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무밸브 마이크로 펌프의 성능평가를 위한 3차원 전기-유체-구조 상호작용 해석
Three Dimensional Electro-Fluid-Structural Interaction Simulation for Pumping Performance Evaluation of a Valveless Micropump 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.8, 2009년, pp.744 - 750  

팜마이 (건국대학교 신기술융합학과 대학원) ,  판반푸억 (건국대학교 신기술융합학과 대학원) ,  한철희 (충주대학교 항공.기계설계학과) ,  구남서 (건국대학교 신기술융합학과)

초록
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본 논문에서는 압전 작동기로 구동되는 무밸브 마이크로 펌프의 펌프 성능을 계산하였다. 선행연구에서 개발된 마이크로 펌프는 4층의 경량 압전 복합재료 작동기, PDMS로 된 챔버와 2개의 디퓨져로 이루어져 있다. 유한요소 해석압전 영역, 구조 영역 및 유체 영역을 완전 연성하여 수행되었다. 구조 및 압전 영역의 해석은 ANSYS를 사용하였으며, 유체영역의 해석은 ANSYS CFX를 사용하여 수행하였다. 작동 주파수가 10 Hz와 40 Hz인 경우에 대한 해석을 수행하여 작동 주파수가 유동 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 300 Hz까지의 유동 해석을 통하여 작동 주파수에 따른 유량을 계산하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the pumping performance of a piezoelectric valveless micropump is simulated. The micropump, which was developed in the previous work, is composed of a four-layer lightweight piezocomposite actuator, a polydimethylsiloxane (PDMS) pump chamber, and two diffusers. The piezoelectric domai...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서 해석 대상으로 고려한 무밸브 마이크로 펌프는 이전 연구 [6]에서 개발한 것이다. 단일 PZT의 작동 성능을 향상시킨 압전-복합재료 작동기 LIPCA를 다이아프램으로 사용하였으며, 사진전사법과 PDMS 몰딩법으로 제작하였다.
  • 본 연구에서는 ANSYS와 ANSYS CFX를 사용하여 전기-유체-구조를 연계한 무밸브 마이크로 펌프의 해석을 통하여 여러 가지 조건 하에서 마이크로 펌프의 성능에 대한 연구를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 평균유동이 경계면에서의 속도와 작동주파수에 의존함을 알 수 있었다.
  • 마이크로 펌프에서 가장 중요한 특성 중 하나는 유랑과 작동주파수 사이의 관계이다. 본 연구에서는 일정한 전압 하에서 주파수의 변화에 따른 유량의 변화를 계산하였다. 이때 인가된 전압은 200 Vp-p이다.

가설 설정

  • 는 최대전압이고 ω는 작동주파수이다. LIPCA가 유연한 PDMS에 부착이 되어 있으므로, 원형의 LIPCA경계는 단순지지 되어 있다고 가정하였다.
  • 유동은 3차원 층류 유동이며, 온도에 따라 유체의 물성치가 변하지 않는다고 가정하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
소형화된 통합 화학 분석 시스템을 개발하기 위해서는 어떠한 기술의 개발이 필요합니까? 최근 의공학 및 공학 분야에서 필요로 하는 소형화된 통합 화학 분석 시스템(micro-total analysis system, μ-TAS)을 개발하기 위해서는 먼저 소량의 유체를 정확한 양으로 처리할 수 있으며, 반응조건의 제어가 용이하고, 소량의 동력만을 필요로 하고, 전기장, 열, 초음파 등의 비전통적인 방법에 의하여 유체를 다룰 수 있는 기술의 개발이 필요하다[1]. 마이크로 펌프는 마이크로 밸브 등과 함께 소형화된 μ-TAS에 이용되는 핵심 요소 중 하나이다.
마이크로 펌프의 작동원리로는 어떠한 방법이 사용됩니까? 마이크로 펌프의 작동 원리로는 전기장 또는 자기장으로 다이아프램을 구동시켜 유체를 이동 시키는 능동적 방법과 삼투압이나 모세관 현상을 이용하는 수동적 방법을 사용되고 있으며 그 중에서 가장 널리 사용된 것은 압전 작동기를 사용하는 능동적 방법이다[2,3].
무밸브 마이크로 펌프의 장점은 무엇입니까? 무밸브 마이크로 펌프는 디퓨져/노즐을 사용하는 펌프로 밸브가 필요 없으며 기하학적 구조를 이용하여 유체가 흐르는 방향을 설계한 펌프이다. 체크밸브와 같은 복잡한 구조물이 필요 없기 때문에 펌핑의 신뢰도가 높다는 장점을 가진다[1]. 그러나 무밸브 마이크로 펌프는 역류현상을 완전하게 제거하기가 어려우며 이 때문에 무밸브 마이크로 펌프를 개발하기 위해서는 펌프의 성능예측 및 설계를 위한 수치해석 연구가 필요하다.
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참고문헌 (9)

  1. 김도현, “마이크로플루이딕 시스템 현황”,화학공학, 제 42권 제 4호, pp. 375-386, 2004.8 

  2. P. Woias, "Micropumps-past, progress and future prospects", Sensors and Actuators B, 105, pp. 28-38, 2005. 

  3. N.T. Nguyen, Xiaoyang Huang, Toh Kok Chuan, “MEMS-Micropumps: A Review”, ASME, Vol. 124, 2002.6. 

  4. K. J. Yoon, S. S. Shin, H. C. Park and N. S. Goo, "Design and Manufacturing of LIghtweight Piezo-composite Curved Actuator", Smart Materials and Structures, Vol. 11, pp. 163-168, 2002. 

  5. K. Mossi, Z. Ounaies, R. Smith and B. Ball, "Pre-stressed Curved Actutors: Characterization and Modeling of their Piezoelectric Behavior", Proceeding of SPIE's 10th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, San Diego, 2003. 

  6. 구옌탄텅, 구남서, “원형 경량 압전 복합재료작동기를 이용한 마이크로 펌프의 개발”, 한국항공우주학회지, 제 34권 6호, pp. 35-41, 2006. 6. 

  7. James Nabity, "Modeling an ElectrostaticallyActuated MEMS Diaphragm Pump",ASEN 5519 Fluid-Structures Interactions, 2004.4 

  8. M.M. Athavale, H.Q. Yang, and A.J.Przekwas, "Coupled Fluid-Thermo-StructuresSimulation Methodology for MEMS Applications",CFD Research Corporation, 1997. 

  9. Documentation for ANSYS: Coupled FieldAnalysis Guide. 

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