Mikrofluidische Systeme manipulieren Fluide durch Mikrokanäle, die oft kleiner als ein menschliches Haar sind. Mikropumpen sind Schlüsselkomponenten dieser Systeme, deren Anwendungsbereiche von der Handhabung biologischer Fluide bis zur Kühlung mikroelektronischer Bauteile reichen. Multiphysik-Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, Mikropumpen mit der für den Bau in so kleinem Maßstab erforderlichen Präzision zu entwickeln.
Anmerkung der Redaktion: Die ursprüngliche Version dieses Beitrags wurde am 17. Juli 2015 veröffentlicht. Seitdem wurde er aktualisiert und um neuen Text sowie neue Versionen der Modellbilder ergänzt.
Herausforderungen beim Design von Mikropumpen
Die Manipulation von Fluiden durch Mischen, Trennen und Pumpen durch Mikrokanäle stellt bestimmte Herausforderungen an das Design. Ingenieure müssen Mikropumpen entwickeln, die den Anforderungen an Miniaturgröße entsprechen und dennoch eine optimale Leistung bieten. Ventillose Pumpen werden häufig für Mikropumpenanwendungen gewählt, da sie einfach aufgebaut sind und biologisches Material schonen. Es ist jedoch schwierig, ohne die Rückschlagventile einer herkömmlichen Pumpe eine konstante, unidirektionale Strömung zu steuern. Ventillose Mikropumpen sind stattdessen auf die Wechselwirkung zwischen der Geometrie des Mechanismus und dem Fluid angewiesen, um einen unidirektionalen Fluss zu erreichen. Aus diesem Grund sind ventillose Pumpenkonstruktionen für Fluide mit einer niedrigen Reynolds-Zahl oder bei Anwendungen mit viskosen Fluiden, kleinen Längenskalen oder niedrigen Durchflussraten unwirksam. Veryst Engineering, ein COMSOL Certified Consultant, hat ein Modell eines ventillosen Mikropumpenmechanismus entwickelt, das diese Designeinschränkung überwindet.
In Verysts Modell erzeugt die Mikropumpe eine oszillierende Fluidbewegung, die beispielsweise durch einen hin- und hergehenden Pumpmechanismus induziert wird. Das Fluid gelangt in einen horizontalen Kanal mit biegsamen Mikroklappen, die in einem schrägen Winkel auf beiden Seiten der Mikropumpe positioniert sind. Die Mikroklappen biegen sich als Reaktion auf die Bewegung des Fluids, was zu einer unidirektionalen Strömung führt, ohne dass die komplizierten synchronisierten Betätigungsmechanismen verwendet werden müssen, die in einem ventilbasierten System erforderlich wären.
Die Geometrie des Mikropumpen-Tutorials.
Bewertung der Leistung der Mikropumpe mithilfe von Simulationen
In diesem Modell ist die Reynolds-Zahl auf 16 festgelegt, es ist jedoch auch für Reynolds-Zahlen deutlich unter 1 gültig. Das Interface Fluid–Structure Interaction in der Software COMSOL Multiphysics® wird verwendet, um die eingegebene oszillierende Strömung sowie die Eigenschaften der Mikroklappen festzulegen und anschließend die Reaktion der Klappen und die Auswirkungen auf die Strömung zu berechnen. Das Interface Global ODEs and DAEs berechnet das gepumpte Nettovolumen als Funktion der Zeit während eines zweisekündigen Pumpzyklus.
Die Simulation beginnt mit dem Abwärtshub der Mikropumpe, bei dem die Mikropumpe Fluid in die vertikale Kammer drückt. Dadurch wird die Mikroklappe auf der rechten Seite nach unten gebogen und die Mikroklappe auf der linken Seite nach oben gekrümmt. In dieser Position behindert die linke Mikroklappe den Fluss nach links, und der Flusskanal auf der rechten Seite wird verbreitert. Diese Anordnung bewirkt, dass der größte Teil des Fluids nach rechts fließt, da dies der Weg des geringsten Widerstands ist.
Der Betrag der Geschwindigkeit, das Geschwindigkeitsfeld und die von-Mises-Spannung werden während des Pumpenhubs nach unten gemessen, bei dem der Großteil des Fluid nach rechts gedrückt wird.
Während des Pumpenhubs wird Fluid in die vertikale Kammer gepumpt. Dieser Fluss aus dem Hub bewirkt, dass sich die Mikroklappen in die entgegengesetzte Richtung wie beim Hub nach unten biegen. Diese Verschiebung ändert nichts an der Richtung des Nettoflusses, da nun der Großteil des Fluids vom Einlass auf der linken Seite in den Flusskanal gesaugt wird.
Bei 0,76 Sekunden wird die Flüssigkeit nach oben gezogen, und der größte Teil fließt während des Pumpenhubs nach oben aus dem Einlass auf der linken Seite.
Aufgrund der natürlichen Verformung der Mikroklappen durch das bewegte Fluid erzeugten beide Phasen eine Nettoflussrate von links nach rechts. Doch wie gut gelang es dem Mikropumpmechanismus, diesen Fluss über den gesamten Simulationszeitraum aufrechtzuerhalten?
Das Nettovolumen des Fluids, das von links nach rechts gepumpt wird, als Funktion der Zeit.
Während des zweisekündigen Tests wurde das von links nach rechts gepumpte Nettovolumen kontinuierlich erhöht, wobei während der Spitzen der Hubgeschwindigkeit eine höhere Nettodurchflussrate erzielt wurde. Dies zeigt, dass das ventillose Mikropumpenmodell auch bei einer so niedrigen Reynolds-Zahl effektiv arbeiten kann und damit eine bei vielen ventillosen Mikropumpen übliche Grenze überwindet.
Dieser ventillose Mikropumpenmechanismus könnte in Zukunft vielfältige Anwendungsmöglichkeiten finden, darunter auch als Fluidzufuhrsystem. In einem solchen Szenario könnte ein Mikropumpenmechanismus Flüssigkeit aus einem Tropfenreservoir auf der linken Seite aufnehmen und über einen mikrofluidischen Kanal zu einem Auslass auf der rechten Seite befördern.
Nächste Schritte
In diesem Blog-Beitrag haben wir lediglich eine Reihe von Simulationsergebnissen gezeigt. Durch Experimentieren mit dem von Veryst Engineering erstellten Tutorial-Modell können Sie visualisieren, wie eine ventillose Mikropumpe in verschiedenen Szenarien funktioniert.
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