係圖。764- 46　加入寬12mm副腔之無閥微泵流場，t=0.987數值結果。774- 47　Y方向截面寬12mm副腔放大圖，t=0.987數值結果。774- 48　加入寬12mm副腔之無閥微泵流場，t=0.990數值結果。784- 49　Y方向截面寬12mm副腔放大圖，t=0.990數值結果。784- 50　加入寬12mm副腔之無閥微泵流場，t=0.994數值結果。794- 51　Y方向截面寬12mm副腔放大圖，t=0.994數值結果。794- 52　加入寬12mm副腔之無閥微泵流場，t=0.997數值結果。804- 53　Y方向截面寬12mm副腔放大圖，t=0.997數值結果。804- 54　加入寬28mm副腔之無閥微泵流場，t=0.987數值結果。814- 55　Y方向截面寬28mm副腔放大圖，t=0.987數值結果。814- 56　加入寬28mm副腔之無閥微泵流場，t=0.990數值結果。824- 57　Y方向截面寬28mm副腔放大圖，t=0.990數值結果。824- 58　加入寬28mm副腔之無閥微泵流場，t=0.994數值結果。834- 59　Y方向截面寬28mm副腔放大圖，t=0.994數值結果。834- 60　加入寬28mm副腔之無閥微泵流場，t=0.997數值結果。844- 61　Y方向截面寬28mm副腔放大圖，t=0.997數值結果。844- 62　加入深2mm副腔之無閥微泵流場，t=0.987數值結果。854- 63　Y方向截面深2mm副腔放大圖，t=0.987數值結果。854- 64　加入深2mm副腔之無閥微泵流場，t=0.990數值結果。864- 65　Y方向截面深2mm副腔放大圖，t=0.990數值結果。864- 66　加入深2mm副腔之無閥微泵流場，t=0.994數值結果。874- 67　Y方向截面深2mm副腔放大圖，t=0.994數值結果。874- 68　加入深2mm副腔之無閥微泵流場，t=0.997數值結果。884- 69　Y方向截面深2mm副腔放大圖，t=0.997數值結果。884- 70　加入副腔之薄膜微泵數值模擬與實驗比較894- 71　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，數值模型894- 72　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，t=0.941數值結果。904- 73　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，t=0.942數值結果。904- 74　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，t=0.943數值結果。914- 75　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，t=0.947數值結果。914- 76　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，t=0.948數值結果。924- 77　無閥式微型泵加入漸擴/漸縮管，t=0.949數值結果。924- 78　無閥式微型泵加入U型流道，數值模型934- 79　無閥式微型泵加入U型流道，t=0.947數值結果。934- 80　無閥式微型泵加入U型流道，t=0.950數值結果。944- 81　無閥式微型泵加入U型流道，t=0.953數值結果。944- 82　無閥式微型泵加入U型流道，t=0.955數值結果。954- 83　無閥式微型泵加入U型流道，t=0.957數值結果。954- 84　無閥式微型泵加入U型流道，t=0.959數值結果。964- 85　加入各式流量元件之薄膜微泵流量與頻率關係圖。964- 86　加入各式流量元件之薄膜微泵流量與背壓關係圖。974- 87　薄膜微泵效率 (0.65W)。97目錄2- 1　PDMS 10：1硬化劑之材質特性。[24]982- 2　簡易PDMS拉伸實驗與模擬比較。983- 1　壓電片拍攝位移與應力對照表。994- 1　陳柏仁[23]設定之位移數據。994- 2　性能參數比較994980496 bytesapplication/pdfen-US微泵單邊擺動壓電效應PDMS流向元件MicropumpOne-side actuatingPiezoelectricFlow-direction devicethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187144/1/ntu-98-R96522107-1.pdf